KR100651698B1

KR100651698B1 - 입출력 전력 품질을 고려한 고전압 전동기 가변속 시스템

Info

Publication number: KR100651698B1
Application number: KR1020040012694A
Authority: KR
Inventors: 박영민; 이현원; 이세현; 서광덕
Original assignee: 현대중공업 주식회사
Priority date: 2004-02-25
Filing date: 2004-02-25
Publication date: 2006-12-01
Also published as: KR20050086278A

Abstract

본 발명은 고전압 전동기 가변속 시스템에 관한 것이다.

이같은 본 발명은, 가변속 시스템의 각 상은 직렬 접속된 여러 개의 파워 셀로 구성하고, 각 파워 셀은 독립된 단상 인버터 구조로서 여러 개의 파워 셀을 직렬로 연결함으로써 저전압 파워 셀, 즉 저전압 전력용 반도체를 사용하여 고전압을 얻을 수 있고, 파워 셀의 수에 따라 출력 전압 레벨 수가 증가하여 정현파에 가까운 전압 파형을 얻을 수 있도록 함은 물론, 전원 계통과 연결된 입력부는 2차측이 확장 델타 결선방법의 여러 개의 탭을 갖는 변압기로 연결함으로써 입력측 변압기는 각 파워 셀에 독립된 전원을 공급하여 내부 임피던스에 의해 초기 기동시 과전류를 제한하는 한편, 2차측 탭간에 위상차를 두어 멀티펄스방식의 정류기형 컨버터를 구성함으로써 기존의 6-펄스 정류 방식에 비하여 아주 낮은 입력단 THD(Total Harmonic Distortion)를 도출할 수 있도록 하는 입출력 전력 품질을 고려한 고전압 전동기 가변속 시스템을 제공한 것이다.

고전압 전동기 가변속 시스템,파워 셀,다권선 변압기,경제형,회생형,다상

Description

입출력 전력 품질을 고려한 고전압 전동기 가변속 시스템{A high voltage electromotor variable system which considers an input and output electricity quality}

도 1은 본 발명의 일실시예로 6레이어 18개 파워 셀로 구성된 3상 기본 경제형 고전압 전동기 가변속 시스템의 구성도.

도 2는 본 발명의 일실시예로 6레이어 18개 파워 셀로 구성된 3상 고급 회생형 고전압 전동기 가변속 시스템의 구성도.

도 3은 본 발명의 일실시예로 다상 출력으로 구성된 기본 경제형 고전압 전동기 가변속 시스템의 구성도.

도 4는 본 발명의 일실시예로 다상 출력으로 구성된 고급 회생형 고전압 전동기 가변속 시스템의 구성도.

도 5는 본 발명의 일실시예로 기본 경제형 파워 셀의 구성도.

도 6은 본 발명의 일실시예로 고급 회생형 파워 셀의 구성도.

도 7은 본 발명의 일실시예로 파워 셀의 전압 분배도.

도 8은 본 발명의 일실시예로 주제어기와 셀 제어기의 구성 및 기능 블럭도.

도 9는 본 발명의 일실시예로 2레이어 고전압 전동기 가변속 시스템의 구성도.

도 10은 본 발명의 일실시예로 2레이어 고전압 전동기 가변속 시스템의 출력 상전압의 파형 흐름도.

도 11은 본 발명의 일실시예로 6레이어로 구성된 파워 셀 출력 선간전압과 고전압 전동기 가변속 시스템의 출력 상전압의 파형 흐름도.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

10; 경제형 파워 셀 11,23; 단상 PWM 인버터

12; 3상 다이오드 정류기 20; 회생형 파워 셀

21; 3상 PWM컨버터 22; 리액터

30; 변압기 41; 주 제어기

42; 셀 제어기 50; 보조 스위치

본 발명은 고전압 전동기 가변속 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고전압 전동기 가변속 시스템의 각 상을 직렬 접속된 여러 개의 파워 셀(power cell)로 구성하는 한편, 각 파워 셀은 독립된 단상 인버터 구조를 가지도록 구성하여 저전압 파워 셀, 즉 저전압 전력용 반도체를 사용하여 고전압을 얻을 수 있도록 함은 물론, 파워 셀의 수에 따라 출력 전압 레벨 수를 증가시켜 정현파에 가까운 전압 파형을 얻을 수 있도록 하는 입출력 전력 품질을 고려한 고전압 전동기 가변 속 시스템에 관한 것이다.

주지된 바와같이, 전압형 고압 대용량 인버터를 구성하기 위한 회로방식은 크게 스위칭 소자의 직렬 연결에 의한 스위칭 소자의 고전압화 방식과 멀티레벨 방식으로 나눌 수 있다.

상기 소자 직렬 방식은 여러 개의 저압 스위칭 소자를 시리즈로 연결하여 등가의 고압 스위칭 소자를 구성하는 방법으로, 이 경우 회로 동작은 저압 2-level 인버터와 동일하다.

상기 멀티레벨 인버터 방식 중 가장 오래된 방식이 엔피씨(NPC; Neutral Point Clamped) 방식으로, 이는 다이오드를 통하여 스위칭 소자에 걸리는 전압을 클램프(clamp)하여 소자의 전압 분배가 일정하도록 하는 방식이다.

