인버터의 기본원리 및 회로도

인버터의 기본원리 및 회로도

 

 

1. 인버터(Inverter)란?

인버터(Inverter)는 직류(DC)를 교류(AC)로 변환하는 전력변환장치입니다.

쉽게 말해, 배터리나 태양광처럼 DC 전원을 우리가 사용하는 AC 전원(220V, 60Hz 등)으로 바꿔주는 장치입니다.

구분	내용
입력	DC (직류)
출력	AC (교류)
주 용도	모터 속도제어, 태양광 발전, UPS, 산업설비 제어

 

 

2. 인버터가 왜 필요한가?

우리나라 상용 전원은 220V / 60Hz AC입니다.

하지만 다음과 같은 전원은 대부분 DC입니다.

· 배터리

· 태양광 패널

· SMPS 출력단

· 전기차 배터리

따라서 DC를 AC로 바꿔야 일반 전기기기를 사용할 수 있습니다. 또한 산업 현장에서는 모터 속도 제어용 인버터(VFD, Variable Frequency Drive)가 매우 중요합니다.

 

 

3. 인버터의 기본 원리

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핵심은 다음 3단계입니다.

1) DC 전압 입력

정류된 DC 전압이 인버터 내부의 DC Link(콘덴서)에 저장됩니다.

 

2) 스위칭 소자 ON/OFF 제어

IGBT, MOSFET 같은 전력반도체를 매우 빠르게 ON/OFF 합니다.

이때 PWM(Pulse Width Modulation, 펄스폭 변조) 기법을 사용합니다.

 

3) 의사(擬似) 사인파 생성

고속 스위칭을 통해 평균 전압을 조절하여 사인파 형태의 AC를 만듭니다.

 

 

4. 단상 인버터 회로도 (H-Bridge 구조)

단상 인버터는 보통 H-Bridge 회로를 사용합니다.

< Fig01. 단상 인버터 회로도 >

 

< Fig02. 단상 인버터 회로의 출력전류 개략도 >

 

그림<Fig.01,02>은, 단상 인버터 회로의 회로도와 출력전류 파형의 개략도입니다. 단상 인버터 회로는 직류를 단상 교류로 변환하는 구성이므로, 일반 가정의 상용 전원 용도의 파워 컨디셔너나 무정전 전원 (UPS) 등에 사용됩니다.

 

동작 원리:

• S1 + S4 ON → +전압 출력
• S2 + S3 ON → -전압 출력
• 교대로 반복 → 교류 생성

즉, 전류 방향을 번갈아 바꿔주면 AC가 됩니다.

 

 

5. PWM 제어 원리 (핵심)

PWM은 인버터의 핵심 기술입니다.

1) 원리

· 기준 사인파(reference sine wave)

· 삼각파(carrier wave)

두 파형을 비교하여 ON/OFF를 결정합니다.

- 사인파보다 삼각파가 낮으면 ON

- 사인파보다 삼각파가 높으면 OFF

그 결과, 펄스 폭이 계속 변하는 파형이 생성됩니다.

이 펄스를 필터(L-C 필터)로 통과시키면 → 거의 완전한 사인파가 됩니다.

 

 

6. 인버터 출력 주파수 제어 원리 (모터 제어 핵심)

1) 모터 속도 공식

· N = 회전속도 (RPM)

· f = 주파수 (Hz)

· P = 극수

즉, 주파수를 바꾸면 속도가 바뀝니다.

 

예:

· 60Hz → 정격속도

· 30Hz → 절반 속도

· 10Hz → 저속 운전

그래서 공장 자동화에서 인버터는 필수입니다.

 

 

7. 인버터 종류

1) 전압형 인버터 (VSI, Voltage Source Inverter)

· DC Link에 콘덴서 사용

· 가장 일반적

· 산업용 모터제어에 사용

 

2) 전류형 인버터 (CSI, Current Source Inverter)

· DC Link에 인덕터 사용

· 대용량 설비에 사용

 

 

8. 3상 인버터 원리

3상 인버터는 스위칭 소자 6개를 사용합니다.

< Fig03. 3상 인버터 회로도 >

 

< Fig04. 3상 인버터 회로의 출력전류 파형(180˚ 통전) >

 

< Fig05. 3상 인버터 회로의 출력전류 파형(120˚ 통전) >

 

그림<Fig.03,04,05>은 3상 인버터 회로의 회로도와 출력전류 파형의 개략도를 나타낸 것입니다. 그림<Fig.04>는 정현파 구동 (180° 통전), 그림<Fig.05>는 구형파 구동 (120° 통전)의 전류 파형입니다. 3상 인버터 회로는 직류를 3상 교류로 변환하는 구성이며, 에어컨의 컴프레서나 전기자동차 등의 모터 구동 등에 사용됩니다.

