고압 모터의 가변 주파수 기동을 위한 기술 솔루션 분석

고전압 모터의 가변 주파수 기동 기술은 모터의 입력 전압과 주파수를 조정하여 소프트 기동, 소프트 정지 및 무단 속도 조절을 실현하며, 현대 산업에서 장비 운영 효율성을 높이고 에너지 소비를 줄이는 핵심 기술이 되었습니다. 다음 분석은 기술 원리, 핵심 장점, 전형적인 적용 시나리오 및 기술 선택 권장 사항의 네 가지 주요 차원을 다룹니다.

I. 기술 원리 및 구현 경로

고전압 가변 주파수 기동은 AC-DC-AC 변환 원리를 기반으로 하며, 핵심 프로세스는 세 단계로 나뉩니다.

1. 정류 단계: 고전압 교류(예: 6kV/10kV)를 고전력 다이오드 또는 사이리스터 정류 브리지를 통해 고전압 직류로 변환하여 후속 인버터를 위한 안정적인 전원을 제공합니다.
2. 필터링 단계: 커패시터 또는 인덕터로 구성된 필터 회로가 DC 전원의 고조파를 제거하여 부드러운 파형과 인버터 단계에 대한 고품질 DC 입력을 보장합니다.
3. 인버터 단계: IGBT(절연 게이트 양극성 트랜지스터)와 같은 고속 스위칭 장치는 DC 전원을 가변 주파수 및 전압 3상 AC 전원으로 변환합니다. PWM(펄스 폭 변조) 기술은 필요한 대로 모터를 구동하기 위해 출력 파형을 정밀하게 제어합니다.

제어 코어: DSP(디지털 신호 프로세서) 또는 마이크로프로세서는 모터의 작동 상태를 실시간으로 모니터링하고 출력 주파수와 전압을 동적으로 조정하여 폐루프 속도 제어를 달성합니다. 예를 들어, 응축기 펌프 가변 주파수 개조에서 압력식 수위 센서는 전방 액체 레벨에 대한 실시간 피드백을 제공하여 가변 주파수 드라이브의 내장 PID 컨트롤러가 정확한 레벨 제어를 위해 출력 주파수를 자동으로 조정할 수 있도록 합니다.

II. 핵심 장점 및 기술적 가치

1. 소프트 기동 및 소프트 정지:
   • 직접 기동 시 돌입 전류(정격 전류의 4-7배에 달할 수 있음)를 제거하여 모터 및 그리드 장비의 수명을 연장합니다.
   • 기계적 충격을 줄여 모터 베어링, 기어 및 기타 전송 구성 요소를 보호하고 유지 보수 비용을 절감합니다.
   • 예를 들어, 시안 시마 전기의 고전압 가변 주파수 기동 시스템은 모터가 정격 전류 및 토크로 기동할 수 있도록 하여 전압 변동을 제거하고 장비의 신뢰성을 크게 향상시킵니다.
2. 에너지 절약 및 소비 감소:
   • 무단 속도 조절은 모터와 부하 간의 최적의 전력 매칭을 보장하여 "과대 모터" 비효율성을 방지합니다.
   • 경험적 데이터에 따르면 가변 주파수 속도 조절은 최소 30%의 에너지 절약을 달성합니다. 예를 들어, 톈진 다탕 인터내셔널 판산 발전 회사는 600MW 장치에 응축기 펌프를 개조하여 단일 모터의 전력 소비를 2,500kW에서 실제 작동 수준으로 줄여 상당한 에너지 절약을 얻었습니다.
3. 프로세스 최적화 및 자동화 통합:
   • 고정밀 속도 조절은 재 펌프의 전방 액체 레벨의 폐루프 제어 및 공기 압축기의 안정적인 압력 조절과 같은 복잡한 프로세스 요구 사항을 충족합니다.
   • DCS(분산 제어 시스템)와의 원활한 통합은 장치 자동화 수준을 향상시킵니다. 예를 들어, Guodian Group 산하 발전소에서 재 펌프를 개조한 후 가변 주파수 드라이브의 내장 디지털 PID 컨트롤러는 자동 액체 레벨 제어를 달성하여 생산 프로세스를 최적화했습니다.
4. 향상된 그리드 적응성:
   • 그리드 용량과 독립적으로 작동하여 열악한 그리드 조건에서도 대형 모터의 안정적인 기동을 가능하게 합니다.
   • 무효 전력 보상을 제공하여 그리드 역률을 개선하고 선로 손실을 줄입니다. 예를 들어, 시안 시마 전기의 VSV 기술은 가변 주파수 작동과 무효 전력 보상 간의 이중 모드 전환을 가능하게 하여 장비 활용도를 향상시킵니다.

