KR20160144013A - 전력손실 저감을 위한 인버터 및 전력변환기의 제어방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일실시예에 따른 전력손실 저감을 위한 인버터 및 전력변환기의 제어방법은 인버터를 구비하여 전동기를 제어하는 방법에 있어서, 상기 전동기의 절연저항을 측정하여 기준값과 소정의 오차 범위 이내인 경우 상기 전동기를 기설정된 시간이상 정상운전한 후 기준온도를 설정하고, 공급전압 및 전류에 기초하여 소비전력 절감운전 대상인지를 판단하는 단계; 상기 전동기가 소비전력 절감운전 대상인 경우, 부하율에 따라 상기 공급전압을 조절하여 상기 전동기를 소정시간 구동한 후 부하전류 및 기준온도의 변동량을 검출하여 최소 공급전압으로 조절하는 단계; 및 상기 인버터의 링크전압을 검출하여 기설정된 링크전압 최대값을 비교하고, 상기 검출된 링크전압이 상기 기설정된 링크전압 최대치인 경우에는 기저전압을 최소로 조절하여 상기 전동기의 운전을 종료하는 단계를 포함하며,
공급전압의 파고치를 낮춤으로 고조파의 저감으로 인한 전력손실 및 노이즈를 저감할 수 있고, 각종 손실에 의해 IGBT 모듈에 발생하는 열과 그 발열에 기인한 손실을 줄일 수 있다.

Description

전력손실 저감을 위한 인버터 및 전력변환기의 제어방법 및 장치{Control Method and Device for controlling Inverter and Power Converter for Power Saving}

본 발명은 전력손실 저감을 위한 인버터 및 전력변환기의 제어방법 및 장치에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 PWM 방식 인버터 및 전력 변환기에서 IGBT 모듈에 공급되는 DC Link 전압을 가변함으로써, IGBT 모듈의 손실 에너지, 전동기의 무부하 손실을 저감하기 위한 인버터 및 전력변환기의 제어방법 및 장치에 관한 것이다.

산업현장에서 다양하게 사용되는 각종 인버터 및 서보드라이버 등의 전력변환기기에서 IGBT 모듈에 공급되는 DC Link 전압 제어방식에 관한 것으로써, 서보드라이버의 IGBT 모듈에 실질적으로 공급해야 할 전압보다 높은 전압이 공급될 경우 IGBT 모듈의 자체전력손실 및 손실에 의한 발열은 물론, 변압기의 전력손실 이외에도 변압기 설치장소에 불편을 준다.

종래에 고효율 인버터는 주파수를 낮춤으로써 에너지를 절감하였지만 이때, 대상기기의 운전특성 때문에 회전속을 줄일 수 없는 경우에는 적당한 절감 효과를 주지 못할 수 있고, 기저전압을 감소시켜서 부하에 흐르는 전류를 감소시키는 경우에도 인버터 자체의 손실만 증가할 뿐, 입력전원측의 전류는 감소가 적기 때문에 전력손실절감의 큰 효과를 주지 못한다.

이외에도 인버터를 사용하지 않는 전동기의 제어방식 중, 종래에 전동기 용량을 설계할 때에 설치조건에 따른 적합한 안전율을 적용하였지만 경우에 따라 정상치보다 여유 있게 설계되어 불필요한 무효전력이 에너지에 포함되어 있고, 향후 설치될 전동기들도 그러할 가능성이 있다.

본 발명의 목적은, 전력변환장치로 사용되는 IGBT 모듈에 공급되는 DC Link 전압을 조절하는 방식으로써 전력손실 저감을 위한 인버터 및 전력변환기의 제어방법 및 장치를 제공하는 것이다.

또한 본 발명의 목적은, 인버터를 사용하지 않는 전동기의 구동방식에서 실부하보다 큰 용량으로 운전되는 전동기에서 불필요하게 낭비되는 무효전력 등의 손실을 전력변환기에 의해 저감 시키기 위한 인버터 및 전력변환기의 제어방법 및 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 일실시예에 따른 전력손실 저감을 위한 인버터 및 전력변환기의 제어방법은 인버터를 구비하여 전동기를 제어하는 방법에 있어서, 상기 전동기의 절연저항을 측정하여 기준값과 소정의 오차 범위 이내인 경우 상기 전동기를 기설정된 시간이상 정상운전한 후 기준온도를 설정하고, 공급전압 및 전류에 기초하여 소비전력 절감운전 대상인지를 판단하는 단계; 상기 전동기가 소비전력 절감운전 대상인 경우, 부하율에 따라 상기 공급전압을 조절하여 상기 전동기를 소정시간 구동한 후 부하전류 및 기준온도의 변동량을 검출하여 최소 공급전압으로 조절하는 단계; 및 상기 인버터의 링크전압을 검출하여 기설정된 링크전압 최대값을 비교하고, 상기 검출된 링크전압이 상기 기설정된 링크전압 최대치 인경우에는 기저전압을 최소로 조절하여 상기 전동기의 운전을 종료하는 단계를 포함한다.

본 발명의 일실시예에 따른 전력손실 저감을 위한 인버터 및 전력변환기의 제어방법은 상기 절감운전을 수행 후 운전종료하고, 무부하 상태에서 전원전압과 링크 전압을 비교하여 콘덴서의 수명을 예측하는 단계; 및 상기 절감운전을 시행한 동안 누적된 절감전력과 이것을 금액으로 환산하여 표시하는 단계를 더 포함한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 전력손실 저감을 위한 인버터 및 전력변환기의 제어방법은 인버터를 구비하여 전동기를 제어하는 방법에 있어서, 상기 전동기의 절연저항을 측정하여 기준값과 소정의 오차 범위 이내인 경우, 전원전압의 불평형된 상전압이나 선간전압을 위상제어로 평형되게 조정하여 상기 전동기를 기설정된 시간이상 정상운전한 후 기준온도를 설정하고, 공급전압 및 전류에 기초하여 소비전력 절감운전 대상인지를 판단하는 단계; 및 상기 전동기가 소비전력 절감운전 대상인 경우, 3상 전력의 균형에 맞도록 상기 전원전압을 재조정하고, 부하율에 따라 상기 공급전압을 조절하여 상기 전동기를 소정시간 구동한 후 부하전류 및 기준온도의 변동량을 검출하여 최소 공급전압으로 조절하는 단계를 포함한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 전력손실 저감을 위한 인버터 및 전력변환기의 제어방법은 상기 절감운전을 수행 후 운전종료하고, 무부하 상태에서 전원전압과 링크 전압을 비교하여 콘덴서의 수명을 예측하는 단계; 및 상기 절감운전을 시행한 동안 누적된 절감전력과 이것을 금액으로 환산하여 표시하는 단계를 더 포함한다.

본 발명의 일실시예에 따른 전력손실 저감을 위한 인버터 및 전력변환기의 제어장치는 인버터를 구비하여 전동기를 제어하는 장치에 있어서, 상기 전동기의 절연저항을 측정하여 기준값과 소정의 오차 범위 이내인 경우 상기 전동기를 기설정된 시간이상 정상운전한 후 기준온도를 설정하고, 공급전압 및 전류에 기초하여 소비전력 절감운전 대상인지를 판단하는 절감운전 판단부; 상기 전동기가 소비전력 절감운전 대상인 경우, 부하율에 따라 상기 공급전압을 조절하여 상기 전동기를 소정시간 구동한 후 부하전류 및 기준온도의 변동량을 검출하여 최소 공급전압으로 조절하는 공급전압 조절부; 및 상기 인버터의 링크전압을 검출하여 기설정된 링크전압 최대값을 비교하고, 상기 검출된 링크전압이 상기 기설정된 링크전압 최대치 인경우에는 기저전압을 최소로 조절하여 상기 전동기의 운전을 종료하는 제어부를 포함한다.

