인버터(Inverter)는 주로 직류를 교류로 바꾸기 위한 전력 변환 장치로 사용된다. 인버터는 직류를 교류로 바꾸는 것뿐만이 아닌 전압의 크기나, 주파수도 변환이 가능하다.
일반적으로 직류 전기를 사용하는 경우는 배터리의 출력에서 사용하는데 이러한 형태의 직류를 가정에서 사용하는 상용 전원으로 이용하기 위해서는 전원계통을 일치시키기 위해서 반드시 인버터를 사용이 필요하다.
인버터의 간단하게 원리를 살펴보면 다음과 그림과 같다. 위의 회로도처럼 파란색 스위치를 닫으면 전등의 왼쪽에 +극, 전등의 오른쪽에 -극으로 전류가 흐르게 된다. 아래의 회로도는 빨간색 스위치를 닫으면 전등의 오른쪽에 +극, 전등의 왼쪽 -극으로 전류가 흐르게 되면서 스위치를 통하여 전등의 극을 지속적으로 바꿀 수 있다. 이를 1초에 60번 반복하게 되면 60Hz가 되는 것이고 전압을 크게 하고 싶으면 전구의 위치에 변압기를 넣고 1차 측과 연결하면 된다.
위 그림을 간단하게 원리를 설명하기 위한 것이고 실제로 3상 전동기를 구동하는 인버터 회로는 이보다 더 복잡하다. 인버터는 크게 전류형과 전압형으로 나뉘는데, 전류형은 전류원의 직류를 교류로 변환하는 것이고, 전압형은 전압원의 직류를 교류로 변환하는 차이가 있다. 여기서 전압형은 직류 크기를 변화시키는 PAM(Pulse Amplitude Modulation), 평활된 직류 전압의 크기는 변화시키지 않고 펄스상의 전압을 출력 시간을 변화시켜 등가인 전압을 변화하는 PWM(Pulse Width Modulation) 방식으로 나눌 수 있다.
더 자세하게 살펴보면 전류형 인버터는 리액터를 사용하여 전류를 일정하게 유지하고 사이리스터(제어단자로부터 음극에 전류를 흘리는 것으로, 양극과 음극 사이를 도통시키는 3단자의 반도체 소자) 등으로 전류 회로를 형성해 교류를 출력한다. 전류형 인버터는 전원 회생 제어를 용이하게 진행해 관성 부하의 정역 운전 등에서는 유리하지만 높은 가격이라는 단점이 있다.
PAM 전압형은 순변환부에 가변의 직류 전압을 만들어 인버터 출력 전압을 제어하고 트랜지스터나 GTO(Gate Turn-Off thyristor : 반도체 소자의 일종으로, 게이트에 역방향의 전류를 흘려 턴 오프를 실행하는 사이리스터)로 직류 전압을 스위칭해 출력 주파수를 가변시킨다. 이는 고주파 인버터에 필수적으로 사용되며, 최근 모터 저소음화를 목적으로 활용될 수 있다. 하지만 모터의 효율, 시동 토크 등에서 단점이 있다.
PWM 전압형 인버터는 직류 회로에 콘덴서를 사용하여 전압을 일정하게 유지하면서 트랜지스터, IGBT(Insulated gate bipolar transistor, 절연 게이트 양극성 트랜지스터로 MOSFET(금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터)을 게이트부에 넣은 접합형 트랜지스터), GTO를 활용해 직류 전압을 스위칭한다.
인버터는 기본적으로 컨버터부, 평활부, 인버터부로 나눌 수 있는데 컨버터부는 교류 전원을 입력받아 직류를 바꾸는 부분이고, 평활부는 변환된 직류를 더 좋은 파형의 직류로 바꾸는 역할을 수행하며 주로 전해콘덴서 등을 이용해 다이오드 정류 후 고르지 못한 전압의 크기를 평평하게 만든다. 인버터부는 직류를 교류로 변환하는 장치로 여러 스위칭 소자들을 교대로 On-Off해서 3상 펄스를 만든 후 전동기 등의 부하에 공급하게 된다.
이러한 인버터는 주파수와 전압을 바꿔 상황에 맞는 속도와 토크로 회전시켜 제어할 수 있게 되는데 실생활에서 세탁기, 냉장고, 에어컨 등의 가전에서 많이 사용한다.
개인 공부를 위한 게시물로 틀린 내용을 포함할 수 있는 점 참고 부탁드립니다.
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