이 근 철
<제일설계(주) 기술고문 공학박사>
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머리말
인버터란 사이리스터, GTO, MOSFET, IGBT 등의 반도체 전력용 스위칭 소자와 인덕터, 커패시터 등의 필터를 사용하여 직류전원을 가변주파수, 가변전압의 교류전원으로 변환하는 전력변환장치를 말한다.
다시말하면, 인버터는 교류(상용전원)를 직류로 변환하고 이것을 트랜지스터 등의 반도체 소자와 같은 스위칭에 의해서 교류로 역변환하는데 이때 스위칭 간격을 가변시킴으로서 주파수를 임의로 변환시킨다. 실제로 모터운전시에 충분한 토크를 확보하기 위해 주파수뿐만 아니고 전압도 주파수에 따라 가변할 수 있어 인버터를 VVVF(Varible Voltage Variable Frequency : 가변전압 가변주파수)라고도 한다.
인버터의 기본구성은 콘버터부, 인버터부 및 제어부로 구성되어 있다. [<그림1>참조] 인버터 주회로(主回路)소자는 바이폴라트랜지스터, 전계효과트랜지스터(FET), 절연게이트바이폴라트랜지스터(IGBT) 및 게이트턴오프(GTO) 사이리스터가 사용되고 있다. [<표1>참조] 
<그림 1 인버터 기본 구성>
<표1 인버터회로 소자 비교> 
최근 정류회로와 브레이크회로 및 인버터회로를 동일 패키지에 내장한 복함모듈도 사용되고 있으며 인버터 회로에 드라이브회로와 보호회로를 설치한 IPM(Intelligent Power Module)도 있다. 본고에서는 최근 유도전동기, 엘리베이터, 반송기계, 수치제어공작기계, 로봇 등 FA용 전동기 구동, UPS등의 전원장치 뿐아니라 전기자동차, 고속전철, 항공기, 태양발전시스템, 화학 플랜트 등 산업전반에 걸쳐 그 영역을 확대해 나가고 있는 인버터에 대하여 회로의 구성과 소자(素子), 인버터의 보호기능, 주변기기의 선정 및 소음, 진동, 발열 등의 대책에 대하여 기술하고자 한다.
| 1. 인버터 회로소자 특성 1.1 바이폴라트랜지스터 인버터용의 스위칭소자로서는 이산형(離散形)의 바이폴라트랜지스터 구조를 들 수 있다. 이때, 프리포일용 고속다이오드도 동시에
필요한데 최근에는 프리포일링다이오드를 내장한 바이폴라트랜지스터가 개발되었다. 이 경우에는 인버터회로의 각 스위칭소자를
절연할 필요가 있어 인버터회로가 대형이 되는데. 이것을 개선한 것이 트랜지스터모듈이다. 트랜지스터모듈은 내부의 스위칭소자가 방열면과 전연되어 있기 때문에 인버터회로 전체의 소자를 동일한 방열판(放熱板)에 설치
할 수 있어 인버터장치를 소형화할 수 있다.
또한 전류용량이 적은 약 50A이하의 소자에서는 장치를 소형화할 수 있고 인버터의 전체 6스위칭소자를 동일한 패키지에 내장할
수 있다. 이외에 드라이브회로의 전류를 감소시켜 경비를 저감할 수 있는 이점이 있어 광범위하게 사용되고 있다.
1.2 전계효과트랜지스터(FET)
FET는 바이폴라트랜지스터와 같은 스위칭소자로 되어 있으나 전압구동으로 인하여 바이폴라트랜지스터에 비교하면 드라이브회로를
용이하게 구성할 수 있다. 또한, 구조적으로 소스에서 드레인에 대해 다이오드특성을 갖고 있기 때문에 프리포일다이오드를 동일
한 칩상에 형성할 수 있다. 단 FET의 on전압은 소자의 정적전압이 높으면 이에따라 상승한다. 이 때문에 600V이상에서는 바이폴라
트랜지스터쪽이 스위칭손실이 적어야 되나 고내압소자로서는 적합하지 않다. 그러나 스위칭주파수는 바이폴라트랜지스터보다 높게
되고 인버터출력파형은 평활하게 된다. [<그림2>참조]
<그림2 파워 MOSFET의 단면도와 등가회로>
1.3 게이트턴오프(GTO)사이리스터
GTO사이리스터는 턴오프능력을 갖는 사이리스터이다. 바이폴라트랜지스터의 정격전압을 높이면 Hfe가 낮아져 드라이브회로의
전류 능력을 증가시켜야 한다. 드라이브회로의 능력향상이 곤란할 때에는 high 타입이나 3단 다링톤접속의 바이폴라트랜지스터를
사용한다. 어느 것이나 정격전압은 1,400V정도가 한계이다.
1,600V, 2,500V, 4,500V, 6,000V 등의 정격전압이 필요한 경우 GTO사이리스터가 가장 적합하다.
