BA(빌딩 오토메이션)의 공조 자동 제어 인버터(1)

 

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1. 인버터의 역사

빌딩의 공조 설비의 동력원으로서 가장 많이 사용되고 있는, 3상 교류 유도 전동기(이후, 유도 전동기라고 합니다)는 회전 속도가 고정자의 극수와 전원 주파수에 의해 결정되기 때문에, 무단계의 회전 속도 제어를 간단하게 할 수 없다는 단점이 있었다.

방적 산업이나 제지 산업의 기계에서는, 실이나 종이의 감기에서 처짐이나 절단 방지를 위해, 옛부터 전동기의 회전 속도 제어가 행해지고 있었습니다만, 그분야들에서는 정밀한 회전 속도 제어가 가능한 직류 전동기가 사용되고 있었습니다. 그러나 DC 모터는 정류기와 브러시 마모로 인해 정기적인 유지 보수 및 부품 교체가 필요했습니다.

1960년대 사이리스터를 사용한 인버터가 등장해 일부 메이커로부터 상품화되었습니다만, 당시의 제품은 회전 속도 가변 범위가 좁고 응답성도 그다지 좋지 않기 때문에, 정밀한 회전 속도 제어가 요구되는 산업 기계에는, 여전히 직류 전동기가 사용되고 있었습니다.

1980년대가 되면, 파워 일렉트로닉스의 발전에 의해, 고속의 스위칭 제어가 가능한 파워 트랜지스터를 사용한 인버터가 개발되었습니다. 이로써 직류 전동기를 대신하는 고도의 회전 속도 제어를 유도 전동기에서도 할 수 있게 되었습니다. 현재는 파워 트랜지스터가 IGBT (*1) 로 대체되어 보다 고내압, 고전류, 저비용을 실현하여 가전에서 산업 기계까지 인버터가 유도 전동기의 구동 전원으로 범용적으로 사용되게 되었습니다.

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2. 인버터의 구조

인버터는 그림 1 과 같이 교류를 직류로 하는 컨버터(순변환회로), 직류전원의 콘덴서, 직류를 임의의 주파수와 전압으로 변환하는 인버터(역변환회로)로 구성되어 있지만 일반적으로는 이 모든 장치 전체를 인버터라고 합니다.

인버터의 입력은 국내의 경우, 주파수가 50Hz 또는 60Hz의 교류 전원이지만, 인버터는 인가된 교류 전원을 한 번 직류 전원으로 변환한 후, 임의의 주파수와 임의의 전압으로 조정한 교류 전력을 출력합니다. 직류에서 교류로의 변환은 PWM 변조 (*2) 와 전압값을 동시에 가변하여 실시합니다.

출력 전력은 그림 1과 같은 전압을 조정한 펄스 형태의 출력이 됩니다만, 전동기의 권선 코일의 필터 효과에 의해, 그 평균치는 정현파 교류에 가까운 값이 됩니다. 덧붙여 인버터에는 주파수 점프 설정, 주파수 상하한 설정, 가감속 시간 설정등이 있으므로, 채용시에는 이들을 현장의 장치에 맞춘 설정치로 할 필요가 있습니다 (*3) .

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3. 제어 방식

인버터의 제어 방식에는 크게 나누어, 벡터 제어와 V/f 제어가 있습니다. 벡터 제어는 센서로 회전 속도를 피드백하여 토크 전류와 회전에 필요한 여자 전류를 나누어 제어하는 ​​방식으로 보다 정밀한 토크와 회전 속도의 제어가 가능합니다. 최근에는 회전 속도의 피드백을 필요로 하지 않는 센서리스 벡터 제어의 인버터도 상품화되고 있습니다 (*4) . V/f 제어는 회전 속도의 피드백을 취하지 않는 오픈 루프의 제어로, 회전 속도는 전동기 맡겨집니다. 빌딩의 펌프나 팬에 사용되고 있는 인버터의 대부분이, 회전 속도를 피드백하지 않는 오픈 루프의 V/f 제어입니다만, 인버터는 제어계 중에서는 조작단으로서 일하기 때문에, 제어계 전체로서는 제어량을 적절히 컨트롤 할 수 있습니다. 그림 2 의 예는 펌프 토출 압력의 제어 루프입니다. 토출 압력은 압력 발신기 → 조절계 → 인버터 → 펌프라는 제어 루프 전체에서 적절하게 제어됩니다. 다음번에는 인버터의 효용에 대해 설명합니다.

