교류 모터는 간단한 구조, 높은 신뢰성, 저렴한 비용 등의 장점으로 산업 생산, 운송, 스마트 홈 등 다양한 분야에서 널리 사용되고 있습니다. 가변 주파수 속도 조절(VFR) 기술은 모터 속도를 정밀하게 제어하고 에너지 이용 효율을 크게 향상시킬 수 있어 교류 모터 속도 조절의 주류 기술로 자리 잡았습니다. 그러나 실제 적용 환경에서는 가변 주파수 속도 조절 중 교류 모터의 과열 및 과부하가 발생하기 쉽습니다. 이는 모터의 작동 효율을 저하시킬 뿐만 아니라 모터의 수명을 단축시키고 심지어 장비 고장을 초래할 수도 있습니다. 이러한 현상의 원인을 규명하고 이에 대한 효과적인 억제책을 마련하는 것은 교류 모터의 안정적이고 신뢰할 수 있는 작동을 보장하는 데 매우 중요합니다.
1. 가변 주파수 속도 조절 중 교류 모터의 과열 및 과부하의 주요 원인
가변 주파수 속도 조절 중 AC 모터의 과열 및 과부하 발생은 여러 요인의 복합적인 영향으로 발생하며, 핵심 원인은 다음과 같이 세 가지로 요약할 수 있습니다. 첫째, 고조파 손실 증가. 인버터 출력은 이상적인 정현파가 아닌 펄스 폭 변조(PWM) 파형으로, 다수의 고차 고조파를 포함합니다. 이러한 고조파는 모터의 고정자 권선, 회전자 바, 철심에서 추가적인 고조파 손실을 발생시키고, 이 손실은 열로 변환되어 모터 온도를 상승시킵니다. 특히 저주파 속도 조절 조건에서는 인버터 출력 전압의 고조파 함량이 높아지고 고조파 손실이 더욱 두드러져 과열 및 과부하가 쉽게 발생할 수 있습니다. 둘째, 자기 포화 및 철손 증가. 가변 주파수 속도 조절 시 모터의 자속을 일정하게 유지하기 위해 일반적으로 "정전압-정주파수" 제어 전략이 사용됩니다. 그러나 저주파 영역에서는 모터 고정자 저항에 의한 전압 강하가 상대적으로 크기 때문에 전압 보상을 하지 않으면 실제 자속이 부족해집니다. 반대로 과도한 보상은 자기 포화를 일으켜 철심의 히스테리시스 손실과 와전류 손실(총칭하여 철손)을 크게 증가시킵니다. 철손 증가는 모터 발열을 직접적으로 악화시킵니다. 세 번째는 냉각 시스템 효율 저하입니다. 교류 모터의 냉각 시스템(예: 팬)은 대부분 모터 축에 직접 연결되어 있으며 냉각 공기량은 모터 속도에 비례합니다. 가변 주파수 속도 조절의 저주파 조건에서는 모터 속도가 감소함에 따라 팬 속도도 감소하고 냉각 공기량이 크게 줄어들어 모터에서 발생하는 열이 제때 방출되지 못하고 열이 축적되어 모터 온도가 상승하고 과부하 보호 장치가 작동하게 됩니다.
2. 과열 및 과부하 억제를 위한 기술적 수단
위와 같은 이유로 가변 주파수 속도 조절 중 AC 모터의 과열 및 과부하 현상을 효과적으로 억제하기 위해 다음과 같은 기술적 방법을 사용할 수 있습니다. 첫째, 고조파 손실을 줄이기 위해 인버터 제어 전략을 최적화합니다. 한편으로는 공간 벡터 펄스 폭 변조(SVPWM)와 같은 고성능 PWM 변조 기술을 채택합니다. 기존의 정현파 펄스 폭 변조(SPWM)와 비교하여 SVPWM은 인버터 출력 전압의 고조파 함량을 효과적으로 줄이고 고조파 손실을 낮출 수 있습니다. 다른 한편으로는 저주파 영역에서 전압 보상을 구현합니다. 고정자 저항 전압 강하를 정확하게 계산하여 인버터 출력 전압을 적절히 증가시켜 일정한 자속을 유지하고 자기 포화로 인한 철손 증가를 방지합니다. 또한 일부 고급 인버터에는 고조파 억제 기능이 탑재되어 있어 내장 필터를 통해 고조파의 영향을 더욱 약화시킬 수 있습니다. 둘째, 모터 냉각 시스템을 개선하여 열 방출 효율을 향상시킵니다. 장시간 저주파로 작동하는 모터의 경우, 독립 구동식 냉각 팬을 사용할 수 있습니다. 이 팬은 전용 전원으로 구동되므로 모터 속도에 영향을 받지 않아 모든 속도에서 안정적인 냉각 공기량을 보장합니다. 동시에 방열판 개수 증가, 고효율 방열재 사용, 모터 하우징에 강제 냉각 장치(냉각수 파이프 및 방열 팬 등) 설치와 같은 방열 구조 최적화를 통해 열 전달 효율을 향상시킬 수 있습니다. 세 번째로, 가변 주파수 모터를 선택하여 가변 주파수 속도 조절 요구 사항에 맞게 설계해야 합니다. 가변 주파수 모터는 가변 주파수 속도 조절 특성을 고려하여 설계되었으며, 낮은 고정자 저항, 우수한 철심재 및 권선 구조를 채택하여 고조파 손실과 철손을 효과적으로 줄일 수 있습니다. 또한, 대부분 독립적으로 설계된 냉각 시스템을 통해 다양한 속도에서 효과적인 방열 성능을 보장합니다. 일반 AC 모터와 비교했을 때, 가변 주파수 속도 조절 조건에서의 발열 문제가 크게 개선되었으며, 과부하 용량도 더 강합니다. 넷째, 과부하 위험을 방지하기 위한 실시간 모니터링 및 지능형 보호 기능입니다. 모터 제어 시스템에 온도 센서와 전류 센서를 설치하여 모터 권선 온도, 고정자 전류 등의 주요 파라미터를 실시간으로 모니터링합니다. 모니터링된 온도가 임계값을 초과하거나 전류 과부하가 발생하면 인버터는 주파수 감소, 부하 감소 등의 보호 조치를 자동으로 취하여 지속적인 발열로 인한 모터 손상을 방지합니다. 동시에 제어 시스템의 알고리즘 최적화를 통해 동적 부하 균형 분배를 실현할 수 있습니다.모터가 장시간 과부하 상태에서 작동할 가능성을 줄입니다.
요약하자면, 가변 주파수 속도 조절 중 교류 모터의 과열 및 과부하 현상은 주로 고조파 손실 증가, 철손 증가를 동반한 자기 포화, 그리고 냉각 효율 저하로 인해 발생합니다. 인버터 제어 전략 최적화, 냉각 시스템 개선, 특수 가변 주파수 모터 선정, 실시간 모니터링 및 보호 시스템 구현 등의 기술적 조치를 통해 이러한 문제를 효과적으로 억제할 수 있으며, 이를 통해 가변 주파수 속도 조절 조건에서 교류 모터의 안정적이고 효율적이며 신뢰할 수 있는 운전을 보장하고, 장비 수명을 연장하며, 전체 송전 시스템의 경제성과 안전성을 향상시킬 수 있습니다.




