KR20160100398A - 직류를 스위칭하기 위한 디바이스 - Google Patents

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KR20160100398A
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Abstract

본 발명은, 직류를 스위칭하기 위한 디바이스(1)로서, 기계적 스위치(7)를 갖는 동작 전류 경로(5), 동작 전류 경로(5)에 병렬로 접속되고 전력 전자 스위치(17)를 갖는 스위치-오프 전류 경로(15), 및 동작 전류 경로(5)로부터 스위치-오프 전류 경로(15)로의 직류의 정류를 허용하는 정류 디바이스를 포함하는 디바이스(1)에 관한 것이다. 이 디바이스는 정류 디바이스가 변압기(21)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

직류를 스위칭하기 위한 디바이스{DEVICE FOR SWITCHING A DIRECT CURRENT}
본 발명은, 기계적 스위치를 포함하는 동작 전류 경로, 동작 전류 경로에 병렬로 접속된, 전력 전자 스위치를 포함하는 스위치-오프 전류 경로, 및 동작 전류 경로로부터 스위치-오프 전류 경로로의 직류의 정류(commutation)를 가능케 하는 정류 디바이스를 갖는, 직류를 스위칭하기 위한 디바이스에 관한 것이다.
본 발명은 또한, 이러한 디바이스에 의해 직류를 스위칭 오프(switching off)하기 위한 방법에 관한 것이다.
상기에서 명명된 유형의 디바이스는 국제 특허 출원 WO 2013/131582 A1에서 공지되어 있다. 이 공지된 디바이스에서, 정류 디바이스(commutation device)는 2극 서브모듈(two-pole submodule)들의 직렬 회로를 포함하고, 여기서, 각각의 서브모듈은 에너지 저장소와 전력 반도체 회로를 가진다. 서브모듈들의 에너지 저장소를 충전하기 위하여, 고전압 전위를 갖는 스위치-오프 전류 경로를 접지 전위에 접속하는 충전 브랜치(charging branch)가 제공된다. 정류 디바이스의 에너지 공급은 여기서 상당한 비용을 요구한다.
본 발명은 간단하고 경제적인 방식으로 직류가 안전하게 스위칭 오프될 수 있는 디바이스 및 방법을 제공하는 목적에 기초한다. 이 목적은 본 발명에 따라 청구항 1에 따른 디바이스와 청구항 12에 따른 방법에 의해 달성된다. 이러한 디바이스와 방법의 유익한 실시예들이 종속 청구항들에서 주어진다.
기계적 스위치를 포함하는 동작 전류 경로, 동작 전류 경로와 병렬로 접속된, 전력 전자 스위치를 포함하는 스위치-오프 전류 경로, 및 동작 전류 경로로부터 스위치-오프 전류 경로로의 직류의 정류를 가능케 하는 정류 디바이스를 포함하는 직류를 스위칭하기 위한 디바이스가 개시되며, 여기서, 정류 디바이스는 변압기를 포함한다. 여기서, 동작 전류 경로로부터 스위치-오프 전류 경로로의 직류의 정류는 변압기에 의해 이루어진다는 점이 특히 유익하다.
이 디바이스는, 변압기가 전기적으로 분리된 제1 권선과 제2 권선을 포함하도록 설계될 수 있다. 전기적 분리는 유익하게도, 스위치-오프 전류 경로가 변압기에 접속된 다른 유닛들에 관하여 전기적으로 분리되도록 하는 방식으로 달성된다.
이 디바이스는 또한, 고전압에 저항하는 전기적 분리가 변압기의 제1 권선과 제2 권선 사이에 배열되도록 설계될 수 있다. 스위치-오프 전류 경로와 변압기에 접속된 다른 유닛들 사이의 큰 전위차는 유익하게도 이런 방식으로 구현될 수 있다.
이 디바이스는 또한, 스위치-오프 전류 경로가 변압기의 제2 권선과 전력 전자 스위치의 직렬 회로를 포함하도록 설계될 수 있다. 이 설계는 유익하게도, 변압기의 제2 권선에 의해 스위치-오프 전류 경로 내에 정류 전압이 삽입되는 것을 허용한다.
이 디바이스는 또한, 변압기의 제1 권선이, 변압기의 제2 권선에서 발생하는 전압에 영향을 미칠 수 있는, 특히, 변압기의 제2 권선에서 발생하는 전압을 조절할 수 있는, 급전 유닛(feed unit)에 접속되도록 설계될 수 있다. 이 설계에 의해, 변압기의 제2 권선에서 발생하는 전압(정류 전압)이, 급전 유닛의 도움에 의해, 영향받는 것이, 즉, 조절되는 것이 가능하다.
이 디바이스는 또한 유익하게도, 급전 유닛이 변환기(converter)를 포함하도록 설계될 수 있다. 변환기의 도움으로, 넓은 범위에 걸쳐 변할 수 있는 전압이 변압기의 제1 권선에 인가될 수 있어서, 그 결과, 변압기의 제2 권선에서 발생하는 전압이 넓은 범위에 걸쳐 영향받을 수 있다, 즉, 조절될 수 있다.
