KR102144076B1 - Motor-driven system with energy regeneration-storage-restoration - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 모터 구동 시스템에 관한 것으로, 보다 자세하게는 에너지 회생-저장-복원 기능이 가능한 승강압형 dc-dc 전력변환 기술을 적용한 모터 구동 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a motor driving system, and more particularly, to a motor driving system to which a step-up type dc-dc power conversion technology capable of energy regeneration-storage-restore function is applied.
종래에 모터를 제어하는 시스템은 도 1a와 같이 3상 다이오드 브리지(diode bridge), 직류링크 커패시터(dc-link capacitor; Cdc), 저항기(R)와 스위치(S), 그리고 인버터로 구성되어 있다. 하지만, 이러한 시스템 구성은 모터의 회생 제동 (regenerative braking)으로 발생한 에너지로 인해 직류링크 커패시터 전압이 상승하게 될 경우, 스위치를 도통 시켜 저항기로 에너지를 소비하는 방식으로 직류링크 커패시터의 전압을 제어해 큰 에너지 손실이 불가피하다.Conventionally, a system for controlling a motor is composed of a three-phase diode bridge, a dc-link capacitor (C dc ), a resistor (R) and a switch (S), and an inverter as shown in FIG. 1A. . However, in such a system configuration, when the DC link capacitor voltage rises due to the energy generated by the regenerative braking of the motor, the voltage of the DC link capacitor is controlled by consuming energy by turning on the switch. Energy loss is inevitable.
도 1b처럼 3상 다이오드 브리지 대신 ac-dc 컨버터를 통해 전압을 제어하면 저항기로 에너지를 소모 시킬 필요가 없고 에너지 회생이 가능하다. 하지만, 도 1b의 구성은 추가적인 인덕터(L)와 6개의 스위치들, 스위치 구동 회로 및 별도의 절연된 회로 구동용 전원 공급 장치가 더 필요해 비용 효율성이 크게 떨어진다. 또한, 예로써 승강기 모터 구동 시스템의 경우 정전이 발생했을 때에도 승강기가 멈추지 않고 원하는 층으로 이동할 수 있도록 도 1c와 같이 도 1b에 오프라인 무정전 전원공급장치(off-line UPS; off-line uninterruptible power supply)를 추가해야 한다. 이 때문에 도 1c처럼 무정전 전원공급장치를 추가하는 시스템도 비용 효율성이 매우 낮다.If the voltage is controlled through an ac-dc converter instead of a three-phase diode bridge as shown in FIG. 1B, there is no need to consume energy with a resistor, and energy regeneration is possible. However, the configuration of FIG. 1B further requires an additional inductor L, six switches, a switch driving circuit, and a separate power supply for driving an insulated circuit, which greatly reduces cost efficiency. In addition, for example, in the case of an elevator motor drive system, an off-line uninterruptible power supply (UPS) shown in FIG. 1B as shown in FIG. 1C so that the elevator can move to a desired floor without stopping even when a power failure occurs. Should be added. For this reason, the cost efficiency is very low even in a system adding an uninterruptible power supply as shown in FIG. 1C.
따라서 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 에너지 회생-저장-복원 기능이 가능한 승강압형 dc-dc 전력변환 기술을 적용한 모터 구동 시스템을 제공하는 것이다.Therefore, the technical problem to be solved by the present invention is to provide a motor driving system to which a step-up type dc-dc power conversion technology capable of energy regeneration-storage-restore function is applied.
상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 모터 구동 시스템은 3상 교류 입력전원을 직류 전원으로 정류하여 출력하는 정류부, 상기 정류부의 출력 양단에 연결되는 직류링크 커패시터, 보조 배터리, 상기 보조 배터리와 상기 직류링크 커패시터 사이에 병렬로 연결되는 양방향 DC-DC 컨버터, 상기 직류링크 커패시터와 모터 사이에 위치하는 인버터, 그리고 상기 보조 배터리에서 상기 직류링크 커패시터로 전력을 전달하거나, 상기 직류링크 커패시터에서 상기 보조 배터리로 전력을 전달시키도록 상기 양방향 DC-DC 컨버터를 동작시키는 제어부를 포함한다.A motor driving system according to the present invention for solving the above technical problem includes a rectifier for rectifying and outputting a three-phase AC input power to a DC power, a DC link capacitor connected to both ends of the output of the rectifier, an auxiliary battery, and the auxiliary battery. A bidirectional DC-DC converter connected in parallel between the DC link capacitors, an inverter positioned between the DC link capacitor and the motor, and transferring power from the auxiliary battery to the DC link capacitor, or the auxiliary from the DC link capacitor. And a control unit operating the bidirectional DC-DC converter to deliver power to the battery.
