KR101577166B1 - 정류기의 효율을 개선하는 제어 방법 및 제어 장치 - Google Patents

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Abstract

정류기의 효율을 개선하는 제어 방법 및 장치가 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 정류기의 효율을 개선시키는 제어 장치는 정류기에 포함된 복수의 레그 중 가장 큰 전류가 흐르는 레그가 선택되면, 상기 정류기에 의해 생성되는 복수의 전압 벡터 중 상기 선택된 레그의 스위칭을 만드는 전압 벡터들을 제외한 나머지 전압 벡터들을 선택하는 전압 벡터 선택부 및 다음 샘플링 구간에 상기 선택된 나머지 전압 벡터들을 이용하여 상기 정류기의 스위칭을 제어하는 스위칭 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

정류기의 효율을 개선하는 제어 방법 및 제어 장치{CONTROL METHOD AND APPARATUS FOR IMPROVING EFFICIENCY OF ACTIVE RECTIFIERS}
본 발명은 3상 정류기의 스위칭 손실을 감소시켜 효율을 개선하는 기술에 관한 것이다.
일반적으로 산업용 전기 제품은 상용 전원을 안정화시키기 위한 전원 변환 장치를 구비하며, 이러한 전원 변환 장치에는 자동 전압 조정기(AVR), 무정전 시스템(UPS), 정류기 등이 포함된다.
이 중에서 정류기는 AC를 DC로 변환하는 장치로서 다이오드 방식, SCR(Silicon Controlled Rectifier) 방식, SCR 위상 제어 방식 등으로 구분되는데, 전원 변환을 위한 스위칭 동작 시 전압과 전류로 인해 파워가 발생하고 그로 인한 손실로 효율이 저하되는 문제가 있다.
특히, 스위칭 동작 시 큰 전류가 흐르게 되면 더욱 큰 손실이 발생하는 문제가 있다.
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 3상 정류기의 스위칭 손실을 감소시켜 효율을 높이는 방안을 제공하고자 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 정류기의 효율을 개선시키는 제어 장치는 정류기에 포함된 복수의 레그 중 가장 큰 전류가 흐르는 레그가 선택되면, 상기 정류기에 의해 생성되는 복수의 전압 벡터 중 상기 선택된 레그의 스위칭을 만드는 전압 벡터들을 제외한 나머지 전압 벡터들을 선택하는 전압 벡터 선택부 및 다음 샘플링 구간에 상기 선택된 나머지 전압 벡터들을 이용하여 상기 정류기의 스위칭을 제어하는 스위칭 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 제어 장치가 정류기의 효율을 개선시키는 방법은 (a) 정류기에 포함된 복수의 레그 중 가장 큰 전류가 흐르는 레그를 선택하는 단계, (b) 상기 정류기에 의해 생성되는 복수의 전압 벡터 중 상기 선택된 레그의 스위칭을 만드는 전압 벡터들을 제외한 나머지 전압 벡터들을 선택하는 단계, (c) 현재 전압과 전류 및 상기 선택된 전압 벡터들을 이용하여 미래 전류와 미래 전압을 계산하는 단계, (d) 상기 계산된 미래 전류와 미래 전압에 근거하여 미래 유효 전력과 미래 무효 전력을 포함하는 미래 전력을 계산하는 단계 및 (e) 상기 계산된 미래 전력 중 기준 유효 전력과 기준 무효 전력을 포함하는 기준 미래 전력에 가장 근접한 하나의 미래 전력을 선택하고, 다음 샘플링 구간에 상기 선택된 미래 전력를 이용하여 상기 정류기의 스위칭을 제어하는 단계를 포함하되, 상기 (e) 단계는 상기 가장 큰 전류가 흐르는 레그의 스위칭을 클램핑(clamping)하고, 상기 (b) 단계에서 선택된 나머지 전압 벡터를 이용하여 다른 레그의 스위칭을 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 3상 정류기의 스위칭 손실을 감소시켜 효율을 높일 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3상 정류기의 스위칭 손실을 감소시켜 효율을 높이는 제어 장치의 구성을 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3상 정류기의 스위칭 손실을 감소시켜 효율을 높이는 제어 과정을 도시한 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 3상 정류기의 스위칭 손실을 감소시키는 전압 벡터의 선택을 설명하기 위한 표이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 3상 정류기의 스위칭 손실을 감소시켜 효율을 높이는 실험 결과를 도시한 그래프이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다.
