KR20190110704A - 고압 인버터 초기충전 시스템 및 그 제어방법 - Google Patents

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Abstract

고압 인버터 초기충전 시스템 및 그 제어방법이 개시된다. 본 발명의 일실시예의 시스템은, 고압 인버터의 입력전원을 절체하는 제1스위치와, 고압 인버터의 출력전압과 전동기를 절체하는 제2스위치와, 제1스위치와 고압 인버터의 사이에 배치되어, 고압 인버터의 위상치환 변압기에 인가되는 초기여자전류를 제한하는 제1초기충전부와, 고압 인버터의 전력셀의 입력단과 직류링크 커패시터에 연결되어, 직류링크 커패시터의 초기충전전류를 제한하는 제2초기충전부를 포함한다.

Description

고압 인버터 초기충전 시스템 및 그 제어방법{PRECHARGE SYSTEM FOR MEDIUM VOLTAGE INVERTER AND METHOD FOR CONTROLLING THE SAME}
본 발명은 고압 인버터 초기충전 시스템 및 그 제어방법에 대한 것이다.
고압 인버터(medium voltage inverter)는 대용량 전력변환 기기로써, 입력단에 대형 변압기가 포함된다.
도 1은 일반적인 고압 인버터의 구조도로써, 변압기(100)와 복수의 파워셀(200)로 구성되어 있으며, 변압기(200)의 2차단의 저압 파워셀(200)이 직렬로 연결되어 고압을 전동기로 출력한다.
변압기(100)는 통상 최초 전원투입시 변압기(100)의 초기여자를 위한 여자돌입전류(A, 이하, '초기여자전류'라 함)가 발생하는데, 보통 정격전류의 7 내지 10배 정도의 과전류가 순간적으로 흐르게 된다. 이는 수전설비의 용량이 커지는 주요한 요인으로 작용하며, 순간적인 과전류로 인한 부하측 신뢰성 저하문제도 유발할 수 있다. 이러한 과전류를 제한하기 위한 방법으로써, 변압기(100) 자체의 임피던스를 높이는 방법과 별도의 회로를 구성하여 전류를 제한하는 방법이 있다.
한편, 도 1의 파워셀을 구성하는 전압형 인버터의 경우, 그 구조상 직류링크 커패시터가 정류부와 인버터부의 사이에 위치한다.
도 2는 도 1의 파워셀의 구성도로써, 전력셀(200)은 정류부(210)와 인버터부(230) 및 그 사이에 배치되는 직류링크 커패시터(220)로 구성된다.
전력셀(200)에 최초로 전원이 투입되는 경우, 직류링크 커패시터(220)를 충전하기 위한 순간적인 과전류(B, 이하, '초기충전전류'라 함)가 정류부(210)를 통해 흐르게 되며, 이러한 순간적인 과전류에 의해 정류부(210)의 전력전자소자(다이오드, 실리콘 제어 정류소자(silicon controlled rectifier, SCR), 절연게이트 양극성 트랜지스터(insulated gate bipolar mode transistor, IGBT) 등)가 소손될 수 있고, 입력단의 퓨즈(도시되지 않음)가 의도치 않게 융단될 수 있다.
따라서, 최초 전원이 고압 인버터에 투입되면, 순간적인 초기여자전류(A)가 변압기(100)의 1차측으로 유입되며, 이후 변압기(100)의 2차단 전압이 유기된다. 변압기(100)의 2차단에 전압이 유기되면 각 파워셀(200)의 직류링크 커패시터(220)가 충전되는데, 이때 순간적으로 큰 충전전류인 초기충전전류(B)가 흐르게 된다. 즉, 고압 인버터 전원투입시, 변압기(100)의 입력측에는 초기여자전류(A)가, 파워셀의 입력측에는 초기충전전류(B)가 동시에 흐르게 된다.
종래의 고압 인버터 시스템은, 변압기(100)의 초기여자전류를 제한하거나, 또는 직류링크 커패시터(220)의 초기충전전류만을 제한하는 방식을 채용하고 있으므로, 초기여자전류 및 초기충전전류를 적절하게 제한하는 기술이 요구된다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 초기여자전류와 초기충전전류를 동시에 제한하여, 이중으로 시스템에 흐르는 돌입전류를 제한함으로써, 고압 인버터의 신뢰성을 제고하는 고압 인버터 초기충전 시스템를 제공하는 것이다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해, 위상치환 변압기 및 복수의 전력셀을 포함하고, 상기 전력셀은, 상기 변압기로부터 입력되는 전원을 정류하는 정류부와 상기 정류부로부터 수신하는 전압을 평활하는 직류링크 커패시터를 포함하는 고압 인버터를 초기충전하는 본 발명의 일실시예의 시스템은, 상기 고압 인버터의 입력전원을 절체하는 제1스위치; 상기 고압 인버터의 출력전압과 전동기를 절체하는 제2스위치; 상기 제1스위치와 상기 고압 인버터의 사이에 배치되어, 상기 위상치환 변압기에 인가되는 초기여자전류를 제한하는 제1초기충전부; 및 상기 전력셀의 입력단과 상기 직류링크 커패시터에 연결되어, 상기 직류링크 커패시터의 초기충전전류를 제한하는 제2초기충전부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 제1초기충전부는, 입력전원을 상기 고압 인버터로 직접 연결하는 제1경로를 형성하여, 상기 입력전원을 절체하는 제3스위치부; 상기 제3스위치부와 병렬로 연결되는 제2경로를 형성하는 리액터; 및 상기 제2경로에서 상기 리액터와 직렬로 연결되는 제4스위치부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 정류부의 상부레그는 실리콘제어 정류소자(SCR)를 포함하고, 상기 제2초기충전부는, 제1저항; 및 상기 제1저항에 직렬로 연결되는 제1다이오드를 포함할 수 있다.
