KR101203883B1

KR101203883B1 - 소프트스타터 장치 및 그의 제조방법

Info

Publication number: KR101203883B1
Application number: KR1020110136704A
Authority: KR
Inventors: 이정표
Original assignee: 이정표; 주식회사 엣셀
Priority date: 2011-12-16
Filing date: 2011-12-16
Publication date: 2012-11-23

Abstract

본 발명은 스위칭 속도가 빠른 스위치 소자를 구비한 소프트스타터의 구조 및 제어방법에 관한 것으로, 스위칭 속도가 빠르면서 역병렬 다이오드가 구비된 스위치 소자를 역직렬 배치하고 영전류 스위칭을 할 수 있는 새로운 제어방법을 도입함으로써 시스템 효율 및 안전성 높일 수 있는데, 이러한 소프트스타터 장치는 역병렬 다이오드가 각각 구비된 두 개의 스위치 소자를 포함하되, 상기 두 개의 스위치 소자 중 하나는 교류전원으로부터 전동기로 양의 방향으로 도통시키는 양(陽)방향 스위치이고 다른 하나는 음의 방향으로 도통시키는 음(陰)방향 스위치 소자이되 상기 두 개의 스위치 소자가 직렬로 배치되고 사용자에 의한 운전지령을 검출하면 입력전압과 입력전류의 부호에 따라 양(陽)방향 스위치 소자 및 음(陰)방향 스위치 소자를 적절히 온/온프시킴으로써 영전압 스위칭에 의한 전동기의 소프트스타팅을 가능하게 해 준다.

Description

소프트스타터 장치 및 그의 제조방법{Soft starter and controlling method theref}

본 발명은 고속 스위치 소자를 구비한 소프트스타터 장치 및 그 제어방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전동기의 기동장치로 사용되는 SCR형 소프트스타터의 고효율 저해요소를 제거하고, 보호기능 부족의 단점을 개선하기 위하여, 전력용 반도체 소자 SCR을 대신하여 고속 스위치 전력소자를 역직렬 배치하는 제어방법을 도입함으로써 시스템 효율 및 안전성을 높인 소프트스타터의 구조 및 제어방법에 관한 것이다.

교류전원을 통해 구동되는 유도전동기는 직류전동기에 비해 그 구조의 단순함과 가격 상의 이점으로 인해 산업계에서 폭넓게 사용되고 있다. 또한 이제는 전력제어방법의 발달로 인해 강판 압출, 엘리베이터 등과 같이 토크가 빈번하게 바뀌거나 속도지령이 다양하게 바뀌는 경우에도 인버터/컨버터 지령에 의한 유도전동기를 사용하여 시스템 효율과 가격 경쟁력을 높이고 있다.

다만, 이러한 유도전동기는 구동 시에 별도의 스타터 장치를 구비하지 않고 직입기동을 하게 되면 전동기에 과전류가 흐르므로 이를 제어해줄 수 있는 소프트스타터 제어장치가 필요하다. 종래에는 이러한 소프트스타터 장치를 제어하기 위한 스위치 소자로 SCR(Silicon Controlled Rectifier)을 사용하였으나 SCR은 소자를 오프시키는데 난점이 있어 스위칭 손실이 발생하는 단점이 있다. 즉, SCR은 자기소호능력이 없고, 대신 역바이어스(reverse bias) 전압이 걸리기 전까지는 스스로 꺼지지 않으므로 급변하는 부하의 변동 또는 외부 사고에 대처할 수 없다는 단점이 되므로, 이를 보완하기 위한 부가회로를 통해 안전조치를 해야 한다.

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 SCR과 같이 역바이어스 전압없이는 소호되지 않는 스위치 소자 사용에 의해 스위칭 손실이 발생하는 소프트스타터 장치의 효율을 높이기 위해 고효율 저해요소인 전력용 반도체 소자를 제거하고, 스위칭 속도가 높으면서 역바이어스 전압없이 오프되는 스위치 소자를 역직렬 배치하여 영전류 스위칭(소프트 스위칭, Soft Switching)을 할 수 있는 제어방법을 도입함으로써, 스위칭 손실을 없애 시스템 효율을 높일 수 있는 소프트스타터의 구조가 필요하다.

