KR100387590B1 - Power Conversion Device of DC Moter System - Google Patents
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Abstract
본 발명은 직류전동기 부하시스템에서의 전력변환 장치에 관한 것으로서 교류전원(4), 교류전원(4)을 직류전원으로 변화시키는 3상 싸이리스터 정류기(1), 교류전원부와 직류전동기의 입력부를 연결하여 부하시스템에서 발생한 고조파 및 저역률을 보상하는 수동필터(2), 3상 싸이리스터 정류기(1)로부터 직류전원을 공급받아 구동되는 직류전동기(3), 직류전동기에 의하여 작동하는 부하(5)로 구성된 종래의 직류전동기 부하시스템에 있어서, 상시적으로 발생하는 고조파를 제거하는 필터의 역할과 저역률을 보상하는 저역률 보상 장치의 역할 및 제동시 직류전동기의 에너지를 교류전원으로 전달하는 역할을 인버터(6)를 상기 수동필터(2) 대신에 3상 싸이리스터 정류기(1)의 입,출력단에 연결한 구성으로 역률 및 고조파를 보상하기 위하여 수동필터 시스템을 사용하지 않고 인버터를 사용하여 현저한 성능을 발휘할 수 있으며, 설치공간을 줄일 수 있어, 전철차량용 전동기 시스템, 압연롤 구동시스템등 대형 직류전동기를 채용하는 전력시스템의 설치장소에 적극 활용하여 경제성 및 제어성을 현저히 향상시키는 장점이 있는 것이다.The present invention relates to a power conversion device in a DC motor load system, and connects an AC power source (4), a three-phase thyristor rectifier (1) for converting the AC power source (4) to a DC power source, and connects an AC power source and an input of a DC motor. By a direct filter (2), a three-phase thyristor rectifier (1) driven by a DC power supply (3), a load operated by a DC motor (5) In the conventional DC motor load system consisting of: a filter for removing the harmonics that occur constantly, a low power factor compensation device for compensating low power factor and a role of transferring the energy of the DC motor to AC power during braking. Inverter 6 is connected to the input and output terminals of the three-phase thyristor rectifier 1 instead of the passive filter 2, and a passive filter system is provided to compensate for power factor and harmonics. Inverter can be used to exhibit remarkable performance and the installation space can be reduced, and it can be utilized economically and control in the installation of power system that adopts large DC motor such as electric motor system for rolling stock, rolling roll driving system. There is an advantage to significantly improve the sex.
Description
본 발명은 직류전동기 부하시스템에서의 전력변환 장치에 관한 것으로서, 특히 전철용 구동기 부하 및 대형 압연 부하등 대형 직류전동기 부하시스템에서 저역률보상, 고조파 저감 및 제동을 효과적으로 수행할 수 있는 직류전동기 부하시스템에서의 전력변환 장치에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a power conversion device in a DC motor load system, and in particular, a DC motor load system capable of effectively performing low power factor compensation, harmonic reduction, and braking in a large DC motor load system such as a train driver load and a large rolling load. It relates to a power conversion device in.
일반적으로 직류전동기는 가변특성을 가지고 있으므로 가변속도 구동에 널리 사용된다. 직류전동기는 높은 기동토크를 제공할 수 있으며 넓은 범위에 걸쳐서 속도를 제어하는 것이 가능하다. 구조면에서 교류전동기 보다 구조가 간단하고 가격이 저렴하며 가변속도 구동이 우수하여 산업용으로 중요한 역할을 하고있다.In general, since DC motors have variable characteristics, they are widely used for variable speed driving. DC motors can provide high starting torque and control the speed over a wide range. In terms of structure, it is simpler than AC motor, cheaper in price, and excellent in variable speed driving, thus playing an important role for industrial use.
