파워 인버터

시리즈의 일부
전력 공학
전력 변환
전압 변환기 전력 변환 HVDC 컨버터 스테이션 AC-to-AC 컨버터 DC-DC 컨버터 정류기 인버터
전력 인프라
전력계통 발전소 전기 그리드 인터커넥터 수요 대응
전력 시스템 구성 요소
링 본체 격자형 인버터 에너지 저장소 버스바 버스 덕트 리클로저 보호 릴레이
v t

파워 인버터, 인버터 또는 인버터는 직류(DC)를 교류(AC)^[1]로 변경하는 전력 전자 장치 또는 회로입니다.결과적으로 얻을 수 있는 AC 주파수는 사용하는 특정 장치에 따라 달라집니다.인버터는 원래 AC를 ^[2]DC로 변환하는 대형 전기 기계 장치였던 정류기와 반대되는 역할을 합니다.

입력전압, 출력전압 및 주파수, 전체적인 전력처리는 특정 디바이스 또는 회로의 설계에 따라 달라집니다.인버터는 전력을 생산하지 않습니다.전원은 DC전원에 의해 공급됩니다.

파워 인버터는 완전히 전자적일 수도 있고 기계적 효과(회전 장치 등)와 전자 회로의 조합일 수도 있습니다.정적 인버터는 변환 과정에서 움직이는 부품을 사용하지 않습니다.

파워 인버터는 주로 높은 전류와 전압이 존재하는 전력 애플리케이션에서 사용됩니다. 일반적으로 매우 낮은 전류와 전압을 갖는 전자 신호에 대해 동일한 기능을 수행하는 회로를 오실레이터라고 합니다.AC를 DC로 변환하는 반대 기능을 수행하는 회로를 정류기라고 합니다.

입출력

입력 전압

일반적인 파워 인버터 장치 또는 회로에는 시스템의 의도된 전력 수요에 충분한 전류를 공급할 수 있는 안정적인 DC 전원이 필요합니다.입력전압은 인버터의 설계와 목적에 따라 달라집니다.예를 들어 다음과 같습니다.

• 일반적으로 충전식 12V 납산 배터리 또는 자동차 전기 ^[3]콘센트에서 작동하는 소형 소비자 및 상업용 인버터용 12V DC.
• 24, 36 및 48 V DC, 가정용 에너지 시스템의 공통 표준입니다.
• 200~400V DC, 태양광 발전 태양 전지판에서 전력이 공급되는 경우.
• 300~450V DC(차량-그리드 시스템의 전기차 배터리 팩에서 전력이 공급되는 경우).
• 인버터가 고전압 직류 전력 전송 시스템의 일부인 수십만 볼트.

출력 파형

인버터는 회로 설계에 따라 사각파, 수정된 사인파, 펄스 사인파, 펄스 폭 변조파(PWM) 또는 사인파를 생성할 수 있습니다.일반적인 유형의 인버터는 사각파 또는 준사각파를 생성합니다.사인파의 순도를 나타내는 척도 중 하나는 THD(Total Harmonic Distribution)입니다.50% 듀티 사이클(시간의 절반) 사각파는 48% ^[4]THD의 사인파와 동일합니다.상용 배전 그리드의 기술 표준에서는 고객의 접속 지점에서 파형 모양의 THD가 3% 미만이어야 합니다.IEEE Standard 519는 전원 그리드에 접속하는 시스템의 THD를 5% 미만으로 하는 것을 권장합니다.

저전압 DC 전원에서 가정용 플러그인 전압을 생성하는 두 가지 기본 설계가 있습니다. 첫 번째 설계는 스위칭 부스트 컨버터를 사용하여 고전압 DC를 생성한 다음 AC로 변환합니다.두 번째 방법은 배터리 레벨에서 DC를 AC로 변환하고 라인 주파수 변압기를 사용하여 출력 ^[5]전압을 생성합니다.

사각파

이는 인버터 설계가 생성할 수 있는 가장 단순한 파형 중 하나이며 조명 및 난방과 같은 저감도 애플리케이션에 가장 적합합니다.사각파의 출력은 오디오 기기에 접속했을 때 "허밍"을 일으킬 수 있으며 일반적으로 민감한 전자제품에는 적합하지 않습니다.

사인파

다단 정현파 AC 파형을 생성하는 파워 인버터 장치를 사인파 인버터라고 한다.수정된 사인파(3단계) 인버터 설계보다 왜곡이 훨씬 적은 출력으로 인버터를 더 명확하게 구별하기 위해 제조업체는 종종 순수 사인파 인버터라는 문구를 사용합니다."순정현파 인버터"로 판매되는 거의 모든 소비자 등급 인버터는 부드러운 정현파 출력을 ^{[citation needed]}전혀 생성하지 않으며, 사각파(2단계) 및 수정된 정현파(3단계) 인버터보다 출력이 덜 불안정합니다.그러나 대부분의 전자제품은 출력을 매우 잘 처리하기 때문에 이는 중요하지 않습니다.

파워 인버터 장치가 표준 라인 전력을 대체할 경우 많은 전기 제품이 사인파 AC 전원과 가장 잘 작동하도록 설계되어 있기 때문에 사인파 출력이 바람직합니다.표준 전기 유틸리티는 일반적으로 경미한 결함이 있지만 때로는 상당한 왜곡이 있는 사인파를 제공합니다.