이 디바이스는 또한, 급전 유닛이, 에너지 저장소, 특히, 커패시터를 포함하도록 설계될 수 있다. 이러한 에너지 저장소를 갖춘 급전 유닛은 디바이스가 에너지 면에서 자족적으로(self-sufficiently) 동작하는 것을 허용한다. 이것은, 예를 들어, 디바이스에 접속된 직류 고전압 네트워크의 전력 고장시에 특히 유익하다.
이 디바이스는 여기서, 에너지 저장소가 정류를 위해 필요한 전기 에너지를 저장하게끔 설계되도록 설계될 수 있다. 에너지 저장소의 전기적 용량은, 여기서 특히, 에너지 저장소가 완전한 정류 프로세스를 실행하기에 충분히 큰 양의 전기 에너지를 저장하도록 선택된다.
이 디바이스는 또한, 전력 전자 스위치가 직류를 양쪽 방향으로 운반하고 이러한 직류를 스위칭 오프하게끔(즉, 양쪽 방향으로 흐르는 직류를 스위칭 오프하게끔) 구성되도록 설계될 수 있다. 이것은, 이 디바이스의 동작 전류 경로에서 한 방향으로 흐르는 직류를 스위칭 오프하는 것을 가능케 한다. 그러나, 필요하다면, 동작 전류 경로에서 반대 방향으로 흐르는 직류도 역시 이 디바이스에서 스위칭 오프될 수 있다.
이 디바이스는 여기서, 전력 전자 스위치가 복수의 스위칭 모듈의 반직렬 회로(anti-serial circuit)를 포함하도록 구성될 수 있다. 각각의 스위칭 모듈은 여기서, 반병렬(anti-parallel) 접속된 다이오드 및 스위칭 소자를 포함할 수 있다. 스위칭 소자는, 특히, 전력 반도체 스위치일 수 있다.
이 디바이스는 또한, 동작 전류 경로와 스위치-오프 전류 경로가 고전압 전위에 있고, 변압기의 제1 권선과 급전 유닛이 저전압 전위에 있도록 설계될 수 있다. 변압기의 제1 권선과 급전 유닛은, 특히, 접지 전위에 접속될 수 있다. 이것은 유익하게도, 고전압 직류 네트워크의 브랜치들에서 직류들을 스위칭 오프하기 위하여 이 고전압 직류 네트워크에서 이 디바이스의 적용을 허용한다.
디바이스에서 직류를 스위칭 오프하기 위한 방법이 추가로 개시되며, 상기 디바이스는,
- 기계적 스위치를 포함하는 동작 전류 경로,
- 동작 전류 경로와 병렬로 접속된, 전력 전자 스위치를 포함하는 스위치-오프 전류 경로, 및
- 동작 전류 경로로부터 스위치-오프 전류 경로 내로의 직류의 정류를 가능케 하고 변압기를 포함하는 정류 디바이스
를 포함하고, 상기 방법에서,
- 동작 전류 경로를 통해 먼저 직류가 흐르며, 이때 기계적 스위치가 닫혀 있고,
- 변압기에 의해 스위치-오프 전류 경로 내에 정류 전압이 삽입(주입)되고,
- 정류 전압의 결과로서, 스위치-오프 전류 경로와 동작 전류 경로를 통해 흐르는 정류 전류가 생성되고, 이때 동작 전류 경로 내의 정류 전류는 직류와 반대 방향을 가지고,
- 정류 전류의 결과로서, 동작 전류 경로를 통해 흐르는 전류가 감소되고,
- 이 때, 기계적 스위치가 개방된다.
여기서, 변압기에 의해 스위치-오프 전류 경로 내에 정류 전압이 삽입된다는 점이 특히 유익하다. 이것은, 변압기에 의해 구현된 전기적 분리에 의해, 특히, 완벽한 전위 분리에 의해, 정류 전압을 스위치-오프 전류 경로 내에 삽입하는 것을 가능케 한다. 이 방법에 의해, 이 디바이스는 상기에서 주어진 모든 변형들에 따라 구성될 수 있다.
이 방법은, 동작 전류 경로를 통해 흐르는 전류의 특성값이 미리 결정된 임계값 아래로 떨어질 때까지 기계적 스위치가 개방되지 않도록 설계될 수 있다. 특히, 기계적 스위치는, 동작 전류 경로를 통해 흐르는 전류의 전류 세기가 미리 결정된 임계값 아래로 떨어질 때에만 개방될 수 있다.
