KR102388546B1 - 선형전동기 구동용 출력리액터리스 모듈러 인버터 회로 - Google Patents

선형전동기 구동용 출력리액터리스 모듈러 인버터 회로 Download PDF

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Abstract

본 발명은 지상 1차 선형전동기를 구동하기 위한 모듈러 인버터에서 부피가 크고 고가인 출력리액터를 제거하여 최적화된 인버터 회로를 설계할 수 있도록 하는 선형전동기 구동용 출력리액터리스 모듈러 인버터 회로에 관한 것이다.
이를 구현하기 위한 본 발명의 선형전동기 구동용 출력리액터리스 모듈러 인버터 회로는, 제1 인버터, 상기 제1 인버터의 출력측에 연결된 제1 출력 변압기, 상기 제1 출력 변압기의 1차측 중간 탭에 연결되어 제2 출력변압기의 2차측 코일 일단에 연결되는 제1 콘택터, 상기 제1 출력 변압기의 2차측 코일에 일단이 연결되고 다른 일단이 제2 출력변압기의 2차측 코일 일단에 연결되는 제2 콘택터를 포함하는 제1 모듈러 인버터; 제2 인버터, 상기 제2 인버터의 출력측에 연결된 제2 출력 변압기; 를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

선형전동기 구동용 출력리액터리스 모듈러 인버터 회로{OUTPUT REACTORLESS MODULAR INVERTER CIRCUIT FOR DRIVING LINEAR MOTOR}
본 발명은 선형전동기 구동용 출력리액터리스 모듈러 인버터 회로에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 지상 1차 선형전동기를 구동하기 위한 모듈러 인버터에서 부피가 크고 고가인 출력리액터를 제거하여 최적화된 인버터 회로를 설계할 수 있도록 하는 선형전동기 구동용 출력리액터리스 모듈러 인버터 회로에 관한 것이다.
최근, 산업 기기나 가전 분야, 자동차나 전기차 등의 교통 분야의 동력용으로 전동기가 응용되고 있으며, 자기부상열차는 교류 전동기 중에서 선형전동기를 사용하여 견인된다. 선형전동기는 전동기의 선형운동을 위해 회전형 전동기를 축방향으로 잘라서 평면적으로 펼쳐 놓은 구조를 가지는데, 동작 원리는 일반 회전형 전동기와 다를 바 없으며, 전력을 공급하는 고정자를 가동부로 하는 차상 1차 방식과, 고정자를 고정부로 하는 지상 1차 방식으로 구분된다. 지상 1차 방식을 선형동기전동기(LSM) 방식이라고도 하는데, 레일 전체에 전자석 코일을 설치하게 된다.
상기와 같은 선형전동기를 구동하기 위해서는 직류 전원 또는 교류 전원이 필요하다. 직류 전원을 입력 전원으로 하는 전동기 구동용 전력 변환 장치에 있어서는 직류 전원으로부터 공급되는 직류 전압을 입력으로 하고, 인버터 회로에 의해 임의 주파수의 교류 전압을 생성하여 선형전동기를 구동한다.
도 1은 종래 선형전동기의 구동을 위한 멀티레벨 인버터 회로의 일례를 도시한 것으로, 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 함과 아울러, 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 장치에 대한 기술이 개시되어 있다.
그러나 상기한 종래 고전압 대전류 전력 변환 장치는 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 포함하는 구성으로 이루어져, 다수의 콘택터들을 사용함에 따라 회로가 복잡한 문제점이 있다.
도 2는 종래 선형전동기 구동을 위한 멀티레벨 인버터 회로의 다른 실시예를 나타내는 도면으로, 각 상(U, V, W)의 인버터 회로(10)는 하단의 제1 인버터(10A)와 상단의 제2 인버터(10B)로 구성된다. 상기 제1 인버터(10A)는 스위칭소자(U11)와 스위칭소자(U13)가 직렬로 연결되고, 스위칭소자(U12)와 스위칭소자(U14)가 직렬로 연결되어 스위칭소자(U11~U14)는 전체적으로 H-브릿지 형태로 연결되어 있다.
그리고 스위칭소자(U11)와 스위칭소자(U13) 간의 연결점에 제1 콘택터(K11)를 통해 제1 출력리액터(RT1)의 일단이 연결되고, 스위칭소자(U12)와 스위칭소자(U14) 간의 연결점에 제2 콘택터(K12)를 통해 제2 출력리액터(RT2)의 일단이 연결되며, 상기 제1 출력리액터(RT1)의 다른 일단과 상기 제2 출력리액터(RT2)의 다른 일단은 함께 제1 출력변압기(T1)의 2차측과 제2 출력변압기(T2)의 2차측 사이에 연결되어 있다.
