KR20020096832A - 전력변환장치 - Google Patents

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Abstract

손실이 적은 전력변환장치를 얻는 것으로, 교류전압을 수전하여 그 교류전압을 직류전압으로 변환하는 콘버터와, 그 직류전압을 수전하여 교류전압으로 변환하는 인버터와를 구비하며, 콘버터는 인버터의 운전상태에 따라 전류전압을 조정한다.

Description

전력변환장치{POWER CONVERTING DEVICE}
본 발명은 교류전압을 수전하여 직류전압으로 변환하는 콘버터와, 콘버터에서의 직류전압을 수전하여 교류전압으로 변환하는 인버터와를 구비한 전력변환장치에 관한 것이다.
도 8은 종래의 전력장치를 나타내는 구성도이며, 자려형 스위칭소자를 사용한 PWM(Pulse Width Modulation)콘버터와 인버터로 이루어진 것이다.
도 8에서 101은 입력변압기(102)에 도면 생략된 계통전압을 투입하는 스위치이다. 103은 입력변압기(102)에서의 입력교류전압을 직류전압으로 변환하는 콘버터이며 자려형 스위칭소자(104), 플라이휠다이오드(105)(fly wheel diode) 및 과전압을 흡수하는 스너버(snubber)회로로서의 콘덴서회로(106)로 구성되어 있다. 107은 콘버터에서 출력되는 직류전압을 평활화하는 DC링크콘덴서이다. 108은 콘버터(103)에서의 직류전압을 출력교류전압으로 변환하기 위한 인버터이며 자려형 스위칭소자(109), 플라이휠다이오드(110) 및 과전압을 흡수하는 스너버회로에서의 출력교류전압을 수전하여 회전하는 전동기, 113은 인버터(108)의 운전전에 DC링크콘덴서를 충전하는 초기충전회로이다.
종래의 전력변환장치의 동작을 설명한다. 전력변환장치는 입력변압기(102)를 통하여 입력교류전압을 수전한다. 콘버터(103)는 이 수전한 입력교류전압(Vin)을 직류전압(Vdc)으로 변환함과 동시에 직류전압(Vdc)이 사전에 결정된 일정치로되도록 조정한다. 그 직류전압(Vdc)은 인버터(108)에 주어진다. 인버터(108)는 직류전압(Vdc)을 소망의 출력교류전압(Vout)으로 변환한다. 이때, 출력교류전압 (Vout)은 전동기(112)를 소망의 속도로 회전시키기 위하여 인버터(108)에 의해 전압 및 주파수가 조정된다.
그런데 직류전압(Vdc)은 입력변압기(102)의 콘버터측 전압인 입력교류전압 (Vin)에 따라 다음식을 만족하도록 일정치로 결정된다. 또한, 정수()는 자려형 스위칭소자의 성능과 주회로의 구성을 감안하여 결정되는 것이며, 1 >> 0.8로 설정된다.
(1)
또, 직류전압(Vdc)은 전동기에 요구되는 출력교류전압(Vout)을 인버터(108)가 출력될 수 있게 하기 위하여 다음식을 만족하도록 고려되어 있다.
(2)
종래의 전력변환장치는 인버터(108)의 운전상태에 불과하고 직류전압(Vdc)을 높은치에 일정하게 조정하였으므로 항상 큰 손실의 발생을 계속하였다. 즉, 자려형 스위칭소자(104 또는 109)가 스위칭동작을 1회 행할 때 마다 자려형 스위칭소자자체의 스위칭손실(Pj)과 콘덴서회로(106)의 스위칭손실(Pc)이 발생한다. 이들의 손실은 다음식과 같이 직류전압(Vdc)과 밀접한 관계를 가지고 있다.
Pj ∝ Vdc2(3)
Pc ∝ Vdc (4)
따라서, 콘버터(103) 및 인버터(108)는 스위칭동작을 행할 때 마다 큰 손실을 발생하고 있었다.
또, 전류변환장치를 운전하기 전에는 직류전압(Vdc)이 식 (1)을 만족하고 있을 필요가 있으나, DC링크콘덴서(107)를 충전하는 경우에 과대한 돌입전류가 유입될 염려가 있었다. 따라서, 종래의 전력변환장치에서는 DC링크콘덴서(107)를 서서히 충전하는 초기충전회로가 필요하였다.
