KR101140392B1 - 인버터의 입력전압 산출 방법 및 장치 - Google Patents

인버터의 입력전압 산출 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 인버터에서 직류 입력전압을 교류 출력전압으로 변환하여 출력할 때, 원하는 크기의 교류전압을 출력하기 위해 직류측 입력전압의 크기를 전압 측정장치를 이용하지 않고 직류측 입력전력과 교류측 출력전력의 수식을 이용하여 직류측 입력전압을 정확히 측정할 수 있도록 된, 인버터의 입력전압 산출 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 인버터 장치는, 장치에 직류 전원을 공급하는 전원부; 상기 직류 전원에 대해 소정의 제어 신호에 따라 스위칭 동작하여 상기 직류 전원을 펄스폭 변조(PWM)를 통해 임의의 가변주파수를 가진 펄스 형태의 교류 전원으로 출력하는 스위칭부; 상기 출력된 교류 전원을 소모하는 출력 부하부; 및 상기 출력 부하부의 부하전압을 인식하며, 상기 출력 부하부의 부하전류를 측정하고, 상기 스위칭부에서 출력되어 상기 출력 부하부에 인가되는 출력 전력(Pout)을 전압과 전류의 곱을 이용하여 산출하며, 산출한 출력 전력(Pout)에 스위칭부의 손실(Ploss)을 더하여 입력 전력(Pin)을 산출하되, 입력 전력(Pin)을 직류전압과 직류전류의 곱으로 대체하고, 이때 직류전류(idc)를 스위칭함수와 교류전류를 이용해 산출하며, 직류전류(idc)를 펄스폭 변조(PWM) 한 주기의 평균 직류전류(Idc - avg)로 대체하여 직류 입력전압(vdc)을 산출하는 제어부를 포함한다.

Description

인버터의 입력전압 산출 방법 및 장치{Device and method for computing an input voltage of inverter}
본 발명은 직류전력을 교류전력으로 변환하는 인버터에 관한 것으로서, 더욱 자세하게는 인버터에서 직류 입력전압을 교류 출력전압으로 변환하여 출력할 때, 원하는 크기의 교류 출력전압을 얻기 위해 직류측 입력전압의 크기를 알아야 하는 바 직류측 입력전압에 대해 전압측정장치를 이용하지 않고 직류측 입력전력과 교류측 출력전력의 수식을 이용하여 정확히 측정할 수 있도록 된 것이다.
통상, 3상 인버터(3 Phase Inverter)는 직류전력을 임의의 가변 전압과 주파수의 3상 교류전력으로 변환시키는 전력변환장치로, 에너지 절약 및 출력 제어의 용이성 때문에 세탁기, 냉장고, 공기조화기 등의 전기제품에 채용되는 모터를 구동하기 위하여 그 사용이 점차 증가하고 있다.
이러한 인버터는 정격전압과 정격전류의 최대 허용전력이 정해져 있어 정격전압과 정격전류를 벗어난 전압 또는 전류로 동작하면, 인버터가 제대로 작동하지 않거나 고장이 발생하게 된다.
한편, 3상 인버터는 직류 입력전압을 3상 교류 출력전압으로 변환하여 출력할 때, 원하는 크기의 교류전압을 정확히 출력하기 위해서 직류측 입력전압의 크기를 알아야 한다. 또한, 과전압으로부터 인버터와 직류측 커패시터를 보호하기 위해 직류측 입력전압의 크기를 알 필요가 있다.
그런데, 종래 3상 인버터의 직류측 입력전압은 전압센서(Voltage Sensor) 또는 션트(Shunt) 저항 등의 전압측정장치를 사용하여 측정하여 왔다. 따라서, 별도의 전압측정장치를 구비하기 위한 비용이 상승하거나, 별도의 전압측정장치를 이용함에 따른 신뢰성 저하와 불편함이 있었다.
