KR100734050B1 - Feed-back control method - Google Patents

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KR100734050B1
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박영민
유한승
최세경
이현원
정명길
이세현
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현대중공업 주식회사
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Abstract

A motor feedback control method using an H-bridge multi-level inverter is provided to solve a problem about a current controller when controlling an induction motor vector through the H-bridge multi-level inverter. A motor feedback control method using an H-bridge multi-level inverter removes an unstable factor of a current controller by detecting output voltage phase delays of the H-bridge multi-level inverter and a power cell, multiplying an output of the current controller by a function compensating an error due to the phase delay, and compensating the phase of the output voltage at stop DQ coordinates.

Description

에이치-브릿지 멀티레벨 인버터를 이용한 전동기 피드백 제어방법{Feed-back control method}Motor feedback control method using H-bridge multi-level inverter {Feed-back control method}

도 1 은 Space Vector PWM 을 보인 도면.1 shows a Space Vector PWM.

도 2 는 Phase Disposition Carrier-based PWM을 보인 도면.2 shows a phase disposition carrier-based PWM.

도 3 은 Phase Opposition Carrier-based PWM을 보인 도면.3 shows a phase opposition carrier-based PWM.

도 4 는 Alternative Phase Opposition Disposition Carrier-based PWM을 보인 도면.4 shows an Alternative Phase Opposition Disposition Carrier-based PWM.

도 5 는 Phase-Shifted Carrier-based PWM을 보인 도면.5 shows a phase-shifted carrier-based PWM.

도 6 은 고전압 전동기 가변속 장치인 H-브릿지 멀티레벨 인버터를 보인 구성도.Fig. 6 is a block diagram showing an H-bridge multilevel inverter which is a high voltage electric motor variable speed device.

도 7 은 13레벨로 구성된 H-브릿지 멀티레벨 인버터 출력전압 위상지연상태를 보인 도면.7 is a diagram illustrating a phase delay state of an H-bridge multilevel inverter output voltage configured with 13 levels.

도 8 은 위상지연 보상항이 추가된 유도전동기 벡터제어도.8 is an induction motor vector control diagram in which a phase delay compensation term is added.

도 9의 a,b는 H-브릿지 멀티레벨 인버터로 제어되는 보상항이 추가된 유도전동기 벡터 제어도.9A and 9B are induction motor vector control diagrams in which a compensation term controlled by an H-bridge multilevel inverter is added.

본 발명은 H(에이치)-브릿지 멀티레벨 인버터를 이용한 전동기 피드백 제어방법에 관한 것으로서, 특히 인버터 파워셀과 인버터 출력전압의 위상지연을 검출하고, 그 위상오차를 보상하는 함수를 전류제어기 출력에 곱하여 전류제어기의 위상지연에 의한 불안정 요인이 제거되도록 하므로서, 멀티레벨 인버터의 제어기를 분산화, 모듈화 시킬 수 있도록 한 H-브릿지 멀티레벨 인버터를 이용한 전동기 피드백 제어방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a motor feedback control method using an H (H) -bridge multilevel inverter, and more particularly, to detect a phase delay between an inverter power cell and an inverter output voltage, and to multiply a current controller output by a function that compensates for the phase error The present invention relates to a motor feedback control method using an H-bridge multilevel inverter, which makes it possible to decentralize and modularize a controller of a multilevel inverter while eliminating the instability caused by the phase delay of the current controller.

고전압 대형 유도 전동기의 전압은 2,400V부터 7,200V로 다양하게 설계되어 있는데 반해, 전동기 가변속 장치인 고압 인버터는 전압이 다양하지 않아 강압 및 승압 변압기를 이용하여 여러 종류의 전동기에 적용하므로 가격 상승, 넓은 설치 공간 필요, 시스템 효율 감소 등 많은 문제점이 야기되어 산업체 인버터 보급의 장애물로 대두되고 있다.The voltage of high voltage large induction motors is variously designed from 2,400V to 7,200V. On the other hand, the high-voltage inverter, which is a variable speed motor, does not vary in voltage, so it can be applied to various types of motors by using step-down and step-up transformers. Many problems, such as the need for installation space and reduced system efficiency, have emerged as an obstacle to the spread of industrial inverters.

또한 인버터 적용시 모선의 고조파 영향, PWM 전압에 의한 전동기 열화, 진동, 절연, 에너지 절감액 평가저하 등으로 더욱 인버터 적용에 어려움을 겪고 있다. 이러한 문제점을 극복하기 위해 다양한 종류의 멀티레벨 인버터가 개발되고 있다.In addition, the inverter is having difficulty in applying the inverter due to the harmonic effect of the bus, the deterioration of the motor due to the PWM voltage, the vibration, the insulation, and the devaluation of the energy savings. To overcome this problem, various kinds of multilevel inverters have been developed.

