KR101520899B1 - 공진효과를 저감시키는 3상 pwm 컨버터 시스템 - Google Patents

공진효과를 저감시키는 3상 pwm 컨버터 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따르면 부하단, 직류단, PWM(Pulse Width Modulation) 컨버터, 필터단, 계통단 및 제어기가 전기적으로 연결된 3상 PWM 컨버터 시스템에 있어서, 상기 제어기는 상기 PWM 컨버터의 출력 전압을 제어하되, 상기 제어기는 직류단 전압 지령과 상기 직류단의 현재 전압의 차이를 기반으로 공진억제전압을 생성하고, 상기 생성된 공진억제전압을 상기 PWM 컨버터에 인가하는 것을 특징으로 하는 공진효과를 저감시키는 3상 PWM 컨버터 시스템이 개시된다.

Description

공진효과를 저감시키는 3상 PWM 컨버터 시스템{THREE-PHASE PWM CONVERTER SYSTEM REDUCING RESONANCE EFFECT}
본 발명은 PWM 컨버터 시스템에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 직류단과 필터단에의해 야기되는 공진효과를 저감시키는 PWM 컨버터 시스템에 관한 것이다.
일반적인 3상 PWM 컨버터 시스템에서 공진은 다이오드 정류기의 경우와 달리 공진성분이 단방향이 아닌 양방향으로 진동되어 시스템이 더 쉽게 발산하며, 스위칭하는 한 상으로 인해 순시적으로 공진 주파수가 변하는 특징을 가지고 있다.
도1은 Vus>V vs >V ws 에서의 시스템 동작을 모델링한 것으로, 계통 전압은 상수로 가정할 수 있다. D v 가 1에 가까워지면 u상과 v상이 직류단 상단에 연결되며, 두 상의 인덕터가 병렬로 연결되고, w상의 인덕터와 함께 공진회로의 등가 인덕턴스는 총 1.5L flt 가 된다. 마찬가지로 Dv가 0에 가까워질 때도 v상 w상 인덕터가 병렬로 형성되어 등가 인덕턴스는 1.5L flt 가 된다. 하지만 Dv가 0.5에 가까워질 때는 스위칭이 일어나는 w상이 공진에 영향을 끼치지 않게 되며 이 때 시스템은 다이오드 정류기의 경우와 동일한 공진회로를 가진다. 컨버터 시스템의 안정도 조건을 식으로 표현하면 아래와 같다.
Figure 112013067909830-pat00001
여기서 Req와 Leq는 통류율에 관한 함수이며 각각 1.5R flt ,1.5L flt 에서 2R flt ,2L flt 사이의 값을 가진다. 이와같은 상태에서 직류단 캐패시터의 용량을 매우 작게 설계하면, 작은 캐패시터 용량으로 인해 같은 출력 영역에서 대용량 캐패시터를 사용한 경우에 비해 안정도가 크게 떨어지는 문제가 발생할 수 있다.
또한, PWM 컨버터의 스위칭 동작에 있어서 종래의 SVPWM 및 DPWM 방식은 스위칭 손실이 큰 문제점이 있다.
또한, 계통단의 전압 및 전류는 정현파 형태를 가지는 것이 바람직하다, 소용량 커패시터를 PWM 컨버터 시스템에 적용할 경우 계통측 전압 지령 및 전류지령이 정현파 형태를 가질 때 직류단 전압은 계통주파수의 제6고조파에 해당하는 맥동을 포함하게 된다. 이러한 맥동은 높은 출력에서 전동기를 구동할 때 구동 성능을 크게 떨어뜨리는 문제점이 있다.
A three-phase voltage-source solar power conditioner using a single-phase PWM control method PWAM Boost-COnverter-Inverter system for EV Engine Starter_Alternator
위와 같은 문제점을 해결하기 위해, 스위칭 손실을 감소시키고, 공진으로 인해 직류단 전압 및 계통측 입력전류에 포함되는 고조파 성분을 제거하고, 커패시터의 감소로 인해 발생하는 직류단의 120Hz 성분의 맥동을 제거하는 것이 요구된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 공진효과를 저감시키는 3상 PWM 컨버터 시스템은, 부하단, 직류단, PWM(Pulse Width Modulation) 컨버터, 필터단, 계통단 및 제어기가 전기적으로 연결된 3상 PWM 컨버터 시스템으로, 상기 제어기는 상기 PWM 컨버터의 출력 전압을 제어하되, 상기 제어기는 직류단 전압 지령과 상기 직류단의 현재 전압의 차이를 기반으로 공진억제전압을 생성하고, 상기 생성된 공진억제전압을 상기 PWM 컨버터에 인가한다.