전술한 단점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 인버터에서 직류 입력전압을 교류 출력전압으로 변환하여 출력할 때, 원하는 크기의 교류전압을 얻기 위해 직류측 입력전압의 크기를 전압측정장치를 이용하지 않고 직류측 입력전력과 교류측 출력전력의 수식을 이용하여 정확히 측정할 수 있도록 된, 인버터의 입력전압 t산출 방법 및 장치를 제공함에 있다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 전원부와 3상 스위칭부 및 출력 부하부를 포함하는 3상 인버터장치의 입력전압 산출 방법으로서, (a) 상기 출력 부하부의 각 상 부하전압(vas, vbs, vcs)을 인식하고 각 상 부하전류(ia, ib, ic)를 측정하는 단계; (b) 상기 각 상의 부하전압과 부하전류를 이용하여, 상기 3상 스위칭부에서 출력되어 상기 출력 부하부에 인가되는 출력 전력(Pout)을 산출하는 단계; (c) 상기 출력 전력(Pout)에 3상 스위칭부의 손실(Ploss)을 더하여, 스위칭부에 입력되는 입력 전력(Pin)을 산출하는 단계; (d) 상기 입력 전력(Pin)을 입력전류(idc)와 입력전압(vdc)의 곱으로 대체하는 단계; (e) 상기 입력전류(idc)를 펄스폭 변조(PWM) 한 주기의 평균 직류전류(Idc - avg)로 대체하는 단계; 및 (f) 상기 입력 전력(Pin)을 상기 펄스폭 변조(PWM) 한 주기의 평균 직류전류(Idc - avg)로 나누어서 상기 입력전압(vdc)을 산출하는 단계를 포함하는 3상 인버터장치의 입력전압 산출 방법이 제공된다.
또한, 상기 (b) 단계의 상기 출력 전력(Pout)은, 상기 3상 스위칭부의 제1상(a-phase) 부하전류(ia)와 상기 출력 부하부의 제1상 부하전압(vas)의 곱과, 제2상(b-phase) 부하전류(ib)와 제2상 부하전압(vbs)의 곱 및 제3상(c-phase) 부하전류(ic)와 제3상 부하전압(vcs)의 곱을 합하는 식으로 산출할 수 있다.
또한, 상기 (b) 단계의 상기 출력 전력(Pout)은 임의의 각속도로 회전하는 d-q축 좌표계의 전압과 전류의 식으로 산출할 수 있다.
또한, 상기 (e) 단계의 상기 펄스폭 변조(PWM) 한 주기의 평균 직류전류(Idc -avg)는, PWM 주기(Ts) 내에서 각 유효 전압의 인가 시간 동안 각 상 스위칭함수와 PWM 주기 내에서 검출한 각 상 부하전류의 곱의 합과 유효 전압의 인가시간을 곱한 것을 더하고 PWM 주기(Ts)로 나누어 산출할 수 있다.
한편, 전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따르면, 장치에 직류 전원을 공급하는 전원부; 상기 직류 전원에 대해 소정의 제어 신호에 따라 스위칭 동작하여 상기 직류 전원을 펄스폭 변조(PWM)를 통해 임의의 가변주파수를 가진 펄스 형태의 교류 전원으로 출력하는 스위칭부; 상기 출력된 교류 전원을 소모하는 출력 부하부; 및 상기 출력 부하부의 각 상 부하전압을 인식하며 각 상 부하전류를 측정하고, 상기 스위칭부에서 출력되어 상기 출력 부하부에 인가되는 출력 전력(Pout)을 상기 각 상의 부하전압과 부하전류를 이용하여 산출하고, 산출한 상기 출력전력(Pout)에 스위칭부의 손실(Ploss)을 더하여 스위칭부의 입력 전력(Pin)을 산출하고, 상기 입력 전력(Pin)을 입력전압(vdc)과 입력전류(idc)의 곱으로 대체하되, 이때 입력전류(idc)를 펄스폭 변조(PWM) 한 주기의 평균 직류전류(Idc - avg)로 대체하고, 상기 입력 전력(Pin)을 상기 펄스폭 변조(PWM) 한 주기의 평균 직류전류(Idc - avg)로 나누어서 상기 입력전압(vdc)을 산출하는 제어부를 포함하는 인버터 장치가 제공된다.
또한, 상기 제어부의 상기 출력 전력(Pout)의 산출은, 상기 스위칭부가 3상 스위치를 갖는 경우, 상기 스위칭부의 제1상(a-phase) 부하전류(ia)와 상기 출력 부하부의 제1상 부하전압(vas)의 곱과, 제2상(b-phase) 부하전류(ib)와 제2상 부하전압(vbs)의 곱 및 제3상(c-phase) 부하전류(ic)와 제3상 부하전압(vcs)의 곱을 합하는 식으로 산출할 수 있다.
또한, 상기 제어부의 상기 펄스폭 변조(PWM) 한 주기의 평균 직류전류(Idc -avg)의 산출은, PWM 주기(Ts) 내에서 각 유효 전압의 인가 시간 동안 각 상 스위칭함수와 PWM 주기 내에서 검출한 각 상 교류 전류의 곱과 유효 전압의 인가시간을 이용하여 산출할 수 있다.