또한, 상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해, 상기 시스템을 제어하는 본 발명의 일실시예의 방법은, 상기 제1스위치에 온신호를 전송하는 단계; 상기 제1스위치의 온상태에서, 상기 제4스위치에 온신호를 전송하는 단계; 상기 직류링크 커패시터의 직류링크 전압이 소정 설정값에 도달하여, 상기 정류부의 상부레그가 온상태가 되면, 소정 지연시간 이후 상기 제4스위치에 오프신호를 전송하는 단계; 상기 제4스위치에 오프신호를 전송하기 소정 시간 이전에 상기 제3스위치에 온신호를 전송하는 단계; 및 상기 제3스위치의 온상태 및 제4스위치의 오프상태에서, 상기 제2스위치에 온신호를 전송하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예의 방법은, 상기 제2스위치에 오프신호를 전송하는 단계; 상기 제2스위치의 오프상태에서, 상기 직류링크 커패시터의 직류링크 전압이 상기 설정값에 도달하여 상기 정류부의 상부레그가 오프상태가 되면, 상기 제3스위치에 오프신호를 전송하는 단계; 및 상기 제3스위치의 오프상태에서, 상기 제1스위치에 오프신호를 전송하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예의 시스템에서, 상기 제2초기충전부는, 제5스위치부; 상기 제5스위치부에 직렬로 연결되는 제2저항; 및 상기 제2저항에 직렬로 연결되는 제2다이오드를 포함할 수 있다.
또한, 상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해, 상기 시스템을 제어하는 본 발명의 일실시예의 방법은, 상기 제1스위치에 온신호를 전송하는 단계; 상기 제1스위치의 온상태에서, 상기 제4스위치에 온신호를 전송하고, 상기 제5스위치에 온신호를 전송하는 단계; 상기 직류링크 커패시터의 직류링크 전압이 소정 설정값에 도달한 경우, 상기 제5스위치에 오프신호를 전송하는 단계; 상기 제5스위치의 온상태에서, 소정 지연시간 이후 상기 제4스위치에 오프신호를 전송하는 단계; 상기 제4스위치에 오프신호를 전송하기 소정 시간 이전에 상기 제3스위치에 온신호를 전송하는 단계; 및 상기 제3스위치의 온상태 및 제4스위치의 오프상태에서, 상기 제2스위치에 온신호를 전송하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예의 방법은, 상기 제2스위치에 오프신호를 전송하는 단계; 상기 제2스위치의 오프상태에서, 상기 직류링크 커패시터의 직류링크 전압이 상기 설정값에 도달한 경우, 상기 제3스위치에 오프신호를 전송하는 단계; 및 상기 제3스위치의 오프상태에서, 상기 제1스위치에 오프신호를 전송하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해, 위상치환 변압기 및 복수의 전력셀을 포함하고, 상기 전력셀은, 상기 변압기로부터 입력되는 전원을 정류하는 정류부와 상기 정류부로부터 수신하는 전압을 평활하는 직류링크 커패시터를 포함하는 본 발명의 일실시예의 고압 인버터의 초기충전 시스템은, 상기 고압 인버터의 입력전원을 절체하는 제1스위치; 상기 고압 인버터의 출력전압과 전동기를 절체하는 제2스위치; 및 상기 제1스위치와 병렬로 배치되어, 상기 위상치환 변압기에 인가되는 초기여자전류를 제한하는 제1초기충전부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예서, 상기 초기충전부는, 상기 입력전원보다 저압의 보조전원과 상기 고압 인버터를 직접 연결하는 제1경로를 형성하여, 상기 보조전원을 절체하는 제3스위치; 상기 제3스위치와 병렬로 연결되는 제2경로를 형성하는 초기충전 저항; 상기 제2경로에서 상기 초기충전저항과 직렬로 연결되는 제4스위치; 상기 제3스위치와 병렬로 연결되는 제3경로를 형성하는 초기충전 커패시터; 및 상기 제3경로에서 상기 초기충전 커패시터와 직렬로 연결되는 제5스위치를 포함할 수 있다.
