KR20150004578A

KR20150004578A - 멀티 레벨 인버터

Info

Publication number: KR20150004578A
Application number: KR20130077689A
Authority: KR
Inventors: 김경수
Original assignee: 엘에스산전 주식회사
Priority date: 2013-07-03
Filing date: 2013-07-03
Publication date: 2015-01-13
Also published as: JP2015015887A; US9214875B2; JP6068396B2; EP2849332B1; CN104283435A; ES2790424T3; US20150009731A1; EP2849332A1

Abstract

본 발명은 각 단위전력셀의 입력전원은 서로 효율적으로 절연되는 연결형 H-브릿지 인버터를 제공한다. 이를 위해 본 발명은 고정된 주파수를 가지는 AC 입력전원을 입력받아 예정된 위상을 가지는 전압으로 출력하는 위상변압기; 및 상기 위상변압기에서 제공하는 전압을 입력받아 예정된 상을 가지는 전압을 출력하기 위해 직렬연결된 다수의 단위전력셀을 구비하며, 상기 위상변압기는 상기 다수의 단위전력셀 개수에 해당하는 위상천이 개수를 가지도록 구현되는 것을 특징으로 하는 멀티레벨 인버터를 제공한다.

Description

멀티 레벨 인버터{Multi level Inverter}

본 발명은 인버터에 관련된 것으로 보다 자세하게는 고압 인버터에 관한 것것이다.

고압 인버터는 일반적으로 수 백 kW ~ 수 십 MW의 용량을 갖는 대용량의 전동기를 구동하는데 사용되고 있으며, 팬(fan), 펌프(pump), 압축기(compressor), 견인(traction), 승강(hoist), 컨베이어(conveyor)와 같은 분야에서 주로 사용된다. 멀티 레벨 고압 인버터(multi-level medium-voltage inverter)는 입력 선간 전압 실효치가 600V 이상의 입력 전원을 갖는 인버터로 출력 상 전압(output phase voltage)은 여러 단계를 갖는다.

통상의 전압형 고압 인버터는 직렬 연결형 H-브릿지 인버터(Cascaded H-bridge inverter)를 사용하거나 이를 변형한 직렬 연결형 NPC 인버터(Cascaded Neutral Point Clamped inverter)를 이용한다. 최근 사용되기 시작한 직렬 연결형 NPC 인버터는 기존의 직렬 연결형 H-브릿지 인버터와 비교하여 그 부피가 작다는 점이 크게 부각되고 있다.

직렬 연결형 H-브릿지 인버터는 가장 보편적인 고압인버터 형태로 저압 단상인버터를 조합하여 고압출력을 내도록 구성되며, 전체 구성은 입력단 다권선 변압기, 단위전력셀, 제어부 등으로 구성된다.

직렬 연결형 H-브릿지 인버터는 여러 개의 저압 단상 인버터를 포함하는 단위전력셀을 조합하여 고압 인버터로 사용하는 방법으로, 각 상 별로 단위전력셀을 직렬연결하고 단위전력셀의 출력을 제어하여 고압의 삼상전압 및 전력을 출력하는 방식이다. 이 직렬 연결형 H-브릿지 인버터는 그 특성상 각 단위전력셀의 입력전원은 서로 절연되어야 하는데, 효율적인 방법을 적용하는 것이 쉽지는 않다.

본 발명은 각 단위전력셀의 입력전원은 서로 효율적으로 절연되는 연결형 H-브릿지 인버터를 제공한다.

본 발명은 고정된 주파수를 가지는 AC 입력전원을 입력받아 예정된 위상을 가지는 전압으로 출력하는 위상변압기; 및 상기 위상변압기에서 제공하는 전압을 입력받아 예정된 상을 가지는 전압을 출력하기 위해 직렬연결된 다수의 단위전력셀을 구비하며, 상기 위상변압기는 상기 다수의 단위전력셀 개수에 해당하는 위상천이 개수를 가지도록 구현되는 것을 특징으로 하는 멀티레벨 인버터를 제공한다.

