KR20200103364A - 고압 인버터 장치의 전력셀 회로 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고압 인버터 장치의 전력셀 회로에 관한 것으로, 입력전원의 위상을 제어하여 위상이 다른 다상 전원을 제공하는 메인 변압기의 다상 전원을 정류하는 정류부와, 상기 정류부의 후단에서 입력된 전원을 평활하여 인버터부에 제공함과 아울러 초기 동작시 직류링크 전압을 충전하는 직류링크 커패시터와, 상기 메인 변압기의 다상 전원 각각을 이용하여 상기 직류링크 커패시터를 충전하는 복수의 개별충전부를 포함한다.

Description

고압 인버터 장치의 전력셀 회로{Power cell circuit for medium voltage inverter}
본 발명은 고압 인버터 장치의 전력셀 회로에 관한 것으로, 더 상세하게는 메인 변압기의 안정성을 향상시킬 수 있는 고압 인버터 장치의 전력셀 회로에 관한 것이다.
일반적으로, 고압 인버터(medium voltage inverter)는 대용량 전력변환 기기로써, 입력단에 대형 변압기(메인 변압기)가 포함된다.
도 1은 일반적인 고압 인버터의 구조도로써, 메인 변압기(100)와 복수의 전력셀부(200)로 구성되어 있으며, 메인 변압기(100)의 2차단의 저압 전력셀부(200)가 직렬로 연결되어 고압을 전동기로 출력한다.
상기 전력셀부(200)에는 다수의 전력셀을 포함하여, 메인 변압기(100)의 전력을 각각 공급받아 전동기(IM)에 요구되는 U, V, W 삼상 전원을 공급하는 역할을 한다.
도 1에서는 각 상별로 6개의 전력셀이 마련된 구조를 도시하였다.
메인 변압기(100)는 통상 최초 전원투입시 메인 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, 메인 변압기(100) 자체의 임피던스를 높이는 방법과 별도의 회로를 구성하여 전류를 제한하는 방법이 있다.
한편, 도 1의 전력셀을 구성하는 전압형 인버터의 경우, 그 구조상 직류링크 커패시터가 정류부와 인버터부의 사이에 위치한다.
도 2는 도 1의 전력셀의 구성도로서, 전력셀부(200)는 정류부(210)와 인버터부(230) 및 그 사이에 배치되는 직류링크 커패시터(220)로 구성된다.
전력셀부(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 메인 변압기(100)의 1차측으로 유입되며, 이후 메인 변압기(100)의 2차단 전압이 유기된다. 메인 변압기(100)의 2차단에 전압이 유기되면 전력셀부(200)를 이루는 전력셀들에 마련된 직류링크 커패시터(220)가 충전되는데, 이때 순간적으로 큰 충전전류인 초기충전전류(B)가 흐르게 된다.
즉, 고압 인버터 전원투입시, 메인 변압기(100)의 입력측에는 초기여자전류(A)가, 전력셀의 입력측에는 초기충전전류(B)가 동시에 흐르게 된다.
따라서, 종래의 고압 인버터 시스템은, 메인 변압기(100)의 초기여자전류를 제한하거나, 또는 직류링크 커패시터(220)의 초기충전전류만을 제한하는 방식을 채용하고 있으므로, 초기여자전류 및 초기충전전류를 적절하게 제한하는 기술이 요구된다.
이와 같은 요구에 부합하도록 초기에 직류링크 커패시터(220)를 충전하는 충전부를 더 포함하는 기술이 제안되었다.
도 3은 종래 고압 인버터 시스템의 전력셀부(200)에 포함되는 전력셀들 각각에 충전부를 더 포함하는 블록 구성도이다.
충전부(240)는 R, S 또는 T상의 전원 중 선택된 하나의 입력 노드(n1)와 직류링크 커패시터(220)의 일단(n2)에 연결되어, 초기동작 상태에서 선택된 R, S 또는 T상의 전원을 직류링크 커패시터(220)로 공급하여 충전을 수행하게 된다.
이러한 충전부(240)의 부가에 의하여 초기여자전류에 의한 회로의 손상은 방지할 수 있겠지만, 충전부(240)를 포함하는 종래의 회로는 다른 문제점을 발생시킨다.
구체적으로, 상기 충전부(240)는 메인 변압기(100)의 R, S, T상 중에서 특정한 상의 전원을 이용하여 직류링크 커패시터(220)를 충전하며, 다수의 충전부(240)를 사용하기 때문에 직류링크 커패시터(220)의 충전에 사용되는 상의 전원을 공급하는 메인 변압기(100)에 지속적인 부하를 제공하게 되는 문제점이 있었다.
