KR840000478B1 - 견인 전동기 전류 제어장치 - Google Patents

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KR840000478B1
KR840000478B1 KR7801663A KR780001663A KR840000478B1 KR 840000478 B1 KR840000478 B1 KR 840000478B1 KR 7801663 A KR7801663 A KR 7801663A KR 780001663 A KR780001663 A KR 780001663A KR 840000478 B1 KR840000478 B1 KR 840000478B1
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KR7801663A
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제이. 프린스 후랭크
씨. 매티 토마스
에치. 후란츠 제임스
Original Assignee
죠오지 메크린
웨스팅하우스 일렉트릭 코오포레이숀
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Description

견인 전동기 전류 제어장치
제1도는 양호한 실시예의 전동기 전류 제어장치의 회로도.
제2도는 제1도의 장치에 의해 공급된 전동기의 전압 및 전류 파형도.
제3도는 제1도의 다이리스터 스위치들에 대한 전류 파형도.
제4도는 다이리스터 스위치 작동에 따른 전형적인 전류 변화율을 나타내는 전압 및 전류파형도.
제5도는 시리즈로된 종래의 견인 전동기용 전류 제어장치의 회로도.
제6도는 제1도의 전동기 전류 제어장치의 "은" "오프"펄스에 관련하여 커뮤테이팅(commutating) 다이리스터의 하전전류를 예시한 파형도.
제7도는 주 다이리스터 전류 및 프리휘일링(freewheeling) 다이리스터 전류의 증가를 예시한 파형도.
제8도는 다이리스터의 턴. 온 상태를 보조키 위해 제1도의 모터전류 장치와 관련하여 구성한 R-C회로도.
제9도는 주 다이리스터 스위치 양단에 연결된 션트 다이오드를 흐르는 전류 및 다이리스터 양단의 전압파형도.
제10도는 직류전동기의 잘 알려진 동작특성도.
제11도는 부회로 구성에 연결된 본 발명의 쵸퍼장치의 등가회로도.
제12도는 포지티브(positive)회로에 연결된 종래의 쵸퍼장치.
제13도는 네거티브(negative)회로에 연결된 쵸퍼장치.
제14도는 포지티브회로에 연결된 종래 기술의 다른 쵸퍼장치.
제15도는 네거티브 회로에 연결된 종래기술의 다른 쵸퍼장치.
제16도는 또 다른 종래의 쵸퍼장치.
제17도는 본 발명의 쵸퍼장치의 계통도.
제18도는 쵸퍼장치의 전압 전류 파형도.
본 발명은 일반적으로 견인 전동기들의 제어에 관하여, 특히 새롭게 다이리스터를 제어하여 견인 전동기 전류를 조절함으로서 그 신뢰성과 경제성을 도모하는 것에 관한다.
종래 전동기와 시리즈로된 어떤 다이리스터 스위치를 포함한 쵸퍼장치로 직렬의 직류 견인 전동기의 속도를 제어하는 것은 주지되어 있다. 전동기의 속도 제어는 전동기에 결과적으로 공급되는 평균전력에 의해 그 동작속도가 설정되게끔 전동기에 공급되는 펄스 전압의 폭에 의하여 행해진다. 충전 커패시하는 다이리스터 장치의 전도전류(轉流)용전도 다이리스터 장치 양단의 "턴였프"(turn-off) 전압을 공급하도록 사용된다인동기는 여객 차량이트랙을 따라 추진될때 전동기 구동 모우드에서 동작하고, 그 차량이 정지되거나 감속되고 있을때 브레이크 모우드에서 동작한다.
1973.3월호의 "웨스팅 하우스 엔지니어"지의 34-41페이지의 기사에서 얻급되어 있듯이, 전동기 전기자에 인가된 평균전압은쵸퍼의 "온" 시간에 대한 "오프"시간의 비율을 초청함으로써 제어되는 바, 이와 동시에 그 결과적인 평균 전동기 전류는 차량을 트랙에 따라 이동시키기 위한 전동기 토오크(torgue)를 결정하게 된다.
감속이나 가속율을 제어함으로써 직류견인 전동기를 작동시킬 때 전동기 전류가 제어되는 한편, 요망한 속도를 유지하기 위해 전동기 전압이 제어됨은 이 기술 분야에 숙련된 자에게 알려진 사실이다.
여기에 기술된 것은, 열적 응력에 의해 다이리스터 스위치 장치가 고장됨이 없이 "온"이나 "오프"동작상태 어느쪽에서도 충분한 정격전동기 전류로 연속 동작할 수 있는 개량된 전동기 전류제 어쵸 퍼장 치이다. 이장치는 주어진 전류 부하율을 위한 회로소자를 보다 덜사용할 뿐만 아니라 다이리스터 스위치에 대한 열적 응력을 감소시키면서도 보다 신뢰할 수 있고 보다 저렴한 전류 양식을 제시하고 있다.
본 발명은 넓은 의미에서 직류 전압원으로 동작하고 어떤 부하의 여기를 제어하기 위한 출력을 지닌 쵸장 장치인바, 이건은 전압원과 출력사이에 부하전류 통로를 제공하기 위해 연결된 제1제어정류기, 출력에 전류를 보내주기 위해 제1제어정류기의 "온"동작을 제어하는 전도 제어장치, 제1제어 정류기의 "오프"상태를 제어하기 위한 전류(전류)회로 (이 회로는 제1제어 정류기에 결합된 커패시터와 인덕터를 포함한다), 상기 커패시터에 전압 충전을 행하기 위해 전압원과 커패시터 사이에 연결한 제2제어정류기 그리고 전압원에 관련하여 상기 커패시터에 일정 전압을 충전시켜 유지하도록 상기 커패시터와 전압원 사이에 연결한 회로로 구성되어 있다.