또한, 상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해, 상기 시스템을 제어하는 본 발명의 일실시예의 방법은, 상기 제5스위치에 온신호를 전송하는 단계; 상기 위상치환 변압기의 1차측 전원이 소정 비율에 도달하면, 상기 제4스위치에 온신호를 전송하는 단계; 상기 제5스위치에 오프신호를 전송하고, 상기 제3스위치에 온신호를 전송하는 단계; 상기 직류링크 커패시터의 직류링크 전압이 소정 레벨에 도달하면, 상기 제4스위치에 오프신호를 전송하는 단계; 상기 입력전원과 상기 보조전원의 위상차가 없는 경우, 상기 제1스위치에 온신호를 전송하는 단계; 및 상기 입력전원과 상기 보조전원의 동기가 완료되는 경우 상기 제3스위치에 오프신호를 전송하는 단계를 포함할 수 있다.
상기와 같은 본 발명은, 본 발명의 고압 인버터 시스템에서는, 변압기의 초기여자전류를 제한하여 최초 전원투입시 발생하는 과전류를 억제하여 수전단 설비의 용량마진을 충분히 확보하고, 고압 인버터의 변압기의 수명을 늘릴 수 있고, 투입횟수에 제한이 없으므로 시설운용상 이점이 발생하는 효과가 있다.
뿐만 아니라, 각각의 전력셀의 직류링크 충전전류를 제한함으로써 전력셀의 신뢰성을 확보할 수 있고, 셀의 수명을 늘리는 효과가 있다.
이로 인해, 전체적인 고압 인버터 시스템의 신뢰성을 확보하는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 고압 인버터의 구조도이다.
도 2는 도 1의 파워셀의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예의 고압 인버터의 초기충전 시스템을 설명하기 위한 개략적인 구성도이다.
도 4는 도 3에서 고압 인버터의 내부구성을 설명하기 위한 회로도이다.
도 5는 도 3의 제어부의 제어에 따른 제1 내지 제4스위치의 온/오프 시퀀스를 설명하기 위한 일예시도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예의 제1초기충전부를 설명하기 위한 회로구성도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예의 제2초기충전부를 설명하기 위한 회로구성도이다.
본 발명의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라, 여러가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시예에 대한 설명은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다. 첨부된 도면에서 구성요소는 설명의 편의를 위하여 그 크기를 실제보다 확대하여 도시한 것이며, 각 구성요소의 비율은 과장되거나 축소될 수 있다.
'제1', '제2' 등의 용어는 다양한 구성요소를 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소는 위 용어에 의해 한정되어서는 안 된다. 위 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않으면서 '제1구성요소'는 '제2구성요소'로 명명될 수 있고, 유사하게 '제2구성요소'도 '제1구성요소'로 명명될 수 있다. 또한, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 표현하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어는 다르게 정의되지 않는 한, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 통상적으로 알려진 의미로 해석될 수 있다.
이하에서는, 도 3 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 고압 인버터 초기충전 시스템 및 그 제어방법을 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일실시예의 고압 인버터의 초기충전 시스템을 설명하기 위한 개략적인 구성도이고, 도 4는 도 3에서 고압 인버터의 내부구성을 설명하기 위한 회로도이다.
도 4를 참조로 하면, 본 발명의 일실시예의 초기충전 시스템에서, 고압 인버터(1)는 고압의 위상천이 변압기(100)와 복수의 단위 전력셀(200)을 포함할 수 있다. 이하에서는 각 단위 전력셀을 '20'으로 표기하고, 복수의 전력셀의 집합을 '200'으로 표기하기로 하겠다.
위상천이 변압기(100)는 입력전원과 고압 인버터(1)간 전기적 절연(galvanic isolation)을 제공하며, 입력단의 고조파를 절감하고 각 전력셀(20)에 적절하게 위상이 천이된 3상 전원을 제공할 수 있다. 위상천위 변압기(100)의 위상천이각은 전력셀(20)의 개수에 의해 결정되며, 각 전력셀(20)에 연결된 위상천이 변압기(100)의 위상치환각은 서로 다른 각일 수 있다.
전력셀(200)은 위상천이 변압기(100)로부터 전원을 공급받아, 전동기(2)의 상전압을 출력할 수 있다. 이러한 전력셀(200)는 세개의 그룹으로 구성되며, 각 그룹에서 직렬연결된 전력셀(20)은 전동기(2)에 인가되는 삼상전압 중 하나의 상의 전압을 합성할 수 있다. 합성된 V상 전압과 U상 전압은 120도의 위상차를 가지고, W상 전압과 V상 전압 역시 120도의 위상차를 가지게 된다.
전력셀(20)은, 정류부(21), 직류링크 커패시터(22) 및 정류부(23)를 포함할 수 있다.
