【전기산업기사】 전기기기 6강. 정류기

전기기기 6강. 정류기

 

추천글 : 【전기산업기사】 전기기기 목차 

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1. 회전 변류기 [본문]

2. 전력용 반도체 소자 [본문]

3. 정류회로 [본문]

4. 수은정류기 [본문]

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1. 회전 변류기 [목차]

⑴ 전압비

 

 

① E_a : 교류측 전압 (슬립 링 사이의 전압) (V)

② E_d : 직류측 전압 (V)

⑵ 전류비

 

 

① I_l : 교류측 선전류 (A)

② I_d : 직류측 전류 (A)

⑶ 회전 변류기의 기동

① 교류측 기동법

② 기동 전동기에 의한 기동법

③ 직류측 기동법

⑷ 회전 변류기의 전압 조정법

① 직렬 리액턴스에 의한 방법

② 유도 전압 조정기를 사용하는 방법 

③ 부하 시 전압 조정 변압기를 사용하는 방법 

④ 동기 승압기에 의한 방법

⑸ 회전 변류기의 난조원인 및 방지대책

① 난조원인

○ 브러시의 위치가 중성점보다 늦은 위치에 있을 때

○ 직류측 부하가 급변 시

○ 교류측 주파수가 주기적으로 변동 시

○ 역률이 나쁠 시

○ 전기자 회로의 저항이 리액턴스에 비하여 큰 경우

② 난조의 방지대책

○ 제동 권선의 작용을 강하게 할 것 

○ 전기자 저항에 비하여 리액턴스를 크게 할 것 

○ 허용되는 범위 내에서 자극수를 적게 하고 기하학적 각도와 전기각의 차를 적게 할 것 

 

 

2. 전력용 반도체 소자 [목차]

⑴ 반도체

① 순수(진성) 반도체 

○ 최외각 전자가 4개인 원소

○ Si, Ge에 불순물을 혼합하지 않은 것 

② 불순물 반도체

○ N형 반도체(negative type semiconductor) : 4족 원소(Si, Ge) + 5족 원소(P, As, Sb)

○ P형 반도체(positive type semiconductor) : 4족 원소(Si, Ge) + 3족 원소(B, Ga, In)

⑵ 다이오드

① PN 접합 다이오드

○ P형 반도체 부분을 양극(애노드, anode)이라고 함

○ N형 반도체 부분을 음극(캐소드, cathode)이라고 함 

② 실리콘 정류기의 특성

○ 역방향 내전압이 큼

○ 전류 밀도가 큼 : 게르마늄의 2 ~ 3배. 셀렌의 500 ~ 1,000배

○ 온도에 의한 영향이 작음 : 최고 허용 온도 140 ~ 200 ℃

○ 효율은 가장 좋음 (99%)

○ 대용량 정류기에 적합 

③ 기능

○ 순방향 도통상태 : 양극의 전압이 음극에 비하여 높을 때 다이오드의 저항이 상당히 작은 상태가 됨 

○ 역방향 저지상태 : 양극의 전압이 음극에 비하여 낮을 때 다이오드의 저항이 상당히 큰 상태가 됨

○ 누설전류 : 역방향 저지상태에서도 수십 mA 정도의 전류가 흐르는 경우

○ 다이오드의 정격전류 : 다이오드가 파괴되지 않고 순방향으로 통과시킬 수 있는 최대 전류

○ 다이오드의 정격전압 : 다이오드가 견딜 수 있는 최대 역전압

⑶ 사이리스터(thyristor) : SCR(silicon controlled rectifier)이 대표적

① 정의 : 사용자가 ON, OFF를 시킬 수 있는 다이오드 

② 기능

○ 게이트 단자에 전류가 있을 때, SCR에 순방향 전압을 인가하면 도통, 역방향 전압을 인가하면 불통

○ 게이트 단자에 전류가 없을 때, SCR은 불통 

○ 순방향 전압이 걸려 있을 때 전류를 차단해도 도통 유지

○ 역방향 전압을 걸어서 전류가 멈추면 불통(SCR의 소호)

○ 래칭전류 : SCR이 ON되기 위하여 애노드에서 캐소드 쪽으로 흘러야 할 최소 전류

○ 유지전류 : SCR이 ON 된 후에 ON 상태를 유지하기 위한 최소전류, 래칭전류보다 작음

③ SCR의 특징

○ 아크가 생기지 않으므로 열의 발생이 적음

○ 과전압에 약함

○ 열용량이 적어 고온에 약함

○ 게이트 신호를 인가할 때부터 도통할 때까지의 시간이 짧음

○ 전류가 흐르고 있을 때 양극의 전압강하가 적음

○ 역률각 이하에서는 제어가 되지 않음

⑷ GTO(gate turn off thyristor)

① SCR의 단점 : 도통 시점은 조절 가능하지만, 소호 시점은 조절 불가

② 게이트에 흐르는 전류를 점호할 때와 반대 방향으로 흐르게 함으로써 임의로 GTO를 소호 가능

③ 응용 예 : 초퍼 직류 스위치

⑸ TRIAC(trielectrode AC switch)

① 정의 : 2개의 SCR을 역병렬 접속한 것

② TRIAC의 게이트에 전류를 흘리면 전압이 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 도통

③ 일단 도통되면 전압의 극성이 바뀌고 전류가 더 이상 흐르지 않을 때까지 계속 도통돼 있음 (참고 : SCR) 

