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
임의의 전압과 임의의 주파수를 가지는 교류를 원하는대로 생성하여 전동기를 제어하는 전력변환 기술이다. VVVF라는 단어 자체에는 전동기를 의미하는 단어가 따로 없지만 VVVF 자체가 전동기 제어를 목적으로 개발되었으므로 보통은 전동기 제어 기술이라는 뉘앙스로 사용된다. VVVF 제어가 개발됨에 따라 비로소 자유자재로 교류전동기를 제어할 수 있게 되었으며 현 시점에서는 교류전동기를 사용하는 거의 모든 분야에서 기초적으로 사용된다.VVVF는 전력반도체를 이용해 전류를 제어하는 스위칭 전류제어 기술을 기반으로 한다. 똑같이 반도체로 VVVF를 구현하더라도 어떻게 전동기를 굴릴 교류를 생성하느냐에 따라 PWM, PAM, 더 넓게는 위상제어, 전류형 인버터, 전압형 인버터 등등 별의별 구현 방법이 있으며 사용 환경이나 전력 조건에 따라서 다양한 토폴로지가 사용된다. 현재 시점에는 전력반도체와 마이크로컨트롤러의 성능이 너무나 뛰어나기 때문에 직류를 바로 필요한 교류로 변환해버릴 수 있으면서 회로도 엄청나게 간단한 2레벨 전압형 PWM 인버터가 대부분이고 심지어 지하철 전동차에도 이러한 형태의 인버터가 도입되고 있다. 이보다 전력 용량이 큰 고속철도나 선박, 대형 산업기기 같은 경우에는 전력소자의 내압이 부족하거나 스위칭 속도가 충분히 빠르지 못한 경우가 많으므로 지금도 멀티레벨 인버터나 전류형 인버터가 사용되기도 한다.
여기서 언급되는 교류전동기는 거의 대부분 유도전동기를 말한다. 유도전동기는 전압과 주파수만으로도 온전한 제어가 가능하기 때문이며 실제로 VVVF 기술로 굴린 전동기들도 대부분 유도전동기였다. 동기전동기도 VVVF 드라이브로 구동이 아예 불가능한 것은 아니지만 제데로 구동하려면 VVVF에 더해 자속의 방향까지 고려하는 벡터제어가 필요하고 이를 위해서는 제어 알고리즘뿐만 아니라 단순 VVVF 드라이브보다 더 특성이 우수한 전력소자가 요구므로 벡터제어 드라이브들은 비교적 용량이 작은 분야에서 활발하게 사용되었다. 벡터제어는 VVVF를 기반으로 하기 때문에 당연히 벡터제어 드라이브도 VVVF 드라이브의 일종이고 2000년대 이후로는 하드웨어도 사실상 동일해져 회로적인 구분이 무의미해졌다. 실제로도 VVVF 제어 유도전동기와 벡터제어 동기전동기를 전부 지원하는 상용 범용드라이브가 많다.
직류를 교류로 변환한다는 기능을 가지므로 VVVF 드라이브도 그냥 기능이 더 많을 뿐인 인버터다. 그래서 그냥 인버터라고도 많이 부른다. 상용 교류를 출력하는 일반적인 전력용 인버터와의 차이점은 VVVF 드라이브는 전동기 구동 전용이고 전동기 운용 조건에 맞춰서 실시간으로 전압과 주파수를 제어한다는 점이다.
