KR100841645B1

KR100841645B1 - 매트릭스 컨버터의 출력 제어 장치 및 출력 제어 방법

Info

Publication number: KR100841645B1
Application number: KR1020060051603A
Authority: KR
Inventors: 양천석
Original assignee: 엘에스산전 주식회사
Priority date: 2006-06-08
Filing date: 2006-06-08
Publication date: 2008-06-27
Also published as: KR20070117390A

Abstract

본 발명은 입력전류 및 출력전압의 동시 제어에 의한 고 역률 제어가 가능한 매트릭스 컨버터를 제공하려는 것으로, 본 발명에 따라서 상기 3상 교류 원으로부터 상기 매트릭스 컨버터로 제공되는 3상 교류의 입력전압 신호를 소정의 비례 전압신호로 변환하여 상 전압신호로서 제공하고 상기 상 전압신호 간 감산하여 상간 전압신호로서 제공하는 입력전압 검출 부와; 상기 입력전압 검출 부가 제공하는 상기 비례 전압신호의 크기를 계산하는 입력전압크기 계산 부와; 상기 입력전압 검출 부가 제공하는 3상 교류 입력전압의 비례 전압신호에 대한 주파수를 측정하고 입력전류를 입력전압과 동상으로 제어하기 위해서 상기 측정한 주파수를 입력전류의 주파수로 하여 시간변화에 따른 입력전류 위상 각을 계산하여 제공하는 입력 위상 각 계산 부와; 상기 입력전압 검출기가 제공하는 상기 3상 교류 입력전압을 근거로 하여, 상기 3상 교류의 최대 선간 전압을 포락선 검파하여 얻고 입력전류의 위상이 입력 상 전압과 동상이 되도록 상기 3상 교류의 최대 선간 전압을 소정 각도만큼 위상천이 하여 제공하는 입력전압 섹터 생성 부와; 상기 매트릭스 컨버터의 지령 출력전압을 발생시켜 제공하는 출력전압 지령부와; 상기 입력전압크기 계산 부로부터 상기 교류 입력전압의 크기 대비 상기 출력전압 지령 부로부터 상기 지령 출력전압을 발생하기 위한 변조지수를 계산하여 제공하는 변조지수 계산 부와; 상기 출력속도 지령 부로부터의 지령 출력속도에 따른 출력 위상 각을 계산하여 제공하는 출력 위상 각 계산 부와; 상기 출력속도 지령 부로부터의 지령 출력속도 입력에 응 답하여 시간적 섹터별로 시간적 섹터를 구분하는 공간 기준 출력전압 벡터를 발생시켜 제공하는 출력전압 섹터 생성 부와; 상기 입력전압 섹터 생성 부로부터의 입력전압 섹터와, 상기 입력 위상 각 계산 부로부터의 입력 위상 각과, 상기 변조 지수 계산 부로부터의 변조 지수와, 상기 출력 위상 각 계산 부로부터의 출력 위상 각과, 상기 출력전압 섹터 생성 부로부터의 공간 기준 출력전압 벡터를 근거로, 출력전압과 입력전류를 동시에 제어하는 공간벡터를 출력 상 전압 공간 벡터와 입력 상 전류 공간 벡터의 곱에 의해 연산하여 제공하는 출력전압 입력전류 제어 공간벡터 연산 부와; 상기 입력전압 섹터 생성 부로부터의 입력전압 섹터와, 상기 출력전압 섹터 생성 부로부터의 공간 기준 출력전압 벡터와, 상기 출력전압 입력전류 제어 공간벡터 연산 부로부터의 공간벡터에 따라서, 출력전압과 입력전류를 동시에 제어하기 위해 저장된 상기 양방향 스위치의 스위칭 정보에 따른 스위칭 제어 신호를 출력하여 제공하는 출력전압 입력전류 제어 스위칭 테이블 저장부와; 상기 출력전압 입력전류 제어 스위칭 테이블 저장부로부터 제공되는 스위칭 제어신호에 따라서 상기 양방향 스위치의 스위칭을 제어하는 매트릭스컨버터 게이트 구동부와;를 포함하여 구성되는 매트릭스 컨버터 출력 제어 장치가 제공된다.

Description

매트릭스 컨버터의 출력 제어 장치 및 출력 제어 방법{AN OUTPUT CONTROL APPARATUS AND OUTPUT CONTROL METHOD FOR A MATRIX CONVERTER}

도 1은 종래기술에 따른 3×3 매트릭스 컨버터 및 그의 출력전압 제어장치의 구성 예를 도시한 블록 도이고,

도 2는 종래기술에 따른 매트릭스 컨버터 및 그 출력전압 제어장치의 시간 경과에 따른 입력전압의 파형 도로서,

도 2(a)는 시간경과에 따른 상 별 입력전압 파형 도이고,

도 2(b)는 시간경과에 따른 상간 입력전압의 파형 도이며,

도 2(c)는 시간경과에 따른 최대 상간 입력전압의 포락선 파형 도이고,

도 3은 종래기술에 따른 매트릭스 컨버터 및 그 출력전압 제어장치의 출력전압 벡터 도이며,

도 4는 종래기술에 따른 매트릭스 컨버터 및 그 출력전압 제어장치에 있어서 한 제어주기 동안 스위칭 벡터의 배열을 보여주는 스위칭 벡터 배열 도이고,

도 5는 본 발명에 따른 3×3 매트릭스 컨버터 및 그 출력전압 제어장치의 구성 예를 도시한 블록 도이며,

도 6은 본 발명에 따른 매트릭스 컨버터 및 그 출력전압 제어장치에 있어서 매트릭스 컨버터의 시간 경과에 따른 입력전압의 파형 도로서,

도 6(a) 는 시간경과에 따른 상 별 입력전압 파형 도이고,

도 6(b) 는 시간경과에 따른 상간 입력전압의 파형 도이며,

도 7 은 본 발명 매트릭스 컨버터의 출력전압 제어장치의 출력 상 전압 벡터 도이고,

도 8은 본 발명 매트릭스 컨버터의 출력전압 제어장치에 있어서 입력 상 전류 벡터 도이며,

도 9는 본 발명 매트릭스 컨버터의 출력전압 제어장치에 있어서 스위칭 벡터의 배열을 보여주는 스위칭 벡터 배열 도이고,

도 10(a) 는 본 발명 매트릭스 컨버터의 출력전압 제어장치에 있어서 동상으로 제어된 입력 상 전압 및 입력 상 전류의 파형도이고,

도 10(b)는 본 발명 매트릭스 컨버터의 출력전압 제어장치에 있어서 출력전류의 파형도이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1:매트릭스 컨버터 2:양방향 스위치

3:교류 전동기 4:입력전압 검출 부

5:입력전압크기 계산 부 6:출력전압 지령 부

7:출력속도 지령 부 8:입력전압 섹터 생성 부

9:변조 지수 계산 부 10:출력 위상 각 계산 부

11:출력전압 섹터 생성 부 13:매트릭스컨버터 게이트 구동부

15:입력 위상 각 계산 부 16:출력전압 제어 입력전류 제어 공간벡터 연산 부

17:출력전압 입력전류 제어 스위칭 테이블 저장부

본 발명은 교류 전동기 운전 제어에 관한 것으로서, 특히 직류 링크회로(DC Link Circuit)가 불필요하고 전원전류의 고조파 리플(Harmonic Ripple)을 저감할 뿐 아니라 회생 에너지를 전원 측으로 직접 반환 가능한 교류-교류(AC-AC) 변환방식인 매트릭스 컨버터(Matrix Converter)에 있어서, 입력전류 및 출력전압의 동시 제어에 의한 새로운 고 역률 출력제어 장치 및 방법에 관한 것이다.

교류전동기(유도 전동기라고도 부름)를 제어하는 장치로서 전압 원 인버터(Voltage Source Inverter)에 의해서 펄스 폭 변조(Pulse Width Modulation, 약하여 PWM변조라고 통칭 됨) 기법으로 제어하는 장치가 현재 널리 이용되고 있다. 이러한 전압 원 인버터는 AC-DC-AC의 변환 즉, 교류에서 직류로 변환 및 다시 직류에서 교류로의 변환 과정을 거쳐 교류전동기에 전원을 공급하며, 직류변환 단계에서 직류전압을 검출하기 위해 커패시터(capacitor)로 구성되는 직류 링크 회로를 구비한다.

그러나 이러한 전압 원 인버터는 입력전류 파형 왜곡에 의한 높은 토탈 고조 파 왜곡(Total Harmonic Distortion)의 발생 문제와, 상기 직류 링크 회로의 커패시터 수명 제한 문제, 회생에너지로 인한 손실 문제 등 파워 토폴로지(Power Topology) 상의 단점을 갖고 있다.

따라서, 이러한 전압 원 인버터에 의한 교류 전동기의 제어 장치가 가진 문제점을 극복하기 위해서 n×n 매트릭스 형태의 양방향 스위치로 구성되는 매트릭스 컨버터에 의한 AC-AC 변환 즉, 교류에서 교류로 직접 전력을 변환하는 제어장치가 제안되었다.

