KR101515866B1 - 저주파 변압기를 장착한 직류배전시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 풀 부하가 연결된 상태에서도 안정된 구동상태를 유지하며 제어전압으로 제어 가능한 직류배전시스템과, 상기 직류배전시스템을 기반으로 해서 부스트 인덕터 내 통전전류 제어방법에 관한 것으로, 전원의 교류전기를 유입라인을 통해 수신하는 인덕터와, 상기 인덕터를 통해 수신한 상기 교류전기를 직류전기로 변환해 출력단으로 출력하는 스위치부를 포함하는 직류배전시스템에 있어서, 상기 전원의 교류전기가 통전되도록 유입단이 상기 유입라인과 전기적으로 연결되고, 정류된 직류전기가 통전되도록 유출단이 상기 출력단과 전기적으로 연결되는 정류기를 구비한 브릿지 정류부; 및 상기 전원의 교류전기를 상용 주파수대의 교류전기로 변압해서 상기 유입라인으로 통전시키는 저주파 변압기;를 더 포함하는 것이다.

Description

저주파 변압기를 장착한 직류배전시스템{D.C. distribution system having low frequency transformer}
본 발명은 풀 부하가 연결된 상태에서도 안정된 구동상태를 유지하며 제어전압으로 제어 가능한 직류배전시스템에 관한 것이다.
현대 산업계에서 직류전원을 필요로 하는 부하는 전자시스템의 증가와 함께 꾸준하게 증가하여 왔으며, 최근 전력전자 기술의 발전으로 직류 시스템에 대한 관심이 증가하고 있다. 또한, 현재 세계 각국의 에너지 정책은 환경오염으로 인하여 그린 에너지로의 변화와 에너지 자원의 절약을 위해 에너지 효율 향상이라는 목표를 가지고 많은 연구들이 진행되고 있다. 이러한 목표와 직류전원에 대한 관심의 증가로 직류배전시스템은 여러 국가에서 연구되고 있다.
직류배전시스템의 장점은 에너지변환 단계를 2단계에서 1단계로 줄여 효율을 높이고 태양광, 연료전지, 풍력 등과 같은 직류출력을 갖는 신재생 에너지와 쉽게 연계할 수 있다는 것이다. 또한 직류전원은 역율이 항상 1로 유지되며, 전압의 주파수와 회전방향이 없으므로 회로 해석과 제어가 쉽다는 장점이 있다.
공지된 바와 같이, 3상 AC/DC PWM컨버터를 이용한 직류배전시스템은 3상의 교류전원을 직류전원으로 변환하여 직류부하에 에너지를 공급한다. 3상 AC/DC 컨버터는 교류전력을 이용하여 승압된 직류전원을 출력하도록 하며 교류 계통에 유효 및 무효전력을 제어할 수 있다. 또한 직류배전시스템은 분산전원의 발전전력과 교류계통의 전력을 최소한의 전력변환단계를 거친 직류 배전망과의 연계가 가능하며, 이를 통해 보다 효율적인 시스템을 구축할 수 있다.
이러한 이유로 직류배전을 위하여 교류전력을 직류전력으로 변환할 수 있는 고효율, 대용량, 고신뢰성의 전력변환 장치의 설계 및 제어기술이 요구되고 있다.
한편, 공지,공용의 직류배전시스템은 3상 교류전기를 수신해서 수용가 등에서 소비할 수 있는 직류전기로 변환한다. 이를 위해 상기 직류배전시스템에는 3상 교류전기를 직류전기로 변환하면서 이를 승압시키는 PWM(Pulse width modulation; 펄스 폭 변조) 컨버터가 구성된다.
도 1은 종래 직류배전시스템의 구성회로를 개략적으로 도시한 회로도인바, 이를 참조해 설명한다.
종래 직류배전시스템은 PWM 컨버터를 포함한다. 상기 PWM 컨버터는 3상 전원(11)이 전기적으로 직렬 연결되고, 각 유입라인(IL)에는 제1인덕터(12)와 제2인덕터(부스트 인덕터; 13)가 전기적으로 직렬 연결된다. 여기서, LCL필터의 기능을 수행하도록, 제1,2인덕터(12, 13)가 각각 연결된 세 곳의 유입라인(IL)에는 필터 커패시터(15)가 전기적으로 병렬 연결된다.
한편, 3쌍의 스위치(14)가 상호 병렬 연결된 각 배전라인(DL)에는 3개의 유입라인(IL)이 각각 전기적으로 연결된다. 여기서 스위치(14)는 FET(Field Effect Transistor; 전계 효과 트랜지스터) 또는 IGBT(insulated gate bipolar mode transistor)와 같은 소자가 적용될 수 있다. 참고로, 도 1에서 보인 3쌍의 스위치(14)의 실시 예는 IGBT로서, 상기 IGBT에는 부하전류의 정류를 위한 다이오드(Free Wheeling Diode; FWD)를 구성한다. IGBT가 턴 오프(Turn Off) 스위칭 동작을 할 때 FWD가 턴 온(Turn On) 스위칭 동작을 실행한다.