2. 역사
이런 전력제어 기술이 없던 과거에는 전기에너지를 원하는대로 다루기가 무척 까다롭고 비효율적이었다. 조명 같은 물건들처럼 단순히 전기를 켜고 끄는 것은 스위치와 릴레이 같은 기구들을 이용할 수 있다. 그러나 산업적으로 가장 많이 사용되는 전동기는 투입되는 전기의 성질에 따라 회전수와 토크가 크게 변화하므로 원하는대로 작동시키기가 심히 난감하다는 문제가 있었다. 이런 문제가 발생하는 이유는 근본적으로 발전소에서 셀 수 없이 많은 공장들의 사정에 맞춰 전기를 송전해줄 수 없기 때문이다. 쉽게 설명하자면 자동차에 변속기가 없고 항상 풀악셀이 들어가있는 꼴로 비유할 수 있다. 이런 자동차를 클러치와 브레이크로만 운전한다면 운전도 엄청나게 힘들고 연비도 나락으로 떨어질 것을 짐작할 수 있을 것이다. 그리고 실제로도 전기가 막 도입되었을 때의 상황이 딱 이랬다. 결국 발전소에서 들어오는 전기는 항상 일정한데 이 전기를 원하는 동력으로 효율적으로 변환할 방법이 없었던 것이다.전기가 상용화 된 이후 초기에는 직류가 주로 사용되었으며 전동기도 직류전동기를 사용했다. 직류전동기의 성능은 오직 전압으로만 결정되므로 발전소에서 들어온 전기의 일부를 저항으로 태워서 직류전동기로 들어가는 전압을 낮추기만 하면 토크와 회전수를 조절할 수 있었다. 그러나 직류전동기는 일정한 회전수를 제공하기 어렵고 구조가 복잡해 가격도 비싼데다 고장이 잦아서 많은 유지보수가 필요하다는 단점이 있었다. 또한 저항을 이용한 제어는 아까운 전기를 열로 바꿔 허공에 날리는 꼴이므로 대단히 효율이 좋지 못하고 발열을 어떻게든 해결해야만 한다는 큰 문제가 있다. 이 시절의 흔적은 저항제어 전동차 등으로 쉽게 확인할 수 있다.
이후 교류가 상용화 되면서 직류전동기의 단점이 상당수 해소된 교류전동기가 사용되기 시작했다. 교류전동기는 구조가 간단하고 유지보수가 거의 필요하지 않은데다 변압기를 이용해 전압을 조절하여 나름대로 효율적으로 사용할 수도 있었다. 게다가 좀 비싸긴 하지만 동기전동기를 사용하면 부하에 상관없이 일정한 회전수도 보장 받을 수 있어 산업적으로 매우 유용했기에 직류전동기는 빠르게 교류전동기로 대체되었다. 그러자 새로운 문제가 생겼는데 교류는 직류와는 달리 주파수라는 특성이 추가되고 교류전동기의 회전수는 주파수의 영향을 받는다는 점이였다. 발전소에서는 일정한 주파수의 교류를 송전해주기 때문에 주파수를 바꾸지 않는 한 여전히 전동기를 온전하게 제어 할 수 없었고 주파수를 바꾸는건 전압을 바꾸는 것보다 훨씬 어려웠으므로[1] 꽤 오랜기간동안 직류전동기와 교류전동기가 저마다의 장단점을 갖고 공존하게 되었다.
이 시기에는 비록 주파수는 고정되지만 변압기의 권선비를 다단식으로 가변하는 탭 제어 같은 방법을 이용해 직류만 쓰던 시절보다는 비교적 효율적이고 빠르게 전압을 제어할 수 있었고 덕분에 엘리베이터와 같은 탑승물의 승차감 개선이나 초기 신칸센 같은 고속열차가 등장하는 배경이 되기도 했다. 다만 이 시기에 등장한 차량들의 상당수가 교류전동기를 직접 사용하지 않고 변압한 교류를 직류로 정류한 뒤 직류전동기를 사용하는데 그 이유는 주파수를 바꿀 수 없다보니 교류전동기의 회전수를 제대로 올릴 수 없어 운전영역이 매우 협소했기 때문이다. 그 외 거의 대부분의 산업현장에서는 이렇게 높은 회전수가 필요하지 않았으므로 실질적으로 교류전동기가 훨씬 널리 사용되었다.
