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KR20110135126A - 캐스케이드 멀티레벨 고압인버터의 돌입전류 방지장치 - Google Patents

캐스케이드 멀티레벨 고압인버터의 돌입전류 방지장치 Download PDF

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KR20110135126A
KR20110135126A KR1020100054862A KR20100054862A KR20110135126A KR 20110135126 A KR20110135126 A KR 20110135126A KR 1020100054862 A KR1020100054862 A KR 1020100054862A KR 20100054862 A KR20100054862 A KR 20100054862A KR 20110135126 A KR20110135126 A KR 20110135126A
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voltage
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엘에스산전 주식회사
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Abstract

본 발명은 단위셀을 포함하는 캐스케이드 멀티레벨 고압인버터의 돌입전류 방지장치에 있어서, 상기 단위셀은 3상 전압을 정류하는 정류부, 상기 정류된 전압을 평활하는 직류 평활부, 및 상기 3상 중 어느 하나의 상전압이 입력되는 노드와 상기 평활용 커패시터의 입력노드사이에 연결되는 돌입전류방지수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 캐스케이드 멀티레벨 고압인버터의 돌입전류 방지장치를 제공한다.
본 발명에 의하면, 초기 전원인가시 각 단위셀의 입력단 전류를 제어하기 위하여 사이리스터(SCR) 및 다이오드로 구성된 정류부 및 저항과 다이오드로 구성된 초기 충전회로를 구비함으로써, 큰 돌입전류로 인한 파워 모듈의 손상, 케스케이드 멀티레벨 고압인버터의 입력단에 위치한 위상 변이 변압기에 대한 악영향, 큰 용량의 전원설비가 필요하다는 문제점을 보완할 수 있음으로 전체적인 유도전동기 구동 시스템에 대한 안정도가 향상되고, 설비 유지보수비용을 절감할 수 있다는 장점이 있다.

