한국정보기술학회
2017-03-01
org.kosen.entty.User@2fc87dd9
이병호(mireaups62)
행사&학회소개
I.G.B.T를 응용한 1KVA-30KVA급 태양광 발전장치 설계및제작 개발
이병호1 ？이경백2
1이병호(E-mail:mireaups daum.net )
2이경백 PNE SOLUTION(주),중국지사(E-mail:mireaups daum.net)
Development of a ONE KVA-THIRTY KVA TYPE solor generation power supply using IGBT for insulation and manufacture devices
요 약
본 논문에서는 기존의 전원장치들의 문제점을 해결할 수 있는 PLC(programmable logic controller) 및 IGBT(insulated gate bipolar transistor)를 응용한 1-30KVA급의 보급형 설계및 제작 개발한다. 개발하고자 하는 획심 부품및 각 PART별 작업도의 기초로 제작 설계 하였다. 1)BATTERY MODULE부((ES TYPE 무보수 밀폐형)2)DC필터부,3)쵸퍼부,DC-DC CONVERTER부)=DC정전압부,4) 역변환부(INVERTER), 5)스위칭모듈부6)비상(GENERATOR) 등으로 구성되어 있다. 특히 개발한 전원장치에서는 기존의 모듈별 전원장치의 문제점인 전기적 손실이 크다는 점과 고장이 많이 발생한다는 점을 보완한다. 즉, 개발한 전원장치는 듀얼(dual) 방식을 사용하므로 IGBT 고장 시에 무순단 발전 MOD로 신속하게 전환할 수 있도록 설계되어 있다.(전력반도체(TRIC 이용)또한 태양광 CELL 부분은 기둥즉 축은 360도 회전이 가능하며 날개부분은 2중 CELL이 1단계와 2단계의 날개가 펼수 있도록 설계한다,즉STEP MORTOR 부분의 5축구동 회로방식 접목 설계가 가능 하다 그러므로 각장치 모듈의 장치부분에 예기치 않은 고장 발생 시에도 즉시 응답및동작 가능할수 있도록 설계되어 있으며 실험결과 들로부터 제안한 각 장치별 성능이 매우 우수함을 알 수 있었다.(PLC접목 기술)
Abstract
Summary in this paper,
the existing power supply, can resolve the issue of the PLC (programmable logic controller) and IGBT (insulated gate bipolar transistor) using 1-30KVA-class entry-level design and production development. If you plan to develop stroke deep parts and each PART is designed on the basis of production also stars.1) BATTERY MODULE ((TYPE ES unpaid enclosed) 2) DC filter, part 3) chopper, DC-DC CONVERTER) = DC constant voltage, part 4) reverse (INVERTER), 5) switching module part 6) consists of an emergency (GENERATOR), etc. Especially developed for power supply, module power supply issue is a loss, and the existing electrical glitches that caused a lot of complements.In other words, developed with dual power supply (dual) approaches, and thus draws on failure of IGBT interruption power MOD is designed to quickly switch to.(Power semiconductors (TRIC) is also a solar CELL is a pillar that is rotated 360 degrees and the wing part of the axis of the diploid CELL this can open the step 1 and step 2, wing design, incorporating a 5-axis driving circuit of the way that MORTOR desigTherefore, each device have an unexpected failure on the part of the module's unit also is designed to be capable of immediate response and behavior and the performance of each device from the experimental results suggested eccellentens
Key words
high-capacity,hamornics,surge,sagg,IGBT, PLC, bypass, full bridge, dual mode, inverter,frequency converter,reaction current
emergency generation.AHF filter.switching frequency.3-20KHZ(variable)PLC,DC-DC converter.V,V,V,F(mortor control)
이병호1 ？이경백2
1이병호(E-mail:mireaups daum.net )
2이경백 PNE SOLUTION(주),중국지사(E-mail:mireaups daum.net)
Development of a ONE KVA-THIRTY KVA TYPE solor generation power supply using IGBT for insulation and manufacture devices
요 약
본 논문에서는 기존의 전원장치들의 문제점을 해결할 수 있는 PLC(programmable logic controller) 및 IGBT(insulated gate bipolar transistor)를 응용한 1-30KVA급의 보급형 설계및 제작 개발한다. 개발하고자 하는 획심 부품및 각 PART별 작업도의 기초로 제작 설계 하였다. 1)BATTERY MODULE부((ES TYPE 무보수 밀폐형)2)DC필터부,3)쵸퍼부,DC-DC CONVERTER부)=DC정전압부,4) 역변환부(INVERTER), 5)스위칭모듈부6)비상(GENERATOR) 등으로 구성되어 있다. 특히 개발한 전원장치에서는 기존의 모듈별 전원장치의 문제점인 전기적 손실이 크다는 점과 고장이 많이 발생한다는 점을 보완한다. 즉, 개발한 전원장치는 듀얼(dual) 방식을 사용하므로 IGBT 고장 시에 무순단 발전 MOD로 신속하게 전환할 수 있도록 설계되어 있다.(전력반도체(TRIC 이용)또한 태양광 CELL 부분은 기둥즉 축은 360도 회전이 가능하며 날개부분은 2중 CELL이 1단계와 2단계의 날개가 펼수 있도록 설계한다,즉STEP MORTOR 부분의 5축구동 회로방식 접목 설계가 가능 하다 그러므로 각장치 모듈의 장치부분에 예기치 않은 고장 발생 시에도 즉시 응답및동작 가능할수 있도록 설계되어 있으며 실험결과 들로부터 제안한 각 장치별 성능이 매우 우수함을 알 수 있었다.(PLC접목 기술)
Abstract
Summary in this paper,
the existing power supply, can resolve the issue of the PLC (programmable logic controller) and IGBT (insulated gate bipolar transistor) using 1-30KVA-class entry-level design and production development. If you plan to develop stroke deep parts and each PART is designed on the basis of production also stars.1) BATTERY MODULE ((TYPE ES unpaid enclosed) 2) DC filter, part 3) chopper, DC-DC CONVERTER) = DC constant voltage, part 4) reverse (INVERTER), 5) switching module part 6) consists of an emergency (GENERATOR), etc. Especially developed for power supply, module power supply issue is a loss, and the existing electrical glitches that caused a lot of complements.In other words, developed with dual power supply (dual) approaches, and thus draws on failure of IGBT interruption power MOD is designed to quickly switch to.(Power semiconductors (TRIC) is also a solar CELL is a pillar that is rotated 360 degrees and the wing part of the axis of the diploid CELL this can open the step 1 and step 2, wing design, incorporating a 5-axis driving circuit of the way that MORTOR desigTherefore, each device have an unexpected failure on the part of the module's unit also is designed to be capable of immediate response and behavior and the performance of each device from the experimental results suggested eccellentens
Key words
high-capacity,hamornics,surge,sagg,IGBT, PLC, bypass, full bridge, dual mode, inverter,frequency converter,reaction current
emergency generation.AHF filter.switching frequency.3-20KHZ(variable)PLC,DC-DC converter.V,V,V,F(mortor control)
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Ⅰ【서 론】
태양광 발전장치는 산업 사회의 에너지 전력 부분의 없어서는 안될 기기및 장치이며 IGBT를 DRIVING 시켜 태양광 발전장치의 각 MODULE 부분의 SWITCHING하여 에너지를 발전 저장하는 장치 이다.대체 에너지 부분에 대한 국산화가 시급하다.(고장및 장치의 진보성의 문제 해명) 급속도로 산업사회가 발달 할수록 전기전자및 제어부분의 SOLUTION 이해및 자가동력이 필요하다는 것은 엄연한 사실이다. 전력변환장치를 토대로 하여 변력변환기.인버터DC-DC컨버터(변환장치).충전기.정류기.무정전 전원장치.등 산업의 PLC의 응용기기 의 여러 부분의 전기적 장점을 고려하여 설계,제작 하였으며 이 장치의 용도는 정밀기계 화학 FA 씨스템 전기자동차등 전원장치분야에 많이 쓰이며 관심및 연구 개발도 필요하다.
현재 미국등 선진유럽 에서는 장치의 제작 시에 TR 방식을 이용하므로 고장이 잘나지 않고 물리적으로 안정성을 가지고 있으나 고조파로 인한 문제, 전력반도체 스위칭 손실에 의한 문제, 전기적 손실에 의한 문제 등 해결해야 할 많은 문제점이 있다. 그러므로 소형 태양광발전 장치에도 고주파 스위칭에 의한 전력변환이 필요하며 HAMORNICS에 의한 손실등 연구도 필요하다.
