. CHOPPER회로
2.1 CHOPPER의 기초이론 "CHOPPER"란 자르는 장치라는 뜻의 영어로서 직류전류를 고빈도로 통전, 차단하는 장치를 말한다. 교류에서는 변압기를 사용하면 에너지의 손실이 거의 없이 전압과 전류를 부하에 맞추어 변화시킬 수 있는데, 직류의 경우는 초퍼를 사용하여 비슷한 역활을 수행할 수 있다.
<그림1>에서와 같이 직류입력을 스위치를 이용하여 잘라 주면(CHOP), 이 잘라 보내준 크기에 따라 출력전압이 달라지게 된다. 스위치가 폐로인 동안을 Ton, 개로인 동안을 Toff라 하고,
라 하자. 스위치가 on일 때 전류는 스위치와 L을 통하여 부하에 흐른다.
이때 D에는 전원전압 E1이 걸린다.
스위치가 열리면 L에 흐르던 전류가 부하와 D를 통하여 순환하기 때문에 D에 걸리는 전압은 0이다. 따라서 부하에 걸리는 평균전압은,
=δE1
또는
이다. δ는 duty cycle, 또는 초퍼에서는 통류율이나 부르며, 0 ≤δ≤1의 값을 갖는다.
부하전류를 I2라 하면 전원의 평균전류는
I1=δI2
이다. 한편 전력은
=E2 I2
즉 <그림1>과 같은 초퍼는
을 변압비로 하는 직류변압기로 볼 수 있다. 그런데 교류변압기에서와는 달리 δ를 변화시킬 수 있어서 2차측 전압의 연속적 조절이 가능하다. 다만 δ≤1이므로 <그림1>의 구조로써 승압은 불가능하다.
초퍼의 구조를 <그림2>와 같이 하면 승압 초퍼가 된다. <그림2>에서 스위치가 닫힌 동안 L의 에너지 증가는 E1 I1 Ton이고, 스위치가 열린 동안 L에서 방출되는 에너지는(E2-E1) I1 Toff이다. 한주기 동안 L에는 에너지 증감이 없어야 평형이 이루어 지므로
E1 I1 Ton=(E2-E1) I1 Toff
∴ E1=(1-δ)E2
한편 부하의 평균전류는 I2=(1-δ) I1
이므로
이다.
따라서 <그림2>는 변압비 1-δ인 직류변압기인데, 1-δ는 1보다 작으므로 1차전압이 항상 2차전압보다 작아서 승압만이 가능하다.
<그림1>에서 부하가 견인전동기이면 통류율 δ를 기관사의 지령과 전동기의 속도에 맞추어 자동적으로 조절하는 제어회로를 만들어 줌으로써 전기기관차가 원하는 속도로 운전되게 할 수 있다. 또 <그림2>의 초퍼를 이용하여 1차측을 전동기로 2차측을 전원으로 하면 전동기의 에너지가 전원에 반환되므로 회생제동이 가능하다.
초퍼를 제어하는 방식으로는 시간비제어, 즉 통류율을 제어하는 방식과 전류의 순시치를 감시하여 제어하는 순시치제어방식이 있다. 시간비제어는 주기T는 일정하게 하고 제어신호에 맞추어 통류율 δ만을 변화시키는 방식과, on시간을 일정하게 하고 주기를 가변시키는 방식 및 Ton과 주기를 모두 변화시키는 방식이 있다.
2.2 CHOPPER 제어 시스템의 원리 주전동기의 대부분은 아래의 이유때문에 직류 직권 전동기를 사용한다. 직류직권 전동기의 특성의 하나로서 기동 토오크가 크고 고속운전시 전력부하가 감소된다. 그 위에 아마추어 코일과 계자코일이 직렬로 연결되어 있기 때문에 부하에 공급하는 전류의 단자전압만 제어하면 된다. 치차비와 차륜직경이 고정되어 있다고 가정하면 견인력(제동력) …………………………………………………………………………… (1) 속도 ……………………………………………………………… (2) 단 φ=자속밀도, IM=아마추어전류, EM=단자전압, r=내부저항 일정가속(감속) 제어를 실행하기 위해 단지 IM(공식(1))의 일정제어가 필요하다. 즉 속도(공식(2))에 비례하여 단지 단자전압 제어만이 이루어져야 한다. 이러한 이유때문에 재래의 제어시스템은 아래의 방법으로 이루어진다. 역행운전시 주전동기에 공급되는 전압은 저항기의 접속을 변경하므로써 조절된다. 제동시에는 주전동기는 발전기로 전환되며 따라서 발전된 전원은 제동력을 얻기 위해서 저항기에서 열로 발산한다. 초퍼제어 시스템에서는 저항기 대신에 특수한 스위치가 사용되기 때문에 이 스위칭 작용으로 주전동기에 필요한 전력을 공급할 수 있다. 제동시에는 발전된 전원은 역행운전중인 다른 차량의 소비에 응할 수 있도록 가선으로 되돌아 간다. 그 결과 제동력은 얻어진다. 그 기본원리는 다음과 같다. 그림 1.1에서와 같이 부하저항을 가지고 있는 회로가 이상적인 스위치에 의해 개폐된다면 그 출력전압은 전원전압 E와 O사이에서 변화하는 사각파형 펄스가 될 것이며, 그리고 이것은 평균치 EL은 아래식과 같이 될 것이다. ……………………………………………… (3) 이것은 EL이 스위치 폐색시간의 비율에 의해 변화됨을 의미한다. 