KR101677784B1 - 회생형 인버터 장치 및 단위 전력 셀을 이용한 인버터 장치 - Google Patents

회생형 인버터 장치 및 단위 전력 셀을 이용한 인버터 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 인버터 장치는, 단상 교류 전원을 입력받아 직류 전원으로 출력하는 컨버터부; 상기 컨버터부에서 출력되는 직류 전원을 완충하는 캐패시터부; 상기 완충된 직류 전원을 합성하여 부하의 구동 전력으로 출력하는 인버터부; 및 상기 단상 교류 전원 및 상기 컨버터부의 출력 직류 전원에 기초하여 상기 컨버터부를 제어하는 컨버터 제어부를 포함하고, 상기 컨버터 제어부는 상기 컨버터부에 포함된 복수의 게이트들의 제어를 위한 컨버터 게이트 신호 발생부; 및 상기 컨버터 게이트 신호 발생부의 입력측에 연결된 가산기로, 상기 단상 교류 전원의 기본파 성분과 크기가 동일하고 상기 단상 교류 전원의 기본파 성분의 소정 배수의 주파수를 갖는 컨버터 추가 전력을 출력하는 입력 고조파 전압 발생부를 포함한다.

Description

회생형 인버터 장치 및 단위 전력 셀을 이용한 인버터 장치{REGENARATIVE INVERTER DEVICE AND INVERTER DEVICE USING POWER CELL UNIT}
본 발명은 회생형 인버터 장치 및 단위 전력 셀을 이용한 인버터 장치에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 회생형 인버터 장치 및 단위 전력 셀을 이용한 인버터 장치에서의 DC-link 전압 맥동 개선을 통해 시스템의 부피 및 가격 절감을 가져올 수 있는 회생형 인버터 장치 및 단위 전력 셀을 이용한 인버터 장치에 관한 것이다.
고압 인버터는 선간 전압 실효치가 600V 이상인 입력 전원을 갖는 인버터를 의미할 수 있다. 이와 같은 고압 인버터는 팬(fan), 펌프(pump), 압축기(compressor) 등의 응용 분야에 주로 사용되고 있다.
이러한 응용 분야에서 사용되는 고압 인버터는 가변속(variable speed) 운전이 빈번하게 발생하며, 이에 따라 급 가속(fast acceleration)이나 급 감속(fast deceleration) 운전이 필요할 경우에 회생 인버터에 의해 회생 운전(regenerating operation)이 사용됨으로써, 급 가속 또는 급 감속을 지원할 수 있게 된다. 또한, 예를 들어 견인(traction) 분야나 승강(hoist), 컨베이어(conveyor) 등의 응용 분야는 이와 같은 회생 운전이 필수적으로 요구된다.
도 1은 일반적인 고압 인버터 장치의 연결구성을 나타낸다.
고압 인버터의 종류는 다양하나, 단위 전력으로 구동되는 고압 인버터 장치를 예를 들면 도 1에 도시된 바와 같이, 고압 인버터 장치(100)는 3상 전원을 공급받아 위상을 치환하고, 전원 전류의 고조파 왜율을 개선한 뒤, 변압기를 통해 단위 전력을 생성하고, 단위 전력을 3상 전압으로 합성하여 각 상에 따라 3상 전동기로 공급한다.
도 2는 이와 같은 고압 인버터 장치(100)의 단위 전력 셀 구성을 나타낸다.
각 단위 전력 셀은 입력 전원부(201)로부터 교류 전력을 수신하여 저장 및 공급하는 인덕터(202), 인덕터(202)를 통과한 전원을 직류로 변환하는 컨버터(203), 컨버터(203)를 제어하는 컨버터 제어부(206), 컨버터(203) 입출력 전원을 완충하는 캐패시터(204), 직류 전원을 다시 교류로 변환 출력하는 인버터(205) 및 인버터(205)를 제어하는 인버터 제어부(207)를 포함하여 구성된다.
인버터 장치(100)에 포함되는 단위 전력 셀은 단상 전원을 공급받아, 상 전압을 출력한다. 이에 대한 구체적인 동작은 컨버터 제어부(206) 및 인버터 제어부(207)의 스위칭 제어에 따라 이루어지며, 자세한 동작은 Bin Wu 저서인 High-Power Converters and AC Drive, WELEY INTER-SCIENCE의 7장을 참조할 수 있다.
보다 구체적으로, 컨버터 제어부(206)는 컨버터(203)의 출력단이며, 캐패시터(204)와 연결된 직류 단 전압을 제어할 수 있다. 일반적으로 캐패시터(204)는 입출력 단의 전력 불균형 해소를 위해서 사용되는데, 전원 측에서 공급되는 입력 전력이 부하에서 소비되는 출력 전력보다 클 경우에는 직류 단 전압이 증가하고, 반대의 경우에는 직류 단 전압이 감소하게 동작하여 완충 작용을 한다. 도 3 및 도 4는 직류 단 전압을 제어하기 위한 컨버터 제어부(206)의 직류 단 전압 제어부 구성을 도시한 것이다.
일반적인 직류 단 전압 제어부는 적용 분야에 따라 선택적으로 도 3에서 도시된 바와 같이 적분 비례 제어기의 형태로 구성될 수 있으며, 도 4에서 도시된 바와 같이 비례 적분 제어기로 구성될 수 있다.
각 도면에서, Kp는 비례이득, Ki는 적분이득을 나타내며, Vdc는 캐패시터(204)로 출력되는 직류 단 전압의 측정값을 의미할 수 있고, Vdc*는 직류 단 전압 제어 지령 신호 값을 의미할 수 있다.
dq좌표계 전류를 기준으로 할 때, 도 3에서 획득되는 q축 전류 지령 신호 iq^e*는 수학식 1과 같이 계산될 수 있으며, 도 4에서 획득되는 q축 전류 지령 신호 iq^e*는 수학식 2와 같이 계산될 수 있다.
