KR101414968B1 - Multi Level Inverter - Google Patents

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Abstract

The present invention provides a multi level inverter for spatial and more effective use. For this, the present invention includes a phase transformer which receives AC input power having a fixed frequency and outputs voltage having a predetermined phase; and unit power cells which receive voltage from the phase transformer and are connected in series to output voltage having a predetermined phase. The unit power cell has 690V input.

Description

멀티 레벨 인버터{Multi Level Inverter}Multi Level Inverter < RTI ID = 0.0 >

본 발명은 인버터에 관련된 것으로 보다 자세하게는 고압 인버터에 관한 것것이다.
The present invention relates to inverters and more particularly to high voltage inverters.

고압 인버터는 일반적으로 수백 kW ~ 수십 MW의 용량을 갖는 대용량의 전동기를 구동하는데 사용되고 있으며, 팬(fan), 펌프(pump), 압축기(compressor), 견인(traction), 승강(hoist), 컨베이어(conveyor)와 같은 분야에서 주로 사용된다. 멀티 레벨 고압 인버터(multi-level medium-voltage inverter)는 입력 선간 전압 실효치가 600V 이상의 입력 전원을 갖는 인버터로 출력 상 전압(output phase voltage)은 여러 단계를 갖는다. High-voltage inverters are generally used to drive large-capacity motors with capacities from hundreds of kilowatts to tens of megawatts (MW), and they are used for fans, pumps, compressors, traction, hoists, conveyor). A multi-level medium-voltage inverter is an inverter having an input power source with an effective input voltage of 600V or more. The output phase voltage has several steps.

통상의 전압형 고압 인버터는 직렬 연결형 H-브릿지 인버터(Cascaded H-bridge inverter)를 사용하거나 이를 변형한 직렬 연결형 NPC 인버터(Cascaded Neutral Point Clamped inverter)를 이용한다. 최근 사용되기 시작한 직렬 연결형 NPC 인버터는 기존의 직렬 연결형 H-브릿지 인버터와 비교하여 그 부피가 작다는 점이 크게 부각되고 있다.Conventional voltage type high voltage inverters use Cascaded H-bridge inverters or Cascaded Neutral Point Clamped inverters which are modified by using them. Recently, the series-connected NPC inverters, which have recently begun to be used, have been remarkably emphasized as being smaller in volume than conventional series-connected H-bridge inverters.

직렬 연결형 H-브릿지 인버터는 가장 보편적인 고압멀티레벨형태로 저압 단상인버터를 조합하여 고압출력을 내도록 구성되며, 전체 구성은 입력단 다권선 변압기, 단위전력셀, 제어부 등으로 구성된다. 직렬 연결형 H-브릿지 인버터는 여러 개의 저압 단상 인버터를 포함하는 단위전력셀을 조합하여 고압 인버터로 사용하는 방법으로, 각 상 별로 단위전력셀을 직렬연결하고 단위전력셀의 출력을 제어하여 고압의 삼상전압 및 전력을 출력하는 방식이다. The series-connected H-bridge inverters are composed of the most common high-voltage multilevel inverters to combine low-voltage single-phase inverters with high-voltage outputs. The overall configuration consists of an input stage multi-winding transformer, a unit power cell, and a control unit. The series-connected H-bridge inverter uses a combination of unit power cells including several low-voltage single-phase inverters as a high-voltage inverter. The unit-power cells are connected in series and the output of the unit power cell is controlled, Voltage and power.

고압 인버터는 산업용 고압 모터에 적용이 되며, 주로 사용되는 전압은 3.3kV/6.6kV/10kV의 고압 모터를 구동하는데 사용이 되며, 보통의 산업체에서는 상용전원을 직접 꼽아 모터에 적용하여 주파수가 60Hz 고정이 되어 에너지 절감이 거의 이루어 지지 않고 사용을 한다. 최근 고압멀티레벨사용이 증대되고 있으나, 산업용 모터 구동 시 고압 인버터의 판넬 부피가 상당히 커서 공간 활용에 제약이 있다.
The high voltage inverter is applied to the high voltage motors for industrial use and the voltage used mainly is to drive the high voltage motors of 3.3kV / 6.6kV / 10kV. In normal industry, the commercial power is applied directly to the motor, So that energy saving is hardly achieved. In recent years, the use of multi-level high voltage has been increasing, but the panel volume of the high-voltage inverter is considerably large when the industrial motor is driven.

