KR100437938B1 - 교류 회로망에 사인 전류를 공급하기 위한 인버터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 교류 회로망에 사인 전류를 공급하기 위한 인버터에 관한 것이다. 본 발명의 목적은 단락회로를 견딜 수 있고, 단락회로의 위험을 줄이는 능력을 향상시키는 것이다.

본 발명은 사인 진동의 반 진동을 발생시키기 위한 단지 하나의 스위칭 유닛을 사용하는 것에 기초한다. 따라서, 사인 진동의 양의 반 진동을 발생시키기 위하여 사인 전류의 음의 성분을 발생시키기 위한 것과는 다른 스위칭 유닛이 사용된다. 이 결과, 양의 반진동의 발생 동안 스위칭 유닛의 단지 하나의 스위치가 사이클되거나 활성화되며, 사인 전류의 음의 반진동의 발생 동안 다른 스위치가 사이클되거나 활성화된다. 두 스위치간의 단락회로의 위험은 양에서 음의 반진동으로 변화하는 동안 또는 음에서 양의 반 진동으로 변화하는 동안 각각 시간에 대하여 감소한다.

Description

교류 회로망에 사인 전류를 공급하기 위한 인버터{INVERTER FOR INJECTING SINUSOIDAL CURRENTS INTO AN ALTERNATING CURRENT NETWORK}

이러한 인버터의 경우에 있어서, 전력 스위치들은 대개가 도 1에 도시된 바와 같은 3상 브리지(3-phase bridge)의 형상을 갖는다. 이러한 인버터는 직류 전원(DC/voltage source)으로부터 U, V 및 W의 상의 다중 상(multi-phase) 교류를 발생시킨다. 도 1에 도시된 바와 같이, 적절한 다이오드들과 전원 스위치 T1 - T6을 비-병렬연결(anti-parallel connection)시킴으로써, 4분 모드(four-quadrant mode)의 동작이 가능하고, 또한 이러한 인버터 회로는 매우 다양한 방법으로 사용될 수 있다.

이러한 인버터 회로가 갖는 문제점은 예를 들어 T1 와 T2, 두 개의 스위치의 크로스-단락회로(cross-shortcircuit)의 경우 극도로 높은 에너지 흐름이 발생한다는 것이며, 이는 일반적으로 인버터의 전체적인 파괴를 가져오며 또한 화재를 발생시킬 수 있고 따라서 설비의 모든 연결된 부품들이 파괴되기에 이른다. 다른 문제점은 직류 전압의 증가에 따라 각각의 구성요소는 품질이 향상되어야 하고 이를 위해서는 매우 비싼 구성요소를 사용해야만 한다는 것이다.

본 발명은 교류 회로망 또는 공중 전력 공급 회로망(public power supply network)에 사인 전류를 공급하기 위한 인버터에 관한 것이다.

도 1은 공지된 인버터의 기본적인 원리를 도시한다.

도 2는 사인 출력 전류의 양의 반 진동에 대한 스위칭부를 도시한다.

도 3은 사인 출력 전류의 음의 반 진동에 대한 스위칭부를 도시한다.

도 4는 도 2 및 도 3에 도시된 스위치들 T1, S1, T2, S2의 사인 출력 전류에 대한 시간 다이어그램이다.

도 5는 본 발명에 따른 3상 인버터의 회로 다이어그램이다.

도 6은 3상 교류를 발생시키기 위한 도 2 및 도 3에 도시된 다수개의 스위칭 부의 상호연결의 기본원리를 도시하는 회로 다이어그램이다.

도 7은 단일의 상에 대한 인버터의 회로 다이어그램이다.

본 발명의 목적은 인버터의 단락회로를 견디는 능력을 향상시키며 동시에 상술한 문제점들 특히 비싼 각각의 구성요소를 사용해야 할 필요가 없게 하는 것이다.

본 발명에 따르면, 이러한 목적은 청구항 제1항 내지 제3항 중의 한 항에 따른 특징을 갖는 인버터에 의하여 달성될 수 있다. 이들의 바람직한 개량형은 종속항들에 기재되어 있다.

본 발명은 사인 진동(sinusoidal oscillation)의 반 진동(half-oscillation)을 발생시키기 위하여 단지 하나의 회로 또는 스위칭 유닛을 사용하는 것에 근거한다. 따라서 사인 진동의 양의 반 진동을 발생시키기 위하여, 사인 전류의 음의 성분을 발생시키기 위한 것과는 다른 회로 또는 스위칭 유닛이 사용된다. 이러한 결과로 사인 전류의 양의 반 진동을 발생시키기 위한 스위칭 회로 및 음의 반 진동을 발생시키기 위한 스위칭 회로들은 서로 분리되고 단지 공통의 전류 단자(tapping)에 의하여 상호 연결된다. 여기서, 각각의 스위칭 부는 전류 단자 경로내의 스위치에 의하여 다른 스위칭 부와 연관되어 보호되기 때문에 스위칭 부에서의 전류의 발생은 다른 스위칭 부에 영향을 끼치지 않는다.

