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VVVF 



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1. 개요2. 역사3. 응용
3.1. 엘리베이터3.2. 가전제품3.3. 전기자동차3.4. 철도차량
3.4.1. 사이리스터 계열3.4.2. 트랜지스터 계열
3.4.2.1. Si 기반3.4.2.2. SiC 기반
4. 원리
4.1. SPWM
4.1.1. 비동기 모드
4.1.1.1. 랜덤 변조4.1.1.2. 고주파 주입
4.1.2. 동기 모드
4.1.2.1. SHEPWM4.1.2.2. CHMPWM
4.2. SVPWM4.3. 3차 고조파 주입
5. 레벨
5.1. 3레벨 변조
5.1.1. 유니폴라 변조5.1.2. 다이폴라 변조

1. 개요

한글: 가변전압 가변주파수 제어
영문: Variable Voltage Variable Frequency / VVVF, Variable Frequency Drive / VFD, VVVF
한문: 可變電壓 可變周波數 制御

임의의 전압과 임의의 주파수를 가지는 교류를 생성하여 전동기를 제어하는 전력변환 기술이다. VVVF 제어가 개발됨에 따라 자유롭게 교류전동기를 제어할 수 있게 되었으며 현 시점에서는 교류전동기를 사용하는 거의 모든 분야에서 기초적으로 사용된다.

VVVF는 전력반도체를 이용해 전류를 제어하는 스위칭 전류 제어 기술을 기반으로 한다. 똑같이 반도체로 VVVF를 구현하더라도 어떻게 전동기를 굴릴 교류를 생성하느냐에 따라 PWM, PAM, 더 넓게는 위상제어, 전류형 인버터, 전압형 인버터 등의 구현 방법이 있으며 사용 환경이나 전력 조건에 따라서 다양한 토폴로지가 사용된다. 현재 시점에는 전력반도체와 마이크로컨트롤러의 성능이 매우 뛰어나기에 직류를 바로 필요한 교류로 변환할 수 있으며, 회로가 간단한 2레벨 전압형 PWM 인버터가 흔하고, 도시철도 전동차에도 이러한 형태의 인버터가 도입된다. 이보다 전력 용량이 큰 고속철도나 선박, 대형 산업기기 같은 경우에는 스위칭 속도가 충분히 빠르지 못하고, 부드럽지 않은 경우가 많으므로 지금도 멀티레벨 인버터나 전류형 인버터가 사용되기도 한다.

여기서 언급되는 교류전동기는 대부분 유도전동기를 말한다. 동기전동기도 VVVF 드라이브로 구동이 아예 불가능한 것은 아니다만, PMSM 기준, 제대로 구동하려면 VVVF에 더해 자속의 방향까지 고려하는 벡터제어가 필요하고 이를 위해서는 제어 알고리즘뿐만 아니라 단순 VVVF 드라이브보다 더 특성이 우수한 전력소자가 요구되므로 벡터제어 드라이브들은 비교적 용량이 작은 분야에서 활발하게 사용되었다. 벡터제어는 VVVF를 주로 활용하기 때문에 VVVF 드라이브의 일종으로 사용되는 경우가 많았지만, 2000년대 이후로는 벡터제어를 활용한 SVPWM이 대중화됨으로 하드웨어도 사실상 동일해져 회로적인 구분이 무의미해졌다.

상용 교류를 출력하는 일반적인 전력용 인버터와의 차이점은 VVVF 드라이브는 전동기 구동 전용이고 전동기 운용 조건에 맞춰서 실시간으로 전압과 주파수를 제어한다는 점이다.

2. 역사

이와 같은 전력제어 기술이 없던 과거에는 전기에너지를 원하는 대로 다루기가 어려웠다. 조명 같은 물건들처럼 단순히 전기를 켜고 끄는 것은 스위치와 릴레이 같은 기구들을 이용할 수 있다만, 산업적으로 가장 많이 사용되는 전동기는 투입되는 전기의 성질에 따라 회전수와 토크가 크게 변화하므로 원하는 대로 작동시키기가 어렵다는 문제가 있었다.

전기가 상용화된 이후 극초기에는 직류 전원이 주로 사용되었으며 전동기도 직류전동기를 주로 이용했다. 직류전동기의 성능은 오직 전압으로만 결정되므로 발전소에서 들어온 전기의 일부를 저항으로 태워서 직류전동기로 들어가는 전압을 낮추기만 하면 토크와 회전수를 조절할 수 있었다. 그러나 직류전동기는 일정한 회전수를 제공하기 어렵고 정류자와 브러시가 있어 구조가 복잡해 비싼 가격과 잦은 고장으로 많은 유지보수가 필요하다는 단점이 있었다. 또한 저항을 이용한 저항제어는 전기를 열로 바꿔 보내어 효율이 떨어지고 발열을 어떻게든 해결해야만 한다는 큰 문제가 있다.

