4.5 속도 제어
제어 방법
n와드-레오나드(Ward-Leonard)방식
n반도체 소자를 이용한 변환기를 사용
4.5.1 와드-레오나드 방식
n전동기-발전기(M-G)세트를 이용해서 속도를 제어한다.
n발전기의 Ifg를 변환시키면 발전 전압 Vt도 변한다. 따라 직류 전동기의 속도를 제어할 수 있다.
두 가지 제어모드
①Vt제어
①전기자 전압제어 모드에서는 전동기 전류 Ifm를 정격치로 고정
②발전기 계자 전류 Ifg를 바꾸어 Vt를 0에서 정격치까지 변화시킨다.
③속도는 0에서 기준속도 까지 변화되며 토크는 일정하다.
②If제어
①계자 전류 제어 모드는 기준 속도 이상의 속도를 얻을 때 사용한다.
②전기자 전압 Vt는 일정하게 유지.
③속도를 증가시키기 위해서는 전동기 계자 전류 Ifm를 감소시킨다.(약계자)
④전동기는 일정 출력으로 운전된다.
4.5.2 반도체 소자 제어
반도체 소자를 사용해서 직류 전동기의 속도를 제어한다.
변환기 : 제어 정류기(controlled rectifier), 초퍼(chopper)
n제어 정류기
전원이 교류일 때 제어 정류기를 이용해서 일정 교류 전압을 가변 직류 전압으로 바꾼다.
전파 변환기 (full converter) : 모든 스위칭 소자가 SCR
반파 변환기 (half converter) : 스위칭 소자의 일부가 SCR이고 나머지 소자는 다이오드.
그림 4.60에서 SCR의 점호각 α에 의해서 출력 전압 vt의 평균값 Vt가 변화된다.
v평균 출력 전압 Vt와 점호각 α와의 관계(ia가 일정하다고 가정하면)
①단상입력
②3상입력
여기서 Vp는 교류 전압의 실효값이다.
그림 4.61은 점호각 α에 대한 단자 전압 Vt의 변화를 그린 것이다. IaRa강하를 무시하면 Ea와 점호각과의 관계도 그림 4.61과 같다.
nvt와 ia의 순시치는 시간에 따라 변하지만 평균값으로 표시한 기본식은 동일하다.
n초퍼 : 속도가 빠른 온-오프 스위치
일정 직류 전압원을 가변 직류 전압원으로 변환.
스위치 S는 일반적으로 다이리스터(SCR), GTO 다이리스터 또는 전력용 트랜지스터를 사용한다.
v스위치 ON : vt=V, 전동기 전류 ia는 증가
v스위치 OFF : 전기자 전류 ia는 다이오드 D를 통해 감소, vt 는 0이된다.
출력전압vt : 입력 전압 V가 단속적으로 인가된 형태.
평균 출력 전압 Vt
여기서 ton은 초퍼의 동작 시간
T는 초퍼의 주기
α는 초퍼의 시비율
식 (4.63)으로부터 전동기의 단자 전압은 초퍼의 시비율에 따라 직선적으로 변하는 것을 알 수 있다.
4.5.3 폐루프 제어
속도를 일정하게 유지 해야 하는 시스템에서는 폐루프 제어가 필요하다.
n개루프(open loop) 제어 : 부하 토크가 변하면 속도도 변한다.
n폐루프(closed loop) 제어 : 부하 토크가 변하면 전동기 단자 전압을 조정하여 속도를 일정하게 유지할 수 있다.
n폐루프 제어 순서
①부하 토크 증가
②전동기 속도 순간적으로 감소
③속도 오차 증가 εN
④제어 신호 Vc도 증가
⑤변환기의 출력 전압도 증가
⑥전동기의 전기자 전압이 증가
⑦전동기는 본래의 속도를 회복
n폐루프 시스템은 전동기가 발생하는 토크가 부하 토크와 같아질 때까지 과도상태를 거친다.
내부 전류 루프를 사용하여 전동기의 전류를 일정한 값 이하로 제한.
속도제어기의 출력 : 토크지령=전류지령
속도제어기의 출력을 제어하면 전동기 전류 Ia를 제한하게 된다.
n속도 제어기와 전류 제어기는 비례(P) 제어 또는 비계-적분(PI)제어를 이용한다.