또한, 상기 공진효과를 저감시키는 3상 PWM 컨버터 시스템은, 상기 직류단 전압 지령은 선간전압지령의 최대값인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 공진효과를 저감시키는 3상 PWM 컨버터 시스템에서, 상기 제어기는, 상기 PWM 컨버터가 소정의 시간주기에서 세 개의 상중에서 적어도 한 개의 상이 스위칭 하도록 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 공진효과를 저감시키는 3상 PWM 컨버터 시스템에서, 상기 제어기는, 상기 PWM 컨버터가 소정의 시간주기에서 두 개의 상은 스위칭을 멈추고 한 개의 상은 스위칭 하도록 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 공진효과를 저감시키는 3상 PWM 컨버터 시스템에서, 상기 제어기는, 상기 직류단 전압 지령과 상기 직류단의 현재 전압의 차이에 기반하여 보상전류를 생성하는 보상전류 생성기, 상기 보상전류와 상기 직류단 전압에 기반하여 공진억제전력을 계산하는 공진억제전력 계산기, 상기 공진억제전력과 상기 부하측 전류에 기반하여 상기 공진억제전압 지령을 생성하는 공진억제전압지령 생성기, 상기 공진억제전압 지령에 기반하여 펄스폭 변조 방식으로 상기 PWM 컨버터에 상기 공진억제전압을 인가하는 PWM부를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 공진효과를 저감시키는 3상 PWM 컨버터 시스템에서, 상기 공진억제전압지령 생성기는, 상기 공진억제전압이 상기 부하측 전류와 위상이 동일하도록 상기 공진억제전압 지령을 생성하는 것을 특징으로 할 수 있다. 또한, 상기 공진효과를 저감시키는 3상 PWM 컨버터 시스템에서, 상기 제어기는, 상기 필터단의 임피던스 및 상기 계통단의 전압의 크기를 기반으로 직류단 맥동저감전류 지령을 생성하는 직류단 맥동저감전류 지령 생성기, 상기 직류단 맥동저감전류 지령을 기반으로 소정의 고조파 성분을 가진 전류를 상기 PWM 컨버터에 인가하는 PWM부를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 공진효과를 저감시키는 3상 PWM 컨버터 시스템에서, 상기 소정의 고조파 성분은 제5 고조파 및 제7 고조파인 것을 특징으로 할 수 있다. 또한 상기 공진효과를 저감시키는 3상 PWM 컨버터 시스템에서, 상기 소정의 고조파 성분을 가진 전류의 진폭 및 위상은 수치 대입법을 이용하여 얻어지는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 공진효과를 저감시키는 3상 PWM 컨버터 시스템에서, 상기 PWM 컨버터는 2레벨 또는 3레벨 PWM 컨버터인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 공진효과를 저감시키는 3상 PWM 컨버터 시스템에서, 상기 부하단은, 전기적으로 연결된 전동기 및 PWM 인버터를 포함하고, 상기 제어기는, 상기 생성된 공진억제전압을 상기 PWM 인버터 또는 상기 PWM 컨버터에 인가하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 공진효과를 저감시키는 3상 PWM 컨버터 시스템에서, 상기 직류단은, 필름 또는 세라믹 재질의 커패시터(소용량의 커패시터)로 구성된 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 따르면, 부분적 스위칭을 통해서 스위칭 손실을 줄이고, 커패시터의 출력전압 지령을 변경하여 공진으로 인한 맥동을 제거하고, 계통측 전류에 소정의 고조파를 주입함으로써 커패시터 감소로 인해 야기되는 직류단의 맥동성분을 저감시킬 수 있다.
도1은 종래 컨버터 시스템의 회로도이다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 공진효과를 저감시키는 3상 PWM 컨버터 시스템(1000)이다.
도3은 계통발전상황에서 직류단전압지령(Vdc *),선간전압지령(Vab *,Vbc *,Vca *),계통전압(Vuv,Vuw,Vwu)의 파형을 나타내는 그래프이다.
도4는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 공진효과를 저감시키는 3상 PWM 컨버터 시스템(1000)이다.
도5는 같은 전력을 출력하는 전압벡터들을 나타내는 d,q 좌표계이다.
도6a 및 도6b는 계통측 선간전압지령의 절대값과 직류단전압 및 계통전류 파형을 나타낸다.
도7은 다른 일 실시예에 따른 부하단(10)의 세부 구성도이다.
