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[기술특집/해외편] 15MVA 열간 압연 주기용 고압대용량 IGBT 인버터 드라이브 시스템
2009-06-03

국내외 중전기기 업체별 최신 기술

15MVA 열간 압연 주기용
고압대용량 IGBT 인버터 드라이브 시스템


㈜히타치(日立)제작소_나가타 히로시(永田 寛)

개 요

철강 플랜트는 철광석에서 채취한 철의 원자재를 기본으로 자동차, 건축물 등 다양한 용도에 이용되는 강판을 제조하는 플랜트이다. 강판은 압연기라는 금속 재료를 얇게 늘리는 기계를 이용하여 2개의 압연 롤 사이에 고온 또는 상온의 금속 재료를 통과시켜 금속 재료에 압력을 주면서 압연 롤을 회전하여 만든다. 고온의 금속 재료를 압연하는 것을 ‘열간 압연’이라고 하는데, 강판 제조의 상류 공정에 해당한다. 이것은 두께 수백 밀리의 금속 재료를 수밀리로까지 압연시키는 것이다.
한편 상온의 금속 재료를 압연하는 것은 ‘냉간 압연’이라고 하는데, 강판 제조의 하류 공정에 해당하며 상류 공정에서 제조된 강판을 더욱 얇게 마무리하는 처리 작업이다. 여기서 압연 롤은 다양한 용량의 교류 전동기로 구동되며, 특히 열간 압연 주기에는 5000㎾ 이상의 고출력 교류 전동기가 적용된다.
일본 ㈜히타치제작소에서는 압연기용 교류전동기를 구동하는 인버터 드라이브 장치를 시장에 출시했다. 이 인버터 드라이브 장치는 수 ㎾ 클래스의 압연 보기용 전동기에서 수천 ㎾ 클래스 압연 주기용 전동기까지 구동 가능한 기종을 두루 갖추고, 메인파워 반도체로 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)를 적용한다. IGBT 인버터 드라이브 장치는 주회로 구성 및 IGBT 구동용 게이트 드라이버 회로를 간소화할 수 있어 소형 · 고효율인 코스트 퍼포먼스에 뛰어난 인버터 드라이브 장치를 구축할 수 있다. 그리고 이번에 한층 더 사용자의 요구에 대응할 수 있는 열간 압연기 주기용 대용량 교류 전동기를 구동 가능한 고압 대용량 IGBT 인버터 드라이브 장치를 개발 · 제품화했다.
이 장치는 다음과 같은 세 가지 특징을 가진다.
① 3.3㎸/1.2㎄ 정격 IGBT의 2직렬화에 의해 인버터 출력전압을 고압화하여 정격 출력 용량의 대용량화를 도모했다.
② 범용 3.3㎸/1.2㎄ 정격 IGBT를 적용하여 제품 라이프 사이클의 장기화를 도모했다.
③ 주회로 셀 유닛의 병렬접속에 의해 용량을 시리즈화하여 사용자 요구에 최적인 인버터 드라이브 장치를 제공할 수 있도록 했다.
- 단기 구성 : 5.4㎹A, 10.2㎹A, 15㎹A
- 2뱅크 구성 : 20.4㎹A, 30㎹A

고압 대용량 IGBT 인버터 드라이브 장치

고압 대용량 IGBT 인버터 드라이브 장치(정격 출력 용량 10.2㎹A)를 <그림 1>로 나타냈다. 또 이 장치의 기본 사양을 <표>로 나타냈다. 이 장치는 3레벨 인버터로, 주회로의 주요 부분을 유닛화한 셀 유닛을 최대 3대까지 병렬접속함으로써 정격 출력 용량을 단기 구성으로 최대 15㎹A, 2뱅크 구성으로 최대 30㎹A가 가능하도록 했다. 과부하 사양은 150%(60초), 냉각 방식은 수냉각이다. 또 회로 구성의 간소화와 적정한 스위칭 주파수를 설정하여 변환기 효율 98% 이상(컨버터 : 순변환기+인버터)을 달성했다.


주요 적용 기술 - IGBT 직렬접속 기술

이 장치는 3.3㎸/1.2㎄ 정격 IGBT를 2직렬 접속한 후, 3레벨 인버터를 구축한 회로 구성을 채용하여 인버터 출력 전압의 고압화를 실현했다. IGBT직렬접속에서는 IGBT 2직렬 간 전압 분담 및 전류 차단 시에 인가되는 폭등 전압을 제어하여 IGBT를 안정 동작시키는 것이 상당히 어렵다. 이런 기술 과제를 해결하기 위해 이 장치에서는 액티브 게이트 제어(Active Gate Control, 이하 AGC 제어)와 저인덕턱스 주회로 배선을 채용했다.


