KR101849001B1 - 고전압 대전류 전력 변환 장치 - Google Patents

고전압 대전류 전력 변환 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고전압 대전류 전력 변환 장치에 관한 것이다.
본 발명은 한 대의 인버터와 한대의 출력 변압기를 포함하는 제1 및 제2 모듈러 인버터, 제1 모듈러 인버터에 구비된 제1 출력 변압기의 2차측 3상 부(-) 단자부와 제2 모듈러 인버터에 구비된 제2 출력 변압기의 2차측 3상 정(+) 단자부 간의 접속을 결정하는 제5 콘택터 및 제2 출력 변압기의 2차측 3상 부(-) 단자부의 공통 접속을 결정하는 제6 콘택터를 포함한다.
본 발명에 따르면, 인버터에 구비된 전력 스위칭 디바이스 자체의 정격 전압레벨보다 높은 출력전압을 발생시키기 위해서, 여러 대의 인버터를 선형전동기와 같은 부하로 공급하는 전류의 주파수에 따라 능동적으로 직·병렬 회로를 구성할 수 있도록 하는 고전압 대전류 전력 변환 장치가 제공된다.

Description

고전압 대전류 전력 변환 장치{TRANSDUCER FOR HIGH VOLTAGE AND CURRENT}
본 발명은 고전압 대전류 전력 변환 장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 인버터에 구비된 전력 스위칭 디바이스 자체의 정격 전압레벨보다 높은 출력전압을 발생시키기 위해서, 여러 대의 인버터를 선형전동기와 같은 부하로 공급하는 전류의 주파수에 따라 능동적으로 직·병렬 회로를 구성할 수 있도록 하는 고전압 대전류 전력 변환 장치에 관한 것이다.
VVVF 인버터(variable voltage variable frequency inverter)는 가변전압, 가변주파수의 교류 전압을 출력하는 전력 변환 장치이다.
이러한 인버터에 의한 가변전압/가변주파수의 고전압 출력을 발생시키기 위해서, 여러 대의 모듈러 인버터를 직·병렬로 배치할 수 있도록 전력회로를 구성한다.
도 1은 두 대의 인버터와 한 대의 출력 변압기로 구성된 모듈러 인버터들을 연결하여 고전압 출력을 발생시키는 종래의 전력 변환 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 종래의 전력 변환 장치를 구성하는 각각의 모듈러 인버터는 두 대의 인버터와 한 대의 출력변압기로 구성되며, 한 모듈러 인버터 내에서 인버터의 출력전압주파수가 55Hz보다 낮은 경우, 변압기 자기포화현상을 방지하기 위해서 두 대의 인버터 출력전압의 위상을 동상으로 발생시켜 변압기 1차측 권선을 리액터로 활용하여 부하, 예를 들어, 선형전동기의 권선에 전원을 공급하고, 인버터의 출력전압주파수가 55Hz를 초과하는 경우 두 대의 인버터 출력전압의 위상을 역상으로 하여 두 대의 인버터 전위차에 의한 전압이 변압기 2차측을 통해 선형전동기의 권선에 전원을 공급한다.
이러한 종래 기술에 따르면 다음과 같은 문제점들이 있다.
첫째, 하나의 모듈러 인버터를 구성하기 위해 두 대의 인버터가 필요하고, 출력전압 주파수가 55Hz보다 낮은 경우, 변압기 1차측 권선의 리액턴스의 반값으로 전류 리플을 감소시켜 공심형 선형전동기의 경우 전류 리플(current ripple)이 높게 발생한다는 문제점이 있다.
둘째, 모듈러 인버터의 출력전압 주파수가 55Hz보다 낮아 모듈러 인버터가 각각 동 위상으로 출력전압을 발생시킬 경우, 변압기 1차측 권선의 중성점 탭이 전기적으로 임피던스가 정 중앙이 되는 위치가 되지 않는 경우, 2차측 회로(이때, 2차측 권선은 단락회로임)에 순환전류가 발생하여 무효전력증가로 인한 손실증가 및 변압기 열화현상이 발생한다는 문제점이 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-1198638호(등록일자: 2012년 11월 01일, 명칭: 자기 부하분담 변압기를 이용한 병렬 운전 장치) 대한민국 공개특허공보 제10-2015-0004026호(공개일자: 2015년 01월 12일, 명칭: 멀티레벨 고압 인버터)
본 발명은 인버터에 구비된 전력 스위칭 디바이스 자체의 정격 전압레벨보다 높은 출력전압을 발생시키기 위해서, 여러 대의 인버터를 선형전동기와 같은 부하로 공급하는 전류의 주파수에 따라 능동적으로 직·병렬 회로를 구성할 수 있도록 하는 고전압 대전류 전력 변환 장치를 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
또한, 본 발명은 한 대의 인버터와 한 대의 출력변압기로 구성된 모듈러 인버터를 이용하여 전력 변환 장치를 구성함으로써, 회로구성이 간단하고, 모드 변환시 출력전압의 선형성도 높으며, 출력전압주파수가 특정값 이하인 경우 모듈러 인버터에 구비된 출력변압기 1차측과 2차측 권선의 리액턴스를 활용함으로써 종래와 비교하여 인덕턴스를 4배 증가시켜 선형전동기와 같은 부하에 공급하는 전류의 리플을 효과적으로 감소시킬 수 있는 고전압 대전류 전력 변환 장치를 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
이러한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 전력 변환 장치는 제1 인버터, 상기 제1 인버터에 연결된 제1 출력 변압기, 상기 제1 출력 변압기의 1차측 3상 부(-) 단자부와 상기 제1 출력 변압기의 2차측 3상 정(+) 단자부 간의 접속을 결정하는 제1 콘택터 및 상기 제1 출력 변압기의 1차측 3상 부(-) 단자부의 공통 접속을 결정하는 제2 콘택터를 포함하는 제1 모듈러 인버터, 제2 인버터, 상기 제2 인버터에 연결된 제2 출력 변압기, 상기 제2 출력 변압기의 1차측 3상 부(-) 단자부와 상기 제2 출력 변압기의 2차측 3상 정(+) 단자부 간의 접속을 결정하는 제3 콘택터, 상기 제2 출력 변압기의 1차측 3상 부(-) 단자부의 공통 접속을 결정하는 제4 콘택터를 포함하는 제2 모듈러 인버터, 상기 제1 출력 변압기의 2차측 3상 부(-) 단자부와 상기 제2 출력 변압기의 2차측 3상 정(+) 단자부 간의 접속을 결정하는 제5 콘택터 및 상기 제2 출력 변압기의 2차측 3상 부(-) 단자부의 공통 접속을 결정하는 제6 콘택터를 포함한다.
