KR101988493B1 - 전력변환기의 공진 주파수 추종 운전 방법 및 장치 - Google Patents

전력변환기의 공진 주파수 추종 운전 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

전력변환기에서 효율적인 공진점 추종 운전을 하기 위해 부하 측으로 공급되는 전압과 전류의 위상차를 검출하고, 상기 검출된 위상차가 최소 위상차 허용값보다 작은지를 체크하고, 상기 검출된 위상차가 상기 최소 위상차 허용값보다 작은 시간이 소정 시간 이상 지속되면 커패시터 연결 필요 플래그를 세트하고, 및 상기 커패시터 연결 필요 플래그의 세트값에 기초하여 상기 전력변환기의 정지 후 공진 커패시터와 제 1 커패시터를 병렬로 연결한다.

Description

전력변환기의 공진 주파수 추종 운전 방법 및 장치{Method and apparatus for resonance point following operation of a power conversion device}
본 개시는 전력 변환 시스템의 부하단 측 임피던스 변동이 있을 때 전력변환 시스템 측에서 커패시터를 적응적으로 연결하여 공진점 추종 운동을 원활하게 하기 위한 방법과 장치에 관한 것에 관련된다.
본 개시는 한국 산업기술평가관리원의 60kW급 에너지저장 시스템을 위한 지능형 에너지 전력반도체IC 개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다. (과제관리번호: 10048822, 과제명: 60kW급 에너지저장 시스템을 위한 지능형 에너지 전력반도체IC 개발)
전력변환기에서 인덕턴스와 커패시턴스의 공진에 의한 공진 운전을 수행할 때 운전 주파수는 커패시티브(capacitive) 부하 운전 영역에 머물면서도 최대한 공진점에 가깝도록 운전해야 바람직하다.
만일 공진점 좌방면인 인덕티브(inductive) 운전 영역으로 운전 주파수가 넘어가게 되면 스위칭 소자는 소자에 전류가 많이 흐르는 동안 하드 스위칭을 하게 되고, 스위칭 소자에 연결된 버스(bus)의 스트레이 인덕턴스로 인한 스파이크 전압이 발생한다. 이런 스파이크 전압은 스위칭 소자에 소손을 일으킬 수 있는 위험요소가 된다.
부하 측에서는 부하의 종류나 운전 조건에 따라 부하 임피던스가 변하게 되는데, 이러한 부하 임피던스의 변화를 고려하여 전력변환기 측에서는 공진점 추종 운전을 적응적으로 할 수 있도록 하는 공진 추종 운전 방법이 필요하다.
공진 추종 운전을 하는 전력변환기에서 부하 측의 임피던스 변화에 따라 공진점에 근접한 주파수로 운전하면서도 전력변화기 시스템이 안정적으로 운전될 수 있도록 제어하는 방법과 장치가 필요하다.
상기의 과제를 해결하기 위해 공진 추종 운전을 하는 전력변환기에서 부하 측으로 공급되는 전압과 전류의 위상차를 검출하는 단계, 상기 검출된 위상차가 최소 위상차 허용값보다 작은지를 체크하는 단계; 상기 검출된 위상차가 상기 최소 위상차 허용값보다 작은 시간이 소정 시간 이상 지속되면 커패시터 연결 필요 플래그를 세트하는 단계; 및 상기 커패시터 연결 필요 플래그의 세트값에 기초하여 상기 전력변환기의 정지 후 공진 커패시터와 제 1 커패시터를 병렬로 연결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력변환기의 공진 주파수 추종 운전 방법이 제공된다.
