KR101615482B1 - 3상 전압원 인버터의 공통 모드 전압을 감소시키는 제어 장치 및 제어 방법 - Google Patents

3상 전압원 인버터의 공통 모드 전압을 감소시키는 제어 장치 및 제어 방법 Download PDF

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Abstract

3상 전압원 인버터의 공통 모드 전압을 감소시키는 제어 장치 및 제어 방법이 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 3상 전압원 인버터(Three Phase Voltage Source Inverter;VSI)의 스위칭 시 공통 모드 전압(common mode voltage)을 감소시키는 제어 장치는 샘플링 구간의 시작 지점과 종료 지점의 미래 기준 전류를 각각 계산하는 미래 기준 전류 계산부, 상기 샘플링 구간의 시작 지점과 종료 지점의 미래 부하 전류를 각각 계산하는 미래 부하 전류 계산부, 상기 미래 기준 전류 계산부와 미래 부하 전류 계산부에서 계산된 전류 값에 근거하여 6개의 넌-제로 벡터(non-zero vector) 중 상기 샘플링 구간의 시작 지점에서 전류 에러 값을 최소화 하는 제 1 전압 벡터와 제 2 전압 벡터를 동시에 선택하는 넌 제로 벡터 선택부 및 상기 샘플링 구간 상에서 상기 제 1 전압 벡터와 제 2 전압 벡터에 대응하는 스위칭하는 시간을 각각 설정하는 스위칭 구간 설정부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

3상 전압원 인버터의 공통 모드 전압을 감소시키는 제어 장치 및 제어 방법 {APPARATUS AND METHOD FOR REDUCING COMMON MODE VOLTAGE OF THREE PHASE VOLTAGE SOURCE INVERTER}
본 발명은 3상 전압원 인버터의 공통 모드 전압(common mode voltage)을 감소시키는 기술에 관한 것이다.
3상 전압원 인버터(three phase voltage source inverter)는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 장치로서, 교류 전동기의 가변속 구동 장치, 무정전 전원 장치 및 정지형 무효 전력 보상 장치 등에 폭넓게 사용되고 있다.
이러한 3상 전압원 인버터에 높은 전압 상승률(dv/dt)을 가지는 고속 스위칭 소자가 적용되고 있는데, 이에 따라 전동기의 누설 전류 증가, 절연 파괴 현상 및 EMI(ElectroMagnetic Interface)가 빈번하게 발생하는 문제가 있다.
이와 같은 문제점들의 직/간접적인 원인은 인버터 시스템에서 발생하는 공통 모드 전압(common mode voltage)으로 보고되고 있으며, 공통 모드 전압은 3상 전압원 인버터 각 상(phase)의 스위칭 상태에 따라서 결정될 수 있다.
이에, 3상 전압원 인버터의 스위칭 시 공통 모드 전압을 감소시켜, 전술한 문제점을 해소하고자 하는 연구가 이루어지고 있다.
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 3상 전압원 인버터의 스위칭 시 제로 벡터(zero vector)를 사용하지 않고 공통 모드 전압(common mode voltage)을 감소시키는 방안을 제공하고자 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 3상 전압원 인버터(Three Phase Voltage Source Inverter;VSI)의 스위칭 시 공통 모드 전압(common mode voltage)을 감소시키는 제어 장치는 샘플링 구간의 시작 지점과 종료 지점의 미래 기준 전류를 각각 계산하는 미래 기준 전류 계산부, 상기 샘플링 구간의 시작 지점과 종료 지점의 미래 부하 전류를 각각 계산하는 미래 부하 전류 계산부, 상기 미래 기준 전류 계산부와 미래 부하 전류 계산부에서 계산된 전류 값에 근거하여 6개의 넌-제로 벡터(non-zero vector) 중 상기 샘플링 구간의 시작 지점에서 전류 에러 값을 최소화 하는 제 1 전압 벡터와 제 2 전압 벡터를 동시에 선택하는 넌 제로 벡터 선택부 및 상기 샘플링 구간 상에서 상기 제 1 전압 벡터와 제 2 전압 벡터에 대응하는 스위칭하는 시간을 각각 설정하는 스위칭 구간 설정부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 제어 장치가 3상 전압원 인버터(Three Phase Voltage Source Inverter;VSI)의 스위칭 시 공통 모드 전압(common mode voltage)을 감소시키는 제어 방법은 (a) 샘플링 구간의 시작 지점과 종료 지점의 미래 기준 전류를 각각 계산하는 단계. (b) 상기 샘플링 구간의 시작 지점과 종료 지점의 미래 부하 전류를 각각 계산하는 단계, (c) 상기 (a) 단계와 (b) 단계에서 계산된 전류 값에 근거하여 6개의 넌-제로 벡터(non-zero vector) 중 상기 샘플링 구간의 종료 지점을 기준으로 전류 에러 값을 최소화 하는 제 1 전압 벡터와 제 2 전압 벡터를 동시에 선택하는 단계 및 (d) 상기 샘플링 구간 상에서 상기 제 1 전압 벡터와 제 2 전압 벡터에 대응하는 스위칭하는 시간을 각각 