인버터란?

  

인버터란?

 

1. 어떤 주파수의 교류전력을 다른 주파수의 교류전력으로 변환하는 장치

 

○ 주파수변환기(Cycloconverter)

- 교류전력을 교류전력으로 직접 변환

○ 정류기-인버터(Rectifier-Inverter)

- 교류전력을 직류전력으로 변환하고, 다음에 직류전력을 다른 주파수의 교류전력으로 재 변환

 

2. 인버터란 말 자체는 직류(DC)를 교류(AC)로 변환하는 것을 의미함

3. 인버터는 전압과 주파수를 가변하여 교류를 만들어 내고 이를 이용하여 모터의 속도를 제어한다.

 

인버터에 대한 다른 이름

 

V.V.V.F: Variable Voltage Variable Frequency  - 전압과 주파수 가변장치

ASD: Adjustable Speed Drive  - 모터의 속도를 적절하게 제어하는 장치

VFD: Variable Frequency Drive  - 주파수 변환기

VSD: Variable Speed Drive  - 속도 제어장치

 

벡터 인버터란?

 

전기적으로 자속을 일으키는 전류와 토오크를 일으키는 전류가 직각이 되게 인버터에서 공급하는 전류를 위상제어 위상을 자속과 토오크 성분으로 나누어 제어 하는 방식

낮은 전류로도 V/F제어 방식에 비해 큰 토오크 발휘

  