본 발명의 일 측면에 따른 전력 변환 장치에 있어서, 상기 제1 콘택터 및 상기 제3 콘택터는 동일하게 스위칭되고, 상기 제2 콘택터, 상기 제4 콘택터, 상기 제5 콘택터 및 상기 제6 콘택터는 상기 제1 콘택터 및 상기 제3 콘택터와 반대로 스위칭되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 전력 변환 장치에 있어서, 상기 제1 모듈러 인버터 및 상기 제2 모듈러 인버터의 출력전압주파수가 설정치 이하인 경우, 상기 제1 출력 변압기의 1차측 3상 부(-) 단자부와 제1 출력 변압기의 2차측 3상 정(+) 단자부는 상기 제1 콘택터를 통하여 접속되고, 상기 제2 출력 변압기의 1차측 3상 부(-) 단자부와 상기 제2 출력 변압기의 2차측 3상 정(+) 단자부는 상기 제3 콘택터를 통해 접속되어, 상기 제1 모듈러 인버터와 상기 제2 모듈러 인버터의 출력단자부는 병렬 접속되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 전력 변환 장치에 있어서, 상기 제1 및 제2 출력 변압기 1차측과 2차측 권선의 리액턴스(reactance)를 활용함으로써 인덕턴스(inductance)를 증가시켜 부하인 선형 전동기로 공급되는 전류 리플(ripple)을 감소시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 전력 변환 장치에 있어서, 상기 제1 모듈러 인버터의 3상 부(-) 출력단자부와 상기 제2 모듈러 인버터의 3상 부(-) 출력단자부가 병렬 접속됨으로써, 상기 제1 모듈러 인버터와 상기 제2 모듈러 인버터의 출력단자부가 병렬 접속되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 전력 변환 장치에 있어서, 상기 제1 모듈러 인버터 및 상기 제2 모듈러 인버터의 출력전압주파수가 설정치를 초과하는 경우, 상기 제1 출력 변압기의 1차측 3상 부(-) 단자부는 상기 제2 콘택터를 통해 공통 접속되고, 상기 제2 출력 변압기의 1차측 3상 부(-) 단자부는 상기 제4 콘택터를 통해 공통 접속되어, 상기 제1 모듈러 인버터와 상기 제2 모듈러 인버터의 출력단자부는 직렬 접속되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 전력 변환 장치에 있어서, 상기 제1 모듈러 인버터의 3상 정(+) 출력단자부와 상기 제2 모듈러 인버터의 3상 정(+) 출력단자부가 직렬 접속됨으로써, 상기 제1 모듈러 인버터와 상기 제2 모듈러 인버터의 출력단자부가 직렬 접속되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 전력 변환 장치에 있어서, 상기 출력전압주파수의 설정치는 조절 가능한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 전력 변환 장치에 있어서, 상기 출력전압주파수의 설정치는 55Hz인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 측면에 따른 전력 변환 장치는 복수의 단위 모듈러 인버터를 포함하는 전력 변환 장치로서, 상기 단위 모듈러 인버터는, 인버터, 상기 인버터에 연결되는 출력 변압기, 상기 인버터와 상기 출력 변압기 사이에 설치된 제1 단위 스위치, 상기 출력 변압기의 1차측 부(-) 단자부와 상기 출력 변압기의 2차측 정(+) 단자부 간의 접속을 결정하는 제1 단위 콘택터, 상기 출력 변압기의 1차측 부(-) 단자부의 공통 접속을 결정하는 제2 단위 콘택터, 상기 출력 변압기의 2차측 부(-) 단자부와 연결 구조상 인접하는 단위 모듈러 인버터에 구비된 출력 변압기의 2차측 정(+) 단자부 간의 접속을 결정하는 제3 단위 콘택터를 포함한다.
