인버터 구동방식의 종류 및 특성

1. 전동기의 속도 변환

1) 인버터에 의한 속도 변환

① 원리 : 전력용 반도체를 사용하여 상용 교류전원을 직류전원으로 변환시킨 후, 임의의 주파수와 전압의 교류로 변환하여 유도전동기의 회전을 제어하는 방식이다. (유도전동기의 효율변동을 막기위해 주파수와 전압을 동시에 변환해야 함)

 

② 종류

가. 회로 구성에 따른 구분

(a). 전류형

• 대용량형. 정류부에서 전류를 가변하여 평활용 리액터로 일정전류를 만들어 인버터로 주파수를 가변하여 속도를 조절한다.

(b). PAM (Pulse amplitude Modulation) 전압형 : 펄스 진폭 변조

• 초기에 사용되었으며, 현재는 사용되지 않는다.
• 정류부에서 DC전압을 변동하여 콘덴서로 평활전압을 만들어 인버터로 주파수를 가변(펄스 진폭 변조)하여 속도를 조절한다.

(c). PWM (Pulse Wide Modulation) 전압형 : 펄스폭 변조

• 최근 대부분의 인버터에 사용
• 정류부에서 일정 DC전압(V)을 만들고 인버터로 전압과 주파수를 동시에 변동(일정한 전압과 시간동안 펄스폭 변조)하여하여 속도를 조절한다.
• 이때, 펄스 폭(W)을 변동함에 따라 평균전압(V)이 비례하여 변동하여, 모터의 속도를 조절한다.

 

나. 인버터 스위칭 소자에 따른 구분

(a). MOSFET 방식

•  소용량(5kw) 이하에 적용한다.

(b). GTO 방식

• 초대용량(1MW 이상)에 적용한다.

(c). IGBT

• 중대용량(1MW 미만)에 적용한다.

(d). 고속SCR

• 대용량이며, 정류형 인버터에 사용한다.

 

다. 제어방식에 따른 구분

(a). V/F 제어 : 전압과 주파수 크리를 제어하여 속도를 변환한다.

• 속도 제어 범위 : 1 : 10
• 속도 검출과 토크 제어는 불가능하다.

(b). SLIP 주파수 제어

• 속도 제어 범위 : 1 : 20
• 속도 검출이 가능하고, 토크 제어는 일부가 가능하다.

(c). Vector Control 인버터

• 주파수 크기를 제어한다.
• 속도 제어 범위 : 1 : 100
• 속도 제어 정밀도가 우수하고, 속도 및 위치검출, 토크 제어가 가능하다.

 

③ 문제점

• 전동기 단자에 인버터 전압의 2~3배 수준의 Surge가 인가되어 소선절연의 강화가 필요하다.
• 저속 운전시 FAN의 발생 풍량 저감으로 냉각능력이 저하된다.
• 고속 회전시 기계적 응력이 발생한다.
• 정밀 Balancing이 요구된다.
• 베어링 선정 기술 필요
• 회전체의 임계속도 및 고유 진동수와의 공진여부를 검토해야 한다.

 

2) 극수 변환에 의한 속도 변환

① 원리 : 유도 전동기의 동기속도에서 주파수(f)를 일정하게 하고, 극수(P)를 변환하면 동기속도가 변화함에 따라 회전자의 속도를 변환하는 방식이다.

② 종류

가. 권선 방법에 의한 분류

     (a). 단일 권선

     (b). 2중 권선

나. 특성에 따른 분류

     (a). 토크 일정형

     (b). 출력 일정형(동력 일정)

     (c). 토크 가변형

③ 문제점

• 2~3단의 속도 조절만 가능
• 효율이 낮고 속도 변동 범위가 한정되어 수요가 한정됨.

 

 

2. Duty 비(Duty ratio)

1) 정의

주기를 가지는 Pulse 용어로 일반적으로 On Duty Ration을 말한다. 한 주기에 대해서 펄스가 On 상태인 시간의 비율이다.

 

2) 적용

• PWM(펄스폭 변조)을 이용하여 DC모터를 제어할 때 Duty비를 조절한다.
• On Duty Ratio인 동안은 모터가 가속되고, Off인 동안은 관성력에 의해 감속하여 모터가 회전한다.
• On Duty Ratio가 크면 클수록 가속구간이 많아지므로 모터의 속도는 증가한다.