인버터 

구분	내용
개요	•Inverter는 입력전압의 변동, 출력전압의 제어 및 출력단의 고조파를 제한할 수 있도록     설계되어야한다. •Inverter는 변압기와 결합하여 사용되므로 변압기와 결합하여 사용할 때 규정한 정격용량을 가져야하고 Inverter에서 발생되는 고조파로 인한 변압기 권선의 전력 손실 및 그로 인한 온도  상승에 대하여 특별한 고려를 하여야 한다. •Inverter 설계시에는 변압기와 결합시의 전압변동, 최대 단락전류, 직류측 및 교류측 고조파, 전압과 전류의 왜형률 등을 조정하기 위하여 변압기 제작자와 긴밀히 협조하여 제작하여야 한다.
전력변환	•전력변환 소자는 소정의 부하전류, 단락전류 및 외부로부터 이상 전압 등에 의하여 충분한 내력을 가져야 한다 •전력변환 소자는 전력변환특성을 고려하여 단상 또는 3상 브리지 이상으로 배열하여야 한다. •전력변환 소자는 회로단락 사고시에 보호장치가 동작하는 시간 동안의 최대 단락 전류에 최대한 견디어야 한다. •전력변환 소자는 방열판에 전기적 기하학적으로 방열특성을 고려하여 취부하여야 한다. •Inverter의 전력변환소자는 직렬로 연결된 고차단 용량 Fuse에 의해서 보호되어야 한다. 또한  이들 Fuse는 전력용 반도체용으로 특별히 제작된 것을 사용하여야 한다. •사용중인 전력변환 소자가 고장이 생겨 통전회로가 단락이 되는 경우에 고장 전류가 상승하기 전에 해당 Fuse가 용단되어야 한다. •Inverter함에 온도감지 센서에 의해 동작하는 보호장치를 설치하여야 하며 허용 온도 초과시 원제용 경보, 인버터를 트립 및 전기적으로 격리되어야 한다.
보호장치	•Inverter의 모든 보호장치는 오동작을 방지하기 위해 서로 보호 협조가 되도록 하여야 하며 Inverter 로 하여금 변전소 전체 기기의 동작에 지장을 초래해서는 안 된다. •써지 흡수장치 : 입력전압의 급변동 및 서지 등에 의한 과도상태시에도 출력제어의 안전성을 확보 하기 위하여 써지 보호회로를 가져야 하며 Inverter외함 내부에 설치해야 한다. •전원측의 정전대책 : Inverter가 동작 중에 출력측(교류측)에서 정전이 되어졌을 경우에도 전혀 이상이 발생하지 않도록 이에 대한 충분한 대책이 있어야 한다. •Fuse : Inverter는 전력변환소자와 직렬로 연결된 반도체용으로 특수 설계된 고차단 용량의 한류 Fuse에 의해 보호되어야 한다. 또한 Fuse는 외부의 고장이나 부하조건에서는 용단되지 말아야  하고 Fuse용단시는 마이크로 스위치가 작동하여 표시 및 고장확인이 용이하도록 하여야 하며 원제계통에 경보를 보내야 한다. •온도감지 : Inverter는 전력변환 소자의 방열기에 온도 감지 센서에 의해 동작하는 보호 장치를 설치하여 원제용 경보나 인버터를 트립 및 전기적으로 격리시키기 위하여 온도센서를 설치해야 한다. •1차측과 2차측의 전압 및 전류를 확인할 수 있도록 해야 한다. •Inverter 접지 및 접지보호계통의 기술 검토서 및 도면을 반드시 제출하여야 한다.   (바닥절연 및 외함 Anchoring 포함)
입력 및 출력 필 터 장 치	•Inverter의 정상동작 및 출력제어의 안정성을 확보하기 위한 입력측에 필터기능을 갖는 장치를 설치하여야 한다. •Inverter의 정상동작 및 출력제어의 안정성 및 최종 출력단(22.9kV)에서 고조파의규정치(전압외형율 3%이하)내에 만족할 수 있도록 출력측에 필터기능을 갖는 장치를 설치하여야한다.
제어 및 감시장치	•Inverter 큐비클에는 각종 보호장치 감시를 위한 판넬을 설치해야 하며, 원방제어에 필요한 감시  및 경보를 위한 보조 릴레이와 접점 등을 설치해야 한다. •원제설비(RTU)와 통신기능이 구비되어 관련 데이터를 전송 가능해야 한다.
외   함	•Inverter는 자립형 외함에 전력변환소자, 보호장치, 입력 및 출력 필터장치, 제어 및 감시장치, 경보 장치 등을 내장하는 구조로 구성하여 운전과 보수에 편리하도록 제작되어야 한다. •외함은 금속제 철판 및 보강 프레임을 사용 제작해야 하며 외함의 전면에는 문을 설치하고 문을 열었을때 그 위치를 고정할 수 있도록 해야한다. •각 문에는 Inverter내부를 볼 수 있는 투명창을 설치하여야 한다. •Inverter의 외함은 Inverter를 통풍 냉각시킬 수 있는 구조이어야 한다. •운반 설치시 발생하는 기계적 충격에 충분히 견디는 구조로 제작되어야 한다. •저온에서 습기가 응축되는 것을 방지하기 위한 결로 방지 스페이스히터를 써머스타드와 함께 설치하여야 한다.

 

 

