KR101423054B1

KR101423054B1 - 이중 인버터 제어 장치 및 그 방법

Info

Publication number: KR101423054B1
Application number: KR1020120140365A
Authority: KR
Inventors: 하정익; 이용재
Original assignee: 서울대학교산학협력단
Priority date: 2012-12-05
Filing date: 2012-12-05
Publication date: 2014-07-25
Also published as: KR20140072630A

Abstract

이중 인버터 제어 장치 및 그 방법이 개시된다. 개방 권선 전동기; 상기 개방 권선 전동기의 제1 측단에 전압을 인가하는 제1 인버터부; 상기 개방 권선 전동기의 제2 측단에 전압을 인가하는 제2 인버터부; 및 상기 제1 인버터부, 제2 인버터부의 출력 전압을 제어하는 제어기를 포함하되, 상기 제어기는 제1 인버터부에 스텝(step) 전압을 인가하도록 제어하는, 2중 인버터 제어 장치가 개시된다.

Description

이중 인버터 제어 장치 및 그 방법{Apparatus and method for controlling dual inverter system}

실시예들은 이중 인버터 제어 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 에너지 효율을 극대화하기 위한 이중 인버터 제어 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

개방 권선 전동기(Open-end Winding Machine)는 일반적인 3상 전동기가 Y-결선이나 Δ-결선으로 내부에서 연결되어 있는 것과는 달리 내부 연결을 풀고 이 세 선을 전동기의 외부에서 연결할 수 있게 한 구조를 말한다. 개방 권선 전동기는 일반적으로 두 개의 인버터를 이용하여 구동하게 되며, 이렇게 될 경우, 양측에서 전압을 출력할 수 있기 때문에 전동기에 인가할 수 있는 전압을 늘릴 수 있다. 또한 전동기 자체에 인가되는 전압도 늘어나기 때문에 최대 4-레벨 인버터와 동일한 효과를 얻을 수도 있다. 개방 권선 전동기를 이중 인버터를 이용하여 구동하는 경우, 두 개의 인버터에 각각의 전원을 연결하여 전동기에 전력을 공급하는 것이 일반적이지만 한 쪽의 인버터에만 전원을 연결하고 다른 한 쪽은 전원과 분리하여 전원과 분리된 쪽의 DC 링크 전압을 전원에 관계없이 원하는 만큼 늘려 사용할 수도 있다. 이 경우, 이 인버터는 지속적으로 유효 전력을 출력하거나 받을 수 없기 때문에, 무효 전력원으로서의 역할을 수행할 수 있다. 전동기는 고속에서 많은 양의 무효 전력을 필요로 하기 때문에 이러한 구조는 전동기의 고속운전 시 출력을 높이는 방법으로 사용될 수 있다. 종래의 이중 인버터 제어는 양 측 인버터 모두 SVPWM(Space Vector PWM)을 이용하는 것이 일반적이었다. 하지만 종래의 이중 인버터 구조는 두 개의 인버터를 사용하기 때문에 인버터 손실이 두 배로 증가할 뿐만 아니라, 제어 역시 복잡해진다는 단점을 가지게 된다. 더욱이 단일 전원을 사용하는 경우, 지속적인 유효 전력을 전원 측에서만 공급할 수 있기 때문에 유효 전력의 양은 전원이 연결된 인버터의 용량에 의해 결정되어 그 크기가 작다는 단점을 가진다. 또한 SVPWM을 통한 정현파의 생성은 스위칭에 따른 에너지 손실이 큰 문제가 있었다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 제1 인버터부에 스텝전압을 인가함으로써, 인버터의 전력 출력량을 증가시킬 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 정현파를 생성하기 위한 스위칭 손실을 제거할 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 부하에 인가되는 전압을 정현파로 만들어 전류 고조파가 발생하지 않도록 한다.

본 발명의 일 측면에 의하면, 개방 권선 전동기; 상기 개방 권선 전동기의 제1 측단에 전압을 인가하는 제1 인버터부; 상기 개방 권선 전동기의 제2 측단에 전압을 인가하는 제2 인버터부; 및 상기 제1 인버터부, 상기 제2 인버터부의 출력 전압을 제어하는 제어기를 포함하되, 상기 제어기는 상기 제1 인버터부에 스텝(step) 전압을 인가하도록 제어하는, 2중 인버터 제어 장치가 제공된다.