도면에서는 18개의 전력셀들 각각에 마련된 충전부(240)들이 모두 R상 전원으로 직류링크 커패시터(220)를 충전하고 있으며, 따라서 메인 변압기(100)의 R상에만 과도한 부하가 걸리게 되어 이상이 발생할 수 있는 문제점이 있었다.
상기와 같은 문제점을 감안한 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 특정 상의 전원만이 직류링크 커패시터의 충전에 사용되는 것을 방지할 수 있는 고압 인버터 장치의 전력셀 회로를 제공함에 있다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명은, 입력전원의 위상을 제어하여 위상이 다른 다상 전원을 제공하는 메인 변압기의 다상 전원을 정류하는 정류부와, 상기 정류부의 후단에서 입력된 전원을 평활하여 인버터부에 제공함과 아울러 초기 동작시 직류링크 전압을 충전하는 직류링크 커패시터와, 상기 메인 변압기의 다상 전원 각각을 이용하여 상기 직류링크 커패시터를 충전하는 복수의 개별충전부를 포함한다.
본 발명의 실시예에서, 상기 정류부는, 다상 전원 각각이 입력되는 입력단과 상기 직류링크 커패시터의 일단 사이에 위치하여, 상기 직류링크 커패시터가 충전된 상태에서 턴온되는 복수의 실리콘 제어 정류소자와, 상기 직류링크 커패시터의 타단과 상기 다상 전원 각각이 입력되는 입력단들 사이에 위치하는 복수의 다이오드를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 복수의 상기 개별충전부는, 복수의 상기 실리콘 제어 정류소자 각각과 병렬 연결되어, 초기 동작 상태에서 상기 다상 전원을 모두 사용하여 상기 직류링크 커패시터를 단계적으로 충전할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 개별충전부는, 초기 동작 상태에서 전원을 상기 직류링크 커패시터에 인가하는 충전회로부와, 초기 동작 상태에서 과전류가 직류링크 커패시터로 인가되는 것을 차단하는 스너버를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 충전회로부는, 상기 입력단과 상기 직류링크 커패시터의 일단에 직렬연결된 다이오드와 저항을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 스너버는, 병렬연결된 저항과 커패시터를 포함할 수 있다.
본 발명은 메인 변압기의 모든 상의 전원을 이용하여 직류링크 커패시터를 충전하는 개별충전부를 구비하여, 메인 변압기의 특정 상의 전원에만 과도한 부하가 걸리는 것을 방지하여, 안정성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 개별충전부 각각에 스너버(Snubber) 회로를 부가하여, 초기 동작에서 소자의 손상을 방지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 고압 인버터의 블록 구성도이다.
도 2는 도 1에서 전력셀의 블록 구성도이다.
도 3은 충전부가 부가된 종래 전력셀의 회로도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 고압 인버터 장치의 전력셀 회로도이다.
도 5는 개별충전부의 상세 회로도이다.
도 6은 도 4에서 하나의 전력셀의 초기 동작시 전류 흐름을 표시한 회로도이다.
도 7은 초기 동작이 완료된 후 하나의 전력셀의 전류 흐름을 표시한 회로도이다.
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, 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 고압 인버터 장치의 전력셀 회로에 대하여 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 고압 인버터 장치의 전력셀 회로도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 고압 인버터 장치의 전력셀 회로는, 메인 변압기(10)와, 다수의 전력셀을 포함하는 전력셀부(20)를 포함하되, 전력셀부(20)의 전력셀 각각은 상기 메인 변압기(10)의 R, S 및 T상 전원 각각을 이용하여 직류링크 커패시터(22)를 충전하는 개별충전부(24)를 포함하여 구성된다.
미설명부호 23은 인버터부이고, 30은 전동기이다.
상기 전력셀부(20)의 전력셀 각각은, 정류부(21)와 인버터부(23)를 포함하며, 정류부(21)와 인버터부(23)의 사이에 직류링크 커패시터(22)를 포함한다.
상기 정류부(21)는 메인 변압기(10)로부터 공급되는 R상, S상, T상의 전원을 정류하는 것으로, R상, S상, T상 각각에 대한 정류를 수행하기 위한 정류소자 쌍이 병렬로 연결된 구성을 가진다.
