Inverter(인버터)

1. 인버터의 정의와 사용 목적

인버터는 사전적으로 정의할 때 전기적으로 직류를 교류로 변환하는 역변환 장치라는 뜻을 갖게 된다.

하지만 FA 용어로 정의 시 인버터는 사전적 정의보다 좀 더 세부적인 의미를 갖게 되는데, FA 용어로 정의한 인버터는 상용 전원으로부터 공급된 전력을 입력받아 자체 내에서 전압과 주파수를 가변하고 전동기에 공급해 사용자가 전동기 속도를 효율적으로 이용할 수 있도록 제어하는 장치이다.

기본적으로 인버터를 사용하는 목적은 모터의 속도를 보다 효율적으로 제어하는 데에 있다.

 

 

2. 인버터의 장점

인버터로 모터 속도 제어 시 사용자가 얻을 수 있는 장점에는 ▲에너지 절약 ▲제품 품질 향상 ▲생산성 향상 ▲유지보수성 향상 ▲쾌적한 환경 ▲저소음화 등이 있다.

 

먼저 에너지 절약의 경우, 기본적으로 인버터가 부하 상태에 따른 회전수 제어를 통해 구동 전력을 절감시킴으로써 발생시키는 장점이다.

제품 품질 향상은 인버터가 제조 및 가공 과정에 필요한 최적의 속도를 실현하는 것을 통해 제공하는 장점이며, 생산성 향상은 인버터가 생산 제품에 따른 최적의 라인 속도를 구현해 창출하는 특징이다.

또한 인버터는 기계에 무리를 주지 않는 운전을 수행하는데, 이는 기본적으로 기기의 수명을 연장시켜 장비의 유지보수성 향상에 긍정적인 영향을 미친다.

이외에도 인버터는 공조 등에 있어서 필요 유량에 따른 최적의 환경을 조성해 사용자에게 쾌적한 작업 환경을 전달하며, 부하에 맞게 회전수를 낮춰 기계, 바람 등에 의해 발생하는 소음을 저감시켜 저소음화를 실현한다.

 

3. 인버터의 분류

주회로 방식으로 분류 시 인버터는 전류형 인버터와 전압형 인버터로 나뉘게 되는데, 여기서 전류형이란 전류원의 직류를 교류로 변환하는 방식이고, 전압형은 전압원의 직류를 교류로 변환하는 방식이다.

다른 분류 방식인 제어 방식에 따라 인버터를 분류 시 인버터는 PAM 전압형 인버터와 PWM 전압형 인버터로 나뉜다.

 

전류형 인버터는 직류 회로에 리액터를 사용해 전류를 일정하게 유지하고 사이리스터(제어 단자로부터 음극에 전류를 흘리는 것으로, 양극과 음극 사이를 도통시키는 3단자의 반도체 소자) 등으로 전류 회로를 형성해 교류를 출력하는 인버터이다.

 

• 전류형 인버터는 전원 회생 제어를 용이하게 진행해 관성 부하의 정역 운전 등에서는 유리하지만 높은 가격이라는 단점을 지니고 있다.
  이 같은 특성을 보유하고 있는 전류형 인버터의 회로도와 입출력 파형은 다음 그림과 같다.

 

• PAM 전압형 인버터는 펄스 파고치 변조 인버터로, 순변환부에 가변의 직류 전압을 만들어 인버터 출력 전압을 제어하고, 트랜지스터나 GTO(Gate Turn-Off thyristor, 반도체 소자의 일종, 게이트에 역방향의 전류를 흘려 턴 오프를 실행하는 사이리스터)로 직류 전압을 스위칭해 출력 주파수를 가변시킨다.

=> 고주파(400~3000Hz) 인버터에 활용되는 필수 방식으로, 최근에는 모터 저소음화를 목적으로 활용되고 있는데, 모터 효율, 시동 토크 등에서 문제점을 가지고 있다.

 

• PWM 전압형 인버터의 경우, 직류 회로에 콘덴서를 사용해 전압을 일정하게 유지하면서 트랜지스터, IGBT(Insulated gate bipolar transistor, 절연 게이트 양극성 트랜지스터로, MOSFET(금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터)을 게이트부에 넣은 접합형 트랜지스터), GTO를 활용해 직류 전압을 스위칭한다.

=> 효율, 모터의 토크 특성이 좋다는 장점을 가지고 있지만, 무엇보다 경제적이어서 대부분의 범용 인버터에서 활용된다.

 

4.인버터의 구성

인버터는 기본적으로 다음과 같이 컨버터부, 평활부, 인버터부로 이뤄져 있다.

인버터의 구성을 회로 구성으로 나타낼 시 다음과 같은 회로 구성도가 도출된다.

 

• 컨버터부란 교류를 직류로 변환시키는 순변환장치로, 3상 교류 입력이 시행될 경우, 6개의 다이오드를 조합해 교류전원을 전파 정류하게 되는데, 이 때 다이오드가 도통해 입력 전류 파형이 단상 전원과 같이 왜곡파 전류로 변화한다.
• 돌입전류억제회로는 돌입전류로 인한 인버터의 소손을 방지하는 것으로, 돌입전류의 피크값을 억제시킨다.

 

• 평활부는 정류된 직류를 보다 직선적인 직류 형태로 만들기 위해 사용되는데, 평활부에 속한 평활콘덴서는 다이오드로 정류한 정류파형을 맥동분을 통해 작은 직류로 평활시킨다.
  
  

• 회생제동부는 모터에서 발생하는 회생 에너지를 소비하는 장비인데, 모터에서 발생한 회생 에너지는 인버터의 직류평활회로로 충전 가능하다.
  이러한 회생 에너지는 직류 전압을 상승시키고, 과전압보호회로를 동작시켜 인버터의 출력을 차단하는데, 인버터의 정지 없이 회생 에너지를 소비하는 데에는 회생제동장치가 필요하다.
  