한편, 전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또다른 측면에 따르면, 전원부와 스위칭부 및 출력 부하부를 포함하는 단상 인버터장치의 입력전압 산출 방법으로서, (a) 상기 출력 부하부의 부하전압(vo)을 인식하고 부하전류(io)를 측정하는 단계; (b) 상기 부하전압(vo)과 부하전류(io)를 이용하여, 상기 스위칭부에서 출력되어 상기 출력 부하부에 인가되는 출력 전력(Pout)을 산출하는 단계; (c) 상기 출력 전력(Pout)에 스위칭부의 손실(Ploss)을 더하여 스위칭부에 입력되는 입력 전력(Pin)을 산출하는 단계; (d) 상기 입력 전력(Pin)을 입력전류(idc)와 입력전압(vdc)의 곱으로 대체하는 단계; (e) 상기 입력전류(idc)를 펄스폭 변조(PWM) 한 주기의 평균 직류전류 (Idc - avg)로 대체하는 단계; 및 (f) 상기 입력 전력(Pin)을 상기 펄스폭 변조(PWM) 한 주기의 평균 직류전류(Idc - avg)로 나누어서 상기 입력전압(vdc)을 산출하는 단계를 포함하는 단상 인버터장치의 입력전압 산출 방법이 제공된다.
또한, 상기 (e) 단계의 상기 펄스폭 변조(PWM) 한 주기의 평균 직류전류(Idc -avg)의 산출은, PWM 주기(Ts) 내에서 유효 전압의 인가 시간 동안 각 상 스위칭함수와 PWM 주기 내에서 검출한 부하 교류 전류의 곱의 합과 유효 전압의 인가시간을 곱하고 PWM 주기(Ts)로 나누어 산출할 수 있다.
본 발명에 의하면, 인버터 장치의 입력전압을 측정하기 위한 별도의 전압 측정장치를 구비할 필요없이 인버터의 입력전압을 정확하게 측정할 수 있으며, 그에 따른 구입 비용을 절약할 수 있고, 장치의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 3상 인버터 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 3상 인버터 장치의 입력전압 산출 방법을 설명하기 위한 동작 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 3상 인버터 장치의 입력 직류 전류를 계산하는 예를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 단상 인버터 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 단상 인버터 장치의 입력 직류 전류를 계산하는 예를 나타낸 도면이다.
본 발명의 목적과 기술적 구성 및 그에 따른 작용 효과에 관한 자세한 사항은 본 발명의 명세서에 첨부된 도면에 의거한 이하 상세한 설명에 의해 보다 명확하게 이해될 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 3상 인버터 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 3상 인버터 장치(100)는 전원부(110), 3상 스위칭부(120), 출력 부하부(130) 및 제어부(140) 등을 포함한다.
전원부(110)는 상용전원을 예컨대, 정류기 및 평활콘덴서 등에 의해 직류전원으로 변환하고, 직류 전원을 장치에 공급한다. 여기서, 전원부(110)는 배터리(Battery)나 태양광 전지, 연료 전지 등으로도 구현할 수 있다.
3상 스위칭부(120)는 직류 전원에 대해 제어부(140)의 제어 신호에 따라 스위칭 동작하여 직류 전원을 펄스폭 변조(PWM)를 통해 임의의 가변주파수를 가진 펄스 형태의 3상 교류 전원으로 출력한다.
또한, 3상 스위칭부(120)는 제1상(a-phase) 스위치(
Figure 112011013599632-pat00001
)와 역스위치(
Figure 112011013599632-pat00002
), 제2상(b-phase) 스위치(
Figure 112011013599632-pat00003
)와 역스위치(
Figure 112011013599632-pat00004
), 제3상(c-phase) 스위치(
Figure 112011013599632-pat00005
)와 역스위치(
Figure 112011013599632-pat00006
)를 포함한다.
또한, 3상 스위칭부(120)는 제1상의 전압(Van)과 전류(ia)를 출력 부하부(130)의 제1부하(z)에 전달하고, 제2상의 전압(Vbn)과 전류(ib)를 제2부하(z)에 전달하며, 제3상의 전압(Vcn)과 전류(ic)를 제3부하(z)에 전달한다.
출력 부하부(130)는 3상 스위칭부(120)에서 출력된 3상 교류 전원을 인가받아 부하 장치 예컨대, 모터(Motor) 등을 통해 소모한다.
제어부(140)는 3상 스위칭부(120)에서 출력되어 출력 부하부(130)에 인가되는 출력 전력(Pout)을 얻기 위해, 출력 부하부(130)의 각 상 부하전압(vas, vbs, vcs)을 인식하고, 출력 부하부(130)의 각 상 부하전류(ia, ib, ic)를 측정한다.
