KR0175510B1 - 변압기 중성점을 이용한 2단 순차 위상제어 정류회로 - Google Patents

변압기 중성점을 이용한 2단 순차 위상제어 정류회로 Download PDF

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Abstract

본 발명은 정류회로에 관한 것으로서, 특히 정류회로의 고역을 운전하기 위하여 순차 위상제어를 행하는 경우에 있어서 회로 구성 소자수를 최소화하는 한편 동작시 도통 소자수를 최소화함으로써 경제성 및 효율향상을 도모한 변압기 중성점을 이용한 2단 순차 위상제어 정류회로이다.

Description

변압기 중성점을 이용한 2단 순차 위상제어 정류회로
본 발명은 정류회로에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 정류기의 역율향상을 위하여 순차 위상제어를 행함에 있어 변압기 중성점을 이용하여 회로를 구성함으로써 소자수를 줄임과 동시에 동작시 도통 소자수를 최소화한 대전류 출력용 정류장치에 유용한 변압기 중성점을 이용한 2단 순차 위상제어 정류회로에 관한 것이다.
종래의 순차 위상제어 정류회로는 제1a도 및 제1b도에 나타낸 바와 같이 풀 브리지 콘버터 또는 세미콘버터를 단순히 직렬로 접속하여 이들 각 콘버터를 순차적으로 위상제어하는 방식이다.
제1a도는 풀브리지 콘버터를 2단 접속한 순차 위상제어 정류회로를 나타낸 것이고, 제1b도는 세미콘버터를 2단 접속한 순차 위상제어 정류회로를 나타낸 것이다.
풀브리지 콘버터를 2단 접속한 순차 위상제어 정류회로(제1a도)의 구성에는 모두 8개의 다이리스터가 소요되고 이는 2상한 동작이 필요한 경우에 적용되며, 세미콘버터를 2단 접속한 순차 위상제어 정류회로(제1b도)의 구성에는 4개의 다이리스터와 4개의 다이오드가 소요되며 이는 부(-)전압 출력이 필요하지 않은 1상한 동작이 필요한 경우에 적용된다.
상기한 정류회로에 있어서는 어느 경우든 정류회로의 동작시 도통 소자수가 4개가 되는데 특히 대전류 출력의 경우 소자에서 발생하는 스위칭 손실 및 소자의 도통 손실이 크기 때문에 이에 따라 효율이 저하된다는 문제점이 있다.
본 발명의 이러한 문제점을 해결하기 위하여 변압기 중성점을 이용하여 2단 순차 위상제어 정류회로를 구현하는 것을 특징으로 한다.
제1a도, 제1b도는 종래의 2단 순차 위상제어 정류회로.
제2도는 본 발명의 회로도.
제3a도 내지 제3e도는 본 발명 정류회로의 모드별 회로 동작 설명도.
제4도는 본 발명 정류회로를 제어하는 제어부의 블록 구성도.
제5도는 본 발명의 전기적 특성을 평가하기 위한 실험계의 블록 구성도.
제6a도 내지 제6j도는 본 발명 정류회로의 실험 결과를 보인 전기적 특성도.
제7도는 제6a도 내지 제6j도에 나타낸 본 발명의 전기적 특성을 종합한 표.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 변압기 20 : 하단 정류부
30 : 상단 정류부 40 : 제어부
41 : 위상 검출회로 42 : 반송파 발생기
43 : 전류 검출회로 44 : 전류 설정 검출회로
45 : 전류 오차 검출회로 46 : 비례적분미분 보상기
47 : 위상제어각 결정회로 48 : 위상제어각 신호 발생기
49 : 위상제어각 제한기 D1, D2 : 다이오드
T11, T12, T21, T22 : 다이리스터 Lf: 인덕터
본 발명의 일 실시예에 따른 구성은 제2도에 나타낸 바와 같다.