도8은 3상 2레벨 PWM 컨버터 시스템의 회로도이고, 도9a 및 도9b는 도8의 PWM 컨버터가 각각 SVPWM 및 DPWM 스위칭 방식으로 스위칭 하는 경우의 스위칭 패턴 및 직류단 전압(Vdc) 및 상전압지령(Van*,Vbn*,Vcn*)의 변화를 나타낸다.
도10은 본 발명의 일 실시예에 따라 부분적 스위칭하는 PWM컨버터 시스템에서 스위칭 패턴 및 직류단 전압(Vdc) 및 상전압지령(Van*,Vbn*,Vcn*)의 변화를 나타낸다.
도11은 T-타입 3레벨 PWM컨버터 시스템이고, 도12a 및 도12b는 SVPWM 및 DPWM 스위칭 방식의 스위칭 패턴 및 직류단 전압(Vdc) 및 상전압지령(Van*,Vbn*,Vcn*)의 변화를 나타낸다.
도13은 일 실시예에 따른 부분적 스위칭을 적용한 경우의 스위칭 패턴 및 직류단 전압(Vdc)및 상전압지령(Van*,Vbn*,Vcn*)의 변화를 나타낸다.
도14는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 3상 PWM 컨버터 시스템(1000)이다.
도15a-b는 인터버 또는 컨버터를 선택적으로 제어할 수 있는 제어부(100)의 기능을 설명하기 위한 3상 PWM 컨버터 시스템(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.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 공진효과를 저감시키는 3상 PWM 컨버터 시스템(1000)이다. 공진효과를 저감시키는 3상 PWM 컨버터 시스템(1000)은 부하단(10), 직류단(20), PWM 컨버터(30), 필터단(40), 계통단(50) 및 제어기(100)를 포함할 수 있다. 도1과 같이 부하단과 PWM 컨버터는 직류단을 통해 연결된다. 직류단(20)은 두 회로 사이에서 고조파 성분을 필터링해 주는 역할을 한다. 일반적으로 컨버터 동작에서 직류단 전압을 계통단 전압보다 큰 값으로 제어하여 부하/발전 동작이 모두 가능할 수 있다. 따라서 일 실시예에서는 부하단(10)은 전동기와 같은 부하이거나 발전기일 수 있다. 또한 PWM 컨버터(30)는 3상 2레벨 이거나 3레벨 PWM 컨버터일 수 있다.
제어기(100)는 상기 PWM 컨버터(30)의 출력 전압을 제어할 수 있다. 제어기(100)는 계통전력을 제어하기 위한 전압지령을 생성하고, 생성된 전압지령에 기반하여 계통단의 전압을 제어할 수 있다.
제어기(100)는 직류단 전압 지령(V* dc)과 직류단(20)의 현재 전압(Vdc)의 차이를 기반으로 공진억제전압(Vdqe comp)을 생성하고, 상기 생성된 공진억제전압(Vdqe comp)을 상기 PWM 컨버터(30)에 인가할 수 있다. 구체적으로 제어기는 생성된 공진억제전압지령을 계통전력제어를 위한 전압지령에 더하여 PWM 컨버터에 소정의 전압을 인가할 수 있다.일 실시예에서 직류단전압지령(V* dc)은 선간전압지령(또는 선간출력전압지령로도 언급된다)의 최대값일 수 있다. 도3은 계통발전상황에서 직류단전압지령(Vdc *),선간전압지령(Vab *,Vbc *,Vca *),계통전압(Vuv ,Vuw,Vwu)의 파형을 나타내는 그래프이다. 도3을 참조하면 직류단전압지령(V* dc)은 선간전압지령의 최대값으로 나타난다. 종래 3상 PWM 컨버터에서는 직류단 전압을 Van*보다 높게 두어 제어를 수행했으나, 본 발명에서는 직류단 전압이 선간전압지령의 절대치의 최대값이 되도록 제어한 후 필요한 출력 지령 전압을 합성한다. 직류단 전압을 상기에 언급한대로 제어한다는 것은 계통에 원하는 전류가 흐르기 위한 최소한의 직류단 전압을 맞춰준다는 의미이고, 이때 출력 지령 전압이 최대 또는 최소값인 상(phase)은 상단 또는 하단 스위치가 턴온을 유지하며 직류단 전압이 곧 출력 전압이 됨을 의미한다.
도4는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 공진효과를 저감시키는 3상 PWM 컨버터 시스템(1000)이다. 3상 PWM 컨버터 시스템(1000)의 제어기(100)는 보상전류 생성기(110), 공진억제전력 계산기(120), 공진억제전압 지령 생성기(130), PWM부(140) 및 계통전력 제어기(160)를 포함할 수 있다.
