KR100989806B1 - 전력변환장치용 고속 공간벡터 변조방법, 이를 포함한 정류기 제어기와 인버터 제어기 및 이를 기록한 컴퓨터에서 읽을 수 있는 기록매체 - Google Patents

전력변환장치용 고속 공간벡터 변조방법, 이를 포함한 정류기 제어기와 인버터 제어기 및 이를 기록한 컴퓨터에서 읽을 수 있는 기록매체 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전력반도체 스위칭을 이용한 교류-직류 전력변환 및 직류-교류 전력변환을 위한 펄스 폭 변조(PWM) 방식 양방향성 정류기와 펄스 폭 변조(PWM) 방식 인버터를 적용한 전력변환장치에서 스위칭 소음 저감, 입출력 필터 용량의 최소화 및 스위칭 노이즈 최소화을 통한 전력변환장치 제어 성능 및 전력 품질을 향상시키기 위해 스위칭 주파수를 증가시키고자 하는 경우, 전력변환장치의 양방향성 정류기 및 인버터의 각 스위칭 소자 제어를 위해 필요한 스위칭 소자 도통시간을 소프트웨어에 의해서 빠르게 연산하기 위해 단순화된 고속 공간벡터변조기과 이를 적용한 전력변환장치에 관한 것이다

Description

전력변환장치용 고속 공간벡터 변조방법, 이를 포함한 정류기 제어기와 인버터 제어기 및 이를 기록한 컴퓨터에서 읽을 수 있는 기록매체 {High-Speed Space Vector Modulation(HS-SVM) Method for Power Converter, Rectifier Controller and Inverter Controller including HS-SVM method and Computer-Readable Recording Media including HS-SVM method}
본 발명은 전력변환장치의 정류기와 인버터의 각 스위칭 소자를 펄스폭 변조제어하기 위해 필요한 스위칭 소자 도통시간을 소프트웨어에 의해서 빠르게 연산하기 위해 단순화된 고속 공간벡터변조 방법 및 이를 이용하는 정류기 제어기와, 인버터 제어기 및 고속 공간벡터 변조 방법을 기록한 컴퓨터에서 읽을 수 있는 기록매체에 관한 것이다.
일반적으로 전력변환장치는, 입력전원을 입력필터를 통해 입력받아 교류-직류 변환을 위한 정류기에서 직류전원으로 변환하고, 직류전원을 직류 전압원에 충전함과 아울러 직류-교류 변환을 위한 인버터에서 부하측에서 요구되는 교류전원으로 변환하여 출력필터를 통해서 부하측으로 출력하도록 이루어진다.
이와 같은 전력변환장치에서 상기 정류기나 인버터는 전력반도체 스위칭을 이용하며, 펄스 폭 변조(PWM) 방식 양방향성 펄스폭 변조방식(PWM) 정류기와 펄스 폭 변조(PWM) 방식 인버터를 적용한다.
전력변환장치에서 스위칭 소음 저감, 입출력 필터 용량의 최소화 및 스위칭 노이즈 최소화를 통한 전력변환장치 제어 성능 및 전력 품질을 향상시키기 위해 스위칭 주파수를 증가시키고자 하는 경우, 도 1 및 도 2와 같이 공간벡터 변조기를 사용한다.
도 1은 종래 기술에 의한 전력변환장치의 정류기 및 인버터 제어용 공간 벡터 변조기의 구성도이다. 즉, 도 1은 옵셋전압 연산단계를 포함하고 있는 기존 공간벡터변조기의 내부 구성도이다.
이에 도시된 바와 같이,
각 상 출력전압 기준값(Vao)(Vbo)(Vco)의 최대값을 검출하는 최대값 검출부(10) 및 최소값을 검출하는 최소값 검출부(20)와, 상기 최대값 검출부(10)의 최대값(V_max)과, 상기 최소값 검출부(20)의 최소값(V_min)을 이용하여 옵셋 전압을 연산하는 옵셋전압 연산부(30)와, 상기 옵셋전압 연산부(30)의 옵셋전압(V_offset)을 이용하여 정류기/인버터의 각 전력반도체 스위칭소자(S1 - S6)의 스위칭 소자 도통시간(T1 - T6)을 연산하여 출력하는 스위칭 시간 연산기(40)로 구성되고, 상기 스위칭 시간 연산기(40)의 스위칭시간 도통시간(T1-T6)에 의해 정류기/인버터(50)의 브릿지 구성으로 이루어진 반도체 스위칭소자(S1-S6)가 제어되도록 구성된다. 이는 제어 알고리즘에 의해 구현된다. 도 1은 인버터 제어기의 예시도이다.
이와 같이 정류기/인버터(50)를 제어하기 위한 기존의 공간벡터 변조기는, 각 상 출력전압 기준값으로 부터 최대값과 최소값을 구하고 이 값들을 가지고 옵셋전압을 연산한 후, 이 옵셋 전압을 이용하여 각 스위칭 소자 도통시간을 연산해내는 방식이다.
종래의 전력변환장치 내의 양방향성 정류기와 인버터를 제어하기 위해서는 각 양방향성 정류기와 인버터 내부 스위칭 소자를 도통시킬 시간을 양방향성 정류기 제어기 및 인버터 제어기에서 내부 제어알고리즘과 더불어 고속으로 계산해야만 고속 스위칭을 통한 제어성능 및 전력품질 향상을 기대할 수 있다.
따라서 양방향성 정류기와 인버터 제어기를 소프트웨어로 고속 구현하는데 있어서 전체 공간벡터변조 시간을 최소화할 필요성이 있다.
본 발명은 전력변환장치의 정류기 및 인버터를 펄스폭 제어방식으로 제어하기 위한 공간벡터 변조기를 간략화하여 전압 지령치의 최대값 및 최소값을 구하고, 제어기준 시점의 영벡터에 따라 전압지령치와 최대값 또는 최소값과의 차이, 스위칭 주기와 직류전압 값을 이용하여 고속으로 각 상의 스위칭 도통시간을 연산하여 제어할 수 있도록 한 전력변환장치의 정류기 제어기와, 인버터 제어기 및 고속 공간벡터 변조 방법과, 그 방법을 기록한 컴퓨터에서 읽을 수 있는 기록매체를 제공하기 위한 것이다.
