KR100367558B1 - 싸이리스터형 3상 교류전압 제어기의 검출회로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 싸이리스터형 3상 교류전압 제어회로에 관한 것으로서, 특히 두 개의 싸이리스터가 서로 역병렬로 연결되어 있는 싸이리스터쌍이 다수개 형성되어 있는 전력회로부와, 상기 다수개의 싸이리스터쌍의 전단 및 후단의 전압을 검출하기 위한 전압 검출회로부와, 상기 다수개의 싸이리스터쌍의 후단의 전류를 검출하기 위한 전류 검출회로부를 마련한 후, 전력회로와 제어회로간의 전기적인 절연이 가능하게 하고, 단일 제어전원만을 사용하여 회로를 구성할 수 있으므로 검출회로를 단순화시킬 수 있을뿐 아니라, 디지털 제어기를 이용한 회로와의 결합 또한 용이해질 수 있도록 한 것이다.

Description

싸이리스터형 3상 교류전압 제어기의 검출회로{Detection circuit of a thyristor three-phase AC voltage controller}

본 발명은 싸이리스터형 3상 교류전압 제어기의 검출회로에 관한 것으로서, 특히 전력회로와 제어회로간의 전기적인 절연이 가능하고, 단일 제어전원만을 사용하여 회로를 구성할 수 있으므로 검출회로를 단순화시킬 수 있을뿐 아니라, 디지털 제어기를 이용한 회로와의 결합 또한 용이해질 수 있도록 한 싸이리스터형 3상 교류전압 제어기의 검출회로에 관한 것이다.

일반적으로, 싸이리스터를 이용한 3상 교류전압 제어회로를 이용하여 출력전압을 제어하기 위해서는 전압의 크기와 위상각, 그리고 입력전류를 검출하기 위한복잡한 회로가 이용된다.

이처럼 3상 전압 제어회로를 이용하여 출력전압을 제어하기 위한 회로가 복잡한 이유는 종래의 제어장치가 아날로그 소자를 이용한 회로만으로 구성되는 경우에 검출회로뿐만 아니라 제어회로까지 구성해야 했기 때문이다.

또한, 종래에는 전력회로와 제어회로간의 전기적인 절연이 불안정하여 작업자들이 감전될 위험성이 높으며, 디지털 제어기를 이용한 회로와의 결합이 용이하지 못했다.

따라서, 디지털 제어기를 이용한 시스템에서도 전압/전류검출 신호인 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하기 위해서는 고가의 변환회로가 필요하고, 위상 검출회로 또한 필수적으로 구비하여야 하는 번거로움이 있었다.

그러나, 최근에는 저가의 아날로그/디지털 변환회로가 내장된 신호처리 전용 콘트롤러가 개발되어 있는 바, 입력전압과 전류를 검출하기 위한 회로를 시스템에 적합한 단순한 회로로 구성할 수 있고, 전력회로와 제어회로간의 전기적인 절연이 가능하며, 디지털 제어기를 이용한 회로와의 결합이 용이한 회로집적 기술이 절실히 요구되고 있는 현 실정이다.

따라서, 본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 입력전압과 전류를 검출하기 위한 회로를 시스템에 적합한 단순한 회로로 구성할 수 있는 3상 교류전압 제어회로를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은, 전력회로와 제어회로간의 전기적인 절연이 가능한 3상 교류전압 제어회로를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 디지털 제어기를 이용한 회로와의 결합이 용이한 3상 교류전압 제어회로를 제공하는데 있다.

도 1은 본 발명에 따른 싸이리스터형 3상 교류전압 제어기의 검출회로도,

도 2는 전원전압의 위상각과 접호각을 나타낸 그래프,

도 3은 펄스트랜스를 이용한 일반적인 점호회로도.