1.4 절연게이트형 바이폴라트랜지스터(IGBT)
이것은 FET와 같이 전압구동을 할 수 있고 바이폴라트랜지스터와 같이 포화전압이 낮은 스위칭소자이다. IGBT가 턴오프일 때
FET채널이 개방되어 PN다이오드와 FET가 함께 동작하게 된다. PN다이오드에 전류가 흐르면 바이폴라 트랜지스터와 똑같이 N층에
전하가 축적되고 전도도 변조를 일으켜 전압강하가 감소된다. IGBT는 바이폴라트랜지스터와 비교해서 스위칭 속도가 빨라 드라이
브가 용이하므로 고속전철용 전원장치에 널리 이용되고 있다. [<그림3>참조]
<그림 3 IGBT의 단면도와 등가회로>
1.5 복합모듈
복합모듈은 전류회로와 브레이크회로 및 인버터회로를 동일한 패키지내에 내장시킨 소자이다. 동일한 패키지내에 있기 때문에 개
별적인 조립 경우보다 부피가 작고 저렴한 인버터장치를 실현할 수 있다. 단, 방열효과가 떨어져 약50A이하의 IGBT를 사용하는
인버터장치에 응용되고 있다. [<그림4>참조]
<그림4 복합 모듈의 등가회로>
1.6 지능형 파워모듈(IPM)
이것은 인버터회로에 드라이브회로와 보호회로를 설치한 집적회로이다. 광결합신호에 의해 IGBT를 구동함으로서 과전류보호, 온도
보호 및 드라이브전원의 부족전압을 보호하는 것이 일반적이다. 보호회로의 동작방법이나 에러신호의 출력은 반도체메이커에
의존하고 있으므로 사용할 때는 인버터장치의 제어방법과 IPM의 입출력신호외의 정합이 필요하다. IPM은 소자자신이 보호회로를
갖고 있기 때문에 시장수요의 확대와 인버터 장치의 소형화, 저코스트화, 고성능화가 기대되고 있다. 현재 인버터의 전스위칭
소자를 내장한 것으로서 200A 600V, 100A 1,200V의 소자까지 상품화를 계획하고 있고 대전류화가 예상되고 있다.[<그림5>참조]
<그림 5 IPM의 등가회로>
| 2. 인버터의 분류 | 2.1 전압형 인버터
2.1.1 회로구성
현재 대부분의 인버터시스템에 많이 사용되는 방식으로서 <그림6>에 단상 인버터 회로의 예를 나타내었다. 그림(a)는 하이브릿
지형, 그림(b)는 브릿지(풀브릿지)형이다. 어느 것에서도 자기 소호형 반도체 소자인 바이폴라형 트랜지스터를 이용한 것이다.
사이리스터를 이용한 경우는 전류회로가 필요에 의해 각 상을 <그림7>과 같은 회로로서 치환하는 것이다. 전압형 인버터의 특
징은, 직류 전원의 임피던스가 낮고, 콘덴서에 <그림6>에서 트랜지스터 Q1, Q2 및 상호구동하여 부하측에 임의의 주파수의
방형파 전압을 얻을 수 있다. 트랜지스터에 병렬 접속한 다이오드 D1~D4는 유도부하의 경우 지연 전류 성분을 직류 회로로 치환
하고, 브릿지내를 환류시키는 중요한 역할을 갖고 있다. <그림8>은 3상 브릿지형 회로를 나타낸다. 
<그림6 단상전압형 인버터> 
<그림7 강제전류회로(마크레이형, 1상 성분)> 
<그림8 3상전압형 인버터>
2.1.2 전압 제어법
전압 인버터의 전압제어법에는 크게 나누어 출력파형의 진폭을 변화시키는 방법과 펄스 폭을 변화시켜서 등가적으로 전압을 변
하게 하는 방법이 있다. 펄스폭(통류각)을 변하게 하지 않는 경우의 단상 인버터의 출력파형을 <그림9>에, 3상 인버터의 파형
을 <그림10>에 나타내었다. 출력 전압의 진폭을 제어하는 것은 직류회로의 전압 Ed를 변화시키면 좋다. 이 방법은 교류전원에서
직류로 변환하는 경우 사이리스터 브릿지를 위상제어하는 방법과, 직류-직류변환기(쵸퍼)를 이용하는 방법이 있다. 직류전압의
크기로 출력전압을 제어하는 경우, 출력전압에 포함된 고주파 성분의 포함 비율은, 전압에 관계없이 불변하고 기본파 및 고주파
성분의 진폭은 다음과 같다.
단상 인버터의 경우: En = 4Ed/nπ(n=1,3,5,…)…………………(1)
3상 인버터의 경우: En = 2√ Ed/nπ(n=1,5,7,11,13,…)………(2)
단, n : 고주파의 차수, Ed :직류전압
복수개의 단위 인버터의 위상을 서로 어긋나게 하여, 출력방형파의 통전폭을 제어할 수 있다. <그림 6(b)>에서 트랜지스터
Q1, Q2의 on, off와 Q3, Q4의 on, off의 위상을 4만큼 어긋나게 한 경우의 파형을 <그림11>에 나타내었다. 기본파 성분 및 고주
파 성분의 진폭은 다음과 같이 된다.
En = (4Ed/nπ)sin(nr-φ)(n=1,3,5,…)……………………………(3)
단, r : 출력통류폭(r = π-4)
이 통류폭을 변화시켜 전압을 제어함으로서 인버터 출력 반주기의 사이에 다수회의 스위칭을 행하고, 복수개의 펄스폭을 변조 제
어하는 펄스폭 변조(PWM)가 있다. 이 방식은 전압제어만은 아닌 출력파형의 개선을 목적으로 사용되는 것이 많다. 