설정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 다른 실시예에 따른 3상 전압원 인버터(Three Phase Voltage Source Inverter;VSI)의 스위칭 시 공통 모드 전압(common mode voltage)을 감소시키는 제어 장치는 샘플링 구간의 시작 지점, 터닝 포인트(turning point) 및 종료 지점의 미래 기준 전류를 각각 계산하는 미래 기준 전류 계산부, 상기 샘플링 구간의 시작 지점, 터닝 포인트 및 종료 지점의 미래 부하 전류를 각각 계산하는 미래 부하 전류 계산부, 상기 미래 기준 전류 계산부와 미래 부하 전류 계산부에서 계산된 전류 값에 근거하여 6개의 넌-제로 벡터(non-zero vector) 중 상기 샘플링 구간의 시작 지점에서 전류 에러 값을 가장 작게 하는 제 1 전압 벡터를 선택하고, 상기 터닝 포인트에서 전류 에러 값을 가장 작게 하는 제 2전압 벡터를 선택하는 넌 제로 벡터 선택부 및 상기 샘플링 구간 상에서 상기 제 1 전압 벡터와 제 2 전압 벡터에 대응하는 스위칭하는 시간을 각각 설정하는 스위칭 구간 설정부를 포함하되, 상기 터닝 포인트는 상기 제 1 전압 벡터에 대응하여 설정된 스위칭 시간이 종료되고 상기 제 2 전압 벡터에 대응하여 설정된 스위칭 시간이 시작되는 지점인 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 다른 실시예에 따른 제어 장치가 3상 전압원 인버터(Three Phase Voltage Source Inverter;VSI)의 스위칭 시 공통 모드 전압(common mode voltage)을 감소시키는 제어 방법은 (a) 샘플링 구간의 시작 지점, 터닝 포인트(turning point) 및 종료 지점의 미래 기준 전류를 각각 계산하는 단계, (b) 상기 샘플링 구간의 시작 지점, 터닝 포인트 및 종료 지점의 미래 부하 전류를 각각 계산하는 단계, (c) 상기 (a) 단계와 (b) 단계에서 계산된 전류 값에 근거하여 6개의 넌-제로 벡터(non-zero vector) 중 상기 샘플링 구간의 시작 지점에서 전류 에러 값을 가장 작게 하는 제 1 전압 벡터를 선택하고, 상기 터닝 포인트에서 전류 에러 값을 가장 작게 하는 제 2전압 벡터를 선택하는 단계 및 (d) 상기 샘플링 구간 상에서 상기 제 1 전압 벡터와 제 2 전압 벡터에 대응하는 스위칭하는 시간을 각각 설정하는 단계를 포함하되, 상기 터닝 포인트는 상기 제 1 전압 벡터에 대응하여 설정된 스위칭 시간이 종료되고 상기 제 2 전압 벡터에 대응하여 설정된 스위칭 시간이 시작되는 지점인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 3상 전압원 인버터의 스위칭 시 제로 벡터(zero vector)를 사용하지 않고 공통 모드 전압(common mode voltage)을 효율적으로 감소시킬 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 전압원 인버터의 스위칭 시 공통 모드 전압을 감소시키는 제어 장치의 구성을 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 제어 장치의 구성을 도시한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 3상 전압원 인버터의 스위칭 시 공통 모드 전압을 감소시키는 과정을 도시한 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 3상 전압원 인버터의 스위칭 시 공통 모드 전압을 감소시키는 과정을 도시한 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 3상 전압원 인버터의 스위칭 시 공통 모드 전압을 감소시키는 방법을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 3상 전압원 인버터의 스위칭 시 공통 모드 전압을 감소시키는 방법을 도시한 도면이다.
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 전압원 인버터의 스위칭 시 공통 모드 전압을 감소시키는 제어 장치의 구성을 도시한 블록도이다.
참고로, 본 발명의 일 실시예에서는 도 1에 도시된 바와 같은 3상 전압원 인버터(Three Phase Voltage Source Inverter, 이하 ‘VSI’라 칭함) 및 VSI에 의해 생성되는 전압 벡터(voltage vectors) - 2개의 제로 벡터(zero vector)(v0, v7)를 제외한 6개의 넌 제로 벡터(non zero vercor)(v1, v2, v3, v4, v5, v6) - 를 고려하도록 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 VSI의 스위칭 시 공통 모드 전압을 감소시키는 제어 장치(100)는 매 샘플링 구간마다 6개의 넌 제로 벡터 중 기준 전류(reference current)와 실제 전류(real current)의 차, 즉, 전류 에러(currnet error)를 최소화하는 2개의 전압 벡터를 ‘동시에’ 선택하여 스위칭을 수행함으로써, 스위칭 시 공통 모드 전압(common mode voltage)을 감소시킬 수 있다.
