KR20170021407A - 스위칭 정류기의 보호 장치 - Google Patents

스위칭 정류기의 보호 장치 Download PDF

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이장무
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한국철도기술연구원
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Abstract

본 발명의 스위칭 정류기의 보호 장치는 스위칭 정류기의 게이트와 연결되고, 사고가 발생하면 부하에 흐를 수 있는 사고전류를 차단할 수 있도록 스위칭 정류기의 온/오프를 제어하는 게이트 신호를 스위칭 정류기의 게이트에 인가하는 정류기제어기; 직류전류센서로부터 감지된 부하 전류값을 제공받아 사고전류 발생여부를 확인하고, 사고전류 발생시 상기 정류기제어기에 트립신호로 알리는 계전기;를 포함한다.
본 발명에 의하면, 게이트 오프가 가능한 스위칭 소자로 이루어진 정류기와 정류기를 제어하기 위한 정류기제어기와 사고전류를 인지하기 위한 계전기로 이루어진 간단한 정류기 보호 장치를 구성할 수 있는 장점이 있다.

Description

스위칭 정류기의 보호 장치{Device for protecting switching rectifier}
본 발명은 스위칭 정류기의 보호 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전기철도용 열차에 직류 전원을 공급하는 스위칭 정류기의 보호 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 교류를 직류로 정류하는 수단으로는 다이오드를 이용한 정류기가 사용된다.
최근에는 반도체 기술이 발달되면서 반도체 스위칭 소자를 이용한 스위칭 정류기가 있으며, 예컨대 사이리스터(Thyristor), 게이트턴오프(GTO) 사이리스터, IGBT(Insulated gate bipolar transistor) 등을 이용한 정류기가 사용되고 있다.
한편, 전기철도용 급전계통은 열차에 전력을 공급하기 위해 철도선로를 따라 설치되는 것으로, 연장이 긴 전차선로의 말단까지 규정된 전압을 안정적으로 공급하기 위해서는 적정한 구간마다 변전설비를 갖추고 있으며, 상기 변전설비에서 교류전원을 직류전원으로 정류하여 급전선을 통하여 직류전원을 열차에 공급한다.
직류전원을 열차에 공급하기 위하여, 교류전원을 직류전원으로 변환해주는 종래의 정류기는 도 1에 도시된 바와 같이, 사고 발생시 정류기의 후단에 사고전류를 인지하는 과전류계전기와 연결된 기계식 직류차단기를 설치하여 기계적으로 사고 전류를 차단하고 있으나, 기계식 차단기를 설치하는 경우, 온전한 차단이 어려워 아크가 발생하게 되는데, 아크를 소호(消弧)하기 위해 별도의 챔버를 둠에 따라 종종 챔버 내에서 화재가 발생할 수 있는 위험성을 내포하고 있는 문제가 있었다.
전술한 사정을 감안하여 도출된 본 발명은, 스위칭 소자를 이용한 정류기가 사고 발생시 사고전류를 과전류계전기에 의해 인지하고, 정류기를 구성하는 스위칭 소자를 오프하도록 게이트를 제어함으로써 사고전류를 차단하며, 또한 스위칭 소자와 연결된 서지보호기에 의해 사고전류로 인하여 발생할 수 있는 아크 등을 소호할 수 있도록 된 스위칭 정류기의 보호 장치를 제공하는 데에 그 목적이 있다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 스위칭 정류기의 보호 장치는 스위칭 정류기의 게이트와 연결되고, 사고가 발생하면 부하에 흐를 수 있는 사고전류를 차단할 수 있도록 스위칭 정류기의 온/오프를 제어하는 게이트 신호를 스위칭 정류기의 게이트에 인가하는 정류기제어기; 직류전류센서로부터 감지된 부하 전류값을 제공받아 사고전류 발생여부를 확인하고, 사고전류 발생시 상기 정류기제어기에 트립신호로 알리는 계전기;를 포함한다.
상기에 있어서, 상기 정류기제어기는 게이트 오프 신호를 상기 스위칭 정류기의 게이트에 제공하여 상기 스위칭 정류기에 의해 공급되는 전류를 차단하도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기에 있어서, 상기 스위칭 정류기는 게이트를 구비한 스위칭 소자들이 브리지 정류회로로 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 스위칭 소자들은 사이리스터, 게이트 턴 오프 사이리스터, IGBT 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
상기에 있어서, 상기 스위칭 소자들을 보호하기 위한 적어도 하나의 서지보호기가 상기 브리지 정류 회로에 연결되는 것을 특징으로 한다.
상기에 있어서, 상기 직류전류센서는 감지된 부하전류값을 상기 정류기제어기에 제공하도록 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 게이트 오프가 가능한 스위칭 소자로 이루어진 정류기와 정류기를 제어하기 위한 정류기제어기와 사고전류를 인지하기 위한 계전기로 이루어진 간단한 정류기 보호 장치를 구성할 수 있는 장점이 있다.
또한 기계식 직류차단기에서 발생할 수 있는 아크 소호를 위하여 별도의 챔버를 구성하지 않아도 스위칭 소자의 전자식 차단 특성에 의해 차단 효율을 높일 수 있으며, 화재 위험성이 적은 장점이 있을 뿐만 아니라 기계식 차단기에 비해 비교적 수명이 길며, 제작 비용을 절감할 수 있는 효과도 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 종래의 정류기 사고전류 차단을 위한 장치 구성을 간략하게 나타낸 개념도이다.
도 2a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 스위칭 정류기의 보호 장치의 회로 구성을 나타낸 도면이다.
도 2b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 스위칭 정류기의 보호 장치의 회로 구성을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 스위칭 정류기의 보호 장치의 동작에 따른 전류 변화를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 스위칭 정류기의 보호 장치의 직류출력전류와 직류출력전압을 대비하여 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 스위칭 정류기의 보호 장치의 게이트 신호 위상각(α˚)에 따른 스위칭 정류기 동작시 전압 파형 변화를 나타낸 그래프이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 쉽게 실시할 수 있는 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작원리를 상세하게 설명함에 있어서 관련된 공지기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명의 제1 실시예 및 제2 실시예에 따른 스위칭 정류기(20)의 보호 장치는 전기철도용 직류 급전 시스템 환경에 구비될 수 있으며, 부하(50) 또는 정류기(20)에 흐를 수 있는 사고전류를 차단하는 기능을 수행할 수 있다.
