KR101608265B1 - 버스 바를 구현하는 방법 및 버스 바를 이용한 인버터 - Google Patents

Abstract

버스 바를 구현하는 방법 및 버스 바를 이용한 인버터가 개시되어 있다. 버스 바를 기반으로 구현된 인버터는 제1 버스 바 및 제2 버스 바를 포함하고, 제1 버스 바가 인버터의 제1 상 및 제2 상을 연결하고, 제2 버스 바가 인버터의 제2 상 및 제3 상을 연결하고, 제1 버스 바는 제1 서브 버스 바 및 제2 서브 버스 바를 포함하고, 제2 버스 바는 제3 서브 버스 바 및 제4 서브 버스 바를 포함하고, 제1 서브 버스 바와 제2 서브 버스 바가 교차되는 형태로 복수의 계층을 형성하도록 구현되고, 제3 서브 버스 바와 제4 서브 버스 바가 교차되는 형태로 복수의 계층을 형성하도록 구현될 수 있다.

Description

버스 바를 구현하는 방법 및 버스 바를 이용한 인버터{Method for configuring bus bar and inverter configuring based on bus bar}

본 발명은 버스바에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 인버터를 구현하는 버스바에 관한 것이다.

제한된 화석 연료와 매장량과 화석 연료의 무분별한 사용에 따른 온실 가스 제한 규정은 지구 온난화 문제를 야기할 뿐만 아니라 보다 구체적으로 추가적인 경제적 제한 조치들을 발생시킨다. 대표적인 예로 전 세계적인 이산화탄소 규제 조치들로 말미암아 기존의 도덕적인 의무로만 여겨왔던 신재생 에너지의 사용이 보다 실제적이고 경제적인 이득이 되는 역할로 변화하고 있으며 이에 따라 무한 에너지원으로서의 신재생 에너지원의 수요가 급격히 증가되고 있다.

여러 신재생 에너지원 중에서 연료 전지는 다른 신재생 에너지원에 비해 에너지의 저장성, 이동성, 고효율성 및 상시 발전이 가능한 장점 때문에 수송용, 휴대용 및 분산 발전용 등 다양한 분야에서 중요한 역할을 담당하고 있다. 이러한 연료 전지는 전기 화학 반응으로 인한 발전 특성 때문에 고유의 비선형 직류 전압이 출력되게 된다.

또한, 화석에너지의 고갈에 대비한 친환경적인 대체 에너지원으로서 풍력 발전도 주목을 받고 있다. 독일, 덴마크를 중심으로 하는 서유럽 여러 나라에서는 1970년대부터 풍력 발전에 대한 많은 연구를 진행해 왔으며 그 결과 최근에는 수 MW급 풍력발전 시스템을 상용화하기에 이르렀다. 국내에서도 다수의 연구기관을 중심으로 풍력 발전 시스템의 실용화와 관련된 연구개발이 활발히 진행되고 있으며 정부차원에서도 제주도 등 다수의 지역에 중대형 풍력발전 시스템을 설치 운영함으로써 국내 풍력 발전의 가능성을 검토하고 있다.

이상과 같은 신재생 에너지원의 경우 사용자가 원하는 다양한 형태의 전력으로 변환 및 제어하기 위한 인버터 등을 포함한 PCS(power conditioning system)의 사용은 필수적이며, 또한 사용되는 PCS의 효율과 신뢰성이 전체 발전 시스템의 효율과 신뢰성에 큰 영향을 미치므로 PCS는 반드시 고효율, 고성능, 고신뢰성을 가지도록 설계되고 운용되어야 한다.

