KR19990023780A - 인버터 - Google Patents

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아제아 브라운 보베리 악티엔게젤샤프트
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Abstract

인버터 (15) 는 병렬로 동작하고 그 출력전압이 변압기 (19) 를 통해 합산되는 복수의 인버터 브릿지 (B1, ..., B8) 를 구비하는데, 상기 변압기는 상기 인버터 브릿지 (B1, ..., B8) 의 수에 대응하는 많은 1 차 권선 (P1, ..., P8) 및 이와 연관된 2 차 권선 (S1, ..., S8) 을 가지며, 상기 각각의 인버터 브릿지 (B1, ..., B8) 는 출력측에서 상기 1 차 권선 (P1, ..., P8) 에 각각 접속되고 상기 2 차 권선 (S1, ..., S8) 은 출력전압을 합산하기 위하여 직렬로 접속된다. 상기 변압기 (19) 는 접지 접속 (24) 을 통해 접지되는 중심 탭 (23) 을 갖는다.
이러한 인버터에 있어서, 상기 접지 접속 (24) 을 통해 흐르는 동위상 또는 공통모드 간섭 전류 및 상기 간섭 전류에 연관된 간섭 전압의 감쇠 또는 억제가, 상기 변압기 (19) 내의 상기 2 차 권선 각각이 제 1 및 제 2 의 동일한 부분 2 차 권선 (S11/S12, S21/S22, ..., S81/S82) 으로 분할되고 상기 부분 2 차 권선 (S11, ..., S82) 이 상기 부분 2 차 권선 (S11, ..., S82) 에서 유도된 공통모드 전류 및 전압이 상호간에 서로 캔슬 (cancel) 하는 식으로 상호간에 및 상기 중심 탭 (23) 에 접속된다는 사실에 의해, 달성된다.

