KR890001473B1 - Natural commutated cycloconverter - Google Patents
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Abstract
Description
제1(a)도는 3-펄스 UFC의 회로도. 제1(b)도는 쌍방향성 스위치의 구성도.1 (a) is a circuit diagram of a three-pulse UFC. 1 (b) is a block diagram of a bidirectional switch.
제2(a)도는 출력 전압의 한상에 대한 회로도. 제2(b)도는 각 스위치의 스위칭 함수도.Figure 2 (a) is a circuit diagram for the phase of the output voltage. 2 (b) is a switching function diagram of each switch.
제3(a)도는 단일 펄스로 변조된 스위칭 함수도. 제3(b)도는 고조파 특성도.3 (a) is a switching function modulated by a single pulse. 3 (b) is a harmonic characteristic diagram.
제4(a)도는 특정 고조파를 제거하는 본 발명 변조방식의 기본 회로도. 제4(b)도는 3-펄스 UFC에서 2 0+ 3 1및 4 0+ 3 1의 고조파 성분을 제거하는 스위칭 함수의 변조 예시도.Figure 4 (a) is a basic circuit diagram of the modulation method of the present invention for removing specific harmonics. Figure 4 (b) shows two in a three-pulse UFC 0 + 3 1 and 4 0 + 3 Exemplary modulation example of a switching function that removes harmonic components of 1 .
제5(a)도-제5(d)도는 본 발명의 실시예로 변조된 스위칭 함수를 출력전압의 크기에 따라 구간별로 나타낸 예시도.5 (a) to 5 (d) is an exemplary view showing a switching function modulated according to an embodiment of the present invention for each section according to the magnitude of the output voltage.
제6(a)도는 본 발명의 변조방식을 3-펄스 UFC에 적용시킨 경우의 고조파 특성도.Fig. 6 (a) is a harmonic characteristic diagram when the modulation method of the present invention is applied to a three-pulse UFC.
제7도는 6-펄스 UFC의 구성 예시도.7 is an exemplary configuration diagram of a 6-pulse UFC.
제8(a)도-제8(c)도는 6-펄스 UFC에 대한 본 발명 변조방식의 실시 예시도.8 (a) to 8 (c) are exemplary views of the modulation scheme of the present invention for 6-pulse UFC.
제9(a)도는 본 발명의 변조방식을 6-펄스 UFC에 적용시킨 경우의 고조파 특성도.9 (a) is a harmonic characteristic diagram when the modulation scheme of the present invention is applied to a six-pulse UFC.
본 발명은 일종의 교류형 전력변화기에 관한 것으로, 특히 출력전압과 저차 고조파 성분을 제거함과 동시에 스위칭 주파수를 최소화할 수 있게한 강제환류형 싸이클로콘버터의 변조방식에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
일반적으로 널리 사용되고 있는 자연 활류형 싸이클로콘버터(Natural Commutated Cycloconverter ; NCC)는 많은 양의 저조파(低調波 : 출력전압의 기본주파수 보다 낮은 주파수) 성분을 내포하고 있으므로 최대출력 주파수가 입력 주파수의의 범위에서만 사용되고 있다[참고문헌 ; B. R. Pelly, "Thristor Phase-Controlled Converters and Cycloconverters", New York : Wiely, 1971].Natural Commutated Cycloconverters (NCCs), which are widely used in general, contain a large amount of low harmonics (frequency lower than the fundamental frequency of the output voltage), so the maximum output frequency is Used only within the scope of [Ref. BR Pelly, "Thristor Phase-Controlled Converters and Cycloconverters", New York: Wiely, 1971].
