KR100219844B1 - 컨버터의 전류/전압 제어장치 - Google Patents

컨버터의 전류/전압 제어장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 교류신호를 순시적인 직류신호로 검출하여 제어하는 장치에 관한 것으로, 종래에는 기준신호와 입력신호가 같이 교류상태에서 오차를 발생시켜 제어를 하게되면 시간에 따라 변하는 기준신호를 제어기가 추종할 수 없게 되어, 결국 위상지연의 형태로 발생하여 정확히 기준신호와 위상이 일치하는 값으로 제어할 수 없게 되는 문제점과 로우패스필터를 사용함으로써 급작스런 신호변동에 대응할 수 없는 문제점이 있다. 따라서 본 발명은 제어하고자 하는 기준 교류신호와 위상이 같은 s i n ω t와 c o s ω t를 발생하는 싸인/콧싸인 발생기(101)와; 상기 싸인/코싸인 발생기(101)에서 발생된 s i n ω t와 입력 교류신호(Xinput)를 곱하는 제1곱셈기(102)와; 상기 싸인/코싸인 발생기(101)에서 발생된 c o s ω t 의 제곱을 하는 제2곱셈기(103)와; 상기 제2곱셈기(103)의 곱셈 출력(c o s2ω t )을 기준신호(Xref)를 다시 곱하는 제3곱셈기(104)와; 상기 제3곱셈기(104)의 출력값과 제1곱셈기(102)의 출력값을 더하는 덧셈기(105)로 구성되는 순시 교류/직류 변환기(100)를 사용하여 입럭 교류신호의 검줄시 교류신호를 로우체스필터를 사용하여 평활하지 않고 이를 순시적인 직류값으로 검출하게 하므로서 로우패스 필터를 사용하여 제어할 때의 위상지연을 막고, 급작스런 부하변동에 따른 입력신호 변동에도 데응할 수 있도록 한다.

Description

컨버터의 전류/전압 제어장치
본 발명은 교류신호를 순시적인 직류신호로 변환하여 인버터나 컨버터의 입출력 전류및 입출력 전압을 제어하기 위한 것으로, 특히 순시 교류/직류변환기를 사용하여 입력 교류신호를 순시적인 직류신호로 변환시키고 이를 제어하여, 상기 제어된 신호로 모터를 구동하여 위상지연을 막고 급작스런 입력신호 변동에도 대응할 수 있도록 한 컨버터의 전류/전압 제어장치에 관한 것이다.
종래 컨버터의 전류/전압 제어장치 회로구성은, 도 1에 도시된 바와같이, 입력되는 교류신호(Xinput)를 직류신호로 필터링하는 로우패스필터(10)와; 상기 로우패스필터(10)를 거쳐 필터링된 직류신호에서 기준직류신호(Xref)의 값을 감산하여 제1오차를 발생시키는 제1비교기(20); 상기 제1비교기(20)의 제1오차를 보상하기 위하여, 상기 제1오차에 대해 비례적분을 행하는 제1제어기(30)와; 상기 제1제어기(30)에서 보상된 직류신호를 교류신호로 변환시키기 위하여 기준위상과 일치하는 s I n ω t를 곱하여 교류신호로 변환시켜주기 위한 곱셈기(40)에서 출력된 교류신호에서 상기 교류신호(Xinput)값을 감산하여, 제2오차를 발생시키는 제2비교기(50)와; 상기 제2비교기(50)의 제2오차에 보상하기 위해, 상기 제2오차에 대하여 비례적분을 행하여 오차를 줄이도록 하는 제2제어기(60)로 구성된다.
이와같이 구성된 종래의 기술에 대하여 상세히 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 시스템으로 입력되는 교류신호(Xinput)는 로우패스필터(10)에서 필터링되어 직류신호로 변환된다.
상기 직류신호는 제1비교기(20)에 입력된다.
그러면 상기 제1비교기(20)는 상기 직류신호에서 기준신호(Xref)를 감산하여, 그 결과인 제1오차를 제1제어기(30)로 발생시킨다.
