[기초] 인버터·서보앰프의 기초

인버터

인버터의 기본 구성은 다음과 같이 되어 있습니다.

인버터의 각 부분은 다음과 같은 기능을 합니다.

컨버터부 ………… 상용 전원을 직류로 바꾸는 회로

평활 회로부 ……… 직류에 포함되는 맥동분을 매끄럽게 하는 회로

인버터부 ………… 직류를 가변 주파수의 교류로 바꾸는 회로

제어회로부 ……… 주로 인버터부를 제어하는 회로

서보

서보의 위치제어 경우의 기본 구성은 다음과 같이 되어 있습니다.

서보의 각 부분은 다음과 같은 기능을 합니다.

컨버터부 ………… 상용 전원을 직류로 바꾸는 회로(인버터와 같음)

평활 회로부 ……… 직류에 포함되는 맥동분을 매끄럽게 하는 회로(인버터와 같음)

인버터부 ………… 직류를 가변 주파수의 교류로 바꾸는 회로(인버터와 같음)

제어회로부 ……… 인버터와 같게 주로 인버터부를 제어하는 회로이지만, 지령 펄스와 엔코더                             에서의피드백 펄스를 카운트 하는 편차 카운터를 갖고 있습니다.

엔코더부 ………… 서보모터가 회전한 회전량만큼의 펄스를 출력합니다

-주회로(컨버터부, 평활 회로부, 인버터부)는 인버터, 서보앰프와도 기본 구성은 같습니다.

컨버터부의 동작 원리

① 컨버터       ② 돌입전류 억제 회로     ③ 평활 회로

교류(상용) 전원으로부터 직류를 만드는 방법

컨버터는 교류 전원으로부터 직류를 만드는 장치입니다, 

그 기본 원리를 가장 간단한 단상교류로 생각해보겠습니다.

평활 콘덴서의 대신에 저항을 부하로 한 예로, 교류를 직류로 변환하는 방법입니다.

사용 소자는 다이오드입니다. 이 다이오드는 전압을 거는 방향에 의해 전류가 

흐르거나 흐르지 않거나 하는 성질을 갖고 있습니다.

이 성질을 이용해 그림2.5의 A, B간에 교류 전압을 인가하면

부하에는 항상 같은 방향으로 전압이 인가됩니다. 즉, 교류가 직류에 변환된 것이 됩니다.

(교류를 직류로 변환하는 것을 일반적으로는 정류라고 합니다.)

3상 교류 입력의 경우에는,

다이오드를 6개 조합해 

교류 전원을 전파 정류하면

같은 출력전압이 됩니다.

콘덴서 부하의 경우의 입력 전류 파형

정류의 원리는 부하를 저항기로 설명했습니다, 실제는 평활용 콘덴서가 부하가 됩니다.

이 경우의 입력 전류 파형은 교류 전압이 직류 전압 이상(以上)일 때만 흐르기 때문에

정현파 파형이 아니고 왜곡 파형이 됩니다.

돌입전류 억제 회로

정류의 원리는 부하를 저항기로 설명했습니다, 실제는 평활용 콘덴서가 부하가 됩니다.

콘덴서는 전기를 축적하는 성질을 갖고 있지만, 전압이 인가된 순간은, 

콘덴서를 충전하기 위해서 큰 돌입전류가 흐릅니다.

이 큰 돌입전류에 의한 정류용 다이오드의 파손 방지를 위해, 

전원 투입으로부터 약 0.5초간은 강제적으로 직렬로 저항기를 접속하여, 

돌입전류값을 억제하고, 그 후는, 이 저항기의 양단을 전자 개폐기로 합선하여, 

저항기를 우회 하도록 시킨 회로를 구성합니다. 이 회로를 돌입전류 억제 회로라고 합니다.

평활 회로부의 동작 원리

평활 회로부는,정류 된 직류 전압 E1을 평활용 콘덴서에 

의해 맥동분의 적은 직류 전압 E2로 합니다.

직류로부터 교류를 만드는 방법

인버터는 직류 전원으로부터 교류를 만드는 장치입니다, 

그 기본 원리를 가장 간단한 단상 교류로 생각해보겠습니다.

모터를 대신에 램프를 부하로 했을 경우의 예로, 

직류를 교류로 변환하는 방법을 설명합니다.

직류 전원에 스위치 S1~S4의 4개를 접속하여,

 S1과 S4를 1대, S2와 S3을 1대로서 교대로 ON－OFF하면

램프에는 그림와 같은 교류가 흐릅니다.

•스위치 S1과 S4를 ON하면 램프에는 A의 방향으로 전류가 흐릅니다.

•스위치 S2와 S3을 ON하면 램프에는 B의 방향으로 전류가 흐릅니다.

(이 조작을 일정 간격으로 연속하면 램프에 흐르는 전류의 방향이 

교대로 반전하는 교류가 됩니다.)

주파수를 변화시키는 방법

스위치 S1~S4의 ON－OFF할 시간을 바꾸는 것에 의해 주파수가 변화합니다.

예를 들면, 스위치 S1과 S4를 0.5초간 ON, 

스위치 S2와 S3을 0.5초간 ON으로 하는 조작을 반복하면,

1초간에 1회 반전하는 교류, 즉 주파수가 1［Hz］의 교류가 됩니다.

일반적으로는, S1·S4와 S2·S3를 각각 같은 시간 ON하여, 

1사이클의 합계를 t0초로 하면, 주파수f는 f=1/t0［ Hz］가됩니다.

