NEC 법규/기타

구형파(Square Wave) 방식으로 인버터를 제어하는 이유? 실무에서 사용하는 인버터 제어 방식? VFD, VSD, PWM제어방식?

NEC MASTER 2025. 7. 27. 16:20
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✅ 구형파 방식 제어란?

  • 각 상의 위쪽 또는 아래쪽 스위치를 일정 시간 온/오프하며 +DC 또는 –DC 전압을 상에 인가하는 방식
  • 모터 출력에는 정현파가 아닌 구형파 형태의 전압이 인가됩니다.

⚙️ 왜 구형파 제어를 쓸까? (장점)

1. 구현이 매우 간단함

  • 제어 회로가 단순:
    PWM, DSP 연산 없이도 간단한 순차 제어 회로로 구현 가능
  • 전자 스위치(IGBT, MOSFET)의 온/오프 제어만으로 동작

2. 고속 스위칭이 필요 없음 → 손실 적음

  • 구형파는 스위치를 한 번 켜면 일정 시간 유지
    ➝ PWM 제어보다 스위칭 손실, EMI(노이즈) 발생이 적음

3. 저속에서 토크가 큼

  • 구형파 전압을 걸면 전류 변화가 빠르게 일어나
    ➝ **시동 토크(starting torque)**가 큽니다
    ➝ 저속 또는 부하가 큰 모터에 유리

4. 비용이 저렴함

  • 제어 알고리즘, 센서, 마이크로컨트롤러가 단순하거나 필요 없음
    ➝ 저가 모터 드라이브, 펌프, 팬 등에 적합

❌ 단점도 있어요

                항목                                                           설명

 

전기적 효율 정현파보다 낮음 (하모닉 포함 → 모터 발열, 진동 증가)
고속 제어 정밀 속도 제어나 벡터 제어에는 부적합
모터 수명 구형파 구동 시 코깅토크, 발열로 인해 수명 단축 가능
 

🧠 요약

              장점                                                                               설명

 

✅ 간단한 제어 복잡한 연산 없이 구현 가능
✅ 스위칭 손실 낮음 PWM보다 효율적
✅ 높은 시동 토크 저속 구동에 유리
✅ 비용 절감 저가형 드라이브에 최적화
 

💡 그래서 어디에 사용되냐면?

  • 💨 산업용 팬, 송풍기
  • 🌀 소형 펌프
  • 🏭 기본적인 V/F 제어 인버터
  • 🔌 UPS 백업 회로 일부

 

 

✅ 실무에서는 어떤 제어방식을 사용할까?

 

실무에서 사용하는 **가변속도 인버터(VSD: Variable Speed Drive, VFD: Variable Frequency Drive)**는 대부분 정현파 기반 PWM 제어를 사용합니다.


즉, 일반적으로 "구형파" 방식은 실제 산업용 인버터에서는 거의 사용되지 않습니다.

 

 

✅ 실무에서 사용하는 인버터 제어 방식은?

                         구분                                                                                    설명

 

✅ 정현파 기반 PWM (Sine PWM) 가장 널리 사용됨
✅ 벡터 제어 (Vector Control, FOC) 고정밀 속도·토크 제어
✅ SVPWM (Space Vector PWM) 효율이 더 높은 고급 제어 방식
❌ 구형파 (Square Wave) 소형 모터, 장난감, 아주 저렴한 드라이브에서만 사용됨
 

⚙️ 왜 정현파 기반 제어를 쓸까?

  1. 부드럽고 안정적인 속도 제어 가능
    → 토크 리플 감소, 진동 적음
  2. 모터 수명 증가
    → 구형파보다 발열·노이즈 적음
  3. 고정밀 위치 및 토크 제어 가능
    → 서보 시스템, 엘리베이터, 로봇 등에서 중요
  4. 주파수 및 전압 조절로 속도 제어
    → 예: 60Hz → 30Hz로 낮추면 속도도 50% 감소

📌 그럼 구형파 방식은 언제 써?

                  사용 사례                                                     설명

 

장난감 모터 전자 회로 단순, 가격이 중요할 때
팬·펌프 저가형 드라이브, 정밀 제어 불필요
전동 스쿠터 일부 소형 BLDC에 구형파 구동 사용
 

🧠 요약

             항목                                  정현파 PWM 제어                                                          구형파 제어

  

실무 사용 ✅ 대부분 사용 ❌ 일부 저가 장치에만
장점 효율, 정밀제어, 안정성 단순, 저렴
사용처 산업용, 가전, EV, 로봇 등 장난감, 팬, 펌프 등 저사양 장비

위 그림은 PWM 제어 방식에서의 동작 원리를 시각적으로 보여줍니다.