이후 교류 전원도 상용화되면서 직류전동기의 단점이 상당수 해소된 교류전동기도 사용되기 시작했다. 당시엔 교류전동기도 브러시가 존재했으나, 이후엔 정류자와 브러시가 없어진 간단한 구조로 변압기를 이용해 전압을 조절하여 나름대로 효율적으로 사용할 수도 있게 되었다. 동기전동기도 사용하면 부하에 상관없이 일정한 회전수도 보장 받을 수 있어 산업적으로 매우 유용하였다. 다만 새로운 문제가 발생했는데 교류는 직류와는 달리 가선에 주파수라는 특성이 추가되고 교류전동기의 회전수는 주파수의 영향을 받는다는 점이었다. 발전소에서는 일정한 주파수의 교류를 송전해 주기 때문에 주파수를 바꾸지 않는 한 여전히 전동기를 온전하게 제어할 수 없었고 주파수를 바꾸는건 전압을 바꾸는 것보다 훨씬 어려웠으므로[1] 꽤 오랜기간 동안 직류전동기와 교류전동기가 저마다의 장단점을 갖고 공존하게 되었다.

그 당시의 대부분의 철도차량들은 교류전동기가 아닌 직류전동기를 돌렸지만, 그 외 거의 대부분의 산업현장에서는 이렇게 높은 회전수가 필요하지 않았으므로 실질적으로는 교류전동기가 더 주로 사용되었다.

주파수 문제는 더 흘러서 사이리스터같은 전력 반도체가 등장하면서 해소되기 시작했다. 전동기를 구동할 수 있을 정도로 높은 전압과 전류를 상당히 빠르게 켜고 끌 수 있었다. 전력소자가 등장함에 따라 본격적으로 현대식 전력제어 시대가 열렸고, 전류를 자유롭게 제어할 수 있게 되었닺

초기에는 교류전동기의 위상제어와 더불어 직류전동기에 반도체를 도입한 전기자 초퍼제어 시스템도 많이 채용되었다. 초퍼제어 시스템은 전압제어를 저항기 대신 반도체로 수행한다는 점은 VVVF 및 위상제어와 비슷하지만, 직류는 주파수가 없으므로 훨씬 구현이 간단하고, VVVF나 위상제어보다 더 적은 수의 전력소자를 사용하기에 비교적 저렴한 데다 직류전동기도 오랫동안 사용되었으니 거부할 이유가 없었다. 이후 충분히 전력소자들이 성숙되고, 마이크로프로세서가 도입되고, 정현파 제어도 등장함에 따라, 현대적인 VVVF 제어가 등장했다.

최초의 VVVF 제어는 핀란드의 '스트룀베리'(Strömberg) 사[2]에서 개발되었다. 1960년대부터 계획이 시작되어 1975년 'SAMI'[3] A라는 인버터가 공개되었다. 철도차량에 적용된 최초의 사례도 헬싱키 지하철의 차량인 'HKL M100'인데, 이 역시 SAMI 인버터 기반으로 제작됐다. 당시에는 GTO가 개발되기 전이었기 때문에 역저지 사이리스터(SCR)를 기반으로 인버터를 제작했다.

산업현장에서도 왠만하면 VVVF 제어를 사용하고 있다. 또한 현대 VVVF 제어는 대부분 마이크로프로세서가 전력소자 스위칭을 직접 제어하는 형태로 구현되며, 덕분에 과거에 일일이 아날로그 회로로 구현하던 복잡한 동작들이 소프트웨어로 대체되어 하드웨어도 매우 간소화되었고 소프트웨어로 직접 스위칭 동작을 제어할 수 있다보니 유연성도 매우 뛰어나졌다.

3. 응용

VVVF라는 용어 자체는 철도차량에서 시작되었고 실제로도 철도차량에서 가장 많이 쓰는 용어지만 현 시점에는 기술적으로 대부분의 전동기 제어들이 VVVF 시스템으로 설계된다.

3.1. 엘리베이터

엘리베이터 분야에서는 해외 기준, 1980년대 중반 경부터 도입되었는데, 승차감과 에너지 효율, 유지보수성 등을 감안하면 VVVF의 도입을 거부할 이유가 없다. 현재 운행중인 엘리베이터들은 대부분 VVVF 제어방식이라 보면 되며, 대한민국에서는 금성산전 LVP, 금성기전 VP-L, 동양에레베이터 CV60, 현대엘리베이터 60VF, 후지테크 EXDN이 대표적인 제조사 최초의 VVVF 모델이다.

일반적인 엘리베이터 뿐만 아니라 공사 현장에서 사용되는 건설용 승강기들도 VVVF 드라이브로 구동하는 경우가 많다. 디지털 제어가 쉽다는 장점을 활용해 VVVF 드라이브에 상위 제어기와 키 패드를 붙여서 일반 엘리베이터와 거의 동일하게 운용하기도 한다.