또한, 상기 단위전력셀은 3상의 출력을 위해 각 상당 3개의 단위전력셀이 직렬연결되고, 상기 위상변압기는 9개의 위상천이 개수를 가지게 되며 위상 값은 서로 60˚/9 차이가 나도록 -27˚, -20˚, -13˚, -7˚, 0˚, 7˚, 13˚, 20˚, 27˚의 형태를 가지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기의 단위전력셀은 출력전압이 3000V, 3300V 또는 4150V 중 하나를 제공하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의해 다권선 변압기의 위상천이 정도를 각 상 별 단위전력셀의 개수에서 전체 단위전력셀의 개수를 가지도록 다권선 변압기의 형태를 변경하여 비교적 단위전력셀의 개수가 작은 3000V, 3300V, 4150V 직렬 연결형 H-브릿지 고압 멀티레벨인버터에 적용하여, 기존 3~4%의 입력전류 THD 특성을 1~2%로 낮출 수 있다.

도1은 본 발명을 설명하기 위한 인버터 시스템의 블럭도.
도2는 도1의 인버터 시스템을 구현한 보드를 나타내는 도면.
도3은 도1의 인버터의 단위전력셀의 회로도.
도4는 도1에 도시된 변압기를 나타내는 도면.
도5은 본 발명의 실시예에 따른 고압인버터의 3상 3직렬 다권선 변압기를 나타내는 도면.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

직렬 연결형 H-브릿지 고압인버터는 여러 개의 저압 단상 인버터를 포함하는 단위전력셀을 조합하여 고압인버터로 사용하는 방법으로, 각 상 별로 단위전력셀을 직렬연결하고 단위전력셀의 출력을 제어하여 고압의 삼상전압 및 전력을 출력하는 방식이다. 이 직렬 연결형 H-브릿지 고압인버터의 특성상 각 단위전력셀의 입력전원은 서로 절연되어야 하여 각각의 변압기 권선을 적용하게 되는데, 본 발명은 이 때 사용하는 변압기 권선에 위상천이 형태를 적용하여 입력단 전류의 THD(Total harmonic distortion)를 저감할 수 있다. THD는 출력 전류 성분에서 기본파를 제외한 다른 주파수 성분이 얼마나 포함되어 있으냐에 관한 것이다.

본 발명은 직렬 연결형 H-브릿지 고압인버터에서 상당 3 직렬 이하의 다권선 변압기를 사용하는 경우 4~5%인 기존의 입력전류 THD 값을 1~2%로 낮추기 위해 적용되는 기술을 제안한다.

도1은 본 발명을 설명하기 위한 멀티레벨 인버터 시스템의 블럭도이다. 도2는 도1의 멀티레벨 인버터 시스템을 구현한 보드를 나타내는 도면이다.

도1을 참조하여 살펴보면, H-bridge 멀티-레벨 인버터는 위상 쉬프트(Phase-Shift) 변압기(10)와 각각의 단위전력셀(20) 그리고 단위전력셀과 정보를 주고 받는 마스터 제어기(30)를 포함한다. 위상 변압기(10)는 분리 독립된 단위전력셀(20)의 DC-Link부로 필요한 상을 가지는 전압을 공급한다.

각 열을 이루는 단위전력셀(U1/U2/U3/U4/U5/U6)은 한 상을 가지는 신호를 출력하도록 구성하고 각각 직렬로 연결되어 있다. 또한 각각의 단위전력셀에 포함된 제어기(미도시)는 마스터 제어기(30)와 광케이블로 데이터를 주고 받는다.

도2는 멀티레벨 인버터를 구현한 시스템 구성을 보여주는데, 시스템의 제어기는 크게 주 제어기인 마스터(master) 제어기와 각각 단위전력셀 제어기로 구성된다. 마스터 제어기와 단위전력셀 제어기는 광통신을 통해 신호를 주고 받는다.