또, PWM콘버터에서는 전류의 대소에 불과하고 스위칭하는 것뿐이며, 주로 고조파량이 경정되었다. 이때문에 인버터운전시의 부하가 적고 전류가 작은 경우에도 일정한 고조파 발생하고 있다.
본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위해 이루어진 것이며, 손실이 작은 전력변환장치를 얻는 것을 목적으로 하고 있다.
또, 본 발명은 특별히 초기충전회로를 필요로 하지 않는 전력변환장치를 얻는 것을 목적으로 하고 있다.
또, 본 발명은 고조파가 작은 전력변환장치를 얻는 것을 목적으로 하고 있다.
본 발명에 의한 전력변환장치는 교류전압을 수전하고 그 교류전압을 직류전압으로 변환하는 콘버터와, 그 직류전압을 수전하여 교류전압으로 변환하는 인버터와를 구비하며, 콘버터는 인버터의 운전상태에 따라서 직류전압을 조정하는 것이다.
또, 본 발명에 의한 전력변환장치는 교류전압을 수전하는 수전단과 그 수전한 교류전압을 통류 및 차단하는 스위칭소자와, 그 스위칭소자와 병렬로 설치되어 환류전류를 통류하는 환류통류소자와, 스위칭소자 또는 환류통류소자에 의해 교류전압에서 변환된 직류전압을 수전함과 동시에 그 수전한 직류전압을 교류전압으로 변환하는 인버터와를 구비하며, 스위칭소자는 인버터의 교류전압이 소정전압 이하일 때에 차단되는 것이다.
또, 본 발명에 의한 전력변환장치는 교류전압을 수전하는 수전단과, 그 수전한 교류전압을 통류 및 차단하는 스위칭소자와, 그 스위칭소자와 병렬로 설치된 환류전류를 통류하는 사이리스터와, 스위칭소자 또는 사이리스터에 의해 교류전압에서 변환된 직류전압을 수전함과 동시에 그 수전한 직류전압을 교류전압으로 변환하는 인버터와를 구비하며, 인버터의 출력전류가 소정전류 이하일 때 스위칭소자가 차단됨과 동시에 직류전압이 사이리스터에 의해 조정되는 것이다.
도 1은 실시의 형태 1의 전력변환장치를 나타내는 구성도이다.
도 2는 실시의 형태 1의 전력변환장치의 동작을 나타내는 플로차트이다.
도 3은 인버터의 출력교류전압과 전동기의 회전속도의 관계를 나타내는 특성도이다.
도 4는 실시의 형태 2의 전력변환장치를 나타내는 구성도이다.
도 5는 실시의 형태 3의 전력변환장치를 나타내는 구성도이다.
도 6은 실시의 형태 4의 전력변환장치를 나타내는 구성도이다.
도 7은 실시의 형태 5의 전력변환장치의 동작을 나타내는 플로차트이다.
도 8은 종래의 전력변환장치를 나타내는 구성도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1 : 스위치,2 : 입력변압기,
3 : 콘버터,4 : 자려형 스위칭소자,
5,10 : 플라이휠사이리스터,6 : 콘덴서회로,
7 : DC링크콘덴서,8 : 인버터,
9 : 자려형 스위칭소자,11 : 콘덴서회로,
12 : 전동기,13,14 : 플라이휠다이오드,
15 : 콘버터,16,18 : 중성점클램프다이오드,
17 : 콘버터,101 : 스위치,
102 : 입력변압기,103 : 콘버터,
104,109 : 자려형 스위칭소자,105,110 : 플라이휠다이오드,
106,111 : 콘덴서,107 : DC링크콘덴서,
108 : 인버터,112 : 전동기,
113 : 초기충전회로.
[발명의 실시의 형태]
실시의 형태 1.
도 1은 실시의 형태 1의 전력변환장치를 나타내는 구성도이며, 자려형 스위칭소자를 사용한 PWM(Pulse Width Modulation)콘버터와 인버터로 이루어진 것이다.
