KR101625919B1 - 전력변환장치의 시험장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전력변환장치의 정격전압시험 및 정격전류시험이 가능한 전력변환장치의 시험장치에 관한 것이다. 이러한 전력변환장치의 시험장치는 직류전원단과 연결되어 직류를 교류로 변환하여 출력하는 인버터부, 저항 및 인덕터를 포함하며, 인버터부의 출력단에 연결된 부하부, 부하부에 연결되며 부하부에 전압을 인가하는 조정컨버터부, 조정컨버터부, 및 인버터부 중 적어도 하나를 제어하여 부하부의 부하전압과 조정컨버터부의 인가 전압의 합전압을 조절하는 제어부를 포함한다.

Description

전력변환장치의 시험장치 {Test equipment of converter}

본 발명은 전력변환장치의 시험장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 하나의 장치를 전력변환장치에 연결하여 전력변환장치의 정격전압시험 및 정격전류시험이 가능한 전력변환장치의 시험장치에 관한 것이다.

풍력발전기 및 선박 등 다양한 시스템에서 사용되는 전자/기계 기기에는 입력전원을 이용하여 부하 측에서 필요로 하는 출력 전원으로 변환시키기 위해 전력변환장치가 사용된다.

전력변환장치는 서로 다른 전기적 특성을 가지는 복수 개의 전자부품모듈로 구성되며, 제조 후, 구성된 각각의 전자부품모듈의 정상적인 동작 여부를 확인하기 위해 여러 번의 신뢰성 시험을 거치게 된다.

신뢰성 시험에는 대표적으로 정격 혹은 그 이상의 전류를 일정 시간 흐르도록 하는 전류시험과 정격 혹은 그 이상의 전압을 일정 시간 인가하는 전압시험이 있다.

전류시험은 전력변환장치에 연결되는 부하의 임피던스(Impedance) 및 전력변환장치의 전류를 조정해 가면서 용이하게 이루어질 수 있다. 그러나, 부하의 임피던스가 결정되면, 부하의 정격전압용량의 한계로 인해 전력변환장치의 전압의 크기를 정격전압까지 가변할 수 없어 전력변환장치의 전압시험은 용이하게 이뤄지지 못하는 문제가 있다.

따라서, 전력변환장치의 전압시험을 수행하기 위한 장치 및 방법들에 대해 많은 연구 및 개발이 활발하게 진행되고 있다. 그러나 진행된 연구 및 개발 대부분의 전력변환장치의 시험장치 및 방법들은 구성요소가 복잡할 뿐만 아니라 신뢰성 높은 결과를 얻을 수 없는 문제가 있다.

대한민국 등록특허 10-1994-0033984 (1998.12.15)

이에, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 이러한 문제를 해결하기 위한 것으로서, 부하에 연결된 전력변환장치에서 기준전압부터 정격전압까지 다양한 전압을 출력할 수 있는 전력변환장치의 시험장치를 제공하려는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되는 것은 아니며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 직류전원단과 연결되어, 직류를 교류로 변환하여 출력하는 인버터부, 저항 및 인덕터를 포함하며, 상기 인버터부의 출력단에 연결된 부하부, 상기 부하부에 연결되며, 상기 부하부에 전압을 인가하는 조정컨버터부 및 상기 조정컨버터부, 및 상기 인버터부 중 적어도 하나를 제어하여, 상기 부하부의 부하전압과 상기 조정컨버터부의 인가전압의 합전압을 조절하는 제어부를 포함한다.

상기 인버터부와 상기 조정컨버터부는 동일하게 구성되며, 상기 조정컨버터부는 상기 인버터부와 역방향으로 전류가 흐를 수 있다.

상기 조정컨버터부는 서로 병렬로 연결된 복수 개의 레그(leg)부를 포함하며, 상기 레그부는 스위치 소자에 다이오드가 역병렬로 연결되어 구성된 복수 개의 스위치를 포함할 수 있다.