이에 상기 제1제어기(30)는 상기 제1오차에 대하여 비례적분제어를 수행함으로써, 상기 직류신호의 오차가 보상된다.
상기에서 보상된 직류신호를 교류신호로 다시 변환하기 위하여, 곱셈기(40)는 기준 위상과 동상인 s i n ω t와 직류신호를 곱하여, 상기 제1오차가 보상된 교류신호가 생성된다.
상기 곱셈기(40)의 출력은 제2비교기(50)에서 상기 교류신호(Xinput)의 값을 감산하여 제2오차를 발생시키는데, 이는 위상차이성분을 포함한 값이된다.
따라서, 상기 제2오차에 대하여 제2제어기(60)에서 비례적분제어를 수행하여, 크기와 위상이 보상된 교류출력신호를 모터에 인가시킨다.
그러나, 상기와 같은 종래의 기술에서 로우패스필터는 신호의 크기만 알뿐 위상을 알 수 없으므로 위상에 대한 비교와 제어를 위해 비교기와 제어기를 한개 더 부가하여야 하며, 또한 위상 제어시 제2제어기에서 기준신호와 입력신호가 같이 교류인 상태에서 발생되는 오차를 제어하여 보상하게 되는데 시간에 따라 변하는 기준신호를 제어기가 추종할 수 없게 되어, 결국 위상지연의 형태로 발생하여 정확히 기준신호와 위상이 일치하는 값으로 제어할 수 없게 되는 문제점이 있다. 또한 로우패스필터를 사용함으로써 급작스런 신호변동에 대응할 수 없는 문제점이있다.
따라서 상기에서와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 입력신호 검출시 교류를 직접 검출하지 않고 이를 순시적인 직류로 바꾸어서 검출한 다음, 이를 이용하여 제어함으로써 위상지연이 상쇄되고 급작스런 신호변동에도 대응할 수 있도록 한 컨버터의 전류/전압 제어장치를 제공함에 있다.
도 1은 종래 컨버터의 전류/전압 제어장치 회로구성도.
도 2는 본 발명 컨버터의 전류/전압 제어장치 블럭 구성도.
도 3은 도 2에서, 순시 교류/직류변환기의 상세 회로도.
도 4는 도 2에서, 순시 교류/직류변환기를 통한 변환방법을 보여주는 과정도.
도 5는 도 2에서, 위상, 크기가 같을 경우 순시 교류/직류변환기의 세부 파형도
도 6은 도 2에서, 크기가 다를 경우 순시 교류/직류변환기의 세부 파형도.
도 7은 도 2에서, 위상이 다를 경우 순시 교류/직류변환기의 세부 파형도.
도 8은 도 2에서, 위상과 크기가 다를 경우 순시 교류/직류변환기의 세부 파형도.
도 9는 본 발명 순시 교류/직류변환기가 적용된 단상컨버터의 입력전류 제어장치를 보여 주는 구성도.
도 10은 본 발명 순시 교류/직류변환기가 적용된 3상컨버터의 입력전류 제어장치를보턴 주는 구성도.
도 11은 본 발명 순시 교류/직류변환기가 적용된 다상(n차) 컨버터의 입력전류 제어장치를 보여주는 구성도.
**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**
100 : 순시 교류/직류변환기 101 : 싸인/코싸인 발생기
102 : 제1곱셈기 103 : 제2곱셈기
104 : 제3곱셈기 105 : 덧셈기
200 : 오차 발생기 300 : 제어기
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명 컨버터의 전류/전압 제어장치 회로구성은, 도2에 도시된 바와같이, 입력되는 교류신호(Xinput)를 순시적인 직류신호로 변환시키는 순시 교류/직류변환기(100)와; 상기 순시 교류/직류변환기(100)에서 출력되는 직류신호에서 기준신호(Xref)를 감산하여 획득한 오차를 발생하는 오차 발생기(200)과; 상기 오차 발생기(200)에서 나온 오차를 보상하도록 제어동작을 수행하는 제어기(300)를 포함하여 구성한다.