Description

캐스케이드 멀티레벨 고압인버터의 돌입전류 방지장치{RUSH CURRENT PREVENTION APPARATUS FOR CASCADE MULTI LEVEL HIGH VOLTAGE INVERTER}
본 발명은 캐스케이드 멀티레벨 고압인버터의 돌입전류 방지장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 캐스케이드 멀티레벨 고압인버터의 3상 전원에 의한 초기충전시 각 단위셀에 초기충전회로를 구비함으로써 돌입전류를 방지할 수 있는 캐스케이드 멀티레벨 고압인버터의 돌입전류 방지장치에 관한 것이다.
고압 대용량 인버터는 토폴로지 구성 방식에 따라서 다이오드 클램프 멀티레벨 인버터, 커패시터 클램프 멀티레벨 인버터, 캐스케이드 멀티레벨 인버터로 구분된다. 상기 토폴로지 중에서 캐스케이드 고압인버터는 여러 개의 단상 파워셀(이하 단위셀이라 한다)을 직렬로 연결함으로써 저전압 전력용 반도체를 사용하여 고전압을 얻을 수 있는 고압 대용량 인버터의 멀티레벨 토폴로지이다.
도 1a 및 도 1b는 종래 캐스케이드 멀티레벨 고압인버터의 단위셀의 회로도이다.
도 1a에서 보는 바와 같이, 캐스케이드 멀티레벨 고압인버터의 각 상은 직렬 접속된 여러 개의 단위셀(200)을 포함한다. 각 단위셀(200)은 독립된 단상 인버터 구조이며 여러 개의 단위셀을 직렬로 연결함으로써 저전압 단위셀, 즉 저전압 전력용 반도체를 사용하여 고전압을 얻을 수 있다. 또한 단위셀의 수에 따라 출력 전압레벨(level)의 수가 증가하여 정현파에 가까운 전압 파형을 얻을 수 있다. 전원 계통과 연결된 입력부는 2차측이 확장 델타 결선방법의 여러 개의 탭을 갖는 위상변이 변압기(100)와 연결된다.
상기 위상변이 변압기(100)는 캐스케이드 멀티레벨 고압인버터의 각 단위셀에 독립된 전원을 공급하고, 또한 2차측 탭간에 위상차를 두어 멀티 펄스(Multi-pulse) 방식의 정류기형 컨버터를 구성함으로써 기존의 6-pulse 정류 방식에 비하여 아주 낮은 입력단 THD(total harmonic distortion)를 얻을 수 있다.
독립된 단상 인버터 구조를 갖는 단위셀(200)은 3상 교류 전원을 직류전원으로 변환하는 정류부(210), 정류된 전압을 평활하기 위한 직류 평활부(220), PWM 신호에 의하여 파워 스위치 소자(IGBT 등)를 스위칭하여 PWM 전압을 발생시키는 PWM 전압 발생부(200)로 구성된다.
도 1b에서 보는 바와 같이, 상기 정류부(210)는 다이오드 모듈로 구성되어 있음으로 3상 전원 공급에 따른 상기 직류 평활부(220)의 평활용 커패시터에 큰 돌입전류가 흐르게 된다. 일반적으로 초기충전에 의한 직류 평활부의 평활용 커패시터에 흐르는 돌입전류는 정상상태 전류의 20 ~ 40배가 된다.
따라서 상기 큰 돌입전류에 의하여 정류부의 다이오드 모듈 및 위상변이 변압기에 손상을 주며, 무엇보다도 큰 용량의 전원설비가 필요하게 되어 설비 투자 비용이 증가하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 캐스케이드 멀티레벨 고압인버터의 3상 전원에 의한 초기충전시 각 단위셀에 초기충전회로를 구비함으로써 큰 돌입전류를 방지할 수 있는 캐스케이드 멀티레벨 고압인버터의 돌입전류 방지장치를 제공할 수 있도록 하는 것이다.
상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 캐스케이드 멀티레벨 고압인버터의 돌입전류 방지장치는 단위셀을 포함하는 캐스케이드 멀티레벨 고압인버터의 돌입전류 방지장치에 있어서, 상기 단위셀은 3상 전압을 정류하는 정류부, 상기 정류된 전압을 평활하는 직류 평활부, 및 상기 3상 중 어느 하나의 상전압이 입력되는 노드와 상기 평활용 커패시터의 입력노드사이에 연결되는 돌입전류방지수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 정류부는 복수의 다이오드 및 복수의 사이리스터를 포함하고, 상기 돌입전류방지수단은 초기충전다이오드(D4)와 초기충전저항(R1)이 직렬 연결되어 구성되는 초기충전회로를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 검출된 상기 평활용 커패시터의 전압을 미리 설정된 기준전압과 비교하여 상기 복수의 사이리스터를 구동시키는 트리거 신호를 출력하는 사이리스터 구동부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 초기 3상전원 입력시 3상 중 어느 하나의 상전압이 입력되는 노드와 연결되는 정류부의 어느 하나의 사이리스터는 온되어, 초기충전전류의 루프는 상기 초기충전다이오드(D4), 초기충전저항(R1), 상기 직류 평활부의 평활용 커패시터 및 상기 정류부의 다이오드를 따라 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 캐스케이드 멀티레벨 고압인버터의 돌입전류 방지장치에 의하면, 초기 3상 전원인가시 각 단위셀의 입력단 전류를 제어하기 위하여 사이리스터(SCR) 및 다이오드로 구성된 정류부 및 저항과 다이오드로 구성된 초기 충전회로를 구비함으로써, 큰 돌입전류로 인한 파워 모듈의 손상, 케스케이드 멀티레벨 고압인버터의 입력단에 위치한 위상 변이 변압기에 대한 악영향, 큰 용량의 전원설비가 필요하다는 문제점을 보완할 수 있음으로 전체적인 유도전동기 구동 시스템에 대한 안정도가 향상되고, 설비 유지보수비용을 절감할 수 있다는 장점이 있다.
도 1a 및 1b은 종래 캐스케이드 멀티레벨 고압인버터의 단위셀의 회로도이다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명에 따른 캐스케이드 멀티레벨 고압인버터의 단위셀의 회로도이다.
