KR101786244B1 - 역률보상회로 제어방법 - Google Patents

Abstract

역률보상회로의 출력전압값과 출력전압지령값을 이용하여 출력전류지령값을 도출하는 단계; 역률보상회로의 입력전압값, 출력전압값 및 출력전압지령값을 이용하여 출력전류지령 보상값을 도출하는 단계; 및 도출한 상기 출력전류지령 보상값과 상기 출력전류지령값을 이용하여 역률보상회로의 역률을 향상시키는 단계;를 포함하는 역률보상회로 제어방법이 소개된다.

Description

역률보상회로 제어방법{CONTROL METHOD FOR POWER FACTOR CORRECTION CIRCUIT}

본 발명은 친환경 차량의 완속충전에 있어서 이용되는 역률보상회로의 역률을 향상시켜 차량의 충전효율을 향상시킬 수 있는 역률보상회로 제어방법에 관한 것이다.

최근 전류 하모닉 규제에 의해 대부분의 스위칭 모드 파워 서플라이에 역률 보상 회로가 사용되고 있다. SMPS는 입력되는 공급 전압을 하나 이상의 직류 츌력 전압으로 변환하는 장치로써 다양한 파워 공급장치들에 주로 사용된다. 이러한 SMPS에서 입력전류가 입력 전압을 추종하도록 하여 역률을 보상하는 역률 보상 회로가 사용된다. 즉, 역률 보상(Power Factor Correction) 회로는 외부에 인가되는 입력 전압에 입력 전류가 추종되도록 함과 동시에 입력되는 교류 전압을 일정한 직류 전압으로 출력하는 회로이다.

역률 보상 회로는 인덕터를 포함하고, 역률 보상 회로의 동작 모드는 인덕터를 통해 흐르는 전류의 상태에 따라 연속 전도 모드, 불연속 전도 모드 및 임계 전도 모드의 세가지로 구분된다. 연속 전도 모드는 인덕터를 통해 흐르는 전류가 제로가 되는 시점이 존재하지 않도록 하는 동작 모드이고, 불연속 전도 모드는 인덕터를 통해 흐르는 전류가 제로가 되는 시점이 존재하도록 하는 동작모드이다. 한편, 임계 전도 모드는 연속 전도 모드와 불연속 전도 모드의 경계 지점에서 동작하는 모드로서, 인덕터를 통해 흐르는 전류가 제로가 되는 시점에 인덕터를 통해 흐르는 전류를 증가시키는 동작 모드이다.

이러한 인덕터를 포함하고 있는 역률보상회로에 대하여 공개특허공보 2009-0020513 "역률 보상 회로"에서도 인덕터로 흘러들어가는 입력 전류의 왜곡을 최소화 할 수 있는 역률 보상 회로를 제공하고 있다. 다만, 이에 따르더라도 역률보상회로의 전류 제어대역 응답성을 유지하면서도 역률을 향상시킬 수 있는 방법에 대해서는 구체적으로 개시되어 있지 않았으며, 역률보상회로의 제어방법이 지나치게 복잡하여 실제 역률보상회로의 제어를 구현하는데 있어 어려움이 존재하였다.

상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

KR 2009-0020513 A

본 발명은 교류전원을 사용하는 차량탑재형 완속충전기의 무효전력을 줄이기 위해 역률보상회로의 출력전압과 출력전류의 위상차이를 최소화 할 수 있는 역률보상회로의 제어방법을 제공하는데 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 역률보상회로 제어방법은 역률보상회로의 출력전압값과 출력전압지령값을 이용하여 출력전류지령값을 도출하는 단계; 역률보상회로의 입력전압값, 출력전압값 및 출력전압지령값을 이용하여 출력전류지령 보상값을 도출하는 단계; 및 도출한 상기 출력전류지령 보상값과 상기 출력전류지령값을 이용하여 역률보상회로의 역률을 향상시키는 단계;를 포함한다.

상기 출력전류지령값을 도출하는 단계는, 역률보상회로의 상기 출력전압값과 상기 출력전압지령값을 적분제어기에 대입하여 상기 출력전류지령값을 도출하는 것을 특징으로 한다.