이때, 인버터 출력 전압을 증가시키려면 NPC방식을 확장하여 멀티레벨로 구성하여야 하며, 이 경우 회로 구성은 한 상당 여러 개의 스위치와 클램핑(clamping) 다이오드로 구성되며, 또한 직류 연결도 여러 개의 커패시터에 의한 전압 분배회로가 되어야 한다.

그리고, 3-level의 NPC방식을 확장하여 멀티레벨의 다이오드 클램프(Diode clamped) 방식으로 회로를 구성할 경우, 클램핑 다이오드에 걸리는 전압 스트레스가 일정치 않고 직류단 커패시터의 전압 밸런스(balance)의 문제가 용이하지 않으며, 이를 개선하기 위한 방식이 Flying capacitor 방식이다.

상기 Flying capacitor 방식은 커패시터에 의해 소자의 전압을 balancing하는 방식으로, 이는 다이오드 클램프 방식의 문제점을 어느 정도 보완할 수 있다.

더불어, 인버터 전압 사양이 변경될 경우 다이오드 클램프나 Flying Capacitor 방식을 사용한 멀티레벨 인버터는 전력소자를 바꾸어 설계해야 하나, 고압 소자의 경우 종류가 제한되어 있어 이에 대한 대응이 용이하지 않고, 경우에 따라서는 시스템 전체를 재설계 해야 한다.

즉, 국내외 대형 유도 전동기의 전압은 2400V부터 7200V로 다양하게 설계되어 있는데 반해, 전동기 가변속 시스템인 고압 인버터는 전압이 다양하지 않아 강압 및 승압 변압기를 이용하여 여러 종류의 전동기에 적용하므로 가격 상승, 넓은 설치 공간 필요, 시스템 효율 감소, 변압기 누설 인덕턴스와 대지 정전 용량간의 공진 발생 등 많은 문제점이 야기되어 산업체 인버터 보급의 장애물로 대두되고 있을뿐만 아니라, 인버터 적용시 모선의 고조파 영향, 펄스폭변조(PWM)전압에 의한 전동기 열화, 진동, 절연, 에너지 절감액 평가 저하 등으로 더욱 인버터 적용에 어려움을 겪고 있다.

이에 본 발명은 구조나 적용 소자 및 특성 면에서 거의 유사한 소용량급의 인버터와 달리 인버터 제작사에 따라 전력 회로 토폴로지가 다르고 적용 소자나 제어 기법도 상이한 구성을 통해 셀 수를 조정함으로써 전압사양 변경에 대한 대응이 용이하도록 한 것이다.

즉, 본 발명은 고전압 전동기 가변속 장치의 각 상을 직렬 접속된 여러 개의 파워 셀로 구성하는 한편, 각 파워 셀은 독립된 단상 인버터 구조를 가지도록 구성함으로써, 저전압 파워 셀 즉, 저전압 전력용 반도체를 사용하여 고전압을 얻을 수 있도록 함은 물론, 파워 셀의 개수에 따라 출력 전압 레벨 수를 증가시켜 정현파에 가까운 전압 파형을 얻을 수 있도록 하고, 더불어 전원에 대한 전력 품질의 보장을 통해 시장 경쟁력이 구비된 전력 토폴로지를 이용한 인버터를 구성할 수 있도록 하는 입출력 전력 품질을 고려한 고전압 전동기 가변속 시스템을 제공하려는데 그 목적이 있다.

또한 본 발명은 파워 셀의 개수를 조정함으로써 전압 레벨을 손쉽게 바꿀 수 있어 여러 종류의 전압에도 손쉽게 대응할 수 있도록 함은 물론, 셀단위의 교체를 통해 평균 고장 수리 시간을 수 분 이내로 짧게 하면서 여유분의 파워 셀 확보를 통해 예비 파트(Spare Part)에 대한 비용 부담을 줄일 수 있도록 하려는데 또 다른 목적이 있는 것이다.

상기 목적 달성을 위한 본 발명 전력품질을 고려한 고전압 전동기 가변속 시스템은, 고전압 전동기 가변속 시스템인 멀티레벨 인버터 전력회로를 구성함에 있어서,

고전압 전동기 가변속 시스템의 출력부 각 상은 직렬 접속된 여러 개의 파워 셀로 구성하고, 상기 각 파워 셀은 독립된 단상 인버터 구조를 가지도록 구성하였다.

그리고, 상기 고전압 전동기 가변속 시스템의 입력부 즉, 전원 계통과 연결된 입력부는 2차측이 지그재그 또는 확장 델타 결선방법의 여러 개의 탭을 갖는 변압기로 연결되도록 하였다.

상기 입력측 변압기는 3가지 용도로서,

첫 번째는 전동기 가변속 시스템의 각 파워 셀에 독립전원을 공급하기 위함이고,

두번째는 2차측 탭간에 위상차를 두어 멀티펄스(Multi-pulse) 방식의 정류기형 컨버터를 구성함으로써 기존의 6-펄스 정류 방식에 비하여 아주 낮은 입력단 THD(Total Harmonic Distortion)를 얻기 위함이며,

세번째는 변압기 내부 임피던스를 증가시켜 초기 파워 셀의 충전시 기동전류를 제한함으로써 기동회로로 대체하기 위함이다.

그리고, 상기 인버터 최종 출력 전압은 파워 셀의 개수를 조정함으로써 대응이 가능하도록 하였다.

