KR20170129886A - 서브모듈을 구비한 전기 장치 - Google Patents

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KR20170129886A
KR20170129886A KR1020177030174A KR20177030174A KR20170129886A KR 20170129886 A KR20170129886 A KR 20170129886A KR 1020177030174 A KR1020177030174 A KR 1020177030174A KR 20177030174 A KR20177030174 A KR 20177030174A KR 20170129886 A KR20170129886 A KR 20170129886A
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로드리고 알론소 알바레츠 발렌추엘라
한스-요아힘 나크
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Abstract

본 발명은 특히 교류 전류(Ie)가 그에 공급되거나 그로부터 교류 전류가 인출될 수 있는 적어도 하나의 AC 전압 접속부(L1, L2, L3), 직렬로 접속된 적어도 2개의 서브모듈(130)을 갖는 적어도 하나의 직렬 회로(R) 및 서브모듈(130)을 작동시키기 위한 작동기 유닛(30)을 갖는 장치(10)에 관한 것이다. 직렬 회로(R)의 서브 모듈(130) 각각은 적어도 2개의 스위칭 요소(S1-S4)와 커패시터(C)를 포함한다. 본 발명에 따라서, 서브모듈(130) 각각은 전용 제어기(150)를 갖고, 이 제어기는 작동기 유닛(30)에 접속되며, 서브모듈(130)의 각각의 스위칭 요소(S1-S4)를 작동시키고 각각의 커패시터(C)로부터 서브모듈의 동작 전압을 취득하며, 장치(10)는 적어도 하나의 전환기(160-162, 190, 192)를 가지고, 이 전환기는 적어도 하나의 직렬 회로(R)에 접속되며, 작동기 유닛(30)에 의해 제어된 방식으로 직렬 회로(R)에 인가된 직렬 회로 전압(Ur)을 전환할 수 있고, 서브모듈(130)의 커패시터(C)를 충전하기 위해 장치(10)의 시동 과정 이후 충전 모드로 스위칭되며, 전환기는 충전 모드에서, 충전 모드가 종결된 이후 충전 모드에 후속하는 정상 동작 모드에서와는 다르게 적어도 하나의 직렬 회로(R)를 접속시킨다.

Description

서브모듈을 구비한 전기 장치
본 발명은 교류 전류가 공급 또는 인출될 수 있는 적어도 하나의 AC 전압 접속부와, 직렬로 접속된 적어도 2개의 서브모듈(submodule)을 갖는 적어도 하나의 직렬 회로와, 서브모듈을 구동하기 위한 구동 유닛을 갖는, 특히, 컨버터 장치 형태의 장치- 직렬 회로의 서브모듈 각각은 적어도 2개의 스위칭 요소(switching element) 및 커패시터(capacitor)를 포함함 -에 관한 것이다.
대응하는 장치가 국제 특허 출원 WO 2012/156261 A2에 설명되어 있다. 이 장치는 멀티레벨 컨버터(multilevel converter)이다.
본 발명은 서브모듈의 커패시터의 시동 거동 또는 충전 거동에 관하여 서두에 명시된 유형의 장치를 개선하는 목적에 기초한다.
이러한 목적은 본 발명에 따라서 특허 청구항 1에 청구된 특징을 갖는 장치에 의해 달성된다. 본 발명에 따른 장치의 유리한 구성은 종속 청구항에 명시되어 있다.
후속하여, 본 발명에 따라 서브모듈이 구동 유닛에 접속된 서브모듈-특정 제어기- 상기 제어기는 각각의 서브모듈의 스위칭 요소를 구동하고, 각각의 서브모듈의 커패시터로부터 그 동작 전압을 취득함 -를 각각 갖도록 하고, 장치가 적어도 하나의 전환기(changeover device)를 갖도록 하는 구성이 제공되고, 전환기는 적어도 하나의 직렬 회로에 접속되며, 구동 유닛(drive unit)에 의해 제어되는 방식으로 직렬 회로에 인가된 직렬 회로 전압을 전환할 수 있고, 장치의 시동 이후- 서브모듈의 커패시터를 충전하기 위해 -, 충전 모드(charging mode)로 전환되고, 충전 모드에서, 이는 충전 모드의 종결 이후 충전 모드에 후속하는 정상 동작 모드(normal operating mode)에서와는 다르게 적어도 하나의 직렬 회로를 접속시킨다.
본 발명에 따른 장치의 하나의 주된 장점은 후속 정상 동작 모드 이전에 수행되면서 서브모듈의 커패시터의 신뢰성있는 충전을 보증하는 특정 시동 위상 또는 특정 충전 모드가 상기 장치에 제공된다는 사실에서 찾을 수 있다.
이 장치는 바람직하게는 컨버터 장치, 특히, 멀티레벨 컨버터 형태의 컨버터 장치이다.
전환기는 바람직하게는 정상 동작 모드보다 더 높은 직렬 회로 전압을 충전 모드에서 직렬 회로에 공급한다.
충전 모드로부터 정상 동작 모드로의 전환에 관하여, 구동 유닛의 서브모듈의 모든 제어기가 동작 준비상태, 특히, 동작에 충분한 각각의 서브모듈의 커패시터 전압을 나타내자 마자 구동 유닛이 충전 모드로부터 정상 동작 모드로 전환기를 전환시키는 것이 특히 유리한 것으로 고려된다.