⑴ AGC 제어
<그림 3>에 AGC 제어 회로를 나타냈다.
AGC 제어는 IGBT의 컬렉터 이미터 간 전압이 AGC 제어 개시 전압을 넘길 때 컬렉터에서 게이트로 전류를 주입하고 게이트 전압을 제어하는 것으로 IGBT의 컬렉터 이미터 간 전압을 제어하는 기술이다. AGC 제어 회로는 제너 다이오드, 저항 등의 부품으로 구성되어 소형의 심플한 회로 구성이다. 아래에 IGBT Turn-off를 예로 들어 AGC 제어 회로의 동작에 대해 설명한다.

① IGBT가 Turn-off 하여 컬렉터 이미터 간 전압 VCE가 상승한다.
② VCE가 AGC 제어 개시 전압을 초과한다.
③ IGBT의 컬렉터에서 게이트로, 게이트 전류 Ig을 주입하여 게이트 전압 Vge를 Turn-on 역치 전압까지 상승시킨다.
④ Vge가 Turn-on 역치 전압에 달하면 IGBT가 Turn-on 방향으로 이행하고 컬렉터 이미터 간 전압 상승을 제어한다.

이 장치에서는 모든 IGBT에 AGC 제어를 적용하여 그 인가 전압이 AGC 제어 전압 이하가 되도록 제어하고 있다. 이에 따라 설사 2직렬 접속된 IGBT 간 전압 분담에서 어느 한 쪽으로 치우치는 경우에도 적정한 전압 분담이 되도록 제어한다.

⑵ 저인덕턴스 주회로 배선
2직렬 접속된 IGBT 각각의 인가전압은 그 회로 동작상 정(正)(이하 P)-중성점(이하 C) 모선 간 전압 또는 C 모선-부(負)(이하 N) 모선 간 전압의 1/2 전압이 된다. 그러나 전류 차단 동작 시 회로의 배선 인덕턴스에 의한 폭등 전압이 인가되기 때문에 IGBT 인가전압이 상승한다. 폭등 전압의 원인이 되는 배선 인덕턴스는 주로 셀 유닛 내부의 주회로 배선에 기생하기 때문에 셀 유닛 내 주회로 배선은 평판 전극을 적층한 래미네이트 부스 구성으로 되어 있다. 이에 따라 전류의 흐름 방향이 다른 부스끼리를 접근시켜 각각에 흐르는 전류에서 발생하는 자계를 상쇄(相殺)하는 것으로 배선 인덕턴스를 저감하고 있다. 래미네이트 부스의 설계에서는 <그림 4>와 같이 3차원 전계자 해석 시뮬레이션을 이용하여 최적 구조를 결정했다. 그 결과 저인덕턴스 주회로 배선을 실현할 수 있었다.

⑶ 2직렬 IGBT 동작 파형
위에서 설명한 기술을 적용하여 2직렬 접속된 IGBT의 동작을 확인했다. AGC 제어 전압 설정은 2350V로 했다. <그림 5>는 셀 유닛의 출력 정격 전류와 같은 값의 1200A를 차단했을 때의 IGBT 동작 파형이다.
저인덕턴스 주회로 배선에 의해 2직렬 접속돼 있는 IGBT 각각의 인가전압을 2350V 이하로 할 수 있었다. 이에 따라 IGBT 동작 및 전압 분담에 문제가 없음을 확인할 수 있었다.
<그림 6>은 보통 동작 시의 2배 전류인 2400A를 차단했을 때의 IGBT 동작 파형이다.
AGC 제어에 의해 IGBT의 전압은 2350V 이하로 제어되어 IGBT 동작 및 전압 분담에 문제가 없음을 확인했다. 이런 기술에 의해 IGBT의 직렬접속을 실현했다.

실기 출력 파형

고압 대용량 IGBT 인버터 드라이브 장치(정격 출력 용량 10.2㎹A)의 실기 출력 파형을 출력했다. <그림 7>은 L부하 시험에 의한 출력 선간 전압, 출력 전류 파형이다.
직류 전압 6.0㎸, 출력 선간 전압 3000Vrms, 출력 전류 1460Arms(10.2㎹A 정격 출력 전류)이다. 그 결과 7500㎾의 출력을 확인했다. 또 이 장치를 ㈜히타치제작소 당사 시험용 교류전동기에 적용하여 운전 파형을 측정했다. <그림 8>은 가감속 운전파형이다.
그 결과 설계값 그대로의 가감속 시간과 가속 토크 전류를 확인했다. 이러한 결과에 의해 이 장치가 연간 압연 주기용 인버터 드라이브 장치로서 충분한 성능을 가진다는 것을 확인할 수 있었다.

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