스위치(14)는 컨트롤러(19)로부터 PWM신호를 인가받아 PWM 컨버터의 승압이 실현되도록 하고, 이를 통해 교류전기의 정류는 물론 PWM 컨버터에 연결된 부하(17)에 고전압의 직류전기가 출력될 수 있도록 한다.
또한, PWM 컨버터 내 통전 상태를 안정화시키기 위해, 3개의 배전라인(DL)과 전기적으로 병렬 연결되는 전압안정 커패시터(18)가 구성된다.
이렇게 구성된 PWM 컨버터는 3상 전원(11)의 교류전기를 직류전기로 변환해서 최종 출력하고, PWM 컨버터 말단에 연결된 부하(17)에 공급한다. 참고로, 부하(17)로의 직류전기 공급을 제어하고 필요에 따라 배선처리 및 ON/OFF를 제어하기 위해서, PWM 컨버터의 말단에는 차단기(16)가 보강될 수 있다. 차단기(16)는 배선용 차단기(MCCB; Mold Case Current Breaker) 또는 주회로차단기(MCB; Main Circuit Breaker)가 예시될 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 종래 PWM 컨버터는 전원(11)으로부터 공급되는 교류전기를 직류전기로 변환하고, 부하(17)에 맞는 직류전기를 안정적으로 공급할 수 있는 구조를 이룬다. 또한, 종래 PWM 컨버터는 제2인덕터(13)의 전류제어를 통해서 입력되는 교류전기보다 상대적으로 높은 전압으로 출력되는 직류전기를 생산할 수 있고, 이를 통해 역률을 제어할 수 있는 기능 또한 갖는다.
그런데, 종래 PWM 컨버터는 부하(17)를 인가한 상태에서는 3쌍의 스위치(14) 내 역병렬 다이오드를 통해 계속된 통전이 이루어지고, 이를 통해 부하(17)에 지속적인 전류 유입이 이루어지므로, 승압을 위한 PWM신호가 인가되더라도 제1,2인덕터(12, 13)에 흐르는 시간대비 전류의 통전율(di/dt)이 작은 문제가 있었다. 물론, 이러한 낮은 통전 비율로는 부하(17)의 충분한 승압에는 한계가 있으므로, 민감한 구동성이 요구되는 부하(17)의 경우에는 충분한 승압이 이루어지지 못하는 한계로 인해서 제 작동을 하지 못하는 문제가 있었다.
또한, 종래 PWM 컨버터에 구성된 제2인덕터(13)는 전류 용량에 따라 설정되는 다양한 스위칭 주파수(ex, 5kHz)에 맞게 설계되나, 부하(17)를 인가한 상태에서는 저주파로 입력되는 교류전기의 전류로 인하여 제2인덕터(13)의 포화가 발생하는 문제 또한 있었다. 이외에도 종래 PWM 컨버터는 승압을 하기 위하여 초기충전부(20)가 연결되면 부하저항으로 인하여 출력 커패시터에 입력 선간전압의 피크값이 충전되지 않고 낮은 전압이 커패시터에 충전된다. 그 후에 메인 회로가 연결되면 큰 전압 차에 의하여 과전류가 스위치를 통하여 흐르게 되어 스위치의 파괴를 초래한다.
또한, 빌딩용 직류배전시스템의 경우 직류부하가 투입될 때 DC Bus에 voltage 급저하(sag)나 급상승(swell)이 발생하면 직류전압에 민감한 전자부하는 치명적인 악영향을 받는다.
이러한 문제를 해소하기 위해 종래에는 PWM 컨버터의 승압 출력을 할 경우,상기 PWM 컨버터에 연결된 부하(17)의 인가 상태를 해제하고, 상기 PWM 컨버터의 승압 출력 상태가 이루어지면 부하(17)를 인가시키는 방법이 제안되었다.
하지만, 이러한 방법은 부하(17)의 ON/OFF를 PWM 컨버터의 승압 출력에 따라 제어해야 하는 번거로움이 있고, 사용자가 상기 순서를 착오로 누락할 경우엔 부하(17)를 정상적으로 동작시킬 수 없게 되므로, 사용자에게는 번거로움과 불편이 동반되는 문제가 있었다.