본 발명의 다른 측면에 의하면, 개방 권선 전동기; 상기 개방 권선 전동기의 제1 측단에 전압을 인가하는 제1 인버터부; 상기 개방 권선 전동기의 제2 측단에 전압을 인가하는 제2 인버터부를 포함하는, 2중 인버터의 제어 방법에 있어서, 상기 제1 인버터부에 스텝(step) 전압을 인가하도록 제어하는 단계; 상기 제1 인버터부에 인가된 스텝 전압에 기반하여 상기 제2 인버터부에 보상 전압을 인가하도록 제어하는 단계를 포함하는, 2중 인버터의 제어 방법이 제공된다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 제1 인버터부에 스텝전압을 인가함으로써, 인버터의 전력 출력량이 증가되는 효과가 있다. 전동기가 연결되는 경우 전력 변환량의 증대를 통해 전동기의 운전 영역 확대는 물론, 전동기의 감속 시 배터리로의 에너지 회수량도 늘릴 수 있다.

또한, 정현파를 생성하기 위한 스위칭 손실을 없애는 효과가 있으며, 부하에 인가되는 전압을 정현파로 만들어 전류 고조파 제거에 필요한 고조파 필터의 크기를 줄일 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 2중 인버터 제어 장치(1000)이다.
도 2은 본 발명의 일 실시예에 따른 스텝 전압 인가시 상별 폴(pole) 전압을 나타낸 도면이다.
도 3a 내지 3f는 전류 각에 따른 종래 이중 인버터 유효/무효 전압 분리 제어 관계를 나타낸 도면이다.
도 4a 내지 4f는 본 발명의 일 실시예에 따른 전류 각에 따른 이중 인버터 유효/무효 전압 분리 제어 관계를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 임의의 각에 대해 6 스텝 운전이 생성하는 유효/무효 전압 벡터를 나타낸 도면이다.
도 6은 종래의 SVPWM으로 인해 발생하는 유효 무효 전압을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 6 스텝 전압 인가시 발생하는 유효 무효 전압을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 6 스텝 전압 인가시 발생하는 유효 전압과 평균을 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 전동기의 전압과 전류의 각 차이가 70˚일 때의 a상 전압, 유효/무효 전압을 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 전동기의 전압과 전류의 각 차이가 70˚일 때의 유효/무효 전압, 제1인버터부, 제2인버터부의 출력 전압을 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 전동기의 전압과 전류의 각 차이가 70˚일 때의 제2인버터부의 출력상, 공통모드 전압을 나타낸 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 2중 인버터 제어 장치(1000)이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따라 제어기(100)를 상세하게 설명한 2중 인버터 제어 장치(1000)이다.

후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 2중 인버터 제어 장치(1000)이다. 2중 인버터 제어 장치(1000)는 제1 전원(1), 제1 인버터부(10), 전동기(5), 제2 인버터부(20), 제어기(100)를 포함할 수 있다. 2중 인버터 제어 장치(1000)는 제1인버터부(10)에만 제1 전원(1)을 연결하고 제2 인버터부(20)는 전원과 분리하였다. 제2 인버터부(20)에는 전원과 분리된 쪽의 DC 링크 전압(3)을 제1 전원(10)에 관계없이 원하는 만큼 늘려 사용할 수 있다.

제1 인버터부(10)는 제어기(100)의 제어를 받아 전동기에 스텝(step) 전압을 인가하는 역할을 한다. 일 실시예에서, 제1 인버터부(10)는 전동기에 6스텝(step) 전압을 인가할 수 있다.