좀 더 구체적으로 정류부(21)는 제1접점(P)과 제2접점(N) 사이에 직렬연결되며, R상 전원이 상호간의 연결 접점에 공급되는 제1실리콘 제어 정류소자(silicon controlled rectifier, SCR1)와 제1다이오드(D1) 쌍, 제1접점(P)과 제2접점(N) 사이에 직렬연결되며, S상 전원이 상호간의 연결 접점에 공급되는 제2실리콘 제어 정류소자(SCR2)와 제2다이오드(D2) 쌍 및 제1접점(P)과 제2접점(N) 사이에 직렬연결되며, T상 전원이 상호간의 연결 접점에 공급되는 제3실리콘 제어 정류소자(SCR3)와 제3다이오드(D3) 쌍을 포함하며, 각 상의 전원을 상기 제1접점(P)에 공급하는 개별충전부(24)들을 포함한다.
직류링크 커패시터(22)는 정류부(21)에서 정류된 전원을 평활하고, 충전한다.
이와 같이 구성되는 본 발명의 구성과 작용에 대하여 좀 더 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 메인 변압기(10)는 1차측에 입력전원, 2차측에 전력셀부(20)의 전력셀들의 입력단이 연결되어, 입력전원과 전력셀부(20)간의 절연을 제공하고, 고조파를 절감하여 전력셀부(20)의 각 전력셀에 적절하게 위상이 천이된 3상 전원(R, S, T)을 제공할 수 있다.
메인 변압기(10)의 위상 천이 각도는 전력셀의 수에 의해 결정된다.
전력셀부(20)는 메인 변압기(10)로부터 전원을 공급받아, 전동기(30)의 상전압을 출력한다. 전력셀부(20)의 전력셀은 세개의 그룹으로 구성된다. 이때의 그룹의 수는 전동기(30)의 상에 따라 결정된다. 하나의 그룹 내에서 해당 그룹에 속한 전력셀들은 직렬연결되며, 전동기(30)에 인가되는 삼상의 전압 중 하나의 상 전압(V, U, W)을 합성할 수 있다.
합성된 V상 전압과 U상 전압은 120도 위상차를 가지고, W상 전압과 V상 전압 역시 120도의 위상차를 가지게 된다.
상기 전력셀부(20)를 이루는 각 전력셀들은 정류부(21), 직류링크 커패시터(22) 및 인버터부(23)를 포함할 수 있으며, 필요에 따라 다양한 기능의 회로를 부가할 수 있다.
상기 정류부(21)는 메인 변압기(10)로부터 3상 전원을 공급받아 이를 정류하는 것으로, 각 상의 전원이 입력되는 입력단의 상부 레그에 배치되는 실리콘 제어 정류소자와 하부 레그에 배치되는 다이오드를 포함한다.
앞서 설명한 바와 같이 상부 레그인 전원의 입력단과 제1접점(P)의 사이에는 제1 내지 제3실리콘 제어 정류소자(SCR1, SCR2, SCR3)가 배치되고, 제2접점(N)과 전원 입력단의 사이인 하부 레그에는 제1 내지 제3다이오드(D1,D2,D3)가 배치된다.
상기 제1 내지 제3실리콘 제어 정류소자(SCR1, SCR2, SCR3)들은 통상 3단자 사이리스터(thyristor)라고도 하며, 애노드가 캐소드에 대하여 양전위일 때만 턴온되는 특성이 있다.
상기 제1 내지 제3실리콘 제어 정류소자(SCR1, SCR2, SCR3)는 모두 P게이트 실리콘 제어 정류소자를 사용하며, 따라서 이후에 설명될 개별충전부(24)를 통한 직류링크 커패시터(22)가 충전된 상태에서 순방향의 전류를 흐르게 한다.
도 5는 상기 개별충전부(24)의 상세 회로도이고, 도 6은 도 4에서 하나의 전력셀의 초기 동작시 전류 흐름을 표시한 회로도이다.
도 5와 도 6을 각각 참고하면, 개별충전부(24)는 다이오드(D4, D5)와 저항(R1)이 직렬연결되어 R, S 또는 T 상의 전원을 제1접점(P)으로 인가하는 충전회로부(26)와, 상호 직렬연결된 저항(R2, R3)에 병렬연결된 커패시터(C1)를 포함하는 스너버(25)를 포함한다.
위의 예에서 스너버(25)는 저항과 커패시터로 이루어지는 RC 스너버의 예로서, 초기에 과도하게 유입되는 전류를 차단하는 역할을 한다.
초기 동작시 상기 제1 내지 제3실리콘 제어 정류소자(SCR1, SCR2, SCR3)는 전류를 차단하며, 전류 차단 상태는 직류링크 커패시터(22)가 설정된 전압으로 충전되기 전까지 지속된다.