Figure 112012071844988-pat00001
Figure 112012071844988-pat00002
앞서 설명한 바와 같이, 직류 단에 연결된 캐패시터(204)의 전압은 직류 단 전압 제어기에 의해 제어될 수 있으며, 직류 단 전압 제어기의 출력은 q축 전류 지령 신호(iq^e*)일 수 있다. 전류 지령 신호에 따라 컨버터 제어부(206)의 전류 제어부는 동기 좌표계 상의 d, q축 전류를 각각 제어하게 되는데, q축 전류 성분을 유효 전력분 전류라 하고, d축 전류 성분은 무효 전력분 전류로 정의될 수 있다.
컨버터 제어부(206)의 전류 제어기의 동작에 따라, 필요한 경우 교류 전원 단 역률도 제어할 수 있다. 전원 전압과 전류가 정현 파(sinusoidal wave)인 경우, 역률(PF)을 다음과 같이 표현할 수 있다.
Figure 112012071844988-pat00003
여기서, edq^e=ed^e+jeq^e, idq^e=id^e+jiq^e 이며 edq^e ·idq^e 는 동기 좌표계 상의 전원 전압 복소수 벡터와 전류 복소수 벡터의 내적을 의미하며 |edq^e ||idq^e | 는 각 복소수 벡터의 크기의 곱을 의미할 수 있다. 수학식 3으로부터 직류 단 전압 제어기에서 출력되는 역률 제어를 위한 동기 좌표계 d축 전류 지령 신호치 id^e*는 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112012071844988-pat00004
한편, 컨버터 제어부(206)의 전류 제어기는 도 5와 같이 구성될 수 있다. 전류 제어기는 상술한 직류 단 전압 제어기에서 출력되는 역률 제어를 통해 계산된 전류 지령 신호와, 전류 센서를 통해 측정된 전류에 따라, 비례 적분 제어기와 전향 보상(feed forward)기를 사용하여 전압 지령 신호를 출력할 수 있다.
도 5에서, Kpd 및 Kpq는 각각 d축 전류 지령 신호에 대한 비례 이득 값, q축 전류 지령 신호에 대한 비례 이득 값을 의미할 수 있으며, Kid 및 Kiq는 각각 d축 전류 지령 신호에 대한 적분값 및 q축 전류 지령 신호에 대한 적분값을 의미할 수 있다.
이와 같은 도 5의 전류 제어기에 의해 출력되는 전압 지령 신호 값은 다음과 같다.
Figure 112012071844988-pat00005
위와 같이 생성된 전압 지령 신호 값은 컨버터(203)에서 사용될 수 있도록 단상 정지 좌표계로 변환되어 출력될 수 있다.
한편, 이와 같은 컨버터 제어부(206)를 포함하는 단위 전력 셀의 전압 맥동은 다음과 같이 구해질 수 있다.
먼저, 단위 전력 셀의 입력 전압과 전류는 수학식 6과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112012071844988-pat00006
수학식 6에서, δ는 컨버터(203) 입력 전압과 전류의 위상차이고, ws는 입력 전원 주파수이고, t는 시간, Vs와 Is는 입력 전압과 전류의 실효치(RMS value)이다.
그리고, 수학식 6으로부터 구해지는 입력 전력 ps(t)는 다음과 같다.
Figure 112012071844988-pat00007
이 경우, 각 단위 전력 셀의 출력 전압과 출력 전류는 수학식 8과 같이 정의될 수 있다.
Figure 112012071844988-pat00008
이 때, Φ는 부하 각, wo는 운전 주파수, t는 시간을 나타낼 수 있다. 그리고, V0와 I0는 출력 전압과 출력 전류의 실효치를 나타낼 수 있다.
수학식 8로부터, 단위 전력 셀의 출력 전력은 수학식 9와 같이 연산될 수 있다.
Figure 112012071844988-pat00009
수학식 9에서 확인할 수 있듯이, 단위 전력 셀의 입력과 출력 전력은 직류 성분과 교류 성분으로 이루어지는 것을 알 수 있으며, 입력 전력의 교류 성분은 입력 주파수의 2배를, 출력 전력의 교류 성분은 운전 주파수의 2배에 해당하는 맥동을 가지고 있는 것을 알 수 있다.
직류 단에 연결된 캐패시터(204)로 전달되는 전력은 컨버터(203)의 입력 전력과 출력 전력의 차이에 의해 정해질 수 있다. 또한, 입력 전력과 출력 전력의 평균 값이 같아야 하므로, 나머지 교류 성분은 캐패시터(204)에 전달되는 전력이 될 수 있다. 이는 다음의 수학식 10과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112012071844988-pat00010
수학식 10으로부터 직류 단에는 입력 주파수와 운전 주파수의 2배에 해당하는 맥동이 각각 발생하는 것을 알 수 있으며, 입력 전력과 출력 전력의 교류 성분이 커질 경우, 직류 단 전원 전압의 맥동 크기가 증가함을 알 수 있다.
따라서, 단위 전력 셀의 단상 컨버터(203)와 인버터(205)로 이루어진 전력 회로의 직류 단 전압(캐패시터(204) 전달 전압)에는 입력 단 전원 주파수와 출력 단 운전 주파수의 2배에 해당하는 맥동이 크게 발생하게 되어, 이를 저감시키기 위한 직류 단 캐패시터의 용량이 크게 요구될 수 있다. 이는 결국 전체 시스템의 부피 및 가격을 증대시킨다. 또한 직류 단 전압의 맥동은 인버터 출력 전압에 영향을 미치므로 시스템 신뢰성(reliability)를 감소시킨다.
본 발명의 목적은, 인버터의 직류 단 전압 맥동을 감소시킬 수 있는 회생형 인버터 장치 및 단위 전력 셀을 이용한 인버터 장치를 제공함에 있다.
