KR100713691B1 - 전압 강하 전용 전압제어장치 - Google Patents
전압 강하 전용 전압제어장치 Download PDFInfo
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Abstract
우리나라에서 전력계통에서 사용하는 주파수는 60Hz이다. 이를 상용주파수라 한다. 상용주파수의 전압을 제어한다는 것은 전압의 크기와 주파수를 제어한다는 의미이다. 일반적으로 상용주파수의 전압 제어가 어려운 것은 전압이 높고 에너지가 큰 전력이기 때문에 상용주파수의 전압 제어는 기술적으로도 쉬운 일이 아니다. 그럼에도 불구하고 주파수가 일정하고 크기가 흔들리지 않는 일정한 고품질의 정전압이 요구되는 것은 정밀전기기기 산업분야, 특히 모터를 사용하는 산업분야뿐만이 아니라 최근의 정밀 정보통신사업의 근본이기 때문이다. 또한 전압의 변동률이 심하면 전기기기의 수명이 짧아지고 전등의 밝기가 흔들리는 등 일상생활에도 불편을 초래한다.
산업의 발전과 산업용량의 증가로 인하여 요즘에 첨단제어장치, 전력 전자기기등 다양한 반도체 전력변환설비가 많이 증대되었고 최근에는 컴퓨터, 복사기, 프린터등과 같은 OA기기 사용증가로 인하여 고조파 발생원이 매우 많이 늘어나게 되었다. 이러한 부하설비에 의해 발생되는 고조파는 케이블 및 변압기 과열소손, 발전기 출력저하, 역률저하, 전력손실증가, ELB. MCCB오동작, 통신선 유도장해, 중성선 대지전위상승등 많은 악영향을 끼치고 있다.
예전에는 단순히 산업현장에서나 많이 발생될 것이라 생각했었던 고조파는 현재 각종빌딩, 경기장, 주거지인 아파트, 경관조명시설, 공항 등 현대인이 살아가는 모든 생활공간에서 다량 발생되고 있다.
기존의 전압제어에 사용하는 인버터 방식은 기본적으로 AC전압을 DC전압으로 변환후 다시 AC를 재생하는 방식으로 고조파 및 고주파의 발생이 심하고, 제3고조파 전류를 발생시키고, 부하의 성격이 모터와 같은 유도성 부하에 적합한 방식으로 일반적으로 사용하는 일반 부하 상용주파수의 전압제어에는 적합하지 않다.
본 발명에서는 위에서 제기되는 문제점을 해결하고 전압 품질에 영향을 미치지 않는 제어가 가능하도록 하기 위해 전압 강하 전용 전압제어장치 및 방법을 발명하였다.
Description
도 1은 본 발명의 대표도
도 2는 전압제어의 한 방식인 인버터를 설명하기 위한 구조
도 3은 본 발명의 쵸핑(Chopping)시 IGBT 동작 설명도
도 4는 Q1 쵸핑(Chopping)에 의한 입력전압의 변환 파형
부하에 정전압을 공급하기 위해서 전압 제어시, 전기 사업자가 공급하는 전원 전압 양의 반주기에 대해서 IGBT스위치 Q1가 동작된다. 이때 쵸핑(Chopping)되는 신호는 전기 사업자가 공급하는 전원 전압 파형이 갖는 크기, 위상을 그대로 갖고 고주파수로 쵸핑(Chopping)되는 특징을 갖는다.
도 5는 Q2 쵸핑(Chopping)에 의한 입력전압의 변환 파형
부하에 정전압을 공급하기 위해서 전압 제어시, 전기 사업자가 공급하는 전원 전압 음의 반주기에 대해서 IGBT스위치 Q2가 동작된다. 이때 쵸핑(Chopping)되는 신호는 전기 사업자가 공급하는 전원 전압 파형이 갖는 크기, 위상을 그대로 갖고 고주파수로 쵸핑(Chopping)되는 특징을 갖는다.
도 6은 Q1, Q2 쵸핑(Chopping)에 의해 변환 파형
도 7은 기존 인버터 방식에 의한 펄스 폭 변조(PWM) 변환
도 8은 기존 인버터에서 펄스 폭 변조(PWM) 변환 신호를 복원시 생기는 전압파형
도 9는 본 방식에 의한 출력 전압 파형
도 10은 본 발명에 의한 3상 4선식 회로 구성
도 11은 본 발명에 의한 3상 3선식 회로 구성
[ 도면의 주요부분에 대한 부호 설명 ]
1. 2. 부하단의 단자
이 두단자 사이에 인가되는 전압을 일정하게 제어하는 것이 정전압의 목적이다. 또한 이 두단자 사이의 전압을 일정하게 하고 주파수를 안정하게 하는 것이 정전압 제어이다.
3. 부하
일반적으로 전기적인 관점에서 부하이다. 가정 혹은 산업용으로 사용하는 모든 전기기기 및 전기제품은 부하에 해당한다. 부하는 전등과 같은 저항성부하( 동상 부하)와 모터와 같은 유도성 부하(지상부하), 방전등 혹은 콘덴서와 용량성 부하(진상부하)로 나누어진다. 여기서 동상부하라는 것은 전압과 전류의 위상이 일치하는 것을 말하고, 지상부하는 전류가 전압의 위상을 기준으로 할 때 90도 늦은 것을 말하고, 진상부하는 전류가 전압을 기준으로 할 때 90도 앞서는 것을 말한다.
4. 전기 사업자가 공급하는 전원
전기사업자가 공급하는 전원을 의미한다. 전기적으로 무한대의 에너지를 공급하는 것을 의미하고, 내부임피던스가 '0'인 것을 이상적인 전원이라 한다.
5. IGBT스위치 Q2
부하에 정전압을 공급하기 위해서 전압 제어시 전기 사업자가 공급하는 전원 전압을 상용주파수 전원의 음의 반주기에서 IGBT스위치 Q2가 동작된다. 이때 쵸핑(Chopping)되는 신호는 전기 사업자가 공급하는 전원 전압 파형이 갖는 크기, 위상을 그대로 갖고 고주파수로 쵸핑(Chopping)되는 특징을 갖는다. 따라서 기존 장치들이 전기 사업자가 공급하는 전원 전압을 펄스 폭 변조(PWM)방식으로 변환시킬때 0과 1의 크기만을 가지도록 하는 정류회로와 평활 회로를 필요하지 않게 된다.