이어, 제어부(140)는 3상 스위칭부(120)에서 각 상의 전압과 전류의 곱을 이용하여 출력 전력(Pout)을 산출하며, 이 출력 전력(Pout)에 3상 스위칭부(120)의 손실(Ploss)을 더하여 입력 전력(Pin)을 산출하되, 입력 전력(Pin)을 직류전압(vdc)과 직류전류(idc) 곱으로 대체한다.
이때, 제어부(140)는 3상 스위칭부(120)에서 출력되어 출력 부하부(130)에 인가되는 출력 전력(Pout)에 대해, 각 상에 연결된 제1부하, 제2부하, 제3부하의 상전압과 부하전류의 식 또는 임의의 각속도로 회전하는 d-q축 좌표계에서 표현된 부하전압과 부하전류의 식으로 산출할 수 있다.
이어, 제어부(140)는 직류전류(idc)를 각 상 스위칭함수와 각 상 부하전류의 곱의 합(Saia+Sbib+Scic)을 이용해 산출하고, 이때 직류전류(idc)를 펄스폭 변조(PWM) 한 주기의 평균 직류전류(Idc - avg)로 대체하여 직류 입력전압(vdc)을 산출한다. 이에 대하여 도 2를 통해 좀 더 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 3상 인버터 장치의 입력전압 산출 방법을 설명하기 위한 동작 흐름도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 3상 인버터 장치(100)는 3상 스위칭부(120)에서 출력되어 출력 부하부(130)에 인가되는 출력 전력(Pout)을 얻기 위해, 출력 부하부(130)의 각 상 부하전압(vas, vbs, vcs)을 인식한다(S210).
이어, 3상 인버터 장치(100)는 출력 부하부(130)의 각 상 부하전류(ia, ib, ic)를 측정한다(S220). 여기서, 3상 부하전류 중 2 개 전류만 측정하여 나머지 전류를 구해 사용할 수 있다.
이어, 3상 인버터 장치(100)는 3상 스위칭부(120)에서 출력되어 출력 부하부(130)에 인가되는 출력 전력(Pout)을 산출한다(S230).
예를 들면, 3상 인버터 장치(100)는 3상 스위칭부(120)에서 출력되어 출력 부하부(130)에 인가되는 출력 전력(Pout)을 다음 수학식 1과 같이 출력 부하부(130)에 인가되는 각 a, b, c 상의 부하전압과 부하전류의 곱을 합하는 식 또는 수학식 2와 같이 d-q축 좌표계의 전압과 전류의 식을 이용하여 산출할 수 있다.
Figure 112011013599632-pat00007
즉, 3상 인버터 장치(100)는 출력 전력(Pout)에 대해 3상 스위칭부(120)의 제1상(a-phase) 부하전류(ia)와 출력 부하부(130)의 제1상 부하전압(vas)의 곱과, 제2상(b-phase) 부하전류(ib)와 제2상 부하전압(vbs)의 곱 및 제3상(c-phase) 부하전류(ic)와 제3상 부하전압(vcs)의 곱을 합하는 식으로 산출할 수 있다.
또한, 3상 인버터 장치(100)는 수학식 1의 3상 출력 전력(Pout)에 대한 전압과 전류의 식을 다음 수학식 2와 같이 임의의 각속도로 회전하는 d-q축 좌표계의 전압과 전류의 식으로 산출할 수 있다.
Figure 112011013599632-pat00008
여기서, ω는 d-q 좌표축의 회전 각속도로서 임의의 값이 될 수 있다. 따라서, 3상 인버터 장치(100)의 출력 전력(Pout)은 임의의 좌표축에서 표현이 가능하다. 이때, d-q 좌표축으로의 변환행렬의 종류에 따라 수학식2의 3/2의 계수도 다른 값이 될 수 있다.
이어, 3상 인버터 장치(100)는 스위칭부(120)의 입력 전력(Pin)에 대해 다음 수학식 3과 같이 출력 전력(Pout)에 스위칭부(120)의 손실(Ploss)을 더하여 입력 전력(Pin)을 산출하되, 입력 전력(Pin)을 직류전압(vdc)과 직류전류(idc)의 곱으로 대체한다(S240).
Figure 112011013599632-pat00009
여기서, 직류측 입력전류(idc) 역시 어떠한 전류측정장치 없이 교류측 부하전류 ia, ib, ic로부터 알아낼 수 있다. 통상 3상 인버터 장치(100)는 3상 부하 전류를 제어하기 위해 출력측 교류 전류가 필요한데, 이때 전류센서를 통해 출력측 교류 전류를 측정하여 사용한다.
