KR920001795Y1

KR920001795Y1 - 정현파 펄스폭 제어형 고효율 변환장치

Info

Publication number: KR920001795Y1
Application number: KR2019890003120U
Authority: KR
Inventors: 백석민
Original assignee: 현동석
Priority date: 1989-03-21
Filing date: 1989-03-21
Publication date: 1992-03-16
Also published as: KR900017863U

Abstract

내용 없음.

Description

정현파 펄스폭 제어형 고효율 변환장치

제 1 도는 종래의 변환장치 주회로도.

제 2 도는 본 고안의 주회로도.

제 3 도 (a) 및 (b)는 본 고안의 역변환부의 기본파형도 및 반송파형도.

제 4 도는 본 고안의 펄스폭 제어부 회로도.

제 5 도는 본 고안의 역변환부의 출력파형도.

제 6 도는 본 고안의 베이스 드라이브 회로도.

본 고안은 종래 변환장치에서 발생되는 고조파를 제거시킴과 동시에 입력역율을 개선하고 역변화부를 고주파 펄스폭제어함으로서 효율을 높이며 입출력전압이 상이하더라도 별도의 바이패스 변압기를 부착하지 않는 무역류고조파, 고역율, 고효율화 및 신뢰도를 향상시킨 정현파 펄스폭제어형 고효율 변환장치에 관한 것이다.

종래, 이와같은 목적으로 사용된 변환장치는 상용전원의 교란 및 정전으로 인한 부하에의 전원공급의 단절을 막기위해 제 1 도와 같이 정류기겸 충전기(REC), 비상용축전지(BA), 역변환부(INV), 및 출력부로 구성되어 입력전원이 출력으로 공급되며 입력전압과 출력전압이 상이한 경우 바이패스 변압기(BYPASS TRANSFORMER)를 통해 출력으로 전원이 공급된다. 장비를 ON시키면 SCR 정류기(REC)가 동작하여 직류 필터(FILTER)를 거쳐 비상용 축전지(BA)를 충전시키면서 역변환부(INV)에 의해 직류를 교류전원으로 변환시키고 출력필터를 통해 안정된 전원으로 만든다.

그후 입력전원과 역변환부에 의해 만들어진 교류전원의 동기를 맞춘후 절체스위치(SW)를 통해 역변환부 전원으로 절체된다.

입력전원이 정전되거나 입력조건을 벗어나면 SCR 정류기는 동작을 정지하고 비상용 축전지(BA)로써 전원을 공급받아 역변환부에 의해 교류도 변환되어 출력전압이 끊김이 없이 부하에 전원을 공급한다.

다시 상용 입력전원이 공급되거나 입력조건을 만족하는 전원으로 되면 정류기가 다시 동작하여 정류기의 직류전원으로 역변환부에 전원을 공급하며 방전된 비사용 축전지(BA)를 충전시킨다.

그러나, 정류소자 SCR을 제어함으로써 직류전압을 정전압시키는 기능은 만족하나 최근 정밀기기, 컴퓨터 시스템 및 방송통신기기들이 다량 보급되면서 변환기와 동일전원에 연결된 이들 장비에 통신장애 및 오동작을 유발시키는 사례가 점점 늘고 있어서 그 대책으로 역류고조파 제거용휠터등을 설치하여 역류고조파를 제거하려고 하나 이에 따른 비용 및 전력손실등 많은 문제점이 있었다.

그리고 SCR 정류기(Rec)는 위상제어를 하기 때문에 위상제어에 따른 역률이 낮아지므로 전력의 손실이 많아 교류를 직류로 변환하는 변환효율이 낮다(약 80% 정도) 한편, 교류에서 정류기를 거쳐 변환된 직류를 리플(RIPPLE)이 없는 완전한 직류로 변환시키기 위해 직류휠터가 부착되야 하는데 기존방식에서는 SCR제어정류 방식이므로 SCR의 위상을 제어하기 때문에 고조파 함유율이 높아 비례적으로 양질의 직류전원을 사용하기 위해 직류휠터회로가 커지는 결점이 있는 것이다.

정류기를 거친 직류전압을 교류로 변환시키는 역변환부에서는 풀브리지형(FULL BRIDGE TYPE)으로 구형파 펄스폭제어를 함으로서 출력파형이 고조파 함유량이 대단히 많은 3조파, 5조파, 7조파, 9조파 등 낮은 차수의 고조파 성분이 많이 함유되어 이에 따른 교류출력 휠터회로가 비례적으로 커지므로 회로임피던스가 높아져 부하변동에 따른 출력전압 안정도가 나빠진다.