정류부(21)는 변압기(100)로부터 3상 전원을 공급받아 이를 정류하는 것으로서, 상부 레그에 배치되는 제1정류소자(21a) 및 하부 레그에 배치되는 제2정류소자(21b)를 포함하며, 변압기(100)로부터 인가되는 삼상의 교류전원을 정류하기 위하여 제1 및 제2정류소자(21a, 21b)가 직렬로 배치되는 3개의 레그를 포함할 수 있다. 본 발명의 일실시예에서 제1정류소자(21a)는 실리콘 제어 정류기(silicon controlled rectifier, SCR)일 수 있고, 제2정류소자(21b)는 다이오드일 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 다양한 정류소자가 사용될 수 있을 것이다.
직류링크 커패시터(22)는 정류부(21)에 의해 정류된 전압을 평활하고 저장할 수 있다.
인버터부(23)는 상위 제어부(도시되지 않음)의 제어에 따라 스위칭을 수행하여, 전동기(2)에 인가하기 위해 합성할 교류전력을 출력할 수 있다. 본 발명의 일실시예에서는 풀-브릿지(full-bridge) 방식으로 스위칭소자가 구성되는 인버터부가 도시되어 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니고, 하프-브릿지(half-bridge) 방식에 의해 스위칭소자가 구성될 수도 있고, NPC(neutral point clamped) 방식에 의해 구성될 수도 있으며, 출력특성에 따라 다양한 토폴로지에 의해 인버터부(23)가 구성될 수 있을 것이다.
도시되지는 않았으나, 전력셀(20)은 인버터부(23)를 제어하는 셀제어부를 더 포함하여, 셀제어부와 추후 설명할 시스템의 제어부(3) 사이에서 데이터를 송수신할 수 있다. 이를 위해 셀제어부와 제어부(3)는 유선 또는 무선 네트워크를 통해 연결될 수 있으며, 예를 들어 셀제어부는 직류링크 커패시터(22)의 직류링크전압을 네트워크를 통해 전송할 수 있다.
이러한 고압 인버터(1)를 포함하는 본 발명의 일실시예의 시스템은, 전동기(2)에 3상전압을 출력하는 고압 인버터(1)의 전단에 배치되어, 고압 인버터(1)의 변압기(100)에 인가되는 초기여자전류를 제한하는 제1초기충전부(30)와, 고압 인버터(1)의 단위 전력셀(20)에 각각 배치되어 직류링크 커패시터(22)의 초기충전전류를 제한하는 제2초기충전부(40)와, 제1초기충전부(30)의 전단에 배치되어, 고압의 입력전원과의 절체를 수행하는 제1스위치부(50), 및 고압 인버터(1)의 후단에 배치되어 고압 인버터(1)와 전동기(2)와의 절체를 수행하는 제2스위치부(60)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 하나의 전력셀(20)에 대한 제2초기충전부(40)를 설명하고 있으나, 고압 인버터(1)의 복수의 전력셀(200) 각각에 제2초기충전부(40)가 포함되는 것임은 자명하다.
제1초기충전부(30)는 입력전원을 고압 인버터(1)를 직접 연결하는 경로를 형성하여 절체하는 제3스위치부(31), 제3스위치부(31)와 병렬로 연결되는 경로를 형성하는 제4스위치부(32) 및 초기충전 리액터(33)를 포함한다.
제4스위치부(32)가 온되고, 제3스위치부(31)가 오프가 되면, 고압의 입력전원이 직접 인가되지 않고 초기충전 리액터(33)에 의해 고압 인버터(1)로 인가되는 전류가 제한되므로, 초기여자전류가 제한될 수 있는 것이다.
제2초기충전부(40)는 전력셀(20)의 정류부(21)의 전단과 직류링크 커패시터(22) 사이에 배치될 수 있으며, 직렬로 연결된 저항(41) 및 다이오드(42)를 포함할 수 있으며, 정류부(21)에 전원이 인가되기 전에 직류링크 커패시터(22)를 충전하고, 직류링크 커패시터(22)가 소정 비율 이상 충전되는 경우 제1정류소자(21a)가 온되어, 정류부(21)에 의해 전력셀(20)로 입력되는 전원의 정류가 시작될 수 있다. 이를 위해 제1정류소자(21a)는 예를 들어 SCR이 사용될 수 있음은 이미 설명한 바와 같다.
이와 같은 구성에 의하면 제2초기충전부(40)에 의해 직류링크 커패시터(22)가 소정 비율 이상 충전되면 바로 제1정류소자(21a)가 온으로 상태가 변환되므로, 제2초기충전부(40)에 별도의 스위치가 요구되지 않아, 간단한 회로구성에 의해 초기충전회로를 구성할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 제1스위치(50), 제2스위치(60), 제3스위치(31) 및 제4스위치(32)는 예를 들어 회로차단기(circuit breaker, CB)일 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 다양한 전력용 스위치가 사용될 수 있을 것이다.
