KR101860576B1 - 인버터 제어장치 - Google Patents

Abstract

인버터 제어장치가 개시된다. 본 발명의 장치는, 소정의 주파수와 크기의 기본파를 수신하여, 상기 기본파의 소정 배수에 해당하는 주파수와 상기 기본파보다 작은 크기의 고조파를 생성하고, 상기 기본파와 상기 고조파를 합산하여 상전압을 생성하여, 이를 PWM 제어신호의 생성에 이용한다.

Description

인버터 제어장치{METHOD FOR CONTROLLING INVERTER}

본 발명은 인버터 제어에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 모터를 구동하는 인버터를 제어하기 위한 장치에 관한 것이다.

범용 인버터는 입력부인 정류부, 평활부인 커패시터, 및 출력부인 스위칭부로 구성된다. 이 중에서 인버터의 부피와 가장 크게 연관되는 부분은 커패시터인데, 이러한 커패시터의 사용개수에 따라서, 직류링크 전압의 변동률, 정전시 인버터 운전가능 시간 등이 결정된다.

일반적으로 직류링크 커패시터는 정류부의 출력전압을 평활하는 기능을 담당한다. 따라서, 직류링크 전압의 전압리플 조건에 의해 커패시터의 커패시턴스를 선정하게 되는데, 직류링크 전압의 전압리플은 작을수록 바람직하므로, 커패시턴스는 커질 수밖에 없어, 이는 인버터의 부피증가 및 비용증가의 주요한 원인이 된다.

즉, 인버터에 커패시터를 사용하는 이유 중 하나는 직류링크 전압의 리플을 일정한 값으로 유지하기 위해서인데, 이 전압리플이 커지면 인버터의 성능에 열화되고, 이는 전동기의 구동성능이 악화되는 결과를 초래한다.

최근 인버터의 성능 및 기능을 유지하면서 그 크기를 줄이는 방향으로 인버터가 개발되고 있는데, 따라서, 하드웨어의 추가 없이 직류링크 커패시터의 커패시턴스를 저감할 필요가 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 하프 브리지를 이용한 3상 인버터에, 기본파의 3의 배수에 해당하는 고조파를 주입하여 직류링크 전압의 리플을 저감함으로써, 인버터의 직류링크 커패시터의 커패시턴스를 줄이는 인버터 제어장치를 제공하는 것이다.

상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해, 전동기를 구동하는 인버터를 제어하는 본 발명의 장치는, 소정의 주파수와 크기의 기본파를 수신하여, 상기 기본파의 소정 배수에 해당하는 주파수와 상기 기본파보다 작은 크기의 고조파를 생성하는 고조파 생성부; 및 상기 기본파와 상기 고조파를 합산하여 상전압을 생성하는 상전압 생성부를 포함한다.

본 발명의 일실시예에서, 상기 상전압을 전압 레퍼런스로 하고, 캐리어 신호를 수신하여, 펄스폭변조(PWM) 제어신호를 생성하는 PWM 생성부를 더 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명의 일실시예에서, 상기 소정 배수는, 실질적으로 3배수인 것이 바람직하다.

상기와 같은 본 발명은, 하드웨어의 추가 없이, 소프트웨어를 크게 변경하지 않고서 3상 인버터의 직류링크 커패시터의 용량을 줄이도록 하는 효과가 있다.

본 발명에 따르면, 직류링크의 전압 리플율을 그대로 유지하면서 직류링크 커패시터의 커패시턴스를 줄일 수 있으므로, 인버터의 크기를 줄일 수 있고, 인버터 제작비용을 절감하도록 하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명이 적용되는 인버터 시스템의 구성도이다.
도 2는 종래의 인버터 제어장치의 PWM 제어를 설명하기 위한 예시도이다.
도 3은 일반적인 인버터의 출력을 설명하기 위한 예시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 인버터 제어장치의 일실시예 구성도이다.
도 5는 도 4의 상전압 생성부가 생성하는 상전압을 설명하기 위한 일예시도이다.
도 6은 본 발명에 따라 감소된 직류링크 전압리플을 설명하기 위한 일예시도이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소들은 이와 같은 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 이 용어들은 하나의 구성요소들을 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결되어' 있다거나, 또는 '접속되어' 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '직접 연결되어' 있다거나, '직접 접속되어' 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, '포함한다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명이 적용되는 인버터 시스템의 구성도이다.