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 바람직한 일실시예를 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 일실시예로 6레이어 18개 파워 셀로 구성된 3상 기본 경제형 고전압 전동기 가변속 시스템의 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예로 6레이어 18개 파워 셀로 구성된 3상 고급 회생형 고전압 전동기 가변속 시스템의 구성도이며, 도 3은 본 발명의 일실시예로 다상 출력으로 구성된 기본 경제형 고전압 전동기 가변속 시스템의 구성도 이다.

도 4는 본 발명의 일실시예로 다상 출력으로 구성된 고급 회생형 고전압 전동기 가변속 시스템의 구성도이고, 도 5는 본 발명의 일실시예로 기본 경제형 파워 셀의 구성도이며, 도 6은 본 발명의 일실시예로 고급 회생형 파워 셀의 구성도 이 다.

도 7은 본 발명의 일실시예로 파워 셀의 전압 분배도이고, 도 8은 본 발명의 일실시예로 주제어기와 셀 제어기의 구성 및 기능 블럭도이며, 도 9는 본 발명의 일실시예로 2레이어 고전압 전동기 가변속 시스템의 구성도 이다.

도 10은 본 발명의 일실시예로 2레이어 고전압 전동기 가변속 시스템의 출력 상전압의 파형 흐름도이고, 도 11은 본 발명의 일실시예로 6레이어로 구성된 파워 셀 출력 선간전압과 고전압 전동기 가변속 시스템의 출력 상전압의 파형 흐름도 이다.

이와같은 본 발명의 일실시예는, 전력품질을 고려한 고전압 전동기 가변속 시스템인 멀티레벨 인버터 전력회로의 파워 셀은 기본 경제형 파워 셀(10)과 고급 회생형 파워 셀(20)로 구분하되,

상기 기본 경제형의 파워 셀(10)은 도 1 및 도 5에서와 같이,

출력측은 스위칭소자인 IGBT로 구성된 단상 PWM 인버터(11)이고, 입력은 3상 다이오드 정류기(12)로 구성하였다.

즉, 대부분의 고압 대용량 전동기는 펌프나 팬, 블로어 등의 에너지 절약효과가 큰 응용분야에 사용되며 회생에너지가 적어 다이오드 정류기(12)가 경제적이기 때문이다.

더불어, 상기와 같은 다이오드 정류기(12)를 사용할 경우 신뢰성이 높고 효율이 좋은 장점도 지닐 수 있기 때문이다.

상기 고급 회생형 파워 셀(20)은 도 2 및 도 6에 도시된 바와같이,

급 가감속이 필요한 부하의 경우 회생에너지를 전원측으로 반환해야 하므로 이를 위하여 입력 컨버터부를 스위칭소자인 IGBT를 이용한 3상 PWM컨버터(21)로 구성하고, 출력 인버터부를 스위칭소자인 IGBT를 이용한 단상 PWM인버터(23)로 구성하며, 상기 3상 PWM컨버터(21)의 입력부에는 전류제어를 위한 리액터(22)를 연결하고, 상기 리액터(22)에는 스위칭에 의한 전자파(EMI) 노이즈가 전원 계통에 유입되는 것을 방지하도록 노이즈 필터(도면에는 도시하지 않음)를 부착하였다.

상기 변압기(30)는 기본 경제형과 달리 입력부의 3상 PWM컨버터(21)가 위상제어를 하므로 변압기 2차측 사이에 위상차를 두지 않도록 설계하였다.

또한, 시스템을 단순화하기 위해 3상 PWM컨버터(21)의 입력측에 있는 리액터(22)를 변압기(30)의 임피던스 내에 포함시킬 수도 있으며, 이에따라 가격이 기본 경제형인 파워 셀(10)에 비하여 높으므로 전원 회생이 필요한 용도에 그 응용이 가능하도록 하였다.

한편, 도 3은 경제형 고전압 전동기 가변속 시스템을 도시한 것으로, 이는 출력전압이 다상이며 전압레벨이 여러 단계로 구성된 회로 구성도 이다.

즉, 도 3에서와 같이 입력 변압기(30)의 권선수, 변압기(30)의 2차측 권선 위상차이, 상기 인버터 출력 상전압의 스텝 수, 출력 선간전압을 설계함에 있어,

상기 입력 변압기(30)의 권선수는 3상을 1개의 권선으로 계산할 경우 인버터 레이어 개수(n)와 출력 상수(Z)을 곱해서 입력권선을 더한다(출력 상수 ×레이어 개수+1 ; Z ×n+1).

상기 변압기(30)의 2차측 권선 위상차이는 360°에서 6과 레이어 개수(n)로 나눈 값으로 설계한다(360°/ [6 ×레이어 개수] ; 360°/ [6 ×n]).

상기 인버터 출력 상전압의 스텝 수는 그라운드(Ground)를 제외하고 한 레이어에 양의 값으로 2개의 스텝이 출력되므로 레이어 개수(n)를 2배한 후 1을 더한다(2 ×레이어 개수+1 ; 2 ×n+1).

상기 출력 선간전압은 상전압의 차이이므로 레이어 개수를 4배한 후 1을 더한다(4 ×레이어 개수+1 ; 4 ×n+1).

이때, 파워 셀(10)의 총 개수는 상수(Z)와 레이어 개수의 곱(상수 ×레이어 개수 ; Z ×n)으로 계산되도록 하였다.

