KR101889480B1 - 이중 병렬 전동기의 구동 장치 - Google Patents

이중 병렬 전동기의 구동 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 이중 병렬 전동기의 구동 장치는, 복수의 양방향 스위치를 포함하고, 3 상 교류 전원을 상기 복수의 양방향 스위치 중 적어도 일부를 통해서 가상 직류단(fictitious DC-Link)과 전기적으로 연결하는 정류기; 및 복수의 단방향 스위치를 포함하고, 상기 가상 직류단을 상기 복수의 단방향 스위치 중 적어도 일부를 통해서 이중 병렬 전동기와 전기적으로 연결하는 인버터를 포함한다.

Description

이중 병렬 전동기의 구동 장치{DRIVING DEVICE FOR DUAL PARALLEL MOTORS}
본 발명은 이중 병렬 전동기의 구동 장치에 관한 것이다.
이중 전동기 구동 시스템의 기본적인 형태는 직류단(DC-Link)을 공유하는 2 개의 인버터에 각각 전동기가 연결되는 것이다. 2 개의 인버터는 직류단 전압을 요구되는 주파수 및 크기의 교류 전압으로 변환하여 독립적으로 전동기를 제어한다. 이러한 2 개의 인버터를 이용하는 이중 전동기 구동 시스템은 크기와 비용 문제를 야기하므로, 1 개의 인버터를 이용하는 이중 전동기 구동 시스템이 다양한 형태로 제안되고 있다.
1 개의 인버터를 이용하는 이중 전동기 구동 시스템은 9-스위치 인버터, 4-레그 인버터, 5-레그 인버터, 2-레벨 인버터 등의 다양한 토폴로지로 구성될 수 있다.
9-스위치 인버터는 3 개의 레그를 가지며, 각 레그는 3 개의 스위치로 구성된다. 이러한 인버터는 독립적인 2 개의 3 상 교류 출력 전압을 생성할 수 있으며, 각 출력은 레그의 상단 스위치와 중간 스위치, 하단 스위치와 중간 스위치 사이에서 출력된다. 또한 두 대의 전동기는 각각 레그의 다른 출력선과 연결된다(비특허문헌 1).
4-레그 인버터는 8 개의 스위치를 사용하고, 직류단의 중성단을 이용하여 2 개의 3 상 교류 출력 전압을 생성할 수 있다. 두 대의 전동기는 각각 4-레그 인버터의 두 레그와 연결되며, 두 전동기의 나머지 한 상은 직류단의 중성단에 공통으로 연결된다(비특허문헌 2).
5-레그 인버터는 10 개의 스위치를 사용하고, 공통 레그를 이용하여 2 개의 3 상 교류 출력 전압을 생성할 수 있다. 두 대의 전동기는 각각 2 개의 레그와 연결되며 남은 한 상은 공통 레그에 연결된다(비특허문헌 3).
상술한 3 개의 토폴로지는 스위치의 개수를 줄이면서 두 대의 전동기를 독립적으로 구동할 수 있다. 하지만, 스위치의 개수가 감소하면서 이중 전동기 제어 시 발생하는 제약과 출력의 왜곡을 고려한 일반적이지 않은 제어 방법이 사용된다. 또한, 이러한 토폴로지들은 2-레벨 인버터를 변형한 형태이므로 대량 생산하기에 부적합하다는 단점을 갖는다.
일반적인 2-레벨 인버터를 사용하는 이중 전동기 구동 시스템은 두 대의 전동기를 어떠한 구조로 인버터와 연결하는지에 따라 전동기의 구동 특성이 달라진다. 이중 전동기를 직렬 구조로 연결한 시스템의 경우, 두 전동기의 한 상은 직접 연결된다. 이러한 시스템에서 두 대의 전동기는 각각 다른 속도로 동작할 수 있으며 다른 부하 조건하에서 운전될 수 있다. 하지만, 각 전동기의 전류를 고조파로 포함하여 토크 성분에 맥동이 발생한다(비특허문헌 4).
이중 전동기를 병렬 구조로 연결한 시스템의 경우, 두 전동기는 2-레벨 인버터와 병렬로 연결된다. 이러한 시스템에서 두 대의 전동기는 동기 속도로 구동되며 다른 부하 조건하에서 운전될 수 있다(비특허문헌 5).
전술한 이중 전동기 구동 시스템들은 직류단 커패시터를 포함하는 전력변환장치를 이용한다. 전해 커패시터는 입력단과 출력단 사이에서 전력전달의 완충적인 역할을 하기 때문에 필요로 하는 전력을 모두 수용하기 위해서는 대용량이어야 한다. 이에 따라, 전해 커패시터는 많은 공간을 필요로 할 뿐만 아니라, 고온 운전 시 동작시간에 따라 정전 용량의 급격한 감소로 인해 전체 전력변환 시스템의 수명을 단축시키는 주요 요인으로 알려져 있다. 이에 따라 직류단 커패시터는 전력변환시스템의 소형화, 저가격화, 수명을 저해하는 요소가 된다.