본 발명에서 사용하는 IGBT 스위치는 IGBT 모듈에서 하나의 IGBT(G2)와 역방향 다이오드, 스너브회로등으로 구성되어 있다.
6. IGBT스위치 Q1
부하에 정전압을 공급하기 위해서 전압 제어시 전기 사업자가 공급하는 전원 전압을 상용주파수 전원의 양의 반주기에서 IGBT스위치 Q1가 동작된다. 이때 쵸핑(Chopping)되는 신호는 전기 사업자가 공급하는 전원 전압 파형이 갖는 크기, 위상을 그대로 갖고 고주파수로 쵸핑(Chopping)되는 특징을 갖는다. 따라서 기존 장치들이 전기 사업자가 공급하는 전원 전압을 펄스 폭 변조(PWM)방식으로 변환시킬때 0과 1의 크기만을 갖을 때와 달리 정류회로와 평활 회로를 필요하지 않게 된다.
본 발명에서 사용하는 IGBT 스위치는 IGBT 모듈에서 하나의 IGBT(G1)와 역방향 다이오드, 스너브회로 등으로 구성되어 있다.
7. IGBT스위치 Q4
부하에 정전압을 공급하기 위해서 전기 사업자가 공급하는 전원 전압을 게이트 제어 회로에서 송출되는 신호를 받아 IGBT 스위치 Q2가 전원전압을 쵸핑(Chopping)시 생기는 부하전류의 불연속이 발생하는 현상을 막기 위해 게이트 제어회로에서 송출되는 신호를 받아 IGBT 스위치 Q4가 동작하여 부하전류의 불연속이 되지 않도록 하는 작용인 프리 휠링(Free wheeling) 작용이 일어나도록 한다.
본 발명에서 사용하는 IGBT 스위치는 IGBT 모듈에서 하나의 IGBT(G4)와 역방향 다이오드, 스너브회로 등으로 구성되어 있다.
8. 부하단 필터
IGBT 스위치 Q1, Q2, Q3, Q4의 동작에 의해 만들어진 쵸핑(Chopping) 되어진 신호를 정현파 전압이 되도록 하고 쵸핑(Chopping) 작용으로 발생하는 고조파가 부하에 공급되는 것을 막기 위해 리액터와 콘덴서를 사용하여 필터작용을 한다.
기존의 펄스 폭 변조(PWM) 신호를 정현파로 복원시킬때 큰 용량의 L과 C를 이용해야 하나 큰 용량의 L과 C를 사용하더라도 완전한 정현파를 복원시킬 수 없다. 쵸핑(Chopping) 되어진 신호를 정현파 전압이 되도록 할 때 본 발명의 IGBT 스위치 Q1, Q2가 전원전압의 크기를 갖은 채로 쵸핑(Chopping)하였기 때문에 소용량의 L과 C만으로도 부하측에 고조파가 섞이지 않은 정현파 파형을 발생 시킬 수 있다.
또한 필터의 콘덴서는 콘덴서 부의 콘덴서와 함께 역률을 개선하여 전기 사업자가 공급하는 전원 전압에서 부하쪽으로 유효전력을 많이 들어오게 하여 실질적인 전기 절연효과를 준다.
9. 콘덴서 부
쵸핑(Chopping)시 생성되는 고조파를 입력단 양단에 연결된 콘덴서를 이용하여 제거하는 역할을 한다.
또한 부하단 필터에 포함되어 있는 콘덴서와 함께 역률을 개선하여 전기 사 업자가 공급하는 전원 전압에서 부하쪽으로 유효전력을 많이 들어오게 하여 실질적인 전기 절연효과를 준다.
10. 게이트 제어 회로
IGBT 스위치 Q1, Q2, Q3, Q4의 동작을 제어하기 위한 장치로 [도 3]에서와 같이 본 발명의 쵸핑(Chopping)시 IGBT 동작이 이루어지도록 컨트롤 한다.
11. IGBT스위치 Q3
부하에 정전압을 공급하기 위해서 전기 사업자가 공급하는 전원 전압을 IGBT 스위치 Q1과 Q2가 전원전압을 쵸핑(Chopping)시 생기는 부하전류의 불연속이 발생하는 현상을 막기 위해 게이트 제어회로에서 송출되는 신호를 받아 IGBT 스위치 Q3, Q4가 동작하여 부하전류의 불연속이 되지 않도록 하는 작용인 프리 휠링(Free wheeling) 작용이 일어나도록 한다.
본 발명에서 사용하는 IGBT 스위치는 IGBT 모듈에서 하나의 IGBT(G3)와 역방향 다이오드, 스너브회로등으로 구성되어 있다.
22. 정류부
교류전원을 직류전원으로 바꾸어주는 기능을 수행하는 부분으로 정류소자인 다이오드 4개로 구성된다. 정류부의 다른 표현으로 컨버터라고 한다. 여기서의 회로를 전파정류회로하고 한다. 교류전원을 직류전원으로 변환하는 것을 정류라 한다.
23 평활필터
상기 22의 정류부에서 정류된 전압파형은 완전한 직류가 아니라 교류성분을 갖는 파형이 된다. 이러한 파형을 '맥동성분을 갖는다'라고 하고, 리액터(도 2의 L1)와 콘덴서(도 2의 C1)에 의해서 좀더 직류에 가까운 전압파형이 된다.
24 인버터
상기의 평활필터를 거친 직류전압을 사용하여 다시 원하는 주파수와 원하는 크기의 전압을 만드는 인버터 부이다. 전력전자소자의 스위치작용에 의해 새로운 교류전원을 만든다.
25 평활회로
전력전자소자를 이용하여 만든 AC 전압은 많은 고조파 및 고주파를 함유하고 있어 이러한 고조파 및 고주파를 부하에 인가하면 소음, 통신장애 등의 문제점을 발생한다. 그러므로 이러한 고조파와 고주파를 제한하기 위한 필터를 사용한다.