이를 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 제어 장치(100)는 미래 기준 전류 계산부(110), 미래 부하 전류 계산부(120), 넌 제로 벡터 선택부(130), 스위칭 구간 설정부(140) 및 스위칭 제어부(미도시)를 포함할 수 있다.
먼저, 미래 기준 전류 계산부(110)는 넌 제로 벡터 선택부(130)가 6개의 넌 제로 벡터 중 전류 에러를 최소화하는 2개의 전압 벡터를 동시에 선택하도록 하기 위하여, (k+1)번째 샘플링 구간의 시작 지점인 (k+1)번째 순간과 샘플링 구간의 종료 지점인 (k+2)번째 순간에서의 미래 기준 전류(future reference current)를 계산할 수 있다.
이때, (k+1)번째 순간에서의 미래 기준 전류 i*((k+1)Ts)는 현재(k) 그리고 두 개의 이전((k-1), (k-2)) 기준 값(two past reference values)을 이용한 라그랑지 외삽법(Lagrange Extrapolation)으로부터 계산될 수 있으며, 아래의 [수학식 1]과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112015042259204-pat00001
여기서 Ts는 샘플링 구간을 의미한다.
또한, (k+2)번째 순간에서의 미래 기준 전류 i*((k+2)Ts)는 상기 [수학식 1]을 이용하여 아래의 [수학식 2]와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112015042259204-pat00002
한편, 미래 부하 전류 계산부(120)는 넌 제로 벡터 선택부(130)가 6개의 넌 제로 벡터 중 전류 에러를 최소화하는 2개의 전압 벡터를 동시에 선택하도록 하기 위하여, 샘플링 구간의 시작 지점인 (k+1)번째 순간과 샘플링 구간의 종료 지점인 (k+2)번째 순간에서의 미래 부하 전류(future load current)를 계산할 수 있다.
여기서, (k+1)번째 순간에서의 미래 부하 전류 i((k+1)Ts)는 현재(k) 샘플링 구간에서 사용된 2개의 전압 벡터(
Figure 112015042259204-pat00003
,
Figure 112015042259204-pat00004
)와 각 전압 벡터에 대응하는 최적의 시간(
Figure 112015042259204-pat00005
,
Figure 112015042259204-pat00006
)을 반영할 수 있으며, 아래의 [수학식 3]과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112015042259204-pat00007
참고로, 하나의 샘플링 구간 Ts는 두 개의 시간 구간으로 분할될 수 있다.
즉,
Figure 112015042259204-pat00008
이며, 여기서
Figure 112015042259204-pat00009
와
Figure 112015042259204-pat00010
는 넌 제로 전압 벡터
Figure 112015042259204-pat00011
와
Figure 112015042259204-pat00012
에 각 대응하는 시간 구간을 의미한다.
또한, (k+2)번째 순간에서의 미래 부하 전류 i((k+2)Ts)는 상기 [수학식 3]을 이용하여 아래의 [수학식4]와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112015042259204-pat00013
한편, 넌 제로 벡터 선택부(130)는 미래 기준 전류 계산부(110)와 미래 부하 전류 계산부(120)에 의해 계산된 미래 기준 전류와 미리 부하 전류에 근거하여, 6개의 넌 제로 벡터 중 전류 에러를 최소화하는 2개의 전압 벡터(
Figure 112015042259204-pat00014
및
Figure 112015042259204-pat00015
)를 동시에 선택할 수 있다.
이때, 넌 제로 벡터 선택부(130)는 비용 함수를 이용할 수 있으며, 전류 에러를 최소화하는 2개의 전압 벡터를 동시에 선택하기 위한 비용 함수는 아래의 [수학식5]와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 5]
Figure 112015042259204-pat00016
여기서,
Figure 112015042259204-pat00017
와
Figure 112015042259204-pat00018
는 (k+2)번째 순간에서 부하 전류의 ab 콤포넌트를 각각 의미하며,
Figure 112015042259204-pat00019
와
Figure 112015042259204-pat00020
는 (k+2)번째 순간에서 기준 전류의 ab 콤포넌트를 각각 의미한다.
참고로,
Figure 112015042259204-pat00021
는 6개의 넌 제로 벡터 중 전류 에러를 가장 작게 하는 전압 벡터(이하, ‘제 1 전압 벡터’라 칭함)이며,
Figure 112015042259204-pat00022
는 6개의 넌 제로 벡터 중 전류 에러를 두 번째로 작게 하는 전압 벡터(이하, ‘제 2 전압 벡터’라 칭함)이다.
한편, 스위칭 구간 설정부(140)는 넌 제로 벡터 선택부(130)에서 선택된 전압 벡터가 스위칭되는 최적의 시간(duration)을 설정할 수 있다.