본 발명의 일실시예에 따른 전력손실 저감을 위한 인버터 및 전력변환기의 제어장치는 상기 절감운전을 수행 후 운전종료하고, 무부하 상태에서 전원전압과 링크 전압을 비교하여 콘덴서의 수명을 예측하는 수명 예측부; 및 상기 절감운전을 시행한 동안 누적된 절감전력과 이것을 금액으로 환산하여 표시하는 요금 산출부를 더 포함한다.

본 발명의 일실시예에 따른 전력손실 저감을 위한 인버터 및 전력변환기의 제어방법 및 장치는 폭 넓은 전원전압을 선택할 수 있게 하며, 전동기 등 부하기기의 주파수를 낮춤으로서 부하전력을 저감하는 종래의 에너지 절감방식과 다르게 부하기기에 적당한 낮은 전압을 IGBT 모듈에 공급하여 부하에 흐르는 전류도 저감함으로써 2차적으로 전력손실을 절감시키고, 각종 손실에 의해 IGBT 모듈의 발열도 줄이는 효과가 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 전력손실 저감을 위한 인버터 및 전력변환기의 제어방법 및 장치는 인버터 자체 및 전동기의 무효전력의 절감량과 절감금액, 전동기의 누설을 예측할 수 있는 절연저항을 표시하고, 평활콘덴서의 수명을 예측하여 교체시기 등을 상시 표시함으로써 사용자에게 관리의 편리성을 제공하는 효과가 있다.

본 발명의 또다른 실시예에 따른 전력손실 저감을 위한 인버터 및 전력변환기의 제어방법 및 장치는 인버터를 사용하지 않고 전력변환기 등에 의해 구동되는 전동기에서 실부하보다 큰 용량으로 운전되는 전동기가 불필요하게 낭비하는 무효전력 등의 손실을 저감시키는 효과가 있다.

도 1은 AC 3 상 인버터의 기본적인 회로도이고,
도 2는 PWM (Pulse Width Modulation 펄스폭 변조) 방식을 도시한 것이고,
도 3은 본 고안의 일실시예에 따른 인버터의 회로도이고,
도 4는 IGBT의 등가회로도 이고,
도 5는 IGBT 의 동작특성을 도시한 것이고,
도 6은 궤환다이오드의 전압 전류 파형을 도시한 것이며,
도 7은 제 3차 고조파가 주입된 변조신호기법을 도시한 것이고,
도 8은 3상 정류파형을 비교한 시뮬레이션이며,
도 9는 전동기 운전 중의 전압 및 주파수 변동에 관한 법령을 도시한 것이고,
도 10은 인버터의 에너지 절감실시 순서도이며,
도 11은 에너지 절감방식을 적용한 전력변환기의 구성이며,
도 12는 전력변환기의 에너지 절감실시 순서도이다.

이하, 본 고안의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 고안을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 고안의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략하며, 단수로 기재된 용어도 복수의 개념을 포함할 수 있다. 또한, 이하에서 본 고안의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 고안의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.

1. 인버터의 기본손실

도 1은 일반적인 AC 3 상 인버터의 기본적인 회로도이다. 도 1에 있어서, 도면번호 101은 단상 또는 3 상의 AC 전원전압이 공급되는 단자이며, 입력된 AC 3 상 전원전압은 도면번호 102의 6 개의 다이오드에서 전파로 정류되어 도면번호 105의 평활콘덴서를 거쳐서 도면번호 106 의 IGBT(Insulated gate bipolar transistor, 절연 게이트 바이폴러 트랜지스터) 모듈에 공급된다.

통상적으로 인버터는 도 2와 같이 도 1의 도면번호 104 의 IGBT 모듈로 정류기 공급전압

의 크기는 변화시키지 않고, 인버터 출력파형의 반주기 내의 펄스를 복수개로 분할하여 각각의 펄스폭을 제어함으로써 출력전압을 제어한다.

도 2를 참조하면, 반송주파수

가 반주기당 펄스수

를 결정하며 변조지수는 출력전압을 제어하는데, 반주기당 펄스의 수는 식 1과 같다.

------------------(식 1)

여기서

로서 주파수 변조비이고, δ는 각 펄스의 폭이다.

이때 실효출력전압

와 직류전압

은 다음과 같다.

------(식 2)

도 4는 IGBT 의 등가회로이며 IGBT 는 MOSFET, BJT, GTO사이리스터의 장점을 결합한 저포화 전압특성을 지닌 일종의 하이브리드 (hybrid) 소자로써, 게이트 - 에미터간의 ±10 ~ 15V 정도의 입력 신호에 의해서, 대전력의 고속 스위칭이 가능하기에 많은 산업분야에서 사용되고 있으며, 주된 손실은 다음과 같다.

도 5는 IGBT 의 동작특성을 나타낸 것으로써, 도면번호 501 의 스위칭 시에 발생하는 삼각형에 해당하는 부분의 턴온 손실, 도면번호 502 의 턴오프 손실과, 도면번호 503 의 온저항에 의한 포화전압

로 발생하는 도통손실과, 도면번호 504 의 누설전류에 의한 오프손실로 나누어진다.

가. IGBT 의 턴온 손실

턴온 손실과 턴오프 손실은 서로 다르며 스위칭 주파수와 부하전류에 비례하고 다음 식으로 표시할 수 있다.

동안 순시전력 손실:

----------------(식 3)

여기서

는

에 비례한다

나. 턴오프 손실

동안 순시전력 손실:

------------(식 4)

여기서

는

에 비례한다

다. IGBT 의 도통시간(DT_S) 동안 도통 손실

IGBT 의 ON 상태에서 컬렉터 - 이미터 포화전압에 의하여 발생하는 손실이다

------------------(식 5)

라. 오프 손실

IGBT 의 OFF 상태에서 누설전류에 의하여 발생하는 손실이다.

-----------------(식 6)

여기서,

는 컬렉터 이미터 간 포화전압이고

에 비례한다,

는 컬렉터 피크치 전류이다.

또한, 도 6은 도 4의 도면번호 401 과 같이 IGBT 에 역병렬 접속된 궤환다이오드의 턴오프 시의 전압 전류 파형이며, 전동기가 회생동작할 때 도통이 되는데 온저항에 의한 정상손실인 도통손실과, 스위칭에 의한 역회복 손실로 나누어진다.

마. FWD 의 도통손실

도통손실은 다이오드가 순방향으로 전류가 흐르는 동안 자체적으로 소비되는 전력이며 다음 식으로 나타낸다.

--------------(식 7)

바. FWD 의 역회복 손실

도 6의 도면번호 601 의 삼각형에 해당하는 부분이 스위칭 손실에 해당된다. 순바이어스 상태의 다이오드에 급격하게 역바이어스가 걸리면 저항이 제로인 상태를 거쳐서 본래의 고저항 상태로 된다. 이 과도상태의 기간은 역회복 시간 (스위칭 시간)이며, 이것은 턴온시간이 턴오프시간에 비하여 매우 짧으므로 역회복 손실은 턴오프 시에만 고려한다.

--------------(식 8)

이와 같이 각종 손실은 Link 전압

와 비례하게 된다.

2. 인버터의 기본개요에 따른 손실측정

표 1은 인버터에 3상 1Hp 전동기를 부하로 걸고, 1차 공급전압 380 V 를 전력변환기에 의하여 단계적으로 20V 단위로 감소시킨 경우이다. 표 2는 인버터에 공급되는 1차 전압은 380 V로 고정하고, 인버터 내부의 설정데이터 중에 기저주파수에 대한 최대 전압비율를 이용하여 전동기에 공급되는 전압을 20V 단위로 낮추어 단계적으로 감소시킨 경우이다. 양자를 비교하면 다음과 같은 차이를 보이고 있다.

