1. 개요
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| 사진은 지멘스의 제품 |
어떤 환경에서 다른 환경의 장비를 사용 가능하도록 전력을 변환할 때 사용하거나, 특별하게 특정 기기를 적절하게 가동할 때 쓴다. 특히 출력 전원이 AC일 때 인버터라고 부른다.
전력용 인버터와 전동기용 인버터, 고압 인버터 3종류가 있으며, 전력용 인버터는 회로 메커니즘에 따라 2종, 프로그램 메커니즘에 따라 4종, 기계 메커니즘에 따라 2종으로 나뉘어진다. 모터용 인버터는 유도전동기용이냐 동기전동기용이냐를 먼저 따지고 메커니즘을 따지는데, 동기전동기용 인버터는 보통 변속기라고 부른다.(BLDC 전동기의 그 변속기 맞다.)
이것의 반대의 기능을 하거나 같은 종류의 전기를 변환하는 도구는 컨버터라고 한다.
2. 작동 방식
2.1. 회로 메커니즘에 따라
2.1.1. 전압 변환 후 주파수 변환
입력받은 전원은 기본적으로 변환을 위해 DC로 정류된다. 이 전원을 가공할 때, 일차적으로 전압을 바꾸는 회로를 통과하여 다른 상태로 변경한다. 이후에 스위칭 소자를 거쳐 어떤 교류전력으로 변환된다. 전압과 주파수를 변환하는 파트가 나뉘어져 제어는 쉽다.2.1.2. 전압, 주파수 동시변환
전압 변경 회로의 전압이 일정하다. 즉, 전압 변경회로를 통해 전압을 변경하지 못한다. 대신 스위칭 소자에서 전압과 주파수를 동시에 변환하여 출력하도록 할 수 있다. 이 방법을 사용하면 부하 응답성이 좋아지고 사이클 단위의 전압 제어가 가능해지나, 회로가 매우 복잡해지는 단점이 생김.2.2. 출력단 드라이브 프로그램에 따라
2.2.1. 사각파( 구형파)
출력 파형이 사각형이다. 기계장치에서 써도 코일이 심하게 떨리는데, SMPS 전원부를 제외하면 모든 기계들이 싫어한다. SMPS는 내부에서 정류를 하는데 사각파 입력은 정류 후 맥류가 거의 없고 깨끗한 1차전압이 나오기 때문에 오히려 더 낫다. 단 Free Volt일 경우에만 해당한다. 게다가 RMS 220V로 설정할 경우 Peak도 220V가 나오기 때문에 일부 기기들은 저전압으로 작동하지 못하는 경우가 발생한다. 변환 효율은 아주 높은 편.2.2.2. 유사정현파
위와 같은 저전압 문제를 해결하기 위해 RMS는 220V로 찍히되 Peak 는 311V가 나오도록 설정하는 방법이다. 넓이는 220인데, 높이는 311이 나오는 파형을 내보낸다 생각하면 쉽다. 220V에 √2를 곱하면 약 311.04V가 나온다. 이는 정현파의 최대 파고치이다. 기계장치들은 무리 없이 돌아가나, 전자장비가 가장 싫어하는 파형으로, 계측기 물리면 절대 안 되는 파형. 변환 효율은 역시 높다.2.2.3. 리니어 사인파
정현파 발진을 증폭하여 출력한다. 사인파는 스파이크가 없기 때문에, 거의 모든 기기의 전원으로 알맞다. 다만, 이 변환 시 변환 소자에서 엄청난 열이 발생하며, 대략 때려박은 전력이 1이면, 출력은 거기에 1/√2(약 0.7)을 해야 한다. 효율이 아주 낮은 게 흠.전기 전자계열 학과나 연구실에는 (대학 학사 기준) 이상하게도 대학마다 혹은 협업으로 교수님들 업적
누수전류를 일일이 다시 콜렉트해서 정류하는 식인데, 이건 산업기사(전기기사2급) 강의만 들어도 (교수님도 실무는 알지만 말씀생략-_-) 위험하단 걸 안다. 기기에 부하가 커진다. 이런 원리로 초고압 특고압 송전 시 인접한 선로끼리 전기적으로 엮어(송전탑 한쌍 두쌍 묶음인 선로)연결도 되는 것처럼 기기 부하가 생기는 건 당연하단 걸 알 수 있다. 송전탑이야 무게 감소를 위한 거고 여기에 알루미늄 합금에다가 표피효과 드립으로 속은 비어 있는 연성이 있는 파이프 같은 것을 절연된 심선에 의지하여 매달아 놓은 것이다.