이에 본 발명은 상기와 같은 문제를 해소하기 위해 발명된 것으로서, 부하의 인가 상태 여부에 상관없이 PWM 컨버터의 승압 출력을 제어해서 상기 부하의 안정된 동작을 실현할 수 있도록 하는 저주파 변압기를 장착한 직류배전시스템의 제공을 해결하고자 하는 과제로 한다.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은,
전원의 교류전기를 유입라인을 통해 수신하는 인덕터와, 상기 인덕터를 통해 수신한 상기 교류전기를 직류전기로 변환해 출력단으로 출력하는 스위치부를 포함하는 직류배전시스템에 있어서,
상기 전원의 교류전기가 통전되도록 유입단이 상기 유입라인과 전기적으로 연결되고, 정류된 직류전기가 통전되도록 유출단이 상기 출력단과 전기적으로 연결되는 정류기를 구비한 브릿지 정류부; 및
상기 전원의 교류전기를 상용 주파수대의 교류전기로 변압해서 상기 유입라인으로 통전시키는 저주파 변압기;
를 더 포함하는 직류배전시스템이다.
상기의 본 발명은, 승압을 위해 부하의 ON/OFF를 일일이 제어할 필요가 없으므로, 사용자는 부하 사용의 번거로움을 최소화할 수 있고, 교류전기의 정류 및 안정된 승압 출력을 이루는 효과가 있다.
또한, 기동 시에 부하가 DC Bus와 연계된 상태에서 승압을 시작하도록 하므로, 직류부하의 부담을 최소화하는 효과가 있다.
도 1은 종래 직류배전시스템의 구성회로를 개략적으로 도시한 회로도이고,
도 2는 본 발명에 따른 직류배전시스템의 구성회로에 대한 제1실시 예를 개략적으로 도시한 회로도이고,
도 3은 본 발명에 따른 컨버터의 구성회로에 대한 일 실시 예를 개략적으로 도시한 회로도이고,
도 4는 본 발명에 따른 제어방법을 순차 도시한 플로차트이고,
도 5는 본 발명에 따른 직류배전시스템의 구성회로에 대한 제2실시 예를 개략적으로 도시한 회로도이고,
도 6은 본 발명에 따른 직류배전시스템의 제2실시 예에 따른 구성회로를 시뮬레이션하여 얻은 출력 전압 및 전류의 그래프이고,
도 7 및 도 8은 본 발명에 따른 직류배전시스템의 제2실시 예에 따른 구성회로를 실제로 측정해 얻은 출력전압 및 전류의 그래프이고,
도 9는 본 발명에 따른 직류배전시스템이 플로팅 상태에서 일어나는 결과출력파형을 보인 그래프이고,
도 10은 본 발명에 따른 직류배전시스템이 접지 상태에서 일어나는 결과출력파형을 보인 그래프이고,
도 11은 본 발명에 따른 직류배전시스템 내 전력변환부가 플로팅 상태와 접지상태일 때 a상의 출력파형을 비교한 그래프이고,
도 12는 본 발명에 따른 직류배전시스템의 구동 시뮬레이션에 적용한 사양을 보인 표이고,
도 13은 종래 직류배전시스템의 스위치부와 본 발명에 따른 직류배전시스템의 스위치부에 흐르는 3상 전류 결과파형을 보인 그래프이다.
상술한 본 발명의 특징 및 효과는 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다.
이하, 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용을 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 직류배전시스템의 구성회로에 대한 제1실시 예를 개략적으로 도시한 회로도이고, 도 3은 본 발명에 따른 컨버터의 구성회로에 대한 일 실시 예를 개략적으로 도시한 회로도인 바, 이를 참조해 설명한다.
본 발명에 따른 직류배전시스템은 전원(11)으로부터 출력되는 3상 교류전기를 선택적으로 ON/OFF하는 초기충전부(20)와, 상기 교류전기가 부하(17)로의 통전을 위해 유입라인(IL)을 우회하도록 바이패스 형태로 배선되는 브릿지 정류부(30)와, 저주파 변압기(40)를 더 포함한다.
초기충전부(20)는 서로 병렬 연결되는 초기충전 차단기(21)와 주차단기(22)로 구성된다. 여기서, 초기충전 차단기(21)와 주차단기(22)는 도시한 바와 같이 전원(11)의 3상 교류전기를 각각 제어하기 위한 3상 교류전기 전용 차단기로서, 주회로차단기(MCB; Main Circuit Breaker)가 적용될 수 있다. 초기충전 차단기(21)와 주차단기(22)는 별도의 제어부(미도시함)에 의해 그 동작이 제어되는데, 상기 제어부는 PWM신호를 출력하는 컨트롤러(19)와 연동하도록 구성된다.
한편, 초기충전 차단기(21)에는 저항체(21a)가 전기적으로 직렬 보강된다. 저항체(21a)는 안정기의 역할을 수행하는데, 전원(11)으로부터 최초로 유입되는 순간 대전류의 교류전기가 유입라인(IL)을 통해 스위치(14)로 통전되면서 다이오드 등의 구성소자를 소손시키는 사고를 방지한다. 이에 대한 보다 구체적인 설명은 아래에서 한다.
