- 1 -

위상제어 정류회로4. (Phase Controlled Rectifier)

기본개념4-1위상제어 정류기 을 사용하여 교류를 직류로 변환하는 장치: SCR•

가변 직류전압을 얻을 수 있다.은 구동에 의해 시점을 교류입력 전원전압의 위상에 대해 임의로SCR Gate Turn On

할 수 있는데 이 시점을 가변하면 직류평균전압의 크기를 제어할 수 있다Turn On .

단상 위상제어 정류회로4-2 저항부하:

반파 위상제어 정류회로4-2-1 (Half Wave Phase Controlled Rectifier)

• 회로 동작 원리직류평균전압의 크기를 제어하기위해 을- SCR전원전압의 에서= 0 만큼 지연시켜 turn on시킨다.- 지연각 점호각(delay angle), (firing angle)①

은 순방향 바이어스이지만 게이트SCR펄스를 인가하지 않아 상태Off .

출력전압- :전압- SCR :

②위상각 에서 게이트 전류펄스를인가하면 은SCR Turn On.( 까지 상태가 지속됨On .)

출력전압- :전압- SCR :

③는 음으로 은 역방향 바이어스SCR

되어 전류Off (SCR =0)자연 소호 전원전압에 의해 자연적으로(Natural commutation) : turn off출력전압- :

전압- SCR : 역전압ꀴ

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평균 직류 출력전압•

지연각 는 범위내에서 제어 가능하므로 출력전압은 까지 가변 가능.

출력 전류의 실효값 :•

의 전압은 이므로 은 역전압 뿐만 아니라 정전압도 저지해야한다SCR (+), (-) SCR .•

전파 위상제어 정류회로4-2-2 (Full Wave Phase Controlled Rectifier)

• 회로 동작 원리

①X1, X4 순방향 바이어스이지만

가 인가되지Gate pulse않아 상태Off

X2, X3 역방향 바이어스로 Off②위상각- 에서 X1, X4에

를 인가하면Gate pulse Turn On

- 출력전압 :

③X1, X4 에서 역방향

바이어스 되어 Turn OffX2, X3 순방향 바이어스이지만

가 인가되지Gate pulse않아 상태Off

④위상각- 에서 X2, X3에 를 인가하면 됨Gate pulse Turn On .위상각- 에서 X2, X3 는 역방향 바이어스 되어 됨Turn Off출력전압- :

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직류 평균 출력전압•

지연각 는 범위내에서 제어 가능하므로 출력전압은 0~ 까지 가변 가능

출력 전류의 실효값 :•

단상 위상제어 정류회로4-3 유도성 부하:

전파 위상제어 정류회로4-3-1• 유도성 부하의 경우 출력전류는 부하에 포함된 인덕턴스 의: L

크기에 따라 연속 또는 불연속이 된다.• 가정 부하 인덕턴스가 충분히 커서 부하전류가 연속인 경우:

• 회로 원리 및 동작①T1, T4는 순방향 바이어스이므로원하는 에서 에Gate pulse의해 됨Turn On .

②> 에서 가 라도(-) T1, T4를

통해 전류가 계속 흐르고 있으므로상태 유지On .

③- 에서 T2, T3 이 Gate

에 의해 됨pulse Turn On .출력전류는 T 2, T3 을 통해 흐르고T1, T4 는 됨Turn Off

- 에서 T1, T4가 다시될 때까지 상태 지속Turn On On .

• 평균 직류 출력전압

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지연각 가 0~ 범위내에서 변동함에 따라

평균출력전압의 크기는 ~ 까지가변된다.

에서는 출력전압이 음 의 값이 된다(-) .전류는 역방향으로 흐를 수 없으므로 출력전류는- 0으로 평균출력전압은 이다 수동부하0 . ( )역기전력이 있는 전동기부하에서는 평균 출력전압이-의 값이 될 수 있다(-) .

시뮬레이션Pspice Report- 단상 전파 제어정류기에서 의 경우= 30°, 60°유도성부하 인덕턴스가 충분히 커서 부하전류가 연속( : )

시뮬레이션PSpice Example교류 전원전압-= 50[Vpeak], 60[Hz]

부하- : RLoad = 50[ ]Ω스위칭소자- : SCR 2N1595

• 스위치 게이트 신호용 전원 파라미터Vpulse

예 지연각을) 로 설정하는 경우- V1 = 0[V]- V2(pulse Voltage) = 5[V]

주기- PER( ) = 1/ 60[Hz] = 16666.7[ s]μ

- TD(time delay) 주기PER( ) = 의 경우 TD = 2777.8[ s]μ

폭- PW(pulse ) = 100[ s]μ- TR, TF = 1ns

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환류 다이오드를 갖는 전파 위상제어 정류회로4-3-2

전파 정류회로에 환류 다이오드를 추가한 회로•전파 정류회로와는 출력 특성이 달라진다.

• 회로 원리 및 동작

①T1, T4는 순방향 바이어스이므로

에서 Turn On.

- 출력전압

②가 로 되면(-) T1, T4는 turn off

되고 다이오드 가 순방향, D바이어스로 되어 출력Turn On부하전류는 다이오드를 통해 흐른다.

