에너지 피드백 장치 공급업체는 주파수 변환기가 디버깅 및 사용 중에 다양한 문제에 직면하는 경우가 많으며, 그중에서도 과전압이 가장 흔하다는 점을 알려드립니다. 과전압 발생 시 내부 회로 손상을 방지하기 위해 주파수 변환기의 과전압 보호 기능이 작동하여 주파수 변환기가 작동을 멈추고 장비가 제대로 작동하지 않게 됩니다.
따라서 과전압을 제거하고 고장 발생을 방지하기 위한 조치를 취해야 합니다. 주파수 변환기와 모터의 적용 상황이 다르기 때문에 과전압 발생 원인도 다르므로, 구체적인 상황에 따라 적절한 조치를 취해야 합니다.
주파수 변환기 및 회생 제동에서 과전압 발생
주파수 변환기의 과전압이란 주파수 변환기의 전압이 다양한 원인으로 인해 정격 전압을 초과하는 상황을 말하며, 주로 주파수 변환기의 DC 버스의 DC 전압으로 나타납니다.
정상 작동 시 주파수 변환기의 직류 전압은 3상 전파 정류 후의 평균값입니다. 380V 선간 전압을 기준으로 계산하면 평균 직류 전압 Ud=1.35U 선간=513V가 됩니다.
과전압이 발생하면 DC 버스의 에너지 저장 커패시터가 충전됩니다. 전압이 약 700V(모델에 따라 다름)까지 상승하면 주파수 변환기의 과전압 보호 기능이 활성화됩니다.
주파수 변환기에서 과전압이 발생하는 데에는 전력 과전압과 재생 과전압이라는 두 가지 주요 원인이 있습니다.
전원 과전압은 과도한 전원 공급 전압으로 인해 DC 버스 전압이 정격 값을 초과하는 상황을 말합니다. 오늘날 대부분의 주파수 변환기의 입력 전압은 최대 460V에 달하기 때문에 전원 공급으로 인한 과전압은 매우 드뭅니다.
이 글에서 논의되는 주요 문제는 과전압의 재생성이다.
회생 과전압이 발생하는 주요 원인은 다음과 같습니다. GD2(플라이휠 토크) 부하가 감속할 때 주파수 변환기에서 설정한 감속 시간이 너무 짧습니다.
전동기는 하강 시 외력(예: 선풍기, 인장기) 또는 잠재 부하(예: 엘리베이터, 크레인)를 받습니다. 이러한 이유로 전동기의 실제 속도는 주파수 변환기의 지령 속도보다 높으며, 이는 전동기의 회전자 속도가 동기 속도를 초과함을 의미합니다. 이때 전동기의 슬립률은 음수이고, 회전 자기장을 절단하는 회전자 권선의 방향은 전동기 상태와 반대입니다. 이로 인해 발생하는 전자기 토크는 회전 방향을 방해하는 제동 토크입니다. 따라서 전동기는 실제로 발전 상태에 있으며, 부하의 운동 에너지는 전기 에너지로 '회생'됩니다.
회생 에너지는 인버터의 프리휠링 다이오드를 통해 인버터의 DC 에너지 저장 커패시터에 충전되어 DC 버스 전압을 상승시키는데, 이를 회생 과전압이라고 합니다. 회생 과전압 과정에서 발생하는 토크는 원래 토크와 반대이며, 이것이 제동 토크입니다. 따라서 회생 과전압을 생성하는 과정은 회생 제동 과정이기도 합니다.
즉, 회생 에너지를 제거하면 제동 토크가 증가합니다. 회생 에너지가 크지 않으면 인버터와 모터 자체의 회생 제동 용량이 20Ω이 되며, 이 부분의 전기 에너지는 인버터와 모터에서 소모됩니다. 이 에너지가 주파수 변환기와 모터의 소비 용량을 초과하면 직류 회로의 커패시터가 과충전되어 주파수 변환기의 과전압 보호 기능이 작동하여 운전이 정지됩니다. 이러한 상황을 방지하려면 회생 제동의 목적인 제동 토크를 높이는 동시에 이 에너지를 적시에 처리해야 합니다.
주파수 변환기 과전압 방지 대책
과전압의 원인은 다양하므로, 그에 따른 대책도 달라집니다. 주차 중 발생하는 과전압 현상의 경우, 주차 시간이나 장소에 대한 특별한 제한이 없다면 주파수 변환기의 감속 시간을 늘리거나, 자유 주차를 통해 해결할 수 있습니다. 자유 주차는 주파수 변환기가 주 스위치 장치의 연결을 해제하여 모터가 자유롭게 미끄러지고 정지할 수 있도록 하는 것을 말합니다.
