-위상 제어 정류기-

Prof. Byoung-Kuk Lee, Ph.D.

Energy Mechatronics Lab.

School of Information and Communication Eng.

Sungkyunkwan University

Tel: +82-31-299-4581 Fax: +82-31-299-4612 http://seml.skku.ac.kr EML: bkleeskku@skku.edu

 위상제어 정류기 (Phase Controlled Rectifier)의 기능 : AC  DC

위상제어 정류회로 (I)

|

|

o

v

v 

 AC-DC Phase Controlled Rectifier

 2상한(I, IV) 동작 (전원부하)

 출력전압 제어 가능

 지연각 (Delay angle) or Firing angle, α에 의해 출력전압 결정

Vs1 Vs2

Vsn

Vo io

부하 위상제어 정류기

(a) n상 위상제어 정류기 +

-

Power Flow

0 wt

(b) 단상 전파 위상제어 정류기의 입출력 전압파형

Vs

Vo

 

 

0 wt

a +a

Sungkyunkwan Univ., Energy Mechatronics Lab.

 SCR Thyristor

• 문턱전류 (Holding current) – (IH)

• 유지전류 (Latching current) - (IL)

• Turn-on 제어만 가능

• Current controlled device

• Low switching frequency

• Uncontrollable gate turn off

• High volt. and curr. capab.

• Turn-on 조건 : V

>0

, i

>0

• Turn-off 조건 : i

=0

V

<0

위상제어 정류회로 (II)

G

K A +

- v

i

i

iA iA

0 iA

+V +V +V

0

VG V_G VG

IG IG

0 IG

Q1 Q1

Q1

Q2 Q2 Q2

SCR OFF SCR Triger ON SCR ON

단상 반파 정류회로 – R 부하

0

2 sin sin

( )

o s

o s m

o

t

Forward bias

v v V t

v v V

i t

R R R

on drop

 





 



 

  

 무시

i) ₂

0, 0

o o

D s

t

Reverse vias

v i

v v

    



 

 ii)

2 sin :

s

s D o

v V t

KVL v v v





 +

 Circuit & Waveform

wt

wt

wt wt

 0

0 Vs

Vo

 

0  VD

io

 





0

+ -

R

v

v

+ -

+ - v

i

Sungkyunkwan Univ., Energy Mechatronics Lab.

단상 전파 위상제어 정류회로 – R 부하 (II)

 Mode Analysis

2

2 (1 cos )

halfwave

o o

v v

V a



    

 +

) cos 1

2 ( a

 ⁺





 R

i

V

,

2 0

2

1 ( )

1 2 sin

( ) ( )

sin 2

1 2

2

o o

o

I i d t

V t

d t R

V R

I



 a

 

 



a a

 





  +









wt 0

wt Vs

Vo

wt

wt

 



 

 

wt wt wt wt

0 0

0

0

0 0 0 is

io

i^G1

i^G2 i^G3

i^G4

온상태

SCR T1, T4 T2, T3 T1, T4

(b) 파 형

a _+a

신호 인가 신호 인가

단상 전파 위상제어 정류회로 – RL 부하 (I)

 Load condition  Current source (big ‘L’)





 ; i

L

SCR : natural commutation Source

Load

Vs

+

-

+

- Vo

i0

is ^{T1 T2}

T3 T4

(a) 회 로

R

L VR

+ -

VL

+ -

+

- +

-

Sungkyunkwan Univ., Energy Mechatronics Lab.

단상 전파 위상제어 정류회로 – RL 부하 (II)

 Load condition  Current source (big ‘L’)

a

 

 t 0



 a  t 

a





  t  +

Load Source

Load

Load Source

Source

 v

i

Vs

+

- +

-

Vo

i0

is T¹ T₂

T3 T4

R

L

Vs

+ -

+

-

Vo

i0

is T¹ T₂

T3 T4

R

L

Vs

+ -

+ -

Vo

i0

is T¹ T2

T3 T4

R

L

0 wt

wt Vs

Vo

wt

 

 

wt wt

0 0

0

0 0 is

io

i^G1, iG4

i^G2, iG3 온상태

SCR T1, T4 T2, T3 T1, T4

a +a

T2, T3

Io Io

wt

 

(b) 파 형

0

a  0

a  0

단상 전파 위상제어 정류회로 – RL 부하 (III)

 Load condition  Current source (big ‘L’)



 a

 a



 

 

a

 a

a

 a

v V V V

t d t V

t d v v

o o o

2 2 2

2

180 0

2 cos 2

) ( sin

1 2

) 1 (

























+ +





단상에서 α의 도통 가능범위

0< α<π

0 wt

wt Vs

Vo

wt

 

 

wt wt

0 0

0

0 0 is

io

i^G1, i^G4

i^G2, i^G3 온상태

SCR T¹, T⁴ T², T³ T¹, T⁴

a +a

T², T³

Io Io

wt

 

(b) 파 형

0

신호 인가 (0< α<π)

Sungkyunkwan Univ., Energy Mechatronics Lab.