본 발명은 공간적으로 더 효율적으로 사용할 수 있는 고압 멀티 레벨 인버터를 제공한다.
The present invention provides a high-voltage multi-level inverter that can be used spatially more efficiently.

본 발명은 고정된 주파수를 가지는 AC 입력전원을 입력받아 예정된 위상을 가지는 전압으로 출력하는 위상변압기; 및 상기 위상변압기에서 제공하는 전압을 입력받아 예정된 상을 가지는 전압을 출력하기 위해 직렬연결된 다수의 단위전력셀을 구비하며, 상기 단위전력셀은 690V 입력을 가진 단위전력셀인 것이 특징인 인버터를 제공한다.The present invention relates to an AC input power supply having a fixed frequency and a phase transformer for receiving AC input power and outputting a voltage having a predetermined phase. And a plurality of unit power cells connected in series to output a voltage having a predetermined phase, the unit power cell being a unit power cell having a 690V input, do.

또한, 상기 다수의 단위전력셀은 3상의 출력전압을 전동기로 제공하기 위해 3열로 직렬연결되어 배치되는 것을 특징으로 한다.The plurality of unit power cells are arranged in series in three rows to provide an output voltage of three phases to an electric motor.

또한, 상기 다수의 단위전력셀는 6.6KV로 구동하시키기 위해 15개 단위전력셀이 3열로 직렬연결된 것을 특징으로 한다.
In addition, the plurality of unit power cells are connected in series in 15 columns to drive 15 power cells to 6.6 KV.

본 발명에서는 690V 입력을 가진 단위전력셀을 이용하여 직렬연결 H-브릿지 방식의 고압 인버터를 구현함으로서, 고객의 요구에 만족할 수 있도록 고압 멀티레벨판넬의 크기를 감소시킬 수 있어, 사용자의 공간 활용도를 높일 수 있다. 또한, 단위전력셀이 줄어든 만큼 직렬연결 H-브릿지 방식의 고압 멀티레벨부품수가 감소하므로 원가절감과 신뢰성을 향상시킨다.
In the present invention, by implementing a series-connected H-bridge type high voltage inverter using a unit power cell having a 690V input, the size of the high-pressure multi-level panel can be reduced to satisfy the customer's demand, . In addition, as the number of unit power cells is reduced, the number of high-voltage multilevel components of the series connection H-bridge type decreases, thereby improving cost reduction and reliability.

도1은 본 발명을 설명하기 위한 멀티레벨시스템의 블럭도.
도2는 도1의 멀티레벨시스템을 구현한 보드를 나타내는 도면.
도3은 도1의 인버터의 단위전력셀의 회로도.
도4는 본 발명의 실시예에 따른 고압인버터를 나타내는 도면.1 is a block diagram of a multi-level system for explaining the present invention.
2 shows a board implementing the multilevel system of FIG. 1;
3 is a circuit diagram of a unit power cell of the inverter of FIG.
4 illustrates a high-voltage inverter according to an embodiment of the present invention.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, in order to facilitate a person skilled in the art to easily carry out the technical idea of the present invention. do.

본 발명은 산업 현장에서 사용되는 대용량 고압 인버터에 관한 것이다. 고압 인버터는 일반적으로 관성이 큰 부하에 적용이 되며, 산업체에 중요한 Fan & Pump 부하에 적용이 된다. 특히, 본 발명은 고압멀티레벨H-브릿지 인버터에서 630V 단위전력셀을 사용하지 않고 690V 단위전력셀을 사용하여 입력 전압을 높임으로써 이전보다 적은 수의 단위전력셀을 사용하는 고압 인버터에 관한 것이다. The present invention relates to a high capacity high voltage inverter used in an industrial field. High-voltage inverters are generally applied to inertial loads and are applied to fan and pump loads that are important to industry. In particular, the present invention relates to a high-voltage inverter using a smaller number of unit power cells by increasing the input voltage by using a 690V unit power cell without using a 630V unit power cell in a high-voltage multilevel H-bridge inverter.