<그림9 단상전압형 인버터의 전압파형(풀브릿지)> 
<그림10 3상전압형 인버터의 전압파형> 
<그림11 통전폭 제어인버터의 출력파형> 
<그림12 통전폭 제어 인버터의 기본파 및 고주파성분> 2.1.3 PWM 제어
(a) 기본회로구성: <그림13>에 PWM 인버터의 기본회로를 나타낸다. 반송파의 진폭을 비교기(변조기)에서 비교하고, 그 대소에
따라서 어느 트랜지스터를 on시키는가를 결정한다. <그림14>에 단상PWM 인버터로 ec가 정현파의 경우의 각 부파형을 나타내었다.
<그림15>는 3상의 경우이다. 
<그림13 PWM 인버터의 기본회로> 
<그림14 단상 PWM 인버터 파형> 
<그림15 3단상 PWM 인버터 파형> (b)고주파 해석: <그림14> 및 <그림15>의 출력파형을 해석하면 다음과 같다.
단상의 경우:
기본파성분 W1의 진폭 = aEd ………………………(4)
고주파성분 nWc ±KW0의 진폭 = 4Ed/nπ·Jk(anπ/2)
단, n =1,3,5 …인 경우, K= 0,2,4 …
n =2,4,6 …인 경우, K= 1,3,5 …
3상의 경우:
기본파성분 W1의 진폭 = (√ /2)aEd ………………………(5)
고주파성분 nWc ±KW0의 진폭 = (√ /2)4Ed/nπ·Jk(anπ/2)
단, n =1,3,5 …인 경우, K= 3(2n-1) ±1, m=1,2…
n =2,4,6 …인 경우, K= 6m+1, m=0,1,2 ………………
6m-1, m=1,2,3 ………………
여기서 a는 출력전압 기본파의 진폭을 나타내는 0~1의 정수로 제어율 또는 변조율로 불리워진다. 또는 Jk는 k차의 베셀함수이
다.
(c)종류와 특징:PWM제어에는, 반송파와 신호파의 상대관계, 신호의 발생방법에 따라 여러 가지의 방법이 있다. 또한 반주기내
의 펄스수가 일정 동기식이 아닌 비동기식이다. 동기식은 반송파, 신호파 상호간에 비트가 발생하지 않고, 비교적 고주파의
용도와 스위칭 속도를 높이기 어려운 대용량기에 적합한 반면, 저주파영역에서 리플이 증가하는 경향이 있다. 이것을 방지하
게 위해 <그림18>과 같이 출력 주파수에 따라서 펄스수를 전환하는 방법이 이용되고 있다.
<그림14> <그림15>와 같이 반주기내의 펄스폭에 거듭 계산을 하여 낮은 고주파를 억제하는 부등 펄스폭 PWM방식이 있으나, 등펄
스폭 방식은 전압제어 기능만으로 파형 개선의 효과는 없다.
펄스파형 발생의 방법으로서는 <그림13>과 같이 반송파와 신호파와를 비교하는 방법 외에, 출력파형의 패턴을 미리 결정해두고,
전압 및 주파수의 지령에 따라서 펄스를 출력하는 방법이, 마이크로 프로세스와 디지털 IC보급에 의해 많이 이용되고 있다.
반송파의 파형으로서는 3각파가 일반적이지만, 톱니파도 이용되고 있다. 전자에서는 펄스가 올라가고 내려가는 양방향의 위상을
제어하는 것에 비해, 후자는 어느 한 방향만을 제어한다. 반도체의 스위칭 빈도가 동일해도, 선간 전압의 펄스수는 <그림19>와
같이 3각파의 경우 2배로 되는 이점이 있다. 또한 3상 인버터의 경우, 각 상을 제어하는 반송파가 단상(동상)의 경우와 3상의
경우가 고려되지만, 반송파를 3상으로 하면 그 주파수 성분의 3상 전압이 발생하고, 고주파를 증가시키게 된다.
3상 인버터의 경우, 식(4)(5) 및 <그림16, 17>과 같이, 단상인버터에 비해서 √ /2 밖에 출력전압이 얻어지지 않는다고 하는
단점이 있다. 이 개선책으로서 출력의 3상파형에 대해서 동상 성분으로 되는 3n배(n=1,3,5)의 고주파를 신호파에 중합시키는 방
법과 상전압을 특수한 파형으로 변조하는 방법이 있다. 이것에 의해 직류 입력 전압과 같은 출력 피크 전압을 얻을 수 있다.
(d)PWM에 의한 전류제어: PWM의 고속제어 능력을 이용해서 전압형 인버터로 전류 제어를 하는 것이 가능하기 때문에, 인버터
의 응용분야가 넓고, 유도 전동기의 백터제어 등에 적용되고 있다.
<그림21>은 3각파 비교형 PWM의 외측에 전류제어 루프를 부가한 것으로, 전류 증폭기의 이득을 충분히 크게 하면 지령치에 추종
하여 변환한다.
