KR900005424B1 - 인버터용 직류전원장치 - Google Patents

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Abstract

내용 없음.

Description

인버터용 직류전원장치
제1도는 종래의 인버터용 직류전원장치로서 사이리스터형 정류기의 한예를 표시한 블록도.
제2도는 이 발명 제1실시예에 의한 인버터용 직류전원장치의 전체구성을 표시하는 블록도.
제3도는 제2도의 순전력변환기의 출력전압제어계를 표시하는 블록도.
제4도는 제2도에서 순전력변환기의 직류출력과 인버터의 입력전류간 상관계를 표시하는 벡터도.
제5도는 제2도에서 순전력변환기의 필터회로의 게인을 표시하는 특성도.
제6도는 이 발명의 제2실시예에 의한 인버터용 직류전원장치의 블록도.
제7도는 이 발명의 제3실시예에 의한 인버터용 직류전원장치의 블록도.
제8도는 이 발명의 제4실시예에 의한 인버터용 직류전원장치의 블록도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 사이리스터정류회로 3 : 축전지
4 : 제1전압검출기 5 : 제1전류검출기
8 : 출력기준전압치발생회로 10 : 게이트펄스발생기
11 : 인버터 12 : 콘덴서
14 : 제2전압검출기 15 : 제2전류검출기
16,26 : 지상회로(필터회로) 17,27 : 최소량조정회로
25 : 제3전류검출기
이 발명은 직류를 교류로 변환하는 인버터에 직류전력을 공급하는 사이리스터 컨버터, 쵸퍼(chopper), 고역률컨버터 등 직류전원장치의 개략에 관한 것이다.
부하측에 안정된 주파수 및 전압특성의 교류전력을 공급하기 위하여 직류를 교류로 변환하는 인버터가 일반적으로 사용된다. 인버터용 직류전원장치는 인버터의 입력측에 설치되어 인버터에 안정된 직류출력을 공급한다.
지금까지 인버터용 직류전원장치로서 가장 널리 사용된 것은 사이리스터형정류기(사이리스터정류기)이며, 이와 같은 것의 예로서 나폰텐치가부시키가이샤에서 발행된 "GS CA형 사이리스터정류기의 기술참고서" 8-9쪽에 기재된 CA형 정류기가 알려져있다.
종래의 직류전원장치는 제1도에 표시한 바와같이, 교류를 직류로 변환하는 순변환기로서 그 전압(전류)가 동시에 제어되는 사이리스터 정류회로로 구성되며 예를들면, 상기 CA형의 사이리스터정류기(1), 이 사이리스터정류기(1) 출력의 직류전류에 대한 맥동성분을 평활화하기 위하여 상기 사이리스터정류기(1)의 출력측에 설치된 직류리액터(2), 이 직류리액터(2)와 역변환기(도시생략)로서의 인버터사이에 병렬접속된 축전지(3), 상기 사이리스터정류기(1)의 출력전압을 검출하는 전압검출기(4), 상기 사이리스터정류기(1)의 출력전류를 검출하는 전류검출기(5), 상기 사이리스터정류기(1)의 출력전류의 상한치를 발생하는 출력전류상한치 발생회로(6), 상기 전류검출기(5)의 신호와 상기 사이리스터정류기(1)의 출력전류제어를 위한 상기 출력전류상한치발생회로(6)의 지령에 따라 출력전류상한치발생회로(6)의 지령에 따라 출력전류가 상한치를 넘지 않도록 제어하는 전류수하(垂下) 제어회로(7), 상기 사이리스터정류기(1)의 출력전압의 기준치를 발생하는 출력전압기준치발생회로(8), 상기 전압검출기(4), 전류수화제어회로(7) 및 출력전압기준치발생회로(8)의 출력에 따라 사이리스터정류기(1)의 출력전압을 제어하는 출력전압제어회로(9) 그리고 이 출력전압제어회로(9)의 출력에따라 소정의 게이트펄스를 출력하는 게이트펄스발생회로(10)로 구성된다.