본 발명에 의한 전력변환장치의 정류기 제어기는,
입력전류(ia, ib, ic) 및 입력전압(Vab, Vbc, Vca)을 검출하고, 정류기의 출력에서 검출된 직류전압(Vdc)을 피드백 받아 직류전압 제어 기준값(Vdc*)과의 차를 상기 입력전류 및 입력전압에 보상하여 각상 전압 기준값(Vao, Vba, Vco)을 발생하는 직류전압 및 입력전류 제어기와;
상기 직류전압 및 입력전류 제어기의 각상 전압기준값(Vao, Vba, Vco)을 비교하여 최대값(V_max)과 최소값(V_min)을 검출하고, 스위칭 주기의 기준으로 사용되는 영벡터 Vo = Vo(0,0,0) 또는 Vo(1,1,1)에 따라 하기 식(1) 또는 식(2)에 의해 각상 스위칭 도통시간(Ta, Tb, Tc)과, 영벡터 인가시간(To)을 계산하여 각 스위치 소자(S1, S4),(S3, S6),(S5, S2)의 스위칭 제어신호를 출력하는 고속 공간벡터 변조기(122);
영 벡터로 Vo(0,0,0)를 사용하는 경우(S1, S3, S5스위치=OFF; S4, S6, S2스위치=ON상태);
Figure 112010059612075-pat00001
.......식(1)
여기서, Ts : 스위칭 주기 [sec.], Vd: 직류 전압[Vdc]
영 벡터로 Vo(1,1,1)을 사용하는 경우(S1, S3, S5스위치=ON; S4, S6, S2스위치=OFF상태)
Figure 112010059612075-pat00002
.......식(2)
여기서, Ts : 스위칭 주기 [sec.], Vd: 직류 전압[Vdc]
를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 의한 전력변환장치의 인버터 제어기는,
전력변환장치의 인버터 제어기에 있어서,
출력전압(Vab, Vbc, Vca)을 검출하여 피드백 받아 출력전압 제어 기준값(Vab*)(Vbc*)(Vca*)과의 차에 의거한 각상 전압기준값(Vao, Vba, Vco)을 발생하는 출력전압 제어기와,
상기 출력전압 제어기의 각상 전압기준값(Vao, Vba, Vco)을 비교하여 최대값(V_max)과 최소값(V-min)을 검출하고, 영벡터 Vo = Vo(0,0,0) 또는 Vo(1,1,1)에 따라 상기 식(1) 또는 상기 식(2)에 의해 각상 스위칭 도통시간(Ta, Tb, Tc)과, 영벡터 인가시간(To)을 계산하여 각 스위치 소자(S1, S4),(S3, S6),(S5, S2)의 스위칭 제어신호를 출력하는 고속 공간벡터 변조기를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 전력변환장치의 정류기와 인버터의 펄스폭 변조제어를 위한 공간벡터 변조 방법은,
출력전압 기준값(V ao , V bo , V co )을 3상 전압 지령값으로 입력받는 전압 지령값 입력단계와;
상기 입력된 3상 전압 지령값을 비교하여 최대값(V max = max(V ao , V bo , V co ))을 찾는 전압 최대값 판별단계와;
상기 입력된 3상 전압 지령값을 비교하여 최소값(V min = min(V ao , V bo , V co ))을 찾는 전압 최소값 판별단계와;
정류기 또는 인버터의 각 스위칭 소자를 제어하기 위한 기준이 3상이 모두 로우('0')출력이 되는 영벡터 Vo(0,0,0) 또는 3상이 모두 하이('1')출력이 되는 영벡터 Vo(1,1,1)인지를 선택하는 영벡터 선택단계와;
상기 영벡터 선택단계에서 3상 모두 로우 출력 영벡터Vo(0,0,0)를 기준으로 사용하면, 상기 식(1)에 의해 각 상 스위칭 소자 도통시간(Ta, Tb, Tc)을 및 영벡터 인가시간(To)을 구하는 로우 영벡터 스위칭 소자 도통시간 연산단계와;
상기 영벡터 선택단계에서 3상 모두 하이 출력 영벡터Vo(1,1,1)를 기준으로 사용하면, 상기 식(2)에 의해 각 상 스위칭 소자 도통시간(Ta, Tb, Tc)을 및 영벡터 인가시간(To)을 구하는 하이 영벡터 스위칭 소자 도통시간 연산단계와; 를 수행하도록 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 의한 전력변환장치의 정류기와 인버터의 펄스폭 변조제어를 위한 공간벡터 변조 방법을 기록한 컴퓨터에서 읽을 수 있는 기록매체는,
출력전압 기준값(V ao , V bo , V co )을 3상 전압 지령값으로 입력받는 전압 지령값 입력단계와;
상기 입력된 3상 전압 지령값을 비교하여 최대값(V max = max(V ao , V bo , V co ))을 찾는 전압 최대값 판별단계와;
상기 입력된 3상 전압 지령값을 비교하여 최소값(V min = min(V ao , V bo , V co ))을 찾는 전압 최소값 판별단계와;
정류기 또는 인버터의 각 스위칭 소자를 제어하기 위한 기준이 3상이 모두 로우('0')출력이 되는 영벡터 Vo(0,0,0) 또는 3상이 모두 하이('1')출력이 되는 영벡터 Vo(1,1,1)인지를 선택하는 영벡터 선택단계와;
상기 영벡터 선택단계에서 3상 모두 로우 출력 영벡터Vo(0,0,0)를 기준으로 사용하면, 상기 식(1)에 의해 각 상 스위칭 소자 도통시간(Ta, Tb, Tc)을 및 영벡터 인가시간(To)을 구하는 로우 영벡터 스위칭 소자 도통시간 연산단계와;
상기 영벡터 선택단계에서 3상 모두 하이 출력 영벡터Vo(1,1,1)를 기준으로 사용하면, 상기 식(2)에 의해 각 상 스위칭 소자 도통시간(Ta, Tb, Tc)을 및 영벡터 인가시간(To)을 구하는 하이 영벡터 스위칭 소자 도통시간 연산단계와; 를 수행하도록 이루어진 공간벡터 변조 방법을 기록한 컴퓨터에서 읽을 수 있는 기록매체임을 특징으로 한다.