이러한 매트릭스 컨버터에 의한 교류 전동기의 제어장치는 전원 측 라인(line)과 부하 측 라인의 교차점에 양방향 스위치가 설치되는 전력공급 구조를 가지며, 거의 사인 파 (Sinusoidal)에 가까운 입력 전류에 의해 상기 토탈 고조파 왜곡이 낮고, 양방향으로 전류가 흐를 수 있으므로 회생에너지로 인한 손실이 절감되며 직류 링크 회로가 없으므로 커패시터의 수명제한 문제가 없는 등 전압 원 인버터가 가진 단점을 해소할 수 있는 교류 전동기 제어장치라 할 수 있다.

그러나 매트릭스 컨버터는 스위치 숫자가 많고 따라서 제어가 복잡하며, 순간정전 문제(Ride-Through), 정류(Current Commutation) 및 프리 휠링(Free Wheeling)의 복잡 등의 난제 때문에 아직 본격 상용화가 이루어 지지 않고 있는 기술이었다.

한편, 이러한 종래기술에 따른 매트릭스 컨버터 및 그 출력전압 제어장치의 한 실시 예를 도 1 내지 도 4를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 2(a)는 시간경과에 따른 상 별 입력전압 파형 도이고,

도 2(b)는 시간경과에 따른 상간 입력전압의 파형 도이며,

도 4는 종래기술에 따른 매트릭스 컨버터 및 그 출력전압 제어장치에 있어서 한 제어주기 동안 스위칭 벡터의 배열을 보여주는 스위칭 벡터 배열 도이다.

먼저, 도 1을 참조하여 종래기술에 따른 3×3 매트릭스 컨버터 및 그의 출력전압 제어장치의 구성 예를 설명한다.

매트릭스 컨버터(1)에 의한 교류 전동기(3)로의 AC-AC 전력변환 공급장치는 3상 교류 전원(Va, Vb, Vc)과, 3상 교류 전동기(3)와, 입력이 3상 교류 전원(Va, Vb, Vc)에 접속되고 출력은 3상 교류 전동기(3)에 접속되는 매트릭스 컨버터(1)로 구성된다.

매트릭스 컨버터(1)는 상기와 같이 3상의 교류 전원(이하 약하여 3상 교류 원으로 칭하기로 함)(Va, Vb, Vc)으로부터의 입력선로와 3상 교류 전동기(3)에 접속되는 3상 출력선로의 교차점에 접속되기 때문에, 3×3 매트릭스 즉 9개의 양방향 스위치(SaA, SaB, SaC, SbA, SbB, SbC, ScA, ScB, ScC, 부호 2로 통칭함)로 구성된 다.

여기서, 3상 교류 원(Va, Vb, Vc) 으로부터의 3상 입력전류는 각각 Ia, Ib, Ic로서 3상 교류 원(Va, Vb, Vc) 으로부터 매트릭스 컨버터(1) 로 각 상 입력선로를 통해 흐른다.

매트릭스 컨버터(1)로부터의 3상 출력전류는 각각 I_A, I_B, I_C로서 매트릭스 컨버터(1)로부터 각 상 출력선로를 통해 교류 전동기(3)로 흐른다.

상기와 같이 구성되는 매트릭스 컨버터(1)에 의한 교류 전동기(3)로의 AC-AC 전력변환 공급장치는 매트릭스 컨버터(1)의 양방향 스위치(2)의 게이트(gate)를 온/오프(ON/OFF)제어에 따라서 가변전압 가변주파수(Variable Voltage Variable Frequency, 약하여 VVVF로도 통칭됨)제어가 가능하다.

상기 AC-AC 전력변환 공급장치는 다음과 같이 구성되는 종래기술에 따른 매트릭스 컨버터(1)의 출력전압 제어장치에 의해 제어된다.

종래기술에 따른 매트릭스 컨버터(1)의 출력전압 제어장치는 3상 교류 원(Va, Vb, Vc)으로부터 매트릭스 컨버터(1)로 제공되는 3상 교류의 입력전압을 검출하여 제공하는 입력전압 검출 부(4)와; 입력전압 검출 부(4)에 접속되어, 입력전압 검출부(4)가 제공하는 3상 교류 입력전압의 크기를 계산하는 입력전압크기 계산 부(5)와; 입력전압 검출 부(4)에 접속되어, 입력전압 검출 부(4)가 제공하는 상기 3상 교류 입력전압을 근거로 하여, 상기 3상 교류의 최대 선간 전압을 포락선 검파하여 얻고 제공하는 입력전압 섹터 생성 부(8)와; 매트릭스 컨버터(1)의 지령 출력 전압을 발생시켜 제공하는 출력전압 지령 부(6)와; 교류 전동기(3)의 지령 출력속도를 발생시켜 제공하는 출력속도 지령 부(7)와; 입력전압크기 계산 부(5)와 출력전압 지령 부(6)에 접속되어, 입력전압크기 계산 부(5)로부터의 상기 교류 입력전압의 크기 대비 출력전압 지령 부(6)로부터의 상기 지령 출력전압을 발생하기 위한 변조지수를 계산하여 제공하는 변조지수 계산 부(9)와; 출력속도 지령 부(7)에 접속되어, 출력속도 지령 부(7)로부터의 지령 출력속도에 따른 출력 위상 각을 계산하여 제공하는 출력 위상 각 계산 부(10)와; 출력속도 지령 부(7)에 접속되어, 출력속도 지령 부(7)로부터의 지령 출력속도에 따른 출력전압 섹터를 발생시켜 제공하는 출력전압 섹터 생성 부(11)와; 변조 지수 계산 부(9)로부터의 변조 지수와, 출력 위상 각 계산 부(10)로부터의 출력 위상 각과, 출력전압 섹터 생성 부(11)로부터의 출력전압 섹터를 근거로, 출력전압을 제어하는 공간벡터를 연산하여 제공하는 출력전압 제어 공간벡터 연산 부(12)와; 입력전압 섹터 생성 부(8)로부터의 입력전압 섹터와, 출력전압 섹터 생성 부(11)로부터의 출력전압 섹터와, 출력전압 제어 공간벡터 연산 부(12)로부터의 공간벡터를 근거로, 출력전압을 제어하기 위한 양방향 스위치(2)의 스위칭 정보를 저장하는 출력전압 제어 스위칭 테이블 저장부(14)와; 출력전압 제어 스위칭 테이블 저장부(14)로부터 제공되는 스위칭 테이블에 따라서 양방향 스위치(2)의 스위칭을 제어하는 매트릭스컨버터 게이트 구동부(13)와;를 포함하여 구성된다.

입력전압 검출 부(4)는 구체적으로 예컨대 변위기(Potential Transformer) 또는 분압 저항으로 이루어지는 분압 회로로 구성될 수 있으며, 이들은 각각 도 2(a) 및 도 2(b) 의 파형과 같은 3상 교류 입력의 상 전압 및 상간 전압을 검출하여 제공하도록 6 개로 구성될 수 있다.

입력전압크기 계산 부(5)는 구체적으로 예컨대 입력전압 검출 부(4)가 제공하는 입력전압의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 제공하는 A/D 컨버터(Analog-Digital Converter)와, A/D 컨버터가 제공하는 입력전압의 디지털 신호를 수신하여 3상 교류 입력전압의 크기를 계산하는 마이크로 프로세서로 구성될 수 있다. 이때 상기 마이크로 프로세서는 입력전압의 크기를 계산하는 계산식을 프로그램으로 저장하는 롬(Read Only Memory)으로부터 소정의 계산식을 읽어와서, 이러한 소정의 계산식을 이용하여 상기 A/D 컨버터가 제공하는 입력전압의 디지털 신호로부터 입력전압의 크기를 계산할 수 있다.

입력전압 섹터 생성 부(8)는 예컨대 포락선(envelope) 검파회로로 구성되어, 입력전압 검출 부(4)가 검출하여 제공하는 도 2(b) 의 파형과 같은 상간 전압의 파형을 360도의 시간 축 상 6개의 구간으로 나누어 이들 구간별로 3개의 상간 전압(Vab, Vbc, Vca) 중 양의 값으로 최대인 상간 전압 파형의 부분을 추출하여 도 2(c)와 같은 파형으로 제공한다.

출력속도 지령 부(7)는 예컨대 비휘발성 메모리(EEPROM)과 같은 저장수단으로 구성되어, 사용자가 설정하여 저장하고 있는 교류 전동기(3)의 지령 출력속도를 제공하며, 이때 지령 출력속도는 주파수로 지령된다.

출력전압 지령 부(6)는 예컨대 비휘발성 메모리(EEPROM)과 같은 저장수단으로 구성되어 매트릭스 컨버터(1)가 시간경과에 따라 3상 교류 전동기(3)에 출력할 전압 지령 값(V*)을 저장하고 제공한다.

변조 지수 계산 부((9)는 입력전압크기 계산 부(5)로부터의 입력 전압 크기의 데이터와 출력전압 지령 부(6)가 제공하는 출력전압 지령 값의 데이터를 비교하여 입력 전압에 대한 출력전압 지령 값의 비율을 변조지수로서 산출한다. 변조 지수 계산 부((9)는 입력 전압에 대한 출력전압 지령 값에 따라 입력 전압에 대한 출력전압의 비율을 저장하고 있는 예컨대 롬의 데이터 저장위치를 지시하는 지수(index)를 출력하는 구성도 가능하다.