또한, 최근에는 반도체 소자의 급속한 발달과 더불어 자체 소호능력을 갖는 쌍방향성 스위치(Gate Turn-Off thristor ; GTO)등을 사용한 강제환류형 싸이클로콘버터(Forced Commutated Cycloconverter ; FCC)가 활발히 연구되고 있는 실정이며[참고문허 ; L. Gyugyi and B. Pelly, "Static Power Frequency Changers", New York ; Wiley, 1976], 그중에서도 특히 UFC(Unrestricted Frequency Changer)는 저조파 성분이 없어서 출력주파수의 제한없이 사용할 수 있다는 장점을 지니고 있다.Recently, with the rapid development of semiconductor devices, forced commutated cycloconverters (FCCs) using gate turn-off thristors (GTOs) having self-extinguishing capabilities have been actively studied. [Reference letter; L. Gyugyi and B. Pelly, "Static Power Frequency Changers", New York; Wiley, 1976], among others, UFC (Unrestricted Frequency Changer) has the advantage that it can be used without limitation of the output frequency because there is no low harmonic content.
이 UFC의 기본원리를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.The basic principle of this UFC is demonstrated with reference to attached drawing.
제1(a)도는 3-펄스 UFC의 기본 회로도로서, V11, V12및 V13는 삼상입력을 나타내고 V01,V02및 V3는 쌍방향성 스위치(H11- H13), (H21- H23) 및 (H31- H33)을 통해 변환된 삼상출력을 나타낸다.Figure 1 (a) is a basic circuit diagram of a three-pulse UFC, where V 11 , V 12 and V 13 represent three-phase inputs, and V 01, V 02 and V 3 represent bidirectional switches H 11 -H 13 , (H 21 -H 23 ) and (H 31 -H 33 ) show the three-phase output converted.
제1(b)도는 제1(a)도에서 사용한 쌍방향성 스위치의 구성을 나타낸 것이다.Fig. 1 (b) shows the configuration of the bidirectional switch used in Fig. 1 (a).
상기한 바와같은 FUC의 특성을 살펴보기 위하여 삼상출력전압의 한상에 대해서만 나타내면 제2(a)도와 같이 되며, 각 스위치의 온/오프 상태를 나타내는 스위칭 함수(H1), (H2) 및 (H3)은 제2(b)도와 같이 된다. 이 스위칭 함수(H1), (H2) 및 (H3)은 고전위 상태인 "1"일때 온되고 저전위 상태인 "0"일때 오프됨을 나타낸다.In order to examine the characteristics of the FUC as described above, only the one phase of the three-phase output voltage is shown in FIG. 2 (a), and switching functions H 1 , (H 2 ), and ( H 3 ) becomes as shown in the second (b) diagram. These switching functions H 1 , H 2 and H 3 indicate that they are on when the high potential is "1" and off when the low potential is "0".
이와같은 UFC의 입, 출력 전압(V11), (V0) 및 스위칭 함수(H1)를 수학적으로 나타내면 다음과 같이 된다.The input, output voltage (V 11 ), (V 0 ) and switching function (H 1 ) of such a UFC is mathematically represented as follows.
상기 식(1)에서 알 수 있는 바와같이 n이 3의 배수가 아닐때 출력전압(V0)에 고조파 성분이 존재하며, 가장 낮은 고조파 성분은 2 0+ 3 1, 4 0+ 3 1가 된다.As can be seen from Equation (1), when n is not a multiple of 3, a harmonic component exists in the output voltage V 0 , and the lowest harmonic component is 2 0 + 3 1 , 4 0 + 3 Becomes 1
한편, 스위칭 함수의 폭을 가변하여 출력전압을 제어하게 되는데, 단일 펄스폭 변조의 경우가 제3(a)도에 나타나 있다. 즉, 제3(a)도에서 알 수 있는 바와 같이 스위칭 함수의 폭을 가변하기 위한 제어 각(β)가 커짐에 따라 출력전압은 증가하며, 상기의 식(1)은 하기의 식(2)으로 표시된다.On the other hand, the output voltage is controlled by varying the width of the switching function. The single pulse width modulation is shown in FIG. 3 (a). That is, as shown in FIG. 3 (a), as the control angle β for varying the width of the switching function increases, the output voltage increases, and Equation (1) is expressed by Equation (2) Is displayed.