상기 제어부는, 상기 3상 교류 입력전원이 입력되면서 상기 보조 배터리의 전압이 제1 기준값보다 낮은 경우, 상기 직류링크 커패시터에서 상기 보조 배터리로 전력이 전달되도록 상기 양방향 DC-DC 컨버터를 동작시켜 상기 보조 배터리를 충전시키고, 상기 모터의 회생 제동 발생 도중이 아니면서 상기 보조 배터리의 전압이 제2 기준값보다 높은 경우, 상기 보조 배터리에서 상기 직류링크 커패시터로 전력이 전달되도록 상기 양방향 DC-DC 컨버터를 동작시켜 상기 모터에 상기 보조 배터리의 에너지가 공급되게 하며, 상기 모터의 회생 제동 발생 도중이 아니면서 상기 보조 배터리의 전압이 제1 기준값 이상이고 제2 기준값 이하이며 상기 3상 교류 입력전원의 가격이 미리 정해진 기준 이하인 경우, 상기 직류링크 커패시터에서 상기 보조 배터리로 전력이 전달되도록 상기 양방향 DC-DC 컨버터를 동작시켜 상기 보조 배터리를 충전시킬 수 있다.When the voltage of the auxiliary battery is lower than a first reference value while the three-phase AC input power is input, the control unit operates the bidirectional DC-DC converter to transfer power from the DC link capacitor to the auxiliary battery to provide the auxiliary When a battery is charged and the voltage of the auxiliary battery is higher than a second reference value while the motor is not in the middle of regenerative braking, the bidirectional DC-DC converter is operated so that power is transferred from the auxiliary battery to the DC link capacitor. The energy of the auxiliary battery is supplied to the motor, and the voltage of the auxiliary battery is not less than a first reference value and less than a second reference value while the motor is not in the middle of regenerative braking, and the price of the three-phase AC input power is predetermined. If it is less than the reference, the auxiliary battery may be charged by operating the bidirectional DC-DC converter so that power is transmitted from the DC link capacitor to the auxiliary battery.
상기 제어부는, 상기 제1 기준값과 상기 제2 기준값을 설정받을 수 있다.The control unit may be configured with the first reference value and the second reference value.
상기 제1 기준값과 상기 제2 기준값이 하나의 기준값으로 설정될 수 있다.The first reference value and the second reference value may be set as one reference value.
상기 하나의 기준값은 상기 보조 배터리의 최대 충전 전압 또는 최소 충전 전압으로 설정될 수 있다.The one reference value may be set as a maximum charging voltage or a minimum charging voltage of the auxiliary battery.
상기 양방향 DC-DC 컨버터는, 상기 보조 배터리 일단에 일단이 연결되는 인덕터, 일단은 상기 인덕터 타단에 연결되고, 타단은 상기 보조 배터리 타단에 연결되는 승압스위치, 일단은 상기 인덕터 타단과 상기 승압스위치 일단의 접점에 연결되고, 타단은 상기 직류링크 커패시터 일단에 연결되는 강압스위치, 그리고 일단은 상기 강압스위치의 타단과 상기 직류링크 커패시터 일단의 접점에 연결되고, 타단은 상기 보조 배터리 타단과 상기 직류링크 커패시터 타단의 접점에 연결되는 커패시터를 포함한다.The bidirectional DC-DC converter includes an inductor having one end connected to one end of the auxiliary battery, a step-up switch connected to the other end of the inductor, and the other end connected to the other end of the auxiliary battery, and one end of the inductor other end and one end of the step-up switch. A step-down switch connected to one end of the DC link capacitor, and one end connected to the other end of the step-down switch and a contact point of one end of the DC link capacitor, and the other end is the other end of the auxiliary battery and the DC link capacitor. It includes a capacitor connected to the contact point of the other end.