또한, 스위칭소자(U11)와 스위칭소자(U13)가 제1 콘택터(K11)에 연결되는 연결점에 제3 콘택터(K21)를 통해 제1 출력변압기(T1)의 1차코일의 일단이 연결되고, 스위칭소자(U12)와 스위칭소자(U14)가 제2 콘택터(K12)에 연결되는 연결점 에는 제1 출력변압기(T1)의 1차코일의 다른 일단이 연결되며, 상기 제1 출력리액터(RT1)의 다른 일단과 상기 제2 출력리액터(RT2)의 다른 일단이 함께 연결되어 있는 제2 출력변압기(T2)의 2차측과 제1 출력변압기(T1)의 2차측 사이에 제4 콘택터(K22)가 연결되어 있다.
상기 제1 콘택터(K11)와 제2 콘택터(K12)는 동시에 접속 또는 개방되도록 연동되는 것이고, 상기 제3 콘택터(K21)와 제4 콘택터(K22)도 동시에 접속 또는 개방되도록 연동되는 것이다.
이와 같이 도 2에 도시된 멀티레벨 인버터 회로는 고전압/대전력 전력변환장치 실현을 위하여 제1, 제2 출력변압기(T1, T2)와 출력리액터(RT1, RT2)를 이용하여 구성된 것으로, 자기부상차량이 저속으로 운전되는 경우 제1 인버터(10A)의 제1 콘택터(K11)와 제2 콘택터(K12)를 접속상태로 구동하여 출력리액터(RT1, RT2)와 제2 출력변압기(T2)를 통해 선형전동기측으로 구동전류를 공급하는 한편, 자기부상차량이 고속으로 운전되는 경우 제1 인버터(10A)의 제1 콘택터(K11)와 제2 콘택터(K12)를 오프상태로 구동하는 한편 제3 콘택터(K21)와 제4 콘택터(K22)를 접속상태로 구동하여 제1 출력변압기(T1)와 제2 출력변압기(T2)를 통해 선형전동기측으로 구동전류를 공급하도록 이루어져 있다.
그런데 이와 같은 인버터 회로(10)에는 대전류가 흐르기 때문에 회로를 구성하는 구성품들인 출력변압기(T1, T2), 출력리액터(RT1, RT2), 콘택터(K11, K12, K21, K22) 등은 그 규모가 매우 크고, 비용도 고가로써, 시스템 최적화 설계에 장애가 된다는 문제점이 있었다.
공개특허공보 제10-2018-0021275호(2018년 03월 02일 공개)
본 발명은 상기한 사정을 감안하여 발명한 것으로, 다단의 멀티레벨 인버터 중 하단 인버터의 출력변압기 1차측 코일에 중간 탭을 내어 3권선 변압기로 구성한 후 상기 중간 탭에 콘택터를 매개로 상단 인버터의 출력변압기 2차측 코일 일단을 연결하여, 부하인 선형전동기를 저속으로 운전할 때 상기 하단 인버터의 출력변압기 1차측 코일이 출력리액터 역할을 수행하도록 함으로써, 규모가 크고 고가인 전용의 출력리액터를 설치하지 않아도 되어 모듈러 인버터의 시스템을 소형화, 간소화하고 제작비를 절감할 수 있도록 된 선형전동기 구동용 출력리액터리스 모듈러 인버터 회로를 제공함을 기술적 과제로 한다.
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 선형전동기 구동용 출력리액터리스 모듈러 인버터 회로는, 제1 인버터, 상기 제1 인버터의 출력측에 연결된 제1 출력 변압기, 상기 제1 출력 변압기의 1차측 중간 탭에 연결되어 제2 출력변압기의 2차측 코일 일단에 연결되는 제1 콘택터, 상기 제1 출력 변압기의 2차측 코일에 일단이 연결되고 다른 일단이 제2 출력변압기의 2차측 코일 일단에 연결되는 제2 콘택터를 포함하는 제1 모듈러 인버터; 제2 인버터, 상기 제2 인버터의 출력측에 연결된 제2 출력 변압기; 를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기 제1 콘택터와 제2 콘택터는 반대로 스위칭 되는 것을 특징으로 한다.
상기 제2 출력변압기를 통해 연결되는 선형전동기를 저속으로 구동하는 경우 제1 콘택터를 접속상태로 구동하여 제1 인버터의 출력이 제1 출력변압기의 1차측 코일과 제1 콘택터를 통해 선형전동기로 공급되도록 하여 제1 출력변압기의 1차측 코일이 출력리액터 역할을 수행하도록 하는 한편, 상기 선형전동기를 고속으로 구동하는 경우 제2 콘택터를 접속상태로 구동하도록 이루어져 제1 인버터의 출력이 제1 출력변압기의 2차측 코일로 유도되어 제2 출력변압기의 2차측 유도전압과 합쳐져 선형전동기로 공급되도록 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기 제1 인버터와 제2 인버터는 IGBT가 H-브릿지 형태의 풀브릿지로 이루어진 것을 특징으로 한다.