상기 출력전류지령 보상값을 도출하는 단계는 역률보상회로의 상기 출력전압값과 상기 출력전압지령값의 차이를 통하여 출력리플전압값을 도출하는 단계; 및 역률보상회로의 상기 입력전압값에서 입력전압 실효값을 나눈 입력전압비에 상기 출력리플전압값을 합산하여 상기 출력전류지령 보상값을 도출하는 단계;를 포함한다.

상기 출력전류지령 보상값을 도출하는 단계는, 역률보상회로의 상기 출력전압값을 고역통과필터에 적용하여 상기 출력리플전압값을 도출하는 단계; 및 역률보상회로의 상기 입력전압값에서 상기 입력전압 실효값을 나눈 입력전압비에 상기 출력리플전압값을 합산하여 상기 출력전류지령 보상값을 도출하는 단계;를 포함한다.

상기 출력리플전압값을 도출하는 단계 이후에는, 도출한 상기 출력리플전압값에 미리 설정된 변환계수를 곱하여 상기 출력리플전압값의 진폭을 변경시키는 단계를 더 포함한다.

상기 역률을 향상시키는 단계는, 도출한 상기 출력전류지령값에 상기 전류지령보상값을 곱하여 역률보상회로의 기준전류지령을 도출하는 단계; 및 도출한 상기 기준전류지령을 역률보상회로 출력전류에 적용하여 역률보상회로의 출력전압과 출력전류의 위상차이를 최소화시키는 단계;를 포함한다.

상기 위상차이 최소화 단계는, 상기 기준전류지령과 상기 출력전류의 차이를 적분제어기에 대입하는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이 이용하면 아래와 같은 효과를 얻을 수 있다.

첫째, 역률보상회로의 출력전압과 출력전류의 위상차이가 최소화되므로 무효전력이 최소화되어 역률보상회로의 역률이 향상된다.

둘째, 동일한 입력전력량을 요구하더라도 역률향상으로 인하여 전력전달효율이 향상되기 때문에 충전시간 및 비용을 절감할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 역률보상회로 제어방법의 순서도
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 역률보상회로 제어방법의 순서 다이어그램
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 역률보상회로 제어방법의 순서 다이어그램
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 AC전압과 AC전류의 위상차이 비교 그래프

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 살펴본다.

교류전원을 사용하는 차량에 흔하게 사용되는 역률보상회로는 무효전력을 줄여 피상전력 중 유효전력의 양으로 정의되는 역률을 높여주는 역할을 한다. 일반적으로 역률은 유효전력/피상전력의 식을 만족하는데 이를 수식으로 표현해보면 (V*I*cosθ)/(V*I)라고 표현할 수 있으며 여기서 V는 AC전압, I는 AC전류, θ는 AC전압과 AC전류의 위상차이를 의미한다. 코싸인은 최대값이 1이며 코싸인이 1이 되는 위상값은 0°이므로, 역률이 최대가 되기 위해서는 결국 역률보상회로의 출력전압과 출력전류인 AC전압과 전류의 위상차이가 0°가 되어야 한다는 것을 뜻한다. 따라서 본 발명에서는 역률보상회로의 출력전압과 출력전류의 위상을 최소화하여 역률을 향상시키기 위하여 도1에서 도시한 바와 같이 역률보상회로의 출력전압값과 출력전압지령값을 이용하여 출력전류지령값을 도출하는 단계(S10); 역률보상회로의 입력전압값, 출력전압값 및 출력전압지령값을 이용하여 출력전류지령 보상값을 도출하는 단계(S20); 및 도출한 상기 출력전류지령 보상값과 상기 출력전류지령값을 이용하여 역률보상회로의 역률을 향상시키는 단계(S40);를 제시하고 있다.

출력전류지령값을 도출하는 단계(S10)에서 출력전류지령값이란 역률보상회로에서 출력전류의 목표로 하고자 하는 값이다. 즉, 이상적인 경우의 역률보상회로 출력전류값으로 그 단위는 [A]이다. 출력전류지령을 도출하는 방법으로는 기마련된 맵데이터를 이용하는 등 다양한 방법이 존재할 수 있다.

출력전류지령이 정확한 값이어야 역률보상회로의 역률이 향상될 수 있는바, 본 발명에서는 정확한 출력전류지령을 도출하기 위해 역률보상회로의 출력전압값과 출력전압지령값을 적분제어기에 대입하여 출력전류지령값을 도출하는 방법을 제시하고 있다.