인버터의 사인 출력 전류를 양의 반 진동 및 음의 반 진동으로 분배하는 것은 직류 전압 공급을 음의 반 진동 및 양의 반 진동에 대한 두 개의 스위칭 부에 나눌 수 있게 해준다. 따라서 양의 반 진동을 발생시키는 인버터의 구성부는 직류 전압 예를 들어 U_d1= 660볼트로 동작하고, 사인 전류의 음의 반 진동을 발생시키는 인버터의 스위칭 부는 또한 직류 전압 예를 들어 U_d2= 660볼트로 동작할 수 있다. 전체 직류 전압은 각각의 직류 전압의 두 배 즉, 1320볼트를 제공한다. 결과적으로 단지 660 볼트의 직류 전압을 위한 구성 요소를 사용할 때, 인버터 전체의 출력 전력의 두 배가 발생한다.

인버터의 개별의 스위칭 유닛의 출력 인덕턴스는 예를 들어 양의 전류 성분일 때 전체 직류 전압 U_d1+U_d2이 아니라 단지 일부분의 직류전압 U_d1으로 동작한다. 결과적으로 이는 또한 재료 및 비용에서 절약효과를 가져올 수 있다. 하나의 스위칭 유닛으로 사인 진동의 반 진동을 발생시킴으로써, 다른 반 진동에 대한 스위칭 유닛은 또한 공간적으로 서로 간에 거리를 두고 설치될 수 있으며 이는 전체적으로 인버터 및 스위칭 설비의 모든 구성부의 안전성 및 보안성을 향상시키고 또한 관련된 공간내에서 이를 배열하는 문제를 상당히 개선시킬 수 있다. 본 발명에 따른 인버터 디자인의 특이한 장점은 출력 초크(choke)의 인덕턴스 및 그를 위해 요구되는 구성요소의 비용이 절반으로 줄어들 수 있다는 것이다.

이하 본 발명은 도면에 도시된 발명의 실시예를 통하여 보다 상세하게 설명된다. 도 2는 직류 전압 U_d로부터 교류 또는 3상 회로망 전류의 양의 성분을 발생시키기 위한 트랜스버스 브랜치(transverse branch) 또는 스위칭 유닛 1의 회로 다이어그램을 도시한다. 스위칭 유닛 1은 전력 트랜지스터 T1, 예를 들어 IGBT(isolated gate bipolar transistor) 또는 GTO(gate Turn off thyristor)를 제 1 스위치로서 포함하고, 전력 스위치 T1과 병렬로 직류 전압 터미널에 연결되는 다이오드 D1을 포함한다. 출력 전류에 대한 전류 단자는 전력 스위치 T1 및 다이오드 D1 사이에 위치한다. 전류 단자에는 출력 인덕터 L1과 직렬로 차례로 연결되는 제 2 스위치 S1이 배치된다. 도 3은 도 2에 도시된 회로에 상반되는 구조를 갖는 교류 또는 3상 회로망 전류의 음의 성분을 발생시키기 위한 스위칭 유닛의 회로 다이어 그램을 기본 원리를 고려하여 도시한다.

도 4는 도 2 및 3에 도시된 스위칭 유닛 1 및 2의 사인 출력 전류의 시간 다이어그램을 도시한다. 또한 도 4는 전류 단자에 배치된 스위치 S1 및 S2의 스위칭 온/오프 동작뿐만 아니라, 전력 스위치 T1 및 T2의 시간에 대한 스위치 온 동작을 도시한다. 사인 전류의 양의 반파(half-wave) 동안(도 4의 좌측 상단), 단지 전력 스위치 T1이 정해진 사이클릭(cyclic) 모드에서 스위치 온 및 오프되고, 전력 스위치 T2는 그러한 상에서 스위치 오프된다. 사인 전류의 양의 반파를 발생시키는 동안, 전류 단자 내에서 스위치 S1은 스위치 온되고(닫힘), 동시에 음의 반파에 대한 전류 단자내에서 다른 스위치 S2는 스위치 오프된다(열림). "톱니형(serrated)" 사인 전류는 전력 스위치 T1의 온 및 오프 스위칭 상태 및 다이오드 D1의 영향과 관련하여 사이클릭 동작에 의하여 발생된다. 사인 전류의 음의 반파를 발생시키는 동안의 상태는 사인 전류의 양의 반파를 발생시키는 것에 대하여 정반대이다. 음의 반파를 발생시킬 때 스위치 S1은 스위치 오프되고, 전력 스위치 T2는 정해진 사이클릭 동작 모드에서 스위치 온 및 오프되고, 스위치 S2는 항상 스위치 온된다. 사인파의 전류 최대치 영역에서 전력 스위치 T1 및 T2는 각각 낮은 전류 레벨을 갖는 영역, 특히 영교차점(zero-passage)에서 보다 긴 시간동안 스위치 온된다.