브릿지 정류부(30)는 유입라인(IL)과 전기적으로 병렬 연결되는 것으로서, 전원(11)의 3상 교류전기를 수신해서 정류하는 정류기(31)를 포함한다. 정류기(31)는 정류한 직류전기를 PWM 컨버터의 출력단에 연결된 부하(17)로 출력한다. 이를 위해 정류기(31)와 연결된 브릿지 정류부(30)의 유입단은 유입라인(IL)과 전기적으로 연결되고, 정류기(31)와 연결된 유출단은 부하(17)가 연결되는 PWM 컨버터의 출력단과 전기적으로 연결된다.
한편, 브릿지 정류부(30)의 정류기(31)는 유입된 교류전기를 직류전기로 변환하도록 구성된 회로로서, 다이오드를 이용한 반파 또는 전파정류회로 등이 적용될 수 있다.
도 3에서 보인 바와 같이, 본 발명에 따른 브릿지 정류부(30)의 정류기(31)는 전기적으로 직렬배치된 두 개의 다이오드(311)가 짝을 이루며 하나의 정류파트를 이루고, 상기 정류파트는 3개로 구성되어 전기적으로 병렬을 이룬다. 결국, 3상으로 입력되는 교류전기는 상기 정류파트에서 직류전기로 정류되어서 최종 출력된다.
정류기(31)의 회로 구조는 예시한 구조에 한정하지 않으며, 단상 변압기(311)가 제외될 수도 있음은 물론이다. 또한, 정류기(31)는 다이오드에 의한 정류 외에도 IGBT 등과 같은 다양한 소자 등이 정류회로에 구성될 수 있다.
저주파 변압기(40)는 직류배전시스템의 최초 입력된 교류전기를 상용 주파수대인 120Hz 미만의 교류전기로 변압하는 공지,공용의 장치로서, 통상적으로 코일 철심이 규소강판으로 제작된다.
도 2에서 보인 바와 같이, 직류배전시스템에 병렬로 브릿지 정류부(30)를 연결한다면 브릿지 정류부(30)를 통하여 순환전류가 발생할 수 있다. 그 이유는 스위치(14)가 변압기로 등가변환할 수 있고, 상기 직류배전시스템에 구성인 입력단, 전력변환부 및 출력단이 각각 절연된 상태이기 때문이다. 참고로, 본 발명에 따른 직류배전시스템의 입력단에 구성된 저주파 변압기(40)는 안전을 목적으로 사용하는 것으로서, 이는 입력단, 전력변환부 및 출력단이 직관적으로 각각 절연된 상태라는 것을 알 수 있다. 따라서 상기 입력단, 전력변환부 및 출력단 각 부분이 접지가 되어 있지 않으면 플로팅 상태가 된다. 플로팅 상태에서 스위치(14)를 ON하면 기준점이 흔들리게 되어 직류배전시스템이 불안정해지고, 이로 인하여 병렬로 연결된 브릿지 정류부(30)를 통하여 순환전류가 흐르게 된다. 따라서 저주파 변압기(40)의 결선형태에 따른 LCL필터부의 결선 방법을 결정해야 한다.
우선, 저주파 변압기(40)의 결선형태는 1차측과 2차측이 각각 Δ-Δ, Δ-Y, Y-Δ, Y-Y 결선형태로 분류할 수 있다. 그런데, 1차측이 Y 결선형태인 경우는 3상 계통으로부터 3차 고조파가 유입될 수 있으므로, Y-Δ, Y-Y 결선형태는 제외한다.
계속해서, 저주파 변압기(40)의 2차측이 Y 결선형태인 경우는 스위치(14) ON에 의하여 3차 고조파가 발생하고, 이것이 3상 전력계통으로 유입될 수 있기 때문에 상기 LCL필터부의 크기를 증가시켜야 하는 단점을 갖는다. 따라서 저주파 변압기(40)의 결선형태를 Δ-Δ로 한정하면, LCL필터부의 크기를 줄일 수 있다.
다음으로 저주파 변압기(40)의 결선형태가 Δ-Δ이고 LCL필터부의 필터 커패시터(15)의 결선형태가 Δ인 경우, 상기 전력변환부가 플로팅 상태가 되기 때문에 스위치(14)를 ON 함에 따라 기준점이 흔들리게 되어 브릿지 정류부(30)를 통하여 순환전류가 발생한다. 따라서 본 발명에 따른 직류배전시스템의 필터 커패시터(15) 결선형태는 접지를 위하여 Y 결선형태로 하고, 이를 통해 순환전류를 방지한다. 결국, 본 발명에 따른 직류배전시스템은 스위칭 시에 안정한 상태를 유지할 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 제어방법을 순차 도시한 플로차트인 바, 이를 참조해 설명한다.
