KR100931182B1 - Ｐｗｍ 컨버터에서의 과전압 제어 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전동기 제어에 필요한 컨버터 또는 인버터에서 전동기 회생에너지에 의한 과전압을 방지하여 시스템의 안정적 운용을 도모하고 하고 고장시 직류 캐패시터에 저장된 에너지를 급속히 방전시켜 신속한 정비 활동을 이룰 수 있는 PWM 컨버터에서의 과전압 제어 장치를 제공하기 위한 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 장치는 교류전원을 소정의 레벨로 변압시키는 주변압기와, 상기 주변압기로 입력되는 교류전원을 온/오프시키는 주차단기와, 상기 주변압기로부터 출력된 소정 전원을 변환하여 전동기의 구동전원으로 인가하는 컨버터 및 인버터와, 상기 컨버터와 인버터의 사이의 전원라인에 병렬연결되는 DC캐패시터 및 방전저항을 포함한 전동기 구동 시스템에 있어서, 상기 DC 캐패시터의 양단에 연결되어 턴온에 의해 폐루프를 형성하는 전력스위칭소자 및 저항과, 상기 컨버터의 출력전압을 측정하는 직류전압측정부와, 상기 주차단기의 온/오프 접점 신호를 입력 받는 접점입력부와, 상기 접점 입력부의 신호와 직류 전압 측정부의 직류 측정 전압을 입력받아 과전압 방지 모드와 급속 방전 모드를 결정하는 제어부와, 상기 제어부의 동작에 필요한 파라메터 및 프로그램을 저장한 메모리부와, 상기 제어부의 동작신호에 따라 소정 펄스신호를 발생시켜 상기 전력 스위칭 소자의 게이트신호로 인가함에 의해 전력스위칭소자를 온/오프시키는 게이트 드라이버부로 구성된다.

이에 의하여, 본 발명은 전동기의 회생 에너지로 인한 과전압으로 전력 소자 가 소손되는 것을 미연에 방지할 수 있으며, 더하여 시스템 고장시 컨버터에서 DC 캐패시터에 저장된 에너지의 신속항 방전으로 정비소요시간을 단축시킬 수 있다.

전동기, 컨버터, 다이오드 정류기, 전력스위칭 소자, 방전,

Description

ＰＷＭ 컨버터에서의 과전압 제어 장치{OVER-VOLTAGE CONTROL APPARATUS IN PWM CONVERTER SYSTEM}

도 1은 본 발명에 의한 과전압 제어 장치를 2-레벨 PWM 컨버터에 적용한 상태를 보인 블록구성도이다.

도 2는 도 1에 도시된 과전압 제어장치에서 접점 입력부의 상세회로도이다.

도 3은 도 1에 도시된 과전압 제어장치에서 직류전압측정부의 상세회로도이다.

도 4는 도 1에 도시된 과전압 제어장치에서 제어부의 상세회로도이다.

도 5는 도 1에 도시된 과전압 제어장치에서 메모리부의 상세구성도이다.

도 6은 도 1에 도시된 과전압 제어장치에서 게이트드라이버부의 상세회로도이다.

도 7은 본 발명에 의한 과전압 제어 장치의 동작 순서도이다.

도 8은 본 발명에 의한 방전과 일반적인 방전의 소요시간을 비교한 그래프이다.

도 9는 본 발명에 의한 과전압 제어 장치에서 과전압 발생 방지 원리를 설명하는 동작 타이밍도이다.

도 10은 본 발명에 의한 과전압 제어 장치에서 급속 방전 동작을 보이는 동 작 타이밍도이다.

도 11은 본 발명에 의한 과전압 제어 장치를 다이오드 정류기에 적용한 예를 보인 구성도이다.