주파수 가변 문제는 더 시간이 지나 반도체라는 돌파구가 등장하면서 해소되었다. 여기서 말하는 반도체는 컴퓨터와 같은 정보처리기계에서 사용되는 트랜지스터 같은 초소형 소자가 아니라 큰 전력을 제어하기 위한 사이리스터, GTO, IGBT 등의 대형 전력소자들을 의미하며 이런 전력소자들은 컴퓨터 반도체와 뿌리는 같으나 방향성이 다르게 진화한 반도체들이다. 전동기를 구동할 수 있을 정도로 높은 전압과 전류를 1초에 최소 수백번 이상 켜고 끌 수 있으며 다루는 전력이 너무 크기 때문에 도통 상태와 차단 상태만 쓰고 Saturation 상태는 거의 사용하지 않는다는 특징이 있다. 전력소자가 등장함에 따라 본격적으로 전자식 전력제어 시대가 열리면서 임의의 전류를 자유롭게 생성할 수 있게 되었고 전력소자의 스위칭 패턴을 정현파의 형태로 그려서 임의의 교류를 뽑아낼 수 있게 되어 진정한 VVVF의 구현이 가능해졌다.
초기에는 VVVF 교류전동기와 더불어 직류전동기에 반도체를 도입한 초퍼제어 시스템도 많이 채용되었는데 과거에는 이런저런 이유로 전체적인 하드웨어의 개발도 어려웠지만 무엇보다 전력소자가 매우 비싸고 다루기 힘들었기 때문이다. 초퍼제어 시스템은 직류제어를 저항 대신 반도체로 수행한다는 점에서는 VVVF와 대동소이하지만 직류는 주파수가 없으므로 훨씬 구현이 간단하고 VVVF보다 더 적은 수의 전력소자를 사용하기에 비교적 저렴한데다 전동기도 오랫동안 검증되었으니 마다할 이유가 없다. 이후 충분히 전력소자들이 성숙되고 마이크로프로세서가 도입되면서 완전한 VVVF 제어 교류전동기가 본격적으로 보급되었다.
산업현장에서도 정말 오래된 시설이나 상용 전원을 직접 쓰는게 아니라면 대부분 어떤식으로든 VVVF 드라이브를 사용하고 있다. 또한 현대 VVVF 드라이브는 대부분 마이크로프로세서가 전력소자 스위칭을 직접 제어하는 형태로 구현되며, 덕분에 과거에 일일이 아날로그 회로로 구현하던 복잡한 동작들이 소프트웨어로 싸그리 대체되어 하드웨어도 매우 간소화 되었고 소프트웨어로 직접 스위칭 동작을 제어할 수 있다보니 유연성도 매우 뛰어나다. 이런 전동기 디지털 제어 기술의 발달은 모터드라이브의 마이크로프로세서와 직접 통신하면서 명령을 전달하거나 정보를 받는 상위 제어를 용이하게 하여 구글 같은 IT 기업들이 전기자동차 시장에 뛰어들 수 있는 기술적 배경이 되기도 했다.
3. 응용
VVVF라는 용어 자체는 철도차량에서 시작되었고 실제로도 철도차량에서 가장 많이 쓰는 용어지만 현 시점에는 기술적으로 거의 모든 모터드라이브들이 VVVF 시스템으로 설계된다. 보통 종류를 막론하고 교류전동기들의 속도제어를 위해서는 전압과 주파수를 모두 제어할 것이 기본으로 요구되기 때문이다. VVVF는 그만큼 일상적인 위치로 내려온 기술이며 주변에서 쉽게 볼 수 있게 되었다.3.1. 엘리베이터
엘리베이터 분야에서는 해외 기준 1980년대 중반 경부터 도입되었는데, 승차감과 에너지 효율, 유지보수성 등을 감안하면 VVVF의 도입을 마다할 이유가 없다. 또한 원하는 층으로 이동하거나 문 끼임 방지 같은 안전동작 등등 응용 동작이 복잡하고 UI/UX 관점에서 전동기 제어와 사람간의 거리가 매우 가깝기 때문에 전동기 디지털 제어의 수혜를 가장 많이 받은 분야 중 하나이기도 하다. 현재 운행중인 엘리베이터들은 대부분 VVVF 제어방식이라 보면 되며, 대한민국에서는 금성산전 LVP, 금성기전 VP-L, 동양에레베이터 CV60, 현대엘리베이터 60VF가 대표적인 제조사 최초의 VVVF 모델이다.일반적인 엘리베이터 뿐만 아니라 공사 현장에서 사용되는 건설용 리프트들도 VVVF 드라이브로 구동하는 경우가 많다. 디지털 제어가 쉽다는 장점을 활용해 VVVF 드라이브에 상위 제어기와 키 패드를 붙여서 일반 엘리베이터와 거의 동일하게 운용하기도 한다.