종래 직류배전시스템의 출력단에 부하(17)가 인가된 상태로 연결되고, 전원(11)의 교류전기에 대한 정류와 승압이 진행되면, 부하(17)는 충분히 승압된 직류전기를 공급받지 못하는 문제가 있었다. 본 발명에 따른 제어방법은 교류전기를 수신해서 부하(17)에 직류전기를 배전 공급하는 직류배전시스템이 충분히 승압된 직류전기를 부하(17)에 안정적으로 공급할 수 있도록 한다. 여기서, 본 발명에 따른 상기 직류배전시스템은 초기충전부(20)와 브릿지 정류부(30)와 LCL필터부를 포함하는 PWM 컨버터와, 저주파 변압기(40)를 구비하고, 상기 PWM 컨버터는 부하(17)가 전원(11)의 출력전기와 상시 연계되도록 구동한다.
본 발명에 따른 제어방법은 상기 직류배전시스템을 기반으로 진행되며, 이에 대해 아래에서 상세히 설명한다.
S10; 교류전기 유입단계
3상 교류전기가 유입되도록 전원(11)을 제어한다.(OFF 되어 있는 전원을 ON시킨다는 일반적인 내용입니다. 3상 교류전기 유입을 위한 초충회로 제어는 아래 '교류전기 통전단계'에 기재하였습니다.)
전원(11)은 3상 교류전기를 공급하는 공지,공용의 전력원으로서, 외부 전력원의 스위치 조작을 통해 전원(11)의 출력 여부를 제어할 수 있다.
상기 스위치를 조작해서 전원(11)을 닫으면, 직류배전시스템으로 3상 교류전기의 유입이 이루어지고, 저주파 변압기(40)를 통하면서 상용 주파수를 유지하는 안정된 교류전기를 변압 출력한다. 여기서, 본 발명에 따른 저주파 변압기(40)는 결선형태가 Δ-Δ를 이룬다.
S20; 교류전기 통전단계
초기충전부(20)를 제어해서 전원(11)으로부터 유입되어 저주파 변압기(40)를 통해 변압된 3상 교류전기가 PWM 컨버터에 통전되도록 한다.
본 발명에 따른 실시 예에서는 초기충전부(20)의 구성 차단기 중 초기충전 차단기(21)를 닫아서, 저주파 변압기(40)로부터 유입된 교류전기가 초기충전 차단기(21)를 통해 유입이 이루어질 수 있도록 한다. 참고로, 초기충전 차단기(21)는 저항체(21a)가 초기충전 차단기(21)와 전기적으로 직렬 연결된다. 저항체(21a)는 일반적인 안정기의 역할을 수행하는 것으로서, 최초로 유입된 교류전기의 전류세기가 기준치를 초과(과전류)할 경우 이를 완화시켜서 부하(17)가 받는 충격을 최소화하고, 아울러 부하(17)는 물론 직류배전시스템이 받는 부담을 낮춘다. 또한, 저항체(21a)는 유입되는 교류전기가 부하(17)에 주는 영향을 완화해서 부하(17)의 부담을 최소화한다. 즉, 본 발명에 따른 초기충전부(20)는 초기충전 차단기(21)와 주차단기(22)로 구성되고, 초기충전 차단기(21)에는 저항체(21a)를 구성시킴으로써, PWM 컨버터의 안정된 동작상태를 유지시킬 수 있는 것이다.
참고로, 전압안정 커패시터(18)가 완전 방전되어 있을 때 전압안정 커패시터(18)의 내부 저항이 거의 0[Ω]인 상태이므로, 전원(11)이 인가되면 전원안정 커패시터(18)에 인입되는 전류는 무한대에 가깝다. 이 경우 IGBT 등의 스위치(14)와 병렬로 연결된 다이오드에는 과전류가 흘러, 상기 다이오드가 소손될 수 있다. 따라서, 운전 초기에는 초기충전 차단기(21)는 닫고 주차단기(22)는 열어서, 초기충전 차단기(21)와 직렬 연결된 저항체(21a)에 의해 전압안정 커패시터(18)에 흐르는 전류의 크기가 제한되도록 한다. 이후, 전원안정 커패시터(18)의 충전으로 전압 상승이 이루어지면, 주차단기(22)를 닫고 초기충전 차단기(21)는 연다. 본 발명에 따른 실시 예에서는 전원안정 커패시터(18)의 정격 전압에 70[%] 이상의 전압이 형성되면 주차단기(22)를 닫고 초기충전 차단기(21)는 열도록 제어한다.
브릿지 정류부(30)를 이용하면 풀부하 상태에서 승압이 가능하다. 그 이유는 스위칭 전에 부스트 인덕터인 제2인덕터(13)에 흐르는 전류를 병렬로 연결된 브릿지 정류부(30)와 나눠 흐르도록 함으로써, 실제로 제2인덕터(13)의 포화를 방지하고, 이를 통해 AC/DC 컨버터가 정상적으로 제어될 수 있도록 한다. 또한 초기충전이 끝나고 메인 회로가 연결될 때 큰 전압차이로 인하여 스위치(14)에 과전류가 흐르는 것을 브릿지 정류부(30)와 분담함으로써 스위치(14)의 파괴를 방지할 수 있다. 계속해서, 브릿지 정류부(30)를 경유한 전류는 정류기(31)에서 직류전기로 정류된 후 PWM 컨버터의 출력단으로 출력되고, 최종적으로 부하(17)에 인가된다.
