36. SCR 속도 제어 I

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목차

가. 실 습 목 표

  • 직류 전동기의 개방루프 속도 제어를 확인한다.

나. 개 요

직류 전동기의 속도는 분권 계자전압이 일정할 때, 전기자 전압을 변화시킴으로서 0부터 최대까지 조절될 수 있다. 직류 분권 전동기의 제어장치로서 전동기에 가해지는 전력의 변화는 SCR을 사용하여 조절이 가능하다. SCR은 전류를 한 방향으로만 통과시키며 정류시키는데, 게이트라 불리는 조절 전극의 트리거 신호 수신에 따라 SCR이 켜지며 전류를 통과시키는 것이다.
SCR은 한번 켜지면, 전압이 제거되거나 또는 SCR을 지나는 전압의 극성이 역으로 될 때까지 계속 작동된다. SCR이 교류 전류의 정류에 사용될 때, (정류기가 켜지는 순간의) 입력 전류의 (+) 반 주기 동안의 점은 gate로의 트리거 신호 공급 시기에 의해 조정된다. (+) 반 주기가 끝날 때, SCR은 공급 전압의 극성이 역으로 바뀌면서 꺼진다. 트리거 신호의 상을 교류 전류의 (+) 반 주기를 지나는 0 축으로 조절함으로써, SCR을 지나 전달되는 전력량은 변화된다. 이러한 방법을 상 조절(PHASE CONTROL)이라 한다.
직류 분권 전동기의 전자식 속도 제어장치는 그 종류가 다양하지만, 이들 모두는 반파정류기 또는 전파 정류기를 사용하여 교류 전류를 직류로 바꾸는 공통점이 있다. 이들 모든 전류는 안정된 직류 전류로부터 비롯된다. 고르게 정류되지 않은 이상적이지 못한 맥동의 성질은 파형율(form factor)로 정의한다. 파형율은 실효값을 평균값으로 나눈 값이며, 순수 직류전류의 파형율은 1 이 된다.
반파 정류된 파형의 파형율은 1.57 이다. 전파 정류된 파형은 파형율이 1.11이다. 이상적인 직류를 얻기 위해서 맥동되는 파형을 제거하기 위해서 필터 또는 인덕터-커패시터 필터가 사용된다. 직류 분권 전동기 속도 제어의 경우, 전동기에 공급되는 직류의 파형율이 무척 중요하다. 필터된 전력으로부터의 작동시 전동기에서의 발열 현상의 증가는 파형율의 제곱에 비례한다. 예를 들면 필터가 안된 반파 정류된 전류하에서 직류 파형율은 1.57가 되므로 이때 동작되는 모터는 순수한 직류 파형의 경우에 비하여 2.5배에 달하는 열이 발생한다.
I2R 손실 외에도, 간헐성의 높은 피크 전류(intermittent high peak currents)에 의해 발생되는 맥동 자속은 전동기 프레임과 극(pole)에 손상을 입힌다. 브러쉬와 정류자의 수명 또한 영향을 받게되는데, 높은 파형율의 전류로 구동시에 주어진 출력 전력에 해당되는 평균 입력 전류를 유지하기 위해서는 높은 피크 전류가 필요하며 이것이 브러시와 정류자의 마모를 가속시킨다.높은 파형율은 역으로 전동기의 저속 작동에 영향을 준다.반파정류를 사용하는 전류의 펄스 반복율은 초당 60 펄스이다. 전파 정류를 사용하는 전류의 펄스반복율은 초당 120펄스이다.저속의 경우 이러한 맥동전류가 전동기의 비일정속도(톱니모양)경향을 더해 준다.그러므로 저속 운전시 일정한 속도를 얻기가 힘들게 되는 것이다.

