VVVF는 인버터(Inverter)라는 것을 기본적으로 이용합니다.(인버터란 전차선의 직류전기를 교류로 바꿔주는 역할을 하는 기기입니다.)
전동차에는 직류 1500볼트가 공급되어 인버터에 의해 전동기에 실제적으로 공급되는 전원은 교류입니다.
저항방식의 전동차(1~4호선)는 직류 전동기를 쓰지만, 우리 도시철도에서 운용하는 전동차는 VVVF방식의 단상 또는 3상의 유도전동기를 사용하죠.
인버터가 속도를 제어하는 방법은 PAM(Pulse Amplitude Modulation)과 PWM(Pulse Width Modulation)으로 나눌 수 있는데, PAM은 교류의 진폭을 조절하는 방법, PWM은 교류의 주파수를 조절하는 방식입니다. 예전에는 PAM방식을 썼으나 요즘은 PWM벡터 제어를 사용하여 역률을 줄이고 더욱 효율을 증가시켰습니다.
당연히 우리 서울도시철도 전동차는 PWM방식으로 운영됩니다.
VVVF의 소음은 VVVF 제어소자의 스위칭 특성에 기인합니다. 즉, 교류~직류변환의 핵심적 역할을 하는 파워 트랜지스터에 소음의 열쇠가 있는 것이죠.
기관사가 마스콘을 당기면 일단 전동차를 움직여야 하기 때문에 많은 힘이 필요하게 됩니다.(정지마찰력 때문에......) 그렇기 때문에 인버터는 단기간에 고전압, 높은 주파수를 주어 유도전동기를 돌리게 되는데, 그 때 파워 트랜지스터에서 노이즈가 발생하게 되는 것입니다. 이 노이즈의 주파수대역은 유도전동기의 속도가 증가할수록 점차 커지게 되는데, 우리들의 가청주파수는 20~20,000Hz이므로 그 사이에 노이즈의 주파수대역이 끼이게 된다면 우리가 그 소리를 듣게 되는 것이죠.
"위~~잉 위~~잉 위~~잉" 하고 높아지다가 다시 낮아지고 또 다시 높아지는 것은 파워 트랜지스터나 IGBT소자에 미리 입력된 스위칭 패턴대로 스위칭(변속)을 하기 때문에 그렇습니다. 무거운 전동차를 굴릴려면 토크가 많이 필요한데, 최대토크를 주기 위해 다시 전압을 초기화할 필요가 있는 것이죠. 그래서 이렇게 낮아졌다 높아지는 것이며, 만약 전동기의 속도가 일정궤도에 오르면 인버터의 노이즈는 우리가 들을 수 없는 초음파대역으로 이동하게 되어 소리가 사라지는 것입니다.
VVVF의 종류에는 GTO소자와 IGBT소자가 사용됩니다. 최근에는 IGCT소자 등 인버터 제어방식에 많은 발전이 있었습니다.
① GTO(Gate Turn-off Thyristor)소자
전류의 흐름과 끊어줌을 고속으로 할 수 있는 반도체의 일종이며, 파워 트랜지스터를 사용합니다. 우리나라 VVVF 전동차의 대부분에 사용된 소자이며, 소음이 매우 날카롭고 시끄럽습니다. Toshiba, Mitsubishi, Alstom, ABB, Siemens 등의 회사에서 우리나라 전동차에 사용된 GTO소자와 전동기 등을 제작하였으며, 우리공사 5호선과 7･8 1차분이 GTO방식으로 제작된 차량입니다.
② IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)소자
IGBT 차량은 GTO보다 더 효율이 높고, 스위칭 주파수가 높아 소음이 적어서 현재 도입되는 신규 전동차는 거의 IGBT 인버터 제어 방식을 적용하여 제작하고 있습니다.
IGBT는 2레벨과 3레벨이 있는데, 3레벨은 2레벨보다 더 비싸고 구조가 복잡하지만 소음이 적고 효율성이 높습니다. 그런데 IGBT도 문제인 것이, 우리가 듣는 가청주파수대역의 소음은 많이 줄었지만, 고주파대역의 소음 때문에 전자기기의 운용에 장애를 받는다는 단점이 있습니다. 우리공사 6호선 모든 차량과 7･8호선 2차분 차량에 IGBT 소자가 사용되고 있습니다.
출처 : 서울도시철도 지식한마당 장승철 선임주임