상기 양방향 DC-DC 컨버터는, 상기 보조 배터리 일단에 일단이 연결되는 제1 인덕터, 상기 보조 배터리 타단에 일단이 연결되는 제2 인덕터, 상기 제1 인덕터 타단과 상기 제2 인덕터 타단 사이에 직렬로 연결되는 제1 승압스위치와 제2 승압스위치, 일단은 상기 제1 인덕터 타단과 상기 제1 승압스위치 일단의 접점에 연결되고, 타단은 상기 직류링크 커패시터 일단에 연결되는 제1 강압스위치, 일단은 상기 제2 인덕터 타단과 상기 제2 승압스위치 일단의 접점에 연결되고, 타단은 상기 직류링크 커패시터 타단에 연결되는 제2 강압스위치, 그리고 상기 제1 강압스위치 타단과 상기 직류링크 커패시터 일단의 접점과 상기 제2 강압스위치 타단과 상기 직류링크 커패시터 타단의 접점 사이에 직렬로 연결되는 제1 커패시터와 제2 커패시터를 포함하고, 상기 제1 승압스위치와 상기 제2 승압스위치의 접점과 상기 제1 커패시터와 상기 제2 커패시터의 접점이 연결될 수 있다.The bidirectional DC-DC converter includes a first inductor having one end connected to one end of the auxiliary battery, a second inductor having one end connected to the other end of the auxiliary battery, and connected in series between the other end of the first inductor and the other end of the second inductor. A first step-up switch and a second step-up switch, one end is connected to the contact point of the other end of the first inductor and one end of the first step-up switch, the other end is a first step-down switch connected to one end of the DC link capacitor, and one end is the first step-down switch. 2 A second step-down switch is connected to the other end of the inductor and a contact point of one end of the second step-up switch, the other end is connected to the other end of the DC link capacitor, and the contact point of the other end of the first step-down switch and one end of the DC link capacitor and the second A first capacitor and a second capacitor connected in series between the other end of the step-down switch and the contact of the other end of the DC link capacitor, and the contact of the first step-up switch and the second step-up switch, the first capacitor and the second The contacts of the capacitor can be connected.
본 발명에 의하면 가격, 부피, 그리고 무게를 줄이면서도 에너지 회생, 에너지 저장, 그리고 에너지 복원 기능을 일부 혹은 전부를 선택적으로 구현할 수 있어 비용 효율성이 높은 모터 구동 시스템을 제공할 수 있다. 또한 기준값 설정에 따라 에너지 회생-저장-복원의 3 기능을 자유롭게 변경 가능한 모터 구동 시스템을 제공할 수 있다.According to the present invention, energy regeneration, energy storage, and energy recovery functions can be selectively implemented in part or all while reducing cost, volume, and weight, thereby providing a motor driving system having high cost efficiency. In addition, it is possible to provide a motor drive system that can freely change the three functions of energy regeneration, storage, and restoration according to the reference value setting.
도 1a 내지 도 1c는 종래 모터를 제어하는 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명에 따른 모터 구동 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 모터 구동 시스템에서 배터리 전압 영역별 에너지 사용 기능을 변경하는 것을 설명하기 위한 도면이다.1A to 1C are diagrams for describing a system for controlling a conventional motor.
2A to 2C are views for explaining a motor driving system according to the present invention.
3 is a diagram for explaining changing an energy use function for each battery voltage region in the motor driving system according to the present invention.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다. 그러나 이들 실시 예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 의하여 제한되지 않는다는 것은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings in which one of ordinary skill in the art can easily implement the present invention. However, these examples are intended to describe the present invention in more detail, and it will be apparent to those of ordinary skill in the art that the scope of the present invention is not limited thereto.
본 발명이 해결하고자 하는 과제의 해결 방안을 명확하게 하기 위한 발명의 구성을 본 발명의 바람직한 실시 예에 근거하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하되, 도면의 구성요소들에 참조번호를 부여함에 있어서 동일 구성요소에 대해서는 비록 다른 도면상에 있더라도 동일 참조번호를 부여하였으며 당해 도면에 대한 설명시 필요한 경우 다른 도면의 구성요소를 인용할 수 있음을 미리 밝혀둔다. 아울러 본 발명의 바람직한 실시 예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 본 발명과 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명 그리고 그 이외의 제반 사항이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명을 생략한다.The configuration of the invention for clarifying the solution to the problem to be solved by the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings based on a preferred embodiment of the present invention, but the same in assigning reference numerals to the components of the drawings For the components, even if they are on different drawings, the same reference numerals are given, and it should be noted in advance that components of other drawings may be referred to when necessary when describing the drawings. In addition, when it is determined that detailed descriptions of known functions or configurations related to the present invention and other matters may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention in describing the operation principle of the preferred embodiment of the present invention in detail, Its detailed description is omitted.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 '연결'되어 있다고 할때, 이는 '직접적으로 연결'되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 '간접적으로 연결'되어 있는 경우도 포함한다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작, 또는 소자 외에 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작, 또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.In addition, in the entire specification, when a part is said to be'connected' with another part, it is not only'directly connected', but also'indirectly connected' with another element in between. Includes. In this specification, the singular form also includes the plural form unless otherwise specified in the phrase. As used in the specification, "comprises" or "comprising" excludes the presence or addition of one or more other components, steps, operations, or elements in addition to the mentioned elements, steps, operations, or elements. I never do that.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명에 따른 모터 구동 시스템을 설명하기 위한 도면이다.2A to 2C are views for explaining a motor driving system according to the present invention.