출력 위상 각 계산 부(10)는 출력속도 지령 부(7)로부터 주어지는 출력속도에 따른 주파수 지령과 시간에 따라 출력 위상 각을 계산하여 제공한다. 여기서 출력 위상 각의 산출식은

와 같다. 식(4)에 있어서 θ_S는 위상각이고, f는 주파수 지령 값, t는 시간이다.

출력전압 섹터 생성 부(11)는 출력속도 지령 부(7)에 접속되고, 출력속도 지령 부(7)로부터의 지령 출력속도 입력에 응답하여 섹터별로 공간 출력전압 벡터를 발생시켜 제공 즉, 출력속도 지령 부(7)로부터 지령 출력속도가 입력되면, 출력전압 섹터 생성 부(11)는 도 3에 도시된 것과 같이 서로 동일한 각도 즉 60도로 방사상의 원을 이루고 있는 6개의 섹터별 공간 출력기준전압 벡터 다시 말해 6개의 스위칭 전압벡터 {V₁(1,0,0), V₂(1,1,0), V₃(0,1,0), V₄(0,1,1), V₅(0,0,1), V₆(1,0,0)} 를 생성하여 제공한다. 즉, 공간벡터 제어 기법에 따라 6개의 스위칭 전압벡터{V₁(1,0,0), V₂(1,1,0), V₃(0,1,0), V₄(0,1,1), V₅(0,0,1), V₆(1,0,0)}가 출력되는 순간을 각각의 출력전압 제어를 위한 시간구간 즉, 섹터(Ⅰ내지 Ⅵ)로 구분하여 전동기를 제어하는 것이다. 상기 전압 지령 값(V*)을 공간벡터 상에서 표시하면, 도 3에 도시된 것과 같이 상기 전압 지령 값(V*)이 예컨대 제 2 섹터(Ⅱ) 중에 위치할 때, 제 1 공간 출력기준전압 벡터 즉, 제 1 스위칭 전압벡터{V₁(1,0,0)}과 제 2공간 출력기준전압 벡터 즉, 제 2 스위칭 전압벡터{V₂(1,1,0)}의 사이에 위상각 Θs 을 이루며 존재한다. 상기 전압 지령 값(V*)의 제 1 스위칭 전압벡터{V₁(1,0,0)}상 벡터성분과 제 2 스위칭 전압벡터{V₂(1,1,0)}상 벡터성분은 각각 전압 지령 값(V*)에 따라 양방향 스위치(2)를 스위칭 온(switching ON)하는 시간이 되고 각각 Tα와 Tβ가 된다. 양방향 스위치(2)에 영 전압을 공급하는 시간은 T₀로 정의하기로 한다.

출력전압 제어 공간벡터 연산 부(12)는 변조 지수 계산 부(9)로부터의 변조 지수와, 출력 위상 각 계산 부(10)로부터의 출력 위상 각과, 출력전압 섹터 생성 부(11)로부터의 상기 공간 출력 기준전압 벡터{V₁(1,0,0), V₂(1,1,0), V₃(0,1,0), V₄(0,1,1), V₅(0,0,1), V₆(1,0,0)}를 근거로, 출력전압을 제어하는 공간벡터를 다음의 연산식과 같이 연산하여 제공한다. 다시 말해 출력전압 제어 공간벡터 연산 부(12)는 양방향 스위치(2)를 온(ON)시키게 제어하는 시간(예컨대 Tα, Tβ)과 양 방향 스위치(2)에 영 전압을 공급하는 시간(T₀)을 다음의 연산식과 같이 연산하여 제공한다.

위의 연산식에서 Tα, Tβ는 양방향 스위치(2)를 온(ON)시키게 제어하는 시간이고, T₀ 는 양방향 스위치(2)에 영 전압을 공급하는 시간이며, ｜V*｜는 전압 지령의 절대 값이고 Vienv(t)는 도 2에 도시된 시간에 따른 포락선 검파된 입력 전압 섹터로서 ｜V*｜/Vienv(t)는 변조 지수 계산 부(9)가 제공하는 변조지수이고, Tc는 제어주기이고, Θs는 위상각이다.

상기 양방향 스위치(2)를 온(ON)시키게 제어하는 시간(예컨대 Tα, Tβ)과 양방향 스위치(2)에 영 전압을 공급하는 시간(T₀)을 이하 각각 스위칭 벡터(Tα/2, Tβ/2, T₀)로서 칭하기로 한다.

출력전압 제어 공간벡터 연산 부(12)는 스위칭 벡터(Tα/2, Tβ/2, T₀)를 도 4에 도시된 바와 같은 순차 배열로 한 제어주기(T_C)내에서 출력신호로서 출력전압 제어 스위칭 테이블 저장부(14)로 출력한다.

출력전압 섹터 별로 6개의 입력전압 섹터와 각각의 입력전압 섹터에서의 양 방향 스위치(2)에 대한 온/오프 동작 스위칭 테이블을 구하면 표 1-1 및 표 1-2과 같으며, 이 표 1-1과 표 1-2는 출력전압 제어 스위칭 테이블 저장부(14)에 저장된다.

출력전압 제어 스위칭 테이블 저장부(14)는 입력전압 섹터 생성 부(8)와 출력전압 섹터 생성 부(11) 그리고 출력전압제어 공간벡터 연산 부(12)의 출력에 따라서 표 1-1과 표1-2와 같은 스위칭 테이블의 값과 같이 양방향 스위치(2)에 대한 온/오프 동작을 제어하는 신호를 매트릭스 컨버터 게이트 구동부(13)에 출력한다.

표 1-1 종래기술에 따른 출력전압 제어 스위칭 테이블

시간		Tα/2			Tβ/2			T₀
출력전압 섹터	입력전압 섹터의 원호번호	A	B	C	A	B	C	A	B	C
Ⅰ	1	a	c	a	a	c	c	c	c	c
	2	b	c	b	b	c	c	c	c	c
	3	b	a	b	b	a	a	a	a	a
	4	c	a	c	c	a	a	a	a	a
	5	c	b	c	c	b	b	b	b	b
	6	a	b	a	a	b	b	b	b	b
Ⅱ	1	a	c	c	a	a	c	a	a	a
	2	b	c	c	b	b	c	b	b	b
	3	b	a	a	b	b	a	b	b	b
	4	c	a	a	c	c	a	c	c	c
	5	c	b	b	c	c	b	c	c	c
	6	a	b	b	a	a	b	a	a	a
Ⅲ	1	a	a	c	c	a	c	c	c	c
	2	b	b	c	c	b	c	c	c	c
	3	b	b	a	a	b	a	a	a	a
	4	c	c	a	a	c	a	a	a	a
	5	c	c	b	b	c	b	b	b	b
	6	a	a	b	b	a	b	b	b	b

표 1-2 종래기술에 따른 출력전압 제어 스위칭 테이블

시간		Tα/2			Tβ/2			T₀
출력전압 섹터	입력전압 섹터의 원호번호	A	B	C	A	B	C	A	B	C
Ⅳ	1	c	a	c	c	c	a	a	a	a
	2	c	b	c	c	b	b	b	b	b
	3	a	b	a	a	b	b	b	b	b
	4	a	c	a	a	c	c	c	c	c
	5	b	c	b	b	c	c	c	c	c
	6	b	a	b	b	a	a	a	a	a
Ⅴ	1	c	a	a	c	c	a	c	c	c
	2	c	b	b	c	c	b	c	c	c
	3	a	b	b	a	a	b	a	a	a
	4	a	c	c	a	a	c	a	a	a
	5	b	c	c	b	b	c	b	b	b
	6	b	a	a	b	b	a	b	b	b
Ⅵ	1	c	c	a	a	c	a	a	a	a
	2	c	c	b	b	c	b	b	b	b
	3	a	a	b	b	a	b	b	b	b
	4	a	a	c	c	a	c	c	c	c
	5	b	b	c	c	b	c	c	c	c
	6	b	b	a	a	b	a	a	a	a

상기 출력전압 제어 스위칭 테이블에 있어서, 출력전압 제어를 위한 시간구간이 제 1 섹터(Ⅰ)부터 제 6 섹터(Ⅵ) 중 어느 하나에 해당하는 동안, 제 1 섹터(Ⅰ)의 시간구간을 예로 들면 즉 출력전압 섹터 생성 부(11)로부터 제 6 스위칭 전압벡터{V₆(1,0,0)}가 출력전압 제어 스위칭 테이블 저장부(14)로 입력된 순간부터 제 1 스위칭 전압벡터{V₁(1,0,0)}가 입력되는 순간까지의 시간구간은 도 2 (C)의 원호 1 부터 원호 6까지 6개의 입력전압 섹터가 입력전압 섹터 생성 부(8)로부터 출력전압 제어 스위칭 테이블 저장부(14)로 입력되는 시간구간으로 세분된다

위와 같이 세분된 원호 1 부터 원호 6까지 6개의 입력전압 섹터에 따른 시간구간은 다시 Tα/2 → Tβ/2 → T₀ → Tβ/2 → Tα/2의 순서로 출력전압 제어 공간 벡터 연산 부(12)로부터 출력전압 제어 스위칭 테이블 저장부(14)로 입력되는 양 방향 스위치(2)의 스위칭 시간으로 세분된다.