26 게이트 제어회로
상기 24의 인버터에 사용되는 전력전자소자의 스위치 작용을 하는 부분으로 전압 및 주파수를 제어하는 부분에 해당한다. 보통 마이크로프로세서로 제어되는 것이 보통이다. 또한 제어전원으로 절연전원을 사용하여 각각의 전력전자소자의 동작을 확실하게 보장하게 된다. 그러나 이러한 절연전원을 제작하는데 많은 비용이 든다.
31. 전기 사업자가 공급하는 전원의 파형
전기 사업자가 공급하는 전원은 60Hz의 주파수를 갖고 있다. 하지만 미세하게 그 값은 변화하기 때문에 항상 전원의 파형을 관찰할 필요가 있다.
32. Tzero : 제로 크로싱 타임(zero crossing time)부터 다음 제로 크로싱 타임(zero crossing time)까지의 시간
정확한 쵸핑(Chopping)이 이루어지기 위해서는 Q1과 Q2의 쵸핑(Chopping) 시작시간과 끝나는 시간을 정확히 알아야 한다. 또한 IGBT 스위치 Q1과 Q2가 쵸핑(Chopping)시 프리 휠링(Free wheeling)작용을 하도록 IGBT 스위치 Q3와 Q4가 동작되도록 제어하여야 한다. 따라서 정확한 제로 크로싱 타임(zero crossing time)을 알게 된다면 위에서 제어하려는 요소를 설정이 가능하다.
33. Tch : 쵸핑(Chopping)하는 시간
부하에 정전압을 공급하기 위해서 게이트 제어 회로에서 송출되는 신호를 받아 전기 사업자가 공급하는 전원 전압을 IGBT 스위치 Q1과 Q2가 전원전압을 쵸핑(Chopping)을 하는 시간으로 제로 크로싱 타임(zero crossing time)에서 시간차이를 두어서 쵸핑(Chopping)이 시작되고 끝난다. IGBT 스위치 Q1과 Q2가 쵸핑(Chopping)이 시작하는 시간을 설정하기 위해서 정확한 제로 크로싱 타임(zero crossing time)을 알아내야 한다. 제로 크로싱 타임(zero crossing time)에서 바로 쵸핑(Chopping)이 시작될 경우 미세한 주파수 변동에 의해서 Q3와 Q4의 'on', 'off'시간과 제로 크로싱 타임(zero crossing time)이 맞지 않아서 이 시간 설정이 정확히 이루어지지 않으면 Q1이 동작할 때에 Q4가 동작하거나 Q2가 동작할 때에 Q3가 동작하게 된다. 이 경우 Q1-Q4-Q3-Q2가 회로적으로 연결되는 아암 쇼트(arm-short)현상으로 과전류가 흐르게 되어 장비 고장의 원인이 된다.
이 문제를 해결하기 위해서 제로 크로싱 타임(zero crossing time)에서 모든 IGBT스위치의 동작이 이루어지는 것이 아니라 쵸핑 프리(Chopping-free) 구간을 두어 그 시간만큼 시간차를 두고 IGBT스위치가 동작한다. 이럴 경우 전체 파형을 쵸핑(Chopping)하는 것이 아니지만 에너지가 많이 흐르지 않는 구간을 쵸핑(Chopping)에서 제외시킴으로서 부하에 파형 발생시 완전한 정현파 파형을 발생시키는 것에는 문제가 되지 않고 정상적인 IGBT스위치 동작이 가능하게 된다.
34. Tfw : G3, G4에서 프리 휠링(Free wheeling) 동작 시간
부하에 정전압을 공급하기 위해서 게이트 제어 회로에서 송출되는 신호를 받아 전기 사업자가 공급하는 전원 전압을 IGBT 스위치 Q1과 Q2가 전원전압을 쵸핑(Chopping)시 생기는 부하전류의 불연속이 발생하는 현상을 막기 위해 게이트 제어회로에서 송출되는 신호를 받아 IGBT스위치 Q3, Q4가 동작하여 부하전류의 불연속이 되지 않도록 하는 작용인 프리 휠링(Free wheeling) 작용이 일어나도록 한다. 이때, G1과 G2가 쵸핑(Chopping)시작되는 시간, Tch 보다 시작시간과 끝나는 시간을 길게 하여 프리 휠링(Free wheeling) 동작이 정확히 일어나도록 한다.
35. IGBT 스위치 Q1의 동작상태 설명 그래프
IGBT 스위치 Q1은 부하에 정전압을 공급하기 위해서 게이트 제어 회로에서 송출되는 신호를 받아 전기 사업자가 공급하는 전원 전압을 쵸핑(Chopping)하고 Q2가 쵸핑(Chopping)할 때는 전원전압과 연결되기 위해 동작상태로 있는다.
36. IGBT 스위치 Q3의 동작상태 설명 그래프
IGBT 스위치 Q1이 쵸핑(Chopping)을 하는 양의 반주기에서는 프리 휠링(Free wheeling) 작용으로 IGBT 스위치 Q3가 동작하고 IGBT 스위치 Q2가 쵸핑(Chopping)하는 음의 반주기에서는 아암 쇼트(arm-short)를 방지하기 위하여 반드시 IGBT 스위치 Q3가 동작하지 않아야 한다.
37. IGBT 스위치 Q2의 동작상태 설명 그래프
IGBT 스위치 Q2은 부하에 정전압을 공급하기 위해서 게이트 제어 회로에서 송출되는 신호를 받아 전기 사업자가 공급하는 전원 전압을 쵸핑(Chopping)하고 Q1가 쵸핑(Chopping)할 때는 전원전압과 연결되기 위해 동작상태로 있는다.
38. IGBT 스위치 Q4의 동작상태 설명 그래프
IGBT 스위치 Q2가 쵸핑(Chopping)을 하는 음의 반주기에서는 프리 휠링(Free wheeling) 작용으로 IGBT 스위치 Q4가 동작하고 IGBT 스위치 Q1가 쵸핑(Chopping)하는 양의 반주기에서는 아암 쇼트(arm-short)를 방지하기 위하여 반드시 IGBT 스위치 Q4가 동작하지 않아야 한다.
