목차
표준 모터의 회전 속도를 가변 시키기 위해서 인버터가 출력하는
가변 주파수, 가변 전압을 만들어 내는 기본 회로의 동작 원리를 설명합니다.
1. 인버터의 구성
상용 전원(교류 60Hz)으로부터 모터를 가변 속 운전하기 위해서 임의의 주파수의
교류 전원을 만드는 범용 인버터는 상용전원을 일단 직류로 바꾸는 것과 동시에
이 직류에 포함되는 맥동분을 부드럽게 하는 컨버터부와 직류를 가변 주파수의
교류로 바꾸는 인버터부의 주회로 및 이것들을 제어하는 제어 회로로 구성되어
있습니다.
교류를 직류로 변환하는 순변환 장치를 컨버터,
직류를 교류로 변환하는 역변환 장치를 인버터라고 합니다.
단, 범용 인버터 장치에서는 컨버터부도 포함한 장치 전체를 칭해서
인버터라고 말하고 있습니다.
2. 컨버터부의 동작
컨버터부는 그림에 나타내듯이 컨버터, 평활용 콘덴서, 돌입전류 억제 회로로 구성되어 있습니다.
(1) 컨버터의 원리
컨버터는 교류전원으로부터 직류를 만드는 장치이지만,
그 기본 원리를 가장 간단한 단상 교류로 생각해 보겠습니다.
정류 회로 그림은 평활 콘덴서 대신에 저항을 부하로 한 예로, 교류를 직류로 변환하는 방법입니다.
사용 소자는 다이오드입니다. 다이오드는 전압을 거는 방향에 따라 그림과 같이 전류가 흐르거나
흐르지 않는 성질을 갖고 있습니다.
이 성질을 이용해서 정류 회로 그림의 A, B 간에 교류 전압을 인가하면 부하에 걸리는 전압 그림과 같이
부하에는 항상 같은 방향으로 전압이 인가됩니다.
즉, 교류가 직류로 변환된 것이 됩니다.(교류를 직류로 변환하는 것을 일반적으로 정류라고 합니다.)
3상 교류 입력의 경우, 다이오드를 6개 조합해서 교류 전원을 전파 정류하면 그림에 나타내는 것 같은
출력 전압이 됩니다.
정류의 원리는 부하를 저항기로 설명했지만 실제는 평활용 콘덴서가 부하가 됩니다.
이 경우의 입력 전류 파형은 교류 전압이 직류 전압 이상일 때만 흐르기 때문에
정현파 파형은 아니고 그림에 나타내는 왜곡 파형이 됩니다.
(2) 정상시 (모터 운전시)의 교류 입력 전류
3상 교류 입력의 경우, 다이오드를 6개 조합해서 교류 전원을 전파 정류하면
아래 그림에 나타내는 것 같은 타이밍으로 다이오드가 도통해서, 입력 전류 파형도
단상 전원의 경우와 같이 왜곡파 전류가 됩니다.
평활용 콘덴서 C는 다이오드로 정류한 3상 전파 정류 파ㅠㅕㅇ을 맥동분이 적은 직류로
평활합니다. 직류 전압은 인버터 정지 시, 최대로 교류 입력 전압의 √2배(AC200V에서
약 DC280V) 가 됩니다.
인버터 운전시는 출력(토크, 회전 속도)에 의해 직류 전압은 다소 변동합니다.
3상 교류 입력 전압이 불평형이 되면, 교류 입력 전류는 현저히 언밸런스하게 되는 경우가 있습니다.
특히 직류 모선 전압이 높은 경 부하 시에 일어나기 쉽고, 극단적인 경우에는
결상상태가 되지만, 인버터의 이상은 아닙니다.
인버터의 입력 전류는 3상 불평형이 되기 때문에, 전류를 측정하는 경우에는
3상 모두 측정해 비교하여 주십시오. 직류 모선 전압은 인버터의 단자 P-N 간을
테스터로 측정할 수 있습니다.
400V(200V) 클래스의 인버터의 직류 모선 전압은 최대 DC800V(DC400V)가
되기 때문에 측정시에 주의해 주십시오.
(3) 전원 투입 시의 교류 입력 전류
인버터의 전원 투입시는 평활용 콘덴서를
충전하기 위해서 큰 돌입전류가 흐릅니다.
이 때문에 그림의 억제 저항기로 돌입 전류의
피크값을 억제합니다.
