KR101336911B1 - Power converting system comprising 3 level inverter and method for controlling the same - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a power converting system comprising 3 level inverter and a method for controlling the same. The power converting system comprising 3 level inverter includes a convert part outputting and changing AC voltage from an insulated power part into DC voltage; a multi level inverter part outputting and changing a step type square wave output from the converter part; an input reactor generating a current filtering and a voltage difference and connected between the power part and the converter part; and a control part controlling the operation of the converter part, the multi level inverter part, and the reactor part. [Reference numerals] (1000) Ozone generator;(110) Power unit;(120) Converter unit;(130) Multi-label inverter unit;(140) Reactor unit;(150) Transformer unit;(160) Control unit

Description

3레벨 인버터를 포함한 전력 변환 시스템 및 그 제어 방법 {Power converting system comprising 3 level inverter and method for controlling the same}Power converting system including 3 level inverter and method for controlling the same

본 발명은 3레벨 인버터를 포함한 전력 변환 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 오존 발생기의 오존 발생량 및 효율을 증대시키기 위하여, 인버터의 출력을 정현파 형태와 유사하게 출력함으로써 변압기의 스트레스를 감소시키면서, 고전압 및 고주파수의 전력을 발생시킬 수 있는 오존 발생기용 전력 변환 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a power conversion system including a three-level inverter and a control method thereof, and more particularly, to increase the ozone generation amount and efficiency of the ozone generator, by outputting the output of the inverter similar to the sinusoidal wave form, the stress of the transformer is reduced. A power conversion system for an ozone generator capable of generating high voltage and high frequency power while being reduced, and a control method thereof.

오존은 강한 산화력, 탈취력 및 살균력을 가지고 있기 때문에, 다양한 산업 분야에서 널리 활용되고 있다. 오존 발생 방법에는 자외선을 이용 방법, 물의 전기 분해방법 등 다양한 방법이 있으나, 고농도의 오존을 발생시키기 위해서 사용되는 통상적인 방법은 고전압을 이용한 무성방전 방법이다. 무성방전 방법은 절연체로 절연된 금속전극에 교류 전압 또는 펄스를 인가하면, 금속 전극 사이의 공간에서 방전이 일어나고, 산소를 함유한 기체가 그 방전 공간을 통과하면서 그 기체에 포함된 산소가 오존으로 변환되는 방식이다.Ozone is widely used in various industrial fields because of its strong oxidizing, deodorizing and bactericidal properties. The ozone generation method includes a variety of methods, such as the use of ultraviolet rays, the electrolysis of water, the conventional method used to generate a high concentration of ozone is a silent discharge method using a high voltage. In the silent discharge method, when an alternating voltage or pulse is applied to a metal electrode insulated with an insulator, discharge occurs in the space between the metal electrodes, and oxygen containing gas passes through the discharge space while oxygen contained in the gas is converted into ozone. This is how it is converted.

일반적으로 산업용 오존 발생기의 전력 변환장치는 고전압을 만들기 위하여 일반 사용 전원에 변압기를 사용하거나 저주파 인버터와 변압기를 사용하여 고전압을 발생시키고 있다. 하지만, 상용 전원이나 저주파 인버터의 주파수는 고정되어 있고 낮기 때문에 오존 발생량이 극히 제한되는 문제점이 있었다. 오존 방전관의 재질이 기존에는 유리관에 금속 코팅을 통한 전극을 만들어 사용하기 때문에 인가 주파수가 1kHz이하로 사용하고 있었으나 방전관의 전극이 세라믹관으로 변화하면서 수 ~ 10kHz 정도의 주파수를 필요로 하며, 또한 주파수를 높임으로써 공진용 리액터의 용량 및 사이즈를 줄일 수 있는 장점이 있다. 고전압을 만들기 위해 변압기의 전압을 상승시키는 것은 오존 방전관의 절연 내력을 약화시키고 효율을 저감시킬 뿐만 아니라 시스템의 가격을 상승시키는 역할을 하기 때문에 오존 방전관의 특성에 맞는 변압기의 전압이 필수적이다. In general, the power converter of an industrial ozone generator generates a high voltage by using a transformer for a general power source or using a low frequency inverter and a transformer to make a high voltage. However, since the frequency of the commercial power supply or low frequency inverter is fixed and low, the amount of ozone generated is extremely limited. Since the material of ozone discharge tube is conventionally used to make electrode through metal coating on glass tube, the applied frequency is used below 1kHz, but the frequency of discharge tube needs to be several ~ 10kHz as the electrode of the discharge tube is changed to ceramic tube. By increasing, there is an advantage that the capacity and size of the resonance reactor can be reduced. Increasing the voltage of the transformer to create a high voltage not only weakens the dielectric strength of the ozone discharge tube and reduces the efficiency, but also increases the price of the system. Therefore, the voltage of the transformer suitable for the characteristics of the ozone discharge tube is essential.