F. Gao, L. Zhang, D. Li, P. C. Loh, Y. Tang, and H. Gao, "Optimal pulsewidth modulation of nine-switch converter," IEEE Trans. Power Electron., Vol. 25, No. 9, pp. 2331-2343, Sep. 2010. S. Ito, T. Moroi, Y. Kubo, and K. Matsuse, "Independent control of two permanent-magnet synchronous motors fed by a four-leg inverter," IEEE Trans. Ind. Appl., Vol. 51, No. 1, pp. 753-760, Jan.-Feb. 2015. C. S. Lim, N. A. Rahim, W. P. Hew, and E. Levi, "Model predictive control of a two-motor drive with five-leg-inverter supply," IEEE Trans. Ind. Electron., Vol. 60, No. 1, pp. 54-65, Jan. 2013. Y. Kim and J.-I. Ha, "Novel topology and control of single inverter system for two permanent magnet synchronous machines," in Proc. APEC Conf., pp. 833-837, Mar. 2014. Y. Lee and J.-I. Ha, "Control method for mono inverter dual parallel surface-mounted permanent-magnet synchronous machine drive system," IEEE Trans. Ind. Electron., Vol. 62, No. 10, pp. 6096-6107, Oct. 2015.
해결하고자 하는 기술적 과제는, 직류단 커패시터가 제거되어 전력변환시스템의 소형화, 저비용화, 연장된 수명, 높은 전력밀도를 달성하면서, 이에 대한 구체적인 제어 시스템을 제시하는 이중 병렬 전동기의 구동 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 이중 병렬 전동기의 구동 장치는, 복수의 양방향 스위치를 포함하고, 3 상 교류 전원을 상기 복수의 양방향 스위치 중 적어도 일부를 통해서 가상 직류단(fictitious DC-Link)과 전기적으로 연결하는 정류기; 및 복수의 단방향 스위치를 포함하고, 상기 가상 직류단을 상기 복수의 단방향 스위치 중 적어도 일부를 통해서 이중 병렬 전동기와 전기적으로 연결하는 인버터를 포함할 수 있다.
상기 복수의 양방향 스위치는 제1 상단 양방향 스위치, 제1 하단 양방향 스위치, 제2 상단 양방향 스위치, 제2 하단 양방향 스위치, 제3 상단 양방향 스위치, 및 제3 하단 양방향 스위치를 포함하고, 상기 제1 상단 양방향 스위치 및 상기 제1 하단 양방향 스위치는 직렬로 연결되어 제1 정류기 레그에 대응되고, 상기 제2 상단 양방향 스위치 및 상기 제2 하단 양방향 스위치는 직렬로 연결되어 제2 정류기 레그에 대응되고, 상기 제3 상단 양방향 스위치 및 상기 제3 하단 양방향 스위치는 직렬로 연결되어 제3 정류기 레그에 대응될 수 있다.
상기 복수의 단방향 스위치는 제1 상단 단방향 스위치, 제1 하단 단방향 스위치, 제2 상단 단방향 스위치, 제2 하단 단방향 스위치, 제3 상단 단방향 스위치, 및 제3 하단 단방향 스위치를 포함하고, 상기 제1 상단 단방향 스위치 및 제1 하단 단방향 스위치는 직렬로 연결되어 제1 인버터 레그에 대응되고, 상기 제2 상단 단방향 스위치 및 제2 하단 단방향 스위치는 직렬로 연결되어 제2 인버터 레그에 대응되고, 상기 제3 상단 단방향 스위치 및 제3 하단 단방향 스위치는 직렬로 연결되어 제3 인버터 레그에 대응될 수 있다.
상기 이중 병렬 전동기의 구동 장치는, 상기 인버터와 상기 이중 병렬 전동기의 주 전동기 사이에 위치하는 제1 전류 센서를 더 포함할 수 있다.
상기 전류 센서는 션트 저항(Shunt resistor)일 수 있다.
상기 이중 병렬 전동기의 구동 장치는, 상기 3 상 교류 전원과 상기 정류기 사이에 위치하는 제2 전류 센서를 더 포함할 수 있다.
상기 이중 병렬 전동기의 구동 장치는, 상기 제2 전류 센서로부터 검출된 입력 상 전류를 dq축 좌표로 변환하는 제1 dq 좌표 변환부; 및 좌표 변환된 상기 입력 상 전류의 벡터인 입력 전류 벡터의 위상각 및 제1 벡터 다이어그램에서의 위치 영역을 도출하는 입력 전류 벡터 위치 검출부를 더 포함할 수 있다.
상기 이중 병렬 전동기의 구동 장치는, 상기 입력 전류 벡터의 위상각 및 위치 영역에 따라 상기 복수의 양방향 스위치 중 2 개의 양방향 스위치의 듀티비를 계산하는 듀티비 계산부를 더 포함할 수 있다.
상기 이중 병렬 전동기의 구동 장치는, 입력 선간 전압의 크기와 상기 듀티비를 이용하여 가상 직류단 전압을 계산하는 가상 직류단 전압 계산부를 더 포함할 수 있다.