그리고, 이때의 고조파 특성은 제3(b)도에 도시한 바와같이 되며, 이 제3(b)도에서 알 수 있는 바와같이 FUC의 출력전압은 저조파 성분은 없지만 많은 양의 고조파 성분을 포함하게 된다. 따라서 이 UFC의 출력전압에 포함되어 있는 고조파 성분을 제거하기 위해서 몇가지 형태의 펄스폭 변조방식이 제시 되었으나[참고문헌 ; M, Venturini, "A new sine wave in, sine wave out conversion technique eliminates reactive elements, " in Proc. Powercon 7, 1980, pp, E3-1-E3-15 ; D. Ziogas et al., "Some improced forved commutated cycloconverter structures," IEEE Trans. Ind. Appl., vol. IA-21, pp. 1242-1253, Sept./Oct. 1985.], 이는 스위칭 주파수가 높고 제어가 복잡한 결점이 있다.In this case, the harmonic characteristics are as shown in FIG. 3 (b). As can be seen from FIG. 3 (b), the output voltage of the FUC contains no large harmonic components but includes a large amount of harmonic components. Done. Therefore, some types of pulse width modulation methods have been proposed to remove the harmonic components included in the output voltage of this UFC [Ref. M, Venturini, "A new sine wave in, sine wave out conversion technique eliminates reactive elements," in Proc. Powercon 7, 1980, pp, E3-1-E3-15; D. Ziogas et al., "Some improced forved commutated cycloconverter structures," IEEE Trans. Ind. Appl., Vol. IA-21, pp. 1242-1253, Sept./Oct. 1985.], which has the drawback of high switching frequency and complicated control.
따라서, 본 발명의 목적은 출력전압의 저차 고조파 성분을 제거함과 동시에 스위칭 주파수를 최소화하는 강제환류형 싸이클로콘버터의 변조방식을 제공함에 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a modulation scheme of a forced reflux cycloconverter that minimizes switching frequency while removing low-order harmonic components of an output voltage.
이러한 본 발명의 목적은 고조파 성분에 대한 위상차를 π만큼 갖도록 하여 두 성분을 합함으로써 달성되는 것으로, 첨부된 본 발명의 도면을 참조하여 설명한다. 상기의 식(2)에서 볼 때, 출력전압을 기본파에 대하여 만큼 지연시키면 고조파 성분에 대해서는 n 만큼 지연시키면 고조파 성분에 대해서는 n 만큼 지연됨을 알 수 있다. 따라서, 제4(a)도에 도시한 바와같이 두개의 콘버터를 조합하여 각각의 출력전압을 기본파에 대하여만큼의 위상차를 갖도록한 후 서로 더하면, 상기의 식(2)은 하기의 식(3)과 같이 된다.This object of the present invention is achieved by adding the two components by having a phase difference with respect to the harmonic components by π, will be described with reference to the accompanying drawings of the present invention. In Equation (2) above, the output voltage Delay by n for harmonic content Delay by n for harmonic content It can be seen that the delay. Therefore, as shown in Fig. 4 (a), by combining two converters, each output voltage is compared with respect to the fundamental wave. When the phase difference is equal to each other and then added to each other, Equation (2) becomes as in Equation (3) below.
n = (2p-1) k ; p = 1, 2, 3n = (2p-1) k; p = 1, 2, 3
에 대한 고조파 성분은 없게 된다.There is no harmonic component for.
이상에서 설명한 바와같이 제4(a)도에 나타난 방법은 한개의 콘버터를 사용해서도 스위칭 함수를 스폭 변조함으로써 동일한 효과를 얻을 수 있다.As described above, in the method shown in FIG. 4 (a), the same effect can be obtained by the width modulation of the switching function even with one converter.
한편, 제4(b)도는 3-펄스 UFC에 있어서 저차 고조파인 2 0+ 3 1및 4 0+ 3 1성분을 제거 위한 스위칭 함수의 변조방식을 나타낸 것으로,의 위상차를 각게한 후 그 4개의 스위칭 함수를 더함으로써 스위칭 함수가 변조된다.On the other hand, Fig. 4 (b) shows the second harmonic in the 3-pulse UFC. 0 + 3 1 and 4 0 + 3 Modulation method of the switching function to remove one component, The switching function is modulated by angling the phase difference of and adding the four switching functions.
