KR19990023779A - 인버터 - Google Patents

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KR19990023779A
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페터 델러
오스빈 가우프
게르하르트 린호퍼
쟝-프랑소와 라보
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어네스트 클라인, 헬무트 카이저
아제아 브라운 보베리 악티엔게젤샤프트
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Abstract

병렬로 동작하고 그 출력전압이 합산수단을 통해 합산되는 복수의 인버터 브릿지 (B1, ..., B8) 를 구비하는 인버터 (15) 의 경우에 있어서, 상기 인버터 브릿지 (B1, ..., B8) 각각은 보조 제어전압, 즉 상호간에 일정한 위상차를 갖는 개별 인버터 브릿지 (B1, ..., B8) 의 보조 제어전압에 따른 펄스폭변조 (PDM) 로 구동되고 상기 합산수단 (19) 은 접지 접속 (24) 을 통해 접지되는 중심 탭 (23) 을 갖는데, 여기에서 스위치수단 (49) 이 상기 접지 접속 (24) 에 설치된다는 사실에 의해 공통모드 전류 왜곡의 효율적인 억제가 달성된다.

Description

인버터
본 발명은 전력전자 분야에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 동일한 DC 전압 중간회로 상에서 병렬로 동작하고 그 출력전압이 합산수단에 의해 합산되는 복수의 인버터 브릿지를 구비하는 인버터에 관한 것으로, 상기 인버터 브릿지 각각은 일정한 위상차를 갖는 개별 인버터 브릿지의 캐리어 신호에 따라 펄스폭변조에 의해 구동되며, 상기 합산수단은 접지접속을 통하여 접지된 중심 탭을 갖는다.
예컨대 50 Hz 3 상 전원시스템 및 단상 16 2/3 Hz 레일웨이 그리드 (railway grid) 사이에서처럼 다른 수의 위상 및/또는 AC 전압 주파수를 갖는 전기 전원시스템을 접속하기 위하여, 전력 반도체가 장착되고 DC 전압 중간회로를 갖는 변환기로서 종종 설계되는 레일웨이 전력 변환기 및 고체 결합을 점점 더 많이 이용하게 되었다. 도 1 에 따르면, 레일웨이 전력 변환기는 예컨대 3 상 전원시스템 (11) 으로부터 변압기 (12) 를 통하여 3 상 전류를 끌어내고 이것을 직류로 변환하는 (사이리스터 장착) 변환기 (13), 평활화 및/또는 버퍼 저장을 위한 DC 전압 중간회로 (14), 및 원하는 주파수에서 직류 전류를 교류 전류로 다시 변환하고 이것을 레일웨이 그리드 (16) 에 공급하는 인버터 (15) 를 구비한다.
인버터 (15) 에서, 병렬로 동작하고 전환가능한 밸브 (예컨대, GTO) 를 가지며 펄스폭 변조로 구동하고 극성이 교대로 바뀌는 지속시간 변조된 사각형파 펄스의 시퀀스에 의해 원하는 사인파 출력 전압을 근사하는 하나 이상의 인버터 브릿지를 일반적으로 사용하게 된다. 이러한 펄스폭 변조의 경우에 일반적으로 삼각파형 보조 제어전압이 이용된다. 구동에 관한 세부 사항은 예컨대 본 출원인으로부터의 발췌 인쇄 (No. 9608-1000-0) 고체 상태 100 MW 주파수 결합, 브레멘 (Bremen) 에 기재되어 있다. 복수의 인버터 브릿지가 병렬로 동작한다면, 출력 전압은 합산된다. 개별 인버터 브릿지를 위상 이동 방식으로 보조 제어전압을 통하여 구동함으로써 조파 용량 (harmonic content) 에 있어서의 감소가 달성된다.