고압인버터는 산업용 고압 모터에 적용이 되며, 주로 사용되는 전압은 3.3kV/6.6kV/10kV의 고압 모터를 구동하는데 사용이 되며, 보통의 산업체에서는 상용전원을 직접 꼽아 모터에 적용하여 주파수를 60Hz 고정으로 사용이 되어 에너지 절감이 거의 이루어 지지 않고 사용을 한다. 최근 에너지 절감이 이슈가 되면서 고압멀티레벨사용이 증대되고 있다. 이러한 산업용 모터 구동 시 고압 인버터의 판넬 부피가 상당히 커서 공간 활용에 제약이 있다. The high voltage inverter is applied to industrial high voltage motors. The main voltage used is to drive high voltage motors of 3.3kV / 6.6kV / 10kV. In normal industry, the commercial power is directly applied to the motor to fix the frequency to 60Hz And it is used almost without energy saving. As energy saving becomes an issue in recent years, the use of high-pressure multi-level is increasing. When the industrial motor is driven, the panel volume of the high-voltage inverter is considerably large, which limits space utilization.

그러나, 본원발명에 따른 고압인버터는 구비되는 단위전력셀 수를 감소시킴으로써 공간 활용도를 높일 수 있고, 이에 따라 고압 인버터의 판넬 부피가 감소하므로 제품의 원가 절감과 신뢰성을 향상시킬 수 있다.However, the high-voltage inverter according to the present invention can increase the space utilization by reducing the number of unit power cells provided, and accordingly, the panel volume of the high-voltage inverter is reduced, so that cost reduction and reliability of the product can be improved.

도1은 본 발명을 설명하기 위한 멀티레벨시스템의 블럭도이다. 도2는 도1의 멀티레벨시스템을 구현한 보드를 나타내는 도면이다.1 is a block diagram of a multi-level system for explaining the present invention. 2 is a diagram illustrating a board implementing the multilevel system of FIG.

도1을 참조하여 살펴보면, H-bridge 멀티-레벨 인버터는 위상 쉬프트(Phase-Shift) 변압기(10)와 각각의 단위전력셀(20) 그리고 단위전력셀과 정보를 주고 받는 마스터 제어기(30)를 포함한다. 위상 변압기(10)는 분리 독립된 단위전력셀(20)의 DC-Link부로 필요한 상을 가지는 전압을 공급한다. 1, the H-bridge multi-level inverter includes a phase-shift transformer 10, a unit power cell 20, and a master controller 30 for exchanging information with a unit power cell. . The phase transformer 10 supplies a voltage having a required phase to the DC-Link unit of the unit power cell 20 separately and separately.

직렬로 연결되어 각 열을 이루는 단위전력셀(U1/U2/U3/U4/U5/U6)은 한 상을 가지는 신호를 출력하도록 구성하고 각각 직렬로 연결되어 있다. 또한 각각의 단위전력셀에 포함된 제어기(미도시)는 마스터 제어기(30)와 광케이블로 데이터를 주고 받는다.The unit power cells U1 / U2 / U3 / U4 / U5 / U6 that are connected in series and constitute each column are configured to output signals having one phase and are connected in series. In addition, a controller (not shown) included in each unit power cell exchanges data with the master controller 30 through an optical cable.

도2는 멀티레벨 인버터를 구현한 시스템 구성을 보여주는데, 시스템의 제어기는 크게 주 제어기인 마스터(master) 제어기와 각각 구비되는 단위전력셀 제어기로 구성된다. 마스터 제어기와 단위전력셀 제어기는 광통신을 통해 신호를 주고 받는다.FIG. 2 shows a system configuration implementing a multilevel inverter. The controller of the system is composed of a master controller, which is a main controller, and a unit power cell controller, respectively. The master controller and the unit power cell controller exchange signals through optical communication.

