가전제품에 숨어 있는 전력전자 찾기

일반가정에서 세상으로 통하는 창 TV! LED TV의 화면 밝기를 조절해 본 적이 있을 것이다. 화면 밝기는 LBD에서 방출되는 빛의 세기에 따라 결정되며 LBD에서 나오는 빛 의 세기는 LED를 통해 흐르는 전류에 비례한다. 그리고 이 전류는 교류가 아닌 직류이므로 결국 직류전류의 크기를 제어함으로써 화면의 밝기가 조절되는 것이다. 그런데 TV 전원은 교류 220V 이지 않은가! TV를 분해해 보면 교류 220V를 직류로 변환하면서 직류의 전류를 임의로 변화시킬 수 있는 전원장치가 들어 있음을 알 수 있다. 이 전원장 치가 전력을 변환하는 전력전자기술로 이루어진 것이며 이것이 제대로 작동을 하지 않으면 TV를 제대로 볼 수 없다.

지금으로부터 130여년 전인 1879년 에디슨이 발명한 백열전구는 "어둠을 몰아낸 제 2의 빛"이라는 찬사를 받으며 전 세계의 밤 문화를 바꾸어 놓았다. 그런데 백열전구는 전기 에너지의 90% 정도를 열로 낭비한다는 치명적인 단점이 있어서 형광등보다도 효율이 낮다. LED로 조명을 하면 백열전구가 소모하는 전기에너지의 1/6만 가지고도 동일한 밝기를 얻을 수 있다. 뿐만 아니라 수명도 LED 조명이 백열전구보다 15배 정도 길어서 전 세계적으로 LED 조명으로 전환되고 있다. 아쉽게도 백열전구는 이제 박물관으로 들어가게 되었다. 2014년부터 백열전구는 국내 생산이 중단되었으며 수입도 전 면 중단되었다. 이처럼 에너지 문제는 100여년의 역사를 자랑하는 백열전구의 아성을 하루아침에 무너뜨릴 정도로 심각하게 대두되고 있다. LED 수명은 50,000시간 이상에 달한다는 큰 장점이 있으나 LED 밝기 조절을 위한 직류전원 장치의 수명은 그리 길지 않다. 직류전원 장치의 수명을 LBD 수명 정도로 확보하기 위해서는 고도의 전력변환기 술이 필요하다.

한여름에 에어컨 없이 지낸다는 것은 참으로 힘든 일이다. 학습 및 업무능력이 심각하게 떨어지므로 시원한 에어컨을 찾게 되는데 에어컨의 주요 구성품은 열교환기, 팬, 컴 프레셔, 제어기, 전동기 및 전동기 구동장치 등이다. 에어컨 메이커들은 품질, 효율, 가격 경쟁력의 세 가지 조건을 모두 확보하기 위한 기술개발에 열을 올리고 있다. 컴프레 셔 구동을 위한 전동기로는 예전에는 유도전동기를 사용하였으나 최근에는 고효율화를 달성하기 위하여 BLDC(Blushless DC)전동기로 교체하였으며 BLDC 전동기를 구동하기 위해서는 3상 인버터가 필요하다. 3상 인버터라고 하는 것은 직류전원을 3상의 교류로 변환시키는 것인데 가정이나 일반사무실에서 사용하는 에어컨의 전원은 단상교류 220V이지 않는가!

 

따라서 단상 220V를 직류로 변환하는 장치와 이 직류를 다시 3상의 교류로 변환하는 장치가 필요한데 이들 전력변환장치의 성능은 에어컨 전체 효율 과 품질에 결정적인 영향을 미친다. 참고로 냉장고의 기본원리도 에어컨과 유사하다.

