KR102155814B1

KR102155814B1 - 플라잉 스타트를 위한 지연각 보상 장치

Info

Publication number: KR102155814B1
Application number: KR1020140072570A
Authority: KR
Inventors: 안성국; 최승철
Original assignee: 엘에스일렉트릭(주)
Priority date: 2014-06-16
Filing date: 2014-06-16
Publication date: 2020-09-17
Also published as: JP2016005430A; ES2653159T3; CN105322774B; EP2958227B1; JP6018262B2; CN105322774A; US9673734B2; EP2958227A3; KR20150144011A; EP2958227A2; US20150365016A1

Abstract

본 발명은 고압 인버터의 플라잉 스타트를 위한 것으로서, 인버터 출력단의 3상 전압을 dq 축 전압(Vd, Vq)으로 만들어 위상각(θ)을 생성하고, 기 설정된 지연시간에 따른 보상 위상각을 산출한다. 그리고 보상 위상각을 위상각(θ)과 합산하여 플라잉 스타트를 위한 초기각을 생성한다. 고압 인버터의 입력 전원에 순시적인 고장 상태가 발생한 후 정상적인 상태로 복귀하였을 때, 인버터의 지령전압 위상각과 실제 출력전압 위상각의 오차를 줄일 수 있으므로, 더욱 안정적으로 고압 전동기를 운전할 수 있게 된다.

Description

플라잉 스타트를 위한 지연각 보상 장치{ Apparatus for Delay Angle Compensation of Flying Start Function }

본 발명은 플라잉 스타트를 위한 지연각 보상 장치에 관한 것으로서, 특히 고압 인버터의 트립이나 순간 정전 발생 후 전원이 복구되었을 때 플라잉 스타트 기능을 이용하여 전동기를 효율적으로 재기동시킬 수 있도록 한다.

산업현장에서 다양한 종류의 고압 인버터가 사용되고 있다.

예컨대 멀티 레벨 고압 인버터(Multi-Level Medium-Voltage Inverter)는 입력 선간 전압의 실효치가 600V 이상의 입력 전원을 갖는 인버터로서 출력 상 전압(Output Phase Voltage)은 여러 단계(Multi-Level)를 갖는다.

고압 인버터는 수백 kW ~ 수십 MW의 용량을 갖는 대용량 전동기를 구동하는데 사용되고 있으며, 팬(Fan), 펌프(Pump), 압축기(Compressor), 견인(Traction), 승강(Hoist), 컨베이어(Conveyor) 등 여러 분야에서 사용된다.

멀티 레벨 고압 인버터 중 직렬형 H-브릿지 인버터(Cascaded H-bridge Inverter)는 모듈 구조로 인하여 확장이 쉽다는 장점이 있기 때문에 고압 인버터에 주로 사용되고 있다.

또한, 단위 전력 셀(Unit Power Cell)은 H-브릿지 인버터, 단상 NPC 인버터, 단상 T-type NPC 인버터 등으로 다양하게 구성할 수 있다.

도 1은 고압 인버터 시스템(10)의 예를 보인 것으로서, 다권선 위상차 변압기(11), 여러 개의 전력 셀(12: Power Cell), 전동기(13)로 이루어진다.

다권선 위상차 변압기(11)는 전원 입력단과 고압 인버터 사이의 전기적 절연을 제공하고, 입력단 고조파를 저감하는 역할을 하며, 각 전력 셀(12)에 적절한 3상 입력 전원을 제공한다. 전력 셀(12)은 다권선 위상차 변압기(11)로부터 전원을 공급 받아 전동기(13)의 상 전압을 출력한다. 전동기(13)는 고압의 3상 전동기로서 유도 전동기 또는 동기 전동기가 사용될 수 있다.

도 2는 전력 셀(12)의 예를 보인 것으로서, 3상 다이오드 정류기(12-1)와 직류단 커패시터(12-2: DC-Link Capacitor), 그리고 단상 풀 브릿지 인버터(12-3: Single Phase Full Bridge Inverter)로 구성된다.

3상 다이오드 정류기(12-1)는 3상 교류전압을 입력 받아 다이오드에 의해 정류하여 직류전압으로 출력한다. 직류단 커패시터(12-2)는 다이오드 정류기(12-1)에서 출력하는 직류전압을 유지하고, 순시적인 전력 차이를 보상하는 역할을 한다. 단상 풀 브릿지 인버터(12-3)는 직류단 전압으로부터 출력 전압을 합성한다.

