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인버터
인버터(inverter)는 직류(DC) 전기를 교류(AC) 전기로 변환하는 데 쓰인 장치다. 어떤 환경에서 다른 환경의 장비를 사용 가능하도록 전력을 변환할 때 사용하거나, 특별하게 특정 기기를 적절하게 가동할 때 쓴다. 예를 들어 자동차 에어컨에서 인버터의 기능은 전동기의 회전을 제어하여 냉방력을 실내온도에 맞게 가변 시킨 역할을 한다. 특히 출력 전원이 교류일 때 인버터라고 부른다. 인버터의 반대말은 컨버터다.
목차
개요
인버터는 직류 전기를 교류 전기로 바꾸기 위한 전기 변환 장치이다. 적절한 변환 방법이나 스위칭 소자, 제어 회로를 통해 원하는 전압과 주파수 출력값을 얻는다. 인버터의 종류는 전압형 인버터와 전류형 인버터가 있다. 이것의 반대 기능을 하거나 같은 종류의 전기를 변환하는 도구는 컨버터라고 한다. 인버터는 컨버터와 인버터부 및 제어회로부로 구성되어 있다.[1][2]
구성
인버터는 컨버터와 인버터부 및 제어회로부로 구성되어 있고, 외부의 상용전원(60Hz)을 컨버터가 받아 직류전원으로 변환하고, 평활회로에서 리플을 제거한 후 다시 인버터 부에서 교류로 변환하여 교류 전력인 전압과 주파수를 제어한다. 교류를 직류로 변환하는 순변환 장치를 컨버터라 하고, 직류를 교류로 변환하는 역변환장치를 인버터라 하는데, 범용 인버터 장치에서는 컨버터 부도 포함된 장치 전체를 일컬어서 인버터라고 칭한다.[3]
원리
인버터의 작동 원리는 교류전원을 정류회로에 의해 직류로 변환시키고, 평활회로에서 매끈한 직류로 만든 다음 역 변환회로로 이 직류를 가변주파수, 가변전압의 교류를 만든다. 정류회로에는 다이오드, 평활회로에는 콘덴서, 역변환회로에는 기계 접점 대신에 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)가 사용되고 있다. 출력전압은 전항의 설명에서는 방형파(方形波)였지만, 실제의 인버터에서는 방형파를 펄스 폭 변조(PWM: Pulse Width Modulation)함으로써, 출력전압 파형을 정현파에 근접시키는 연구가 이루어지고 있다. 이와 같은 인버터를 펄스 폭 변조 인버터라고도 부른다. 입력단자는 인버터로의 입력 신호를 받아들인다. 접점 신호로는, 전동기의 정전이나 역전을 지령하는 외에 사용자가 기능을 임의로 설정할 수 있는 다기능 입력을 구비하고 있다. 인버터의 주파수 지령으로서, 아날로그(Analog) 입력이나 펄스열 입력을 갖추고 있다. 또, 프로그래머블 로직 컨트롤러(Programmable Logic Controller)나 컴퓨터로부터의 지령으로도 운전할 수 있도록, 통신입력단자를 장비한 것도 있다. 출력단자는 인버터 내부의 정보를 외부에 출력한다. 사용자가 필요로 하는 인버터내부의 디지털 값(출력주파수, 출력 전류 등)을 아날로그 양으로 변환해서 출력하는 다기능 아날로그 출력단자, 인버터에 고장이 발생했을 때에 출력하는 고장출력단자, 사용자가 필요로 하는 인버터의 운전 상태(운전 중 신호, 속도일치 신호 등)를 출력하는 다기능 접점 출력단자, 인버터의 주파수 지령, 전동기 속도 등을 펄스열로서 출력할 수 있는 펄스열 출력 단자 등을 구비하고 있다. 또, 디지털 오퍼레이터는 인버터 내부 상태의 표시, 기능 설정, 운전 및 정지 조작 등에 사용된다.[4]
목적