본 발명에서 사용되는 적분 제어기는 기본적으로 피드백 제어기의 형태로 되어 있으며, 제어하고자 하는 대상의 출력값을 측정하여 이를 원하는 설정값과 비교하여 오차를 계산하고, 이 오차값을 이용하여 제어에 필요한 제어값을 계산하는 구조로 되어 있다.(본 발명에서는 원하는 설정값이 출력전류지령값일 것이며, 제어에 필요한 제어값이 출력전압값과 출력전압지령값일 것이다.) 또한, 오차의 적분값이 큰 값으로 누적되어 출력값이 설정값에 가까워지게 되었을 때 제어값이 작아져야 함에도 계속 큰 값을 출력하게 되어 설정값에 도달하는데 오랜 시간이 걸리게 되는 경우도 발생할 수 있는 바, 적분 제어기의 형태는 안티 와인드업 구조를 가지는 적분제어기를 고려해 볼 수 있을 것이다.

따라서 이러한 적분제어기를 이용할 경우 출력전압과 출력전압지령값의 차이를 이용하여 이상적인 출력전류지령값을 도출할 수 있을 것이다. 여기서의 출력전압지령값은 출력전류지령값과 유사하게 사용자가 역률보상회로를 통하여 얻고자 하는 출력전압값을 의미하며 그 단위는 [V]가 될 것이다. 일반적으로 차량탑재형 완속충전기에 사용되는 역률보상회로에는 출력단에 DC-DC컨버터가 포함되어 있기 때문에, 이 경우에는 출력단 DC-DC 컨버터의 정격입력전압이 출력전압지령값이 될 것이다.

위와 같은 방법으로 출력전류지령을 도출하였다면, 단순히 이를 이용하여 역률보상회로의 제어가 가능할 것이다. 그러나 본 발명에서는 이에 그치지 않고 역률보상회로의 역률을 더욱 향상시킬 수 있는 방법을 제시하고 있다. 왜냐하면 아무리 정교하게 만들어진 역률보상회로라고 하더라도 이상적인 회로는 존재할 수 없으므로 출력전압에는 리플값이 발생할 수 밖에 없다. 그리고 이러한 출력리플전압값이 역률보상회로의 역률을 절감시키는 요인이 된다. 따라서 본 발명에서는 역률절감의 요인이 되는 출력리플전압을 사전에 도출하여 이를 보상할 수 있는 방법을 제시하고 있는 것이다.그 방법이 지금부터 설명할 출력전류지령 보상값을 도출하는 단계(S20)이다.

구체적으로 출력전류지령 보상값 도출 단계(S20)로 본 발명에서는 두 가지 방법을 제시하고 있는데, 그 하나가 역률보상회로의 상기 출력전압값과 상기 출력전압지령값의 차이를 통하여 출력리플전압값을 도출하는 단계; 및 역률보상회로의 상기 입력전압값에서 입력전압 실효값을 나눈 입력전압비에 상기 출력리플전압값을 합산하여 상기 출력전류지령 보상값을 도출하는 단계;를 통한 방법이다.

상기 방법에서는 출력리플전압을 출력전압과 출력전압지령의 차이를 통하여 도출하는 방법을 제시하고 있다. 출력전압과 출력전압지령의 차이가 출력리플전압의 정의이므로 이와 같이 도출하는 방법이 가장 직접적이고 정확한 방법일 것이다. 그리고 이에 입력전압값에서 입력전압실효값을 나눈 입력전압비를 합산하게 되고, 이를 통하여 추후에 출력전류지령에 곱하게 될 전류지령보상값을 도출하게 되는 것이다. 여기서 입력전압실효값은 AC 전원시스템에의 실효값을 의미하며, 입력전압이 일반적인 싸인함수에 해당한다면 최대입력전압/√2가 실효값이 될 것이다.

출력전류지령 보상값을 도출할 수 있는 두 번째 방법은 역률보상회로의 상기 출력전압값을 고역통과필터에 적용하여 상기 출력리플전압값을 도출하는 단계; 및 역률보상회로의 상기 입력전압값에서 상기 입력전압 실효값을 나눈 입력전압비에 상기 출력리플전압값을 합산하여 상기 출력전류지령 보상값을 도출하는 단계;를 통한 방법이다.