출력전압-

출력전압 파형은 저항부하 시와 동일하게 되지만• 역률은 향상된다.

평균 직류 출력전압•

평균 출력 전류 :•

평균 다이오드 전류, Thyristor :• ,

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단상 세미 위상제어 정류회로(Semi-Rectification Circuit)단상 전파 위상제어 정류회로에서 하단부의을 다이오드로 대치한 회로SCR

• 회로 원리 및 동작

①순방향 바이어스 된 T1은 에서

되어 출력전류는Turn On T1과 D2를통해 흐른다.

- 출력전압

②D2 에는 역전압이 인가되어 Turn OffD1 은 순방향 바이어스 되어 Turn On 출력전류는 T1과 D1을 통해환류 한다(free-wheeling) .

- 출력전압

이러한 환류동작은 = 에서T2가 될 때까지 계속된다Turn On .

출력전압 파형은 순수 저항부하인 경우와 동일하게 되지만• 역률은 향상된다.

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평균 직류 출력전압 :•

평균 출력 전류 :•

평균 다이오드 전류, Thyristor :•

Report : 환류 다이오드를 갖는 전파 위상제어 정류회로 및 단상 세미 위상제어 정류회로시뮬레이션Pspice

역률4-3-4위상제어 정류기의 교류 전원 측 역률 PF(power factor)•

점호각 에 따라 변한다 점호각이 클수록 낮아진다. .

역률 PF(power factor) =•유효전력피상전력

동일한 출력을 요구하는 시스템에서 역률이 나쁘면 좀더 많은 피상전력이 요구된다.

① 단상 전파 정류 회로 저항 부하 시( )

• 역률 PF =입력 전압 전류의 실효값: ,

출력전류- 의 실효값

- 이므로

∴

순수 저항부하라도 언제나 역률이이 되지 않고 지연각1 에 따라 변한다.

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② 단상 전파 정류 회로 유도성 부하( )

• 역률 :

인덕턴스가 큰 경우 평균값 실효값( : =

실효값 )

가 라도 역률이 이 되지 않는다0° 1 .

③ 유도성 부하 환류 다이오드를 가진 단상 전파 정류회로 및 세미 컨버터( )

• 역률 PF

출력전류 실효값( 입력전류 실효값≠

입력전류 실효값 : )

역률이 단상 전파 정류회로보다 향상된다.

예) = 단상전파 위상제어 정류기60° : PF=0.45환류 다이오드 단상전파 및 세미 컨버터 PF=0.827

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역률과 변압기 용량위상제어 정류회로의 입력 측에 변압기를 사용하는-경우 역률은 변압기의 용량에 영향을 준다.예 변압기 차 측에 권선비 을 이용한) 2 Center tap( 1:1:1)단상 전파 위상제어 정류회로

• 변압기 차 측 역률이 다르다1, 2 .

저항 부하 시(1)• 변압기 차 측 역률2

차- 2 권선 측 피상전력차- 2 권선 측 피상전력 ( )차 측 전압 실효값- 2 ( )출력전류 실효값- ( )

( )

∴

역률이 전파 위상제어 정류회로보다 나빠짐

변압기 차측 역률1 PF•

역률이 차측의2 배,변압기의 차측 용량은 차측 보다2 1 배 커야한다.

유도성 부하시(2)

변압기 차측 역률2 :• ( )

역률이 단상전파 위상제어 정류회로보다 1/ 배 나빠진다.

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예 변압기 차측 권선비 에 단상 전파 위상제어 정류회로가 연결된 경우 저항부하) 2 ( 2:1) ( )• 변압기 차측 역률2

• 변압기 차측 역률1

차측 역률과 동일2변압기가 없는 경우와 동일하다 유도성 부하일 경우도 동일하다* . ( )

연습문제Report : 4-2, 4-4, 4-5

비정현 주기파2-5

전력변환장치의 입출력 전압 전류 파형 스위칭 소자의 스위칭에 의해 얻어지는데,• 대개 비정현 주기파(Nonsinusoidal periodic waveform)이다.

• 비정현 주기파 기본파 주파수의 정현파 기본파 와( : fundamental wave)기본파 주파수의 정수배의 주파수를 갖는 정현파들 고조파 의( :harmonics)합으로 나타낼 수 있다.

비정현파 주기( 기본파 주파수, )이들 성분들을 푸리에 전개 에 의해 구할 수 있다(Fourier Expansion) .

• 푸리에 급수전개 “ 비정현 주기파를 여러 주파수의 성분의 정현파 와 여현파 의(sin) (cos)성분으로 분해하는 것.”

비정현 주기파 :

푸리에 계수- :

우함수* → 기함수, →

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비정현 주기파 :•

여기서( , )ꀶ

비정현 주기파 직류성분 교류성분 직류성분 기본파 성분 고조파 성분= + = + +

기본파 성분- :

고조파 성분- :

예 구형파의) Fourier Expansion

비정현 주기파의 실효값2-5-2

비정현 주기파 전류의 실효값- :

비정현 주기파와 평균전력2-5-3

평균전력 :•( )

비정현 주기파에 의해 공급하는 평균전력은 각 고조파가 단독적으로 공급하는평균전력의 합과 같다.