기존의 공간벡터변조기는 각 스위칭 소자에 인가할 스위칭 시간을 계산하기 위해 별도의 Tan 역함수와 제곱근 계산하거나 각상의 최대값, 최소값을 가지고 옵셋전압을 계산하여 각 스위칭 소자에 인가할 스위칭 시간을 계산한다. 이에 반해 본 발명에 의한 간략화된 고속 공간벡터변조기는 별도의 Tan 역함수와 제곱근 계산 및 옵셋전압 연산이 필요없기 때문에 소프트웨어에 의해서 스위칭 시간을 고속으로 연산해낼 수 있어 전력변환기의 양방향 정류기 및 인버터의 고속 스위칭을 위해서 적용이 가능하다.
도 1은 옵셋전압 연산단계를 포함하고 있는 종래 공간벡터변조기의 구성도.
도 2는 본 발명에 의한 간략화된 공간 벡터 변조기의 구성도.
도 3은 본 발명에 의한 양방향 교류-직류 전력변환이 가능한 양방향성 정류기 제어기의 구성도.
도 4는 본 발명에 의한 직류-교류 전력변환이 가능한 인버터 제어기의 구성도.
도 5는 본 발명에 의한 단순화된 고속 공간벡터변조기를 내장하고 있는 양방향성 정류기 제어기 내부구성도
도 6은 본 발명에 의한 단순화된 고속 공간벡터변조기를 내장하고 있는 인버터 제어기 내부구성도
도 7은 본 발명에 의한 단순화된 고속 공간벡터변조방법 제어 흐름도.
이하 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조해서 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명에 의한 전력변환장치에 적용되는 공간벡터 변조기의 개요 구성도이다.
이에 도시된 바와 같이 각 상 출력전압 기준값(Vao)(Vbo)(Vco)으로부터 최대값을 검출하는 최대값 검출부(10) 및 최소값을 검출하는 최소값 검출부(20)와, 상기 최대값 검출부(10)의 최대값(V_max)과, 상기 최소값 검출부(20)의 최소값(V_min)을 이용하여 정류기/인버터의 각 전력반도체 스위칭소자(S1 - S6)의 스위칭 소자 도통시간(T1 - T6)을 연산하여 출력하는 스위칭 시간 연산기(40')로 구성되고, 상기 스위칭 시간 연산기(40')의 스위칭시간 도통시간(T1-T6)에 의해 정류기 또는 인버터(50)의 브릿지 구성으로 이루어진 반도체 스위칭소자(S1-S6)가 제어되도록 구성된다.
즉, 도 1과 같은 종래의 공간벡터 변조기의 구성에 비해 도 2의 본 발명의 공간 벡터 변조기는 옵셋 전압 연산부가 삭제된 구성이고, 스위칭 시간 연산기(40')의 내부 제어 알고리즘이 종래의 공간 벡터 변조기와는 서로 다른 구성으로 구성된 것이다.
도 3은 본 발명에 의한 양방향 교류-직류 전력변환이 가능한 양방향성 정류기 제어기의 구성도이다.
3상 입력전압(Va, Vb, Vc)을 입력필터부(100)를 통해서 각각 쌍을 이루는 전력반도체 스위칭 소자(S1, S4),(S3, S6),(S5, S2)의 브릿지 회로에 입력받아 직류전압으로 변환하여 출력하는 정류기(110)를 제어하는 공간벡터 변조기에 있어서, 상기 입력필터부(100)로부터 입력전류(ia, ib, ic) 및 입력전압(Vab, Vbc, Vca)을 검출하여 피드백 받고, 상기 정류기(110)의 출력에서 검출된 직류전압(Vdc)을 피드백 받아 직류전압 제어 기준값(Vdc*)과의 차를 상기 입력전류 및 입력전압에 보상하여 각상 전압기준값(Vao, Vba, Vco)을 발생하는 직류전압 및 입력전류 제어기(121)와, 상기 직류전압 및 입력전류 제어기(121)의 각상 전압기준값(Vao, Vba, Vco)을 비교하여 최대값(V_max)과 최소값(V-min)을 검출하고,
상기 출력전압 제어기(221)의 각상 전압기준값(Vao, Vba, Vco)을 비교하여 최대값(V_max)과 최소값(V-min)을 검출하고, 영벡터 Vo = Vo(0,0,0) 또는 Vo(1,1,1)에 따라 하기 식(1) 또는 식(2)에 의해 각상 스위칭 도통시간(Ta, Tb, Tc)과, 영벡터 인가시간(To)을 계산하여 각 스위치 소자(S1, S4),(S3, S6),(S5, S2)의 스위칭 제어신호를 출력하는 고속 공간벡터 변조기(122)로 구성된다.
영 벡터로 Vo(0,0,0)를 사용하는 경우(S1, S3, S5스위치=OFF; S4, S6, S2스위치=ON상태);
Figure 112010059612075-pat00003
.......식(1)
여기서, Ts : 스위칭 주기 [sec.], Vd: 직류 전압[Vdc]
영 벡터로 Vo(1,1,1)을 사용하는 경우(S1, S3, S5스위치=ON; S4, S6, S2스위치=OFF상태)
Figure 112010059612075-pat00004
.......식(2)
여기서, Ts : 스위칭 주기 [sec.], Vd: 직류 전압[Vdc]
상기 스위칭 소자 도통시간(Ta. Tb, Tc)은, 각 상의 스위칭 소자(S1, S4),(S3, S6),(S5, S2)에 의해 각상의 하이 출력이 되는 도통시간이다. 즉, Ta 시간동안 T1=온, T4= 오프 신호를 유지하는 것이다.
입력필터부(100)는, 승압용 리액터는 입력 교류 에너지를 리액터에 저장했다가 정류기(110) 내부 반도체 스위치가 OFF되는 순간에 직류 콘덴서에 인가되는 전압을 승압시키고 교류 콘덴서와 함께 1차 LC 필터를 구성하여 순변환부 스위칭 노이즈가 전원측으로 역류하는 것을 방지한다.
정류기(110)는 반도체 스위칭 소자로 구성된 3상 전파 브릿지 정류부로써 직류 콘덴서에 리플이 적은 직류 전압을 연속적으로 공급하는 스위칭 전원장치이다.