이러한 특성값은, 예를 들어, 동작 전류 경로를 통해 흐르는 전류의 측정된 값 i(t), 미리 결정된 시구간 동안 측정된 전류의 평균값, 또는 전류와 관련된 또 다른 값일 수 있다. 이상적인 경우, 기계적 스위치는, 동작 전류 경로를 통해 흐르는 전류가 제로값에 도달할 때까지 개방되지 않는다. 기계적 스위치가 개방될 때 어떠한 아크(arc)도 발생하지 않는다. 그러나, 실제로, 기계적 스위치는 동작 전류 경로에서 흐르는 전류가 (작은) 미리 결정된 임계값 아래로 떨어지자마자 개방될 수 있다. 작은 전류가 여전히 흐르는 결과, (작은) 아크가 기계적 스위치에서 발생하지만, 스위치가 아크에 대한 적절한 저항성을 갖는다면 이러한 작은 아크는 유해하지 않다.
이 방법은 또한, (기계적 스위치가 개방된 후에) 스위치-오프 전류 경로를 통해 흐르는 전류가 전력 전자 스위치에 의해 스위칭 오프되도록 진행할 수 있다.
따라서, 동작 전류 경로로부터 스위치-오프 전류 경로로 정류된 직류는 전력 전자 스위치에 의해 스위칭 오프되고, 이로써, 직류를 신속하게 스위칭 오프하는 것이 가능하다.
이 방법은 또한, 동작 전류 경로와 스위치-오프 전류 경로가 고전압 전위에서 동작하고, 변압기의 제1 권선과 급전 유닛이, 특히, 접지 전위에 접속되는 저전압 전위에서 동작하도록 구현될 수 있다.
게다가, 이 방법은 디바이스와 관련하여 상기에서 주어진 이점들을 나타낸다.
본 발명이 이하의 예시적 실시예들을 참조하여 더 상세히 설명된다.
도 1은 예시적 디바이스의 개략도를 도시한다.
도 2는 이 디바이스의 상세한 회로도를 도시한다.
도 3은, 전력 반도체 스위치 및 환류 다이오드(freewheeling diode)를 갖춘 스위칭 모듈의 예시적 실시예를 도시한다.
도 4는 복수의 스위칭 모듈을 갖춘 전력 전자 스위치의 예시적 실시예를 도시한다.
도 5는 복수의 스위칭 모듈을 갖춘 전력 전자 스위치의 추가의 예시적 실시예를 도시한다.
도 6은 제동 초퍼 모듈(braking chopper module)로서 설계된 스위칭 모듈의 예시적 실시예를 도시한다.
직류(I1)를 스위칭하기 위한 디바이스(1)의 예시적 실시예가 도 1에 도시되어 있다. 이 디바이스(1)는 직류 스위치(1)라고도 부를 수도 있다. 디바이스(1)는 동작 전류 경로(5)에 전기적으로 접속된 제1 단자(3)를 포함한다. 동작 전류 경로는, 그 접점들 중 하나가 제1 단자(3)에 전기적으로 접속되고 다른 접점은 제2 단자(9)에 전기적으로 접속된 기계적 스위치(7)를 포함한다. 제1 단자(3)는 더 도시되지 않은 고전압 직류 네트워크의 제1 도전체(11)에 접속된 반면, 제2 단자(9)는 이 고전압 직류 네트워크의 제2 도전체(13)에 접속된다. 디바이스(1)가 스위칭-온 상태(switched-on state)에 있을 때, 기계적 스위치(7)는 닫혀 있다. 도 1에서 기계적 스위치(7)가 개방 상태로 예시되어 있지만, 이하의 설명에서는 그럼에도 불구하고 (도 1의 예시와는 반대로) 기계적 스위치가 닫혀 있는 것으로 가정된다. 스위칭-온 상태에 있을 때, 전기적 직류(I1)는, 제1 도전체(11)로부터 제1 단자(3)와 동작 전류 경로(5)의 닫힌 기계적 스위치(7)와 제2 단자(9)를 통해 제2 도전체(13)에 흐른다. 닫힌 상태에서, 기계적 스위치(7)는 매우 낮은 접촉 저항을 가지므로, 기계적 스위치(7)를 통해 전류가 흐를 때 매우 작은 전기적 손실만이 발생한다. 따라서, 디바이스(1)는, 스위칭 온될 때, 낮은 전기 전도 손실만을 수반하며 전류를 전달할 수 있다.
디바이스(1)는, 동작 전류 경로(5)와 병렬로 접속된 스위치-오프 전류 경로(15)를 더 포함한다. 이 스위치-오프 전류 경로(15)는 예시적 실시예에서 전력 전자 스위치(17)와 변압기(21)의 제2 권선(19)의 전기적 직렬 회로로서 구현된다. 변압기(21)의 제1 권선(23)은 급전 유닛(25)에 전기적으로 접속된다. 변압기(21)와 급전 유닛(25)은 정류 디바이스를 구성한다.