마스터 제어기(30)는 순시정전, 재시동, 속도써치, 비상정지, 오토에너지 저장(Auto Energy Save), 자기진단 기능, S/L, 오토튜닝, 주파수 리미트, Stall 방지, 등 주 가감속 제어를 담당한다. 마스터 제어기(30)에서 단위전력셀 제어기로 출력 전압 지령, 동기 신호, 전동기 과열, 등 단위전력셀 운전 기본 형식을 광통신으로 보내고 반대로 단위전력셀 제어기에서 마스터 제어기(30)로 과전압, 부족전압, 과전류, Arm 단락, 지락, 퓨즈오픈, Heat Sink 과열, H/W 이상, 단위전력셀 출력결상, 입력결상의 정보를 제공한다.Master controller 30 is responsible for main acceleration / deceleration control such as instantaneous power failure, restart, speed search, emergency stop, auto energy save, self diagnosis, S / L, auto tuning, frequency limit, do. The master controller 30 sends the unitary power cell operation basic format such as the output voltage command, the synchronous signal, the motor overheat, and the like to the optical communication in the unit power cell controller, while the overcurrent, undervoltage, overcurrent , Arm short circuit, Ground fault, Fuse open, Heat sink overheating, H / W error, Unit power cell output phase loss, Input phase loss.

도3은 도1의 멀티레벨 인버터의 단위전력셀의 회로도로서, 단위전력셀을 직렬로 연결한 멀티레벨구성을 보여준다. FIG. 3 is a circuit diagram of a unit power cell of the multilevel inverter of FIG. 1, showing a multi-level configuration in which unit power cells are connected in series.

도1 내지 도3에 도시된 바와 같이, 마스터 제어기가 각각의 단위전력셀 전압을 받고 다시 단위전력셀에 전압 레퍼런스 정보를 준다. 각각의 단위전력셀은 DC-Link 전압을 수신받아 출력 전압을 생성하여 부하인 전동기로 인가한다. 단위전력셀에서 출력되는 전압의 주파수는 가변되어, 전동기의 토오크와 속도를 제어하는 용도로 사용된다.As shown in FIGS. 1 to 3, the master controller receives each unit power cell voltage and gives voltage reference information to the unit power cell again. Each unit power cell receives the DC-Link voltage, generates an output voltage, and applies it to the motor as a load. The frequency of the voltage output from the unit power cell is variable, and is used to control the torque and speed of the electric motor.

도1은 전술한 바와 같이, 직렬 연결 H-브릿지 방식의 고압 인버터의 구성이다. 직렬 연결 H-브릿지 방식의 고압 인버터는 다권선 위상차 변압기와 단위전력셀을 구비하고 있다. 여기서 630V 단위전력셀을 이용하는데, 각 단위전력셀은 3상 다이오드 정류기와 직류단 캐패시터(DC-Link capacitor) 그리고 단상 풀 브릿지 인버터(single phase full bridge inverter)를 포함한다. 각 단위전력셀에 630V 전압이 입력되면, 단위전력셀의 다이오드 정류기가 턴온 되고 직류단 캐패시터에 890V~900V 전압이 충전된다.1 is a configuration of a high-voltage inverter of a series connection H-bridge type as described above. The series-connected H-bridge type high voltage inverter has a multi-winding phase difference transformer and a unit power cell. Here, a 630V power cell is used. Each unit power cell includes a three-phase diode rectifier, a DC-Link capacitor, and a single phase full bridge inverter. When a voltage of 630V is input to each unit power cell, the diode rectifier of the unit power cell is turned on and the DC capacitor is charged to 890V to 900V.