정류기 제어기(120)는, 고속 공간벡터변조기(122), 직류 전압제어기 및 입력전류 제어기(121)를 내장하고 있는 정류기 제어기로써 검출한 각상 입력전류와 직류전압 피드백값이 직류전압 제어기 및 입력전류제어기(121)에 입력되면 전류 제어기는 제어에 필요한 전압 벡터값인 전압기준값(Vao, Vbo, Vco)을 고속 공간벡터변조기(122)에 입력한다. 고속 공간벡터변조기(122)는 이 전압벡터를 이용하여 필요한 각 스위칭 소자의 도통시간(Ta , Tb , Tc)을 연산하여 그 스위칭 신호를 각 스위칭 소자에 인가한다.
따라서 본 발명에 의한 정류기 제어기는, 고속 공간벡터 변조기(122)는, 입력전압 및 입력전류 제어기(121)로부터 생성되는 각상 전압 기준값(Vao, Vba, Vco)을 이용하여 각상 스위칭 소자 도통시간을 구하여 정류기의 각상의 도통시간을 제어하는 것이므로, 연산이 매우 간단하므로 지연시간이 없어서 고속 스위칭 제어가 가능해진다.
도 4는 본 발명에 의한 직류-교류 전력변환이 인버터 제어기의 구성도이다.
직류전압을 입력받아 각각 쌍을 이루는 전력반도체 스위칭 소자(S1, S4),(S3, S6),(S5, S2)의 브릿지 회로에 입력받아 교류전압으로 변환하여 3상 전압전압(Va, Vb, Vc)을 출력필터부(210)를 통해서 출력하는 인버터(200)를 제어하는 공간벡터 변조기에 있어서, 상기 출력필터부(210)로부터 출력전압(Vab, Vbc, Vca)을 검출하여 피드백 받아 출력전압 제어 기준값(Vab*)(Vbc*)(Vca*)과의 차에 의거한 각상 전압기준값(Vao, Vba, Vco)을 발생하는 출력전압 제어기(221)와,
상기 출력전압 제어기(221)의 각상 전압기준값(Vao, Vba, Vco)을 비교하여 최대값(V_max)과 최소값(V-min)을 검출하고, 상기 출력전압 제어기(221)의 각상 전압기준값(Vao, Vba, Vco)을 비교하여 최대값(V_max)과 최소값(V-min)을 검출하고, 영벡터 Vo = Vo(0,0,0) 또는 Vo(1,1,1)에 따라 상기 식(1) 또는 식(2)에 의해 각상 스위칭 도통시간(Ta, Tb, Tc)과, 영벡터 인가시간(To)을 계산하여 각 스위치 소자(S1, S4),(S3, S6),(S5, S2)의 스위칭 제어신호를 출력하는 고속 공간벡터 변조기(222)를 포함하여 구성된다.
따라서 본 발명에 의한 인버터 제어기의 고속 공간벡터 변조기(222)는 입력전압 및 출력전압 제어기(221)로부터 생성되는 각상 전압 기준값(Vao, Vba, Vco)을 이용하여 각상 스위칭 소자 도통시간을 구하여 인버터 각상의 도통시간을 제어하는 것이므로, 연산이 매우 간단하므로 지연시간이 없어서 고속 스위칭 제어가 가능해진다.
전력변환장치에 적용되는 펄스폭변조(PWM)방식 인버터 제어기 구성은 도 4와 같다. 인버터(200)는, 반도체 스위칭 소자로 구성된 3상 전파브릿지 인버터부로써 정류기로부터의 직류 전원을 부하측에서 필요로 하는 교류 전원으로 변환하는 스위칭 전원 장치이다.
출력필터부(210)는, 인버터(200)의 출력전압 파형에 포함된 고조파를 제거하기 위해 설치된 필터 리액터와 교류 콘덴서로 구성된 1차 LC 필터로써 인버터 출력전압을 완전한 정현파가 되도록 하는 필터부이다.
인버터 제어기(220)는, 고속 공간벡터변조기(222)와 출력 전압제어기(221)로 구성된 제어기로써 검출한 각 출력전압 피드백값이 출력전압제어기(221)에 입력되면 출력전압제어기(221)는 출력전압 제어에 필요한 전압벡터인 출력 전압치령치(Vao, Vbo, Vco)를 고속 공간벡터변조기(222)에 입력한다. 고속 공간벡터변조기(222)는 이 전압벡터를 이용하여 각 스위칭 소자의 도통시간(Ta , Tb , Tc)을 연산하여 그 스위칭 신호를 각 스위칭 소자에 인가한다.
도 5는 본 발명에 의한 단순화된 고속 공간벡터변조기를 내장하고 있는 양방향성 정류기 제어기 내부 구성도이다.
이에 도시된 바와 같이,
정류기(110)의 후단의 직류전압(Vdc)을 검출하는 직류전압 검출기(300)와;
직류전압 제어기준값(V dc *)과 검출된 직류전압(V dc )간의 오차가 입력되면 그 오차에 따라서 전류제어 기준값(iqe*)을 출력하는 직류전압 제어기(310)와;
상기 정류기(110) 각상 입력전류를 검출하는 입력전류 검출기(320)와;
상기 입력전류 검출기(320)로부터 정류기(110) 각상 입력전류(i a , i b , i c )를 입력받아서 동기 회전 좌표계 상의 2상 전류(i qe , i de )로 변환하는 3상-2상 변환기(330)와;
상기 정류기(110) 각 선간 전압값을 검출하는 입력전압 검출기(340)와;
상기 입력전압 검출기(340)로부터 정류기 각 선간 전압값들을 입력받아 전원각(0~360도)을 연산하여 3상-2상 변환기(330)에 전원각(θ)을 전달하는 전원각 연산기(350)와;
상기 직류전압 제어기(310)로부터의 i qe *, i de *=0과 상기 3상-2상변환기(330)로부터의 i qe , i de 값을 읽어서 그 오차가 0이 되도록 하기 위한 2상 정지좌표계상의 출력전압 기준값(V qs *, V ds *)을 출력하는 입력전류 제어기(360)와;
상기 2상 정지좌표계상의 출력전압 기준값(V qs *, V ds *)을 상기 전원각 연산기(350)의 전원각(θ) 신호에 의거하여 3상 회전 좌표계상의 출력전압 기준값(V ao , V bo , V co )로 변환하는 정류기용 2상-3상 변환기(370)로 구성된다. 즉, 출력전압 기준값가 출력전압 기준값이 된다.
