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문제 정의
- 본 논문에서는 커패시터 운전형 단상 유도전동기의 저가형 속도제어 시스템을 구현하는 기술에 대하여 연구하였다. TRIAC을 사용한 전압제어 방법으로 주권선 전압 또는 보조권선 전압을 제어하는 4가지 방식에 대하여 시뮬레이션 및 실험을 실시하였다.
제안 방법
- 본 논문에서는 커패시터 운전형 단상 유도전동기의 저가형 속도제어 시스템을 구현하는 기술에 대하여 연구하였다. TRIAC을 사용한 전압제어 방법으로 주권선 전압 또는 보조권선 전압을 제어하는 4가지 방식에 대하여 시뮬레이션 및 실험을 실시하였다.
- 실험장치는 4가지의 전압제어 방식을 모두 사용할 수 있도록 하기 위하여 TRIAC의 위치를 쉽게 이동시킬 수 있게 설계하였다. 또한 제어에 사용하지는 않지만 실험용으로 전류를 측정하기 위하여 주권선과 보조권선에 각각 전류센서를 부착하였다.
- 본 논문에서는 온도와 연계되어 동작함으로써 축사용 환풍기 등에 사용할 수 있는 저가격형 속도제어 시스템을 구현하는데 목적을 두고 커패시터 운전형 단상 유도전동기를대상으로 선정하여 TRIAC을 이용한 위상제어 방법으로 주권선 전압 및 보조권선 전압을 동시에 제어하는 입력전원 제어 방식, 주권선 전압을 제어하는 방식, 그리고 보조권선 전압을 제어하는 방식 등의 3가지 전력회로 토폴로지에 대하여 각각 속도제어 특성, 운전 효율, 경제성 등에 중점을 두어 비교 분석한다.
- 실험은 입력전원 제어 방식과 주권선 제어 방식에서 각각 속도응답 특성, 부하변동에 대한 과도응답 특성, 전동기의 회전 속도에 따른 운전효율 등 3가지로 나누어 실시하였다.
- 본 논문에서 구현한 커패시터 운전형 단상 유도전동기 속도제어 시스템의 하드웨어는 그림 6과 같다. 실험장치는 4가지의 전압제어 방식을 모두 사용할 수 있도록 하기 위하여 TRIAC의 위치를 쉽게 이동시킬 수 있게 설계하였다. 또한 제어에 사용하지는 않지만 실험용으로 전류를 측정하기 위하여 주권선과 보조권선에 각각 전류센서를 부착하였다.
- 위에서 제시한 4가지의 고정자 권선 전압제어 방식들을 구현하기 위하여 그림 3과 같은 제어 시스템을 구성하고, TRIAC으로 위상제어한 전압을 각 방식에 따라 주권선 및 보조권선에 인가할 수 있도록 하였다. 여기서는 이들 4가지 제어 방식에 따른 속도제어기의 제어이득을 구하고 그에 해당하는 속도제어 특성을 확인하기 위한 컴퓨터 시뮬레이션을 먼저 실시하였다.
- 위에서 제시한 4가지의 고정자 권선 전압제어 방식들을 구현하기 위하여 그림 3과 같은 제어 시스템을 구성하고, TRIAC으로 위상제어한 전압을 각 방식에 따라 주권선 및 보조권선에 인가할 수 있도록 하였다. 여기서는 이들 4가지 제어 방식에 따른 속도제어기의 제어이득을 구하고 그에 해당하는 속도제어 특성을 확인하기 위한 컴퓨터 시뮬레이션을 먼저 실시하였다.
데이터처리
- 시뮬레이션 소프트웨어로는 MATLAB Simulink를 사용하였으며, 시뮬레이션 및 실험에 사용한 90W짜리 샘플 전동기의 사양은 표 1과 같다.
이론/모형
- 속도제어기로는 PI 제어 알고리즘을 사용하였고, 샘플링 시간은 60[Hz] 전원의 반주기와 유사한 10[ms]로 하였다. 속도제어기에서는 기준속도와 실제속도의 차에 따라 점호각α에 해당하는 타이머의 출력비교 인터럽트를 발생시키기 위한 시간을 설정하고, 이 인터럽트가 발생하게 되면 TRIAC을 턴온하여 출력전압의 크기를 제어한다.
