KR101047391B1 - 3상 공간벡터 펄스폭변조 인버터용 불평형 출력전압 제어기 - Google Patents

3상 공간벡터 펄스폭변조 인버터용 불평형 출력전압 제어기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 3상 공간벡터 펄스폭변조 인버터용 불평형 출력전압 제어기에 관한 것으로서, 전력변환장치의 인버터나 정류기의 출력전압을 제어하는 방법으로, 정현파 PWM 제어방식의 스위칭 손실이 크다는 단점을 감안하여 공간벡터 PWM 제어방식을 이용하고 있는데, 종래의 공간벡터 PWM제어방식의 출력전압 제어기는 2축 전압의 제어로 인하여 별도의 불평형 전압 보상이 필요하였다. 이에 본 발명은 3상 출력전압을 그대로 피드백시켜 3상 오차를 검출하고 이를 각 상별로 독립적으로 PI제어를 수행하여 지령치와 출력 오차를 보상한 3상 전압 지령치를 생성하여 2축 전압으로 변환하여 공간벡터 펄스폭 변조기의 전압 지령치로 입력하게 함으로서, 별도의 불평형 전압 보상기가 필요치 않는 전압 제어기를 제공하고 저가의 저속 DSP로 구현할 수 있도록 한 것이다.

Description

3상 공간벡터 펄스폭변조 인버터용 불평형 출력전압 제어기{Unbalance Output Voltage Controller for Three Phase Space Vector Pulse Width Modulated Inverte}
본 발명은 무정전전원장치(UPS장치)의 출력 전압제어기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 스위칭 손실이 적어 방열에 유리한 공간벡터 PWM방식 인버터에서 각상 출력전압 제어기를 구비함으로써 불평형 부하시 출력전압 제어특성이 우수하여 불평형 부하에 매우 강인한 3상 공간벡터 펄스폭변조 인버터용 불평형 출력전압 제어기에 관한 것이다.
일반적으로 전력변환장치는, 예를 들어 무정전전원장치(UPS장치)는 입력전원을 입력필터를 통해 입력받아 교류-직류 변환을 위한 정류기에서 직류전원으로 변환하고, 직류전원을 직류 전압원(예; 밧데리)에 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, 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, 공간벡터 PWM 제어방식을 사용한다.
아날로그 제어방식 UPS에서 일반적인 정현파 PWM 제어방식은 각 상에 독립적인 전압제어방식을 이용하고 있어 불평형 부하특성은 우수하나 스위칭 손실이 커서 방열에 불리하다는 문제점이 있다. 이에 반해 공간벡터 PWM 제어방식은, 통합 제어로서 d축, q축 2상 전압으로 변환하여 PI제어를 수행하며, 스위칭 손실이 적고 방열에 유리하다는 장점이 있으나 우수한 불평형 부하특성을 위해서 추가적인 불평형 전압보상기가 필요하다는 단점이 있다.
공간벡터 펄스폭 변조기는 d,q축 2상 전압 지령치를 입력받아 3상 전압 지령치로 변환 한 후, 3상 전압의 각상의 최대 및 최소 차이값을 구하고, 최대 및 최소값에 의거하여 인버터의 각 스위칭 소자의 스위칭 시간을 연산하여 스위칭소자 제어신호를 발생하여 제어한다.
그런데, 정류기나 인버터의 스위칭 소자를 제어하기 위해서는 불평형 부하상태에서 컨트롤러의 전압 지령치에 대해서 각 상 전압이 평형인 출력전압을 얻을 수 있도록 스위칭 소자들을 제어하기 위해서는 각 상 출력전압을 피드백 받아 불평형 전압을 보상하기 위한 전압 지령치로 공간벡터 펄스폭 변조기에 입력하는 출력전압 제어기가 필요하다.
도 1은 종래 전력변환장치의 출력전압 제어기의 구성도로서 이에 도시된 바와 같이, 공간벡터 펄스폭 변조기(20)가 3상 정류기 또는 3상 인버터(30)의 각 스위칭 소자의 스위칭 타이밍신호(T1, T4, T3, T6, T5, T2)를 발생하여 출력전압을 제어하는 출력전압 제어기에 있어서, 컨트롤러(도면에 도시안됨)로부터 출력전압 지령치(Va*, Vb*, Vc*)를 입력받아 3상 전원(Va,Vb,Vc)을 2상 전원(Vd,Vq)으로 변환하는 3상-2상변환부(11)와, 상기 3상-2상변환부(11)의 2상 출력(Vd*)(Vq*)에 2상 피드백전압(Vd)(Vq)을 