KR20130039612A - 회생형 고압 인버터 - Google Patents

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Abstract

회생형 고압 인버터가 개시된다. 본 발명의 인버터에 의하면, 입력전원부와 전력셀의 사이에 연결되어, 3상의 입력전원의 고조파를 저감하는 복수의 입력필터와, 입력전원부와 전력셀의 사이에 연결되어, 입력전원부로부터 입력되는 3상의 입력전원으로부터 선간전압을 측정하고, 측정된 선간전압으로부터 전원각을 추출하여, 상기 전력셀로 입력되는 전압을 스위칭하는 복수의 스위칭신호 생성부를 포함하여, 단위 전력셀의 입력단 구조를 변경하여 회생운전이 가능하게 하고, DC링크 캐패시터의 캐패시턴스를 줄일 수 있다.

Description

회생형 고압 인버터{REGENERATIVE MEDIUM VOLTAGE INVERTER}
본 발명은 회생형 고압 인버터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 직렬형 H-브릿지(Cascaded H-bridge) 방식의 회생형 고압 인버터에 관한 것이다.
일반적으로, 고압 인버터(medium-voltage inverter)는 선간전압 실효치가 600V 이상인 입력전원을 갖는 인버터로서, 팬(fan), 펌프(pump), 압축기(compressor) 등의 응용분야에 주로 사용된다.
이러한 응용분야에서는 가변속(variable speed) 운전이 빈번하게 발생하는데, 급가속(fast acceleration)이나 급감속(fast deceleration)이 필요할 경우, 회생운전(regenerating operation)이 발생하게 된다.
또한, 위 응용분야 외에 견인(traction), 승강(hoist), 컨베이어(conveyor) 등의 응용분야에서는 회생운전이 필수적이다.
도 1은 종래의 직렬형 H-브릿지 고압 인버터의 구조도로서, 3단의 단위 전력셀(power cell)로 구성된 것을 나타낸 것이다.
종래의 고압 인버터(100)는 입력전원부(200)로부터 전동기(300)에 3상(3 phase) 전원을 공급한다. 입력전원부(200)는 선간전압 실효치가 600V 이상인 3상 전압이다. 전동기(300)는 고압의 3상 전동기로서, 유도 전동기(induction machine) 또는 동기 전동기(synchronous machine)일 수 있다.
위상치환 변압부(110)는 입력전원부(200)와 고압 인버터(100)간의 전기적 절연(galvanic isolation)을 제공하며, 입력단의 고조파(harmonics)를 저감하고, 각 단위 전력셀(120)에 적절한 입력 3상 전원을 제공한다.
단위 전력셀(120)은 위상치환 변압부(110)로부터 전원을 공급받아, 전동기(300)의 상전압(phase voltage)을 출력하는데, 각 단위 전력셀(120)은 그룹으로 이루어져 있다. 도 1의 경우, A1, A2, A3는 출력전압이 직렬연결되어 전동기(300)의 a상 전압을 합성(synthesize)하고, B1, B2, B3는 전동기(300)의 b상 전압을, C1, C2, C3는 전동기(300)의 c상 전압을 합성한다. 합성된 b상 전압과 a상 전압은 120도의 위상차를 가지고, c상과 b상 전압 역시 120도의 위상차를 가진다.
도 2는 도 1의 단위 전력셀의 구성도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 단위 전력셀(120)은 3상 다이오드 정류부(121), DC링크 캐패시터(122) 및 인버터(123)로 구성된다.
3상 다이오드 정류부(121)는 위상치환 변압부(110)의 출력전압을 입력으로 하여, 3상 전압을 정류한 직류(DC)를 출력한다.
DC링크 캐패시터(122)는 3상 다이오드 정류부(121)의 입력전원을 저장한다.
인버터(123)는 단상 풀브릿지 인버터(single phase full bridge inverter)로서, DC링크 캐패시터(122)로부터 수신한 전압으로, 스위칭소자(123a~123d)의 스위칭을 통하여 출력전압을 합성한다.
도 1 및 도 2의 시스템을 설명하면 다음과 같다.
위상치환 변압기(110)는 단위 전력셀(120)의 요구에 맞게 고압의 입력전원의 위상과 크기를 변환한다. 위상치환 변압기(110)의 출력전압은 각각 단위 전력셀(120)의 입력전원이 되며, 도 2의 3상 다이오드 정류부(121)를 통해 직류로 변환된다. DC링크 캐패시터(122)는 3상 다이오드 정류부(121)의 출력전압을 일정하게 유지하도록 한다.