예전에는 직류, 교류1, 2단제어와 교류귀환제어를 사용했으나 현재는 많은 전력 소모량과 모터 과열, 불량한 승차감으로 인해 생산하지 않는다. 교류2단제어는 금성사 EP, 신영전기 및 동양엘리베이터 AC-2, 교류귀환제어는 금성산전 DP, 금성기전 AC-SL, 동양엘리베이터 CV10, 현대엘리베이터 VAC가 제조사별 대표 모델이다.
3.2. 가전제품
VVVF 드라이브는 가전제품에 넣을 수 있을 정도로 부피를 줄일 수 있으며 에너지 효율도 높고 다양한 동작을 구현할 수 있기 때문에 가전제품에도 많이 도입되었다. 대표적으로 세탁기, 건조기, 냉장고, 에어컨에서 VVVF 인버터를 쉽게 찾아볼 수 있다. 다만 VVVF 드라이브의 가격이 생각보다 꽤 있기 때문에 인버터가 들어가는 제품들은 지금도 가격대가 비교적 높은 편이다. 이는 가정용 전기의 전압이 전기기기 입장에서도 낮은 전압이 아니다보니 IGBT 같이 내압성이 좋은 전력소자를 사용해야 하고 고성능 마이크로컨트롤러와 제어 소프트웨어가 들어가기 때문에 단가가 최소 몇만원 정도는 오를 수 밖에 없어서 그렇다.[2] 최근에는 IGBT를 대체할 수 있는 고압 MOSFET도 가격이 많이 내려왔지만 아직도 가전제품 기준으론 가격대가 꽤 있기 때문에 어찌됐든 단가 상승은 피할 수 없다. 그래서 보통은 적어도 10만원 이상의 가전제품에서 인버터 제품을 볼 수 있다.또한 공구 등으로 자주 볼 수 있는 BLDC 시스템도 크기만 작을 뿐이지 어찌됐든간에 기반 기술은 VVVF에서 출발하기 때문에 대부분의 BLDC 드라이브도 굳이 따지자면 VVVF 드라이브의 일종으로 분류하더라도 틀리진 않다. 그 이유는 BLDC 전동기가 브러시 없는 직류전동기라고 말로만 말할 뿐이지 본질적으로는 구형파 교류로 구동되는 동기전동기라서 그렇다. BLDC 전동기도 방식만 다를 뿐이지 세세하게 따지고 들어가면 어찌됐든 전압과 주파수가 모두 제어되어야만 속도제어가 가능하기 때문에 속도제어를 받는 BLDC 전동기들은 어떤식으로든 VVVF를 위시한 제어를 받고 있다. 다만 BLDC 전동기는 유도전동기와는 달리 전압과 주파수만으로는 구동할 수 없으므로[3] 보통 BLDC 전동기에 VVVF 제어라는 말은 붙이지 않는다.
3.3. 전기자동차
골프카나 카트 같은 비교적 간단한 물건들은 직류전동기를 사용하기도 하지만 현 시점에서 말하는 일반적인 전기자동차에는 VVVF 드라이브가 절대적으로 사용된다. 전기자동차 입장에서는 고성능, 고효율, 회생제동이나 자율주행 등의 다양한 동작을 모두 구현하면서도 간단한 구조와 우수한 가성비까지 원큐에 해결할 수 있는 오파츠 수준의 물건이다.실제로도 전기자동차는 인버터를 적용하기가 매우 좋은 환경이다. 배터리 자체가 기본적으로 직류이기 때문에[4] 배터리의 출력을 전력소자 대여섯개만 거쳐서 바로 전동기로 꽂을 수 있기 때문이다. 전동기 구동회로는 일반인이 봐도 이래도 되나 싶을 정도로 단순하다. 당연히 이에 반비례하여 소프트웨어의 중요성이 매우 큰데 그래서 VVVF 드라이브의 제어 로직은 전동기에 완전히 맞춤으로 개발된다.