다음은 동작에 관하여 설명한다.
입력교류전력을 직류전력으로 변환하는 사이리스터정류기(1)의 출력전압과 출력전류를 직류리액터(2)를 통하여 평활화한후 각검출기(4)(5)에서 전압치와 전류치를 각각 검출한다.
이어서 출력전압제어회로(9)는 전압검출기(4)로부터 전압검출치를 출력전압기준치발생회로(8)로부터의 기준치와 비교하고, 검출전압과 기준전압이 같게 되도록 게이트펄스발생회로(10)에 신호를 보낸다.
또 전류 검출치가 출력전류상한치발생회로(6)로부터 기준치를 초과하였을 경우, 전류수하제어회로(7)는 출력전류를 감소시키도록 출력전압제어회로(9)에 신호를 보낸다.
다음에, 게이트펄스발생회로(10)는 상기 출력전압제어회로(9)의 신호를 입력하여 게이트펄스의 위상을 제어하여 게이트펄스를 발생한다. 이 게이프펄스가 상기 사이리스터정류기(1)에 부여됨으로써 사이리스터정류기(1)의 출력전압은 일정하게 유지되고, 출력전류는 상한치 이하로 유지된다.
정전의 경우에는 직류전압을 축전지(3)에서 공급한다. 종래의 인버터용 직류전원장치는 상기와 같이 구성되었으므로, 이것을 무정전전원장치 등의 인버터전원으로 사용할 경우, 다음과 같은 문제가 있었다.
(1) 인버터의 직류입력전류는 출력전류에 따른 리플(ripple)을 함유하고 있으므로, 그 리플전류를 흘리기 위한 평활콘덴서로서 통상 전해콘덴서를 사용하고 있지만, 이 전해콘덴서는 그 수명이 7∼8년 밖에 안되는 단명이기 때문에 빈번하게 교환하여야 하므로 노력과 비용이 소요된다.
(2) 전해콘덴서 대신에 소위 필름콘덴서를 사용하는 경우, 경제성과 점유공간의 견지에서 용량은 1/10 이하가 되어 직류전압의 리플이 더 커진다. 그러므로 축전지를 병렬접속한 무정전전원의 경우는 인버터의 전류리플이 축전지로 유입하여 온도상승이나 수명열화의 원인이 된다.
(3) 인버터가 단상인버터나 3상인버터라도 불평형부하의 경우에는, 인버터의 직류입력전류의 리플은 3상인버터의 평형부하의 경우보다 상당히 크게되며, 리플의 주파수는 2f가 된다. 이 경우, 필름콘덴서를 사용하면 용량이 1/10 이하가 되므로 자연이 리플은 더 크게 된다. 그러므로 초과전류를 축전지로 유입시키지 않게 하기 위하여 경제성을 희생시켜 필름콘덴서의 용량을 크게한다든가, 축전지와 직렬로 리액터를 설치하여야 하며 이는 회로를 복잡하게한다.
(4) 전압형 인버터에서 원리상 저임피던스의 직류전원에서 직류가 공급되는 것이 이상적이나, 전해콘덴서 대신 필름콘덴서를 사용한 경우, 직류전원의 임피던스가 높아져, 출력측에서 본 임피던스도 높아지므로 인버터의 변동율이 커진다.
특히 3상인버터의 경우는 불평형부하에 접속되었을 때 전압불균형이 크게되는 문제점이 있다. 이 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위한 것으로서 아래와 같은 목적이 있다.
