KR101462721B1 - 직렬 다중 전력 변환 장치 - Google Patents

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Abstract

실시 형태의 한 국면에 따른 직렬 다중 전력 변환 장치는 다중 변압기와 전력 변환 유닛을 구비한다. 다중 변압기는 동일 출력 위상의 n개의 단상 전력 변환기에 각각 접속된 n개의 2차 권선이 60/n도의 전압 위상차를 갖는 관계 및 m개의 출력 위상에 대응하는 m개의 단상 전력 변환기에 각각 접속된 m개의 2차 권선이 60/m도의 전압 위상차를 갖는 관계를 갖는다.

Description

직렬 다중 전력 변환 장치{SERIES-CONNECTED MULTI-LEVEL POWER CONVERSION DEVICE}
여기에 개시된 실시 형태는 직렬 다중 전력 변환 장치에 관한 것이다.
종래의 전력 변환 장치로서, 각각이 직렬로 접속된 전력 변환 셀로 구성된 복수의 출력 위상을 갖는 직렬 다중 전력 변환 장치가 알려져 있다. 직렬 다중 전력 변환 장치는 다중 변압기와, 복수의 단상 전력 변환기를 구비한다. 다중 변압기는 다상 교류 입력 전압을 1차 권선(a primary winding)으로 변압하고 변압된 전압을 복수의 2차 권선에 출력한다. 복수의 단상 전력 변환기는 각각 다중 변압기의 2차 권선에 접속된다.
직렬 다중 전력 변환 장치에 있어서는, 1차 권선의 고조파 전류를 저감하기 위해 다중 변압기의 2차 권선은 위상이 서로 다른 전압을 출력한다. 구체적으로는, 직렬 다중 전력 변환 장치가 9개의 단상 전력 변환기를 포함하는 경우, U상, V상, W상의 하나의 상을 구성하는 3개의 단상 전력 변환기에 접속된 2차 권선이 20도의 전압 위상차를 갖고, 모든 2차 권선이 20/3도의 전압 위상차를 갖는 방법이 제안되어 있다. 이 방법은 예컨대 일본 특허 공개 2008-295149호 공보에 개시된 것으로 알려져 있다.
실시 형태의 한 국면은 1차 권선의 고조파 전류를 저감하기 위한 종래 기술을 대체하는 새로운 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다.
실시 형태의 한 국면에 따른 직렬 다중 전력 변환 장치는 다중 변압기와 전력 변환 유닛을 구비한다. 다중 변압기는 1차 권선에 입력되는 교류 전력을 m×n개(n, m은 서로소)의 2차 권선에 분배한다. 전력 변환 유닛은 각각 m×n개의 2차 권선에 접속된 m×n개의 단상 전력 변환기를 구비하고, m개의 출력 위상의 각각은 n개의 단상 전력 변환기의 직렬로 접속된 출력으로 구성된다. 다중 변압기는 하나의 출력 위상에 마련된 n개의 단상 전력 변환기에 각각 접속된 n개의 2차 권선이 60/n도의 전압 위상차를 갖는 관계에 있다. 또한, 다중 변압기는 m개의 출력 위상에 대응하는 m개의 단상 전력 변환기에 각각 접속된 m개의 2차 권선이 60/m도의 전압 위상차를 갖는 관계에 있다.
실시 형태의 한 국면에 따르면, 1차 권선의 고조파 전류를 저감할 수 있다.
본 발명의 보다 완전한 인식과 그에 따르는 이점은 이하의 상세한 설명을 첨부 도면과 대조하여 참조함으로써 용이하게 얻을 수 있다.
도 1은 제 1 실시 형태에 따른 직렬 다중 전력 변환 장치를 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1에 나타낸 단상 전력 변환기의 회로 블록을 나타내는 도면이다.
도 3은 다중 변압기의 2차 권선 사이의 전압 위상차를 나타내는 도면이다.
도 4는 다중 변압기의 2차 권선 사이의 전압 위상 관계를 나타내는 도면이다.
도 5는 다중 변압기의 배선을 나타내는 도면이다.
도 6~도 8은 다중 변압기의 1차 권선의 선간 전압 벡터와 2차 권선의 선간 전압 벡터 사이의 관계를 나타내는 도면이다.
도 9는 다중 변압기의 각 2차 권선의 전류 벡터를 나타내는 도면이다.
도 10은 다중 변압기의 각 2차 권선의 전류 벡터를 나타내는 도면이다.
도 11은 r상에 있어서 각 2차 권선의 전류를 설명하는 도면이다.
도 12는 1차 전압이 정(positive)일 때에 2차 권선의 전류에 의한 1차 권선의 전류 벡터를 나타내는 도면이다.
도 13은 1차 전압이 음(negative)일 때에 2차 권선의 전류에 의한 1차 권선의 전류 벡터를 나타내는 도면이다.
도 14는 다중 변압기의 2차 권선 사이의 다른 전압 위상 관계를 나타내는 도면이다.
도 15는 제 2 실시 형태에 따른 직렬 다중 전력 변환 장치의 다중 변압기의 2차 권선 사이의 전압 위상차를 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명의 실시 형태에 따른 직렬 다중 전력 변환 장치를 첨부 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 또, 이하에 나타내는 실시 형태는 본 발명을 한정하는 것이 아니다.
(제 1 실시 형태)
우선, 제 1 실시 형태에 따른 직렬 다중 전력 변환 장치의 구성에 대하여 설명한다. 도 1은 제 1 실시 형태에 따른 직렬 다중 전력 변환 장치(1)를 나타내는 도면이다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 직렬 다중 전력 변환 장치(1)는 다중 변압기(10)와 전력 변환 유닛(20)을 구비한다. 직렬 다중 전력 변환 장치(1)는 3상 교류 전원(2)으로부터의 R상, S상, T상 교류 전력을 교류 전력으로 변환하고, 변환된 전력을 교류 부하(3)에 공급한다. 여기서는, 일례로서, 직렬 다중 전력 변환 장치(1)는 각각이 2단(n=2)의 단상 전력 변환기로 구성되는 3개의 출력 위상(m=3)을 갖고, 교류 부하(3)는 모터인 것으로 하여 설명한다.