도 2a를 참고하면, 본 발명에 따른 모터 구동 시스템은 정류부(110), 직류링크 커패시터(Cdc), 보조 배터리(120), 양방향 DC-DC 컨버터(130), 인버터(140) 및 제어부(150)를 포함할 수 있다.2A, the motor driving system according to the present invention includes a
정류부(110)는 3상 교류 입력전원을 직류 전원으로 정류하여 출력할 수 있다. 정류부(110)는 4개의 다이오드를 연결한 브리지 회로인 3상 다이오드 브리지(diode bridge) 등으로 구현할 수 있다.The rectifying
3상 교류 입력전원은 본 발명에 따른 모터 구동 시스템의 주동력원으로 사용될 수 있다.The three-phase AC input power source can be used as the main power source of the motor drive system according to the present invention.
직류링크 커패시터(Cdc)는 정류부(110)의 출력 양단(P, N)에 연결될 수 있다. 직류링크 커패시터(Cdc)는 정류부(110)에서 출력되는 3상 계통의 전압을 직류로 유지시켜줄 수 있다.The DC link capacitor C dc may be connected to both ends P and N of the
보조 배터리(120)는 본 발명에 따른 모터 구동 시스템의 보조동력원으로 사용될 수 있다.The
양방향 DC-DC 컨버터(130)는 보조 배터리(120)와 직류링크 커패시터(Cdc) 사이에 병렬로 연결되어, 정전 등에 의해 3상 교류 입력전원이 모터 구동 시스템에 입력되지 않아도, 일정 시간 모터(200)에 안정적인 전력이 공급되게 할 수 있다. 이를 위해 양방향 DC-DC 컨버터(130)는 에너지 저장 시스템(energy storage system)역할 뿐 아니라 회생 제동으로 발생한 에너지를 변환시켜 배터리 충전 기능을 수행할 수도 있다.The bidirectional DC-
인버터(140)는 직류링크 커패시터(Cdc)와 모터(200) 사이에 위치하고, 직류전원을 모터(200)에 사용할 교류전원으로 변환시킬 수 있다. 인버터(140)는 펄스폭변조(pulse width modulation) 방식을 통해 모터(200)의 거동을 제어할 수 있다.The
제어부(150)는 모터 구동 시스템의 전체적인 동작을 제어할 수 있으며, 양방향 DC-DC 컨버터(130)의 동작 제어를 위한 제어 신호를 출력할 수 있다.The
양방향 DC-DC 컨버터(130)는 제어부(150)의 제어 신호에 따라 스위치 소자들(S1a, S2a, Sa, S1b, S2b, Sb)을 제어하여 보조 배터리(120)에서 직류링크 커패시터(Cdc)로 전력을 전달하거나, 직류링크 커패시터(Cdc)에서 보조 배터리(120)로 전력을 전달시킬 수 있다.The bidirectional DC-
양방향 DC-DC 컨버터(130)는 도 2b에 예시한 것과 같은 2단계 양방향 DC-DC 컨버터 또는 도 2c에 예시한 것과 같은 3단계 양방향 DC-DC 컨버터로 구현할 수 있다.The bidirectional DC-
먼저 도 2b에 예시한 2단계 양방향 DC-DC 컨버터의 회로 구성을 살펴보면, 인덕터(L)의 일단은 보조 배터리(120) 일단에 연결된다. 그리고 인덕터(L)의 타단은 승압스위치(Sa)의 일단과 강압스위치(Sb)의 일단의 접점에 연결된다.First, looking at the circuit configuration of the two-stage bidirectional DC-DC converter illustrated in FIG. 2B, one end of the inductor L is connected to one end of the
승압스위치(Sa)는 일단이 인덕터(L) 타단에 연결되고, 타단은 보조 배터리(120) 타단에 연결된다.The boost switch (S a ) has one end connected to the other end of the inductor (L), and the other end is connected to the other end of the
강압스위치(Sb)는 일단이 인덕터(L) 타단과 승압스위치(Sa) 일단의 접점에 연결되고, 타단은 직류링크 커패시터(Cdc) 일단에 연결된다.The step-down switch (Sb) has one end connected to the contact point of the other end of the inductor (L) and one end of the step-up switch (S a ), and the other end is connected to one end of the DC link capacitor (C dc ).
