제5장
듀얼컨버터와
싸이클로컨버터
듀얼 및 싸이클로 컨버터의 특성
4장에서 설명한 제어정류회로, 전류의 방향이 항상 고정인 대신 전압의 극성을 변화시켜 전력의 흐름을 변화시키는 운전
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컨버터의 2상한 운전2상한 운전에서 또 다른 한 대의 정류기를 부하에 역병렬시켜 부하 전류의 방향까지 바꿀 수 있게 되는 운전
☞
컨버터의 4상한 운전 : 듀얼 컨버터직류전동기의 가역운전용으로 사용되고 주로 대용량에 쓰이는데, 특 히 3상 컨버터는 2,000[kW] 정도의 용량을 갖는다.
듀얼 컨버터와 싸이클로 컨버터
듀얼 컨버터는 4상한 동작을 하더라도 각 상한에서의 운전이 비주기 적인 데 반해 싸이클로 컨버터는 교류출력의 주파수를 변화시키기 위해 주기적인 운전을 하며, 교류전원의 주파수보다 낮은 교류로 변 환시키는 주파수 변환장치이다.
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싸이클로 컨버터듀얼 컨버터와 싸이클로 컨버터
듀얼과 싸이클로, 두 컨버터의 구조는 근본적으로 같고 동작원리상 쌍대(duality) 관계가 성립된다.
듀얼 컨버터
순환모드로 동작되면 두 컨버터가 동시에 켜져서 순환전류가 흐르므 로 이를 억제하기 위해 한류리액터(current-limiting reactor)를 필요 로 한다.
듀얼 컨버터
비순환모드에서는 하나의 컨버터만이 켜지고 완전히 꺼질 수 있도록 일정 시간(보통 2~10[msec] 정도) 동안 차단한 후 다른 컨버터를 켜 기 때문에 한류리액터를 필요로 하지 않는다.
단상 듀얼 컨버터 (순환모드)
각 컨버터의 순시전압파형은 같지 않더라도 전압의 평균치는 서로 동일해야 하는데, 지금 두 컨버터가 서로 역병렬로 연결되어 있으므 로 출력전압이 하나의 극성을 갖게 하려면 두 컨버터의 출력전압의 극성이 달라야 한다.
순환모드로 운전되는 P 및 N의 두 제어정류회로의 평균출력전압을 각각 Ed1, Ed2 라 하면
2
1 d
d
E
E = -
로 되도록 출력을 제어해야 하고, 지금 부하에는 일정한 전류 id(t)≒Id 가 흐른다면, 각 평균전압 Ed1, Ed2 의 표현은 다음과 같다.
2 0
2
1 0
1
cos cos
a a
d d
d d
E E
E E
=
=
두 컨버터의 제어각의 관계는
a
1+ a
2= 180
o단상 듀얼 컨버터 (순환모드)
부하전압 ed(t)
) 2 (
) 1 ( )
( t e
1t v t
e
d=
d-
r) ( 2 sin
2 2
) ( )
( )
( 1 2
t v t
V
t e
t e
t v
S S
d d
r
=
=
-
=
w
여기서,
1
2 w p a
a £ t £ +
듀얼 컨버터의 평균전압은 부하전압 ed(t) 를 적분하고, 정상상태에서 인덕터의 평균전압이 0이므로
) cos
(
cos
1 0 20
a a
a d d
d
E E
E = = -
단상 듀얼 컨버터 (순환모드)
순환전류 ir(t)
) cos
cos 2 (
2
) 1 (
) (
2
2
a w w
w w
w a
+ -
=
=
ò
L t V
t d t L v
t i
r S
t r r
r
여기서, Lr은 한류리액터의 인덕턴스 입력전류 is(t) 의 최대치
r S M
peak
S L
I V
I w
2 + 4
- =
단상 듀얼 컨버터 (순환모드)
2개의 정류회로 P와 N은 동시에 켜질 수 없고 하나가 온되면 다른 하나는 오프되어야 한다.
단상 듀얼 컨버터 (비순환모드)
따라서 환류리액터가 필요없고 출력전압이 동시에 나타나지 않는다.
그러므로 동일 평균전압의 조건에 대한 제약이 없다.
동작원리는 앞의 단상 듀얼 컨버터와 같고 단지 전압 및 전류의 표현만이 다를 뿐이다.
3상 듀얼 컨버터
단자 a, b, c에 인가되는 상전압과 선간전압
3상 듀얼 컨버터
) 120 sin(
2 )
(
) 120 sin(
2 )
(
sin 2
) (
3 2 1
o o
+
=
-
=
=
t V
t v
t V
t v
t V
t v
S S S
w w w
) 150 sin(
2 3
) (
) 90 sin(
2 3
) (
) 30 sin(
2 3 )
(
31 23 12
o o o
+
=
-
=
+
=
t V
t v
t V
t v
t V
t v
S S S
w w w
3상 듀얼 컨버터
부하전압 ed(t)
) 2 (
) 1 2 (
) 1 ( )
( t v
12t v t v
31t
e
d= -
r= -
) ( 3
) 30 cos(
2 3
) ( )
( )
( )
( )
( 1 2
t v
t V
t v
t v
t e
t e
t v
bn s
bc ab
d d
r
-
= -
=
-
= -
=
w o
여기서,
1
1 / 2
6
/ a w p a
p + £ t £ +
3상 듀얼 컨버터
순환전류 ir(t)
} sin
) 30 {sin(
2 3
) 1 (
) (
1 6
/ 1
a w w
w w
w a p
- -
=
=
ò
+t o
L V
t d t L v
t i
r S
t
r r
r
3상의 경우 순환전류의 크기는 제어각이나 한류리액터의 크기에 따 라 달라지며 ωt=120° 이면서 α1=0일 때 피크치를 갖는다.