상기 이중 병렬 전동기의 구동 장치는, 상기 이중 병렬 전동기의 주 전동기와 부 전동기의 회전속도 차이 및 위상각 차이를 이용하여 출력측 d축 지령 전류를 계산하는 출력측 d축 지령 전류 계산부; 상기 주 전동기의 센싱된 회전속도와 지령 속도의 차이를 이용하여 출력측 q축 지령 전류를 계산하는 출력측 q축 지령 전류 계산부를 더 포함할 수 있다.
상기 이중 병렬 전동기의 구동 장치는, 상기 제1 전류 센서로부터 검출된 출력 상 전류를 dq축 좌표로 변환하는 제2 dq 좌표 변환부; 및 좌표 변환된 상기 출력 상 전류와 상기 출력측 d축 지령 전류 및 상기 출력측 q축 지령 전류의 차이 및 위상각 정보를 이용하여 출력측 지령 전압을 계산하는 출력측 지령 전압 계산부를 더 포함할 수 있다.
상기 이중 병렬 전동기의 구동 장치는, 상기 듀티비를 이용하여 정류기 변조 신호를 생성하는 변조 신호 생성부를 더 포함할 수 있다.
상기 변조 신호 생성부는 상기 출력측 지령 전압, 상기 듀티비, 및 상기 가상 직류단 전압을 이용하여 인버터 변조 신호를 생성할 수 있다.
상기 이중 병렬 전동기의 구동 장치는, 상기 정류기 변조 신호를 반송파와 비교하여 정류기 PWM 신호를 생성하고, 상기 인버터 변조 신호를 반송파와 비교하여 인버터 PWM 신호를 생성하는 PWM 신호 생성부를 더 포함할 수 있다.
상기 정류기 PWM 신호를 이용하여 상기 복수의 양방향 스위치를 제어하고, 상기 인버터 PWM 신호를 이용하여 상기 복수의 단방향 스위치를 제어하는 게이트 드라이버를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 이중 병렬 전동기의 구동 장치는, 직류단 커패시터가 제거되어 전력변환시스템의 소형화, 저비용화, 연장된 수명, 높은 전력밀도를 달성하면서, 이에 대한 구체적인 제어 시스템을 제시할 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 이중 병렬 전동기의 구동 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 이중 병렬 전동기의 구동 장치의 제어 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 정류기에 대한 제어 방법을 설명하기 위한 공간 벡터도이다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 인버터에 대한 제어 방법을 설명하기 위한 공간 벡터도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시 예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예들에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다. 따라서 앞서 설명한 참조 부호는 다른 도면에서도 사용할 수 있다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 크기 및 두께를 과장되게 나타낼 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 이중 병렬 전동기의 구동 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 한 실시예에 따른 이중 병렬 전동기의 구동 장치(10)는 정류기(100) 및 인버터(300)를 포함한다.
정류기(100)는 복수의 양방향 스위치를 포함하고, 3 상 교류 전원(90)을 복수의 양방향 스위치 중 적어도 일부를 통해서 가상 직류단(fictitious DC-Link)(200)과 전기적으로 연결한다.
복수의 양방향 스위치는 제1 상단 양방향 스위치(SaP, SaP'), 제1 하단 양방향 스위치(SaN, SaN'), 제2 상단 양방향 스위치(SbP, SbP'), 제2 하단 양방향 스위치(SbN, SbN'), 제3 상단 양방향 스위치(ScP, ScP'), 및 제3 하단 양방향 스위치(ScN, ScN')를 포함할 수 있다. 복수의 양방향 스위치는 12 개의 단방향 스위치(IGBT)와 역병렬 다이오드의 조합으로 구성된 6 개의 양방향 스위치를 포함할 수 있다.
제1 상단 양방향 스위치(SaP, SaP') 및 제1 하단 양방향 스위치(SaN, SaN')는 직렬로 연결되어 제1 정류기 레그에 대응되고, 제2 상단 양방향 스위치(SbP, SbP') 및 제2 하단 양방향 스위치(SbN, SbN')는 직렬로 연결되어 제2 정류기 레그에 대응되고, 제3 상단 양방향 스위치(ScP, ScP') 및 제3 하단 양방향 스위치(ScN, ScN')는 직렬로 연결되어 제3 정류기 레그에 대응될 수 있다.
가상 직류단(200)은 종래 기술들에서 직류단 커패시터가 위치하던 부분을 의미한다. 즉, 본 발명의 한 실시예에 따른 이중 병렬 전동기의 구동 장치(10)는 종래 기술들과 달리 직류단 커패시터가 제거되었기 때문에, 가상 직류단(200)은 정류기(100)의 출력단과 인버터(300)의 입력단 사이를 연결하는 도선과 같은 형태를 갖는다. 가상 직류단(200)의 전압은 계산되어 변조 신호 생성에 이용될 수 있는 데 이에 대해서는 도 2를 참조하여 상세히 후술한다.
3 상 교류 전원(90)은 입력 상 전압(Va, Vb, Vc) 및 입력 상 전류(Ia, Ib, Ic)로 모델링될 수 있고, 전압 및 전류 리플(ripple)을 제거하기 위해서 필터부(Lf, Cf)를 통과할 수 있다. 필터링된 3 상 교류 전원(90)은 복수의 양방향 스위치의 온오프 상태에 따라 형성된 전류 경로에 따라 가상 직류단(200)과 전기적으로 연결될 수 있다. 복수의 양방향 스위치의 온오프 제어에 대해서는 도 3을 참조하여 상세히 후술한다.