각각 보상하는 2상 오차 검출기(12a)(12b)와, 상기 2상 오차 검출기(12a)(12b)의 각 출력을 각각 PI제어를 하는 2개의 PI제어기(13a)(13b)와, 상기 2개의 PI제어기(13a)(13b)에서 출력되는 2상 출력(Vmd*)(Vmq*)을 입력받는 공간벡터 펄스폭 변조기(20)와, 상기 3상 인버터(30)의 3상 출력전압(Va, Vb, Vc)으로부터 역상분을 검출하여 PI제어를 한 후 상기 공간벡터 펄스폭 변조기(20)의 내부로 불평형 전압 보상전압으로 피드백시키는 불평형 보상기(40)와, 상기 3상 인버터(30)의 출력전압(Va, Vb, Vc)으로부터 정 위상의 전압을 검출하는 정상분 검출부(51)와, 상기 정상분 검출부(51)의 3상 전압을 2상 전압으로 변환하여 상기 2상 오차 검출기(12a)(12b)에 2상 피드백 전압(Vd)(Vq)으로 공급하는 2상-3상변환기(52)를 포함하여 구성된다.
상기 공간벡터 펄스폭 변조기(20)는,
상기 PI 제어기(13a)(13b)로부터 입력받는 d, q축 2상 전압(Vmd*)(Vmq*)을 3상 전압으로 변환 하는 2상-3상 변환부(21)와, 상기 2상-3상 변환부(21)에서 출력되는 3상전압에 각 상별로 상기 불평형 보상기(40)의 3상 불평형 보상전압을 더하여 불평형 전압을 보상하는 3상 불평형 보상기(22a)(22b)(22c)와, 상기 3상 불평형 보상기(22a)(22b)(22c)에서 출력되는 3상 전압 지령치(Vma*)(Vmb*)Vmc*)를 입력받아 각상 전압차에 따른 최대 최소값을 검출하는 최대 최소값 검출부(24)와, 상기 최대 최소값 검출부(24)의 최대 최소값을 이용하여 각 스위치 소자의 스위칭 타이밍신호(T1, T4, T3, T6, T5, T2)를 발생하는 스위칭시간 연산부(25)로 구성된다. 여기서 공간벡터 펄스폭 변조기에 대한 구성과 동작설명은 본 출원인에 의해 선출원 된 2010년 특허출원 '전력변환장치용 고속 공간벡터 변조방법, 이를 포함한 정류기 제어기와 인버터 제어기 및 이를 기록한 컴퓨터에서 읽을 수 있는 기록매체'에 설명되어 있으므로 본 발명에서는 설명하지 않는다.
상기 불평형 보상기(40)는, 상기 3상 인버터(30)의 3상 출력전압(Va)(Vb)(Vc)으로부터 역위상 전압을 검출하는 역상분 검출부(41)와, 상기 역상분 검출부(41)의 3상 전압을 2상 전압으로 변환하는 3상-2상 변환부(42)와, 상기 3상-2상 변환부(42)의 2상 출력전압을 각 상별로 PI제어를 하는 2개의 PI제어기(43a)(43b)와, 상기 2개의 PI제어기(43a)(43b)의 2상 전압을 3상 전압으로 변환하여 상기 공간벡터 펄스폭 변조기(20) 내의 3상 불평형 보상기(23a)(23b)(23c)로 불평형 보상전압으로 공급하는 2상-3상변환부(44)로 구성된다.
이와 같이 구성되는 종래의 출력전압 제어기는, 컨트롤러로부터 출력전압 지령치(Va*)(Vb*)(Vc*)가 입력되면, 3상-2상 변환부(11)를 통해서 2상 전압으로 변환된다. 2상 전압은 2상 오차 검출기(12a)(12b)를 통해 피드백되는 정상분 검출 전압과 합산하여 오차를 검출하고, 2상 전압을 PI제어기(13a)(13b)를 통해서 PI제어를 한다. 이와 같이 공간벡터 펄스폭 변조기(20)를 사용하는 경우 d상과 q상 전압으로 변환하여 PI제어 즉, 2상 PI제어를 하게 된다. 다시 2상 PI제어된 2상 전압은 공간벡터 펄스폭 변조기(20)로 입력되어 공간벡터 변조에 따른 스위칭 타이밍제어를 하게된다.
공간벡터 펄스폭 변조기(20)는, d,q축 2상 전압(Vmd*)(Vmq*)을 입력받아 2상-3상 변환부(21)에서 3상 전압으로 변환되고, 3상 전압은 각 상별로 피드백되는 불평형 보상 전압과 합산하여 불평형 전압을 보상한 후, 전압지령치(Vma*)(Vmb*)(Vmc*)로 생성하여 최대 최소값 검출부(24)로 입력되며, 스위칭 시간 제어부(25)에서 스위칭 소자들의 스위칭 타이밍신호를 발생하여 3상 인버터(30)의 각 스위칭 소자들의 스위칭 제어를 하게 된다.