한편, 도 4는 고급 회생형 고전압 전동기 가변속 시스템을 도시한 것으로, 이는 파워 셀(20)의 입,출력부가 정류 다이오드(D)가 아닌 스위칭 소자(IGBT)로 구성된 3상 PWM컨버터(21) 및 단상 PWM인버터(23)이며, 다른 부분은 도 3의 기본 경제형 고전압 전동기 가변속 시스템과 동일한 구조를 가지도록 하였다.

도 5는 기본 경제형 파워 셀(10)의 회로도로, 이는 다이오드(D)로 구성된 정류부(12), 평활용 커패시터(C), 스위칭 소자인 IGBT를 이용한 단상 PWM인버터(11), 그리고 셀 제어수단으로 구성되며,

상기 기본 경제형 파워 셀(10)은 초기 충전시 과전류는 입력측 변압기(30)의 임피던스에 의해 제한되므로 별도의 충전회로는 필요하지 않는다.

그리고, 시스템이 정지되어서는 않되는 중요 부하의 경우는 각 파워 셀(10)의 출력을 바이패스(bypass) 시킬 수 있는 보조 스위치(50)를 장착함으로써 고장시 고장 수리 기간동안 시스템이 정지하지 않고 출력 전압만을 낮추어 운전될 수 있도 록 하였다.

상기 각 파워 셀(10)마다 하나의 셀 제어기(42)가 구성되어 있고, 다수의 셀 제어기(42)는 하나의 주 제어기(42)와 연결되어 있다.

상기 주 제어기(41)는 직렬통신에 의해 데이터를 교환하면서 신뢰성과 절연을 고려하여 광케이블로 구성됨은 물론, 각 상에 파워 셀(10)을 직렬로 결선하기 전에 단상으로 구성된 파워 셀(10)을 단독으로 시험할 수 있으므로, 시스템 개발, 제작, 성능실험 그리고 유지보수에 편리함이 있다.

상기 파워 셀(10)을 단독 실험할 경우, 상기 셀 제어기(A1∼A6)(B1∼B6)(C1∼C6)의 내부 인터럽트를 이용한 PWM를 발생하므로 PC를 이용하여 파워 셀(10)을 운전하고 그 운전상태를 확인할 수 있다.

상기 파워 셀(10)을 조합한 전체 고전압 전동기 가변속 시스템의 운전시에는 주제어기(41)와 셀 제어기(42)의 사이에서 통신 인터럽터를 이용하여, 상기 셀 제어기(42)에서 PWM를 발생하고, 개별 파워 셀(10)의 위치에 따른 PWM 위상 전이 값이 셀 제어기(42)에 저장되도록 설계하였다.

도 6은 고급 회생형 파워 셀(20)의 회로로, 이는 기본 경제형 파워 셀(10)의 다이오드 정류부(12) 대신 직류 링크(DC Link)의 전력을 전원으로 반환할 수 있는 3상 PWM컨버터(21)로 구성하였다.

도 7은 고전압 전동기 가변속 시스템의 회로 구성시 파워 셀(10 또는 20)의 전압 분배도를 도시한 것으로,

3상 6레이어로 6,600[V] 인버터를 구성할 경우 선간전압의

이 상전압이므로 그 상전압은 3,811[V]이고, 한 상에 6개의 파워 셀(10 또는 20)이 전압을 분배하므로 개별 파워 셀(10 또는 20)의 전압정격은 635[V]이다(3,811[V]/6= 635[V]).
이때, 상기의 상전압(Phase Valtage)은 후술하는 수학식1의 멀티레벨 인버터 전력회로를 구성하는 설계인자들로부터 산출되고, 상기의 산출정보로부터 개별 파워 셀(10 또는 20)에 대한 전압정격이 결정되는 것이다.

도 8은 셀 제어수단을 도시한 것으로, 이는 주 제어기(41)와 셀 제어기(42; A1∼A6, B1∼B6, C1∼C6)로 구성되며,

상기 주 제어기(41)는 전동기 속도와 인버터 출력 전류를 받아들여 전동기 속도 및 전류제어를 수행하는 것으로, 전류제어기의 출력인 3상의 전압 기준값을 각 상별로 동기를 맞추어서 광 케이블로 구성된 통신을 사용하여 셀 제어기(42)로 데이터를 송신한다.

상기 셀 제어기(42)는 파워 셀(10 또는 20)의 직류 링크 전압을 센싱하며, 상기 센싱된 전압과 주 제어기(41)의 전압 기준값을 사용하여 게이팅 신호을 만들도록 하였다.

이때, 상기 파워 셀(10 또는 20)의 위상 제어는 주 제어기(41)에서 송신되어 오는 한 상당 파워 셀(10 또는 20)의 개수, 파워 셀(10 또는 20)의 고장시 그 고장 개수 및 위치와 각 파워 셀(10 또는 20)의 위치 정보를 이용한다.

상기 셀 제어기(42)는 각 파워 셀(10 또는 20)마다 위치하며 시스템 제어기의 지령치에 따라 필요한 PWM 전압제어 및 위상제어를 하며, 또한 셀 단위의 감시 및 보호 기능을 갖는다.

상기 주 제어기(41)는 각 셀 제어기(42)와 광케이블로 이루어진 고속 링크(예; CAN)로 연결되며, 직렬통신을 이용하여 데이터를 주고 받는다.

상기 주 제어기(41)는 고기능 DSP와 주변회로로 구성되며, 상기 셀 제어기(42)는 주변회로 기능이 포함된 one-chip DSP로 구성된다.