전압을 변화시키는 방법

스위치를 ON－OFF하는 시간내를 한층 더 세세하게 ON－OFF하는 것에 의해 전압을 가변함

예를 들면, 스위치 S1과 S4가 ON하는 시간내를 반으로 하는 동작을 실시하면, 

출력전압은, 직류 전원 E의 반의 전압 E/2의 교류가 됩니다.

전압을 높게 하려면, ON시간을 길고, 낮게 하려면 ON시간을 짧게합니다.

이러한 제어 방식을 펄스폭으로 제어하기 때문에,

 

PWM(Pulse Width Modulation)이라고 부르며, 현재 일반적으로 사용되고 있습니다. 

펄스폭의 시간을 결정하는 기본이 되는 주파수를 캐리어 주파수라고 부릅니다.

3상 교류의 경우

3상 인버터의 기본 회로 및 3상 교류를 만드는 방법을 나타냅니다.

3상 교류를 얻으려면 스위치 S1~S6을 접속하여, 

6개의 스위치를 동시에 타이밍에 ON/OFF 합니다.

6개의 스위치의 ON/OFF 시키는 순서를 바꾸면, U－V, V－W, W－U의 상 순서가 바뀌어, 

모터의 회전 방향을 바꿀 수가 있습니다.

스위치 소자

지금까지 설명해 온 스위치용 소자로서는, 

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)로 불리는 반도체 소자가 이용되고 있습니다.

V/F 패턴

모터의 회전속도를 가변으로 하기 위해서는 주파수를 변화시키면 좋겠지만, 

인버터의 출력 주파수를 바꾸었을 때는 출력 전압도 동시에 바꿉니다.

모터의 출력 토크는 모터내의 자속(Φ)과 코일에 흐르는 전류(I)의 곱으로 표현됩니다.

(유도 전압기의 동작 원리 플레밍의 왼손의 법칙 참조)

자속(Φ)은 모터에 인가되는 전압(V), 주파수(F)에 의해 Φ=V/F가 되는 관계에 있습니다.

전압을 고정(예를 들면 200V) 값으로 한 채로 주파수만을 내리면, 

자속(Φ)은 커져 코어 철심이 자기 포화해 버려 전류가 증대하여, 과열, 소실로 이행해 버림

또한, 모터에 인가되는 전압(V), 주파수(F)의 관계를 일정하게 유지해 변화시키는 것으로 

모터의 출력 토크를모터 회전속도가 바뀌어도 일정하게 유지하는(일정하게 합니다) 

일이 생깁니다. 이 2개의 이유에서 인버터의 출력 주파수가 낮을 때는 출력 전압도 낮고, 

출력 주파수가 높을 때는, 거기에 알맞게, 출력 전압도 높게 하도록 제어합니다.

이 출력 주파수와 출력 전압의 관계를 V/F 패턴이라고 합니다.

AC 서보의 경우에는 회전자에 영구자석을 사용하고 있기 때문에, 

자속(Φ)은 일정하기 때문에 인버터와 같이 V/F 패턴이라는 것은 없습니다.

회생 브레이크

예를 들면 승강 장치에 있어서의 하강 운전시 상태와 같이, 

모터의 회전속도가 인버터의 출력 주파수(인버터에서의 속도 지령)

보다 높아졌을 경우에는, 모터가 발전기 상태가 되어, 

그 전기(에너지)가 인버터로 되돌아 옵니다. 이 상태를 회생이라고 합니다.

인버터에 전기가 돌아오면 인버터의 직류 전압(그림2.20의 E1)이 상승합니다. 

이 직류 전압이, 어느 규정값(200V급의 경우 DC370V) 이상이 되면 

정류용 다이오드나 인버터부의 IGBT를 파손시켜 버립니다. 

이것을 방지하기 위해, 직류 전압(P－N사이)에 저항기와 스위치 소자로서 

파워 트랜지스터를 직렬로 해 삽입하면, 직류 전압이, 어느 규정값 이상이 되면 

파워 트랜지스터를 ON해 저항기에 전류를 흘려, 열로서 소비시킵니다,

직류 전압의 상승을 막습니다. 이 저항기를 회생 브레이크 저항, 이 파워 트랜지스터를

회생 브레이크 트랜지스터라고 합니다.

대용량 인버터에서는 회생 브레이크 저항기가 커져, 주위로의 발열의 영향을 막기 위해 회생 

에너지를 전원측에되돌려 주는 전원 회생 방식도 이용되고 있습니다.

AC 서보모터에 있어서의 다이나믹 브레이크

서보에서 모터를 운전중에 서보앰프로의 공급 전원이 끊어진 것을 상정(想定)해 보십시오.

서보앰프는 기능하지 않게 되기 때문에 모터는, 프리-런 정지 상태가 됩니다. 

프리-런으로 정지할 때까지의 시간은 부하 조건에 따라 변하지만, 

일반적으로는 몇 초~수10초 걸립니다. 이, 정지할 때까지의 시간을 단축시키기 위해서

브레이크가 그림2.22에 나타내는 다이나믹 브레이크 회로입니다.

모터가 프리-런중에는, 모터는 발전기 상태로 되어 있기 때문에, 그 에너지를 저항기를 통해

 

열로 소비시켜 버리는 것으로, 급속히 모터를 정지시키는 기능입니다.

다이나믹 브레이크는 전자 브레이크와 달리, 모터가 회전하고 있을 때 만 기능합니다.

모터가 정지하고 있을 때는, 브레이크 능력은 없습니다.

인버터와 서보의 차이

인버터와 서보의 주회로부는 같지만, 제어회로나 엔코더의 유무 등 

적용 모터의 차이에 의해 개략 다음과 같은 차이점이 있습니다.