한편, 상기와 같은 고압 인버터에 의해 구동되는 전동기(13)는 통상 관성(Inertia)이 크기 때문에, 입력 전원의 고장 또는 정전 등의 원인으로 인하여 인버터가 정상적인 동작을 하지 못하는 경우에도 회전자의 속도(Rotor Speed)가 크게 줄지 않는다. 그러므로, 입력 전원이 고장 상태에서 정상적인 상태로 복귀하였을 때, 회전자 속도가 영속(Zero Speed)이 될 때까지 기다린 후 재기동을 하려면 시간이 오래 걸린다.

이러한 문제점을 방지하기 위해 고압 인버터는 입력 전원이 정상적인 상태로 복귀하였을 때 전동기(13)의 회전자 속도를 추정하여 재기동(Re-Starting)을 하는 것이 유리한데, 이러한 기능을 '플라잉 스타트'라고 한다.

도 3은 플라잉 스타트 초기각을 설정하는 기존 방법의 예를 보인 것으로서, 고압 인버터의 출력단(전동기의 입력단)에서 3상 전압을 검출하고, PLL(31: Phase Locked Loop)을 통해 위상각(32)을 계산하여, 플라잉 스타트에 필요한 초기각으로 사용하고 있다.

그러나, 샘플링(Sampling)과 필터링(Filtering) 등으로 인해 시간 지연이 발생하기 때문에 종래의 방법에서는 인버터의 지령전압 위상각과 실제 출력전압 위상각이 다르게 되는 문제점이 나타난다. 인버터의 지령전압 위상과 실제 출력전압 위상이 다른 상태에서 플라잉 스타트 기능을 수행하면 돌입 전류가 크게 발생하여 전동기의 손상을 일으킬 수 있다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 입력 전원에 순시적인 고장이 발생한 후 정상적인 상태로 복귀하였을 때, 인버터의 지령전압 위상각과 실제 출력전압 위상각의 오차를 보상하여 전동기 돌입 전류를 감소시킬 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 플라잉 스타트를 위한 지연각 보상 장치는, 인버터 출력단의 3상 전압을 2상 정지좌표계의 전압(Vαβ)으로 변환하여 인버터가 인가한 주파수에 해당하는 교류신호인 V'와, 상기 V'에 위상각이 90도 뒤지는 교류신호인 qV'를 생성하고, 위상각 보상을 위한 기준 주파수(ω')를 생성하는 신호처리부; 상기 V'와 qV' 신호를 회전 좌표 변환을 통해 dq 축 전압(Vd, Vq)으로 만들고, 상기 Vq를 이용하여 위상각(θ)을 생성하는 위상생성부; 및 상기 신호처리부에서 생성된 기준 주파수(ω')와 기 설정된 지연시간을 곱하여 보상 위상각을 산출하고, 상기 위상생성부에서 생성된 위상각(θ)과 합산하여 플라잉 스타트를 위한 초기각을 생성하는 위상보상부를 포함하여 이루어진다.

신호처리부는 상기 Vαβ와 V'의 오차에 상기 qV'을 곱하여 주파수 오차(Ef)를 산출하고, 상기 주파수 오차(Ef)에 음(-)의 일정 값을 곱하여 적분한 후, 초기 주파수(ω_c)를 합산하여 상기 ω'을 생성할 수 있다.

상기 위상생성부는 상기 Vq를 비례-적분하여 상기 초기 주파수(ω_c)와 합산하고, 이를 적분하여 상기 위상각(θ)을 생성할 수 있다.

본 발명에 따르면, 고압 인버터의 입력 전원에 순시적인 고장 상태가 발생한 후 정상적인 상태로 복귀하였을 때, 인버터의 지령전압 위상각과 실제 출력전압 위상각의 오차를 보상하여 전동기를 제어할 수 있다.

그러므로, 플라잉 스타트 기능을 이용할 때 전동기 돌입 전류를 감소시킬 수 있으며, 고압 전동기를 더욱 안정적으로 운전할 수 있게 된다.