도 12는 본 발명에 과전압 제어 장치를 3-레벨 PWM 컨버터에 적용한 예를 보인 구성도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 주차단기 2 : 주차단기 접점신호부

3 : 접점 입력부 4 : 제어부

5 : 펄스 발생부 6 : 게이트 드라이버부

7 : 전력 스위칭 소자 8 : 저항

9 : 직류전압 측정부 10 : 주변압기

11 : PWM 컨버터 12 : 인버터

13 : DC 캐패시터(Capacitor) 14 : 저항

본 발명은 전동기 제어를 위한 PWM 컨버터의 과전압 제어 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전동기 회생에너지에 의한 과전압을 방지하여 시스템의 안정적 운용을 도모하고 하고 고장시 직류 캐패시터에 저장된 에너지를 급속히 방전시 켜 신속한 정비 활동을 이룰 수 있는 PWM 컨버터에서의 과전압 제어 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 전동기의 구동장치에서 다이오드 정류기를 적용하는 경우 전동기 회생에너지를 고려하여 과전압 제어 장치를 적용하기도 한다.

그러나, 다이오드 정류기의 부하로 연결된 인버터에서 고장 발생시에 신속한 정비가 필요하지만, 정비를 위해서는 안전 및 설비 보호를 위해 전원을 완전히 오프시킨 후, 구동장치의 DC 캐패시터에 저장된 에너지가 완전 방전 되기까지 기다려야 한다는 문제점이 있다.

더하여, 전력 스위칭 소자를 이용하는 PWM 제어방식의 컨버터에서는 전압제어를 수행하기 때문에 전동기의 회생 에너지에 의한 과전압에 대해서는 제어를 할 수 있었다. 그러나, 급가변 전동기 회생에너지에 대해서는 직류전압의 변동이 있기 때문에 시스템 보호를 위해 보조적인 과전압 방지 장치가 필요하게 된다.

그리고, PWM 컨버터는 기본적으로 전압을 승압(Boost)시키는 것을 목적으로으로 하기 때문에 입력 전원 전압보다 높은 직류 전압을 제어한다. 따라서, 시스템 고장 시 DC 캐패시터에 저장된 에너지를 해당 캐패시터와 평행하게 연결된 방전저항만으로 방전시키기에는 소요시간이 너무 길다는 문제점이 있으며, 더하여 신속한 정비가 어려워진다는 문제점이 있다.

본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 그 목 적은 다이오드 정류기나 전력 스위칭 소자를 이용하는 PWM 컨버터에서 전동기 회생에너지에 의한 과전압을 방지하면서 고장 발생시 안전과 신속한 정비 활동이 이루어 질 수 있도록 충전된 에너지를 급속 방전시키는 PWM 컨버터에서의 과전압 제어 장치를 제공하는 것이다.

상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 구성수단으로서, 본 발명에 의한 과전압 제어 장치는 교류전원을 소정의 레벨로 변압시키는 주변압기와, 상기 주변압기로 입력되는 교류전원을 온/오프시키는 주차단기와, 상기 주변압기로부터 출력된 소정 전원을 변환하여 전동기의 구동전원으로 인가하는 컨버터 및 인버터와, 상기 컨버터와 인버터의 사이의 전원라인에 병렬연결되는 DC캐패시터 및 방전저저항을 포함한 전동기 구동 시스템에 있어서,

상기 DC 캐패시터의 양단에 연결되어 턴온에 의해 폐루프를 형성하는 전력스위칭소자 및 저항;

상기 컨버터의 출력전압을 측정하는 직류전압측정부;

상기 주차단기의 온/오프 접점 신호를 입력 받는 접점입력부;

상기 접점 입력부의 신호와 직류 전압 측정부의 직류 측정 전압을 입력받아 과전압 방지 모드와 급속 방전 모드를 결정하는 제어부;

상기 제어부의 동작에 필요한 파라메터 및 프로그램을 저장한 메모리부;

상기 제어부에서 출력된 값을 이용하여 펄스발생을 하는 펄스 발생부;

상기 펄스 발생부에서 출력된 펄스를 이용하여 상기 전력 스위칭 소자를 온/오프하는 게이트 드라이버부로 구성된다.