도 1은 종래 기술에 따른 오존 발생기용 전력 변환 시스템의 개략적인 구성도이다. 도 1을 참조하면, 종래 기술에 따른 오존 발생기용 전력 변환 시스템(60)은 전원부(10), 컨버터부(20), 인버터부(30), 리액터부(40) 및 변압기부(50)로 구성된다. 이러한 구성을 갖는 오존 발생기용 전력 변환 시스템(60)은 오존 발생기(1)에 연결되어, 오존 발생기에 적합한 고주파수 및 고전압의 전원을 인가한다. 전원부(10)은 시스템과의 절연을 위하여 변압기를 이용하여 컨버터부에 전력을 공급한다. 컨버터부(20)는 전원부(10)로부터 AC 전압을 인가받아 DC 전압으로 변환하여 출력시킨다. 인버터부(30)는 컨버터부(20)에서 출력된 DC 전압을 인가받아 단상의 고주파 AC 전압으로 변환시켜 출력한다. 리액터부(40)는 입력 리액터부와 출력 리액터부를 포함하며, 입력 리액터부는 전류 필터링 및 전압차를 발생시키는 기능을 수행하며, 출력 리액터부는 오존 발생기와 공진을 유도하는 기능을 수행한다. 변압기부(50)는 인버터부(30)에서 출력된 AC 전압을 고전압으로 변환시켜 출력한다. 변압기부(50)에서 출력된 전압은 오존 발생기(1)로 인가되어, 오존 발생기(1)에서 오존을 발생시키는 전원으로 사용된다. 1 is a schematic configuration diagram of a power conversion system for an ozone generator according to the prior art. Referring to FIG. 1, the ozone generator power conversion system 60 according to the related art includes a power supply unit 10, a converter unit 20, an inverter unit 30, a reactor unit 40, and a transformer unit 50. do. The ozone generator power conversion system 60 having such a configuration is connected to the ozone generator 1 to apply a high frequency and high voltage power suitable for the ozone generator. The power supply unit 10 supplies power to the converter unit by using a transformer to insulate the system. The converter unit 20 receives an AC voltage from the power supply unit 10, converts the AC voltage into a DC voltage, and outputs the DC voltage. The inverter unit 30 receives the DC voltage output from the converter unit 20 and converts the DC voltage into a single-phase high-frequency AC voltage. The reactor unit 40 includes an input reactor unit and an output reactor unit, the input reactor unit performs a function of generating current filtering and a voltage difference, and the output reactor unit performs a function of inducing resonance with the ozone generator. The transformer unit 50 converts the AC voltage output from the inverter unit 30 into a high voltage and outputs the converted high voltage. The voltage output from the transformer unit 50 is applied to the ozone generator 1, and used as a power source for generating ozone in the ozone generator 1.

전력 변환 시스템이 연결된 오존 발생기는 전체적으로 LC 공진 회로를 형성하게 되므로, 오존 발생기의 효율을 극대화시키기 위해서는 전력 변환 장치를 통하여 오존 발생기에 인가되는 전압의 주파수를 부하의 공진 주파수와 같은 대역으로 맞추어야 한다. 그러나 오존 방전관은 인가되는 매질 즉, 산소나 공기의 순도, 온도, 압력 등에 의하여 캐패시턴스가 변화되고, 이에 따라 공진 주파수도 변경된다. 또한, 다수의 오존 방전관 중 일부가 파손되는 경우에도 전체 부하의 임피던스가 변화되어, 공진 주파수가 변경된다. Since the ozone generator to which the power conversion system is connected forms an LC resonant circuit as a whole, in order to maximize the efficiency of the ozone generator, the frequency of the voltage applied to the ozone generator through the power converter must be set to the same band as the resonance frequency of the load. However, in the ozone discharge tube, the capacitance is changed by the medium to be applied, that is, the purity, temperature and pressure of oxygen or air, and thus the resonance frequency is also changed. In addition, even when some of the plurality of ozone discharge tubes are broken, the impedance of the entire load is changed, and the resonance frequency is changed.

그리고, 오존 발생기 등의 고주파 단상을 이용한 인버터 시스템에서 변압기를 사용하여 전압을 승압하거나 강압하며, 이때 주파수가 높기 때문에 구형파 펄스방식을 이용하는데, 구형파 펄스방식은 변압기의 스트레스를 증가시키는 문제점이 있다.In addition, in an inverter system using a high frequency single phase such as an ozone generator, a voltage is boosted or stepped down using a transformer. Since the frequency is high, the square wave pulse method is used, but the square wave pulse method has a problem of increasing the stress of the transformer.

이를 해결하기 위하여 일반적으로 사용하는 방식이 특정주기의 펄스군의 출력전압의 시작점과 출력전압의 끝점에서 전압의 펄스폭을 정도로 줄이는 방식인데, 이는 제어가 까다로우며, 출력을 저하시키는 단점을 갖는다. 또한 일반 2레벨의 PWM생성방식중 하나인 Phase shift 방식의 공진점 추종방식은 전력이나 전류 지령치에 따른 출력 전압을 생성하는 방법이 복잡하고 공진점 추정 방식의 제어가 복잡하다.In order to solve this problem, the commonly used method is to reduce the pulse width of the voltage at the start point of the output group and the end point of the output voltage of the pulse group of a certain period, which is difficult to control and has a disadvantage of lowering the output. . In addition, in the phase shift method of the resonance point tracking method, which is one of the general two-level PWM generation methods, the method of generating the output voltage according to the power or current command value is complicated and the control of the resonance point estimation method is complicated.

따라서, 오존 발생기에 인가되는 전압의 주파수를 공진 주파수의 변화에 따라 적응적으로 변화시켜서 출력할 수 있으며, 변압기의 스트레스를 최소화하고, 고전압 및 고주파수의 전력을 발생시킬 수 있는 전력 변환 시스템의 개발이 필요한 상황이다.
Therefore, it is possible to adaptively change the frequency of the voltage applied to the ozone generator according to the change of the resonance frequency and output the power, and to develop a power conversion system that can minimize the stress of the transformer and generate high voltage and high frequency power. It is a necessary situation.

한국등록특허 제10-0315741호Korea Patent Registration No. 10-0315741

본 발명은 상술한 종래의 문제점을 극복하기 위한 것으로서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 3레벨 이상의 멀티레벨 인버터를 사용하여 인버터의 출력을 정현파 형태와 유사하게 출력함으로써 변압기의 스트레스를 최소화하고, 고전압 및 고주파수의 전력을 발생시킬 수 있는 오존 발생기용 전력 변환 시스템 및 그 제어 방법을 제공하기 위한 것이다.The present invention is to overcome the above-mentioned conventional problems, the problem to be solved by the present invention by using a three-level or more multi-level inverter outputs the output of the inverter similar to the sine wave form to minimize the stress of the transformer, high voltage And a power conversion system for an ozone generator capable of generating high frequency power and a control method thereof.