41. Q1 쵸핑(Chopping)에 의한 입력전압의 변환 파형
부하에 정전압을 공급하기 위해서 게이트 제어 회로에서 송출되는 신호를 받아 전압 제어시 전기 사업자가 공급하는 전원 전압을 상용주파수 전원의 양의 반주기에서 IGBT스위치 Q1가 동작된다. 이때 쵸핑(Chopping)되는 신호는 전기 사업자가 공급하는 전원 전압 파형이 갖는 크기, 위상을 그대로 갖고 고주파수로 쵸핑(Chopping)되는 특징을 갖는다.
51. Q2 쵸핑(Chopping)에 의한 입력전압의 변환 파형
부하에 정전압을 공급하기 위해서 게이트 제어 회로에서 송출되는 신호를 받아 전압 제어시 전기 사업자가 공급하는 전원 전압을 상용주파수 전원의 양의 반주기에서 IGBT스위치 Q2가 동작된다. 이때 쵸핑(Chopping)되는 신호는 전기 사업자가 공급하는 전원 전압 파형이 갖는 크기, 위상을 그대로 갖고 고주파수로 쵸핑(Chopping)되는 특징을 갖는다.
61. Q1, Q2 쵸핑(Chopping)에 의해 변환 파형
71. 기존 인버터 방식에 의한 펄스 폭 변조(PWM) 변환
81. 기존 인버터에서 펄스 폭 변조(PWM) 변환 신호를 복원시 생기는 전압파형
펄스 폭 변조(PWM) 변환신호를 사용자가 원하는 출력 정현파 파형으로 복구하기 위해서는 펄스 폭 변조(PWM) 신호에 의해서 새로운 파형을 생성해야 한다. 새로운 파형을 생성하는데 필터가 사용되는데 이때 필터의 구성물인 콘덴서와 리액터의 용량이 클수록 보다 정현파에 가깝게 복구가 된다. 하지만 이때 사용되는 콘덴서와 리액터의 용량에 따라 출력 파형의 변화가 크기 때문에 모든 부하에 맞는 콘덴서와 리액터를 설치하기 위해서는 이상적으로 큰 용량의 콘덴서와 리액터를 설치해야 된다.
82. 완전히 복원되지 못한 출력 전류 파형
큰 용량을 필요로 하는 저항 부하가 설치될 경우 출력되는 전류가 계단파형으로 나타나게 된다. 계단파형은 순간 변화율인 
가 매우 크게 나타난다. 따라서 리액터에서 전압의 계산식인 
에 의해 순간적으로 높은 서지의 전압이 유입된다. 따라서 큰 용량의 저항 부하일 경우 인버터 내에서 전압 써지에 의해서 열화가 촉진된다.
전력용반도체 소자 즉, 전력전자소자가 발전하면서 전압제어의 가장 보편적인 장치가 인버터에 의한 방식(도 2)으로 되었다. 인버터에 의한 전압제어기술은 교류전압을 정류하여 직류전압으로 만든 다음 전력전자소자의 스위치 작용에 의해 다시 교류를 만드는 기술이다. 이러한 방식의 전압제어기의 작동원리는 전원( 도2의 4)을 정류( 22)한 후 직류파형을 만들고, 다시 품질이 좋은 직류전원을 만들기 위한 필터(23)을 거친 후, 전력소자( 도 2의 Qp1, Qp2, Qn1, Qn2 )를 게이트 제어기(26)에 의해 제어하여 교류를 만드는 인버터(24)를 구동하고, 인버터에서 만든 전압신호를 다시 좀더 깨끗한 교류전압을 만들기 위해 다시 필터(25)를 거친후 부하(도 2의 3)에 공급하게 된다.
도 2의 인버터방식의 전압제어방식이 갖는 장점은 크게 다음의 두 가지이다.
첫째, 주파수까지도 제어 가능하다. 첫 번째 장점은 주로 모터 제어시 개념으로 사용되고 있다.
둘째, 전압 제어폭이 넓다. 즉, 전압의 승압과 강압이 동시에 가능하다는 장점이다.
전력전자소자를 사용하여 전압을 제어하는 인버터 방식의 제어에서 갖는 장점이 있는 대신 다음과 같은 단점도 있다.
첫째, 제어기가 복잡하고 소자( 도 2의 Qp1, Qp2, Qn1, Qn2 )비용이 비싸진다. 특히 수십 kVA 이상의 대용량인 경우 소자의 가격과 평활하는데 사용하는 리액터(도2의 L1, L2), 콘덴서(도 2의 C1, C2)가격도 수십만원 대가 된다.
둘째, 제어가 어렵다. 정확한 전압과 주파수를 유지하기 위해서 정확한 제어 가 필요하게 된다. 이러한 게이트 제어기(26)는 보통 마이크로프로세서에 의해 제어된다.
셋째, 인버터 제어기(도 2)에 의한 전압제어는 기본적으로 전력전자소자( 도 2의 Qp1, Qp2, Qn1, Qn2 )의 스위치작용을 이용하는 방법로 스위치 동작시 많은 고주파와 고조파가 발생한다. 이러한 고조파의 발생은 통신설비등에 유도작용을 발생시킨다.
넷째, 완전한 정현파를 복구하기가 어렵다. 펄스 폭 변조(PWM) 변환신호(71)를 사용자가 원하는 출력 정현파 파형(81)으로 복구하기 위해서는 펄스 폭 변조(PWM) 변환신호(71)를 갖고출력 정현파 파형(81)을 생성해야 한다. 출력 정현파 파형(81)을 생성하는데 필터(25)가 사용되는데 이때 필터(25)의 구성물인 콘덴서와 리액터의 용량이 클수록 보다 정현파에 가깝게 복구가 된다. 하지만 이때 사용되는 콘덴서와 리액터의 용량에 따라 출력 파형의 변화가 크기 때문에 모든 부하(3)에 맞는 콘덴서와 리액터를 설치하기 위해서는 이상적으로 큰 용량의 콘덴서와 리액터를 설치해야 된다. 하지만 큰 용량을 필요로 하는 저항 부하가 설치될 경우 출력되는 전류(81)가 계단파형(82)으로 나타나게 된다. 계단파형(82)은 순간 변화율인 
가 매우 크게 나타난다. 따라서 리액터에서 전압의 계산식인 
에 의해 순간적으로 높은 서지의 전압이 유입된다. 따라서 큰 용량의 저항 부하일 경우 인버터(도 2) 내에서 전압 써지에 의해서 열화가 촉진된다.