한편, 국내에서 생산되는 대부분의 전력은 복잡하게 연결된 전력 계통 상의 전선을 따라 각 지역 및 가정으로 공급된다. 이러한 과정에서 생기는 손실을 최소화하기 위해 전송 전압의 초고압화가 추진되고 있다. 공급된 전력은 배전반을 거쳐 여러 전력 수요부로 배분되는데, 이러한 배전반에는 차단기 등의 전기/전자 부품을 서로 연결시켜 주며 전력의 분기점을 만들어주는 버스 바 또는 부스 바(bus bar)가 필수적이라 할 수 있다. 국내의 부스 바 수요는 월 1000 톤 이상이며 대부분 구리 또는 구리 합금을 사용하고 있으나 그 자체 무게가 무거워 취급하기에 매우 불편하고 가격 또한 고가이다. 그래서 최근 이러한 문제를 해결하고자 경량 금속을 복합화하여 가격을 낮추고 경량화하려는 연구가 많이 이루어지고 있다. 특히 버스 바의 저가, 경량화 및 복합화에 있어서 금속/금속 간의 재료로써 알루미늄 구리 복합 부스 바 개발에 대해 연구되고 있다.

본 발명의 제1 목적은 인버터의 각 상을 연결하는 버스 바를 구현하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 제2 목적은 버스 바를 기반으로 구현된 인버터를 제공하는 것이다.

상술한 본 발명의 제1 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 인버터의 각 상을 연결하는 버스 바(bus bar)에 있어서, 상기 버스 바는 제1 서브 버스 바와 제2 서브 버스바를 포함하고, 상기 제1 서브 버스 바와 상기 제2 서브 버스 바가 교차되는 형태로 구현되어 복수의 계층을 형성하도록 구현될 수 있다. 상기 제1 서브 버스 바는 각 상의 (+)극을 연결하는 버스 바이고 상기 제2 서브 버스 바는 각 상의 (-)극을 연결하는 버스 바이고, 상기 제1 서브 버스 바에서 제1 상의 (+)극과 제2 상의 (+)극을 연결함에 있어 상기 제2 서브 버스 바가 상기 제1 서브 버스 바의 상단 또는 하단에서 한번 이상 교차하여 지나가도록 구현될 수 있고, 상기 제2 서브 버스 바에서 제2 상의 (-)극과 제1 상의 (-)극을 연결함에 있어 상기 제1 서브 버스 바가 상기 제2 서브 버스 바의 상단 또는 하단에서 한번 이상 교차하여 지나가도록 구현될 수 있다.

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상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 버스바를 이용한 전력 시스템 구현 방법 및 장치를 사용하는 경우 공간적 제약에 의해 DC 뱅크의 연결이 어려울 경우의 대안으로 기생 성분을 최소화하여 구현할 수 있다.

따라서, 본 발명에 따르면 인버터의 기생 성분을 최소화함으로써, 제품의 신뢰성을 향상시키고 수명 연장을 기대할 수 있다.

도 1은 풍력 발전 시스템을 개략적으로 나타낸 개념도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연결 버스 바로 연결된 각 상을 나타낸 개념도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 버스 바를 나타낸 개념도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 Vce_peak를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 버스 바가 적용된 3상 인버터 회로를 나타낸 개념도이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다거나 "직접 접속되어"있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 이하, 도면상의 동일한 구성 요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성 요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.

본 발명의 실시예에서는 버스바를 통한 효과적인 전력 전달 방법에 대해 개시하며, 특히 이러한 버스 바를 사용하여 인버터의 각 상을 연결하는 방법에 대해 개시한다.

도 1은 풍력 발전 시스템을 개략적으로 나타낸 개념도이다.

도 1을 참조하면, 풍력 발전 시스템은 바람으로 인해 터빈 블레이드(100)가 흡수하는 에너지를 기반으로 에너지를 생성할 수 있다.

바람 에너지로부터 터빈 블레이드(100)가 흡수하는 에너지는 아래의 수학식 1과 같이 정의될 수 있다.

<수학식 1>

여기서 R은 블레이드 반경 [m],

는 풍속[m/s],

는 공기의 밀도로 약 1.25 [

]이다. 수학식 1에서 전력 계수

는

의 바람이 가지고 있는 에너지 중 블레이드가 받아들이는 에너지의 비율을 의미할 수 있다. 여기서

는 풍속에 대한 블레이드(100)의 회전 속도와의 비(주속비: tip speed ratio)로 아래의 수학식 2와 같이 정의된다.