또한, 인버터의 직류 단 캐패시터의 용량을 줄일 수 있는 회생형 인버터 장치 및 단위 전력 셀을 이용한 인버터 장치를 제공함에 있다.
그리고, 본 발명의 다른 목적은 단위 전력 셀의 능동적인 전압 제어를 통해 인버터 출력의 시스템 신뢰성을 향상시킬 수 있는 회생형 인버터 장치 및 단위 전력 셀을 이용한 인버터 장치를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 인버터 장치는, 회생형 인버터 장치에 있어서, 단상 교류 전원을 입력받아 직류 전원으로 출력하는 컨버터부; 상기 컨버터부에서 출력되는 직류 전원을 완충하는 캐패시터부; 상기 완충된 직류 전원을 합성하여 부하의 구동 전력으로 출력하는 인버터부; 및 상기 단상 교류 전원 및 상기 컨버터부의 출력 직류 전원에 기초하여 상기 컨버터부를 제어하는 컨버터 제어부를 포함하고, 상기 컨버터 제어부는 상기 컨버터부에 포함된 복수의 게이트들의 제어를 위한 컨버터 게이트 신호 발생부; 및 상기 컨버터 게이트 신호 발생부의 입력측에 연결된 가산기로, 상기 단상 교류 전원의 기본파 성분과 크기가 동일하고 상기 단상 교류 전원의 기본파 성분의 소정 배수의 주파수를 갖는 컨버터 추가 전력을 출력하는 입력 고조파 전압 발생부를 포함한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 인버터 장치는, 복수의 단위 전력 셀을 포함하는 인버터 장치에 있어서, 입력 전원으로부터 3상 전원을 수신하여 위상 변환을 수행하고, 상기 각 단위 전력 셀에 단상 전원으로 제공하는 위상 치환 변압부; 및 상기 각 단위 전력 셀로부터 출력되는 전력을 합성하여 3상 구동 부하로 출력하는 출력단을 포함하고, 상기 각 단위 전력 셀은 상기 단상 전원을 입력받아 직류 전원으로 출력하는 컨버터부; 상기 직류 전원을 상기 출력단으로 출력하는 인버터부; 상기 단상 전원 및 상기 컨버터부의 출력 전원에 기초하여 상기 컨버터부를 제어하는 컨버터 제어부; 및 상기 인버터부의 출력 전압에 기초하여 상기 인버터부를 제어하는 인버터 제어부를 포함하고, 상기 컨버터 제어부는 상기 단상 전원의 기본파 성분과 크기가 동일하고, 상기 단상 교류 전원의 기본파 성분의 소정 배수의 주파수를 갖는 컨버터 추가 전력을 출력하는 입력 고조파 전압 발생부를 포함하며, 상기 인버터 제어부는 상기 출력 전압의 기본파 성분과 크기가 동일하고, 상기 출력 압의 기본파 성분의 소정 배수의 주파수를 갖는 컨버터 추가 전력을 출력하는 입력 고조파 전압 발생부를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 입력단 고조파 전압 발생기를 이용하여 맥동 전력 주파수를 증가시킴으로서, 컨버터의 직류 단 전압의 맥동 크기를 줄일 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 다른 일 실시 예에 따르면, 입력단 고조파 전압 발생기 및 출력단 고조파 전압 발생기를 이용하여 맥동 전력 주파수를 증가시킴으로서, 컨버터의 직류 단 전압의 맥동 크기를 줄일 수 있게 된다.
또한, 컨버터의 직류 단 전압 맥동 크기 저하로 인해 직류 단 캐패시터의 용량을 저감시킬 수 있으며, 이에 따라 전체 시스템의 부피 및 가격을 감소시킬 수 있다.
그리고, 컨버터의 직류 단 전압 맥동 크기 저하를 통해 시스템 신뢰성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1 내지 도 5는 일반적인 인버터 장치의 구성 및 동작을 설명하기 위한 도면들이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 인버터 장치를 포함한 전체 시스템의 예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 인버터 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 인버터 장치의 단위 전력 셀 구성을 보다 상세하게 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 인버터 장치의 입력단 고조파 전압 발생부의 동작을 설명하기 위한 제어도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 인버터 장치의 출력단 고조파 전압 발생부의 동작을 설명하기 위한 제어도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 인버터 장치의 게이트 신호 발생 동작을 설명하기 위한 제어도이다.
이하의 내용은 단지 본 발명의 원리를 예시한다. 그러므로 당업자는 비록 본 명세서에 명확히 설명되거나 도시되지 않았지만 본 발명의 원리를 구현하고 본 발명의 개념과 범위에 포함된 다양한 장치를 발명할 수 있는 것이다. 또한, 본 명세서에 열거된 모든 조건부 용어 및 실시예들은 원칙적으로, 본 발명의 개념이 이해되도록 하기 위한 목적으로만 명백히 의도되고, 이와 같이 특별히 열거된 실시예들 및 상태들에 제한적이지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 발명의 원리, 관점 및 실시예들 뿐만 아니라 특정 실시예를 열거하는 모든 상세한 설명은 이러한 사항의 구조적 및 기능적 균등물을 포함하도록 의도되는 것으로 이해되어야 한다. 또한 이러한 균등물들은 현재 공지된 균등물뿐만 아니라 장래에 개발될 균등물 즉 구조와 무관하게 동일한 기능을 수행하도록 발명된 모든 소자를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
따라서, 예를 들어, 본 명세서의 블럭도는 본 발명의 원리를 구체화하는 예시적인 회로의 개념적인 관점을 나타내는 것으로 이해되어야 한다. 이와 유사하게, 모든 흐름도, 상태 변환도, 의사 코드 등은 컴퓨터가 판독 가능한 매체에 실질적으로 나타낼 수 있고 컴퓨터 또는 프로세서가 명백히 도시되었는지 여부를 불문하고 컴퓨터 또는 프로세서에 의해 수행되는 다양한 프로세스를 나타내는 것으로 이해되어야 한다.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 인버터 장치를 포함한 전체 시스템의 예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 인버터 장치(701)를 포함한 전체 시스템은 전원 입력부(705), 위상 치환 변압부(703), 복수의 단위 전력 셀(a1 내지 c3) 및 3상 전동기(702)를 포함하여 구성된다.
