KR100525246B1 - 불평형 전압에 강인한 사이리스터 위상 제어 점호 장치 및그 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 불평형 전압에 강인한 사이리스터 위상 제어 점호 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 사이리스터 정류기 입력단의 교류 전원전압 불평형이 있더라도 사이리스터 위상제어 정류기의 점호각을 적절히 제어하여 정류기 출력단의 직류 전압을 안정하게 유지시켜줄 수 있도록, 불평형 전압에 강인한 사이리스터 위상 제어 점호 방법에 있어서, 입력 기준전압의 절대 크기와 3상 전원 입력전압을 비교기에 입력하는 단계와, 상기 입력 기준전압의 절대 크기와 3상 전원 입력전압을 비교하여, 기준전압크기보다 3상 피크전압이 낮아지면 그 크기만큼 에러값을 출력하는 단계와, 현재 위상제어 점호각 크기에 보상 값을 더하여 점호회로의 펄스 트랜스로 출력하는 단계와, 상기 입력 기준전압의 절대 크기와 3상 전원 입력전압을 비교하여, 사이리스터 입력전압이 정상일 경우에는 출력값이 항상 양(+)이 되어 위상보상 없이 펄스 트랜스로 출력하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 함.

Description

불평형 전압에 강인한 사이리스터 위상 제어 점호 장치 및 그 방법{The robust thyrister firing control device for the unbalanced voltage and its method}

본 발명은 불평형 전압에 강인한 사이리스터 위상 제어 점호 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 보다 상세히는 사이리스터 정류기 입력단의 교류 전원전압 불평형이 있더라도 사이리스터 위상제어 정류기의 점호각을 적절히 제어하여 정류기 출력단의 직류 전압을 안정하게 유지시켜줄 수 있는 불평형 전압에 강인한 사이리스터 위상 제어 점호 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

종래의 기술은 오피앰프(Op-amp: Operational Amplifier), 저항 및 커패시터와 같은 많은 아날로그 소자에 의해 사이리스터 위상제어 점호 제어회로가 만들어졌다.

이러한 아날로그 점호 제어회로에서는 전압 불평형에 대한 기본적인 보상내지 대처 방법이 없이 사이리스터 입력단의 높은 전압을 동기변압기로 전압을 강압해서 신호용 전압으로 떨어뜨린 다음, 그 신호를 점호 신호 제어명령과 비교하고 이것에 맞추어 점호를 발생시키는 회로이다. 또한 본질적으로 아날로그 회로는 디지털 회로에 비해 소자의 수가 많아서 고장 개소가 많아진다. 부품의 주위온도가 변화하면 내부의 저항 값이나 기타 전기적 특성이 변화되는 특성이 있고 내용연수가 증가하면서 경년 변화에 의하여 저항-콘덴서, 또는 증폭기 부품 등의 전기적 특성 값의 변화에 따라서 제어특성이 악화되는 경향이 있어 항상 주기적으로 유지 보수를 할 필요성이 있어 경제적이지 못한 점이 있다. 또한 현재 산업체에서 가장 많이 사용되고 있는 점호회로의 방법중 하나인 PLL(Phase Lock Loop) 방식이나 코사인 방법의 경우 입력 전원 전압의 급작스런 변화와 급격한 과도상태등과 같은 현상에서는 출력전압이 제어기와 상관없이 급격히 전원출력단의 직류전압이 변동하는 단점을 가지고 있다.

본 발명은 상술한 종래의 문제점을 극복하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 사이리스터 정류기 입력단의 교류 전원전압 불평형이 있더라도 사이리스터 위상제어 정류기의 점호각을 적절히 제어하여 정류기 출력단의 직류 전압을 안정하게 유지시켜줄 수 있는 불평형 전압에 강인한 사이리스터 위상 제어 점호 장치 및 그 방법을 제공하는데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 사이리스터 점호제어 회로를 임베디드 프로그램어블 로직 디바이스(EPLD ; Embeded Programmable Logic Device) 혹은 필드 프로그램어블 게이트 어레이(FPGA ; Field Programmable Gate Array) 1개 소자와 전원 입력전압과 비례적분 제어기를 연산하기 위한 디지털 시그널 프로세서(DSP ; Digital Signal Processor)를 이용하여 디지털화 하였다. 따라서 기존의 점호회로에서 사용되는 많은 아날로그 소자를 이용하지 않고 점호회로를 설계하였다. 구체적인 구현방법은 종래의 방법에서 동기변압기를 이용하여 전원전압의 위상각에 해당되는 위상각을 측정하여야한다. 전원전압의 위상각을 측정하기 위하여 3상 전압을 입력 받아서 3상 전압을 가상의 정지좌표계의 2상 전압으로 변환을 하여 다시 전원전압의 주파수와 동일한 위상각에 해당되는 위상각으로 d-q동기좌표계로 전압을 변환한다. 이렇게 변환된 전압은 정상적으로 위상각을 정확히 잘 알고 있을 때에는 동기좌표계의 q축에만 3상 전원전압의 피크 값에 해당되는 직류전압이 나타나게 되고 d축에는 전압이 나타나지 않는다. 이러한 원리를 이용하여 d축 전압을 0(zero)가 되도록 비례적분 제어기를 구성하게 되면 전원전압에 동기된 전압의 위상각을 간접적으로 측정할 수 있게 된다. 그리고 사이리스터를 점호하기 위해서는 제어기의 출력 값과 이렇게 측정된 위상각을 이용하여 사이리스터 점호각을 점호하게 된다. 이 사이리스터를 점호 하기위해서는 전원전압의 기준점에서 위상각에 해당되는 값만큼 위상지연을 시켜주어야 하는데 이러한 역할을 EPLD의 내부에 카운터를 구성하여 하게 된다. 따라서 이렇게 구성된 기능에다 전원전압 불평형을 보상하기 위한 알고리즘을 더하여 전원전압의 불평형이 발생할 경우에도 항상 연속적이고 안정적인 출력 전압 제어가 가능한 것을 특징으로 한다.