인버터 (15) 구조의 예가 도 2 에 도시된다. 이러한 예의 인버터 (15) 는 병렬로 동작하고 입력이 병렬인 개별 커패시터 (C1, ..., C8) 를 가지며 DC 전압 중간회로 (14) 로부터 나오는 입력 라인 (17, 18) 에 접속된 8 개의 인버터 브릿지 (B1, ..., B8) 를 구비한다. 인버터 브릿지 (B1, ..., B8) 의 출력 전압을 합산하기 위하여 각각의 인버터 브릿지 (B1, ..., B8) 용의 1 차 권선 (P1, ..., P8) 및 2 차 권선 (S1, ..., S8) 를 구비하는 권선 쌍을 포함하는 변압기 (19) 가 제공된다. 인버터 브릿지 (B1, ..., B8) 의 출력은 대응하는 1 차 권선 (P1, ..., P8) 에 각각 접속되며, 2 차 권선 (S1, ..., S8) 은 직렬로 접속되어 있다. 더해진 출력 신호는 출력 라인 (20, 21) 상에서 이용가능하다. 조파를 억제하기 위하여, 변압기 (19) 에는 직렬로 접속되고 대응하는 필터 회로 (25) 에 의하여 감쇠되는 제 3 권선 (T1, ..., T8) 이 추가적으로 장착된다 (EP-B1-0 149 169 참조). 인버터 브릿지 (B1, ..., B8) 용으로 지속시간 변조되고 위상 이동된 펄스 트레인 (train) 이 도 3 에 도시된다. 변압기 (19) 에서의 개별 펄스 트레인의 합은 도 4 에서의 결과적인 합산 전압 (uBi) 을 생성한다.
어떤 레일웨이 그리드의 경우에는 필수적이지만, 인버터 (15) 의 변압기 (19) 가 저항 (22) (또는 저항 없이, 소위 하드 (hard) 형식) 을 통하여 접지 접속 (24) 에 의해 중심 탭 (23) 에서 접지된다면, 도 2 에 도시된 인버터 형태에 있어서의 문제점이 발생한다 (도 2 참조). 이러한 문제점은 도 5 내지 도 8 에 나타난 등가 회로도에 대하여 설명될 수도 있다. 전압원 변환기 (VSC : Voltage Source Converter) 로서 동작하는 인버터가 임피던스 (27, 28, 29) 로 구성된 회로를 통하여 대응하는 전류 (iBi) 를 구동시키는 전압 (uBi) 을 갖는 전압원 (26) 에 의해 원리적으로 기재될 수 있다 (도 5). z1및 z2값을 각각 갖는 임피던스 (27, 28) 는 변압기 (19) 를 나타내고, z3값을 갖는 임피던스 (29) 는 필터 회로 (25) 를 나타낸다. 레일웨이 그리드 (16) 는 임피던스 (30) (z4) 및 전압원 (31) 에 의한 등가 회로도로 설명될 수 있다.
변압기 (19) 의 중심 탭 (23) 에서의 (저항 (22) 을 통한) 접지의 결과로서, 도 5 로부터의 VSC 등가 회로도가 도 6 에 따른 등가 회로도로 변환될 수 있다. 전압원 (26) 은 이 경우에 부분 전압 (uBi,a, uBi,b) 을 갖는 두개의 전압원 (32, 33) 으로 분할되는데, 여기에서
이다.
변압기 (19) 의 임피던스 (27, 28) 는 도 6 에서 원래의 임피던스 값의 절반, 즉 z1/2 및 z2/2 를 갖는 각 경우에 임피던스 (34, 39) 및 임피던스 (35, 40) 으로 각각 분할된다. z3값을 갖는 임피던스 (29) 는 레일웨이 그리드 (16) 의 임피던스 (30) 및 전압원 (31) 이 마찬가지로 임피던스 (36, 41) (각 경우에 절반 값 z4을 가짐) 및 전압원 (42, 43) 으로 각각 분할된다. 변압기 (19) 의 중심 탭 (23) 을 통한 접지는 도 6 에서 RE값을 갖는 저항 (37) 에 의해 표현된다. RE,r값을 갖는 대응하는 저항 (38) 은 레일웨이 그리드 (16) 의 총 원격 접지 저항을 나타낸다.
모드 분해 개념에 따라, 도 6 의 등가 회로도는 두개의 중첩된 서브시스템, 즉 공통모드 시스템 및 차동모드 시스템으로 분할된다. 이러한 두개의 중첩된 시스템은 서로 분리되어 처리되고 결과적인 전류 및 전압이 분석의 끝에서 단순히 더해져서 실제의 물리량을 얻을 수 있다. VSC 의 상반부에 대한 공통모드 시스템에서의 등가 회로도가 도 7 에 도시된다. 이미 알려진 임피던스 (34, 35, 36) 이외에도, 상기 회로는 접지 저항 (37, 38) 의 각각 두배가 되는 저항 (45, 46) 을 포함한다. 전압원 (44) 은 상기 회로를 통하여 전류 (iBi,CM) 를 구동하는 전압 (uBi,CM) 을 출력한다. VSC 의 상반부에 대한 차동모드 시스템에서의 등가 회로도가 도 8 에 도시된다. 이미 알려진 임피던스 (34, 35, 36) 이외에도, 임피던스 (48) 가 여기에 더 존재하는데, 여기에서 임피던스는 임피던스 (29) 의 절반에 해당하고 필터 회로 (25) 의 특성을 갖는다. 전압원 (47) 은 상기 회로를 통하여 전류 (iBi,D) 를 구동시키는 전압 (uBi,D) 을 출력한다.