커패시터(C)는 일단은 강압스위치(Sb)의 타단과 직류링크 커패시터(Cdc) 일단의 접점에 연결되고, 타단은 보조 배터리(120) 타단과 직류링크 커패시터(Cdc) 타단의 접점에 연결된다.The capacitor (C) has one end connected to the contact point of the other end of the step-down switch (Sb) and one end of the DC link capacitor (C dc ), and the other end is connected to the contact point of the other end of the
다음으로 도 2c에 예시한 3단계 양방향 DC-DC 컨버터의 회로 구성을 살펴보면, 제1 인덕터(L1)는 일단이 보조 배터리(120) 일단에 연결되고, 타단은 제1 승압스위치(S1a)와 제1 강압스위치(S1b)의 일단의 접점에 연결된다.Next, looking at the circuit configuration of the three-stage bidirectional DC-DC converter illustrated in FIG. 2C, one end of the first inductor L1 is connected to one end of the
제2 인덕터(L2)는 일단이 보조 배터리(120) 타단에 연결되고, 타단은 제2 승압스위치(S2a)와 제2 강압스위치(S2b)의 일단의 접점에 연결된다.The second inductor L2 has one end connected to the other end of the
제1 승압스위치(S1a)와 제2 승압스위치(S2a)는 제1 인덕터(L1) 타단과 제2 인덕터(L2) 타단 사이에 직렬로 연결된다.The first boost switch S 1a and the second boost switch S 2a are connected in series between the other end of the first inductor L1 and the other end of the second inductor L2.
제1 강압스위치(S1b)는 일단은 제1 인덕터(L1) 타단과 제1 승압스위치(S1a) 일단의 접점에 연결되고, 타단은 직류링크 커패시터(Cdc) 일단에 연결된다.The first step-down switch S 1b has one end connected to the contact point of the other end of the first inductor L1 and one end of the first step-up switch S 1a , and the other end is connected to one end of the DC link capacitor C dc .
제2 강압스위치(S2b)는 일단은 제2 인덕터(L2) 타단과 제2 승압스위치(S2a) 일단의 접점에 연결되고, 타단은 직류링크 커패시터(Cdc) 타단에 연결된다.The second step-down switch (S 2b ) has one end connected to the contact point of the other end of the second inductor (L2) and one end of the second step-up switch (S 2a ), and the other end is connected to the other end of the DC link capacitor (C dc ).
제1 커패시터(C1)와 제2 커패시터(C2)는 제1 강압스위치(S1b) 타단과 직류링크 커패시터(Cdc) 일단의 접점과 제2 강압스위치(S2b) 타단과 직류링크 커패시터(Cdc) 타단의 접점 사이에 직렬로 연결된다.The first capacitor (C1) and the second capacitor (C2) are the first step-down switch (S 1b ) the other end and the contact point of one end of the DC link capacitor (C dc ) and the second step-down switch (S 2b ) the other end and the DC link capacitor (C) dc ) It is connected in series between the contacts of the other end.
그리고 제1 승압스위치(S1a)와 제2 승압스위치(S2a)의 접점과 제1 커패시터(C1)와 제2 커패시터(C2)의 접점이 연결된다.In addition, the contact points of the first step-up switch (S 1a ) and the second step-up switch (S 2a ) and the contact points of the first capacitor (C1) and the second capacitor (C2) are connected.
도 2b에 예시한 2단계 양방향 DC-DC 컨버터와 도 2c에 예시한 3단계 양방향 DC-DC 컨버터에서 에너지 전달 방식은, 승압스위치(S1a, S2a, Sa)가 도통되면 인덕터(L, L1, L2)에 에너지가 저장되고, 강압스위치(S1b, S2b, Sb)가 도통되면 인덕터(L, L1, L2)에 저장된 에너지가 직류링크 커패시터(Cdc)에 전달된다.In the two-step bidirectional DC-DC converter illustrated in FIG. 2B and the three-step bidirectional DC-DC converter illustrated in FIG. 2C, the energy transfer method is, when the step-up switches S 1a , S 2a , S a are conducted, the inductor L, When energy is stored in L1, L2, and the step-down switch (S 1b , S 2b , S b ) is conducted, the energy stored in the inductors (L, L1, L2) is transferred to the DC link capacitor (C dc ).
도 2c에 예시한 3단계 양방향 DC-DC 컨버터는 도 2b에 예시한 2단계 양방향 DC-DC 컨버터보다 배터리 전류 리플(ripple)이 적고, 스위칭 소자들의 정격 전압이 절반이며, 보다 낮은 배터리 전압으로 운전이 가능하다.The three-stage bi-directional DC-DC converter illustrated in FIG. 2C has less battery current ripple than the two-stage bi-directional DC-DC converter illustrated in FIG. 2B, has half the rated voltage of the switching elements, and operates with a lower battery voltage. This is possible.
