[논문]유도전동기의 전기적 특성에 미치는 고조파 전류의 영향

박양범; 김두현

문제 정의

특히 동력부하 중에서 가장 사용빈도가 높은 삼상유도전동기의 경우 고조파로 인하여 운전중에 기계적인 진동, 노이즈와 고조파 전류증가에 따른 따른 효율저하 등을 초래하고, 궁극적으로 절연파괴에 따른 전동기 수명단축 및 소손을일으킬 우려가 높아지고 있다3). 따라서 본 연구에서는 이러한 문제점을 규명하기 위하여 고조파 발생원인 전력변환장치(Inverter)를 이용하여 고조파유입에 따른 전동기의 전기적 특성을 고찰하였다. 아울러 고조파로 인하여 전원의 전기적 품질 저하를 방지하고져 전원측에 리액터3[mH], 6[mH]를 각각 설치하여 전력변환장치에서 발생하는 고조파량을 전동기 부하측으로 유도하여 고조파 총왜형률을 측정하였으며, 삼상 평균전력 변화에 따른 유도전동기의 출력 변화를 실험 .

제안 방법

또한 전동기의 전기적 특성을 실험하기 위하여전동기 부하율을 가변하여 측정 하였으며, 전력변환장치(Inverter 7.5[kW])는 설치하지 않았다. 이와같이 전동기 특성을 실험한 후 고조파 발생원인 전력변환장치를 전원측과 병렬로 연결하고 인버터 2 차측의 히터부하량 조절에 따라 전동기의 전기적특성변화를 측정하였다.
5[kW]로 가변하여 실험하였다. 또한 전원측으로 고조파 유입을 억제하기 위하여 리액터 3[mH]20[A], 6[mH]20[A]를 각각 설치한 상태에서리액터 용량별 전동기측의 전기적 특성 및 고조파총왜형률을 측정하여 리액터 설치 전 . 후를 비교하여 실험하였다.
본 논문은 전력변환장치에서 발생하는 고조파로 인한 삼상유도전동기의 전기적 특성과 고조파 총왜형률을 측정하고 비교, 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
따라서 본 연구에서는 이러한 문제점을 규명하기 위하여 고조파 발생원인 전력변환장치(Inverter)를 이용하여 고조파유입에 따른 전동기의 전기적 특성을 고찰하였다. 아울러 고조파로 인하여 전원의 전기적 품질 저하를 방지하고져 전원측에 리액터3[mH], 6[mH]를 각각 설치하여 전력변환장치에서 발생하는 고조파량을 전동기 부하측으로 유도하여 고조파 총왜형률을 측정하였으며, 삼상 평균전력 변화에 따른 유도전동기의 출력 변화를 실험 . 분석하였다.
유도전동기의 전기적 특성과 고조파 발생에 따른 영향을 실험하기 위하여 Fig. 3과 같이 실험 회로를 구성하였으며, 전원 3038O[V] 60[Hz]의 상용전원에서 전동기 3.7[kW]의 전기적 특성 및 고조파총왜형률을 측정하였다. 전원과 전동기 사이에는 전동기 보호를 위한 열동형계전기(Thr)와 전자 접촉기(MC)를 설치하여 과부하로 인한 전동기를 보호하도록 하였다.
이와같이 전동기 특성을 실험한 후 고조파 발생원인 전력변환장치를 전원측과 병렬로 연결하고 인버터 2 차측의 히터부하량 조절에 따라 전동기의 전기적특성변화를 측정하였다. 이때 히터부하는 2.5, 3.5, 4.5, 5.5, 6.5[kW]로 가변하여 실험하였다. 또한 전원측으로 고조파 유입을 억제하기 위하여 리액터 3[mH]20[A], 6[mH]20[A]를 각각 설치한 상태에서리액터 용량별 전동기측의 전기적 특성 및 고조파총왜형률을 측정하여 리액터 설치 전 .
5[kW])는 설치하지 않았다. 이와같이 전동기 특성을 실험한 후 고조파 발생원인 전력변환장치를 전원측과 병렬로 연결하고 인버터 2 차측의 히터부하량 조절에 따라 전동기의 전기적특성변화를 측정하였다. 이때 히터부하는 2.
전력변환장치를 설치하지 않고 상용전원에 의한 유도전동기 3.7[kW] 의 전기적 특성을 측정하기 위하여 전동기 부하율을 5, 30, 50, 70, 90[%]로 가변하여 부하율 변화에 따른 전동기 특성변화는 Table 1과 같이 측정되었다. 평균전압은 5[%]의 부하율에서 371.
7[kW]의 전기적 특성 및 고조파총왜형률을 측정하였다. 전원과 전동기 사이에는 전동기 보호를 위한 열동형계전기(Thr)와 전자 접촉기(MC)를 설치하여 과부하로 인한 전동기를 보호하도록 하였다.
또한 전원측으로 고조파 유입을 억제하기 위하여 리액터 3[mH]20[A], 6[mH]20[A]를 각각 설치한 상태에서리액터 용량별 전동기측의 전기적 특성 및 고조파총왜형률을 측정하여 리액터 설치 전 . 후를 비교하여 실험하였다. 그리고 인버터 2차측 전동발전기는삼상전원을 단상전원으로 변환하기 위한 전동발전기로서 전압은 1022O[V] 이며 히터부하 전원을 위하여 적용한 M-G set 이다.