본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, 전원부로부터 AC 전압을 인가받아 DC 전압으로 변환하여 출력하는 컨버터부; 상기 컨버터부에서 출력을 입력받아 계단형 구형파로 변환시켜 출력하는 멀티 레벨 인버터부; 상기 전원부와 상기 컨버터부 사이에 연결되며, 전류 필터링 및 전압차를 발생시키는 입력 리액터와, 오존 발생기와 공진을 유도하는 출력 리액터로 구성된 리액터부; 및 상기 컨버터부, 멀티 레벨 인버터부 및 리액터부의 동작을 제어하는 제어부를 포함하는 오존 발생기용 전력 변환 시스템이 제공된다.According to an exemplary embodiment of the present invention, the converter unit for receiving the AC voltage from the power supply to convert the DC voltage; A multi-level inverter unit receiving the output from the converter unit and converting the stepped square wave into an output; A reactor unit connected between the power supply unit and the converter unit, the reactor comprising an input reactor for generating current filtering and a voltage difference, and an output reactor for inducing resonance with the ozone generator; And a control unit for controlling the operation of the converter unit, the multi-level inverter unit, and the reactor unit.

상기 멀티 레벨 인버터부의 출력을 입력받아 고전압으로 변환시켜 출력하는 변압기부를 더 포함한다. A transformer unit for receiving the output of the multi-level inverter unit is converted to a high voltage and output.

상기 컨버터부는 상기 전원부로부터 AC 전압을 인가받아 3레벨 구형파로 변환하여 출력시키는 멀티 레벨 컨버터부를 이용하는 것을 특징으로 한다. The converter unit receives a AC voltage from the power supply unit and converts into a three-level square wave, characterized in that for using the multi-level converter unit.

상기 멀티 레벨 인버터부는 3레벨 인터버를 포함한다. The multi level inverter unit includes a three level interleaver.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 3레벨 인버터를 포함하는 전력 변환 시스템의 제어 방법으로서, 기본 출력 주파수를 설정하고 전력을 공급하는 단계; 방전관에 인가되는 고전압을 검출하는 단계; 인버터 출력 전압과 출력 전류가 동상인지를 검출하기 위하여, 방전관에서 검출한 고전압 신호와 캐리어 신호를 비교하는 단계; 및 고전압 신호의 피크치가 캐리어 신호의 0구간에 위치되도록 기본 출력 주파수를 조절하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 3레벨 인버터를 포함한 전력 변환 시스템의 제어 방법이 제공된다.
According to another aspect of the present invention, a control method of a power conversion system including a three-level inverter, comprising: setting a basic output frequency and supplying power; Detecting a high voltage applied to the discharge tube; Comparing the carrier signal with the high voltage signal detected by the discharge tube to detect whether the inverter output voltage and the output current are in phase; And adjusting a basic output frequency such that the peak value of the high voltage signal is located in a zero section of the carrier signal. 2. A control method of a power conversion system including a three-level inverter is provided.

본 발명에 따르면, 3레벨 이상의 멀티레벨 인버터를 사용하여 인버터의 출력을 정현파 형태와 유사하게 출력함으로써 변압기의 스트레스를 최소화하고, 고전압 및 고주파수의 전력을 발생시킬 수 있게 된다.According to the present invention, by outputting the output of the inverter similar to the sine wave form by using a multi-level inverter of three or more levels, it is possible to minimize the stress of the transformer and generate high voltage and high frequency power.

또한, 전원 계통측의 컨버터부와 부하측의 인버터를 각각 3레벨 이상의 멀티레벨로 구성함으로써, 캐패시터 뱅크의 전압제어를 용이하게 하고, 전압 승압 비율을 상승시킬 수 있게 되어, 입력측 필터의 사이즈 및 가격을 줄일 수 있으며 방전관의 특성에 따라 인버터 출력측의 변압기의 용량을 줄이거나 사용하지 않아도 되는 효과 및 스위칭 손실이 저감되어 높은 효율을 얻을 수 있게 된다.
In addition, by configuring the converter section on the power supply side and the inverter on the load side in three or more levels, the voltage control of the capacitor bank can be facilitated, and the voltage step-up ratio can be increased. According to the characteristics of the discharge tube, it is possible to obtain high efficiency by reducing the switching capacity and the effect of reducing the capacity of the transformer on the inverter output side or not using it.