즉, 1차측에 대하여 중성점이 있는 독립된 2개의 2차 권선을 갖는 변압기(10)와, 상기 변압기(10)의 2차측 권선 A에 접속되며 위상제어를 위한 다이리스터(T11)(T12) 및 다이오드(D1)로 이루어진 하단 정류부(20)와, 2차측 권선 B에 접속되며 위상제어를 위한 다이리스터(T21)(T22) 및 다이오드(D2)로 이루어진 상단 정류부(30)로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 정류회로는 출력측에 출력전류필터용 인덕터(Lf)를 더 포함하여 구성할 수 있다.
이하 상기와 같은 구성을 갖는 본 발명의 일 실시예에 따른 작용을 설명한다.
제4도는 본 발명의 정류회로를 제어하는 제어부(40)의 블록 구성도로서 본 발명을 직류 아크 용접기에 적용하는 경우를 예로 든 것이다.
정류회로의 출력은 제어부(40)가 상단, 하단 정류부(20)(30)의 다이리스터(T11)(T12)(T21)(T22)의 게이트를 제어함에 의해 제어된다.
제어부(40)가 정류회로를 제어하는 과정을 설명하면, 위상 검출회로(41)가 전원부에서 공급되는 상용 단상교류전원의 전압에서 위상을 검출하여 반송파 발생기(42)에 출력하면 반송파 발생기(42)는 검출된 위상에 맞춰 반송파를 발생시켜 위상제어각 결정회로(47)에 출력한다.
한편, 전류 검출회로(43)는 정류회로의 출력전류(i실제)를 검출하여 전류 오차 검출회로(45)에 공급하고, 상기 전류 오차 검출회로(45)는 전류 설정회로(44)에서 설정된 전류값(i설정)과 상기 전류 검출회로(43)에서 검출한 값을 비교하여 그 차(e=i설정-i실제)를 비례적분미분 보상기(46)에 출력한다.
비례적분미분 보상기(46)는 상기 전류 오차 검출회로(43)의 출력(e)을 이용하여 하기의 수학식 1에 따라 위상제어각(위상제어각) 결정에 필요한 제어입력(u)을 위상제어각 결정회로(47)에 출력한다.
여기서 Kp는 비례보상기의 이득이고, KI는 적분보상기의 이득이며, Kd는 미분보상기의 이득을 나타낸다. 각 보상기의 이득은 장시간에 걸친 실험적 방법에 의하여 결정된다.
위상제어각 결정회로(47)는 상기 비례적분미분 보상기(46)의 제어입력(u)과 반송파 발생기(42)의 출력 반송파를 이용하여 위상제어각을 결정하여 위상제어각 신호 발생기(48)에 출력하고, 위상제어각 신호 발생기(48)는 이를 증폭하여 상단, 하단 정류부(20)(30)의 다이리스터(T11)(T12)(T21)(T22)의 게이트를 구동시키는 제어신호를 출력함으로써 정류회로를 제어하게 된다.
한편, 출력전압의 최대값을 제한할 필요가 있는 경우(예:직류 아크 용접기용 정류장치)에는 위상제어각 제한기(49)를 구성하여 입력전압의 상승 등에 있어서도 무부하시의 출력전압이 최대값을 넘지 못하도록 정류회로의 출력전압을 검출하고 그 정보를 위상제어각 신호 발생기(48)에 제공함으로써 정류회로의 출력전압의 최대값을 제한할 수 있다.
상기와 같은 제어부(40)에 의해 제어되는 본 발명의 정류회로는 제3a도 내지 제3e도에 나타낸 바와 같이 항상 2개의 소자만이 도통되는 5가지 모드로 동작한다.
제3a도와 제3b도에 나타낸 모드 1과 모드 2는 낮은 출력전압이 요구될 때에 상단 정류부(30)는 휴지의 상태에서 하단 정류부(20)만이 동작하는 모드이다.
제3a도는 입력전압이 양(+)인 경우로 다이리스터(T12)와 다이오드(D2)에 의하여 회로가 동작되며 다이리스터(T12)의 위상을 제어부(40)가 제어함으로써 출력전압을 제어할 수 있다.
제3b도는 입력전압이 음(-)인 경우로 다이리스터(T11)와 다이오드(D2)에 의하여 회로가 동작되며 다이리스터(T11)의 위상을 제어부(40)가 제어함으로써 출력전압을 제어할 수 있다.