본 발명은 첨부 도면을 참조하면서 아래의 설명을 보면 자세히 이해할 수 있을 것이다.
제1도에서는 직류 전압원(10)으로부터 직류 전동기 부하(12)로 공급된 평균 전류를 제어하고, 부하(12)에 인가된 전류를 쵸핑(chopping)시키도록 "온" "오프"상태로 반복 동작하는 주 다이리스터(14)를포함한 직류 쵸퍼 장치를 도시하고 있다. 이 전압의 제어는 전동기(12)의 속도를 제어하기 위해 주 다이리스터(14)의 "온"동작시간대 "오프"동작시간을 변화시킴으로써 결정된다. 시리즈로된 직류 견인 전동기의 속도는 전기자위 전압에 비례하고 S=E/Q에 의한 계자 전류 또는 계자 속에 역비례한다. 전동기(12)의 속도를 줄이기 위하여 전기자의 전압은 감속되고, 전동기 속도를 증가시키기 위해선 전기자전압이 증가한다. 전형적인 견인 전동기에 공급되는 전력은 중앙 발전소의 900볼트등과 같은 비교적 일정한 직류 전압이다. 주 다이리스터(14)는 닫히고 전도하게 게이팅되고, 그후 전동기속도를 결정하는 전동기(12)양단에 평균 전압을 공급하도록 열려 필요한 만큼 차단하게 전류한다. 주 다이리스터가 전도할 때마다, 전동기(12) 및 인덕터(18)의 양단에 걸린 전압을 제2도의 전동기 전압곡선 A에서 도시한 바와 같이 직류전압원(10)의 전압 EB까지 승압시킨다. 주 다이리스터(14)가 차단할 때마다 전동기(12) 및 인덕터(18)의 양단에 걸린 전압은 제로로 강하한다(제2도의 곡선 A참조). 전동기(12)는 평균 전동기전압(16)에 반응한다. 주 다이리스터(14)가 보다 장시간 동안 전도하고 있을 경우 평균 전동기 전압(16)은 승압되고 주 다이리스터(14)가 보다 장시간동안 차단시킬 경우에는 평균전동기 전압(16)은 낮게될 것이다. 제2도의 곡선 B에 도시한 바와 같이, 주 다이리스터(14)가 전도할때 마다 전동기 전류는 증가하고, 그후 주 다이리스터(14)가 차단될 때마다 감소되어, 이와동시에 전동기(12) 및 인덕터(18)의 유효성 효구로 제2도의 곡선 B와 같은 전류 파형이 형성된다. 평균전동기토오크는 전동기(12)의 전류(20)에 비례한다. 프리휘일링 다이오드(22)는 주 다이리스터(14)가 차단된 후에도 이 회로의 유도성에 기인하여 전동기(12)전류가 지속되게함으로써 제2도의 곡선 B와 같은 형태의 전동기 전류를 형성한다.
주 다이리스터(14)는 더이상 전동기(12)에 전류를 전도시키지 않는 것이 바람직할때 전류 회로가 차단되게 한다. 별련로 연결된 커뮤테이팅 커패시터(26)의 커뮤테이팅다이리스터(28)을 포함한 전류회로는 전동기 전류를 션트시키기 위해 작동하여 주 다이리스터(14)에 의해 전도를 정지한다. 주 다이리스터(14)를 "턴오프"시켜 전등기 전류의 전도를 정지시키기 위해, 커뮤테이팅 다이리스터(30)은 전도되고 다이리스터(14)를 "오프"시키기 위해 그 양단에 구성된 커패시터(26)으로부터 역 바이어스 전압을 가한다. 이때 전동기 전류가 커뮤테이팅다이리스터(30)를 통하여 분류되는 동안, 커패시터(26)는 상술한 커패시터 충전과 역방향으로 충전되어 전압원(10)과 반대되고, 커뮤테이팅 다이리스터(30)를 통해 전류기 전류 흐름을 중단시켜 다이리스터(30)가 다시 차단 상태를 들어가 전도를 정지한다. 커패시터(26)의 어떠한 과도전압도, 다이리스터(30)에 역바이어스를 걸고 더우기 "턴오프"시키면서도, 도다이오드(28)(22)에 의해 전압원(10)으로 클램핑(clamping)된다. 장기간의 오프시간동안, 커패시터(26)의 충전 전압을 지속시키기 위해선 다이리스터(30)를 맥동적으로 동작시키는 것이 필요하다. 주목할만한 점은 전동기 전류 제어장치의 신뢰도를 희생함이 없이 이렇게 주 다이리스터를 전류시키기 위해 이용되는 소자의 수를 최소화하여 그 가격을 낮추었다는 점이다. 커뮤테이팅 다이리스터(30)는 사실상 곡선 D로 도시한 바와같은 주 다이리스터(14)에 의해 통과된 전류와 비교할때 곡선 C에 도시한바와 같은 실질적으로 보다 짧은 지속시간 동안 전류 임펄스를 이동한다.