도면에 도시된 바와 같이, 본 발명이 적용되는 인버터 시스템은, 본 발명의 인버터 제어장치(1), 전원부(2), 인버터(3) 및 인버터(3)에 의해 구동되는 전동기(4)로 구성된다.

위에서 설명한 바와 같이, 인버터(3)는, 전원부(2)로부터 입력되는 3상의 교류전원을 직류로 변환하는 정류부(31), 직류링크 커패시터(32) 및 인버터 제어장치(1)의 펄스폭변조(Pulse Width Modulation; PWM) 신호에 따라 직류링크 커패시터(32)로부터 수신하는 직류전압을 교류로 변환하여 전동기(4)로 출력하는 스위칭부(33)를 포함한다.

도 2는 일반적인 인버터 제어장치의 PWM 제어를 설명하기 위한 예시도이다.

도면에 도시된 바와 같이, 일반적인 인버터 제어부는, 전압 레퍼런스(A) 및 캐리어 신호(B)에 따라 PWM 제어신호(C)를 생성하여 이를 스위칭부(33)에 전달한다. 도 2의 PWM 제어신호는 단상에 대하여 도시한 것으로서, 보통 3상에 해당하는 PWM 제어신호를 생성하여 이를 스위칭부(33)에 출력하는 것이 일반적이다.

PWM 제어신호를 수신한 스위칭부(33)는 인가되는 직류전원을 PWM 제어신호에 따라 교류로 변환하여 전동기(4)로 출력한다.

도 3은 일반적인 인버터의 출력을 설명하기 위한 예시도로서, 도 1의 스위칭부(33)의 하나의 상에 대하여 나타낸 것이다. 또한, (a)는 출력 상전압, 상전류 및 순시전력을 설명하기 위한 것이고, (b)는 직류링크의 전압리플을 설명하기 위한 것이다.

도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, 상전압(D)과 상전류(E)는 소정의 위상차를 가지고 있으며, 순시전력(F)은 상전압(D)과 상전류(E)의 곱으로 표시할 수 있다. 도면에서, 순시전력(F)은 상전압(D) 및 상전류(E)의 2배의 주파수를 가지는 것을 알 수 있다.

한편, 직류링크의 전류는 직류이므로, 순시전력을 직류링크의 직류전류로 나눈 값이 곧 직류링크 전압이 된다. 도 3의 (b)는 이러한 직류링크 전압의 변동량, 즉 직류링크 리플률을 나타낸 것이다.

이러한 리플률은 다음의 수학식을 만족한다.

즉, 리플률은 직류링크 커패시터(32)의 커패시턴스에 반비례한다. 즉, 동일한 전압을 출력할 때 직류링크 전압리플을 줄일 수 있다면, 동일한 직류링크 전압리플을 유지하기 위해 요구되는 커패시턴스를 줄일 수 있다.

본 발명은 직류링크 커패시터의 리플률을 그대로 유지하면서, 직류링크 커패시터(32)의 커패시턴스를 줄이기 위한 것이다.

도 4는 본 발명에 따른 인버터 제어장치의 일실시예 구성도이다.

도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제어장치(1)는, 고조파 생성부(11), 상전압 생성부(12) 및 PWM 생성부(13)를 포함한다. 도 4의 제어장치(1)는 인버터(3)의 3상 전압 중 하나의 상전압에 대해 나타낸 것으로서, 3상 전압을 출력하기 위하여 도 4의 제어장치가 3개 요구되는 것임은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 자명하다 할 것이다. 또한, 3상 전압의 각 상전압은

에 해당하는 위상차를 가지고 출력되는 것임은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 자명한 사항이다.

