가변 전압 가변 주파수 제어 Variable Voltage Variable Frequency
개요
스위칭 인버터를 사용해 직류전원을 교류전원으로 바꾸어 교류전동기를 돌리는 인버터 제어 방식의 한 종류를 일컫는다. 거의 대부분의 분야에서 인버터 제어라고 사용하지만, 사실은 일본식 조어, 재플리시(일본제 영어조어)다. 유독 일본의 철도에 영향을 많이 받은 한국 철도계에서도 자주 사용되는 표현이지만, 영미권에서 이 단어는 사용되지 않는다. 영어 표현으로는 보통 주파수 제어를 강조할 때에는 Variable-frequency drive (VFD)라고 쓰고, 일반적으로는 인버터 제어 혹은 인버터 드라이브 정도의 표현을 쓰는 편이다. 그런 의미에서 이 글 역시 철도차량에서의 용례를 위주로 설명하며, 철도계 이외의 정보는 인버터 제어를 참조하기 바란다.
철도에서의 사용
철도차량에 교류전동기를 채용하기 시작하면서 교류전동기를 효율적으로 제어하기 위해 채용되기 시작하였다. 철도차량 기준으로, 세계에서 가장 먼저 사용되었다고 볼 수 있는 차량은 헬싱키 지하철의 HKL M100이다. 1974년부터 제작되어 1977년부터 영업에 들어간 차량인데, 사실은 비슷한 시기에 서독이나 일본 등 전자 산업이 발달했던 나라들에서 개발이 시작되었다. 서독은 1979년에 DB E 120 전기기관차를, 일본은 1981년에 오사카시 교통국 100형 전동차를 시작으로 세계에서의 채용이 본격화되었다. 헬싱키는 위도에 비해는 따뜻하지만(대략 서울의 겨울과 아주 큰 차이가 없을 정도) 그래도 추운 편으로 꼽히는 지역으로, 추운 날씨에서는 주로 전기저항[1]의 변화를 이용하는 직류전동기의 효율이 나빠지고 고장률이 증가하기 때문이다.
기본적으로 대형 전장품으로 주요 전장품 제작사라면 한 번씩 제작해본 경험이 있으나, 2000년대 들어 제작사들이 합병을 많이 거친지라, 현재 남아있는 제작사들은 그렇게 많지는 않다.
일본 철도계에서는 스위칭에 사용되는 전력소자에 따라서 분류하는 것이 일반적이다. 크게 사이리스터 계열과 트랜지스터 계열로 나뉜다.
사이리스터 계열
사이리스터의 특성은 대전력의 스위칭 제어에 비교적 적합했던지라 나름 대형이라 대전력제어로 보는 철도차량에는 초창기부터 사용되기 시작하였다. 기본적으로 사이리스터는 단독으로는 켤 수는 있지만 끌 수 없어 스위칭을 위해서는 끄는 회로가 추가되어야 한다. 보통은 역방 전류가 들어오는 것으로 스위칭이 동작되는 원리를 사용하며, 대개는 사이리스터가 병렬 배치된 인버터를 사용한다. 그러나 현재는 트랜지스터도 대전력 스위칭 제어가 가능해짐에 따라 트랜지스터에 자리를 넘겨준 상태며, 사이리스터 계열은 소음 문제라든지 효율성 문제에서 트랜지스터에 비해 단점이 커 2010년대 들어서는 신규 채용은 거의 없으며, 있는 인버터들도 트랜지스터 계열로 대부분 교체되고 있다.
사이리스터 계열을 채용한 경우 일반적으로 변조 소음이 크게 들리게 된다. 이는 스위칭 간격이 길기 때문에 발생되는 발생되는 주파수가 낮을 뿐만 아니라 튀는 전력이 커서 크게 들리기 때문이다. 변조파, 반송파를 변조음과 맞춰 분석하면 대략 다음과 같다:
- 사이리스터를 사용하면 변조파 주파수와 반송파 주파수가 일치하지 않는 비동기 구간이 짧아지게 되며(대략 변조파 주파수 30 Hz대 이하), 반대로 동기 구간이 길어지게 된다.
