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| 스텝업 (승압) 초퍼 |
1. 개요
초퍼(Chopper) 장치는 직류-직류 컨버터로, 요약하면 직류에서 구현된 변압기이다.특성상 변압이 매우 쉬운 교류전력과는 달리, 직류에서의 변압은 20세기 중후반 당시의 기술 기준에서는 매우 복잡한 일이었다. 강압의 경우 스위치를 매우 빨리 여닫고[1], 부하단에 인덕턴스를 주어 맥류를 평활화하면 된다는 것은 알았고, 승압의 경우에는 전원단에 인덕턴스를 주어 저장된 자속에서 유도된 전력을 추가하면 된다는 사실은 알았지만, 그 스위치를 매우 빨리 여닫는 과정을 구현하기도 쉽지 않았다. 심지어 실용적인 범위, 즉 전동기 드라이브로써 사용하려면 나아가서 스위칭 속도를 변속해야 하므로 그 난이도는 더 올라가게 되었다.
전기적으로 제어 가능한 스위치인 반도체 트랜지스터가 개발되고 나서 초퍼제어 구현의 난이도는 크게 낮아지게 된다. 다만 발열 등 여러 문제로 트랜지스터의 내압성을 높이는 과정이 힘들었기 때문에 대전력 솔루션에는 적용하기 힘들었고, 초창기의 대전력 솔루션은 주로 사이리스터에 턴오프 기능을 추가하는 식으로 구현된 바가 많다.
초퍼제어를 좀 더 범용성 있게 확장하여 극성변화와 PWM으로 교류로 변환하는 것이 인버터이며, 인버터가 대중화된 뒤로는 초퍼제어라는 용어 대신에, 출력이 직류면 컨버터, 교류면 인버터라는 명칭이 폭넓게 사용되며 용어 자체의 사용이 줄어들게 되었다. 다만 전동기 구동 드라이브로써는 초퍼제어라는 용어가 여전히 사용되곤 한다.
2. 철도에서의 사용
- 전기자 초퍼제어
- 계자 초퍼제어: 근본적으로는 저항제어를 사용하되, 약계자제어를 수행하는 과정에서 계자 회로를 분리, 직류전원을 초퍼제어한 것이 바로 계자 초퍼제어다. 복권전동기 주회로와 분리되었기 때문에 자속만 원하는만큼 제어할 수 있다면 상관 없었으므로, 전기자 초퍼제어에 비해서는 저렴하게 도입이 가능했다. 다만 어디까지나 약계자제어의 부속이므로 저속에서의 회생제동은 전기자 초퍼제어와 달리 불가능했고, 복권전동기의 사용이 필요했지만, 어차피 고속에서의 제동에 의한 제동자 마모가 훨씬 크기 때문에 일본의 사설철도 회사들을 중심으로 채용된 바가 많다. 한국에서의 초퍼제어 채용 철도차량은 전부 전기자 사이리스터 초퍼제어이므로 해당되는 차량이 없다.
- 분권 초퍼제어: 고주파 분권 초퍼제어, 또는 4상한 초퍼제어로 불리는 방식으로, 일본의 지하철 차량에서 인버터로 넘어가기 직전인 과도기에 등장했던 방식이다. 직권도 복권도 아닌 직류분권전동기를 사용하며, 소형화된 GTO를 사용해 전기자와 계자 회로를 각각 초퍼제어함으로써 효율을 도모함은 물론, 지하철에서 문제가 되던 기존의 발열 처리 문제를 경감할 수 있었다. 직류정류자전동기 구동의 최종 형태지만, 직류정류자전동기의 근본적인 한계가 있었으므로 인버터가 대중화된 뒤로는 사장되었다.
[1] Chop이 잘게 자르다라는 뜻이 있는데 이 스위치를 매우 빨리 여닫는 과정이 단어의 의미와 맞아 떨어지기 때문에 사용되었다. Chop 이외에도 Step 같은 표현을 써서 Stepper 등의 표현도 사용된 바 있다.