 인버터용 변압기 

구분	내용
개요	•철심은 투자율이 좋고, 히스테리시스 손실이 적은 양질의 냉간 압연 방향성 규소 강판을 사용하여 철손이나 여자전류가 적도록 제작하여야 한다. •권선은 양질의 전기동을 사용하고 전기 절연물로 피복하여, 권선 원통에 권선한 후 전체를  에폭시로 권선 주형에 의하여 몰드 제작하여야 한다. •부싱의 케이블 인출단자는 상, 하부 인출이 가능하도록 제작하여야 한다.
외함	•외함은 변압기에 의한 감전 등 전기적 사고를 방지할 수 있는 구조이어야 하며, 통풍이 용이하고 변압기 본체와 분리 운반이 가능하며, 현장에서 분해 조립이 쉬운 구조이어야 한다. •외함은 금속제 철판 및 보강 프레임을 사용하여 제작하여야 하며 외함의 후면에 문을 설치해야 하고 철판의 두께는 2.3㎜ 이상이어야 한다. •외함의 문을 열었을 때 그 위치를 고정할 수 있도록 해야 한다. •변압기의 외함은 변압기를 통풍 냉각시킬 수 있는 구조이어야 한다. •변압기 가압 여부를 식별할 수 있는 표시등을 설치하여야 한다.
변압기	•변압기는 몰드형 자냉식이어야 한다. •변압기는 Inverter용으로 적합하게 설계 제작되어야 한다. •변압기는 Inverter와 결합하여 사용할 때의 규정한 용량을 가져야하고 Inverter에서 발생되는  고조파로 인한 권선의 전력손실 및 그로 인한 온도상승에 대하여 특별한 고려를 해야한다. •변압기 설계시에는 Inverter와 결합시의 전압변동, 최대 단락전류, 교류측 및 직류측 고조파,  전압과 전류의 왜형률 등을 조정하기 위하여 Inverter제작자와 긴밀히 협조하여 제작해야 한다. •정격 연속 전부하 운전에 따른 온도상승 후, 150%의 정격 과부하를 30초동안 공급할수  있어야한다. •변압기는 정격에 규정된 단락전류가 2초간 흘러도 열적 기계적 손상이 없어야 한다. •고압 권선은 변압기의 자체 내압에 견디는 절연강도를 가져야 하고 전기적으로 부분 방전   등이 없어야 하며 충격전압에 대한 전기적 기계적 강도에 견디도록 해야 한다. •고압 권선의 몰딩은 운전중 생기는 부하변동으로 인한 온도 및 진동으로 야기되는 열팽창과  수축에 변형되지 않도록 제작해야 한다. •권선의 지지 및 권선과 철심간에는 탄성체의 스페이서(Spacer)를 넣어 고정하여 철심의     자기왜형 진동이 권선에 전달되는 것을 방지하며 Mold권선에서 발생되는 소음을 절감시킬   수 있는 구조이어야 한다. •사용 중에 발생하는 열방산을 위해 2차 권선간에 냉각 덕트를 두어야 한다. •변압기 본체에는 접지용 단자가 있어야 한다. •변압기 본체와 하부 Bed Frame 사이에 방진 시설을 하여 변압기 본체에서 생기는 진동이   지면에 전달되지 않도록 해야 한다. •변압기 고/저압 권선 사이의 공기온도 측정을 위하여 상부에 Dial온도계를 설치해야 한다.   그리고 최대온도 초과시 경보를 울릴 수 있도록 필요한 접점이 있어야 하며 도어를 열지 않고 온도계를 볼 수 있도록 투명함을 설치하여야 한다. •변압기 저압측 권선에 온도검출 센서를 설치하고 최대 허용온도 초과시 릴레이가 동작, 1차는 경보, 2차는 차단기를 Trip 할 수 있도록 하여야 하며 온도변화에 따라 4～20mA의 출력이  나와야 한다. •변압기 1차, 2차 케이블은 하부로 인입/인출 되도록 하여야 한다.

 

 인버터 

 

•형식승인 시험

  형식승인 시험은 적용규격에 따라 최소한 다음 항목을 포함해야 한다.

  - 외관구조 및 치수검사               

  - 효율계산

  - 절연저항 측정                    

  - 온도 상승 시험

  - 내전압 시험                       

  - 출력전압 특성 및 THD 시험

  - 각상 전류 분배 시험                 

  - 위상동기 특성 시험

  - 보호장치의 동작 시험 

 

•전수시험

  전수시험은 적용 규격에 따라 최소한 다음 항목을 포함해야 한다.

  - 외관구조 및 치수검사

  - 절연저항 측정

  - 각상 전류 분배 시험

  - 출력전압 특성 및 THD 시험 

 

인버터용 변압기 

 

•형식승인 시험

  형식승인 시험은 적용규격에 따라 최소한 다음 항목을 포함해야 한다.