장치의 특히 양호한 구성에서, 장치가 다상이고, 다상 입력 교류 전류 중 하나의 위상의 전류가 각각의 경우에 공급 또는 인출될 수 있는 복수의, 적어도 2개의, AC 전압 접속부를 구비하는 구성이 제공되며, 장치는 각각의 경우에 위상 마다 적어도 하나의 직렬 회로를 포함하며, 상기 적어도 하나의 직렬 회로는 직렬로 접속된 적어도 2개의 서브모듈을 갖는다. 충전 모드에서, 서브모듈의 커패시터는 바람직하게는 AC 전압 접속부에서 공급된 교류 전류를 사용하여 충전되며; 대안적으로, - 추가로 다시 후술될 바와 같이 - 장치의 DC 전압 측부(존재하는 경우)에 의해 수행되는 충전도 마찬가지로 유리하게 가능하다.
커패시터의 신뢰성있는 충전에 관하여, 충전 모드에서, 전환기가 각각의 경우에 2개의 AC 전압 접속부 사이에 인가된 선간 전압을 그에 접속되는 직렬 회로에 공급하는 경우가 유리한 것으로 고려된다.
장치는 바람직하게는 3상이고; 이러한 유형의 실시예에서, 충전 모드에서, 전환기가 그에 접속된 직렬 회로를 델타 회로로 전기적으로 접속하는 것이 유리하다.
정상 동작 모드에서, 전환기는 바람직하게는 그에 접속된 직렬 회로를 스타-포인트 회로(star-point circuit)로 전기적으로 접속하고, 스타-포인트 회로의 스타 포인트(star point)는 장치의 출력측 전압 시스템(예를 들어, DC 전압 시스템)의 극점(pole)을 형성하고, 전위에 관하여 부유(float) 또는 접지 상태로 존재한다.
또한, 이미 언급한 바와 같이, 장치에 대해 적어도 2개의 DC 전압 접속부를 갖도록 하는 구성이 제공될 수 있고, 이 DC 전압 접속부로 장치에 직류 전류가 공급될 수 있거나 이에 의해 직류 전류가 장치로부터 인출될 수 있다.
장치는 바람직하게는 적어도 2개의 전환기를 가지고, 이 전환기는 정상 동작 모드에서 각각의 경우에 그에 접속된 직렬 회로를 스타-포인트 회로로 접속한다.
DC 전압 시스템에 대한 장치의 접속을 가능하게 하기 위해, 적어도 2개의 DC 전압 접속부가 2개의 스타-포인트 회로 중 하나의 스타 포인트에 각각 접속되는 경우가 유리한 것으로 고려된다.
DC 전압 시스템에 대해 장치를 접속하는 경우에, 충전 모드에서, 전환기가 2개의 DC 전압 접속부에서 공급된 직류 전류를 사용하여 그에 접속된 적어도 하나의 직렬 회로의 서브모듈의 커패시터를 충전하는 경우가 유리한 것으로 고려된다. 이러한 구성에서, 장치의 AC 전압 접속부는 바람직하게는 충전 모드의 종결 또는 정상 동작 모드로의 천이 이후에만 AC 전압 그리드(voltage grid)에 바람직하게 접속된다.
충전 전류의 전류 피크(peak)를 제한하거나 충전 전류를 제한하는 것에 관하여, 충전 모드에서, 전환기가 직렬 회로 또는 직렬 회로들을 각 경우에 적어도 하나의 직렬 충전 저항기와 직렬로 접속하는 경우가 유리한 것으로 고려된다.
본 발명은 또한 교류 전류가 공급 또는 인출될 수 있는 적어도 하나의 AC 전압 접속부와, 직렬로 접속된 적어도 2개의 서브모듈을 갖는 적어도 하나의 직렬 회로와, 서브모듈을 구동하기 위한 구동 유닛을 갖는 장치- 직렬 회로의 서브모듈 각각은 적어도 2개의 스위칭 요소 및 커패시터를 포함함 -를 동작하는 방법에 관한 것이다.
이러한 종류의 방법에 관하여, 본 발명에 따라 서브모듈의 적어도 2개의 스위칭 요소에 대하여, 구동 유닛에 접속된 서브모듈-특정 제어기를 사용하여 각각 제어되게 하는 구성이 제공되고- 상기 제어기는 각각의 서브모듈의 커패시터로부터 그 동작 전압을 취득함 -, 적어도 하나의 전환기를 사용하여, - 서브모듈의 커패시터를 충전하기 위하여 - 장치의 시동 이후 직렬 회로에 인가된 직렬 회로 전압이 충전 모드로 스위칭되게 하는 구성이 제공되며, 충전 모드에서, 전환기는 충전 모드의 종결 이후 충전 모드에 후속하는 정상 동작 모드에서와는 다르게 적어도 하나의 직렬 회로를 접속시킨다.
본 발명에 따른 방법의 장점에 관하여서는 본 발명에 따른 장치에 연계하여 전술한 바를 참조한다.