  
• 인버터부는 직류를 교류로 변환시키는 역변환장치로, 회로도에 나타나 있는 IGBT T1~T6을 교대로 ON/OFF할 시 U-V, V-W, W-U 사이에 같은 간격의 펄스 파형이 생겨나 모터에 구형파의 교류 전압이 인가되게 되는데, 이와 같이 ON/OFF 주기가 바뀌는 것에 의해 모터에서 임의의 주파수가 출력된다.
  

 

 

http://jwkang7.wo.to/pds11/1105.htm

 

5. 인버터의 제어 방식

인버터의 주요 제어 방식에는 ‘V/F 제어’, ‘벡터 제어’, ‘센서리스 벡터 제어’가 있다.

 

• V/F 제어 방식은 가장 보편적으로 적용되고 있는 제어 방식으로, 주파수가 가변될 때 전압도 함께 가변되어 출력되는 방식이다.

V/F 제어 방식은 주파수 변화 시 V/F비가 일정하면 모터가 발생시킬 수 있는 토크 역시 일정하다는 성질을 활용한 방식인데, 주파수를 변화시킬 때 그에 상응하는 전압을 일으킨 후 제어를 실시한다.

V/F 제어 방식은 성능은 높지 않지만 높은 경제성과 범용성을 보유하고 있다는 평가를 받고 있다.

 

• 벡터 제어란 유도 모터의 고정자에 이입되는 전류를 토크분 전류(iq)와 자속분 전류(id)로 나눠 제어하는 방식이다.
  

이러한 벡터 제어 방식은 모터 자속을 직접 검출하는 직접 제어 방식과 자속을 직접 검출하지 않는 대신에 슬립 주파수를 제어하는 간접 제어 방식으로 나뉜다.

벡터 제어 방식은 자속분 전류만 일정해도 토크분 전류를 자유롭게 제어할 수 있어 넓은 속도범위에서도 강력한 토크 특성을 얻을 수 있다.

 

• 센서리스 벡터 제어 방식은 벡터 제어 방식의 일종인데, 토크분 전압(Vgs)과 자속분 전압(Vds)을 제어하는 데 쓰인다.
  

벡터 제어 방식이 속도 검출 센서로 인해 현재 모터의 실제 속도를 피드백 받아 정밀 속도 제어를 실시할 때 센서리스 벡터 제어 방식은 속도감지 센서가 없어 모터의 실제 속도를 피드백 받을 수 없다.

 

하지만 센서리스 벡터 제어 방식은 속도 추정기를 활용해 실제 속도와 근사한 값을 제어기에 실시간으로 입력하는데, 이는 센서리스 벡터 제어 방식이 벡터 제어 방식에 버금가는 속도와 토크 제어를 수행할 수 있는 원동력으로 작용한다.

 

6. 인버터의 부하

인버터 부하에는 ‘CT 부하’와 ‘VT 부하’가 있는데, CT 부하는 모터 회전 속도에 따라 부하 토크가 일정한 부하인 반면에 VT 부하는 모터 회전 속도에 따라 부하 토크가 변하는 부하이다.

 

• CT 부하는 속도에 무관하게 일정한 토크를 구현하는 특성으로 인해 ‘컨베이어’, ‘엘리베이터’ 등에서 주로 활용된다.
  정출력 특성을 갖춘 CP는 저속 운전 및 기동 시에 큰 토크 특성이 필요한 반면에 고속 회전 속도에서는 낮은 토크를 요구한다.
  이 때문에 CP는 주로 ‘와인더’, ‘목공’, ‘금속 절삭용 톱’, ‘탈수기’ 등에 적용된다.
  

 

• VT는 토크가 속도의 2승에 비례해 증가하는 특성 때문에 ‘팬’, ‘펌프’, ‘블로워’ 등에 내장된다.

 

7. 인버터의 에너지 절감 원리 및 효과

앞에서 살펴본 것처럼 팬, 펌프, 블로워는 대표적인 VT 부하로, 높은 에너지 절감 효과를 창출한다.

인버터 에너지 절감 원리는 풍량이 회전 속도에 비례한 반면에 정압이 회전 속도의 2승에 비례하고 동력이 회전 속도의 3승에 비례하는 구조를 따른다.

인버터 에너지 절감 원리는 부하 변동에 따른 조치로서 밸브와 댐퍼를 조정하는데, 이로 인해 부하 변동에 대한 대응 유량이 줄어드는 반면에 손실이 증가하게 되어 모터 소요 동력이 그 차이만큼 감소하지 않게 된다.

또한 모터가 인버터 에너지 절감 원리에 기반해 회전수 제어를 수행하는데, 이 때문에 소요 동력이 회전수의 3승에 비례하게 되어 결국에는 감소되기에 이른다. 그리고 이는 큰 에너지를 절감시키는 효과를 발생시킨다.

사용자의 입장에서는 이와 같은 인버터 에너지 절감 원리로 인해 인버터를 설치한 후 55Hz로 운전을 할 시 23%의 절감효과를, 50Hz로 운전을 하게 될 시 42%의 절감효과를 얻을 수 있다.

이러한 효과를 인버터 효율 및 기타 영향을 감안해 분석해보면 사용자는 55Hz로 운전을 시행할 시 평균 20%, 50Hz로 운전 시 평균 37%의 절감효과를 얻을 수 있다는 결과가 나오게 된다. 

 

https://www.motioncontrol.co.kr/default/news/?nwsid=n3&uid=10360