이 발명의 한목적은 인버터의 입력측에 설치되는 사이리스터정류회로와 같은 순전력변환기의 출력전류를 인버터의 입력전류의 맥동에 다르도록 제어함으로써 평활콘덴서의 직류전압에 함유된 리플을 감소시켜서, 직류회로와 병렬접속된 평활콘덴서로서의 소위 전해콘덴서를 다른 수명이 길고 저렴한 콘덴서와 대치 가능하게하고 따라서 정비효율의 개선과 정비비용 저감을 달성할 수 있는 인버터용 직류전원장치를 얻는데 있다. 이 발명의 다른목적은 상기와 같은 평활콘덴서의 직류전압에 함유된 리플의 감소 제어가 가능함에 따라 직류회로내 전류리플이 예를들면 평활콘덴서의 용량이 지금까지 사용된 것의 1/10이하로 감소된 경우라도 무정전전원장치의 축전지 내로 흐르는 것은 방지되며 그러므로서, 축전지등이 온도상승으로 열화되거나 파손되지 않는 인버터용 직류전원장치를 얻는데 있다.
이 발명의 또 다른 목적은 상기와 같은 2개 목적 즉 직류전압에 함유된 리플감소와 리플감소결과로서 축전지의 열화방지의 성취에 의하여 평활콘덴서의 용량증가소요와 무정전전원장치 등의 축전지에 직렬리액터의 접속 등을 제거할 수 있으므로 회로 컨피규레이션(configuration)을 간소화할 수 있는 인버터용 직류전원장치를 제공하는데 있다.
또한 이 발명의 다른 목적은 설사 저렴하고 소용량의 소위 필름콘덴서를 평활콘덴서로 사용하고 더구나 불평형부하에 접속된 3상인버터에 사용하였을 경우에도 직류전원의 임피던스증가가 방지되며 불평형전압의 발생이 방지되는 인버터용 직류전원장치를 제공하는데 있다.
상기 목적들을 일거에 달성하기 위하여, 이 발명에 의한 인버터용 직류전원장치는 교류성분 즉 인버터의 직류전류입력에 함유된 교류성분(리플성분)과 사실상 동위상의 리플성분이 인버터의 직류전류입력 혹은 이에 등가인 신호의 검출 그리고 이 검출신호를 피드포워드신호로서 순전력변환기의 출력전압제어계로 공급함으로써 전원정류기로부터 공급되게 한 것이다
다음은 이 발명에 의한 인버터용 전원장치를 도면에 의하여 설명한다.
제2도∼제5도는 이 발명의 제1실시예를 설명하기 위한 도면이다. 제2도 및 제3도에서 제1도와 같은 부호는 동일 혹은 상당부분을 표시하고 그 설명은 생략한다. 제2도에서, 인버터(11)는 사이리스터정류기(1), 직류리액터(2) 등으로된 순전력변환기의 출력측에 접속되며, 평활콘덴서(12)는 인버터(11)의 입력측에 병렬로 접속된다.
콘덴서(12)와 축전지(3)이 접속덤 사이에는 제2전압검출기(14)가 병렬접속되어 인버터(11)의 입력측전압을 검출하고 이 검출신호를 인버터(11)의 입력전압을 제어하는 출력기준전압치발생회로(8)의 출력에 의하여 제2전압제어회로(13)로 보낸다. 콘덴서(12) 및 인버터(11)간에는 제2전류검출기(15)가 설치되고 이 전류검출기(15)에 위상지연용 필터회로로서 지상(遲相)회로(16)가 접속된다.
그리고 이 지상회로(16)에 제1출력전압제어회로(9)로 출력을 보내는 취소량조정회로(17)가 접속된다. 제2전류검출기(15), 지상회로(16) 및 취소량조정회로(17)는 제1전압제어회로(9) 및 게이트럴스발생기(10)를 통한 인버터(11)의 입력전류에 의하여 사이리스터정류기(1)로 형성된 순전력변환기의 출력을 제어하는 피드포워드(feed forward)제어계를 구성한다.
출력기준전압치발생회로(8)로부터의 기준치 및 제2전압검출기(14)에서 검출된 인버터(11)의 입력전압은 제2전압제어회로(13)에 공급됨으로써 인버터(11)의 입력전압이 일정하게 유지되도록 제어되며 전류지령치로서의 그 출력이 전류검출기(5)에 의한 직류전류의 검출치와 함께 직류전류제어를 의한 전류제어회로(7)에 부여된다.
