KR0167211B1

KR0167211B1 - 삼상 인버터 전압제어장치 및 제어방법

Info

Publication number: KR0167211B1
Application number: KR1019960010185A
Authority: KR
Inventors: 권기현
Original assignee: 이종수; 엘지산전주식회사
Priority date: 1996-04-04
Filing date: 1996-04-04
Publication date: 1999-04-15
Also published as: KR970072618A

Abstract

본 발명은 3상 인버터의 전압제어에 관한 것으로, 특히 부하로 공급되는 두 개의 선간전압에 sinwt와 sin(wt-120˚)를 곱하고 또한 Vref·cos²wt와 Vref·cos²(wt-120)를 곱한후 기준전압과 비교하여 오차를 계산하고 이 오차를 비례적분제어함으로써, 종래 3상/2상변환과 고정축/회전축변환에 따른 시스템의 복잡함과 감결합계수(Decoupling Factor)를 산출하는 어려움을 해소함과 아울러 불평형부하를 전압제어할 수 있는 효과가 있다.

Description

삼상 인버터 전압제어장치 및 제어방법

제1도는 종래 삼상 인버터 전압제어장치의 구성도.

제2도는 본 발명 삼상 인버터 제어장치의 구성도.

제3도는 제2도에서 선간전압(Vrs)의 위상이 같고 크기가 다를경우(α=wt, Vref=10, Vdc1=9)일때의 각 부의 출력전압을 나타낸 도.

제4도는 제2도에서 선간전압(Vrs)의 크기가 같고 위상이 다를경우(α=wt-30˚, Vref=Vdc1=10)일때의 각 부의 출력전압을 나타낸 도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 인버터 2 : 리엑터

3 : 부하 4 : 제1위상발생기

5,6 : 제1 및 제2승산기 7 : 제2위상발생기

8,9 : 제1 및 제2가산기 10,11 : 제1 및 제2비교기

12,13 : 제1 및 제2비례적분제어기 14,15 : 제3 및 제4승산기

16 : 선간/상전압 변환기 17 : 게이트펄스발생기

본 발명은 3상 인버터의 전압제어에 관한 것으로, 특히 부하로 공급되는 선간전압에 적절한 파형을 곱한 전압과 기준전압을 비교, 제어하여 3상/2상변환과 고정축/회전축 변환에 따른 시스템의 복잡함과 감결합 계수(Decoupling Factor)를 산출하는 어려움을 해소함과 아울러 불평형부하를 전압제어할 수 있는 3상 인버터의 전압제어에 관한 것이다.

제1도는 종래 3상 인버터의 전압제어장치에 관한 것으로, 이에 도시한 바와 같이, 인버터(1)에서 리엑터(2)와 필터 커패시터(C1)(C2)(C3)에 의해 부하(3)에 공급되는 3상 전압(Vr,Vs,Vt)을 2상의 d-q축에 의한 전압으로 변환하는 제1 3상/2상변환기(4)와, 변환된 2상전압을 직류전압(Vd,Vq)으로 변환하는 제1고정축/회전축변환기(5)와, 상기 직류전압(Vd,Vq)을 기준전압(Vd*,Vq*)과 비교하여 오차를 발생시키는 제1비교기(6) 및 제2비교기(7)와, 제1 및 제2비교기(6)(7)에서 발생한 오차(Vd*-Vd)(Vq*-Vq)를 감소시키기 위하여 비례적분제어를 하여 기준전류(Id*)(Iq*)를 발생하는 제1 및 제2비례적분제어기(8)(9)와, 인버터(1)의 2상 리엑터(2)에 흐르는 3상 전류(Ir,Is,It)를 2상전류로 변환하는 제2 3상/2상변환기(10)와, 변환된 2상전류를 직류전류로 변환하는 제2고정축/회전축변환기(11)와, 이 직류전류를 감결합(Decoupling)된 전류값으로 변환시켜주는 4개의 곱셈기(12)(13)(14)(15)와, 변환된 전류값을 피드-포워드(Feedforward)로 상기 기준전류(Id*)와 더해주는 제1 및 제2가산기(16)(17)와, 이 제1 및 제2가산기(16)(17)의 출력값을 다시 고정축상의 값으로 변환시켜주는 회전축/고정축 변환기(18)와, 이 변환된 값을 다시 고정축 3상의 값으로 변환시켜주는 2상/3상변환기(19)와, 이 값으로 상기 인버터(1)를 스위칭시키기 위한 펄스로 변환시켜주는 게이트펄스발생기(20)로 구성된다.

이와같이 구성된 종래 장치의 동작은 다음과 같다.