전원 입력부(705)는 전원 공급자로부터 3상 전압을 수신하여 위상 치환 변압부(703)로 전달한다. 고압 인버터의 경우, 전원 입력부(705)는 선간 전압 실효치가 600V이상인 3상 전압을 수신하여 전달할 수 있다.
위상 치환 변압부(703)는 입력 단으로부터 수신되는 전원 입력부(705)의 전달 전력의 고조파를 저감하여 전원 전류의전 고조파 왜율을 개선하고, 변압 과정을 수행하여 각 단위 전력 셀들(704a 내지 704c)로 단상 전원을 제공한다. 또한, 위상 치환 변압부(703)는 전원 입력부(705)의 입력단과 인버터 장치(701)간 전기적 절연을 제공할 수도 있다.
그리고, 각각의 단위 전력 셀들(a1 내지 c3)은 단상 전력을 수신하여 상 전압으로 출력한다. 상 전압은 각 상에 대응되는 단위 전력 셀들의 전압 합으로 합성되어 3상 전동기(702)로 출력될 수 있다.
따라서, 단위 전력 셀은 그룹화 될 수 있다. 예를 들어, 단위 전력 셀 그룹 704a는 단위 전력 셀 a1, a2, a3를 포함할 수 있으며, 단위 전력 셀 그룹 704a에 포함된 단위전력 셀들의 출력은 하나의 상에 대응되도록 합성되어 3상 전동기에 단상 전력을 출력할 수 있다. 또한, 각 단위 전력 셀 그룹들(704a 내지 704c)간의 전압 위상은 3상 전력을 형성하기 위한 120도의 위상 차이를 가질 수 있다.
이하에서는 도 7 내지 도 11을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 인버터 장치의 단상 전력 셀 구성을 보다 상세히 설명한다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 인버터 장치의 단상 전력 셀 구성을 나타내는 블록도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 인버터 장치는 단상 교류 전원을 입력받아 저장 및 전달하는 인덕터부(802), 인덕터부(802) 출력을 직류 전원으로 변환 및 승압하여 출력하는 컨버터부(803); 상기 승압된 직류 전원을 다시 변환하여 교류 전원으로 출력하는 인버터부(805); 상기 단상 교류 전원 및 컨버터부(803)의 출력 전력에 기초하여 컨버터부(803)를 제어하는 컨버터 제어부(820); 및 인버터부(805)의 출력 전압에 기초하여 인버터부(805)를 제어하는 인버터 제어부(830)를 포함한다.
그리고, 컨버터 제어부(820)는 상기 단상 전원의 기본파 성분과 크기가 동일하고, 상기 단상 교류 전원의 기본파 성분의 소정 배수의 주파수를 갖는 컨버터 추가 전력을 출력하는 입력 고조파 전압 발생부를 포함할 수 있다.
또한, 인버터 제어부(830)는 상기 출력 전압의 기본파 성분과 크기가 동일하고, 상기 출력 압의 기본파 성분의 소정 배수의 주파수를 갖는 컨버터 추가 전력을 출력하는 입력 고조파 전압 발생부를 포함할 수 있다.
이와 같은 컨버터 제어부(820) 및 인버터 제어부(830)의 동작에 따라 컨버터부(803)에서 출력되는 직류 전압의 맥동이 저감될 수 있다. 보다 상세한 설명은 후술하도록 한다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 인버터 장치의 단위 전력 셀 구성을 보다 상세하게 나타낸 도면이다.
그리고, 도 8을 참조하면, 다른 구성들은 도 7에서 설명한 바와 동일하며, 컨버터 제어부(820) 및 인버터 제어부(830)의 구성을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 컨버터 제어부(820)는 위상 검출부(506), 좌표 변환부(807), 전압 제어부(808), 전류 제어부(809), 입력단 고조파 전압 발생부(814), 제1 가산기(812) 및 컨버터 게이트 신호 발생부(810)를 포함한다.
위상 검출부(806)는 단위 전력 셀의 입력 전원(801)과 연결될 수 있으며, 입력 전원(801)으로부터 입력되는 단상 전력의 전압을 측정하여 위상 정보를 획득하고, 좌표 변환부(807)로 제공할 수 있다.
좌표 변환부(807)은 위상 검출부(806) 및 단위 전력 셀의 입력 전원(801)과 연결될 수 있다. 좌표 변환부(807)는 위상 검출부(806)로부터 수신되는 위상 정보에 기초하여, 단상 정지 좌표계 상으로 전송되는 단위 전력 셀의 입력 전원(801) 전류를 dq 동기 좌표계 상에서의 전류로 변환할 수 있다.
전압 제어부(808)는 컨버터부(803)의 출력단인 직류 단 전압에 따라 전류 제어 지령 신호를 생성하고, 전류 제어부(809)로 출력할 수 있다. 전압 제어부(808) 는 컨버터부(803)의 출력단의 직류 전압으로부터 측정된 전압 및 직류 전압 지령 신호 입력(Vdc*)에 기초하여 동기 좌표계 상의 d, q축 전류 지령 신호(iq*, id*)를 발생시킬 수 있다. 직류 전압 지령 신호는 사용자로부터 수신할 수도 있으며, 메인 제어 시스템으로부터 수신할 수도 있고, 미리 값이 설정될 수 도 있다. 그리고, 전압 제어부(808)는 기본 파 성분의 전류 지령 신호만을 출력하기 위한 대역 통과 필터를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에서, 전압 지령 또는 전류 지령 신호는 전압 또는 전류 제어를 위한 특정 값의 제어 전압 또는 제어 전류를 나타낼 수 있다. 편의에 따라, 각각의 제어 전압 또는 제어 전류는 전류 지령 신호 또는 전압 지령 신호로 호칭될 수 있다.
