KR101662178B1 - 전력변환장치의 시험장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전력변환장치의 제조 후 전류의 크기를 조절해가면서 전체 전력변환장치의 각각의 구성요소에 전류가 흐를 수 있도록 하는 전력변환장치의 시험장치에 관한 것이다. 이러한 전력변환장치의 시험장치는 직류링크부를 사이에 두고 양측에 각각 병렬로 연결되며 순환선로를 통하여 폐회로를 구성하거나 각각 단락선로를 통하여 단락회로를 구성하는 제1 컨버터부와 제2 컨버터부, 직류링크부에 병렬로 연결되며, 교류전원부에서 공급된 교류전류를 직류전류로 전환하여 직류링크부에 제공하는 정류부 순환선로 상에 형성되거나 제1 컨버터부와 제2 컨버터부의 단락선로 상에 형성되는 적어도 하나의 부하부 제1 컨버터부와 제2 컨버터부를 제어하여 부하부에 인가되는 전압을 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

전력변환장치의 시험장치 {Test equipment of converter}

본 발명은 전력변환장치의 시험장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전류의 크기 및 주파수를 변경해 가면서 전력변환장치의 열적 특성을 확인하는 전력변환장치의 시험장치에 관한 것이다.

풍력발전기, 선박, 및 모터 등 다양한 기기에는 입력전원을 부하 측에서 필요로 하는 전원으로 변환하는 전력변환장치가 사용된다. 이러한 전력변환장치는 서로 다른 전기적 특성을 가지는 복수 개의 전자부품모듈로 구성되며, 제조 후, 구성된 각각의 전자부품모듈의 정상적인 동작 여부를 확인하기 위해 다양한 신뢰성 시험을 거치게 된다.

전력변환장치는 복수 개의 반도체 소자로 구성되며, 이러한 반도체 소자는 온도에 따라 특성변화가 큰 특징이 있다. 이에, 전력변환장치는 다양한 신뢰성 시험 가운데서도 정격운전 상태에서의 온도변화에 대한 열적(thermal)시험이 매우 중요하게 여겨진다.

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

대한민국 공개특허 10-2010-0049591 (2010.05.12)

이에, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 이러한 문제를 해결하기 위한 것으로서, 일정한 크기의 전압을 이용하여 다양한 크기 및 주파수의 전류로 변경하여 전력변환장치의 열적 특성을 확인할 수 있는 전력변환장치의 시험장치를 제공하는 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 전력변환장치의 시험장치는 직류링크부를 사이에 두고 양측에 각각 병렬로 연결되며 순환선로를 통하여 폐회로를 구성 하거나 각각 단락선로를 통하여 단락회로를 구성하는 제1 컨버터부와 제2 컨버터부, 상기 직류링크부에 병렬로 연결되며, 교류전원부에서 공급된 교류전류를 직류전류로 전환하여 상기 직류링크부에 제공하는 정류부, 상기 순환선로 상에 형성되거나 상기 제1 컨버터부와 상기 제2 컨버터부의 상기 단락선로 상에 형성되는 적어도 하나의 부하부, 및 상기 제1 컨버터부와 상기 제2 컨버터부를 제어하여 상기 부하부에 인가되는 전압을 제어하는 제어부를 포함한다.

상기 제어부는, 상기 순환선로에 의해 상기 폐회로를 구성할 때, 상기 직류링크부로부터 인가되는 직류전압에 의해 상기 제1 컨버터부에서 출력된 전류가 상기 제2 컨버터부로 순환하도록 제어하거나, 상기 제2 컨버터부에서 출력된 전류가 상기 제1 컨버터부로 순환하도록 제어할 수 있다.

상기 제어부는, 상기 단락선로에 의해 상기 단락회로를 구성할 때, 상기 직류링크부로부터 인가되는 직류전압이 선택적으로 상기 제1 컨버터부와 상기 제2 컨버터부에 인가될 수 있도록 제어할 수 있다.