인버터 1차 전압 가변 (1차 전압 380 V)

인버터 1차측 전압가변 (V)	전력변환기 1차측 전류 (A)	인버터 출력전압(V)	1차측 전력 (W)	절감량 (W)	절감율 (%)	인버터 출력 (W)	전력변환기 자체손실 (W)
380	1.26	374	531			522	8
360	1.13	351	451	80	85	440	11
340	1.1	328	415	116	78	400	15
320	1.12	312	397	133	75	387	10
300	1.23	288	409	122	77	393	16
280	1.33	275	413	118	78	405	8

여기서, 인버터 1차측 전압가변(V)은 인버터에 공급되는 전원전압을 가변한 것을 의미하고, 전력변환기 1차측 전류(A)는 전력변환기 전원단 전류를 의미하고, 인버터 출력전압은 인버터의 IGBT 후단에서 전동기에 공급되는 전압이고, 1차측 전력(W)은 인버터 1차측 전압과 전력변환기 1차측 전류의 곱이다. (단, 단순계산을 위하여

에서 역율 0.8 효율 0.8 적용)

절감량(W)은 정격 380 V 보다 낮은 전압에서 절감된 전력이고, 절감율(%)은 정격 380 V 보다 낮은 전압에서 절감된 전력비율이고, 인버터 출력(W)은 인버터 출력전압과 전력변환기 1차측 전류의 곱이다.(단, 단순계산을 위하여

에서 역율 0.8 효율 0.8 적용) 전력변환기 자체손실(W)은 1차측 전력과 인버터 출력의 차이다.

표 1에서와 같이 공급전압을 300 V 로 낮추었을 때부터, 슬립의 증가로 인한 부하전류가 증가하면서 절감량이 줄어든 결과를 보이고 있다. 이것은 본 실험에서처럼 정격용량 750 W 의 전동기에 약 70 % 부하를 걸었을 경우, 약 15 %의 낮은 전압을 공급할 때 약 25 %의 절감효과를 보이고 있다.

인버터 전동기 공급전압 가변 (1차 전압 380 V)

전동기 전압가변 (V)	인버터 1차측 전류 (A)	인버터 출력전압(V)	1차측 전력 (W)	절감량 (W)	절감율 (%)	인버터 출력 (W)	인버터 자체손실 (W)
380	1.28	380	539			539
360	1.2	360	505	34	94	479	27
340	1.2	340	505	34	94	452	53
320	1.12	320	472	67	88	397	74
300	1.12	300	472	67	88	372	99
280	1.12	280	472	67	88	348	124

여기서, 전동기 전압 가변(V)은 인버터 내부데이터에서 기저주파수의 파라미터 변경에 의하여 전동기에 공급하는 전압의 가변을 의미하고, 인버터 1 차측 전류 (A)는 인버터 전원단 전류이고, 인버터 출력전압은 인버터의 IGBT 후단에서 전동기에 공급되는 전압이고, 1차측 전력(W)은 인버터 1차측 공급전압과 인버터 1차측 전류의 곱이다.(단, 단순계산을 위하여

에서 역율 0.8 효율 0.8 적용)

절감량(W)은 정격보다 낮은 전압에서 절감된 전력이고, 절감율(%)은 정격 380 V 보다 낮은 전압에서 절감된 전력비율이고, 인버터 출력(W)은 인버터 출력전압과 인버터 1차측 전류의 곱이다.(단, 단순계산을 위하여

에서 역율 0.8 효율 0.8 적용) 인버터 자체손실(W)은 1차측 전력과 인버터 출력의 차이다.

이와 같이 표 2 에서 전동기에 공급되는 전압을 인버터 내부의 파라미터 설정에 의하여 줄임으로써, 인버터 출력은 전동기 공급전압의 비율대로 감소시킬수록, 1차측 전력과 비교한 인버터의 자체손실이 증가한 것은 식3 내지 식8에서와 같이

가 일정함에 따라 IGBT 모듈 등의 각종 자체손실에 의한 것이다.

이 자체손실에는 의당 전동기의 무효전력 손실이 포함된 것이며, 또한 전동기 공급전압을 최초 380 V 로 하였을 때도 1차측 전력에는 인버터의 자체손실이 다분히 포함되어 있지만, 본 고안에서 절감의 대상은 인버터의 자체손실과 전동기의 무효전력을 합한 것이기 때문에 별도로 구분하지 않았다.

또한 표 1, 표 2에서 정격주파수는 60 Hz를 고정으로 하였는데, 통상적으로 주파수를 낮게 공급하는 만큼 전동기의 공급전압은 정비례로 감소하게 되며, 이것은 종래에 산업전반에서 인버터로 주파수를 낮추어 적용하고 있듯이 전동기에 전압을 적당한 수준으로 낮게 공급하여도 전동기는 무리 없이 정상적으로 가동함을 의미한다.

3. 고조파주입변조 방식에 의한 절감

이와 같이 손실을 줄이기 위한 여러 가지 방법 중에는 인버터의 여러가지 변조방식 중에, 통상적으로 사용되는 고조파 주입변조방식을 적용하면 전력손실을 일부 절감할 수 있다.

도 7은 제 3차 또는 3차와 9차 고조파가 주입된 변조신호기법으로써, 상적으로 기존의 정현파 변조방식 (Sinusoidal PWM : SPWM ) 과 비교했을 때, 15.5 %의 선형변조영역을 확장할 수 있는 방식으로, 지령전압에 더해준 3차 고조파성분은 3상 전동기에서, 그 중성점이 외부회로와 연결되지 않은 경우에는 전동기의 성능에 영향을 주지 않기 때문에, 각 IGBT 와 궤환다이오드 소자에서 손실되는 에너지를 절감할 수 있다.

도 7의 전압변조영역에서와 같이 고조파주입변조방식의 최대 상전압은 공간벡터 전압변조방식에서의 최대전압 변조지수와 동일하며 이것을 SPWM과 비교해보면

SPWM =

, 고조파 주입변조방식 =

이며

SPWM 에 AC 380 V 를 공급하여 최대선형변조한 상전압의 최대값은

가 되고, 고조파 주입변조방식은

가 된다.

통상적으로 기저전압의 파고치가 정상적인 실효치를 만들기 위한 실효치의

배가 필요한 것을,

의 전압만 공급하면 되고, 3차 고조파 외에 9차 고조파를 추가 주입하는 방식도 적용이 가능하다.

이로써 통상적으로 각종 인버터의 정류회로에서 SCR 등의 전력반도체를 사용하여 Link 전압을 감소시킴으로써, 근본적으로 손실되는 에너지를 절감할 수 있게 된다.

4. 고효율 인버터 관련

인버터에 의한 에너지절감의 경우, 통상적으로 당해 기술자들이 고효율 인버터에서처럼, 회전속을 증가하지 못하도록 차단하거나 회전속을 줄여서 에너지절감을 수행한다.

정부의 지원을 받는 고효율 인버터의 절감방식은 송풍기나 펌프와 같은 자승저감토크부하에 적용되는 것으로써, 인버터 출하 시에 최대주파수를 50 ~ 55 Hz 로 고정시켜서 사용자가 임의적으로 전동기의 속도를 높일 수 없게 하는 방식이다.

식 24

에서와 같이 축동력의 회전수를 감소시킴에 따라 에너지가 절감되는 것이기에, 정부에서 고시한 것처럼 기존사용주파수 60 Hz를 50 ~ 55 Hz 로 낮출 수 있는 경우에만 가능한 방식이다.

이것은 다음과 같은 사유로 모든 전동기에 적용하기 어렵다.

송풍기나 펌프 등은 설계 시에 여유율을 두는 것은 전동기의 소요동력이며,

회전수는 슬립 3~4 %를 감안한 60 Hz 로 설계한다.

이때 식 9에서와 같이 펌프의 회전수를 2배로 변화시키면 양수량은 2배, 양정은 4배, 동력은 8배가 된다.

,

,

------- (식 9)

여기서

는 펌프의 양수량이며,

는 양정,

는 펌프의 효율

즉, 회전수를 감소시킨 만큼 동력은

배가 절감되는 대신 펌프의 가장 중요한 성능인 양수량과 양정이 적어지므로 무리한 감속은 생산성에 지장을 주게 되며, 또한 고효율인버터를 포함한 인버터의 주파수 감소에 의해 절감되는

에너지는 식 24인

와는 차이가 있다

그것은 약 5 % 의 인버터의 자체손실 때문인데, 특히 주파수를 감소할 때 전동기전압도 비례적으로 감소를 하지만 식 2의

에서처럼

는 변하지 않기 때문에 식 3 ~ 8 의 각종손실들이 주파수가 감소한 만큼 줄어들지 않는다.

