KR101241355B1 - 고속전철용 추진제어장치의 대용량 전력소자 과변조시 최소온타임 제어방법 - Google Patents

고속전철용 추진제어장치의 대용량 전력소자 과변조시 최소온타임 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고속전철용 추진제어장치의 대용량 전력소자 과변조시 최소 온타임 제어방법에 관한 것으로서, 특히 인버터에 탑재된 3상 인버터 전력소자의 옵셋전압을 결정하고, 그 옵셋전압에 각 상전압을 더하여 폴전압을 생성하며, 이 폴전압을 이용하여 전력소자의 게이팅 온타임을 계산하되, 옵셋전압을 최대치 폴전압 및 최소치 폴전압의 절대값이 동일하도록 설정하므로서, 고속전철용 추진제어장치의 DC링크전압과 전동기의 용량을 최대한 이용하는 과변조 방법에서 최소 온타임을 확보하여 대용량 전력소자가 안정영역에서 동작하도록 전력소자 게이팅시간을 재계산함에 따라 최소 온타임을 확보하여 과변조시 대용량의 전력소자를 안정적으로 사용할 수 있도록 한 고속전철용 추진제어장치의 대용량 전력소자 과변조시 최소온타임 제어방법에 관한 것이다.
고속전철, 추진제어장치, 대용량 전력소자, 최소온타임,