다중 변압기(10)는 1차 권선(11)과 6개의 2차 권선(12a~12f)(이하, 2차 권선(12)이라고 부르는 경우도 있다)을 구비한다. 다중 변압기(10)는 1차 권선(11)에 입력되는 교류 전력을 변압하고, 변압된 전력을 6개의 2차 권선(12a~12f)에 출력한다. 다중 변압기(10)는 1차 권선(11)과 2차 권선(12) 사이에 전압 위상차를 발생시키는 이상 변압기(phase-shifting transformer)이다.
전력 변환 유닛(20)은 각각 6개의 2차 권선(12a~12f)에 접속된 6개의 단상 전력 변환기(21a~21f)(이하, 단상 전력 변환기(21)라고 부르는 경우도 있다)를 구비한다. 각 단상 전력 변환기(21)는 대응하는 2차 권선(12)으로부터의 3상 교류 전력을 단상 교류 전력으로 변환하고, 변환된 교류 전력을 그 출력 단자(Ta, Tb)를 통해 출력한다.
전력 변환 유닛(20)에서는, 2개의 단상 전력 변환기(21)의 직렬로 접속된 출력이 하나의 출력 위상을 구성한다. 즉, U상 전력 변환 유닛은 단상 전력 변환기(21a, 21d)에 의해 구성되고, V상 전력 변환 유닛은 단상 전력 변환기(21b, 21e)에 의해 구성되고, W상 전력 변환 유닛은 단상 전력 변환기(21c, 21f)에 의해 구성된다.
보다 구체적으로는, 단상 전력 변환기(21a)의 출력 단자(Tb)는 중성점 N에 접속되고, 단상 전력 변환기(21a)의 출력 단자(Ta)는 단상 전력 변환기(21d)의 출력 단자(Tb)에 접속된다. 이 접속에 의해 출력 단자가 단상 전력 변환기(21d)의 출력 단자(Ta)인 U상 전력 변환 유닛이 구성된다.
마찬가지로, 단상 전력 변환기(21b, 21c)의 출력 단자(Tb)는 중성점 N에 접속되고, 단상 전력 변환기(21b, 21c)의 출력 단자(Ta)는 각각 단상 전력 변환기(21e, 21f)의 출력 단자(Tb)에 접속된다. 이 접속에 의해 출력 단자가 단상 전력 변환기(21e, 21f)의 출력 단자(Ta)인 V상 및 W상 전력 변환 유닛이 구성된다.
여기서, 단상 전력 변환기(21)의 구성에 대하여 설명한다. 도 2는 단상 전력 변환기(21)의 회로 블록을 나타내는 도면이다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 단상 전력 변환기(21)는 정류/평활 유닛(30), 인버터 유닛(31), 제어 유닛(32)을 구비한다.
정류/평활 유닛(30)은 다이오드(D10~D15)와 콘덴서(C10)를 구비한다. 정류/평활 유닛(30)은 대응하는 2차 권선(12)으로부터의 3상(r상, s상, t상) 교류 전력을 직류 전력으로 변환한다. 이 경우에, 다이오드(D10, D11)는 r상의 전력에 전파 정류(full-wave rectificatiin)를 행하고, 다이오드(D12, D13)는 s상의 전력에 전파 정류를 행하고, 다이오드(D14, D15)는 t상의 전력에 전파 정류를 행한다. 그리고, 다이오드(D10~D15)에 의해 정류된 전압은 콘덴서(C10)에 의해 평활된다.
인버터 유닛(31)은 트랜지스터(Q20~Q23)와 다이오드(D20~D23)를 구비한다. 트랜지스터(Q20, Q21)는 정류/평활 유닛(30)의 출력 사이에서 직렬로 접속된다. 마찬가지로, 트랜지스터(Q22, Q23)는 정류/평활 유닛(30)의 출력 사이에서 직렬로 접속된다. 또, 다이오드(D20~D23)는 환류 다이오드이다.
제어 유닛(32)은 인버터 유닛(31)의 트랜지스터(Q20~Q23)의 온/오프 상태를 제어하여 인버터 유닛(31)이 정류/평활 유닛(30)의 직류 전력을 단상 교류 전력으로 변환하게 한다. 트랜지스터(Q20~Q23)는 IGBT 및 MOSFET 등의 전력 반도체 소자를 사용한다. 인버터 유닛(31)은 도 2에 나타낸 2레벨 인버터의 구성으로 한정되는 것이 아니다. 예컨대, 인버터 유닛(31)은 3레벨 인버터 등의 멀티 레벨 인버터의 구성을 채용할 수 있다. 또한, 인버터 유닛(31)은 다른 다양한 구성을 채용할 수 있다.
다음으로, 다중 변압기(10)의 구성에 대하여 설명한다. 도 3은 2차 권선(12a~12f) 사이의 전압 위상차를 나타내는 도면이다. 도 4는 2차 권선(12a~12f) 사이의 전압 위상 관계를 나타내는 도면이다. 상술한 바와 같이, 단상 전력 변환기(21a~21f)는 각각 U1, V1, W1, U2, V2, W2에 위치하고, 2차 권선(12a~12f)에 각각 접속된다(도 1 참조). 여기서, 부호 U1~W2에 있어서, 부호 U, V, W는 출력 위상을 나타내고, 번호 "1", "2"는 하나의 출력 위상에 직렬로 접속된 단의 순서를 나타낸다. 따라서, 2차 권선(12a)은 위치 U1에 대응하고, 2차 권선(12b)은 위치 V1에 대응하고, 2차 권선(12c)은 위치 W1에 대응하고, 2차 권선(12d)은 위치 U2에 대응하고, 2차 권선(12e)은 위치 V2에 대응하고, 2차 권선(12f)은 위치 W2에 대응한다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 제 1 실시 형태에 따른 다중 변압기(10)에서는, 같은 출력 위상에 마련된 2개의 단상 전력 변환기(21)에 각각 접속된 2개의 2차 권선(12) 사이의 전압 위상차는 30도이다. 보다 구체적으로는, U상의 경우에는, 위치 U1에 대응하는 2차 권선(12a)과 위치 U2에 대응하는 2차 권선(12d) 사이의 전압 위상차는 30도이다.
