KR930008838B1 - 인버어터 장치의 보호시스템 - Google Patents

인버어터 장치의 보호시스템 Download PDF

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Abstract

내용 없음.

Description

인버어터 장치의 보호시스템
제 1 도는 본 발명에 의한 인버어터 장치의 보호시스템을 전기차에 적용한 1실시예에 구성도.
제 2 도는 그 동작을 설명하기 위한 타임 차아트.
제 3 도는 본 발명의 다른 1실시예의 요부 구성도.
제 4 도는 그 동작을 설명하기 위한 타임차아트이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 개폐기(단류기) 2 : 고속도 차단기
3 : 필터용 리액터 4 : 필터용 콘덴서
5∼10 : GTO 11∼13 : 전류검출기
14 : 부하(유도전동기) 15 : PWM 변조회로
161∼166 : 온.오프 신호 발생회로 171∼176 : 게이트 드라이브회로
18 : 일제 게이트 오프신호 발생회로 19 : 일제게이트 온 신호 발생회로
221∼223 : 과전류 검출회로 241∼243 : 아암단락 검출회로
본 발명은 인버어터 장치에 있어서의 주스위칭 소자의 보호 시스템에 관한 것으로, 특히 자기(自己)차단이 가능한 스위칭 소자를 사용한 인버어터 장치의 보호시스템에 관한 것이다.
최근, 각종의 전력용 반도체 소자가 개발됨에 따라, GTO(gate trun off thyristor) 및 파워 트랜지스터등의 소위 자기(自己)차단이 가능한 스위칭소자가 사용된 비교적 대용량의 인버어터 장치가 사용되기에 이르렀다. 그러나, 일반적으로 이와 같은 자기차단 가능한 스위칭 소자는, 각각 안전하게 스위칭이 가능한 전압 및 전류에 상당히 엄격한 영역이 존재하고, 이 영역을 초과하여 스위칭 동작을 시키면 즉시 영구파괴 되어 버린다는 특성이 있다.
그러므로, 이와 같은 자기차단 가능한 스위칭소자를 사용한 인버어터 장치에 있어서는, 각종의 보호 수단이 설치되어 있으며, 예를들면 일본국 특개소 59-63983호 공보에 공개된 바와 같이 인버어터 주회로의 전압 및 전류가 이상(異常)상태가 되었을 경우, 이 이상상태가 스위칭소자의 차단에 의하여 회피가능한 범위의 것이라면 인버어터 주회로의 스위칭 소자를 일제히 OFF 시켜 보호기능을 수행하는 소위 일제 차단 보호수단은 작동시키고, 이상상태가 스위칭소자로 제어가능한 범위를 초과하고 있을 때에는 반대로 인버어터 주회로의 스위칭 소자를 일제히 온(0N)시켜 스위칭 소자의 파괴를 회피시킴과 동시에 장치 전체의 보호는 퓨우즈(Fuse)나 차단기에 의한 회로차단에 의존시키는 소위 일제 도통 보호수단을 작동시키는 것이 일반적이었다.
그러나 이러한 보호수단의 연속되는 보호 동작에 의하여 오히려 스위칭 소자를 파괴시킨다는 것을 알게 되었다.
본 발명의 목적은 상기한 종래 기술의 결점을 제거하고, 어떠한 경우일지라도 보호기능을 얻을 수 있고, 항상 확실하게 인버어터 주회로의 스위칭 소자의 파괴를 방지할 수 있는 인버어터 장치의 보호시스템을 제공하는데 있다.
본 발명은 보호수단으로서 소위 일제 도통수단과 일제차단 보호수단을 구비한 인버어터 장치에 있어서, 일제 도통보호수단의 작동을 일제 차단 보호수단의 작동에 우선시키도록 했다는 것에 특징이 있다.