바람직하게는, 상기 제 1 커패시터를 연결하는 단계는 상기 제 1 커패시터와 직렬로 연결된 제 1 스위치 소자의 개폐를 제어하여 상기 제 1 커패시터를 연결하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 검출된 위상차가 최소 위상차 허용값보다 작은지를 체크하는 단계는 상기 검출된 위상차가 상기 최소 위상차 허용값보다 작으면 상기 전력변환기의 출력 전력을 감소시키는 파워다운 모드로 동작하도록 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제 1 커패시터를 병렬로 연결하고 난 후, 상기 커패시터 연결 필요 플래그를 리셋하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기의 또 다른 과제를 해결하기 위한 공진 추종 운전을 하는 전력변환기 장치는 부하 측으로 공급되는 전압과 전류의 위상차를 검출하는 위상 검출부, 상기 위상 검출부에 의해 검출된 위상차가 소정의 최소 위상차 허용값보다 작은지를 체크하는 컨트롤러, 공진 커패시터와 병렬로 연결된 제 1 커패시터; 및 상기 제 1 커패시터와 병렬로 연결된 제1 스위치 소자를 포함하되, 상기 컨트롤러는 상기 체크 결과 상기 검출된 위상차가 상기 소정의 최소 위상차 허용값보다 작은 시간이 소정 시간 이상 지속되면 커패시터 연결 필요 플래그를 세트하고, 상기 커패시터 연결 필요 플래그의 세트값에 기초하여 운전 정지 후 상기 제 1 커패시터를 상기 공진 커패시터와 병렬로 연결하기 위해 상기 제1 스위치 소자를 턴온하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 컨트롤러는 상기 위상 검출부에 의해 검출된 위상차가 소정의 최소 위상차 허용값보다 작은 경우 상기 전력 변환기 출력 전력을 감소시키는 파워다운 모드로 동작하도록 하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 컨트롤러는 상기 제1 스위치 소자를 턴온하고 난 후 상기 커패시터 연결 필요 플래그를 리셋하는 것을 특징으로 한다.
상기의 또 다른 과제를 해결하기 위한 공진 추종 운전을 하는 전력변환기 장치는 부하 측으로 공급되는 전압과 전류의 위상차를 검출하는 위상 검출부, 상기 위상 검출부에 의해 검출된 위상차가 소정의 최대 위상차 허용값보다 큰지를 체크하는 컨트롤러, 공진 커패시터와 병렬로 연결된 제 1 커패시터; 및 상기 제 1 커패시터와 병렬로 연결된 제1 스위치 소자를 포함하되, 상기 컨트롤러는 상기 체크 결과 상기 검출된 위상차가 상기 소정의 최대 위상차 허용값보다 큰 시간이 소정 시간 이상 지속되면 커패시터 연결 해제 필요 플래그를 세트하고, 상기 커패시터 연결 해제 필요 플래그의 세트값에 기초하여 운전 정지 후 상기 공진 커패시터와 병렬로 연결된 상기 제 1 커패시터의 연결을 해제하기 위해 상기 제1 스위치 소자를 턴 오프하는 것을 특징으로 한다.
상기의 과제 해결 수단에 의한 전력 변환기를 통해 부하 임피던스가 운전 조건이나 부하의 특성에 따라 달라지더라도 최대한 공진점에 가까우면서도 커패시티브 영역에서 운전이 되도록 공진 커패시터와 병렬로 연결된 커패시터를 적응적으로 턴온하거나 턴오프하는 제어를 하고, 이를 통해 전력 변환기가 안정적인 공진점 추종 운전이 가능하도록 한다.
도 1은 본 개시의 일실시예에 따른 전력변환 시스템을 나타낸다.
도 2는 본 개시의 일실시예에 따른 공진점 추종 운전을 설명하기 위한 그래프이다.
도 3은 본 개시의 일실시예에 따라 공진점 추종 운전을 설명하기 위한 주파수-전압 이득곡선이다.
도 4는 본 개시의 일실시예에 따라 공진부와 병렬로 연결된 커패시터와 직렬로 연결된 스위치 개폐를 조절하여 공진점 추종 운전을 하도록 하는 방법의 흐름도이다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 실시예들을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함된다.
산업계에서 고주파 고전압(high frequency high voltage) 전력변환 응용 분야는 점점 다양해지고 있다. 유도 가열기, 오존 발생기, 플라즈마 발생기 등은 100kHz~220kHz 의 고주파수, 0 ~ 5,000V 의 고전압 출력이 필요한 전력 변환 응용 분야이다. 이러한 고주파 고전압 전력 변환 응용기기에 대한 입력 전력 레벨은 기기마다 조금씩 다르긴 하지만 유효전력 5kW 정도의 입력 전력 레벨이 필요한 경우가 많다. 산업계에서는 부하의 종류 및 환경에 따라 임피던스가 큰 폭으로 변하더라도 안정적인 운전을 할 수 있는 고주파 고전압 전력 변환 응용기기에 대한 요구가 높다.
고주파 고전압 전력 변환 응용기기의 부하측에는 유효전력과 무효전력이 합쳐진 피상전력이 전달되는데, 대략 무효 전력량 40kVar~80kVar가 부하 측으로 흘러갈 수 있고, 따라서, 유효전력 5kW를 고려할 때 피상 전력은 45~85kVA 정도까지 부하 측으로 공급될 수 있다.