역률 :•

피상전력( )

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파형의 왜곡과 변위2-6파형의 왜곡2-6-1 (distortion)

파형의 왜곡 기본파에 직류성분과 고조파성분이 더해져서 발생• 파형 왜곡의 정도를 나타내는 지수 전고조파 왜율 왜곡률(THD), (DF)•

전고조파 왜율 (THD : Total Harmonic Distortion)①

정의- : 전고조파의실효값기본파의실효값

예 전류의 전고조파 왜율)

왜곡률 (DF : Distortion Factor)②

정의- : 기본파의실효값실효값

예 전류의 왜곡률)

파형의 변위2-6 (displacement)

파형의 변위 주기가 같은 두 파형의 기본파 위상이 어긋난 정도 역률과 밀접한 관계• 비교하는 두 파형이 주기만 같고 모양이 다르다면 두 파형의 기본파의위상차가 변위의 크기가 된다.

변위율(DPF : Displacement factor)•

정의- :기본파의평균전력기본파전압의실효값 기본파전류의실효값

기본파 전압에 대한 기본파 전류의 위상:

변위율은 같은 주기를 갖는 임의의 전압 전류에 있어서,기본파만의 역률( 이라 볼 수 있다) .

예 다이오드 정류회로 순수 정현파의 전압 왜곡된 비정현파의 전류 형태) : ,

역률 :

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예제 정현파 전압 구형파 전류2-8) ,(a) 전압의 실효값 :(b) 기본파 전압의 실효값 :(c) 전류의 실효값 :(d) 기본파 전류의 실효값 : , ,

기본파 전류- :

기본파 전류의 실효값- :

(e) 왜곡률 :(f) 변위율 :

(g) 역률 :

고조파4-3-5스위칭에 의한 전력변환장치 고조파 발생 파형의 왜곡현상- 예 단상 전파 위상제어 정류회로 저항 부하 시) ( )

- 교류전원 측 전류 에 대한 고조파 분석

기본파 위상 :

- 지연각 의 변동에 따른 전원전류의 고조파 성분최저차고조파는 차( 3 ) 이면= 0°

이면 각 고조파성분이 나타난다0° .≠

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역률 개선4-4-4

역률 개선을 위해 를 이용한 정류회로 사용GTO•

대칭각 제어 방법(Symmetrical Angle Control)

를 기준으로 대칭으로 스위칭하여 출력전압을 제어함으로서 변위율 을 로(DPF) 1할 수 있다.

• 스위칭 방법 유도성 부하( )

① S 1, S4 On

② S 1 On, S3 On (S4 Off)S 1, S3을 통해 환류.

③ S 2 On (S1 Off),S3 상태On

④ S 2 On, S4 On (S3 Off)S 2, S4를 통해 환류.

평균 출력 전압 :• 구간 조절로 출력전압을 가변함(On ) .

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• 역률 :

피상전력- :

전류의 실효값( : )

∴

단상 전파 위상제어 정류회로와 비교하여볼 때 역률 개선된다.

예제 과 의 비교- 4-21 4-22출력 100V 출력 160V

대칭각제어 PF 0.783 0.94위상제어 PF 0.45 0.727

고조파 개선 방법 펄스폭 변조PWM(Pulse Width Modulation : ) Control

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정전압 직류출력4-3-3• 직류전원 직류전압에 포함된 리플 성분은 적을수록:

좋다.정류기의 출력 리플 감소를 시키고 평균값만 부하에•공급하기 위해 사용L-C filter

전류리플 감소 전압리플 감소( L: , C : )필터 인덕턴스 크기에 따라 인덕터 전류가 연속L•또는 불연속이 되며 이에 따라 출력 특성이 달라진다 그림 비교. ( 4-10, 11, 12 )

전원측 인덕턴스4-3-6 의 영향

전력변환회로의 정확한 해석 스위칭 소자의 상태 전압 강하 인덕터 의 저항성분On , L ,• 배선의 표류 인덕턴스 등이 고려되어야 함(stray inductance) .

단상 위상제어 정류회로에서 교류 입력전원의 변압기와 배선상의 인덕턴스 를 고려한 경우

예) 가 도통하여 부하전류T2, T3 가 흐르다가가 도통하는 경우T1, T4

전원전류 는 에서 로 변한다.

전원의 인덕턴스• 로 인해의 전류는 서서히 으로 감소T2, T3 0전류는 서서히T1, T4 로 증가

이 경우 개의 가 모두 도통한다4 Thyristor .이 구간을 중복구간(overlap interval)이라하고 중복구간의 기간을, 중복각(overlapangle, commutation angle) 라 한다.

중복구간 동안의 출력 전압• 출력 평균전압의 감소를 초래

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중복각• ( 동안 출력전압의 감소분)

중복구간에서( ꀴ 이 성립)

평균 출력 전압 :•

중복각• 구하기

중복각은 지연각 전원측의 인덕턴스, 부하전류, 및 전원전압 에 의해 결정된다V .

연습문제Report : 4-3, 4-6, 4-13