KR102174455B1 - 순환전류 저감을 위한 고주파 절연형 전력변환장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 실시예에 따른 순환전류 저감을 위한 고주파 절연형 전력변환장치는, 상용전원을 인가받아 모터의 기동에 필요한 모터구동전원을 공급하기 위한 인버터; 상기 모터와 연결되어 상기 모터가 발전기로 동작시 상기 모터로부터 발생하는 전기를 회생에너지로 상기 상용전원 측으로 전달하기 위한 회생컨버터; 상기 인버터 및 상기 회생컨버터의 동작을 제어하기 위한 제어부;를 포함하고, 상기 회생컨버터는 1차측이 상기 모터 측으로 연결되고, 2차측이 상기 상용전원 측으로 연결되는 변압기를 포함하여 구성되는 것에 그 특징이 있다.
본 발명에 따르면, 절연형 컨버터로 회생제동장치를 구현함으로써 순환전류가 흐를수 있는 가능성을 원천적으로 차단하고 안정적인 회생이 가능한 순환전류 저감을 위한 고주파 절연형 전력변환장치를 제공할 수 있다.

Description

순환전류 저감을 위한 고주파 절연형 전력변환장치{Isolated high frequency type power conversion device for reducing a circulating current}

본 발명은 절연형 전력변환장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 회생제동을 위한 전력변환장치를 고주파 절연형 타입으로 구현함으로써 회생제동시 발생하는 순환전류를 줄일 수 있는 순환전류 저감을 위한 고주파 절연형 전력변환장치에 관한 것이다.

승강기의 회생제동장치는 승강기가 균형추보다 무거운 상태로 하강(또는 반대의 경우)할 때 모터는 순간적으로 발전기로 동작하게 되며, 이때 생산되는 전력을 다른 회로에서 전원으로 활용하는 방식으로 이를 통해 전력소비를 절감할 수 있게 된다.

회생에너지의 회수 및 재활용을 위한 종래의 방법은 도 1에 표시한 바와 같이 회생전력을 회생 컨버터를 통해 전원 측으로 회수하는 방식이 일반적이다.

도 1에서 볼 수 있는 바와 같이 종래의 회생제동장치의 경우, 상용전원(10)이 인버터(100)를 통해 승강기의 모터(20)에 인가되고, 인버터(100)의 제어동작에 의해 모터(20)의 제어가 이루어지게 되며, 승강기의 운전상태에 따라 모터(20)가 발전기로 동작하게 되면 회생컨버터(200)에 의해 회생된 전원이 상용전원(10)으로 보내지는 구조로 되어 있다.

그런데, 종래의 제품들에 적용한 회생 컨버터의 경우, 비절연 방식을 적용하는 것이 일반적이며, 이러한 방식의 경우, 비절연형에서 필연적으로 나타나는 순환전류를 방지할 수 없다는 단점이 있다.

또한, 종래의 회생에너지 회수 방식은 구동 인버터와 회생 컨버터를 병렬로 설치하여 사용하는 방식으로, 회생전력 외에 순환전류에 의한 전류량의 증가분에 의해 통상 20%의 무효전력이 상승하는 것이 일반적이며, 이로 인한 회생전력장치의 용량증가가 필요하게 되고, 순환전류에 의한 인버터측에 유입되는 전류의 THD가 증가하게 되어 역률 저하를 수반하게 된다는 문제점이 있다.

국내등록특허 제10-0862288호

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로 본 발명에 따르면, 절연형 컨버터로 회생제동장치를 구현함으로써 순환전류가 흐를수 있는 가능성을 원천적으로 차단하고 안정적인 회생이 가능한 순환전류 저감을 위한 고주파 절연형 전력변환장치가 제공된다.