  - 외관구조 및 치수검사                    - 소음측정

  - 절연저항 측정                              - 온도상승

  - 권선저항 측정                              - 효율계산

  - 극성 및 각 변위 측정                    - 전압 변동률

  - 무부하 손실 및 여자전류 측정       - 임피던스 및 부하손실 시험

  - 내전압 시험

 

•전수시험

  전수시험은 적용규격에 따라 최소한 다음 항목을 포함해야 한다.

  - 외관구조 및 치수검사

  - 절연저항 측정

  - 인버터와 변압기 결합시험(별도시험)

 

 

회생제동 인버터 시스템 기술시방 

 

인버터

 

구분	사양	구분	사양
정격구분	경량전철 회생용	냉각방식	강제냉각
과부하 정격	100% 연속,300% 30초	정격내전압	4kV
정격용량	200kW	상간 최대 불평형 전류	20%이하
정격주파수	60Hz	전부하 효율	95%이상
출력연결계통	Inverter용 변압기	최대소음기준(100%연속)	70㏈이하

  

구분	사양
보호장치	•Heat Sink 과온도 경보 •Heat Sink 과온도 Trip •전력변환 소자 고장표시 •Fuse 고장 표시 •써지 흡수 장치 •Fuse

 

 

인버터용 변압기 

 

구분	사양	구분	사양
종별	Epoxy Mold 자냉식	정격주파수	60Hz
상수	3상	극성	감극성
정격구분	경전철 회생용	절연종별	B종 이상
과부하정격	100% 연속, 150% 30초	냉각방식	자연냉각
정격출력용량	250kVA	절연전압	상용주파수 전압 : 2차 - 50kV
정격출력전압	22.9kV		충격전압 : 2차 - 125kV
정격출력전압THD	3% 이하	소음기준	70㏈ 이하

 

 

인버터 적용 시 장점 1

 

가격이 싸고 보수가 용이한 농형 유도 전동기를 사용

- 기존에 설치된 유도 전동기를 그대로 사용할 수 있어 기계 및 구동계통의 개조가  불필요하며 기계

   의 기능 향상

 

연속적인 광범위한 운전 가능

- 상용전원 사용 시 별도의 변속장치(감속기, 벨트 등)를 이용해 속도 변환

- 이는 단계적인 속도변속만 가능하고 연속적인 변속이 불가능

 

DC모터를 사용하던 곳에 인버터를 적용할 수 있음

- 유도전동기를 사용하므로 DC모터와 같이 브러시, 슬립링 등이 필요 없어 보수성과  내환경성 우수

 

인버터 적용 시 장점 2

 

- Soft Start/Soft Stop이 가능

- 임의로 모터의 가/감속 시간의 조정이 가능함

 

시동전류 저감

 

- 인버터는 Soft Start/Soft Stop을 하므로 모터 기동 시 정격의 1.5~2배로 시동 전류가 저감 됨

- 직입기동의 경우 정격전류의 6배의 시동전류가 흐르기 때문에 모터의 빈번한 운전/정지 시 모터에

   무리가 감

 

인버터는 회생제동을 하므로 전기적 제동 용이

인버터 1대로 여러 대의 모터를 제어할 수 있는 병렬 운전 가능

 

인버터 적용 시 장점 3

 

운전 효율 높음

팬, 펌프등에 인버터를 적용하여 에너지 절감

공조설비에 적용 시 쾌적한 환경 형성

모터 정격이상의 고속운전 가능

최적속도 제어에 의해 품질 향상

 

인버터 선정 시 고려사항 1

 

부하의 종류, 속도, 성질 등 부하의 특성 확인

연속운전인지, 장시간 운전인지, 단시간 운전인지 운전특성 확인

최고 소요 출력과 정격 출력 확인

최고 회전수와 정격 회전수 확인

속도의 제어범위 확인

 

인버터 선정 시 고려사항 2

 

부하변동, 전류, 전압, 주파수, 온도 변화 등 확인

요구되는 제어 정밀도 확인

제동방법을 점검

입력전원 사양 확인

 

단상모터를 인버터로 제어할 수 있을까?