<수학식 2>

풍력 발전을 수행시 터빈 블레이드(100)가 회전을 개시하여 주속비가 점점 커지면 발전 효율이 증가하다가 어느 속도 이상으로 회전하게 되면 발전 효율이 오히려 떨어짐을 알 수 있다. 이러한 출력 계수는 블레이드 설계시 결정될 수 있다.

컨버터(120)는 풍속이 변화할 경우에도 터빈 블레이드(100)로부터 최대 출력의 인출을 위해 PSMG(Permanent Magnet Synchronous Generator)의 전류 제어를 통해 터빈 블레이드(100)의 회전수를 제어하는 기능을 하며 MPPT(maximum power point tracking)이 수행되는 부분이다. MPPT는 다양한 형태로 구현이 가능하다.

인버터(140)는 발전기측 컨버터(120)에 의해 충전되는 DC 커패시터의 전압을 입력으로 하며, 계통 주파수와 같은 교류 전압의 크기 및 위상을 조절하여 계통에 유효 및 무효 전력을 공급하는 기능을 수행할 수 있다. 즉, 인버터(140)는 DC 전원을 AC 전원으로 변환하는 전원 변환 장치일 수 있으며, 일반적으로 인버터(140)는 AC 전원의 전압 및 주파수를 제어하기 위한 전력 변환 장치로서 동작할 수 있다.

제한된 공간에 대용량의 PCS(power control system)를 설치해야 하는 풍력의 경우 인버터 내부의 구조 설계에 많은 제약이 있다. 이러한 공간적 제약으로 인해 DC 뱅크(Bank)와 IGBT(insulated gate bipolar transistor) 간 이격 거리가 커질 수 있으며, 이러한 경우 기생 성분을 최소화하며 DC 뱅크와 IGBT를 연결할 수 있는 방법이 필요하다.

특히, 풍력 PCS의 경우, 시스템 사가 선정한 하중 및 사이즈로 설계해야 하고 전면 보수를 원칙으로 하는 관계로, 대용량 인버터에서는 IGBT가 병렬로 연결되면서 DC 뱅크의 크기가 커지게 되어 제작, 조립, 유지/보수 측면의 어려움이 생기므로, 인버터에서 각 상을 별도로 제작하고 각 상을 연결하는 연결 버스바(Bus bar)를 이용할 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예에서는 각 상을 연결하는 버스바의 기생 인덕턴스를 최소화하기 위한 구조에 대해 개시한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연결 버스 바로 연결된 각 상을 나타낸 개념도이다.

즉, 도 2에서는 대용량 인버터에서 IGBT가 병렬로 연결되면서 DC 뱅크의 크기가 커지게 되어 인버터에서 각 상을 별도로 제작하고 각 상을 연결하는 연결 버스 바(Bus bar)를 나타낸다. 버스 바는 부스 바라는 용어로도 표현될 수 있다.

IGBT는 인버터 회로에서는 고속 스위칭 동작을 수행하는 소자이다. 턴오프 시간이 1us로 초당 15,000번 이상 스위칭이 가능할 수 있다. IGBT는 평활된 DC 전압을 펄스로 스위칭해서 AC 전압으로 만드는 인버터부에 사용될 수 있다.

또한 IGBT는 입력부(Gate)의 임피던스가 FET(field effect transistor)와 마찬가지로 무한대에 가깝고 출력 C-E 간은 트랜지스터의 특성을 갖는 전력용 반도체 소자이다.

버스 바는 전기 전자 부품을 서로 연결을 시켜주며 전력의 분기점을 만들어주기 위해 사용될 수 있다. 전력이 공급되는 과정에서 생기는 손실을 최소화하기 위해 전송 전압의 초고압화가 추진되고 있다. 공급된 전력은 배전반을 거쳐 여러 전력 수요부로 배분되는데, 이러한 배전반에는 차단기 등의 전기/전자 부품을 서로 연결시켜주며 분기해주는 버스 바가 사용될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면 공간적 제약으로 인해 DC 뱅크를 연결하기 어려울 경우의 대안으로 기생 성분을 최소화할 수 있는 구조를 구현할 수 있다. DC 뱅크의 위치 제약을 해소한 스택(stack) 구조를 구현하고 구조적 제약으로 발생할 수 있는 기생 인덕턴스의 최소화하여 Vce_peak를 최소화하고 오실레이션(oscillation)을 최소화하기 위한 버스 바의 구현 방법에 대해 개시한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 버스 바를 나타낸 개념도이다.