인버터는 첫째, 에너지 절약을 위해 사용한다. 인버터는 전력용 반도체를 활용한 전력변환으로 모터 속도를 제어하는 대표적인 전력전자 제품이다. 따라서 인버터를 이용하면 팬, 펌프 등의 요구 유량 부하에 맞춰 필요한 양의 전력만 사용할 수 있다. 둘째, 제품 품질 향상을 위해 사용한다. 일반적으로 컨베이어 벨트의 속도는 전동기의 회전 속도에 의해 결정이 되게 되는데, 이때 인버터가 없다면 속도 조정이 불가능해서 컨베이어 벨트의 속도가 지나치게 빨라진다. 이런 경우 인버터를 설치하면 전동기의 회전 속도를 빠르게 혹은 느리게 조정할 수 있다. 이처럼 제조에 최적화된 라인 속도, 가공에 최적화된 속도로 조정할 수 있기 때문에 제품 품질 역시 향상이 되게 되는 것이다. 셋째, 생산성 향상을 위해 사용한다. 인버터를 사용하면 공장 자동화가 더욱더 손쉽게 이루어진다. 이렇게 제작하는 제품의 종류에 맞춰 최적화된 라인 속도와 가감 속도를 실현하고 제어 응답성의 향상에 의해 생산성 또한 높아지게 되는 것이다. 넷째, 설비의 소형화를 위해서도 사용한다. 고속화에 의한 설비의 소형화와 운전 상태를 고려한 기계 시방에 의해 여유분이 줄어드는데, 그로 인해 설비의 소형화가 가능해진다. 다섯째, 승차감 향상을 위해 사용한다. 승차감은 사람에게 아주 중요한데, 차량을 제작할 때 인버터를 활용하면 이동 속도를 부럽게 조정이 가능하게 되고. 그 덕에 승차감이 향상된다. 마지막은 보수성을 높이기 위해 사용한다. 인버터를 사용하면 기계에 무리를 주지 않는 기동 정지, 무부하 시의 저속 운전 등이 가능해진다. 그 덕에 설비의 수명이 연장된다.[5]
종류
전압형 인버터
전압형 인버터는 전압을 출력하는 인버터이다. 전압형 인버터는 실리콘 제어 전극을 부가한 반도체 소자 또는 트랜지스터 등의 반도체 스위치를 이용하여 직류를 스위칭하여 구형파 교류 전압을 공급하는 방식을 취하고 있다. 전압형 인버터는 사이리스터와 병렬로 귀환 다이오드를 연결하고 유도 부하의 지연 전류 성분을 직류 전원으로 귀환한다. 인버터는 회생 운전 시에 직류 전류가 반전하지만, 귀환 다이오드가 있음으로 단독으로 회생 동작하지 못하고, 이 때문에 전압형 인버터는 회생용 정류기를 별도로 준비해야 한다. 다시 설명하자면, 교류전원을 컨버터 부에서 직류로 변환한 후 전압을 콘덴서로 평활해서 인버터 부로 보내게 되는데, 여기에 콘덴서에 의해 평활 된 직류전압을 소정의 주파수로 변환시킴과 동시에 교류전원으로 변환 시켜 모터의 회전수를 변환하도록 하는 원리이다. 교류전원을 사용할 경우에는 교류 측 변환기 출력의 맥동을 줄이기 위하여 LC 필터를 사용한다. 전압형 인버터의 특징은 먼저 1 상한 운전 또는 2 상한 운전만 가능하며, 4 상한 운전이 필요한 경우에는 이중 컨버터를 사용해야 한다. 그리고 주소 자와 변압기 용량이 필요 이상으로 커진다. 전류 파형의 최고치가 높기 때문이다. 또, 인버터 출력 주파수 범위가 광범위하다. 전압형 인버터는 펄스 폭 변조 방식과 펄스 진폭 변조(PAM, Pulse Amplitude Modulation) 방식으로 나누어지는데, 펄스 폭 변조 방식은 컨버터 부와 평활 된 일정한 전압의 직류전원을 인버터 부에서 펄스 진폭을 변화시켜서 전압을 변화시키며 동시에 주파수를 변화시키는 제어 방식이다. 이 방식에는 펄스 진폭이 1/2 중기에 있어서 같은 간격인 등 펄스폭 제어와 중앙부에서 양단으로 좁아지는 부등 펄스폭 제어의 두 종류가 있다. 또 펄스 진폭 변조 제어란 컨버터 부에서 전압을 변화시켜 가변의 직류전압을 만들고 인버터 부에서 임의로 주파수로 변화시키는 방식이다. 이 방식은 인버터 부의 스위칭 주파수가 낮기 때문에 소음이 적다는 장점은 있으나 제어부가 복잡하다는 단점이 있다.[5][6][3]
전류형 인버터