본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 자기소호능력이 없는 전력용 반도체 소자 SCR를 제거하고, 자기소호능력이 있는 iGBT와 같이 역병렬 다이오드가 구비된 전력소자를 역직렬 배치하여, 부하의 조건이나 바이어스의 조건 등과 무관하게 언제나 스위치 소자를 온, 오프할 수 있도록 구성함으로써, 급변하는 부하의 변동 또는 외부 사고에 대처할 수 있도록 소프트스타팅 방법을 구축하는데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 고성능 전력용 반도체 스위치 소자를 사용한 소프트스타터를 통해 스위치 효율을 향상시키고, 소프트스타터 장치의 소형 경량화를 이루는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 소프트스타터 장치는 역병렬 다이오드가 각각 구비된 두 개의 스위치 소자를 포함하되, 상기 두 개의 스위치 소자 중 하나는 교류전원으로부터 전동기로 양의 방향으로 도통시키는 양(陽)방향 스위치이고 다른 하나는 음의 방향으로 도통시키는 음(陰)방향 스위치 소자이되 상기 두 개의 스위치 소자가 직렬로 배치되고, 운전자의 운전지령을 검출하는 운전지령검출부, 상기 교류전원의 입력전압과 상기 전동기로 유입되는 입력전류를 검출하는 입력전압전류 검출부; 및 상기 운전지령검출부에서 운전지령을 검출하면 상기 입력전압과 입력전류의 부호에 따라 상기 양(陽)방향 스위치 소자 및 음(陰)방향 스위치 소자를 온/온프시키는 게이트 구동부를 포함한다.

바람직하게, 상기 입력전압전류검출부에 의해 검출된 입력전압과 입력전류가 양이면 상기 음(陰)방향 스위치를 오프시키고 상기 양(陽)방향 스위치를 온시키고, 상기 검출된 입력전압이 양이고 입력전류가 음이면 상기 양(陽)방향 스위치를 온시키고, 상기 검출된 입력전압과 입력전류가 음이면 양(陽)방향 스위치를 오프시키고 상기 음(陰)방향 스위치를 온시키고 및 상기 검출된 입력전압이 음이고 입력전류가 양이면 상기 음(陰)방향 스위치를 온시키는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 양(陽)방향 스위치 소자 및 음(陰)방향 스위치 소자 중 어느 하나를 온시키는데 있어서, 상기 게이트 구동부는 전압기준값과 삼각파를 생성하되 상기 전압기준값과 상기 삼각파의 크기를 비교하여 상기 전압기준값이 상기 삼각파보다 큰 경우 상기 스위치 소자를 온시키는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 전압기준값은 상기 전동기가 구동되어 상기 운전지령에 대응되는 전동기의 속도에 도달할 때까지 증가하는 값을 가지는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에서 제안하는 역병렬 다이오드를 구비한 스위치 소자에 의한 소프트스타팅 방법은 역병렬 다이오드가 각각 구비된 두 개의 스위치 소자를 배치하되, 상기 두 개의 스위치 소자 중 하나는 교류전원으로부터 전동기로 양의 방향으로 도통시키는 양(陽)방향 스위치이고 다른 하나는 음의 방향으로 도통시키는 음(陰)방향 스위치 소자이되 상기 두 개의 스위치 소자가 직렬로 배치되는 단계, 사용자에 의한 운전지령을 검출하는 단계, 상기 운전지령이 검출되면 상기 교류전원으로부터 상기 전동기로 유입되는 입력전압과 입력전류를 검출하는 단계. 상기 검출된 입력전압과 입력전류가 양이면 상기 음(陰)방향 스위치를 오프시키고 상기 양(陽)방향 스위치를 온시키는 단계, 상기 검출된 입력전압이 양이고 입력전류가 음이면 상기 양(陽)방향 스위치를 온시키는 단계, 상기 검출된 입력전압과 입력전류가 음이면 양(陽)방향 스위치를 오프시키고 상기 음(陰)방향 스위치를 온시키는 단계, 및 상기 검출된 입력전압이 음이고 입력전류가 양이면 상기 음(陰)방향 스위치를 온시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 iGBT형 소프트스타터 시스템은 가감속 운전을 하는 전체 위상제어 영역에서 영전류 스위칭(소프트 스위칭, Soft Switching)을 할 수 있는 제어방법을 도입함으로써, 시스템의 스위칭 손실 효율을 높일 수 있다. 또한, 이로 인한 부가회로들이 제거됨으로써 부품수가 감소하여, 전력밀도 향상 및 소형 경량화를 이룰 수 있는 효과가 있다. 그리고, SCR을 iGBT와 같은 고속이며 자기소호가 가능한 스위치 소자로 대치하면서, 속응성 및 속단성이 향상되어 소프트스타터의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

