정류 회로를 뒤집어 한쪽 끝을 직류(DC)에 연결하고 다른 쪽 끝은 교류(AC)를 유도할 수 있습니다. 직류를 교류로 변환하는 장치인 인버터입니다.
대부분의 상업용, 산업용, 주거용 부하에는 AC 전원이 필요하지만, AC 전원은 배터리에 저장할 수 없으며, 백업 전원을 위해 배터리 저장이 중요합니다. 요즘에는 이러한 결함을 DC 전원 공급 장치로 극복할 수 있습니다.
DC 전원의 극성은 AC 전원처럼 시간이 지나도 변하지 않기 때문에 DC 전원을 배터리나 슈퍼커패시터에 저장할 수 있습니다. 따라서 먼저 AC 전원을 DC 전원으로 변환한 다음 이를 배터리에 저장할 수 있습니다. 이렇게 하면 AC 기기를 작동하는 데 AC 전원이 필요할 때마다 DC 전원이 AC 기기를 작동하기 위해 다시 AC 전원으로 변환됩니다.
인버터는 응용프로그램의 입력 소스, 연결 방법, 출력 전압 파형 등에 따라 다음과 같은 17가지 주요 범주로 구분됩니다.
1. 입력 소스별로 분류
인버터의 입력은 전압원 또는 전류원이 될 수 있으므로 전압원 인버터(VSI)와 전류원 인버터(CSI)로 구분됩니다.
전압 소스 인버터(VSI)
인버터의 입력이 일정한 DC 전압원인 경우 인버터를 전압원 인버터라고 합니다.
전압 소스 인버터의 입력에는 임피던스가 0인 견고한 DC 전압 소스가 있습니다. 실제로 DC 전압원의 임피던스는 무시할 수 있습니다. VSI가 이상적인 전압 소스(매우 낮은 임피던스 소스)에 의해 전원이 공급된다고 가정하면 AC 출력 전압은 전적으로 인버터의 스위칭 장치 상태와 적용된 DC 전원 공급 장치에 의해 결정됩니다.
전류 소스 인버터(CSI)
인버터의 입력이 일정한 DC 전류원인 경우 인버터를 전류원 인버터라고 합니다.
DC 전원에서 CSI로 강성 전류가 공급되는데, 여기서 DC 전원은 높은 임피던스를 갖습니다. 일반적으로 견고한 전류를 제공하기 위해 대형 인덕터 또는 폐쇄 루프 제어 전류가 사용됩니다. 결과적인 전류파는 견고하며 부하의 영향을 받지 않습니다. AC 출력 전류는 인버터의 스위칭 장치와 DC 공급 전원 상태에 의해 완전히 결정됩니다.
2. 출력단계별 분류
출력 전압 및 전류 위상에 따라 인버터는 주로 단상 인버터와 3상 인버터의 두 가지 범주로 구분됩니다.
단상 인버터
단상 인버터는 DC 입력을 단상 출력으로 변환합니다. 단상인버터의 출력전압/전류는 1상만 존재하며, 공칭주파수는 50Hz 또는 60Hz의 공칭전압이다.
공칭 전압은 전기 시스템이 작동하는 전압 레벨로 정의됩니다. 공칭 전압에는 120V, 220V, 440V, 690V, 3.3KV, 6.6KV, 11kV, 33kV, 66kV, 132kV, 220kV, 400kV 및 765kV가 있습니다. 낮은 공칭 전압은 부스트 및 벅 회로가 있는 내부 변압기 또는 인버터를 사용하여 직접 달성할 수 있으며, 높은 공칭 전압의 경우 외부 부스트 변압기를 사용합니다.
단상 인버터는 낮은 부하에 사용됩니다. 단상 손실은 더 높고 단상 효율은 3상 인버터보다 낮습니다. 따라서 고부하에는 3상 인버터가 선호됩니다.
삼상 인버터
3상 인버터는 직류를 3상 전력으로 변환합니다. 3상 전원 공급 장치는 위상각이 균일하게 분리된 3개의 AC 전원 채널을 제공합니다. 출력단에서 생성된 세 파동의 진폭과 주파수는 모두 동일하지만 부하로 인해 약간씩 다르며 각 파동은 서로 120도의 위상 변이를 갖습니다.