상기와 바와 같이 일제 도통보호 수단과 일제 차단보호 수단의 각각의 동작이 독립적으로 행해지도록 되어 있으면 한쪽의 보호수단이 작동한 뒤 계속하여 다른쪽의 보호수단이 작동하는 경우가 있다.
이 경우 부하전류가 이상 상태가 되어 일제 차단 보호수단이 작동한 후, 아암 단락이 발생하여 일제 도통보호수단이 작동했을 때에는, 특별히 문제는 없고, 고속도차단기등에 의한 회로 차단에 도달하는 것만으로도 GTO의 파괴등의 우려는 전혀 생기지 않는다. 한편 아암 단락이 발생하여 일제 도통 보호수단이 작동한 다음 부하 전류 이상에 의한 일제차단 보호수단이 작동하였을 경우에는, 상기한 바와같이 과대한 전류에 의하여 도통되고 있는 GTO를 일제히 OFF 제어를 해버리는 것이 되므로 이와 같은 경우에도 보호기능을 얻을 수 없게 되어 GTO 등의 스위칭 소자의 파괴를 초래할 우려가 있다.
제 1 도는 스위칭 소자로서 GTO를 사용한 전기차용의 브릿지형 인버어터 장치의 주회로 및 제어회로의 개략을 나타낸 것으로서 주회로중 1은 개폐기, 2는 고속차단기, 3은 필터용 리액터, 4는 필터용 콘덴서, 5∼10은 인버어터 주회로를 구성하는 GTO, 11∼13은 전류검출기, 14는 부하가 되는 유도전동기(이하 IM 라함)이다.
이 인버어터 주회로는 소위 브릿지형이라고 불리는 것으로 각 GTO(5∼10)중 GTO(5, 6), GTO(7, 8), (9, 10)은 각각 쌍을 이루어 직류전원간에 직렬접속되어 소위 아암을 구성하고, 각각의 아암의 중점(中點)으로부터 교류출력을 얻도록 되어 있다. 그리고 각 아암의 GTO(5∼10)는 각각 교대로 즉, 도면의 상측의 GTO(5, 7, 9)와 하측의 GTO(6, 8, 10)는 반드시 쌍을 이루고 교대로 한쪽이 온, 그리고 다른쪽은 오프로 각각 제어되어 인버어터 동작을 행한다. 즉, PWM 변조회로(15)와, 온, 오프 신호 발생회로(161∼166)에 의하여, 예를들면 일본국 실용신안출원 공개소 57-4590호 공보의 제 2a, b, c, d 도에 도시와 같은 온, 오프신호를 발생한다. 171∼176은 게이트 드라이브회로이고 상기 온, 오프신호가 온이 되었을때 온게이트 신호를 발생하고, 온, 오프신호가 오프가 되었을때 오프게이트 신호를 발생한다.
18은 일제 게이트 오프신호 발생회로, 19는 일제 게이트 온신호 발생회로, 201∼212는 낸드(NAND) 회로이다. 201∼223은 각각 전류검출기(11∼13)의 출력이 소정치를 초과했을때 출력을 발생하는 부하의 과전류 검출회로이고, 이들의 출력은 오아(OR)소자(23)을 거쳐 일제게이트 오프 신호발생회로(18)를 트리거한다.
일제게이트 오프신호 발생회로(18)는, 통상은 "1"을 출력하고 있으나 부하의 과전류가 검출되었을때에는 "0"으로 변화하는 일제 게이트 오프신호를 발생하는 작동을 한다.
241∼243은 각각 상(相)의 GTO(5와 6, 7과 8, 9와 10)에 병렬 접속되고 그들의 양단 전압이 소정치보다 낮아졌을때 아암단락을 검출하는 아암단락 검출회로이다. 일제 게이트 온신호 발생회로(19)는 아암단락이 검출되었을때 OR 소자(25)를 거쳐 트리거 되어 동작한다. 통상은 "1"을 출력하고 있으나 아암단락이 검출되었을때에는 "0"으로 변화하는 일제 게이트 온신호(h)를 발생하는 동작을 한다.