파형 출력에 3단계 이상의 스텝이 있는 사인파 인버터는 3단계만 있는 수정된 사인파나 동일한 전력 처리의 사각파(1단계) 유형보다 훨씬 복잡하고 비용이 높습니다.퍼스널 컴퓨터나 DVD 플레이어와 같은 스위치 모드 전원 장치(SMPS)는 수정된 사인파 전력으로 작동합니다.비 사인파 전원으로 직접 작동하는 AC 모터는 추가 열을 발생시키거나 속도 토크 특성이 다르거나 사인파 전원으로 작동하는 경우보다 더 많은 청각적 노이즈를 발생시킬 수 있습니다.

수정된 사인파

수정된 사인파는 두 사각파의 합으로, 한 파형이 다른 파형의 4분의 1 주기에 비해 지연됩니다.그 결과 전압 스텝이 0, 피크 양, 제로, 피크 음, 다시 0인 파형이 생성됩니다.이 전압 값 시퀀스는 연속적으로 반복됩니다.결과 전압 파형은 단일 사각파보다 정현파 전압 파형의 모양에 더 가깝습니다.대부분의 저렴한 소비자 전원 인버터는 순수 사인파가 아닌 수정된 사인파를 생성합니다.

파형이 사이클 시간의 절반 동안 피크 전압 값을 갖도록 선택한 경우 RMS 전압 대비 피크 전압 비는 사인파와 동일합니다.DC 버스 전압을 능동적으로 조절하거나 DC 버스 전압까지 동일한 RMS 값 출력을 유지하도록 "on" 및 "off" 시간을 변경하여 DC 버스 전압 변동을 보정할 수 있습니다.펄스폭을 변경함으로써 고조파 스펙트럼을 변경할 수 있다.펄스가 각 전기 사이클의 130도 너비에 있을 때 3단계 수정된 사인파의 최소 THD는 30%입니다.이것은 ^[6]사각파보다 약간 낮다.

ON/OFF 시간의 비율은 펄스 폭 변조(PWM)라는 기술을 사용하여 일정한 주파수를 유지하면서 RMS 전압을 변화시키도록 조정할 수 있습니다.생성된 게이트 펄스는 개발된 패턴에 따라 각 스위치에 주어져 원하는 출력을 얻을 수 있습니다.출력의 고조파 스펙트럼은 펄스의 폭과 변조 주파수에 따라 달라집니다.펄스가 파형의 130도 이상으로 확장되면 3레벨 파형의 최소 왜곡에 도달하지만, 결과 전압은 여전히 약 30%의 THD를 가지며, 이는 그리드 연결 ^[7]전원에 대한 상용 표준보다 높은 수치입니다.유도 모터를 작동할 때 전압 고조파는 일반적으로 문제가 되지 않지만, 전류 파형의 고조파 왜곡으로 인해 추가적인 열이 발생하고 맥동 ^[8]토크가 발생할 수 있습니다.

수정된 사인파 파워 인버터 장치, 특히 기존의 백열전구와 같이 본질적으로 저항성이 높은 부하에서 많은 전기 장비가 잘 작동합니다.스위치 모드 전원 공급 장치가 있는 항목은 거의 문제 없이 작동하지만, 항목에 주전원 변압기가 있는 경우 정격에 따라 과열될 수 있습니다.

그러나 부하는 수정된 사인파와 관련된 고조파 때문에 덜 효율적으로 작동할 수 있으며 작동 중에 허밍 노이즈를 발생시킬 수 있습니다.제조사의 공칭 변환 효율은 고조파를 고려하지 않기 때문에 이는 시스템 전체의 효율에도 영향을 미칩니다.따라서 순수 사인파 인버터는 수정된 사인파 인버터보다 훨씬 높은 효율성을 제공할 수 있습니다.

대부분의 AC 모터는 MSW 인버터에서 작동하며 고조파 함량 때문에 약 20%의 효율 감소가 발생합니다.다만, 꽤 시끄러울지도 모릅니다.기본 주파수에 맞게 조정된 직렬 LC 필터가 도움이 ^[9]될 수 있습니다.

컨슈머 파워 인버터에 있는 일반적인 수정된 사인파 인버터 토폴로지는 다음과 같습니다.온보드 마이크로컨트롤러는 50kHz와 같은 고주파에서 전원 MOSFET를 빠르게 켜고 끕니다.MOSFET는 저전압 DC 전원(배터리 등)에서 직접 꺼냅니다.이 신호는 스텝업 트랜스(일반적으로 인버터의 전체 크기를 줄이기 위해 다수의 소형 변압기가 병렬로 배치됨)를 통해 높은 전압 신호를 생성합니다.그런 다음 승압 변압기의 출력을 캐패시터에 의해 필터링하여 고전압 DC 전원을 생성합니다.마지막으로 이 DC 공급은 마이크로컨트롤러에 의해 추가 전력 MOSFET에 의해 펄스화되어 최종 수정된 사인파 신호를 생성한다.

보다 복잡한 인버터는 3개 이상의 전압을 사용하여 사인파에 대한 다단계 근사치를 형성합니다.이를 통해 전압 및 전류 고조파 및 THD를 양 및 음의 펄스만 번갈아 사용하는 인버터에 비해 더욱 줄일 수 있습니다. 그러나 이러한 인버터에는 추가적인 스위칭 구성요소가 필요하므로 비용이 증가합니다.

근사인파 PWM

일부 인버터는 PWM을 사용하여 로우패스 필터링을 통해 사인파를 다시 생성할 수 있는 파형을 생성합니다.MSN 설계 방식으로는 DC 전원 하나만 필요하지만 스위칭은 훨씬 빠른 속도(일반적으로 많은 KHz)로 이루어지기 때문에 펄스의 다양한 폭을 평활하여 사인파를 생성할 수 있습니다.스위칭 타이밍을 생성하기 위해 마이크로프로세서를 사용하면 고조파 내용과 효율을 세밀하게 제어할 수 있습니다.