예를 들어, 상기 표 1-2 에 있어서, 출력전압 섹터가 제 4 섹터(Ⅳ)이고 입력전압 섹터의 원호(arc)번호가 3이며, 스위칭 벡터가 Tα/2이고, A, B, C의 해당 값이 a, b, a인 경우, 이것은 다음과 같이 해석될 수 있다. 출력전압 섹터가 제 4 섹터(Ⅳ)에 해당하는 시간구간 즉, 출력전압 섹터 생성 부(11)로부터 제 3 스위칭 전압벡터{V₃(0,1,0)}가 출력전압 제어 스위칭 테이블 저장부(14)로 입력된 순간부터 제 4 스위칭 전압벡터{V₄(1,0,0)}가 입력되는 순간까지의 시간구간에 해당하며, 동시에 원호번호가 3인 입력전압 섹터가 출력전압 제어 스위칭 테이블 저장부(14)로 입력되는 세부 시간구간에 해당하며, 출력전압 제어 공간 벡터 연산 부(12)로부터 출력전압 제어 스위칭 테이블 저장부(14)로 스위칭 벡터(Tα/2)의 세부 시간구간 동안, 양 방향 스위치(2) 중에서 양 방향 스위치(SaA)와 양 방향 스위치(SbB)와 양 방향 스위치(SaC)를 온(ON) 시키도록 스위칭 제어신호를 출력전압 제어 스위칭 테이블 저장부(14)가 매트릭스컨버터 게이트 구동 부(13)에 출력한다는 것을 의미한다.

매트릭스 컨버터 게이트 구동부(13)는 출력전압 제어 스위칭 테이블 저장부(14)로부터 제공되는 스위칭 제어 신호에 따라서 매트릭스 컨버터 즉, 양 방향 스위치(2)의 매트릭스를 스위칭 제어한다. 따라서 매트릭스 컨버터는 가변전압 가변주파수의 제어가 가능하다.

그러나 상기와 같은 종래기술에 따른 매트릭스 컨버터의 출력제어장치 및 출 력제어방법은 입력전류에 대한 제어 기능이 없다. 따라서, 입력 컨버터 방식의 전압원 인버터와 대비했을 때 역률이 나쁘고 입력전류에 많은 고조파가 포함되어 높은 토탈 고조파 왜곡(Total Harmonic Distortion)특성을 지니고, 전자파 간섭 특성 또한 나쁜 문제점이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 상기 종래기술의 문제점을 해소하는 것으로서, 출력전압 제어와 동시에 입력 전류에 대한 제어를 입력 상 전류와 입력 상 전압이 동상을 이루도록 공간 벡터 제어함으로써 역률을 향상시킬 수 있는 새로운 매트릭스 컨버터의 출력 제어장치와 출력제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 본 발명의 목적은,

3상 교류 원의 3상 교류를 교류에서 교류로 전력 변환하여 전동기에 제공가능하며 다수의 양방향 스위치 소자로 구성되는 매트릭스 컨버터를 출력 제어하는 매트릭스 컨버터 출력 제어장치에 있어서,

상기 3상 교류 원으로부터 상기 매트릭스 컨버터로 제공되는 3상 교류의 입력전압 신호를 상 별로 소정의 비례 전압신호로 변환하여 입력 상 전압신호로서 제공하고 상기 상 전압신호 간 감산하여 입력 상간 전압신호로서 제공하는 입력전압 검출 부와;

상기 입력전압 검출 부에 접속되어, 상기 입력전압 검출 부가 제공하는 상기 비례 전압신호의 크기를 계산하는 입력전압크기 계산 부와;

상기 입력전압 검출 부에 접속되어, 상기 입력전압 검출 부가 제공하는 3상 교류 입력전압의 비례 전압신호에 대한 주파수를 측정하고 입력전류를 입력전압과 동상으로 제어하기 위해서 상기 측정한 주파수를 입력전류의 주파수로 하여 시간변화에 따른 입력전류 위상 각을 계산하여 제공하는 입력 위상 각 계산 부와;

상기 입력전압 검출 부에 접속되어, 상기 입력전압 검출기가 제공하는 상기입력 상간 전압신호를 근거로 하여, 상기 3상 교류의 최대 선간 전압을 포락선 검파하여 얻고 입력전류의 위상이 입력 상 전압과 동상이 되도록 상기 3상 교류의 최대 선간 전압을 소정 각도만큼 위상천이 하여 제공하는 입력전압 섹터 생성 부와;

상기 매트릭스 컨버터의 지령 출력전압을 발생시켜 제공하는 출력전압 지령 부와;

상기 전동기의 지령 출력속도를 발생시켜 제공하는 출력속도 지령 부와;

상기 입력전압크기 계산 부와 상기 출력전압 지령 부에 접속되어, 상기 입력전압크기 계산 부로부터 상기 교류 입력전압의 크기 대비 상기 출력전압 지령 부로부터 상기 지령 출력전압을 발생하기 위한 변조지수를 계산하여 제공하는 변조지수 계산 부와;

상기 출력속도 지령 부에 접속되어, 상기 출력속도 지령 부로부터의 지령 출력속도에 따른 지령 주파수를 근거로 출력 위상 각을 계산하여 제공하는 출력 위상 각 계산 부와;

상기 출력속도 지령 부에 접속되고, 상기 출력속도 지령 부로부터의 지령 출 력속도 입력에 응답하여 시간적 섹터별로 시간적 섹터를 구분하는 공간 기준 출력전압 벡터를 발생시켜 제공하는 출력전압 섹터 생성 부와;

상기 입력전압 섹터 생성 부로부터의 입력전압 섹터와, 상기 입력 위상 각 계산 부로부터의 입력 위상 각과, 상기 변조 지수 계산 부로부터의 변조 지수와, 상기 출력 위상 각 계산 부로부터의 출력 위상 각과, 상기 출력전압 섹터 생성 부로부터의 공간 기준 출력전압 벡터를 근거로, 출력전압과 입력전류를 동시에 제어하는 공간벡터를 출력 상 전압 공간 벡터와 입력 상 전류 공간 벡터의 곱에 의해 연산하여 제공하는 출력전압 입력전류 제어 공간벡터 연산 부와;

상기 입력전압 섹터 생성 부로부터의 입력전압 섹터와, 상기 출력전압 섹터 생성 부로부터의 공간 기준 출력전압 벡터와, 상기 출력전압 입력전류 제어 공간벡터 연산 부로부터의 공간벡터에 따라서, 출력전압과 입력전류를 제어하기 위해 저장된 상기 양방향 스위치의 스위칭 정보에 따른 스위칭 제어 신호를 출력하여 제공하는 출력전압 입력전류 제어 스위칭 테이블 저장부와;

상기 출력전압 입력전류 제어 스위칭 테이블 저장부로부터 제공되는 스위칭 제어신호에 따라서 상기 양방향 스위치의 스위칭을 제어하는 매트릭스컨버터 게이트 구동부와;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 본 발명에 따른 매트릭스 컨버터 출력 제어 장치를 제공함으로써 달성될 수 있다.

상기 본 발명의 목적과 이를 달성하는 본 발명의 구성과 작용에 대해서는 첨부 도면을 참조한 본 발명의 실시 예에 대한 이하의 설명으로 좀 더 명확히 이해될 수 있을 것이다.

이하 본 발명의 실시 예에 대한 설명과 도면에 있어서 종래기술과 동일하거나 대응되는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 지정함으로써 서로 구성과 작용효과의 대비가 용이하도록 하였다.

먼저, 본 발명에 따른 3×3 매트릭스 컨버터 및 그 출력전압 제어장치의 구성 예를 블록도로서 도시한 도 5를 참조하여 본 발명의 구성을 설명하면 다음과 같다.

매트릭스 컨버터(1)에 의한 교류 전동기(3)로의 AC-AC 전력변환 공급장치는 3상 교류 원(Va, Vb, Vc)과, 3상 교류 전동기(3)와, 입력이 3상 교류 원(Va, Vb, Vc)에 접속되고 출력은 3상 교류 전동기(3)에 접속되는 매트릭스 컨버터(1)로 구성된다.

매트릭스 컨버터(1)는 상기와 같이 3상의 교류 원(Va, Vb, Vc)으로부터의 입력선로와 3상 교류 전동기(3)에 접속되는 3상 출력선로의 교차점에 접속되기 때문에, 3×3 매트릭스 즉 9개의 양방향 스위치(SaA, SaB, SaC, SbA, SbB, SbC, ScA, ScB, ScC, 이하 부호 2로 통칭함)로 구성된다.

매트릭스 컨버터(1)로부터의 3상 출력전류는 각각 I_A, I_B, I_C로서 매트릭스 컨버터(1)로부터 각 상 출력선로를 통해 3상의 교류 전동기(3)로 흐른다.

상기와 같이 구성되는 매트릭스 컨버터(1)에 의한 교류 전동기(3)로의 AC-AC 전력변환 공급장치는 매트릭스 컨버터(1)의 양방향 스위치(2)의 게이트(gate)를 스위칭 제어 즉, 온/오프(ON/OFF) 제어함에 따라서 가변전압 가변주파수(Variable Voltage Variable Frequency, 약하여 VVVF로도 통칭됨)제어가 가능하다.

상기 AC-AC 전력변환 공급장치는 다음과 같이 구성되는 본 발명에 따른 매트릭스 컨버터(1)의 출력전압 제어장치에 의해 제어된다.