도 1은 종래 기술에 따른 오존 발생기용 전력 변환 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 오존 발생기용 전력 변환 시스템의 개략적인 기능 블록도이다.
도 3은 도 2에 도시된 오존 발생기용 전력 변환 시스템의 멀티 레벨 인버터부의 회로도이며, 도 4는 도 3의 멀티 레벨 인버터부에 사용된 3-레벨 IGBT의 회로도이다.
도 5는 도 3의 멀티 레벨 인버터부의 출력 파형을 나타낸 도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 오존 발생기용 전력 변환 시스템의 개략적인 기능 블록도이다.
도 7은 도 6에 도시된 오존 발생기용 전력 변환 시스템의 회로도이며, 도 8은 멀티 레벨 컨버터부의 출력 파형이다.
도 9는 본 발명에 따른 오존 발생기용 전력 변환 시스템의 제어방법을 나타낸 흐름도이다.
도 10은 공진점 추종을 위한 방전관의 고전압 신호, 제어기준 신호와 캐리어 신호의 출력 파형을 나타낸 도이다.1 is a schematic configuration diagram of a power conversion system for an ozone generator according to the prior art.
2 is a schematic functional block diagram of a power conversion system for an ozone generator according to an embodiment of the present invention.
3 is a circuit diagram of a multi-level inverter unit of the power conversion system for the ozone generator shown in FIG. 2, and FIG. 4 is a circuit diagram of a three-level IGBT used in the multi-level inverter unit of FIG.
5 is a diagram illustrating output waveforms of the multi-level inverter unit of FIG. 3.
6 is a schematic functional block diagram of a power conversion system for an ozone generator according to another embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a circuit diagram of the power conversion system for the ozone generator shown in FIG. 6, and FIG. 8 is an output waveform of the multi-level converter unit.
9 is a flowchart illustrating a control method of a power conversion system for an ozone generator according to the present invention.
10 is a diagram illustrating output waveforms of a high voltage signal, a control reference signal and a carrier signal of a discharge tube for resonant point tracking.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail a preferred embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 오존 발생기용 전력 변환 시스템의 개략적인 기능 블록도이며, 도 3은 도 2에 도시된 오존 발생기용 전력 변환 시스템의 멀티 레벨 인버터부의 회로도이며, 도 4는 도 3의 멀티 레벨 인버터부에 사용된 3-레벨 IGBT의 회로도이고, 도 5는 도 3의 멀티 레벨 인버터부의 출력 파형을 나타낸 도이다.2 is a schematic functional block diagram of a power conversion system for an ozone generator according to an embodiment of the present invention, Figure 3 is a circuit diagram of a multi-level inverter unit of the power conversion system for ozone generator shown in Figure 2, Figure 4 3 is a circuit diagram of a three-level IGBT used in the multi-level inverter unit, and FIG. 5 is a diagram illustrating an output waveform of the multi-level inverter unit in FIG. 3.

도 2 내지 도 5를 참조하면, 본 실시예에 따른 오존 발생기용 전력 변환 시스템(100)은 전원부(110), 컨버터부(120), 멀티 레벨 인버터부(130), 리액터부(140), 변압기부(150) 및 제어부(160)로 구성된다. 이러한 구성을 갖는 오존 발생기용 전력 변환 시스템(100)은 오존 발생기(1000)에 연결되어, 오존 발생기에 적합한 고주파수 및 고전압의 전원을 인가한다.2 to 5, the power conversion system 100 for an ozone generator according to the present embodiment includes a power supply unit 110, a converter unit 120, a multi-level inverter unit 130, a reactor unit 140, and a transformer. It is composed of a unit 150 and a control unit 160. The ozone generator power conversion system 100 having such a configuration is connected to the ozone generator 1000 to apply a high frequency and high voltage power suitable for the ozone generator.

오존 발생기(1000)는 다수의 오존 발생셀로 구성되며, 각 오존 발생셀은 오존방전관, 퓨즈, 제1 전극, 오존 발생부, 제2 전극, 냉각부 및 케이스로 구성되며, 오존 발생기용 전력 변환 시스템(100)은 제1 전극과 제2 전극에 연결되어, 오존 방전관에 고전압 및 고주파수의 전원을 인가한다. The ozone generator 1000 includes a plurality of ozone generating cells, each ozone generating cell is composed of an ozone discharge tube, a fuse, a first electrode, an ozone generating unit, a second electrode, a cooling unit and a case, and converts power for the ozone generator. The system 100 is connected to the first electrode and the second electrode to apply high voltage and high frequency power to the ozone discharge tube.

컨버터부(120)는 절연된 변압기를 이용한 전원부(110)로부터 AC 전압을 인가받아 DC 전압으로 변환하여 출력시킨다. 본 실시예의 경우, 컨버터부(120)는 정류하면서 발생되는 고조파 및 역률 저감을 개선하고 인버터 상하단 캐패시터의 DC전압을 일정하게 유지시키고 전압을 일반 정류시보다 승압을 하여 DC전압을 고전압으로 생성 시킨다. 즉 고전압으로 상승시켜 인버터부에서 필요한 전압을 생성한다.The converter unit 120 receives an AC voltage from the power supply unit 110 using the insulated transformer, converts it into a DC voltage, and outputs the converted DC voltage. In the present embodiment, the converter 120 improves the harmonics and power factor reduction generated during rectification, maintains the DC voltage of the upper and lower capacitors constant, and boosts the voltage to generate the DC voltage at a higher voltage than at normal rectification. That is, the high voltage, to generate a necessary voltage in the inverter section.

3레벨 인버터부(130)는 컨버터부(120)에서 출력된 DC 전압을 인가받아 정현파에 유사한 계단형 구형파(도 5 참조)로 변환시켜 출력하는 기능을 수행한다. 이와 같이, 3레벨 인버터부(130)가 출력을 정현파 형태와 유사하게 출력함으로써 변압기 및 리액터의 스트레스를 최소화하고, 고조파 손실을 대폭 저감시키게 된다.The three-level inverter unit 130 receives the DC voltage output from the converter unit 120 and converts it into a stepped square wave similar to a sine wave (see FIG. 5). As such, the three-level inverter unit 130 outputs the output similar to the sine wave form, thereby minimizing the stress of the transformer and the reactor, and greatly reducing the harmonic loss.

리액터부(140)는 입력 리액터부(141)와 출력 리액터부(143)를 포함하며, 입력 리액터부(141)는 전원부(110)와 컨버터부(120) 사이에 연결되며, 전류 필터링 및 전압차를 발생시키는 기능을 수행한다. 출력 리액터부(143)는 오존 발생기(1000)와 공진을 유도하는 기능을 수행한다. The reactor unit 140 includes an input reactor unit 141 and an output reactor unit 143, and the input reactor unit 141 is connected between the power supply unit 110 and the converter unit 120, and includes current filtering and voltage difference. Performs the function of generating the. The output reactor 143 performs a function of inducing resonance with the ozone generator 1000.