출력 주파수

파워 인버터 장치의 AC 출력 주파수는 보통 표준 전원 라인 주파수와 동일합니다(50 또는 60Hz).모터 주행의 경우 예외이며, 주파수에 따라 변속 제어가 이루어집니다.

또, 디바이스 또는 회선의 출력을 한층 더 조정(예를 들면, 스텝 업)하는 경우는, 트랜스의 효율을 높이기 위해서 주파수가 큰 경우가 있습니다.

출력 전압

파워 인버터의 AC출력전압은 인버터가 구동하는 부하에 변화가 있는 경우에도 그리드라인전압(일반적으로 배전레벨에서 120 또는 240VAC)과 동일하게 조정되는 경우가 많습니다.이것에 의해, 인버터는 표준 회선 전력용으로 설계된 다수의 디바이스에 전력을 공급할 수 있습니다.

일부 인버터에서는 선택 가능하거나 연속적으로 가변적인 출력 전압을 사용할 수도 있습니다.

출력 전력

파워 인버터는 일반적으로 와트 또는 킬로와트로 표시되는 전체 전력 정격을 가집니다.이것은 인버터가 구동하고 있는 디바이스에서 사용할 수 있는 전력과 DC 전원으로부터 간접적으로 필요한 전력을 나타냅니다.일반적으로 회선 전력을 모방하도록 설계된 일반 소비자 및 상업용 디바이스는 150~3000와트입니다.

모든 인버터 애플리케이션이 전원 공급에만 또는 주로 관련된 것은 아닙니다. 경우에 따라 주파수 및 파형 특성이 후속 회로 또는 장치에 의해 사용됩니다.

배터리

배터리로 구동되는 인버터의 실행 시간은 배터리 전력과 주어진 시간에 인버터에서 소비되는 전력량에 따라 달라집니다.인버터를 사용하는 기기의 양이 증가하면, 실행 시간은 감소합니다.인버터의 가동시간을 연장하기 위해 ^[10]인버터에 배터리를 추가할 수 있다.

인버터 배터리 용량 계산 공식:^[11]

배터리 용량(Ah) = 총 부하(와트 단위) X 사용 시간(시간 단위) / 입력 전압(V)

인버터에 배터리를 증설하는 경우는, 다음의 2개의 기본적인 옵션이 있습니다.

시리즈 구성

인버터에 대한 전체 입력 전압을 높이는 것이 목표라면 직렬 구성으로 배터리를 데이지 체인할 수 있습니다.직렬 구성에서 하나의 배터리가 방전되면 다른 배터리는 부하에 전력을 공급할 수 없습니다.

병렬 구성

인버터의 용량을 늘리고 가동시간을 연장하는 것이 목표라면 배터리를 병렬로 연결할 수 있다.그러면 배터리 세트의 전체 암페어 시간(Ah) 정격이 증가합니다.

다만, 1개의 배터리가 방전되면, 다른 배터리는 그 배터리를 통해서 방전됩니다.이로 인해 전체 팩이 빠르게 방전되거나 과전류되어 화재가 발생할 수 있습니다.이를 방지하기 위해 다이오드 또는 자동 전환을 통한 지능형 모니터링을 통해 병렬로 연결된 대형 배터리를 연결하여 저전압 배터리를 다른 배터리로부터 격리할 수 있습니다.

적용들

DC 전원 사용률

인버터는 배터리나 연료전지와 같은 소스에서 나오는 직류전기를 교류전기로 변환합니다.전기는 필요한 전압으로 사용할 수 있으며, 특히 주전원 작동을 위해 설계된 AC 장비를 작동하거나 원하는 전압으로 DC를 생성하도록 정류할 수 있습니다.

무정전 전원 장치

UPS(무정전 전원 공급 장치)는 주 전원을 사용할 수 없을 때 배터리와 인버터를 사용하여 AC 전원을 공급합니다.주전원이 복구되면 정류기가 DC 전원을 공급하여 배터리를 충전합니다.

전기 모터 속도 컨트롤

가변 출력 전압 범위를 생성하도록 설계된 인버터 회로는 모터 속도 컨트롤러 내에서 자주 사용됩니다.인버터 섹션의 DC 전원은 일반 AC 벽 콘센트 또는 기타 전원에서 얻을 수 있습니다.제어 및 피드백 회로는 인버터 섹션의 최종 출력을 조정하는 데 사용되며, 이는 궁극적으로 기계적 부하에서 모터의 속도를 결정합니다.모터 속도 제어에는 산업용 모터 구동 장비, 전기차, 철도 수송 시스템 및 전동 공구 등이 포함됩니다.(관련: 가변주파수 드라이브 참조) 스위칭 상태는 스위칭 표 1에 제시된 패턴에 따라 양전압, 음전압 및 영전압에 대해 개발됩니다.생성된 게이트 펄스는 개발된 패턴에 따라 각 스위치에 부여되어 출력을 얻을 수 있습니다.