이때, 스위칭 구간 설정부(140)는 아래의 [수학식 6] 및 [수학식 7]을 이용하여 제 1 전압 벡터인
Figure 112015042259204-pat00023
에 대응하는 최적의 시간을 먼저 설정하고, 아래의 [수학식 8]을 이용하여 제 2 전압 벡터인
Figure 112015042259204-pat00024
에 대응하는 최적의 시간을 설정할 수 있다.
[수학식 6]
Figure 112015042259204-pat00025
[수학식 7]
Figure 112015042259204-pat00026
[수학식 8]
Figure 112015042259204-pat00027
한편, 스위칭 제어부(미도시)는 넌 제로 벡터 선택부(130)에 의해 동시에 선택된 2개의 전압 벡터를 사용하여, 스위칭 구간 설정부(140)에 의해 설정된 시간 동안 스위칭을 수행할 수 있다.
하나의 샘플링 구간 동안 사용할 수 있는 전압 벡터의 수는 제로 벡터 2개와 넌 제로 벡터 6개이지만, 본 발명의 일 실시예에서는 제로 벡터를 제외한 넌 제로 벡터를 이용하여 스위칭을 수행한다.
따라서, 사용할 수 있는 전압 벡터의 수가 감소하므로, 이를 보상하기 위해 하나의 샘플링 구간에 2개의 넌 제로 벡터를 사용하여 스위칭을 수행함으로써, 스위칭 시 공통 모드 전압을 감소시킬 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 제어 장치의 구성을 도시한 블록도이다.
참고로, 본 발명의 다른 실시예에서는 도 2에 도시된 바와 같은 VSI 및 VSI에 의해 생성되는 전압 벡터 중 2개의 제로 벡터(v0, v7)를 제외한 6개의 넌 제로 벡터(v1, v2, v3, v4, v5, v6)를 고려하도록 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 VSI의 스위칭 시 공통 모드 전압을 감소시키는 제어 장치(200)는 매 샘플링 구간마다 6개의 넌 제로 벡터 중 전류 에러를 최소화하는 2개의 벡터를 ‘순차적’으로 선택할 수 있다.
이때, 샘플링 구간이 시작되는 지점에서 전류 에러를 최소화하는 전압 벡터(이하, ‘제 1 전압 벡터’라 칭함)를 선택하고, 제 1 전압 벡터와 제 1 전압 벡터가 사용되는 샘플링 구간 내 시간을 고려하여 터닝 포인트(turning point)에서 전류 에러를 최소화하는 전압 벡터(이하, ‘제 2 전압 벡터’라 칭함)를 선택할 수 있다.
여기서, ‘터닝 포인트’는 제 1 전압 벡터가 스위칭에 사용되는 시간의 종료 지점, 즉, 제 2 전압 벡터가 스위칭에 사용되는 시간의 시작 지점을 의미할 수 있다.
이를 위해 본 발명의 다른 실시예에 따른 제어 장치(200)는 미래 기준 전류 계산부(210), 미래 부하 전류 계산부(220), 넌 제로 벡터 선택부(230), 스위칭 구간 설정부(240) 및 스위칭 제어부(미도시)를 포함할 수 있다.
먼저, 미래 기준 전류 계산부(210)는 샘플링 구간의 시작 지점인 (k+1)번째 순간과 샘플링 구간의 터닝 포인트(
Figure 112015042259204-pat00028
), 그리고 샘플링 구간의 종료 지점인 (k+2)번째 순간에서의 미래 기준 전류를 각각 계산할 수 있다.
여기서, (k+1)번째 순간에서의 미래 기준 전류 i*((k+1)Ts)는 상기 [수학식 1]을 이용하여 계산될 수 있으며, (k+2)번째 순간에서의 미래 기준 전류 i*((k+2)Ts)는 [수학식 2]를 이용하여 계산될 수 있다.
또한, 터닝 포인트에서의 미래 기준 전류
Figure 112015042259204-pat00029
는 아래의 [수학식 9]를 이용하여 계산될 수 있다.
[수학식 9]
Figure 112015042259204-pat00030
이를 위해 기준 전류 계산부(210)는 제 1 전압 벡터에 대한 최적의 시간
Figure 112015042259204-pat00031
을 반영할 수 있다.
한편, 미래 부하 전류 계산부(220)는 샘플링 구간의 시작 지점인 (k+1)번째 순간과 샘플링 구간의 터닝 포인트(
Figure 112015042259204-pat00032
), 그리고 샘플링 구간의 종료 지점인 (k+2)번째 순간에서의 미래 부하 전류를 각각 계산할 수 있다.
여기서, (k+1)번째 순간에서의 미래 부하 전류 i((k+1)Ts)는 상기 [수학식 3]을 이용하여 계산될 수 있으며, 터닝 포인트에서의 미래 부하 전류는
Figure 112015042259204-pat00033
로 나타낼 수 있다.