인버터(1)에서 리엑터(2)를 거쳐 부하(3)로 공급되는 직류전원(Vr,Vs,Vt)은 필터 커패시터(C1)(C2)(C3)에서 검출되어 제1 3상/2상변환기(4)에서 2상의 d-q축에 의한 전압으로 변환되고, 이 변환된 전압은 제1고정축/회전축변환기(5)에서 회전축상의 직류값으로 변환된다.

변환된 직류값은 각각 제1비교기(6)와 제2비교기(7)에서 d축 기준전압(Vd*) 및 q축 기준전압(Vq*)과 계산되어 d축의 오차와 q축의 오차가 발생되고 이 오차는 각각 제1 및 제2비례적분제어기(8)(9)를 통해 오차를 줄이는 방향으로 제어되어 새로운 기준값(Id*)(Iq*)을 생성한다.

또한, 인버터(1)의 리엑터(2)에 흐르는 전류(Ir,Is,It)는 제2 3상/2상변환기(10)에 의해 새로운 d-q축의 2상전류로 변환되어 제2고정축/회전축변환기(11)를 통하여 회전축상의 직류전류로 변환된다.

이때, 부하(3)가 불평형으로 되면 전류 또한 불평형으로 되며, 각 상전압은 크게 반영되지 않게 되어 선간전압은 약간의 불평형이 된다.

따라서, 상기 제2고정축/회전축변환기(11)의 직류전류는 4개의 곱셈기(12)(13)(14)(15)에서 각각 -K1, K2, -K2, K1의 계수와 곱해진 후 제1 및 제2가산기(16)(17)에서 상기 제1 및 제2비례적분제어기(8)(9)의 전류값과 더해짐으로써, 이 제1 및 제2비례적분제어기(8)(9)에서 제어되지 않은 값이 전류값에서 최종적으로 보상된다.

이 보상된 전류값은 다시 회전축/고정축변환기(18)와 2상/3상변환기(19)를 통해 3상의 기준값으로 변환되고 이 값을 다시 게이트펄스발생기(20)에서 인버터(1)를 스위칭하기 위한 펄스를 발생시키고, 이에따라 인버터(1)에서 제어된 직류전압이 부하(3)로 공급된다.

그러나, 이와같이 동작하는 종래 삼상 인버터 전압제어장치는 감결합 계수인 K1과 K2를 구하기 위하여 시뮬레이션을 수행해야 하고, 이를 구현하는 장치는 상황에 따라서(Case-by-case) 구현해야 하고, 3상(r,s,t)중에서 2상(r,s)만 부하가 접속된 상태일때는 100% 불평형부하가 되는데 이와같이 부하가 불평형일 때, 상기한 3상/2상변환과 고정축/회전축 변환에 의한 제어로는 전압의 균형, 즉 원활한 전압제어가 이루어지지 않으며 또한 장치의 구성이 복잡한 문제점이 있다.

이와같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 부하로 공급되는 선간전압에 적절한 파형을 곱하고, 이 전압과 기준전압을 비교, 제어하여 3상/2상변환과 고정축/회전축 변환에 따른 시스템의 복잡함과 감결합계수(Decoupling Factor)를 산출하는 어려움을 해소함과 아울러 불평형부하를 전압제어할 수 있는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명 삼상 인버터 전압제어방법은, 인버터에서 부하로 공급되는 삼상 선간전압(Vrs,Vst,Vtr)에서 하나의 선간전압(Vrs)에 임의의 주파수(w)를 갖는 삼각함수(sinwt)를 곱하여 새로운 선간전압(Vrs_a)을 만들고, 다른 선간전압(Vst)에 상기 삼각함수(sinwt)와 120˚의 위상차를 갖는 삼각함수(sin(wt-120˚))를 곱하여 새로운 선간전압(Vst_a)를 만드는 제1단계와, 상기 제1단계에서 도출된 선간전압(Vrs_a)에 기준전압(Vref)과 같은 크기를 갖고 임의의 주파수(w)로 표현되는 또다른 삼각함수(Vref·cos²wt)를 곱한 후 기준전압(Vref)과의 오차를 계산하는 한편, 상기 제1단계의 선간전압(Vst_b)에 삼각함수(Vref·cos²(wt-120˚))를 곱한 후 기준전압(Vref)과의 오차를 계산하는 제2단계와, 상기 제2단계의 각각의 오차발생전압(Err1)(Err2)을 영(zero)이 되도록 제어하는 제3단계와, 제3단계에서 제어되어 출력되는 직류전압에 상기 삼각함수(sinwt)(sin(wt-120˚))를 각각 곱하고 이를 상전압으로 변환하는 제4단계와, 변환된 전압으로부터 인버터 게이트에 공급하는 제어신호를 생성하는 제5단계로 이루어진다.

