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건축전기설비기술사 서브노트 300제 9번 | 인버터 및 정류회로 (인버터 적용 고려사항, 단상 반파·전파 정류, 리플프리, 백리플)

올어바웃 기술사 2026. 10. 29. 23:38
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서브노트 300제 · 9번 · 중요도 ★★
주제: 인버터 및 정류회로 — 인버터 회로소자·적용 고려사항 / 정류회로(단상 반파·전파·리플프리·백리플) / 전력용 인버터 선정·보호

1. 서론

1) 의의

  • 정류회로는 교류를 직류로(AC→DC), 인버터는 직류를 원하는 전압·주파수의 교류로(DC→AC) 바꾸는 전력변환 장치임
  • 건축물에서는 전동기 가변속(VVVF), 엘리베이터, UPS, ESS·태양광 PCS, 직류 전원장치 등에 폭넓게 쓰이며 에너지 절감의 핵심 수단임
  • 반면 고조파·노이즈·서지·리플 같은 전력품질 문제를 함께 만들므로, 선정·보호·적용 고려사항이 반복 출제됨

2) 구성

  • 2장: 인버터 회로소자·적용 — 인버터 구성, 회로소자 특성·기술현황, 적용 시 인버터측·전동기측 고려사항
  • 3장: 정류회로 — 단상 반파·전파 정류 비교, 평활회로, 리플프리 직류와 백리플
  • 4장: 전력용 인버터 선정·보호 — 선정 시 주의사항과 보호방법
  • 5장: 결론 — 실무 대응 정리

2. 인버터 회로소자·적용

1) 인버터 시스템 구성

  • 범용 전압형 인버터(VVVF) 구성: 컨버터(AC→DC 정류) → DC 링크(평활 콘덴서) → 인버터(DC→AC, PWM 제어) (컨링인)
  • 제어 방식: V/f 일정 제어(범용), 벡터 제어(고정밀 토크 제어), 직접토크제어(DTC) 등이 있음
구분 전압형 인버터(VSI) 전류형 인버터(CSI)
DC 링크 대용량 콘덴서 (전압원) 대용량 리액터 (전류원)
출력 파형 전압: PWM 구형파, 전류: 정현파에 가까움 전류: 구형파, 전압: 정현파에 가까움
회생 별도 회생 컨버터 필요 회생 용이
적용 범용 전동기 구동, UPS, PCS (주류) 대용량 동기전동기 등 특수 용도

2) 인버터 회로소자 특성과 기술현황 (92회 3교시 4번 유형)

소자 특징 적용 동향
다이오드 정류(컨버터부), 환류(FWD) 고속 회복형(FRD), SiC 쇼트키 다이오드 확대
사이리스터(SCR) 대용량, 턴오프 불가 위상제어 정류·대용량 전류형 인버터
IGBT 전압구동, 수~수십 kHz, 대전류 범용 인버터 주력 소자, IPM(지능형 파워모듈)화
MOSFET 고속·소용량 SMPS·소형 인버터
SiC·GaN(WBG) 고온·고주파·저손실 고효율 PCS·전기차, 소형·경량화
  • 기술현황: 소자 모듈화(IPM) → 구동·보호회로 내장, 3레벨·멀티레벨 인버터 → 고조파·dv/dt 저감, WBG 소자 → 효율 향상 (소자 상세는 8번 서브노트 참고)

3) 인버터 시스템 적용 시 고려사항 (113회 2교시 4번 유형)

구분 고려사항 대책
인버터(전원)측 고조파 전류 유출 AC 리액터·DC 리액터, 고조파 필터, 다펄스 정류
  노이즈·누설전류 EMC 필터, 차폐 케이블, 전용 접지
  역률 개선용 콘덴서 인버터 출력측 설치 금지(과전류·소자 파손), 입력측도 고조파 공진 검토
  순시정전·전압변동 순시정전 재기동 기능, 전원 용량 확보
전동기측 저속 운전 시 냉각 성능 저하 별도 냉각팬(타력 통풍), 인버터 전용 전동기
  마이크로서지(케이블 반사파 과전압) 절연 강화, 케이블 길이 제한, dv/dt·출력 필터
  축전압·베어링 전류 절연 베어링, 접지 브러시
  소음·진동·기계 공진 캐리어 주파수 조정, 공진 주파수 점프 설정
  • 전동기측 암기: 냉각 · 절연(마이크로서지) · 베어링(축전압) · 소음진동 (냉절베소)

3. 정류회로(단상 반파·전파·리플)

1) 단상 반파·전파 정류기 비교 (117회 2교시 5번 유형)

