1️⃣ AC-AC, 3상 위상 제어기
- 원리: SCR을 사용해 입력 AC의 일부만 전달 → 점호각(α)에 따라 출력 전압 크기 제어.
- 특징: 단순 구조, 전압 제어 가능.
- 단점: 출력 파형에 고조파 많음, 역률 저하.
- 응용: 조명 밝기 조절, 단순 모터 제어.
2️⃣ AC-AC PWM 초퍼
- 원리: H-브리지 스위치를 빠르게 on/off → 펄스폭(PWM)으로 평균 전압 제어.
- 특징: 출력 파형이 정현파에 가까움, 전력 품질 우수.
- 단점: 스위칭 손실, 제어 회로 복잡.
- 응용: 정밀 모터 제어, UPS, 전력 변환 장치.
3️⃣ 사이클로컨버터
- 원리: 입력 AC를 사이리스터로 잘라내고 이어붙여 낮은 주파수 AC 생성.
- 특징: 출력 주파수를 낮출 수 있음, DC 링크 불필요.
- 단점: 출력 파형에 고조파 많음, 제어 복잡.
- 응용: 대형 산업용 모터 저속 운전 (제철소 압연기, 발전소 펌프 등).
4️⃣ 매트릭스 컨버터
- 원리: 입력 AC를 양방향 스위치 매트릭스로 직접 출력 AC로 변환.
- 특징: DC 링크 불필요, 출력 주파수·전압·위상 자유롭게 제어, 양방향 전력 흐름 가능.
- 단점: 스위치 수 많음, 제어 알고리즘 복잡, 출력 전압 비율 제한.
- 응용: 고성능 모터 드라이브, 재생에너지 인버터, 항공·전기차 전력 변환.
✅ 전체 요약
- 위상 제어기: 단순히 전압 크기 제어.
- PWM 초퍼: 펄스폭으로 평균 전압 제어 → 정현파 출력 가능.
- 사이클로컨버터: 입력을 잘라내어 낮은 주파수 출력.
- 매트릭스 컨버터: 입력을 직접 변환 → 주파수·전압 자유 제어, 양방향 가능.
맞아요, 대원님이 날카롭게 짚으셨어요. 방금 본 식은 조금 더 주의 깊게 따져야 합니다. 왜냐하면 출력 상전압을 입력 전압으로 표현하는 과정에서 단자전압과 상전압을 혼동하기 쉽기 때문이에요.
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현대전력전자공학 5장
1. AC-AC Converter
첫 번째 이미지에서는 5장의 주제를 AC → AC Converter로 정리한다.
대표 방식으로 다음 항목을 기록한다.
- 위상제어
- PWM
- Cycloconverter
- Matrix Converter
2. AC 전압의 가변
원본에서는 AC 전압의 크기를 가변하는 것이 기본 목적이라고 기록한다.
위상제어에서는 SCR 또는 Triac을, 완전제어 Switch를 사용하는 경우에는 PWM 방식을 연결한다.
3. 단상 AC 전압 제어기
첫 번째 필기에는 단상 AC 전압 제어기의 기본회로가 그려져 있다.
SCR / Switch
Vi ~ ────────────────┬──── Vo
│
RL
│
────────────────────┘
입력 AC의 일부 구간만 부하로 전달하여 출력전압의 실효값을 조절한다.
4. SCR의 도통 제어
SCR은 점호각에 따라 도통 시작시점을 결정하는 Switch로 기록한다.
전류가 0이 되는 시점에서는 SCR이 OFF되는 파형이 함께 그려져 있다.
5. 3상 AC 전압 제어기
두 번째 이미지는 위상제어 방식의 3상 AC 전압 제어기를 정리한다.
입력 3상 전압을 VA, VB, VC, 출력 전압을 Va, Vb, Vc로 표시한다.
6. 3상 전압의 Switching 표현
원본에서는 각 상의 Switch 상태를 a, b, c로 나타내고, 입력전압과 출력전압의 관계를 Matrix 형태로 기록한다.