인버터(300)는 복수의 단방향 스위치를 포함하고, 가상 직류단(200)을 복수의 단방향 스위치 중 적어도 일부를 통해서 이중 병렬 전동기와 전기적으로 연결한다.
복수의 단방향 스위치는 제1 상단 단방향 스위치(SAP), 제1 하단 단방향 스위치(SAN), 제2 상단 단방향 스위치(SBP), 제2 하단 단방향 스위치(SBN), 제3 상단 단방향 스위치(SCP), 및 제3 하단 단방향 스위치(SCN)를 포함할 수 있다.
제1 상단 단방향 스위치(SAP) 및 제1 하단 단방향 스위치(SAN)는 직렬로 연결되어 제1 인버터 레그에 대응되고, 제2 상단 단방향 스위치(SBP) 및 제2 하단 단방향 스위치(SBN)는 직렬로 연결되어 제2 인버터 레그에 대응되고, 제3 상단 단방향 스위치(SCP) 및 제3 하단 단방향 스위치(SCN)는 직렬로 연결되어 제3 인버터 레그에 대응될 수 있다.
이중 병렬 전동기는 서로 병렬로 연결된 주 전동기(410) 및 부 전동기(420)를 포함할 수 있다. 주 전동기(410) 및 부 전동기(420)의 각각의 A 상은 제1 인버터 레그에 연결되어 각각에 출력 상 전류(IA1, IA2)가 흐를 수 있고, 주 전동기(410) 및 부 전동기(420)의 각각의 B 상은 제2 인버터 레그에 연결되어 각각에 출력 상 전류(IB1, IB2)가 흐를 수 있고, 주 전동기(410) 및 부 전동기(420)의 각각의 C 상은 제3 인버터 레그에 연결되어 각각에 출력 상 전류(IC1, IC2)가 흐를 수 있다.
전류 측정을 위해서, 이중 병렬 전동기의 구동 장치(10)는 인버터(300)와 주 전동기(410) 사이에 위치하는 제1 전류 센서(310)를 포함할 수 있는데, 이때 제1 전류 센서(310)는 션트 저항(Shunt resistor)(RA, Shunt, RB, Shunt)일 수 있다(도 2 참조). 션트 저항(RA, Shunt, RB, Shunt)을 이용한 전류 측정은 시스템의 비용을 더 감소시킬 수 있는 점에서 장점이 있다.
주 전동기(410) 및 부 전동기(420)는 각각 표면 부착형 영구자석 동기 전동기(Surface-mounted Permanent-Magnet Synchronous Motor, SPMSM)일 수 있다. 주 전동기(410) 및 부 전동기(420)로서 기타 다양한 영구자석형 동기 전동기(Permanent Magnet Synchronous Motor)가 채용될 수 있다.
주 전동기(410) 및 부 전동기(420)는 동기 속도로 구동되며, 각각 다른 토크를 출력할 수 있다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 이중 병렬 전동기의 구동 장치의 제어 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
직류단에 커패시터를 포함하는 백투백(Back-to-Back) 컨버터는 정류단과 인버터단을 별도로 제어할 수 있다. 예를 들어, 계통연계 인버터의 계통 측 인버터는 직류단 전압을 일정하게 유지하며, 전원 측 정류단은 적절한 전력을 제어할 수 있다. 그러나 직류단 커패시터가 없는 영구자석 동기전동기의 이중 병렬 구동 시스템은 직류단 커패시터의 부재로 인해 좀 더 안정적인 부하가 요구되며, 낮은 동적응답 특성을 갖는다. 따라서 입력과 출력의 제어를 통해 안정적인 제어 시스템을 개발해야할 필요가 있다. 직류단 커패시터가 없는 영구자석 동기전동기의 이중 병렬 구동 시스템은 부하에 관계없이 고품질의 3상 전압 및 전류를 생성해야 한다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 한 실시예에 따른 이중 병렬 전동기의 구동 장치(10)는 정류기(100), 인버터(300), 제1 전류 센서(310), 제2 전류 센서(110), 제1 dq 좌표 변환부(120), 입력 전류 벡터 위치 검출부(130), 듀티비 계산부(140), 가상 직류단 전압 계산부(150), 출력측 d축 지령 전류 계산부(330), 출력측 q축 지령 전류 계산부(340), 제2 dq 좌표 변환부(320), 출력측 지령 전압 계산부(350), 변조 신호 생성부(510), PWM 신호 생성부(520), 및 게이트 드라이버(530)를 포함할 수 있다.
제1 전류 센서(310)는 인버터(300)와 이중 병렬 전동기의 주 전동기(410) 사이에 위치할 수 있다. 전술한 바와 같이, 제1 전류 센서(310)는 션트 저항을 포함할 수 있다.