예시적 실시예를 참조로 본 발명을 더 상세히 후술하며, 예시적 실시예에서, 예로서:
도 1은 장치의 컨버터 디바이스(converter device)가 3상 배전망에 접속되는 본 발명에 따른 장치에 대한 예시적 실시예를 도시하고,
도 2는 도 1에 따른 장치에 사용될 수 있으면서 브리지 회로로 상호접속된 6개의 위상 모듈을 갖는 컨버터 디바이스에 대한 예시적 실시예를 더 상세히 도시하고,
도 3은 도 2에 따른 컨버터 디바이스에 사용되거나 사용될 수 있는 위상 모듈에 대한 예시적 실시예를 도시하고,
도 4는 도 3에 따른 위상 모듈을 형성하기 위해 사용될 수 있는 서브모듈에 대한 예시적 실시예를 도시하고,
도 5는 도 3에 따른 위상 모듈을 형성하기 위해 사용될 수 있는 서브모듈에 대한 다른 예시적 실시예를 도시하고,
도 6은 도 2에 따른 컨버터 디바이스의 전환기의 2개의 스위칭 상태와 동작 모드를 도시하고,
도 7은 본 발명에 따른 장치, 예로서, 도 1에 따른 장치에 사용될 수 있는 컨버터 디바이스에 대한 다른 예시적 실시예- 도 7에 따른 컨버터 디바이스는 외부 DC 전압 접속부 없이 동작됨 -를 도시하며,
도 8은 본 발명에 따른 장치, 특히, 도 1에 따른 장치에 사용될 수 있는 컨버터 디바이스에 대한 다른 예시적 실시예- 도 8에 따른 컨버터 디바이스의 위상 모듈은 헥스버터(hexveter)라 알려진 바를 형성함 -를 도시하며,
도 9는 도 8에 따른 컨버터 디바이스에 사용될 수 있는 전환기의 스위칭 상태를 도시하고,
도 10은 본 발명에 따른 장치, 특히, 도 1에 따른 장치에 사용될 수 있는 컨버터 디바이스에 대한 다른 예시적 실시예- 도 10에 따른 컨버터 디바이스는 헥스버터를 형성하도록 상호접속된 6개의 위상 모듈을 구비함 -를 도시하며,
도 11은 본 발명에 따른 장치, 특히, 도 1에 따른 장치에 사용될 수 있는 컨버터 디바이스에 대한 다른 예시적 실시예- 도 11에 따른 컨버터 디바이스에서 6개의 위상 모듈은 브리지 회로로 상호접속됨 -를 도시하며,
도 12는 도 11에 따른 컨버터 디바이스에 사용될 수 있는 전환기의 스위칭 상태를 도시하고,
도 13은 본 발명에 따른 장치, 특히, 도 1에 따른 장치에 사용될 수 있는 컨버터 디바이스에 대한 다른 예시적 실시예- 도 13에 따른 컨버터 디바이스에서, 6개의 위상 모듈은 브리지 회로로 상호접속되고, 2개의 상이한 유형의 전환기, 즉, 예로서, 도 6에 따른 전환기의 유형 및 예로서, 도 12에 따른 전환기의 유형이 사용되어 장치의 동작 모드를 전환함 -를 도시하고,
도 14는 본 발명에 따른 장치, 특히, 도 1에 따른 장치에 사용될 수 있는 컨버터 디바이스에 대한 다른 예시적 실시예- 도 14에 따른 컨버터 디바이스에서, 6개의 위상 모듈은 브리지 회로로 상호접속되고, 2개의 상이한 유형의 전환기가 사용되어 장치의 동작 모드를 전환함 -를 도시하고,
도 15는 도 13에 따른 컨버터 디바이스에 사용될 수 있는 하나의 유형의 전환기의 스위칭 상태를 도시하고,
도 16은 도 14에 따른 컨버터 디바이스에 사용될 수 있는 다른 유형의 전환기의 스위칭 상태를 도시한다.
도면에서, 명료성을 위해 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 항상 동일한 참조 부호가 사용된다.
도 1은 컨버터 디바이스(20), 구동 회로(30), 전류 센서(40) 및 전압 센서(50)를 포함하는 장치(10)를 도시한다.
컨버터 디바이스(20)는 3개의 AC 전압 접속부(L1, L2, L3)를 가지고, 이들은 3상 전선(80)에 접속되어 있다. 컨버터 디바이스(20)는 3상 전선(80)에 의해 접속 레일(connection rail)(90)에 접속되고, 상기 접속 레일 및 전력 스위치(power switch)(91)에 의해 배전망(95)(단지 개략적으로만 도시됨)에 접속된다.
도 1은 또한 2개의 DC 전압 접속부를 도시하며, 이들은 참조 부호 DC1 및 DC2로 표시되어 있고, 컨버터 디바이스(20)의 DC 전압 그리드(더 이상 상세하게는 예시되지 않음)에 대한 접속을 가능하게 한다.
도 1에 따른 장치(10)는 예로서 다음과 같이 동작될 수 있다:
구동 회로(30)는 전류 센서(40)에 의해 입력 측부 상에서 컨버터 디바이스(20) 내로 흐르는(또는 상기 컨버터 디바이스로부터 흘러 나오는) 3상 입력 교류 전류(Ie)를 측정하고, 전압 센서(50)를 사용하여 컨버터 디바이스(20)에 인가되는 3상 입력 전압을 측정하며, 이들 측정값을 사용하여 배전망(95)의 상태를 결정한다. 또한, 상기 구동 회로는 더 상세하게는 도시되어 있지 않은 컨버터 디바이스(20) 내의 전류 및/또는 전압 센서에 의해 검출되는 측정값에 기초하여 컨버터 디바이스(20)의 동작 상태를 결정한다.
또한, 구동 회로(30)는 측정값을 사용하여 배전망(95)이 가장 최적의 가능한 망 상태를 취하고 컨버터 디바이스(20)가 유리한 동작 상태에 있게 되는 방식으로 컨버터 디바이스(20)의 최적의 구동을 결정한다.
상기 구동 회로는 또한 배전망(95)에 대한 접속을 생성 또는 중단하도록 전력 스위치(91)를 구동한다.
도 2는 도 1 에 따른 장치(10)에 사용될 수 있는 컨버터 디바이스(20)에 대한 예시적 실시예를 도시한다. 도 2에 따른 컨버터 디바이스(20)는 브리지 회로로 상호접속된 6개의 위상 모듈(100)을 갖는다. 2개의 전환기(160)가 위상 모듈(100)과 함께 작용하며, 상기 전환기는 바람직하게는 도 1에 따른 구동 회로(30)에 의해 구동된다.
