KR20010085209A - 3 레벨 인버터 장치 - Google Patents

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Abstract

3 레벨 인버터 장치의 직류모선의 공진 전류를 억제하여, 변환 효율 및 동작 안전성을 향상시키는 인버터장치는, 교류전원의 전력을 직류전력으로 변환하는 컨버터(1)와, 변환된 직류전력을 교류전력으로 변환하는 인버터와, 이 컨버터와 인버터를 접속하는 직류 링크를 구비한다. 직류 링크는, 양극전위 모선 P와 음극전위 모선 N 사이에 직렬로 접속되며, 상기 컨버터(1)에 의해 얻어진 직류 전력을 축적하는 2개의 제 1 평활 콘덴서와, 상기 양극전위 모선 P와 상기 음극전위 모선 N 사이에 직렬로 접속되고, 인버터에 공급되는 직류전력을 축적하는 2개의 제 2 평활 콘덴서를 갖는다. 양극 및 음극 전위 모선에는, 공진 제어용 리액터가 각각 사이에 장착되고, 중간전위 모선에는 공진 제어용 저항기가 사이에 장착된다.

Description

3 레벨 인버터 장치{THREE LEVEL INVERTER APPARATUS}
본 발명은, 교류전원의 전력으로부터 가변 주파수의 전력을 발생하는 전력변환장치에 관한 것이다.
교류전동기의 구동용의 전력변환장치로서 인버터 장치가 널리 사용되고 있으며, 특히 대용량의 용도에서는, 3 레벨 인버터 장치가 이용되고 있다.
인버터 장치는, 일반적으로, 교류전원의 전력을 직류전원으로 변환하는 컨버터의 직류부와 직류전력을 교류전력으로 변환하는 인버터의 직류부를 직류 링크부의 직류 모선으로 접속하여 구성된다. 컨버터 및 인버터의 직류부는 각각 평활 콘덴서를 갖지만, 양자의 평활 콘덴서와 직류 모선의 인덕턴스 성분으로 이루어진 공진회로의 공진 주파수가, 컨버터 또는 인버터의 스위칭 주파수에 가까워지면, 공진회로에 큰 공진전류가 흘러, 직류 모선 및 평활 콘덴서가 발열한다. 이와 같은 발열을 방지하기 위해, 예를 들면 일본국 특개평 11-18435호 공보에 기재된 3 레벨 인버터 장치에서는, 컨버터 및 인버터의 PWM 스위칭 주파수를 직류 링크부의 일차 공진주파수의 1/root2 이하로 설정하도록 하고 있다. 또한, 일본국 특개평 11-46481호 공보에는, 복수의 스위칭 장치를 직류회로로 결합한 병렬 다중 인버터 장치에 있어서, 3개의 직류 모선 중에서, 양극 전위 모선과 음극 전위 모선에 덤핑 저항기를 각각 삽입하여, 공진전류를 제어하도록 하고 있다.
대용량의 인버터 장치의 경우, 평활 콘덴서의 용량이 커지게 되고, 또한, 장치가 대형화되는 것으로부터 직류 모선의 인덕턴스가 커지기 때문에, 직류 모선의 공진주파수가 낮아진다. 이 경우에, 상기한 일본국 특개평 11-18435호 공보에 기재된 종래기술에서는, PWM 스위칭 주파수도 그것에 따라 낮출 필요가 있지만, 스위칭 주파수가 낮아지면, 인버터의 출력 파형이 왜곡되어, 부하 전동기의 진동이 커진다고 하는 문제가 발생한다.
또한, 일본국 특허청 11-46481호 공보에 기재된 종래기술에서는, 양극전위모선 및 음극전위 모선에 삽입된 저항기에 흐르는 전류에 의해 손실이 커져, 인버터 장치의 변환효율이 낮아진다고 하는 문제가 있다.
본 발명은, 3 레벨 인버터 장치의 직류 모선의 공진전류를 억제하여, 변환효율 및 동작 안정성을 향상시키는 것을 과제로 한다.
도 1은 본 발명의 3 레벨 인버터 장치의 제 2 실시예의 구성도이고,
도 2는 본 발명의 3 레벨 인버터 장치의 제 1 실시예의 구성도이며,
도 3은 제 2 장치의 공진 경로를 설명하는 등가 회로도이고,
도 4는 제 2 장치의 공진 특성을 설명하는 도면이며,
도 5는 제 1 장치의 공진 경로를 설명하는 등가 회로도이고,
도 6은 제 1 장치의 공진 특성을 설명하는 도면이다.
