MotorControl | 유도기 설계 실무 가이드

1. 유도기 기본 원리 및 FEM 해석

유도기(Induction Motor)를 이해하기 위한 가장 필수적인 데이터는 속도-토크 곡선입니다. FEM(Finite Element Method) 해석을 통해 모터의 특성을 정확히 예측할 수 있습니다.

FEM 해석 계산기

정격 전압 (V):

주파수 (Hz):

극수 (P):

동기속도: 2400 rpm

정격토크: 20.7 Nm

최대토크: 36.1 Nm

효율: 87.2 %

동기속도 계산 공식

$N_s = \frac{120 \times f}{p}$

Ns: 동기속도 (rpm), f: 주파수 (Hz), p: 극수

2. VVVF 제어 시스템

VVVF(Variable Voltage Variable Frequency) 제어는 유도기의 속도와 토크를 정밀하게 제어하는 핵심 기술입니다. V/F 비율을 조정하여 정토크 영역과 일정출력 영역을 구현합니다.

VVVF 제어 시뮬레이터

V/F 비율: 0.35

제어 주파수 (Hz):

제어전압: 17.5 V

토크 특성: 정토크 영역

출력 특성: 가변속 제어

VVVF 제어 공식

$T \propto \frac{(V/f)^2 \times s}{\sqrt{s^2 + constant}}$

T: 토크, V: 전압, f: 주파수, s: 슬립

3. 슬립과 토크 특성

슬립(Slip)은 유도기의 핵심 개념으로, 동기속도와 실제 회전속도의 차이를 나타냅니다. 슬립에 따른 토크 특성을 이해하는 것이 모터 제어의 핵심입니다.

슬립-토크 계산기

동기속도 (rpm):

회전자속도 (rpm):

슬립: 2.8 %

슬립주파수: 2.33 Hz

추정토크: 95.2 Nm

슬립 계산 공식

$s = \frac{N_s - N_r}{N_s} \times 100 \text{ [%]}$

s: 슬립, Ns: 동기속도, Nr: 회전자속도

4. 실무 설계 계산기

실제 지게차, 펌프 시스템 등의 산업용 애플리케이션에서 사용되는 모터 사양을 계산합니다. 부하 토크, 속도 요구사항을 바탕으로 최적의 모터를 선정할 수 있습니다.

산업용 모터 선정 계산기

부하 토크 (Nm):

요구 속도 (rpm):

안전율:

필요 출력: 7.85 kW

권장 모터: 11kW 4극 모터

예상 효율: 89.5 %

운전 전류: 18.2 A

출력 계산 공식

$P = \frac{T \times \omega}{9550} \times SF \text{ [kW]}$

P: 출력, T: 토크, ω: 각속도, SF: 안전율

5. 컨트롤러 및 PWM 인버터

모터 컨트롤러는 하드웨어(메인보드, SMPS, 게이트드라이버)와 소프트웨어(모터제어, 통신, 안전기능)로 구성됩니다. PWM(Pulse Width Modulation) 기법을 통해 정밀한 모터 제어를 실현합니다.

PWM 파라미터 계산기

스위칭 주파수 (kHz):

DC 링크 전압 (V):

변조지수: 0.8

출력 전압 (RMS): 175.8 V

기본파 주파수: 50 Hz

THD 예상: 8.5 %

스위칭 손실: 2.1 %

PWM 제어 원리

MOSFET 스위치를 고주파로 ON/OFF하여 평균 전압 제어
변조지수가 클수록 출력 전압이 높아짐
스위칭 주파수가 높을수록 고조파 감소, 손실 증가
플라이휠 다이오드로 회생 에너지 처리

6. 실무 설계 가이드라인

20년이상의 전장설계 경험을 바탕으로 한 실무 노하우와 설계 시 주의사항을 정리했습니다.

모터 선정

• 부하 토크의 1.5배 안전율 적용
• 온도 상승 고려한 출력 디레이팅
• S1, S2, S3 동작 등급 확인

제어 설계

• 저속 토크 특성 검증 필수
• 벡터제어 vs V/F제어 선택
• 과부하, 과전류 보호 설정

EMC 대책

• 스위칭 주파수 최적화
• 접지 시스템 설계
• 필터 회로 적용

신뢰성 확보

• 열해석 및 냉각 설계
• 진동, 충격 내성 검증
• 수명 시험 및 FMEA 적용