AC 모터가 저속 또는 부분 부하에서 효율성이 떨어지는 이유는 무엇입니까?

직접적인 대답: 저속 및 부분 부하에서 효율성이 떨어지는 이유

AC 모터는 저속 또는 부분 부하에서 효율성이 떨어집니다. 고정 손실 - 코어 손실, 마찰 및 편류 - 출력에 관계없이 거의 일정하게 유지됩니다. , 따라서 유용한 출력이 떨어지면서 총 입력 전력에서 점점 더 많은 부분을 소비합니다. 동시에, 자체 냉각 AC 모터는 속도가 감소함에 따라 샤프트 장착 팬에서 공기 흐름을 잃어 내부 손실이 비례적으로 높아질 때 정확히 열 방출을 줄입니다. 그 결과 모터는 크기와 디자인에 따라 최대 부하 근처의 90% 이상에서 경부하의 70% 미만으로 효율성이 떨어지는 것을 볼 수 있습니다.

아래 섹션에서는 구체적인 수치를 사용하여 이러한 하락 뒤에 숨은 특정 메커니즘을 설명하고 애플리케이션이 정기적으로 정격 지점에서 벗어나 AC 모터를 실행하는 경우 실제로 수행할 수 있는 작업을 간략하게 설명합니다.

출력 감소로 인해 고정 손실이 축소되지 않음

모든 AC 모터에는 모터의 부하가 아무리 가벼워도 본질적으로 고정된 손실 범주가 있습니다. 즉, 고정자의 자화로 인한 코어(철) 손실, 베어링의 마찰, 공기를 통해 회전하는 회전자로 인한 바람입니다. 이러한 손실은 주로 모터가 구동하는 기계적 부하가 아니라 모터의 설계와 정격 전압 및 주파수에 의해 설정됩니다.

AC 모터

부분 부하 시 효율성이 저하되는 이유

효율성은 단순히 유용한 출력 전력을 총 입력 전력으로 나눈 값입니다. 부하(따라서 출력 전력)가 떨어지면 고정 손실은 절대적인 측면에서 동일하게 유지되지만 전체에서 훨씬 더 큰 비율이 됩니다. 잃어버린 모터 최대 부하 시 고정 손실에 대한 정격 전력의 5% 잃을 수도 있다 15% ~ 20% 25% 로드에서 입력이 훨씬 작아집니다. 왜냐하면 분자(손실)는 거의 변하지 않는 반면 분모(출력)는 극적으로 줄어들기 때문입니다.

• 코어 손실은 부하가 아닌 전압과 관련된 자속 밀도에 따라 달라집니다.
• 마찰 및 바람 손실은 전달된 토크가 아니라 속도에 따라 달라집니다.
• 일반적인 중형 유도 전동기는 효율이 다음과 같이 떨어질 수 있습니다. 10~15퍼센트 포인트 100%~25% 부하 사이

경부하에서 유용한 작업에 비해 슬립 손실이 증가합니다.

유도 전동기는 동기 속도와 실제 회전자 속도의 차이인 슬립으로 작동합니다. 슬립은 로터에 전류를 유도하고 토크를 생성하지만 기계적 출력이 아닌 로터 바에서 열로 변환되는 낭비되는 전력을 나타냅니다. 경부하에서는 절대 슬립 손실이 더 작지만 회전자 및 고정자 구리 손실(I²R 손실)은 부하에 따라 선형적으로 떨어지지 않습니다. 토크 생성 전류가 떨어지더라도 자화 전류는 거의 일정하게 유지되기 때문입니다.

자화 전류 문제

필요할 때 냉각 용량이 감소합니다.

대부분의 표준 AC 모터는 냉각을 위해 샤프트 장착 팬을 사용합니다. 즉, 공기 흐름은 샤프트 속도에 정비례합니다. 기계적으로 또는 가변 속도 AC 모터 설정의 주파수 감소를 통해 모터 속도가 느려지면 냉각 팬은 출력의 백분율로 내부 손실이 증가하는 정확한 순간에 더 적은 양의 공기를 이동합니다. 이로 인해 복합적인 문제가 발생합니다. 효율성 손실로 인해 열이 발생하고 모터 자체 냉각 시스템의 열 제거 능력이 저하됩니다.

저속 작동에 대한 실제 결과

부분 부하 시 역률이 급격히 떨어짐

역률은 AC 모터 시스템의 효율과 밀접한 관련이 있으며 부하가 감소함에 따라 눈에 띄게 저하됩니다. 역률로 작동하는 모터 최대 부하 시 0.85 ~ 0.90 에 떨어질 수 있습니다 25% 부하에서 0.4~0.6 , 실제 전력 소비가 감소하는 동안 자화(무효) 전류는 거의 일정하게 유지되기 때문입니다. 이는 모터가 수행하는 유용한 작업에 비해 필요한 것보다 더 많은 전류를 소비하여 모터 권선과 업스트림 배선의 저항 손실이 증가한다는 것을 의미합니다.