변압기부(150)는 멀티 레벨 인버터부(130)에서 계단형 구형파를 입력받아 고전압으로 변환시켜 출력한다. 변압기부(150)에서 출력된 전압은 오존 발생기(1000)로 인가되어, 오존 발생기(1000)에서 오존을 발생시키는 전원으로 사용된다. The transformer unit 150 receives the stepped square wave from the multi-level inverter unit 130 and converts it into a high voltage and outputs it. The voltage output from the transformer unit 150 is applied to the ozone generator 1000 and used as a power source for generating ozone in the ozone generator 1000.

제어부(160)는 컨버터부(120) 및 멀티 레벨 인버터부(130)의 동작을 제어하는 기능을 수행한다. The controller 160 controls the operations of the converter 120 and the multi-level inverter 130.

본 실시예에서와 같이, 3레벨 인버터는 2레벨 인버터에서 사용하는 낮은 고조파를 유지하기 위하여 대면적의 필터가 필요한데 반하여, 본 실시예에 따른 두 대 컨버터를 이용하여 DC 전압을 상승시켜 인버터에 공급함으로써 인버터의 출력을 고전압으로 생성시킬 수 있고, 정현파에 유사한 계단형 구형파로 변환시켜 출력함으로써, 고조파 손실을 저감시킬 수 있으며, 3단의 구형파를 이용하여 전압의 시작이 0에서 전체 DC LINK 전압의 절반이 되어 dV/dt가 낮아 변압기의 스트레스를 최소화할 수 있게 된다. 또한 방전관의 특성에 따라서 변압기를 사용하지 않을 수 있을 만큼의 고전압을 생성할 수 있다. 또한 스위칭소자에 기인하는 스위칭 손실을 저감할 수 있어 시스템 효율을 상승시킬 수 있다.
As in this embodiment, the three-level inverter requires a large area filter to maintain the low harmonics used in the two-level inverter, whereas the two-converter according to the present embodiment raises the DC voltage to supply the inverter. The output of the inverter can be generated at high voltage, and the harmonic loss can be reduced by converting it into a stepped square wave similar to the sine wave. Half the dV / dt is low, minimizing the stress on the transformer. In addition, depending on the characteristics of the discharge tube can generate a high voltage that can not use the transformer. In addition, switching losses due to the switching elements can be reduced, thereby increasing system efficiency.

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 오존 발생기용 전력 변환 시스템의 개략적인 기능 블록도이며, 도 7은 도 6에 도시된 오존 발생기용 전력 변환 시스템의 회로도이며, 도 8는 3레벨 컨버터부의 출력 파형이고, 도 5는 3레벨 인버터부의 출력 파형을 나타낸 도이다.6 is a schematic functional block diagram of a power conversion system for an ozone generator according to another embodiment of the present invention, Figure 7 is a circuit diagram of the power conversion system for ozone generator shown in Figure 6, Figure 8 is a three-level converter It is an output waveform, and FIG. 5 is a figure which shows the output waveform of a 3 level inverter part.

도 6 내지 도 8를 참조하면, 본 실시예에 따른 오존 발생기용 전력 변환 시스템(200)은 전원부(210), 멀티 레벨 컨버터부(220), 멀티 레벨 인버터부(230), 리액터부(240) 및 제어부(260)로 구성된다. 이러한 구성을 갖는 오존 발생기용 전력 변환 시스템(200)은 오존 발생기(1000)에 연결되어, 오존 발생기에 적합한 고주파수 및 고전압의 전원을 인가한다.6 to 8, the power conversion system 200 for the ozone generator according to the present embodiment includes a power supply unit 210, a multi-level converter unit 220, a multi-level inverter unit 230, and a reactor unit 240. And a control unit 260. The ozone generator power conversion system 200 having such a configuration is connected to the ozone generator 1000 to apply a high frequency and high voltage power suitable for the ozone generator.

3레벨 컨버터부(220)는 변압기를 이용한 전원부(210)로부터 AC 전압을 인가받아 3레벨 구형파 즉, 계단형 구형파(도 8 참조)로 변환하여 출력시킨다. The three-level converter unit 220 receives an AC voltage from the power supply unit 210 using a transformer and converts the three-level square wave, that is, the stepped square wave (see FIG. 8), to output the AC voltage.

전원 변압기를 이용하여 기본 DC 전압을 생성하고 이를 승압하여 인버터에서 필요한 고전압 DC 전압을 생성한다. 3레벨 인버터에서 중요한 부분이 3단의 전압 파형을 가지기 때문에 인버터의 DC LINK 캐패시터 단의 전압차가 발생하면 출력 전압에 영향을 미치기 때문에 DC LINK 캐패시터의 전압차를 최소화하여야 한다. 두 대의 컨버터는 절연된 전압을 수전받아 3레벨 인버터의 캐패시터의 상하단에 전력을 공급한다. 이때 캐패시터의 전압 제어는 각 컨버터에서 담당하고 있어 전압 불균형을 최소화할 수 있다. 인버터는 고주파수의 출력을 내보내야하기 때문에 제어 주기가 상당히 빠르다. 인버터가 DC LINK 제어를 하지 않아도 되기 때문에 제어부담을 상당히 줄일 수 있다.A power transformer is used to generate a basic DC voltage and boost it to produce the high voltage DC voltage required by the inverter. Since the important part of the three-level inverter has three voltage waveforms, the voltage difference of the DC LINK capacitor stage of the inverter affects the output voltage. Therefore, the voltage difference of the DC LINK capacitor should be minimized. The two converters receive an isolated voltage and supply power to the top and bottom of the capacitor of the three-level inverter. At this time, the voltage control of the capacitor is in charge of each converter to minimize the voltage unbalance. The inverter has to output a high frequency output, so the control cycle is quite fast. Since the inverter does not need DC LINK control, the control burden can be significantly reduced.