이어, 3상 인버터 장치(100)는 직류측 입력전류(idc)를 다음 수학식 4와 같이 각 상 스위칭함수와 각 상 부하전류를 이용해 산출한다(S250).
이때, 직류측 입력전류(idc)는 교류측 3상 부하전류 ia, ib, ic와 펄스폭 변조(PWM) 시의 스위칭 함수 Sa, Sb, Sc를 이용해 다음 수학식 4와 같이 얻을 수 있다.
Figure 112011013599632-pat00010
즉, 3상 인버터 장치(100)는 직류측 입력전류(idc)를 3상 스위칭부(120)의 제1상(a-phase) 스위칭함수(Sa)와 제1상에서 출력 부하부에 인가되는 부하전류(ia)의 곱과, 3상 스위칭부의 제2상(b-phase) 스위칭함수(Sb)와 제2상에서 출력 부하부에 인가되는 부하전류(ib)의 곱, 및 3상 스위칭부의 제3상(c-phase) 스위칭함수(Sc)와 제3상에서 출력 부하부에 인가되는 부하전류(ic)의 곱을 합(Saia+Sbib+Scic)하여 산출하는 것이다.
여기서, a, b, c 상의 스위칭 함수 Sa, Sb, Sc는 각각 위상 스위치(Qa, Qb, Qc)가 켜져 있는 경우에는 1이며, 꺼져 있는 경우에는 0으로 정의할 수 있다. 아래 역상 스위치(
Figure 112011013599632-pat00011
,
Figure 112011013599632-pat00012
,
Figure 112011013599632-pat00013
)는 위상 스위치(Qa, Qb, Qc)와 상보 스위칭을 한다. 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 3상 인버터 장치의 입력 직류 전류를 계산하는 예를 나타낸 도면이다. 수학식 4를 사용하여 직류측 입력전류(idc)를 어느 시점에서 6개 스위칭 소자의 스위칭 상태와 측정된 3상 부하전류 ia, ib, ic로부터 도 3의 예와 같이 계산할 수 있다.
3상 인버터 장치(100)는 이와 같은 방법으로 정확하게 직류측 입력전류(idc)를 구하기 위해서는 펄스폭 변조(PWM) 주기 Ts 내에서 스위칭이 바뀔 때마다 계속해서 3상 전류를 매우 빠르게 샘플링하여 알아내야 한다. 이때, 직류측 입력전류(idc) 대신에 다음 수학식 5와 같이 PWM 한 주기의 평균 직류 전류(Idc - avg)를 구해 이를 대입하여 사용하면 별다른 오차가 발생하지 않으며, 빠르게 계속적으로 3상 전류를 샘플링을 할 필요없이 통상적인 전류 검출시점인 PWM 주기 시작 시점에서 검출한 전류를 사용할 수 있다.
Figure 112011013599632-pat00014
즉, PWM 한 주기의 평균 직류전류(Idc - avg)는 PWM 주기(Ts) 내에서 각 유효 전압의 인가 시간 동안 각 상 스위칭함수와 PWM 주기 시작 시점에서 검출한 각 상 교류 전류의 곱의 합과 유효 전압의 인가시간을 곱한 것을 더하고 PWM 주기(Ts)로 나누어 산출하는 것이다.
여기서, ia, ib, ic는 PWM 주기 시작 시점에서 검출한 3상 교류 전류이고, PWM 주기의 시작 시점이 아닌 다른 지점 등 PWM 주기 내에서 검출한 전류일 수 있다. 또한, T1, T2는 PWM 주기 Ts 내에서 유효 전압(Effective Voltage)들의 인가 시간이다. Sa1, Sb1, Sc1은 인가 시간 T1 동안의 3상 스위칭 함수이며, Sa2, Sb2, Sc2는 인가 시간 T2 동안의 3상 스위칭 함수이다.
따라서, 3상 인버터 장치(100)는 다음 수학식 6과 같이 직류측 입력전류(idc)를 펄스폭 변조(PWM) 한 주기의 평균 직류전류(Idc - avg)로 대체하여 직류측 입력전압(vdc)을 산출한다(S260).
Figure 112011013599632-pat00015
이때, 출력 전력(Pout)을 수학식 2로 표현된 d-q축 좌표계의 전압과 전류의 식으로 대체하면, 3상 인버터 장치(100)는 다음 수학식 7과 같이 직류측 입력전압(vdc)을 산출할 수 있다.
