KR101522134B1 - 전력 변환 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 전력 변환 장치는, 공통의 삼상 교류 전원(1)으로부터 공급된 전력을 직류 전력으로 변환하여 공통의 부하(6)에 공급하는, 병렬 접속된 복수의 PWM 컨버터(2, 3)와, PWM 컨버터(2, 3)의 일부 또는 모든 출력측에 접속되어, 각 PWM 컨버터 내의 동상의 스위칭 소자끼리의 동작 타이밍에 편차가 생겼을 경우에, 동작 타이밍이 일치하고 있지 않은 PWM 컨버터 사이에 흐르는 단락 전류를 저감시키는 복수의 리액터(10, 11)를 구비한다.

Description

전력 변환 장치{POWER CONVERSION APPARATUS}
본 발명은 PWM 컨버터를 병렬 접속해 구성된 전력 변환 장치에 관한 것이다.
일반적으로, PWM 컨버터를 병렬 접속할 때, 병렬 접속하는 스위칭 소자끼리가 동일한 타이밍으로 동작하는 것은 이상적이지만, 실제로는 스위칭 소자 및 그 구동 회로의 불균일 때문에 동작 타이밍에 편차(deviation)가 생긴다. 병렬 접속하는 스위칭 소자의 동작 타이밍에 편차가 생기면, 예를 들면, 도 14에 도시된 장치 구성의 경우, P(양측)와 N(음측)의 단락의 문제가 발생하여, 화살표선(굵은선)으로 도시된 경로에서 단락 전류가 흐를 우려가 있다.
또한, 도 14에 도시된 전력 변환 장치는, 삼상(三相) 교류 전원(1)으로부터 전력 공급을 받아 직류 전력을 생성하여 부하(6)에 공급하는 구성으로 되어 있고, 병렬 접속된 PWM 컨버터(2 및 3)를 구비하고 있다. PWM 컨버터(2)는 필터 리액터(4)를, PWM 컨버터(3)는 필터 리액터(5)를 각각 구비하고 있다. 필터 리액터(4, 5)는, 통상은 삼상 자기(磁氣) 결합하고 있는 리액터를 이용하는 것이 많다. 삼상 자기 결합하고 있는 리액터는 노멀 모드(normal mode) 전류에 대해서 인덕턴스를 가지지만, 커먼 모드(common mode) 전류에 대해서는 인덕턴스가 극단적으로 작아진다. 도시한 단락 전류는 커먼 모드 전류이기 때문에, 필터 리액터(4, 5)에서는 단락 전류를 막는 일은 할 수 없다.
이 때문에, 종래는, 도 15에 도시된 바와 같이 교류측의 3상 모두에 단락 방지 리액터(7~9)를 추가하여, P와 N의 단락의 문제를 방지하고 있다. 또한, 단락 방지 리액터(7~9)는 서로 자기 결합하고 있지 않다.
병렬 접속된 장치 사이의 단락 전류를 저감하는 기술로서, 하기 특허 문헌 1에는, PWM 컨버터를 병렬 접속했을 경우와는 다르지만, 병렬 접속한 전력 변환 장치 사이에 흐르는 횡류(橫流) 전류(단락 전류)를 리액터에 의해서 억압하는 회로가 개시되어 있다.
특허 문헌 1: 일본국 특개 2001－177997호 공보
상기와 같이, 종래는, 도 15에 도시된 단락 방지 리액터(7~9)를 이용하여 단락 전류를 방지하고 있지만, 단락 방지 리액터에는 스위칭에 의한 고주파 전류가 흐르기 때문에 손실이 크고, 사이즈 및 비용이 증대하는 경향에 있고, 또 수량도 3개가 필요하기 때문에, 단락 방지 리액터의 설치 스페이스 및 경제성에 있어서 불리하다.
본 발명은 상기를 감안하여 이루어진 것으로, 종래와 비교하여, 단락 방지 리액터의 소형화 및 저비용화를 실현하고, 또한, 1장치에 대해서 필요로 하는 단락 방지 리액터의 수량의 삭감을 실현 가능한 전력 변환 장치를 얻는 것을 목적으로 한다.