도 3을 참조하면, 버스 바는 교차를 수행하여 복합 계층(multi layer)구조가 되도록 구현됨으로써 기생 인덕턴스 성분을 감소시킬 수 있다. 버스 바의 기생 성분은 상호 극성을 교차하도록 배치하고 평판을 기반으로 루프로 구현함으로써 줄어들 수 있다.

제안된 버스 바를 참조하면, 제1 서브 버스 바(Bar1)와 제2 서브 버스 바(Bar2)가 교차되는 형태로 구현되어 복수의 계층을 형성할 수 있다. 제1 서브 버스 바(Bar1)가 각 상의 (+)극을 연결하는 버스 바이고 제2 서브 버스 바(Bar2)가 각 상의 (-)극을 연결하는 버스 바라고 가정할 수 있다. 이러한 경우, 상호 교차하는 버스 바를 구현하기 위해 제1 서브 버스 바(Bar1)에서 제1 상의 (+)극과 제2 상의 (+)극을 연결함에 있어 중간에 (-)극을 연결하는 제2 서브 버스 바(Bar2)가 제1 서브 버스 바(Bar1)의 상단 또는 하단에서 한번 이상 교차하여 지나가도록 구현할 수 있다. 마찬가지로 제2 서브 버스 바(Bar2)에서 제2 상의 (-)극과 제2 상의 (-)극을 연결함에 있어 중간에 (+)극을 연결하는 제1 서브 버스 바(Bar1)가 제2 서브 버스 바(Bar2)의 상단 또는 하단에서 한번 이상 교차하여 지나가도록 구현할 수 있다. 즉, 제1 서브 버스 바(Bar1)와 제2 서브 버스 바(Bar2)가 상호 교차하여 복수의 계층을 형성하는 형태로 구현할 수 있다.

제1 서브 버스 바와 제2 서브 버스 바가 교차되는 경우, 버스 바에서 발생되는 인덕턴스 성분이 감소할 수 있다. 아래의 표는 1은 기존의 버스 바와 인덕턴스를 비교한 것을 나타낸다.

<표 1>

표 1을 참조하면, 기존의 평형 버스 바에서 60nH였던 인덕턴스 값이 1차 개선된 버스 바에서는 40.8nH로 감소하였고 본 발명의 실시예에 따른 버스 바에서는 26.5nH로 감소하였음을 확인할 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 버스 바를 사용하는 경우, 1차 개선 버스 바와 비교하여 35%의 인덕턴스 값의 감소를 가지고 올 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면 전력 변환 장치 내의 각 DC 선로의 (+)와 (-) 라인을 상호 교차하는 방식으로 버스 바를 복합 계층으로 구현할 수 있다. 교차 횟수는 시스템의 특성에 따라 증감할 수 있다. 교차부에서는 (+)와 (-)를 서로 겹치게 구성하며, 그 사이에 절연 구조물을 삽입하거나 외부에 별도의 절연 물질을 가공하여 절연 성능을 확보할 수 있다. 이러한 방법을 사용함으로써 전력 변환 장치 내 DC 선로 노이즈를 저감할 수 있다.

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도 4는 본 발명의 실시예에 따른 Vce_peak를 나타낸 그래프이다.

도 4에서는 본 발명의 실시예에 따른 버스바의 구현으로 변화된 Vce_peak를 나타낸다.