전압형 고압 대용량 인버터를 구성하기 위한 회로방식은 크게 스위칭 소자의 직렬연결에 의한 스위칭 소자의 고압화 방식과 멀티레벨 방식으로 나눌 수 있다. The circuit method for constructing a voltage-type high-voltage high-capacity inverter can be largely divided into a high-voltage method and a multilevel method of the switching device by series connection of the switching devices.

소자 직렬 방식은 여러 개의 저압 스위칭 소자를 시리즈로 연결하여 등가의 고압 스위칭 소자를 구성하는 방법으로 이 경우 회로 동작은 저압 2-level 인버터 와 동일하다.The device series method is to connect several low voltage switching elements in series to form an equivalent high voltage switching element. In this case, the circuit operation is the same as that of a low voltage two-level inverter.

멀티레벨 인버터 방식 중 가장 오래된 3레벨 NPC(Neutral Point Clamping) 멀티레벨 인버터는 다이오드를 통하여 스위칭 소자에 걸리는 전압을 클램프(clamp)하여 소자의 전압 분배가 일정하도록 하는 방식이다. The oldest three-level NPC (Nutral Point Clamping) multilevel inverter is a method of clamping a voltage applied to a switching device through a diode so that the voltage distribution of the device is constant.

인버터 출력전압을 증가시키려면 NPC 방식을 확장하여 멀티레벨로 구성하여야 하며 이 경우의 회로 구성은 한상당 여러 개의 스위치와 클램핑(clamping) 다이오드로 구성된다. 또한 직류링크도 여러 개의커패시터에 의한 전압 분배회로가 되어야 한다.In order to increase the inverter output voltage, it is necessary to extend the NPC method to configure multilevel, in which case the circuit configuration consists of several switches and clamping diodes per phase. The dc link should also be a voltage distribution circuit with multiple capacitors.

고압 대용량 인버터 토폴로지 주요특성 비교Comparison of key characteristics of high voltage large capacity inverter topology SC2L SC2L DCML DCML CCML CCML HBML HBML 전압 STEP Voltage STEP 1 One 많다 many 많다 many 매우 많다 Very many 출력 THD Output THD 크다 Big 작다 small 작다 small 매우 작다 Very small 제어 Control 간단 simple 복잡 complication 복잡 complication 복잡 complication Voltage balance of DC link Voltage balance of DC link Good Good DC link capacitor voltage balance DC link capacitor voltage balance Clamp capacitors voltage balance Clamp capacitors voltage balance 불필요 Unnecessary Filtering 요구 Filtering requirement High High Low Low Low Low Very low Very low 최대 전동기 전압 Max motor voltage 3.3kV (Filter-less) 6.6kV (Filter) 3.3kV (Filter-less) 6.6kV (Filter) 3.3kV (Filter-less) 4.2kV (Filter) 3.3kV (Filter-less) 4.2kV (Filter) 3.3kV (Filter-less) 4.2kV(Filter) 3.3kV (Filter-less) 4.2kV (Filter) 3.3kV (Filter-less) 6.6kV (Filter-less) 3.3 kV (Filter-less) 6.6 kV (Filter-less)

3레벨NPC 방식을 확장한 다이오드 클램핑(Diode Clamping) 멀티레벨 인버터로 회로를 구성할 경우 클램핑(clamping) 다이오드에 걸리는 전압 스트레스가 일정치 않고 직류단 커패시터의 전압 밸런스(balance) 문제가 용이하지 않다. Diode Clamping Expanding Three-Level NPC Method When a circuit is composed of a multi-level inverter, the voltage stress applied to the clamping diode is not constant and the voltage balance problem of the DC-stage capacitor is not easy.

이를 개선하기 위한 방식이 커패시터 클램핑(Capacitor Clamping) 멀티레벨 인버터이다. 이 방식은 커패시터에 의해 소자의 전압을 밸런싱(balancing)하는 방식으로 다이오드 클램프(Diode clamped) 방식의 문제점을 어느 정도 보완할 수 있다.One way to improve this is to use capacitor clamping multilevel inverters. This method compensates to some extent the problem of the diode clamped method by balancing the voltage of the device by a capacitor.

또 다른 멀티레벨 방식은 H-브릿지 멀티레벨 인버터로써 소자를 직렬 연결하는 대신에 단상 H-브릿지 인버터로 구성된 파워셀(Power Cell)을 직렬 연결하는 방식이다. Another multilevel method is an H-bridge multilevel inverter, in which a power cell composed of a single-phase H-bridge inverter is connected in series instead of an element in series.

이 경우 각 파워셀은 독립된 직류링크를 가지므로 별도의 클램핑 회로가 없이도 스위치에 일정 전압이 걸리게 된다. 그러나 각 파워셀의 직류링크는 절연되어야 한다.In this case, since each power cell has an independent DC link, a constant voltage is applied to the switch without a separate clamping circuit. However, the dc link of each power cell must be insulated.