이하, 첨부한 도면을 참고하여, 본 발명에 따른 과전압 제어 장치의 구성 및 작용을 더 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 과전압 제어 장치를 적용한 2-레벨 모터 구동 장치를 도시한 것으로, 도시된 바와 같이 과전압 제어 장치는 교류전원을 소정의 레벨로 변압시키는 주변압기(10)와, 상기 주변압기(10)로 입력되는 교류전원을 온/오프시키는 주차단기(1)와, 상기 주변압기(10)로부터 출력된 소정 전원을 직류로 직류에서 다시 교류로 변환하여 전동기에 인가하는 컨버터(11) 및 인버터(12)와, 상기 컨버터(11)와 인버터(12)의 사이의 전원라인에 병렬연결되는 DC캐패시터(13) 및 방전저항(13)을 포함하는 전동기의 구동 시스템에 있어서, 상기 DC 캐패시터(13)의 양단에 연결되어 턴온에 의해 폐루프를 형성하는 전력스위칭소자(7) 및 저항(8)과, 상기 컨버터(11)의 출력전압을 측정하는 직류전압측정부(9)와, 상기 주차단기(1)의 온/오프 접점 신호를 입력 받는 접점입력부(3)와, 상기 접점 입력부(3)의 신호와 직류 전압 측정부(9)의 측정 전압을 입력받아 과전압 및 비상정지여부를 판단하여 그 판단에 따라 과전압 방지 모드와 급속 방전 모드를 결정하는 제어부(4)와, 상기 제어부(4)의 동작에 필요한 파라메터 및 프로그램을 저장한 메모리부(5)와, 상기 제어부(4)로부터 출력된 동작신호에 따라서 소정 펄스를 발생시켜 상기 전력 스위 칭 소자를 온/오프 스위칭시키는 게이트 드라이버부(6)로 구성된다.

상기에서, 접점입력부(3)는 도 2에 도시한 바와 같이, 포토커플러(17)를 이용하여, 주차단기(1)의 릴레이 접점신호를 입력받아, 이를 소정 레벨의 신호로 출력토록 한다.

그리고, 직류전압측정부(9)는 도 3에 도시한 바와 같이, 전압센서(18)과 상기 전압센서(18)의 감지신호를 신호변환 및 증폭출력하는 회로로 구현될 수 있다.

그리고, 상기 제어부(4)는 도 4에 도시한 바와 같이, 각각의 수단과 연결되어 제어신호를 출력하는 마이크로프로세서로 구현될 수 있다.

그 다음, 메모리부(5)는 상기 제어부(4)에 구동하기 위한 파라메터와 도 7과 같은 동작을 수행하는 프로그램을 기록하는 것으로, 도 5에 도시된 바와 같이, 제어부(4)로 데이터를 입출력하도록 연결구성된다.

그리고, 상기 게이트드라이버부(6)를 도시한 것으로서, 제어부(4)로부터 출력된 신호 g를 입력받아 펄스신호를 출력하는 펄스제너레이터 소자(20)와 상기 펄스제너레이터 소자(20)로부터 출력된 펄스를 증폭출력하여 전력스위칭소자(7)의 게이트-이미터 전압으로 인가하는 구동회로로 구성된다.

이상의 도 2 내지 도 6에 도시한 회로는 단지 본 발명에 의한 과전압 제어 장치에 대한 이해를 돕기 위하여, 각 수단의 구성 예를 보인 것으로서, 이에 제한되지 않고 본 발명에 따른 기본 동작을 수행할 수 있는 범위 내에서 다양하게 구현될 수 있다.

상기 구성에 있어서, 주차단기(1)의 온/오프와 같은 주차단기(1)의 동작 상 태를 접점입력부(3)가 상기 주차단기(1)의 접점 신호부(2)의 릴레이를 통해 오픈(c)/클로즈 신호(d)로 구분되어 제어부(4)로 인가된다.

또한, 직류전압측정부(9)는 상기 컨버터(11)로부터 출력되는 직류전압 레벨을 측정하여 제어부(4)로 인가한다.