 

인버터의 출력전압이 상용전원과 같이 선형적이지 않고 펄스의 구형파이기 때문에 인버터 출력을 단상모터에 사용할 수 없음

단상모터는 별도의 기동회로가 있음

일반적인 기동방식은 콘덴서 기동방식 임

인버터 출력측에 콘덴서가 연결되었을 경우 과전류가 흘러 인버터가 오동작을 일으키고 콘덴서가 소손 됨

반발 기동형, 분상 기동형 단상모터도 인버터로 기동은 할 수 있으나 빈번하게 운전과 정지를 할 경우와 저속에서 연속운전 할 경우에는 모터에 과전류가 흘러 모터가 소손되거나 인버터의 TRIP을 유발시킵니다.

 

 벡터인버터와 AC 서보와의 차이점

 

서보 : 영구 자석형 전동기를 제어

- 소용량

- 위치 제어기 기본 내장

- 제어 정도 및 응답 속도가 벡터 인버터 보다 우수

 

벡터 인버터 : 유도 전동기를 제어

- 대용량

- 규모가 큰 장치 산업에 사용

- 제지 플랜트, 윤전기와 같은 인쇄기계, 종이나 필름의 제조 또는 코팅 기계,

   제철 플랜트, 제강 플랜트

 

인버터 출력전압 측정

 

인버터 출력전압은 PWM방식으로 만들어진 구형파이므로 일반 테스터기로는 측정 불가

가동철편형 교류 전압계로도 많은 오차 발생

인버터 출력전압을 측정은 정류형 교류 전압계를 사용

정류형 전압계는 다이오드가 표시되어 있음

 

모터의 과열현상 발생 시 해결방안?

 

모터에 과전류가 흐르는 이유는 대부분 과부하인 경우가 많고 인버터 시정수 설정이 잘못된 경우.

인버터 운전 중 출력전류를 확인 전류가 모터 정격이상 흐르는지 확인

과전류가 흐른다면 인버터 시정수를 확인 후 부하측 점검

인버터를 적용 시 발생하는 현상으로 모터를 저속에서 장시간 운전하는 경우

인버터를 사용해 모터를 저속으로 돌릴 경우에는 냉각팬도 같이 천천히 회전하여 모터의 냉각이 제대로 되지 않음

해결방법으로는 모터에 별도의 강제 냉각팬 설치

 

저속에서 토크 부족

범용 인버터의 경우 모터의 속도를 제어할 경우 저속에서는 토오크 특성이 고속에 비해 급격하게

떨어짐

- 모터의 토오크 특성: T∝(V/F)×I

- 1차측 저항성분에 의해 DROP된 전압이 2차측에 전달되기 때문

- 저속(저주파수)에서는 전압이 조금만 떨어져도 (전압/주파수)의 값이 많이 떨어지기 때문에 토오크

   특성이 많이 떨어지고 전류가 증가하게 됨

해결방법: 저속에서 출력 전압값을 임의로 높여 줌

- 토오크 부스트 기능 사용

- IR 보상 기능 사용

- 모터가 과여자되어 과전류가 흐를 수 있음

 

인버터 사용 시 노이즈

 

인버터 본체, 입력전원 및 출력선, 접지선에 의한 복사가 원인

대책:

- 인버터에서 직접 복사되는 노이즈는 거리가 아주 가깝지 않은 이상 영향을 미치지 않음.