Description

고속전철용 추진제어장치의 대용량 전력소자 과변조시 최소 온타임 제어방법{On time control method}
도 1 은 일반적인 고속전철용 추진제어장치를 보인 도면.
도 2 는 종래의 삼각파 비교 변조방식을 보인 파형도.
도 3 은 종래의 공간벡터 전압변조방식을 보인 도면.
도 4 는 고속전철용 추진제어장치의 인버터부에 적용된 대용량 전력소자의 등가회로.
도 5 는 본 발명에 적용된 인버터부 폴전압과 게이팅 인가시간의 관계를 보인 파형도.
도 6 은 본 발명의 대용량 전력소자의 최소 온타임 제어방법을 보인 파형도.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
1: 주변압기, 2: 컨버터,
3: 인버터부, 4: 제어부,
5: 견인전동기, Sa,Sb,Sc: 전력소자,
본 발명은 고속전철용 추진제어장치의 대용량 전력소자 과변조시 최소 온타임 제어방법에 관한 것으로서, 특히 고속전철용 추진제어장치의 DC링크전압과 전동기의 용량을 최대한 이용하는 과변조 방법에서 최소 온타임을 확보하여 대용량 전력소자가 안정영역에서 동작하도록 전력소자 게이팅시간을 재계산함에 따라 최소 온타임을 확보하여 과변조시 대용량의 전력소자를 안정적으로 사용할 수 있도록 한 고속전철용 추진제어장치의 대용량 전력소자 과변조시 최소온타임 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로 고속전철용 추진제어장치는 도 1 에 도시된 바와 같이 가선으로부터 공급된 AC 25000V가 주변압기(1)를 통해 AC 1400V로 감소되고, 상기 감소된 AC 1400V 전압이 컨버터(2)로 입력되어 고속열차의 추진제어장치의 역할을 수행한다.
고속전철용 추진제어장치는 컨버터부(2)와 인버터(3)로 구성되고, 상기 컨버터부(2)는 입력된 AC 1400V를 DC 2800V로 변환하여 인버터부(3)의 입력으로 공급하고, 상기 인버터부(3)는 제어장치(4)의 제어전류에 따라 DC 2800V를 AC 0~2183V로 변환하여 열차 운행 속도와 운전 지령에 따라 가변하여 견인전동기(5)에 공급하게 된다.
도 1 에서 보는 바와 같이 인버터부(3)는 동시에 2개의 견인전동기(5)에 전원을 공급하여 추진 및 전기 제동의 기능을 수행한다.
추진시 DC링크 전압을 이용하여 전동기 제어시 필요한 전압을 PWM(펄스폭변조)하여 제어하고, 또한 DC링크 전압을 최대한 이용하는 과변조 방법을 사용하고 있다.
과변조 제어시 전력소자의 온타임에 따라 전력소자가 충분한 온타임을 확보한 후에 오프동작이 이루어지도록 하여야 전력소자를 안정영역에서 사용할 수 있게되므로 인버터부(3) 구동시에는 인버터부(3)에 장착되는 전력소자의 최소 온타임을 확보해야만 한다.
종래의 대용량 전력소자 PWM 변조 제어방법으로는,
도 2 에 도시된 바와 같은 삼각파 비교전압변조방식과 도 3 에 도시된 바와같은 공간벡터 전압변조방식이 사용되고 있다.
삼각파 비교전압변조방식의 기본 동작원리는 지령 폴전압과 삼각파를 비교하여 그 크기의 대소에 따라 인버터 각상의 스위치를 조작하는 것이다.
공간벡터 전압변조방식은,
일반적인 3상 인버터부는 모두 6개의 대용량 전력소자로 구성되고, 외부의 3상 회로(교류전동기)에 전압을 인가할 수 있는 방법으로는 도 3 에 도시된 바와 같이 6개의 유효전압(V1~V6)과 2개의 영전압(V0,V7)이 있을 수 있다. 영전압이란 인버터의 전력소자 중에서 위쪽(V0) 혹은 아래쪽(V7) 소자들이 모두 온되는 상황으로 어느 경우에서든 전동기의 단자가 모두 한 포인트에 단락되는 효과가 제공된다.
즉, 영전압이 전동기에 인가된다고 할 수 있다.
이러한 전압벡터를 영벡터(zero vector)라고 지칭한다.
영벡터를 제외한 6개의 벡터는 서로 각기 다른 유효전압을 전동기에 공급할 수 있는 벡터로써 유효벡터라고 하며, 이 6개의 전압이 차례대로 전동기에 인가되 면 시간적으로 한 주기, 즉 360도로 회전하는 전압이 전동기에 인가되는 효과를 얻을 수 있다. 따라서, 이를 벡터적인 관점에서 벡터공간상에 배치하면 도 3 과 같이 60도의 등간격을 갖는 벡터로서 표시되어질 수 있다. 이때 전동기의 각 상의 임피던스가 모두 동일하다고 가정하면 각 유효전압벡터의 크기는 2/3Vdc로 주어진다.
그러나, 종래의 삼각파 변조방식은 원리가 간단하고 특히 아날로그 구현이 수월하여 고전적으로 널리 사용되고 있으며, 이 경우, 인버터가 출력 가능한 상전압의 최대치는 Vdc/2로 한정되기 때문에 전압이용률은 50%가 된다. 출력전압은 Vdc/2 선형적으로 제어되지만 그 이상에서는 비선형적으로 출력되는 특징을 갖게 된다. 이에 따라 차량용 인버터는 DC 링크 전압을 최대한 이용하는 것을 원칙으로 하고 있으므로 선형영역이 Vdc/2로 한정되기 때문에 차량용 시스템에는 이용하기가 곤란해지는 문제점이 있으며, 과변조시 대용량 전력소자가 안정영역에서 동작하기 위한 최소 온타임을 확보하지 못하게 되는 문제점이 발생하고 있었다.
또한, 공간벡터 전압변조방식을 사용하면 삼각파 변조방식에 비해 15.5[%]이상의 전압이용률을 높일 수 있고, 정상상태에서 고조파 전류의 성분을 억제할 수 있다. 하지만 공간전압벡터 변조방식을 구현하기 위해서는 기준벡터의 위치에 따라 유효벡터와 유효시간을 계산하고 다시 이를 기준벡터의 위치에 따라 역으로 환산하여 스위칭 시간을 이끌어 내는 작업을 수행해야 한다. 이렇게 이중으로 복잡한 연산을 해야 되는 이유는 공간전압벡터변조 방식이 선택한 접근방식이기 때문이다. 즉, 인버터가 낼 수 있는 유효전압을 시분할로 출력함으로써 기준전압과 같은 전압 을 한 주기 평균의 개념에서 생성할 수 있다는 기본개념 하에서 유효벡터를 선정하고 이에 대한 계산시간을 계산하는 방식이 바로 기존의 공간전압벡터 변조방식의 원리이다. 따라서 이론적으로 정확한 전압을 인버터에 출력시키는 것이 가능하지만, 실제 구현 방법은 매우 복잡하고, 과변조시 대용량 전력소자가 안정영역에서 동작하기 위한 최소 온타임 확보제어 방법을 구현하지 못하는 문제점이 발생하고 있었다.
