KR100295883B1 - 교류 전동기의 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 교류 전동기의 제어 방법에 관한 것으로, 종래의 기술에 있어서는 전동기의 보관, 운반 및 설치 완료까지는 흡습, 오염 등 전동기의 절연 내력을 저하시킬 수 있는 많은 요인들이 존재하기 때문에 도5에 도시된 바와 같이 전동기의 입력단(U,V,W) 및 중성점(N)과 전동기 프레임간에에서

Description

교류 전동기의 제어 방법{CONTROLLING METHOD FOR AC ELECTRIC MOTOR}
본 발명은 교류 전동기의 제어 방법에 관한 것으로, 특히 공간벡터 펄스폭 변조(SVPWM : Space Vector PWM)를 이용하여 전동기 입력단 및 중성점에 인가되는 공통모드 전압을 최소화하여 전동기의 절연 열화를 사전 방지하는 교류 전동기의 제어 방법에 관한 것이다.
교류 전동기의 가변 주파수 제어는 점점 그 적용 분야가 증가하는 추세이다. 전력 반도체의 스위치 온/오프에 의한 펄스폭 변조(PWM) 방법은 많은 장점을 가지고 있지만, 고주파 스위칭 및 고압의 고속 스위칭에 의한 높은 전압상승률(dV/dt)로 인하여 절연 열화 및 이엠아이(EMI) 장애 등의 부가적인 문제를 발생시킨다.
펄스폭 변조(PWM)에 의한 절연 열화는 두 가지로 분류할 수 있다. 그 중 하나는 고속 스위칭에 의한 선간 전압의 빠른 상승과 전송 선로와 전동기간의 특성 임피던스 부정합이 복합되어 일으키는 선간 전압의 전압 반사 현상에 의한 절연 열화이며, 다른 하나는 펄스폭 변조(PWM)의 불가피한 현상인 순시 전압 불평형에 의해 전동기 프레임과 권선간에 발생하는 전압(이하, 공통모드 전압)에 의한 절연 열화이다.
선간 전압의 전압 반사 현상은 스위칭 방법에 의한 개선이 불가능 하지만, 전동기 프레임과 권선간에 발생하는 공통모드 전압의 경우는 스위칭 방법의 개선에 의해 그 특성이 개선될 수 있다.
전력 반도체 소자를 스위칭하기 위하여 상전압 지령을 발생하는 종래의 기술은 정현파와 삼각파를 비교하여 펄스폭 변조(PWM) 신호를 얻는 방법(SPWM)과 전압의 크기를 바로 펄스폭으로 변환하는 방법(Space Vector PWM : 공간벡터 펄스폭 변조)이 있다.
통상의 방법(SPWM)으로 스위칭할 경우 샘플링 시간마다(삼각파 주기) 전동기에 큰 공통모드 전압이 인가되며 결국 전동기의 절연열화를 일으킨다.
도1은 종래의 전동기 구동 장치의 구성을 개략적으로 보인 블록도로서, 이에 도시된 바와 같이 3상 교류 전원(1)을 입력받아 직류 전압으로 변환 시키는 컨버터(2)와; 상기 컨버터(2)를 통해 출력되는 직류 전압을 커패시터(6)를 통해 잡음성분을 제거하여 전동기제어에 적당하도록 전압과 주파수를 변환하는 인버터(3)와; 제어부(5)의 제어에 의해 상기 컨버터(2) 및 인버터(3)의 전력 소자를 온/오프 스위칭하기 위한 펄스폭 변조부(4)로 구성된 종래 장치의 동작 및 작용을 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.
도2는 종래 SPWM의 전압 지령을 나타내는 파형도로서, 발생한 전압 지령은 도4와 같이 삼각파와 비교되며 이는 각 상의 윗상 스위치(SA, SB, SC) 온 지령를 만든다. 이때 DC 링크의 중성점(0)과 전동기의 중성점(N)간의 전압(VN-0)은 도4의 (c)와 같이 스위치(SA, SB, SC)와 DC 링크 전압의 함수로 나타낼 수 있다.
도1과 같이 컨버터 회로가 추가된 경우에는 전원의 중성점(GND)과 DC 링크의 중성점(0)간의 전압(V0-GND) 또한 컨버터 스위치(SR, SS, ST)에 연동하여 변화하게 되므로 전동기 입력단(U,V,W) 및 중성점(N)과 전동기 프레임간의 전압은 누설분을 제외할경우 다음 수학식 1과 같이 나타나게 된다.
여기서,는 1 혹은 0.