본 발명의 다른 측면에 따른 전력 변환 장치에 있어서, 상기 복수의 단위 모듈러 인버터 중에서 연결 구조상 최하위 단위 모듈러 인버터에 구비된 출력 변압기의 2차측 단자부는 Y 결선되어 공통 접속되고, 상기 복수의 단위 모듈러 인버터 중에서 상기 최하위 단위 모듈러 인버터를 제외한 나머지 단위 모듈러 인버터들에 구비된 출력 변압기의 2차측 단자부들은 상기 최하위 단위 모듈러 인버터에 구비된 출력 변압기의 2차측 단자부와 직렬 접속되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 측면에 따른 전력 변환 장치에 있어서, 상기 복수의 단위 모듈러 인버터 중에서 연결 구조상 최하위 단위 모듈러 인버터에는 상기 최하위 단위 모듈러 인버터에 구비된 출력 변압기의 2차측 부(-) 단자부의 공통 접속을 결정하는 제4 단위 콘택터가 구비되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 측면에 따른 전력 변환 장치에 있어서, 상기 제1 단위 콘택터는 상기 제2 내지 제4 단위 콘택터와 반대로 스위칭되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 측면에 따른 전력 변환 장치에 있어서, 상기 단위 모듈러 인버터의 출력전압주파수가 설정치 이하인 경우, 상기 출력 변압기의 1차측 부(-) 단자부와 상기 출력 변압기의 2차측 정(+) 단자부는 상기 제1 단위 콘택터를 통하여 접속되어, 상기 복수의 단위 모듈러 인버터를 구성하는 단위 모듈러 인버터들의 출력단자부들이 병렬 접속되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 측면에 따른 전력 변환 장치에 있어서, 상기 출력 변압기 1차측과 2차측 권선의 리액턴스(reactance)를 활용함으로써 인덕턴스(inductance)를 증가시켜 부하인 선형 전동기로 공급되는 전류 리플(ripple)을 감소시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 측면에 따른 전력 변환 장치에 있어서, 상기 복수의 단위 모듈러 인버터를 구성하는 단위 모듈러 인버터들의 부(-) 출력단자부들이 병렬 접속됨으로써, 상기 복수의 단위 모듈러 인버터를 구성하는 단위 모듈러 인버터들의 출력단자부들이 병렬 접속되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 측면에 따른 전력 변환 장치에 있어서, 상기 단위 모듈러 인버터의 출력전압주파수가 설정치를 초과하는 경우, 상기 출력 변압기의 1차측 부(-) 단자부는 상기 제2 단위 콘택터를 통해 공통 접속되고, 상기 출력 변압기의 2차측 부(-) 단자부와 연결 구조상 인접하는 단위 모듈러 인버터에 구비된 출력 변압기의 2차측 정(+) 단자부는 상기 제3 단위 콘택터를 통해 공통 접속되고, 상기 복수의 단위 모듈러 인버터 중에서 연결 구조상 최하위 단위 모듈러 인버터에에 구비된 출력 변압기의 2차측 부(-) 단자부는 상기 제4 단위 콘택터를 통해 공통 접속됨으로써, 상기 복수의 단위 모듈러 인버터를 구성하는 단위 모듈러 인버터들의 출력단자부들이 직렬 접속되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 측면에 따른 전력 변환 장치에 있어서, 상기 복수의 단위 모듈러 인버터를 구성하는 단위 모듈러 인버터들의 정(+) 출력단자부들이 직렬 접속됨으로써, 상기 복수의 단위 모듈러 인버터를 구성하는 단위 모듈러 인버터들의 출력단자부들이 직렬 접속되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 측면에 따른 전력 변환 장치에 있어서, 상기 출력전압주파수의 설정치는 조절 가능한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 측면에 따른 전력 변환 장치에 있어서, 상기 출력전압주파수의 설정치는 55Hz인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 인버터에 구비된 전력 스위칭 디바이스 자체의 정격 전압레벨보다 높은 출력전압을 발생시키기 위해서, 여러 대의 인버터를 선형전동기와 같은 부하로 공급하는 전류의 주파수에 따라 능동적으로 직·병렬 회로를 구성할 수 있도록 하는 고전압 대전류 전력 변환 장치가 제공되는 효과가 있다.
또한, 한 대의 인버터와 한 대의 출력변압기로 구성된 모듈러 인버터를 이용하여 전력 변환 장치를 구성함으로써, 회로구성이 간단하고, 모드 변환시 출력전압의 선형성도 높으며, 출력전압주파수가 특정값 이하인 경우 모듈러 인버터에 구비된 출력변압기 1차측과 2차측 권선의 리액턴스를 활용함으로써 종래와 비교하여 인덕턴스를 4배 증가시켜 선형전동기와 같은 부하에 공급하는 전류의 리플을 효과적으로 감소시킬 수 있는 고전압 대전류 전력 변환 장치가 제공되는 효과가 있다.
도 1은 두 대의 인버터와 한 대의 출력 변압기로 구성된 모듈러 인버터들을 연결하여 고전압 출력을 발생시키는 종래의 전력 변환 장치를 설명하기 위한 도면이고,
도 2는 한 대의 인버터와 한 대의 출력 변압기로 구성된 모듈러 인버터들을 연결하여 고전압 출력을 발생시키는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 전력 변환 장치를 나타낸 도면이고,
도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 있어서, 출력단자부의 결선 구성을 예시적으로 나타낸 도면이고,
도 4는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 전력 변환 장치를 나타낸 도면이다.
본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시 예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 형태들로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시 예들에 한정되지 않는다.
