가변 속도 드라이브의 전류, 전력, 토크 마스터하기

가변 속도 드라이브 시스템에서 전류와 전력의 거동은 사용자에게 항상 잘 이해되지 않습니다. 특히 모터 축 속도와 부하가 변할 때 드라이브 입출력 전류가 어떻게 변하는지가 그렇습니다. 이 글에서는 가변 속도 드라이브의 기본 거동을 살펴보며 이러한 값들이 어떻게 연관되는지 명확히 합니다. 이를 통해 시스템 거동을 이해하고, 가변 듀티가 에너지 소비와 주요 부품의 전력 정격에 미치는 영향을 파악할 수 있습니다. DC(제어 정류기) 드라이브와 AC 인버터 드라이브를 간략히 다루며, 둘 사이의 흥미로운 차이점도 살펴봅니다.

모터 전류

전기 모터가 생성하는 토크는 자기 플럭스가 전류 도체에 작용하는 곱으로 항상 볼 수 있습니다. 주어진 모터 플럭스 레벨에서 토크는 플럭스와 연결된 전류의 직접적인 함수입니다.

2차 효과를 무시하면 DC 모터와 AC 모터에 대해 다음과 같이 요약할 수 있습니다:

• DC 모터에서 플럭스는 여자(계자) 권선 전류로 설정되며, 토크는 플럭스와 전기자 전류의 곱입니다.
• 영구 자석이 없는 AC 모터에서 플럭스 진폭은 인가 전압과 주파수의 비율로 설정됩니다. 토크는 플럭스와 토크 생성 전류, 즉 전압과 위상이 일치하는 전류 성분의 곱입니다.

DC 모터와 AC 유도 모터에서 여자 전류는 특수한 에너지 절약 제어가 저토크에서 적용되지 않는 한 토크에 관계없이 보통 일정합니다. 소형 유도 모터의 경우 여자 전류가 정격 전류의 상당 부분(예: 70%)을 차지할 수 있습니다. 영구 자석 모터의 이점은 여자 전류가 필요 없어 관련 손실이 없다는 점입니다.

그림 1은 고정 공급 전압 조건에서 유도 모터의 (정규화된) 모터 전류가 토크에 따라 어떻게 변하는지 보여줍니다. 속도에 따른 변화는 미미합니다.

모터 전력

축에서의 전력은 토크와 속도의 곱으로 주어집니다.

손실을 무시하면 전기 입력 전력은 DC 모터의 경우 DC 전압과 전류의 곱, AC 모터의 경우 실효 전압과 전압과 위상이 같은 전류 성분의 곱으로 주어집니다. 전류는 보통 전압보다 위상이 지연되기 때문입니다.

1차 근사에서 전류는 토크에, 전압은 속도에 의존합니다. 입력 전력은 정격 전력의 5~20% 범위인 손실을 제외하면 출력 전력과 유사합니다.

드라이브 전류와 전력

드라이브는 최소 전력 손실(약 2%)로 스위칭 소자를 사용하므로, 입력 전력은 출력 전력과 매우 가깝아야 합니다. 드라이브 입력 전류의 거동은 조금 덜 직관적입니다.

그림 2는 DC 드라이브 전기자 정류기의 필수 요소를 보여줍니다.

사이리스터는 모터 토크와 속도를 제어하기 위해 출력 전압을 조절합니다. 입력 위상과 출력 사이에 연속성이 있으며, 커패시터나 공유 연결 같은 대체 전류 경로는 없습니다. 짧은 중첩 구간을 제외하면 한 번에 두 개의 사이리스터만 도통하므로, 프리휠 다이오드가 장착되지 않는 한 부하 전류는 항상 입력 위상을 통해 흘러야 합니다.

DC 드라이브 - 출력

DC 드라이브 출력의 전류는 모터 전기자 전류로, 토크에 비례합니다. 계자 공급용 소형 컨버터가 추가로 있습니다.

DC 드라이브 - 입력

이제 모터 작동에 따라 입력 전류가 어떻게 영향을 받는지 보면, 입력 전류의 크기가 매우 단순한 관계로 토크에 정비례합니다. 전류 리플을 무시하면 [식]. 이는 속도나 출력 전압과 무관합니다[1].

그러면 입력 전류와 전압이 속도에 무관한데 어떻게 입력 전력이 출력을 따라갈 수 있을까요? 답은 입력 역률이 변하기 때문입니다. 정류기가 위상 제어(발사 각도 0° 초과)되면 입력 전류가 공급 전압보다 위상 지연됩니다. 극단적으로 모터가 정지 상태지만 정격 토크를 내면 축 전력은 0이지만 입력 전류는 여전히 정격 값이며, 손실이 없다면 위상 지연은 90°가 됩니다. 이는 DC 드라이브의 심각한 단점이 될 수 있으며, 대형 DC 드라이브에 역률 보정 커패시터가 종종 쓰이는 이유입니다.

AC 드라이브 - 출력

AC 드라이브 출력 전류는 모터 전류로, 앞서 본 것처럼 토크 생성 성분과 여자 성분으로 구성되며, 후자는 요구 토크와 무관하게 드라이브가 공급합니다. 인버터 단의 전류는 드라이브 재료비의 큰 부분을 차지하며, 출력 토크와 고정 성분의 함수입니다. 속도에 따른 영향은 거의 없습니다.