다음, 본 실시예의 동작을 제 2 도의 타임차아트를 참조하여 설명한다.
부하전류 이상 및 아암단락이 모두 검출되지 않는 기간에는 일제게이트 오프신호(g) 및 일제게이트 온신호(h)는 모두 "1"상태 그대로 이므로, 이 때에는 온, 오프신호(a, b)는 각각 NAND 회로(207, 208)에 의하여 다시 반전되어 신호(i, j)로 나타난다.
따라서, 이때에는 온, 오프신호(a, b)가 그대로 신호(i, j)가 되어 게이트 드라이버 회로(171, 172)에 입력되게 되므로 인버어터로서의 통상의 동작을 하게 된다.
그러나, 이와 같이하여 IM(14)에 3상 교류전력을 공급하고 전기차를 운전중, 시점(t1)에서 IM(14)에 흐르고 있는 전류가 소정치를 초과하였다고 가정한다. 또한, 이때의 전류의 크기는 GTO(5∼10)의 차단기능 전류를 초과하지 않고 있는 것으로 한다.
이때, 이 시각(t1)에서 일제게이트 오프신호(g)는 "1"부터 "0"으로 변환하고, 그 결과 NAND 회로(201∼206)의 출력은 온, 오프신호(a∼f)와는 관계없이 "1"로 고정되고, 이에 따라 NAND 회로(207∼212)의 출력은 "0"으로 고정된다.
따라서 이 때에는 인버어터 주회로의 각 아암의 각 아암의 모든 GTO는 일제히 오프로 제어되어 일제차단 보호기능을 얻을 수 있게 된다. 또한 과전류 검출회로(221∼223)는 GTO의 차단능력 전류 이상의 과전류를 검출했을때에는 출력을 발생하지 않는다.
한편 상기한 바와같이, 인버어터 주회로의 각 아암을 구성하는 GTO(5∼10)는 각각 GTO(5, 6), GTO(7, 8), GTO(9, 10)가 쌍을 이루고 있고 교대로 온, 오프 제어되고 있으나, 이들 쌍을 이루는 각 아암의 2개의 GTO가 어떤 원인 예를들면 오프신호가 빠지거나 하므로서 동시에 온 상태가 되었다고 하면, 그 아암에 의하여 직류가 단락되어 가공선(架空線)및 필터 콘덴서(4)로부터 과대한 서어지 전류(수만 암페어가 되는 경우도 있다)가 이 아암에 집중적으로 흐른다. 따라서 이것을 그대로 방치하면 고속도 차단기(2)가 동작하여 회로전류가 차단되기 까지의 사이에 그 아암의 GTO가 파괴되어 버릴 염려가 있다.
그러므로 이와 같은 경우에 대비하여 검출수단을 설치하여 아암단락을 재빨리 검지하고, 어떤 아암에 아암단락이 발생하면 즉시 모든 아암의 GTO(5∼10)를 일제히 온 제어 하여 상기한 서어지 전류가 모든 아암에 분산되어 흐르도록 하여 GTO의 파괴를 방지하고, 그런다음 고속도 차단기(2)에 의하여 회로차단을 하도록 하는 것이다.
지금, 시각 t2에서 아암 단락이 검출되어 일제게이트 온 신호발생회로(19)가 트리거 되었다고 한다면, 이 시각 t2에 있어서 일제 게이트 온 신호(h)는 "1"로부터 "0"으로 변화하고, 그 결과 NAND 회로(207∼212)의 출력은 전단(前段)의 NAND 회로(201∼206)의 출려과는 관계없이 "1"로 고정된다.
따라서 이 때에는 인버어터 주회로의 각 아암의 모든 GTO는 일제히 온으로 제어되어, 일제 도통보호 기능을 얻을 수 있게 된다. 이 결과 전차선으로부터 단류기(1), 고속도차단기(2)를 거쳐 대전류가 유입되어 고속도 차단기(2)의 동작 및 그에 계속되는 단류기(1)의 동작에 의하여 주회로를 개방하게 된다.