표 1은 전동기 가변속 장치용 고압 대용량 인버터 토폴로지 주요특성(SC2L: Series Connected 2-Level, DCML: Diode Clamping Multi-Level, CCML: Capacitor Clamping Multi-Level, HBML: H-Bridge Multi-Level)이다.Table 1 shows the main characteristics of high-voltage large-capacity inverter topologies for motor variable speed devices (SC2L: Series Connected 2-Level, DCML: Diode Clamping Multi-Level, CCML: Capacitor Clamping Multi-Level, HBML: H-Bridge Multi-Level).

이러한 다양한 멀티레벨 인버터 중에서 입출력 품질 측면에서 가장 우수한 특성을 나타내는 전력 토폴로지는 저압 단상 인버터를 직렬연결하여 고전압을 얻을 수 있는 H-브릿지 멀티레벨 인버터이다.Among the various multilevel inverters, the power topology exhibiting the best characteristics in terms of input / output quality is an H-bridge multilevel inverter capable of obtaining a high voltage by connecting a low voltage single phase inverter in series.

H-브릿지 멀티레벨 인버터의 각 상은 직렬 접속된 여러 개의 파워셀로 구성된다. 각 파어셀은 독립된 단상 인버터 구조이며 여러 개의 파워셀을 직렬로 연결함으로써 저전압 파워셀, 즉 저전압 전력용 반도체를 사용하여 고전압을 얻을 수 있고, 또한 파워셀의 수에 따라 출력 전압레벨(level)의 수가 증가하여 정현파에 가까운 전압 파형을 얻을 수 있다. 전원 계통과 연결된 입력부는 2차측이 확장 델타 결선방법의 여러 개의탭을 갖는 변압기로 연결된다. 입력측 변압기는 두 가지의 용도로 사용된다.Each phase of the H-bridge multilevel inverter consists of several power cells connected in series. Each parcel has an independent single-phase inverter structure, and by connecting several power cells in series, a high voltage can be obtained using a low voltage power cell, that is, a low voltage power semiconductor, and according to the number of power cells, The number is increased to obtain a voltage waveform close to the sine wave. The input connected to the power system is connected to a transformer with multiple taps on the secondary side of the extended delta wiring method. The input transformer serves two purposes.

첫번째 용도는 H-브릿지 멀티레벨 인버터의 각 파워셀에 독립된 전원을 공급하기 위함이고, 두번째 용도는 2차측 탭간에 위상차를 두어 멀티 펄스(Multi-pulse) 방식의 정류기형 컨버터를 구성함으로써 기존의 6-pulse 정류 방식에 비하여 아주 낮은 입력단 THD(total harmonic distortion)를 얻기 위함이다. 일반적인 멀티레벨 방식의 인버터는 고정된 회로 방식이므로 다양한 전압에 대한 대응이 어렵다. 그러나 캐스케이드(Cascaded) 방식의 H-브릿지 멀티레벨 인버터는 파워셀 수를 조정함으로써 전압 레벨을 손쉽게 바꿀 수 있어 여러 종류의 전압에도 손쉽게 대응할 수 있는 장점을 가져 좀더 유연한 방식이라 할 수 있다. 또한 시스템이 동일한 파워셀의 조합이므로 고장시 파워셀 단위 교체가 가능하여 여유분의 파워셀만을 확보하면 되므로 여분 부품(Spare Part)에 대한 부담이 적다.The first application is to supply independent power to each power cell of the H-bridge multilevel inverter. The second application is to construct a multi-pulse rectifier type converter with a phase difference between secondary taps. This is to achieve a very low total harmonic distortion (THD) compared to the -pulse rectification method. In general, the multi-level inverter is a fixed circuit method, it is difficult to cope with various voltages. However, cascaded H-bridge multilevel inverters are more flexible because they can easily change voltage levels by adjusting the number of power cells. In addition, since the system is a combination of the same power cells, it is possible to replace the unit of power cells in case of failure, so that only a spare power cell needs to be secured, so there is less burden on the spare parts.

보호(Protection)는 파워셀 단위의 고장감시, 그리고 시스템 단위의 고장 감시 기능으로 분리하여 좀더 신뢰성 있고 유연한 고장 감시 및 진단 기능을 구현할 수 있다. 시스템이 정지되어서는 안 되는 중요 부하의 경우는 각 셀의 출력을 바이패스(by-pass)시킬 수 있는 보조 스위치를 장착함으로써 고장시 고장 수리 기간동안 시스템이 정지하지 않고 전압만을 낮추어 운전할 수 있도록 하는 정격감소 운전(De-Rating Operation)이 가능하다. 이러한 면에서 캐스케이드(Cascaded) 방식의 H-브릿지 멀티레벨 인버터는 우수한 전력 토폴로지라고 할 수 있다. Protection can be divided into power cell fault monitoring and system fault monitoring to provide more reliable and flexible fault monitoring and diagnostics. In the case of critical loads where the system should not be stopped, an auxiliary switch that can bypass the output of each cell is equipped so that the system can be operated by only lowering the voltage without stopping during the troubleshooting period. De-Rating Operation is possible. In this respect, a cascaded H-bridge multilevel inverter is an excellent power topology.