이때, 불평형 전압 보상기(40)는, 3상 인버터(30)의 3상 출력전압(Va)(Vb)(Vc)으로부터 역상분 검출을 하여 2상 전압으로 변환한 후 각상별로 제어를 한 후 다시 3상 전압으로 변환하여 불평형 보상전압으로 3상 불평형 보상기(22a, 22b, 22c)로 공급해야 하고, 상기 3상 인버터(30)의 3상 출력전압으로부터 정상분 검출하여 3상-2상 변환 후 2상 전압으로 상기 2상 오차 검출기(12a)(12b)로 피드백하게 된다.
따라서, 종래의 출력전압 제어방식은, d축, q축 전압제어기(PI제어기)와 불평형 출력전압을 보상하기 위한 별도의 불평형 전압 보상기(40)가 필요하며, 공간 벡터 변지기(20)내에서 3상 불평형 보상을 해주어야 하며, 복수의 3상-2상변환기, 2상-3상 변환기가 필요하게 되어 복잡해지고, 고가의 고속 DSP 소자(부동소숫점 연산가능 소자)를 채용해야하는 문제점이 있었다.
본 발명은 공간벡터 펄스폭 변조방식 인버터의 출력전압을 제어하기 위하여 입력단에 3상의 출력전압 제어기를 이용하여 직접 3상 지령치에 피드백되는 3상 전압의 오차값에 대해서 각 상별로 전압제어를 하도록 구성함으로써 별도의 불평형 전압 보상부가 필요치 않고 저가의 저속 DSP소자(고정소수점 연산용)로 제어기능을 구현하도록 한 3상 공간벡터 펄스폭변조 인버터용 불평형 출력전압 제어기를 제공하기 위한 것이다.
이와 같은 본 발명의 목적은,
컨트롤러의 3상 출력전압 지령치를 피드백전압에 따른 전압제어에 의해 d축, q축 2상 전압 지령치를 생성하여 공간벡터 펄스폭 변조기로 입력하고, 공간벡터 펄스폭 변조기에서 펄스폭변조방식으로 인버터의 스위칭 소자의 스위칭 타이밍을 제어하여 인버터의 출력전압을 제어하도록 하는 전력변환장치의 출력전압 제어기에 있어서,
상기 컨트롤러의 3상 출력전압 지령치와 상기 3상 인버터의 출력전압의 차이를 각 상별로 구하는 3상 오차 검출기와;
상기 3상 오차 검출기에서 검출되는 출력전압 지령치와 피드백되는 출력전압의 오차 값을 각 상별로 PI제어를 하는 3개의 PI제어기와;
상기 3개의 PI제어기에서 출력되는 3상 전압을 d축,q축 2상 전압으로 변환하여 공간벡터 펄스폭 변조기의 전압 지령치로 입력하는 3상-2상 변환기를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
본 발명은 공간벡터 PWM 제어방식으로 인버터나 정류기의 출력전압을 제어하는 출력전압 제어기에 있어서, 3상 인버터의 출력전압을 그대로 피드백받아 컨트롤러의 3상 출력전압 지령치와 비교하여 각 상별로 오차를 검출하고 각상의 오차를 상별로 독립적으로 PI제어를 수행하여 3상 출력전압 지령치를 생성하고, 이를 다시 2축 전압으로 변환하여 공간벡터 펄스폭 변조기로 입력하여 공간벡터 PWM제어방식으로 출력전압을 제어하도록 함으로써, 별도의 불평형 전압 보상회로가 필요치 않으며, 공간벡터 펄스폭 변조기내에서도 불평형 전압 보상을 할 필요가 없고, 출력전압 피드백시에도 역상분 검출이나 정상분 검출 및 상변환 등이 필요치 않아서 구성이 단순해지고, 저가의 저속 DSP로 구현할 수 있다는 장점이 있고, 공간벡터 PWM 제어방식을 적용하기 때문에 스위칭 손실이 적어 방열에 유리하며, 불평형 부하특성이 우수하다는 장점이 있다.
도 1은 종래 기술에 의한 공간벡터 PWM 제어방식 출력전압 제어기 구성도.
도 2는 본 발명에 의한 공간벡터 PWM 제어방식 출력전압 제어기 구성도.
이하 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조해서 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명에 의한 공간벡터 변조방식 인버터의 출력전압 제어기의 구성도이다.
이에 도시된 바와 같이,
컨트롤러(도면에 도시안됨)의 3상 출력전압 지령치(Va*)(Vb*)(Vc*)를 피드백 전압에 따른 전압제어에 의해 d, q축 2상 전압 지령치(Vmd*)(Vmq*)를 생성하여 공간벡터 펄스폭 변조기(130)로 입력하고, 공간벡터 펄스폭 변조기(130)에서 펄스폭변조방식으로 인버터(140)의 스위칭 소자의 스위칭 타이밍신호(T1, T4, T3, T6, T5, T2)를 제어하여 인버터(140)의 출력전압(Va)(Vb)(Vc)을 제어하도록 하는 공간벡터 변조방식 인버터의 출력전압 제어기에 있어서,
