KR101583868B1

KR101583868B1 - 멀티레벨 인버터

Info

Publication number: KR101583868B1
Application number: KR1020130085813A
Authority: KR
Inventors: 윤홍민
Original assignee: 엘에스산전 주식회사
Priority date: 2013-07-22
Filing date: 2013-07-22
Publication date: 2016-01-08
Also published as: JP6027060B2; EP2830207B1; EP2830207A3; EP2830207A2; KR20150011064A; CN104333254A; JP2015023799A; US20150022135A1; ES2773039T3

Abstract

멀티레벨 인버터가 개시된다. 하나의 상을 구성하는 복수의 단위전력 셀이 직렬로 연결되어, 삼상의 전압을 전동기로 출력하는 본 발명의 멀티레벨 인버터는, 복수의 단위전력 셀의 출력전압을 검출하는 복수의 전류센서를 포함한다.

Description

멀티레벨 인버터{MULTI-LEVEL INVERTER}

본 발명은 멀티레벨 인버터에 관한 것이다.

전력산업에서 유연송전시스템(Flexible AC Transmission System; FACTS)과 같은 효율적이고 유연한 전력계통의 운영 및 구성을 도모하기 위한 고압 전력기기의 개발요구에 따라 고압 대용량의 멀티레벨 인버터가 출현하였으며, 최근 멀티레벨 인버터는 고압 대용량 인버터 시스템을 위한 토폴로지로써 관심이 증대되고 있다.

이러한 멀티레벨 인버터는 크게 세가지의 종류가 있는데, 다이오드 클램프 인버터, 캐스케이드 H-브릿지(cascaded H-bridge) 인버터, 및 플라잉 커패시터 인버터가 그것이다.

이중 캐스케이드 H-브릿지 인버터는 저압 H-브릿지 인버터를 직렬로 연결하여 독립된 DC 링크를 가지는 단위셀로 구성되어 각 셀의 전압의 합과 총 출력전압의 크기가 같으며, 셀 수에 따라 출력 전압을 가변할 수 있다. 이러한 캐스케이스 H-브릿지 인버터의 최대 단점은 독립된 DC링크 전원을 공급하여야 한다는 것이다.

도 1은 종래의 캐스케이드 H-브릿지 인버터를 개략적으로 설졍하기 위한 구성도이다.

도면에 도시된 바와 같이, 종래의 캐스케이드 H-브릿지 인버터는, 마스터 제어기(130)와 복수의 셀(120) 내의 셀 제어기(도시되지 않음)에 의해 제어가 수행되며, 마스터 제어기(130)와 셀 제어기는 고속링크로 연결되어, 이를 이용하여 데이터를 송수신한다.

마스터 제어기(130)는 전동기 속도와 인버터의 출력전류를 수신하여 전동기 속도 및 전류제어를 수행하여, 3상의 전압기준을 각 상별로 동기를 맞추어 셀 제어기로 송신한다.

셀 제어기는 각 셀(120)의 DC 링크 전압과 마스터 제어기(130)로부터 수신되는 전압기준을 이용하여 펄스폭변조(Pulse Width Modulation)을 생성한다.

이러한 종래의 캐스케이드 H-브릿지 인버터에서, 마스터 제어기(130)는 전동기(200)의 안전한 가감속을 위해 각 상의 전류를 전동기(200)로부터 검출하게 되며, 이를 위해 이를 위해 전류센서(140)가 배치된다.

종래, 전동기(200)에 사용되는 전류센서(140)는 최종 절연전압의 크기가 전동기(200)의 전압과 같고, 전류센서(140)의 검출길이가 매우 길어지게 때문에 전압형 전류센서가 사용되지 않고 전류형 전류센서가 사용된다. 또한, 전류형 전류센서가 노이즈에 보다 강하기 때문이다.

즉, 사전 전압 및 전류조건에 의해 검출 전류센서의 선택에 제약을 받게 되며, 또한 각 상의 전류를 검출하는 소자가 하나만 배치되므로, 하드웨어적인 소손이 있는 경우 대응할 수 있는 방법이 없는 문제점이 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 직렬연결되어 있는 셀에 동일한 전류를 제공하고, 각 셀에서 전류를 검출하여 범용 전류검출소자를 이용하여 멀티레벨 인버터의 전류를 검출하는, 멀티레벨 인버터를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 전압 및 전류조건이나 노이즈에 대한 제약조건에 관계없이 전류검출소자를 적용할 수 있는 멀티레벨 인버터를 제공하는 것이다.