고주파 고전력 전력 변환기에서 부하측에 전력을 변환하여 전달하기 위한 인버터 단(혹은 컨버터)에는 고주파 스위칭을 위해서 FET를 스위칭 소자로 사용한다. 본 명세서에서 스위칭 소자는 스위치 소자라는 용어와 가역적으로 대체되어 사용될 수 있다.
위 실시예에서는 스위칭 소자가 FET이지만, 고주파 스위칭을 위한 어떤 스위치 기기도 가능하다. 예를 들어 FET 대신 IGBT, GTO, 고속 트랜지스터와 같은 고주파 스위칭 소자도 대체되어 사용 가능하다. 본 명세서 전반에 걸쳐 전력변환기와 전력 변환 시스템은 서로 같은 의미로 대체되어 사용된다.
도 1은 본 개시의 일실시예에 따른 전력변환 시스템(100)을 나타낸다.
도 1에 따른 전력변환 시스템(100)의 입력전원(110)은 3상 전원을 사용하는 것으로 가정한다. 주로 3상 220V 가 산업계에서 일반적인 입력전원임을 감안한 것이다. 도 1에 따른 실시예에서는 3상 전원을 사용하지만, 이는 실시예에 불과할 뿐 본 개시에 따른 공진점 추종 운전 방법을 구현하는 장치는 단상 전원을 사용하여도 무방하다.
입력전원(110)으로부터의 3상 전원은 정류부(120)에서 정류되어 DC 링크(130) 커패시터에 의해 직류전원으로 확립된다. 정류부(120)는 입력전원이 3상인 경우 보통 6개의 다이오드(121, 122, 123, 124, 125, 126)로 구성된다. 입력전원이 단상인 경우는 물론 4개의 다이오드로 입력전원을 정류하는 것이 일반적이다.
DC 링크(130) 상에 확립된 DC 전압은 스위칭 소자들(141, 142, 143, 144)로 이루어지는 인버터부(140)에 의해 원하는 고주파 고전압 출력으로 변환된다. 출력으로 연결되는 지점에 있는 커패시터(145)는 출력의 DC 성분을 제거한다.
인버터부(140)의 고속 스위칭 소자들(141, 142, 143, 144)은 고속 스위칭이 가능하면서 내압이 높은 반도체 소자를 사용해야 하는데 주로 FET 소자를 이용한다. 물론 응용에 따라서는 IGBT나 GTO도 가능하다. 그 외 고속 스위칭이 가능한 반도체 소자 어떤 것을 사용해도 본 개시의 일실시예에 따른 전력 변환기를 구현하는데 문제가 없다.
보통 전력변환 시스템(100)에서는 DC 링크 전압(130)을 입력하는 SMPS(180, 스위칭 모드 파워 서플라이)를 통해 컨트롤러(190)에 전원을 공급한다. 컨트롤러는 전력 변환 시스템(100)의 공진 추종 운전을 제어하고 인버터부(140)의 스위칭 소자들(141, 142, 143, 144)의 게이트 신호 출력을 제어한다. 공진 추종 운전을 제어하는 컨트롤러(190)와 별개로 인버터부(140)의 스위칭 소자들(141, 142, 143, 144)의 게이트 신호 출력을 제어하는 제 2의 컨트롤러는 사용자의 선택에 따라 독립적으로 구비될 수 있다.
출력은 트랜스포머(150)에 의해 변압되고 절연되어 공진부(160)를 거쳐 부하(170) 측으로 전달된다. 입력전원(110)이 220V 인 경우 DC 링크에 의해 확립되는 전압은 보통 380V 이지만 트랜스포머(150)에 의해 부하 측에 전달되는 전압의 크기는 조절될 수 있다. 트랜스포머(150) 출력 단의 공진회로는 보통 인덕터(164)와 커패시터(162)를 포함한다. 인덕터와 커패시터 간 공진에 의해 본 개시의 일실시예에 따른 전력 변환기는 공진 추종 운전을 하게 된다. 공진 주파수는 다음과 같이 계산된다.
Figure 112017066851042-pat00001
(수식 1)
공진 주파수는 공진부(160)의 인덕터(164)에 의한 임피던스와 커패시터(162)에 의한 임피던스가 같아지는 조건에서의 주파수값이다.