냉동 압축기 내

인버터를 사용하여 컴프레서 모터의 속도를 제어하여 시스템 성능을 조절하기 위해 냉동 또는 에어컨 시스템에서 가변 냉매 흐름을 구동할 수 있습니다.이러한 설비를 인버터 압축기라고 합니다.기존의 냉동 조절 방법에서는 주기적으로 켜고 끄는 단일 속도 압축기를 사용했습니다. 인버터 장착 시스템에는 모터의 속도를 제어하는 가변 주파수 구동 장치가 있어 압축기와 냉각 출력을 제어합니다.인버터의 가변 주파수 AC는 공급되는 AC 주파수에 비례하는 브러시리스 또는 유도 모터를 구동하므로 컴프레서를 가변 속도로 구동할 수 있으므로 컴프레서 Stop-Start 사이클이 제거되어 효율성이 향상됩니다.마이크로컨트롤러는 일반적으로 냉각되는 공간의 온도를 감시하고 압축기의 속도를 조정하여 원하는 온도를 유지합니다.추가 전자 장치와 시스템 하드웨어로 인해 기기에 비용이 추가되지만 운영 ^[12]비용을 대폭 절감할 수 있습니다.최초의 인버터 에어컨은 1981년 일본에서 ^[13]도시바에 의해 출시되었습니다.

전력망

격자형 인버터는 배전 ^[14]시스템에 공급되도록 설계되어 있습니다.라인과 동시에 전송되며 가능한 한 고조파 함량이 적습니다.또, 정전시에 전력망에 위험하게 전력을 공급하지 않기 위해서, 안전상의 이유로 전력의 존재를 검출하는 수단이 필요하다.

싱크로나이버는 회전하는 발전기를 시뮬레이션하도록 설계된 인버터이며 그리드를 안정화하는 데 사용할 수 있습니다.그리드 주파수의 변화에 일반 발전기보다 빠르게 반응하도록 설계할 수 있으며, 기존 발전기는 수요 또는 생산의 매우 갑작스러운 변화에 대응할 수 있는 기회를 제공할 수 있다.

수백 메가와트의 정격의 대형 인버터는 고전압 직류 전송 시스템에서 교류 배전 시스템으로 전력을 공급하기 위해 사용됩니다.

태양의

태양광 인버터는 태양광 발전 시스템의 BOS(Balance of System) 구성요소이며 그리드 연결 시스템과 오프 그리드 시스템 모두에 사용할 수 있습니다.태양광 인버터는 최대 전력점 추적 및 착륙 방지 보호를 포함하여 태양광 어레이와 함께 사용하도록 조정된 특수 기능을 가지고 있다.솔라 마이크로 인버터는 각각의 솔라 패널에 개별 마이크로 인버터가 부착되어 있기 때문에 기존의 인버터와 다릅니다.이를 통해 시스템 전체의 효율을 향상시킬 수 있습니다.그런 다음 여러 마이크로 인버터의 출력이 결합되어 종종 전기 그리드에 공급됩니다.

다른 어플리케이션에서는 기존의 인버터를 태양열 충전 컨트롤러에 의해 유지되는 배터리 뱅크와 조합할 수 있다.이러한 구성 요소의 조합을 흔히 태양 ^[15]발전기라고 합니다.

태양광 인버터는 우주선 태양광 발전 시스템에도 사용된다.

유도 가열

인버터는 유도 가열에 사용할 수 있도록 저주파 주 AC 전원을 더 높은 주파수로 변환합니다.이를 위해 먼저 AC전원을 정류하여 DC전원을 공급합니다.그런 다음 인버터는 DC 전원을 고주파 AC 전원으로 변경합니다.사용하는 DC전원의 수가 감소함에 따라 구조가 보다 신뢰성이 높아지고 스텝수가 증가하여 출력전압의 분해능이 높아져 기준정현파전압을 보다 잘 달성할 수 있다.이 구성은 최근 AC 전원 공급 장치 및 조정 가능한 속도 드라이브 애플리케이션에서 매우 인기를 끌고 있습니다.이 새로운 인버터는 여분의 클램핑 다이오드나 전압 밸런싱 캐패시터를 피할 수 있습니다.

레벨 시프트 변조 기법에는 다음 세 가지가 있습니다.

• 단계 반대 처리(POD)
• 대체 단계 반대 처리(APOD)
• 위상 배치(PD)

HVDC 전원 전송

HVDC 전원 전송에서는 AC 전원이 정류되고 고전압 DC 전원이 다른 위치로 전송됩니다.수신위치에서는 정적 인버터 플랜트 내의 인버터가 전력을 교류로 변환한다.인버터는 그리드 주파수 및 위상과 동기화되어야 하며 고조파 발생을 최소화해야 합니다.

전기 충격 무기

전기 충격 무기와 테이저에는 DC/AC 인버터가 있어 작은 9V DC 배터리에서 수만 V AC를 생성합니다.먼저 콤팩트한 고주파 변압기를 사용하여 9V DC를 400~2000V AC로 변환한 후 이를 정류하여 사전 설정된 임계값 전압에 도달할 때까지 일시적으로 고전압 캐패시터에 저장합니다.임계값(에어갭 또는 TRIAC에 의해 설정됨)에 도달하면 캐패시터는 전체 부하를 펄스 변압기에 덤프하여 최종 출력 전압인 20~60kV까지 끌어올립니다.이 원리의 변형은 전자 플래시 및 버그 재퍼에도 사용됩니다. 단, 고전압을 달성하기 위해 캐패시터 기반의 전압 승수에 의존합니다.

여러가지 종류의

파워 인버터의 일반적인 용도는 다음과 같습니다.

