KR102356854B1 - 전압 변환 장치 및 그 제어 방법 - Google Patents

전압 변환 장치 및 그 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전압 변환 장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 변환 장치는 저항, 저항과 직렬로 연결된 제1 릴레이 및 저항 및 제1 릴레이와 병렬로 연결된 제2 릴레이를 이용하여 외부 전원으로부터 공급받은 입력 교류 전압을 조절하는 릴레이 회로, 릴레이 회로로부터 출력되는 전압을 안정화시키는 인덕터, 인덕터에 의해 안정화된 전압을 정류하는 정류 회로, 정류 회로에 의해 정류된 전압의 리플을 저감하는 직류 링크 커패시터, 직류 링크 커패시터에 의해 리플이 저감된 전압을 복수 개의 스위칭 소자를 이용하여 교류 전압으로 변환하는 인버터 회로 및 입력 교류 전압의 전고조파 왜곡률(Total Harmonic Distortion)을 연산하고, 전고조파 왜곡률에 따라 충전 기준값을 조절하고, 충전 기준값과 직류 링크 커패시터의 전압값을 비교하여 릴레이 회로의 동작을 제어하는 제어 회로를 포함한다.

Description

전압 변환 장치 및 그 제어 방법{VOLTAGE CONVERTING APPARATUS AND CONTROLLING METHOD THEREOF}
본 발명은 전압 변환 장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
일반적으로 교류 전압이 상용 전원을 통해 가정으로 공급된다. 따라서 제품은 상용 전원 등과 같은 외부 전원으로부터 공급받은 교류 전압을 사용하기 적절한 전압으로 변환하는 전압 변환 장치를 포함한다. 이와 같은 전압 변환 장치는 외부 전원으로부터 교류 전압을 공급받아서, 3상 교류 전압 또는 직류 전압으로 변환하고, 이를 필요로 하는 장치로 공급한다.
이와 같은 전압 변환 장치는 정류 회로, 직류 링크 커패시터, 인버터 회로 등을 포함한다. 이때 전압 변환 장치에 포함된 직류 링크 커패시터에 충분한 전압이 충전되지 않으면, 인버터 회로에 과도한 돌입 전류가 흐르게 된다. 이와 같은 돌입 전류는 인버터 회로의 수명을 단축시키는 원인 중 하나이다. 따라서 돌입 전류를 방지하기 위해 릴레이 회로와 같은 초기 충전 회로가 이용될 수 있다.
릴레이 회로를 이용하는 전압 변환 장치의 일 실시예가 공개특허 KR 1998-0012814에 개시된다.
이때 상기 공개특허는 직류 링크 커패시터의 전압값과 충전 예상 전압값을 비교하여 릴레이 회로의 동작을 조절한다. 그러나 상기 공개특허는 충전 예상 전압값에 입력 교류 전압에 포함된 왜곡 전압을 반영하지 않는다. 따라서 입력 교류 전압에 포함된 왜곡 전압으로 인하여 직류 링크 커패시터의 전압값이 충전 예상 전압값 이상으로 상승하지 못하면, 인버터 회로가 정상적으로 동작하지 못하게 된다. 이는 돌입 전류가 발생할 우려가 없는 상황이더라도, 돌입 전류를 방지하기 위해 정상적인 동작을 하지 못하는 결과를 초래한다.
본 발명의 목적은 인버터 회로에 돌입 전류가 흐르는 것을 방지할 수 있는 전압 변환 장치를 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 목적은 입력 교류 전압에 왜곡 전압이 포함되더라도 정상적으로 동작하는 전압 변환 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명에서 전압 변환 장치는 입력 교류 전압의 전고조파 왜곡률에 따라 충전 기준값을 조절하고, 이를 직류 링크 커패시터의 전압값과 비교하여 릴레이 회로의 동작을 제어할 수 있다.
이와 같은 구성에 의하면 입력 교류 전압에 왜곡 전압이 포함되더라도 전압 변환 장치를 정상적으로 동작시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 전압 변환 장치는 저항, 상기 저항과 직렬로 연결된 제1 릴레이 및 상기 저항 및 상기 제1 릴레이와 병렬로 연결된 제2 릴레이를 이용하여 외부 전원으로부터 공급받은 입력 교류 전압을 조절하는 릴레이 회로, 상기 릴레이 회로로부터 출력되는 전압을 안정화시키는 인덕터, 상기 인덕터에 의해 안정화된 전압을 정류하는 정류 회로, 상기 정류 회로에 의해 정류된 전압의 리플을 저감하는 직류 링크 커패시터, 상기 직류 링크 커패시터에 의해 리플이 저감된 전압을 복수 개의 스위칭 소자를 이용하여 교류 전압으로 변환하는 인버터 회로 및 상기 입력 교류 전압의 전고조파 왜곡률(Total Harmonic Distortion)을 연산하고, 상기 전고조파 왜곡률에 따라 충전 기준값을 조절하고, 상기 충전 기준값과 상기 직류 링크 커패시터의 전압값을 비교하여 상기 릴레이 회로의 동작을 제어하는 제어 회로를 포함한다.