본 발명은 전동기에 공급되는 주파수의 감소비율에 따라 전력용반도체에 의하여 Link 전압

를 비례적으로 감소시킴으로써 감소하는 만큼의 손실 즉, 인버터 자체 손실 및 무부하 손실을 절감하는 방식이다. 이는 종래의 고효율 인버터 등의 제어방식에서 주파수가 감소함에 따라 전동기 공급전압이 감소한 만큼 손실이 줄어들지 않는 단점을 개선한 것이다.

하지만 여기서

를 주파수에 따라 비례적으로 감소시키면서 주파수 감소에 따른 실효값

가 도 2 에서처럼 펄스폭 δ의 감소에 따르는 것을 고려하여야하며, 이것은 다시 슬립의 증가와 함께 고려되어야하는데 이것을 본 발명에서는 인버터로 제어되는 각개 전동기의 고유한 부하율이라 표현한다.

5. 콘덴서 수명 관련

인버터의 평활콘덴서는 전해액의 변질, 돌입전류 및 주변온도에 의한 열화 등으로 Capacitance 가 감소하면서 리플이 증대되고, 이에 따른 실효치 전압도 감소하는 경향이 있는데, 통상적으로 콘덴서의 용량이 25 % 감소하게 되면 콘덴서의 교체주기를 의미한다.

콘덴서의 정격전압 및 용량은 SCR 의 지연각에 따른 리플증대를 고려하여 전원전압의 최대치로 정해야한다. 콘덴서의 용량은 전류리플과 전압리플 사양에 의거하여 정해지며, 콘덴서의 rms 전류는 변조율, 위상천이각도, 출력전류의 크기에 따라 정해진다.

도 8은 정류회로의 파형을 시뮬레이션한 결과이며, 상측의 도 8(A)는 통상 사용하는 다이오드 전용 정류회로의 파형이고, 하측의 도 8(B)는 SCR을 사용하여 지연각을 60°이상으로 설정하여 시뮬레이션한 파형이다. 도 8(A) 및 (B)를 비교하면 다음 식에서처럼 리플값의 차이를 볼 수 있다.

도 8 의 아래그림에서처럼 위상각이 커질수록 리플이 증가함에 따라, 식 10 에서처럼 리플전압

을 충분히 고려하여 콘덴서의 용량과 콘덴서의 정격전압을 선정해야하는데, 본 절감방식에서는 통상적인 정격용량과 전압만 적용하면 다음과 같은 이유로 콘덴서의 수명에 지장을 주지 않는다. 하지만 절감방식을 안정적으로 수행하기 위하여 시행 중에 콘덴서의 상태확인을 다음과 같이 시행한다.

본 발명에 따른 제어방식에서 콘덴서를 고려하면, 3상 380 V 의 전동기에 공급해야하는 실효값 380V를 IGBT 에서 만들기 위해서는 콘덴서에서

의 파고치를 IGBT 에 공급해야 하는 것을 IGBT 모듈에서 손실되는 에너지를 15 % 저감시키기 위하여 3차고조파주입방식과 관련한

를 15 % 낮춘 457 V 로 공급할 때, SCR 모듈의 위상각이 15 % 증가하면서 왜형에 의한 리플이 발생하게 된다.

이외 추가적으로 전동기의 부하율이 낮을수록 에너지절감율을 높이기 위하여 SCR 에서

를 30 ~ 40 % 등 더 낮추게 되면 SCR 모듈의 위상각을 30 ~ 40 % 증가시키게 되고 왜형율이 증가한 만큼 리플도 커지게 된다.

하지만 식 13의 콘덴서 수명공식에서처럼 실인가전압(V_s)은 리플이 증가하더라도 실효전압

가 15%, 혹은 30 ~ 40 % 낮아졌기 때문에 정격전압(V_r)을 넘어선 것은 아니기에, 콘덴서 정격 선정 시에 통상적인 기준만 벗어나지 않으면 된다.

--------------(식 13)

여기서 Ls : 실인가전압(V_s), 실온도(t_s)하의 수명[hour]

Lr : 정격전압(V_r), 허용온도(t_r)하의 수명[hour]

α : 온도계수, 3.5~9로서 유전체 및 제조업체에 따라 다름

n : 전압계수, 10~18로서 유전체 및 제조업체에 따라 다름

이에 절감운전의 안정된 수행을 위하여 콘덴서의 수명관리를 다음과 같이 시행하는데, 매 운전종료 시마다 전원전압

와 Link 전압

를 비교한다.

이것은 본래 이론적으로는 SCR 을 거친 실효값

와 콘덴서에서 평활된 전압, 즉 IGBT 모듈에 걸리는 전압을 측정하여 비교해야 되지만, 실제적으로 두 전압은 분리될 수 없으므로 전원전압

와 Link 전압

를 비교하는 것이며, 이것을 측정할 때는 전동기의 가동이 정지된 무부하상태에서 측정하는데, 부하전류에 의한 영향을 줄여서 정밀도를 높이기 위한 것이다.

절감운전을 처음 시행했을 때 전원전압

와 Link 전압

를 비교한 최초비율을 식 14 처럼 100 % 라 가정하고, 일정기간 운전 후에 측정한 전압의 비율을 식 15라 할 때 여기서 90 % 이하를 교체시기로 정한 것은,

---------------------(식 14)

0.9 ---------------------(식 15)

본 발명은 콘덴서 수명에 대한 기준보다는 절감방식을 위한 것이므로 3차고조파주입방식에 의하여 이미 기본적으로

를 15 % 낮추어 공급하던 것을 리플에 의하여 감소된 만큼

다시 높여서 공급하면, 전동기의 운전에는 전혀 문제가 없기 때문에 90 % 이하로 교체시기를 설정한 것이며, 5 % 는 SCR 의 전압강하 등 각종 변수를 고려하여 여유를 준 것이다.

그리고 통상적으로 평활 콘덴서의 용량은 입력전압이 최소일 경우에 최대의 부하가 걸려도, Link 전압

가 저전압 검출 Level 이하가 되지 않도록 선정하는데, 최소전압

은 인버터의 사양에서 규정하는 저전압 Level보다 커야 하며 통상적으로

의 90 % 정도가 공급된다.

이에 도 3을 참조하여, 종래의 구성에서 서보모터가 AC 170 V 정도로 구동되는 경우에는 일반적으로 서보드라이버의 전원전압은 단상, 혹은 3상 220 V 가 공급되며, 전원전압이 사용자의 형편에 따라 220 V 보다 높게 380 V 로 공급될 경우에는 별도의 강압변압기를 설치하는데, 이렇게 서보드라이버의 IGBT 모듈에 실질적으로 공급해야 할 AC 170 V 보다 높은 전압이 공급됨으로써, IGBT 모듈의 자체전력손실 및 손실에 의한 발열은 물론, 변압기의 전력손실 이외에도 변압기 설치장소에 불편을 준다.

이때 도면번호 306의 IGBT 에 공급되는 전압이 구형파를 만드는 최소전압만 공급되도록 위상제어를 한다면, 산업현장에서 흔히 사용되는 강압용 변압기를 별도로 설치하지 않을 수 있다.

그리고 종래의 정류회로에는 전원전압을 공급할 때 순간적으로 큰 돌입전류가 발생하고, 전원을 차단했다가 다시 켤 때는 더 큰 돌입전류가 발생하여 정류소자를 파괴하는 경우가 있기 때문에, 돌입전류 방지용으로 도면번호 303의 저항기나 온도특성을 이용한 써미스터, 혹은 직렬 리액터를 사용한다.

리액터나 저항기는 충전이 완료된 시점에서 병렬로 설치된 도면번호 304의 단락용 개폐기가 충전 후 도통이 되는 회로로 구성하여 사용하는 경우가 있다.