그리고, 상기에서 순시 교류/직류변환기(100)는, 도 3에 도시한 바와같이, 제어하고자 하는 기준 교류신호와 위상이 같은 s i n ω t차 c o s ω t를 발생하는 싸인/코싸인 발생기(101)와; 상기 싸인/코싸인 발생기(101)에서 발생된 s i n ω t와 입력 교류신호(Xinput)를 곱하는 제1곱셈기(102)와; 상기 싸인/코싸인 발생기(101)에서 발생된 c o s ω t를 제곱하는 제2곱셈기(103)와; 상기 제2곱셈기(103)의 곱셈 출력(c o s2ω t)의 출력과 기준신호(Xref)를 다시 곱하는 제3곱셈기(104)와; 상기 제3곱셈기(104)의 출력값과 제1곱셈기(102)의 출력값을 더하는 덧셈기(105)로 구성한다.
이와같이 구성된 본 발명의 동작 및 작용효과에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 시스템으로 교류신호(Xinput)가 입력되면, 순시 교류/직류변환기(100)에서 입력받아 교류신호를 순시적인 직류신호로 변환하고, 이 변환된 순시 직류신호를 오차발생기(200)로 출력한다.
이에 상기 오차 발생기(200)는 순시 교류/직류변환기(100)의 직류신호에서 출력되는 직류신호에서 기준신호(Xref)를 감산하여 그 오차를 제어기(300)로 발생시킨다. 상기 오차발생기(200)에서 발생된 오차는 제어기(300)에서 오차를 보상하기 위해, 즉, 상기 오차가 0이 되도록 비례적분제어를 수행하게 된다.
상기에서와 같이 동자하는 컨버터의 전류/전압 제어장치에서, 순시 교류/직류 변환기(100)는 종래의 로우패스필터를 사용하는 방법과는 달리 순시적으로 값을 산출하는 방법을 사용하는데 이에 대하여 살펴보면 다음과 같다.
임의의 입력신호를 Xinput라 할때
로 표현할 수 있다.
이때 Xdc와 α는 각각 임의의 직류값과 임의의 위상값이다. 여기서 기준신호(Xref)의 위상을 ωt라 할 때, 이 위상 정보에 의해 임의의 파형 sin ωt와 cos ωt를 연산할 수 있으며, 이 연산값은 도 3에 나타나 있는 싸인/코싸인 발생기(101)에서 발생한다.
상기 싸인/코싸인 발생기(101)에서 sin ωt는 제1곱셈기(102)로 발생시키고,cos ωt는 제2곱셈기(103)로 발생시킨다.
그러면 상기 제1곱셈기(102)는 임의의 입력신호인 Xinput와 sin ωt를 곱하여 덧셈기(105)로 출력한다.
여기서 재1곱셈기(102)에서 곱해진 값은 다음과 같이 표현할 수 있다.
한편 제2곱셈기(103)는 싸인/코싸인 발생기(101)에서 발생한 cos ωt를 제곱하여 얻은 값인 cos2ωt를 제3곱셈기(104)로 출력한다.
그러면 상기 제3곱셈기(104)는 상기 제2곱셈기(103)의 출력값인 cos2ωt과 기준 신호값인 Xref와의 곱을 행하는데, 이 곱셈을 행한 값은 다음과 같이 유도된다.
이렇게 각 곱셈기를 통해 곱셈 과정이 끝나면, 덧셈기(105)는 제1곱셈기(102)의 곱셈출력과 제3곱셈기(104)의 곱셈출력을 각각 입력받아 두 출력값을 더하여 출력하는데, 그 더하여진 값은 다음과 같은 식으로 표현된다.
결국, 식(4)는 입력되는 교류신호를 직류신호로 표현할 것이 된다.
이와같이 변환된 직류신호는 도 2의 오차 발생기(200)로 입력된다.
그러면 상기 오차 발생기(200)는 순서 교류/직류변환기(100)에서 발생된 직류신호에서 기준신호(Xref)를 감산하여 오차(Error)를 구하여 제어기(300)로 출력시키는데, 상기 오차(Error)는 다음과 같은 식으로 표현할 수 있다.
