KR20030095130A - 새로운 영상전류 주입법에 의한 다이오드 정류기의 고조파저감방식 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다이오드 정류기에 단상인버터와 변압기를 이용하여 영상고조파 전류를 주입함으로서 순수한 정현파 입력전류를 얻을 수 있는 새로운 방식의 고조파 저감기술을 제안한다. 본 발명은 주 전력의 흐름에 직렬로 스위칭 소자가 연결되지 않아 전력손실이 적으며 보조회로로서 사용된 변압기의 턴비를 조정하면 인버터 스위치의 전류정격을 작게 구현할 수 있다.

Description

새로운 영상전류 주입법에 의한 다이오드 정류기의 고조파 저감방식{A New Harmonic Reduction Method of Diode Rectifier by Zero-Sequence Current Injection}

세계적으로 전기에너지의 소비가 늘어나고 있고 IGBT등 고속스위칭 소자기술의 발달로 전력전자기기의 보급이 급격히 증가하여 전력계통 내의 고조파 문제가 심각히 대두됨에 따라 IEC-555-2 및 IEEE-519와 같은 고조파 규제에 관한 지침이 출현하게 되었다. IEEE학회의 Industry Application Society와 Power Electronics Society에서 Electric Machine & Drive 분과나 Power Conversion 분과와는 개별적으로 Utility Interface분과가 설치된 것은 고조파 저감기술의 중요성과 비중을 나타내는 일례라 할 수 있다. 기존의 고조파 저감기술은 주로 수동필터, 능동전력필터, 다중화기술, 전류주입법 및 Active Wave Shaping등에 의한 것이 있다. 본 발명은 위 기술중 전류주입에 의한 고조파 저감법을 더욱 효율적으로 개선한 것이다.

도 1과 같은 기존의 전류주입에 의한 고조파 저감기술은 순시보상능력이나 입력전류의 고조파특성이 능동전력필터나 PWM 정류기에 비해 다소 떨어지는 측면이 이 있다. 그러나, 응용분야에 따라 저가격으로 실용화할 수 있으며 수동형의 방식이나 컨버터로 전류를 주입하는 일부 능동형의 방식은 100kW 이상의 중,대전력급에서도 적용할 수 있는 장점이 있으나 아직 국내에서는 연구가 미비한 실정이다.

기존의 도 1과 같은 전류 주입에 의한 고조파저감 회로에서 전류와는 주입할 전류를 발생시키는 부분이고 이는 분배회로에 의해 입력측에 주입된다. 이 때 부하전류를 리플 없는 직류전류로 가정하면 전류 주입전()의 입력전류에는 5차, 7차, 11차 및 13차 등 다수의 저차 고조파를 포함하게 된다. 이는 3상의 상전압중 가장 놓은 상에 연결된 상측다이오드와 가장 낮은 상에 연결된 하측 다이오드 두 개만이 각각 120°동안 도통하기 때문에 가장 높지도 낮지도 않은 상에 연결된 다이오드가 도통하지 않아 불연속 구간이 생기기 때문이다. 따라서 각상에 전류를 주입하여 이 불연속구간은 메꿔줌으로써 입력전류의 파형을 개선하는 것이 전류주입방식이다. 도 2는 기존의 3차 고조파 주입방식을 나타내며, 주입전류는

이 된다. 입력전류의 고조파왜율(THD)이 최적이 되기 위해서는 k=0.74, φ=0°이 되며, 이때 이 3차 고조파 전류 주입 후에 입력전류의 THD는 5.1%로 개선된다. 그러나 도 2에서 알 수 있듯이 이러한 3차 고조파의 주입만으로는 입력파형의 개선에 한계가 있다. 이에 대하여 도 3에서 나타내는 바와 같이 3차 뿐만 아니라 9차, 15차, 2차등 영상고조파를 포함하는 전류와를 주입하면, 입력전류는 순수한 정현파로 개선된다. 본 발명은 이 방법으로 고조파를 저감한다.

도 1은 기존의 영상전류 주입 회로도

도 2는 기존의 3고조파 주입에 대한 전류파형

도 3은 제안하는 영상고조파 주입방식의 전류파형

도 4는 본 발명의 영상고조파 주입방식 회로도

도 5는 본 발명의 지령전류의 블록도

도 6은 본 발명의 제어블록도

도 7은 본 발명의 실험에 의한 영상고조파 주입방식의 전류파형

본 발명에 따른 영상전류 주입방식의 주회로도는 도 4이다. 이는 6펄스 다이오드 정류기에 두 대의 단상 반파 인버터, 두 대의 단상 변압기 Tr1, Tr2 및 주입전류 분배를 위한 zigzag 변압기 Trz등의 보조회로를 추가하여 구성한다. 두 대의 단상 인버터로 각각의 인덕터 전류 i_L1과 i_L2를 제어하며 이들 전류는 단상변압기 Tr1과 Tr2를 통하여 정류기의 상측과 하측에 주입되고 주입된 전류 i_j가 zigzag 변압기를 통하여 입력측 각상에 분배되어 입력전류를 정현파로 개선한다. 이때 각 입력선간 전압에 대한 Heaviside 함수를 다음과 같이 정의하면,

h(v)= {0, for v<0

{1, for v>0

각 인버터의 지령전류 i_L1*와 i_L2*는 위 식에서 정의된 Heaviside 함수를 이용하여 각각 다음과 같이 표현할 수 있다.