• 사용자가 장치에 배터리 또는 배터리 세트를 연결하여 조명, 텔레비전, 주방기기, 전동공구 등 다양한 전기제품을 작동시키기 위한 AC 전원을 생산할 수 있는 휴대용 소비자 장치입니다.
• 전력회사나 태양광발전시스템과 같은 발전시스템에서 DC전력을 AC전력으로 변환하기 위해 사용합니다.
• DC 전원에서 AC 전원을 도출하기 위해 엔지니어링이 필요한 대형 전자 시스템 내에서 사용하십시오.
• 주파수 변환 - (예를 들어) 50Hz 국가의 사용자가 소형 모터 또는 일부 전자제품과 같이 특정 주파수의 전원 장치에 60Hz 전원을 필요로 하는 경우, 50Hz 주전원에서 작동하는 12V 전원과 같은 DC 전원에서 60Hz 출력을 가진 인버터를 실행하여 주파수를 변환할 수 있습니다.

회선 설명

기본 설계

하나의 단순 인버터 회로에서는 1차 권선의 중앙탭을 통해 직류전원이 변압기에 접속된다.릴레이 스위치는 1차 권선의 한쪽 끝을 통과하는 2개의 대체 경로를 따라 DC 소스로 전류가 역류하도록 빠르게 앞뒤로 전환된다.변압기의 1차 권선에서 전류 방향이 바뀌면 2차 회로에 교류(AC)가 생성됩니다.

전환 장치의 전기 기계 버전은 2개의 고정 접점과 스프링 지지 이동 접점을 포함합니다.스프링은 고정 접점 중 하나에 대해 가동 접점을 유지하며 전자석이 이동 접점을 반대편 고정 접점으로 당깁니다.스위치가 지속적으로 빠르게 앞뒤로 전환되도록 스위치의 작동에 의해 전자석의 전류가 차단됩니다.진동자 또는 부저라고 불리는 이런 종류의 전기 기계식 인버터 스위치는 한때 진공관 자동차 라디오에 사용되었다.도어벨, 부저, 문신 기계에도 비슷한 메커니즘이 사용되어 왔다.

적절한 전력 정격으로 사용할 수 있게 되면서 트랜지스터 및 기타 다양한 유형의 반도체 스위치가 인버터 회로 설계에 통합되었습니다.특히 대규모 시스템(수킬로와트)의 경우 특정 정격에서는 사이리스터(SCR)를 사용합니다.SCR은 반도체 디바이스에서 큰 파워 핸들링 능력을 제공하며 가변 발화 범위에 걸쳐 쉽게 제어할 수 있다.

위에서 설명한 단순 인버터의 스위치는 출력 변압기에 결합되지 않은 경우 AC 전원 공급기의 일반적인 파형인 사인파 파형과 달리 단순 오프 및 온으로 인해 사각 전압 파형을 생성합니다.푸리에 분석을 사용하면 주기적 파형은 무한 연속 사인파의 합으로 표시됩니다.원래 파형과 주파수가 동일한 사인파를 기본 성분이라고 합니다.시리즈에 포함된 다른 사인파(조파)는 기본 주파수의 정수배인 주파수를 가집니다.

푸리에 분석을 사용하여 총 고조파 왜곡(THD)을 계산할 수 있습니다.총 고조파 왜곡(THD)은 고조파 전압의 제곱합을 기본 전압으로 나눈 제곱근입니다.$displaystyle$$THD}}=sqrt {V_{2}^{2}+V_{3$$}$$}^{2}+V_{4$$} {{2} +\cdots +V_{n} {2}} \over V_{1} }$

고도의 설계

인버터 ^[16]설계에는 다양한 전원 회로 토폴로지와 제어 전략이 사용됩니다.인버터를 사용하는 방법에 따라 다소 중요해질 수 있는 다양한 설계 접근방식이 있습니다.예를 들어, 주행 중인 자동차의 전기 모터는 에너지원으로 전환될 수 있으며 감속 또는 제동 시 우측 인버터 토폴로지(풀 H 브리지)를 사용하여 차량 배터리를 충전할 수 있습니다.마찬가지로 올바른 토폴로지(풀H 브리지)는 "전원"과 "부하"의 역할을 반전시킬 수 있습니다.즉, 예를 들어 AC "부하" 측에서 전압이 높은 경우(제너레이션 세트와 비슷하지만 솔리드 스테이트를 추가함으로써), 에너지는 DC "전원" 또는 배터리로 역류할 수 있습니다.

기본 H-브릿지 토폴로지를 기반으로 기본 주파수 가변 브리지 컨버터 및 PWM ^[17]제어라는 두 가지 기본 제어 전략이 있습니다.여기서 H브릿지 회로의 왼쪽 이미지에서는 왼쪽 상단의 스위치를 'S1'로 하고, 다른 스위치를 'S2, S3, S4'로 시계 반대 방향으로 한다.

기본 주파수 가변 브리지 컨버터의 경우 스위치는 전기 그리드 내의 AC와 동일한 주파수(미국에서는 60Hz)로 작동할 수 있습니다.단, AC 주파수는 스위치의 개폐 환율에 따라 결정됩니다.S1과 S4가 ON이고 나머지 2개가 OFF일 때 부하에는 양의 전압이 공급되며 그 반대도 마찬가지입니다.스위치의 온오프 상태를 제어하여 AC의 크기와 위상을 조정할 수 있습니다.특정 고조파를 제거하기 위해 스위치를 제어할 수도 있습니다.여기에는 출력 파형에 노치 또는 0-상태 영역을 생성하도록 스위치를 제어하거나 서로 위상 편이된 두 개 이상의 변환기의 출력을 병렬로 추가하는 작업이 포함됩니다.