도 1 은 SCR이 구비된 소프트스타터 시스템을 설명하기 위한 회로도이다.
도 2 는 SCR이 구비된 소프트스타터 시스템의 동작을 설명하기 위한 순서도이다.
도 3 은 SCR이 구비된 소프트스타터 시스템의 운전특성을 설명하기 위한 파형도이다.
도 4 는 본 발명의 일실시예에 따른 iGBT형 소프트스타터 시스템을 설명하기 위한 회로도이다.
도 5 는 본 발명의 일실시예에 따른 iGBT형 소프트스타터 시스템의 제어방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 6 은 본 발명의 일실시예에 따른 iGBT형 소프트스타터 시스템의 운전특성을 설명하기 위한 파형도이다.
도 7 는 본 발명의 일실시예에 따른 iGBT형 소프트스타터 시스템의 3상 회로구성도를 나타낸다.

본 발명의 구체적인 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에 관련된 공지 기능 및 그 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐를 수 있다고 판단된 경우에는, 그 구체적인 설명을 생략하였음에 유의해야 할 것이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 예시도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1 은 SCR이 구비된 소프트스타터 시스템을 설명하기 위한 회로도이다. SCR(Silicon Controlled Rectifier)형 소프트스타터의 시스템 구성은 크게 교류전원(1)과 유도전동기(2), 양의 방향의 전류를 도통시키는 양(陽)방향 SCR(3), 음의 방향의 전류를 도통시키는 음(陰)방향 SCR(4)로 구성된다. 도 1에서 교류전원(1)과 유도전동기(2)가 직접 연결되면 직입기동이 되는데, 이 때 유도전동기(2)로는 과전류가 유입되어 유도전동기에 손상을 줄 수 있다. 이렇게 발생하는 과전류를 적절히 제어하여 가감속을 하기위해 전력용 반도체 소자 SCR(3, 4)을 사용하여 위상제어에 의한 속도제어를 하게 된다. 이러한 가감속 속도제어를 위한 SCR이 구비된 소프트스타터 시스템은 입력전압(Vac)과 입력전류(Iac)를 검출하는 입력 전압/전류 검출부(10), 전압 기준값(Vref*)과 전류 기준값(Iref*)를 입력받아 제어위상에서 SCR(3, 4)의 게이트를 온, 오프하는 SCR 게이트 구동부(11), 출력전압(Vout)과 출력전류(Iout)를 검출하는 출력 전압/전류 검출부(12), SCR 소프트스타터의 운전을 담당하는 SCR 소프트스타터 운전제어 시스템(20), 사용자의 운전지령을 검출하는 운전지령 검출부(30)로 구성된다.

SCR형 소프트스타터의 시스템 구성에 의한 운전방법은 다음과 같다. 도 1의 교류전원(1)과 유도전동기(2)가 SCR형 소프트스타터에 연결된 경우, 운전지령 검출부(30)에서 사용자의 운전지령이 검출되지 않으면 시스템은 정지된 상태로 유지된다. 운전지령 검출부(30)에서 사용자의 운전지령이 검출되면 시스템은 운전을 시작하게 되는데, SCR 소프트스타터 운전제어 시스템(20)은 입력 전압/전류 검출부(10)에서 받은 입력전압(Vac), 입력전류(Iac)의 정보를 분석하고 가감속 제어에 관련된 전압 기준값(Vref*)과 전류 기준값(Iref*)을 출력한다. SCR 게이트 구동부(11)는 전압 기준값(Vref*)과 전류 기준값(Iref*)를 입력받아 제어할 위상을 결정한 후, SCR(3, 4)의 게이트를 온,오프하여 유도전동기(2)를 운전하게 된다.

도 2 는 SCR이 구비된 소프트스타터 시스템의 동작을 설명하기 위한 순서도이다.

도 1을 참조하여 SCR이 구비된 소프트스타터 시스템의 동작을 순차적으로 설명하도록 한다. SCR형 소프트스타터에 교류전원(1)과 유도전동기(2)가 연결되면, 시작 단계를 거쳐 S10 단계에서 운전준비를 완료한 후, 운전지령의 검출여부를 판단한다(S20).

이때, S20 단계의 판단결과, 운전지령이 검출되지 않았으면, S30 단계에서 감속을 하면서 운전을 정지한 후 시스템은 종료된다. S20 단계의 판단결과, 운전지령이 검출되었으면, 입력전압/전류 검출부(10)에서 받은 입력 전압, 전류의 정보를 검출(S31)한 후, 입력전압(Vac)의 부호를 판단한다(S40).