예전에는 직류, 교류 1, 2단제어와 교류 귀환제어를 사용했으나 현재는 많은 전력 소모량과 모터 과열, 불량한 승차감으로 인해 생산하지 않는다. 교류 2단제어는 금성사 EP, 신영전기 및 동양엘리베이터, 후지테크 AC-2, 교류귀환제어는 금성산전 DP, 금성기전 AC-SL, 동양엘리베이터 CV10, 현대엘리베이터 VAC, 후지테크 RSDN이 제조사별 대표 모델이다.

3.2. 가전제품

VVVF 제어는 가전제품에 넣을 수 있을 정도로 부피를 줄일 수 있으며 에너지 효율도 높고 다양한 동작을 구현할 수 있기 때문에 가전제품에도 많이 도입되었다. 대표적으로 세탁기, 건조기, 냉장고, 에어컨에서 VVVF 인버터를 쉽게 찾아볼 수 있다. 또한 공구나 서보 모터 등으로 자주 볼 수 있는 BLDC도 주로 VVVF 제어를 이용한다.

3.3. 전기자동차

골프카나 카트 같은 비교적 간단한 차량들은 직류전동기를 사용하기도 하지만 일반적인 전기자동차에는 VVVF 제어가 주로 사용된다. 전기자동차에서의 VVVF는 고성능, 고효율, 회생제동이나 자율주행 등의 다양한 동작을 모두 구현하면서도 간단한 구조와 우수한 가성비, 소형화까지 해결할 수 있는 수단이다.

VVVF 제어 덕분에 전기자동차의 전동기는 성능을 극한으로 뽑아낼 수 있으며 실제 산업에서도 공격적이고 극한의 성능을 내는 전동기로 평가되기도 한다.

3.4. 철도차량

<colcolor=#fff> 대한민국의 전동차 제어장치
<rowcolor=#373a3c,#ddd> 저항제어 초퍼제어 VVVF
GTO IGBT SiC

철도같은 고전력 제어 분야의 VVVF와 저전력 제어 분야의 VVVF는 성격이 좀 다른데 그 이유는 철도차량에 사용할 수 있을 정도의 대용량 전력소자들의 성능이 충분히 여유롭지 못하기 때문이다. VVVF의 등장 이후 철도에 비해 비교적 용량이 작은 것들은 전력제어용 MOSFET의 등장과 마이크로프로세서의 발달로 성능이 급격하게 향상되었다.

그러나 대전력 분야는 이렇게 큰 전력을 감당할 수 있는 전력소자가 거의 없었기 때문에 과거에는 사이리스터 기반 전력소자 외에는 거의 선택지가 없었다. 이런 대형 전력소자들은 보통 수백 Hz, 아무리 빨라봐야 1kHz를 간신히 달성할 정도로 스위칭 속도가 매우 느렸고 스위칭 동작 시 스위칭 손실로 인한 변환 손실, 즉 소비전력까지 너무 높아 효율도 좋은 편은 아니었고 특히 회로설계의 난도가 높았다.

초기 VVVF 철도에선 스위칭 속도가 느려, 제어할 여유가 많지 않았다. 이 때문에 과거 철도에서는 전류형 인버터도 많이 사용되었다. 전류형 인버터는 전압형 인버터에 비해 응답성, 효율, 역률, 부피 면에서 유리하고, 상대적으로 단락 안정성이 좋고 대용량화 하기 쉬우며 특히 전력소자에 요구되는 스위칭 주파수를 크게 낮출 수 있었다.

이런 전력소자의 한계는 전동기 선정에도 큰 영향을 미쳤다. 비교적 최근까지 철도차량에는 영구자석 동기전동기(PMSM)가 쉽사리 채용되지 못했었는데 그 이유는 가격은 물론, PMSM의 특성상 유도전동기처럼 병렬 구성이 곤란해 전동기 하나당 인버터 하나가 필요한데 전력소자의 한계 때문에 인버터를 소형화 하기가 어려웠기 때문이다. 또한 당시 전류 파형으로도 그럭저럭 동작하는 유도전동기와는 달리 영구자석 전동기는 전류파형 품질에 큰 영향을 받고, 전류형 인버터로 영구자석 전동기를 제어하기가 어렵다는 문제도 있는데다, PMSM을 채택하더라도 인버터의 소비전력, 즉 변환손실이 크다보니 전동기의 투자 대비 이익이 낮았다. 그래서 과거에는 시험적으로 도입되다, 고용량 트랜지스터인, IGBT와 MOSFET의 내압성과 스위칭 손실률이 개선되어 에너지 효율에 대한 관심이 커짐에 따라 비로소 철도차량에도 PMSM을 채용할 수 있게 되었다.

