인버터 구동 유도전동기

왜 배우는가: 인버터 구동 유도전동기는 농형 유도전동기의 기동·속도제어·전력절감을 하나의 장치로 해결하는 방식이라 산업설비와 건축설비 전반에서 쓰인다. 전압과 주파수를 함께 바꾸는 원리, 인버터 용량 산정, 고조파와 전동기 절연 문제가 얽혀 있어 기술사 시험에서 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제126회 3교시 5번, 제113회 2교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

인버터 구동 유도전동기는 인버터로 전압과 주파수를 함께 가변하여 농형 유도전동기의 회전속도를 연속적으로 제어하는 방식이다.

• 인버터(Inverter)
• 가변전압 가변주파수(VVVF)
• V/f 일정 제어
• 동기속도
• 슬립(Slip)
• PWM 제어
• 고조파
• 서지 전압

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 전동기에 공급하는 전기의 주파수를 바꿔서 전동기의 속도를 바꾸는 장치가 인버터다. 전원의 주파수가 바뀌면 자기장이 도는 속도가 바뀌고, 회전자는 그 속도를 따라간다.

정식으로 정의하면, 인버터(Inverter)는 직류를 PWM(Pulse Width Modulation) 방식으로 원하는 전압과 주파수의 교류로 바꾸는 전력변환장치다. 인버터 구동 유도전동기는 이 장치로 전동기를 구동하는 시스템이다. 입력 교류는 먼저 컨버터(Converter)에서 직류로 정류되고, 평활 콘덴서를 거친 뒤 인버터부에서 스위칭된다.

유도전동기의 회전속도는 다음 식으로 정해진다.

$N = \frac{120f}{P}(1-s)$

여기서 N은 회전속도(rpm), f는 공급 주파수(Hz), P는 극수, s는 슬립이다. 식을 보면 속도를 바꾸는 방법은 극수, 슬립, 주파수의 세 가지다. 이 가운데 주파수 제어만 연속적으로 넓은 범위를 조절할 수 있고 효율도 높다. 그래서 인버터는 주파수 제어를 택한다.

전동기의 자속은 전압과 주파수의 비에 비례한다. 주파수만 낮추면 자속이 커져 철심이 포화되므로, 전압도 주파수에 비례하여 함께 낮춘다. 이것이 V/f 일정 제어다. 기본주파수 이하에서는 V/f를 일정하게 유지하여 토크를 일정하게 만든다. 기본주파수를 넘으면 전압을 더 올릴 수 없으므로 자속이 줄고 토크가 떨어진다.

PWM 제어는 출력 전압의 크기와 주파수를 펄스 폭과 스위칭 주기로 조절하는 방식이다. 펄스 폭을 바꾸면 평균 전압이 바뀌고, 스위칭 주기를 바꾸면 출력 주파수가 바뀐다.

3. 등장 배경과 필요성

산업체에서 속도제어가 필요한 동력원은 오랫동안 직류전동기가 맡아 왔다. 직류전동기는 정류자와 브러시를 써서 정비가 잦고, 고속·대용량에 불리하다. 유도전동기는 구조가 단순하고 튼튼하지만 정속도 운전에 머물러 있었다.

전력전자 소자가 발전하면서 이 한계가 풀렸다. 사이리스터, GTO, 파워트랜지스터, IGBT 같은 스위칭 소자가 등장하여 직류를 가변 주파수 교류로 바꾸는 것이 가능해졌다. 여기에 농형 유도전동기의 저렴함과 내구성이 더해져 인버터 구동 방식이 빠르게 확산되었다.

에너지 측면에서도 필요성이 크다. 팬·펌프처럼 부하가 유량의 세제곱에 가깝게 변하는 설비는 속도만 낮춰도 전력이 크게 줄어든다. 댐퍼나 밸브로 유량을 줄이는 방식보다 인버터 제어가 효율적이므로 전력절감 목적으로 널리 쓴다.

또한 기동 시 과대한 기동전류를 줄이기 위해서도 인버터를 쓴다. 전압과 주파수를 낮은 값에서 시작해 올리면 직입기동에서 생기는 큰 돌입전류와 기계적 충격을 피할 수 있다. 이 세 가지, 즉 기동, 속도제어, 전력절감이 인버터 도입의 이유다.

그렇다고 인버터가 만능은 아니다. 스위칭으로 생기는 고조파와 서지 전압이 전동기 절연과 주변 기기에 영향을 준다. 따라서 도입 시에는 이 부작용까지 함께 검토해야 한다.