성능/효과

1) 5[%]의 부하율을 기준으로 5단계 히터부하량가변시 유도전동기 3.7[kW] 에 유입되는 고조파 총왜형률을 측정한 결과 고조파 발생원인 전력변환장치에 의하여 총왜형률은 히터부하량 증가에 따라 비례하여 증가함을 확인할 수 있었다.
3) 전력변환장치 2차측 히터부하를 가변하여 6.5 [kw]로 설정후 3[mH] 리액터를 설치했을때 전동기평균전력은 0.183[kW]이었으며, 6[mH] 리액터를 설치한 경우에는 0.158[kW]로 전력이 감소하는 것으로 보아 전동기 출력의 감소가 있음을 알 수 있었다.
평균전압과 전류는 감소한것을 알 수 있고, 불평형율과 전력은 거의 변화가없었다. 그러나 전압, 전류 총왜형율은 히터부하량증가에 따라 전압 총왜형률은 3.3[%]에서 5.8[%]로증가하였고, 전류 총왜형률 5.8[%]에서 9.8[%]로 증가함을 알 수 있었다. Fig.
27[A]로 증가하는 것으로 보아 부하율 증가에 따른 전압 감소 및 전류의 증가를 알 수 있었다. 또한 전압 총왜형률 (Voltage Total Harmonic Distortion : VTHD)은 0.8 에서 1.3[%]로 증가 하였으며, 전류 총왜형XCur- rent Total Harmonic Distortion : ITHD)도 1. 아%]에서 2.
2) 전원측 .리액터를 용량별로 설치하여 분석한 결과 3[mH] 일때 전압 총왜형률은 최고 18.9[%], 전류 총왜형률은 31.0[%]였으나, 6[mH] 리액터 설치 시에는 전압 총왜형률 23.2[%], 전류 총왜형률 38.2 [%]로 대단히 높게 나타나는 것으로 리액터의 증가에 따라 전원으로의 고조파 유입차단 효과가 높게 나타남을 알 수 있다.
1 [%]로 증가하였다. 이와 같은 실험 결과는 회전기기인 전동기 운전에 따른 고조파 발생이 있음을 알 수 있었으며, 전동기 부하율 증가에 따라 총왜형률도 비례하여 증가하였음을 알 수 있다.
158[kW]로 각각 감소하였다. 이와같은 결과를 토대로 분석하여 보면 전원측 고조파유줄량이 리액터 설치로 인하여 부하측 유도전동기로 이동하였음을 알 수 있고, 전동기측의 고조파유입량 증가로 인하여 평균전력 감소에 따른 출력의 감소가 있음을 알 수 있다.
Table 2와 같다. 평균전압과 전류는 감소한것을 알 수 있고, 불평형율과 전력은 거의 변화가없었다. 그러나 전압, 전류 총왜형율은 히터부하량증가에 따라 전압 총왜형률은 3.

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