제2 전류 센서(110)는 3 상 교류 전원(90)과 정류기(100) 사이에 위치할 수 있다. 제2 전류 센서(110)는 입력 상 전류(Ia, Ib, Ic)를 측정하여 제1 dq 좌표 변환부(120)로 센싱 값을 전달할 수 있다.
제1 dq 좌표 변환부(120)는 제2 전류 센서(110)로부터 검출된 입력 상 전류(Ia, Ib, Ic)를 dq축 좌표로 변환할 수 있다. 이때 Id는 좌표 변환된 d축 전류 값이고, Iq는 좌표 변환된 q축 전류 값일 수 있다.
입력 전류 벡터 위치 검출부(130)는 좌표 변환된 입력 상 전류(Ia, Ib, Ic)의 벡터인 입력 전류 벡터(131)의 위상각(
Figure 112016085794206-pat00001
) 및 제1 벡터 다이어그램에서의 위치 영역(N)을 도출할 수 있다(도 3 참조).
듀티비 계산부(140)는 입력 전류 벡터(131)의 위상각(
Figure 112016085794206-pat00002
) 및 위치 영역(N)에 따라 복수의 양방향 스위치 중 2 개의 양방향 스위치의 듀티비(duty ratio)(dx, dy)를 계산할 수 있다. 듀티비(dx, dy)의 산출에 대해서는, 도 3을 참조하여 더 상세히 후술한다.
가상 직류단 전압 계산부(150)는 입력 선간 전압의 크기와 듀티비를 이용하여 가상 직류단 전압(VDC)을 계산할 수 있다. 가상 직류단 전압(VDC)의 산출에 대해서는, 도 3을 참조하여 더 상세히 후술한다.
출력측 d축 지령 전류 계산부(330)는 이중 병렬 전동기의 주 전동기(410)와 부 전동기(420)의 회전속도(
Figure 112016085794206-pat00003
,
Figure 112016085794206-pat00004
) 차이 및 위상각(
Figure 112016085794206-pat00005
,
Figure 112016085794206-pat00006
) 차이를 이용하여 출력측 d축 지령 전류(
Figure 112016085794206-pat00007
)를 계산할 수 있다.
출력측 q축 지령 전류 계산부(340)는 주 전동기(410)의 센싱된 회전속도(
Figure 112016085794206-pat00008
)와 지령 속도(
Figure 112016085794206-pat00009
)의 차이를 이용하여 출력측 q축 지령 전류(
Figure 112016085794206-pat00010
)를 계산할 수 있다.
제2 dq 좌표 변환부(320)는 제1 전류 센서(310)로부터 검출된 출력 상 전류(IA1, IB1, IC1)를 dq축 좌표로 변환할 수 있다. 이때 Id1는 좌표 변환된 d축 전류 값이고, Iq1는 좌표 변환된 q축 전류 값일 수 있다.
출력측 지령 전압 계산부(350)는 좌표 변환된 출력 상 전류(IA1, IB1, IC1)와 출력측 d축 지령 전류(
Figure 112016085794206-pat00011
) 및 출력측 q축 지령 전류(
Figure 112016085794206-pat00012
)의 차이 및 위상각 정보를 이용하여 출력측 지령 전압을 계산할 수 있다.
변조 신호 생성부(510)는 듀티비(dx, dy)를 이용하여 정류기 변조 신호를 생성할 수 있다. 또한, 변조 신호 생성부(510)는 출력측 지령 전압(
Figure 112016085794206-pat00013
,
Figure 112016085794206-pat00014
), 듀티비(dx, dy), 및 가상 직류단 전압(VDC)을 이용하여 인버터 변조 신호를 생성할 수 있다.
PWM 신호 생성부(520)는 정류기 변조 신호를 반송파와 비교하여 정류기 PWM 신호를 생성하고, 인버터 변조 신호를 반송파와 비교하여 인버터 PWM 신호를 생성할 수 있다. 한 실시예에서, 반송파는 삼각파일 수 있다.
이러한 변조 기법을 통해서 입력 교류 전압의 최대 값이 가상 직류단(200)으로 전달될 수 있다.
게이트 드라이버(530)는 정류기 PWM 신호를 이용하여 정류기(100)의 복수의 양방향 스위치를 제어하고, 인버터 PWM 신호를 이용하여 인버터(300)의 복수의 단방향 스위치를 제어할 수 있다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 정류기에 대한 제어 방법을 설명하기 위한 공간 벡터도이다.
직류단 커패시터가 없는 영구자석 동기 전동기의 이중 병렬 구동 시스템의 정류기(100)의 변조 기법은 가상 직류단(200)의 전압이 입력 교류 전압(Va, Vb, Vc)의 최대 값으로 형성되도록 할 수 있으며, 입력 측의 단위 역률과 정현파의 전류(Ia, Ib, Ic)를 보장할 수 있다. 가상 직류단(200)의 전압은 정류기(100)의 복수의 양방향 스위치의 스위칭 상태에 따라 생성된다. 정류기(100)는 매 순간에 1 개의 상단 양방향 스위치와 1 개의 하단 양방향 스위치가 온(ON)되도록 동작할 수 있다.
