KR102325216B1

KR102325216B1 - 회생형 고압 인버터

Info

Publication number: KR102325216B1
Application number: KR1020190163862A
Authority: KR
Inventors: 김경수
Original assignee: 엘에스일렉트릭(주)
Priority date: 2019-12-10
Filing date: 2019-12-10
Publication date: 2021-11-10
Also published as: KR20210073246A

Abstract

본 발명은 회생형 고압 인버터에 관한 것으로, 종래 각 셀마다 필요했던 입력필터와 스위칭제어부를 공용화여 부품수를 줄이고, 3상 위상치환 변압기를 단상 변압기로 대체함으로써 인버터의 크기도 줄이고 제조비용 또한 낮출 수 있는 효과가 있다.

Description

회생형 고압 인버터{REGENERATIVE MEDIUM VOLTAGE INVERTER}

본 발명은 인버터, 특히 전동기의 회전운동을 전기에너지로 변환하는 회생형 인버터에 관한 것이다.

일반적으로 인버터는 전기적으로 직류(DC)를 교류(AC)로 변환하는 역변환 장치로써, 산업계에서 사용되는 인버터는 상용전원으로부터 공급된 전력을 입력받아 자체적으로 전압과 주파수를 가변하여 전동기에 공급함으로써 전동기 속도를 고효율로 이용하게 제어하는 일련의 장치로 정의된다. 이러한 인버터는, 가변전압 가변주파수(variable voltage variable frequency, VVVF) 방식에 의해 제어되며, 펄스폭변조(pulse width modulation, PWM) 출력 따라 전동기에 입력되는 전압과 주파수를 가변할 수 있다.

회생형 인버터는 인버터에 포함된 컨버터를 이용하여 전동기의 회전운동을 전기에너지로 변환할 수 있다.

도 1은 종래의 회생형 인버터에 포함되는 셀 구조를 나타낸다.

종래기술의 회생형 인버터는 전력셀(1010), 스위칭제어부(1020) 및 입력필터(1030)를 포함한다.

회생형 인버터의 전력셀(1010)은 회생운전을 위해 일반적인 인버터의 전력셀이 다이오드로 구성되는 것과 달리 스위칭소자를 사용하는 특징이 있다. 이 스위칭 소자는 한 방향으로만 전류가 흐르게 하는 다이오드와 달리 인버터에 연결되는 전동기를 구동할 때와 전동기의 제동시에 발생하는 에너지를 수집할 때 전류가 반대로 흐르기 때문에 스위칭제어부(1020)에 의해 그 스위칭이 제어된다.

스위칭제어부(1020)는 따라서 입력전원인 3상 전력의 위상에 따라 전력셀(1010) 내의 스위칭 소자를 적절히 제어해야 한다.

이렇게 스위칭제어부(1020)에 의해 전력셀(1010) 내의 스위칭소자의 스위칭, 즉 온/오프를 제어하려면 스위칭 주파수의 펄스파를 발생시키는데, 펄스파의 전압 파형을 필터링 하기 위해 입력필터(1030)가 필요하게 된다. 따라서 입력필터(1030)는 3상 입력전원의 고조파를 저감하는 역할을 한다.

이렇게 종래기술의 회생형 인버터는 각 전력셀 마다 전압측정을 위한 스위칭제어부와 입력전원의 고조파 제거를 위한 입력필터가 추가되어야 한다.

그런데 회생형 인버터의 입력필터는 수동소자로 구성되기 때문에 그 사이즈가 상당히 크고, 셀의 정격전압이 600~2000V에 달하기 때문에 절연레벨 강화를 위해서는 용량도 커져야 하므로 비용이 상당히 높다. 또한 스위칭제어부 내의 전원측정 회로 역시 절연보호와 정확성 확보를 위해 상당히 고가의 소자가 사용되어야 한다. 게다가 3상 전원의 변압기 역시 위상 천이 형태로 제작이 되어야 하기 때문에 제작도 어렵고 비용도 높은 문제점이 있다.

본 발명의 발명자들은 이러한 종래 기술의 회생형 인버터의 문제점 해결을 위해 연구 노력해 왔다. 회생운전이 가능한 인버터의 크기를 줄이고 제작 비용을 낮추기 위해 많은 노력 끝에 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

본 발명의 목적은 회생운전이 가능한 인버터의 부품의 수를 줄여 보다 크기가 작고 비용이 낮은 회생형 인버터를 제공하는 것이다.

한편, 본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은 하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론 할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 것이다.