이에 도면번호 302의 전력용반도체로 전원투입 시에 전압을 서서히 증가시키는 방식을 적용함으로써, 저항기와 단락용 개폐기를 제거시킬 수 있으며, 각종 PWM 인버터가 구형파 가공 시에 각종 소자에 의한 손실로 온도가 상승하고, 온도가 높아질수록 손실이 증가하는 것을 줄일 수 있다.

또한 사용 장소의 전원전압에 적당하게 SCR 의 위상제어를 통하여 Link 전압을 제어한다면, 용접기용 인버터나 전동기용 인버터와 UPS 등 각종 인버터나 서보드라이버의 전원이, 사용자의 형편에 따라 AC 220 V 보다 높게 380 V 로 공급될 경우에도 별도의 변압기를 설치하지 않고, 변압기를 사용함으로써 발생하는 지속적인 전력손실을 줄일 수 있고, 로봇 등과 같이 부하용량이 큰 경우에 큰 변압기를 설치해야하는 불편을 해소할 수 있으며, 사용자가 기종을 선택할 때 전원을 고려하지 않는 편리성을 도모할 수 있다.

6. 전력변환기의 개요

각종 산업현장에서 인버터를 사용하지 않고 각종 전력변환기나 전자개폐기를 사용하여 전동기를 제어하는 경우에도 전동기의 부하전류를 측정해보면 에너지가 낭비됨을 알게 되는데, 통상적으로 당해 기술자들이 전동기 용량을 설계할 때에, 냉각방식 8 여종, IP 보호등급에 의한 50 여종, 절연형식 8 여종, 설치방법 12 여종 등등을 복합적으로 고려하여, 수백 가지의 전동기 종류와 피동기구 및 설치조건에 따른 적합한 안전율을 계상하였어도, 실제 사용 중인 전동기의 부하율이 천차만별인데, 산업현장에서 부하전류를 측정해보면 콘베어, 교반기등 정토크 부하인 경우 대략 정격의 80 % 를 대부분 넘지 않으며, 무부하에 가까운 30~ 50 % 인 경우도 있고, 송풍기나 펌프 등은 약 50~ 70 %, 가장 큰 것은 응축기로 약 60~ 80 % 선이다.

전부하 전류라는 것은 이미 정격용량에서 평균효율 약 80 % 가 적용된 것을 볼 때, 정격용량보다 높은 것은 찾아보기 어렵고, 대부분 부하율이 낮은 편인데 상식적으로 만일 시운전 초기에 부하전류가 정격보다 높은 경우에는, 설계변경에 의하여 전동기용량을 증가시켜서 교체하게 되며, 정상인 경우에는 초기 설치시보다 한동안 사용 후 안정시기에 들면 대부분 부하전류가 줄어들기 때문이다.

이에 주변환경의 여러 가지 악조건을 고려하더라도 전동기들은 정상치보다 여유있게 설계되어 불필요한 에너지를 낭비하는 경우가 있으며, 통상적으로 향후 설치될 전동기들도 그럴 가능성이 있다.

또한 띠톱이나 유압펌프용 전동기처럼 대기시간동안 무부하에 가까운 운전을 하는 경우도 있는데, 무부하전류는 전동기 용량이나 피동부하의 성격 등등 때문에 정격전류에 비례하지 않으며 정격전류의 30~50 % 정도로, 간혹 정토크부하인 경우에 인버터에서 주파수를 감소시키면 전동기 공급전압도 비례적으로 감소되는데, 50 % 까지 감소시켜도 전동기가 정상적으로 구동되는 것은, 전동기 용량에 비하여 피동부하가 현저히 적을 경우도 있기 때문이다.

이와 같이 무부하에 가까운 전동기의 경우 회전자의 관성력만 유지되는 정도의 소비전력만 가져도 되는데, 슬립이 증가하지 않는 범위는 정격의 약 50~70 % 정도이며 피동기구에 따라 심지어 30~50 % 인 경우도 있다.

더구나 전동기의 설계에는 기본적으로 전동기의 자계에서 온도에 따라 자기이력곡선이 변하게 되는 저온감자현상을 고려하여, 저온에서 고온까지 안정된 자화특성을 확보하기 위해서 초기 자기회로 설계 시 최저저온 조건을 감안한 여유를 갖고 있는데, 이 또한 정상적인 환경에서는 에너지의 낭비로 작용한다.

하지만 종래의 전동기 제어방법에서 보면, 전자개폐기의 경우 저용량 전동기에는 전원전압을 전동기에 그대로 공급하면서 직입기동을 하거나, 대용량 전동기는 기동전류를 낮추기 위하여 Y-Δ 기동을 하는데 이것은 전동기의 에너지절약과는 무관한 방식이다.

또한 소프트스타터와 같은 전력변환기의 경우에도 기동과 정지 시에 전동기에 무리가 가지 않도록 완만하게 전압을 제어하는 방식으로써, 통상적으로는 기동 시에 급격한 기동전류에서 소모되는 에너지가 절감되지만, 불과 10 초 내외의 적은 시간이며 간혹 제조업체에 따라 전압불평형 조절로 에너지를 절감하는 경우가 있다. 그리고 통상적인 기술자들 및 각종 법규들은 도 9 에서처럼, 전동기의 정격전압은, 수백 가지의 전동기 종류와 갖가지 환경들을 고려할 때, 전동기의 효율과 일의 능력에 절대적인 영향을 준다는 생각 때문에, 본 발명처럼 전동기의 공급전압을 낮추는 것을 위험하게 생각하여 전압이 강하되었을 때에 발생할 수 있는 전동기의 소손보호에 집중하여왔다.

이에 당해 기술자나 관계 법령들은 전압강하를 고려한 간선의 굵기나 공급전압의 변압기 탭조정 등으로 공급전압의 안정에 중점을 두었기 때문에 본 발명과 같은 방식으로 에너지를 절감하는 사례는 아직 국내외에 시도되지 않고 있다.

하지만 전동기의 전압강하에 너무 무리를 주지 않으면 절대적으로 전동기에 위험을 초래하지 않는다는 것을 종래의 전동기의 운전방식에서 예를 들어본다. 전동기의 기동전류를 고려하여 인버터의 경우에는 주파수제어에 의하여 저속에서 정상속도까지 도달시간을 설정하는데, 이때 인버터의 경우 정격전압에 도달하는 주파수를 기저주파수라고 하며, 전동기에 공급되는 전압은 주파수에 비례하여 가감된다.

예를 들어 콘베어와 같은 정토크부하에 사용되는 인버터는 생산속도에 따라 주파수를 가변하는데 380 V 60 Hz 정격의 전동기에 40 Hz 로 설정했을 때에 공급되는 전압은 다음과 같다.

이렇게 정격보다 낮은 전압을 공급하였을 때 전동기의 최대토크가 슬립보다 크게 되면 전동기가 정지하는 정동토크에 도달하게 되고 열이 발생하여 소손되는 경우도 있지만, 통상적으로 대부분 설계 시에 이러한 사안을 고려하여 정격이상의 여유율로 전동기 용량을 선정하기에, 종래에도 253 V 의 낮은 전압이 전동기에 장시간 공급되어도 큰 무리 없이 가동되고 있다.

이것은 공급전압을 감소시키면 무부하손실이 감소하기 때문인데 전동기의 무부하손실 중에서 철손이 가장 크고, 전동기의 전체 손실에서 약 15 ~ 30% 를 차지하며, 식 16에서 같이 전압의 자승에 비례한다.

------------(식 16)

그러기에 각종 법령들은 상식적인 범위에서 적용될 뿐, 모든 전동기에 종래처럼 적용하기는 곤란한 점이 있으며, 이 사안은 인버터를 사용하지 않는 다음과 같은 경우에도 동일하다.

7. 부하율

종래기술(NEMA MG 1. 1. 16)에서 전동기 제작 시에 부하의 경중에 따른 토크특성 A, B, C, D, 4가지의 분류에 의하여 회전자의 슬롯구조를 제작하듯이 전동기의 토크는 설계에 기초가 되며, 정격토크 T 는 다음과 같다.