기본적으로 단일 3상 인버터는 각각의 위상 거리가 120도인 3개의 단상 인버터로 구성되며, 각 단상 인버터는 3개의 부하 단자 중 하나에 연결됩니다.
3. 정류기술에 따른 분류
정류 기술에 따르면 라인 정류와 강제 정류 인버터의 두 가지 주요 유형으로 나눌 수 있습니다. 그 밖에도 보조 정류 인버터와 보완 정류 인버터가 있을 수 있으나 일반적으로 사용되지는 않으므로 여기서는 크게 두 가지 유형에 대해 간략하게 살펴보겠습니다.
라인 반전
이러한 유형의 인버터에서는 장비를 통해 AC 회로의 선간 전압을 얻을 수 있습니다. SCR의 전류가 0 특성을 경험하면 장치가 꺼집니다. 이러한 정류 프로세스를 라인 정류라고 하며, 이 원리에 따라 작동하는 인버터를 라인 정류 인버터라고 합니다.
강제 정류
이러한 유형의 정류에서는 전원 공급 장치에 영점이 없습니다. 그렇기 때문에 장치를 수정하려면 일부 외부 소스가 필요합니다. 이러한 정류 과정을 강제 정류라고 하며, 이 과정을 기반으로 한 인버터를 강제 정류 인버터라고 합니다.
4. 접속방식에 따른 분류
회로의 사이리스터 연결 방법에 따라 직렬 인버터, 병렬 인버터 및 브리지 인버터로 나눌 수 있으며, 그중 브리지 인버터는 하프 브리지, 풀 브리지 및 3상 브리지로 더 구분됩니다.
시리즈 인버터
직렬 인버터는 한 쌍의 사이리스터와 RLC(저항, 인덕턴스, 용량) 회로로 구성됩니다. 하나의 사이리스터는 RLC 회로와 병렬로 연결되고, 하나의 사이리스터는 DC 전원과 RLC 회로 사이에 직렬로 연결된다. 이러한 유형의 인버터는 부하가 사이리스터의 도움으로 DC 전원과 직렬로 직접 연결되므로 직렬 인버터라고 합니다.
직렬 인버터는 이러한 유형의 인버터의 사이리스터가 부하에 의해 자체 정류되기 때문에 자체 정류 인버터라고도 합니다. 이 인버터의 또 다른 이름은 '부하정류 인버터'이다. 이 이름을 붙인 이유는 LCR이 정류를 제공하는 부하이기 때문입니다.
병렬 인버터
병렬 인버터는 두 개의 사이리스터, 커패시터, 중앙 탭 변압기 및 인덕터로 구성됩니다. 사이리스터는 전류 흐름의 경로를 제공하는 데 사용되고 인덕터는 전류 소스를 일정하게 유지하는 데 사용됩니다. 이러한 사이리스터의 전도 및 끄기는 사이리스터 사이에 연결된 정류 커패시터에 의해 제어됩니다.
동작 시 커패시터가 변압기를 통해 부하와 병렬로 연결되어 있기 때문에 병렬 인버터라고 합니다.
하프 브리지 인버터
하프 브리지 인버터를 작동하려면 두 개의 전자 스위치가 필요합니다. 스위치는 MOSFET, IJBT, BJT 또는 사이리스터일 수 있습니다.사이리스터와 BJT 스위치가 있는 하프 브리지에는 순수 저항성 부하를 제외하고 두 개의 추가 다이오드가 필요한 반면 MOSFET에는 다이오드가 내장되어 있습니다. 즉, 순수 저항성 부하를 충족하려면 스위치 2개로 충분하지만, 다른 부하(인덕터 및 커패시터)에는 추가 다이오드 2개가 필요합니다. 이러한 다이오드를 피드백 다이오드 또는 프리휠링 다이오드라고 합니다.