또한 현재 산업계에서 사용하고 있는 태양광발전장치의 문제점으로는 빈번한 고장을 들 수 있다. 특히 대용량 장치에서는 IGBT(insulated gate bipolar transistor)[9]의 파손이 빈번하게 발생한다. 즉, 국내에서는 외산제품 (미국, 독일, 일본)에 주로 의존하고 있으며, 2010년부터 저가의 중국 제품도 국내에서 사용되고 있으나 장치의 고장이 빈번하다는 단점이 있다. 고장의 원인은 온도에 의한 IGBT 파손,HAMORNIC에 의한 전력손실,SURGE및 전기적 RIPPLE등도 원인이 된다. 국내에서는 수입된 제품을 사용하므로 고장이 발생하면 고장수리가 쉽지 않으며 수리비용이 많이 소요된다. 이와 같이 빈번한 고장 발생과 고장수리의 지연은 해당 산업체의 가동률 저하를 초래하며 궁극적으로는 기업 경쟁력을 약화시키는 원인이 된다.그러므로 장치에 대한 국산화가 시급하게 요구된다. 또한 고장원인 대책과 전력손실에 대한연구 또한 제시한다
본 논문에서는 태양광발전장치(1-30KVA)장치를 개발한다. 개발하는 장치는 입력 필터부, 정류부, 역변환부, 쵸퍼부, 출력 TR부, 컨버터부, 스위칭부 및 절체부,전자식 분전반 등으로 구성되어 있다. 개발한 장치에서는 기존의 장치의 문제점인 전기적 손실이 크다는 점과 고장이 많이 발생한다는 점을 해결할 수 있도록 제작하였다. 또한 제작한 장치의 실제 실험을 통해 성능을 확인한다.
Ⅱ. 태양광(1-30KVA)장치의 장애요인과 해결방법
*고조파에 대한 해결
*대응:전력소자의 SWITCHING 에 의해 전력을 변환하는 전자기기는 입력전원의 영향에 미치는 고조파에 의한 파형 왜곡의 변수(알파)부분 이다. 즉 따라서 전력 전자기기의 급속히 산업에 영향을 줌에 따라서 심각한 문제를 야기한다.(ALL 전자기기) 따라서 전력변환 분야는 더욱이 어렵고 그에 파른 파급 효과가 크기 때문이다.(전기적 손실,잡음으로 인한 파급효과) 따라서 전력변환장치로 인한 고조파 문제가 심각한 문제로 대두되고 있는것은 기증 사실인것 같다. 그중 대표적인 예로 고조파의 영향,써지 SAGG, RIPPLE, 등 또한 HAMORNICS(전자적 SURGGE)로 야기 되는 문제등 심각성을 그 예로 들수가 있다.(여기서는 SWITCHING에 관한 부분)
이는 파형왜곡 ,기계적 전기적 전자적 손실로 연결 된다.즉 에너지 손실로 이어지기 때문에 저감대책에 대한 필요성이 있다. 따라서 단상일 경우 또한 삼상일 경우도 생각하여 대책의 필요성이 있다. 이의 경우 AC든 DC든 대책을 세우지 않으면 안된다는 것이 증명이 된다. 해결책은 저감형필터 및 근본적인 저감효과로 대책 마련이 필요할 시점이다.
일반적인 전력변환장치의 장애 요인은 내부 및 외부적인 여러 가지 요인이 있으며 아래와 같이 간략하게 설명하기로 한다.
- 쌔그(sagg) : 전원전압의 일정 주기 동안의 저하를 말하며 보통 전동기 등의 기동전류가 큰 부하장치에 의해 많이 발생 함.
- POWER FAIL : 전원전압의 1주기 이상의 0 전압을 말하며 보통 선로의 과전류로 인한 TRIP,선로의 이상, 입력전원 TRANSFER시 많이 발생 함.
- 전압 스파이크 : 스파이크(spikes)는 짧은 주기의 과전압이 전원전압에 중첩되어 나타나는 현상을 말하며 보통주기는 5-100 일 때 전원전압은 150% 이상의 상승이 일어나며 낙뢰의 경우에 발생 함.
- 써지(surges) : 전압의 일정주기 동안의 전압 상승을 말하며 흔히 선로상의 급격한 부하감소, 이상전압, 상용전원의 개폐시, 반도체의 고주파 스위칭시에 발생 함.(IGBT SITCHING시 HIGH차수의 HAMORNICS발생한다.)
- 진동전압(oscillatory voltage) : 전기적 잡음으로 표현되는 진동전압은 고주파 전압이 전원전압에 중첩되어 나타나는 현상을 말한다.
위에서 열거한 장애요인들의 해결책들로는 먼저 1차와 2차로 분리하기 위한 분리(isolation) 변압기의 사용을 들 수 있다. 또한 개폐 스위치를 반도체 스위치로 교체하고 IGBT 및 스위칭 시에 DEAD TIME을 축소하고, EMI 필터의 사용 등 여러 가지 방법이 있다. 선진국에서는 전류센서를 통하여 전력반도체 변압기를 스위칭하여 L-C 공진조건에 의해 고조파를 제거하는 방법을 채택하고 있다. 그러나 이러한 방법들은 고조파의 차수가 한계에 이르는데 이는 산업현장의 각 부분에는 스위칭 소자의 부하들이 존재하기 때문이다.
그러므로 본 논문에서는 이러한 문제점을 해결하기 위해서 능동적으로 실시간으로 입력을 자가진단하고 하모닉스(harmonics)성분을 제거할 수 있는 PLC를 응용한 복합형 능동형 필터를 사용하였다.
(b) 복합형필터 사용한 경우 입력신호
그림 2. 입력신호 분석 결과 (100% 부하)
Fig 2. Analysis results of input signal(100% load)
Ⅲ. 제작한 태양광발전장치(SIMURTION)
그림A(b)복합형 필터 사용시의 파형
그림A(a) 복합형필터 사용하지 않은 경우 입력신호
본 연구에서 제작한 IGBT를 이용한 발전장치는 그림 A(a) 및 (b)와 같이 입력
그림B 공진회로 REACTANCE
그림B-1입,출력 FILTER부분의 NODULE
그림의 우측부분 에너지 저장형1KVA태양광 발전장치
(DC전압은 48V용)
장착전의 SIMURATION 과정의모습
필터부, DC-DC CONVERTER부, 초퍼부, GENERATOR(비상발전기), 인버터부(inverter), 주 스위칭부,DISPLAY부분, 전자식분전반부분,등으로 구성 된다.
Ⅳ 시스템의 구성 및 특징
1) 능동형 입력 필터부(A.H.F)
능동형 입력 필터부(그림T(b)에서 하모닉스(harmonics)와 역리플(back ripple) 방지, 잡음(noise) 제거 등의 역할을 하는 부분이다. 본 연구에서는 부하조건에 따라 실시간 감시하여 50차수까지의 고조파를 제거할 수 있도록 IGBT에 의한 복합형 능동형 필터를 사용한다. 즉, 입력 전류센서가 실시간 부하의 종류에 따라 감시하고 PLC를 사용하여 실시간으로 진, 지상 전류를 공진화시켜 대전력 스위칭 시에 발생하는 50차수까지의 고조파성분을 제거하도록 하였다. 그림 T(a)(b)는 부하 100%시의 입력파형을 분석한 것으로서 그림 T(a)와 (b)는 각 각 IGBT와 PLC를 응용한 복합형 필터를 사용하지 않은 경우와 제안한 복합형 필터를 사용한 경우의 입력파형을 도시한 것이며 결과들로부터 제안한 방법에 의한 입력신호의 경우 고조파와 리플성분이 제거된 정현신호가 됨을 알 수 있다.
본 연구에서 제안한 IGBT 및 PLC 응용 복합형필터를 사용한 경우의 장점으로는 먼저, 부하에서 발생하는 고조파의 크기에 따라 능동적으로 파형을 보상하며 대전력 반도체의 스위칭 시 전기적 리플 부분도 제거가능하다. 두 번째는 .고조파를 정밀하게 규정치 이내로 저감하며 시스템의 공진을 일으키지 않으며 순환전류로 인한 변압기의 온도에 대한 문제를 해결할 수 있다. 세 번째는 .과부하 보상 및 시스템의 전압상승을 야기하지 않는 등 변압기의 전압 불평형 문제를 해결하였다. 마지막으로 무효전력을 보상 하므로써 효율증대와 에너지 절감효과가 있다.