상술한 과제를 해결하여, 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 공통의 삼상 교류 전원으로부터 공급된 전력을 직류 전력으로 변환하여 공통의 부하에 공급하는, 병렬 접속된 복수의 PWM 컨버터와, 상기 PWM 컨버터의 일부 또는 모든 출력측에 접속되어, 각 PWM 컨버터 내의 동상(同相)의 스위칭 소자끼리의 동작 타이밍에 편차가 생겼을 경우에, 동작 타이밍이 일치하고 있지 않은 PWM 컨버터 사이에 흐르는 단락 전류를 저감시키는 복수의 단락 방지 리액터를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 전력 변환 장치에 의하면, 단락 방지용의 리액터의 수를 저감시킬 수 있음과 아울러, 이 리액터의 저비용화나 소형화를 실현할 수 있고, 나아가서는 장치를 소형화할 수 있다고 하는 효과를 달성한다.
도 1은 본 발명에 따른 전력 변환 장치의 실시 형태 1의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 2는 실시 형태 1의 전력 변환 장치의 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 실시 형태 1의 전력 변환 장치의 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 실시 형태 2의 전력 변환 장치의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 5는 실시 형태 2의 단락 방지 리액터의 구성도이다.
도 6은 실시 형태 2의 단락 방지 리액터의 동작 설명도이다.
도 7은 실시 형태 2의 단락 방지 리액터의 동작 설명도이다.
도 8은 실시 형태 2의 전력 변환 장치의 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 실시 형태 2의 전력 변환 장치의 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 실시 형태 2의 전력 변환 장치의 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 실시 형태 2의 전력 변환 장치의 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 3대의 PWM 컨버터를 병렬 접속하는 경우의 장치 구성예를 나타내는 도면이다.
도 13은 3대의 PWM 컨버터를 병렬 접속하는 경우의 장치 구성예를 나타내는 도면이다.
도 14는 종래의 전력 변환 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 15는 종래의 전력 변환 장치를 설명하기 위한 도면이다.
이하에, 본 발명에 따른 전력 변환 장치의 실시 형태를 도면에 기초하여 상세하게 설명한다. 또한, 이 실시 형태에 의해 이 발명이 한정되는 것은 아니다.
실시 형태 1.
도 1은 본 발명에 따른 전력 변환 장치의 실시 형태 1의 구성예를 나타내는 도면이다. 본 실시 형태의 전력 변환 장치는, 삼상 교류 전원(1)으로부터 공급된 교류 전력을 PWM 제어에 의해 직류 전력으로 변환하는 복수의 PWM 컨버터(2 및 3)와, PWM 컨버터(2)의 각 출력 단자(P, N)와 각 PWM 컨버터로부터 전력 공급을 받는 부하(6)의 사이에 설치된 단락 방지 리액터(10 및 11)를 구비하고 있다.
PWM 컨버터(2 및 3)는 필터 리액터(4 및 5)를 각각 구비하고 있고, 필터 리액터(4 및 5)는 삼상 교류 전원(1)으로부터 공급되는 각 상의 전력 각각에 대해서 마련된 3개의 리액터에 의해서 형성되어 있다. 이들 3개의 리액터는 상호 자기 결합되어 있다. PWM 컨버터(2 및 3)의 동상의 스위칭 소자는, 도시를 생략한 제어 회로에 의해서, 동작 타이밍이 일치하도록 제어된다. 그러나 실제로는, 소자 자체의 성능 불균일(variation of performance)이나 구동 회로의 불균일이 원인으로 동작 타이밍에 편차가 발생하는 경우가 많다.
단락 방지 리액터(10과 11)는 서로 자기 결합하고 있지 않은 것으로 한다. 본 실시 형태의 전력 변환 장치에 있어서는, 이러한 단락 방지 리액터(10 및 11)가, 각 PWM 컨버터의 스위칭 소자 간의 동작 타이밍의 편차에 기인하여 발생하는 단락 전류를 저감시킨다.
또한, 단락 전류가 흐르는 경로로서는, 도 14에 도시된 경로 외에, 예를 들면, PWM 컨버터(3)의 콘덴서로부터 PWM 컨버터(2)의 P를 경유하고, 추가로 스위칭 소자, 필터 리액터(4)를 경유하여 PWM 컨버터(3) 측에 돌아와, 필터 리액터(5) 및 스위칭 소자를 경유하여 콘덴서로 돌아오는 경로가 존재한다. 이 경로의 단락 전류는, 단락 방지 리액터(10)에 의해 저감된다.