변압기(21)의 제1 권선(23)은 1차 권선인 반면, 변압기(21)의 제2 권선(19)은 2차 권선이다. 제1 권선(23)과 제2 권선(19)은 전기적으로 분리되고, 고전압에 저항하는 전기적 분리(27)가 제1 권선(23)과 제2 권선(19) 사이에 배열된다. 제2 권선(19)과 급전 유닛(25) 사이의 전기적 분리는 이런 방식으로 생성된다. 급전 유닛(25)과 제2 권선(19)은 이로써 완전히 상이한 전위(electrical potential)에서 구현될 수 있다. 특히, 제2 권선(19)의 전위(또한 기계적 스위치(7), 전력 전자 스위치(17), 제1 단자(3) 및 제2 단자(9)의 전위)는 고전압 전위(29)를 갖도록 설계될 수 있는 반면, 제1 권선(23)과 급전 유닛(25)은 저전압 전위(31)를 가진다. 여기서 급전 유닛(25)의 에너지 공급이 저전압 전위(31)에서 제공될 수 있어서, 고전압 전위(29)에서의 값비싸고 복잡한 에너지 공급이 필요하지 않다는 점은 특히 유익하다. 급전 유닛의 요소들의 작동은 저전압 전위(31)에서 수행될 수 있다는 점도 추가로 유익하다. 급전 유닛(25)의 전력 전자회로(power electronics)는 그에 따라 또한 저전압 전위 또는 접지 전위에서 구현될 수 있다. 따라서, 급전 유닛(25)에 대해 작은 분리 비용(isolation outlay)만이 필요하며, 그것은 이것이 저전압 전위 또는 접지 전위에 있기 때문이다.
급전 유닛(25)은 변압기(21)의 제1 권선(23)에 인가되는 전기 전압을 생성한다. 따라서, 급전 유닛은 유도의 결과로서 변압기의 제2 권선(19)에서 발생하는 전압에 영향을 미칠 수 있다. 따라서 급전 유닛(25)과 변압기(21)는 정류 전압(commutation voltage)으로서 역할하는 전압을 스위치-오프 전류 경로(15) 내에 도입하는 역할을 한다. 이 정류 전압은 도 1에서 전압 화살표 Uk로서 예시되어 있다. 기계적 스위치(7), 전력 전자 스위치(17), 및 변압기(21)를 수반한 전기 회로는 디바이스(1)의 정류 루프를 형성한다. 스위치-오프 전류 경로(15) 내로의 정류 전압(Uk)의 삽입은, 활성 정류, 즉, 정류 전압(Uk)에 의한 정류 프로세스의 활성 개시를 허용한다.
디바이스(1)가 스위칭 온되면, 기계적 스위치(7)와 전력 전자 스위치(17)가 닫힌다(스위칭 온된다). 이 스위칭-온 상태에서, 기계적 스위치(7)는 전력 전자 스위치(17)보다 상당히 낮은 접촉 저항을 보이기 때문에, 직류(I1)는 거의 완전히 기계적 스위치(7)를 통해 동작 전류 경로(5)를 통해 흐른다. 직류(I1)가 디바이스(1)에 의해 스위칭 오프될 경우, 이것은 높은 직류(I1)에서는 단순히 기계적 스위치(7)를 개방함으로써 가능하지는 않다. 높은 전류(I1)가 기계적 스위치(7) 단독에 의해 스위칭 오프된다면, 기계적 스위치(7)에서 아크(arc)가 발생하여 이 기계적 스위치를 손상시키거나 파괴할 것이다. 이러한 이유로, 직류(I1)를 스위칭 오프하기 위하여 직류(I1)는 동작 전류 경로(5)로부터 스위치-오프 전류 경로(15)로 전향(divert)/정류(commutate)된다; 동작 전류 경로(5)로부터 스위치-오프 전류 경로(15)로의 직류(I1)의 정류가 발생한다. 이 정류를 실행하기 위해, 전기적 전압이 급전 유닛(25)에 의해 변압기(21)의 제1 권선(23)에 인가된다.
이 전압의 결과, 변압기의 제1 권선을 통해 전류가 흐른다. 변압기의 제1 권선(23)에서의 전류의 변화로 인해, 정류 전압(Uk)이 제2 권선(19)에 유도된다. 정류 전압(Uk)으로 인해, 정류 루프에서(즉, 동작 전류 경로(5)와 스위치-오프 전류 경로(15)에 의해 구성된 메쉬(mesh)에서) 정류 전류(Ik)가 흐른다. 이 정류 전류(Ik)는 동작 전류 경로에서 스위칭 오프될 전류(I1)와는 반대 방향을 가진다. 동작 전류 경로(5) 내의 직류는 반대 방향으로 향하는 이 정류 전류에 의해 감소된다.