🔍 그래프 설명

① 정현파 (참조 파형, 파란색)

  • 모터에 인가하고 싶은 이상적인 전압 형태
  • 이 파형을 따라 PWM 출력이 조절됩니다

② 캐리어파 (삼각파, 주황색)

  • 매우 빠르게 진동하는 기준 신호 (여기선 1kHz)
  • 이 파형과 정현파를 비교해서 PWM 신호를 생성

③ PWM 출력 (빨간색)

  • 정현파가 캐리어보다 높을 때는 ON (1), 낮으면 OFF (0)
  • 이 ON/OFF 신호가 트랜지스터를 구동하고,
    결과적으로 모터에는 정현파와 유사한 평균 전압이 인가됩니다

✅ 결과적으로

  • 이 PWM 신호는 LC 필터 또는 모터의 인덕턴스를 통해 정현파로 평활됩니다
  • PWM의 듀티비(Duty Ratio)가 계속 변하면서
    ➤ 정현파와 거의 동일한 전압파형이 만들어지는 거죠!

 

🧒 PWM 제어를 설명하자면...

🌟 먼저, PWM이 뭐야?

PWM은 "Pulse Width Modulation"의 줄임말이에요.
한국어로는 "펄스 폭 변조"라고 해요. 조금 어려워 보이지만, 이렇게 생각해보세요!

🍟 🍔 비유: 햄버거 가게 알바 이야기

  • 너는 햄버거 가게에서 일하는 알바생이야!
  • 사장님이 전등 밝기를 조절하라고 했어.
  • 근데 전등에는 밝기 조절 다이얼이 없어!
    대신 전등을 켜거나 끌 수만 있어 😮

그래서 너는 이렇게 꾀를 냈어:

  1. 아주 빠르게 전등을 켜고 끄자!
  2. 예를 들어:
    • 5초 중 4초는 켜고, 1초는 끄면 → 밝음
    • 5초 중 1초는 켜고, 4초는 끄면 → 어두움

이게 바로 PWM!

  • 켜져 있는 시간의 비율(=듀티비, Duty Ratio)을 조절해서 밝기를 조절하는 거야!
  • 모터, 전등, 히터 등 모든 기계에 이런 방식으로 "세기를 조절"할 수 있어.

⚙️ 실무에서는 어떻게 쓰일까?

💡 예 1: 모터 속도 조절 (VFD, 인버터)

  • 인버터는 AC 전압을 만들어 모터를 돌려요.
  • 그런데 전압을 직접 바꾸기 어려우니까,
    → PWM으로 모터에 전달되는 전력의 평균값을 조절해요.
  • 마치 햄버거 가게 알바처럼,
    모터에 전기를 빠르게 켰다 껐다 하면서 속도를 조절하는 거예요.

✅ 속도, 토크를 자유자재로 조절 가능!
✅ 팬, 펌프, 컨베이어 등 대부분의 공장에서 사용!

💡 예 2: LED 밝기 조절기

  • LED에 흐르는 전류가 많을수록 밝아요.
  • 그런데 LED는 과전류에 민감해서 조심해야 해요.
  • 그래서 PWM으로 전류를 빠르게 끊어줬다가 다시 넣어주면서 밝기를 조절해요!

💡 예 3: 드론·로봇 제어기

  • 드론 날개의 모터 속도도 PWM으로 제어해요.
  • 빠르게 회전하게 하려면 더 많이 켜주고,
    천천히 돌리려면 덜 켜주는 식이에요.

📊 실무에서 PWM을 쓸 때 도구들

                                                   장비                                                                                            역할

 

✅ 마이크로컨트롤러 (MCU, 예: Arduino, STM32) PWM 신호 생성
✅ 인버터 (VFD) 모터에 실제 전력 인가
✅ PWM 제어 IC 전원공급장치, 조명제어 등에 사용
✅ 파형 발생기, 오실로스코프 PWM 신호 확인 및 튜닝
 

🧠 정리

               항목                                                     설명

 

PWM이란? 전기를 빠르게 ON/OFF해서 평균값을 조절하는 방법
왜 쓰나? 아날로그처럼 부드럽게 조절하면서 디지털 제어의 장점 유지
어디에 쓰나? 모터 속도 제어, 조명 밝기, 오디오 음량 조절, 드론 등
어떻게 쓰나? 마이크로컨트롤러, 인버터, PWM 드라이버로 구현
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