본 개시의 일실시예에 따른 전력 변환 시스템(100)은 스위칭 소자들(141, 142, 143, 144)의 고속 스위칭을 통해 유효전력을 부하(170) 측에 공급하고 트랜스포머(150) 출력단에 구비된 공진부(160)의 LC 탱크(인덕터(164, L)와 커패시터(162, C) 탱크)에서 공진을 통해 무효전력을 부하(170) 측에 공급한다.
위와 같은 전력 변환 시스템(100)에서 스위칭 소자들(141, 142, 143, 144)을 포함하는 인버터부(140) 스위칭을 통한 인버터 운전을 할 때 LC 공진점 추종 운전을 하는 것이 입력단에서 바라보았을 때 바람직한 운전 상태가 된다. 왜냐하면, 공진점에 가까운 운전일수록 역률이 제일 좋은 효율적인 운전이 되기 때문이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 공진점 추종 운전을 설명하기 위한 그래프이다.
도 2에 따른 일실시예에서는 공진 주파수가 대략 142KHz 정도에서 형성되고 있다. 그래프에서 공진점 기준으로 우측(우방면)은 커패시티브 운전 영역(201)이고 공진점 좌측(좌방면)은 인덕티브 운전 영역(203)이다. 위에서 설명한 바와 같이 전력 변환 시스템은 공진점 근처에서 운전이 이루어질수록 역률이 좋은 효율적인 운전이 되므로 되도록 공진점 근처에서 운전하는 것이 바람직하다.
그 중에서도 전력 변환 시스템 운전은 되도록 커패시티브 운전 영역(201) 에서 운전하는 것이 바람직한데, 그 이유는 다음과 같다. 전력 변환 시스템에 부하가 걸려서 공진점을 넘어 인덕티브 운전 영역(203) - 예를 들어 A 지점 - 에서 운전이 이루어지면 도 1의 인버터부(140)의 스위칭 소자들(141, 142, 143, 144) 스위칭 시 소자에 전류가 많이 흐르는 하드 스위칭이 이루어지게 된다. 이 때 전력 변환 시스템의 스위칭 소자와 연결된 전기 도통 경로인 버스(bus) 상의 스트레이 인덕턴스(Ls) 및 빠른 스위칭 주파수로 인해 스위칭 내압을 위협할 수 있는 상당히 높은 스파이크 전압(Vspike = Ls * di/dt)이 발생하게 된다. 시스템에 따라서는 스위칭 속도와 스트레인 인덕턴스(Ls)의 크기 및 스위칭 소자의 내압 레벨에 따라 스위칭 소자 소손도 발생할 수 있다.
반면에 전력 변환기를 커패시티브 운전 영역(201)에서 운전하되 공진점에서 상당히 먼 지점 - 예를 들어 B 지점 - 에서 운전하면 부하측에 공급되는 무효전력이 상대적으로 크게 증가하게 된다. 기존의 제품들은 이와 같이 피상전력이 큰 운전을 하는 경우 부하 측 트랜스포머나 리액터에서 발생하는 열을 식히기 위해 트랜스포머나 리액터를 기름에 담그는 조치를 취해야 한다.
이상을 고려할 때 전력 변환 시스템은 공진점에서 우측인 커패시티브 운전 영역(201)에서 운전을 하되 운전 주파수가 공진점에 가까울 수록 더욱 바람직한 소프트 스위칭 운전이 이루어짐을 알 수 있다. 따라서, 전력 변환 시스템 운전 주파주가 공진점 좌측인 인덕티브 운전 영역(203)으로 이동하지 않으면서 최대한 공진점에 가까운 커패시티브 운전 영역(201)에서 운전하도록 하여 유효 전력이 극대화되고(역률이 좋아지고) 그 결과 시스템의 효율이 극대화되도록 제어하는 것이 필요하다.
도 1에서 보는 바와 같은 전력 변환 시스템(100)에서 공진부(160)의 L, C 값이 고정되어 있으면 공진점에 가까우면서 커패시티브 운전 영역(201)에서 운전이 되도록 인버터부(140)를 제어할 수 있을 것이다. 하지만, 실제 응용에서 발생하는 문제는 부하(170) 측의 커패시턴스 성분이 공진 커패시터(162) 값에 영향을 준다는 것이다. 더불어 부하(170) 측의 임피던스 성분이 고정적이지 않고 상황에 따라 변동하는 경우 더욱 공진점 추종 운전이 어려울 수 있다.