한편, 본 발명의 일실시예의 시스템은, 제1스위치(50), 제2스위치(60) 및 제1초기충전부(30)의 제3스위치(31) 및 제4스위치(32)에 온 또는 오프 제어신호를 제공하여, 고압 인버터(1)의 초기충전을 제어하기 위한 제어부(3) 및 제어부(3)에 신호를 입력하고, 고압 인버터(1)를 모니터링하기 위한 인터페이스부(4)를 포함할 수 있다. 인터페이스부(4)는 예를 들어 인간-기계 인터페이스(human-machine interface, HMI)일 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 다양한 인터페이스가 사용될 수 있을 것이다.
제어부(3)는 제1스위치(50), 제2스위치(60), 제3스위치(31) 및 제4스위치(32)에 온 제어신호(이하, '온신호'라 함) 또는 오프 제어신호(이하, '오프신호'라 함)를 전송하여, 본 발명의 일실시예의 시스템의 초기충전동작을 제어할 수 있다. 이를 도면을 통해 설명하기로 한다.
도 5는 도 3의 제어부의 제어에 따른 제1 내지 제4스위치의 온/오프 시퀀스를 설명하기 위한 일예시도이다.
제어부(3)는 시스템을 동작하기 위해, 제1스위치(50)에 온신호(5A)를 전송할 수 있다. 이때 제2스위치(60), 제3스위치(31) 및 제4스위치(32)는 모두 오프상태이다. 이에 의해 시스템은 구동준비가 완료된다.
사용자가 인터페이스부(4)를 통해 고압 인버터(1)에 온 지령을 전송하면(도시되지 않음), 제어부(3)는 이후 제4스위치(32)에 온신호(5B)를 전송하게 되며, 이에 의해, 초기충전 리액터(33)를 통해 변압기(100)가 자화되기 시작하며, 제4스위치(32)의 온상태에 의해 변압기(100)의 2차단에 전압이 유기되어, 각각의 전력셀(20)의 제2충전부(40)의 전류제한저항(41)을 통해 직류링크 커패시터(22)가 충전되기 시작한다.
직류링크 전압이 제1설정값(5C)에 도달하면, 전력셀(20)의 인버터부(23)의 펄스폭변조(PWM) 제어를 결정하는 단자인 CTL 단자가 온으로 전환되고(5D), 직류링크 전압이 제2설정값(5E)에 도달하면, 전력셀(20)의 정류부(21)의 제1정류소자(21a)가 온되어, 직류링크 커패시터(22)의 초기충전은 완료된다. 본 발명의 일실시예에서, 직류링크 전압의 제1설정값(5C)은 예를 들어 직류링크 완충전압의 50%일 수 있고, 제2설정값(5E)은 예를 들어 직류링크 완충전압의 85%일 수 있다. 다만, 본 발명의 일실시예가 이에 한정되는 것은 아니며, 제1 및 제2설정값은 사용자가 인터페이스부(4)를 통해 동작환경(부하 등)에 따라 변경할 수 있을 것이다.
한편, 직류링크 전압이 제2설정값(5E)에 도달하면, 제어부(3)는 소정 지연시간(5G)이 경과한 후 제4스위치(32)에 오프신호(5H)를 전송할 수 있다. 이 지연시간(5G)은 사용자에 의해 미리 설정될 수 있으며, 예를 들어 3 내지 5초의 범위에서 결정될 수 있다.
또한, 제어부(3)는 제4스위치(32)에 오프신호(5H)를 전송하기 소정 시간 이전에, 제3스위치(31)에 온신호(5I)를 전송할 수 있으며, 이에 의해 제3스위치(31)가 온상태로 전환할 수 있다.
이와 같이 제어부(3)가 제4스위치(32)의 오프신호(5H)의 전송 이전에 제3스위치(31)에 온신호(5I)를 전송함으로써, 제4스위치(32)와 제3스위치(31)의 온상태가 소정시간 오버랩되는 구간이 발생할 수 있다. 이는 제4스위치(32)와 제3스위치(31)가 동시에 오프상태-온상태로 전환되는 경우, 직류링크 전압이 하강하는 경우가 발생하므로, 이를 방지하기 위함이다. 제4스위치(32)와 제3스위치(31)의 온상태가 오버랩되는 시간(오버랩구간, 5J)은 설정에 의해 결정될 수 있으며, 예를 들어 100ms로 결정될 수 있을 것이다.
제4스위치(32)가 온상태가 되는 구간이 초기충전구간으로써, 예를 들어 8 내지 10초의 범위에서 결정될 수 있을 것이다.