상기 컨트롤러의 3상 출력전압 지령치(Va*)(Vb*)(Vc*)와 상기 3상 인버터(140)의 3상 출력전압(Va)(Vb)(Vc)의 차이를 각 상별로 구하는 3상 오차 검출기(101a)(101b)(101c)와;
상기 3상 오차 검출기(101a)(101b)(101c)에서 검출되는 출력전압 지령치와 피드백되는 출력전압의 오차 값을 각 상별로 PI제어를 하는 3개의 PI제어기(111a)(111b)(111c)와;
상기 3개의 PI제어기(111a)(111b)(111c)에서 출력되는 3상 전압을 d,q축 2상 전압으로 변환하여 공간벡터 펄스폭 변조기(130)의 2축 전압 지령치(Vmd*)(Vmq*)로 입력하는 3상-2상 변환기(120)를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 공간벡터 펄스폭 변조기(130)는, 상기 3상-2상 변환기(120)로부터 d, q축 2상 전압(Vmd*)(Vmq*)을 입력받아 3상 전압으로 변환하는 2상-3상 변환부(131)와, 상기 2상-3상 변환부(131)에서 출력되는 3상 전압 지령치(Vma*)(Vmb*)Vmc*)를 입력받아 각상 전압차에 따른 최대 최소값을 검출하는 최대 최소값 검출부(132)와, 상기 최대 최소값 검출부(132)의 최대 최소값을 이용하여 각 스위치 소자의 스위칭 타이밍신호(T1, T4, T3, T6, T5, T2)를 발생하는 스위칭시간 연산부(133)로 구성된다.
이와 같이 구성되는 본 발명은, 컨트롤러에서 출력전압 지령치(Va*)(Vb*)(Vc*)를 발생시키고, 상기 출력전압 지령치(Va*)(Vb*)(Vc*)는, 3상 인버터(140)의 출력전압(Va)(Vb)(Vc)과의 오차를 각각 3상 오차 검출기(101a)(101b)(101c)에서 검출한다. 출력전압과 출력전압 지령치의 오차는 각 상별로 PI제어기(111a)(111b)(111c)에서 PI제어를 수행한다.
따라서 본 발명은 인버터(140)의 3상 출력전압(Va)(Vb)(Vc)을 그대로 피드백받아 컨트롤러의 출력전압 지령치(Va*)(Vb*)(Vc*)와의 오차를 검출할 수 있다. 즉, 종래 출력전압 제어방식에서는 3상 인버터의 출력전압에서 역상분검출과, 정상분 검출을 해야하지만 본 발명은 3상 인버터의 출력전압을 그대로 피드백받는다.
또한, 본 발명은, 3상 PI제어기(111a)(111b(111c)에서 PI제어를 수행하므로 각상의 불평형 전압문제를 해결할 수 있다. 즉, 각상의 출력전압지령치와 각상의 출력전압을 연산하여 오차를 검출하고, 각상별로 오차값에 대한 PI제어를 하기 때문에 상별 불평형 전압이 발생되지 않는다. 이는 종래 방식에서는 d, q축 2상 전압으로 변환하여 2상 PI제어를 수행한 후 이를 다시 3상 전압으로 변환하여 공간벡터 변조제어를 하기 때문에 상간 불평형 전압이 발생될 수도 있는 문제점이 있었고, 이를 해결하기 위해서 역상분을 검출하여 2상전압으로 변환하고 이를 PI제어한 후, 다시 3상 전압으로 변환하여 공간벡터 펄스폭 변조기 내부에서 3상 전압에 대한 볼평형 전압을 보상하는 방법을 사용하였다.
그렇지만 본 발명은, 3상 출력전압 지령치와 3상 출력전압을 각상별로 오차를 구하고, 각상의 오차값을 각각 PI제어를 하기 때문에 불평형 전압 발생을 원천차단 할 수 있고, 결국 PI제어된 3상 출력전압 지령치를 3상-2상 변환기(120)를 통해서 2상 전압 지령치(Vmd*)(Vmq*)로 변환하여 공간벡터 펄스폭 변조기(130)로 입력시킴으로써, 공간벡터 펄스폭 변조기(130)의 변형 없이 이용할 수 있게 된다.
따라서, 본 발명은 불평형 전압 보상기가 필요치 않게 되고 공간벡터 펄스폭 변조기 내에서 불평형 전압 보상을 할 필요가 없으므로 공간벡터 펄스폭 변조기를 저가의 저속 DSP(고정소수점 연산용)로 제어기능 구현이 가능해진다.
101a, 101b, 101c : 3상 오차 검출기
111a, 111b, 111c : 3상 PI제어기 120 : 3상-2상 변환기
130 : 공간벡터 펄스폭 변조기 131 : 2상-3상 변환기
132 : 최대값 최소값 검출부 133 : 스위칭 시간 연산기
140 : 3상 인버터