H-브릿지 멀티레벨 인버터의 구조적 특징과 입출력 특성을 요약하면 다음과 같다.The structural characteristics and input / output characteristics of the H-bridge multilevel inverter are as follows.

구조적 특징Structural features

- 독립적이고 절연된 디씨 링크(DC Link)를 갖는 단상 인버터의 직렬 연결Series connection of single-phase inverters with independent and isolated DC Links;

- 전력회로로 대한 완전한 모듈(Module)화 가능-Complete module for power circuit

- 저압의 아이지비티(IGBT)로 구성되기 때문에 경제적-Economical because it is composed of low pressure IGBT

- 모듈(Module) 단위로 설계되기 때문에 전압정격 증대가 용이함 -Easy to increase voltage rating because it is designed in module unit

(인버터 전압별 시리즈화 용이)(Easy to series by inverter voltage)

- 개별 파워셀 고장 발생시에도 운전 가능(De-Rating Operation)-Possible to operate even in case of individual power cell failure (De-Rating Operation)

입출력 특성I / O characteristics

- 개별 파워셀의 PWM 위상전이(Phase Shift)를 이용한 출력 멀티레벨화-Output multileveling using PWM phase shift of individual power cells

- 낮은 스위칭 주파수에서도 적은 출력 고조파Low output harmonics even at low switching frequencies

- 다중 펄스 변압기를 사용함으로 입력 티에이취디(THD)가 낮다.
(입력필터 필요 없음)
-Low input THD by using multiple pulse transformer.
(No input filter required)

- 전압 스텝(Step)이 여러 단계이므로 출력 THD가 낮다.
(출력필터 필요 없음)
-The output THD is low because the voltage step has several steps.
(No output filter required)

- 전압반사 영향이 작기 때문에 인버터와 전동기 사이의 거리가 멀어도 설치 가능-Due to the small effect of voltage reflection, it can be installed even if the distance between inverter and motor is long

이러한 멀티레벨 인버터의 PWM방법에는 도 1의 스페이스 벡터(Space Vector) PWM과 캐리어 베이스트(Carrier-based) PWM 등이 있으며, Carrier-based PWM에는 도 2의 펄스 디스포지션(Phase Disposition)(PD), 도 3의 펄스 어프포지션 디스포지션(Phase Opposition Disposition)(POD), 도 4의 알터네이티브 펄스 어프포지션 디스포지션(Alternative Phase Opposition Disposition)(APOD), 도 5의 펄스 쉬프트(Phase-Shifted)(PS) 방법이 있다. A PWM method of such a multilevel inverter includes a space vector PWM and a carrier-based PWM of FIG. 1, and a pulse disposition PD of FIG. 2 to a carrier-based PWM. , Pulse Opposition Disposition (POD) of FIG. 3, Alternate Phase Opposition Disposition (APOD) of FIG. 4, Pulse-Shifted (PS) of FIG. 5 There is a way.

다양한 멀티레벨 인버터의 PWM 중에서 Phase-Shifted Carrier-based PWM (PSCPWM)을 H-브릿지 멀티레벨 인버터에 적용하면 단상 인버터의 구조의 전력회로와 제어기의 모듈(Module)화 및 분산제어 가능하며 구현이 단순해지는 장점이 있다. Applying Phase-Shifted Carrier-based PWM (PSCPWM) to H-bridge multilevel inverter among PWM of various multilevel inverter enables modularization and distributed control of power circuit and controller of single-phase inverter and simple implementation There is an advantage to being terminated.

하지만 PSCPWM 기법을 전동기 벡터제어에 적용시킬 경우 제어기의 출력전압 기준값과 실제 인버터의 출력전압은 위상 차이가 발생하여 피드백(Feedback) 제어시 어려움이 발생하는 문제점이 있었다.However, when the PSCPWM technique is applied to the motor vector control, there is a problem in that feedback control occurs because a phase difference occurs between the output voltage reference value of the controller and the actual output voltage of the inverter.

따라서, 상기 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 인버터 파워셀과 인버터 출력전압의 위상지연을 검출하고, 그 위상오차를 보상하는 함수를 전류제어기 출력에 곱하여 전류제어기의 위상지연에 의한 불안정 요인이 제거되도록 하므로서, 멀티레벨 인버터의 제어기를 분산화, 모듈화 시킬 수 있도록 한 H-브릿지 멀티레벨 인버터를 이용한 전동기 피드백 제어방법을 제공함을 목적으로 한다.Accordingly, the present invention for solving the above problems is to detect the phase delay of the inverter power cell and the inverter output voltage, and multiply the current controller output by a function that compensates for the phase error so that the instability caused by the phase delay of the current controller is eliminated. Accordingly, an object of the present invention is to provide a motor feedback control method using an H-bridge multilevel inverter, which makes it possible to decentralize and modularize a controller of a multilevel inverter.

이하, 첨부된 도면 도 6 내지 도 9 를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시를 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings, FIGS. 6 to 9.