현세대 전동차들은 대부분 VVVF 제어를 기반으로 하고 있으며 구형 전동차들도 빠르게 대차되고 있다.[4] 초창기 한국에 도입되었던 한국철도공사 1000호대 전동차 중 저항제어 차량인 초저항, 중저항, 신저항은 저항기를 이용하여 전동기의 전압을 조정하는 식으로 열차의 속도를 제어했으며, 이후 서울교통공사 2000호대 초퍼제어 전동차부턴 반도체를 이용한 사이리스터 초퍼제어를 사용했다. 그래서 과거 전동차에는 직류직권전동기를 주로 사용했었다. 그러다가 대한민국에서는 1993년에 VVVF 전동차인 대한민국 철도청 2030호대 전동차를 양산하는 데 성공하였다.[5]

한편, 대한민국의 철도차량 부분은 VVVF 전동차에 적용되는 견인전동기와 인버터 장치를 자체 개발하는 데는 성공하였으나, 이 전동차용 인버터 장치에 들어가는 GTO 및 IGBT 소자는 일본이나 유럽 등지에서 수입하여 사용하고 있는 실정이다. 물론 국내 업계에서도 이런 전력 소자를 생산하기는 하나 철도 차량용으로 쓸만한 정도의 내압성과 내전류성을 모두 지닌 물건은[6] 생산하지 않고 있다. 최근에 KEC에서 철도차량용 IGBT 소자의 양산에 성공했으나[7], 도입 실적은 도시형 전동차 58대 486량(2호선 24대 224량, 3호선 15대 150량, 7호선 9대 72량, 서해선 10대 40량) 정도로 그다지 많지 않다. 한국철도공사 등 대부분의 기관들은 도시바 제품을 우진산전이 면허생산하여 사용하고 있으며, 가끔 일부에선 미쓰비시나 히타치, 지멘스제를 도입하여 사용하는 경우도 있다.

특히 지멘스는 지멘스 옥타브라는 이름으로 철도 동호인들에게 많이 알려져 있다.

현재 대한민국에서 운행 중인 통근형 전동차 중에서 6편성 60량을 제외한 전 차량이 VVVF 전동차다.

3.4.1. 사이리스터 계열

자기 소호 불가한 사이리스터 계열 전력소자들은 일반적으로 전류형 인버터 구조(VCVF)로 설계된다. 이 소자들의 특성상 켜는건 수월하다만, 자체적으로 끄기가 어렵기 때문인데, 이 계열과 전압형 인버터의 조합은 강제 정류 회로와, 부품 증가, 정류 실패 위험 등이 크기에 관리가 어렵다, 전류형 인버터는 근본적으로 리액터로 전류를 일정히 제어함으로 비교적 수월하게 끌 수 있다. SCR 중에선 DB 120.1형과 그 파생형 차량, RCT 중에선 밑에 서술된 두 차량이 VSI 구조를 적용하였다.[8]

여기부터는 전압형 인버터가 주로 사용된다.

파일:korail5000ga.jpg

3.4.2. 트랜지스터 계열

3.4.2.1. Si 기반

파일:VVVF-IGBT 둥글이.jpg
파일:20240721_143817.jpg
파일:Tokyu_New_6000_series_EMU_013.jpg
3.4.2.2. SiC 기반
소자 자체가 아니라 소자의 재질을 어필하는 케이스다. 인버터나 정류기에 탄화 규소 재질 반도체를 넣어 기존의 규소 기반 IGBT 제어방식의 발열 문제를 크게 개선하였고, 자연스럽게 전력 효율도 크게 개선되었다. 소음이 줄어든 것은 덤. 일본에서는 2014년부터 오다큐 전철의 오다큐 1000형 전동차#를 시작으로 서서히 채용되기 시작하여 상용화에 성공한 2020년대에서는 전세계 철도차량에서 이 방식으로 교체되고 있다.[12][13] 대한민국에서는 우진산전의 수소연료전지 하이브리드 열차에 최초로 채용되었다.

파일:13c10ed949bf660c174b3912a2d697c60dee6a71_xlarge.jpg
파일:1483949151.jpg

파일:toq22vb.jpg

4. 원리

가장 많이 쓰이는 전압형 인버터(VVVF)의 경우, 입력으로 받은 직류[18] 전원을 3상 H-브리지 회로에 있는 GTO, IGBT등의 스위칭 소자를 사용하여 PWM을 통해 교류형태에 가까운 3상 전원을 모터에 인가한다.

이를 수행하기 위한 대표적인 방법으로는 SPWM[19], SVPWM[20], 최적 PWM 변조[21] 등의 방법이 있다.