다섯째, 부하(3)에 따라 출력파형(81)의 변화가 매우 크다. 인버터(도 2) 후 단에 연결되는 부하(3)는 부하(3)의 종류에 따라 용량과 저항성분, 리액터 성분이 다르게 구성되어 있다. 따라서 어떤 부하(3)가 연결되어도 일정한 정현파 전압을 부하에 공급해야지만 이상적인 인버터(도 2)라 할 수 있다.
기존 인버터(도 2)에서는 부하(3)가 리액터 성분일 경우, 필터(25)에 사용되는 소자인 리액터와 콘덴서가 대용량의 크기가 아니더라도 정현파 출력이 가능하였다. 따라서 기존 인버터(도 2)는 주로 모터 구동형으로 많이 사용되었다.
반면에 부하(3)가 저항 성분일 경우, 필터(25)에 리액터와 콘덴서만으로는 정상적으로는 완전한 정현파 전압파형의 복원이 힘들고 파형 내에 계단현상(82)이 발생 된다. 이런 문제를 해결하기 위해서 필터(25)의 리액터와 콘덴서의 크기를 크게 하여 점차 계단현상(82)이 줄어들기는 하지만 완전히 해결되는 것은 아니다.
여섯째, 대용량이 될수록 고가이다. 현재 인버터(도 2) 방식은 소형모터를 사용하는 전기기기에는 범용화되리 만큼 많이 사용되고 있다. 그러나 고용량 전력기기의 경우 가격이 매우 비싸고 제어도 어려워 현실적으로 적용이 용이하지 않다. 다만, 고가라고 하더라도 꼭 필요한 개소에는 일부 사용중에 있으나, 대용량의 전압제어에는 사용이 범용화되지 않고 있고, 특히 전력계통상의 전압제어에는 가격과 고조파 및 고주파 문제등으로 현재 거의 사용이 불가한 실정이다.
일곱째, 에너지 전달이 일방적이다. 이 성질은 본 발명과 가장 비교되는 사항으로 기존의 인버터 방식(도 2)의 경우 입력단에서 다이오드(22) 혹은 단방향 반도체를 사용하여 정전압을 반파로 정류하는 것이 일반적이다. 이때 사용되는 다이오드(22)와 단방향 반도체는 전류의 일방성인 개념으로 한쪽방향으로 전류를 흐르 게 하고 반대쪽 방향의 전류는 막는 성질이 있다. 따라서 기존 방식의 인버터(도 2)는 전기 사업자가 공급하는 전원(4)을 받아서 인버터(도 2)와 부하(3)에서 전력을 소비하는 성질만을 갖고 있다.
하지만 모터나 일반 전기기기의 경우 전원 차단시에 일반적으로 역기전력이 발생된다. 또한 일반 동작시에도 항시 부하(3)에서도 소량이기는 하지만 에너지를 발생시킨다. 이때 전기 사업자가 공급하는 전원(4)으로 에너지가 환원이 가능하고 이런 에너지를 회생에너지라 한다.
기존 방식의 인버터(도 2)는 위에서 언급한 회생에너지 개념을 적용시키지 않은 상태에서 다이오드(22) 혹은 단방향 반도체를 사용하여 전기 사업자가 공급하는 전원(4)과 부하(3)사이에 에너지 흐름이 이어지지 않게 되어 부하에서 회생에너지 발생시 그 에너지를 전기 사업자가 공급하는 전원(4)으로 환원을 하지 못하고 인버터(도 2)에서나 부하에서 열이나 다른 에너지로 소모해야만 하게 된다.
여덟째, 저용량 부하가 연결된 채로 인버터(도 2)가 구동될 시에 전기 사업자가 공급하는 전원(4)에게서 3고조파 전류를 주로 사용한다. 발전소에서 생성되는 전원은 바로 사용자에게 공급되지 않고 여러 개의 변전소를 거치면서 최종적으로 배전반을 통해 사용자에게 공급된다. 발전소부터 배전반까지의 전력계통이 원활히 동작하기 위해서는 부하에서도 60Hz의 안정적인 전류를 사용하는 것이 필요하다.
하지만 기존 인버터(도 2)가 구동될 시에 인버터(도 2)에 연결된 부하(3)가 저용량일 경우 전기사업자가 공급하는 전원(4) 전류가 정현파가 아닌 3고조파 전류가 된다. 다른 고조파와 달리 3고조파의 경우 3상이 합쳐지는 중성점에서 위상이 120'차이가 나지 않으므로 3상이 합해질 경우 다른 고조파는 상쇄되어 사라지는 반면 3고조파는 상쇄되지 않고 증폭되어 계통에 그대로 영향을 미치게 된다.
본 발명은 기존의 인버터의 방식과 다른 방식의 전압 제어를 하여 앞에서 언급한 문제점을 해결하고 전압 품질에 영향을 미치지 않는 제어가 가능하고 보다 효율적인 절연을 하기 위함이 본 발명의 목적이다.
기존 인버터 방식(도 2)에서 갖는 문제점을 해결하기 위해서 본 발명에서는 항시 사용자가 원하는 품질의 전력을 공급할 수 있도록 하기위하여 기존 인버터 방식(도 2)과 다른 방식으로 전압 제어가 가능하도록 하였다. 이때, 본 발명이 사용되는 조건이 한정되는데 그 조건은 다음과 같다.
첫째, 감압에만 사용한다.
둘째, 주파수를 가변시키지 않는다.
셋째, 정격범위내에서 정전압 운전을 한다.
전압 제어 방식을 전압강하분에 대한 절전개념으로 사용될 때, 위에 언급한 세 가지 조건이 모두 적용되더라도 절전의 목적에 문제가 될 것이 없다.
