KR20020030261A

KR20020030261A - 매트릭스 컨버터 작동 방법 및 그 방법을 구현하는매트릭스 컨버터

Info

Publication number: KR20020030261A
Application number: KR1020010063779A
Authority: KR
Inventors: 라까제알랭; 뚜리실비
Original assignee: 알스톰 파워 엔.브이.
Priority date: 2000-10-16
Filing date: 2001-10-16
Publication date: 2002-04-24
Also published as: EP1199794A2; ATE268956T1; DE10051222A1; JP2002165455A; RU2001127977A; EP1199794A3; DE50102522D1; US6519170B2; CN1357965A; JP3893265B2; US20020093840A1; EP1199794B1; CZ20013697A3

Abstract

교류 전압을 공급하는 전원의 m 상들 (G1,...,G6) 이 (m ×n) 매트릭스에 배치된 다수의 제어 가능한 양방향성 스위치들 (14) 을 통하여 부하 (12) 의 n 상들 (L1,...,L3) 과 번갈아 연결되는 매트릭스 컨버터 (10) 의 작동 방법에서, 전원 (11) 의 제 1 상 (Gk) 으로부터 전원 (11) 의 제 2 상 (Gl)으로 전환을 다음 조건이 충족되는 경우에 발생시킴으로써, 저렴하게 증가된 성능이 가능하게 되며,

여기서, I_k및 V_k는 전원의 제 1 상 (Gk) 의 전류 및 전압이고, V_l은 제 2 상 (Gl) 의 전압이고, 각 순간에, K_ijkl는 전원 (11) 의 상들 (G1,...,G6) 과 부하 (12) 의 인덕턴스 사이의 상호 인덕턴스에 대한 특성 상수이다.

Description

매트릭스 컨버터 작동 방법 및 그 방법을 구현하는 매트릭스 컨버터{METHOD FOR OPERATING A MATRIX CONVERTER AND MATRIX CONVERTER FOR IMPLEMENTING THE METHOD}

본 발명은 전력 전자 분야에 관한 것이며, 특히 가변 속도의 동기식 전동기들과 유도 전동기들의 구동뿐만 아니라 동기 본선 주파수 이상에서 동작히는 동기식 발전기로 발전시키는 것에 관한 것이다.

본 발명은 제 1 항의 전제부의 매트릭스 컨버터를 작동하는 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 그 방법을 구현하는 매트릭스 컨버터에 관한 것이다.

발전에 있어서, 특정 출력에서 터빈의 회전 속도의 증가는 사이즈와 비용의 감소에 관련된다. 효율이 또한 개선될 수 있다. 70MW에 이르는 발전 터빈들이 동력 전달 장치 (gearing arrangement) 들에 의해 발전기들에 연결되어 보다 높은 회전 컨버터의 속도에서 작동이 가능하도록 한다. 출력이 증가함에 따라, 안전상의 이유로 동력 전달 장치 (gearing arrangement) 들의 사용은 점점 더 어렵게 된다. 그러한 경우들에서, 터빈은 동기 속도로 작동된다.

동력 전달 장치의 사용은 다음의 단점들에 관련된다.

●고정된 전송률;

●40MW 에 대하여 100db 이상의 노이즈 레벨 및 70MW에 대하여 115db이상의 노이즈 레벨;

●특정 부하에 무관한 기계적 손실들; 및

●오일 냉각과 오일 윤활에 관하여 요구되는 필요물들

정지 주파수 컨버터 (전력 전자) 들의 사용은 선택적임을 나타낸다. 다음 이점들이 기대된다.