전압 및 전류에 대하여 다음의 관계가 성립한다.
접지 저항 (37, 38) 만을 통하여 다시 흐를 수 있는 공통모드 전류 (iBi,CM) 를 구동하기 때문에 공통모드 전압 (uBi,CM) 이 바람직하지 않다는 것은 도 5 내지 도 8 및 수학식 1 내지 5 로부터 매우 명백하다. 공통모드 전류 (iBi,CM) 의 레벨은 변압기 (19) 의 임피던스 (z1, z2) 에 의해 주로 제한된다. 공통모드 전류 (iBi,CM) 는 두개의 불이익한 효과를 갖는다.
- 국부 접지 저항 (22 또는 37) 및 원격 접지 저항 양측에 있어서의 상당한 손실을 초래한다. 실제 공장 (대략 50 MW) 의 시뮬레이션에 의해 도시된 바와 같이, 접지 저항 (22) (RE = 334 Ω 의 액면 저항) 에서의 손실은 대략 50 kW 에 달하며 따라서 용납할 수 없는 정도의 크기이다.
- 레일웨이 그리드 (예컨대 138 kV 그리드) 에서, 인접한 통신 장비에서의 간섭을 초래할 수 있다.
따라서, 본 발명의 한가지 목적은 접지 접속을 통하여 흐르는 전류가 손실없는 값으로 억제되거나 감쇠되는 신규한 VSC 인버터를 제공하는 것이다.
도입부분에서 언급한 형태의 인버터의 경우에, 이러한 목적은 접지 접속을 통하여 흐르는 동위상의 간섭 전류 및 상기 간섭 전류와 연관된 간섭 전압을 감쇠하거나 억제하기 위하여, 스위치 수단이 접지 접속에 설치된다는 사실에 의하여 달성된다. 접지 접속에 스위치 수단을 직접 설치함으로써 동위상의 간섭 전류가 정상적인 경우 (스위치 수단이 개방된 경우) 에 접지 접속을 통하여 흐르는 것을 방지할 수 있다. 단락 회로의 경우에는, 단락 회로 전류가 접지로 흐를 수 있는 결과로 인하여 스위치 수단이 개방될 수 있다.
도 1 은 레일웨이 전력 변환기의 기본적인 구조를 도시하는 도면.
도 2 는 병렬인 복수의 인버터 브릿지를 갖고 변압기의 중심점이 접지된 도 1 에 따른 레일웨이 전력 변환기에 적합한 인버터의 블록도.
도 3 은 도 2 로부터의 개별 인버터 브릿지의 펄스폭 변조된 출력 펄스 트레인의 예를 도시하는 도면.
도 4 는 도 3 으로부터의 출력 펄스 트레인을 합산함으로써 생기는 합산 전압을 도시하는 도면.
도 5 는 변압기의 중심점 접지 없이 도 4 로부터의 (레일웨이 그리드에 접속된) 인버터의 등가 회로도.
도 6 은 중심점이 접지된 도 5 에 대응하는 등가 회로도.
도 7 은 도 6 의 등가 회로도로부터 유도된 공통모드 서브시스템에 대한 등가 회로도.
도 8 은 도 6 의 등가 회로도로부터 유도된 차동모드 서브시스템에 대한 등가 회로도.
도 9 는 접지 라인에 흐르는 공통모드 전류를 억제하기 위하여 포화가능한 리액터를 갖는 본 발명에 따른 인버터의 제 1 바람직하고 모범적인 실시예를 도시하는 도면.
도 10 은 접지 라인에 흐르는 공통모드 전류를 억제하기 위하여 사이리스터를 갖는 본 발명에 따른 인버터의 제 2 바람직하고 모범적인 실시예를 도시하는 도면.
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
15 : 인버터 17, 18 : 입력 라인
19 : 변압기 20, 21 : 출력 라인
22 : 저항 23 : 중심 탭
24 : 접지 접속 49 : 인덕터
본 발명의 제 1 바람직한 실시예는 스위치 수단이 포화가능한 리액터 (saturable reactor) 로서 설계된 인덕터 (inductor) 를 구비한다. 적합한 정격으로 인하여, 결합이 있는 경우 접지로의 중심 탭의 저항성 접속이 손상됨이 없이, 인덕터는 공통모드 전류에 대한 고 임피던스를 구성한다. 동시에, 인덕터는 수동 소자로서 간단해지고 그 기능에 있어서 신뢰성이 있게 된다.