도 3을 참조하면, 정류기(100)의 제어를 위한 제1 벡터 다이어그램이 도시되어 있다. 제1 벡터 다이어그램을 참조하면, 6 개의 유효 벡터(CS1, CS2, CS3, CS4, CS5, CS6)가 대응하는 6 개의 위치 영역(sector 1, sector 2, sector 3, sector 4, sector 5, sector 6)을 구획하고 있다.
유효 벡터(CS1, CS2, CS3, CS4, CS5, CS6)는 상단 양방향 스위치와 하단 양방향 스위치가 서로 다른 상에서 온되는 경우를 의미한다. 따라서 본 실시예에서, 제1 상단 양방향 스위치(SaP, SaP') 및 제3 하단 양방향 스위치(ScN, ScN')가 온되는 경우인 유효 벡터(CS1), 제2 상단 양방향 스위치(SbP, SbP') 및 제3 하단 양방향 스위치(ScN, ScN')가 온되는 경우인 유효 벡터(CS2), 제2 상단 양방향 스위치(SbP, SbP') 및 제1 하단 양방향 스위치(SaN, SaN')가 온되는 경우인 유효 벡터(CS3), 제3 상단 양방향 스위치(ScP, ScP') 및 제1 하단 양방향 스위치(SaN, SaN')가 온되는 경우인 유효 벡터(CS4), 제3 상단 양방향 스위치(ScP, ScP') 및 제2 하단 양방향 스위치(SbN, SbN')가 온되는 경우인 유효 벡터(CS5), 및 제1 상단 양방향 스위치(SaP, SaP') 및 제2 하단 양방향 스위치(SbN, SbN')가 온되는 경우인 유효 벡터(CS6)로서, 유효 벡터는 총 6 개 있을 수 있다.
널 벡터(Null Vector)는 상단 양방향 스위치와 하단 양방향 스위치가 서로 같은 상에서 온(ON)되는 경우를 의미한다. 따라서 본 실시예에서, 널 벡터(Null)는, 제1 상단 양방향 스위치(SaP, SaP') 및 제1 하단 양방향 스위치(SaN, SaN')가 온되는 경우, 제2 상단 양방향 스위치(SbP, SbP') 및 제2 하단 양방향 스위치(SbN, SbN')가 온되는 경우, 및 제3 상단 양방향 스위치(ScP, ScP') 및 제3 하단 양방향 스위치(ScN, ScN')가 온되는 경우로써, 총 3 개 있을 수 있다.
유효 벡터가 인가되는 경우에는 가상의 직류단에 전력이 전달되며, 널 벡터가 인가되는 경우에는 가상의 직류단에 전압이 인가되지 않는다.
예를 들어, 입력 전류 벡터(131)(또는 지령 전류 벡터)의 위상각(
Figure 112016085794206-pat00015
)이 위치 영역(sector 1)에 위치하는 경우, 입력 전류 벡터(131)에 근접한 2 개의 유효 벡터(CS1, CS6)를 인가할 수 있다. 2 개의 유효 벡터(CS1, CS6)를 인가한다는 것은, 유효 벡터(CS1)에 대응하는 제1 상단 양방향 스위치(SaP, SaP') 및 제3 하단 양방향 스위치(ScN, ScN')를 일정 시간 범위로 온 시키고, 유효 벡터(CS6)에 대응하는 제1 상단 양방향 스위치(SaP, SaP') 및 제2 하단 양방향 스위치(SbN, SbN')를 일정 시간 범위로 온 시킨다는 의미이다.
이러한 경우, 제1 상단 양방향 스위치(SaP, SaP')는 한 주기 동안 온 상태를 유지하고, 제3 하단 양방향 스위치(ScN, ScN') 및 제2 하단 양방향 스위치(SbN, SbN')는 각각 한 주기 동안 듀티비(dx, dy)에 따라 변조된다.
듀티비(dx, dy)는 아래 수학식 1에 따라 결정될 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112016085794206-pat00016
수학식 1의 듀티비(dx, dy)는 아래 수학식 2 및 수학식 3을 참조할 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112016085794206-pat00017
[수학식 3]
Figure 112016085794206-pat00018
수학식 2의
Figure 112016085794206-pat00019
,
Figure 112016085794206-pat00020
,
Figure 112016085794206-pat00021
는 각각 센싱된 입력 상 전류(또는 지령 상 전류)이며,
Figure 112016085794206-pat00022
는 기본파 각주파수를 의미한다.
가상 직류단(200)에 인가되는 직류단 전압의 평균 값
Figure 112016085794206-pat00023
은 듀티비(dx, dy)와 입력 측 선간 전압의 곱으로 아래 수학식 4와 같이 계산된다.
[수학식 4]
Figure 112016085794206-pat00024
이때,
Figure 112016085794206-pat00025
는 역률 값이다.
상술한 위치 영역(sector 1) 이외에도, 다른 위치 영역(sector 2, sector 3, sector 4, sector 5, sector 6)에 입력 전류 벡터(131)가 위치하는 경우에도, 동일한 원리의 변조 방식이 적용될 수 있다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 인버터에 대한 제어 방법을 설명하기 위한 공간 벡터도이다.