전류형 인버터의 구조는 전압형 인버터와 비슷하지만, 전압형 인버터에서 콘덴서 대신 리액터가 사용되는 것이 다르며, 전압형 인버터와 달리 전압을 출력하는 것이 아니라, 전류를 출력하는 인버터로 전류형 인버터는 전류 원인 직류 부에서 교류로 변화하는 것으로 적응성이 우수하고 전원에 에너지를 회생할 수 있는 고성능 기종에 적합한 인버터이다. 컨버터 부에서 직류로 변환 후 직류를 리액터로 평활해서 인버터 부로 보내는데 인버터 부에서는 평활 된 직류 전원을 소정의 주파수로 변화시킴과 동시에 교류전원으로 변환하는 원리이다. 그리고 전류의 주파수를 변환시킴으로써 모터의 회전수를 변화하도록 한다. 전류형 인버터는 직류 측에 리액터를 접속하고 있기 때문에, 교류 부하 측에서 본 회로에서의 전류가 흐르기 어려워져서 전류 소스로 여겨질 수도 있다. 전류형의 출력 전류 파형이 구형 파이며, 전류는 한 방향에서밖에 흐르지 못한다. 이 때문에 전압형에서 필요했던 귀환 다이오드가 필요하다. 전류형 인버터는 평활용 캐패시터(DC-Link) 양단에 평활용 콘덴서 대신에 리액터 L을 사용하는데, 이를 인버터의 관점에서 보자면, 임피던스 직류 전류 원으로 볼 수 있다. 따라서 이러한 종류의 인버터를 전류형 인버터라고 부르는 것이다. 전류형 인버터의 특징은 먼저 회생이 가능하다. 그리고 인버터의 주소 자를 끄는 시간이 비교적 긴 위상제어용 사이리스터(thyristor)를 사용한다. 또, 전류 제어를 할 경우 토크-속도 곡선의 불안정 영역에서 운전되므로 반드시 제어 루프가 필요하다. 또한, 인버터의 동작 주파수의 최소치와 최대치가 제한된다. 마지막으로 인버터 출력단과 모터 간에 역률 개선용 진상 콘덴서 사용이 가능하다.[5][6][3]
전압 전류 비교표 분류 용 도 적용 모터 전압형 - 고정 밀도,고속운전이 필요한 경우
- 여러 대의 모터가 1대의 인버터로 순차적으로 기동되는 경우
- 여러 대의 모터가 같은 속도로 운전되는 경우
유도전동기 동기전동기
전류형 - 중용량 모터에서 여러 대가 1대의 인버터로 동시에 기동되는 경우
- 정밀도를 요하지 않는 경우
- 회생제동이 가능한 용도
고슬립 유도 전동기
장점
- 속도를 자유롭게 바꾸는 것이 가능하므로 에너지 절약이 가능하고 운전이나 정지를 부드럽게 할 수 있다.
- 고속 회전이 가능하고 소형화 또는 생산성이 향상된다.
- 전기식 브레이크를 걸 수 있고, 전원 용량이 적어도 된다.[4]
- 전동기, 부하기계 구동 계통의 개조가 불필요하여 기계의 기능을 향상시킨다.
- 연속적인 광범위 가변속 운전이 가능하다.
- 시동전류가 저하된다.
- 유도 전동기의 제어로 브러쉬, 슬립링 등이 필요 없이 보수성과 내환경성이 우수하다.
- 임의 가감속 시간을 조정할 수 있고, 장시간에 걸쳐 가감속 운전을 쉽게 할 수 있다.
- 전기적 제동이 용이하다.[7]
활용
하이브리드 자동차용 인버터
하이브리드 자동차용 인버터는 배터리의 직류전력을 변환하여 교류 모터를 구동하며 엔진 룸에 탑재되는 경우가 많다. 따라서 하이브리드 자동차용 인버터는 고효율, 소형, 고온 환경 내성 등이 요구된다. 마찬가지로 인버터의 주요 부품이며 직류전력을 교류전력으로 변환하는 스위치인 절연 게이트 양극성 트랜지스터 모듈도 저손실, 소형, 고방열, 고신뢰성 등이 요구된다. 도시바(Toshiba)는 손실이 작고 소형이면서 방열 특성이 IGBT 모듈을 개발했다. 경사가 심한 언덕길 등에서 하이브리드 자동차가 시동할 때에는 차량이 움직일 때까지 시간이 걸리고 모터에 단시간에 큰 전류가 흘러 칩의 온도가 높아질 경우가 있다. 또한 하이브리드 자동차의 가속 또는 감속에 따라 칩의 온도도 변화하고 하이브리드 자동차의 속도가 일정하게 되어 모터에 연속적으로 일정 전류가 흐르는 정상 상태가 되면 칩의 온도는 정상치가 된다. 따라서 하이브리드 자동차용 절연 게이트 양극성 트랜지스터 모듈에서는 시동 시의 과도 상태 및 정속 주행 중의 정상 상태 모두 높은 방열 특성이 요구된다. 기존의 절연 게이트 양극성 트랜지스터 모듈의 경우 칩은 구리로 만든 방열판에 부착된 절연성 세라믹 기판에 실장된다. 또한 칩 사이는 가느다란 알루미늄선으로 연결된다. 절연 게이트 양극성 트랜지스터 모듈은 방열판의 이면에 그리스가 도포되어 칩에서 발생하는 열을 방출하기 위한 히트싱크에 실장된다. 기존 제품에서는 세라믹 기판이나 방열판의 두께가 얇고 모듈 내부의 열이 확산하지 않음으로 칩 바로 밑에 열이 집중되어 국소적으로 온도가 높아진다.[8]
