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전력 변환

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목차

1. 개요

전력 변환은 전력의 형태를 변환하는 과정 또는 장치를 의미하며, 교류(AC)를 직류(DC)로, 직류를 교류로, 직류를 다른 직류로, 교류를 다른 교류로 변환하는 네 가지 주요 유형으로 분류된다. AC-DC 변환은 정류기, 전원 공급 장치 등과 같은 장치를 사용하며, DC-AC 변환에는 전력 인버터 등이 사용된다. DC-DC 변환은 전압 조정기, 스위치 모드 전원 공급 장치 등으로 이루어지며, AC-AC 변환에는 변압기, 사이클로컨버터 등이 사용된다. 전력 변환은 전압 및 주파수가 국가별로 다른 전력 시스템 간의 변환, 항공기 전력 시스템과 같은 특수한 경우, 그리고 소비자 전자 제품의 AC 어댑터 및 전압 변환기 등 다양한 분야에서 활용된다. 변압기는 전기적 절연 및 전압 변환을 제공하며, 고주파에서 작동하는 전력 변환기는 더 작은 변압기를 사용한다.

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    정류기는 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 장치로, 다양한 소자와 회로를 사용하여 구현되며, 여러 정류 방식을 통해 산업, 가전제품, 통신 등 다양한 분야에 활용되고 현재는 실리콘 반도체 정류기가 주로 사용된다.
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전력 변환
개요
설명전기 에너지를 한 형태에서 다른 형태로 변환하는 것
관련 주제
관련 주제전력 공학
전압 변환기
HVDC 변환소
교류-교류 변환기
직류-직류 변환기
정류기
인버터
전력 설비
발전소
전력망
연계선
수요 반응
링 메인 유닛
계통 연계 인버터
에너지 저장
부스바
버스 덕트
리클로저
보호 계전기

2. 전력 변환의 분류

전력 변환은 변환하는 전력의 형태에 따라 분류할 수 있다.


  • AC-DC 변환: 교류(AC)를 직류(DC)로 변환한다. 정류기, 주 전원 공급 장치(PSU), 전동기-발전기, 회전 변류기, 스위치 모드 전원 공급 장치 등이 있다.
  • DC-AC 변환: 직류(DC)를 교류(AC)로 변환한다. 전력 인버터, 전동기-발전기, 회전 변류기, 스위칭 모드 전원 공급기, 초퍼 (전자 공학) 등이 있다.
  • DC-DC 변환: 직류(DC)를 직류(DC)로 변환한다. 선형 레귤레이터, 전압 조정기, 전동기-발전기, 회전 변환기, 스위치 모드 전원 공급 장치 등이 있다.
  • AC-AC 변환: 교류(AC)를 교류(AC)로 변환한다. 변압기 또는 단권변압기, 전압 변환기, 전압 조정기, 사이클로컨버터, 가변 주파수 변압기, 전동 발전기, 로터리 변환기, 스위치 모드 파워 서플라이 등이 있다.

2. 1. AC-DC 변환 (AC/DC)

다음은 교류(AC)를 직류(DC)로 변환하는 장치들이다.

2. 2. DC-AC 변환 (DC/AC)

다음은 직류를 교류로 변환하는 장치들이다.

  • 전력 인버터
  • 전동기-발전기
  • 회전 변류기
  • 스위칭 모드 전원 공급기
  • 초퍼 (전자 공학)

2. 3. DC-DC 변환 (DC/DC)

다음은 DC를 DC로 변환할 수 있는 장치들이다.

  • 선형 레귤레이터
  • 전압 조정기
  • 전동기-발전기
  • 회전 변환기
  • 스위치 모드 전원 공급 장치

2. 4. AC-AC 변환 (AC/AC)

3. 기타 시스템

단상 및 삼상 작동을 위해 설계된 전력 시스템 간 변환을 위한 장치 및 방법도 있다.

표준 전압 및 주파수는 국가마다, 그리고 때로는 국가 내에서도 다르다. 북미와 남아메리카 북부에서는 일반적으로 120V, 60 헤르츠(Hz)이지만, 유럽, 아시아, 아프리카 및 세계의 다른 많은 지역에서는 일반적으로 230V, 50 Hz이다.[2] 항공기는 종종 400 Hz 전력을 내부적으로 사용하므로, 지상에 있는 동안 항공기에 전원을 공급하는 데 사용되는 지상 전원 장치에 50 Hz 또는 60 Hz에서 400 Hz로의 주파수 변환이 필요하다. 반대로, 내부 400 Hz 내부 전력은 비행 중 승객에게 제공되는 편의 전원 콘센트를 위해 50 Hz 또는 60 Hz로 변환될 수 있다.

특정 특수 회로도 전력 변환기로 간주될 수 있다. 예를 들어 약 15 kHz에서 고전압을 생성하는 플라이백 변압기 서브시스템이 CRT에 전원을 공급하는 경우가 있다.

소비자 전자 제품에는 일반적으로 주 전압 교류 전류를 마이크로칩 소비에 적합한 저전압 직류로 변환하는 AC 어댑터(일종의 전원 공급 장치)가 포함된다. 소비자들이 사용하는 전압 변환기(일명 "여행용 변환기")는 약 120V와 약 240V 교류 주 전력을 사용하는 국가 간 여행 시 사용된다. (두 개의 서로 다른 모양의 AC 전원 플러그 및 소켓 간의 전기적 연결만 형성하는 소비자 "어댑터"도 있지만, 이러한 어댑터는 전압이나 주파수를 변경하지 않는다.)

4. 전력 변환기의 변압기 사용 이유

변압기는 전력 변환기에 사용되어 전기적 절연과 전압 강압 또는 승압을 통합한다.

