위상제어 정류회로

위상제어 정류회로

4. (Phase Controlled Rectifier) 기본개념

4-1

위상제어 정류기 : SCR을 사용하여 교류를 직류로 변환하는 장치

•

가변 직류전압을 얻을 수 있다.

➜

은 구동에 의해 시점을 교류입력 전원전압의 위상에 대해 임의로 SCR Gate Turn On

할 수 있는데 이 Turn On 시점을 가변하면 직류평균전압의 크기를 제어할 수 있다.

단상 위상제어 정류회로

4-2 : 저항부하

반파 위상제어 정류회로

4-2-1 (Half Wave Phase Controlled Rectifier)

• 회로 동작 원리

직류평균전압의 크기를 제어하기위해 을

- SCR

전원전압의 = 0 에서 만큼 지연시켜 turn on 시킨다.

- ➜ 지연각(delay angle), 점호각(firing angle)

①

은 순방향 바이어스이지만 게이트 SCR

펄스를 인가하지 않아 Off 상태. 출력전압

- :

전압 - SCR :

②

위상각 에서 게이트 전류펄스를 인가하면 SCR은 Turn On.

( 까지 On 상태가 지속됨.) 출력전압

- :

전압 - SCR :

③

는 음으로 SCR은 역방향 바이어스 되어 Off (SCR 전류=0)

자연 소호(Natural commutation) : 전원전압에 의해 자연적으로 turn off

➜

출력전압

- :

전압

- SCR : ꀴ 역전압

평균 직류 출력전압

•

지연각

➜ 는 범위내에서 제어 가능하므로 출력전압은 까지 가변 가능.

출력 전류의 실효값 :

•

의 전압은 이므로 은 역전압 뿐만 아니라 정전압도 저지해야한다

SCR (+), (-) SCR .

•

전파 위상제어 정류회로

4-2-2 (Full Wave Phase Controlled Rectifier)

• 회로 동작 원리

①

X_1, X₄ ➜ 순방향 바이어스이지만 가 인가되지 Gate pulse

않아 Off 상태

X₂, X₃ ➜ 역방향 바이어스로 Off

②

위상각

- 에서 X1, X4에 를 인가하면

Gate pulse Turn On - 출력전압 :

③

X_1, X₄ ➜ 에서 역방향 바이어스 되어 Turn Off X₂, X₃ ➜ 순방향 바이어스이지만

가 인가되지 Gate pulse

않아 Off 상태

④

위상각

- 에서 X₂, X₃에 Gate pulse를 인가하면 Turn On 됨. 위상각

- 에서 X₂, X₃ 는 역방향 바이어스 되어 Turn Off 됨

직류 평균 출력전압

•

지연각

➜ 는 범위내에서 제어 가능하므로 출력전압은 0~ 까지 가변 가능

출력 전류의 실효값 :

•

단상 위상제어 정류회로

4-3 : 유도성 부하

전파 위상제어 정류회로 4-3-1

• 유도성 부하의 경우 : 출력전류는 부하에 포함된 인덕턴스 L의 크기에 따라 연속 또는 불연속이 된다.

• 가정 : 부하 인덕턴스가 충분히 커서 부하전류가 연속인 경우

• 회로 원리 및 동작

①

T_1, T₄는 순방향 바이어스이므로 원하는 에서 Gate pulse에 의해 Turn On 됨.

②

> 에서 가 (-)라도 T_1, T₄를 통해 전류가 계속 흐르고 있으므로

상태 유지

On .

③

- 에서 T_2, T₃ 이 Gate

에 의해 됨

pulse Turn On . 출력전류는 T

➜ _2, T₃ 을 통해 흐르고 T1, T4 는 Turn Off 됨

- 에서 T_1, T₄가 다시 될 때까지 상태 지속

Turn On On .

• 평균 직류 출력전압

지연각

➜ 가 0~ 범위내에서 변동함에 따라

평균출력전압의 크기는 ~ 까지

가변된다.

➜ 에서는 출력전압이 음(-)의 값이 된다. 전류는 역방향으로 흐를 수 없으므로 출력전류는

- 0

으로 평균출력전압은 0 이다. (수동부하)

역기전력이 있는 전동기부하에서는 평균 출력전압이 -

의 값이 될 수 있다

(-) .