●볼륨 및 회전 속도의 일정한 출력에 따른 발전기의 감소된 비용들의 절감;

●50 및 60Hz 에 대한 표준화된 발전기;

●터빈의 국부 부하 효율의 복구을 가능하게 하는 조정 가능한 속도;

●노이즈에 있어서 실질적인 감소;

●깨끗한 (오일이 없는) 냉각;

●출력을 작게 유지하여 터빈 비용을 조금 감소시키는, 동력 전달 장치에 의해 제공되지 않는 선택인, 상한이 없는 가능한 출력; 및

●시동 전동기로서의 발전기의 사용 (가스 터빈을 사용하는 경우)

발전의 경우 및 구동의 경우 모두, 정지 주파수 컨버터들의 비용 감소는 실질적인 비용 절감을 가져올 것이다. 특히, 냉각이 컨버터의 총 비용의 실질적인 부분의 원인이 되기 때문에 손실의 감소는 특히 투자비용과 관련을 갖는다.

또한, 감소된 냉각 필요물들은 전자부품들을 더 소형화시키는 선택을 제공하여, 발전소에서 또는 발전기 유닛에서 조차도 전력 전자부품들의 집적을 용이하게 한다. 발전기 유닛에서 전력 전자부품들의 조밀한 집적은 접속 라인들의 단축, 공유 냉각 장치들 및 작은 전체 부피 (조립 비용의 절감) 의 소형화 추가적인 이점을 제공할 것이다.

또한, 개당 10MW까지의 대형 구동의 분야에서, 이러한 이점들은 감소된 손실로부터 발생할 수 있어, 터빈의 직접적인 기계적 구동과 비교하여 우수한 이점을 제공한다.

정지 주파수 컨버터들은 간접 AC/DC/AC 변환 및 직접 AC/AC변환 모두에 존재한다.

간접적인 변환 (AC/DC/AC) 은 지시된 직류 전류 또는 지시된 직류 전압을 3상 전원 (모터의 경우에는 본선; 발전의 경우에는 발전기) 으로부터 발생시킴으로써 일어난다. 결과적으로, 직류 전류 또는 직류 전압은 인버터와 같은 장치에 의해 교류 전류로 다시 변환된다.

인덕턴스 (전류 변환기) 또는 커패시터 뱅크 (전압 변환기) 는 중간회로로 변환되어 전류의 리플 (ripple) 성분 또는 스파이크 (spike) 들을 감소시킨다.

오늘날, 컨버터들은 사이리스터들을 이용한다. 사이리스터의 자연적 변환이 가능하다면, 컨버터에 있어서 손실들이 감소된다. 그러나, 예를 들어 유도 전동기들은 무효전력을 흡수한다. 회로로부터 이 무효 전력을 이용하기 위해, 바라는 시각에 컨버터의 특정 암 (arm) 에서 전류를 차단하는 것이 가능해야한다. 이 경우, 변환이 강제되고, 손실이 증가하게 된다. 전기 기기 (발전기 또는 모터) 에서, 상전류들은 초핑된 직류 전류들 (chopped direct currents) 이다. 전기자 반작용은 일정한 속도 및 크기로 회전하지 않고, 대신 변환 사이클에 따라 점프하게 된다. 6-펄스 컨버터 또는 12-펄스 컨버터는 전기자 반작용에 대하여 6 또는 12의 다른 각 상태들를 제공한다. 이것은 기기의 손상에 이를 수 있는 강하게 진동하는 전기 기기에서의 큰 추가 손실들과 토크들을 야기한다. 6펄스 컨버터들에서의 효과는 12-펄스 컨버터들에서의 효과보다 4배 더 크다.

전압 컨버터는 IGBT들 및 IGCT들 뿐만 아니라 높은 고유 스위칭 손실들을 갖는 GTO들을 이용한다. 각각의 부품들의 전력은 사이리스터의 전력보다 작아서, 결국, 특정 전압 또는 특정 전류를 위해서는 많은 부품들이 필요하게 된다. 전압 컨버터들은 전류 곡선의 형태를 개선하고, 고조파들을 감소시키는 펄스폭 변조 기술들을 이용하여 이점을 얻을 수 있다. 손실들과 유전체 손실과 관련된 경우를 제외하고는, 스위칭 주파수는 높을 수록 좋다. 전류의 곡선 형태는 거의 정현파 형태로 될 수 있어 전기 기기의 전력 감소를 피할 수 있다.