6 스텝 운전은 과변조 기법 중 하나로 스위치의 on/off가 한 주기에 한 번씩만 일어나게 되므로 스위칭 손실을 크게 절감할 수 있다. 또한 SVPWM에 비해 조금 더 많은 전압을 출력할 수 있기 때문에 DC 링크의 전압이 모자라는 경우에 주로 사용된다. 하지만 전압의 고조파가 발생해 전류의 고조파를 유발하고, 이로 인해 전동기의 토크 맥동을 만들게 된다는 단점도 가지고 있다. 도2는 DC 링크 전압이 60V인 경우 6 스텝 운전에 의해 발생하는 폴 전압을 나타낸다. 6 스텝 운전에 따른 폴 전압은 전기각속도

와 각속도를 같이하는 구형파의 형태를 나타내게 된다. 하지만 공통모드 전압이 형성되는 것을 고려하면 실제로 전동기에 인가되는 전압은 조금 더 정현파에 가깝게 형성된다. 하지만 구형파 전압은 PWM을 통해 형성되는 정현파 전압과는 달리 기본파의 홀수 배 고조파를 함유하게 되고, 이 홀수 배 고조파의 크기는 표 1과 같다.

제 n차 고조파	1st	3rd	5th	7 th	9 th	· · ·	n th
크기	1					· · ·

이중 인버터 구조의 경우 상 전압이 두 인버터의 출력 전압 차이로 정해지기 때문에 제1인버터부(10)를 6 스텝 운전하더라도 반대 쪽 인버터인 제2 인버터부(20)에서 출력을 조절하여 정현파의 전압출력을 만들 수 있고, 따라서 이로 인해 발생하는 전류 고조파를 억제할 수 있게 된다. 기존의 제어 방법에서는 두 인버터 모두에서 SVPWM을 이용한 정현파 전압을 형성하고 그 차이를 이용해서 정현파의 상전압을 형성하는 방법을 사용하였다. 제안하는 이중 인버터의 제어방법은 두 인버터의 출력 전압을 정현파로 하지 않고 6 스텝 운전을 하는 인버터와 그를 보상하는 인버터를 합하여 상 전압을 정현파로 만드는 제어 방법이라 할 수 있다.

기존의 제어법의 경우 두 인버터의 출력 전압이 모두 정현파이기 때문에 도3a 내지 도3f와 같이 전압 벡터가 직교를 이루며 회전하게 된다. 본 발명의 일 실시예를 따르면 도4a 내지 4f와 같이 두 인버터부의 전압 벡터는 크기와 각을 순시적으로 달리하면서 회전하게 된다. 이 때, 도3a 내지 도3f((a) 35˚, (b) 45˚, (c) 55˚, (d) 65˚, (e) 75˚, (f) 85˚) 및 도4a 내지 4f((a) 35˚, (b) 45˚, (c) 55˚, (d) 65˚, (e) 75˚, (f) 85˚)에서 각각의 벡터는 전동기(5)가 요구하는 전압

, 유효 전압

, 무효 전압

, 제1 인버터부(10)에서 출력하는 전압

, 제2 인버터부(20)에서 출력하는 전압

을 의미한다.

도 도3a 내지 도3f 에서 볼 수 있듯이 기존의 제어방법의 경우 유효 전압과 무효 전압을 각각의 인버터가 독립적으로 공급하기 때문에 수학식1과 같이 유효 전압은 제1 인버터부(10)의 전압이 되고, 무효 전압은 제2 인버터부(20)의 전압의 음수 형태가 된다.

제안하는 제어방법의 경우 도4a 내지 4f에서 볼 수 있듯이 제1 인버터부(10)는 최대 전압을 출력하기 위해 전동기 제어에 필요한 유효 전압 벡터와 가장 가까운 꼭지점으로 6 스텝 운전을 하게 되며, 제2 인버터부(20)는 전동기(5)의 선형적 제어를 위해 남은 전압을 출력하게 된다. 두 전압의 벡터 합은 전동기가 원하는 전압

로 일정하기 때문에 전동기는 제어에 필요한 선형적 전압을 공급받게 된다.

