VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)
1.VVVF의 개념
VVVF는 인버터(Inverter)라는 것을 기본적으로 이용하게 된다.
이 인버터라는 놈이 뭐하는 놈이냐 하면,
원래 상용전원(교류)이 들어오면 보통 직류로 바꾸어 쓰게 되는데, 그걸 다시 교류로 바꿔주는 역할을 한다.
즉, 실제적으로 전동기에 먹히는 전원은 교류가 되는 것이다.
그래서 저항방식의 전동차는 직류 전동기를 쓰지만, VVVF방식의 전동차는 단상 또는 3상의 유도전동기를 사용한다.
일단 교류(25,000V)가 들어오면, 정류기(컨덴서 등)가 교류를 직류로 바꾸어 준다. (직류 1500V가 들어오는 구간에서는 이 과정이 생략이 된다.) 그 후 직류를 인버터를 사용하여 다시 교류로 바꾸어 주는데, 이 때 트릭을 쓰는 것이다. 교류는 직류에 비해 전압과 주파수를 바꾸기가 훨씬 쉽기 때문에, (직류는 전압을 올리고 내리기가 쉽지 않을 뿐더러 손실도 크고 주파수라는 개념 자체가 없다.) 인버터가 자기 마음대로(제어자의 생각대로) 나오는 교류파형을 제어할 수 있다. 그래서 모터의 속도를 자유자재로 조절할 수 있는 것이다.
인버터가 속도를 제어하는 방법은 PAM(Pulse Amplitude Modulation)과 PWM(Pulse Width Modulation)으로 나눌 수 있는데, PAM은 교류의 진폭을 조절하는 방법, PWM은 교류의 주파수를 조절하는 방식이다. 예전에는 PAM방식을 썼으나 요즘은 PWM벡터 제어를 사용하여 역률을 줄이고 더욱 효율을 증가시켰다. PAM제어는 전압만 손대고, PWM제어는 전압과 주파수까지 손대고, PWM벡터제어는 전압, 주파수, 전류까지 맘대로 제어가 가능하다.
2.VVVF의 소음의 원인
VVVF의 소음은 VVVF 제어소자의 스위칭 특성에 기인한다.
즉, 교류~직류변환의 핵심적 역할을 하는 파워 트랜지스터에 소음의 열쇠가 있는 것이다.
기관사가 마스콘을 당기면 일단 전동차를 움직여야 하기 때문에 많은 힘이 필요하다.(정지마찰력 때문에......) 그렇기 때문에 인버터는 단기간에 고전압, 높은 주파수를 주어 유도전동기를 돌리게 되는데, 그 때 파워 트랜지스터에서 노이즈가 필연적으로 발생하게 된다. 이 노이즈의 주파수대역은 유도전동기의 속도가 증가할 수록 점차 커지게 되는데, 우리들의 가청주파수는 20~20,000Hz이므로 그 사이에 노이즈의 주파수대역이 끼이게 된다면 우리가 그 소리를 듣게 되는 것이다.
"위~~잉 위~~잉 위~~잉" 하고 높아지다가 다시 낮아지고 또 다시 높아지는 것은 파워 트랜지스터나 IGBT소자에 미리 입력된 스위칭 패턴대로 스위칭(변속)을 하기 때문에 그렇다. 무거운 전동차를 굴릴려면 토크가 많이 필요한데, 최대토크를 주기 위해 다시 전압을 초기화할 필요가 있는 것이다. 그래서 이렇게 낮아졌다 높아지는 것이다. 만약 전동기의 속도가 일정궤도에 오르면 인버터의 노이즈는 우리가 들을 수 없는 초음파대역으로 이동하게 된다. 그래서 소리가 사라지는 것이다.
3.VVVF의 종류
①GTO(Gate Turn-off Thyristor)소자
전류의 흐름과 끊어줌을 고속으로 할수있는 반도체의 일종이며, 파워 트랜지스터를 사용한다. Toshiba, Mitsubishi, Alstom, ABB, Siemens 등의 회사에서 우리나라 전동차에 사용된 GTO소자와 전동기 등을 제작하였다.
ⓐToshiba
도시바는 일본 회사로
ⓑMisubishi
미쯔비시는 보통 철도 매니아들 사이에서 줄여서 MELCO로 불리는 일본 회사입니다.
ⓒAlstom
앨스톰은 프랑스 회사이다.
ⓓABB
스워스의 회사
ⓔSiemens
시멘스는 독일의 회사
②IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)소자
IGBT 차량은 GTO보다 더 효율이 높고, 스위칭 주파수가 높아 소음이 적어서 현재 도입되는 신규 전동차는 거의 IGBT 인버터 제어 방식 차량이다.
IGBT는 2레벨과 3레벨이 있는데, 3레벨은 2레벨보다 더 비싸고 구조가 복잡하지만 소음이 적고 효율성이 높다.