도 1은 종래 전철차량 구동용 전동기 및 압연롤 구동용 전동기 등의 직류전동기 부하시스템의 전력변환 장치의 구성도이다. 3상 싸이리스터 정류기(1;three phase thyristor rectifier)는 교류전원(4)에서 직류전동기(3)로 직류전원을 공급하여 모터링과 제동을 수행한다. 이때 전원부와 부하시스템에서는 싸이리스터를 이용한 전력변환기기 제어의 특성상 고조파가 발생되며, 역률이 나빠지게 된다. 고조파는 출력전압의 왜곡을 발생시키고 신호처리 회로사이의 간섭을 초래하게 되며 저역률은 부하의 전력 공급을 약화시키게 되어 동일전압하에 큰 전류를 흐르게 하여야 하는 문제가 발생하게 된다. 또한 그 결과 송전계통에서 열손실이 커지고 전압변동율이 나빠지게 된다. 입력측 교류전원의 전원품질이 나빠지는 것을 방지하고 고조파 노이즈를 제거하여 시스템의 전체적인 안정도를 개선하기 위하여 종래 직류전동기 부하시스템에서는 수동필터(2)를 사용하여 왔다. 수동필터(2)는 고조파 발생차수별 필터를 따로 설계하여야 하므로 많은 설치공간을 필요로 하게 된다. 이러한 직류전동기 부하시스템에서의 전력변환 방법에 대한 기술은 미국특허 제5,598,072호로서 개시되어 있다.1 is a configuration diagram of a power conversion device of a DC motor load system, such as a conventional train vehicle driving motor and rolling roll driving motor. A three phase thyristor rectifier (1) supplies a DC power source from the AC power source 4 to the DC motor 3 to perform motoring and braking. At this time, harmonics are generated in power supply and load system due to the characteristics of power conversion device control using thyristor, and power factor becomes worse. Harmonics cause distortion of the output voltage and cause interference between signal processing circuits, and low power factor weakens the power supply of the load, causing a large current to flow under the same voltage. As a result, the heat loss in the transmission system increases and the voltage fluctuation rate worsens. The passive filter 2 has been used in the conventional DC motor load system to prevent the power quality of the input AC power from deteriorating and to improve the overall stability of the system by removing harmonic noise. Passive filter (2) requires a separate filter for each harmonic generation order requires a lot of installation space. A technology for a power conversion method in such a DC motor load system is disclosed as US Patent No. 5,598,072.
본 발명은 상기한 실정을 감안하여 종래 직류전동기 부하시스템에서 야기되는 문제점을 해결하고자 발명한 것으로서, 직류전동기의 부하시스템에서 발생하는 저역률 보상, 고조파 저감 및 제동을 보다 현저히 효과적으로 수행할 수 있는 직류전동기 부하시스템에서 전력변환 장치를 제공함에 그 목적이 있다.The present invention has been invented to solve the problems caused by the conventional DC motor load system in view of the above situation, a direct current capable of more significantly effective low power factor correction, harmonics reduction and braking generated in the load system of the DC motor Its purpose is to provide a power conversion device in a motor load system.
도 1은 종래의 직류전동기 부하시스템에서의 전력변환 장치의 구성도,1 is a configuration diagram of a power conversion device in a conventional DC motor load system;
도 2는 본 발명 직류전동기 부하시스템에서의 전력변환 장치의 구성도,2 is a configuration diagram of a power conversion device in the DC motor load system of the present invention;
도 3은 본 발명 직류전동기 부하시스템에서의 전력변환 장치의 등가회로도,3 is an equivalent circuit diagram of a power conversion device in a DC motor load system of the present invention;
도 4a는 본 발명의 정방향 모터링시 등가회로의 동작도,Figure 4a is an operation of the equivalent circuit when the forward motor of the present invention,
도 4b는 본 발명의 운행중 제동시 등가회로의 동작도,Figure 4b is an operation of the equivalent circuit during braking of the present invention,
도 4c는 본 발명의 운행중 상시 저역률 및 고조파를 보상하는 경우의 등가회 로의 동작도이다.Figure 4c is an operation of the equivalent circuit in the case of compensating the constant low power factor and harmonics during operation of the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
1 : 3상 싸이리스터 정류기 2 : 수동필터1: 3 phase thyristor rectifier 2: Manual filter
3 : 직류전동기 4 : 교류전원3: DC motor 4: AC power
5 : 부하 6 : 인버터5: load 6: inverter
7 : 전원부 8 : 역률/고조파 보상부7 power unit 8 power factor / harmonic compensation unit
9 : 부하단 10 : 고조파 독립전류원9: load stage 10: harmonic independent current source
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명 직류전동기 부하시스템에서의 전력변환 장치는 교류전원(4), 교류전원(4)을 직류전원으로 변화시키는 3상 싸이리스터 정류기(1), 교류전원부와 직류전동기의 입력부를 연결하여 부하시스템에서 발생한 고조파 및 저역률을 보상하는 수동필터(2), 3상 싸이리스터 정류기(1)로부터 직류전원을 공급받아 구동되는 직류전동기(3), 직류전동기(3)에 의하여 작동하는 부하(5)로 구성된 직류전동기 부하시스템에 있어서,Power conversion device in the present invention DC motor load system for achieving the above object is a three-phase thyristor rectifier (1), an AC power source and a DC motor to change the AC power source (4), AC power source (4) to a DC power source To DC motor (3) and DC motor (3) driven by DC power supplied from passive filter (2), three-phase thyristor rectifier (1) to compensate for harmonics and low power factor generated in the load system by connecting the input of In a DC motor load system composed of a load (5) operating by
상시적으로 발생하는 고조파를 제거하는 필터의 역할과 저역률을 보상하는 저역률 보상장치의 역할 및 제동시 직류전동기의 에너지를 교류전원으로 전달하는 역할을 하는 인버터(6)를 상기 수동필터(2) 대신에 3상 싸이리스터 정류기(1)의 입,출력단에 연결하여 구성된 것을 특징으로 한다.The passive filter (2) includes an inverter (6) which serves as a filter for removing the harmonics, a low power factor compensation device that compensates for low power factor, and transfers energy of a DC motor to an AC power supply during braking. Instead, it is connected to the input and output terminals of the three-phase thyristor rectifier (1).