본 발명의 실시예에 따른 순환전류 저감을 위한 고주파 절연형 전력변환장치는, 상용전원을 인가받아 모터의 기동에 필요한 모터구동전원을 공급하기 위한 인버터; 상기 모터와 연결되어 상기 모터가 발전기로 동작시 상기 모터로부터 발생하는 전기를 회생에너지로 상기 상용전원 측으로 전달하기 위한 회생컨버터; 상기 인버터 및 상기 회생컨버터의 동작을 제어하기 위한 제어부;를 포함하고, 상기 회생컨버터는 1차측이 상기 모터 측으로 연결되고, 2차측이 상기 상용전원 측으로 연결되는 변압기를 포함하여 구성되는 것에 그 특징이 있다.

여기서, 특히 상기 회생컨버터는: 상기 모터 측으로부터 인가되는 DC전원을 AC전원으로 변환하기 위한 제1변환회로; 상기 제1변환회로에서 입력되는 AC전원을 1차측 전압으로 하는 변압기; 상기 변압기의 2차 측에 연결되어 AC전원을 DC전원으로 변환하는 정류회로; 상기 정류회로를 통해 전달되는 전원을 평활하기 위한 DC평활회로; 상기 DC평활회로의 전원을 스위칭하여 AC전원으로 변환하기 위한 제2변환회로;를 포함하여 구성되는 점에 그 특징이 있다.

여기서, 특히 상기 제1변환회로는 상기 모터로부터 발생되는 전력을 DC링크 전원으로 인가받기 위한 DC링크 전원회로를 더 포함하는 점에 그 특징이 있다.

여기서, 특히 상기 DC링크 전원회로는 인덕터로 구현되는 점에 그 특징이 있다.

여기서, 특히 상기 DC평활회로는 커패시터로 구현되는 점에 그 특징이 있다.

여기서, 특히 상기 제2변환회로는 출력단에 리액터를 더 포함하는 점에 그 특징이 있다.

본 발명에 따르면, 절연형 컨버터로 회생제동장치를 구현함으로써 순환전류가 흐를수 있는 가능성을 원천적으로 차단하고 안정적인 회생이 가능한 순환전류 저감을 위한 고주파 절연형 전력변환장치를 제공할 수 있다.

도 1은 종래의 절연형 회생제동장치의 회로도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 구성을 나타낸 회로도이다.
도 3은 도 1의 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 4는 도 2의 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.

이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참고로 그 구성 및 작용을 설명하기로 한다.

도면들 중 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 참조번호 및 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

또한 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자들은 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있으며 본 발명의 범위가 다음에 기술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다.

도 1은 종래의 절연형 회생제동장치의 회로도이다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 구성을 나타낸 회로도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 순환전류 저감을 위한 고주파 절연형 전력변환장치는, 인버터(100) 및 회생컨버터(300)를 포함하여 구성된다.

상기 인버터(100)는 상용전원(10)을 인가받아 모터(20)의 기동에 필요한 모터구동 전원을 공급한다.

상기 인버터(100)는 AC전압을 DC전압으로 변환하는 컨버터부(110), 상기 컨버터부(110)의 DC전압을 평활하는 DC링크(120) 및 상기 DC링크를 통해 평활된 DC전압을 AC전압으로 변환하는 인버터부(130)로 구성된다.

일 실시 예로, 상기 인버터(100)는 상용전원(10)으로 부터 필터링 되어 출력되는 전원을 스위칭 신호에 따라 선택적으로 스위칭 하여 모터(20)측으로 PWM교류전원을 출력시킨다.

일 실시 예로, 상기 컨버터부(110)는 3상 AC입력이 시행될 경우, 6개의 다이오드를 조합해 AC전원을 전파 정류하게 되고, 이 때 다이오드가 도통해 입력 전류 파형이 단상 전원과 같이 왜곡파 전류로 변화한다. 상기 DC링크(120)는 정류된 직류를 보다 직선적인 직류 형태로 만들기 위해 사용된다.

상기 회생컨버터(300)는 상기 모터(20)와 연결되어 상기 모터(20)가 발전기로 동작시 상기 모터(20)로부터 발생하는 전기를 회생에너지로 상기 상용전원(10) 측으로 전달한다.