하단 정류부(20)만 동작되는 경우에는 환류 모드가 구성이 되는데 제3c도에 나타낸 모드 3과 같이 다이오드(D1)(D2)가 환류 모드를 구성하게 되며, 다이오드(D1)(D2)는 환류 모드시 뿐만 아니라 하단 정류부(20)와 상단 정류부(30)의 독립적인 동작 또는 연계된 동작이 가능하게 해 주는 역할을 한다.
제3d도와 제3e도에 나타낸 모드 4와 모드 5는 하단 정류부(20)의 출력만으로는 전압이 부족할 경우, 상, 하단 정류부(20)(30) 모두 동작하는 모드로 하단 정류부(20)는 최대출력을 유지하고 상단 정류부(30)를 제어부(40)가 위상제어함으로써 출력전압을 제어한다.
제3d도는 입력전압이 양(+)인 경우로 다이리스터(T12)(T22)에 의하여 회로가 동작되며 다이리스터(T22)의 위상을 제어부(40)가 제어함으로써 출력전압을 제어할 수 있다.
제3e도는 입력전압이 음(-)인 경우로 다이리스터(T21)(T11)에 의하여 회로가 동작되며 다이리스터(T21)의 위상을 제어부(40)가 제어함으로써 출력전압을 제어할 수 있다.
제5도는 본 발명 정류회로의 전기적 특성을 평가하기 위한 실험계의 구성을 나타낸 것으로서, 본 발명을 직류 아크 용접기에 적용하는 경우를 상정하여 실험하였으며, 실제 용접을 행할 경우 일정한 데이터 측정이 불가능하므로 KS 규정에 따라 모의 저항부하를 이용하여 통상적인 용접기 출력 전류용량인 100A∼300A의 출력을 낼 수 있도록 하였고, 전원전압, 전류 및 출력전압, 전류를 계측하여 데이터를 컴퓨터에 입력시키고 컴퓨터에서 입력피상전력, 입력유효전력, 입력종합역율, 출력전력, 효율 등을 계산하였고 입력전류의 고조파를 분석하였으며, 그 결과는 제6a도 내지 제6j도에 나타내었다.
먼저 제6a도에 나타낸 전압, 전류 파형으로부터 알 수 있듯이 100A의 출력시에는 제3a도 내지 제3c도에 나타낸 모드 1, 2, 3을 통하여 하단 정류부(20)만 동작하고 있는 상태이다. 하단 정류부(20)의 위상제어각이 약 25도 정도가 됨을 알 수 있고 출력전류가 완전하게 평활되지는 않았으나 입력역율이 88.3%로 계산되었다.
그리고 효율은 85.3%로 가장 높게 나타났는데 이는 입력역율이 높은 상태라 무효전류에 의한 손실이 적음과 동시에 가장 적은 전류를 흘렸을 경우이므로 회로손실이 가장 적었기 때문으로 판단된다.
제6c도는 하단 정류부(20)만이 위상제어각 약 15도 정도로 동작하는 상태에서 150A를 출력하는 경우로 88.7%의 가장 높은 입력역율을 나타내었다.
제6d도에 나타낸 입력전류의 고조파 스펙트럼에서 알 수 있듯이 제6b도에 나타낸 100A 출력의 경우보다 3, 5, 7차의 저차 고조파 성분이 다소 증가하여 고조파 함유율은 100A 출력시의 4.6%보다 다소 높은 6.4%로 계산되었다.
제6e도와 제6f도는 200A 출력시의 실험결과로 제3d도 및 제3e도에 나타낸 모드 4, 5를 통하여 하단 정류부(20)와 상단 정류부(30)가 모두 동작함을 알 수 있다. 이 때 하단 정류부(20)는 위상제어각을 0도로 하여 최대 출력으로 하고 상단 정류부(30)는 약 120도 부근에서 출력을 제어하고 있는 상태임을 알 수 있는데 정(+)의 전류파형의 시작이 약 13도에서 시작된 이유는 하단 정류부(20)의 위상제어각이 그러한 것이 아니고 부(-)의 전류파형을 보면 알 수 있듯이 전류(commutation)시의 중복기간에 기인된 것이다.
