[nCode]인버터, 모터 입출력 효율 계산(Calculating Electric Power and Efficiency from Voltage and Current Signals)

 

목차

 

 

 

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인버터, 모터 입출력 파워, 효율 계산이란? 

 

이번 예제는 전동기(Electrical Machine) 시스템에서 발생하는 전압(Voltage)과 전류(Current) 값을 사용해서 전기 파워(Power)와 효율(Efficiency)을 분석하는 내용입니다.

 

전동기(Electrical Machine) 시스템은 단순하게 도식화 하면 아래 그림과 같이 구성 됩니다. 

 

 

• 배터리(Power Source/Sink) : DC 전원 공급
• 인버터(Power Converter, Inverter) : DC전원을 3상 AC 전원으로 변환
• 모터(Motor) : 전동기 모터는 AC전원을 기계적 파워(Mechanical Power)로 변환 

 

 

 

이번 예제는 전동기 모터의 AC 전원에서 기계적 파워로 변환하는 특성 및 효율에 대해 살펴 보겠습니다. 해당 내용을 분석하기 위해서는 아래 값에 대한 측정이 필요 합니다.

 

• 인버터의 3상 선간 전압, 전류(Line to Line Voltage and Current)
• 모터 샤프트의 토크(Torque), 속도(Speed)

 

분석툴은 HBM사의 nCode의 Electric Power Glyph 모듈을 사용해서 전기 파워, 기계파워, 모터 효율에 대해 알아보겠습니다.

 

 

 

 

 

 

 

인버터, 모터 입출력 파워, 효율 계산 예제

 

전체 구성은 아래와 같습니다.

 

 

TSInput1에는 아래와 같이 선간 전압, 선간 전류, 토크 값, 속도 값 3번의 경우에 대해 들어가 있습니다. 

 

위 입력에 대해 아래의 출력값을 구해 보겠습니다.

 

• 전기 파워(Electric Power) : Pe
• 기계 파워(Mechanical Power : Pm
• 모터 효율(Motor Efficiency) : Pm/Pe

 

입력 값은 3번의 다른 속도와 토크 조건에서 측정한 값입니다. 전압과 전류는 일반적으로 고주파 성분을 포함하고 있기 때문에 샘플링(Sampling rate)을 높에서 측정합니다. 

 

이번 예제는 결과 값을 한번에 비교해서 확인하기 위해 3개의 측정 값을 한번에 처리하려고 합니다. 

 

위 그림과 같이 TSInput1 모듈의 입력 값 특성 중에 "CombineAllTests"를 True로 변경하여 모든 입력 값이 한번에 처리되도록 설정 합니다. 

 

그리고 "CombineAllTests" 세부 항목으로 ElectricMotorTest라고 명명해서 결과에서 값들이 구분되게 해줍니다.

 

다음으로 위 그림과 같이 TSInput1 입력값에 ElectricPower1 모듈을 붙입니다. 

 

ElectricPower1 모듈의 속성을 확인하시면 위와 같이 나옵니다. OutputChannel 탭에서 분석할 항목들을 선택합니다. 배터리(Battery)의 DC 출력 값에 대한 분석을 하지 않기 때문에 해당 항목을 제외한 나머지 부분을 체크 해줍니다. 

 

참고로 입력값으로 배터리 DC 출력 값이 있다면 인버터(Inverter)에 대한 효율 분석도 가능 합니다. 

 

 

다음으로 Advanced 탭을 위와 같이 설정 합니다. 앞서 입력값의 채널 번호에 맞춰서 위 Channels 항목의 채널 값을 맞춰 줍니다. 예를 들어 3상의 선간 전류는 채널 1, 2, 3에 있었으므로 1-3으로 위와 같이 맞춰 줍니다.

 

일반적으로 고주파 성분을 다뤄야 하는 선간 전압 전류와 달리 토크와 속도는 Sample rate나 낮습니다. 하지만 ElectricPower1 모듈의 AveragingFreqeuncy 항목을 통해서 평균 처리 해줍니다. 

 

 

 

다음으로 위 그림과 같이 XYDisplay1을 연결해서 아래의 출력 값을 확인합니다. 출력 값에 대한 상세 내용은 괄호 안의 링크를 참조하시면 됩니다(https://famtech.tistory.com/149).

 

• AC 유효 전력(Active Electric Power (in W))
• AC 피상 전력(Apparent Electric Power (in VA))
• AC 무효 전력(Reactive Electric Power (in VAR))
• AC 역률(Power Factor)
• 기계적 파워(Mechanical Power (in W))
• 샤프트 토크(Shaft Torque (in N.m))
• 샤프트 회전속도(Shaft Rotational Speed (in RPM))
• 모터 효율(AC to Mechanical Efficiency (in %))

 

 

 

마지막으로 그림과 같이 SurfacePlot1 모듈을 추가해서 X, Y, Z축을 아래와 같이 설정하여 효율 값을 확인할 수 있습니다.

 

Shaft의 속도와 토크값에 따른 전동기 효율을 색상으로 확인 가능 합니다.