도 6 은 H-브릿지 인버터를 나타내는 것으로서, 전동기모터의 각 상에 다이오드, 콘덴서 및 IGBT로 이루어진 복수개의 파워셀(Power Cell)이 직렬 연결된 구조이다.FIG. 6 illustrates an H-bridge inverter, in which a plurality of power cells consisting of a diode, a capacitor, and an IGBT are connected in series to each motor motor.

Phase-Shifted Carrier-based PWM(PSCPWM) 방법은 많은 장점을 가지고 있으나 이러한 PWM 기법을 벡터 제어에 적용시킬 경우 제어기의 출력전압 기준값과 실제 인버터의 출력전압은 위상 차이가 발생하여 피드백 제어시 어려움이 발생한다. 수학식1,2는 PSCPWM 적용시 H-브릿지 멀티레벨 인버터 및 파워셀의 출력전압의 위상지연을 나타낸다.Phase-Shifted Carrier-based PWM (PSCPWM) method has many advantages, but when this PWM method is applied to vector control, phase difference occurs between output voltage reference value of controller and actual inverter output voltage. do. Equations 1 and 2 represent phase delays of the output voltages of the H-bridge multilevel inverter and the power cell when the PSCPWM is applied.

Figure 112005076362339-pat00001
Figure 112005076362339-pat00001

Figure 112005076362339-pat00002
Figure 112005076362339-pat00002

여기서,

Figure 112007018058980-pat00003
는 H-브릿지 멀티레벨 인버터 각 상의 파워셀 출력전압,
Figure 112007018058980-pat00004
는 출력전압 기준값,
Figure 112007018058980-pat00005
는 파워셀의 번호,
Figure 112007018058980-pat00006
은 1상당 직렬로 연결된 파워셀의 총 갯수,
Figure 112007018058980-pat00007
는 PWM 샘플링 시간을 의미한다.here,
Figure 112007018058980-pat00003
Is the power cell output voltage of each phase of the H-bridge multilevel inverter,
Figure 112007018058980-pat00004
Is the output voltage reference value,
Figure 112007018058980-pat00005
Is the number of the power cell,
Figure 112007018058980-pat00006
Is the total number of power cells connected in series per phase,
Figure 112007018058980-pat00007
Means PWM sampling time.

상기의 수식에 의하면 각 상의 첫번째 파워셀은은 위상지연이 없지만 두번째 파워셀부터 샘플링 시간

Figure 112007018058980-pat00008
에 비례하여 위상지연이 증가하는 현상이 발생한다.According to the above formula, the first power cell of each phase has no phase delay but the sampling time from the second power cell.
Figure 112007018058980-pat00008
The phase delay increases in proportion to.

파워셀 출력전압 위상지연은 수학식3, H-브릿지 멀티레벨 인버터 출력전압의 위상지연은 수학식4로 표현된다.The phase delay of the power cell output voltage phase delay is represented by equation (3), and the phase delay of the H-bridge multilevel inverter output voltage is expressed by equation (4).

Figure 112005076362339-pat00009
Figure 112005076362339-pat00009

Figure 112005076362339-pat00010
Figure 112005076362339-pat00010

PSCPWM에서 H-브릿지 멀티레벨 인버터의 출력 전압 기준값은 위상지연이 없지만 각 파워셀 캐리어의 위상전이에 의해 개별 파워셀과 H-브릿지 멀티레벨 인버터의 출력 전압은 실제적으로 위상이 지연된 형태로 나타난다.In PSCPWM, the output voltage reference value of the H-bridge multilevel inverter has no phase delay, but the output voltages of the individual power cells and the H-bridge multilevel inverter actually appear in phase delay form due to the phase shift of each power cell carrier.

출력전압 기준값보다 실제 H-브릿지 멀티레벨 인버터의 출력전압에서 지연시간이 발생하는 것은 V/F 운전과 같은 오픈 루프(Open-loop) 제어시 큰 문제가 발생하지 않지만, 닫힘 루프(Close-loop) 제어에서는 동기 좌표계의 전류 제어기의 제어 특성이 나빠진다.Delay time at the output voltage of the actual H-bridge multi-level inverter than the output voltage reference value does not cause a big problem in open-loop control such as V / F operation, but it is closed-loop In the control, the control characteristic of the current controller of the synchronous coordinate system becomes worse.

동기 좌표계 전류 제어기의 경우 이 지연 시간 동안기준 좌표축이 이동하게 되고, 이를 고려하지 않을 경우 출력전압의 위상에 오차가 발생한다. 이러한 오차는 출력 주파수에 대한 샘플링 주파수의 비가 충분히 큰경우에는 무시될 수 있으나, 그렇지 않은 경우 지연시간 동안의 기준 좌표계의 이동으로 인하여 제어 시스템이 불안정하게 된다. 도 7은 13레벨 구성된 H-브릿지 멀티레벨 인버터(도6참조)에 PSCPWM을 적용하였을 경우 출력전압의 위상 지연을 설명하고 있다.In the case of the synchronous coordinate system current controller, the reference coordinate axis moves during this delay time. If this is not considered, an error occurs in the phase of the output voltage. This error can be ignored if the ratio of the sampling frequency to the output frequency is large enough, otherwise the control system becomes unstable due to the movement of the reference coordinate system during the delay time. FIG. 7 illustrates the phase delay of the output voltage when PSCPWM is applied to a 13-level H-bridge multilevel inverter (see FIG. 6).