하프 브리지 인버터의 작동 원리는 모든 스위치에서 동일하지만 여기서는 사이리스터 스위치가 있는 하프 브리지에 대해 설명합니다. 두 개의 보완적인 사이리스터가 있습니다. 이는 한 번에 하나의 사이리스터를 전도하는 것을 의미합니다. 저항 부하의 경우 회로는 두 가지 모드로 작동합니다. 스위칭 주파수에 따라 출력 주파수가 결정됩니다. 출력 주파수가 50HZ일 때 각 사이리스터는 20ms 동안 한 번 전도됩니다.
풀 브리지 인버터
단상 풀 브리지 인버터에는 부하의 전류 흐름 방향을 제어하는 데 사용되는 4개의 제어 스위치가 있습니다. 이 브리지에는 부하에 저장된 에너지를 전원 공급 장치로 피드백할 수 있는 4개의 피드백 다이오드가 있습니다. 이러한 피드백 다이오드는 모든 사이리스터가 꺼지고 부하가 순수한 저항성 부하가 아닐 때만 작동합니다.
모든 부하에 대해 한 번에 2개의 사이리스터만 작동합니다. 사이리스터 T1과 T2는 한 사이클에서 작동하고 T3과 T4는 다른 사이클에서 작동합니다. 즉, T1, T2가 ON 상태이면 T3, T4는 OFF 상태가 되고, T3, T4가 ON 상태이면 나머지 2개는 OFF 상태가 된다. 한 번에 두 개 이상의 사이리스터를 열면 단락이 발생하고 과도한 열이 발생하여 즉시 회로가 소손될 수 있습니다.
삼상 브리지 인버터
산업용 및 기타 무거운 부하는 3상 전원 공급 장치가 필요합니다. 저장 장치나 기타 DC 전원에서 이러한 무거운 부하를 작동하려면 3상 인버터가 필요합니다. 이러한 목적으로 3상 브리지 인버터를 사용할 수 있습니다.
3상 브리지 인버터는 브리지 인버터의 또 다른 유형으로, 그림과 같이 제어되는 스위치 6개와 다이오드 6개로 구성됩니다.
5. 동작모드에 따른 분류
작동 모드에 따라 인버터는 세 가지 주요 범주로 나뉩니다.
독립 인버터
독립형 인버터는 부하에 직접 연결되며 다른 전원에 의해 방해를 받지 않습니다. 독립형 인버터 또는 "오프 그리드 모드 인버터"는 인버터가 그리드나 다른 전원의 영향을 받지 않고 독립적으로 부하에 전원을 공급합니다.
이러한 인버터는 배전 계통의 영향을 받지 않기 때문에 오프 그리드 모드 인버터라고 합니다. 이러한 인버터는 동기화 기능이 없기 때문에 배전망에 연결할 수 없습니다. 여기서 동기화는 두 AC 전원의 위상 및 공칭 주파수(50/60hz)를 일치시키는 프로세스입니다.
그리드 연결형 인버터
그리드 연결형 또는 그리드 연결형 인버터(GTI)에는 두 가지 주요 기능이 있습니다. 그리드 연결 인버터의 한 가지 기능은 저장 장치(DC 전원)에서 AC 부하로 AC 전력을 제공하는 것이고, 그리드 연결 인버터의 또 다른 기능은 그리드에 추가 전력을 제공하는 것입니다.
유틸리티 대화형 인버터, 그리드 상호 연결 인버터 또는 그리드 피드백 인버터라고도 알려진 그리드 연결 인버터는 전류의 주파수와 위상을 유틸리티 그리드에 맞게 동기화합니다. 인버터의 전압 레벨을 높이면 전력이 DC 전원에서 배전 계통으로 전송됩니다.
듀얼 피크 인버터
듀얼 피크 인버터는 계통 연결 인버터와 독립 인버터로 모두 작동할 수 있습니다. 이러한 인버터는 재생에너지원과 저장장치로부터 추가 에너지를 그리드에 주입하고, 재생에너지로 생산된 에너지가 부족할 때 그리드에서 전기를 회수할 수 있다. 즉, 이러한 인버터는 부하 요구 사항에 따라 독립 인버터 및 계통 연결 인버터로 작동할 수 있습니다. 듀얼 피크 인버터는 독립 인버터 및 계통 연결 인버터의 기능을 포함하여 다기능입니다.