도 3은 본 발명의 초기 충전회로를 갖는 단위셀에 대한 실험 결과를 보여주는 파형도이다.
이하의 상세한 설명은 예시에 지나지 않으며, 본 발명의 실시 예를 도시한 것에 불과하다. 또한 본 발명의 원리와 개념은 가장 유용하고, 쉽게 설명할 목적으로 제공된다.
따라서, 본 발명의 기본 이해를 위한 필요 이상의 자세한 구조를 제공하고자 하지 않았음은 물론 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 실체에서 실시될 수 있는 여러 가지의 형태들을 도면을 통해 예시한다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명에 따른 캐스케이드 멀티레벨 고압인버터의 초기충전회로를 포함하는 단위셀의 회로구성도이다.
도 2a에서 보는 바와 같이, 본 발명의 캐스케이드 멀티레벨 고압인버터의 돌입전류 방지장치는 사이리스터(SCR1, SCR2, SCR3)를 포함하는 정류부(210), 직류 평활부(220) 및 초기충전다이오드(D4) 및 초기충전저항(R1)으로 구성되는 초기충전회로(240)를 포함하는 단위셀(200) 및 상기 정류부(210)의 사이리스터를 구동하기 위한 트리거 신호를 출력하는 사이리스터 구동부(도 2c의 250)를 포함한다.
상기 정류부(210)는 입력전원의 R상, S상, T상의 정현파 입력신호를 정류하기 위하여 다이오드(D1,D2,D3) 및 사이리스터(SCR1, SCR2, SCR3)를 포함한다. 여기서 상기 사이리스터(SCR1, SCR2, SCR3)는 사이리스터 구동부(도 2c의 250)에 의하여 제어된다. 초기 충전시 사이리스터(SCR1, SCR2, SCR3)는 오프되어 위상변이 변압기(100)로부터 출력되는 3상 전원인가에 따른 초기충전전류의 순환루프는 초기충전다이오드(D4) 및 초기충전저항(R1), 평활용 커패시터 및 상기 정류부(210)의 다이오드(D2, D3)를 따라 형성된다.
상기 초기충전회로(240)는 평활용 커패시터에서 입력단으로 전류가 흐르는 것을 방지하기 위한 초기충전다이오드(D4) 및 상기 초기충전다이오드와 직렬연결되어 초기충전전류의 크기를 조절하기 위한 초기충전저항(R1)으로 구성된다.
본 발명은 3상 전원이 최초로 단위셀(200)에 인가되는 경우, 3상 중 어느 하나의 상의 전류가 상기 초기충전회로(240)를 통하여 흐르고 평활용 커패시터를 충전하는 충전모드와, 단위셀(200)에 인가되는 3상 전원이 정상상태에 이른 경우 캐스케이드 멀티레벨 고압인버터를 운전하는 정상모드로 구분된다.
[ 충전모드 ]
도 2b에서 보는 바와 같이, 정류부(210)의 사이리스터(SCR1, SCR2, SCR3)는 오프되어 있음으로, 초기충전전류는 상기 초기충전회로(240)를 거쳐 평활용 커패시터에 전압을 충전시키고 정류부의 다이오드(D2, D3)를 통하여 흐른다. 상기 초기충전전류의 크기는 초기충전저항(R1)에 의해서 결정되고, 초기충전시간은 초기충전저항(R1)과 단위셀의 평활용 커패시터의 시정수에 의해서 결정되며 아래 수식1과 같다.
[수식 1]
Vc = Vdc(1 - e-t/( R1C1 ))
여기서 Vc는 커패시터의 충전전압, Vdc는 정격입력전압에서의 DC 전압, R1은 초기충전회로의 초기충전저항 값, C는 평활용 커패시터 값, t는 충전시간이다.
예를 들어 초기충전회로를 통해서 평활용 커패시터 전압이 t시간 안에 95%까지 충전되도록 하려면 아래 수식 2와 같이 나타낼 수 있으며 C의 값은 단위셀의 설계 시에 정해지는 값이므로 초기충전저항(R1)을 시정수에 맞게 선정한다.
[수식 2]
0.95 = 1 - e-t/( R1C1 )
[ 정상모드 ]
도 2c에서 보는 바와 같이, 초기충전이 완료되면, 상기 사이리스터 구동부(250)는 정류부의 사이리스터(SCR1, SCR2, SCR3)에 트리거 신호를 인가하여 사이리스터를 온시킨다. 여기서 상기 사이리스터 구동부(250)는 전압검출수단(도시하지 않음)을 이용하여 검출된 평활용 커패시터 양단의 전압이 미리 설정된 기준전압보다 높을 경우 상기 사이리스터를 구동하기 위한 트리거 신호를 출력한다.
상기 사이리스터 구동부(250)에서 출력되는 트리거 신호에 의하여 R상의 사이리스터(SCR1)가 온되면, R상 전류는 사이리스터(SCR1), 평활용 커패시터 및 다이오드(D2,D3)를 통하여 직류전압으로 평활된다. 마찬가지로 S상의 사이리스터(SCR2) 및 T상의 사이리스터(SCR3)가 트리거 신호에 의하여 온되면, 평활용 커패시터가 충전되어 직류전압으로 평활된다.
도 3은 본 발명의 초기 충전회로를 갖는 단위셀에 대한 실험 결과를 보여주는 파형도이다.
도 3에서 보는 바와 같이, 단위셀에 전원이 투입되면서 평활용 커패시터에 전압이 충전됨에 따라 초기충전전류의 크기가 작아지는 것을 볼 수 있다. 이때 초기충전전류는 초기설계된 초기충전회로의 초기충전저항(R1)값으로 제한되어지는 것을 볼 수 있다.
본 발명은 초기 전원인가시 각 단위셀의 입력단 전류를 제어하기 위하여 사이리스터(SCR) 및 다이오드로 구성된 정류부 및 저항과 다이오드로 구성된 초기 충전회로를 구비함으로써 큰 돌입전류를 방지할 수 있다.
이상에서는 대표적인 실시 예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시 예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다.
그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100 : 위상변이 변압기 200 : 단위셀
210 : 정류부 220 : 직류 평활부
230 : PWM 전압 발생부 240 : 초기충전회로
250 : 사이리스터 구동부