상기 수학식 1에서 알 수 있듯이 임의의 스위치 조작에 의해 전동기 프레임과 권선간에 발생 가능한 공통모드 전압의 크기는 도5에 도시된 바와 같이 입력단(U,V,W) 및 중성점(N)에서 각각 최대에서 최소까지만큼 나타날 수 있다.
따라서, 상기 종래의 기술에 있어서는 전동기의 보관, 운반 및 설치 완료까지는 흡습, 오염 등 전동기의 절연 내력을 저하시킬 수 있는 많은 요인들이 존재하기 때문에 도5에 도시된 바와 같이 전동기의 입력단(U,V,W) 및 중성점(N)과 전동기 프레임간에에서까지의 큰 공통모드 전압이 인가 되며 이는 전동기 절연내력 저하와 더불어 전동기의 절연파괴를 일으키는 직접적인 원인이 되는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 창출한 것으로, 펄스폭 변조를 이용해 전동기 구동시 인가되는 공통모드 전압을 저감시킴으로써 전동기 프레임과 권선간에 발생하는 공통모드 전압에 의한 전동기 절연 파괴로부터 전동기를 보호하여 시스템의 신뢰성을 높일 수 있는 교류 전동기의 제어 방법을 제공 하는데 그 목적이 있다.
도1은 종래의 전동기 구동 장치의 구성을 개략적으로 보인 블록도.
도2는 종래 SPWM의 전압 지령을 나타내는 파형도.
도3은 본 발명 2상 변조법을 적용한 경우의 상전압 지령을 도시한 파형도.
도4는 종래의 SPWM과 2상 변조법을 적용한 경우의 공통모드 전압 특성을 비교한 파형도.
도5는 스위칭 방법 개선에 따른 공통모드 전압 특성 변화를 보인 예시도.
도6은 본 발명에 의한 전압 지령 생성 과정을 보인 순서도.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 전류제어기의 출력인 전압(Vqe,Vde)과 전압의 원상(θ)을 2상 3상 좌표 변환하여 3상 전압 지령(Va_ref,Vb_ref,Vc_ref)을 만드는 제1단계와; 전동기 프레임과 권선간에 발생하는 공통모드 전압을 억제하는 지령(Surge Suppress Mode)이 있는지를 판단하는 제2단계와; 상기 제2단계에서 공통모드 전압 억제지령이 없을 경우 보상전압(Vcomp)은 0이 되고, 공통모드 전압 억제지령이 있으면 삼각파의 최대치(Vcmax)에 3상 전압 지령의 최대치(Vtemp)를 뺀 값으로 2상 변조를 위한 보상전압(Vcomp)을 결정하는 제3단계와; 상기 단계에 의해서 공통모드 전압 억제지령이 없을 경우의 2상 변조 적용시의 최종 출력 전압(PWM_U,PWM_V,PWM_W)은 초기의 3상 전압 지령(Va_ref,Vb_ref,Vc_ref)과 동일하게 되고, 억제지령이 있을 경우는 결정된 보상전압(Vcomp)을 3상 전압 지령(Va_ref,Vb_ref,Vc_ref)에 각각 더한 전압이 되어 이 전압을 삼각파와 비교하여 펄스폭변조(PWM)신호를 발생하도록 이루어짐으로써 달성되는 것으로, 본 발명에 따른 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도3은 본 발명 2상 변조법을 적용한 경우의 상전압 지령을 도시한 파형도로서, 이에 도시한 바와 같이 3상 전압 지령 중 크기가 최대인 상은 온 상태를 유지하면서, 선간 전압을 유지하기 위해 나머지 2상은 전압 지령을 보상한 후 스위칭을 행하여 전류 제어를 수행한다.
도4는 종래의 SPWM과 2상 변조법을 적용한 경우의 공통모드 전압 특성을 비교한 파형도로서, 이에 도시한 바와 같이 3상 스위치 상태의 합이 항상 1이상이므로 종래의 SPWM(0, 1, 2, 3)에 비해 전압의 변화폭이 줄어들게 된다.
도1과 같이 컨버터가 추가된 경우에는 전원의 중성점(GND)과 DC링크의 중성점(0)간의 전압(V0-GND) 또한 컨버터 스위치에 연동하여 변화하게 되므로 전동기 입력단 및 중성점과 전동기 프레임간의 전압은 누설분을 제외한 경우 상기 수학식 1과 같게 된다.
한편, 인버터 및 컨버터에 동시에 2상 변조를 적용한 경우 인버터의 3상 스위치 상태의 합와 컨버터의 3상 스위치 상태의 합은 항상 1이상이 되며 수학식 1에서 알 수 있듯이 이는 서로 상쇄를 일으키게 되어, 통상의 방법에 비해 가능한 경우의 수가 다음과 같이 줄어들게 되며 이는 전압 감소를 가져온다.