종래 모듈러 인버터는 출력측에 연결되는 선형전동기를 저속 모드로 구동할 때 풀브릿지 인버터 각 상의 전압이 충돌되는 것을 방지하기 위해서 전용의 출력리액터를 사용하였으나, 본 발명에 따른 모듈러 인버터는 1 스텝 모듈러 인버터를 구성하는 인버터의 3권선 출력변압기 1차측 권선을 이용하여 출력 리액터 기능을 구현할 수 있어, 고가이며 부피가 큰 전용의 출력리액터를 사용하지 않음으로써 시스템 비용절감 및 소형화 구축이 가능한 장점이 있다.
도 1은 종래 멀티레벨 인버터 회로의 일예시도,
도 2는 종래 멀티레벨 인버터 회로의 다른 예시도,
도 3은 본 발명에 따른 선형전동기 구동용 출력리액터리스 모듈러 인버터 회로의 일예시도.
도 4는 본 발명에 따른 모듈러 인버터 회로를 저속운전시 1 스텝 인버터인 하단의 제1 인버터의 동작을 설명하는 도면,
도 5는 본 발명에 따른 모듈러 인버터 회로를 고속운전시 1 스텝 인버터인 하단의 제1 인버터의 동작을 설명하는 도면.
본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것으로, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략되고, 동일 기능을 수행하는 구성요소에 대하여는 동일 참조부호를 부여하여 설명된다.
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.
도 3은 본 발명에 따른 선형전동기 구동용 출력리액터리스 모듈러 인버터 회로의 일실시예를 나타내는 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 선형전동기로 전원을 공급하는 각 상의 인버터 회로(10)는 하단의 제1 인버터(10A)와 상단의 제2 인버터(10B)로 구성된다. 도시된 예에서 각 상(U, V, W)의 인버터 회로(10)는 하단의 제1 인버터(10A)와 상단의 제2 인버터(10B)가 2 스텝으로 구성된 예를 도시하고 있으나, 3 스텝 또는 그 이상 스텝의 인버터로 구성될 수도 있다.
상기 인버터 회로(10)를 구성하고 있는 제1 인버터(10A)는 스위칭소자(U11)와 스위칭소자(U13)가 직렬로 연결되고, 스위칭소자(U12)와 스위칭소자(U14)가 직렬로 연결되어, 스위칭소자(U11~U14)는 전체적으로 H-브릿지 형태로 연결되어 있다. 여기서 스위칭소자(U11~U14)는 IGBT로 구성될 수 있다.
스위칭소자(U11)와 스위칭소자(U13) 간의 연결점과 스위칭소자(U12)와 스위칭소자(U14) 간의 연결점 사이에 제1 출력변압기(T11)의 1차측 코일이 연결되어 있다.
상기 제1 출력변압기(T11)의 1차측 코일은 중간에 중간 탭이 설치되어 전체적으로 3권선 변압기로 구성되어 있는데, 상기 중간 탭에 제1 콘택터(K1)의 일단이 연결되고, 상기 제1 콘택터(K1)의 다른 일단에는 상단의 제2 인버터(10B)의 출력측에 연결되는 제2 출력변압기(T21)의 2차측 코일의 일단이 연결된다. 상기 제2 출력변압기(T21)의 2차측 코일의 다른 일단에는 선형전동기가 연결되어, 상기 인버터 회로(10)의 출력전원이 공급될 수 있도록 이루어져 있다.
한편 상기 제1 출력변압기(T11)의 2차측 코일의 일단에는 제2 콘택터(K2)의 일단이 연결되고, 상기 제2 콘택터(K2)의 다른 일단에는 상기 제1 콘택터(K1)의 다른 일단과 함께 제2 출력변압기(T21)의 2차측 코일의 일단이 연결되어 있다.
상기 제1 콘택터(K1)와 상기 제2 콘택터(K2)는 서로 반대로 동작되도록 이루어져 있다. 이에 따라, 제1 인버터(10A)에서 출력되는 전류는 상기 제1 콘택터(K1)와 상기 제2 콘택터(K2)의 접속상태에 따라 제1 출력변압기(T11)의 1차측 코일과 상기 제1 콘택터(K1)를 거쳐 제2 출력변압기(T21)의 2차측 코일을 통해 후단의 선형전동기로 공급되거나, 제1 출력변압기(T11)의 2차측 코일로 유도된 후 상기 제2 콘택터(K2)를 거쳐 제2 출력변압기(T21)의 2차측 코일을 통해 후단의 선형전동기로 공급되도록 이루어져 있다.