계통전력 제어기(160)는 일반적인 계통 전력 제어를 위한 전압 지령을 생성하여 PWM부(140)에 인가한다. 즉, 계통전력 제어기(160)는 공지의 계통전력 제어기의 기능을 수행할 수 있다.
그리고 본 발명에 있어서, 계통전력 제어기(160)가 생성한 기존 전압 지령에 공진 억제전압지령 생성기(130) 및 직류단 맥동저감전류지령 생성기(150) 등이 생성한 각종 전압 지령이 더해져서 PWM부(140)에 인가될 수 있다. 이에 따라서 기존 제어전압에 부가적인 전압이 더해져서 공진효과및 직류단 맥동을 저감할 수 있게된다.
보상전류 생성기(110)는 직류단전압지령(V* dc)과 직류단의 현재전압(Vdc)의 차이에 기반하여 보상전류(Isupp)를 생성할 수 있다. 상기 보상전류(Isupp)는 직류단 전압제어에 필요한 전류이다.
공진억제전력 계산기(120)는 상기 보상전류(Isupp)와 상기 직류단 전압(Vdc)에 기반하여 공진억제전력(Pcomp)을 계산할 수 있다. 구체적으로, 공진억제전력 계산기(120)는 보상전류(Isupp)와 상기 직류단 전압(Vdc)을 곱하여 얻어진 보상전력(Psupp)에서 직류단 전압의 맥동에의해 충전 또는 방전되는 전력(Pdc ref)을 빼서 상기 공진억제전력(Pcomp)을 얻을 수 있다. 또한 다른 실시예에서는 보상전류 생성기를 제외하고, 공진억제전력 계산기(120)는 상기 직류단 전압 지령과 상기 직류단의 현재 전압의 차이에 기반하여 공진억제전력을 계산할 수도 있다.
상기 전력(Pdc ref)은 계통측의 전류를 원하는 형태로 제어하기 위해 전동기 출력 전력 계산시 고려되어야 하는 변수이며, 하기의 수학식 에 의해 얻어진다.
Figure 112013067909830-pat00002
공진억제전압지령 생성기(130)는 상기 공진억제전력(Pcomp)과 상기 부하측 전류에 기반하여 상기 공진억제전압 지령(Vdqe comp)을 생성할 수 있다. 구체적으로 부하측이 출력하는 전력의 크기는 P=1.5VI관계를 의미하므로, 현재 전류 벡터의 크기를 알면 공진성분을 보상하기 위해 출력해야 하는 전압의 크기를 구할 수 있다.
또한, 공진억제전압지령 생성기(130)는 전동기의 전기적 출력의 크기가 전동기에 인가되는 전압과 전동기 전류의 내적에 비례하므로, 보상전력(Psupp)으로부터 공진억제전압 지령(Vdqe comp)을 구할 수 있다. 제어기(100)의 측면에서 공진억제전압 지령(Vdqe comp)은 외란으로 인식될 수 있으므로, 원하는 전력을 출력하면서 보상전압지령의 크기를 최소화하는 것이 요구된다.
도5는 같은 전력을 출력하는 전압벡터들을 나타내는 d,q 좌표계이다. 도5에서 d,q로 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 d,q 기준 벡터를 이용하여 흔히 표현한다.
도5를 참조하면, 같은 전력을 출력하는 전압벡터 중에서 전류 벡터와 평행한 벡터의 크기가 가장 작다. 따라서 일 실시예에서 공진억제전압지령 생성기(130)는 보상전압벡터가 전동기 전류 벡터와 평행하도록 공진억제전압 지령을 생성할 수 있다. 구체적으로 공진억제전압지령 생성기(130)는 보상전력(Psupp)을 부하측 전류의 크기인 Iinv로 나누고, 전동기측 전류 각θi에대해회전변환하여보상전압지령(공진억제전압 지령)을 구할 수 있다. 즉, 상술한 공진억제전압 지령은 PWM 컨버터(30)를 제어하기 위해 필요한 상기 보상전압지령에 포함될 수 있다.
PWM부(140)는 공진억제전압 지령을 기반하여 펄스폭 변조 방식으로 PWM 컨버터(30)에 공진억제전압(Vdqe comp)을 인가하는 역할을 할 수 있다. 구체적으로 PWM부(140)는 공진억제전압지령과 계통전력 제어를 위한 전압지령이 더해진 전압지령에 기반하여 생성된 전압을 PWM 컨버터에 인가할 수 있다.