전기자동차용 인버터
전기자동차용 인버터는 CAN을 거쳐 토크 지령을 수신하고 전류 피드백 제어에 의한 모터를 구동한다. 독자개발의 힘 모듈을 위시하여 구성부품을 전용 설계로 함으로써 전기자동차용의 요구 성능을 확보하면서 비용과 성능을 최적화시켰다. 바닥에 냉각수로 형성시킨 알루미늄 다이캐스팅된 상자 속에 닛산(Nissan) 정통의 파워모듈, 파워모듈을 구동하는 게이트 구동회로 기판, 직류 입력, 교류 출력의 강전기 배선기능과 각 부품의 유지기능을 집약한 수지 금형 모선(bus-bar), 필름 콘덴서를 적용한 평활 콘덴서, 제어회로 기판 등을 차례로 쌓아 올린 구성이다. 파워 반도체는 구리와 몰리브덴의 복합재로 된 완충 층을 사이에 두고 모선에 직접 탑재하는 구조를 갖는다. 파워 반도체와 모선의 선팽창률 차이에서 오는 응력을 완화할 목적이다. 전류의 스위칭 속도 상승으로 스위칭 손실은 저감시킬 수 있으나 스위칭 속도를 높이면 턴오프(turn-off) 시의 서지(surge) 전압이 증가한다. 이 서지 전압이 허용 범위 내에 수용되도록 스위칭 속도의 최적화가 필요하다. 파워 반도체의 턴오프에 컬렉터-이미터 간에 발생하는 전압변화율을 컬렉터 단자에 접속된 커패시터에 접속하여 게이트 구동회로의 피드백시킨다. 이것으로 턴오프 속도를 범위 내에 유지할 수 있다.[9]
각주
- ↑ 〈인버터〉, 《위키백과》
- ↑ 〈인버터〉, 《나무위키》
- ↑ 3.0 3.1 3.2 Basic, 〈인버터(INVERTER)란?〉, 《티스토리》, 2014-09-22
- ↑ 4.0 4.1 남시도, 〈인버터의 원리와 특징(Inverter Principle and Features)〉, 《고경력과학기술인》, 2004
- ↑ 5.0 5.1 5.2 한국전력, 〈모터의 친구 인버터(Inverter)를 소개합니다〉, 《한국전력공사 공식 블로그》, 2018-03-22
- ↑ 6.0 6.1 Choi John, 〈인버터란〉, 《티스토리》, 2020-11-24
- ↑ 조현수, 〈전동기 제어방식의 대세, 인버터의 장점과 운전법〉, 《한화에스테이트 블로그》, 2011-08-10
- ↑ 송병택, 〈하이브리드 자동차 인버터용 IGBT 모듈〉, 《고경력과학기술인》, 2014
- ↑ 조만, 〈Nissan "LEAF" 전기자동차용 모터·인버터 개발〉, 《고경력과학기술인》, 2012
참고자료
- 〈인버터〉, 《위키백과》
- 〈인버터〉, 《나무위키》
- 한국전력, 〈모터의 친구 인버터(Inverter)를 소개합니다〉, 《한국전력공사 공식 블로그》, 2018-03-22
- Basic, 〈인버터(INVERTER)란?〉, 《티스토리》, 2014-09-22
- Choi John, 〈인버터란〉, 《티스토리》, 2020-11-24
- 남시도, 〈인버터의 원리와 특징(Inverter Principle and Features)〉, 《고경력과학기술인》, 2004
- 송병택, 〈하이브리드 자동차 인버터용 IGBT 모듈〉, 《고경력과학기술인》, 2014
- 조만, 〈Nissan "LEAF" 전기자동차용 모터·인버터 개발〉, 《고경력과학기술인》, 2012
- 조현수, 〈전동기 제어방식의 대세, 인버터의 장점과 운전법〉, 《한화에스테이트 블로그》, 2011-08-10
같이 보기
