인버터의 기본 원리 - DC를 AC로 변환

1. 인버터란?

대부분의 전원 공급 장치 설계에는 들어오는 AC 파를 초라한 DC 전압으로 변환하는 정류기라는 섹션이 포함되어 있습니다. 그러나 건물 주 전원에서 시스템으로 들어오는 AC 입력에 항상 의존할 수는 없습니다.

 

인버터는 직류(DC)를 받아 교류(AC)로 변환하는 장치입니다. 인버터에는 다음과 같은 많은 용도와 인버터를 찾을 수 있는 일반적인 장소가 있습니다.

• 산업 제조
• 재생 에너지(풍력 발전기 및 태양광 발전소)
• 배터리 백업 시스템
• AC 모터 가변 속도 드라이브
• 전기차

 

DC 전력 변환은 DC 전원으로 작동하는 모터가 발전기를 직접 돌려 필요한 AC 전력을 생산하는 모터 발전기 세트를 통해 이루어졌습니다. 이와 반대로, DC 발전기를 구동하는 AC 모터를 컨버터라고 불렀기 때문에 DC-AC 발전기 세트에 적용할 때 인버터라는 이름이 붙었습니다. 대체 버전은 진공관에 내장된 기계적 스위칭 메커니즘을 사용하여 직류의 극성을 적절한 간격으로 전환했습니다.

 

 

일반적인 전력 인버터

 

 

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대부분의 최신 인버터는 DC를 AC 전원으로 전환하기 위해 움직이는 부품이 필요하지 않은 솔리드 스테이트 장치로 작동합니다. 이를 통해 더 높은 수준의 신뢰성을 생성하고 더 나은 효율성을 제공할 수 있습니다. 인버터는 점점 더 복잡해지고 있으며 민감한 전기 장비에도 전력을 공급할 수 있는 안정적인 전력을 공급할 수 있습니다. 깨끗한 정현파 전력은 인버터 공급 교류를 사용하는 모터 및 민감한 장비의 수명에 중요합니다.

 

 

2. 인버터 동작방식

대부분의 최신 인버터는 직류의 극성을 변경하기 위해 일종의 H-Bridge 회로를 사용합니다. 대부분의 경우 더 낮은 전압 DC 전류는 공급할 AC의 전압과 일치하도록 증폭되어야 합니다. DC 전압을 전환하는 행위는 원칙적으로 AC 전원이 특정 주파수에서 극성을 전환하는 전류이기 때문에 자연스럽게 교류를 생성합니다.

 

H-브리지는 H자형 회로를 통해 부하의 극성을 전환하는 데 사용할 수 있는 4개의 스위치로 구성되므로 스위치의 방향에 따라 어느 방향으로든 H를 가로질러 전류가 흐를 수 있습니다.

 

 

간단한 H 브리지 회로를 사용하여 직류 극성 전환

 

 

기본 H 브리지는 올바른 주파수에서 교류를 공급할 수 있지만 전력 출력은 전력망에서 공급해야 하는 것과 다른 파형을 갖습니다.

DC 전원 극성이 H 브리지를 통해 전환되면 결과 파형은 정사각형이 됩니다. 일부 응용 분야의 경우 파동 주파수가 적절한 범위 내에 있는 한 구형파형은 해롭지 않지만 더 민감한 전기 장비 및 AC 모터 작동에는 문제가 될 수 있습니다. 이러한 민감한 전자 장치는 구형파가 특정 장비를 손상시킬 수 있기 때문에 적절한 작동과 수명을 위해 순전히 정현파 교류 파형이 필요합니다.

 

 

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3. 인버터의 종류

인버터는 생산하는 AC 전원 유형에 따라 분류할 수 있습니다. 그리드에서 생성된 AC 전력은 순수한 정현파 모양이며 사인파의 모양에 따라 고전압과 저전압을 원활하게 번갈아 가며 사용합니다.

 

기본 H 브리지는 기술적으로 전압을 순방향 또는 역방향으로만 전환하기 때문에 추가 구성 요소 없이 직접 정현파 파형을 얻을 수 있는 방법이 없습니다. 추가된 구성 요소의 복잡성에 따라 각 유형의 인버터에서 생성되는 파형이 결정됩니다. 인버터에서 생성되는 가장 일반적인 세 가지 파형은 다음과 같습니다.

• 구형파
• 수정된 사인파
• 순수 사인파

 

이러한 유형의 인버터의 이름은 매우 직관적이며 각 인버터의 비용은 정현파 AC 파형을 얼마나 가깝게 달성할 수 있는지와 직접적인 관련이 있습니다.

 

1) 구형파 인버터

구형파 인버터는 단순히 정확한 주기와 진폭의 파형을 생성하기 위해 전류 극성을 전환하는 H-브리지입니다. 이러한 유형의 인버터에 대한 응용 프로그램은 생산하는 AC 전원의 특성으로 인해 제한적입니다. 구형파 인버터는 가장 단순한 인버터 설계이며 수정된 사인파 또는 순수 사인파 인버터보다 비용이 저렴하고 경우에 따라 효율이 높습니다.

 

애플리케이션에 따라 구형파 인버터는 전원이 공급되는 장비가 비정현파 파형 AC의 영향을 받지 않는 한 DC를 AC 전원으로 변환하는 간단하고 비용 효율적인 방법을 만들 수 있습니다.

 

 

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2) 수정된 사인파 인버터

수정된 사인파 인버터는 H 브리지 회로와 고속 스위치를 사용합니다. 수정된 사인파 인버터에서 DC 전원은 H 브리지에 의해 교대되는 반면 고속 스위치는 평균 전압이 정현파 파형 AC 전원의 평균 전압을 모방하는 방식으로 전류를 펄스합니다.

 

마이크로 컨트롤러는 다양한 온-오프 펄스(펄스 폭 변조 또는 PWM이라고 함)로 전력을 전환하므로 모든 기간의 평균 전압이 파동 주기의 정현파 전력에서 기대할 수 있는 전압을 모방합니다.

 

이 스위칭 동작의 결과는 사인파의 모양에 훨씬 더 가까운 계단식 파형이지만 여전히 정확히 정현파는 아닙니다. 많은 응용 분야에서 이러한 유형의 AC 전원은 허용되며 대부분의 전자 장치 및 모터 응용 제품과 함께 사용할 수 있습니다.

 

 

수정된 사인파 인버터

 

3) 순수 사인파 인버터

순수 사인파 인버터는 수정된 사인파 인버터와 동일한 원리로 작동하지만 수정된 사인파를 그리드 전력과 매우 유사한 파동으로 더욱 정교화하려면 추가 전자 부품이 필요합니다. 이를 달성하기 위해 수정된 사인파 출력은 LC 회로를 통과합니다.

 

기본 LC 회로는 인덕터(L)와 커패시터(C)로 구성되며, 전기 공진기로 작동하여 나란히 계단을 통과 가능한 정현파 모양으로 매끄럽게 할 수 있습니다. 파형의 모양은 전력망에서 생산되는 전력과 같습니다. 순수 사인파 인버터에서 생산된 전력은 민감한 장비에 더 높은 품질을 제공하지만 수정된 사인파 또는 구형파 인버터와 비교할 때 효율성이 낮습니다.