상기한 과제는, 교류전원의 전력을 직류전력으로 변환하는 컨버터와, 변환된 직류전력을 교류전력으로 변환하는 인버터와, 이 컨버터와 인버터를 접속하는 직류 링크를 구비하고, 이 직류 링크는, 양극전위 모선과 음극전위 모선 사이에 직렬로 접속되며, 상기 컨버터에 의해 얻어진 직류 전력을 축적하는 2개의 제 1 평활 콘덴서와, 상기 양극전위 모선과 상기 음극전위 모선 사이에 직렬로 접속되고, 상기 인버터에 공급되는 직류전력을 축적하는 2개의 제 2 평활 콘덴서를 가지며, 상기 2개의 제 1 평활 콘덴서의 접속점과 상기 2개의 제 2 평활 콘덴서의 접속점과는 중간 중간전위 모선에 의해 접속되고, 이 중간전위 모선에 공진 제어용의 저항기를 사이에 장착한 것을 특징으로 하는 3 레벨 인버터 장치에 의해 해결된다.
이 3 레벨 인버터 장치에서는, 제 1 및 제 2 평활 콘덴서와 중간 전위 모선을 포함하는 공진 경로를 흐르는 공진 전류를 공진제어 저항기에 의해 저감시킬 수 있기 때문에, 컨버터 또는 인버터의 스위칭 주파수가 이 공진 경로의 공진 주파수에 가까워도, 공진에 의한 발열 및 효율의 저하를 억제할 수 있다. 또한, 직류 중성점의 모선인 중간 전위 모선에는, 양극 모선 전류와 음극 모선 전류의 차이에 해당하는 전류가 흐르지만, 이 전류는 공진 전류에 비해 작고, 따라서, 저항 삽입에 의한 손실은 작기 때문에, 인버터 장치의 효율의 저하는 미소하다.
상기한 과제는, 또한, 교류전원의 전력을 직류전력으로 변환하는 컨버터와, 변환된 직류 전력을 교류전력으로 변환하는 인버터와, 이 컨버터와 인버터를 접속하는 직류 링크를 구비하고, 이 직류 링크는, 양극전위 모선과 음극전위 모선 사이에 직렬로 접속되며, 상기 컨버터에 의해 얻어진 직류전력을 축적하는 2개의 제 1 평활 콘덴서와, 상기 양극전위 모선과 상기 음극전위 모선 사이에 직렬로 접속되며, 상기 인버터에 공급하는 직류전력을 축적하는 2개의 제 2 평활 콘덴서를 갖고, 상기 2개의 제 1 평활 콘덴서의 접속점과 상기 2개의 제 2 평활 콘덴서의 접속점은 중간전위 모선에 의해 접속되며, 상기 양극전위 모선 및 음극 전위 모선에 공진 제어용의 리액터를 각각 사이에 장착한 것을 특징으로 하는 3 레벨 인버터 장치에 의해 해결된다.
이 3 레벨 인버터 장치에서는, 삽입할 리액터의 인덕턴스에 의해, 제 1 및 제 2 평활 콘덴서, 양극전위 모선 및 음극전위 모선을 포함한 공진 경로의 공진 주파수를 바꿀 수 있다. 따라서, 컨버터 또는 인버터의 스위칭 주파수와 공진 경로의 공진 주파수의 간격을 크게 하여, 공진에 의한 발열 및 효율의 저하를 억제할 수 있다.
(실시예)
도 2에 본 발명의 3 레벨 인버터 장치의 제 1 실시예의 구성을 나타내었다.이 인버터 장치는, 전원의 교류전압을 직류전압으로 변환하는 3 레벨 컨버터(1), 직류전압을 교류전압으로 변환하는 3 레벨 인버터(2), 이 컨버터 및 인버터를 접속하는 직류 링크부(3)로 이루어진다.
3 레벨 컨버터(1)는, 후술하는 플러스 전위 모선과 마이너스 전위 모선 사이에 직렬로 접속된 다이오드 D1∼D4, 다이오드 D1 및 D2의 접속점과 다이오드 D3 및 D4의 접속점 사이에 직렬로 접속된 다이오드 D5, D56, 다이오드 D1∼D4의 각각에 설치된 바이패스용의 트랜지스터 T1∼T4를 포함한다. 다이오드 D2 및 D3의 접속점은, 교류입력에 접속되어 있다.
