Control Engineering/Inverter&Motor

Motor Control 1

machine-archive 2025. 2. 23. 20:53

1. 전압 유도 및 자기 회로의 기본 개념

전동기의 기본 원리
- 전동기는 전기 에너지가 전류를 통해 자계를 형성하고, 이 자계를 이용해 토크(기계적 힘)를 발생시킵니다.
- 전류가 도체를 흐르면 암페어의 주회 법칙에 따라 주변에 자계(H)가 형성되고, 이때 자계의 세기는 전류(I)와 도체로부터의 거리(r)에 영향을 받습니다.
자속 밀도(B)와 투자율(μ)
- 자속 밀도 B는 재료의 투자율(μ = μ₀·μᵣ)와 자계 H의 곱으로 결정됩니다.
  - B = μ · H
- 강자성체(예: 규소 강판 등)는 μᵣ가 매우 커서 작은 전류에도 큰 자속 밀도를 형성할 수 있습니다.
자기 회로와 전기 회로의 유사성
- 전기 회로에서 전압(V), 전류(I), 저항(R)이 관계를 이루듯이, 자기 회로에서는
  - 기자력(F) : 전압에 해당 (전류에 의해 발생)
  - 자속(Φ) : 전류에 해당 (자계에 의해 흐름)
  - 자기 저항(릴럭턴스, ℜ) : 저항에 해당
- 이러한 아날로지를 통해 자기 회로를 해석할 수 있습니다.

정현 여자(Excitation)
- 코일에 정현파 전류를 인가하여 자계를 형성하는 방식으로, 전류와 자속 사이에는 패러데이 법칙에 의해 약 90°의 위상차가 존재합니다.
- 이로 인해 유도 전압과 전류의 관계, 그리고 페이저도 분석이 이루어집니다.
B-H 커브와 자화 곡선
- B-H 커브는 자계(H)에 따른 자속 밀도(B)의 변화를 나타내며, 일반적으로 1구간(초기 선형), 2구간(선형 근사), 3구간(포화)으로 구분됩니다.
- 전동기 설계에서는 주로 선형 구간(2구간)을 기준으로 하여, 포화에 빠지지 않도록 제어합니다.
히스테리시스와 코어 손실
- 히스테리시스 현상: 자화 및 탈자 과정에서 발생하는 비가역적 현상으로, B-H 커브에 루프 형태(히스테리시스 루프)를 만듭니다.
- 코어 손실: 히스테리시스 손실과 Eddy current(와전류) 손실로 구성되며,
  - 유도 기전력의 실효값은 보통 E₍rms₎ = 4.44·f·N·Φ (f: 주파수, N: 권선 수, Φ: 자속)로 계산됩니다.
- 손실을 최소화하기 위해서는 히스테리시스 루프가 얇은 코어 재료와, 얇은 철판(성층)을 사용해 와전류 손실을 줄이는 방법이 사용됩니다.

인덕턴스의 정의 및 역할
- 인덕턴스(L)는 전류(i)에 따른 쇄교 자속(λ = NΦ)의 변화율로 정의됩니다.
  - L = d(λ)/di
- 전동기의 성능, 제어 및 기동 특성은 인덕턴스에 크게 의존합니다.
λ-i 커브와 선형/비선형 구간
- 선형 구간에서는 인덕턴스가 일정하지만, 포화 영역에 진입하면 인덕턴스 L이 감소합니다.
- 전동기에서는 권선 수(N)와 단면적(A), 그리고 철심의 특성(투자율 μ)이 인덕턴스에 영향을 줍니다.
공극(air gap)의 영향
- 고정자와 회전자 사이의 공극은 투자율이 μ₀인 공기이므로 철심에 비해 자기 저항이 매우 큽니다.
- 공극이 커지면 전체 자기 저항이 증가하여 자속이 줄어들고, 결과적으로 인덕턴스가 감소합니다.
동적 특성 및 셀프 커미셔닝
- 운전 중 온도 변화나 포화 등으로 인덕턴스와 저항 값이 변할 수 있으므로, 이를 보정하는 셀프 커미셔닝 기법이 필요합니다.
- 전동기 제어에서는 실제 운전 조건 하에서 L, R 등의 파라미터를 지속적으로 추정하고 업데이트하여 최적의 제어 성능을 유지합니다.

전동기 기본 작동 원리: 전류 → 자계(H) → 자속(B) → 토크 발생
자기 회로 해석: 전기 회로의 아날로지를 통해, 기자력, 자속, 자기 저항을 이해하고 해석함.
정현 여자와 히스테리시스: 정현파 전류에 의한 자계 형성과 함께, 히스테리시스 현상 및 코어 손실이 전동기 효율에 미치는 영향을 이해.
인덕턴스의 중요성: 인덕턴스는 전동기 제어의 핵심 파라미터로, 선형 구간에서의 안정성과 포화 영역에서의 변화, 공극의 영향 등을 반드시 고려해야 함.

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