전력 변환 방식은 어떤것들이 있을까?

전력 변환이란, 사용전원을 어떠한 목적에 따라 그 종류를 바꾸는 것을 말한다. 가정에 공급되는 교류전원을 핸드폰, 태블릿 등의 전자 제품에 바로 충전할 수 없다. 충전기 어댑터가 필요한 이유는 인입된 교류전원을 적정 크기의 직류전원으로 변환하여 전자 제품에 충전하기 위함이다. 또한 인버터형 에어컨, 제습기 등의 인버터형 전자 제품도 전력 변환 방식의 한 종류를 채택한 것이다. 이렇듯, 전력 변환 장치는 실생활에 아주 밀접하게 관련되어 있다.

 

 

전력 변환 장치가 동작되기 위해 요구되는 여러 조건이 있다.

1. 출력 전원은 요구되는 값과 파형이 일치해야 한다
2. 출력 전원은 부하의 변화, 입력 전원 및 구성 요소에 의해 큰 영향을 받지 않아야 한다
3. 전력 변환 장치는 전원 측 파형 왜곡과 부담을 최소화해야 한다
4. 출력 전원은 최소한의 파형 왜곡과 고조파 성분을 가져야 한다
5. 제어 파라미터는 넓은 범위를 가져야 한다
6. 제어 파라미터의 아주 민감한 변화에도 출력 전원이 큰 변화를 갖도록 제어되어야 한다
7. 전력 변환 장치는 최소의 전력 손실과 과도현상에 대해 적절한 저항을 가져야 한다
8. 전력 변환 장치의 각 부품은 일시적으로 최소의 에너지를 저장해야 한다

전력 변환 방식

1) AC-DC 변환(교류-직류 변환)

교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 것을 의미하며, 통상 정류 변환이라고 한다. 다이오드 정류기, 위상 제어 정류기(SCR, 사이리스터)가 대표적인 교류-직류 변환 장치이다. 정류소자에 다이오드를 이용한 경우 출력 전압의 제어는 불가하지만, 사이리스터를 사용한 경우 출력 전압을 제어할 수 있어 전력의 변환과 제어가 동시에 가능하다.

 

2) DC-DC 변환(직류-직류 변환)

직류 전력은 기본적으로 크기와 극성의 정보를 갖고 있다. 직류-직류 변환이란, 입력 직류 전력에 대해 크기나 극성이 변환된 다른 직류 출력을 의미하며, 직류 변환이라고 한다. 직류 전력 변환 장치로는 직류 초퍼(DC chopper)가 대표적이다. 이러한 전력 변환 방식은 주로 PC, 각종 정보 기기 등에 장착되는 SMPS*의 전력 변환 방식으로 응용된다.

[SMPS란, Switched Mode Power Supply의 약자로 스위칭 제어를 통해 입력 전원으로부터 출력 전원의 크기를 제어하는 장치]

 

3) DC-AC 변환(직류-교류 변환)

직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 것을 말하며 역변환이라고 한다. 직류-교류 변환을 주된 기능으로 갖는 대표적인 전력 변환기에는 인버터를 들 수 있다. 대표적인 장치는 UPS(Uninterruptible Power Supply System), 유도 전동기의 속도 제어 시스템(VVVF, Variable Voltage Variable Frequency)이 있다.

 

4) AC-AC 변환(교류-교류 변환)

교류 전력의 형태는 전압과 전류의 크기, 주파수, 위상 등으로 결정된다. 교류-교류 변환이란, 이러한 변수들 중 하나 이상을 변환하여, 다른 교류 전력으로 변환하는 것으로 교류 변환이라고 한다. 사이클로컨버터(cycloconverter)의 경우 주파수와 크기를 제어할 수 있으며, 교류 초퍼(AC chopper)의 경우 양방향성 교류 스위치를 사용하여 전력을 제어한다.

 

정류기와 인버터

전력을 제어하기 위해서는 입력된 전력을 다른 형태의 전력으로 변환하는 절차가 필요하며, 전력용 반도체 스위치의 특성이 이러한 전력 변환을 가능하게 한다. 

 

1) 다이오드 정류기

교류 전압을 고정된 직류 전압으로 변환시키는 것이다. 

 

2) 위상 제어* 정류기

두 개의 사이리스터를 갖는 단상 전파 위상 제어 정류 시스템이다. 출력 전압의 값은 사이리스터의 도통 시간을 가변 시킴으로써 제어한다.

[위상제어 : 사이리스터, thyristor의 위상각을 조절하여 출력 전압과 전류를 제어하는 방식]

 

3) 직류 초퍼

평균 출력 전압은 IGBT 등 전력용 반도체 소자의 도통 시간을 가변함으로써 제어한다. 

 

4) 인버터

직류-교류 컨버터를 인버터(inverter)라고 한다. IGBT 등 전력용 반도체 소자의 도통 시간을 가변함으로써 제어한다.

 

5) 교류 전압 제어기

고정된 교류 전원으로부터 가변의 교류 출력 전압을 얻기 위해 주로 사용되며, 출력 전압은 TRIAC의 도통 시간을 가변함으로써 제어한다.

 

6) 정지형 스위치(Static Switch)

전력용 반도체 스위치는 정지형 스위치 또는 접촉기로써 동작할 수 있기 때문에, 스위치의 전압은 직류 또는 직류일 수 있다. 이러한 스위치를 교류 정지형 스위치 또는 직류 정지형 스위치라고 한다.

정상 모드 시 정지형 스위치를 통해 부하에 안정적으로 교류 전원을 공급하며, 동시에 컨버터로부터 상용 전원이 축전지에 충전된다.

정전 발생 시 정지형 스위치는 오프 되고 다른 정지형 스위치가 온 되어 부하에 전력을 공급하게 된다.

이것이 UPS(Uninterruptible Power Supply System) 시스템이다.