본 발명에 따른 매트릭스 컨버터의 출력전압 제어장치는, 상기 3상 교류 원(Va, Vb, Vc)으로부터 매트릭스 컨버터(1)로 제공되는 3상 교류의 입력전압 신호를 소정의 비례 전압신호로 상별 변환하여 입력 상 전압 신호로서 제공하고 상기 입력 상 전압신호 간 감산하여 입력 상간 전압신호로서 제공하는 입력전압 검출 부(4)와; 입력전압 검출 부(4)에 접속되어, 입력전압 검출 부(4)가 제공하는 3상 교류 입력전압의 크기를 계산하는 입력전압크기 계산 부(5)와; 입력전압 검출 부(4)에 접속되어, 입력전압 검출 부(4)가 제공하는 3상 입력 상 전압의 비례 전압신호에 대한 주파수를 측정하고 입력 상 전류를 입력 상 전압과 동상으로 제어하기 위해서 상기 측정한 주파수를 입력 상 전류의 주파수로 하여 시간변화에 따른 입력 위상 각을 계산하여 제공하는 입력 위상 각 계산 부(15)와; 입력전압 검출 부(4)에 접속되어, 입력전압 검출 부(4)가 제공하는 상기 3상 교류의 상간 전압신호를 근거로 하여, 상기 3상 교류의 최대 선간 전압을 포락선 검파하여 얻고 입력 상 전류의 위상이 입력 상 전압과 동상이 되도록 소정 각도만큼 위상천이 하여 제공하는 입력전압 섹터 생성 부(8)와; 매트릭스 컨버터(1)의 지령 출력전압을 발생시켜 제공하 는 출력전압 지령 부(6)와; 교류 전동기(3)의 지령 출력속도에 따른 주파수 지령을 발생시켜 제공하는 출력속도 지령 부(7)와; 입력전압크기 계산 부(5)와 출력전압 지령 부(6)에 접속되어, 입력전압크기 계산 부(5)로부터 상기 교류 입력전압의 크기 대비 출력전압 지령 부(6)로부터 상기 지령 출력전압을 발생하기 위한 변조지수를 계산하여 제공하는 변조지수 계산 부(9)와; 출력속도 지령 부(7)에 접속되어, 출력속도 지령 부(7)로부터의 주파수 지령을 근거로 하여 출력 위상 각을 시간변화에 따라 계산하여 제공하는 출력 위상 각 계산 부(10)와; 출력속도 지령 부(7)에 접속되고, 출력속도 지령 부(7)로부터 주파수 지령의 입력에 응답하여 시간적 섹터별로 시간적 섹터를 구분하는 공간 기준 출력전압 벡터를 발생시켜 제공하는 출력전압 섹터 생성 부(11)와; 입력전압 섹터 생성 부(8)로부터의 입력전압 섹터와, 입력 위상 각 계산 부(15)로부터의 입력 위상 각과, 변조 지수 계산 부(9)로부터의 변조 지수와, 출력 위상 각 계산 부(10)로부터의 출력 위상 각과, 출력전압 섹터 생성 부(11)로부터의 공간 기준 출력전압 벡터를 근거로, 출력전압과 입력전류를 제어하는 공간벡터를 출력 상 전압 공간 벡터와 입력 상 전류 공간 벡터의 곱에 의해 연산하여 제공하는 출력전압 입력전류 제어 공간벡터 연산 부(16)와; 입력전압 섹터 생성 부(8)로부터의 입력전압 섹터와, 출력전압 섹터 생성 부(11)로부터의 공간 기준 출력전압 벡터와, 출력전압 입력전류 제어 공간벡터 연산 부(16)로부터의 공간벡터를 근거로, 출력전압과 입력전류를 제어하기 위해 저장하고 있는 양방향 스위치(2)의 스위칭 정보를 출력하여 제공하는 출력전압 입력전류 제어 스위칭 테이블 저장부(17)와; 출력전압 입력전류 제어 스위칭 테이블 저장부(17)로부터 제공 되는 스위칭 제어신호에 따라서 양방향 스위치(2)의 스위칭을 제어하는 매트릭스컨버터 게이트 구동부(13)와;를 포함하여 구성된다.

상기와 같이 구성되는 본 발명의 매트릭스 컨버터의 출력전압 제어장치의 보다 상세한 구성과 작용효과를 설명하면 다음과 같다.

입력전압 검출 부(4)는 구체적으로 예컨대 변위기(Potential Transformer) 또는 분압 저항으로 이루어지는 분압 회로 및 감산회로로 구성될 수 있으며, 이들은 각각 3상 교류 입력 즉, 3상 교류원((Va, Vb, Vc)으로부터 매트릭스 컨버터(1)로 제공되는 3상 교류전압 입력신호를 그 크기를 소정의 비율로 축소 변환하여 상 전압 신호로서 제공하고, 각각의 상 전압신호 간 차이신호를 상 전압신호 간 감산회로를 통해 출력하여 상간 전압신호로서 출력하여 제공하도록 구성될 수 있다.

입력전압크기 계산 부(5)는 구체적으로 예컨대 입력전압 검출 부(4)가 제공하는 입력전압의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 제공하는 A/D 컨버터(Analog-Digital Converter)와, A/D 컨버터가 제공하는 입력전압의 디지털 신호를 수신하여 3상 교류 입력전압의 크기를 계산하는 마이크로 프로세서로 구성될 수 있다. 이때 상기 마이크로 프로세서는 입력전압의 크기를 계산하는 소정의 계산식을 프로그램으로 저장하는 롬(Read Only Memory)으로부터 읽어와서, 이러한 소정의 계산식을 이용하여 상기 A/D 컨버터가 제공하는 입력전압의 디지털 신호로부터 입력전압의 크기를 계산할 수 있다.

입력 위상 각 계산 부(15)는 입력전압 검출 부(4)에 접속되고, 더욱 상세히는 주파수 측정 회로와 중앙처리장치와 같은 연산회로 부로 구성되어, 입력전류를 입력전압과 동상(동 위상)으로 제어하기 위해서 입력전압 검출 부(4)가 제공하는 3상 교류 입력전압 신호의 주파수를 측정하고 측정결과 주파수를 입력전류의 주파수로 하여 종래기술 설명에서 기술된 바와 같은 위상 각(Δg)=2πft(여기서 f는 주파수이고 t는 시간)의 연산식을 이용하여 시간변화에 따른 입력 상 전류의 위상 각을 계산하여 제공한다.

입력전압 섹터 생성 부(8)는 예컨대 포락선(envelope) 검파회로 및 위상 천이 회로로 구성되어, 포락선 검파회로를 이용하여 입력전압 검출 부(4)가 검출하여 제공하는 도 6(b) 의 파형과 같은 상간 전압의 파형을 360도의 시간 축 상 6개의 구간으로 나누어 이들 구간별로 3개의 상간 전압(Vab, Vbc, Vca) 중 양의 값으로 최대인 상간 전압 파형의 부분을 추출하고, 입력전류의 위상이 상 전압과 동상이 되도록 제어하여 '1'에 근접한 역률을 얻기 위해서 도 6(a)에 도시된 바와 같은 상 전압과 포락선 검파에 의해 얻어진 3개의 상간 전압(Vab, Vbc, Vca) 중 양의 값으로 최대인 상간 전압 파형의 부분을 도 6(a)의 상 전압 파형과 동상이 되도록 위상 천이 회로에 의해서 π/6 만큼 위상 천이하여 종래 기술에서 도시한 도 2(c)와 같은 파형으로 제공한다.

출력전압 지령 부(6)는 예컨대 비휘발성 메모리(EEPROM)과 같은 저장수단으로 구성되어 매트릭스 컨버터(1)가 시간경과에 따라 3상 교류 전동기(3)에 출력할 전압 지령 값(V_rp)을 저장하고 제공한다.

출력속도 지령 부(7)는 예컨대 비휘발성 메모리(EEPROM)과 같은 저장수단으 로 구성되어, 사용자가 설정하여 저장하고 있는 교류 전동기(3)의 지령 출력속도를 주파수 지령으로 제공한다.

변조 지수 계산 부((9)는 입력전압크기 계산 부(5)로부터의 입력 전압{입력 상 전압(V_gp)}의 크기 데이터(｜V_gp｜)와 출력전압 지령 부(6)가 제공하는 출력전압 지령 값(V_rp)의 크기 데이터(｜V_rp｜)를 비교하여 입력 전압에 대한 출력전압 지령 값의 비율(｜V_rp｜/｜V_gp｜)을 변조지수로서 산출한다. 변조 지수 계산 부((9)는 입력 전압에 대한 출력전압 지령 값에 따라 입력 전압에 대한 출력전압의 비율을 저장하고 있는 예컨대 롬의 데이터 저장위치를 지시하는 지수(index)를 출력하는 구성도 가능하다.

출력 위상 각 계산 부(10)는 출력속도 지령 부(7)로부터 주어지는 출력속도에 따른 주파수 지령과 시간에 따라 출력 위상 각을 계산하여 제공한다. 여기서 출력 위상 각의 산출 식은 종래기술 설명에서 기술된 식 (1)과 같다.