S40 단계에서 입력전압(Vac)의 부호를 판단한 결과, 입력전압(Vac)의 부호가 음의 부호이면, 전압 기준값(Vref*)과 삼각파(Vtri)의 크기를 비교(S50)하고, 제 S40 단계의 판단결과, 입력전압(Vac)의 부호가 양의 부호이면, 전압 기준값(Vref*)과 삼각파(Vtri)의 크기를 비교(S70)한다.

이어서 S50 단계에서 전압 기준값(Vref*)과 삼각파(Vtri)의 크기를 비교한 결과, 전압 기준값(Vref*)이 삼각파(Vtri) 보다 같거나 작으면, S60 단계에서 음의 방향의 전류를 도통시키는 음(陰)방향 SCR(4)의 게이트를 오프한다. S50 단계의 판단결과, 전압 기준값(Vref*)이 삼각파(Vtri) 보다 크면, S61 단계에서 음의 방향의 전류를 도통시키는 음(陰)방향 SCR(4)의 게이트를 온한다.

뒤이어, S70 단계의 판단결과, 전압 기준값(Vref*)이 삼각파(Vtri) 보다 같거나 작으면, 제 S80 단계에서 양의 방향의 전류를 도통시키는 양(陽)방향 SCR(3)의 게이트를 오프한다. S70 단계의 판단결과, 전압 기준값(Vref*)이 삼각파(Vtri) 보다 크면, 제 S81 단계에서 양의 방향의 전류를 도통시키는 양(陽)방향 SCR(3)의 게이트를 온한다. 이러한 순서도에 의해 SCR이 구비된 소프트스타터 시스템을 동작할 때 운전특성을 아래에서 살펴보도록 한다.

도 3 은 SCR이 구비된 소프트스타터 시스템의 운전특성을 설명하기 위한 파형도이다. SCR형 소프트스타터가 가속을 할 때, 입력전압(Vac), SCR(3, 4) 게이트 구동, 출력전류(Iout) 등을 도 3에 따른 그림파형을 참조하여 살펴보도록 한다.

교류전원(1)의 입력전압(Vac)은 A01로 도시된다. SCR 게이트 구동부(11)는 게이트 구동에 관련된 삼각파(Vtri)를 생성하며, 이는 도 3에서 A02로 도시된다. SCR 소프트스타터 운전제어 시스템(20)은 가감속에 관련된 전압 기준값(Vref*)을 생성하며 이는 A03으로 도시된다.

전압 기준값(Vref*)이 삼각파(Vtri)의 비교결과에 따른 양의 방향의 전류를 도통시키는 양(陽)방향 SCR(3)의 게이트 구동전압(V_P_Gate)이 생성되며 이는 A04로 도시된다. 즉, 양(陽)방향 SCR(3)의 게이트 구동전압(V_P_Gate)은 t1~t2, t7~t8 구간동안 온된다.

전압 기준값(Vref*)이 삼각파(Vtri)의 비교결과에 따른 음의 방향의 전류를 도통시키는 음(陰)방향 SCR(4)의 게이트 구동전압(V_N_Gate)이 생성되며 이는 A05로 도시된다. 즉, 음(陰)방향 SCR(4)의 게이트 구동전압(V_N_Gate)은 t4~t5, t10~t11 구간동안 온된다.

두 주기 동안의 입력전압(Vac)과 출력전류(Iout)는 A06과 A07로 도시된다. 양의 방향의 전류가 흐르는 구간은 t1~t3, t7~t9 이며, 음의 방향의 전류가 흐르는 구간은 t4~t6, t10~t12 이다. 여기서, 게이트 구동전압과 출력전류에 대한 손실을 구분하면 다음과 같다. 양의 방향의 전류가 흐르는 구간 중에서 t1~t2, t7~t8은 게이트 구동전압(V_P_Gate)이 온되어 있으므로 도통손실이 발생하고, t2~t3, t8~t9 는 게이트 구동전압(V_P_Gate)이 OFF되어 있지만, 양의 전류가 흐르고 있으므로 스위칭 손실이 발생한다.

음의 방향의 전류가 흐르는 구간 중에서 t4~t5, t10~t11 은 게이트 구동전압(V_N_Gate)이 온되어 있으므로 도통손실이 발생하고, t5~t6, t11~t12 는 게이트 구동전압(V_N_Gate)이 오프되어 있지만, 음의 전류가 흐르고 있으므로 스위칭 손실이 발생한다.