제4도에서는 다이리스터 스위치 작동의 전형적인 전류변화율 또는 DI/DT를 설명하기 위해 전압과 전류의 파형들을 도시하고 있다. 곡선 E는 다이리스터 양단의 전압을 표시하며, 곡선 F는 다이리스터스위치가회로내에 포함된 유도성 리액턴스에 따라 시간 T에서 전도될 때 결과하는 전류의 증대를 보여주고 있다. 전류는 다이리스터가 차단되어 전도를 하지 않을 때 0이 된다. 전류와 전압의 적(積)은 다이리스터위스치에서 확산되는 전련을 나타내고 전류 증가율 DI/DT를 제한함으로써 이 다이리스터 스위치에 대한 열적 응력이 감소되기 때문에 전류 증가를 제어하는 것이 요망된다. 곡선 G는 다이리스터스위치에 대한 훨씬 보다더 높은 전력 확산 및 열적 응력을 나타낸다. 일반적으로 DI/DT를 마이크로세컨드당 50앙페어 미만의 값으로 제한하는 것이 바람직하다. 보다 새롭고 스위칭 속도가 빠른 다이리스터의 수명과 관련하여 DI/DT를 전술한 값미만으로 제한시킬 경우 그 동작 수명을 연장시킬 뿐 아니라 신뢰도를 개선시키는 효과가 있는 반면, 보다오래된 다이리스터들에는 신뢰성 있는 동작을 위해 보다 낮은 DT/DT의 값이 요망된다.
제1도 및 본 발명의 전동기 전류제어 장치와 관련하여, 본 발명의 전동기 전류 제어장치는 초기에 직류 전압원(10)과 관련하여 커뮤테이팅 인덕터(32), 전동기 리액터(18) 및 전동기(12)를 포함한 회로를 통하여 커뮤테이팅(28)를 충전시킬 커뮤테이팅 다이리스터(30)를 "온" 동작상태로 게이팅시켜 통전시키는 것이 바람직하다. 커패시터(26)는 그위에 표시한 바와 같은 방향(+, -)으로 전류 전압원(10)의 전압까지 충전될 것이나, 아마도 이 충전 회로의 인덕턴스에 기인하여 공급 전압보다 더 큰 약간의 과전압 충전이 얼어날 수도 있다. 그러나, 다이오드(22)(28)은 직류 전압원(10)의 전압보다 실질적으로 더 큰 전압까지 충전되지 않도록 커패시터(26)의 양단 전압을 직류 전압원(10)의 전압치로 고정시킨다. 다음 동작은 주 다이리스터 스위치(14)를 게이팅시켜 전도하게 함으로써 부하 전동기(12)에 전류를 통과시킨다. 주 다이리스터 스위치(14)를 흐르는 전류는 제1도의 커패시터(26)의 아래에 표시한 바와 같은 방향(-, +)으로 커패시터(26)을 역으로 충전시키고 다이리스터(20)가 차단 상태로 돌아가게끔 커뮤테이팅 다이리스터(30)에 역 바이어스를 일으킨다.
커패시터(26)에 관한 충전전류 주기는 커뮤테이팅 다이리스터(30)를 "턴"은 시키기 위해 곡선 Ⅰ에 도시한 게이트 펄스 및 주 다이리스터(14)를 "턴온"시키기 위해 곡선 J에 도시한 펄스에 관련하여 곡선 H에 도시되어 있다.
주 다이리스터(14)가 "턴온" 하자마자, 커패시터(26)는 제로로 방전하고 그후 제1도의 커패시터(26)의 아래에 표시한 바와같은 반대방향으로 재충전할 것이다. 반대 방향으로 완전 충전이 이루어진후, 다이리스터(30)는 다이오드(28)(22)에 의하여 커패시터(26)의 전압을 직류전압원(10)의 전압으로 클램프시킴으로써 마련된 역 바이어스에 의해 차단된다. 커패시터(26)는 주 다이리스터(14)를 전류시키도록 적당한 방향에서 충 전된다. 주 다이리스터(14)를 전류시키는 것이 요망될때, 어떤 펄스가 공급되어 커뮤테이팅 다이리스터(30)의 "온"동작 상태를 게이팅시켜 그를 통전시키고 다이오드(34)를 통해 커뮤테이팅 전류가 흐르도록하여 주 다이리스터(14) 양단에 역바이어스 전압을 가해 다이리스터(14)를 차단시켜 전도를 정지하도록 한다. 이때, 전동기(12)에 공급되는 부하전류는 커뮤테이팅 다이리스터(30)를 통해 흘러 커패시터(26)의 위쪽에 표시한 바와같은 방향(+, -)으로 커패시터(26)를 충전시킨다. 커뮤테이팅 다이리스터(30)가 게이트 "온"되었을 때, 다이리스터(3)를 통해 흐르는 전류는 이것이 전동기(12)에 대한 부하전류치에 이를 때까지 증가하고, 주 다이리스터(14)에 대한 전류는 같은 비율로 떨어진다. 인덕터(18)과 전동기(12)는 큰 인덕턴스로 이루어져 있으나, 전동기(12)를 흐르는 부하전류의 변화를 원하지는 않는다. 주 다이리스터(14)가 전류하는 동안 부하전동기(12)를 통하는 전류는 실질적으로 일정하게 유지된다. 정류 다이리스터(30)를 통한 전류는 제7도의 곡선 K에서와 같이 제로에서 부하전류까지 증가하며, 주 다이리스터(14)를 통과하는 전류는 곡선 L에서 차럼 제로로 떨어진다. 이제 커패시터(26)양단에 초과 전압이 걸리므로, 커뮤테이팅 다이리스터(30)를 통하는 전류는 곡선 K처럼 부하전류이상으로 된다. 커뮤테이팅 다이리스터(30)를 흐르는 전류의 한 성분은 부하 전동기(12)로 향하며, 그 다른 성분은 다이오드(34)로 흘러들어가 다이오드(34) 양단의 전압 강하를 일으켜 주 다이리스터(14)에 역 바이어스를 제공하여 제7도의 곡선 L로 도시한바와 같이 다이리스터(14)가 차단되어 동전을 정지하도록 한다. 부하전류 이상의 기간 TQ는 다이리스터(!4)가 차단상태로 돌아가는데 적합할 정도로 되어야 한다. 커패시터(26)를 통한 충전전류가 부하전류 수준으로 강소되고 그 전압이 커패시터(26)의 위쪽에 표시한 방향으로(+, -) 직류 전압원류는 곡선 K로 도시한 바와같이 감소할 것이다. 부하회로의 인덕턴스는 부하전동기(12)에 흐르는 전류를 유지시킴에 따라 이제 전류는 제7도의 곡선 M으로 도시한 바와 같이 프리휘일링 다이오드(22)를 통해 흐르기 시작한다. 커뮤테이팅 커패시터(26)에 의해 공급된 전류는 곡선 K로 도시한 바와같이 떨어지고, 그 후 프리휘일링 다이오드(22)를 통한 전류는 곡선 M으로 도시하였듯이 부하전류치에 도달할 때까지 증가한다. 이제 커패시터(26)는 주 다이리스터(14)나 커뮤테이팅 다이리스터(30) 어느쪽을 통해서도 전류가 흐르지 않게하면서 제1도의 커패시터(26) 위쪽에 표시한 원래의 극성(+,-)으로 충전한다.