7. α = 0°
점호각 α가 0°이면 모든 Switch가 즉시 도통하는 완전도통 상태로 기록되어 있다.
세 번째 이미지의 왼쪽 파형에서는 출력 상전압이 입력 상전압과 같은 형태로 나타난다.
8. α = 30°
세 번째 이미지의 오른쪽은 α = 30°인 R 부하의 출력파형이다.
각 상 Switch의 ON/OFF 상태에 따라 출력전압이 입력 상전압 또는 선간전압의 일부로 나타나는 구간이 그려져 있다.
9. 30° 간격 Switching 상태
두 번째 필기에서는 0°~150° 구간을 30° 간격으로 나누어 a, b, c Switch의 ON/OFF 상태를 기록한다.
- 0°~30°
- 30°~60°
- 60°~90°
- 90°~120°
- 120°~150°
각 구간마다 도통하는 상의 조합이 달라지며 그에 따라 출력 상전압도 달라진다.
10. 3상 위상제어 출력파형
교재 이미지에는 완전제어 3상 AC 전압 제어기의 Mode 1 출력전압 파형을 비교한다.
| 조건 | 출력파형 |
|---|---|
| αf = 0° | 입력 상전압과 동일한 정현파 형태 |
| αf = 30° | Switching 상태에 따라 구간별 전압이 변경 |
11. PWM AC 전압 제어기
네 번째 필기에서는 PWM AC 전압 제어기를 AC Chopper로 기록한다.
특징으로 다음 내용이 적혀 있다.
- 입력역률 개선
- 제어특성 개선
- 출력전압 특성 개선
12. PWM AC Chopper 회로
원본에는 입력측 Inductor와 Capacitor, 그리고 S1~S4의 Switch를 갖는 AC Chopper 회로가 그려져 있다.
AC Source
│
L
│
├────── C ──────┐
│ │
│ S1 S2 │
└───────┤ ├────┤
│ │ Load
├──┤
S3 S4
│ │
────────────┴──┴─────
13. S1 · S2의 역할
원본에서는 S1, S2를 이용해 Capacitor를 충전하는 동작을 기록한다.
14. S3 · S4의 역할
S1, S2가 OFF되는 동안 S3, S4를 이용해 전류경로를 형성한다고 기록한다.
15. Duty Ratio 제어
S1과 S2의 Duty Ratio를 조절하여 출력전압을 제어하는 것이 AC Chopper의 핵심으로 기록되어 있다.
16. Cycloconverter
다섯 번째 이미지에서는 Cycloconverter를 다음과 같이 기록한다.
즉 입력 AC를 직접 변환하여 더 낮은 주파수의 AC 출력을 만드는 방식이다.
17. Cycloconverter의 용도
원본에서는 Cycloconverter를 대형 전동기의 저속 운전에 적용하는 방향으로 기록한다.
18. Matrix Converter
여섯 번째와 일곱 번째 필기는 Matrix Converter를 다룬다.
출력단자 a, b, c를 입력단자 A, B, C 중 하나와 Switch를 통해 직접 연결하는 구조이다.
Input Output
A ──○──○──○───── a
B ──○──○──○───── b
C ──○──○──○───── c
Bidirectional
Switch
Matrix
19. Matrix Converter의 Switching Matrix
원본은 입력전압과 출력단자전압 관계를 Switching Matrix X로 기록한다.
X의 각 행은 해당 출력단자가 어느 입력상에 연결되는지를 나타내는 형태이다.
20. Switching Matrix의 예
여섯 번째 이미지에는 다음과 같은 Switching Matrix 예가 그려져 있다.
이 상태에서는 각 출력상이 서로 다른 입력상에 연결된다.
21. 전류의 변환
일곱 번째 이미지에서는 전류는 전압과 반대 방향으로 X의 Transpose를 사용하여 연결한다.
