KR100378804B1 - 스위치 4개를 이용한 3상 인버터의 전압 리플 보상방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스위치 4개를 이용한 3상 인버터의 전압 리플 보상방법에 관한 것으로, 종래에는 스위치 6개를 사용하는 3상 인버터와는 달리 스위치 4개를 사용하는 인버터의 경우 선간전압은 각각의 캐패시터 전압을 갖게되는데, 인가되는 선간전압은 하나의 캐패시터로부터 전류를 공급받기 때문에 각 캐패시터의 전압 리플은 매우 커지게 되는 문제점이 있고, 각 캐패시터가 서로 다른 전압리플을 가질 경우 각 선간전압들은 다른 크기 뿐만아니라 위상도 달라지게 되어 성능이 저하되는 문제점이 있다. 따라서 본 발명은 입력되는 직류 링크 전압을 받아 충전하는 직렬연결된 상,하단 직류 링크 캐패시터의 중간점에 3상 모터의 임의의 한 상을 연결하는 3상 인버터에 있어서, 입력되는 직류 링크 전압을 체크하는 제1단계와, 상기 직류 링크 전압을 공급받는 상,하단 직류 링크 캐패시터의 중간점 전압을 읽어들이는 제2단계와, 상기 직류 링크 전압과 중간점 전압의 비를 체크하는 제3단계와, 상기에서 체크한 전압의 비만큼 DC 옵셋(offset)으로 삼각파 비교법에 의한 스위칭 함수를 보상하는 제4단계로 동작하여, 두 캐패시터의 중간점의 전위가 변할 경우 그 변한 전위만큼의 옵셋을 다른 상의 전위에도 주어 보상하도록하여 전압 리플에 의한 3상의 인가전압이 심하게 왜곡되는 것을 보상하도록 한 것이다.

Description

스위치 4개를 이용한 3상 인버터의 전압 리플 보상방법{THE COMPENSATION METHOD OF DC-LINK VOLTAGE RIPPLE FOR FOUR-SWITCH THREE-PHASE VOLTAGE SOURCE INVERTER}

본 발명은 스위치 4개를 이용한 3상 인버터에서 발생하는 전압 리플을 보상하기 위한 것으로, 특히 전압 리플에 의해 3상의 인가전압이 심하게 왜곡되는 것을 보상하기 위한 스위치 4개를 이용한 3상 인버터의 전압 리플 보상방법에 관한 것이다.

도 2는 종래 스위치 4개를 이용한 3상 인버터의 회로도로서, 이에 도시된 바와 같이, 입력되는 직류 링크 전압을 받아 충전하는 직렬 연결된 상,하단 직류 링크 캐패시터(C1,C2)와, 상기 캐패시터(C1,C2)로부터 직류전압 공급시 스위치 제어신호에 의해 온(on) 또는 오프(off)되어 모터를 회전시키기 위한 3상 전압을 공급하는 B4 인버터(2)와, 상기 상,하단 직류 링크 캐패시터(C1,C2)의 중간점과 상기 B4 인버터(2)의 스위치 래그(leg)에 연결되어 구동되는 3상 모터(1)로 구성된다.

이와같이 구성된 종래기술에 대하여 살펴보면 다음과 같다.

일반적인 3상 인버터 회로는 도 1에 도시한 바와 같이 스위치 소자(파워소자) 6개를 사용하여 a,b,c상 전압을 생성하고, 이를 모터에 공급함으로써 모터가 회전하도록 한다.

그런데 스위치 소자 6개를 사용할 경우 스위치 소자의 가격이 비싸기 때문에 낮은 가격화를 위하여 스위치 4개를 이용하여 3상 모터를 제어하는 방식이 대두되었다.

스위치 4개를 사용하는 경우, 도 2에서와 같이 c상의 스위칭 소자를 없애고 직렬연결된 상,하단 직류 링크 캐패시터(C1,C2)의 중간점에 3상모터(1)의 C상을 연결한다.

이와같은 상태에서 직류전압이 공급되면 직렬연결된 상,하단 직류 링크 캐패시터(C1,C2)는 충전하고, 이 충전전압을 B4 인버터(2)에 공급한다.

전압을 공급받은 B4 인버터(2)의 스위치는 턴온 또는 턴오프하여3상모터(1)에 전압을 공급하는데, 상기 B4 인버터(2)는 도 4와 같은 4가지의 스위칭 상태를 가진다. 여기서 3상 모터(1)가 Y결선일 경우를 예로하며, 0은 하단 스위치가 온된 상태, 1은 상단 스위치가 온된 상태를 의미한다. 즉 <0,0>인 경우 S1,S2 래그의 하단 스위치는 모두 온되고 상단 스위치는 모두 오프된 상태를 의미한다.

