KR950013353B1 - 전기 기차용 파워콘버터 장치 - Google Patents

전기 기차용 파워콘버터 장치 Download PDF

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Abstract

내용 없음.

Description

전기 기차용 파워콘버터 장치
제 1 도는 본 발명의 파워콘버터 장치의 양호한 실시예의 회로도.
제 2 도는 제 1 도에 보인 실시예의 주회로를 보다 상세히 설명하는 회로도.
제 3 도는 본 발명의 파워콘버터 유니트의 직렬 접속을 나타내는 개통도.
제 4 도는 본 발명의 파워콘버터 유니트의 병렬접속을 나타내는 개통도.
제 5 도는 본 발명의 제 2 실시예의 주회로를 상세히 나타내는 회로도.
본 발명은 전기 기차용 파워콘버터 장치에 관한 것이다. 일반적으로 종래의 파워콘버터장치는 유도모터구동을 위해 또한 에어콘디셔너에 전력을 공급하기 위해 통상적으로 전기차류에 장착된다. 종래의 파워콘버터장치는 필요한 부하용향을 우선으로 하여 전기적으로 기계적으로 설계된다. 필요한 부하용량은 통상적으로 사용치에 따라 다르기 때문에 종래의 파워콘버터장치는 통상적으로 사용하고저 하는 특정장치에 맞게 설계된다. 사실상 각각의 상이한 장치마다 상이한 전기 및 기계적 설계를 사용한다. 이때문에 종래의 파워콘버터장치의 신뢰성에 대해 설계 및 추정하는데 상당한 시간이 걸리므로 단시간에 저코스트로 제조하기가 어렵다. 각 장치들마다 사용되는 전기기계적인 설계가 다르기 때문에 부품들을 표준화하기 어려우므로 대량생산의 경제성이 없다. 따라서 본 발명의 목적은 제조시간이 짧고 대량생산 가능하고, 장치에 사용되는 부품확보의 총수를 줄이도록 통일된 디자인과 통일된 부품들을 사용하는 신규하고도 개량된 파워콘버터장치를 제공하는데 있다. 상술한 목적을 성취하기 위해 본 발명은 DC전원으로부터 전력을 차단시키기 위한 반도체 스위치를 포함하는 파워콘버터유니트와 DC전원의 Dc전력을 AC전력으로 변환시키는 제 1 의 DC-AC파워 콘버터와, DC-AC파워콘버터의 출력을 DC전력으로 정류하기 위한 정류기와, 정류기의 DC 출력을 부하용 AC전력으로 변환시키는 제 2 의 DC-AC파워콘버터와, 제어회로용 제어신호공급용 작동스위치와, 제어신호 지연용 지연회로와, 제 1 의 DC-AC파워콘버터의 출력전압을 제어하기 위한 기준전압 공급용 기준전압설정기와, 제 1 의 DC-AC파워콘버터의 출력전압 검출용 전압검출기와 상기 지연회로의 출력을 기준전압에 가산하여 그합을 전합검출기의 출력측에서 제 1의 DC-AC파워콘버터의 검출된 출력전압과 비교하는 제 1 의 연산회로와, 제 1 의 연산회로의 비교출력에 따라 반도체 스위치를 제어하는 제 1 구동기와, 제 1 의 연산회로의 비교치에 따라 제 1 의 DC-AC파워콘버터를 제어하는 제 2 의 DC-AC파워콘버터의 출력전류를 검출하는 전류검출기와, 전류 검출기의 출력신호와 평행 제어신호간의 차신호를 공급하는 차동증폭기와 상기 차동 증폭기의 출력신호와 제 1 연산회로의 출력신호를 가산하여 전류 제어용 신호를 다른 파워 컨버터장치에 공급하는 제 2 연산회로와, 펄스폭 변조신호 공급용 펄스폭 변조제어기와, 펄스폭 변조제어기에 접속되며 또한 상기 펄스폭 변조제어기에 의해 발생된 펄스폭 변조용 신호를 제 2 의 DC-A C 파워콘버터에 공급하는 제 3 구동기를 포함한다.
