KR101339180B1 - Automatic Voltage Regulator based on Series Voltage Compensation with AC Chopper - Google Patents
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Abstract
본 발명은 교류 쵸퍼를 구비한 직렬전압보상 기반 자동전압조절기에 관한 것으로, 본 발명에 따른 자동전압조절기는 교류 쵸퍼와 직렬전압보상을 위한 변압기로 구성되며, 자동전압조절기에 사용된 교류 쵸퍼는 커뮤테이션(commutation) 문제가 해결되고 직접적인 교류전력변환이 이루어지기 때문에 따로 에너지를 저장할 소자가 필요없어, 자동전압조절기의 크기와 가격을 줄일 수 있으며, 직렬보상을 위한 변압기 때문에 교류 쵸퍼는 단지 보상을 위해 필요한 전압만 보상하면 되므로, 스위치의 정격을 줄일 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 자동전압조절기는 보상전압을 입력전압의 동상 또는 역상으로 만들어 줄 수 있기 때문에 입력전압의 증가 또는 감소에 대해 모두 빠르게 보상해줄 수 있다.The present invention relates to a series voltage compensation based automatic voltage regulator having an AC chopper. The automatic voltage regulator according to the present invention is composed of an AC chopper and a transformer for series voltage compensation, and the AC chopper used in the automatic voltage regulator is a commutator. Since the commutation problem is solved and direct AC power conversion is done, no energy storage device is required, which reduces the size and cost of the automatic voltage regulator, and because of the transformer for series compensation, the AC chopper is just for compensation. Only the necessary voltages need to be compensated, reducing the rating of the switch. In addition, since the automatic voltage regulator according to the present invention can make the compensation voltage in phase or reverse phase of the input voltage, it can quickly compensate for all the increase or decrease of the input voltage.
Description
본 발명은 교류 쵸퍼와 직렬전압보상을 위한 변압기를 이용하여 입력전압의 강하(voltage sag) 및 상승(voltage swell)에 대해 신속하게 보상하는 교류 쵸퍼를 구비한 직렬전압보상 기반 자동전압조절기에 관한 것이다.The present invention relates to a series voltage compensation based automatic voltage regulator having an AC chopper which quickly compensates for voltage sag and voltage swell of an input voltage using an AC chopper and a transformer for series voltage compensation. .
자동전압조절기(Automatic Voltage Regulator: AVR)는 출력전압을 자동으로 조절하는 장치이다. 컴퓨터, 통신장비, 공정제어 시스템 등과 같은 전원에 민감한 장비에서의 갑작스러운 전원전압의 감소나 증가는 시스템에 심각한 문제를 초래할 수 있다. 이와 같은 전원에 민감한 장비의 사용이 증가함에 따라 전원전압의 강하 및 상승은 중요한 전력 품질 문제로 인식되고 있다. 따라서, 이러한 전력 품질 문제를 해결하기 위한 많은 방법들이 연구되고 있다.Automatic Voltage Regulator (AVR) is a device that automatically regulates the output voltage. Sudden reduction or increase in supply voltage in power sensitive equipment such as computers, communication equipment, process control systems, etc. can cause serious problems for the system. As the use of such power sensitive equipment increases, the drop and rise of the supply voltage is recognized as an important power quality problem. Therefore, many methods for solving this power quality problem have been studied.
종래 전력 품질 문제를 해결하기 위해 직류-링크 커패시터(dc-link capacitor)를 구비한 순간전압 강하 보상기(Dynamic Voltage Restorer: DVR)가 제안되었다. 이러한 DVR은 전압 급강하 및 급상승으로부터 민감한 부하를 보호하기 위한 것이나, 간접 교류-교류 전력 변환을 사용하므로, 직접 교류-교류 전력 변환에 대비하여 많은 전력 반도체 소자 사용, 많은 손실 및 적은 효율과 같은 문제점이 있다. 게다가, DVR은 에너지 저장 소자인 직류-링크 커패시터를 사용하므로, 그 크기가 증가하며 유지보수가 어렵다는 문제점이 있다.In order to solve the conventional power quality problem, a dynamic voltage restorer (DVR) having a DC-link capacitor has been proposed. These DVRs are designed to protect sensitive loads from voltage dips and spikes, but use indirect AC-AC power conversion, which can lead to problems such as the use of more power semiconductor devices, more losses and less efficiency than direct AC-AC power conversion. have. In addition, since the DVR uses a DC-link capacitor which is an energy storage element, its size increases and maintenance is difficult.
이러한 단점을 극복하기 위해, 펄스 폭 변조(Pulse Width Modulated: PWM) 교류 쵸퍼(ac choppers)를 적용한 자동전압조절기가 제안되었으나, 교류 쵸퍼에 사용되는 양방향 스위치는 커뮤테이션(commutation) 문제를 가지고 있어 높은 전압 스파이크와 정격 파워의 제한 등의 문제를 일으킬 수 있다.To overcome this drawback, an automatic voltage regulator with pulse width modulated (PWM) ac choppers has been proposed, but the bidirectional switch used in the AC chopper has high commutation problems. This can cause problems such as voltage spikes and limited power ratings.