도 1에서 부하(170)는 크기는 약간씩 다를 수 있으나 부하(170)에는 R(저항), L(인덕터), C(커패시터) 성분이 조금씩은 있게 마련이다. 예를 들면 부하의 일종으로 플라즈마 발생기의 경우 커패시터 성분이 있고 이 커패시터 성분은 운전 중 운전 조건에 따라 그 크기가 변하게 된다. 플라즈마 반응기 사이에 가스가 통과하거나 플라즈마 반응기 극판의 온도가 상승하는 경우 부하 측 커패시턴스 값의 변화가 일어나게 되고 부하 임피던스 변동을 일으킨다.
비단 플라즈마 발생기 뿐만 아니라 유도 발생기나 다른 부하의 경우에도 상황에 따라 부하 측 임피던스가 수시로 변하는 상황은 다반사로 발생한다. 이와 같이 부하 임피던스가 수시로 바뀌는 경우 애초에 사용자가 생각한 공진점 추종 운전이 제대로 되지 않을 수 있다.
만일 부하 임피던스가 증가하면 전력변환기는 출력을 높이기 위해 운전 주파수를 낮추어서 운전을 하게 되는데, 높아지는 출력에 맞추어 운전 주파수를 낮추다 보면 공진점을 넘어서는 영역인 인턱티브 영역으로 운전 영역이 이동할 수 있다. 따라서, 공진점 기준 운전 주파수가 좌방면으로 이동하여 결국 인덕티브 영역에서 전력변환기가 동작하는 것을 피하기 위해 시스템을 정지해야 할 수 밖에 없게 된다.
도 1을 다시 참조하면, 전력 변환 시스템(100)에서 위상 검출부(195)는 부하(170) 측으로 공급되는 전압 전류의 위상차를 검출한다. 보통 커패시티브 부하이면 전압은 전류에 비해 위상이 지연될 것이다. 전압과 전류의 위상차는 전압과 전류가 제로점을 통과하는 차이를 카운터로 계산해보면 알 수 있다. 보통 위상차를 검출하기 위한 카운터는 PLL(phase lock loop)을 사용한다.
위상 검출부(195)의 출력은 전압과 전류의 위상 자체일 수도 있고 전압과 전류의 위상차가 될 수도 있다. 컨트롤러(190)는 상기 위상 검출부(195)에 의해 검출된 위상차가 상기 부하(170) 측의 임피던스 변동으로 소정 범위를 벗어나는지 여부를 체크한다.
앞선 예에서와 같이 부하 커패시터(171)가 일정한 환경이나 운전 조건에서 커지게 되면 공진 커패시터(1610)와 더해져서 공진점이 이동하게 된다. 이 경우 공진 주파수는 작아지게 되고 원래 도 2의 C 영역에서 운전하던 전력 변환 시스템(100)은 C 영역을 벗어나 B 방향의 우측 커패시티브 영역(201)으로 벗어나게 된다. 즉, 전압은 전류보다 이전보다 더 지연되게 되고 이는 더 큰 위상차로 나타난다. 반대로 부하 임피던스는 특정 조건에서 부하 커패시터(171) 성분값이 작아지면 도 2의 C 영역에서 운전하던 전력 변환 시스템(100)의 운전 주파수는 점점 C 영역(210)의 좌방면으로 이동하게 되고 공진점에 가까워지게 된다. 다른 상황으로서, 부하(170)의 임피던스가 커지게 되면 전력 변환 시스템(100)의 출력을 높이기 위해 운전 주파수를 낮추면 되는데, 이 경우에 운전 주파수는 공진점에 가까이 접근할 수 있다.
사용자의 선택에 따라 공진점 기준 소정의 최소 위상차 허용값을 정하여 만일 위상 검출부(195)에서 검출되는 위상차가 최소 위상차 허용값보다 작아지면 전력 변환 시스템(100)은 출력을 낮추는 파워다운 모드에서 동작하도록 할 수 있다. 이 경우 운전 주파수는 높아질 것이므로 공진점 근처에서 우측으로 이동할 것이다. 만일 위상 검출부(195)에서 검출되는 위상차가 최소 위상차 허용값보다 작아지는 시간(duration)이 일정 시간 이상 지속되면 컨트롤러(190)는 다음 운전 시 공진점을 좌측으로 이동시키기 위해 공진 커패시터(1610)와 병렬로 커패시터 연결이 필요하다는 판단을 하게 된다. 즉, 커패시터 값을 증가시켜 공진점 주파수 값 자체를 낮출 필요가 있음을 판단하게 된다.