<그림22>는, 전류증폭기와 3각파의 반송파를 히스테리시스를 가진 비교기로 치환한 것으로서 <그림23>과 같이 전류지령의 상하에
일정 폭을 가진 범위내로 출력 전압이 들어오도록 제어하는 것이다. 이 방식은 회로 구성이 단순하고, 루프게인이 높게 되기 때
문에 전류의 응답성이 대단히 좋은 특징을 갖고 있다. 반면에 전류의 경사는 부하의 인덕턴스와 여기에 인가되는 전압에 따라서
결정되기 때문에, 전류의 경사와 히스테리시스폭에 따라서 결정하는 스위칭 주파수는 부하의 영향을 크게 받으며 3상의 경우
각 상호간의 스위칭에 규칙성이 없기 때문에. 고주파 성분이 많은 것 등의 단점이 있다.
이들의 문제를 해결하기 위해, 부하의 상태에 따라서 히스테리시스 폭을 변하게 하는 방법과, 3상 스위칭의 패턴을 미리 결정해
두고, 이 구속 조건에서 동작 상황에 따라서 스위칭을 하는 방법 등이 제안되고 있다. 
<그림16 단상 정현파 PWM 인버터 주파수 스펙트럼> 
<그림17 3상정현파 PWM 인버터 주파수 스펙트럼> 
<그림18 동기식 PWM인버터에서의 펄스수 전환예> 
<그림19 3각파 반송파 및 톱니파 반송파의 비교> 
<그림20 전압이용율을 개선한 3상 PWM인버터의 신호파형> 
<그림21 전압형 PWM인버터에 의한 전류 제어회로> 
<그림22 전류추종형 PWM 제어> 
<그림23 전류추종형 PWM 제어의 전류파형> 
<그림24 전압형 인버터의 직렬2중접속> 
<그림25 전압형 2중접속 인버터의 전압파형> 2.1.4 전압형인버터의 다중접속
복수개의 단위 인버터를 다중접속하여, 대용량화와 저차 고주파의 저감을 도모할 수 있다. <그림24>에 전압형 인버터의 다중
화로서 많이 사용되고 있는 직렬 2중 인버터의 예를 나타낸다. 2대의 인버터는 상호 30°위상을 어긋나게 해서 제어하고, 트
랜스는 이 위상차를 원래 어그러져 접속되어 있다. 이 결과 <그림25>와 같은 12펄스의 파형이 얻어지며, 여기서 제5,제7 고주
파가 소거되고 있다. 일반적으로, m개의 3상 브릿지 인버터를 π/3m(rad)씩 위상을 어긋나게 해서 제어하고, 위상차를 원래
이그러진 접속의 트랜스로 각 인버터를 결합하는 것에 의해, 펄스수 6m의 출력파형을 얻을 수 있다. 고주파 성분은 n=6 mk±1
차(k=1,2,…)가 남고, 이외에는 소거된다.
| 2.2 전류형 인버터
2.2.1 회로구성
<그림26>에 단상 전류형 인버터의 기본 회로를 나타낸다. 전류형 인버터는 통상 직류 회루에 직렬 리액터를 갖고 있으며, 임피
던스가 높고, 직류 전류가 급변하지 않는 특징을 갖고 있다. 트랜지스터 Q1과 Q2, Q3과 Q4를 각각 상호 on/off하여, 부하측에
임의 주파수의 방형파 전류를 얻을 수 있다.
전류형 임피던스는, 전류 제어 회로와 조합시켜서 사용되는 것이 보통이다. 
<그림26 단상전류형 인버터의 기본회로> 2.2.2 제어방식
<그림27>의 회로에서는 전류의 크기를 콘버터 측의 전류제어 루프에서 제어하고, 출력 주파수는 인버터 측에서 제어한다. 전
체의 제어계로서는, 백터 제어 등과 같이 전류 자체를 제어하는 방법과, 전류 제어 루프의 외측에, 전압제어 루프를 부가해서
저압원을 형성시켜, V/f일정한 타여식 인버터로서 이용하는 경우도 있다. 이 회로 방식에서는 부하의 에너지를 전원으로 회생
할 때는 전류의 방향은 불변하고 직류 전압의 극성이 반전한다. 따라서 특별한 회로를 부가하는 것 없이 4상한 운전이 행해지도
록 하고 있다. 
<그림27 직렬 다이오드방식 전류형 인버터 및 제어회로>
전류형 인버터로서는 출력 전류파형이 방형파로 되고 전압형 인버터에서는 출력전압에 상당하는 파형 및 고주파 포함율로 된다. 2.2.3 전류형인버터의 다중접속
전류형 인버터도 전압형과 마찬가지로 다중접속하여 대용량화와 저차 고주파의 저감을 얻을 수 있다. <그림28>이 가장 많이 사용
되는 방법으로, 합성 트랜스의 2차측을 병렬로 접속하고, 전압형의 전압파형과 마찬가지의 전류파형과 고주파 저감효과가 얻어진
다. 또한 트랜스를 사용하지 않고 출력을 직접 병렬접속하는 방법도 있으며, 이 방법은 저차 고주파의 제거가 완전하게 않은
단점이 있으나, 구성이 간단하기 때문에 실용화되고 있다. 