멀티 레벨 인버터부(230)는 3레벨 인터버로 구성된다. 멀티 레벨 인버터부(230)는 멀티 레벨 컨버터부(220)에서 출력된 전압을 인가받아 정현파에 유사한 계단형 구형파로 변환시켜 출력하는 기능을 수행한다. 이와 같이, 멀리 레벨 인버터부(230)가 출력을 정현파 형태와 유사하게 출력함으로써 변압기의 스트레스를 최소화하고, 고조파 손실을 대폭 저감시키게 된다.The multi-level inverter unit 230 is composed of a three-level interleaver. The multi-level inverter unit 230 receives a voltage output from the multi-level converter unit 220 and converts the voltage into a stepped square wave similar to a sine wave. As such, the far-level inverter unit 230 outputs an output similar to the sine wave form, thereby minimizing the stress of the transformer and greatly reducing the harmonic loss.

제어부(260)는 크게 컨버터 제어부와 인버터 제어부 두 개로 나눌 수 있다. 상기 제어부는 각각 3레벨 컨버터부(220) 및 3레벨 인버터부(230)의 동작을 제어하는 기능을 수행한다. The controller 260 may be roughly divided into two converter controllers and an inverter controller. The controller performs a function of controlling the operation of the three-level converter unit 220 and the three-level inverter unit 230, respectively.

본 실시예와 같이, 전원부 측의 멀티 레벨 컨버터부(220)와 부하측의 멀티 레벨 인버터부(230)의 출력을 각각 3레벨로 제작을 하면 캐패시터 뱅크의 전압제어가 용이하고 전압 승압 비율을 상승시킬 수 있으며, 인버터 출력단 리액터와 방전관의 공진을 이용하기 때문에 방전관의 특성에 따라 출력측에 변압기의 용량을 줄이거나 사용하지 않아도 되는 이득을 취할 수 있게 된다. 또한 입력 전원측에 변압기를 사용하고 있으므로, 절연에도 이상이 없다. As in this embodiment, when the outputs of the multi-level converter section 220 on the power supply side and the multi-level inverter section 230 on the load side are manufactured at three levels, the voltage control of the capacitor bank is easy and the voltage step-up ratio is increased. In addition, since the inverter uses the resonance of the output stage reactor and the discharge tube, it is possible to take advantage of reducing the capacity of the transformer or not using the output side according to the characteristics of the discharge tube. In addition, since a transformer is used on the input power supply side, there is no problem in insulation.

전력 제어주기와 PWM 출력 제어 주기의 동기를 어떻게 맞추어서 공진 주파수를 추종할 수 있는 지가 가장 중요한 핵심 기술이다.The key technology is how to match the resonant frequency by synchronizing the power control cycle with the PWM output control cycle.

오존 발생기의 제어방법은 전력제어나 전류제어 방식을 사용하고 방전관의 특성에 따라 인버터의 출력은 수백Hz ~ 수십kHz의 주파수를 가질 수가 있다. 공진을 이용한 고주파의 출력을 내기 위해서는 PWM 출력의 제어주기와 전력이나 전류제어를 하는 제어주기는 실시간으로 변화하는 공진 주파수 때문에 동기화시키기가 어렵다. The control method of the ozone generator uses a power control or a current control method, and depending on the characteristics of the discharge tube, the output of the inverter may have a frequency of several hundred Hz to several tens of kHz. In order to produce high frequency output using resonance, it is difficult to synchronize the control cycle of the PWM output and the control cycle of power or current control due to the resonance frequency which changes in real time.

오존발생기와 같은 부하는 응답성이 상당히 느리기 때문에 공진주파수에 따른 출력을 조정하기 위해서는 PWM 출력 주파수보다 전력이나 전류 제어주기를 낮게 설정하여 일정주기마다 PWM 출력 주파수를 업데이트 하는 방식을 사용한다.
Loads such as ozone generators are very slow in response, so in order to adjust the output according to the resonance frequency, the power or current control period is set lower than the PWM output frequency so that the PWM output frequency is updated every certain period.

도 9는 본 발명에 따른 3레벨 인버터를 포함한 전력 변환 시스템의 제어방법을 나타낸 흐름도이며, 도 10은 공진점 추종을 위한 출력 신호, 기준 신호와 캐리어 신호의 출력 파형을 나타낸 도이다.9 is a flowchart illustrating a control method of a power conversion system including a three-level inverter according to the present invention, and FIG. 10 is a view illustrating output waveforms of a reference signal and a carrier signal for following a resonance point.

도 9 및 도 10을 참조하면, 우선 기본 출력 주파수를 설정하고 전력을 공급하는 과정을 수행한다(S100). 전력이나 전류 지령치에 다다를수 있도록 소프트 스타팅을 시작하면서 방전관에 인가되는 고전압을 검출하는 과정을 수행한다(S200).9 and 10, first, a process of setting a basic output frequency and supplying power is performed (S100). While starting soft starting to reach a power or current command value, a process of detecting a high voltage applied to the discharge tube is performed (S200).

일정 전력이 인가가 되어야 공진이 발생되므로, 일정 전력 이하에서는 고정 주파수로 전력을 공급한다. Since a resonance occurs only when a constant power is applied, power is supplied at a fixed frequency below a certain power.

우선, 공진점을 이루기 위해서는 인버터 출력 전압과 출력 전류가 동상이 되고, 방전관의 고전압은 인버터 출력전류에 대비하여 90도 지상이 되어야 최대 공진이 발생된다. 출력 전압과 출력 전류가 동상인지를 검출하기 위하여, S200과정에서 방전관에서 검출한 출력 고전압 신호(Vhac)와 캐리어 신호를 비교하는 과정을 수행한다(S300). First, in order to achieve the resonance point, the inverter output voltage and the output current are in phase, and the high voltage of the discharge tube must be 90 degrees above the inverter output current to generate maximum resonance. In order to detect whether the output voltage and the output current are in phase, a process of comparing the carrier signal and the output high voltage signal Vhac detected by the discharge tube in step S200 is performed.