전류의 입력단에 IGBT 스위치 Q1(6)과 Q2(5)를 두어 전기 사업자가 공급하는 전원 전압(4)을 게이트 제어 회로(10)에서 송출되는 신호를 받아 상용주파수 전원의 양의 반주기에서 IGBT스위치 Q1(6)가 동작하고 음의 반주기에서 IGBT스위치 Q2(5)가 동작한다. IGBT 스위치 Q1(6)과 Q2(5)는 게이트 제어 회로(10)에서 송출되는 신호를 받아 스위치 작용으로 입력되는 전압을 'on-off'시켜 전압 신호로 변환시킨다. 이때 기존의 인버터(도 2)에서는 정류회로(22)와 평활회로(23)를 통해 입력받은 신호를 디지털화 시켜 펄스 폭 변조(PWM)변환 하는 반면 본 발명에서는 원 정현파 전원을 IGBT 스위치 Q1(6), Q2(5)에 의하여 'on-off'시킨다. Q1(6)에서는 양의 신호를 쵸핑(Chopping)하고 Q2(5)에서는 음의 신호를 쵸핑(Chopping)하게 된다.
게이트 제어 회로(10)에서 송출되는 신호를 받아 IGBT 스위치 Q1(6)과 Q2(5)가 전원전압(4)을 쵸핑(Chopping)할 때 생기는 부하전류의 불연속이 발생하는 현상을 막기 위해 게이트 제어회로(10)에서 송출되는 신호를 받아 IGBT 스위치 Q3(11), Q4(7)가 동작하여 부하전류의 불연속이 되지 않도록 하는 작용인 프리 휠링(Free wheeling) 작용을 한다. IGBT스위치 Q3(11)가 프리 휠링(Free wheeling) 작용을 하는 시간은 IGBT 스위치 Q1(6)이 쵸핑(Chopping)을 시작하는 시점부터 끝나는 시점까지이고 이 시간에 약간의 여유분을 두어 동작하게 된다. IGBT 스위치 Q4(7)도 프리 휠링(Free wheeling) 작용 시간이 IGBT 스위치 Q2(5)가 쵸핑(Chopping)을 시작하는 시점부터 끝나는 시점까지이고 이 시간에 약간의 여유분을 두어 동작하게 된다.
IGBT 스위치 Q1(6)이 쵸핑(Chopping)을 하는 양의 반주기에서는 프리 휠링(Free wheeling) 작용으로 IGBT 스위치 Q3(11)가 동작하고 IGBT 스위치 Q2(5)는 전기사업자가 공급하는 전원 전압(4)과 부하(3)와의 연결을 위해 동작이 된다. 하지만 이때 Q4(7)는 동작하지 않는다. 마찬가지로 IGBT 스위치 Q2(5)가 쵸핑(Chopping)을 하는 양의 반주기에서는 프리 휠링(Free wheeling) 작용으로 IGBT 스위치 Q4(7)가 동작하고 IGBT 스위치 Q1(6)은 전기 사업자가 공급하는 전원 전압(4)과 부하(3)와의 연결을 위해 동작이 된다. 하지만 이때 Q3(11)는 동작하지 않는다.
이때, IGBT 스위치 Q1(6)과 Q2(5)가 쵸핑(Chopping)이 시작하는 시간을 설정하기 위해서 정확한 제로 크로싱 타임(zero crossing time)(32)을 알아내야 한다. 제로 크로싱 타임(zero crossing time)(32)에서 바로 쵸핑(Chopping)이 시작될 경우 미세한 주파수 변동에 의해서 Q3(11)와 Q4(7)의 'on', 'off'시간과 제로 크로싱 타임(zero crossing time)이 맞지 않아서 이 시간 설정이 정확히 이루어지지 않으면 Q1(6)이 동작할 때에 Q4(7)가 동작하거나 Q2(5)가 동작할 때에 Q3(11)가 동작하게 된다. 이 경우 Q1-Q4-Q3-Q2가 회로적으로 연결되는 아암 쇼트(arm-short)현상으로 과전류가 흐르게 되어 장비 고장의 원인이 된다.
이 문제를 해결하기 위해서 제로 크로싱 타임(zero crossing time)(32)에서 모든 IGBT 스위치의 동작이 이루어지는 것이 아니라 쵸핑 프리(Chopping-free) 구간을 두어 그 시간만큼 시간차를 두고 IGBT스위치가 동작한다. 이럴 경우 전체 파형을 쵸핑(Chopping)하는 것이 아니지만 에너지가 많이 흐르지 않는 구간을 쵸핑(Chopping)에서 제외시킴으로서 부하(3)에 파형 발생시 완전한 정현파 파형을 발생시키는 것에는 문제가 되지 않고 정상적인 IGBT스위치 동작이 가능하게 된다.
입력단 양단에 연결된 콘덴서부는 IGBT 스위치 Q1(6), Q2(5), Q3(11), Q4(7)에 의해 전기 사업자가 공급하는 전원 전압이 쵸핑(Chopping)될 때에 발생하는 고조파를 제거해 준다.
부하측에는 쵸핑(Chopping)된 전원전압(61)을 사용자가 원하는 정현파 전압이 되도록 하고 쵸핑(Chopping)작용으로 발생하는 고조파가 부하에 공급되는 것을 막기 위해 리액터와 콘덴서를 사용하여 필터(8)로 작용시킨다.
이때 발생시키는 정현파 전압은 전기사업자가 공급하는 전원전압(4)을 전압의 크기를 그대로 지닌 채 직접적으로 스위칭 작용인 쵸핑(Chopping)한 신호를 다시 부하에서 원하는 정현파 전압으로 발생시켜서 부하에 공급시키므로 기존 인버터 방식(도 2)이 펄스 폭 변조(PWM)변환으로 0과 1의 디지털 신호(71)로 정현파 파형(81)을 발생시키는 것 보다 효율적으로 발생시킬 수 있다. 따라서 기존 인버터(도 2)에서 사용하던 콘덴서와 리액터보다 용량이 작은 용량의 콘덴서와 리액터로 구성된 필터(8)도 완전한 정현파(도 9)를 공급시킬 수 있다.
본 발명의 효과는 다음과 같다.
첫째, 정류회로와 평활회로가 없다. 기존 인버터회로(도 2)에서 펄스 폭 변조(PWM) 변환을 하기 위해서는 반드시 전기사업자가 공급하는 전원전압을 정류회로(22)와 평활회로(23)를 거치면서 DC전압으로 변화시켜야 한다. 이때 사용하고자 하는 전원전압(4)이 커지게 되면 그만큼 정류회로(22)와 평활회로(23)에서 사용되는 부품의 용량이 커져야만 한다. 따라서 기존 인버터 방식(도 2)으로 제작된 제품은 용량에 따른 부피와 가격이 크게 오르게 된다. 하지만 본 발명의 신호 변환방식은 펄스 폭 변조(PWM)방식이 아닌 전원전압(4)의 성질을 가진 그대로를 신호로 변환시키기 때문에 정류회로와 평활회로가 필요가 없다. 이 때문에 본 발명은 가격적으로 구조적으로 이득을 갖는다.