<그림28 전류형 인버터의 병렬2중접속> 2.2.4 PWM에 의한 파형 개선
전류형 인버터의 PWM제어는, 전류를 1개의 상에서, 비통전의 다른 상으로 이전함으로써 얻어진다. <그림29>와 같이 120방형파의
양측에서 다른 상으로 이전하는 펄스의 위치, 개수에 따라서 3펄스,5펄스, 7펄스,…의 모드로 전개할 수 있다. 펄스의 폭, 타이
밍을 적당하게 선택한다면, 특정의 저차 고주파를 제거할 수 있다.
한편, <그림30>과 같은 자기소호형 소자와 콘덴서와 조합시켜 주회로 구성을 이용해서 PWM을 하여, 정현파에 가까운 출력 전류를
얻을 수 있다. 또한 전류 서어지의 억제에도 효과가 있다. 2.3 제어방식에 의한 분류
제어방식에 의한 회로 구성은 다음과 같다. 
<그림29 전류형 PWM인버터의 출력전류 파형> 
<그림30 자기소호형 반도체소자를 이용한 전류형 PWM인버터>
2.3.1 V/f 제어
주파수를 변화시킬 때 V/f(전압과 주파수의 크기비)가 일정하면 모터가 발생할 수 있는 토크도 일정하는 성질을 이용한 것으로
서 주파수를 변화시킬 떄 전압도 결정된 패턴으로 동시에 변화하는 방식이다. 표준모터를 그대로 사용할 수 있도 제어부의 구
성이 간단하고 경제적, 범용성이 높다.[<그림31>참조] 
<그림 31 V/f 제어> 2.3.2 슬립주파수 제어
속도검출기에 의해서 모터의 슬립을 검출한다. 운전되고 싶은 속도로 모터 슬립을 가산(加算)하고 주파수를 인버터에서 출력함
으로써 속도제어를 행하는 방식이다. 검출기를 사용한 속도 피드백 제어 때문에 Vf 제어에 비하여 부하변동에 대한 속도정도를
크게 개선할 수 있으나 속도검출기의 설치나 모터의 특성과 일치된 슬립주파수의 조정 등이 필요하여 범용성이 낮다.[<그림32>
참조] 
<그림 32 슬립주파수 제어> 2.3.3 백터제어
모터전류를 여자분전류와 토크분전류로 분리시켜 제어한다. 구체적으로 속도검출기에 의해서 모터의 슬립을 검출하여 부하토크의
크기를 구하고 이 토크에 맞도록 모터전류를 흘리므로서 원하는 여자분전류를 확보하는 방식이다.
이것은 고정도(高精度)와 고응답(高應答)이 가능하고 직류기에 상당하는 성능을 얻을 수 있으나 모터의 제특성에 의한 연산으로
서 제어를 하기 때문에 전용모터에 한정되어 있고 속도 검출기가 필요하는 등 3성이 복잡하여 범용성이 없다.
벡터제어는 센서레스벡터인버터라고 하는 속도검출기를 설치하여 주파수, 전압, 전류 등으로 모터의 슬립을 추정해서 제어하는
것도 있다. [<그림33>참조] 
<그림 33 벡터 제어>
| 3. 인버터의 보호기능
3.1 인버터보호
최근 범용 인버터의 주류를 차지하고 있는 것은 전압형 펄스폭변조(PWM)제어 인버터로서 <그림34>인버터의 주회로와 제어회로를
나타낸다. 콘버터회로부는 정류다이오드 평활회로는 대용량의 전해콘덴서 그리고 인버터회로부는 파워트랜지스터소자로서 구성
되어 있으며, 주회로에는 직류전압검출, 전류검출 등의 보호회로가 설치되어 있다.
일반적으로 인버터 보호는 기기를 구성하는 회로소자가 최대한의 기능을 충분히 발휘하여 고장으로 인한 인버터의 사고를 방지
하는 것이 목적이다. 이를 위하여 전원계통, 인버터, 모터, 부하장치 등의 전체를 포함한 구동 시스템의 보호로서 과전류보호와
같은 기능이 있다. 이것은 인버터의 출력이나 모터측에서의 상간단락 등으로 인하여 인버터회로부틔 파워트랜지스터소자의 허용
전류값을 초과하는 이상전류를 검출하였을 때 인버터회로부틔 파워트랜지스터소자 출력을 차단해서 인버터를 정지시켜 보호하는
기능이다. 또한 인버터로서 운전중 모터에 정지상태의 부하를 클러치 등 기계적으로 급격히 접속해서 회전이 상승하는 급격한
부하변동이 있으면 모터속도의 순시강하가 발생해서 모터의 슬립이 크게되어 전류가 급격히 증가한다.
이 경우 파워트랜지스터소자의 허용전류값을 초과하는 이상전류가 흐르면 과전류보호기능이 동작한다. 이 보호동작레벨은 일반적
으로 인버터의 정격전류에 대해서 160~200%로서 전류는 <그림34>와 같이 홀 CT나 샨트저항 등으로 검출한다. 이외에 과혹한 단
시간 가속운전으로 출력전류가 급격히 증가한 경우에도 출력전류의 상승을 억제하고 과전류 보호에 의해 인버터를 정지시키지 안
고 커렌트리미트 기능이나 부하전류 등에 따라서 주파수의 상승을 억제하여 가속화시키는 스톨방지기능이 있다.