이하, 본 실시 형태의 전력 변환 장치에 의해서 얻어진 효과에 대해서 설명한다.
상술한 바와 같이, 본 실시 형태의 전력 변환 장치에 있어서는, 출력측(직류측)에 단락 방지 리액터(10 및 11)를 접속하도록 했으므로, 상술한 바와 같은, 교류 측에 단락 방지 리액터를 구비한 종래의 전력 변환 장치와 비교하여, 보다 적은 단락 방지 리액터로 단락 전류를 저감시킬 수 있다.
또, 도 2에 도시된 교류측 전류는, 도 3에 도시된 바와 것처럼, 전원 주파수(50Hz/60Hz)에 PWM 캐리어 주파수가 중첩된 전류 파형이 된다. 여기서, 리액터의 철손(鐵損)은 히스테리시스 손실과 와전류(渦電流) 손실로 나뉘지만, 각각, 주파수의 1.6승과 2승에 비례하기 때문에, 이와 같은 고주파 전류가 중첩된 전류가 흐르면 손실이 커진다. 이것에 대해서, 도 2에 도시된 직류측 전류에는 전원 주파수(50Hz/60Hz)가 인가되지 않고, 또, 직류측 전류는 PWM 컨버터 내의 주회로 콘덴서에 의해 평활화되어 있기 때문에, PWM 캐리어 주파수 성분의 고주파 전류가 큰폭으로 저감된다. 그러므로, 리액터의 철손을 큰폭으로 경감시킬 수 있다. 즉, 리액터에 사용하는 철손을 염가의 재료로 변경하여 리액터의 저비용화를 도모하거나, 또는 철손을 작게 하여 리액터의 소형화 및 저비용화를 도모할 수 있다.
이상과 같이, 본 실시 형태에 의하면, 일부의 PWM 컨버터의 출력측(직류측)에 단락 방지 리액터를 배치하여 단락 전류를 방지하도록 했으므로, 단락 방지 리액터의 수를 저감시킬 수 있음과 아울러, 단락 방지 리액터의 저비용화나 소형화를 실현할 수 있다. 이것에 수반하여, 장치를 소형화할 수 있다. 도 1에 도시된 것과 같은 2대의 PWM 컨버터를 병렬 접속한 구성의 전력 변환 장치의 경우, 한쪽의 PWM 컨버터의 P, N 출력측에 단락 방지 리액터를 배치하면 좋기 때문에, 종래는 3개 필요했던 단락 방지 리액터를 2개로 할 수 있다.
또한, 도 1에서는, PWM 컨버터(2)측의 P와 N에 단락 방지 리액터(10, 11)를 접속한 구성에 대해서 나타냈지만, 한쪽의 단락 방지 리액터를 PWM 컨버터(3) 측에 접속하도록 해도 상관없다. 즉, 단락 방지 리액터(10)를 PWM 컨버터(3)의 P측에 접속하도록 해도 좋다. 또, 단락 방지 리액터(11)를 PWM 컨버터(3)의 N측에 접속하도록 해도 좋다.
실시 형태 2.
도 4는 실시 형태 2의 전력 변환 장치의 구성예를 나타내는 도면이다. 본 실시 형태의 전력 변환 장치는, 실시 형태 1의 전력 변환 장치(도 1 참조)의 단락 방지 리액터(10 및 11)를 단락 방지 리액터(12 및 13)로 치환한 것이다. PWM 컨버터(2 및 3)는 서로의 전류가 균형을 맞추도록 제어된다. 그 외의 부분에 대해서는 실시 형태 1과 마찬가지이다. 본 실시 형태에서는, 실시 형태 1과 다른 부분에 대해서만 설명한다.
단락 방지 리액터(12 및 13)에 대해서, 도 5 ~ 도 7을 이용하여 설명한다. 본 실시 형태의 전력 변환 장치가 구비하고 있는 단락 방지 리액터(12 및 13)는 도 5에 도시된 구성으로 되어 있고, 양단의 a단자(전극) 및 b단자가 병렬 접속하는 PWM 컨버터의 P측 또는 N측에 접속된다. 또, 단락 방지 리액터의 중간점으로부터 인출된 단자 c가 부하(6)에 접속된다.