누수 전류를 주워담는 것 자체가 기계에도 안 좋고 변압기 수명이 다 되어 이상 증상이나, 자주 터지는 콘센트에 어댑터 연결처럼 어느 순간 터지고 전원을 공급받는 기계에도 장기적으론 나쁘다. 안정성을 위한 대가로 나쁘지 않고 변압기나 인버터나 원래 안정적인 출력을 위하면 손실이 생기는 게 맞다.
2.2.4. PWM 사인파
정현파를 발생하는데, 회로에서 높은 주파수를 사용해 정현파를 초핑하여, 해당 사이클에서 서브사이클에 요구되는 전압만큼 시간비를 잡아 출력을 내보내는 방식으로, 높은 효율과 정현파 출력이라는 두 마리 토끼를 다 잡는 유일한 방법이다. 앞의 공정이 진행되는 주파수를 캐리어 주파수라고 하는데, 이 주파수가 높아지면 전원 품질은 더욱 좋아지나, 회로 만들기는 거기에 비례해서 어려워진다.대부분의 인버터가 채용하는 방식이다.
2.3. 기계 메커니즘에 따라
2.3.1. DC -DC -AC 변환
입력받은 직류전원을 타겟 전압의 최대치로 변경한 다음 AC로 바꾼다. 회로 메커니즘 1과 2를 둘 다 적용할 수 있다. DC-DC 과정에서 고주파수를 사용하므로 장비의 부피가 아주 가볍다. 다만 과부하 내성은 낮은 편으로, 이는 이중 변환으로 인해 용량 상의 제한이 심하게 잡혀서이다.2.3.2. DC -AC 변환
저주파 트랜스포머를 통해 바로 AC 출력을 내보낸다. 그래서인지 엄청나게 무거우며, 트랜스포머 무게가 전부라고 생각해도 될 정도다. 변환부의 성능이 어쩔 수 없이 높게 설계되는데, 본체 용량의 3배 정도로 설계되는 편이다. 그래서 과부하 시 안전한 종료를 할 수 있다. 주변 기계가 박살나든 말든 일단 본체는.3. CVCF 인버터와 VVVF 인버터에서 나는 구동음이란
인버터 중에 PWM 사인파형 인버터는 CVCF든 VVVF든 가리지 않고 해당 인버터 제조사 특유의 소리가 발생하게 된다. 여러분들이 지하철을 비롯한 전기로 가는 열차를 탈 때 열차가 감속하거나 가속할 때 나는 소리가 바로 이것이다. 소형 인버터든 중대형 인버터든 가리지 않는데, 소형 단일 1C1M 방식의 인버터의 경우 전력을 출력하는 FET 또는 IGBT에 Ch. 1의 신호가 들어가게 되고, 인버터의 출력단에선 사인파가 나옴을 볼 수 있다.중대형 인버터의 모듈형 제어에서도, 가령 GTO나 IGCT를 사용한 인버터가 그런데 작은 인버터 여러 대가 전압합산 동작을 하며 이에 따라 아래 이미지와 같은 구동 파형이 나타나게 된다.
이 때 출력 목적 주파수에 따라서 구동 주파수가 변화하는 경우도 있고[1] 구동 주파수가 변하지 않는 경우[2]도 있다.