Claims (4)

  1. 단위셀을 포함하는 캐스케이드 멀티레벨 고압인버터의 돌입전류 방지장치에 있어서, 상기 단위셀은
    3상 전압을 정류하는 정류부,
    상기 정류된 전압을 평활하는 직류 평활부, 및
    상기 3상 중 어느 하나의 상전압이 입력되는 노드와 상기 평활용 커패시터의 입력노드사이에 연결되는 돌입전류방지수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 캐스케이드 멀티레벨 고압인버터의 돌입전류 방지장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 정류부는 복수의 다이오드 및 복수의 사이리스터를 포함하고,
    상기 돌입전류방지수단은 초기충전다이오드(D4)와 초기충전저항(R1)이 직렬 연결되어 구성되는 초기충전회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 캐스케이드 멀티레벨 고압인버터의 돌입전류 방지장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    검출된 상기 평활용 커패시터의 전압을 미리 설정된 기준전압과 비교하여 상기 복수의 사이리스터를 구동시키는 트리거 신호를 출력하는 사이리스터 구동부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 캐스케이드 멀티레벨 고압인버터의 돌입전류 방지장치.
  4. 제 2항에 있어서,
    초기 3상전원 입력시 3상 중 어느 하나의 상전압이 입력되는 노드와 연결되는 정류부의 어느 하나의 사이리스터는 온되어, 초기충전전류의 루프는 상기 초기충전다이오드(D4), 초기충전저항(R1), 상기 직류 평활부의 평활용 커패시터 및 상기 정류부의 다이오드를 따라 형성되는 것을 특징으로 하는 캐스케이드 멀티레벨 고압인버터의 돌입전류 방지장치.
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