2개의 전환기(160)는 각각 2개의 스위칭 상태를 취할 수 있고, 2개의 스위칭 상태 중 하나는 도 1에 따른 장치(10)의 시동 이후 컨버터 디바이스(20)를 충전 모드로 스위칭하고, 2개의 스위칭 상태 중 나머지는 컨버터 디바이스(20)를 충전 모드의 종결 이후 정상 동작 모드로 스위칭한다. 도 2에 따른 2개의 전환기(160)의 2개의 스위칭 상태는 도 6에 더 상세히 예시되어 있다.
도 6은 도 2에 따른 전환기(160)가 토글 스위치(toggle switch)(180)를 가지는 것을 도시하며, 이 토글 스위치는 참조 부호 "1"로 표시되는 제1 스위칭 위치와, 참조 부호 "2"로 표시되는 제2 스위칭 위치를 취할 수 있다.
제1 스위칭 위치 "1"에서, 토글 스위치(180)는 전환기(160)에 접속된 위상 모듈(100)이 델타 회로로 접속되는 방식으로 십자형 방식으로 접속부 X1 내지 X3을 접속부 X4 내지 X6에 접속한다.
제2 스위칭 위치 "2"에서, 토글 스위치(180)는 접속부 X1 내지 X3을 스타 포인트(Y)에 접속하고, 결과적으로, 접속부 X1 내지 X3에 접속된 위상 모듈(100)이 스타 회로에 접속된다.
도 2에 따른 컨버터 디바이스(20)에서, 2개의 전환기(160)가 따라서 제1 스위칭 위치 "1"로 스위칭되는 경우, 상단 3개의 위상 모듈(100)은 상단 전환기(160)에 의해 상단 델타 회로에 접속되고, 도 2의 저부 3개의 위상 모듈(100)은 저부 전환기(160)에 의해 도 2의 저부 델타 회로에 접속된다. 달리 말하면, 이에 따라 2개의 전환기(160)에 의해 각각 3개의 위상 모듈을 갖는 2개의 델타 회로가 형성된다.
제1 스위칭 위치에서, 2개의 전환기(160)는 도 1에 따른 장치(10)의 시동 이후 접속되어 위상 모듈(100)에 포함된 커패시터를 가능한 신속하고 신뢰성있게 미리 정의된 최소 커패시터 전압까지 충전할 수 있게 한다. 전환기(160)의 제1 스위칭 위치 및 위상 모듈(100)의 델타 회로 각각에서, 위상 모듈(100)은 즉 도 1에 따른 3상 배전망(95)의 선간 전압을 각각 공급받고, 결과적으로, 최소 커패시터 전압까지의 위상 모듈의 커패시터의 신뢰성있는 충전 및 최대 전압 스윙(maximum voltage swing)이 보증된다. 달리 말하면, 전환기(160)의 제1 스위칭 위치에서, 컨버터 디바이스(20)는 따라서 충전 모드로 스위칭되고, 이는 구체적으로 배전망(95)에 의해 위상 모듈(100)의 커패시터를 충전하도록 기능한다.
충전 모드의 종결 이후, 2개의 전환기(160)는 제2 스위칭 위치가 된 토글 스위치(180)에 의해 정상 동작 모드로 스위칭된다. 제2 스위칭 위치에서, 접속부 X1, X2 및 X3 및 그에 접속된 위상 모듈(100)은 각각 스타 포인트(Y)에 접속된다. 상단 전환기(160)의 도 2의 상단 스타 포인트(Y)는 이 경우에 컨버터 디바이스(20)의 상단 DC 전압 접속부(DC1)를 형성하고, 저부 전환기(160)의 도 2의 저부 스타 포인트(Y)는 이 경우에 컨버터 디바이스(20)의 저부 DC 전압 접속부(DC2)를 형성한다.
전환기(160)의 제2 스위칭 위치에서, 도 2에 따른 컨버터 디바이스(20)는 따라서, 도 1에 따른 3상 배전망(95)과 컨버터 디바이스(20)의 DC 전압 접속부(DC1, DC2)에 접속되어 있거나 접속될 수 있는 DC 전압 그리드(더 상세하게는 예시되어 있지 않음) 사이의 인터페이스(interface)를 형성할 수 있다.
전환기(160)의 제1 스위칭 상태에서 위상 모듈(100)에서의 전류 피크를 방지하기 위해, 이하에서 줄여서 충전 저항기(170)라 지칭되는 직렬 충전 저항기가 도 2에 따른 예시적 실시예에서 제공되며, 이는 전환기(160)의 제1 스위칭 위치를 활성화할 때 전류의 제한 또는 전류 피크의 제한을 보증한다.
도 3은 도 2에 따른 위상 모듈(100)의 설계에 대한 예시적 실시예를 도시한다. 도 3에 따른 위상 모듈(100)은 인덕턴스(inductance)(120)와 직렬로 접속되어 직렬 회로(R)를 형성하는, 직렬로 접속된 다수의 서브모듈(130)을 갖는다. 서브모듈(130) 각각은 각각의 경우에 2개의 접속부(AC1, AC2)를 가지며, 상기 접속부 중 하나- 내부 서브모듈(130)의 경우 -는 이전 서브모듈의 접속부에 접속되고, 상기 접속부 중 나머지는 후속 서브모듈의 접속부에 접속된다.
도 3에 따른 위상 모듈(100) 및 직렬 회로(R) 각각은 전류 센서(110)를 추가로 구비하며, 전류 센서는 바람직하게는 도 1에 따른 구동 회로(30)에 접속되고 직렬 회로(R) 및 위상 모듈(100) 각각을 통한 각각의 전류를 나타내는 전류 측정값을 구동 회로(30)에 전송한다. 직렬 회로에서 강하된 직렬 회로 전압은 참조 부호 Ur로 도 3에 나타나 있다.