상기 주 제어기(41)에서 셀 제어기(42)로의 송신 주기는 전류제어기의 샘플링 타임이며 송신 내용은 파워 셀의 기동, 정지, 출력 전압 기준값, 위상제어를 위한 샘플링 타임, 한 상당 파워 셀의 개수, 파워 셀 고장시 고장 파워 셀의 개수 및 위치 그리고 개별 파워 셀(10 또는 20)의 송신 요구 등으로 구성된다.

상기 셀 제어기(42)에서 주 제어기(41)로의 송신 주기는 샘플링 타임에서 각 상당 셀 수를 곱한 값이며, 송신내용은 개별 파워 셀의 위치, 수신 테이터 이상 유무, 고장 그리고 직류 링크 전압이다.

그리고, 상기 셀 제어기(42)는 셀 단위 고장 감시는 물론 시스템 단위의 고장 감시 기능으로 분리하여 좀더 신뢰성 있고 유연한 고장 감시 및 진단 기능을 구현할 수 있도록 설계하였다.

도 9는 2레이어 고전압 전동기 가변속 시스템의 구성도를 도시한 것으로서, A상에 2개의 단상 인버터(파워 셀 A1, 파워 셀 A2) 출력이 직렬로 연결되어 있으므로 파워 셀(A1)의 선간 출력전압 Va1과, 파워 셀(A2)의 선간 출력전압 Va2의 합성전압 Van이 최종 출력전압으로 나타난 것을 보여 주고 있다.

여기서, 상기 파워 셀(A1)과 파워 셀(A2)의 하드웨어적인 구조는 동일하고 위치에 따라 소프트웨어에 차이가 있다.

도 10은 출력 전압 멀티레벨화를 위한 PWM위상전이를 도시한 파형도로서, 이는 2레이어로 구성할 경우, 동일한 레이어에서는 출력 상에 관계없이 삼각파 캐리어(Vcarrier)는 동일하며, 각 상의 1레이어는 위상지연이 없고, 2레이어로부터 샘플링 주기의 1/2 만큼 삼각파 캐리어를 위상 지연을 시킨다.

이때, 파워 셀은 개별 삼각파 캐리어에 제 1,2 전압 지령값(V*an, -V*an)과 크기를 비교하여 전압을 출력하도록 하였으며,

상기 제 1 전압 지령값 V*an은 도 9의 파워 셀 X1 레그의 지령값이고, 상기 제 2 전압 지령값 -V*an은 도 9의 파워 셀 Y1 레그의 지령값이며, 상기 제 1,2 전압 지령값(V*an, -V*an)과 삼각파 캐리어를 비교하여 스위칭을 결정한다.

상기 제 1,2 전압 지령값(V*an, -V*an)이 파워 셀에 동일하게 주어지므로 전압 출력의 크기는 같으나, 레이어에 따라 삼각파 캐리어의 위상이 서로 다르므로 출력 전압에 위상차가 나타난다.

또한, 파워 셀은 각 상에 직렬로 구성되어 있으며 서로 전원분리가 되어 있어 전체 전압을 합성하면 출력 전압이 멀티레벨화 되어 나타날 수 있는 것이다.

도 11은 6레이어로 구성할 경우 파워 셀의 레이어에 의한 출력 전압위상차와 그것에 의해 합성전압이 멀티레벨화 되어지는 과정을 보여주는 파형도를 도시한 것이다.

이때, 6레이어 6600V 2MVA 고전압 전동기 가변속 시스템의 구성시 그 전체 시스템은 수학식1에 의해 설계되고, 파워 셀은 수학식2에 의해 설계되며, 입력 변압기는 수학식3에 의해 설계되도록 하였다.

즉, 6레이어 6600V 2MVA 고전압 전동기 가변속 시스템인 멀티레벨 인버터 전력회로는 아래의 수학식1에서와 같이,

Capacity: 2MVA

Rating Voltage: 6600V

Rating Current: 2MVA/(6600V*

)=175A

Phase Voltage: 6600V/

=3811V

Type: Single-phase full-bridge 6series(N=6) connected Inverter

(N: The number of cells per phase)

Rectifier: 6pulse x N=36 Pulse 3ΦDiode Rectifier

Inverter Output Level: 2N+1=13 Level

Inverter Output Voltage Step: 898V

에 의해 설계되며, 이는 도 3에 의해 설계되는 경제형 고전압 전동기 가변속 시스템에 있어, 출력전압이 다상이며 전압레벨이 여러 단계로 구성된 회로 구성도로부터 달성된다.
즉, 수학식1의 6레이어 6600V 2MVA 고전압 전동기 가변속 시스템을 구성하는 설계인자(Capacity, Rating Voltage, Rating Current, Phase Voltage, Type, Rectifier, Inverter Output Level, Inverter Output Voltage Step)들은 도 3에서와 같이 입력 변압기(30)의 권선수, 변압기(30)의 2차측 권선 위상차이, 상기 인버터 출력 상전압의 스텝 수, 출력 선간전압의 산출로부터 가능하게 되는 것이다.

