가변전압 가변주파수 제어 / 可變電壓 可變周波數 制御, Variable Voltage Variable Frequency / VVVF, Variable Frequency Drive / VFD
1. 개요
교류전동기(모터)를 제어하는 기술 중 하나.직류전동기는 회전수를 전압으로 조절할 수 있기 때문에 모터에 인가되는 전압을 저항 등을 활용해 간단하게 조절이 가능하다는 큰 장점이 있으나, 브러시와 정류자로 인한 수명 문제와 비싼 가격 등 상당한 단점도 동시에 지니고 있었다. 이 문제를 해결하기 위해 기계적인 유지보수가 덜 필요하고 저렴하게 써먹을 만한 전동기로 교류전동기가 채택되기 시작했다.[1] 다만 이쪽에서는 가변속 제어가 어렵다는 문제가 존재했다. 교류전동기는 전원 주파수에 의해 회전수가 결정되는데, 막상 상용 전원의 주파수가 고정(50~60hz)이다 보니, 회전수를 자유롭게 연속적으로 조절하기가 힘들었던 것이다.
하지만 반도체 기술이 발전하여 전력의 초고속 스위칭 동작이 가능한 다양한 반도체 전력소자가 등장하게 되면서, 이를 해결할 길이 열리게 되는데, PWM 등을 통해 임의의 주파수를 가지는 전류 파형을 원하는 대로 만들어내는 게 가능해졌기 때문이다. 조금 더 시간이 지나 전동기도 구동할 수 있을 정도로 큰 전류를 스위칭할 수 있게 되면서 비로소 교류전동기의 자유로운 가변속 제어가 가능해졌으며 다양한 시스템에 응용될 수 있게 되었다.
이러한 추세에 따라 직류전동기도 마찬가지로 저항을 이용해 전압제어를 하던 것을 반도체로 세대 교체하게 되었다. 인버터 기술이 아직 미성숙하던 시기에는 DC-DC 컨버터로 직류전동기를 구동하는 초퍼제어가 사용되었다가, 그 이후에 인버터 기술이 성숙하면서 VVVF 시대로 넘어가게 되었다.
2. 용도
2.1. 엘리베이터
엘리베이터에서는 매우 흔한 형식으로 현재 운행중인 엘리베이터들은 대부분 VVVF 제어방식이라 보면 되며, 대한민국에서는 금성산전 LVP, 금성기전 VP-L, 동양에레베이터 CV60, 현대엘리베이터 60VF가 대표적인 제조사 최초의 VVVF제어방식 모델이다.예전에는 직류, 교류1, 2단제어와 교류귀환제어를 사용했으나[2] 현재는 많은 전력 소모량과 모터 과열, 불량한 승차감으로 인해 생산하지 않는다.
2.2. 가전제품
가변 전압 가변 주파수 제어(VVVF)는 값싸고 신뢰성이 높으며 매우 에너지 효율적이고 교류전동기의 제어성을 크게 향상시켜 주기 때문에 가변속 교류 전동기가 들어가는 곳에는 종류를 막론하고 거의 모든 시스템에서 사용 된다고 보면 된다. 또한 예전에는 단어 의미 그대로 전압과 주파수만 가변하여 자속의 크기만을 제어하였으나 2000년대 이후로는 드라이브를 받는 동기 전동기가 상용화 되면서 이를 토대로 자속의 크기와 방향까지 모두 고려하는 벡터제어 방식, 그리고 이보다도 더더욱 발전된 기법인 공간벡터 제어기법까지 상용화 되어 본래의 VVVF보다 더 넓은 운전영역과 성능을 확보하고 있다. 현재 VVVF 기술은 엘리베이터, 에스컬레이터, 세탁기, 냉장고, 에어컨 등의 가전제품들은 기본이고 전동차, 전기자동차의 인버터 모터 등 각종 교류 모터에 흔히 적용된다.2.3. 전기자동차
일부를 제외하면[3] 현재 대다수의 전기자동차는 효율을 이유로 전부 VVVF 드라이버를 사용한다.2.4. 철도차량
철도 동호인 입장에서는 흔하게 듣는 이야기이다. 국내의 대부분의 전동차는 이 제어방식을 사용하며, 철도 동호인들 사이에선 3VF(V가 3개라서 3VF)라는 약칭을 사용하기도 한다. 차량사업소 등 현장에서 사용하기도 한다. 초창기 국내에 도입되었던 한국철도공사 1000호대 전동차 중 초저항, 중저항, 신조저항은 전동기를 VVVF 방식이 아닌 저항기를 이용하여 전압을 조정하는 식으로 열차의 속도를 제어했으며, 이후에 서울교통공사 2000호대 초퍼제어 전동차부터 적용하기 시작한 사이리스터 초퍼제어는 반도체 소자를 사용하는 무접점 제어를 하긴 하지만 결국 직류 기반이다. 그래서 예전 전동차에는 직류직권전동기를 많이 사용했었다.그러다가 대한민국에서는 1993년에 VVVF 전동차인 대한민국 철도청 2030호대 전동차를 양산하는 데 성공하였다.