도 4는 도 3에 따른 위상 모듈(100) 및 도 3에 따른 직렬 회로(R) 각각에서 사용될 수 있는 서브모듈(130)에 대한 예시적 실시예를 도시한다. 서브모듈(130)은 직렬로 접속된 2개의 스위치(S1, S2)를 갖는다. 각 경우에, 다이오드(140)는 2개의 스위치(S1, S2) 각각과 병렬로 접속된다.
커패시터(C)는 2개의 스위치(S1, S2)의 직렬 회로와 병렬로 접속되고, 상기 커패시터의 커패시터 전압은 참조 부호 Uzk로 도 4에 나타나 있다.
2개의 스위치(S1, S2)는 서브모듈-특정 제어기(150)에 의해 구동되고, 서브모듈-특정 제어기는 제어선(명료성의 이유로 도시되지 않음)에 의해 2개의 스위치(S1, S2)에 접속되고, 스위치(S1, S2)를 구동한다.
서브모듈-특정 제어기(150)의 동작 전압은 커패시터(C) 및 커패시터 전압(Uzk) 각각에 의해 제공된다. 제어기(150)의 작동 용량 또는 동작 준비상태나 서브모듈(130)의 완전한 동작 준비상태는 따라서, 커패시터(C)에서의 커패시터 전압(Uzk)이 제어기(150)를 동작시키기 위해 요구되는 최소 작동 전압에 도달하였는지 여부에 의존한다.
도 5는 도 3에 따른 직렬 회로(R) 및 도 3에 따른 위상 모듈(100) 각각에 사용될 수 있는 서브모듈(130)에 대한 다른 예시적 실시예를 도시한다.
서브모듈(130)은 4개의 스위치(S1, S2, S3, S4)를 가지며, 이들은 전기적 브리지 회로로 상호접속된다. 커패시터(C)는 브리지 회로와 병렬로 접속되고, 상기 커패시터의 커패시터 전압은 참조 부호 Uzk로 도 5에 나타나 있다. 4개의 스위치(S1 내지 S4)는 제어기(150)에 의해 구동되고, 이들은 제어선(명료성을 위해 도시되지 않음)에 의해 4개의 스위치(S1 내지 S4)에 접속되어 있다. 제어기(150)를 동작시키기 위한 동작 전압은 커패시터(C) 및 커패시터 전압(Uzk) 각각에 의해 전달된다. 이에 관하여, 도 4와 연계한 전술한 설명이 적절히 적용된다.
스위치(S1 내지 S4)는 반도체 스위치, 예로서, IGBT, IGCT, IEGT 또는 MOSFET 설계의 반도체 스위치일 수 있다.
요약하면, 하나의 구성에서, 도 2에 따른 컨버터 디바이스(20)를 갖는 도 1에 따른 장치(10)는 이에 따라 다음과 같이 동작될 수 있다.
장치의 시동 이후, 도 1에 따른 구동 회로(30)는 바람직하게는 컨버터 디바이스(20)의 전환기(160) 각각을 도 6에 따른 제1 스위칭 위치 "1"로 스위칭하고, 결과적으로, 위상 모듈(100)이 델타 회로로 접속되며, 각각 3상 배전망(95)의 선간 전압을 공급받게 된다. 위상 모듈(100) 각각에서의 전압 스윙은 따라서 배전망(95)의 정격 전압의 √3 배이다.
위상 모듈(100)에 인가된 높은 전압은 도 3에 따른 직렬 회로(R) 및 도 3에 따른 위상 모듈(100) 각각의 서브모듈(130)의 커패시터(C)가 그 서브모듈-특정 제어기(150)가 동작을 시작하고 서브모듈-특정 제어기가 서브모듈-특정 스위치(S1, S2(도 4에 따른 실시예 참조) 또는 S1 내지 S4(도 5에 따른 실시예 참조))의 제어를 담당할 수 있게 하기에 충분한 동작 전압에 도달하는 것을 보증한다.
서브모듈(130)의 커패시터(C)에서의 전압이 충분히 높아지고, 제어기(150)를 동작시키기 위해 요구되는 동작 전압이 도달되자 마자, 제어기(150)는 동작하기 시작하고 그 동작 준비상태를 신호선(명료성을 위해 도면에는 추가로 예시되지 않음)에 의해 구동 회로(30)에 신호한다.
구동 회로(30)가 서브모듈의 모든 제어기(150)로부터 제어기가 동작 준비되었다는 통지를 수신하자 마자, 상기 구동 회로는 충전 모드 및 도 6에 따른 제1 스위칭 위치 "1" 각각으로부터 도 6에 따른 제2 스위칭 위치 "2" 및 정상 동작 모드 각각으로 스위칭하고, 정상 동작 모드에서, 도 2에 따른 위상 모듈(100)은 각각 스타-포인트 회로가 되게 되고, DC 전압 접속부(DC1 또는 DC2) 중 하나에 각각 접속된다.
도 7은 도 1 에 따른 장치에 사용될 수 있는 컨버터 디바이스(20)에 대한 다른 예시적 실시예를 도시한다. 도 7에 따른 컨버터 디바이스(20)는 3개의 위상 모듈(100), 3개의 충전 저항기(170) 및 전환기(160)를 갖고, 그 동작 모드는 도 1 내지 도 6에 연계하여 이미 설명되었다.