일실시예로서, 만일 위상 검출부(195)에서 검출되는 위상차가 최소 위상차 허용값보다 작아지는 시간(duration)이 일정 시간 이상 지속되면 컨트롤러(190)는 커패시터 연결 필요 플래그를 세트(flag = 1)하여 전력 변환기 시스템으로 하여금 도 1의 제 1 스위치(1611)를 턴온시켜 공진 커패시터(1610)와 병렬로 제 1 커패시터(1621)를 연결할 준비를 한다.
일실시예로서 전력 변환 시스템(100)은 전력 변환 시스템의 운전 중 혹은 운전이 정지된 후 커패시터 연결 필요 플래그를 점검하고 점검 결과 커패시터 연결 필요 플래그 값에 기초하여 전력 변환 시스템의 운전이 정지된 후 제 1 스위치(1611)를 턴온시켜 공진 커패시터(1610)와 병렬로 제 1 커패시터(1621)를 연결한다. 이제 공진 커패시터의 값이 전체적으로 증가했으므로, 공진 주파수값은 작아지고 따라서 공진점은 이전 운전 시에 비해 전압 이득 곡선에서 좌방면으로 이동하게 된다.
도 3은 본 개시의 일실시예에 따라 공진점 추종 운전을 설명하기 위한 주파수-전압 이득곡선이다.
도 3에 따르면 전력 변환 시스템(100)은 최초 310과 같은 전압 이득 곡선을 보이다가, 앞선 실시예에서와 같이 전력 변환 시스템(100)이 운전 정지 직전에 커패시터 연결 필요 플래그를 점검하고 운전 정지 후 커패시터 연결 필요 플래그 값에 기초하여 제 1 스위치(1611)를 턴온시켜 공진 커패시터(1610)와 병렬로 제 1 커패시터(1621)를 연결하게 되면, 전력 변환 시스템(100)이 재기동시 전압 이득 곡선은 320과 같은 전압 이득 곡선에 따른 운전을 하게 된다. 즉, 공진점이 좌측으로 이동하여 320과 같은 전압 이득 곡선 대비 150K~160KHz 영역에 대해서 좀더 안정적인 커패시티브 운전을 확보할 수 있다. 전력 변환 시스템(100)은 운전 정지 시 제 1 스위치(1611)를 턴온시켜 공진 커패시터(1610)와 병렬로 제 1 커패시터(1621)를 연결할 때 커패시터 연결 필요 플래그를 리셋(flag = 0)한다.
전력 변환 시스템(100)이 운전을 정지한 후에 공진 커패시터(1610)와 병렬로 연결된 커패시터를 연결하는 이유는 운전 중에 공진 커패시터(1610)와 병렬로 연결된 커패시터를 연결하게 되면 트립이 발생하여 시스템 운전 오류가 발생할 가능성이 있기 때문이다. 하지만, 본 개시에 따르면 트립을 방지하는 한도 내에서는 사용자의 선택에 따라 전력 변환 시스템(100)이 운전 중에 공진 커패시터(1610)와 병렬로 연결된 커패시터를 연결하는 것도 가능하다.
전압 이득 곡선이 320인 상태에서 전력 변환 시스템(100)이 운전되던 중 재차 검출된 위상차가 최소 위상차 허용값보다 작아지는 시간(duration)이 일정 시간 이상 지속되면 다시금 전력 변환 시스템(100)은 커패시터 연결 필요 플래그를 세트(flag = 1)하고, 컨트롤러(190)는 전력 변환 시스템(100) 정지 후 제 2 스위치(1612)를 턴온하여 제 2 커패시터(1622)를 공진 커패시터(1610)와 병렬로 연결한다. 컨트롤러(190)는 제 2 스위치(1612)를 턴온하면서, 혹은 턴온 한 후 커패시터 연결 필요 플래그를 리셋(flag = 0)한다.
기존 전압 이득 곡선이 320인 상태에서 전력 변환 시스템(100)이 운전하고 있었다면 이제 전력 변환 시스템(100)이 재기동하여 운전될 때에는 제 1, 2 커패시터(1621, 1622)가 공진 커패시터(1610)과 병렬로 연결되어 전압 이득 곡선이 330 상태에서 전력 변환 시스템(100)이 운전하게 될 것이다.