4.1. SPWM

파일:SPWM_2Lv.png
[22]
파일:SPWM_3Lv.png
[23]
Sinusoidal PWM, 삼각파 비교 PWM

각 상마다 삼각파와 사인파를 비교하여 펄스를 출력하는 방식이다. 여기서 삼각파를 캐리어(또는 반송자)라고 하고 사인파를 지령 전압이라고 한다. 지령 전압을 출력하고자 하는 전압[24]과 주파수로 설정한다. 만약 지령 전압이 캐리어보다 크다면 3상 H-브릿지에서 스위칭 소자를 사용해 상전압을 직류 전원의 전압으로, 작다면 0V로 설정하는 식으로 스위칭을 실시간으로 진행한다.

참고로 사람에게 들리는 구동음은 초반 기준, 캐리어 주파수[25]의 2배가 된다. 이유는 본파보다, 2차 고조파가 우세하기 때문이다. 속도가 붙을 수록 이 현상은 점차 사라진다.

또한 캐리어 주파수의 설정 방식에 따라 비동기 모드와 동기 모드 2가지로 나뉘게 된다.

보통 GTO를 사용한 VVVF는 비동기 구간이 짧고 동기 모드가 긴 경향이 있다. IGBT는 그 반대.[26]

4.1.1. 비동기 모드

캐리어 주파수와 지령 전압의 주파수가 비례하지 않는 모드다. 주로 열차의 저속 영역에서 비동기 모드를 사용하며, 일반적으로 이 모드에서의 캐리어 주파수는 고정되지만, 가변도 가능하다.
4.1.1.1. 랜덤 변조
비동기 모드에서의 특수 변조 방법 중 대표적인 하나다. 아주 짧은 시간마다 반복적으로 캐리어 주파수나 펄스를 일정 범위 내에서 랜덤하게 변화시킴으로써 소리의 스펙트럼 대역을 분산시켜 모터의 소음을 감소시키는 기법이다. 캐리어 주파수를 랜덤하게 변경할 범위가 넓을수록 특정 음으로 지정하기 어려워진다. 흔히 쉬이익~ 소리를 내면서 바람소리를 내는 듯한 구동음이 바로 랜덤 변조를 사용한 것이다. 랜덤 변조의 세부 기법은 랜덤 주파수 변조(RFM), 랜덤 펄스 위치 변조(RPPM), 랜덤 듀티사이클 변조(RDCM)이 존재하며, RFM이 가장 구현하기 쉽고 노이즈 절감 성능이 좋아 주로 RFM 방식이 사용된다. 이 모드를 사용한 전동차로는 한국철도공사의 뱀눈이 전동차, 서울교통공사의 7/8호선 2차분 및 6호선 1차분, 인천교통공사의 1호선 1차분 열차 등이 있다.
4.1.1.2. 고주파 주입
일반적으로 유도전동기가 VVVF 전동차의 견인전동기로써 사용되어 왔다. 하지만 최근 에너지 절약을 위해 효율이 더 좋은 영구자석 동기전동기(PMSM)를 유도전동기 대신 채택하는 경우가 늘어나고 있다.

그런데 PMSM은 VVVF가 제어하기 위해서는 제어를 시작하기 전, 즉 발차 직전에 영구자석 동기전동기 속 부하각[27]을 알아야 한다.[28] 부하가 갑자기 변화한 경우에도 토크가 회전자계를 따라가지 못해 난조나 탈조가 발생할 수 있으므로 이를 알아내는 것은 대단히 중요하다.

이를 알아내기 위해 인코더, 리졸버 등의 센서를 사용하는 방법도 있으나, 가격과 신뢰도 등의 여러 문제로 센서를 사용하지 않고도 자석의 위치를 검출해내는 방법으로써 고주파 주입 모드가 더 흔하게 사용된다.

비동기 모드에서 지령 전압에 특정 사각 고주파를 주입하면 모터 속 로터의 임피던스가 각도에 따라 변화한다.[29] 알아낸 이 임피던스 값을 사용해 부하각을 추정하여 알맞게 제어를 시작한다. 전동기가 일정 속도에 도달하여 충분한 역기전력이 형성되면 고주파 주입을 중단하고 역기전력 검출을 통하여 회전자의 위치를 판독한다.[30] 고주파 주입 방식에 따라 회전 신호 주입(RSI), 맥동 신호 주입(PSI) 방식이 있다.

고주파 주입 모드를 사용하는 전동차로는 서울교통공사의 5호선 4차분, 7호선 5차분, 8호선 3차분 전동차와 부산교통공사의 1호선 9~12차분 전동차가 있다.[31](PMSM용 도시바 IGBT)

4.1.2. 동기 모드

캐리어 주파수가 지령 전압의 주파수의 n배가 되는 모드. 전동차의 속도가 어느 정도 붙었다 싶으면 비동기 모드에서 동기 모드로 전환한다.

