[특집]매트릭스 컨버터(Matrix Converter)의 원리 및 특징

[산업일보]
인버터를 이용한 모터의 가변속 운전은 에너지 절약 효과로 인해 넓게 보급되고 있다. 그러나 전원 고조파 전류의 억제 및 감속시의 회생 전력의 효과있는 이용이 과제로 남아 있다. 이러한 기술 과제를 본격적으로 해결하기 위해 야스카와전기는 교류 전원으로부터 교류 출력으로의 직접 전력 변환 장치인 매트릭스 컨버터 드라이브를 세계에서 최초로 제품화하였다.
지금부터 매트릭스 컨버터의 원리, PWM 방식, 입력전류 제어에 대해서 설명하도록 하겠다. 또한, 야스카와전기의 범용 제품인 매트릭스 컨버터 Varispeed AC의 사양 및 특징을 설명하고 적용 예로서 엘리베이터용 슬림 제어장치를 소개한다.

서론

에너지 자원의 고갈이나 에너지소비로 인한 환경파괴가 문제시 되고 있어 여러분야에서 에너지 절약이 주장되고 있다. 모터 드라이브의 분야에 있어도 에너지 절약은 중요한 과제이며, 에너지 소비를 억제하는 수단의 하나로서 PWM 인버터 드라이브가 넓게 보급되고 있다. 주된 용도로서 팬·펌프·반송·가공등의 공장내 동력이나 생활 환경에 있어서 공조·조명·가전 등의 여러가지 분야를 들 수 있다. 한편, 최근 PWM 인버터의 보급으로 인해 인버터에서 기인하는 여러 문제가 대두되고 있다. 예를 들면 모터 단자에 발생하는 서지 전압에 의한 절연 열화, 또 축전위에 의한 베어링의 전식 등, 출력측의 여러 문제를 들 수 있다. 또 전원 고조파에 의한 전원 장치나 동일 전원에 접속된 병렬접속 기기에의 영향 등, 입력측의 여러 문제도 발생하고 있다. 당사는 이러한 문제를 해결하기 위해서 서지 전압이나 누설 전류를 억제할 수 있는 3레벨 PWM 제어기술을 도입한 범용 인버터 Varispeed G7 그리고, 전원 회생과 전원 고조파 억제가 가능한 정현파 PWM 컨버터 Varispeed-656 DC5를 생산하고 있다. 최근 에너지 절약 의식이 높아짐으로 인해 야스카와전기에서는 한층 더 에너지 절약 효과와 모터 서지 전압이나 전원 고조파, 축전위 등 모터 제어의 환경 특성을 개선할 수 있는 환경 대응형 모터 드라이브 매트릭스 컨버터 (Varispeed　AC)를 세계에서 최초로 제품화하였다.

매트릭스 컨버터의 기본 원리

Varispeed AC는 종래의 전압형 PWM 인버터와는 달리, 교류-교류 직접 변환 장치인 매트릭스 컨버터 기술을 채용하고 있다. 전원 회생능력과 입력 전원 고조파 억제의 특징으로 인해 크레인이나 엘리베이터 등의 어플리케이션에 적절한 드라이브로서 주목받고 있다.
대표적인 매트릭스 컨버터의 주회로 구성을 <그림 1>에 나타냈다. 주회로부는 소형의 입력 필터와 9개의 양방향 스윗치로 구성된다. 양방향 스윗치는 확대한 그림과 같이 IGBT와 다이오드의 조합으로 구성된다.

(1) PWM 방식

매트릭스 컨버터는 삼상 교류전원 전압을 직접 PWM 스위칭해 임의의 전압·주파수를 출력한다. <그림 2>는 PWM 스위칭 파형 예를 나타내고 있다. <그림 2>의 구간 1에서는 기준이 되는 T상전압으로부터 중간 전압상인 S상을 개입시켜, 최대 전압상인 R상으로 스위칭을 실시한다. 이것에 의해 2 레벨 인버터와 비교해, 1회 스위칭의 전압 변동이 작아져서 그 결과, 모터 단자의 서지 전압이나 누설전류를 억제할 수 있다.
실제 기계에 있어서 변환 장치와 모터의 사이의 배선을 100m로 접속했을 경우의 서지 전압 파형을 <그림 3>에 나타냈다. <그림 3(a)>은 통상의 2 레벨 인버터를 이용했을 경우이고 <그림 3(b)>은 매트릭스 컨버터를 이용했을 경우 모터 단자간 전압 파형을 나타내고 있다. 매트릭스 컨버터를 사용함으로서 약 20~50%의 서지 전압 억제 효과를 얻을 수 있음을 알 수 있다.