전류제어회(7)의 출력은 지상회로(16)와 취소량조정회로(17)를 통과한 인버터(11)의 입력전류검출치와 함께 제1전압제어회로(9)에 공급되어 사이리스터정류기(1)의 출력을 제어하며, 이에따라 게이트 펄스발생기(10)의 위상이 제어됨으로써 사이리스터정류기(1)의 출력전압이 제어된다. 이 실시예의 경우 제4도에 표시한 바와 같이, 제2전류검출기(15)에서 검출된 인버터(11)의 입력전류 i1(검출치)은 제3도에 표시한 전달함수를 가진 지상회로(16)를 통하여 신호 V1으로 변환되고, 반전에 의하여 신호 Vcref로 전환된다.
이 신호 Vcref는 최소량조정회로(17)에 의하여 게인조정되고 제1전압제어회로(9)에 공급되어 사이리스터정류기(1)의 출력전압을 제어함으로써 입력전류 i1을 흘리기위해 필요한 입력전류 i1의 위상보다도 90°위상 앞선 Vc를 발생한다.
지금 일례로서 인버터(11)가 60Hz의 단상 인버터인 경우, 이 입력전류의 최저 고조파성분은 120Hz이다. 이때의 지상회로(16)의 게인특성은 제5도와 같이 T3=10Hz, wc=120Hz로 한다.
지상회로(16)의 전달함수의 분자 T1s는 입력전류 i1의 직류성분을 제거하는 작용을 하는 반면 분모(1+T2s)(1+T3s)는 120Hz에서 지상성분으로 작용한다.
또 사이리스터정류기(1)의 출력전압제어계의 응답은 1000rad 정도인데 대하여 사이리스터정류기(1)의 출력전류제어계의 응답은 200rad 정도이다. 상술과 같이 구성하면은 인버터(11)의 입력전류의 120Hz 성분 i1은 제4도의 벡터도와 같이 지상회로(14)를 통과함으로써 대략 90°지연되어 V1이 되고, 또한 Vcref로 위상반전하여 제1전압제어회로(9)로 부여된다.
제1전압제어회로(9)는 대단히 고속응답이기 때문에 Vcref에 대하여 극소각α°만큼 지연되어서 사이리스터정류기(1)의 출력전압 Vc가 120Hz의 성분을 발생한다.
직류리액터(2)의 저항분이 충분히 작다고 가장하면 상기 출력전압 Vc에서 90°지연된 전류 i2가 직류리액터(2)를 통과하게 된다. 이 전류 i2는 제4도에 표시한 입력전류 i1과 대략 동위상이므로 최소량조정회로(17)의 게인 K를 조정함으로써 사이리스터정류기(1)로부터 입력전류 i1의 모든 120Hz 성분을 공급할 수 있게 되며, 이에 따라 콘덴서(12)나 축전지(3)로의 120Hz 맥동 성분 통과를 피할 수가 있다. 결과적으로 콘덴서(12)에는 240Hz 이상의 고조파인 인버터(11)의 입력전류성분과 사이리스터정규기(1)의 출력기플성분만이 통과하게 되기 때문에 콘덴서의 용량을 작게하여도 지장이 없게되고, 전해콘덴서 대신 필름콘덴서를 상용할 수 있게 된다.
상기 제1실시예에서는 인버터(11)의 입력전류의 리플성분을 전류제어회로(7)에 피드백 아니하고 피드포워드 신호를 제1전압제어회로(9)로 보냈는데 이것은 전류제어회로(7)의 응답이 200rad/sec 정도이어서 120Hz에 대한 응답이 불가능하기 때문이다.
이 경우에도, 제6도의 제2실시예와 같이 제2전류검출기(15)에서 검출된 인버터(11)의 입력전류 i1의 맥동성분을 적당한 위상특성을 가진 필터회로(26)와 취소량조정회로(27)을 통하여 입력신호로서 전류제어회로(7)에 보냄으로써 입력전류 i1의 맥동분과 동위상의 전류 i2를 사이리스터정류기(1)로부터 공급가능하게 된다.