정상적으로 동작하는 경우에, 간단한 인덕터는 어떠한 문제없이 요구 사항을 충족시킨다. 그러나, 인덕터의 고 임피던스는 급격히 늘어나는 단락회로 전류가 접지로 흘러버리는 것을 방지하기 때문에 레일웨이 그리드에서의 단락 회로의 경우 문제점이 발생할 수 있으며, 따라서 공장의 다른 부분을 위험하게 할 수 있다. 인덕터는 전압-시간 적분이 정상적인 동작 중에 간섭 전압 및 간섭 전류의 예상된 전압-시간 적분에 매칭되는 포화가능한 리액터로서 설계된다는 사실에 의해 단락회로의 경우 감쇠 기능의 취소가 달성된다. 정상적인 경우에, 포화가능한 리액터는 포화 이하에서 동작하며 접지 접속에 흐르는 전류를 감쇠시킨다. 단락회로의 경우에, 포화가능한 리액터는 포화에 도달하고 그 후에 단락회로 전류가 크게 방해받지 않고 통과하게 한다.
또다른 바람직한 실시예는 스위치 수단이 사이리스터 (thyristor) 스위치를 구비한다는 사실에 의해 식별된다. 정상적인 동작 중에, 사이리스터 스위치는 폐쇄되어 상기한 간섭 전류가 접지 접속을 통하여 흐를 수 있게 되는 것을 신뢰성있게 방지한다. 단락회로의 경우에, 두개의 역 접속 병렬 사이리스터를 구비한 사이리스터 스위치는 예컨대 폐쇄되고 단락회로 전류가 접지 접속을 통하여 방해받지 않고 흐를 수 있다.
또다른 실시예들은 종속항에서 나타난다.
본 발명에 따른 인버터는 DC 전압 중간회로를 갖는 변환기, 특히 레일웨이 변환기 또는 주파수 결합에서 사용되는 것이 바람직하다.
본 발명의 보다 완벽한 이해 및 많은 수반하는 효과는 첨부 도면을 참조하는 다음의 상세한 설명에 의해 쉽게 얻어질 것이다.
몇개의 도면을 통하여 동일한 참조 번호가 동일하거나 대응하는 부분을 나타내는 도면을 참조하면, 도 9 는 본 발명에 따른 인버터의 바람직하고 모범적인 실시예를 나타낸다. 도 9 의 인버터는 그 구조에 있어서 도 2 의 인버터와 본질적으로 유사하다. 변압기 (19) 상의 제 3 권선 및 연관된 필터 회로 (25) 는 단순화를 위하여 여기에서 생략되었다. 변압기의 중심 탭 (23) 으로부터 저항 (22) 을 통하여 접지에 이르는 접지 접속 (24) 에는 접지 접속에서의 공통모드 전류를 감쇠하거나 억제하기 위하여 저항 (22) 과 직렬로 접속된 포화가능한 리액터 (49) 가 설치된다. 포화가능한 리액터 (49) 의 특성은, 인버터 (15) 가 정상적으로 동작하는 경우 (정상 상태) 에는 8 개의 인버터 브릿지 (B1, ..., B8) 가 제공되어 상대적으로 높을 수도 있는 예상되는 동위상의 전류가 크게 감쇠되는 한편, 단락회로의 경우에는 포화가능한 리액터 (49) 가 포화상태로 구동되어 단락회로 전류가 크게 방해받지 않고 통과할 수 있도록, 정격화된다. 이러한 목적을 위하여, 포화가능한 리액터의 전압-시간 적분은 정상적인 동작 중에 간섭 전압의 예상되는 전압-시간 적분에 매칭 (matching) 된다.
이미 언급한 바와 같이, 도 10 에 따르면, 사용되는 스위치 수단은 포화가능한 리액터 (49) 대신에 예컨대 두개의 역 접속된 병렬 사이리스터 (50, 51) 로 구성된 사이리스터 스위치일 수도 있으며, 정상적인 경우에는 개방되고 단락회로의 경우에는 활성화된다.
또한, 포화가능한 리액터 (49) 가 변압기의 중심 탭에서 하드 방식으로 접지되는 인버터에 사용될 수 있다는 것, 다시 말하면 특정한 접지 저항 (22) 을 갖지 않는다는 것이 납득될 수 있다.