순환 및 비순환 모드 비교
1) 순환모드
• 한류리액터가 반드시 필요하고 때로는 설비비가 높아질 수 있다.
• 각 컨버터의 전류가 연속이므로 입출력전달 특성이 선형으로 된다.
• 응답이 빠르며 고장전류가 생기더라도 리액터에 의해 억제될 수 있다.
• 컨버터 사이의 정류작용과 인버팅작용의 전환이 간단하다.
• 순환전류로 인해 손실이 증대되고 따라서 효율이나 역률이 저하된다.
• 컨버터의 용량이 부하의 용량보다 커진다.
순환 및 비순환 모드 비교
2) 비순환모드
• 리액터를 사용하지만 연속 부하전류를 위한 평활리액터이다.
• 전류가 불연속으로 될 수 있어 비선형전달 특성을 갖기도 한다.
• 불연속 전류로 응답이 느려지며 고장시 단락상태까지 될 수 있다.
• 컨버터 사이의 정류 및 인버팅작용의 전환이 복잡하다.
• 순환모드에 비해 효율 및 역률이 높다.
• 컨버터의 용량과 부하의 용량은 동일하다.
싸이클로 컨버터
교류 초퍼 또는 전압조정기는 단순히 전압의 크기를 제어하는 반면 싸이클로 컨버터(cycloconverter)는 주파수 변환을 위한 장치이다.
싸이클로 컨버터는 주로 저속 대용량 교류전동기의 구동시스템에 사 용되며 출력 주파수는 보통 전원주파수의 1/3 이내에서 조정된다.
(a)와 같이 주파수 fS의 전원이 주어져 있을 때 만약 각 컨버터의 제어각을 모두 0으로 하여 듀얼 컨버터를 제어 하면 그림 (b)와 같이 출력을 얻는다.
출력에 적절한 필터로 통과시키면 정 현파 전압을 얻을 수 있다.
싸이클로 컨버터
싸이클로 컨버터의 출력은 단상 및 3상 교류의 두 경우가 있으며, 특 히 단상 출력시 입력은 그림 (a)의 단상전원 또는 (b)의 3상 전원이 될 수 있다.
싸이클로 컨버터
(c)는 3상 입력으로부터 3상 출력 을 얻으며 각 컨버터는 3상 반파 회로로 되어 있으며 상수가 높아 질수록 매우 많은 개수의 SCR이 필요하게 된다.
싸이클로 컨버터
3상 전파 제어정류회로
전원보다 낮은 주파수의 교류를 출력함과 동시에 (b)와 같이 가능 한 고조파함유율이 적은 정현파 전압을 발생시키기 위해 매 반주 기마다 제어각을 변화시킨다.
(c)는 고조파 없는 이상적인 경우 한 상의 전류인데, 출력전압과의 위상차로 인해 출력의 반주기에 서 정류와 인버팅작용을 반복한 다.
싸이클로 컨버터
3상 전파 제어정류회로
각 컨버터, 즉 정류회로의 상수 q를 증대시킨 경우로서 앞의 출력파형에 비해 고조파함유율이 현저하게 감소 되고 있다.
같이 전류의 극성이 바뀌는 시간 근 처에서 인버팅에서 정류로 동작모드 가 반전 될 때, 순시출력전압이 나타 나지 않을 수 있다. (vo1으로 표시된 부분)
이는 제어각 α와 부하위상각 φ 의 관계에 따라 달라지며 나타나지 않을
싸이클로 컨버터
싸이클로 컨버터의 출력주파수는 정류회로의 상수 q에 의해 좌우되 며, 출력의 최대 주파수 fOMAX는 전원주파수 fS에 대해 일반적으로 다 음의 관계로 표현된다.
S S
OMAX f f
f 0.25
12
3 =
= (1) q=3
S S
OMAX f f
f 0.35
17
6 =
= (2) q=6
S S
OMAX f f
f 12 0.63
=
= (3) q=12
최대주파수는 출력상수가 커질수록 증대됨을 알 수 있고 일반적인 최대 주파수가 낮을수록 출력의 파형률이 좋아진다.
최대주파수를 전원주파수의 50[%]까 지 올릴 수 있지만 보통 입력주파수 의 1/3 이내로 하는 것이 강압 싸이 클로 컨버터의 경우 일반적이다.
싸이클로 컨버터 DC-AC 인버터의 비교
싸이클로 컨버터와 DC-AC 인버터는 주어진 전원에 무관하게 교류출 력의 주파수를 변화시킬 수 있는 특징을 갖고 있으며 특히, 전동기의 구동시 단순히 제어신호의 상수(phase sequence)만을 변경시켜 전동 기를 역회전시킬 수 있다.
싸이클로 컨버터와 인버터는 입출력 관계에서 보면 원리상 유사성을 가지나 실제 응용분야를 보면 싸이클로 컨버터는 저속·대용량·가역운 전에 적합하고 인버터는 소용량·고속운전의 경우 더욱 유리하다.
