INVERTER / 주워온 글 ..
1. 인버터란 무엇입니까 ?
3상교류의 전압과 주파수를 가변하여 3상 유도 전동기의 속도를 제어하는장치를 말합니다.
2. 센서리스 벡터 인버터란 무엇입니까?
모터에서 회전력 (토오크)를 발휘하는데는 자속과 전류가 직각으로 쇄교하여 힘이 발생 합니다만, 유도전동기의 경우 그 유도현상을 일으키는 구조상 자속과 전류가 직각으로 쇄교하게 기계적으로 구성할수가 없습니다. 이에 전기적으로 자속을 일으키는 전류와 토오크를 일으키는 전류가 직각이 되게 인버터에서 공급하는 전류를 위상제어합니다.
간단히 말해 이 위상을 별도의 센서없이 자속과 토오크 성분을 제어 하는 방식이 센서리스 벡터제어 방식 입니다.
장점으로는 토오크/전류비가 크게 됩니다. 낮은 전류로도 V/F 제어 방식에 비해 큰 토오크를 발휘합니다.
3. 벡터 인버터란 무엇입니까?
모터를 구동시 자속 성분과 토오크 성분을 속도센서를 사용해 제어하는 방식의 인버터를 말합니다. 벡터 인버터는 고응답, 고정도, 고신뢰성을 요구하는 servo 급 system 에 적용하게 되며, 벡터 제어 전용모터를 사용하게 됩니다.
벡터 제어 전용모터는 온도 변화에 따른 motor 특성 보상 및 feed back loop control 55Hz의 속도 응답을 갖추고 있습니다.
4. V.V.V.F와 인버터는 다릅니까?
V.V.V.F는 Variable Voltage Variable Frequency의 약칭이며, 주파수를 변환하는 동시에 전압도 비례해서 변화시키는 가변 주파수 인버터 방식을 말하며 일반적으로 인버터와 같은 뜻으로 사용됩니다.
5. 인버터는 여러가지 기종이 있는데 각각 어떻게 구분하고, 어떻게 다릅니까?
크게 세종류로 나눌수 있는데 범용 인버터,센서리스 벡터 인버터,벡터 인버터입니다.
범용 인버터는 3가지 기종이 있는데 기능상 약간의 차이가 있지만 주로 용량별로
구분할 수 있습니다.
6. 인버터의 내부구조는 어떻게 되어있습니까?
PWM방식의 전압형 인버터인데 크게 콘버터부, 평활회로부, 인버터부, 제어
회로부로 나누어집니다. 콘버터부는 3상의 상용 교류전압을 직류전압을로 정류를 하는
곳이고 평활회로부는 이 직류전압을 안정되게 평활하고 인버터부는 이 직류전압을 고속스위칭해 펄스형태의 교류전압으로 만드는 곳입니다. 제어회로부는 이 모든 POWER부를
제어하는 PCB를 말합니다.
콘버터부에는 다이오드가 평활회로부에는 콘덴서가 인버터부에는 iGBT가 사용됩니다.
동작원리 및 특성
1. PWM과 PAM제어의 차이는 무엇입니까?
PWM이란 Pulse Width Modulation (펄스폭 변조)의 약칭으로 평활된 직류전압의 크기는
변화시키지 않고 펄스상의 전압의 출력시간을 변화시켜 등가인 전압을 변화시킵니다.
모터에 흐르는 전류가 정현파에 가까워지도록 출력 펄스의 폭을 차례로 변환시키는 방식을
정현파 PWM이라 부르고, 저주파 영역의 모터 토크리플이 작으므로 최근에는 이 방식이
주류로 되어가고 있습니다.
PAM은 Pulse Amplitude Modulation (펄스 높이 변조)의 약칭으로 교류를 직류로 변환할
때의 직류 크기를 변환시켜 출력합니다. 그래서 PWM에 비해 고조파 성분이 적고 모터의
운전음이 작아지는 특징이 있습니다.
2. 전압형과 전류형의 차이는 무엇입니까?
전압형 인버터는 상용전원을 콘버터로 직류로 변환한 후 콘덴서에서 평활된 전압을
인버터부에서 소정의 주파수의 교류출력으로 변환합니다. 즉, 전압형 인버터는 전압의
주파수를 변환해서 모터의 회전수를 변환하는 방식입니다.
전류형 인버터는 콘덴서 대신에 코일(리액터)이 있습니다. 콘버터에서 직류로 변환한뒤
전류를 리액터로 평활해서 인버터에서 교류출력합니다. 즉, 전류형 인버터는 전류의
주파수를 변환해서 모터의 회전수를 변환하는 방식입니다. 범용 인버터는 전압형이 채용
되어지고 있습니다.
3. 정격이 60Hz인 표준모터를 60Hz이상에서 운전할 수 있습니까? 그리고, 토오크는 어떻게
됩니까?
정격이상의 주파수(50, 60Hz)로 운전할 때는 전압은 일정한 상태에서 주파수 제어가
되므로 출력일정(정출력)특성으로 됩니다. 그러나 토크는 거의 2승에 비례해 감소하게
됩니다. 고속으로 토크가 필요한 경우에는 모터와 인버터의 용량선정에 주의가 필요합니다.
4. 인버터가 전압과 주파수(V/F비)를 비례적으로 변환해서 출력하는 이유는 무엇입니까?
모터는 철심에 코일을 감아 자속을 만들고 그 자속과 회전자에 흐르는 전류와의 전자력에
의해 회전합니다. 정격 주파수 이하에서 전압이 일정한 채 주파수만을 낮추면 자속이
과대해 지고 자기 회로가 포화해서 모터를 손상시킵니다. 이 때문에 주파수와 전압을
비례적으로 변환하는 것입니다. (V/F일정 제어)
5. 상용전원에서 전압이 내려가면 전류가 증가하지만 인버터의 경우 주파수를 내리면
전압도 내려가는데 왜 모터의 전류가 증가하지 않습니까?
주파수를 내려 모터의 속도를 낮추어도 같은 출력을 내면 전류는 증가하지만 토크 일정
조건하에서는 대부분 일정한 전류가 흐릅니다.
6. 전압과 주파수를 비례적으로 변환하는 경우 모터의 토오크는 어떻게 됩니까?
주파수를 내릴 때 완전히 비례로 전압을 내리면 직류 저항분은 작아져도 직류 저항분은
변화하지 않으므로 저속에서는 토크가 작아지는 경향이 있습니다. 그래서 낮은 주파수
에서는 출력전압을 약간 높게 V/F를 설정해서 기동토크가 높아지도록 하고 있습니다.
이 방법을 토크 부스트 기능이라고 합니다.
7. 일반적으로 인버터로 모터를 운전할 때 3Hz 이상에서 사용하는데 3Hz이하는 출력이
되지 않는 것입니까?
최저 사용주파수와 기동주파수는 다릅니다. 최저 사용주파수는 모터의 온도 상승이나
기동 토크의 크기등의 조건으로 3Hz전후로 합니다만, 기동 주파수는 실제로 전압이
출력되는 지점으로 대략 0.2~5Hz 정도가 됩니다.
설치 및 배선
1. 인버터에 삼상전원이 아닌 단상전원을 입력해서 사용할 수 있습니까?
인버터에 단상전원을 인가해서 사용하게 되면 POWER CONDENSER에 리플이 증가해
콘덴서가 소손되고 토오크 특성이 떨어질수 있습니다. 어쩔수 없이 단상전원을
인가할 수 밖에 없는 상황일 경우 모터용량보다 약2배(배) 높은
인버터를 사용하시기 바랍니다.
2. 인버터와 모터사이의 배선거리와 전선굵기는 어떻게 선정하면 됩니까?
인버터와 모터사이의 배선거리가 긴경우, 특히 저수파수 출력시는 전선의 전압강하에
의해 모터의 토오크가 저하합니다. 전선은 전압강하가 2%이내로 되도록 두꺼운 전선을
사용해 주십시오. 거리가 먼 경우에는 배선의 부유용량에 의해 충전전류의 영향을 받아서
과전류 트립이 오동작할 수 있으므로 배선길이는 300M (최대500M)이내로 해주십시오.
3. 인버터 2차측 출력선에 모터보호형 써멀 릴레이를 설치해야만 합니까?
모터를 과열에서 보호하기 위해 인버터에는 전자써멀 보호기능이 내장되어 있으므로 따로
외부에 써멀 릴레이를 설치할 필요가 없습니다. 그러나 인버터 한대로 여러대의 모터를
운전하는 경우나 다극모터를 운전하는 경우는 인버터와 모터사이에 열동형
써멀릴레이OCR)을 설치해 주십시오.
이 경우에는 전자써멀 기능을 사용하지마시고 열동형 써멀릴레이 값은 모터정격전류의
약1.1배에 선간누설전류를 더한 값으로 해주십시오.
4. 가감속시간은 어떻게 설정하면 좋습니까?
모터의 가감속시간은 모터의 발생 토오크와 부하토오크, 그리고 부하의 관성모멘트
( )에따라 결정됩니다. 가감속중에 전류제한 기능이나 스톨방지
기능이 동작하는 경우에는 시간이 증가할 수 있으므로 가감속시간을 길게 설정해
주십시오. 가감속시간을 짧게 하고 싶을 때는 외부에 정격의 제동저항(DB저항)을
달거나 토오크 부스트값을 크게 설정하든지(너무 크게하면 시동시에 과여자전류로
인해 과전류 트립이 발생할수 있음) 인버터의 용량을 크게 선정하면 가능합니다.
5. 인버터 1차측에 역률개선용 리액터를 설치하는 것은 역률개선외에 또 다른
이유가 있습니까?
역률개선용 리액터는 역률개선이외에도 대용량의 전원트랜스(1000kVA) 가까이
(10M이내)에 인버터를 접속한 경우나 입력전압 변동률이 3%이상이 되면 설치해야
합니다. 대용량의 전원트랜스(1000kVA) 가까이(10M이내)에 인버터를 접속한 경우
에는 인버터 전원입력 회로에 과대한 피크전류가 흘러 인버터가 소손될수 있고,
입력측 전압변동률이 크게 되어도 콘버터부의 다이오드 모듈이 소손될수 있습니다.
INV. 관련용어
1. AUTO TUNING 이란 무엇입니까?
한마디로 유도전동기 내부의 전기적 특성값을 인버터 자체에서 읽어, 모터를
구동시에 필요한 파라메터를 인버터 스스로 설정하는 것입니다. 이렇게 되면
센서리스 벡터 제어를 올바르게 수행 할수 있습니다
2. 인버터에서 말하는 오픈 루프와 클로즈드 루프란 말은 무엇입니까?
사용하는 모터에 속도 검출기(엔코더 등)를 붙이고 실회전 속도를 제어하는 장치로
피드백하면서 제어하는 것을 클로즈드 루프라고 하며 속도 검출기없이 운전하는
것을 오픈 루프라고 합니다. 범용 인버터는 오픈 루프방식이 많지만 벡터 인버터는
클로즈드 루프를 기본사용합니다.
3. 주파수 분해능이란 무엇이며, 어떤 의미가 있습니까?
인버터에서는 주파수 지령이 아날로그 신호일지라도 출력 주파수는 단계적으로
설정됩니다. 이 스텝의 최소값을 주파수 분해능이라 하며 보통 0.01Hz의
값을 가집니다. 분해능이 작다는 것은 설정 주파수를 정밀하게 조정할수 있고
모터의 회전수도 4극모터에서 1분해능에 대해 1RPM이하로 제어 할수 있습니다.
4. 제동저항은 무엇이며, 왜 DB저항이라고 불리웁니까?
인버터로 모터를 감속할 때는 모터는 유도발전기 역할을 해서 인버터측으로
회생전압을 보내는데 이 회생된 전압을 인버터 차체에서 소비시켜 모터를 정지
시킵니다. 인버터는 자체 제동토오크는 약20%인데 외부에 제동저항을 달아
회생전압을 외부에서 소비시키면 100%이상의 제동토오크를 발휘할 수 있습니다.
그리고, DB는 바로 Dynamic Brake의 약자입니다.
5. 토오크란 무엇입니까?
모터가 발생한 힘 즉, 회전력을 토오크라고 합니다. 일반적으로 힘으로 불리우는
직선운동에서는 kgf또는 N으로 표현되는데 모터의 경우는 축이 회전하는데서
힘을 발생하므로 회전운동에서는 토오크 (kgfm), (Nm)으로 표현됩니다.
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6. GD 이란 무엇입니까?
GD 이란 물체의 관성을 수직화한 것으로 무게와 지름의 2승에 비례합니다.
무겁고 지름이 큰 물체는 관성이 크고 가벼운 물체는 관성이 작게 됩니다.
이 큰 부하는 가속, 감속에 시간이 걸리므로, 단시간에 가속, 감속하기
위해서는 큰 모터 토오트가 필요하게 됩니다.
7. 여자전류란 무엇입니까?
회전력을 출력하기 위해 필요한 기본이 되는 전류로서 극수와 출력에 따라 다르게
됩니다. 기저 주파수와 토오크 부스트를 잘못 설정하여 (V/F)비가 너무 커지면
과여자전류가 흘러 과전류 (OC)트립이 발생할수 있습니다.
8. 시동주파수, 기저주파수, 최대주파수는 각각 어떻게 다릅니까?
시동주파수란 운전지령시 주파수가 상승할때 실제로 전압이 출력되는 지점을
말합니다. 약0.2 ~ 5Hz사이에서 설정할 수 있는데 기동시 토오크를 높이기
위해서는 시동주파수를 약간 높게 설정하고 기동시 부드러운 스타트를 하고자
할때는 시동주파수를 낮추시면 됩니다.
기저주파수란 200또는 400V 등 정격의 최대전압을 출력하는 지점을 말합니다. 기저주파수란 통상 모터의 정격 주파수로 설정하시면 됩니다.
최대주파수란 모터를 운전할 수 있는 최대 지점을 이야기합니다. 최대 400Hz까지 설정할 수 있지만 기저 주파수 이상에서는 모터 토오크는 2승에 비례해 감소하고 이상 진동이나 소음, 발열이 날수 있으므로 주의해야 합니다.
9. 반한시 특성이란 무엇입니까?
구동 전기량이 커짐에 따라 보호기기 또는 보호회의 동작시간이 짧아지는 특성을
말합니다. 인버터는 전자써멀 기능에 반한시 특성을 사용하는 데 설정한 값의
전류가 1분간 흐르게 되면 보호기능(ETH)이 동작하고 설정 전류레벨이상 흐르게
되면 1분 이내에 보호동작이 동작하고 설정레벨 이하라도 저속에서 오랜시간
흐르게 되면 보호동작이 동작하게 됩니다.
10. 스톨은 무엇이며 스톨방지기능은 무엇입니까?
스톨이란 순간적인 과부하에 의해 슬립이 발생해 인버터의 지령치와 모터의 속도가
벌어지는 것을 말합니다. 스톨방지기능은 바로 갑작스런 과부하에 의한 모터의
스톨현상을 방지하기 위한 것으로 스톨방지기능 시작전류레벨은 사용자가 설정할
수 있습니다.
11. iGBT란 무엇입니까?
Insulated Gate Bipolar Transistor의 약자로서 고속스위칭 소자입니다. 턴오프
시간이 1㎲로 초당15000번 이상 스위칭이 가능합니다. 최대정격은 1.2kV, 400A
입니다. 평활된 DC전압을 펄스로 스위칭해서 AC전압으로 만드는 인버터부에 사용
되며 구기종에서는 Power Transistor를 사용했습니다. Power Transistor는 초당 1000 ~ 3000
번으로 고속 스위칭이 불가능했지만 iGBT를 사용하면은 전압파형이 안정되어
전류특성이 좋아지고 모터의 소음을 없앨수 있습니다.
12. %ED란 무엇입니까?
%ED란 제동허용률(Enable Duty)로서 총운전 사이클중 감속이 가능한 양을
나타냅니다. 즉, (제동시간의 총합) (운전 및 정지시간의 총합 + 제동시간의
총합)을 백분율로 표시한 것입니다. 이것은 인버터의 제동능력을 표시하는 것으로
제동저항의 값과 허용제동시간에 따라 약간의 차이가 있습니다.
13. SLIP이란 무엇입까?
모터의 회전속도는 부하가 걸리면 동기속도(인버터 지령치)에 비해 낮은 속도로
미끄러집니다. 이같이 동기속도에 비해 벗어난 정도를 나타낸것을 슬립이라고
합니다. 정격 토오크에서 운전하는 경우, 슬립은 3~5%정도가 일반적입니다.
부하 토오크가 크게 되면 (과부하)슬립도 크게 되어 모터에 전류도 높게 흐르게
됩니다.
설치 및 배선
1. 모터와 인버터 사이의 최대 배선거리는 얼마나 됩니까?
200V 계열은 약 300M이내로 해도 되지만, 400V계열은 MICRO SUGE전압에 의해 모터
절연이 파괴될 수 있으므로 MICRO SUGE전압을 고려해 20 ~ 200M이내로 설치해야 합니다.
2. 상용전원이 50Hz인 곳에서 인버터를 사용할수 있는지? 그리고 60Hz의 출력이나옵니까?
LG인버터 전기종은 입력정격이 50/60Hz 둘다 사용할 수 있습니다. 그리고, 상용전원이
50Hz인 곳에서도 인버터 출력은 60Hz 상용전원을 사용했을 때와 동일합니다.(0 ~ 400 Hz)
3. 인버터와 모터사이의 출력배선과 인버터의 제어배선은 각각 어느 정도까지 멀리
설치 가능합니까?