제어부(150)는 검출되는 보조 배터리(120)의 전압(Vbat)과 직류링크 커패시터(Cdc)의 양단 전압(Vdc)을 기초로 양방향 DC-DC 컨버터(130)의 동작 제어 형식을 결정할 수 있다. 제어부(150)는 승압스위치(S1a, S2a, Sa)와 강압스위치(S1b, S2b, Sb)의 시비율(duty ratio)을 조절함으로써 직류링크 전압(Vdc)을 관리하고, 보조 배터리(120)를 충전시키거나, 보조 배터리(120)에서 직류링크 커패시터(Cdc)로 전력을 전달하여 모터(200)에 전원이 공급되게 할 수 있다.The
전압방식을 간단히 예로 들면, 승압스위치(S1a, S2a, Sa)와 강압스위치(S1b, S2b, Sb)의 시비율을 각각 'D+△D'와 '1-△D'라고 정의할 수 있다(0≤D+△D≤1, D=1-Vbat/Vdc). 이때 시비율이 1이면 스위칭 주기 동안 스위치가 도통(turn-on) 상태고, 0이면 턴오프(turn-off) 상태를 의미한다. 시비율에서 △D가 음수 값을 가지게 제어하는 것은 보조 배터리(120)가 충전되는 에너지 전달을 의미하며, 시비율에서 △D가 양수 값을 가지게 제어하는 것은 보조 배터리(120)에서 직류링크 커패시터(Cdc)로의 전력 전달을 의미한다.For a simple example of the voltage method, the ratios of step-up switches (S 1a , S 2a , S a ) and step-down switches (S 1b , S 2b , S b ) are called'D+△D' and '1-△D', respectively. Can be defined (0≤D+△D≤1, D=1-V bat /V dc ). At this time, if the application ratio is 1, the switch is in a turn-on state during the switching period, and if it is 0, it means a turn-off state. Controlling that ΔD has a negative value in the fertilization ratio means the transfer of energy to which the
검출된 보조 배터리(120)의 전압(Vbat)과 직류링크 전압(Vdc)에 기초하여 시비율 D를 조절하며 에너지를 전달하는 방향을 조정하는 것은 다양한 방식으로 잘 알려져 있으므로 보다 자세한 제어 방식에 대한 설명은 생략한다.Adjusting the application ratio D based on the detected voltage (V bat ) and the DC link voltage (V dc ) of the
도 3은 본 발명에 따른 모터 구동 시스템에서 배터리 전압 영역별 에너지 사용 기능을 변경하는 것을 설명하기 위한 도면이다.3 is a diagram for explaining changing an energy use function for each battery voltage region in the motor driving system according to the present invention.
도 3을 참고하면, 보조 배터리(120)의 전압(Vbat)에 따른 에너지 사용 기능은 에너지 회생, 에너지 저장, 에너지 복원 등 3가지가 존재할 수 있다.Referring to FIG. 3, the energy use function according to the voltage V bat of the
여기서 에너지 회생 기능은 모터(200)에서 회생 제동이 발생할 때 발생하는 에너지를 보조 배터리(120)에 저장하는 기능이다. 에너지 저장 기능은 3상 교류 입력전원의 가격이 낮을 때 보조 배터리(120)를 충전해두었다가 3상 교류 입력전원의 가격이 높을 때 모터(200)에 공급하는 기능이다. 그리고 에너지 복원 기능은 3상 교류 입력전원이 공급되지 않는 정전 상황에서 사용할 최소한의 에너지를 보조 배터리(120)에 충전해놓고 정전 시 모터(200)에 공급하는 기능이다.Here, the energy regeneration function is a function of storing energy generated when regenerative braking occurs in the
도 3에서 기준값1과 기준값2의 위치는 모터(200)에서 발생하는 회생 제동에 의한 회생 에너지량, 에너지 저장 용량, 무정전 전원공급을 위한 복원 에너지 용량 등에 의해 자유롭게 변경 설정 가능하다.In FIG. 3, the positions of the reference value 1 and the reference value 2 can be freely changed and set according to the amount of regenerative energy generated by the regenerative braking generated by the
배터리 전압(Vbat)이 기준값1보다 낮은 상태일 경우 기준값1보다 전압이 높아질 때까지 보조 배터리(120)를 충전하고, 만약 배터리 전압(Vbat)이 기준값2 이상이고 회생 제동 발생 도중이 아니라면 기준값2보다 전압이 낮아질 때까지 모터(200)에 에너지를 공급해 결과적으로 배터리 전압(Vbat)이 기준값1과 기준값2의 사이에서 유지되도록 한다. 이러한 제어 방식을 사용하면, 기준값1까지 충전된 보조 배터리(120)의 에너지를 통해 정전이 일어났을 경우 에너지 복원 기능을 수행할 수 있고, 배터리 최대 충전 전압(V bat, max )과 기준값2 사이의 에너지 여유 구간을 통해 언제든지 회생 제동으로 발생한 에너지를 보조 배터리(120)에 충전시킬 수 있다.If the battery voltage (V bat ) is lower than the reference value 1, the
또한, 계통 전기 가격이 낮을 때 보조 배터리(120)를 충전시켜 두었다가, 계통 전기 가격이 높을 때 미리 저장 해두었던 배터리의 에너지를 모터(200)에 공급 해주는 에너지 저장 시스템 기능도 함께 수행하면 전력 이용에 대한 비용 효율성을 더 높일 수 있다. 또, 에너지 회생 기능과 에너지 복원 기능만을 위해서는 배터리 최소 충전 전압과 배터리 최대 충전 전압 사이의 적당한 위치에 기준값1과 기준값2를 하나의 기준값으로 병합해 배터리 에너지를 사용할 수 있다. 기준값1과 기준값2를 모두 배터리 최소 충전 전압(V bat, min )으로 설정하면 에너지 회생 기능만을 위해 배터리를 사용할 수 있고, 기준값1과 기준값2를 모두 배터리 최대 충전 전압으로 정하면 무정전 기능만을 위해 배터리를 사용할 수도 있다. 지금까지 예시 외에도 기준값에 대한 자유로운 변경을 통해 기능들은 개별 혹은 병합된 형태로 구현가능하다.In addition, if the