이 시간비 α를 적당히 제어하면 전압제어가 이루어진다. 이러한 원리를 전기차의 제어에 적용하면 아래와 같다. 만약 주전동기가 그림 1.1에 제시된 회로에 의해 제어된다면 전류가 차단되어진다.따라서 토오크의 변화는 크게 되며 동시에 부하가 유도성이기 때문에 비정상적인 전압이 스위치의 주기적인 ON/OFF에 의해 발생되어진다. 그러므로 리액터L이 주전동기에 직렬로 연결되고 플라이휠 다이오드 DF가 그림1.2와 같이 역병렬로 접속되어 진다. 이렇게 하므로써 전류의 변화가 순조로워지고 스위칭작용에 의해 발생되는 비정상적인 전압이 흡수된다. 스위치 S가 닫히면 전원으로부터 주전동기 전류(IM)가 들어가며 그림 1.2의 AB곡선과 같이 리액터 L의 에너지 축적이 이루어지는 동안 주전동기 전류가 증가한다.스위치 S가 열리면 전원으로부터의 전류는 O이 되며 전류(ie)-리액터에 축적되어진 에너지는 DF회로를 통해 흐르며 약화된다. 그러니까 주전동기 전류는 그림1.2의 BC곡선에 표시된 변화를 진행한다.이 ON/OFF작용을 반복하므로써 주전동기 전류의 평균치(IM)는 일정한 값으로 유지되어진다.이 설명에 의해 전원에서 오는 전류(iS)는 그림의 빗금친 부분에만 해당되고 평균치 IS는 항상 iS보다 작은 것이 분명해진다.회로에 손실이 없다고 가정하면 에너지보존의 법칙에 의해 정상동작 기간에는 입력평균치와 출력평균치가 동일하다.
PS=ES IS=EM IM=PM ……………………………………………………………………………(4)
그러므로
……………………………………………………………………(5)
따라서 입력 PS는
PS=ESㆍα IM
ESㆍIM은 상수이므로 입력 PS는 α에 비례한다.반면에 α는 EM/ES에 비례하기 때문에 α는 EM에 따라 변한다. 이 EM은 속도 V에 의해 변하므로(공식(2))에 의해) 입력 PS는 속도에 의해 변화된다. 즉 운행에 필요한 전력만이 전원에 의해 공급된다.이는 저항기를 절환하여 전원공급을 제어하는 재래식 제어시스템과 초퍼제어시스템 사이의 현저한 차이점이다. (2) 회생제동
그림1.3을 인용하여 만약 스위치 S가 닫히면 잔류자기(residual flux) 또는 예비여자(standby excitation)에 의해 발생된 초기전압에 따른 전류가 스위치를 통해 에너지를 저장하는 리액터 L로 흐른다.
만약 스위치가 열리면 리액터의 작용으로 동일한 방향으로 계속 흐르려고 한다. 즉 DF를 통해 전원으로 흐른다.
이것이 회생전력이며 그림에서 빗금친 부분으로 나타낸 것이 회생되는 전력이다.
리액터로 축적된 에너지는 전원으로 귀환되기 때문에 이 전류는 감소한다.
그러므로 전류를 증가시키기 위하여 스위치는 다시 닫히게 된다.
전동기 전류의 평균치를 IM이라고 하면 전원에 귀환되는 가선전류의 평균치 IS는
………………………………………………(6)
만약 리액터의 내부저항이 무시된다면 정상적인 동작기간 동안의 리액터 평균전압은 0이 된다.
그러므로 전동기 평균전압 EM은 가선의 평균전압 ES와 동일하다.
……………………………………………(7)
역행시 전원이 공급되는 시간에 비하여 회생제동 기간동안 이 전동기는 체승변압기(Step-up transformer)-이 변압기의 변압비는 스위치가 OFF된 기간동안의 시간비에 의해 변화된다-로서 동작하므로 전원전압보다 높은 전압으로서 전력회생을 시킬 수 있다.
이것이 전동기 전압이 가선전압보다 높은 고속도 영역에서만 전력회생이 가능한 재래식 시스템과 이 회생시스템의 중요한 차이점이다.
2.3 쵸퍼 정류 회로 종래의 초퍼회로에서는 싸이리스터와 다이오드가 역병렬로 연결된 조합( 그림1)으로 사용되었기 때문에 역전압 방지특성이 이용되지 않았다. 그러한 회로에서는 역도통 싸이리스터와 역병렬로 연결된 다이오드( 그림2)의 사용으로 인해 아래 현상이 발생된다.
그러므로 순방향방지 전압과 NB층이 얇게 제작되기 때문에 일어나는 순방향 전압강하 특성과 고속특성이 개선되어진다. 재래형 싸이리스터는 역 바이어스시간의 감소를 야기시키는 대정류 리액터 및 콘덴서가 사용되어 왔다. MCRF : 주싸이리스터 ACRF : 보조싸이리스터 Cc : 정류콘덴서(capacitor) ANL : 양극리액터(Anode reactor) | |