그리고, 본 발명의 정류기용 고속 공간벡터 변조기(122)는, 최대값, 최소값 정렬부(122a) 및 스위칭 시간 연산기(122b)로 구성되어 입력된 3상 회전 좌표계상의 출력전압 기준값(V ao , V bo , V co )을 가지고 최대값과 최소값을 구하여(옵셋전압 계산을 하지 않음) 각 스위칭 소자 도통시간을 연산해 낸다.
이와 같이 구성되는 정류기 제어기의 직류전압 및 입력전류 제어기(121)는,
직류 전압 검출기(300)에서 정류기 브릿지 후단의 직류 전압(V dc )을 검출한다. 직류 전압 제어기(310)는 직류전압 제어기준값(V dc *)과 검출된 직류전압(V dc )간의 오차가 입력되면 그 오차에 따라서 전류제어 기준값(iqe*)을 출력한다. 입력전류 검출기(320)는 정류기 각상 입력전류를 검출하여 3상-2상 변환기(330)에 전달한다. 3상-2상 변환기(330)는 정류기 각상 입력전류(i a , i b , i c )를 입력받아서 동기회전좌표계상의 2상 전류(i qe , i de )로 변환하여 입력전류 제어기(360)에 전달한다. 입력전압 검출기(340)는 정류기 각 선간 전압값을 검출하여 전원각 연산기(350)에 전달한다.
전원각 연산기(350)는 정류기 각 선간 전압값들로부터 전원각(0~360도)을 연산하여 3상-2상 변환기(330)과 2상-3상 변환기(370)에 전원각(θ)을 전달한다. 입력전류 제어기(360)는 직류전압 제어기로부터의 i qe *과 i qe 값을 읽어서 그 오차가 0이 되도록하기 위한 2상 정지좌표계상의 출력전압 기준값(V qs *, V ds *)을 출력한다.
정류기용 2상-3상 변환기(370)는 2상 정지좌표계상의 출력전압 기준값(V qs *, V ds *)을 3상 회전 좌표계상의 출력전압 기준값(V ao , V bo , V co )으로 변환한다.
정류기용 고속 공간벡터변조기(122)는 입력된 3상 회전 좌표계상의 출력전압 기준값(V ao , V bo , V co )을 가지고 최대값과 최소값을 구하여(옵셋전압 계산을 하지 않음) 각 스위칭 소자 도통시간을 연산해 낸다.
도 6은 본 발명에 의한 단순화된 고속 공간벡터변조기를 내장하고 있는 인버터 제어기 내부구성도이다. 이에 도시된 바와 같이,
인버터(200)의 3상 출력전압(V ab , V bc , V ca )값을 검출하는 출력 전압 검출기(400)와;
인버터(200) 출력전압과 동기를 맞추기 위한 전압(입력전압 또는 바이패스 전압)값을 검출하는 전압 검출기(410)와;
상기 전압 검출기(410)로부터 입력된 각 상 전압값들로부터 전원각(0~360도)을 연산하는 전원각 연산기(420)와;
출력전압 제어기준값(V ab * , V bc * , V ca * )을 입력받아 상기 전원각 연산기(420)의 전원각에 의거하여 동기회전좌표계상 제어기준값(V qe *, V de *)으로 변환하는 출력전압 제어기준값을 위한 3상-2상 변환기(430)와;
상기 출력전압 검출기(400)로부터의 값(V ab , V bc , V ca )을 상기 전원각 연산기(420)의 전원각에 의거하여 동기회전좌표상의 값(V qe , V de )으로 변환하는 출력전압 3상-2상 변환기(440)와;
상기 출력전압 제어기준값을 위한 3상-2상 변환기(430)의 동기회전좌표계상의 출력전압 제어기준값(V qe *)과, 출력전압 3상-2상 변환기(440)의 출력전압 검출값(V qe )과의 오차를 입력 받아서 그 오차가 0가 되기 위한 2상 정지좌표계상의 출력전압값(V qs * V ds *)값을 출력하는 전압 제어기(450)와;
상기 전압 제어기(450)의 2상 정지 좌표계상의 출력전압값(V qs * V ds *)값을 상기 전원각 연산기(420)의 전원각에 의거하여 3상 회전좌표계상의 출력전압 기준값(Vao, Vbo, Vco)로 변환하여 인버터용 고속 공간벡터 변조기(222)로 출력하는 인버터용 2상-3상 변환기(460)를 포함하여 구성된다.
상기 인버터용 고속 공간벡터변조기(222)는 최대값 및 최소값 정렬부(222a) 및 스위칭 시간 연산기(222b)로 구성되어 입력된 3상 회전 좌표계상의 출력전압 기준값(V ao , V bo , V co )을 가지고 최대값과 최소값을 구하여(옵셋전압 계산을 하지 않음) 각 스위칭 소자 도통시간을 연산해 낸다.
이와 같이 구성된 본 발명에 의한 인버터 정류기의 출력전압 제어기(221)는, 출력 전압 검출기(400)에서 인버터(210)의 3상 출력전압(V ab , V bc , V ca )값을 검출하여 3상-2상 변환기(440)에 전달한다.
전압 검출기(410)는 인버터 출력전압과 동기를 맞추기 위한 전압(입력전압 또는 바이패스 전압)값을 검출하여 전원각 연산기(420)에 전달한다.
전원각 연산기(420)는 입력된 각 상 전압값들로부터 전원각(0~360도)을 연산하여 출력전압 제어기준값을 위한 3상-2상 변환기(430), 출력전압 3상-2상 변환기(440), 2상-3상 변환기(460)에 전달한다.
출력전압 제어기준값을 위한 3상-2상 변환기(430)는 출력전압 제어기준값(V ab * , V bc * , V ca * )을 상기 전원각 연산기(420)의 전원각에 의거하여 동기회전좌표계상 제어기준값(V qe *, V de * )으로 변환한다.
출력전압 3상-2상 변환기(440)는 출력전압 검출기(400)로부터의 각 상간 출력전압값(V ab , V bc , V ca )을 상기 전원각 연산기(420)의 전원각에 의거하여 동기회전좌표상의 값(V qe , V de )으로 변환한다.