다시 정리하면, 위에서 설명한 3가지 기능을 위해서, 보조 배터리(120)가 최대 충전 전압(V bat, max )과 최소 충전 전압(V bat, min )을 가지는 경우, 도 3에 예시한 것과 같이 기준값1과 기준값2를 사용자로부터 설정받을 수 있다.In summary, for the three functions described above, when the
제어부(150)는 3상 교류 입력전원이 입력되면서 보조 배터리(120)의 전압(Vbat)이 기준값1보다 낮은 경우, 직류링크 커패시터(Cdc)에서 보조 배터리(120)로 전력이 전달되도록 양방향 DC-DC 컨버터(130)를 동작시켜 보조 배터리(120)를 충전시킬 수 있다.When the voltage (V bat ) of the
제어부(150)는 모터(200)의 회생 제동 발생 도중이 아니면서 보조 배터리(120)의 전압(Vbat)이 기준값2 보다 높은 경우, 보조 배터리(120)에서 직류링크 커패시터(Cdc)로 전력이 전달되도록 양방향 DC-DC 컨버터(130)를 동작시켜 모터(200)에 보조 배터리(120)의 에너지가 공급되게 할 수 있다.When the voltage (V bat ) of the
제어부(150)는 모터(200)의 회생 제동 발생 도중이 아니면서 보조 배터리(120)의 전압(Vbat)이 기준값1 이상이고 기준값2 이하이며 3상 교류 입력전원의 가격이 미리 정해진 기준 이하인 경우, 직류링크 커패시터(Cdc)에서 보조 배터리(120)로 전력이 전달되도록 양방향 DC-DC 컨버터(130)를 동작시켜 보조 배터리(120)를 충전시킬 수 있다.The
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.Although the preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and improvements of those skilled in the art using the basic concept of the present invention defined in the following claims are also present. It belongs to the scope of rights of
Claims (7)
상기 정류부의 출력 양단에 연결되는 직류링크 커패시터,
보조 배터리,
상기 보조 배터리와 상기 직류링크 커패시터 사이에 병렬로 연결되는 양방향 DC-DC 컨버터,
상기 직류링크 커패시터와 모터 사이에 위치하는 인버터, 그리고
상기 보조 배터리에서 상기 직류링크 커패시터로 전력을 전달하거나, 상기 직류링크 커패시터에서 상기 보조 배터리로 전력을 전달시키도록 상기 양방향 DC-DC 컨버터를 동작시키는 제어부를 포함하며,
상기 양방향 DC-DC 컨버터는,
상기 보조 배터리 일단에 일단이 연결되는 제1 인덕터,
상기 보조 배터리 타단에 일단이 연결되는 제2 인덕터,
상기 제1 인덕터 타단과 상기 제2 인덕터 타단 사이에 직렬로 연결되는 제1 승압스위치와 제2 승압스위치,
일단은 상기 제1 인덕터 타단과 상기 제1 승압스위치 일단의 접점에 연결되고, 타단은 상기 직류링크 커패시터 일단에 연결되는 제1 강압스위치,
일단은 상기 제2 인덕터 타단과 상기 제2 승압스위치 일단의 접점에 연결되고, 타단은 상기 직류링크 커패시터 타단에 연결되는 제2 강압스위치, 그리고
상기 제1 강압스위치 타단과 상기 직류링크 커패시터 일단의 접점과 상기 제2 강압스위치 타단과 상기 직류링크 커패시터 타단의 접점 사이에 직렬로 연결되는 제1 커패시터와 제2 커패시터를 포함하고,
상기 제1 승압스위치와 상기 제2 승압스위치의 접점과 상기 제1 커패시터와 상기 제2 커패시터의 접점이 연결되는 모터 구동 시스템.Rectifier that rectifies and outputs 3-phase AC input power with DC power,
DC link capacitors connected to both ends of the output of the rectifier,
Auxiliary battery,
A bidirectional DC-DC converter connected in parallel between the auxiliary battery and the DC link capacitor,
An inverter positioned between the DC link capacitor and the motor, and
And a control unit operating the bidirectional DC-DC converter to transfer power from the auxiliary battery to the DC link capacitor or to transfer power from the DC link capacitor to the auxiliary battery,
The bidirectional DC-DC converter,
A first inductor having one end connected to one end of the auxiliary battery,
A second inductor having one end connected to the other end of the auxiliary battery,
A first boosting switch and a second boosting switch connected in series between the other end of the first inductor and the other end of the second inductor,
A first step-down switch having one end connected to a contact point between the other end of the first inductor and one end of the first step-up switch, and the other end connected to one end of the DC link capacitor,
One end is connected to a contact point between the other end of the second inductor and one end of the second step-up switch, and the other end is a second step-down switch connected to the other end of the DC link capacitor, and