그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
또한 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3상 정류기의 스위칭 손실을 감소시켜 효율을 높이는 제어 장치의 구성을 도시한 블록도이다.
참고로, 본 발명의 일 실시예에서는 도 1에 도시된 바와 같이 3상 6개의 스위치를 가지는 3상 능동 정류기(이하, ‘정류기’라 칭함) 및 정류기에 의해 생성되는 8개의 전압 벡터(voltage vectors) - 2개의 제로 벡터(zero vector)(v0, v7)와 6개의 넌 제로 벡터(non zero vercor)(v1, v2, v3, v4, v5, v6) - 를 고려하도록 한다.
스위칭 손실은 스위칭 순간에 정류기의 스위치를 통해 흐르는 입력 전류의 크기에 종속되므로, 가장 큰 입력 전류가 흐르는 스위치의 스위칭 동작을 중단시키는 것이 바람직하다.
이에, 본 발명의 일 실시예에 따른 제어 장치(100)는 다음 샘플링 구간에서 8개의 전압 벡터 중 가장 큰 입력 전류가 흐르는 레그(leg)의 스위칭을 클램핑(clamping)하고, 해당 레그의 스위칭을 만드는 4개의 전압 벡터를 제외한 나머지 4개의 전압 벡터를 이용하여 스위칭을 수행함으로써, 정류기의 스위칭 손실을 감소시켜 효율을 높일 수 있다.
이를 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 제어 장치(100)는 전압 벡터 선택부(110), 미래 전류 계산부(120), 미래 전력 계산부(130), 비용 함수 적용부(140) 및 스위칭 제어부(미도시)를 포함할 수 있다.
참고로, 도 1의 ab 직교 좌표에서 입력 전압과 입력 전류는 각각 아래의 [수학식 1]과 [수학식 2]로 나타낼 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112015042269643-pat00001
[수학식 2]
Figure 112015042269643-pat00002
또한, 전압 벡터는 정류기의 스위칭 상태와 dc-link 전압을 반영하여 아래의 [수학식 3]과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112015042269643-pat00003
여기서, Sa, Sb 및 Sc는 각 레그의 상위 스위치의 스위칭 함수이며 닫힌 상태와 열린 상태는 각각 1과 0으로 나타낼 수 있다.
그리고 정류기의 입력 전류는 ab 프레임에서 벡터 형식(vector form)으로 나타내면 아래의 [수학식 4]와 같으며, 이산 시간 영역(discrete-time domain)에서는 아래의 [수학식 5]와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112015042269643-pat00004
[수학식 5]
Figure 112015042269643-pat00005
그리고 불가피한 제어 지연(inevitable control delay)에 의한 악 영향(adverse effects)을 회피하기 위해서 지연 보상(delay compensation)을 반영하는 (k + 2) 순간에서의 미래 전류(future input current)는 [수학식 5]를 이용하여 아래의 [수학식 6]과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 6]
Figure 112015042269643-pat00006
참고로, 상기 [수학식 6]에서 요구되는 미래 전류 is(k + 1)는 현재 전류 is(k)와 현재 전압 vs(k) 그리고 [수학식 5]에서 dc-link 전압과 현재 스위칭 상태를 반영한 전압 vREC(k)를 계산함으로써 획득될 수 있다.
그리고, 상기 [수학식 6]에서 요구되는 미래 전압 vs(k + 1)는 k번째 순간에서 측정된 현재 전압 vs(k)와 동일한 것으로 가정하거나, 전원 전압 벡터(source voltage vector)의 각(angle)을 이용하여 아래의 [수학식 7]을 통해 계산될 수 있다.
