KR20010057960A - 단위역률제어식 삼상다이오드정류기 - Google Patents

Abstract

이 발명은 입력전압에 대한 입력전류의 위상지연이 없고 고조파가 없이 교류전원을 정류하는 정류기를 제공하기 위한 것으로서, 삼상다이오드정류기가 3상으로 입력된 전압(V₁, V₂, V₃)을 각 상마다 하나씩 제공되는 3개의 다이오드쌍(D₁₁, D₁₂; D₂₁, D₂₂; D₃₁, D₃₂)에 의해 정류하여 2상으로 상변환된 전압(V_b)과 전류(I_b)를 부하(Z_L)에 공급하고, 3상 입력전압(V₁, V₂, V₃)의 각 상마다 하나씩 제공되는 3개의 인덕터(L₁, L₂, L₃)와 두 개의 상 사이에 하나씩 제공되는 3개의 커패시터(C₁, C₂, C₃)로 이루어진 입력필터와, 일정한 주기로 스위칭 되며 부하변화에 따라 듀티비가 변화하게 구성된 승압용 스위치(Q_b)와, 입력전압의 각 상마다 하나씩 제공되는 3개의 인덕터(L_1a, L_2a, L_3a)로 이루어지며, 승압용 스위치(Q_b)를 온하였을 때 에너지를 저장하였다가 승압용 스위치(Q_b)를 오프하였을 때 강제로 부하에 에너지를 넘기게 구성된 승압용 인덕터와, 2상으로 변환된 전류(I_b)가 통전되는 도선상에 제공된 다이오드(D_b) 및 부하(Z_L)와 병렬로 연결되는 커패시터(C_b)로 이루어진 출력필터를 포함한다.

Description

단위역률제어식 삼상다이오드정류기 {Unity-power-cintrolled three-phase diode rectifier}

이 발명은 삼상다이오드정류기에 관한 것이며, 특히, 입력전압에 대한 입력전류의 위상지연이 없고 고조파가 없이 교류전원을 정류하는 단위역률제어식 삼상다이오드정류기에 관한 것이다.

삼상 다이오드 정류기는 교류전원을 직류전원으로 바꾸어주는 장치로 직류전동기의 구동이나 기타 직류를 필요로 하는 부하에 적용되는 장치이다. 이 발명은 기존의 정류기에 비해서 역률을 획기적으로 개선시키기 위해서 발명되었다.

종래에는, 도 1에 보이듯이, 교류를 직류로 바꾸는 전력용 소자인 사이리스터(thyristor)를 이용한 위상제어정류기의 구성을 설명하기 위한 회로도가 도시되어 있다. 도 1에서, T1, T2, T3, T4는 사이리스터의 스위칭소자를 나타낸다. 출력측의 R과 L은 일반적으로 사용하는 전동기 등과 같은 부하를 등가적으로 나타낸 것이다.

이러한 사이리터를 이용한 위상제어방식에서는, 도 2에 보이듯이, 부하에서 요구하는 전압에 따라 입력전압(V_m)의 적당한 위치(α)에서 제어전압(V₀)을 도통시켜주는 위상제어방식을 이용한다. 도 2에서 보이듯이, 입력전류(i)는 입력전압(V_m)에 비해 제어전압(V₀)이 인가되는 시점인 제어위상각(α)만큼 위상이 지연됨을 알 수 있다. 또한, 전류파형은 정현파에서 상당히 왜곡된 형태를 취한다. 요구되는 출력전압이 클수록 제어위상각(α)을 영도 쪽으로 선택해야 하고, 요구되는 출력전압이 작을수록 제어위상각(α)을 180도 쪽으로 선택해야 한다.

요구되는 출력전압이 작아서 제어위상각(α)을 180도 근방에서 선택하는 경우에는, 입력전류(i)의 위상이 입력전압(Vm)의 위상으로부터 지연되는 시간이 길어짐에 따라, 정류기의 역률을 악화시키며, 정류기로 유입되는 전류의 왜곡현상으로 인한 고조파의 발생도 심하다.