이에따라 종합효율은 75%를 대부분 넘지 못한다. 그리고, 입력 및 출력관계에 있어서 입력변압기가 없는 경우에는 입력전원부에서 발생한 서지(SURGE)가 변환기에 제어부에 영향을 주거나 그대로 출력전원으로 전달되어 부하장비에 오동작을 유발시키거나 장비고장의 원인이 된다.

또한, 입력변압기가 있더라도 출력의 변압기와 별도의 변압기가 있어야 되며 입력전압과 출력전압이 상이한 경우 입력전압과 출력전압의 비를 계산하여 입력전원을 출력전압과 동일한 전압으로 맞추기 위해 별도의 바이패스 변압기를 부착해야 한다. 그러므로 작업의 표준화가 되지 못하며 별도의 바이패스 변압기를 추가할때 변압기 효율에 의해(종합효율=장비효×바이패스 변압기 효율(=0.9)장비의 효율은 낮아지며 원가는 상하게 된다.

본 고안은 이러한 결점을 해결하기 위해 정류부없는 회로로써 구성하며 비상용 축전지를 충전하기 위한 충전부는 다이오드 전파정류회로를 사용하여 위상제어를 하지 않으므로 고조파가 거의 발생하지 않으며 직류리플도 거의 없으므로 휠터회로가 작아 원가를 줄일수 있다. 또한 무역류고조파화가 되어 타 장비에 영향을 미치지 않는다. 그리고, 제 2 도는 본 고안의 주회로도인데 역변환부 구성을 센터텝(CENTER TAP)방식으로 하여 역변환의 주소자수를 두개로 하여 원가를 줄이고 출력전원의 고조파를 최소화하기 위해서는 역변환부 주소자의 스위칭 주파수를 높여야 한다.

본 고안에서는 역변환부의 주소자인 트랜지스터의 스위칭 속도를 감안하여 6KHz까지 스위칭 주파수를 상승시켜 정현파에 가까운 파형을 만들기 위해 제 4 도와 같이 구성하여 NOR GATE(U1A, U1B)과 저항(R1, R2, R3)컨덴서(C1, C2)로써 6KHz의 반송파를 만들고 그것을 비교기(U3A, U3B)로써 안정화 시킨후에 비교기(U3C), -단자와 비교기(U4C)+단자에 각각 반송파(6KHz)를 공급한다.

비교기 U4는 출력전압과 제어부에서 만든 60Hz 정현파를 비교하여 출력전압이 정전압이 되도록 비교기(U3C)의 +단자와 비교기(U3D)-단자에 보상값을 전달한다. 이렇게 만들어진 PWM 펄스는 NAND GATE(U2A, U2B)에 공급되고 GATE BREAK신호가 "H" 상태에서 PWM 펄스를 파워트랜지스터(Q1)과 (Q2)에 전달한다. 역변환부에 이상이 발생하면 GATE BREAD의 신호가 "L"로 되어 PWM 펄스 전달에 중단된다. 이렇게 PWM 펄스를 6KHz까지 높여 고조파 함유량이 많은 낮은 차수의 고조파가 발생되지 않게하고 높은 차수의 고조파만이 발생하므로 교류출력 휠터회로가 작아도 되므로 회로 임피던스가 높아지지 않으며 안정도도 좋아지고 원가를 줄이는데 큰 몫을 한다.

고주파 스위칭을 하면 고주파의 주파수에 따라 발생되는 고조파도 감소한다. 스위칭 주파수+출력주파수(60Hz)=A, (A가 정수일때는 A조파 이상만 발생된다.) 그러므로 스위칭 주파수가 높아지면 고조파 함유량이 적은 높은 차수의 고조파만 발생되어 필터가 적어진다.

그러나 스위칭 주파수를 높이는 것은 역변환소자의 선택에 의해 최대치가 결정되며 스위칭 주파수가 증가하면 역변환 손실도 따라서 증가하므로 한없이 높일수만도 없다. 제 5 도는 본 고안의 역변환부의 출력파형을 촬영한 것이다.

