VVVF 제어

왜 배우는가: VVVF 제어는 유도전동기의 속도를 전압과 주파수로 자유롭게 바꾸는 대표 기술이라 실무 전동기 구동, 철도·엘리베이터·펌프 설비에서 널리 쓰인다. 시험에서는 구성도와 동작원리, 적용 효과를 묻는 문항으로 반복 출제된다.

출제 이력: 제134회 3교시 4번, 제125회 1교시 13번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의 문장:

VVVF 제어는 인버터로 교류 전동기에 공급하는 전압과 주파수를 함께 가변하여 전동기 속도를 제어하는 방식이다.

핵심 키워드

• VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)
• 인버터(Inverter)
• 컨버터(Converter, 정류기)
• 직류 링크(DC Link)
• 유도전동기 속도제어
• V/f 일정 제어
• PWM 방식
• 가변속 구동

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 전동기 속도는 공급 주파수에 비례하므로 주파수를 바꾸면 속도가 바뀐다. 그런데 주파수만 바꾸면 자속이 변해 토크가 부족하거나 전동기가 과열된다. 그래서 주파수와 함께 전압도 같은 비율로 바꾼다. 이 두 값을 함께 바꾸는 것이 VVVF 제어다.

정식 정의는 다음과 같다. 교류 전력을 출력하는 전력 변환장치에서 출력 교류의 실효 전압과 주파수를 임의로 가변 제어하는 기술이다. 교류 전동기의 가변속 구동에 주로 쓰여, 이 제어 방식을 가리키는 말로도 쓰인다.

핵심 용어 풀이

• 인버터는 직류를 전압과 주파수가 가변인 교류로 바꾸는 장치다. 스위칭 소자를 고속으로 켜고 끄며 출력 파형을 만든다.
• 컨버터(정류기)는 상용 교류를 직류로 바꾼다. 다이오드 브리지나 사이리스터 정류기가 쓰인다.
• 직류 링크(DC Link)는 정류 후 직류 전압을 콘덴서로 평활하여 인버터에 안정된 직류 전압을 공급한다.
• PWM 방식은 펄스의 폭을 바꿔 출력 전압의 크기를 조절하는 방식이다. 주파수는 일정하게 두고 소자의 도통 시간 폭을 제어한다.

3. 등장 배경과 필요성

과거에는 3상 유도전동기의 속도 제어가 매우 어려웠다. 전원 주파수가 일정해 속도를 바꾸려면 극수를 바꾸거나 회전자 저항을 조정해야 했다. 저항 제어는 손실이 커서 효율이 낮았다. 이런 방식은 속도 범위와 효율에 한계가 있었다.

반도체 전력변환 기술이 발전하면서 이 문제가 해결됐다. 사이리스터와 이후 IGBT 같은 전력용 반도체가 등장하여 고주파 스위칭 인버터를 만들 수 있게 되었다. 이로써 전원 주파수를 임의로 바꿀 수 있게 되었다.

유도전동기의 토크 특성은 주파수와 전압에 따라 변한다. 주파수를 낮추면 토크 특성 곡선이 왼쪽으로 밀집되어 속도가 줄어든다. 전압은 토크가 전압의 제곱에 비례하므로 전압을 조정해 토크 곡선을 바꾼다. 두 요소를 복합으로 제어하면 더 좋은 속도 제어 특성을 얻는다. 이것이 VVVF 제어가 필요한 이유다.

현재는 팬, 펌프, 압연기, 철도 차량, 전기자동차, 가전제품 등에 널리 쓰인다. 에너지 절감과 정밀 속도 제어 요구가 커지면서 VVVF 인버터는 산업 전반의 표준 구동 방식이 되었다.

V/f 일정 제어 에서 전압과 주파수 비를 일정하게 유지하면 자속이 거의 일정해져 토크 특성을 유지할 수 있다.

4. 구성요소·원리·절차

VVVF 제어 장치는 크게 정류부, 직류링크부, 인버터부 세 부분으로 구성된다. 정류부는 교류를 직류로 바꾸고, 직류링크부는 콘덴서로 맥동을 줄여 안정된 직류 전압을 공급하며, 인버터부는 스위칭 소자로 직류를 원하는 전압과 주파수의 교류로 바꾼다. 전압형 인버터(VSI)는 직류링크에 콘덴서를 두어 전압원 특성을 갖게 하는 방식이며, 현재 대부분의 전동기 구동 장치가 이 방식이다.