상기 레그부는 제1 스위치부, 제2 스위치부, 제3 스위치부 및 제4 스위치부가 직렬로 연결되고, 상기 부하부가 상기 제2 스위치부와 상기 제3 스위치부 사이에 연결되고, 상기 제1 스위치부와 상기 제2 스위치부 사이의 노드점과 상기 제3 스위치부와 상기 제4 스위치부 사이의 노드점에 한 쌍의 다이오드가 역병렬로 연결될 수 있다.

상기 제어부는, 상기 인버터부가 기준전압에서 정격전압까지 출력하도록 제어하고, 상기 조정컨버터부가 상기 정격전압보다 낮은 전압을 출력하도록 제어할 수 있다.

상기 조정컨버터부는 상기 직류전원단에 연결되어 상기 인버터부와 상기 직류전원을 공유할 수 있다.

본 발명에 따른 전력변환장치의 시험장치는 가변적으로 전압을 합성할 수 있는 기기만을 추가하여, 전력변환장치의 정격전류시험과 정격전압시험을 모두 할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력변환장치의 시험장치에 대한 회로도이다.
도 2는 도 1의 전력변환장치의 시험장치의 부하부에 전압이 인가되는 것을 도시한 도면이다.
도 3은 조정컨버터부에서 출력된 인가전압을 도시한 도면이다.
도 4는 부하부의 부하전압과 조정컨버터부의 인가전압의 합 전압에 대응되는 전압을 출력하는 인버터부를 도시한 도면이다.
도 5는 전력변환장치의 시험장치의 정격전압 시험에 대한 전압파형을 도시한 도면이다.

본 발명의 이점과 특징 그리고 그것들을 달성하는 방법들은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 수 있다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 단지 청구항에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조부호는 동일 구성요소를 지칭한다.

이하, 도 1을 참조하여, 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력변환장치의 시험장치를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력변환장치의 시험장치에 대한 회로도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 전력변환장치의 시험장치(1)는 정격전압시험 및 정격전류시험을 모두 할 수 있는 전력변환장치의 시험장치이다. 이러한 전력변환장치의 시험장치(1)는 직류전원단(10)으로부터 직류을 인가받아 교류로 출력하는 인버터부(20), 인버터부(20)의 출력단에 연결되는 부하부(30), 부하부(30)에 연결되어 부하부(30)에 전압을 인가하는 조정컨버터부(40), 인버터부(30)와 조정컨버터부(30)에 각각 연결되어, 부하부(30)의 부하전압 및 조정컨버터부(40)의 인가전압을 제어하는 제어부(50)를 포함한다.

이하, 전력변환장치의 시험장치(1)의 각 구성요소 및 각 구성요소를 통해 출력되는 전압 및 전류에 의해 이루어지는 전력변환장치의 시험장치(1)의 전류시험 및 전압시험에 관하여 좀 더 상세히 설명한다.

직류전원단(10)은 직류전압 및 직류전류 즉, 직류전력을 공급한다. 이러한 직류전원단(10)은 직류전원(11) 및 직류전원(11)에 병렬로 연결되는 커패시터부(12)를 포함한다. 여기서, 커패시터부(12)는 직류전원(11)으로부터 공급되는 전기 에너지 즉, 전위를 저장하여 직류전원단(10)으로부터 발생되는 전압 변동을 억제하는 완충 역할을 한다. 이를 통해, 인버터부(20) 및 조정컨버터부(40)는 커패시터부(12)로부터 일정한 크기의 전압을 인가받을 수 있게 된다.

인버터부(20)는 커패시터부(12)로부터 인가된 전압을 이용하여 교류전류를 출력한다. 이때, 출력되는 교류는 부하부(10)의 양단에 일정 크기의 전압이 인가될 수 있도록 한다. 이러한 인버터부(20)는 복수 개의 스위치부가 직렬로 연결된 복수 개의 레그부(21 내지 23)를 포함한다. 여기서, 각각의 레그부(21 내지 23) 즉, 제1 레그부(21), 제2 레그부(22) 및 제3 레그부(23)는 제1 스위치부(T1), 제2 스위치부(T2), 제3 스위치부(T3) 및 제4 스위치(T4) 그리고 한 쌍의 다이오드(D1 및 D2)를 포함한다. 제1 다이오드(D1) 및 제2 다이오드(D2)는 직렬로 연결되어, 제1 스위치부(T1)와 제2 스위치부(T2)가 연결되어 형성되는 노드점 및 제3 스위치부(T3)와 제4 스위치부(T4)가 연결되어 형성되는 노드점 사이에 역병렬로 연결된다.