6레이어 6600V 2MVA 고전압 전동기 가변속 시스템의 파워셀은 아래의 수학식2에서와 같이,

Power Cell Input: 3ΦDiode Rectifier

Power Cell Output: 1ΦPWM Inverter

Power Cell Capacity: 2MVA/18EA=111KVA

Power Cell Output 1ΦVoltage: 3811V/6=635V

Power Cell Output 1ΦCurrent: 111KVA/635V=175A

Power Cell DC-Link Voltage: 635V/0.707=898V

Power Cell Input 3ΦVoltage: 898V/1.35=665V

Power Cell Input 3ΦCurrent: 111KVA/(665V*

)=97A

Switching Device: 1,700V IGBTs

Switching Frequency: 1kHz

Cooling: Forced-air

Overload Capacity: 120% of rated output for 60s (Option: 150% for 60s)

에 의해 설계되며,

6레이어 6600V 2MVA 고전압 전동기 가변속 시스템의 변압기는 아래의 수학식3에서와 같이,

1st Connection: Wye

2nd Connection: Extended Delta Connection

Type: Dry, 36 Pulse, 19 Winding

1st Voltage/Current: 3Φ6600V/175A

2nd Voltage/Current: 3Φ665V/97A

2nd No.: 6 layer x 3Φ=3Φ18EA

2nd phase: 360°/36 Pulse=10°

Impedance: 8%

Cooling: Forced air-cooled type

에 의해 설계되도록 하였다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 단상 인버터를 조합하여 멀티레벨 인버터를 구성함으로써, 전력회로에 대한 완전한 모듈(Module)화 가능하게 되면서 전압정격 증대가 용이하고, 저압의 스위칭 소자(IGBT)로 구성되기 때문에 경제적일 뿐만아니라 개별 파워 셀 고장 발생시에도 정격감소 운전이 가능(De-Rating Operation)한 효과를 제공한다.

또한 본 발명은 다중 펄스 변압기를 사용함으로써 입력 THD가 낮아 입력필터를 사용하지 않아도 됨은 물론, 출력전압 스텝이 여러 단계로 구성됨으로써 출력 THD가 낮아 출력필터를 사용하지 않아도 되고, 아울러 전압반사 영향이 작기 때문에 인버터와 전동기 사이의 거리가 멀어도 그 설치가 가능한 효과를 제공한다.

이에 따라, 본 발명은 고전압 대용량 전동기 가변속 장치인 멀티레벨 인버터 전력회로를 구성함에 있어서 고전압에도 쉽게 대응할 수 있는 유연성은 물론, 저압 소자를 사용하여 설계함으로써, 기존의 생산/시험 기술과 설비를 이용할 수 있다는 경제성, 그리고 파워 셀 단위 결합 구조이므로 신뢰성을 확보할 수 있는 효과를 제공할 수 있게 되는 것이다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통 상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와같은 변경은 청구범위 기재의 범위내에 있게 된다.

Claims

3상 고전압 전동기 가변속 장치인 멀티레벨 인버터 전력회로를 구성함에 있어서,

상기 고전압 전동기 가변속 장치 출력부의 각 상에는 직렬 접속된 여러 개의 파워 셀을 연결하고,

고전압 전동기 가변속 장치의 입력부에는 2차측에 여러개의 탭을 갖고 입력측이 전원계통과 연결된 변압기를 연결 구성함을 특징으로 하는 입출력 전력 품질을 고려한 고전압 전동기 가변속 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 파워 셀은,

스위칭소자인 IGBT로 구성된 단상 PWM인버터로 출력부를 구성하고, 3상 다이오드 정류기로 입력부를 구성함을 특징으로 하는 입출력 전력 품질을 고려한 고전압 전동기 가변속 시스템.
제 2 항에 있어서, 상기 단상 PWM인버터의 최종 출력 전압레벨은,

파워 셀의 개수에 따라 그 조정이 이루어짐을 특징으로 하는 입출력 전력 품질을 고려한 고전압 전동기 가변속 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 파워 셀은,

IGBT를 이용한 3상 PWM컨버터와 단상 PWM인버터로 각각 입출력부를 구성하고, 상기 입력부의 3상 PWM컨버터에는 전류제어를 위한 리액터를 연결 구성함을 특징으로 하는 입출력 전력 품질을 고려한 고전압 전동기 가변속 시스템.
제 4 항에 있어서, 상기 리액터는,

변압기의 임피던스 내에 포함하여 구성함을 특징으로 하는 입출력 전력 품질을 고려한 고전압 전동기 가변속 시스템.
제 4 항에 있어서, 상기 파워 셀에는,

스위칭에 의한 전자파 노이즈가 변압기의 입력측에 연결된 전원 계통으로 유입되는 것을 방지하도록 노이즈 필터를 추가 구성함을 특징으로 하는 입출력 전력 품질을 고려한 고전압 전동기 가변속 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 고전압 전동기 가변속 장치의 입력부는,

2차측이 확장 델타 결선으로 여러 개의 탭을 갖는 변압기와 연결 구성함을 특징으로 하는 입출력 전력 품질을 고려한 고전압 전동기 가변속 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 고전압 전동기 가변속 장치의 입력부는,

2차측이 지그재그 결선으로 여러 개의 탭을 갖는 변압기와 연결 구성함을 특징으로 하는 입출력 전력 품질을 고려한 고전압 전동기 가변속 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 변압기의 입력측에는,

2차측 탭간에 위상차를 두면서 아주 낮은 입력단의 THD를 얻을 수 있도록 멀티펄스 방식의 정류기형 컨버터를 연결 구성함을 특징으로 하는 입출력 전력 품질을 고려한 고전압 전동기 가변속 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 변압기의 입력측에는,