도 5 및 6은 3상 교류를 발생시키기 위한 본 발명에 따른 인버터를 구성하기 위한 도 2 및 도 3에 도시된 다수 개의 스위칭 유닛의 상호연결을 도시한다. 도시된 회로들 사이의 차이점은 도 6에 있어서 출력 전류의 음의 반 진동을 발생시키기 위한 스위칭 부가 출력 전류의 양의 반 진동을 위한 스위칭 부로부터 분리되어 위치한다는 것이다. 이러한 점에서 분리된 위치는 또한 스위칭부들이 다른 공간에 위치하고 단지 그들의 공통의 전류 단자를 통하여 연결된다는 것을 의미한다. 양의 반파를 발생시키기 위한 스위칭 유닛은 직류 전압 터미널 +U_d1및 -U_d1에 연결된다. 사인 전류의 음의 반파를 발생시키기 위한 스위칭 부는 직류 전압 터미널 +U_d2및 -U_d2에 연결된다.

도1은 공지된 인버터의 회로 다이어 그램을 도시하는 것으로 전력 스위치와 다이오드의 비병렬 접속을 고려할 때 사분기 동작 모드를 가능하게 하고 따라서 매우 다양한 방법으로 스위칭 수단으로서 사용될 수 있다. 그러나 T1 및 T2와 같은 두 개의 스위치의 크로스 단락회로는 인버터 전체의 파괴의 원인이 되고 또한 화재를 발생시켜서 설비에 연결된 모든 부품의 완전한 파괴를 일으키는 하드 단락회로(hard shortcircuit)의 매우 큰 위험을 포함한다.

출력 전류의 양의 반파를 발생시키기 위하여, 공지된 인버터는 스위치 T1 및 T2가 연속적으로 스위치 온 및 오프되도록 한다. 반파에 있어서, 이는 반파동안 여러 회에 걸쳐서 T1 및 T2가 연속적으로 스위치 온 및 오프되는 것을 의미하며, 이는 통계적인 관점에서 볼 때, 도 5 또는 6 각각에 도시된 본 발명에 따른 구조와 비교할 때 크로스 단락회로의 가능성을 현저하게 증가시킨다.

도 7은 출력 전류의 양의 반 진동에 대한 스위칭부와 3상 중의 하나에 대한 출력 전류의 음의 반 진동에 대한 스위칭부와의 상호작용을 도시한다.

하드 단락 회로는 별개의 스위칭 유닛들의 상호연결에서(도 5-7참조) 별개의 전류 브랜치들, 양 및 음의 크로스 브랜치(cross-branch)에 의하여 원칙적으로 보호된다. 그럼에도 불구하고, 다른 스위칭부내의 전력 스위치들에 스위칭 동작상의 결함이 발생할 경우, 그들은 인덕터 L1'-L6', L1-L6을 통하여 상호간에 디커플링되고 보호될 뿐만 아니라, 또한 전류 단자에 위치하는 스위치들 S1-S6이 정반대의 관계에서 그들이 스위치 온 및 오프되기 때문에 하나의 브랜치가 다른 것에 영향을 주지 못하도록 한다는 사실을 고려할 때 단락회로는 불가능하다. 도 2-7에 도시된 인버터 디자인은 상당히 높은 전력 레벨을 제공하는 인버터를 구성하는 것을 가능하게 한다. 두 개의 상호 연결된 스위칭 유닛의 전류 단자들 사이의 디커플링 초크 L1'-L6'은 동시에 고주파수 초크로서 및 또한 dU/dt 감소(dU/dt-reduction)용 필터로서 사용될 수 있다. 이러한 구성은 전유의 의사 방출(spurious emission)이 전력 스위치 T1-T6 의 후단에서 직접적으로 철처하게 감소될 수 있게 한다.

상술한 인버터는 특히 풍력 발전 컨버터 또는 직류 전류를 발생시키는 다른 발전기(예를 들어, 태양 전력 설비)에 적합하다. 풍력 발전 컨버터의 경우에서, 발전기는 일반적으로 직류를 발생시키거나 정류되어야만 하는 교류를 발생시키는 데 이것은상술한 인버터에 의하여 회로망 전류/전압으로 변환될 수 있다. 출력 전류의 견지에서 정확한 사인 파형을 제공하기 위하여, 영교차점에서 전력 스위치 T1(양의 반파와 관계됨) 및 T2(음의 반파와 관계됨) 각각의 스위칭 온/오프 주파수가 전류 최대치의 영역에서보다 충분히 크다면 바람직하다. 전류 최대치 영역에서, 전력 스위치 T1 및 T2 각각의 스위칭 온/오프 주파수 각각이 약 100Hz(예를 들어, 100-600Hz 사이의 범위)이다. 영교차점 영역에서 전력 스위치의 스위칭 온/오프 주파수는 수 kHz이다(예를 들어, 5-18kHz 사이의 범위).