단상 풀브리지 인버터(123)는 DC링크 캐패시터(122)의 전압으로부터 교류(AC)의 출력전압을 합성한다. 만약 DC링크 캐패시터(122)의 전압이 'E'로 정의되는 경우, 인버터(123)의 출력전압은 스위칭 상태에 따라 'E', '0', '-E'의 세단계로 나타난다.
예를 들어, 123a 및 123d가 도통하는 경우 출력전압이 'E'가 되고, 123b와 123c가 도통하는 경우 출력전압이 '-E'가 되며, 123a와 123c 또는 123b와 123d가 도통하는 경우 출력전압은 '0'이 합성된다.
도 1의 단위 전력셀 구조에서, A1, A2, A3와 B1, B2, B3 및 C1, C2, C3는 출력전압이 모두 직렬연결되어 있으므로, 직렬연결된 출력 상전압은 '3E', '2E', 'E', '0', '-E', '-2E', '-3E'의 7단계로 합성될 수 있다. 이렇게 합성된 출력 상전압으로부터 전동기(300)의 출력 선간전압은 '6E', '5E', '4E', '3E', '2E', 'E', '0', '-E', '-2E', '-3E', '-4E', '-5E', '-6E'의 13단계로 합성될 수 있다.
이를 일반적으로 나타내면, 다음과 같다.
Figure pat00001
Figure pat00002
여기서, m은 출력 상전압의 레벨수이고, H는 전동기(300)의 한 상당 설치된 단위 전력셀(120)의 수이고, p는 출력 선간전압의 레벨수이다.
한편, 각 단위 전력셀(120)의 출력은 단상 풀브릿지 인버터의 출력이므로, DC링크의 전원은 전압 맥동(ripple)을 가지고 있다. 먼저, 각 셀의 출력전압과 출력전류를 다음과 같이 정의한다.
Figure pat00003
Figure pat00004
이때 φ는 부하각이고, ω는 운전주파수이고, t는 시간, VO와 IO는 출력전압과 출력전류의 실효치(rms value)이다. 수학식3과 수학식4로부터, 단위 전력셀(120)의 출력전력은 다음과 같이 구할 수 있다.
Figure pat00005
수학식5에서 확인할 수 있듯이, 단위 전력셀(120)의 출력전력은 직류성분인
Figure pat00006
와 교류성분인
Figure pat00007
로 나누어지는 것을 알 수 있으며, 교류성분은 운전주파수의 2배에 해당하는 맥동을 가지고 있는 것을 알 수 있다. 이로부터, DC링크에 흐르는 전류는 다음과 같이 구할 수 있다.
Figure pat00008
수학식5와 수학식6으로부터, DC링크에는 운전주파수의 2배에 해당하는 맥동이 발생하는 것을 알 수 있다.
위와 같은 종래의 직렬형 H-브릿지 고압 인버터에서는, 단위 전력셀의 입력단이 다이오드 정류부로 구성되어 있기 때문에, 회생운전이 불가능하여 전동기의 급가속 또는 급감속이 어려워지는 문제점이 있다.