도 1은 고압 인버터 시스템의 예,
도 2는 전력 셀의 구조에 관한 예,
도 3은 종래 플라잉 스타트 방법을 설명하는 예,
도 4는 본 발명에 따른 플라잉 스타트를 위한 지연각 보상 장치의 실시예,
도 5는 신호처리부에 관한 일 실시예,
도 6은 위상생성부에 관한 일 실시예,
도 7은 위상보상부에 관한 일 실시예,
도 8은 플라잉 스타트 초기각을 이용한 기동 시점을 보인 예이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 4를 참조하자면, 본 발명에 따른 플라잉 스타트를 위한 지연각 보상 장치(40)는 신호처리부(41), 위상생성부(42), 및 위상보상부(43)를 포함하여 이루어질 수 있으며, 위상각 보상을 통해 지령전압과 출력전압의 위상 오차가 없는 플라잉 스타트 초기각을 생성한다.

도 5는 신호처리부(41)의 일 실시예를 도시한 것으로서, SOGI(Second Order Generalized Integrator)를 이용하여 구성될 수 있다.

신호처리부(41)는 인버터 출력단(전동기의 입력단)의 전압(Vabc)을 입력 받는다. 인버터 출력단의 상 전압(Phase Voltage) 또는 선간 전압(Line-to-Line)을 입력 받을 수 있으며, 인버터 출력단의 전압(Vabc)을 변환행렬(50-1, Tαβ)을 이용하여 2상 정지좌표계의 전압(Vαβ)으로 변환한다.

그리고, Vαβ를 이용하여 인버터가 인가한 주파수에 해당하는 교류신호인 V'과, V'에 위상각(Phase Angle)이 90도 뒤지는 교류신호인 qV'을 생성하며, 위상각 보상을 위한 기준 주파수(ω')를 생성한다.

구체적으로 살펴보자면, Vαβ와 피드백된 V'의 차(Ei)를 이득 K1(51-1)과 곱하고, 이 신호에서 qV'을 감하여(51-2), ω'과 곱한 후(51-3), 적분하여 V'을 생성한다(51-4).

V'은 적분된 후(52-1), ω'과 곱해져서 qV'이 된다(52-2).

Vαβ와 V' 사이의 전달함수 D(s)는 아래의 수학식1과 같이 나타낼 수 있다.

또한, Vαβ와 qV' 사이의 전달함수 Q(s)는 아래의 수학식2와 같이 나타낼 수 있다.

Ef는 주파수 오차로서 Ei와 qV'을 곱하여 얻는다(53-1).

ω'은 Ef에 음(Negative)의 값(-K2)을 곱하고(53-2,53-3), 적분한 후(53-4), 초기 주파수(ω_c)와 합산하여 구한다(53-5).

위상생성부(42)는 신호처리부(41)로부터 생성된 V'과 qV' 신호를 회전 좌표 변환을 통해 dq 축 전압(Vd, Vq)으로 만들고, q축 전압 Vq를 이용하여 위상각(θ)을 생성한다.

도 6은 위상생성부(42)의 일 실시예를 보인 것으로서, PLL(Phase Locked Loop)을 이용하여 구성될 수 있다.

좌표변환부(61)는 신호처리부(41)로부터 생성된 V'과 qV' 신호를 회전좌표계의 dq 축 전압(Vd, Vq)으로 만든다. 그리고, q축 전압 Vq를 비례-적분(62: Proportional-Integral) 한 후 초기 주파수(ω_c)와 합산한다(63). .

비례-적분(62)은 다음의 수학식3에 따라 수행될 수 있다.

여기서, Kp는 이득이고, Ti는 시간 상수이다.

이제 비례-적분기(62)의 출력(Vf)과 초기 주파수(ω_c)를 합산한 값을 적분하여 위상각(θ)을 생성한다(64). 생성된 위상각(θ)은 좌표변환부(61)로 피드백 되어 좌표변환에 이용된다.

도 7은 위상보상부(43)의 일 실시예를 보인 것으로서, 신호처리부(41)에서 생성된 ω'과 기 설정된 지연시간을 곱하여 보상 위상각(θc)을 산출하고(71,72), 산출된 보상 위상각(θc)을 위상생성부(42)에서 생성된 위상각(θ)과 합산하여(73), 플라잉 스타트를 위한 초기각(θ')을 생성한다.