VVVF 드라이브 덕분에 전기자동차의 전동기는 물리적, 전기적 한계치까지 성능을 완전하게 뽑아낼 수 있으며 실제로도 산업적으로 가장 공격적이고 극단적인 성능을 내는 전동기로 손에 꼽히는 물건들이다. 덕분에 전기자동차의 고성능 이미지에 크게 기여하였다.
3.4. 철도차량
| <colcolor=#fff> 대한민국의 전동차 제어장치 | ||||
| <rowcolor=#373a3c,#ddd> 저항제어 | 초퍼제어 | VVVF | ||
| GTO | IGBT | SiC | ||
애초에 VVVF 자체가 철도차량으로부터 시작되었으니 이 분야에서 VVVF가 차지하는 위상은 설명해봐야 입만 아프다. 다만 철도 분야의 VVVF와 그 외 분야의 VVVF는 성격이 좀 다른데 그 이유는 예나 지금이나 철도차량에 사용할 수 있을 정도의 대용량 전력소자들의 성능이 충분히 여유롭지 못하기 때문이다. VVVF의 등장 이후 철도에 비해 비교적 용량이 작은 모터드라이브들은 MOSFET의 등장과 마이크로프로세서의 발달로 성능이 급격하게 향상되었으며 이는 벡터제어와 동기전동기 및 서보제어의 발판이 되었다. 이런 소용량 전력소자들은 스위칭 속도도 매우 빠르고 마이크로프로세서의 제어를 직접 받기도 쉬워서 그만큼 개발이 용이했으며, 당연히 제어 공학도 이런 시스템들이 주도하여 발달 되었다.
그러나 대전력 분야는 높은 전압을 스위칭 할 수 있는 전력소자가 거의 없었기 때문에 과거에는 사이리스터 기반 전력소자 외에는 선택지가 없었고, 이런 대형 전력소자들은 빨라봐야 1kHz를 간신히 달성할 정도로 스위칭 속도가 매우 느리고 효율이 좋지 않았으며 회로설계가 매우 어려웠다. 때문에 철도 VVVF 역사는 느려터진 하드웨어 성능을 극복하기 위한 싸움으로 점철되어 있다. 흔히 지하철에서 들을 수 있는 특유의 구동음과 지멘스 옥타브 같은 동작들이 그 예인데 둘 다 느려터진 스위칭 속도로 어떻게든 쓸만한 전류제어 성능을 짜내는 과정에서 나타나는 것들이다.
이런 전력소자의 한계는 전동기 선정에도 큰 영향을 미쳤다. 비교적 최근까지 철도차량에는 영구자석 전동기가 쉽사리 채용되지 못했었는데 그 이유는 가격도 가격이지만 영구자석 전동기가 교류 파형에 영향을 매우 많이 받기 때문이다. 영구자석 전동기는 유도전동기처럼 아무렇게나 교류를 때려박아 돌리게 되면 큰 코깅토크, 고조파, 소음이 발생할 수 있고 전동기와 전력소자의 수명에 악영향을 줄 수 있으며 교류의 파형 품질은 전력소자의 성능에 절대적인 영향을 받는다. 그래서 신뢰성 문제가 있다보니 비교적 용량이 작은 도시철도에서 간간히 적용되다가 IGBT의 내압성이 개선되고 에너지 효율에 대한 관심이 커지면서 비로소 철도차량에도 PMSM이 많이 채용되기 시작했다.
현세대 전동차들은 대부분 VVVF 제어를 기반으로 하고 있으며 구형 전동차들도 빠르게 대차 되고 있다. 초창기 국내에 도입되었던 한국철도공사 1000호대 전동차 중 초저항, 중저항, 신저항은 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.
