모터 역률: 정의, 계산 및 모터 코어가 미치는 영향

모터 역률이 실제로 측정하는 것

3상 모터가 400V에서 75kW의 실제 전력을 소비할 때 라인 전류는 역률에 따라 달라집니다. 0.85PF에서 해당 전류는 약 127A입니다. 0.80PF에서 동일한 75kW에는 135A가 필요합니다. 추가 샤프트 출력 없이 6% 더 많은 전류 . 이 차이 뒤에 있는 비율, 즉 킬로와트 단위의 실제 전력을 킬로볼트 암페어 단위의 피상 전력으로 나눈 비율이 모터 역률입니다. AC 모터의 경우 이는 전압과 전류 사이의 위상각의 코사인인 cos Φ와 같습니다.

모터는 토크가 생성되기 전에 고정자와 회전자 코어에 자기장을 구축하기 위해 자화 전류가 필요하기 때문에 항상 1 미만의 PF로 작동합니다. 이 반응성 구성 요소는 기계적 작업을 수행하지 않지만 권선, 공급 케이블 및 업스트림 변압기를 통해 이동합니다. 유도전동기 동작에 있어서 피할 수 없는 부분이지만, 디자인이나 재질에 의해서도 영향을 받습니다.

모터 역률을 계산하는 방법

계산은 간단합니다. PF = 실제전력(kW) / 피상전력(kVA) . 3상 모터의 경우 피상 전력은 S = 1.732 × V × I / 1000입니다. 여기서 V는 선간 전압이고 I는 선전류입니다.

위의 예를 사용하면 400V에서 135A를 소비하는 모터의 피상 전력은 1.732 × 400 × 135 / 1000 = 93.5kVA입니다. 측정된 실제 전력이 75kW인 경우 역률은 75/93.5 =입니다. 0.80 . 동일한 기계가 0.90PF를 수용할 수 있다면 동일한 실제 전력에 대한 전류는 약 120A로 떨어질 것입니다.

세 가지 양은 직각삼각형을 형성합니다: S² = P² Q². 무효 전력 Q는 모터가 자기 회로를 자화하는 데 소비하는 부분입니다. 부분 부하에서는 실제 전력이 자화 전류보다 빠르게 떨어지므로 PF가 급격히 떨어집니다. 0.86PF로 명명된 모터는 절반 부하에서 0.55~0.65를 쉽게 측정할 수 있습니다.

일반적인 모터 역률 값

명판 PF는 전부하 값입니다. 현장 측정값은 실제 작동 부하를 반영하므로 실제 수치가 더 낮은 경우가 많습니다. 아래 표에는 표준 저전압 ​​3상 유도 전동기의 전체 부하 범위가 나와 있습니다.

모터를 지정할 때 두 가지 패턴이 중요합니다. 첫째, 자화 전류와 고정 손실이 전체 입력에서 차지하는 비중이 작기 때문에 모터가 클수록 PF가 더 높아집니다. 둘째, 더 느린 기계(6극 및 8극 설계)는 추가 극에 더 많은 자화 암페어 회전이 필요하기 때문에 유사한 2극 또는 4극 모터보다 낮은 PF를 발생시킵니다. 대형화에도 동일한 논리가 적용됩니다. 20kW에서 작동하는 75kW 모터는 동일한 작업을 수행하는 올바른 크기의 22kW 모터보다 훨씬 낮은 PF를 나타냅니다.

모터 코어가 역률에 미치는 영향

역률은 권선만으로는 결정되지 않습니다. 무효 전류에 가장 큰 영향을 미치는 것은 모터의 자기 회로(고정자와 회전자 코어)입니다. 코어 재료, 적층 두께 및 조립 방법은 권선이 공급해야 하는 자화 전류의 양과 이 과정에서 철이 손실하는 에너지의 양을 제어합니다. 자세히 살펴보면 모터 코어의 구조 연결을 명확하게 해줍니다.

실리콘강 등급 및 철손

전기강판의 등급에 따라 투자율과 철손이 결정됩니다. 더 높은 등급의 무방향성(NGO) 규소강 고정자와 회전자의 히스테리시스 및 와전류 손실을 줄입니다. 철 손실이 낮다는 것은 자화 및 손실 전류에 의해 소비되는 입력 전류가 적다는 것을 의미하며, 이는 부하 시 더 높은 PF를 지원합니다. 재료 선택은 모터가 끌어내는 무효 전력에 직접적이고 측정 가능한 영향을 미칩니다.

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적층 두께 및 단열재

모터 코어는 일반적으로 두께가 0.35~0.50mm인 전기 강판으로 스탬핑됩니다. 얇은 라미네이션은 와전류를 감소시키지만 처리 비용을 증가시킵니다. 라미네이션 사이의 절연 코팅도 마찬가지로 중요합니다. 인접한 시트가 접촉하면 순환 전류가 발생하고 손실이 증가합니다. 그렇기 때문에 AC 모터 고정자 및 회전자 적층 생산 실행 전반에 걸쳐 제어된 코팅, 정확한 펀칭 및 엄격한 버 제어가 필요합니다.

