가변 속도 운전의 주역 주파수
인버터는 모터의 속도를 어떻게 바꾸는가?
모터의 속도, 즉 회전수를 변경하려면 모터에 주는 주파수 f(Hz)를 변경합니다. 주파수 값이 높으면 모터가 빨리 회전하고 주파수 값이 낮으면 모터가 천천히 회전합니다.
인버터는 주파수를 변경하여 가변 속도 운전을 가능하게 합니다.
그런데 정격 상용 전원에서 광범위한 주파수를 생성하기 위해 인버터는 무엇을 했습니까?
인버터의 전력 변환 회로는 정류 회로, 중간 회로 및 역변환 회로로 구성됩니다. 인버터는 교류 전압을 정류 회로로 직류 전압으로 변환하고, 직류 전압을 직류 중간 회로로 평활하게 한다. 그리고, 그 평활된 직류 전압을 역변환 회로로 임의의 교류 전압·주파수로 변환하여 모터에 인가합니다. 이러한 전력 변환은 반도체 소자인 파워 트랜지스터의 고속 스위칭에 의해 실현된다. 스위칭 제어의 차이로 인해 출력되는 주파수가 다릅니다.
전력 변환 방식 PAM 방식과 PWM 방식
인버터의 전력 변환 방식에는 PAM(pulse amplitude modulation: 펄스 진폭 변조) 방식과 PWM(pulse width modulation: 펄스 폭 변조) 방식이 많이 적용되고 있습니다.
PAM은 주파수 높이를 변경하는 제어입니다. 비교적 낮은 스위칭 주파수로 변환 가능하며 에어컨 등 가정용 제품에 널리 사용되고 있습니다.
그러나 PWM은 주파수 폭을 변경하는 제어입니다.
소정의 스위칭 패턴(지령된 주파수와 전압)에 의해 순간적으로 ON/OFF해 3상 교류로 변환할 수 있으므로, 광범위한 가변속 드라이브를 필요로 하는 산업 분야에서 보급되고 있습니다.
인버터 제어 방식 V/f 제어 및 벡터 제어
기계에는 다양한 종류가 있으며 다양한 움직임이 있습니다. 인버터에서 출력되는 주파수를 어떻게 제어하여 각 기계에 맞는 모터 회전을 할까요?
범용 인버터의 표준 제어 방식에는 V/f 제어와 벡터 제어가 있습니다. V/f 제어는 인버터로부터 출력된 전압(V)과 주파수(f)의 비를 일정하게 한 제어 방법입니다. 예를 들어, 전원 전압 200V급 인버터의 경우 60Hz에서는 200V, 30Hz에서는 100V를 출력합니다. V/f 패턴으로 정해진 주파수와 전압을 그대로 출력할 수 있으므로, 1대의 인버터로 동시에 복수대의 모터를 돌릴 수 있습니다. 한편, 벡터 제어는 모터에 흐르는 전류 중 토크가 되는 전류(토크 분 전류)와 회전자에 자계를 발생시키기 위한 전류(여자 전류)를 나누어 생각하여 모터 전류의 방향을 벡터 연산하여 제어하는 방법입니다. 모터의 특성에 맞는 전류를 흘릴 수 있으므로 오차가 적고 정밀도가 좋은 운전을 할 수 있습니다.
유도 모터의 회전에는 '미끄럼'이 필요합니다
그럼, V/f 제어와 벡터 제어를 어떻게 구사할까요? 인버터 제어의 특징을 말하기 전에 먼저 모터의 "미끄럼"에 대해 간략하게 설명해 봅시다. 유도 모터의 회전에는 "슬립(slip)"이라는 것이 필요합니다. 미끄럼은 고정자의 회전 주파수에 대한 회전자의 회전 주파수의 지연입니다. 유도 모터의 회전 속도는 고정자와 회전자 사이에 발생하는 전자기력을 이용하기 때문에, 이 「미끄럼」이 없으면 토크를 발생시킬 수 없습니다. 모터 부하가 클수록 「미끄럼」이 커지고, 회전 속도의 지연도 커집니다.
벡터 제어를 통해 실시간으로 "미끄럼"을 계산하고 승산하여 모터에 적용하므로 모터의 회전 수는 부하의 크기에 따라 변하지 않고 일정한 속도 제어가 가능합니다. 아래 그림의 컨베이어를 예로 하면, V/f 제어에서는 짐이 실려 있는 경우와, 그렇지 않은 경우에 컨베이어 속도에 변화가 생깁니다. 벡터 제어는 수하물의 무게에 관계없이 일정한 속도 제어가 가능합니다.
제어 성능에서 본 각각의 특징과 용도
인버터의 제어 성능은 저속 토크, 속도 제어 범위, 속도 제어 정밀도 등의 지표로부터 판단할 수 있습니다. 저속 운전을 할 경우, 부하가 커지면 「미끄럼」도 커져 모터 회전수가 저하합니다. V / f 제어에서는 경우에 따라 모터가 정지합니다. 벡터 제어에서는 큰 토크를 낼 수 있으므로 저속에서도 정지하지 않고 운전 가능합니다. 속도 제어 범위와 속도 제어 정밀도에 있어서는, V/f 제어와 비교하여 벡터 제어는 모터 전류의 벡터 연산에 의해 모터의 특성을 최대한으로 끌어낼 수 있으므로, 제어 범위가 넓고, 오차가 적은 가변속 운전을 실현할 수 있습니다. 단, 각각의 모터 특성에 맞추어야 하기 때문에 모터 파라미터 설정이 필요합니다. 또한 동시에 여러 개의 모터를 돌릴 수 없습니다.