이에 따라, 전동기의 감속운선시, 감속운전 시간이 오래 걸리는 단점이 있으며, 모든 단위 전력셀의 DC링크 캐패시터의 캐패시턴스가 커야 하므로, 이에 따라 전체 시스템의 부피가 증가하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 종래의 직렬형 H-브릿지 고압 인버터에 회생운전이 가능한 능동정류부를 가지는 회생형 단위 전력셀을 혼합하여, 부분적인 회생운전이 가능하도록 하는 부분 회생형 고압 인버터를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 회생형 고압 인버터는, 전동기에 3상 전압을 전달하기 위하여, 직렬로 연결된 3개의 그룹이 각각 전동기에 상전압을 전달하도록 구성되는 복수의 전력셀; 입력전원부와 상기 전력셀의 사이에 연결되어, 3상의 입력전원의 고조파를 저감하는 복수의 입력필터; 및 상기 입력전원부와 상기 전력셀의 사이에 연결되어, 상기 입력전원부로부터 입력되는 3상의 입력전원으로부터 선간전압을 측정하고, 측정된 선간전압으로부터 전원각을 추출하여, 상기 전력셀로 입력되는 전압을 스위칭하는 복수의 스위칭신호 생성부를 포함한다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 입력전압부와, 상기 복수의 입력필터 및 상기 복수의 스위칭신호 생성부 사이에 배치되어, 상기 입력전원으로부터 입력되는 3상 전압을 전기적으로 절연하여 상기 복수의 전력셀에 각각 제공하는 위상치환 변압부를 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 입력필터는, 3상의 입력전원을 수신하는 3개의 입력단을 구비하고, 상기 입력단과 각각 직렬로 연결되는 인덕터; 및 상기 인덕터와 델타결선을 이루어 연결되는 캐패시터를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 입력필터는, 상기 인덕터의 각각에 병렬로 연결되어, 입력전원의 공진을 제거하는 저항을 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 전력셀은, 상기 입력필터의 출력전압을 수신하여, 3상 전압을 정류한 직류를 출력하는 능동정류부; 상기 능동정류부의 출력을 저장하는 DC링크 캐패시터; 및 상기 DC링크 캐패시터의 전압으로부터 출력전압을 합성하는 인버터부를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 능동정류부는, 입력되는 3상 전압의 각 상전압에 대해 각각 병렬로 연결되는 복수의 스위치를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 스위치는, 병렬로 연결되는 트랜지스터와 다이오드를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 스위칭신호 생성부는, 상기 스위치를 제어하여, 상기 전력셀과 상기 입력전원부를 순시적으로 연결하는 것이 바람직하다.
상기와 같은 본 발명은, 직렬형 H-브릿지 고압 인버터의 단위 전력셀의 입력단 구조를 변경하여 회생운전이 가능하도록 하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 제동 저항(dynamic braking resistor)이 요구되지 않으며, DC링크 캐패시터의 크기를 종래의 고압 인버터보다 줄이도록 하는 효과가 있다.
도 1은 종래의 직렬형 H-브릿지 고압 인버터의 구조도이다.
도 2는 도 1의 단위 전력셀의 구성도이다.
도 3은 본 발명에 따른 회생형 고압 인버터의 일실시예 구성도이다.
도 4는 도 3의 입력필터의 일실시예 상세 구조도이다.
도 5는 도 3의 입력필터의 다른 실시예의 상세 구조도이다.
도 6은 도 3의 전력셀의 일실시예 상세 구성도이다.
도 7은 도 3에서 하나의 전력셀에 연결되는 입력필터와 스위칭신호 생성부를 도시한 것이다.
도 8은 도 3의 스위칭신호 생성부가 생성하는 스위칭신호와 이에 따른 능동정류부의 스위칭을 설명하기 위한 일예시도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결되어' 있다거나, 또는 '접속되어' 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '직접 연결되어' 있다거나, '직접 접속되어' 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, '포함한다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 회생형 고압 인버터의 일실시예 구성도로서, 직렬형 H-브릿지 방식의 고압 인버터를 예로서 설명하기 위한 것이다. 또한, 본 발명의 인버터에서는, 3단의 단위 전력셀(power cell)로 구성된 경우를 예를 들어 도시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 단위 전력셀의 수의 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 자명하다 할 것이다.
본 발명의 고압 인버터(10)는, 입력전원부(20)로부터 선간전압 실효치가 600V이상인 전압을 입력받아 전동기(30)에 3상 전원을 공급하기 위한 것으로서, 전동기(30)는 바람직하게는 유도 전동기 또는 동기 전동기이다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 고압 인버터(10)는, 위상치환 변압부(11), 입력필터(12), 스위칭신호 생성부(13) 및 전력셀(14)을 포함한다. 도 3의 일예에서는 3단의 단위 전력셀을 구성한 경우이므로, 전력셀(14)은 9개가 사용되며, 입력필터(12)과 스위칭신호 생성부(13)는 각각의 전력셀(14)에 대해 구성되는 것으로 본 발명의 고압 인버터의 설명에서는 각각 9개로 구성된다. 다만, 이는 전력셀(14)의 수에 따라 달라질 수 있는 것임은 자명하다.
또한, 편의를 위하여, 스위칭신호 생성부(13)는 A1에 신호를 전달하는 하나만을 도시하였으나, 이에 한하는 것이 아니라, 각각의 전력셀에 대해 1:1로 구비되는 것이다. 이하 같다.
위상치환 변압부(phase shift transformer)(11)는 입력전원부(20)와 고압 인버터(10)간의 전기적 절연을 제공하며, 입력전원의 고조파를 저감하고, 각 전력셀(14)에 적절한 3상 전원을 제공한다.
