1. 개요
가변전압 가변주파수 제어(可變電壓 可變周波數 制御, Variable Voltage Variable Frequency / VVVF, Variable Frequency Drive / VFD)는 교류전동기(모터)를 제어하는 기술 중 하나다.직류전동기는 회전수를 전압으로 조절할 수 있기 때문에 모터에 인가되는 전압을 저항 등을 활용하여 제어하기가 수월하다는 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 시작했는데, 이번에는 가변속 제어가 어렵다는 문제가 발생했다. 교류전동기는 전원 주파수에 의해 회전수가 결정되는데 막상 상용 전원의 주파수가 고정이다 보니 회전수를 자유롭게 연속적으로 조절하기가 힘들었던 것이다.
하지만 전력 반도체 기술이 발전하여 고속 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 전압 제어를 하던 것을 반도체로 세대 교체하게 되었다. 반도체를 사용하는 직류전동기 제어 기술이 바로 초퍼제어다. 초퍼라는 말이 보기 힘들다 보니 오해가 생기기 쉬운데 초퍼제어는 전동기 제어에만 쓰이는 기술이 아니며 지금도 우리 주변에 대단히 많이 쓰인다. 스위칭 동작을 하는 전반적인 회로는 다 초퍼라고 부를 수 있다. 자세한 내용은 초퍼제어 문서를 참고. 다만 현재로서는 저항제어 전동차보다 초퍼제어 전동차를 보기가 더 힘든데, 부품 수급의 어려움 때문이다. 저항 같은 패시브 소자나 릴레이는 대체품을 구하기가 쉽지만 전력소자는 세대 교체도 빠르고 대부분 특성도 제각각이기 때문에 특성이 완전히 같은 대체품을 구하기가 힘들다.
2. 용도
2.1. 엘리베이터
엘리베이터에서는 매우 흔한 형식으로 현재 생산되는 엘리베이터들은 대부분 VVVF제어방식이라 보면 되며, 대한민국에서는 금성산전 LVP, 금성기전 VP-L, 동양에레베이터 CV60, 현대엘리베이터 60VF가 대표적인 제조사 최초의 VVVF제어방식 모델이다.예전에는 교류1,2단제어와 교류귀환제어를 사용했으나[1] 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[2] 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.[3] 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. 현재 2030호대 전동차는 한국철도공사 351000호대 전동차[4]와 한국철도공사 341000호대 전동차[5]로 나뉘어서 운행중이다.
또한 이 VVVF를 구현하기 위하여 뒷부분에는 전력 반도체 소자 이름이 들어가는 경우가 대부분이며, 대한민국에서는 아래의 종류가 존재한다. (사실 해외 국가들은 IGBT-VVVF와 같이 소자 이름을 먼저 표기하는 경우가 많다.)
- VVVF-GTO: GTO는 게이트 턴 오프 사이리스터를 뜻하는데, 게이트를 켜는 기능만 있고 끄는 기능이 없던 기존의 SCR 사이리스터에 게이트를 끄는 기능이 추가된 사이리스터 소자이다. 이 사이리스터를 이용하여 전동기에 전압을 공급해 주는 방식이지만 요즘은 IGBT에 밀려서 더 이상 사용하지 않고 있다.[6]
- VVVF-IGBT: 기존의 트랜지스터에 MOSFET 트랜지스터 구조를 일부 섞은 절연 게이트 양극성 트랜지스터를 이용한다. 2020년대 현재 철도차량에 가장 많이 사용되고 있는 방식이다.
- VVVF-IPM: IGBT 제어기에서 IGBT 소자를 제외한 나머지 구동 드라이버를 집적 회로로 모듈화시킨 버전이다. 그래서 동작 원리는 기존의 IGBT 제어방식과 비슷하다.
- VVVF-SiC: 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 지금은 꽤나 많아졌다. 대한민국에서는 우진산전의 수소연료전지 하이브리드 열차에 최초로 채용되었고, 이후 GTX-A 차량에도 VVVF-SiC가 적용되었다.
- 하이브리드 SiC-VVVF: 기존의 VVVF-IGBT 방식에서 정류기 부분에 쓰이는 다이오드의 재료만 실리콘에서 탄화규소로 바꾼 구조이다. 대표적으로 사가미 철도의 소테츠 20000계 전동차.