예를 들면, 소위 사이클로 변환기 (cyclo converter) 에 의해 직접 변환 (AC/AC) 이 가능하다. 전류가 초핑된 직류 전류라기 보다는 오히려 다소 정현파 형태이기 때문에 직접 변환은 전기 기기의 관점으로부터 작은 이점들을 제공한다. 그것은 전기 기기 내에서 추가적으로 발생하는 손실들을 감소시키고, 또한 토크가 진동하는 것을 방지한다.

그러나, 사이클로 컨버터들의 사용은 달성 가능한 주파수 범위를 입력 주파수의 0-1/3에 제한한다. 불균형한 작동에 기인하여, 1/3의 제한을 초과하는 것은 3팩터 의 초과를 야기한다.

직접 변환의 또 다른 가능성이, 양 방향 스위치 (예를 들어 N.Mohan 등의 전력전자 제 2판, 뉴욕 소재 John Wiley 및 Sons, 페이지 11-12 참조) 에 의해 다상 전원 (발전기 또는 본선) 의 각 상이 다상 부하 (본선, 수동 부하, 전동기들 등등) 의 각 상과 연결되거나 또는 연결 가능한 소위 매트릭스 컨버터에 의해 제공된다. 스위치들은 상 사이의 전압차 및 상전류들을 잘 견디어 내고 전류 반전을 허용하는 적당한 수의 사이리스터들로 구성된다. 스위치들은 역평행 부품들에 대한 작동 펄스들에 대하여, 스너버 (snubber) 들 또는 전력 공급장치들과 같은 부가 배선을 함께 사용하는 선택들을 가진 진정한 양방향성 부품들로 취급될 수 있다.

스위치들은 전원의 m상들 및 부하의 n상들에 m ×n 매트릭스로 배치된다. 이것은 입력의 상들과 출력의 상들 사이에 어떤 바라는 접속을 확립시키는 선택을 제공하지만, 예를 들어 그렇지 않으면, 단락 회로를 야기시킬 것이기 때문에, 그것은 동시에 매트릭스의 어떤 스위칭 상태가 허용되지 않는다는 점에서 단점을 갖는다. 또한, 가능한 가장 작은 스위칭 손실이 일어나도록, 한 상으로부터 다른 상으로의 변환을 실행하는 것이 바람직하다.

미국특허 A 5,594,636은 상들 사이에 변환이 자연적 변환이 가능하지 않은 강제 변환과 함께 자연적 변환으로서 부분적으로 실행되는 매트릭스 컨버터 및 그 작동 공정을 설명한다. 이 유형의 선택으로 자연적 변환에 기인하여 스위칭 손실들이 감소되지만, 강제 변환으로부터 발생하는 그러한 스위칭 손실들이 여전히 남게 된다. 또한, 매트릭스의 모든 위치에서, 가능한 강제 변환이 스위치가 차단될 수 있는 부품들의 사용을 필요로 한다. 이것은 스위칭 비용을 상당히 증가시킨다.

따라서, 본 발명의 목적은 공지의 매트릭스 컨버터 해결들의 단점을 피하고, 특히 상들 사이의 완전한 자연적 변환을 가능하게 하는 매트릭스 컨버터 및 매트릭스 컨버터 작동 방법을 개시하는 것이다.

도 1 은 본 발명에 따라 변환 상태를 끌어내는데 사용되는, 4개의 입력 상들 및 3개의 출력 상들을 포함하는 컨버터에 의한 변환을 나타내는 도면.

도 2 는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 6개의 입력 상들과 3개의 출력 상들을 갖는 매트릭스 컨버터의 개략적인 회로도.