■ Pspice 시뮬레이션 Report

- 단상 전파 제어정류기에서 = 30°, 60°의 경우

유도성부하 인덕턴스가 충분히 커서 부하전류가 연속

( : )

■

PSpice 시뮬레이션 Example

-

= 50[Vpeak], 60[Hz]

부하

- : RLoad = 50[ ]Ω 스위칭소자

- : SCR 2N1595

• 스위치 게이트 신호용 Vpulse 전원 파라미터 예 지연각을) 로 설정하는 경우

- V1 = 0[V]

- V2(pulse Voltage) = 5[V]

주기

- PER( ) = 1/ 60[Hz] = 16666.7[ s]μ - TD(time delay) PER(주기)

➜ = 의 경우 TD = 2777.8[ s]μ 폭

- PW(pulse ) = 100[ s]μ - TR, TF = 1ns

환류 다이오드를 갖는 전파 위상제어 정류회로 4-3-2

전파 정류회로에 환류 다이오드를 추가한 회로

•

전파 정류회로와는 출력 특성이 달라진다.

➜

• 회로 원리 및 동작

①

T_1, T₄는 순방향 바이어스이므로 에서 Turn On.

- 출력전압

②

가 (-)로 되면 T_1, T₄는 turn off 되고 다이오드 가 순방향, D

바이어스로 Turn On 되어 출력 부하전류는 다이오드를 통해 흐른다.

출력전압 -

출력전압 파형은 저항부하 시와 동일하게 되지만

• 역률은 향상된다.

평균 직류 출력전압

•

평균 출력 전류 :

•

평균 다이오드, Thyristor 전류 :

• ,

단상 세미 위상제어 정류회로(Semi-Rectification Circuit)

■

단상 전파 위상제어 정류회로에서 하단부의

➜

을 다이오드로 대치한 회로 SCR

• 회로 원리 및 동작

①

순방향 바이어스 된 T₁은 에서 되어 출력전류는

Turn On T₁과 D₂를 통해 흐른다.

- 출력전압

②

D2 에는 역전압이 인가되어 Turn Off D₁ 은 순방향 바이어스 되어 Turn On

➜ 출력전류는 T1과 D1을 통해 환류(free-wheeling) 한다.

- 출력전압

이러한 환류동작은 = 에서 T2가 Turn On 될 때까지 계속된다.

➜ ➜

출력전압 파형은 순수 저항부하인 경우와 동일하게 되지만

• 역률은 향상된다.

평균 직류 출력전압 :

•

평균 출력 전류 :

•

평균 다이오드 , Thyristor 전류 :

•

Report :

■ 환류 다이오드를 갖는 전파 위상제어 정류회로 및 단상 세미 위상제어 정류회로 시뮬레이션

Pspice

역률 4-3-4

위상제어 정류기의 교류 전원 측 역률 PF(power factor)

•

점호각

➜ 에 따라 변한다 점호각이 클수록 낮아진다. .

역률 PF(power factor) =

•

유효전력 피상전력

동일한 출력을 요구하는 시스템에서 역률이 나쁘면 좀더 많은 피상전력이 요구된다.

➜

①

단상 전파 정류 회로 저항 부하 시 ( )

• 역률 PF =

입력 전압 전류의 실효값

: ,

출력전류

- 의 실효값

- 이므로

∴

➜ 순수 저항부하라도 언제나 역률이 이 되지 않고 지연각

1 에 따라 변한다.

②

단상 전파 정류 회로 유도성 부하 ( )

• 역률 :

인덕턴스가 큰 경우 평균값 실효값

( : =

실효값

➜

)

➜ 가 0°라도 역률이 1이 되지 않는다.

③

유도성 부하 환류 다이오드를 가진 단상 전파 정류회로 및 세미 컨버터 ( )

• 역률 PF

출력전류 실효값

( ≠ 입력전류 실효값

입력전류 실효값 : )

➜ 역률이 단상 전파 정류회로보다 향상된다.

