[인버터] 인버터의 정의와 종류

오늘은 인버터의 정의와 종류에 대해 알아보겠습니다.

 

'인버터 냉장고, 인버터 에어컨...' 언젠가부터 생활 속에 인버터란 단어가 많이 들어오고 있습니다.

과연 인버터는 어떤 장치일까요?

 

인버터는 사전적으로 '전기적으로 직류(DC)를 교류(AC)로 변환하는 장치를 의미합니다. 잘 와닿지가 않지요. 실질적인 의미는 바로 '전압과 주파수를 가변 시켜 모터의 속도와 토크를 제어하는 장치'입니다. 즉 여러 전자제품 속에 있는 모터가 돌아가는 빠르기와 힘을 조절하는 기기인 것이지요. 그래서 바람의 강약을 조절하는 에어컨, 냉기의 강도를 조절하는 냉장고 등에 이 인버터가 들어가는 것입니다.

 

하지나 이렇게 사전적 의미와 실질적 의미가 차이가 있다보니 인버터를 부르는 명칭도 지역과 업종에 따라 다릅니다. Inveter, VFD(Variable Fequescy Drive), VVVF(Variable Voltage Variable Frequency), VSD(Variable Spped Drive) 등이 모두 인버터를 가리키는 말입니다.

인버터

인버터를 사용할 경우 아래와 같은 장점이 있습니다.

설비의 소음과 진동을 감소시켜 쾌적한 환경을 제공합니다. 부드러운 움직임과 정지로 설비를 보호할 수 있습니다. 에너지 절감 효과가 큽니다. 우수한 제어 운전으로 설비의 최적 운전이 가능합니다. 기동시 기동 전류를 감소시켜 전류 최대치를 감소시킬 수 있습니다. 그리고 이러한 결과 생산성을 향상시키고 유지보수에 소요되는 시간과 비용을 절약할 수 있겠습니다.

 

이런 인버터는 주회로 방식에 따라 전류형 인버터와 전압형 인버터로 구분됩니다.

전류형은 전류원의 직류에서 교류로 변환하는 방식이며, 전압형은 전압원의 직류에서 교류로 변환하는 방식입니다.

전압형 인버터는 출력의 제어방식에 따라 PAM방식과 PWM 방식으로 구분됩니다.

(*PAM: Pulse Amplitude Modulation), PWM(Pulse Width Modulation)

 

먼저 전류형 인버터는 직류회로에 리액터를 사용하여 전류를 일정하게 유지하여 싸이리스터 등으로 전류 회로를 형성하여 AC를 출력하는 방식입니다. 관성 부하의 정역 운전 등에 유리하지만 비싼 것이 단점입니다.

 

전압형 인버터 중 PAM 방식은 펄스 파고치 변조 인버터로 순변환부에 가변의 직류전압을 만들어 인버터의 출력 전압을 제어합니다. 고주파 인버터에는 필수적인 방식이며 최근에는 모터의 저소음 목적으로 많이 사용합니다. 모터 효율과 시동 토크에는 다소 문제가 있습니다.

전압형 인버터 둥 PWM 방식은 직류회로에 콘덴서를 사용하여 전압을 일정하게 유지하면서 트랜지스터, IGBT, GTO를 사용하여 직류전압을 스위칭하는 방식입니다. 펄스의 폭을 변화시켜 출력 측의 교류전압을 가변 하며 효율, 모터의 토크 특성이 좋고 경제적이기에 범용 인버터는 대부분 이 방식을 사용합니다.

 

인버터는 컨버터부, 돌입전류 억제회로부, 평활부, 회생 제동부, 인버터부로 구성되어 있습니다.

컨버터부는 인버터에 입력부로써 AC상용전원을 다이오드를 통해 DC로 정류해주는 역할을 합니다. 돌입 전류 억제 회로부는 전압을 처음 인가할 때 급작스럽게 높은 돌입 전류가 발생하는 것을 충전 저항을 통하여 전류를 감소시켜 인버터의 손상을 막아주는 부분입니다. 평활부는 컨버터부에서 정류된 맥류파형의 전압을 콘덴서로 평활한 DC 전압으로 바꾸어주는 부분입니다. 회생 제동부는 전동기로부터 발생하는 회생 에너지를 제동 저항을 통해 소비시켜서 평활부의 캐패시티를 보호하는 회로입니다. 인버터부는 평활된 DC 전압을 IGBT, GTO 등의 스위칭 소자를 이용하여 PWM(Pulse Width Modulation) 방식을 통하여 AC 전압으로 만들어줍니다.

 

이러한 인버터의 부분을 활용하여 제어가 가능한데 제어 방식에 따라 크게 Vector 제어와 V/F 제어 방식으로 구분됩니다. Vector 제어는 정밀한 속도 제어 및 Flux 일정 제어가 가능하고 고기능 토크를 제어할 수 있습니다. 이에 엘리베이터와 에스컬레이터 등에 사용됩니다. V/F 제어는 하드웨어와 소프트웨어가 간단하고 적용이 용이하나 토크 제어가 불가하고 부하 변동에 따른 응답이 늦어 단순 제품인 Fan, Pump 등에 많이 사용됩니다.

인버터 엘리베이터

인버터의 원활한 작동을 위해서는 여러 주변기기의 지원이 필요합니다. 지원기기에는 AC Reactor, DC Reactor, 노이즈 필터, 출력 필터, 회생 유닛/저항, 엔코더 등이 있습니다. AC reactor는 전원의 역률을 개선하고 고조파나 외부 서지를 저감 시켜주는 장치입니다. DC Reactor는 다이오드 평활 콘덴서 손실을 저감 시키는 기능을 가지고 있습니다. 노이즈 필터는 입력 전원 노이즈 저감 및 전원 라인과 그라운드에 발생하는 노이즈를 저감 시켜줍니다. 출력 필터는 인버터의 스위칭 특성 영향으로 발생되는 노이즈를 저감 시킵니다. 회생 유닛/저항은 모터에서 발생되는 회생에너지를 소비시켜 감속 시간을 단축시키거나 인버터의 과전압 Trip을 방지해 줍니다. 마지막으로 엔코더는 모터의 실제 회전 속도를 측정하고 형태에 따라 절대적인 위치를 알게 해줍니다.