주차 시간이나 주차 위치에 대한 특정 요구 사항이 있는 경우 DC 제동 기능을 사용할 수 있습니다.
DC 제동 기능은 모터의 속도를 특정 주파수까지 늦춘 다음 모터의 고정자 권선에 DC 전력을 공급하여 정적 자기장을 형성하는 것입니다.
모터 회전자 권선은 이 자기장을 차단하여 제동 토크를 발생시키고, 이는 부하의 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하여 모터 회전자 회로에서 열 형태로 소모합니다. 따라서 이러한 제동 방식은 에너지 소비 제동이라고도 합니다. DC 제동 과정은 실제로 회생 제동과 에너지 소비 제동의 두 가지 과정으로 구성됩니다. 이 제동 방식은 회생 제동의 30~60%에 불과한 효율을 가지며, 제동 토크도 비교적 작습니다. 모터에 에너지가 소모되면 과열될 수 있으므로 제동 시간은 너무 길어서는 안 됩니다.
또한, 직류 제동의 시동 주파수, 제동 시간, 제동 전압은 모두 수동으로 설정되며, 회생 전압 수준에 따라 자동으로 조정될 수 없습니다. 따라서 직류 제동은 정상 운전 중 발생하는 과전압에는 사용할 수 없으며, 주차 중 제동에만 사용할 수 있습니다.
감속(고속에서 저속으로 정지 없이) 시 부하의 과도한 GD2(플라이휠 토크)로 인한 과전압의 경우, 감속 시간을 적절히 연장하는 방법을 채택하여 해결할 수 있습니다. 실제로 이 방법은 회생 제동 원리를 활용합니다. 감속 시간을 연장하면 부하의 회생 전압에 의해서만 인버터의 충전 속도가 제어되어 인버터 자체의 회생 제동 용량을 합리적으로 활용할 수 있습니다. 외부 힘(위치 에너지 방출 포함)으로 인해 모터가 회생 상태가 되는 부하는 일반적으로 제동 상태에서 운전되므로 회생 에너지가 너무 높아 주파수 변환기 자체에서 소모되지 않습니다. 따라서 DC 제동을 사용하거나 감속 시간을 연장하는 것은 불가능합니다.
회생 제동은 직류 제동에 비해 제동 토크가 더 높으며, 제동 토크 크기는 주파수 변환기의 제동 유닛에 의해 부하의 필요 제동 토크(즉, 회생 에너지 수준)에 따라 자동으로 제어됩니다. 따라서 회생 제동은 정상 운전 시 부하에 제동 토크를 제공하는 데 가장 적합합니다.
주파수 변환 회생 제동 방법:
1. 에너지 소비 유형:
이 방식은 주파수 변환기의 직류 회로에 제동 저항을 병렬로 연결하고, 직류 버스 전압을 감지하여 전력 트랜지스터의 온/오프를 제어하는 방식입니다. 직류 버스 전압이 약 700V까지 상승하면 전력 트랜지스터가 도통하여 회생 에너지를 저항으로 전달하고 열에너지로 소비하여 직류 전압 상승을 방지합니다. 회생 에너지를 활용할 수 없기 때문에 에너지 소비형에 속합니다. 에너지 소비형으로서 직류 제동과의 차이점은 모터 외부의 제동 저항에서 에너지를 소비하기 때문에 모터가 과열되지 않고 더 자주 작동할 수 있다는 것입니다.
2. 병렬 DC 버스 흡수형:
각 모터에 주파수 변환기가 필요하고, 여러 주파수 변환기가 계통 측 변환기를 공유하며, 모든 인버터가 공통 DC 버스에 병렬로 연결된 다중 모터 구동 시스템(예: 스트레칭 머신)에 적합합니다. 이 시스템에서는 일반적으로 하나 이상의 모터가 제동 상태에서 정상적으로 작동합니다. 제동 상태의 모터는 다른 모터에 의해 끌려 회생 에너지를 생성하고, 이 에너지는 병렬 DC 버스를 통해 전기 상태의 모터에 흡수됩니다. 완전히 흡수되지 않으면 공유 제동 저항을 통해 소모됩니다. 여기서 회생 에너지는 부분적으로 흡수되어 활용되지만, 전력망으로 다시 공급되지는 않습니다.
3. 에너지 피드백 유형:
에너지 피드백형 인버터 계통측 컨버터는 가역적입니다. 회생 에너지가 생성되면 가역 컨버터가 회생 에너지를 계통으로 되돌려 회생 에너지를 최대한 활용할 수 있도록 합니다. 하지만 이 방식은 높은 전력 공급 안정성을 요구하며, 갑작스러운 정전 발생 시 역전 및 전복이 발생합니다.