가. 인버터(Inverter) 의 원리
유도전동기의 회전속도는 주파수와 극수에 의해 결정된다. (rpm=120f/p)
이전의 유도전동기 속도제어 방법은 극수변환 전동기의 사용, 전압 변경 혹은 권선형의 2차 저항을 변경시켜
Slip을 높이는 방법 등이 있었다. 극수 변환 전동기는 2가지 혹은 3가지의 속도로 밖에 변환할 수 없었으며,
전압 변경 방식은 효율이 아주 낮았고 속도변동범위가 한정되어 있어 수요가 한정되었으며 정밀한 속도변환을
위해서는 직류전동기가 많이 사용되었다.
최근 반도체 소자의 발전으로 인버터(Inverter) 가격이 점차 낮아지고 유도전동기의 장점인 간단한 구조,
보수의 편리성 등과 가격이 싼 장점때문에 소형전동기 부터 점차 많이 사용되고 있다.
인버터의 원리는 전력용 반도체 (Diode, Thyristor, Transistor, IGBT, GTO 등)를 사용하여 상용 교류전원을
직류전원으로 변환시킨 후, 다시 임의의 주파수와 전압의 교류로 변환시켜 유도전동기의 회전속도를 제어하는 것이다.
(유도전동기의 자속밀도를 일정하게 유지시켜 효율변화를 막기 위하여 주파수와 함께 전압도 동시 변화시켜야함)
사전적 의미로는 DC전원을 AC전원으로 변환하는 전원변환장치를 일컫는 것이지만, 일반적으로는 AC전원의 전압 및
주파수를 제어하기 위한 전력변환장치를 통칭한다.
실제 구성은 상용AC전원을 DC전원으로 변환하는 컨버터 (Converter)부분과 DC전원을 재단하여 전압 및 주파수가
변화된 AC전원으로 변환하는 인버터(Inverter) 부분으로 복잡하게 형성되어 있으나 간단히 인버터(Inverter) 라고
호칭하고 있다.
모타속도제어 방식에는 아래삭과 같이 주파수 f를 변화시키 던가 모타의 극수 P나슬립 S을 변화 시키면 임의의 회전속도
N 을 얻을수 있다.
1) 극수( P ) 제어
아래 그림과 같이 연속제어가 불가능하며 극수의 값에 따라 한점에서 모타 속도가 제어된다
2) 슬립( S ) 제어
아래 그림과 같이 슬립을 제어할 경우 저속 운전시 손실이 커지게 된다.
3) 주파수( f ) 제어
모터에 가해지는 주파수를 변화 시키면, 극수( P )제어와는 달리 어는 rpm에서 연속적인 속도 제어가 가능하고
또한 그림과 같이 슬립(S)제어보다 고 효율 운전이 가능하게 된다.
따라서, 이 원리를 이용하여 모타의 가변속을 실행하는 것이 인버터이다. 인버터는 교류를 일단 직류로 변환시켜
이 직류를 트랜지스터등의 반도체 소자의 스위칭에 의하여 교류로 역변환을 한다.
이 때에 스위칭에 의하여 교류로 역변환을 하며, 스위칭 간격을 가변 시킴으로써 주파수를 임의로 변화시키는 것이다.
실제로는 모타 운전시 충분한 토오크를 확보하기 위해 주파수 뿐만 아니라, 전압도 주파수에 따라 가변 시킨다.
따라서, 인버터는 VVVF( Variable Voltage Variable Frequency )라 한다.