VVVF 차량의 경우 주 스위칭 반도체 소자로 구분하는 경우가 많다. 아래와 같은 사례들이 있다.
- GTO: GTO는 게이트 턴 오프 사이리스터를 뜻하는데, 게이트를 켜는 기능만 있고 끄는 기능이 없던 기존의 SCR 사이리스터에 게이트를 끄는 기능이 추가된 소자이다. 본래 스위칭 목적으로 개발된 반도체는 트랜지스터지만, 구조상 대전력을 받아내기 어려웠기 때문에 이를 우회하고자 고압교류 메인전원을 직류로 정류하기 위해 개발되어 대전력을 받아낼 수 있었던 사이리스터를 이용한 것이다. 조금 더 원시적인 형태로는 역도통 사이리스터(RCT)와 같은 사례가 있지만 채용례가 많지는 않았다.
- PTr: 미쓰비시가 개발한 파워 트랜지스터로, 내압성을 좀 더 높여 대전력 스위칭에 사용할 수 있게끔 만든 솔루션이다. 하지만 철도차량에 사용되던 GTO에 비해서는 내압성에서 크게 불리하였고, 초퍼제어를 통해 강압회로를 짜넣은 207계 전동차나 교류-직류 컨버터에서 강압회로를 짜넣은 701계 전동차에서 사용된 사례가 전부다.
- IGCT: 통합 게이트 정류 사이리스터로, 본래 특고전압 변압 솔루션(변전소 등)에서 사용하기 위해 개발된 것이다. KTX-산천 및 SRT의 시험 모델인 HSR-350X 개발 과정에서 대전력을 받아낼 견적이 IGBT로는 안 나오고 GTO에서는 개선하고자 채용한 바 있으나, 여러 문제가 있었고 그동안 중대용량 IGBT가 상용화되며 고속철도나 기관차급 출력으로도 사용 가능해진 덕분에 KTX-산천 실용차량에서는 IGBT를 채용하게 되었다.
- IGBT: 절연 게이트 양극성 트랜지스터로, MOSFET 트랜지스터 구조를 따라가되, 대전력을 받아낼 수 있게끔 설계된 반도체이다. 1990년대 말엽부터 상용화가 시작되었으나, 시작 당시에는 내압성이 부족하고 발열이 잡히지 않아 2000년대 초반까지도 GTO에 비해 사용된 사례가 적었다. 하지만 이후로 내압성이 크게 향상되고 발열 문제가 잡히게 되면서 2020년대까지도 가장 대중적으로 채용되고 있다.[4]
- IPM: 주제어기의 나머지 부분까지 전부 IC로 모듈화한 것으로, 소자를 일컫는 것은 아니지만 구분법으로 사용되기도 한다.
