KR101434849B1 - 삼상 tnpc 3레벨 컨버터와 인버터 적용을 위한 벡터 제어의 pwm 및 제어 스위칭 소자 전환 방법 - Google Patents

삼상 tnpc 3레벨 컨버터와 인버터 적용을 위한 벡터 제어의 pwm 및 제어 스위칭 소자 전환 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 삼상 TNPC 3레벨 컨버터와 인버터 적용을 위한 벡터 제어의 PWM 및 제어 스위칭 소자 전환 방법에 관한 것으로서, 벡터제어기가 ABC좌표축에서의 3상 전압 및 전류값을 검출(R, S, T)하여 ABC to DQ좌표로 변환하는 (a) 단계; 벡터제어기가 DQ좌표축으로 좌표가 변환된 전압 및 전류값을 제어 기준값과 비교하여 PI 제어를 수행하는 (b) 단계; 벡터제어기가 PI 제어를 통해 출력된 값을 다시 DQ to ABC좌표로 변환하고 3상 각각의 제어 신호를 절대값으로 변환하여 2배수를 적용하는 (c) 단계; 벡터제어기가 2배수된 제어 신호와 삼각파를 비교하여 3상 각각 2개의 변경된 PWM 신호(PWMR+/-, PWMR0, PWMS+/-, PWMS0, PWMT+/-, PWMT0)를 출력하는 (d) 단계; 벡터제어기가 ABC좌표축으로 변환된 제어 신호의 극성에 따라 3상 각각의 제어를 위한 스위칭소자 선택 신호(Rsel, Ssel, Tsel)를 출력하는 (e) 단계; 및 벡터제어기에 의해 출력된 3상 각각 2개의 PWM 파형과 1개의 제어 스위칭 소자 선택 신호를 이용하여 TNPC 3레벨 컨버터 또는 인버터를 구성하는 각 상당 4개의 스위칭 소자를 구동하기 위한 회로를 구성하는 (f)단계;를 포함한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 전력 변환 효율을 향상 시킬 수 있는 삼상 TNPC 3레벨 컨버터 및 인버터를 기존의 2레벨용 벡터 제어기 및 DSP에 간단한 시퀀스와 부가 회로만 추가하여 제어할 수 있고, 필요시 2레벨 컨버터 및 인버터용 벡터 제어기 및 DSP와 공용할 수 있는 효과가 있다.

Description

삼상 TNPC 3레벨 컨버터와 인버터 적용을 위한 벡터 제어의 PWM 및 제어 스위칭 소자 전환 방법{METHOD FOR SWITCHING ELEMENT TURN-OVER AND PWM OF VECTOR CONTROL USING THREE PHASE TNPC 3LEVEL CONVERTER AND INVERTER}
본 발명은 삼상 TNPC 3레벨 컨버터와 인버터 적용을 위한 벡터 제어의 PWM 및 제어 스위칭 소자 전환 방법에 관한 것으로 더욱 상세하게는, 기존의 벡터 제어 방식 및 현재 범용으로 사용되고 있는 DSP를 그대로 사용하면서 간단한 시퀀스와 부가 회로만 추가하여 삼상 TNPC 3레벨 컨버터 및 인버터를 제어하는 기술에 관한 것이다.
반도체 소자의 스위칭 기술을 이용하여 교류를 직류로 변환하는 컨버터 및 직류를 교류로 변환하는 인버터는 여러 분야에서 다양한 용도로 사용되고 있다. 불시의 전원이상(정전 및 전압/주파수 변동)에 대비하여 항상 안정된 전원을 공급하는 무정전전원장치, 태양전지의 직류 출력을 교류로 변환하여 공급하는 태양광 인버터, 경부하시나 심야시의 전력을 축전지에 저장하였다가 필요할 경우에 공급하는 ESS용 PCS는 모두 이러한 컨버터 및 인버터 기술을 적용한 제품이다.
따라서, 많은 분야에서 사용되는 컨버터 및 인버터의 전력 변환 효율은 에너지 관리 차원에서 굉장히 중요한 사항이며 효율 개선을 위한 다양한 방법이 연구 및 개발되고 있다.
기존에 중/저전압 분야에서 교류를 직류로 변환하는 컨버터나 직류를 교류로 변환하는 인버터에는 각 상당 2개의 스위칭 소자를 사용하는 2레벨 방식이 주로 사용되어 왔다.
2레벨 방식에서는 PWM 동작시 직류 전압을 (+), (-)의 2가지로만 제어하므로 스위칭 소자 구성이 간단하고 제어가 용이한 장점이 있다. 그러나 고조파 발생이 많고 스위칭 소자의 전압 스트레스가 크기 때문에 손실이 많은 단점이 있다.
