주파수 변환 전원 공급 장치를 사용하는 모터와 정현파 전력을 사용하는 모터의 주요 차이점은 주파수 변환 전원 공급 장치를 사용하는 모터는 저주파에서 고주파에 이르는 넓은 주파수 범위에서 동작한다는 점과 전력 파형이 비정현파라는 점입니다. 전압 파형을 푸리에 급수로 분석하면, 전원 공급 파형에는 기본파 성분(제어파) 외에도 2N개 이상의 고조파가 포함되어 있습니다(제어파의 각 반파에 포함된 변조파의 개수는 N개). SPWM AC 변환기가 전력을 출력하여 모터에 공급하면 모터 전류 파형은 고조파가 중첩된 정현파 형태로 나타납니다. 이 고조파 전류는 비동기 모터의 자기 회로에 맥동 자속 성분을 발생시키고, 이 맥동 자속 성분은 주 자속에 중첩되어 주 자속에도 맥동 자속 성분이 존재하게 됩니다. 맥동하는 자기 플럭스 성분은 자기 회로를 포화 상태로 만드는 경향이 있으며, 이는 모터 작동에 다음과 같은 영향을 미칩니다.
1. 맥동하는 자기장이 발생합니다.
손실은 증가하고 효율은 감소합니다. 가변 주파수 전원 공급 장치의 출력에는 다수의 고차 고조파가 포함되어 있기 때문에 이러한 고조파는 구리와 철의 소모를 증가시켜 작동 효율을 저하시킵니다. 현재 널리 사용되는 SPWM(정현파 펄스 폭 변조) 기술조차도 저차 고조파만 억제하고 모터의 맥동 토크를 감소시켜 저속에서 모터의 안정 작동 범위를 확장할 뿐입니다. 고차 고조파는 감소하지 않고 오히려 증가합니다. 일반적으로 정현파 전원 공급 장치와 비교했을 때 효율은 1~3%, 역률은 4~10% 감소하므로 주파수 변환 전원 공급 장치에서 모터의 고조파 손실은 큰 문제입니다.
b) 전자기 진동 및 소음 발생. 고차 고조파의 존재로 인해 전자기 진동과 소음이 발생합니다. 진동과 소음을 줄이는 것은 정현파로 구동되는 모터에서도 이미 어려운 문제입니다. 인버터로 구동되는 모터의 경우, 전원 공급이 비정현파적이므로 문제가 더욱 복잡해집니다.
c) 저속에서 저주파 맥동 토크가 발생합니다. 고조파 자기기전력과 회전자 고조파 전류가 합성되어 정고조파 전자기 토크와 교류 고조파 전자기 토크가 생성되는데, 교류 고조파 전자기 토크는 모터의 맥동을 유발하여 저속 안정 운전에 영향을 미칩니다. SPWM 변조 방식을 사용하더라도, 정현파 전원 공급 방식과 비교했을 때 여전히 일정 정도의 저차 고조파가 발생하여 저속에서 맥동 토크를 발생시키고 모터의 저속 안정 운전에 영향을 미칩니다.
2. 절연체에 임펄스 전압 및 축 전압(전류)을 발생시킵니다.
a) 서지 전압이 발생합니다. 모터가 작동 중일 때, 인가 전압에 주파수 변환 장치 내부 부품의 스위칭 시 발생하는 서지 전압이 중첩되는 경우가 많으며, 때로는 서지 전압이 높아져 코일에 반복적인 감전이 발생하고 절연체가 손상될 수 있습니다.
b) 축 방향 전압 및 축 방향 전류 발생. 축 방향 전압 발생은 주로 자기 회로 불균형 및 정전기 유도 현상 때문인데, 일반 모터에서는 심각하지 않지만 가변 주파수 전원 공급 장치를 사용하는 모터에서는 더욱 두드러집니다. 축 방향 전압이 너무 높으면 축과 베어링 사이의 오일막 윤활 상태가 손상되어 베어링 수명이 단축됩니다.
c) 열 방출은 저속 운전 시 열 방출 효과에 영향을 미칩니다. 가변 주파수 모터는 속도 조절 범위가 넓어 저주파에서 저속으로 운전하는 경우가 많습니다. 이때 속도가 매우 낮기 때문에 일반 모터에서 사용하는 자체 팬 냉각 방식으로는 냉각 공기가 충분하지 않아 열 방출 효과가 저하되므로 별도의 팬 냉각 장치를 사용해야 합니다.
기계적 영향은 공진을 일으키기 쉬우며, 일반적으로 모든 기계 장치는 공진 현상을 발생시킵니다. 그러나 일정한 출력 주파수와 속도로 작동하는 모터는 50Hz의 전기적 주파수 응답의 기계적 고유 주파수와의 공진을 피해야 합니다. 주파수 변환을 통해 모터를 작동할 경우, 작동 주파수 범위가 넓어지고 각 부품마다 고유 주파수가 존재하기 때문에 특정 주파수에서 공진이 발생하기 쉽습니다.
게시 시간: 2025년 2월 25일