[수학식 7]
Figure 112015042269643-pat00007
여기서,
Figure 112015042269643-pat00008
는 하나의 샘플링 구간에서 각주파수(angular frequency) w와 관련이 있는 전원 전압 벡터의 각 변화를 의미한다.
또한, (k + 2)번째 순간에서 8개의 미래 유효 전력과 미래 무효 전력(future instantaneous input real and reactive powers)은 [수학식 6]에서 계산된 미래 전류(총 8개의 미래 전류)에 근거하여 계산될 수 있으며, 각각 아래의 [수학식 8] 및 [수학식 9]와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 8]
Figure 112015042269643-pat00009
[수학식 9]
Figure 112015042269643-pat00010
여기서,
Figure 112015042269643-pat00011
및
Figure 112015042269643-pat00012
은 ab 프레임에서 (k + 2)번째 순간의 미래 전류와 미래 전압 값을 각각 의미한다.
또한, [수학식 8]과 [수학식 9]에서 요구되는 (k + 2)번째 순간에서의 미래 전압 vs(k + 2)는 vs(k + 1)과 동일한 것으로 가정하거나 [수학식 7]에 의해 획득될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 제어 장치(100)의 각 구성 요소를 설명하면, 전압 벡터 선택부(110)는 정류기에 입력되는 현재 전류와 현재 전압에 근거하여 가장 큰 전류가 흐르는 레그를 선택하고, 8개의 전압 벡터 중 선택된 레그(leg)의 스위칭을 만드는 4개의 전압 벡터를 제외한 나머지 4개의 전압 벡터를 선택할 수 있다.
여기서, 전압 벡터 선택부(110)에 의해 선택된 4개의 전압 벡터는 미래 전압으로서 [수학식 6]으로부터 계산될 수 있으며, 아래의 [수학식 10]과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 10]
Figure 112015042269643-pat00013
한편, 미래 전류 계산부(120)는 정류기에 입력되는 현재 전류와 현재 전압 그리고 전압 벡터 선택부(110)에 의해 선택된 4개의 전압 벡터에 근거하여, 각 전압 벡터에 대응하는 4개의 미래 전류 is(k + 2)를 계산할 수 있으며, 이는 상기 [수학식 6]으로부터 계산될 수 있다.
참고로, 미래 전압 vs(k + 2)는 vs(k + 1)과 동일한 것으로 가정할 수 있으며, vs(k + 1)은 현재 입력 전압 vs(k)와 동일한 것으로 가정할 수 있으므로, 도 1에서는 vs(k + 1)로 표시하였다.
물론 전술한 바와 같이, 미래 전류 계산부(120)는 vs(k + 2)를 계산함에 있어 [수학식 7]을 이용할 수도 있다.
한편, 미래 전력 계산부(130)는 미래 전류 계산부(120)에서 계산된 4개의 미래 전류 is(k + 2)와 미래 전압 vs(k + 2)를 이용하여, 각각에 대응하는 4개의 미래 유효 전력 Pin(k + 2)와 미래 무효 전력 Qin(k + 2)을 계산할 수 있으며, 상기 [수학식 8]과 [수학식 9]를 이용할 수 있다.
한편, 비용 함수 적용부(140)는 미래 전력 계산부(130)에 의해 계산된 4개의 미래 유효 전력과 미래 유효 전력, 그리고 기준 유효 전력과 기준 무효 전력에 근거하여 8개의 전력 상태 중 기준 전력에 가장 근접한 전력 상태를 선택할 수 있다.
이를 위해, 비용 함수 적용부(140)는 아래의 [수학식 11]을 이용하여 최적의 전력 상태를 선택할 수 있으며, 선택된 최적의 전력 상태를 만드는 전압 벡터(전압 벡터 선택부(110)에서 선택된 4개의 전압 벡터 중 1개)가 선택될 수 있다.