이때, 제1 콘택터(K1)가 접속상태로 구동되어 제1 인버터(10A)에서 출력되는 전류가 제1 출력변압기(T11)의 1차측 코일을 통해 상기 제1 콘택터(K1)로 흐를 때 상기 제1 출력변압기(T11)의 1차측 코일은 기존의 출력리액터 역할을 수행하게 됨으로써, 본 발명에서는 종래와 같이 전용의 출력리액터를 설치하지 않아도 되는 것이다.
도 4는 저속운전시 1 스텝 인버터인 하단의 제1 인버터(10A)의 동작을 설명하는 도면으로, 도 4에 도시된 바와 같이 저속 운전시 단상 풀브릿지 인버터인 제1 인버터(10A)의 각 상의 출력전압 위상을 동상으로 구동하고, 제1 콘택터(K1)를 단락시키는 반면 제2 콘택터(K2)를 개방하도록 구동하면, 제1 출력변압기(T11)의 1차측 중간 탭을 통해 상기 제1 콘택터(K1)로 전류가 흐르게 되어 상 전압을 발생시키게 되며, 제1 출력변압기(T11)의 1차측 코일이 기존 출력리액터 역할을 수행하며 후단에 설치되는 선형전동기의 전기자에 전류를 공급하게 된다. 이때 제1 인버터(10A)만 구동되므로 각 상(U, V, W)의 풀 브릿지 인버터들은 공동 접지를 갖게 된다.
도 5는 고속운전시 1 스텝 인버터인 하단의 제1 인버터(10A)의 동작을 설명하는 도면으로, 도 5에 도시된 바와 같이 고속 운전시 단상 풀브릿지 인버터인 제1 인버터(10A)의 각 상의 출력전압 위상을 역상으로 구동하고, 제1 콘택터(K1)를 개방하는 반면 제2 콘택터(K2)를 단락시키도록 구동하면, 제1 출력변압기(T11)의 2차측 코일에 상전압인 기전력이 발생되어 제2 출력변압기(T21)를 통해 후단에 설치되는 선형전동기의 전기자에 전류를 공급하게 된다. 이와 같이 고속운전시에는 1 스텝 인버터인 하단의 제1 인버터(10A)와 이에 직렬로 연결되어 있는 2 스텝 인버터인 상단의 제2 인버터(10B)가 동시에 구동되어 높은 전압을 발생시킬 수 있게 된다.
10 -- 인버터 회로, 10A -- 제1 인버터,
10B -- 제2 인버터, U11~U14 -- 스위칭소자,
U21~U24 -- 스위칭소자, T11 -- 제1 출력변압기,
T21 -- 제2 출력변압기, K1, -- 제1 콘택터,
K2 -- 제2 콘택터, RT1 -- 제1 출력리액터,
RT2 -- 제2 출력리액터.

Claims (4)

  1. 제1 인버터, 상기 제1 인버터의 출력측에 연결된 제1 출력 변압기, 상기 제1 출력 변압기의 1차측 중간 탭에 연결되어 제2 출력변압기의 2차측 코일 일단에 연결되는 제1 콘택터, 상기 제1 출력 변압기의 2차측 코일에 일단이 연결되고 다른 일단이 제2 출력변압기의 2차측 코일 일단에 연결되는 제2 콘택터를 포함하는 제1 모듈러 인버터;
    제2 인버터, 상기 제2 인버터의 출력측에 연결된 제2 출력 변압기; 를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 선형전동기 구동용 출력리액터리스 모듈러 인버터 회로.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 콘택터와 제2 콘택터는 상기 제1 콘택터가 접속될 때 제2 콘택터가 개방되는 한편 상기 제1 콘택터가 개방될 때 제2 콘택터카 접속되어 서로 반대로 스위칭 되는 것을 특징으로 하는 선형전동기 구동용 출력리액터리스 모듈러 인버터 회로.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제2 출력변압기를 통해 연결되는 선형전동기를 저속으로 구동하는 경우 제1 콘택터를 접속상태로 구동하여 제1 인버터의 출력이 제1 출력변압기의 1차측 코일과 제1 콘택터를 통해 선형전동기로 공급되도록 하여 제1 출력변압기의 1차측 코일이 출력리액터 역할을 수행하도록 하는 한편, 상기 선형전동기를 고속으로 구동하는 경우 제2 콘택터를 접속상태로 구동하도록 이루어져 제1 인버터의 출력이 제1 출력변압기의 2차측 코일로 유도되어 제2 출력변압기의 2차측 유도전압과 합쳐져 선형전동기로 공급되도록 이루어진 것을 특징으로 하는 선형전동기 구동용 출력리액터리스 모듈러 인버터 회로.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 인버터와 제2 인버터는 IGBT가 H-브릿지 형태의 풀브릿지로 이루어진 것을 특징으로 하는 선형전동기 구동용 출력리액터리스 모듈러 인버터 회로.
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