(도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명)

100 ; 싸이리스터형 3상 교류전압 제어회로

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 수단으로 본 발명은 각 상에 두 개의 싸이리스터가 서로 역병렬로 연결되어 있는 싸이리스터쌍이 다수개 형성되어 있는 전력회로부와,

상기 다수개의 싸이리스터쌍의 전단 및 후단의 전압을 검출하기 위한 전압 검출회로부와,

상기 다수개의 싸이리스터쌍의 후단의 전류를 검출하기 전류 검출회로부로 구성되는 것을 그 기술적 구성상의 기본 특징으로 한다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 싸이리스터형 3상 교류전압 제어회로를 나타낸 회로도 이고, 도 2는 본 발명에 따른 전원전압의 위상각과 접호각을 나타낸 그래프 이다.

본 발명은 도1과 도2에서와 같이 싸이리스터형 3상 교류전압 제어회로(100)는, 각각의 기능에 따라 싸이리스터 회로부(104)를 구비한 전력회로부(102), 전압 검출회로부(106,108), 그리고 전류 검출회로부(110,112,114)로 구성된다.

전력회로부(102)는 상용전원인 3상 교류전압을 입력으로 사용하고, 각 상마다 싸이리스터 2개씩을 서로 역병렬로 연결하여 싸이리스터형 3상 교류전압 제어회로(100)를 구성한다.

제어회로의 출력측에는 통상적으로 R-L 부하(101)가 연결되는데 부하의 종류는 트랜스포머, 유도전동기, 그리고 히터등이다. 예컨대, 도금용 정류기의 경우 트랜스포머의 1차측을 제어장치의 출력측에 연결하고 2차측의 감소된 전압을 정류한 직류전압을 도금작업에 이용하게 된다.

그리고, 유도전동기의 경우에는 전압제어를 통해 유연기등이나 운전시 효율을 향상시킬 목적으로 전압을 제어하는 경우가 있으며, 히터를 연결하여 온도를 제어하는 목적등으로 이용된다.

전압제어는 T1에서 T6까지의 6개의 싸이리스터 회로부(104), 즉 반도체 스위칭 소자를 이용하여 제어되는데 3개의 트라이액을 이용하여 제어할 수도 있다. 각 상에는 싸이리스터가 역병렬로 연결되며 싸이리스터의 양단에 순방향 전압이 인가된 상태에서 애노드를 기준으로 게이트 단자에 트리거 신호를 인가하면 턴온되어 유지상태가 된다. 그러나, 싸이리스터의 양단에 역방향 전압이 인가된 상태에서 싸이리스터를 통해 흐르는 전류가 유지전류 이하로 감소되면 싸이리스터는 턴오프되어 저지상태가 된다.

한편, 상기 싸이리스터형 3상 교류전압 제어회로(100)의 전압제어는 입력전압의 위상각을 기준으로 전압의 기준차에 따라 제 2도의 점호각을 주어 점호시점을 결정한다. 점호각을 줄이면 출력전압은 높아지고 점호각을 늘리면 출력전압은 낮아진다. 일반적인 R-L 부하의 경우 전류의 위상은 전압보다 지연되어 나타나며, 이는제 2도에 도시되어 있는 입력전류와 같은 파형으로 나타난다.

싸이리스터의 양단에 역방향 전압이 인가된 상태에서 전류가 유지전류 이하가 되면 싸이리스터는 소호되는데, 이 시점을 입력전압의 위상에 대하여 소호각이라 한다. 부하의 종류가 저항성분만으로 구성된 경우에는 전압과 전류의 위상이 동상이므로 소호각은 발생되지 않으나, 인덕턴스 성분이 커질수록 소호각은 크게 발생된다.

도 2에서와 같이 일반적인 R-L 부하의 경우 소호각과 점호각 사이에는 전류가 흐르지 않는 소호구간임을 알 수 있으며 소호구간 동안에는 출력전압의 파형이 그림과 같이 입력전압에 비하여 노치(notch)면적에 해당하는 전압만큼 감소하여 출력측에 전달된다. 3상 시스템은 각 상에 역병렬로 연결된 싸이리스터에 의해 각 상 전압의 반주기씩 교번하여 제어된다. 운전시에는 점호각의 크기에 따라 3상이 모두 도통되는 경우와 2상이 도통되는 경우를 반복하는 운전상태와, 2상이 도통되는 경우와 모두 소호되는 경우를 반복하는 운전상태로 구분할 수 있다.