상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해, 하나의 상을 구성하는 복수의 단위전력 셀이 직렬로 연결되어, 삼상의 전압을 전동기로 출력하는 본 발명의 일실시예의 멀티레벨 인버터는, 상기 복수의 단위전력 셀의 출력전류를 검출하는 복수의 전류센서를 포함할 수 있다.

본 발명의 일실시예에서, 상기 복수의 단위전력 셀의 출력전류을 수신하여, 상기 단위전력 셀에 전압기준정보를 전송하는 마스터 제어부를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일실시예에서, 상기 단위전력 셀은, 입력되는 AC 전압을 DC 전압으로 정류하는 정류부; 상기 정류부의 출력전압을 평활하는 DC링크 커패시터; 상기 마스터 제어부로부터 수신한 전압기준정보에 따라, 펄스폭변조(PWM) 신호를 생성하는 셀제어부; 상기 셀제어부의 PWM 신호에 의해, DC링크 커패시터의 DC 전압을 전동기로 출력할 AC 전압으로 변환하는 인버터부; 및 상기 인버터부의 출력전류를 검출하는 상기 전류센서를 포함할 수 있다.

본 발명의 일실시예에서, 상기 인버터부는, 복수의 반도체 소자를 포함하고, 상기 전류센서는, 상기 복수의 반도체 소자로부터 출력되는 전류를 검출할 수 있다.

본 발명의 일실시예에서, 상기 전류센서는, 상기 인버터부의 출력전류를 검출하여 상기 마스터 제어부로 제공할 수 있다.

상기와 같은 본 발명은, 시스템을 구성하는 경우 하드웨어적인 결함이 발생하더라도 설정한 성능을 동일하게 출력하게 하여 시스템의 신뢰도를 향상할 수 있으며, 별도의 설정변경이 필요하지 않으므로 시스템의 유지보수비용을 줄일 수 있다.

또한, 셀별로 전류를 검출함으로써, 보다 안전하게 전류를 검출할 수 있으며, 보다 정확한 값을 검출하게 하는 효과가 있다.

도 1은 종래의 캐스케이드 H-브릿지 인버터를 개략적으로 설졍하기 위한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 멀티레벨 인버터의 구성도이다.
도 3은 도 2의 각 셀의 세부 구성도이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 멀티레벨 인버터의 구성도이다.

본 발명에서 설명하는 멀티레벨 인터버는, 예를 들어 캐스케이드 H-브릿지 인버터를 들어 설명하겠지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 다양한 방식의 인버터에 제공할 수 있다.

도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 멀티레벨 인버터(10)는, 전동기(20)를 제어하기 위한 것으로서, 마스터 제어부(11), 복수의 단위전력셀(이하 '셀'이라 함)(12) 및 위상천이 변환부(phase shift transformer)(13)를 포함한다.

위상천이 변압기(13)는 각 셀(12)에 독립된 전원을 공급한다. 이의 구성에 대해서는 본 발명과 직접적으로 관련이 없으므로, 상세한 설명은 생략하기로 한다.

복수의 셀(12)는 U상을 구성하는 셀(U1, U2, ..., Un), V상을 구성하는 셀(V1, V2, ..., Vn) 및 W상을 구성하는 셀(W1, W2, ..., Wn)을 포함하며, 각 상전압을 제공하기 위하여 구성되는 셀이 직렬로 연결되어 있으며, 이들의 출력의 합이 전동기(20)의 구동을 위한 멀티레벨의 출력전압이 될 수 있다. 하나의 상을 구성하는 셀의 개수는, 출력전압에 따라 결정될 수 있다.

도 3은 도 2의 각 셀의 세부 구성도이다. 복수의 셀의 구성은 동일한 것이므로, 하나의 셀만을 도시하기로 한다.

도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 단위전력 셀(12)은, 정류부(31), DC링크 커패시터(32), 인버터부(33), 전류센서(34) 및 셀 제어부(35)를 포함한다.

정류부(31)는 위상천이 변압기(13)로부터 입력되는 AC 전압을 DC 전압으로 정류하고, DC링크 커패시터(32)는 정류부(31)로부터 입력되는 DC 전압을 평활한다. 정류부(31)는 복수의 다이오드로 구성될 수 있다.

