KR20160032857A - 서지 전압 보호 기능을 구비한 dc 리액터 내장형 인버터 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 DC 리액터 내장형 인버터는 3상 전파 정류부와 직류 링크 커패시터의 사이에 연결된 DC 리액터, 및 DC 리액터와 병렬 연결되는 스너버 커패시터를 포함하여 이루어진다. 인버터의 입력단에 서지 전압이 유입되더라도 스너버 커패시터를 통해 흡수할 수 있으므로, 3상 전파 정류부의 전압 스트레스를 감소시켜 소손을 방지할 수 있다.

Description

서지 전압 보호 기능을 구비한 DC 리액터 내장형 인버터{ Inverter with Built-In DC Reactor and Surge Voltage Protection Circuit }

본 발명은 DC 리액터 내장형 인버터에 관한 것으로서, 특히 내장형 DC 리액터를 사용하는 인버터의 입력 전원에 서지 전압이 인가될 때 인버터의 소손을 방지할 수 있도록 해준다.

산업용 인버터는 3상 교류전원을 입력 받아 3상 전파를 수행하여 직류 전원을 생성하고 이를 기반으로 교류전압을 출력한다.

중/대용량 인버터의 경우 제품 성능과 신뢰성 향상을 위해 인버터 내부에 DC 리액터를 삽입하여 3상 전파 정류부에 흐르는 전류와 직류 링크 커패시터의 리플 전류의 크기를 감소시킨다.

도 1은 종래 내장형 DC 리액터를 사용하는 인버터의 입력단 회로를 나타낸 것으로서, 3상 교류 전원(11)을 6개의 다이오드(D1~D6)를 이용하여 직류 전원으로 정류하는 3상 전파 정류부(12), 3상 전파 정류부(12)에서 정류된 전원을 충전하는 직류 링크 커패시터(C), 직류 링크 커패시터(C)로 흐르는 리플 전류를 감소시키는 DC 리액터(L)로 이루어진다.

그런데, 단락 사고 등으로 인해 인버터의 입력 전원에 큰 서지 전압이 유입되면 DC 리액터(L)의 영향으로 3상 전파 정류부(12)에 인가되는 전압 스트레스의 크기가 DC 리액터(L)를 사용하지 않을 때 보다 더 증가하며, 이로 인하여 인버터의 3상 전파 정류부(12)가 소손될 수 있다.

도 2는 R상과 S상이 단락되어 서지 전압이 발생했을 때 서지 전류가 흐르는 경로를 나타낸 것으로서, 서지 전류는 입력 R상 -> 다이오드 D1 -> DC 리액터(L) -> 직류 링크 커패시터(C) -> 다이오드 D4 -> 입력 S상을 통해 흐른다.

이때, 다이오드 D1에 인가되는 전압(VD1)과 다이오드 D4에 인가되는 전압(VD4)은 DC 리액터 양단 전압(VL)과 직류 링크 커패시터 양단 전압(VC)의 합이 된다. 서지 전압이 인가되면 DC 리액터(L)에 흐르는 전류의 시간당 변화량(di÷dt)이 매우 커지므로, 'V = L × di ÷ dt'의 관계에 따라 DC 리액터 양단에 걸리는 피크 전압의 크기가 커지며, 다이오드 D1과 D4에 걸리는 전압 스트레스의 크기 또한 증가하게 된다.

도 3은 도 2에 보인 예에서 AC 440V 입력 전원을 사용하는 조건으로 시뮬레이션한 결과이다. R상과 S상 사이의 단락으로 인해 인버터에 서지 전압이 인가되면 DC 리액터 양단에 3kV의 피크 전압이 걸리고, 다이오드 D1에 인가되는 전압 스트레스의 크기는 3.4kV가 된다. 이는 AC 440V용 인버터에서 사용하는 다이오드가 견딜 수 있는 전압 사양을 훨씬 웃돌며, 실제 인버터에 이와 같은 서지 전압이 유입되면 3상 전파 정류부(12)의 소손을 야기할 수 있다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, DC 리액터 내장형 인버터의 입력단에 유입되는 서지 전압을 흡수하여 서지 전압 유입으로 인한 인버터의 소손을 방지할 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 서지 전압 보호 기능을 구비한 DC 리액터 내장형 인버터는, 3상 교류전원을 전파 정류하는 3상 전파 정류부와, 상기 3상 전파 정류부에서 정류된 전원을 충전하는 직류 링크 커패시터를 포함하고, 상기 직류 링크 커패시터에 충전된 전압을 교류 전압으로 변환하여 부하를 제어하며, 특히 상기 3상 전파 정류부와 상기 직류 링크 커패시터의 사이에 연결된 DC 리액터; 및 상기 DC 리액터와 병렬 연결되는 스너버 커패시터를 포함하여 이루어진다.