최근에, 효율 개선에 대한 이슈로 멀티레벨 전력변환 기술 적용이 연구되고 있으며 연구 및 실험 결과에 의하면 중/저전압 분야에서는 3레벨 방식이 효율 개선에 효과가 있는 것으로 알려지고 있다.
이미 선진국(미국, 유럽, 일본)에서는 3레벨 방식을 적용한 제품이 일부 상용화되고 있는 상황이다. 3레벨 방식은 각 상당 4개의 스위칭 소자를 사용하여 PWM 동작시 직류 전압을 (+), 0, (-)의 3가지로 제어한다.
따라서, 고조파 발생 및 스위칭 소자의 전압 스트레스가 기존 2레벨 방식에 의하여 절반 이하가 되어 스위칭 소자 및 필터 회로에서의 손실을 상당 부분 줄일 수 있으므로 효율을 개선할 수 있다.
이러한, 3레벨 방식은 스위칭 소자의 구성에 따라 NPC(Neutral Point Clamped) 방식과 TNPC(T-type Neutral Point Clamped) 방식의 2종류로 구분할 수 있다.
현재 일부 상용화된 UPS 및 PCS에 적용된 3레벨 방식은 주로 NPC 방식이지만 최근에 제안된 TNPC 방식이 스위칭 소자의 도통 손실을 보다 줄일 수 있기 때문에 효율 개선에 보다 효과가 있다.
그러나, NPC, TNPC 방식 모두 각 상당 4개의 스위칭 소자를 제어해야 하므로 스위칭 소자 구성이 복잡하고 제어가 어려운 단점이 있다.
한편, 종래에 교류를 직류로 변환하는 삼상 컨버터, 직류를 교류로 변환하는 삼상 인버터에 많이 적용되고 있는 제어 방법은 벡터 제어이다. 벡터 제어에서는 시간에 따라 변하는 ABC 좌표축의 삼상 전압, 전류 값들을 전원 주파수의 각속도와 동일한 속도로 회전하는 DQ 좌표축으로 변환한 후 제어를 수행한다.
이러한, 벡터 제어에서는 좌표 변환 과정에서 유효분과 무효분이 구분되므로 유효전력과 무효전력을 각각 독립적으로 제어 가능하며, 전압 및 전류값이 시간에 따라 변하지 않는 직류 성분이 되기 때문에 PI 제어기의 정상 상태 오차가 발생하지 않는 장점이 있다.
그러나, 종래의 벡터 제어 방식으로 현재 범용으로 사용되고 있는 DSP(Digital Signal Processor)를 이용하여 삼상 3레벨 컨버터나 인버터를 제어하고자 할 경우, 각 상별로 위상 변화에 따른 PWM값 비교 방법 및 제어 스위칭 소자의 선택 문제, 3레벨 방식의 동작 시퀀스를 고련한 각 상당 4개 스위칭 소자의 제어를 위한 PWM 출력 문제 때문에 복잡한 알고리즘이 추가된 별도의 삼상 3레벨용 벡터 제어기 설계 및 복잡한 부가 회로의 추가가 필요하다.
대한민국 공개특허 제2012-0109415호(공개일: 2012년 10월 08일)
본 발명의 목적은, 기존의 벡터 제어 방식 및 현재 범용으로 사용되고 있는 DSP를 그대로 사용하면서 간단한 시퀀스와 부가 회로만 추가하여 삼상 TNPC 3레벨 컨버터 및 인버터를 제어하는데 그 목적이 있다.