이 경우, 제1 인버터부(10)의 전압은 수학식 2와 같이 적을 수 있으며, 제2 인버터부(20)의 전압은 수학식 3과 같이 상전압을 정현파로 만들기 위한 남은 전압으로 정의되게 된다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 제1 인버터부(10) 에서 출력하는 전압의 크기가 각에 대해 일정하지 않다는 특징이 나타난다. 도5는 임의의 각에 대해 6 스텝 전압이 형성하는 전압 벡터를 나타낸다. 도5에서 반지름의 단위는 MI(Modulation Index)로 6스텝 운전의 평균 출력 전압인

를 1 로 하여 전압 벡터의 크기를 표현한 것이다. 도5에서 전류 벡터의 방향은 V_inv1 _, _act와 같으며, 이 때의 출력 전압의 크기는 항상 SVPWM을 수행하는 경우의 최대 MI인 0.9069보다 크다는 것을 알 수 있다.

6 스텝 운전을 하는 경우 녹색으로 표시된 전압 벡터 V_inv1 _, _react가 추가로 발생하게 된다. 유효 전압 V_inv1 _, _act와 무효 전압 V_inv1 _, _react의 크기는 6 스텝으로 출력되는 전압과 전류의 각 차이

에 대하여 수학식4와 같이 정의 될 수 있다.

일 실시예에서

의 범위가 -30˚~ +30˚로 제한되는 경우, V_inv1 _, _act와 V_inv1, _react의 크기는

의 크기에 따라 수학식 5와 같이 정해진다.

이 때, 제1 인버터부(10)가 출력하는 최소 전압인

는 제1 인버터부(10)의 출력 전압과 전류의 각이

를 이룰 때 출력되는 전압으로, SVPWM의 경우와 그 크기가 같다. 6스텝 운전으로 인해 발생하는 무효 전압 V_inv1 _, _react는 도 4a 내지 도 4f에서 볼 수 있듯이 제2 인버터부(20)에서 공급해야 하는 전압의 크기를 줄이기도, 늘이기도 한다. 따라서 제2 인버터부(20)의 DC 링크 전압(3)은 이러한 보상 전압의 크기를 고려하여 전압을 공급할 수 있는 크기를 유지하고 있어야 한다.

도 6과 도7은 종래에 사용되던 SVPWM을 이용하는 경우와 본 발명의 일 실시예에 따라 6 스텝 운전을 수행하는 경우 출력되는 유효/무효 전압을 전류각에 대하여 MI의 크기로 나타낸 것이다.

도 7에서 볼 수 있듯이 6 스텝으로 인해 발생하는 무효 전압의 최대 크기는

이며, 0.522MI가 된다. 무효 전압은 6배 주파수를 가지고 맥동하며 이에 대한 보상 전압이 제2 인버터부(20)에서 출력되어야만 선형적인 전동기의 구동이 가능하다. 따라서 기존에 사용되던 방법에 비해 추가적인 무효 전압을 출력하기 위한 DC 링크의 전압(3)이 더 필요하게 되며 이 크기는 수학식 6과 같다.

6 스텝 운전을 하는 제1 인버터부(10)에서는 무효 전압뿐 만 아니라 유효 전압의 맥동 역시 발생하게 된다. 따라서 이 유효 전압의 맥동까지 없애야만 일정한 유효전력을 전동기로 전달할 수 있게 된다. 이는 도8과 같다.

도8과 수학식5에서 볼 수 있듯이 유효 전압은 평균이

인 맥동을 가지게 된다. 이 맥동의 특징은 평균이

이기 때문에, 이 선을 기준으로 A영역과 B영역의 넓이가 같다는 것이다. 따라서 전동기의 요구 유효전압을

로 제어하여, 모자라거나 넘치는 유효 전압을 제2 인버터부(20)에서 보상하면 선형적으로 전동기에 유효전압을 공급할 수 있게 된다.

아래의 도 9와 도 10은 전동기(10)의 전압과 전류의 각 차이가 70˚일 때의 a상 전압, 유효/무효 전압, 제1 인버터부(10)의 출력 전압, 제2 인버터부(20)의 출력 전압을 보여준다. 도 9에서 유효 전압과 전류는 동일한 크기를 가지므로 전류는 표시하지 않았다. 도 10에서 볼 수 있듯이 유효 전압은 제1 인버터부(10)에서, 무효 전압은 제2 인버터부(20)에서 대부분 공급하고 있는 것을 알 수 있으며, 제1 인버터부(10)과 유효 전압의 차이를 제2 인버터부(20)에서 추가로 공급하고 있음을 알 수 있다. 각 상 전압을 출력하기 위한 인버터의 출력 전압은 도 11에 표시된 차동 모드 전압에 공통 모드 전압을 더해 만들어지게 되므로, 공통 모드 전압을 조절하여 인버터에서 출력하는 전압을 차동 모드 전압보다 작게 할 수 있다. 6 스텝 운전을 하는 제1 인버터부(10)의 폴 전압은 도 2와 같으며, 제2 인버터부(20)의 폴 전압은 도 11와 같다.