본 발명의 보다 구체적인 이점과 기타 장점을 이해하기 쉽도록 첨부도면을 참조하여 본 발명의 양호한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
도면전체에 걸쳐 동일번호는 동일부분을 나타낸다. 우선 제 1 도를 참조하면, 본 발명의 제 1 실시예의 파워콘버터장치는 동일한 구성을 갖는 2파워 콘버터유니트(U1,U2)를 포함하며, 콘버터유니트(U1,U2)는 집권장치(pantograph)(12)에 의해 가공선(trolley wire)(11)에 각각 접속되어 있어 가공선으로부터 전력을 공급받는다.
제 2 도에 보인 바와 같이 제 1 도에 보인 회로의 요부는 인버터(5)의 입력측에 접속된 DC리액터(2),사이리스터스위치(3), 캐피시터(4a,4b)이다. 인버터는 스위칭소자(5a,5b)에 대해 역극성으로 접속된 스위칭소자(5c,5d)로 구성된다. 인버터(5)는 DC입력을 AC로 변환하는 기능을 행한다.
리액터(13)는 사이리스터 스위치(3)과 병렬로 접속된다. 절연 트랜스포머(6)는 1차 권선의 전압을 필요한 전압으로 변환하며 또한 1차측의 회로를 2차측 회로와 절연시켜 준다. 트랜스포머(6)의 2차측은 인버터(5)의 출력측 AC전력을 DC 전력으로 바꿔주는 다이오드(7a,6b,7c,7d)로 구성된 정류기(7)에 접속된다. 정류기(7)의 출력은 리액터(8)에 의해 형성된 평활회로에는 각 트랜지스터들과 역극성으로 병렬로 접속된 후리 휘일링(free wheeling)다이오드들을 갖는 트랜지스터들로 구성된 인버터(10)가 접속된다. 인버터(10)의 출력단자들(U,V,W)은 전기 기차를 구동시키는 유도모터(14)에 접속된다.
사이리스터 스위치(23)와 인버터(5)는 제 1 도에 보인 제어회로에 의해 제어된다.
제 1 도에 보인 콘버터유니트(U1)에서 작동스위치(20)는 정전압을 갖는 제어전원(15)에 접속된다. 제어전원(15)은 스위치(20)에 접속된 지연회로(21)에 제어신호를 공급하여, 자연스러운 시동을 가능하게 한다. 그 전원은 주 전원 회로의 전압을 설정된후 제어회로에 접속된다. 가산회로(40)에서 인버터(5)의 출력전압은 기준전압 설정회로(22)에 의해 공급되는 기준전압과 지연회로(21)의 출력전압의 합으로부터 감산된다. 또한 가산회로(40)에는 트랜스포머(6)의 보조권선(6a)에 의해 생성되는 신호도 입력되며, 이 신호는 인버터(5)의 출력전압에 비례한다.
제어회로의 작동순간에 보조권선(6a)에 의해 검출된 바와같은 인버터(5)의 출력전압은 기준전압 설정회로(22)에 의해 생성된 기준전압과 일치하도록 제어된다.
그때 즉, 작동순간에 지연회로(21)의 출력은 0이다.
회로(22)의 출력측의 기준전압은 작은 값으로 세트된다. 사이리스터스위치(3)와 인버터(5)는 가산회로(40)의 출력신호에 의해 제어된다.