2차 회로는 부동 상태이므로 2차 회로를 만져도 신체의 전위 또는 접지의 전위로 끌어당길 뿐이다. 신체를 통해 전류가 흐르지 않는다. 따라서 휴대폰이 금속 껍데기를 가지고 있고 2차 회로에 연결되어 있어도 충전 중에 안전하게 사용할 수 있다.[1]

고주파에서 작동하고 저전력을 공급하는 전력 변환기는 기본 주파수, 고전력 응용 분야의 변압기에 비해 훨씬 작은 변압기를 사용한다. '''일반적으로 전력 시스템에서 변압기는 동시에 전력을 전송하며, 요금이 부과되지 않는다.'''[1]

변압기의 1차 권선에 흐르는 전류는 암페어의 법칙에 따라 상호 자속을 설정하고 2차 권선의 부하 전류의 감자 효과를 균형을 맞추는 데 도움이 된다.[1]

'''플라이백 컨버터의 변압기는 인덕터와 같이 다르게 작동한다.''' 각 사이클에서 플라이백 컨버터의 변압기는 먼저 충전된 다음 부하에 에너지를 방출한다. 따라서 플라이백 컨버터의 변압기 에어 갭은 두 가지 기능을 갖는다. 인덕턴스를 결정할 뿐만 아니라 에너지를 저장한다. 플라이백 컨버터의 경우, 변압기 갭은 충전 및 방전 사이클을 통해 에너지 전달 기능을 할 수 있다.[1]

:W_{e}=\frac{1}{2}BH=\frac{1}{2} \frac{B^2}{\mu}

코어의 상대 투자율 \mu_r은 1,000 이상, 심지어 10,000 이상일 수 있다. 반면 에어 갭은 훨씬 낮은 투자율을 특징으로 하며, 이에 따라 더 높은 에너지 밀도를 가진다.[1]

5. 표준 전압 및 주파수

국가마다, 그리고 때로는 국가 내에서도 표준 전압 및 주파수는 다르다. 북미와 남아메리카 북부에서는 일반적으로 120 볼트, 60 헤르츠(Hz)이지만, 유럽, 아시아, 아프리카 및 세계의 다른 많은 지역에서는 일반적으로 230 볼트, 50 Hz이다.[2] 항공기는 종종 400 Hz 전력을 내부적으로 사용하므로, 지상에 있는 동안 항공기에 전원을 공급하는 데 사용되는 지상 전원 장치에 50 Hz 또는 60 Hz에서 400 Hz로의 주파수 변환이 필요하다. 반대로, 내부 400 Hz 내부 전력은 비행 중 승객에게 제공되는 편의 전원 콘센트를 위해 50 Hz 또는 60 Hz로 변환될 수 있다.

6. 특수 회로

단상 및 삼상 작동을 위해 설계된 전력 시스템 간 변환을 위한 장치 및 방법도 있다.

표준 전압 및 주파수는 국가마다, 그리고 때로는 국가 내에서도 다르다. 북미와 남아메리카 북부에서는 일반적으로 120V, 60 헤르츠(Hz)이지만, 유럽, 아시아, 아프리카 및 세계의 다른 많은 지역에서는 일반적으로 230V, 50 Hz이다.[2] 항공기는 종종 400 Hz 전력을 내부적으로 사용하므로, 지상에 있는 동안 항공기에 전원을 공급하는 데 사용되는 지상 전원 장치에 50 Hz 또는 60 Hz에서 400 Hz로의 주파수 변환이 필요하다. 반대로, 내부 400 Hz 내부 전력은 비행 중 승객에게 제공되는 편의 전원 콘센트를 위해 50 Hz 또는 60 Hz로 변환될 수 있다.

특정 특수 회로도 전력 변환기로 간주될 수 있다. 예를 들어 약 15 kHz에서 고전압을 생성하는 플라이백 변압기 서브시스템이 CRT에 전원을 공급하는 경우가 있다.

소비자 전자 제품에는 일반적으로 주 전압 교류 전류를 마이크로칩 소비에 적합한 저전압 직류로 변환하는 AC 어댑터(일종의 전원 공급 장치)가 포함된다. 소비자들이 사용하는 전압 변환기(일명 "여행용 변환기")는 약 120V와 약 240V 교류 주 전력을 사용하는 국가 간 여행 시 사용된다. (두 개의 서로 다른 모양의 AC 전원 플러그 및 소켓 간의 전기적 연결만 형성하는 소비자 "어댑터"도 있지만, 이러한 어댑터는 전압이나 주파수를 변경하지 않는다.)

7. 소비자 전자 제품의 전력 변환

소비자 전자 제품에는 일반적으로 주 전압 교류 전류를 마이크로칩이 소비하기에 적합한 저전압 직류로 변환하는 AC 어댑터(일종의 전원 공급 장치)가 포함된다. 약 120V와 약 240V 교류 주 전력을 사용하는 국가 간 여행 시에는 전압 변환기(일명 "여행용 변환기")가 사용된다. AC 전원 플러그 및 소켓의 모양이 다른 두 국가 간에 전기적 연결만 형성하고 전압이나 주파수를 변경하지 않는 소비자용 "어댑터"도 있다.

참조

[1] 서적 Proceedings of the CAS–CERN Accelerator School: Power Converters https://cds.cern.ch/[...] CERN
[2] 웹사이트 Electric Power Around the World http://www.kropla.co[...] 2009-09-06
[3] 서적 Proceedings of the CAS–CERN Accelerator School: Power Converters https://cds.cern.ch/[...] CERN


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