22. 출력 단자전압과 상전압
일곱 번째 이미지는 출력 단자전압 va, vb, vc와 출력 상전압 van, vbn, vcn을 구분한다.
23. 출력 상전압 행렬
위 관계를 Matrix로 정리하면 원본에는 다음과 같이 기록되어 있다.
24. Matrix Converter의 전체 관계
Input Phase Voltage
[VA VB VC]^T
│
▼
Switching Matrix X
│
▼
Output Terminal Voltage
[va vb vc]^T
│
▼
Neutral Voltage vn
= (va+vb+vc) / 3
│
▼
Output Phase Voltage
[van vbn vcn]^T
Current:
[iA iB iC]^T
=
X^T [ia ib ic]^T
25. 교재 요약 이미지
마지막 교재 이미지는 5장을 다음과 같이 요약한다.
- AC 전압 제어기는 위상제어 또는 Pulse Width Modulation으로 출력 전압·전류의 실효값을 조절한다.
- 위상제어 AC 전압 제어기는 SCR 또는 Triac을 사용한다.
- PWM AC Chopper는 완전제어 Switch를 사용한다.
- 3상 Cycloconverter는 직접 AC-AC 변환을 수행한다.
- Cycloconverter의 출력주파수는 입력주파수보다 낮은 분수주파수로 제한된다.
- Matrix Converter는 입력단자와 출력단자를 양방향 Switch로 직접 연결한다.
26. 응용 분야
교재 요약 이미지에 기록된 응용은 다음과 같다.
- 조명과 열 제어
- 변압기 Tap 변환
- 유도전동기 Soft Starter
- AC 전동기의 전 주기 제어
- Cycloconverter : 고전력 저속도 AC 가변속 구동
- Matrix Converter : 전기자동차, 신재생에너지원-Grid Interface 등
27. 방식별 비교
| 방식 | 제어 원리 | 원본 특징 |
|---|---|---|
| Phase Controller | SCR/Triac 점호각 제어 | AC 전압 실효값 조정 |
| PWM AC Chopper | 완전제어 Switch Duty Ratio | 입력역률·제어·출력전압 특성 개선 |
| Cycloconverter | 입력 AC 직접 조합 | 입력보다 낮은 출력주파수 |
| Matrix Converter | 입력-출력 직접 Switching Matrix | 양방향 Switch 사용, 직접 AC-AC 변환 |
28. 5장 전체 흐름
AC-AC Converter
│
┌─────────────────┼──────────────────┐
▼ ▼ ▼
Voltage Control Frequency Control Direct Matrix
│ │ │
┌────┴────┐ ▼ ▼
▼ ▼ Cycloconverter Matrix Converter
Phase PWM │ │
Control Chopper │ ▼
│ │ │ Switching Matrix X
SCR/Triac S1~S4 │ │
│ │ ▼ ▼
Firing Duty Ratio Low-Frequency AC va,vb,vc
Angle │ │
│ ▼ ▼
▼ Output RMS Neutral vn
Output Control │
RMS ▼
van,vbn,vcn
29. 이미지 핵심 정리
| 항목 | 원본 내용 |
|---|---|
| 5장 주제 | AC → AC Converter |
| 위상제어 소자 | SCR, Triac |
| 제어량 | Firing Angle α |
| 3상 AC Controller | 각 상 Switch 상태에 따라 출력전압 결정 |
| PWM AC Chopper | 완전제어 Switch + Duty Ratio |
| PWM 특징 | 입력역률, 제어특성, 출력전압 특성 개선 |
| Cycloconverter | 출력주파수는 입력주파수의 분수 |
| Matrix Converter Voltage | vout = X Vin |
| Matrix Converter Current | Iin = Xᵀ Iout |
| Neutral Voltage | vn=(va+vb+vc)/3 |
| Output Phase Voltage | [van vbn vcn]ᵀ = (1/3)[2 -1 -1; -1 2 -1; -1 -1 2][va vb vc]ᵀ |