이러한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 삼상 TNPC 3레벨 컨버터와 인버터 적용을 위한 벡터 제어의 PWM 및 제어 스위칭 소자 전환 방법은, 벡터제어기가 ABC좌표축에서의 3상 전압 및 전류값을 검출(R, S, T)하여 ABC to DQ좌표로 변환하는 (a) 단계; 벡터제어기가 DQ좌표축으로 좌표가 변환된 전압 및 전류값을 제어 기준값과 비교하여 PI 제어를 수행하는 (b) 단계; 벡터제어기가 PI 제어를 통해 출력된 값을 다시 DQ to ABC좌표로 변환하고 3상 각각의 제어 신호를 절대값으로 변환하여 2배수를 적용하는 (c) 단계; 벡터제어기가 2배수된 제어 신호와 삼각파를 비교하여 3상 각각 2개의 변경된 PWM 신호(PWMR+/-, PWMR0, PWMS+/-, PWMS0, PWMT+/-, PWMT0)를 출력하는 (d) 단계; 벡터제어기가 ABC좌표축으로 변환된 제어 신호의 극성에 따라 3상 각각의 제어를 위한 스위칭소자 선택 신호(Rsel, Ssel, Tsel)를 출력하는 (e) 단계; 및 벡터제어기에 의해 출력된 3상 각각 2개의 PWM 파형과 1개의 제어 스위칭 소자 선택 신호를 이용하여 TNPC 3레벨 컨버터 또는 인버터를 구성하는 각 상당 4개의 스위칭 소자를 구동하기 위한 회로를 구성하는 (f)단계;를 포함한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 전력 변환 효율을 향상 시킬 수 있는 삼상 TNPC 3레벨 컨버터 및 인버터를 기존의 2레벨용 벡터 제어기 및 DSP에 간단한 시퀀스와 부가 회로만 추가하여 제어할 수 있고, 필요시 2레벨 컨버터 및 인버터용 벡터 제어기 및 DSP와 공용할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 2레벨 삼상 컨버터 및 인버터의 제어를 위해 DSP 내에서 수행되는 벡터 제어 시퀀스를 도시한 도면.
도 2는 본 발명에 따른 삼상 TNPC 3레벨 컨버터와 인버터 적용을 위한 벡터 제어의 PWM 및 제어 스위칭 소자 전환 방법의 구현을 위해, DSP 내에서 수행 가능하도록 삼상 TNPC 3레벨 컨버터 및 인버터의 제어를 위해 수정된 벡터 제어의 시퀀스를 도시한 도면.
도 3은 본 발명에 따른 벡터제어기에 의해 출력된 3상 각각 2개의 PWM 파형과 1개의 제어 스위칭 소자 선택 신호를 이용하여 TNPC 3레벨 컨버터 또는 인버터를 구성하는 각 상당 4개의 스위칭 소자를 구동하기 위한 회로도.
도 4는 종래의 2레벨 방식과 본 발명에 따른 3레벨 방식의 상전압과 선간전압을 비교한 도면.
본 발명의 구체적인 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에 관련된 공지 기능 및 그 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 구체적인 설명을 생략하였음에 유의해야 할 것이다.
도 1을 참조하여 종래의 2레벨 삼상 컨버터 및 인버터의 제어를 위해 DSP 내에서 수행되는 벡터 제어 시퀀스를 살피면 아래와 같다.
먼저, 벡터제어기가 ABC좌표축에서의 3상 전압 및 전류값을 검출(R, S, T)하여 ABC to DQ좌표로 변환한다.
이어서, 벡터제어기가 DQ좌표축으로 좌표가 변환된 전압 및 전류값을 제어 기준값과 비교하여 PI 제어를 수행한다.
뒤이어, 벡터제어기가 PI 제어를 통해 출력된 제어신호를 다시 DQ to ABC 좌표로 변환한다.
그리고, 벡터제어기가 변환된 ABC좌표축의 제어 신호와 삼각파를 비교하여 3상 각각 2개의 PWM 신호를 출력한다.
한편, 도 2를 참조하여 본 발명에 따른 삼상 TNPC 3레벨 컨버터와 인버터 적용을 위한 벡터 제어의 PWM 및 제어 스위칭 소자 전환 방법의 구현을 위해, DSP 내에서 수행 가능하도록 삼상 TNPC 3레벨 컨버터 및 인버터의 제어를 위해 수정된 벡터 제어의 시퀀스를 살피면 아래와 같다.
먼저, 벡터제어기가 ABC좌표축에서의 3상 전압 및 전류값을 검출(R, S, T)하여 ABC to DQ좌표로 변환한다.
이어서, 벡터제어기가 DQ좌표축으로 좌표가 변환된 전압 및 전류값을 제어 기준값과 비교하여 PI 제어를 수행한다.
뒤이어, 벡터제어기가 PI 제어를 통해 출력된 값을 다시 DQ to ABC좌표로 변환하고 3상 각각의 제어 신호를 절대값으로 변환하여 2배수를 적용한다.
이때, 절대값이 변환된 제어신호의 2배수는 [수학식 1]과 같이 표현된다.
[수학식 1]
Figure 112014042652468-pat00001
이어서, 벡터제어기가 2배수된 제어 신호와 삼각파를 비교하여 3상 각각 2개의 변경된 PWM 신호(PWMR+/-, PWMR0, PWMS+/-, PWMS0, PWMT+/-, PWMT0)를 출력한다.
뒤이어, 벡터제어기가 ABC좌표축으로 변환된 제어 신호의 극성에 따라 3상 각각의 제어를 위한 스위칭소자 선택 신호(Rsel, Ssel, Tsel)를 출력한다.
