가변 속도 모터 드라이브 및 인버터 탄생
최근 가변 속도 모터 드라이브는 유도 모터 및 동기 모터와 같은 교류 모터의 속도 제어 기술을 중심으로 합니다. 그렇지만 실은 옛부터, 직류 모터가 속도 제어의 용이함으로부터 가변속 드라이브의 대표로서 널리 사용되고 있었습니다. 다만, 직류 모터에는 정류자나 브러시의 마모부가 있기 때문에, 정기 점검과 브러시의 교환이 필요해, 분진이 많은 장소 등 악 환경에서의 적용을 할 수 없는 등의 과제가 있었습니다. 그 때문에, 직류 모터와 마찬가지로 교류 모터의 속도 제어를 간단하게 할 수 있는 기술의 개발이 요구되고 있었습니다.
1958년 미국의 GE사가 제어 능력을 가진 반도체 소자 사이리스터를 개발하여 인버터에 의한 유도 모터의 가변속 드라이브의 길을 새롭게 열었습니다. 인버터(Inverter)란 「역변환하는 것」이라는 의미입니다. 인버터 장치는 교류(삼상 또는 단상)를 일단 직류로 변환하고, 이 직류를 다시 「주파수를 자유자재로 바꿀 수 있는 삼상 교류」로 변환하는 것으로, 교류 모터의 회전수, 즉 속도를 제어할 수 있는 구조로 되어 있습니다. 직류를 교류로 변환하려면 이 스위칭이 가능한 반도체 소자 사이리스터를 사용하는 것입니다.
사이리스터의 한계
바카라 사이트의 인버터 개발은 1960년대까지 거슬러 올라갑니다. 당시에는 인버터에 응답이 느린 사이리스터가 사용되었습니다. 제어 기술도 유도 모터의 V/f 제어(유도 모터에 가하는 전압과 주파수의 비를 일정하게 하는 제어)가 주체로 속도 제어 범위도 1:10 정도 이하로 응답도 그다지 빠르지 않고 단순 가변속용 등 비교적 부하 변동이 적은 용도에 적용되고 있었습니다. 빠르고 역동적인 제어가 요구되는 용도로는 제어성이 좋은 DC 모터가 사용되었습니다. 다양한 용도에 인버터를 보급하는 대처 중, 사이리스터에는 한계가 있었습니다.
세계 최초의 트랜지스터 인버터
이와 같은 배경에서 우리는 반도체 제조업체와 협력하여 고속 스위칭이 가능한 파워 트랜지스터를 적용한 인버터 개발에 착수했습니다. 수년간의 시행착오와 수많은 어려움을 극복해 공작기계용 고속 모터 드라이브의 개발에 성공해 1974년에 세계 최초의 PWM 제어형 트랜지스터 인버터(VS-616T)의 제품화에 이르렀습니다. 이후 다양한 트랜지스터 인버터를 제품화하여 인버터의 기술 개발을 선도하기 시작했습니다.
단지, 당시의 제어 방식은 V/f 방식이 채용되어 속도 제어 범위와 속도 제어 정밀도의 면에서는 이상적이라고는 할 수 없었습니다. 구조가 견고한 유도 모터에 직류 모터와 같은 제어 특성을 갖게 하기 위해 벡터 제어의 개발에 착수했습니다.
벡터 제어의 탄생
1970년대 초에 독일 Siemens가 자계 오리엔테이션 제어를 발표했으며 유도 모터가 직류 모터와 동일한 방식으로 제어할 수 있다는 이론을 제시했습니다. 우리의 젊은 엔지니어는 기술 잡지 소개 기사에서 자기장 오리엔테이션 제어를 알고 떨었습니다. 곧 논문을 들고 이론을 실현하는 한 걸음을 내디뎠습니다. 당시는 고속·대전력의 파워 트랜지스터가 실용화되기 시작하고 있어, 선행 개발하고 있던 PWM에 의한 순시 전류 제어의 적용에 의해 이론의 실현이 가능하게 되었습니다.
그러나 벡터 제어 연산에 필요한 벡터 분석기나 벡터 회전기 등을 구성하는 고성능 곱셈 장치는 없으며 수천 개의 개별 부품을 사용하여 회로를 설계했습니다. 이러한 고생의 결과, 이론대로의 성능이 발휘되는 것을 확인할 수 있어 더욱 자속 센서를 필요로 하지 않는 보다 실용적인 미끄럼 주파수 제어형 벡터 제어를 독자적으로 발명한 것으로, 옴 기술상을 수상했습니다. 본 발명에 의해 유도 모터가 직류 모터처럼 지령대로 민첩하게 움직인다는 벡터 제어가 당사에서 탄생했습니다.
벡터 제어 적용
벡터 제어 드라이브의 첫 번째 적용은 1978년 제철소의 연속 주조 장비에서 수행되었습니다. 유해 가스나 분진이 많아 주위 온도도 100℃로 고온으로 직류 모터를 사용할 수 있는 환경이 아니었습니다. 1:40이라는 넓은 속도 제어 범위가 필요한 환경에서 유도 모터의 V/f 제어로는 실현 불가능했습니다. 그것이 벡터 제어에 의해 가능해지고, 속도 검출기를 갖추고, 유도 모터의 특징과 벡터 제어의 성능이 발휘된 제1호기 「Varispeed-626TV」가 탄생했습니다. 이 벡터 제어 드라이브는 한층 더 적용이 넓어, 세계에서 최초의 전 AC화가 가능해 메인터넌스 불필요의 연속 주조 설비를 실현해, 지금도 그 현장에서는 100대 가까운 롤을 구동하고 있습니다. 그 이후, 내환경성 등도 있어, 현재는 속도 검출기를 필요로 하지 않는 센서리스 제어가 보급되고 있습니다.
수요와 함께 성장
인버터에 의한 유도 모터 드라이브는 당초는 단순 가변속 제어였지만, 벡터 제어의 적용에 의해 고성능 드라이브가 실용화되면, 토크 제어가 가능하고 직류 모터 드라이브로 바뀔 때까지 이르고, 또한 디지털 회로나 파워 트랜지스터, 전력 변환 기술의 진보에 의해 소형화・고성능화・다기능화 최근에는영구 자석이 내장된 동기식 모터 드라이브역시 제품화되었으며, 파워 일렉트로닉스 기기를 대표하는 인버터는 다양한 제어 기술을 융합하여 많은 요구에 대응하여 계속 발전하고 있습니다.
