인버터, inverter란 직류 전원을 정류하여 원하는 크기와 주파수의 교류를 얻을 수 있는 장치이다.
최근 관심이 높은 인버터형 에어컨 등 실생활에서 쉽게 접할 수 있으며, 여러 가지 장점이 있는 전기 설비이다.
인버터는 크게 단상 인버터와 3상 인버터로 분류할 수 있다. 또한 사용 목적에 따라 인버터를 온•오프 하는 제어 소자 BJT, MOSFET, GTO, IGBT, MCT 등을 구분하여 사용한다.
인버터의 입력은 여러 종류의 직류 전원이 있다. 배터리, 연료 전지, 태양 전지 등의 전지류 또는 다이오드 정류기, 위상 제어 정류기와 같은 전력 변환 장치의 출력이 될 수 있다. 일반적으로 인버터의 직류 입력 전원은 크기가 고정적이거나 가변될 수 있다.
전압형과 전류형
전압형 인버터, VSI(Voltage Source Inverter)는 입력 전압이 일정하게 유지되는 특성이 있고, 전류형 인버터, CSI(Current Source Inverter)는 입력 전류가 일정하게 유지된다. 예외로 입력 전압이 가변 제어인 경우, DC Link 인버터라고 한다.
전압원 인버터는 임피던스가 낮은 전압원이므로 출력 전류의 크기와 파형은 부하에 따라 결정되는데, 회로가 단락되면 위험하다. 이에 비해 전류원 인버터는 직류 링크단에 큰 용량의 인덕터를 사용하여 얻은 일정한 직류 전류원을 사용한다. 출력 전압의 크기와 파형은 부하에 의해 결정된다. 일정 전류원이므로 회로 단락 시에 큰 문제가 발생하지 않지만 회로가 개방되면 위험하다.
전압형 인버터
- 출력 전압 크기의 제어 여부에 따라 구분된다
- 출력 전압의 크기는 고정되고 주파수만 제어하는 구형파 인버터(Square Wave Inverter)와 출력 전압의 크기, 주파수의 동시 제어가 가능한 PWM(Pulse Width Modulation) 인버터로 구분된다
- 교류 전동기의 기동 및 제어에 사용되는 가변 전압, 가변 주파수 인버터인 VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)
- 무정전 전원 공급 장치인 UPS(Uninterruptible Power Supply)
- 정전압 정주파수 출력 장치인 CVCF(Constant Voltage Constant Frequency)
PWM 전압형 인버터
PWM(Pulse Width Modulation)은 인버터 출력 파형의 반주기 내 펄스를 여러개로 분할하여 각각의 펄스 폭을 제어한다. 따라서 출력 파형의 제어 및 개선이 가능하다. PWM이라 칭하는 이유는 스위칭의 기준이 되는 캐리어의 펄스 폭을 출력 파형의 기준 파형에 해당하는 신호파로 변조하기 때문이다.
특징
- 제어 회로가 복잡하다
- 고속 스위칭이 가능한 전력용 반도체 소자가 필요하다
- 교류 출력 전압의 주파수는 제어할 수 있으나, 크기 제어는 불가하다
- 출력 전압의 크기 제어에 효과적이다
- 출력 전압의 기본파 크기의 선형 제어, 기본파 주파수의 제어, 고조파 성분 제어가 가능하다
제어 기법
- 지령 전압과 동일한 주파수 및 크기를 갖는 기본파 전압을 발생하도록 각 상 스위치에 게이트 펄스를 발생시킨다. 이때 필수불가결하게 발생하는 고조파나 스위칭 손실을 최소화하도록 스위칭 패턴을 결정하게 된다.
인버터 제어
- 한 대의 인버터로 전압과 주파수를 동시에 가변할 수 있다
- 출력 파형을 적당한 형태로 변조시켜 고조파 함유율을 낮춘다
- 제어 정류기가 사용되지 않아 입력 측 고조파 및 역률이 우수하다
- 여러 대의 인버터를 사용할 경우 대형 설비에 유리하다
- 전압과 주파수를 제어해야 하는 부하의 교류 전원 장치로 활용된다
- 무정전 전원 공급 장치(UPS), 유도 전동기 속도 제어에 사용된다
노이즈(noise)
노이즈란 전기적 잡음을 의미하며, 전압 및 전류에 유입되어 장해를 주는 불필요한 전압, 전류를 의미한다. 노이즈는 본래 불규칙한 특성을 갖고 있으나 현재는 특정 목적을 위해 발생시키고 있는 전자파가 누설되어 침입하는 것이 대부분이므로 규칙적인 것도 많아졌다. 또한 전계와 자계가 서로 겹쳐 진행되는 파형으로 수십kHz 이상의 높은 주파수대역을 가지고 있다.
EMI(Electro Magnetic Interference)는 전자파 장해 도는 전자적 간섭으로 정의하며, 회로 기판이나 시스템으로부터 전도나 방사에 의해 다른 기기에 전자기적 장해를 유발하는 현상이나 특성을 의미한다.
EMS(Electromagnetic Susceptibility)는 전자기적 감수성으로 정의하며, 전기 기기가 외부 전자파 환경에 대해 견딜 수 있는 능력을 의미한다. 전기 기기는 타 설비에 전기적인 영향을 주지 않아야 하며, 또한 외부의 과도 현상에도 내성을 가져야 한다.
위 두 가지 성질을 합친 것을 EMC(Electro Magnetic Compatibility), 즉 전자기적 합성이라고 하며, 아래와 같이 정리가 가능하다.
전자기적 합성(EMC) = 전자파 장해(EMI) + 전자기적 내성(EMS)
인버터의 노이즈와 고조파 억제 대책
노이즈 억제 대책으로는 노이즈 발생원을 제거하는 것이다. 그러나 노이즈 억제는 현실적으로 어려움이 크다. 노이즈에 의한 장해의 원인을 찾는것이 복잡하기 때문이다.
노이즈 억제 대책
- 인버터의 스위칭 주파수를 낮춘다
- 케이스의 전자 실드 실시
- 스위칭 파형의 소프트화
- 인버터의 전원 측에 노이즈 필터 설치
- 전동기에의 배선, 전원에의 전원 케이블을 트위스트로 하고 외장을 실드 처리한 케이블을 사용한다
고조파 억제 대책
- 액티브 필터를 설치
- PWM 컨버터 방식을 채용
- 다상 정류의 회로 방식을 채용
- AC, DC 리액터를 삽입