- 동기 구간에 들어가면 반송파는 펄스가 된다. 이 때 발생하는 실질 주파수는 변조파 주파수에 반송파의 펄스 수를 곱한만큼이 되는데, 사이리스터 계열은 이 펄스 수의 변동이 심한 편이다.
- 그런데 동기 구간이 길어도 초반 펄스가 촘촘한 편이라 발생되는 주파수가 잘 들리는 영역에 들어가게 된다.
후기에 들어서는 동기 단수를 크게 늘리고 효율을 좋게 하여 소음이 많이 저감된 편이기는 했다. 그러나 그 정도도 트랜지스터보다 시끄러웠다는게 문제지만.
- 역방향 유도 사이리스터 (RCT; Reverse Conducting Thyristor)
- 역방향 다이오드가 들어간 사이리스터로, 이 때문에 역방향 전류 차단이 불가능하다. 제작은 쉬운데 효율이 썩 좋지는 않은 편이며 철도차량의 인버터 제어가 태동할 무렵에 주로 사용되었던 소자이다.
- 게이트 턴 오프 사이리스터 (GTO; Gate Turn-off Thyristor)
- 게이트에 걸리는 전위의 음양에 따라 끌 수 있도록 만들어진 사이리스터로, 가장 범용적으로 사용되던 소자이다.
- 통합 게이트 정류 사이리스터 (IGCT; Integrated Gate-commutated Thyristor)
트랜지스터 계열
트랜지스터는 스위칭에는 적합하지만, 소전력 위주로 발달한 역사가 길다보니, 대전력 스위칭 제어에 활발히 사용되게 된 것은 꽤나 나중의 일이었다. 특히 기존에 자주 사용되던 MOSFET 등의 스위칭 솔루션은 대전력 제어가 불가능했으나, 연구가 진행되며 대전력 제어가 가능해짐에 따라 철도차량에서도 사용되기 시작하였다. 사이리스터에 비해서 턴오프 시간이 짧아 효율이 좋고 소음이 적어, 2016년 현재는 거의 모든 전기철도차량에 트랜지스터 기반 장치가 사용되고 있다.
소음의 경우 사이리스터에 비해서 상당히 저감되는데, 이는 턴오프 시간이 사이리스터에 비해서는 짧기 때문이다. 사이리스터와 변조음을 비교하면, 애초부터 튀는 전력 자체가 적어 에너지가 적게 발생하므로 소음 자체가 작아지게 된다. 특성상 비동기 구간이 훨씬 길고 비동기 구간 내에서 비교적 높은 주파수를 유지하며, 동기 구간에 들어서면 대부분 펄스가 1–3단으로 낮아져 오히려 가청 영역에 아슬아슬하게 걸쳐 들리기 어렵게 되므로[2] 소음 발생량이 기존 사이리스터 솔루션들에 비해서는 적은 것.
- 대전력 (접합형) 트랜지스터 (PTr; Power (bipolar junction) Transistor)
- 초창기 미츠비시 등이 시도했던 것으로, 기존 트랜지스터에 비해 내압성을 높인 접합형 트랜지스터를 사용하였다. 가격은 저렴했으나 스위칭 속도도 느리고 임피던스도 낮아 소음이 GTO에 비해 크게 저감되지 않았으며, 효율도 그닥 좋은 편은 아니었기 때문에 초창기 위주로 사용되다가 IGBT에 자리를 넘겨주었다.
- 절연 게이트 양극성 트랜지스터 (IGBT; Insulated-gate Bipolar Transistor)
- 쉽게 말해 기존 효율은 좋지만 대전력 제어가 불가능하던 MOSFET에 효율은 나쁘지만 대전력 제어는 가능한 PTr의 장점을 섞어 만든 것으로, 대전력 제어에 특화된 트랜지스터다. MOSFET에 비해서는 스위칭 속도가 길고 임피던스도 낮지만[3] 일단 게이트도 절연되어 있고 구조 자체가 효율성을 뽑아내는데 최적화된 구조라 철도차량에서는 여전히 애용되고 있다.
- SiC