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1. 유도기-동기기 MG세트의 3상 인버터 구동 실험
1.1. 개요
3상 인버터의 기본 원리를 이해하고 실제 제품을 사용해봄으로써 인버터를 이용한 AC전동기 속도 제어방법을 이해하고 다양한 활용 사례가 있음을 알 수 있다. 이를 통해 유도기-동기기 MG세트의 3상 인버터 구동 실험을 수행하여 인버터의 원리와 기능, 그리고 유도전동기의 속도제어 방법에 대해 실습할 수 있다. 이 실험은 전력전자 기술의 기본적인 개념을 이해하고 실제 산업현장에서 많이 활용되는 인버터 기술을 경험해볼 수 있는 좋은 기회가 될 것이다.
1.2. 관련이론
1.2.1. 인버터의 동작원리
인버터의 동작원리는 다음과 같다.
인버터는 제어부를 제외한 전력 회로도가 정류부, 평활회로부, 인버터부로 구분된다. 정류부는 3상 교류를 6개의 다이오드로 직류로 정류하고, 평활회로부는 리플을 대용량 커패시터로 평활화한다. 인버터부에서는 IGBT로 신호에 따라 회로를 제어한다.
인버터의 전체 구성은 입출력, 제어회로부를 포함하고 있다. 인버터는 제어신호에 따라 다양한 형태의 전력을 출력할 수 있으며, PWM에 의한 전력 변환을 수행한다. 인버터 제어회로에 주파수 지령을 입력하면 원하는 주파수의 정현파를 PWM 형태의 전압으로 만들어서 출력하고, 이를 통해 전동기의 속도를 제어할 수 있다.
즉, 인버터는 직류를 정현파 교류로 변환하는 장치로, 제어회로에서 발생시킨 PWM 제어신호에 따라 IGBT 등의 스위칭 소자를 제어하여 가변 주파수, 가변 전압의 교류를 출력한다. 이를 통해 전동기의 속도를 효과적으로 제어할 수 있다.
1.2.2. 유도전동기의 속도제어: V/f 제어
V/f 제어는 전압 대 주파수 비를 일정하게 함으로써 자속을 일정하게 유지하면서 주파수를 가변 시켜 전동기의 속도를 제어한다.
V/f 제어 방식은 유도전동기의 속도를 제어하는 대표적인 기법으로, 전압과 주파수의 비를 일정하게 유지하여 자속을 일정하게 유지하면서 주파수를 가변시켜 속도를 제어한다. 유도전동기의 회전자 자속 ψ는 다음 식과 같이 표현될 수 있다:
ψ = k * V / f
여기서 k는 상수, V는 인가 전압, f는 인가 주파수이다. V/f 제어에서는 V/f의 비를 일정하게 유지하므로 자속 ψ가 일정하게 되어 유도전동기의 효율과 토크 특성이 최적의 상태로 유지된다.
주파수를 가변시키면 회전자의 회전속도가 변하게 되고, 이에 따라 유도전동기의 속도를 제어할 수 있다. 예를 들어 주파수를 50Hz에서 40Hz로 낮추면 회전자의 회전속도가 느려지게 된다. 따라서 V/f 제어 방식은 유도전동기의 속도를 효과적으로 제어할 수 있는 방법이다.
V/f 제어는 구현이 비교적 간단하고 저가의 인버터를 사용할 수 있다는 장점이 있다. 하지만 토크 특성이 주파수에 의해 결정되어 동적 특성이 좋지 않다는 단점이 있다. 따라서 정밀한 속도 제어나 고토크가 필요한 경우에는 다른 제어 기법이 필요하다.
1.2.3. 인버터를 사용한 AC 전동기 가변속 구동의 장단점
인버터를 사용한 AC 전동기 가변속 구동의 장점은 다음과 같다.
첫째, 전동기의 가변 구동이 가능하다. 원하는 속도로 가변시켜 구동이 가능하고 부드러운 기동과 정지가 가능하다""
둘째, 효율 상승이 가능하다. 사용조건에 맞게 가변속하여 구동하므로 효율이 상승된다""
셋째, 공정 자동화가 가능하다. 공정 조건에 따라 전동기의 속도를 미리 설정된 방식으로 제어할 수 있어 자동화 시스템에 핵심적인 구성요소이다""
반면 인버터를 사용한 AC 전동기 가변속 구동의 단점은 다음과 같다.
첫째, 높은 스위칭 주파수에 의한 소음 및 스위칭 손실이 발생한다""
둘째, 출력전압의 고조파 발생으로 인한 전력품질이 하향된다""
셋째, 높은 비용으로 인한 동작 신뢰성 및 수명 검증이 필요하다""
1.3. 상용 인버터 iS7 외관 및 키패드 기능
상용 인버터 iS7 외관 및 키패드 기능이다. iS7 인버터는 전력 회로도에서 제어부를 제외한 부분이 정류부, 평활회로부, 인버터부로 구성되어 있다. 정류부는 3상 교류를 6개의 다이오드로 직류로 정류하고, 평활회로부는 리플을 대용량 커패시터로 평활화하며, 인버터부에서 IGBT로 신호에 따라 회로를 제어한다. 인버터는 제어신호에 따라 다양한 형태의 전력을 출력할 수 있으며 PWM에 의한 전력 변환을 수행한다. 인버터 제어 회로에 주파수 지령을 입력하면 원하는 주파수의 정현파를 PWM 형태의 전압으로 만들어서 출력하고, 이를 통해 전동기의 속도를 제어할 수 있다.
1.4. iS7 단자대 구성 및 기능
iS7 단자대 구성 및 기...