이 구동음은 두 가지 주파수가 합쳐져서 난다. 바로 반송자 주파수와 출력 주파수. 출력 주파수는 실제로 모터가 돌아가게 하기 위해 출력되는 AC 전원의 주파수이며 이게 한 40~Hz를 넘어서면 사람의 귀에도 충분히 들릴 정도로 소리가 난다. 실제로 듣는 일은 잘 없지만, VVVF 인버터를 쓰면서 찌이이이잉- 하는 고주파 소리 속에 자세히 들었을 때 우우웅- 하는 소리가 바로 이 소리다. 모터 쪽에서 들으면 더 쉽게 관측할 수 있지만, 여튼 그렇다. 반송자 주파수는 정현파를 생성하기 위해 인버터가 PWM이란 방법을 사용하여 소자를 구동하게 되며, 이에 따라 PWM 제어 회로에 입력되어 전력 소자를 켜고 끄는 기본적인 cycle time 을 정하는 주파수가 된다. 통상적으로 반송자 주파수는 10kHz 이상의 고 주파수로 구동되게 되는데, 출력 주파수가 낮을 때엔 딱히 그 정도로 필요가 없으므로 낮은 캐리어 주파수를 가지며 출력 주파수가 올라감에 따라 캐리어 주파수도 올라가는 편이다. 물론 그렇지 않은 제품들도 있다. 인버터의 기술력이 상대적으로 떨어지는 현대중공업이라든가 LS산전등과 같은 국내 기업의 제품은 캐리어가 4~8kHz 이내이다. 이런 제품을 실제로 사용 시 시스템에 심각한 영향을 주니 잘 생각해야 한다지만, 물론 이것도 옛날 이야기로 상술한 국내 업체들도 현재는 파라미터 설정변경을 통해 이보다 더 높은, 최대 16kHz대역의 캐리어주파수 출력[3]까지도 지원되는 인버터 제품들도 많이 생산하고 있으니 해당 모델을 골라서 쓰면 된다. CVCF 인버터의 경우엔 고정된 주파수와 전압만 출력하면 되니 캐리어까지 딱히 바뀌진 않는 편. 다만 고급 제품일수록 반송자 주파수는 매우 상승한다. 여튼 이러한 특징으로 인해 PWM 방식의 인버터에선 특유의 구동음이 나게 된다.
몇몇 인버터는 반송자 주파수를 빠르게 랜덤하게 변조하는 랜덤PWM 기술이 적용되어 있다. 랜덤PWM은 주파수 스팩트럼을 분산시켜 고주파 소음을 줄이고 고조파 및 전기적 노이즈 발생을 억제하는 장점이 있다. 또한 소음을 줄이기 위해 반송자 주파수를 높일 필요성을 줄여주기 때문에 스위칭 손실도 감소시킬 수 있다. 이 기술이 적용된 인버터는 전동기 구동 시 일반적인 끼이잉 하는 고주파 구동음이 아닌 쉬이익 하는 바람소리 비슷한 구동음이 난다[4]. 랜덤PWM은 전류 샘플링 알고리즘의 복잡도가 높아지기 때문에 적용을 위해서는 어느정도 기술력이 필요한 편이다.
4. 인버터 설치 시 모터에 절연베어링을 설치하는 이유
(세라믹 절연 코팅으로 인해 노란 색을 띤다. 이는 다른 메이커에서도 비슷하다.)
