사이리스터 위상제어
1. 개요
사이리스터 위상 제어는 사이리스터와 다이오드를 사용하여 교류 전압의 위상을 제어하여 전압을 조절하는 방식이다. 변압기를 통해 교류 전압을 낮춘 후, 사이리스터의 작동 타이밍을 조절하여 직류로 변환한다. 기계적 접점이 없어 유지보수가 용이하고, 전압을 직접 제어하여 에너지 효율이 높지만, 입력 전류가 정현파가 아니어서 고조파가 발생하고 필터 회로가 필요하다. 과거 교류 전용 전기 철도 차량의 속도 제어에 사용되었으나, 1990년대 이후 VVVF 인버터 제어로 대체되는 추세이다.
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전동기 -
직류전동기
직류 전동기는 전류와 자기장의 상호 작용으로 회전력을 발생시키는 전동기로, 고정자 자석, 정류 방식, 회전자에 따라 분류되며 전기 자동차, 철도 등에서 활용되고 속도 제어가 용이하다. -
전동기 -
유도전동기
유도전동기는 교류 전력으로 만들어진 회전 자기장을 이용하여 회전자에 전류를 유도하고 토크를 발생시키는 전동기이며, 비동기 전동기라고도 불린다. -
자동화 -
로봇공학
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자동화 -
스크린도어
스크린도어는 철도 승강장에서 승객의 안전을 위해 설치되는 설비로, 열차 사고 예방, 무인 운전 가능, 쾌적한 승강장 유지를 위해 다양한 종류로 설치되며, 설치 및 유지 보수 비용, 열차 지연 등의 문제점도 존재한다. -
철도차량공학 -
자동 열차 운전 장치
자동 열차 운전 장치는 열차 운행을 자동 제어하는 시스템으로, 국제 표준에 따라 자동화 수준이 GoA0(수동 운전)부터 GoA4(무인 운전)까지 분류되며, 안전성 및 효율성 향상에 기여하지만 오류 및 인적 실수 가능성도 존재하여 연구 개발이 진행 중이다. -
철도차량공학 -
가공 전차선
2. 작동 원리
변압기를 통해 교류를 취급하기 쉬운 전압으로 내린 뒤 사이리스터와 다이오드에 의해 정류하여 직류로 바꾼다. 이때 사이리스터를 작동시키는 타이밍에 따라 위상을 바꾸는 것으로 전압을 제어한다. 사이리스터는 어노드로부터 음극에 역방향 전류가 흐르면 전류가 정지하기 때문에, 교류의 전류가 방향이 바뀌면 전류가 정지한다. 입력 전류가 교류의 정현파가 아니고 어느 점으로 급격하게 전류가 흐르기 때문에 교류회로에 악영향을 끼치므로 반드시 필터 회로가 필요하다. 역률이 나쁘고 고조파의 영향이 있기 때문에 현재의 철도차량이나 대형 인버터, 조명 인버터는 단순한 브리지 사이리스터, 다이오드 따위로는 정류하지 않고 자유로운 타이밍으로 오프 가능한 게이트 턴 오프 사이리스터, 절연 게이트 양극성 트랜지스터, MOSFET 등으로 정류회로를 구성하여 입력전류가 정현파가 되도록 설계되어 있다. 이러한 브리지 회로를 6개 정도 접속하여 정류자 전동기를 제어한다.
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* 교류에서 필요한 경우, 전원 전압을 다루기 쉬운 전압까지 변압기로 낮춘다.
* 회로의 도중에 사이리스터를 삽입하고, 사이리스터를 켜는 위상 (타이밍)을 변화시키는 것으로, 의사적으로 전압을 제어한다.
* 사이리스터는 애노드에서 캐소드로 역방향의 전류가 흐른 시점에서 자동으로 비도통 상태가 되므로, 끄기 위한 특별한 회로는 필요 없다.
3. 특징
* 종래의 탭 변환 방식과는 달리 접점이 없어 점검이 용이하고, 기계적인 마모가 없어 점검 및 정비(유지보수) 작업이 용이하다.
* 전압을 직접 제어할 수 있기 때문에 저항제어와 같이 전류를 열로 낭비하지 않는다.
* 정류자 전동기를 사용하기 때문에 정류자의 점검이 필요하다.
* 구동음은 VVVF 제어와 달리 비교적 음정이 낮은 소리이다.
* 회생제동이 지원된다.
* 회로 전류가 정현파가 아니고, 어떤 지점에서 급격하게 전류가 흐르게 되므로, 고조파가 발생하여 1차측(전원측)에 연결된 다른 부하에 악영향을 미치기 쉽다. 따라서, 특히 대전력 회로에서는, 리액터 등으로 구성된 필터 회로가 필요하다.
4. 철도 차량에서의 응용
본 제어 방식은 직류 전동기를 사용한 교류 전용 전기 철도 차량의 제어에 사용되었다.
과거에는 많은 산업 기기나 교류 전용 철도 차량의 주 전동기 제어 방법으로 채택되었지만, 1990년대 이후 반도체 기술의 진보로 실현 가능해진 VVVF 인버터 제어를 채용하는 경우가 많아지고 있다.
또한, 일부 교류 전차 전용 전차 및 교류 직류 양용 전차에서는 사이리스터 위상 제어를 컨버터로 이용하여 VVVF 인버터 제어로 다시 교류 전류로 변환하여 교류 전동기를 구동하는 차량도 존재한다(예: JR 큐슈 813계 전동차, JR 서일본 681계 전동차).
5. 관련 기술
1990년대 이후 반도체 기술의 발전으로 VVVF 인버터 제어를 채용하는 경우가 많아지고 있다.
일부 교류 전차 및 교류 직류 양용 전차에서는 사이리스터 위상 제어를 컨버터로 이용하여 VVVF 인버터 제어로 다시 교류 전류로 변환하여 교류 전동기를 구동하는 차량도 존재한다. (예: JR 큐슈 813계 전차의 일부, JR 서일본 681계 전차 등)
전기차 속도 제어에 사용된다.