가변 전압 가변 주파수 제어
1. 개요
'''가변전압 가변주파수'''
'''V'''ariable '''V'''oltage '''V'''ariable '''F'''requency / '''VVVF'''
교류전동기(모터)를 제어하는 기술 중 하나다.
직류전동기는 회전수를 전압으로 조절할 수 있기 때문에 모터에 인가되는 전압을 저항 등을 활용하여 제어하기가 수월하다는 큰 장점이 있으나 브러시와 정류자로 인한 수명 문제와 비싼 가격 등 상당한 단점도 동시에 지니고 있었다. 이 문제를 해결하기 위해 기계적인 유지보수가 덜 필요하고 저렴하게 써먹을 만한 전동기로 교류전동기가 채택되기 시작했는데, 다 좋았으나 이번에는 가변속 제어가 어렵다는 문제가 발생했다. 교류전동기는 전원 주파수에 의해 회전수가 결정되는데 막상 상용 전원의 주파수가 고정이다 보니 회전수를 자유롭게 연속적으로 조절하기가 힘들었던 것이다.
하지만 전력 반도체 기술이 성숙하여 고속 스위칭 동작이 가능한 다양한 반도체 전력소자가 등장하게 되면서 이를 해결할 길이 열리게 되는데, PWM 등을 통해 임의의 주파수를 가지는 전류 파형을 원하는 대로 만들어내는 게 가능해졌기 때문이다. 조금 더 시간이 지나 전동기도 구동할 수 있을 정도로 큰 전류를 스위칭할 수 있게 되면서 비로소 교류전동기의 자유로운 가변속 제어가 가능해졌으며 다양한 시스템에 응용될 수 있게 되었다.
이러한 추세에 따라 직류전동기도 마찬가지로 저항을 이용해 전압 제어를 하던 것을 반도체로 세대 교체하게 되었다. 반도체를 사용하는 직류전동기 제어 기술이 바로 초퍼제어다. 초퍼라는 말이 보기 힘들다 보니 오해가 생기기 쉬운데 초퍼제어는 전동기 제어에만 쓰이는 기술이 아니며 지금도 우리 주변에 대단히 많이 쓰인다. 스위칭 동작을 하는 전반적인 회로는 다 초퍼라고 부를 수 있다. 자세한 내용은 초퍼제어 문서를 참고. 다만 현재로서는 저항제어 전동차보다 초퍼제어 전동차를 보기가 더 힘든데, 부품 수급의 어려움 때문이다. 저항 같은 패시브 소자나 릴레이는 대체품을 구하기가 쉽지만 전력소자는 세대 교체도 빠르고 대부분 특성도 제각각이기 때문에 특성이 완전히 동일한 대체품을 구하기가 힘들다.
2. 실생활의 가변 전압 가변 주파수 제어
가변 전압 가변 주파수 제어(VVVF)는 값싸고 신뢰성이 높으며 매우 에너지 효율적이고 교류전동기의 제어성을 크게 향상시켜 주기 때문에 가변속 교류 전동기가 들어가는 곳에는 종류를 막론하고 거의 모든 시스템에서 사용 된다고 보면 된다. 또한 예전에는 단어 의미 그대로 전압과 주파수만 가변하여 자속의 크기만을 제어하였으나 2000년대 이후로는 드라이브를 받는 동기 전동기가 상용화 되면서 이를 토대로 자속의 크기와 방향까지 모두 고려하는 벡터제어 방식, 그리고 이보다도 더더욱 발전된 기법인 공간벡터 제어기법까지 상용화 되어 본래의 VVVF보다 더 넓은 운전영역과 성능을 확보하고 있다. 현재 VVVF 기술은 엘리베이터, 에스컬레이터, 세탁기, 냉장고, 에어컨등의 가전제품들은 기본이고 전동차, 전기자동차의 인버터 모터 등 각종 교류 모터에 흔히 적용된다.