입력필터(12)는 입력전원의 고조파를 저감한다. 도 4 및 도 5는 각각 도 3의 입력필터의 일실시예 상세 구조도이다.
도 4를 참조로 하면, 입력필터(12)는, 위상치환 변압부(11)의 2차측 3상 출력과 각각 직렬로 연결되는(이를 위하여, 입력필터(12a)는 3개의 입력단을 가진다) 인덕터(41a~41c)와, 인덕터(41a~41c)와 델타결선을 이루어 연결되는 캐패시터(42a~42c)를 포함한다.
도 5를 참조로 하면, 입력필터(12)는, 위상치환 변압부(11)의 2차측 3상 출력과 각각 직렬로 연결되는((이를 위하여, 입력필터(12a)는 3개의 입력단을 가진다) 인덕터(51a~51c)와, 인덕터(51a~51c)와 델타결선을 이루어 연결되는 캐패시터(52a~52c), 및 인덕터(51a~51c)에 병렬로 각각 연결되는 댐핑저항(53a~53c)을 포함한다.
댐핑저항(53a~53c)은 입력전압에 공진현상이 있는 경우, 이를 제거하기 위한 것이다.
단위 전력셀(14)은 전동기(30)의 상전압을 출력하는데, 각 단위 전력셀(14)은 직렬로 연결된 세개의 그룹으로 이루어져 있다. 도 3의 예에서, A1, A2, A3는 출력전압이 직렬연결되어 전동기(30)의 a상 전압을 합성하고, B1, B2, B3는 출력전압이 직렬연결되어 전동기(30)의 b상 전압을 합성하고, C1, C2, C3는 출력전압이 직렬연결되어 전동기(30)의 c상 전압을 합성한다. 합성된 b상 전압과 a상 전압은 120도의 위상차를 가지고, c상과 b상 전압 역시 120도의 위상차를 가진다.
도 6은 도 3의 전력셀의 일실시예 상세 구성도로서, 복수의 전력셀은 모두 동일한 구조로 구성된다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 전력셀(14)은, 능동정류부(61), DC링크 캐패시터(62) 및 인버터부(63)를 포함한다.
능동정류부(61)의 입력은 도 3의 입력필터(12)의 출력전압이고, 그에 대하여, 3상 전압을 정류한 직류를 출력한다. 능동정류부(61)는 도면과 같이, 6개의 트랜지스터 스위치('스위치'라 함)(61a~61f)로 구성되며, 이때, 트랜지스터는, 바람직하게는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)이다.
DC링크 캐패시터(62)는 능동정류부(61)의 입력전원을 저장한다.
인버터부(63)는 바람직하게는 단상 풀 브릿지 인버터로서, DC링크의 전압으로부터 출력전압을 합성한다. 인버터부(63)는 4개의 스위치(63a~63d)로 구성되며, 각각의 스위치는 트랜지스터와 다이오드를 병렬연결한 것이다.
이하에서, 도 3의 회로에 대해, 도 1의 회로와의 차이점에 중점을 두어 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 도 4 또는 도 5와 같이 구성되는 도 3의 입력필터(12)는 위상치환 변압부(11)의 출력을 수신하는데, 입력필터(12)의 인덕터(41a~41c 또는 51a~51c)의 인덕턴스는 위상치환 변압부(11)의 누설 인덕턴스보다 충분히 큰 값이다.
Figure pat00009
이때, Lfilter는 입력필터(12)의 인덕터(41a~41c 또는 51a~51c)의 인덕턴스이고, Lleakage_2nd는 위상치환 변압부(11)의 누설 인덕턴스를 2차측으로 환산한 것이다. 또한, 도 4 또는 도 5의 캐패시터(42a~42c 또는 52a~52c)의 캐패시턴스는 다음과 같은 관계로부터 구할 수 있다.
Figure pat00010
여기서, ωc는 입력필터(12)의 차단주파수로서, 입력전원 주파수의 6배보다 큰 값을 가진다.
Figure pat00011
여기서, ωsource는 는 입력전원 주파수이다.
한편, 도 5의 댐핑저항(53a~53c)에 대해, 최대감쇄(maximum damping)를 갖는 저항은 다음과 같다.