마찬가지로, V상의 경우에는, 위치 V1에 대응하는 2차 권선(12b)과 위치 V2에 대응하는 2차 권선(12e) 사이의 전압 위상차는 30도이다. 또한, W상의 경우에는, 위치 W1에 대응하는 2차 권선(12c)과 위치 W2에 대응하는 2차 권선(12f) 사이의 전압 위상차는 30도이다.
한편, 다중 변압기(10)에서는, 다른 출력 위상에 대응하는 2개의 단상 전력 변환기(21)에 각각 접속된 2개의 2차 권선(12) 사이의 전압 위상차는 20도이다. 보다 구체적으로는, 위치 U1에 대응하는 2차 권선(12a)과 위치 V1에 대응하는 2차 권선(12b) 사이의 전압 위상차는 20도이다. 또한, 위치 V1에 대응하는 2차 권선(12b)과 위치 W1에 대응하는 2차 권선(12c) 사이의 전압 위상차는 20도이다.
여기서, 2차 권선(12a~12f) 사이의 전압 위상차의 구체적인 일례에 대하여 도 4를 참조하여 설명한다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 2차 권선(12)의 전압 위상은 (U1, V1, U2, W1, V2, W2)의 순서로 (135도, 155도, 165도, 175도, 185도, 205도)이다. 이 2차 권선(12)의 전압 위상은 2차 권선(12)의 전압과 1차 권선(11)의 전압 사이의 위상차로서 정의된다.
따라서, 2차 권선(12)의 전압 위상은 U상에 있어서 (U1, U2)=(135도, 165도), V상에 있어서 (V1, V2)=(155도, 185도), W상에 있어서 (W1, W2)=(175도, 205도)이다. 같은 출력 위상에 있어서 2차 권선(12)의 전압 사이의 전압 위상차는 30도이다. 또한, 다른 출력 위상에 대응하는 2차 권선(12)의 전압 위상의 2개의 그룹은 (U1, V1, W1)=(135도, 155도, 175도), (U2, V2, W2)=(165도, 185도, 205도)이고, 하나의 그룹에 있어서 2개의 전압 위상차는 20도이다.
도 4에 나타낸 2차 권선(12) 사이의 전압 위상 관계를 갖는 다중 변압기(10)의 구성의 일례에 대하여 도 5를 참조하여 설명한다. 도 5는 다중 변압기(10)의 배선을 나타내는 도면이다.
도 5에 나타낸 바와 같이, 2차 권선(12a)은 연장된 델타 결선(extended delta connection)에 의해 형성된다. 보다 구체적으로는, R상 1차 권선(11a) 및 2차 권선(12a1)은 절연 부재에 의해 절연된 동일 철심에 감기고, S상 1차 권선(11b) 및 2차 권선(12a2)은 절연 부재에 의해 절연된 동일 철심에 감기고, T상 1차 권선(11c) 및 2차 권선(12a3)은 절연 부재에 의해 절연된 동일 철심에 감긴다. 모든 2차 권선(12a1~12a3)은 권선의 코일단(coin end) 사이에 마련된 탭을 갖는다.
도 5에 있어서, 각 권선은 검은 점을 갖는 코일단과 검은 점을 갖지 않는 코일단을 구비한다. 1차 권선과 복수의 2차 권선 중 하나를 고려할 때, 검은 점을 갖는 2개의 권선의 코일단으로부터 전류가 흘러들어오면, 2개의 권선이 만드는 자속이 서로 강화되는 방향을 갖도록 각 권선의 코일단의 한쪽에 검은 점이 있다. 여기에서는, 검은 점을 갖는 코일단을 극성 코일단(positive coil end)이라고 부르고, 극성단과는 반대쪽의 코일단을 반극성 코일단(negative coil end)이라고 부른다. 도 5에서는, 2차 권선(12a1, 12a2, 12a3)의 극성 코일단은 각각 r상, s상, t상의 출력단에 대응한다. 또한, 2차 권선(12a1)의 반극성 코일단은 2차 권선(12a3)의 탭에 접속되고, 2차 권선(12a3)의 반극성 코일단은 2차 권선(12a2)의 탭에 접속되고, 2차 권선(12a2)의 반극성 코일단은 2차 권선(12a1)의 탭에 접속된다.
여기서, 도 5에 나타낸 결선의 경우의 1차 권선(11)의 선간 전압 벡터와 2차 권선(12a)의 선간 전압 벡터 사이의 관계에 대하여 도 6을 참조하여 설명한다. 도 6은 1차 권선(11)의 선간 전압 벡터와 2차 권선(12a)의 선간 전압 벡터 사이의 관계를 나타내는 도면이다. 3상 교류 전원(2)의 출력 위상은 R상, S상, T상의 순서로 지연되어 120도의 전압 위상차를 갖는다.
상술한 바와 같이 2차 권선(12a1, 12a2, 12a3)이 접속되면, 2차 권선(12a1, 12a2, 12a3)의 위상 사이의 선간 전압 벡터 Vrs, Vst, Vtr은 위상 전압 벡터 Vr, Vs, Vt를 사용하여 이하의 식 (1)~(3)으로 표현된다.
Figure 112012065868741-pat00001
예컨대, 선간 전압 벡터 Vrs, Vtr은 도 6에 나타내는 것과 같다. 1차 권선(11)의 S상에서 R상으로의 선간 전압 벡터 VRS의 위상은 기준 위상으로 규정되면, 2차 권선(12a)의 s상에서 r상으로의 선간 전압 벡터 Vrs의 위상은 기준 위상에 대하여 15도 앞선다.
