전력 전자의 기술 동향 - 전류 소스 인버터(CSI) -

지난 시간에 포스팅한 전압 소스 인버터에 이어서 이번엔  전류 소스 인버터(CSI)에 대한 소개와 최신 기술 동향에 대해서  포스팅해 보겠습니다.

 

3상 전류 소스 인버터의 기본 회로도

 - 전류 소스 인버터(CSI)  소개 -

 

전압 소스 인버터(CSI)의  정의

 

전류 소스 인버터(CSI)는 전력 시스템에서 직류(DC)를 교류(AC)로 변환하는 데 사용되는 전력 전자 장치의 일종입니다. 고정 전압 진폭을 유지하는 전압 소스 인버터(VSI)와 달리 CSI는 전압이 변할 수 있도록 허용하면서 AC 측에서 일정한 전류 진폭을 유지합니다. 전류 소스 인버터의 주요 특징은 부하 임피던스의 변화나 입력 전압의 변화에 관계없이 AC 부하에 일정한 출력 전류를 전달한다는 것입니다. 이는 부하와 직렬로 연결된 인덕터를 통해 출력 전류를 제어함으로써 달성됩니다. 인덕터는 전류 소스 역할을 하여 출력 전류를 조절합니다.
CSI의 작동에는 다음과 같은 주요 구성 요소가 포함됩니다.

 

전압 소스 인버터(CSI)의 구성요소

1. DC 전원

일반적으로 배터리 또는 정류기와 같은 DC 전원 공급 장치는 CSI에 입력 DC 전압을 제공합니다.

2. 인버터 브리지

인버터 브리지는 스위칭 장치로 구성되며, 일반적으로 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT) 또는 전력 MOSFET으로 구성됩니다. 이러한 장치는 인덕터와 부하를 가로지르는 DC 입력 전압을 특정 순서로 전환하여 원하는 AC 파형을 생성하도록 제어됩니다.

3. 인덕터

부하와 직렬로 연결된 인덕터는 전류 소스 역할을 합니다. 비교적 일정한 전류 흐름을 유지하여 부하 변화에 관계없이 안정적인 출력 전류를 제공합니다.

4. AC 부하

전기 모터 또는 저항 부하와 같은 AC 부하는 CSI의 출력에 연결되며 인버터에서 생성된 AC 전력을 공급받습니다.

CSI의 제어 전략에는 원하는 전류 크기와 주파수를 유지하기 위해 인버터 브리지의 스위칭 패턴을 조정하는 것이 포함됩니다. 제어 시스템은 출력 전류를 모니터링하고 그에 따라 스위칭 신호를 조정하여 출력 전류 진폭을 조절합니다.
전류 소스 인버터는 재생 에너지 시스템, 모터 드라이브, 무정전 전원 공급 장치(UPS), 전기 자동차 파워트레인 등 다양한 분야에서 활용되고 있습니다. 전류 소스 인버터는 높은 전류 안정성, 고유한 단락 보호 기능, 유도성 부하와의 호환성 등의 이점을 제공합니다.

전압 소스 인버터(CSI)의 종류들

 

전류 소스 인버터(CSI)는 크게 두 가지 종류로 나눌 수 있습니다.

1. 자체 정류 CSI

이 유형의 CSI는 인버터 브리지의 스위칭 소자로 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT) 또는 파워 MOSFET과 같은 자체 정류 소자를 사용합니다. 자체 정류 CSI는 출력 전류 파형과 주파수를 제어하는 측면에서 더 나은 제어성과 유연성을 제공합니다. 일반적으로 정밀한 제어와 높은 스위칭 주파수가 필요한 고전력 애플리케이션에 사용됩니다.

2. 라인 정류 CSI

부하 정류 인버터라고도 하는 라인 정류 CSI는 AC 전력 시스템의 특성에 의존하여 정류를 수행합니다. 인버터 브리지는 스위칭 요소인 다이오드와 사이리스터로 구성됩니다. 사이리스터의 정류는 라인 전압과 동기화되어 AC 파형의 각 반주기 동안 전류 흐름을 역전시킬 수 있습니다. 라인 정류 CSI는 일반적으로 인버터의 정류가 그리드 주파수와 동기화되는 고전압 직류(HVDC) 전송 시스템과 같은 고전력 애플리케이션에 사용됩니다.

자체 정류와 라인 정류 CSI는 사용되는 스위칭 장치와 정류 메커니즘에 따라 구분된다는 점에 유의할 필요가 있습니다. 두 유형의 CSI 모두 장단점이 있으며, 선택은 특정 애플리케이션 요구 사항, 시스템 제약 및 비용 고려 사항에 따라 달라집니다.

 

 - 전압 소스 인버터의 현재 기술 동향 -

 

최근 전력 전자 제품에서 전류 소스 인버터(CSI)의 응용 분야는 다음과 같습니다.

1. 그리드 연결 에너지 저장 시스템

CSI는 그리드 연결 에너지 저장 시스템에서 저장 장치(예: 배터리 또는 슈퍼 커패시터)의 DC 전력을 그리드에 주입할 수 있는 AC 전력으로 변환하는 데 사용됩니다. CSI는 에너지 저장 애플리케이션에서 효율적이고 안정적인 전력 변환을 제공하여 재생 에너지원의 효과적인 그리드 통합 및 활용을 가능하게 합니다.

2. 전기 자동차(EV) 충전

CSI는 전기 자동차 충전 인프라에서 중요한 역할을 합니다. 충전소 또는 배터리의 DC 전력을 전기 자동차 충전용 AC 전원으로 변환하는 데 사용됩니다. CSI는 높은 제어 가능성, 빠른 응답, 다양한 충전 표준과의 호환성 등의 이점을 제공하여 효율적이고 안정적인 전기 자동차 충전을 가능하게 합니다.