위와 같은 사이리스터정류기 외에 다이오드정류기도 이용되고 있지만, 다이오드정류기의 경우에는 출력전압을 제어할 수 없을 뿐만 아니라, 부하상황에 따라 역률이 가변적이며, 이러한 다이오드정류기에서도 입력전류의 파형이 비정현파이므로 고조파가 많이 발생한다.

이 발명은 종래의 정류기가 갖고 있는 문제를 해결하기 위한 것으로서, 입력전압에 대한 입력전류의 위상지연이 없고 고조파가 없이 교류전원을 정류하기 위한 정류기를 제공하려는 것이다.

도 1은 종래의 사이리스터정류기의 구성을 도시한 회로도이고,

도 2는 도 1에 도시된 사이리스터정류기에서 입력전압과 제어전압과 입력전류의 파형을 도시한 그래프이며,

도 3은 이 방명의 한 실시예에 따른 삼상다이오드정류기의 구성을 도시한 회로도이고,

도 4a 및 도 4b는 도 3에 도시된 정류기에서의 입력전압에 대한 등가회로도이며,

도 5a 내지 도 5e는 도 3에 도시된 정류기의 각 부분에서의 전압과 전류의 파형을 나타내는 그래프이다.

위와 같은 과제를 해결하기 위한 이 발명에 따르면, 교류전원을 직류전원으로 변환하고, 출력전압이 가변적이며 부하에 무관하게 입력전류의 위상과 입력전압의 위상을 동일하게 유지함으로써 부하에 무관하게 단위역률을 유지하는 삼상다이오드정류기가 제공된다.

또한, 이 발명의 삼상다이오드정류기는 입력전류의 파형을 정현파로 유지함으로써 고조파를 감소시킨다.

이 발명의 삼상다이오드정류기는 승압용 인덕터와 승압용 스위치 및 다이오드를 이용하여 단위역률제어를 행함으로써 정류기로 입력되는 전류의 위상을 입력전압과 동일하게 제어한다.

승압용 스위치는 듀티비를 조절할 수 있게 구성될 수 있다.

아래에서는 도면을 보면서 이 발명의 양호한 실시예에 따른 정류기의 구성에대해 상세히 설명하겠다.

도 3에는 이 발명의 한 실시예에 따른 삼상다이오드정류기가 도시되어 있다. 도 3에 보이듯이, 이 발명의 한 실시예에 따른 삼상다이오드정류기는 입력필터와, 승압용 인덕터와, 역률조정기 및, 출력필터를 구비한다.

이 실시예의 삼상다이오드정류기는 3상으로 입력된 전압(V₁, V₂, V₃)을 각 상마다 하나씩 제공되는 3개의 다이오드쌍(D₁₁, D₁₂; D₂₁, D₂₂; D₃₁, D₃₂)에 의해 정류하여 2상으로 상변환된 전압(V_b)과 전류(I_b)를 부하(Z_L)에 공급하는 것이다.

입력필터는 입력전원이 원천적으로 갖고 있는 고조파성분을 저감시키기 위한 것으로서, 3상 입력전압(V₁, V₂, V₃)의 각 상마다 하나씩 제공되는 3개의 인덕터(L₁, L₂, L₃)와 두 개의 상 사이에 하나씩 제공되는 3개의 커패시터(C₁, C₂, C₃)로 이루어진다.

승압용 인덕터(L_1a, L_2a, L_3a)는 승압용 스위치를 온하였을 때 에너지를 인덕터(L_1a, L_2a, L_3a)에 저장하였다가 승압용 스위치(Q_b)를 오프하였을 때 강제로 부하에 에너지를 넘기는 역할을 하는 것으로서, 필터링 된 입력전압의 각 상마다 하나씩 제공되는 3개의 인덕터로 이루어진다.

역률조정기는 입력전류(I₁, I₂, I₃)를 입력전압(V₁, V₂, V₃)과 동일한 위상으로 맞추어 주기 위한 것이다.

출력필터는 부하(Z_L)에 출력되는 전압(V_b)을 완전한 직류파형으로 만들기 위한 것으로서, 2상으로 변환된 전류(I_b)가 통전되는 도선상에 제공된 다이오드(D_b) 및 부하(Z_L)와 병렬로 연결되는 커패시터(C_b)로 이루어진다.