4. 구성요소·원리·절차

인버터 구동 유도전동기는 컨버터(Converter), 직류링크(DC Link), 인버터부(Inverter), 제어부(Controller) 네 부분으로 구성된다. 컨버터는 교류 상용전원을 직류로 바꾸고, 직류링크의 평활 콘덴서가 맥동을 줄인다. 인버터부는 스위칭 소자로 직류를 주파수와 전압이 가변인 교류로 바꾼다. 제어부는 주파수 지령에 따라 PWM(Pulse Width Modulation, 펄스폭 변조) 신호를 만든다.

인버터는 출력 전압과 주파수를 함께 바꿔 유도전동기의 속도를 연속적으로 제어한다.

표의 각 부분은 역할이 분리되어 있다. 인버터부의 소자 선택과 스위칭 주파수가 출력 파형의 품질을 결정한다. 제어부는 V/f 제어나 벡터 제어 방식을 구현한다.

원리는 유도전동기 속도식에서 출발한다. 동기속도는 N_s = \frac{120f}{P} 이고, 회전속도는 N = \frac{120f}{P}(1-s) 이다. 여기서 N은 회전속도(rpm), f는 전원 주파수(Hz), P는 극수, s는 슬립이다. 주파수 f를 바꾸면 속도가 연속으로 바뀐다. 극수 제어는 단계적이고 슬립 제어는 저속에서 손실이 크다. 따라서 주파수 제어가 가장 효율이 높다.

공극 자속을 일정하게 유지하려면 전압과 주파수 비를 일정하게 둔다. 이것이 V/f 제어이다. 주파수를 낮출 때 전압을 함께 낮추지 않으면 자속이 포화되어 철손과 여자전류가 증가한다. 기본 주파수 이상에서는 전압이 정격을 넘을 수 없으므로 자속이 감소하고 토크가 떨어진다. 이 영역을 정출력 영역이라 한다.

인버터 제어 방식은 크게 세 가지다.

• 스칼라 제어(V/f 제어): 전압 크기와 주파수만 제어한다. 구조가 단순하고 부하가 일정한 펌프·팬에 적합하다.
• 벡터 제어(Vector Control): 고정자 전류를 자속 성분과 토크 성분으로 나누어 독립 제어한다. 저속과 급가감속에서 정밀하다.
• 직접토크제어(DTC): 토크와 자속을 직접 추정해 스위칭 상태를 고른다. 응답이 빠르다.

PWM 방식은 출력 전압의 크기와 주파수를 동시에 조절한다. 펄스폭으로 평균 전압을 정하고, 스위칭 주기로 출력 주파수를 정한다. 반송파(삼각파)와 기준 정현파를 비교해 스위치를 켜고 끈다. 기준 정현파의 진폭 비(변조율)를 바꾸면 출력 전압이 바뀐다.

절차는 다음과 같다.

• 운전 지령(주파수 또는 속도)을 입력받는다.
• 지령 주파수에 맞춰 V/f 패턴 또는 벡터 제어 목표를 계산한다.
• 컨버터가 교류를 직류로 바꾸고 직류링크가 전압을 평활한다.
• PWM 신호로 인버터 소자를 스위칭해 가변 주파수 교류를 만든다.
• 전동기 전류·속도를 검출해 피드백하고, 과전류·과전압 등을 보호한다.

인버터 출력에는 고조파가 포함되므로 전동기 손실과 소음이 늘어난다. 이 점은 4절의 뒷부분과 6절의 한계에서 다룬다.

5. 관련 법령·기준·표준

인버터 구동 유도전동기는 전기설비 기준의 적용을 받는다. 국내에서는 한국전기설비규정(KEC)이 저압·고압 설비의 설계 기준이다. 인버터 설치는 전동기 회로의 보호와 접지 조건, 고조파 대책에 관한 규정을 함께 따른다. 전동기 효율은 에너지이용 합리화 관련 기준의 적용 대상이 된다.

다음 표는 인버터 적용 시 확인하는 기준값과 조건이다.

표의 값은 일반 설계 기준과 제조사 사양을 함께 쓴다. 현장 적용 전에는 해당 기기의 사양서 값을 우선한다. 정출력 영역 상한과 과부하 내량은 기기마다 다르므로 답안에는 대표값으로 쓴다.

개정 연혁으로는 한국전기설비규정(KEC)이 2021-01-01 부터 시행되어 기존 전기설비기술기준의 판단기준을 대체했다. 인버터 고조파와 전동기 절연에 관한 세부 기준은 후속 개정에 따라 바뀔 수 있다.

6. 유형과 비교

유도전동기 속도제어는 극수, 2차 저항, 인가전압, 인가주파수 중 무엇을 바꾸느냐로 나뉜다. 인버터는 그중 주파수를 바꾸는 방식을 전력전자 소자로 구현한 것이다. 네 방식을 표 하나로 비교한다.