일반적으로 출력배선은 500M 이내로 하십시오. 그러나, 저주파시와 전선굵기에 의한
전압강하를 고려하여 300M이내로 하여 주십시오. 제어배선은 쉴드선을 사용하여
가능한 30M이내로 하여주십시오. 주파수 설정단자와 출력단자를 원거리에서 제어할
경우에는 중간에 신호 변환기를 설치하여 DC4 ~ 20mA전류신호로 변환하여 사용하시기
바랍니다.
4. 인버터 지령 입력단자의 배선을 원거리에서 제어하고 싶은데 어떻게 하면 됩니까?
제어단자는 일반적으로 30M이내로 배선하셔야 합니다. 그러나 원거리에서 제어하고자
하신다면 쉴드선을 사용해서 인버터 가까운곳에 중간 릴레이를 사용하십시오. 주파수
설정제어단자는 DC0 ~ 10V로 제어되는 단자를 사용하지 마시고 DC4 ~ 20mA 전류신호를
사용하는 단자를 사용하시기 바랍니다.
5. 기존에 설치되어 있는 모터는 Y-Δ기동방식이었는데 이 모터에 인버터를 설치하려고
합니다. 결선을 어떻게 하면 됩니까?
Y-Δ기동방식은 모터의 시동전류(정격의 약6배)를 억제하기 위한 방법인데 인버터를
사용하면 시동전류는 약 1.5배 정도로 낮아지므로 Y-Δ기동방식을 사용할 필요가
없습니다. 만약 인버터를 Y-Δ기동방식으로 사용하면 과전류(OC)트립이 발생할 수
있으므로 결선은 Δ로 하시면 됩니다.
저속 및 고속운전
1. 인버터를 60Hz 이상 운전하고 싶은데 어떻게 하면 됩니까 ?
인버터는 초기 공장 출하시 최대주파수가 60Hz로 설정되어 있습니다. 이 최대 주파수를
운전을 원하는 주파수 (최대 400Hz)까지 변경합니다
2. 60Hz정격 표준모터를 60Hz정격 이상으로 운전하면 어떤 문제가 있습니까?
표준모터는 120Hz이상 고속으로 운전할 수 없습니다. 또, 60Hz이상으로 운전하는 경우에도
소음, 진동, 베어링 수명, 모터 및 기계강도 상의 문제가 있을 수 있습니다.
60Hz이상에서는 속도가 증가함에 따라 토오크가 2승적으로 감소하므로 특히, 2극모터나
출력용량이 큰 모터를 사용할 때는 주의해야 합니다.
3. 인버터는 왜 낮은 주파수대에서 연속운전할 수 없습니까?
표준모터는 모터축에 부착된 냉각팬에 의해 냉각되므로 모터속도가 낮아지면 냉각효과가
저하하고 고속시와 동등한 발열에 견딜 수 없기 때문입니다.
4. 인버터는 낮은 주파수에서는 토오크가 떨어진다고 하는데 최하 몇Hz이상에서
운전해야 합니까?
인버터로 모터를 구동할 때 저주파수대에서는 모터의 1차측 권선저항성분에 의해 전압
강하가 발생해 토오크가 떨어집니다. 인버터는 저속에서도 순간 기동 토오크가
150%이상이 되고, 연속운전시는 100%이상의 토오크가 발생됩니다. 연속운전시에는
약3Hz이상에서 운전하시고 토오크 부족시는 "토오크 부스트" 기능을 사용하거나
6Hz이상에서 사용하십시오.
5. 콘베이어를 저속에서 연속운전하는데 모터를 30rpm으로 돌리고 싶습니다. 가능합니까?
4극 모터를 30rpm으로 돌리려면 인버터는 1Hz로 연속운전해야 하는데 이럴경우, 토오크
부족 현상이 발생할 수 있고 콘베이어를 돌린다해도 저속에서 연속운전하게 되면 모터축에
달려있는 냉각팬도 저속으로 회전하게 되어 모터발열이 제대로 되지않아 모터가 소손될수
있습니다. 이런 경우에는 모터축에 감속기를 달아 인버터를 높은 주파수로 사용하시면
됩니다. 예를 들어 20:1의 감속기를 사용하면 모터는 600rpm으로 돌리면 되므로 인버터
출력주파수는 20Hz가 됩니다.
주변기기
1. 인버터 입력측에 AC 리액터를 달아야 합니까?
전원측 용량이 인버터 용량보다 10배이상 이거나 입력역률 개선, 전원전압이 3%이상
불평형, 그리고 고조파를 저감시키기 위해서는 인버터 입력측에 AC 리액터를 달아야
합니다.
2. 인버터 외부에 제동저항을 꼭 달아야 합니까?
제동저항은 반드시 달아야만 하는것은 아니지만 관성이 큰 부하를 짧은 시간내에
세우게 되면 모터는 유도발전기 역할을 해 인버터쪽으로 회생전압을 보내 인버터는
과전압(OV)트립이 발생 합니다. 인버터는 제동저항을 달지 않으면 자체적으로 20%의
제동토크를 갖지만 제동저항을 달게 되면 100% 이상의 제동토크를 갖게 됩니다.
그러므로 관성이 큰 부하를 고빈도 가감속 운전하실 경우에는 제동저항을 달아주십시오.
3. 인버터 2차측에 M/C를 설치해야 합니까?
상용운전으로 모터를 직입시동할 경우에는 M/C를 사용하지만 인버터를 사용해
모터를 구동할 경우 출력측에 M/C를 설치할 필요가 없습니다. 잘못하여 시동중
이나 운전중 M/C동작하게 되면 과전류 (OC)트립이 발생할 수 있습니다.
운전시 특성
1. 인버터 운전의 경우 모터의 기동 전류, 기동 토크는 어떻게 됩니까?
인버터 운전에서는 모터의 가속에 맞추어 주파수와 전압을 올리므로 기동전류는 150%
(최고 200%)이하로 제한됩니다. 상용전원에서의 직입기동으로 모터정격전류의 6~7배의
기동전류가 흐르는 것에 비해 인버터 구동으로 원활한 기동이 가능하게 됩니다.
기동토크는 150% 이상으로 전부하 그대로도 기동 가능합니다.
2. 인버터 설정속도와 모터 실제 회전속도는 같습니까?
일반적으로 인버터는 설정 주파수를 출력해도 모터의 정격 슬립 범위(1~5%)내에서
부하변동에 따른 속도변동이 있게 됩니다. 부하변동에 대해서도 설정속도에 가깝게
운전을 하고 싶으면 제품별 기능을 참조하여 기능을 선택하면 됩니다.
3. 인버터를 써서 모터를 세울때의 전기적 제동의 원리에 대해서 알고 싶습니다.
회전중인 모터를 주파수를 낮춰서 정지시키면 모터는 유도 발전기로 변화하고 인버터
쪽으로 전원이 회생되어 돌아옵니다. 모터에서 회생된 에너지는 인버터의 평활 콘덴서에
축적되므로 콘덴서의 용량이나 내압의 관계에서 인버터 회생 제동 능력은 약20% 정도
입니다. 그러나, DB (DYNAMIC BRAKE) 타입의 인버터를 사용해 외부에 제동저항을 달게
되면 100% 이상의 제동토크를 발휘할 수 있습니다.
4. 4상한 운전이란 무엇이며, 인버터에서도 4상한 운전이 가능합니까?
4상한 운전이란 정전, 역전을 할 수 있고 기동, 제동의 두방향 토크로 운전하는
것을 말한다. 예로서, 정전하고 있을때는 1상한 운전, 정전하고 있는 것을 급히
정지할 때는 2상한 운전, 역전하고 있을 때는 3상한 운전, 역전하고 있는 것을
급히 정지 할 때를 4상한 운전이라 할 수 있습니다. 인버터에서는 외부제동저항을
달면 제동토크를 낼수 있으므로 4상한 운전이 가능하지만, 엘리베이터나 리프트
같은 운전에서는 제어상, 응답속도상 복잡한 사양이 있는 경우에는 응답성과 제어성이
뛰어난 벡터 인버터을 사용하시는 것이 좋습니다.
기 타
1. 스톨방지 기능이란 무엇입니까?
필요이상으로 짧은 가속시간을 설정하면 인버터는 과전류가 흘러 트립되고 정지합니다.
이것을 스톨(실속)이라고 하는데 이 스톨을 방지하고 연속운전시키기 위해 전류의
크기를 검출하면서 주파수를 제어합니다. 감속시와 정속운전시도 마찬가지인데 이것을
스톨방지 기능이라고 합니다.
2. 주파수 점프 기능이란 무엇입니까?
모터로 구동되는 기계에는 고유의 공진 주파수가 있고 인버터로 회전속도를 변화시키면
이 공진 주파수와 합치한 점에서 기계가 큰 진동이나 소음을 일으키며 때에 따라서는
기계가 파손되기도 합니다. 공진을 피할 수 없는 운전의 경우에 공진 주파수에서 상당
하는 인버터 출력 주파수를 위, 아래로 점프시켜 모터의 공진을 피하는 기능입니다.
3. 순시정전 재시동 기능은 무엇입니까?
전원이 15mSec이상 동안 정전 또는 강압한 경우 인버터는 오동작을 막기 위해 트립이
발생되어 모터가 정지합니다. 그러나, 부하에 따라 복전시 자동으로 재시동해야 하는
상황에서는 순시정전 재시동 기능을 사용하면 가능합니다. 모터가 완전히 정지한
후에 재기동하는 방법과 회전중에 모터 속도를 검출해서 재기동하는 방법이 있습니다.
4. 기존 설치된 콘베이어를 80Hz로 스피드를 높이고 싶은데 인버터 용량은 어떻게
선정하면 됩니까?
기준속도를 60Hz로 하면 인버터는 60Hz이상은 정출력 특성이 되므로 콘베이어와 같은
정토오크 부하에서는 80/60 = 약1.3배 높은 용량이 필요하게 됩니다. 이것은 인버터와
마찬가지로 모터도 용량상승이 필요합니다.
5. 2.2kW 4극의 모터 2대를 M/C를 사용해서 차례로 기동시키고 싶은데 1대의 인버터로
구동 시킨다면 용량은 어떻게 선정합니까?
200V 2.2kW 모터 2대를 동시에 기동, 정지할 경우 모터의 정격전류가 10A라 하면
정격전류의 2배인 20A에서 5.5kW 인버터(정격전류 24A)로 운전이 가능하지만, 순차
기동의 경우 2번째 모터 기동에 필요한 전류는 정격의 6배의 전류(직입기동시와 동일)
가 흐르므로 10A + 610A가 되므로 총70A의 용량이 필요해서 15kW 이상의 인버터가
필요하다. 따라서 1대의 인버터로 순차기동을 행하는 것은 경제적으로 손실이므로
2대의 인버터를 개별로 설치하는 것이 좋다.
TROUBLE
1. 모터회전중에 클러치로 부하를 연결하면 인버터의 보호기능이 동작하는데 이유가
무엇입니까?
클러치로 부하를 연결하면 순간적으로 모터는 무부하상태에서 슬립이 큰 영역으로 급변
하고 큰 기동전류가 흘러 과전류(OC) 트립이 발생합니다. 그래서, 클러치를 사용해서
부하를 기동하지 마십시오.
2. 역률개선용 콘덴서부 모터를 인버터로 구동하려고 했지만 동작하지않고 트립이
발생했습니다. 이유가 무엇이고 그 대책은 무엇입니까?
인버터의 전류가 역률개선용 콘덴서에 유입되고 그 충전 전류에 의해 인버터 과전류(OC)
트립이 발생합니다. 대책으로는 콘덴서를 제거하고 운전하시면 됩니다. 역률개선은 인버터
1차측에 AC 리액터를 삽입하면 됩니다.
3. 인버터 출력중 M/C 를 ON - OFF할 경우 OC TRIP이 발생합니다. 그 대책은?
고응답 전류제어기를 사용하면 M/C 개폐시 SURGE전류에 의한오동작을 방지할 수
있습니다.
4. 인버터에 전원을 넣었을때 외부이상신호(Etr, Ext) 트립이 발생하고 reset을 눌러도
해제가 되지 않습니다.
이것은 인버터 입력단자 P단자 중 어느 한단자가 외부이상신호 (EXT_TRIP)기능으로
설정되어 있기 때문입니다. 일단 파라메터 중 입출력 그룹에서 외부이상신호로 설정된
단자를 확인하고 조치하면 됩니다.
5. 인버터를 시동하자마자 바로 과전류(OC)트립이 발생합니다. 어떻게 해야 합니까?
인버터를 시동하자마자 바로 트립이 발생한다는 것은 부하측에 문제이기보다는 외부
결선의 문제일 확률이 높습니다. 크게 두가지로 나눌수 있는데 인버터 2차측 출력단자에
M/C를 설치해서 인버터 시동과 동시에 M/C를 ON하면 접점 노이즈나, 시동전류로 인해
트립이 발생하게 됩니다. 이러한 경우에는 M/C를 떼어내시거나 인버터 가속, 정속,
감속중에는 먼저, 언제나M/C가 붙어 있도록 시퀀스를 꾸미시기 바랍니다.
또, 다른 경우는 모터에 브레이크가 설치되어 있는 경우인데, 인버터 시동중 순간적
이라도 모터에 브레이크가 걸려 있는 상태라면 과부하로 인한 과전류(OC)트립이 발생
하게 됩니다. 그러므로, 인버터 시동전 약100mS이전에 브레이크가 풀리도록 시퀀스를
꾸미십시오. 특히, 브레이크 내장형 모터인 경우는 브레이크 동작전원을 인버터 2차측
에서 따오지 마시고 반드시, 별도의 상용전원을 사용하시기 바랍니다. 또, 모터에 역률개선용 콘덴서를 달아 놓은 경우데도 순간적인 충전전류에 의해 과전류트립이 발생할수
있으므로 역률개선용 콘덴서는 제거하시기 바랍니다.
6. 인버터가 가속이나 정속운전 중에 과전류(OC)트립이 발생합니다. 어떻게 해야 합니까?
인버터가 운전중에 과전류 트립이 발생한다는 것은 대부분 부하에 의한 토오크 부족으로
생각할 수 있습니다.
1) 부하 에 비해 가감속 시간이 지나치게 빠르거나, 2) 인버터의 부하가 정격
보다 크거나, 3) 인버터와 모터 용량 설정이 잘못되었거나 4) V/F 패턴 설정이 잘못된
경우 등이 있습니다. 일단 부하가 과부하상태가 아니인지 운전중 급격한 부하변동은
없는지 확인하시고, 가감속 시간을 여유있게 재설정하거나 V/F패턴을 확인하시고 저속
에서는 토오크 부스트를 조금씩 올려 조정하거나 시작 주파수를 올려 설정하십시오.
7. 인버터가 감속때 과전압(OV)트립이 발생합니다. 어떻게 해야 합니까?
모터는 감속시 회전관성에 의해 유도 발전기 역할을 하여 인버터로 회생전압을 줍니다.
그래서, 모터를 세울때 관성이 큰 부하를 짧은 시간내에 감속하면 과전압 트립이 발생
합니다. 대책으로는 감속시간을 늘리고, 인버터 정격에 맞는 제동저항(DB저항)을 외부에
설치하셔야 합니다.
8. 인버터가 감속이 아닌 정지나 운전중에 감속때 과전압(OV)트립이 발생합니다.
어떤 원인으로 그렇습니까?
정지시 과전압 트립이 발생하는 경우는 인버터 1차측에 정격이상의 전압이 인가된 경우
입니다. 200V계열은 약250V, 400V계열은 약 500V이상 인가되게 되면 트립이 발생합니다.
운전중에 과전압 트립이 발생하는 경우는 부하측의 회전관성이 커서 인버터 지령 주파수
보다 더 빠른 속도로 회전하게 되는 경우에 이런 현상이 발생합니다.
9. 인버터 정지나, 운전중에 저전압(LV)트립이 발생하는데 어떤 이유때문입니까?
인버터 정지나, 운전중에 저전압(LV)트립이 발생하는 이유는 여러가지가 있는데 인버터
입력측 전압이 낮아(200V계열은 150V, 400V계열은 300V이하) 내부 DC전압이 낮아지면
트립이 발생합니다. 또, 전원용량보다 큰 부하가 접속되어 있거나 순시정전에 의해서도
발생할 수 있습니다. 그리고, 입력전원이 정상인 경우에도 트립이 발생하면 내부
콘덴서 열화로 인해 발생할 수 있습니다. 전해 콘덴서의 수명은 40℃에서 약 5년이지만
그 수명은 주위온도에 따라 급격하게 감소 합니다. 예를 들어 주위 온도가 10℃ 올라
가면 콘덴서 수명은 반으로 줄어들게 됩니다.
10. 인버터가 감속때 과전류(OC) 트립이 발생합니다. 어떻게 해야 합니까?
인버터가 감속때 과전류 트립이 발생하는 이유는 크게 두가지로 나눌수 있는데 우선,
정지지령이 들어가 인버터가 감속중에 외부브레이크가 동작하는 경우와 2차측 출력
M/C가 떨어지는 경우 입니다. 인버터가 감속하면 인버터는 바로 정지하는 것이 아니고
감속시간에 따라 감속하는 데 그 사이에 모터측에 브레이크가 동작하거나 출력측
M/C가 떨어지면 과전류트립이 발생합니다.
일단, 출력측 M/C는 모터가 완전히 정지한 후에 떨어지도록 시퀀스를 꾸미시고 모터가
감속중에 브레이크가 동작되는 경우는 브레이크가 동작하기 약100mS전에 출력이 제어
되도록 설정해 주면 됩니다.
11. 인버터 사용중 과열(Over Heat)트립이 발생합니다. 원인은 무엇입니까?