제2 인버터부(10)는 제어기(100)의 제어를 받아 전동기에 보상 전압을 인가하는 역할을 한다.

제1 인버터부(10), 제2 인버터부(10)는 단상 인버터와 다상 인버터 모두 가능하며 극수와 상관없이 다극 인버터도 가능하다. 일 실시예에서, 3상 인버터는 IGBT 소자와 역병렬 다이오드로 구성된 양방향 스위치 6개를 직, 병렬 연결하여 구현된다.

전동기(5)는 전류가 흐르는 도체가 자기장 속에서 받는 힘을 이용하여 전기에너지를 역학적 에너지로 바꾸는 장치이다. 일반적으로 모터(motor)를 말한다. 전동기는 전원의 종류에 따라 직류전동기와 교류전동기로 분류될 수 있으며, 본 발명의 실시예에서 전동기(5)는 개방 권선 전동기를 포함한다. 개방 권선 전동기는 고정자의 묶인 권선을 풀어 고정자 권선의 양측에 전압을 인가할 수 있도록 한 전동기를 의미한다.

제어기(100)는 제1 인버터부(10), 상기 제2 인버터부(20)의 출력 전압을 제어하는 역할을 한다. 상세한 제어기(100)의 역할은 도 13에서 살펴보도록 한다.

도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 2중 인버터 제어 장치(1000)이다. 도 1의 2중 인버터 제어 장치(1000)와 비교할 때, 제2 인버터(20)단에 제2 전원부(2)가 인가됨을 확인할 수 있다. 제1전원부(1)가 고장나는 경우, 중첩(Superposition)의 원리를 이용하여, 도 1의 2중 인버터 제어 장치의 제1전원부(1)의 역할을 제2 전원부(2)가 수행할 수도 있을 것이다.

도 13은 본 발명의 일 실시예에 따라 제어기(100)를 상세하게 설명한 2중 인버터 제어 장치(1000)이다. 제어기(100)는 전류 지령 생성기(110), 약자속 제어기(120), 전류 제어기(130), 전압 제어기(140), 스텝 전압 생성기(150), 보상 전압 생성기(160), 스텝PWM부(170), PWM부(180), 좌표변환기(190)를 포함할 수 있다.

도 13의 본격적인 설명에 앞서, dq로 표시된 전류, 전압에 대해서 간단히 살펴본다. 교류 전동기 구동에 사용되는 전압과 전류는 교류성분이다. 3상 고정자 권선을 통과하는 전류는 전동기의 회전주파수와 같거나 비슷한 교류성분 전류인데, 각상은 서로 120도 위상 차가 존재하며, 위상 순서대로 abc, UVW 혹은 RST로 표현한다. 페이저라는 개념을 이용하여 이러한 전류 성분을 벡터로 표현할 수 있다. 벡터 이론에서, 평면에 존재하는 특정 벡터는 표현할 때 2개의 기준 벡터의 합으로 그 벡터를 표현할 수 있다. 이 원리를 이용하여 UVW 삼상 전류를 서로 90도 위상차가 나는 dq기준 벡터를 이용하여 흔히 표현한다.

전류 지령 생성기(100)는 전동기의 토크 지령(T_e ^*)또는 속도 지령(ω^*)에 기반하여 전류 지령(I_d _, _pre ^*, I_q ^*)을 생성하는 역할을 한다. 일 실시예에서, 전류 지령 생성기(100)는 전동기(5)로부터 실제 회전속도 (ω)를 입력받아 궤환(Feedback)제어로써 사용할 수도 있다.