출력전압 섹터 생성 부(11)는 출력속도 지령 부(7)에 접속되고, 출력속도 지령 부(7)로부터의 지령 출력속도 입력에 응답하여 섹터별로 공간 출력전압 벡터를 발생시켜 제공 즉, 출력속도 지령 부(7)로부터 지령 출력속도가 입력되면, 출력전압 섹터 생성 부(11)는 도 7에 도시된 것과 같이 서로 동일한 각도 즉 60도로 방사상의 원을 이루고 있는 6개의 섹터별 공간 출력기준전압 벡터 다시 말해 6개의 스위칭 전압벡터 {V₁(1,0,0), V₂(1,1,0), V₃(0,1,0), V₄(0,1,1), V₅(0,0,1), V₆(1,0,0)}를 생성하여 제공한다. 즉, 공간벡터 제어 기법에 따라 6개의 스위칭 전압벡터{V₁(1,0,0), V₂(1,1,0), V₃(0,1,0), V₄(0,1,1), V₅(0,0,1), V₆(1,0,0)}가 출력되는 순간을 각각의 출력전압 제어를 위한 시간구간 즉, 섹터(0 내지 5)로 구분하여 전동기를 제어하는 것이다. 상기 전압 지령 값 다시 말해 본 발명 매트릭스 컨버터의 출력전압 제어장치의 출력 상 전압 값(V_rp)을 공간벡터 상에서 표시하면, 도 7에 도시된 것과 같이 상기 전압 지령 값(V_rp)이 예컨대 제 3 섹터(2) 중에 위치할 때, 제 3 공간 출력기준전압 벡터 즉, 제 3 스위칭 전압벡터{V₃(0,1,0)}과 제 4 공간 출력기준전압 벡터 즉, 제 4 스위칭 전압벡터{V₄(0,1,1)}의 사이에 위상각 Δ_r 을 이루며 존재한다. 상기 전압 지령 값(V_rp)의 제 3 스위칭 전압벡터{V₃(0,1,0)}상 벡터성분과 제 4 스위칭 전압벡터{V₄(0,1,1)}상 벡터성분은 각각 전압 지령 값(V_rp)에 따라 양방향 스위치(2)를 스위칭 온(switching ON)하는 시간이 되고 각각 V_r1와 V_r2가 된다. 양방향 스위치(2)에 영 전압을 공급하는 시간은 T₀로 정의하기로 한다.

이때 입력 상 전류 벡터(I_gp)가 입력 상 전압 벡터(V_gp)와 동상으로 도 8에 도시된 바와 같이 주어진다면, 입력 상 전류 벡터(I_gp)에 따른 매트릭스 컨버터(1) 내 양 방향 스위치(2)의 스위칭 시간(온 시간)은 입력 상 전류 벡터(I_gp)의 시간적 벡터성분인 I_g1과 I_g2 동안이 된다.

출력전압 제어 입력전류 제어 공간벡터 연산 부(16)는 입력전압 섹터 생성 부(8)로부터의 6개의 입력전압 섹터와, 입력 위상 각 계산 부(15)로부터의 입력 위상 각과, 변조 지수 계산 부(9)로부터의 변조 지수와, 출력 위상 각 계산 부(10)로부터의 출력 위상 각과, 출력전압 섹터 생성 부(11)로부터의 상기 공간 출력 기준전압 벡터{V₁(1,0,0), V₂(1,1,0), V₃(0,1,0), V₄(0,1,1), V₅(0,0,1), V₆(1,0,0)}를 근거로, 출력전압을 제어하는 공간벡터를 출력 상 전압 벡터(정확히는 출력 상 전압 공간 벡터인 동시에 출력 상 전압지령인 V_rp)와 입력 상 전류 벡터(정확히는 입력 상 전류 공간 벡터인 동시에 입력 상 전류지령인 I_gp)의 곱에 의해 다음의 연산식과 같이 연산하여 제공한다. 다시 말해 출력전압 제어 입력전류 제어 공간벡터 연산 부(16)는 출력전압 제어와 동시에 입력전류 제어가 될 수 있도록 출력 상 전압 벡터(V_rp)와 입력 상 전류 벡터(I_gp)의 곱에 의해 양방향 스위치(2)를 온(ON)시키게 제어하는 시간(δ₁,δ₂,δ₃,δ₄)과 양방향 스위치(2)에 영 전압을 공급하는 시간(T₀)을 다음의 연산식과 같이 연산하여 제공하는 것이다.

위의 연산식에서 δ₁, δ₂,δ₃,δ₄는 양방향 스위치(2)를 온(ON)시키게 제어하는 시간이고, T₀는 양방향 스위치(2)에 영 전압을 공급하는 시간이며, ｜V_rp｜는 출력 상 전압 벡터(지령)의 절대 값이고 ｜V_gp｜는 입력 상 전류 벡터(I_gp)와 동상인 입력 상 전압 벡터의 절대값이며, Δg 는 입력 상 전류 벡터의 위상 각이고, Δr는 출력 상 전압 벡터(지령)의 위상 각이며, ｜V_rp｜/｜V_gp｜는 변조 지수 계산 부(9)가 제공하는 변조지수이다.

상기 양방향 스위치(2)를 온(ON)시키게 제어하는 시간(예컨대 δ₁, δ₂,δ₃,δ₄)과 양방향 스위치(2)에 영 전압을 공급하는 시간(T₀)을 이하 각각 스위칭 벡터(δ₁, δ₂,δ₃,δ₄, T₀)로서 칭하기로 한다.

출력전압 제어 입력전류 제어 공간벡터 연산 부(16)는 스위칭 벡터(δ₁, δ₂,δ₃,δ₄, T₀)를 도 9에 도시된 바와 같은 순차 배열로 한 제어주기(T_C) 내에서 출력신호로서 출력전압 제어 입력전류 제어 스위칭 테이블 저장부(17)로 출력한다.

출력전압 섹터(0 내지 5) 별로 6개의 입력전압 섹터(0 내지 5)와 각각의 입력전압 섹터에서의 양방향 스위치(2)에 대한 온/오프 동작 스위칭 테이블을 구하면 표 2-1 및 표 2-2과 같으며, 이 표 2-1과 표 2-2는 출력전압 제어 입력전류 제어 스위칭 테이블 저장부(17)에 저장된다.

출력전압 제어 스위칭 테이블 저장부(17)는 입력전압 섹터 생성 부(8)와 출력전압 섹터 생성 부(11) 그리고 출력전압 제어 입력전류 제어 공간벡터 연산 부(16)의 출력에 따라서 표 2-1과 표2-2와 같은 스위칭 테이블의 값과 같이 양방향 (13)에 출력한다.

표 2-1 본 발명에 따른 출력전압 제어 입력전류 제어 스위칭 테이블

섹터

δ₁/2

δ₂/2

δ₃/2

δ₄/2

T₀

Vout

Vin

A

B

C

A

B

C

A

B

C

A

B

C

A

B

C

0

a

b

c

b

a

b

c

b

c

1

a

c

a

b

a

c

a

b

a

2

b

c

a

c

b

c

a

c

a

3

b

a

b

c

b

a

b

c

b

4

c

a

b

a

c

a

b

a

b

5

c

b

c

a

c

b

c

a

c

1

0

a

b

c

b

a

b

c

b

1

a

c

a

b

c

a

c

b

a

b

2

b

c

a

c

b

c

a

c

3

b

a

b

c

a

b

a

c

b

c

4

c

a

b

a

c

a

b

a

5

c

b

c

a

b

c

b

a

c

a

2

0

b

a

b

c

b

a

b

c

1

c

a

c

b

a

b

c

a

b

a

2

c

b

c

a

c

b

c

a

3

a

b

a

c

b

c

a

b

c

b

4

a

c

a

b

a

c

a

b

5

b

c

b

a

c

a

b

c

a

c

표 2-2 본 발명에 따른 출력전압 제어 입력전류 제어 스위칭 테이블

섹터

δ₁/2

δ₂/2

δ₃/2

δ₄/2

T₀

Vout

Vin

A

B

C

A

B

C

A

B

C

A

B

C

A

B

C

3

0

b

a

b

c

b

a

b

c

1

c

a

b

a

c

a

b

a

b

2

c

b

c

a

c

b

c

a

c

3

a

b

c

b

a

b

c

b

c

4

a

c

a

b

a

c

a

b

a

5

b

c

a

c

b

c

a

c

a

4

0

b

a

b

c

a

b

a

c

b

c

1

c

a

b

a

c

a

b

a

2

c

b

c

a

b

c

b

a

c

a

3

a

b

c

b

a

b

c

b

4

a

c

a

b

c

a

c

b

a

b

b b

5

b

c

a

c

b

c

a

c

5

0

a

b

a

c

b

c

a

b

c

b

1

a

c

a

b

a

c

a

b

b b

2

b

c

b

a

c

a

b

c

a

c

3

b

a

b

c

b

a

b

c

4

c

a

c

b

a

b

c

a

b

a

5

c

b

c

a

c

b

c

a

상기 출력전압 제어 입력전류 제어 스위칭 테이블에 있어서, 출력전압(출력 상 전압) 제어를 위한 시간구간이 제 1 섹터(0)부터 제 6 섹터(5) 중 어느 하나에 해당하는 동안, 제 1 섹터(0)의 시간구간을 예로 들면 즉 출력전압 섹터 생성 부(11)로부터 제 6 스위칭 전압벡터{V₁(1,0,0)}가 출력전압 제어 스위칭 테이블 저장부(14)로 입력된 순간부터 제 2 스위칭 전압벡터{V₂(1,1,0)}가 입력되는 순간까지의 시간구간은 도 2 (C)와 같은 0부터 5까지 6개의 입력전압 섹터가 입력전압 섹터 생성 부(8)로부터 출력전압 제어 입력전류 제어 스위칭 테이블 저장부(17)로 입력되는 시간구간으로 세분된다

위와 같이 세분된 0부터 5까지 6개의 입력전압 섹터에 따른 시간구간은 다시 δ₁/2 → δ₂/2 → δ₃/2 → δ₄/2 → T₀→ δ₄/2→ δ₃/2→ δ₂/2→ δ₁/2 의 순서로 출력전압 제어 입력전류 제어 공간 벡터 연산 부(16)로부터 출력전압 제어 입력전 류 제어 스위칭 테이블 저장부(17)로 입력되는 양 방향 스위치(2)의 스위칭 시간으로 세분된다.