본 발명에 따르면, DC 리액터 내장형 인버터의 입력단에 서지 전압이 유입되더라도 스너버 커패시터를 통해 이를 흡수할 수 있다.

이로 인해 3상 전파 정류부의 전압 스트레스를 감소시킬 수 있으며, 서지 전압 유입으로 인한 인버터의 소손을 방지할 수 있다.

도 1은 종래 DC 리액터 내장형 인버터의 입력단 회로에 관한 예,
도 2는 서지 전류가 흐르는 경로의 예,
도 3은 서지 전압으로 인해 각 부분에 인가되는 전압의 예,
도 4는 본 발명에 따른 서지 전압 보호 기능을 구비한 DC 리액터 내장형 인버터의 일 실시예,
도 5는 도 4의 실시예에서 서지 전류가 흐르는 경로의 예,
도 6은 도 5에서 서지 전압으로 인해 각 부분에 인가되는 전압의 예이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 4는 본 발명에 따른 서지 전압 보호 기능을 구비한 DC 리액터 내장형 인버터(40)의 일 실시예를 보인 것으로서, 3상 교류 전원(11)을 6개의 다이오드(D1~D6)를 이용하여 전파 정류하는 3상 전파 정류부(42), 직류 링크 커패시터(C)로 흐르는 리플 전류를 감소시키기 위한 DC 리액터(L), 3상 전파 정류부(42)에서 정류된 전원을 충전하는 직류 링크 커패시터(C), 직류 링크 커패시터(C)의 직류 전압을 교류로 변환하기 위한 전력회로부(43), 부하(5)로 흐르는 출력 전류를 검출하기 위한 전류검출부(44), 출력 전압 및 주파수를 제어하기 위한 제어부(45)를 포함하여 이루어진다.

제어부(45)는 전력회로부(43)의 각 전력용 반도체 소자를 PWM(펄스 폭 변조) 제어하여 전동기 등의 부하(5)를 구동할 수 있다.

특히, 스너버 커패시터(Cs)가 DC 리액터(L)와 병렬로 구비되는데, 스너버(Snubber) 커패시터(Cs)는 입력단에 서지 전압이 유입될 때 서지 전압을 흡수하여 3상 전파 정류부(42)의 스트레스를 감소시키는 역할을 수행한다.

3상 전파 정류부(42)의 다이오드 D1, D3, D5는 각각 3상 교류 전원(11)의 각 상 전압을 애노드(Anode) 단에 입력받고, 각 캐소드(Cathode) 단은 병렬 연결된 DC 리액터(L)와 스너버 커패시터(Cs)의 일단에 공통 연결된다.

다이오드 D2, D4, D6의 캐소드 단은 각각 다이오드 D1, D3, D5의 애노드 단에 연결되고, 다이오드 D2, D4, D6의 애노드 단은 직류 링크 커패시터(C)의 일단(스너버 커패시터에 연결되지 않은 단)에 공통 연결된다.

그러므로, 3상 교류 전원(11)이 정상일 때 온(On) 상태의 다이오드를 경유하는 전류는 DC 리액터(L)와 직류 링크 커패시터(C)를 통해 흐르고, 3상 교류 전원(11)에 서지 전압이 발생하였을 경우에는 온(On) 상태의 다이오드를 경유하는 전류가 스너버 커패시터(Cs)와 직류 링크 커패시터(C)를 통해 흐르게 된다.

도 5는 도 4에 보인 실시예의 입력단에서 R상과 S상이 단락되어 서지 전압이 발생했을 때 서지 전류가 흐르는 경로를 나타낸 것이다.

서지 전류는 R상 입력 전원 -> 다이오드 D1 -> 스너버 커패시터(Cs) -> 직류 링크 커패시터(C) -> 다이오드 D4 -> 입력 S상의 경로를 통해 흐르며, 다이오드 D1에 인가되는 전압(VD1)과 다이오드 D4에 인가되는 전압(VD4)은 스너버 커패시터 양단 전압(VCs)과 직류 링크 커패시터 양단 전압(VC)의 합이 된다.