도 2에 따른 실시예 변형예와는 대조적으로, 도 7에 따른 컨버터 디바이스(20)에는 외부 DC 전압 그리드에 대한 접속부가 존재하지 않으며, 결과적으로, 도 2에 따른 실시예 변형예에 제공되는 바와 같은, 대응하는 DC 전압 접속부가 존재하지 않는다. 그 이외에는, 도 1 내지 도 6에 연계한 설명은 도 7에 따른 예시적 실시예에 적절히 적용된다.
도 8은 도 1 에 따른 장치(10)에 사용될 수 있는 컨버터 디바이스(20)에 대한 다른 예시적 실시예를 도시한다. 컨버터 디바이스(20)는 3개의 AC 전압 접속부(L1, L2, L3)를 가지며, 이들은 도 1에 따른 배전망(95)에 대한 접속을 위해 기능한다. 또한, 컨버터 디바이스(20)는 3개의 추가적 AC 전압 접속부(Y1, Y2, Y3)를 가지며, 이들은 추가적 3상 AC 전압 그리드에 대한 접속을 가능하게 한다. 도 2에 따른 실시예 변형례에 대조적으로, 도 8에 따른 컨버터 디바이스(20)는 따라서 2개의 3상 배전망을 서로 결합 또는 접속할 수 있게 하고, 상기 배전망 중 하나는 AC 전압 접속부(L1 내지 L3)에 의해 컨버터 디바이스(20)에 접속되고, 나머지는 AC 전압 접속부(Y1 내지 Y3)에 의해 컨버터 디바이스(20)에 접속된다.
도 8에 따른 컨버터 디바이스(20)는 6개의 위상 모듈(100)을 갖고, 이들은 도 3에 따른 위상 모듈(100)에 대응할 수 있다. 6개의 위상 모듈은 전환기(190)에 의해 AC 전압 접속부(Y1 내지 Y3)에 접속된다.
전환기(190)는 각각 2개의 스위칭 위치를 가질 수 있으며, 이들 각각은 도 9에 더 상세히 도시되어 있다. 도 9에 참조 부호 "1"로 나타나 있는 제1 스위칭 위치에서, 전환기(190)의 토글 스위치(180)는 접속부 X1 및 X2를 접속부 X4 및 X5에 십자형 방식으로 접속한다. 전환기(190)는 도 1에 따른 장치(10)가 활성화되고 장치가 도 4 또는 도 5에 따른 커패시터(C)를 충전하기 위해 충전 모드로 스위칭되도록 의도될 때 도 1에 따른 구동 회로(30)에 의해 이 제1 스위칭 위치로 스위칭된다.
충전 모드의 종결 이후, 도 1에 따른 구동 회로(30)는 전환기(190) 각각을 정상 동작 모드로 스위칭하고, 이 정상 동작 모드에서, 토글 스위치(180) 각각은 참조 부호 "2"로 도 9에 나타나 있는 제2 스위칭 위치를 취한다. 제2 스위칭 위치에서, 접속부 X1 및 X2는 각각 스타 포인트(Y)에 접속된다.
도 10은 도 1 에 따른 장치(10)에 사용될 수 있는 컨버터 디바이스(20)에 대한 다른 예시적 실시예를 도시한다. 도 10에 따른 컨버터 디바이스(20)는 도 6에 따른 3개의 전환기(190)와 상호접속되어 있는 6개의 위상 모듈(100)을 갖는다. 충전 저항기(170)가 제공되어 충전 전류를 제한한다.
도 10에 따른 컨버터 디바이스(20)가 도 1에 따른 장치(10)에 사용되는 경우, 구동 회로(30)는 시동 이후 전환기(190) 각각을 참조 부호 "1"로 표시된 제1 스위칭 위치로 스위칭하고, 그 결과, 장치(10) 전체 또는 컨버터 디바이스(20)가 충전 모드로 스위칭되어 도 3에 따른 위상 모듈(100)의 서브모듈(130)의 커패시터(C)를 충전한다.
도 4 및 도 5에 따른 제어기(150)가 그 동작 준비상태를 구동 회로(30)에 신호한 이후, 구동 회로(30)는 전환기(190)를 도 9에 도시된 제2 스위칭 위치 "2"로 스위칭하는 것에 의해 충전 모드로부터 정상 동작 모드로 스위칭한다.
위상 모듈(100)의 구성에 관하여, 도 3 내지 도 5에 연계한 설명을 참조하며, 전환기(190)의 동작 모드에 관하여서는 도 9와 연계한 설명을 참조한다.
도 11은 도 1 에 따른 장치(10)에 사용될 수 있는 컨버터 디바이스(20)에 대한 다른 예시적 실시예를 도시한다. 도 3에 따라 구현될 수 있으면서 도 4 및 도 5에 따른 서브모듈(130)을 구비할 수 있는 6개의 위상 모듈(100)이 명시적이다.
도 11에 따른 컨버터 디바이스(20)는 또한 2개의 전환기(161) 및 충전 저항기(170)를 구비한다.
전환기(161)의 동작 모드가 도 12에 더 상세히 도시되어 있다. 전환기(161)는 각각 2개의 스위칭 위치, 즉, 접속부 X1 내지 X3가 스타 포인트(Y)에 접속되는 제1 스위칭 위치 및 접속부 X1 내지 X3이 접속부 X4 내지 X6에 접속되는 참조 부호 "2"로 표시된 제2 스위칭 위치를 취할 수 있음이 명백하다.
도 3에 따른 위상 모듈(100)의 서브모듈(130)의 커패시터(C)를 충전하기 위해, 도 1에 따른 구동 회로(30)는 먼저 전환기(161)를 제1 스위칭 위치로 스위칭할 것이고, 결과적으로, 서브모듈(130)(도 3 내지 도 5 참조)의 커패시터(C)가 DC 전압 접속부(DC1, DC2)에 의해 충전될 수 있다.