마스터 제어기(30)는 순시정전, 재시동, 속도써치, 비상정지, 오토에너지 저장(Auto Energy Save), 자기진단 기능, S/L, 오토튜닝, 주파수 리미트, Stall 방지, 등 주 가감속 제어를 담당한다. 마스터 제어기(30)에서 단위전력셀 제어기로 출력 전압 지령, 동기 신호, 전동기 과열, 등 단위전력셀 운전 기본 형식을 광통신으로 보내고 반대로 단위전력셀 제어기에서 마스터 제어기(30)로 과전압, 부족전압, 과전류, Arm 단락, 지락, 퓨즈오픈, Heat Sink 과열, H/W 이상, 단위전력셀 출력결상, 입력결상의 정보를 제공한다.

도3은 도1의 멀티레벨 인버터의 단위전력셀의 회로도로서, 단위전력셀을 직렬로 연결한 인버터 구성을 보여준다. 도4는 도1에 도시된 변압기를 나타내는 도면이다.

도1 내지 도4에 도시된 바와 같이, 마스터 제어가 각각의 단위전력셀 전압을 받고 다시 단위전력셀에 전압 레퍼런스 정보를 준다. 각각의 단위전력셀은 DC-Link 전압을 수신받아 출력 전압을 생성하여 부하인 전동기로 인가한다. 단위전력셀에서 출력되는 전압의 주파수는 가변되어, 전동기의 토오크와 속도를 제어하는 용도로 사용된다.

직렬 연결형 H-브릿지 고압인버터의 입력전류 THD는 각 층당 단위전력셀의 개수에 따라 영향을 받으며 36 펄스의 정류 특성을 가지는 6직렬 다권선 변압기의 경우 입력전류 THD는 1~2%를 가져 안정적으로 사용할 수 있지만, 3직렬 다권선 변압기는 18펄스 정류 특성을 보여 4~5%의 THD를 가지게 되어 입력전류 THD 요구기준이 높은 발전소 등에 사용하기 힘들다. 기존의 직렬 연결형 H-브릿지 고압인버터에 사용되는 다권선 변압기는 각 상당 단위전력셀의 개수에 해당하는 위상천이 개수를 가지고 있는 것이다.

본 발명에서는 전체의 단위전력셀 개수에 해당하는 위상천이 개수를 가지도록 다권선 변압기의 형태를 제안한다. 예를 들어, 3직렬의 다권선 변압기의 위상천이 개수는 3개로 위상 값은 60˚/3인 -20˚. 0˚, 20˚값을 가지지만, 본 발명의 형태는 9개의 위상천이 개수를 가지게 되며 위상 값은 서로 60˚/9 차이가 나도록 -27˚, -20˚, -13˚, -7˚, 0˚, 7˚, 13˚, 20˚, 27˚의 형태를 보이며 총 54펄스의 정류 특성을 보이게 되고, 그로 인해 입력전류의 THD 특성은 1~2%값을 가지게 된다.

도5은 본 발명의 실시예에 따른 고압인버터의 3상 3직렬 다권선 변압기를 나타내는 도면이다.

직렬 연결형 H-브릿지 고압인버터의 다권선 변압기가 가지는 위상천의 정도는 각 상당 단위전력셀의 개수가 결정한다. 변압기에서 위상 천이가 가능한 -30˚~+30˚의 각을 상당 단위전력셀의 수로 나눠서 결정하게 되며, 3상 3직렬 다권선 변압기의 경우 60˚/3으로 위상천이 값은 -20˚, 0˚, 20˚의 위상을 가지게 되며, 이를 직렬 연결형 H-브릿지 고압인버터는에 적용할 경우 18펄스의 정류특성을 가지는 정류기와 동일한 특성을 보이게 된다. 3상 6직렬의 경우 -20˚, -10˚, 0˚, 10˚, 20˚, 30˚의 위상 천이를 가지게 되며, 36펄스의 정류특성을 보이게 된다. 기존의 다권선 변압기는 각 상당 단위전력셀의 개수에 해당하는 위상천이 개수를 가지고 있는 것이다.