상기 부하부는 상기 제1 컨버터부에 일단이 연결되는 제1 인덕터와 상기 제2 컨버터부에 일단이 연결되는 제2 인덕터를 포함하되, 상기 제1 인덕터와 상기 제2 인덕터는 서로 연결되어 있거나 각각 단락될 수 있다.

본 발명에 따른 전력변환장치의 시험장치는 양방향으로 설치된 전력변환장치가 독립적으로 제어되어, 전류가 양방향으로 출력됨으로써, 전력변환장치의 유효전력 시험이 양방향으로 진행될 수 있도록 한다. 아울러, 독립적으로 전력변환장치가 제어되면서, 전력변환장치가 각각 무효전력 시험을 진행할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전력변환장치의 시험장치에 대한 회로도이다.
도 2는 도 1의 교류전원부에서 출력되는 전압에 대한 파형을 도시한 도면이다.
도 3은 도 1의 제1 컨버터부 및 제2 컨버터부에서 출력되는 전압의 파형을 도시한 도면이다.
도 4는 제1 컨버터부 및 제2 컨버터부에서 PWM 방식으로 출력되는 전압의 파형을 도시한 도면이다.
도 5는 도 1의 전력변환장치의 시험장치에서 이루어지는 유효전력 시험에 대한 도면이다.
도 6은 1의 전력변환장치의 시험장치에서 이루어지는 무효전력 시험에 대한 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 1 내지 도 4를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력변환장치의 시험장치 및 전력변환장치의 시험장치의 구성요소에서 출력되는 전압에 대해 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력변환장치의 시험장치에 대한 회로도이고, 도 2는 도 1의 교류전원부에서 출력되는 전압에 대한 파형을 도시한 도면이고, 도 3은 도 1의 제1 컨버터부 및 제2 컨버터부에서 출력되는 전압의 파형을 도시한 도면이다. 그리고, 도 4는 제1 컨버터부 및 제2 컨버터부에서 PWM 방식으로 출력되는 전압의 파형을 도시한 도면이다.

먼저, 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 전력변환장치의 시험장치(1)는 전류의 크기 및 주파수를 변경해 가면서 전력변환장치의 열적 특성을 확인할 수 있다. 그리고, 교류전원부(10)의 교류전류를 정류하여 직류링크부(30)로 공급함으로써, 제1 컨버터부(40) 및 제2 컨버터부(50)가 고장이 나더라도 교류전원부(10)에서 과전류가 발생 되는 것을 방지할 수 있으며, 제1 컨버터부(40) 및 제2 컨버터부(50)로부터 교류전원부(10)로 전류가 유입되는 것을 방지할 수 있다.

이러한 전력변환장치의 시험장치(1)는 직류링크부(30)를 사이에 두고 양측에 각각 병렬로 연결되며 순환선로(70)를 통하여 폐회로를 구성하거나 각각 단락선로(80)를 통하여 단락회로를 구성하는 제1 컨버터부(40), 제2 컨버터부(50) 및 직류링크부(30)에 병렬로 연결되어 교류전원부(10)에서 공급된 전력을 정류하는 정류부(20)를 포함한다. 그리고, 순환선로(70) 상 또는 단락선로(80) 상에 형성되는 적어도 하나의 부하부(60), 제1 컨버터부(40)와 제2 컨버터부(50)를 제어하여 부하부(60)에 인가되는 전압을 제어하는 제어부(90)를 포함한다.

이하, 전력변환장치의 시험장치(1)의 각 구성요소 및 각 구성요소에서 출력되는 전류에 대한 파형에 관하여 좀 더 상세히 설명한다.

