가변 주파수 드라이브(VFD) VFD(가변 주파수 드라이브)는 모터 속도 제어, 에너지 효율 향상, 유연한 작동 제공 등을 통해 현대 산업 자동화에 필수적인 역할을 합니다. 다양한 유형의 VFD 중에서도 범용 VFD는 다용도성과 다양한 소형 및 중형 모터와의 호환성 덕분에 특히 주목받고 있습니다. 이 글에서는 범용 VFD의 기본 구조와 작동 원리를 자세히 살펴보고, 그 기능과 구성 요소를 이해하는 데 도움을 드리고자 합니다.

1. 범용 VFD의 기본 구조

범용 VFD 다용도로 활용 가능한 장치입니다. 거의 모든 소형 및 중형 AC 비동기 모터에 사용할 수 있습니다. 특수 용도의 가변 주파수 드라이브(VFD)도 많지만, 대부분은 범용 VFD에 추가 기능을 더한 형태입니다. 범용 VFD의 작동 원리를 이해하면 설치, 작동 및 유지 관리가 매우 유사하기 때문에 다른 유형의 VFD를 다루기가 훨씬 쉬워집니다.

범용 VFD는 전원 회로와 제어 회로의 두 가지 주요 부분으로 구성됩니다. 소형 및 중형 VFD는 일반적으로 그림 1과 같이 AC-DC-AC 구성을 사용합니다.

그림 1. AC-DC-AC VFD의 블록도

(1) 전력 회로

그림 2는 범용 VFD의 전력 회로를 보여줍니다. 이 회로는 정류기, 필터링, 전류 제한, 인버터, 프리휠링 및 제동 회로와 같은 전력 변환을 처리하는 전력 전자 부품을 포함합니다.

그림 2. AC-DC VFD 주 회로

• 정류 회로: 이 회로는 교류(AC) 전력을 직류(DC)로 변환합니다. 소형 및 중형 가변 주파수 드라이브(VFD)에는 일반적으로 다이오드(VD1~VD6) 또는 정류 모듈을 사용하는 3상 브리지 정류기가 사용됩니다. 입력 전원은 단자 R, S, T(L1, L2, L3 또는 A, B, C)에서 공급됩니다.
  필터링 회로: 필터링 회로는 커패시터를 사용하여 직류 전원을 평활화합니다. 커패시터 CF1과 CF2는 전체 용량을 증가시키기 위해 연결되고, 저항 RC1과 RC2는 전압 평형을 유지합니다.
• 전류 제한 회로: 이 회로는 과부하를 방지하기 위해 전류를 제한합니다. 저항(RS)과 스위치(S)를 포함하며, 소형 VFD에서는 사이리스터 또는 릴레이가 사용됩니다.
  인버터 회로: 전력 전자 소자(VT1~VT6)로 구성된 인버터는 직류를 3상 교류로 변환합니다. 이 교류는 모터로 공급됩니다.
• 자유로운 주행 회로: 이 회로(VD7~VD12)는 모터에서 발생하는 무효 전류를 직류 회로로 되돌려 보내는 역할을 합니다. 모터의 회전 속도가 느려지면 이 회로를 통해 모터에서 발생하는 회생 에너지가 직류 회로로 다시 흐르게 됩니다.
• 제동 회로: 모터가 감속할 때, 제동 회로는 회생 에너지를 흡수하여 열로 변환합니다. 이는 모터가 빠르고 효율적으로 정지하는 데 도움이 됩니다. 주 구성 요소(RB)는 에너지를 흡수하고, 전력 장치(VTB)는 제동 회로를 켜거나 끕니다.

(2) 제어 회로

그림 3은 VFD의 제어 회로를 보여줍니다.

그림 3. VFD 제어 회로의 블록도

제어 회로는 전원 공급 보드, 메인 제어 보드, 키패드 및 입출력 단자를 포함합니다.

• 전원 공급 보드: 이는 메인 제어 보드에 필요한 전력을 공급하고 전원 회로를 구동합니다. 또한 외부 제어 회로에 직류 전원을 공급합니다.
• 메인 제어 보드: 이것은 VFD의 "두뇌"입니다. 키패드, 외부 제어 회로 및 내부 신호(전압, 전류, 온도 등)로부터 입력을 처리합니다. 그런 다음 인버터용 제어 신호(SPWM)를 생성합니다. 메인 제어 보드는 또한 디스플레이 신호, 보호 명령을 관리하고 VFD의 상태(예: 정상 작동, 목표 주파수 도달, 오류 감지)에 대한 신호를 전송합니다.
• 키패드: 키패드를 사용하면 사용자가 메인 제어 보드에 명령이나 설정을 입력할 수 있습니다.
• 입출력 단자: 이 단자들은 VFD를 디스플레이 장치, 조정 제어 장치(예: 버튼, 스위치, 노브) 및 통신 인터페이스와 같은 외부 장치에 연결합니다. 통신 인터페이스를 통해 VFD는 PLC와 같은 다른 장비와 상호 작용하고 정보를 교환할 수 있습니다.

2. 가변 주파수 드라이브(VFD)의 작동 원리

작동 원리 AC-DC-AC 타입 VFD 그림 1의 블록 다이어그램을 참조하여 설명합니다.

3상 교류 전원은 먼저 정류 회로를 통해 맥동 직류로 변환됩니다. 이 직류는 중간 회로에서 필터링되어 인버터와 제어 회로 모두에 안정적인 직류 전원이 공급되도록 합니다. 필터링된 직류는 인버터 회로로 보내지고, 제어 시스템은 구동 펄스를 생성합니다. 이 펄스는 구동 회로에서 증폭되어 인버터 회로로 전달됩니다. 인버터는 구동 펄스의 제어 하에 직류를 가변 주파수 교류로 변환하여 모터에 공급함으로써 모터를 구동합니다. 인버터에서 출력되는 교류의 주파수를 조절함으로써 모터 속도가 그에 따라 변화합니다.

주 회로는 다음 조건에서 작동하므로 고전압 및 고전류 조건회로 보호는 필수적입니다. 회로를 보호하기 위해 VFD에는 주 전원 회로용 전압 및 전류 감지 회로가 장착되어 있습니다. 전압이 너무 높거나 너무 낮으면 전압 감지 회로가 제어 회로에 알립니다. 이 정보를 수신한 제어 회로는 설정된 프로그램에 따라 주 회로를 정지하고 경보를 울리는 등의 적절한 조치를 취합니다.

마찬가지로 출력 전류가 안전 한계를 초과하는 경우(예: 모터 과부하 시), 전류 감지 소자 또는 회로가 과전류 신호를 발생시킵니다. 전류 감지 회로는 이 신호를 처리한 후 제어 회로로 전달합니다. 그러면 제어 회로는 미리 설정된 프로그램에 따라 필요한 조치를 취합니다.

결론적으로, 범용 VFD의 구조와 작동 원리를 이해하는 것은 효율성을 극대화하고 수명을 연장하는 데 매우 중요합니다. 전력 회로와 제어 회로의 조합을 통해 VFD는 교류 전력을 모터 속도 제어를 위한 가변 주파수 교류로 효율적으로 변환하며, 내장된 보호 기능은 안전한 작동을 보장합니다. 모터 성능 최적화 또는 에너지 소비 절감 등 어떤 목표를 추구하든, 범용 VFD는 산업 현장의 다양한 요구 사항에 유연하고 신뢰할 수 있는 솔루션을 제공합니다.