In this thesis, two types of new inverters are proposed. One is the series resonant inverter with high frequency AC resonant link for he constant voltage and constant frequency (CVCF) application. Other is the current sourced inverters for the variable voltage and variable frequency (VVVF) application. The detailed operations of the proposed inverters are given for each inverter types. And the mathematical modeling and the commutation mode analyses are given for the system control and the commutation circuit design, respectively. The operations of the proposed inverters are verified through the computer simulation and the experiment.
In case of CVCF application, a new series resonant inverter (SRI) controlled by the estimation concept is proposed. The proposed inverter has the power circuit of the conventional series resonant converter (SRC) with the modification, so that the output voltage of SRC can swing from the negative value to the positive value by replacing the diodes in the output rectifier with the bidirectional switches. Besides the circuit modification, new control scheme is developed to overcome the demerits of the conventional control methods. Since the proposed inverter is operated at constant resonant frequency, zero switching condition is always guaranteed. Also the bidirectional switches of the SRI are in synchronization with the current zero crossing points and have the fixed switching pattern to obtain the high frequency isolation. Therefore the switching stress and the switching loss are considerably low and the device capability can fully be utilized with the high frequency operation. In addition, the magnetic opponents and capacitors can be reduced in size and weight owing to the constant switching frequency and the independence of the load condition. Even though the switching instants of the SRI are fixed at the current zero crossing points, it is possible to control the resonant tank energy by the appropriate resonant mode selections. Since the mode selections or the switching instants of switches are allowed only when the resonant tank current crosses the zero point, the controls of the resonant tank energy and the output voltage can be obtained discretely. However, it is possible to limit the digitized quantities in a sufficiently low by the optimizing the magnitude of the reactive elements. In addition, a predictive control is introduced in order to determine the next resonant switching mode before the zero current occurs whereby the zero current switching condition is satisfied. The proposed predictive control scheme determines the optimum resonant mode to minimize the output voltage error and to maintain the high frequency operation of the isolation transformer, irrespective of the load and the DC source conditions. In the proposed control scheme, the load disturbance is quickly compensated by the equivalent feedforward control loop. The proposed SRI is modeled to the difference equations and the useful expressions for the output voltage control are obtained. The operation of the proposed SRI is verified through the computer simulation and the experiment.
In case of VVVF application, new current source inverters (CSI) are proposed with the analysis and explanations. First, CSI with DC-side commutation and delayed thyristor ring-up circuit is proposed. The proposed inverter needs only one commutation capacitor and improves several drawbacks of the most widely used auto-sequentially commutated inverter (ASCI). The new inverter has near constant commutation time irrespective to the load condition while not increasing the maximum voltage stress and the current stress of the main thyristor. This feature is obtained by using the delayed thyristor ring-up circuit which controls the linear discharging time of the commutation capacitor to be constant. Three different control schemes for the delay time are verified through the computer simulation. Since the proposed control schemes are based on the same physical meaning, simulation results are similar to each other. In that meaning, a constant delay time control scheme is adopted in the experiment. Also the effects of the bypassing current is analyzed and three different current PWM modes are introduced to minimize the harmonic component. Second, two different thyristor type CSI's with DC-side commutation and load-side energy recovery circuit are proposed. The proposed inverters overcomes the most drawbacks of the conventional CSI's - high device voltage stress, low operating frequency range, large commutation capacitances, etc.- by employing simultaneous recovery and commutation concept. Since the commutation and the energy recovery occur simultaneously, the commutation time is minimized while the device voltage stress is clamped to the desired value. The commutation energies are temporarily stored into a large DC capacitor and recovered to the load-side, thus the device voltage stress is low and the efficiency is high. In the proposed CSI's, the energy recover circuit, which is composed of the naturally commutated voltage source inverter, is connected in parallel to the main thyristor bridge. Therefore the commutation circuit of the proposed CSI's can be combined with the energy recovery circuit if the DC-side commutation circuit is adopted. As a result, the commutation circuit is simplified and the possibility of commutation failure is eliminated. Proposed two inverters have a similar structure while the operations of them are somewhat different from each other. Basic operations of two CSI's are explained, and guidelines for the commutation circuit design are given by using the results of the commutation mode analysis. Through the computer simulation and experiment, the operations of the proposed CSI's are verified.
본 논문은 새로운 두가지 형태의 인버터에 관한것으로써 인버터의 응용 목적에 따라서 분류하였다. 정전압 및 정주파수 (CVCF) 응용에는 고주파 교류 링크를 가지는 직렬 공진형 인버터를 제안하였고 제안한 인버터의 동작원리를 상세하게 설명하였으며 수학적인 모델링을 통하여 인버터 출력단 전압 제어에 대한 새로운 알고리즘을 개발하였다. 반면에 가변전압 및 가변 주파수 (VVVF) 응용에는 새로운 방식의 전류원 인버터를 제안하였고 제안된 인버터의 동작원리를 도식적으로 설명하였으며 환류 (Commutation) 동작에 대한 수학적인 해석을 통하여 환류 회로의 설계 방법에 대해서 논하였다. 제안된 두가지 형태의 인버터의 동작을 정상상태 및 과도상태에 대한 컴퓨터 시물레이션과 실험을 통해서 입증하였다.