인버터는 고속스위칭과 제동저항의 발열로 인해 히트싱크를 설치하고 냉각팬을 돌려
냉각을 하고 있습니다. 그런데 냉각팬이 고장이나 동작하지 않거나, 판넬내부의
통풍이 제대로 되지않아 주위온도가 올라가게 되면 인버터는 과열되어서 과열트립이
발생합니다. 일단, 냉각팬이 제대로 동작하는지 확인하시고 인버터 주위온도를 40℃
이하로 유지해 주십시오. 그런데, 인버터 자체가 과열되지 않은 상태에서 자주 과열
트립이 발생하면 히트싱크에 있는 온도 센서가 불량이므로 A/S를 받으시기 바랍니다.
온도센서 정격온도는 85℃입니다.
12. 인버터 운전중 가끔 Err 트립이 발생하는데, 운전은 계속되는데 reset을 해도해제가
되지 않습니다. 어떻게 해야 됩니까?
Err 트립은 본체 PCB와 로더간의 통신이 불량일 경우 발생합니다. 외부 노이즈나
인버터 본체와 로더 접속불량, PCB나 로더 불량등일때 발생합니다. 로더를 떼어서
콘넥터에 이물질이 없는지 확인하고 다시금 꽉 끼워 넣으시고, 계속적인 통신에러가
발생할 경우에는 PCB와 로더를 새로 교체하시기 바랍니다.
13. 인버터 운전중 GF 트립이 발생하는데 원인이 무었입니까?
GF트립은 인버터와 모터사이의 출력에 지락(Groud Fault)이 발생할 때 나타납니다.
인버터 정격전류의 약 50%의 전류가 지락되면 트립이 되는데 출력선이 마모
되었는지, 모터 절연이 약화되었는지 확인하시기 바랍니다.
14. 각종 보호기능(TRIP) 동작원리와 대책으로 무엇이 있습니까?
보호기능 | 이상원인 | 대책 |
과전류보호 | 1) 부하 에 비해 가감속 시간이 지나치게 빠르다. 2) 인버터의 부하가 정격보다 크다. 3) 모타 Free run 중에 인버터 출력이 인가되었다. | 1) 가감속 시간을 늘린다. 2) 인버터 용량을 키운다. 3) 전동기가 정지된 후에 운전한다. |
지락전류보호 | 1) 인버터의 출력선이 지락되었다. 2) 모타의 절연열화. 3) 인버터 출력에 마그네틱 콘택터 사용시 On-Off 접점 노이즈 | 1) 인버터의 출력의 지락을 확인한다. 2) 모타 교체. 3) 출력에 부착된 마그네틱콘택터에 노이즈 제거용 스너버 부착. |
과전압보호 | 1) 부하 에 비해 감속시간이 너무 짧다. 2) 회생부하가 인버터 출력측에있다. 3) 전원 전압이 높다. | 보호 1) 감속 시간을 늘린다. 2) 회생저항 옵션을 사용한다. 3) 전원 전압을 확인한다.
|
전류제한보호(과부하보호) | 1) 인버터의 부하가 정격보다 크다. 2) 인버터 용량 설정이 잘못되었다. 3) V/F 패턴 설정이 잘못되었다. | ) 1) 전동기, 인버터 용량을 UP 한다. 2) 인버터 용량을 올바르게 설정한다. 3) V/F 패턴을 올바르게 설정한다. |
FUSE 소손 | 1) 과전류 보호의 반복에 의한 소손. 2) 과여자 상태에서의 급감속 소손. 3) 외부 노이즈에 의한 소손. | Fuse를 교환합니다. (주의) Fuse Open Trip시에는 IGBT가 소손된 경우가 많습니다. |
히트싱크과열 | 1) 냉각팬 고장 및 이물질 삽입. 2) 냉각계통에 이상이 있다. 3) 주위 온도가 높다. | 1) 냉각팬의 교체 및 이물질을 제거. 2) 히트싱크의 이물질 삽입을 확인한다. 3) 주위온도를 40도 이하로 한다. |
전자써말 | 1) 인버터의 부하가 정격보다 크다. 2) ETH 설정 레벨이 낮다. 3) 인버터 용량 설정이 잘못되었다. 4) V/F 패턴 설정이 잘못되었다. 5) 저속에서 장시간운전. | 1) 인버터 용량을 키운다. 2) ETH 레벨을 적절하게 조절한다. 3) 인버터 용량을 올바르게 설정한다. 4) V/F 패턴을 올바르게 설정한다. 5) 전원별도의 팬을 부착한다. |
외부고장(외부써말) | 외부 고장이 발생되었다. | 써멀 외부 고장 단자에 연결된 회로 이상 또는 외부이상 입력의 원인을 제거한다 |
저전압보호 | 보호 1) 전원 전압이 낮다. 2) 전원 용량보다 큰 부하가 접속 되었다. (용접기, 시동전류가 큰 전동기의 직입등) 3) 전원측 전자 접촉기의 고장 및 불량 | 1) 전원 전압을 확인한다. 2) 전원용량을 키운다. 3) 전자 접촉기 교체. |
INV. 오동작 및 소손
1. 같은 공장안에서 대형모터를 기동시키면 운전중인 인버터가 정지해 버리는데 어떤
원인에서 그런 현상이 발생합니까?
모터를 기동하면 정격전류의 약6배의 기동전류가 흘러 모터 1차측 트랜스에 전압강하가
발생하는데 모터영향이 크면 그 영향도 커지게 되고, 같은 트랜스에 접속된 인버터는
대폭적인 전압강하(부족전압) 또는 순시정전이 발생해 보호기능이 동작하는 것입니다.
2. 인버터 입력측 R,S,T의 각상 전류를 측정해 보았는데 3상 전류가 같지 않고 어느
한상으로 높은 전류가 흐르고 있습니다. 원인이 무엇이며 대책으로 어떻게 하면 됩니까?
인버터는 3상전원을 입력받아 콘버터부에서 직류전압으로 정류하는데 만약 3상 전압이
같지 않고 불균형하게 되면 인버터 특성상 어느 한상으로 전류가 흐를수 있습니다.
이렇게 되면 콘버터부에 다이오드 모듈이 소손될수 있으므로 주의해야 합니다.
대책으로는 3상전원 변동률이 3%이내로 되게 하시고 입력측에 AC리액터를 설치하십시오.
3. 인버터에 전원을 넣어도 로더에 불이 들어오지 않습니다. 어떻게 해야 합니까?
일단, 인버터 케이스를 떼어낸 후 PCB상에 충전램프(빨강 발광다이오드)에 불이 들어
오는지 확인 하시고(불이 들어오지 않으면 인버터 불량임) 로더와 PCB사이에 접속
케이블이 빠져있는지 확인 하십시오. 케이블의 콘넥터가 단단히 고정되어 있는데도
로더에 불이 들어오지 않으면 로더 불량이거나, PCB불량이므로 새 로더를 연결하시거나,
PCB를 수리받으시기 바랍니다.
4. 인버터로 모터의 회전방향을 바꾸려 하는데 잘되지 않습니다. 어떻게 해야 합니까?
모터의 3상중 어느 한상이 단선되거나 절연이 파괴되면 기동이 잘 되지 않고 회전
방향이 바뀌지 않을 수 있습니다. 인버터와 모터의 출력배선을 확인하시고 모터 절연
파괴를 확인하십시오.
5. 인버터 사용중 제동TR이 소손되었습니다. 원인이 무엇입니까?
원인으로는 여러가지가 있을 수 있지만, 리프트나 엘리베이터와 같이 하강시 관성이
큰 부하에서는 감속때 모터에서 높은 회생전압이 순간적으로 인버터로 인가되기 됩니다.
이러한때, 감속시간이 너무 짧거나 정격의 제동저항(DB저항)을 달지 않았을 경우에
제동TR이 소손될수 있습니다. 또, 제동저항이 판넬 같은 곳에 short되어도 무한전류로
인해 제동TR이 소손됩니다.
6. 인버터의 충전저항(돌입전류 억제저항)이 소손되었습니다. 원인이 무엇입니까?
인버터에 전원을 투입하면 콘덴서로 돌입전류가 들어갑니다. 이 돌입전류를 억제해서
낮추는 것이 충전저항인데 인버터의 입력전원을 빈번하게 ON, OFF하게 되면 높은
피크치의 돌입전류가 자주 인가되게 되서 충전전류가 소손됩니다. 그러므로 모터를
운전,정지할 경우에는 인버터에 전원을 넣었다, 뺏다한 하지마시고 제품별RESET단자를
이용해 사용하시기 바랍니다. 또, 순시정전후 복전이 자주되는 곳에 설치된 인버터에서도
위와 같은 현상이 발생할 수 있습니다.
7. 외부에서 DC0 ~ 10V 신호변환기를 사용해서 주파수를 설정하는데 주파수가 안정되게
설정되지 않고 계속해서 가변됩니다. 어떻게 하면 좋겠습니까?
주파수가 흔들린다는 것은 V1과5G단자에 DC전압이 안정되게 입력되지 못하기 때문
입니다. 그래서 입력 DC전압을 안정되게 해주기 위해 V1과5G단자에 50V 0.01㎌ 콘덴서
를 달으시면 주파수 떨림을 막을 수 있습니다.
8. 인버터의 전원 입력단자와 출력단자의 전류를 측정해 보니 서로 다르게 나옵니다.
혹시 인버터가 불량이 아닌지?
인버터의 입력측은 220/440V의 상용전원이 변동없이 입력되는 반면, 출력측의 전압은
주파수에 비례해 가변되고 특히나 부하특성에 따른 토오크 보상으로 인해 출력전류는
계속적으로 변화합니다. 이런 이유로 입력과 출력측의 전류가 차이가 나게 됩니다.
모터, 주변기기 오동작 및 소손
1. 인버터를 가동하기만 하면 PLC, 센서 등과 같은 주변기기들이 오동작을 합니다.
어떤 원인이며 대책으로 무엇이 있습니까?
인버터는 전압을 초당 10000번 이상 고속 스위칭 하는 전력변환 장치이므로 자체적으로
노이즈가 발생합니다. 이 노이즈가 여러가지 경로를 통해서 주변기기에 영향을 줍니다.
대책으로는 여러가지가 있지만 주요내용을 요약해 보자면 인버터 입출력전원단자(RST,UVW)와 제어배선은 30cm이상 분리해 배선하시고(최소 10cm이상) 배선이 교차하게 되는 경우는 가능한 수직으로 배선하고 평행배선은 하지 마십시오. 입력측 전원은 절연 트랜스를 사용하시고 주변기기와 별도의 전원을 사용하십시오. 또 입력측에 AC리액터를 설치하는 것도좋습니다. 접지는 인버터와 주변기기 각각, 별도접지(2종 또는 3종)를 하시기 바랍니다. 여의치않은 경우는 인버터만 어스접지하시기 바랍니다. 제어배선은 쉴드선을 사용하시고 제어단자의 COMMON이나 E단자에만 쉴드를 연결하십시오. 쉴드는 절대로 어스접지와 함께 연결하지 마십시오. 주변기기는 가능한 인버터와 멀리띄워 설치하시고 여의치 않은 경우는 중간에 차폐판을 설치하십시오. 그리고 무엇보다도 기능그룹의 "스위칭 주파수(Carrier Frequency)"를 내려서(약3~5kHz) 사용하십시오. 노이즈 필터를 사용하는 것도 한 방법이 될수 있습니다.
2. 인버터를 동작하면 주위에 설치된 ELB(누전차단기)가 오동작합니다. 원인은 무엇이며,
대책으로 무엇이 있습니까?
인버터의 입출력선간 및 대지간에 정전용량이 존재해서 본래의 모터 전류이외에 이 정전
용량을 경유하는 누설전류가 흐릅니다. 상용전원에 비해 인버터의 경우 누설전류에는
고주파 성분이 많이 포함되어 있는데 이 높은 주파수대의 대지간 누설전류가 누전차단기
의 동작전류를 높게 흐르게 하여 누전차단기가 동작합니다. 스위칭 주파수(CarrierFrequency)가 높고, 배선길이가 길고, 대지간 정전용량이 크면 클수록 누설전류도 크게됩니다.
대책으로는 고조파surge용 누전차단기를 사용하던가 감도전류를 높게 설정합니다.또,
모터에 전용접지선을 배선하고 인버터의 스위칭 주파수를 낮추시면 누설전류가 감소합니다.
3. 외부에 설치된 제동저항이 타버렸습니다. 원인이 무었입니까?
제동저항이 타버렸다는 것은 여러가지 이유가 있지만 인버터 용량에 맞지 않는 제동저항을
달았거나 제동저항이 판넬등에 short되었을때에 발생할 수 있습니다. 또, 관성이 큰 부하
를 빈번하게 감속하게 되면 회생전압에 의해 제동저항이 뜨거워져 소손될 수 있습니다.
이러한 경우는 제동저항의 냉각을 고려하거나 인버터의 용량을 높일 필요가 있습니다.
4. 인버터로 모터를 운전하는데 진동이 심합니다. 특별한 대책이 있습니까?
모터의 진동은 크게 2종류로 구별되는데 모터에 전원을 차단했어도 발생하는 진동을
기계적 진동, 모터에 전원이 인가되었을 때만 발생하는 진동을 전자적 진동이라고
합니다. 기계적 진동은 부하측에 이상이 있을 경우에 발생하는 것이므로 부하를 점검
하시고, 전자적 진동의 대책으로는 스위칭 주파수를 높여 전류 파형을 안정되게 하고
2차측에 AC리액터를 설치하거나 모터의 발란스를 높은 것으로 교환하십시오.
5. 인버터를 사용하면 모터측에 소음이 심하다고 하는데 어떻습니까?
인버터의 출력파형은 상용전원과는 달리 펄스형태의 전원이므로 이 전원파형을 만드는
스위칭 주파수로 인해 모터에 전자소음이 발생합니다. 구 모델인 G 시리즈는 스위칭
주파수가 가청 주파수대인 약1.5kHz이어서 모터의 소음이 발생했지만 현재 출시되고
있는 제품들은 스위칭 주파수를 3 ~ 15kHz로 가변할 수 있어서 약10kHz 이상으로 설정해
놓으면 가청주파수대를 벗어나게 되므로 모터의 전자소음이 발생하지 않습니다.
그러나 스위칭주파수를 올릴때는 노이즈 대책이 필요합니다.
기타
1. 0 Hz에서 소프트 스타트하지 않고 이미 설정된 주파수에서 운전중에 M/C를 써서
모터에 직접 투입해 기동할 수 있습니까?
극히 낮은 주파수대에서는 가능하지만 설정 주파수가 높아지면 상용전원에서의 기동조건과
비슷해지므로 큰 기동전류(정격의 약6배)가 출력되므로 과전류(OC) 트립이 발생합니다.
2. NOISE 방지대책으로 무엇이 있습니까?
1) 캐리어 주파수를 낮춘다. 2) 동력선과 제어선을 이격시킨다.
3) 노이즈 필터를 채용한다. 4) 페어라이트 코어를 삽입한다.
5) 트위스트 쉴드선을 사용한다. 6) 인버터 어스접지를 확인한다.
3. 전자써멀기능이란 무엇입니까?
모터의 소손을 방지하기 위해서 일반적으로는 열동형 써멀릴레이를 사용하는데 이것은
저속에서 운전시에는 모터냉각저하에 의한 온도상승까지 감지할 수 없습니다.
그래서, 인버터는 운전전류값과 주파수에서 모터온도 특성을 계산해서 모터 과열을
보호하는 것이 전자써멀 기능입니다. 1대의 인버터로 여러대의 모터를 구동하는
경우나 인버터 용량에 비해 모터용량이 너무나 적은 경우는 보호할 수 없습니다.
4. 고조파와 고주파는 어떻게 다릅니까?
고주파는 주파수 자체의 값이 큰 것을 말합니다. 예를 들어 3kHz나20kHz 등과 같은
것입니다. 고조파는 30Hz 같은 저주파수에서도 그 출력파형을 분석하면 기본파외에
정수배의 성분 (예로서 5차는 150Hz, 7차는 210Hz 등)을 갖고 있으며 이 성분을
고조파라고 합니다.
모터
1. 60 Hz이상 모터를 운전할 때의 주의사항은 어떤 것이 있습니까 ?
1) 기계나 장치가 그 회전속도로 충분히 운전가능할 것(기계적 강도, 소음, 진동)
2) 모터는 정출력범위가 되므로 그 토오크로 일을 감당할 수 있을 것
3) 베어링의 수명문제가 발생하므로 충분한 검토가 필요합니다.
2. 인버터로 단상모터를 운전할 수 있습니까?
단상모터는 인버터로 가변속하기에는 적합하지 않습니다. 콘덴서 기동방식에서는 콘덴서
에 고조파 전류가 흘러 콘덴서가 소손될수 있으며 그리고, 분상기동방식, 반발기동방식
의 모터도 저속에서는 출력 토오크가 나오지 않고 내부의 원심력 스위치가 동작하지
않아서 시동코일이 소손됩니다.
3. 표준모터를 인버터로 구동하면 온도상승이 크다고 하는데 얼마정도입니까?
인버터의 출력파형은 상용전원에 비해 파형률이 나빠 온도상승에 따라 영향을 받습니다.
또한, 저속에서는 냉각팬에 의한 냉각효과가 떨어져 60Hz에서는 정격토크로 연속 사용할
수 있지만 1/2속도에서는 10% 감소, 1/3속도에서는 20% 감속된 토크로 연속운전할 필요가
있습니다.
4. 브레이크가 내장된 모터를 사용할 때 주의할 점은 무엇입니까?
브레이크 여자회로는 반드시 인버터 1차측 전원으로 구동시켜야 한니다. 그리고, 인버터가
동작중(가속, 정속, 감속)에 브레이크가 동작하면 과전류(OC) 트립이 발생하므로 인버터가
출력을 정지한후 브레이크가 동작하도록 시퀀스를 꾸미십시오.
5. 인버터로 모터를 운전하는데 모터의 절연이 파괴되었습니다. 원인이 무엇입니까?