여기서, 스위치 소자(T1 내지 T4)는 IGBT, IGBT, IEGT, MOSFET, ICGT, GCT, SGCT 및 GTO와 같은 반도체 스위치, 반도체 스위치에 역병렬로 연결되는 다이오드를 포함할 수 있다.

다만, 본 명세서에서는 구동이 간편하고, 고전압 및 대전류에서 효율이 높은 IGBT를 반도체 스위치의 일 례로 하여 설명한다. IGBT는 게이트, 이미터 및 컬렉터 단자를 가지고 있으며, 게이트 단자에는 제어부(50)가 설치될 수 있다. 설치된 제어부(50)는 IGBT에서 기준신호 및 반송신호가 출력되도록 할 수 있다. 이때, IGBT는 일정한 주기의 반송신호와 출력 전압의 기준신호의 대소를 비교에 의해 작동(on) 또는 비작동(off) 상태로 전환되면서, 평균적으로 기준신호와 같은 값을 가지는 구형파 전압을 출력할 수 있다.

이를 통해, 제1 레그부(21) 내지 제3 레그부(23)의 각각의 스위치 소자는 작동(on) 또는 비작동(off) 상태로 전환하면서, 출력된 전압에 대응되는 전류가 출력되도록 한다. 이러한 전류는 부하부(30)에 일정한 크기의 전압(V_{L _ con1 ,} 도 5 참조)을 형성시킨다.

부하부(30)는 임피던스(Z_L)가 고정될 수 있는 저항(11) 및 인덕터(12)로 이루어져 인버터부(20)로부터 공급된 전류에 의해 부하전압이 형성될 수 있으며, 부하부(30)의 타단에는 조정컨버터부(40)가 연결될 수 있다.

조정컨버터부(40)는 부하부(10)에 형성된 부하전압과 합산 가능한 인가전압(V_{L_offset,} 도 5참조)을 부하부(10)에 인가할 수 있다. 그리고 이러한 조정컨버터부(40)는 인버터부(20)와 직류전원단(10)을 공유하여 사용할 수 있다. 그러나, 조정컨버터부(40)의 스위칭 소자(T5 내지 T8)는 제어부(50)에 의해 인버터부(20)의 스위칭 소자(T1 내지 T4)의 DUTY 비율에 비해 최대 80%까지 작동될 수 있도록 설정될 수 있다. 이에, 조정컨버터부(40)는 인버터부(20)에서 출력할 수 있는 출력전압보다 낮은 전압을 출력할 수 있다.

이와 같이 조정컨버부(40)는 인버터부(20)에서 출력할 수 있는 전압의 크기보다 작은 전압을 합성할 수 있는 상태에서 제어부(40)에 의해 제어되면서 다양한 크기의 인가전압(V_{L _ offset})을 출력할 수 있다.

조정컨버터부(40)는 복수 개의 스위칭 소자(T5 내지 T8) 및 복수 개의 다이오드(D3, D4)로 구성되는 복수 개의 레그부(44 내지 46)로 구성된다. 즉, 레그부(44 내지 46)는 제4 레그부(44), 제5 레그부(45) 및 제6 레그부(46)를 포함하며, 각 레그부(44 내지 46)는 R상, S상 및 T상의 교류전압을 각각 출력할 수 있다. 여기서, 스위치 소자(T5 내지 T8)는 인버터부(20)의 스위치 소자(T1 내지 T4)와 동일하게 IGBT, IGBT, IEGT, MOSFET, ICGT, GCT, SGCT 및 GTO와 같은 반도체 스위치, 반도체 스위치에 역병렬로 연결되는 다이오드를 포함할 수 있다.