본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 변경들을 가할 수 있고 여러 가지 형태들을 가질 수 있으므로 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들을 특정한 개시 형태들에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.
제1 또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 벗어나지 않은 채, 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고 유사하게 제2구성 요소는 제1구성 요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성 요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성 요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성 요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 본 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 나타낸다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 2는 한 대의 인버터와 한 대의 출력 변압기로 구성된 모듈러 인버터들을 연결하여 고전압 출력을 발생시키는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 전력 변환 장치를 나타낸 도면이고, 도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 있어서, 출력단자부의 결선 구성을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 전력 변환 장치는 제1 모듈러 인버터(1), 제2 모듈러 인버터(2), 제5 콘택터(5) 및 제6 콘택터(6)를 포함하고, 제1 모듈러 인버터(1)는 제1 인버터(11), 제1 출력 변압기(13), 제1 콘택터(14) 및 제2 콘택터를 포함하고, 제2 모듈러 인버터(2)는 제2 인버터(21), 제2 출력 변압기(23), 제3 콘택터(24) 및 제4 콘택터(25)를 포함한다.
제1 모듈러 인버터(1)와 제2 모듈러 인버터(2)는 1개의 인버터와 1개의 출력 변압기로 구성되기 때문에, 2개의 인버터와 1개의 출력 변압기로 구성되는 종래의 모듈러 인버터와 대비하여 회로 구성이 간단하고, 모드 변환시 출력전압의 선형성도 높으며, 출력전압주파수가 55Hz이하인 경우 출력 변압기 1차측과 2차측 권선의 리액턴스를 활용함으로 종래와 비교하여 인덕턴스가 4배 증가되어 선형전동기와 같은 부하에 공급하는 전류의 리플을 효과적으로 감소시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 전력 변환 장치의 구성요소들에 대하여 설명한다.
제1 모듈러 인버터(1)는 제1 인버터(11), 제1 출력 변압기(13), 제1 콘택터(14) 및 제2 콘택터(15)를 포함한다.
제1 인버터(11)는 직류전력을 교류전력을 변환하여 출력한다. 예를 들어, 제1 인버터(11)의 전단에는 외부로부터 공급되는 교류전력을 직류전력으로 변환하는 정류 회로부와 커패시터 등과 같은 회로부가 구비될 수 있으며, 제1 인버터(11)는 IGBT와 같은 전력반도체 스위칭 소자에 대한 스위칭 제어를 통해 3상 교류전력을 출력하도록 구성될 수 있다.
제1 출력 변압기(13)는 제1 인버터(11)에 연결되어 있으며, 제1 인버터(11)가 출력하는 교류전력을 설정된 변압비에 따라 변압하여 출력한다.
제1 콘택터(14)는 제1 출력 변압기(13)의 1차측 3상 부(-) 단자부와 제1 출력 변압기(13)의 2차측 3상 정(+) 단자부 사이에 설치되어 있으며, 도시하지 않은 스위칭 제어기로부터 전달되는 제어신호에 따라 스위칭 동작이 제어되어 제1 출력 변압기(13)의 1차측 3상 부(-) 단자부와 제1 출력 변압기(13)의 2차측 3상 정(+) 단자부 간의 접속을 결정하는 기능을 수행한다.
제2 콘택터(15)는 스위칭 제어기로부터 전달되는 제어신호에 따라 스위칭 동작이 제어되어 제1 출력 변압기(13)의 1차측 3상 부(-) 단자부의 공통 접속을 결정하는 기능을 수행한다.
제2 모듈러 인버터(2)는 제2 인버터(21), 제2 출력 변압기(23), 제3 콘택터(24) 및 제4 콘택터(25)를 포함한다.
제2 인버터(21)와 제2 출력 변압기(23)의 기능은 제1 인버터(11)와 제1 출력 변압기(13)의 기능과 동일하기 때문에, 중복되는 설명은 생략한다.
제3 콘택터(24)는 제2 출력 변압기(23)의 1차측 3상 부(-) 단자부와 제2 출력 변압기(23)의 2차측 3상 정(+) 단자부 사이에 설치되어 있으며, 스위칭 제어기로부터 전달되는 제어신호에 따라 스위칭 동작이 제어되어 제2 출력 변압기(23)의 1차측 3상 부(-) 단자부와 제2 출력 변압기(23)의 2차측 3상 정(+) 단자부 간의 접속을 결정하는 기능을 수행한다.
제4 콘택터(25)는 스위칭 제어기로부터 전달되는 제어신호에 따라 스위칭 동작이 제어되어 제2 출력 변압기(13)의 1차측 3상 부(-) 단자부의 공통 접속을 결정하는 기능을 수행한다.
제5 콘택터(5)는 스위칭 제어기로부터 전달되는 제어신호에 따라 스위칭 동작이 제어되어 제1 출력 변압기(13)의 2차측 3상 부(-) 단자부와 제2 출력 변압기(23)의 2차측 3상 정(+) 단자부 간의 접속을 결정하는 기능을 수행한다.
제6 콘택터(6)는 스위칭 제어기로부터 전달되는 제어신호에 따라 스위칭 동작이 제어되어 제2 출력 변압기(23)의 2차측 3상 부(-) 단자부의 공통 접속을 결정하는 기능을 수행한다.
