KR950013869B1 - 전류형 gto 사이리스터 인버터용 무효 전력 처리 회로 - Google Patents

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가부시끼가이샤 메이덴샤
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전류형 GTO 사이리스터 인버터용 무효 전력 처리 회로
제 1 도는 미합중국 특허 제4,580,025호(일본국 특허 출원 공개 제 소59-165970호와 대응)에 기술된 전류형 GTO 사이리스터 인버터용 무효 전력 처리 회로의 회로 계통도.
제 2 도는 1986년도 IEEE 인더스트리 어플리케이션즈 소사이어티 애뉴얼 미팅 파트 I (1986 IEEE Industry Applications Society Annual Meeting Part I)의 회의록 내에 기술된 다른 무효 전력 처리 회로의 회로 계통도.
제 3 도는 본 발명에 따른 전류형 GTO 사이리스터 인버터용 무효 전력 처리 회로의 양호한 실시예의 회로 계통도.
제4a도 및 제4b도는 정류 전류 동작 기간 동안의 전류 흐름을 설명하기 위한 제 3 도에 도시한 무효 전력 처리 회로의 필수부의 회로 배선도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 전력 정류기 2A, 2B : DC 전류 리액터
3 ; 브릿지-접속형 GTO 인버터 4 : 유도 모터
5 : 플라이휠 회로 7 : 무효 전력 처리 회로
30 : 제어 회로
본 발명은 GTO 사이리스터(Gate Turn Off Thyristor) 인버터용 무효 전력 처리 회로에 관한 것이다.
다수의 GTO 사이리스터들이 인버터 메인 회로의 스위칭 소자용으로 사용되는 전류형 GTO 사이리스터 인버터에서는 각각 GTO 사이리스터를 강제로 턴오프시키기 위해 외부에 정류 회로가 필요하지는 않은데, 그 이유는 GTO 사이리스터들이 자체 디트리거링(detriggering) 능력을 갖기 때문이다. 즉, GTO 사이리스터가 게이트 단자에 인가된 게이트 트리거 신호의 극성에 따라 턴온 및 턴오프될 수 있기 때문이다. 그러나, 전류형 GTO 사이리스터 인버터가 리액턴스를 갖고 있는 유도 모터와 같은 부하를 구동시킬 때, 부하의 리액턴스로 인해 발생된 정류 서지(surge) 전압은 몇개의 GTO 사이리스터를 손상시킬 수 있다. 이 정류 서지 전압은 각각의 GTO 사이리스터가 순차적으로 턴오프될 때마다 발생된다.
1986. 4. 1.자로 발생된 미합중국 특허 제4,580,205호(일본국 특허 출원 공개 제 소59-165970호 및 유럽 특허 출원 제84 102 580.2호에 대응)에는 전류형 GTO 브릿지-접속형 인버터에 결합되 각각의 GTO가 턴오프될때 발생된 정류 서지 전압을 클램프시키는 서지 전압 클램핑 회로가 기술되어 있다.
제 1 도는 상술한 특히 내에 기술된 서지 전압 클램핑 회로를 도시한 것이다.
제 1 도에서, 게이트들이 위상 제어되는 다수의 브릿지-접속형 사이리스터(역 블로킹 트라이오드 사이리스터)를 포함하는 전력 정류기(1)로부터 유도된 직류(DC) 출력은 서로 자기적으로 결합된 2개의 유도 리액턴스(2A, 2B)를 갖고 있는 DC 리액터에 의해 평활된다. 이 평활된 DC 전류 id는 GTO 브릿지-접속형 인버터(3)에 의해 교류(AC)로 변화되어, 인버터(3)의 부하인 유도 모터(4)로 보내진다.
인버터(3)은 메인 회로 스위칭 소자들로서 6개의 브릿지-접속형 GTO 사이리스터 G1내지 G6을 포함한다. 각각의 GTO 사이리스터 G1내지 G6은 120°의 전기 각 폭의 도통 기간을 갖고, G1,G6,G3,G2,G5및 G4와 같은 도통 순서로 60°의 각각의 펄스각 폭동안 트리거된다. 결과적으로, 120°의 전기 각 폭을 갖고 있는 구형파 교류가 인버터(3)으로부터 출력된다.
제 1 도에 도시한 인버터에서는, 1주기(360°) 동안 6회의 정류가 실행된다. 브릿지 형태로 된 GTO 사이리스터의 각각의 암(arm) 상에 나타나는 정류 서지 전압은 클램프되어야 한다. 부수적으로, 유도 모터(4)내의 무효 전력은 입력 전원에 재생되어야 한다.