평활용 콘덴서의 충전이 완료하면 억제 저항기의
양단을 릴레이 등으로 단락 합니다.
인버터의 전원을 전자 접촉기(MC) 등으로 빈번히 개폐하면, 그때마다 컨버터에 피크 전류가
흘러서 다이오드의 수명을 줄이게 됩니다. 또한 돌입전류 억제 회로의 개폐 수명에도 영향을
미치기 때문에 하루에 수회의 개폐에 그쳐야 합니다.
3. 인버터의 원리
(1) 직류로부터 교류를 만드는 방법
인버터는 직류 전원으로부터 교류를 만드는 장치이지만, 그 기본 원리를 가장 간단한
단상 교류의 경우로 생각해 보겠습니다.
그림은 모터 대신 램프를 부하로 했을 경우의 예로, 직류를 교류로 변환하는 방법을 설명합니다.
직류 전원에 접속한 4개의 스위치 S1~S4를 교대로 ON-OFF 하는 것에 의해
그림과 같은 교류를 만들 수 있습니다.
- 스위치 S1과 S4를 ON 하면 램프 L에는 화살표 A의 방향으로 전류가 흐릅니다.
- 스위치 S2와 S3을 ON 하면 램프 L에는 화살표 B의 방향으로 전류가 흐릅니다.
- 따라서 스위치 S1과 S4, 스위치 S2와 S3의 조합으로, 스위치를 교대로 ON-OFF 시키면, 램프 L에 흐르는 전류의 방향이 교대로 반전하는 교류가 됩니다.
(2) 주파수를 변화시키는 방법
스위치를 ON-OFF 하는 시간을 변경하는 것에 의해 주파수를 가변 합니다.
예를 들면, S1과 S4를 0.5초 ON, S2와 S3을 0.5초 ON으로 하는 동작을 반복하면,
1초간에 1회 방향이 반전하는 교류, 즉 주파수가 1Hz의 교류가 됩니다.
(3) 교류 전압을 바꾸는 방법과 그 종류
스위치를 ON-OFF 하는 시간을 더욱더 세세하게 ON-OFF 하는 것에 의해 전압을 가변 합니다.
예를 들면, 스위치 S1과 S4가 ON 하는 시간 내를 반으로 하는 동작을 실시하면,
평균 출력 전압은 직류 전원 E의 절반의 전압 E/2의 교류가 됩니다.
전압을 높게 하려면, ON 시간을 길게, 낮게 하려면 ON 시간을 짧게 합니다.
범용 인버터의 제어방식은 인버터부가 전압원이기 때문에 전압형이라고 말하는 방식으로,
그 전압의 가변 방법에 따라 아래와 같은 종류가 있습니다.
이 제어 방식의 차이에 따라 표준 모터의 특성 (진동, 소음, 토크 리플, 모터 전류 리플, 토크 응답성 등)
이 변화합니다.
(4) 3상 교류의 경우
스위치 S1~S6을 아래 그림과 같은 순서로 ON,OFF
시키면 U-V, V-W, W-U 간에는 등간격의 펄스 파형을
얻을 수 있으며, 모터에는 구형파의 교류 전압이 인가됩니다.
(5) 인버터부의 구성
스위치 대신에 6개의 트랜지스터를 사용해서
그림과 탄이 구성하고, 표준 모터를 접속해서
트랜지스터를 교대로 ON, OFF시키는 것으로
표준 모터를 운전합니다.
또한, 각 트랜지스터의 ON,OFF 순서를 바꾸면
표준 모터의 회전 방향을 바꿀 수 있습니다.
(6) 트랜지스터의 기능
트랜지스터는 컬렉터(C), 이미터(E), 베이스(B)
(IGBT의 경우는 게이트(G))의 3 단자로 되어 있으며,
베이스 신호가 OFF로 C-E간이 불도통(스위치 OFF),
베이스에 전류를 흘리면 C-E간이 도통(스위치 ON)
합니다. 즉, 스위치 S와 같은 역할(ON-OFF)을
고속으로 실시할 수 있습니다.
인버터 보호 기능의 설명문에 나오는 용어의 트랜지스터 베이스 차단이란, 이 베이스 신호(IGBT의 경우는
게이트 신호)를 OFF 하는 것으로, 인버터에서는 트랜지스터 6개를 동시에 OFF로 해서 모터와 인버터를
분리합니다. 즉 모터를 프리런 정지시키는 것입니다.