예를 들어, 제1 콘택터(14) 및 제3 콘택터(24)는 동일하게 스위칭되고, 제2 콘택터(15), 제4 콘택터(25), 제5 콘택터(5) 및 제6 콘택터(6)는 제1 콘택터(14) 및 제3 콘택터(24)와 반대로 스위칭되도록 스위칭 제어기에 의해 제어될 수 있다.
이하에서는 구체적인 스위칭 동작의 예들을 설명한다.
하나의 예로, 제1 모듈러 인버터(1) 및 제2 모듈러 인버터(2)의 출력전압주파수가 설정치 이하인 경우, 제1 출력 변압기(13)의 1차측 3상 부(-) 단자부와 제1 출력 변압기(13)의 2차측 3상 정(+) 단자부는 제1 콘택터(14)를 통하여 접속되고, 제2 출력 변압기(23)의 1차측 3상 부(-) 단자부와 제2 출력 변압기(23)의 2차측 3상 정(+) 단자부는 제3 콘택터(24)를 통해 접속되어, 제1 모듈러 인버터(1)와 제2 모듈러 인버터(2)의 출력단자부는 병렬 접속되도록 구성될 수 있다. 보다 구체적으로는, 제1 모듈러 인버터(1)의 3상 부(-) 출력단자부와 제2 모듈러 인버터(2)의 3상 부(-) 출력단자부가 병렬 접속됨으로써, 제1 모듈러 인버터(1)와 제2 모듈러 인버터(2)의 출력단자부가 병렬 접속될 수 있다.
이와 같이 구성하면, 제1 출력 변압기(13) 및 제2 출력 변압기(23) 1차측과 2차측 권선의 리액턴스(reactance)를 활용함으로써 인덕턴스(inductance)를 증가시켜 부하인 선형 전동기로 공급되는 전류 리플(ripple)을 감소시킬 수 있다.
다른 예로, 제1 모듈러 인버터(1) 및 제2 모듈러 인버터(2)의 출력전압주파수가 설정치를 초과하는 경우, 제1 출력 변압기(13)의 1차측 3상 부(-) 단자부는 제2 콘택터(15)를 통해 공통 접속되고, 제2 출력 변압기(23)의 1차측 3상 부(-) 단자부는 제4 콘택터(25)를 통해 공통 접속되어, 제1 모듈러 인버터(1)와 제2 모듈러 인버터(2)의 출력단자부가 직렬 접속됨으로써, 고전압을 발생시키도록 구성될 수 있다. 보다 구체적으로, 제1 모듈러 인버터(1)의 3상 정(+) 출력단자부와 제2 모듈러 인버터(2)의 3상 정(+) 출력단자부가 직렬 접속됨으로써, 제1 모듈러 인버터(1)와 제2 모듈러 인버터(2)의 출력단자부가 직렬 접속될 수 있다.
예를 들어, 출력전압주파수의 설정치는 사용자 입력 등에 의해 조절 가능도록 구성될 수 있다. 또한, 예를 들어, 출력전압주파수의 설정치는 55Hz일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 4는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 전력 변환 장치를 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 전력 변환 장치는 복수의 단위 모듈러 인버터를 포함하는 전력 변환 장치로서, 단위 모듈러 인버터(10, 20, 30, 40)는, 단위 인버터(110, 210, 310, 410), 제1 단위 스위치(120, 220, 320, 420), 단위 출력 변압기(130, 230, 330, 430), 제1 단위 콘택터(S1', S2', S3', S4'), 제2 단위 콘택터, 제3 단위 콘택터를 포함한다.
도 4에서는 전력 변환 장치가 4개의 단위 모듈러 인버터(10, 20, 30, 40)로 구성된 예를 개시하고 있으나, 이는 하나의 예시일 뿐이며, 단위 모듈러 인버터의 수는 필요로 하는 출력 전압의 크기에 따라 결정될 수 있다.
이하 설명할 단위 인버터(110, 210, 310, 410), 제1 단위 스위치(120, 220, 320, 420), 단위 출력 변압기(130, 230, 330, 430), 제1 단위 콘택터(S1', S2', S3', S4'), 제2 단위 콘택터, 제3 단위 콘택터는 전력 변환 장치를 구성하는 각각의 단위 모듈러 인버터에 구비되어 있으며, 이하에서는 연결 구조상 최상위 단위 모듈러 인버터를 기준으로 설명한다.
단위 인버터(110)와 단위 출력 변압기(130)는 제1 실시 예를 설명하는 과정에서 설명하였으므로, 중복되는 설명은 생략한다.
제1 단위 스위치(120)는 단위 인버터(110)와 단위 출력 변압기(130) 사이에 설치되어 있으며 스위칭 제어기로부터의 제어신호에 따라 스위칭 동작이 결정된다.
제1 단위 콘택터(S4')는 단위 출력 변압기(130)의 1차측 부(-) 단자부와 단위 출력 변압기(130)의 2차측 정(+) 단자부 간의 접속을 결정하는 기능을 수행한다.
제2 단위 콘택터(S4)는 단위 출력 변압기(130)의 1차측 부(-) 단자부의 공통 접속을 결정하는 기능을 수행한다.
제3 단위 콘택터(S4-1)는 단위 출력 변압기(130)의 2차측 부(-) 단자부와 연결 구조상 인접하는 단위 모듈러 인버터(20)에 구비된 단위 출력 변압기(230)의 2차측 정(+) 단자부 간의 접속을 결정하는 기능을 수행한다.