이 경우, 전류루프의 120Hz에서의 위상지연이 ø1이라면 전달함수 G(s)로서, (a) 120Hz에서 ø1의 진상 특성이 있는 전달함수, 혹은 (b) 120Hz에서 180°-ø1이어서 180°반전의 위상특성이 있는 전달함수 중 어느한쪽을 사용하여 입력전류 i2의 맥동분과 동위상의 전류 i2를 사이리스터정류기(1)로부터 공급할 수가 있다.
상술한 것을 더욱 일반화하면, 제2전류검출기(15)로부터의 신호를 적당한 전달함수를 통하여 제2도의 제어루프의 제1전압제어회로에 보내도 같은 효과를 얻을수가 있다.
또 상기 제2실시예에서는 인버터(11)의 입력전류를 검출하고 이 입력전류를 직류전원의 제어계에 공급하였지만, 인버터(11)의 입력전류검출 대신에 인버터(11)의 출력전류를 검출하고, 인버터(11)의 스위칭신호에 의하여 동기정류하여 인버터(11)의 입력전류와 등가인 신호를 얻어, 이것을 직류전원의 제어계에 공급하는 이 발명의 제3실시예를 제7도에 표시하였으며 이에 의하여도 같은 효과를 얻을 수 있다.
또 이 발명의 제4실시예로서 제7도에 표시한 바와 같이 인버터(11)의 직류회로에 설치된 콘덴서(12)를 통하여 제3전류검출기(25)에 의해 검출되는 전류 혹은 전압과, 인버터(11)의 입력전류와 등가인 신호는 상기 검출된 신호와 직류전원의 출력전류에 기준하여 검출될 수 있다.
상기 제2∼제4실시예의 제6∼제8도의 도면부호는 제2도의 제1실시예와 동일 또는 상당부분을 표시한다.
상기 제1∼제4실시예에서는 직류전원을 사이리스터정류기(1)에 의하여 얻은 경우에 대하여 설명하였지만, 이 발명은 쵸퍼회로, DC/DC 변환기, 고역률변환기와 같은 직류전원형에도 적용이 가능하다.
상술한 바와 같이 이 발명에 의한 인버터용 직류전원장치에 의하면, 인버터의 직류전류입력을 검출하고 이검출신호를 피드포원드신호로서 사이리스터정류기와 같은 순전력변환기의 출력전압을 제어하는 제어장치로 공급하여, 이에 의하여 인버터의 입력전류리플에 대하여 신속히 응답하게 됨으로써 직류전압의 리플을 감소시킬 수 있다.
그러므로 직류회로 및 인버터와 병렬접속된 평활콘덴서는 소위 필름콘덴서와 같은 수명이 길고 저렴한 형으로 교체가능하며, 정비효율의 개선과 정비비저감을 달성할 수 있다.
또 직류전압에 리플억제로 인하여 서용량의 콘덴서를 사용하는 경우도 전류리플이 축전기로 흐르는 것을 방지함으로써, 온도상승에 의한 축전지의 열화 혹은 파손이 방지된다. 도한 직류전압의 리플감소와 축전지 열화방지를 달성하기 위한 복잡한 회로컨피규레이션 소요를 제거하였으므로 회로컨피규레이션의간소화가 달성된다.
그외 소용량의 콘덴서만을 사용한 경우도 직류전원의 임피던스 증가를 방지할 수 있으므로써, 인버터용 직류전원장치, 특히 불평형부하의 3상인버터용 직류전원장치를 제공하는 효과가 있다.