다이오드(22)를 흐르는 전류가 제로로 떨이지기 전에, 게이트 "온"펄스가 공급되어 주 다이리스터(14)를 통해 부하전동기(12)에 부하전류를 흐르게 한다. 주 다이리스터(14)가 게이드 "온"되어 통진할 때다이오드(22)를 흐르는 전류는 접합점(38)에 비해 접합점(36)이 양극성이기 때문에 제로가 될 것이다. 이것은 직류 전압원(10)의 진압이 다이오드(22)가 순방향 전류를 이동시 다이오드(22)에 인가되고 다이오드(22)의 차단상태 복구가 다이오드(22)의 손상을 방지하기 위해 필요함을 의미한다. 다이오드(22)가 급격히 차단될때, 회로의 인덕턴스는 다이오드(22)를 포함한 회로에 흐르는 진류를 유지하려하며 다이오드(22)의 정격진압을 초과함에 따라 다이오드(22)를 손괴시킬 수도 있는 고진압 스파이크를 다이오드(22) 양단에 가져온다. 이것을 피하기 위해 종래의 관행은 다이오드 양단에 분로 완충회로를 설치하여 차단 상태로 돌아가자마자 다이오드에 나타난 피이크 전압을 제한하였다. 이러한 피이크 전압의 크기는 다이오드(22)의 복구 시간에 의존하고 또 이 복구 시간이 길면 길수록 인 덕터의 전류증가가 보다 커지므로, 큰 전류가 제로로 스위칭될때 보다 큰 전압 스파이크가 생길 것이다. 이런 이유로, 보호 목적상양단에 분로 완충회로를 구성한 다이오드(22) 대신에 보다 비싸고 빠른 복구 시간을 가진 다이오드가 요망되어 왔다. 제1도에 도시한 본 발명의 회로 장치는 그러한 비싸고 복구가 빠른 다이오드를 요구하지 않는다. 이 회로는 다이오드(22)가 차단상태로 복구되자마자 그 양단에 걸린 고전압스파이크를 피할 수 있게 설계 되어 있으므로, 인덕터(32)에 저장된 에너지는 다이오드(22)를 통해 전류 흐름을 계속하기로 원하지만, 적절한 연결 통로가 커패시터(26), 다이오드(28) 및 다이리스터(14)를 통해 마련되고, 점차 증가하는 전압만이 인덕터(32) 및 커패시터(26)의 크기에 따라 다이오드(22)를 통해 마련되고, 점차 증가하는 전압만이 인덕터(32) 및 커패시터(26)의 크기에 따라 다이오드(22) 양단에 인가된다. 부가적으로, 다이오드(22)의 차단복구동안 다이오드(22)를 분로시키기 위한 완충회로가 팔요없다. 이에따라 다이오드(22)에 대한 응력이 보다 적게되어 다이오드(22)가 보다 신뢰적으로 동작할 수 있게 된다.
