Prof. Byoung-Kuk Lee, Ph.D. Energy Mechatronics Lab. School …contents.kocw.net/KOCW/document/2015/sungkyunkwan/... · 2016-09-09 · 전력전자공학 3 / 30 Sungkyunkwan Univ.,

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: [email protected]

-위상 제어 정류기-

전력전자공학

2 / 30

Sungkyunkwan Univ., Energy Mechatronics Lab.

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

위상제어 정류회로 (I)

|| So vv

AC-DC Phase Controlled Rectifier

2상한(I, IV) 동작 (전원부하)

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

wt0

(b) 단상 전파 위상제어 정류기의 입출력 전압파형

Vs

Vo

0 wt

+aa

전력전자공학

3 / 30


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 : VAK>0을 유지하는 상태에서, iG>0 인가

• Turn-off 조건 : iG=0인 상태에서 일정시간 VAK<0 으로 유지

위상제어 정류회로 (II)

G

K

A+

-

akv

Ai

Gi

Ai Ai0Ai

V+ V+ V+

0GV GV GV

GI GI0GI

1Q 1Q1Q

2Q 2Q 2Q

SCR OFF SCR Triger ON SCR ON

전력전자공학

4 / 30


단상 반파 정류회로 – R 부하

0

2 sin

sin

( )

o s

o s mo

t

Forward bias

v v V t

v v Vi t

R R R

on drop

무시

i) 2

0, 0o 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

+

-

Rsv dv

+

-

+ -diodev i

전력전자공학

5 / 30


단상 전파 위상제어 정류회로 – R 부하 (II)

Mode Analysis

,2

2(1 cos )

halfwaveo ov v

Va

+

)cos1(2

a

+R

Vio

,

2

0

2

1( )

1 2 sin( ) ( )

sin 21

2

2 halfwave

o o

o

I i d t

V td t

R

V

R

I

a

a a

+

wt0

wt

Vs

Vo

wt

wt

wt

wt

wt

wt

0

0

0

0

0

0

0

is

io

iG1

iG2

iG3

iG4

온상태SCR

T1, T4 T2, T3 T1, T4

(b) 파 형

a +a

신호 인가 신호 인가

전력전자공학

6 / 30


단상 전파 위상제어 정류회로 – RL 부하 (I)

Load condition Current source (big ‘L’)

0; iL 일정, 연속

SCR : natural commutation

Source

Load

sV

+

-

+

-

oV

0i

si 1T 2T

3T 4T

(a) 회 로

R

L

RV+

-

LV+

-

+

-

+

-

전력전자공학

7 / 30


단상 전파 위상제어 정류회로 – RL 부하 (II)


a t0

a t

a + t

Load Source

Load

Load

Source

Source

vs와 io는 변하지 않음

sV

+

-+

-

oV

0i

si 1T 2T

3T 4T

R

L

sV

+

-

+

-

oV

0i

si 1T 2T

3T 4T

R

L

sV

+

-

+

-

oV

0i

si 1T 2T

3T 4T

R

L

wt0

wt

Vs

Vo

wt

wt

wt

0

0

0

0

0

is

io

iG1, iG4

iG2, iG3

온상태SCR

T1, T4 T2, T3 T1, T4

a +a

T2, T3

Io

Io

wt

(b) 파 형

0

0a

0a

전력전자공학

8 / 30


단상 전파 위상제어 정류회로 – RL 부하 (III)


a

a

a

a

a

a

Vv

V

V

tdtV

tdvv

o

oo

2222

1800

cos22

)(sin21

)(1

+

+

단상에서 α의 도통 가능범위

0< α<π

wt0

wt

Vs

Vo

wt

wt

wt

0

0

0

0

0

is

io

iG1, iG4

iG2, iG3

온상태SCR

T1, T4 T2, T3 T1, T4

a +a

T2, T3

Io

Io

wt

(b) 파 형

0

신호 인가 (0< α<π)

전력전자공학

9 / 30


단상 전파 위상제어 정류회로 – RL 부하 (IV)

환류 다이오드가 추가 io

Vs

+

-

is

Vo

+

-

RT1 T2

T3 T4

L

DF

iD

sV

+

-

+

-

oV

0i

si 1T 2T

3T 4T

R

L

RV+

-

LV+

-

FD

Di

a t0

sV

+

-

+

-

oV

0i

si 1T 2T

3T 4T

R

L

RV+

-

LV+

-

FD

Di

a t

wt

wt

Vs

Vo

wt

wt

wt

0

0

0

0

0

is

io

iG1, iG4

iG2, iG3

온상태

소자T1, T4 T2, T3 T1, T4

a +a

Io

Io

wt

(b) 파 형

0

0

iD

0

DFDF DF

전력전자공학

10 / 30


)300(,cos2

63

)]150cos()30[cos(2

23

)(sin22

3

)(2

3

150

30

150

30

++

+

+

+

+

aa

aa

a

a

a

a

V

V

tdtV

tdvv

O

O

O

O anO

3상 반파 위상제어 정류기 – 저항부하 (I)

)15030()],30cos(1[2

23

)(sin22

3

)(2

3

180

30

180

30

++

+

+

aa

a

a

V

tdtV

tdvv

O

O

O

O anO

Vo

Van

+

-

T1

T2

T3

io

icibia

VcnVbn

부하

<3상 반파 위상제어 정류회로>

전력전자공학

11 / 30


3상 반파 위상제어 정류기 – 저항부하 (II)

a

6

3

Vo

i a

i b

i c

0 t

t

t

t

0

0

0

T1T3 T2T2 T3 T1

o o

Van Vbn Vcn Van

온상태SCR

(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

T1T3 T2 T3 T1

Van Vbn Vcn Van

(c) a>30 (90 )o o

3

0

온상태SCR

Vo

a>30 (90 )o o

전력전자공학

12 / 30


3상 반파 위상제어 정류기 – RL 부하

)1800(,cos2

63

)(sin22

3

)(2

3

150

30

150

30

+

+

+

+

aa

a

a

a

a

V

tdtV

tdvv

O

O

O

O anO

R-L 부하시 출력전압과 상전류 (α=80˚)