이하 첨부도면을 참조하여 본 발명 직류전동기 부하시스템에서의 전력변환장치의 작용을 상세하게 설명한다.With reference to the accompanying drawings will be described in detail the operation of the power converter in the DC motor load system of the present invention.
도 2는 본 발명 직류전동기 부하시스템에서의 전력변환 장치의 구성도로서 모터링시 3상 싸이리스터 정류기(1)가 부하에 맞는 직류전원을 공급하고 제동시에는 IGBT 또는 고속 스위칭이 가능한 스위치 소자를 사용한 인버터(6)가 직류전동기측(3)의 에너지를 교류전원(4)측으로 가져온다. 또한 상시적으로 발생하는 저역률 및 고조파는 인버터(6)에서 APF(Active Power Filter)처럼 동작하여 역률과 고조파를 동시에 보상할수 있는 제어방법으로 동작되는 구조이다.2 is a configuration diagram of a power conversion device in a DC motor load system according to the present invention. The three-phase thyristor rectifier 1 supplies DC power suitable for a load when motoring and an IGBT or a switch device capable of high-speed switching during braking. The used inverter 6 brings the energy of the DC motor side 3 to the AC power source 4 side. In addition, the low power factor and harmonics that are generated constantly operate as an APF (Active Power Filter) in the inverter 6 to operate as a control method that can simultaneously compensate for the power factor and harmonics.
도 3은 도 2에 도시한 본 발명 직류전동기 부하시스템에서의 전력변환 장치의 등가회로도로서, 도 2의 교류전원(4)은 순수 전압원인 Es와 전원임피던스인 Rs와 Ls로 구성되는 교류전원부(7)로 등가화되고, 인버터(6)는 고조파 필터부인 Rf, Cf및 Lf와 저역률 보상부인 Cr로 구성되는 역률/고조파 보상부(8)로 등가화된다. 또한 3상 싸이리스터 정류기(1), 직류전동기(3) 및 부하(5)는 RL, LL및 고조파 전류원(10)으로 구성되는 부하단(9)으로 등가회로화할 수 있다.FIG. 3 is an equivalent circuit diagram of a power conversion device in the DC motor load system of the present invention shown in FIG. 2, wherein the AC power supply 4 of FIG. 2 is composed of E s as a pure voltage source and R s and L s as power impedances. Equivalent to the AC power supply unit 7, the inverter 6 is equalized to a power factor / harmonic compensation part 8 composed of harmonic filter parts R f , C f and L f and a low power factor compensation part C r . In addition, the three-phase thyristor rectifier 1, the DC motor 3 and the load 5 can be equivalent circuited to the load stage 9 composed of R L , L L and harmonic current source 10.
도 4는 도 3에서 등가화한 회로의 동작도이다. 도 4a는 정방향 모터링의 경우로서 교류전원으로부터 전기에너지를 공급받아 직류전동기 시스템이 구동되는 순간을 나타낸다. 전류(Im)가 흐르는 경로는 순수 전압원(Es)에서 전원 임피던스인 Rs와 Ls를 지나 등가부하인 RL및 LL로 순환하게 된다. 모터링하고 있던 부하가 정지할 필요가 있을 경우 제동모드로 들어간다.4 is an operation diagram of a circuit equivalent to that of FIG. 3. 4A illustrates the moment when the DC motor system is driven by receiving electrical energy from an AC power supply as a case of forward motoring. The current (I m) flowing path is in through the R s and L s in pure water supply impedance voltage source (E s) is circulated to the equivalent load R L and L L. If the load being motored needs to be stopped, the brake mode is entered.