특히 가산회로(40)의 출력은 사이리스터 스위치(3)를 제어하는 구동회로(24)에 입력된다. 가산회로(40)의 출력은 또한 위상전이 회로(25)에도 입력되어 분주기(26)에 공급되며 분주기의 출력은 인버터(5)를 제어하는 구동기(27)에 입력된다. 분주기(26)에는 인버터회로(5)에서 단락회로결함, 스위칭소자들(5a,5b)의 과열, 또한 기타 비정상 상태를 검출하여 비정상이 검출될 경우 분주기(26)의 출력신호를 디스에이블(disable)하는 보호검출기(28)에 접속된다. 비정상이 없을시에는 분주기(26)의 출력은 구동기(27)에 입력된다. 이러한 식으로 , 인버터(5)의 스위칭 소자들은 보호검출기(28)에 의한 아무런 비정상의 검출이 없을때만 구동기(27)의 출력에 따라 턴오프 또는 턴온하도록 제어된다. 인버터(10)는 구동기(34)에 의해 제어된다. 구동기(34)의 입력에는 펄스폭 변조신호를 발생시키는 펄스파변조(PWM)제어회로(33)의 출력이 접속된다. PWM 제어회로(33)는 부드러운 시동이 가능하도록 지연회로(32)에 의해 지연된 작동스위치(20)에 의해 생성된 전압에 의해 작동된다. 구동기(34)는 PWN제어회로(33)의 출력신호에 따라 게이트 신호들을 발생한다. PWN제어회로(33)의 다른 입력에는 OR논리회로(36)의 한 입력된다. OR논리회로(36)의 한 입력에는 유니트(U1)에서 제공된 보호검출기(35)의 출력과 유니트(U2)에서 제공된 제2 보호검출기(35)의 출력이 입력된다. 보호기 검출기들(35)중 하나가 비정상을 나타내는 신호를 발생하면, PWM제어회로의 출력신호는 디스에이블되거나 또는 소정의 조건에 따라 고정된다.
유니트(U2)의 주회로를 제어하기 위해 유니트(U1)내의 가산회로(40)의 출력신호는 유니트(U2)내의 구동기(24)와 위상전이 회로(25)에 공급된다.
유니트(U1)내의 PWM제어회로(33)의 출력신호는 유니트(U2)내의 구동기(34)에도 입력된다.
제 3 및 4 도는 콘버터 유니트들(U1,U2)간의 상이한 결선을 나타낸다. 제 3 도에서 유니트(U1,U2)의 DC전원측은 직렬로 접속되며 AC출력측은 병렬로 접속된다. 제 4 도에서 유니트들(U1,U2)의 DC전원측은 직렬로 접속되며 AC 출력측은 병렬로 접속된다.
제 3 및 4 도에서 AC 출력측은 본 발명의 파워콘버터장치가 사용되는 파워콘버터 응용장치의 경우 그렇게 행할 필요가 있기 때문에 병렬로 접속된다. 그러나, 제 3 도 및 4도로부터 쉽게 입증되는 바와 같이 DC 전원측들은 전원전압에 따라 직렬 또는 병렬로 접속된다.
콘버터유니트(U1,U2)의 상호결선에 따른 전위문제는 콘버터 유니트들의 부하가 동작중 불평형되는 것이다.
이 문제점을 피하기 위해 2 콘버트유니트들의 출력 전류치들을 보상회로에 의해 제어하여 동일하게 만든다. 제 1 도에서 보상회로는 변류기(29), 차동증폭기(30), 리미터(31) 및 가산회로(41)로 구성된다. 동작하는 동안 유니트(U1,U2)내의 변류기(29)는 각 유니트들의 출력전류를 검출한다. 차동증폭기(30)는 유니트들(U1,U2)의 출력전류들에 의해 변류기의 코일들에서 발생되는 출력전류들(1a-1b)간의 차를 증폭하여 K(Ia-Ib)값을 갖는 신호를 발생한다. 가산회로(41)에서, 연산회로의 출력신호와 차동증폭기(30)의 출력신호는 가산되며, 그 출력신호는 유니트(U2)내의 위상전이 회로(25)에 공급된다. 리미터(31)는 차동증폭기(30)의 출력신호값을 소정 한계내로 제한한다. 제 1 도에 보인 보상회로의 동작에서 만일 전류치(Ia)가 전류치(Ib)보다 클 경우, 차동증폭기(30)의 출력신호는 양의 값이 되고, 이 경우에 보상회로는 유니트(U2)의 콘버터(5)의 위상이 유니트(U1)의 것보다 크도록 동작한다. 만일 전류치(Ia)가 전류치(Ib)와 동일할 경우 보상회로는 동작에 영향을 주지 않는다.