우리가 인버터를 아무 전동기에나 달 수 있다고 생각하지만 보통은 그렇게 하지 못한다. 별도의 냉각팬이 장착된 인버터 전용 전동기를 사용하는 일도 많고, 특히 인버터를 사용하기 위해선 전동기의 권선에 더 높은 절연내력을 가진 절연물을 코팅해줘야 함과 동시에 회전자를 지탱하는 베어링도 절연 베어링을 사용해야 한다. 이를 지키지 않을 시, 베어링에 지속적인 전류 방전이 발생하여 베어링을 구성하는 아우터 부분에 흠이 발생, 시간이 경과하면 빼애애애애애애애애액- 거리면서 베어링이 완전 박살난다. 이는 인버터의 구동 특성으로 인해 발생하는데, 많은 산업용 VVVF 인버터들은 사인파를 출력하는 게 아니라 PWM된 전력을 그대로 출력하기 때문에 고주파가 그대로 모터에 인가되기 때문. 이렇게 인가된 고주파 고전압은 절연물에도 상당한 피로를 주지만 회전자에도 고전압을 유기시키기 때문에 프레임과 회전자 사이에 높은 전압이 발생하게 되며 이에 따라 그 전위차를 해소하기 위해 베어링을 통하여 프레임과 회전자 사이에 전류가 흐르게 된다. 이를 방지하기 위해 인버터용 전동기는 절연 베어링을 사용함과 동시에 발생한 전위차를 해소할 수 있도록 별도의 구리 링을 회전축에 걸어 프레임과 연결한다.
근래의 경우 인버터 자체에 LPF를 부착해 판매되는 경우도 많다. 100kHz 대의 초고속 캐리어를 가진 제품들, 가령 야스카와 사 인버터들이 그런 편으로, 내부에 인덕터와 캐퍼시터를 부착하여 IGBT 출력단의 PWM 출력을 사인파로 변환한다. 단, 주의할 점이 있는데 특정 제조사의 고성능 백터제어 인버터가 저런 방식으로 전자기 장애와 모터 수명 이슈를 해결한다 해서 일반적인 범용 인버터의 출력단에 리액터나 캐퍼시터를 부착하는 일은 절대로 있어선 안된다. 가끔 보면 한국의 오토메이션 업체들이 그런 식으로 PWM 전력을 사인파로 바꾸어 모터수명을 연장해 준다는 식의 산업폐기물을 판매하는데, 정말 단순한 속도 제어용 인버터면 몰라도, 2016년 이후의 인버터들 대다수는 공간 벡터 제어 (Space Vector Control)를 통해 교류 유도전동기를 구동하므로 중간에 저런 리액터가 들어가면 위상전압과 위상전류간의 관계가 틀어져 정상적인 전동기의 구동이 안된다. 주기적인 전동기의 상태 확인이 불가능한 건 덤. 근래의 인버터는 지속적인 셀프 튜닝을 반복하는데 중간에 리액터 같은 게 들어가면 전동기의 상태를 정상적으로 측정할 수 없다.
그리고 이게 VVVF 인버터에만 해당하는 거 같아 보이는데 CVCF 인버터에서도 똑같다. 단지 CVCF 인버터는 내부에 필터가 잔뜩 존재하고 반송자 주파수가 동일 출력 주파수일 때 VVVF 인버터 대비 더 높게 만드는 게 수월하기 때문에 고주파로 인한 장비 오작동 문제가 적을 뿐이다. 긴장의 끈을 놓지 말아야 한다. 오지에서 전기 안 들어온다 해서 콤프레서에 차량용 CVCF 파워인버터 연결해다가 물려서 태워먹는 일이 없어야 한다.