2차 권선(12a)에 있어서, r상에서 t상으로의 선간 전압 벡터 Vtr의 위상은 선간 전압 벡터 Vrs의 위상에 대하여 120도, 기준 위상에 대하여 135도 앞선다. 또한, t상에서 s상으로의 선간 전압 벡터 Vst의 위상은 선간 전압 벡터 Vrs의 위상에 대하여 240도, 기준 위상에 대하여 255도 앞선다. 따라서, 2차 권선(12a)은 기준 위상에 대하여 15도 앞선 전압 위상을 갖는 2차 권선이고, 기준 위상에 대하여 135도 앞선 전압 위상을 갖는 2차 권선이다. 또한, 2차 권선(12a)은 기준 위상에 대하여 255도 앞선 전압 위상을 갖는 2차 권선이다.
도 5로 돌아가서, 2차 권선(12b)에 대하여 설명한다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 2차 권선(12b)은 연장된 델타 결선에 의해 형성된다. 보다 구체적으로는, R상 1차 권선(11a) 및 2차 권선(12b1)은 절연 부재에 의해 절연된 동일 철심에 감기고, S상 1차 권선(11b) 및 2차 권선(12b2)은 절연 부재에 의해 절연된 동일 철심에 감기고, T상 1차 권선(11c) 및 2차 권선(12b3)은 절연 부재에 의해 절연된 동일 철심에 감긴다. 모든 2차 권선(12b1~12b3)은 권선의 코일단 사이에 마련된 탭을 갖는다.
2차 권선(12b1, 12b2, 12b3)의 반극성 코일단은 r상, s상, t상의 출력단에 각각 대응한다. 또한, 2차 권선(12b1)의 극성 코일단은 2차 권선(12b2)의 탭에 접속되고, 2차 권선(12b2)의 극성 코일단은 2차 권선(12b3)의 탭에 접속되고, 2차 권선(12b3)의 극성 코일단은 2차 권선(12b1)의 탭에 접속된다.
여기서, 도 5에 나타낸 결선의 경우의 1차 권선(11)의 선간 전압 벡터와 2차 권선(12b)의 선간 전압 벡터 사이의 관계에 대하여 도 7을 참조하여 설명한다. 도 7은 1차 권선(11)의 선간 전압 벡터와 2차 권선(12b, 12c, 12e)의 선간 전압 벡터 사이의 관계를 나타내는 도면이다. 여기에서는, S상에서 R상으로의 선간 전압 벡터 VRS(도 6 참조)의 위상은 기준 위상으로서 규정된다.
상술한 바와 같이 2차 권선(12b1, 12b2, 12b3)이 접속되면, 2차 권선(12b1, 12b2, 12b3)의 위상 사이의 선간 전압 벡터 Vrs, Vst, Vtr은 위상 전압 벡터 Vr, Vs, Vt를 사용하여, 2차 권선(12a)의 경우와 마찬가지로, 식 (1)~식(3)으로 표현된다.
예컨대, 선간 전압 벡터 Vrs는 도 7에 나타내는 것과 같다. 즉, 2차 권선(12b)의 s상에서 r상으로의 선간 전압 벡터 Vrs의 위상은 기준 위상에 대하여 165도 앞선다.
마찬가지로, 2차 권선(12b)과 마찬가지로 2차 권선(12c, 12e)에 있어서의 결선(도 5)이 행해지고, 2차 권선(12c, 12e)의 s상에서 r상으로의 선간 전압 벡터 Vrs의 위상은 기준 위상에 대하여 각각 155도, 175도 앞선다. 이 경우, 2차 권선(12c, 12e)은 2차 권선(12b)과 각 탭의 위치가 다르다. 즉, 2차 권선(12c, 12e)은 2차 권선(12b)과 델타 부분의 권선의 수가 다르다.
도 5로 돌아가서, 2차 권선(12d)에 대하여 설명한다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 2차 권선(12d)도 연장된 델타 결선에 의해 형성된다. 보다 구체적으로는, R상 1차 권선(11a) 및 2차 권선(12d1)은 절연 부재에 의해 절연된 동일 철심에 감기고, S상 1차 권선(11b) 및 2차 권선(12d2)은 절연 부재에 의해 절연된 동일 철심에 감기고, T상 1차 권선(11c) 및 2차 권선(12d3)은 절연 부재에 의해 절연된 동일 철심에 감긴다. 모든 2차 권선(12d1~12d3)은 권선의 코일단 사이에 마련된 탭을 갖는다.
2차 권선(12d1, 12d2, 12d3)의 반극성 코일단은 r상, s상, t상의 출력단에 각각 대응한다. 또한, 2차 권선(12d1)의 극성 코일단은 2차 권선(12d3)의 탭에 접속되고, 2차 권선(12d2)의 극성 코일단은 2차 권선(12d1)의 탭에 접속되고, 2차 권선(12d3)의 극성 코일단은 2차 권선(12d2)의 탭에 접속된다.
여기서, 도 5에 나타낸 결선이 행해지는 경우의 1차 권선(11)의 선간 전압 벡터와 2차 권선(12d, 12f)의 선간 전압 벡터 사이의 관계에 대하여 도 8을 참조하여 설명한다. 도 8은 1차 권선(11)의 선간 전압 벡터와 2차 권선(12d, 12f)의 선간 전압 벡터 사이의 관계를 나타내는 도면이다. 여기에서는, S상에서 R상으로의 선간 전압 벡터 VRS(도 6 참조)의 위상은 기준 위상으로서 규정된다.
상술한 바와 같이 2차 권선(12d1, 12d2, 12d3)이 접속되면, 2차 권선(12d1, 12d2, 12d3)의 위상 사이의 선간 전압 벡터 Vrs, Vst, Vtr은 위상 전압 벡터 Vr, Vs, Vt를 사용하여, 2차 권선(12a)의 경우와 마찬가지로, 식 (1)~식(3)으로 표현된다. 예컨대, 선간 전압 벡터 Vrs, Vst, Vtr의 선간 전압 벡터 Vrs의 위상은 도 8에 나타내는 바와 같이 기준 위상에 대하여 185도 앞선다.
