6상 12펄스 정류기 (12 Pulse Rectifier)

 

 

 

아래의 포스팅에서 설명하듯이 3상 다이오드 정류기는 상당한 양의 전류 고조파와 높은 THD를 갖게 됩니다.

 

2024.08.11 - [전력전자] - 정류기 전류 고조파 발생원리

정류기 전류 고조파 발생원리

 

 

 

3상 정류기의 입력 전압/전류

 

 

해당 포스팅에서 설명했듯이, 위 파형은 3상 다이오드 정류기에서 한 상의 입력 전압과 전류 파형입니다. 딱 봐도 전류가 전압에 비해 많이 왜곡된 것을 확인할 수 있습니다.

 

그리고 3상 정류기의 문제점을 보완하기 위해서 3상 정류기 두개를 직/병렬 연결한 6상 12펄스 정류기가 고안되었습니다.

 

이번 포스팅에서는 정류기 펄스 개념에 기반하여 6상 12펄스 정류기가 갖는 장점을 이해하고, 멀티와인딩 트랜스포머를 통한 6상 12펄스 정류기의 토폴로지에 대해 알아보겠습니다.

 

 

<정류기 펄스의 개념>

 

 

Inductive Load를 갖는 3상 다이오드 정류기

 

 

위는 Inductive Load를 갖는 3상 정류기입니다. 이 때 인덕턴스가 매우 커서 출력 전류가 DC가 된다고 가정하겠습니다.

 

그리고 한 상의 입력 전류는 해당 상의 스위치가 켜질 때만 흐르게 됩니다. 

 

선간 전압과 A상 입력 전류

 

위 그림에서 A상의 입력 전류 파형을 볼 수 있습니다. 3상 정류기에서는 선간전압이 가장 큰 경로의 다이오드가 켜집니다. 위 그림에서 $V_{AB}$ 와 $V_{AC}$, $V_{BA}$와 $V_{CA}$ 구간에서 A상에 전류가 흐르게 됩니다.

 

출력 전류를 DC로 가정했기 때문에 위와 같은 $i_{A}$ 파형이 나옵니다. 정류기 특성상 입력 전류는 부호가 바뀌지만 출력 전류는 계속 양의 DC값인 것을 인지하시면 되겠습니다. 

 

그리고 번호로 표기해 놨듯이, 한 주기가 6구간으로 이루어지기 때문에 3상 정류기를 6 pulse 정류기라고 부릅니다.

 

왜곡된 전류 파형과의 비교

 

물론 앞서 보였듯이 일반적인 Application에서 전류 왜곡이 일어나지만 기본적으로 6 pulse가 반복되는 특성은 유지된다고 할 수 있습니다.

 

그리고 n pulse가 정확히 반복되는 파형은 $h = n*p \pm1\:(p = 1, 2, 3...)$차의 고조파만을 갖습니다.

 

6 pulse 파형의 FFT

 

위는 시뮬레이션된 6 pulse 파형의 FFT 결과입니다. 기본파 외에 $h = 6p\pm1\:(p = 1, 2, 3...)$

즉 5, 7, 11, 13.. 차의 고조파만 존재하는 것을 확인할 수 있습니다.

 

물론 실제 파형에서는 6 pulse가 정확히 반복될 수가 없으므로 다른 고조파들도 섞여 있습니다만, 일단 주요 고조파는 $h = 6p\pm1$차 고조파들입니다.

 

 

<6상 12펄스 정류기>

 

6상 12펄스 정류기는 3상 6펄스 정류기 두개를 직/병렬로 연결하여 만들 수 있습니다. 포스팅에서 소개할 정류기는 직렬 연결 방식입니다.

 

이때 중요한 것은 두 정류기를 30도의 위상차를 두고 연결하는 것입니다. 30도 위상차는 델타-와이$($Delta-Wye$)$ 멀티와인딩 트랜스포머를 통해 만들 수 있습니다.

델타$($D$)$-와이$($Y$)$ 멀티와인딩 트랜스포머와 정류기 직렬 연결

 

위 트랜스포머는 1차측이 D결선이고 2차측은 D결선과 Y결선 두개를 갖고 있습니다. 결선이 세개 이상이라서 멀티와인딩 트랜스포머가 됩니다.

 

그림대로 색깔에 맟춰 페이저 전압이 각 winding에 걸린다고 가정하겠습니다. 노란 점 사이의 선간전압은 $v_{AB}$입니다.

 

페이저를 통해 2차측 D결선의 $v_{AB}$와 Y결선의 $v_{AB}$는 30도 위상차를 갖는 것을 쉽게 확인할 수 있습니다. 나머지 선간전압도 같은 방법으로 30도 위상차를 확인할 수 있습니다.

 

30도 위상차 파형과 더했을 때 최종 출력 파형

 

6 pulse 파형에서 각 pulse는 60도 구간을 갖습니다. 30도 위상차를 갖는 파형을 더하게 되면 최종 출력 전압은 주파수가 두배가 되고 리플이 감소한 형태가 됩니다. 따라서 출력 필터 사이즈를 줄이는 효과를 얻습니다.

 

1차측 12 pulse와 2차측 6 pulse $($Inductive Load$)$

 

또한 위와 같이 1차측 입력 전류는 12 pulse를 갖게 됩니다.

 

12 pulse의 FFT

 

12 pulse 파형은 $h = 12p\pm1 \:(p = 1, 2, 3...)$차 고조파를 가집니다.

 

즉 6 pulse가 포함했던 $h = 6p\pm1$ 고조파들은 사라지기 때문에 THD를 개선할 수 있습니다. 결국 pulse 수를 늘릴수록 더 좋은 THD를 얻게 됩니다.

 

 

 

왜곡된 전류 파형 또한 pulse 수를 늘림에 따라 왜곡 정도를 줄일 수 있습니다.

 

 

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오늘은 12 pulse 정류기의 토폴로지와 효과에 대해 알아보았습니다. 정류기의 pulse를 늘리면 출력 전압 리플 감소와 입력 전류 THD개선 효과를 얻을 수 있었습니다. 하지만 멀티와인딩 트랜스포머를 사용하므로 시스템 부피와 구축 비용이 증가함을 알 수 있습니다.

 

 

감사합니다!!

 

 

Ref

https://www.researchgate.net/publication/324649963_Analysis_of_Influence_on_the_Grid_of_Input_Part_of_Special_Power_Source_113_kW_1_kA_DC

 

https://www.researchgate.net/publication/324649963_Analysis_of_Influence_on_the_Grid_of_Input_Part_of_Special_Power_Source_113_kW_1_kA_DC

 

https://mb-drive-services.com/harmonic_mitigation_methods/