본 단계에서는 출력리플전압값을 도출하기 위해 고역통과필터를 적용하는 방법을 제시하고 있다. 이는 역률보상회로의 출력전압이 DC형태일 때 유용한 방법일 것이다. 왜냐하면 고역통과필터는 DC전원 제거에 효율적이기 때문이다. 따라서 출력전압이 DC형태라면 소프트웨어 필터든, 하드웨어 필터든 고역통과필터를 통하여 간단히 출력리플전압을 도출할 수 있다. 이 경우, 앞선 방법과 달리 출력전압지령을 알 필요가 없기 때문에 앞선 방법보다 실시가 간이하다는 장점이 있다. 다만, 앞선 방법보다는 간접적인 방법이므로 정확성 측면에서는 떨어질 것이다.

출력리플전압을 도출한 이후의 단계는 앞서 언급한 기재와 동일한 방법으로 출력전류지령 보상값을 도출하게 된다. 여기서의 출력전류지령 보상값이 [A]의 단위가 됨은 물론이다.

더불어, 본 발명에 따를 경우 출력리플전압값을 도출하는 단계 이후에 도출한 상기 출력리플전압값에 미리 설정된 변환계수를 곱하여 상기 출력리플전압값의 진폭을 변경시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 왜냐하면 출력리플전압의 크기는 아주 미세한 값이므로 이를 용이하게 제어하기 위해서는 제어 가능한 수준으로의 크기 확장이 필요하기 때문이다. 따라서 이를 위하여 도출한 출력리플전압에 변환계수를 곱하여 출력리플전압의 진폭을 변경시키는 단계를 추가하고 있는 것이다. 변환계수의 값은 1보다 큰 값으로 다양한 값을 가질 수 있을 것이며, 그 값은 출력리플전압의 크기 출력전류지령 보상값 도출 회로의 정밀성에 따라 결정될 것이다.

출력전류지령 보상값 도출단계(S20)를 통하여 출력전류지령 보상값까지 도출하였다면 이를 이용하여 역률보상회로의 역률을 향상시키는 단계만이 남아있다. 구체적으로 본 발명에서는 역률을 향상시키는 단계로 도출한 상기 출력전류지령값에 상기 전류지령보상값을 곱하여 역률보상회로의 기준전류지령을 도출하는 단계; 및 도출한 상기 기준전류지령을 역률보상회로 출력전류에 적용하여 역률보상회로의 출력전압과 출력전류의 위상차이를 최소화시키는 단계;를 제시하고 있다.

즉, 출력전류지령값에 앞서 도출한 전류지령보상값을 곱하여 역률보상회로의 최종 출력전류가 되는 기준전류지령을 도출하게 되는 것이다. 출력전류지령값, 전류지령보상값 모두 그 단위는 [A]이므로 도출되는 기준전류지령도 그 단위는 [A]가 될 것이다. 그리고 이 기준전류지령이 역률보상회로의 출력전류가 되게 되므로 역률보상회로의 출력전류는 출력리플전압이 보상된 전류값을 가지게 되므로 출력전압과 출력전류의 위상차이가 0에 가까운 값을 가지게 될 것이다.

본 단계에서 기준전류지령로 역률보상회로의 출력전류를 도출하는 단계도 앞서 출력전류지령을 도출하는 단계와 동일하게 적분제어기를 이용하여 오차없이 정확하게 도출할 수 있을 것이다.

앞서 언급한 단계들을 통합하여 본 발명에 따른 역률보상회로 제어방법을 순서 다이어그램으로 도시한 것이 도2와 도3이다. 도2는 출력전압값과 출력전압지령값의 차이를 이용하여 출력전류지령 보상값을 도출하는 방법을 이용한 제어방법이다. 도2의 순서 다이어그램을 보면 알 수 있듯이 본 방법은 출력전압값과 출력전압지령값을 차이를 도출한 후 미리 설정된 변환계수(도2에서는 K값)를 곱한 값에 입력전압비를 합산하여 출력전류지령 보상값을 도출하게 된다. 그리고 도출된 출력전류지령 보상값은 전압제어기에 의하여 출력도니 출력전류지령값과 곱해져 기준전류지령을 도출하게 되고 이 기준전류지령을 적분제어기에 대입함으로써 역률보상회로의 역률을 향상시킬 수 있게 되는 것이다.