3. 철도에서의 가변 전압 가변 주파수 제어
철도 동호인 입장에서는 흔하게 듣는 이야기이다. 국내의 대부분의 전동차는 이 제어방식을 사용하며, 철도 동호인들 사이에선 3VF(V가 3개라서 3VF인 것)라는 약칭을 사용하기도 한다. 차량사업소 등 현장에서 사용하기도 한다. 초창기 국내에 도입되었던 한국철도공사 1000호대 전동차 중 초저항, 중저항, 신조저항은 전동기를 VVVF 방식이 아닌 저항을 이용하여 전압을 조정하는 식으로 열차의 속도를 제어했으며. 이후에 서울 지하철 2호선부터 적용하기 시작한 초퍼제어는 반도체 소자를 사용하는 무접점제어라는 일부 특징만 배제한다면 사실상 저항제어나 다름이 없다. 그래서 과거 전동차에는 직류 전동기를 많이 사용했었다.
그러다가 대한민국에서는 1993년에 VVVF 전동차를 양산하는 데 성공하였다. 한국철도공사 351000호대 전동차[1]와 한국철도공사 341000호대 전동차[2][3]
또한 이 VVVF를 구현하기 위하여 뒷부분에는 전력 반도체 소자 이름이 들어가는 경우가 대부분이며, 대한민국에서는 아래의 종류가 존재한다. (사실 해외 국가들은 IGBT-VVVF와 같이 소자 이름을 먼저 표기하는 경우가 많다.)
- VVVF-GTO: GTO는 게이트 턴 오프 사이리스터를 뜻한다. 이 사이리스터를 이용하여 전동기에 전압을 공급해 주는 방식이지만 요즘은 IGBT에 밀려서 더 이상 사용하지 않고 있다.
- VVVF-IGBT: 절연 게이트 양극성 트랜지스터로써 트랜지스터의 일종이다.
- VVVF-IGCT: IGCT는 통합 게이트 정류 사이리스터로, GTO와 같이 사이리스터의 일종으로, GTO에 비해 전도 손실이 적은 것이 특징이다. KTX의 시험 모델인 HSR-350X에 장착되었다.
- VVVF-IEGT: 기존 IGBT의 문제 중 하나였던 고내압화 시 온저항이 급격히 증가하는 문제를 극복한 신형 소자로, 도시바에서 개발되었다. 다만 철도차량 제어소자로서 적용하는 사례는 아직 적다. 츠쿠바 익스프레스 TX-1000계 전동차나 도큐 5080계 전동차 정도가 있다
- VVVF-SiC: 반도체 소자를 만드는 소재로 탄화규소를 이용한 방식으로, 기존의 규소[4]로 제작된 IGBT의 발열 문제를 크게 개선하여 전력 효율이 크게 개선되었다. 소음이 줄어든 것은 덤. 일본에서는 2014년부터 서서히 채용되기 시작하여 지금은 꽤나 많아졌다. 대한민국에서는 KEC가 국책과제의 일환으로 개발해내는 데 성공했으며, 일단은 전기자동차용으로 개발하긴 했으나 철도차량에도 확대될 가능성이 있으며, 이후 계획중인 GTX-A 차량에 VVVF-SiC 채용을 검토중이다.
- VVVF-PTr:대전력 (접합형) 트랜지스터, 기존 트랜지스터에 비해 내압성을 높인 접합형 트랜지스터를 사용하였다. 일본에선 JR 서일본의 207계 등이 장착되었다, 효율이 그리 좋지는 않아 잠시 나오고 IGBT로 넘겨주었다.
한편, 대한민국의 철도차량 부분은 VVVF 전동차에 적용되는 견인전동기와 인버터 장치를 자체 개발하는 데는 성공하였으나, 이 전동차용 인버터 장치에 들어가는 GTO 및 IGBT 소자는 일본이나 유럽 등지에서 수입하여 사용하고 있는 실정이다. 물론 국내 업계에서도 이런 전력 소자를 생산하기는 하나 철도 차량용으로는 생산하지 않고 있다. 최근에 KEC에서 철도차량용 IGBT 소자의 양산에 성공했으나, 도입 실적은 서울교통공사의 전동차 27대 256량(2호선 20대 200량, 7호선 7대 56량) 정도로 그다지 많지 않다. 하지만 다원시스가 계속 전동차 수주를 따낸다면 계속해서 실적이 늘어날 가능성은 매우 높다. 코레일 등 대부분의 기관들은 도시바 제품을 우진산전이 면허생산하여 사용하고 있으며, 가끔 일부에선 미쓰비시나 히타치, 지멘스제를 도입하여 사용하는 경우도 있다.
특히 지멘스는 지멘스 옥타브라는 이름으로 철도 동호인들에게 많이 알려져 있다.