이와같이 변조된 스위칭 함수는 각각 120°씩 지연되어 한상에서 필요로 하는 세개의 스위칭 함수를 하게 되는데, 여기서 스위칭 함수 사이에 중복이 일어나지 않도록 하기 위해서는 β 의 최대치를로 한시켜야 하고, 보다 큰 출력 전압을 얻기 위해서는 변조형태를 달리하여야 한다.The modulated switching functions are each delayed by 120 ° to give the three switching functions required by the phase, where the maximum value of β is used to avoid overlap between switching functions. The modulation type must be changed to obtain a larger output voltage.
제5(a)도 내지 제5(d)도는 본 발명의 실시예로 출력전압의 크기에 따라 서로 다른 4가지 형태의 변조식을 나타낸 것이다. 이 4가지 형태의 변조방식에 따른 출력전압의 정규화된 값의 범위는 다음 표 1과 같 된다.5 (a) to 5 (d) is an embodiment of the present invention shows four types of modulation equations different from each other according to the magnitude of the output voltage. The range of normalized values of output voltages according to these four types of modulation is shown in Table 1 below.
[표 1]TABLE 1
이와같은 4가지 형태의 변조방식을 3-펄스 UFC에 적용시킨 경우의 고주파 특성은 제6도에 도시한 와같이 나타난다. 이 제6도에 나타난 바와같이 방식제5(a)도와 제5(b)도에서는 2 0+ 3 1및 4 0+ 3 1의 고조성분이 완전히 제거됨을 알 수 있고, 출력전압이 커짐에 따라 방식 제5(c)도에서는 2 0+ 3 1및 성분만이 제 되고, 방식 제5(d)도에서는 2 0+ 3 1및 4 0+ 3 1의 두 성분이 모두 나타나게 됨을 알 수 있다.When the four types of modulation schemes are applied to the 3-pulse UFC, the high frequency characteristics are shown as shown in FIG. As shown in FIG. 6, in FIG. 5 (a) and FIG. 5 (b), 0 + 3 1 and 4 0 + 3 It can be seen that the harmonic component of 1 is completely removed, and as the output voltage increases, 0 + 3 1 and only components are eliminated and in the scheme 5 (d) is 2 0 + 3 1 and 4 0 + 3 It can be seen that both components of 1 appear.
이제까지는 3-펄스 UFC의 경우에 대하여 설명하였으나, 본 펄스폭 변조방식은 6-펄스 UFC에 대하여서도 같은 방법으로 적용할 수 있다.Although the case of the 3-pulse UFC has been described so far, the present pulse width modulation method can be applied to the 6-pulse UFC in the same manner.
제7도는 6-펄스 UFC의 기본 구성도를 나타낸 것으로, V11-V13는 삼상 입력전압이고, V1-V3는 삼상 출력전압이며, IM은 삼상 전동기 부하를 나타낸다. 여기서는 3-펄스 UFC에서와는 달리 삼상의 세 권선이 서로 분리되어 있다[참고문헌 ; L. Gyugy and B. Pelly, "Static Power Frequency changers", "New York" ; Wiley, 1976].Figure 7 shows the basic configuration of a six-pulse UFC, V 11 -V 13 is a three-phase input voltage, V 1 -V 3 is a three-phase output voltage, IM represents a three-phase motor load. Here, unlike in the 3-pulse UFC, the three windings of the three phases are separated from each other [Ref. L. Gyugy and B. Pelly, "Static Power Frequency changers", "New York"; Wiley, 1976].
또, H11-H'33는 쌍방향성 스위치로서 H11-H33는 서로 120°의 위상차를 갖고 온/오프되며, H'11-H'33보다 각각 π 만큼의 위상 지연을 갖고 온/오프된다.In addition, H 11 -H '33 is a bidirectional switch, and H 11 -H 33 is turned on / off with a phase difference of 120 ° to each other, and has a phase delay of π than H' 11 -H '33 , respectively. do.
