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.