도 1에서 1은 입력변압기(2)에 도면 생략한 계통전압을 투입하는 스위치이다. 3은 입력변압기(2)에서의 입력교류전압(Vin)을 직류전압(Vdc)으로 변환하는 콘버터이며, 자려형 스위칭소자(4), 플라이휠사이리스터(5) 및 과전압을 흡수하는 스너버회로로서의 콘덴서회로(6)로 구성되어 있다.
또한, 플라이휠사이리스터(5)는 자려형 스위칭소자와 역방향이며, 또 병렬로 접속된 환류전류를 통류하는 환류통류소자이며, 통류기간이 제어가능한 것이다. 또한, 자려형 스위칭소자로서 GTO, 또는 IGBT를 사용한 경우의 접속을 도면에 예시하였다. 7은 콘버터에서 출력되는 직류전압(Vdc)을 평활화 하는 축전기로서의 Dc링크콘덴서이다. 8은 콘버터(3)에서의 직류전압(Vdc)을 출력교류전압(Vout)으로 변환하기 위한 인버터이며, 자려형 스위칭소자(9), 플라이휠사이리스터(10) 및 과전압을 흡수하는 스너버회로로서의 콘덴서회로(11)로 구성되어 있다. 12는 인버터에서의 출력교류전압(Vout)을 수전하여 회전하는 전동기이다.
실시의 형태 1의 전력변환장치의 동작을 설명한다. 도 2는 실시의 형태 1의 전력변환장치의 동작을 나타내는 플로차트, 도 3은 인버터의 출력교류전압(Vout)과 전동기의 회전속도(N)의 관계를 나타내는 특성도이다.
전력변환장치는 입력변압기(2)를 통하여 수전단에서 입력교류전압(Vin)을 수전한다. 스텝 S1에서 인버터(8)의 운전상태를 판정한다. 인버터(8)가 운전상태이며는 스텝 S2로 진입하여 인버터(8)가 고전압운전상태인가 아닌가를 판정한다. 인버터(8)가 고전압운전인가 아닌가는 예로써 도 3에 나타낸 것 같이 소정전압(V1)을 설정하여 놓고, 인버터(8)의 출력교류전압(Vout)이 소정전압(V1)이상인가 아닌가에 의해 판정한다. 또한, 인버터(8)의 출력교류전압(Vout)은 도면 생략한 교류전압검출기에 의해 검출된다. 인버터(8)의 출력교류전압(Vout)이 소정전압(V1)이상일 때에는 스텝 S3로 진입하여 콘버터(3)는 직류전압일정제어를 행한다.
그 직류일정제어에서는 플라이휠사이리스터(5)의 제어각은 0도로 조정된 다이오드로서 사용되고 있다. 또, 콘버터(3)는 자려형 스위칭소자(4)를 제어하여 직류전압(Vdc)을 비교적 높게 제 1의 치로 조정한다. 여기서 제 1의 치는 전동기 (12)의 회전속도가 100%로 되는 출력교류전압(V2)을 출력할 수 있는 치이며, 통상적으로 입력교류전압(Vin)의 1.5배 내지 1.6배 정도로 설정되어 있다.
다음에 스텝 S2에서 인버터(8)가 고전압운전이 아니라고 판단된 경우에 대하여 설명한다. 스텝 S2에서 인버터(8)의 출력교류전압(Vout)이 소정전압(V1) 미만일 때에는 인버터가 저고전압운전으로 판정하여 스텝 S4로 진입한다. 인버터(8)가 저전압운전일 때에는 그리 높은 출력교류전압(Vout)을 필요하지 않으므로, 직류전압 (Vdc)도 비교적 낮은치로도 된다. 따라서, 인버터(8)가 저전압운전일 때에는 스텝 S4로 진입하여 사이리스터가 변제어에 의해 직류전압(Vd)을 제 1의 치 보다도 낮은 제 2의 치로 조정한다.
사이리스터가 변제어에서의 직류전압(Vdc)의 조정은 자려형 스위칭소자(4)를 차단하고, 플라이휠사이리스터(5)만으로 시행한다. 플라이휠사이리스터(5)는 통류기간이 제어가능한 소자이다. 이때, 플라이휠사이리스터(5)의 제어각은 20도로 조정되며, 콘버터(3)는 전파정류기로서 작용한다. 이때 직류전압(Vdc)은 제 2의 치로 조정되어 있어 그의 크기는 입력교류전압(Vin)의 1.25배이다.