전류 제어부(809)는 전압 제어부(808) 및 좌표 변환부(807)와 연결될 수 있다. 전류 제어부(809)는 전압 제어부(808)로부터 인가되는 전류 지령 신호를 수신할 수 있다. 그리고, 전류 제어부(809)는 수신된 전류 지령 신호 및 좌표 변환부(807)로부터 좌표 변환된 전류에 기초하여 전압 지령 신호를 생성하고, 생성된 전압 지령 신호(Va*)를 출력할 수 있다.
컨버터 게이트 신호 발생부(810)는 컨버터부(803)의 각 전력 소자, 특히 컨버터부(803)에 포함된 복수의 스위치들(803a 내지 803b)에 대한 스위칭 신호를 생성하고, 컨버터부(803)로 입력할 수 있다. 컨버터 게이트 신호 발생부(810)는 제1 가산기(812)와 연결될 수 있다. 컨버터 게이트 신호 발생부(810)는 제1 가산기(812)를 통해 전류 제어부(809)의 출력에 입력단 고조파 전압 발생부(814)의 출력 신호가 가산된 전압 지령 신호를 수신하고, 이에 따라 PWM 신호를 생성하여 컨버터부(803)의 스위칭 동작을 제어할 수 있다.
제1 가산기(812)는 가산기(812)를 통해 전류 제어부(809)의 출력 신호에 입력단 고조파 전압 발생부(814)의 출력 신호를 가산하고, 그 결과 신호를 상술한 게이트 신호 발생부(810)로 전달한다.
그리고, 입력단 고조파 전압 발생부(814)는 상기 컨버터 게이트 신호 발생부(810)의 입력측에 연결된 가산기(812)로, 상기 단상 교류 전원의 기본파 성분과 크기가 동일하고 상기 단상 교류 전원의 기본파 성분의 소정 배수의 주파수를 갖는 컨버터 추가 전력 신호를 출력한다. 이를 통해, 컨버터부 (803) 출력 직류단 전력의 맥동을 저감시킬 수 있고, 캐패시터부(804)의 크기를 절감시킬 수 있게 된다. 이와 같은 입력단 고조파 전압 발생부(814)의 동작을 위한 구체적인 구성은 후술하도록 한다.
한편, 인버터 제어부(830)는 인버터 게이트 신호 발생부(811), 제2 가산기(813) 및 출력단 고조파 전압 발생부(815)를 포함한다.
인버터 게이트 신호 발생부(811)는 가산기(813)를 통해 출력 전압 지령 신호를 수신할 수 있다. 인버터 게이트 신호 발생부(811)는 인버터부(805)에 포함된 복수의 전력 소자들, 특히 복수의 스위칭 소자들(805a 내지 805d)을 제어하기 위한 스위칭 신호를 생성하고, 인버터부(805)의 각 스위치로 입력할 수 있다.
제2 가산기(813)은, 출력단 고조파 전압 발생부(815) 및 인버터부(805) 출력 전압에 대한 지령 신호 전압(Vo*)을 가산한 신호를 인버터 게이트 신호 발생부(811)로 출력할 수 있다. 인버터부(805) 출력 전압에 대한 지령 신호 전압은 회생형 인버터 방식에 따라 인버터부(805)의 출력 전압을 그대로 포함할 수 있다. 그러나, 필요에 따라 지령 신호 전압이 사용자에 의해 설정될 수도 있고, 기타 다른 제어 시스템과 연결된 경우, 제어 시스템의 제어에 따라 결정될 수도 있음은 물론이다.
출력단 고조파 전압 발생부(815)는 인버터 게이트 신호 발생부(811)의 입력측에 연결된 제2 가산기(813)로 상기 인버터부(805)의 출력 전압의 기본파 성분과 크기가 동일하고, 상기 인버터부(805)의 출력 전압의 기본파 성분의 소정 배수 주파수를 갖는 인버터 추가 전력을 출력할 수 있다. 이에 따라, 출력 주파수를 높임으로써, 컨버터부 (803) 출력 직류단 전력의 맥동을 더욱 저감시킬 수 있고, 캐패시터부(804)의 크기를 더욱 절감시킬 수 있게 된다. 이와 같은 출력단 고조파 전압 발생부(815)의 동작을 위한 구체적인 구성은 후술하도록 한다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 입력단 고조파 전압 발생부(814)의 구성을 나타낸다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 입력단 고조파 전압 발생부(814)는 제1 감산부(901), 제1 절대값 연산부(902), 제1 비례 제어부(903) 및 제1 좌표변환부(904)를 포함한다.
제1 감산부(901)는 전류 제어부(809)로부터 출력되는 전압 지령 신호(Va*) 및 단상 교류 전원(801) 입력 전압 간 차를 연산하고, 제1 절대값 연산부(902)로 출력할 수 있다.
제1 절대값 연산부(902)는 제1 감산부(901) 출력을 수신하고, 그 절대값을 연산하여, 비례 제어부(903)로 신호 출력할 수 있다. 제1 절대값 연산부(902)에서 연산된 절대값은 컨버터부(803) 입력 권선에 인가되는 컨버터 전압의 기본파 성분 크기를 나타낼 수 있다.
제1 비례 제어부(903)는 제1 절대값 연산부(902)로부터 수신되는 컨버터 전압의 기본파 성분 크기를 나타내는 절대값 신호에 기초하여, 그 크기가 비례 제어된 고조파 전압을 제1 좌표 변환부(904)로 출력할 수 있다. 비례 상수는 예를 들어, K일 수 있으며, K 값은 제1 비례 제어부(903)의 출력이 컨버터 전압의 기본파 성분 크기에 대한 소정 배수로 유지 될 수 있도록 결정될 수 있다.