교류전원부(10)는 각각의 위상 차가 120도 되는 R상, S상 및 T상의 전압을 출력할 수 있는 3상 전원(three-phase power source)이 될 수 있다. 다만, 도 2 내지 도 4에서 나타내는 전압 파형은 설명의 편의상 교류전원(10)의 R상, S상, 및 T상 가운데 R상의 전압 파형에 대한 것이다. 이러한 교류전원(10)은 각각의 위상의 전 전압에 대응되는 교류전류를 출력하여 정류부(20)에 공급한다.

정류부(20)는 교류전원(10)을 통해 입력받은 교류전류를 정류하며, 전류를 직류링크부(30)로 공급한다. 이때, 정류되는 전류의 크기는 입력된 교류전류의 크기에 대응하여 변경된다. 정류부(20)는 a다이오드(Da), b다이오드(Db)가 직렬로 연결되는 제1 다이오드부, 제2 다이오드부 및 제3 다이오드부로 구성되며, 제1 다이오드부 내지 제3 다이오드부는 서로 병렬로 연결된다. 한 쌍의 다이오드(Da 및 Db)가 직렬로 연결되면서 형성된 접점에는 교류전원부(10)의 전원이 각각 연결된다.

이를 통해, 정류부(20)는 교류전원(10)으로부터 인가되는 교류전류를 맥동전류로 전파정류 할 수 있게 된다.

직류링크부(30)는 정류부(20)에서 전파 정류된 맥류에 해당하는 전하를 저장 및 방전할 수 있다. 특히, 도 3에 도시된 바와 같이, 직류링크부(30)는 제1 컨버터부(40) 및 제2 컨버터부(50)에서 인가되는 맥동전류로 인한 전압 변동을 억제하는 완충(buffer) 역할을 한다. 따라서, 직류링크부(30)는 저장된 전하를 방전시킬 때, 직류에 가까운 파형으로 변환하여 출력하고, 제1 컨버터부(40) 및 제2 컨버터부(50)는 직류링크부(30)로부터 일정한 전압을 인가받는다.

제1 컨버터부(40) 및 제2 컨버터부(50)는 직류링크부(30)와 병렬로 연결되어 직류링크부(30)의 전위를 이용해 다양한 주파수 및 다양한 크기의 교류전압을 출력하며, 각각의 제1 컨버터부(40) 및 제2 컨버터부(50)는 3상 교류전압을 형성할 수 있도록 3개의 반도체 세트부로 구성될 수 있다.

여기서, 제1 컨버터부(40)는 제1 반도체 세트부(41), 제2 반도체 세트부(42) 및 제3 반도체 세트부(43)로 구성되고, 제2 컨버터부(50)는 제4 반도체 세트부(54), 제5 반도체 세트부(55) 및 제6 반도체 세트부(56)로 구성된다. 이러한 반도체 세트부(40 내지 56)는 한 쌍의 반도체 스위치(T1, T2)에 다이오드(D1, D2)가 각각 역병렬로 연결되어 형성될 수 있다.

반도체 스위치(T1 내지 T4)는 서로 동일한 전기적 특성을 가지는 소자가 된다. 반도체 스위치(T1 내지 T4)는 회로 상에서 전류 패스(current path)를 형성하는 다양한 전력반도체인 IGBT, IEGT, MOSFET, ICGT, GCT, SGCT 및 GTO 가운데 어느 하나가 될 수 있다.

다만, 본 명세서에서는 구동이 간편하고, 고전압 및 대전류에서 효율이 높은 IGBT를 반도체 스위치(T1 내지 T4)의 일 예로 하여 설명한다.

IGBT는 게이트, 이미터 및 컬렉터 단자를 가지며, 게이트 단자에는 제어기(90)가 설치될 수 있다. 설치된 제어기(90)는 IGBT에서 기준신호(RW, 도4 참조) 및 반송신호(CW, 도4 참조)가 출력되도록 할 수 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, IGBT는 일정한 주기의 반송신호(CW)와 출력 전압의 기준신호(RW)의 대소 비교에 의해 작동(on) 또는 비작동(off) 상태로 교번 되면서, 평균적으로 기준신호(RW)와 같은 값을 가지는 구형파 전압(MW)을 출력한다. 이와 같은, 제1 반도체 스위치(T1) 내지 제4 반도체 스위치(T4)는 작동(on) 또는 비작동(off)의 교번되는 과정을 통해, 제1 컨버터부(40) 및 제2 컨버터부(50)는 부하를 구동시킬 수 있는 전류를 출력할 수 있다.

