AC 모터 속도 제어의 핵심은 모터 유형(비동기 모터/동기 모터) 및 적용 시나리오(예: 속도 조절 정확도, 비용, 에너지 소비)에 따라 전압, 주파수, 전류 또는 자기장과 같은 모터의 주요 입력 매개변수를 조정하는 것입니다. 다음은 기술적 성숙도 및 적용 범위별로 분류된 주요 제어 방법에 대한 자세한 분석입니다.

I. "전압-주파수 조정" 기반 속도 조절(비동기 모터의 주류)

1. 가변 주파수 속도 조절(VVVF, Variable Voltage Variable Frequency)

• 원칙: 산업용 주파수 교류 전력(예: 220V/50Hz, 380V/50Hz)을 "주파수 변환기"를 통해 "조정 가능한 전압 및 주파수"의 교류 전력으로 변환하여 모터의 다양한 속도 요구 사항을 충족합니다(주파수가 증가하면 속도가 증가하고 그 반대의 경우도 마찬가지임).
• 키 로직: 모터 고정자 임피던스가 고정된 경우, U/f 비는 일정하게 유지되어야 합니다. 그렇지 않으면 자속 포화 또는 자속 부족이 발생하여 모터 소손 또는 토크 감소로 이어질 수 있습니다. 따라서 주파수 변환기는 전압과 주파수를 실시간으로 조정해야 합니다.
• 분류:
  • 스칼라 제어: 전압과 주파수의 진폭만 제어합니다. 구조가 간단하고 비용이 저렴하며, 팬, 워터 펌프(예: 가정용 에어컨의 실외기)와 같이 속도 조절 정확도가 낮은 환경에 적합합니다.
  • 벡터 제어: 모터 전류를 "여자 전류"와 "토크 전류"로 분해하여 각각 정밀하게 제어하여 DC 모터(예: CNC 공작 기계, 엘리베이터 견인 기계)와 유사한 높은 동적 응답을 실현합니다.
  • 직접 토크 제어(DTC): 전류 분해를 생략하고 모터 토크와 자속 쇄교를 직접 제어합니다. 응답 속도가 빠르며 압연기 및 서보 시스템과 같이 동적 특성이 높은 환경에 적합합니다.
• 장점: 넓은 속도 조절 범위(0~정격 속도, 심지어 정격 속도 초과), 높은 효율(정격 효율에 가까움), 안정적인 토크.
• 단점: 주파수 변환기의 비용이 많이 듭니다. 고주파에서 고조파 간섭이 발생할 수 있습니다(필터를 추가해야 함).

2. 소프트 스타터 속도 조절(보조 속도 조절, 불연속 속도 조절)

• 원칙: 사이리스터(SCR)를 통해 모터 고정자 전압을 점진적으로 증가시켜 "부드러운 시동"을 달성하고 시동 시 큰 전류 영향을 방지합니다. 일부 소프트 스타터는 "전압 조절 방식 속도 조절"(전압을 낮춰 간접적으로 속도를 줄임으로써 슬립 비율을 낮춤)을 지원합니다.
• 애플리케이션: "시동 단계" 또는 "단기 저정밀 속도 감속"(예: 컨베이어 벨트의 경부하 속도 조절)에만 적용됩니다. 광범위한 연속 속도 조절은 불가능합니다(전압이 지나치게 낮으면 모터 과열이 발생함).
• 장점: 주파수 변환기보다 비용이 저렴하고, 완벽한 보호 기능(과전류, 과부하)을 갖추고 있습니다.
• 단점: 속도 조절 범위가 좁습니다(일반적으로 정격 속도의 70%까지만 줄일 수 있음). 저속에서 역률이 낮습니다.

II. "폴 페어 조정"(가변 폴 속도 조절) 기반 속도 조절

• 원칙: 비동기 모터 속도 공식에 따르면 n = 60f(1-s)/p모터의 동기 속도는 모터 고정자 권선의 "극 쌍 수 p"(예: 2극 → 4극)를 변경함으로써 직접 변경됩니다. 50Hz에서 2극 모터의 동기 속도는 3000rpm이고, 4극 모터의 동기 속도는 1500rpm입니다.
• 구현 방법: 모터 권선의 "정류 스위치"(예: 스타-델타 스위칭, 더블-스타 스위칭)를 통해 권선의 전류 방향을 변경하여 극 쌍의 수를 변경합니다.
• 애플리케이션: "단계적 속도 조절" 시나리오(예: 펀치 프레스, 압축기, 팬)에만 적용됩니다. 모터는 여러 극 쌍(예: 2/4극, 4/6극 2단 모터)을 지원하도록 설계되어야 합니다.
• 장점: 구조가 간단하고, 비용이 저렴하며, 작동이 안정적이며, 속도 조절 시 효율성 손실이 없습니다.
• 단점: "고정 기어" 속도 조절만 가능합니다(예: 2단 기어, 3단 기어). 지속적이고 원활한 속도 조절은 불가능합니다.

III. "슬립 비율 조정" 기반 속도 조절(저정확도, 저전력 시나리오)

1. 고정자 전압 조절 속도 조절

• 원칙: 전압 조정기(예: 자동 변압기, 사이리스터 전압 조정 회로)를 통해 고정자 전압 U를 낮춥니다. 이렇게 하면 모터 토크 T가 감소합니다(T는 U²에 비례). 부하 토크가 변하지 않으면 슬립율 s가 증가하고 실제 속도는 감소합니다.
• 장점: 회로가 간단하고 비용이 매우 저렴합니다.
• 단점: 속도 조절 범위가 좁고(속도 감소율이 10~30%에 불과함), 저속에서 모터가 심하게 과열되고(슬립 전력 손실이 큼) 토크가 부족함.

2. 로터 직렬 저항 속도 조절(권선형 로터 비동기 모터에만 적용)

• 원칙: 권선형 비동기 전동기의 회전자 권선은 외부 저항에 연결될 수 있습니다. 회전자 회로 저항 R2를 증가시키면 슬립 비율 s가 증가하고(s는 R2에 비례함), 이로 인해 실제 속도가 감소합니다(동기 속도는 변하지 않으며, 슬립 증가는 실제 속도 감소로 이어짐).
• 애플리케이션: "단기 속도 조절" 또는 "시동 속도 조절" 시나리오(예: 크레인, 윈치)에 적합합니다. 저항값을 수동 또는 자동으로 조절하려면 "로터 가변저항기"와 함께 사용해야 합니다.
• 장점: 구조가 간단하고, 비용이 저렴하며, 속도 조절 시 토크가 안정적입니다(시동 토크가 큽니다).
• 단점: 저속에서는 로터 저항 손실이 크고(전기 에너지가 열 에너지로 변환됨), 효율성이 낮으며, 속도 조절 정확도가 낮습니다(저항 기어가 제한됨).