Figure 112011013599632-pat00016
또한, 3상 인버터 장치(100) 내 스위칭부(120)의 손실(Ploss)이 출력 전력(Pout)에 비해 매우 작은 경우 이를 무시하면, 직류측 입력전압(vdc)은 최종적으로 수학식 8과 같이 얻을 수 있다.
Figure 112011013599632-pat00017
여기서, d-q 축 전압
Figure 112011013599632-pat00018
,
Figure 112011013599632-pat00019
은 3상 인버터 장치(100)의 출력 전압 지령치를 사용하거나, 기 측정된 전압 값을 이용할 수 있다.
이때, 출력 전압 지령치를 사용하는 경우 좀 더 정확한 전압을 구하기 위해서는 데드타임(Deadtime)과 스위칭 소자 및 다이오드의 전압강하를 보상해야 한다.
한편, 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 단상 인버터 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 단상 인버터 장치(400)는 전원부(410), 스위칭부(420), 출력 부하부(430) 및 제어부(440) 등을 포함한 구성으로, 전술한 도 1에 도시된 3상 인버터 장치(100)와 유사한 구성요소를 가지나, 스위칭부(420)와 출력 부하부(430)가 다른 구성을 갖는다.
도 4에 도시된 단상 인버터 장치(400)는 출력 부하부(430)가 하나의 출력 부하(Z)를 가지며, 이 출력 부하(Z)에 교류전압(vo)과 교류전류(io)가 인가된다. 따라서, 스위칭부(420)의 출력전력(Pout)은 다음 수학식 9와 같이 교류전압(vo)과 교류전류(io)의 곱으로 얻을 수 있다.
Figure 112011013599632-pat00020
여기서, 교류전압(vo)은 단상 인버터 장치(400)의 출력 전압 지령치를 사용하거나, 기 측정된 전압값을 이용할 수 있다.
단상 인버터 장치(400)는 수학식 3과 같이 출력 전력(Pout)에 스위칭부(420)의 손실(Ploss)을 더하여 입력 전력(Pin)을 산출하되, 입력 전력(Pin)을 스위칭부(420)의 직류 전압(vdc)과 직류 전류(idc)의 곱으로 대체한다.
여기서, 단상 인버터 장치(400)는 스위칭부(420)의 직류 전압(vdc)과 직류 전류(idc)의 곱을 이용하여 다음 수학식 10과 같이 직류측 입력전압(vdc)을 산출하는 식을 얻는다.
Figure 112011013599632-pat00021
이때, 단상 인버터 장치(400)는 직류 전류(idc)를 다음 수학식 11과 같이 스위칭함수(SH,SL)와 교류측 부하전류(io)를 이용해 산출한다.
Figure 112011013599632-pat00022
즉, 단상 인버터 장치(400)는 직류전류(idc)에 대해, 스위칭부(420)의 제1상(H-phase) 스위칭함수(SH)와 출력 부하부에 인가되는 부하전류(io)의 곱과, 스위칭부의 제2상(L-phase) 스위칭함수(SL)와 출력 부하부에 인가되는 부하전류(io)의 곱의 차(SHio-SLio)를 이용하여 산출할 수 있다.
단, 스위칭 함수 SH와 SL은 각각 H와 L상의 위 스위치(QH, QL)가 켜져 있는 경우에는 1이며, 꺼져 있는 경우에는 0으로 정의한다. 아래 스위치(
Figure 112011013599632-pat00023
,
Figure 112011013599632-pat00024
)는 위 스위치(QH, QL)와 상보 스위칭을 한다. 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 단상 인버터 장치의 입력 직류 전류를 계산하는 예를 나타낸 도면이다. 수학식 11을 사용하여 직류측 전류(idc)를 어느 PWM 한 주기 동안 4개 스위칭 소자의 스위칭 상태와 측정된 교류측 전류 io로부터 도 5의 예와 같이 계산할 수 있다.
단상 인버터 장치(400)는 이와 같은 방법으로 정확하게 직류측 입력전류(idc)를 구하기 위해서 PWM 주기 Ts 내에서 계속해서 단상 전류를 매우 빠르게 샘플링하여 알아내야 한다. 이때, 직류측 입력전류(idc) 대신에 PWM 한 주기의 평균 직류 전류(Idc - avg)를 구해 이를 대입하여 사용하면 별다른 오차가 발생하지 않으며, 빠르게 계속적으로 전류를 샘플링을 할 필요없이 통상적인 전류 검출시점인 PWM 주기 시작 시점에서 검출한 전류를 사용할 수 있다.
