VVVF 인버터 속도 제어 방식

VVVF 인버터 속도 제어 방식

 

 

1. 서론

전기차를 일정 가속도로 순조롭게 기동하고 일정 속도까지 가속하여 소요 균형 속도로 주행하거나 또는 균형 속도를 여러 종류로 변환시키는 것을 속도 제어라 한다.

열차 속도에서 전동기에 인가되는 전압과 주파수를 연속적으로 변화시켜 회전수를 제어하는 방식을 VVVF 인버터 제어 방식이라 한다.

 

2. VVVF 인버터 제어

VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)란 가변 전압 가변 주파수 장치로, 상용 전원으로부터 공급된 전압과 주파수를 변환시켜 모터에 공급함으로써 모터의 속도를 제어할 수 있는 정지식 모터 속도 제어 장치이다.

1) 속도 제어의 원리

인버터란 유도 전동기 모터를 임의의 속도로 운전하기 위해 주파수를 가변시킬 수 있도록 한 전력 변환기이다.

N=120f/P(1-S)[rpm]

여기서, N : 회전 속도

P : 극수

f : 주파수

S : 슬립

상기 식에서 주파수 f를 임의로 가변시키면 임의의 회전 속도 N을 얻을 수 있다. 인버터의 교류를 일단 직류로 변환하여 이 직류를 트랜지시터 등의 반도체 소자의 스위칭에 의해서 교류로 역변환시킨다. 스위칭 간격을 가변시킴으로써 주파수를 임의로 변화시키는 것이다. 실제로는 모터 운전시에 충분한 토크를 확보하기 위해 주파수 뿐만 아니라 전압도 주파수에 따라 가변시킨다.

 

2) VVVF 속도 제어 방식

(1) 전압형 인버터

전압형 인버터는 대부분 펄스 폭 변조(PWM) 제어가 사용되며, PWM 제어 인버터는 주파수와 전압 제어를 양방으로 하는 VVVF 제어이고, 3상 유도 전동기를 구동한다. 전압형 인버터는 직류 전원의 임피던스가 낮고 콘덴서에 의해 직류 전압이 급격하지 않으므로 널리 사용되고 있다.

(2) 전류형 인버터

전류형 인버터는 전압 제어부를 따로 가지고 있으므로 인버터는 주파수를 절환하는 기능이 있으며, 사이리스터는 중속형을 사용할 수 있고 회로에 리액터가 들어가 있어 보호 기능이 간단하다. 전류형 인버터는 가선측에서 초퍼 제어하고, 유도 전동기를 구동하는 방식이다.

 

3. VVVF 차량 구성도

전기 철도에서 VVVF 전동차의 경우 전차선으로부터 인가된 교류 전압은 PWM 컨버터에 의해 정류시키고, VVVF 인버터에서 가변 전압 가변 주파수 제어 방식에 의해 3상 교류로 변환하여 유도 전동기의 속도 제어를 수행한다.

 

4. 결론

교류 모터의 회전수는 주로 주파수에 의해서 결정되는데, 종래에는 주파수를 가변하기가 어려워서 교류 모터는 전차용 모토로 사용하지 않았다. 그러나 최근에 반도체 기술의 진보로 직류를 자유로운 전압이나 주파수의 교류로 변환할 수 있는 VVVF 제어가 가능해져 교류 모터를 사용하여 직류 모터와 같은 성능을 낼 수 있게 되었다.

교류 모터는 직류 모터에 비해 정류용 브러시가 불필요하며 소형, 경량화가 가능한 동시에 보수의 성력화(Maintenance free) 가 가능하다. 향후엔 VVVF 제어에 의한 교류 모터가 전기 철도에 전반적으로 보급될 것으로 전망된다.