따라서 기능적으로 종래의 아날로그 회로가 수행하던 사이리스터 점호기능에 더하여 전압 불평형 보상, 본질적으로 비례적분 제어기를 이용하여 간접적으로 전원전압의 위상각을 측정하여 기존의 방법에서 이용하는 제로 크로싱(Zero Crossing) 방법을 이용하지 않기 때문에 본질적으로 전원전압에 포함된 노이즈에 강인한 운전 특성, 그리고 격년변화 현상이 없는 장점이 있다.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 불평형 전압에 강인한 사이리스터 위상 제어 점호 장치의 구성인 블럭도가 도시되어 있다.

도시된 바와 같이 본 발명에 의한 장치는 3상 전원전압부(10)와, 사이리스터 정류기(20)와, DSP(30) 및 EPLD(40)로 이루어져 있다. 여기서, 3상 전원전압부(10) 및 사이리스터 정류기(20)의 구성 및 작용은 주지 기술이므로 더 이상의 설명은 생략하기로 한다.

본 발명에서 제안된 장치는 종래의 동기변압기[3상 전압을 1차 입력으로 받아서 6상(120°)] 위상차의 2차 전압으로 발생하는 변압기를 이용하여 전원전압과 동기 된 위상신호의 위상 측정 및 아날로그 회로로 구성된 점호 회로 대신에 사용되었다.

먼저, 상기 DSP(30)는 입력 3상 전원전압단(31)을 통해서 입력된 값을 아날로그 디지털 컨버터(32)를 이용하여 각도 감지기(33)에 입력한다. 그러면, 상기 각도 감지기(33)는 입력된 3상 전원전압을 정지좌표계의 가상 2상 전압으로 변환한 다음 상기 2상 전압을 전원전압의 주파수와 동일한 위상각을 이용하여 동기좌표계 d-q 전압으로 변환한다.

이렇게 하여 정상적으로 변환된 d축 전압은 언제나 0(zero)이며 q축 전압은 3상 전압의 피크 값을 가지는 직류전압이다. 이러한 현상을 이용하여 d축 전압을 0이 되도록 하기 위하여 점호 각 제어기(34)에 상기 값을 입력한다. 이러한 점호 각 제어기(34)는 바람직하기로 도 2에 도시된 비례적분 제어기를 이용한다. 도면중 미설명 부호 35는 내부 클럭 발생기이고, 36은 DSP 및 EPLD에 클럭을 제공하는 외부 오실레이터이다.

계속해서, 상기 비례적분 제어기의 출력은 d축 전압을 0이 되게 하는 위상각이며 전원전압과 동기된 위상각을 얻을 수 있다. 이렇게 얻어진 위상각은 사용자가 원하는 제어기의 출력 값을 사이리스터의 위상각을 점호하여 필요한 제어기를 구성하게 된다. 이때 필요한 것은 전원전압의 위상각과 제어기의 출력 값이다. 종래의 아날로그 회로에서는 비교기(Comparator)를 이용하여 사이리스터를 점호하기 위한 위상각을 결정하게 된다. 그러나 본 발명과 같은 디지털 점호 장치에서는 제어기의 출력전압과 비례적분 제어기를 이용하여 얻어진 위상각은 DSP 내부의 연산에 의하여 사이리스터의 위상각을 결정하게 된다.