그러므로, 무효 전력 처리 회로(서지 전압 클램핑 회로, 6) 및 플라이 휠 회로(5)는 전력 정류기(1)과 인버터(3) 사이에 배치된다. 플라이 휠 회로(5)는 브릿지 형태로 된 6개의 다이오드 D1내지 D6을 포함하는데, 각각의 상 U, V 및 W는 다이오드쌍 D1과 D2,D3과 D4및 D5와 D6의 중간 교류 입력 측에 접속된다.
유도 모터(4)로부터 유도된 정류 서지 에너지는 플라이 휠 회로(5)에 의해 정류되고 충전 전류로서 무효 전력 처리 회로(6)의 캐패시터 C1양단에 저장된다. 캐캐시터 C1내에 과전하가 생기면, 처리 회로(6) 내의 2개의 GTO 사이리스터 G7, G8은 과전하 전류가 전력 정류기(1)의 DC 측으로 보내지도록 턴온하기 위해 트리거된다.
2개의 GTO 사이리스터 G7, G8은 캐패시터 C1양단의 전압 eC1이 전력 정류기(1)의 DC 출력 전압 ec보다 일정한 값만큼 높을 때 턴온하도록 동시에 트리거된다. 이때, 전력은 누적 권선 리액터 Lr2→GTO 사이리스터 G8→캐패시터 C1→사이리스터 G7→리액터 Lr1과 같은 루트를 따라 전력 정류기(1)의 DC측에 재생된다. 부수적으로, 캐패시터 C1양단의 전압이 감소되어 상술한 재생 동작시에 발생하는 방전으로 인해 전력 정류기(1)의 DC 전류 측 아래에 도달하면, GTO 사이리스터 G7, G8모두는 동시에 턴오프된다. 그 다음, 2개의 리액터 Lr1, Lr2내에 저장된 전자 에너지는 리액터 Lr2→다이오드 D8→캐패시터 C1→다이오드 D9→리액터 Lr1과 같은 루트를 따라 캐패시터 C1양단에 충전된다.
리액터 Lr1, Lr2는 캐패시터의 방전 전류 억제 및 전력 정류기(1)의 출력 전압과 캐패시터1양단의 전압 사이의 차이 보상용으로 장치된다. 다이오드 D8및 D9는 리액터 Lr1및 Lr2내에 저장된 에너지 흡수용으로 장치된다.
그러므로, 제 1 도에 도시한 무효 전력 회로는 누적 권선 리액터 Lr1, Lr2, GTO 사이리스터 G7, G8및 다이오드 D8, D9를 필요로 한다. 결과적으로 회로 소자들의 수가 증가하게 되어 회로가 복잡해지며, 부수적으로, 제조 비용이 증가된다.
제 2 도는 1986년 IEEE 인더스트리 어플리케이션즈 소사이어티 애뉴얼 미팅 파트 I (IEEE Industry Application Sociery Annual Meeting Part I)의 회의록, 521 내지 526 페이지에 기술된 다른 무효 전력 처리 회로(정류 서지 전압 클램핑 회로)를 도시한 것이다. 제 2 도에 도시한 무효 전력 처리 호로(6A)는 상한(quadrant) 동작 모우드에서 유도 모터(4)를 구동시키도록 제안된다. 무효 전력 처리 회로(6A)가 장치 되는데, 그 이유는 전력 정류기의 DC 전류 측으로의 모터(4)의 재생만으로는 제 1 도에 도시한 캐피시터 C1양단의 전압을 억제할 수 없기 때문이다. 즉, 전력 정류기(1)를 통한 AC 전류원 측으로의 모터(4)의 재생이 달성될 수 있도록 한 쌍의 GTO 사이리스터 G9, G10이 대응 다이오드 D8,D9양단에 배치된다. 더우기, 한 쌍의 다이오드(D10,D11)은 2개의 리액터 Lr1, Lr2의 존재로 인해 대응 GTO 사이리스터 G7,G8양단에 배치된다.
그러므로, 회로 소자들의 수 및 제조 비용이 더욱 증가하게 된다.
부수적으로, 각가의 리액터 Lr1, Lr2와 캐패시터 C1사이의 시정수는 주파수 범위가 제한되도록 처리되게하고, 고속 유도 모터에 대한 변속 제어가 어려워진다.
