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[단기연재] 인버터의 종류, 특징, 선정
2005년 9월 3일 (토) 12:12:00 |   지면 발행 ( 2005년 8월호 - 전체 보기 )

인버터의 종류, 특징, 선정종래 팬·펌프의 에너지 절감을 목적으로 인버터는 단순 가변속부터 요즘 각종 기계에서의 폭넓은 용도로 적용이 확대되고 있다.용도에 따라 인버터에 요구되는 성능, 기능은 달라서 인버터 제조회사는 성능, 용량에 따라 여러 가지 시리즈의 제품화를 하고 있다.인버터 성능·용도에 따라 기종선택, 인버터 용량선택, 주변기기의 선정에 대해 소개한다.인버터 성능·용도에 따른 기종 선택인버터의 기본성능은 <표1>에 표시한 대로 제어방식으로 결정된다. 드라이브 성능은 종래의 V/F 일정제어<센서리스 벡터제어<센서부착 벡터제어의 수순으로 고성능이 된다.1. 각 제어 방식에 관해서(1) V/F 일정제어유도전동기의 회전속도 N은 (120*주파수) / 극수에서 나타난다. 식에서 주파수만으로 유도전동기를 연속적으로 가변속할 수 있지만, 실제로는 자속을 일정하게 유지하기 위해 <그림1>과 같이 전압(V)와 주파수(F)의 비율을 일정하게 제어하고 있다.이 제어방식은 인버터의 구성이 간단하고 저렴한 가격으로 출하되는 장점인 동시에 저속에서의 토크가 부족하거나 부하변동에 따른 속도변동이 크다는 단점도 있다. (2) 벡터제어V/F 일정제어의 단점을 개선해 제어성이 가장 좋다고 생각되는 직류전동기의 전기자 제어방식과 동등이상의 성능(고응답, 고정밀도 등)을 유도전동기에서 실현시킨 제어방식으로 벡터제어가 제안됐다. 또, 전류 벡터제어는 토크 제어도 가능하다.<그림2>와 같이 유도전동기 내부의 자속분 전류와 자속과 직교해 토크를 발생하는 토크분 전류를 벡터합성(각도θ를 제어)해 제어하는 것에서 벡터제어라고 불리고 있다.벡터제어는 전동기 회전속도를 검출해 제어회로에 사용하는 피드백제어를 채용하고 있다. 이 때문에 유도전동기에는 속도검출기(인코더, 리졸버 등)를 장착할 필요가 있다. 요즘은 센서를 이용하지 않는 센스리스 벡터제어도 하고 있기 때문에 실회전 속도를 센서로 검출할 경우에는 센서부착 벡터제어라고 불린다.센서부착 벡터제어에는 속도검출기와 위치검출기를 겸한 센서를 사용함으로써 서브모터와 같은 모양의 위치제어도 가능해 진다.(3) 센서리스 벡터제어센서리스 벡터제어는 속도검출기(인코더, 리졸버 등)를 사용하지 않고 전류에서 연산에 따라 회전속도를 구해 벡터제어를 한다. 종래 상용되는 유도전동기를 그대로 사용하는 것이 가능하고 종래의 V/F 일정제어에서는 얻을 수 없었던 고성능이 쉽게 실현되는 방법으로 개발됐다.센서리스 벡터제어는 각 전류 지령치와 실제의 전류치를 일치시키는 전류제어회를 지닌 전류 벡터제어와 전압을 연계해 전류를 간접적으로 제어하는 전압 벡터제어가 있다. 전류 벡터제어는 전류제어를 하기 때문에 토크제어를 할 수 있지만, 전압 벡터제어에서는 토크제어가 불가능하다.2. 용도에 따른 선정인버터는 각 제어방식과 조합한 전동기에 의해 <표1>에 나타난 대로 속도제어범위, 응답성, 속도제어정밀도, 시동토크, 토크제어의 가부, 위치제어의 가부가 다르다. 실제 선정에 관해서는 필요한 성능, 기능, 가격을 고려해 요구 내용을 만족하는 기종을 선정하는 것이 중요하다.다음에 대표적인 부하 선정 예를 서술한다.(1) 팬·펌프팬·펌프 부하특성은 일반적으로 2배 저감 토크 특성 때문에 인버터로 가변속하면 에너지절감 효과가 높아 인버터 채용을 보급하고 있는 용도이다. 시동토크도 일반적으로는 30%이하이고, V/F 일정제어에서 적용될 수 있다.(2) 휘스트·자동창고·반송기반송기계는 일반적으로 토크가 속도에 비해 거의 일정하게 정해진 토크부하이다.상승은 감아올릴 때 하중이 가해지기 때문에 큰 시동토크가 필요하고, 시동토크가 부족하면 속도가 떨어질 위험이 있다. 필요한 시동토크는 150%이상이 일반적이다. 속도제어범위와 속도에서 중속도용은 센서리스 벡터제어, 고속에서 고정밀도용은 센서부착 벡터제어를 적용한다.(3) 업무용 세탁기세탁(2∼8Hz), 헹굼(10Hz 전후) 밸런스(15Hz 전후), 중간탈수(70∼100Hz), 고속탈수(150∼200Hz)로 속도제어 범위가 넓고 또 시동토크도 크다. 