이와같은 본 발명의 방법을 수행하기 위한 장치는, 제2도에 도시된 바와같이, 인버터(1)에서 리엑터(2)와 필터 커패시터(C1)(C2)(C3)에 의해 부하(3)에 공급되는 3상 선간전압(Vrs,Vst)과 연산하기 위하여 sinwt와, sin(wt-120˚)를 발생하는 제1위상발생기(4)와, 상기 3상 선간전압(Vrs)과 상기 sinwt, 선간전압(Vst)과 상기 sin(wt-120˚)를 곱하는 제1 및 제2승산기(6)와, Vref·cos²wt와 Vref·cos²(wt-120˚)를 발생하는 제2위상발생기(7)와, 상기 제1승산기(5)의 출력전압(Vrs_a)에 상기 Vref·cos²wt를 더하는 제1가산기(8)와, 상기 제2승산기(6)의 출력전압(Vst_a)에 상기 Vref·cos²(wt-120˚)를 더하는 제2가산기(9)와, 제1 및 제2가산기(8)(9)의 각각의 출력전압(Vrs_b)(Vst_b)과 기준전압(Vref)을 가감하여 오차(Err_1)(Err_2)를 발생시키는 제1 및 제2비교기(10)(11)와, 상기 오차(Err_1)(Err_2)를 비례적분제어하는 제1 및 제2비례적분제어기(12)(13)와, 비례적분된 직류전압에 상기 sinwt와 sin(wt-120˚)를 곱하여 교류전압을 만드는 제3 및 제4승산기(14)(15)와, 이를 다시 상전압으로 변환하는 선간/상전압 변환기(16)와, 변환된 상전압으로 상기 인버터(1)의 스위칭 트랜지스터(도면 미도시)의 게이트에 인가하는 펄스를 발생하는 게이트펄스발생기(17)로 구성한다.

이와같이 구성한 본 발명의 작용 및 효과에 대하여 제3도 및 제4도를 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

인버터(1)에서 리엑터(2)를 거쳐 부하(3)로 공급되는 직류전원(Vr,Vs,Vt)은 필터 커패시터(C1)(C2)(C3)에서 검출되는데, 이때의 선간전압을 Vrs,Vst,Vtr라고 할 때, 다음식과 같이 이 선간전압의 합은 '0'이므로,

Vrs+Vst+Vtr = 0 (1)

두 개의 선간전압(Vrs,Vst)만으로 나머지 선간전압(Vtr)을 표현 가능하며 이 두 선간전압(Vrs,Vst)은 임의의 크기와 위상값을 가진 다음식과 같이 표현가능하다.

Vrs = Vdc1×sinα

Vst = Vdc2×sinβ (2)

이때, 기준으로 삼는 전압의 크기를 Vref, 위상을 wt라고 정한 후 이 값들로부터 sinwt, sin(wt-120˚)를 제1위상발생기(4)에서 생성하여 제1 및 제2승산기(5)(6)에서 상기 선간전압(Vrs)(Vst)에 곱하면 Vrs_a, Vst_a는 다음과 같이 나타난다.

Vrs_a = Vdc1×sinα×sinwt

Vst_a = Vdc2×sinβ×sin(wt-120˚) (3)

또한, 제2위상발생기(7)에서는 coswt와 cos(wt-120˚)로부터 cos²wt와 cos²(wt-120˚)를 구한 후 이를 상기 제1 및 제2승산기(5)(6)의 출력전압(Vrs_a)(Vst_a)과 더한 값 Vrs_b, Vst_b은,

Vrs_b = Vdc1 ×sinα×sinwt+Vref ×cos²wt

Vst_b = Vdc2×sinβ ×sin(wt-120˚)+Vref ×cos²(wt-120˚) (4)

로 표현되며, 이 값들과 기준전압(Vref)은 제1 및 제2비교기(10)(11)에서 연산되어 다음과 같은 오차(Err_1)(Err_2)가 발생된다.

Err_1 = Vref-Vrs_b

= Vref-(Vdc1×sinα×sinwt+Vref×cos²wt)

Err_2 = Vref-Vst_b (5)

= Vref-(dc2×sinβ×sin(wt-120˚)+Vref×cos²(wt-120˚))

또한, 제1 및 제2비례적분제어기(12)(13)에서 이 오차(Err_1)(Err_2)가 '0'으로 되게끔 제어되는데 이때의 조건은 전 시간영역에서 다음식과 같다.

Vdc1=Vref, α=wt

Vde2=Vref, β=wt-120˚ (6)

이와같은 조건으로 오차가 '0'이 되면 상기한 선간전압(Vrs)은 Vref·sinwt, Vst는 Vref·sin(wt-120˚)로 되어 정확하게 제어된다.