따라서 상기 제어기(300)는 오차 값이 최소가 되는 방향, 즉 0가 되도록 비례적 분제어를 수행하는데, 이를 수식으로 표현하면
가 된다.
상기 식 (6)을 만족시키기 위해서는 Xdc=Xref이고, α=ωt일 조건에서이다.
즉, 이와같은 조건일 때, 상기 식 (6)은 아래오 같이 표현된다.
이때, sin2ωt+cos2ωt=1이므로, 식 (7)은 다시 Xref=Xref가 된다.
즉, 제어하고자 하는 교류신호의 값이 Xref×sinωt 일 때, 제어기(300)에 의해 제어가 수행되고 나면 제어대상인 입력 교류신호 Xinput, 즉 Xdc×sin α가 Xref×sin ωt 로 추종해 가게 되는 것이다.
이와같이 입력 교류신호를 직류값으로 순시적인 직접연산에 의해 변환시키게 되면, 교류신호 입력에 의한 제어지연을 해소할 수 있고 아울러 급작스런 신호 변동에도 반응할 수 있게 된다.
참고로, Xdc=Xref이고, α=ωt일 때 도 3에 도시한 순시 교류/직류변환기(100)의 동작에 대하여 도 5에 도시한 파형에 의거하여 살펴보면 다음과 같다.
제1곱셈기(102)로 도 5a에 도시한 바와같은 임의의 입력신호(Xinput)를 입력하고. 싸인/코바인 발생기(101)에서 상기 임의의 입력신호(Xinput)의 위상과 크기가 같은도 5b와 도 5c에서와 같은 sin ωt와 cos ωt를 각각 발생한다.
그러면 상기 제1곱셈기(102)는 임의의 입력신호인 Xiuput똬 sin ωt를 곱하여 . 그결과 5에서와 같은 신호를 가산기(105)로 출력시킨다.
그리고, 제2곱셈기(103)은 싸인/코싸인 발생기(101)에서 발생한 cos ωt를 제곱(cos2ωt)하여 제3곱셈기(104)로 출력하고, 이에 상기 제3곱셈기(104)는 제2제곱기(103)의 제곱간 cos2ωt와 기준 입력신호(Xref)를 곱하고 이 곱한 결과는 도 5e
에서와 같은 결과를 얻고, 이를 상기 가산기(105)로 출력시킨다.
최종적으로, 덧셈기(105)를 통해 Xinput×sin ωt+Xref×cos2ωt가 연산된 파형 즉, 도 5d와 도 5f에 나타난 파형을 더해 도 5f에서와 같이 출력되는 것이다.
앞에서 언급한 바와같이 Xdc=Xref이고, α=ωt 일 조건일 때만 도 5f의 파형에서와 같이 기준신호(Xref)값과 비교할 수 있는 직류값으로 출력되고, 두 조건중 한가지 조건만이라도 일치하지 않았을때에는 최종적인 결과값이 직류값인 Xref값에 벗어나게 되어, 제어기(300)가 그 차이값에 대해 비례적분제어를 수행하여 보상된 직류신호가 출력되는 것이다.
또한, 제1곱셈기(102)로 도 6a에 도시한 바와같은 임의의 입력신호(Xinput)가 입력 되고, 싸인/코싸인 발생기(101)에서 상기 임의의 입력신호(Xinput)와 위상은 같고 크기가 다른 도 6b와 도 6c에서와 같은 sin ωt 와 cos ωt를 각각 발생하면, 상기 제1곱셈기(102)에서 임의의 입력신호인 Xinput와 sin ωt 가 곱해지고, 이 곱하여진 결과가 도 6d에서와 같이 나타난다.
그리고, 제2곱셈기(103)는 싸인/코싸인 발생기(101)에서 발생한 cos ωt를 제곱(cos2ωt)하여 제3곱셈기(104)로 출력하고, 이에 상기 제3곱셈기(104)는 제2제곱기(103)의 제곱값 cos2ωt와 기준 입력신호(Xref)를 곱하고 이 곱한 결과는 도 6e에서와 같은 결과를 얻는다.