도 4를 참조하면, 인버터(300)의 제어를 위한 제2 벡터 다이어그램이 도시되어 있다. 제2 벡터 다이어그램을 참조하면, 6 개의 유효 벡터(VS1, VS2, VS3, VS4, VS5, VS6)와 2 개의 영 벡터(Zero Vector)(VS0, VS7)가 도시되어 있다. 이러한 공간 벡터 변조 기법은 2-레벨 전압원 인버터의 변조 기법과 유사할 수 있다.
유효 벡터(VS1)는 제1 상단 단방향 스위치(SAP), 제2 하단 단방향 스위치(SBN), 제3 하단 단방향 스위치(SCN)가 온 상태인 경우, 유효 벡터(VS2)는 제1 상단 단방향 스위치(SAP), 제2 상단 단방향 스위치(SBP), 제3 하단 단방향 스위치(SCN)가 온 상태인 경우, 유효 벡터(VS3)는 제1 하단 단방향 스위치(SAN), 제2 상단 단방향 스위치(SBP), 제3 하단 단방향 스위치(SCN)가 온 상태인 경우, 유효 벡터(VS4)는 제1 하단 단방향 스위치(SAN), 제2 상단 단방향 스위치(SBP), 제3 상단 단방향 스위치(SCP)가 온 상태인 경우, 유효 벡터(VS5)는 제1 하단 단방향 스위치(SAN), 제2 하단 단방향 스위치(SBN), 제3 상단 단방향 스위치(SCP)가 온 상태인 경우, 유효 벡터(VS6)는 제1 상단 단방향 스위치(SAP), 제2 하단 단방향 스위치(SBN), 제3 상단 단방향 스위치(SCP)가 온 상태인 경우를 의미할 수 있다.
영 벡터(VS0)는 제1 하단 단방향 스위치(SAN), 제2 하단 단방향 스위치(SBN), 제3 하단 단방향 스위치(SCN)가 온 상태인 경우, 영 벡터(VS7)는 제1 상단 단방향 스위치(SAP), 제2 상단 단방향 스위치(SBP), 제3 상단 단방향 스위치(SCP)가 온 상태인 경우를 의미할 수 있다.
지령 전압 벡터(351)의 크기 및 위상각(
Figure 112016085794206-pat00026
)은 출력측 지령 전압(
Figure 112016085794206-pat00027
,
Figure 112016085794206-pat00028
)에 의해 결정될 수 있다. 공간 벡터 변조 기법에 의한 2 개의 변조 신호
Figure 112016085794206-pat00029
,
Figure 112016085794206-pat00030
는 아래 수학식 5 및 수학식 6과 같이 결정될 수 있다. 이때 수학식 7을 참조할 수 있다.
[수학식 5]
Figure 112016085794206-pat00031
[수학식 6]
Figure 112016085794206-pat00032
[수학식 7]
Figure 112016085794206-pat00033
이때,
Figure 112016085794206-pat00034
,
Figure 112016085794206-pat00035
,
Figure 112016085794206-pat00036
는 각각 전동기의 지령 상 전압으로서, 지령 전압 벡터(351)의 역변환 값일 수 있다.
인버터(300) 측의 제어는 전술한 전류 제어 방식 이외에 직접 토크 제어, 토크 예측 제어가 가능하다. 직접 토크 제어의 경우, 주 전동기(410) 측 센싱된 전류를 이용하여 고정자 자속과 토크를 추정할 수 있다. 추정한 자속 및 토크와 지령 자속 및 지령 토크의 오차를 히스테리시스 밴드 폭과 비교하여 스위칭 테이블에서 인가할 지령 전압 벡터를 선정할 수 있다. 토크 예측 제어는 직접 토크 제어와 달리 스위칭 테이블을 사용하지 않는다. 토크 예측 제어는 토크, 자속 및 전압원 인버터단의 출력 전압 사이의 관계를 수학적으로 분석하여 원하는 지령 전압 벡터를 계산을 통해 획득할 수 있다. 지령 전압 벡터를 획득한 이후, 인버터(300)의 변조는 전류 제어 방식에서 지령 전압을 생성하는 방식과 동일하게 진행된다. 지령 전압과 정류기(100) 측에서 계산된 가상 직류단 전압과 듀티비를 이용하여 두 개의 변조 신호가 생성되고, 변조 신호를 삼각파와 비교함으로써 전압원 인버터를 변조하기 위한 PWM 신호를 생성할 수 있다.