또한 본 발명의 일 실시예에서, 상기 제어 회로는 상기 입력 교류 전압에서 기본 주파수 전압을 필터링하고, 상기 입력 교류 전압의 실효값과 상기 필터링된 기본 주파수 전압의 실효값을 이용하여 상기 전고조파 왜곡률을 연산한다.
또한 본 발명의 일 실시예에서, 상기 제어 회로는 상기 전고조파 왜곡률을 이용하여 허용 오차를 연산하고, 상기 허용 오차를 이용하여 상기 충전 기준값을 조절한다.
또한 본 발명의 일 실시예에서, 상기 제어 회로는 상기 인덕터의 용량, 상기 직류 링크 커패시터의 용량 및 상기 정류 회로에 포함된 다이오드의 특성에 따라 미리 설정된 계수 및 상기 전고조파 왜곡률에 비례하여 상기 허용 오차를 연산한다.
또한 본 발명의 일 실시예에서, 상기 제어 회로는 사용자에 의해 미리 설정되는 초기 충전 기준값에서 상기 제어 회로는 사용자에 의해 미리 설정되는 초기 충전 기준값에서 상기 허용 오차를 감산하여 상기 충전 기준값을 조절한다.
또한 본 발명의 일 실시예에서, 상기 입력 교류 전압이 공급되기 시작하면, 상기 제어 회로는 상기 제1 릴레이를 온 시키고 상기 제2 릴레이를 오프 시키고, 상기 직류 링크 커패시터의 전압값이 상기 충전 기준값 이상이면, 상기 제어 회로는 상기 제1 릴레이를 오프 시키고 상기 제2 릴레이를 온 시킨다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 저항, 상기 저항과 직렬로 연결된 제1 릴레이 및 상기 저항 및 상기 제1 릴레이와 병렬로 연결된 제2 릴레이를 이용하여 외부 전원으로부터 공급받은 입력 교류 전압을 조절하는 릴레이 회로, 상기 릴레이 회로로부터 출력되는 전압을 안정화시키는 인덕터, 상기 인덕터에 의해 안정화된 전압을 정류하는 정류 회로, 상기 정류 회로에 의해 정류된 전압의 리플을 저감하는 직류 링크 커패시터, 상기 직류 링크 커패시터에 의해 리플이 저감된 전압을 복수 개의 스위칭 소자를 이용하여 교류 전압으로 변환하는 인버터 회로 및 제어 회로를 포함하는 전압 공급 장치를 제어하는 방법은 상기 제어 회로가 상기 입력 교류 전압의 전고조파 왜곡률(Total Harmonic Distortion)을 연산하는 단계, 상기 제어 회로가 상기 전고조파 왜곡률에 따라 충전 기준값을 조절하는 단계 및 상기 제어 회로가 상기 충전 기준값과 상기 직류 링크 커패시터의 전압값을 비교하여 상기 릴레이 회로의 동작을 제어하는 단계를 포함한다.
또한 본 발명의 다른 실시예에서, 상기 입력 교류 전압의 상기 전고조파 왜곡률을 연산하는 단계는 상기 제어 회로가 상기 입력 교류 전압에서 기본 주파수 전압을 필터링하는 단계 및 상기 제어 회로가 상기 입력 교류 전압의 실효값과 상기 필터링된 기본 주파수 전압의 실효값을 이용하여 상기 전고조파 왜곡률을 연산하는 단계를 포함한다.
또한 본 발명의 다른 실시예에서, 상기 전고조파 왜곡률에 따라 충전 기준값을 조절하는 단계는 상기 제어 회로가 상기 전고조파 왜곡률을 이용하여 허용 오차를 연산하는 단계 및 상기 제어 회로가 상기 허용 오차를 이용하여 상기 충전 기준값을 조절하는 단계를 포함한다.
또한 본 발명의 다른 실시예에서, 상기 전고조파 왜곡률을 이용하여 허용 오차를 연산하는 단계는 상기 제어 회로가 상기 인덕터의 용량, 상기 직류 링크 커패시터의 용량 및 상기 정류 회로에 포함된 다이오드의 특성에 따라 미리 설정된 계수 및 상기 전고조파 왜곡률에 비례하여 상기 허용 오차를 연산하는 단계를 포함한다.
또한 본 발명의 다른 실시예에서, 상기 제어 회로가 상기 허용 오차를 이용하여 상기 충전 기준값을 조절하는 단계는 상기 제어 회로가 사용자에 의해 미리 설정되는 초기 충전 기준값에서 상기 허용 오차를 감산하여 상기 충전 기준값을 조절하는 단계를 포함한다.