B4 인버터(2)의 4개의 전압벡터중 그 B4 인버터(2)를 구성하는 스위치중 상단의 스위치만 모두 켜지는 경우 <1,1>인 상태에서는 도 4의 (d)와 같이 상단 직류 링크 캐패시터(C1)에 충전되어 있던 전압(V1)은 3상 모터(1)에 공급되고, 하단 직류 링크 캐패시터(C2)는 전압을 3상모터(1)에 공급하지 않는다.

그리고 하단 스위치만 모두 켜지는 경우 <0,0>인 상태에서는 도 4의 (a)와 같이 하단 직류 링크 캐패시터(C2)에 충전되어 있던 전압(V2)은 3상 모터(1)에 공급되고, 상기 상단 직류 링크 캐패시터(C1)는 전압(V1)을 3상모터(1)에 공급하지 않는다.

또한 <0,1>, <1,0>인 상태에서는 도 4의 (b) 및 (c)와 같이 상,하단직류링크 캐패시터(C1),(C2)가 3상모터(1)에 전압을 공급하게 된다.

이렇게 3상 모터(1)에 전압을 공급함에 따라 모터가 회전하게 된다.

상기 3상 모터(1)를 회전시키기 위해서는, 도 3에서와 같이, 서로 120도의 위상차를 갖는 3상의 전압(Va,Vb,Vc)을 필요로 하게 된다.

상기에서와 같이 3상 전압과 같은 전압을 만들기 위하여, B4 인버터(2)에서는 3상 모터(1)로 인가되는 3상의 전압벡터중 한 전압은 상단 직류 링크 캐패시터(C1)와 하단 직류 링크 캐패시터(C2)의 중간점에 연결하고, 나머지 두 전압은 상단 스위치와 하단 스위치 사이의 래그(leg)에 연결한다.

그리고 3상 평형전압과 동일한 효과를 내기 위한 전압을 만들기 위하여 상기 상단 직류 링크 캐패시터(C1)와 하단 직류 링크 캐패시터(C2) 사이의 중간점에 도 3에서와 같이 역상을 인가한다. 그럼으로써 도 3의 Vu, Vw와 같이 만들어진 2개의 새로운 벡터가 생기게 되고, 이것은 B4 인버터(2)에서 S1,S2의 스위칭 함수가 된다.

상기 Vu, Vw의 전압 벡터는 도 3에서와 같이 서로 60도의 위상차를 갖고, 3상 모터(1)의 C상이 상,하단 직류 링크 캐패시터(C1,C2)의 중간점에 연결된 경우 Vu의 전압은 a상의 상전압인 Va에 비해 30도 뒤지고, Vw의 전압은 a상의 상전압 Va에 비해 90도 뒤짐을 알 수 있다.

따라서 모터의 C상이 상단 직류 링크 캐패시터와 하단 직류 링크 캐패시터의 중간점에 연결된 것을 기준으로 하고, 각 상에 필요한 전압을 갖고 온 타임을 조절하면 4개 스위칭 소자를 이용한 3상 모터의 제어가 가능하다.

그러나 상기에서와 같은 종래기술에 있어서, B4 인버터의 경우 선간전압은 스위치 6개(B6)를 사용하는 3상 인버터와는 달리 각각의 캐패시터 전압을 갖게된다. 따라서 인가되는 선간전압은 Y결선의 경우 B6에 비해 반이 되게 되며 하나의캐패시터로부터 전류를 공급받기 때문에 각 캐패시터의 전압 리플은 매우 커지게 되는 문제점이 있다.

또한 B6 인버터의 경우 직류 링크 전압의 리플이 발생하더라도 각 선간전압에 동일하게 인가되기 때문에 인가전압의 크기는 변하더라도 3상의 전압벡터의 위상은 변하지 않으나 B4 인버터의 경우 각 선간에 인가되는 전압이 서로 다른 캐패시터로부터 인가되기 때문에 도 2에서와 같이 Vc1,Vc2가 각각의 전압리플을 가지므로 각 선간전압들은 다른 크기 뿐만아니라 위상도 달라지게 되어 성능이 저하되는 문제점이 있다.

따라서 상기에서와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 직류 링크 전압과그 직류링크 전압을 입력받는직렬 연결된 두 개의 캐패시터의 중간점 전압을 비교하고, 그 비교차만큼을 DC 옵셋으로 삼각파 비교법에서의 스위칭 함수를 보상하도록 하여, 전압 리플에 의한 3상의 인가전압이 심하게 왜곡되는 것을 보상하는 스위치 4개를 이용한 3상 인버터의 전압 리플 보상방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은3상모터가 Y결선이나 Δ결선에 상관없이 삼각파 비교법에서의 스위칭 함수에 적용하도록 한 스위치 4개를 이용한 3상 인버터의 전압 리플 보상방법을 제공함에 있다.