- IEGT: 기존 IGBT의 문제 중 하나였던 고내압화 시 온저항이 급격히 증가하는 문제를 도시바에서 해결하여 개발한 소자다. 채용 사례로는 도큐 5080계 전동차, 도큐 6000계 전동차 등이 있다.
- SiC: 소자 자체가 아니라 소자의 재질을 어필하는 케이스다. 인버터나 정류기에 탄화 규소 재질 반도체를 넣어 기존의 규소 기반 IGBT 제어방식의 발열 문제를 크게 개선하였고, 자연스럽게 전력 효율도 크게 개선되었다. 소음이 줄어든 것은 덤. 일본에서는 2014년부터 오다큐 전철의 오다큐 1000형 전동차#를 시작으로 서서히 채용되기 시작하여 상용화에 성공한 2020년대에서는 전세계 철도차량에서 이 방식으로 교체되고 있다.[5] 대한민국에서는 우진산전의 수소연료전지 하이브리드 열차에 최초로 채용되었다. GTX-A 차량에 적용되었다는 얘기가 있긴 한데, 구동음과 도입 연도로 추정된 정보라 정확하지 않다.[6]
- 하이브리드 SiC: 인버터의 스위칭 과정에 사용되는 반도체는 사이리스터/트랜지스터 외에도 다이오드가 있다. 트랜지스터는 Si-IGBT로 유지하되, 다이오드만 기존의 Si-FRD 등에서 SiC-SBD로 교체하는 것으로 효율을 크게 향상할 수 있는데, 이 방식을 일본에서는 하이브리드 SiC라 칭한다. 대표적으로 사가미 철도의 소테츠 20000계 전동차가 있다.
- 풀 SiC (SiC-MOSFET): 기존의 규소 재질 IGBT 소자 대신 탄화 규소로 만든 MOSFET 소자를 쓴다. 스위칭 목적에 가장 적합한 방식이나, Si-MOSFET으로는 철도차량에서 사용할 정도의 전력을 감당할 수 없었기 때문에 사용되지 않았다가, 탄화 규소 재질의 개발을 통해 MOSFET이 대전력을 받아도 성능에 문제 없이 발열이 잡히게 되면서 채용되기 시작하였다. 풀 SiC라는 용어는 일본에서 SiC-MOSFET과 함께 다이오드부도 SiC를 적용한 경우를 일컫는 말이다. 대표적으로 도큐 전철의 도큐 2020계 전동차 가 있다. 기존 소자명식으로는 MOSFET-VVVF가 되어야 하지만, 전통적인 규소제가 아닌 탄화규소제에 대한 부분을 강조하기 위함인지, SiC-VVVF 표현이 흔히 사용된다.
한편, 대한민국의 철도차량 부분은 VVVF 전동차에 적용되는 견인전동기와 인버터 장치를 자체 개발하는 데는 성공하였으나, 이 전동차용 인버터 장치에 들어가는 GTO 및 IGBT 소자는 일본이나 유럽 등지에서 수입하여 사용하고 있는 실정이다. 물론 국내 업계에서도 이런 전력 소자를 생산하기는 하나 철도 차량용으로는 생산하지 않고 있다. 최근에 KEC에서 철도차량용 IGBT 소자의 양산에 성공했으나[7], 도입 실적은 도시형 전동차 58대 486량(2호선 24대 224량, 3호선 15대 150량, 7호선 9대 72량, 서해선 10대 40량) 정도로 그다지 많지 않다. 하지만 이 소자를 채용하여 차량을 생산중인 다원시스가 계속 전동차 수주를 따낸다면 계속해서 실적이 늘어날 가능성은 매우 높다. 한국철도공사 등 대부분의 기관들은 도시바 제품을 우진산전이 면허생산하여 사용하고 있으며, 가끔 일부에선 미쓰비시나 히타치, 지멘스제를 도입하여 사용하는 경우도 있다.
특히 지멘스는 지멘스 옥타브라는 이름으로 철도 동호인들에게 많이 알려져 있다.