제어부(50)는 인버터부(20) 및 조정컨버터부(40)와 연결되어, 각각 출력되는 전류 및 전압을 조정한다. 즉, 제어부(50)는 부하부(10)에 형성된 전압과 조정컨버터부(40)에서 부하부(10)에 인가하는 인가전압의 합전압이 인버터부(20)에서 출력될 수 있도록 한다. 이를 통해, 인버터부(20)는 기준전압 즉, OV에서부터 정격전압까지 가변하면서 전압을 출력할 수 있게 된다.

이하, 도 2 내지 도 4를 참조하여, 부하부에 인가되는 전압, 조정컨버터부에서 출력된 전압 및 이러한 부하부의 부하전압과 조정컨버터부의 인가전압의 합 전압에 대응되는 전압을 출력하는 인버터부에 대해 설명한다.

먼저, 도 2 내지 도 4에서는 설명의 편의상 조정컨버터부(40)와 인버터부(20)의 3상 가운데 한 상 즉, 제1 레그부(21)와 제4 레그부(44)의 연결을 기준으로 하여 제1 레그부(21)의 출력전압이 정격전압까지 출력될 수 있는 것에 대해 설명한다.

다만, 이러한 제1 레그부(21)와 제4 레그부(44)의 연결을 통해 설명되는 한 상에 대해서 한정되는 것은 아니며, 제2 레그부(21)와 제5 레그부(45)의 연결, 제3 레그부(23)와 제6 레그부(46)의 연결에 의해 제2 레그부(21) 및 제3 레그부(23)의 출력전압이 정격전압까지 출력될 수 있는지에 대해서도 동일하게 이루어질 수 있다.

도 2는 도 1의 전력변환장치의 시험장치의 부하부에 전압이 인가되는 것을 도시한 도면이고, 도 3은 조정컨버터부에서 인가되는 전압을 도시한 도면이고, 도4 는 부하단의 전압과 조정컨버터부의 인가전압의 합전압에 대응되는 전압을 출력하는 인버터부를 도시한 도면이다.

먼저, 제어부(50)는 제4 레그부(44)의 스위치 소자를 제어하여 제1 레그부(44)의 전압 상태가 기준전압인 0V가 되도록 하고, 제1 레그부(21)의 스위치 소자(T1 내지 T4)를 제어하여 부하부(30)에 일정한 크기의 전류가 공급될 수 있도록 한다. 이 때, 부하부(30)에 공급되는 전류(i_{L _ con1}) 및 부하부(30)의 임피던스(Z_L)는 옴의 법칙에 의하여 부하부(30)에 일정 크기의 부하전압(V_{L _ con1})을 형성한다.

이와 같이, 부하부(30)의 임피던스(Z_L)에 의해 제1 레그부(21)는 정격전압 범위 이내에서 0A에서부터 정격전류까지 다양한 크기의 전류를 출력할 수 있다. 따라서, 제1 레그부(21)의 정격전류시험은 원활하게 시행될 수 있다.

한편, 제4 레그부(44)의 스위치 소자(T5 내지 T8)가 제어부(50)에 의해 제어되면서, 인가전압(V_{L _ offset})을 출력하면, 인가전압(V_{L _ offset})은 부하부(30)에 형성되어 있는 부하전압(V_{L _ con1})과 선형적으로 합산될 수 있다.

이 때, 인버터부(20)의 제1 레그부(21)는 제어부(50)에 의해 스위치 소자가 제어되면서 이와 같은 인가전압(V_{L _ offset})과 부하전압(V_{L _ con1})의 합산인 전압만큼 직류단 전원(50)으로부터 전압을 합성하여 출력할 수 있게 된다.

다시 말해, 제1 레그부(21)는 부하부(20)의 부하전압(V_{L _ con1})과 더해지는 조정컨버터부(20)의 인가전압(V_{L _ offset})에 의해 0V에서 정격전압까지 전압을 출력할 수 있게 된다. 이를 통해, 인버터부(20)의 정격전압시험은 원활하게 시행될 수 있다.