H-브릿지 멀티레벨 인버터 출력 전압의 기준값은 파워셀 A1, A2, A3, A4, A5, A6에 동일하게 적용되지만 파워셀의 반송파(Carrier) 위상이

Figure 112007018058980-pat00011
전이 되어 있으므로 파워셀의 출력전압 위상이
Figure 112007018058980-pat00012
씩 지연되는 형태로 나타난다. H-브릿지 멀티레벨 인버터 출력전압은 파워셀 출력전압의 합성이므로, 파워셀 출력전압의 위상지연은 결국 H-브릿지 멀티레벨 인버터 출력전압의 위상지연을 만들게 된다.The reference value of the H-bridge multilevel inverter output voltage applies equally to the power cells A1, A2, A3, A4, A5, and A6, but the carrier phase of the power cell is
Figure 112007018058980-pat00011
Because of the transition, the output voltage phase of the power cell
Figure 112007018058980-pat00012
It appears in the form of a delay. Since the H-bridge multilevel inverter output voltage is a composite of the power cell output voltages, the phase delay of the power cell output voltage eventually results in a phase delay of the H-bridge multilevel inverter output voltage.

Figure 112005076362339-pat00013
Figure 112005076362339-pat00013

상기의 수학식5는 A상에 직렬연결된 파워 갯수 N이 6이고 샘플링 시간

Figure 112007018058980-pat00014
가 1000㎲ 일 경우, 첫번째 파워셀
Figure 112007018058980-pat00015
부터 여섯 번째 파워셀
Figure 112007018058980-pat00016
까지의 출력전압의 위상지연 시간을 계산한 것이다.Equation (5) is that the number of power connected in series N on A is 6 and the sampling time is
Figure 112007018058980-pat00014
Is 1000㎲, the first power cell
Figure 112007018058980-pat00015
Sixth power cell
Figure 112007018058980-pat00016
The phase delay time of the output voltage up to is calculated.

Figure 112005076362339-pat00017
Figure 112005076362339-pat00017

상기의 수학식6은 파워셀 출력전압의 위상지연에 의한 H-브릿지 멀티레벨 인버터 출력전압의 위상지연을 계산한 것이다.Equation 6 above calculates the phase delay of the H-bridge multilevel inverter output voltage due to the phase delay of the power cell output voltage.

이러한 출력전압의 위상지연은 V/F와 같은 Open-loop 제어에서는 문제가 되지 않지만 벡터제어와 같은 Close-loop 제어에서 출력 전압의 위상지연은 전류제어를 어렵게 하는 원인이 된다.The phase delay of the output voltage is not a problem in the open-loop control such as V / F, but the phase delay of the output voltage in the closed-loop control such as the vector control causes the current control to be difficult.

도 8은 H-브릿지 멀티레벨 인버터를 이용한 유도전동기 벡터 제어시 출력전압 위상지연 보상을 나타낸다.8 illustrates output voltage phase delay compensation in induction motor vector control using an H-bridge multilevel inverter.

H-브릿지 멀티레벨 인버터의 출력전압 위상지연(식(4))에 의한 위상 오차를 보상하는 함수(수학식11)를 전류제어기(수학식10) 출력에 곱하여 계산함(수학식12)으로써 전류제어기(Current controller)의 불안정 요인을 제거하였다(수학식13).The current is calculated by multiplying the output of the current controller (Equation 10) by a function (Equation 11) that compensates for the phase error caused by the output voltage phase delay (Equation (4)) of the H-bridge multilevel inverter (Equation 12). The instability of the controller (Current controller) was eliminated (Equation 13).

이러한 출력전압의 지연은 출력주파수에 대한 샘플링 주파수의 비가 충분히 큰 경우에는 무시될 수 있으나, 고전압 대용량의 H-브릿지 멀티레벨 인버터일 경우 스위칭 주파수의 제한으로 인해 샘플링 주파수가 낮아 출력전압의 위상지연 동안의 기준좌표계의 이동으로 인하여 전동기 속도 증가에 따라 전류제어기가 불안정하게 되는 요인이 된다.This delay of the output voltage can be ignored if the ratio of the sampling frequency to the output frequency is large enough.However, in the case of high-voltage, high-capacity H-bridge multilevel inverters, the sampling frequency is low due to the switching frequency limitation. The current controller becomes unstable as the motor speed increases due to the movement of the reference coordinate system.