*도면중 주요 부분에 대한 부호에 관한 설명

10 : 매트릭스 컨버터

11 : 발전기

12 : 부하

13 : 파워 콤포넌트

14 : 스위치 (양방향성)

15 : 전류 측정 장치

16 : 전압 측정 장치

17 : 제어 시스템

18 : 클럭

19 : 제어 라인

20,...,22 : 신호 라인

G1,...,G6 : 상 (전원)

L1,...,L2 : 상 (부하)

S : 스위치

V_i,...,V_l: 전압 (발전기/전원 상)

이 목적은 제 1 항 및 제 5 항의 전체 특징에 의해 충족된다. 변환이 자연적 변환으로서 실행될 수 있다면, 본 발명의 본질은 한 상으로부터 다른 상으로의 변환을 가능하게 하고, 쉽게 측정 가능한 매트릭스 컨버터의 양으로, 간단히 표현될 수 있고, 그래서, 쉽게 증명될 수 있는 변환에 대한 상태의 지정을 포함한다.

본 발명에 따른 방법의 바람직한 실시 형태는 스위치들의 스위칭 상태, 전원의 상들의 연결 상태 및 다음 조건의 증명에 대하여,

전원의 상들에서의 전류들의 부호 와 전원의 상들 사이의 전압차의 부호들은 계속 모니터 되거나 또는 측정되고, 전환이 발생하는 한 시점은 항상 미리 결정되고, 하나 이상의 선택된 상들의 전환은 조건이 충족되는 그 미리 결정된 시점에서 발생하고, 그렇지 않으면, 전환이 조건이 충족되는 후의 시점에 발생하는 점에 특징이 있다. 특히 역평행 사이리스터들은 양방향성 스위치들로서 사용된다.

이하, 도면을 참조한 실시형태에 의해 발명이 더욱 상세히 설명된다.

도 2 는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 6개의 입력 상들과 3개의 출력 상들을 포함하는 매트릭스 컨버터의 개략적인 회로도를 나타낸다. 매트릭스 컨버터 (10) 는 타임 시퀀스로 전원인 발전기 (11) 의 6개의 상 (G1,...,G6) 을 부하 (12) 의 3개의 상 (L1,...,L2) 에 연결한다. 그것에 필요한 파워 콤퍼넌트 (13) 은 역평행 스위치를 갖는 사이리스터들의 형태 (일반적으로, m 입력/전원 및 n 출력/부하에 대해 m ×n 스위치들이 있다.) 로 18개의 양방향성 스위치들 (14) 을 포함한다. 스위치들 (14) 은 (6 ×3) 매트릭스 (통상, m ×n 매트릭스) 로 설치된다. 제어 시스템 (17) 은 스위치들 (14) 를 선택하는데 제공되고, 상기 제어는 클럭 (18) (클럭 주파수) 으로부터 타임 신호들을 수신한다. 스위치들 (14) 의 스위칭 상태 (ON, OFF) 는 모니터 되고, 각 경우에 제 1 신호 라인 (20) 을 통하여 제어 시스템 (17) 에 보고된다. 각 순간에 스위치들 (14) 은 제어 시스템 (17) 에 의해 제어 라인 (19) 을 통하여 선택된다.

발전기 (11) 의 개별적인 상들 (G1,...,G6) 의 각각에 있어, 전류 측정 장치 (15) 는 제 2 신호 라인 (21) 을 통하여 상전류의 부호를 제어 시스템 (17) 에 보고하는 각 순간에 배치된다. 또한, 전압 측정 장치들 (16) 은 발전기 (11) 의 상들 (G1,...,G2) 사이에 배치되고, 상기 전압 측정 장치들은 제 3 신호 라인 (22) 를 통하여 각 상의 전압차의 부호를 제어 시스템 (17) 에 보고한다.

매트릭스 컨버터 (10) 은 회전자의 회전 속도 f_r,극 쌍의 수 p, 상들 사이의 변환 주파수 f_c및 상들의 수 와 관련된 출력 또는 그리드 주파수 f_s를 발생한다. 고정자 z상들을 허용한다면, 접속 회로들은 회전하여 z상들을 변환하여야 한다. 즉,

(1)

이것은 t_c=1/f_c에 대한 두 변환 사이의 시간 t_c을 일으킨다.