2) DC-DC CONVERTER부
CONVERTER부(그림 1(b)에서 3번)는 그림 3과 같으며 현재 가장 많이 쓰이는 전력반도체인 IGBT로 구성하였으며 DC를 DC화시켜 인버터(INVERTER)로 들어가는 관문 역할을 한다.IGBT 3개를 60도 각도로 TRIG 하여 맥류파로 만들어 쵸퍼 회로를 거친다.
제작전의 측정기및 기구들
3) 초퍼부(A PART OF CHOPPER)
초퍼부는 리액턴스를 조합한 moduler 이며 AC전류를 제한하고 파형을 고르게 만들어 주는 역할을 한다.또한 reactance성분과 capacitor성분을 탄력적으로 조절이 가능하며 저항이나 리액터, 콘덴서 등 병렬로 초퍼를 연결하고 통전율을 제어하므로 등가적으로 저항이나 리액턴스의 값에 의하여 연속적인 제어가 가능토록 한 방식이며 여기서는 리액터와 콘덴서 값에 의해 통전율을 높이며 맥류성분이나 리플, 돌입전류 등을 흡수하는 작용이 가능하게 되었다.
4) GENERATOR부(비상용 발전기)1-30KVA의 전자식 가버너 포함
발전장치가 BATTERY로 INVERTING 하다가 고장발생시나 BATTERY가 종지전압 까지 떨어지면 즉시 KECO나 GENERATOR로 변환하여 가동하는 기능을 하며 전력 반도체의 TRIAC에 의해 동작된다. 동작속도는 1/4Hz(0.04m/S)로서 이며 대용량의 경우에는 SCR을 역병렬이 가능 하다는 이점이 있으며 4ms의 동기절체가 가능하여 인버터 고장시나 DC종지 전압시에 즉시 투입이 가능하다. 한편 등동형 필터 장치의 장착시 역율이 0.99% 가능해 졌으며 진 지상 부하와 반도체성 부하를 포함하여 HAMORNICS와 전기적 RIPPLE이 현저히 줄었음을 알수 있었다.
즉, 이장치는 여름철에 잦은 사고로 인해 장치나 우기시 충전이 되지 않으므로 지장을 초래하며 생산설비등 모두 정지되는 일이 종종 발생하는데 이러한 사고 대비하여 GENERATOR나 ,한전측 으로 전력반도체(TRIAC)을 작동하여 무순단 절체및 동기화가 가능하며 기존의 외국산 장비들의 고장원인들로는 대전력의 부하급변 시에 DC 콘덴서의 충격전압 발생, 여름철의 IGBT의 온도상승 등이다.
5) 인버터(INVERTER)
인버터부((그림 A-1(a) 같으며 IGBT를 응용하여 순시형 푸시풀(push pull) 방식으로 고주파 스위칭 제어부 이다. 정류되어 들어오는 DC 전압을 IGBT 고주파 스위칭을 통하여 푸시풀 방식의 전류에 의하여 PWM 파형으로 만들어지며 파형이 인버터 TRANS에 통전된다. 따라서 PWM 파형은 직렬 리액터와 캐패시터를 통하면 공진 조건에 의하여 사인파가 만들어진다. 외국산 제품의 경우는 HALF 브릿지(bridge)형으로서 부하급변시에 콘덴서의 충격전압과 전류 UNBARANCE로 인해 잦은 고장이 발생하므로 본 연구에서는 Full 브릿지 방식으로 제작하여 안정성을 증대시켰다.
전력반도체 TRIAC DRIVER PCB
6) 전자식 분전반(반도체 TRIAC을 응용)
빛에너지를 전기적 에너지로 바꾸어 전력조절기(정전압형 DC-DC CONVERTER) 인버터에 의하여 사인파로 바꾸어 반도체형 분전반으로 통전한다. 전력을 수용가 측으로 나누어 주며 전자식 절체및 동기화 절체가 가능하며 속도가 빠르다는 장점이 있다. 따라서 NFB 대신에 전자식 반도체를 사용하여 (TRIAC. SCR을 응용하여 사용) NFB와 반도체형 스위치로 사용하여 용량을 증설이 쉬우며 전력 변환속도와 용량면에서 기존의 장치보다 우수한 특성을 가진다.
7)비상용 발전기(EMERGENCY GENERATOR):대용량 일 때 사용)
비상용 발전기는 수용가 용량의 1.5배 이며 비상시 Battery전원으로 발전하며 인버터 고장일때만 사용한다. 밧데리 종지전압의 10% 범위내에 사용하도록 되어 있으며 자동전압조정기와 EMI필터를 사용하여 출력전압의 안정도및 왜율을 보완했다. 또한 전기적 리플을 최소화 하고 전자식필터사용 현재의 쓰이는 곳은 중요한 설비에 한정 되어 있으므로 이를 보강하여 태양광을 응용한 전력변환장치에 응용 하였다.
8)DC-DC CONVERTER
정현파를 순 정류시켜 출력하는 부분으로서 제어는 인버터에서 담당 한다. 출력의 양단에는 DC 필터링 장치가 포함되어 있으며 용량은 50A 정도 된다. 구성품은 브릿지형 SCR써지 흡수장치, DC 콘덴서 EMI 필터 등이다.(전력을 스위치하는 기능을 담당한다. 전력 반도체인 TRIAC이 스위칭에 의해 동작하며 입력의 전압변동에 관계없이 출력DC 전압은 항상 일정하게 BATTERY에 공급된다.
7) 출력 FILTER
Loard시 FEED BEAK 되어서 나오는 전기적 Ripple 이나 SURGE, SAGG 등의 제거용 전기적 Filter이다. 저항과 고압용 콘덴서로 구성되며 스위칭 시 되돌아 나오는 전기적 Hamornics나 전기적 Ripple 등을 제거하며 출력 측으로 안정적인 WAVE를 공급하는 역할을 한다.
*인버터의 원리(INVERTER TO PRINCIPAL)
그림A-1(a)
그림A-1(b)
INVERTER CONTROL P.C.B
인버터는 방식이 풀브릿지방식.하프 브릿지방식 이 있으나 여기서는 풀브릿지 방식을 채택 하였다.하기의 도면을 보면 알수 있듯이 하프 브릿지방식 보다 2배의 출력을 얻을수 있다 또한 동일한 출력조건 하에서 비교 하여 보면 FULL 브릿지가 HALF BRIDGE에 비해 1/2의 입력 전력으로 감당 할수 있음을 의미 한다.이는 다음과 같은 식으로 나타 낼수 있다.
하프 브릿지 Ph= 1/2*Ih*Vh. 풀브릿지 Pf=If*Vf 여기서 효율 N=1(Pi=Po)따라서 입력 전압이 동일할 때 Vif=Vih=Vi 의 경우 Iif=1/2Iih 의식이 성립 한다.풀 브릿지입력전류는 하프 브릿지입력전류의 반으로 감소함을 알수있다. 트랜스 1차측에 걸리는 전압의 크기가 하프 브릿지의 경우에는 Vh/2 의 식이 성립하므로 풀 브릿지의 경우는 Vf가 되므로 이 경우를 관계식으로 대입하여 설게 하면 된다.
설계사양을 가정해보면 입력전압 Vi=600-800VDC 출력전압 Vo=200Vdc 출력전류 Io=400A 스위칭 주파수 Fs=100KHZ 출력전압리플Vo=1000MV트랜스포머 CORE의 형상은 EI CORE로 선정 하고 CORE의 크기는 단면적의 크기 및 출력 전력을 고려하여 선정해야 한다 권선수 Np=Vin(min)*D(max)*Ts/2*DB*A 여기서 D(max)=0.5로Vi(min)=600(V) Db=0.5(T) 로 가정을 했다 .
2차 TURN수는 Ns=Vo*Vf*Vi/D(max)*2*V(min) *Np D(max).D(min)의 설정 D(max)=Np/2Ns * Vo/V(min)이며 D(min)=Np/2Ns * Vo/V(max) 이다.