3. 원리
가장 많이 쓰이는 전압형 인버터(VVVF)의 경우, 입력으로 받은 직류[8] 전원을 3상 H-브리지 회로에 있는 GTO, IGBT등의 스위칭 소자를 사용하여 PWM을 통해 교류형태에 가까운 3상 전원을 모터에 인가한다.그렇다면 VVVF는 어떻게 3상 교류에 가까운 PWM 파형을 계산하여 출력하는 것일까? 이를 수행하기 위한 대표적인 방법으로는 SPWM[9], SVPWM[10], 최적 PWM 변조[11] 등의 방법이 있다.
3.1. SPWM
Sinusoidal PWM, 삼각파 비교 PWM각 상마다 삼각파와 사인파를 비교하여 펄스를 출력하는 방식이다. 여기서 삼각파를 캐리어(또는 반송자)라고 하고 사인파를 지령 전압이라고 한다. 지령 전압을 출력하고자 하는 전압[12]과 주파수로 설정한다. 만약 지령 전압이 캐리어보다 크다면 3상 H-브릿지에서 스위칭 소자를 사용해 상전압을 직류 전원의 전압으로, 작다면 0V로 설정하는 식으로 스위칭을 실시간으로 진행한다.
참고로 우리가 듣게되는 구동음의 음의 주파수는 캐리어 주파수[13]의 2배가 된다. 즉, 구동음은 캐리어 주파수의 변화에 의해 결정되는 것이다.[14]
또한 캐리어 주파수의 설정 방식에 따라 비동기 모드와 동기 모드 2가지로 나뉘게 된다.
보통 GTO를 사용한 VVVF는 비동기 구간이 짧고 동기 모드가 긴 경향이 있다. IGBT는 그 반대.
3.1.1. 비동기 모드
캐리어 주파수와 지령 전압의 주파수가 비례하지 않는 모드. 쉽게 말해 둘의 주파수가 따로 논다고 생각하면 된다. 주로 열차의 저속 영역에서 비동기 모드를 사용하며 일반적으로 이 모드애서의 캐리어 주파수는 고정적이다.[15]3.1.1.1. 랜덤 변조
비동기 모드에서의 특수 변조 방법 중 대표적인 하나. 아주 짧은 시간마다 반복적으로 캐리어 주파수를 일정 범위 내에서 랜덤하게 변경함으로써 소리의 스펙트럼 대역을 분산시켜 모터의 소음을 감소시키는 기법이다. 캐리어 주파수를 랜덤하게 변경할 범위가 넓을수록 특정 음으로 지정하기 어려워진다. 흔히 쉬이익~ 소리를 내면서 바람소리를 내는 듯한 구동음이 바로 랜덤 변조를 사용한 것이다. 이 모드를 사용한 전동차로는 한국철도공사의 뱀눈이 전동차, 서울교통공사의 7/8호선 2차분 열차 등이 있다.3.1.1.2. 고주파 주입
일반적으로 유도전동기가 VVVF 전동차의 견인전동기로써 사용되어 왔다. 하지만 최근 에너지 절약을 위해 효율이 더 좋은 영구자석 동기전동기(PMSM)를 유도전동기 대신 채택하는 경우가 늘어나고 있다.그런데 PMSM은 VVVF가 제어하기 위해서는 제어를 시작하기 전, 즉 발차 직전에 영구자석 동기전동기 속 부하각[16]을 알아야 한다.[17] 부하가 갑자기 변화한 경우에도 토크가 회전자계를 따라가지 못해 난조나 탈조가 발생할 수 있으므로 이를 알아내는 것은 대단히 중요하다.
이를 알아내기 위해 인코더, 리졸버 등의 센서를 사용하는 방법도 있으나, 가격과 신뢰도 등의 여러 문제로 센서를 사용하지 않고도 자석의 위치를 검출해내는 방법으로써 고주파 주입 모드가 사용된다.