이하, 매트릭스 (10) 내부의 변환에 대하여 변환 척도가 얻어지고, 상기 변환 척도는 본질적으로 스위치가 꺼진 상과 스위치가 들어온 상 사이의 상차전압 결과의 부호 및 스위치가 꺼진 상의 상전류의 결과의 부호에 근거한다. 결과가 음이라면, 두 상사이의 변환이 허용되고, 그렇지 않으면, 금지된다. 변환이 특정 시각 후에 존재하고, 변환 척도가 충족된다면, 제어 시스템 (17) 에 의해 변환이 트리거된다.

변환에 대하여, 발전기 (11) 의 '자유'상이 요구되고, 어떤 스위치들 (14) 이 작동되지 않는 각 순간에 있어, 단락 회로를 피하기 위해, 제어 시스템 (17) 은 모든 순간에 상들 (G1,...,G6) 중 어느 것이 상들중 관계된 모든 스위치들이 열리는 자유상 인가를 알아야 한다. 또한 제어 시스템 (17) 은, 이 변환에 대하여 적합한 스위치를 정확히 켜기 위해 변환되어야 하는 상이 출력 상들 (L1,...,L3) 중 어느 것으로 스위칭 되어야 하는가를 인식하여야 한다.

5개의 상들 (부하 (12) 의 3재의 상들 (L1,...,L3) 의 경우에) 을 갖는 발전기 (11) 에 대해, 최대 2개의 동시 변환의 가능하고, 6개의 상들의 경우에 (도 2 참조), 최대 3개의 동시 변환 가능하다. 단지 2개의 동시 변환만이 가능하다면, 각각의 스위치들 (14) 는 동시에 작동된다. 원칙적으로, 3개의 동시 변환은 허용되지 않는다. 그러나, 첫 2개의 변환이 완성되고, 상기한 변환 척도가 충족된다면, 3개의 변환이 수행될 수 있다.

이러한 다른 경계 조건들은 스위치들 (14) 에 의하여 또는 사이리스터 쌍들에 의하여 매트릭스 컨버터 (10) 을 통해 아무 문제없이 실현하는 것을 가능하게 한다. 제어 시스템 (17) 는 다음 정보들을 평가함에 의하여 닫혀야 하는 사이리스터들을 결정한다.:

●회전자의 속도와 출력에서의 바람직한 주파수가 상들 사이의 변환이 발생할 시점들을 결정한다.

●부호 또는 발전기 (11) 의 상 (G1,...,G6) 에서의 전류의 소멸 및 상차전압은 다음을 아는 것을 가능하게 한다.

●어느 상들이 '자유'상이고, 어느 상들이 벌써 사용되었는지 여부;

●변환 척도가 충족되었는지 여부; 및

●3개의 동시 변환을 예방하기 위해 얼마나 많은 상들이 벌써 사용되었는지 여부;

●스위치가 켜진 사이리스터들은 발전기 (11) 의 어느 상들이 부하 (12) 의 어느 상들에 연결되는지를 아는 것을 가능하게 한다.

상기의 변환 척도는 변환하기를 원하는 상 Gy의 전류 i_Gy의 절대값이 올라가고 있는 동안, 변환 시각 t₀에서, 변환하기를 원하는 상 Gx의 전류 i_Gx의 절대값이 떨어지고 있다면, 발전기 (11) 의 두 상 사이의 자연적 변환이 성공적으로 수행될 수 있다는 물리적인 전제에 근거한다.

(2)

이 필요한 조건은 그것으로 변환하기를 원하는 상은 그것으로부터 변환하기를 원하는 상보다 높은 전기력 및 이와 동일한 방향감을 갖는다. 그러나, 전기력은 단지 아이들링 (idling) 동안에만 측정되기 때문에, 척도는 쉽게 접근할 수 있거나 또는 측정할 수 있는 양으로 확립될 수 있다.

