개념 한 쪽
직류전력변환기는 입력과 출력의 전력 형태를 바꾸는 장치를 묶어 부른다. 직류를 다른 직류로 바꾸는 초퍼, 직류를 교류로 바꾸는 인버터, 교류를 직류로 바꾸는 정류기, 교류를 다른 교류로 바꾸는 사이클로컨버터를 구분한다. 사이리스터의 게이트 신호는 턴온 시점을 정해 도통 개시 위상각을 바꾸고, 정류 회로의 출력 평균과 리플도 함께 판단한다.
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출제기준 단원 「직류전력변환기」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 반파정류 역전압 산출 | 1 | 반파정류 직류전압에서 변압기 첨두 역전압 계산 |
| 권선비와 전파정류 평균 | 1 | 권선비 적용 뒤 전파정류 평균전압 계산 |
| 게이트 신호 제어 대상 | 1 | 사이리스터 게이트 신호가 바꾸는 제어량 판별 |
전력변환 장치는 입력과 출력의 형태로 구분한다. 초퍼는 직류를 다른 크기의 직류로 바꾸고, 인버터는 직류를 교류로 바꾼다. 다이오드 정류기는 교류를 직류로 바꾸고, 사이클로컨버터는 교류를 다른 교류로 바꾼다. 초퍼는 스위칭 소자를 주기적으로 켜고 끊어 켜진 시간 비율인 듀티비를 조절하므로 직류 변압기라고도 부른다.
사이리스터(다이리스터)는 게이트에 신호를 주는 순간 턴온한다. 게이트 신호는 턴온 시점을 결정하므로 직접 변화시키는 것은 도통 개시 위상각이다. 전압과 전류는 위상각 제어의 결과로 달라지고, 주파수는 변하지 않는다.
반파정류회로에서 직류전압은 첨두전압의 1/π배이고, 전파정류회로에서 직류전압의 평균값은 실효값의 2√2/π배에 해당한다. 권선비가 1:3이면 2차 전압을 1차 전압의 3배로 계산한다. 단상 전파정류에서 교류측 전류는 직류 전류의 π/(2√2)배인 약 1.11배로 구한다. 중간탭 단상 전파정류에서 소자 2개를 쓰면 최대 첨두 역전압을 2Vm으로 잡고, 브리지 정류에서 소자 4개를 쓰면 최대 첨두 역전압을 Vm으로 잡는다.
3상 반파정류회로는 3펄스이므로 출력 교류분의 기본파가 전원주파수의 3배로 나타난다. 단상 반파는 1f, 단상 전파는 2f, 3상 전파는 6f의 교류분을 포함한다. 수은 정류기는 아크 전압강하가 거의 일정하므로 직류 전압이 높을수록 효율이 좋아진다.
반파정류에서 직류전압 100V를 얻고 정류기 내부 전압강하가 15V이면, 강하분을 먼저 더한 115V에 π를 곱해 변압기 첨두전압을 약 361V로 구한다. 반파정류의 역전압 첨두치는 이 첨두전압과 같으므로 361V로 잡는다. 722V는 첨두의 2배로 계산한 함정이다.
권선비 1:3인 변압기에 교류 100V를 넣으면 2차 전압을 300V로 계산한다. 이를 전파정류하면 평균전압을 0.9×300=270V로 구한다. 반파정류 계수 0.45를 적용해 작은 값을 고르면 틀린다.
사이리스터 게이트 신호는 전압이나 전류의 크기를 직접 바꾸는 신호가 아니고 턴온 시점을 정하는 신호이다. 따라서 게이트 신호 제어가 직접 변화시키는 양을 도통 개시 위상각으로 판별한다. 주파수가 달라진다고 하거나 전압 자체를 직접 바꾼다고 하면 원리와 어긋난다.
반파정류회로에서 직류전압 100[V]를 얻는데 필요한 변압기의 역전압 첨두치는 약 몇 [V]인가? (단, 부하는 순저항으로 하고 변압기내의 전압강하는 무시하며, 정류기내의 전압강하를 15[V]로 한다.)
정답 ② · 문제는 반파정류회로에서 목표 직류평균전압을 얻기 위한 변압기 첨두전압을 묻는다. 반파정류의 평균전압 Vdc는 Vm/π 이므로 필요한 첨두 Vm = π·(Vdc + 정류기 전압강하) = π·(100+15) = 115π ≈ 361[V]이다.
반파정류 평균전압=첨두/π이므로 Vm=π(100+15)≈361V이고, 역전압 첨두치(PIV)=Vm이다.
권선비가 1:3인 전원 변압기를 통하여 100V의 교류입력이 전파 정류되었을 때 출력 전압의 평균값 [V]?
정답 ② · 권선비가 1:3인 변압기에 100V를 입력하면 2차측 전압은 300V입니다. 전파 정류 회역의 출력 평균 전압 Vdc는 최대값(Vm)의 2/π배입니다.
전파정류 평균값은 Vdc=2√2V/π≈0.9V이고, 2차 전압은 권선비 3을 곱한 300V이다.
다이리스터의 게이트 신호 제어는 무엇을 변화시키는 것인가?
정답 ④ · 문제는 다이리스터(사이리스터류)의 게이트 신호가 무엇을 제어하는지를 묻고 있다. 게이트는 소자의 턴온 시점을 결정하므로 실질적으로 도통을 시작하는 위상각을 제어하는 역할을 한다.
게이트 신호는 턴온 시점을 결정하므로 직접 변화시키는 것은 도통 개시 위상각이다.
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