본 발명에 따른 회생형 인버터는, 삼상전원의 각 상의 전압을 입력받아 단상전압으로 변환하는 전원변환부; 복수의 반도체 스위칭소자를 포함하며 상기 전원변환부로부터 입력받은 단상전압을 단상의 출력전압으로 합성하여 전동기에 전달하는 전력셀; 상기 삼상전원과 전원변환부 사이에 연결되어 상기 전력셀에서 발생하는 스위칭 펄스전압을 제거하기 위한 입력필터; 및 상기 삼상전원과 입력필터 사이에 연결되어 삼상전원의 선간 전압을 측정하여, 이를 바탕으로 상기 전력셀의 스위칭소자를 제어하는 스위칭제어부;를 포함한다.

상기 전력셀은, 상기 전원변환부가 출력하는 단상전압을 직류전압으로 변환하는 정류부; 상기 직류전압을 저장하는 직류링크 캐패시터부; 및 상기 직류링크 캐패시터부에 저장된 직류전압을 단상의 출력전압으로 합성하는 인버터부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 정류부 또는 인버터부는 다이오드 클램핑 멀티레벨 풀브리지 구조인 것이 좋다.

상기 입력필터는 상기 삼상전원의 각 상전압에 직렬로 연결된 저항 및 캐패시터를 포함하고, 상기 저항과 캐패시터의 직렬연결이 Y결선으로 연결된다.

바람직하게는 상기 스위칭제어부는 상기 삼상전원의 각 상전압을 측정하는 전압측정부; 상기 삼상전원의 각 상전압에 직렬로 연결된 저항, 제1 및 제2 다이오드를 포함하고, 상기 저항의 일단이 상기 상전압에 연결되고, 타단은 상기 제1 다이오드의 애노드에 연결되고, 상기 제1 다이오드의 캐소드가 상기 제2 다이오드의 캐소드와 연결되고, 상기 전압측정부는 상기 제1 다이오드의 애노드와 상기 제2 다이오드의 애노드 사이의 선전압을 측정하는 것이 좋다.

본 발명에 따르면 종래 셀마다 필요했던 입력필터와 전원측정부를 공통으로 사용함으로써 입력필터와 전원측정부의 수를 줄일 수 있고, 그에 따라 인버터 전체의 크기가 줄어들고 비용 또한 낮출 수 있는 효과가 있다.

또한 종래 3상 위상 천이 변압기를 단상 변압기로 교체함으로써 비용도 낮고 제작이 쉬운 장점을 가진다.

한편, 여기에서 명시적으로 언급되지 않은 효과라 하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 이하의 명세서에서 기재된 효과 및 그 잠정적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급됨을 첨언한다.

도 1은 종래기술의 회생형 인버터의 셀구조이다.
도 2 내지 6은 종래기술의 회생형 인버터의 자세한 구조를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 바람직한 어느 실시예에 따른 회생형 고압 인버터의 전체 구조를 나타낸다.
도 8은 본 발명의 바람직한 어느 실시예에 따른 전력셀의 구조도이다.
도 9는 본 발명의 바람직한 어느 실시예에 따른 전원변환부의 구조도이다.
도 10은 본 발명의 바람직한 어느 실시예에 따른 스위칭제어부의 구조도이다.
도 11은 본 발명의 바람직한 어느 실시예에 따른 입력필터의 구조도이다.
※ 첨부된 도면은 본 발명의 기술사상에 대한 이해를 위하여 참조로서 예시된 것임을 밝히며, 그것에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되지는 아니한다

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예가 안내하는 본 발명의 구성과 그 구성으로부터 비롯되는 효과에 대해 살펴본다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능에 대하여 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

'제1', '제2' 등의 용어는 다양한 구성요소를 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소는 위 용어에 의해 한정되어서는 안 된다. 위 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않으면서 '제1구성요소'는 '제2구성요소'로 명명될 수 있고, 유사하게 '제2구성요소'도 '제1구성요소'로 명명될 수 있다. 또한, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 표현하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어는 다르게 정의되지 않는 한, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 통상적으로 알려진 의미로 해석될 수 있다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예가 안내하는 본 발명의 구성과 그 구성으로부터 비롯되는 효과에 대해 살펴본다.

도 2는 종래기술에 따른 회생형 인버터의 일반적인 구조도이다.

종래기술의 회생형 인버터(10)는 3상 전압인 입력전원부(20)로부터 전원을 공급받아 전동기(30)로 전달할 뿐 아니라, 전동기(30)의 제동 시 발생하는 회생 에너지를 다시 입력전원부(20)로 공급할 수 있다.