고전압의 피크치가 캐리어 신호의 0구간에 위치되도록 기본 출력 주파수를 조절하는 과정을 수행한다(S400). PWM생성 방식의 삼각파 비교 방식은 제어기준 신호(Vsa)와 삼각파(Carrier)를 비교하여 제어기준 신호가 삼각파 보다 큰 구간에서 출력을 내보낸다. 3레벨은 제어기준신호와 캐리어 신호 1(Carr+) 캐리어신호 2(Carr-)의 and 조건에서 sa1(도3참조)을 발생시키며, 캐리어 신호 1과 캐리어 신호2의 관계는 180도 지연의 관계이다. 따라서, 캐리어 신호의 입장에서 보면 고전압의 peak 시에 캐리어 신호 1과 캐리어 신호 2의 영점지점을 지남을 알 수 있다. The process of adjusting the basic output frequency so that the peak value of the high voltage is located in the zero section of the carrier signal is performed (S400). In the triangular wave comparison method of the PWM generation method, the control reference signal Vsa is compared with the triangular wave (Carrier) to output an output in a section where the control reference signal is larger than the triangle wave. The third level generates sa1 (see Fig. 3) under the condition of the control reference signal and the carrier signal 1 (Carr +) and the carrier signal 2 (Carr-), and the relationship between the carrier signal 1 and the carrier signal 2 is a 180 degree delay. . Therefore, from the viewpoint of the carrier signal, it can be seen that the zero point of the carrier signal 1 and the carrier signal 2 passes at the peak of the high voltage.

캐리어 신호 1을 기준으로 보면 0V 이상의 고전압 공진전압은 -1에서 1사이에서 발생함을 알 수 있다. 즉, 고전압 공진전압의 0V 이상 구간을 캐리어 신호 1의 -1 ~ 1 구간 안에 존재시키고, 캐리어 신호 1의 0인 구간에 고전압 공진전압의 peak구간을 존재시키면 최대 공진 제어를 실시할 수 있다. 즉 공진주파수와 출력주파수가 동상이면 고전압 신호는 항상 캐리어 신호 1의 양(+)인 부분에서 존재한다. 전력 제어주기가 TIMER3, PWM 출력 주기는 TIMER1, 주파수 검출을 위한 주기는 TIMER2라고 가정한다. TIMER3보다 TIMER1이 빠르고 실제 인버터 출력이 TIMER1의 주기와 동기 되기 때문에 TIMER1에 고전압 신호의 주파수(CAPTURE)를 검출할 수 있도록 동기화 시켜 TIMER3를 이용한 전력제어에 최근의 공진 전압신호의 주파수를 업데이트 할 수 있게 한다. Based on the carrier signal 1, it can be seen that a high voltage resonant voltage of 0 V or more occurs between -1 and 1. That is, the maximum resonance control can be performed when the 0V or more period of the high voltage resonant voltage is present within the -1 to 1 period of the carrier signal 1 and the peak period of the high voltage resonant voltage exists in the section where the carrier signal 1 is zero. In other words, if the resonant frequency and the output frequency are in phase, the high voltage signal is always present in the positive part of the carrier signal 1. Assume that the power control cycle is TIMER3, the PWM output cycle is TIMER1, and the frequency detection cycle is TIMER2. Since TIMER1 is faster than TIMER3 and the actual inverter output is synchronized with the cycle of TIMER1, it synchronizes to detect the frequency of high voltage signal in TIMER1 so that the frequency of the latest resonant voltage signal can be updated for power control using TIMER3. do.

CAPTURE의 TIMER2는 TIMER1이 CLEAR되는 시점에서 CLEAR되게 설정한다. CLEAR되기 이전값을 이용하여 전력 제어주기마다 고전압 신호의 주파수를 업데이트하고 현재 출력 주파수와 검출된 주파수의 에러를 최소화 하도록 PI제어기를 통하여 계산하고 PI제어기의 출력을 기본주파수에 가감하여 공진 주파수를 검출하여 이를 출력에 반영하여 항상 공진점을 추종 할 수 있다.
TIMER2 of CAPTURE is set to be CLEAR when TIMER1 is CLEAR. By using the value before the CLEAR, the frequency of the high voltage signal is updated at each power control cycle, calculated by the PI controller to minimize the error between the current output frequency and the detected frequency. By reflecting this on the output, the resonance point can always be followed.

이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 3레벨 인버터를 포함한 전력 변환 시스템 및 그 제어 방법의 예시적인 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이, 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
What has been described above is only an exemplary embodiment of a power conversion system and a control method including a three-level inverter according to the present invention, the present invention is not limited to the above-described embodiment, as claimed in the following claims Likewise, without departing from the gist of the present invention, any person having ordinary knowledge in the field of the present invention will have the technical spirit of the present invention to the extent that various modifications can be made.