Claims (11)

1. 교류 회로망에 사인 전류를 공급하기 위한 인버터에 있어서,

   a) 회로망 전류의 양의 성분을 발생시키는 스위칭 유닛(1)을 포함하고;

   b) 상기 스위칭 유닛은 제1 스위치(T1, T3, T5) 및 이들 제1 스위치와 직렬로 연결되는 다이오드(D1, D3, D5)를 갖고, 전류 단자가 상기 제1 스위치(T1, T3, T5) 및 다이오드(D1, D3, D5) 사이에 위치하며;

   c) 회로망 전류의 양의 성분을 발생시키는 동안 닫히는 제2 스위치(S1, S3, S5)는 전류 단자에 위치하고;

   d) 디커플링 인덕터(L1'-L6')가 전류 단자에 제공되는 것을 특징으로 하는 인버터.
2. 교류 회로망에 사인 전류를 공급하기 위한 인버터에 있어서,

   a) 회로망 전류의 음의 성분을 발생시키는 스위칭 유닛(2)을 포함하고;

   b) 상기 스위칭 유닛은 제3 스위치(T2, T4, T6) 및 이들 제3 스위치와 직렬로 연결되는 다이오드(D2, D4, D6)를 갖고, 전류 단자가 상기 제3 스위치(T2, T4, T6) 및 다이오드(D2, D4, D6) 사이에 위치하며;

   c) 회로망 전류의 음의 성분을 발생시키는 동안 닫히는 제4 스위치(S2, S4, S6)는 전류 단자에 위치하고;

   d) 디커플링 인덕터(L1'-L6')가 전류 단자에 제공되는 것을 특징으로 하는 인버터.
3. 교류 회로망에 사인 전류를 공급하기 위한 인버터에 있어서,

   a) 회로망 전류의 양의 성분을 발생시키는 스위칭 유닛(1)을 포함하고,

   b) 상기 스위칭 유닛은 제1 스위치(T1, T3, T5) 및 이들 제1 스위치와 직렬로 연결되는 다이오드(D1, D3, D5)를 갖고, 전류 단자가 상기 제1 스위치(T1, T3, T5) 및 다이오드(D1, D3, D5) 사이에 위치하며,

   c) 회로망 전류의 양의 성분을 발생시키는 동안 닫히는 제2 스위치(S1, S3, S5)는 전류 단자에 위치하고,

   d) 디커플링 인덕터(L1'-L6')가 전류단자에 제공되는, 제1 구성부; 및

   a) 회로망 전류의 음의 성분을 발생시키는 스위칭 유닛(2)을 포함하고;

   b) 상기 스위칭 유닛은 제3 스위치(T2, T4, T6) 및 이들 제3 스위치와 직렬로 연결되는 다이오드(D2, D4, D6)를 갖고, 전류 단자가 상기 제3 스위치(T2, T4, T6) 및 다이오드(D2, D4, D6) 사이에 위치하며;

   c) 회로망 전류의 음의 성분을 발생시키는 동안 닫히는 제4 스위치(S2, S4, S6)는 전류 단자에 위치하고;

   d) 디커플링 인덕터(L1'-L6')가 전류 단자에 제공되는, 제2 구성부를 포함하고,

   여기에서, 상기 스위칭 유닛(1, 2)이 서로 병렬 관계로 연결되는 것을 특징으로 하는 인버터.
4. 삭제
5. 삭제
6. 제3항에 있어서, 상기 스위칭 유닛(1,2)은 서로간에 공간적으로 분리되도록 구성되는 인버터.
7. 제3항 또는 제6항에 있어서, 사인 진동의 반 진동을 발생시키기 위하여 상기 스위칭 유닛(1,2)의 제1 스위치(T1) 또는 제3 스위치(T2)만이 각각의 경우 여러 번 스위치 온 및 오프되는 인버터.
8. 삭제
9. 제3항 또는 제6항에 있어서, 전류 단자에 위치하는 제2 스위치 또는 제4 스위치는 전류 단자선의 제4 스위치 또는 제2 스위치가 닫힐 때만 열리는 인버터.
10. 제3항 또는 제6항에 있어서, 다수개의 스위칭 유닛(1,2)은 3상 전류 회로망의 단일 상(U, V, W)의 전류를 제공하기 위하여 상호간에 그들의 전류 단자를 통하여 함께 연결되는 인버터.
11. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 인버터를 갖는 풍력 발전 컨버터.