상술한 문제점을 감안할 때, 본 발명의 목적은 회로 소자들의 수를 현저하게 감소시킬 수 있고 유도 모터의 고주파수 동작 및 이 유도 모터의 가변 주파수 범위 확장을 달성할 수 있는 전류형 GTO 사이리스터 인버터용 무효 전력 처리 회로를 제공하기 위한 것이다.
상술한 목적은 교류원으로부터 유도된 교류를 대응 직류로 변환시키기 위해 다수의 스위칭 소자들의 게이트 위상 제어를 실행하는 전력 정류기, 평활된 직류를 발생시키도록 전력 정류기로부터 유도된 직류를 평활 시키기 위해 최소한 1개의 직류 리액터를 갖고 있는 평활 회로, 평활 회로로부터 유도된 직류를 교류로 변환시키고 출력 측에 교류를 갖고 있는 부하를 유도하기 위해 다수의 브릿지-접속형 게이트 턴 오프 사이리스터(GTO 사이리스터)를 갖고 있는 인버터 메인 회로, 부하로부터 유도된 무효 전류를 정류하기 위해 교류 측이 인버터 메인 회로의 대응 출력 측에 접속되어 있는 다수의 브릿지-접속형 다이오드를 갖고 있는 플라이 휠 회로, 부하내에서 발생된 정류 서지 전압을 저장하기 위해 플라이 휠 회로의 직류 측 양단에 접속된 캐패시터, 전력 정류기의 양극 및 음극을 향해 캐패시터 양단의 전하를 동작적으로 방전시키기 위해 순방향으로 캐패시터에 접속된 한 쌍의 GTO 사이리스터, 및 캐패시터 양단의 과 전하를 방전시키도록 GTO 사이리스터 쌍을 트리거시키고 GTO 사이리스터 쌍의 방전 동작이 완료될 때 스위칭 소자들이 트리거되도록 전력 정류기의 전력 정류 동작에 필요한 기간동안 트리거링 펄스들을 전력 정류기의 스위칭 소자들에 계속 보내기 위한 제어 회로를 구성되는 전류형 GTO 사이리스터 인버터용 무효 전력 처리 회로를 제공함으로써 달성될 수 있다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 대해서 상세하게 기술하겠다.
미합중국 특허 제4,580,025호 및 상술한 회의록 내에 기술된 이전에 제안된 2개의 전류형 GTO 사이리스터 인버터용 무효 전력 처리 회로는 제 1 도를 참조하여 발명의 배경 난에서 이미 기술하였다.
전력 정류기(1) DC 전류 리액터(2A, 2B), 플라이 휠 회로(5), 브릿지-접속형 GTO 인버터(3), 및 유도 모터(4)에 대해서는 상술한 특허 출원서에 기술되어 있다. 미합중국 특허 제4,580,025호의 설명은 본 명세서에서 참고 문헌으로 이용된다.
제 3 도는 본 발명에 따른 양호한 실시예를 도시한 것이다.
제 3 도에서, 무효 선택 처리 회로(7)의 메인 회로는 플라이 휠 회로(5)의 DC 전류 측 양단에 접속된 캐패시터 C2(전해형), 및 한쌍의 GTO 사이리스터 G7, G8을 포함하는데, 한 GTO 사이리스터 G7의 캐소드는 전력 정류기(1)의 DC 전류 측 및 DC 리액터(2A)에 접속되고, 다른 GTO 사이리스터 G8의 캐소드는 캐패시터 C1의 음극에 접속되며, 한 GTO 사이리스터 G7의 애노드는 캐패시터 C1의 양극에 접속되고, 다른 GTO 사이리스터 G8의 애노드는 전력 정류기(1)의 다른 DC 전력 측 및 DC 리액터(2B)에 접속된다.
무효 전력 처리 회로(7)은 메인 회로 구성시에, GTO 사이리스터 G7, G8은 무효 전력이 DC 전류 측에 재생되도록 인버터(3)이 정류 동작을 실행할 때마다 트리거된다. 이 재생은 유도 모터(4)의 가동 및 재생 동작 중에 동일한 방식으로 실행된다. GTO 사이리스터 G7및 G8의 트리거링은 캐패시터 C1이 DC 전류측에 방전되게 한다. 결과적으로, 종래에 사용된 리액터 Lr1및 Lr2가 생략되고, 방전 기간 중의 방전 전류는 DC 전류 id에 의해 억제된다. 부수적으로, 방전 기간 중, 전력 정류기(1)내의 각각의 사이리스터는 역전압을 수신하고 턴 오프하도록 디트리거된다. 전력 정류기(1) 내의 각각의 사이리스터의 이러한 디트리거링에 대처하기 위해, 게이트 펄스 신호는 필요한 도통 기간 동안 전력 정류기(1)내의 각각의 사이리스터의 게이트 단자에 계속 공급되고, 무효 전력 처리 회로(7)내의 방전 동작의 종료 중에 각각의 사이리스터를 리트리거하기 위해 사용된다.