다. 주 요 구 조

1. 변압기 T1 : 입력 (점 2 와 1)120Vac를 200Vac(점 3과 1)로 변화시키는 단권변압기이다. 이 변압기는 점 4와 1 또는 점 4와 3사이에 100Vac를 공급하도록 중간탭 되어 있다.
2. 커패시터 C1 과 가감 저항기 R1 : R1 의 저항이 변함에 따라, 점 4 와 5 사이의 전압의 위상각은 0° (최소저항)으로 부터 150° (최대저항)까지 변한다.
3. 변압기 T2 : 점 4와 5 사이의 전압은 변압기 T2 의 1 차 권선에 공급된다. T2 의 감소된 2 차 전압은 점 7과 9 사이에 나타난다. 가감 저항기 R1 이 변함에 따라 T2(점 7 과 9) 2 차 전압의 위상각은 단권변압기 T1 의 200Volt 출력(점 1 과 3)에 대해서는 0°로부터 150°까지 변한다.
4. 다이오드 D1 과 전위차계 R2 는 직류전압 공급원의 부분이다. 전위차계 R2 는 기준 전압 (점 6과 1사이의)을 0으로부터 140Vdc 까지 변화시킨다. 이 회로는 폐쇄루르 조절의 실습에만 필요하다.
5. 리액턴스 XL 은 직류 전동기가 원활하게 운전하도록 하는 필터 초크이다.
6. SCR : 양극(anode), 음극(cathode)과 SCR게이트는 각각 점 10, 11, 9에 해당된다. 변압기 T2(점 7 과 9)의 2차 권선을 지난 교류 전압은 SCR 의 게이트(점 9)가 SCR을 (주기상 일찍 또는 늦게)트리거 하도록 한다. 이는 가감 저항기 R1 의 세팅에 의해서 조절되는 이상기(phase shift)에 의존한다. 개방루프제어의 경우, 점 7 은 SCR 의 음극(점 11)에 연결된다.
7. 전기자 A : 직류 전동기의 전기자는 점 1 과 11 사이에 연결된다. 점 11 은 점 1 에 대해서 양(positive)이다.
8. 커패시터 C2 (점 8 과 1 사이에)는 (점 8과 11 을 연결함으로서) 직류 전동기의 전기자 권선을 지나 연결되는 전해 필터 커패시터(electrolytic filter capacitor)이다. 커패시터는 SCR이 전도되지 않는 동안 전기자권선을 통해 방전시키므로, 전동기의 원활한 작동을 초래한다. (전기자보다는)커패시터가 각 주기 동안의 전류 피크를 흡수하므로 전동기의 진동이 적으며 과열되지 않는다.
9. 다이오드 D2, D3, 분권계자 : 직류 전동기의 분권계자는 점 12 와 1 사이에 연결된다. 다이오드 D2 와 D3 는 계자전류를 일정하게끔 하는 작용을 한다. 점 12와 1 사이에 직류전압은 free-wheeling 회로에 공급되는 교류 전압의 45% 이어야 한다.
10. EMS 9011 SCR속도 제어장치의 특성
1. 120V 의 교류 전류로 부터 작동된다.
2. 교류 전류를 직류전류로 바꾸는 정류를 한다.
3. SCR점호각의 조절에 의해서 직류 전기자 전류는 변화된다.
4. 커패시터와 가변저항기로 구성되는 이상회로(phase-shift circuit)는 SCR점호각을 0°로부터 160°까지 변화시킨다.
5. 개방루프 또는 폐쇄루프의 경우 모두 적용된다.

라. 준 비 물

  • SCR속도제어기 EMS 9011
  • 직류 전동기/발전기 EMS 8211
  • 전기동력계 EMS 8911
  • 직류전압전류계 (200V,0.5/2.5A) EMS 8412
  • 회전속도계 EMS 8920
  • 리드선 EMS 8941
  • 타이밍 벨트 EMS 8942