직류(I1)의 특성값이 미리 결정된 임계값 아래로 떨어지자마자, 기계적 스위치(7)가 개방된다. 이러한 직류(I1)의 특성값은, 예를 들어, 동작 전류 경로에서 측정되는 직류(I1)의 순간값 i(t)일 수 있다. 이상적인 경우에, 기계적 스위치(7)는, 기계적 스위치(7)를 통해 흐르는 직류(I1)가 제로값에 도달할 때까지 개방되지 않을 것이다. 이 경우에, 기계적 스위치(7)에서는 어떠한 아크로 전혀 발생하지 않는다. 그러나, 일단 기계적 스위치(7)를 통해 흐르는 직류(I1)가 작은 값을 가지면(예를 들어, 직류(I1)가 값 100A 아래로 떨어질 때), 기계적 스위치(7)는 역시 개방될 수 있다. 이 경우에 기계적 스위치(7)가 개방되면 아크가 발생하는 것은 사실이다. 그러나, 기계적 스위치(7)의 적절한 아크-방지 설계(arc-resistant design)에 의해, 기계적 스위치는 이 (약한) 아크에 의해 손상되지 않는다. 동작 전류 경로(5) 내의 직류가 제로값에 도달하고, 기계적 스위치(7)에서 발생할 수도 있는 임의의 아크가 소멸되면, 기계적 스위치(7)의 분리 세그먼트(isolation segment)가 전압을 수용할 수 있다.
동작 전류 경로를 통해 흐르는 직류(I1)가 정류 전류(Ik)에 의해 더욱 더 작아짐에 따라, 스위치-오프 전류 경로(15)를 통해 흐르는 직류는 역으로 점점 더 커진다. 따라서 직류(I1)가 동작 전류 경로(5)로부터 스위치-오프 전류 경로(15)로 정류된다. 직류(I1)가 (완전히 또는 거의 완전히) 스위치-오프 전류 경로(15) 내로 정류된 후에, 전력 전자 스위치(17)가 개방되고, 직류(I1)가 그에 따라 스위칭 오프된다. 전력 전자 스위치(17)는 스위치-오프시에 발생하는 스위칭 에너지를 흡수하여 열 에너지로 변환할 수 있다. 이로써 직류(I1)를 스위칭 오프하는 것이 완료된다.
도 1의 디바이스(1)가 도 2에서 더 상세히 예시되어 있다. 전력 전자 스위치(17)는 직렬 접속된 복수의 스위칭 모듈(210)을 포함하고, 서지 어레스터(surge arrester)(213)가 이들 각각과 병렬로 접속된다는 것을 알 수 있다. 서지 어레스터는, 예를 들어, 금속 산화물 배리스터(metal oxide varistor)로서 설계될 수 있다. 이러한 금속 산화물 배리스터는 특히 유익한 특성 곡선을 나타낸다. 서지 어레스터는 스위칭 오프시에 발생하는 스위칭 에너지를 흡수 또는 변환하는 역할을 한다. 게다가 서지 어레스터(213)는 과도한 전압 스파이크로부터 스위칭 모듈(210)을 보호하는 역할을 한다.
전력 전자 스위치(17)는 또한, 병렬로 접속된 서지 어레스터(213)를 갖는 하나의 스위칭 모듈(210)만을 포함하도록 구현될 수 있다. 이 경우, 이 하나의 스위칭 모듈은, 이 스위칭 모듈이 전력 전자 스위치(17)에 존재하는 모든 전압을 수용할 수 있도록 하는 전압 저항을 갖도록 설계된다. 그러나, 전력 전자 스위치(17) (도 2에 예시된 바와 같음) 가 직렬 접속된 복수의 스위칭 모듈(210)을 포함한다면, 스위칭될 전압이 개별 스위칭 모듈들에 걸쳐 분산되어, 이들 스위칭 모듈(210) 각각은 더 낮은 전압 저항만을 가질 필요가 있다. 이것은 더 낮은 허용된 스위칭 전압을 갖는 경계적인 스위칭 모듈이 채용되는 것을 허용한다.
급전 유닛(25)이 변환기(228)와 에너지 저장소(230)를 포함하고 있는 것이 도 2에 또한 예시되어 있다. 에너지 저장소(230)는, 예를 들어, 커패시터(230)로서 설계될 수 있다. 에너지 저장소(230)는 디바이스(1)가 스위칭-온 상태에 있을 때 직류(I1)를 정류하는데 요구되는 에너지를 저장한다. 에너지 저장소(230)는, 예를 들어, 종래의 저전압 네트워크로부터, 예를 들어, 380V 교류 네트워크로부터 전기 에너지를 공급받을 수 있다. 에너지 저장소(230)가 충전되면, 이것은, 에너지 저장소(230)에 공급을 행하고 있는 에너지 공급 네트워크가 고장나는 경우에도 디바이스(1)가 에너지면에서 자족적으로 동작하는 것을 허용한다.
변환기(228)는 변압기(21)를 급전(feed)하는 역할을 한다. 브리지 회로로서 구성된 변환기와 같은, 전문가에게 공지된 종래의 변환기가 변환기(228)로서 이용될 수 있다. 변환기(228)의 회로는 또한 상이하게 구성될 수도 있다; 여기서, 예를 들어, 다양한 전력에 대한 산업용 구동에 이용가능한 표준 변환기가 이용되는 것이 가능하다.
변환기(228)에 의해, 변압기(21)의 제1 권선(23)을 통해 흐르는 1차 전류가 넓은 범위에 걸쳐 제어될 수 있다. 이것은 정류 프로세스가 의도적으로 제어되는 것을 가능하게 한다.