또한, (k+2)번째 순간에서의 미래 부하 전류 i((k+2)Ts)는 터닝 포인트에서의 미래 부하 전류
Figure 112015042259204-pat00034
를 반영하여 [수학식 10]과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 10]
Figure 112015042259204-pat00035
한편, 넌 제로 벡터 선택부(230)는 샘플링 구간의 시작 지점인 (k+1)번째 순간에서의 미래 기준 전류와 미래 부하 전류에 근거하여, (k+1)번째 순간에서 6개의 넌 제로 벡터 중 전류 에러를 최소화하는 제 1 전압 벡터를 선택할 수 있다.
이때, 넌 제로 벡터 선택부(230)는 상기 [수학식 5]의 비용 함수를 이용할 수 있다.
또한, 넌 제로 벡터 선택부(230)는 터닝 포인트에서의 미래 기준 전류와 미래 부하 전류, 그리고 샘플링 구간의 종료 지점인 (k+2)번째 순간에서의 미래 기준 전류와 미래 부하 전류에 근거하여, 터닝 포인트에서 6개의 넌 제로 벡터 중 전류 에러를 최소화하는 제 2 전압 벡터를 선택할 수 있다.
이때, 넌 제로 벡터 선택부(230)는 아래의 [수학식 11]의 비용 함수를 이용할 수 있다.
[수학식 11]
Figure 112015042259204-pat00036
한편, 스위칭 구간 설정부(240)는 넌 제로 벡터 선택부(230)에서 선택된 제 1 전압 벡터가 스위칭되는 최적의 시간을 설정할 수 있다.
이때, 스위칭 구간 설정부(240)는 아래의 [수학식 12] 및 [수학식 13]을 이용하여 제 1 전압 벡터에 대응하는 최적의 시간을 먼저 설정하고,
Figure 112015042259204-pat00037
을 이용하여 제 2 전압 벡터에 대응하는 최적의 시간을 설정할 수 있다.
[수학식 12]
Figure 112015042259204-pat00038
[수학식 13]
Figure 112015042259204-pat00039
한편, 스위칭 제어부(미도시)는 넌 제로 벡터 선택부(230)에 의해 순차적으로 선택된 각 전압 벡터(제 1 전압 벡터와 제 2 전압 벡터)를 사용하여, 스위칭 구간 설정부(240)에 의해 설정된 시간 동안 스위칭을 수행할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 3상 전압원 인버터의 스위칭 시 공통 모드 전압을 감소시키는 과정을 도시한 흐름도이다.
도 3의 과정은 도 1에 도시된 제어 장치(100)에 의해 수행될 수 있다.
먼저 제어 장치(200)는 샘플링 구간의 시작 지점 (k+1)Ts에서 미래 기준 전류와 미래 부하 전류를 계산한다(S301).
S301 후, 제어 장치(100)는 S301에서 획득된 기준 전류와 부하 전류에 근거하여 샘플링 구간의 종료 지점 (k+2)Ts에서의 미래 기준 전류와 미래 부하 전류를 계산한다(S302).
S302 후, 제어 장치(100)는 S302에서 계산된 미래 기준 전류와 미래 부하 전류에 근거하여, 6개의 넌 제로 벡터 중 전류 에러 값을 가장 작게 하는 제 1 전압 벡터와, 전류 에러 값을 두 번째로 작게 하는 제 2 전압 벡터를 동시에 선택한다(S303).
S303 후, 제어 장치(100)는 S303에서 선택된 제 1 전압 벡터에 대응하는 최적의 시간(즉, 제 1 전압 벡터를 사용하여 스위칭되는 최적의 시간)인 제 1 시간을 설정하고, 샘플링 구간에서 상기 제 1 시간을 차감한 제 2 시간을 제 2 전압 벡터에 대응하는 시간(즉, 제 2 전압 벡터를 사용하여 스위칭되는 시간)으로 설정한다(S304).
S304 후, 제어 장치(100)는 S304에서 산출된 최적의 스위칭 시간에 따라서, 샘플링 구간 동안 제 1 전압 벡터를 사용하여 제 1 시간 동안 스위칭을 수행하고, 제 2 전압 벡터를 사용하여 제 2 시간 동안 스위칭을 수행한다(S305).
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 3상 전압원 인버터의 스위칭 시 공통 모드 전압을 감소시키는 과정을 도시한 흐름도이다.
도 4의 과정은 도 2에 도시된 제어 장치(200)에 의해 수행될 수 있다.
먼저 제어 장치(200)는 샘플링 구간의 시작 지점 (k+1)Ts에서의 미래 기준 전류와 미래 부하 전류를 계산한다(S401).
S401 후, 제어 장치(200)는 S301에서 획득된 미래 기준 전류와 미래 부하 전류에 근거하여 6개의 넌 제로 벡터 중 전류 에러 값을 가장 작게 하는 제 1 전압 벡터를 선택한다(S402).