제8도에서, 반도체 다이오드(34)(28) 및 다이리스터 스위치 소자(14)(30)에 인가되는 전압 비율을 제한하도록 이들 소자 각각을 분로시키기 위해 회로 RC를 포함한 본 발명의 전등기 전류 제어장치가 도시되어 있다. 예컨대, 제9도에서 전류가 이들 다이오드들을 통해 흐르기를 그치자마자, 곡선 N과 같은 다이오드(34)를 통한 전류가 나타나고, 주다이리스터(14)가 차단되고 다이오드(34)가 통전할때 다이오드(34) 양단 전압 에강하게 해당하는 약 1볼트의 역전압이 다이리스터(14)에 걸리게 된다. 커뮤테이팅 커패시터(26)의 방전에 기인해서 다이오드(34)를 통한 전류 흐름이 정지할때, 주 다이리스터(14) 양단의 전압은, 커뮤테이팅 커패시터(26)가 커뮤테이팅 다이리스터(30)를 차단할 수 있게 반대방향으로 거의 충전하게 되므로, 올라가기 시작한다. 커패시터(26)는 바로 주 다이리스터(14) 양단의 공급 전압으로 거의 충전됨에 따라 주 다이리스터(14)는 이제 높은 전압변화율 DV/DT를 갖게 된다. 주 다이리스터(14) 양단의 전압 변화율을 제한하게 아무조치가 행해지지 않으면, 주 다이리스터(14)는 이미 통전하기 시작한 후 짧은 기간내에 매우 빠른 전압 변화율을 지속할 수가 없을 수도 있기 때문에 게이트"온"하여 통전하는데 역기능을 일으킬 수도 있다. 저항기(40) 및 커패시터(42)를 포함한 회로는 곡선 P로 도시하였듯이 전압 증가율이 주 다이리스터(14) 양단에 보다 점차적으로 이루어질 수 있도록 마련되어 있다. 전압 증가율 DV/DT은 마이크로 세컨드당 100볼트 미만으로 유지하는 것이 바람직하다. 저항기(40) 및 커패시터(42)를 포함한 회로에 대한 기타 이유는 빠른 스위칭 다이리스터 디바이스들의 동작과 관계있다. 사실상, 내장된 소형의 다이리스터 디바이스가 보다 큰 주 다이리스터(14)를 게이트 "온"하기 위해이용되며, 게이트에 인가되는 높은 DI/DT를 갖는 날카로운 전류 증가와 다이리스터(14)를 빠르게 스위칭시키도록 확산되는 게이트 영역을 제공한다. 이 회로는 주 다이리스터(14)를 보다 빠르게 "턴온" 시키는 것을 돕기위해 커패시터(42)의 전하형태로 충전된 에너지를 내포한다. 일반적으로, 제8도에 도시한 전동기 전류제어 장치는 높은 DI/DT 상태에 관련하여 회로를 구성하기 위한 어떤 특정 요구사항을 갖지 않는다. 그러나 완충 회로가 바람직한바, 이는 주 다이리스터(14)를 보다 빠르게 게이팅시키는 것을 돕기 위한 기타 이유들로 인해 제공된다.
저항기(44)는 커패시터(26)상에 전하를 유지하도록 구성된다. 커뮤테이팅 다이리스터(30)가 통전하게 될 때, 저항기(44)는 다이리스터(30)를 통전 상태로 유지하고 커패시터(26)를 그것의 윗쪽에 도시한 방향(+,-)으로 충전된 상태를 유지하도록 선택할 수 있다. 커뮤테이팅 다이리스터(30)가 차단되고 있고 주 다이리스터(14)가 통전하고 있을때, 이때 커패시터(26)는 그것의 아래쪽에 도시한 바와같이 (-.+) 충전하고 저항기(44)를 통한 전류 흐름에 의해 충전된 채로 유지할 수 있다. 아마 커패시터(26)가 완전 충전-이것은 저항기(44)를 통해 마련된 통로에 의해서만 성취되지만-하기 위해선 약 10의 동작 사이클을 요구한다.
시리즈로된 견인 전동기를 사용하는 경우, 순간적으로 높은 부하전류가 발생할 수 있다. 제7도에 도시한 지속기간 TQ는 커뮤테이팅 다이리스터(30)를 통한 부하전류 흐름이 부하 전류치 이상인 때이다. 부하전류가 상승함에 따라, 기간 TQ는 감소되고 주 다이리스터(14)가 턴오프되고 차단될 수 있을 만큼 충분히 길지않아, 전동기가 최대 속도에 도달한 후 그 부하전류가 제10도에 도시한 시리즈 전동기의 동작특성에 의해 도시한 바와 같이 보다 낮은 레벨로 감소될때 가속을 중지하기까지 전동기(12)의 속도는 증가되고 부하 전류는 보다 높은 레벨로 증가할 것이다. 저속에선, 전류가 높지만, 전동기 속도가 증가함에 따라 전동기 전류는 떨어진다. 저항기(44)는 전류(轉流)가 상실되었을 때 커뮤테이팅 커패시터(26)가 저항기(44)를 통해 재충전되게 기능하여, 커뮤테이팅 다이리스터(30)이 게이트 "온"이 주 다이리스터(14)에 관하여 너무 높은 통전된 부하 전류 레벨에 기인하기 때문에 주 다이리스터(14)를 전류시키는데 실패하면, 이러한 커뮤테이팅 커패시터(26)이 재충전으로 다시한번 주 다이리스터(14)의 동작을 전류시킬 기회가 제공될 것이다.
제8도에 도시한 인덕터(32)는 전류 변화율 DI/DT이 부당히 높은 것에 관련하여 회로의 모든 반도체 다이오드들 및 다이리스터바이스들을 보호한다.