이와 같이 초기충전구간은 전력셀(20)의 직류링크 전압에 따라 결정될 수 있다. 다만, 직류링크 커패시터(22)의 커패시턴스가 복수의 전력셀(20)마다 동일하기는 어려우므로, 제어부(3)는 복수의 전력셀(20)의 직류링크 전압을 각각의 셀제어부로부터 수신하고, 이를 사용자가 열람가능하게 인터페이스부(4)를 통해 제공하고, 기준이 되는 직류링크 전압은 가장 작은 전압을 이용할 수 있을 것이다. 즉, 가장 작은 직류링크 전압이 제2설정값이 되는 경우, 이로부터 지연시간(5G)을 카운트하여 제4스위치(32)에 오프신호(5H)를 전송할 수 있을 것이다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 복수의 전력셀의 직류링크 전압의 평균값을 기준이 되는 직류링크 전압으로 사용할 수도 있을 것이다.
이와 같이 초기충전이 완료되면, 고압 인버터(1)는 구동이 가능한 레디(ready)상태가 되며, 제어부(3)는 제2스위치(60)에 온신호(5L)를 전송한다. 제어부(3)의 제2스위치(60)로 온신호(5L)의 전송은, 제4스위치(43)에 오프신호(5H)를 전송하는 시각과 동일할 수도 있으며, 소정 시간 지연되어 전송될 수도 있다.
이와 같은 상태에서 사용자의 고압 인버터(1)의 온 구동신호에 의해 고압 인버터(1)가 구동을 시작할 수 있다(5M). 이로써 온-시퀀스가 종료되고, 고압 인버터(1)가 구동될 수 있다.
이하에서는, 제어부(3)의 오프-시퀀스에 대해 설명한다.
사용자가 고압 인버터(1)에 대한 오프 구동신호에 의해 고압 인버터(1)가 구동을 완료하면(6A), 제어부(3)는 제2스위치(60)에 오프신호(6B)를 전송하고, 이후 제3스위치(31)에 오프신호(6C)를 전송할 수 있다. 고압 인버터(1)의 구동완료(6A) 이후에 제어부(3)가 오프신호(6B, 6C)를 전송하는 시점은, 인버터(1)의 용량에 따라 결정될 수 있으며, 설정에 따라 지연시간이 각각 저장되어 있을 수 있고, 제어부(3)는 인버터(1) 구동완료(6A) 이후, 소정 제1지연시간이 경과한 후 제2스위치(60)에 오프신호(6B)를 전송하고, 소정 제2지연시간이 경과한 후 제3스위치(31)에 오프신호(6C)를 전송할 수 있을 것이다.
제3스위치(31)의 오프상태에 의해 전력셀(20)의 직류링크 전압이 점차 감소하게 되고, 직류링크 전압이 제2설정값에 도달하면, 정류부(21)의 제1정류소자(21a)가 오프로 전환되고(6D), 전력셀(20)의 CTL 단자가 오프로 전환될 수 있다(6E).
이후, 제어부(3)는 직류링크 전압이 0이 되면, 소정 시간 이후 제1스위치(50)에 오프신호(6F)를 전송하여, 이에 의해 고압 인버터 시스템이 완전히 정지상태가 될 수 있다.
본 발명의 고압 인버터 시스템에서는, 변압기의 초기여자전류를 제한하여 최초 전원투입시 발생하는 과전류를 억제하여 수전단 설비의 용량마진을 충분히 확보하고, 고압 인버터의 변압기의 수명을 늘릴 수 있고, 투입횟수에 제한이 없으므로 시설운용상 이점이 있다. 뿐만 아니라, 각각의 전력셀의 직류링크 충전전류를 제한함으로써 전력셀의 신뢰성을 확보할 수 있다.
한편, 본 발명의 일실시예에서는 제1충전부(30)에서 초기충전 리액터(33)를 통해 변압기(100)를 자화하는 것을 예를 들어 설명하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예의 제1초기충전부를 설명하기 위한 회로구성도이며, 도 6에서는 간략을 위해 삼상전원을 통합하여 도시하였다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예의 제1초기충전부(70)는, 제5스위치(71), 초기충전 커패시터(72), 제6스위치(73), 초기충전 저항(74) 및 제7스위치(75)를 포함할 수 있다.
도 4의 실시예와 달리, 본 발명의 다른 실시예에서, 제1초기충전부(70)는 고압의 입력전원에 연결되지 않고, 입력전원보다 다소 저압(예를 들어 480 내지 690V 범위에서 결정됨)의 보조전원에 연결될 수 있다.
제어부(3)는 제5스위치(71)에 온신호를 전송하면, 초기충전 커패시터(72)와 변압기(100)의 1차측 리액터의 LC 공진에 의해 변압기(100)의 1차측에 전원이 유기될 수 있다. 제어부(3)는, 변압기(100)의 1차측 전원이 소정 비율(예를 들어 90%)에 도달하면, 제6스위치(73)에 온신호를 전송할 수 있다. 이에 의해 인버터(1)의 변압기(100)의 1차측 전원이 지속될 수 있다.
이후, 제어부(3)는 제5스위치(71)에 오프신호를 전송하고, 이와 동시에 제7스위치(75)에 온신호를 전송할 수 있다. 이에 의해 전력셀(20)의 직류링크 커패시터(22)의 초기충전이 시작된다.