이때 제 2 도로부터 명백한 바와 같이 일제 게이트 온신호(h)가 "1"로부터 "0"으로 변화하므로서 일제 게이트 오프신호(g)에 의한 GTO의 일제 오프 제어는 무효가 되어 항상 일제 게이트 온 제어가 우선된다는 것을 알 수 있다.
그러나 이상의 설명은 시각 t1에서 일제 게이트 오프제어가 된 다음 시각 t2에서 일제 게이트 온 제어가 행해졌을 경우에 대한 것이었으나 이 실시예에서는 제 1 도로부터 명백한 바와 같이, 일제게이트 오프신호(g)가 입력되는 NAND 회로(201∼206)의 후단에 있는 NAND 회로(207∼212)에 일제게이트 온신호(h)가 입력되도록 되어 있기 때문에 이들 NAND 회로(207∼212)는 일제게이트 온신호(h)에 의하여 일제 게이트 오프신호(g)를 금지하는 수단으로서의 기능을 하며, 다시 일제 게이트 온신호(h)에 의하여 일제 도통 보호기능이 작동한 후는 이 일제게이트 온신호(h)가 "0"으로부터 "1"로 복귀하지 않는한은 아무리 일제 게이트 오프신호(g)를 "0"으로 하여도 일제 차단기능을 작동하지 않으므로 따라서 GTO의 파괴를 충분히 방지할 수가 있다.
다음에 제 3 도는 본 발명의 다른 1실시예로서 1상(相)분만의 요부를 나타낸 구성도이다. 도면에서 25, 26은 통상은 인버어터의 운전에 필요한 온, 오프신호를 출력하고 있으나, 신호(k)가 입력되면 온 상태로 고정된 신호를 출력하고, 신호(l)가 입력되면 오프 상태로 고정된 신호를 출력하도록 구성된 온, 오프 신호 발생회로, 27은 일제 게이트 온신호(k)에 의하여 일제 게이트 오프신호(m)를 무효로 하기 위한 금지 수단으로 작동하는 NAND 회로, 28은 NAND 회로(27)에 의한 신호반전을 보상하는 동작을 하는 반전회로이고, 기타는 제 1 도의 실시예와 같다.
제 4 도는 상기 제 3 도의 실시예에 있어서의 일제게이트 오프신호(m), 일제게이트 온신호(k)및 NAND 회로(27)의 출력신호(l)의 관계를 나타낸 타임 차아트이고, 이들 관계에 의하면 일제 게이트 온신호(k)가 "1"인 동안은 일제 게이트 오프신호 m가 그대로 신호l로 온, 오프 신호발생회로(25, 26)에 입력되고 이에 의하여 일제차단 보호 기능의 작동이 정지되도록 되어 있으나, 다시 일제 게이트 온신호(k)가 "1"로부터 "0"으로 변화한 다음은 일제 게이트 오프신호(m)의 전달은 금지되고, 따라서 일제 차단보호 기능에 우선한 일제 도통보호 기능이 얻어지므로 GTO의 파괴를 충분히 방지할 수 있음을 알 수 있다.
또한 이상의 실시예에서는 인버어터 주회로의 스위칭소자로서 GTO를 사용한 경우에 대해서만 설명했으나 본 발명은 이에 한정되지 않고 적용할 수 있음은 말할 필요도 없으며, 예를들면 파워트랜지스터등 자기 차단 가능한 스위칭 소자를 인버어터 등 어떠한 경우에도 적용할 수가 있다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면 간단한 논리 회로의 부가만으로 일제 차단 보호기능에 우선하여 일제 도통 보호기능을 작동시킬 수가 있기 때문에 인버어터 장치의 보호가 항상 확실하게 이루어지고, 스위칭 소자가 파괴될 염려가 없고, 신뢰성이 높은 인버어터 장치의 보호 방식을 제공할 수가 있다.