부하변동에 의한 속도차를 적게 하기 위해서도 센서리스 벡터제어를 적용한다.(4) 와인더·언와인더주속이 일정한 속도제어와 장력이 일정한 토크제어로 사용되는 경우가 있다. 속도제어범위도 넓고 정밀도가 요구되기 때문에 센서리스 벡터제어 및 센서부착 벡터제어를 적용한다. (5) 사출성형기·유압기계종래의 유압펌프 전동화는 시동토크가 크고 또 응답성이 필요해서 센서부착 벡터제어를 적용한다.3. 인버터 시리즈토시바슈네딜·인버터(주)에서는 <표2>와 같은 용도, 용량에 대응해 최적의 인버터로 개선해 사양마다 시리즈화 해 내놓고 있다.(1) VF-S7e 시리즈·V/F 일정제어의 초소형/간단 인버터·단순가변속에 최적(2) VF-S9 시리즈·센서리스 전압벡터제어로 저속에서 150%이상 시동토크·전기종 노이즈 필터 내장·<그림3>에 외관 사진을 표시(3) VF-P7 시리즈·중/대용량 팬/펌프에 최적·자동 에너지절감 모드, PI제어 내장(4) VF-A7 시리즈·V/F 일정제어, 센서리스전압 벡터제어, 센서리스 전류 벡터제어, 옵션 기판과의 조합으로 센서부착 벡터제어에 대응·<그림4>에 외관 사진을 표시인버터 용량 선정전동기 용량이 결정되면 카탈로그에서 용량 선정 목적으로 인버터 용량에 대한 적용 전동기가 기재되고 있기 때문에 용이한 선정이 가능하다. 단 아래와 같은 조건으로 적용이 정해져 있기 때문에, 그 조건에서 벗어난 용도에서는 조건에 관한 용량 개정이 필요하다.① 제조회사의 표준전동기(일반적으로 4극 전동기)의 전류치를 기준으로 한다. 다극전동기 특수전동기의 경우에는 전류치가 큰 경우가 있어 전류치의 확인이 필요하다.② 인버터와 전동기는 동시 운전을 전제로 해 인버터 운전 중 개폐기에 따른 순차시동은 큰 전류를 공급할 필요가 있다.③ 인버터의 과부하내량(일반적으로 150%전류) 이내에서 가속, 감속이 가능한 가속/감속 시간의 설정을 전제로 한다. 급가감속이 필요한 용도, 특성모멘트가 큰 용도에서는 주의가 필요하다.1. 전동기 전류 치에 따른 선정(1) 전동기가 1대인 경우전동기 정격전류보다 큰 정격출력 전류의 인버터를 선정한다. <표3>(1)식 참조 인버터의 출력은 완전한 정현파에서는 없기 때문에 전동기의 전류가 증가하는 경향이 있어 1.05 안전계수를 적용한다.(2) 전동기가 여러 대로 동시에 시동되는 경우여러 대의 동시 시동은 <표3>(2)와 같이 전동기 정격전류 합계 치를 기준으로 한다. (3) 전동기가 여러 대로 순차 시동하는 경우인버터 운전 중에 몇 대인가 전동기를 뒤부터 순차적으로 시동하는 경우에는 그 시동전류와 이미 운전 중인 전동기의 운전전류와의 조화가 인버터 과부하 내량이내로 하도록 선정한다. <표3>(3)식 참조2. 가감속 시간의 지정이 있는 경우(1) 가속 시간의 지정이 있는 경우가속 시간은 <표3>(4)식에서 구해진다. 지정 가속시간으로 되지 않는 경우에는 인버터 및 전동기 용량을 크게 할 필요가 있다.(2) 감속시간의 지정이 있는 경우감속시간은 <표3>(5)식에서 구해진다. 감속 시는 전동기가 발전기가 되어 에너지를 인버터 측으로 흡수할 필요가 있다. 일반적으로 제동토크는 인버터 내부 콘덴서에서는 전동기 정격의 20%, 제동저항을 이용하는 경우에는 전동기 정격의 80∼100%이다. 지정 감속시간이 되지 않는 경우에는 제동저항 적용의 가부, 인버터 및 전동기 용량을 크게 하는 등의 검사가 필요하다.주변기기의 선정1. 주변기기인버터 주변기기를 <그림5>, <표4>에 나타냈다. 인버터를 사용하는 경우에는 설치환경에 따라 고조파, 노이즈, 누설전류, 서지 등의 문제가 발생하는 경우가 있다. 적절한 주변기기를 조합해 대응 가능하다. 또 인버터의 성능을 충분히 발휘시키기 위해서는 제동저항기, 제동저항 유닛 및 전원회생 유닛도 준비한다.2. 인버터 전용전동기앞에서 서술한 것과 같이 인버터는 벡터제어 등에 따라 저속에서도 150%이상의 토크를 발생시킬 수 있다. 표준전동기는 저속에서는 냉각효과가 나빠지기 때문에 주파수에 따른 토크저감이 필요하다.저속에서 연속 100% 토크가 필요한 경우에는 인버터 전용 전동기(토시 바슈네딜·인버터(주) VF 모터)를 적용한다. 제어방식에 따라 인버터 성능의 차이, 인버터 용량선정, 주변기기의 선정에 관해서 서술했다.

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