회생형 인버터(10)는 변압기(110)와 복수의 전력셀부(11)로 구성되어 있다.

변압기(110)는 입력전원부(20)로부터 받은 전력을 변압하여 전력셀부(A1~A3, B1~B3, C1~C3)로 공급하고, 전력셀부는 전동기(30)에 삼상 전원을 공급한다.

도 2의 예에서 전력셀부는 각 상별로 세개의 전력셀이 연결된 구조이다. 상별로 전력셀이 더 추가될 수 있음은 물론이다.

도 3은 전력셀부(11)의 구체적인 구성을 나타낸다.

회생형 인버터의 전력셀부(11)는 전력셀(120)과 입력필터(130), 스위칭제어부(140)를 포함한다.

회생형 인버터의 전력셀(120)은 일반적인 인버터의 전력셀(120)과는 달리 내부에 다이오드가 아니라 스위칭 소자를 포함한다. 전류가 한 방향으로 흐르지 않고 양방향으로 흐르기 때문에 스위칭 소자에 의해 전류의 흐름을 제어해야 하기 때문이다.

도 4는 전력셀(120)의 내부 구조를 보여준다.

전력셀(120)은 정류부(122), 직류링크 캐패시터(124) 및 인버터부(126)를 포함한다.

정류부(122)는 입력필터(130)를 거친 3상 전압을 직류 전압으로 정류한다. 정류부(122)는 6개의 스위칭소자(123)로 구성되며, 스위칭소자(123)는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor)일 수 있다.

직류링크 캐패시터(124)는 정류부(122)에 의해 정류된 직류전압을 평활하여 저장한다.

인버터부(126)는 직류링크 캐패시터(124)의 전압으로부터 출력신호를 생성한다. 인버터부(126)는 4개의 스위칭소자(127)로 구성되며, 스위칭소자(127)는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT)일 수 있다. 인버터부(126)는 직류링크 캐패시터(124)에 저장된 직류전압을 스위칭제어부(140)의 제어신호에 따라 소정 전압과 주파수를 가지는 교류전압으로 변환하여 전동기(30)에 공급한다.

도 5와 도 6은 입력필터(130)의 예를 나타낸다.

도 5의 입력필터(130)는 변압기(110)의 3상 출력과 각각 직렬로 연결되는 세 개의 인덕터(131, 132, 133)와, 인턱터(131, 132, 133)와 델타 결선으로 연결되는 캐패시터(134, 135, 136)로 구성된다.

도 6의 입력필터(130)는 도 5의 입력필터와 동일한 구성에 인덕터(131, 132, 133)와 각각 병렬로 연결되는 댐핑저항(137, 138, 139)이 더 포함된다.

다시 도 2로 돌아오면 종래기술의 회생형 인버터(10)는 9개의 전력셀부(A1, A2, A3, B1, B2, B3, C1, C2, C3)를 가지는데, 전력셀부마다 입력필터와 스위칭제어부가 필요하다. 따라서 입력필터와 스위칭제어부 역시 각각 9개가 필요하게 된다. 수동소자인 입력필터의 수가 늘어나니 당연히 부피도 커지게 되고 비용도 높아질 수밖에 없다. 또한 변압기(110) 역시 3상 위상천이 변압기를 사용해야 하므로 고가이며 제작이 어렵다.

이러한 문제를 해결하기 위해 본 발명에서는 입력필터와 스위칭제어부의 수를 줄이고, 변압기를 단상 변압기로 변경하여 전력셀 또한 단상입력, 단상출력 타입으로 변경하였다.

도 7은 본 발명의 바람직한 어느 실시예에 따른 회생형 인버터의 전체 구조도이다.

본 발명에 따른 회생형 인버터는 전력셀부(50), 입력필터(60) 및 스위칭제어부(70)를 포함하여 이루어진다.

전력셀부(50)는 전원변환부(510)와 복수의 전력셀(520)을 포함한다.

도 8은 전원변환부(510)의 한 예를 나타낸다.

본 발명의 전원변환부(510)는 종래기술과 달리 단상 변압기가 사용된다.

입력측 3상 전압이 입력 코일(512)과 출력 코일(514)을 거쳐 단상 전압으로 변환되고, 출력전압은 전력셀(520)로 전달된다.

도 9는 전력셀(520)의 한 예를 나타낸다.

