VFD의 세 가지 유형은 무엇인가요?

소개 - 전기 시스템에서 “VFD”는 무엇을 의미합니까?

가변 주파수 드라이브 (VFD) 본질적으로 전력 주파수 변환기: 교류 전력을 직류 전력으로 변환한 다음 다시 교류 전력으로 변환하여 전원 공급 장치를 가변 주파수/전압 출력(범위 0-650Hz)으로 재구성함으로써 VFD 모터 제어 무단 속도 조절을 달성합니다. 가변 주파수 드라이브 정의 이러한 유형의 반도체 조절 시스템(가변 주파수 드라이브라고도 함)을 말하며, 가변 속도 드라이브 유형의 전기적 범주에 속합니다. 핵심 가치는 80%의 모터 시동 충격 전류를 제거하여 산업 부하가 작동 요구 사항에 정확하게 일치하도록 하는 데 있습니다.

유형 1 - 전압 소스 인버터(VSI) VFD

작동 원리

최신 가변 주파수 드라이브(VFD)의 핵심 토폴로지 중 하나인 가변 주파수 드라이브의 본질은 정류된 DC 전력(커패시터에 의해 안정된 전압으로 유지)을 PWM VFD 기술을 통해 고주파 펄스 시퀀스로 변환하는 것입니다. 가변 주파수 드라이브 컨트롤러는 펄스 폭과 간격비를 조정하여 필요한 전압(0-480V)과 주파수(0-650Hz)를 사인파 등가 형태로 동적으로 합성함으로써 VFD 모터 제어의 원활한 연속 조정을 달성할 수 있도록 해줍니다.

장점

• 시스템 효율 > 92%(Si-IGBT 인버터 모듈 기준)
• 출력 파형 왜곡률 <5%(IEEE 519 표준 준수)
• 최대 ±0.5%의 VFD 속도 제어 정확도(유압 속도 제어의 경우 ±5%와 비교)
• 표준 380V 3상 모터와 수정 없이 호환 가능

단점

• 그리드 전압 허용 오차는 ±10%에 불과합니다(이 범위를 초과하면 저전압 보호가 트리거될 수 있음).
• 고주파 PWM은 모터 베어링 전류 위험을 유발할 수 있습니다(공통 모드 필터 억제 필요).
• 입력 전류 고조파 THDi > 35%(외부 12% 입력 리액터 필요)

애플리케이션 시나리오

가변 전압 가변 주파수 인버터의 대표 주자로 다음과 같은 분야에서 두각을 나타내고 있습니다:

• HVAC 시스템: Chilled 워터 펌프 주파수 50Hz에서 35Hz로, 에너지 소비량 ↓42%
• ​원심 팬: 완전 개방형 댐퍼 + 가변 주파수 속도 제어, 종합 에너지 절감률 ≥28%
• ​급수 펌프 스테이션: 정압 모드에서 유량 적응형 조절(0-100Hz 응답)

유형 2 - 전류 소스 인버터(CSI) VFD​

작동 원리

CSI 가변 주파수 드라이브는 전압 소스 VFD와 유사한 방식으로 작동하여 에너지의 강을 안내하는 조타수처럼 작동합니다. 정류기 측에서는 유도 에너지 저장 장치를 사용하여 커패시터를 대체하고, 정전압이 아닌 안정적인 직류 소스를 설정한 다음 사이리스터 스위칭 기술을 통해 전류 흐름을 제어합니다.
출력 직사각형 전류 파형은 PWM 펄스 폭이 아닌 진폭 측면에서 VFD 제어 시스템에 의해 정밀하게 조절되므로 볼 밀과 같은 고관성 부하의 시동 요구 사항에 특히 적합합니다.

장점

• 4사분면 작동 지원(그리드에 100% 에너지 피드백)
• 200% 전류 서지(야금 용광로의 순간적인 변동)를 견딥니다.
• 자연 단락 저항(인덕터가 di/dt를 억제)
• 전력 범위: 0.5-50MW(VSI의 0.75MW 제한을 훨씬 초과)

단점

• 40% VSI보다 큰 부피(인덕턴스 구성 요소가 공간을 차지함)
• 가변 주파수 드라이브 모터 제어를 위한 전용 모터가 필요합니다(일반 모터는 자기 포화 상태에 빠지기 쉽습니다).
• 출력 고조파 > 25%(12펄스 정류기 필수 구성)
• 최소 속도 제한 15Hz(VSI의 5Hz보다 낮음)

애플리케이션 시나리오

대규모 중공업 핵심 동력원으로 선호되는 선택입니다:

• ​광산 컴프레서: 2000kW급 스크류 컴프레서 유닛용 회생 제동 장치
• ​야금 압연기: 토크 맥동 억제(변동 <3%)
• ​시멘트 튜브 밀: 최대 정격값 300%의 시동 토크

유형 3 - 펄스 폭 변조(PWM) VFD

작동 원리

85% 이상의 시장 점유율을 가진 주류 솔루션인 펄스 폭 변조 VFD는 전력 전자 분야의 모자이크 아티스트와 같은 솔루션으로, IGBT 모듈을 사용하여 3-15kHz의 초고속으로 DC 버스 전압을 전환하여 정밀하고 제어 가능한 폭으로 마이크로초 수준의 펄스 시퀀스를 생성하며 가변 주파수 드라이브 인버터 알고리즘은 펄스 폭 조합 전략을 실시간으로 계산하여 출력 파형을 사인 곡선(THD < 5%)에 무한히 가깝게 만들어 모터 토크/속도의 원활한 조절을 달성합니다.