630V 입력을 가진 고압 인버터에 주로 사용되는 출력전압은 3.3KV, 6.6KV 및 10KV가 있다. 여기에 들어가는 단위전력셀의 총 개수는 각각 9개, 18개, 27개가 구비되어야 한다.Output voltages used mainly for high voltage inverters with 630V inputs are 3.3KV, 6.6KV and 10KV. The total number of unit power cells to be included here should be 9, 18, and 27, respectively.

현재 고입 인버터를 사용하는 경우에 부피를 줄여야 하는 과제가 있는데, 이를 위해서는 단위전력셀의 갯수를 줄이든지 크기를 줄여야 한다. 고압 인버터를 현장에 설치하는 경우 고압 멀티레벨룸을 새롭게 신설해야 하고, 현장 상황에 따라 여러 대의 고압 인버터가 설치되어야 한다. 고압 멀티레벨사용자들은 고압멀티레벨판넬의 크기를 최소화 하여 공간활용을 높이고 싶으나, 직렬 연결 H-브릿지 방식의 고압 인버터의 경우 다수의 단위전력셀을 구비하기 때문에, 공간을 줄이는 것이 쉽지 않다.Currently, there is a problem to reduce the volume when using a high-input inverter. To do so, the number of unit power cells must be reduced or reduced. If a high-voltage inverter is installed in the field, a new high-pressure multi-level room should be newly installed, and several high-voltage inverters should be installed according to the situation of the site. High-voltage multi-level users want to minimize the size of the high-voltage multi-level panel to increase the space utilization. However, since the H-bridge type high voltage inverter has a plurality of unit power cells, it is not easy to reduce the space.

이를 해결하기 위해, 본 발명은 직렬연결 H-브릿지 방식의 고압 인버터에서 기존 630V 입력을 가진 단위전력셀을 690V 입력으로 전압을 올림으로써 단위전력셀개수를 줄일 수 있는 방법이다. In order to solve this problem, the present invention is a method of reducing the number of unit power cells by increasing the voltage of a unit power cell having a 630 V input to a 690 V input in a series-connected H-bridge type high voltage inverter.

도4는 본 발명의 실시예에 따른 고압인버터를 나타내는 도면이다.4 is a diagram illustrating a high-voltage inverter according to an embodiment of the present invention.

도4를 참조하여 살펴보면, 본 발명의 실시예에 따른 고압인버터는 690V 입력을 가진 단위전력셀로 구현된다. 직렬연결 H-브릿지 방식의 고압인버터의 경우 고압 단상 인버터를 직렬로 연결하여 하나의 상전압을 구성하고, 그로 인해 고압출력을 얻을 수 있는 삼상 인버터가 된다. Referring to FIG. 4, the high voltage inverter according to the embodiment of the present invention is implemented as a unit power cell having a 690V input. In the case of high-voltage inverters of series connection H-bridge type, three-phase inverters which can constitute one phase voltage by connecting high-voltage single-phase inverters in series and thereby obtain high-voltage output.

직렬연결 H-브릿지 방식의 고압 멀티레벨방식을 이용하여 출력전압 6.6KV를 가지는 인버터를 구현하려면, 630V 입력을 가진 단위전력셀을 이용하는 경우에는 6개를 직렬로 연결해 원하는 전압을 만들어야 한다. 하지만 출력전압 6.6KV를 기준으로 690V 입력을 가진 단위전력셀은 5개를 직렬 연결하여 동일한 성능을 구현할 수 있다. 도4에는 직렬연결 H-브릿지 방식의 고압 멀티레벨방식을 이용하여 출력전압 6.6KV를 가지는 인버터를 690V 입력을 가진 단위전력셀을 가지고 구현 경우를 도시하고 있다.To implement an inverter with an output voltage of 6.6KV using a H-bridge high-voltage multilevel scheme, if a unit power cell with a 630V input is used, the desired voltage must be generated by serially connecting six units. However, a unit power cell with a 690V input based on an output voltage of 6.6KV can achieve the same performance by connecting five units in series. FIG. 4 shows a case in which an inverter having an output voltage of 6.6 KV is implemented with a unit power cell having a 690 V input using a high-voltage multilevel method of a series connection H-bridge method.

