전기 모터에 대해 막 배우는 초보자라면 "VFD"라는 용어를 많이 들어보셨을 것입니다. 그러나 VFD가 무엇이고 어떻게 작동하는지, VFD의 종류, VFD의 장단점, VFD의 관련 응용은 여러분이 잘 모를 수도 있는 VFD의 기초이며, 이 기사는 초보자에게 적합합니다.
VFD 란 무엇입니까?
VFD 또는 가변 주파수 드라이브는 모터를 구동하기 위해 전원 공급 장치의 주파수와 전압을 변경하여 AC 유도 또는 동기 모터를 제어하는 데 사용되는 전자 장치 유형입니다. 드라이브가 모터에 공급되는 주파수와 전압을 제어한다는 사실에도 불구하고 우리는 일반적으로 이를 속도 제어라고 부릅니다. 그 결과 모터의 속도가 조정되기 때문입니다. VFD의 다른 이름은 가변 속도 드라이브, 주파수 변환기, 가변 전압/가변 주파수 드라이브, AC 드라이브, Microdrive, 인버터, 가변 속도 드라이브입니다.
가변 주파수 드라이브는 AC 모터, 메인 드라이브 컨트롤러 어셈블리 및 드라이브/운영자 인터페이스의 세 가지 주요 하위 시스템으로 구성된 드라이브 시스템에 사용되는 장치입니다.
- AC 모터, 일반적으로 3상 유도 모터이지만 때로는 단상 또는 동기 모터입니다.
- 솔리드 스테이트 전력 전자 변환 시스템을 사용하는 메인 드라이브 컨트롤러는 정류기 브리지 컨버터, DC 링크 및 인버터의 세 가지 하위 시스템으로 구성됩니다.
- 모터를 시작 및 중지하고 속도를 조정하고 방향을 변경하는 등의 수단을 운영자 또는 PLC에 제공하는 모니터링 및 제어 인터페이스. 인터페이스는 또한 모터 작동, 드라이브 상태 등에 대한 정보를 제공합니다. PLC와의 통신은 여러 직렬 통신 프로토콜을 통해 또는 4-20mA 또는 0-10V 아날로그 신호와 결합된 구식 릴레이 입력 및 출력을 통해 수행할 수 있습니다.
VFD는 어떻게 작동합니까?
VFD가 어떻게 작동하는지 이해하기 위해 다음으로 VFD의 네 가지 주요 부분인 정류기, DC 버스/DC 링크, 인버터 및 제어 회로를 설명하겠습니다.
1. 정류기
주 전원 공급 장치의 AC 입력을 DC로 변환합니다. 이 부분은 모터의 4사분면 작동과 같이 사용되는 애플리케이션에 따라 단방향 또는 양방향일 수 있습니다. 다이오드, 사이리스터, 트랜지스터 및 기타 전자 스위칭 장치를 사용합니다.
2. DC 버스/DC 링크
DC 링크는 정류기에 의해 변환된 전력을 저장하여 정류기의 맥동 DC 출력에서 리플을 제거하고 부드러운 DC 전압을 제공합니다. 맥동하는 DC의 리플을 걸러내어 저장하는 커패시터로 주로 구성됩니다. 리플 유형에 따라 달라지는 인덕터도 포함될 수 있습니다.
3. 인버터
이 부분은 트랜지스터, 사이리스터, IGBT 등과 같은 전자 스위치로 구성됩니다. DC 링크에서 일정한 DC 전류를 수신하고 이를 주파수가 조정 가능한 AC 전류로 변환한 다음 모터에 전달합니다. 펄스 폭 변조와 같은 변조 기술을 사용하여 유도 전동기의 속도를 제어하기 위해 출력 주파수를 변경합니다.