커렌트리미트 기능은 인버터의 출력전류가 정격전류값을 초과하고 미리 설정된 전류제한레벨에 도달했을 때 인버터회로부의 파워
트랜지스터소자의 동작을 일시적으로 정지시키거나 제한하여 제한값 이상의 전류를 흐르지 않도록 제어하는 것이다.
스톨방지기능은 인버터가속중에 미리 설정된 스톨방지 동작레벨에 전류가 도달하면 주파수와 출력전압의 상승을 중지하고 또한
가속중 전류증가를 방지하는 것이다. 모터의 가속이 인버터의 출력주파수에 추종하고 슬립이 적어서 모터전류가 감소하면 인버터
가 제차 가속된다.
3.2 과전압보호
이것은 평활회로부의 전압을 감시하고 전압이 높은 경우 인버터회로부의 파워트랜지스터소자의 출력을 차단하여 보호하는 것이
다. 평활회로의 전압이 상승하는 원인에는 2가지가 있다. 첫째는 감속 중의 모터로부터 회생전력의 영향이다. 이것은 부하의
GD2이 크고 인버터의 감속시간이 부하의 관성에 의해 자연정지 시간보다 짧을 때에 모터로부터 전력이 회생되어 평활회로부의
직류전압이 상승한다.
인버터 운전시 정지는 감속시간보다 속도를 늦추기 때문에 모터는 발전기로서 작용하여 부하의 회전에너지를 인버터에 회생시
키면서 감속정지하게 된다.
<그림35>에서 실선은 인버터로서 모터를 구동할 때 에너지의 흐름이다. 감속 정지할 때 점선과 같이 모터로부터 부하의 운전
에너지가 전지적에너지(회생에너지)로 변환되어 인버터를 거쳐 평활회로의 전해 콘덴서로 보낸다. 회생에너지가 모터의 여자
손실이나 인버터손실에 의해 소비된량보다 많은 경우 평활회로의 전해 콘덴서전압이 높게 되어 인버터는 과전압이 된다.
최근 인버터에는 직류전압을 검출해서 희망하는 값 이상의 전압이 되었을 때 자동적으로 감속시간을 연장해서 회생전력의
발생을 억제하는 기능이 설치되어 있다. 또한 제동저항회로를 부착하고 희망하는 값 이상의 전압이 되면 제동회로를 동작시키
고 회생전력을 저항기로서 소비하여 평활회로의 직류전압상승을 방지할 수 있다.
두 번쨰 원인은 전원전압의 상승으로서 전원전압상승에 의한 인버터내부회로소자의 파손이나 사고를 방지하기 위하여 직류전압
이 희망하는 값 이상의 전압으로 인버터를 정지시키는 기능이 내장되어 있다.
3.3 부족전압보호
전원전압이 희망하는 값 이하인 경우 인버터를 정지해서 보호한다. 인버터는 마이크로프로세서 등과 같은 전자제어회로가 많이
사용되나 전원전압이 저하함으로서 마이크로컴퓨터나 제어회로의 오동작 및 파워트랜지스터소자의 구동불능이 발생하게 된다.
또한 입력전원전압의 저하에 비례해서 인버터출력전압이 저하하기 때문에 모터의 발생토크가 저감하게 된다.
이 결과로 저감된 토크를 보완하기 위하여 모터전류가 증가하고 과전류보호가 작용하는 경우도 있다. 전압피드백제어에 의한
고성능 인버터에서는 전원전압이 변동해도 출력토크를 확보해서 제동시 과전류보호동작 등을 저감시킬 수 있다.
<그림 34 전압형 PWM제어 인버터의 회로구성> 
<그림 35 전압형 인버터에 의한 제동>
3.4 순시정전보호
전원계통의 고장이나 낙뇌 등의 정전에 의해 순시적으로 전원전압이 내려가는 경우 부족전압보호가 행해진다. 또한 복전(復電)후
신속하게 자동운전을 계속하고 싶은 경우 감속되어 있는 모터의 회전수를 검출해서 저전압에서 모터회전수에 상당하는 주파수를
출력하여 모터를 재시동하는 순간 논스톱제어기능을 내장한 인버터도 있다.
3.5 퓨즈보호 및 과열보호
파워트랜지스터소자등이 제어기능 상실로 인하여 소자의 파손사고가 발생한 경우 주회로에 설치된 퓨즈용단 또는 배선용 차단기
(MCCB)의 차단에 의해 전원계통과 인버터를 전환함으로서 사고의 확대를 방지한다. 퓨즈용단 또는 배선용 차단기가 차단된 경우
인버터 내부회로 및 소자가 손상되어 있는 경우가 많다 운전하기 전에 인버터를 점검하고 손상부품을 교환할 필요가 있다. 한편
인버터 주회로의 파워트랜지스터등은 냉각펜에 부착되어 방열하게 되는데 펜의 고장으로 설정온도가 넘을 경우 인버터 운전을
정지시켜 보호하게 된다.
| 4. 인버터주변기기 설정
인버터 설정이 끝나면 인버터운전에 의한 효율향상 인버터와 모터 보호 및 기기에 미치는 영향의 저감을 위하여 주변기기를 검토
하여야 한다.