제3도는 선간전압(Vrs)의 위상이 같고 크기가 다를 경우, 즉 α=wt, Vref=10, Vdc1=9일때의 각 부의 출력전압을 도시하며, 제4도는 선간전압(Vrs)의 크기가 같고 위상이 다를 경우, 즉 α=wt-30˚, Vref=Vdc1=10일때의 각 부의 출력전압을 나타낸다.

제3, 제4도의 (f)에 도시한 바와같이, 크기와 위상이 기준전압(Vref)과 같지 않으면 제1가산기(8)의 출력전압에 맥동이 생기게 되고 이 값은 상기 식(5)과 같이 제1비교기(10)를 통하여 상기 식(5)과 같은 오차(Err_1)로 발생되며, 이 오차(Err_1)는 비례적분제어기(12)에서 오차를 줄여가는 방향으로 제어되고 제어된 결과로 나타나는 직류형태의 전압은 다시 상기 제1위상발생기(4)의 sinwt, sin(wt-120˚)와 곱해진 후 이는 다시 선간/상전압 변환기(16)에 의해 상전압으로 변환되고, 최종적으로 이 선간/상전압 변환기(16)에 의해 발생된 전압분 만큼의 제어신호가 게이트펄스발생기(17)에서 발생되어 상기 인버터(1)의 스위칭 트랜지스터의 게이트에 공급됨으로써, 발생한 오차만큼 제어된 직류전원이 부하(3)로 공급된다.

이상에서 상세히 설명한 바와같이, 본 발명은 선간전압에 직접 파형을 곱하고 이로부터 비례적분제어를 수행함으로써 부하가 불평형일때도 균형되게 제어되며 또한 감결합계수를 산출할 필요가 없게 되어 제어장치의 구성이 간단해지는 효과가 있다.

Claims

인버터에서 부하로 공급되는 삼상 선간전압(Vrs,Vst,Vtr)에서 하나의 선간전압(Vrs)에 임의의 주파수를 갖는 삼각함수(sinwt)를 곱하여 새로운 선간전압(Vrs_a)을 만들고, 다른 선간전압(Vst)에 상기 삼각함수(sinwt)와 120˚의 위상차를 갖는 삼각함수(sin(wt-120˚))를 곱하여 새로운 선간전압(Vst_a)를 만드는 제1단계와, 상기 제1단계에서 도출한 선간전압(Vst_a)에 기준전압(Vref)과 같은 크기를 갖고 임의의 주파수(w)로 표현되는 또다른 삼각함수(Vref·cos²wt)를 곱한 후 기준전압(Vref)과의 오차를 계산하고, 상기 제1단계의 선간전압(Vst_b)에 삼각함수(Vref·cos²(wt-120˚))를 곱한 후 기준전압(Vref)과의 오차를 계산하는 제2단계와, 상기 제2단계에서 구한 각각의 전압값이 영이되도록 비례적분제어하는 제3단계와, 제3단계에서 제어되어 출력되는 직류전압에 상기 삼각함수(sinwt)(sin(wt-120˚))를 각각 다시 곱하고 이를 상전압으로 변환하는 제4단계와, 변환된 전압으로부터 인버터 게이트에 공급하는 제어신호를 생성하는 제5단계로 이루어짐을 특징으로 하는 삼상 인버터 전압제어방법.
인버터에서 리엑터와 필터 커패시터에 의해 부하로 공급되는 3상 선간전압(Vrs,Vst)과 연산하기 위하여 임의의 주파수(w)를 갖는 삼각함수 sinwt와, sin(wt-120˚)를 발생하는 제1위상발생기와, 상기 3상 선간전압(Vrs)과 상기 sinwt, 선간전압(Vst)과 상기 sin(wt-120˚)를 각각 곱하는 제1 및 제2승산기와, 기준전압을 최대크기로 하는 Vref·cos²wt와 Vref·cos²(wt-120˚)를 발생하는 제2위상발생기와, 상기 제1승산기의 출력전압에 상기 Vref·cos²wt를 더하는 제1가산기와, 상기 제2승산기의 출력전압에 상기 Vref·cos²(wt-120˚)를 더하는 제2가산기와, 상기 제1 및 제2가산기의 각각의 출력전압과 기준전압(Vref)를 가감 연산하여 오차를 발생시키는 제1 및 제2비교기와, 상기 오차의 크기가 영이 되도록 비례적분제어하는 제1 및 제2비례적분제어기와, 비례적분된 직류전압에 상기 sinwt와 sin(wt-120˚)를 곱하여 교류전압을 만드는 제3 및 제4승산기와, 이를 다시 상전압으로 변환하는 선간/상전압 변환기와, 변환된 상전압으로 상기 인버터의 스위칭 트랜지스터의 게이트에 인가하는 펄스를 발생하는 게이트펄스발생기로 구성하여 된 것을 특징으로 하는 삼상 인버터 전압제어장치.