4. 제어회로
마이크로프로세서 유닛으로 구성되어 있습니다. 정류기, DC 버스 및 인버터로 신호를 전송하고 이들 부품에서도 신호를 수신합니다. 신호를 이용하여 인버터의 반도체 소자를 온/오프하고 인버터를 동작시키기 위한 다양한 제어 신호를 제공하며 인버터의 동작 상태를 감시하여 보호 기능을 제공합니다.
VFD의 종류
시장에는 기계식 및 전기식의 두 가지 주요 유형의 가변 주파수 드라이브가 있습니다.
기계식 VFD의 유형
1. 가변 피치 드라이브
이 VFD는 벨트 및 풀리 드라이브로, 특정 요구 사항에 따라 하나 또는 두 풀리의 피치 직경을 조정할 수 있습니다. 이 메커니즘은 다중 비율을 부과하여 궁극적으로 가변 출력 속도를 초래합니다.
2. 트랙션 드라이브
이 VFD에서 2개의 짝을 이루는 금속 롤러에 속하는 접촉 경로의 직경은 조정 가능하여 다중 비율을 제공하므로 다양한 출력 속도가 제공됩니다.
3. 하이드로스테틱 드라이브
이 VFD는 용적식 유압 펌프와 모터로 구성됩니다. 펌프에서 나오는 유체의 양은 밸브를 사용하거나 변위를 변경하여 변경됩니다.
4. 유압 유체 점성 드라이브
이 VFD에서 입력 샤프트의 여러 디스크가 출력 샤프트의 해당 디스크 수에 대해 눌러집니다. 이 디스크 사이에는 얇은 기름막이 있습니다. 압착된 디스크의 압력을 변경하여 토크 전달을 변경할 수 있으므로 가변 속도 작동이 가능합니다.
5. 유압 유체 역학 드라이브 또는 유체 커플링
이 VFD에서는 두 개의 임펠러가 작동유를 사용하여 함께 연결됩니다. 유체의 체적을 변경함으로써 1차에서 출력까지의 결합 정도가 변할 수 있어 속도가 가변적입니다. 업계에서 가장 일반적으로 사용되는 기계식 VFD입니다.
전기 드라이브의 유형
와전류 커플링
이 VFD는 고정 속도 모터와 모터에 의해 구동되는 애플리케이션 사이에 존재합니다. 고정 속도 로터와 그 사이에 작은 에어 갭이 있는 가변 속도 로터로 구성됩니다. 회전자 중 하나에 여자 권선이 제공되어 회전자를 함께 연결하고 전달된 토크를 결정하는 자기장을 생성합니다.
DC 드라이브
DC 드라이브는 공급된 AC 전원을 가변 크기의 DC 전압으로 변환하고 이를 DC 모터의 전기자 권선에 공급하는 DC 변환기를 포함합니다. DC 드라이브는 일반적으로 사이리스터 기술을 사용하며 위의 모든 비위험 지역 애플리케이션에 사용할 수 있습니다.
AC 드라이브
VFD에는 세 가지 주요 유형이 있으며, 모두 AC 입력을 DC로 변환한 다음 인버터를 사용하여 DC를 가변 AC 출력으로 변경합니다.
- 직접 변환: 이 유형에는 입력 AC가 한 단계에서 가변 AC로 변환되는 사이클로 컨버터 및 기타 매트릭스 토폴로지가 포함됩니다. 이러한 VFD는 브러시 또는 브러시 없는 여자로 동기 모터를 제어하는 가장 일반적으로 사이클로 컨버터입니다. 이 VFD는 모터 속도가 낮고 토크 요구 사항이 높은 애플리케이션에 사용됩니다.
- 전류 소스: 정전류 생성기처럼 작동하여 거의 구형파 전류를 생성합니다. 동기 모터를 제어하기 위한 전류 소스 VFD는 부하 정류 인버터(LCI) VFD라고도 하며 일반적으로 사이리스터 기술을 사용합니다. 유도성 소스로 인해 응답이 훨씬 느리므로 팬 및 펌프 유형 부하에만 적합합니다.