마찬가지로, 도 8에 나타낸 바와 같이, 2차 권선(12f)에 대하여 2차 권선(12b)과 마찬가지의 결선(도 5)이 행해지고, 2차 권선(12f)의 s상에서 r상으로의 선간 전압 벡터 Vrs의 위상은 기준 위상에 대하여 205도 앞선다. 이 경우, 2차 권선(12f)은 2차 권선(12d)과 각 탭의 위치가 다르다. 즉, 2차 권선(12f)은 2차 권선(12d)과 델타 부분의 권선의 수가 다르다.
다음으로, 다중 변압기(10)의 2차 권선(12)의 전류 벡터에 대하여 도 9 및 도 10을 참조하여 설명한다. 도 9 및 도 10은 다중 변압기(10)의 2차 권선(12)의 전류 벡터를 나타내는 도면이다.
도 9 및 도 10에 있어서, 전류 벡터 Irs는 r상과 s상 사이의 전류를 나타내고, 전류 벡터 Itr은 t상과 r상 사이의 전류를 나타낸다. 전류 벡터 Irs는 r상 및 s상에 접속된 다이오드(D10, D11, D12, D13)(도 2 참조)를 통해 콘덴서(C10)를 충전하는 전류의 벡터이다. 전류 벡터 Itr은 t상 및 r상에 접속된 다이오드(D10, D11, D14, D15)를 통해 콘덴서(C10)를 충전하는 전류의 벡터이다.
전류 벡터 Irs가 나타내는 전류는 3개의 선간 전압 중 r상과 s상 사이의 선간 전압이 최대 또는 최소가 될 때에 흐른다. 전류 벡터 Itr이 나타내는 전류는 3개의 선간 전압 중 t상과 r상 사이의 선간 전압이 최대 또는 최소가 될 때에 흐른다. 이하, 부호가 나타내는 전류 벡터의 정방향은, 부호의 2개의 첨자의 첫 번째 첨자에 의해 지정되는 위상에서 2차 권선(12)으로부터 정류/평활 유닛(30)으로 전류가 흐르고, 두 번째 첨자에 의해 지정되는 위상에서 정류/평활 유닛(30)으로부터 2차 권선(12)으로 전류가 흐르는 방향인 것으로 가정한다.
r상과 s상 사이의 선간 전압이 최대가 될 때, r상 전압은 정전압이고 s상 전압은 부전압이다. 따라서, r상과 s상 사이의 선간 전압이 최대가 될 때, r상에 있어서 각 2차 권선(12)으로부터 정류/평활 유닛(30)으로 전류가 흐르고, s상에 있어서 정류/평활 유닛(30)으로부터 각 2차 권선(12)으로 전류가 흐른다. 따라서, 이때의 전류 벡터 Irs의 방향은 정방향이고, 도 9에 나타낸 바와 같이, 전류 벡터 Irs는 도 6~도 8의 선간 전압 벡터 Vrs와 같은 방향을 갖는다.
t상과 r상 사이의 선간 전압이 최소가 될 때, t상 전압은 부전압이고 r상 전압은 정전압이다. 따라서, t상과 r상 사이의 선간 전압이 최소가 될 때, t상에 있어서 전류/평활 유닛(30)으로부터 각 2차 권선(12)으로 전류가 흐르고, r상에 있어서 각 2차 권선(12)으로부터 정류/평활 유닛(30)으로 전류가 흐른다. 따라서, 이때의 전류 벡터 Itr의 방향은 부방향이고, 도 9에 나타낸 바와 같이, 전류 벡터 Itr은 도 6~도 8의 선간 전압 벡터 Vtr과 반대 방향을 갖는다.
r상과 s상 사이의 선간 전압이 최소가 될 때, r상 전압은 부전압이고 s상 전압은 정전압이다. 따라서, r상과 s상 사이의 선간 전압이 최소가 될 때, r상에 있어서 정류/평활 유닛(30)으로부터 각 2차 권선(12)으로 전류가 흐르고, s상에 있어서 각 2차 권선(12)으로부터 정류/평활 유닛(30)으로 전류가 흐른다. 따라서, 이때의 전류 벡터 Irs의 방향은 부방향이고, 도 10에 나타낸 바와 같이, 전류 벡터 Irs는 도 6~도 8의 선간 전압 벡터 Vrs와 반대 방향을 갖는다.
t상과 r상 사이의 선간 전압이 최대가 될 때, t상 전압은 정전압이고 r상 전압은 부전압이다. 따라서, t상과 r상 사이의 선간 전압이 최대가 될 때, t상에 있어서 각 2차 권선(12)으로부터 전류/평활 유닛(30)으로 전류가 흐르고, s상에 있어서 정류/평활 유닛(30)으로부터 각 2차 권선(12)으로 전류가 흐른다. 따라서, 이때의 t상과 r상 사이의 전류의 전류 벡터 Itr의 방향은 정방향이고, 도 10에 나타낸 바와 같이, 전류 벡터 Itr은 도 6~도 8의 선간 전압 벡터 Vtr과 같은 방향을 갖는다.
상술한 바와 같이, r상에 있어서의 각 2차 권선(12)의 전류는, r상과 s상 사이의 선간 전압이 최대 및 최소인 경우와, t상과 r상 사이의 선간 전압이 최소 및 최대인 4가지 경우에 흐를 수 있다. 도 11은 r상에 있어서 각 2차 권선(12)의 전류를 설명하는 도면이다. r상과 s상 사이의 선간 전압 Vrs, t상과 r상 사이의 선간 전압 Vtr, r상의 위상 전압 Vr, r상의 위상 전류 Ir의 관계를 도 11에 나타낸다. 도 11에 나타내는 바와 같이, 실제로는 상기 4가지 경우에 첨두파(steepled-wave) 전류가 흐른다. s상 및 t상의 경우, r상의 경우와 마찬가지로 2차 권선(12)에 전류가 흐른다.