제2도에서 도시한 바와 같은 본 발명의 전류 제어장치는 다이리스터디바이스들을 상대적으로 잘못 게이팅시키지 않게된다. 동작시, 다이리스터 스위치 디바이스(14)(30)가 동시에 턴온되면, 이 회로는 커패시터(26)가 충전된후 역기능하지 않을 것이다. 주 다이리스터(14)를 "게이트 온"시키는 것이 요망될때 커패시터(26)가 그 위에 도시한 바와 같이(+,-) 충전되면, 커뮤테이팅 다이리스터(30)가 동시에 역시 게이트온 된다는 것은 정말 중요하지 않은바, 그 이유는 다이리스터(30)가 역 바이어스되고, 또 이 다이리스터(30)에 인가된 게이트온 펄스가 다이리스터(30)의 어떠한 역기능도 일으키지 않기 때문이다. 커패시터(26)가 그 아래에 표시한 방향으로(-,+) 충전되어 주 다이리스터(14)를 전류시키기 위해 다이리스터(30)를 게이트 온시키는 것이 요망되면, 이때 역시 게이트는 펄스가 주 다이리스터(14)에 공급되어도, 이 장치에 아무런 역 기능을 일으키지 않는 바, 그것은 주 다이리스터(14)가 역 바이어스되어 있고 주 다이리스터(14)에의 게이트 온 펄스 공급으로 전류 제어장치의 동작 문제를 일으키지 않기 때문이다. 전형적인 종래의 초퍼 전류제어장치는 잘못 게이팅한 것에 대비해서 부가적인 보호를 요망하는 바, 그 이유는 주 다이리스터 스위치에 관한 전류 능력의 손실은, 주 다이리스터 스위치에 대해 충분한 "온" 모우드의 동작이 결과 함에 따라 그 주 다이리스터로부터 직류전압원을 끊는 것 이외에는 달리 종료시키기에 어려울 정도로 되기 때문이다. 몇몇 회로들은 최소한의 충격계수에서 동작하고 기타 회로들에서는 다이리스터의 높은 역전압에 따른 게이팅에 의해 응력을 받을 것이다.
제8도에 도시한 본 발명의 전류 제어 장치에 관련하여, 커뮤테이팅 다이리스터(30) 또는 선트다이오드(28)가 단락되면, 이 회로는 비교적 낮은 충격계수로 동작하게 되는 바, 그 이유는 커뮤테이팅 다이리스터(30)가 단락되고 주 다이리스터(14)가 게이트 온 되어 통전하자마자, 주 다이리스터(14)는 전동기(12)에 전류를 공급하기 시작할 것이고 또한 이 전류는 이제 단락된 커뮤테이팅 다이리스터(30)를 통해 사이클을 이루어 커패시터(26)를 그 아래에 표시한 대로(-,+) 충전시켜 주 다이리스터(14)를 턴오프시키기 때문이다. 따라서, 전동기(12)에 공급된 전류는 감소하고 전동기(12)는상대적으로 낮을 뿐 아니라 안전한 동작 속도로 천천히 늦추어진다.
제5도에서는, 1973. 3월자 "웨스팅 하우스 엔지니어"지 34-41페이지에 기재한 종래의 전류 제어 장치를 예시하고 있다. 이 전류제어 장치는 모터 구동방식으로 연결되어 ㅇ\2개의 모터회로(70)(71)-이들 각각은 직렬된 연결된 1개 또는 그 이상의 견인 모터들을 지닐 수 있다-에 전력을 공급하는 것으로 도시되어 있다.
처음의 "오프"펄스는 커뮤테이밍 다이리스터"를 턴 온시켜 커뮤테이팅 커패시터(82)를 전압원(76)과 동일한 전압 및 극성으로 충전시킨다. 커패시터(76)는 프리휘일링 다이오드(80)의 동작이 없었더라면 회로의 인덕 턴스에 의해 전압원(78)의 전압 2배까지 충전된 것이다. 커패시터(76)양단의 충전 전압이 라인전압 레벨에 이르렀을 때, 커패시터(76) 및 다이리스터(74)를 통한 전류는 제로로되고 다이리스터(74)는 통전하기를 중지한다.
이제 "온"펄스가 발생하여 부하 전동기(70)(72)를 전압원(78)에 직접 연결시키는 주 다이리스터(82) 및 반전용 루우프다이리스터(84)를 동시에 턴온시키고 전동기 전류는 증가한다. 부가적으로, 커패시터(76)양단의 전압 충전(이때의 충전 방향은 제1도의 커패시터 26위쪽에 도시한 +,-임을 유의)은 전류가 다이리스터(84), 반전용 루우프 인덕터(86) 및 다이리스터(82)를 통해 흐름에 따라 붕괴하기 시작하고, 다이리스터(84)는 전술한 전류가 제로에 도달할 때 턴오프하여 커패시터(76) 전압 충원이 역으로 이루어진다(제1도의 커패시터 26 아래에 도시한 -.+방향). 이때 부하 전류는 부하전동기(70)(72)를 통해 여전히 흐른다. 이러한 부하 전류를 턴 오프시키는 것은 부하 전류가 커뮤테이팅 다이리스터(74) 및 커패시터(76)을 통해 흐르도록하는 커뮤테이팅 다이리스터(74)를 턴온 시킴으로써 이루어진다. 인덕터(88)에 의한 짧은 지연이 있은후, 주 다이리스터(82)는 턴 오프되고 다이오드(90)는 통전하여 커패시터(76)를 빠르게 충전시키는바, 이때 인덕터(92)는 다이오드(90)를 통한 전류 상승율을 한정다이오드(90)는 커패시터(76)에 직류 전압원(98)의 전압이 충전한 후에 통전을 중지한다. 커패시터(76)가 전압원(78)의 전압을 충전하였을때, 주 다이리스터(82)를 시동시켜 전동기(7)(72)를 통해 부하전류를 통전시키도록 다음의 "온" 펄스를 받을 준비를 하도록, 프리휘일링 다이오드(80)는 부하 전류를 통전시키고 커뮤테이팅 다이리스터는 턴오프하게 된다.
