KR100786696B1 - 직렬통신을 이용한 ｈ-브릿지 인버터 시스템 - Google Patents

직렬통신을 이용한 ｈ-브릿지 인버터 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 주제어기와 보조제어기인 셀제어기 간에 직렬통신 방식의 CAN 통신을 이용하여 데이터 통신을 수행함으로써 주제어기와 셀제어기 사이의 신호선을 단순화하고, 전체 시스템의 모듈화가 가능할 수 있도록 한 직렬통신을 이용한 H-브릿지 인버터 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따른 직렬통신을 이용한 H-브릿지 인버터 시스템은, 전동기의 가속 및 변속을 제어하기 위한 제어기를 내장하며, 이에 필요한 전압/전류값을 계산하는 주제어기(Master Controller)와; 각 파워 셀(Power Cell)마다 위치하여 상기 주제어기의 제어신호에 따라 필요한 PWM 전압제어 및 위상제어를 수행하며, 게이팅(Gating) 신호발생과 셀 단위의 감시 및 보호 기능을 수행하는 셀제어기(Cell Controller); 및 상기 주제어기와 셀제어기 사이에 직렬통신(Serial Communication)에 의한 전압 기준값, 고장신호 등의 데이터 통신을 수행하는 연결수단이 구비된다.
H-브릿지 인버터, 주제어기, 셀제어기, 파워 셀, 직렬통신, CAN, 광케이블

Description

직렬통신을 이용한 Ｈ-브릿지 인버터 시스템{H-bridge inverter system using serial communication}
도 1은 6레이어 18개 파워 셀로 구성된 기본 경제형 H-브릿지 인버터를 도시한 도면.
도 2는 6레이어 18개 파워 셀로 구성된 고급 회생형 H-브릿지 인버터를 도시한 도면.
도 3은 본 발명에 따른 H-브릿지 인버터 시스템의 블록 구성도.
도 4는 도 3의 셀제어기의 블록 구성도.
도 5는 도 3의 H-브릿지 인버터의 파워 셀 구성도.
도 6은 본 발명에 따른 직렬통신을 이용한 파워 셀 위상제어를 설명하는 블록 구성도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 주제어기 12 : 가변속 제어기
20 : 셀제어기 30 : 연결수단
40 : 파워 셀 42 : 바이패스 스위치
본 발명은 파워 셀의 위상제어를 위한 H-브릿지 인버터(Inverter) 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 시스템의 제어기를 주제어기와 셀제어기로 구성하고, 주제어기와 셀제어기 간에 직렬통신을 이용한 데이터 통신이 가능할 수 있도록 한 직렬통신을 이용한 H-브릿지 인버터 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 H-브릿지 인버터 시스템(H-bridge Inverter System)의 각 상(Phase)은 직렬 접속된 여러 개의 셀(Cell)로 구성된다.
상기 각 셀은 독립된 단상 인버터 구조이며 여러 개의 셀을 직렬로 연결함으로써 저전압 셀, 즉 저전압 전력용 반도체를 사용하여 고전압을 얻을 수 있고, 또한, 셀의 수에 따라 출력 전압 레벨(Level)의 수가 증가하여 정현파에 가까운 전압 파형을 얻을 수 있다. 전원계통과 연결된 입력부는 2차측이 지그재그 또는 확장 델타 결선방법의 여러 개의 탭을 갖는 변압기로 연결된다.
이때, 입력측 변압기는 두 가지의 용도로 사용되는데, 첫번째 용도는 H-브릿지 인버터의 각 셀에 독립된 전원을 공급하기 위함이고, 두번째 용도는 2차측 탭 간에 위상차를 두어 멀티-펄스(Multi-pulse) 방식의 정류기형 컨버터를 구성함으로써 기종의 6-펄스 정류 방식에 비하여 아주 낮은 입력단 THD(Total Harmonic Distortion)를 얻기 위함이다.
상기 인버터의 최종 출력 전압은 셀 수를 조정함으로써 대응이 가능한데, 셀은 기본 경제형 셀과 고급 회생형 셀의 두 가지 종류로 구분된다.
도 1은 6레이어 18개 파워 셀로 구성된 기본 경제형 H-브릿지 인버터를 도시 한 도면이고, 도 2는 6레이어 18개 파워 셀로 구성된 고급 회생형 H-브릿지 인버터를 도시한 도면이다.