전동차의 속력이 올라갈수록 지령 전압의 주파수가 올라가는데, 캐리어 주파수가 일정하면 반주기당 펄스 수는 지형 전압 주파수에 반비례적으로 감소하여 파형의 대칭성이 사라지는 문제가 있다. 때문에 캐리어 주파수도 함께 올려 줄 필요가 있다. 하지만 스위칭 소자가 스위칭할 수 있는 주파수는 한정되어 있기 때문에 지령 전압의 주파수는 올리면서도 캐리어 주파수를 비교적 낮게 유지해 줄 필요가 있다.

그렇기 때문에 소프트웨어에서 미리 정해진 변조 패턴에 따라 캐리어 주파수가 지령 전압 주파수의 몇 배가 되도록 할 것인지 정해져 있다. 이를 출력 교류전압의 반 주기동안 몇 개의 펄스가 되도록 할 것인지로 나타내며, 보통 '동기 N펄스 모드'와 같이 부른다. 이는 출력 전압의 반 주기동안 N개의 펄스가 있다는 뜻이다. 여기서 N은 3, 9, 15, 21, 27, ... 처럼 주로 6n + 3의 꼴[32]나타내어진다.[33] 이외에도 1, 5, 7, 11, 광역(Wide) 3펄스 등의 펄스도 사용된다.

일반적으로 N은 27과 같이 큰 수로 시작하여 수를 점차 내리며 최종적으로 1펄스 모드에 도달하는 형태를 보인다.

따라서 속도가 올라갈수록 캐리어 주파수가 비례하여 올라가다가, 펄스 수가 줄어들면, N이 낮아지며 캐리어 주파수가 확 낮아지고 다시 올라가기를 반복한다. 그래서 전동차에서(특히 동기 구간이 길고 모드도 많은 GTO를 사용한 VVVF에서) 위잉~↗↓위잉~↗ 하는 소리를 내며 가속하는 것이다.

드물지만 몇몇 차량은 동기 모드 없이 비동기 모드로만 변조하는 경우도 있다. 예시로 MTA R160에 이용되는 알스톰 Onix 800 IGBT가 비동기 변조만을 이용한다.
4.1.2.1. SHEPWM
Selective Harmonic Elimination PWM, 선택적 고조파 제거 PWM

PWM 인버터 작용을 효율적으로 수행하기 위해서는 인버터 출력전압 파형 중에서 시스템에 악영향을 주는 저차 고조파가 제거되어야 하는데, 이 방식은 그 특정 고조파를 제거하여, 보다 효율적인 제어가 가능해지게 하는 방식이다.
4.1.2.2. CHMPWM
Current Harmonic Minimum PWM 동기 전류 고조파 최소 펄스 폭 변조 방식

전류의 전체 고조파 왜곡을 매우 낮은 수준으로 유지하여 펄스를 출력하는 방식이다.

4.2. SVPWM

Space Vector PWM, 공간 벡터 PWM
Min/Max 주입을 통해 SPWM에 비해 과변조 시 고조파를 줄일 수 있다. 벡터 제어랑은 다른 개념이므로 혼동되지 않도록 주의해야 한다.

PMSM에만 적용된다고 오해하는 사람이 있을수도 있는데, 실제론 유도전동기에도 사용되며, 오히려 유도전동기에 먼저 적용된 방식이다.

4.3. 3차 고조파 주입

Third Harmonic Injection

SPWM에 3차 고조파를 같이 주입하여 변조하여 전압이용률을 높이는 방법이다. SVPWM과 매우 비슷한 파형을 출력하지만 구현 난이도가 더 쉬운 편이다.

5. 레벨

VVVF 인버터는 출력 파형의 전압 가짓수에 따라 2레벨과 3레벨로 나뉜다.

VVVF 인버터에 입력되는 직류 전원의 전압을 E볼트라 했을 때, 2레벨은 0, +E 두 가지의 상전압을[34], 3레벨은 0, +0.5E, +E 세 가지의 상전압을[35] 만들어낸다.

3레벨의 경우 2레벨에 비해 고조파가 적고 효율이 더 좋아지는 등의 장점이 있지만, 회로가 복잡하고 보수성은 떨어진다. 철도차량에서는 기술이 성숙할수록 오히려 2레벨 인버터를 채용한다. 가령, 초창기 IGBT를 채용한 철도차량은 고압을 받아낼 수 없어서 회로를 나눠 3레벨 회로를 구성하여 합성하는 방식을 쓴 차량이 대부분이었으나, 기술이 성숙하여 여러 문제가 해결된 2000년대 중반부터는 2레벨 인버터로 단순하게 회로를 구성하게 된 차량이 도입되었다. 다만 209계 전동차에 채용된 3레벨 GTO 모듈처럼, 207계 0/500번대[36]와 701계 전동차에 사용되던 PTr과 호환되는 공통 모듈로써 후에 IGBT로 전환이 용이하다고 판단되어 3레벨 회로를 채용하는 등의 예외도 있다.