비동기 모드에서의 출력 파형에 특정 사각 고주파를 주입하면 모터 속 로터의 임피던스가 각도에 따라 변화한다.[18] 알아낸 이 임피던스 값을 사용해 부하각을 추정하여 알맞게 제어를 시작한다.
고주파 주입 모드를 사용하는 전동차로는 서울교통공사의 5호선 4차분, 7호선 5차분, 8호선 3차분 전동차와 부산교통공사의 1호선 2세대 2~4차분 전동차가 있다.[19](PMSM용 도시바 IGBT)
3.1.2. 동기 모드
캐리어 주파수가 지령 전압의 주파수의 n배가 되는 모드. 전동차의 속도가 어느정도 붙었다 싶으면 비동기 모드에서 동기 모드로 전환한다.전동차의 속력이 올라갈수록 지령 전압의 주파수가 올라가고, 이에 따라 캐리어 주파수더 올라가게 된다. 하지만 스위칭 소자가 스위칭할 수 있는 주파수는 한정되어 있기 때문에 지령 전압의 주파수는 올리면서도 캐리어 주파수를 지속적으로 낮추어줄 필요가 있다.
그래서 소프트웨어에서 미리 정해진 변조 패턴에 따라 캐리어 주파수가 지령 전압 주파수의 몇 배가 되도록 할 것인지 정해져 있다. 이를 출력 교류전압의 반 주기동안 몇 개의 펄스가 되도록 할 것인지로 나타내며, 보통 '동기 N펄스 모드'와 같이 부른다. 이는 출력 전압의 반 주기동안 N개의 펄스가 있다는 뜻이다. 여기서 N은 3, 9, 15, 21, 27, ... 처럼 주로 6n + 3의 꼴[20]나타내어진다.[21] 이외에도 1, 5, 7, 11, 광역 3펄스 등의 펄스도 사용된다.
일반적으로 N은 27과 같이 큰 수로 시작하여 수를 점차 내리며 최종적으로 1펄스 모드에 도달하는 형태를 보인다.[22]
따라서 속도가 올라갈수록 캐리어 주파수가 비례하여 올라가다가 N이 낮아지며 캐리어 주파수가 확 낮아지고 다시 올라가기를 반복한다. 그래서 전동차에서(특히 동기 구간이 길고 모드도 많은 GTO를 사용한 VVVF에서) 위잉~↗↓위잉~↗ 하는 소리를 내며 가속하는 것이다.
3.1.2.1. SHEPWM
Selective Harmonic Elimination PWM, 선택적 고조파 제거 PWM3.1.2.2. CHMPWM
Current Harmonic Minimum PWM3.2. SVPWM
Space Vector PWM, 공간 벡터 PWM4. 레벨
VVVF 인버터는 출력 파형의 전압 가짓수에 따라 2레벨과 3레벨로 나뉜다.VVVF 인버터에 입력되는 직류 전원의 전압을 E볼트라 했을 때, 2레벨은 0, +E 두가지의 상전압을[23], 3레벨은 0, +0.5E, +E 세가지의 상전압을[24] 만들어낸다.
3레벨의 경우 2레벨에 비해 고조파가 적고 효율이 더 좋아지는 등의 장점이 있지만, 회로가 복잡하고 보수성은 떨어진다. 철도차량에서는 기술이 성숙할수록 오히려 2레벨 인버터를 채용한다. 가령, 초창기 IGBT를 채용한 철도차량은 고압을 받아낼 수 없어서 회로를 나눠 3레벨 회로를 구성하여 합성하는 방식을 쓴 차량이 대부분이었으나, 기술이 성숙하여 여러 문제가 해결된 2000년대 중반부터는 2레벨 인버터로 단순하게 회로를 구성하게 된 차량이 도입되었다. 다만 209계 전동차에 채용된 3레벨 GTO 모듈처럼, 207계 0/500번대[25]와 701계 전동차에 사용되던 PTr과 호환되는 공통 모듈로써 후에 IGBT로 전환이 용이하다고 판단되어 3레벨 회로를 채용하는 등의 예외도 있다.