A first capacitor and a second capacitor connected in series between a contact point of the other end of the first step-down switch and one end of the DC link capacitor, and a contact point of the other end of the second step-down switch and the other end of the DC link capacitor,
A motor driving system in which a contact point of the first step-up switch and the second step-up switch and a contact point of the first capacitor and the second capacitor are connected.
상기 제어부는,
상기 3상 교류 입력전원이 입력되면서 상기 보조 배터리의 전압이 제1 기준값보다 낮은 경우, 상기 직류링크 커패시터에서 상기 보조 배터리로 전력이 전달되도록 상기 양방향 DC-DC 컨버터를 동작시켜 상기 보조 배터리를 충전시키고,
상기 모터의 회생 제동 발생 도중이 아니면서 상기 보조 배터리의 전압이 제2 기준값보다 높은 경우, 상기 보조 배터리에서 상기 직류링크 커패시터로 전력이 전달되도록 상기 양방향 DC-DC 컨버터를 동작시켜 상기 모터에 상기 보조 배터리의 에너지가 공급되게 하며,
상기 모터의 회생 제동 발생 도중이 아니면서 상기 보조 배터리의 전압이 제1 기준값 이상이고 제2 기준값 이하이며 상기 3상 교류 입력전원의 가격이 미리 정해진 기준 이하인 경우, 상기 직류링크 커패시터에서 상기 보조 배터리로 전력이 전달되도록 상기 양방향 DC-DC 컨버터를 동작시켜 상기 보조 배터리를 충전시키는 모터 구동 시스템.In claim 1,
The control unit,
When the voltage of the auxiliary battery is lower than the first reference value while the three-phase AC input power is input, the bidirectional DC-DC converter is operated to charge the auxiliary battery so that power is transferred from the DC link capacitor to the auxiliary battery. ,
When the voltage of the auxiliary battery is higher than the second reference value while the motor is not in the middle of regenerative braking, the bidirectional DC-DC converter is operated so that power is transferred from the auxiliary battery to the DC link capacitor to provide the auxiliary to the motor. Allows the energy of the battery to be supplied,
When the voltage of the auxiliary battery is not less than a first reference value and less than a second reference value, and the price of the three-phase AC input power is less than a predetermined standard, while the motor is not in the middle of regenerative braking, from the DC link capacitor to the auxiliary battery. A motor driving system for charging the auxiliary battery by operating the bidirectional DC-DC converter so that power is transmitted.
상기 제어부는,
상기 제1 기준값과 상기 제2 기준값을 설정받는 모터 구동 시스템.In claim 2,
The control unit,
A motor driving system configured to set the first reference value and the second reference value.
상기 제1 기준값과 상기 제2 기준값이 하나의 기준값으로 설정되는 모터 구동 시스템.In claim 3,
The motor driving system in which the first reference value and the second reference value are set as one reference value.
상기 하나의 기준값은 상기 보조 배터리의 최대 충전 전압 또는 최소 충전 전압으로 설정되는 모터 구동 시스템.In claim 4,
The one reference value is set to a maximum charging voltage or a minimum charging voltage of the auxiliary battery.
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KR1020200017767A KR102144076B1 (en) | 2020-02-13 | 2020-02-13 | Motor-driven system with energy regeneration-storage-restoration |
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KR1020200017767A KR102144076B1 (en) | 2020-02-13 | 2020-02-13 | Motor-driven system with energy regeneration-storage-restoration |
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KR20180054021A (en) * | 2016-11-14 | 2018-05-24 | 삼성에스디아이 주식회사 | bidirectional DC-DC converter, and energy storage system including the same |
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