상기 기본 경제형 셀은 도 1에 도시된 바와 같이 출력단은 IGBT로 구성된 단상 펄스폭변조(PWM: Pulse Width Modulation; 이하, PWM이라 한다.) H-브릿지 인버터이고, 입력단은 3상 다이오드 정류기로 구성된 셀을 기본형 셀로 한다. 대부분 고압 대용량 전동기는 펌프나 팬, 블로어 등의 에너지 절약효과가 큰 응용분야에 사용되며, 회생 에너지가 적어 다이오드 정류기가 경제적이다. 상기 다이오드 정류기를 사용할 경우 신뢰성이 높고 효율이 좋은 장점도 아울러 지닌다.
한편, 상기 고급 회생형 셀은 급 가감속이 필요한 부하의 경우 회생에너지를 전원측으로 반환하여야 하는데, 이를 위하여 입력 컨버터부를 IGBT를 이용한 3상 PWM 컨버터로 구성한다.
전체 구성은 도 2에 도시된 바와 같으며, 전류제어를 위한 리액터가 컨버터에 연결되고, 스위칭에 의한 EMI 노이즈가 전원계통에 유입되는 것을 방지하기 위한 노이즈 필터를 부착하며, 입력변압기는 기본 경제형과 달리 입력부의 PWM 컨버터가 위상제어를 함으로 변압기 2차측 사이에 위상차를 두지 않는다. 가격이 경제형 셀에 비하여 높음으로 전원 회생이 필요한 특수 용도에 응용한다.
일반적인 멀티-레벨(Multi-level) 방식의 인버터는 고정된 회로 방식임으로 다른 인버터 출력전압 레벨에 대한 응용이 어렵다.
그러나, 캐스캐이드(Cascaded) 방식의 H-브릿지 인버터는 셀 수를 조정함으로써 전압 레벨을 손쉽게 바꿀 수 있어 여러 종류의 전압에도 손쉽게 대응할 수 있 는 장점을 가져 좀 더 유연한 방식이라 할 수 있다.
또한, 시스템이 동일한 셀의 조합임으로 고장시 셀 단위 교체가 가능하여 평균 고장 수리시간을 수 분 이내로 짧게 할 수 있고, 여유분의 셀만을 확보하면 됨으로 수리부분(Spare Part)에 대한 부담이 적다.
그리고, 프로텍션(Protection)은 셀 단위의 고장감시 및 시스템 단위의 고장 감시 기능으로 분리하여 좀 더 신뢰성 있고 유연한 고장 감시 및 진단 기능을 구현한다. 시스템이 정지되어서는 안되는 중요한 부하의 경우는 각 셀의 출력을 바이패스(Bypass)시킬 수 있는 보조스위치를 장착함으로써 고장시 수리 기간동안 시스템이 정지하지 않고 전압 만을 낮추어 운전되도록 하는 것이 가능하다.
인버터 전압 사양이 변경될 경우, Diode Clamped나 Flying Capacitor 방식을 사용한 멀티-레벨 인버터는 전력소자를 바꾸어 설계해야 하나, 고압 소자의 경우 종류가 제한되어 있어 이에 대한 대응이 용이하지 않고 경우에 따라서는 시스템 전체를 재설계해야 한다. 반면, 캐스캐이드 H-브릿지 방식은 셀 수를 조정함으로써 전압 사양 변경에 대한 대응이 용이하다.
또한, 용량 즉, 전류의 변경이 요구될 경우, 멀티-레벨 인버터는 전류 용량이 다른 소자를 사용하여 회로를 변경해야 하는데, 스위칭 소자가 고압인 경우 종류가 제한되어 있어 전류 용량 변경이 용이하지 않다. 그러나, 캐스캐이드 방식의 H-브릿지 인버터는 소자 전압이 낮아질수록 범용성을 가짐으로 다양한 전류 정격의 소자들이 있고, 또한 이를 생산하는 반도체 메이커도 다양하여 용량 변경에 대응하기가 용이하다. 이러한 면에서 캐스캐이드 방식의 H-브릿지 인버터는 유리한 파워 토폴로지(Power Topology)라 할 수 있다.