듀얼 피크 인버터의 기능은 부하에 따라 달라집니다. 전력망에 문제가 있거나 신재생에너지 전력이 부하를 감당하기에 충분할 경우 독립형 인버터로 기능이 변경된다(독립형 인버터가 된다). 이 경우 전환 스위치는 인버터를 계통에서 분리합니다.
재생에너지가 추가 에너지를 생성하기 시작하면 운영 모드는 독립 모드에서 그리드 연결 모드로 전환됩니다. 인버터는 위상과 주파수를 인버터와 동기화하고 그리드에 추가 에너지를 주입하기 시작합니다.
6. 출력파형에 따른 분류
이상적인 인버터는 DC 신호를 순수 정현파 AC 출력으로 변환하는 인버터를 의미합니다. 실제 인버터의 문제점은 출력 신호가 순전히 정현파가 아니라는 것입니다. 출력 파형에 따라 인버터는 세 가지 범주로 구분됩니다.
구형파 인버터
이는 직류를 교류로 변환하는 가장 간단한 인버터이지만 출력 파형은 필수 순수 사인파가 아닙니다. 이 인버터는 출력단에 구형파를 갖습니다. 즉, 이 인버터는 DC 입력을 구형파 형태의 AC로 변환합니다. 한편 구형파 인버터도 저렴합니다.
이러한 인버터의 가장 간단한 구조는 H-브리지 인버터일 수 있습니다. 그림에 표시된 것처럼 변압기 앞에 SPDT(단일 푸시 이중 던지기) 스위치를 사용하면 더 간단한 버전을 얻을 수 있습니다. 이 변압기는 원하는 출력 전압 레벨을 달성하는 데에도 도움이 됩니다.
특정 모델의 작동은 매우 간단합니다. 간단히 스위치를 켜고 끄면 출력 단자의 전류가 동시에 변경됩니다. 즉, 원하는 주파수에서 단극 쌍투를 스위칭하면 일반적인 인버터(예: 중앙 탭 변압기)의 출력에서 AC 구형파가 생성됩니다. 일반적인 사인파의 고조파 왜곡은 약 45%이며, 필터를 사용하여 일부 고조파를 필터링하면 더욱 줄일 수 있습니다.
준사인파 인버터
준사인파 인버터는 계단식 사인파가 있는 수정된 사인파 인버터라고도 합니다. 즉, 이들 인버터의 출력 신호는 양극성 방향으로 점차 증가합니다. 그림에 표시된 것처럼 양의 피크에 도달한 후 출력 신호는 음의 피크에 도달할 때까지 점차 감소합니다.
준사인파 인버터의 구조는 순수 사인파 인버터보다 훨씬 간단하지만 순수 구형파 인버터보다 복잡합니다.
이러한 인버터의 최종 출력 파형은 순수한 사인파는 아니지만 출력의 고조파 왜곡은 여전히 24%로 감소됩니다. 필터링하면 왜곡이 더욱 줄어들지만 왜곡의 양은 여전히 상당합니다. 이러한 이유로 이러한 인버터는 전자 회로를 포함한 다양한 부하를 구동하는 데 선호되는 선택이 아닙니다.
준사인파는 회로에 타이머가 있는 전자 장치를 영구적으로 손상시킬 수 있습니다. 준사인파 인버터에 연결된 경우 모터가 있는 모든 전기 제품은 순수 사인파 인버터에 연결된 제품만큼 효율적으로 작동하지 않습니다. 또한 급격한 파형 전환으로 인해 노이즈가 발생할 수 있습니다. 이러한 문제로 인해 준사인파 인버터의 적용이 제한됩니다.
순수 사인파 인버터
순수 사인 인버터는 DC를 거의 순수한 사인 AC로 변환합니다. 순수 사인파 인버터의 출력 파형은 여전히 이상적인 사인파는 아니지만 구형파 및 준사인파 인버터보다 훨씬 부드럽습니다.