SCR형 소프트스타터에서 사용하는 전력용 반도체 소자 SCR의 특성상 도통손실은 전체 시스템에서 무시될 수 있지만, 스위칭 손실은 전체 시스템의 효율저하 및 소자소손 등의 문제를 발생시키는 치명적인 단점이 된다. 이러한 소자소손 등의 문제를 해결하기 위한 방책으로 SCR형 소프트스타터에는 RC 스너버(snubber) 등의 부가회로를 통해 열의 형태로 손실저감 처리를 한다.

SCR형 소프트스타터의 또 하나의 단점은 자기소호능력(스스로 꺼지는 능력)이 없다는 것이다. 예를 들어, 양의 방향의 전류가 흐르는 구간(t1~t2)과 같은 정상적인 도통 구간 내에서 게이트 구동전압(V_P_Gate)을 오프하여도 양(陽)방향 SCR(3)은 역바이어스 전압이 걸리기 전까지는 스스로 꺼지지 않는다. 이는 급변하는 부하의 변동 또는 외부 사고에 대처할 수 없다는 것이므로, 이를 보완하기 위한 부가회로를 통해 안전조치가 필요하다.

본 발명의 일실시예에 따른 iGBT형 소프트스타터 시스템 구성과 순서도에 의한 운전방법을 도 4 및 도 5 를 참조하여 살펴보면 다음과 같다. 도 4 는 본 발명의 일실시예에 따른 iGBT형 소프트스타터 시스템을 설명하기 위한 회로도이고 도 5 는 본 발명의 일실시예에 따른 iGBT형 소프트스타터 시스템의 제어방법을 설명하기 위한 순서도이다.

도 4에 따른 본 발명의 일실시예에서 제안하는 iGBT형 소프트스타터의 시스템 구성은 크게 교류전원(1)과 유도전동기(2), 양의 방향의 전류를 도통시키는 양(陽)방향 스위치(5), 음의 방향의 전류를 도통시키는 음(陰)방향 스위치(6)로 구성된다. 도 4에 따르면 양(陽)방향 스위치(5) 및 음(陰)방향 스위치(6)는 각각 iGBT로 구성되었다. 도 4의 교류전원(1)과 유도전동기(2)가 직접 연결되면 직입기동이 되는데, 이 때 발생하는 과전류를 적절히 제어하여 가감속을 하기위해 역병렬 다이오드가 구비된 전력용 스위칭 반도체 소자(5, 6)를 사용하여 위상제어에 의한 속도제어를 하게 된다. 가감속 제어 시스템은 입력전압(Vac)과 입력전류(Iac)를 검출하는 입력 전압/전류 검출부(10), 전압 기준값(Vref*)과 전류 기준값(Iref*)를 입력받아 제어위상에서 스위치(도 4에서는 iGBT)의 게이트를 온, 오프하는 iGBT 게이트 구동부(13), 출력전압(Vout)과 출력전류(Iout)를 검출하는 출력 전압/전류 검출부(12), iGBT 소프트스타터의 운전을 담당하는 iGBT 소프트스타터 운전제어 시스템(21), 사용자의 운전지령을 검출하는 운전지령 검출부(31)로 구성된다. 도 4에서는 설명의 편의 상 전력용 스위칭 반도체 소자(5, 6)가 iGBT로 도시되었지만, 사용자의 선택과 시스템의 적절성을 위해 바이폴라정션트랜지스터(BJT), MOSFET, GTO 등 다양한 형태의 반도체 스위칭 소자가 사용될 수 있다. 다만, 역병렬 다이오드가 구비되어야 하는 것은 공통이다. 두 개의 스위칭 반도체 소자(5, 6)는 두 개의 역병렬 다이오드의 캐소드 혹은 애노드가 서로 마주보도록 직렬 배치되어야 한다.