본 설계에서 턴수(1차.2차)는 결정난다. 1차측 권선전압의 RMS값 IL(RMS)는IL(RMS)=Ns/Np * Io(max)*루터2 D(max)이다. 2차측 전선전류의 RMS값은IL(RMS)=1/2 * Io(RMS) * 루터1+2D(MAX)이다. 따라서 허용전류의 기준은 4A/mm2로 가정할 경우 1차측권선의 단면적 ?mm2가된다
2차측 권선의 단면적=?mm2 가나온다.주스위치Q1,Q2,Q3,Q4전압스트레스VDS(MAX)=VI(MAX)=1200(V)스위치전류의최대치(PEAK CURRENT)Id(MAX)=NS/NP*(IOMAX+IOMIN)(A)이다.역저지전압(REACTION VOLTAGE)VR=NS/NP*2Vi(MAX)(V)이고 ESR=deltaVO(rms)/Io(rms)의 공식이다.(CENTER TAP방식적용=순환전류분산)
입력파형은 수전된 전압원으로 기본파에 대한 파형모양은 이상적인 전압원으로 전압의 크기, 기본파에 대한 찌그러짐 정도등, 인버터부하 용량 및 특성에 따라서 찌그러짐 정도가 다르게 나타날 수 있다. 하지만 그것이 인버터가 동작하는데 있어서 문제가 되지는 않는다.
다만 그로 인하여 교류(AC) 및직류 컨버터인 정류 회로의 동작에 있어서 SCR위상 제어 대한 제어각이 상이함으로 인하여 전류편중 현상을 가져 올수 있으므로 그에 대비한 제어에 대한 보상 회로가 있어야 제어 ANGLE에 대한 같은 비율 의 동작을 꾀할 수가 있다.
정류 전압 및 전류파형은 교류(AC)를직류(DC)로 변환된 출력전압 및 전류파형을 측정한 것으로 필터전단에 형성되어 인버터 구동을 위한 메인전류와 밧데리 충전에 필요한 전류의 합으로 생성된 전류가 흐르게 된다. 아래 열거한 측정치는 컴퓨터 측정 시험한 결과와 전력변환장치 에서 실측된 동작 파형(WAVE)을 구간별 전압 및 전류파형을 측정한 것이다.
컴퓨터 측정에 의한 구간별 입력전압, SCR 제어전압 및 전류파형을 보면 모든 조건이 가장 이상적인 상태를 가정한 상태에서 측정한 것이므로 형성된 전압 전류 파형이 실측한 결과와 미소한 차이를 알수 있다.
하지만 제어되는 기본 알고리즘은 물론 서두에 서술한 바와같이 인버터 부하용량 및 특성에 따라서 찌그러짐 정도가 다르게 나타날 뿐 입력에서 검출된 전압원 과 비교하여 제어된 전압, 전류 파형은 실측치와 같음을 알수 있을 것이다. 입력 정류회로 부분이 단상, 또는 3상으로 구분될뿐 그외 회로는 같은 구성도 임을 알수 있다.
그러므로 결과에 대한 측정치는 입력 3상을 기준으로 했을때 1주기당(16.66ms) 펄스 포인트에 따라 3상 6 펄스 구동 방식임을 알수 있고 그 외 여러 구동 방식으로 구분 되어진다. (단상2펄스, 단상4펄스, 3상3펄스,3상6펄스, 6상12펄스)
파고율은인버터를 결정할 때 고려해야 하는 또 다른 중요한 사양은 파고율 정격과 부하의 파고율 요구사항 이다. 파고율은 부하가 요구하는 실효치전류와 순간 최대 전류 사이의 비율로 정의된다. 인버터는 요구되는 최대전류와 실효치 전류를 둘 다 제공할 수 있어야 한다.
그렇지 않으면 부하는 제대로 동작할 수 없다. 컴퓨터의 파워 스플라이는 입력 전원이 공급될 때 높은 최대 전류를 필요로 하며, 이로 인해 파고율은 3이상이 됩니다. 높은 파고율은 바람직하지 않다.
왜냐하면 높은 파고율은 높은 온도에서의 작동을 야기하므로, 이로 인해 인버터의 신뢰성과 수명을 저하 시킨다. 진정한 온라인 인버터는 파고율을 약3으로 제한 한다. 왜냐하면 인버터출력 임피던스는 최대치를 제한하고 전류 펄스의 폭을 늘리기 때문입니다.
써지율(부하 유입 전류)은 고려해야 할 또 다른 중요한 요소는 컴퓨터 모니터 파워 스프라이를 가진 다른 장치와 같이 정상적인 유입 전류요구사항으로 인해 최초에 를 받을 때 추가 “킥(Kick)”을 필요로 하는 부하를 인버터가 기동할 수 있는가 이다.
높은 유입 전류가 나타나는 시점은 과부하이며, 일반적으로 지속 시간이 매우 짧다. 그러나 특수한 부하의 경우 수초, 혹은 그 이상일수 있다. 유입전류를 처리하기 위해 인버터는 출력 과부하 사양을 가지고 있어야 한다.
BASE DRIVER부 P.C.B
Ⅳ.설계한 시스템의 장점
기존의 미국,유럽 제품에 비해 본 논문에서 제작한 장치의 장점을 정리하면 다음과 같다.
1) 입력측 융복합 하모닉(hamonic) 필터부분
: 자가진단형 필터로서 IGBT 및 PLC를 응용하므로써 스스로 저차수에서 50차수까지 고조파 성분을 제거하는 기능을 가지므로 효율증가, 파형보상 및 자가진단 기능 등의 장점이 있다.(PLC는L.GTYPE로 구성하여 자가진단이 가능하며 동작 접점수는 적어서 비용 면에서 타사보다는 월등하다.)
*구성품은 PLC(10접점),제어형CT, REACTOR,CAPACITANCE,M,S (마그넷 SW) 등으로 구성된다.
2) BYPAS형 GENERATIOPN의 정류부 구성
: DUAL 방식이라 IGBT 고장시에 GENERATOR MOD로 신속하게 전환하므로서 고장에 대처할 수 있다.(전력반도체(TRIAC)(속도:4ms)하여 MOD간 동기화가 가등하다는 장점이 있다)
3) 인버터부
: 전력 반도체 IGBT를 사용하여 기존의 3KHz에서 25KHz로 고주파 스위칭이 가능하다, 고주파 스위칭의 장점은 DEAD TIME을 줄이므로 전기적 리플 및 써지감소가 가능하여 BACK RIPPLE을 보상 하므로서 입력 파형이 좋아진다. 이는 SUNERBER와 미,적분 회로에서 보상 한다.
4) 출력측 부분도 병렬운전이 용이하므로 필요시 여러대를 동기화시켜 전력증설이 쉽다.
5) 기존 것보다 효율이 높으며 FULL 브릿지 방식을 사용하므로 전압 안정도가 우수하며 고주파 SWITCHING을 통한 SURGE및 전기적,잡음등 줄이는 방법 해결 또한 ISOLATION TRANS의 순환전류에 관한 문제를 어느 정도 해결했다.
6) IGBT 및TRANS의 온도 문제를 해결 할 수 있다 방법은 65도 이상이 되면 온도 감지회로에서 센서가 동작하여 HEAT SINK의 GAS HEAT PIPE 가 작동하게 된다. GAS는 R123 사용하여 환경문제는 영향을 미치지 않게 설계 했다.
Ⅴ. 실험결과 및 고찰
그림A(a)과 같이 제작한 INVERER장치의 실험결과 인버터부의 출력 PWM 파형은 그림 A(c)와 같으며 인버터부 gate의 pulse를 스위칭하여 최종적으로 나오는 파형이다. 그림 A(a)는 PWM 제어 전의 파형이며 그림 A(b)는 PWM 제어 후의 인버터 출력파형으로서 왜곡이 없는 구형파가 발생됨을 알 수 있다. 그리고 그림 B는 IGBT 신호파형으로서 일본제품의 경우에는 스위칭주파수가 3kHz이나 제작한 장치의 경우에는 20KHz 이내 파형이 더 세밀하고 섬세함을 알 수 있다. Half Bridge 방식을 사용하는 일본제품의 경우에는 전기적 Ripple과 전력 반도체의 온도가 상승 즉 손실이 증가한다는 것을 알 수가 있다. 그림 A(d)은 개발한 전원장치의 무부하시 최종 출력파형으로서 약 220V가 안정적으로 출력됨을 알 수 있다.
그림A(a) PWM 제어 전의 파형
(여기서는 PWM 의 실효치입니다) 결과들로부터 본 연구에서 제작한 대용량 전원장치가 리플이나 왜곡이 거의 없는 신호를 출력함을 알 수 있다.