Description

인버터
본 발명은 전력전자 분야에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 동일한 DC 전압원으로부터 병렬로 동작하고 그 출력 전압이 인버터 브릿지의 수에 대응하는 많은 1 차 권선 및 연관된 2 차 권선을 갖는 변압기를 통해 합산되는 복수의 인버터 브릿지를 구비하는 인버터에 관한 것으로, 여기에서 상기 인버터 브릿지 각각은 출력측에서 상기 1 차 권선에 접속되고 상기 2 차 권선은 그 출력 전압을 합산하기 위하여 직렬로 접속되며, 상기 인버터 브릿지 각각은 보조 제어전압에 따라 펄스폭 변조에 의해 구동되고 상기 개별 인버터 브릿지의 보조 제어전압은 상호간에 일정한 위상차를 가지며, 상기 변압기는 접지 접속을 통하여 접지되는 중심 탭을 가진다.
예컨대 50 Hz 3 상 전력 공급 시스템 및 단상 16 2/3 Hz 레일웨이 그리드 사이에서처럼 다른 수의 위상 및/또는 AC 전압 주파수를 갖는 전기 공급 시스템을 접속시키기 위하여, 전력 반도체가 장착되고 DC 전압 중간회로를 갖는 변환기로서 종종 설계되는 레일웨이 전력 변환기 및 고체 상태 결합이 점점 더 사용되고 있다. 도 1 에 따르면, 이러한 레일웨이 전력 변환기 (10) 는 예컨대 3 상 전원 시스템 (11) 으로부터 3 상 전류를 끌어내어 직류 전류로 변환시키는 (사이리스터 (thyristor) 장착된) 변환기 (13), 평활화 및/또는 버퍼 저장을 위한 DC 전압 중간회로 (14), 및 직류 전류를 원하는 주파수로 다시 교류 전류로 변환시켜서 이것을 레일웨이 그리드 (16) 에 공급하는 인버터 (15) 를 구비한다.
인버터 (15) 에 있어서, 병렬로 동작하고 스위치 밸브 (예컨대, GTO) 를 갖추고 있으며 펄스폭 변조에 의해 구동하여 극성이 교대로 바뀌는 폭이 변조된 사각형파 펄스의 시퀀스에 의해 원하는 사인파 출력 전압을 근사하는 하나 이상의 인버터 브릿지가 일반적으로 사용된다. 삼각파형 보조 제어전압이 펄스폭 변조의 경우에 보통 사용된다. 구동에 관한 세부 내용은 예를 들어 본 출원인으로부터의 발췌 인쇄 (No 9608-1000-0) 고체 상태 100 MW 주파수 결합, 브레멘 (Bremen)) 에 기재되어 있다. 복수의 인버터 브릿지가 병렬로 동작하는 경우, 그 출력 전압은 합산된다. 조파 함량 (harmonic content) 에 있어서의 감소는 위상 이동 방식으로 보조 제어전압을 통하여 개별 인버터 브릿지를 구동시킴으로써 달성된다.
인버터 (15) 구조의 예가 도 2 에 도시되어 있다. 이러한 예의 인버터 (15) 는 병렬로 동작하고 입력에서 병렬인 각각의 커패시터 (C1, ..., C8) 와 함께 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.
도입부에서 언급된 인버터의 경우, 변압기 내에서 접지 접속을 통해 흐르는 동위상 또는 공통모드 간섭 전류를 감쇠시키거나 억제하기 위하여, 2 차 권선이 제 1 및 제 2 동일한 부분 2 차 권선으로 분할되고, 상기 부분 2 차 권선은 부분 2 차 권선에서 유도된 공통모드 전압이 서로 캔슬 (cancel) 하는 식으로 상호간에 및 중심 탭에 접속된다는 사실에 의해 상기 목적이 달성된다. 본 발명에 따른 해결책의 특별한 효과는 차동모드 전압 (uBi,D) 및 차동모드 전류의 스펙트럼 질이 어떤 식으로든 불리하게 영향받지 않고도 공통모드 전압 성분 (uBi,CM) 및 공통모드 전류 성분이 회피될 수 있다는 사실에 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 변압기에 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 트레인의 합산으로부터 생긴 합산 전압을 도시하는 도면.
도 5 는 변압기의 중심점이 접지됨이 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 인버터의 2 차 권선이 부분 2 차 권선 및 상기 부분 2 차 권선의 특정한 와이어링 업 (wiring up) 으로 분할되는 본 발명에 따른 인버터의 바람직하고 모범적인 실시예를 도시하는 도면.
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
15 : 인버터 17, 18 : 입력 라인
19 : 변압기 20, 21 : 출력 라인
22 : 접지 저항 23 : 중심 탭
24 : 접지 접속
본 발명의 바람직한 실시예는 제 1 부분 2 차 권선이 제 1 직렬회로를 구성하고, 제 2 부분 2 차 권선이 상기 제 1 직렬회로와는 병렬인 제 2 직렬회로를 구성하며, 상기 제 1 직렬회로의 상부 출력은 인버터의 일 출력을 구성하고 상기 제 2 직렬회로의 하부 출력은 인버터의 타 출력을 구성하고, 상기 제 1 직렬회로의 하부 출력 및 제 2 직렬회로의 상부 출력이 중심 탭에서 함께 만난다는 사실에 의해 식별된다.
본 발명에 따른 인버터는 DC 전압 중간회로를 갖는 변환기, 특히 레일웨이 전력 변환기 또는 주파수 결합에 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. 인버터 브릿지 당 하나의 2 차 권선 (S1, ..., S8) 대신에, 이 경우에는 변압기 (19) 의 2 차 권선이 두 개의 동일한 부분 2 차 권선 (S11,S12; ...; S81,S82) 으로 분할된다. 각각의 제 1 (상부) 부분 2 차 권선 (S11, ..., S81) 은 차례차례 직렬로 접속되어 출력 (A1 (톱) 및 A3 (바닥)) 과 함께 제 1 직렬회로를 구성한다. 각각의 제 2 (하부) 부분 2 차 권선 (S12, ..., S82) 은 마찬가지로 차례차례 직렬로 접속되어 출력 (A2 (톱) 및 A4 (바닥)) 과 함께 상기 제 1 직렬회로에 병렬인 제 2 직렬회로를 구성한다.
접지 접속 (24) 및 선택적인 접지 저항 (22) 을 통하여 흐르는 공통모드 전류 및 이와 연관된 공통모드 전압은, 부분 2 차 권선 (S11, ..., S81) 에 의해 구성된 제 1 직렬회로의 상부출력 (A1) 이 인버터의 일 출력을 구성하고 부분 2 차 권선 (S12, ..., S82) 에 의해 구성된 제 2 직렬회로의 하부 출력 (A4) 이 인버터의 타 출력을 구성하며 제 1 직렬회로의 하부 출력 (A3) 및 제 2 직렬회로의 상부 출력 (A2) 은 변압기 (19) 의 중심 탭 (23) 에서 함께 만난다는 사실에 의해, 스위치 오프 (switch off) 된다.
이러한 형태의 분할 및 2 차 권선의 상호접속에 의해 달성되는 효과는 다음과 같다.
중심 탭이 접지된 이러한 형태의 변압기 (19) 구조는 차동모드 전압이 불리하게 영향을 받지 않고도 바람직하지 않은 공통모드 전압을 실제로 완벽하게 제거하기 때문에, 본 발명에 따른 최대 억제 효과가 변압기에 대한 상대적으로 단순한 교환에 의해 달성된다.
상술한 기재 내용에 비추어 본 발명의 많은 수정 및 변경이 이루어질 수 있다. 그러므로, 첨부한 청구항의 범위 내에서 본 발명은 여기에서 특정하여 기재된 것과 달리 실시될 수도 있음을 이해해야 한다.
상기한 본 발명에 따르면, 접지 접속을 통하여 흐르는 전류가 손실없는 값으로 억제되거나 감쇠되는 신규한 VSC 인버터가 제공된다.