전압 검출회로(106,108)는 입력전압으로서는 대개 상용전원이 사용되는데 고압이므로 제어신호로 이용하기 위해서는 저압신호로 변환해야 한다. 먼저, R1에서 R6은 입력 전원전압의 선간전압을 광결합 소자(PH1-PH3)의 다이오드와 직렬로 연결하여 전류를 제한하며, 다이오드가 서로 역병렬로 연결되어 있으므로 교류전압에 대하여 양방향으로 전류가 흐르게 된다.

광결합소자(PH1-PH3)의 다이오드측에 흐르는 전류에 대하여 트랜지스터의 양단 임피던스가 변화되는 증폭영역에서 입력전원의 선간전압이 전류의 크기로 변환될 수 있도록 설정된다. 트랜지스터의 에미터측 저항(R7-R9)에 의해서 전류의 크기에 비례하는 전압이 저항양단에 발생되며 교류전압에 대하여 전파정류 형태의 전류가 흐르게 된다. 이 전압은 제어회로의 전원전압보다 작도록 저항들을 선정하며 에미터측 저항에 의해 유기된 전압을 전압원으로 보면 내부 임피던스가 크기 때문에 이 전압을 디지털회로의 아날로그/디지털 변환회로 입력으로 직접 사용하면 입력 임피던스에 의해 본래의 값을 유지하기 어렵다.

따라서, 임피던스를 낮추기 위해 입력저항(R10-R12)과 아날로그 증폭기(OP1-OP3)를 사용하여 제 1도의 전압추종 증폭회로(105)를 구성한다. 아날로그 증폭기에 의해 출력 임피던스가 낮아진 전압신호는 크기 변화와 위상지연이 발생하지 않을 정도의 차단주파수를 가지도록 저항(R13-R15)과 콘덴서(C1-C3)를 이용하여 R-C 저역통과 필터회로(107)를 구성한다.

이와 같이 구성된 전압 검출회로는 입력측(RST) 선간전압에 비례하는 크기의 전압신호로 변환되며 싸이리스터 출력측(U,V,W)에도 같은 회로를 구성하여 출력전압을 검출할 수 있다. 출력과 입력전압을 모두 검출함으로써 출력전압의 크기를 알 수 있으며 스위칭 소자의 도통 또는 소호상태의 동작을 확인하여 제어성능을 향상시킬 수 있으며, 싸이리스터의 오동작과 소손을 감지하여 대처할 수 있다.

전류 검출회로(100,112,114)의 동작에 대하여 설명하면 다음과 같다. 일반적으로 전류검출을 위한 센서들로는 코어형 CT(전류변환기:Current Transducer)와 홀소자(Hall Element)를 이용한 CT센서로 구분된다. 홀소자를 이용한 센서의 경우, 고주파수의 전류변화를 측정할 수 있으나 센서회로에 필요한 전원을 필요로한다.그러나, 코어센서는 주파수 응답성은 떨어지나 별도의 전원을 인가하지 않고도 전류원으로서 동작하는 장점을 가진다. 또한, 본 발명의 싸이리스터형 3상 교류전압 제어회로(100)는 상용주파수인 낮은 주파수에서 사용되므로 코어형 씨티 사용이 가능하고, 제어회로의 전원전압을 하나만을 사용하여 구성할 수 있는 잇점이 있다.

코어형 전류변환기는 각각의 상전류를 검출할 수 있도록 설치되며, 센서출력은 전류원이므로 임피던스가 낮은 직렬저항(R16)을 연결하면 전력회로에 흐르는 전류의 크기에 비례하는 전압이 직렬저항 R16의 양단에 발생된다. 발생된 전압신호는 교류형태이며 단일 전원을 사용하는 디지털 제어기의 아날로그/디지털 변환회로의 입력으로 사용하기 위해서는 일정 직류치를 더하여 단일 전원의 영역에 포함되도록 전압을 상승시킬 필요가 있다. 직류치를 더하기 위해 분압저항(R17,R18)을 이용하여 분압된 전압을 발생시킨다. 분압된 전압과 직렬저항 R16의 양단전압을 임피던스가 큰 저항 R19와 R20을 통하여 아날로그 증폭기의 비반전 증폭회로의 양극(+)입력에 인가하고 신호를 증폭하기 위해 배율저항 R21과 R22를 이용하여 음극(-)입력과 출력측에 인가하여 입력신호를 증폭한다. 전압 검출회로와 마찬가지로 크기와 위상지연이 발생하지 않을 정도의 차단주파수를 갖도록 저항(R23)과 콘덴서(C4)를 이용하여 R-C 저역통과 필터회로를 구성한다.