제1 좌표 변환부(904)는 위상 검출부(806)와 연결될 수 있으며, 위상 검출부(806)로부터 출력되는 전원 위상 각 정보를 수신할 수 있다. 그리고, 제1 좌표 변환부(904)는 비례 제어부(903)로부터 출력되는 고조파 전압 신호에 따라 그 기본파 주파수의 3배에 해당하는 고조파 전압 위상을 결정할 수 있으며, 결정된 전압 위상에 기초하여 비례 제어부(903)로부터 출력되는 고조파 전압 신호의 위상 및 좌표를 변환하여 제1 가산기(812)로 출력할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 출력단 고조파 전압 발생부(815)의 구성을 나타낸다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 출력단 고조파 전압 발생부(815)는 제2 절대값 연산부(1001) 및 제2 좌표 변환부(1002)를 포함한다.
제2 절대값 연산부(1001)는 인버터부(805)로부터 출력되는 인버터부(805) 출력 전압을 전압 지령(Vo*)으로 수신하고, 수신된 인버터부(805) 출력 전압의 절대값을 연산하여 제2 좌표 변환부(1002)로 신호 출력할 수 있다. 출력되는 절대값 신호는 인버터부(805) 출력 전압의 기본파 성분 크기를 나타낼 수 있다.
제2 좌표 변환부(1002)는 제2 절대값 연산부(1001)로부터 출력되는 전압의 크기 신호를 수신하고, 인버터부(805) 출력 전압의 기본파 성분 크기 및 인버터부(805) 출력단에 연결된 부하의 부하각에 기초하여 인버터부(805) 출력 전압 주파수의 3배에 해당하는 고조파 전압의 위상을 결정할 수 있다. 그리고, 제2 좌표 변환부(1002)는 결정된 전압 위상에 기초하여 제2 절대값 연산부(1001)로부터 출력되는 고조파 전압 신호의 위상 및 좌표를 변환하여 제2 가산기(813)로 출력할 수 있다.
앞서 설명한 바와 같은 입력단 고조파 전압 발생부(814) 및 출력단 고조파 전압 발생부(815)에 따라 입력 및 출력 전원은 다음과 같이 조정될 수 있다.
먼저, 입력단 고조파 전압 발생부(814)의 동작에 따라, 컨버터부(803) 입력 전력의 교류 성분 주파수를 높이기 위해 요구되는 전압 지령이 생성될 수 있다. 이 전압 지령은 전원 전류의 기본파 성분의 크기와 동일한 3고조파 전류를 발생시킬 수 있으며, 이를 위해서는 기본파 전류의 크기를 결정하는 전압의 크기가 필요할 수 있다. 그 크기는 컨버터부(803)입력 권선의 전압 방정식인 수학식 11을 통해 알 수 있다.
Figure 112012071844988-pat00011
여기서, va(t)는 컨버터부(803) 입력 권선의 전압을 나타낼 수 있다.
수학식 11에 따라, 컨버터부(803) 입력 전력의 전류에 영향을 미치는 전압의 크기는 컨버터부(803) 입력 전압과 단상 입력 전원 vs의 전압간 차에 의해 결정되는 것을 확인할 수 있다.
따라서, 입력단 고조파 전압 발생부(814)는 인덕터부(802)에 흐르는 전류에 영향을 미치는 기본 파 전압의 크기와 주파수가 각각 3배인 전압을 컨버터부(803)를 통해 입력 권선에 인가하여 3고조파 성분의 전류가 흐르도록 할 수 있다.
그리고, 입력단 고조파 전압 발생부(814)는 기본파 전류의 크기와 동일한 3고조파 성분의 전류가 흐르기 위한 전압의 크기가 주파수 또는 동작 환경에 따라 변경될 수 있으므로, 비례 제어기를 사용하여 정확하게 제어할 수 있다. 이러한 입력단 고조파 전압 발생부(814)의 출력 전압 지령은 전류 제어부(809)의 출력 전압 지령에 가산될 수 있다. 이 때, 컨버터부(803) 입력 전압, 전류, 전력은 수학식 12와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112012071844988-pat00012
한편, 출력단 고조파 전압 발생부(815)는 인버터부(805) 지령 전압과 크기는 동일하나 지령 전압 주파수의 3배인 전압 지령 신호를 인버터부(805) 지령 전압에 추가로 인가할 수 있다. 이때, 추가되는 전압 지령 신호는 부하각에 기초하여 결정될 수 있다. 이 때, 인버터부(805)의 출력 전압, 전류 및 전력은 수학식 13과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112012071844988-pat00013
그리고, 수학식 12의 전력식과, 수학식 13의 전력식로부터 컨버터부(803) 직류 출력 단의 캐패시터부(804)에 인가되는 맥동 전력을 계산하면 수학식 14와 같다.
Figure 112012071844988-pat00014
수학식 14에 도시된 바와 같이, 수학식 7 및 수학식 9와 비교하여 기존에 비해 입력과 출력 전력의 교류 성분 주파수가 각각 증가함을 확인할 수 있다.
따라서, 입력단 고조파 전압 발생부(814)와 출력단 고조파 전압 발생부(815)를 통해 계산된 전압 지령이 각 컨버터와 인버터 전압 지령에 추가됨에 따라 위와 같은 결과가 나타남을 확인할 수 있다. 이를 기존 전력회로의 직류 단 캐패시터에서 나타나는 맥동 전력인 수학식 10과 비교하여 보면, 직류 단 주파수가 2배 커진 것을 알 수 있다.