도 4를 참조하면, 기존의 버스 바를 사용할 경우, Vce_peak의 전압은 1400~1500V의 값을 가질 수 있다. 반면, 본 발명의 실시예에 따른 버스 바를 사용하는 경우, Vce_peak의 전압은 1200~1300V로 기존의 Vce_peak의 전압보다 감소한 전압값을 가질 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 버스 바를 사용함으로써 Vce_peak 전압의 크기가 감소하여 3~5 도의 추가적인 온도 마진이 확보될 수 있다. 또한 스파이크(spike) 전압의 감소로 제품의 수명 및 신뢰성이 향상될 수 있다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 버스 바가 적용된 3상 인버터 회로를 나타낸 개념도이다.

도 5를 참조하면, 인버터는 교류 전동기에 공급되는 전압과 주파수를 변환시키는 전력 변환 장치로써 사용 전원으로부터 공급된 전압과 주파수를 부하 조건에 맞도록 가변시켜 전동기(유도 전동기)에 공급함으로써 전동기가 요구하는 속도로 운전할 수 있도록 제어하는 속도 제어 장치이다.

상용 전원이 인버터에 인가되면 먼저 컨버터부에서 교류 전원을 직류 전원으로 1차 변화시키고 다시 인버터부에서 교류 전원으로 변환시키면서 원하는 전압 및 주파수를 출력하도록 되어 있다.

컨버터가 교류 전압을 직류 전압으로 변환시킴에 있어 직류 전압의 맥동(ripple)을 없애기 위해 전해 컨덴서가 사용될 수 있다. 이렇게 변환된 직류가 인버터부에 의해 구형파 교류로 변환될 수 있다. 변환된 구형파의 형상에 따라 PAM(pulse amplitude modulation) 방식과 PWM(pulse width modulation) 방식으로 구분될 수 있으며, PAM 방식으로 할 것인가 PWM 방식으로 할 것인가는 인버터의 스위칭 소자의 게이트 또는 베이스를 제어하는 방식에 따라 결정될 수 있다. 주파수 전압 설정부에서 주파수와 전압비(V/f)가 일정하도록 제어할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면 인버터부의 각상(U, W, V)를 연결시 전술한 바와 같은 버스 바를 사용할 수 있다.

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이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (5)

1. 인버터의 각 상을 연결하는 버스 바(bus bar)에 있어서,
   상기 버스 바는 제1 서브 버스 바와 제2 서브 버스바를 포함하고,
   상기 제1 서브 버스 바와 상기 제2 서브 버스 바가 교차되는 형태로 구현되고,
   상기 교차는 기생 인덕턴스를 최소화하여 피크전압을 최소화하고 오실레이션을 최소화할 수 있도록 제1 서브 버스 바와 상기 제2 서브 버스바의 기생 성분이 상호 극성으로 교차하도록 배치하고 평판을 기반으로 루프로 구현되도록 인버터의 각 상을 연결하는 버스 바.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 서브 버스 바는 각 상의 (+)극을 연결하는 버스 바이고
   상기 제2 서브 버스 바는 각 상의 (-)극을 연결하는 버스 바인 인버터의 각 상을 연결하는 버스 바.
3. 제2항에 있어서,
   상기 제1 서브 버스 바에서 제1 상의 (+)극과 제2 상의 (+)극을 연결함에 있어 상기 제2 서브 버스 바가 상기 제1 서브 버스 바의 상단 또는 하단에서 한번 이상 교차하여 지나가도록 구현되고,
   상기 제2 서브 버스 바에서 제2 상의 (-)극과 제1 상의 (-)극을 연결함에 있어 상기 제1 서브 버스 바가 상기 제2 서브 버스 바의 상단 또는 하단에서 한번 이상 교차하여 지나가도록 구현되는 인버터의 각 상을 연결하는 버스 바.
4. 제1항에 있어서,
   상기 제1 서브 버스 바와 상기 제2 서브 버스 바의 교차되는 영역에는 절연 구조물이 삽입되는 것인 인버터의 각 상을 연결하는 버스 바.
5. 제1항에 있어서,
   상기 제1 서브 버스 바와 상기 제2 서브 버스 바가 교차 되는 영역은, 절연 물질로 가공되는 것인 인버터의 각 상을 연결하는 버스 바.

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