3 레벨 인버터(2)는, 플러스 전위 모선과 마이너스 전위 모선 사이에 직렬로 접속된 다이오드 D7∼D10, 다이오드 D7 및 D8의 접속점과 다이오드 D9 및 D10의 접속점 사이에 직렬로 접속된 다이오드 D11, D12, 다이오드 D7∼D10의 각각에 설치된 바이패스용의 트랜지스터 T5∼T8을 포함한다. 다이오드 D8 및 D9의 접속점은, 교류 출력에 접속되어 있다.
직류 링크부(3)는 플러스 전위 모선 P, 중간전위 모선 C, 마이너스 전위 모선 N으로 이루어진다. 컨버터(1)의 직류 출력측에는, 플러스 전위 모선 C, 마이너스 전위 모선 N 사이에 직렬로 접속된 2개의 평활 콘덴서(4a, 4b)가 설치되고, 인버터(2)의 직류 입력측에는 플러스 전위 모선 P와 마이너스 전위 모선 N 사이에 직렬로 접속된 2개의 평활 콘덴서(4c, 4d)가 설치되어 있다.
플러스 전위 모선 P는, 다이오드 D1 및 D7의 캐소드 측에 접속되고, 마이너스 전위 모선 N은, 다이오드 D4 및 D12의 아노드 측에 접속되며, 중간 전위 모선 C는, 평활 콘덴서 4a 및 4B의 접속점을 거쳐 다이오드 D5 및 D6의 접속점에 접속되며, 또한, 평활 콘덴서 4c 및 4d의 접속점을 거쳐 다이오드 D11 및 D12의 접속점에 접속되어 있다.
플러스 전위 모선 P는, 배선 인덕턴스 5a, 중간 전위 모선은 배선 인덕턴스 5b, 마이너스 전위 모선은 배선 인덕턴스 5c를 각각 포함하고, 중간 전위 모선 C에는 공진 제어 저항기(6)가 사이에 장착되어 있다.
도 3을 사용하여 직류 링크부(3)에 있어서 2개의 공진 경로 X 및 Y의 공진 경로를 설명한다. 공진 경로 X는, 평활 콘덴서(4a), 배선 인덕턴스(5a), 평활 콘덴서(4c), 공진제어 저항기(6), 배선 인덕턴스(5a), 평활 콘덴서(4c, 4d), 배선 인덕턴스(5c), 평활 콘덴서(4b)를 일주하는 경로이다.
평활 콘덴서(4a∼4d)의 정전용량을 각각 C로 하고, 직류 모선의 배선 인덕턴스(5a∼5c)의 값을 각각 Lb로 하며, 공진제어 저항기의 저항값을 Rc로 하면, 공진 경로 X의 공진 각주파수 ωx 및 공진 경로 Y의 공진 각주파수 ωy는 하기의 수학식 1 및 수학식 2로 각각 표시된다.
도 4에 3 레벨 인버터(1)에서 본 직류 링크부(3)의 공진 특성을 나타내었다. 실선은 공진제어 저항기(6)가 사이에 장착되어 있는 경우의 공진특성, 점선은 사이에 장착되어 있지 않은 경우의 공진 특성을 나타내고 있다. 도 4에서, 공진제어 저항기(6)를 사이에 장착하는 것에 의해, 공진 각주파수 ωx 부근에서의 공진전류가 저감되는 것을 알 수 있다. 중간전위 모선 C에는, 직류 링크부(3)의 플러스측 직류전압과 마이너스측 직류전압의 밸런스를 조정하는 직류성분만이 흐르기 때문에, 공진제어 저항을 중간전위 모선에 사이에 장착하는 것에 의해 손실 증가는 미소하게 된다.
상기한 실시예에서는, 컨버터(1) 또는 인버터(2)의 PWM 스위칭 주파수가 낮고 공진 각주파수 ωx에 가까운 값이 되는 경우라도, 직류 링크부에서의 공진 전류의 증가를 억제하는 것이 가능하게 되고, 따라서 평활 콘덴서 및 직류 모선에서 발생하는 손실이 작아져, 고효율로 안정된 동작이 실현된다.
다음에, 도 1을 참조하여 본 발명의 3 레벨 인버터 장치의 제 2 실시예를 설명한다. 도 2의 요소에 대응하는 요소는 같은 부호를 붙이고 있다, 이 실시예의 장치는, 플러스 전위 모선 P와 마이너스 전위 모선 N에 각각 공진제어 리액터 7a 및 7b가 사이에 장착되어 있는 점에서 상기한 도 1의 장치와 다르다.