변환기(228)에 의해, 예를 들어, 직류 전압이 변압기(21)의 제1 권선(23)에 인가되는 것이 가능하다. 짧은 시간 동안, 결과적으로 (일정한 di/dt를 갖는) 선형 상승하는 전류(linearly rising current)가 (인덕턴스를 나타내는) 제1 권선(23)에서 흐른다. 제1 권선(23)에서의 이러한 선형 상승하는 전류의 결과, 정류 전류(Ik)가 또한 (적어도 잠시) 선형 상승하는 전류로서 발현(develop)되는 성질의 제2 권선(19)에서 정류 전압이 유도된다. 정류 프로세스는 이 정류 전류(Ik)에 의해 실행될 수 있다.
또 다른 예시적 변형에서, 변환기(228)에 의해 변압기(21)의 제1 권선(23)에 교류 전압이 인가될 수 있다. 이로써 제2 권선(19)에서 교류 전압이 유도된다. 이 교류 전압으로 인해 정류 루프에 정류 전류(IK)가 흐른다.
그러나, 변환기(228)에 의해 변압기의 제1 권선(23)에 다른 전압 신호들도 역시 인가될 수 있다. 제2 권선(19)에서 유도된 정류 전압(Uk)의 결과로서, 그 방향이 기계적 스위치(7)를 통해 흐르는 직류(I1)와 반대되는 정류 전류(Ik)가 정류 루프에 흐르기 시작한다는 점만이 중요하다.
도 2는 또한, 동작 전류 경로(5)를 통해 흐르는 전류(및 그에 따라 기계적 스위치(7)를 통해 흐르는 전류)를 측정하여, 측정된 전류값을 생성하는 전류 센서(233)를 예시한다. 전류 센서(233)는, 측정된 전류값을 평가하는 제어기(235)에 이들 측정된 전류값을 전송한다. 제어기(235)가 동작 전류 경로(5)를 통해 흐르는 전류(I1)의 특성값이 미리 결정된 임계값 아래로 떨어지는 것을 검출하자마자, 제어기는 기계적 스위치(7)에 개방 명령을 전송한다. 나중에(기계적 스위치(7)가 개방될 때), 제어기(235)는 추가적으로 개방 명령을 전력 전자 스위치(17)에 전송한다. 나아가, 제어기(235)는 또한, 변환기가 변압기(21)의 제1 권선(23)에 적절한 전압을 출력하여 정류 프로세스를 개시하도록 하는 방식으로 변환기(228)를 동작시킬 수 있다. 따라서 제어기(235)는 직류(I1)의 전체 스위치-오프 프로세스를 제어한다.
여기서, 변압기의 전기적 분리/전위 분리의 결과로서, 전력 전자 변환기(228)의 작동이 저전압 전위로 실행될 수 있고, 고전압 전위에서 수행되어야 할 필요가 없다는 점이 유익하다. 따라서, 변환기(228)와의 전기적 분리, 냉각 및 통신을 위해 낮은 비용만이 발생한다. 이런 방식으로 디바이스(1)의 간단하고 경제적인 구현이 이루어진다. 에너지 저장소(230)와 정류 루프(7, 17, 19) 사이의 전기적 분리는 또한 유익하게도 변압기에 의해 달성된다. 그 결과 에너지 저장소(230)는 매우 용이하게 및 적은 비용으로 전기 에너지를 공급/충전받을 수 있다.
스위칭 모듈(210)이 구성될 수 있는 방식이 예로서 도 3에 도시되어 있다. 도 3은, 단순히 스위칭 소자(311) 및 이와 반평행(anti-parallel)하게 접속된 환류 다이오드(312)로 구성된, 매우 단순하게 구성된 스위칭 모듈(210)을 도시한다. 스위칭 온 및 스위칭 오프될 수 있는 전력 반도체 스위치(311)는, 예를 들어, 스위칭 소자(311)로서 채용될 수 있다. 예를 들어, 전력 트랜지스터, IGBT(insulated-gate bipolar transistor) 또는 GTO(gate turn-off thyristor) 등의, 다양한 전력 반도체 컴포넌트들이 스위칭 소자(311)로서 채용될 수 있다.
전력 전자 스위치(17)의 예시적 실시예가 도 4에 도시되어 있다. 전력 전자 스위치(17)는 도 2에 나타낸 스위칭 모듈과 유사하게 구성된 복수의 스위칭 모듈(210)을 포함한다. 스위칭 모듈의 개수는 가변적이며, 스위치(17)에 존재하는 전기 전압의 레벨에 따라 선택될 수 있다. 스위칭 모듈(210)은 직렬 접속되고(스위칭 모듈들(210)의 직렬 접속), 여기서, 모든 스위칭 모듈들은 동일한 극성을 가진다. 서지 어레스터(213)가 각각의 스위칭 모듈(210)과 병렬로 접속된다. 이 전력 전자 스위치(17)에 의해, 한 방향으로 흐르는 직류가 스위칭 오프될 수 있다.