도 1은 일반적으로 스위치 6개를 이용한 3상 인버터의 회로도.

도 2는 종래 스위치 4개를 이용한 3상 인버터의 회로도.

도 3은 도 2에서, 3상 모터를 회전시키기 위하여 서로 120도 위상차를 갖는 3상 전압벡터와 서로 60도 위상차를 갖는 2상의 전압벡터도.

도 4는 도 2에서, 스위칭 상태에 따른 Y결선 3상 모터와 직류링크와의 결선도.

도 5는 도 2에서, 상, 하단 캐패시터의 전압이 동일한 경우와 아래 캐패시터 전압이 더 클 경우의 전압벡터도.

도 6은 도 2에서, 상, 하단 캐패시터의 전압이 동일한 경우와 아래 캐패시터의 전압이 더 클 경우 실제 인가되는 전압 벡터도.

도 7은 본 발명 스위치 4개를 이용한 3상 인버터의 전압 리플 보상회로에 대한 구성도.

***** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *****

1 : 3상 모터 2 : B4 인버터

3 : 마이크로 컴퓨터 C1 : 상단 직류 링크 캐패시터

C2 : 하단 직류 링크 캐패시터

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 입력되는 직류 링크 전압을 받아 충전하는 직렬연결된 상,하단 직류 링크 캐패시터의 중간점에 3상 모터의 임의의 한 상을 연결하는 3상 인버터에 있어서, 입력되는 직류 링크 전압을 체크하는 제1단계와, 상기 직류 링크 전압을 공급받는 상,하단 직류 링크 캐패시터의 중간점 전압을 읽어들이는 제2단계와, 상기 직류 링크 전압과 중간점 전압의 비를 체크하는 제3단계와, 상기에서 체크한 전압의 비만큼 DC 옵셋(offset)으로 삼각파 비교법에 의한 스위칭 함수를 보상하는 제4단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 7은 본 발명 스위치 4개를 이용한 3상 인버터의 전압 리플 보상회로에 대한 구성도로서, 이에 도시한 바와 같이, 입력되는 직류 링크 전압을 받아 충전하는 직렬 연결된 상,하단 직류 링크 캐패시터(C1,C2)와, 상기 캐패시터(C1,C2)로부터 직류전압 공급시 스위치 제어신호에 의해 온(on) 또는 오프(off)되어 모터를 회전시키기 위한 3상 전압을 공급하는 B4 인버터(2)와, 상기 상,하단 직류 링크 캐패시터(C1,C2)의 중간점과 상기 B4 인버터(2)의 스위치 래그(leg)에 연결되어 구동되는 3상 모터(1)와, 상기 직류 링크 전압과상,하단 직류링크캐패시터(C1,C2)의 중간점에 걸리는 전압을 비교하여 전위차를 구하고, 그 전위차만큼의 DC 옵셋(offset)을 보상하는 마이크로 컴퓨터(3)로 구성한다.

이와 같이 구성된 본 발명의 동작 및 작용 효과에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

스위치 4개를 이용하는 경우 직류전압이 공급되면 직렬연결된 상,하단 직류 링크 캐패시터(C1,C2)는 충전하고, 이 충전된 전압은 B4 인버터(2)의 스위칭 상태에 의해 3상 전압을생성하여3상 모터(1)에 공급한다.

상기 B4 인버터(2)의 스위칭 상태는 도 4에서와 같이 4가지 형태의 스위칭상태를 갖는다.

상기에서와 같은 스위칭 상태에서 상,하단 직류링크 캐패시터(C1,C2)의 전압이 동일(V1=V2)한 경우 도 5의 좌측에서와 같이 서로 직교하는 전압벡터를 가지게 되나 전압이 다를(V2＞V1) 경우 도 5의 우측에서와 같이 크기와 위상이 모두 왜곡된 상태를 보여주고, 또한 상,하단 직류링크 캐패시터(C1,C2)의 전압이 동일한 경우 도 6의 좌측에서와 같은 정상적인 실제 전압(V*)이 인가되나 전압이 다를 경우 도 6의 우측에서와 같이 크기와 위상이 모두 왜곡되게 된다.

캐패시터의 용량을 키우는 것이 기본적인 해결 방안이 되겠으나 이 경우에는 스위치 4개를 사용하는 가격적 이점이 없어지게 된다.

따라서 가격의 이점을 살리면서 전압 리플을 보상하는 방식을 주로 논문에서 많이 다루었는데, 그 한예를 들면 다음과 같다.

Space Vector PWM 방식의 경우 스위칭 함수를 V1과 V2가 포함된 형식으로 나타낼 수 있으며, 실시간으로 V1과 V2를 읽어서 계산할 수 있다. 아래 수식은 특정 구간에서의 스위칭 함수를 예로 들고 있다.