이에 제어부(4)는 상기 오픈/클로즈 신호(c,d)와 직류전압 측정부(9)에서 측정된 직류전압(b)를 이용하여 도 8과 같은 제어 플로우를 수행하여, 과전압 방지 동작 모드와 급속 방전 동작 모드 중 하나를 결정한다. 상기 결정된 동작모드에 따라서 제어부(4)로부터 출력된 제어신호(g)는 게이트드라이버부(6)로 입력되고, 이에 소정 간격의 펄스신호를 발생시켜 상기 전력 스위칭소자(7)의 게이트단에 제어신호로 인가한다. 이에, 상기 전력 스위칭 소자(7)가 온/오프되어, DC캐패시터(13)에서 저항(8)으로 이어지는 폐루프를 형성하거나 차단한다. 상기 폐루프가 구성된 경우, DC 캐패시터(13)에 충전된 전기에너지는 저항(8)에서 급속히 방전되며, 폐루프가 구성되지 않은 경우, 상기 DC 캐패시터(13)의 전압은 유지된다.

즉, 접점입력부(3)를 통해 주차단기(1)의 상태가 확인되면(701), 상기 제어부(4)는 주차단기(1)가 오픈상태인지 클로즈상태인지에 따라 동작모드를 결정한다(702). 즉, 주차단기(1)가 클로즈상태라면 컨버터(11)가 정상동작 상태이므로, 과전압이 되지 않도록 DC 캐패시터(13)의 전압레벨을 일정하게 유지시키면 된다. 따라서, 이때는 과전압 방지 모드로 동작한다(703). 반대로 주차단기(1)가 오픈상태라면 비상정지된 상태이므로 정비 또는 회로보호를 위하여 DC 캐패시터(13)의 전압을 빠르게 방전시켜야 한다. 따라서 이때는 방전모드로 동작한 다(709).

상기 과전압 방지모드로 결정되면, 제어부(4)는 컨버터(11)로부터 출력되어 DC캐패시터(13)에 충전되는 전압레벨을 직류전압측정부(9)를 통해 측정된 전압값을디지털 값으로 변환하여 입력받아, 과전압 설정치와 비교한다(704~706). 상기 과전압 설정치는 대략 정격전류전압의 120%로 설정한다. 그리고, 상기 비교 결과, 측정된 직류전압이 과전압 설정치 이상일 때, 게이트드라이버부(6)로 동작신호를 보내, 전력스위칭 소자(7)를 온/오프동작시킨다. 따라서, 상기 DC 캐패시터(13)의 전압이 온상태의 전력스위칭소자(7)를 통해 저항(8)으로 전달되어 방전된다. 이에 상기 DC 캐패시터(13)의 전압레벨, 즉 컨버터(11)의 출력전압이 과전압 설정치 이하로 떨어지면 상기 펄스출력이 정지되고, 전력스위칭소자(7)은 오픈상태로 유지된다.

즉, 도 9에 도시한 바와 같이, 직류전압이 실선과 같이 변화되고, 이때, 과전압 설정치가 점선으로 설정되었다고 할때, 과전압 설정치보다 큰 구간 T1, T2에서 전력스위칭소자(7)의 게이트신호가 인가되면서, 출력전류가 방전된다.

반대로, 상기에서 방전모드로 결정되면(709), 제어부(4)는 직류전압 측정부(9)를 통해 측정된 직류전압을 디지털값으로 입력받아 상기 직류전압이 0인지를 연속판단한다(710~712). 상기 비교에 의해, 측정된 직류전압 즉, DC 캐패시터(13)간의 전압이 0이 될 때까지 전력스위칭소자(7)를 온/오프시켜 급속 방전시킨다(713).

즉, 도 10에 도시한 바와 같이, 시스템의 구동정지시, DC 캐패시터(13)에 충전된 소정 레벨의 직류전압을 전력스위칭소자(7)를 온/오프시켜 저항(8)을 통해 0 로 될 때까지 방전시킨다.

시스템의 정지시, 본 발명에 의한 방전소요시간과 종래의 자연방전의 소요시간을 비교한 결과, 도 8에 도시한 바와 같이 측정되었다. 상기 도 8은 2-레벨 PWM 컨버터(12)의 전압제어를 실시한 후, 고장시 일반방전시간과 본 발명에 따른 급속방전시간을 측정한 것이다. 도시된 바와 같이, 본 발명과 같이 방전시킨 경우, 일반방전시 30분 이상 소요되던 시간을 5분 이내로 단축시킬 수 있었다.