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코어 조립 방법

라미네이션이 완성된 스택이 되는 방식은 자기 경로를 변경합니다. 연동 코어는 경제적이고 치수적으로 안정적이지만 모든 연동 기능은 국부적인 응력과 레이어 사이에 일부 전기 단락을 발생시킵니다. 용접된 코어는 기계적으로 강력하지만 각 용접 비드는 라미네이션 스택을 가로지르는 잠재적인 전도성 브리지이므로 용접 위치와 길이를 엄격하게 관리해야 합니다. 이러한 세부 사항이 통제되면 레이저/TIG 용접 적층 코어 층 절연을 보존하고 손실을 낮게 유지합니다. 성능 차이는 현재 많은 모터 제조업체가 구매할 만큼 충분히 큽니다. 완성된 모터 코어 어셈블리 느슨한 라미네이션 대신.

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낮은 모터 역률이 생각보다 비용이 많이 드는 이유

낮은 PF는 기계적 출력을 감소시키지 않지만 동일한 킬로와트를 제공하는 데 관련된 모든 비용을 증가시킵니다.

• 라인 전류가 높으므로 케이블, 차단기 및 변압기의 크기가 커야 합니다.
• 유틸리티 계량기와 모터 사이의 모든 직렬 요소에서 I²R 손실이 더 커집니다.
• 전압 강하가 커지면 모터 토크가 낮아지고 슬립이 ​​증가합니다.
• 유틸리티 요구 요금 또는 PF 벌금은 일반적으로 0.90 또는 0.95 미만에서 발생합니다.

산술은 확인하기 쉽습니다. 400V에서 75kW 부하는 0.85PF에서 약 127A를 소비합니다. 0.80PF에서 전류는 약 6% 더 높은 135A에 도달합니다. 0.70PF에서는 약 155A에 도달합니다. 22% 더 높음 . 이러한 추가 전류는 케이블과 권선을 가열하고 전압 강하를 유발하며 업스트림 장비의 성능을 저하시킵니다. 동일한 부하가 0.85PF에서 0.95PF로 개선되어 피상 전력 수요가 88kVA에서 79kVA로 감소합니다. 10% 감소 청구 수량에서 많은 유틸리티는 상업 및 산업 계정에 사용됩니다.

역률 보정 옵션 및 제한

커패시터는 표준 보정 장치입니다. 이는 모터의 지체 자화 전류를 상쇄하는 선행 무효 전력을 공급하며 모터 단자, 배전반 또는 변전소 중앙에 설치할 수 있습니다. 적절한 수준은 반응적 수요가 생성되는 위치에 따라 달라집니다.

가변 주파수 드라이브(VFD)는 상황을 변화시킵니다. 드라이브 내부의 DC 링크는 내부적으로 무효 에너지를 공급하므로 VFD 공급 모터의 그리드 측 PF는 모터 자체가 낮은 PF에서 작동하는 경우에도 일반적으로 0.95 이상입니다. 고정 속도 모터의 경우 커패시터 크기 조정에 주의가 필요합니다. 선행 PF를 과도하게 수정하면 단자 전압이 상승하고 스위칭 과도 현상, 릴레이 오작동 및 커패시터 오류가 발생합니다. 0.92~0.95 정도의 수정 목표는 일반적으로 일치에 도달하려고 노력하는 것보다 안전합니다.

고조파는 또 다른 제약 조건을 추가합니다. VFD 및 기타 비선형 부하는 커패시터가 교정할 수 없는 왜곡 역률을 생성합니다. 어떤 경우에는 커패시터 뱅크가 고조파 주파수에서 변압기 인덕턴스와 공진하여 왜곡을 줄이는 대신 증폭시킵니다. 기본적인 전력 품질 측정으로 가장 흔히 발생하는 실수를 예방할 수 있습니다.

측정기 교정은 원인이 아닌 증상을 치료합니다. 코어의 손실이 높거나 자화 전류가 과도한 모터는 설치된 커패시턴스 양에 관계없이 무효 전류를 계속 끌어옵니다. 설계 또는 재구축 단계에서 핵심 재료 및 조립 방법을 변경하면 소스에서의 반응 수요가 줄어듭니다. 이것이 OEM과 모터 수리점에서 평가하는 이유입니다. 제조 능력 효율성 측면의 일부로 핵심 공급업체를 선정합니다.

바이어와 디자이너가 확인해야 할 사항

커패시터를 추가하기 전에 명판을 신뢰하는 대신 실제 부하에서 작동 PF를 측정하십시오. 전압과 전류를 기록하고, 축 부하를 추정하고, 그 결과를 모터의 전부하 동작과 비교합니다. 이 연습에서는 커패시터가 숨길 수 있는 대형 또는 고손실 코어와 같은 문제가 종종 드러납니다.

• 실제 부하에서 작동 PF를 확인하십시오. 명판 값은 전부하 값입니다.
• 코어에 지정된 규소강 등급 및 적층 두께를 문의하세요.
• 모터의 목표 효율과 PF를 기준으로 코어 조립 방법(접착 본딩, 인터로킹 또는 레이저/TIG 용접)을 선택하십시오.
• 모터 크기를 임무에 맞추십시오. 가벼운 부하로 작동하는 대형 모터는 전체 작동 수명 동안 낮은 PF와 낮은 효율을 겪습니다.

모터 역률은 청구 세부 사항 그 이상입니다. 이는 모터의 자기 회로가 유입 전류를 토크로 얼마나 효과적으로 변환하는지를 반영합니다. 올바른 규소강 등급, 적층 두께 및 조립 공정으로 코어를 제작하면 모터에 필요한 무효 전류가 줄어듭니다. 그 차이는 계량실에서 측정할 수 있으며 핵심 공급업체의 생산 라인에서 시작됩니다.