인버터와 모터사이의 배선길이가 긴 경우에는 케이블의 분포정수에 따라서는 반사공진에
의해 전동기 단자전압에서 정격의 2배에 가까운 서지전압이 발생합니다. 200V계열에서는
문제가 되지 않지만 400V계열에서는 이 서지전압으로 인해 모터의 절연이 파괴될 수
있습니다. 400V계열에서는 평활된 직류전압이 × 440 = 620V이고 서지전압은 620×2 = 1200V가 되므로 모터절연내력인 850 ~ 1000V를 넘으므로 모터절연이 파괴됩니다. 대책으로 전동기의 절연내력을 향상시키거나 인버터 출력단에 AC 리액터나 서지억제 필터를 설치해서
서지 전압을 억제하십시오.
6. 인버터 운전의 경우 모터의 기동 전류, 기동 토크는 어떻게 됩니까?
인버터 운전에서는 모터의 가속에 맞추어 주파수와 전압을 올리므로 기동전류는 150%
(최고 200%)이하로 제한됩니다. 상용전원에서의 직입기동으로 모터정격전류의 6~7배의
기동전류가 흐르는 것에 비해 인버터 구동으로 원활한 기동이 가능하게 됩니다.
기동토크는 150% 이상으로 전부하 그대로도 기동 가능합니다.
7. 60Hz정격 표준모터를 60Hz정격 이상으로 운전하면 어떤 문제가 있습니까?
표준모터는 120Hz이상 고속으로 운전할 수 없습니다. 또, 60Hz이상으로 운전하는 경우
에도 소음, 진동, 베어링 수명, 모터 및 기계강도 상의 문제가 있을 수 있습니다.
60Hz이상에서는 속도가 증가함에 따라 토오크가 2승적으로 감소하므로 특히, 2극모터나
출력용량이 큰 모터를 사용할 때는 주의해야 합니다.
유지보수
1. 인버터 설치시 주의할 사항으로 무엇이 있습니까?
인버터 설치시 특히, 냉각을 고려해야 합니다. 판넬 내부에 설치할 때는 판넬내부의
환기가 잘 되게 환기 팬의 위치에 주의하고, 인버터는 수직으로 부착하되 위아래로 통풍에
지장이 될 만한 것이 없는지 확인합니다.
2. 인버터의 수명은 어느 정도입니까?
인버터는 평활 콘덴서나 냉각팬과 같은 소모품을 정기적으로 갈아주고 급격한 부하변동에
따른 무리한 운전을 피하며 적절한 주위환경(온도, 습도, 먼지)을 유지하여 주면 10년
이상의 수명을 기대할 수 있습니다.
3. 인버터 부품의 교환시기에 대해 알고 싶습니다.
평활 콘덴서와 알루미나 콘덴서는 약 5년, 냉각팬은 약 3년, 휴즈는 10년, 그리고
릴레이와 타이머 등은 CHECK후 결정하시기 바랍니다. 그러나, 사용환경(주위온도, 통풍
조건)과 사용율(부하율, 전압인가시간)에 따라서 이 교환년수가 변화될 수 있습니다.
4. 인버터의 수명이 단축되는 요인으로는 구체적으로 어떤 것들이 있습니까?
1) 온도, 습도가 높거나 변화가 심한 장소에서 사용하는 경우
2) 운전과 정지를 빈번하게 하는 경우
3) 전원(전압, 주파수, 파형왜곡)과 부하의 변동이 큰 경우
4) 진동, 충격이 많은 장소에 설치되어진 경우
5) 마모, 염분, 산성가스, 유화수소 등의 유해가스,오일분진 등의 환경에서 사용하는 경우
6) 사용전 보관상황이 나쁘거나 장기간 보존된 경우
7) 전원용량이 인버터 용량보다 매우 큰 경우 (약10배 이상)
벡터 인버터
1. 벡터 인버터란 무엇입니까?
벡터 인버터는 모터의 전류를 여자분 전류와 토오크분 전류로 분리시켜 제어하는데 구체적
으로, 속도검출기(엔코더)로 모터의 슬립을 검출하여 부하토크의 크기를 연산으로 구하여
이 토크에 적합하도록 모터의 전류를 흐르게 함으로써 소정의 여자분 전류를 확보합니다.
고응답, 고정도, 고신뢰성을 요구하는 servo 급 system 에 적용할 수 있으며, 벡터 제어
전용모터를 사용하게 됩니다. 벡터 제어 전용모터는 온도 변화에 따른 motor 특성 보상 및
feed back loop control 55Hz의 속도 응답을 갖추고 있습니다.
2. 벡터 인버터로 운전하는데 모터가 돌지 않습니다.
1) 인버터 출력 U,V,W상이 각각 모터의 U,V,W상으로 연결이 바르게 되어 있나 확인 하십시요.
2) Inv Capa가 현재 인버터의 용량을 가리키고 있습니까?
인버터의 현재 용량은 왼쪽 옆면의 제품 이름을 보면 알 수 있습니다.
3) Motor Capa가 현재 모터의 용량을 가리키고 있습니까?
4) Max. Speed가 설정되어 있습니까?
모터의 명판을 참고하여 사용 용도에 적절하게 설정하십시요.
5) Rated Cur이 설정되어 있습니까?
모터의 명판을 참고하여 설정하십시요.
6) No Load Cur이 설정되어 있습니까?
사용용도에 따라 적절하게 설정하십시요. 정격의 값을 넘지 않게 설정하여야 하며
대개의 경우 정격의 30 ~40% 정도 입니다.
7) Rated Slip값은 설정되어 있습니까?
모터의 명판을 참고하여 설정하십시요.
8) Torque값은 설정되어 있습니까?
사용용도에 따라 적절하게 설정 하십시요. 만약 이 값이 정확히 설정되지 못하면
인버터의 성능은 급격히 저하됩니다.
3. 벡터 인버터로 운전하는데 모터는 돌지만 속도가 나지 않습니다.
1) Encoder. pulses가 적절히 설정되어 있습니까?
Encoder 업체에 문의 하십시요.
2) 속도가 30 ~60 rpm이상으로 증가하지 않을 경우는 모터를 정지시킨 후
Encoder의 A상과 B상을 바꾸어 결선하십시요. 이때 경우3의 현상이 일어나지
않는가 검사해 보십시요.
4. 벡터 인버터로 운전하는데 모터가 속도를 추정하지만 반대방향으로 회전합니다.
1) 인버터의 V상과 W상의 출력을 서로 바꾸어 결선하십시요. 또한 동시에 A상과 B상의
엔코더 결선도 마찬가지로 다시 바꾸어 주십시요.
기본은 알고 설계를 하여야 합니다.
전선의 역활과 차단기의 역활이 무엇인지 그것을 알면 쉽 습니다.
MOTOR 차단기 역활은 기동시에 TRIP이 되지 않아야 합니다.
그리고 단락시에는 차단을 시켜야 합니다.
전선은 MOTOR 운전 할때 계속 정격부하로 운전을 하여도 견딜수 있어야 합니다.
MOTOR의 정격전류는 기기의 MAKER와 용량과 TYPE과 극수등에 따라 달라지기 때문에
기기의 명판과 DATA SHEET를 참고 하는것이 좋습니다.
없다면 그때는 다른 MOTOR를 참고 하면 됩니다.
먼저 차단기 정격을 구하는 방법입니다.
직입시 차단기는 정격전류의 3배와 전선허용전류의 2.5배한 전류중 적은것으로 선정을 합니다.
이정도이면 기동시에 TRIP이 되지 않습니다.
더 적게 하여도 TRIP이 되지 않으면 더 적게 하여도 됩니다.
INVERTER나 SOFT STARTER, Y-델타, REACTER등은 기동시 기동전류가 적기 때문에
더 적어도 됩니다.
참고로 MOTOR에 사용하는 차단기는 전선의 과전류를 보호하지 못하고 단락시에만 보호를 합니다.
전선은 정격전류가 50A미만이면 정격전류의 1.25배, 50A이상이면 1.1배이상의 허용전류를 가진 전선을 사용 하여야 합니다.
전기설비기술기준의 판단기준 제176조(분기회로의 시설)
6. 전동기 등에만 이르는 저압 옥내 전로는 다음에 의하여 시설할 것.
가. 제1호의 과전류 차단기는 그 과전류 차단기에 직접 접속하는 부하측의 전선의
허용전류를 2.5배(제38조제3항에 규정하는 과전류 차단기에 있어서는 1배)한 값
이하인 정격전류의 것(그 전선의 허용전류가 100 A를 넘을 경우로서 그 값이 과전류 차단기의 표준 정격에 해당하지 아니할 때에는 그 값에 가장 가까운 상위의 정격의 것을 포함한다)일 것.
나. 전선은 간헐사용(間歇使用) 기타의 특수한 사용 방법에 의할 경우 이외에는 저압 옥내배선의 각 부분마다 그 부분을 통하여 공급되는 전동기 등의 정격전류의 합계의 1.25배(그 전동기
등의 정격전류의 합계가 50 A를 넘을 경우에는 1.1배)의 값 이상인 허용전류의 것일 것.
[출처] 차단기 선정 계산식 실무와 이론 질문 (전기박사) |작성자 전기해결사
1.역률이란?
피상전력에 대한 유효전력의 비율을 역률이라 한다.
이는 전기기기에 실제로 걸리는 전압과 전류가 얼마나 유효하게 일을 하는가 하는 비율을 의미한다.
2.전력이란 ; 전압과 전류의 곱임(W = V x I)
1)유효전력
교류에서 회로중 코일이나 콘덴서 성분에 의해 전압과 전류사이에 위상차가 발생하므로
실제로 유효하게 일을 하는 전력(유효전력)은 전압 x 전류(=피상전력)가 아니고
전압과 동일방향 성분 만큼의 전류(=전류 x COS(theta)) 만이 유효하게 일을하게 된다.
따라서 유효전력 = 전압 x (전류x COS(theta)) 이며, COS(theta) 을 역률이라 한다.
2)무효전력
전압과 90도 방향 성분 만큼의 전류(전류 x SIN(theta))와 전압의 곱으로서 기기에서 실제로 아무 일도
하지않으면서(전력소비는 없음) 기기의 용량 일부만을 점유하고 있는데 SIN(theta)를 무효율이라 한다.
3.역률의 크기와 의미
1)역률이 큰 경우 ; 역률이 크다는 것은 유효전력이 피상전력에 근접하는 것으로서
(1)부하측(수용가측)에서 보면 : 같은 용량의 전기기기를 최대한 유효하게 이용하는 것을 의미하며
(2)전원측(공급자측)에서 보면 : 같은 부하에 대하여 적은 전류를 흘려 보내도 되므로 전압강하가 적어지고 전원설비의 이용효과가 커지는 이점이 있다.
2)역률이 작은 경우 ; 위와의 반대되는 불이익이 있다.
4.역률저하의 원인
1)유도전동기 부하의 영향 ; 유도전동기는 특히 경부하일 때 역률이 낮다.
2)가정용 전기기기(단상유도전동기)와 방전등(기동장치에 코일을 사용하기 때문)의 보급에 의한 역률저하
3)주상 변압기의 여자전류의 영향
5.역률개선 효과
1)전력회사 측면
- 전력계통 안정
- 전력손실 감소
- 설비용량의 효율적운용
- 투자비 경감
2)수용가 측면
(1)역률개선에 의한 설비용량의 여유증가
역률이 개선됨으로써 부하전류가 감소하게 되어 같은 설비로도 설비용량에 여유가 생기게 된다.
즉, 설비용량을 더 늘리지 않고도 부하의 증설이 가능해 진다.
(2)역률개선에 의한 전압강하 경감
역률을 개선하면 선로전류가 줄어들게 되므로 선로에서의 전압강하는 경감된다.
(3)역률개선에 의한 변압기 및 배전선의 전력손실 경감.
배전선 및 변압기에 전류가 흐르면 PL = 3*I2 *R 의 손실이 발생한다.
역률개선에 의해 무효전력이 감소 하므로 이 전력손실이 경감된다.
(4)역률개선에 의한 전기요금 경감
전력 수용가의 부하역률을 개선하면 그 만큼 전력회사는 설비 합리화가 이루어 지기 때문에
수용가의 역률개선을 촉진한다는 목적으로 기본요금에 역률할증제도를 실시하고 있다.
- 우리나라의 전기요금제도는 역률이 90%에 미달한 역률 만큼 전기요금을 추가하는
역률 할증제도를 적용하고 있다.
- 역률을 개선 함으로서 전기요금이 그 만큼 절약된다.
6.역률제어 방법
1)무효전력에 의한 제어
(1)콘덴서는 부하에 무효전력을 공급하기 위해 설치되는 것이므로
무효전력에 의해 콘덴서를 투입,개방 하는 것이 합리적이다.
(2)무효전력검출을 위해 무효전력계전기를 사용해서 정정치 보다 커졌을 때 투입하고
작아 졌을 때 개방한다.
(3)이 방식은 역률개선용으로 콘덴서를 설치하는 경우에 가장 적합한 방식 이며,
콘덴서의 군용량을 부하의 성질에 따라 변경하는 방식으로
무효전력계전기를 2조 또는 수조 사용하여 군제어를 하는 경우도 있다.
2)전압에 의한 제어
(1)이 방식은 모선전압이 정정치 보다 내려 갔을때에 콘덴서를 투입하고
정정치 이상이 되면 차단 하는 방법임.
(2)1차 변전소 처럼 그 목적이 모선전압 조정에 있는 경우에 사용하며
역률개선용으로는 사용되지 않는다.
3)역률에 의한 제어
(1)무효전력과 마찬 가지로 역률계전기를 사용해서 제어하는 방법임.
(2)조정폭이 부하의 감소와 더불어 작아지고 그 폭이 1군의 용량보다 작아지는 곳에서는
헌팅을 일으키게 된다. 때문에 회로전력이 기준이하가 되면 자동제어 기능을
정지시켜 헌팅을 방지하도록 하고 있다.
4)전류에 의한 제어
(1)부하상태에 따라 역률이 일정한 경우에 쓰이는 것으로 전류계전기로 검출하여 제어한다.
(2)이 방식은 미리 무효전력과 부하전력의 관계를 조사하여 정정할 필요가 있다.
5)시간에 의한 제어
(1)상점,백화점 처럼 조업시에는 일정한 부하가 되고 종업시에는 무부하가 되는 경우에 사용한다.
(2)타임 스위치에 의해 제어 되지만 컴퓨터에 의한 년간제어도 실시되고 있다.
7.부속기기
1)콘덴서용 직렬리액터
(1)역률개선으로 콘덴서를 사용하면 회로의 전압이나 전류파형의 왜곡을 확대하는 수가 있고,
때로는 기본파 이상의 고조파를 발생하는 수가 있다 그러므로 이에 대한 방지대책이 요구된다.
(2)고조파를 줄이는 방법 ; 직렬리액터를 삽입한다.
- 제 3고조파에 대한 대책 ; 콘덴서 리액턴스의 13%가량의 직렬리액터 삽입
3wL > 1/3wC
wL > 1/9wC = 0.11 x 1/wC ... 실제 13% 직렬리액터 삽입
- 제 5고조파에 대한 대책 ; 콘덴서 리액턴스의 4%이상 되는 직렬리액터의 리액턴스가
필요하지만 실제로 주파수 변동,경제성등을 감안 6%를 표준으로 한다.
5wL > 1/5wC
wL > 1/25wC = 0.04 x 1/wC
(3)사용할 때 주의사항
- 콘덴서 단자전압의 상승
; 6% 리액터 삽입에 의해 콘덴서 단자전압은 약 6%상승, 콘덴서 전류도 6%증가한다.
따라서 콘덴서는 약 13%의 용량이 증가한다.
- 콘덴서와 용량을 합치는 일
; 리액터용량이 적정하지 않으면 오히려 선로정수만 증가시켜 무효전력만 증가시킨다.
- 콘덴서 전류가 정격전류의 120%이상이면 반드시 직렬리액터를 사용한다.
- 콘덴서 투입시 돌입 과대전류로 인해 CT 2차측 회로에서 플러시오우버 함으로
직렬리액터를 반드시 접속
2)방전코일(Discharge Coil)
; 사용목적은 콘덴서회로를 전원으로부터 개방하면 즉시 잔류전하를 방전해서 위험을 제거한다.
방전코일은 철심을 사용하므로 포화에 의한 리액턴스 감소 때문에
큰 방전전류를 흘려서방전을 속히 완료시킨다.
3)억제저항
; 콘덴서를 투입하거나 개방할 때 큰 돌입전류가 흐르거나 과도적 이상전압이 발생하므로
돌입 전류만을 억제하기 위해 콘덴서리액턴스의 10 ~ 20% 정도의 억제저항이 사용된다.
4)차단기
; 단락보호용 차단기와 콘덴서 조작용 차단기가 있다.
(1)단락보호용 차단기는 유입차단기,애자형차단기가 사용된다.
(2)콘덴서 조작용 차단기는 유입차단기,유입개폐기가 사용된다.
(3)차단기 선정시 고려사항
- 정상전류의 수배가 흐르는 돌입전류로 인한 접점의 오손, 절연유오손에 대한 고려
- 90도 진상전류가 흐르므로 재점호에 대한 고려
- 하루 1 ~ 2회 정기적으로 개폐시키므로 기계적충격등에 대한 고려
역 률
전력은 전기의 단위시간당의 일량이며 P=VI, 즉 전압과 전류의 곱으로(적산)표시됩니다.
이때 전압과 전류의 위상의 차를 cos θ로 표시하고,이때의 전력을
P=VI* cos θ로 표시합니다,
여기서의 VI를 피상전력이라고 합니다.
또 cos θ를 역률이라고 합니다.
cos θ= P/VI 이겠죠. θ가 0, 즉 전압과 전류의 위상의 차가 없을 경우 cos 0 =1 ,전력은 VI의 곱으로 표시됩니다.