- 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.[5] 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 있게 하기 위해 기존의 BJT 트랜지스터 구조를 일부 섞어서 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.[6]
- 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.[7] 대한민국에서는 우진산전의 수소연료전지 하이브리드 열차에 최초로 채용되었다. GTX-A 차량에 적용되었다는 얘기가 있긴 한데, 구동음과 도입 연도로 추정된 정보라 정확하지 않다.[8]
- 하이브리드 SiC: 인버터의 스위칭 과정에 사용되는 반도체는 사이리스터/트랜지스터 외에도 정류 소자인 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[9], 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.
4. 원리
가장 많이 쓰이는 전압형 인버터(VVVF)의 경우, 입력으로 받은 직류[10] 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[11], SVPWM[12], 최적 PWM 변조[13] 등의 방법이 있다.
4.1. SPWM
Sinusoidal PWM, 삼각파 비교 PWM
각 상마다 삼각파와 사인파를 비교하여 펄스를 출력하는 방식이다. 여기서 삼각파를 캐리어(또는 반송자)라고 하고 사인파를 지령 전압이라고 한다. 지령 전압을 출력하고자 하는 전압[14]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[15]의 2배가 된다. 즉, 구동음은 캐리어 주파수의 변화에 의해 결정되는 것이다.[16]
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.
4.1.1. 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 모드에서의 캐리어 주파수는 고정적이다.[17]4.1.1.1. 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. 랜덤 변조의 세부 기법은 랜덤 주파수 변조(RFM), 랜덤 펄스 위치 변조(RPPM), 랜덤 듀티사이클 변조(RDCM)이 존재하며, RFM이 가장 구현하기 쉽고 노이즈 절감 성능이 좋아 주로 RFM 방식이 사용된다. 이 모드를 사용한 전동차로는 한국철도공사의 뱀눈이 전동차, 서울교통공사의 7/8호선 2차분 열차 및 6호선 등이 있다.4.1.1.2. 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[18]을 알아야 한다.[19] 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.[20] 알아낸 이 임피던스 값을 사용해 부하각을 추정하여 알맞게 제어를 시작한다. 전동기가 일정 속도에 도달하여 충분한 역기전력이 형성되면 고주파 주입을 중단하고 역기전력 검출을 통하여 회전자의 위치를 판독한다.[21] 고주파 주입 방식에 따라 회전 신호 주입(RSI), 맥동 신호 주입(PSI) 방식이 있다.
고주파 주입 모드를 사용하는 전동차로는 서울교통공사의 5호선 4차분, 7호선 5차분, 8호선 3차분 전동차와 부산교통공사의 1호선 2세대 2~4차분 전동차가 있다.[22](PMSM용 도시바 IGBT)
4.1.2. 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[23]나타내어진다.[24] 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.[25]
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.
4.1.2.1. SHEPWM
Selective Harmonic Elimination PWM, 선택적 고조파 제거 PWM4.1.2.2. CHMPWM
Current Harmonic Minimum PWM4.2. SVPWM
Space Vector PWM, 공간 벡터 PWM5. 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[26], 3레벨은 0, +0.5E, +E 세가지의 상전압을[27] 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[28]와 701계 전동차에 사용되던 PTr과 호환되는 공통 모듈로써 후에 IGBT로 전환이 용이하다고 판단되어 3레벨 회로를 채용하는 등의 예외도 있다.