전력 전자 스위치(17)의 추가의 예시적 실시예가 도 5에 도시되어 있다. 이 전력 전자 스위치(17)는, 도 2에 나타낸 스위칭 모듈과 유사하게 구성된 복수의 스위칭 모듈(210)을 포함한다. 이들 스위칭 모듈(210)은 반직렬(anti-series)로 접속된다. 스위칭 모듈들(210)의 이러한 반직렬 접속에서, 스위칭 모듈들의 극성은 변한다; 예를 들어, 이웃하는 스위칭 모듈들은 상이한 극성들을 가진다. 즉, 전력 전자 스위치(17)의 스위칭 모듈들(210)은 반대 극성들을 가진다. 그 결과, 양쪽 방향으로 흐르는 직류들이 이 전력 전자 스위치(17)에 의해 스위칭 오프될 수 있다. 도 4의 전력 전자 스위치에서와 같이, 서지 어레스터(213)가 각각의 스위칭 모듈(210)과 병렬로 접속된다.
도 5에 따른 전력 전자 스위치(17)가 이용될 때, 양쪽 방향으로 흐르는 직류들은 디바이스(1)에 의해 스위칭 오프될 수 있다. 따라서, 도 1의 직류(I1)처럼 흐르는 직류가 스위칭 오프될 수 있고, 반대 방향으로 흐르는 직류도 스위칭 오프될 수 있다. 여기서, 변환기(228)는, (예를 들어, 변환기(228)의 쌍극성 구현을 통해) 임의의 극성으로 제1 권선(23)에 전압을 인가할 수 있도록 설계될 수 있다.
도 6은, 도 2에 도시된 디바이스에서, 병렬-접속된 서지 어레스터(213)와 함께, 스위칭 모듈(210)을 대체할 수 있는, 스위칭 모듈(210')의 예시적 실시예를 나타낸다. 도 6의 스위칭 모듈(210')은, 오옴 저항기(ohmic resistor)(610)에 의해 전기 에너지가 열 에너지로 변환될 수 있는, 그 자체로 공지된, 소위 제동 초퍼 모듈이라 알려진 것이다. 기계적 스위치(7)가 개방되고 전압을 수락할 수 있을 때, 정류된 직류는 단자들(616 및 617)을 통해 스위칭 모듈(210') 내로 흐른다. 이 직류는 먼저, 단자들(616 및 617)에 직접 접속된 스위칭 소자(620)를 통해 흐른다. 이 스위칭 소자(620)가 스위칭 오프되면, 직류가 다이오드(622)를 통해 커패시터(625) 내로 흐르고, 이 커패시터(625)를 충전시킨다. 커패시터 전압이 미리 결정된 값을 초과하면, 우측 회로 브랜치 내의 스위칭 소자(630)가 스위칭 온됨으로써, 커패시터는 저항기(610)를 통해 방전한다; 전기 에너지는 저항기(610)를 통해 열로 변환된다. 커패시터 전압은, 커패시터가 방전되는 결과로서 하강한다. 커패시터 전압이 커패시터 전압의 미리 결정된 더 낮은 전압값 아래로 떨어지면, 스위칭 소자(630)는 스위칭 오프되고, 커패시터(625)는 다시 충전된다. 이것은, 정류된 직류가 스위칭 오프될 때까지 계속된다.
동작 전류 또는 고장 전류를 스위칭 오프하기 위하여, 고전압 직류 전송 네트워크(HVDC network)에서, 설명된 직류 스위치(1) 또는 직류 전력 스위치(1)가 유익하게 채용될 수 있다. 이것은 또한, 고전압 직류 전력 스위치(high-voltage direct current power switch)(1)라고도 할 수 있다. 기계적 스위치(7)와 전력 전자 스위치(17)의 이용의 결과, 스위칭-온 상태에 있을 때 낮은 전도 손실이 달성된다; 전력 전자 스위치(17)는 짧은 반응 시간과 직류를 신속하게 스위칭 오프하는 능력을 허용한다. 변압기를 포함하는 정류 디바이스에 의해, 스위치-오프 전류 경로와 급전 유닛 사이의 큰 전위차가 구현될 수 있다. 이를 통해, 급전 유닛의 에너지 공급 및/또는 급전 유닛의 작동이 특히 간소화된다.
특히, 고전압 전위에서의 큰 직류가 안전하고 경제적으로 스위칭 오프될 수 있는, 직류를 스위칭하기 위한 디바이스와 직류를 스위칭하기 위한 방법이 설명되었다.

Claims (15)

  1. 직류(direct current)를 스위칭(switching)하기 위한 디바이스(1)로서,
    - 기계적 스위치(7)를 포함하는 동작 전류 경로(5),
    - 상기 동작 전류 경로(5)와 병렬로 접속된, 전력 전자 스위치(power electronic switch)(17)를 포함하는 스위치-오프 전류 경로(switch-off current path)(15), 및
    - 상기 동작 전류 경로(5)로부터 상기 스위치-오프 전류 경로(15) 내로의 상기 직류의 정류(commutation)를 가능케 하는 정류 디바이스(commutation device)
    를 포함하는 스위칭 디바이스에 있어서,
    - 상기 정류 디바이스가 변압기(21)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 스위칭 디바이스.