[1] 브러시와 정류자가 문제되었던 직류전동기의 단점을 획기적으로 줄인 BLDC(BrushLess DC electric motor)브러시가 없는 직류전동기가 개발되었고, 이쪽은 이쪽 나름대로 기술이 발전해가는 중이다.[2] 교류2단제어는 금성사 EP, 신영전기 및 동양엘리베이터 AC-2, 교류귀환제어는 금성산전 DP, 금성기전 AC-SL, 동양엘리베이터 CV10, 현대엘리베이터 VAC가 제조사별 대표 모델이다.[3] 전기 카트수준의 물건의 경우에는 일반 브러시드 DC 모터를 쓰는 경우가 있으며 이외에도 초기 전기차들 중에서는 그냥 교류전동기를 쓰는 경우도 있었다.[4] 2010년대 중후반 이후로는 SiC 소자가 흔해지는 중이지만 몇몇 국가를 제외하면 아직도 IGBT가 대세다.[5] 그러나 한국은 밑에 언급될 GTX-A 차량 도입 이전에는 운영기관 사정 때문에 IGBT를 계속 신차에 적용했다.[6] 추후 정식으로 공개되야 알수 있는 사안이다.[7] 완전 국산은 아니고 히타치 등 다른 외국 기업의 제품을 기반으로 개발한 것이다.[8] 교류구간을 지나는 등 입력이 교류인 경우에는 정류회로를 이용하여 직류로 변환한다.[9] 삼각파 비교 PWM[10] 공간 벡터 전압 변조 방식. 3상 H-브리지 회로의 스위칭 상태 8가지를 6개의 유효 벡터와 2개의 무효 벡터로 나타내어 스위칭 타이밍을 계산하는 방식이다.[11] PWM 스위칭 패턴을 사전에 계산하여 테이블로 구성한 뒤, 이를 읽어들이는 방식.[12] 정확히는 출력하고자 하는 전압에 비례한 비교적 작은 전압이다. 또한 전압은 저주파 영역과 60Hz쯤 이후를 제외하고 주파수에 비례한다.[13] 스위칭 주파수라고도 한다.[14] 지멘스 옥타브의 경우 캐리어 주파수를 음계 순서대로 설정하여 그에 따른 소리가 모터에서 나게 되는 것이다.[15] 물론 모든 전동차가 그렇지는 않고, 비동기 모드에서 캐리어 주파수가 바뀌는 전동차도 당연히 있다. 대표적으로 서울교통공사 2000호대 VVVF 전동차가 있다.[16] 영구자석의 위치(각도)[17] 이를 제대로 알아내지 못한다면, 모터가 고정자의 자기장을 따라가지 못해 회전하지 못하거나(탈조), 최대 토크를 만들어 내지 못하는 등 모터의 동작이 불안정해진다.[18] 이 때 주입하는 고주파의 주파수는 캐리어 주파수의 1/n배가 된다.[19] 이 열차들은 고주파 주입과 동시에 랜덤 변조도 사용한다.[20] 반드시 꼭 지켜지는 것은 아니다. 가령 웨스팅하우스 등 몇몇 제작사 인버터는 다변조 계열로 단수가 훨씬 자잘히 나뉘어져있었다.[21] 이렇게 설정하는 이유는 전동기의 손실을 야기하는 고조파가 최소가 되기 때문이라고 한다.[22] 예외적으로 비동기 모드에서 과변조를 통해 바로 동기 1펄스 모드로 도달하는 케이스도 있다. (대표적으로 현대로템 IGBT가 있다.)[23] 이를 통해 -E, 0, +E 세가지의 선간전압을 만들어낸다.[24] 이를 통해 -E, -0.5E, 0, +0.5E, +E 다섯 가지의 선간전압을 만들어낸다.[25] 1000번대의 도시바 GTO는 이와는 완전 반대로 고내압 2레벨 회로를 적용하였다.