인버터 완벽 가이드: 전기전자공학 학생을 위한 종합 해설

소개:

이 글에서는 인버터가 무엇인지, 그 기능과 동작 원리를 설명합니다. 인버터는 광전지 어레이에서 가정과 사무용 교류 전력을 공급하는 데 쓰이며, ‘가변 주파수 드라이브(VFD)’에서 팬, 펌프, 압축기의 유도 전동기 속도, 토크, 회전 방향 제어에도 사용됩니다.

인버터란?

기본부터 시작하겠습니다. 전기에는 직류(DC)와 교류(AC) 두 종류가 있습니다. 직류는 손전등, 태양광 패널, 배터리, 회로 기판이 있는 소형 전자제품에 쓰입니다. 하지만 대형 가전제품에서는 전기가 다르게 작동합니다. 콘센트에서 공급되는 전원은 교류(AC) 기반으로 가정에 전력을 공급합니다. 두 방식 모두 한계가 있어 용도를 극대화하려면 상호 변환이 필요합니다.

인버터는 직류를 교류로 변환하는 장치입니다. 오실로스코프로 두 전원의 신호를 보면, 직류는 최대 전압에서 한 방향으로 흐르는 전류로 하나의 연속된 직선으로 보입니다. 교류는 양의 피크와 음의 피크 사이를 진동하는 정현파 패턴을 보이며, 전류가 ‘왕복’합니다.

인버터 동작 원리

직류 전원으로 교류 기기를 구동하는 회로를 생각해 봅시다. 직류를 교류로 변환하려면 네 개의 스위치가 필요합니다. 스위치 1, 4가 닫히면 2, 3이 열리고, 그 반대의 경우도 마찬가지입니다. 따라서 부하가 직류 전원에 연결되어 있음에도 교류를 경험하게 됩니다.

한 쌍의 스위치가 열리면 전류가 교류 기기의 오른쪽을 흐르고, 다른 쌍이 열리면 왼쪽을 흐릅니다. 이렇게 부하가 교류를 경험하게 됩니다.

하지만 정현파가 아닌 구형파가 나와 전기 기기를 손상시킬 수 있습니다. 이를 부드럽게 만들기 위해 다이오드, IGBT, MOSFET 같은 소자를 사용합니다.

인버터에서 IGBT의 활용

IGBT(절연 게이트 바이폴라 트랜지스터)는 3단자 반도체 소자입니다. 모터용 회로를 예로 들어 보겠습니다.

직류 전원과 교류 부하, 컨트롤러에 연결된 여러 IGBT가 있습니다. 각 IGBT는 컨트롤러로부터 개폐 신호를 받습니다. IGBT들은 쌍을 이룹니다.

회로에 전원을 넣으면 컨트롤러가 한 쌍의 IGBT를 일정 시간 동안 켜서 전류를 통과시키고, 모터는 교류를 경험합니다.

인버터를 이용한 모터 속도 제어

IGBT가 주기당 여러 번 펄스 폭 변조(PWM) 방식으로 펄세이팅 개폐합니다. 주기를 더 작은 세그먼트로 나누고, 컨트롤러가 각 세그먼트에서 IGBT를 얼마나 오래 켤지 지시합니다. 이렇게 IGBT를 통해 모터에 흐르는 전류량을 변화시킵니다.

그 결과 세그먼트당 평균 전력이 정현파 패턴을 만듭니다. 주기를 더 세밀하게 나눌수록 정현파가 매끄러워지고, 모터는 정현파 교류를 경험하게 됩니다.

컨트롤러로 특정 IGBT의 온타임을 조절하면 신호의 주파수와 파장을 제어해 모터 속도, 토크, 방향을 제어할 수 있습니다.

인버터의 용도

인버터는 다양한 용도로 쓰입니다.

• 자동차용 소형 어댑터부터 사무실, 가정용, 대용량 계통 시스템까지
• 광전지 어레이에서 흔히 사용
• 가변 주파수 드라이브에 내장되어 교류 모터의 속도, 토크, 방향 제어
• 산업·상업용 HVAC 시스템
• 무정전 전원 장치(UPS)로 활용
• 태양광 발전 시스템
• 원심 팬, 믹서, 펌프, 컨베이어, 압출기 등