 

모터를 구동하는 경우, 단상, 3상 인버터 회로 모두 사용 가능합니다. 그러나, 단상 인버터 회로는 구성상 출력전류가 반드시 zero가 되는 구간이 존재합니다 (그림<Fig.02>참조). 따라서, 모터의 토크가 크게 변동하여, 모터의 진동이나 구동음이 커지게 됩니다. 반면에, 3상 인버터 회로는 3상의 어느 하나가 항상 전류를 흘리는 제어 방식이므로 (그림<Fig.04,05> 참조), 출력전류의 변동이 단상 인버터 회로에 비해 작고, 모터의 토크가 안정되어 진동이나 소음을 억제할 수 있습니다. 따라서, 모터 구동에는 일반적으로 3상 인버터 회로가 사용됩니다.

3상 인버터로 모터를 구동하기 위한 통전 방식으로는, 표1과 같이 구형파 구동 (120° 통전), 정현파 구동 (180° 통전 / 3상 변조, 2상 변조) 등이 있습니다.

그림<Fig.05>의 전류 파형과 같은 120° 통전에서는 반파 180° 구간 중 120°만 스위칭하므로, 정현파 구동에 비해 스위칭 손실을 저감할 수 있습니다. 그러나, 상전류 (相電流)가 구형파 형상이 되므로 고조파가 증가하여, 모터 효율은 악화된다는 단점이 있습니다.

그림<Fig.04>의 정현파 구동 (180° 통전)의 경우, 상전류는 기본 주파수에 가까워지므로 고조파의 저감이 가능하여, 모터 효율이 향상된다는 장점이 있습니다. 단, 반파 180° 구간에서 모두 스위칭하므로, 스위칭 손실은 구형파 구동에 비해 증가합니다.

 

< 표01. 각종 통전 방식과 특징 >

구	구형파 구동 (120° 통전)	정현파 구동 (3상 변조)	정현파 구동 (2상 변조)
스위칭 손실	적음	큼	중간
출력 AC 고조파	큼	적음	적음
모터 효율	낮음	높음	높음
제어	용이하다	조금 어렵다	어렵다

 

 

9. 인버터의 주요 구성

구성요소	역할
정류기	AC → DC
DC Link 콘덴서	전압 안정화
IGBT	고속 스위칭
제어부 (DSP, MCU)	PWM 생성
필터	고조파 제거

 

 

10.인버터 제어의 장점과 단점

어떤 전기설비를 사용하더라도 장단점이 있기 마련입니다. 이번에는 인버터 제어의 장점과 단점을 살펴보겠습니다.

1) 인버터 제어 장점

· 모터를 효율적으로 제어 하므로 에너지를 절약할 수 있다.

· 기동 및 정지시 부드럽게 제어를 할 수 있다.

· 넓은 범위에서 효과적인 토크제어를 할 수 있다.

· 유도성 부하외에 용량성 부하에도 사용이 가능하다.

· 스위칭 소자 및 출력변압기의 이용률이 높다.

 

2) 인버터 제어 단점

· 인버터를 사용한는 경우 전원단에 고조파 전류가 흘러 전압파형에 왜형을 일으켜 계통에 악영향을 끼칠 우려가 있기도 합니다. 이로 인한 대책으로는 계통과 분리하여 전용변압기를 설치하거나 인버터의 입력단에 리액터를 삽입하여 고조파 성분을 저감시키는 방법이 있습니다.

 

· 전동기에 과열발생가능성도 무시할 수 없습니다. 인버터 제어를 하지 않는 전동기는 운전과 동시에 자연스럽게 냉각팬이 돌아가면서 냉각이 되겠지만 인버터를 이용하는 경우는 얘기가 약간 다릅니다. 예로, 인버터를 사용함으로써 정속보다 낮은 저속운전과 동시에 부하가 큰 경우에는 전동기 자체의 냉각능력이 감소하여 과열이 발생할 우려가 있게 됩니다. 따라서, 이에 대한 대책으로 냉각팬의 추가 설치나 인버터 전용 모터를 사용하는 방법이 있습니다.