예를 들어, 복수의 단위 모듈러 인버터(10, 20, 30, 40) 중에서 연결 구조상 최하위 단위 모듈러 인버터(40)에 구비된 단위 출력 변압기(430)의 2차측 단자부는 Y 결선되어 공통 접속되고, 복수의 단위 모듈러 인버터(10, 20, 30, 40) 중에서 최하위 단위 모듈러 인버터(40)를 제외한 나머지 단위 모듈러 인버터들(10, 20, 30)에 구비된 출력 변압기(130, 230, 330)의 2차측 단자부들은 최하위 단위 모듈러 인버터(40)에 구비된 출력 변압기(430)의 2차측 단자부와 직렬 접속되도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 복수의 단위 모듈러 인버터(10, 20, 30, 40) 중에서 연결 구조상 최하위 단위 모듈러 인버터(40)에는 최하위 단위 모듈러 인버터(40)에 구비된 출력 변압기(430)의 2차측 부(-) 단자부의 공통 접속을 결정하는 제4 단위 콘택터(S1-1)가 구비되도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 제1 단위 콘택터(S1', S2', S3', S4')는 제2 단위 콘택터(S1, S2, S3, S4), 제3 단위 콘택터(S2-1, S3-1, S4-1), 제4 단위 콘택터(S1-1)와 반대로 스위칭되도록 구성될 수 있다.
이하에서는 구체적인 스위칭 동작의 예들을 설명한다.
하나의 예로, 단위 모듈러 인버터(10)의 출력전압주파수가 설정치 이하인 경우, 단위 출력 변압기(130)의 1차측 부(-) 단자부와 단위 출력 변압기(130)의 2차측 정(+) 단자부는 제1 단위 콘택터(S4')를 통하여 접속되어, 복수의 단위 모듈러 인버터(10, 20, 30, 40)를 구성하는 출력 변압기들(130, 230, 330, 430)의 출력단자부들이 병렬 접속되도록 구성될 수 있다. 보다 구체적으로, 복수의 단위 모듈러 인버터(10, 20, 30, 40)를 구성하는 출력 변압기들(130, 230, 330, 430)의 부(-) 출력단자부들이 병렬 접속됨으로써, 복수의 단위 모듈러 인버터(10, 20, 30, 40)를 구성하는 출력 변압기들(130, 230, 330, 430)의 출력단자부들이 병렬 접속되도록 구성될 수 있다.
이와 같이 구성하면, 출력 변압기(130, 230, 330, 430) 1차측과 2차측 권선의 리액턴스(reactance)를 활용함으로써 인덕턴스(inductance)를 증가시켜 부하인 선형 전동기로 공급되는 전류 리플(ripple)을 감소시킬 수 있다.
다른 예로, 단위 모듈러 인버터(10)의 출력전압주파수가 설정치를 초과하는 경우, 단위 출력 변압기(130)의 1차측 부(-) 단자부는 제2 단위 콘택터(S4)를 통해 공통 접속되고, 단위 출력 변압기(130)의 2차측 부(-) 단자부와 연결 구조상 인접하는 단위 모듈러 인버터(20)에 구비된 단위 출력 변압기(230)의 2차측 정(+) 단자부는 제3 단위 콘택터(S4-1)를 통해 공통 접속되고, 복수의 단위 모듈러 인버터(10, 20, 30, 40) 중에서 연결 구조상 최하위 단위 모듈러 인버터(40)에 구비된 단위 출력 변압기(430)의 2차측 부(-) 단자부는 제4 단위 콘택터(S1-1)를 통해 공통 접속됨으로써, 복수의 단위 모듈러 인버터(10, 20, 30, 40)를 구성하는 단위 출력 변압기들(130, 230, 330, 430)의 출력단자부들이 직렬 접속되도록 구성될 수 있다. 보다 구체적으로, 복수의 단위 모듈러 인버터(10, 20, 30, 40)를 구성하는 단위 출력 변압기들(130, 230, 330, 430)의 정(+) 출력단자부들이 직렬 접속됨으로써, 복수의 단위 모듈러 인버터(10, 20, 30, 40)를 구성하는 단위 출력 변압기들(130, 230, 330, 430)의 출력단자부들이 직렬 접속되어 고전압을 출력하도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 출력전압주파수의 설정치는 사용자에 의해 조절 가능하도록 구성될 수 있으며, 출력전압주파수의 설정치는 55Hz일 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
이와 같이, 본 발명의 제2 실시 예에 따르면, 여러 대의 모듈러 인버터의 출력과 변압기를 콘택터를 통해 접속하여, 인버터의 출력전압 주파수가 55Hz 이하인 경우 변압기 1차측 권선과 변압기 2차측 권선이 직렬 접속되어 리액터 역할을 수행할 수 있도록 구성하고, 주파수가 55Hz를 초과하는 경우 변압기 1차측은 Y결선을 변압기 2차측은 직렬연결을 할 수 있도록 콘택터로 회로를 구할 수 있다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 인버터에 구비된 전력 스위칭 디바이스 자체의 정격 전압레벨보다 높은 출력전압을 발생시키기 위해서, 여러 대의 인버터를 선형전동기와 같은 부하로 공급하는 전류의 주파수에 따라 능동적으로 직·병렬 회로를 구성할 수 있도록 하는 고전압 대전류 전력 변환 장치가 제공되는 효과가 있다.