S402 후, 제어 장치(200)는 S402에서 선택된 제 1 전압 벡터에 대응하는 최적의 시간(즉, 제 1 전압 벡터를 사용하여 스위칭되는 최적의 시간)인 제 1 시간을 계산한다(S403).
S403 후, 제어 장치(200)는 샘플링 구간 상에서 상기 제 1 시간의 종료 지점, 즉, 터닝 포인트에서의 미래 기준 전류와 미래 부하 전류를 계산하고, 샘플링 구간의 종료 지점 (k+2)Ts에서의 미래 기준 전류와 미래 부하 전류를 계산한다(S404).
이때, 제어 장치(200)는 S404에서 획득된 터닝 포인트에서의 미래 부하 전류를 이용하여 샘플링 구간의 종료 지점 (k+2)Ts에서의 미래 부하 전류를 계산할 수 있다.
S404 후, 제어 장치(200)는 S404에서 계산된 터닝 포인트와 샘플링 구간의 종료 지점 (k+2)Ts에서의 미래 기준 전류 및 미래 부하 전류에 근거하여, 6개의 넌 제로 벡터 중 전류 에러 값을 가장 작게 하는 제 2 전압 벡터를 선택한다(S405).
S405 후, 제어 장치(200)는 샘플링 구간 상에서 상기 제 1 시간을 차감한 제 42 시간(또는 터닝 포인트 지점부터 샘플링 구간의 종료 지점까지의 시간)을 제 2 전압 벡터에 대응하는 시간(즉, 제 2 전압 벡터를 사용하여 스위칭되는 시간)으로 설정한다(S406).
S406 후, 제어 장치(200)는 S403 및 S406에서 산출된 최적의 스위칭 시간에 따라서, 샘플링 구간 동안 제 1 전압 벡터를 사용하여 제 1 시간 동안 스위칭을 수행하고, 제 2 전압 벡터를 사용하여 제 2 시간 동안 스위칭을 수행한다(S407).
참고로 도 3 및 도 4에서 제어 장치(100, 200)가 처음부터 6개의 넌 제로 벡터를 사용하는 것으로 설명하였지만, 제로 벡터를 포함하는 총 8개의 전압 벡터 중 제로 벡터가 선택되었는지를 판단하는 과정이 더 포함될 수 있다.
즉, 전류 에러를 최소화 하는 전압 벡터로서 제로 벡터가 선택된 경우, 6개의 넌 제로 벡터 중 전류 에러를 최소화 하는 전압 벡터를 다시 선택할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 3상 전압원 인버터의 스위칭 시 공통 모드 전압을 감소시키는 방법을 도시한 도면이다.
도 5는 도 3에 도시된 과정에 의해서 공통 모드 전압을 감소시키는 방법으로서, 샘플링 구간의 시작 지점 (k+1)Ts에서 동시에 선택된 두 개의 벡터, 즉, 6개의 넌 제로 벡터 중 전류 에러 값을 가장 작게 하는 제 1 전압 벡터와 전류 에러 값을 두 번째로 작게 하는 제 2 전압 벡터가 표시되어 있다.
또한, 제 1 전압 벡터와 제 2 전압 벡터에 각각 대응하는 최적의 시간
Figure 112015042259204-pat00040
과
Figure 112015042259204-pat00041
가 표시되어 있다.
제어 장치(100)는 도 5에 도시된 바와 같이, 매 샘플링 구간마다 샘플링 구간의 시작 지점에서 6개의 넌 제로 벡터 중 전류 에러를 최소화하는 2개의 전압 벡터를 ‘동시에’ 선택하고, 선택된 2개의 전압 벡터를 사용하여 스위칭을 수행함으로써, 스위칭 시 발생하는 공통 모드 전압을 감소시킬 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 3상 전압원 인버터의 스위칭 시 공통 모드 전압을 감소시키는 방법을 도시한 도면이다.
도 6은 도 4에 도시된 과정에 의해서 공통 모드 전압을 감소시키는 방법으로서, 샘플링 구간의 시작 지점 (k+1)Ts에서 6개의 넌 제로 벡터 중 전류 에러 값을 가장 작게 하는 제 1 전압 벡터와, 터닝 포인트에서 다시 6개의 넌 제로 벡터 중 전류 에러 값을 가장 작게 하는 제 2 전압 벡터가 표시되어 있다.
도 6에서, 샘플링 구간의 시작 지점 (k+1)Ts에 제 1 전압 벡터로서
Figure 112015042259204-pat00042
을 선택하고, 터닝 포인트에서 제 2 전압 벡터로서
Figure 112015042259204-pat00043
를 선택한 일 실시예와, 샘플링 구간의 시작 지점 (k+1)Ts에 제 1 전압 벡터로서
Figure 112015042259204-pat00044
을 선택하고, 터닝 포인트에서 제 2 전압 벡터로서
Figure 112015042259204-pat00045
를 선택한 다른 실시예가 함께 표시되어 있다.