3. 마이크로그리드

CSI는 마이크로그리드 시스템에 사용되어 태양광 패널, 풍력 터빈, 에너지 저장 시스템과 같은 분산 에너지 자원(DER)을 원활하게 통합할 수 있습니다. CSI는 마이크로그리드 내에서 효율적인 전력 변환 및 제어를 보장하여 재생 에너지원을 최적으로 활용하고 그리드에 독립적으로 작동할 수 있도록 합니다.

4. 고출력 모터 드라이브

CSI는 특히 광업, 석유 및 가스, 해양과 같은 산업에서 고출력 모터 드라이브에 사용됩니다. 고출력 모터를 정밀하고 안정적으로 제어하여 높은 토크 제어, 회생 제동, 향상된 동적 응답과 같은 이점을 제공합니다.

5. 산업용 애플리케이션

CSI는 용접기, 무정전 전원 공급 장치(UPS), 가변 속도 드라이브 등 다양한 산업용 애플리케이션에 활용됩니다. 안정적이고 제어된 AC 전력 변환을 제공하여 산업 공정의 신뢰성과 효율성을 보장합니다.

6. 전력 품질 개선

CSI는 배전 시스템의 전력 품질 개선에 사용할 수 있습니다. 무효 전류를 주입하거나 고조파 구성 요소를 보상함으로써 CSI는 역률 문제, 전압 변동, 고조파 왜곡을 완화하여 시스템의 전반적인 전력 품질을 향상할 수 있습니다.

7. 취약한 그리드에서 재생 에너지 통합

CSI는 재생 가능 에너지원을 취약하거나 불안정한 그리드에 통합해야 하는 시나리오에서 사용됩니다. 출력 전류와 전압을 조절하여 그리드의 안정성과 신뢰성을 개선함으로써 향상된 그리드 지원을 제공합니다.

CSI의 적용은 지속적으로 발전하고 있으며, 성능과 효율성을 향상하기 위해 다양한 분야에서 새로운 발전이 이루어지고 있다는 점에 유의하는 것이 중요합니다.

 

 - 전압 소스 인버터의 한계점들 -

 

전류 소스 인버터(CSI)는 여러 가지 장점이 있지만, 특정 문제와 한계도 있습니다. 전류 소스 인버터와 관련된 몇 가지 문제는 다음과 같습니다:

1. 복잡성 및 비용

CSI는 일반적으로 전류 제어를 유지하기 위해 인덕터 및 커패시터와 같은 추가 구성 요소가 필요하므로 복잡성이 추가되고 전체 시스템 비용이 증가합니다. 이러한 추가 구성 요소가 필요하기 때문에 CSI는 전압 소스 인버터(VSI)에 비해 더 비쌀 수 있습니다.

2. 제한된 전압 제어

출력 전압 크기와 주파수를 쉽게 제어할 수 있는 VSI와 달리 CSI는 전압 제어 기능이 제한적입니다. CSI의 출력 전압은 부하 임피던스에 따라 달라지며, 부하 임피던스의 변화는 전압 변동을 초래할 수 있습니다.

3. 제한된 과부하 기능

CSI는 VSI에 비해 과부하 기능이 제한적입니다. 과부하가 높은 조건에서 CSI는 원하는 출력 전류 진폭을 유지하는 데 어려움을 겪을 수 있으며, 이로 인해 성능이 저하되거나 잠재적인 시스템 불안정성이 발생할 수 있습니다.

4. 높은 고조파 왜곡

CSI는 VSI에 비해 출력 전류 파형에서 더 높은 고조파 왜곡을 생성하는 경향이 있습니다. 이로 인해 고조파 함량이 증가하고 시스템의 전력 품질에 잠재적으로 부정적인 영향을 미쳐 연결된 다른 장비에 영향을 미칠 수 있습니다.

5. 경부하에서의 낮은 효율성

CSI는 전류 제어 루프에 인덕터가 존재하기 때문에 경부하 조건에서 효율이 낮을 수 있습니다. 인덕터는 에너지를 소비하므로 추가 손실이 발생하고 전체 효율이 저하됩니다.

6. 제한된 내결함성

CSI는 특히 단락 또는 갑작스러운 부하 변화 시 내결함성 기능이 제한될 수 있습니다. 적절한 보호 및 제어 메커니즘이 없으면 고장 조건으로 인해 시스템이 불안정해지거나 인버터 구성품이 손상될 수 있습니다.

7. 제어 복잡성

정전류 출력을 유지해야 하기 때문에 CSI의 제어 전략은 VSI에 비해 더 복잡할 수 있습니다. 정확한 전류 조정에 필요한 제어 알고리즘과 피드백 시스템은 구현 및 조정이 더 까다로울 수 있습니다.

이러한 문제가 모든 CSI에 내재된 것은 아니며 적절한 설계 고려 사항, 제어 알고리즘 및 시스템 통합 기술을 통해 완화하거나 해결할 수 있다는 점에 유의하는 것이 중요합니다. 전력 전자 및 제어 기술의 발전은 이러한 문제를 지속적으로 해결하고 전류 소스 인버터의 성능을 개선하고 있습니다.

이상, 전력전자 시장에서 사용하는 전류 소스 인버터에 대한 소개와 최신 기술 동향에 대해서  포스팅을 마치겠습니다.

긴 글 읽어봐 주셔서 감사드립니다.