예를 들어, 상기 표 2-2 에 있어서, 출력전압 섹터가 제 4 섹터(3)이고 입력전압 섹터 번호가 5이며, 스위칭 벡터가 δ₄/2이고, A, B, C의 해당 값이 a, a, c인 경우, 이것은 다음과 같이 해석될 수 있다. 출력전압 섹터가 제 4 섹터(3)에 해당하는 시간구간 즉, 출력전압 섹터 생성 부(11)로부터 제 4 스위칭 전압벡터{V₄(0,1,1)}가 출력전압 제어 입력전류 제어 스위칭 테이블 저장부(17)로 입력된 순간부터 제 5 스위칭 전압벡터{V₅(0,0,1)}가 입력되는 순간까지의 시간구간에 해당하며, 동시에 입력전압 섹터번호가 5인 입력전압 섹터가 출력전압 제어 입력전류 제어 스위칭 테이블 저장부(17)로 입력되는 세부 시간구간에 해당하며, 출력전압 제어 입력전류 제어 공간 벡터 연산 부(16)로부터 출력전압 제어 입력전류 제어 스위칭 테이블 저장부(17)로 공간 출력전압 벡터 즉 스위칭 벡터(δ₄/2)의 세부 스위칭시간 지령을 출력한다. 이와 같은 시간 동안 양 방향 스위치(2) 중에서 양 방향 스위치(SaA)와 양 방향 스위치(SaB)와 양 방향 스위치(ScC)를 온(ON) 시키도록 출력전압 제어 입력전류 제어 스위칭 테이블 저장부(17)가 매트릭스컨버터 게이트 구동 부(13)에 스위칭 제어 신호를 출력한다는 것을 의미한다.

영 벡터(T₀) 의 시간 동안 출력전압 제어 입력전류 제어 스위칭 테이블 저장부(17)로부터 매트릭스컨버터 게이트 구동 부(13)로 A, B, C의 해당 값이 같게 예컨대 a, a, a 또는 b, b, b 또는 c, c, c와 같은 스위칭 제어 신호가 출력되는 경우, 매트릭스컨버터 게이트 구동 부(13)는 양 방향 스위치(2)에 게이트 구동 신호를 출력하지 않는다.

매트릭스 컨버터 게이트 구동부(13)는 출력전압 제어 입력전류 제어 스위칭 테이블 저장부(17)로부터 제공되는 스위칭 제어 신호에 따라서 매트릭스 컨버터 즉, 양 방향 스위치(2)의 매트릭스를 스위칭 제어한다. 이와 같이 하여 매트릭스 컨버터(1)에 대한 입력전류와 출력전압의 동시 제어가 달성된다.

도10은 컨버터의 입력 상 전압 및 입력 상 전류와 매트릭스 컨버터의 출력전류의 파형도이다. 도 10은 본 발명에 따른 매트릭스 컨버터의 출력전압 제어장치에 의해 입력 상 전압과 입력 상 전류의 동상 제어됨으로 인해 본 발명의 목적에 부합하게 우수한 제어 특성을 보이는 출력전류를 얻을 수 있음을 나타내고 있다.

본 발명에 따라서 3상 교류 원의 3상 교류를 교류에서 교류로 전력 변환하여 전동기에 제공하는 매트릭스 컨버터의 출력 제어 방법은, 상기 매트릭스 컨버터에 공급되는 3상 교류의 입력전압을 상 별로 소정 비율로 비례하는 전압신호로서 변환하여 입력 상 전압신호로서 제공하고 상기 입력 상 전압신호 간 감산하여 입력 상 간 전압신호로서 제공하는 입력전압 검출 단계와;

상기 입력전압 검출 단계에서 검출된 상기 입력 상 전압신호의 크기를 산출하는 입력전압 크기 계산 단계와;

상기 입력전압 검출 단계에서 검출된 상기 입력 상 전압신호의 주파수를 측정하고 측정된 주파수를 입력 전압과 입력 전류를 동상으로 제어하기 위해 입력 전 류의 주파수로 하여 시간 변화에 따른 입력 위상 각을 산출하는 입력 위상 각 계산 단계와;

상기 입력전압 검출 단계에서 얻은 상기 입력 상 간 전압신호를 근거로 하여, 상기 3상 교류의 최대 선간 전압을 포락선 검파하여 얻고 입력전류의 위상이 상 전압과 동상이 되도록 소정 각도만큼 위상천이 하여 입력전압 섹터를 생성하여 출력하는 입력전압 섹터 생성 단계와;

상기 매트릭스 컨버터의 지령 출력 전압을 발생시켜 제공하는 출력 전압 지령 단계와;

상기 전동기의 지령 출력속도를 주파수 지령으로 발생시켜 제공하는 출력속도 지령 단계와;

상기 출력 전압 지령 단계에서 얻은 지령 출력 전압과 상기 입력전압 크기 계산 단계에서 얻은 3상 교류 입력전압의 크기에 따라서 변조 지수를 산출하는 변조 지수 계산 단계와;

상기 지령 출력속도에 따른 지령 주파수를 근거로 시간변화에 따른 출력 위상 각을 산출하는 출력 위상 각 계산 단계와;

상기 출력속도 지령에 응답하여 시간구간을 결정하는 6개의 스위칭 전압 벡터 중 어느 두 스위칭 전압 벡터를 출력하는 출력전압 섹터 생성 단계와;

상기 입력전압 섹터와, 상기 입력 위상 각과, 상기 변조 지수와, 상기 출력 위상각과, 상기 출력전압 섹터와를 근거로 입력전류와 출력전압을 제어하는 공간 벡터를 산출하는 입력전류 및 출력전압 제어 공간벡터 연산 단계와;

출력전압 및 입력전류 제어를 위해 상기 입력전류 및 출력전압 제어 공간벡터 연산 단계에서 얻은 상기 공간 벡터와, 상기 입력전압 섹터와, 상기 출력전압 섹터에 따른 세부 시간 동안 상 별 3개 양방향 스위치의 미리 저장된 온 오프 정보를 스위칭 제어 신호로서 출력하는 단계와;

상기 스위칭 제어 신호에 따라서 매트릭스 컨버터의 양방향 스위치의 게이트를 구동하는 게이트 구동 단계와; 로 구성된다.

본 발명의 매트릭스 컨버터의 출력 제어 방법에 대한 더욱 구체적인 동작은 상기 본 발명의 매트릭스 컨버터의 출력 제어 장치에 대한 설명을 참조할 수 있으며, 중복설명을 회피하기 위해서 기술을 생략하기로 한다.

상기에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명의 매트릭스 컨버터의 출력전압 제어 장치 및 방법을 제공함에 따라서, 입력 상 전류를 입력 상 전압과 동상으로 제어함으로써 매트릭스 컨버터의 입력 전원 역률이 거의 "1"에 가깝도록 제어할 수 있고, 입력 상 전류 벡터와 출력 상 전압 벡터의 곱에 의한 공간벡터 제어함에 따라서 출력전압 제어와 동시에 입력전류 제어가 가능해 질 수 있다. 따라서 매트릭스 컨버터의 문제점 해소에 따라 매트릭스 컨버터에 의한 교류-교류 변환제어 본격 상용화를 실현하는 것도 가능해 진다.