또한, 한 대의 인버터와 한 대의 출력변압기로 구성된 모듈러 인버터를 이용하여 전력 변환 장치를 구성함으로써, 회로구성이 간단하고, 모드 변환시 출력전압의 선형성도 높으며, 출력전압주파수가 특정값 이하인 경우 모듈러 인버터에 구비된 출력변압기 1차측과 2차측 권선의 리액턴스를 활용함으로써 종래와 비교하여 인덕턴스를 4배 증가시켜 선형전동기와 같은 부하에 공급하는 전류의 리플을 효과적으로 감소시킬 수 있는 고전압 대전류 전력 변환 장치가 제공되는 효과가 있다.
1: 제1 모듈러 인버터
2: 제2 모듈러 인버터
5: 제5 콘택터
6: 제6 콘택터
11: 제1 인버터
13: 제1 출력 변압기
14: 제1 콘택터
15: 제2 콘택터
21: 제2 인버터
23: 제2 출력 변압기
24: 제3 콘택터
25: 제4 콘택터
10, 20, 30, 40: 단위 모듈러 인버터
110, 210, 310, 410: 단위 인버터
120, 220, 320, 420: 제1 단위 스위치
130, 230, 330, 430: 단위 출력 변압기
S1', S2', S3', S4': 제1 단위 콘택터
S1, S2, S3, S4: 제2 단위 콘택터
S2-1, S3-1, S4-1: 제3 단위 콘택터
S1-1: 제4 단위 콘택터

Claims (20)

  1. 제1 인버터, 상기 제1 인버터에 연결된 제1 출력 변압기, 상기 제1 출력 변압기의 1차측 3상 부(-) 단자부와 상기 제1 출력 변압기의 2차측 3상 정(+) 단자부 간의 접속을 결정하는 제1 콘택터 및 상기 제1 출력 변압기의 1차측 3상 부(-) 단자부의 공통 접속을 결정하는 제2 콘택터를 포함하는 제1 모듈러 인버터;
    제2 인버터, 상기 제2 인버터에 연결된 제2 출력 변압기, 상기 제2 출력 변압기의 1차측 3상 부(-) 단자부와 상기 제2 출력 변압기의 2차측 3상 정(+) 단자부 간의 접속을 결정하는 제3 콘택터, 상기 제2 출력 변압기의 1차측 3상 부(-) 단자부의 공통 접속을 결정하는 제4 콘택터를 포함하는 제2 모듈러 인버터;
    상기 제1 출력 변압기의 2차측 3상 부(-) 단자부와 상기 제2 출력 변압기의 2차측 3상 정(+) 단자부 간의 접속을 결정하는 제5 콘택터; 및
    상기 제2 출력 변압기의 2차측 3상 부(-) 단자부의 공통 접속을 결정하는 제6 콘택터를 포함하는, 전력 변환 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 콘택터 및 상기 제3 콘택터는 동일하게 스위칭되고,
    상기 제2 콘택터, 상기 제4 콘택터, 상기 제5 콘택터 및 상기 제6 콘택터는 상기 제1 콘택터 및 상기 제3 콘택터와 반대로 스위칭되는 것을 특징으로 하는, 전력 변환 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 모듈러 인버터 및 상기 제2 모듈러 인버터의 출력전압주파수가 설정치 이하인 경우,
    상기 제1 출력 변압기의 1차측 3상 부(-) 단자부와 제1 출력 변압기의 2차측 3상 정(+) 단자부는 상기 제1 콘택터를 통하여 접속되고, 상기 제2 출력 변압기의 1차측 3상 부(-) 단자부와 상기 제2 출력 변압기의 2차측 3상 정(+) 단자부는 상기 제3 콘택터를 통해 접속되어, 상기 제1 모듈러 인버터와 상기 제2 모듈러 인버터의 출력단자부는 병렬 접속되는 것을 특징으로 하는, 전력 변환 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 출력 변압기 1차측과 2차측 권선의 리액턴스(reactance)를 활용함으로써 인덕턴스(inductance)를 증가시켜 부하인 선형 전동기로 공급되는 전류 리플(ripple)을 감소시키는 것을 특징으로 하는, 전력 변환 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제1 모듈러 인버터의 3상 부(-) 출력단자부와 상기 제2 모듈러 인버터의 3상 부(-) 출력단자부가 병렬 접속됨으로써, 상기 제1 모듈러 인버터와 상기 제2 모듈러 인버터의 출력단자부가 병렬 접속되는 것을 특징으로 하는, 전력 변환 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 모듈러 인버터 및 상기 제2 모듈러 인버터의 출력전압주파수가 설정치를 초과하는 경우,
    상기 제1 출력 변압기의 1차측 3상 부(-) 단자부는 상기 제2 콘택터를 통해 공통 접속되고, 상기 제2 출력 변압기의 1차측 3상 부(-) 단자부는 상기 제4 콘택터를 통해 공통 접속되어, 상기 제1 모듈러 인버터와 상기 제2 모듈러 인버터의 출력단자부는 직렬 접속되는 것을 특징으로 하는, 전력 변환 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 모듈러 인버터의 3상 정(+) 출력단자부와 상기 제2 모듈러 인버터의 3상 정(+) 출력단자부가 직렬 접속됨으로써, 상기 제1 모듈러 인버터와 상기 제2 모듈러 인버터의 출력단자부가 직렬 접속되는 것을 특징으로 하는, 전력 변환 장치.