따라서, 사이리스터가 변제어에서는 직류전압(Vdc)이 제 1의 치에서 제 2의 치로 저하하여 식(3), 식(4)에 나타낸 콘버터(3) 및 인버터(8)의 손실이 저하한다.
또, 스텝 S1에서 인버터(8)가 운전정지중의 경우는 콘버터(3)도 직류전압 (Vdc)을 출력할 필요가 없고 운전을 정지해도 된다.
따라서, 스텝 S5로 진입하여 콘버터(3)의 운전을 정지하고, 콘버터(3)에 의한 손실을 저감한다.
이상과 같이 실시의 형태 1에 의하면 인버터(8)가 고전압운전에 있을 때는 직류전압(Vdc)을 비교적 높은 제 1의 치로 조정하여 인버터(8)의 출력교류전압을 확보함과 동시에, 인버터(8)가 저전압운전 또는 정지상태에 있을 때에는 직류전압 (Vdc)을 비교적 낮은 제 2의 치로 조정하도록 하였다. 이에 따라 비교적 간단한 제어로 전력변환장치의 운전능력을 확보하면서 또, 콘버터 또는 인버터의 손실을 저감할 수가 있다.
또한, 상기에서는 인버터(8)가 고전압운전인가 아닌가에 따라 플라이휠사이리스터(5)의 제어각을 0도와 20도의 어느것으로 전환하는 예에 대하여 설명하였다.
그러나, 여기에 한하지 않고 플라이휠사이리스터(5)의 제어각을 보다 잘게전환 또는 연속적으로 조정함으로써, 인버터의 운전상태에 따라 잘게 손실을 저감할 수도 있다.
즉, 교류전압검출기에 의해 출력교류전압(Vout)을 검출하고, 그 출력교류전압(Vout)의 변화에 따라 플라이휠사이리스터(5)의 통류범위, 즉 제어각을 제어한다. 이 경우, 플라이휠사이리스터(5)의 제어각은 출력교류전압(Vout)을 출력하는데 필요하며, 또 가능한한 낮은 직류전압(Vdc)으로 되도록 제어된다.
또한, 제어각을 단계적으로 제어하는 경우는 소정전압(V1)을 복수개 설정하여 놓으면 좋다. 제어각을 연속적으로 조정하는 경우에는 출력교류전압(Vout)에 따라 제어각을 피드백(feed back)제어 또는 피드포워드(feed forward)제어에 의해 조정하면 좋다.
또, 실시의 형태 1에서는 자려형 스위칭소자(5)와, 병렬로 환류전류를 통류하는 환류통류소자로서 플라이휠사이리스터(5)가 사용되고 있다. 따라서, 전력변환장치의 기동시에는 플라이휠사이리스터(5)의 제어각을 180도(차단상태)에서 서서히 작게하여 유통전류를 서서히 증가할 수가 있다.
이에 따라 DC링크콘덴서(7)에 과대한 초기충전돌입전류가 흐르는 것을 방지할 수 있음과 동시에 초기충전회로를 특별히 필요로 하지 않는다.
실시의 형태 2.
도 4는 실시의 형태 2의 전력변환장치를 나타내는 구성도이다. 도 4에서13, 14는 환류통류소자로서의 플라이휠다이오드이다. 113은 전출의 초기충전회로이다. 실시의 형태 2에서는 환류통류소자가 플라이휠사이리스터에서 플라이휠다이오드로 변경되어 있다.
실시의 형태 2에서는 실시의 형태 1과 마찬가지로 인버터(8)가 고전압운전인가 아닌가가 판정된다. 그리고, 인버터(8)가 고전압운전일 때에는 자려형 스위칭소자(4)와 플라이휠다이오드(13)와의 협동에 의해 직류전압(Vdc)이 입력교류전압 (Vin)의 1.5 내지 1.6배로 조정된다. 또, 인버터(8)가 저전압운전일 때에는 자려형 스위칭소자(4)가 차단된다.
따라서, 다이오드의 전파정류로 되어 직류전압(Vdc)은 입력교류전압(Vin)의 1.35배로 조정된다.