상기한 커뮤테이션 문제가 없는 교류 쵸퍼와 직렬 변압기를 이용하여 직렬 전압보상을 하는 자동전압조절기가 제안된 바 있으나, 이러한 자동전압조절기는 전원전압의 감소나 증가 조건에 대해서만 보상이 가능하다는 문제점이 있다.Although an automatic voltage regulator that performs a series voltage compensation using an AC chopper and a series transformer without the commutation problem has been proposed, such a automatic voltage regulator has a problem in that it can be compensated only for the decrease or increase of the supply voltage. .
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로, 교류 쵸퍼와 직렬전압보상을 위한 변압기를 이용하여 입력전압의 강하 및 상승에 대해 빠르게 보상하는 교류 쵸퍼를 구비한 직렬전압보상 기반 자동전압조절기를 제공하기 위한 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and a series voltage compensation based automatic voltage regulator having an AC chopper which quickly compensates for a drop and rise of an input voltage using an AC chopper and a transformer for series voltage compensation. It is to provide.
이를 위하여, 본 발명에 따른 교류 쵸퍼를 구비한 직렬전압보상 기반 자동전압조절기는 입력전압을 소정 비율로 교류전력변환하여 출력하는 교류 쵸퍼와, 상기 입력전압을 보상전압으로 직렬 보상하는 변압기와, 상기 보상전압의 위상을 결정하는 바이패스 회로와, 상기 입력전압을 검출하는 전압검출부와, 상기 입력전압의 극성을 검출하는 극성검출부와, 상기 전압검출부에 의해 검출된 입력전압 및 상기 극성검출부를 통해 검출된 입력전압의 극성에 근거하여 상기 교류 쵸퍼의 스위치들을 제어하는 제어부를 포함한다.To this end, the series voltage compensation based automatic voltage regulator having an AC chopper according to the present invention includes an AC chopper for converting and outputting an AC voltage at a predetermined ratio, a transformer for compensating the input voltage with a compensation voltage in series, and A bypass circuit for determining the phase of the compensation voltage, a voltage detector for detecting the input voltage, a polarity detector for detecting the polarity of the input voltage, an input voltage detected by the voltage detector and the polarity detector And a controller for controlling the switches of the AC chopper based on the polarity of the input voltage.
본 발명은 직접적인 교류전력변환을 제공하는 교류 쵸퍼와 직렬전압보상을 위한 변압기를 이용하여 보상전압을 입력전압의 동상 또는 역상으로 만들어 입력전압의 강하 또는 상승을 빠르게 보상할 수 있다.The present invention can quickly compensate for the drop or rise of the input voltage by making the compensation voltage in phase or reverse phase of the input voltage using an AC chopper providing a direct AC power conversion and a transformer for series voltage compensation.
또한, 본 발명은 교류 쵸퍼를 통해 직접적인 교류전력변환이 이루어지므로 에너지를 저장하기 위한 소자를 별도로 구비할 필요가 없으므로, 자동전압조절기의 크기 및 가격을 줄일 수 있다.In addition, since the present invention is a direct AC power conversion through the AC chopper, there is no need to provide a separate element for storing energy, thereby reducing the size and cost of the automatic voltage regulator.
또한, 본 발명은 직렬전압보상을 위한 변압기를 구비하므로, 교류 쵸퍼를 통해 보상전압만 보상하면 되므로, 스위치의 정격을 줄일 수 있다.In addition, since the present invention includes a transformer for series voltage compensation, only the compensation voltage needs to be compensated through the AC chopper, thereby reducing the rating of the switch.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 자동전압조절기의 구성도를 도시한다.
도 2는 도 1에 도시된 자동전압조절기의 스위치 구동신호를 도시한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 자동전압조절기의 동작파형을 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른 자동전압조절기의 동작모드를 도시한다.
도 5는 도 1에 도시된 자동전압조절기에 대한 등가회로를 도시한다.
도 6은 본 발명에 따른 자동전압조절기의 실험파형을 도시한다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 3상 자동전압조절기의 구성도를 도시한다.1 is a block diagram of an automatic voltage regulator according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 shows a switch driving signal of the automatic voltage regulator shown in FIG. 1.
3 shows an operating waveform of an automatic voltage regulator according to an embodiment of the present invention.
4 shows an operation mode of the automatic voltage regulator according to the present invention.
FIG. 5 shows an equivalent circuit for the automatic voltage regulator shown in FIG. 1.
6 shows an experimental waveform of an automatic voltage regulator according to the present invention.
7 is a block diagram of a three-phase automatic voltage regulator according to another embodiment of the present invention.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 교류 쵸퍼를 구비한 직렬전압보상 기반 자동전압조절기를 상세하게 설명한다.Hereinafter, a series voltage compensation based automatic voltage regulator having an AC chopper according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 자동전압조절기의 구성도를 도시한다. 본 실시예에서는 단상 교류 쵸퍼(ac chopper)를 구비한 자동전압조절기를 예로 들어 설명한다.1 is a block diagram of an automatic voltage regulator according to an embodiment of the present invention. In this embodiment, an automatic voltage regulator having a single phase ac chopper will be described as an example.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 자동전압조절기(100)는 교류전력변환을 제공하는 교류 쵸퍼(110)와, 직렬전압보상을 위한 변압기(120)와, 바이패스 회로(bypass circuit)(130), 전압검출부(140), 극성검출부(150), 제어부(160)를 포함한다.As shown in FIG. 1, the
교류 쵸퍼(110)는 스위칭부, 필터, 직류 스너버(dc snubber)로 구성된다.