이러한 파워 토폴로지를 H-브릿지 인버터로 할 경우 제어기는 집중제어와 분산제어 두 가지 방식으로 구성할 수 있다.
첫번째, 집중제어 방식은 각 인버터 셀에는 게이팅 앰프(Gating Amp)와 일부 보호회로 만이 내장되고 모든 제어회로와 제어동작을 주제어기에서 수행한다. 따라서, 전체 시스템의 제어와 감시를 집중해서 수행하므로 일괄 제어가 간편하고, 데이터 처리나 시퀀스(Sequence) 처리 등이 간단한 장점이 있다.
반면에 주제어기의 부담이 커지고, 주제어기에서 게이팅 신호를 보내야 하므로 최소 4가닥 이상의 신호선이 연결되어야 함으로 전체 신호선의 갯수가 많아지는 문제점이 있다.
두번째, 분산제어 방식은 각각의 셀마다 보조제어기가 설치되어 게이팅 신호를 만들어 내거나 셀 단위의 보호동작을 수행한다. 따라서, 셀과 주제어기 사이에는 전압/전류 기준값, 고장신호 등의 데이터 교환만 이루어짐으로 신호선이 간단하고, 주제어기의 부담이 줄어드는 장점이 있다. 또한, 셀 단위의 보호동작이 용이하므로 전체 시스템의 신뢰성을 높일 수 있으며 모듈화라는 면에 있어서 유리한 구조이다.
그러나, H-브릿지 인버터를 상술한 바와 같은 분산제어 방식으로 구성시 제어기를 종래 기술로 사용할 경우 주제어기에서 게이팅 신호를 보내야 하므로 주제어기와 보조제어기 사이에 신호선이 많아지고, 주제어기에서 위상지연 및 게이팅 신호를 발생하기 위한 회로가 복잡하며 기준값에 대한 신뢰성이 낮고 모듈화가 용 이하지 않다는 문제점이 있다.
이에, 본 발명의 목적은 주제어기와 보조제어기인 셀제어기 간에 직렬통신 방식을 사용함으로써 주제어기와 셀제어기 사이의 신호선을 단순화하고, 전체 시스템의 모듈화가 가능할 수 있도록 한 직렬통신을 이용한 H-브릿지 인버터 시스템을 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 직렬통신을 이용한 H-브릿지 인버터 시스템은, 전동기의 가속 및 변속을 제어하기 위한 제어기를 내장하며, 이에 필요한 전압/전류값을 계산하는 주제어기(Master Controller)와; 각 파워 셀(Power Cell)마다 위치하여 상기 주제어기의 제어신호에 따라 필요한 PWM 전압제어 및 위상제어를 수행하며, 게이팅(Gating) 신호발생과 셀 단위의 감시 및 보호 기능을 수행하는 셀제어기(Cell Controller); 및 상기 주제어기와 셀제어기 사이에 직렬통신(Serial Communication)에 의한 전압 기준값, 고장신호 등의 데이터 통신을 수행하는 연결수단이 구비된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명하고자 한다.
도 3은 본 발명에 따른 H-브릿지 인버터 시스템의 블록 구성도이다.
도 3을 참조하여 설명하면, 본 발명에 따른 H-브릿지 인버터 시스템의 제어기는 주제어기(Master Controller)(10)와 셀제어기(Cell Controller)(20)의 두 가지로 구성된다.
상기 주제어기(10)는 전동기의 가속 및 변속을 제어하기 위한 가변속 제어기(12)를 내장하며, 이에 필요한 전압값 및 전류값을 계산한다. 또한, 전체 인버터 시스템의 감시(Monitering), 진단(Diagnostic) 및 보호(Protection) 기능을 수행하는 한편, MMI, 파워 셀과의 통신(Communication)과 기타 보조기능을 수행한다.
상기 셀제어기(20)는 각 파워 셀(Power Cell) 마다 위치하며, 상기 주제어기(10)의 제어신호에 따라 필요한 PWM 전압제어 및 위상제어를 수행한다. 또한, 게이팅(Gating) 신호발생과 각각의 셀 단위의 감시 및 보호 기능을 수행한다.
상기 주제어기(10)와 셀제어기(20) 사이에는 직렬통신(Serial Communication)에 의한 전압 기준값, 고장신호 등의 데이터 통신을 수행하는 연결수단(30)이 구비된다.