만일, 전류치(Ia)가 전류치(Ib)보다 작을 경우 차동 증폭기(30)의 출력신호는 음이된다. 이 경우에, 보상회로는 유니트(U2)의 위상을 유니트(U1)의 위상보다 작게 만들도록 동작한다. 따라서, 보상회로의 동작으로 인해 유니트(U1,U2)의 출력전류를 평형을 이룬다.
제 3 도에 보인 바와같이, 유니트들(U1,U2)의 상호결선의 경우에 유니트(U1,U2)의 상호결선의 경우에 유니트(U1,U2)의 출력전압치들은 동일하다. 왜냐하면, 이들 유니트들의 출력단자들이 병렬로 접속되기 때문이다. 유니트들(U1,U2)의 등가저항은 유니트들의 출력이 동일하기 때문에 동일하다. 따라서 유니트들의 입력전류내의 입력전압은 평형을 이룬다.
제 4 도에 보인 바와 같이 유니트들(U1,U2)을 상호결선한 경우에 유니트들(U1,U2)의 입력전압치들은 동일하다. 왜냐하면 유니트들의 입력단자들이 병렬로 접속되기 때문이다.
유니트들의 입력전류는 평형을 이룬다. 왜냐하면 유니트들의 출력이 평형을 이루기 때문이다.
본 발명에 의하면, 콘버터유니트들(U1,U2)의 부하는 평형될 수 있기 때문에 각 유니트의 최대능력이 성취될 수 있다. 일반적으로 전원전압은 750V 또는 1500V이다.
만일 콘버터 유니트가 750V의 정격 입력전압을 갖는 것으로 제조될 경우, 파워능력을 정수배로 하는 파워 콘버터장치를 유니트들의 병렬로 접속하여 얻을 수 있다.
1500V 입력전압의 파워콘버터장치가 직렬로 2유니트들을 접속하여 얻어질 수 있다. 제 5 도에 보인 실시예에서 리액터(11)와 캐패시터(12)는 절연 트랜스포터(6)의 1차 권선에 접속된다. 리액터(11)와 캐패시터(12)는 공진회로를 구성한다. 이 실시예에서 스위칭소자들은 전류를 0전류로 차단시키도록 제어된다. 이 실시예의 주회로에서 스위칭소자들이 고주파로 동작되더라도 스위칭손실이 작기 때문에 리액터, 캐패시터, 트랜스포머 및 기타 장치들의 사이즈를 더 작게 그리고 중량을 가볍게 만드는 것이 가능하다.

Claims (11)

  1. DC전력을 AC전력으로 변환시키는 최소한 제 1 의 파워콘버팅유니트를 포함하되 상기 유니트는, DC 전원으로부터 전력을 차단하는 반도체 스위치수단과, 상기 DC전원의 DC전력을 AC전력으로 변환하는 제 1 의 DC- AC파워콘버터 수단과, 상기 DC-AC파워콘버터 수단의 AC출력을 DC전력으로 정류하는 정류수단과 상기 정류수단의 출력을 부하용 AC전력으로 변환하는 제 2 의 DC-AC파워콘버터 수단과, 상기 제어신호를 지연시켜 공급하기 위한 상기 작동스위치 수단에 접속된 지연회로와, 상기 제 1 의 DC- AC파워콘버터 수단의 출력전압을 제어하기 위해 기준전압을 공급하기 위한 기준전압 설정회로와, 상기 제1의 DC-AC파워콘버터 수단의 출력전압에 상응하는 출력전압을 생성하는 전압검출기와, 상기 지연회로의 출력신호와 상기 기준전압을 가산하여 그 합을 상기 전압 검출기의 출력전압과 비교하여 상응하는 차신호를 생성하는 제 1 의 연산수단과, 상기 제 1 연산수단에 의해 생성된 차신호에 따라 상기 반도체스위치 수단을 제어하는 제 1 의 구동수단과, 상기 제 1 연산수단의 차신호에 따라 상기 제 1 의 DC-AC파워콘버터수단을 제어하는 제 2 구동수단과, 상기 제 1 의 파워콘버팅 유니트의 출력전류를 검출하는 전류검출기와, 상기 전류검출기의 출력신호와 평형제어신호간에 차신호를 공급하는 차동증폭기와, 상기 차동증폭기의 출력신호와 상기 제 1 의 연산수단에 의해 출력된 차신호를 가산하여 다른 유니트의 전류제어용 상응하는 신호를 공급하는 제 2 의 연산수단과, 펄스폭 변조제어기와, 상기 펄스폭 변조제어기의 출력신호에 따라 상기 제 2 의 DC-AC파워콘버터를 제어하는 제 3 의 구동수단을 포함하는 것이 특징인 전기 기차용 파워콘버터장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 