스위칭부는 제1 내지 제4스위치(, , , )로 구성되며, 이러한 스위치(, , , )는 전력용 반도체 스위치로 구현된다. 상기 제1 내지 제4스위치(, , , )의 게이트로 입력되는 구동 신호의 듀티비(duty ratio)를 조절하여 교류 쵸퍼(110)의 출력전압()을 조절한다.The switch includes first to fourth switches ( , , , ), These switches ( , , , ) Is implemented as a power semiconductor switch. The first to fourth switches ( , , , The output voltage of the
필터는 인덕터(L)과 커패시터(C)로 구성되는 저역통과필터(Low Pass Filter: LPF)로, 교류 쵸퍼(110)의 출력으로부터 고조파(harmonic) 성분을 제거한다.The filter is a low pass filter (LPF) composed of an inductor (L) and a capacitor (C), and removes harmonic components from the output of the
직류 스너버는 2개의 스너버 커패시터()로 구성되며, 그 중 하나의 스너버 커패시터()는 상기 제1스위치() 및 제3스위치()와 병렬로 연결되며, 다른 하나의 스너버 커패시터()는 상기 제2스위치() 및 제4스위치()와 병렬로 연결된다. 상기 직류 스너버는 상기 필터의 인덕터(L)에 저장되는 에너지를 흡수하여 상기 스위치들(, , , )의 스트레스를 감소시키는 역할을 한다.DC snubbers have two snubber capacitors ( ) And one snubber capacitor ( ) Is the first switch ( ) And the third switch ( ) In parallel with the other snubber capacitor ( ) Is the second switch ( ) And fourth switch ( ) In parallel. The DC snubber absorbs the energy stored in the inductor (L) of the filter so that the switches ( , , , ) To reduce stress.
변압기(120)는 상기 교류 쵸퍼(110)의 출력전압()을 보상전압()으로 변환한다. 상기 변압기(120)는 입력전압()에 보상전압을 직렬보상하여 일정한 출력전압()을 유지하게 한다. 그리고, 상기 변압기(120)의 권선비는 입력전압의 최대 변동 범위에 의존한다.
바이패스 회로(130)는 상기 교류 쵸퍼(110)의 출력단과 상기 변압기(120)의 1차측단 사이에 위치하며, 트라이액(triac) 또는 사이리스터(thyristor)와 같은 스위치로 구성된다. 상기 바이패스 회로(130)는 양방향으로 전류가 흐를 수 있게 하여, 자동전압조절기(100)에 단락회로(short circuit) 발생시 변압기(120)의 1차측을 단락시켜 변압기(120)의 1차측에서 발생하는 대전류로부터 교류 쵸퍼(110)를 보호하는 역할을 한다.The
예를 들어, 단락회로가 발생하면, 변압기(120)의 1차측에 대전류가 생성되어 그 대전류가 상기 교류 쵸퍼(110)를 통과해 흐르면, 변압기(120)의 주권선이 개방회로(open circuit)에서 동작할 수 없기 때문에 교류 쵸퍼(110)가 파괴된다. 그 결과, 자동전압조절기(100)는 심각한 피해를 입을 수 있으므로, 대전류에 의한 교류쵸퍼의 피해를 방지하기 위해 바이패스 회로(130)가 사용된다.For example, when a short circuit occurs, a large current is generated at the primary side of the
상기 바이패스 회로(130)는 단락회로가 발생했을 때, 변압기(120)의 2차 전류가 상기 바이패스 회로(130)로 흐르게 한다. 따라서, 상기 바이패스 회로(130)의 전류는 제1 및 제2바이패스 스위치(, )를 통하여 순환하게 되어 단락회로의 전류로부터 자동전압조절기(100)를 보호할 수 있게 된다. The
또한, 상기 바이패스 회로(130)는 보상전압의 위상을 결정하는 역할을 한다. 상기 바이패스 회로(130)는 입력전압()의 변동에 따라 제1바이패스 스위치()와 제2바이패스 스위치()를 온/오프(on/off) 시킨다. 다시 말해서, 입력전압()의 강하가 감지되면, 제1바이패스 스위치()는 켜지고, 제2바이패스 스위치()는 꺼진다. 이때, 보상전압()은 입력전압()의 위상과 동일하며, 상기 보상전압()을 입력전압()에 더해 전압강하를 보상할 수 있다. 한편, 전압상승이 검출되면, 제1바이패스 스위치()는 꺼지고, 제2바이패스 스위치()는 켜진다. 이때, 보상전압()은 입력전압()의 위상과 반대되는 역상으로, 입력전압()으로부터 보상전압()을 빼 전압상승을 보상한다.In addition, the
전압검출부(140)는 자동전압조절기(100)로 입력되는 입력전압()을 검출하여 그 검출된 입력전압()을 디지털 신호로 변환하여 출력한다. 본 발명에서는 입력전압()만 검출하는 것을 예로 들어 설명하고 있으나, 출력전압()도 검출하여 출력전압()이 일정한 전압으로 유지되는지를 모니터링하도록 구현할 수도 있다.The
극성검출부(150)는 자동전압조절기(100)으로 입력되는 입력전압()의 극성을 검출한다.The
제어부(160)는 상기 전압검출부(140)를 통해 검출된 입력전압()에 따라 상기 교류 쵸퍼(110)의 제1 내지 제4스위치(, , , )의 구동신호 듀티비를 제어한다. 또한, 상기 제어부(160)는 상기 극성검출부(150)에 의해 검출된 입력전압()의 극성에 따라 상기 교류 쵸퍼(110)의 제1 내지 제4스위치(, , , )의 스위칭 패턴을 제어한다.The