반대로 θ의 값이 0 이외의 경우,전력 P는 cos θ만큼의 손실이 생깁니다.
이 역률은 전압과 전류의 위상차입니다.
전선의INDUCTOR,CONDUCTOR등의 성분이 따라서도 역률이 좌우됩니다.
역률에 있어서 θ를 작게하여 무효전력을 작게하는 것을 전력을 좋게 한다고하겠습니다.
역률은 0~1의 값을선택하므로 백분율(%)로 나타내는 일이 많습니다.
부하의 역률은 백열전구와 전열기에서는 거의100[%]이나 형광등 유도전동기 .용접기 등에서는 역률이 낮고
경부하시에 50[%]정도로 사용할 수 있는 것도 있습니다.
또한 주상변압기 등도 경부하시에는 전선로의 역률을 불량하게 합니다.
일정한 전력을 수전하는 경우 부하의 역률이 낮을수록 선로전류는 커지며 따라서 전압강하가 증대하고
또한 선로손실은 역률의 자승에 반비례 하여 증가합니다. 또한,전로선의 전송용량은 전압강하에 의해
결정되기 때문의 역률이 저하하면 용량이 그만큼 감소됩니다.
또한,발전기와 변압기 등의 용량은 [kVA]로 주어지기 때문에 역률이 불량해지면 그만큼 [kW]출력이 감소됩니다.
따라서 부하역률의 양부는 부하점에서 발전소에 이르는 전기설비에 영향을 미치게 되기 때문에
그 개선은 매우 중요한 것으로 되어 있습니다.
전선로의 부하역률의 개선에는 전력용 콘덴서를 직접부하와 병렬로 또는 선로상 또는 변전소 등에 설치해서 시행하고 있습니다.
물론, 그 영향은 설치점에서 전원측에 대해서만 미치는 것입니다.이 진상용 설비에 소요되는 경비는 이 설비가 없는 때의 손실가격을 보상하고 또한, 충분한 이익이 남는 것으로 계산되고 있습니다.
역률을 개선함으로써 얻어지는 이익은 콘덴서 설치점에서 거슬러 올라가 발전소까지 미치는 것이기 때문에 전체로서 어느 정도의 이익이 되는가를 수량적으로 나타내는 것은 극히 곤란한 것입니다.
따라서 콘덴서의 경제적 용량을 결정한다는 것은 쉽지 않습니다.
일반적으로 콘덴서 용량의 실제적 기준으로서는 역률을 90~95[%]정도로 개선하는 용량이 적당한 것으로 되어 있습니다.
역률의 의미는 공식으로 보면 전압과 전류의 위상차이이죠. 하지만 전력의 측면에서 보면 의미가 더 중요해집니다.
우리가 사용하는 전력은 유효전력과 무효 전력을 나누어집니다.
그리고 역률은 유효전력을 실효전력과 무효 전력의 합으로 나눈겁니다.
이런 의미의 역률이 중요한 건 다음과 같은 이유입니다.
유효 전력이라는 말은 우리가 전기값을 내는 전력이라 보면 되구요..
무효 전력이라는 말은 사용하는 기기내에 들어왔다가 다시 반환되는 전력입니다.
즉 무효 전력은 일은 하지않고 왔다가 그냥 가는 전력이지요
.
소비자의 입장에서는 그렇기 때문에 역률이 중요하지 않습니다.하지만 전력회사의 입장은 다르죠.
무효 전력도 역시 전류를 통해서 전달됩니다.
따라서 전기 값은 받지도 못하는데무효 전력을 위해서 전력선을 더굵게 해야 하지요. (전력선의 굵기는 돈입니다)
또한 무효 전력 역시 전류를 통해 전달되기 때문에 이러한 성분에 의한저항손(전력선에서 발생하는 전력의 손실)또한
많아지게 되지요.이건 모두 전력회사의 비용으로 돌아가게 됩니다.
그리고 역률이 나쁜 기계들을 많이 사용할수록 필요전류가 많아져 발전소가 더필요할 수도 있는 겁니다.
전력의 의미로 역률을 계산한다면 단상과 삼상의 차이는 없다고 생각되네요.
전기를 안전하게 사용하기 위해 전기기기나 전기기구에 정격이라는 것이 정해져 있다.
정격이란 전기용품을 안전하게 사용하기 위해서 한계를 표시한 것이다.
플러그를 보면 보이기 쉬운 곳에 '15A-125V'라는 식으로 표시가 되어 있다.
이것은 정격전류가 15암페어로 정격전압이 125볼트란 의미이다.
즉 전류의 상한이 15암페어이고 전압의 상한이 125볼트라는 것으로,
그 이상의 전류나 전압은 사용하지 말라는 의미이다.
코드, 플러그, 콘센트, 스위치 등의 접속기구는 부하를 늘리면 전류도 늘어나므로 정격전류를 잘 보아두어야 한다.
이를테면 '7A-125V'의 표시가 되어 있는 테이블랩에 100V 1kW의 전기기구를 연결하면
10암페어의 전류가 흐르므로 3암페어 오버가 되어 위험하다.
이 경우 전류에 의한 발열량은 전류의 제곱, 즉 (10/7)2 = 100/49 ≒ 약 2배로 증가하므로 한도 이상의 전류를 흘리는 것을
위험률이 2배로 증가하므로 한도 이상의 전류를 흘리는 것은 위험률이 2배로 증가한다고 보아야 한다.
또 코드에는 보통 정격 표시가 없으므로 주의가 필요하다. 비닐코드는 꼬은 심선의 단면적에 따라 허용 전류(흘릴 수 있는 최대한도의 전류)가 정해져 있다.
그런데 앞서 언급한 바 있듯이, 교류이 전력에는 역률이라는 것이 있으므로 전류를 계산할 때는 주의가 필요하다.
교류의 전력은
전력 = 전압×전류×역률이므로
전류(A) = 전력(W) / (전압(V) ×역률)가 된다.
전열기나 백열전구는 역률이 100%이므로 전류는 직류인 때와 같이 단순히 (전류)=(전력)/(전압)으로 계산해도 된다.
그러나 모터나 형광등 따위는 역률이 70%라던가 80% 등이 되기 때문에 그만큼 전류가 많아지는 것이다.
이를테면 역률 80%, 1kW짜리인 냉장고의 전류는 전류 = 1000(W) / (100(V) ×0.8) = 12.5(A)가 된다.
역률이 100%라면 10암페어로도 충분한 전류가 25%나 여분으로 흐르는 것이다.
콘센트 등의 정격을 생각할 때, 주의가 필요하다
Effects of harmonics on power systems - Part 1
Oct 1, 1999 12:00 PM, Sankaran, C.
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If not properly designed or rated, electrical equipment will often malfunction when harmonics are present in an electrical system.
Most people don't realize that harmonics have been around a long time. Since the first AC generator went online more than 100 years ago, electrical systems have experienced harmonics. The harmonics at that time were minor and had no detrimental effects.
Basic concept
A pure sinusoidal voltage is a conceptual quantity produced by an ideal AC generator built with finely distributed stator and field windings that operate in a uniform magnetic field. Since neither the winding distribution nor the magnetic field are uniform in a working AC machine, voltage waveform distortions are created, and the voltage-time relationship deviates from the pure sine function. The distortion at the point of generation is very small (about 1% to 2%), but nonetheless it exists. Because this is a deviation from a pure sine wave, the deviation is in the form of a periodic function, and by definition, the voltage distortion contains harmonics.
When a sinusoidal voltage is applied to a certain type of load, the current drawn by the load is proportional to the voltage and impedance and follows the envelope of the voltage waveform. These loads are referred to as linearloads (loads where the voltage and current follow one another without any distortion to their pure sine waves). Examples of linear loads are resistive heaters, incandescent lamps, and constant speed induction and synchronous motors.
In contrast, some loads cause the current to vary disproportionately with the voltage during each half cycle. These loads are classified as nonlinear loads, and the current and voltage have waveforms that are nonsinusoidal, containing distortions, whereby the 60-Hz waveform has numerous additional waveforms superimposed upon it, creating multiple frequencies within the normal 60-Hz sine wave. The multiple frequencies are harmonics of the fundamental frequency.
Normally, current distortions produce voltage distortions. However, when there is a stiff sinusoidal voltage source (when there is a low impedance path from the power source, which has sufficient capacity so that loads placed upon it will not effect the voltage), one need not be concerned about current distortions producing voltage distortions.
Examples of nonlinear loads are battery chargers, electronic ballasts, variable frequency drives, and switching mode power supplies. As nonlinear currents flow through a facility's electrical system and the distribution-transmission lines, additional voltage distortions are produced due to the impedance associated with the electrical network. Thus, as electrical power is generated, distributed, and utilized, voltage and current waveform distortions are produced.
Power systems designed to function at the fundamental frequency, which is 60-Hz in the United States, are prone to unsatisfactory operation and, at times, failure when subjected to voltages and currents that contain substantial harmonic frequency elements. Very often, the operation of electrical equipment may seem normal, but under a certain combination of conditions, the impact of harmonics is enhanced, with damaging results.
Motors
There is an increasing use of variable frequency drives (VFDs) that power electric motors. The voltages and currents emanating from a VFD that go to a motor are rich in harmonic frequency components. Voltage supplied to a motor sets up magnetic fields in the core, which create iron losses in the magnetic frame of the motor. Hysteresis and eddy current losses are part of iron losses that are produced in the core due to the alternating magnetic field. Hysteresis losses are proportional to frequency, and eddy current losses vary as the square of the frequency. Therefore, higher frequency voltage components produce additional losses in the core of AC motors, which in turn, increase the operating temperature of the core and the windings surrounding in the core. Application of non-sinusoidal voltages to motors results in harmonic current circulation in the windings of motors. The net rms current is [I.sub.rms] = [square root of [([I.sub.1]).sup.2] + [([I.sub.2]).sup.2] + [([I.sub.3]).sup.2] +] ..., where the subscripts 1, 2, 3, etc. represent the different harmonic currents. The [I.sub.2]R losses in the motor windings vary as the square of the rms current. Due to skin effect, actual losses would be slightly higher than calculated values. Stray motor losses, which include winding eddy current losses, high frequency rotor and stator surface losses, and tooth pulsation losses, also increase due to harmonic voltages and currents.
The phenomenon of torsional oscillation of the motor shaft due to harmonics is not clearly understood, and this condition is often disregarded by plant personnel. Torque in AC motors is produced by the interaction between the air gap magnetic field and the rotor-induced currents. When a motor is supplied non-sinusoidal voltages and currents, the air gap magnetic fields and the rotor currents contain harmonic frequency components.
The harmonics are grouped into positive (+), negative (-) and zero (0) sequence components. Positive sequence harmonics (harmonic numbers 1,4,7,10,13, etc.) produce magnetic fields and currents rotating in the same direction as the fundamental frequency harmonic. Negative sequence harmonics (harmonic numbers 2,5,8,11,14, etc.) develop magnetic fields and currents that rotate in a direction opposite to the positive frequency set. Zero sequence harmonics (harmonic numbers 3,9,15,21, etc.) do not develop usable torque, but produce additional losses in the machine. The interaction between the positive and negative sequence magnetic fields and currents produces torsional oscillations of the motor shaft. These oscillations result in shaft vibrations. If the frequency of oscillations coincides with the natural mechanical frequency of the shaft, the vibrations are amplified and severe damage to the motor shaft may occur. It is important that for large VFD motor installations, harmonic analyses be performed to determine the levels of harmonic distortions and assess their impact on the motor.
Transformers
The harmful effects of harmonic voltages and currents on transformer performance often go unnoticed until an actual failure occurs. In some instances, transformers that have operated satisfactorily for long periods have failed in a relatively short time when plant loads were changed or a facility's electrical system was reconfigured. Changes could include installation of variable frequency drives, electronic ballasts, power factor improvement capacitors, arc furnaces, and the addition or removal of large motors.
Application of nonsinusoidal excitation voltages to transformers increase the iron lesses in the magnetic core of the transformer in much the same way as in a motor. A more serious effect of harmonic loads served by transformers is due to an increase in winding eddy current losses. Eddy currents are circulating currents in the conductors induced by the sweeping action of the leakage magnetic field on the conductors. Eddy current concentrations are higher at the ends of the transformer windings due to the crowding effect of the leakage magnetic fields at the coil extremities. The eddy current losses increase as the square of the current in the conductor and the square of its frequency. The increase in transformer eddy current loss due to harmonics has a significant effect on the operating temperature of the transformer. Transformers that are required to supply power to nonlinear loads must be derated based on the percentages of harmonic components in the load current and the rated winding eddy current loss.
One method of determining the capability of transformers to handle harmonic loads is by k factor ratings. The k factor is equal to the sum of the square of the harmonic currents multiplied by the square of the frequencies.
k = [([I.sub.1]).sup.2]([1.sup.2]) + [([I.sub.2]).sup.2]([2.sup.2]) + [([I.sub.3]).sup.2]([3.sup.2]) + . . . + [([I.sub.n]).sup.2]([n.sup.2]).
where [I.sub.1] = ratio of fundamental current to total rms current, [I.sub.2] = ratio of second harmonic current to total rms current, [I.sub.3] = ratio of third harmonic current to total rms current, etc., and 1,2,3, ... n are harmonic frequency numbers. The total rms current is the square root of the sum of square of the individual currents.
By providing additional capacity (larger-size or multiple winding conductors), k factor rated transformers are capable of safely withstanding additional winding eddy current losses equal to k times the rated eddy current loss. Also, due to the additive nature of triplen harmonic (3, 9, 15, etc.) currents flowing in the neutral conductor, k rated transformers are provided with a neutral terminal that is sized at least twice as large as the phase terminals.
Example: A transformer is required to supply a nonlinear load comprised of 200A of fundamental (60 Hz), 30A of 3rd harmonic, 48A of 5th harmonic and 79A of 7th harmonic. Find the required k factor rating of the transformer:
Total rms current, I = [square root of [([I.sub.1]).sup.2] + [([I.sub.3]).sup.2] + [([I.sub.5]).sup.2] + [([I.sub.7]).sup.2]]
Total rms current, I = [square root of [(200).sup.2] + [(30).sup.2] + [(48).sup.2] + [(79).sup.2]] = 222.4A
[I.sub.1] = 200 / 222.4 = 0.899
[I.sub.3] = 30 / 222.4 = 0.135
[I.sub.5] = 48 / 222.4 = 0.216
[I.sub.7] = 79 / 222.4 = 0.355
k = [(0.899).sup.2][(1).sup.2] + [(0.135).sup.2] [(3).sup.2] + [(0.216).sup.2]([5).sup.2] + [(0.355).sup.2][(7).sup.2] = 8.31
To address the harmonic loading in this example, you should specify a transformer capable of supplying a minimum of 222.4A with a k rating of 9. Of course, it would be best to consider possible load growth and adjust the minimum capacity accordingly.
The photo (on page 33) shows one of the things that can happen when large nonlinear loads are present in a transformer. In this case, the nonlinear loads caused a substantial temperature rise. The unit had been installed to serve an online UPS source that produced high harmonic currents in the lines coming from the transformer. The darkened areas of the coils are due to the effect of heat caused by excess eddy current losses in the transformer's windings. Very often, the damage to the coils in a transformer is not known until a failure occurs.
Capacitor banks
Many industrial and commercial electrical systems have capacitors installed to offset the effect of low power factor. Most capacitors are designed to operate at a maximum of 110% of rated voltage and at 135% of their kvar ratings. In a power system characterized by large voltage or current harmonics, these limitations are frequently exceeded, resulting in capacitor bank failures. Since capacitive reactance is inversely proportional to frequency, unfiltered harmonic currents in the power system find their way into capacitor banks, These banks act like a sink, attracting harmonic currents, thereby becoming overloaded.
A more serious condition, with potential for substantial damage, occurs as a result of harmonic resonance. Resonant conditions are created when the inductive and capacitive reactances become equal in an electrical system. Resonance in a power system may be classified as series or parallel resonance, depending on the configuration of the resonance circuit. Series resonance produces voltage amplification and parallel resonance causes current multiplication within an electrical system. In a harmonic rich environment, both types of resonance are present. During resonant conditions, if the amplitude of the offending frequency is large, considerable damage to capacitor banks would result. And, there is a high probability that other electrical equipment on the system would also be damaged.
Fig. 1 (on page 36) shows a typical power system incorporating a distribution transformer ([T.sub.1]) and two variable frequency drives, each serving a 500hp induction motor. Assume that transformer [T.sub.1] is rated 3 MVA, 13.8kV-480V, 7.0% leakage reactance. With a 1000kvar capacitor bank installed on the 480V bus, the following calculations examine the power system for resonance. Where the secondary current of the 3MVA transformer is based at a potential of 480V, and neglecting utility source impedance, the transformer reactance at 7% results in an inductive reactance ([X.sub.L]) of 0.0161 ohms as determined from the following calculations, based upon a delta electrical configuration [ILLUSTRATION FOR FIGURE 2 AND 3 OMITTED]:
Transformer line current ([I.sub.L]) = [VA transformer rating] / [([square root of 3])([V.sub.L])]
([I.sub.L]) = [(3)[(10).sup.6]] / [([square root of 3])(480)] = 3608A
Note: impedance values are calculated using the actual winding current ([I.sub.w]) and winding voltage ([V.sub.w]).
