[국내신제품 기술정보] 전압형 인버터 N5000 시리즈의 개발

전동기 가변속 제어용 6.6kV급 고압 대용량 전압형 인버터 'N5000 시리즈'의 개발 개발 동기 산업용 인버터는 자동화 설비에 사용되는 전동기 속도 제어장치이다. 지금까지 국내기술로서 4.16kV가 최고 전압이었는데 이번에 본사에서 국내 최대 전압인 6.6kV급 산업용 인버터를 개발하는데 성공했다. 이 제품은 에너지관리공단의 지원을 받아 전동기 가변속 제어용 6.6kV급 고압 대용량 전압형 인버터로 'N5000 시리즈'이다. 고압 인버터는 에너지 효율이 높으나 성능과 안전 면에서 고도의 설계, 제작 기술이 요구되는 제품으로, 본 사는 2002년부터 3년간 연구를 진행한 끝에 최근 한국전기연구원(KERI)에서 성능시험을 마쳤고 조만간 시장에 출시할 예정이다. 본 고에서는 새롭게 개발된 제품의 특징을 소개하기로 한다. N5000 고압 대용량 인버터 기술 특징 이번에 개발된 N5000 인버터는 H-브릿지 멀티레벨 인버터방식으로 개발됐다. H-브릿지 멀티레벨 인버터의 각 상은 직렬 접속된 여러 개의 H-bridge Cell로 구성된다. 각 Cell은 독립된 단상 인버터 구조이며 다수의 Cell을 직렬로 연결함으로써 원하는 크기의 고압을 출력할 수 있으며, 각 Cell 출력의 위상을 달리함에 따라 출력 전압 레벨을 증가시켜 정현파에 가까운 전압 파형을 얻을 수 있다. 또한 N5000인버터는 각 상 별 H-bridge 셀 직렬 접속을 위해 다권선 변압기를 사용, 셀 입력전원을 분리함과 동시에 다권선 변압기 2차측 결선을 달리해 인버터 전원부에 포함되는 고조파량이 저감되도록 해 별도의 전원필터가 불필요한 장점을 갖는다. H-bridge 멀티레벨방식의 N5000 인버터는 표준화된 셀을 사용하고 셀 직렬 접속 수 조정을 통해 인버터의 용량과 출력전압크기를 변경할 수 있어 고압인버터의 용량별, 전압별 Line-Up을 용이하게 할 수 있다. N5000 H-bridge 멀티레벨 인버터는 CAN통신을 이용한 분산제어방식을 사용해 통신을 이용한 제어방식의 신뢰성을 향상시켰다. N5000 인버터는 <그림5>와 같이 터치 키 방식의 오퍼레이터를 포함한 모든 사용자 인터페이스 메뉴를 한글화하여 국내 사용자가 보다 손쉽게 고압 인버터를 운용할 수 있다. N5000 개발을 통해 확보된 기술 첫째, 전력 회로 Topology에 따라 사용되는 전력용 반도체 소자를 편리하고 효율적으로 구성하는 전력 스택 모듈화 기술. 둘째, 반도체 소자에서 발생하는 발열을 냉각시키는 냉각 시스템 및 고압 장치의 안정성을 고려한 절연 구조 설계 기술. 셋째, 고압 대용량 특성상 반도체 소자의 스위칭주파수를 소용량과 같이 높게 사용할 수 없는 상태에서 고속 응답이나 정밀 제어에 특성 확보 기술. 넷째, 장치의 고장 예측 진단이나 상위 운영 장치와의 편리한 연계 기능 등 사용자 인터페이스 기술로 나타낼 수 있다. H-Bridge 멀티레벨 인버터 N5000 인버터 회로는 <그림2>과 같이 독립적으로 절연된 DC Link를 갖는 저압 H-Bridge를 직렬로 연결한 것이다. 각각의 절연된 H-Bridge 인버터는 출력 전압에 3개의 전압 레벨을 형성하는 것이 가능하고 직렬 연결된 H-bridge 인버터 스택의 출력 전압은 각 H-Bridge 인버터의 출력 전압을 합한 것과 같다. H-bridge 인버터는 독립된 DC Link 전원을 갖기 위해 복잡한 변압기를 사용해야 하며 변압기 2차측 간에 적절한 위상 지연을 통해 입력측 Power Factor를 개선한다. H-bridge 멀티레벨 인버터의 주요 장·단점은 다음과 같다. 장점 ·인버터 전력 회로의 모듈화 설계 ·DC 전원 공급부, Decoupling 콘덴서, H-bridge로 구성 ·다이오드 정류기는 입력 AC 1차 측에 멀티 펄스 Bridge로 동작 ·낮은 스위칭 주파수에서도 적은 출력 고조파 발생 ·유지 보수의 편리성 단점 ·특수한 변압기 설계 필요, ·복잡한 PWM 제어 필요 결론 이번에 개발한 제품은 단상 인버터를 직렬로 접속하여 정현파와 유사한 출력을 전동기에 공급할 수 있기 때문에 고조파에 의한 전동기 손실을 최소화했고, 인버터와 전동기 간의 케이블 길이에 따라 발생하는 반사파도 거의 발생하지 않는 방식이므로 기존에 사용 중인 전동기에도 추가 설비 없이 적용이 가능한 것이 특징이다. 또한 인버터 입력부에 전류를 합성해 고조파를 제거하는 기능을 추가해 기존과 달리 별도의 필터 없이 사용해도 고조파 발생억제 가이드라인(IEEE519)을 만족시킬 수 있으며, 95% 이상의 전원 역률을 유지할 수 있어 에너지 절약 효과가 향상된 경제형 제품이다. 이 외에도 변압기와 인버터 패널이 일체형으로 제작돼 공간이 절약되고, 고정밀 '센서리스 벡터(Sensorless Vector)'라는 제어 알고리즘을 이용해 별도의 전동기 속도 센서 없이 인버터 출력 전압의 크기와 주파수를 제어할 수 있기 때문에 저주파에서도 높은 토오크(전동기에 가해지는 힘) 운전이 가능하다. 본 사는 이번 제품을 순수 독자기술로 개발해 국내에서 유일하게 저압 소용량에서 고압 대용량까지 전 종류의 인버터를 국산 기술로 제작할 수 있게 됐다.