구분 단상 반파 단상 전파(중간탭) 단상 전파(브리지)
다이오드 수 1개 2개 4개
직류 평균전압 (저항부하) Vdc = Vm/π ≈ 0.45V Vdc = 2Vm/π ≈ 0.9V Vdc = 2Vm/π ≈ 0.9V
리플률 약 1.21 약 0.48 약 0.48
맥동 주파수 f 2f 2f
최대 역전압(PIV) Vm 2Vm Vm
정류효율(이론) 약 40.6% 약 81.2% 약 81.2%
특징 구조 간단, 변압기 직류 편자화 중간탭 변압기 필요 변압기 이용률 좋음, 가장 널리 사용
  • ※ V: 교류 입력 실효값, Vm = √2·V (최대값)
  • 리플률 정의: γ = (출력 교류성분 실효값) / (직류 평균값) = √[(V_rms/V_dc)² − 1]
  • 3상 전파(6펄스) 정류: Vdc ≈ 1.35·V(선간), 맥동 6f, 리플이 매우 작아 대용량 정류에 사용함

2) 평활회로와 리플 저감

방식 원리 특징
콘덴서 입력형 출력 단자에 병렬 C → 충·방전으로 전압 평활 간단, 소용량에 적합, 돌입전류·입력 고조파 큼
초크 입력형(LC) 직렬 L로 전류 변화 억제 + 병렬 C 리플 작고 전압 변동률 양호, 대용량에 적합
π형 필터 C–L–C 구성 리플 매우 작음, 부피·비용 증가
  • 리플 저감 대책: 평활회로(LC) 강화 · 다상(다펄스) 정류 · 능동 필터 (평다필)

3) 리플프리 직류와 백리플 (125회 2교시 3번 유형)

구분 리플프리(Ripple-free) 직류 백리플(Back Ripple)
정의 교류를 직류로 변환할 때 리플성분 실효값이 10% 이하로 포함된 직류 (KEC 112) 인버터가 직류를 스위칭할 때 생긴 교류 리플 전류가 직류측(축전지·정류기)으로 역류하는 성분
발생 원인 정류 후 평활이 충분한 경우 인버터의 고주파 스위칭, 직류 링크 콘덴서 용량 부족, 단상 인버터의 2f 맥동 전력
영향 SELV·PELV 등 특별저압 직류 기준, 감전보호 기준 적용의 전제 축전지 발열·수명 저하, 정류기 오동작, 직류 계측 오차
대책 평활회로 강화 DC 필터(LC), 직류 링크 콘덴서 보강, 리액터 삽입

4. 전력용 인버터 선정·보호

1) 선정 시 주의사항 (104회 3교시 3번 유형)

항목 주의사항
부하 특성 정토크(컨베이어·엘리베이터) / 저감토크(팬·펌프) 구분 → 정격·과부하 내량 선정
용량 전동기 정격전류 기준으로 여유 확보, 기동·가속 시 피크 전류 고려
전원 조건 전압·주파수·전압 변동, 순시정전, 발전기 운전 시 고조파 영향
운전 조건 속도 범위, 가감속 시간, 회생 운전 여부(제동저항·회생 컨버터)
설치 환경 주위온도·습도·분진·고도, 방열·환기, 설치 공간

2) 보호방법

구분 보호 대상 보호방법
입력측 단락·지락, 서지, 고조파 배선용차단기(MCCB)·누전차단기(인버터 대응형), SPD, AC/DC 리액터
인버터 내부 소자·직류 링크 과전류·과전압·부족전압·과열·지락 보호 기능, 순시 차단
출력측 전동기·케이블 전자식 과부하 보호(전자 서멀), dv/dt·사인파 필터, 출력측 콘덴서·진상기 설치 금지
계통 연계 UPS·PCS 단독운전 방지, 계통 이상 시 분리
  • 내부 보호 기능 암기: 과전류 · 과전압 · 부족전압 · 과열 · 지락 (류압부열지)

5. 결론

  • 정류·인버터는 컨버터 → DC 링크 → 인버터(컨링인) 흐름으로 전력을 변환하며, 정류 방식에 따라 직류 평균전압·리플률·PIV가 달라짐
  • 성패는 부하 특성에 맞는 인버터 용량 선정과 고조파·마이크로서지·리플(백리플) 대책을 설계 단계에서 반영하는 데 달려 있음
  • 실무에서는 리액터·필터, 인버터 대응 보호기기, 전동기 절연·냉각 대책을 함께 적용해야 함

참고 및 출처

※ 법령·기준은 개정될 수 있으므로 최신 규정을 확인할 것.

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