사용할 수 있는 또 다른 방법은 PWM입니다.기본 주파수 가변 브리지 컨버터와 달리 PWM 제어 전략에서는 교류 측 주파수 또는 저주파 중 어느 쪽 주파수에서도 2개의 스위치 S3, S4만 동작할 수 있다.나머지 2개는 훨씬 더 빠르게 전환하여(일반적으로 100KHz) 동일한 크기의 사각 전압을 생성하지만 다른 시간 지속 시간 동안 생성되며, 이는 더 큰 시간 척도에서 크기가 변화하는 전압과 같이 작동합니다.

이 두 가지 전략은 서로 다른 고조파를 생성합니다.첫 번째는 푸리에 분석을 통해 고조파의 크기는 4/(pi*k)입니다(k는 고조파의 순서입니다).그래서 대부분의 고조파 에너지는 낮은 차수의 고조파에 집중됩니다.한편, PWM 전략의 경우, 고속 스위칭으로 인해 고조파의 에너지는 고주파수에 속합니다.고조파의 특성이 다르기 때문에 THD 및 고조파 제거 요건이 달라집니다."THD"와 마찬가지로 "파형 품질"이라는 개념은 고조파에 의한 왜곡 수준을 나타냅니다.위에서 언급한 H-bridge에서 직접 생산하는 AC의 파형 품질은 우리가 원하는 만큼 좋지 않을 것입니다.

파형 품질 문제는 여러 가지 방법으로 해결할 수 있습니다.캐패시터와 인덕터를 사용하여 파형을 필터링할 수 있습니다.설계에 변압기가 포함되어 있는 경우는 변압기의 프라이머리 측 또는 세컨더리 측 또는 양쪽 모두에 필터링을 적용할 수 있습니다.저역 통과 필터는 파형의 기본 성분이 출력으로 전달되도록 하면서 고조파 성분의 통과를 제한하기 위해 적용됩니다.인버터가 일정한 주파수로 전력을 공급하도록 설계되어 있으면 공진 필터를 사용할 수 있습니다.조정 가능한 주파수 인버터의 경우 필터를 최대 기본 주파수보다 높은 주파수로 조정해야 합니다.

대부분의 부하에는 인덕턴스가 포함되어 있기 때문에 피드백 정류기 또는 반평행 다이오드는 스위치가 꺼졌을 때 피크 유도 부하 전류의 경로를 제공하기 위해 각 반도체 스위치에 연결되어 있는 경우가 많습니다.역평행 다이오드는 AC/DC 컨버터 회로에서 사용되는 자유분사 다이오드와 다소 유사합니다.

파형	신호. 이행 기간마다	고조파 제거했다	고조파 증폭된	시스템. 묘사	THD
	2			2레벨 사각파	최대 45 %[18]
	4	3, 9, 27, …		3레벨 수정 사인파	23.[18]8% 이상
	8			5레벨 수정 사인파	6.[18]5% 이상
	10	3, 5, 9, 27	7, 11, …	2레벨 매우 느린 PWM
	12	3, 5, 9, 27	7, 11, …	3레벨 매우 느린 PWM

푸리에 분석 결과, 사각파와 같이 180도 점에 대해 반대칭인 파형에는 3차, 5차, 7차 등 홀수 고조파만 포함되어 있는 것으로 나타났습니다.특정 폭과 높이의 스텝이 있는 파형은 고조파를 증폭하는 대신 특정 하위 고조파를 감쇠시킬 수 있습니다.예를 들어 사각파의 양부와 음부 사이에 제로전압스텝을 삽입함으로써 3으로 나눌 수 있는 고조파를 모두 제거할 수 있다(3번째, 9번째 등).5일, 7일, 11일, 13일 등만 남았습니다.스텝의 필요한 폭은 양 및 음의 각 스텝에 대한 주기의 1/3과 제로 전압 ^[19]스텝에 대한 주기의 1/6입니다.

위에서 설명한 것처럼 사각파를 변경하는 것은 펄스 폭 변조의 한 예입니다.사각파 펄스의 변조 또는 폭 조절은 인버터의 출력 전압을 조절 또는 조정하는 방법으로 자주 사용됩니다.전압 제어가 필요하지 않은 경우 고정 펄스 폭을 선택하여 선택한 고조파를 줄이거나 제거할 수 있습니다.고조파 제거 기술은 일반적으로 가장 낮은 고조파에 적용됩니다. 필터 구성요소가 훨씬 작고 비용이 적게 드는 고주파에서는 필터링이 훨씬 더 실용적이기 때문입니다.여러 펄스 폭 또는 반송파 기반 PWM 제어 방식을 사용하면 여러 좁은 펄스로 구성된 파형을 생성할 수 있습니다.초당 좁은 펄스 수로 나타나는 주파수를 스위칭 주파수 또는 반송파 주파수라고 합니다.이러한 제어 방식은 파형의 품질을 향상시키면서 광범위한 출력 전압 및 주파수 조정을 가능케 하므로 가변 주파수 모터 제어 인버터에 자주 사용됩니다.

다단계 인버터는 고조파 취소에 대한 또 다른 접근 방식을 제공합니다.멀티레벨 인버터는 여러 전압 레벨에서 여러 단계를 나타내는 출력 파형을 제공합니다.예를 들어 2개의 전압으로 분할 레일을 직류 입력하거나 중앙접지를 가진 정 및 부입력함으로써 보다 정현파를 발생시킬 수 있다.양극 레일과 그랜드, 양극 레일과 음극 레일, 그랜드 레일 및 음극 레일 사이의 순서로 인버터 출력 단자를 접속하고, 다음으로 양쪽을 그랜드 레일에 접속함으로써 인버터 출력에 계단 파형을 생성한다.이것은 3레벨 인버터의 예로서 2개의 전압과 ^[20]접지를 들 수 있습니다.