예) = 60° : 단상전파 위상제어 정류기 ➜ PF=0.45

환류 다이오드 단상전파 및 세미 컨버터 ➜ PF=0.827

■

역률과 변압기 용량

위상제어 정류회로의 입력 측에 변압기를 사용하는 -

경우 역률은 변압기의 용량에 영향을 준다.

예 변압기) 2차 측에 Center tap(권선비 1:1:1)을 이용한 단상 전파 위상제어 정류회로

• 변압기 1, 2차 측 역률이 다르다.

저항 부하 시 (1)

• 변압기 2차 측 역률

➜ 차

- 2 권선 측 피상전력 차

- 2 권선 측 피상전력 ( )

차 측 전압 실효값

- 2 ( )

출력전류 실효값

- ( )

( )

∴

역률이 전파 위상제어 정류회로보다 나빠짐

➜

변압기 1차측 역률 PF

•

➜

변압기의 2차측 용량은 1차측 보다

➜ 배 커야한다.

유도성 부하시 (2)

변압기 2차측 역률 :

• ( )

역률이 단상전파 위상제어 정류회로보다 1/

➜ 배 나빠진다.

예 변압기) 2차측 권선비( 2:1)에 단상 전파 위상제어 정류회로가 연결된 경우 저항부하( )

• 변압기 2차측 역률

• 변압기 1차측 역률

차측 역률과 동일 2

➜

변압기가 없는 경우와 동일하다 유도성 부하일 경우도 동일하다

* . ( )

연습문제

Report : 4-2, 4-4, 4-5

■

비정현 주기파 2-5

전력변환장치의 입출력 전압 전류 파형, 스위칭 소자의 스위칭에 의해 얻어지는데

• ➜

대개 비정현 주기파(Nonsinusoidal periodic waveform)이다.

• 비정현 주기파 ➜ 기본파 주파수의 정현파 기본파( : fundamental wave)와

기본파 주파수의 정수배의 주파수를 갖는 정현파들 고조파( :harmonics)의 합으로 나타낼 수 있다.

비정현파 주기

( , 기본파 주파수 )

이들 성분들을 푸리에 전개(Fourier Expansion)에 의해 구할 수 있다.

➜

• 푸리에 급수전개 ➜ “비정현 주기파를 여러 주파수의 성분의 정현파(sin)와 여현파(cos)의 성분으로 분해하는 것.”

비정현 주기파 :

➜

푸리에 계수

- :

우함수

* → , 기함수 →

비정현 주기파 :

•

여기서

( , )

ꀶ

비정현 주기파 = 직류성분 + 교류성분 = 직류성분 + 기본파 성분 + 고조파 성분

기본파 성분

- :

고조파 성분

- :

예 구형파의) Fourier Expansion

비정현 주기파의 실효값 2-5-2

비정현 주기파 전류의 실효값

- :

비정현 주기파와 평균전력 2-5-3

평균전력 :

•

( )

비정현 주기파에 의해 공급하는 평균전력은 각 고조파가 단독적으로 공급하는

➜

평균전력의 합과 같다.

역률 :

•

피상전력

( )

파형의 왜곡과 변위 2-6

파형의 왜곡

2-6-1 (distortion)

파형의 왜곡 기본파에 직류성분과 고조파성분이 더해져서 발생

• ➜

파형 왜곡의 정도를 나타내는 지수 전고조파 왜율(THD), 왜곡률(DF)

• ➜

전고조파 왜율 (THD : Total Harmonic Distortion)

①

정의

- : ^{전고조파의실효값}_{기본파의실효값}

예 전류의 전고조파 왜율) ➜

왜곡률 (DF : Distortion Factor)

②

정의

- : ^{기본파의실효값}_실효값

예 전류의 왜곡률) ➜

파형의 변위

2-6 (displacement)

파형의 변위 주기가 같은 두 파형의 기본파 위상이 어긋난 정도 역률과 밀접한 관계

• ➜ ➜

비교하는 두 파형이 주기만 같고 모양이 다르다면 두 파형의 기본파의 위상차가 변위의 크기가 된다.