일 실시 예로, 상기 모터(20)가 승강기와 연결된 경우, 승강기가 무게추보다 무거운 상태로 하강하거나, 승강기가 무게추보다 가벼운 상태로 상승하는 경우 발전기로써 동작하여 에너지를 생산한다. 이 때, 생산된 에너지를 회생컨버터(300)를 통해 상용전원(20)으로 출력함으로써 에너지 소비를 절감할 수 있다.

본 발명인 전력변환장치는 제어부(미도시)를 포함할 수 있다. 상기 제어부는 상기 인버터(100) 및 회생컨버터(300)의 동작을 제어한다. 보다 구체적으로, 상기 인버터(100) 및 회생컨버터(300) 내의 스위칭 소자를 최적 제어하여 모터(20)에서 발생한 회생에너지를 상용전원(10)측으로 보낸다.

상기 회생컨버터(300)는, 제1변환회로(310), 변압기(320), 정류회로(330), DC평활회로(340) 및 제2변환회로(350)를 포함하여 구성된다.

상기 제1변환회로(310)는 상기 모터(20) 측으로부터 인가되는 DC전원을 AC전원으로 변환한다.

상기 변압기(320)는 1차측이 제1변환회로(310)와 연결되고, 2차측이 정류회로(330)와 연결된다.

상기 DC평활회로(340)는 상기 정류회로(330)를 통해 전달되는 전원을 평활한다. 일 실시 예로, 상기 DC평활회로(340)는 커패시터로 구현될 수 있다.

상기 제2변환회로(350)는 상기 DC평활회로(340)의 전원을 스위칭하여 AC전원으로 변환한다.

상기 회생컨버터(300)는 변압기(320)를 포함함으로써, 절연형으로 사용되며 결과적으로 순환전류를 저감시켜 회생컨버터(300)의 전류 용량을 절감할 수 있다.

순환전류는 2대 이상의 전력변환장치에서는 각각 시스템을 제어하는데 있어 센서의 측정 오차, 제어기의 이득 값 오차, 선로 임피던스의 차이, 반도체 스위칭 소자의 특성 차이 등의 파라미터 불일치로 인하여 제어하는 전압에 차이가 발생한다.이에 따라 병렬 구조 시스템에서는 순환전류가 필연적으로 발생하게 된다. 순환전류는 무효전력 성분과 유사하여 시스템 전체의 손실과 직결되며, 연계되는 기기의 손상이나 스위칭 소자의 파괴 등과 같은 여러가지 악영향을 미칠 수 있다.

상기 제1변환회로(310)는 DC링크 전원회로(311)를 더 포함할 수 있다. 상기 DC링크 전원회로(311)는 상기 제1변환회로(310) 입력단에 위치하여 상기 모터(20)로 부터 발생되는 전력을 DC링크 전원으로 인가받는다.

일 실시 예로, 상기 DC링크 전원회로(311)는 인덕터로 구현될 수 있다.

상기 제2변환회로(350)는 출력단에 리액터(351)를 더 포함할 수 있다.

도 3은 도 1의 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.

도 4는 도 2의 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.

도 1 및 도 2의 시뮬레이션 조건은 모터용량 7.5kW, 입력전원 3상 380V, 전부하 회생 시 이며, 도 3 및 도 4의 결과파형은 위에서부터 회생컨버터 전류, 상용전원 전류, 순환전류의 순이다.

도 1및 도 3을 참조하면, 비절연형 회생 전력변환장치의 경우, 점선 표시의 회생전력 흐름과 같이 회생전력이 모터(20)에서 발생되어 상용전원(10)으로 흐른다. 인버터(100)와 회생컨버터(200)는 AC입력 전원과 DC 전압 연결에 따른 병렬구조로 되어있다. 전력회생시 회생컨버터(200)는 DC단으로 입력되는 에너지를 고주파 PWM 스위칭으로 출력단의 리액터(251)에 에너지 저장 및 방출에 의해서 상용전원(10)으로 전달 동작을 한다. 상기 동작에서 스위치 온(on)동작에 의해서 저장된 리액터(251)의 에너지가 오프(off)시 병렬 구조로 되어 있는 인버터(100)의 컨버터부(110)로 순환 및 상용전원(10)으로 전달된다. 상기 컨버터부(110)로의 순환전류 발생으로 모터(20)로부터 유입되는 에너지 정격보다 큰 전류가 흘러 회생컨버터(200)의 용량 증가가 필요하게 된다. 따라서, 순환전류에 의한 상용전원(10)에 전달되는 전류 외형률(THD)가 높아지고 고주파 PWM 전류가 인버터의 컨버터부(110)로 유입되어 상기 인버터(100)에 발열 및 노이즈 문제가 발생된다.