상기 제어부(160)는 바이패스 회로(130)의 제1바이패스 스위치() 및 제2바이패스 스위치()의 턴온/턴오프(turn-on/turn-off)을 제어하여 보상전압()의 위상을 결정한다.The
상기한 구성요소들로 구성된 자동전압조절기(100)는 구동신호의 듀티비를 조절하여 출력전압을 조절하며, 상기 입력전압의 극성에 따라 스위칭 패턴을 결정한다. 상기 자동전압조절기(100)의 스위치 구동에 따른 상기 자동전압조절기(100)의 동작모드를 도 2 및 도 3을 참조하여 설명한다.The
도 2는 도 1에 도시된 자동전압조절기의 스위치 구동신호를 도시한다.FIG. 2 shows a switch driving signal of the automatic voltage regulator shown in FIG. 1.
도 2에서 는 안전한 통신을 위한 데드타임(dead time)이고, 는 스위칭 기간이고, D는 제1스위치 구동신호와 제2스위치 구동신호의 듀티비이다. 스위치 구동신호의 스위칭 패턴은 표 1과 같다.2, Is the dead time for secure communication, Is a switching period, and D is a duty ratio of the first switch driving signal and the second switch driving signal. The switching pattern of the switch driving signal is shown in Table 1.
입력전압이 양의 값을 갖는 구간(>0) 동안 제2스위치()와 제4스위치()는 도통되고, 제1스위치()와 제3스위치()는 소정 듀티비에 의해 상보적으로 동작한다. 이때, 전류 스파이크를 방지하기 위해 제1스위치()와 제3스위치() 동작시 데드타임이 존재한다. 한편, 입력전압이 음의 값을 가지는 구간(0) 동안, 제1스위치()와 제3스위치()는 도통되고, 제2스위치()와 제4스위치()는 소정 듀티비에 의해 상보적으로 동작한다. 이때, 전류 스파이크를 방지하기 위해 제2스위치()와 제4스위치() 동작시 데드타임이 존재한다.Period in which the input voltage has a positive value The second switch (> 0) ) And the fourth switch ( ) Is turned on and the first switch ( ) And the third switch ( ) Is complementary by a certain duty ratio. In this case, the first switch ( ) And the third switch ( ) Dead time exists during operation. On the other hand, the section in which the input voltage has a negative value ( 0), the first switch ( ) And the third switch ( ) Is turned on and the second switch ( ) And the fourth switch ( ) Is complementary by a certain duty ratio. At this time, in order to prevent current spikes, the second switch ( ) And the fourth switch ( ) Dead time exists during operation.
모든 스위치(, , , )가 켜지면 단락회로(short circuit)가 발생하고, 모든 스위치(, , , )가 꺼지면 전압 스파이크가 스위치들(, , , )에 피해를 입혀 커뮤테이션(commutation)(전류의 방향 변경) 문제가 발생한다. 상기 스위치들(, , , )의 전류 스파이크에 의한 피해를 방지하기 위해 데드타임이 필요하고, 전압 스파이크를 방지하기 위해 인덕터 전류가 흐를 수 있는 전류 경로가 필요하다. 이러한 커뮤테이션 문제를 해결하기 위해 스위칭 패턴은 입력전압의 극성에 의해 결정된다.All switches ( , , , ) Is on, a short circuit occurs, and all switches ( , , , ) Turns off the voltage spikes , , , ), Causing commutation (change of direction of current). The switches ( , , , Dead time is required to prevent damage caused by current spikes, and a current path through which the inductor current can flow is required to prevent voltage spikes. To solve this commutation problem, the switching pattern is determined by the polarity of the input voltage.
본 발명에 따른 자동전압조절기(100)는 입력전압()의 반주기 동안 두 개의 스위치는 도통되고, 나머지 두 개의 스위치만 소정 듀티비에 의해 스위칭 동작하기 때문에 4개의 스위치를 모두 스위칭하는 방식에 대비하여 스위칭 손실을 줄일 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 자동전압조절기의 동작파형을 도시하며, 도 4는 본 발명에 따른 자동전압조절기의 동작모드를 도시한다.Figure 3 shows the operating waveform of the automatic voltage regulator according to an embodiment of the present invention, Figure 4 shows the operating mode of the automatic voltage regulator according to the present invention.