제어 장치(200)는 도 6에 도시된 바와 같이, 매 샘플링 구간마다 샘플링 구간의 시작 지점에서 6개의 넌 제로 벡터 중 전류 에러를 최소화하는 제 1 전압 벡터를 선택하고, 제 1 전압 벡터를 사용하여 스위칭하는 최적의 시간이 종료되는 터닝 포인트(turning point)에서 다시 6개의 넌 제로 벡터 중 전류 에러를 최소화하는 제 2 전압 벡터를 선택하여 스위칭을 수행함으로써, 스위칭 시 공통 모드 전압을 감소시킬 수 있다.2
참고로 도 6에서, 샘플링 구간의 종료 지점 (k+2)Ts에서의 전류 에러를 비교하면,
Figure 112015042259204-pat00046
과
Figure 112015042259204-pat00047
의 조합이
Figure 112015042259204-pat00048
과
Figure 112015042259204-pat00049
의 조합보다 더 작은 것으로 나타난다.
그러나, 터닝 포인트에서의 전류 에러와 샘플링 구간의 종료 지점 (k+2)Ts에서의 전류 에러를 합한 결과는
Figure 112015042259204-pat00050
과
Figure 112015042259204-pat00051
의 조합이
Figure 112015042259204-pat00052
과
Figure 112015042259204-pat00053
의 조합보다 더 작은 것을 알 수 있다.
따라서 도 6의 실시예에서, 제어 장치(200)는
Figure 112015042259204-pat00054
과
Figure 112015042259204-pat00055
의 조합이 아닌
Figure 112015042259204-pat00056
과
Figure 112015042259204-pat00057
의 조합을 선택하여 스위칭을 수행할 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, 200 : VSI의 스위칭 시 공통 모드 전압을 감소시키는 제어 장치
110 , 210: 미래 기준 전류 계산부
120, 220 : 미래 부하 전류 계산부
130, 230 : 넌 제로 벡터 선택부
140, 240 : 스위칭 구간 설정부
150, 250 : 스위칭 제어부

Claims (11)

  1. 3상 전압원 인버터(Three Phase Voltage Source Inverter;VSI)의 스위칭 시 공통 모드 전압(common mode voltage)을 감소시키는 제어 장치에 있어서,
    샘플링 구간의 시작 지점과 종료 지점의 미래 기준 전류를 각각 계산하는 미래 기준 전류 계산부;
    상기 샘플링 구간의 시작 지점과 종료 지점의 미래 부하 전류를 각각 계산하는 미래 부하 전류 계산부;
    상기 미래 기준 전류 계산부와 미래 부하 전류 계산부에서 계산된 전류 값에 근거하여 6개의 넌-제로 벡터(non-zero vector) 중 상기 샘플링 구간의 시작 지점에서 전류 에러 값을 최소화 하는 제 1 전압 벡터와 제 2 전압 벡터를 동시에 선택하는 넌 제로 벡터 선택부;
    상기 샘플링 구간 상에서 상기 제 1 전압 벡터와 제 2 전압 벡터에 대응하는 스위칭하는 시간을 각각 설정하는 스위칭 구간 설정부; 및
    상기 샘플링 구간 동안, 상기 스위칭 구간 설정부에 의해 각각 설정된 시간에 상기 제 1 전압 벡터와 제 2 전압 벡터를 사용하여 스위칭을 수행하는 스위칭 제어부
    를 포함하되,
    상기 제 1 전압 벡터는,
    상기 6개의 넌-제로 벡터 중 상기 전류 에러 값을 가장 작게 하는 전압 벡터이며,
    상기 제 2 전압 벡터는,
    상기 6개의 넌-제로 벡터 중 상기 전류 에러 값을 두 번째로 작게 하는 전압 벡터인 것을 특징으로 하는 제어 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제어 장치가 3상 전압원 인버터(Three Phase Voltage Source Inverter;VSI)의 스위칭 시 공통 모드 전압(common mode voltage)을 감소시키는 제어 방법에 있어서,
    (a) 샘플링 구간의 시작 지점과 종료 지점의 미래 기준 전류를 각각 계산하는 단계;
    (b) 상기 샘플링 구간의 시작 지점과 종료 지점의 미래 부하 전류를 각각 계산하는 단계;
    (c) 상기 (a) 단계와 (b) 단계에서 계산된 전류 값에 근거하여 6개의 넌-제로 벡터(non-zero vector) 중 상기 샘플링 구간의 종료 지점을 기준으로 전류 에러 값을 최소화 하는 제 1 전압 벡터와 제 2 전압 벡터를 동시에 선택하는 단계; 및
    (d) 상기 샘플링 구간 상에서 상기 제 1 전압 벡터와 제 2 전압 벡터에 대응하는 스위칭하는 시간을 각각 설정하는 단계
    를 포함하되,
    상기 (c) 단계는
    상기 동시에 선택된 제 1 전압 벡터와 제 2 전압 벡터 중 하나 이상이 제로 벡터(zero vector)인지 판단하고, 상기 동시에 선택된 제 1 전압 벡터와 제 2 전압 벡터 중 하나 이상이 제로 벡터이면, 상기 6개의 넌-제로 벡터(non-zero vector)만을 이용하여 상기 제 1 전압 벡터와 제 2 전압 벡터를 동시에 선택하는 것을 특징으로 하는 제어 방법.