또한 본 발명의 다른 실시예에서, 상기 릴레이 회로의 동작을 제어하는 단계는 상기 입력 교류 전압이 공급되기 시작하면, 상기 제어 회로가 상기 제1 릴레이를 온 시키고 상기 제2 릴레이를 오프 시키는 단계 및 상기 직류 링크 커패시터의 전압값이 상기 충전 기준값 이상이면, 상기 제어 회로가 상기 제1 릴레이를 오프 시키고 상기 제2 릴레이를 온 시키는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 전압 변환 장치는, 릴레이 회로를 통해 입력 교류 전압을 조절하므로, 인버터 회로에 돌입 전류가 흐르는 것을 방지할 수 있는 장점이 있다.
또한 본 발명에 따른 전압 변환 장치는, 입력 교류 전압의 전고조파 왜곡률에 따라 충전 기준값을 조절하고, 이를 직류 링크 커패시터의 전압값과 비교하여 릴레이 회로의 동작을 제어하므로, 입력 교류 전압에 왜곡 전압이 포함되더라도 전압 변환 장치를 정상적으로 동작시킬 수 있는 장점이 있다.
상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 변환 장치를 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1의 전압 변환 장치를 제어하는 방법을 나타낸 순서도이다.
도 3은 직류 링크 커패시터에 충분한 전압이 충전되지 않아서 돌입 전류가 발생한 것을 나타내는 그래프이다.
도 4는 입력 교류 전압에 왜곡 전압이 없는 경우 입력 전압과 직류 링크 커패시터의 전압값을 나타낸 그래프이다.
도 5는 입력 교류 전압에 왜곡 전압이 있는 경우 입력 전압과 직류 링크 커패시터의 전압값을 나타낸 그래프이다.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.
비록 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것으로, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 제1 구성요소는 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.
또한 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 상기 구성요소들은 서로 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 다른 구성요소가 "개재"되거나, 각 구성요소가 다른 구성요소를 통해 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있는 것으로 이해되어야 할 것이다.
명세서 전체에서, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 각 구성요소는 단수일 수도 있고 복수일 수도 있다.
본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
이하에서는, 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 전압 변환 장치를 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 변환 장치를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 변환 장치(100)는 릴레이 회로(110), 인덕터(120), 정류 회로(130), 직류 링크 커패시터(140), 인버터 회로(150) 및 제어 회로(160)를 포함한다. 전압 변환 장치(100)는 이와 같은 구성 요소들을 통해, 외부 전원(200)으로부터 공급되는 입력 교류 전압을 3상 교류 전압으로 변환하여 부하(300)로 출력할 수 있다.
릴레이 회로(110)는 저항(111), 제1 릴레이(112) 및 제2 릴레이(113)를 포함한다. 이때 제1 릴레이(112)는 저항(111)과 직렬로 연결된다. 그리고 제2 릴레이(113)는 저항(111) 및 제1 릴레이(112)와 병렬로 연결된다. 릴레이 회로(110)는 저항(111), 제1 릴레이(112) 및 제2 릴레이(113)를 이용하여 외부 전원으로부터 공급받은 입력 교류 전압을 조절한다.
보다 상세히, 저항(111)의 일단은 외부 전원(200)과 연결된다. 그리고 저항(111)의 타단은 제1 릴레이(112)와 연결된다. 저항(111)은 외부 전원(200)으로부터 입력 교류 전압을 공급받으면, 입력 교류 전압보다 낮은 크기를 가지는 전압으로 강압시켜 출력한다.
제1 릴레이(112)의 일단은 저항(111)과 연결된다. 그리고 제1 릴레이(112)의 타단은 인덕터(120)와 연결된다. 제1 릴레이(112)의 동작은 제어 회로(160)에 의해 제어된다.
제1 릴레이(112)가 제어 회로(160)에 의해 온 되면, 저항(111)에 의해 강압된 전압이 인덕터(120)에 입력되도록 한다. 만일 제1 릴레이(112)가 제어 회로(160)에 의해 오프 되면, 저항(111)에서 인덕터(120)로 연결되는 전선이 개방되게 되므로, 외부 전원(200)에서 공급되는 입력 교류 전압이 저항(111)에 공급되지 않는다.
제2 릴레이(113)의 일단은 외부 전원(200)과 연결된다. 그리고 제2 릴레이(113)의 타단은 인덕터(120)와 연결된다. 제2 릴레이(113)의 동작은 제어 회로(160)에 의해 제어된다.
제2 릴레이(113)가 제어 회로(160)에 의해 온 되면, 외부 전원(200)에서 공급되는 입력 교류 전압이 인덕터(120)에 입력되도록 한다. 만일 제2 릴레이(113)가 제어 회로(160)에 의해 오프 되면, 외부 전원(200)에서 인덕터(120)로 연결되는 전선이 개방되게 되므로, 외부 전원(200)에서 공급되는 입력 교류 전압이 제2 릴레이(113)를 거쳐서 인덕터(120)에 공급되지 않는다.
정리하면, 릴레이 회로(110)에 포함된 제1 릴레이(112) 및 제2 릴레이(113)의 동작은 제어 회로(160)에 의해 제어된다.