단상 인버터 장치(400)는 다음 수학식 12와 같이 직류전류(idc)를 펄스폭 변조(PWM) 한 주기 Ts의 평균 직류전류(Idc - avg)로 대체하여 직류 입력전압(vdc)을 산출한다.
Figure 112011013599632-pat00025
여기서, io는 PWM 주기의 시작 시점에서 측정한 교류 부하전류이고, 시작 시점이 아닌 다른 지점 등 PWM 주기 내에서 검출한 전류일 수 있다. 또한 T1은 PWM 주기 Ts 내에서 유효 전압의 총 인가 시간이다. 유효전압은 PWM 주기 Ts 내에서 분리되어 인가될 수 있는데, T1은 유효 전압의 총 인가 시간을 의미한다. SH1, SL1은 인가 시간 T1 동안의 각각 H와 L상의 스위칭 함수이다.
즉, 단상 인버터 장치(400)는 펄스폭 변조(PWM) 한 주기의 평균 직류전류(Idc - avg)에 대해, PWM 주기(Ts) 내에서 유효 전압의 인가 시간 동안 각 상 스위칭함수와 PWM 주기 내에서 검출한 교류측 부하전류의 곱과 유효 전압의 인가시간을 이용하여 산출하는 것이다.
전술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 인버터에서 직류 입력전압을 교류 출력전압으로 변환하여 출력할 때, 원하는 크기의 교류전압을 출력하기 위해 직류측 입력전압의 크기를 전압측정장치를 이용하지 않고 직류측 입력전력과 교류측 출력전력의 수식을 이용하여 직류측 입력전압을 정확히 측정할 수 있도록 된, 인버터의 입력전압 산출 방법 및 장치를 실현할 수 있다.
본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있으므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
본 발명은 세탁기, 냉장고, 공기조화기 등의 전기제품에 채용되는 모터를 구동하기 위하여 사용하는 인버터 장치에 적용할 수 있고, 교류전원 공급장치를 위한 인버터 장치에 적용할 수 있다. 또한 인버터의 입력전압을 정확하게 측정할 필요가 있는 장치에 적용할 수 있다.
100 : 3상 인버터 장치 110 : 전원부
120 : 3상 스위칭부 130 : 출력 부하부
140 : 제어부
400 : 단상 인버터 장치 410 : 전원부
420 : 스위칭부 430 : 출력 부하부
440 : 제어부

Claims (9)

  1. 전원부와 3상 스위칭부 및 출력 부하부를 포함하는 3상 인버터장치의 입력전압 산출 방법으로서,
    (a) 상기 출력 부하부의 각 상 부하전압(vas, vbs, vcs)을 인식하고 각 상 부하전류(ia, ib, ic)를 측정하는 단계;
    (b) 상기 각 상의 부하전압과 부하전류를 이용하여, 상기 3상 스위칭부에서 출력되어 상기 출력 부하부에 인가되는 출력 전력(Pout)을 산출하는 단계;
    (c) 상기 출력 전력(Pout)에 3상 스위칭부의 손실(Ploss)을 더하여, 스위칭부에 입력되는 입력 전력(Pin)을 산출하는 단계;
    (d) 상기 입력 전력(Pin)을 입력전류(idc)와 입력전압(vdc)의 곱으로 대체하는 단계;
    (e) 상기 입력전류(idc)를 펄스폭 변조(PWM) 한 주기의 평균 직류전류(Idc-avg)로 대체하는 단계; 및
    (f) 상기 입력 전력(Pin)을 상기 펄스폭 변조(PWM) 한 주기의 평균 직류전류(Idc - avg)로 나누어서 상기 입력전압(vdc)을 산출하는 단계;
    를 포함하는 3상 인버터장치의 입력전압 산출 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 (b) 단계의 상기 출력 전력(Pout)의 산출은,
    상기 3상 스위칭부의 제1상(a-phase) 부하전류(ia)와 상기 출력 부하부의 제1상 부하전압(vas)의 곱과, 제2상(b-phase) 부하전류(ib)와 제2상 부하전압(vbs)의 곱 및 제3상(c-phase) 부하전류(ic)와 제3상 부하전압(vcs)의 곱을 합하는 식으로 산출하는 것을 특징으로 하는 3상 인버터장치의 입력전압 산출 방법.