전압 제어기(450)는 동기회전좌표계상의 출력전압 제어기준값(V qe *)과 출력전압 검출값(V qe )과의 오차를 입력 받아서 그 오차가 0가 되기 위한 2상 정지좌표계상의 출력전압값(V qs * V ds *)값을 출력한다.
인버터용 2상-3상 변환기(460)는 2상 정지 좌표계상의 출력전압값(V qs * V ds *)값을 상기 전원각 연산기(420)의 전원각에 의거하여 3상 회전좌표계상의 출력전압 기준값(Vao, Vbo, Vco)으로 변환한다.
이와 같이 출력전압 제어기에서 생성된 출력전압 기준값(Vao, Vbo, Vco)을 인버터용 고속 공간벡터변조기(222)에 출력하며, 고속 공간벡터 변조기(222)는 는, 입력된 3상 회전 좌표계상의 출력전압 기준값(V ao , V bo , V co )을 가지고 최대값과 최소값을 구하여(옵셋전압 계산을 하지 않음) 각 스위칭 소자 도통시간을 연산해 낸다.
도 7은 본 발명에 의한 단순화된 고속 공간벡터변조방법 제어 흐름도이다. 즉, 정류기 제어기 및 인버터 제어기에 구성되는 고속 공간벡터 변조기는 도 7과 같은 제어 흐름을 갖는 소프트웨어에 의해 구현될 수 있다.
출력전압 기준값(V ao , V bo , V co )을 3상 전압 지령값으로 입력받는 전압 지령값 입력단계와;
상기 입력된 3상 전압 지령값을 비교하여 최대값(V max = max(V ao , V bo , V co ))을 찾는 전압 최대값 판별단계와;
상기 입력된 3상 전압 지령값을 비교하여 최소값(V min = min(V ao , V bo , V co ))을 찾는 전압 최소값 판별단계와;
정류기 또는 인버터의 각 스위칭 소자를 제어하기 위한 3상 스위칭 제어신호의 제어 기준을 3상이 모두 로우('0')출력이 되는 영벡터 Vo(0,0,0) 또는 3상이 모두 하이('1')출력이 되는 영벡터 Vo(1,1,1)인지를 선택하는 영벡터 선택단계와;
상기 영벡터 선택단계에서 3상 모두 로우 출력 영벡터Vo(0,0,0)를 기준으로 사용하면, 하기 식(1)에 의해 각 상 스위칭 소자 도통시간(Ta , Tb , Tc)을 및 영벡터 인가시간(To)을 구하는 로우 영벡터 스위칭 소자 도통시간 연산단계와;
상기 영벡터 선택단계에서 3상 모두 하이 출력 영벡터Vo(1,1,1)를 기준으로 사용하면, 하기 식(2)에 의해 각 상 스위칭 소자 도통시간(Ta , Tb , Tc)을 및 영벡터 인가시간(To)을 구하는 하이 영벡터 스위칭 소자 도통시간 연산단계를 수행하도록 이루어진다.
영 벡터로 Vo(0,0,0)를 사용하는 경우(S1, S3, S5스위치=OFF; S4, S6, S2스위치=ON상태);
Figure 112010059612075-pat00005
.......식(1)
여기서, Ts : 스위칭 주기 [sec.], Vd: 직류 전압[Vdc]
영 벡터로 Vo(1,1,1)을 사용하는 경우(S1, S3, S5스위치=ON; S4, S6, S2스위치=OFF상태)
Figure 112010059612075-pat00006
.......식(2)
여기서, Ts : 스위칭 주기 [sec.], Vd: 직류 전압[Vdc]
상기 직류전압(Vd)은, 정류기 제어기인 경우, 정류기의 직류전압 제어기준값(Vdc*)이며, 인버터 제어기인 경우, 인버터의 입력단에 인가되는 직류전압으로서 상기 정류기의 출력으로부터 검출된 직류전압과 동일한 직류전압이다.
그리고, 상기 영벡터 Vo(0,0,0), Vo(1,1,1)는 3상 출력이 모두 동일한 값 즉, 로우값을 출력하는 시점 Vo(0,0,0)과, 하이값을 출력하는 시점 Vo(0,0,0)으로서, 이는 정류기 또는 인버터의 각 스위칭소자 제어신호의 기준시점을 의미하며 1주기마다 1번씩 제어 기준이 되는 영벡터가 존재하게 된다.
이와 같은 본 발명의 고속 공간 벡터 변조 방법은, 도 7과 같이 양방향성 정류기 및 인버터 제어기능을 포함한 소프트웨어 내부에서 양방향성 정류기 및 인버터 제어기로부터의 3상 전압 지령값(V ao , V bo , V co )을 받으면 이 3상 전압 지령값들을 서로 비교 및 정렬해서 최대값(V max = max(V ao , V bo , V co ))과 최소값(V min = min(V ao , V bo , V co ))을 구한 후, 다음과 같이 각 상 스위칭 소자에 인가할 도통시간(T a , T b , T c ) 및 영 벡터 인가시간( T o )을 연산하여 스위칭 소자에 인가할 수 있다.