단상 전파 위상제어 정류회로 – RL 부하 (IV)

 환류 다이오드가 추가

io

Vs

+ -

is

Vo

+

- T1 T2 R

T³ T⁴ L

DF

i^D

Vs

+

-

+

- Vo

i0

is T¹ T₂

T3 T4

R

L VR

+ -

VL

+ - DF

iD

a

 

 t 0

Vs

+

-

+

- Vo

i0

is T¹ T2

T3 T4

R

L VR

+ -

VL

+ - DF

iD



 a  t 

wt

wt Vs

Vo

wt

 

wt wt

0 0

0

0 0 is

io

i^G1, i^G4

i^G2, iG3 온상태

소자 T1, T4 T2, T3 T1, T4

a +a

Io Io

wt

 

(b) 파 형

0 0 i^D

0  

DF

DF DF

) 30 0

( , 2 cos

6 3

)]

150 cos(

) 30 [cos(

2 2 3

) ( sin

2 2 3

) 2 (

3

150 30

150 30















+

 +















+ +

+ +

a

 a

a

 a



 

 

a a

a a

V V

t d t V

t d v v

O

O O

O an

O

3상 반파 위상제어 정류기 – 저항부하 (I)

) 150 30

( )], 30 cos(

1 2 [

2 3

) ( sin

2 2 3

) 2 (

3

180 30 180

30







 

+ +















+ +

a

 a



 

 

a a

V

t d t V

t d v v

O O O

O an

O

Vo

V^an

+

-

T1

T2

T3

i^o

i^c i^b

i^a

V^cn V^bn

부 하

<3상 반파 위상제어 정류회로>

Sungkyunkwan Univ., Energy Mechatronics Lab.

3상 반파 위상제어 정류기 – 저항부하 (II)

a 6

   3

Vo

i a

i ^b

i ^c

0 t

t

t

t 0

0

0

T1

T3 T2 T3 T1 T2

o o

Van Vbn Vcn Van

온상태 SCR

(a) a<30 (10 )o o

a<30 (10 )

a 6

   3

i ^a

i ^b

i ^c

0 t

t

t

t 0

0

T1

T3 T2 T3 T1

Van Vbn Vcn Van

(c) a>30 (90 )^{o o}

  3

0

온상태 SCR

Vo

a>30 (90 )^{o o}

3상 반파 위상제어 정류기 – RL 부하

) 180 0

( , 2 cos

6 3

) ( sin

2 2 3

) 2 (

3

150 30

150 30





 















+ +

+ +

a

 a



 

 

a a

a a

V

t d t V

t d v v

O

O O

O an

O

R-L 부하시 출력전압과 상전류 (α=80˚)

Vo

Van

+

-

T1

T²

T³

i^o

i^c i^b

i^a

Vcn

V^bn

부 하

6   3

i ^a

i ^b

i ^c

0 t

Vo Van Vbn Vcn

a

0 t

 

0 t



0 t

 

 

0 t

Van



i ^o

I^o I^o

I^o

I^o

3상 반파 위상제어 정류회로

Sungkyunkwan Univ., Energy Mechatronics Lab.

3상 반파 위상제어 정류기 – 전력

3 6 cos

O O O

2

P v I VI a

      

 지연각 α < 90

 정류 모드 동작 (전동기드라이브 : 역행)

 지연각 α > 90

 인버전 모드 동작 (전동기드라이브 : 제동)

 2상한 운전 (전류방향 : 일정, 전압방향 : 양방향 )

V^o

i^o

Rectification

Inversion

<위상제어 정류회로의 2상한 동작모드>

3상 반파 위상제어 정류기 – 환류 다이오드

 출력전압은 항상 (+)

 0< 지연각 α < 150

 출력전압 파형은 저항부하의 경우와 동일함

 1상한 출력특성

V^o Van

+

-

T1

T2

T3

i^o

i^c i^b

i^a

Vcn

V^bn

R

L DF

i^D n

  3

0 t

Vo

Vbn Vcn

Van Van

t

t Vcn

0

0

T3 DF T1 DF T2 DF T3 DF T1 DF

(b) 파 형

Sungkyunkwan Univ., Energy Mechatronics Lab.