보통 최소 위상차 허용값은 5~15도에서 사용자의 설계 선택에 따라 선택할 수 있고, 검출된 위상차가 최소 위상차 허용값보다 작아지는 시간(duration)이 일정 시간 이상 지속되는 지를 체크하는 소정 시간은 1초~10초 정도로 사용자의 설계 선택에 따라 선택하면 된다. 물론 이는 일실시예일 뿐이고 최소 위상차 허용값과 소정 시간은 다양하게 선택될 수 있다.
반대로 위상 검출부(195)에서 검출하는 위상차가 최대 위상차 허용값보다 커지는 시간(duration)이 일정 시간 이상 지속되면 전력 변환 시스템(100)은 지나치게 무효전력이 많이 공급되는 (역률이 좋지 않은) 상황에서 운전 중이므로 기존 연결된 제 2 커패시터(1622) 연결을 해제하여 공진점을 우측으로 옮길 필요가 있다. 따라서, 컨트롤러는 커패시터 연결 해제 필요 플래그를 세트(flag' = 1)하고 전력 변환 시스템(100)이 정지한 후 제 2 스위치(1612)를 턴 오프하여 제 2 커패시터 연결을 해제한다. 그리고, 커패시터 연결 해제 필요 플래그를 리셋(flag' = 0)한다. 이제 전압 이득 곡선은 330 상태에서 320 상태로 옮겨갔을 것이고, 공진점을 여전히 더 우측으로 옮길 필요가 있을 경우에는 - 즉, 위상 검출부(195)에서 검출하는 위상차가 최대 위상차 허용값보다 커지는 시간(duration)이 또 일정 시간 이상 지속되면 마찬가지 방법으로 제 1 커패시터(1621) 연결을 해제한다. 앞서와 마찬가지로, 전력 변환 시스템(100) 운전 시에 제1, 2 커패시터 연결을 해제할 수도 있으나, 전체 시스템의 안전을 위해 되도록 운전 정지 시에 공진 커패시터와의 병렬로 연결되는 커패시터 연결을 해제하도록 한다.
최대 위상차 허용값은 사용자의 선택에 따라 소정의 값을 선택할 수 있으며 대략 40~60도 사이를 적절히 정하면 될 것이다.
도 4는 본 개시의 일실시예에 따라 공진부와 병렬로 연결된 커패시터와 직렬로 연결된 스위치 개폐를 조절하여 공진점 추종 운전을 하도록 하는 방법의 흐름도이다.
먼저 전력변환기위 위상 검출부(195)는 부하 측으로 공급되는 전압과 전류의 위상차를 검출한다(S410). 컨트롤러(190)는 검출된 위상차가 소정의 최소 위상차 허용값보다 작은지를 체크한다. (S420) 만일 검출된 위상차가 최소 위상차 허용값보다 작은 시간 기간(duration)이 소정 시간보다 크면(S430) 컨트롤러(190)는 공진 커패시터와 병렬로 커패시터 연결이 필요함을 판단하여 커패시터 연결 플래그를 세트(flag = 1)한다(S440). 그리고 전력변환기 운전을 정지한다(S450). 이제 컨트롤러(190)는 공진 커패시터와 병렬로 연결된 커패시터를 연결한다(S460). 그리고 컨트롤러(190)는 커패시터 연결 플래그를 리셋(flag = 0)(S470)하고 전력변환기 운전을 재개한다(S480). 전력변환기를 재기동하여 운전할 때는 전압 이득 곡선에 의한 공진점은 좌측으로 이동하여 좀더 안정적인 공진점 추종 운전이 가능하다.
위의 실시예에서는 전력변환기를 정지하는 시점에 공진 커패시터와 병렬로 연결된 커패시터를 연결하는 것으로 설명하였지만, 전력 변환 시스템의 필요나 조건이 만족되면, 검출된 위상차가 최소 위상차 허용값보다 작은 시간 기간(duration)이 소정 시간보다 크면 그 판단에 기초하여 운전 중 온라인으로 바로 공진 커패시터와 병렬로 연결된 커패시터를 연결하는 것도 가능하다.