약자속제어기(120)는 제1 전원부(1)의 유효 전압 지령(V_act1 ^*) 을 수신하여 약자속 전류지령(I_fw ^*)을 생성하는 역할을 한다. 일 실시예에서, 약자속제어기(120)는 제1 전원부(1)의 설계 제한 조건에 따른 제한 전압(V_act _, _lim )을 고려하여 약자속 전류지령(I_fw ^*)을 생성할 수도 있다.

이중 인버터의 경우, 그 구조의 특이성으로 인해 상전압의 크기를 제한하여 약자속 운전을 하는 것은 불가능하다고 할 수 있다. 또한 전원이 연결되지 않은 DC 링크의 전압은 승압이 가능하기 때문에 약자속 운전에 있어 고려하지 않아도 된다. 더군다나 제2 인버터부(20) 측의 전압은 무효 전압만을 공급하게 되는데, 제2 인버터부(20) 측 DC 링크의 전압(3)이 모자라는 구간에서는 음의 자속 축 전류가 오히려 역률을 떨어뜨려 필요한 무효 전압을 늘리게 되어 약자속의 효과가 없게 된다. 때문에 제2 인버터부(20)의 전압, 즉, 무효 전압은 약자속 운전에서 고려할 필요가 없어진다. 따라서 유효 전압을 공급하는 제1 인버터부(10) 측의 전압만이 약자속 운전에서 고려되는 것이 의미가 있다.

전류 제어기(130)는 전류 지령(I_d _, _pre ^*, I_q ^*) 또는 상기 개방 권선 전동기의 출력 전류(I_dq)에 기반하여 전동기 구동 전압 지령(V_dq ^*) 또는 전동기 구동 유효 전압 지령(V_{act, m} ^*)을 생성하는 역할을 한다. 일 실시예에서, 전류 제어기(130)는 약자속 전류지령(I_fw ^*)을 추가로 고려하여, 전동기 구동 전압 지령(V_dq ^*) 또는 전동기 구동 유효 전압 지령(V_act _{, m} ^*)을 생성할 수도 있다.

제2 인버터부 직류 전압 지령(V_cap ^*) 및 제2 인버터부 직류 전압(V_cap)에 기반하여 제2 인버터부의 유효 전압 지령(V_act2 ^*)을 생성하는 역할을 한다. 제 1전원부(10)와 분리하여 분리된 쪽의 DC 링크 전압(3)을 전원에 관계없이 원하는 만큼 늘려 사용하기 위함이다.

스텝 전압 생성기(150)는 전동기 구동 유효 전압 지령(V_act _{, m} ^*)에 기반하여 스텝 형태의 제1 인버터부 전압 지령(V_inv1 _, _abc ^*, V_dq _, _inv1 ^*)을 생성하는 역할을 한다. 일 실시예에서, 스텝 전압 생성기(150)는 제2 인버터부의 유효 전압 지령(V_act2 ^*)을 고려하여 제1 인버터부 전압 지령(V_inv1 _, _abc ^*, V_dq _, _inv1 ^*)을 생성할 수도 있다. 6 스텝은 도 2의 형태를 가질 수 있을 것이다.

보상 전압 생성기(160)는 전동기 구동 전압 지령(V_dq _, _inv1 ^*)과 제1 인버터부 전압 지령(V_dq ^*)에 기반하여 제2 인버터부 전압 지령(V_inv2 _abc ^*)을 생성하는 역할을 한다. 일 실시예에서, 제 2인버터부(20)의 전압은 전동기의 전압을 선형으로 만들기 위한 보상전압을 출력해야 하므로, 전동기 구동 전압 지령(V_dq _, _inv1 ^*)과 제1 인버터부 전압 지령(V_dq ^*)의 차이를 전압지령(V_inv2 _abc ^*)으로 출력하게 된다.

스텝PWM부(170)는 제1 인버터부 전압 지령(V_inv1 _, _abc ^*)에 기반하여 펄스폭 변조 방식으로 상기 제1 인버터부(10)에 전압을 인가하는 역할을 한다. PWM 방식은 일반적으로 사용되는 펄스 폭 변조 방식 모두를 포함하며, 당업자에게 용이하므로 본 명세서는 설명을 생략하기로 한다.