이하 도 1 에서 나타나는 바와 같이, 이것은 발전기가 4개의 상들 (G1,...,G3) 을 포함하고, 부하가 3개의 상들 (L1,...,L3) 을 포함하는 가장 간단한 경우에 대하여 발생할 것이다. 입력측의 4개의 상들 (G1,...,G3) 이 성형 결선으로 연결된다. 변환 (상 G4의 스위치 S는 열림) 상 (G1,...,G3) 은 상 (L1,...,L3) 에 연결되기 전에, 상 (G4) 는 '자유'상이다. 변환 (스위치 S를 닫음에 의해) 으로, 상 (G3) 으로부터 상 (G4) 으로의 변환이 일어날 것이다. 부하가 저항 R_L,인덕턴스 L_L커패서티 C를 포함하고, 4상 발전기의 자기 인덕턴스와 상호 인덕턴스가 매트릭스

(3)

로 표시될 수 있다면, 상전압들은 V₁,...,V₄이고, 다음의 식들이 계속해서 적용된다.

(4)

(5)

그 후, 식들의 다음 시스템이 서술될 수 있어, 인덱스 1,...,4 대신에 일반적인 인덱스 i,j,k,l이 사용된다.

(6)

또는

(7)

매트릭스 [A_ij]가 독립적이지 않다고 하면, 방정식 시스템은 다음과 같이 해결될 수 있다.

(8)

발전기 상들의 상호 인덕턴스와 부하의 인덕턴스에 의존하는 상수로 다음의 식이 적용되는 상수 K_ijkl가 존재한다.

(9)

성공적으로 실행될 수 있는 자연적 변환에 대하여, 변환이 0을 통과한 후 변환이 일어난 상의 전류 I_k가 발생되는 것이 필요하다. 이것은 다음 조건으로 표시된다.

(10)

식 (9) 와 결합하여, 변환척도를 유도한다.

(11)

따라서, 발전기 및 부하의 자기 인덕턴스 및 상호 인덕턴스에 의하여 결정된 상수 K_ijkl가 알려졌다면, 쉽게 측정 가능한 양들에 의해, 상전류 I_k및 상차전압 V_k-V_l의 부호들에 의해 발전기의 상들 k 와 i 사이의 의도된 자연적 변환이 실행될 수 있는지 아닌지를 모든 순간에 결정할 수 있다. (인덱스 i 및 j는 상 k 및 l 사이의 변환 공정에 참여하지 않는 상들을 나타낸다.) 조건 또는 규칙 (11) 은 단지 전류들 및 전압들의 부호에만 의존하고, 그들의 실제 값에는 의존하지 않는다. 따라서, 변환 조건에 필요한 정보가 아주 간단한 검출기로나 측정 장치들로 얻어질 수 있다.

연속 변환들의 결합의 결과로서, 고정자 전류들의 경로는 발전기 축의 주위를 회전한다. 전기자 반작용은 50 또는 60HZ (즉, 본선 주파수) 로 일정한 모듈을 갖고 벌써 회전한다. 고정자 전류 경로의 회전이 50/60 HZ 회전에 추가되어, 변환 속도를 변화시킴으로써 정할 수 있는, 아주 다른 주파수를 갖는 전기자 반작용의 회전을 야기하게 된다. 이것은 동기식 및 비동기식 작동을 가능하게 만든다.

도 2 에 따라 매트릭스 컨버터 (10) 의 경우에 스위치 (14) 의 선택에 이르는 결정 공정은 아주 간단하다.

처음에, 클럭 (18) 은 원하는 주파수에 따른 어느 시점, 즉, 현재 부하 (12) 에 연결된 상들이 다른 상들에 의해 대체되어야 하는 시간 내의 어느 시점에 제어 시스템 (17) 에 통보하고, 어떤 피드백 정보에 따라, 적용 가능하다면, 새로운 변환이 발생할 것이다.