사인파 달성에 대한 추가 정보

공명 인버터는 LC 회로에서 사인파를 생성하여 단순한 사각파에서 고조파를 제거합니다.일반적으로 여러 직렬 및 병렬 공진 LC 회로가 있으며, 각각 다른 전력선 주파수의 고조파에 맞게 조정됩니다.이렇게 하면 전자제품이 간소화되지만 인덕터와 캐패시터는 크고 무거운 경향이 있습니다.이 방법은 높은 효율성으로 인해 데이터센터의 대규모 무정전 전원장치에서 널리 사용되고 있습니다.데이터센터에서는 전원이 끊겼을 때 스위치 오버가 발생하지 않도록 하기 위해 인버터를 "온라인" 모드로 계속 가동합니다.(관련 참조:공진 인버터)

밀접하게 관련된 접근법은 정전압 변압기로도 알려진 강수지 변압기를 사용하여 고조파를 제거하고 몇 개의 AC 사이클 동안 부하를 유지하기에 충분한 에너지를 저장합니다.이 성질에 의해 스탠바이 전원장치에서는 통상 아이돌 상태의 인버터가 기동하고 메카니컬 릴레이가 출력으로 전환되는 동안 전원 장애 시에 발생하는 스위치 오버 과도 현상을 해소할 수 있습니다.

강화된 양자화

Power Electronics 매거진에 제시된 제안은 DC 버스 전압을 어느 방향으로만 인가하거나 끌 수 있는 상용화 기술에 비해 두 가지 전압을 개선한 것입니다.제안서는 공통 설계에 중간 전압을 추가합니다.각 사이클에는 v1, v2, v1, 0, -v1, -v2, -v1, ^[18]0의 연속된 전압이 표시됩니다.

삼상 인버터

3상 인버터는 가변 주파수 드라이브 애플리케이션 및 HVDC 전력 전송과 같은 고출력 애플리케이션에 사용됩니다.기본 3상 인버터는 3개의 부하 단자 중 하나에 각각 접속된 3개의 단상 인버터 스위치로 구성된다.가장 기본적인 제어 방식에서는 기본 출력 파형의 각 60도 지점에서 1개의 스위치가 작동하도록 3개의 스위치의 동작이 조정됩니다.그러면 6개의 스텝으로 구성된 라인 투 라인 출력 파형이 생성됩니다.6단계 파형은 위에서 설명한 바와 같이 3의 배수인 고조파가 제거되도록 사각파의 양 및 음 섹션 사이에 0 전압 스텝이 있습니다.반송파 기반 PWM 기법을 6단계 파형에 적용하면 파형의 기본 전체 형상 또는 엔벨로프가 유지되어 3차 고조파와 해당 배수가 취소됩니다.

더 높은 전력 정격을 가진 인버터를 구성하기 위해 두 개의 6단계 3상 인버터를 더 높은 전류 정격을 위해 병렬로 연결하거나 더 높은 전압 정격을 위해 직렬로 연결할 수 있습니다.두 경우 모두 출력 파형을 위상 편이하여 12단계 파형을 얻습니다.추가 인버터를 조합하면 3개의 인버터 등으로 18단 인버터를 얻을 수 있다.인버터는 일반적으로 전압 또는 전류 정격을 높이기 위해 결합되지만 파형의 품질도 향상됩니다.

크기

인버터는 다른 가정용 전기 기기와 비교해 크기와 부피가 크다.구글은 2014년 IEEE와 함께 100만달러의 상금을 걸고 소형 파워 ^[21]인버터를 구축하기 위해 Little Box Challenge라는 이름의 공개경쟁을 시작했다.

역사

초기 인버터

19세기 후반부터 20세기 중반까지 DC-AC 전력 변환은 로터리 컨버터 또는 모터 발전기 세트(M-G 세트)를 사용하여 이루어졌습니다.20세기 초에 진공관과 가스가 채워진 튜브가 인버터 회로의 스위치로 사용되기 시작했다.가장 널리 사용되는 튜브의 종류는 티라트론이었다.

전기기계식 인버터의 기원은 인버터라는 용어의 출처를 설명한다.초기 AC-DC 변환기는 발전기(다이나모)에 직접 연결된 유도 또는 동기식 AC 모터를 사용하여 발전기의 정류자가 정확한 순간에 연결을 역전시켜 직류를 생성했습니다.이후 개발된 것은 동기 변환기로, 모터와 제너레이터 권선이 하나의 전기자로 결합되어 한쪽 끝에는 슬립 링이 있고 다른 한쪽 끝에는 정류자가 있으며 하나의 필드 프레임만 있습니다.어느쪽인가를 사용하면, AC-in, DC-out이 됩니다.M-G 세트의 경우 DC는 AC와 별도로 발생하는 것으로 간주할 수 있습니다. 동기 변환기를 사용하면 특정 의미에서 "기계적으로 정류된 AC"로 간주할 수 있습니다.적절한 보조 및 제어 장비가 주어지면 M-G 세트 또는 회전 변환기를 "뒤로 실행"하여 DC를 AC로 변환할 수 있습니다.따라서 인버터는 반전 ^[22]컨버터입니다.