성능/효과
- 기동용 커패시터가 없는 보조권선 제어 방식은 무부하에서 속도제어가 가능하기는 했으나, 응답 특성이 나쁘고 속도 및 토크 맥동이 크며, 전동기에서 심한 열이 발생하였다. 결과적으로 보조권선을 제어하는 이들 2가지의 제어 방식은 모두 실용성이 낮아서 실제로 사용하기가 어렵다는 결론을 얻을 수 있다.
- 시뮬레이션 및 실험 결과에서 모두 입력전원 제어 방식이 주권선 제어 방식에 비하여 다소 응답속도가 빨라 우수한 제어특성을 보였다. 그러나, 주권선 제어 방식은 입력전원제어 방식에 비하여 좀 더 저렴한 가격으로 구현할 수 있고,입력역률이 더 좋으며, 효율 측정 실험에서 주권선 제어 방식의 효율이 더 높은 것으로 나타나 경제성 측면에서는 주권선 제어 방식이 다소 유리하다고 볼 수 있다.
- 이로부터 TRIAC을 이용한 위상제어 방식으로 단상 유도전동기를 속도제어하는 경우에는 주권선 제어 방식이 입력전원 제어 방식보다 운전효율이 상대적으로 높다는 것을 알 수 있다. 따라서, 앞의 속도응답 실험과 부하변동에 대한 과도응답 실험에서 보았듯이 응답 특성은 입력전원 제어 방식이 우수한 반면에 운전효율은 주권선 제어 방식이 더 우수하다는 결론을 얻을 수 있다.
- 보조권선 제어 방식은 LC 공진 전류 때문에 속도제어가 원활하게 수행되지 않았으며, 기동용 커패시터가 없는 보조권선 제어 방식은 속도제어가 불안정하고 전동기의 발열이 심하여 실용성이 낮은 것으로 판단되었다.
- 부하가 증가하면 전동기의 회전속도가 잠시 감소하지만, 주권선 제어 방식에서는 주권선 전류가 증가하고 입력전원제어 방식에서는 주권선 전류와 보조권선 전류가 모두 증가하여 토크를 증가시키므로 곧바로 다시 속도가 증가하여 기준속도에 안정적으로 복귀하는 것을 볼 수 있다. 반대로 부하가 감소하면 회전속도가 잠시 증가하지만, 주권선 제어 방식에서는 주권선 전류가 감소하고 입력전원 제어 방식에서는 주권선 전류와 보조권선 전류가 감소하여 토크를 감소시키므로 곧바로 다시 속도가 감소하여 기준속도에 복귀하게 된다.
- 각 그림에서 상단 파형은 기준속도와 실제속도를 나타내고, 하단 파형은 주권선 전류와 보조권선 전류를 나타낸다. 시뮬레이션 결과를 보면 입력전원 제어 방식이 주권선 제어 방식에 비하여 응답속도가 다소 빠르다는 것을 알 수 있다.
- 시뮬레이션 및 실험 결과에서 모두 입력전원 제어 방식이 주권선 제어 방식에 비하여 다소 응답속도가 빨라 우수한 제어특성을 보였다. 그러나, 주권선 제어 방식은 입력전원제어 방식에 비하여 좀 더 저렴한 가격으로 구현할 수 있고,입력역률이 더 좋으며, 효율 측정 실험에서 주권선 제어 방식의 효율이 더 높은 것으로 나타나 경제성 측면에서는 주권선 제어 방식이 다소 유리하다고 볼 수 있다.
- 기동용 커패시터가 없는 보조권선 제어 방식의 시뮬레이션 결과에서는 보조권선 전류가 주권선 전류에 비해 위상이 지연되어 역회전을 하게 되는데, 무부하에서 속도제어가 수행되기는 하지만 보조권선 전류가 매우 커졌다. 실제 실험결과로도 이 방식은 보조권선 전류가 크고, 따라서 전동기의 발열이 심하여 사용하기 어렵다는 결론을 얻었다.
- 실험결과 파형들을 보면 무부하와 1/2 부하에서 모두 입력전원 제어 방식이 주권선 제어 방식에 비해 속도응답이 약간 빠른 것을 알 수 있다. 또한 단상 유도전동기에서는 역토크를 발생하지 못하고 주로 부하와 기계적 손실에 의해서 속도가 감소되기 때문에 가속 시간에 비해 감속 시간이긴 것을 볼 수 있다.
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