충전 모드의 종결 이후, 도 1에 따른 구동 회로(30)는 전환기(161)를 제2 스위칭 위치 "2"로 스위칭시킬 것이고, 그 결과, 도 2에 따른 전환기(160)의 제2 스위칭 위치에서 제공되는 바와 같은 컨버터 디바이스(20)의 동작이 가능해진다.
도 13은 도 1 에 따른 장치(10)에 사용될 수 있는 컨버터 디바이스(20)에 대한 다른 예시적 실시예를 도시한다. 도 3에 따른 위상 모듈(100)에 대응하면서 브리지 회로로 상호접속되는 6개의 위상 모듈(100)이 명시적이다. 또한, 도 6에 따른 2개의 전환기(160)와 도 12에 따른 2개의 전환기(161) 및 충전 저항기(170)가 명시적이다.
전환기(160, 161)의 스위칭 위치에 따라서, 서브모듈(130)(도 3 내지 도 5 참조)의 커패시터(C)의 충전 모드 또는 충전은 DC 전압 측부, 말하자면, DC 전압 접속부(DC1, DC2)에 의한 것, 그리고, 또한, AC 전압 측부, 말하자면, AC 전압 접속부(L1 내지 L3)에 의한 것 양자 모두에 의해 가능하다. 서브모듈(130)의 커패시터(C)의 충전에 관하여서는 전술한 설명을 참조하며, 전술한 설명은 적절히 여기에 적용된다.
도 14는 도 1 에 따른 장치(10)에 사용될 수 있는 컨버터 디바이스(20)에 대한 다른 예시적 실시예를 도시한다. 도 3에 따른 위상 모듈(100)에 대응할 수 있으면서 도 4 및 도 5에 따른 서브모듈(130)을 구비할 수 있는 6개의 위상 모듈(100)이 명시적이다.
또한, 도 14에 따른 컨버터 디바이스(20)는 2개의 전환기(162) 및 2개의 전환기(192)를 가지며, 그 가능한 스위칭 상태가 도 15 및 도 16에 더 상세히 도시되어 있다. 충전 저항기(170)는 충전 모드에서 또는 충전 위상에서 충전 전류를 제한하기 위해 도 14에 따른 컨버터 디바이스(20)에 제공된다.
전환기(162, 192)의 스위칭 위치에 따라서, 서브모듈(130)(도 3 내지 도 5 참조)의 커패시터(C)는 AC 전압 측부, 말하자면, AC 전압 접속부(L1 내지 L3)에 의해 또는 DC 전압 측부, 말하자면, DC 전압 접속부(DC1, DC2)에 의해 충전될 수 있다.
충전 모드 및 충전 모드로부터 정상 동작 모드로의 전환에 관하여서는 도 1 내지 도 13에 연계한 전술한 설명을 참조하며, 이들은 여기에 적절히 적용된다.
본 발명을 양호한 예시적 실시예에 의거하여 더 상세히 예시 및 설명하였지만, 본 발명은 개시된 예에 한정되지 않으며, 본 발명의 범주로부터 벗어나지 않고 본 기술 분야의 숙련자에 의해 그로부터 다른 변형이 안출될 수 있다.
1 제1 스위칭 위치
2 제2 스위칭 위치
10 장치
20 컨버터 디바이스
30 구동 회로
40 전류 센서
50 전압 센서
80 전선
90 접속 레일
91 전력 스위치
95 배전망
100 위상 모듈
110 전류 센서
120 인덕턴스
130 서브모듈
140 다이오드
150 제어기
160 전환기
161 전환기
162 전환기
170 충전 저항기
180 토글 스위치
190 전환기
192 전환기
AC1 접속부
AC2 접속부
C 커패시터
DC1 DC 전압 접속부
DC2 DC 전압 접속부
Ie 입력 교류 전류
L1-L3 AC 전압 접속부
R 직렬 회로
S1-S4 스위치
Ur 직렬 회로 전압
Uzk 커패시터 전압
X1-X6 접속부
Y 스타 포인트
Y1-Y3 AC 전압 접속부

Claims (15)

  1. 장치(10)로서,
    - 교류 전류(Ie)가 공급 또는 인출될 수 있는 적어도 하나의 AC 전압 접속부(L1, L2, L3),
    - 직렬로 접속된 적어도 2개의 서브모듈(130)을 갖는 적어도 하나의 직렬 회로(R), 및
    - 서브모듈(130)을 구동하기 위한 구동 유닛(30)
    을 갖고,
    - 직렬 회로(R)의 서브모듈(130) 각각은 적어도 2개의 스위칭 요소(S1-S4) 및 커패시터(C)를 포함하고,
    - 서브모듈(130) 각각은 구동 유닛(30)에 접속된 서브모듈-특정 제어기(150)를 갖고, 상기 제어기는 각각의 서브모듈(130)의 스위칭 요소(S1-S4)를 구동하며 각각의 서브모듈(130)의 커패시터(C)로부터 그 동작 전압을 취득하고,
    - 장치(10)는 적어도 하나의 전환기(160-162, 190, 192)를 갖고, 전환기는 적어도 하나의 직렬 회로(R)에 접속되며, 구동 유닛(30)에 의해 제어되는 방식으로, 직렬 회로(R)에 인가된 직렬 회로 전압(Ur)을 전환할 수 있고, 장치(10)의 시동 이후에 - 서브모듈(130)의 커패시터(C)를 충전하기 위해서 - 충전 모드로 스위칭되고, 충전 모드에서, 충전 모드의 종결 이후 충전 모드에 후속하는 정상 동작 모드에서와는 다르게 적어도 하나의 직렬 회로(R)에 접속하는 것을 특징으로 하는 장치(10).