5.1. 3레벨 변조

캐리어를 하나만 사용하는 2레벨과는 달리, 3레벨은 두 개의 캐리어를 사용한다.

5.1.1. 유니폴라 변조

지령 전압이 위의 캐리어보다 크면 +E의 상전압을, 아래의 캐리어보다 작으면 0의 상전압을, 둘 다 아니라면 +0.5E의 상전압을 생성하는 방식이다.

5.1.2. 다이폴라 변조

열차가 막 출발하여 지령 전압이 매우 낮으면 유니폴라 변조에서는 아래 그림과 같이 상전압에서의 펄스 폭이 매우 짧아진다.
파일:3LvSPWM_Unipolar.png
하지만 스위칭 반도체는 극도로 짧은 스위칭을 할 수 없기에 스위칭이 제대로 되지 않는 문제가 생길 수 있다.

그래서 이러한 문제를 해결하기 위해 다이폴라 변조를 사용한다.
다이폴라 변조는 유니폴라 변조에서 지령 전압에 DC 오프셋을 각각 위, 아래로 적용한 두 개의 지령 전압을 사용한다. 위의 지령 전압은 위의 캐리어와, 아래의 지령 전압은 아래의 캐리어와 비교하여 상전압을 변조한다.
파일:Dipolar.png
이렇게 하면 상전압에서의 펄스 폭을 충분히 확보할 수 있다.

여기서 지령 전압에 위아래로 가한 DC 오프셋을 다이폴라 바이어스(Dipolar Bias)라고 하며, 다이폴라 바이어스가 최대가 되면 2레벨이 된다. 반대로 다이폴라 바이어스가 0이 되면, 즉 DC 오프셋을 가하지 않으면 유니폴라 변조가 된다.[37]