전압 하강 조건에서 보상전압은 도 3(a)에 도시된 바와 같이 입력전압과 동일한 위상을 갖는다. 전압 상승 조건에서 보상전압은 도 3(b)에 도시된 바와 같이 입력전압과 반대되는 위상을 갖는다.In the voltage drop condition, the compensation voltage has the same phase as the input voltage as shown in FIG. In the voltage rising condition, the compensation voltage has a phase opposite to that of the input voltage as shown in FIG.
본 발명에 따른 자동전압조절기(100)는 도 2에 도시된 바와 같이 스위칭 기간 동안 4가지 동작모드를 갖는다. 본 명세서에서는 전압 하강 조건에서 각 동작모드를 설명한다. 전압 하강 조건에서 제1바이패스 스위치()는 턴온(turn-on)되고, 제2바이패스 스위치()는 턴오프(turn-off)된다.The
제1동작모드[, ]는 제1스위치와 제2스위치가 온되는 구간이다. 이때, 인턱터 전류 는 인덕터 전류 가 0을 초과하는 동안(>0) 도 4(a)에 도시된 바와 같이 제2스위치와 마주한 다이오드와 제1스위치()를 거쳐 도통한다. 상기 인덕터 전류 는 인덕터 전류 가 0 미만인 동안 도 4(b)와 같이 제1스위치와 마주한 다이오드와 제2스위치()를 도통한다. 따라서, 인덕터 전류()는 출력으로 에너지를 제공하도록 입력측과 출력측을 도통한다.First operation mode [ , ] Is the section in which the first switch and the second switch is turned on. At this time, the inductor current Inductor current Is greater than 0 ( > 0) As shown in FIG. 4 (a), the diode and the first switch facing the second switch ( Through) The inductor current Inductor current Is less than 0, the diode and the second switch facing the first switch as shown in FIG. Turn on). Therefore, the inductor current ( ) Conducts input and output sides to provide energy to the output.
인덕터 전압()은 다음 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.Inductor voltage ( ) May be expressed as in
입력전압이 교류 쵸퍼의 출력전압보다 크기 때문에, 제1동작모드에서 인덕터를 통과하는 전류는 증가되고, 인덕터의 에너지는 충전된다.Since the input voltage is larger than the output voltage of the AC chopper, the current through the inductor is increased in the first operation mode, and the energy of the inductor is charged.
제2동작모드[, ]는 스위치들의 데드 타임으로 정의되고, 안전한 커뮤테이션을 위해 중요하다. 도 2(a)에 도시된 바와 같이 입력전압이 0을 초과하면, 이 모드는 제1스위치와 제3스위치의 데드타임으로 정의된다. 제2스위치와 제4스위치는 안전한 커뮤테이션을 위해 턴온된다. 인덕터 전류가 0을 초과하면 인덕터 전류는 도 4(c)와 같이 제3스위치와 마주하는 다이오드와 제4스위치를 사용하여 출력측을 통해 바이패스된다. 인덕터 전류가 0미만인 경우, 인덕터 전류는 도 4(d)와 같이 제1스위치 맞은편 다이오드와 제2스위치를 통해 출력측을 통해 바이패스된다. 입력전압이 0미만이면 이 모드는 도 2(b)에 도시된 바와 같이 제2스위치 및 제4스위치의 데드타임으로 정의된다. 제1스위치와 제3스위치는 안전한 커뮤테이션을 위해 턴온된다. 인덕터 전류가 0을 초과하면 인덕터 전류는 도 4(e)와 같이 제3스위치와 제4스위치의 맞은편 다이오드를 사용하여 출력측을 통해 바이패스된다. 인덕터 전류가 0미만이면 인덕터 전류는 도 4(f)와 같이 제2스위치와 마주한 다이오드와 제1스위치를 사용하여 출력측을 통해 바이패스된다. 그러므로, 인덕터 전류를 위한 전류 경로는 이 모드에서 모든 전류 방향으로 항상 존재한다.Second operation mode [ , ] Is defined as the dead time of the switches and is important for safe commutation. As shown in FIG. 2A, when the input voltage exceeds 0, this mode is defined as the dead time of the first switch and the third switch. The second and fourth switches are turned on for safe commutation. When the inductor current exceeds 0, the inductor current is bypassed through the output side using a diode and a fourth switch facing the third switch as shown in FIG. When the inductor current is less than zero, the inductor current is bypassed through the output side through the diode and the second switch opposite the first switch as shown in FIG. If the input voltage is less than 0, this mode is defined as the dead time of the second switch and the fourth switch as shown in FIG. The first and third switches are turned on for safe commutation. If the inductor current exceeds 0, the inductor current is bypassed through the output side using diodes opposite the third and fourth switches as shown in FIG. If the inductor current is less than 0, the inductor current is bypassed through the output side using the diode and the first switch facing the second switch as shown in FIG. 4 (f). Therefore, the current path for the inductor current is always present in all current directions in this mode.