계통전력제어를 위한 전압지령의 생성 및 인가는 공지의 방식을 따르며, 본 발명의 일 실시예에서 이러한 전압지령 및 인가는 상기 PWM부(140)를 통해서 이루어질 수 있다.
PWM 방식은 일반적으로 사용되는 펄스 폭 변조 방식 모두를 포함하며, 당업자에게 용이하므로 본 명세서는 설명을 생략하기로 한다.
다른 일 실시예에서, 제어기(100)는 PWM부(140) 및 직류단 맥동저감전류 지령 생성기(150)를 포함할 수 있다. 공진억제를 위해 이용되는 PWM부(140)는 맥동저감을 위해서도 이용될 수 있으며, 공진억제와 맥동저감을 위해 도3의 제어기에 도시된 바와 같이 구성(110) 내지 (150)이 함께 구비되고 동작될 수도 있다.
도6a 및 도6b는 계통측 선간전압지령의 절대값과 직류단전압 및 계통전류 파형을 나타낸다. 일반적으로 계통단의 전압 및 전류의 파형은 고조파를 포함하지 않은 정현파 형태로 제어하는 것이 전력의 맥동이나 손실 측면에서 이상적이다. 그러나 상술한 바와 같이 직류단 전압을 선간접압지령의 최대값으로 제어되고 계통의 전압 및 전류를 정현파 모양으로 제어하면 도6a에 나타난 바와 같이 직류단 전압(Vdc)에 약 40v의 맥동이 포함된다.
이 직류단 전압의 맥동은 고출력영역에서 전동기 출력에 발생하는 맥동의 원인이 된다. 따라서 이러한 맥동을 저감시켜 직류단 전압이 일정하게 되도록 계통측 전압(전류)가 정현파가 아닌 사각파형으로 변경될 필요가 있다. 그러나 계통전류는 계통전류 고조파 관련 규정상 임의로 변경할 수 없는 사항이다.
계통전류고조파 관련 규정IEC61000-3-12를 참조하면 제5고조파의 규제치는 기본파의 21.6%이고 제7고조파의 규제치는 기본파의 10.7%로서 저주파의 규제치로서 상당한 여유가 있다. 본 발명에서는 이와 같은 점을 활용하여 계통전류의 규제치 내의 고조파 성분을 적절히 주입하여 직류단 전압의 맥동을 줄인다.
직류단 맥동저감전류 지령 생성기(150)는 필터단(40)의 임피던스 및 계통단(50)의 전압의 크기를 기반으로 직류단 맥동저감전류지령을 생성할 수 있다. 직류단 맥동저감전류 지령은 소정의 고조파 성분을 포함하는 전류(예컨대, 제5고조파 및/또는 제7고조파 성분을 포함하는 전류)가 계통단에 흐르도록 PWM 컨버터(30)를 제어하는 지령이다.
일 실시예에서, 제5고조파 및 제7고조파 성분을 가지는 전류를 주입하는 전류를 구할 수 있다. 예컨대, a상에 주입할 전류 형태는 아래 수학식3과 같이 나타낸다. b, c상에 주입할 전류 파형도 수학식3을 참조하여 나타낼 수 있다. Ifund는 기본파 성분의 진폭을 뜻한다.
Figure 112013067909830-pat00003
직류단 맥동저감전류 지령 생성기(150)는 계통 전압의 크기와 정격 출력의 크기, 그리고 계통 필터의 임피던스 정보를 바탕으로 직류단 전압 맥동을 최소화하는 k5,k7,Φ5 th Φ7 th을구한다. 선간 전압의 최대치로 표시되는 직류단 전압의 맥동의 크기, 즉 최소값과 최대값의 차이는 식으로 정리하기 어려우므로 수치 대입법을 사용하여 미리 직류단 전압 맥동을 최소화하는 고조파 성분 정보를 구한 다음 데이터베이스화 할 수 있다.
도6b는 소정의 전류 고조파를 주입한 후의 선간전압지령의 절대값과 직류단 전압 및 계통전류 파형을 나타낸다. 도6b의 실험 예에는, 220Vrms 3상 계통단에 Lline=1mH,Rline=0.1Ω의 필터를 포함한 정격 용량 17kW의 PWM 컨버터가 연결된 경우, k5=0.107, k7=0.0038, Φ5 th=0.3π, Φ7 th=0.2π일 때의 결과이다. 도6b를 참조하면 본 발명에 따라 계통잔에 소정의 고조파를 포함하는 전류를 주입함으로써 직류단 전압(Vdc)의 맥동을 약 7V까지 줄어드는 것을 확인할 수 있다.