이렇게 얻어진 위상각은 EPLD(40) 내부의 게이트 카운터(41)에 보내져 사이리스터 점호에 필요한 위상 값을 카운터(41)의 디지털 값으로 변환하여 필요한 위상각에서 해당되는 사이리스터를 점호하게 된다. 점호신호는 종래의 아날로그 점호회로와 마찬가지로 펄스 트랜스 보드(45)에서 절연 및 증폭을 통하여 사이리스터를 점호하게 된다. 도면중 미설명 부호 42는 펄스 트레인이고, 43은 게이팅 VHDL이며, 44는 SCR 게이팅 펄스이다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 불평형 전압에 강인한 사이리스터 위상 제어 점호 방법중 위상각을 측정하기 위한 비례적분 제어기의 블록도가 도시되어 있다.

도시된 바와 같이 비례적분 제어기는 입력 3상 전원전압을 d-q 동기좌표계로 변환하기 위한 위상각을 간접적으로 측정한다. 도 1의 아날로그 디지털 컨버터(33)를 이용하여 3상 전원전압을 DSP(30)에 입력하고 도 1에 도시된 각도 감지기(33)에서 입력된 3상 전원전압을 정지좌표계의 가상 2상 전압으로 변환한 다음 이 2상 전압을 전원전압의 주파수와 동일한 위상각을 이용하여 동기좌표계 d-q 전압으로 변환한다. 이렇게 하여 정상적으로 변환된 d축 전압은 언제나 0(zero)이며 q축 전압은 3상 전압의 피크 값을 가지는 직류전압이다. 이러한 현상을 이용하여 d축 전압을 0이 되도록 하기 위하여 도 2에서 나타난 비례적분 제어기를 이용한다. 이때 비례적분 제어기의 출력은 d축 전압을 0이 되게 하는 위상각이며 전원전압과 동기된 위상각을 얻을 수 있다. 이렇게 얻어진 전원전압의 위상각은 직접적으로 측정된 것이 아니고 비례적분 제어기에 의하여 위상각이 얻어 졌기 때문에 약간의 전원 불평형과 전원전압에 강력한 노이즈가 포함된다하더라도 위상각 측정에는 아무런 영향을 미치지 않은 노이즈에 강인한 전원전압의 위상각을 측정하여 안정된 동작이 가능한 사이리스터 디지털 점호회로를 구성 할 수 있다.

도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 불평형 전압에 강인한 사이리스터 위상 제어 점호 방법중 입력 전압 불평형시 제어 알고리즘이 도시되어 있다.

도시된 바와 본 발명은 먼저 입력 기준전압의 절대 크기(S1)와 3상 전원 입력전압(S2)을 비교기(S3)에 입력한다.

이어서, 상기 입력 기준전압의 절대 크기(S1)와 3상 전원 입력전압(S2)을 비교하여, 기준전압의 절대크기(S1)보다 3상 전원 입력전압(S2)의 피크전압이 낮아지면 그 크기만큼 에러값(S5)을 출력한다.

이어서, 현재 위상제어 점호각 크기(S6)에 보상 값(S7)을 더하여 점호회로의 펄스 트랜스(S8)로 출력한다.

물론, 상기 입력 기준전압의 절대 크기(S1)와 3상 전원 입력전압(S2)을 비교하여, 사이리스터 입력전압이 정상(S5')일 경우에는 출력값이 항상 양(+)이 되어 위상보상 없이 펄스 트랜스(S8)로 출력한다.

도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 불평형 전압에 강인한 사이리스터 위상 제어 점호 방법중 입력 전압 불평형시 보상 파형이 도시되어 있다.

f_abc에서 E_a 상전압이 불평형이 발생되었을 때 E_peak1은 E_a상 전압의 최대치를 검출해내고 E_peak2는 검출된 E_peak1의 최대치를 직선으로 나타낸다. 이때 E_{peak_ref} 와 E_{A_peak}의 크기를 비교해 E_{A_peak}가 작으면 E_{cc err}값을 보상해준다. 코사인 비교 파형(E_cos)은 점선이 정상적일 경우이고 실선이 불평형이 생겼을 경우인데 E_a상의 불평형으로 인하여 E_cos가 실제의 점호 위치에서 벗어나 있다. 이때 각각의 게이트 점호 위치를 보면 GAP는 정상적일 경우이고, GAP_nor은 불평형이 생겼을 경우 보상하지 않은 경우이며, GAP_err은 불평형을 보상하여 정상적일 경우와 동일한 점호를 하고 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 전원전압을 읽어 들여 적절한 신호처리 과정을 거쳐 전압의 위상을 검출하고 상기 검출된 위상 신호를 이용하여 사이리스터 점호신호를 발생하도록 함으로서 사이리스터 위상제어기의 제어용 점호신호 발생을 위한 종래의 방법에서 동기변압기와 제어기의 전압제어를 전압 측정용 센서 중에서 동기변압기를 이용하지 않아도 종래의 전원전압 측정을 위한 센서 입력전압에다 위상 측정 알고리즘을 추가하여 위상각 측정 회로를 쉽게 구현 할 수 있다. 따라서 위상제어 정류기의 출력 크기를 제어기의 결과에 따라서 정확하게 제어할 수 있을 뿐만 아니라 사이리스터 제어를 위한 입력 3상 전원전압의 크기가 일정하지 않고 가변 되더라도 연속적이고 안정된 위상제어 신호를 발생키는 효과를 기대할 수 있다. 뿐만 아니라 전원전압의 위상각에 동기된 위상 신호를 검출하기 위해서는 3상 전원전압에서 제로 크로싱(Zero Crossing) 등의 방법과 같이 직접 구하지 않고 비례적분 제어기를 이용하여 간접적으로 전원 전압의 위상각을 구하므로 전원전압에 많은 노이즈가 포함된다 하더라도 노이즈에 영향을 받지 않는 안정된 사이리스터 점호회로를 구성할 수 있다.