그림A.(c) IGBT SIGNAL WAVE
그림A(b)INVERTER GATE DRIVER
그림A(d)INVERTER의 OUTPUT WAVE(IGBT)
Ⅵ . 결 론
본 논문에서는 기존 제품들의 문제점을 해결할 수 있는 태양광 전력변환장치를 개발 하였다. 개발한 전원장치의 구성은 DC입력 필터부, DC-DC CONVERTER부, 역변환부, 쵸퍼부, TR부,DISPLAY부 스위칭에 의한전자식 분전반 등으로 구성되어 있다. 개발한 IGBT 및 PLC를 응용한 태양광을 응용한 발전장치는 기존장치와 달리 DC입력측의 리플과 써지 등 노이즈를 최소화 하고, 역율과 전원의 안정성을 개선하였다. 즉 PLC를 응용한 복합형 필터를 사용하지 않은 경우와 제안한 복합형 필터를 사용한 경우의 RECTIFIRE 입력파형을 비교한 결과로부터 제안한 방법에 의한 입력신호의 경우 고조파와 리플성분이 제거된 정현신호가 됨을 알 수 있었다.
실험을 통해 획득한 인버터 출력 및 IGBT 신호파형으로부터 제작한 장치의 경우에 20Hz 이상 파형이 더 세밀하고 섬세함을 알 수 있다. 또한 개발한 발전장치는 IGBT를 응용하여 기존의 전기적 입력측 손실을 가급적 억제하고(DSP에 의한 2중화 SUNERBER회로 사용) 역율 보상이 가능하며 전기적 잡음을 혁신적으로 줄일 수 있는 동시에 파형을 고르게 하기 위하여 고주파 스위칭 하므로써 안정적이고 양질의 인위적 전력 공급이 가능하여 산업사회의 다양한 전원으로 사용 할 수가 있을 것으로 기대한다.
특히 개발한 전원장치는 듀얼 방식을 사용하므로 IGBT 고장 시에 즉시 GENERATOR 모드로 신속하게 전환할 수 있으며 이로 인해 예기치 않게 발생되는 고장에 대비할 수 있다는 장점이 있다.(전력반도체에 의한 무순단 비상 GENERATOR 사용)또한 병렬운전이 가능하여 필요시 전력 증설즉 DSP 통신을 이용한 병렬운전(PARAPOLL)이 가능 하다는 장점이 있다. (DC의 경우에는 직접 방식으로 가능하다)
본 논문은 중소기업청 에서 지원하는 2013년도 중소기업 산학연 기술개발사업의 연구수행으로 인한 결과물을 응용한 것임을 밝힙니다.
참 고 문 헌
[1] D. A. Gurnett, L. A. Frank and R. P. Lepping, waves in the distant magnetotail", Journal of Geophysical Research, Vol. 81, Issue 34, pp. 6059-6071, December 1976
[2] K. Ebihara, “Temperature profiles and operating characteristics of high-frequency induction plasmas”, Electrical Engineering in Japan, Vol. 93, Issue 3, pp. 34-41, 1977
[3] 기술자료-003 (Electronic inverter)400HZ용 전력용 반도체를 응용한 Switching Mod Power Supply.
[4]“전력변환장치 개발”, 2013 정보 및 제어 심포지엄,및 제주국제학술회 전력전자부분 응용.
(1)주저자,1
90년대 UPS,FC,HFCR및인버터,플라즈마 (2013)연구개발참여
부산기능대,(전기기술)아세아항공전문대졸(항공정비),
방송통신대4년(컴퓨터과학)재,
현,E/G POWER 대표
(2)주저자,2
이경백 : 광주정보기능대학 2년졸업,
이엔지 파워(주) 3년근무
현,PNE 솔루션(주) 중국지사 근무
태양광 발전장치는 산업 사회의 에너지 전력 부분의 없어서는 안될 기기및 장치이며 IGBT를 DRIVING 시켜 태양광 발전장치의 각 MODULE 부분의 SWITCHING하여 에너지를 발전 저장하는 장치 이다.대체 에너지 부분에 대한 국산화가 시급하다.(고장및 장치의 진보성의 문제 해명) 급속도로 산업사회가 발달 할수록 전기전자및 제어부분의 SOLUTION 이해및 자가동력이 필요하다는 것은 엄연한 사실이다. 전력변환장치를 토대로 하여 변력변환기.인버터DC-DC컨버터(변환장치).충전기.정류기.무정전 전원장치.등 산업의 PLC의 응용기기 의 여러 부분의 전기적 장점을 고려하여 설계,제작 하였으며 이 장치의 용도는 정밀기계 화학 FA 씨스템 전기자동차등 전원장치분야에 많이 쓰이며 관심및 연구 개발도 필요하다.
현재 미국등 선진유럽 에서는 장치의 제작 시에 TR 방식을 이용하므로 고장이 잘나지 않고 물리적으로 안정성을 가지고 있으나 고조파로 인한 문제, 전력반도체 스위칭 손실에 의한 문제, 전기적 손실에 의한 문제 등 해결해야 할 많은 문제점이 있다. 그러므로 소형 태양광발전 장치에도 고주파 스위칭에 의한 전력변환이 필요하며 HAMORNICS에 의한 손실등 연구도 필요하다.
또한 현재 산업계에서 사용하고 있는 태양광발전장치의 문제점으로는 빈번한 고장을 들 수 있다. 특히 대용량 장치에서는 IGBT(insulated gate bipolar transistor)[9]의 파손이 빈번하게 발생한다. 즉, 국내에서는 외산제품 (미국, 독일, 일본)에 주로 의존하고 있으며, 2010년부터 저가의 중국 제품도 국내에서 사용되고 있으나 장치의 고장이 빈번하다는 단점이 있다. 고장의 원인은 온도에 의한 IGBT 파손,HAMORNIC에 의한 전력손실,SURGE및 전기적 RIPPLE등도 원인이 된다. 국내에서는 수입된 제품을 사용하므로 고장이 발생하면 고장수리가 쉽지 않으며 수리비용이 많이 소요된다. 이와 같이 빈번한 고장 발생과 고장수리의 지연은 해당 산업체의 가동률 저하를 초래하며 궁극적으로는 기업 경쟁력을 약화시키는 원인이 된다.그러므로 장치에 대한 국산화가 시급하게 요구된다. 또한 고장원인 대책과 전력손실에 대한연구 또한 제시한다
본 논문에서는 태양광발전장치(1-30KVA)장치를 개발한다. 개발하는 장치는 입력 필터부, 정류부, 역변환부, 쵸퍼부, 출력 TR부, 컨버터부, 스위칭부 및 절체부,전자식 분전반 등으로 구성되어 있다. 개발한 장치에서는 기존의 장치의 문제점인 전기적 손실이 크다는 점과 고장이 많이 발생한다는 점을 해결할 수 있도록 제작하였다. 또한 제작한 장치의 실제 실험을 통해 성능을 확인한다.
Ⅱ. 태양광(1-30KVA)장치의 장애요인과 해결방법
*고조파에 대한 해결
*대응:전력소자의 SWITCHING 에 의해 전력을 변환하는 전자기기는 입력전원의 영향에 미치는 고조파에 의한 파형 왜곡의 변수(알파)부분 이다. 즉 따라서 전력 전자기기의 급속히 산업에 영향을 줌에 따라서 심각한 문제를 야기한다.(ALL 전자기기) 따라서 전력변환 분야는 더욱이 어렵고 그에 파른 파급 효과가 크기 때문이다.(전기적 손실,잡음으로 인한 파급효과) 따라서 전력변환장치로 인한 고조파 문제가 심각한 문제로 대두되고 있는것은 기증 사실인것 같다. 그중 대표적인 예로 고조파의 영향,써지 SAGG, RIPPLE, 등 또한 HAMORNICS(전자적 SURGGE)로 야기 되는 문제등 심각성을 그 예로 들수가 있다.(여기서는 SWITCHING에 관한 부분)
이는 파형왜곡 ,기계적 전기적 전자적 손실로 연결 된다.즉 에너지 손실로 이어지기 때문에 저감대책에 대한 필요성이 있다. 따라서 단상일 경우 또한 삼상일 경우도 생각하여 대책의 필요성이 있다. 이의 경우 AC든 DC든 대책을 세우지 않으면 안된다는 것이 증명이 된다. 해결책은 저감형필터 및 근본적인 저감효과로 대책 마련이 필요할 시점이다.
일반적인 전력변환장치의 장애 요인은 내부 및 외부적인 여러 가지 요인이 있으며 아래와 같이 간략하게 설명하기로 한다.