110 : 전원부
120 : 컨버터부
130 : 멀티 레벨 인버터부
140 : 리액터부
150 : 변압기부
160 : 제어부110:
120: converter unit
130: multi-level inverter unit
140: reactor portion
150: transformer unit
160:

Claims (5)

절연된 전원부로부터 AC 전압을 인가받아 DC 전압으로 변환하여 출력하는 컨버터부;
상기 컨버터부에서 출력을 입력받아 계단형 구형파로 변환시켜 출력하는 멀티 레벨 인버터부;
상기 전원부와 상기 컨버터부 사이에 연결되며, 전류 필터링 및 전압차를 발생시키는 입력 리액터와, 오존 발생기와 공진을 유도하는 출력 리액터로 구성된 리액터부; 및
상기 컨버터부, 멀티 레벨 인버터부 및 리액터부의 동작을 제어하는 제어부를 포함하며,
절연된 전원부로부터 AC 전압을 인가받아 DC 전압으로 변환하여 출력하는 컨버터부;
상기 컨버터부에서 출력을 입력받아 계단형 구형파로 변환시켜 출력하는 멀티 레벨 인버터부;
상기 전원부와 상기 컨버터부 사이에 연결되며, 전류 필터링 및 전압차를 발생시키는 입력 리액터와, 오존 발생기와 공진을 유도하는 출력 리액터로 구성된 리액터부; 및
상기 컨버터부, 멀티 레벨 인버터부 및 리액터부의 동작을 제어하는 제어부를 포함하며,
상기 제어부는 기본 출력 주파수를 설정하여 전력을 공급하고, 인버터 출력 전압과 출력 전류가 동상인지를 검출하기 위하여, 방전관에서 검출한 고전압 신호와 캐리어 신호를 비교한 후, 고전압 신호의 피크치가 캐리어 신호의 0구간에 위치되도록 기본 출력 주파수를 조절하는 것을 특징으로 하는 3레벨 인버터를 포함한 전력 변환 시스템.
A converter unit which receives an AC voltage from the insulated power unit, converts the DC voltage, and outputs the DC voltage;
A multi-level inverter unit receiving the output from the converter unit and converting the stepped square wave into an output;
A reactor unit connected between the power supply unit and the converter unit, the reactor comprising an input reactor for generating current filtering and a voltage difference, and an output reactor for inducing resonance with the ozone generator; And
It includes a control unit for controlling the operation of the converter unit, the multi-level inverter unit and the reactor unit,
A converter unit which receives an AC voltage from the insulated power unit, converts the DC voltage, and outputs the DC voltage;
A multi-level inverter unit receiving the output from the converter unit and converting the stepped square wave into an output;
A reactor unit connected between the power supply unit and the converter unit, the reactor comprising an input reactor for generating current filtering and a voltage difference, and an output reactor for inducing resonance with the ozone generator; And
It includes a control unit for controlling the operation of the converter unit, the multi-level inverter unit and the reactor unit,
The control unit supplies power by setting a basic output frequency, and compares the high voltage signal detected by the discharge tube and the carrier signal to detect whether the inverter output voltage and the output current are in phase, and then the peak value of the high voltage signal is determined by the carrier signal. Power conversion system including a three-level inverter, characterized in that the base output frequency is adjusted to be located in the zero section.
청구항 1에 있어서,
상기 멀티 레벨 인버터부의 출력을 입력받아 고전압으로 변환시켜 출력하는 변압기부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3레벨 인버터를 포함한 전력 변환 시스템.
The method according to claim 1,
And a transformer unit for receiving the output of the multi-level inverter unit and converting the output into a high voltage.
청구항 1에 있어서,
상기 컨버터부는 상기 전원부로부터 AC 전압을 인가받아 3레벨 구형파로 변환하여 출력시키는 멀티 레벨 컨버터부를 이용하는 것을 특징으로 하는 3레벨 인버터를 포함한 전력 변환 시스템.
The method according to claim 1,
The converter unit is a power conversion system including a three-level inverter, characterized in that for receiving the AC voltage from the power supply unit converts to a three-level square wave and outputs.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 멀티 레벨 인버터부는 3레벨 인터버를 포함하는 것을 특징으로 하는 3레벨 인버터를 포함한 전력 변환 시스템.
The power conversion system according to any one of claims 1 to 3, wherein the multi-level inverter unit includes a three-level inverter.
전원부로부터 AC 전압을 인가받아 DC 전압으로 변환하여 출력하는 컨버터부; 상기 컨버터부에서 출력을 입력받아 계단형 구형파로 변환시켜 출력하며, 3레벨 인터버를 포함하는 멀티 레벨 인버터부; 상기 전원부와 상기 컨버터부 사이에 연결되며, 전류 필터링 및 전압차를 발생시키는 입력 리액터와, 오존 발생기와 공진을 유도하는 출력 리액터로 구성된 리액터부; 및 상기 컨버터부, 멀티 레벨 인버터부 및 리액터부의 동작을 제어하는 제어부를 포함하는 3레벨 인버터를 포함한 전력 변환 시스템의 제어 방법으로서,
기본 출력 주파수를 설정하고 전력을 공급하는 단계;
방전관에 인가되는 고전압을 검출하는 단계;
인버터 출력 전압과 출력 전류가 동상인지를 검출하기 위하여, 방전관에서 검출한 고전압 신호와 캐리어 신호를 비교하는 단계; 및
고전압 신호의 피크치가 캐리어 신호의 0구간에 위치되도록 기본 출력 주파수를 조절하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 3레벨 인버터를 포함한 전력 변환 시스템의 제어 방법.

A converter unit receiving an AC voltage from a power supply unit and converting the AC voltage into a DC voltage; A multi-level inverter unit which receives the output from the converter unit and converts the stepped square wave into an output, and includes a three-level inverter; A reactor unit connected between the power supply unit and the converter unit, the reactor comprising an input reactor for generating current filtering and a voltage difference, and an output reactor for inducing resonance with the ozone generator; And a control unit for controlling the operation of the converter unit, the multi-level inverter unit, and the reactor unit.
Setting a default output frequency and supplying power;
Detecting a high voltage applied to the discharge tube;
Comparing the carrier signal with the high voltage signal detected by the discharge tube to detect whether the inverter output voltage and the output current are in phase; And
And adjusting the basic output frequency such that the peak value of the high voltage signal is located in the zero section of the carrier signal.

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