서지 전압이 인가되었을 때, 전압의 급격한 변동을 막는 커패시터의 일반적인 특성으로 인하여, 스너버 커패시터(Cs)와 DC 리액터(L)에 인가되는 피크 전압은 스너버 커패시터(Cs)가 없을 경우에 비해 작아진다. 이에 따라 다이오드 D1과 D4에 걸리는 전압 스트레스의 크기도 작아지게 된다.

도 6은 도 5에 보인 예에 AC 440V 입력 전원과 10μF의 스너버 커패시터(Cs)를 사용하는 조건으로 시뮬레이션한 결과이다.

R상과 S상 사이의 단락으로 인해 서지 전압이 인가되면, R-S 선간 전압으로 1.7.kV가 발생하고, 스너버 커패시터(Cs)와 DC 리액터(L)의 양단에는 1.0kV의 피크 전압이 걸리게 되며, 다이오드 D1에 인가되는 피크 전압의 크기는 1.6kV가 됨을 보여주고 있다.

다이오드 D1에 인가되는 전압 스트레스의 크기는 도 3에 보인 예와 비교하여 1.8kV 감소하였다.

이러한 피크 전압의 크기(1.6kV)는 AC 440V용 인버터에서 사용하는 3상 전파 정류부(42)의 다이오드(D1~D6)에서 견딜 수 있는 전압 사양 이내이므로, 실제 인버터에서 이와 같은 조건으로 서지 전압이 인가되더라도 인버터(40)의 3상 전파 정류부(42)는 소손되지 않는다.

인버터(40)가 정상 동작할 때 스너버 커패시터(Cs)는 항상 개방 상태로 아무런 동작을 하지 않으므로, 스너버 커패시터(Cs)가 추가되더라도 오동작을 유발하지 않고, 서지 전압으로부터 인버터(40)를 보호할 수 있다.

또한 DC 리액터(L)의 양단에 스너버 커패시터(Cs)를 삽입하는 단순한 구조이므로 기존 회로에 별다른 무리없이 적용할 수 있다.

상술한 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것이며, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당업자에 의해 다양하게 변형하여 실시할 수 있는 것임은 물론이다.

5: 부하 11: 3상 교류 전원
12, 42: 3상 전파 정류부 40: 인버터
43: 전력회로부 44: 전류검출부
45: 제어부 D1~D6: 다이오드
L: DC 리액터 C: 직류 링크 커패시터
Cs: 스너버 커패시터

Claims (3)

1. 3상 교류전원을 전파 정류하는 3상 전파 정류부와, 상기 3상 전파 정류부에서 정류된 전원을 충전하는 직류 링크 커패시터를 포함하고, 상기 직류 링크 커패시터에 충전된 전압을 교류 전압으로 변환하여 부하를 제어하는 인버터로서,
   상기 3상 전파 정류부와 상기 직류 링크 커패시터의 사이에 연결된 DC 리액터; 및
   상기 DC 리액터와 병렬 연결되는 스너버 커패시터를 포함하는 서지 전압 보호 기능을 구비한 DC 리액터 내장형 인버터.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 3상 전파 정류부는, 상기 3상 교류전원의 각 상 전압을 각각 애노드 단에 입력받고, 각 캐소드 단이 상기 병렬 연결된 DC 리액터와 스너버 커패시터의 일단에 공통 연결되는 3개의 다이오드(D1, D3, D5); 및
   상기 다이오드 D1, D3, D5의 각 애노드 단에 각각 캐소드 단이 연결되고, 애노드 단은 상기 직류 링크 커패시터의 일단(상기 스너버 커패시터에 연결되지 않은 단)에 공통 연결된 3개의 다이오드(D2, D4, D6)를 포함하고,
   상기 3상 교류전원이 정상일 때, 상기 각 다이오드를 경유하는 전류는 상기 DC 리액터와 상기 직류 링크 커패시터를 통해 흐르는 것을 특징으로 하는 서지 전압 보호 기능을 구비한 DC 리액터 내장형 인버터.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 3상 교류전원에 서지 전압이 발생하였을 때, 상기 각 다이오드를 경유하는 전류는 상기 스너버 커패시터와 상기 직류 링크 커패시터를 통해 흐르는 것을 특징으로 하는 서지 전압 보호 기능을 구비한 DC 리액터 내장형 인버터.

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