다음으로, 2차 권선(12a~12f)의 전류에 의해 R상의 1차 권선(11a)에 흐르는 전류에 대하여 설명한다. 우선, 2차 권선(12a)의 전류를 예로서 설명한다. 2차 권선(12a1)에 전류가 흐르면, 2차 권선(12a1)이 감긴 철심과 동일 철심에 감긴 R상의 1차 권선(11a)에는 2차 권선(12a1)의 전류에 의한 기자력을 상쇄하는 전류가 흐른다. 즉, 상술한 전류 벡터 Irs 및 전류 벡터 Itr에 의한 기자력을 상쇄하는 전류가 1차 권선(11a)에 흐른다.
1차 권선(11a)의 전류의 경우에 있어서, 1차 권선(11a)으로부터 흘러나가는 전류의 방향을 정방향이라고 가정한다. 도 5에 나타낸 권선의 배선에 있어서, 상술한 극성 코일단의 정의로부터, 2차 권선(12a1)으로부터 흘러나가는 전류에 의한 기자력을 상쇄하는 1차 권선(11a)의 전류의 방향은 1차 권선(11a)에 흘러들어가는 전류의 방향, 즉 2차 권선(12a1)과는 반대인 부방향인 것을 알 수 있다.
전류 벡터 Irs는 2차 권선(12a1)의 스타 결선 부분에 흐르기 때문에, 전류 벡터 Irs에 대하여 방향이 반대 방향이고, 전류 벡터 Irs의 크기에 1차 권선(11a)과 2차 권선(12a1)의 스타 결선 부분의 권선비(winding ratio)를 곱하여 크기가 얻어지는 전류가 1차 권선(11a)에 흐른다. 또한, 전류 벡터 Itr은 2차 권선(12a1)의 스타 결선 부분과 델타 결선 부분에 흐르기 때문에, 전류 벡터 Itr에 대하여 방향이 반대 방향이고, 전류 벡터 Itr의 크기에 1차 권선(11a)과 2차 권선(12a1)의 권선비를 곱하여 크기가 얻어지는 전류도 1차 권선(11a)에 흐른다.
다음으로, 2차 권선(12b)의 전류에 대하여 설명한다. 2차 권선(12b)의 경우도, 1차 권선(11a)과 동일 철심에 감긴 2차 권선(12b1)의 전류 벡터 Irs와 전류 벡터 Itr에 의한 기자력을 상쇄하는 전류가 1차 권선(11a)에 흐른다. 도 5에 나타낸 권선의 배선으로부터, 2차 권선(12b1)으로부터 흘러나가는 전류에 의한 기자력을 상쇄하는 1차 권선(11a)의 전류의 방향은 1차 권선(11a)으로부터 흘러나가는 전류의 방향, 즉 2차 권선(12b)과 같은 정방향인 것을 알 수 있다.
전류 벡터 Irs는 2차 권선(12b1)의 스타 결선 부분 및 델타 결선 부분에 흐르기 때문에, 전류 벡터 Irs와 방향이 같은 방향이고, 전류 벡터 Irs의 크기에 1차 권선(11a)과 2차 권선(12b1)의 권선비를 곱하여 크기가 얻어지는 전류도 1차 권선(11a)에 흐른다. 또한, 전류 벡터 Itr은 2차 권선(12b1)의 스타 결선 부분에 흐르기 때문에, 전류 벡터 Itr과 방향이 같은 방향이고, 전류 벡터 Itr의 크기에 1차 권선(11a)과 2차 권선(12b1)의 스타 결선 부분의 권선비를 곱하여 크기가 얻어지는 전류가 1차 권선(11a)에 흐른다.
2차 권선(12c, 12e)의 경우도, 1차 권선(11a)과 동일 철심에 감긴 각 2차 권선(12c1, 12e1)의 전류 벡터 Irs와 전류 벡터 Itr에 의한 기자력을 상쇄하는 전류가 1차 권선(11a)에 흐른다. 2차 권선(12c1, 12e1)의 접속 상태는 도 5에 나타낸 바와 같이 2차 권선(12b1)과 같기 때문에, 2차 권선(12b1)과 같은 변환 작용에 따라 2차 권선(12c1, 12e1)의 전류 벡터 Irs, Itr에 의한 전류가 1차 권선(11a)에 흐른다.
다음으로, 2차 권선(12d)의 전류에 대하여 설명한다. 2차 권선(12d)의 경우도, 1차 권선(11a)과 동일 철심에 감긴 2차 권선(12d1)의 전류 벡터 Irs와 전류 벡터 Itr에 의한 기자력을 상쇄하는 전류가 1차 권선(11a)에 흐른다. 도 5에 나타낸 권선의 배선으로부터, 2차 권선(12d1)으로부터 흘러나가는 전류에 의한 기자력을 상쇄하는 1차 권선(11a)의 전류의 방향은 2차 권선(12b1, 12c1, 12e1)과 같이 1차 권선(11a)으로부터 흘러나가는 방향, 즉 2차 권선(12d1)과 같은 정방향인 것을 알 수 있다.
전류 벡터 Irs는 2차 권선(12d1)의 스타 결선 부분에 흐르기 때문에, 전류 벡터 Irs에 대하여 방향이 같은 방향이고, 전류 벡터 Irs의 크기에 1차 권선(11a)과 2차 권선(12d1)의 스타 결선 부분의 권선비를 곱하여 크기가 얻어지는 전류도 1차 권선(11a)에 흐른다. 또한, 전류 벡터 Itr은 2차 권선(12d1)의 스타 결선 부분과 델타 결선 부분에 흐르기 때문에, 전류 벡터 Itr에 대하여 방향이 같은 방향이고, 전류 벡터 Itr의 크기에 1차 권선(11a)과 2차 권선(12d1)의 권선비를 곱하여 크기가 얻어지는 전류가 1차 권선(11a)에 흐른다.