따라서, 상기 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 인버터에 탑재된 3상 인버터 전력소자의 옵셋전압을 결정하고, 그 옵셋전압에 각 상전압을 더하여 폴전압을 생성하며, 이 폴전압을 이용하여 전력소자의 게이팅 온타임을 계산하되, 옵셋전압을 최대치 폴전압 및 최소치 폴전압의 절대값이 동일하도록 설정하므로서, 고속전철용 추진제어장치의 DC링크전압과 전동기의 용량을 최대한 이용하는 과변조 방법에서 최소 온타임을 확보하여 대용량 전력소자가 안정영역에서 동작하도록 전력소자 게이팅시간을 재계산함에 따라 최소 온타임을 확보하여 과변조시 대용량의 전력소자를 안정적으로 사용할 수 있도록 한 고속전철용 추진제어장치의 대용량 전력소자 과변조시 최소온타임 제어방법을 제공함을 목적으로 한다.
이하, 첨부된 도면 도 4 내지 도 6 을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하면 다음과 같다.
일반적으로 고속전철용 추진제어장치는 DC링크 전압과 전동기의 용량을 최대 한 이용하기 위해 과변조 모드 영역과 1 펄스모드 영역(6step)의 전압파형을 필수적으로 사용한다.
본 발명에서는 전압 이용률이 높은 공간전압변조방식을 사용하면서 종래의 복잡한 연산 방식을 옵셋전압을 이용하는 방법으로 대체하여 대용량 전력소자 과변조시 최소 온타임 제어방법을 제공하고자 한다.
추진제어장치를 이루는 인버터부(3)는 3상 전압형 인버터로 구성되기 때문에 도 4 와 같이 단일 직류 입력 전원으로부터 3상 교류 출력전압을 발생하여 3상 부하에 공급하는 기능을 갖는다.
도면에서 Vdc는 직류단 전압을 의미하며, n은 가상의 직류단 중성점 전위이고, Sa,Sb,Sc는 각각 3상의 양방향 전력소자(스위치)의 스위칭 함수로서, Sa=1은 a상 위쪽 전력소자가 도통함을 의미하고, Sa=0 은 a상 아래쪽 전력소자(Sa')가 도통함을 의미한다.
Sb 와 Sc의 경우도 마찬가지로 정의된다. Zm,eas,ebs,ecs 는 각각 3상 부하의 등가 임피던스, 등가 역기전력을 의미한다. Van,Vbn,Vcn을 폴전압(Pole Voltage),Vas,Vbs,Vcs을 상전압(Phase Voltage), Vsn을 옵셋전압(Offset Voltage)이라 부르며 그 관계식은 식 (1)과 같다.
식 (1) --- Van = Vas + Vsn
Vbn = Vbs + Vsn
Vcn = Vcs + Vsn
3상 인버터는 서로 독립적으로 동작할 수 있는 3개의 폴(pole)로 구성되며 각 폴은 a상, b상, c상의 출력 폴전압 Van,Vbn,Vcn 을 각각 발생시킨다.
도 5 에 폴전압 및 게이팅 인가시간 사이의 관계를 도시하였다.
도 5 에서 알 수 있듯이 폴전압 Van,Vbn,Vcn 과 게이팅 인가시간(Tga) 사이에는 선형적인 관계가 있으며, 상기 게이팅 인가시간(Tga)은 온 시퀀스의 경우 식 (2)와 같이 계산되고, 오프 시퀀스의 경우에는 식 (3)과 계산된다.
식 (2) ---
Figure 112012085949114-pat00012
식 (3) ---
Figure 112012085949114-pat00013
즉, 옵셋전압 Vsn을 결정한 후, 이 이 옵셋전압 Vsn를 상전압(Vas,Vbs,Vcs)에 더하여 폴전압(Van,Vbn,Vcn)을 생성하고, 이 폴전압을 상기 식 (2),식 (3)에 대입함으로써 게이팅 인가시간(Tga)을 간단하게 계산할 수 있다.
그리고, 대칭 공간벡터 전압변조방식의 원리는 유효전압벡터(Vn,Vn+1)가 전압 변조의 한 주기 내에 정 중앙에 위치하도록 하는 것이다.
만약 최대치 폴전압 및 최소치 폴전압의 절대값이 동일할 경우, 그림 5에서 알 수 있듯이 유효전압벡터가 전압 변조의 한 주기 내에 정 중앙에 위치하게 된다.
따라서 옵셋전압을 최대치 폴전압 및 최소치 폴전압의 절대값이 동일하도록 설정하면 기존의 대칭 공간벡터 전압변조방식을 구현할 수 있다.
즉, V*max + Vsn = -(V*min+Vsn) 으로부터 옵셋전압 Vsn은 아래의 식 (4)로 부터 간단하게 계산할 수 있다.
식 (4) ---
Figure 112006057976004-pat00003
이하, 본 발명의 대용량 전력소자 과변조시 최소온타임 제어방법의 동작을 설명하면 다음과 같다.
대용량의 전력소자는 소자를 보호하기 위하여 스위칭 시 제작사에서는 최소 온타임을 권장하고 있다.
과변조시에 최소 온타임을 확보하기 위하여 도 6 과 같이 스위칭의 게이팅 시간을 재계산한다. 여기서 Tg-min은 최소 온 타임이다.
과변조시 PWM의 스위칭 상태 즉 전력소자를 온하는 온 시퀀스인 경우 게이팅 시간 Ts-Tga가 Tg-min보다 작고, Tg-min/2 이 Tga 보다 큰 경우, 새로운 Tga는 Ts이고, 그렇지 않은 경우 Tga는 Tg-min이다.
반대로 전력소자 스위치가 오프하는 오프 시퀀스인 경우 Tga가 Tg-min보다 작고, Tga가 Tg-min/2보다 작은 경우 새로운 Tga는 0 이고, 그렇지 않은 경우는 Tga는 Tg-min이다.
결론적으로 요약하면 스위치 온 타임이 Tg-min/2 을 기준으로 하여 Tg-min/2 보다 작으면 도 6의 (a)에서와 같이 최소 온 타임 Tg-min이 0 이 되도록 하여 스위칭 동작을 하지 않도록 하고, 스위치 온 타임이 Tg-min/2 보다 크면 최소 온타임 Tg-min은 도 6의 (b)와 같이 최소 온 타임 Tg-min이 확보 되도록 게이팅시간을 조정하는 것이다.
이렇게 최소 온 타임을 확보할 경우 과변조시 대용량의 전력소자를 안정적으로 사용할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 인버터에 탑재된 3상 인버터 전력소자의 옵셋전압을 결정하고, 그 옵셋전압에 각 상전압을 더하여 폴전압을 생성하며, 이 폴전압을 이용하여 전력소자의 게이팅 온타임을 계산하되, 옵셋전압을 최대치 폴전압 및 최소치 폴전압의 절대값이 동일하도록 설정하므로서, 고속전철용 추진제어장치의 DC링크전압과 전동기의 용량을 최대한 이용하는 과변조 방법에서 최소 온타임을 확보하여 대용량 전력소자가 안정영역에서 동작하도록 전력소자 게이팅시간을 재계산함에 따라 최소 온타임을 확보하여 과변조시 대용량의 전력소자를 안정적으로 사용할 수 있도록 한 고속전철용 추진제어장치의 대용량 전력소자 과변조시 최소온타임 제어방법을 제공하는 효과를 기대할 수 있다.