- 풀 SiC-VVVF: 기존의 규소 재질 IGBT 소자 대신 탄화 규소로 만든 MOSFET 소자를 쓴다. 대표적으로 도큐 전철의 도큐 2020계 전동차가 있다.
- VVVF-IGCT: IGCT는 통합 게이트 정류 사이리스터로, GTO와 같이 사이리스터의 일종으로, GTO에 비해 전도 손실이 적은 것이 특징이다. KTX의 시험 모델인 HSR-350X에 장착되었다.
- VVVF-IEGT: 기존 IGBT의 문제 중 하나였던 고내압화 시 온저항이 급격히 증가하는 문제를 극복한 신형 소자로, 도시바에서 개발되었다. 다만 철도차량 제어소자로서 적용하는 사례는 아직 적다. 츠쿠바 익스프레스 TX-1000계 전동차나 도큐 5080계 전동차 정도가 있다
- VVVF-PTr: 대전력 (접합형) 트랜지스터, 기존 트랜지스터에 비해 내압성을 높인 접합형 트랜지스터를 사용하였다. 일본에선 JR 서일본의 207계 전동차 등에 장착되었다, 효율이 그리 좋지는 않아 잠시 나오고 IGBT로 넘겨주었다.
특히 지멘스는 지멘스 옥타브라는 이름으로 철도 동호인들에게 많이 알려져 있다.
3. 원리
가장 많이 쓰이는 전압형 VVVF의 경우, 입력으로 받은 직류[8] 전원을 3상 H-브릿지 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 분포시켜 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 PMSM[16]을 유도전동기 대신 채택하는 경우가 늘어나고 있다.그런데 PMSM은 VVVF가 제어하기 위해서는 제어를 시작하기 전, 즉 발차 직전에 PMSM 속 영구자석의 위치(각도)를 알아야 한다.[17]
이를 알아내기 위해 엔코더, 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 자석의 각을 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 6n + 3의 꼴로 나타내어진다.[20] 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.[21]
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
VVVF는 출력 파형의 전압 가짓수에 따라 2레벨과 3레벨로 나뉜다.VVVF에 입력되는 직류 전원의 전압을 E볼트라 했을 때, 2레벨은 0, +E 두가지의 상전압을[22], 3레벨은 0, +0.5E, +E 세가지의 상전압을[23] 만들어낸다.
3레벨의 경우 2레벨에 비해 고조파가 적고 효율이 더 좋아지는 등의 장점이 있다.
현재 한국 내의 모든 전동차는 2레벨 VVVF를 사용중이며, 일본에는 209계 전동차 등 일부 전동차가 3레벨 VVVF를 사용하고 있다.
[1] 교류2단제어는 금성사 EP, 신영전기 및 동양엘리베이터 AC-2, 교류귀환제어는 금성산전 DP, 금성기전 AC-SL, 동양엘리베이터 CV10, 현대엘리베이터 VAC가 제조사별 대표 모델이다.[2] 전기 카트수준의 물건의 경우에는 일반 브러시드 DC 모터를 쓰는 경우가 있으며 이외에도 초기 전기차들 중에서는 그냥 교류전동기를 쓰는 경우도 있었다.[3] 그러나 1993년 이전 국내에서는 저항제어하고 초퍼제어만 있었다.[4] 수인·분당선 운행[5] 수도권 전철 4호선 운행[6] 초퍼처럼 밀려난 쎔이다.[7] 완전 국산은 아니고 히타치 등 타 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-브릿지 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] 영구자석형 동기전동기[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] 이렇게 설정하는 이유는 전동기의 손실을 야기하는 고조파가 최소가 되기 때문이라고 한다.[21] 예외적으로 비동기 모드에서 과변조를 통해 바로 동기 1펄스 모드로 도달하는 케이스도 있다. (대표적으로 현대로템 IGBT가 있다.)[22] 이를 통해 -E, 0, +E 세가지의 선간전압을 만들어낸다.[23] 이를 통해 -E, -0.5E, 0, +0.5E, +E 다섯 가지의 선간전압을 만들어낸다.