2차 권선(12f)의 경우도, 1차 권선(11a)과 동일 철심에 감긴 2차 권선(12f1)의 전류 벡터 Irs와 전류 벡터 Itr에 의한 기자력을 상쇄하는 전류가 1차 권선(11a)에 흐른다. 2차 권선(12f1)의 접속 상태는 도 5에 나타낸 바와 같이 2차 권선(12d1)과 같기 때문에, 2차 권선(12b1)과 같은 변환 작용에 따라 2차 권선(12f1)의 전류 벡터 Irs, Itr에 의한 전류가 1차 권선(11a)에 흐른다.
상술한 바와 같이, 각 2차 권선(12)의 전류 벡터 Irs와 Itr에 대하여 방향이 상술한 방향이고, 1차 권선(11a)의 권선비 및 2차 권선(12) 중 전류 벡터 Irs와 Itr에 의해 r상 전류가 흐르는 권선에 따른 크기의 전류가 1차 권선(11a)에 흐른다.
따라서, 2차 권선(12a~12f)의 전류에 의한 1차 권선(11a)의 전류의 전류 벡터는 도 12에 나타낸 것처럼 된다. 도 12는 2차 권선(12a~12f)의 r상 전압이 정인 경우에 2차 권선(12a~12f)의 전류에 의한 1차 권선(11a)의 전류의 전류 벡터를 나타내는 도면이다.
한편, 도 13에 나타낸 바와 같이, r상의 위상 전압 Vr이 부인 경우에, 2차 권선(12a~12f)의 전류에 의한 1차 권선(11a)의 전류의 전류 벡터는 도 12에 나타낸 전류 벡터에 대하여 180도의 위상차를 갖는다. 도 13은 2차 권선(12a~12f)의 r상의 위상 전압 Vr이 부인 경우에 2차 권선(12a~12f)의 전류에 의한 1차 권선(11a)의 전류의 전류 벡터를 나타내는 도면이다.
따라서, 1차 전압 VR이 정전압인 경우에 2차 권선(12a~12f)의 전류에 의한 1차 권선(11a)의 전류의 전류 벡터는 도 12에 나타낸 것처럼 된다. 한편, 1차 전압 VR이 부전압인 경우에 2차 권선(12a~12f)의 전류에 의한 1차 권선(11a)의 전류의 전류 벡터는 도 13에 나타낸 것처럼 된다.
도 12 및 도 13에 나타낸 바와 같이, 2차 권선(12a~12f)의 전류 벡터 Irs와 Itr에 의한 1차 권선(11a)의 10도의 위상차를 갖는 전류는 R상 전압이 최대인 위상에 대하여 대칭으로 분포된다. 각 2차 권선(12)의 전류 벡터 Irs는 상술한 바와 같이 r상과 s상 사이의 선간 전압이 3개의 선간 전압 중 최대 또는 최소가 될 때에 흐르고, 그 파형은 첨두파이다. 또한, 각 2차 권선(12)의 전류 벡터 Itr은 상술한 바와 같이 t상과 r상 사이의 선간 전압이 3개의 선간 전압 중 최대 또는 최소가 될 때에 흐르고, 그 파형은 첨두파이다.
그런데, 2차 권선(12)의 전류에 의한 1차 권선(11a)의 전류의 전류 벡터는 상술한 바와 같이 분포되기 때문에, 첨두파 전류에 의한 영향이 분산되어 고조파 전류가 저감된다. S상과 T상의 1차 권선(11b, 11c)에도 같은 전류가 흐르기 때문에, 3상 교류 전원(2)의 고조파 전류도 저감될 수 있다.
상술한 바와 같이, 제 1 실시 형태의 직렬 다중 전력 변환 장치(1)는 같은 출력 위상에 있어서의 2개의 단상 전력 변환기(21)에 각각 접속된 2개의 2차 권선(12) 사이의 전압 위상차가 30도인 관계를 갖는다. 또한, 직렬 다중 전력 변환 장치(1)는 U상, V상, W상의 3개의 출력 위상에 대응하는 3개의 단상 전력 변환기(21)에 각각 접속된 3개의 2차 권선(12) 사이의 전압 위상차가 20도인 관계를 갖는다.
제 1 실시 형태에 있어서, 6개의 2차 권선(12a~12f)에 접속된 6개의 단상 전력 변환기(21a~21f)를 갖는 직렬 다중 전력 변환 장치(1)의 이 구성은 도 12 또는 도 13에 나타낸 바와 같이 1차 권선(11)에 10도의 위상차를 갖는 첨두파 전류를 발생시킨다. 따라서, 첨두파 전류에 의한 영향이 분산될 수 있어 3상 교류 전원(2)의 고조파 전류가 저감될 수 있다.
상술한 예에서는, U상, V상, W상의 3개의 출력 위상에 대응하는, 각 출력 위상에 있어서 같은 단 번호를 갖는 위치에 있는 단상 전력 변환기(21)에 접속된 2차 권선(12) 사이의 전압 위상차는 20도인 것으로 설명했다. 그러나, 본 실시 형태는 이것으로 한정되지 않는다. 예컨대, 도 14에 나타낸 것과 같은 위치 관계에서 2차 권선(12)이 단상 전력 변환기(21)에 접속된 직렬 다중 전력 변환 장치(1A)이더라도 좋다. 도 14는 다중 변압기(10)의 2차 권선(12)의 다른 전압 위상 관계를 나타내는 도면이다. 도 14에 나타낸 바와 같이, 각 출력 위상마다 서로 직렬로 접속된 단상 전력 변환기(21)에 접속되는 하나의 2차 권선(12)을 선택하여 얻어진 m개의 2차 권선(12)(한 세트) 사이의 전압 위상차가 60/m도이면 된다.
(제 2 실시 형태)
도 15는 제 2 실시 형태에 따른 직렬 다중 전력 변환 장치(1B)의 다중 변압기의 2차 권선 사이의 전압 위상차를 나타내는 도면이다. 제 2 실시 형태에 따른 직렬 다중 전력 변환 장치(1B)는, 각 출력 위상이 3단(n=3)의 단상 전력 변환기(21)에 의해 구성되는 점에서 제 1 실시 형태에 따른 직렬 다중 전력 변환 장치(1, 1A)와 다른 구성을 갖는다.