만일 제어 회로(160)에 의해 제1 릴레이(112) 및 제2 릴레이(113)가 모두 오프되면, 입력 교류 전압은 인덕터(120)를 거쳐서 최종적으로 부하(300)까지 공급되지 못한다.
만일 제어 회로(160)에 의해 제1 릴레이(112)가 온 되고, 제2 릴레이(113)가 오프 되면, 입력 교류 전압은 저항(111)에 의해 강압되어 인덕터(120)로 공급된다.
만일 제어 회로(160)에 의해 제1 릴레이(112)가 오프 되고, 제2 릴레이(113)가 온 되면, 입력 교류 전압은 그대로 인덕터(120)로 공급된다.
즉, 제어 회로(160)는 제1 릴레이(112) 및 제2 릴레이(113)의 동작을 제어함으로써, 인덕터(120)에 공급되는 전압을 조절할 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따른 전압 변환 장치(100)는 릴레이 회로(110)를 통해 입력 교류 전압을 조절하므로, 인버터 회로(150)에 돌입 전류가 흐르는 것을 방지할 수 있다.
인덕터(120)는 릴레이 회로(110)로부터 출력되는 전압을 안정화시킨다. 이때 인덕터(120)의 일단은 릴레이 회로(110)에 연결된다. 그리고 인덕터(120)의 타단은 정류 회로(130)에 연결된다.
보다 상세히, 인덕터(120)는 릴레이 회로(110)와 정류 회로(130)의 사이에 배치되어 역률 보정 동작 및 고주파 전류 제한 기능을 수행함으로써, 릴레이 회로(110)로부터 출력되는 전압을 안정화시킨다.
정류 회로(130)는 인덕터(120)에 의해 안정화된 전압을 정류한다. 즉, 정류 회로(130)는 인덕터(120)에 의해 출력된 교류 전압을 직류 전압으로 정류하여 출력한다.
이와 같은 정류 회로(130)는 스위칭 소자 없이 다이오드 등으로 이루어져 별도의 스위칭 동작 없이 정류 동작을 수행할 수 있다. 이때 인덕터(120)로부터 입력되는 교류 전압이 단상 교류 전압이면, 정류 회로(130)는 4개의 다이오드가 브리지 형태로 구성된 구조일 수 있다.
직류 링크 커패시터(140)는 정류 회로(130)에 의해 정류된 전압의 리플을 저감한다. 이때 직류 링크 커패시터(140)는 정류 회로(130)와 인버터 회로(150)의 사이에 연결된다.
보다 상세히 직류 링크 커패시터(140)는 정류 회로(130)에 의해 정류된 전압을 이에 충전하고, 충전된 전압을 인버터 회로(150)에 출력함으로써 정류 회로(130)에 의해 정류된 전압의 리플을 저감할 수 있다.
도 1에는 직류 링크 커패시터(140)로 하나의 커패시터가 도시되어 있으나, 복수 개의 커패시터가 구비되어 소자 안정성을 확보할 수도 있다.
인버터 회로(150)는 직류 링크 커패시터(140)에 의해 리플이 저감된 전압을 복수 개의 스위칭 소자를 이용하여 교류 전압으로 변환한다.
보다 상세히, 인버터 회로(150)는 복수 개의 스위칭 소자(미도시)를 포함할 수 있다. 인버터 회로(150)는 복수 개의 스위칭 소자가 온 또는 오프 되는 동작을 통해 직류 링크 커패시터(140)에 의해 리플이 저감된 전압을 소정 주파수의 3상 교류 전압으로 변환하여 부하(300)에 공급할 수 있다.
인버터 회로(150)는 각각 서로 직렬로 연결되는 상측 스위칭 소자와 하측 스위칭 소자를 한 쌍으로 하여, 총 세 쌍의 상, 하측 스위칭 소자가 서로 병렬로 연결된 구조일 수 있다. 인버터 회로(150)에 포함된 스위칭 소자는 전력 트랜지스터 일 수 있으며, 예를 들어 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor) 일 수 있다.
인버터 회로(150)에 포함된 복수 개의 스위칭 소자는 제어 회로(160)로부터 인가된 전압에 기초하여 스위칭 동작을 할 수 있다. 이에 의해, 소정 주파수를 갖는 3상 교류 전압이 부하(300)에 출력된다.
제어 회로(160)는 입력 교류 전압의 전고조파 왜곡률(Total Harmonic Distortion)을 연산하고, 전고조파 왜곡률에 따라 충전 기준값을 조절하고, 충전 기준값과 직류 링크 커패시터(140)의 전압값을 비교하여 릴레이 회로(110)의 동작을 제어한다.
이때 제어 회로(160)는 ASICs(Application Specific Integrated Circuits), DSPs(Digital Signal Processors), DSPDs(Digital Signal Processing Devices), PLDs(Programmable Logic Devices), FPGAs(Field Programmable Gate Arrays), 제어기(controllers), 마이크로 컨트롤러(micro-controllers), 마이크로 프로세서(microprocessors)중 적어도 하나를 포함하는 물리적인 요소를 포함하여 구현될 수 있다.