스텝PWM부(180)는 제2 인버터부 전압 지령(V_inv2 _, _abc ^*)에 기반하여 펄스폭 변조 방식으로 상기 제2 인버터부(20)에 전압을 인가하는 역할을 한다. 스텝PWM부(170)와 마찬가지로 일반적으로 사용되는 PWM방식이 활용될 수 있다.

좌표변환기(190)는 전술한 3상 좌표계(abc 좌표계)와 dq축 좌표계를 서로 변환하는 역할을 한다. 3상 형태의 전동기 전류(I_as I_bs I_cs) 및 각도(Θ_r)를 통해 dq 형태의 전동기 전류(I_dq )로 변환할 수 있다.

이상에서 본 발명이 구체적인 구성요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명이 상기 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형을 꾀할 수 있다.

따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등하게 또는 등가적으로 변형된 모든 것들은 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

1: 제1 전원부
2: 제2 전원부
3: 제2 인버터부 직류 전압
5: 전동기
10: 제1 인버터부
20: 제2 인버터부
100: 제어기
110: 전류 지령 생성기
120: 약자속 제어기
130: 전류 제어기
140: 전압 제어기
150: 스텝 전압 생성기
160: 보상 전압 생성기
170: 스텝PWM부
180: PWM부
190: 좌표변환기