-------------------- (식 17)

식 17 에

,

를 적용하면,

----------- (식 18)

------------ (식 19)

만일 전동기의 과부하 방지목적으로 설계시에 정격토크의 여유율을 10 % 로주었다면 식 18에서 식 19와 같이 전압과 전류는 제곱에 비례하여 감소하게 된다.

하지만 통상적으로 전동기의 요구토크의 감소에서 공급전압이 고정이므로 슬립의 감소에 의해 전부하전류보다 감소된 전류가 흐르게 된다.

이때 효율이 식 20과 같이 되고

전동기 입력 :　

------------------- (식 20)

여기서

는 전동기의 용량에 따라 다르며 1 이하이다.

이에 따른 모든 전동기에서 발생하는 내부손실이 식 16

　　　　

과 같이 적용된다.

따라서 본 고안은 주파수의 가감으로 인한 회전속의 변화에 의하지 않고, 공급전압을 낮춤으로써 공급전압의 제곱에 비례하는 무효전력을 절감하는 방식으로써, 공급전압을 부하율에 적당하게 감소시켰을 때 식 23

에서 회전속이 감소하게 되면, 슬립이 증가하고, 이에 따른 전류도 증가하게 되어 전동기의 발열을 초래한다.

이에 반하여, 본 발명에서 부하율이란 부하전류가 증가하려는 시점으로써, 피동기구 각개마다 고유한 특성을 고려하면서 전력변환기에 의해 전동기의 공급전압을 감소시킬 때 초기에는 무효전류의 감소에 전류도 감소하게 되는데, 슬립이 증가하기 직전의 지점, 즉 생산성에 지장을 주지 않을뿐더러 오히려 발열이 감소하는 최적의 절감지점을 의미한다.

이것은 통상적인 기술자들이 자명하게 인식하듯이 현재 가동되고 있는 모든 전동기들은 각개마다 고유의 유효한 부하전류가 흐르는데, 이것은 의당 정격전압이 공급된 각개의 전류일 뿐, 법령을 무시하고 비상식적으로 정격전압을 낮추었을 때,

법령 및 통상적인 기술자들의 상식과 어긋나게 다수의 전동기의 부하전류가 증가하지 않는다는 것이며, 간혹 부하전류가 감소하지 않더라도 감소된 공급전압만큼

에너지가 절약되는 것이기에 전동기 각개마다 고유의 절감지점을 찾기 위한 방식인 것이다.

8. 고효율 전동기 관련

이와 관련하여 통상적인 기술자들이 익히 인지하고 있듯이 정부의 지원을 받고 있는 고효율전동기의 에너지 절감효과는 경우에 따라 실질적으로 효과가 다를 수 있다.

예를 들어 효율이 약 5 % 정도 증가하는 고효율전동기의 경우 동일한 피동기구에 적용하였을 때는 식 21에서와 같이 효율의 증가에 따른 슬립의 감소에 의하여 회전수가 증가한다.

-------------------- (식 21)

송풍기나 펌프 등의 자승저감토크 부하인 경우 식 22와 같이

이 증가한 만큼 전동기의 소비전력은 8 배로 증가하게 되어 인위적으로 회전수를 감소시키지 않는 한, 고효율전동기에서 지향하는 만큼의 에너지절감은 기대하기 어려운 점이 있다.

-------------------- (식 22)

여기서,

: 전동기 소비전력

: 고효율전동기 소비전력

: 슬립감소로 증가한 회전수

: 정격회전수

하지만 이 경우에도 본 방식을 적용하면 이중적으로 에너지절감의 효과를 얻을 수 있는데, 식 17, 21에

를 적용하면

-------------------- (식 23)

-------------------- (식 24)

여기서 고효율전동기로 교체하기전의 피동기구가 요구하는 토크

는 동일하기 때문에, 교체 후 전동기의 토크

이기에 본 방식과 같이 공급전압

를 감소시키면 부하전류

가 높아진 효율만큼 감소하면서 요구토크

시점에서 슬립이 증가하게 된다.

이것은 피동기구에 따라 공급전압 감소범위가 달라지기에 도 10, 도 12 의 실시도에 따라 적용하면 고효율전동기로 교체하면서 슬립의 감소에 의한 낮아진 이득효율을 만회함은 물론 기존에 공급전압 감소로 인한 무부하 손실도 저감시킬 수 있는 것이다.

이와 같이 본 발명은 종래와 달리 인버터의 경우에는 Link 전압을 부하율에 적당하게 조절하여, 인버터 자체손실과 전동기의 무효전력 등의 불필요한 에너지를 절감하는 방식이며, 인버터를 사용하지 않는 경우에도 도 12 전력변환기의 에너지 절감실시 순서도에서와 같이 실행하면서, 각개마다 고유의 특성에 최적으로 대응하며 적절한 에너지절감시스템을 제공하는 것이다.

이외에도 통상적으로 전동기 설계 시에 안전율 즉 여유율을 충분히 적용하지만, 산업현장에서 각 전동기에 부하율은 콘베어처럼 무게가 실린 부하의 증감에 따라, 또는 리프터나 권상기의 상승하강 시처럼 여건에 따라 실시간 전류가 변화된다.

이에 응축기나 송풍기처럼 일정한 부하율을 갖는 대상기기와 달리, 수시로 변화되는 피동기구의 저감운전 중에 부하증가에 의한 상전류의 증가가 감지되면, 빠른 시간에 요구토크 최고 범위로 전압을 상승시키고, 재차 전류감소에 따른 전압을 조정하는 루프제어와, 이를 학습한 PID 제어를 통하여 실시간 변화에 빠르고 정밀하게 대응하게 한다.

이와 같이 전동기의 손실을 저감시키는 방식을 실시하면서, 사용자의 편리성을 고려하여 저감된 에너지 절감량을 누적합산하고, 이것을 전기요금으로 환산하여 표시하는 것을 적용한다.

하지만 인버터나 전력변환기를 통한 에너지 저감형 전동기 구동 방식을 수행함에 있어서 고려할 것은, 실시 전에 우선적으로 전동기의 각 상과 대지간의 절연저항을 측정하여 정상에 미달되면 적용하지 않는다.

상식적으로 곡관에서 물의 흐름이 방해되듯이 전동기 철심과 맞닿은 권선이 꺾어진 부분에서 피로가 쉽게 발생하는데, 전력변환기에 의한 위상제어로 전압을 감소시킬 때, 역기전력과 리액턴스에 의해 정현파가 왜곡되면서 발생하는 서지전압이나, 인버터의 캐리어주파수에 의해 가공된 정현파에 의하여, 이미 노후되어 권선의 꺾어진 부분 피막에 스트레스가 쌓인 전동기에는 열화를 촉발시킬 수 있기 때문이다.

이에 절연저항이 정상일 경우의 저감방식 실시 중에도 지속적으로 누설전류를 측정하여 표시하며, 기준치 이하일 경우 경보를 발생하는 것이 필요하다.

또한 삼상전원에는 상분담 등 여러 가지 요인으로 불평형이 발생하는데 이 역시도 손실의 요인이 되므로 각 상전압이나 선간전압이 평형이 되도록 위상제어회로에서 통상적으로 상용되는 점호각 위상제어기법에 의하여 조절한다.

이렇게 조정된 평형 전압이 실시 중에 전력사정에 의하여 재차 불평형을 이룰 수 있기 때문에 전원전압의 형태에 따라 실시간 보정을 하지만, 전압이 평형을 이루어도 각 전동기의 특성상 상전류의 불평형이 발생할 수 있으므로, 전압의 설정은 상전류가 계상된 3상 전력의 평형에 기준한다.

9. 온도 개요

하지만 월등한 절감방식이라도 장기간의 절감운전 중에 발생할 수 있는 전동기 온도상승 등에 관하여 다음 법령들을 준수하여야 하는데, 전동기는 운전개시와 함께 자체손실에 의한 발열 때문에, 강제냉각을 하더라도 온도가 상승하기 때문이다.