10: 최대값 연산부
20: 최소값 연산부
30: 옵셋전압 연산부
40: 스위칭시간 연산기
100: 입력필터
110: 양방향 정류기 브릿지
120: 양방향성 정류기 제어기
121 : 직류전압 및 입력전류 제어기
122: 정류기용 고속 공간벡터변조기
200: 인버터 브릿지
210: 출력필터
220: 인버터 제어기
221 : 출력전압제어기
222: 인버터용 고속 공간벡터변조기
300: 직류 전압 검출기
310: 직류 전압 제어기
320: 입력전류 검출기
330: 3상-2상 변환기
340: 입력전압 검출기
350: 전원각 연산기
360: 입력전류 제어기
370: 정류기용 2상-3상 변환기
400: 출력 전압 검출기
410: 전압 검출기
420: 전원각 연산기
430: 출력전압 제어기준값을 위한 3상-2상 변환기
440: 출력전압 3상-2상 변환기
450: 전압 제어기
460: 인버터용 2상-3상 변환기

Claims (6)

  1. 3상 입력전압(Va, Vb, Vc)을 입력필터부(100)를 통해서 각각 쌍을 이루는 전력반도체 스위칭 소자(S1, S4),(S3, S6),(S5, S2)의 브릿지 회로에 입력받아 직류전압으로 변환하여 출력하는 정류기(110)를 제어하는 전력변환장치의 정류기 제어기에 있어서,
    상기 입력필터부(100)로부터 입력전류(ia, ib, ic) 및 입력전압(Vab, Vbc, Vca)을 검출하여 피드백 받고, 상기 정류기(110)의 출력에서 검출된 직류전압(Vdc)을 피드백 받아 직류전압 제어 기준값(Vdc*)과의 차를 상기 입력전류 및 입력전압에 보상하여 각상 전압 기준값(Vao, Vba, Vco)을 발생하는 직류전압 및 입력전류 제어기(121)와;
    상기 직류전압 및 입력전류 제어기(121)의 각상 전압기준값(Vao, Vba, Vco)을 비교하여 최대값(V_max)과 최소값(V_min)을 검출하고, 스위칭 주기의 기준으로 사용되는 영벡터 Vo = Vo(0,0,0) 또는 Vo(1,1,1)에 따라 하기 식(1) 또는 식(2)에 의해 각상 스위칭 도통시간(Ta, Tb, Tc)과, 영벡터 인가시간(To)을 계산하여 각 스위치 소자(S1, S4),(S3, S6),(S5, S2)의 스위칭 제어신호를 출력하는 고속 공간벡터 변조기(122);

    영 벡터로 Vo(0,0,0)를 사용하는 경우(S1, S3, S5스위치=OFF; S4, S6, S2스위치=ON상태);
    Figure 112010059612075-pat00007
    .......식(1)
    여기서, Ts : 스위칭 주기 [sec.], Vd: 직류 전압[Vdc]
    영 벡터로 Vo(1,1,1)을 사용하는 경우(S1, S3, S5스위치=ON; S4, S6, S2스위치=OFF상태)
    Figure 112010059612075-pat00008
    .......식(2)
    여기서, Ts : 스위칭 주기 [sec.], Vd: 직류 전압[Vdc]
    를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 전력변환장치의 정류기 제어기.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 직류전압 및 입력전류 제어기(121)는,
    정류기(110)의 후단의 직류전압(Vdc)을 검출하는 직류전압 검출기(300)와;
    직류전압 제어기준값(V dc *)과 검출된 직류전압(V dc )간의 오차가 입력되면 그 오차에 따라서 전류제어 기준값(iqe*)을 출력하는 직류전압 제어기(310)와;
    상기 정류기(110) 각상 입력전류를 검출하는 입력전류 검출기(320)와;
    상기 입력전류 검출기(320)로부터 정류기(110) 각상 입력전류(i a , i b , i c )를 입력받아서 동기 회전 좌표계 상의 2상 전류(i qe , i de )로 변환하는 3상-2상 변환기(330)와;
    상기 정류기(110) 각 선간 전압값을 검출하는 입력전압 검출기(340)와;
    상기 입력전압 검출기(340)로부터 정류기 각 선간 전압값들을 입력받아 전원각(0~360도)을 연산하여 3상-2상 변환기(330)에 전원각(θ)을 전달하는 전원각 연산기(350)와;
    상기 직류전압 제어기(310)로부터의 i qe *, i de *=0과 상기 3상-2상변환기(330)로부터의 i qe , i de 값을 읽어서 그 오차가 0이 되도록 하기 위한 2상 정지좌표계상의 출력전압 기준값(V qs *, V ds *)을 출력하는 입력전류 제어기(360)와;
    상기 2상 정지좌표계상의 출력전압 기준값(V qs *, V ds *)을 상기 전원각 연산기(350)의 전원각(θ) 신호에 의거하여 3상 회전 좌표계상의 출력전압 기준값(V ao , V bo , V co )로 변환하여 고속 공간벡터 변조기(122)에 입력하는 정류기용 2상-3상 변환기(370)로 구성된 것을 특징으로 하는 전력변환장치의 정류기 제어기.
  3. 직류전압을 입력받아 각각 쌍을 이루는 전력반도체 스위칭 소자(S1, S4),(S3, S6),(S5, S2)의 브릿지 회로에 입력받아 교류전압으로 변환하여 3상 전압전압(Va, Vb, Vc)을 출력필터부(210)를 통해서 출력하는 인버터(200)를 제어하는 전력변환장치의 인버터 제어기에 있어서,
    상기 출력필터부(210)로부터 출력전압(Vab, Vbc, Vca)을 검출하여 피드백 받아 출력전압 제어 기준값(Vab*)(Vbc*)(Vca*)과의 차에 의거한 각상 전압기준값(Vao, Vba, Vco)을 발생하는 출력전압 제어기(221)와,
    상기 출력전압 제어기(221)의 각상 전압기준값(Vao, Vba, Vco)을 비교하여 최대값(V_max)과 최소값(V-min)을 검출하고, 영벡터 Vo = Vo(0,0,0) 또는 Vo(1,1,1)에 따라 하기 식(1) 또는 식(2)에 의해 각상 스위칭 도통시간(Ta, Tb, Tc)과, 영벡터 인가시간(To)을 계산하여 각 스위치 소자(S1, S4),(S3, S6),(S5, S2)의 스위칭 제어신호를 출력하는 고속 공간벡터 변조기(222)와;

    영 벡터로 Vo(0,0,0)를 사용하는 경우(S1, S3, S5스위치=OFF; S4, S6, S2스위치=ON상태);
    Figure 112010059612075-pat00009
    .......식(1)
    여기서, Ts : 스위칭 주기 [sec.], Vd: 직류 전압[Vdc]
    영 벡터로 Vo(1,1,1)을 사용하는 경우(S1, S3, S5스위치=ON; S4, S6, S2스위치=OFF상태)
    Figure 112010059612075-pat00010
    .......식(2)
    여기서, Ts : 스위칭 주기 [sec.], Vd: 직류 전압[Vdc]
    를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 전력변환장치의 인버터 제어기.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 출력전압 제어기(221)는,
    인버터(200)의 3상 출력전압(V ab , V bc , V ca )값을 검출하는 출력 전압 검출기(400)와;
    인버터(200) 출력전압과 동기를 맞추기 위한 전압(입력전압 또는 바이패스 전압)값을 검출하는 전압 검출기(410)와;
    상기 전압 검출기(410)로부터 입력된 각 상 전압값들로부터 전원각(0~360도)을 연산하는 전원각 연산기(420)와;
    출력전압 제어기준값(V ab * , V bc * , V ca * )을 입력받아 상기 전원각 연산기(420)의 전원각에 의거하여 동기회전좌표계상 제어기준값(V qe *, V de *)으로 변환하는 출력전압 제어기준값을 위한 3상-2상 변환기(430)와;
    상기 출력전압 검출기(400)로부터의 값(V ab , V bc , V ca )을 상기 전원각 연산기(420)의 전원각에 의거하여 동기회전좌표상의 값(V qe , V de )으로 변환하는 출력전압 3상-2상 변환기(440)와;
    상기 출력전압 제어기준값을 위한 3상-2상 변환기(430)의 동기회전좌표계상의 출력전압 제어기준값(V qe *)과, 출력전압 3상-2상 변환기(440)의 출력전압 검출값(V qe )과의 오차를 입력 받아서 그 오차가 0가 되기 위한 2상 정지좌표계상의 출력전압값(V qs * V ds *)값을 출력하는 전압 제어기(450)와;
    상기 전압 제어기(450)의 2상 정지 좌표계상의 출력전압값(V qs * V ds *)값을 상기 전원각 연산기(420)의 전원각에 의거하여 3상 회전좌표계상의 출력전압 기준값(Vao, Vbo, Vco)로 변환하여 고속 공간벡터 변조기로 출력하는 인버터용 2상-3상 변환기(460)를 포함하여 구성된 것을 전력변환장치의 인버터 제어기.