Figure pat00012
입력필터(12)에서 측정한 입력 선간전압은 도 6의 능동정류부(61)의 스위칭을 결정하는데, 이때, 전압의 측정위치는, 위상치환 변압부(11)와 입력필터(12)의 사이이다.
도 7은 도 3에서 하나의 전력셀에 연결되는 입력필터와 스위칭신호 생성부를 도시한 것이다.
스위칭신호 생성부(13)는 능동정류부(61)의 스위칭신호를 생성한다. 즉, 스위칭신호 생성부(13)는 입력필터(12)로 입력되는 3상 전압으로부터 입력 선간전압을 측정하고, 측정된 선간전압으로부터 입력 전원각을 추출하여, 능동정류부(61)에 6개의 스위치(61a~61f)의 트랜지스터에 게이팅신호, 즉, 스위칭신호를 전달한다.
도 8은 입력 선간전압에 따라 도 3의 스위칭신호 생성부가 생성하는 스위칭신호를 설명하기 위한 일예시도이다.
도 8에서, 'Vab'는 ab선간전압, 'Vbc'는 bc선간전압, 'Vca'는 ca선간전압을 나타내고, 스위칭신호 생성부(13)는 능동정류부(61)의 61a 내지 61f 스위치에 대한 온/오프 신호를 각 스위치(61a 내지 61f)의 트랜지스터에 전달하는 것이다.
도면에 도시된 바와 같이, 능동정류부(61)의 스위칭은, 입력전원의 주파수와 동일한 스위칭 주파수를 가지는 것을 알 수 있다.
즉, 입력 전원각 ωt가 0부터 π/3에서는 도 6의 61d와 61e 스위치가 켜지고, π/3부터 2π/3에서는 61a와 61d 스위치가 켜지고, 2π/3부터 π에서는 61a와 61f 스위치가 켜진다. π부터 4π/3에서는 61c와 61f 스위치가 켜지고, 4π/3부터 5π/3에서는 61b와 61c 스위치가 켜지고, 5π/3부터 2π에서는 61b와 61e 스위치가 켜진다.
이러한 스위칭 패턴은 입력 전원각의 변동에 따라 2π마다 주기적으로 반복된다. 이를 통하여 능동정류부(61)를 포함하는 전력셀(14)은 양방향 전력 전달이 가능하다.
도 8에서는 입력 선간전압에 대한 능동정류부(61)의 스위칭을 도시하였으나, 입력 상전압을 측정해도 동일한 동작을 할 수 있다. 이를 다음에서 설명하기로 한다.
다음은 입력 선간전압과 입력 상전압의 관계를 나타낸 것이다.
Figure pat00013
Figure pat00014
Figure pat00015
수학식11 내지 수학식13에서, Ea는 입력 a상 전압, Eb는 입력 b상 전압, Ec는 입력 c상 전압을 의미하고, 선간전압으로부터 상전압을 구할 수 있으므로, 도 8의 스위칭은 상전압에 대해서도 적용할 수 있다 할 것이다.
이러한 스위칭신호 생성부(13)의 스위칭으로 인하여, 능동정류부(61)는 도 2의 다이오드 정류부(21)의 다이오드가 동작하는 시점과 동일한 시점에서 스위치(61a~61f)가 동작하므로, 이에 따라서 위상치환 변압부(11)와 전력셀(14)이 전기적으로 순시적 연결되어, 회생운전이 가능해진다.
도 8의 스위칭을 통하여 위상치환 변압부(11)와 전력셀(14)이 연결되는 경우 다음과 같은 관계를 가진다.
우선, 전동기(30)의 a상의 출력전압과 전류를 수학식14와 수학식15로 각각 정의하고, b상 및 c상에 대해서도 출력전압과 전류를 수학식16 내지 수학식19로 정의할 수 있다.
Figure pat00016
Figure pat00017
Figure pat00018
Figure pat00019
Figure pat00020
Figure pat00021
이때, φ는 부하각, ω는 운전주파수이고, t는 시간, VO 및 IO는 출력전압과 출력전류의 실효치이다.
수학식14와 수학식15로부터, 전동기(30)의 a상에서 발생한 전력을 수학식20과 같이 구할 수 있고, 마찬가지로, b상과 c상에서 발생한 전력을 수학식21 및 수학식22와 같이 구할 수 있다.
Figure pat00022
Figure pat00023
Figure pat00024
따라서, 전체 전력의 크기는 다음과 같이 직류성분으로만 나타난다.