제안하는 iGBT형 소프트스타터의 시스템 구성에 의한 운전방법을 살펴보면 다음과 같다. 도 4의 교류전원(1)과 유도전동기(2)가 iGBT형 소프트스타터에 연결된 경우, 운전지령 검출부(31)에서 사용자의 운전지령이 검출되지 않으면 시스템은 정지된 상태로 유지된다. 운전지령 검출부(31)에서 사용자의 운전지령이 검출되면 시스템은 운전을 시작하게 되는데, iGBT 소프트스타터 운전제어 시스템(21)은 입력 전압/전류 검출부(10)에서 받은 입력 전압, 전류의 정보를 분석하고 가감속 제어에 관련된 전압 기준값(Vref*)과 전류 기준값(Iref*)을 출력한다. iGBT 게이트 구동부(13)는 전압 기준값(Vref*)과 전류 기준값(Iref*)를 입력받아 제어할 위상을 결정한 후, 스위치(5, 6)의 게이트를 온, 오프하여 전동기(2)를 운전하게 된다.

이제 도 4에 따른 소프트스타터 시스템의 동작을 순차적으로 좀더 자세히 설명하기 위해 도 5를 참조한다. iGBT형 소프트스타터에 교류전원(1)과 유도전동기(2)가 연결되면 시작의 단계를 거쳐 S100 단계에서 운전준비를 완료한 후 운전지령의 검출여부를 판단한다(S110).

이때, S110 단계의 판단결과, 운전지령이 검출되지 않으면, S120 단계에서 전동기를 감속하면서 운전을 정지한다. S110 단계의 판단결과 운전지령이 검출되었으면 입력전압/전류 검출부(10)에서 입력 전압, 입력 전류를 검출(S121)한 후, 입력전압(Vac)의 부호를 판단한다(S130).

그리고, S130 단계의 판단결과, 입력전압(Vac)의 부호가 음의 부호이면, S140, S150, S160, S170의 절차에 따라 운전되며, S130 단계의 판단결과, 입력전압(Vac)의 부호가 양의 부호이면, S180, S190, S200, S210의 절차에 따라 운전된다.

S140 단계에서는 출력전류(Iout)의 부호를 판단하게 되는데, S140 단계의 판단결과, 출력전류(Iout)의 부호가 음의 부호이면, S150 단계에서 양의 방향의 전류를 도통시키는 양(陽)방향 스위치(5)의 게이트를 오프한다. 그 이후 S160 단계에서 전압 기준값(Vref*)과 삼각파(Vtri)의 크기를 비교하게 된다.

그리고, S160 단계의 판단결과, 전압 기준값(Vref*)이 삼각파(Vtri) 보다 크면, S170 단계에서 음의 방향의 전류를 도통시키는 음(陰)방향 스위치(6)의 게이트를 온한다.

S180 단계에서는 출력전류(Iout)의 부호를 판단하게 되는데, 제 S180 단계의 판단결과, 출력전류(Iout)의 부호가 양의 부호이면, S190 단계에서 음의 방향의 전류를 도통시키는 음(陰)방향 스위치(6)의 게이트를 오프한다. 그 이후 S200 단계에서 전압 기준값(Vref*)과 삼각파(Vtri)의 크기를 비교하게 된다.

그리고, S200 단계의 판단결과, 전압 기준값(Vref*)이 삼각파(Vtri) 보다 크면, S210 단계에서 양의 방향의 전류를 도통시키는 양(陽)방향 스위치(5)의 게이트를 온한다.

본 발명의 일실시예에 따른 iGBT형 소프트스타터가 가속을 할 때, 입력전압(Vac), 스위치(iGBT)(5, 6) 게이트 구동, 출력전류(Iout) 등을 도 6의 그림파형을 참조하여 살펴보도록 한다. 도 6 은 본 발명의 일실시예에 따른 iGBT형 소프트스타터 시스템의 운전특성을 설명하기 위한 파형도이다.

교류전원(1)의 입력전압(Vac)은 A01로 도시된다. iGBT 게이트 구동부(11)는 게이트 구동에 관련된 삼각파(Vtri)를 생성하며, A02로 도시된다. iGBT 소프트스타터 운전제어 시스템(20)은 가감속에 관련된 전압 기준값(Vref*)을 생성하며, A03으로 도시된다.

전압 기준값(Vref*)이 삼각파(Vtri)의 비교결과에 따른 양의 방향의 전류를 도통시키는 양(陽)방향 스위치(5)의 게이트 구동전압(V_P_Gate)이 생성되며, A08로 도시된다. 즉, 양(陽)방향 스위치(5)의 게이트 구동전압(V_P_Gate)은 t1~t3, t7~t9 구간동안 온된다.