Claims (1)

  1. 컨트롤러의 3상 출력전압 지령치(Va*)(Vb*)(Vc*)를 피드백 전압에 따른 전압제어에 의해 d, q축 2상 전압 지령치(Vmd*)(Vmq*)를 생성하여 공간벡터 펄스폭 변조기(130)로 입력하고, 공간벡터 펄스폭 변조기(130)에서 펄스폭변조방식으로 스위칭 타이밍신호(T1, T4, T3, T6, T5, T2)를 제어하여 인버터(140)의 출력전압(Va)(Vb)(Vc)을 제어하도록 하는 3상 공간벡터 펄스폭변조 인버터용 불평형 출력전압 제어기에 있어서,
    상기 컨트롤러의 3상 출력전압 지령치(Va*)(Vb*)(Vc*)와 상기 3상 인버터(140)의 3상 출력전압(Va)(Vb)(Vc)의 차이를 각 상별로 구하는 3상 오차 검출기(101a)(101b)(101c)와;
    상기 3상 오차 검출기(101a)(101b)(101c)에서 검출되는 출력전압 지령치와 피드백되는 출력전압의 오차 값을 각 상별로 PI제어를 하는 3개의 PI제어기(111a)(111b)(111c)와;
    상기 3개의 PI제어기(111a)(111b)(111c)에서 출력되는 3상 전압을 d,q축 2상 전압으로 변환하여 공간벡터 펄스폭 변조기(130)의 2축 전압 지령치(Vmd*)(Vmq*)로 입력하는 3상-2상 변환기(120)를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 3상 공간벡터 펄스폭변조 인버터용 불평형 출력전압 제어기.


KR1020110041656A 2011-05-02 2011-05-02 3상 공간벡터 펄스폭변조 인버터용 불평형 출력전압 제어기 KR101047391B1 (ko)

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KR1020110041656A KR101047391B1 (ko) 2011-05-02 2011-05-02 3상 공간벡터 펄스폭변조 인버터용 불평형 출력전압 제어기

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CN103633861A (zh) * 2012-08-23 2014-03-12 北京动力源科技股份有限公司 一种三相不平衡系统的空间矢量脉宽调制的调节方法、装置及系统
KR101704377B1 (ko) * 2016-09-19 2017-02-08 (주)서울전원시스템 3상 공간벡터 펄스 폭 변조 인버터 각상 출력전압 제어기
KR102082457B1 (ko) 2018-10-15 2020-02-27 연세대학교 산학협력단 3상 출력 전류 최대치 추종 기반의 더블 캐리어 펄스폭 변조 장치

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KR100989806B1 (ko) 2010-09-14 2010-10-29 국제통신공업 주식회사 전력변환장치용 고속 공간벡터 변조방법, 이를 포함한 정류기 제어기와 인버터 제어기 및 이를 기록한 컴퓨터에서 읽을 수 있는 기록매체

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