[수학식 11]
Figure 112015042269643-pat00014
여기서 P*는 기준 유효 전력으로서 dc-link 전압을 조절하는 PI 콘트롤러의 출력에 의해 결정될 수 있으며, Q*는 기준 무효 전력으로서 0으로 설정될 수 있다.
한편, 스위칭 제어부(미도시)는 비용 함수 적용부(140)에 의해 선택된 전력 상태와 전압 벡터를 이용하여 정류기의 스위칭을 제어함으로써 전력을 효율적으로 조절할 수 있음은 물론 스위칭 손실을 감소시켜 정류기의 효율을 높일 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3상 정류기의 스위칭 손실을 감소시켜 효율을 높이는 제어 과정을 도시한 흐름도이다.
도 2의 과정은 도 1에 도시된 제어 장치(100)에 의해 수행될 수 있으며, 매 샘플링 구간마다 수행될 수 있다.
이하, 제어 장치(100)를 주체로 도 2의 흐름도를 설명하도록 한다.
먼저, 제어 장치(100)는 정류기의 레그 중 가장 큰 전류가 흐르는 레그를 선택한다(S201).
S201 후, 제어 장치(100)는 8개의 전압 벡터 중 S201에서 선택된 레그의 스위칭을 만드는 4개의 전압 벡터를 제외한 나머지 4개의 전압 벡터를 선택한다(S202).
S202후, 제어 장치(100)는 현재 전압과 현재 전류 그리고 S202에서 선택된 4개의 전압 벡터를 이용하여 4개의 전압 벡터에 각각 대응하는 미래 전류와 미래 전압을 계산한다(S203).
참고로, 미래 전압은 입력 전압과 동일한 것으로 가정할 수 있다.
S203 후, 제어 장치(100)는 4개의 전압 벡터에 각각 대응하는 미래 전류와 미래 전압에 근거하여 4개의 미래 유효 전력과 미래 무효 전력을 각각 포함하는 미래 전력을 계산한다(S204).
S204 후, 제어 장치(100)는 S204에서 계산된 8개의 전력 중 기준 유효 전력과 기준 무효 전력을 포함하는 기준 전력에 가장 근접한 하나의 미래 전력을 선택하고, 4개의 전압 벡터 중 해당 미래 전력을 만드는 전압 벡터를 선택한다(S205).
S205 후, 제어 장치(100)는 S205에서 선택된 전압 벡터와 전력을 이용하여 정류기의 스위칭을 제어한다(S206).
이때, 제어 장치(100)는 S202에서 선택된 레그의 스위칭을 클램핑할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 3상 정류기의 스위칭 손실을 감소시키는 전압 벡터의 선택을 설명하기 위한 표이다.
도 3에는 현재 전류와 전압을 이용하여 3개의 레그 중 가장 큰 전류가 흐르는 레그, 즉, 스위칭을 클램핑할 레그와 8개의 전압 벡터 중 해당 레그의 스위칭을 만드는 4개의 전압 벡터를 제외한 나머지 4개의 전압 벡터(미래 유효 전력과 미래 무효 전력을 계산하는데 이용됨)가 표시되어 있다.
참고로, 도 3의 표에서 3개의 레그 중 전류의 크기가 중간 값을 가지는 레그는 제외하였다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 3상 정류기의 스위칭 손실을 감소시켜 효율을 높이는 실험 결과를 도시한 그래프이다.
도 4는 3개의 레그 중 a레그의 상부 스위치 Sa에서의 입력 전류와 입력 전압 그리고 스위칭 펄스가 좌측에 표시되어 있으며, 스위칭 시 유효 전력과 무효 전력은 기준 유효 전력 및 기준 무효 전력과 함께 우측에 표시되어 있다.
(a)는 종래의 스위칭 방식이며, (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 스위칭 방식이다.
(a)와 (b)에서, 좌측의 사인 곡선 형태를 가지는 입력 전류와 그에 대응하는 스위칭 펄스를 비교하면, 종래의 스위칭 방식인 (a)에서는 입력 전류의 피크(peak)가 네거티브(negative)일 때 스위칭이 확실히 클램핑되고, 입력 전류가 포저티브(positive)일 때는 스위칭의 클램핑이 네거티브인 경우와 비교하여 제대로 수행되지 않고 있음을 볼 수 있다.