나. 인버터(Inverter) 의 종류
1) 회로 구성에 따른 분류
구분 |
동작특성 |
비고 |
|
전류형 (Current Source) |
정류부 (Rectifier) 에서 전류를 가변하여 평활용 Reactor로 일정 전류를 만들어 인버터로 주파수를 가변함. |
대용량에 채용 |
|
전압형 (Voltage Source) |
PAM |
정류부 (Rectifier) 에서 DC 전압을 가변하여 콘덴서로 평활전압 을 만들어 인버터부로 주파수를 가변함. |
초기에 사용된 기술 로 현재는 단종됨. |
PWM |
정류부 (Rectifier) 에서 일정 DC 전압을 만들고 인버터로 전압과 주파수를 동시에 가변함. |
최근 대부분의 인버 터에서 채용. | |
Switching 소자 |
MOSFET |
GTO |
IGBT |
고속 SCR |
적용 용량 |
소용량 (5KW 이하) |
초대용량 (1MW 이상) |
중대용량 (1MW 미만) |
대용량 |
Switching 속도 |
15KHz 초과 |
1KHz 이하 |
15KHz 이하 |
수백 Hz 이하 |
특 징 |
일반 Tansistor 의 Base 전류 구동방식을 전압구동방식으로 하여 고속 스위칭이 가능. |
대전류, 고전압에 유리. |
대전류, 고전압에의 대응이 가능하면서도 스위칭 속도가 빠른 특성을 보유. 최근에 가장 많이 사용 되고 있음. |
전류형 인버터에 사용. |
3) 제어방식에 따른 분류
구 분 |
Scalar Control Inverter |
Vector Control Inverter |
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V/F 제어 |
SLIP 주파수 제어 |
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제어 대상 |
전압과 주파수의 크기만을 제어 |
- 전압의 크기와 방향을 제어함 으로서 계자분 및 토크분 전류 를 제어함. - 주파수의 크기를 제어 |
|
가속 특성 |
- 급가, 감속 운전에 한계가 있음 - 4상한 운전 시 0 속도 부근에서 Dead Time 이 있음. - 과전류 억제능력이 작음. |
- 급가, 감속운전에 한계가 있음 (V/F 보다는 향상됨) - 연속 4상한 운전가능. - 과전류 억제능력 중간. |
- 급가, 감속운전에 한계가 없음. - 연속 4상한 운전가능 - 과전류 억제능력이 큼. |
속도제어 정도 |
- 제어 범위 1:10 - 부하조건에 따라 SLIP 주파수가 변동 |
- 제어범위 1:20 - 속도검출 정도에 의존. |
- 제어범위 1:100 이상 - 정밀도(오차) : 0.5% |
속도 검출 |
- 속도 검출 안함. |
- 속도 검출 실시. |
- 속도 및 위치 검출. |
토크 제어 |
- 원칙적으로 불가 |
- 일부 (차량용 가변속) 적용. |
- 적용 가능. |
범용성 |
- 전동기 특성차이에 따른 조정 불필요 |
- 전동기 특성과 SLIP 주파수 조합하여 설정 필요함. |
- 전동기 특성별로 계자분 전류, 토크분 전류, Slip 주파수 등 제반 제어량의 설정이 필요함. |
다. Inverter의 분야별 용도
분 야 |
용 도 |
제철 |
압연 플랜트, 프로세스 라인, 송풍기, 펌프, 크레인, 반송차 |
화학 |
압출기, 필름라인, 교반기, 원심분리기, 압축기, 스프레이, 송풍기, 펌프 |
섬유 |
방사기, 정방기, 직기, 공조 설비, 송풍기, 펌프 |
자동차 |
콘베이어, 반송차, 도료 교반, 공조 설비 |
전기/기계 |
펌프, 크레인, 콘베이어, 반송기, 공조 설비, 송풍기 |
공작기계 |
NC선반, 입선반, 연삭반, 머시닝센터 |
식품 |
제면기, 제과기, 콘베이어, 교반기 |
종이/펄프 |
초지기, 분쇄기, 교반기, 송풍기, 펌프 |
시멘트/광업 |
권상기, 콘베이어, 굴삭기, 크레인, 송풍기, 펌프, 압축기 |
| 가스/수도 | 압축기, 송풍기, 펌프 |
| 반송 | 자동창고, 반송차, 콘베이어 |
| 공장/빌딩 | 엘리베이터, 콘베이어, 공조 설비, 송풍기, 펌프 |
| 가전 | 에어콘, 재봉틀, 선풍기, 세탁기, 냉장고 |
| 전력 | 보일러용 송풍기, 선풍기, 양수발전소 |
| 교통 | 전동차, 기관차, 선박, 전기자동차 |
부 문 |
기술적 문제점 |
대 책 |
절연성능 |
- 전동기 단자에 인버터 전압의 2~3 배 수준 의 Surge가 인가됨. - Surge 에 의한 Corona 발생으로 절연파괴 발생 |
- 소선 절연의 절연 강화 - CIV (Corona Inception Voltage) TEST 를 실시 하여 Surge 전압을 견디는지 확인 |
냉각능력 |
- 인버터의 고조파에 의한 발열증가 - 저속운전시 Fan의 발생풍량 저감에 따른 냉각능력 저하 |
- 강제(별도) 냉각 Fan 의 채택 - Vector Control 전동기에 대해서는 대부분 Maker 가 강제냉각방식 채택. |
기계적 강성 |
- 고속회전시의 기계적 Stress 발생. - 정밀 Balancing 이 요구됨. - Bearing 선정기술 필요. - 회전체 임계속도 및 고유진동수와의 공진여부 검토 |
- 부품의 강성증대 - Balancing 정도 향상 - Bearing 의 허용회전수 및 Grease 윤활 고려 - 임계속도 구간 회피 - 축전압 발생여부 확인하여 발생시 베어링 보호 를 위한 대책 강구. |