변압기 내부 임피던스를 증가시켜 초기 파워 셀 충전시 기동전류를 제한하기 위한 기동회로를 적용함을 특징으로 하는 입출력 전력 품질을 고려한 고전압 전동기 가변속 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 변압기의 입력측은,

변압기 2차측과 위상차를 두지 않도록 구성함을 특징으로 하는 입출력 전력 품질을 고려한 고전압 전동기 가변속 장치.
3상의 고전압 전동기 가변속 장치인 멀티레벨 인버터 전력회로를 구성함에 있어서,

고전압 전동기 가변속 장치의 출력부 각 상에는 직렬 접속된 여러 개의 파워 셀을 연결하고,

전원 계통과 연결된 고전압 전동기 가변속 장치의 입력부에는 2차측에 여러 개의 탭을 갖는 변압기와 연결하며,

상기 파워 셀에는 셀 제어수단을 연결 구성함을 특징으로 하는 입출력 전력 품질을 고려한 고전압 전동기 가변속 시스템.
제 12 항에 있어서, 상기 파워 셀에는,

각 셀의 출력을 바이패스시킬 수 있는 보조 스위치를 장착 구성함을 특징으로 하는 입출력 전력 품질을 고려한 고전압 전동기 가변속 시스템.
제 12 항에 있어서, 상기 셀 제어수단은,

전류제어기의 출력인 3상의 전압 기준값을 각 상별로 동기를 맞춰 광케이블로 구성된 통신을 사용하여 데이터를 송신하도록 전동기 속도와 인버터 출력 전류를 받아들여 전동기 속도 및 전류제어를 수행하는 주 제어기와,

파워 셀의 직류 링크 전압을 센싱한 후 그 센싱된 전압과 상기 주 제어기의 전압 기준값을 사용하여 게이팅 신호을 만들면서 주 제어기에서 송신되어 오는 한 상당 파워 셀의 개수, 파워 셀 고장시 고장 파워 셀의 개수 및 위치 그리고 각 파워 셀의 위치 정보를 이용하여 파워 셀의 위상 제어를 수행하는 셀 제어기로 구성함을 특징으로 하는 입출력 전력 품질을 고려한 고전압 전동기 가변속 시스템.
제 14 항에 있어서, 상기 주 제어기는,

직렬통신을 이용하여 데이터를 주고받도록 각 셀 제어기와 광케이블로 이루 어진 고속 링크로 연결함을 특징으로 하는 입출력 전력 품질을 고려한 고전압 전동기 가변속 시스템.
제 14 항에 있어서, 상기 주 제어기는,

고기능 DSP와 주변회로로 구성함을 특징으로 하는 입출력 전력 품질을 고려한 고전압 전동기 가변속 시스템.
제 14 항에 있어서, 상기 셀 제어기는,

시스템 제어기의 지령치에 따라 필요한 PWM전압 제어 및 위상제어와 셀 단위의 감시 및 보호 기능을 수행하도록 각 셀마다 설치 구성함을 특징으로 하는 입출력 전력 품질을 고려한 고전압 전동기 가변속 시스템.
제 14 항에 있어서, 상기 셀 제어기는,

주변회로 기능이 포함된 one-chip DSP로 구성함을 특징으로 하는 입출력 전력 품질을 고려한 고전압 전동기 가변속 시스템.
제 14 항에 있어서, 상기 주 제어기에서 셀 제어기로의 송신 주기는,

파워 셀의 기동, 정지, 출력 전압 기준값, 위상제어를 위한 샘플링 타임, 한 상당 파워 셀의 개수, 파워 셀 고장시 그 고장 파워 셀의 개수 및 위치 그리고 개별 파워 셀의 송신 요구 등의 송신내용을 포함하는 제어기의 샘플링 타임으로 이루 어짐을 특징으로 하는 입출력 전력 품질을 고려한 고전압 전동기 가변속 시스템.
제 14 항에 있어서, 상기 셀 제어기에서 주 제어기로의 송신 주기는,

개별 파워 셀의 위치, 수신 테이터 이상 유무, 고장 그리고 직류 링크 전압을 포함하는 제어기의 샘플링 타임에서 각 상당 셀 수를 곱한 값으로 이루어짐을 특징으로 하는 입출력 전력 품질을 고려한 고전압 전동기 가변속 시스템.
출력전압이 다상이고 전압레벨을 여러 단계로 구성하도록 변압기의 권선수, 변압기의 2차측 권선 위상차이, 인버터 상전압의 출력 개수, 상전압 차이의 출력 선간전압을 포함하는 경제형의 고전압 전동기 가변속 장치인 멀티레벨 인버터 전력회로를 구성함에 있어서,

상기 변압기의 권선수는 3상을 1개의 권선으로 계산시 인버터 레이어 개수와 출력 상수를 곱한 후 입력 권선을 더하여(출력 상수 ×레이어 개수+1 ; Z ×n+1) 산출하고,

상기 변압기의 2차측 권선 위상차이는 360°에서 6과 레이어 개수로 나눈 값(360°/ [6 ×레이어 갯수] ; 360°/ [6 ×n])으로 산출하며,

상기 인버터의 상전압 출력 개수는 그라운드를 제외하고 한 레이어에 양의 값으로 2개의 스텝이 출력됨을 감안하여 레이어 개수를 2배한 후 1을 더하여(2 ×레이어 개수+1 ; 2 ×n+1) 산출하고,