인버터 출력의 전압과 주파수를 동시에 가변하여 전동기의 자속을 일정하게 유지하는 것이 VVVF 제어의 원리이다.

정류부 표는 구성의 기본을 보인다. 정류부를 사이리스터로 구성하면 회생 제동이 가능하지만 역률과 고조파 특성은 다이오드 방식보다 불리하다.

원리는 다음과 같다. 유도전동기의 상당 회로에서 공극 자속은 전압을 주파수로 나눈 값에 비례하므로, 주파수만 바꾸면 자속이 변해 전동기가 포화되거나 토크가 줄어든다. 그래서 주파수에 비례하여 전압도 함께 바꾼다. 이를 V/f 일정 제어라 한다. 인버터는 PWM 방식으로 펄스 폭을 바꾸어 기본파의 크기와 주파수를 동시에 조절한다.

동작 절차는 다음과 같다.

• 속도 지령을 받아 주파수 지령 f*를 생성한다.
• V/f 패턴에 따라 전압 지령 V*를 f*에 비례하여 계산한다.
• 전류·속도 검출값으로 피드백 보상을 하여 지령을 보정한다.
• PWM 회로가 삼각파와 지령 정현파를 비교하여 IGBT의 게이트 신호를 만든다.
• 인버터가 가변 전압·가변 주파수 교류를 출력하고 전동기 속도가 지령에 따라 변한다.

기본 관계식은 다음과 같다.

$$ \phi \propto \frac{V}{f} $$

여기서 \phi는 공극 자속(Wb), V는 상전압(V), f는 주파수(Hz)이다. 기저 주파수 이하에서는 V/f를 일정하게 두고, 기저 주파수 이상에서는 전압을 정격으로 고정하여 약계자 영역으로 운전한다.

블록 구성은 아래 도식과 같다.

5. 관련 법령·기준·표준

장치의 설계와 설치는 전기설비 관련 기준과 전동기·인버터 제품 규격에 따른다. 전기설비의 구성과 접지는 한국전기설비규정(KEC)을 적용한다. 전력변환 장치의 일반 요구사항은 산업 표준의 성능 항목으로 규정된다.

아래 표는 VVVF 장치를 설계할 때 확인해야 하는 기준 항목을 모은 것이다.

스위칭 주파수 값은 장치 크기에 따라 다르다. 대형 기기일수록 게이트 충전 전하량이 커져 낮은 주파수로 동작하는 경향이 있다.

개정 연혁으로 한국전기설비규정(KEC)은 2021-01-01부터 적용되었다. 옛 전기설비기술기준의 판단기준은 이 날짜로 대체되었다.

6. 유형과 비교

VVVF 제어는 인버터의 주 회로 방식과 전압 제어 방식에 따라 여러 형태로 나뉜다. 먼저 직류 링크를 두는 방식에 따라 전압형 인버터(VSI)와 전류형 인버터(CSI)로 구분한다. 두 방식은 직류 링크의 소자가 콘덴서인지 리액터인지에서 차이가 난다.

위 표처럼 전압형은 역률과 고조파 면에서 유리해 범용 VVVF 장치의 주류다. 전류형은 회생 제어에 강하지만 소자 가격과 고조파 대책 부담이 크다.

전압형 인버터는 다시 전압 제어 방식에 따라 PAM(펄스 진폭 변조)과 PWM(펄스 폭 변조)으로 나뉜다. PAM은 직류 전압의 크기를 바꿔 출력 전압을 조절하고, 인버터 소자는 기본파 주기마다 한두 번만 스위칭한다. PWM은 직류 전압을 고정하고 펄스 폭을 바꿔 출력 전압과 주파수를 함께 조절한다.

PAM은 모터 저소음화 목적으로 쓰였으나 효율과 시동 토크에서 불리하다. 현재 대부분 인버터는 전압형 PWM 방식을 채용한다. 표에서 보듯 PWM은 출력 파형을 정현파에 가깝게 만들어 토크 맥동을 줄인다.

벡터 제어와 스칼라 제어도 VVVF 제어의 하위 유형으로 비교한다. 스칼라 제어는 전압과 주파수의 크기만 조정하고 위상은 제어하지 않는다. 벡터 제어는 전동기의 자속과 토크 전류를 분리해 독립 제어하므로 동특성이 우수하다. 부하가 일정한 팬·펌프에는 스칼라 제어로 충분하고, 정밀 속도·토크 제어가 필요한 엘리베이터나 철도 차량에는 벡터 제어를 쓴다.