전 세계 여성들을 가사노동으로부터 해방시킨 세탁기! 우리나라에서 세탁기가 생산되 기 시작한 것은 1969년도부터지만 본격적인 보급은 1970년대 말경부터 이루어졌다. 세탁기가 운전 중일 때 자세히 관찰해 보면 기본 행정이 세탁, 헹굼, 탈수로 이루어지며 세탁 시에는 세탁봉이 좌로 회전하다가 다시 오른쪽으로 회전하기를 반복해가며 세탁효율 을 극대화 하고 있다. 세탁봉을 좌우로 회전시키는 것은 전동기에 의해 이루어지는데 결국 전동기를 정회전시켰다가 역회전시키기를 반복하는 것이다. 세탁기용 전동기도 고효 율화 때문에 대부분 BLDC 전동기를 사용하므로 역시 3상 인버터가 필요한데 에어컨이 나 냉장고와는 달리 전동기의 정•역회전이 가능하도록 제어한다. 탈수모드에서는 원심력을 이용하여 물기를 제거해야 하므로 고속회전이 필요한데, 이때는 전동기의 회전속도를 1300rpm 정도로 증가시킨다. 세탁 시에는 50rpm 정도의 저속으로 동작시키다 가 탈수 시에는 고속으로 동작하도록 하는 것은 바로 전력변환장치가 담당하는 것이며 고속회전 시 소음과 진동을 최소로 하기 위해서는 고도의 전력전자기술이 필요한 가마솥!! 무거운 뚜껑으로 압력밥솥 효과가 있어 밥맛이 좋았다. 요즘 시판되고 있는 전기압력밥솥의 내부압력을 대기압보다 높은 1.2기압 정도로 높여서 물의 끓는점을 120°C 정도로 함으로써 요리 시간도 줄이고 연료도 절약하는 일석이조의 효과를 보고 있다. 더군다나 요리 시간을 단축함으로써 요리 과정에서 쉽게 파괴되는 비타민이나 무기질 의 손실도 최소화한다고 한다.

 

이러한 전기압력밥솥에는 열판 가열 방식과 IH(Induction Heating : 유도가열) 방식이 있다. 열판 가열 방식은 바닥면의 히터가 열판을 가열하여 내 부 솥에 전달하는 간접 가열 방식이므로 쌀의 양이 많을 경우에 밑부분은 타고 윗부분은 덜 익는 층층 밥이 되는 수도 있다. 그런데 IH 방식은 내부 솥 전체를 둘러싸고 있는 전 기코일의 전자기유도 작용으로 내부 솥 자체가 직접 발열하는 직접 가열 방식이라 할 수 있다. 이를 좀 더 자세히 살펴보자. 밥솥 뚜껑을 열어보면 쌀을 넣을 수 있는 내부 솥 (재질 : 알루미늄)이 있고 이 내부 솥을 들어내고 밥솥 내부를 보면 스테인리스로 되어 있는 외부 솥이 보인다. 이 외부 솥 바깥쪽에 유도가열용 코일이 바닥과 측면에 감겨져 있는데 이 부분은 밥솥 프레임 속에 숨어 있으므로 볼 수는 없다. 이 코일에 20kHz~40kHz의 고주파 전류를 흘리면 스테인리스로 된 외부 솥에 와전류가 유도되어 마치 외부 솥 자체가 하나의 히터처럼 되는데 따라서 바닥과 측면에 열이 골고루 발생하게 된다.

이 열이 알루미늄으로 된 내부 솥 전체를 통째로 가열함으로써 이른 시일 안에 맛있는 밥을 짓게 되는 것이다. 여기서 문제는 20kHz~40kHz의 고주파 전류를 어떻게 만들 것인가?' 하는 것이다. IH 전기밥솥에 공급되는 전기는 단상교류 220V 60Hz이지 않은가! 전력전자 기술은 전기를 가공하는 기술! 이럴 때에는 단상교류 220 Y를 직류로 일단 변환한 다음 이 직류를 20 kHz~40kHz의 고주파 교류로 변환하는 방식을 주로 사용한다. IH 전기밥솥 내부에는 이러한 전기가공 장치가 숨어 있다. IH 전기밥솥, IH 레인 지 등 1H 조리 기구들의 작동 원리는 다 유사하다.

컴퓨터와 전기장판에 숨어 있는 전력전자기술은 2장과 4장에서 자세히 소개하였다. 이 외에도 가정 및 일반사무실에 사용되고 있는 제품 중에서 전력전자기술이 활용되고 있는 것들로는 러닝머신, 전동안마의자, 믹서, 휴대폰 충전기, 전동칫솔과 무선충전기, 인버터 스탠드, 형광등용 전자식 안정기, 서버 등을 들 수 있다.