따라서, 3쌍의 스위치(14)가 구성된 스위치부(S)가 PWM신호를 수신하더라도 제1,2인덕터(12, 13)에 흐르는 시간대비 통전률이 승압에 충분한 크기를 갖는다.
도 13(종래 직류배전시스템의 스위치부와 본 발명에 따른 직류배전시스템의 스위치부에 흐르는 3상 전류 결과파형을 보인 그래프)에서 보인 바와 같이, 종래 직류배전시스템의 스위치부는 풀 부하에서 기동할 때 200A가 넘는 과전류로 인하여 스위치부가 파괴되는 것을 확인할 수 있다(도 13(a) 참고). 반면, 본 발명에 따른 직류배전시스템의 스위치부는 풀 부하시 전류를 브릿지 정류부(30)와 분담함으로써, 정상적인 기동이 이루어짐을 확인할 수 있다(도 13(b) 참고).
S30; PWM신호 인가단계
컨트롤러(19)는 PWM 컨버터가 승압 출력을 할 수 있도록, 스위치부(S)에 PWM신호를 인가한다. 스위치부(S)에 구성된 스위치(14)는 컨트롤러(19)의 PWM신호를 선택적으로 수신해서, 차단기(20)로부터 출력된 교류전기가 유입라인(IL)을 통해 제1,2인덕터(12, 13)로 통전될 수 있도록 한다.
한편, 컨트롤러(19)가 PWM신호를 인가하면, 컨트롤러(19)와 연동하는 제어부는 초기충전부(20)의 주차단기(22)가 닫히도록 제어해서 전원(11)의 교류전기가 통전되도록 할 수 있다. 여기서, 주차단기(22)에는 별도의 저항체가 구성되지 않으므로, 부하(17)의 구동 출력 및 승압 등을 위한 충분한 전력을 출력할 수 있게 된다. 참고로, 초기충전 차단기(21)는 주차단기(22)가 닫히면 열리도록 조작해서, 저항체(21a)에 의한 전력 손실이 방지되도록 할 수 있으나, 주차단기(22)가 닫히더라도 초기충전 차단기(21)를 반드시 열리도록 조작해야 하는 것은 아니다.
결국, 제1,2인덕터(12, 13)를 통과한 교류전기는 스위치부(S)를 통해 정류되어 본 발명에 따른 PWM 컨버터의 출력단으로 승압된 직류전기 형태로 출력된다.
도 5는 본 발명에 따른 직류배전시스템의 구성회로에 대한 제2실시 예를 개략적으로 도시한 회로도이고, 도 6은 본 발명에 따른 직류배전시스템의 제2실시 예에 따른 구성회로를 시뮬레이션하여 얻은 출력 전압 및 전류의 그래프인 바, 이를 참조해 설명한다.
S20'; 교류전기 통전단계
본 발명에 따른 브릿지 정류부(30')는 통전 제어를 위한 필터인덕턴스(32)를 더 포함해서 과전류에 의한 브릿지 정류부(30')의 훼손을 방지한다.
이외에도 브릿지 정류부(30')는 스위치 형태의 정류차단기(미도시함)를 필터인덕턴스(32)에 대체하거나, 필터인덕턴스(32)와 전기적으로 직렬연결되도록 구성시킬 수 있다. 상기 정류차단기의 개폐는 초기충전부(20) 내 초기충전 차단기(21)의 개폐와 더불어 동작한다. 즉, 상기 정류차단기는 상기 제어부의 제어에 따라 초기충전 차단기(21)가 닫히면 함께 닫히고, 직류제어전압이 안정되면 열리도록 하면서, 전원(11)으로부터 유입된 교류전기가 초기충전 차단기(21)의 개폐를 통해 브릿지 정류부(30')에 선택적으로 통전될 수 있도록 하는 것이다.
이를 좀 더 구체적으로 설명하면, 제어부를 이용해서 초기충전부(20)의 초기충전 차단기(21)를 닫으면, 브릿지 정류부(30')의 정류차단기 또한 닫힌다. 결국, 전원(11)의 교류전기는 초기충전 차단기(21) 및 정류차단기를 순차 경유하면서 정류기(31)를 통해 정류된다.