최종적으로 덧셈기(105)를 통해 Xinput×sin ωt+Xref×cos2ωt을 연산된 파형 즉, 도 6d와 도 6f에 나타난 파형을 더한 파형은 도 6f에서와 같이 나타난다.
결국 Xdc`Xref이고, α=ωt 일 때, 도 6f에서와 같이 맥동전압과 같은 파형을 갖는다.
따라서, 두 조건중 한가지 조건만이라도 일치하지 않을 때에는 최종적인 결고값이 Xref값에 벗어나게 되어 제어기(300)가 동작하게 된다.
그리고, Xdc=Xref이고, α`ωt 와 같이 크기가 같고 위상이 다를 경우, 제1곱셈기(102)는 도 7a에 도시한 바와같은 임의의 입력신호(Xinput)와 도 7b에서와 같이 크기는 같고 위상이 다른 sin ωt를 곱하여 도 7d에서와 같은 cos ωt를 제곱한 신호와 기준 입력신호를 곱한 도 7e에서와 같은 파형을 얻는다.
그러면 최종적으로 덧셈기(105)를 통해 도 7f에서와 같은 파형을 얻는다.
마지막으로, 제1곱셈기(102)로 도 8a에 도시한 바와같은 임의의 입력신호(Xinput)가 입력되고, 싸인/코싸인 발생기(101)에서 도 8b와 도 8c에서와 같은 sin ωt와 cos ωt를 발생 즉, 상기 입력신호(Xinput)와 크기, 위상이 다를 경우 제1곱셈기(102)는 도 7a에서와 같은 임의의 입력신호(Xinput)와 도 8b에서와 같은 sin ωt를 곱하고 이렇게 곱셈을 행하여 도 8d에서와 같은 파형을 덧셈기(105)로 출력한다.
이때 제2곱셈기(103)가 도 8c에서와 같은 파형을 갖는 cos ωt를 제곱하여 제3곱셈기(104)로 제공하면, 상기 제3곱셈기(104)는 상기 cos ωt의 제곱값과 기준 입력신호(Xref)를 곱하여 얻은 도 8e에서와 같은 파형을 상기 덧셈기(105)로 출력한다.
그러면 상기 덧셈기(105)는 Xinput×sin ωt+Xerf×cos2ωt을 연산한 파형으로 도 8f에서와 같은 파형을 출력한다.
상기에서와 같이, Xdc=Xref이고, α`ωt 일 조건일 때만 도 5의 파형에서와 같이 Xref와 비교할 수 있는 직류값으로 출력되지, 위상이 다른 경우, 크기가 다른 경우, 위상과 크기가 다른 경우와 같이 두 조건중 한가지 조건만이라도 일치하지 않을 때에는 최종적인 결과값이 직류값인 Xref를 벗어나게 되어 제어기가 동작하게 된다.
이와같은 본 발명은 단상, 3상 및 다상 컨버터에 적용되어, 모터구동을 위한 입/출력 신호의 제어를 수행하는데, 이에따른 여러 실시예를 도 9 내지 도 11에 의거하여 살펴보면 다음과 같다.
도 9는 본 발명 순시 교류/직류 변환기가 적용된 3상 컨버터의 입력전류 제어장치를 보여주는 구성도로서, 이에 도시한 바와같이, 입력되는 교류신호를 직류신호로 변환시켜 부하(800)로 인가하는 컨버터(600)와, 커패시터(700)에 걸리는 전압을 검출하여, 상기 전압값에서 기준전압(Vdc_ref)을 감산하여 제1오차를 발생시키는 제1오차 발생기(200)와, 상기에서 발생된 제1오차를 보상하기 위한 비례적분 제어를 수행하는 전압제어기(300)를 포함하는 제어장치에 있어서, 입력되는 교류신호를 순시적인 직류신호로 변환하는 순시 교류/직류변환기(100)와, 상기 순시적인 직류신호에서 상기 전압제어기(300)에서 출력되는 1차 보상된 직류신호값을 감산하여 제2오차를 발생시키는 제2오차 발생기(400)와, 상기 제2오차를 보상하기 위한 비례적 분제어를 수행하는 전류제어기(500)를 포함한다.