이 실시예의 삼상다이오드정류기에서 단위역률제어는 승압용 인덕터(L_1a, L_2a, L_3a)와 승압용 스위치(Q_b)와 다이오드(D_b)를 이용하여 구현한다. 승압용 스위치(Q_b)는 일정한 주기로 스위칭 되며 부하변화에 따라 듀티비가 변화한다. 이 때, 듀티비란 스위치의 전체 주기에 대한 승압용 스위치(Q_b)가 온(ON)되어 있는 시간의 비를 의미한다. 입력전류는 항상 불연속이 되도록 제어된다. 승압용 스위치(Q_b)가 온되어 있는 동안에는 도 4a에 보이듯이 삼상 전원이 승압용 인덕터(L_1a, L_2a, L_3a) 및 승압용 스위치(Q_b)를 포함하는 경로를 통하여 도통된다. 따라서, 상전류(I_1a, I_2a, I_3a)가 입력전압(V1, V2, V3)의 크기 및 승압용 인덕터(L_1a, L_2a, L_3a)의 값에 비례하여 증가하기 시작한다. 이 증가되는 전류는 자기에너지의 형태로 승압용 인덕터(L_1a, L_2a, L_3a)에 저장되게 된다. 따라서, 온 되어 있는 시간을 길게 하여 승압용 인덕터(L_1a, L_2a, L_3a)에 에너지를 많이 충전할수록 출력전압(V_b)은 커지게 된다. 스위치(Q_b)가 오프되었을 때에는 도 4b에 보이듯이 입력전압과 승압용 인덕터에 저장되어 있던 에너지가 합쳐져서 출력부하로 전달된다.이 때, 입력전압보다 큰 전압이 부하측에 인가되므로, 결과적으로는 출력전압이 입력전압보다 큰 승압컨버터로 동작한다. 스위칭동작이 반복될수록 증가되는 전류의 첨두치는 승압용 스위치(Q_b)가 온 되어 있는 동안에 입력전압의 곡선을 따라간다. 입력전압이 정현파 형태로 변하기 때문에 입력전류의 형태도 전압과 같이 정현파 형태로 변화한다. 승압용 스위치(Qb)가 온 될 때는 항상 전류가 불연속 영역에서 동작하게 제어를 하므로 영에서 시작하여 증가한다. 따라서, 모든 입력전류는 60Hz의 기본파 성분과 승압용 스위치(Qb)의 스위칭 주파수 근방의 고조파성분들로 구성되어 있다. 스위칭 주파수 근방의 고조파성분들은 주파수가 높기 때문에, 출력필터로 쉽게 제거할 수 있다.

승압용 스위치(Q_b)가 온 되어 있을 때의 제1상의 입력전압(V1)에 대한 등가회로가 도 4a에 도시되어 있으며, 승압용 스위치(Q_b)가 온 되어 있을 때의 제1상의 입력전압(V1)에 대한 등가회로가 도 4b에 도시되어 있다. 입력전류(I_1a)는 입력전압 (V₁)과 인덕터(L_1a)에 의해서 결정된다. 승압용 스위치(Q_b)를 켜는 시간을 β라고 하고, 승압용 스위치(Q_b)가 온 되어 있는 시간을 t₁이라고 할 때, β≤t≤t₁구간 동안 인덕터(L_1a)를 통해서 흐르는 전류는 아래의 수학식 1에 의해서 구해진다.

수학식 1을이라는 초기조건에 대입해서 풀면, 아래의 수학식 2가 구해진다.

승압용 스위치(Q_b)가 오프 되어 있을 때 인덕터(L_1a)에 흐르는 입력전류(I_1a)는 입력전압 (V₁)과 출력전압(V_b) 및 인덕터(L_1a)에 의해 감소하게 된다. 이 때, 인덕터(L_1a)에 저장되어 있던 에너지와 입력전원이 합쳐져서 부하(Z_L)로 에너지를 공급한다. 이 때의 출력전압은 입력전압과 인덕터(L_1a)에 저장되어 있던 에너지로 인한 출력전압의 합으로 되어 있으므로, 입력전압에 비해 항상 크게 된다. 정확한 출력전압의 크기는 아래의 수학식 3과 같이 구해진다. 이와 같이 함으로써 출력전압이 입력전압보다 커지게 하는 승압작용을 하는 것이다.