이때 지연은 필터의 시정수나 시스템의 샘플링 시간 등으로 인해 발생하는 것으로서, 이러한 지연 요소를 고려하여 지연 시간을 설정할 수 있다.

위상보상부(43)에서 생성하는 초기각(θ')은 시간 지연에 따른 오차가 줄어든 것이기 때문에 지령전압의 위상과 같은 출력전압을 인가할 수 있어 빠르고 정밀한 플라잉 스타트를 수행 할 수 있으며, 전동기 돌입전류를 감소시킬 수 있다.

도 8은 플라잉 스타트 초기각을 이용한 기동 시점을 도시한 것으로서, 도 8a와 같이 인버터의 입력전원이 나타날 때, 전동기의 잔류전압과 인버터 출력이 비교되어 있다.

입력전원에 이상이 발생하면 전동기에 인가되는 전압이 없으므로, 전동기는 관성에 의해 프리 런(Free Run) 상태로 동작하고, 인버터의 출력은 차단된다.

도 8b에 보인 바와 같이, 프리 런 동작 중 전동기의 잔류전압(역기전력)은 전동기 마다 다르지만 통상적으로 10초정도 발생한다.

종래에는 도 8c에 보인 바와 같이 전동기의 잔류전압이 모두 소멸되는 시점(t2)까지 기다린 후 플라잉 스타트 기동을 시작한다.

그러나 본 발명에 따른 플라잉 스타트를 위한 지연각 보상 장치(40)를 이용하는 경우에는 도 8d에 보인 바와 같이 전동기 잔류전압이 발생하고 있는 도중인 t1에서도 플라잉 스타트 기동이 가능하다.

상술한 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것이며, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당업자에 의해 다양하게 변형하여 실시할 수 있는 것임은 물론이다.

10: 고압 인버터 시스템 11: 다권선 위상차 변압기
12: 전력 셀 13: 전동기
40: 플라잉 스타트를 위한 지연각 보상 장치
41: 신호처리부 42: 위상생성부
43: 위상보상부

Claims

고압 인버터의 플라잉 스타트를 위한 지연각 보상 장치에 있어서,
인버터 출력단의 3상 전압을 2상 정지좌표계의 전압(Vαβ)으로 변환하여 인버터가 인가한 주파수에 해당하는 교류신호인 V'와, 상기 V'에 위상각이 90도 뒤지는 교류신호인 qV'를 생성하고, 위상각 보상을 위한 기준 주파수(ω')를 생성하는 신호처리부;
상기 V'와 qV' 신호를 회전 좌표 변환을 통해 dq 축 전압(Vd, Vq)으로 만들고, 상기 Vq를 이용하여 위상각(θ)을 생성하는 위상생성부; 및
상기 신호처리부에서 생성된 기준 주파수(ω')와 기 설정된 지연시간을 곱하여 보상 위상각을 산출하고, 상기 위상생성부에서 생성된 위상각(θ)과 합산하여 플라잉 스타트를 위한 초기각을 생성하는 위상보상부를 포함하는 플라잉 스타트를 위한 지연각 보상 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 신호처리부는 상기 2상 정지좌표계의 전압(Vαβ)과 V'의 오차에 상기 qV'을 곱하여 주파수 오차(Ef)를 산출하고, 상기 주파수 오차(Ef)에 음(-)의 일정 값을 곱하여 적분한 후, 초기 주파수(ω_c)를 합산하여 상기 기준 주파수(ω')를 생성하는 것을 특징으로 하는 플라잉 스타트를 위한 지연각 보상 장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 위상생성부는 상기 Vq를 비례-적분하여 초기 주파수(ω_c)와 합산하고, 이를 적분하여 상기 위상각(θ)을 생성하는 것을 특징으로 하는 플라잉 스타트를 위한 지연각 보상 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 신호처리부는 SOGI(Second Order Gernalized Integrator)를 이용하여 구성되고,

, 및

의 전달함수에 따라 상기 V'과 qV'을 생성하고, 상기 k1은 상기 Vαβ와 상기 V'의 차이에 곱해지는 이득(gain)인 것을 특징으로 하는 플라잉 스타트를 위한 지연각 보상 장치.