이를 종래와 비교하여 보면 다음과 같다.
1) 종래의 방법 :
2) 본 발명에 의한 방법 :
도5는 스위칭 방법 개선에 따른 공통모드 전압 특성 변화를 보인 것으로 공통모드전압의 전압상승률(dV/dt)을 결정하는 전압의 변화 가능 범위를 종래의 방법과 비교해 보면 전동기 입력단(U,V,W)과 프레임간의 전압은 1/3Vdc만큼 감소하게 되며 전동기 중성점(N)과 프레임간의 전압은 2/3Vdc만큼 감소하였다.
도6은 본 발명에 의한 전압 지령 생성 과정을 보인 순서도로서, 이에 도시한 바와 같이 3상중 전압의 상대치가 최대인 상이 스위칭을 쉬도록 한 방법인 2상 변조 스위칭 기법은 전류제어기의 출력인 전압(Vqe,Vde)과 전압의 원상(θ)을 2상 3상 변환 장치를 통하여 좌표 변환하면 3상 전압 지령(Va_ref,Vb_ref,Vc_ref)이 만들어 진다.
이때 전동기 프레임과 권선간에 발생하는 공통모드 전압을 억제하는 지령(Surge Suppress Mode)이 나오면 삼각파의 최대치(Vcmax)에 3상 전압 지령의 최대치(Vtemp)를 뺀 값으로 2상 변조를 위한 보상전압(Vcomp)을 결정한다.
2상 변조 적용시의 최종 출력 전압(PWM_U,PWM_V,PWM_W)은 결정된 보상전압을 3상 전압 지령(Va_ref,Vb_ref,Vc_ref)에 각각 더한 전압이 되며, 이 전압이 삼각파와 비교되어 펄스폭변조(PWM)신호를 발생하게 된다.
한편, 공통모드 전압 억제지령(Surge Suppress Mode)이 아닌 경우에는 보상전압(Vcomp)은 0이 되어 최종 출력 전압은 (PWM_U,PWM_V,PWM_W) 초기의 3상 전압 지령(Va_ref,Vb_ref,Vc_ref)과 동일하게 된다.
다시 말해 종래 SPWM의 경우에는 Vcomp=0가 되어 통상의 2상 3상 변환이 이루어진 지령이 그대로 출력되지만, 과전압 억제 펄스폭 변조(PWM) 방식의 경우는 순시치가최대인 상은 온상태를 유지하기 위하여 삼각파의 최대치인 Vcmax로 고정하고, 나머지 상은 도6과 같은 과정에 의해 보상하여 3상 평형을 유지한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명 교류 전동기의 제어 방법은 펄스폭 변조를 이용해 전동기 구동시 인가되는 공통모드 전압을 저감시킴으로써 전동기 프레임과 권선간에 발생하는 공통모드 전압에 의한 전동기 절연 파괴로부터 전동기를 보호하여 시스템의 신뢰성을 높일 수 있는 효과가 있다.

Claims (1)

  1. 전류제어기의 출력인 전압(Vqe,Vde)과 전압의 원상(θ)을 2상 3상 좌표 변환하여 3상 전압 지령(Va_ref,Vb_ref,Vc_ref)을 만드는 제1단계와; 전동기 프레임과 권선간에 발생하는 공통모드 전압을 억제하는 지령(Surge Suppress Mode)이 있는지를 판단하는 제2단계와; 상기 제2단계에서 공통모드 전압 억제지령이 없을 경우 보상전압(Vcomp)은 0이 되고, 공통모드 전압 억제지령이 있으면 삼각파의 최대치(Vcmax)에 3상 전압 지령의 최대치(Vtemp)를 뺀 값으로 2상 변조를 위한 보상전압(Vcomp)을 결정하는 제3단계와; 상기 단계에 의해서 공통모드 전압 억제지령이 없을 경우의 2상 변조 적용시의 최종 출력 전압(PWM_U,PWM_V,PWM_W)은 초기의 3상 전압 지령(Va_ref,Vb_ref,Vc_ref)과 동일하게 되고, 억제지령이 있을 경우는 결정된 보상전압(Vcomp)을 3상 전압 지령(Va_ref,Vb_ref,Vc_ref)에 각각 더한 전압이 되어 이 전압을 삼각파와 비교하여 펄스폭변조(PWM)신호를 발생하도록 이루어진 것을 특징으로 하는 교류 전동기의 제어 방법.
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