  5. 삭제
  6. 3상 전압원 인버터(Three Phase Voltage Source Inverter;VSI)의 스위칭 시 공통 모드 전압(common mode voltage)을 감소시키는 제어 장치에 있어서,
    샘플링 구간의 시작 지점, 터닝 포인트(turning point) 및 종료 지점의 미래 기준 전류를 각각 계산하는 미래 기준 전류 계산부;
    상기 샘플링 구간의 시작 지점, 터닝 포인트 및 종료 지점의 미래 부하 전류를 각각 계산하는 미래 부하 전류 계산부;
    상기 미래 기준 전류 계산부와 미래 부하 전류 계산부에서 계산된 전류 값에 근거하여 6개의 넌-제로 벡터(non-zero vector) 중 상기 샘플링 구간의 시작 지점에서 전류 에러 값을 가장 작게 하는 제 1 전압 벡터를 선택하고, 상기 터닝 포인트에서 전류 에러 값을 가장 작게 하는 제 2전압 벡터를 선택하는 넌 제로 벡터 선택부;
    상기 샘플링 구간 상에서 상기 제 1 전압 벡터와 제 2 전압 벡터에 대응하는 스위칭하는 시간을 각각 설정하는 스위칭 구간 설정부; 및
    상기 샘플링 구간 동안, 상기 스위칭 구간 설정부에 의해 각각 설정된 시간에 상기 제 1 전압 벡터와 제 2 전압 벡터를 사용하여 스위칭을 수행하는 스위칭 제어부
    를 포함하되,
    상기 터닝 포인트는
    상기 제 1 전압 벡터에 대응하여 설정된 스위칭 시간이 종료되고 상기 제 2 전압 벡터에 대응하여 설정된 스위칭 시간이 시작되는 지점인 것을 특징으로 하는 제어 장치.
  7. 삭제
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 넌 제로 벡터 선택부는,
    상기 샘플링 구간의 터닝 포인트 및 종료 지점에서의 각 전류 에러를 합한 값이 최소가 되는 제 1 전압 벡터와 제 2 전압 벡터의 조합을 선택하는 것을 특징으로 하는 제어 장치.
  9. 제어 장치가 3상 전압원 인버터(Three Phase Voltage Source Inverter;VSI)의 스위칭 시 공통 모드 전압(common mode voltage)을 감소시키는 제어 방법에 있어서,
    (a) 샘플링 구간의 시작 지점, 터닝 포인트(turning point) 및 종료 지점의 미래 기준 전류를 각각 계산하는 단계;
    (b) 상기 샘플링 구간의 시작 지점, 터닝 포인트 및 종료 지점의 미래 부하 전류를 각각 계산하는 단계;
    (c) 상기 (a) 단계와 (b) 단계에서 계산된 전류 값에 근거하여 6개의 넌-제로 벡터(non-zero vector) 중 상기 샘플링 구간의 시작 지점에서 전류 에러 값을 가장 작게 하는 제 1 전압 벡터를 선택하고, 상기 터닝 포인트에서 전류 에러 값을 가장 작게 하는 제 2전압 벡터를 선택하는 단계; 및
    (d) 상기 샘플링 구간 상에서 상기 제 1 전압 벡터와 제 2 전압 벡터에 대응하는 스위칭하는 시간을 각각 설정하는 단계
    를 포함하되,
    상기 (c) 단계는
    상기 선택된 제 1 전압 벡터와 제 2 전압 벡터 중 하나 이상이 제로 벡터(zero vector)인지 판단하고, 상기 선택된 제 1 전압 벡터와 제 2 전압 벡터 중 하나 이상이 제로 벡터이면, 상기 6개의 넌-제로 벡터(non-zero vector)만을 이용하여 상기 제 1 전압 벡터와 제 2 전압 벡터를 선택하며,
    상기 터닝 포인트는
    상기 제 1 전압 벡터에 대응하여 설정된 스위칭 시간이 종료되고 상기 제 2 전압 벡터에 대응하여 설정된 스위칭 시간이 시작되는 지점인 것을 특징으로 하는 제어 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 (c) 단계는,
    상기 샘플링 구간의 터닝 포인트 및 종료 지점에서의 각 전류 에러를 합한 값이 최소가 되는 제 1 전압 벡터와 제 2 전압 벡터의 조합을 선택하는 것을 특징으로 하는 제어 방법.
  11. 삭제
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