AC 드라이브 - 입력

그림 3은 AC 인버터 드라이브의 필수 요소를 보여줍니다.

인버터의 3상 다리가 동일한 DC 버스 회로에 연결되어 있으며, 이는 정류기에서 전력을 공급받습니다. 이 공통 연결 덕분에 인버터 출력 전압이 최대값 미만일 때(기저 속도 미만), 출력 전류가 인버터 상 다리 사이에서 부분적으로 순환합니다. 출력 전류의 무효 성분에도 동일하게 적용됩니다. DC 버스는 모터에 필요한 실제 전력, 즉 출력 전압과 전류의 유효(유효) 성분의 곱만 공급하면 됩니다. DC 전압은 공급 전압으로 고정되므로, DC 전류는 전력에 비례하거나 토크가 일정하면 속도에 비례해 변합니다.

정류기 입력 전류는 DC 버스 전류를 반영합니다. 입력 전력은 정류기 손실이 무시할 만하므로 DC 버스 전력과 실질적으로 같습니다. 전류 파형이 정현파가 아니므로(고조파 포함), 전력의 크기에 비해 실효값 전류가 다소 높습니다. 전류가 증가하면 평활 초크 또는 고조파 저감 초크의 평활 효과로 고조파가 상대적으로 줄어듭니다. 정격 부하 전력에서 실효값 입력 전류는 실효값 출력 전류와 꽤 가까운 경우가 많아 사용자가 둘이 같다고 오해하기 쉽습니다. 하지만 이는 모터 역률이 약 0.85, 드라이브 왜곡 계수가 약 0.85인 전형적인 경우의 우연일 뿐입니다. 감속 시 두 전류는 완전히 달라집니다.

요약하면, 그림 4는 일반적인 AC 드라이브의 입출력 전류가 속도와 토크 변화에 따라 어떻게 변하는지 보여줍니다. 모든 양은 정격 또는 기저값을 1.0으로 정규화했습니다.

출력 전류는 속도에 거의 변하지 않으므로 단일 선으로 표시됩니다. 입력 전류는 토크와 속도의 곱 함수로 증가하지만, 정격 전류에 가까워질수록 초크 효과가 더 두드러져 전력 인자가 개선되면서 기울기가 완만해집니다. 영속도 선에서 보이는 작은 고정 손실과 토크에 따른 손실은 주로 모터 권선 저항 손실 때문입니다.

토크와 속도의 방향 - 회생

위 논의는 단순화를 위해 단일 사분면 상황에 적용했습니다. 토크와/또는 속도가 역전되면 추가 요소를 고려해야 합니다.

DC 드라이브에서 4사분면 애플리케이션은 양방향 DC 전류를 위해 두 개의 사이리스터 브리지가 필요합니다. 회전 방향이 반전될 때 입력 전류 거동은 단일 사분면 경우의 연장선으로, 영속도에서 역률이 0을 지나 다시 약 0.82 최댓값으로 상승하지만 실수부의 위상이 반전되어 역전력 흐름이 발생합니다.

AC 드라이브에서 비제어 정류기는 전력을 전원으로 되돌릴 수 없습니다. 인버터는 본질적으로 회생 가능하므로, 과부하 부하에서 DC 버스가 회수 전력을 받으며 과전압 트립을 피하기 위해 저항 제동 회로가 필요합니다. 이때 입력 전류는 0입니다.

이 모든 것을 그림 5와 같이 그래프로 요약할 수 있습니다. 이는 (이론적인) 정토크 부하, 즉 -100%에서 +100% 전 속도 범위에서 토크가 일정한 부하에 적용됩니다. 실제로는 고정 하중을 운반하는 리프트나 호이스트에서 발생하며, 가속도가 낮아 하중 가속에 필요한 힘을 무시할 수 있을 때입니다. 즉, 속도를 천천히 변화시킵니다.

그림 5에서 최대 속도에서 시작합니다. DC와 AC 드라이브 모두 입력 전류가 약 100%입니다. 이제 속도를 줄입니다. DC 드라이브는 입력 전류 크기가 변하지 않으며, 전압과 위상이 같은 유효 성분을 봐야만 속도 저하를 알 수 있습니다. AC 드라이브는 입력 전류가 속도에 거의 비례해 감소합니다.

영속도에서 DC 드라이브 입력 전류는 여전히 100% 이상입니다. 위상각은 거의 -90°이며, 축 전력이 0이므로 전력 손실만 유효 전류 성분을 만듭니다. AC 드라이브 입력 전류는 매우 낮아 전력 손실만 공급합니다. 평활 초크가 저전류에서 효과가 적어 역률은 다소 나쁘지만, 전류가 정격보다 훨씬 낮아 실용상 중요하지 않습니다.

음속 영역에서 DC 드라이브 입력 전류는 여전히 정격 값이지만 실수부가 음수가 되어 드라이브가 회생 에너지를 전원으로 되돌립니다. 역률은 다소 낮습니다. AC 드라이브는 입력 전류가 0입니다. 입력 정류기가 차단되고 드라이브 전력 손실이 부하에서 회생된 전력으로 공급되기 때문입니다. 여분의 전력은 제동 저항에서 소산됩니다.