  2. 제1항에 있어서,
    - 상기 변압기(21)가 전기적으로 분리된 제1 권선(23) 및 제2 권선(19)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 스위칭 디바이스.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    - 고전압에 저항하는 전기적 분리(27)가 상기 변압기(21)의 상기 제1 권선(23)과 상기 제2 권선(19) 사이에 배열되는 것을 특징으로 하는, 스위칭 디바이스.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    - 상기 스위치-오프 전류 경로(15)는 상기 변압기(21)의 상기 제2 권선(19)과 상기 전력 전자 스위치(17)의 직렬 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는, 스위칭 디바이스.
  5. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 상기 변압기(21)의 상기 제1 권선(23)은, 상기 변압기(21)의 상기 제2 권선(19)에서 발생하는 전압에 영향을 미칠 수 있는 급전 유닛(feed unit)(25)에 접속되는 것을 특징으로 하는, 스위칭 디바이스.
  6. 제5항에 있어서,
    - 상기 급전 유닛(25)은 변환기(228)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 스위칭 디바이스.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    - 상기 급전 유닛(25)은 에너지 저장소(energy store)(230), 특히, 커패시터(230)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 스위칭 디바이스.
  8. 제7항에 있어서,
    - 상기 에너지 저장소(230)는 상기 정류를 위해 필요한 전기 에너지를 저장하도록 설계된 것을 특징으로 하는, 스위칭 디바이스.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 상기 전력 전자 스위치(17)는 직류를 양쪽 방향으로 운반(carry)하고 이러한 직류를 스위칭 오프하도록 구성된 것을 특징으로 하는, 스위칭 디바이스.
  10. 제9항에 있어서,
    - 상기 전력 전자 스위치는, 복수의 스위칭 모듈의 반직렬 회로(anti-serial circuit)를 포함하고, 각각의 스위칭 모듈은 반병렬(anti-parallel) 접속된 다이오드 및 스위칭 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는, 스위칭 디바이스.
  11. 제5항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 상기 동작 전류 경로(5)와 상기 스위치-오프 전류 경로(15)는 고전압 전위(29)에 있고,
    - 상기 변압기(21)의 상기 제1 권선(23)과 상기 급전 유닛(25)은 저전압 전위(31)에 있으며, 특히, 접지 전위에 접속되는 것을 특징으로 하는, 스위칭 디바이스.
  12. 디바이스에서 직류를 스위칭 오프하기 위한 방법으로서,
    상기 디바이스는,
    - 기계적 스위치(7)를 포함하는 동작 전류 경로(5),
    - 상기 동작 전류 경로(5)와 병렬로 접속된, 전력 전자 스위치(17)를 포함하는 스위치-오프 전류 경로(15), 및
    - 상기 동작 전류 경로(5)로부터 스위치-오프 전류 경로(15) 내로의 직류의 정류를 가능케 하고 변압기(21)를 포함하는 정류 디바이스
    를 포함하고, 상기 방법에서,
    - 상기 동작 전류 경로(5)를 통해 먼저 직류가 흐르며, 이때 상기 기계적 스위치(7)가 닫혀 있고,
    - 상기 변압기(21)에 의해 상기 스위치-오프 전류 경로(15) 내에 정류 전압(UK)이 삽입되고,
    - 상기 정류 전압(UK)의 결과로서, 상기 스위치-오프 전류 경로(15)와 상기 동작 전류 경로(5)를 통해 흐르는 정류 전류(IK)가 생성되고, 이때 상기 동작 전류 경로 내의 상기 정류 전류(IK)는 상기 직류와 반대 방향을 가지고,
    - 상기 정류 전류(IK)의 결과로서, 상기 동작 전류 경로를 통해 흐르는 전류가 감소되고,
    - 이어서, 상기 기계적 스위치(7)가 개방되는, 스위칭 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    - 상기 동작 전류 경로를 통해 흐르는 전류의 특성값이 미리 결정된 임계값 아래로 떨어질 때까지 상기 기계적 스위치(7)는 개방되지 않는 것을 특징으로 하는, 스위칭 방법.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    - 상기 기계적 스위치(7)가 개방된 후에, 상기 스위치-오프 전류 경로를 통해 흐르는 전류는 상기 전력 전자 스위치(17)에 의해 스위칭 오프되는 것을 특징으로 하는, 스위칭 방법.
  15. 제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 상기 동작 전류 경로(5)와 상기 스위치-오프 전류 경로(15)는 고전압 전위(29)에서 동작하고,
    - 상기 변압기(21)의 상기 제1 권선(23)과 상기 급전 유닛(25)은, 특히, 접지 전위에 접속되는 저전압 전위(31)에서 동작하는 것을 특징으로 하는, 스위칭 방법.
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