본 발명의 전력셀(520)은 단상전압을 입력 받아 단상전압을 출력하는데 복수의 멀티레벨 인버터 모듈을 포함한다.

이를 위해 전력셀(520)은 정류부(522), 직류링크 캐패시터부(525) 및 인버터부(526)로 구성된다.

정류부(522)는 다이오드 클램핑 멀티레벨 풀브리지 인버터 모듈로 구성될 수 있다. 정류부(522)는 8개의 스위칭소자(523a~523h)와 4개의 다이오드(524a~524d)로 이루어진다.

제1 내지 제4 스위칭소자(523a~523d)가 순서대로 직렬로 연결되고 제5 내지 제8 스위칭소자(523e~523h)가 순서대로 직렬로 연결되며, 직렬로 연결된 두 그룹의 스위칭소자들은 서로 병렬로 연결된다. 즉, 제1 스위칭소자(523a)의 일단과 제5 스위칭소자(523e)의 일단이 연결되어 직류양극전압(DCP)을 생성하고, 제4 스위칭소자(523d)의 일단과 제8 스위칭소자(523h)의 일단이 연결되어 직류음극전압(DCN)을 형성한다. 전원변환부(510)에 의해 변환된 전원이 정류부(522)에 입력되는데, 제2 스위칭소자(523b)와 제3 스위칭소자(523c)의 사이에 변환된 전원이 입력되고, 제6 스위칭소자(523f)와 제7 스위칭소자(523g)의 사이에 변환된 전원이 입력된다.

직렬로 연결된 제1 다이오드(524a) 및 제2 다이오드(524b)는 제2 스위칭소자(523b) 및 제3 스위칭소자(523c)와 병렬로 연결되고, 마찬가지로 제3 다이오드(524c) 및 제4 다이오드(524d)는 제6 스위칭소자(523f) 및 제7 스위칭소자(523g)와 병렬로 연결된다.

제1 다이오드(524a)의 캐소드는 제1 스위칭소자(523a)와 제2 스위칭소자(523b)의 사이에 연결된다. 제1 다이오드(524a)의 애노드는 제2 다이오드(524b)의 캐소드와 연결되어 중성점(DCO)을 생성한다. 제2 다이오드(524b)의 애노드는 제3 스위칭소자(523c)와 제4 스위칭소자(523d) 사이에 연결된다.

제3 다이오드(524c)와 제4 다이오드(524d) 역시 마찬가지의 구조로 스위칭소자들에 연결되며 제3 다이오드(524c)의 애노드는 제4 다이오드(524d)의 캐소드와 연결되어 중성점(DCO)을 생성한다.

정류부(522)에 의해 정류된 직류 전압은 직류링크 캐패시터부(525)에 저장된다. 직류링크 캐패시터부(525)는 두 개의 캐패시터가 직렬로 연결되어 구성되며, 두 캐패시터 사이에 중성점(DCO)이 연결된다.

인버터부(526) 또한 정류부(522)와 같이 다이오드 클램핑 멀티레벨 풀브리지 인버터 모듈로 구성될 수 있다.

제9 내지 제12 스위칭소자(527a~527d)와 제13 내지 제16 스위칭소자(527e~527h)가 병렬로 연결되며, 제5 및 제6 다이오드(528a, 528b)는 제10 및 제11 스위칭소자(527b, 527c)와 병렬로 연결되고, 제7 및 제8 다이오드(528c, 528d)는 제14 및 제15 스위칭소자(527f, 527g)가 병렬로 연결된다.

제9 스위칭소자(527a)와 제13 스위칭소자(527e)의 일단이 만나 직류양극전압(DCP)을 생성하고 제12 스위칭소자(527d) 및 제16 스위칭소자(527h)가 만나 직류음극전압(DCN)을 생성한다. 제10 스위칭소자(527b)와 제11 스위칭소자(527c) 사이와, 제14 스위칭소자(527f)와 제15 스위칭소자(527g) 사이로는 전압이 출력된다.

도 10은 스위칭제어부(70)의 좀 더 자세한 구조도이다.

스위칭제어부(70)는 전원입력부(80)의 3상 전압을 측정하여 전력셀부(50)의 스위칭소자들의 스위칭을 제어한다.