본 발명의 제1 실시예 및 제2 실시예에 따른 스위칭 정류기의 보호 장치는 도 2a와 도 2b에 도시된 바와 같이, 정류기제어기(30), 계전기(40), 서지보호기(22), 직류전류센서(60), 직류전압센서(70)를 포함할 수 있다.
정류기제어기(30)는 사고전류가 발생하면 부하(50) 또는 정류기(20)에 흐를 수 있는 사고전류를 차단할 수 있도록 스위칭 정류기(20)의 온/오프를 제어하는 게이트 신호를 발생시킨다.
여기서 게이트 신호는 게이트를 온하거나 오프할 수 있는 일정값 이상 또는 일정값 미만의 게이트 전류가 될 수 있다.
스위칭 정류기(20)는 바람직하게는 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 브리지 정류 회로로 구성될 수 있다. 게이트 신호에 의해 정류기(20)의 게이트를 제어할 수 있도록 브리지 정류회로를 구성하는 스위칭 소자(21)는 사이리스터, 게이트 턴 오프 사이리스터 또는 IGBT를 사용할 수 있다. 즉, 브리지 정류 회로를 구성하는 각 스위칭 소자(21)의 게이트에 정류기제어기(30)의 게이트 온/오프 신호가 인가되도록 회로를 구성할 수 있다.
또한 도면에서는 출력단에 콘덴서가 도시되지 않았으나, 정류기의 스위칭 소자가 IGBT 등으로 구현된 경우에는 출력단에 콘덴서가 구비됨은 당연하다.
이와 같이 구성된 정류기제어기(30)는 게이트 오프 신호를 스위칭 정류기(20)에 인가하여 부하에 공급되는 부하전류를 차단하도록 제어하게 된다.
또한 정류기제어기(30)는 계전기(40)와 연결될 수 있으며, 계전기(40)로부터 트립신호를 전달받아 부하단에 공급되는 부하전류에 정격값 이상의 사고전류가 발생했는지 판단할 수 있다.
정류기제어기(30)에 연결되는 계전기(40)는 부하(50)에 흐르는 전류값을 통하여 사고전류 발생여부를 확인하고, 사고전류 발생시 정류기제어기(30)에 트립신호로 알릴 수 있다. 계전기(40)는 과전류에 해당하는 사고전류의 발생 여부를 확인할 수 있는 과전류 계전기(40)가 될 수 있다.
나아가, 직류전류센서(60)가 부하(50)단에 직렬로 연결될 수 있다. 직류전류센서(60)는 과전류계전기(40)에서 사고전류 발생 여부를 검지할 수 있도록 부하단의 사고전류를 감지하여 과전류계전기(40)에 제공할 수 있다.
아울러 직류전류센서(60)는 정류기제어기(30)와 연결되어, 감지된 사고전류를 정류기제어기(30)에 제공할 수도 있다.
또한, 스위칭소자(21)를 이용한 스위칭 정류기(20)의 경우 부하(50)에 따른 전압 변동을 제어하기 위하여 전압 측정을 하는 직류전압센서(70)가 부하(50)단에 병렬로 연결될 수도 있다.
나아가, 본 발명의 스위칭 정류기(20)의 보호 장치는 정류기(20)를 구성하는 스위칭 소자(21)를 사고전류로부터 보호하기 위해 적어도 하나의 서지보호기(22)가 구비될 수 있다.
서지보호기(22)는 제1 실시예에 의하면, 도 2a에 도시된 바와 같이, 브리지 정류 회로를 구성하는 각 소자(21)에 병렬로 연결된다.
또한, 서지보호기(22)는 도 2b의 제2 실시예와 같이, 브리지 정류 회로 내부에 두 개의 서지보호기(22)가 연결되는 형태로 구비될 수 있다.
즉, 도 2b의 제2 실시예는 제1 실시예와 비교하여, 서지보호기(22)의 구성에 차이가 있을 뿐, 다른 구성은 동일하게 적용될 수 있다.
여기서 서지보호기(22)는 예컨대 과도전류가 증가하면 스위칭 소자(21)에 의한 차단이 진행되고, 부하(50)에 따른 잔류전류를 소호시켜주는 어레스터(Arrestor)가 될 수 있다. 또한, 본 발명에 적용되는 서지보호기(22)는 필요에 따라 어레스터 뿐만 아니라, 바리스터 또는 방전관과 같은 서지 보호 소자가 될 수 있으며, 본 발명이 특정 서지 보호 소자에 한정되는 것은 아니다.
도 3 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 스위칭 정류기 보호 장치의 동작 과정을 설명하면, 다음과 같다.
교류 전원(10)이 인가되는 스위칭 정류기(20)는 부하(50)가 저항인 경우 정류기제어기(30)로부터 스위칭 정류기(20)에 인가되는 게이트 온 신호의 위상각이 α˚이면 전압은 게이트 온 신호의 위상각(α˚) 이후에 스위칭 정류기(20)가 도통되어 전류가 흐르게 된다.
구체적으로 도 2a, 도 2b 및 도 5를 참조하여 설명하면, 교류 전원(10)은 (+)값과 (-)값을 교번하므로 (+)값의 교류전압인 경우 스위칭 정류기(20)는 도 2의 마름모 꼴 형태를 이룬 4개의 스위칭 소자(21) 중에서 상단 좌측 및 하단 우측의 스위칭 소자(21)가 도통되어 직류 전압을 생성한다.
또한 (-)값의 교류전압인 경우 스위칭 정류기(20)는 상단 우측 및 하단 좌측의 스위칭 소자(21)가 도통되어 직류전압을 생성한다.
결과적으로 도 5에 도시된 교류 전압(V)이 인가되면, 출력(VO)은 α˚만큼 위상차가 발생하고, 반파 정류 파형을 갖는 형태로 나타날 수 있다.
그러나 도 3에 도시된 바와 같이, 일정값의 부하전류가 부하(50)에 공급되는 중에 스위칭 정류기(20) 측에 사고가 발생하면 급격히 상승하는 사고전류가 발생함에 따라 과전류계전기(40)가 동작하게 되고, 과전류계전기(40)의 트립신호를 인가받은 정류기제어기(30)는 스위칭 정류기(20)의 구동을 차단하기 위해 게이트 오프 신호를 전달하게 된다.
또한, 스위칭 정류기(20)의 각 스위칭 소자(21)에는 병렬로 연결된 서지보호기(22)가 동작하여 과전류로부터 각 스위칭 소자(21)를 보호하게 된다.
나아가, 도 4에 도시된 바와 같이, 정격출력 범위에서는 스위칭 정류기(20)의 전류가 증가하면서 전압제어영역과 같이 일정 전압을 유지하도록 제어하고, 정격출력 초과시에는 직류출력전류가 증가하면서 직류출력전압을 감소시켜 출력제어영역과 같이 일정 출력을 유지하도록 제어하는 것이 바람직하다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 기술자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 상술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
10 : 교류 전원 20 : 스위칭 정류기
21 : 스위칭 소자 22 : 서지보호기
30 : 정류기제어기 40 : 계전기
50 : 부하 60 : 직류전류센서
70 : 직류전압센서