보다 상세히, 제어 회로(160)는 전고조파 왜곡률을 연산하기 위해 입력 교류 전압을 입력 받는다. 이때 입력 교류 전압은 전압 감지 회로(미도시)에 의해 감지될 수 있고, 제어 회로(160)는 전압 감지 회로에 의해 감지된 입력 교류 전압을 수신할 수 있다.
이때 외부 전원(200)이 특정 주파수(예를 들어, 60Hz)를 가지는 전압만을 출력하고자 하더라도, 외부 전원(200)이 불안정하여, 출력하고자 하는 주파수가 아닌 다른 주파수의 전압이 외부 전원(200)으로부터 중첩되어 출력될 수 있다. 즉, 릴레이 회로(110)로 입력되는 입력 교류 전압에 왜곡 전압이 포함될 수 있기 때문에, 제어 회로(160)는 전고조파 왜곡률을 연산한다.
제어 회로(160)는 입력 교류 전압을 수신하면, 입력 교류 전압에서 기본 주파수 전압을 필터링한다. 이때 기본 주파수 전압은 외부 전원(200)이 출력하고자 하는 특정 주파수(예를 들어, 60Hz)를 가지는 전압을 의미한다.
이때 제어 회로(160)는 대역 통과 필터(Band Pass Filter, 미도시)를 이용하여 기본 주파수 전압을 필터링할 수 있다. 이와 같은 대역 통과 필터는 복수 개의 수동 소자를 통해 구현될 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
제어 회로(160)는 기본 주파수 전압을 필터링하고, 입력 교류 전압의 실효값과 필터링된 기본 주파수 전압의 실효값을 이용하여 전고조파 왜곡률을 연산한다.
보다 상세히, 제어 회로(160)는 감지 회로에 의해 감지된 입력 교류 전압의 실효값을 연산하다. 그리고 제어 회로(160)는 필터링된 기본 주파수 전압의 실효값을 연산한다. 그리고 제어 회로(160)는 입력 교류 전압의 실효값과 기본 주파수 전압의 실효값을 이용하여 전고조파 왜곡률을 연산한다. 이때 전고조파 왜곡률은 하기 수학식 1을 이용하여 연산될 수 있다.
Figure 112019124209473-pat00001
여기서 Vthd는 전고조파 왜곡률을 나타내며, Vrms는 입력 교류 전압의 실효값을 나타내며, V1는 기본 주파수 전압의 실효값을 나타낸다.
그리고 나서 제어 회로(160)는 전고조파 왜곡률에 따라 충전 기준값을 조절한다. 여기서 충전 기준값은 직류 링크 커패시터(140)가 일정 전압까지 충전되는지를 판단하는 기준이 되는 값이다. 이때 초기 충전 기준값은 직류 링크 커패시터(140)의 용량, 입력 교류 전압을 고려하여 사용자에 의해 미리 설정될 수 있다.
보다 상세히, 제어 회로(160)는 전고조파 왜곡률을 이용하여 허용 오차를 연산하고, 허용 오차를 이용하여 충전 기준값을 조절한다. 여기서 허용 오차는 직류 링크 커패시터(140)에 전압이 초기 충전 기준값까지 충전되지 않았더라도, 돌입 전류가 발생할 우려가 없어서 직류 링크 커패시터(140)가 충분히 충전되었다고 판단할 수 있는 오차를 나타낸다. 이때 초기 허용 오차는 초기 충전 기준값과 특정 수준의 비율을 가지도록 사용자에 의해 미리 설정될 수 있다.
제어 회로(160)는 인덕터(120)의 용량, 직류 링크 커패시터(140)의 용량 및 정류 회로(130)에 포함된 다이오드의 특성에 따라 미리 설정된 계수 및 전고조파 왜곡률에 비례하여 허용 오차를 연산할 수 있다. 이때 허용오차는 하기 수학식 2을 이용하여 연산될 수 있다.
Figure 112019124209473-pat00002
여기서 E는 허용 오차를 나타내며, Vthd는 전고조파 왜곡률을 나타낸다. 그리고 A는 인덕터(120)의 용량, 직류 링크 커패시터(140)의 용량 및 정류 회로(130)에 포함된 다이오드의 특성에 따라 미리 설정된 계수를 나타내며, E0는 초기 허용 오차를 나타낸다.
제어 회로(160)는 상술한 바와 같이 허용 오차를 연산하고 나서, 초기 충전 기준값에서 허용 오차를 감산하여 충전 기준값을 조절할 수 있다.
그리고 나서 제어 회로(160)는 충전 기준값과 직류 링크 커패시터(140)의 전압값을 비교하여 릴레이 회로(110)의 동작을 제어한다.