- 쌔그(sagg) : 전원전압의 일정 주기 동안의 저하를 말하며 보통 전동기 등의 기동전류가 큰 부하장치에 의해 많이 발생 함.
- POWER FAIL : 전원전압의 1주기 이상의 0 전압을 말하며 보통 선로의 과전류로 인한 TRIP,선로의 이상, 입력전원 TRANSFER시 많이 발생 함.
- 전압 스파이크 : 스파이크(spikes)는 짧은 주기의 과전압이 전원전압에 중첩되어 나타나는 현상을 말하며 보통주기는 5-100 일 때 전원전압은 150% 이상의 상승이 일어나며 낙뢰의 경우에 발생 함.
- 써지(surges) : 전압의 일정주기 동안의 전압 상승을 말하며 흔히 선로상의 급격한 부하감소, 이상전압, 상용전원의 개폐시, 반도체의 고주파 스위칭시에 발생 함.(IGBT SITCHING시 HIGH차수의 HAMORNICS발생한다.)
- 진동전압(oscillatory voltage) : 전기적 잡음으로 표현되는 진동전압은 고주파 전압이 전원전압에 중첩되어 나타나는 현상을 말한다.
위에서 열거한 장애요인들의 해결책들로는 먼저 1차와 2차로 분리하기 위한 분리(isolation) 변압기의 사용을 들 수 있다. 또한 개폐 스위치를 반도체 스위치로 교체하고 IGBT 및 스위칭 시에 DEAD TIME을 축소하고, EMI 필터의 사용 등 여러 가지 방법이 있다. 선진국에서는 전류센서를 통하여 전력반도체 변압기를 스위칭하여 L-C 공진조건에 의해 고조파를 제거하는 방법을 채택하고 있다. 그러나 이러한 방법들은 고조파의 차수가 한계에 이르는데 이는 산업현장의 각 부분에는 스위칭 소자의 부하들이 존재하기 때문이다.
그러므로 본 논문에서는 이러한 문제점을 해결하기 위해서 능동적으로 실시간으로 입력을 자가진단하고 하모닉스(harmonics)성분을 제거할 수 있는 PLC를 응용한 복합형 능동형 필터를 사용하였다.
(b) 복합형필터 사용한 경우 입력신호
그림 2. 입력신호 분석 결과 (100% 부하)
Fig 2. Analysis results of input signal(100% load)
Ⅲ. 제작한 태양광발전장치(SIMURTION)
그림A(b)복합형 필터 사용시의 파형
그림A(a) 복합형필터 사용하지 않은 경우 입력신호
본 연구에서 제작한 IGBT를 이용한 발전장치는 그림 A(a) 및 (b)와 같이 입력
그림B 공진회로 REACTANCE
그림B-1입,출력 FILTER부분의 NODULE
그림의 우측부분 에너지 저장형1KVA태양광 발전장치
(DC전압은 48V용)
장착전의 SIMURATION 과정의모습
필터부, DC-DC CONVERTER부, 초퍼부, GENERATOR(비상발전기), 인버터부(inverter), 주 스위칭부,DISPLAY부분, 전자식분전반부분,등으로 구성 된다.
Ⅳ 시스템의 구성 및 특징
1) 능동형 입력 필터부(A.H.F)
능동형 입력 필터부(그림T(b)에서 하모닉스(harmonics)와 역리플(back ripple) 방지, 잡음(noise) 제거 등의 역할을 하는 부분이다. 본 연구에서는 부하조건에 따라 실시간 감시하여 50차수까지의 고조파를 제거할 수 있도록 IGBT에 의한 복합형 능동형 필터를 사용한다. 즉, 입력 전류센서가 실시간 부하의 종류에 따라 감시하고 PLC를 사용하여 실시간으로 진, 지상 전류를 공진화시켜 대전력 스위칭 시에 발생하는 50차수까지의 고조파성분을 제거하도록 하였다. 그림 T(a)(b)는 부하 100%시의 입력파형을 분석한 것으로서 그림 T(a)와 (b)는 각 각 IGBT와 PLC를 응용한 복합형 필터를 사용하지 않은 경우와 제안한 복합형 필터를 사용한 경우의 입력파형을 도시한 것이며 결과들로부터 제안한 방법에 의한 입력신호의 경우 고조파와 리플성분이 제거된 정현신호가 됨을 알 수 있다.
본 연구에서 제안한 IGBT 및 PLC 응용 복합형필터를 사용한 경우의 장점으로는 먼저, 부하에서 발생하는 고조파의 크기에 따라 능동적으로 파형을 보상하며 대전력 반도체의 스위칭 시 전기적 리플 부분도 제거가능하다. 두 번째는 .고조파를 정밀하게 규정치 이내로 저감하며 시스템의 공진을 일으키지 않으며 순환전류로 인한 변압기의 온도에 대한 문제를 해결할 수 있다. 세 번째는 .과부하 보상 및 시스템의 전압상승을 야기하지 않는 등 변압기의 전압 불평형 문제를 해결하였다. 마지막으로 무효전력을 보상 하므로써 효율증대와 에너지 절감효과가 있다.
2) DC-DC CONVERTER부
CONVERTER부(그림 1(b)에서 3번)는 그림 3과 같으며 현재 가장 많이 쓰이는 전력반도체인 IGBT로 구성하였으며 DC를 DC화시켜 인버터(INVERTER)로 들어가는 관문 역할을 한다.IGBT 3개를 60도 각도로 TRIG 하여 맥류파로 만들어 쵸퍼 회로를 거친다.
제작전의 측정기및 기구들
3) 초퍼부(A PART OF CHOPPER)
초퍼부는 리액턴스를 조합한 moduler 이며 AC전류를 제한하고 파형을 고르게 만들어 주는 역할을 한다.또한 reactance성분과 capacitor성분을 탄력적으로 조절이 가능하며 저항이나 리액터, 콘덴서 등 병렬로 초퍼를 연결하고 통전율을 제어하므로 등가적으로 저항이나 리액턴스의 값에 의하여 연속적인 제어가 가능토록 한 방식이며 여기서는 리액터와 콘덴서 값에 의해 통전율을 높이며 맥류성분이나 리플, 돌입전류 등을 흡수하는 작용이 가능하게 되었다.
4) GENERATOR부(비상용 발전기)1-30KVA의 전자식 가버너 포함
발전장치가 BATTERY로 INVERTING 하다가 고장발생시나 BATTERY가 종지전압 까지 떨어지면 즉시 KECO나 GENERATOR로 변환하여 가동하는 기능을 하며 전력 반도체의 TRIAC에 의해 동작된다. 동작속도는 1/4Hz(0.04m/S)로서 이며 대용량의 경우에는 SCR을 역병렬이 가능 하다는 이점이 있으며 4ms의 동기절체가 가능하여 인버터 고장시나 DC종지 전압시에 즉시 투입이 가능하다. 한편 등동형 필터 장치의 장착시 역율이 0.99% 가능해 졌으며 진 지상 부하와 반도체성 부하를 포함하여 HAMORNICS와 전기적 RIPPLE이 현저히 줄었음을 알수 있었다.
즉, 이장치는 여름철에 잦은 사고로 인해 장치나 우기시 충전이 되지 않으므로 지장을 초래하며 생산설비등 모두 정지되는 일이 종종 발생하는데 이러한 사고 대비하여 GENERATOR나 ,한전측 으로 전력반도체(TRIAC)을 작동하여 무순단 절체및 동기화가 가능하며 기존의 외국산 장비들의 고장원인들로는 대전력의 부하급변 시에 DC 콘덴서의 충격전압 발생, 여름철의 IGBT의 온도상승 등이다.
5) 인버터(INVERTER)
인버터부((그림 A-1(a) 같으며 IGBT를 응용하여 순시형 푸시풀(push pull) 방식으로 고주파 스위칭 제어부 이다. 정류되어 들어오는 DC 전압을 IGBT 고주파 스위칭을 통하여 푸시풀 방식의 전류에 의하여 PWM 파형으로 만들어지며 파형이 인버터 TRANS에 통전된다. 따라서 PWM 파형은 직렬 리액터와 캐패시터를 통하면 공진 조건에 의하여 사인파가 만들어진다. 외국산 제품의 경우는 HALF 브릿지(bridge)형으로서 부하급변시에 콘덴서의 충격전압과 전류 UNBARANCE로 인해 잦은 고장이 발생하므로 본 연구에서는 Full 브릿지 방식으로 제작하여 안정성을 증대시켰다.