그에 따라 실시의 형태 2에 의하면 실시의 형태 1과 같이 제어각을 조정하는 제어회로가 불필요하게 되어 구성을 간단화 할 수 있다.
실시의 형태 3.
실시의 형태 1은 6암(arm)의 인버터ㆍ콘버터시스템에 대하여 나타냈으나 실시의 형태 3에서는 중성점클램프방식의 인버터ㆍ콘버터시스템에 적용한 경우에 대해서 설명한다.
도 5는 실시의 형태 3의 전력변화장치를 나타내는 구성도이다.
15는 중성점클램프방식의 콘버터이며, 16은 중성점클램프다이오드이다. 또, 부호는 채번 않되었으나, 그 콘버터(15)에는 자려형 스위칭소자와 환류통류소자로서의 플라이휠사이리스터와가 포함되어 있다. 실시의 형태 3의 전력변환장치는 실시의 형태 1의 자려형 스위칭소자와 동일한 전압전격의 것을 사용하여 입력교류전압(Vin), 직류전압(Vdc) 및 출력교류전압(Vout)을 실시의 형태 1의 2배까지 제어가능하다.
이 전력변환장치에는 자려형 스위칭소자를 유통, 차단하는 PWM콘버터동작시에는 중성점클램프다이오드(16)에 전류가 흘러 식 (3), 식 (4)에 나타낸 손실이 발생한다.
여기서, 자려형 스위칭소자 및 플라이휠사이리스터를 실시의 형태 1과 동일하게 제어하므로 그 손실을 저감할 수가 있다.
실시의 형태 4.
실시의 형태 2는 6암의 인버터ㆍ콘버터시스템에 대하여 나타냈으나 실시의 형태 4에서는 중성점클램프방식의 인버터ㆍ콘버터시스템에 적용한 경우에 대하여 설명한다.
도 6은 실시의 형태 4의 전력변환장치를 나타내는 구성도이다. 17은 중성점클램프방식의 콘버터이며, 18은 중성점클램프다이오드이다. 또, 부호는 채번되어 있지 않으나, 그 콘버터(17)에는 자려형 스위칭소자와 환류통류소자로서의 플라이휠다이오드와가 포함되어 있다. 실시의 형태 4의 전력변환장치는 실시의 형태 2의 자려형 스위칭소자와 동일한 전압정격의 것을 사용하여 입력교류전압(Vin), 직류전압(Vdc) 및 출력교류전압(Vout)을 실시의 형태 2의 2배까지 제어가능하다.
이 전력변환장치에서는 자려형 스위칭소자를 통류, 차단하는 PWM콘버터동작시에는 중성점클램프다이오드(18)에 전류가 흘러, 식 (3), 식 (4)에 나타낸 손실이 발생한다.
그리고 자려형 스위칭소자 및 플라이휠다이오드를 실시의 형태 2와 동일하게 제어함으로써 이 손실을 저감할 수가 있다.
실시의 형태 5.
상기 실시의 형태에서는 스위칭소자와 손실 또는 콘덴서회로의 손실저감 때문에 콘버터의 운전을 전환하는 장치 및 방법에 대하여 설명하였다. 이에 대해서 실시의 형태 5에서는 콘버터가 발생하는 고조파의 저감에 대하여 기술한다.
사이리스터콘버터가 발생하는 고조파는 PWM콘버터와는 다르게 전류량에 비례한다. 따라서, 인버터부하가 작고 콘버터를 통류하는 전류가 적을 때에는 PWM콘버터에서 사이리스터콘버터로 전환하면 콘버터에서 생기는 고조파를 저감할 수가 있다.
도 7은 실시의 형태 5의 전력변환장치의 동작을 나타내는 플로차트이다. 도 2에 대응하는 스텝에는 동일부호를 부여 하였다. 스텝 S1에서 인버터가 운전중으로 판정되면 스텝 S11으로 진입한다. 스텝 S11에서는 콘버터를 통류하는 전류가 사전에 정해진 소정전류치 이상인가 아닌가가 판정된다. 또한, 콘버터전류는 도면 생략된 전류검출기에서 검출된다. 스텝 S11에서 콘버터전류가 소정전류치 이상일 때에는 스텝 S12로 진입하고, 자려형 스위칭소자에 의한 PWM콘버터운전을 행한다.역으로 스텝 S11에서 콘버터전류가 소정전류치 미민인 때에는 스텝 S13으로 진입하여 자려형 스위칭소자를 차단하여 사이리스터콘버터로 전환한다.