직류 단에 사용되는 전해 캐패시터는 수 kHz 미만의 영역에서 임피던스(impedance)의 크기가 줄어들 수 있다. 예를 들어, 전력회로의 입력 단 주파수는 50/60Hz 이고, 출력 단 주파수는 200Hz 미만일 수 있다. 이 경우 앞서 설명한 수학식 14와 같이 출력이 형성되는 경우, 맥동 주파수상에서 직류 단 캐패시터의 임피던스는 주파수가 증가함에 따라 줄어들 수 있다.
따라서, 이러한 직류 단 캐패시터의 특성으로 인하여 맥동 전력의 주파수가 높아질수록 직류 단 전원 전압의 맥동 크기가 줄어드는 효과를 가져올 수 있게 된다. 이에 따라 동일한 부하 전력이 요구되고, 동일한 직류 단 캐패시터를 갖는 상황에서의 직류 단 전원 전압의 맥동 크기를 줄일 수 있으며, 캐패시터의 요구 크기가 감소됨에 따라, 저 비용 및 부피를 절감할 수 있는 효과가 있다.
한편, 도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 컨버터 게이트 신호 발생부(810) 및 인버터 게이트 신호 발생부(811)의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
설명에 앞서, 컨버터 게이트 신호 발생부(810) 및 인버터 게이트 신호 발생부(811)는 동일한 회로를 포함할 수 있다. 컨버터 게이트 신호 발생부(810) 및 인버터 게이트 신호 발생부(811)는 예를 들어, 동일한 단극(Unipolar) 스위칭 방식으로 동작할 수 있다. 따라서, 이하에서는 컨버터 게이트 신호 발생부(810)의 동작을 위주로 설명하지만, 이는 인버터 게이트 신호 발생부(811)의 동작에도 동일하게 적용될 수 있다.
컨버터 게이트 신호 발생부(810)는 삼각파 발생부(601), 반전부(602), 제3 감산부(603), 제4 감산부(604), 제1 게이트 신호 발생부(605), 제2 게이트 신호 발생부(606), 제1 부정 게이트(607) 및 제2 부정 게이트(608)을 포함한다.
삼각파 발생부(601)는 직류 단 전압 지령 신호(Va*)와 비교하기 위한 삼각파 신호를 생성하고, 제3 감산부(603) 및 제4 감산부(604)로 출력한다.
반전부(602)는 직류 단 전압 지령(Va*) 신호를 수신하여 반전된 전압을 출력한다.
제3 감산부(603)는 직류 단 전압 지령 신호를 수신하고, 삼각파 발생부(601) 출력과의 차이 연산을 수행하여, 양의 값(Positive value) 또는 음(Negative value)의 값을 갖는 신호를 제1 게이트 신호 발생부(605)로 출력한다.
제4 감산부(604)는 반전부(602)에서 반전된 전압을 수신하고, 삼각파 발생부(601) 출력과의 차이 연산을 수행하여, 양의 값(Positive value) 또는 음(Negative value)의 값을 갖는 신호를 제2 게이트 신호 발생부(606)로 출력한다.
제1 게이트 신호 발생부(605)는 제3 감산부(603) 출력에 따라 스위치 상태값을 결정하고, 컨버터부(803)의 803a 스위치로(인버터의 경우, 805a 스위치) 출력하며, 부정 게이트(607)를 통해 반전된 상태값을 컨버터부(803)의 803b 스위치(인버터의 경우 805b 스위치)로 출력할 수 있다.
그리고, 제2 게이트 신호 발생부(606)는 제4 감산부(604) 출력에 따라 스위치 상태값을 결정하고, 컨버터부(803)의 803c 스위치로(인버터의 경우, 805c 스위치) 출력하며, 부정 게이트(607)를 통해 반전된 상태값을 컨버터부(803)의 803d 스위치(인버터의 경우 805d 스위치)로 출력할 수 있다.
이와 같은 입력단 고조파 전압 발생부(814) 및 출력단 고조파 전압 발생부(815)에 의한 회로 내 각 게이트의 스위칭을 위한 게이트 신호 발생 동작에 따라, 컨버터부(803)의 입력 단 주파수 및 출력 단 주파수가 높아질 수 있다. 따라서, 앞서 설명한 바와 같은 직류 단 전원 전압의 맥동 크기가 줄어드는 효과를 회로를 통해 구현할 수 있게 된다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형 실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해 되어서는 안될 것이다.