Claims

개방 권선 전동기;
상기 개방 권선 전동기의 제1 측단에 전압을 인가하는 제1 인버터부;
상기 개방 권선 전동기의 제2 측단에 전압을 인가하는 제2 인버터부; 및
상기 제1 인버터부, 상기 제2 인버터부의 출력 전압을 제어하는 제어기를 포함하되,
상기 제어기는 상기 제1 인버터부가 스텝(step) 전압을 상기 개방 권선 전동기에 인가하도록 상기 제1 인버터부를 제어하고,
상기 제어기는 상기 개방 권선 전동기에 인가되는 총 상전압이 정현파가 되도록 하는 보상 전압을 상기 개방 권선 전동기에 인가하도록 상기 제2 인버터부를 제어하는, 2중 인버터 제어 장치.
제1항에 있어서,
상기 스텝 전압은 6스텝 전압인 것을 특징으로 하는, 2중 인버터 제어 장치.
제1항에 있어서,
상기 제어기는,
토크 지령 또는 속도 지령에 기반하여 전류 지령을 생성하는 전류 지령 생성기;
상기 전류지령 또는 상기 개방 권선 전동기의 출력 전류에 기반하여 전동기 구동 전압 지령 또는 전동기 구동 유효 전압 지령을 생성하는 전류 제어기;
상기 전동기 구동 유효 전압 지령에 기반하여 스텝 형태의 전압을 제1 인버터부가 형성하도록 하는 제1 인버터부 전압 지령을 생성하는 스텝 전압 생성기;
상기 제1 인버터부 전압 지령에 기반하여 펄스폭 변조 방식으로 상기 제1 인버터부에 전압을 인가하는 스텝PWM부;
상기 전동기 구동 전압 지령과 상기 제1 인버터부 전압 지령에 기반하여 제2 인버터부 전압 지령을 생성하는 보상 전압 생성기;
상기 제2 인버터부 전압 지령에 기반하여 펄스폭 변조 방식으로 상기 제2 인버터부에 전압을 인가하는 PWM부를 포함하는, 2중 인버터 제어 장치.
제3항에 있어서,
제1 인버터부에 전원을 공급하는 제1 전원부;
상기 제1 전원부의 유효 전압 지령을 수신하여 약자속 전류지령을 생성하는 약자속 제어기를 더 포함하되,
상기 전류 제어기는, 상기 전류지령, 상기 개방 권선 전동기의 출력 전류 및 상기 약자속 전류지령에 기반하여 전동기 구동 전압 지령 또는 전동기 구동 유효 전압 지령을 생성하는, 2중 인버터 제어 장치.
제3항에 있어서,
제2 인버터부 직류 전압 지령 및 제2 인버터부 직류 전압에 기반하여 제2 인버터부의 유효 전압 지령을 생성하는 전압 제어기를 더 포함하되,
상기 스텝 전압 생성기는, 상기 전동기 구동 전압 지령 및 상기 유효 전압 지령에 기반하여 상기 제1 인버터부 전압 지령을 생성하는, 2중 인버터 제어 장치.
개방 권선 전동기; 상기 개방 권선 전동기의 제1 측단에 전압을 인가하는 제1 인버터부; 상기 개방 권선 전동기의 제2 측단에 전압을 인가하는 제2 인버터부를 포함하는, 2중 인버터의 제어 방법에 있어서,
상기 제1 인버터부가 상기 개방 권선 전동기에 스텝(step) 전압을 인가하도록 상기 제1 인버터부를 제어하는 단계;
상기 제1 인버터부가 인가한 스텝 전압에 기반하여, 상기 개방 권선 전동기에 인가되는 총 상전압이 정현파가 되도록, 상기 제2 인버터부가 보상 전압을 상기 개방 권선 전동기에 인가하도록 상기 제2 인버터부를 제어하는 단계를 포함하는, 2중 인버터의 제어 방법.
제6항에 있어서,
상기 스텝 전압은 6스텝 전압인 것을 특징으로 하는, 2중 인버터의 제어 방법.
제6항에 있어서,
상기 제1 인버터부가 상기 개방 권선 전동기에 스텝(step) 전압을 인가하도록 상기 제1 인버터부를 제어하는 단계는,
토크 지령 또는 속도 지령에 기반하여 전류 지령을 생성하는 단계;
상기 전류지령 또는 상기 개방 권선 전동기의 출력 전류에 기반하여 전동기 구동 전압 지령 또는 전동기 구동 유효 전압 지령을 생성하는 단계;
상기 전동기 구동 유효 전압 지령에 기반하여 스텝 형태의 전압을 제1 인버터부가 형성하도록 하는 제1 인버터부 전압 지령을 생성하는 단계;
상기 제1 인버터부 전압 지령에 기반하여 펄스폭 변조 방식으로 상기 제1 인버터부에 전압을 인가하는 단계를 더 포함하는, 2중 인버터의 제어 방법.
제8항에 있어서,
상기 제1 인버터부가 인가한 스텝 전압에 기반하여 상기 제2 인버터부가 보상 전압을 상기 개방 권선 전동기에 인가하도록 상기 제2 인버터부를 제어하는 단계는,
상기 전동기 구동 전압 지령과 상기 제1 인버터부 전압 지령에 기반하여 제2 인버터부 전압 지령을 생성하는 단계;
상기 제2 인버터부 전압 지령에 기반하여 펄스폭 변조 방식으로 상기 제2 인버터부에 전압을 인가하는 단계를 포함하는, 2중 인버터의 제어 방법.
제9항에 있어서,
제1 인버터부에 전원을 공급하는 제1전원부의 유효 전압 지령을 수신하여 약자속 전류지령을 생성하는 단계를 더 포함하고,
상기 전류지령 또는 상기 개방 권선 전동기의 출력 전류에 기반하여 전동기 구동 전압 지령 또는 전동기 구동 유효 전압 지령을 생성하는 단계는,
상기 전류지령, 상기 개방 권선 전동기의 출력 전류 및 상기 약자속 전류지령에 기반하여 전동기 구동 전압 지령 또는 전동기 구동 유효 전압 지령을 생성하는 단계를 더 포함하는, 2중 인버터의 제어 방법.
제9항에 있어서,
제2 인버터부 직류 전압 지령 및 제2 인버터부 직류 전압에 기반하여 제2 인버터부의 유효 전압 지령을 생성하는 단계를 더 포함하고,
상기 전동기 구동 유효 전압 지령에 기반하여 스텝 형태의 전압을 제1 인버터부가 형성하도록 하는 제1 인버터부 전압 지령을 생성하는 단계는,
상기 전동기 구동 전압 지령 및 상기 유효 전압 지령에 기반하여 상기 제1 인버터부 전압 지령을 생성하는 단계를 더 포함하는, 2중 인버터의 제어 방법.