이에 따라 전류치가 적은 곳에서는 사이리스터로 전환되어 고조파의 발생을 억제한다.
또한, 앞의 설명에서는 인버터가 저전압운전일 때에는 자려형 스위칭소자를 차단하여 사이리스터로 전환하는 실시의 형태와, 콘버터전류가 적을 때에 자려형 스위칭소자를 차단하여 사이리스터로 전환하는 실시의 형태에 대하여 설명하였으나 양자를 조합하여 구성되는 것은 말할것도 없다.
이상, 여러 종류의 실시의 형태에 대하여 설명하였으나 본 발명은 이들 실시의 형태에 한정되는 것이 아니며 발명의 정신의 범위 내에서 여러 변형이 가능하다.
이상과 같이 본 발명에 의하면 교류전압을 수전하고 그 교류전압을 직류전압으로 변환하는 콘버터와, 그 직류전압을 수전하여 교류전압으로 변환하는 인버터와를 구비하며, 콘버터는 인버터의 운전상태에 따라 직류전압을 조정하도록 하였으므로 콘버터 또는 인버터에서 발생하는 손실을 저감할 수가 있다.
또, 본 발명에 의하면 교류전압을 수전하는 수전단과, 그 수전한 교류전압을 통류 및 차단하는 스위칭소자와, 그 스위칭소자와 병렬로 설치되어 환류전류를 통류하는 환류통류소자와, 스위칭소자 또는 환류통류소자에 의해 교류전압에서 변환된 직류전압을 수전함과 동시에 그 수전한 직류전압을 교류전압으로 변환하는 인버터와를 구비하며, 스위칭소자는 인버터의 교류전압이 소정전압 이하일 때에 차단되도록 하였으므로 인버터의 운전상태에 따라 손실을 저감할 수가 있다.
또, 본 발명에 의하면 교류전압을 수전하는 수전단과, 그 수전한 교류전압을 통류 및 차단하는 스위칭소자와, 그 스위칭소자와 병렬로 설치되어 환류전류를 통류하는 사이리스터와, 스위칭소자 또는 사이리스터에 의해 교류전압에서 변환된 직류전압을 수전함과 동시에 그 수전한 직류전압을 교류전압으로 변환하는 인버터와를 구비하며, 인버터의 출력전류가 소정전류 이하일 때, 스위칭소자가 차담됨과 동시에 직류전압이 사이리스터에 의해 조정되도록 하였으므로 콘버터에서 발생하는 고조파를 저감할 수가 있다.

Claims (3)

  1. 교류전압을 수전하여 그 교류전압을 직류전압으로 변환하는 콘버터와, 그 직류전압을 수전하여 교류전압으로 변환하는 인버터와를 구비하고, 상기 콘버터는 상기 인버터의 운전상태에 따라 상기 직류전압을 조정하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  2. 교류전압을 수전하는 수전단과, 그 수전한 교류전압을 통류 및 차단하는 스위칭소자와, 그 스위칭소자와 병렬로 설치된 환류전류를 유통하는 환류통류소자와, 상기 스위칭소자 또는 환류통류소자에 의해 교류전압에서 변환된 직류전압을 수전함과 동시에 그 수전한 직류전압을 교류전압으로 변환하는 인버터와를 구비하며, 상기 스위칭소자는 상기 인버터의 교류전압이 소정전압 이하일 때, 차단되는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
  3. 교류전압을 수전하는 수전단과, 그 수전한 교류전압을 통류 및 차단하는 스위칭소자와, 그 스위칭소자와 병렬로 설치되어 환류전류를 통류하는 사이리스터와, 상기 스위칭소자 또는 사이리스터에 의해 교류전압에서 변환된 직류전압을 수전함과 동시에 수전한 직류전압을 교류전압으로 변환하는 인버터와를 구비하고, 상기인버터의 출력전류가 소정전류 이하일 때, 상기 스위칭소자가 차단됨과 동시에 상기 직류전압이 상기 사이리스터에 의해 조정되는 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
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