계통 전류에 고조파를 포함시켰을 때 추가로 얻을 수 있는 장점은, 스위칭 구간의 감소에 따른 스위칭 손실의 저감이 가능하다는 것이다. 이는 중간 상의 스위칭이 일어나는 구간이 전압에 포함된 고조파로 인해 짧아지면서 가능하다. 고조파를 포함하여 계통 전류를 제어하는 경우 그림 15와 같이 고조파 주입 전보다 좁은 구간에서 스위칭이 발생하는 것을 확인할 수 있다.
상기 일 실시예에서 PWM부(140)는 상기 직류단 맥동저감전류 지령을 기반으로 소정의 고조파 성분을 가진 전류가 흐르도록 상기 PWM 컨버터(30)에 소정의 전압을 인가할 수 있다. 상기 소정의 고조파 성분은 제5 고조파 및 제7 고조파일 수 있으며, 상기 소정의 고조파 성분을 가진 전류의 진폭 및 위상은 수치 대입법을 이용하여 얻어질 수 있다. 즉, PWM부(140)는 직류단 맥동저감전류 지령에 기반하여, 직류단 맥동이 최소화 되도록 소정의 고조파를 가진 전류를 생성한다. 이러한 전류를 생성하기 위해 PWM부(140)는 PWM 컨버터(30)의 전압을 조절할 수 있다.
도7은 다른 일 실시예에 따른 부하단(10)의 세부 구성도이다. 도7을 참조하면 부하단(10)은 전동기(11) 및 PWM 인버터(12)를 포함할 수 있다. 이 경우, 상술한 PWM부(140)는 상기 PWM컨버터(30) 및/또는 상기 PWM 인버터(12)에 전기적으로 연결되어 이를 제어하여 각 회로(30 또는 12)의 출력전압을 제어할 수 있다. 이에 따라서 상술한 바와 같이 공진으로 인한 효과를 저감시키거나, 고조파 성분의 전류를 주입하여 계통측의 120Hz 전류에 의한 직류단 맥동을 저감시킬수 있다.
도14는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 3상 PWM 컨버터 시스템(1000)이다. 이 실시예에서 PWM 컨버터(30)는 다이오드 정류기로 대체될 수 있다. 이 경우 전력은 계통단에서 부하단으로만 전달된다. 따라서 공진 억제 또는 직류단 전압의 맥동제거는 부하단측의 PWM 인버터(12)에 의해 수행된다. 그리고 부하단전력제어기(161)에의해 부하단 전력이 제어된다. 이 경우 PWM부(140)는 도14에 도시된 바와 같이 PWM인버터(12)에 전기적으로 연결되어 이를 제어한다.
즉, 도4 및 도14를 참조하면, 제어부(100)는 부하단(10)의 인버터(12) 또는 PWM 컨버터(30)를 제어하여 직류단 맥동을 저감시키거나 공진으로인한 노이즈를 제어할 수 있다.
도15a 및 b는 인터버 또는 컨버터를 선택적으로 제어할 수 있는 제어부(100)의 기능을 설명하기 위한 3상 PWM 컨버터 시스템(1000)이다. 일 실시예에서 PWM부(140)는 제1 PWM부(141) 및 제2 PWM부(142)를 포함할 수 있다.
즉, 도15a에서와 같이, 공진억제전압지령 생성기(130)에 의한 제어(cont1)는 제1PWM부(141)로부터 PWM인버터(12)를 통하고, 직류단맥동저감전류 지령 생성기(150)에의한 제어(cont2)는 제2PWM부(142)로부터 PWM 컨버터(30)를 통해 수행될 수 있다.
또는 도15b에서와 같이 공진억제전압지령 생성기(130)에의한 제어(cont2)는 제2PWM부(142)로부터 PWM컨버터(30)를 통하고, 직류단맥동저감전류 지령 생성기(150)에의한 제어(cont1)는 제1PWM부(141)로부터 PWM 인버터(12)를 통해 수행될 수도 있다. 즉, 제어부(100)는 공진억제 및 직류단 맥동저감을 위해서 PWM 인버터 및 PWM 컨버터를 선택적으로 제어하도록 구성될 수 있다.
또한 이와 같은 경우, 도15a 및 b에 나타난 바와 같이, 계통전력 제어기(160) 및 부하단전력 제어기(161)는 각 PWM부가 제어하는 대상에 부합되도록 제1 PWM부 및 제2 PWM부에 적절하게 연결될 수 있다.일 실시예에서 제어기(100)는 상기 제어기는, 상기 PWM 컨버터가 소정의 시간주기에서 세 개의 상중에서 적어도 한 개의 상이 스위칭 하도록 제어할 수 있다. 더욱 구체적으로는 상기 PWM 컨버터가 소정의 시간주기에서 두 개의 상은 스위칭을 멈추고 한 개의 상은 스위칭 하도록 제어할 수 있다.