Claims

3상 교류 원의 3상 교류를 교류에서 교류로 전력 변환하여 전동기에 제공가능하며 다수의 양방향 스위치 소자로 구성되는 매트릭스 컨버터를 출력 제어하는 매트릭스 컨버터 출력 제어 장치에 있어서,

상기 3상 교류 원으로부터 상기 매트릭스 컨버터로 제공되는 3상 교류의 입력전압 신호를 상 별로 소정의 비례 전압신호로 변환하여 입력 상 전압신호로서 제공하고 상기 입력 상 전압신호 간 감산하여 입력 상간 전압신호로서 제공하는 입력전압 검출 부와;

상기 입력전압 검출 부에 접속되어, 상기 입력전압 검출 부가 제공하는 상기 입력 상 전압신호의 크기를 계산하는 입력전압크기 계산 부와;

상기 입력전압 검출 부에 접속되어, 상기 입력전압 검출 부가 제공하는 입력 상 전압신호의 주파수를 측정하고 입력 상 전류를 상기 입력 상 전압신호와 동상으로 제어하기 위해서 상기 측정한 주파수를 입력 상 전류의 주파수로 하여 시간변화에 따른 입력 상 전류의 위상 각을 계산하여 제공하는 입력 위상 각 계산 부와;

상기 입력전압 검출 부에 접속되어, 상기 입력전압 검출 부가 제공하는 상기 입력 상간 전압신호를 근거로 하여, 상기 3상 교류의 최대 선간 전압을 포락선 검파하여 얻고 상기 입력 상 전류의 위상이 상기 입력 상 전압 신호와 동상이 되도록 상기 3상 교류의 최대 선간 전압을 소정 각도만큼 위상천이 하여 제공하는 입력전압 섹터 생성 부와;

상기 매트릭스 컨버터의 지령 출력전압을 발생시켜 제공하는 출력전압 지령 부와;

상기 전동기의 지령 출력속도에 따른 주파수 지령을 발생시켜 제공하는 출력속도 지령 부와;

상기 입력전압크기 계산 부와 상기 출력전압 지령 부에 접속되어, 상기 입력전압크기 계산 부로부터의 상기 입력 상 전압 신호의 크기 대비 상기 출력전압 지령 부로부터의 상기 지령 출력전압을 발생하기 위한 변조지수를 계산하여 제공하는 변조지수 계산 부와;

상기 출력속도 지령 부에 접속되어, 상기 출력속도 지령 부로부터의 지령 출력속도에 따른 주파수 지령을 근거로 하여 출력 위상 각을 계산하여 제공하는 출력 위상 각 계산 부와;

상기 출력속도 지령 부에 접속되고, 상기 출력속도 지령 부로부터의 주파수 지령에 응답하여 시간적 섹터를 구분하는 공간 기준 출력전압 벡터를 발생시켜 제공하는 출력전압 섹터 생성 부와;

상기 입력전압 섹터 생성 부로부터의 위상 천이된 최대 선간 전압과, 상기 입력 위상 각 계산 부로부터의 입력 상 전류의 위상 각과, 상기 변조 지수 계산 부로부터의 변조 지수와, 상기 출력 위상 각 계산 부로부터의 출력 위상 각과, 상기 출력전압 섹터 생성 부로부터의 공간 기준 출력전압 벡터를 근거로, 출력전압과 입력전류를 동시에 제어하는 공간벡터를 미리 설정된 연산식에 따라 연산하여 제공하는 출력전압 입력전류 제어 공간벡터 연산 부와;

상기 입력전압 섹터 생성 부로부터의 위상 천이된 최대 선간 전압과, 상기 출력전압 섹터 생성 부로부터의 공간 기준 출력전압 벡터와, 상기 출력전압 입력전류 제어 공간벡터 연산 부로부터의 공간벡터에 따라서, 상기 매트릭스 컨버터의 출력전압과 상기 3상 교류 원으로부터의 입력전류를 제어하기 위해 저장하고 있는 상기 양방향 스위치 소자 중 온 시킬 양방향 스위치 소자를 지정하는 정보에 따른 스위칭 제어신호를 출력하여 제공하는 출력전압 입력전류 제어 스위칭 테이블 저장부와;

상기 출력전압 입력전류 제어 스위칭 테이블 저장부로부터 제공되는 스위칭 제어신호에 따라서 상기 양방향 스위치의 스위칭을 제어하는 매트릭스컨버터 게이트 구동부와;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 매트릭스 컨버터의 출력 제어 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 입력전압 검출 부는,

3상 교류 원으로부터 상기 매트릭스 컨버터로 제공되는 3상 교류의 입력전압 신호를 상 별로 소정의 비례 전압신호로 변환하여 입력 상 전압신호로서 제공하는 변위기(Potential Transformer)와;

상기 상 별 소정의 비례 전압신호를 상간 감산하여 입력 상간 전압신호로서 제공하는 감산회로를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 매트릭스 컨버터의 출력 제어 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 입력전압 검출 부는,

3상 교류 원으로부터 상기 매트릭스 컨버터로 제공되는 3상 교류의 입력전압 신호를 상 별로 소정의 비례 전압신호로 변환하여 입력 상 전압신호로서 제공하는 분압 저항으로 이루어진 분압 회로와;

상기 상 별 소정의 비례 전압신호를 상간 감산하여 입력 상간 전압신호로서 제공하는 감산회로를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 매트릭스 컨버터의 출력 제어 장치.
제 1 항에 있어서,

입력전압 섹터 생성 부는, 상기 입력전압 검출 부에 접속되어, 상기 입력전압 검출 부가 제공하는 상기 입력 상간 전압신호를 근거로 하여, 상기 3상 교류의 최대 선간 전압 신호를 포락선 검파하여 제공하는 포락선 검파회로와;

상기 포락선 검파회로의 출력단과 상기 입력전압 검출 부에 접속되어, 상기 포락선 검파회로로부터 포락선 검파하여 제공된 최대 선간 전압 신호의 파형을 상기 입력전압 검출 부로부터의 상기 입력 상 전압신호의 위상과 동상이 되도록 소정 각도만큼 천이시켜 제공하는 위상 천이 회로와;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 매트릭스 컨버터의 출력 제어 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 미리 설정된 연산식은,

,

,

,

.

이고,

여기서, δ1, δ2, δ3, δ4는 상기 양방향 스위치 소자를 온시키게 제어하는 시간이고, T₀는 상기 양방향 스위치 소자에 영 전압을 공급하는 시간이며, ｜V_rp｜는 지령 출력전압의 절대값이고, ｜V_gp｜는 입력 상 전류 벡터와 동상인 입력 상 전압 벡터의 절대값인 동시에 상기 입력전압크기 계산 부로부터 제공되는 상기 입력 상 전압신호의 크기이며, Δg 는 입력 상 전류 벡터의 위상 각인 동시에 상기 입력 위상 각 계산 부가 제공하는 시간 변화에 따른 상기 입력 상 전류의 위상 각이고, Δr는 지령 출력전압의 위상 각이며, ｜V_rp｜/｜V_gp｜는 상기 변조 지수 계산 부가 제공하는 변조지수인 것을 특징으로 하는 매트릭스 컨버터의 출력 제어 장치.
3상 교류 원의 3상 교류를 교류에서 교류로 전력 변환하여 전동기에 제공하는 매트릭스 컨버터의 출력 제어 방법에 있어서,

상기 매트릭스 컨버터에 공급되는 3상 교류의 입력전압을 상 별로 소정 비율로 비례하는 전압신호로서 변환하여 입력 상 전압신호로서 제공하고 상기 입력 상 전압신호 간 감산하여 입력 상 간 전압신호로서 제공하는 입력전압 검출 단계와;

상기 입력전압 검출 단계에서 검출된 상기 입력 상 전압신호의 크기를 산출하는 입력전압 크기 계산 단계와;

상기 입력전압 검출 단계에서 검출된 상기 입력 상 전압신호의 주파수를 측정하고 입력 전압과 입력 전류를 동상으로 제어하기 위해 측정된 주파수를 입력 전류의 주파수로 하여 시간 변화에 따른 입력 위상 각을 산출하는 입력 위상 각 계산 단계와;

상기 입력전압 검출 단계에서 얻은 상기 입력 상 간 전압신호를 근거로 하여, 상기 3상 교류의 최대 선간 전압을 포락선 검파하여 얻고 입력전류의 위상이 입력 상 전압 신호와 동상이 되도록 소정 각도만큼 위상천이 하여 입력전압 섹터를 생성하여 출력하는 입력전압 섹터 생성 단계와;

상기 매트릭스 컨버터의 지령 출력 전압을 발생시켜 제공하는 출력 전압 지령 단계와;

상기 전동기의 지령 출력속도를 주파수 지령으로 발생시켜 제공하는 출력속도 지령 단계와;

상기 출력 전압 지령 단계에서 얻은 지령 출력 전압과 상기 입력전압 크기 계산 단계에서 얻은 상기 입력 상 전압신호의 크기에 따라서 변조 지수를 산출하는 변조 지수 계산 단계와;

상기 지령 출력속도에 따른 주파수 지령을 근거로 시간변화에 따른 출력 위상 각을 산출하는 출력 위상 각 계산 단계와;

상기 주파수 지령에 응답하여 시간구간을 결정하는 6개의 스위칭 전압 벡터 중 어느 두 스위칭 전압 벡터를 출력전압 섹터로서 출력하는 출력전압 섹터 생성 단계와;

상기 입력전압 섹터와, 상기 입력 위상 각과, 상기 변조 지수와, 상기 출력 위상각과, 상기 출력전압 섹터를 근거로 상기 3상 교류 원으로부터의 입력전류와 상기 매트릭스 컨버터의 출력전압을 제어하는 공간 벡터를 산출하는 입력전류 및 출력전압 제어 공간벡터 연산 단계와;

출력전압 및 입력전류 제어를 위해 입력전류 및 출력전압 제어 공간벡터 연산 단계에서 얻은 상기 공간 벡터와, 상기 입력전압 섹터와, 상기 출력전압 섹터에 따른 세부 시간 동안 상 별 3개 양방향 스위치의 미리 저장된 온 오프 정보를 스위칭 제어 신호로서 출력하는 단계와;

상기 스위칭 제어 신호에 따라서 매트릭스 컨버터의 양방향 스위치의 게이트를 구동하는 게이트 구동 단계와;로 구성되는 것을 특징으로 하는 매트릭스 컨버터의 출력 제어 방법.