장점

• pwm vfd 최적의 출력 파형 품질(CSI 직사각형파/VSI 스텝파 대비)
• VFD 속도 제어 최대 ±0.1%의 정확도(벡터 제어 모드)
• 모터 작동 소음 ≤65dB(반송파 주파수 조정 가능)
• 최대 2.8kVA/kg의 컴팩트한 전력 밀도(CSI보다 4배 높음)

단점

• 3-150 고주파 고조파 생성(THDi <8%를 억제하려면 12% 입력 리액터 필요)
• 복잡한 전자파 적합성 설계(RFI 필터 설치 의무화)
• 모터 절연 노화를 가속화하는 dv/dt 스트레스(＞5kV/μs)

애플리케이션 시나리오

정밀 속도 제어 분야의 절대적인 리더:

• 빌딩 자동화: 엘리베이터벡터 드라이브바닥 레벨링 정확도 ±3 mm
• ​식품 포장 라인: 서보 동기 제어 응답 시간 ＜2ms
• ​CNC 공작 기계: 스핀들 속도 0-6000rpm 무단 전환

세 가지 VFD 유형 비교 표

애플리케이션에 적합한 VFD 유형을 선택하는 방법

선택 기준은 부하 특성 및 전력 요구 사항을 기반으로 합니다: 가변 토크 부하(팬/펌프)는 PWM 유형에 우선순위를 두어야 합니다. HVAC VFD (50Hz → 40Hz 에너지 절감 > 35%, HVAC 드라이브의 표준), 산업 표준 3상 VFD 시스템(380V 3상 범위 > 90%의 애플리케이션)과 원활하게 통합되며 분쇄기와 같은 충격 부하는 CSI 토폴로지(2초 동안 300% 전류 서지를 견딜 수 있음)가 필요합니다. 단상 220V 레거시 장비의 경우 단상 모터용 VFD는 최대 3.7kW(가상 3상 모듈 포함)까지만 사용 가능하며, 그 외에는 모터 개조를 권장합니다.VFD 설치 는 다음 요건을 충족해야 합니다: 1) 변압기 용량 > VFD 전력 × 1.25(고조파 THDi < 8%), 2) 캐비닛 냉각 간격 ≥ 30cm(열 손실 3% × 전력), 3) VFD 시스템에는 EMC 필터(전도 간섭 ≤ 55dBμV)가 장착되어 있어야 합니다. 용 동적 응답이 빠른 애플리케이션 (예: CNC 스핀들), SiC-IGBT PWM 벡터 제어가 권장됩니다. 고부하 시작/정지 조건의 경우 최대 토크를 방출하려면 사이리스터 CSI + 영구 자석 모터(온도 저항 ≤ 150°C의 NdFeB 소재) 조합을 사용하는 것이 좋습니다.

결론 - 최신 자동화에서 VFD 유형과 역할

세 가지 유형의 가변 주파수 드라이브(VFD) 아키텍처는 각각 고유한 기능을 수행합니다: VSI는 전압 정밀도를 사용하여 원심 펌프를 제어하고, CSI는 전류 강성을 사용하여 압연기를 관리하며, PWM은 고주파 펄스를 사용하여 CNC 정밀도를 개선하는 등 모두 근본적으로 전기 에너지 파형을 재구성하여 VFD 모터 제어의 혁신을 달성합니다.

잘못된 선택은 이중 비용으로 이어질 수 있습니다. 가변 주파수 드라이브 구성 요소를 일치시키지 않으면(예: 분쇄기에 VSI 사용) 시스템 효율이 25%까지 떨어질 수 있고, 반대로 정밀하게 배치된 vfd 드라이브 패널(EMC 필터링 및 냉각 시스템과 통합)은 HVAC 장비를 줄일 수 있습니다. 유지 관리 기계식 가변 속도 드라이브(VSD)는 수동 기어박스와 같은 반면, VFD 제어는 반도체 수준의 정밀 제어를 사용하여 에너지 효율을 위한 기반을 구축하는 CVT 무단 변속기와 유사합니다. 공장의 모든 모터가 호환 가능한 VFD로 구동되면 산업 네트워크는 실시간으로 반응하는 지능형 유기체로 변모합니다.