이때, 상기 연결수단(30)은 CAN(Controller Area Network) 통신이 가능한 광 케이블(Optical Cable)로 이루어진 고속 링크(Link)로 연결되며 직렬통신을 이용하여 데이터(data)를 주고 받는다.
상기 주제어기(10)는 고기능 DSP(Digital Signal Processing)와 주변회로로 구성되며, 상기 셀제어기(20)는 주변회로 기능이 포함된 원칩(One-Chip) DSP로 구성된다.
상기 주제어기(10)와 셀제어기(20) 사이의 통신은 CAN 통신을 이용하는데, 이들 사이의 데이터 통신에 있어서 송신주기 및 송신내용은 [표 1]에 도시된 바와 같다.
주제어기 셀제어기
송신주기 (Interval) 샘플링 타임(Sampling Time) 샘플링 타임 ×N
송신내용 시퀀스(기동,정지)(Sequence(Run,Stop)) 전압 기준값(Voltage Reference) 샘플링 타임(Sampling Time) 한 상당 파워 셀의 갯수 고장난 파워 셀의 갯수 고장난 파워 셀의 위치 파워 셀의 송신요구 파워 셀의 위치 수신데이터의 이상 유무 파워 셀의 고장 DC 링크 전압(DC Link Voltage)
[표 1]을 참조하여 설명하면, 상기 주제어기(10)에서 셀제어기(20)로의 송신에 있어서 송신주기는 샘플링 타임(Sampling Time)이고, 송신내용은 파워 셀의 기동(Run), 정지(Stop), 출력전압 기준값(Voltage Reference), 샘플링 타임, 한 상(Phase)당 파워 셀의 갯수, 파워 셀의 고장시 고장난 파워 셀의 갯수 및 위치, 그리고 개별 파워 셀의 송신요구 등으로 구성된다.
한편, 상기 셀제어기(20)에서 주제어기(10)로의 송신에 있어서 송신주기는 샘플링 타임에 각 상당 셀의 갯수(N)를 곱한 값이고, 송신내용은 개별 파워 셀의 위치, 수신데이터의 이상 유·무, 파워 셀의 고장, 그리고 DC 링크(Link) 전압 등으로 구성된다.
도 4는 도 3의 셀제어기의 블록 구성도로써, 상기 셀제어기(20)는 키패드(Key-Pad)와 디스플레이 장치(60)(70)를 이용하여 셀의 위치정보 및 이상 유·무를 입력 및 확인할 수 있으며, CAN을 이용한 직렬통신을 통해 전압 기준값을 주제어기(10)로부터 받아서 게이팅 신호를 발생하여 후술되는 파워 셀(40)을 구동시킨다.
또한, 상기 셀제어기(20)는 시스템 보호 및 PWM 제어를 위해 파워 셀(40)의 DC 링크 전압을 센싱하며, 상기 파워 셀(40)의 고장시 바이패스(Bypass) 스위치를 동작시켜 파워 셀(40)의 고장시에도 시스템이 정지하고 않고 운전될 수 있도록 제어한다.
도 5는 도 3의 H-브릿지 인버터의 파워 셀 구성도로써, 상기 파워 셀(40)은 그 입력은 3상 다이오드 정류기이고, 출력은 IGBT로 구성된 단상 PWM 인버터이며, 각 셀의 출력을 바이패스(Bypass)시킬 수 있는 바이패스 스위치(42)를 장착함으로써 고장시 고장 수리기간 동안 시스템이 정지하지 않고 출력전압만을 낮추어 운전될 수 있도록 하는 것이 가능하다.
도 5에 도시된 바와 같은 각각 파워 셀(40)은 파워 셀(40)마다 셀제어기(20)가 구비되며, 상기 주제어기(10)와 직렬통신에 의해 데이터를 교환하는 연결수단인 광케이블(30)로 연결된다.
상기와 같은 구성으로 이루어진 H-브릿지 인버터의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 6은 본 발명에 따른 직렬통신을 이용한 파워 셀 위상제어를 설명하는 블록 구성도이다.