보다 상세히 입력 교류 전압이 공급되기 시작하면, 제어 회로(160)는 제1 릴레이(112)를 온 시키고, 제2 릴레이(113)를 오프 시킨다. 이에 의해, 외부 전원(200)으로부터 공급된 전압이 저항(111), 제1 릴레이(112), 인덕터(120) 및 정류 회로(130)를 거쳐서 직류 링크 커패시터(140)에 충전되기 시작된다.
그리고 나서 직류 링크 커패시터(140)의 전압값이 충전 기준값 이상이 되면, 제어 회로(160)는 제1 릴레이(112)를 오프 시키고, 제2 릴레이(113)를 온 시킨다.
다시 말해, 직류 링크 커패시터(140)의 전압값이 충전 기준값 이상이면, 직류 링크 커패시터(140)가 충분히 충전된 상태인 것이다. 따라서 인버터 회로(150)에 돌입 전류가 발생할 우려가 없으므로, 제어 회로(160)는 제1 릴레이(112)를 오프 시키고, 제2 릴레이(113)를 온 시킨다. 이에 의해 외부 전원(200)으로부터 공급된 전압이 제2 릴레이(113), 인덕터(120), 정류 회로(130), 직류 링크 커패시터(140) 및 인버터 회로(150)를 거쳐서 3상 교류 전압으로 변환되어서 부하(300)에 공급되게 된다.
이와 같이 본 발명에 따른 전압 변환 장치(100)는 입력 교류 전압의 전고조파 왜곡률에 따라 충전 기준값을 조절하고, 이를 직류 링크 커패시터(140)의 전압값과 비교하여 릴레이 회로(110)의 동작을 제어하므로, 입력 교류 전압에 왜곡 전압이 포함되더라도 전압 변환 장치(100)를 정상적으로 동작시킬 수 있다.
도 2는 도 1의 전압 변환 장치를 제어하는 방법을 나타낸 순서도이다.
도 2를 참조하면, 제어 회로(160)는 입력 교류 전압이 공급되는지 여부를 판단한다(S210). 제어 회로(160)가 입력 교류 전압이 공급되지 않는다고 판단하면, 제어 회로(160)는 S220 이하 단계를 수행하지 않고, 다시 S210 단계를 수행한다.
만일 제어 회로(160)가 입력 교류 전압이 공급된다고 판단하면, 제어 회로(160)는 제1 릴레이(112)를 온 시키고, 제2 릴레이(113)를 오프 시킨다(S220).
그리고 나서 제어 회로(160)는 입력 교류 전압의 전고조파 왜곡률을 연산한다.
보다 상세히, 제어 회로(160)는 입력 교류 전압에서 기본 주파수 전압을 필터링한다(S230). 그리고 나서 제어 회로(160)는 전고조파 왜곡률을 연산한다(S240). 이때 제어 회로(160)는 입력 교류 전압의 실효값과 필터링된 기본 주파수 전압의 실효값을 이용하여 전고조파 왜곡률을 연산할 수 있다. 전고조파 왜곡률은 상술된 수학식 1을 이용하여 연산될 수 있다.
그리고 나서 제어 회로(160)는 전고조파 왜곡률에 따라 충전 기준값을 조절한다.
보다 상세히, 제어 회로(160)는 전고조파 왜곡률을 이용하여 허용 오차를 연산한다(S250). 이때 제어 회로(160)는 인덕터(120)의 용량, 직류 링크 커패시터(140)의 용량 및 정류 회로(130)에 포함된 다이오드의 특성에 따라 미리 설정된 계수 및 전고조파 왜곡률에 비례하여 허용 오차를 연산할 수 있다. 이때 허용오차는 상술된 수학식 2을 이용하여 연산될 수 있다.
그리고 나서 제어 회로(160)는 충전 기준값을 조절한다(S260). 이때 제어 회로(160)는 사용자에 의해 미리 설정된 초기 충전 기준값에서 허용 오차를 감산하여 충전 기준값을 조절할 수 있다.
그리고 나서 제어 회로(160)는 충전 기준값과 직류 링크 커패시터(140)의 전압값을 비교하여 릴레이 회로(110)의 동작을 제어한다.
보다 상세히, 제어 회로(160)는 직류 링크 커패시터(140)의 전압값이 충전 기준값 이상인지 판단한다(S270). 제어 회로(160)가 직류 링크 커패시터(140)의 전압값이 충전 기준값 미만이라고 판단하면, 제어 회로(160)는 다시 S270 단계를 수행한다.
만일 제어 회로(160)가 직류 링크 커패시터(140)의 전압값이 충전 기준값 이상이라고 판단하면, 제어 회로(160)는 제1 릴레이(112)를 오프 시키고 제2 릴레이(113)를 온 시킨다(S280).
이와 같이 본 발명에 따른 전압 변환 장치(100)의 제어 방법은 입력 교류 전압의 전고조파 왜곡률에 따라 충전 기준값을 조절하고, 이를 직류 링크 커패시터(140)의 전압값과 비교하여 릴레이 회로(110)의 동작을 제어하므로, 입력 교류 전압에 왜곡 전압이 포함되더라도 전압 변환 장치(100)를 정상적으로 동작시킬 수 있다.