단락 방지 리액터(12 및 13)는, 도 6에 도시된 바와 같이 a단자로부터 b단자로, 혹은 그 반대로 전류가 흘렀을 경우, 그러한 전류에 대해서 인덕턴스를 가지지만, 도 7에 도시된 바와 같이 단자 a로부터 단자 c로 흐르는 전류와 단자 b로부터 단자 c로 흐르는 전류가 동일한 크기이면, 서로 자속을 서로 상쇄시키기 때문에, 그러한 전류에 대해서는 인덕턴스를 가지지 않는 특성을 가지고 있다.
상기와 같은 구성을 적용한 것에 의해, 본 실시 형태의 전력 변환 장치는, 실시 형태 1의 전력 변환 장치와 마찬가지의 효과가 얻어짐과 아울러, 이하에 제시된 효과가 얻어진다.
실시 형태 1의 전력 변환 장치(도 1 참조)를 적용한 경우에 있어서 부하의 전류가 급변(증가)했을 경우를 생각한다. PWM 컨버터(2)에는 단락 방지 리액터(10, 11)가 접속되어 있기 때문에, 부하의 전류가 갑자기 증가하더라도 PWM 컨버터(2)로부터 부하(6)로 흐르는 전류(도 8에 도시된 전류 Ia)는 서서히 밖에 증가하지 않는다. 이 때문에, 부족분을 단락 방지 리액터가 접속되어 있지 않은 PWM 컨버터(3)로부터 흐르는 전류 Ib로 커버할 필요가 있지만(도 9 참조), 통상, 병렬 운전하는 PWM 컨버터는 서로 전류가 균형을 맞추도록 제어된다. 이 때문에, 전류 Ib로 부족 전류를 커버하려고 하면, 전용의 전류 제어 처리가 필요하게 된다. 또, PWM 컨버터(3)의 정격(定格) 전류가 부족하지 않도록, 하기 중 어느 처치를 할 필요가 있다.
·부하 급변을 일으키지 않음.
·전력 변환 장치를 100％부하로 사용하지 않고, 마진을 가진 사용으로 함.
·PWM 컨버터(3)의 정격 전류를 PWM 컨버터(2)보다도 크게 설정함(→PWM 컨버터(2)과 공용화할 수 없음).
한편, 부하가 급변(감소)했을 경우도 마찬가지로, PWM 컨버터(2)로부터 부하(6)로 흐르는 전류 Ia는 서서히 밖에 감소하지 않는다(도 10 참조). 이 때문에, 잉여 에너지를 PWM 컨버터(3)가 소비할 필요가 있다.
이것에 대해서, 본 실시 형태의 전력 변환 장치에 있어서는, PWM 컨버터(2 및 3) 양쪽의 출력측에 단락 방지 리액터(12 및 13)가 접속되어 있다. 또, 각 PWM 컨버터로부터 부하(6)를 향해 흐르는 전류(Ia, Ib)가 균형을 맞추도록 제어된다. 상술한 바와 같이, 단락 방지 리액터(12, 13)는, 단자 a로부터 단자 c에 흐르는 전류와 단자 b로부터 단자 c에 흐르는 전류가 동일한 값인 경우, 부하(6) 측에 흐르는 전류에 대해서 인덕턴스를 가지지 않는다. 이 때문에, 부하가 급변했을 경우에 실시 형태 1의 전력 변환 장치에서 문제가 되는 상기 현상이 발생하는 일은 없다(도 11 참조). 따라서 부하 전류가 급변(증가)했을 경우의 부족 전류를 전류 Ib로 커버하기 위한 전용의 전류 제어 처리가 불필요해져, 본 실시 형태의 전력 변환 장치는 100％부하로 사용할 수 있음과 아울러, PWM 컨버터(2와 3)의 공용화가 도모된다.