Figure 112005076362339-pat00018
Figure 112005076362339-pat00018

Figure 112005076362339-pat00019
Figure 112005076362339-pat00019

Figure 112005076362339-pat00020
Figure 112005076362339-pat00020

간접벡터 제어시 H-브릿지 멀티레벨 인버터 출력전류 Ias, Ibs, Ics를 동기 DQ 좌표계 Idse, Iqse 로 변환하는 과정은 수학식7,8,9로 표현된다.The process of converting the H-bridge multilevel inverter output currents Ias, Ibs, and Ics into the synchronous DQ coordinate system Idse and Iqse during indirect vector control is represented by Equations 7, 8 and 9.

Figure 112005076362339-pat00021
Figure 112005076362339-pat00021

Figure 112005076362339-pat00022
Figure 112005076362339-pat00022

Figure 112005076362339-pat00023
Figure 112005076362339-pat00023

Figure 112005076362339-pat00024
Figure 112005076362339-pat00024

전류제어기의 출력은 동기좌표계 Vdse, Vqse 로 표현되며, 회전자 자속의 위치정보 수학식8을 사용하여 수학식10에 의해 정지좌표계 Vdss*, Vqss*로 변환이 가능하다.The output of the current controller is represented by the synchronous coordinate system Vdse, Vqse, and can be converted into the static coordinate system Vdss *, Vqss * by Equation 10 using the position information Equation 8 of the rotor flux.

하지만 H-브릿지 멀티레벨 인버터에 PSCPWM을 적용할 경우 개별 파워셀과 H-브릿지 멀티레벨 인버터 출력전압에 위상지연 발생하며, 지연 각속도는 수학식11과 같이 구할 수 있다.However, when PSCPWM is applied to the H-bridge multilevel inverter, phase delay occurs in the output voltages of the individual power cells and the H-bridge multilevel inverter, and the delay angular velocity can be obtained as shown in Equation (11).

여기서, N은 파워셀 레이어 넘버(Power Cell Layer Number), Ts는 전류제어기의 샘플링 시간 그리고 We는 전동기 동기 각속도이다.Where N is the power cell layer number, Ts is the sampling time of the current controller, and We is the synchronous angular velocity of the motor.

출력전압의 위상지연은 전류제어기 샘플링 시간 Ts과 전동기 속도에 비례하여 증가한다.The phase delay of the output voltage increases in proportion to the current controller sampling time Ts and the motor speed.

따라서 전류제어기샘플링 시간이 크고, 전동기 속도가 증가할수록 출력전압의 위상지연이 증가하여 전류제어기가 불안정하게 동작한다.Therefore, as the current controller sampling time increases and the motor speed increases, the phase delay of the output voltage increases so that the current controller operates unstablely.

상기 수학식12로부터 정지 DQ 좌표계에서 출력 전압의 위상보상이 가능하며, 정지 abc좌표계의 전압 기준값을 수학식13과 같이 구할 수 있다.Phase compensation of the output voltage is possible in the stationary DQ coordinate system from Equation 12, and the voltage reference value of the stationary abc coordinate system can be obtained as in Equation 13.

도 9의 a,b는 고전압 전동기 가변속 장치인 H-브릿지 멀티레벨 인버터를 이용한 유도전동기 벡터제어시 전류제어기의 위상지연 보상항(Time Delay Compensation)을 적용한 경우의 전체 시스템 구성도이다.9A and 9B are diagrams showing the overall system configuration when the time delay compensation term of the current controller is applied to the induction motor vector control using the H-bridge multilevel inverter, which is a high-voltage motor variable speed device.

H-브릿지 멀티레벨 인버터는 한 상당 6개의 파워셀이 직렬연결되어 있으며, 3상으로 구성되어 있다. In the H-bridge multilevel inverter, six equivalent power cells are connected in series and are configured in three phases.

도 8의 제어기능은 도 9b의 메인컨트롤러(Main Controller)에서 수행되며, 전압 오프셋 제너레이션(Voltage Offset Generation)블록, CAN(Controller Area Network), 그리고 광케이블을 통해 도 9a의 파워셀(A1-A6, B1-B6, C1-C6)에 전달된다.The control function of FIG. 8 is performed in the main controller of FIG. 9B, and the power cells A1-A6 of FIG. 9A through a voltage offset generation block, a controller area network, and an optical cable. B1-B6, C1-C6).

이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 H-브릿지 멀티레벨 인버터를 이용한 유도전동기 벡터제어시 전류제어기의 위상지연 현상과 보상방법을 기술하였다. H-브릿지 멀티레벨 인버터의 제어기를 분산화, 모듈화 시킬 수 있으며 구현이 단순하다는 장점를 가진 Phase-Shifted Carrier-based PWM(PSCPWM)를 적용시, 제어기의 출력전압 기준값과 실제 H-브릿지 멀티레벨 인버터의 출력전압은 위상 차이가 발생하여 피드백 제어가 불안정한다.As described in detail above, the present invention has described a phase delay phenomenon and a compensation method of a current controller in an induction motor vector control using an H-bridge multilevel inverter. When applying the phase-shifted carrier-based PWM (PSCPWM) which has the advantage of decentralizing and modularizing the controller of the H-bridge multi-level inverter and simplicity of implementation, the output voltage reference value of the controller and the output of the actual H-bridge multi-level inverter The voltage is out of phase and the feedback control is unstable.