따라서, 제1 컨버터부(40) 및 제2 컨버터부(50)는 제1 컨버터부(40)로부터 제2 컨버터부(50) 방향으로 흐르는 전류 및 제2 컨버터부(50)로부터 제1 컨버터부(40) 방향으로 흐르는 전류를 다양한 크기 및 주파수로 가변하여 출력할 수 있다.

다시 말해, 제1 컨버터부(40)가 직류링크부(30)의 전위로부터 다양한 크기 및 다양한 주파수의 전압을 합성하여 전압을 출력하면, 제2 컨버터부(50)는 이러한 다양한 전압을 제어한다. 한편, 제2 컨버터부(50)가 직류링크부(30)의 전위로부터 다양한 크기 및 다양한 주파수의 전압을 합성하여 전압을 출력하면, 제1 컨버터부(40)는 이러한 전압을 제어한다.

이러한, 제1 컨버터부(40)와 제2 컨버터부(50)의 출력단에는 R상, S상, 및 T상에 각각 직렬로 연결된 부하부(60)가 연결되어 제1 컨버터부(40) 및 제2 컨버터부(40)에서 출력된 전류를 정현파에 가깝게 변형시킨다. 이때, 부하부(60)는 제1 컨버터부(40)에 연결되는 제1 인덕터(61, 도 5참조), 제2 컨버터부(50)에 연결되는 제2 인덕터(62, 도 5참조)를 포함한다. 제1 인덕터(61) 및 제2 리액터(62)는 용량성 리액턴스가 될 수 있다. 이러한 제1 인덕터(61) 및 제2 인덕터(62)는 상황에 따라 순환선로(70) 및 단락선로(80)에 연결된다.

여기서, 순환선로(70)는 제1 인덕터(61)와 제2 인덕터(62)를 연결하여 제1 컨버터부(40)와 제2 컨버터부(50)가 하나의 폐회로를 형성할 수 있도록 하며, 단락선로(80, 도 6참조)는 제1 인덕터(61)를 구성하는 R상 인덕터, S상 인덕터 및 T상 인덕터의 출력단이 서로 연결되고, 제2 인덕터(62)를 구성하는 R상 인덕터, S상 인덕터 및 T상 인덕터의 출력단이 서로 연결되어 제1 컨버터부(40)와 제2 컨버터부(50)가 각각 단락회로를 형성할 수 있도록 한다.

이를 통해, 제1 컨버터부(40) 및 제2 컨버터부(50)는 서로 독립적으로 직류링크부(30)의 전압을 이용해 합성전압을 출력하고, 합성된 전압을 다시 기준으로 제어함으로써, 양방향으로 다양한 크기의 유효전력 및 무효전력의 시험을 수행할 수 있게 된다.

이하, 전력변환장치의 시험장치(1)에 의해 이루어지는 유효 및 무효전력 시험에 대해 설명하도록 한다.

도 5는 도 1의 전력변환장치의 시험장치에서 이루어지는 유효전력 시험에 대한 도면이다.