직류링크 커패시터(22)의 직류링크 전압이 위에서 설명한 제2설정값에 도달하면(제2초기충전부(40)의 설명은 위에서 설명한 바와 같으므로, 생략함), 제어부(3)는 제6스위치(73)에 오프신호를 전송할 수 있다.
이후, 제어부(3)는 고압의 입력전원과 저압의 보조전원의 위상 모니터링을 수행하고, 고압의 입력전원과 저압의 보조전원의 위상차가 없는 경우 제1스위치(50)에 온신호를 전송할 수 있다. 이때, 제1스위치(50)와 제7스위치(75)가 온상태가 된다.
이후 제어부(3)는 입력전원과 보조전원의 동기가 완료되는 경우 제7스위치(75)에 오프신호를 전송하여, 초기충전을 완료하고 고압 인버터(1)의 구동준비를 완료할 수 있을 것이다.
이와 같이, 고압 인버터(1)의 초기여자전류를 제한하는 제1초기충전부는, 다양한 방식에 의해 구성될 수 있으며, 이는 초기충전전류를 제한하는 제2초기충전부 역시 마찬가지라 할 것이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예의 제2초기충전부를 설명하기 위한 회로구성도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에서, 정류부(21)의 상부레그 및 하부레그의 정류소자는 동일한 정류소자(예를 들어 다이오드)로 구성될 수 있으며, 제2초기충전부(80)는 제8스위치(81), 초기충전저항(82) 및 다이오드(83)를 포함할 수 있다.
도 4의 일실시예와 다른 점을 설명하기로 한다.
도 4 및 도 5를 참조하여 설명한 본 발명의 일실시예에는, 온-시퀀스에서 직류링크 커패시터(22)의 직류링크 전압이 제2설정값에 도달한 경우, 정류부(21)의 제1정류소자(21a)가 온상태로 전환되는 것을 설명하였다.
그러나, 도 7의 다른 실시예에 의하면, 제어부(3)는 제4스위치(33)에 온신호(5B)를 전송하는 동시에 제8스위치(81)에 온신호를 전송하여 직류링크 커패시터(22)의 초기충전을 시작할 수 있을 것이다.
또, 제어부(3)는 직류링크 전압이 제2설정값에 도달하는 경우, 제어부(3)는 제8스위치(81)에 오프신호를 전송함으로써, 전력셀(20)의 직류링크 커패시터(22)의 초기충전을 완료할 수 있을 것이다. 즉, 도 5에서 SCR이 자동으로 온상태로 전환하는 대신, 제어부(3)의 제8스위치(81)로의 온신호의 전송에 의해, 전력셀(20)의 초기충전상태가 완료될 수 있을 것이다.
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 청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
1: 고압 인버터 2: 전동기
3: 제어부 4: 인터페이스부
10: 위상천이 변압기 20: 전력셀
30, 70: 제1초기충전부 40: 제2초기충전부
50, 60, 31, 32, 71, 73, 75: 스위치 33: 초기충전 리액터
41, 74: 초기충전 저항 72: 초기충전 커패시터

Claims (11)

  1. 위상치환 변압기 및 복수의 전력셀을 포함하고, 상기 전력셀은, 상기 변압기로부터 입력되는 전원을 정류하는 정류부와 상기 정류부로부터 수신하는 전압을 평활하는 직류링크 커패시터를 포함하는 고압 인버터의 초기충전 시스템에 있어서,
    상기 고압 인버터의 입력전원을 절체하는 제1스위치;
    상기 고압 인버터의 출력전압과 전동기를 절체하는 제2스위치;
    상기 제1스위치와 상기 고압 인버터의 사이에 배치되어, 상기 위상치환 변압기에 인가되는 초기여자전류를 제한하는 제1초기충전부; 및
    상기 전력셀의 입력단과 상기 직류링크 커패시터에 연결되어, 상기 직류링크 커패시터의 초기충전전류를 제한하는 제2초기충전부를 포함하는 초기충전 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1초기충전부는,
    입력전원을 상기 고압 인버터로 직접 연결하는 제1경로를 형성하여, 상기 입력전원을 절체하는 제3스위치;
    상기 제3스위치와 병렬로 연결되는 제2경로를 형성하는 리액터; 및
    상기 제2경로에서 상기 리액터와 직렬로 연결되는 제4스위치를 포함하는 초기충전 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 정류부의 상부레그는 실리콘제어 정류소자(SCR)를 포함하고,
    상기 제2초기충전부는,
    제1저항; 및
    상기 제1저항에 직렬로 연결되는 제1다이오드를 포함하는 초기충전 시스템.