3상 전압을 측정하기 위해 3상 전압중 하나의 입력과 직렬로 연결된 저항(72)과 저항(72)의 다른쪽 끝에 직렬로 연결된 두 개의 다이오드(74, 76)가 필요하다. 제1 다이오드(74)의 애노드는 저항과 연결되고 캐소드는 제2 다이오드(76)의 캐소드와 연결되며 제2 다이오드(76)의 애노드는 전압측정회로(78)와 연결된다. 동일한 구조로 하나의 저항과 두 개의 다이오드가 전원입력부(80)의 3상 전압 중 나머지 두 전압과 전압측정회로(78) 사이에 직렬로 연결된다.

전압측정회로(78)는 저항(72)과 제1 다이오드(74)의 사이에서 전압을 측정한다.

스위칭제어회로(79)는 전압측정회로(78)에서 측정한 전압에 의해 전력셀부(50)에 포함된 스위칭소자들의 스위칭을 제어한다.

스위칭제어부(70)가 전원입력부(80)와 전원변환부(510) 사이에 연결되므로 종래 기술과 달리 하나의 스위칭제어부(70)만으로 모든 전력셀들의 스위칭을 제어할 수 있고 따라서 전체 인버터의 크기를 줄이고 비용도 절감할 수 있다.

도 11은 본 발명의 입력필터의 한 예를 나타낸다.

입력필터(60)는 저항(62)과 캐패시터(64)가 직렬로 연결되고, 다른 저항과 캐패시터의 묶음과 Y결선 형태로 삼상전원의 각 상전압에 연결된다.

입력필터(60)는 전력셀들에서 스위칭에 의해 발생하는 펼스전압을 제거하는 역할을 한다.

입력필터(60) 역시 모든 전력셀마다 연결되는 것이 아니라 전원입력부(80)와 전원변환부(510) 사이에 하나만 연결되므로 부피와 비용을 줄일 수 있는 효과가 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 회생형 고압 인버터는 스위칭제어부와 입력필터를 공통으로 사용하고, 전원변환부도 크기가 작고 구조가 간단한 단상입력/단상출력 변압기를 사용함으로써 전체적인 인버터의 크기를 줄이면서 보다 적은 비용으로 제작할 수 있는 효과가 있다.

본 발명의 보호범위가 이상에서 명시적으로 설명한 실시예의 기재와 표현에 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 자명한 변경이나 치환으로 말미암아 본 발명이 보호범위가 제한될 수도 없음을 다시 한 번 첨언한다.

Claims

삼상전원의 각 상의 전압을 입력받아 단상전압으로 변환하는 전원변환부;
복수의 반도체 스위칭소자를 포함하며 상기 전원변환부로부터 입력받은 단상전압을 단상의 출력전압으로 합성하여 전동기에 전달하는 복수의 전력셀;
상기 삼상전원과 전원변환부 사이에 연결되어 상기 전력셀에서 발생하는 스위칭 펄스전압을 제거하기 위한 입력필터; 및
상기 삼상전원과 입력필터 사이에 연결되어 삼상전원의 선간 전압을 측정하여, 이를 바탕으로 상기 복수의 전력셀의 스위칭소자를 제어하는 스위칭제어부;를 포함하되,
상기 전력셀은,
상기 전원변환부가 출력하는 단상전압을 직류전압으로 변환하는 정류부;
상기 직류전압을 저장하는 직류링크 캐패시터부; 및
상기 직류링크 캐패시터부에 저장된 직류전압을 단상의 출력전압으로 합성하는 인버터부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 회생형 고압 인버터.
삭제
제1항에 있어서,
상기 정류부 또는 인버터부는 다이오드 클램핑 멀티레벨 풀브리지 구조인 것을 특징으로 하는, 회생형 고압 인버터.
제1항에 있어서,
상기 입력필터는 상기 삼상전원의 각 상전압에 직렬로 연결된 저항 및 캐패시터를 포함하고, 상기 저항과 캐패시터의 직렬연결이 Y결선으로 연결되는 것을 특징으로 하는, 회생형 고압 인버터.
제1항에 있어서,
상기 스위칭제어부는
상기 삼상전원의 각 상전압을 측정하는 전압측정부;
상기 삼상전원의 각 상전압에 직렬로 연결된 저항, 제1 및 제2 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는, 회생형 고압 인버터.
제5항에 있어서,
상기 저항의 일단이 상기 상전압에 연결되고, 타단은 상기 제1 다이오드의 애노드에 연결되고,
상기 제1 다이오드의 캐소드가 상기 제2 다이오드의 캐소드와 연결되고,
상기 전압측정부는 상기 제1 다이오드의 애노드와 상기 제2 다이오드의 애노드 사이의 선전압을 측정하는 것을 특징으로 하는, 회생형 고압 인버터.