VVVF
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1. 개요[편집]
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[편집]
2.1. 엘리베이터[편집]
엘리베이터에서는 매우 흔한 형식으로 현대의 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[편집]
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[편집]
일부를 제외하면[2] 현재 대다수의 전기자동차는 효율을 이유로 전부 VVVF 드라이버를 사용한다.
2.4. 철도차량[편집]
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. 현재 2030호대 전동차는 한국철도공사 351000호대 전동차[3]와 한국철도공사 341000호대 전동차[4]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 뜻한다. 이 사이리스터를 이용하여 전동기에 전압을 공급해 주는 방식이지만 요즘은 IGBT에 밀려서 더 이상 사용하지 않고 있다.
- VVVF-IGBT: 절연 게이트 양극성 트랜지스터를 이용한다. 2020년대 현재 철도차량에 가장 많이 사용되고 있는 방식이다.
- VVVF-IPM: IGBT 제어기에서 IGBT 소자를 제외한 나머지 구동 드라이버를 집적회로로 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 계획중인 GTX-A 차량에 VVVF-SiC 채용을 검토 중이었으나 VVVF-IGBT로의 도입이 확정되었다.
- 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: 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.
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