Inverter (VSD) 이해

인버터 (inverter)는 직류 (DC)를 교류 (AC)로 바꾸기 위한 전기 변환장치를 호칭하며, 적절한 변환 방법이나 제어 회로를 통해 원하는 전압과 주파수 출력값을 얻는다. 사용하는 소자에 따라 다르지만 대부분이 VVVF 동작을 하며, 3상 교류의 전압과 주파수를 가변하여 3상 유도 전동기의 속도를 제어하는장치이다.

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위에서 말하는 V.V.V.F는 Variable Voltage Variable Frequency의 약칭이며, 주파수를 변환하는 동시에 전압도 비례해서 변화시키는 가변 주파수 방식을 말하며 일반적으로 인버터와 같은 뜻으로 사용된다.​

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inverter를 사용하는 이유나 목적으로는 먼저 에너지 비용을 줄일 수 있으며, 유지관리비용이나 down time도 줄일 수 있고, 효율을 높일 수 있고, water hammer로부터 긴 배관 시스템을 보호할 수도 있다.​

VSD inverter motor

즉, 에너지 비용을 줄이기 위해 pump의 speed를 20% 줄일 경우 에너지 saving을 50%까지 할 수 있다. 아울러, impeller 마모를 줄이기 위해 펌프를 천천히 start할 수 있으며, pump를 stop할 때에도 speed를 낮추어 후단 check valve의 smooth close를 통해 maintenance를 줄일 수 있다. built-in PID controller를 통해 압력이나 유량, 액위 등을 원하는 수준에서 유지할 수 있다.

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variable speed controller인 inverter는 fixed speed controller와 달리 매우 intelligent하고 공정 변수를 원하는 수준에서 유지하도록 펌프의 performance를 자동적으로 adjusting한다. 이를 통해 에너지를 낮추어 결국 운전비를 줄일 수 있다. variable speed controller는 dry running이나 current overload로부터 펌프를 보호할 수도 있다.

DOL (Direct On Line, 직입기동) motor

 

전압형 인버터는 전압의 주파수를 변환해서 모터의 회전수를 변환하는 방식이다. 반면, 전류형 인버터는 전류의 주파수를 변환해서 모터의 회전수를 변환하는 방식으로, 범용 인버터는 전압형이 채용되고 있다.

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모터는 철심에 코일을 감아 자속을 만들고 그 자속과 회전자에 흐르는 전류와의 전자력에 의해 회전한다. 정격 주파수 이하에서 전압이 일정한 채, 주파수만을 낮추면 자속이 과대해지고 자기 회로가 포화해서 모터를 손상시키므로 이 때문에 주파수와 전압을 비례적으로 변환하는 것이다. (V/F일정 제어)

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표준모터는 120Hz이상 고속으로 운전할 수 없으며 또, 60Hz이상으로 운전하는 경우에도 소음, 진동, 베어링 수명, 모터 및 기계강도 상의 문제가 있을 수 있다. 60Hz이상에서는 속도가 증가함에 따라 토크가 2승적으로 감소하므로 특히, 2극 모터나 출력 용량이 큰 모터를 사용할 때는 주의해야 한다.

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모터 회전중에 클러치로 부하를 연결하면 순간적으로 모터는 무부하 상태에서 슬립이 큰 영역으로 급변하고, 큰 기동전류가 흘러 과전류(OC) 트립이 발생하므로 클러치를 사용해서 부하를 기동해서는 안된다.

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troubleshooting

​인버터가 가속이나 정속 운전중에 과전류 (OC) 트립이 발생한다는 것은 대부분 부하에 의한 토크 부족으로 생각할 수 있다. 즉, 부하에 비해 가감속 시간이 지나치게 빠르거나, 인버터의 부하가 정격보다 크거나, 인버터와 모터 용량 설정이 잘못되었거나, V/F 패턴 설정이 잘못된 경우 등이 있다. 일단 부하가 과부하 상태가 아닌지, 운전중 급격한 부하 변동은 없는지 확인하고, 가감속 시간을 여유있게 재설정하거나 V/F패턴을 확인하고 저속에서는 토크 부스트를 조금씩 올려 조정하거나 시작 주파수를 올려 설정한다.