Vo

Van

+

-

T1

T2

T3

io

icibia

VcnVbn

부하

6

3

i a

i b

i c

0 t

Vo Vbn VcnVan

a

0 t

0 t

0 t

0 t

Van

i o

Io

Io

Io

Io

3상 반파 위상제어 정류회로

전력전자공학

13 / 30


3상 반파 위상제어 정류기 – 전력

3 6cos

2O O O OP v I VI a

지연각 α < 90o 일 때

<Vo> : (+), <Po> : (+)

정류 모드 동작 (전동기드라이브 : 역행)

지연각 α > 90o 일 때

<Vo> : (-), <Po> : (-)

인버전 모드 동작 (전동기드라이브 : 제동)

2상한 운전 (전류방향 : 일정, 전압방향 : 양방향 )

직류전동기 구동 : 역행, 제동 가능

Vo

io

Rectification

Inversion

<위상제어 정류회로의 2상한 동작모드>

전력전자공학

14 / 30


3상 반파 위상제어 정류기 – 환류 다이오드

출력전압은 항상 (+)

0< 지연각 α < 150o

출력전압 파형은 저항부하의 경우와 동일함

1상한 출력특성

Vo

Van

+

-

T1

T2

T3

io

icibia

VcnVbn

R

L

DF

iD

n

3

0 t

Vo

Vbn VcnVan Van

t

t

Vcn

0

0

T3 T1 T2 T3 T1DF DF DF DF DF

(b) 파 형

전력전자공학

15 / 30


3상 전파 위상제어 정류기 – R 부하

)600(,cos23

)(sin23

)(3

120

60

120

60

+

+

+

+

aa

a

a

a

a

V

tdtV

tdvv

O

O

O

O abO

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

온상태SCR

T4

T5T5, T6 T1, T2T6, T1 T2, T3 T3, T4 T4, T5

(a) a<60 (a = 30 )o o

3

a<60 (a = 30 )o o

Van

ic

ib

ia

Vcn

Vbn

n

T2

Vo

i0

+

-

T1 T5T3

T4 T6

부하

전력전자공학

16 / 30


3상 전파 위상제어 정류기 – R 부하

180

60

180

60

3( )

32 sin ( )

3 2[cos( 60 ) cos180 ]

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

O abv 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

온상태SCR

3

(a) a>60 (a = 90 )o o

o o a>60 (a = 90 )

Van

ic

ib

ia

Vcn

Vbn

n

T2

Vo

i0

+

-

T1 T5T3

T4 T6

부하

전력전자공학

17 / 30


3상 전파 위상제어 정류기 – RL 부하

)1800(,cos23

)(sin23

)(3

120

60

120

60

+

+

+

+

aa

a

a

a

a

V

tdtV

tdvv

O

O

O

O abO

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

Van

ic

ib

ia

Vcn

Vbn

n

T2

Vo

i0

+

-

T1 T5T3

T4 T6

부하

전력전자공학

18 / 30


3상 전파 위상제어 정류기 – 환류 다이오드

3 2cos , 0 60

3 2 1 cos 60 (60 120 )

0, 120 180

o

V

Vv

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 VcaVo

t

t

t

0

0

i a

i b

i c

3

0

a

t0

i D

0

Van

ic

ib

ia

Vcn

Vbn

n

T2

Vo

i0

+

-

T1 T5T3

T4 T6

R

L

iD

DF

전력전자공학

19 / 30


시뮬레이션 – 단상 반파

저항부하(신호인가 30˚)

전력전자공학

20 / 30


시뮬레이션 – 단상 전파 (I)

저항부하(신호인가 30˚, 210˚)

전력전자공학

21 / 30


시뮬레이션 – 단상 전파 (II)

RL부하

전력전자공학

22 / 30


시뮬레이션 – 단상 전파 (III)

RL부하(환류 다이오드 추가)

전력전자공학

23 / 30


시뮬레이션 – 3상 반파 (I)

저항부하

α=15˚

전력전자공학

24 / 30


시뮬레이션 – 3상 반파 (II)

α=30˚ α=90˚

전력전자공학

25 / 30


시뮬레이션 – 3상 반파 (III)

α=150˚

출력전압

a상 전류

b상전류

c상전류

전력전자공학

26 / 30


시뮬레이션 – 3상 반파 (IV)

α<30˚ (저항부하와 동일한 출력전압)

RL부하

α=90˚

전력전자공학

27 / 30


시뮬레이션 – 3상 전파 (I)

( 30 )oa 저항부하

전력전자공학

28 / 30


시뮬레이션 – 3상 전파 (II)

위상각 0이라고 가정

90t 60t

지연각

전력전자공학

29 / 30


시뮬레이션 – 3상 전파 (III)

60 ( 90 )o oa a

전력전자공학

30 / 30


시뮬레이션 – 3상 전파 (IV)

위상각 0이라고 가정

150ot 60t

지연각

Documents

Prof. Byoung-Kuk Lee, Ph.D. Energy Mechatronics Lab. School …contents.kocw.net/KOCW/document/2015/sungkyunkwan/... · 2016-09-09 · 전력전자공학 3 / 30 Sungkyunkwan Univ.,