실험 전반적으로 긴 중복기간이 있었는데 이는 입력 변압기의 인덕턴스성분에 의한 것이며, 더욱이 수 백 A의 큰 전류가 흘렀기 때문이다. 그 결과 이로 인해 전반적으로 전류파형의 위상이 뒤로 밀리게 됨을 알 수 있다.
제6f도에서 알 수 있듯이 200A 출력의 경우가 가장 많은 고조파가 함유되어 고조파 함유율이 11.4%로 가장 높게 계산되었으며 따라서 입력역율을 가장 낮은 80.7%로 나타났다.
제6g도, 제6h도 및 제6i도, 제6j도는 각각 250A 및 300A 출력시의 결과로 이들의 전류파형에서 제6e도의 경우처럼 제3d도 및 제3e도에 나타낸 모드 4, 5를 통하여 하단 정류부(20)와 상단 정류부(30)가 함께 동작함을 알 수 있고 큰 전류 출력일수록 상단 정류부(30)의 위상제어각이 작아짐으로써 기본파 성분에 대비한 고조파 성분의 크기들이 작아짐과 동시에 입력역율도 좋아짐을 알 수 있다.
제6j도에서 알 수 있듯이 300A 출력의 경우가 고조파 함유율이 4.4%로 가장 좋았으나 입력역율은 88.2%로 150A 출력시의 입력역율인 88.7%보다 작게 계산된 까닭은 전류파형의 뒷부분이 솟아 오름으로써 기본파 전류의 위상이 뒤로 밀려 입력 기본파역율이 다소 낮았기 때문으로 판단된다.
상기 실험 결과의 전기적 특성을 종합하여 제7도에 나타내었다.
제7도에서 보듯이 실험 전반에 걸쳐 80% 이상의 입력역율을 유지함을 알 수 있고, 효율 또한 78% 이상을 지님을 알 수 있는데, 100A∼300A 출력시의 전체 평균치는 입력역율이 84.5%, 효율이 80.4%로 이는 일반 전기용접기가 갖는 35%∼65%의 역율, 60%∼70%의 효율에 비하면 매우 우수한 결과임을 알 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명은 변압기 중성점을 이용하고 두 개의 다이오드를 적절하게 이용하여 2단 순차 위상제어 정류회로를 설계함으로써 항상 2개의 소자만을 도통하여 전체 회로의 동작이 이루어지므로 종래의 풀브리지 콘버터 또는 세미콘버터를 단순히 직렬로 접속한 순차 위상제어 정류회로에 비하여 도통 소자수가 반감되고 이에 따라 소자 손실이 줄어들어 효율을 증가시키는 효과가 있다.
특히 대전류 출력이 요구되는 용접기 등의 경우 소자 1개에서 발생되는 손실이 크기 때문에 소자 손실을 줄이는 것에 따른 효율 증가의 효과는 상당히 크다.
또한, 회로 구성에 필요한 소자도 종래의 풀브리지 콘버터 또는 세미콘버터를 단순히 직렬로 접속한 순차 위상제어 정류회로에 비하여 줄어들어 생산 단가의 측면에서도 생산비 절감의 효과가 크다.
본 발명의 목적은 변압기 중성점을 이용하여 회로를 구성함으로써 소자수를 줄이는 한편 동작시 도통 소자수를 줄임으로써 높은 입력역율과 효율을 갖는 2단 순차 위상제어 정류회로를 제공하는데 있다.

Claims (1)

1차측에 대하여 중성점이 있는 독립된 2개의 2차 권선을 갖는 변압기(10)와, 상기 변압기(10)의 2차측 권선 A에 접속되며 위상제어를 위한 다이리스터(T11)(T12) 및 다이오드(D1)로 이루어진 하단 정류부(20)와, 2차측 권선 B에 접속되며 위상제어를 위한 다이리스터(T21)(T22) 및 다이오드(D2)로 이루어진 상단 정류부(30)로 구성되는 것을 특징으로 하는 변압기 중성점을 이용한 2단 순차 위상제어 정류회로.
KR1019960023873A 1996-06-26 1996-06-26 변압기 중성점을 이용한 2단 순차 위상제어 정류회로 KR0175510B1 (ko)

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