도 4b는 운행중에 있던 부하가 제동이 되는 경우를 나타낸 것으로 직류전동기의 회전에너지가 교류전원측으로 흘러 나오는 전류(Ir)의 흐름 상태를 나타내고 있다. 부하측인 RL및 LL쪽에서 교류전원부인 Es로 전류의 방향이 나타난다. 이때 직류전동기는 발전기로 동작하며 전동기와 부하의 에너지는 전원으로 전달되는데 이러한 제동을 회생제동(regenerative braking)이라고 한다. 저항 제동(rheostatic braking)시 보다 에너지 효율면에서 우수한 특성을 지니고 있다. 모터링 및 제동의 경우, 특히 모터링의 경우에는 많은 에너지가 공급되고 역률 저하와 고조파 발생량이 많으므로 역률과 고조파 보상이 필요하다.Fig. 4B shows a case where the load that is being driven is braked and shows the flow state of the current I r flowing the rotational energy of the DC motor to the AC power supply side. The direction of the current appears from the load side R L and L L to the AC power supply E s . At this time, the DC motor operates as a generator, and the energy of the motor and the load is transferred to the power source. This braking is called regenerative braking. It has better energy efficiency than rheostatic braking. In the case of motoring and braking, especially in the case of motoring, a lot of energy is supplied and power factor reduction and harmonic generation amount are necessary, so power factor and harmonic compensation are required.
도 4c는 상시 동작중에 있는 역률과 고조파 보상에서 나타나는 전류의 흐름이다. 역률 보상 캐패시터(Cr)는 교류전원측에서 가장 적은 전류로 부하시스템을 구동시켜 전류경로상의 설비용량을 작게 할 수 있고 무효전력에 의한 전력 손실을 막을 수 있게 한다. 고조파 보상 필터부인 Rf, Cf및 Lf는 고조파로 인한 설비의 고장과 제어기기의 오동작을 감소시키는 역할을 수행한다. 고조파 독립전류원(10)은 전류 고조파원 Ih로 등가화되어 고조파 필터부인 Rf, Cf및 Lf로의 전류경로가 형성된다. 이때 전류의 방향은 고조파 차수별 전류의 위상에 의하여 결정되며 역률 보상의 경우 부하측의 유도성 리액턴스(inductance reactance)인 LL에 의하여 무효 전류(Iq)가 발생하고 발생된 전류는 역률 보상 캐패시터인 Cr로 흐르게 된다.Fig. 4c shows the flow of current in power factor and harmonic compensation during normal operation. Power factor correction capacitor (C r) is driving the load system to the least current from the power source side alternating current to reduce the installed capacity on the current path, and allows to prevent the power loss due to reactive power. Harmonic compensation filters R f , C f and L f serve to reduce the malfunction of the equipment and the malfunction of the controller due to harmonics. The harmonic independent current source 10 is equivalent to the current harmonic source I h to form a current path to R f , C f, and L f , which are harmonic filters. At this time, the direction of the current is determined by the phase of the current for each harmonic order.In the case of power factor correction, the reactive current (I q ) is generated by L L , an inductance reactance on the load side, and the generated current is the power factor correction capacitor C. flows to r .
상기한 바와 같이 작용하는 본 발명 전력변환 장치는, 직류전동기를 채용한 부하시스템에서 역률 및 고조파를 보상하기 위하여, 수동필터 시스템을 사용하지 않고서 현저한 성능을 발휘할 수 있으며, 설치공간을 줄일 수 있어서 전철차량용 전동기 시스템, 압연롤 구동시스템등 대형 직류전동기를 채용하는 전력시스템의 설치장소에 적극 활용하여 경제성 및 제어성을 현저히 향상시키는 장점이 있다.The power conversion device of the present invention, which operates as described above, can achieve remarkable performance without using a passive filter system in order to compensate for power factor and harmonics in a load system employing a DC motor, and can reduce installation space. It has the advantage of significantly improving the economic efficiency and controllability by actively utilizing the installation place of the power system that adopts the large DC motor such as the vehicle electric motor system and the rolling roll driving system.
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