그리고, 본 고안의 제 2 도와 같이 삼권선변압기를 사용하여 하나의 변압기에 입력 권선(L₁), 역변환부 권선(L₂), 출력권선(L₃) 및 충전부권선(L₄)을 하나로 하여 입력전압과 출력전원이 전기적으로 절연되어 있으며 입력전원과 출력전압이 상이하더라도 별도의 바이패스 변압기가 필요없이 변환기의 고효율을 일정하게 유지시킬 수 있다. 본 고안은 이러한 무역류고조파, 교역율 및 고효율화 시킨 변환장치를 보다 높은 신뢰도를 갖게 하기 위해 역변환부의 주회로의 소자를 보호하기 위해 제 6 도와 같이 자기 포화감지 회로를 사용하여 주소자인 파워트랜지스터(POWER TRANSISTOR)가 포화영역(SATURATION AREA)을 벗어나는 과부하 상태가 발생되거나 부하단락 사고가 발생될때 직접 파워 트랜지스터 베이스(BASE) 구동을 정지시키기 위해 콜렉터-에미터 사이의 다이오드(D2)를 통해 파워트랜지스터의 콜렉터 전압(정상시 약 1Volt 정도)을 감지하여 비교기(U6)의 -단자에서는 저항 R7과 R8을 통해 기준전압[V=R8×12V/(R7+R8)]을 만들어 기준전압과 콜렉터전압을 감시하여 콜렉터 전압이 기준전압보다 낮아지며, 즉 트랜지스터가 포화 영역을 벗어나면 콜렉터 전압이 낮아지는 것을 비교기가 감지하여 다이오드(D1)와 NAND GATE(U2A) 그리고 파워트랜지스터(Q1)과 (Q3)를 거쳐 파워트랜지스터(Q4)를 OFF 시키도록 동작한다. 이로써 종래의 출력에 C.T(CURRENT TRANSFORMOR)나 DC SHUNT등을 사용하여 검출을 받아 제어회로를 통해 출력과부하나 단락을 보호하는 방식보다 주소자인 파워트랜지스터를 정지시키는 시간이 1/4이하로 단축되어 고신뢰성을 갖게하였다.

단상 사용전원이 정상적으로 공급된 상태에서 본 변환기 장비의 스위치를 ON시키면 비상용 축전지를 전원으로 하여 역변환부가 동작하여 출력측으로 전원을 공급하며 입력상용전원 상태를 감지하여 정상적인 경우 상용전원과 역변환부의 전원에 동기를 맞춘후 사용전원을 출력으로 절체시킨후 역변환부의 동작을 정지시키고 충전부의 동작을 시작하게 하여 비상용 축전지를 충전시킨다.

역변환부(INV)의 동작상태에 역변환부가 정지되는 경우는 다음과 같다.

A) 비상용 축전지의 전압이 규정치 이하일때

B) 출력전원부에 과전류가 흘렀을때

C) 역변환부가 단상 교류전원을 만들수 없을때

D) 역변환부의 온도상승이 규정치 이상일때

E) 조작스위치를 OFF 시켰을때

F) 상용전원이 정전에서 회복된 경우(동기 맞춘후 상용전원으로 절체) 역변환부는 고주파 사인웨이브 PWM(SINE WAVE PHASE WIDTH MODULATION)으로 제어되는 트랜지스터방식으로 정전압, 정주파수의 전력을 부하로 공급한다.

직류전압은 트랜지스터 센터텝 방식으로 구성한 인버터에서 교류 싸인웨이브(SINE WAVE)가 되는데 여기서 발생된 파형은 스위칭 주파수가 높으므로 전류 평균치가 사인웨이브가 되어 약간의 출력필터인 리엑터스(L)와 개폐시턴스(C)에 의해 완전히 싸인웨이브가 되어 변압기 1차에 연결되어 원하는 전압을 내보낼수 있다. 상용전원으로 출력은 공급하는 상태에서 역변환부로 절체되는 조건은 다음과 같다.

A) 상용전원이 규정치 이상의 전압으로 상승될때

B) 상용전원 규정치 이하의 전압으로 내려갈때

C) 상용전원이 정전이 될때 축전지의 충전은 역변환부와는 별개로 이루어진다. 충전시키는 전력은 삼권선변압기에 의해 공급된다.

본 고안은 이상에서 설명한 바와같이 충전회로는 다이오드 전파정류방식으로서 고조파의 발생이 없으며 타장비에 영향을 미치지 않으며 상용전원의 정상상태에서 삼권변압기의 충전부 권선을 통해 전원을 공급받아 정류시킨후 정전류 상태로 비상용 축전지를 충전시키며 상용전원의 이상으로 인하여 역변환부로 절체되어 비상용 축전지로서 출력을 공급할때는 충전부의 동작을 중지시켜야 한다. 그러므로 역변환부의 동작시 충전부가 동작하지 않도록 하기 위해 릴레이를 사용하여 동시에 동작하는 일이 없도록 하는등의 효과등이 있다.

Claims

삼권선변압기(TR₁)의 철심에 입력권선(L₁), 역변환부권선(L₂), 출력권선(L₃) 및 충전부권선(L₄)을 하나로 권회하여 입력전원과 출력전압이 전기적으로 절연되어 있으며, 입력전원과 출력전압이 상이하더라도 별도의 바이패스 변압기가 필요없이 변환기의 고효율을 일정하게 유지시킬 수 있게하고 충전부(BA)를 역변환부(INV)와 별도로 다이오드 전파정류케하여 고조파발생을 없게 함을 특징으로하는 정현파 펄스폭 제어형 고효율 변환장치.