도 6은 6레이어(Layer) 18개로 구성된 H-브릿지 인버터를 도시한 것으로, 각 위상의 1레이어는 위상지연이 없고 2레이어부터 샘플링 주기의 1/6 만큼 위상 지연을 시킨다.
도 6을 참조하여 설명하면, 주제어기(10)는 전동기 속도와 인버터 출력 전류를 받아들여 전동기의 속도제어 및 전류제어를 수행한다.
그리고, 가변속 제어기(12)의 출력인 3상의 전압 기준값을 각 위상별로 동기를 맞추어서 광케이블(30)을 이용한 CAN 통신을 통하여 셀제어기(20)로 데이터를 송신한다.
상기 셀제어기(20)는 파워 셀(40)의 DC 링크 전압을 센싱하고, 센싱된 DC 링크 전압과 상기 주제어기(10)의 전압 기준값을 사용하여 게이팅 신호(Gating Signal)를 생성한다. 또한, 상기 셀제어기(20)는 생성된 게이팅 신호를 각 파워 셀(40)에 출력함으로써 상기 파워 셀(40)을 구동시킨다.
이때, 셀제어기(20)는 파워 셀(40)의 위상제어를 위해 주제어기(10)에서 송신되어 오는 한 상당 파워 셀의 갯수, 파워 셀의 고장시 고장난 파워 셀의 갯수 및 위치, 그리고 각 파워 셀의 위치정보를 이용한다.
따라서, 상술한 바와 같이 본 발명에 따른 H-브릿지 인버터는 주제어기(10)와 셀제어기(20) 간의 데이터 통신을 산업현장에서 그 신뢰성을 인정받아 많이 사용하고 있는 직렬통신 방식의 CAN 통신을 이용함으로써 이들 간의 신호선을 단순화하고, 전체 시스템의 모듈화를 가능하게 한다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 직렬통신을 이용한 H-브릿지 인버터 시스템에 대한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 직렬통신을 이용한 H-브릿지 인 버터 시스템은, 주제어기와 셀제어기 사이에 직렬통신 방식의 CAN 통신을 사용하여 데이터 통신을 수행함으로써 주제어기와 셀제어기 사이의 신호선을 단순화하고, 파워 셀의 모듈화, 그리고 제어신호 및 개별 파워 셀의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

  1. 전동기의 가속 및 변속을 제어하기 위한 제어기를 내장하며, 이에 필요한 전압/전류값을 계산하는 주제어기(Master Controller);
    각 파워 셀(Power Cell)마다 위치하여 상기 주제어기의 제어신호에 따라 필요한 PWM 전압제어 및 위상제어를 수행하며, 게이팅(Gating) 신호발생과 셀 단위의 감시 및 보호 기능을 수행하는 셀제어기(Cell Controller); 및
    상기 주제어기와 셀제어기 사이에 직렬통신(Serial Communication)에 의한 전압 기준값, 고장신호 등의 데이터 통신을 수행하는 연결수단이 구비됨을 특징으로 하며,
    상기 직렬통신은 CAN 통신규약에 의해 처리됨을 특징으로 하는 직렬통신을 이용한 H-브릿지 인버터 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 연결수단은,
    CAN(Controller Area Network) 통신이 가능한 광 케이블(Optical Cable)을 이용함을 특징으로 하는 직렬통신을 이용한 H-브릿지 인버터 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 주제어기와 셀제어기 사이의 데이터 통신은,
    상기 주제어기에서 셀제어기로의 송신에 있어서, 송신주기는 샘플링 타임(Sampling Time)이고, 송신내용은 파워 셀의 기동(Run), 정지(Stop), 출력전압 기준값(Voltage Reference), 샘플링 타임, 한 상(Phase)당 파워 셀의 갯수, 파워 셀의 고장시 고장난 파워 셀의 갯수 및 위치, 그리고 개별 파워 셀의 송신요구 등 으로 구성되며,
    상기 셀제어기에서 주제어기로의 송신에 있어서, 송신주기는 샘플링 타임에 각 상당 셀의 갯수를 곱한 값이고, 송신내용은 개별 파워 셀의 위치, 수신데이터의 이상 유·무, 파워 셀의 고장, 그리고 DC 링크(Link) 전압 등으로 구성됨을 특징으로 하는 직렬통신을 이용한 H-브릿지 인버터 시스템.
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