  8. 제3항 내지 제7 중에서 어느 한 항에 있어서,
    상기 출력전압주파수의 설정치는 조절 가능한 것을 특징으로 하는, 전력 변환 장치.
  9. 제3항 내지 제7항 중에서 어느 한 항에 있어서,
    상기 출력전압주파수의 설정치는 55Hz인 것을 특징으로 하는, 전력 변환 장치.
  10. 복수의 단위 모듈러 인버터를 포함하는 전력 변환 장치로서,
    상기 단위 모듈러 인버터는,
    인버터;
    상기 인버터에 연결되는 출력 변압기;
    상기 인버터와 상기 출력 변압기 사이에 설치된 제1 단위 스위치;
    상기 출력 변압기의 1차측 부(-) 단자부와 상기 출력 변압기의 2차측 정(+) 단자부 간의 접속을 결정하는 제1 단위 콘택터;
    상기 출력 변압기의 1차측 부(-) 단자부의 공통 접속을 결정하는 제2 단위 콘택터;
    상기 출력 변압기의 2차측 부(-) 단자부와 연결 구조상 인접하는 단위 모듈러 인버터에 구비된 출력 변압기의 2차측 정(+) 단자부 간의 접속을 결정하는 제3 단위 콘택터를 포함하는, 전력 변환 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 복수의 단위 모듈러 인버터 중에서 연결 구조상 최하위 단위 모듈러 인버터에 구비된 출력 변압기의 2차측 단자부는 Y 결선되어 공통 접속되고,
    상기 복수의 단위 모듈러 인버터 중에서 상기 최하위 단위 모듈러 인버터를 제외한 나머지 단위 모듈러 인버터들에 구비된 출력 변압기의 2차측 단자부들은 상기 최하위 단위 모듈러 인버터에 구비된 출력 변압기의 2차측 단자부와 직렬 접속되는 것을 특징으로 하는, 전력 변환 장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 복수의 단위 모듈러 인버터 중에서 연결 구조상 최하위 단위 모듈러 인버터에는 상기 최하위 단위 모듈러 인버터에 구비된 출력 변압기의 2차측 부(-) 단자부의 공통 접속을 결정하는 제4 단위 콘택터가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는, 전력 변환 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1 단위 콘택터는 상기 제2 내지 제4 단위 콘택터와 반대로 스위칭되는 것을 특징으로 하는, 전력 변환 장치.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 단위 모듈러 인버터의 출력전압주파수가 설정치 이하인 경우,
    상기 출력 변압기의 1차측 부(-) 단자부와 상기 출력 변압기의 2차측 정(+) 단자부는 상기 제1 단위 콘택터를 통하여 접속되어, 상기 복수의 단위 모듈러 인버터를 구성하는 출력 변압기들의 출력단자부들이 병렬 접속되는 것을 특징으로 하는, 전력 변환 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 출력 변압기 1차측과 2차측 권선의 리액턴스(reactance)를 활용함으로써 인덕턴스(inductance)를 증가시켜 부하인 선형 전동기로 공급되는 전류 리플(ripple)을 감소시키는 것을 특징으로 하는, 전력 변환 장치.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 복수의 단위 모듈러 인버터를 구성하는 출력 변압기들의 부(-) 출력단자부들이 병렬 접속됨으로써, 상기 복수의 단위 모듈러 인버터를 구성하는 출력 변압기들의 출력단자부들이 병렬 접속되는 것을 특징으로 하는, 전력 변환 장치.
  17. 제12항에 있어서,
    상기 단위 모듈러 인버터의 출력전압주파수가 설정치를 초과하는 경우,
    상기 출력 변압기의 1차측 부(-) 단자부는 상기 제2 단위 콘택터를 통해 공통 접속되고, 상기 출력 변압기의 2차측 부(-) 단자부와 연결 구조상 인접하는 단위 모듈러 인버터에 구비된 출력 변압기의 2차측 정(+) 단자부는 상기 제3 단위 콘택터를 통해 공통 접속되고, 상기 복수의 단위 모듈러 인버터 중에서 연결 구조상 최하위 단위 모듈러 인버터에 구비된 출력 변압기의 2차측 부(-) 단자부는 상기 제4 단위 콘택터를 통해 공통 접속됨으로써, 상기 복수의 단위 모듈러 인버터를 구성하는 출력 변압기들의 출력단자부들이 직렬 접속되는 것을 특징으로 하는, 전력 변환 장치.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 복수의 단위 모듈러 인버터를 구성하는 출력 변압기들의 정(+) 출력단자부들이 직렬 접속됨으로써, 상기 복수의 단위 모듈러 인버터를 구성하는 출력 변압기들의 출력단자부들이 직렬 접속되는 것을 특징으로 하는, 전력 변환 장치.
  19. 제14항 내지 제18항 중에서 어느 한 항에 있어서,
    상기 출력전압주파수의 설정치는 조절 가능한 것을 특징으로 하는, 전력 변환 장치.
  20. 제14항 내지 제18항 중에서 어느 한 항에 있어서,
    상기 출력전압주파수의 설정치는 55Hz인 것을 특징으로 하는, 전력 변환 장치.
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