그리고, 벡터제어기에 의해 출력된 3상 각각 2개의 PWM 파형과 1개의 제어 스위칭 소자 선택 신호를 이용하여 TNPC 3레벨 컨버터 또는 인버터를 구성하는 각 상당 4개의 스위칭 소자를 구동하기 위한 회로를 구성한다.
한편, 도 3은 본 발명에 따른 2레벨 벡터제어기에 의해 출력된 3상 각각 2개의 PWM 파형과 1개의 제어 스위칭 소자 선택 신호를 이용하여 TNPC 3레벨 컨버터 또는 인버터를 구성하는 각 상당 4개의 스위칭 소자를 구동하기 위한 회로도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, PWMR+/- 신호는 컨버터 및 인버터 직류단의 (+)단과 (-)단에 연결된 스위칭 소자 Q1-1과 Q1-2에 각각 AND 게이트를 통하여 연결되고, PWMR0 신호는 직류 센터점에 연결된 스위칭 소자 Q1-3과 Q1-4에 각각 OR 게이트를 통하여 연결되며, Rsel 신호는 Q1-1과 Q1-3의 AND 게이트의 나머지 단자에 연결되고, Rsel 신호가 반전되어 Q1-2과 Q1-4의 OR 게이트의 나머지 단자에 연결된다.
즉, Rsel 신호의 상태에 따라서 각 스위칭 소자는 아래의 [표 1]과 같이 제어된다.
[표 1]
Figure 112014042652468-pat00002
상기 [표 1]은 R상에 대한 예이며, S상과 T상 역시 동일하가 구성 및 제어된다.
도 4는 종래의 2레벨 방식과 본 발명에 따른 3레벨 방식의 상전압과 선간전압을 비교한 도면이다.
전술한 바와 같은 본 발명에 따르면, 종래의 2레벨 벡터 제어기에 간단한 알고리즘을 추가하고 스위칭 소자 구동회로에 제어 스위칭 소자 전환 회로를 추가하여 2레벨 방식에 비하여 고조파가 현저하게 감소된 3레벨 컨버터 및 인버터 파형을 도출할 수 있다.
이상으로 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 이와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것이 아니며, 기술적 사상의 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대해 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등 물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.

Claims (3)

  1. (a) 벡터제어기가 ABC좌표축에서의 3상 전압 및 전류값을 검출(R, S, T)하여 ABC to DQ좌표로 변환하는 단계;
    (b) 벡터제어기가 DQ좌표축으로 좌표가 변환된 전압 및 전류값을 제어 기준값과 비교하여 PI 제어를 수행하는 단계;
    (c) 벡터제어기가 PI 제어를 통해 출력된 값을 다시 DQ to ABC 좌표로 변환하고 3상 각각의 제어 신호를 절대값으로 변환하여 2배수를 적용하는 단계; 및
    (d) 벡터제어기가 2배수된 제어 신호와 삼각파를 비교하여 3상 각각 2개의 변경된 PWM 신호(PWMR+/-, PWMR0, PWMS+/-, PWMS0, PWMT+/-, PWMT0)를 출력하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 삼상 TNPC 3레벨 컨버터와 인버터 적용을 위한 벡터 제어의 PWM 및 제어 스위칭 소자 전환 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 (d) 단계 이후,
    (e) 벡터제어기가 ABC좌표축으로 변환된 제어 신호의 극성에 따라 3상 각각의 제어를 위한 스위칭소자 선택 신호(Rsel, Ssel, Tsel)를 출력하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 삼상 TNPC 3레벨 컨버터와 인버터 적용을 위한 벡터 제어의 PWM 및 제어 스위칭 소자 전환 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 PWM 신호는,
    컨버터 및 인버터 직류단의 (+)단과 (-)단에 연결된 스위칭 소자 Q1-1과 Q1-2에 각각 AND 게이트를 통하여 연결되는 PWMR+/- 신호,
    직류 센터점에 연결된 스위칭 소자 Q1-3과 Q1-4에 각각 OR 게이트를 통하여 연결되는 PWMR0 신호, 및
    Q1-1과 Q1-3의 AND 게이트의 나머지 단자에 연결되고, 반전되어 Q1-2과 Q1-4의 OR 게이트의 나머지 단자에 연결되는 Rsel 신호를 포함하는 것을 특징으로 하는 삼상 TNPC 3레벨 컨버터와 인버터 적용을 위한 벡터 제어의 PWM 및 제어 스위칭 소자 전환 방법.
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