도 5를 사용하여 도 1의 직류 링크부(3)에 있어서 2개의 공진 경로 X 및 Y를설명한다. 공진 경로 X는, 평활 콘덴서(4a), 배선 인덕턴스(5a), 공진제어 리액터(7a), 평활 콘덴서(4c), 공진제어 저항기(6), 배선 인덕턴스(5b)를 일주하는 경로이다. 공진 경로 Y는, 평활 콘덴서(4a), 배선 인덕턴스(5a), 공진제어 리액터(7a), 평활 콘덴서(4c, 4d), 공진 제어 리액터(7b), 배선 인덕턴스(5c), 평활 콘덴서(4b)를 일주하는 경로이다.
평활 콘덴서(4a∼4d)의 정전용량을 각각 C로 하고, 직류 모선의 배선 인덕턴스(5a∼5c)의 값을 각각 Lb로 하며, 공진제어 저항기(6)의 저항값을 Rc로 하고, 공진제어 리액터 7a 및 7b의 인덕턴스를 Lc로 하면, 공진 경로 X의 공진 각주파수 ωx 및 공진 경로 Y의 공진 각주파수 ωy는 하기의 수학식 3 및 수학식 4로 각각 표시된다.
도 6은, 3 레벨 컨버터(1)에서 본 직류 링크부(3)의 공진 특성을 나타낸 그래프이다. 실선은 공진제어 저항기(6) 및 공진제어 리액터 7a 및 7b가 사이에 장착되어 있는 경우를 나타내고, 점선은 이들의 소자가 사이에 장착되어 있지 않은 경우를 나타내고 있다. 공진제어 저항기(6)를 사이에 장착하는 것에 의해 공진 경로 X의 전류를 억제할 수 있어, 공진 각주파수 ωx 부근에서의 공진 전류를 저감할 수 있다. 또한, 공진제어 리액터를 사이에 장착하는 것에 의해, 공진 경로 Y의 공진 각주파수 ωy를 저하시킬 수 있다.
공진 각주파수 ωy는, 공진제어 리액터 7a 및 7b의 인덕턴스에 의해 임의로 설정될 수 있기 때문에, ωy가 콘덴서(1) 또는 인버터(2)의 스위칭 주파수에 일치하지 않도록 하는 것에 의해, 평활 콘덴서 및 직류 모선에서 발생하는 손실을 저감할 수 있어, 고효율로 안정된 동작을 실현할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 3 레벨 인버터 장치의 직류 모선의 공진전류를 억제하여, 변환효율 및 동작 안정성을 향상시킬 수 있다.

Claims (2)

  1. 교류전원의 전력을 직류전력으로 변환하는 컨버터와, 변환된 직류전력을 교류전력으로 변환하는 인버터와, 이 컨버터와 인버터를 접속하는 직류 링크를 구비하고, 이 직류 링크는, 양극전위 모선과 음극전위 모선 사이에 직렬로 접속되며, 상기 컨버터에 의해 얻어진 직류 전력을 축적하는 2개의 제 1 평활 콘덴서와, 상기 양극전위 모선과 상기 음극전위 모선 사이에 직렬로 접속되고, 상기 인버터에 공급되는 직류전력을 축적하는 2개의 제 2 평활 콘덴서를 가지며, 상기 2개의 제 1 평활 콘덴서의 접속점과 상기 2개의 제 2 평활 콘덴서의 접속점과는 중간 중간전위 모선에 의해 접속되고, 이 중간전위 모선에 공진 제어용의 저항기를 사이에 장착한 것을 특징으로 하는 3 레벨 인버터 장치.
  2. 교류전원의 전력을 직류전력으로 변환하는 컨버터와, 변환된 직류 전력을 교류전력으로 변환하는 인버터와, 이 컨버터와 인버터를 접속하는 직류 링크를 구비하고, 이 직류 링크는, 양극전위 모선과 음극전위 모선 사이에 직렬로 접속되며, 상기 컨버터에 의해 얻어진 직류전력을 축적하는 2개의 제 1 평활 콘덴서와, 상기 양극전위 모선과 상기 음극전위 모선 사이에 직렬로 접속되며, 상기 인버터에 공급하는 직류전력을 축적하는 2개의 제 2 평활 콘덴서를 갖고, 상기 2개의 제 1 평활 콘덴서의 접속점과 상기 2개의 제 2 평활 콘덴서의 접속점은 중간전위 모선에 의해접속되며, 상기 양극전위 모선 및 음극 전위 모선에 공진 제어용의 리액터를 각각 사이에 장착한 것을 특징으로 하는 3 레벨 인버터 장치.
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