고조파 생성부(11)는, 기본파를 수신하여, 기본파 주파수의 3배수에 해당하는 주파수를 가지며, 그 크기가 기본파보다 작은 고조파를 생성한다. 예를 들어, 기본파 주파수의 9배의 주파수를 가지며, 그 크기는

에 해당하는 고조파를 생성할 수 있다. 다만, 이는 예시적인 것으로, 이에 한정되는 것은 아니다.

상전압 생성부(12)는 기본파 전압과 고조파 전압을 합산하여 상전압을 생성한다. 도 5는 도 4의 상전압 생성부가 생성하는 상전압을 설명하기 위한 일예시도로서, 기본파 전압과 고조파 전압을 상전압 생성부(12)가 합산하여 출력하는 상전압을 나타낸 것이다.

도면에 도시된 바와 같이, 기본파 전압(H)이 입력되면, 고조파 생성부(11)는 소정 크기의, 기본파의 3배수의 주파수를 가지는 고조파 전압(I)을 생성한다. 상전압 생성부(12)는 이 둘을 합산하여 상전압(J)을 출력한다.

이와 같이, 출력되는 상전압은 왜곡된 정현파에 해당하지만, 선간전압은 상전압과 상전압의 차이이므로, 선간전압에서는 고조파는 나타나지 않게 된다.

PWM 생성부(13)는 상전압 생성부(12)의 출력을 전압 레퍼런스(A)로 하여, 캐리어 신호(B)를 수신하여 스위칭부(33)의 제어를 위한 PWM 제어신호(C)를 생성하여, 이를 스위칭부(33)에 출력한다.

도 6은 본 발명에 따라 감소된 직류링크 전압리플을 설명하기 위한 일예시도로서, 종래의 전압리플과의 관계를 나타낸 것이다. 직류링크 전압리플에 대해서는 도 3을 참조로 설명한 바와 같다.

도면에 도시된 바와 같이, 종래의 직류링크 전압리플(K)에 비해, 본 발명에 따라 생성되는 전압리플(L)이 그 크기가 더 작은 것을 알 수 있다.

따라서, 동일한 전압을 출력할 때 직류링크 전압리플을 줄일 수 있으며, 따라서, 수학식 1에 의해, 동일한 직류링크 전압리플을 유지하기 위한 커패시턴스를 줄일 수 있을 것이다.

즉, 본 발명의 인버터 제어장치에 의하면, 일정한 직류링크 전압의 리플률을 유지하는 경우, 커패시턴스를 줄일 수 있으므로, 인버터의 크기를 감소시킬 수 있고, 인버터의 제작에 소요되는 비용을 줄일 수 있다.

이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.

1: 인버터 제어장치 2: 전원
3: 인버터 4: 전동기
11: 고조파 생성부 12: 상전압 생성부
13: PWM 생성부 31: 정류부
32: 직류링크 커패시터 33: 스위칭부

Claims (3)

1. 전원부로부터 입력되는 3상의 교류전원을 직류로 변환하는 정류부, 직류전압을 교류로 변환하여 전동기로 출력하는 스위칭부, 상기 정류부와 스위칭부 사이에 연결된 직류링크 커패시터를 포함하는 인버터에서, 상기 직류링크 커패시터의 커패시턴스를 줄이기 위한 인버터 제어장치에 있어서,
   상기 인버터 제어장치는,
   기본파를 이용하여, 상기 기본파의 소정배수에 해당하는 주파수와 상기 기본파보다 작은 크기의 고조파를 생성하는 고조파 생성부;
   입력되는 기본파와 상기 생성된 고조파를 합산하여 상전압을 생성하는 상전압 생성부; 및
   상기 상전압을 전압 레퍼런스로 하고, 캐리어 신호를 수신하여, 펄스폭변조(PWM) 제어신호를 생성하는 PWM 생성부를 포함하고,
   상기 고조파 생성부, 상전압 생성부, PWM 생성부로 구성되는 인버터 제어장치는, 3상 전압을 각각 제어하기 위하여 세개가 구성되고,
   상기 고조파 생성부는, 기본파 주파수의 9배의 주파수와 기본파의 1/18 크기의 고조파를 생성하는 것을 특징으로 하는 인버터 제어장치.
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