  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 (b) 단계의 상기 출력 전력(Pout)의 산출은,
    임의의 각속도로 회전하는 d-q축 좌표계의 전압과 전류의 식으로 산출하는 것을 특징으로 하는 3상 인버터장치의 입력전압 산출 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 (e) 단계의 상기 펄스폭 변조(PWM) 한 주기의 평균 직류전류(Idc - avg)의 산출은,
    PWM 주기(Ts) 내에서 각 유효 전압의 인가 시간 동안 각 상 스위칭함수와 PWM 주기 내에서 검출한 각 상 부하전류의 곱의 합과 유효 전압의 인가시간을 곱한 것을 더하고 PWM 주기(Ts)로 나누어 산출하는 것을 특징으로 하는 3상 인버터장치의 입력전압 산출 방법.
  5. 장치에 직류 전원을 공급하는 전원부;
    상기 직류 전원에 대해 소정의 제어 신호에 따라 스위칭 동작하여 상기 직류 전원을 펄스폭 변조(PWM)를 통해 임의의 가변주파수를 가진 펄스 형태의 교류 전원으로 출력하는 스위칭부;
    상기 출력된 교류 전원을 소모하는 출력 부하부; 및
    상기 출력 부하부의 각 상 부하전압을 인식하며 각 상 부하전류를 측정하고, 상기 스위칭부에서 출력되어 상기 출력 부하부에 인가되는 출력 전력(Pout)을 상기 각 상의 부하전압과 부하전류를 이용하여 산출하고, 산출한 상기 출력 전력(Pout)에 스위칭부의 손실(Ploss)을 더하여 스위칭부의 입력 전력(Pin)을 산출하고, 상기 입력 전력(Pin)을 입력전압(vdc)과 입력전류(idc)의 곱으로 대체하되, 이때 입력전류(idc)를 펄스폭 변조(PWM) 한 주기의 평균 직류전류(Idc - avg)로 대체하고, 상기 입력 전력(Pin)을 상기 펄스폭 변조(PWM) 한 주기의 평균 직류전류(Idc - avg)로 나누어서 상기 입력전압(vdc)을 산출하는 제어부;
    를 포함하는 인버터 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제어부의 상기 출력 전력(Pout)의 산출은,
    상기 스위칭부가 3상 스위치를 갖는 경우,
    상기 스위칭부의 제1상(a-phase) 부하전류(ia)와 상기 출력 부하부의 제1상 부하전압(vas)의 곱과, 제2상(b-phase) 부하전류(ib)와 제2상 부하전압(vbs)의 곱 및 제3상(c-phase) 부하전류(ic)와 제3상 부하전압(vcs)의 곱을 합하는 식으로 산출하는 것을 특징으로 하는 인버터 장치.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 제어부의 상기 펄스폭 변조(PWM) 한 주기의 평균 직류전류(Idc - avg)의 산출은,
    PWM 주기(Ts) 내에서 각 유효 전압의 인가 시간 동안 각 상 스위칭함수와 PWM 주기 내에서 검출한 각 상 교류 전류의 곱과 유효 전압의 인가시간을 이용하여 산출하는 것을 특징으로 하는 인버터 장치.
  8. 전원부와 스위칭부 및 출력 부하부를 포함하는 단상 인버터장치의 입력전압 산출 방법으로서,
    (a) 상기 출력 부하부의 부하전압(vo)을 인식하고 부하전류(io)를 측정하는 단계;
    (b) 상기 부하전압(vo)과 부하전류(io)를 이용하여, 상기 스위칭부에서 출력되어 상기 출력 부하부에 인가되는 출력 전력(Pout)을 산출하는 단계;
    (c) 상기 출력 전력(Pout)에 스위칭부의 손실(Ploss)을 더하여 스위칭부에 입력되는 입력 전력(Pin)을 산출하는 단계;
    (d) 상기 입력 전력(Pin)을 입력전류(idc)와 입력전압(vdc)의 곱으로 대체하는 단계;
    (e) 상기 입력전류(idc)를 펄스폭 변조(PWM) 한 주기의 평균 직류전류 (Idc -avg)로 대체하는 단계; 및
    (f) 상기 입력 전력(Pin)을 상기 펄스폭 변조(PWM) 한 주기의 평균 직류전류(Idc - avg)로 나누어서 상기 입력전압(vdc)을 산출하는 단계;
    를 포함하는 단상 인버터장치의 입력전압 산출 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 (e) 단계의 상기 펄스폭 변조(PWM) 한 주기의 평균 직류전류(Idc - avg)의 산출은,
    PWM 주기(Ts) 내에서 유효 전압의 인가 시간 동안 각 상 스위칭함수와 PWM 주기 내에서 검출한 부하 교류 전류의 곱의 합과 유효 전압의 인가시간을 곱하고 PWM 주기(Ts)로 나누어 산출하는 것을 특징으로 하는 단상 인버터장치의 입력전압 산출 방법.
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