III. 전형적인 적용 시나리오 및 사례 연구

1. 전력 산업:
   • 응축기 펌프 가변 주파수 개조: "원 드라이브 투 펌프" 방식(두 개의 펌프를 구동하는 단일 가변 주파수 장치)은 에너지 절약 및 중복성을 달성합니다. 예를 들어, 판산 발전 회사에서 개조한 후 응축기 펌프의 작동 전류는 가변 주파수 작동 중 250.5A에서 동적으로 조정된 값으로 떨어졌으며 에너지 절약률은 30%를 초과했습니다.
   • 재 펌프 속도 조절 최적화: 모터 속도는 전방 액체 레벨을 기반으로 동적으로 조정되어 빈번한 기동/정지 및 관련 모터 스트레스를 줄입니다. Guodian Group 발전소에서 개조한 후 재 펌프의 작동 안정성이 크게 향상되어 유지 보수 비용이 절감되었습니다.
2. 석유 화학 및 야금 산업:
   • 공기 압축기 에너지 절약 업그레이드: "원 드라이브 투 압축기" 가변 주파수 소프트 스타터는 두 개의 압축기 간의 무질서한 기동 및 원활한 전환을 가능하게 합니다. 예를 들어, New Wind Light Electronic의 JD-BP38 시리즈 가변 주파수 소프트 스타터는 중성점 이동 기술을 사용하여 장치 고장 시 균형 잡힌 출력 전압을 보장하여 시스템 안정성을 보장합니다.
   • 팬 및 펌프 부하에 대한 속도 조절: 가변 주파수 드라이브는 팬 및 펌프에서 유량 및 압력의 폐루프 제어를 달성하여 스로틀 손실을 제거하고 시스템 효율을 향상시킵니다.
3. 항공 우주 및 군사 산업:
   • 고신뢰성 기동 요구 사항: 시안 시마 전기의 고전압 가변 주파수 기동 시스템은 군사 항공 연구소의 인증을 받았으며 가혹한 환경에서 엄격한 모터 기동 요구 사항을 충족하고 기술적 성숙도와 신뢰성을 입증했습니다.

IV. 기술 선택 및 구현 권장 사항

1. 가변 주파수 드라이브 토폴로지 선택:
   • 3레벨 중성점 클램프 구조: 고전력 시나리오(예: 570kW 이상 모터)에 적합하며, 스위칭 장치가 적고 과전류 기능이 강하며 구조가 간단하고 신뢰할 수 있습니다. 예를 들어, Guodian Group의 재 펌프 개조는 플라이휠 기동 및 과부하 보호 요구 사항을 충족하기 위해 IGCT 기반 3레벨 토폴로지를 선택했습니다.
   • 셀 직렬 다단계 구조: 엄격한 그리드 고조파 요구 사항이 있는 시나리오에 이상적이며, 출력 필터가 필요 없고 표준 비동기 모터를 직접 구동할 수 있습니다. 예를 들어, New Wind Light Electronic의 가변 주파수 소프트 스타터는 저고조파 출력을 위해 이 구조를 채택합니다.
2. 제어 기능 구성:
   • 폐루프 제어 기능: 프로세스 최적화 요구 사항을 충족하기 위해 PID 조절 및 압력/액체 레벨의 폐루프 제어를 지원하는 가변 주파수 드라이브를 우선적으로 고려합니다.
   • 통신 인터페이스 및 프로토콜: DCS/PLC 시스템과의 원활한 통합을 위해 Modbus 및 Profibus와 같은 주류 프로토콜과의 호환성을 보장합니다.
   • 보호 기능: 시스템 안전성을 향상시키기 위해 과전류, 과부하, 저전압, 과전압, 위상 손실 및 단락 보호 기능을 갖추십시오.
3. 열 관리 및 환경 보호 설계:
   • 냉각 시스템: 고전압 가변 주파수 드라이브는 상당한 열을 발생시키며 주변 온도를 40°C 미만으로 유지하기 위해 강제 공기 냉각 또는 수냉 시스템이 필요합니다. 예를 들어, 판산 발전 회사는 방열판과 순환 냉각수를 사용하여 열을 발산하는 냉각 시스템을 가변 주파수 드라이브 룸에 장착했습니다.
   • 보호 등급: 가혹한 산업 환경을 견딜 수 있도록 IP54 이상 보호 등급의 가변 주파수 드라이브를 선택합니다.