교류전원부(10)에서 공급된 전압 및 전류는 정류부(20)를 거쳐 직류링크부(30)에 저장된다. 이때, 제1 컨버터부(40)는 반도체 스위치(T1, T2)가 턴-온 및 턴-오프 되는 과정으로부터 다양한 주파수 및 다양한 크기의 전압을 합성하며, 제2 컨버터부(50)는 이와 같은 전압을 기준으로 하여 다시 합성전압을 출력한다(점선 화살표 참조). 반대로, 제2 컨버터부(50)의 반도체 스위치(T3, T4)가 턴-온 및 턴-오프 되면서 다양한 주파수 및 다양한 크기의 전압을 합성하면, 제1 컨버터부(40)가 이를 측정하여 합성된 전압을 다시 합성하여 전압을 출력한다(일점 쇄선 화살표 참조). 이와 같이, 제1 컨버터부(40)와 제2 컨버터부(50)는 양방향으로 유효전력이 흐를 수 있도록 하여, 다양한 조건에서의 제1 컨버터부(40)와 제2 컨버터부(50) 즉, 반도체 스위치 및 다이오드의 열적 특성을 시험할 수 있게 된다.

도 6은 1의 전력변환장치의 시험장치에서 이루어지는 무효전력 시험에 대한 도면이다.

교류전원부(10)에서 출력된 교류전류 정류되어 직류링크부(30)로 공급되는 것은 유효전력 시험과 동일하다.

제1 컨버터부(40) 및 제2 컨버터부(50)는 제어부(90)에 의해 선택적으로 어느 하나만 작동되거나, 또는 양쪽 동시에 작동될 수 있다. 이러한 제1 컨버터부(40) 및 제2 컨버터부(50)는 단락회로 상에 있는 각각의 인덕터(61, 62)에 인가되는 전압과 비교하여 위상이 90도 느린 전류를 공급한다. 이러한 전류는 무효전류가 되며, 무효전류가 단락회로 상에서 지속적으로 순환하게 하게 되면서, 제1 컨버터부(40) 및 제2 컨버터부(50)의 무효전력 시험은 원할 하게 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: 교류전원부
20: 정류부 30: 직류링크부
40: 제1 컨버터부 50: 제2 컨버터부
60: 부하부 70: 순환선로
80: 단락선로 90: 제어부
T: 반도체 스위치 D: 다이오드

Claims (4)

1. 직류링크부를 사이에 두고 양측에 각각 병렬로 연결되며 순환선로를 통하여 폐회로를 구성 하거나 각각 단락선로를 통하여 단락회로를 구성하는 제1 컨버터부와 제2 컨버터부;
   상기 직류링크부에 병렬로 연결되며, 교류전원부에서 공급된 교류전류를 직류전류로 전환하여 상기 직류링크부에 제공하는 정류부;
   상기 순환선로 상에 형성되거나 상기 제1 컨버터부와 상기 제2 컨버터부의 상기 단락선로 상에 형성되는 적어도 하나의 부하부; 및
   상기 제1 컨버터부와 상기 제2 컨버터부를 제어하여 상기 부하부에 인가되는 전압을 제어하는 제어부를 포함하되,
   상기 제어부는 상기 순환선로에 의해 상기 폐회로를 구성할 때, 상기 직류링크부로부터 인가되는 직류전압에 의해 상기 제1 컨버터부에서 출력된 전류가 상기 제2 컨버터부로 순환하도록 제어하거나, 상기 제2 컨버터부에서 출력된 전류가 상기 제1 컨버터부로 순환하도록 제어하여 유효전력이 흐를 수 있도록 하며,
   상기 제어부는 상기 단락선로에 의해 상기 단락회로를 구성할 때, 상기 직류링크부로부터 인가되는 직류전압이 선택적으로 상기 제1 컨버터부와 상기 제2 컨버터부에 인가될 수 있도록 제어하여 무효전력이 흐를 수 있도록 하는 전력변환장치의 시험장치.
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4. 제1 항에 있어서, 상기 부하부는 상기 제1 컨버터부에 일단이 연결되는 제1 인덕터와 상기 제2 컨버터부에 일단이 연결되는 제2 인덕터를 포함하되, 상기 제1 인덕터와 상기 제2 인덕터는 서로 연결되어 있거나 각각 단락되는 전력변환장치의 시험장치.

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