인버터부(33)는 셀제어부(35)의 PWM 제어에 의해, 전동기(20)로 출력할 AC전압을 생성하여 출력하며, 복수의 반도체 소자(예를 들어, 절연 게이트 양극성 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor; IGBT)로 구성될 수 있다.

전류센서(34)는 인버터부(33)의 복수의 반도체 소자로부터 출력되는 전류를 검출하여 마스터 제어부(11)에 제공할 수 있다.

도 2의 마스터 제어부(11)는 복수의 셀(12)과 독립적으로 구성되는 것처럼 도시되어 있으나, 이는 간단을 위한 것으로서, 마스터 제어부(11)와 복수의 셀(12)의 셀제어부(35)는 절연 및 노이즈 저감을 위해 광통신을 통해 연결될 수 있다.

마스터 제어부(11)는 복수의 셀로부터 출력전압을 수신하여 다시 셀(12)에 전압기준정보를 전송한다. 각각의 셀(12)은 DC링크 전압에 해당하는 출력전압을 부하인 전동기(20)에 인가하는데, 전압기준정보에 따라 펄스폭변조(PWM) 신호를 생성하여, 이에 의해 전동기(20)에 인가되는 주파수를 가변하여 기동토크를 얻는 동시에 전동기 속도를 제어할 수 있다.

본 발명의 멀티레벨 인버터(10)는, 복수의 셀(12)에 각각 전류센서(34)를 배치하여, 복수의 셀(12)의 인버터부(33)의 출력전류를 검출한다.

이와 같은 구성에 의해, 각 셀에서는 전체 멀티레벨 인버터(10)에 비해 노이즈 레벨이 낮으므로 전압형 전류센서를 사용할 수 있으며, 전류 검출을 셀(12)에서 수행하므로 검출길이가 짧고 전원공급이 원할하다. 또한 각 셀(12)별로 과전류 보호가 가능하기 때문에 보다 신뢰성 있는 시스템을 구축할 수 있다.

또한, 각 상에서 셀(12)에 흐르는 전류는 동일하므로, 하나의 셀이 동작하지 않는 경우에도 연속적으로 전류검출이 가능하며, 셀(12)의 전류정보를 마스터 제어부(11)로 전송하므로, 마스터 제어부(11)는 셀제어부(35)로 보다 정확한 제어정보를 전송할 수 있다.

또한, 인버터 단위의 전류센서에 비하면, 범용 전압형 전류센서를 사용할 수 있으므로, 종래 전류형 대용량 전류센서에 비해 비용을 절감할 수 있으며, 전류센서에 대한 절연내압이 셀 전압으로 국한되므로, 추가적인 절연보강이 요구되지 않는다.

이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.

10: 멀티레벨 인버터 20: 전동기
11: 마스터 제어부 34: 전류센서
35: 셀제어부

Claims

복수의 단위전력 셀이 직렬로 연결되어, 전동기로 인가되는 삼상 중 하나의 상을 구성하는 멀티레벨 인버터에 있어서,
상기 단위전력 셀로부터 출력전류를 수신하여, 단위전력 셀에 전압기준정보를 전송하는 마스터 제어부를 포함하고,
각각의 상기 단위전력 셀은,
입력되는 AC 전압을 DC 전압으로 정류하는 정류부;
상기 정류부의 출력전압을 평활하는 DC링크 커패시터;
PWM 신호에 의해, DC링크 커패시터의 DC 전압을 전동기로 출력할 AC 전압으로 변환하되, 2개의 절연 게이트 양극성 트랜지스터가 직렬로 연결된 제 1 변환부 및 상기 제1 변환부와 병렬로 연결된 2개의 절연 게이트 양극성 트랜지스터가 직렬로 연결된 제 2 변환부로 구성되는 인버터부;
상기 제 1 변환부의 출력전류를 검출하여 상기 마스터 제어부로 출력하는 제 1 전류센서;
상기 제 2 변환부의 출력전류를 검출하여 상기 마스터 제어부로 출력하는 제 2 전류센서; 및
상기 마스터 제어부로부터 수신한 전압기준정보에 따라, 펄스폭변조(PWM) 신호를 생성하는 셀제어부를 포함하는 멀티레벨 인버터.
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