[I.sub.w] = [I.sub.L] / [square root of 3 ] = 3608 / [square root of 3] = 2083A
Winding voltage ([V.sub.w]) = line voltage ([V.sub.L]) = 480V
Percent reactance (7%) = ([I.sub.w])([X.sub.L]) / ([V.sub.w])
Inductive reactance ([X.sub.L]) = (.07)([V.sub.w]) / ([I.sub.w]) = (.07)(480) / (2083) [X.sub.L] = 0.0161 ohms
Inductance (L) = [X.sub.L] / 2[Pi]f = 0.0161 / (2)(3.14)(60) = (0.428)[(10).sup.-4] henry
For a delta connected capacitor, the following calculations are applicable:
Line current to capacitor bank ([I.sub.L]) = (capacity in var) / ([square root of 3])([V.sub.L]) [I.sub.L] = (1000)[(10).sup.3] / ([square root of 3])(480) = 1203A
Capacitor current ([I.sub.c]) = [I.sub.L] / [square root of 3] = 1203 / 1.732 = 694.6A
Capacitive reactance ([X.sub.c]) = [V.sub.L] / [I.sub.c] = 480 / 694.4 = 0.691 ohm Capacitance (C) = 1 / 2[Pi]f[X.sub.c] = 1 / (2)(3.14)(60)(0.691)= (38.4)[(10).sup.-4] farad
Resonance frequency ([f.sub.R]) = 1 / 2[Pi][square root of (L)(C)]
([f.sub.R])= 1 / (2)(3.14) [[square root of (0.428)[(10).sup.-4] (38.4)[(10.)sup. -4]]]
([f.sub.R]) = 1 / (6.28) [[square root of (0.428)(38.4)[(10).sup.-8]]] = 393 Hz
A different derivation must be carried out when using a wye-connected transformer and a wye-connected capacitor bank. The wye-connected arrangement is the one normally used when a secondary neutral is required. The following equations are applicable for wye configurations ([ILLUSTRATION FOR FIGURE 4 AND 5 OMITTED], on page 40):
For the transformer:
Transformer winding voltage ([V.sub.w]) = line voltage ([V.sub.L]) / [square root of 3] = 480 / [square root of 3] = 277V
Winding current ([I.sub.w]) = transformer capacity (VA) / ([V.sub.L])([square root of 3])
[I.sub.w] = (3)[(10).sup.6] / (480)([square root of 3])= 3608A
Inductive reactance ([X.sub.L]) = (.07)([V.sub.w]) / ([I.sub.w]) = (.07)(277) / (3608)
[X.sub.L] = 0.00537 ohms
Inductance (L) = [X.sub.L] / 2[Pi]f = 0.00537 / (2)(3.14)(60) = (14.3)[(10).sup.-6] henry
For the capacitor bank:
Capacitor bank current flow ([I.sub.c]) = (capacity in var) / ([square root of 3])([V.sub.L])
[I.sub.c] = (1000)[(10).sup.3] / ([square root of 3])(480) = 1203A
Capacitor voltage ([V.sub.c]) = line voltage ([V.sub.L]) / [square root of 3] = 480 / [square root of 3] = 277V
Capacitive reactance ([X.sub.c]) = [V.sub.c] / [I.sub.c] = 277 / 1203 = 0.23 ohm
Capacitance (C) = 1 / 2[Pi]f[X.sub.c] = 1 / (2)(3.14)(60)(0.23) = 0.0115 farad
Resonance frequency ([f.sub.R]) = 1 / 2[Pi][square root of (L)(C)]
([f.sub.R]) = 1 / (2)(3.14)[[square root of (14.3)[(10).sup.-6]] (0.0115)]
([f.sub.R]) = 1 / (6.28)[[square root of (0.16445)[(10).sup.-6]]] = 393 Hz
Note that the resonance frequency remains the same, whether for a delta-type circuit or for a wye-type circuit. However, this situation would change should the transformer be one type circuit and the capacitor another type circuit.
The system would therefore be in resonance at a frequency corresponding to the 6.6th harmonic (393/60 = 6.55). This is dangerously close to the 7th harmonic voltage and current produced in variable frequency drives.
The two 500-hp drives draw a combined line current of 1100A (a typical value assuming motor efficiency of 90% and a .9PF). If the current of the 7th harmonic component is assumed to be 1/7 of the fundamental current (typical in drive applications), then [I.sub.7] = 1100 / 7 = 157A. If the source resistance (R) for the transformer and the conductors causes a 1.2% voltage drop based on a 3MVA load flow, then R = (0.92)([10.sup.-3]) ohms. This is because the determination of the inductive reactance ([X.sub.L]) for the wye-connected transformer was 0.00537 ohms. Thus, R = (0.00537)(1.2%) / 7% (transformer leakage reactance) = (0.92)([10.sup.-3]) ohms.
The "Q" or "quality factor" of an electrical system is a measure of the energy stored in the capacitors and inductors in the system. The current amplification factor (CAF) in a parallel resonant circuit (such as where a transformer and a capacitor are in a parallel configuration) is approximately equal to Q. Actually, Q= (2)([Pi]) (maximum energy storage) / (energy dissipation/cycle) as follows:
Q = [(2)([Pi])][(1/2)(L)[([I.sub.M]).sup.2] / [(I).sup.2] (R/f)]
where [I.sub.M] (maximum current) = ([square root of 2])(I), thus,
Q = (2)([Pi])(f)(L) / R = [X.sub.L] / R
where CAF can be considerd Q or [X.sub.L] / R.
For the example, with the two 500-hp drives, CAF equals (7)([X.sub.L]) / R, where 7 is a multiplication factor representing the 7th harmonic (or 7 times the fundamental 60Hz); [X.sub.L] is the reactive impedance at 0.00537; and R = (0.92)([10.sup.-3]) ohms. Thus:
CAF = (7)(.00537) / (0.92)([10.sup.-3]) = 40.86
The resonant current ([I.sub.R]) equals (CAF)([I.sub.7]) = (40.86)(157A)= 6415A. This current circulates between the source and the capacitor bank. The net current in the capacitor bank ([I.sub.Q] is equal to 6527A, which is derived as follows:
([I.sub.Q]) = [square root of [([I.sub.R]).sup.2] + [([I.sub.C]).sup.2]] = [square root of [(6415).sup.2] + [(1203).sup.2]] = 6527A
The value of [I.sub.Q] will seriously overload the capacitors. If the protective device does not operate to protect the capacitor bank, serious damage will occur.
The transformer and the capacitor bank may also form a series resonance circuit and cause large voltage distortions and overvoltage conditions at the 480V bus. Prior to installation of a power factor improvement capacitor bank, a harmonic analysis must be performed to ensure that resonance frequencies do not coincide with prominent harmonic components contained in the voltages and currents.
Cables
The flow of normal 60-Hz current in a cable produces [I.sup.2]R losses and current distortion introduces additional losses in the conductor. Also, the effective resistance of the cable increases with frequency due to skin effect, where unequal flux linkages across the cross section of the cable causes the AC current to flow on the outer periphery of the conductor. The higher the frequency of the AC current, the greater this tendency. Because of both the fundamental and the harmonic currents that can flow in a conductor, it is important to make sure a cable is rated for the proper current flow.
A set of calculations should be carried out to determine a cable's ampacity level. To do so, the first thing is to evaluate the skin effect. Skin depth relates to the penetration of the current in a conductor and varies inversely as the square root of the frequency, as follows:
Skin depth ([Delta]) = S / [square root of f]
where "S" is a proportionality constant based on the physical characteristics of the conductor and its magnetic permeability and "f" is the frequency.
If [R.sub.dc] is the DC resistance of a conductor, the AC resistance ([R.sub.f]) at frequency "f" is given by the expression,
[R.sub.f] = (K)([R.sub.dc])
The value of K is determined from the table shown on page 42. Its value corresponds to the calculated value of the skin effect resistance parameter (X), where X can be calculated as follows:
X = 0.0636 [square root of f[Mu] / [R.sub.dc]]
For this calculation, 0.0636 is a constant for copper conductors, "f" is the frequency, [R.sub.dc] is the DC resistance per mile of the conductor, and [Mu] is the permeability of the conducting material. The permeability for nonmagnetic materials, such as copper, is approximately equal to 1 and this is the value used. Tables or graphs that contain values of X and K are normally available from conductor manufacturers. The value of K is a multiplying factor that is to be multiplied by the normal cable resistance.
Example: Find the 60-Hz and 300-Hz AC resistances of a 4/0 copper conductor that has a DC resistance ([R.sub.dc]) of 0.276 ohm per mile. Using the following equation
X = 0.0636[square root of f[Mu] /[R.sub.DC]] We find that [X.sub.60] = (.0636)[[square root of (60)(1) / .276]] = 0.938. And, the value of K from the table, when [X.sub.60] = 0.938, is approximately 1.004. Thus, the conductor resistance per mile at 60 Hz = (1.004)(0.276) = 0.277 ohm.
For 300 Hz, [X.sub.300] = (.0636) [[square root of (300)(1) / .276]] = 2.097. For this condition, the value of K, based on [X.sub.300] = 2.097 from the table, is approximately 1.092. And, the conductor resistance per mile at 300 Hz = (1.092)(0.276) = 0.301 ohm.
The ratio of resistance, which is also called the skin effect ratio (E), based on the 300 Hz resistance to the 60 Hz resistance = .301 / .277 = 1.09. As can be seen; E = [X.sub.n] / [X.sub.60]
A conservative expression for the current rating factor (q) for cables that carry harmonic currents is derived by adding the [I.sup.2]R losses produced by each harmonic frequency current component at the equivalent 60 Hz level, as follows:
q = [[I.sub.[1.sup.2]][E.sub.1] + [I.sub.[2.sup.2]][E.sub.2] + [I.sub.[3.sup.2]][E.sub.3] + ... [I.sub.[n.sup.2][E.sub.N] where [I.sub.1], [I.sub.2], [I.sub.3] ... [I.sub.n] are the ratios of the harmonic currents to the fundamental frequency current and [E.sub.1], [E.sub.2], [E.sub.3], ... [E.sub.E] are skin effect ratios. (ratio of the effective resistance of the cable at the harmonic frequency to the resistance at the fundamental frequency).
Example: Determine the current rating factor (q) for a 60-Hz cable required to carry a nonlinear load with the following harmonic characteristics: fundamental current = 190A, 5th harmonic current = 50A, 7th harmonic current = 40A, 11th harmonic current = 15A and the 13th harmonic current = 10A.
The skin effect ratios are as follows:
[E.sub.1] = 1.0; [E.sub.5] = 1.09; [E.sub.7] = 1.17; [E.sub.11] = 1.35; [E.sub.13] = 1.44.
As previously mentioned, the skin effect ratio (E), also called the ratio of resistance, equals [X.sub.n] / [X.sub.60]. As an example, the skin effect ratio for E5 is based on the ratio of the 300 Hz resistance to the 60Hz resistance, which is 0.301 / 0.277 = 1.09.
The harmonic current ratios are as follows:
[I.sub.1] = 190/190 = 1.0 [I.sub.5] = 50/190 = 0.263 [I.sub.7] = 40/190 = 0.210 [I.sub.11] = 15/190 = 0.079 [I.sub.13] = 10/190 = 0.053 q = [(1.0).sup.2](1.0) + [(0.263).sup.2](1.09) + [(0.210).sup.2](1.17) + [(0.079).sup.2](1.35) + [(0.053).sup.2](1.44)
q = 1.14
Because the cable must be able to handle both the fundamental and the harmonic loads, based upon the q factor, the cable must be rated for a minimum current of (1.14)(190) = 217A at 60 Hz.
TERMS TO KNOW
Eddy current losses: Power dissipated due to current circulating in metallic material (core, windings, case, and associated hardware in motors, etc.) as a result of electromotive forces induced by variation of magnetic flux.
Hysteresis: The energy loss in magnet material that results from an alternating magnetic field as the elementary magnets within the material seek to align themselves with the reversing magnetic field.
Impedance: The total opposition that an electric circuit presents to an alternating current. It is the measure of the complex resistive and reactive attributes of a component (conductor, machinery, etc.) or of the total system within an AC circuit. Impedance causes electrical loss and is usually manifested in the form of heat.
Iron losses: These consist of hysteresis and eddy current losses associated with the metal laminations in motors and generators.
C. Sankaran is Senior Engineer, Electro-Test, Inc., Renton, Wash
원본 위치 <http://ecmweb.com/mag/electric_effects_harmonics_power_2/>
Effects of harmonics on power systems - Part 2
Feb 1, 1999 12:00 PM, Sankaran, C.
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Once you've recognized that harmonics are in a circuit or in an electrical system, the next step is to carry out tests to determine the magnitude and type of harmonics.
As more and more VFDs, electronic ballasts, battery chargers, and static var compensators are installed in facilities, the problems related to harmonics are expected to get worse. As such, it's important that you' re able to determine harmonic levels and analyze system data so that you can implement corrective measures and avoid serious problems.
Extent of harmonics
While harmonic voltages and currents are, by themselves, imperceptible, the physical phenomena that accompany them are perceivable. The adverse effects of harmonics in electrical power systems are very real, and failures related to voltage and current harmonics very often occur without warnings. When you have an indication that harmonics are present, your next step is to carry out testing to measure their level in the power system; you'll need this information to determine what mitigation system to use.
The degree to which harmonics affect electrical power system components depends on several factors: physical location, installation practices, electrical loading, and ambient temperatures. This means the same magnitude of harmonics might affect two separate installations differently. Some of the symptoms associated with large magnitudes of harmonics include large neutral currents, excessive temperature rise, vibration, audible noise, and protective device malfunction.
If you think large harmonic components are present, you first should learn what the electrical system is actually carrying on its lines. To do this, you must use harmonic measurement meters. The following instrumentation are commonly employed.
True-rms meters
The root mean square (rms) value, also known as the effective value, is the true measure of electrical parameters. For example, rms current represents the net heating effect of current on electrical equipment, thereby determining the thermal rating of the equipment. Operation of fuses and thermal magnetic circuit breakers is based on rms current. In transformers, the rms voltages determine the magnetic flux density levels in the transformer core. The rms voltage ratings determine the operating limits of electrical equipment. The relationship between the rms, average, and peak values of a pure sinusoidal current waveform follows. Form factor (FF) and peak factor (PF) are two elements that further define electrical waveforms. For a pure sinusoidal wave, the following relationships are true:
[I.sub.AVE] = (2/[Pi]([I.sub.M]) = (0.636)([I.sub.M])
[I.sub.RMS] = (1/[square root of 2])([I.sub.M]) = (0.707)([I.sub.M])
FF = [I.sub.RMS] [divided by] [I.sub.AVE] = 1.11
PF = [I.sub.M] [divided by] [I.sub.RMS] = 1.414
where [I.sub.M] = peak current
[I.sub.RMS] = rms current
[I.sub.AVE] = average current
Harmonics in electrical systems distort the waveforms and alter the rms and average values. Under such conditions, the relationship between the rms, peak, and average values are not represented by the above equations.
Conventional analog style meters do not accurately measure the rms values of nonsinusoidal voltages and currents due to deficiencies in their response to higher frequency components. Some earlier forms of digital meters measure the average or peak values and use multiplication factors to derive rms values. In a harmonic-rich environment, this is not valid. True-rms meters, by a process that involves high rate of signal sampling, recreate the waveform, and use frequency transformation techniques to obtain the true-rms values. True-rms meters may indicate that harmonics are present in an electrical system but may not provide a breakdown of the significant harmonics.
Harmonic analyzers
Harmonic analyzers are effective instruments for determining the waveshapes of voltage and current and measuring the respective frequency spectrum. Several types of harmonic measuring instruments are available, with each type having a different capability.
The simplest ones measure single-phase harmonic voltage and current, and provide information on the harmonic spectrums. These handheld instruments are easy to carry around. Fig. 1 shows voltage and current waveshapes and their harmonic frequency distribution recorded using a handheld harmonic analyzer. In addition, power factor and phase angle information are also measured by the harmonic analyzer used. The data shown in developing Fig. 1 were measured at the supply terminals of a power distribution panel feeding main frame computer-type loads.
Three-phase harmonic analyzers measure the harmonic characteristics of the three phases and the neutral simultaneously. Furthermore, some of the 3-phase analyzers provide graphs of the current and voltage distortion variations with time. These graphs are useful for determining if adverse harmonic loading conditions exist within the facility during plant operation. Fig. 2, on page 62, shows voltage and current harmonic distortion measured by a 3-phase analyzer, with the instrument leads connected at a main switchboard supplying an office building.
In addition to harmonic measurement, some analyzers are capable of measuring power, power factor, and transient disturbance data to help assess power quality within the power system. As expected, these instruments are less portable and considerably more expensive than the simple handheld-type units.
Harmonic analyzers calculate the total harmonic distortion (THD) of the waveform, so that overall distortion limits, as established under the guidelines of professional organizations, such as the Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE), or the International Electrotechnical Commission (IEC), are not exceeded. IEEE defines THD by the following equation:
THD = [square root of [[([I.sub.2]).sup.2] + [([I.sub.3]).sup.2] + [([I.sub.4]).sup.2] + [([I.sub.5]).sup.2] + ...[([I.sub.n]).sup.2]] [divided by] [I.sub.1]
where, [I.sub.1] is the fundamental component of the current (60 Hz in the U.S.) and [I.sub.2], [I.sub.3], [I.sub.4]...[I.sub.n] are the harmonic frequency components of the current (multiples of the fundamental frequency).
While using a harmonic analyzer, it's important that you verify that voltage and current transformers (PTs and CTs) used with the analyzer have satisfactory higher frequency response characteristics. Normally, these instrument transformers are designed for optimum performance up to a cutoff frequency, beyond which their accuracies drop off considerably, introducing errors in the measurement. For example, to measure waveform distortion data up to the 50th harmonic, the PTs and CTs must have a frequency response of at least 3 kHz. (50th harmonic x 60 Hz = 3000 Hz). The manufacturers of harmonic analyzers are usually able to provide CTs with excellent harmonic frequency response.