이상에서와 같이 상세한 설명과 도면을 통해 본 발명의 실시예를 개시하였다. 용어들은 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이며, 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 명세서로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
110; 입력전원
120; 정류부
130; DC 링크
140; 인버터부
150; 트랜스포머
160; 공진부
170; 부하
180; SMPS
190; 컨트롤러
195; 위상 검출부
171; 부하 커패시터

Claims (8)

  1. 전력변환기에서 공지 주파수 추종 운전을 하기 위한 방법으로서,
    상기 전력변환기에서 부하 측으로 공급되는 전압과 전류의 위상차를 검출하는 단계;
    상기 검출된 위상차가 최소 위상차 허용값보다 작은지를 체크하는 단계;
    상기 검출된 위상차가 상기 최소 위상차 허용값보다 작은 시간이 소정 시간 이상 지속되면 공진 주파수 추종 운전을 위해 상기 전력변환기의 공진 주파수를 낮추기 위한 커패시터 연결 필요 플래그를 세트하는 단계; 및
    상기 커패시터 연결 필요 플래그의 세트값에 기초하여 상기 전력변환기의 정지 후 공진 커패시터와 제 1 커패시터를 병렬로 연결하여 상기 공진 주파수를 낮추는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력변환기의 공진 주파수 추종 운전 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제 1 커패시터를 연결하는 단계는 상기 제 1 커패시터와 직렬로 연결된 제 1 스위치 소자의 개폐를 제어하여 상기 제 1 커패시터를 연결하는 것을 특징으로 하는 전력변환기의 공진 주파수 추종 운전 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 검출된 위상차가 최소 위상차 허용값보다 작은지를 체크하는 단계는 상기 검출된 위상차가 상기 최소 위상차 허용값보다 작으면 상기 전력변환기의 출력 전력을 감소시키는 파워다운 모드로 동작하도록 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력변환기의 공진 주파수 추종 운전 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제 1 커패시터를 병렬로 연결하고 난 후, 상기 커패시터 연결 필요 플래그를 리셋하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력변환기의 공진 주파수 추종 운전 방법.
  5. 공진 주파수 추종 운전을 하기 위한 전력변환기로서,
    부하 측으로 공급되는 전압과 전류의 위상차를 검출하는 위상 검출부;
    상기 위상 검출부에 의해 검출된 위상차가 소정의 최소 위상차 허용값보다 작은지를 체크하는 컨트롤러;
    공진 커패시터와 병렬로 연결된 제 1 커패시터; 및
    상기 제 1 커패시터와 병렬로 연결된 제1 스위치 소자를 포함하되,
    상기 컨트롤러는 상기 체크 결과 상기 검출된 위상차가 상기 소정의 최소 위상차 허용값보다 작은 시간이 소정 시간 이상 지속되면 공진 주파수 추종 운전을 위해 상기 전력변환기의 공진 주파수를 낮추기 위해 커패시터 연결 필요 플래그를 세트하고, 상기 커패시터 연결 필요 플래그의 세트값에 기초하여 운전 정지 후 상기 제 1 커패시터를 상기 공진 커패시터와 병렬로 연결하기 위해 상기 제1 스위치 소자를 턴온하여 상기 공진 주파수를 낮추는 것을 특징으로 하는 전력변환기.
  6. 제5항에 있어서, 상기 컨트롤러는 상기 위상 검출부에 의해 검출된 위상차가 소정의 최소 위상차 허용값보다 작은 경우 상기 전력 변환기 출력 전력을 감소시키는 파워다운 모드로 동작하도록 하는 것을 특징으로 하는 전력변환기.
  7. 제5항에 있어서, 상기 컨트롤러는 상기 제1 스위치 소자를 턴온하고 난 후 상기 커패시터 연결 필요 플래그를 리셋하는 것을 특징으로 하는 전력변환기.
  8. 공진 주파수 추종 운전을 하기 위한 전력변환기로서,
    부하 측으로 공급되는 전압과 전류의 위상차를 검출하는 위상 검출부;
    상기 위상 검출부에 의해 검출된 위상차가 소정의 최대 위상차 허용값보다 큰지를 체크하는 컨트롤러;
    공진 커패시터와 병렬로 연결된 제 1 커패시터; 및
    상기 제 1 커패시터와 병렬로 연결된 제1 스위치 소자를 포함하되,
    상기 컨트롤러는 상기 체크 결과 상기 검출된 위상차가 상기 소정의 최대 위상차 허용값보다 큰 시간이 소정 시간 이상 지속되면 상기 전력변환기의 공진 주파수를 높이기 위해 커패시터 연결 해제 필요 플래그를 세트하고, 상기 커패시터 연결 해제 필요 플래그의 세트값에 기초하여 운전 정지 후 상기 공진 커패시터와 병렬로 연결된 상기 제 1 커패시터의 연결을 해제하기 위해 상기 제1 스위치 소자를 턴 오프하여 상기 공진 주파수를 높이는 것을 특징으로 하는 전력변환기.
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