전기기기 5강. 전력변환장치
반도체 하나가 전동기의 판도를 바꿨습니다. 직류기가 물러나고 유도기가 그 자리에 앉았습니다.
풀고 시작
네 가지 변환
전력변환은 무엇을 무엇으로 바꾸느냐로 넷으로 나뉩니다. 이름이 헷갈리기 쉬우니 방향으로 외우시면 됩니다.
| 장치 | 변환 | 쓰이는 곳 |
|---|---|---|
| 컨버터(정류기) | 교류 → 직류 | 어댑터, 충전기 |
| 인버터 | 직류 → 교류 | 전동기 제어, 태양광 |
| 초퍼 | 직류 → 직류 | 전기차 구동, 전원 장치 |
| 사이클로컨버터 | 교류 → 교류(주파수 변경) | 대형 저속 구동 |
인버터가 특별한 이유는 주파수를 정할 수 있다는 점입니다. 앞 강에서 봤듯 유도전동기의 속도는 주파수로 정해지므로, 인버터가 있으면 속도를 연속으로 바꿀 수 있습니다.
그래서 현대의 전동기 구동은 대개 교류를 직류로 바꾼 뒤 다시 원하는 주파수의 교류로 되돌리는 2단 구조를 씁니다. 굳이 돌아가는 것 같지만 중간의 직류 단계가 있어야 주파수를 자유롭게 만들 수 있습니다.
스위치의 진화
전력변환의 역사는 스위치 소자의 역사입니다.
다이오드는 한 방향으로만 흘리는 가장 단순한 소자입니다. 제어할 수 없어 정류에만 씁니다.
사이리스터(SCR) 는 게이트 신호로 켤 수 있지만 스스로 끌 수 없습니다. 전류가 0이 되어야 꺼지죠. 그래서 교류에서는 잘 쓰이지만 직류에서는 별도의 소호 회로가 필요합니다.
IGBT는 게이트로 켜고 끄는 것이 모두 됩니다. 전압으로 제어해 구동 회로가 간단하고, 큰 전류와 높은 전압을 감당하며, 스위칭 속도도 빠릅니다. 오늘날 인버터의 주력이죠.
MOSFET은 IGBT보다 빠르지만 감당 전압이 낮아 저전압 고주파에 씁니다.
최근에는 SiC(탄화규소)와 GaN(질화갈륨) 같은 와이드 밴드갭 반도체가 들어오고 있습니다. 더 높은 온도와 전압을 견디고 스위칭 손실이 작아, 전기차 충전기와 태양광 인버터의 효율을 끌어올리고 있습니다.
편리함이 남기는 문제
전력전자가 계통에 남기는 부작용이 있습니다. 고조파입니다.
스위칭 소자는 전류를 매끄럽게 흘리지 않고 잘라 씁니다. 그 결과 전류 파형이 사인파에서 멀어지고, 이는 기본 주파수의 정수배 성분들이 섞인 것과 같습니다. 이 성분들이 고조파죠.
고조파가 일으키는 문제가 여럿입니다. 변압기와 전동기가 과열되고, 콘덴서가 공진해 파괴될 수 있으며, 중성선에 예상 밖의 큰 전류가 흐릅니다. 특히 3의 배수 고조파(3고조파, 9고조파)는 세 상에서 위상이 같아 중성선에서 상쇄되지 않고 더해집니다. 3상 4선식에서 중성선이 상선보다 뜨거워지는 일이 실제로 생기는 이유입니다.
대책은 셋입니다. 필터로 특정 차수를 걸러 내고, 다펄스 정류로 발생 자체를 줄이며, 액티브 필터로 반대 파형을 만들어 상쇄합니다. 앞 강에서 본 Δ 결선도 3의 배수 고조파를 안에 가둬 밖으로 내보내지 않는 역할을 합니다.
기술이 문제를 풀면 새 문제가 따라온다는 것이 이 분야의 오랜 패턴입니다.