Using an oscilloscope
Oscilloscopes have traditionally been used to troubleshoot electronic and electrical circuits. The older analog scopes had low high-frequency response characteristics and were very limited in their ability to perform waveform analyses. The digital storage-style scopes, which are now available, in addition to performing their traditional functions, have the capability to acquire and store signals and perform mathematical operations for determining frequency characteristics. These units collect and store the waveform data using voltage and current probes. This data then is downloaded into computers and synthesized to determine the waveform frequency characteristics.
Using harmonic analyzers
Harmonic analyzers are provided with voltage probes and current sensors. Some analyzers have seven to nine channels for simultaneous measurement of 3-phase voltages and currents and the neutral (each channel reading one parameter). There are other instruments available that offer less channels. If you have just a limited number of electrical parameters to be read simultaneously, the latter devices will work fine. Fig. 3 shows a typical installation of a harmonic analyzer to measure harmonics in a 3-phase, 4-wire lighting panel. If you want to make power and power factor measurements, make sure the polarities of the voltage probes and the current sensors are properly maintained; failing to do this will produce inaccurate results.
For high voltage (greater than 600V) and high current installations, PTs and CTs should be used. Again, make sure the high frequency response of these instrument transformers is adequate.
The location where an analyzer is to be installed depends upon the type of data required. If you suspect that a certain piece of equipment is generating harmonics, then the analyzer must be located in the lines feeding the equipment at a location close to the equipment. You must understand that as you move the analyzer upstream toward the power source, the harmonic currents become a decreasing percentage of the total load. This is partly due to the combination of harmonic non-linear loads and linear loads at upstream locations. Also, harmonic component currents generated by the different sources have varying phase angles between them. The net effect is cancellation of some of the harmonic currents as the measurement location is moved upstream.
When taking measurements, remember that while certain combinations of operating conditions could subject an electrical system to dangerous levels of harmonic distortions, operating conditions may be normal during the rest of the time. The best way you can address this is to take readings for 24-hr or longer periods.
Analyses of test results
By examining harmonic voltage and current data, you can get important information about the operating characteristics of a power system. Abnormal voltage as well as abnormal current conditions can cause problems. For example, most kinds of electrical equipment have maximum voltage distortion ratings for satisfactory operation. When the voltage distortion exceeds the established tolerance, certain types of equipment can malfunction or fail.
For current distortion, the magnitude of the fundamental current and/or the frequency distribution and magnitude of the harmonic current can cause equipment failure. A by-product of current distortion is excess thermal stress, which is a leading cause of equipment failure.
From harmonic spectrum data, k factors can be calculated to see if transformers can safely handle the harmonic load currents.
Emergency engine-generator sets, installed to provide power during utility outages, usually aren't very large. Thus, they're very limited in their capacity to handle harmonic loads and may fail during an emergency.
Motors can experience mechanical failures due to shaft torsional oscillations produced by the flow of harmonic currents in the motor windings. Therefore, it is vital that you carefully analyze harmonic data so that measures can be taken to prevent serious damage to equipment. Of course, you have to obtain information on equipment ratings to make such judgments.
Waveform distortion signatures
Harmonic distortions are characterized by the nature of the source responsible for the distortion. By examining the waveform, it's possible that you can determine the nature of the load producing the distortion. For example, variable frequency drives (VFDs), which use bridge rectifier circuits, produce a unique current waveform with two humps. Computer loads produce sharp peaks due to capacitive charging currents drawn by the power supply. Fluorescent lighting currents exhibit a flat current waveform due to striking of the arc in the light bulbs; at this point, the voltage and the current across the arc become flat. Current drawn by large arc furnaces produces extreme waveform distortions, with unequal positive and negative half cycles of currents.
Certain types of equipment produce even-order harmonics. These harmonics (2nd, 4th, 6th, 8th, etc.) are insignificant if the current's positive and negative half cycles are equal, as in a symmetrical power system. Even-order harmonic frequency current is a product of dissimilar current draw during two half cycles. Metering equipment will not read even-order harmonics because these harmonics cancel [TABULAR DATA OMITTED] themselves out. However, when the current's positive and negative halves are not equal, and even-order harmonics are present, then metering equipment will measure what's going on.
Even-order harmonics, where the current's positive and negative halves are not equal, are produced by arc furnaces, single-phase bridge, and half-wave rectifier circuits (as used in battery charges and power supplies for plating operations), and by transformer magnetizing currents. When metering equipment measure conditions of even-order harmonics, there usually should be no cause for alarm because the equipment operates that way.
If silicon controlled rectifiers (SCRs) are on the line (as used in some VFDs), however, then a reading of even-order harmonics is an indication of malfunctioning, such as the SCRs being unmatched due to manufacturing imperfections. In this condition, the SCRs may not turn on or off precisely. Therefore, conduction timing is not equal, or the SCRs are firing incorrectly. In such instances, the current flow during the positive and negative half cycles occurs during different durations, resulting in current mismatch during the two half cycles.
A small amount of mismatch can be tolerated by the equipment, and the signals produced may not be significant enough to stand out when taking instrument readings. If the mismatch is extreme, instrumentation will readily show the even-order harmonics. Here, you should take prompt corrective action.
As you can see, it's important that you have an understanding of the types of equipment connected to the electrical system when taking measurements. To help you in identifying problem sources, some harmonic analyzer manufacturers have published books containing samples of signature waveforms. You can compare your waveform with those published to determine the problem source.
In some instances, taking harmonic measurement at one location is all you'll need to define the problem. In other cases, you'll have to do a complete harmonic survey and analysis to assess the harmonic problem. The harmonic survey might involve data collection at several locations using harmonic analyzers and meters as required. Once the data is collected, harmonic analysis must be performed to identify potential problems, such as series and parallel resonance, harmonic heating, and motor torsional oscillations.
IEEE 519-1992 compliance
The above analysis will also reveal if the facility's power system complies with requirements noted in IEEE 519-1992, Recommended Practice And Requirements For Harmonic Control In Electric Power Systems, as indicated in the table above, for harmonic current injection into the utility lines. These requirements have been established to ensure that excessive harmonic currents are not so injected, which would affect the quality of power to other users sharing the same power lines and further overstress utility equipment. Presently, a number of utilities are considering placing contractual limitations in their rate structure regarding harmonic injection by their customers. Noncompliance could lead to penalty charges, higher rate schedules, or even electric service cutoff.
The harmonic current limitations established by IEEE 519-1992 are also applicable to equipment within a facility, as implementation of the standard will help enhance good operation. The point of harmonic current measurement in this case is the common junction between the offending loads and other equipment. For an example of using the IEEE standard, and making reference to the table, assume [I.sub.SC]/[I.sub.L] is 16. Then the net harmonic current distortion of all the harmonics up to and including the 10th is not to exceed 4.0%; the net harmonic current distortion of all the currents 11th to 16th is not to exceed 2.0%; and so on. The THD due to all harmonics must not exceed 5.0%. The reasoning behind this form of graded limits is to ensure that the larger users supplied by the utility are not allowed to inject larger quantity of harmonic frequency currents than the smaller users. It's expected that the use of IEEE 519-1992 will result in satisfactory power system operation within a facility, without placing undue burden on other loads or other utility customers sharing the same power source.
Practicing safely is important
Personnel safety is of primary concern when installing harmonic measurement equipment in electrical circuits. Awareness of the dangers that exist in a situation is the first step toward personnel safety. This awareness must be augmented by education about proper safety procedures and about equipment needed to protect against each hazard. Obviously, one safe practice action is to deenergize the electrical equipment prior to the installation of any harmonic measuring instrumentation. A procedure for safely deenergizing an electrical circuit can involve two parts. The first step is to evaluate the circuit for switching points and possible back feeds. This is done by comparing the single-line diagram and other available information associated with the circuit being deenergized and then to prepare a plan for switching off the live connections. The second step is to perform the switching in the order established by the plan.
Once the circuit is deenergized, you must install locks and tags on all applicable disconnecting devices and handles to ensure that the circuit can't be energized. Lockout devices are now available for all sizes of switches, fuse clips, breakers, and other devices. If you can't use locks, a tag should be supplemented by at least one additional safety measure, such as racking out a drawout circuit breaker, or disconnecting load conductors.
After lockout is completed, you should verify that the circuit is, in fact, deenergized. This can be done by using test equipment rated for the system line-to-line voltage. Any test meter used to verify the circuit must be checked for proper operation before and after the measurements.
Sometimes, it's not practical to deenergize a circuit for installation of harmonic measuring instrumentation. In such cases, you should wear proper protective equipment when installing the instruments. This equipment includes fire-resistant clothing, safety glasses, safety hats, rubber mats, electrical gloves, and electrical sleeves. Also, a second person trained in CPR and other first aid should be present during the installation of test leads. Never attempt to install instrumentation test leads on energized high voltage circuits (above 480V). The photo above shows the proper method of installing probes in electrical equipment.
원본 위치 <http://ecmweb.com/mag/electric_effects_harmonics_power/>
Fundamentals of Harmonics
Jun 1, 1999 12:00 PM, By Ken Michaels, Bell South Corp.
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With the exception of the incandescent light bulb, every load today creates harmonics. Unfortunately, these loads vary with respect to their amount of harmonic content and response to problems caused by harmonics.
Harmonics: It surfaced as a buzzword in the early 1980s, making many people reconsider the effectiveness of their building's wiring system. Yet, many still view the concept as a relatively new phenomenon. However, harmonics have been around since well before the early '80s: The associated problems existed in the electrical world way back when transistor tubes were first used in the 1930s. Aside from grounding, many deem harmonics as one of the greatest concerns for the power quality industry today. In this issue, we'll discuss the fundamentals of harmonics and the problems it can cause within the premises wiring system.
What is harmonics? We define harmonics as voltages or currents at frequencies that are a multiple of the fundamental frequency. In most systems, the fundamental frequency is 60 Hz. Therefore, harmonic order is 120 Hz, 180 Hz, 240 Hz and so on. (For European countries with 50 Hz systems, the harmonic order is 100 Hz, 150 Hz, 200 Hz, etc.)
We usually specify these orders by their harmonic number or multiple of the fundamental frequency. For example, a harmonic with a frequency of 180 Hz is known as the third harmonic (60x3 = 180). In this case, for every cycle of the fundamental waveform, there are three complete cycles of the harmonic waveforms. The even multiples of the fundamental frequency are known as even-order harmonics while the odd multiples are known as the odd-order harmonics.
How do we create harmonics? Up until 1980, all loads were known as linear. This means if the voltage input to a piece of equipment is a sine wave, the resultant current waveform generated by the load is also a sine wave, as seen in Fig. 1 (in the original text).
In 1981, manufacturers of electronic hardware converted to an efficient type of internal power supply known as a switch-mode power supply (SMPS). The SMPS converts the applied voltage sine wave to a distorted current waveform that resembles alternating current pulses, as seen in Fig. 2 (in the original text). Obviously, the load doesn't exhibit a constant impedance throughout the applied AC voltage waveform.
Most utilization equipment today creates harmonics. In all likelihood, if a device converts AC power to DC power (or vice versa) as part of its steady-state operation, it's considered a harmonic current-generating device. These include uninterruptible power supplies, copiers, PCs, etc.
What are the effects of harmonics? The biggest problem with harmonics is voltage waveform distortion. You can calculate a relationship between the fundamental and distorted waveforms by finding the square root of the sum of the squares of all harmonics generated by a single load, and then dividing this number by the nominal 60 Hz waveform value. You do this by a mathematical calculation known as a Fast Fourier Transform (FFT) theorem. (FFT is beyond the scope of this article. IEEE's Standard Dictionary of Electrical and Electronic Terms gives a definition of Fourier series.) This calculation method determines the total harmonic distortion (THD) contained within a nonlinear current or voltage waveform.
Triplen harmonics.Electronic equipment generates more than one harmonic frequency. For example, computers generate 3rd, 9th, and 15th harmonics. These are known as triplen harmonics. They are of a greater concern to engineers and building designers because they do more than distort voltage waveforms. They can overheat the building wiring, cause nuisance tripping, overheat transformer units, and cause random end-user equipment failure.
Circuit overloading.Harmonics can cause overloading of conductors and transformers and overheating of utilization equipment, such as motors. Triplen harmonics can especially caus e overheating of neutral conductors on 3-phase, 4-wire systems. While the fundamental frequency and even harmonics cancel out in the neutral conductor, odd-order harmonics are additive. Even in a balanced load condition, neutral currents can reach magnitudes as high as 1.73 times the average phase current.
This additional loading creates more heat, which breaks down the insulation of the neutral conductor. In some cases, it can break down the insulation between windings of a transformer. In both cases, the result is a fire hazard. But, you can diminish this potential damage by using sound wiring practices.
When most electrical engineers design the building's wiring, they usually leave the sizing of the neutral conductor to the dictates of NEC. In most cases, the installed neutral is the same size as the phase conductors. However, the Notes to the Ampacity Tables (in NEC Art. 310) instruct you to consider the neutral conductor as a current-carrying conductor if electronic equipment or electronic ballasts are used at the site. This correlates into the neutral conductors being sized larger than they would be with conventional wiring means.
To be on the safe side, more engineers are doubling the size of the neutral conductor for feeder circuits to panelboards and branch circuit partition wiring to handle the additive harmonic currents.
원본 위치 <http://ecmweb.com/mag/electric_fundamentals_harmonics/>
복합열전달(Conjugate Heat Transfer)해석
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이번 게시물은 복합열전달의 개념에 대해 설명하고 몇 개의 응용분야를 보여줄 것 입니다. 복합열전달은 고체와 유체에서의 열전달, 즉 전도와 대류가 조합된 것을 말합니다. 이는 여러 상황에서 살펴볼 수 있는데, 예를 들어 heat sinks 주변 유체에서의 대류와 고체에서의 전도에 의한 열 전달이 함께 계산되어 냉각 성능에 대한 평가를 하는 경우가 있습니다.
Heat Transfer by Solids and Fluids Heat Transfer in a Solid
고체에서 열전달이 전도에 의해서만 발생한다면, 온도 구배에 비례하는 전도성 열유속(conductive heat flux) q로 정의된 푸리에 법칙으로 설명할 수 있습니다:
시간 해석 문제의 경우, 움직이지 않는 고체의 온도 분포는 다음과 같은 열 방정식으로 확인할 수 있습니다:
Heat Transfer in a Fluid
유체에서의 열전달은 유체 유동으로 인해 열 방정식에 다음과 같은 3가지 영향이 포함되어 있습니다.
1. 유체의 이동은 대류에 기여하여 열 방정식에 나타나는 에너지 이동을 의미합니다. 유체와 유동 영역의 열적 특성에 따라서 전도 또는 대류 열전달이 중요하게 됩니다.
2. 유체 유동에서 점성으로 인해 유체가 가열이 됩니다. 이러한 열은 보통 무시해도 될 정도로 매우 작지만, 점성 유체가 빠르게 흐를 경우에는 중요해집니다.
3. 유체 밀도가 온도에 의해 변한다면 압력 일(pressure work)은 열 방정식에 영향을 주게 됩니다. 예를 들어 공기를 압축하면 열이 발생하는 잘 알려진 현상을 설명할 수 있습니다.
이 3가지 영향들에 전도를 포함하는 유체에서의 온도 분포를 위한 과도 열 방정식(transient heat equation )은 아래와 같습니다:
Conjugate Heat Transfer Applications Effective Heat Transfer
유체와 고체의 열전달을 결합하는 것은 효과적인 냉각기, 히터, 열교환기를 설계하는데 있어 중요합니다.
유체는 일반적으로 긴 거리에 대한 에너지 운반체 역할을 합니다. 강제 대류는 높은 열 전달율을 얻는 가장 일반적인 방법입니다. 일부 분야에서는 상변화(예를들어 액체 물에서 증기로의 상변화)와 대류가 결합되어 열전달 성능을 더욱 향상시키기도 합니다.
열교환기에서는 고온의 유체와 저온의 유체가 혼합되지 않도록 분리시켜주는 고체가 필요한데, 이 고체를 사이에 두고 서로 에너지를 교환합니다.
얇은 금속 벽에 의해 분리 된 두 유체 사이의 열 전달을 보여주는 관식 열 교환기에서의 유동과 온도 분포.
Heat sink는 일반적으로 구리 또는 알루미늄과 같은 높은 열 전도율을 가진 금속으로 만들어집니다. 이 heat sink는 고체의 표면과 주변 유체 사이에서 열이 교환되는 면적을 증가시켜 방출시킵니다. 그러나 열이 교환되는 면적을 너무 증가시켜 핀간의 간격이 좁아지게 되면 도리어 유체의 흐름을 방해하게 되어 냉각 효율이 떨어질 수 있습니다.
팬과 구멍 뚫린 그릴을 통해 들어오는 공기 유동에 의해 냉각되는 전원 공급 장치에서의 온도 분포. 두 알루미늄 핀은 유체와 전자기 부품간의 열 교환 면적을 증가시키기 위해서 사용됩니다.
Energy Savings
유체와 고체에서의 열 전달은 다양한 장치에서 열 손실을 최소화 하기 위해 결합될 수 있습니다. 대부분의 기체(특히 낮은 압력)는 작은 열 전도율을 가지기 때문에 열적 단열체(유동이 없다고 가정)로서 사용됩니다. 보통 기체는 가볍기 때문에 다른 물질보다 선호됩니다. 어떤 경우에는 자연 대류의 영향을 줄임으로써 대류에 의한 열전달을 제한하는데, 적절한 벽의 위치와 작은 구멍을 사용하여 자연 대류를 제어합니다. 마이크로 스케일에 적용되는 경우, 발포제(e.g. 폴리우레탄)안에 공기의 작은 공동(기포)를 포함시키는 단열 형태가 있는데 이것은 기포가 포함된 만큼 가벼워지지만 이 기포가 열이 이동하는 것에 영향을 미쳐 더 높은 단열 성능을 가질 수 있습니다.