 

(*1) IGBT

Insulated Gate Bipolar Transistor의 약자로 절연 게이트형 바이폴라 트랜지스터로 번역됩니다. 반도체이면서, 고내압, 고전류, 저손실, 고속 스위칭을 실현해, 파워 일렉트로닉스의 드라이버로서 각 분야에 폭넓게 사용되고 있습니다.

(*2) PWM 변조

Pulse Width Modulation의 약자로 펄스폭 변조 방식으로 번역됩니다. 직류 전원의 출력을 on/off하여 펄스 형상의 파형으로 하고, 그 펄스 폭을 조정함으로써 출력 전압의 평균값을 원하는 값으로 조정합니다. 인버터에서는 펄스폭의 조정과 함께 전압값의 조정도 동시에 실시합니다.

(*3) 인버터 설정

・주파수 점프 설정

기계 장치에 내장된 유도 전동기의 회전 속도를 인버터로 가변하면 특정 주파수에서 공진 현상이 발생하여 기계 장치 전체가 크게 진동할 수 있습니다. 이 때의 주파수는 기계 장치에 따라 다르며 공진이 발생하지 않는 경우도 있습니다. 주파수 점프 설정은 공진시의 주파수를 뛰어넘어 기계장치의 공진에 의한 진동을 방지합니다. 공진하는 주파수는 기계장치와 유도 전동기의 조합에 따라 달라지므로 현장에서 기계장치별로 조정할 필요가 있습니다.

・주파수 상하한 설정

펌프나 팬의 회전 속도를 내려가면, 어느 점에서 유체의 맥동에 의한 진동이 발생해, 기기 본체뿐만 아니라 접속되어 있는 배관이나 덕트까지도 크게 진동해, 최악의 경우는 장치의 파괴에 이를 우려가 있습니다. 이 현상을 서징이라고합니다. 인버터로 운전중인 장치의 서징을 피하기 위해 회전 속도의 최저 주파수를 설정합니다. 건물에서 사용되는 펌프나 팬 등의 하한값은 보통 40% 정도로 설정합니다. 또, 펌프나 팬은 설계시에 안전율을 가미하여 선정되기 때문에, 실제의 운용에 있어서는 오버스펙이 되는 경우가 있습니다. 이 경우 인버터의 주파수 상한치를 운전에 지장이 없는 범위에서 낮게 설정함으로써 전력 소비를 억제할 수 있습니다.

・가감속 시간 설정

유도 전동기의 시동시에 시간을 들여 천천히 회전 속도를 올려 가는 것으로, 기계 장치 및 배관이나 덕트의 충격이나 진동을 억제할 수 있습니다. 건물 내의 펌프나 팬과 같은 가속 시간은 보통 30~40초로 설정됩니다. 또한, 정지시의 감속 시간 설정은 특별한 경우를 제외하고 설정하지 않습니다.

(*4) 센서리스 벡터 제어

영구 자석식 동기 전동기에 의한 제어 방식입니다. 동기 전동기는 「회전 자계=축의 회전 속도」가 되므로, 홀 소자와 같은 회전 속도 센서를 필요로 하지 않습니다. 유도 전동기는 회전 자계와 축의 회전 속도에 어긋남이 생기므로 센서리스 벡터 제어는 할 수 없습니다.

 

 

출처: MG 홈페이지 (구 엠시스템 )