그러나 본 발명의 일 실시예에 따른 스위칭 방식인 (b)에서는 입력 전류의 피크(peak)가 포저티브 및 네거티브인 경우 모든 구간에서 스위칭이 확실히 클램핑되고 있음을 볼 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 3상 정류기의 스위칭 효율을 높이는 제어 장치
110 : 전압 벡터 선택부
120 : 미래 전류 계산부
130 : 미래 전력 계산부
140 : 비용 함수 적용부

Claims (5)

  1. 정류기의 효율을 개선시키는 제어 장치에 있어서,
    정류기에 포함된 복수의 레그 중 가장 큰 전류가 흐르는 레그가 선택되면, 상기 정류기에 의해 생성되는 복수의 전압 벡터 중 상기 선택된 레그의 스위칭을 만드는 전압 벡터들을 제외한 나머지 전압 벡터들을 선택하는 전압 벡터 선택부;
    상기 가장 큰 전류가 흐르는 레그의 스위칭을 클램핑(clamping)하고, 다음 샘플링 구간에 상기 선택된 나머지 전압 벡터들을 이용하여 상기 정류기의 스위칭을 제어하는 스위칭 제어부;
    현재 전압과 전류 및 상기 선택된 나머지 전압 벡터들을 이용하여 미래 전류와 미래 전압을 계산하는 미래 전류 계산부;
    상기 계산된 미래 전류와 미래 전압에 근거하여 미래 유효 전력과 미래 무효 전력을 포함하는 미래 전력을 계산하는 미래 전력 계산부; 및
    상기 계산된 미래 전력 중 기준 유효 전력과 기준 무효 전력을 포함하는 기준 미래 전력에 가장 근접한 하나의 미래 전력을 선택하는 비용 함수 적용부
    를 포함하되,
    상기 스위칭 제어부는
    상기 전압 벡터 선택부에서 선택된 나머지 전압 벡터들 중 상기 비용 함수 적용부에서 선택된 미래 전력을 만드는 하나의 전압 벡터를 선택하고, 상기 선택된 하나의 전압 벡터를 이용하여 상기 스위칭을 제어하는 것을 특징으로 하는 제어 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제어 장치가 정류기의 효율을 개선시키는 방법에 있어서,
    (a) 정류기에 포함된 복수의 레그 중 가장 큰 전류가 흐르는 레그를 선택하는 단계;
    (b) 상기 정류기에 의해 생성되는 복수의 전압 벡터 중 상기 선택된 레그의 스위칭을 만드는 전압 벡터들을 제외한 나머지 전압 벡터들을 선택하는 단계;
    (c) 현재 전압과 전류 및 상기 선택된 전압 벡터들을 이용하여 미래 전류와 미래 전압을 계산하는 단계;
    (d) 상기 계산된 미래 전류와 미래 전압에 근거하여 미래 유효 전력과 미래 무효 전력을 포함하는 미래 전력을 계산하는 단계; 및
    (e) 상기 계산된 미래 전력 중 기준 유효 전력과 기준 무효 전력을 포함하는 기준 미래 전력에 가장 근접한 하나의 미래 전력을 선택하고, 다음 샘플링 구간에 상기 선택된 미래 전력를 이용하여 상기 정류기의 스위칭을 제어하는 단계
    를 포함하되,
    상기 (e) 단계는,
    상기 가장 큰 전류가 흐르는 레그의 스위칭을 클램핑(clamping)하고,
    상기 (b) 단계에서 선택된 나머지 전압 벡터들 중 상기 선택된 미래 전력을 만드는 하나의 전압 벡터를 선택하고, 상기 선택된 하나의 전압 벡터를 이용하여 상기 스위칭을 제어하는 것을 특징으로 하는 정류기의 효율 개선 방법.
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