[1] 서로 극수가 다른 전동기와 발전기 세트로 아예 전기를 새로 뽑아내는 식으로 주파수 변경이 불가능하진 않았지만 매우 비효율적이였으며 연속적인 주파수 변경이 곤란했다.[2] 변압기를 내장해서 작동전압을 낮출 수도 있지만 보통 인버터가 들어가는 기기들은 소비전력이 kW 단위인 경우가 많고 이정도 전력을 받아낼 수 있는 변압기는 생각보다 크고 무거우며 가격도 꽤 되고 고장나기도 쉬운데다 효율도 안좋다. 그래서 제조사들 입장에서는 가급적 생략하고 싶어하는 편이다.[3] BLDC 전동기도 VVVF에 더해 자속 벡터까지 고려하는 벡터제어가 필요하다. 이는 60도로 나누어 떨어지는 전류 벡터만을 사용한다는 점 외엔 BLAC 전동기와 별 차이가 없다는 점으로 알 수 있다. 물론 실제로 동작을 구현하는데에는 당연히 BLDC 전동기가 훨씬 간단하지만 이는 구현 난이도와는 다른 이야기이다.[4] 화학전지의 특성상 교류를 출력하는 배터리는 존재할 수 없다.[5] 트랜지스터는 npn/pnp 조합인 반면 사이리스터의 경우 npnp/pnpn 조합이다. 다만 실제 스위칭 원리는 npn/pnp 조합의 트랜지스터 두 개를 이어붙인 느낌하고 비슷하긴 하다.[6] 2010년대 중후반 이후로는 SiC 소자가 흔해지는 중이지만 몇몇 국가를 제외하면 아직도 IGBT가 대세다.[7] 그러나 한국은 밑에 언급될 GTX-A 차량 도입 이전에는 운영기관 사정 때문에 IGBT를 계속 신차에 적용했다.[8] 추후 정식으로 공개되야 알수 있는 사안이다.[9] 완전 국산은 아니고 히타치 등 다른 외국 기업의 제품을 기반으로 개발한 것이다.[10] 교류구간을 지나는 등 입력이 교류인 경우에는 정류회로를 이용하여 직류로 변환한다.[11] 삼각파 비교 PWM[12] 공간 벡터 전압 변조 방식. 3상 H-브리지 회로의 스위칭 상태 8가지를 6개의 유효 벡터와 2개의 무효 벡터로 나타내어 스위칭 타이밍을 계산하는 방식이다.[13] PWM 스위칭 패턴을 사전에 계산하여 테이블로 구성한 뒤, 이를 읽어들이는 방식.[14] 정확히는 출력하고자 하는 전압에 비례한 비교적 작은 전압이다. 또한 전압은 저주파 영역과 60Hz쯤 이후를 제외하고 주파수에 비례한다.[15] 스위칭 주파수라고도 한다.[16] 지멘스 옥타브의 경우 캐리어 주파수를 음계 순서대로 설정하여 그에 따른 소리가 모터에서 나게 되는 것이다.[17] 물론 모든 전동차가 그렇지는 않고, 비동기 모드에서 캐리어 주파수가 바뀌는 전동차도 당연히 있다. 대표적으로 서울교통공사 2000호대 VVVF 전동차가 있다.[18] 영구자석의 위치(각도)[19] 이를 제대로 알아내지 못한다면, 모터가 고정자의 자기장을 따라가지 못해 회전하지 못하거나(탈조), 최대 토크를 만들어 내지 못하는 등 모터의 동작이 불안정해진다.[20] 이 때 주입하는 고주파의 주파수는 캐리어 주파수의 1/n배가 된다.[21] 동기전동기는 회전 시 역기전력(BEMF)이 형성되는데, 역기전력의 파형은 회전자의 위치에 상응하므로 역기전력을 검출해내어 회전자의 위치를 판독하는 것이 가능하다. 허나 속도가 너무 낮을 때에는 역기전력을 제대로 검출할 수 없으므로, BEMF가 불충분한 저속 및 영속도 구간에서는 고주파 주입법을 통하여 회전자의 위치를 판독한다.[22] 이 열차들은 고주파 주입과 동시에 랜덤 변조도 사용한다.[23] 반드시 꼭 지켜지는 것은 아니다. 가령 웨스팅하우스 등 몇몇 제작사 인버터는 다변조 계열로 단수가 훨씬 자잘히 나뉘어져있었다.[24] 이렇게 설정하는 이유는 전동기의 손실을 야기하는 고조파가 최소가 되기 때문이라고 한다.[25] 예외적으로 비동기 모드에서 과변조를 통해 바로 동기 1펄스 모드로 도달하는 케이스도 있다. (대표적으로 현대로템 IGBT가 있다.)[26] 이를 통해 -E, 0, +E 세가지의 선간전압을 만들어낸다.[27] 이를 통해 -E, -0.5E, 0, +0.5E, +E 다섯 가지의 선간전압을 만들어낸다.[28] 1000번대의 도시바 GTO는 이와는 완전 반대로 고내압 2레벨 회로를 적용하였다.