DC Reactor란? 인버터 전원측 리액터 원리

DC Reactor란 VFD의 정류부와 DC Link 사이에 설치해 전류 변화를 억제하는 인덕터입니다. 입력 고조파와 전류 피크, 전원계통 충격을 줄이는 원리를 알아봅니다.

DC Reactor란 무엇이며 VFD의 어디에 설치할까?

DC Reactor는 VFD 내부의 DC Link 회로에 직렬로 연결되는 Inductor로, DC Link Reactor 또는 DC Choke라고도 합니다. 일반적인 VFD는 입력 AC를 Diode Rectifier에서 DC로 변환한 뒤 DC Link Capacitor에 저장하고 Inverter의 Power Semiconductor를 Switching하여 Motor에 필요한 가변 Voltage와 Frequency를 생성합니다. 이 과정에서 Rectifier와 Capacitor만으로 구성된 입력부는 AC 전원의 특정 구간에서 Capacitor를 충전하기 위해 Peak 형태의 Input Current를 끌어올 수 있습니다. DC Reactor는 Rectifier와 DC Link Capacitor 사이 또는 제조사가 지정한 DC Link 위치에 직렬로 삽입되어 Current의 급격한 변화를 억제합니다. Inductor에는 V=L×di/dt 관계가 있으므로 Current가 빠르게 변하려 할수록 그 변화에 반대하는 Voltage가 발생합니다. 이를 통해 Rectifier에서 DC Link로 흐르는 Current Waveform을 완화하고 VFD 입력측 전류의 Peak와 Harmonic을 줄이는 데 도움을 줍니다.

DC Reactor는 왜 입력 고조파를 줄일 수 있을까?

일반적인 6-pulse Diode Rectifier와 큰 DC Link Capacitor를 사용하는 VFD에서는 AC Voltage가 DC Capacitor Voltage보다 충분히 높아지는 구간을 중심으로 Diode가 Conduct하면서 Capacitor를 충전합니다. 따라서 Input Current가 완전한 Sine Wave 형태가 아니라 좁고 높은 Pulse 형태가 될 수 있으며 이 왜곡된 Current에는 Fundamental Frequency 이외의 Harmonic Components가 포함됩니다. 3상 6-pulse Rectifier에서는 계통조건과 회로구성에 따라 5차, 7차, 11차, 13차 등의 Characteristic Harmonic이 주요 성분으로 나타날 수 있습니다. DC Reactor는 DC Link Current가 급격하게 증가하거나 감소하는 것을 억제하여 Rectifier의 Conduction 구간을 변화시키고 Input Current의 Peak를 낮추며 Waveform을 보다 완만하게 만드는 데 기여합니다. 결과적으로 Current THD를 감소시키고 Power System에 전달되는 Harmonic 부담을 줄일 수 있습니다. 다만 DC Reactor 하나만으로 모든 Harmonic을 제거할 수 있는 것은 아니며 요구되는 THD 수준에 따라 AC Reactor, Passive Harmonic Filter 또는 Active Harmonic Filter 등의 추가 대책이 필요할 수 있습니다.

입력전류 피크가 줄면 VFD에는 어떤 장점이 있을까?

Input Current Peak가 지나치게 크면 Rectifier Diode와 DC Link Capacitor에 높은 Electrical Stress가 가해질 수 있습니다. DC Reactor는 Current 변화율을 제한하고 Peak Current를 완화하여 Rectifier와 Capacitor가 받는 부담을 줄이는 데 도움을 줄 수 있습니다. 또한 VFD가 전원계통에서 끌어오는 RMS Current와 Harmonic Current 특성이 개선되면 Cable과 Transformer에 발생하는 추가적인 Heating을 줄이는 데도 유리할 수 있습니다. Harmonic Current가 전원계통의 Impedance를 통과하면 Voltage Distortion에도 영향을 줄 수 있으므로 대규모 VFD Load가 설치된 공장에서는 Reactor와 Harmonic 대책이 Power Quality 관리에 중요한 요소가 됩니다. DC Reactor는 Power Factor 측면에서도 도움이 될 수 있지만 여기서 주의할 점은 단순한 Displacement Power Factor와 Total Power Factor를 구분해야 한다는 것입니다. Diode Rectifier의 기본파 Displacement Power Factor가 높더라도 Harmonic 때문에 전체 Power Factor가 낮아질 수 있으며 Reactor는 Current Distortion을 줄여 Total Power Factor를 개선하는 데 기여할 수 있습니다.

DC Reactor와 AC Reactor는 어떤 차이가 있을까?

DC Reactor는 Rectifier 이후의 DC Link에 설치하는 반면 AC Reactor는 일반적으로 VFD의 AC Input 측에 직렬로 설치합니다. 두 장치 모두 Inductance를 이용해 Current 변화와 Harmonic 영향을 완화한다는 공통점이 있지만 설치위치와 부가적인 효과가 다릅니다. AC Line Reactor는 전원과 Rectifier 사이에 위치하므로 Input Current Peak와 Harmonic을 완화하는 동시에 전원측의 일부 Voltage Transient가 VFD에 전달되는 것을 제한하는 데 도움을 줄 수 있습니다. DC Reactor는 DC Link Current를 직접 평활화하면서 Rectifier와 Capacitor 사이의 Current 특성을 개선합니다. 일부 VFD에는 DC Reactor가 기본 내장되어 있으며 다른 제품은 외부 Option으로 연결할 수 있도록 DC Terminal을 제공합니다. 두 Reactor의 효과는 Drive Topology와 Reactor Impedance, Source Impedance 등에 따라 달라지므로 단순히 둘을 동시에 설치하면 효과가 두 배가 된다고 볼 수는 없습니다. 실제 적용에서는 제조사의 Harmonic Data와 권장 Reactor 구성을 확인하는 것이 중요합니다.

DC Reactor는 어떤 경우에 검토해야 할까?

DC Reactor는 VFD가 다수 설치되어 Harmonic Current 관리가 필요한 공장이나 전원계통의 Short-circuit Capacity가 크고 Source Impedance가 낮아 Rectifier Current Peak가 커질 수 있는 환경에서 검토할 수 있습니다. 또한 Generator 전원을 사용하거나 Transformer와 VFD의 Capacity 관계 때문에 입력전류 특성을 관리해야 하는 경우에도 Reactor 적용 여부를 검토할 수 있습니다. 하지만 모든 설비에 동일한 Reactor를 사용할 수 있는 것은 아닙니다. Inductance와 Current Rating, Saturation 특성, Thermal Rating이 VFD 용량과 운전조건에 적합해야 하며 제조사가 지정한 DC Link Connection 방식도 따라야 합니다. 특히 DC Link에는 높은 DC Voltage가 존재하므로 임의의 배선변경이나 Reactor 추가는 위험하며 VFD 제조사의 Technical Manual과 설계기준을 따라야 합니다. 결국 DC Reactor는 인버터의 DC Link에서 전류의 급격한 변화를 억제하여 Input Current Peak와 Harmonic을 줄이고 Rectifier와 Capacitor의 Electrical Stress를 완화하는 대표적인 VFD 전원품질 개선부품입니다.