상술한 전류 제어 쵸퍼 장치는 프리휘일링 다이오드(22)를 위해 비싸고 보다 신속한 복구 시간을 갖는 다이오드 대신에 표준 다이오드를 사용할 수 있도록 커뮤테이팅 회로에 부품들이 구성되어 있다. 신속한 복구시간을 가진 다이오드를 얻기 위해 다이오드 제작자가 사용하는 공정으로 인해 이런 목적의 다이오드의 역차단 전압이 표준 다이오드와 비교하여 약50% 줄어든다. 따라서, 전압 요건을 맞추기 위해 직렬로 다이오드를 연결해야하는 고압의 시스템에 있어선, 2배나 더 빠른 복구 시간을 가진 많은 다이오드가 요구되어 쵸퍼 가격을 상당히 올려놓게 된다. 본 발명에 있어서 프리휘일링 다이오드 가격은 회로의 나머지 부분에 사용되는 부품들의 수효를 전혀 증가시키지 않고 낮출 수 있다. 사실상, 이 회로는 주파수가 고정되고 펄스폭이 가변적인 유형의 쵸퍼장치에 요구되는 최소한 부품을 사용한다.
제1도에선, 양의 직류 라인에 접속시킨 상술한 쵸퍼 제어장치를 도시하였고, 음이 직류 라인에 연결시켰을 때의 본 발명의 등가회로는 제11도에 도시하였다.
다이오드(34)는 임의적이고, 다이리스터(14)를 부드럽게 전류시키는 기능을 하게 구성되며, 공급 전압보다 더 큰 전압이 입력단자(36)(38) 양단에 나타나는 것으로부터 예방하고, 모든 부하 레벨에 대해 거의 일정한 전류 간격을 설정한다. 상대적으로 높은 인덕턴스를 내포한 전형적인 견인 전동기 부하인 경우, 단일의 인덕터(32)는 커뮤테이팅(26)의 공명 충전 및 모든 반도체에 대한 DI/DT 보호를 제공한다. 이러한 회로 구성에 의해, 어떠한 소자들도 전압 스파이크의 영향을 받지 않아 이들을 보호하기 위해 완충 회로가 전혀 필요하지 않다. 그러나, RC 회로망이 재인가된 전압을 제한시키고 턴온을 돕기 위해 다이리스터(14)(30) 양단에 배치될 수 있고, 아울러 2개 이상의 소자들이 직렬로 구성될때 전압 균형을 위해 사용될 수 있다.
공지의 쵸퍼 장치의 예는 양의 전압공급이 결선된 쵸퍼를 위해선 제12도에 도시하였고, 등가적인 음의 전압공급이 결선되는 쵸퍼는 제13도에 도시하였다. 이 회로는 3개의 다이리스터와 적어도 2개의 인덕터를 사용한 보다 고가의 쵸퍼 장치이다. 부가적으로, 이 회로는 고전압 스파이크로부터 소자들을 보호하기 위해 전압 억제회로-이 회로의 외형적인 크기 및 가격은 빠른 복구시간을 가진 다이오드를 사용함으로써 줄일 수도 있을 것이다. -가 필요하다. 또다른 종래의 쵸퍼장치는 양의 전압 공급 결선으로 제14도에 도시하였고 음의 전압공급 결선으로 제15도에 도시하였는바, 이들 회로는 필요한 소자들이 수효를 줄이고 있지만, 반도체들의 손상을 예방하기 위해서 빠른 복구 시간을 가진 다이오드 및 전압 억제 회로를 사용하여야 한다.
제16도에서는, 쵸퍼 장치가 연장된 기간동안 부하를 여기시키도록 "온" 상태로 동작한 후, 커뮤테이팅 커패시터에 필요한 전압충전을 유지시키기 위해 아무런 충전 전류통로를 제공하지 않은 종래의 쵸퍼 장치를 도시하고 있다.
본 발명의 쵸퍼 장치는 대단위로 견인 전동기를 사요하는 경우에 다음과 같은 잇점이 있다.
1. 전류(轉流) 전압은 쵸퍼출력(36)(38)에 나타나지 않아, 부하 전동기(12)에 인가되는 최대 전압은 공급 전압으로 한정된다.
2. 전류 회로를 위해 1개의 다이리스터(30)만 필요하다.
3. 단일의 인덕터(32)에 의해 커뮤테이팅 커패시터(26)이 공전 충전 및 모든 반도체 소자들에 대한 DI/DT 보호가 마련된다.
4. 커뮤테이팅 소자(28)이나 (30)중 어느 하나가 고장나도 기타 커뮤테이팅 소자를 손상시키지 않는다.
5. 커뮤테이팅 소자(28)이나 (30)이 단락되면 쵸퍼가 완전한 "온" 모우드라기 보다는 최소한의 충격계수에서 등장하게 된다.
6. 커뮤테이팅 커패시티(26)는 어느 극성이나 충전될때 충분할 라인 전압으로 유지된다.
7. 쵸퍼 장치의 전류 또는 스위치 오프는 인덕터(32) 및 커패시터(26)의 공전 주파수에 기초하여 전류 다이리스터(30)가 "게이트 온"한 후 단지 1/2 사이클 안에 완료된다.
8. 다시 공급된 DV/DT를 다이리스터(30)로 한정시키기 위해 완충회로가 필요하지 않다.
9. 본 발명의 쵸퍼 장치회로 구성에는 RCT들 또는 낮은 반전 전압 다이리스터들의 사용이 허용된다.
10. 프리휘일링 다이오드(22)에는 완충회로가 필요하지 않고 최소한 신속한 복구 시간을 위해 선택할 필요도 없다.
11. 인덕터(32)를 통한 전류는 커뮤테이팅 전류이거나 프리휘일링 전류임에 따라, 인덕터(32)이 정격은 종래의 쵸퍼회로에서 보다 더 낮다.
12. 전동기 회로를 다이리스터(14) 양단에 적당히 접속시킴으로써, 쵸퍼 회로는 견인 시스템을 신뢰성이 있게 전기적으로 브레이크 건다.