마. 실 습

1. SCR속도 제어기, 직류 전동기/발전기, 전기동력계, 직류전압 전류계를 사용하여 그림 6-1의 회로를 꾸민다.
1) 직류 전동기의 전기자를 전류계와 직렬이 되도록 점 11 과 1 로 연결한다.
2) 직류 전동기의 분권계자를 milliammeter 와 직렬이 되도록 점 12 와 1 로 연결한다.
3) 전기자 전력 공급 장치를 지난 0-200Vdc 의 전압계를 점 11 과 1 로 연결한다.
4) 점 7 과 11 을 함께 연결하여 T2 의 2 차 권선으로부터의 트리거 신호가 SCR의 게이트에 공급되게끔 한다.
5) 최대 저항을 얻기 위해 가감 저항기 R1 을 반시계방향으로 끝까지 돌린다.
6) 점 3 과 10 사이를 연결시킴으로써 리액턴스 XL 을 쇼트 시킨다.
7) SCR속도 제어기의 입력은 120Vac 를 사용한다.
2. 전압, 전류, 속도에 관한 실험
a) 전원을 켠다.
b) 가감 저항기 R1 의 위치를 변화시키며, 전동기 속도와 전기자전압에 미치는 영향을 살펴보자.
c) 전기자 전압 EA = 90Vdc 이 될 때까지 R1 을 조정한다. 도표 6-1 에 전기자 전류, 계자전류, 전동기 속도를 측정, 기록한다.
Table. 6-1
E (volts)Ia (amps)I1 (amp)SPEED (r/min)
90
105
120
135
150
d) 도표 6-1 에 열거한 각 전기자 전압들을 얻기 위해 c) 을 반복한다.
e) 동기의 속도가 낮을 때, SCR의 동작 속도는 어떠한가?
f) 가장 높은 전동기 속도는? __________ r/min
g) 전원을 끈다.
3. 동력계를 이용한 실험 I
a) 타이밍 벨트를 사용하여 전동기와 전기동력계를 커플링시킨다
b) 최소 부하를 위해 전기동력계 조절 손잡이를 반시계방향으로 끝까지 돌린다.
c) 최대 저항을 위해 가감 저항기 R1 을 반시계방향으로 끝까지 돌린다.
d) 전원을 켠 후, 6 lbf.in 부하시 1500 r/min 의 전동기 속도를 얻기 위해 가감 저항기 R1 과 전기동력계를 조절한다.
e) 전기자전압 전기자전류, 계자전류를 측정, 기록한다.
EA = _______ Vdc, IA = _______ Adc, IF = ________ Adc
f) 브러쉬에 스파크가 생기는가?
g) 전동기에 진동이 생기는가?
h) 진동 주파수는 몇 Hz 인가?
4. 동력계를 이용한 실험 II
a) 가감 저항기 R1 의 위치를 고정시킨 채, 조절 손잡이를 반시계방향으로 끝까지 돌려 전기동력계의 부하를 최소값이 되도록 한다.
b) 전기자전압, 전기자전류, 계자전류, 전동기 속도를 측정, 기록한다.
EA = __________ Vdc 전동기속도 = ___________ r/min
IA = __________ Adc IF = __________ Adc
c) 전원을 끈다.
d) 전부하 토크로부터 무부하 토크까지 속도에 큰 변화가 있는가?
e) 이러한 전동기 속도의 변화가 경우에 따라서는 다른 양태로도 나타날 수 있는가를 설명하시오.
5. SCR속도 제어기 상의 LC필터를 사용하여 실습 3 과 4 를 반복한다.
a) 회로 내에 필터쵸크를 설정하기 위해 점 3 과 10 사이의 단락선을 제거한다.
b) 회로 내에 필터커패시터를 설정하기 위해 점 8 과 11 사이를 선으로 연결한다.(C2 의 다른 면은 점 1 에 연결된다. )
c) 실습 3 을 반복한 후 전기자 전압, 전기자 전류, 계자전류를 기록한다.
EA = ________ Vdc
IA = ________ Adc
IF = ________ Adc
d) 전과 같은 진동이 있는가?
e) 전과 같이 브러쉬에 스파크가 발생하는가?
f) 실습 4 를 반복한 후 전기자 전압, 전기자 전류, 계자전류, 전동기 속도를 기록한다.
EA = ________ Vdc, IA = ________ Adc
IF = _________ Adc, 전동기속도 = ________ r/min
g) 전원을 끈다.

바. 실 습 평 가

1. 전동기 작동시, 필터가 된 직류 전력과 필터가 안된 직류 전력 사이의 차이점은?
2. 이번 실습을 통해서 본 개방루프 속도 제어의 결점 중 한 가지만 설명하시오.
3. 만일 C1 = 2µF 이면, 90°의 상을 이동하기 위한 (phase shift)에 필요한 R1 의 값은?

사. 정 답

  • 실 습
2.
c)
Table. 6-2
E (volts)Ia (amps)I1 (amp)SPEED (r/min)
900.200.3401400
1050.200.3351620
1200.200.3301860
1350.200.3302090
1500.200.3302320
e) 늦게
f) 3650
3.
e) 100,1.55,300
f) 예.
g) 예.
h) 60Hz
4.
b) 105, 1.55, 0.31, 2750
d) 예.
e) 만일 전동기가 가변 부하 (예 : 엘리베이터)에 동력을 공급한다면, 그 작동 속도는 부하에 따라 변한다.
5.
c) 105, 1.55, 0.30
d) 아니오.
e) 아니오.
f) 175, 0.55, 0.31, 2650
  • 실습 평가
1. 필터가 된 직류 전력에서는, 파형율은 거의 불변하며 브러쉬에 스파크가 적고 소음과 진동이 적으며 또 발생되는 열이 적다.
2. 무귀환時 (폐쇄루프 운전) 입력 직류 전압은 (정상보다 훨씬 큰 속도 변화도 초래할 수 있는) 부하 정도에 따라 변한다.
3. 회로가 순수 콘덴서와 같아 보이는 경우에만 90o 의 이상 (Phase Shift)이 발생한다. 따라서, 회로 내에는 저항이 존재할 수 없다. (R1 = 0)
개인 도구