유니트와 동일한 구성을 갖는 제 2 파워 콘버팅유니트와, 상기 제 1 유니트의 상기 제 1 연산수단의 출력신호를 상기 제 2 유니트내의 상기 제 1 구동수단에 공급하는 제 1 접속수단과, 상기 제 1 유니트의 상기 제 2 연산수단의 출력신호를 상기 제 2 유니트내의 상기 제 2 구동수단에 공급하는 제 2 접속수단과, 상기 제 1 유니트의 상기 펄스폭 변조제어기의 출력신호를 상기 제 2 유니트내의 상기 제 3 구동수단에 공급하는 제 3 구동수단을 더 포함하는 것이 특징인 전기 기차용 파워콘버터장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 유니트는 상기 제 2 유니트의 입력단자들과 직렬로 접속된 입력단자들을 갖는 것이 특징인 전기 기차용 파워콘버터장치.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 유니트는 상기 제 2 유니트의 입력단자들과 병렬로 접속된 입력단자들을 갖는 것이 특징인 전기 기차용 파워콘버터장치.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 유니트들은 병렬로 접속된 출력들을 갖는 것이 특징인 전기 기차용 파워콘버터장치.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 유니트들은 병렬로 접속된 출력들을 갖는 것이 특징인 전기 기차용 파워콘버터장치.
  7. 제 1 및 제 2 파워콘버터 유니트들을 포함하되, 각 유니트는 DC 전원으로부터 전력을 차단하기 위한 스위치 수단과, 스위치 수단의 출력에 접속되며 또한 AC 출력을 생성하는 제 1 의 DC-AC파워콘버터와, 정류기와, 상기 제 1 의 DC-AC콘버터의 AC 출력과 상기 정류기의 입력에 접속된 2차권선을 갖는 절연 트랜스포머와, 상기 정류기의 출력에 접속되며 또한 AC 출력신호를 생성하는 제 2 의 DC-AC파워콘버터와, 상기 제 1 의 DC-AC파워콘버터의 AC출력과 설정가능 기준신호간의 차로부터 유도된 제어신호의 적어도 일부에 준하여 상기 제 1 의 DC-AC 콘버터를 제어하는 제어수단을 포함하는 제 1 및 제 2 파워콘버터 유니트와, 상기 제 2 DC-AC파워콘버터들에 의해 발생된 출력전류들간의 차에 준하여 평형신호를 생성하는 수단과, 상기 유니트들 중 하나에서 생성된 제어신호는 또한 상기 평형 신호에 준하여 일부 유도되도록 상기 유니트들중 하나의 상기 제어수단에 상기 평형신호를 입력시키는 수단을 포함하는 상기 제 1 및 제 2 파워콘버터 유니트의 부하들을 평형시키는 수단을 포함하는 것이 특징인 전기 기차용 파워콘버터장치.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 제 1 유니트는 상기 제 2 유니트의 입력단자들과 직렬로 접속된 입력단자들을 갖는 것이 특징인 전기 기차용 파워콘버터장치.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 제 1 유니트는 상기 제 2 유니트의 입력단자들과 병렬로 접속된 입력단자들을 갖는 것이 특징인 전기 기차용 파워콘버터장치.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 유니트들은 병렬로 접속된 출력들을 갖는 것이 특징인 전기 기차용 파워콘버터장치.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 유니트들은 병렬로 접속된 출력들을 갖는 것이 특징인 전기 기차용 파워콘버터장치.
KR1019910013185A 1990-07-31 1991-07-31 전기 기차용 파워콘버터 장치 KR950013353B1 (ko)

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