예: 대략 55 MVa 의 전송된 정격 전력 및 8 개의 인버터 브릿지가 제공되어, 어떠한 감쇠 측정도 없이 (대략 400 A 의) 정격 전류의 약 3 % 에 이르는 공통모드 전류 왜곡 (공통모드 전류) 이 있다. 100 kW 의 최대 전력 손실이 RE= 240 Ω 의 접지 저항 (22 또는 37) 에서 소모된다. 접지 접속으로의 2H 보다 크거나 같은 비포화 인덕턴스를 갖는 포화가능한 리액터 (49) 를 삽입함으로써, 전류 왜곡을 감소시킬 수 있으며 따라서 접지 저항에서 소모되는 전력 손실을 5 kW 미만까지 감소시킬 수 있다.
본 발명은 도 9, 10 의 단상 변압기와 연결지어 설명되었다. 그러나, 3 상 변압기에도 적용할 수 있다는 것은 말할 필요도 없다.
자명하게도, 본 발명의 많은 수정 및 변경이 상기한 내용에 비추어 가능하다. 그러므로, 첨부한 청구항의 범위 내에서, 본 발명이 여기에서 특정하게 기재된 것과 달리 실시될 수도 있다는 것이 이해되어야 한다.
상기한 본 발명에 따르면, 접지 접속을 통하여 흐르는 전류가 손실없이 억제되거나 감쇠되는 신규한 VSC 인버터가 제공된다.

Claims (8)

  1. 동일한 DC 전압 중간회로 (14) 상에서 병렬로 동작하고 그 출력 전압이 합산 수단 (19) 에 의해 합산되는 복수의 인버터 브릿지 (B1, ..., B8) 를 구비하고, 상기 인버터 브릿지 (B1, ..., B8) 각각은 보조 제어전압에 따라 펄스폭 변조에 의해 구동되고 상기 개별 인버터 브릿지 (B1, ..., B8) 의 상기 보조 제어전압은 상호간에 일정한 위상차를 가지며 상기 합산 수단 (19) 은 접지 접속 (24) 을 통하여 접지될 수 있는 중심 탭 (23) 을 갖는 인버터 (15) 로서,
    상기 접지 접속 (24) 을 통하여 흐르는 동위상의 간섭 전류 및 상기 간섭 전류에 연관된 간섭 전압을 감쇠하거나 억제하기 위하여 스위치 수단 (49, 50, 51) 이 상기 접지 접속 (24) 에 설치되는 것을 특징으로 하는 인버터.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 스위치 수단은 포화가능한 리액터로서 설계된 인덕터 (49) 를 구비하는 것을 특징으로 하는 인버터.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 인덕터 (49) 의 전압-시간 적분은 정상적인 동작 중에 상기 간섭 전압 및 상기 간섭 전류의 예상되는 전압-시간 적분에 매칭하는 것을 특징으로 하는 인버터.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 스위치 수단은 사이리스터 스위치 (50, 51) 를 구비하는 것을 특징으로 하는 인버터.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 접지 접속 (24) 에는 저항 (22) 이 설치되고,
    상기 접지 접속 (24) 의 상기 스위치 수단 (49, 50, 51) 은 상기 저항 (22) 과 직렬로 접속되는 것을 특징으로 하는 인버터.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 합산 수단은 상기 인버터 브릿지 (B1, ..., B8) 의 수에 대응하는 많은 1 차 권선 (P1, ..., P8) 및 연관된 2 차 권선 (S1, ..., S8) 을 갖는 변압기 (19) 를 구비하며,
    상기 각각의 인버터 브릿지 (B1, ..., B8) 는 출력 측에서 상기 1 차 권선 (P1, ..., P8) 에 접속되고,
    상기 2 차 권선 (S1, ..., S8) 은 출력 전압을 합산하기 위하여 직렬로 접속되는 것을 특징으로 하는 인버터.
  7. 제 6 항에 있어서, 2n (n = 1, 2, 3, ...) 개의 인버터 브릿지 (B1, ..., B8) 및 1 차 권선 (P1, ..., P8) 과 2 차 권선 (S1, ..., S8) 이 설치되고,
    상기 중심 탭 (23) 은 n 번째 및 n+1 번째 2 차 권선 사이에 설치되는 것을 특징으로 하는 인버터.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 인버터는 DC 전압 중간회로 (14) 를 갖는 변환기 (10) 에 사용되는 것을 특징으로 하는 인버터.
KR1019980033977A 1997-08-22 1998-08-21 인버터 KR19990023779A (ko)

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