전압 기준값(Vref*)과 삼각파(Vtri)의 비교결과에 따른 음의 방향의 전류를 도통시키는 음(陰)방향 스위치(6)의 게이트 구동전압(V_N_Gate)이 생성되며, A09로 도시된다. 즉, 음(陰)방향 스위치(6)의 게이트 구동전압(V_N_Gate)은 t4~t6, t10~t12 구간동안 온된다.

두 주기 동안의 입력전압(Vac)과 출력전류(Iout)는 A10과 A11로 도시된다. 양의 방향의 전류가 흐르는 구간은 t1~t3, t7~t9 이며, 음의 방향의 전류가 흐르는 구간은 t4~t6, t10~t12 이다. 여기서, 게이트 구동전압과 출력전류에 대한 손실을 구분하면 다음과 같다. 교류전원(1)으로부터 전동기(2)로 양의 방향의 전류가 흐르는 구간 중에서 t1~t3, t7~t9 은 게이트 구동전압(V_P_Gate)이 온되어 있으므로 도통손실만 발생하고, 게이트 구동전압(V_P_Gate)이 오프될 때, 전류의 크기가 영이므로 스위칭 손실이 발생하지 않는다. 음의 방향의 전류가 흐르는 구간 중에서 t4~t6, t10~t12 은 게이트 구동전압(V_N_Gate)이 온되어 있으므로 도통손실이 발생하고, 게이트 구동전압(V_N_Gate)이 오프될 때, 전류의 크기가 영이므로 스위칭 손실이 발생하지 않는다.

본 발명 일실시예에서인 iGBT형 소프트스타터에서 사용하는 전력용 반도체 소자 iGBT의 특성상 도통손실은 전체 시스템에서 무시될 수 있으며, 영전류 스위칭을 구현하였으므로 스위칭 손실은 영이 된다.

도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 iGBT형 소프트스타터 시스템의 3상 회로구성도를 나타낸다.

유도전동기(2)는 보통 3상고 교류전원(1)도 3상인 경우가 대부분이다. 전원이나 부하가 3상이어도 도 4 내지 도 6에서 설명한 방식과 동일한 방식으로 제어함으로써 영전압 스위칭에 의한 소프트스타팅이 이루어질 수 있음은 물론이다. 다만 Vab, Vbc, Vca로 이루어지는 교류전원의 3상 전압은 각각 120도의 위상차를 가지는 것 외에는 앞에서 설명한 바와 다를 바가 없다. 따라서 3상 연결선에 도 7에서 보는 바와 같이 각각에 역병렬 다이오드를 갖는 두 개의 스위치 소자를 구비함으로써 본 발명에서 이루고자 하는 영전압 스위칭에 의한 소프트스타팅 방식이 이루어질 수 있다. 즉, 앞에서 설명된 방식과 같이 양(陽)방향 스위치 소자 3개 및 음(陰)방향 스위치 소자 3개는 각각 120도 차이가 나도록 제어될 것이다.

상기 설명에서와 같이, 본 발명에 따른 역병렬 다이오드를 갖는 고속 스위칭이 가능한 스위치 소자를 구비한 소프트스타터 시스템은 가감속 운전을 하는 전체 위상제어 영역에서 영전류 스위칭(소프트 스위칭, Soft Switching)을 할 수 있다. 이러한 제어방법을 도입함으로써 스위칭 손실을 저감하면서 부가회로를 최소화하여 시스템 효율을 높일 수 있다. 또한, 이로 인한 전력밀도 향상 및 소형 경량화가 가능하다. 그리고, SCR을 iGBT, 바이폴라정션트랜지스터(BJT), MOSFET 혹은 GTO로 대치하면서, 속응성 및 속단성이 크게 향상되어 시스템의 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 따라서 본 발명은 소프트스타터 시스템의 성능을 향상시키고, 단가를 낮추며, 시스템의 안정성을 도모할 수 있을 것이다.

이상으로 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시 하였지만, 본 발명은 이와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것이 아니며, 기술적 사상의 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대해 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.