  5. 전력변환장치의 정류기와 인버터의 펄스폭 변조제어를 위한 공간벡터 변조 방법에 있어서,
    출력전압 기준값(V ao , V bo , V co )을 3상 전압 지령값으로 입력받는 전압 지령값 입력단계와;
    상기 입력된 3상 전압 지령값을 비교하여 최대값(V max = max(V ao , V bo , V co ))을 찾는 전압 최대값 판별단계와;
    상기 입력된 3상 전압 지령값을 비교하여 최소값(V min = min(V ao , V bo , V co ))을 찾는 전압 최소값 판별단계와;
    정류기 또는 인버터의 각 스위칭 소자를 제어하기 위한 기준이 3상이 모두 로우('0')출력이 되는 영벡터 Vo(0,0,0) 또는 3상이 모두 하이('1')출력이 되는 영벡터 Vo(1,1,1)인지를 선택하는 영벡터 선택단계와;
    상기 영벡터 선택단계에서 3상 모두 로우 출력 영벡터Vo(0,0,0)를 기준으로 사용하면, 하기 식(1)에 의해 각 상 스위칭 소자 도통시간(Ta , Tb , Tc)을 및 영벡터 인가시간(To)을 구하는 로우 영벡터 스위칭 소자 도통시간 연산단계와;
    상기 영벡터 선택단계에서 3상 모두 하이 출력 영벡터Vo(1,1,1)를 기준으로 사용하면, 하기 식(2)에 의해 각 상 스위칭 소자 도통시간(Ta , Tb , Tc)을 및 영벡터 인가시간(To)을 구하는 하이 영벡터 스위칭 소자 도통시간 연산단계와;

    영 벡터로 Vo(0,0,0)를 사용하는 경우(S1, S3, S5스위치=OFF; S4, S6, S2스위치=ON상태);
    Figure 112010059612075-pat00011
    .......식(1)
    여기서, Ts : 스위칭 주기 [sec.], Vd: 직류 전압[Vdc]
    영 벡터로 Vo(1,1,1)을 사용하는 경우(S1, S3, S5스위치=ON; S4, S6, S2스위치=OFF상태)
    Figure 112010059612075-pat00012
    .......식(2)
    여기서, Ts : 스위칭 주기 [sec.], Vd: 직류 전압[Vdc]
    를 수행하도록 이루어진 것을 특징으로 하는 공간벡터 변조 방법.
  6. 전력변환장치의 정류기와 인버터의 펄스폭 변조제어를 위한 공간벡터 변조 방법을 기록한 컴퓨터에서 읽을 수 있는 기록매체에 있어서,
    출력전압 기준값(V ao , V bo , V co )을 3상 전압 지령값으로 입력받는 전압 지령값 입력단계와;
    상기 입력된 3상 전압 지령값을 비교하여 최대값(V max = max(V ao , V bo , V co ))을 찾는 전압 최대값 판별단계와;
    상기 입력된 3상 전압 지령값을 비교하여 최소값(V min = min(V ao , V bo , V co ))을 찾는 전압 최소값 판별단계와;
    정류기 또는 인버터의 각 스위칭 소자를 제어하기 위한 기준이 3상이 모두 로우('0')출력이 되는 영벡터 Vo(0,0,0) 또는 3상이 모두 하이('1')출력이 되는 영벡터 Vo(1,1,1)인지를 선택하는 영벡터 선택단계와;
    상기 영벡터 선택단계에서 3상 모두 로우 출력 영벡터Vo(0,0,0)를 기준으로 사용하면, 하기 식(1)에 의해 각 상 스위칭 소자 도통시간(Ta , Tb , Tc)을 및 영벡터 인가시간(To)을 구하는 로우 영벡터 스위칭 소자 도통시간 연산단계와;
    상기 영벡터 선택단계에서 3상 모두 하이 출력 영벡터Vo(1,1,1)를 기준으로 사용하면, 하기 식(2)에 의해 각 상 스위칭 소자 도통시간(Ta , Tb , Tc)을 및 영벡터 인가시간(To)을 구하는 하이 영벡터 스위칭 소자 도통시간 연산단계와;

    영 벡터로 Vo(0,0,0)를 사용하는 경우(S1, S3, S5스위치=OFF; S4, S6, S2스위치=ON상태);
    Figure 112010059612075-pat00013
    .......식(1)
    여기서, Ts : 스위칭 주기 [sec.], Vd: 직류 전압[Vdc]
    영 벡터로 Vo(1,1,1)을 사용하는 경우(S1, S3, S5스위치=ON; S4, S6, S2스위치=OFF상태)
    Figure 112010059612075-pat00014
    .......식(2)
    여기서, Ts : 스위칭 주기 [sec.], Vd: 직류 전압[Vdc]
    를 수행하도록 이루어진 공간벡터 변조 방법을 기록한 컴퓨터에서 읽을 수 있는 기록매체.
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