- 전압 소스: VSI 드라이브에서 다이오드 브리지 컨버터의 DC 출력은 인버터에 뻣뻣한 전압 입력을 공급하기 위해 커패시터 버스에 에너지를 저장합니다. VSI 드라이브는 유도 모터와 동기 모터 모두에서 작동합니다. 전압 소스 인버터는 특정 정격 전력 이상의 드라이브에 대한 유일한 선택입니다. 대부분의 드라이브는 PWM 전압 출력이 있는 VSI 유형입니다. 현재 업계에서 가장 많이 사용되는 전기 VFD는 VSI(Voltage Source Inverter) 방식을 사용하는 AC 인버터이다.
VFD의 장점
에너지 및 에너지 비용 절감
모터 시스템은 오늘날 산업에서 소비되는 전기의 65% 이상을 소비합니다. VFD를 사용하여 모터 제어 시스템을 최적화하면 장비 에너지 소비를 크게 줄일 수 있습니다. 특히 펌프, 팬 및 압축기에서 VFD는 상당한 에너지 비용 절감을 달성할 수 있습니다.
효율적이고 부드러운 제어
가장 효율적인 속도로 모터를 제어하여 오류를 줄입니다. VFD는 보다 부드러운 벨트 및 컨베이어 작동을 가능하게 하여 시동 시 지터를 제거하고 모터 및 벨트 드라이브에 대한 열 및 기계적 스트레스를 줄입니다.
높은 역률
VFD의 DC 링크에 내장된 역률 보정 회로는 추가 역률 보정 장비의 필요성을 줄입니다. 이렇게 하면 값비싼 커패시터 뱅크가 추가로 필요하지 않습니다.
일반적인 AC 모터는 0.7에서 0.8 사이의 전체 부하 역률을 가질 수 있습니다. 모터 부하가 감소함에 따라 역률이 낮아집니다. 특히 무부하 응용 분야에서 유도 전동기는 역률이 매우 낮습니다. 낮은 역률은 높은 무효 전력 손실로 인해 낮은 전력 사용을 유발합니다.
장비 수명 연장 및 유지 보수 감소
VFD는 모터 주파수 및 전압의 최적화된 제어로 인해 전기적 과부하, 위상 보호, 저전압, 과전압 등과 같은 문제로부터 모터를 더 잘 보호합니다. 부하를 시작하기 위해 VFD를 사용하면 라인을 가로질러 시작하는 "순간 충격"으로부터 모터 또는 구동 부하를 보호합니다. 부드러운 시동은 많은 벨트, 기어 및 베어링 마모를 제거합니다. 추가 이점은 부드러운 가속 및 감속 주기를 통해 수격 현상을 줄이거나 제거한다는 것입니다. 이를 통해 장비의 수명을 연장하고 유지 관리로 인한 가동 중지 시간을 최소화할 수 있습니다.
VFD의 단점
- VFD의 초기 비용은 일반적으로 다른 가변 속도 제어 장치보다 높습니다.
- VFD의 사용자 인터페이스는 여전히 크로스 라인 스타터보다 더 복잡합니다.
- 유도 고조파: 가변 속도 드라이브는 전력선에 고조파를 유도하는 비선형 부하입니다. VFD, 특히 고마력 드라이브는 라인에 고조파 필터가 필요하므로 이러한 왜곡이 잠재적으로 민감한 전기 장비로 전달되지 않습니다.
VFD의 응용
실제로 AC 모터가 VFD 작동에 적합하지 않은 애플리케이션은 없습니다. VFD가 특정 응용 프로그램에 대해 많은 이점을 제공하고 비용이 합리적이라면 VFD 응용 프로그램이 허용됩니다.
HVAC 팬 및 펌프 애플리케이션에서 VFD를 사용하면 에너지 및 에너지 비용을 절약할 수 있으며 산업 애플리케이션에서는 모터 토크 및 속도 제어를 개선하고 모터 보호를 개선할 수 있습니다.