이 온도상승은 기동과 가속, 단시간 정격, 연속정격, 반복정격, 전동기의 구조 및 특히 주변환경에 따라 일정하지 않으며, 특별한 보호 없이 전원전압을 감소시키는 것은 경우에 따라 온도가 증가될 수 있고, 운전 중에 전동기온도는 수식으로 환산하기 어렵다.

이에 본 방식의 특징은 발열에 의한 온도상승을 방지하기 위한 전동기의 표면온도를 실제적으로 측정하고 그것을 인버터 CPU 나, 전력변환기 CPU 로 전송하여 전동기를 보호하는 기능을 갖게 하며, 절감방식의 중요한 점인 기준온도에 의하여 실시하는 것이다.

여기서 ‘기준온도’란 일정시간동안 전동기를 종래방식대로 구동한 후에 정상적으로 발생해온 온도로써, 절감운전을 시행하더라도 초과되지 말아야하는 전동기의 표면온도인데, 이것은 법령에서 규정하는 전동기의 무리한 운전으로 인한 온도상승으로부터 전동기의 소손을 보호함과 동시에, 본 방식에서 중점적으로 시도하려는 무효전력 감소에 의하여, 전동기의 표면온도는 오히려 낮아져야하기 때문에 절감운전을 시도하더라도 전동기의 온도가 상승하지 않는 온도를 뜻한다.

이에 절감방식 시행 중에 다음과 같은 법령에 따른 기준온도설정을 인버터의 경우는 도 10 과, 전력변환기의 경우는 도 11 같이 단계를 거치게 한다.

가. KS표준 CIEC 4202 의 5-7 항 운전 중의 전압 및 주파수

변동 전원의 전압 변화와 주파수 변화와의 조합된 적용을 도 9 의 영역 A 또는 B로 한다. 영역 A내의 전압 변화 및 주파수 변화에 대해서 정격 토크에서는 연속적으로 운전해서 실용상 지장이 있으면 안 된다. 또한 영역 B 내에서 장시간 운전하는 것은 바람직하지 않다.

나. KS표준 C IEC 60034 -1. 7.3 운전 중의 전압 및 주파수 변동

실제 사용 및 운전 조건에서, 회전기기는 이따금 영역 A의 범위를 벗어나 운전될 수가 있다. 그러나 그러한 일탈은 값, 지속 시간 및 발생 빈도에서 제한되어야 한다. 실제 사용상에서는 어떤 합당한 시간 내에서 출력의 감소와 같은 보정 조치가 취해져야 한다. 그러한 조치에 따라 온도의 영향으로부터 받는 회전기기 수명의 감소를 줄일 수가 있다.

다. NEMA MG 1. 14.30.2 Effects of Variation in Voltage on Temperature

With a 10 percent increase or decrease in voltage from that given on the nameplate, the heating at rated horsepower load may increase. Such operation for extended periods of time may accelerate the deterioration of the insulation system.

10. 인버터 실시

이러한 각종 조건들을 고려한 본 방식의 실시를 우선 인버터에 적용하게 되면, 도 10의 도면번호 1001과 같이 선정된 전동기의 에너지 절감운전 전에, 우선 절연저항을 측정하여 기준에 적합하면 도면번호 1002와 같이 정상운전을 실시하고,도면번호 1003과 같이 기준이하의 전동기에는 적용하지 않는다.

절감대상에 선정된 전동기를 도면번호 1004와 같이 주변여건과 피동부하 등에 따라 일정시간을 가동한 후에, 도 3의 도면번호 318 PLC 수신부로부터 입력된 전동기의 표면온도를 확인하고 그 온도, 즉 전혀 변화를 주지 않은 본래상태에서의 온도를 절감대상의 도면번호 1005과 같이 기준온도로 정한다.

기준온도가 설정되면 도면번호 1006과 같이 공급전압을 감소시켰을 때 부하전류가 증가하는 경우에는, 도면번호 1003과 같이 절감대상에서 제외하고, 감소하는 경우에는 부하전류가 증가하는, 즉 슬립이 증가하는 시점에서 공급전압 감소를 중지한다.

도면번호 1007과 같이, 도 3의 도면번호 308 위상제어부에서 공급전압을 조정한 후, 도면번호 1008과 같이 일정시간 정상운전을 실시하면서, 도면번호 1009, 도면번호 1011 처럼 부하변동이나 주변여건에 의하여 부하전류가 증가하거나, 표면온도가 기준온도를 초과하게 되면 도면번호 1010과 같이 공급전압을 최대로 조정하여, 전동기 보호에 만전을 기한다.

또한 에너지 절감의 상시운전 중에 도 3의 도면번호 302의 SCR 등의 전력소자에서 단락 등 이상이 발생하거나, 도면번호 308의 위상제어부에서 이상이 발생하여, 도면번호 1012와 같이 Link 전압이 최대로 유입되는 것을 감지했을 경우에는, 도면번호 1013과 같이 기저전압을 최소로 낮추면서, 도면번호 1014와 같이 운전을 종료하고, 도 3의 도면번호 310의 표시창에 SCR 단락정보 등을 표시한다.

정상적인 절감운전을 수행한 다음 도면번호 1014와 같이 운전을 종료한 후에는, 도면번호 1015와 같이 무부하 상태에서 전원전압과 Link 전압을 비교하여 콘덴서의 수명을 예측하며, 또한 매 운전종료 시마다 절연저항을 재 측정하여 이상 시에는 도면번호 1017에서와 같이 표시하고, 절감운전을 시행한 동안 누적된 절감전력과 이것을 금액으로 환산한 것을 표시하며, 특히 절감운전 중에 부하율에 대한 최저값을 자동 저장한 후 재운전 시에 적용하게 한다.

또한 도 3에서 도면번호 311의 온도검출부에서 측정한 데이터를 도면번호 309의 인버터 CPU로 전달하는 방식에서, 전동기와 인버터 등 운전기기가 원거리에 있는 경우, 전동기의 동력선과 온도 측정값을 전달하는 배선을 별도 케이블로 시공할 때에는 배선비용도 추가되고, 전동기 동력선에서 발생하는 와류와 고조파에 의한 노이즈로, 특히 인버터를 사용한 전동기의 동력선은 캐리어 주파수를 낮추어도 노이즈가 심하여, 미약한 온도신호에 편차가 발생할 수 있다.

이와 같이 원거리의 경우에는 별도의 배선없이 데이터 전송에 안정된 전력선 통신(Power Line Communication, PLC) 방식을 적용하고, 근거리의 경우에는 실드 케이블로 구성할 수 있다.

여기서, 도면번호 312의 온도검출부는 써머커플, Pt, 더미스터 등 온도를 측정할 수 있는 센서로 구현 가능하다. 도 3에 도시된 바와 같이, 도면번호 307의 전동기에서 발생하는 온도를 측정하기 위하여 가공된 써머커플, Pt, 더미스터 등 도면번호 311의 온도검출센서를 접지단자 취부 시 병렬부착하게 구성하고, 온도 검출센서가 전동기의 표면온도를 측정한다.

도 3에 도시된 바와 같이, 원거리의 경우 도면번호 307의 유도전동기의 전원공급선 3가닥 중 2가닥에 병렬접속을 하여서 도면번호 317의 PLC 송신모듈을 통하여 도면번호 309의 인버터CPU에 전송하는 방식으로 구성된다.

여기서, 도면번호 317의 PLC 송신모듈은 전력선 통신을 위하여 도면번호 307의 전동기의 표면에서 발생하는 온도를 측정하는 도면번호 311의 온도검출센서와, 온도에 따라 변화되는 온도 검출센서의 아나로그 측정 데이터를 통신으로 전송하기 위한, 디지털 데이터로 변화시키는 도면번호 313의 A-D 컨버터부와, 디지털 데이터에 통신 프로토콜을 설정하여 통신용 데이터로 변경하는 도면번호 314의 PLC CPU와, PLC 사용주파수 60~130 KHZ 로 변조하는 도면번호 315의 변조부와, 통신 데이터를 전력선에 실어주기 위한 도면번호 317의 파워라인 인터페이스부를 거쳐, 전동기 동력선에 연결하면 동력선을 통한 데이터를 도면번호 318의 PLC 수신부가 도면번호 306의 IGBT 모듈 후단부에서 받아 도면번호 309의 인버터 CPU에 전달한다.