둘째, 전기사업자가 공급하는 전원전압(4)을 쵸핑(Chopping)시 정현파 구조 그대로 신호 변환하여 파형 발생이 간단히 이루어진다. 기존 인버터 방식(도 2)이 펄스 폭 변조(PWM)변환으로 0과 1의 디지털 신호(71)로 정현파 전압으로 발생시키는 것 보다 효율적으로 발생시킬 수 있다.
셋째, 적은 수의 모듈(module)로 구성이 가능하다. 일반적인 IGBT 모듈(module)은 첫번째 IGBT스위치의 에미터와 두 번째 IGBT 스위치 콜렉터가 연결되어 있는 구조로 되어 있어서 다른 용도로 두개의 IGBT스위치가 필요할 경우 두 스위치간에 서로 연결이 되어있어서 두 스위치 다 사용하지 못하고 각각의 IGBT 모듈(module)을 사용하여야 한다. 하지만 본 발명의 결선구조에서는 하나의 IGBT 모듈(module)을 각각 IGBT스위치 Q1(6)과 Q4(7)로 IGBT스위치 Q2(5)과 Q3(11)로 사용할 수 있어서 구조적 장점으로 작용한다.
넷째, 고주파 발생이 적다. 전기사업자가 공급하는 전원전압(4)을 쵸핑(Chopping)할 때에 입력단 양단에 연결된 콘덴서부(9)가 고주파를 줄이는 역할을 한다. 또한 쵸핑(Chopping)작용으로 발생하는 고주파가 부하에 공급되는 것을 막기 위해 리액터와 콘덴서를 사용하여 필터(8)로 작용시킨다.
다섯째, 완전한 정현파(도 9)가 얻어진다. 원 정현파에 가깝도록 쵸핑(Chopping)된 신호(61)를 원신호로 복원시키기 때문에 기존의 인버터 방식(도 2)과 달리 적은 용량으로도 정현파 구현이 가능하고 계단 파형 현상(82)도 일어나지 않게 된다.
여섯째. 역에너지 흐름이 가능하다. 상용주파수 전원(4)에서 양의 반주기 동안 동작하고 게이트 제어 회로(10)에서 송출되는 신호에 의해 동작하는 IGBT 스위치 Q1(6)이 스위칭 작용인 쵸핑(Chopping)할 때 부하의 성격에 따라 역전류가 흐를 수 있도록 하기 위해 IGBT 스위치 Q2(5)가 'on' 동작하고, 프리 휠링(Free wheeling) 작용을 의해 IGBT 스위치 Q3(11)가 'on' 동작하고, 이와 대조를 이루어 전원의 음의 반주기 동안 동작하고 게이트 제어 회로에서 송출되는 신호에 의해 동작하는 IGBT 스위치 Q2(5)가 스위칭 작용인 쵸핑(Chopping) 할 때 역전류의 흐름이 원활하게 Q1(6)을 'on' 동작시키고, 프리 휠링(Free wheeling) 작용을 위해 IGBT 스위치 Q4(7)가 'on' 동작하여 부하의 성격에 따라 발생할 수 있는 회생에너지가 전원측으로 환원이 가능하도록 한다.
역에너지 흐름이 가능하다는 것은 전압제어시 추가적으로 에너지 절전이 가능하다는 것을 말한다. 기존 인버터 방식(도 2)에서는 인버터 입력단에 다이오드(22) 혹은 단방향 반도체를 사용하여 정전압을 반파로 정류하기 때문에 전류의 일방성인 개념으로 전기 사업자가 공급하는 전원(4)이 부하쪽으로 흐르는 것만 가능하기 때문에 실제 부하의 성격에 따라 발생할 수 있는 회생에너지가 다시 전원(4)으로 환원하는 것이 불가능하다. 따라서 기존 인버터 방식(도 2)에서 회생에너지가 발생시 인버터(도 2)와 부하(3)에서 회생에너지가 사용되어야 하므로 회생에너지에 대한 에너지 절감효과가 없고, 그 에너지를 소모하기 위해서 인버터(도 2)와 부하(3)에서 열에너지등에 의해 소모를 해야한다. 에너지 소모시 발생되는 열은 부하(3) 온도를 상승시켜 정상 동작하는데 문제를 일으킬 수 있다.
일곱째, 3고조파 발생이 없다. 본 발명의 전압제어시 부하(3)의 종류와 부하에서 필요로 하는 용량에 관계없이 항상 정현파 전류를 전기사업자가 공급하는 전원(4)에서 사용하기 때문에 전력계통에 문제를 주지 않는다. 특히 기존 인버터 장비(도 2)가 작은 용량의 부하가 연결될 시 3고조파의 전류를 주로 전원(4)에서 사용하는 반면 본 발명은 부하의 용량에 관계없이 일정한 정현파 전류를 전원(4)에서 사용하게 된다.
여덟째, 전원전압(4)과 동기로 운전한다. 전력계통에서는 각 전력 계통 기기는 동기가 같은 상태에서 운전을 해야 한다. 동기가 다른 전원을 사용하는 전력 계통에서 두개의 동기를 같게 하기 위해서 연결시 전력 계통에 무리를 줄 수 있고 심할 경우 전력계통 안전에 영향을 끼칠 수 있다.
현재 사용되고 있는 대부분의 인버터에 연결된 부하(3)가 전원전압(4)과 다른 동기로 운전되고 있는 실정이다. 이 경우 기존 전원전압(4)과 동기로 운전되는 장치와 연결시 양쪽 장비에 치명적인 영향을 줄 수 있다. 본 발명에서는 부하(3)가 운전되는 동기가 전원전압(4)과 같기 때문에 전력계통에 안전하고 효율적인 전원관리가 가능하다.