이것이 효율성 문제를 악화시키는 이유

낮은 역률은 수요 요금을 통해 공공 요금에 영향을 미칠 뿐만 아니라 모터에 전력을 공급하는 전기 배전 시스템 전반에 걸쳐 I²R 손실도 증가시킵니다. 부분적으로 부하가 걸린 많은 모터를 동시에 가동하는 시설의 경우, 이 누적 효과는 모터 명판의 효율성만으로 제시되는 것 이상으로 총 에너지 소비량을 의미 있게 높일 수 있습니다.

단상 AC 모터 설계는 추가적인 처벌을 받습니다.

A 단상 AC 모터 회전 자기장을 생성하는 방식 때문에 본질적으로 3상 대응 제품보다 낮은 속도 및 부분 부하에서 효율성이 떨어집니다. 많은 단상 설계는 회전을 생성하기 위해 보조 권선, 시동 커패시터 또는 음영 극을 사용하며, 이러한 구성 요소는 감소된 부하에 비례하여 축소되지 않는 추가 손실을 발생시킵니다. 단상 작동의 맥동 토크 특성은 진동과 불균일한 회전자 가열을 통해 추가적인 기계적 손실을 발생시키며, 특히 모터가 정격 속도보다 훨씬 낮게 작동할 때 두드러집니다.

모터 종류별 효율 비교

3상 유도 모터는 일반적으로 급격한 감소가 시작되기 전에 약 50% 부하까지 합리적인 효율성을 유지합니다. 이와 대조적으로 단상 AC 모터는 시동 및 작동 권선이 정격 조건 주변의 더 좁은 작동 대역에 대해 최적화되었기 때문에 75% 부하부터 시작하여 더 뚜렷한 효율 저하를 나타내는 경우가 많습니다.

가변 주파수 드라이브가 저속 효율에 미치는 영향

AC 모터를 드라이브와 페어링하여 가변 속도 AC 모터 시스템은 저속에서 자체적인 효율성 고려 사항을 도입합니다. 대부분의 드라이브는 주파수당 볼트 제어를 사용하여 전압과 주파수를 함께 줄여 일정한 자속을 유지합니다. 이는 저속에서 코어 손실을 어느 정도 제한하는 데 도움이 되지만, 드라이브 자체에는 처리되는(현재는 더 작은) 총 전력의 더 큰 비율이 되는 스위칭 손실이 있으며, 감소된 샤프트 구동 공기 흐름을 보상하기 위해 추가된 외부 냉각 팬은 모터 효율에 직접적으로 기여하지 않는 추가 에너지를 소비합니다.

전체 시스템 보기

가변 속도 AC 모터 설정을 평가할 때 모터 효율만 고려하기보다는 드라이브와 모터의 결합 효율을 살펴보는 것이 중요합니다. 드라이브는 최대 출력에서 ​​96% ~ 98% 효율을 보일 수 있지만, 이 수치는 일반적으로 저속 및 경부하에서도 감소하며, 이는 해당 작동 영역에서 모터 자체의 효율 감소에 더해집니다.

부하 범위 전반에 걸친 일반적인 효율성 동작

저부하 효율성을 개선하기 위한 실제 단계

애플리케이션이 정기적으로 정격 부하 또는 속도 미만으로 AC 모터를 작동하는 경우 몇 가지 실용적인 조치를 통해 효율성 저하를 줄일 수 있습니다.

1. 드물게 발생하는 최고 조건에 맞게 크기를 늘리는 대신 일반적인 작동 부하에 맞게 모터 크기를 조정하십시오.
2. 단순한 주파수당 볼트 스케일링 대신 저속에서 자속 최적화 제어 기능을 갖춘 적절하게 구성된 가변 속도 AC 모터 드라이브를 사용합니다.
3. 샤프트 구동 팬이 정격 RPM 이하에서 효율성을 잃기 때문에 저속으로 지속적으로 작동해야 하는 모터에 강제 외부 냉각을 추가합니다.
4. 동일한 전기 시스템에서 여러 개의 경부하 모터가 작동하는 경우 역률 보정 커패시터를 설치하십시오.
5. 일반적으로 더 넓은 부하 범위에서 더 나은 효율 곡선을 유지하는 프리미엄 효율 또는 고효율 모터 설계를 고려하십시오.