제3모드[, ]에서는 도 2에 도시된 바와 같이 제3스위치와 제4스위치가 턴온된다. 이 모드는 제1모드와 상호보완적이다. 인덕터 전류는 인덕터 전류가 0을 초과하는 구간에서 도 4(g)와 같이 제4스위치와 제3스위치 맞은편 다이오드를 통해 도통된다. 인덕터 전류는 0 미만인 구간에서 도 4(h)와 같이 제4스위치 맞은편 다이오드와 제3스위치를 통해 도통된다. 따라서, 제3모드에서 인덕터 전류는 제3스위치와 제4스위치를 통해 자유롭게 흐른다. 인덕터 전압()은 아래 수학식 2와 같다.3rd mode [ , ], The third switch and the fourth switch is turned on as shown in FIG. This mode is complementary to the first mode. The inductor current is conducted through the diode opposite the fourth switch and the third switch as shown in FIG. 4 (g) in the period where the inductor current exceeds zero. The inductor current is conducted through the diode opposite the fourth switch and the third switch as shown in FIG. Therefore, in the third mode, the inductor current flows freely through the third switch and the fourth switch. Inductor voltage ( ) Is shown in
그러므로, 인덕터를 거치는 전류는 감소하고, 인덕터에 저장된 에너지는 방전된다.Therefore, the current through the inductor decreases, and the energy stored in the inductor is discharged.
제4모드[, ]의 동작은 제2모드의 동작과 유사하여 그 설명은 생략한다.4th mode [ , ] Operation is similar to that of the second mode, and description thereof will be omitted.
스위칭 패턴에서 단락회로는 데드타임에 의해 발생되지 않는다. 반면, 인덕터 전류를 위한 전류 통로는 항상 모든 전류 방향으로 존재한다. 그러므로, 커뮤테이션 문제는 이러한 스위칭 패턴을 통해 해결된다.Short circuits in the switching pattern are not caused by dead time. On the other hand, the current path for the inductor current always exists in all current directions. Therefore, the commutation problem is solved through this switching pattern.
전압 상승 조건 하에서 동작 모드는 제1바이패스 스위치가 턴오프되고, 제2바이패스 스위치가 턴온되는 것을 제외하고 전압 강하 조건하의 동작모드와 유사하여 이 조건에 대한 설명도 생략한다.The operation mode under the voltage rising condition is similar to the operation mode under the voltage drop condition except that the first bypass switch is turned off and the second bypass switch is turned on, and thus the description of this condition is omitted.
이하, 본 발명에 따른 자동전압조절기의 기술적 분석을 위해, 도 4에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 자동전압조절기에 대한 등가회로를 참조하여 설명한다. 여기서, 데드타임은 분석을 위해 무시하고, 수학식 3과 같은 조건을 만족한다는 가정한다.Hereinafter, for the technical analysis of the automatic voltage regulator according to the present invention, it will be described with reference to the equivalent circuit for the automatic voltage regulator according to the embodiment of the present invention shown in FIG. Here, it is assumed that the dead time is ignored for analysis and satisfies the condition as shown in Equation (3).
여기서, 는 각주파수이다. 수학식 3에 따르면 수학식 4와 같은 가정이 가능하다.here, Is the angular frequency. According to Equation 3, the same assumption as in Equation 4 is possible.
이 조건들은 실용적인 필터 디자인을 충족시킨다. 쵸퍼에 의해 변조된 평균 전압()은 수학식 5로부터 구할 수 있다.These conditions meet the practical filter design. Average voltage modulated by the chopper ( ) Can be obtained from equation (5).
따라서, 스위칭 구간() 동안 일반화된 방정식은 수학식 6 및 7를 통해 구할 수 있다.Therefore, the switching interval ( The generalized equations can be obtained from equations (6) and (7).
여기서, 은 변압기권선비 이다. 전압하강 조건하에 수학식 6 및 수학식 7은 하기 수학식 8 및 수학식 9와 같이 변환된다.here, Silver transformer winding ratio to be. Equations 6 and 7 are converted as shown in Equations 8 and 9 under the voltage drop condition.
수학식 9를 수학식 8에 반영하면, 하기와 같은 미분 방정식은 수학식 10과 같다.Reflecting Equation 9 in Equation 8, the differential equation as shown in Equation 10 is as follows.
수학식 10으로부터 전달함수는 수학식 11과 같다.The transfer function from Equation 10 is equal to
그러므로, 전체 전압 이득은 수학식 12와 같이 정의할 수 있다.Therefore, the total voltage gain can be defined as in
수학식 3을 사용하여 전체 전압 이득은 다음 수학식 13과 같이 간단화된다.Using Equation 3, the total voltage gain is simplified as in Equation 13.
수학식 4를 사용하여, 전압하강조건에서 이상적인 전체 전압 이득은 수학식 14와 같이 간단화할 수 있다. Using Equation 4, the ideal total voltage gain under voltage drop condition can be simplified as shown in Equation 14.
유사하게, 전압상승조건에서 전체 전압 이득은 수학식 15와 같다.Similarly, the total voltage gain in the voltage rising condition is expressed by Equation 15.
수학식 3을 사용하면, 전체 전압 이득을 수학식 16과 같이 간단화된다.Using equation (3), the total voltage gain is simplified as in equation (16).