- 전원선 및 출력배선에 의한 복사일 확률 높음

- 안테나의 신호선 점검 후 분리 배선

- 접지계통 확인

인버터의 스위칭 주파수(캐리어 주파수)를 낮추면 노이즈 레벨이 낮아짐

 

인버터의 역률 개선 1

 

3상의 입력전압이 인버터로 들어오면 다이오드 정류회로를 걸쳐 DC로 정류된 후 콘덴서에 저장

직류 평활 콘덴서의 정전용량은 매우 큼

전원측으로부터의 입력전류는 전원측의 전압이 평활 콘덴서의 단자전압보다 높은 경우에만 유입됨

컨버터부에서의 도통폭이 매우 좁아서 입력전류의 파고치 상승

일반적으로 콘덴서의 직류전압이 입력전압의 1.35배보다 큰 경우, 입력전류파형은 반사이클로 2개의 펄스전류가 흐르게 되어 역률 저하

 

인버터의 역률 개선 2

 

역률은 전압과 전류의 위상차로 표현

총합역률: 인버터 입력과 같이 외파형의 전류가 흐르는 경우 3상 입력전력으로부터 산출

역률을 개선하기 위해서는 컨버터의 교류측 또는 직류측에 리액터를 연결하여 전류를 평활하는 방법

입력측에 역률 개선용 진상콘덴서를 설치해도 인버터 입력 역률은 개선되지 않음

인버터 출력측에 콘덴서 설치 불가: 고조파 전류로 콘덴서 소손

입력전류는 전원계통의 리액턴스 성분이 크면 역률이 좋아지며 입력전류도 작아짐

 

삼상 인버터에 단상 전원 사용

 

인버터에 단상전원을 인가 시

평활 콘덴서에 리플이 증가 콘덴서에 이상 발생

토오크 특성 저감

단상전원을 인가할 수 밖에 없는 상황일 경우는 모터용량보다 약 2배(√3배)높은 용량의 인버터 적용

 

배선거리, 전선굵기

 

인버터와 모터사이의 배선거리가 긴 경우, 특히 저주파수 출력 시는 전선의 전압강하에 의해 모터의 토오크 저하

- 전선은 전압강하가 2%이내로 되도록 두꺼운 전선을 사용

거리가 먼 경우에는 배선의 부유용량에 의해 충전전류의 영향을 받아서 과전류 트립이 동작할 수 있음

- 배선길이는 300M (최대500M) 이내로 제한

- 400급에서는 서지전압에 의해 모터 절연이 파괴될 수 있으므로 배선에 주의

 

인버터의 수명 단축 요인

 

온도, 습도가 높거나 변화가 심한 장소에서 사용

운전과 정지를 빈번하게 하는 경우

전원(전압, 주파수, 파형왜곡)과 부하의 변동이 큰 경우

진동, 충격이 많은 장소에서 사용하는 경우

유해가스, 오일, 분진 등의 환경에서 사용하는 경우

사용 전 보관상태가 나쁘거나 장기간 보존된 경우

전원용량이 인버터보다 매우 큰 경우 (약 10배 이상)

 

인버터 운전방식

 

① 운전 인버터 : 부하공급 (100%)

② 대기 인버터 : 평상시 Hot Stand-By 상태로 대기, 운전  중인 인버터 고장시 100% 부하 공급

③ 운전 인버터 선택 : 운전원이 2대의 인버터 중임으로 운전 인버터와 대기 인버터를 선택하여 운전  할 수 있도록 해야 한다. 

④ 인버터간 절체 : 운전원의 스위치 조작에 의한 수동절체, 동기 절체 스위치에 의한 자동 절체가 가능토록 해야 한다. 

 

본 장치는 운전 중인 인버터의 이상 시나, 과부하시 대기 중인 인버터로 무순단 절체 될 수 있도록 각 인버터 출력 측에 절체용 반도체 스위치(Static S/W)를 설치하여 자동동기 상태로 연동 동작 되도록 하는 구조로서 Static S/W는 위상차에 의해 발생되는 돌입전류 (Cross Current) 의 방지를 위하여 기계적 접점 (NFB Motor Driver 또는 구동 M/S 스위치, RELAY 접점) 및 반도체 소자 혼합방식이 아닌 순수한 반도체 소자로만 구성해야 한다. 또한 Static S/W 고장 시 각 인버터 출력 전원을 직접 부하단에 송출할 수 있도록 Static S/W 측로에 비상 공급 회로를 갖추어야 한다.