그리고, 상기와 같이 구성된 전류 검출회로(110,112,114)는 전력회로를 통해 흐르는 전류에 비례하는 크기의 전압신호로 변환되어 3개의 동일한 회로를 구성하여 3상의 출력전류를 검출할 수 있다. 입력전류를 검출함으로써 스위칭 신호에 따른 싸이리스터의 도통 또는 소호상태의 동작을 확인할 수 있으며 싸이리스터의 오동작과 소손을 감지하여 대처할 수 있는 방안이 된다.

위의 전압 검출회로와 전류 검출회로는 3상을 모두 검출하는 방법을 예로 들었으나, 3상 평형조건을 이용하면 각각 2상만을 검출하여 사용할 수 있다. 또한, 전압과 전류를 모두 검출함으로써 전력을 계산할 수 있고, 전력을 기준으로 한 제어기법을 부가할 수 있다.

상기와 같은 발명을 통하여 전력회로와 제어회로간의 전기적인 절연이 가능하기 때문에 전력회로를 통해 유입되는 써지나 노이즈등에 대하여 외부의 제어회로의 오동작이나 소손등을 방지할 수 있으며, 제어회로를 조작하는 운전자의 감전위험 또한 방지할 수 있다. 또한, 단일 제어전원만을 사용하여 회로를 구성할 수 있으므로 검출회로의 회로구성이 단순해지고, 디지털 제어기를 이용한 회로와의 결합이 용이해지는 장점이 있다.

도 3은 펄스트랜스를 이용한 일반적인 점호회로이다.

도 3을 참조하면, 발생된 점호신호를 트랜지스터를 이용하여 신호증폭용 펄스트랜스의 1차측을 스위칭하여 교류성분으로 만들어 2차측에 전달한다. 1차측의 병렬다이오드는 트랜지스터 소호시 프리휠링용이며 2차측은 다이오드와 저항을 이용하여 정류된 직류성분의 펄스파형을 싸이리스터의 게이트 단자에 인가함으로써 도통상태를 유도한다. 일반적으로 상기 점호신호는 고주파수의 펄스파형을 여러주기 인가하여 펄스트랜스를 사용함으로써, 제어회로와 전력회로간의 전기적인 절연이 가능하게 된다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 싸이리스터형 3상 교류전압 제어기의 검출회로에 의하면, 전력회로와 제어회로간의 전기적인 절연이 가능하고, 단일 제어전원만을 사용하여 회로를 구성할 수 있으므로 검출회로를 단순화시킬 수 있을뿐 아니라, 디지털 제어기를 이용한 회로와의 결합 또한 용이해질 수 있는 등의 효과가 있는 것이다.

Claims (2)

1. 3상 교류전압 제어회로에 있어서, 두 개의 싸이리스터가 서로 역병렬로 연결되어 있는 싸이리스터쌍이 다수개 형성되어 있는 전력회로부와; 상기 다수개의 싸이리스터쌍의 전단 및 후단의 전압을 검출하기 위한 전압 검출회로부와; 상기 다수개의 싸이리스터쌍의 후단의 전류를 검출하기 위한 전류 검출회로부로 구성되는 것을 특징으로 하는 싸이리스터형 3상 교류전압 제어기의 검출회로.
2. 제 1항에 있어서, 상기 전력회로부의 출력측에는 저항과 인덕턴스로 이루어진 트랜스포머, 유도전동기, 그리고 히터등의 부하부가 형성되는 것을 특징으로 하는 싸이리스터형 3상 교류전압 제어기의 검출회로.