창문 틀의 단면(왼쪽)과 단면의 확대(오른쪽)
ISO 10077-2:2012 에서 창문 프레임과 유리창의 단면의 온도 분포 (창문의 단열 성능).
Fluid and Solid Interactions Fluid/Solid Interface
유체/고체 계면(interface)에서 온도와 열 유속(heat flux)은 연속성을 가지고 있습니다. 그러나 유체의 흐름이 있는 곳에서는 온도 분포가 빠르게 변할 수 있습니다: 고체에 가까울수록 유체의 온도는 고체 온도에 근접하게 되고, 멀어질수록 입구 또는 주변 유체 온도에 근접하게 됩니다. 고체 온도에서 유체 포용 온도(bulk temperature)로 변하는 유체 온도 구간을 열 경계층(thermal boundary layer)이라고 합니다. 열 경계층과 운동량 경계층(momentum boundary layer)간에 상대적인 크기는 프란틀 수(P_r= (C_p μ)/k)에 의해 결정됩니다: 프란틀 수(Prandtl number)가 1일 경우, 열과 운동량 경계층 두께는 같습니다. 프란틀 수(Prandtl number)가 1보다 클 경우 운동량 경계층이 더 두껍고, 반대의 경우 열 경계층이 더 두껍다는 것을 의미합니다. 섭씨 20도의 대기압에서 공기는 프란틀 수(Prandtl number)가 0.7입니다. 공기이기 때문에 운동량과 열 경계층의 크기는 비슷하지만 운동량 경계층은 열 경계층보다 약간 얇습니다. 섭씨 20도인 물인 경우에 프란들 수(Prandtl number)는 7입니다. 그러므로 물에서 벽 근처에서의 온도 변화는 속도 변화보다 더 급격하다는 것을 의미합니다.
차가운 고체 벽 근처 공기의 자연 대류에 의한 온도(빨간색)와 속도(파란색) 프로파일
Natural Convection
자연대류는 부력에 의해 유동이 발생하는 것을 말합니다. 예상되는 열 성능에 따라, 자연 대류를 고려하거나(e.g. 냉각 분야), 무시(e.g. 단열층에서의 자연대류)할 수 있습니다. Ra로 표기되는 레일리 수(Rayleigh number)는 유체 중의 온도기울기가 어떤 값이 되면 자연 대류가 발생하는지 여부를 표현한 무차원 수입니다. 레일리 수(Rayleigh number)는 유체 물질의 물성값, 특성 길이 L, 온도차 ∆T(보통 고체와 주변 유체간의 온도차이)로 정의됩니다:
레일리 수(Rayleigh number)는
같이 프란틀과 그라쇼프 수로도 표현할 수 있습니다.
그라쇼프 수(Grashof number)는 부력과 점성력의 비로 표현되는 무차원 수입니다.
레일리 수가 작을 때(보통 103보다 작을 때), 대류는 무시되고 유체에서의 열전달은 대부분 전도에 의해 발생합니다.
레일리 수가 큰 경우, 대류에 의한 열전달을 고려해야 합니다. 부력이 점성력보다 크면 난류가 되고 그 외 영역은 층류가 됩니다. 층류와 난류 사이에 유동이 변하는 영역은 그라쇼프 수의 임계값은 109입니다.
열 경계층은
값이 1 또는 1보다 클 때, 고체 벽면과 주변 유체 사이에 온도가 변하는 영역을 보통 거리로 나타내는데,
의 식을 통해 근사값을 얻을 수 있습니다.
물컵 안의 차가운 물이 뜨거운 표면과 접촉하여 발생하는 자연대류에 의한 온도 분포
Forced Convection
강제 대류는 부력에 의한 외부 환경(e.g. 바람) 또는 장치(e.g. 팬, 펌프)에 의한 유동에 해당합니다. 이 경우 유동 영역은 등온 유동과 비슷하고 레이놀즈 수(Reynolds number)
를 사용하여 특성화될 수 있습니다. 레이놀즈 수는 점성력에 대한 관성력의 비로 표현됩니다. 낮은 레이놀즈 수는 점성력이 지배적이고 층류에서 관찰할 수 있습니다. 높은 레이놀즈 수에서는 시스템에서 댐핑이 매우 작고 작은 유동 교란이 발생됩니다. 만약 레이놀즈 수가 충분히 높다면 유동장이 난류 영역으로 바뀌게 됩니다. 레이놀즈 수를 사용하면
로 운동 경계층 두께를 계산할 수 있습니다.
강제대류에 의한 냉각에서 heat sink 주변의 유선과 온도 분포.
Radiative Heat Transfer
복사 열 전달은 위에서 설명한 전도와 대류 열 전달과 함께 사용할 수 있습니다. 대부분 응용분야에서의 열 복사 에너지는 유체에서는 통과되고, 고체에서는 통과되지 않습니다. 결과적으로 복사에 의한 열전달은 투명한 물질을 통과하여 고체 벽들 간에 전달되는 에너지로 설명됩니다. 회색 표면에 분산되어 방출되는 방사 열 유속(radiative heat flux)은
와 동일합니다. 표면이 균일한 온도
로 둘러싸인 경우, 방사 열 유속(radiative heat flux)은
입니다. 다른 온도로 표면이 둘러 쌓여있을 때 표면들간에 교환은 표면의 view factor에 의해 결정됩니다. 또한 유체와 고체 둘 다 투과성 또는 반투과성이 될 수 있습니다. 그래서 복사는 유체와 고체에서 발생될 수 있습니다. 매체(또는 반투과성)에서 복사 광선은 (유체 또는 고체) 매개체와 상호 작용을 하여 흡수, 방출, 산란 복사를 합니다. 복사 열 전달은 작은 온도 차이와 낮은 방사율을 가진 응용분야에서 무시 될 수 있는 반면 큰 온도 차이와 높은 방사율을 가진 응용분야에서는 중요한 역할을 합니다.
표면 방사율이 0(왼쪽)과 0.9(오른쪽)인 heat sink에서의 온도 분포 비교
일반적으로 복사 열전달 해석 시 파장에 대한 영향을 무시합니다. 그러나 실제로 파장대별로 흡수 또는 방사율이 다릅니다. 예를 들어 태양 복사 에너지의 경우 2.5um 파장을 기준으로 이보다 작으면 흡수되고, 2.5um 이상의 파장으로 표면에서 방사가 됩니다. 이것을 이용하면 다수의 파장대를 고려하여 복사 열전달을 해석할 때 유용하게 사용될 수 있습니다.
태양 복사의 흡수와 주변으로의 방사
Heat and Energy Balance
유체와 고체에서의 전도, 대류, 복사 열전달 현상은 열역학 1법칙인 에너지 보존 법칙을 따르게 됩니다. 예를 들어 고체에서 전도에 의해 열이 전달될 경우, 열 에너지에 의해 내부 에너지가 변화되는 양과 외부로 빠져나가는 양은 가열이 되는 열량과 같게 됩니다. 이것을 아래와 같은 관계식으로 표현할 수 있습니다.
여기에 유체 유동에 의한 대류 열전달이 포함을 한다면 아래와 같이 표현할 수 있습니다.
Conclusion
고체와 유체의 열 전달은 대다수 응용분야에서 함께 사용합니다. 두 개의 열 전달을 함께 사용하는 이유는 일반적으로 고체는 유체 속에 있고, 그 고체 주변으로 유체가 흐르기 때문입니다. 열 전달, 물성값, 유동 영역, 형상에 대한 정확한 이해는 온도 분포와 열 전달 해석을 가능하게 합니다. 또한 이러한 이해는 복합열전달 효과를 예측하거나 주어진 응용분야에서 열 전달 성능을 향상 시키기 위한 수치 시뮬레이션의 시작입니다.
Notations
: 정압 비열(SI unit: J/kg/K)
: 중력 가속도(SI unit: m/s2)
: Grashof number (무차원 수)
: 열 전도율(SI unit: W/m/K)
: 특성 길이(SI unit: m)
: 굴절률(무차원 수)
: 절대 압력(SI unit: Pa)
: Prandtl number (무차원 수)
: 열유속(SI unit: W/m2)
: 열원(SI unit: W/m3)
: Rayleigh number (무차원 수)
: 면형률 텐서(SI unit: 1/s)
: 온도 장 (SI unit:K)
: 주변 온도 (SI unit: K)
: 속도 장 (SI unit: m/s)
: 속도 (SI unit: m/s)
: 열 팽창 계수(SI unit: 1/K)
: 운동 경계층 두께(SI unit: m)
: 열 층 두께(SI unit: m)
: 특성 온도 차(SI unit: K)
: 표면 방사율(dimensionless number)
: 밀도 (SI unit: kg/m3)
: 스테판-볼츠만 상수 (SI unit: W/m2T4)
: 점성 응력 텐서 (SI unit: N/m2)
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둥근 형태의 제트 버너에서의 합성가스(Syngas) 연소 분석
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이번 블로그에서는 Reacting Flow 인터페이스와 Heat Transfer in Solids 인터페이스를 이용하여 둥근 형태의 제트 버너에서의 합성 가스 연소를 살펴보고자 합니다. 실험값과 벤치마킹하여 비교를 하였습니다.
합성가스란?
합성가스라는 이름은 연료혼합기체 – 대부분 수소, 일산화탄소, 이산화탄소로 구성 – 을 나타내는 것으로, 합성천연가스의 생산공정에서 중간물로 나옵니다. 하지만, 합성가스는 메탄올, 암모니아, 수소와 같은 다른 생성물을 만드는 데에도 이용됩니다. 여기에는 가스화(gasification)라고 알려진 공정이 도입됩니다.
가스화 공정에서 고체 공급 원료가 기체로 변환되는데 여러 분야에서 사용됩니다. 한 예로, 응축으로 가스를 액화합니다. 특히 가스화는 석탄에서 생물 자원에 이르는 원료 형태에 따라 유연하게 적용할 수 있습니다. 더불어, 이러한 접근법으로 황이나 이산화탄소와 같은 생성물을 포획하는 작업을 단순화할 수 있습니다.
현 블로그에서는 실험데이터를 비교하면서 해석을 수행하였습니다.
둥근 형태의 제트 버너에서의 난류 연소
이 모델에서 버너는 공기로 이루어진 같은 방향으로 흐르는 유체 안에 일직선 관으로 구성되어 있습니다. 일산화탄소, 수소, 질소로 구성된 기체가 76 m/s (Ma ≈ 0.25)속도로 관을 통해서 주입되고, 공기는 같은 방향으로 관 밖에서 0.7 m/s 속도로 들어오고 있습니다.
관을 나오면서 연료가스는 공기와 혼합이 되고, 원형 제트 패턴을 발생시킵니다. 제트의 난류는 두 기체가 확실하게 혼합되도록 하고 있으며, 관 출구에서 연소가 유지되게끔 합니다. 이는 연료와 산화제가 독자적으로 반응 영역으로 들어와서 연소가 되게끔 미리 섞이는 것을 방지하는 형태입니다.
둥근 형태의 제트 버트 개요
이 예제에서 반응 제트에서의 물질전달 모델을 위해 병류(co-flow)로 흐르는 반응에 관계하는 다섯 가지 종과 질소의 질량 분율을 해석합니다. 제트의 레이놀즈 수는 약 16700이며, 완전 난류라는 것을 의미합니다. 이러한 이유로, 유체의 난류성이 제트의 혼합과 반응 과정에 지대한 영향을 미친다는 것을 예측할 수 있습니다.
난류 모델로 유체의 난류성을 고려하였고, 난류 반응을 모델화 하기 위해 와류 분산(eddy dissipation) 모델을 사용하였습니다. 반응열로 인해, 연소의 결정적 특성인 제트의 온도가 상당히 증가합니다. 온도와 조성을 정확히 예측하기 위해 유체의 물성, 종의 물성을 온도 종속적으로 적용하였습니다.
합성 가스 모델은 난류, 열전달, 물질전달이 연동된 고 난이도 모델입니다. 비선형 모델에 대한 해석 방법은 예제를 참고하시기 바랍니다.
해석 결과
아래에 있는 첫 번째 그림은 반응이 일어나는 제트의 속도를 나타낸 것입니다. 핫 프리(hot free) 제트의 생성과 팽창을 보여줍니다. 제트의 출구 부분에서 난류 혼합이 초기에 병류로부터 유체의 가속을 유발하고, 엔트레인먼트(entrainment)로 간주하는 공정인 제트에 이르게 합니다. 이러한 유체 전이는 병류 유선에서는 명백합니다. 즉, 관 개구부의 제트 하류쪽으로 유선이 구부려져 있습니다.
속도 값과 패턴
다음은 제트에서의 온도입니다. 연소 영역에서 최대 온도가 약 1960 K가 되는 것을 확인할 수 있습니다.
제트 온도
다음 그림은 이산화탄소 질량분율을 나타낸 것입니다. CO2 는 관출구에서 제트의 바깥방향으로 전단층을 생성합니다. 반응을 촉진하는 난류 혼합으로 연료가 산소와 반응하여 만들어지는 층입니다. CO2생성과 같이 이전 그림에서 보여준 온도 증가도 관출구에서 발생합니다. 이는 화염이 상승하거나 관으로 결부되지 않는 것을 시사합니다.
이산화탄소 질량 분율Carbon dioxide mass fraction.
해석 결과와 실험 데이터 비교
이제 시뮬레이션 결과와 실험 데이터를 비교해 봅시다. 아래 왼쪽 그림은 중심선에서 제트 온도 분포를 보여 주고 있습니다. 이 그래프에서 실선은 해석 결과이고, 사각형은 실험값입니다. 모델에서 예측한 최고 온도가 실험 결과에 유사한 것을 볼 수 있습니다.
모델 결과에서 온도 분포가 하류 방향으로 이동된 것을 볼 수 있습니다. 이유는 모델에서 복사를 고려하지 않았기 때문입니다. 반면, 오른쪽 그림은 파이프 하류에서 서로 다른 위치(관 직경 20배와 50배)에서의 수평방향으로의 온도 분포를 비교한 것입니다. 해석과 실험에서 얻은 값이 유사한 것을 볼 수 있습니다.
왼쪽: 중심선에서의 온도 비교.
오른쪽: 관하류에서 관직경 20배와 50배 떨어진 곳에서의 온도
실험과 제트의 축방향 속도를 비교하면, 아래 그림처럼 해당 위치(관 직경 20배와 50배)에서 아주 흡사한 것을 볼 수 있습니다:
관직경 20배와 50배 위치에서의 축방향 속도
마지막으로, 제트 중심선에서의 종 농도를 살펴 봅시다. N2와 CO 인 경우, 축방향 질량 분율은 실험과 거의 따라가는 것을 확인할 수 있습니다. H2O와 H2 는 실험값과 꽤 잘 맞는 것을 볼 수 있습니다(H2O는 약간 이동되었습니다). CO2와 O2 는 실험값과 비슷한 경향을 보이고 있으나, 아래쪽으로 이동된 것을 볼 수 있습니다. 여기서, 차이가 나는 것은 모델에서 복사를 고려하지 않았기에 발생하는 것으로 예측합니다. 하지만, 단순하게 고려한 반응구성과 와류분산모델이 정확성에 영향을 미친 것으로 보입니다.
제트 중심선을 따른 종들의 질량 분율 비교
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What is Lambda?
Lambda is a measure for the mass air to fuel ratio (AFR) present during combustion. When exactly enough fuel is combined with the available free oxygen, the mixture is chemically balanced and is called stoichiometric.
- Lambda = 1 —stoichiometric mixture
- Lambda < 1 —mixture is rich, excess fuel present
- Lambda > 1 —mixture is lean, excess air present
The amount of air that is needed depends on the type of fuel used. In the case of gasoline/petrol, a stoichiometric mixture consists of an air to fuel ratio of 14.7 to 1. For different fuel, different ratios apply.
Narrowband Lambda
Narrowband Lambda is a measurement method where the AFR range is limited from 14:1 to 15.4:1. The sensor reading switches very sharply between the thresholds of lean and rich areas, providing a signal which indicates either a rich or a lean mixture but not to what degree.
This works well in controlling an engine for emissions, however, the limited range makes narrowband Lambda unsuitable for accurate tuning.
Wideband Lambda
Wideband Lambda sensors are designed to give an exact reading of Lambda. This is particularly useful when the precise mixture needs to be known in order to tune the engine for optimum power. The measuring range can span from 0.7 to 32 Lambda for a 5 wire sensor type.
Wideband Lambda sensors use sophisticated controls, as the temperature change needs to be taken into account to be accurate.
There are two concepts for measuring wideband Lambda:
4 Wire Wideband Lambda Sensor
This technology takes advantage of the fact that the sensor's voltage output is based on not only the oxygen differential between the exhaust pipe and atmosphere, but also on the temperature of the sensor itself. Sensor impedance varies with temperature, so not only the sensor voltage, but also the sensor impedance needs to be measured. Systems which do not use at least four wires typically have errors in displayed Lambda as high as 8 percent!
5 Wire Wideband Lambda Sensor
This newer technology determines the air fuel ratio of an engine by measuring Lambda sensor voltage output and the current required to hold the sensor voltage output constant. This method offers increased speed and accuracy over the older 4 wire sensor technology.
Tuning with Lambda
The tuning objective dictates the target Lambda. Typical gasoline/petrol engines produce
- peak power at Lambda between 0.84 and 0.90
- best economy at Lambda equal to 1.05
- optimal emissions at Lambda slightly lower than 1
MoTeC ECUs allow for a Lambda goal table based on load and RPM.
Referencing the measured Lambda, the Quick Lambda function in the software adjusts the values in the fuel control table at the specified load and RPM site to achieve the goal Lambda.
Similarly, the Lambda Was function adjusts the values in the fuel control table using recorded Lambda measurements from a data log.
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