도면번호 311의 온도검출센서는 전동기내부에 취부하여 내부온도를 측정하는 것도 가능하고, 전동기의 접속단자함에 설치되는 것이 효율적이다.

이와 같이 본 고안은 인버터의 손실절감방식 시행에서 1차적으로 고조파주입변조방식을 적용한 후, 2차적으로 Link 전압제어에 의한 전동기의 무효전력감소에 의하여 에너지를 절감하는 방식으로써, IGBT 모듈을 사용하여 구형파를 만드는 각종 인버터에서 서보모터, 용접기 등의 무부하 전력이나, 풍력발전기, 혹은 UPS 등의 부하율에 따라 적용할 수 있다.

11. 전력변환기 실시

이어서 도 11은 에너지 절감방식을 적용한 전력변환기의 구성이며, 도 12는 전력변환기의 에너지 절감실시 순서도인데, 도 10의 도면번호 1111처럼 전력변환기 중에서 통상적으로 사용되는 SCR 을 예를 들어 설명하면, 인버터 절감방식에서처럼 도 12의 도면번호 1201과 같이 절감운전 시행 전에 선정된 전동기의 절연저항을 측정하여 정상이면, 도면번호 1202와 같이 우선 전원전압을 측정하여 불평형된 상전압이나 선간전압을 위상제어로 평형되게 조정한 후, 도면번호 1204와 같이 정상운전을 실시한다.

도면번호 1205와 같이 일정시간을 가동한 후에, 도 11의 도면번호 1107의 PLC 수신부로부터 입력된 전동기의 표면온도를 도면번호 1206과 같이 기준온도로 정하고, 도면번호 1207과 같이 공급전압을 감소시켰을 때 부하전류가 증가하는 경우에는, 도면번호 1203과 같이 절감대상에서 제외하고, 감소하는 경우에는 부하전류가 증가하는, 즉 슬립이 증가하는 시점에서 공급전압 감소를 중지한다.

이후, 평형된 공급전압에도 불구하고 전동기의 특성상 발생할 수 있는 상전류의 불균형을 측정하여, 도면번호 1208와 같이 최적으로 3상 전력의 균형에 맞게 전압을 재조정하여 정상운전을 실시한다.

도면번호 1210과 같이 피동부하의 변동에 대응하여, 도면번호 1211과 같이 일정시간 정상운전을 실시하면서, 도면번호 1211, 도면번호 1213처럼 부하변동 혹은, 주변여건에 의하여 부하전류가 증가하거나 표면온도가 기준온도를 초과하게 되면, 도면번호 1212와 같이 공급전압을 최대로 조정하여, 전동기 보호에 만전을 기한다.

정상적인 절감운전을 수행한 다음 도면번호 1215와 같이 매 운전종료 시마다 절연저항을 재측정하여, 이상 시에는 도면번호 1216에서와 같이 표시하고, 절감운전을 시행한 동안 누적된 절감전력과 이것을 금액으로 환산한 것을 표시하며, 특히 절감운전 중에 부하율에 대한 최저값을 자동 저장한 후 재운전 시에 적용하게 한다.

또한 도 11의 도면번호 1102에서 측정된 온도신호는, 인버터에서처럼 원거리의 경우에는 별도의 배선없이 데이터 전송에 안정된 PLC 방식을 적용하고, 근거리의 경우에는 실드 케이블로 구성할 수 있다.

AC 전원 : 31
정류기 : 32
RC 필터 : 33, 34
평활 콘덴서 : 35
IGBT 모듈 :37
전동기 : 38
위상 제어기 : 39
인버터 CPU :40

Claims (6)

1. 인버터를 구비하여 전동기를 제어하는 방법에 있어서,
   상기 전동기의 절연저항을 측정하여 기준값과 소정의 오차 범위 이내인 경우 상기 전동기를 기설정된 시간이상 정상운전한 후 기준온도를 설정하고, 공급전압 및 전류에 기초하여 소비전력 절감운전 대상인지를 판단하는 단계;
   상기 전동기가 소비전력 절감운전 대상인 경우, 부하율에 따라 상기 공급전압을 조절하여 상기 전동기를 소정시간 구동한 후 부하전류 및 기준온도의 변동량을 검출하여 최소 공급전압으로 조절하는 단계; 및
   상기 인버터의 링크전압을 검출하여 기설정된 링크전압 최대값을 비교하고, 상기 검출된 링크전압이 상기 기설정된 링크전압 최대치 인경우에는 기저전압을 최소로 조절하여 상기 전동기의 운전을 종료하는 단계를 포함하는
   전력손실 저감을 위한 인버터 및 전력변환기의 제어방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 절감운전을 수행 후 운전종료하고, 무부하 상태에서 전원전압과 링크 전압을 비교하여 콘덴서의 수명을 예측하는 단계; 및
   상기 절감운전을 시행한 동안 누적된 절감전력과 이것을 금액으로 환산하여 표시하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력손실 저감을 위한 인버터 및 전력변환기의 제어방법.
3. 인버터를 구비하여 전동기를 제어하는 방법에 있어서,
   상기 전동기의 절연저항을 측정하여 기준값과 소정의 오차 범위 이내인 경우, 전원전압의 불평형된 상전압이나 선간전압을 위상제어로 평형되게 조정하여 상기 전동기를 기설정된 시간이상 정상운전한 후 기준온도를 설정하고, 공급전압 및 전류에 기초하여 소비전력 절감운전 대상인지를 판단하는 단계; 및
   상기 전동기가 소비전력 절감운전 대상인 경우, 3상 전력의 균형에 맞도록 상기 전원전압을 재조정하고, 부하율에 따라 상기 공급전압을 조절하여 상기 전동기를 소정시간 구동한 후 부하전류 및 기준온도의 변동량을 검출하여 최소 공급전압으로 조절하는 단계를 포함하는
   전력손실 저감을 위한 인버터 및 전력변환기의 제어방법.
4. 제3항에 있어서,
   상기 절감운전을 수행 후 운전종료하고, 무부하 상태에서 전원전압과 링크 전압을 비교하여 콘덴서의 수명을 예측하는 단계; 및
   상기 절감운전을 시행한 동안 누적된 절감전력과 이것을 금액으로 환산하여 표시하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력손실 저감을 위한 인버터 및 전력변환기의 제어방법.
5. 인버터를 구비하여 전동기를 제어하는 장치에 있어서,
   상기 전동기의 절연저항을 측정하여 기준값과 소정의 오차 범위 이내인 경우 상기 전동기를 기설정된 시간이상 정상운전한 후 기준온도를 설정하고, 공급전압 및 전류에 기초하여 소비전력 절감운전 대상인지를 판단하는 절감운전 판단부;
   상기 전동기가 소비전력 절감운전 대상인 경우, 부하율에 따라 상기 공급전압을 조절하여 상기 전동기를 소정시간 구동한 후 부하전류 및 기준온도의 변동량을 검출하여 최소 공급전압으로 조절하는 공급전압 조절부; 및
   상기 인버터의 링크전압을 검출하여 기설정된 링크전압 최대값을 비교하고, 상기 검출된 링크전압이 상기 기설정된 링크전압 최대치 인경우에는 기저전압을 최소로 조절하여 상기 전동기의 운전을 종료하는 제어부를 포함하는
   전력손실 저감을 위한 인버터 및 전력변환기의 제어장치.
6. 제5항에 있어서,
   상기 절감운전을 수행 후 운전종료하고, 무부하 상태에서 전원전압과 링크 전압을 비교하여 콘덴서의 수명을 예측하는 수명 예측부; 및
   상기 절감운전을 시행한 동안 누적된 절감전력과 이것을 금액으로 환산하여 표시하는 요금 산출부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력손실 저감을 위한 인버터 및 전력변환기의 제어장치.
   

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