도 3은 직류 링크 커패시터에 충분한 전압이 충전되지 않아서 돌입 전류가 발생한 것을 나타내는 그래프이다.
도 3을 참조하면, 입력 교류 전압을 나타낸 그래프(310), 인버터 회로(150)로 입력되는 전류를 나타낸 그래프(320) 및 직류 링크 커패시터(140)의 전압을 나타낸 그래프(330)를 확인할 수 있다.
이때 직류 링크 커패시터(140)의 전압이 충분히 충전되지 않은 상태에서, 제1 릴레이(112)가 오프 되고, 제2 릴레이(113)가 온 되면, 그래프 상에 원형으로 표시된 부분과 같이 인버터 회로(150)로 입력되는 전류가 급격히 증가하는 영역이 생기는 것을 확인할 수 있다. 즉, 직류 링크 커패시터(140)에 충분한 전압이 충전되지 않으면, 인버터 회로(150)에 돌입 전류가 흐르게 된다.
따라서 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 변환 장치(100)는 충전 기준값과 직류 링크 커패시터(140)의 전압값을 비교하여 릴레이 회로(110)의 동작을 제어한다. 이를 통해 본 발명은 인버터 회로(150)에 돌입 전류가 흐르는 것을 방지할 수 있다.
도 4는 입력 교류 전압에 왜곡 전압이 없는 경우 입력 전압과 직류 링크 커패시터의 전압값을 나타낸 그래프이다. 도 5는 입력 교류 전압에 왜곡 전압이 있는 경우 입력 전압과 직류 링크 커패시터의 전압값을 나타낸 그래프이다.
도 4를 참조하면, 왜곡 전압이 없는 입력 교류 전압을 나타낸 그래프(410)와 왜곡 전압이 없는 입력 교류 전압에 의해 충분히 충전된 직류 링크 커패시터(140)의 전압을 나타낸 그래프(420)를 확인할 수 있다.
또한 도 5를 참조하면, 왜곡 전압이 있는 입력 교류 전압을 나타낸 그래프(510)와 왜곡 전압이 있는 입력 교류 전압에 의해 충분히 충전된 직류 링크 커패시터(140)의 전압을 나타낸 그래프(520)를 확인할 수 있다.
이때 왜곡 전압이 입력 교류 전압에 포함되면, 직류 링크 커패시터(140)는 왜곡 전압이 입력 교류 전압에 포함되지 않은 경우에 비하여 낮은 전압값까지 충전되는 것을 확인할 수 있다.
이때 초기 충전 기준값이 그래프 420의 전압값과 그래프 520의 전압값의 사이의 값을 갖도록 설정되고, 충전 기준값을 조절하지 않으면, 왜곡 전압이 입력 교류 전압에 포함된 상황에서는 제1 릴레이(112)가 온 되고 제2 릴레이(113)가 오프 된 상태가 유지되게 된다. 따라서 인버터 회로(150)는 정상적으로 동작하지 못하게 되고, 부하(300)로 적절한 3상 교류 전압이 공급되지 못하게 된다.
따라서 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 변환 장치(100)는 입력 교류 전압의 전고조파 왜곡률에 따라 충전 기준값을 조절하고, 이를 직류 링크 커패시터(140)의 전압값과 비교하여 릴레이 회로(110)의 동작을 제어한다. 이를 통해 본 발명은 입력 교류 전압에 왜곡 전압이 포함되더라도 전압 변환 장치(100)를 정상적으로 동작시킬 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시 예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다. 아울러 앞서 본 발명의 실시 예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을 지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.