수학식 4를 사용하면, 전압상승조건에서 이상적 전체 전압 이득은 수학식 17과 같이 단순화된다.Using Equation 4, the ideal overall voltage gain under voltage rise condition is simplified to Equation 17.
변압기의 권선비는 입력전압의 최대 변동 범위에 의존하며, 요구되는 권선비는 보상전압의 백분율에 근거한다. 보상전압의 백분율은 수학식 18과 같이 정의된다.The turns ratio of the transformer depends on the maximum fluctuation range of the input voltage and the required turns ratio is based on the percentage of the compensation voltage. The percentage of compensation voltage is defined as in Equation 18.
여기서, 과 은 최소 허용입력전압과 공칭 전압(nominal voltage)을 각각 나타낸다. 권선수를 설계하는 방정식은 수학식 19와 같이 정의된다.here, and Denotes the minimum allowable input voltage and the nominal voltage, respectively. The equation for designing the number of turns is defined as in Equation 19.
인덕터 전류의 리플(ripple)은 수학식 20으로부터 유도될 수 있다.The ripple of the inductor current can be derived from equation (20).
여기서, 는 스위칭 주파수이다. 그러므로, 인덕터는 스위칭 주파수, 리플 전류와 듀티비에 의해 결정된다. 커패시터의 리플은 식 21로부터 유도될 수 있다.here, Is the switching frequency. Therefore, the inductor is determined by the switching frequency, ripple current and duty ratio. The ripple of the capacitor can be derived from equation (21).
그러므로, 커패시터는 스위칭 주파수, 리플 전압, 리플 전류에 의해 결정된다.Therefore, the capacitor is determined by the switching frequency, the ripple voltage, and the ripple current.
도 5는 본 발명에 따른 자동전압절기의 실험파형을 도시한다.5 shows an experimental waveform of an automatic voltage season according to the present invention.
여기서, 실험에 사용된 자동전압절기(100)는 정격 3로 설계되었으며, 입력전압과 출력전압의 공칭전압은 , 의 교류 전압이다. 스위칭 주파수는 이고, 데드타임은 이며, 부하는 순수한 저항 부하이다. 자동전압절기(100)의 다른 파라미터는 , , ,, 이다.Here, the
입력 전압이 25% 하강 또는 상승할 때, 입력전압 및 출력전압의 파형은 도 5(a)와 도 5(b)와 각각 같다. 출력 전압은 반주기내 요구되는 로 보상된다. 실험에서와 같이, 본 발명에 따른 자동전압절기(100)는 입력전압의 하강 및 상승에 대해 빠르게 보상할 수 있다.When the input voltage drops or rises by 25%, the waveforms of the input voltage and the output voltage are the same as those of Figs. 5 (a) and 5 (b), respectively. Output voltage is required in half cycle To be compensated. As in the experiment, the
본 명세서에서는 단상 교류 쵸퍼를 이용하여 단상 교류 전압을 제어하는 경우를 예로 들어 설명하고 있으나, 본 발명에서 제안된 자동전압조절기(100)를 3상 교류 전압 제어에 적용하여 활용 가능하다.In the present specification, a case of controlling the single-phase AC voltage using the single-phase AC chopper has been described as an example. However, the
예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같이, 3상 교류 전압 제어를 위한 3상용 자동전압조절기는 3상 선간전압(입력전압)의 각 상 선간전압을 입력받고 그 입력받은 각 상 선간전압의 전압변동에 따라 상기 각 상 선간전압을 보상하는 3개의 자동전압조절기(100)로 구성된다. 그리고, 자동전압조절기(100)의 변압기(120)로부터 출력되는 각 상의 선간전압에 대한 보상전압의 위상은 각 상의 입력전압의 위상에 따라 조정한다. 다시 말해서, 3개의 자동전압조절기(100)는 각각 자동전압조절기(100)의 입력단(A, B)으로 입력되는 3상 입력전압(R, S, T)의 각 상 입력전압에 대해 개별적으로 전압조정하여 3상의 출력전압(U, V, W)을 자동전압조절기(100)의 출력단(C, D)를 통해 각각 출력한다.For example, as shown in Figure 7, the three-phase automatic voltage regulator for controlling the three-phase AC voltage receives the input voltage between each phase of the three-phase line voltage (input voltage) and the voltage of each input line voltage It consists of three
상기와 같이 설명된 본 발명은 상기 설명된 실시 예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시 예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시 예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.The present invention as described above is not limited to the configuration and method of the embodiments described above, the embodiments may be configured by selectively combining all or part of each embodiment so that various modifications can be made It may be.