이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 불평형 전압에 강인한 사이리스터 위상 제어 점호 장치 및 그 방법을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 불평형 전압에 강인한 사이리스터 위상 제어 점호 장치를 도시한 블록도이다.

도 2는 본 발명에 따른 불평형 전압에 강인한 사이리스터 위상 제어 점호 방법중 위상각을 측정하기 위한 비례적분 제어기를 도시한 블록도이다.

도 3은 본 발명에 따른 불평형 전압에 강인한 사이리스터 위상 제어 점호 방법중 입력 전압 불평형시 제어 알고리즘을 도시한 블록도이다.

도 4는 본 발명에 따른 불평형 전압에 강인한 사이리스터 위상 제어 점호 방법중 입력 전압 불평형시 보상 파형을 도시한 파형도이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

10; 3상 전원전압부 20; 사이리스터 정류기

30; 디지털 시그널 프로세서(DSP) 31; 입력 3상 전원전압단

32; 아날로그 디지털 컨버터 33; 각도 감지기

34; 점호 각 제어기 35; 내부 클럭 발생기

36; 외부 오실레이터

40; 임베디드 프로그램어블 로직 디바이스(EPLD)

41; 게이트 카운터 42; 펄스 트레인

43; 게이팅 VHDL 44; SCR 게이팅 펄스

45; 펄스 트랜스

Claims (4)

1. 3상 전원전압부;

   상기 3상 전원전압부로부터의 입력 전압을 제어 정류하여 출력하는 사이리스터 정류기;

   상기 3상 전원전압부의 3상 전원전압을 아날로그 디지털 컨버터를 이용하여 입력하고, 상기 입력된 값을 각도 감지기로 정지좌표계의 가상 2상 전압으로 변환한 후, 상기 2상 전압을 전원전압의 주파수와 동일한 위상각을 이용하여 동기 좌표계 d-q 전압으로 변환하여 전원전압과 동기된 위상각을 출력하는 디지털 시그널 프로세서; 및,

   상기 디지털 시그널 프로세서로부터 출력된 위상각을 카운터에 입력하여 사이리스터 점호에 필요한 위상 값을 디지털 값으로 변환하여 필요한 위상각에서 해당되는 사이리스터를 점호하는 임베디드 프로그램어블 로직 디바이스를 포함하여 이루어진 불평형 전압에 강인한 사이리스터 위상 제어 점호 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 디지털 시그널 프로세서는 입력 3상 전원전압을 d축 전압은 0이되도록 하고, q축 전압은 3상 전압의 피크 값을 갖는 직류전압이 되도록, d-q 동기좌표계로 변환하기 위한 위상각을 간접적으로 측정하기 위해 비례적분 제어기가 이용됨을 특징으로 하는 불평형 전압에 강인한 사이리스터 위상 제어 점호 장치.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 비례적분 제어기는 출력이 d축 전압을 0이 되도록 하는 위상각이며 전원전압과 동기된 위상각을 얻도록 함을 특징으로 하는 불평형 전압이 강인한 사이리스터 위상 제어 점호 장치.
4. 불평형 전압에 강인한 사이리스터 위상 제어 점호 방법에 있어서,

   입력 기준전압의 절대 크기와 3상 전원 입력전압을 비교기에 입력하는 단계;

   상기 입력 기준전압의 절대 크기와 3상 전원 입력전압을 비교하여, 기준전압크기보다 3상 피크전압이 낮아지면 그 크기만큼 에러값을 출력하는 단계;

   현재 위상제어 점호각 크기에 보상 값을 더하여 점호회로의 펄스 트랜스로 출력하는 단계; 및,

   상기 입력 기준전압의 절대 크기와 3상 전원 입력전압을 비교하여, 사이리스터 입력전압이 정상일 경우에는 출력값이 항상 양(+)이 되어 위상보상 없이 펄스 트랜스로 출력하는 단계를 포함하여 이루어진 불평형 전압에 강인한 사이리스터 위상 제어 점호 방법.