Figure pat00025
즉, 위 수학식23과 같이, 본 발명의 능동정류부(61)에 의하면, 위상치환 변압부(11)와 전력셀(14)이 순시적으로 연결되면서 계통에서는 일정 전력이 출력되므로, 단위 전력셀(14)의 DC링크 캐패시터의 크기를 종래의 고압 인버터에 비해 줄일 수 있다.
도 1 및 도 2와 같은 종래의 다이오드 정류부를 가지는 단위 전력셀은 수학식20 내지 수학식22와 같이, 각각의 단위 전력셀에서 출력되는 전력이 운전주파수의 2배에 해당하는 맥동을 가지고 있다. 이러한 맥동의 영향을 줄이기 위해서는 단위 전력셀의 DC링크 캐패시터가 커져야 하는 단점이 있었다.
그러나, 본 발명의 능동정류부(61)를 포함하는 전력셀(14)은 입력단과 출력단을 순시적으로 연결하기 때문에 맥동전력이 각각의 단위 전력셀의 DC링크 캐패시터에 집중되지 않으며, 3상 전력의 합은 수학식23과 같이 직류성분만이 존재하게 되므로, 각 전력셀(14)의 DC링크 캐패시터(62)의 크기를 줄일 수 있다.
이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
10: 고압 인버터 20: 입력전원부
30: 전동기 11: 위상치환 변압부
12: 입력필터 13: 스위칭신호 생성부
14: 전력셀 41, 51: 인덕터
42, 52: 캐패시터 53: 댐핑저항
61: 능동정류부 62: DC링크 캐패시터
63: 인버터부

Claims (8)

  1. 직렬로 연결된 3개의 그룹이 각각 전동기에 상전압을 전달하도록 구성되는 복수의 전력셀;
    입력전원부와 상기 전력셀의 사이에 연결되어, 3상의 입력전원의 고조파를 저감하는 복수의 입력필터; 및
    상기 입력전원부와 상기 전력셀의 사이에 연결되어, 상기 입력전원부로부터 입력되는 3상의 입력전원으로부터 선간전압을 측정하고, 측정된 선간전압으로부터 전원각을 추출하여, 상기 전력셀로 입력되는 전압을 스위칭하는 복수의 스위칭신호 생성부를 포함하는 회생형 고압 인버터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 입력전압부와, 상기 복수의 입력필터 및 상기 복수의 스위칭신호 생성부 사이에 배치되어, 상기 입력전원으로부터 입력되는 3상 전압을 전기적으로 절연하여 상기 복수의 전력셀에 각각 제공하는 위상치환 변압부를 더 포함하는 회생형 고압 인버터.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 입력필터는, 3상의 입력전원을 수신하는 3개의 입력단을 구비하고,
    상기 입력단과 각각 직렬로 연결되는 인덕터; 및
    상기 인덕터와 델타결선을 이루어 연결되는 캐패시터를 포함하는 회생형 고압 인버터.
  4. 제3항에 있어서, 상기 입력필터는,
    상기 인덕터의 각각에 병렬로 연결되어, 입력전원의 공진을 제거하는 저항을 더 포함하는 회생형 고압 인버터.
  5. 제1항에 있어서, 상기 전력셀은,
    상기 입력필터의 출력전압을 수신하여, 3상 전압을 정류한 직류를 출력하는 능동정류부;
    상기 능동정류부의 출력을 저장하는 DC링크 캐패시터; 및
    상기 DC링크 캐패시터의 전압으로부터 출력전압을 합성하는 인버터부를 포함하는 회생형 고압 인버터.
  6. 제5항에 있어서, 상기 능동정류부는,
    입력되는 3상 전압의 각 상전압에 대해 각각 병렬로 연결되는 복수의 스위치를 포함하는 회생형 고압 인버터.
  7. 제6항에 있어서, 상기 스위치는,
    병렬로 연결되는 트랜지스터와 다이오드를 포함하는 회생형 고압 인버터.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 스위칭신호 생성부는,
    상기 스위치를 제어하여, 상기 전력셀과 상기 입력전원부를 순시적으로 연결하는 회생형 고압 인버터.