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모터는 감속시 회전 관성에 의해 유도 발전기 역할을 하여 인버터로 회생 전압을 준다. 그래서, 모터를 세울때 관성이 큰 부하를 짧은 시간내에 감속하면 과전압 트립이 발생한다. 대책으로는 감속 시간을 늘리고, 인버터 정격에 맞는 제동저항 (DB저항)을 외부에 설치해야 한다. ​

보호기능	이상원인	대책
과전류 보호	1) 부하에 비해 가감속 시간이 지나치게 빠르다. 2) 인버터의 부하가 정격보다 크다. 3) 모터 Free run 중에 인버터 출력이 인가되었다.	1) 가감속 시간을 늘린다. 2) 인버터 용량을 키운다. 3) 전동기가 정지된 후에 운전한다.
과전압 보호	1) 부하에 비해 감속시간이 너무 짧다. 2) 회생부하가 인버터 출력측에 있다. 3) 전원 전압이 높다.	1) 감속 시간을 늘린다. 2) 회생저항 옵션을 사용한다. 3) 전원 전압을 확인한다.
전류제한 보호 (과부하보호)	1) 인버터의 부하가 정격보다 크다. 2) 인버터 용량 설정이 잘못되었다. 3) V/F 패턴 설정이 잘못되었다.	1) 전동기, 인버터 용량을 UP 한다. 2) 인버터 용량을 올바르게 설정한다. 3) V/F 패턴을 올바르게 설정한다.
히트싱크 과열	1) 냉각팬 고장 및 이물질 삽입 2) 냉각계통에 이상이 있다. 3) 주위 온도가 높다.	1) 냉각팬의 교체 및 이물질을 제거. 2) 히트싱크의 이물질 삽입을 확인한다. 3) 주위온도를 40도 이하로 한다.
저전압 보호	1) 전원 전압이 낮다. 2) 전원 용량보다 큰 부하가 접속되었다. (용접기, 시동전류가 큰 전동기의 직입등) 3) 전원측 전자 접촉기의 고장 및 불량	1) 전원 전압을 확인한다. 2) 전원용량을 키운다. 3) 전자 접촉기 교체.

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인버터는 전압을 초당 10,000번 이상 고속 스위칭하는 전력변환 장치이므로 자체적으로 노이즈가 발생한다. 이 노이즈가 여러가지 경로를 통해서 주변기기에 영향을 주며, 대책으로는 인버터 입출력 전원단자 (RST,UVW)와 제어배선은 30cm이상 분리해 배선하고(최소 10cm이상) 배선이 교차하게 되는 경우는 가능한 수직으로 배선하고 평행 배선은 해서는 안된다.

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모터의 진동은 크게 2종류로 구별되는데 모터에 전원을 차단했어도 발생하는 진동을 기계적 진동, 모터에 전원이 인가되었을 때만 발생하는 진동을 전자적 진동이라고 한다. 기계적 진동은 부하측에 이상이 있을 경우에 발생하는 것이므로 부하를 점검하고, 전자적 진동의 대책으로는 스위칭 주파수를 높여 전류 파형을 안정되게 하고 2차측에 AC리액터를 설치하거나 모터의 발란스를 높은 것으로 교환한다.

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유지보수

​인버터 설치시 특히, 냉각을 고려해야 한다. 판넬 내부에 설치할 때는 판넬내부의 환기가 잘 되게 환기팬의 위치에 주의하고, 인버터는 수직으로 부착하되 위아래로 통풍에 지장이 될 만한 것이 없는지 확인한다. 인버터는 냉각팬과 같은 소모품을 정기적으로 갈아주고, 급격한 부하변동에 따른 무리한 운전을 피하며 적절한 주위환경 (온도, 습도, 먼지)을 유지하여 주면 10년 이상의 수명을 기대할 수 있다.

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인버터의 수명이 단축되는 요인으로는 온도, 습도가 높거나 변화가 심한 장소에서 사용하는 경우, 운전과 정지를 빈번하게 하는 경우, 전원(전압, 주파수, 파형왜곡)과 부하의 변동이 큰 경우, 진동이나 충격이 많은 장소에 설치되어진 경우, 마모, 염분, 산성가스, 유화수소 등의 유해가스나 오일분진 등의 환경에서 사용하는 경우, 사용전 보관상황이 나쁘거나 장기간 보존된 경우, 전원용량이 인버터 용량보다 매우 큰 경우 (약10배 이상) 등이다.​

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​단상모터는 인버터로 가변속하기에는 적합하지 않다. 콘덴서 기동방식에서는 콘덴서에 고조파 전류가 흘러 콘덴서가 소손될수 있으며 그리고, 분상기동방식, 반발기동방식의 모터도 저속에서는 출력 토크가 나오지 않고 내부의 원심력 스위치가 동작하지 않아서 시동코일이 소손된다.

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인버터 운전에서는 모터의 가속에 맞추어 주파수와 전압을 올리므로 기동전류는 150% (최고 200%)이하로 제한된다. 상용전원에서의 직입기동으로 모터 정격전류의 6~7배의 기동전류가 흐르는 것에 비해 인버터 구동으로 원활한 기동이 가능하게 된다. 

 

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