<그림36>은 일반적인 주변기기의 구성도로서 인버터를 중심으로 전체의 주변기기를 접속한 경우의 예이다. <표2>는 인버터주변기기
에 대해 간단히 설명한 것이다.
<그림 36 인버터 주변기기의 구성> 
4.1 변압기
변압기는 송전용 고압전원을 부하에 맞도록 저압으로 변환하기 위하여 사용되며 변압기의 선정은 임피던스용량, 임피던스투입시
에 돌입전류와 이에 따르는 변압기 2차측의 전압강하를 고려하여 선정한다. 일반적으로 인버터용량의 1.5배이상인 변압기용량이
적당하며 구체적으로 용량선정에는 다음식을 사용한다. 인버터입력률은 전원용량(전원임피던스)에 의해서 변화하기 때문에 다음
과 같이 산정해서 변압기용량을 계산한다.
변압기용량[㎸A]=인버터 출력/(인버터입력율 ×인버터효율)(7)
여기서, 인버터입력역율 : 0.6~0.8(입력리액터 없음)
0.8~0.85(입력리액터 있음)
인버터 효율 : 0.95
인버터 출력 : 적용모터의 용량합계[㎾]
단, 이상은 PWM제어인버터인 경우이다.
다음에 선정된 변압기로서 인버터 전원투입시 전압강하를 검토한다. 인버터는 교류전원을 일단 직류로 변환하기 떄문에 내부의
주회로에 대용량 전해콘덴서를 설치한다. 인버터 전원투입시 전해콘덴서에 돌입전류가 흐르고 변압기의 2차측에 통상 이러한
현상을 억제하기 위하여 인버터내부에는 돌입전류 억제저항을 부착함으로서 인버터 정격전류의 2~3배 정도를 억제하고 있다.
그러나 변압기 용량이 충분하지 않으면 전압강하가 크게 되고 인버터의 부족전압 보호동작레벨(정격전압의 15~25%강하시)에 도
달해서 인버터가 트립하게 된다. 이 경우 전원투입시의 전압강하는 10%가 바람직하며 다음의 (8)식에서 구할 수 있다. 이 결과
10%를 초과하는 경우 (7)식에서 구한 변압기 용량을 수정할 필요가 있다.
<그림 37>은 임피던스가 5%인 변압기의 용량을 사용하였을 때의 전압강하를 나타낸다.
 <그림37 변압기용량과 전압강하>
4.2 배선용 차단기
배선용차단기는 전원의 개폐와 회로의 과부하 또는 단락사고 발생시 전원에서 인버터를 개방하여 사고의 확대를 방지하는 것이다.
인버터는 내부에서 전류값을 측정하여 인버터 출력측에서 동작으로 인버터 출력을 차단하고 전원과 부하를 격리시킨다. 그러나
인버터 내부가 고장인 경우 인버터 자체에 고장전류를 차단하는 기능이 없는 경우가 있으므로 배선용 차단기를 설치해서 전원
으로부터 격리시켜 사고확대를 방지한다.
배선용 차단기의 선정은 (a)정격전류값, (b)동작특성, (c)정격차단전류를 고려하여야 한다.
4.3 전자접촉기
인버터운전에 의한 모터의 시동 및 정지는 전자접촉기(電磁接觸器)뿐만 아니라 인버터 제어단자의 접점지령에 의해서 행한다.
따라서 운전상 점자접촉기를 생략할 수 있으나 인버터가 트립되었을 때 전원에서 격리시키는 경우나 제동저항기를 이용하는 경우
전자접촉기를 설치한다. 특히 <그림38>과 같이 제동회로의 파워트랜지스터소자가 단락모드로서 고장인 경우 단시간 정격의 제동
저항에 연속적으로 전류가 흘러 제동저항이 소손된다. 이 경우의 보완 제동저항에 부착된 과부하 계전기의 신호로서 전자접촉기
를 해방하게 되는데 정격전류가 인버터의 입력전류값보다 크거나 같아야 한다.
4.4 입력리액터
목적은 첫째 전원과의 협조, 둘쨰 역율개선, 셋째 고조파 대책이다. 첫 번째 것은 전원용량이 큰 경우, 사이리스터 전류(電流)
방식의 제어장치와 공통의 변압기에 접속되어 있는 경우 및 아크로와 외곡파 발생원이 동일한 전원계통에 접속되어 있는 경우,
큰 전압외곡인 경우 및 전원전압이 불평등일 때 협조를 도모한다.
역율 개선은 인버터의 입력전류와 전압이 정현파가 아닌 외곡파이기 떄문에 입력역율은 전원전압과 전류의 기본파 위상차가
cosθ로서 나타내는 기본파역율 뿐만 아니라 유효전력과 피상전력의 비로서 표시되는 총합역율로 나타낸다.
고조파 대책은 동일 계통에 역율개선용 콘덴서에 접속되어 있으면 인버터에서 발생하는 고조파가 역율개선용 콘덴서에 유입해서
전압이 상승한다든지 역율개선용 콘덴서에 나쁜 영향을 미치는 경우가 있다. 이때 고조파 전류의 영향에 대해서는 전원계통임피
던스를 고려해서 검토하면되나 일반적으로 역율개선용 콘덴서의 설치용량은 전원단락용량/200보다 적다고 한다.