이와 같이, 690V 입력을 가진 단위전력셀을 이용하는 경우에는 630V 입력을 가진 단위전력셀을 이용하는 경우보다 고압멀티레벨구현 시 총 단위전력셀 개수는 각 상에서 한 개씩 줄일 수 있다. 따라서, 6.6KV 기준으로 18개 단위전력셀을 15개의 단위전력셀로 구현가능하기 때문에 3개의 단위전력셀을 줄일 수 있다. 그러나, 단위전력셀의 갯수가 줄었지만, 이전과 같은 성능을 구현할 수 있다.As described above, when a unit power cell having a 690 V input is used, the total number of unit power cells can be reduced by one in each high-voltage multi-level implementation, compared with the case of using a unit power cell having a 630 V input. Therefore, 18 unit power cells can be implemented with 15 unit power cells based on 6.6 KV, so that three unit power cells can be reduced. However, although the number of unit power cells is reduced, the same performance can be achieved.

지금까지 살펴본 바와 같이, 본 발명에서는 690V 입력을 가진 단위전력셀을 이용하여 직렬연결 H-브릿지 방식의 고압 인버터를 구현함으로서, 고객의 요구에 만족할 수 있도록 고압 멀티레벨판넬의 크기를 감소시킬 수 있어, 사용자의 공간 활용도를 높일 수 있다. 또한, 단위전력셀이 줄어든 만큼 직렬연결 H-브릿지 방식의 고압 멀티레벨부품수가 감소하므로 원가절감과 신뢰성을 향상 시킨다. As described above, according to the present invention, by implementing a series-connected H-bridge type high voltage inverter using a unit power cell having a 690V input, the size of the high-pressure multi-level panel can be reduced to satisfy the customer's demand , The space utilization of the user can be increased. In addition, as the number of unit power cells is reduced, the number of high-voltage multilevel components of the series connection H-bridge type decreases, thereby improving cost reduction and reliability.

이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is clearly understood that the same is by way of illustration and example only and is not to be taken by way of limitation, I will understand. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be determined by the scope of the appended claims, as well as the appended claims.

Claims (3)

고정된 주파수를 가지는 AC 입력전원을 입력받아 예정된 위상을 가지는 전압으로 출력하는 위상변압기; 및
상기 위상변압기에서 제공하는 전압을 입력받아 예정된 상을 가지는 전압을 출력하기 위해 직렬연결된 다수의 단위전력셀을 구비하며,
상기 다수의 단위전력셀은 각각 690V 입력을 가진 단위전력셀이고,
3상의 출력전압 6.6KV을 전동기로 제공하기 위하여 직렬 연결된 5개의 단위전력셀이 3열로 구비되어 15개의 단위전력셀로 이루어지는 것이 특징인 멀티 레벨 인버터.

A phase transformer receiving an AC input power having a fixed frequency and outputting a voltage having a predetermined phase; And
And a plurality of unit power cells connected in series to output a voltage having a predetermined phase by receiving a voltage provided from the phase transformer,
Wherein the plurality of unit power cells are unit power cells each having a 690V input,
Wherein the three unit power cells are serially connected in three rows to provide an output voltage of 6.6 KV to the motor.

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US5355296A (en) 1992-12-10 1994-10-11 Sundstrand Corporation Switching converter and summing transformer for use therein
US6072707A (en) 1998-10-23 2000-06-06 Siemens Power Transmission & Distribution, Inc. High voltage modular inverter
US6519169B1 (en) 1999-03-29 2003-02-11 Abb Ab Multiphase inverter with series of connected phase legs

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Title
IEEE 논문(제목: Practical Implementation of PWM Synchronization and Phase-Shift Method for Cascaded H-Bridge Multilevel Inverters Based on a Standard Serial Communication Protocol), 논문발표 2008년 *
IEEE 논문(제목: Practical Implementation of PWM Synchronization and Phase-Shift Method for Cascaded H-Bridge Multilevel Inverters Based on a Standard Serial Communication Protocol), 논문발표 2008년*

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