100: 자동전압조절기
110: 교류 쵸퍼
120: 변압기
130: 바이패스 회로
140: 전압검출부
150: 위상검출부
160: 제어부100: automatic voltage regulator
110: AC chopper
120: transformer
130: bypass circuit
140: voltage detector
150: phase detection unit
160:
Claims (10)
상기 입력전압을 보상전압으로 직렬 보상하는 변압기와,
상기 보상전압의 위상을 결정하는 바이패스 회로와,
상기 입력전압을 검출하는 전압검출부와,
상기 입력전압의 극성을 검출하는 극성검출부와,
상기 전압검출부에 의해 검출된 입력전압 및 상기 극성검출부를 통해 검출된 입력전압의 극성에 근거하여 상기 교류 쵸퍼의 스위치들을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 교류 쵸퍼를 구비한 직렬전압보상 기반 자동전압조절기.An AC chopper for converting an input voltage into an AC power at a predetermined ratio and outputting the same;
A transformer for compensating the input voltage in series with a compensation voltage;
A bypass circuit for determining a phase of the compensation voltage;
A voltage detector detecting the input voltage;
A polarity detector for detecting the polarity of the input voltage;
And a controller for controlling the switches of the AC chopper based on the input voltage detected by the voltage detector and the polarity of the input voltage detected by the polarity detector. Voltage regulator.
교류 쵸퍼의 출력전압을 조절하는 제1 내지 제4스위치로 구성되는 스위칭부와,
상기 교류 쵸퍼의 출력전압으로부터 고조파 성분을 제거하는 필터와,
상기 필터의 인덕터에 저장되는 에너지를 흡수하는 직류 스너버를 포함하는 것을 특징으로 하는 교류 쵸퍼를 구비한 직렬전압보상 기반 자동전압조절기.The method according to claim 1, wherein the AC chopper,
A switching unit comprising first to fourth switches for adjusting the output voltage of the AC chopper;
A filter for removing harmonic components from the output voltage of the AC chopper;
And a direct current snubber absorbing energy stored in the inductor of the filter.
전력용 반도체 스위치로 구현되는 것을 특징으로 하는 교류 쵸퍼를 구비한 직렬전압보상 기반 자동전압조절기.The method of claim 2, wherein the first to fourth switches,
A series voltage compensation based automatic voltage regulator having an AC chopper, characterized by being implemented as a power semiconductor switch.
인덕터와 커패시터로 구성되는 것을 특징으로 하는 교류 쵸퍼를 구비한 직렬전압보상 기반 자동전압조절기.3. The filter according to claim 2,
A series voltage compensation based automatic voltage regulator having an alternating current chopper comprising an inductor and a capacitor.
2개의 스너버 커패시터로 구성되며, 그 중 하나의 스너버 커패시터는 상기 제1스위치 및 제3스위치와 병렬로 연결되며, 다른 하나의 스너버 커패시터는 상기 제2스위치 및 제4스위치와 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 교류 쵸퍼를 구비한 직렬전압보상 기반 자동전압조절기.The method of claim 2, wherein the DC snubber,
It consists of two snubber capacitors, one of which snubber capacitor is connected in parallel with the first switch and the third switch, the other snubber capacitor is connected in parallel with the second switch and the fourth switch Series voltage compensation based automatic voltage regulator having an AC chopper.
상기 입력전압의 강하를 감지하면, 상기 바이패스 회로의 제1바이패스 스위치를 턴온시키고, 제2바이패스 스위치를 턴오프시키는 것을 특징으로 하는 교류 쵸퍼를 구비한 직렬전압보상 기반 자동전압조절기.The apparatus of claim 1,
And detecting a drop in the input voltage, turning on the first bypass switch of the bypass circuit and turning off the second bypass switch.
상기 입력전압의 상승을 감지하면, 상기 바이패스 회로의 제1바이패스 스위치를 턴오프시키고, 제2바이패스 스위치를 턴온시키는 것을 특징으로 하는 교류 쵸퍼를 구비한 직렬전압보상 기반 자동전압조절기.The apparatus of claim 1,
And detecting an increase in the input voltage, turning off the first bypass switch of the bypass circuit and turning on the second bypass switch.
상기 교류 쵸퍼의 제1 내지 제4스위치 중 어느 두 개의 스위치를 도통하고, 나머지 두 개의 스위치를 소정 듀티비로 동작시키는 것을 특징으로 하는 교류 쵸퍼를 구비한 직렬전압보상 기반 자동전압조절기.The apparatus of claim 1,
A series voltage compensation based automatic voltage regulator having an AC chopper, wherein any two switches of the first to fourth switches of the AC chopper are turned on, and the remaining two switches are operated at a predetermined duty ratio.
상기 스위치들에 대한 스위치 구동신호의 스위칭 패턴 변경시 스위치의 데드타임 경과 후 스위칭 패턴을 변경하는 것을 특징으로 하는 교류 쵸퍼를 구비한 직렬전압보상 기반 자동전압조절기.The apparatus of claim 1,
And a switching voltage change pattern after the dead time of the switch when the switching pattern of the switch driving signal for the switches is changed.
3상 입력전압의 각 상의 입력전압에 대해 전압조정을 수행하도록 상기 각 상의 입력전압을 보상하는 청구항 1의 자동전압조절기를 각각 구비하여 3상 자동전압조절기를 구현하는 것을 특징으로 하는 교류 쵸퍼를 구비한 직렬전압보상 기반 자동전압조절기.The method of claim 1,
An AC chopper, characterized in that each of the automatic voltage regulator of claim 1 to compensate the input voltage of each phase to implement the voltage adjustment for the input voltage of each phase of the three-phase input voltage to implement a three-phase automatic voltage regulator A series voltage compensation based automatic voltage regulator.
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