Claims (11)

  1. 인버터에 직류전력을 공급하는 순전력변환수단과, 이 순전려견환수단의 출력전압을 제어하는 출력전압제어수단과, 그리고 인버터의 입력측과 상기 출력전압제어수단간에 접속되고 상기 인버터의 직류입력전류를 검출하며 이 검출된 입력전류에 기준하여 상기 인버터의 직류입력전류에 함유된 리플성분가 동위상으로 상기 순전력 변환수단의 출력리플성분을 조정하는 피드포워드제어수단으로 구성된 것을 특징으로 하는 인버터용 직류전원장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 순전력변환수단은 사이리스터정류회로로 구성되는 인버터용 직류전원장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 출력전압제어수단은 상기 순전력변환수단의 직류출력전류를 검출하는 제1전류검출기와, 이 제1전류검출기로 검출된 검출신호에 응답하여 상기 순전력변환수단의 출력전류치를 제어하는 젠류제어회로와, 상기 순전력변환수단의 출력전류전압을 검출하는 제1전압검출기와, 상기 제1전압검출기, 전류제어회로 및 피드포워드제어수단으로부터의 각 출력신호에 응답하여 전압제어신호를 출력하는 제1전압제어회로와, 이 제1전압회로의 출력신호에 응답하여 제어된 위상의 게이트펄스를 상기 순전력변환수단으로 출력하는 게이트펄스발생회로로 구성되는 인버터용 직류전원장치.
  4. 제3항에 있어서, 출력전압제어수단은 인버터의 입력전류전압을 검출하는 제2전압검출기와, 상기 순전력변환수단에서 출력되는 기준전압을 발생하는 출력기준전압치발생회로와, 그리고 상기 제2전압검출기와 출력기준전압치발생회로의 출력비교를 통하여 제어된 신호를 상기 전류제어회로에 출력하는 제2전압검출회로를 포함하는 인버터용 직류전원장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 피드포워드 제어수단은 상기 출력전압제어수단을 구성하는 상기 전류제어회로에 접속되고 피드포워드제어신호를 상기 인버터의 입력직류전류에 기준하여 상기 전류제어회로로 출력하는 인버터용 직류전원장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 피드포워드제어수단은 상기 인버터으 입력전류를 검출하는 제2전류검출기와, 이 제2전류검출기로 검출된 신호를 필터링하는 필터회로와, 그리고 이 필터회로의 출력신호에 기준하여 상기 출력전압제어수단에 공급된 취소량의 출력을 조정하는 최소량조정회로로 구성된 인버터용 직류전원장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 필터회로는 상기 제2전류검출기에 의하여 검출된 신호의 위상을 소정량까지 지연시키는 지상회로로 구성된 인버터용 직류전원장치.
  8. 제6항에 있어서, 상기 피드포워드 제어수단에는 직류전류를 검출하는 제3전류검출기가 병렬로 평활콘덴서를 포함하는 회로에 설치되고 상기 제2전류검출기에서 검출된 신호와 제3전류검출기에서 검출된 신호간의 차이에 기준하여 상기 피드포워드제어수단의 피드포워드제어신호를 상기 출력전압제어수단으로 공급하는 인버터용 직류전원장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 피드포워드제어수단은 상기 평활콘덴서와 인버터간의 인버터 입력측에 제2전류검출기를 접속하며 또한 상기 순전력변환수단과, 상기 인버터간에 평활콘덴서와 축전지를 접속하는 인버터용 직류전원장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 축전지와 평활콘덴서간의 상기 인버터입력측에 제2전압검출기를 접속한 인버터용 직류전원장치.
  11. 인버터에 직류전력을 공급하는 순전력변환수단과, 이 순전력변환수단의 출력전압을 제어하는 전압제어수단과, 그리고 상기 인버터의 교류출력으 전류치를 검출하고 상기 인버터의 스위칭신호에 기준하여 상기 출력전류를 동기정류하여 인버터의 입력전류와 등가인 신호를 발생하며 이 등가신호를 전압제어수단에 공급함으로써 상기 순전력변환수단의 직류출력을 제어하여 상기 순전력변환수단의 출력리플성분이 상기 인버터의 입력리플성분과 같게 되도록 보상하는 피드포워드제어수단으로 구성된 인버터용 직류전원장치.
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