1000V의 단상 교류를 전파 정류해서 150A의 직류를 얻는 정류기의 교류측 전류는 약 몇 A 인가?
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정답과 해설 보기
정답 ④ · 정류기를 통해 교류를 직류로 정류할 때, 교류측 전압(V_ac)과 직류측 전압(V_dc)의 관계, 그리고 전류 관계를 이해해야 합니다. 단상 전파 정류의 경우, 변압기가 이상적이라고 가정하면 전력 관계식 V_ac * I_ac * 효율 = V_dc * I_dc 가 성립합니다.
개념 한 쪽
전기공사산업기사 사이리스터 — SCR 게이트 제어와 정류 소자
사이리스터는 게이트 신호로 도통을 제어하는 전력용 반도체 소자다. SCR은 게이트 전류가 커질수록 낮은 전압에서 턴온되고, GTO는 게이트 전류의 극성으로 턴온과 턴오프를 모두 수행한다. 정류 회로에서는 소자 수와 결선 방식에 따라 출력 전압의 평균치와 소자에 걸리는 최대 첨두역전압이 달라진다.
이 개념을 문제로 확인하고 싶으면 이 개념 문제 10개 풀기
시험에 이렇게 나온다
출제기준 단원 「사이리스터」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 3상 반파정류 리플 배수 판단 | 1 | 출력 교류분이 전원 주파수의 몇 배인지 가리기 |
| 권수비와 전파정류 평균 계산 | 1 | 변압기 권수비를 반영한 평균 출력전압 계산 |
| 사이리스터 전파정류 역전압 산정 | 1 | 중간탭 회로에서 필요한 최대 첨두역전압 계산 |
뜻
SCR은 게이트 전류가 증가할수록 순방향 차단 전압이 감소한다. 게이트 전류를 크게 흘리면 양극 전압이 낮아도 턴온되므로 브레이크오버 전압이 낮아지는 관계를 보인다. GTO는 플러스 게이트 전류로 턴온하고 큰 마이너스 게이트 전류로 턴오프하며, 전압-전류 특성은 SCR과 거의 같다. GTO는 게이트로 스스로 꺼지므로 별도의 전환회로가 반드시 필요한 소자는 아니다.
전력용 반도체는 제어 단자의 유무와 제어 방식으로 구분한다. 다이오드는 양극과 음극의 두 단자만 있어 순방향과 역방향에 따라 도통이 정해지므로 전압이나 전류를 제어할 수 없다. SCR은 게이트로 턴온을 제어하고, GTO는 턴온과 턴오프를 모두 제어하며, IGBT는 게이트 전압으로 스위칭을 제어한다. MOSFET은 게이트-소스 전압으로 드레인 전류를 제어하는 전압제어형 다수 캐리어 소자이고, 입력 임피던스가 매우 크며 스위칭이 빠르다.
정류 회로의 출력에는 교류분인 리플이 섞인다. 리플의 기본 주파수는 전원 1주기 동안 도통하는 상의 수로 정해지며, 3상 반파정류는 3펄스이므로 전원주파수의 3배인 교류분을 포함한다. 단상 반파는 1배, 단상 전파는 2배, 3상 전파는 6배의 리플 기본파를 갖는다. 단상 전파정류의 평균치는 실효치에 2√2/π를 곱해 구하고, 단상 반파정류의 평균치는 √2/π를 곱해 구한다.
이상적인 변압기에서는 전압이 권수비에 따라 변한다. 권수비가 1:3인 변압기에 교류 100V를 가하면 2차 실효치는 300V가 되고, 이를 전파정류하면 평균 출력전압은 300×2√2/π인 600√2/πV가 된다. 사이리스터 2개를 사용하는 단상 전파정류는 중간탭 방식이며, 직류 출력전압은 2Vm/π로 구한다. 이때 한 소자에 걸리는 최대 첨두역전압은 2Vm이므로 직류 90V를 얻는 조건에서는 Vm이 약 141V이고 최대 첨두역전압은 약 283V가 된다.
반도체 소자의 온도상승은 손실과 열저항으로 구한다. 정상상태 온도상승은 전압강하와 전류를 곱한 손실에 열저항을 곱해 계산하며, 열용량은 순간적인 과도 상태의 온도 변화에 쓰이는 값이다. 전력변환 장치는 입력과 출력의 형태로 이름이 정해지며, 인버터는 직류를 교류로 바꾸고 정류기는 교류를 직류로 바꾼다. 초퍼는 직류를 직류로, 사이클로변환기는 교류를 교류로 변환한다.
예제
사이리스터 문제는 게이트 전류와 순방향 차단 전압의 반비례 관계를 비례나 무관으로 뒤집어 출제한다. 정류 회로에서는 3상 반파정류의 리플 배수를 단상 반파의 1배로 보거나, 전파정류 평균치에 반파정류 계수를 적용하게 만든다. 사이리스터 2개를 쓰는 중간탭 전파정류에서 최대 첨두역전압을 브리지 방식처럼 Vm으로 잡는 것도 함정이다. 소자 열 계산에서는 정상상태 온도상승에 쓰지 않는 열용량을 계산에 끼워 넣어 흔든다.
대표 기출 3문항
수은 정류기의 전압과 효율과의 관계는?
- 전압과 효율은 전혀 관계없다.
- 전압이 높아짐에 따라 효율이 감소한다.
- 전압이 높아짐에 따라 효율이 좋아진다.
- 어느 전압 이하에서는 전압에 관계없이 일정하다.
정답과 해설 보기
정답 ③ · 문제는 수은 정류기에서 전압과 효율의 관계를 묻는 것이다. 수은 정류기는 아크에 의한 전압강하가 거의 일정한 손실로 작용하므로 유효 출력 전압이 클수록 동일한 일정 손실의 비율이 작아져 효율이 좋아지는 경향이 있다.
아크 전압강하(손실)가 거의 일정하므로 직류 전압이 높을수록 수은 정류기의 효율은 좋아진다.
3상 반파정류회로에서 직류전압의 파형은 전원 전압의 주파수의 몇 배의 교류분을 포함하는가?
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정답과 해설 보기
정답 ③ · 문제는 3상 반파정류회로에서 직류 전압 파형이 포함하는 교류분의 기본 주파수를 묻고 있다. 3상 반파 정류는 펄스수가 3이므로 리플의 기본 주파수는 전원주파수의 3배가 된다.
3상 반파 정류는 3펄스라서 리플(교류분)의 기본파가 전원주파수의 3배다.
자주 묻는 물음
- SCR의 게이트 전류와 순방향 차단 전압의 관계를 확인한다
- 게이트 전류가 증가할수록 턴온에 필요한 양극 전압이 낮아지므로 순방향 차단 전압은 감소한다.
- GTO가 별도의 전환회로를 반드시 필요로 하지 않는 이유를 확인한다
- GTO는 큰 마이너스 게이트 전류로 스스로 턴오프하므로 전류를 강제로 끊는 별도 전환회로가 반드시 필요하지 않다.
- 3상 반파정류 출력의 리플 기본 주파수를 확인한다
- 3상 반파정류는 3펄스이므로 전원주파수의 3배인 교류분을 기본파로 포함한다.
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