이러한 것의 원인과 해결안을 제시하였다. 본 발명의 결과는 1) PSCPWM를 이용한 H-브릿지 멀티레벨 인버터의 출력전압 위상지연 해석 2) H-브릿지 멀티레벨 인버터를 이용한 유도전동기 벡터제어시 전류제어기 불안정 문제 해결이다.The causes and solutions of these are presented. The results of the present invention are 1) output voltage phase delay analysis of H-bridge multilevel inverter using PSCPWM 2) current controller instability problem in induction motor vector control using H-bridge multilevel inverter.

본 방법은 H-브릿지 멀티레벨 인버터의 스위칭 주파수가 시간이 낮고, 전동기 속도가 높은 조건에서 PSCPWM을 이용한 H-브릿지 멀티레벨 인버터 시스템에 효과적이다.This method is effective for the H-bridge multilevel inverter system using PSCPWM under the condition that the switching frequency of the H-bridge multilevel inverter is low in time and the motor speed is high.

Claims (4)

한 상당 6개의 파워셀(A1~A6,B1~B6,C1~C6)이 직렬 연결되어 있는 H-브릿지 멀티레벨 인버터를 이용한 전동기 피드백 제어방법에 있어서,In a motor feedback control method using an H-bridge multilevel inverter in which six equivalent power cells (A1 to A6, B1 to B6, and C1 to C6) are connected in series, 상기 파워셀과 H-브릿지 멀티레벨 인버터의 출력전압 위상 지연을 각각 검출하고, 그 위상 지연에 따른 오차를 보상하는 함수를 전류제어기 출력에 곱하여 정지 DQ 좌표계에서 출력전압의 위상 보상이 가능해지도록 하여 전류제어기의 불안정 요인이 제거되도록 한 것을 특징으로 하는 에이치-브릿지 멀티레벨 인버터를 이용한 전동기 피드백 제어방법.The output voltage phase delays of the power cells and the H-bridge multilevel inverters are respectively detected, and the current controller output is multiplied by a function for compensating for the error caused by the phase delays to enable phase compensation of the output voltage in the stationary DQ coordinate system. A motor feedback control method using an H-bridge multilevel inverter characterized in that the instability factor of the controller is eliminated. 제 1 항에 있어서, 상기 파워셀의 위상지연은
Figure 112007018058980-pat00025
의 수식에 의해 계산되고,
The method of claim 1, wherein the phase delay of the power cell
Figure 112007018058980-pat00025
Is calculated by the formula
H-브릿지 멀티레벨 인버터 출력전압의 위상지연은
Figure 112007018058980-pat00026
에 의해 계산되며,
The phase delay of the H-bridge multilevel inverter output voltage
Figure 112007018058980-pat00026
Is calculated by
단,
Figure 112007018058980-pat00027
는 H-브릿지 멀티레벨 인버터 각 상의 파워셀 출력전압,
Figure 112007018058980-pat00028
는 출력전압 기준값,
Figure 112007018058980-pat00029
는 파워셀의 번호,
Figure 112007018058980-pat00030
은 1상당 직렬로 연결된 파워셀의 총 갯수,
Figure 112007018058980-pat00031
는 PWM 샘플링 시간을 의미하는 것을 특징으로 하는 에이치-브릿지 멀티레벨 인버터를 이용한 전동기 피드백 제어방법.
only,
Figure 112007018058980-pat00027
Is the power cell output voltage of each phase of the H-bridge multilevel inverter,
Figure 112007018058980-pat00028
Is the output voltage reference value,
Figure 112007018058980-pat00029
Is the number of the power cell,
Figure 112007018058980-pat00030
Is the total number of power cells connected in series per phase,
Figure 112007018058980-pat00031
Motor feedback control method using an H-bridge multi-level inverter, characterized in that the PWM sampling time.
제 1 항에 있어서, 위상오차를 보상하는 함수는
Figure 112007018058980-pat00032
에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 에이치-브릿지 멀티레벨 인버터를 이용한 전동기 피드백 제어방법.
The method of claim 1, wherein the function of compensating for the phase error is
Figure 112007018058980-pat00032
Motor feedback control method using an H-bridge multi-level inverter, characterized in that calculated by.
제 1 항에 있어서, 정지 DQ 좌표계에서 출력전압의 위상 보상은The method of claim 1, wherein the phase compensation of the output voltage in the stationary DQ coordinate system
Figure 112007018058980-pat00033
에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 에이치-브릿지 멀티레벨 인버터를 이용한 전동기 피드백 제어방법.
Figure 112007018058980-pat00033
Motor feedback control method using an H-bridge multi-level inverter, characterized in that calculated by.
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