3레벨 인버터를 사용하는 일본의 일부 차량의 경우, 발차시 다이폴라 변조로 시작하여 지령 전압이 어느 정도 오르면 유니폴라 변조로 전환하는 방식을 사용한다. 제동시에는 그 반대.[38]
[1] 서로 극수가 다른 전동기와 발전기 세트를 이용해 전기를 새로 뽑아내는 식으로 주파수 변경이 가능하긴 하였지만 크기도 크고 비용도 높고, 자유로운 주파수 변경을 할 수 없었기에, 이런 식의 주파수 변경은 제한적으로 사용되었다.[2] 현 ABB[3] 'Strömberg Asynchronous Motor Inverter'(스트룀베리 비동기전동기 인버터)의 약자[4] 2020년대 중반 기준, VVVF 이전 차량은 물론, VVVF 초기 차량들도 대차되기 시작했다. 대표적으로 1993~1996년 사이에 도입된 서울교통공사 4000호대 VVVF 전동차 1 ~ 2차, 서울교통공사 5000호대 전동차 1 ~ 2차, 서울교통공사 7000호대 전동차 1 ~ 2차, 납작이라 불리던 수도권 전철 VVVF 1세대 전동차 및 한국철도공사 2030호대 전동차가 그 예시다.[5] 교류 구간에서는 초퍼제어 차량은 정류기를 이용해 직류로 바꾸고, 평활 후 모터를 제어했고, VVVF는 PWM 컨버터로 직류로 바꾸고, 평활 후, 인버터로 스위칭해, 3상 교류로 바꿔서 모터를 제어한다.[6] 최소 3300V/500A이상[7] 완전 한국산은 아니고 히타치 등 다른 외국 기업의 제품을 기반으로 개발한 것이다.[8] 특히 8200/8500형 쪽엔 발열이나 팬 부하도 거의 없는데, 이유는 가공전차선의 전압이 600V로 상대적으로 낮고, 1C1M임으로 감당 전류량이 적고, 차량 출력 역시 크게 요구되지 않으며, RCT 특성 상 SCR보다 유리함으로, VSI를 적용해도 괜찮았다. 다만 DB 120.1 쪽은 과도한 운용과 고전압에서 굴렸기에, 특히 치명적이었다.[9] 독일철도 120형 중 120.1형은 SCR을 사용함에도 전압형 인버터로 설계되었다는 특징이 있다.[10] 트랜지스터는 npn/pnp 조합인 반면, 사이리스터의 경우 npnp/pnpn 조합이다. 다만 실제 스위칭 원리는 npn/pnp 조합의 트랜지스터 두 개를 이어붙인 느낌하고 비슷하긴 하다.[11] 2010년대 중후반 이후로는 SiC 소자도 늘어났지만, 아직은 IGBT가 흔하다.[12] 그러나 한국은 밑에 언급될 GTX-A 차량 도입 이전에는 운영기관 사정 때문에 IGBT를 계속 신차에 적용했다. 그나마 2020년대 후반이나 그 후에 도입되는 차량들에 그나마 채택 가능성이 높다. 대신 한국은 도시철도용 차량에 PMSM 방식 전동기를 채택하는 경우가 많은 편.[13] 사실 전세계라고 해도 아직 일본, 대만, 싱가포르, 스웨덴 정도가 적극적으로 도입하는 국가지 영국, 미국, 프랑스,중국 등지는 아직도 차량 관리, 단가 문제로 한국처럼 상대적으로 저렴한 IGBT를 선호한다. 더군다나 일본을 제외하면 도입에 적극적인 국가도 대개 비싼 풀 SiC보단 비교적 저렴한 하이브리드 SiC을 선호하는 편이나 점차 풀 SiC을 도입하는 사례도 생기고 있다.[14] 특히 FET, IGBT는 DS와 CE 사이에 구조상 다이오드가 형성되며, 이를 바디 다이오드라고 한다.[15] 프리휠링, 플라이휠, 스너버 다이오드 라고도 불린다.[16] 플라이백 다이오드가 없으면 전력소자가 차단 상태가 되는 순간 전동기에 흐르던 전류를 완전히 끊어버리게 되는데 이러면 전동기 내의 전기에너지가 오도가도 못하면서 매우 높은 전압으로 전환되어버리는 킥백이라는 현상이 발생하여 스파크가 발생하거나 전력소자를 파괴할 위험이 있다.[17] 특히 회생제동 시에는 플라이백 다이오드가 적극적으로 이용되므로, 이를 통해 회생제동 효율을 높일 수 있다.[18] 교류구간을 지나는 등 입력이 교류인 경우에는 컨버터를 이용하여 직류로 변환한다.[19] 삼각파 비교 PWM[20] 공간 벡터 전압 변조 방식. 3상 H-브리지 회로의 스위칭 상태 8가지를 6개의 유효 벡터와 2개의 무효 벡터로 나타내어 스위칭 타이밍을 계산하는 방식이다.[21] PWM 스위칭 패턴을 사전에 계산하여 테이블로 구성한 뒤, 이를 읽어들이는 방식.[22] 2레벨 동기 9펄스 모드[23] 3레벨 유니폴라 동기 15펄스 모드[24] 정확히는 출력하고자 하는 전압에 비례한 비교적 작은 전압이다. 또한 전압은 저주파 영역과 60Hz쯤 이후를 제외하고 주파수에 비례한다.[25] 스위칭 주파수라고도 한다.[26] 이는 IGBT에 비해 GTO의 스위칭 주파수가 낮기 때문인데, 비동기 모드에서 지령 주파수에 비해 캐리어 주파수가 너무 낮으면 리플이 심해지므로 빠르게 동기 모드로 전환하게 된다.[27] 영구자석의 위치(각도)[28] 이를 제대로 알아내지 못한다면, 모터가 고정자의 자기장을 따라가지 못해 회전하지 못하거나(탈조), 최대 토크를 만들어 내지 못하는 등 모터의 동작이 불안정해진다.[29] 이때 주입하는 고주파의 주파수는 캐리어 주파수의 1/n배가 된다.[30] 동기전동기는 회전 시 역기전력(BEMF)이 형성되는데, 역기전력의 파형은 회전자의 위치에 상응하므로 역기전력을 검출해내어 회전자의 위치를 판독하는 것이 가능하다. 허나 속도가 너무 낮을 때에는 역기전력을 제대로 검출할 수 없으므로, BEMF가 불충분한 저속 및 영속도 구간에서는 고주파 주입법을 통하여 회전자의 위치를 판독한다.[31] 이 열차들은 고주파 주입과 동시에 랜덤 변조도 사용한다.[32] 반드시 꼭 지켜지는 것은 아니다. 가령 웨스팅하우스 등 몇몇 제작사 인버터는 다변조 계열로 단수가 훨씬 자잘히 나뉘어있었다.[33] 이렇게 설정하는 이유는 전동기의 손실을 야기하는 고조파가 최소가 되기 때문이라고 한다.[34] 이를 통해 -E, 0, +E 세 가지의 선간전압을 만들어낸다.[35] 이를 통해 -E, -0.5E, 0, +0.5E, +E 다섯 가지의 선간전압을 만들어낸다.[36] 1000번대의 도시바 GTO는 이와는 완전 반대로 고내압 2레벨 회로를 적용하였다.[37] 다이폴라 바이어스가 최대가 아닌 50% 정도가 되면 선간전압의 스위칭 주파수가 유니폴라 변조애 비해 사실상 2배가 되며, 전압 또한 유니폴라 변조에 비해 조금 상승한다. 위 사진은 다이폴라 바이어스를 50%로 적용한 것이다.[38] 다이폴라 변조에서 유니폴라 변조로 전환할 때 주로 캐리어 주파수를 2배로 늘린다. 다이폴라 바이어스가 0이 되면서 사실상의 스위칭 주파수가 절반으로 감소하기에 이를 다시 상쇄할 수 있기 때문이다.

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