지금까지 참조한 도면과 기재된 발명의 상세한 설명은 단지 본 발명의 예시적인 것으로서, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
10: 이중 병렬 전동기의 구동 장치
100: 정류기
200: 가상 직류단
300: 인버터

Claims (15)

  1. 복수의 양방향 스위치를 포함하고, 3 상 교류 전원을 상기 복수의 양방향 스위치 중 적어도 일부를 통해서 가상 직류단(fictitious DC-Link)과 전기적으로 연결하는 정류기;
    복수의 단방향 스위치를 포함하고, 상기 가상 직류단을 상기 복수의 단방향 스위치 중 적어도 일부를 통해서 이중 병렬 전동기와 전기적으로 연결하는 인버터;
    상기 3 상 교류 전원과 상기 정류기 사이에 위치하는 제2 전류 센서; 및
    상기 제2 전류 센서로부터 검출된 입력 상 전류를 dq축 좌표로 변환하는 제1 dq 좌표 변환부를 포함하는
    이중 병렬 전동기의 구동 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 복수의 양방향 스위치는 제1 상단 양방향 스위치, 제1 하단 양방향 스위치, 제2 상단 양방향 스위치, 제2 하단 양방향 스위치, 제3 상단 양방향 스위치, 및 제3 하단 양방향 스위치를 포함하고,
    상기 제1 상단 양방향 스위치 및 상기 제1 하단 양방향 스위치는 직렬로 연결되어 제1 정류기 레그에 대응되고,
    상기 제2 상단 양방향 스위치 및 상기 제2 하단 양방향 스위치는 직렬로 연결되어 제2 정류기 레그에 대응되고,
    상기 제3 상단 양방향 스위치 및 상기 제3 하단 양방향 스위치는 직렬로 연결되어 제3 정류기 레그에 대응되는,
    이중 병렬 전동기의 구동 장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 복수의 단방향 스위치는 제1 상단 단방향 스위치, 제1 하단 단방향 스위치, 제2 상단 단방향 스위치, 제2 하단 단방향 스위치, 제3 상단 단방향 스위치, 및 제3 하단 단방향 스위치를 포함하고,
    상기 제1 상단 단방향 스위치 및 제1 하단 단방향 스위치는 직렬로 연결되어 제1 인버터 레그에 대응되고,
    상기 제2 상단 단방향 스위치 및 제2 하단 단방향 스위치는 직렬로 연결되어 제2 인버터 레그에 대응되고,
    상기 제3 상단 단방향 스위치 및 제3 하단 단방향 스위치는 직렬로 연결되어 제3 인버터 레그에 대응되는,
    이중 병렬 전동기의 구동 장치.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 인버터와 상기 이중 병렬 전동기의 주 전동기 사이에 위치하는 제1 전류 센서를 더 포함하는
    이중 병렬 전동기의 구동 장치.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 전류 센서는 션트 저항(Shunt resistor)인,
    이중 병렬 전동기의 구동 장치.
  6. 삭제
  7. 제4 항에 있어서,
    좌표 변환된 상기 입력 상 전류의 벡터인 입력 전류 벡터의 위상각 및 제1 벡터 다이어그램에서의 위치 영역을 도출하는 입력 전류 벡터 위치 검출부를 더 포함하는
    이중 병렬 전동기의 구동 장치.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 입력 전류 벡터의 위상각 및 위치 영역에 따라 상기 복수의 양방향 스위치 중 2 개의 양방향 스위치의 듀티비를 계산하는 듀티비 계산부를 더 포함하는
    이중 병렬 전동기의 구동 장치.
  9. 제8 항에 있어서,
    입력 선간 전압의 크기와 상기 듀티비를 이용하여 가상 직류단 전압을 계산하는 가상 직류단 전압 계산부를 더 포함하는
    이중 병렬 전동기의 구동 장치.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 이중 병렬 전동기의 주 전동기와 부 전동기의 회전속도 차이 및 위상각 차이를 이용하여 출력측 d축 지령 전류를 계산하는 출력측 d축 지령 전류 계산부;
    상기 주 전동기의 센싱된 회전속도와 지령 속도의 차이를 이용하여 출력측 q축 지령 전류를 계산하는 출력측 q축 지령 전류 계산부를 더 포함하는
    이중 병렬 전동기의 구동 장치.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 제1 전류 센서로부터 검출된 출력 상 전류를 dq축 좌표로 변환하는 제2 dq 좌표 변환부; 및
    좌표 변환된 상기 출력 상 전류와 상기 출력측 d축 지령 전류 및 상기 출력측 q축 지령 전류의 차이 및 위상각 정보를 이용하여 출력측 지령 전압을 계산하는 출력측 지령 전압 계산부를 더 포함하는
    이중 병렬 전동기의 구동 장치.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 듀티비를 이용하여 정류기 변조 신호를 생성하는 변조 신호 생성부를 더 포함하는
    이중 병렬 전동기의 구동 장치.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 변조 신호 생성부는 상기 출력측 지령 전압, 상기 듀티비, 및 상기 가상 직류단 전압을 이용하여 인버터 변조 신호를 생성하는,
    이중 병렬 전동기의 구동 장치.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 정류기 변조 신호를 반송파와 비교하여 정류기 PWM 신호를 생성하고, 상기 인버터 변조 신호를 반송파와 비교하여 인버터 PWM 신호를 생성하는 PWM 신호 생성부를 더 포함하는,
    이중 병렬 전동기의 구동 장치.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 정류기 PWM 신호를 이용하여 상기 복수의 양방향 스위치를 제어하고, 상기 인버터 PWM 신호를 이용하여 상기 복수의 단방향 스위치를 제어하는 게이트 드라이버를 더 포함하는
    이중 병렬 전동기의 구동 장치.
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