순수 사인파 인버터의 출력 파형은 고조파가 매우 낮습니다. 고조파는 다양한 진폭의 기본 주파수의 홀수 배수를 갖는 사인파입니다. 고조파는 다양한 전기 제품에 심각한 문제를 일으킬 수 있기 때문에 매우 인기가 없습니다. 다양한 PWM 기술을 사용한 다음 출력 신호를 저역 통과 필터에 전달하면 이러한 고조파를 더욱 줄일 수 있습니다.
순수 사인파 인버터의 구성 및 작동은 구형파 및 수정된 구형파 인버터보다 훨씬 더 복잡합니다.
대부분의 전기 장비가 더 잘 작동하려면 순수 사인파가 필요하기 때문에 이러한 인버터는 처음 두 인버터보다 우수합니다. 앞서 언급했듯이 구형파 또는 준사인파 인버터는 전기 제품, 특히 모터가 장착된 제품을 손상시킬 수 있습니다. 따라서 실제 사용을 위해서는 순수 사인 인버터가 사용됩니다.
7. 출력 레벨 수에 따라 분류
모든 인버터의 출력 레벨은 최소 2개 이상일 수 있습니다. 출력 레벨 수에 따라 인버터는 2레벨 인버터와 멀티 레벨 인버터의 두 가지 범주로 구분됩니다.
2레벨 인버터
2레벨 인버터에는 2개의 출력 레벨이 있습니다. 출력 전압은 양극과 음극을 번갈아 가며 기본 주파수(50Hz 또는 60Hz)에서 번갈아 나타납니다.
일부 소위 '2레벨 인버터'는 출력 파형에 세 가지 레벨이 있습니다. 3레벨 인버터를 이 범주로 분류하는 이유는 레벨 중 하나가 0전압이기 때문입니다. 실제로는 0이 세 번째 수준이지만 여전히 2단 인버터로 분류된다.
2레벨 인버터 회로는 소스와 전류 또는 전압을 제어하는 일부 스위치로 구성됩니다. 스위치 손실 및 장치 정격의 한계로 인해 고전압 애플리케이션에서 2레벨 인버터의 고주파수 작동이 제한됩니다. 그러나 스위치의 정격값은 직렬 및 병렬 조합을 통해 높일 수 있습니다. 2레벨 인버터에서 양의 반주기를 제공하는 스위치 그룹을 양의 그룹 스위치라고 하고, 음의 반주기를 제공하는 다른 스위치 그룹을 음의 그룹 스위치라고 합니다.
다음과 같은 이유로 인해 2레벨 인버터는 선호되지 않습니다. 인버터는 작은 전압 단계에서 전력을 작동하고 변환하기 위해 최소한의 스위치와 전원이 필요합니다. 전압 단계가 작을수록 고품질 파형이 제공됩니다. 또한 부하에 대한 전압(dv/dt) 스트레스와 전자기 호환성 문제도 줄일 수 있습니다. 따라서 다중 레벨 인버터가 보다 실용적인 첫 번째 선택입니다.
멀티 레벨 인버터(MLI)
다중 레벨 인버터는 DC 신호를 다중 레벨 계단형 파형으로 변환합니다. 다단계 인버터의 출력 파형은 직접적으로 양극과 음극이 교번되는 것이 아니라 다단계 교번입니다. 파형의 부드러움은 전압 레벨 수에 정비례하기 때문입니다. 따라서 다중 레벨 인버터는 더 부드러운 파형을 생성합니다. 앞서 언급했듯이 이러한 특성은 실제 응용에 적합합니다.
결론:
본 기사에서는 인버터의 주요 유형 17가지를 소개하고 있지만, 실제로는 이 외에도 다양한 인버터 분류가 존재합니다. 예를 들어 멀티 레벨 인버터는 FCMI(플라잉 커패시터 인버터), DCMI(다이오드 클램프 인버터) 및 캐스케이드 H 브리지 인버터로 나눌 수도 있습니다.
실용적인 응용 관점에서 볼 때 3상 인버터는 고부하 응용 분야에 적합하고 순수 사인 인버터는 전기 제품을 더 잘 보호할 수 있으며 다단계 인버터는 보다 실용적인 선택입니다.