Claims (3)

  1. 동일한 DC 전압원으로부터 병렬로 동작하고 그 출력 전압이 변압기 (19) 를 통하여 합산되는 복수의 인버터 브릿지 (B1, ..., B8) 를 구비하고, 상기 변압기는 상기 인버터 브릿지 (B1, ..., B8) 의 수에 대응하는 많은 수의 1 차 권선 (P1, ..., P8) 및 이와 연관된 2 차 권선 (S1, ..., S8) 을 가지며 상기 인버터 브릿지 (B1, ..., B8) 각각은 그 출력측에서 상기 1 차 권선 (P1, ..., P8) 에 각각 접속되고 상기 2 차 권선 (S1, ..., S8) 은 그 출력 전압을 합산하도록 직렬로 접속되고 상기 인버터 브릿지 (B1, ..., B8) 각각은 보조 제어전압에 따라 펄스폭 변조에 의해 구동되고 상기 개별 인버터 브릿지 (B1, ..., B8) 의 보조 제어전압은 상호간에 일정한 위상차를 가지며 상기 변압기 (19) 는 접지 접속 (24) 을 통하여 접지되는 중심 탭 (23) 을 갖는 인버터로서,
    상기 변압기 (19) 내에서 상기 접지 접속 (24) 을 통하여 흐르는 동위상 또는 공통모드 간섭 전류 및 상기 간섭 전류에 연관된 간섭 전압을 감쇠 또는 억제하기 위하여, 상기 2 차 권선 (S1, ..., S8) 은 제 1 및 제 2 동일한 부분 2 차 권선 (S11,S12; S21,S22; ...; S81,S82) 으로 각각 분할되고, 상기 부분 2 차 권선 (S11, ..., S82) 은 부분 2 차 권선 (S11, ..., S82) 에서 유도된 공통모드 전류 및 전압이 상호간에 캔슬하는 식으로 상호간에 및 상기 중심 탭 (23) 에 접속되는 것을 특징으로 하는 인버터.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 부분 2 차 권선 (S11, S21, ..., S81) 은 제 1 직렬회로를 구성하고,
    상기 제 2 부분 2 차 권선 (S12, S22, ..., S82) 은 상기 제 1 직렬회로와 병렬인 제 2 직렬회로를 구성하며,
    상기 제 1 직렬회로 (S11, ..., S81) 의 상부 출력 (A1) 은 상기 인버터의 일 출력을 구성하고,
    상기 제 2 직렬회로 (S12, ..., 82) 의 하부 출력 (A4) 은 상기 인버터의 타 출력을 구성하며,
    상기 제 1 직렬회로 (S11, ...S81) 의 하부 출력 (A3) 및 상기 제 2 직렬회로 (S12, ..., S82) 의 상부 출력 (A2) 은 상기 중심 탭 (23) 에서 함께 결합하는 것을 특징으로 하는 인버터.
  3. 제 1 항 및 제 2 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 인버터는 DC 전압 중간회로 (14) 를 갖는 변환기 (10) 에 사용되는 것을 특징으로 하는 인버터.
KR1019980033978A 1997-08-22 1998-08-21 인버터 KR19990023780A (ko)

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