가변전압 가변주파수 제어
Variable Voltage Variable Frequency
1 개요
전동기(모터)를 제어하는 기술 중 하나이다. 보통 모터의 회전속도가 전압의 세기에 따라서 달라지는 직류전동기에서는 사용하지 않고 주파수도 같이 사용하는 교류전동기에서 흔하게 사용하고 있는 방식이다. 사실 직류 전동기에 비해서 교류 전동기, 그 중에서 유도 전동기는 직류전동기의 브러시와 같은 구조가 없어 설계가 간단하고 유지보수 측면에서도 장점[1]이 있으나, 전압으로 회전속도를 제어하는 직류전동기와 달리 회전속도를 주파수로 제어한다는 점이 문제이다. 일반적인 교류전원에서 주파수는 바뀌지 않기 때문에, 최대 회전속도는 일정하게 된다. VVVF는 유도 전동기에 가해지는 전압과 주파수를 동시에 조절하여 교류 전동기의 토크와 회전속도를 제어할 수 있는 기술을 의미한다.
고속으로 스위칭 동작을 하는 전계효과형 트랜지스터가 등장하자, 비로로 PWM 같은 방식으로 임의의 주파수를 가지는 전류파형을 만들어내는 것이 가능해졌으므로, 대형 전동기를 돌릴 수 있을 만큼 큰 전류를 버텨낼 수 있는 전력반도체 기술이 성숙하면서 이러한 VVVF 제어가 가능해졌고, 기존의 교류 전동기로 대체할 수 없었던 고 토크, 대형 전동기도 교류전동기화할 수 있게 되었다고 볼 수 있다.
2 실생활의 VVVF
VVVF라는게 멀게 느껴지지만 사실은 전동기가 들어가는 곳에서 많이 쓰인다. 당장 쉽게 보이는 엘리베이터. 에스컬레이터, 세탁기, 냉장고, 에어컨 등의 가전제품 역시 VVVF 제어 방식으로 사용되고 있으며 당연히 전기자동차도 VVVF제어방식이다.
3 철도에서의 VVVF
사실 철도 동호인 입장에서는 흔하게 듣는 이야기이다. 국내의 대부분의 전동차는 이 제어방식을 사용하며, 철도 동호인들 사이에선 3VF라는 약칭을 사용하기도 한다. 초창기 국내에 도입되었던 코레일 1000호대 전동차 중에, 초저항, 중저항, 신조저항류들은 전동기를 VVVF 방식이 아닌 저항을 이용, 전압을 조정하는 식으로 열차의 속도를 제어했으며. 이후에 서울 지하철 2호선부터 적용하기 시작한 쵸퍼제어는 일부 특징[2]만 배제한다면 사실상 저항제어나 다름이 없다. 그래서 과거 전동차에는 직류 전동기를 많이 사용했었다.
그러다가 한반도에서는 1993년에 VVVF 전동차를 양산하는데 성공하였으며, 이 열차가 바로 오늘날 코레일 2030호대 전동차이다. 흔히 납작이라고 불리고 있다.
또한 이 VVVF를 구현하기 위하여 뒷부분에는 전력 반도체 소자 이름이 들어가는 경우가 대부분이며, 대한민국에서는 아래의 종류가 존재한다.
- VVVF-GTO : GTO는 게이트 턴 오프 사이리스터로써 사이리스터의 일종이다. 이 사이리스터를 이용하여 전동기에 전압을 공급해주는 방식이지만 요즘은 IGBT에 밀려서 더이상 사용하지 않고 있다.
- VVVF-IGBT : 절연 게이트 양극성 트랜지스터로써 트랜지스터의 일종이다.
한편, 한반도의 철도차량 부분은 VVVF 전동차를 국내 개발하는데는 성공하였으나, 이 전동차에 들어가는 GTO 및 IGBT 소자는 일본이나 유럽 등지에서 수입하여 사용하고 있는 실적이다. 물론 국내 업계에서도 이런 전력 소자는 생산하기는 하나 철도 차량용으로는 생산하지 않고 있다[3]. 코레일 등 대부분의 기관들은 도시바 제품을 우진산전이 면허생산 하여 사용하고 있으며, 가끔 일부에선 미쯔비시나 지멘스 제를 도입하여 사용하는 경우도 있다.
특히 지멘스는 지멘스 옥타브라는 이름으로 철도 동호인들에게 많이 알려져 있다.