4.5 과부하 계전기(THR)
표준 모터는 상용전원에서의 운전을 전제로 설계되어 있으며 인버터에 의해 정격회전수 이하로서 연속운전을 하면 정격전류에서
도 팬에 의한 냉각이 불충분하게 된다. 특정토크부하인 경우 정격회전수 이하에서도 모터전류가 거의 정격전류이기 때문에
모터의 온도상승이 크게 되고 최악의 경우에는 모터가 소손하게 된다. 이와 같은 저속영역에서는 정격전류치를 기준으로 하여
전류값의 대소로 보호를 하는 과부하 계전기에는 모터를 보호할 수 없다.
일반적으로 인버터는 전자서멀 보호기능을 구비하고 있어 모터의 허용특성에 맞는 보호를 위하여 외부에 과부하 계전기가 불필
요하게 된다. 그러나 표준전용 이외의 모터를 사용하고 한 대의 인버터로서 복수의 모터를 운전하는 경우에는 과부하 계전기에
의한 모터의 보호가 필요한데. 이때 주파수의 하한리미트기능을 병용해서 모터의 허용운전범위 이하의 주파수로서 운전할 것을
권장하고 있다.
4.6 상용전원전환회로
사용전원전환회로를 설치하는 목적은 상용전원과 같은 주파수로서 운전하는 경우에 운전효율 향상과 인버터가 고장이라도 운전을
계속시키고자하는 경우를 들 수 있다. 인버터 운전과 상용전원운전의 전환에는 인버터운전에서 상용전원운전으로 전환하는 경우
와 상용전원운전에서 인버터운전으로 전환하는 경우 모터가 정지하면서 전환할 필요가 있다.
후자의 경우 모니터가 프리런하는 중에 인버터로 전환하면 인버터 출력주파수와 모터회전수 차이에 의한 모터의 평활 증가로서
과전류가 흘러 인버터가 트립하는 것도 있다.
마이크로서지대책으로는 전동기의 절연내력을 향상시키고 인버터출력으로 마이크로서지 억제필터(LCR필터) 또는 교류리액터를
설치하는 것도 있다.
| 5. 인버터의 소음, 진동 및 발열등의 대책
범용 인버터는 대부분 펄스폭변조(PWM)제어를 이용하고 있고 출력전압파형은 정현파가 아니므로 모터에 흐르는 전류에는 많은 고조
파 성분이 포함되어 있다.
이 때문에 인버터로서 모터를 구동하는 경우 권선이나 철심이 고조파성분에 의해 진동하며 자기(磁氣)소음을 발생하게 된다.
정격주파수로서 인버터를 구동하는 경우 사용전원으로 구동하는 것에 비하여 모터소음은 5~10㏈(A) 정도로 크게 된다.
PWM제어 인버터로서 출력주파수를 내려 운전한 경우 모터의 냉각팬 풍음(風音)이나 베어링등의 기계음은 감소하나 고조파성분에 의
한 자기소음은 감소하지 않으며 전체의 소음값은 감소하지 않는다.
소음저하의 방법으로서 (1)자속밀도가 낮게 설계된 모터를 사용한다. (2)인버터 출력에 교류리액터를 삽입한다. (3)인버터출력에
출력파형(전류, 전압)을 정현파로 하기 위하여 필터를 삽입한다. (4)주 회로로서 고속스위칭소자(MOSFET)를 사용하고 PWM케리어 주
파수를 12㎑ 이상으로 올린 저소음(靜音)형 인버터를 사용한다. 최근 빌딩의 공조기계를 중심으로 급속히 보급되고 있다.
진동대책은 소음인 경우와 똑같이 진동이 증대하는데 고조파성분 특히 저차(기본주파수의 5차,7차)의 성분에 의해 발생하는 맥동
토크가 축계(軸系)에 진동을 주며 축계의 기본주파수와 일치하여 큰 진동을 발생하는 것이다.
진동저감대책으로는 (1)인버터출력전압(V/f비)을 내린다. (2)기계구조부의 강성(剛性)을 강화한다. (3)접속커플링을 탄성체로 한
다. (4)인버터출력에 교류리액터를 삽입한다. (5)PWM케리어주파수를 변경한다. 등을 들 수 있다.
인버터를 구동하는 경우 저속에서 고속까지 가변속운전을 하기 위하여 정격주파수 이외의 주파수로서 부하기계 등의 공진이 발생
하는 경우가 있다. 이 경우 공진주파수로서 연속해서 운전하는 것처럼 특정주파수를 점프해서 운전하는 것이 유효하다.
열설계(熱設計)는 일반적으로 정격운전시 약95%로서 입력의 약4~6%가 열손실로서 발생하여 수납반(收納盤)내의 온도를 상승시킨다.
이를 위하여 수납반 설계시 수납반내의 냉각에 대해 충분한 고려를 해야할 것이다.
이상과 같이 인버터의 유도전동기 구동을 중심으로 대략적으로 기술하였다. 최근에는 우수한 고속스위칭 소자가 개발되어 이용되고
있으나 앞으로 고조파성분을 억제하기 위한 필터설계와 소음, 진동, 발열 등의 억제대책에 대하여 체계적인 연구가 필요할 것이다. |
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