전력반도체 TRIAC DRIVER PCB
6) 전자식 분전반(반도체 TRIAC을 응용)
빛에너지를 전기적 에너지로 바꾸어 전력조절기(정전압형 DC-DC CONVERTER) 인버터에 의하여 사인파로 바꾸어 반도체형 분전반으로 통전한다. 전력을 수용가 측으로 나누어 주며 전자식 절체및 동기화 절체가 가능하며 속도가 빠르다는 장점이 있다. 따라서 NFB 대신에 전자식 반도체를 사용하여 (TRIAC. SCR을 응용하여 사용) NFB와 반도체형 스위치로 사용하여 용량을 증설이 쉬우며 전력 변환속도와 용량면에서 기존의 장치보다 우수한 특성을 가진다.
7)비상용 발전기(EMERGENCY GENERATOR):대용량 일 때 사용)
비상용 발전기는 수용가 용량의 1.5배 이며 비상시 Battery전원으로 발전하며 인버터 고장일때만 사용한다. 밧데리 종지전압의 10% 범위내에 사용하도록 되어 있으며 자동전압조정기와 EMI필터를 사용하여 출력전압의 안정도및 왜율을 보완했다. 또한 전기적 리플을 최소화 하고 전자식필터사용 현재의 쓰이는 곳은 중요한 설비에 한정 되어 있으므로 이를 보강하여 태양광을 응용한 전력변환장치에 응용 하였다.
8)DC-DC CONVERTER
정현파를 순 정류시켜 출력하는 부분으로서 제어는 인버터에서 담당 한다. 출력의 양단에는 DC 필터링 장치가 포함되어 있으며 용량은 50A 정도 된다. 구성품은 브릿지형 SCR써지 흡수장치, DC 콘덴서 EMI 필터 등이다.(전력을 스위치하는 기능을 담당한다. 전력 반도체인 TRIAC이 스위칭에 의해 동작하며 입력의 전압변동에 관계없이 출력DC 전압은 항상 일정하게 BATTERY에 공급된다.
7) 출력 FILTER
Loard시 FEED BEAK 되어서 나오는 전기적 Ripple 이나 SURGE, SAGG 등의 제거용 전기적 Filter이다. 저항과 고압용 콘덴서로 구성되며 스위칭 시 되돌아 나오는 전기적 Hamornics나 전기적 Ripple 등을 제거하며 출력 측으로 안정적인 WAVE를 공급하는 역할을 한다.
*인버터의 원리(INVERTER TO PRINCIPAL)
그림A-1(a)
그림A-1(b)
INVERTER CONTROL P.C.B
인버터는 방식이 풀브릿지방식.하프 브릿지방식 이 있으나 여기서는 풀브릿지 방식을 채택 하였다.하기의 도면을 보면 알수 있듯이 하프 브릿지방식 보다 2배의 출력을 얻을수 있다 또한 동일한 출력조건 하에서 비교 하여 보면 FULL 브릿지가 HALF BRIDGE에 비해 1/2의 입력 전력으로 감당 할수 있음을 의미 한다.이는 다음과 같은 식으로 나타 낼수 있다.
하프 브릿지 Ph= 1/2*Ih*Vh. 풀브릿지 Pf=If*Vf 여기서 효율 N=1(Pi=Po)따라서 입력 전압이 동일할 때 Vif=Vih=Vi 의 경우 Iif=1/2Iih 의식이 성립 한다.풀 브릿지입력전류는 하프 브릿지입력전류의 반으로 감소함을 알수있다. 트랜스 1차측에 걸리는 전압의 크기가 하프 브릿지의 경우에는 Vh/2 의 식이 성립하므로 풀 브릿지의 경우는 Vf가 되므로 이 경우를 관계식으로 대입하여 설게 하면 된다.
설계사양을 가정해보면 입력전압 Vi=600-800VDC 출력전압 Vo=200Vdc 출력전류 Io=400A 스위칭 주파수 Fs=100KHZ 출력전압리플Vo=1000MV트랜스포머 CORE의 형상은 EI CORE로 선정 하고 CORE의 크기는 단면적의 크기 및 출력 전력을 고려하여 선정해야 한다 권선수 Np=Vin(min)*D(max)*Ts/2*DB*A 여기서 D(max)=0.5로Vi(min)=600(V) Db=0.5(T) 로 가정을 했다 .
2차 TURN수는 Ns=Vo*Vf*Vi/D(max)*2*V(min) *Np D(max).D(min)의 설정 D(max)=Np/2Ns * Vo/V(min)이며 D(min)=Np/2Ns * Vo/V(max) 이다.
본 설계에서 턴수(1차.2차)는 결정난다. 1차측 권선전압의 RMS값 IL(RMS)는IL(RMS)=Ns/Np * Io(max)*루터2 D(max)이다. 2차측 전선전류의 RMS값은IL(RMS)=1/2 * Io(RMS) * 루터1+2D(MAX)이다. 따라서 허용전류의 기준은 4A/mm2로 가정할 경우 1차측권선의 단면적 ?mm2가된다
2차측 권선의 단면적=?mm2 가나온다.주스위치Q1,Q2,Q3,Q4전압스트레스VDS(MAX)=VI(MAX)=1200(V)스위치전류의최대치(PEAK CURRENT)Id(MAX)=NS/NP*(IOMAX+IOMIN)(A)이다.역저지전압(REACTION VOLTAGE)VR=NS/NP*2Vi(MAX)(V)이고 ESR=deltaVO(rms)/Io(rms)의 공식이다.(CENTER TAP방식적용=순환전류분산)
입력파형은 수전된 전압원으로 기본파에 대한 파형모양은 이상적인 전압원으로 전압의 크기, 기본파에 대한 찌그러짐 정도등, 인버터부하 용량 및 특성에 따라서 찌그러짐 정도가 다르게 나타날 수 있다. 하지만 그것이 인버터가 동작하는데 있어서 문제가 되지는 않는다.
다만 그로 인하여 교류(AC) 및직류 컨버터인 정류 회로의 동작에 있어서 SCR위상 제어 대한 제어각이 상이함으로 인하여 전류편중 현상을 가져 올수 있으므로 그에 대비한 제어에 대한 보상 회로가 있어야 제어 ANGLE에 대한 같은 비율 의 동작을 꾀할 수가 있다.
정류 전압 및 전류파형은 교류(AC)를직류(DC)로 변환된 출력전압 및 전류파형을 측정한 것으로 필터전단에 형성되어 인버터 구동을 위한 메인전류와 밧데리 충전에 필요한 전류의 합으로 생성된 전류가 흐르게 된다. 아래 열거한 측정치는 컴퓨터 측정 시험한 결과와 전력변환장치 에서 실측된 동작 파형(WAVE)을 구간별 전압 및 전류파형을 측정한 것이다.
컴퓨터 측정에 의한 구간별 입력전압, SCR 제어전압 및 전류파형을 보면 모든 조건이 가장 이상적인 상태를 가정한 상태에서 측정한 것이므로 형성된 전압 전류 파형이 실측한 결과와 미소한 차이를 알수 있다.
하지만 제어되는 기본 알고리즘은 물론 서두에 서술한 바와같이 인버터 부하용량 및 특성에 따라서 찌그러짐 정도가 다르게 나타날 뿐 입력에서 검출된 전압원 과 비교하여 제어된 전압, 전류 파형은 실측치와 같음을 알수 있을 것이다. 입력 정류회로 부분이 단상, 또는 3상으로 구분될뿐 그외 회로는 같은 구성도 임을 알수 있다.
그러므로 결과에 대한 측정치는 입력 3상을 기준으로 했을때 1주기당(16.66ms) 펄스 포인트에 따라 3상 6 펄스 구동 방식임을 알수 있고 그 외 여러 구동 방식으로 구분 되어진다. (단상2펄스, 단상4펄스, 3상3펄스,3상6펄스, 6상12펄스)
파고율은인버터를 결정할 때 고려해야 하는 또 다른 중요한 사양은 파고율 정격과 부하의 파고율 요구사항 이다. 파고율은 부하가 요구하는 실효치전류와 순간 최대 전류 사이의 비율로 정의된다. 인버터는 요구되는 최대전류와 실효치 전류를 둘 다 제공할 수 있어야 한다.
그렇지 않으면 부하는 제대로 동작할 수 없다. 컴퓨터의 파워 스플라이는 입력 전원이 공급될 때 높은 최대 전류를 필요로 하며, 이로 인해 파고율은 3이상이 됩니다. 높은 파고율은 바람직하지 않다.