계속되는 스위치들 (14) 및 상 (G1,...,G6) 의 모니터링의 결과로서, 제어 시스템 (17) 은 어느 상들이 '자유' 상, 즉, 전류를 흐르게 하지 않아야 하는 상인지를 또, 어느 상이 계속해서 안전하게 변환될 수 있는지를 안다. 하나 또는 둘 이상의 변환이 가능하다면, 관계된 스위치들 (14) 은 작동된다. 변환 척도(11) 가 그 시각에 충족되지 않는다면, 그 척도가 실질적으로 충족되는 이 후 시각에 변환이 일어난다. 상기에서 이미 언급된 바와 같이 3개의 상들의 동시 변환은 회피된다. 제 2 의 변환과 제 3 의 변환 (가능한 매 초 마다) 은 그것들이 안전하게 실행될 때까지 연기된다.

매트릭스 컨버터 (10) 에 연결된 동기기는 모터로서 또는 발전기로서 작동될 수 있다. 그것은 모터 작동으로부터 발전기 작동으로 전환될 수 있고, 따라서, 시동 모터로 사용될 수 있다. 제어 방법들을 변화시키지 않고, 진상 또는 지상 작동들이 가능하다. 또한, 전압이 발전기의 여자에 의해 결정되는 자동 작동이 가능하고, 주파수 제어는 전동기 (11) 와 컨버터 사이에 분할된다.

유도기의 경우에, 시동 공정 동안의 전압에 주의를 요한다. 전류 반전 동안 사이리스터들의 지연된 트리거링 (triggering) 에 의해 평균 전압이 잠시 감소될 수 있다.

구동 전동기들의 경우, 같은 원리를 구현하는 두 가지 선택들이 있다. 한 선택은 3상 네트워크로부터 6상 네트워크를 발생시키는 2 개의 2차 권선을 갖는 변압기의 사용을 포함한다. 다른 선택은 매트릭스 컨버터를 통하여 본선에 직접 연결된 n상 전동기의 사용이다.

변환이 인접한 상들 사이에 허용되기만 하면, 고조파 방해들은 감소된다. 존재하는 상들의 수가 작다면, 허용된 변환의 가능성도 낮고, 따라서, 달성 가능한 주파수 범위를 제한하게 된다. 그러나, 변환이 인접하지 않은 상들 사이에서도 허용된다면, 4개의 상들의 경우에서조차, 전체 주파수 범위가 액세스하는 것이 가능하다. 상들의 수가 증가한다면, 고조파 방해들이 또한 감소된다. 이것은 통신을 가능하게 하는 보다 많은 기회들을 발생시켜, 주파수 범위를 확대하게 된다. 그러나, 컨버터의 비용들은 상들의 수와 밀접하게 연관이 있기 때문에 상들의 수와 필터링 수고 사이에 적절한 타협이 이루어져야 한다.

제안된 매트릭스 컨버터로, 앞으로의 손실들은 종래의 컨버터들에 비교하여 2의 팩터 (factor) 만큼 감소될 수 있다. 변환 손실들의 감소는 각각의 적용에 의존한다. 3상, 50Hz로 변환되는 6상, 85Hz의 발전기의 경우, 12상 정류기/인버터와 비교할 때, 2의 팩터 (factor) 를 초과하여 변환 손실들에 있어 감소가 있게 된다.

제안된 매트릭스 컨버터는 어떤 고유의 무효전력 소모도 없다. 예를 들면, 직접 AC/AC 변환을 수행하는 사이클로 컨버터는 정현파 형태의 전압을 달성하기 위해 필요한 트리거 지연에 기인하는 아주 작은 역률을 갖는다. 간접 컨버터들은 또한 감소된 역률 및 직류 초핑에 필요한 자화 전력을 표시한다.

전체적으로, 본 발명은 다음의 이점들을 제공한다.

(1) 사이클로 컨버터와 관련하여

●컨버터의 역률 (factor) 은 0.7 대신 거의 1이다. 공급 전력, 부품들의 전력 및 전력 손실이 감소된다.

●개선된 역률과 무관하게 새로운 변환 공정이 2의 팩터로 감소되는 고유 손실을 일으켜, 보다 가볍고, 보다 비용이 절감되는 냉각 시스템을 가능하게 한다.