Claims (6)

  1. 스위칭 정류기의 게이트와 연결되고, 사고가 발생하면 부하에 흐를 수 있는 사고전류를 차단할 수 있도록 스위칭 정류기의 온/오프를 제어하는 게이트 신호를 스위칭 정류기의 게이트에 인가하는 정류기제어기; 직류전류센서로부터 감지된 부하 전류값을 제공받아 사고전류 발생여부를 확인하고, 사고전류 발생시 상기 정류기제어기에 트립신호로 알리는 계전기;를 포함하는 스위칭 정류기의 보호 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 정류기제어기는
    게이트 오프 신호를 상기 스위칭 정류기의 게이트에 제공하여 상기 스위칭 정류기에 의해 공급되는 전류를 차단하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 스위칭 정류기의 보호 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 스위칭 정류기는
    게이트를 구비한 스위칭 소자들로 이루어진 브리지 정류 회로로 구성되는 것을 특징으로 하는 스위칭 정류기의 보호 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 스위칭 소자들은
    사이리스터, 게이트 턴 오프 사이리스터, IGBT 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 스위칭 정류기의 보호 장치.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 스위칭 소자들을 보호하기 위한 적어도 하나의 서지보호기가 상기 브리지 정류 회로에 연결되는 것을 특징으로 하는 스위칭 정류기의 보호 장치.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 직류전류센서는 감지되는 부하전류값을 상기 정류기제어기에 제공하도록 이루어진 것을 특징으로 하는 스위칭 정류기의 보호 장치.
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