도 3(c)에서 확인할 수 있듯이, 전력 회생시 순환전류가 발생되는 것을 확인 할 수 있다.

본 발명인 도 2 및 시뮬레이션 결과인 도 4를 참조하면, 절연형 회생컨버터(300)를 적용하여 모터(20)에서 회생되는 에너지는 모터(20)와 회생컨버터(300)에만 전달되고 회생컨버터(300) 내 변압기(320)를 통해 절연되어 전달된 에너지는 제2변환회로(350)을 통해 상용전원(10)으로 전달된다.

도 4(c)에서 확인할 수 있듯이, 순환전류가 발생되지 않음을 확인할 수 있다.

도 2와 같이, 절연(변압기(320)사용)을 통해 순환전류를 없앰으로 종래 도 1의 회생컨버터(200)를 사용함으로 인한 문제점인 정격용량 상승, 인버터의 고주파 PWM 전류의 영향 및 전류 외형률 개선 등을 달성할 수 있다.

본 발명의 권리범위는 상술한 실시 예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시 예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.

10 상용전원 20 모터
100 인버터 110 컨버터부
120 DC링크 130 인버터부
200 회생컨버터 251 리액터
300 회생컨버터 310 제1변환회로
311 인덕터 320 변압기
330 정류회로 340 DC평활회로
350 제2변환회로 351 리액터

Claims (6)

1. 상용전원을 인가받아 모터의 기동에 필요한 모터구동전원을 공급하기 위한 인버터;
   상기 모터와 연결되어 상기 모터가 발전기로 동작시 상기 모터로부터 발생하는 전기를 회생에너지로 상기 상용전원 측으로 전달하기 위한 회생컨버터;
   상기 인버터 및 상기 회생컨버터의 동작을 제어하기 위한 제어부;를 포함하고,
   상기 회생컨버터는 1차측이 상기 모터 측으로 연결되고, 2차측이 상기 상용전원 측으로 연결되는 변압기를 포함하며,
   상기 회생컨버터는:
   상기 모터 측으로부터 인가되는 DC전원을 AC전원으로 변환하기 위한 제1변환회로;
   상기 제1변환회로에서 입력되는 AC전원을 1차측 전압으로 하는 변압기;
   상기 변압기의 2차 측에 연결되어 AC전원을 DC전원으로 변환하는 정류회로;
   상기 정류회로를 통해 전달되는 전원을 평활하기 위한 DC평활회로;
   상기 DC평활회로의 전원을 스위칭하여 AC전원으로 변환하기 위한 제2변환회로; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 순환전류 저감을 위한 고주파 절연형 전력변환장치.
   
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,
   상기 제1변환회로는 상기 모터로부터 발생되는 전력을 DC링크 전원으로 인가받기 위한 DC링크 전원회로를 더 포함하는 순환전류 저감을 위한 고주파 절연형 전력변환장치.
   
4. 제 3항에 있어서,
   상기 DC링크 전원회로는 인덕터로 구현되는 것을 특징으로 하는 순환전류 저감을 위한 고주파 절연형 전력변환장치.
   
5. 제 1항에 있어서,
   상기 DC평활회로는 커패시터로 구현되는 것을 특징으로 하는 순환전류 저감을 위한 고주파 절연형 전력변환장치.
   
6. 제 1항에 있어서,
   상기 제2변환회로는 출력단에 리액터를 더 포함하는 순환전류 저감을 위한 고주파 절연형 전력변환장치.
   
   

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