100: 전압 변환 장치 110: 릴레이 회로
111: 저항 112: 제1 릴레이
113: 제2 릴레이 120: 인덕터
130: 정류 회로 140: 직류 링크 커패시터
150: 인버터 회로 160: 제어 회로

Claims (12)

  1. 저항, 상기 저항과 직렬로 연결된 제1 릴레이 및 상기 저항 및 상기 제1 릴레이와 병렬로 연결된 제2 릴레이를 이용하여 외부 전원으로부터 공급받은 입력 교류 전압을 조절하는 릴레이 회로;
    상기 릴레이 회로로부터 출력되는 전압을 안정화시키는 인덕터;
    상기 인덕터에 의해 안정화된 전압을 정류하는 정류 회로;
    상기 정류 회로에 의해 정류된 전압의 리플을 저감하는 직류 링크 커패시터;
    상기 직류 링크 커패시터에 의해 리플이 저감된 전압을 복수 개의 스위칭 소자를 이용하여 교류 전압으로 변환하는 인버터 회로; 및
    상기 입력 교류 전압의 전고조파 왜곡률(Total Harmonic Distortion)을 연산하고, 상기 전고조파 왜곡률에 따라 충전 기준값을 조절하고, 상기 충전 기준값과 상기 직류 링크 커패시터의 전압값을 비교하여 상기 릴레이 회로의 동작을 제어하는 제어 회로를 포함하는
    전압 변환 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어 회로는 상기 입력 교류 전압에서 기본 주파수 전압을 필터링하고, 상기 입력 교류 전압의 실효값과 상기 필터링된 기본 주파수 전압의 실효값을 이용하여 상기 전고조파 왜곡률을 연산하는
    전압 변환 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어 회로는 상기 전고조파 왜곡률을 이용하여 허용 오차를 연산하고, 상기 허용 오차를 이용하여 상기 충전 기준값을 조절하는
    전압 변환 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제어 회로는 상기 인덕터의 용량, 상기 직류 링크 커패시터의 용량 및 상기 정류 회로에 포함된 다이오드의 특성에 따라 미리 설정된 계수 및 상기 전고조파 왜곡률에 비례하여 상기 허용 오차를 연산하는
    전압 변환 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제어 회로는 사용자에 의해 미리 설정되는 초기 충전 기준값에서 상기 허용 오차를 감산하여 상기 충전 기준값을 조절하는
    전압 변환 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 입력 교류 전압이 공급되기 시작하면, 상기 제어 회로는 상기 제1 릴레이를 온 시키고 상기 제2 릴레이를 오프 시키고,
    상기 직류 링크 커패시터의 전압값이 상기 충전 기준값 이상이면, 상기 제어 회로는 상기 제1 릴레이를 오프 시키고 상기 제2 릴레이를 온 시키는
    전압 변환 장치.
  7. 저항, 상기 저항과 직렬로 연결된 제1 릴레이 및 상기 저항 및 상기 제1 릴레이와 병렬로 연결된 제2 릴레이를 이용하여 외부 전원으로부터 공급받은 입력 교류 전압을 조절하는 릴레이 회로, 상기 릴레이 회로로부터 출력되는 전압을 안정화시키는 인덕터, 상기 인덕터에 의해 안정화된 전압을 정류하는 정류 회로, 상기 정류 회로에 의해 정류된 전압의 리플을 저감하는 직류 링크 커패시터, 상기 직류 링크 커패시터에 의해 리플이 저감된 전압을 복수 개의 스위칭 소자를 이용하여 교류 전압으로 변환하는 인버터 회로 및 제어 회로를 포함하는 전압 공급 장치를 제어하는 방법에 있어서,
    상기 제어 회로가 상기 입력 교류 전압의 전고조파 왜곡률(Total Harmonic Distortion)을 연산하는 단계;
    상기 제어 회로가 상기 전고조파 왜곡률에 따라 충전 기준값을 조절하는 단계; 및
    상기 제어 회로가 상기 충전 기준값과 상기 직류 링크 커패시터의 전압값을 비교하여 상기 릴레이 회로의 동작을 제어하는 단계를 포함하는
    전압 변환 장치의 제어 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 입력 교류 전압의 상기 전고조파 왜곡률을 연산하는 단계는
    상기 제어 회로가 상기 입력 교류 전압에서 기본 주파수 전압을 필터링하는 단계; 및
    상기 제어 회로가 상기 입력 교류 전압의 실효값과 상기 필터링된 기본 주파수 전압의 실효값을 이용하여 상기 전고조파 왜곡률을 연산하는 단계를 포함하는
    전압 변환 장치의 제어 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 전고조파 왜곡률에 따라 충전 기준값을 조절하는 단계는
    상기 제어 회로가 상기 전고조파 왜곡률을 이용하여 허용 오차를 연산하는 단계; 및
    상기 제어 회로가 상기 허용 오차를 이용하여 상기 충전 기준값을 조절하는 단계를 포함하는
    전압 변환 장치의 제어 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 전고조파 왜곡률을 이용하여 허용 오차를 연산하는 단계는
    상기 제어 회로가 상기 인덕터의 용량, 상기 직류 링크 커패시터의 용량 및 상기 정류 회로에 포함된 다이오드의 특성에 따라 미리 설정된 계수 및 상기 전고조파 왜곡률에 비례하여 상기 허용 오차를 연산하는 단계를 포함하는
    전압 변환 장치의 제어 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 제어 회로가 상기 허용 오차를 이용하여 상기 충전 기준값을 조절하는 단계는
    상기 제어 회로가 사용자에 의해 미리 설정되는 초기 충전 기준값에서 상기 허용 오차를 감산하여 상기 충전 기준값을 조절하는 단계를 포함하는
    전압 변환 장치의 제어 방법.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 릴레이 회로의 동작을 제어하는 단계는
    상기 입력 교류 전압이 공급되기 시작하면, 상기 제어 회로가 상기 제1 릴레이를 온 시키고 상기 제2 릴레이를 오프 시키는 단계; 및
    상기 직류 링크 커패시터의 전압값이 상기 충전 기준값 이상이면, 상기 제어 회로가 상기 제1 릴레이를 오프 시키고 상기 제2 릴레이를 온 시키는 단계를 포함하는
    전압 변환 장치의 제어 방법.
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