도3의 순서 다이어그램은 앞서 언급한 고역통과필터를 이용한 역률보상회로로써 출력전압값을 고역통과필터에 패스시킨 후 미리 설정된 변환계수(도3에서의 K값)를 곱한 값에 입력전압비를 합산하여 출력전류지령 보상값을 도출하게 된다. 이후의 단계는 도2에서 도시한 순서 다이어그램과 동일한 단계를 거치게 되며, 이를 통하여 역률보상회로의 역률이 향상되게 된다.

이러한 방식으로 향상된 역률을 가지는 역률보상회로의 그래프는 도4를 통하여 확인 할 수 있다. 도4에서 실선으로 표시한 것이 AC전압을 의미하고, 점선이 본 발명에서 제시하고 있는 역률향상방법을 적용하기 이전의 역률보상회로의 AC전류를 나타내며, 일점쇄선으로 도시한 그래프가 본 발명이 적용된 AC전류이다.

도4의 그래프를 통하여 역률보상회로의 AC전압과 전류의 위상차이가 감소하였음을 확인할 수 있는바, 앞서 설명한 바와 같이 역률보상회로에 따른 무효전력이 최소화되어 유효전력의 전달 효율이 향상된다는 것을 알 수 있다. 또한, 본 발명의 실시를 위하여 별도의 추가적인 하드웨어 구성을 요하지 않는바, 소프트웨어 업데이트만을 통하여 본 발명의 실시가 가능하므로 제품의 원가 측면에서도 효율적이다.

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

S10: 출력전류지령 도출 단계 S20: 출력전류지령 보상값 도출 단계
S30: 기준전류지령 도출 단계 S40: 위상차이 최소화 단계

Claims (7)

1. 역률보상회로의 출력전압값과 출력전압지령값을 이용하여 출력전류지령값을 도출하는 단계;
   출력전류지령 보상값을 도출하는 단계; 및
   도출한 상기 출력전류지령 보상값과 상기 출력전류지령값을 이용하여 역률보상회로의 역률을 향상시키는 단계;를 포함하고,
   상기 출력전류지령 보상값을 도출하는 단계는,
   역률보상회로의 출력리플전압값을 도출하는 단계; 및
   역률보상회로의 입력전압값에서 입력전압 실효값을 나눈 입력전압비에 상기 출력리플전압값을 합산하여 상기 출력전류지령 보상값을 도출하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 역률보상회로 제어방법.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 출력전류지령값을 도출하는 단계는,
   역률보상회로의 상기 출력전압값과 상기 출력전압지령값을 적분제어기에 대입하여 상기 출력전류지령값을 도출하는 것을 특징으로 하는 역률보상회로 제어방법.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 역률보상회로의 출력리플전압값을 도출하는 단계는,
   역률보상회로의 출력전압값과 출력전압지령값의 차이를 통하여 출력리플전압값을 도출하는 것을 특징으로 하는 역률보상회로 제어방법.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 역률보상회로의 출력리플전압값을 도출하는 단계는,
   역률보상회로의 출력전압값을 고역통과필터에 적용하여 출력리플전압값을 도출하는 것을 특징으로 하는 역률보상회로 제어방법.
5. 청구항 3 또는 4에 있어서,
   상기 출력리플전압값을 도출하는 단계 이후에는,
   도출한 상기 출력리플전압값에 미리 설정된 변환계수를 곱하여 상기 출력리플전압값의 진폭을 변경시키는 단계를 더 포함하는 역률보상회로 제어방법.
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 역률을 향상시키는 단계는,
   도출한 상기 출력전류지령값에 상기 출력전류지령 보상값을 곱하여 역률보상회로의 기준전류지령을 도출하는 단계; 및
   도출한 상기 기준전류지령을 역률보상회로 출력전류에 적용하여 역률보상회로의 출력전압과 출력전류의 위상차이를 최소화시키는 단계;를 포함하는 역률보상회로 제어방법.
7. 청구항 6에 있어서,
   상기 위상차이 최소화 단계는,
   상기 기준전류지령과 상기 출력전류의 차이를 적분제어기에 대입하는 것을 특징으로 하는 역률보상회로 제어방법.
   

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