●출력 주파수는 입력 주파수의 1/3에 제한되지 않는다.

●컨트롤 전자 부품들은 아주 간단하다.

(2) 간접 AC/DC/AC과 관련하여:

●입력측 역률 및 출력측 역률은 같으므로, 입력 전력과 부품들의 전력 범위는 최소화된다.

●비용 절감과 손실 예방을 가져오는 에너지의 중간 저장은 없다.

●낮은 전력 손실

새로운 컨버터 개념이 정지 주파수 컨버터 해결들의 장점들을 더운 증가시킬 잠재성을 갖는다.

Claims

교류 전압을 분배하는 전원 (11) 의 m상들 (G1,...,G6) 은 (m ×n) 매트릭스로 배치된 다수의 제어 가능한 양방향성 스위치들 (14) 를 통하여 부하 (12) 의 n상들 (L1,...,L3) 과 번갈아 연결되는 매트릭스 컨버터 (10) 를 작동하는 방법에 있어서,

전원 (11) 의 제 1 상 (Gk) 으로부터 전원 (11) 의 제 2 상 (Gl) 으로의 전환이 조건

이 충족될 때에 발생하는 (여기서, I_k및 V_k는 제 1 상 (Gk) 의 전류 및 전압, V_l은 제 2 상 (Gl) 의 전압이고, K_ijkl는 각 순간에서 전원 (11) 의 상들 (G1,...,G6) 과 부하 (12) 의 인덕턴스 사이의 상호 인덕턴스에 대한 특성 상수이다.) 것을 특징으로 하는 메트릭스 컨버터 작동 방법.
제 1항에서 있어서,

스위치들 (14) 의 스위칭 상태, 전원 (11) 의 상들 (G1,...,G6) 의 접속 상태 및, 다음 조건의 증명에 대하여,

전원 (11) 의 상들 (G1,...,G6) 에서의 전류의 부호들 및 전원 (11) 의 상들(G1,...,G6) 의 전압차의 부호들은 계속 모니터 되거나 또는 측정되고,

전환이 발생하는 한 시점은 항상 미리 결정되고, 하나 이상의 선택된 상들의 전환은 조건이 충족되는 그 미리 결정된 시점에서 발생하고, 그렇지 않으면, 전환이 조건이 충족되는 후의 시점에 발생하는 것을 특징으로 하는 매트릭스 컨버터의 작동 방법.
제 1 항 내지 제 2 항 중 어느 한 항의 방법에 있어서,

전원은 발전기 (11) 이고, 발전기 (11) 의 상들의 숫자 m은 부하 (12) 의 상들의 숫자 n보다 큰 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항의 방법에 있어서,

역평행 사이이스터들이 양방향성 스위치들 (14) 로서 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
(m ×n) 매트릭스로 배치된 다수의 제어 가능한 양방향성 스위치들 (14) 을 포함하는 방법을 구현하는 매트릭스 컨버터 (10) 로서,

상기 스위치들 (14) 은 제어 유닛 (17) 에 의해 제어되고, m개의 입력들을 n개의 출력들과 선택적으로 연결하는, 메트릭스 컨버터에 있어서,

입력들에서의 전류들의 부호들을 결정하는 제 1 수단 (15) 및 입력들 사이의 전압의 부호를 결정하는 제 2 수단 (16) 이 제공되고,

제 1 및 제 2 수단들은 제어 시스템 (17) 과 능동 연결인 것을 특징으로 하는 메트릭스 컨버터.
제 5 항에 있어서,

스위치들 (14) 은, 스위치들 (14) 의 스위치 상태에 관한 정보가 제어 시스템 (17) 에 전송되도록 신호 라인 (20) 을 통하여 제어 시스템 (17) 에 접속되는 것을 특징으로 하는 매트릭스 컨버터.
제 5 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,

양방향성 스위치들 (14) 은 역평행 스위치드 사이리스터 (antiparallel-switched thyristor) 들을 포함하는 것을 특징으로 하는 매트릭스 스위치.