Claims (2)

  1. 인버터에 탑재된 3상 인버터 전력소자의 옵셋전압(Vsn)을 최대치 폴전압과 최소치 폴전압의 절대값을 동일하게 하여 결정한 후, 상기 옵셋전압(Vsn)을 상전압(Vas, Vbs, Vcs)에 더하여 폴전압(Van, Vbn, Vcn)을 생성하고,
    과변조시 PWM의 스위칭 상태에서 전력소자 스위치가 온되는 온 시퀀스인 경우에는 상기 생성된 폴전압(Van, Vbn, Vcn)을 아래의 식(2)에 대입하여,
    식 (2) ---
    Figure 112012085949114-pat00014
    게이팅 시간(Ts-Tga)이 최소 온 타임(Tg-min)보다 작고, 이등분된 최소 온 타임(Tg-min/2)이 게이트 인가시간(Tga(ON)))보다 큰 경우 게이트 인가시간(Tga(ON)))을 게이팅 시간(Ts)으로 설정하고, 이등분된 최소 온 타임(Tg-min/2)이 게이트 인가시간(Tga(ON))보다 작으면 게이트 인가시간(Tga(ON))을 최소 온 타임(Tg-min)으로 설정하면서 게이팅 시간을 조정하여, 대용량 전력소자가 안정영역에서 온의 스위칭동작을 하기 위한 최소 온 타임(Tg-min)이 확보되도록 제어하고,
    과변조시 PWM의 스위칭 상태에서 전력소자 스위치가 오프되는 오프 시퀀스인 경우에는 상기 생성된 폴전압(Van, Vbn, Vcn)을 아래의 식(3)에 대입하여,
    식 (3) ---
    Figure 112012085949114-pat00015
    게이팅 인가시간(Tga(OFF))이 최소 온 타임(Tg-min)보다 작고, 게이팅 인가시간(Tga(OFF))이 이등분된 최소 온 타임(Tg-min/2)보다 같거나 큰 경우 게이트 인가시간(Tga(OFF))을 최소 온 타임(Tg-min)으로 설정하되, 게이팅 인가시간(Tga(OFF))이 최소 온 타임(Tg-min)보다 작고, 게이팅 인가시간(Tga(OFF))이 이등분된 최소 온 타임(Tg-min/2)보다 작은 경우에는 최소 온 타임(Tg-min)을 제로(0)로 설정하여, 전력소자 스위치의 스위칭 동작이 오프되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 고속전철용 추진제어장치의 대용량 전력소자 과변조시 최소온타임 제어방법.
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JP2006230079A (ja) 2005-02-16 2006-08-31 Denso Corp インバータ制御方式

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Title
한대웅 외 1명. "폴전압을 이용한 SVPWM 인버터의 과변조 기법". 전력전자학회 논문지 제7권 제2호, 2002년4월, pp. 149-157. *
한대웅 외 1명. "폴전압을 이용한 SVPWM 인버터의 과변조 기법". 전력전자학회 논문지 제7권 제2호, 2002년4월, pp. 149-157.*

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