3상 전파 위상제어 정류기 – R 부하

) 60 0

( , 2 cos

3

) ( sin

3 2

) 3 (

120 60

120 60





 















+ +

+ +

a

 a



 

 

a a

a a

V

t d t V

t d v v

O

O O

O ab

O

3상 전파 위상제어 정류회로

저항 부하 시 출력전압 및 상전류 파형

a

 

i a

t

Vcb Vab Vac

t

t

t i ^b

i c

Vo Vbc Vba Vca

0

0

0

0

온상태 SCR

T4

T5 T5, T6 T6, T1 T1, T2 T2, T3 T3, T4 T4, T5

(a) a<60 (a = 30 )^{o o}

 3

a<60 (a = 30 )^{o o} V^an

i^c i^b i^a

V^cn V^bn n

T2

V^o i⁰ +

- T1 T3 T5

T4 T6

부 하

3상 전파 위상제어 정류기 – R 부하

180 60 180

60

3 ( )

3 2 sin ( )

3 2 [cos( 60 ) cos180 ]

3 2 [1 cos( 60 )], (60 120 )

O ab

v v d t

V t d t

V

V

a

a

 

 



 a

a a



+

+

  



 + 

 + +  





  t

Vcb Vab Vac Vbc Vba Vca

0 Vo

t

t

t 0

0

0

i ^a

i ^b

i ^c

T4

T5

T5

T6

T6

T1

T1

T2

T2

T3

T3

T4

a

온상태 SCR

 3

(a) a>60 (a = 90 )^{o o}

o o

a>60 (a = 90 ) V^an

i^c i^b i^a

V^cn V^bn n

T2

V^o i⁰ +

- T1 T3 T5

T4 T6

부 하

Sungkyunkwan Univ., Energy Mechatronics Lab.

3상 전파 위상제어 정류기 – RL 부하

) 180 0

( , 2 cos

3

) ( sin

3 2

) 3 (

120 60

120 60





 















+ +

+ +

a

 a



 

 

a a

a a

V

t d t V

t d v v

O

O O

O ab

O

유도성부하의 경우

 t V cb V ab V ac V bc V ba V ca

V o

 t

 t

 t 0

0

0

i a

i b

i c

 3

0

  

I o

I o

I o

a  70^o

V^an

i^c i^b i^a

V^cn V^bn n

T2

V^o i⁰ +

- T1 T3 T5

T4 T6

부 하

3상 전파 위상제어 정류기 – 환류 다이오드

 

 

 

3 2 cos , 0 60

3 2 1 cos 60 (60 120 )

0, 120 180

o

V

v V

a a

a a



a

  

  

  + +   

    

 

  



ํ ,

출력전압, 상전류 및 환류 다이오드 전류파형 (α=70 ˚) 환류 다이오드가 있는 경우의 3상 전파 위상제어 정류기

t

Vcb Vab Vac Vbc Vba Vca

V^o

t

t

t 0

0 i ^a

i ^b

i ^c

 3

0

 

a

t 0

i ^D 0

Van

ic

i^b ia

Vcn

Vbn

n

T2

Vo

i⁰

+

- T1 T3 T5

T4 T6

R

L i^D

DF

Sungkyunkwan Univ., Energy Mechatronics Lab.

시뮬레이션 – 단상 반파

저항부하(신호인가 30

˚)

시뮬레이션 – 단상 전파 (I)

저항부하(신호인가 30

˚,

Sungkyunkwan Univ., Energy Mechatronics Lab.

시뮬레이션 – 단상 전파 (II)

RL부하

시뮬레이션 – 단상 전파 (III)

RL부하(환류 다이오드 추가)

Sungkyunkwan Univ., Energy Mechatronics Lab.

시뮬레이션 – 3상 반파 (I)

저항부하

α=15˚

시뮬레이션 – 3상 반파 (II)

α=30˚ α=90˚

Sungkyunkwan Univ., Energy Mechatronics Lab.

시뮬레이션 – 3상 반파 (III)

α=150˚

출력전압

a상 전류

b상전류

c상전류

시뮬레이션 – 3상 반파 (IV)

α<30˚ (저항부하와 동일한 출력전압)

RL부하

α=90˚

Sungkyunkwan Univ., Energy Mechatronics Lab.

시뮬레이션 – 3상 전파 (I)

(

a 

저항부하

시뮬레이션 – 3상 전파 (II)

위상각 0이 라고 가정

90

 t 

60

 t 

지연각

Sungkyunkwan Univ., Energy Mechatronics Lab.

시뮬레이션 – 3상 전파 (III)

60 (^o 90 )^o

a  a 

시뮬레이션 – 3상 전파 (IV)

위상각 0이 라고 가정

150 ^o

 t  60

 t 

지연각