상기 상전압 차이의 출력 선간전압은 레이어 개수를 4배한 후 1을 더하여(4 ×레이어개수 + 1 ; 4 ×n+1) 산출함을 특징으로 하는 입출력 전력 품질을 고려한 고전압 전동기 가변속 시스템.
제 21 항에 있어서, 상기 파워 셀의 총 개수는,

상수와 레이어 개수의 곱(상수 ×레이어 개수 ; Z ×n)으로 계산하여 구성함을 특징으로 하는 함을 특징으로 하는 입출력 전력 품질을 고려한 고전압 전동기 가변속 시스템.
제 21 항에 있어서, 파워 셀의 출력전압 멀티 레벨화를 위한 PWM위상전이는,

2레이어로 구성시 동일한 레이어에서는 출력 상에 관계없이 삼각파 캐리어(Vcarrier)를 동일하게 하고,

각 상의 1레이어는 위상 지연이 없고 2레이어부터 샘플링 주기의 1/2 만큼 삼각파 캐리어를 위상 지연시키며,

파워 셀은 개별 삼각파 캐리어에 제 1,2 전압 지령값(V*an, -V*an)과 크기를 비교하여 전압을 출력하고,

상기 제 1 전압 지령값(V*an)은 파워 셀 X1 레그의 지령값으로, 또 다른 제 2 전압지령값(-V*an)은 파워 셀 Y1 레그의 지령값으로 설정하며,

각각의 전압 지령값과 삼각파 캐리어를 비교하여 스위칭을 결정하고,

전압 지령값이 파워 셀에 동일하게 주어질 때 전압 출력의 크기는 같도록 하지만 레이어에 따라 삼각파 캐리어의 위상이 서로 다르므로 출력 전압에 위상차가 나타나도록 하며,

상기 여러개의 파워 셀은 서로 전원분리가 이루어진 상태에서 각 상에 직렬로 구성시킨 후 전체 전압을 합성하여 이루어짐을 특징으로 하는 입출력 전력 품질을 고려한 고전압 전동기 가변속 시스템.
6레이어 6600V 2MVA를 이루는 고전압 전동기 가변속 장치인 멀티레벨 인버터 전력회로를 구성함에 있어서,

변압기의 권선수, 변압기의 2차측 권선 위상차이, 인버터 상전압의 출력 개수, 상전압 차이의 출력 선간전압을 산출하여,

Capacity: 2MVA

Rating Voltage: 6600V

Rating Current: 2MVA/(6600V*
)=175A

Phase Voltage: 6600V/
=3811V

Type: Single-phase full-bridge 6series(N=6) connected Inverter

(N: The number of cells per phase)

Rectifier: 6pulse x N=36 Pulse 3ΦDiode Rectifier

Inverter Output Level: 2N+1=13 Level

Inverter Output Voltage Step: 898V

에 의해 설계 구성됨을 특징으로 하는 입출력 전력 품질을 고려한 고전압 전동기 가변속 시스템.
제 24 항에 있어서, 상기 멀티레벨 인버터 전력회로의 파워셀은,

Power Cell Input: 3ΦDiode Rectifier

Power Cell Output: 1ΦPWM Inverter

Power Cell Capacity: 2MVA/18EA=111KVA

Power Cell Output 1ΦVoltage: 3811V/6=635V

Power Cell Output 1ΦCurrent: 111KVA/635V=175A

Power Cell DC-Link Voltage: 635V/0.707=898V

Power Cell Input 3ΦVoltage: 898V/1.35=665V

Power Cell Input 3ΦCurrent: 111KVA/(665V*
)=97A

Switching Device: 1,700V IGBTs

Switching Frequency: 1kHz

Cooling: Forced-air

Overload Capacity: 120% of rated output for 60s (Option: 150% for 60s)

에 의해 설계 구성됨을 특징으로 하는 입출력 전력 품질을 고려한 고전압 전동기 가변속 시스템.
제 24 항에 있어서, 상기 멀티레벨 인버터 전력회로의 변압기는,

1st Connection: Wye

2nd Connection: Extended Delta Connection

Type: Dry, 36 Pulse, 19 Winding

1st Voltage/Current: 3Φ6600V/175A

2nd Voltage/Current: 3Φ665V/97A

2nd No.: 6 layer x 3Φ=3Φ18EA

2nd phase: 360°/36 Pulse=10°

Impedance: 8%

Cooling: Forced air-cooled type

에 의해 설계 구성됨을 특징으로 하는 입출력 전력 품질을 고려한 고전압 전동기 가변속 시스템.
제 24 항 또는 제 25 항에 있어서, 3상 6레이어로 6,600[V]의 인버터를 구성하는 고전압 전동기 가변속 시스템내 파워 셀의 전압 분해는,

변압기의 권선수, 변압기의 2차측 권선 위상차이, 인버터 상전압의 출력 개수, 상전압 차이의 출력 선간전압을 산출함에 있어, 선간전압의 1/
이상전압에 의해 상전압은 3,811[V], 한 상에 6개의 파워 셀이 전압을 분배하므로 개별 파워 셀의 전압정격은 635[V]{3,811[V]/6 = 635[V]}로 설계 구성함을 특징으로 하는 입출력 전력 품질을 고려한 고전압 전동기 가변속 시스템.