아홉째, 역률이 개선된다. 본 발명에서 사용되는 입력단에 콘덴서부(9)와 필터(8)내의 소자인 콘덴서에 의하여 사용 전력에서 무효 전력 성분보다 유효전력 성분이 더 많이 들어오도록 역률을 개선한다.
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- 전기사업자가 공급하는 전원(4)과 전력을 사용하는 수용가의 부하(3)사이에 연결되어 전원(4)이 공급하는 전압이 흔들리는 경우에도 부하(3)에 정전압 공급이 가능하게 하고, 추가적인 효과로 역률개선도 가능하게 하여 부하(3)에 공급되는 전력의 질을 향상시키며, 전력절감은 물론 과전압, 과전류로부터 기기를 보호하고 수명을 연장시키기 위한 전압 강하 전용 전압 제어 장치로서,입력전원(4)에서 보내진 정현파를 쵸핑(Chopping)하는 IGBT 스위치 Q1(6), 스위치 Q2(5)와;상기 IGBT 스위치 Q1(6), Q2(5) 에서 쵸핑(Chopping)시 부하전류의 불연속이 되지 않도록 하는 작용인 프리 휠링(Free wheeling) 작용하는 IGBT 스위치 Q3(11), Q4(7)와;IGBT 스위치 Q1, Q2, Q3, Q4의 동작에 의해 만들어진 쵸핑(Chopping) 되어진 신호를 정현파 전압이 되도록 하고 쵸핑(Chopping) 작용으로 발생하는 고조파가 부하에 공급되는 것을 막기위해 리액터와 콘덴서를 사용하는 필터(8)와;쵸핑(Chopping)시 생성되는 고조파를 제거해주는 콘덴서부(9)와; IGBT 스위치 Q1, Q2, Q3, Q4의 동작을 제어하기 위한 게이트 제어 회로(10)로 구성되고,입력전원(4)에서 보내진 정현파를 쵸핑(Chopping)하는 IGBT 스위치 Q1(6), 스위치 Q2(5)는, 입력 전압(31)의 크기가 유지된 채로 쵸핑(Chopping)을 하고 쵸핑(Chopping)에 사용되는 IGBT 스위치 외의 IGBT 스위치를 동작시켜서 입력전원(4)과 양방향 에너지흐름이 가능하도록 하여서 부하(3)의 동작에 따라 발생되는 회생에너지를 입력전원으로 환원 가능한 것을 특징으로 하는 전압 강하 전용 전압 제어 장치.
- 제 9항에 있어서,IGBT 스위치 Q1(6), Q2(5)에서 쵸핑(Chopping)시 부하전류의 불연속이 되지 않도록 하는 작용인 프리 휠링(Free wheeling) 작용하는 IGBT 스위치 Q3, Q4는, 게이트 제어 회로(10)에서 송출되는 신호를 받아 IGBT 스위치 Q1(6)과 Q2(5)가 전원전압(4)을 쵸핑(Chopping)할 때 생기는 부하전류의 불연속이 발생하는 현상을 막기 위해, 게이트 제어회로(10)에서 송출되는 신호를 받아 IGBT 스위치 Q3(11), Q4(7)가 동작하여 부하전류의 불연속이 되지 않도록 하는 작용인 프리 휠링(Free wheeling) 작용을 하는 것을 특징으로 하는 전압 강하 전용 전압 제어 장치.
- 제 9항에 있어서,필터(8)는, IGBT 스위치 Q1, Q2, Q3, Q4의 동작에 의해 만들어진 쵸핑(Chopping) 되어진 신호를 정현파 전압이 되도록 하고 쵸핑(Chopping) 작용으로 발생하는 고조파가 부하에 공급되는 것을 막기 위해 리액터와 콘덴서를 사용하는 것을 특징으로 하는 전압 강하 전용 전압 제어 장치.
- 제 9항에 있어서,콘덴서부(9)는 입력단 양단에 연결되어 게이트 회로에서 쵸핑(Chopping)시 생성되는 고조파를 제거해주는 것을 특징으로 하는 전압 강하 전용 전압 제어 장치.
- 제 9항에 있어서,전원 전압(31)의 제로 크로스 타임(zero crossing time)(32)에서 바로 쵸핑(Chopping)이 시작될 경우 미세한 주파수 변동에 의해서 Q3(11)와 Q4(7)의 'on', 'off'시간과 제로 크로스 타임(zero crossing time)(32)이 맞지 않아서 이 시간 설정이 정확히 이루어지지 않으면 Q1(6)이 동작할 때에 Q4(7)가 동작하거나 Q2(5)가 동작할 때에 Q3(11)가 동작하게 되어 Q1-Q4, 혹은 Q3-Q2가 회로적으로 동시에 'on 동작으로 이루어지는 아암 쇼트(arm-short)현상이 일어나는 것을 방지하기 위해, 제로 크로스 타임(zero crossing time)(32)에서 모든 IGBT스위치의 동작이 이루어지는 것이 아니라 쵸핑 프리(Chopping-free) 구간을 두어 그 시간만큼 IGBT 스위치 Q1(6)과 Q2(5)가 쵸핑(Chopping) 동작을 하지 않고 전원 전압을 부하(3)에 그대로 통과시키는 것을 특징으로 하는 전압 강하 전용 전압 제어 장치.
- 삭제
- 제 9항의 전압 강하 전용 전압 제어 장치를 3상 4선식(도 10)에 적용한 장치.
- 제 9항의 전압 강하 전용 전압 제어 장치를 3상 3선식(도 11)에 적용한 장치.
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| JPH0934564A (ja) * | 1995-07-18 | 1997-02-07 | Chiyoda:Kk | 入力波形追従型交流電源装置 |
| JP2001286145A (ja) | 2000-03-30 | 2001-10-12 | Fuji Electric Co Ltd | 電力変換装置 |
| JP2002247865A (ja) | 2001-02-19 | 2002-08-30 | Kawamura Electric Inc | 交流チョッパ装置 |
| JP2003018843A (ja) | 2001-06-29 | 2003-01-17 | Kawamura Electric Inc | 交流電圧調整装置 |
| JP2003230277A (ja) | 2001-11-27 | 2003-08-15 | Fuji Electric Co Ltd | 電力変換装置の制御方法 |
-
2003
- 2003-11-28 KR KR1020030085861A patent/KR100713691B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (5)
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