Claims (11)

  1. 복수의 반도체 스위칭 소자를 직렬접속한 복수의 아암의 병렬접속된 구성을 가지며 직류전력을 교류전력으로 변환해 부하에 공급하는 인버어터와, 이들 반도체 스위칭 소자를 일제히 차단시키는 제 1 의 보호수단을 갖춘 인버어터의 보호 시스템에 있어서, 상기 인버어터를 구성하는 전체 반도체 스위칭 소자를 일제히 온시키는 제 2 의 보호수단과, 상기 제 2 의 보호수단 작동중에 상기 제 1 의 보호수단 동작을 저지하는 수단을 구비한 인버어터의 보호 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 의 보호수단은 상기 부하를 흐르는 전류가 예정된 전류치가 되는 것에 대응하여 동작하는 인버어터의 보호 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 의 보호수단은 상기 부하를 흐르는 전류가 제 1 의 보호수단은 상기 부하를 흐르는 전류가 제 1 의 예정치를 초과하여 제 2 의 예정치 이하인 것에 대응하여 동작하는 인버어터의 보호 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 의 보호수단은 상기 부하를 흐르는 전류가 정상시의 최대치인 제 1 의 예정치를 초과하여 상기 스위칭 소자의 차단 능력 전류치인 제 2 의 예정치 이하인 것에 대응하여 동작하는 인버어터의 보호시스템.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 제 2 의 보호수단은 상기 아암을 구성하는 복수개의 반도체 스위칭 소자의 동시 도통에 의한 아암 단락을 검출하는 수단의 동작에 대응하는 것을 특징으로 하는 인버어터의 보호시스템.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 아암 검출수단은 상기 아암의 양단의 전압 강하에 대응하여 동작하는 것을 특징으로 하는 인버어터의 보호 시스템.
  7. 제 1 항 내지 제 8 항중 어느 한항에 있어서, 상기 반도체 스위칭 수단은 게이트 턴 오프 다이리스터인 것을 특징으로 하는 인버어터의 보호 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 저지수단은 온, 오프 신호 전달로내에 직렬접속된 2개의 NAND회로와, 그중의 전단의 NAND 회로에 일제히 게이트 오프신호를 인가하고 후단의 NAND 회로에 일제히 게이트 온 신호를 인가하도록 구성한 것을 특징으로 하는 인버어터의 보호 시스템.
  9. 전차선으로부터 단류기 및 고속도 차단기를 거쳐 직류를 입력함과 동시에 브릿지 결선된 6개의 GTO를 구비한 3상 인버어터와, 이 인버어터에 의하여 급전되는 3상 유동전동기와, 이 유동전동기에 의하여 구동되는 전기차와, 펄스폭 변조수단과, 이 변조수단이 출력하는 온, 오프 신호에 따라 상기 GTO를 온, 오프 제어하는 게이트 드라이브 회로와, 상기 유도 전동기의 전류가 정상시의 최대전류를 초과하여 GTO의 차단능력 전류이하일 때 동작하여 상기 GTO를 일제히 오프하는 제 1 의 보호수단과, 상기 인버어터내의 직렬 접속된 2개의 GTO의 동시도통에 따라 동작하여 상기 GTO를 일제히 온하는 제 2 의 보호수단과 상기 제 2 의 보호수단의 동작에 대응하여 상기 제 1 의 보호수단의 동작을 저지하는 수단 등을 구비한 인버어터의 보호 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 의 보호수단은 상기 아암을 구성하는 복수개의 반도체 스위칭 소자가 동시에 도통함으로써 아암단락을 검출하는 수단의 동작에 대응하는 것을 특징으로 하는 인버어터의 보호 시스템.
  11. 제 2 항에 있어서, 상기 아암 단락검출수단은 상기한 아암의 양단의 전압저하에 대응해 동작하는 것을 특징으로 하는 인버어터의 보호 시스템.
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