또한, 실시 형태 1, 2에 있어서는, 설명의 간단화를 위해서, 2대의 PWM 컨버터를 병렬 접속하여 전력 변환 장치를 형성하는 경우의 예를 설명했지만, 병렬 접속하는 대수를 3 이상으로 하는 것도 가능하다. n대의 PWM 컨버터를 병렬 접속하는 경우, 실시 형태 1에서는, n－1대의 PWM 컨버터의 P, N 출력 각각에 단락 방지 리액터를 접속하면 좋다. 또, 실시 형태 2에서는, 도 5에 도시된 단락 방지 리액터의 양단의 2개의 단자(단자 a, 단자 b)의 한쪽을 PWM 컨버터의 P 출력(또는 N 출력)에 접속하고, 다른 한쪽을 다른 PWM 컨버터의 P 출력(또는 N 출력) 또는 다른 단락 방지 리액터의 중점(中点)(단자 c)에 접속하면 된다(도 13 참조). 도 13은 PWM 컨버터 3대를 병렬 접속하는 경우의 예를 도시하고 있지만, 4대 이상의 경우도 마찬가지이다. 삼상 교류 전력의 입력측에 단락 방지 리액터를 접속하는 경우(도 12 참조)와 비교하여, 직류 전력 출력측에 단락 방지 리액터를 접속하는 경우에는, 단락 방지 리액터의 필요수를 낮게 억제할 수 있다. 이에 더하여, 상술한 바와 같이 직류 전력 출력측은 리플 전류(맥류(脈流))가 흐르지 않는 경로이기 때문에, 단락 방지 리액터의 소형화나 저비용화가 가능해진다.
[산업상의 이용 가능성]
이상과 같이, 본 발명에 따른 전력 변환 장치는 복수의 PWM 컨버터를 병렬 접속하여 형성된 전력 변환 장치로서 유용하고, 특히, P－N 단락 전류를 저감시키기 위한 리액터의 필요수 삭감과 리액터의 소형화를 실현 가능한 전력 변환 장치에 적합하다.
1: 삼상 교류 전원
2, 3: PWM 컨버터
4, 5: 필터 리액터
6: 부하
7, 8, 9, 10, 11, 12, 13: 단락 방지 리액터

Claims (4)

  1. 공통(共通)의 삼상(三相) 교류 전원으로부터 공급된 전력을 콘덴서를 통해 평활화된 직류 전력으로 변환하여 공통의 부하에 공급하는, 병렬 접속된 복수의 PWM 컨버터와,
    상기 PWM 컨버터의 일부 또는 모든 출력측에 접속되어, 각 PWM 컨버터 내의 동상(同相)의 스위칭 소자끼리의 동작 타이밍에 편차가 생겼을 경우에, 적어도 하나의 PWM 컨버터 내의 상기 콘덴서의 양측과 음측의 단락으로 인하여, 상기 콘덴서를 경유하여 동작 타이밍이 일치하고 있지 않은 PWM 컨버터 사이에 흐르는 단락 전류를 저감시키는 복수의 단락 방지 리액터를 구비하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    병렬 접속하는 PWM 컨버터가 n대인 경우,
    n－1대의 PWM 컨버터의 P 출력 단자 및 N 출력 단자의 각각에 대해서 상기 단락 방지 리액터를 접속한 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    병렬 접속하는 PWM 컨버터가 n대인 경우,
    n－1대의 PWM 컨버터의 P 출력 단자에 대해서 상기 단락 방지 리액터를 접속하고, 또한 n－1대의 PWM 컨버터의 N 출력 단자에 대해서 상기 단락 방지 리액터를 접속한 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 단락 방지 리액터는, 양단에 각각 접속된 2개의 전극과, 중간점에 접속된 1개의 전극을 구비하고,
    각 단락 방지 리액터는, 양단의 2개의 전극 중 어느 한 쪽이 임의의 PWM 컨버터의 P 출력에 접속되고, 또한 다른 쪽이 다른 PWM 컨버터의 P 출력 또는 다른 단락 방지 리액터의 중간점에 접속되어 있거나, 또는 양단의 2개의 전극 중 어느 한쪽이 임의의 PWM 컨버터의 N 출력에 접속되고, 또한 다른 쪽이 다른 PWM 컨버터의 N 출력 또는 다른 단락 방지 리액터의 중간점에 접속되어 있고, 중간점의 전극은, 다른 단락 방지 리액터의 양단 중 어느 한쪽 또는 부하에 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
KR1020137033348A 2011-08-01 2011-08-01 전력 변환 장치 KR101522134B1 (ko)

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