  2. 제1항에 있어서,
    전환기(160-162, 190, 192)는, 정상 동작 모드에서보다 높은 직렬 회로 전압(Ur)을 충전 모드에서 직렬 회로(R)에 공급하는 것을 특징으로 하는 장치(10).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    구동 유닛(30)은, 구동 유닛(30)의 서브모듈(130)의 모든 제어기가 동작 준비상태, 특히 동작에 충분한 각각의 서브모듈(130)의 커패시터 전압(Uzk)을 나타내자마자, 전환기(160-162, 190, 192)를 충전 모드로부터 정상 동작 모드로 전환하는 것을 특징으로 하는 장치(10).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 장치(10)는 다상이고, 다상 입력 교류 전류(Ie) 중 하나의 위상의 전류가 각각의 경우에 공급 또는 인출될 수 있는 복수의, 적어도 2개의 AC 전압 접속부(L1, L2, L3)를 갖고,
    - 장치(10)는 각각의 경우에 위상마다 적어도 하나의 직렬 회로(R)를 포함하고, 상기 적어도 하나의 직렬 회로는 직렬로 접속된 적어도 2개의 서브모듈(130)을 갖는 것을 특징으로 하는 장치(10).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    충전 모드에서, 전환기(160-162, 190, 192)는 2개의 AC 전압 접속부(L1, L2, L3) 사이에 인가된 선간 전압을 각각의 경우에 그에 접속된 직렬 회로(R)에 공급하는 것을 특징으로 하는 장치(10).
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 장치(10)는 3상이고,
    - 충전 모드에서, 전환기(160-162, 190, 192)는 그에 접속된 직렬 회로(R)를 델타 회로에 전기적으로 접속하는 것을 특징으로 하는 장치(10).
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 정상 동작 모드에서, 전환기(160-162, 190, 192)는 그에 접속된 직렬 회로(R)를 스타-포인트 회로에 전기적으로 접속하고,
    - 스타-포인트 회로의 스타 포인트(Y)는 장치(10)의 출력측 전압 시스템의 극점을 형성하고, 전위에 관하여 부유 또는 접지 상태로 존재하는 것을 특징으로 하는 장치(10).
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    충전 모드에서, 서브모듈(130)의 커패시터(C)는 AC 전압 접속부(L1, L2, L3)에서 공급되는 교류 전류(Ie)를 사용하여 충전되는 것을 특징으로 하는 장치(10).
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    장치(10)는 적어도 2개의 DC 전압 접속부(DC1, DC2)를 갖고, DC 전압 접속부로 장치(10)에 직류 전류가 공급될 수 있거나, DC 전압 접속부에 의해 직류 전류가 장치(10)로부터 인출될 수 있는 것을 특징으로 하는 장치(10).
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    장치(10)는 적어도 2개의 전환기(160-162, 190, 192)를 갖고, 전환기는 정상 동작 모드에서 각각의 경우에 그에 접속된 직렬 회로(R)를 스타-포인트 회로에 접속하는 것을 특징으로 하는 장치(10).
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    적어도 2개의 DC 전압 접속부(DC1, DC2)가 2개의 스타-포인트 회로 중 하나의 스타 포인트(Y)에 각각 접속되는 것을 특징으로 하는 장치(10).
  12. 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    충전 모드에서, 전환기(160-162, 190, 192)는 2개의 DC 전압 접속부(DC1, DC2)에서 공급된 직류 전류를 사용하여 그에 접속된 적어도 하나의 직렬 회로(R)의 서브모듈(130)의 커패시터(C)를 충전하는 것을 특징으로 하는 장치(10).
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    충전 모드에서, 전환기(160-162, 190, 192)는 직렬 회로(R) 또는 직렬 회로들(R)을 각각의 경우에 적어도 하나의 직렬 충전 저항기(170)와 직렬로 접속하는 것을 특징으로 하는 장치(10).
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    장치(10)는 멀티레벨 컨버터를 형성하는 것을 특징으로 하는 장치(10).
  15. 장치(10)를 동작시키기 위한 방법으로서,
    장치는,
    - 교류 전류(Ie)가 공급 또는 인출될 수 있는 적어도 하나의 AC 전압 접속부(L1, L2, L3),
    - 직렬로 접속된 적어도 2개의 서브모듈(130)을 갖는 적어도 하나의 직렬 회로(R), 및
    - 서브모듈(130)을 구동하기 위한 구동 유닛(30)
    을 갖고,
    - 직렬 회로(R)의 서브모듈(130) 각각은 적어도 2개의 스위칭 요소(S1-S4) 및 커패시터(C)를 포함하고,
    - 서브모듈(130)의 적어도 2개의 스위칭 요소(S1-S4)는 구동 유닛(30)에 접속된 서브모듈-특정 제어기(150)를 사용하여 각각 제어되고, 상기 제어기는 각각의 서브모듈(130)의 커패시터(C)로부터 그 동작 전압을 취득하고,
    - 적어도 하나의 전환기(160-162, 190, 192)를 사용하여, - 서브모듈(130)의 커패시터(C)를 충전하기 위해서 - 장치(10)의 시동 이후에 직렬 회로(R)에 인가된 직렬 회로 전압(Ur)이 충전 모드로 스위칭되고, 충전 모드에서, 전환기(160-162, 190, 192)는 충전 모드의 종결 이후 충전 모드에 후속하는 정상 동작 모드에서와는 다르게 적어도 하나의 직렬 회로(R)에 접속하는 것을 특징으로 하는 방법.
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