1: 교류 전원 2: 유도 전동기
3, 4: 소프트스타터의 SCR
5, 6: 본 발명의 소프트스타터의 스위치 소자
10: 입력 전압/전류 검출부 11: SCR 게이트 구동부
12: 출력 전압/전류 검출부 13: iGBT 게이트 구동부
20: SCR 소프트스타터 운전제어 시스템
21: iGBT 소프트스타터 운전제어 시스템
30, 31: 운전지령 검출부

Claims

역병렬 다이오드가 각각 구비된 두 개의 스위치 소자를 포함하되, 상기 두 개의 스위치 소자 중 하나는 교류전원으로부터 전동기로 양의 방향으로 도통시키는 양(陽)방향 스위치이고 다른 하나는 음의 방향으로 도통시키는 음(陰)방향 스위치 소자이되 상기 두 개의 스위치 소자가 직렬로 배치되고;
운전자의 운전지령을 검출하는 운전지령검출부;
상기 교류전원의 입력전압과 상기 전동기로 유입되는 입력전류를 검출하는 입력전압전류 검출부; 및
상기 운전지령검출부에서 운전지령을 검출하면 영전류 스위칭이 가능하도록
상기 입력전압전류검출부에 의해 검출된 입력전압과 입력전류가 양이면 상기 음(陰)방향 스위치를 오프시키고 상기 양(陽)방향 스위치를 온시키고,
상기 검출된 입력전압이 양이고 입력전류가 음이면 상기 양(陽)방향 스위치를 온시키고,
상기 검출된 입력전압과 입력전류가 음이면 양(陽)방향 스위치를 오프시키고 상기 음(陰)방향 스위치를 온시키고; 및
상기 검출된 입력전압이 음이고 입력전류가 양이면 상기 음(陰)방향 스위치를 온시키는 게이트 구동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 역병렬 다이오드를 구비한 스위치 소자에 의한 소프트스타터 장치.
삭제
제1항에 있어서, 상기 양(陽)방향 스위치 소자 및 음(陰)방향 스위치 소자 중 어느 하나를 온시키는데 있어서, 상기 게이트 구동부는 전압기준값과 삼각파를 생성하되 상기 전압기준값과 상기 삼각파의 크기를 비교하여 상기 전압기준값이 상기 삼각파보다 큰 경우 상기 스위치 소자를 온시키는 것을 특징으로 하는 역병렬 다이오드를 구비한 스위치 소자에 의한 소프트스타터 장치.
제3항에 있어서, 상기 전압기준값은 상기 전동기가 구동되어 상기 운전지령에 대응되는 전동기의 속도에 도달할 때까지 증가하는 값을 가지는 것을 특징으로 하는 역병렬 다이오드를 구비한 스위치 소자에 의한 소프트스타터 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 두 개의 스위치 소자는
바이폴라정션트랜지스터(BJT), MOSFET, GTO 및 IGBT 중 어느 하나인 것을 특징으로 역병렬 다이오드를 구비한 스위치 소자에 의한 소프트스타터 장치.
역병렬 다이오드가 각각 구비된 두 개의 스위치 소자를 배치하되, 상기 두 개의 스위치 소자 중 하나는 교류전원으로부터 전동기로 양의 방향으로 도통시키는 양(陽)방향 스위치이고 다른 하나는 음의 방향으로 도통시키는 음(陰)방향 스위치 소자이되 상기 두 개의 스위치 소자가 직렬로 배치되는 단계;
사용자에 의한 운전지령을 검출하는 단계;
상기 운전지령이 검출되면 상기 교류전원으로부터 상기 전동기로 유입되는 입력전압과 입력전류를 검출하는 단계;
상기 검출된 입력전압과 입력전류가 양이면 상기 음(陰)방향 스위치를 오프시키고 상기 양(陽)방향 스위치를 온시키는 단계;
상기 검출된 입력전압이 양이고 입력전류가 음이면 상기 양(陽)방향 스위치를 온시키는 단계;
상기 검출된 입력전압과 입력전류가 음이면 양(陽)방향 스위치를 오프시키고 상기 음(陰)방향 스위치를 온시키는 단계; 및
상기 검출된 입력전압이 음이고 입력전류가 양이면 상기 음(陰)방향 스위치를 온시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 역병렬 다이오드를 구비한 스위치 소자에 의한 소프트스타팅 방법.
제6항에 있어서, 상기 양(陽)방향 스위치 소자 및 음(陰)방향 스위치 소자 중 어느 하나를 온시키는데 있어서, 전압기준값과 삼각파를 비교하여 상기 전압기준값이 상기 삼각파보다 큰 경우 온시키는 것을 특징으로 하는 역병렬 다이오드를 구비한 스위치 소자에 의한 소프트스타팅 방법.
제7항에 있어서, 상기 전압기준값은 상기 전동기가 구동되어 상기 운전지령에 대응되는 전동기의 속도에 도달할 때까지 증가하는 값을 가지는 것을 특징으로 하는 역병렬 다이오드를 구비한 스위치 소자에 의한 소프트스타팅 방법.