왜냐하면 높은 파고율은 높은 온도에서의 작동을 야기하므로, 이로 인해 인버터의 신뢰성과 수명을 저하 시킨다. 진정한 온라인 인버터는 파고율을 약3으로 제한 한다. 왜냐하면 인버터출력 임피던스는 최대치를 제한하고 전류 펄스의 폭을 늘리기 때문입니다.
써지율(부하 유입 전류)은 고려해야 할 또 다른 중요한 요소는 컴퓨터 모니터 파워 스프라이를 가진 다른 장치와 같이 정상적인 유입 전류요구사항으로 인해 최초에 를 받을 때 추가 “킥(Kick)”을 필요로 하는 부하를 인버터가 기동할 수 있는가 이다.
높은 유입 전류가 나타나는 시점은 과부하이며, 일반적으로 지속 시간이 매우 짧다. 그러나 특수한 부하의 경우 수초, 혹은 그 이상일수 있다. 유입전류를 처리하기 위해 인버터는 출력 과부하 사양을 가지고 있어야 한다.
BASE DRIVER부 P.C.B
Ⅳ.설계한 시스템의 장점
기존의 미국,유럽 제품에 비해 본 논문에서 제작한 장치의 장점을 정리하면 다음과 같다.
1) 입력측 융복합 하모닉(hamonic) 필터부분
: 자가진단형 필터로서 IGBT 및 PLC를 응용하므로써 스스로 저차수에서 50차수까지 고조파 성분을 제거하는 기능을 가지므로 효율증가, 파형보상 및 자가진단 기능 등의 장점이 있다.(PLC는L.GTYPE로 구성하여 자가진단이 가능하며 동작 접점수는 적어서 비용 면에서 타사보다는 월등하다.)
*구성품은 PLC(10접점),제어형CT, REACTOR,CAPACITANCE,M,S (마그넷 SW) 등으로 구성된다.
2) BYPAS형 GENERATIOPN의 정류부 구성
: DUAL 방식이라 IGBT 고장시에 GENERATOR MOD로 신속하게 전환하므로서 고장에 대처할 수 있다.(전력반도체(TRIAC)(속도:4ms)하여 MOD간 동기화가 가등하다는 장점이 있다)
3) 인버터부
: 전력 반도체 IGBT를 사용하여 기존의 3KHz에서 25KHz로 고주파 스위칭이 가능하다, 고주파 스위칭의 장점은 DEAD TIME을 줄이므로 전기적 리플 및 써지감소가 가능하여 BACK RIPPLE을 보상 하므로서 입력 파형이 좋아진다. 이는 SUNERBER와 미,적분 회로에서 보상 한다.
4) 출력측 부분도 병렬운전이 용이하므로 필요시 여러대를 동기화시켜 전력증설이 쉽다.
5) 기존 것보다 효율이 높으며 FULL 브릿지 방식을 사용하므로 전압 안정도가 우수하며 고주파 SWITCHING을 통한 SURGE및 전기적,잡음등 줄이는 방법 해결 또한 ISOLATION TRANS의 순환전류에 관한 문제를 어느 정도 해결했다.
6) IGBT 및TRANS의 온도 문제를 해결 할 수 있다 방법은 65도 이상이 되면 온도 감지회로에서 센서가 동작하여 HEAT SINK의 GAS HEAT PIPE 가 작동하게 된다. GAS는 R123 사용하여 환경문제는 영향을 미치지 않게 설계 했다.
Ⅴ. 실험결과 및 고찰
그림A(a)과 같이 제작한 INVERER장치의 실험결과 인버터부의 출력 PWM 파형은 그림 A(c)와 같으며 인버터부 gate의 pulse를 스위칭하여 최종적으로 나오는 파형이다. 그림 A(a)는 PWM 제어 전의 파형이며 그림 A(b)는 PWM 제어 후의 인버터 출력파형으로서 왜곡이 없는 구형파가 발생됨을 알 수 있다. 그리고 그림 B는 IGBT 신호파형으로서 일본제품의 경우에는 스위칭주파수가 3kHz이나 제작한 장치의 경우에는 20KHz 이내 파형이 더 세밀하고 섬세함을 알 수 있다. Half Bridge 방식을 사용하는 일본제품의 경우에는 전기적 Ripple과 전력 반도체의 온도가 상승 즉 손실이 증가한다는 것을 알 수가 있다. 그림 A(d)은 개발한 전원장치의 무부하시 최종 출력파형으로서 약 220V가 안정적으로 출력됨을 알 수 있다.
그림A(a) PWM 제어 전의 파형
(여기서는 PWM 의 실효치입니다) 결과들로부터 본 연구에서 제작한 대용량 전원장치가 리플이나 왜곡이 거의 없는 신호를 출력함을 알 수 있다.
그림A.(c) IGBT SIGNAL WAVE
그림A(b)INVERTER GATE DRIVER
그림A(d)INVERTER의 OUTPUT WAVE(IGBT)
Ⅵ . 결 론
본 논문에서는 기존 제품들의 문제점을 해결할 수 있는 태양광 전력변환장치를 개발 하였다. 개발한 전원장치의 구성은 DC입력 필터부, DC-DC CONVERTER부, 역변환부, 쵸퍼부, TR부,DISPLAY부 스위칭에 의한전자식 분전반 등으로 구성되어 있다. 개발한 IGBT 및 PLC를 응용한 태양광을 응용한 발전장치는 기존장치와 달리 DC입력측의 리플과 써지 등 노이즈를 최소화 하고, 역율과 전원의 안정성을 개선하였다. 즉 PLC를 응용한 복합형 필터를 사용하지 않은 경우와 제안한 복합형 필터를 사용한 경우의 RECTIFIRE 입력파형을 비교한 결과로부터 제안한 방법에 의한 입력신호의 경우 고조파와 리플성분이 제거된 정현신호가 됨을 알 수 있었다.
실험을 통해 획득한 인버터 출력 및 IGBT 신호파형으로부터 제작한 장치의 경우에 20Hz 이상 파형이 더 세밀하고 섬세함을 알 수 있다. 또한 개발한 발전장치는 IGBT를 응용하여 기존의 전기적 입력측 손실을 가급적 억제하고(DSP에 의한 2중화 SUNERBER회로 사용) 역율 보상이 가능하며 전기적 잡음을 혁신적으로 줄일 수 있는 동시에 파형을 고르게 하기 위하여 고주파 스위칭 하므로써 안정적이고 양질의 인위적 전력 공급이 가능하여 산업사회의 다양한 전원으로 사용 할 수가 있을 것으로 기대한다.
특히 개발한 전원장치는 듀얼 방식을 사용하므로 IGBT 고장 시에 즉시 GENERATOR 모드로 신속하게 전환할 수 있으며 이로 인해 예기치 않게 발생되는 고장에 대비할 수 있다는 장점이 있다.(전력반도체에 의한 무순단 비상 GENERATOR 사용)또한 병렬운전이 가능하여 필요시 전력 증설즉 DSP 통신을 이용한 병렬운전(PARAPOLL)이 가능 하다는 장점이 있다. (DC의 경우에는 직접 방식으로 가능하다)
본 논문은 중소기업청 에서 지원하는 2013년도 중소기업 산학연 기술개발사업의 연구수행으로 인한 결과물을 응용한 것임을 밝힙니다.
참 고 문 헌
[1] D. A. Gurnett, L. A. Frank and R. P. Lepping, waves in the distant magnetotail", Journal of Geophysical Research, Vol. 81, Issue 34, pp. 6059-6071, December 1976
[2] K. Ebihara, “Temperature profiles and operating characteristics of high-frequency induction plasmas”, Electrical Engineering in Japan, Vol. 93, Issue 3, pp. 34-41, 1977
[3] 기술자료-003 (Electronic inverter)400HZ용 전력용 반도체를 응용한 Switching Mod Power Supply.
[4]“전력변환장치 개발”, 2013 정보 및 제어 심포지엄,및 제주국제학술회 전력전자부분 응용.
(1)주저자,1
90년대 UPS,FC,HFCR및인버터,플라즈마 (2013)연구개발참여
부산기능대,(전기기술)아세아항공전문대졸(항공정비),
방송통신대4년(컴퓨터과학)재,
현,E/G POWER 대표
(2)주저자,2
이경백 : 광주정보기능대학 2년졸업,
이엔지 파워(주) 3년근무
현,PNE 솔루션(주) 중국지사 근무