제어된 정류기 인버터 제어

초기 트랜지스터는 대부분의 인버터 애플리케이션에 충분한 전압 및 전류 정격을 제공할 수 없었기 때문에 1957년 사이리스터 또는 실리콘 제어 정류기(SCR)가 도입되어 솔리드 스테이트 인버터 회로로의 전환이 시작되었습니다.

SCR의 정류 요건은 SCR 회로 설계에서 중요한 고려 사항입니다.게이트 제어 신호가 꺼질 때 SCR이 자동으로 꺼지거나 교감되지 않습니다.일부 외부 프로세스를 통해 전방 전류가 최소 유지 전류 이하로 감소될 때만 꺼집니다. 이 전류는 SCR 종류에 따라 달라집니다.AC전원에 접속되어 있는 SCR에서는 전원전압의 극성이 반전될 때마다 자연스럽게 변환이 발생합니다.DC 전원에 접속되어 있는 SCR에는 통상적으로 강제적인 정류 수단이 필요합니다.이 방법은 통전이 필요할 때 전류를 강제로 제로로 하는 것입니다.가장 덜 복잡한 SCR 회로는 강제 정류보다는 자연 정류 방식을 사용합니다.강제 정류 회로가 추가되면서 SCR은 위에서 설명한 인버터 회로 유형에 사용되었습니다.

인버터가 DC전원에서 AC전원으로 전력을 전송하는 어플리케이션에서는 반전모드로 동작하는 AC-DC제어 정류회로를 사용할 수 있다.반전 모드에서는 제어된 정류회로가 라인 정류 인버터로서 동작한다.이러한 유형의 작동은 HVDC 동력 전달 시스템 및 모터 제어 시스템의 회생 제동 작동에 사용할 수 있습니다.

SCR 인버터 회로의 또 다른 유형은 전류 소스 입력(CSI) 인버터입니다.CSI 인버터는 6단계 전압원 인버터의 듀얼입니다.전류 소스 인버터의 경우 DC 전원 공급기는 전압 소스가 아닌 전류 소스로 구성됩니다.인버터 SCR은 전류를 단계별 전류 파형으로 3상 AC 부하로 유도하기 위해 6단계 순서로 전환됩니다.CSI 인버터 정류 방법에는 부하 정류 및 병렬 캐패시터 정류 방법이 있습니다.두 가지 방법 모두 입력 전류 조절이 정류에 도움이 됩니다.부하 정류에서 부하는 선행 역률에서 작동하는 동기 모터입니다.

높은 전압과 전류 정격에서 사용할 수 있게 되면서 제어 신호로 끌 수 있는 트랜지스터나 IGBT와 같은 반도체가 인버터 회로에서 사용하는 스위칭 부품으로 선호되고 있습니다.

정류기 및 인버터 펄스 번호

정류 회로는 종종 AC 입력 전압 사이클당 정류기의 DC 측으로 흐르는 전류 펄스의 수로 분류됩니다.단상반파정류기는 단펄스회로, 단상전파정류기는 2펄스회로이다.3상 반파 정류기는 3펄스 회로, 3상 전파 정류기는 6펄스 회로이다.^[23]

3상 정류기에서는 더 높은 전압 또는 전류 정격을 얻기 위해 두 개 이상의 정류기를 직렬 또는 병렬로 연결할 수 있습니다.정류기 입력은 위상 편이 출력을 제공하는 특수 변압기에서 공급됩니다.이것은 위상 곱셈의 효과가 있습니다.2개의 변압기에서 6상, 3개의 변압기에서 12상 등을 얻을 수 있습니다.관련된 정류 회로는 12펄스 정류기, 18펄스 정류기 등입니다.

제어된 정류 회로가 반전 모드에서 작동할 경우 펄스 번호로도 분류됩니다.펄스 수가 높은 정류 회로는 AC 입력 전류에서 고조파 함량이 감소하고 DC 출력 전압에서 리플이 감소합니다.반전 모드에서는 펄스 수가 높은 회로는 AC 출력 전압 파형에서 고조파 함량이 낮습니다.

기타 주의사항

1970년까지 설치된 송전용 대형 스위칭 장치는 주로 수은 아크 밸브를 사용했다.최신 인버터는 일반적으로 솔리드 스테이트(정적 인버터)입니다.최신 설계 방법은 H 브리지 구성으로 배치된 구성요소를 특징으로 합니다.이 디자인은 소규모 소비자 ^[24][25]기기에서도 인기가 있습니다.

「 」를 참조해 주세요.

• CCFL 인버터
• 분산 인버터 아키텍처
• 전력 변환기
• 전자 발진기
• 팔레트 인버터
• 푸시풀 컨버터
• 공간 벡터 변조
• 스위치 모드 전원 장치(SMPS)
• 동기 서버
• 무정전 전원 장치
• 가변 주파수 드라이브
• Z 전원 인버터

레퍼런스

추가 정보

• Bedford, B. D.; Hoft, R. G.; et al. (1964). Principles of Inverter Circuits. New York: John Wiley & Sons, Inc. ISBN 978-0-471-06134-2.
• Mazda, F. F. (1973). Thyristor Control. New York: Halsted Press Div. of John Wiley & Sons. ISBN 978-0-470-58116-2.
• Ulrich Nicolai, Tobias Remann, Yurgen Petzoldt, Josef Lutz:응용 프로그램 매뉴얼 IGBT 및 MOSFET 전원 모듈, 1. Edition, AIL Verlag, 1998, ISBN 3-932633-24-5 PDF 버전

외부 링크

• 3레벨 PWM 단상 파워 인버터 설계 예(풀 브리지)