CVCF 응용에 적합한 형태로 개발한 직렬공진형 인버터의 경우, 전력 회로는 기존의 직렬 공진형 콘버터 회로를 수정함으로써 인버터의 출력단에서 교류전압을 쉽게 얻을수 있도록 하였으며, 또한 양방향성 전력 흐름이 구조적으로 가능하게 하였다. 뿐만아니라 기존 전압제어 방법의 단점이었던 스위칭 주파수의 변동이나 스위칭 손실과 같은 문제점을 극복하기위해서 새로운 제어기법을 개발하였다. 제안된 제어방법에서는 모든 스위치가 공진주파수와 동일하게 동작되면서 항상 영전류 (Zero Current) 스위칭을 만족 시키기 때문에 스위칭 손실의 최소화가 구현되었으며 또한 스위칭 주파수가 일정하기 때문에 공진회로에 사용한 자성체의 동작주파수도 일정하므로 자성체의 부피나 가격을 줄일수가 있다는 장점을 가지게 된다. 제안된 제어방법에서 스위칭 순간이 영전류 순간으로 제한되기때문에 직류전원에서 공진회로에 공급하는 에너지양은 양자화되어 있지만, 공진회로의 소자값과 출력단 캐패시턴스의 비율을 적절하게 선정하게 되면 인버터 출력단 전압의 리플(Ripple) 성분을 충분하게 작게할수가 있다. 본 논문에서는 절연변압기의 크기를 최소로 하기위해서 인버터 출력단에 연결된 양방향 스위치의 스위칭 패턴을 일정하게 고정시키고, 단지 직류전원에서 공진회로에 공급하는 에너지량만을 제어함으로써 인버터 출력단 전압을 제어하였으며, 영전류 스위칭을 행한후에 다음번 영전류 스위칭 조건에 도달하기전에 다음에 행할 스위칭 상태를 미리 결정하도록 하고있다. 다음에 행할 스위칭 조건은 가상된 세가지 스위칭 상태에 대해서 어떤 스위칭 상태가 출력단 전압오차를 최소로 하는가를 찾아내는 예측제어 방법을 통해서 결정한다. 이러한 제어상의 특징때문에 부하나 직류전원의 변동이 출력단 전압파형에 나타나는 것을 최소화 시킬수가 있게된다. 제안된 인버터의 전력회로와 제어개념은 컴퓨터 시물레이션과 실험을 통해서 입증하였다.
VVVF 응용에 적합하게 개발된 인버터는 모두가 다이리스터 (Thyristor)로만 구성된 전류원 인버터로써 크게 두가지로 분류할수가 있다. 첫번째 경우가 전류원 인버터의 전압 스트레스에는 영향을 끼치지 않으면서 환류시간이 부하의 조건과 거의 무관하게 하도록 하는 전력회로에 관한 것으로써(SACCI), 제안한 인버터는 기존의 다이오우드 링엎(Diode Ring-up) 방식의 문제점을 분석하여 그 문제점을 해결한 시간지연 방식의 다이리스터 링엎(Thyristor Ring-up) 회로를 채택하고 있다. 제안된 인버터 회로는 단지 한개의 환류용 캐패시터를 필요로 하고 또한 환류회로에 흐르는 전류는 환류순간으로 제한되므로 스위칭소자의 전류용량이 주전력소자의 절반이면 된다는 특징을 갖고있다. 따라서 종래에 널리 이용되어온 자동순차 환류형 인버터(ASCI)보다 넓은 동작주파수 범위를 가지면서 가격면에서 유리하다는 장점을 가지고 있다. 이러한 특징을 가능하게한 시간지연 방식의 다이리스터 링엎회로의 제어방법에 대해서 논하였고 또한 제안된 인버터에 적용될수가 있는 세가지의 전류 펄스폭 변조방식에 대해서 논하였다. 제안된 인버터 회로의 동작을 정상상태에서의 컴퓨터 시물레이션과 실험을 통해서 입증하였다.
두번째 경우에는 전류원 인버터의 전압스트레스를 원하는 크기로 제한시키면서 최대동작 주파수를 한층 더 증가시킨 방식으로 두가지 형태의 인버터 전력회로를 제안하였고 각각의 동작 원리 및 환류 회로의 설계방법에 대해서 논하였다. 제안된 두가지 형태의 인버터 회로는 환류기간중에 유도기의 누설 인덕턴스에 저장되어있던 에너지를 에너지 회생회로에 저장하였다가 다음번 환류구간중에 유도기로 에너지를 회생시킴과 동시에 환류동작을 행하는 동시 회생 환류형 인버터 (SRCI)로써 기존의 직류측 혹은 교류측 에너지 회생회로 방식의 문제점을 제거함과 동시에 GTO를 주 전력 소자로 사용한 SRCI의 문제점을 해결하고 있다. 제안된 인버터는 환류회로와 에너지 회생회로가 결합되어 있으며, 또한 한개의 환류용 캐패시터와 리액터만을 가지며 환류용 캐패시터는 주다이리스터의 턴오프에만 이용되기 때문에 첫번째 경우의 인버터보다도 크기를 훨씬 더 줄일수가 있다는 특징을 갖는다. 제안된 두가지 형태의 인버터는 전력회로가 유사해 보이지만 그 동작원리는 상당이 다르며 각각 서로에 대한 장단점을 가지고 있다. 즉 동일한 전압 스트레스에 대해서 Type-1 인버터는 Type-2 인버터 보다 짧은 환류시간을 가지지만 환류 회로 부분의 전압 스트레스와 전류 용량은 Type-2 인버터가 Type-1에 비해서 낮은 값을 가진다. 그러나 종래의 ASCI 방식이나 첫번째 경우의 인버터(SACCI)와 비교해 보면 제안된 두가지 형태의 인버터가 훨씬 더 우수한 특성을 가짐을 알수가 있다. 제안된 인버터 회로의 동작을 정상 상태 에서의 컴퓨터 시물레이션과 실험을 통해서 입증하였다.