④ 특징 : 반도체 스위치와 달리 고전류, 고전압에서도 사용할 수 있음 

○ 예 : BTB 24-600B의 허용전압, 허용전류는 600 V, 25 A

⑤ 응용 : 조광장치, 교류 스위치

⑹ BJT 트랜지스터 (전력용 트랜지스터)

① NPN형과 PNP형으로 구분 : 대부분 NPN 트랜지스터를 기준으로 설명

② 도통 시 전류는 컬렉터에서 이미터 쪽으로 흐름 : 역방향으로는 흐를 수 없음

③ 전압-전류 특성은 베이스 전류에 의해 조절 

④ 트랜지스터의 도통상태를 유지하기 위해 계속 베이스 전류를 흘려야 함 

⑺ FET 트랜지스터

① JFET 트랜지스터와 MOSFET 트랜지스터(metal oxide silicon field effect transistor)가 대부분 : MOSFET가 대부분

② BJT 트랜지스터와의 비교 

○ BJT 트랜지스터는 베이스 전류에 의해 제어 

○ FET 트랜지스터는 게이트와 소스 사이에 걸리는 전압으로 제어

○ FET 트랜지스터의 장점 : 스위칭 속도가 빠름

○ FET 트랜지스터의 단점 : 용량이 적어서 비교적 작은 전력 범위 내에서 작용 

⑻ IGBT(insulated gate bipolar transistor)

① 정의 : BJT 트랜지스터와 FET 트랜지스터의 장점을 취한 것

② 특징

○ 소스에 대한 게이트의 전압으로 도통과 차단을 제어

○ 게이트 구동 전력이 매우 낮음

○ 스위칭 속도 : BJT 트랜지스터와 FET 트랜지스터의 중간 정도로 빠른 편

○ 용량 : BJT 트랜지스터와 동등한 수준 

⑼ 각종 반도체 소자 비교

 

	명칭		단자	신호	응용 예
사이리스터	역저지 사이리스터	SCR	3단자	게이트 신호	정류기 인버터
		LASCR		빛 또는 게이트 신호	정지스위치 및 응용 스위치
		GTO		게이트 신호 on, off	초퍼 직류 스위치
		SCS	4단자
	쌍방향 사이리스터	SCS	2단자	과전압 또는 전압상승률	조광장치, 교류 스위치
		TRIAC	3단자	게이트 신호	조광장치, 교류 스위치
		역도통 사이리스터		게이트 신호	직류 효과
다이오드			2단자		정류기
트랜지스터			3단자		증폭기

Table. 1. 각종 반도체 소자 비교 

 

 

3. 정류회로 [목차]

⑴ 단상 반파정류회로

① 회로도

② 다이오드의 경우

 

 

③ SCR의 경우

 

 

④ PIV = V_d × π

⑵ 단상 전파정류회로

① 회로도

② 다이오드의 경우

 

 

③ SCR의 경우

 

 

④ 효율 : 81.2%

⑤ PIV = V_d × π

⑶ 다상 정류

 

 

⑷ 전력변환 

① 사이클로 컨버터(cyclo-converter) : AC 전력 증폭 

○ 전원 주파수와 다른 주파수의 전력으로 변환

○ 정지 사이리스터 회로 이용

② 초퍼(chopper) : DC 전력 증폭

③ 인버터(inverter) : 직류를 교류로 변환

④ 컨버터(converter) : 교류를 직류로 변환

⑸ 맥동률 

① 맥동률² = (실효값² - 평균값²) ÷ 평균값² × 100 = 교류분 ÷ 직류분 × 100 (%)

② 정류상수를 크게하면 맥동주파수는 높으나 맥동률 감소

③ 단상 전파 : 48%

④ 3상 반파 : 17%

⑹ PIV (첨두 역전압) : 교류전압(실효값) E, 직류전압 E_d에 대해

① 단상 반파 정류 회로

 

 

② 단상 전파 정류 회로

 

 

 

4. 수은정류기 [목차]

⑴ 아크 전압 강하

① 음극 강하 : 약 10 V 정도

② 양극 강하 : 약 4 ~ 7 V 정도

③ 양광주 강하 : 약 0.05 ~ 0.3 V/cm × 아크 길이 

④ 아크 전압 : ① ~ ③를 합한 것. 16 ~ 30 V 정도

⑵ 이상 현상

① 역호

② 이상 전압

③ 통호

④ 실호

⑶ 역호의 발생 원인

① 내부 잔존 가스 압력의 상승

② 화성 불충분

③ 양극의 수은 방울의 부착

④ 양극 표면의 불순물의 부착

⑤ 양극 재료의 불량

⑥ 전류 전압의 과대

⑦ 증기 밀도의 과대 

⑷ 역호의 방지 방법

① 역정류기를 과부하로 되지 않도록 할 것

② 냉각 장치에 주의하여 과열, 과냉을 피할 것

③ 진공도를 충분히 높게 할 것

④ 양극 재료의 선택에 주의할 것

⑤ 양극에 직접 수은 증기가 접촉되지 않도록 양극부의 유리를 구부릴 것

⑥ 철제 수은 정류자에서 그리드를 설치하고 이것을 부전위하여 역호를 저지할 것

⑸ 효율  

 

 

① E_d : 직류측 전압

② E_a : 아크 전압. 거의 일정

③ I_d : 직류측 전류

 

 

입력 : 2019.11.25 23:07