5. CVCF 인버터 중에 Grid Tied 인버터란
Grid Tied(계통연계형) 인버터는 시스템에서 들어온 전력을 외부 전력망으로 송전하기 위해 사용하는 인버터를 의미한다. 보통 아무 인버터 1이랑 비슷하게 생긴 것도 많지만, 특유의 기능으로 인해 따로 분류하는 편이다. 바로 위상 진각 기능. 교류 전류는 보통 위상각(r)에 따라 전력을 송전하게 되는지 아니면 끌어다 쓰게 되는지가 결정되는데, Grid Tied 인버터는 일단 외부 전력망과 동기화되면, 자신이 출력할 수 있는 전력만큼 인버터의 출력 전류를 진각시킨다. 이렇게 진각시키는 이유는 계통에 비해 고전압을 발생시켜 흘려보내는 것 보다 더 효과적으로 인버터에서 만들어진 전력을 외부로 송전할 수 있도록 하기 때문이다. 이렇게 출력된 전력은 전압의 위상속도가 더 빠르기 때문에 그 주변의 전력장치에서 전량 소진하게 되는 효과가 있다.6. 인버터의 합산동작(단수제어)
소형 인버터의 경우에는 내부에 하프 브릿지 내지는 H 브릿지로 구성된 인버터 1세트만으로 모든 정규 출력을 감당하게 된다. 하지만 중대형 인버터의 경우엔 이것이 불가능하므로 인버터 여러대, 혹은 인버터를 구성하는 H 브릿지 구조의 전력반도체 set들이 하나의 출력단을 공유해 협동해서 전압을 출력하는데, 이 과정에서 합산동작이란 것이 이루어진다. 인버터 1개 세트로도 정규 출력 전압을 출력할 순 있지만, 정규 출력 전력은 출력이 불가능하므로 대게 모터와 1대 1, 혹은 1대 n으로 튜닝이 완료된 경우엔 정부하 시 설치된 모든 인버터 모듈이 협동해 동작하게 되는 특징을 가진다. 또한 미소부하를 출력하는 경우엔 설치된 모듈 중에 한두 대만 일단 먼저 가동되는 특성도 있다. 인버터가 가동하여 정규 부하까지 도달할 때 합산동작을 가장 확실하게 볼 수 있는데, 인버터의 구동음을 들었을 때 출력 주파수는 쭈욱 상승하지만 반송자 주파수가 중간중간 반토막이 나면서 올라가는 경우가 있다. 이것이 바로 합산동작으로 인한 현상이다. 합산동작시 반송자 주파수가 반토막이 나는 순간 기존에 작동하던 인버터 모듈에 추가로 다른 인버터 모듈이 동작하면서 전압을 더하게 된다. 이때 여러 모듈 사이의 PWM 주파수는 서로 위상속도가 살짝 어긋나도록 되어있으며 그로 인해 고 주파수의 반송자 주파수를 사용하지 않아도 되어 인버터의 반송자 주파수가 반토막이 난다. 쉽게 말해서, 기존 1개의 모듈이 f=8kHz 로 운전 중이었다면 각속도가 90도 차이나는 다른 모듈이 합산동작 시 f=4kHz 로도 동일한 출력 품질을 달성할 수 있단 것이다. 인버터의 수가 많아질수록 똑같은 원리로 반송자 주파수가 낮아지는 건 덤. 그러나 인버터를 구성하는 전력반도체의 갯수가 그만큼 많아져야 하기 때문에 유지보수성이 크게 떨어지고, 반송자 주파수가 낮은만큼 스위칭 소음이 모터에서 고스란히 울리게 되는 단점이 있다.
[1]
대표적으로
지멘스 오이로슈프린터
전기 기관차라든지, 기타 여러가지 전동기 구동용 대형 인버터
[2]
1kW 이내의 소형 인버터이거나 이미 기술력이 만랩이라 구동 주파수(캐리어 주파수, 반송자 주파수, 스위칭 주파수라고도 한다.)가 20kHz를 넘어서 사람 귀에 안 들릴 때.
[3]
대신 최대 출력 전류가 급감하고 속도 및 토크 제어 특성이 심각하게 나빠진다. 옴론이나 미쯔비시 지멘스 ABB 록웰 니덱 야스카와 인버터 생각하고 캐리어 올렸다가 공장라인 하루종일 세우고싶으면 올려도 된다. 2019년 출시 제품까지는 위험부담이 적지않다.
[4]
수도권 전철 7호선 2차분,
수도권 전철 5호선 4차분 같은 IGBT, SiC를 적용한 일부 철도 차량들이 발차 시 끼이잉하는 요란한 구동음이 아닌 쉬이익~~ 하는 구동음이 나는 것 또한 랜덤PWM을 채용한 인버터를 사용한 것 이다. 일부 미쓰비씨 VFD 제품에도 채용되었다.