도8은 3상 2레벨 PWM 컨버터 시스템의 회로도이고, 도9a 및 도9b는 도8의 PWM 컨버터가 각각 SVPWM 및 DPWM 스위칭 방식으로 스위칭 하는 경우의 스위칭 패턴 및 직류단 전압(Vdc)및 상전압지령(Van*,Vbn*,Vcn*)의 변화를 나타낸다.
PWM 컨버터는 스위칭 동작을 통해 출력 지령 전압을 합성할 때 여러 가지 PWM 방식이 사용되는데, 일반적으로 도9a에 도시된 SVPWM이 사용된다. 여기서 Van*,Vbn*,Vcn*은 각 상전압지령(또는 상출력전압지령)이며, Vdc는 직류단 전압이다. Sa,Sb,Sc는 각각 각 상의 스위치 상태를 나타내며, 턴온 및 턴오프 시 각각 1 또는 0의 값을 가진다. 도8에서 Sa,Sb,Sc는 각각 S a ,S b ,S c 와 상보적으로 동작한다.
도3을 참조하면 a상 출력 지령 전압이 최대값, b상 출력 지령 전압이 중간값, c상 출력 지령 전압이 최소값일 때의 회로를 나타낸다. 이 경우 b상 스위치가 지령 전압을 합성하고, 3상 평형에 의해 원하는 출력 지령 전압을 만들 수 있다. 여기서 스위칭을 하는 상의 경우 선간 전압 대비 지령 전압의 비(ratio)만큼 스위칭을 해주면 되며, 실시예에서의 b상 스위칭 비율 Db은 아래 식과 같이 결정된다.
Figure 112013067909830-pat00004
SVPWM의 경우 선형 전압 합성 영역 내에서는 매스위칭주기마다스위치가작동하기에스위칭손실이비교적크다. 이에 종래의 PWM방식에서는 3상 필터단과 계통단에 인가되는 유효전압은 동일하되 일정구간 동안 스위치 상태를 유지하는 불연속 PWM (Discontinuous PWM)가 소개되고 있다. DPWM의 비-스위칭 구간은 1/3주기(120˚)이며, 이 구간이 발생하는 위상에 따라 120˚DPWM, 60˚DPWM, 30˚DPWM 등으로 나누어진다. 따라서 DPWM 방식을 사용하면 SVPWM에 비해 스위칭 손실을 약 33%만큼 줄일 수 있다. 도9b는 DPWM 중 하나인 60˚DPWM의 스위칭 패턴을 나타낸 것으로 한 주기 내 60˚씩 비-스위칭 구간이 발생하는 것을 알 수 있다.
도10은 본 발명의 일 실시예에 따라 부분적 스위칭하는 PWM컨버터 시스템에서 스위칭 패턴 및 직류단 전압(Vdc)및 상전압지령(Van*,Vbn*,Vcn*)의 변화를 나타낸다. 본 발명에 따른 부분적 스위칭은 도10과 같이 두 개의 kd이 스위칭을 멈추는 구간이 발생함에 반하여, DPWM방식은 하나의 상만이 스위칭을 멈추는 구간이 발생한다.
도10을 참조하면, 본발명의 일 실시예에 따르면,출력 한 주기 2/3주기 (240˚) 동안 비-스위칭 구간이 유지되고, 계통 전류가 3상 평형 전류가 되도록 유효 출력 전압을 합성할 수 있다. 따라서 제안된 스위칭 방식을 이용하면 스위칭 손실을 SVPWM에 비해 약 67%, DPWM에 비해 약 50%까지 줄일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, PWM 컨버터(30)는 도8과 같은 2레벨 PWM 컨버터뿐만 아니라 3레벨 PWM 컨버터일 수도 있다. 제어기(100)는 상술한 방법과 같이 2레벨 PWM 컨버터를 제어하는 방식으로 3레벨 PWM컨버터를 제어할 수 있다. 다만 스위치가 늘어난 3레벨 PWM 컨버터의 경우 각 스위치마다 스위칭 하는 구간이 더욱 작아지고, 하나의 스위치 당 1/6주기만 스위칭을 하게 된다. 일반적인 3상 3레벨 PWM 컨버터에 대해 적용할 수도 있다.