도 5는 전력변환장치의 시험장치의 정격전압 시험에 대한 전압파형을 도시한 도면이다. 도 5에서 나타내는 인버터부(20)의 합전압(V_con), 부하전압(V_{L _ con1}) 및 인가전압(V_{L _ offset})은 실질적으로 실효값(V_rms)이 될 수 있으나, 도식 및 설명의 편의상 합전압(V_con), 부하전압(V_{L _ con1}) 및 인가전압(V_{L _ offset})은 실효값(V_rms)의 배가 되는 최대값으로 나타내었다.

이러한 값을 기준으로 하여, 도 5를 좀더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

일 례로, 정격전압이 2.0kv가 되는 인버터부(20)가 부하부(10)에 정격전류를 공급하면, 부하부(10)에는 0.5 kV 에 해당하는 부하전압(V_{L _ con1})이 형성될 수 있다. 이때, 조정컨버터부(40)가 부하부(10)의 부하전압(V_{L _ con1})과 합산될 수 있는 인가전압(V_{L_offset})을 1.5kV 출력하면, 인버터부(20)는 부하전압(V_{L _ con1})과 인가전압(V_{L_offset})의 합전압(V_con)이 되는 2.0kv까지 무리 없이 출력할 수 있게 된다.

이를 통해, 인버터부(20)에 인버터부(20)의 정격전류를 시험할 수 있는 부하부(10)의 임피던스(Z_L)를 고정하고, 조정컨버터부(40)의 인가전압(V_{L _ offset})의 크기를 조절하면, 인버터부(10)의 정격전압시험은 용이하게 진행될 수 있다.

이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서도 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

1: 전력변환장치의 시험장치 10: 직류전원단
11: 직류전원 12: 커패시터부
20: 인버터부 21: 제1 레그부
22: 제2 레그부 23: 제3 레그부
30: 부하부 40: 조정컨버터부
44: 제4 레그 45: 제5 레그
46: 제6 레그 50: 제어부

Claims (6)

1. 직류전원단과 연결되어, 직류를 교류로 변환하여 출력하는 인버터부;
   저항 및 인덕터를 포함하며, 상기 인버터부의 출력단에 연결된 부하부;
   상기 부하부에 연결되며, 상기 부하부에 전압을 인가하는 조정컨버터부; 및
   상기 조정컨버터부 및 상기 인버터부 중 적어도 하나를 제어하여, 상기 부하부의 부하전압과 상기 조정컨버터부의 인가전압의 합전압을 조절하는 제어부를 포함하되,
   상기 제어부는, 상기 인버터부가 기준전압에서 정격전압까지 출력하도록 제어하고, 상기 조정컨버터부가 상기 정격전압보다 낮은 전압을 출력하도록 제어하는 전력변환장치의 시험장치.
2. 제1 항에 있어서, 상기 인버터부와 상기 조정컨버터부는 동일하게 구성되며, 상기 조정컨버터부는 상기 인버터부와 역방향으로 전류가 흐를 수 있는 전력변환장치의 시험장치.
3. 제2 항에 있어서, 상기 조정컨버터부는 서로 병렬로 연결된 복수 개의 레그(leg)부를 포함하며, 상기 레그부는 스위치 소자에 다이오드가 역병렬로 연결되어 구성된 복수 개의 스위치를 포함하는 전력변환장치의 시험장치.
4. 제3항에 있어서, 상기 레그부는 제1 스위치부, 제2 스위치부, 제3 스위치부 및 제4 스위치부가 직렬로 연결되고, 상기 부하부가 상기 제2 스위치부와 상기 제3 스위치부 사이에 연결되고, 상기 제1 스위치부와 상기 제2 스위치부 사이의 노드점과 상기 제3 스위치부와 상기 제4 스위치부 사이의 노드점에 한 쌍의 다이오드가 역병렬로 연결되는 전력변환장치의 시험장치.
5. 삭제
6. 제1 항에 있어서, 상기 조정컨버터부는 상기 직류전원단에 연결되어 상기 인버터부와 상기 직류전원을 공유하는 전력변환장치의 시험장치.

Images