이와같은 6펄스 UFC에서 발생되는 고조파 성분은 상기 식(1)과 유사한 형태로 되나, n이 짝수일 때의 고조파도 상쇄되어 5 0+6 1, 7 0+6 1, 11 0+12 1, 13 0+12 1의 순으로 나타난다. 따라서 가장 저조파 성분인 5 0+6 1및 7 0+6 1의 고조파를 제거하려면, 5 0+6 1성분에 대해서는 n=5일 때 이므로, 7 0+6 1성분에 대해서는 n=7일 때 이므로의 위상차를 주는 것이 필요하다. 위의 두 고조파 성분을 동시에 제거하려면 두 위상차의 조합으로부터 의 4가지 위상값이 얻어진다.The harmonic components generated in the 6-pulse UFC are similar to those of Equation (1), but the harmonics when n is even are canceled. 0 +6 1 , 7 0 +6 1 , 11 0 +12 1 , 13 0 +12 Appears in the order of 1 . Thus the lowest harmonic component 5 0 +6 1 and 7 0 +6 To remove 1 harmonic, 5 0 +6 When n = 5 for 1 component , 7 0 +6 For 1 component when n = 7 It is necessary to give the phase difference of. To remove the above two harmonics at the same time, Four phase values of are obtained.
제8(a)도는 위의 4가지 위상값을 갖는 펄스들로 구성된 펄스폭 변조파형을 보여주고 있다. 한편 기본파 성분의 크기는 펄스폭의 폭 β 를 증가시킴으로써 커지게 되는데 β 가 증가함에 따라 각 펄스 사이에 중첩이 일어나게 되며, 이러한 중첩 현상을 피하도록 하려면 제8(b)도와 같은 형태로 하면 된다. 그러나 이때는 기본파 성분은 증가하지만 위의 두 고조파 성분도 따라서 증가된다.8 (a) shows a pulse width modulation waveform composed of pulses having the above four phase values. On the other hand, the magnitude of the fundamental wave component is increased by increasing the width beta of the pulse width. As the beta increases, the overlap occurs between the pulses. . At this time, however, the fundamental components increase, but the above two harmonic components increase accordingly.
제9도는 제8도의 변조방식에 따른 고조파 특성을 나타낸 것이다.9 shows harmonic characteristics according to the modulation scheme of FIG.
이 제9도에서 알 수 있는 바와같이 방식(가)에서는 저차 고조파 성분인 5 0+ 6 1와 7 0+6 1의 두 성분이 완전히 제거되며, 방식(나) 및 (다)에서는 출력전압이 증가함에 따라 5 0+6 1와 7 0+6 1의 두 고조파 성분이 점차 증가된다.As can be seen from FIG. 9, in the method (a), 5 0 + 6 1 and 7 0 +6 The two components of 1 are completely removed, and in the schemes (B) and (C), as the output voltage increases, 0 +6 1 and 7 0 +6 Two harmonic components of 1 are gradually increased.
이상의 본 발명 변조방식은 출력전압에 나타나는 저차 고조파 성분을 제거할 수 있음을 보였지만 상기의 식(1), (2), (3)을 입력전류에 대해서 전개해 보면, 동일한 변조방식으로 동시에 입력전류에서의 고조파 성분도 제거됨을 알 수 있다.Although the modulation scheme of the present invention has shown that the lower harmonic components appearing in the output voltage can be removed, the equations (1), (2), and (3) described above can be developed with respect to the input current. It can be seen that the harmonic components in Eq.
이상에서 설명한 바와같이 본 발명은 UFC의 고조파 성분에 대한 위상차가 π 만큼되도록 스위칭 함수를 변조함으로써 최소의 스위칭 주파수로 출력전압의 크기를 제어함과 동시에 출력전압 및 입력전류에 나타나는 저차고조파 성분을 제거할 수 있는 효과가 있다.As described above, the present invention modulates the switching function such that the phase difference with respect to the harmonic components of the UFC is π, thereby controlling the magnitude of the output voltage at the minimum switching frequency and at the same time removing the low harmonic components appearing in the output voltage and the input current. It can work.
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