V1과 V2가 같은 경우와는 달리 매번 실제 값을 읽어 수식에 적용하는 방식이다.

그러나 이와 같은 방식의 경우 계산이 복잡해지며, 높은 등급(grade)의 마이크로 컴퓨터를 사용해야 하는 단점이 있다.

따라서 본 발명에서는 저가의 마이크로 컴퓨터에도 적용할 수 있고, Space Vector PWM 방식이 아닌 삼각파 비교법을 적용하여 간단하게 전압 리플을 보상하는 방식에 대하여 제안하고자 한다.

삼각파 비교법에서의 스위칭 함수 S1과 S2는 도 2에서와 같이 B4 인버터를 갖는 구성의 경우 아래의 수학식1과 같이 나타낸다.

여기서 m_f는 변조함수로 전압벡터의 크기를 나타낸다.

도 3의 인가전압 벡터도를 보면 S1과 S2에 해당하는 Vu,Vw는 a상의 상전압 Va에 대하여 각각 30도와 90도 뒤져있는데, 이러한 각도는 도 2에서 두 캐패시터의 중간점에 어느 상이 연결되느냐에 따라 다르지만 동일하게 적용될 수 있다.

가령 3상 모터가 구동하면서 V1,V2의 전압 리플이 발생할 경우 도 7에서 상,하단 직류 링크 캐패시터(C1,C2) 중간점의 전위가 변하게 된다.

이때 a,b점의 전위를 캐패시터의 중간점에서 변하는 전위만큼 옵셋(offset)을 주게 된다.

이것을 수식으로 표현하면 아래의 수학식2와 같은 스위칭 함수 S1,S2가 만들어진다.

만일 V1과 V2의 전압 리플이 동일할 경우에는 수학식 1에 나타낸 일반적인 삼각파 비교법의 스위칭 함수와 동일하게 된다. 그러나 만일 V2의 전압 리플이 더 커지게 된다면 더 커지는 만큼의 옵셋(offset)이 S1과 S2에 더해지게 되며, 이 경우 S1과 S2의 보상치가 동일하므로 3상의 전압벡터는 평형을 이루게 된다.

그리고 직류 링크 전압이 일정하다고 가정할 경우 캐패시터의 중간점만을 읽어서도 보상이 가능하다.

이와같은 보상 방식을 사용할 경우에는 간단한 삼각파 비교법을 사용하며, 전압 리플을 DC 옵셋(offset)처럼 보상을 하기 때문에 연산량이 거의 증가하지 않는 장점이 있다.

다시말하면 스위치 4개를 사용하는 3상 인버터는 캐패시터의 중간점에 어떤 상을 연결하는가에 따라 스위칭 함수 S1,S2의 수식이 달라지게 되나 본 발명에서 제안한 DC 옵셋(offset) 보상은 스위칭 함수 S1,S2의 수식과 무관하게 모든 방식에 동일하게 적용이 된다.

또한 모터가 Y결선, Δ결선인가에 따라서도 스위칭 함수 S1,S2의 수식이 바뀌지만 본 발명에서 제안한 DC 옵셋 보상은 스위칭 함수 S1,S2의 수식과 무관하게 적용할 수 있다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은3상모터의3상중 임의의 한 상을 상, 하단 직류링크 캐패시터의 중간점에 연결하고, 이 연결한 캐패시터의 중간점의 전위가 변할 경우 그 변한 전위만큼의 옵셋을 다른 상의 전위에도 주어 보상하도록 함으로써 전압 리플에 의한 3상의 인가전압이 심하게 왜곡되는 것을 보상하는 효과가 있다.

Claims (5)

1. 직류 링크 전압을입력받아 충전하는 직렬연결된 상,하단 직류 링크 캐패시터의 중간점에 3상 모터의 임의의 한 상을 연결하고, 상기 3상 모터의 나머지 두 상은상기 직류링크 전압을 입력받는B4 인버터의 스위치 래그(leg)에 연결한 3상 인버터에 있어서,

   상기 입력되는 직류 링크 전압을 체크하는 제1단계와, 상기 직류 링크 전압을 공급받는 상,하단 직류 링크 캐패시터의 중간점 전압을 읽어들이는 제2단계와, 상기 직류 링크 전압과 중간점 전압을 비교하여 전위차를 구하는 제3단계와, 상기에서구한전위차만큼 DC 옵셋(offset)으로 삼각파 비교법에 의한 스위칭 함수(S1,S2)를 아래의 수학식에서와 같이 보상하는 제4단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 스위치 4개를 이용한 3상 인버터의 전압 리플 보상방법.

   단, m_f는 변조함수로 전압벡터의 크기,는 직류 링크 전압,는 하단 직류 링크 캐패시터의 전압
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