본 실시예에 따른 직렬 연결형 H-브릿지 고압인버터의 다권선 변압기는 전체의 단위전력셀 개수에 해당하는 위상천이 개수를 가지도록 다권선 변압기의 형태를 가진다. 3직렬의 다권선 변압기의 위상천이 개수는 3개로 위상 값은 60˚/3인 -20˚. 0˚, 20˚값을 가지지만, 본 발명의 형태는 9개의 위상천이 개수를 가지게 되며 위상 값은 서로 60˚/9 차이가 나도록 -27˚, -20˚, -13˚, -7˚, 0˚, 7˚, 13˚, 20˚, 27˚의 형태를 보이며 총 54펄스의 정류 특성을 보이게 되고 입력전류의 THD 특성은 1~2%값을 가지게 된다.

직렬 연결형 H-브릿지 고압인버터는 고압전원을 각각의 단위전력셀에서 정류하여 DC전압으로 저장하고 각 단위전력셀의 IGBT 회로를 통해 교류출력으로 바꾸는 동작을 한다. 여기서 입력전류는 정류회로의 영향으로 펄스형태를 가지게 된다.

정류 동작은 입력단 변압기를 통해 위상 천이된 교류전압을 사용하므로 각 상 별 입력전류의 펄스 수는 한 단위전력셀에서 삼상 정류했을 경우의 펄스 수인 3(상수) * 2(전파정류회로특성)이며, 위상천이 개수가 3개이면 총 18개의 펄스를 가지게 된다. 기존의 방식대로 삼상 모두 같은 위상을 가지고 있을 경우 입력전류의 펄스 수는 18개이지만 본 발명에서 제안하는 방법을 적용하면 입력전압의 위상천이 개수가 9개가 되므로 3 * 2 * 9인 54펄스를 가지게 되어 정류회로의 전류왜곡 현상은 줄어들게 된다.

지금까지 살펴본 바와 같이, 본 발명은 직렬 연결형 H-브릿지 고압 멀티레벨 인버터는 3상 3 직렬 시스템인 경우 입력전류의 THD 저감을 목적으로 입력단 다권선 변압기를 새로운 형태로 적용하는 것이다.

직렬 연결형 H-브릿지 고압인버터의 입력전류 THD는 입력단 다권선 변압기의 위상천이 개수에 영향을 받는데, 기존의 다권선 변압기는 각 상 별 단위전력셀의 개수와 같은 위상천이 수를 가지고 있다. 다권선 변압기의 위상천이 정도를 각 상 별 단위전력셀의 개수에서 전체 단위전력셀의 개수를 가지도록 다권선 변압기의 형태를 변경하여 비교적 단위전력셀의 개수가 작은 3000V, 3300V, 4150V 직렬 연결형 H-브릿지 고압 멀티레벨인버터에 적용하면 기존 3~4%의 입력전류 THD 특성을 1~2%로 낮출 수 있다.

이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims

고정된 주파수를 가지는 AC 입력전원을 입력받아 예정된 위상을 가지는 전압으로 출력하는 위상변압기; 및
상기 위상변압기에서 제공하는 전압을 입력받아 예정된 상을 가지는 전압을 출력하기 위해 직렬연결된 다수의 단위전력셀을 구비하며,
상기 위상변압기는 상기 다수의 단위전력셀 개수에 해당하는 위상천이 개수를 가지도록 구현되는 것을 특징으로 하는 멀티레벨 인버터.
제 1 항에 있어서,
상기 단위전력셀은 3상의 출력을 위해 각 상당 3개의 단위전력셀이 직렬연결되고, 상기 위상변압기는 9개의 위상천이 개수를 가지게 되며 위상 값은 서로 60˚/9 차이가 나도록 -27˚, -20˚, -13˚, -7˚, 0˚, 7˚, 13˚, 20˚, 27˚의 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 멀티레벨 인버터.
제 1 항에 있어서,
상기의 단위전력셀은 출력전압이 3000V, 3300V 또는 4150V 중 하나를 제공하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 멀티레벨 인버터.