여기에서, D는 승압용 스위치(Q_b)의 듀티비를 나타낸다. 위 수학식 3에서 알 수 있듯이, 듀티비(D)를 변화시키면, 출력전압(V_b)의 크기가 변한다.

승압용 스위치(Q_b)가 오프되었을 때, 즉 t₁≤t≤t₂구간 동안 인덕터(L_1a)를 통해서 흐르는 전류는 아래의 수학식 4에 의해 구할 수 있다.

위 수학식 4를이라는 초기조건에 대입해서 풀면, 아래의 수학식 5를 얻을 수 있다.

이 실시예에 따른 삼상다이오드정류기의 각 부분에서의 전압과 전류의 파형을 나타내는 그래프가 도 5a와 도 5b와 도 5c와 도 5d 및 도 5e에 도시되어 있다. 도 5a의 파형은 입력전압을 나타내고, 도 5b파형은 승압용 스위치(Q_b)의 스위칭 파형을 나타낸다. 도 5c의 파형은 정류기에 입력되는 전류파형을 나타낸 것으로서 위 수학식 2 및 5에 의해 계산되는 것이다. 전류의 첨두치가 입력전압의 파형과 동일하게 변함을 확인할 수 있다. 이는 입력전압의 파형과 입력전류의 파형이 동 위상이 되는 것으로 정류기가 단위역률로 동작됨을 나타낸다. 도 5d의 파형은 삼상 다이오드 브리지에서 출력되는 전류파형을 나타내며, 도 5e의 파형은 승압용 스위치(Q_b)의 양단에 걸리는 전압의 파형을 나타낸다.

위에서 설명한 이 발명에 따른 단위역률제어식 삼상다이오드정류기를 이용하면, 입력전압에 대한 입력전류의 위상지연이 없고 고조파가 없이 교류전원을 정류할 수 있다.

Claims (6)

1. 3상으로 입력된 전압을 각 상마다 하나씩 제공되는 3개의 다이오드쌍에 의해 정류하여 2상으로 상변환된 전압과 전류를 부하에 공급하는 삼상다이오드정류기에 있어서,

   승압용 인덕터와 승압용 스위치 및 다이오드를 부가적으로 구비하고,

   출력전압이 가변적이며 입력전류의 위상과 입력전압의 위상을 동일하게 유지함으로써 부하에 무관한 단위역률제어를 행하게 구성된 것을 특징으로 하는 삼상다이오드정류기.
2. 제1항에 있어서,

   입력전류의 파형을 정현파로 유지함으로써 고조파를 감소시키게 구성된 것을 특징으로 하는 삼상다이오드정류기.
3. 제2항에 있어서,

   3상 입력전압의 각 상마다 하나씩 제공되는 3개의 인덕터와 두 개의 상 사이에 하나씩 제공되는 3개의 커패시터로 이루어진 입력필터를 부가적으로 구비함으로서 입력전원이 원천적으로 갖고 있는 고조파성분을 저감시키게 구성된 것을 특징으로 하는 삼상다이오드정류기.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 승압용 인덕터는 입력전압의 각 상마다 하나씩 제공되는 3개의 인덕터로 이루어지며, 승압용 스위치를 온하였을 때 에너지를 저장하였다가 승압용 스위치를 오프하였을 때 강제로 부하에 에너지를 넘기게 구성된 것을 특징으로 하는 삼상다이오드정류기.
5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   2상으로 변환된 전류가 통전되는 도선상에 제공된 다이오드 및 부하와 병렬로 연결되는 커패시터로 이루어진 출력필터를 부가적으로 포함함으로써 부하에 출력되는 전압을 완전한 직류파형으로 만들게 구성된 것을 특징으로 하는 삼상다이오드정류기.
6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 승압용 스위치는 일정한 주기로 스위칭 되며 부하변화에 따라 듀티비가 변화하게 구성된 것을 특징으로 하는 삼상다이오드정류기.