13. 스퓨리어스 신호에 의해 다이리스터(14)(30)를 잘못 게이팅 시켜도 쵸퍼장치의 고장을 일으키지 않는다.
14. 스위칭시키는 동안 DI/DT를 제한시키도록 인덕터(32)의 크기를 적절히하고 스위칭이 신속한 다이리스터를 사용함으로써, 최대의 접합온도 변동 및 평균 접합온도이 증가는 합리적인 값으로 유지된다. 결과적으로, 소자 생명이나 신뢰서의 어떠한 감소도 중요하지 않다.
제17에서는, 공칭 750볼트 최대 1000볼트인 직류 전압원으로부터 직렬로 연결된 직류 견인 모터들에 800 암페어 정도의 전류를 공급하기 위한 본 발명의 쵸퍼장치 회로를 도시하고 있다. 커패시터(C5)는 입력필터 장치로서 기능하고, 프리휘일링 다이오드(FWD)를 분로시키는 R5, C3를 포함한 회로들은 교류전압 균형을 제공하며, 저항기(R6)는 직류전압 균형을 제공한다.
제18도에서, 시간의 함수로써의 전류 전압 파형들은 본 발명의 쵸퍼 장치의 동작을 예시하게 도시하였다. 곡선 18A는 전도 제어장치(15)에 의해 다이리스터 스위치 장치 즉 제어된 정류기(14)로 인가된 "온" 제어 펄스를 도시하고, 곡선 18B는 다이리스터 스위치 장치 즉 제어된 정류기(30)로 인가된 "온"제어펄스를 나타낸다. 곡선 18C는 다이오드(34) 및 제어된 정류기(14)의 전압 특성을 나타낸다.
곡선(18D)는 부하전류 IL에 관련하여 제어도니 정류기(14)를 통한 전류를 나타내고, 곡선 18E는 다이오드(34)를 통한 전류를 나타내며, 곡선 18F는 제어도니 정류기(30) 및 다이오드(28)의 전압특성을 나타낸다. 곡선 18G는 제어된 정류기(30)를 통한 전류, 곡선 18H는 다이으로(28)를 통한 전류, 곡선 18I는 커패시터(26)의 전압특성, 곡선 18J는 커패시터(26)를 통한 전류, 곡선 18K는 다이오드(22)의 전압특성, 곡선 18L은 다이오드(22)를 통한 전류, 곡선 18M은 인덕터(32)의 전압특성, 곡선 18N은 인덕터(32)를 통한 전류, 곡선 18P는 단자(36)(38) 양단 출력의 전압특성, 그리고 곡선 18Q는 출력 전류를 나타낸다.
제17도와 관련하여 800암페어용 쵸퍼 장치 부품
Figure kpo00001
다이리스터(30)의 지연된 "오프" 기간동안, 제1도에 도시한 저항기(44)가 상기 800 암페어짜리 쵸퍼장치 부붚 리스트에 설명한 3000 오옴등과 같은 보다 높은 저항값을 값게 된느 경우, 다이리스터(30)가 커패시터(26)에 대해 필요한 충전전압을 지속시키기 위해선 주기적인 "온" 펄스가 요구된다. 그러나, 본 발명의 쵸퍼 장치의 대체 실시예와 같이, 저항기(44)는 1000오옴 정도이 보다 낮은 저항값을 갖고서도 커패시터(26)에 대해 필요한 충전전압을 지속시키도록 다이리스터(30)를 통한 홀딩(holding) 전류를 제공함과 동시에, 커뮤테이팅 커패시티(26)의 과전압이 전압원(10)이 전압으로 클램프 되는 시간동안 다이리스터(30)가 턴 오프되는 것을 방지하도록 제6의 점선으로 도시한 바와같이 다이리스터(30)에 제공된 "온" 제어 펄스를 연장시킨다.

Claims (1)

  1. 직류전압원(10)과 출력간의 부하전류 통로를 마련하게 연결된 제1다이리스터(14), 상기 출력에 전류를 공급하도록 주 다이리스터(14)의 "온" 동작상태를 제어하기 위한 전도 제어장치(15), 제1다이리스터(14)의 "오프"동작상태를 제어하기 위한 인덕터(32) 및 제2다이리스터(30)의 전류 장치로된 전동기 전류 제어장치에 있어서, 상기 전류장치(30,32)를 제1다이리스터(14)에 결합시킨 인덕터(18) 및 커패시터(26), 이 커패시터에 전압 전하를 제한하기 위해 전압원과 커패시터(26)사이에 결선한 제2다이리스터(30), 그리고 부하 전류와 독립적으로 커패시터상에 상기 전압원의 전압을 초과하지 않은 전하를 유지하도록 상기 커패시터와 인덕터(18) 및 커패시터(26)를 제1다이리스터(14)에 결합시키고, 커패시터(26)의 충전 전하를 제한하기 위해 상기 제2다이리스터(30)를 전압원(10)과 커패시터(26)사이에 구성하였으며, 다이오드(22)를 부하(12) 전류와 독립적으로 커패시터(26)상에 전압원(10)의 전압을 초과하지 않은 전하를 유지하도록 상기 커패시터(26)에 직렬로 연결하고 상기 전압원(10) 양단에 결선하였고, 그리고 커패시터(26)의 충전 전하가 전압원(10)에 관해 일정치를 유지하도록 다이오드(28)를 커패시터(26)와 제1,2다이리스터(14, (03에 연결하여 전류회로를 구성한 특징을 지닌 견인 전동기 전류 제어장치.
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