도 15에 나타낸 바와 같이, 제 2 실시 형태에 따른 직렬 다중 전력 변환 장치(1B)에서는, 같은 출력 위상의 3개의 단상 전력 변환기(21)에 각각 접속된 3개의 2차 권선(12) 사이의 전압 위상차는 20도이다. 보다 구체적으로는, U상의 경우에, 위치 U1 및 U2에 대응하는 2차 권선(12) 사이의 전압 위상차는 20도이다. 또한, 위치 U2 및 U3에 대응하는 2차 권선(12) 사이의 전압 위상차는 20도이다. 이 관계는 V상 및 W상에도 마찬가지로 적용된다.
한편, 직렬 다중 전력 변환 장치(1B)의 다중 변압기에서는, 서로 다른 출력 위상에 대응하는 3개의 단상 전력 변환기(21)에 각각 접속된 3개의 2차 권선(12) 사이의 전압 위상차는 20도이다. 보다 구체적으로는, 위치 U1 및 V1에 대응하는 2차 권선(12) 사이의 전압 위상차는 20도이다. 또한, 위치 V1 및 W1에 대응하는 2차 권선(12) 사이의 전압 위상차는 20도이다. 이 관계는 위치 (U2, V2, W2) 및 위치 (U3, V3, W3)에 대응하는 2차 권선(12)에도 마찬가지로 적용된다.
제 1 실시 형태와 마찬가지로, 각 출력 위상마다 서로 직렬로 접속된 단상 전력 변환기(21)에 접속되는 하나의 2차 권선(12)을 선택하여 얻어진 m개의 2차 권선(12)(한 세트) 사이의 전압 위상차가 60/m도이면 된다. 따라서, 본 실시 형태는 도 15에 나타낸 관계로 한정되는 것이 아니다.
상술한 바와 같이, 제 2 실시 형태에 따른 직렬 다중 전력 변환 장치(1B)는 같은 출력 위상의 3개의 단상 전력 변환기(21)에 각각 접속된 3개의 2차 권선(12) 사이에서 20도의 전압 위상차를 갖는다. 또한, 직렬 다중 전력 변환 장치(1B)는 U상, V상, W상의 3개의 출력 위상에 대응하는 3개의 단상 전력 변환기(21)에 각각 접속된 3개의 2차 권선(12) 사이에서 20도의 전압 위상차를 갖는다.
따라서, 제 2 실시 형태의 직렬 다중 전력 변환 장치(1B)에서는, 9개의 2차 권선(12)에 접속된 9개의 단상 전력 변환기(21)에 의해 1차 권선(11)의 위상에 20/3도의 위상차를 갖는 첨두파 전류가 발생한다. 그 결과, 전류 펄스에 의한 영향이 분산될 수 있어 3상 교류 전원(2)의 고조파 전류가 저감될 수 있다.
실시 형태에서는, 출력 위상이 3상(m=3)이고, 각 출력 위상이 2단 또는 3단(n=2 또는 n=3)의 단상 전력 변환기(21)에 의해 구성된 직렬 다중 전력 변환 장치(1, 1A, 1B)를 설명했다. 출력 위상의 수와, 각 출력 위상을 구성하는 단상 전력 변환기(21)의 수는 이 구성으로 한정되는 것이 아니다.
상술한 실시 형태에서는 2차 권선(12)의 전압 위상이 U상, V상, W상의 순서(U상→V상→W상)로 앞서는 것을 예로서 설명했다(도 4 참조). 그러나, 본 실시 형태는 이것으로 한정되는 것이 아니다. 예컨대, 2차 권선(12)의 전압 위상은 (V상→W상→U상) 또는 (W상→U상→V상)과 같이 앞서더라도 좋다. 또한, 2차 권선(12)의 전압 위상은 (V상→W상→U상), (W상→U상→V상), 또는 (U상→V상→W상)과 같이 지연되더라도 좋다.
즉, 다중 변압기(10)는 이하의 조건만을 만족하면 된다. 여기서, n과 m은 서로소이다.
(1) 동일한 출력 위상의 n개의 단상 전력 변환기(21)에 각각 접속된 n개의 2차 권선(12) 사이의 전압 위상차는 60/n도이다.
(2) m개의 출력 위상에 대응하는 단상 전력 변환기(21)에 접속된 2차 권선(12) 사이의 전압 위상차는 60/m도이다.

Claims (3)

1차 권선(primary winding)에 입력되는 교류 전력을 m×n개(n, m은 서로소)의 2차 권선(secondary winding)에 분배하는 다중 변압기와,
상기 m×n개의 2차 권선에 각각 접속된 m×n개의 단상 전력 변환기를 갖고, n개의 단상 전력 변환기의 출력이 직렬로 접속되어 m개의 출력 위상의 각각이 구성된 전력 변환 유닛
을 구비하고,
상기 다중 변압기는,
상기 m×n개의 2차 권선의 전압 위상이 각각 상이한 관계에 있고,
동일 출력 위상의 상기 n개의 단상 전력 변환기에 각각 접속된 n개의 상기 2차 권선이 60/n도의 전압 위상차를 갖는 관계 및 상기 m개의 출력 위상에 대응하는 상기 m개의 단상 전력 변환기에 각각 접속된, n개의 상기 2차 권선의 전압 위상 세트가 60/m도의 전압 위상차를 갖는 관계를 갖는
직렬 다중 전력 변환 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 다중 변압기는, 상기 m개의 출력 위상에 대응하는, 각각이 대응하는 출력 위상에서 같은 순서의 위치에 있는 상기 m개의 단상 전력 변환기에 접속된 상기 2차 권선이 60/m도의 전압 위상차를 갖는 관계를 갖는 직렬 다중 전력 변환 장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 다중 변압기의 2차 권선 중 적어도 1 이상의 2차 권선은, 연장된 델타 결선(extended delta connection)에 의해 형성되는 직렬 다중 전력 변환 장치.
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