705: 3상 전원
701: 인버터 장치
702: 3상 전동기
703: 위상 치환 변압부
802: 인덕터부
803: 컨버터부
804: 캐패시터부
805: 인버터부
820: 컨버터 제어부
803: 인버터 제어부

Claims (13)

  1. 회생형 인버터 장치에 있어서,
    단상 교류 전원을 입력받아 직류 전원으로 출력하는 컨버터부;
    상기 컨버터부에서 출력되는 직류 전원을 완충하는 캐패시터부;
    상기 완충된 직류 전원을 합성하여 부하의 구동 전력으로 출력하는 인버터부;
    상기 인버터부의 출력 전압에 기초하여 상기 인버터부를 제어하는 인버터 제어부; 및
    상기 단상 교류 전원 및 상기 컨버터부의 출력 직류 전원에 기초하여 상기 컨버터부를 제어하는 컨버터 제어부를 포함하고,
    상기 컨버터 제어부는
    상기 컨버터부에 포함된 복수의 게이트들의 제어를 위한 컨버터 게이트 신호 발생부; 및
    상기 컨버터 게이트 신호 발생부의 입력측에 연결된 가산기로, 상기 단상 교류 전원의 기본파 성분과 크기가 동일하고 상기 단상 교류 전원의 기본파 성분의 소정 배수의 주파수를 갖는 컨버터 추가 전력을 출력하는 입력단 고조파 전압 발생부를 포함하고,
    상기 인버터 제어부는,
    상기 인버터부에 포함된 복수의 게이트들의 제어를 위한 인버터 게이트 신호 발생부; 및
    상기 인버터 게이트 신호 발생부의 입력측에 연결된 가산기로 상기 인버터부의 출력 전압의 기본파 성분과 크기가 동일하고, 상기 인버터부의 출력 전압의 기본파 성분의 소정 배수 주파수를 갖는 인버터 추가 전력을 출력하는 출력단 고조파 전압 발생부를 포함하고,
    상기 출력단 고조파 전압 발생부는
    상기 인버터부 출력 전압의 기본파 성분 크기를 연산하는 절대값 연산부; 및
    상기 인버터부 출력 전압의 부하각 및 상기 인버터부 출력 전압의 기본파 성분 크기에 기초한 위상 조절을 통해 상기 인버터 추가 전력을 출력하는 위상 결정부를 포함하는
    회생형 인버터 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 컨버터 제어부는
    상기 단상 교류 전원의 위상 정보를 검출하는 위상 검출부;
    상기 검출된 위상 정보에 기초하여 상기 단상 교류 전원의 전류를 dq 동기 좌표계에 따른 d축 전류 및 q축 전류로 변환하는 좌표 변환부;
    상기 컨버터부의 출력 전압에 따라 d축 제어 전류 및 q축 제어 전류를 발생하는 전압 제어부; 및
    상기 좌표 변환된 d축 전류 및 q축 전류와 상기 전압 제어부에서 출력되는 d축 제어 전류 및 상기 q축 제어 전류에 따라 상기 컨버터부 제어를 위한 제1 제어 전압을 발생하는 전류 제어부를 포함하고,
    상기 입력단 고조파 전압 발생부는 상기 단상 교류 전원과 상기 제1 제어 전압에 기초하여 제2 제어 전압을 출력하며,
    상기 가산기는 상기 제1 제어 전압 및 상기 제2 제어 전압을 가산하여 상기 컨버터 게이트 신호 발생부로 출력하는
    회생형 인버터 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 입력단 고조파 전압 발생부는
    상기 컨버터 추가 전력의 전압 크기 및 주파수를 상기 소정 배수로 유지하기 위한 비례 제어부를 포함하는
    회생형 인버터 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 소정 배수는 3배인 것을 특징으로 하는 회생형 인버터 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 입력단 고조파 전압 발생부는
    상기 제1 제어 전압 및 상기 단상 전원의 전압의 차를 출력하는 감산부;
    상기 감산부 출력의 절대값을 계산하여 상기 기본파 성분의 크기를 연산하는 절대값 연산부;
    상기 연산된 기본파 성분의 크기에 기초하여 일정 크기의 고조파 전압을 출력하는 비례 제어부; 및
    상기 비례 제어부로부터 출력되는 고조파 전압이 상기 기본파 주파수의 상기 소정 배수가 되도록 위상을 조절하여 상기 제2 제어 전압으로 출력하는 위상 결정부를 포함하는
    회생형 인버터 장치.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 컨버터 추가 전력 주파수의 상기 단상 교류 전원의 기본파 성분에 대한 소정 배수와 상기 인버터 추가 전력 주파수의 상기 인버터부 출력 전압에의 기본파 성분에 대한 소정 배수는 동일한 것을 특징으로 하는
    회생형 인버터 장치.
  8. 삭제
  9. 복수의 단위 전력 셀을 포함하는 인버터 장치에 있어서,
    입력 전원으로부터 3상 전원을 수신하여 위상 변환을 수행하고, 상기 각 단위 전력 셀에 단상 전원으로 제공하는 위상 치환 변압부; 및
    상기 각 단위 전력 셀로부터 출력되는 전력을 합성하여 3상 구동 부하로 출력하는 출력단을 포함하고,
    상기 각 단위 전력 셀은
    상기 단상 전원을 입력받아 직류 전원으로 출력하는 컨버터부;
    상기 직류 전원을 상기 출력단으로 출력하는 인버터부;
    상기 단상 전원 및 상기 컨버터부의 출력 전원에 기초하여 상기 컨버터부를 제어하는 컨버터 제어부; 및
    상기 인버터부의 출력 전압에 기초하여 상기 인버터부를 제어하는 인버터 제어부를 포함하고,
    상기 컨버터 제어부는 상기 단상 전원의 기본파 성분과 크기가 동일하고, 상기 단상 교류 전원의 기본파 성분의 소정 배수의 주파수를 갖는 컨버터 추가 전력을 출력하는 입력단 고조파 전압 발생부를 포함하며,
    상기 인버터 제어부는 상기 출력 전압의 기본파 성분과 크기가 동일하고, 상기 출력 전압의 기본파 성분의 소정 배수의 주파수를 갖는 인버터 추가 전력을 출력하는 출력단 고조파 전압 발생부를 포함하고,
    상기 출력단 고조파 전압 발생부는,
    상기 인버터부 출력 전압의 기본파 성분 크기를 연산하는 절대값 연산부; 및
    상기 인버터부 출력 전압의 부하각 및 상기 인버터부 출력 전압의 기본파 성분 크기에 기초한 위상 조절을 통해 상기 인버터 추가 전력을 출력하는 위상 결정부를 포함하는 단위 전력 셀을 이용한 인버터 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 각 단위 전력 셀은 상기 3상 구동 부하의 각 상에 대응되는 소정 그룹으로 분할되어 상기 출력단에 연결되는
    단위 전력 셀을 이용한 인버터 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 3상 구동 부하의 상 전압은 상기 소정 그룹으로 분할된 단위 셀들의 전압 합으로 합성되는
    단위 전력 셀을 이용한 인버터 장치.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 각 단위 전력 셀에 포함되는 상기 인버터부 및 상기 컨버터부는 직렬형 H 브릿지 구조로 연결되는
    단위 전력 셀을 이용한 인버터 장치.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 3상 구동 부하는 유도 전동기 또는 동기 전동기 중 적어도 하나를 포함하는
    단위 전력 셀을 이용한 인버터 장치.
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