UPS, 무정전 전원 공급 장치 - 2

1. 정류기의 정의

• 정류기(Rectifier)는 교류를 직류로 변환하는 장치
• UPS 상 정류기는 직류성분의 전압 또는 전류파형을 배터리(Battery)와 인버터(Inverter) 입력부에 공급

2. 정류기의 원리

• 교류전원의 전압과 전류파형은 주기적으로 변하는데 이를 한쪽 방향으로만 출력되는 파형으로 만들어 직류전압과 전류를 공급

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2-1. SCR 위상제어

• 전력변환의 핵심은 스위칭
  • 특성 : 내전압, 최대허용전류, 스위칭 주파수
  • 손실 감소, 효율 증가, 열 발생 감소의 효과
• SCR : Silicon Controller Rectifier, thyristor 계열
  • 매우 튼튼하여 고장이 잘 나지 않으며 대전류를 만들 수 있음
  • 순방향 전압인가상태에서 게이트(G)에 전류(펄스)를 인가하여 Turn-on
  • 일단 Turn-on되면 게이트 전류(i_G)가 없어도 on 상태 유지(Latch)
  • Diode처럼 외부에서 역전압 인가 시 Turn-off

 

2-2. PWM, 펄스 폭 변조 제어

• IGBT 소자를 이용한 방식
• IGBT : Integrated Gate Commutated Thyristor
  • 대용량에 적합
  • Gate pulse에 의한 Trigger-on, Trigger-off
• PWM, 펄스 폭 변조 제어 : Pulse Width Modulation
  • 아날로그를 디지털 화하는 수단
  • 아날로그 신호를 일정한 주기로 Sampling하고 그 값에 비례한 펄스폭으로 변환
  • PWM 파형의 펄스폭이 아날로그 파형의 크기에 비례하여 변함
  • 아날로그 파형과 기준 삼각파가 비교기에 입력되어 PWM 파형이 비교기를 통해 출력
  • 삼각파의 주파수는 정류부 스위칭 주파수를 결정, 삼각파는 일정하게 유지
  • 정현파 전압과 삼각파의 합성파형에서 IGBT를 구동하기 위한 PWM 파형을 유도

 

 

3. 정류기의 기본 구성 (Battery Charger에서의 정류기)

Rectifier (정류기)

• AC 입력전원을 DC 전원으로 변환하여 배터리 및 전압조정회로를 통해 부하에 공급
• 배터리를 충전하는 기능을 가지고 있어 Charger라고도 함

Filter (평활회로)

• 정류출력에는 직류분 외 많은 교류분이 포함되어 있음
• 평활회로를 통해 정류출력에 포함되어 있는 교류전압을 제거하고 보다 완전한 직류전압을 만듦

Battery (배터리)

• 평상시 DC 전원을 축적
• AC 입력전원 정전 시 SID와 같은 전압조정회로를 통해 부하에 필요한 전원을 공급해 주는 역할

Regulator (전압조정회로)

• 정류기에 의해 정류된 DC 전압 또는 배터리로부터 공급되는 DC 전압은 보통 부하가 필요로 하는 전압보다 높으므로 이를 부하에 맞는 전압으로 낮추어 주어야 함
• 이러한 기능을 가진 것이 SID와 DC/DC 컨버터가 있음

 

*SID(Silicon Dropper) 회로 : Diode와 Magnetic Contactor를 이용한 전압 조절 회로

*DC/DC Converter : Buck-Boost를 이용한 전압 조절 회로

 

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4. 인버터의 정의

• 인버터(Inverter)는 직류를 교류로 변환하는 장치
• VVVF(Variable Voltage Variable Frequency) : 전압과 주파수 조정
  • VV -> TR / VF ->주파수를 0으로 바꾸었다가(AC->DC) 원하는 주파수로 다시 바꿈(DC->AC)
• 활용분야
  • 교류전동기 : Elavator, 지하철, EV
  • 무정전 전원 : UPS, BESS
  • 태양광 인버터

5. 인버터의 원리

• 교류전원을 정류회로에 의해 직류로 변환시키고, 평활회로에서 매끈한 직류로 만든 다음 역 변환회로로 이 직류를 가변주파수, 가변전압의 교류를 만듦
• 현재 PAM 방식은 거의 쓰이지않고 PWM 방식만 쓰임

5-1. PWM 제어방식

• PWM제어는 컨버터부에서 일정한 전압을 보내고, 인버터부에서는 받은 전압의 펄스폭을 변화시키며, 동시에 주파수를 변화시키는 제어방식
• 인버터부에서 펄스폭을 제어하며, 동시에 주파수를 제어
• 모터의 손상을 피하기 위해서 출력전압을 가변하는 방식
• PAM 방식과 다르게 인버터 부에서 전압과 주파수를 동시에 제어
• 전압의 높이를 제어하는 것이 아니라 전압의 폭을 제어
• PWM방식은 인버터부에서 한 극을 만들 때 순간적으로 전압을 짧게 들어오게 하여(펄스폭 조절) 각각 +극과 –극을 생성

 

6. 인버터의 기본 구성 

Converter (컨버터부)

• 입력된 상용 교류전원을 직류로 정류
• 다이오드를 사용

Smoothing circuit(capacitor) (평활 콘덴서)

• 컨버터회로에서 변환 된 직류전압을 평활화 함
• 콘덴서를 사용

Controller (제어부)

• 인버터의 조작 패널 또는 외부 입력에 따라 모터와 같은 부하 기동/정지를
• 인버터 회로를 제어하여 주파수 변경

Inverter (인버터부)

• 고속 스위칭을 통해 직류전압을 펄스형태의 교류전압으로 변환하여 출력
• 교류로 변환 할 때 회로는 제어회로의 명령에 따라 주파수를 변경
• IGBT 사용

Ref. Mitsubishi electric