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US13/615,608 US8922151B2 (en) 2011-10-12 2012-09-14 Regenerative medium voltage inverter
JP2012206014A JP2013085453A (ja) 2011-10-12 2012-09-19 回生型高圧インバータ
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Families Citing this family (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2982092B1 (fr) * 2011-11-02 2015-01-02 Valeo Systemes De Controle Moteur Module de puissance et dispositif electrique pour l'alimentation et la charge combinees respectivement d'un accumulateur et d'un moteur
US9722503B2 (en) * 2013-03-28 2017-08-01 Teco-Westinghouse Motor Company Modular configurable multi-megawatt power amplifier
US9654021B2 (en) * 2013-10-09 2017-05-16 Rockwell Automation Technologies, Inc. Multifunction power converter with option for integrated magnetics
US9455651B2 (en) 2014-12-16 2016-09-27 Caterpillar Inc. Motor driver having integrated braking chopper
FR3031849B1 (fr) 2015-01-16 2017-02-17 Alstom Transp Tech Convertisseur d'alimentation reseau et/ou de sous-station de recuperation de l'energie de freinage
US10629396B2 (en) 2017-05-08 2020-04-21 Rockwell Automation Technologies, Inc. Arc flash resistant enclosure with segregated cooling
US10011178B1 (en) * 2017-06-08 2018-07-03 Ford Global Technologies, Llc DC inverter having reduced switching loss and reduced voltage spikes
JP2020529184A (ja) * 2017-09-25 2020-10-01 エルエス、エレクトリック、カンパニー、リミテッドＬｓ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏ．， Ｌｔｄ． インバータシステム
CN113261194A (zh) * 2019-01-04 2021-08-13 西门子股份公司 减少电源中的输入谐波失真
US10651760B1 (en) * 2019-04-24 2020-05-12 Rockwell Automation Technologies, Inc Reduced semiconductor device power cell voltage drive
US10924025B2 (en) 2019-04-24 2021-02-16 Rockwell Automation Technologies, Inc. Regenerative cascaded H bridge power supply
DE102020104252A1 (de) * 2019-05-21 2020-11-26 Vacon Oy Leistungswandler
AU2021439254A1 (en) * 2021-04-07 2023-10-12 Innomotics Gmbh Regenerative multicell drive system with overlap angle in fundamental frequency modulation

Family Cites Families (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4445167A (en) * 1981-10-05 1984-04-24 Tokyo Shibaura Denki Kabushiki Kaisha Inverter system
FR2610153B1 (fr) * 1987-01-28 1989-04-07 Merlin Gerin Filtre dissipatif passe-bas
US5625545A (en) * 1994-03-01 1997-04-29 Halmar Robicon Group Medium voltage PWM drive and method
US6014323A (en) * 1997-08-08 2000-01-11 Robicon Corporation Multiphase power converter
US5990654A (en) * 1998-01-21 1999-11-23 Allen-Bradley Company, Llc Apparatus for eliminating motor voltage reflections and reducing EMI currents
JP2000268756A (ja) * 1999-03-12 2000-09-29 Toshiba Corp 荷電ビーム装置および荷電ビームの制御方法
US6847531B2 (en) * 2001-01-02 2005-01-25 General Electric Company System and method for regenerative PWM AC power conversion
US7088073B2 (en) * 2003-01-24 2006-08-08 Toshiba Internationl Corporation Inverter drive system
JP2005348573A (ja) 2004-06-07 2005-12-15 Toshiba Mitsubishi-Electric Industrial System Corp 電力変換装置
DE102005005688A1 (de) * 2005-02-08 2006-08-10 Siemens Ag Filter für einen rückspeisefähigen Stromrichter mit Grundfrequenztaktung
JP4609102B2 (ja) 2005-02-15 2011-01-12 株式会社明電舎 直列多重インバータ装置
US7508147B2 (en) 2005-05-19 2009-03-24 Siemens Energy & Automation, Inc. Variable-frequency drive with regeneration capability
KR100984496B1 (ko) * 2005-05-27 2010-10-01 지멘스 에너지 앤드 오토메이션 인코포레이티드 과변조를 가진 인버터 동작 시스템 및 그 방법
RU2388133C2 (ru) 2005-09-09 2010-04-27 Сименс Энерджи Энд Отомейшн, Инк. Система и способ снижения влияний гармоник на систему доставки энергии
JP4849310B2 (ja) 2005-10-28 2012-01-11 富士電機株式会社 交流交流電力変換器の制御装置
JP2009106081A (ja) 2007-10-23 2009-05-14 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 電力変換器
JP5230207B2 (ja) 2008-01-07 2013-07-10 三菱重工業株式会社 双方向電力変換器およびその制御方法

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