(2) 입력 전류 제어



매트릭스 컨버터는 입력 삼상 전체를 사용해 PWM 스위칭을 실시하기 때문에 출력전압 제어와 동시에 입력 전류 제어가 가능하다. 또 이것은 회생 운전시에도 가능하고, 회생에 의한 에너지 절약과 전류 제어에 의한 전원 고조파 억제 효과의 두가지 이득을 얻을 수 있다.
<그림 4>에 전동·회생 운전시의 입력선간 전압 파형과 입력 전류 파형을 나타냈다. 또, <그림 5>는 입력 전류의 고조파 함유율과 왜곡율 7% 이하로 왜곡이 적은 입력 전류 제어가 실현 가능한 것을 나타내고 있다.



제품 개요

(1) 제품의 사양

Varispeed AC의 주된 제품 사양을 <표 1>에 나타냈다. 또, <그림 6>에 외관을 나타냈다.



(2) 제품의 주요 특징

여기에서는 제품 사양을 근거로 종래의 범용 인버터와 다른 특징을 소개한다.

1) 모터 베어링 전식대책
동작 원리상 스위칭 파형이 3레벨이 되기 때문에, 베어링 전식의 요인이 되는 모터축 전위의 저감이 가능하다.

2) 디레이팅 (Derating)이 불필요
특정 소자에의 전류 집중이 없기 때문에, 저주파 운전시의 전류의 디레이팅 운전이 필요하지 않다.

3) 전원 고조파의 억제
특별한 대책없이, 입력 전류 THD (고조파 왜곡율) 7%이하, 입력 역률 98%이상이 가능하다.

4) 긴수명
주회로에 전해 콘덴서 등의 수명 부품이 없기 때문에, 주회로부의 수명이 길다.

5) 고효율
개발이 진행되고 있는 신형 반도체 소자를 사용하는 것으로 손실이 더욱 적게 되고, 더욱이 회생 기능에 의해 시스템 효율의 향상을 꾀할 수가 있다.

적용 사례

매트릭스 컨버터의 전원 회생 기능, 전원 고조파 저감의 특징을 살려서 엘리베이터 특유의 요구인 소형·슬림형에 대응한 초슬림형 엘리베이터 제어장치를 제품화하였다. 주된 특징과 기능은 다음과 같다.

(1) 에너지 절약 전원 고조파 저감

엘리베이터 승강시의 운동 에너지를 전원 회생함으로서 제동 저항 회로에 의한 회생 방식에 비해 40~60%의 에너지 절약을 실현하고, 특별한 고조파 대책이 필요하지 않다.

(2) 소형·공간절약

인버터 방식에서는 꼭 필요한 회생 장치가 필요 없어져 대폭적인 소형·슬림화를 실현했다. 이로 인해 승강로내 등의 한정된 공간에 설치가 가능하게 되었다. 본 제품의 외관을 <그림 7>에 나타냈다.

(3) 필요 기능의 충실

1) 제진제어 기능
엘리베이터의 상하 진동억제를 실시하는 제진제어 기능을 탑재해 승차감 성능을 향상했다. 엘리베이터의 기구 특성(관성·강성의 정수)에 의존하지 않는 제어 방식이기 때문에, 엘리베이터마다 조정이 필요하지 않다. 또, 이 제어의 채용으로 엘리베이터가 정지할 때까지의 시간을 단축했다.

2) 인터페이스 기능
엘리베이터의 안전 회로등을 추가한 인터페이스 기능을 탑재했다. 이로 인해 간단한 배선과 공간 절약을 실현하고 있다.

3) 유지보수
수명 부품인 주회로 전해 콘덴서가 없어서 수명이 길다. 또, 리모트 메인터넌스 기능, 데이터 트레이스 기능의 강화로 인해 유지보수도 용이하다.

4) 정전 대책
정전시는 배터리 전원으로 전환해 비상운전이 가능하다. (배터리는 옵션)

결론

모터 드라이브 제품의 적용 분야는 종래의 산업분야 로부터 환경 분야, 생활 분야에까지 확대되고 있다. 이로 인해 한층 더 에너지 절약, 전원 고조파 대책 등, 다양한 대응이 요구되고 있다. 향후에도 야스카와전기는 세계 최고의 드라이브 장치 메이커로서 보다 나은 기술·제품 개발을 통해 고객의 요구에 대응하기 위해 노력할 것이다.

문의:(02)784-7844 윤 주 석 / 한국야스카와전기(주) jusouky@yaskawa.co.kr

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