통상 6,600V 고전압 인버터 시스템에서 직류링크 전압은 750V 정도이며, 직류링크 커패시터(22)가 직류링크 전압으로 충전되기 전까지는 상기 제1 내지 제3실리콘 제어 정류소자(SCR1, SCR2, SCR3)는 전류를 차단한다.
따라서 초기 동작시 각 상의 전류는 충전회로부(26)를 통해 직류링크 커패시터(22)에 충전된다. 이때의 충전은 충전회로부(26)의 다이오드들(D4,D5)에 정바이어스가 걸린 상태에서 이루어진다.
R, S, T상의 전원 각각의 입력되는 순서는 특정할 수 없으나, 위상의 차이에 의해 R, S, T상의 전류는 각각 직류링크 커패시터(22)에 충전된다. 따라서 직류링크 커패시터(22)의 전압은 목표 전압까지 계단형태의 상승 곡선을 그리며 단계적 증가하게 된다.
이처럼 본 발명은 특정한 상의 전원만을 이용하여 직류링크 커패시터(22)를 충전하지 않고, 모든 상의 전원을 이용하여 직류링크 커패시터(22)를 충전할 수 있으며, 메인 변압기의 특정 상에만 과도한 스트레스가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
도 7은 직류링크 커패시터(22)가 목표한 전압까지 충전이 완료된 상태에서, 본 발명의 전력셀부(20)에 포함된 전력셀의 전류 흐름을 나타낸 회로도이다.
도 7을 참조하면, 상기 직류링크 커패시터(22)가 충전되면, 상기 제1 내지 제3실리콘 제어 정류소자(SCR1, SCR2, SCR3)는 턴온된다.
상기 제1 내지 제3실리콘 제어 정류소자(SCR1, SCR2, SCR3)가 턴온되면, 상기 각 상의 전원이 개별충전부(24)를 통하지 않고, 직접 제1접점(P)에 인가한다. 이때 제1 내지 제3실리콘 제어 정류소자(SCR1, SCR2, SCR3)는 정류소자의 역할만을 하게 된다.
정류부(21)에서 정류된 전원은 직류링크 커패시터(22)를 통해 인버터부(23)에 공급되고, 인버터부(23)는 이를 합성하여 특정 상의 전압을 전동기(30)에 제공한다.
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.
10:메인 변압기 20:전력셀부
21:정류부 22:직류링크 커패시터
23:인버터부 24:개별충전부
25:스너버 26:충전회로부
30:전동기

Claims (6)

  1. 입력전원의 위상을 제어하여 위상이 다른 다상 전원을 제공하는 메인 변압기의 다상 전원을 정류하는 정류부;
    상기 정류부의 후단에서 입력된 전원을 평활하여 인버터부에 제공함과 아울러 초기 동작시 직류링크 전압을 충전하는 직류링크 커패시터; 및
    상기 메인 변압기의 다상 전원 각각을 이용하여 상기 직류링크 커패시터를 충전하는 복수의 개별충전부를 포함하는 고압 인버터 장치의 전력셀 회로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 정류부는,
    다상 전원 각각이 입력되는 입력단과 상기 직류링크 커패시터의 일단 사이에 위치하여, 상기 직류링크 커패시터가 충전된 상태에서 턴온되는 복수의 실리콘 제어 정류소자와, 상기 직류링크 커패시터의 타단과 상기 다상 전원 각각이 입력되는 입력단들 사이에 위치하는 복수의 다이오드를 포함하는 고압 인버터 장치의 전력셀 회로.
  3. 제2항에 있어서,
    복수의 상기 개별충전부는,
    복수의 상기 실리콘 제어 정류소자 각각과 병렬 연결되어,
    초기 동작 상태에서 상기 다상 전원을 모두 사용하여 상기 직류링크 커패시터를 단계적으로 충전하는 것을 특징으로 하는 고압 인버터 장치의 전력셀 회로.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 개별충전부는,
    초기 동작 상태에서 전원을 상기 직류링크 커패시터에 인가하는 충전회로부와,
    초기 동작 상태에서 과전류가 직류링크 커패시터로 인가되는 것을 차단하는 스너버를 포함하는 고압 인버터 장치의 전력셀 회로.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 충전회로부는,
    상기 입력단과 상기 직류링크 커패시터의 일단에 직렬연결된 다이오드와 저항을 포함하는 고압 인버터 장치의 전력셀 회로.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 스너버는,
    병렬연결된 저항과 커패시터를 포함하는 고압 인버터 장치의 전력셀 회로.
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