참고로, 본 실시 예에서는 정류차단기의 열림 시점을 직류제어전압이 700V에서 안정적으로 제어된 이후에 이루어지도록 했다. 직류제어전압의 안정성 여부는 정류차단기가 출력전압이 지정된 크기로 출력되는지를 실시간으로 확인해서, 지정된 크기의 출력전압이 확인되면 직류제어전압이 안정권에 접어든 것으로 간주하고, 스위치를 열도록 동작한다.
S30'; PWM신호 인가단계
컨트롤러(19)는 스위치부(S)에 PWM신호를 인가하고, 컨트롤러(19)와 연동하는 상기 제어부는 초기충전 차단기(21)와 정류차단기를 열어 교류전기의 통전을 제한하며, 주차단기(22)를 닫아 전원(11)의 교류전기가 통전되도록 한다.
결국, 전원(11)의 교류전기는 초기충전 차단기(21)와 정류차단기를 대신해서 주차단기(22)와 유입라인(IL)으로 통전되고, 최종적으로 스위치부(S)를 통해 정류되어 본 발명에 따른 PWM 컨버터의 출력단으로 승압된 직류전기 형태로 출력된다.
이상 설명한 제2실시 예에 따른 PWM 컨버터를 시뮬레이션하여 다음과 같은 결과를 확인하였다. 참고로, 상기 시뮬레이션은 PSIM 소프트웨어를 이용하였으며, 제어 알고리즘은 도 5의 회로를 Visual C++을 이용하여 DLL 파일을 생성해 수행하였다.
우선, 정격출력은 50kW, 변환주기는 5kHz, 입력전압은 380V, 출력전압은 700V, 부하 전력은 50kW, 제2인덕터(13)의 boost 인덕턴스는 500uH로 설정한다.
시뮬레이션 결과, 도 6(a)에서 보인 바와 같이, PWM신호 인가시 출력전압이 700V로 정상 승압되어 부하(17)에 인가됨을 확인할 수 있다. 또한, 도 6(b)에서 보인 바와 같이, 컨트롤러(19)의 출력인 유효성분전류(a) 지령을 해당 축의 전류(b)가 정확히 추종하여 출력 제어됨을 확인할 수 있다.
결국, 본 발명에 따른 PWM 컨버터는 부하(17)를 ON 상태로 유지하더라도 정상 크기의 출력전압으로 승압된 직류전기를 부하(17)에 통전시킬 수 있고, 이를 통해 사용자는 부하(17) 조작을 위한 번거로움을 최소화할 수 있는 이점이 있다.
한편, 도 7 및 도 8(본 발명에 따른 직류배전시스템의 제2실시 예에 따른 구성회로를 실제로 측정해 얻은 출력전압 및 전류의 그래프)에서도 확인되는 바와 같이, 시뮬레이션뿐만 아니라 실제 측정 모습에서도 출력전압 및 전류에 대해 동일한 측정치를 확인할 수 있다.
참고로, 도 7은 출력단에 로드가 없는 상태에서의 출력전압 및 전류의 모습을 보인 것이고, 도 8은 출력단에 풀 로드가 걸린 상태에서의 출력전압 및 전류의 모습을 보인 것이다. 또한, 노랑색 그래프는 전압제어 레퍼런스로서 직류측의 전압명령을 가리키고, 빨강색 그래프는 실제전압(700V)을 가리키며, 파랑색은 전류 레퍼런스로서 PWM 컨버터의 교류측 전류명령을 가리키는 한편, 녹색 그래프는 PWM 컨버터의 교류측 실제 전류를 가리킨다.
또한, 전압파형(노랑, 빨강)은 세로축 1칸당 150V이므로 전압지령은 700V이고, 전류파형(파랑, 녹색)은 세로축 1칸당 25A이다. 도 7 및 도 8에서 보인 그래프는 PWM 컨버터의 교류측 전류를 좌표 변환하여 동기좌표에서 표시한 것으로서, 교류전류의 피크값을 표시한다.
도 9는 본 발명에 따른 직류배전시스템이 플로팅 상태에서 일어나는 결과출력파형을 보인 그래프이고, 도 10은 본 발명에 따른 직류배전시스템이 접지 상태에서 일어나는 결과출력파형을 보인 그래프이고, 도 11은 본 발명에 따른 직류배전시스템 내 전력변환부가 플로팅 상태와 접지상태일 때 a상의 출력파형을 비교한 그래프이고, 도 12는 본 발명에 따른 직류배전시스템의 구동 시뮬레이션에 적용한 사양을 보인 표인 바, 이를 참조해 설명한다.