도 11은 다이오드 정류기(20)를 적용한 전동기 구동 장치에 적용된 본 발명의 다른 실시예를 보인 것으로서, 상기 다이오드 정류기(20)는 입력 교류 전압을 1.35배까지 충전한다. 그리고, 다이오드 정류기(20)는 유도 전동기의 회생에너지에 대한 회생 능력이 없어 그 출력에 구비된 DC 캐패시터(14)에 과전압이 발생되기 쉽다. 또한, 인버터(14)의 고장 시 DC 캐패시터(14)에 저장된 에너지를 빠르게 방전 시켜야 인버터(14)에 대한 정비 활동을 빨리 실시 할 수 있다.

따라서, 상기와 같은 시스템에서, 본 발명에 의한 전력스위칭소자와 저항을 상기 DC 캐패시터(13)의 양단에 연결하고, 주차단기(1)의 동작상태와, 다이오드 정류기(20) 출력 전압을 측정하여 앞서 설명한 바와 같이, 전력스위칭소자를 제어함에 의하여, 과전압 방지와 정지시 급속 방전을 이룰 수 있게 된다.

도 12는 본 발명을 3-레벨 PWM 컨버터에 적용한 다른 실시예를 보인 개략구성도로서, 일반적으로, 3-레벨 컨버터(21)는 고압의 직류 전압을 제어하게 된다. 따라서, 여기에서는 전력스위칭소자와 저항을 3-레벨 컨버터(21)의 출력단 P-C, C-N측에 각각 설치하고, 주차단기(1)의 동작상태 및 3-레벨 컨버터(21)의 출력전압레 벨에 따라 두 전력스위칭소자를 동시에 구동시킴으로서, 고압 직류 전압의 과전압 방지와 급속 방전을 수행한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 다이오드 정류기 도는 PWM 컨버터를 사용하는 전동기 구동 시스템에서, 유도 전동기의 회생에너지 및 기타 영향에 의한 과전압을 효과적으로 방지할 수 있으며, 또한, 컨버터 또는 인버터의 고장시 급속한 방전을 수행함으로서, 점검 및 정비 소요시간을 단축시키는 우수한 효과가 있다.

Claims (2)

1. 교류전원을 소정의 레벨로 변압시키는 주변압기와, 상기 주변압기로 입력되는 교류전원을 온/오프시키는 주차단기와, 상기 주변압기로부터 출력된 소정 전원을 변환하여 전동기의 구동전원으로 인가하는 컨버터 및 인버터와, 상기 컨버터와 인버터의 사이의 전원라인에 병렬연결되는 DC캐패시터 및 방전저항을 포함한 전동기 구동 시스템에 있어서,

   상기 DC 캐패시터의 양단에 연결되어 턴온에 의해 폐루프를 형성하는 전력스위칭소자 및 저항;

   상기 컨버터의 출력전압을 측정하는 직류전압측정부;

   상기 주차단기의 온/오프 접점 신호를 입력 받는 접점입력부;

   상기 접점 입력부의 신호와 직류 전압 측정부의 직류 측정 전압을 입력받아 과전압 방지 모드와 급속 방전 모드를 결정하는 제어부;

   상기 제어부의 동작에 필요한 파라메터 및 프로그램을 저장한 메모리부; 및

   상기 제어부의 동작신호에 따라 소정 펄스신호를 발생시켜 상기 전력 스위칭 소자의 게이트신호로 인가함에 의해 전력스위칭소자를 온/오프시키는 게이트 드라이버부

   를 포함하고, 상기 제어부는, 주차단기가 클로즈상태인 경우, 직류전압측정부의 측정전압을 과전압 설정치와 비교하여 과전압 설정치 이상일 경우 게이트드라이버를 구동시키고, 주차단기가 오픈상태인 경우, 직류전압측정부의 측정전압이 0가 될 때까지 게이트 드라이버를 구동시키는 것을 특징으로 하는 PWM 컨버터의 과전압 제어 장치.
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