여기서, V_LL은 입력선간전압의 실효값, I_0는 부하전류의 평균값이다.

도 5는 이와 같은 지령전류를 구현하기 위한 회로를 나타낸다. a점에서는 지령전류의 파형에 관한 정보가 얻어지며 b점에서는 이를 단위화 한다. 이 신호의 직류성분을 제거하면 c점에서는 지령전류의 파형이 얻어지며 이를 부하전류로부터 계산된 d점의 크기를 곱하여 최종의 지령전류를 얻게된다. 또한 계산된 기준전류 i_L1*와 i_L2*는 인버터 출력전류의 제어를 위하여 지령되며, 두 개의 직류링크 커패시터의 균등제어를 포함하는 전체 고조파저감 장치의 제어블록도를 도 6에 나타내었다. 두 개의 커패시터 전압을 검출하여 이들의 오차신호는 P-Regulator를 거쳐 각각의 기준신호 i_L1*와 i_L2*에 더해진다. 이후 전류제어를 위하여 Hysteresis 제어를 행한 후 게이트 구동부에 인가된다.

이 발명에서 사용되는 변압기의 용량 및 소자의 정격을 살펴보면 아래 표1과 같다. 인버터 스위치의 정격은 스위치의 피크 전류와 피크 전압의 곱으로 나타내는데 본 발명의 인버터 스위치에는 직류링크전압이 걸리므로 최대전압 정격은 입력선간전압의 최대값과 같다. 또한, 인버터 스위치의 전류정격은 인버터 출력측에 있는 변압기 Tr1과 Tr2의 턴비 n에 의해 결정되는데 n을 증가시킬수록 전류정격이 감소한다. 변압기의 주 회로측 권선에는 다이오드정류기 출력의 작은 리플전압이 걸리므로 턴비 n = 5 를 사용하더라도 스위치 전류의 최대값은 0.184I_0 로 매우 작아진다.

	제안하는 영상고조파 주입다이오드 정류기
IGBT	Vpeak / V_LL	1.400
	Ipeak / I_0	0.824 / n
	Irms / I_0	0.346 / n
변압기 Tr1	Vrms / V_LL	0.168
	Irms / I_0	0.891
	VA(%) / V_LL isa	8.587
zigzag 변압기	Vrms / V_LL	0.334
	Irms / I_0	0.317
	VA(%) / V_LL isa	24.15

한편, 변압기 VA(%)용량은 다음 식을 이용하여 구할 수 있다.

여기서

Vrms

와

Irms

는 각 권선의 전압과 전류의 실효값이며,

Isa

는 입력전류의 실효값이다. 변압기 Tr1과 Tr2의 주 회로측 권선에는 다이오드 정류기의 출력 리플전압과 직류링크전압의 차가 걸려서 전압정격은 0.168로 작기 때문에 변압기 Tr1의 VA용량은 입력용량의 약 8.6%이다. 그리고 zigzag 변압기의 VA용량은 입력용량의 24.15%로 된다.

위 발명을 증명하기 위하여 아래와 같이 3kVA급으로 실험을 해보았다. 실험에서 사용한 정수는 다음과 같다.

입력선간전압= 70V

변압기 Tr1, Tr2의 권선비 n = 1

직류커패시터 Cp,Cq = 3300uF

필터 인덕터= 8mH

출력전류= 2A

도 7은 본 발명의 실험파형(1A/div, 2ms/div, 100Hz/div)을 나타낸다. 도5와 같은 지령전류에 의해 발생된 단상인버터의 인덕터 전류과를 도7의 가.와 나.에 나타내었다. 이러한 전류과는 도7의 다., 라.와 같이 변압기 Tr1과 Tr2에 의해서 부하전류와 더해져서 다이오드 정류기 상측과 하측으로 주입된다. 이 전류과의 교류 성분은 커패시터로 흐르고 직류성분은 부하측으로 흐른다. 도 7의 마.는 주입전류로서 zigzag 변압기에 의해서 각 상에 주입된다. 도 7의 바.는 다이오드 정류기의 입력전류를 나타낸다. 도 7의 사.는 입력전류를 나타내는데, THD3.02%로 거의 정현파가 된다.

본 발명을 사용하면 기존의 능력전력필터에 비해 인버터의 구성이 간단하고 용량이 작을뿐더러 기존의 전류주입에 의한 고조파 저감방식에 비해 더욱 순수한 정현파를 얻을 수 있게된다.

본 발명의 방식으로는 주 전력의 흐름에 스위칭소자가 직렬로 연결되어 있지 않아 전력손실이 적다. 또한 보조회로에서 사용한 변압기의 권수비 n을 증가시키므로서 인버터의 전류용량을 매우 작게 할 수 있다.

Claims (1)

1. 새로운 영상전류 주입법에 의한 다이오드 정류기의 고조파 저감 방식