도11은 T-타입 3레벨 PWM컨버터 시스템이고, 도12a 및 도12b는 SVPWM 및 DPWM 스위칭 방식의 스위칭 패턴 및 직류단 전압(Vdc)및 상전압지령(Van*,Vbn*,Vcn*)의 변화를 나타낸다. 그리고 도13은 일 실시예에 따른 부분적 스위칭을 적용한 경우의 스위칭 패턴 및 직류단 전압(Vdc)및 상전압지령(Van*,Vbn*,Vcn*)의 변화를 나타낸다.
이때 출력 지령 전압이 최대 및 최소값이 아닌 상은 스위칭을 통해 지령 전압을 합성해주면 원하는 출력 지령 전압을 낼 수 있다. 도 3은 스위칭 구간의 예시적인 회로도이다. 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.
10: 부하단
20: 직류단
30: PWM 컨버터
40: 필터단
50: 계통단
100: 제어기

Claims (12)

  1. 부하단, 직류단, PWM(Pulse Width Modulation) 컨버터, 필터단, 계통단 및 제어기가 전기적으로 연결된 3상 PWM 컨버터 시스템에 있어서, 상기 제어기는 상기 PWM 컨버터의 출력 전압을 제어하되,
    상기 제어기는 직류단 전압 지령과 상기 직류단의 현재 전압의 차이를 기반으로 공진억제전압지령을 생성하고, 상기 생성된 공진억제전압지령을 계통 전력 제어를 위한 전압지령에 더하여 상기 PWM 컨버터에 인가하며,
    상기 직류단 전압 지령은 선간전압지령의 최대값인 것을 특징으로 하는 공진효과를 저감시키는 3상 PWM 컨버터 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어기는, 상기 PWM 컨버터가 소정의 시간주기에서 세 개의 상중에서 적어도 한 개의 상이 스위칭 하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 공진효과를 저감시키는 3상 PWM 컨버터 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제어기는, 상기 PWM 컨버터가 소정의 시간주기에서 두 개의 상은 스위칭을 멈추고 한 개의 상은 스위칭 하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 공진효과를 저감시키는 3상 PWM 컨버터 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 직류단 전압 지령과 상기 직류단의 현재 전압의 차이에 기반하여 공진억제전력을 계산하는 공진억제전력 계산기;
    상기 공진억제전력과 상기 부하측 전류에 기반하여 상기 공진억제전압 지령을 생성하는 공진억제전압지령 생성기;
    상기 공진억제전압 지령에 기반하여 펄스폭 변조 방식으로 상기 PWM 컨버터에 상기 공진억제전압지령을 계통 전력 제어를 위한 전압지령에 더하여 인가하는 PWM부를 포함하는 것을 특징으로 하는 공진효과를 저감시키는 3상 PWM 컨버터 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 공진억제전압지령 생성기는,
    상기 공진억제전압이 상기 부하측 전류와 위상이 동일하도록 상기 공진억제전압 지령을 생성하는 것을 특징으로 하는 공진효과를 저감시키는 3상 PWM 컨버터 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 필터단의 임피던스 및 상기 계통단의 전압의 크기를 기반으로 직류단 맥동저감전류 지령을 생성하는 직류단 맥동저감전류 지령 생성기;
    상기 직류단 맥동저감전류 지령을 기반으로 소정의 고조파 성분을 가진 전류가 생성되도록 상기 PWM 컨버터에의해 소정의 전압을 인가하는 PWM부를 포함하는 것을 특징으로 하는 공진효과를 저감시키는 3상 PWM 컨버터 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 소정의 고조파 성분은 제5 고조파 및 제7 고조파인 것을 특징으로 하는 공진효과를 저감시키는 3상 PWM 컨버터 시스템.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 소정의 고조파 성분을 가진 전류의 진폭 및 위상은 수치 대입법을 이용하여 얻어지는 것을 특징으로 하는 공진효과를 저감시키는 3상 PWM 컨버터 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 PWM 컨버터는 2레벨 또는 3레벨 PWM 컨버터인 것을 특징으로 하는 공진효과를 저감시키는 3상 PWM 컨버터 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 부하단은,
    전기적으로 연결된 전동기 및 PWM 인버터를 포함하고,
    상기 제어기는, 상기 생성된 공진억제전압을 상기 PWM 인버터 또는 상기 PWM 컨버터에 인가하는 것을 특징으로 하는 공진효과를 저감시키는 3상 PWM 컨버터 시스템.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 직류단은,
    필름 또는 세라믹 재질의 커패시터로 구성된 것을 특징으로 하는 공진효과를 저감시키는 3상 PWM 컨버터 시스템.
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