변위율(DPF : Displacement factor)

•

정의 - :

기본파의 평균전력

기본파전압의 실효값 기본파전류의 실효값

기본파 전압에 대한 기본파 전류의 위상 :

변위율은 같은 주기를 갖는 임의의 전압 전류에 있어서,

➜

기본파만의 역률( )이라 볼 수 있다.

예 다이오드 정류회로) : 순수 정현파의 전압 왜곡된 비정현파의 전류 형태,

역률 :

➜

예제 2-8) 정현파 전압 구형파 전류, (a) 전압의 실효값 :

(b) 기본파 전압의 실효값 : (c) 전류의 실효값 :

(d) 기본파 전류의 실효값 : , ,

기본파 전류

- :

기본파 전류의 실효값

- :

(e) 왜곡률 : (f) 변위율 : (g) 역률 :

고조파 4-3-5

스위칭에 의한 전력변환장치 고조파 발생 파형의 왜곡현상

- ➜ ➜

예 단상 전파 위상제어 정류회로 저항 부하 시) ( ) - 교류전원 측 전류 에 대한 고조파 분석

기본파 위상 :

- 지연각 의 변동에 따른 전원전류의 고조파 성분 최저차고조파는 차

( 3 )

➜ = 0° 이면

이면 각 고조파성분이 나타난다

0° .

≠

역률 개선 4-4-4

역률 개선을 위해 GTO를 이용한 정류회로 사용

•

대칭각 제어(Symmetrical Angle Control) 방법

■

➜ 를 기준으로 대칭으로 스위칭하여 출력전압을 제어함으로서 변위율(DPF)을 1로 할 수 있다.

• 스위칭 방법 (유도성 부하)

① ➜ S₁, S₄ On

② ➜ S₁ On, S₃ On (S₄ Off) S

➜ ₁, S₃을 통해 환류.

③ ➜ S₂ On (S₁ Off), S₃ On 상태

④ ➜ S2 On, S4 On (S3 Off) S

➜ ₂, S₄를 통해 환류.

평균 출력 전압 :

•

➜ (On 구간 조절로 출력전압을 가변함) .

• 역률 :

피상전력

- :

전류의 실효값

( : )

∴

단상 전파 위상제어 정류회로와 비교하여

➜

볼 때 역률 개선된다.

예제 과 의 비교

- 4-21 4-22

출력 100V 출력 160V 대칭각제어 PF 0.783 0.94

위상제어 PF 0.45 0.727

■

고조파 개선 방법

정전압 직류출력 4-3-3

• 직류전원 : 직류전압에 포함된 리플 성분은 적을수록 좋다.

정류기의 출력 리플 감소를 시키고 평균값만 부하에

•

공급하기 위해 L-C filter 사용

전류리플 감소 전압리플 감소

( L: , C : )

필터 인덕턴스 L 크기에 따라 인덕터 전류가 연속

•

또는 불연속이 되며 이에 따라 출력 특성이 달라진다. (그림 4-10, 11, 12 비교)

전원측 인덕턴스

4-3-6 의 영향

전력변환회로의 정확한 해석 스위칭 소자의 On 상태 전압 강하 인덕터, L의 저항성분,

• ➜

배선의 표류 인덕턴스(stray inductance) 등이 고려되어야 함.

■ 단상 위상제어 정류회로에서 교류 입력전원의 변압기와 배선상의 인덕턴스 를 고려한 경우

예) T2, T3가 도통하여 부하전류 가 흐르다가 가 도통하는 경우

T1, T4 전원전류

➜ 는 에서 로 변한다.

전원의 인덕턴스

• 로 인해

의 전류는 서서히 으로 감소

T2, T3 0

전류는 서서히

T1, T4 로 증가

이 경우 4개의 Thyristor가 모두 도통한다.

➜

이 구간을

➜ 중복구간(overlap interval)이라 하고 중복구간의 기간을, 중복각(overlap angle, commutation angle) 라 한다.

중복각

• ( )동안 출력전압의 감소분

➜ ( ꀴ 중복구간에서 이 성립)

평균 출력 전압 :

•

중복각

• 구하기

➜

중복각은 지연각

➜ , 전원측의 인덕턴스 , 부하전류 및 전원전압 V에 의해 결정된다.

연습문제

Report : 4-3, 4-6, 4-13

■