메인 회로 및 제어 회로 내의 이러한 동작들에 대해서 다음에 상세하게 기술하겠다.
(1) 정류 동작
인버터(3)이 6단계로 구동되면, 인버터(3) 내에서 1주기 동안 6회의 정류가 실행된다. 각각의 정류는 동일한 방식으로 실행된다.
제4a도 및 제4b도는 상부 암의 U상으로부터 V상으로의(GTO 사이리스터 G1로부터 G3으로의) 정류를 설명하기 위해 제 3 도에 도시한 6개의 브릿지-접속형 GTO 사이리스터 G1내지 G6을 갖고 있는 인버터(3), 6개의 브릿지-접속형 다이오드 D1내지 D6을 갖고 있는 플라이 휠 회로(5), 및 캐패시터 C1을 도시한 것이다.
제4a도에 도시한 단일 정류 기간 동안, GTO 사이리스터 G1은 턴 오프되고, 동시에 게이트 펄스 신호는 GTO 사이리스터 G3은 턴오프되고, 동시에 게이트 펄스 신호는 GTO 사이리스터 G3에 인가된다. 그 다음, GTO 사이리스터 G1을 통해 흐른 직류는 스누버(sunbber)회로 내의 캐패시터가 충전되도록 GTO 사이리스터 G1양단에 접속된 스누버 회로(도시하지 않음)로 전송한다.
스누버 회로의 구조는 1986년 IEEE 인더스트리 어플리케이션즈 소사이어티 애뉴얼 미팅 파트 I 회의록, 521 내지 526 페이지에 예시회 되어 있다.
스누버 회로내의 캐패시터 양단의 전압이 무효 전력 처리 회로(7)내의 캐패시터 C1양단의 전압과 동일하면, DC 전류가 GTO 사이리스터 G3내로 흐른다. 결과적으로, 제4(b)도에 도시한 바와 같은 정류 중첩기간이 발생한다. GTO 사이리스터 G3을 통하는 전류 흐름은 다이오드 D3-캐패시터 C1-다이오드 D4-부하의 유도로 인한 V상 외의 U상과 같은 루트로 분기된다. 그러므로, U-V상 양단에서 발생된 과도 전압은 캐패시터 C1양단의 전압에 의해 제한된다. 부수적으로, 다이오드 D4가 도통되면, U-W상 양단의 전압은 다이오드 D2가 도통되도록 다이오드 D2에 인가된다. 그러나, 모터(4)내의 슬립(slip)이 작고 모터(4)의 역률이 낮으면, 다이오드 D2는 양단의 역 바이어스를 수신하고 도통하지 않는다.
V상 전류가 정류 중첩 기간 동안 U상 전류의 감소와 함께 증가되어 직류 id에 도달하면, 인버터(3)은 단일 정류 기간으로 다시 들어간다.
(2) 방전 동작
인버터(3)의 정류 중에 충전된 캐패시터 C1양단의 전하가 GTO 사이리스터 G7과 G8이 제어 회로(30)으로부터 유도된 트리거 신호에 의해 턴온하도록 트리거될 때 전력 정류기(1)의 직류 측으로 방전된다. GTO 사이리스터 G7및 G8은 1주기 동안, 즉 GTO 사이리스터 G1내지 G6의 각각의 정류가 실행되기 직전에 6회의 방전 동작을 실행한다. 이 방전 동작 중에, 전력 정류기(1)내의 각각의 사이리스터는 캐패시터 C1양단의 전압의 존재로 인해 역 바이어스를 수신하고, 턴 오프하도록 디트리거된다. 한편, 제 3 도에 도시한 방전 전류는 ic는 직류 id와 거의 동일하게 된다. 방전 종료시에 전력 정류기(1)의 각각의 사이리스터가 필요한 도통 기간 동안 제어 회로(30)으로부터 유도된 게이트 펄스 신호를 계속 수신하기 때문에, 각각의 사이리스터의 리트리거링은 전류원으로부터의 AC 전류를 대응 DC 전류로 변환시킨다.
