인버터와 PWM 구동

ON 시간 비율을 정현적으로 바꾸면 평균 전압은

인버터는 출력 단자를 +Vdc 또는 -Vdc에 아주 빠르게 번갈아 붙인다. 그대로 두면 거친 펄스열이지만, 스위칭이 워낙 빨라 모터 인덕턴스가 높은 주파수 성분을 걸러 내고 평균에 가까운 전류만 흐른다. 변조지수 슬라이더는 ON 시간 비율을 정현적으로 흔드는 폭을 정하는데, 거친 펄스 속을 지나는 평균(금색)이 어떤 모양일지 먼저 고른 다음 슬라이더를 움직여요.

인버터는 직류를 교류로 스위칭한다

삼상 인버터는 직류 버스에 반도체 스위치를 위아래 둘씩 묶은 다리 세 개로 이루어진다. 직류 버스를 가운데점 기준으로 +Vdc와 -Vdc 두 레일로 보면, 각 다리는 위 스위치를 켤 때 출력이 +Vdc에, 아래 스위치를 켤 때 -Vdc에 붙어요. 세 다리를 서로 120° 어긋나게 운전하면 삼상 교류가 나오고, 스위치를 주기마다 한 번씩만 켜면 거친 구형파지만 실제로는 수 킬로헤르츠로 아주 빠르게 켜고 끈다. 모터 권선의 인덕턴스가 이 높은 스위칭 주파수 성분을 걸러 내므로 전류에는 평균에 해당하는 기본파가 주로 남고, 잔물결은 작아요.

PWM이 평균으로 정현파를 그린다

한 스위칭 주기 안에서 출력이 +Vdc에 머무는 시간의 비율을 듀티라 한다. 듀티가 절반이면 평균은 0이고, 듀티가 크면 평균이 + 쪽으로, 작으면 - 쪽으로 간다. 이 듀티를 한 출력 주기에 걸쳐 정현적으로 바꾸면 평균 전압이 정현파를 그리며, 듀티를 그렇게 정하는 방법이 펄스폭변조(PWM)예요. 흔히 기준 정현파와 빠른 삼각파(캐리어)를 비교해, 기준이 캐리어보다 높은 동안 위 스위치를 켠다. 기준 정현파의 진폭인 변조지수 m이 출력 전압의 크기를, 기준 정현파의 주파수가 출력 주파수를 정하는데, 둘이 서로 독립이라 전압과 주파수를 따로 쥘 수 있어요. 기준의 진폭이 캐리어보다 커지는 과변조 영역에 들어가면 평균이 정현파에서 벗어나기 시작한다.

한 인버터가 모든 기계를 돌린다

유도기의 V/f 제어는 변조지수 m을 출력 주파수에 비례시켜 자속을 일정하게 지키는 일이고, 동기기와 서보의 가변속, BLDC의 전자 정류도 모두 이 인버터가 지령이나 회전자 위치에 맞춰 전압과 주파수를 빚는 일이다. 빠른 스위칭은 스위칭 손실과 고조파를 낳기 때문에 캐리어 주파수는 손실과 고조파 사이에서 절충해 정하고, 공간벡터 같은 변조법으로 직류 버스 전압을 더 알뜰하게 쓴다. 직류기의 정류자가 기계 접점으로 하던 정류를 인버터가 반도체 스위치로 일반화한 셈이에요. 자기회로에서 시작한 이 과목의 모든 기계가 결국 이 한 장치 위에서 전압과 주파수로 제어된다.

첫 화면으로 돌아가서

ON 시간 비율을 정현적으로 바꾸자 평균이 정현파를 그렸다. 인버터는 출력을 +Vdc와 -Vdc 사이로 빠르게 스위칭할 뿐이지만, 모터 인덕턴스가 높은 주파수 성분을 걸러 평균에 가까운 전류만 흐르게 하므로 듀티를 정현적으로 변조하면 그 평균이 매끄러운 정현파가 돼요. 기준 정현파의 진폭(변조지수)이 전압의 크기를, 기준의 주파수가 출력 주파수를 정해 직류 하나에서 전압과 주파수를 따로 쥐고, 유도기의 V/f, 동기기의 가변속, BLDC의 전자 정류가 모두 이 한 장치 위에서 돌아간다. 자기회로의 자속 한 가닥에서 출발해 변압기와 회전기를 지나 온 전기기기의 이야기는, 반도체 스위치가 전압과 주파수를 빚는 이 자리에서 마무리돼요.

자기회로의 자속과 자기저항에서 출발해(A), 그 자속을 주고받는 변압기(A), 정류자로 전기자의 교류를 단자의 직류로 바꾼 직류기(B), 회전 자계로 슬립을 안고 도는 유도기(C), 속도와 주파수를 한 몸에 묶은 동기기(D), 그리고 영구자석과 반도체 스위치가 빚는 특수기와 인버터(E)까지 왔다. 모든 기계는 자속과 전류가 주고받는 힘으로 돌고, 정류와 제어로 그 힘을 다스린다는 한 줄기 위에 있었어요. 스무 유닛으로 그린 이 지도를 손에 쥐면 어떤 회전기를 만나도 자속이 어디서 생기고 전류가 어디로 흐르며 무엇이 그것을 제어하는지부터 묻게 된다.