이의 동작과정을 설명하면 다음과 같다.
시스템으로 입력되는 교류신호는 컨버터(600)에 의해 직류신호로 변환되어 부하인 모터를 구동하게 되는데, 상기 부하를 구동하기 위한 신호를 제어하기 위해, 먼저 제1오차 발생기(2000는 커패시터(700)에 걸린 전압을 검출하여, 상기 전압값에서 기준전압(Vdc_ref)를 감산하여 제1오차를 전압 제어기(300)로 발생시킨다.
그러면 상기 전압 제어기(300)는 제1오차를 보상하기 위해 비례적분제어를 수행하고, 그 결과 1차 보상된 직류신호를 제2오차 발생기(400)로 출력시킨다.
한편 순시 교류/직류 변환기(100)는 입력 교류신호를 순시적인 직류신호로 변환시키는데, 이의 과정은 위에서 상세히 설명하였으므로 생략한다.
제2오차 발생기(400)는 상기 순시 교류/직류 변환기(100)에 의해 변환된 직류신호값과 1차 보상된 전압신호값을 감산하여 제2오차를 발생시킨다.
이에 전류제어기(500)는 상기 제2오차를 보상하기 위하여 비례적분제어를 수행하고, 2차 보상된 직류신호를 출력한다.
이 직류신호는 미도시된 곱셈기와 사인파 발생기에 의해 기준위상을 가지는 사인파값과 2차 보상된 직류신호값을 곱하여 최종적으로 얻어지는 보상된 교류신호가 컨버터(600)로 피드백되는 것이다.
이와같은 단상에 의한 제어는 3상 및 다상인 경우에도 동일하게 적용된다.
그리고, 미도시하였지만 단상 인버터, 3상 인버터, 다상 인버터의 출력전류를 제어하며, 단상 인버터, 3상 인버터 및 다상 인버터의 출력전압을 제어할 수도 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 순시 교류/직류 변환기를 사용하여 교류 입력신호를 직류값으로 변환시킨 다음 입력 교류신호 제어를 행하도록 함으로써 위상지연을 막고, 급작스런 신호 변동에도 대응할 수 있도록 한 효과가 있다.

Claims (4)

  1. 입력되는 교류신호(Xinput)를 순시적인 직류신호로 변환시키는 순시 교류/직류변환기와: 상기 순시 교류/직류변환기에서 출력되는 직류신호와 기준신호의 오차를 획득하기 위해, 상기 두 신호값을 감산하는 오차 발생기와; 상기 오차 발생기에서 발생된 오차가 보상되도록 비례적분 제어동작을 수행하는 제어기를 포함하여 구성함을 특징으로 하는 컨버터의 전류/전압 제어장치.
  2. 제1항에 있어서, 순시 교류/직류변환기는, 제어하고자 하는 기준 교류신호와 위상이 같은 싸인파(sin ωt)와 코싸인파(cos ωt)신호를 각각 발생하는 싸인/코싸인 발생기와; 상기 싸인/코싸인 발생기에서 발생된 sin ωt와 입력 교류신호(Xinput)를 곱하는 제1곱셈기와; 상기 싸인/코싸인 발생기에서 발생된 cos ωt를 제곱하는 제2곱셈기와; 상기 제2곱셈기의 곱셈 출력과 기준신호를 곱하는 제3곱셈기와; 상기 제3곱셈기의 출력값과 제1곱셈기의 출력값을 더하는 덧셈기로 구성된 것을 특징으로 하는 컨버터의 전류/전압 제어장치.
  3. 제2항에 있어서, 순시 교류/직류변환기는 각 상을 갖는 모든 인버터의 전류/전압제어가 가능하도록 함을 특징으로 하는 컨버터의 전류/전압 제어장치.
  4. 제2항에 있어서, 순시 교류/직류변환기는 각 상을 갖는 모든 컨버터의 전류/전압제어가 가능하도록 함을 특징으로 하는 컨버터의 전류/전압 제어장치.
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