그러므로, 무효 전력 처리 회로(7) 내의 GTO 사이리스터 G7및 G8에 의한 방전 전류가 직류에 의해 억제되더라도, 모터(4)에 대한 가속 감속 동작을 통한 가동 및 재생 동작 중에 동일한 동작으로 방전이 달성될 수 있다. 모터(4)에 대한 재생 동작 중에, 전력 정류기(1)의 출력 전압 ed의 평균값은 부(-)로 되고 출력 전압 ed가 순간적으로 정(+)으로 될 때 문제점이 전혀 발생하지 않는다.
본 출원인은 본 발명에 따른 무효 전력 처리 회로의 성능을 실험하였다. 400Hz, 600W, 200V, 3.2A의 정격 및 23100r.p.m을 갖고 있는 유도 모터(4)를 사용하였다. 캐패시터 C1양단의 전압을 160V로 일정하게 유지시키기 위해 방전 기간 제어를 실행하였다. 부수적으로, 출력 전압을 v/f=0.5로 표시하도록 제어 하였다. 인버터 주파수의 +2500Hz로부터 -200Hz까지의 반전가능한 동작 및 50Hz→200Hz→50Hz와 같은 가속/감속 동작의 결과로서, 무효 전력 처리 회로의 안정한 동작을 부하, 무부하 및 재생 중에 확인하였다.
부수적으로, 인버터의 출력 파형이 정류가 신속하게 완료된 200Hz 동작시의 낮은 과도 전압이라는 것을 확인하였다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 전류형 GTO 사이리스터 인버터용 무효 전력 처리 회로 내에서는, 직류의 재생을 달성하도록 과충전된 캐패시터를 전력 정류기의 직류 측으로 방전시키기 위해 GTO 사이리스터 쌍만이 사용되기 때문에, 종래에 사용된 누적 권선 리액터 및 이에 수반된 다이오드들이 전혀 필요하지 않게 된다. 그러므로, 회로 소자들의 수가 현저하게 감소된다. 부수적으로, 리액터들이 생략되기 때문에, 인버터의 고주파수 동작 및 가변 주파수 범위의 확장을 가능케 하는 무효 전력 처리 회로가 달성될 수 있다.
지금까지 본 발명의 양호한 실시예에 대해 기술하였다. 본 분야에 숙련된 기술자들은 첨부한 특허 청구의 범위에 의해 정해진 본 발명의 범위를 벗어나지 않고서 본 발명을 여러가지 형태로 변형시킬 수 있다.

Claims (3)

  1. 교류원으로부터 유도된 교류를 대응 직류로 변환시키기 위해 다수의 스위칭 소자들의 게이트 위상 제어를 실행하는 전력 정류기, 평활된 직류를 발생시키도록 전력 정류기로부터 유도된 직류를 평활시키기 위해 최소한 1개의 직류 리액터를 갖고 있는 평활 회로, 상기 평활 회로로부터 유도된 직류를 교류로 변환시키고 출력 측에 교류를 갖고 있는 부하를 유도하기 위해 다수의 브릿지-접속형 게이트 턴 오프 사이리스터(GTO 사이리스터)를 갖고 있는 인버터 메인 회로, 상기 부하로부터 유도된 무효 전류를 정류하기 위해 교류 측이 인버터 메인 회로의 대응 출력 측에 접속되어 있는 다수의 브릿지-접속형 다이오드를 갖고 있는 플라이 휠 회로, 상기 부하내에서 발생된 정류 서지 전압을 저장하기 위해 플라이 휠 회로의 직류 측 양단에 접속된 캐패시터, 상기 전력 정류기의 양극 및 음극을 향해 캐패시터 양단의 전하를 동작적으로 방전시키기 위해 순방향으로 캐패시터에 접속된 한 쌍의 GTO 사이리스터, 및 상기 캐패시터 양단의 과 전하를 방전시키도록 GTO 사이리스터 쌍을 트리거시키고 상기 GTO 사이리스터 쌍의 방전 동작이 완료될 때 스위칭 소자들이 트리거되도록 상기 전력 정류기의 전력 정류 동작에 필요한 기간동안 트리거링 펄스들을 전력 정류기의 상기 스위칭 소자들에 계속 보내기 위한 제어 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 전류형 GTO 사이리스터 인버터용 무효 전력 처리 회로.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 부하가 리액턴스를 갖고 있는 3상 유도 모터인 것을 특징으로 하는 무효 전력 처리 회로.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 전력 정류기 내의 상기 스위칭 소자들이 역 차단 트라이오드 사이리스터들을 포함하는 것을 특징으로 하는 무효 전력 처리 회로.
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