도 9는 본 발명에 따른 직류배전시스템에서 전력변환부(컨버터)의 접지를 하지 않은 경우에 출력전압, q축 전류 레퍼런스와 q축 전류 브릿지 정류부(30')의 a상 전류의 결과파형이다. 풀부하 시 700[Vdc] 전압제어가 정상적으로 수행됨을 확인할 수 있다. 또한 PI전압제어기 출력인 유효성분전류(
Figure 112013093455183-pat00001
) 지령을 q축 전류가 정확히 추종하여 제어됨을 확인할 수 있다. 하지만 접지가 되어 있지 않기 때문에 스위칭을 할 때 기준점이 흔들리게 된다. 따라서 해당 회로는 출력단 DC링크의 전압이 AC/DC PWM컨버터에 의해서 입력 선간전압의 피크치 보다 높은 전압으로 제어되고 있지만 기준점이 흔들리게 되어 전류가 브릿지 정류회로를 통하여 흐르고 시스템이 불안정해질 수 있다. 계속해서, 정류회로를 통하여 전류가 계속 유입되기 때문에 무부하/경부하 시 PWM컨버터측에서는 일정한 전압을 유지하기 위해서 정류회로를 통하여 들어오는 전류를 회생시키는 제어를 하게 된다. 이 회생된 전류는 입력단에 Δ결선된 저주파 변압기(40)에 의해 계통으로 빠져나가지 못하고 브릿지 정류부(30, 30')로 흐르게 되어 결국 회로를 순환하는 전류가 된다. 이것을 도 9의 q축 전류를 통해서 확인할 수 있다.
도 10은 전술한 문제점을 해결하기 위해서 상기 전력변환부의 접지를 한 경우에 출력전압, q축 전류 레퍼런스와 q축 전류, 브릿지 정류부(30')의 a상 전류의 결과 파형이다. 출력전압과 제어가 정상적으로 동작함을 확인할 수 있고 접지를 함으로써 기준점이 흔들리는 것을 방지하여 AC/DC 컨버터가 스위칭을 하더라도 브릿지 정류부(30')를 통하여 순환전류가 발생하는 것을 방지함이 확인된다.
참고로, 도 11은 상기 전력변환부가 플로팅 상태와 접지상태 일 때, a상 전압을 비교한 파형이다. 플로팅 상태에서는 기준점이 흔들려 전압이 흔들리고 있는 것이 명백히 확인된다.
한편, 도 12는 전술한 테스트를 위한 시뮬레이션 사양이다.
앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예들을 참조해 설명했지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
11; 전원 12; 제1인덕터 13; 제2인덕터
14; 스위치 15; 필터 커패시터 16; 차단기
17; 부하 18; 전압안정 커패시터 19; 컨트롤러
20; 초기충전부 21; 초기충전 차단기 21a; 저항체
22; 주차단기 30; 브릿지 정류부 31; 정류기
32; 필터인덕턴스 40; 저주파 변압기

Claims (7)

  1. 전원의 교류전기를 유입라인을 통해 수신하는 인덕터와, 상기 인덕터를 통해 수신한 상기 교류전기를 직류전기로 변환해 출력단으로 출력하는 스위치부를 포함하는 직류배전시스템에 있어서,
    상기 전원의 교류전기가 통전되도록 유입단이 상기 유입라인과 전기적으로 연결되고, 정류된 직류전기가 통전되도록 유출단이 상기 출력단과 전기적으로 연결되는 정류기를 구비한 브릿지 정류부;
    차단기와 저항체가 서로 전기적으로 직렬 연결돼 이루어진 초기충전 차단기와 차단기로만 이루어진 주차단기가 전기적으로 병렬 연결돼 이루어져서 상기 유입라인으로의 교류전기 통전을 제어하는 초기충전부; 및
    상기 전원의 교류전기를 상용 주파수대의 교류전기로 변압해서 상기 유입라인으로 통전시키는 저주파 변압기;를 더 포함하되,
    상기 브릿지 정류부는 상기 정류기와 전기적으로 직렬 연결된 정류차단기를 더 포함하고;
    상기 출력단에 출력되는 직류전기의 전압을 측정해서 지정된 전압 미만이면 상기 초기충전 차단기와 정류차단기는 닫고 상기 주차단기는 열며, 지정된 전압 이상이면 상기 초기충전 차단기와 정류차단기는 열고 상기 주차단기는 닫도록 제어하는 것;을 특징으로 하는 직류배전시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 인덕터는 제1인덕터와 제2인덕터가 직렬 연결돼 이루어지고;
    상기 제1인덕터와 제2인덕터 사이에서 전기적으로 병렬연결되는 필터 커패시터가 보강 형성된 것;
    을 특징으로 하는 직류배전시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 저주파 변압기의 결선형태는 Δ-Δ 형태이고;
    상기 필터 커패시터의 결선형태는 접지를 위해 Y 형태인 것;
    을 특징으로 하는 직류배전시스템.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    PWM 컨버터의 승압출력을 위해 상기 스위치부에 PWM신호를 발신하는 컨트롤러를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 직류배전시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 브릿지 정류부는 과전류 유입방지를 위해서 상기 정류차단기와 전기적으로 직렬연결되는 필터인덕턴스를 상기 유입단에 보강하는 것;을 특징으로 하는 직류배전시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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