  4. 제3항의 초기충전 시스템을 제어하는 방법에 있어서,
    상기 제1스위치에 온신호를 전송하는 단계;
    상기 제1스위치의 온상태에서, 상기 제4스위치에 온신호를 전송하는 단계;
    상기 직류링크 커패시터의 직류링크 전압이 소정 설정값에 도달하여, 상기 정류부의 상부레그가 온상태가 되면, 소정 지연시간 이후 상기 제4스위치에 오프신호를 전송하는 단계;
    상기 제4스위치에 오프신호를 전송하기 소정 시간 이전에 상기 제3스위치에 온신호를 전송하는 단계; 및
    상기 제3스위치의 온상태 및 제4스위치의 오프상태에서, 상기 제2스위치에 온신호를 전송하는 단계를 포함하는 제어방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제2스위치에 오프신호를 전송하는 단계;
    상기 제2스위치의 오프상태에서, 상기 직류링크 커패시터의 직류링크 전압이 상기 설정값에 도달하여 상기 정류부의 상부레그가 오프상태가 되면, 상기 제3스위치에 오프신호를 전송하는 단계; 및
    상기 제3스위치의 오프상태에서, 상기 제1스위치에 오프신호를 전송하는 단계를 더 포함하는 제어방법.
  6. 제2항에 있어서, 상기 제2초기충전부는,
    제5스위치부;
    상기 제5스위치부에 직렬로 연결되는 제2저항; 및
    상기 제2저항에 직렬로 연결되는 제2다이오드를 포함하는 초기충전 시스템.
  7. 제6항의 초기충전 시스템을 제어하는 방법에 있어서,
    상기 제1스위치에 온신호를 전송하는 단계;
    상기 제1스위치의 온상태에서, 상기 제4스위치에 온신호를 전송하고, 상기 제5스위치에 온신호를 전송하는 단계;
    상기 직류링크 커패시터의 직류링크 전압이 소정 설정값에 도달한 경우, 상기 제5스위치에 오프신호를 전송하는 단계;
    상기 제5스위치의 온상태에서, 소정 지연시간 이후 상기 제4스위치에 오프신호를 전송하는 단계;
    상기 제4스위치에 오프신호를 전송하기 소정 시간 이전에 상기 제3스위치에 온신호를 전송하는 단계; 및
    상기 제3스위치의 온상태 및 제4스위치의 오프상태에서, 상기 제2스위치에 온신호를 전송하는 단계를 포함하는 제어방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제2스위치에 오프신호를 전송하는 단계;
    상기 제2스위치의 오프상태에서, 상기 직류링크 커패시터의 직류링크 전압이 상기 설정값에 도달한 경우, 상기 제3스위치에 오프신호를 전송하는 단계; 및
    상기 제3스위치의 오프상태에서, 상기 제1스위치에 오프신호를 전송하는 단계를 더 포함하는 제어방법.
  9. 위상치환 변압기 및 복수의 전력셀을 포함하고, 상기 전력셀은, 상기 변압기로부터 입력되는 전원을 정류하는 정류부와 상기 정류부로부터 수신하는 전압을 평활하는 직류링크 커패시터를 포함하는 고압 인버터의 초기충전 시스템에 있어서,
    상기 고압 인버터의 입력전원을 절체하는 제1스위치;
    상기 고압 인버터의 출력전압과 전동기를 절체하는 제2스위치; 및
    상기 제1스위치와 병렬로 배치되어, 상기 위상치환 변압기에 인가되는 초기여자전류를 제한하는 초기충전부를 포함하는 초기충전 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 상기 초기충전부는,
    상기 입력전원보다 저압의 보조전원과 상기 고압 인버터를 직접 연결하는 제1경로를 형성하여, 상기 보조전원을 절체하는 제3스위치;
    상기 제3스위치와 병렬로 연결되는 제2경로를 형성하는 초기충전 저항;
    상기 제2경로에서 상기 초기충전저항과 직렬로 연결되는 제4스위치;
    상기 제3스위치와 병렬로 연결되는 제3경로를 형성하는 초기충전 커패시터; 및
    상기 제3경로에서 상기 초기충전 커패시터와 직렬로 연결되는 제5스위치를 포함하는 초기충전 시스템.
  11. 제10항의 초기충전 시스템을 제어하는 방법에 있어서,
    상기 제5스위치에 온신호를 전송하는 단계;
    상기 위상치환 변압기의 1차측 전원이 소정 비율에 도달하면, 상기 제4스위치에 온신호를 전송하는 단계;
    상기 제5스위치에 오프신호를 전송하고, 상기 제3스위치에 온신호를 전송하는 단계;
    상기 직류링크 커패시터의 직류링크 전압이 소정 레벨에 도달하면, 상기 제4스위치에 오프신호를 전송하는 단계;
    상기 입력전원과 상기 보조전원의 위상차가 없는 경우, 상기 제1스위치에 온신호를 전송하는 단계;
    상기 입력전원과 상기 보조전원의 동기가 완료되는 경우 상기 제3스위치에 오프신호를 전송하는 단계를 포함하는 제어방법.
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