KR102466785B1 - 인버터 시스템에서 역률 모니터링 장치 - Google Patents

인버터 시스템에서 역률 모니터링 장치 Download PDF

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Abstract

인버터 시스템에서 역률 모니터링 장치가 개시된다. 본 발명의 장치는, 인버터의 스위칭 소자를 제어하는 전압벡터도의 각 구간에서, 출력전류로부터 입력전류가 인가되는 시간에 대한 평균값인 입력전류의 직류성분을 결정하는 직류성분 결정부, 상기 인버터의 입력전류의 직류성분과 상기 인버터의 출력전류 및 시비율의 관계로부터 역률을 결정하는 역률 결정부, 및 상기 역률을 모니터링하여, 상기 역률이 소정 값 이하가 되는 경우 상기 인버터의 상위 제어부에 메시지를 전송하는 제어부를 포함한다.

Description

인버터 시스템에서 역률 모니터링 장치{APPARATUS FOR MONOTORING POWER FACTOR IN INVERTER SYSTEM}
본 발명은 인버터 시스템에서 부하의 역률을 모니터링하는, 역률 모니터링 장치에 대한 것이다.
일반적으로 인버터는 전기적으로 직류(DC)를 교류(AC)로 변환하는 역변환 장치로써, 산업계에서 사용되는 인버터는 상용전원으로부터 공급된 전력을 입력받아 자체적으로 전압과 주파수를 가변하여 전동기에 공급함으로써 전동기 속도를 고효율로 이용하게 제어하는 일련의 장치로 정의된다. 이러한 인버터는 에너지 절약이 가능하고 출력제어가 용이하여, 전기제품에 사용되는 전동기를 구동하기 위해 그 사용이 점차 증가하고 있다.
인버터의 역률(power factor)은 피상전력에 대한 유효전력의 비율로 정의되며, 교류 입력전류와 입력전압의 위상차가 작고 정현파에 가까울수록 역률은 1에 가까운 값이 된다. 역률이 낮은 경우 전력손실이 증가하며, 전원선에 과도한 고조파(harmonics)를 유발하여 전원선에 연결된 다른 전자기기에 영향을 미치게 된다.
즉, 역률은 시스템이 효율적인지 여부를 확인하기 위한 것으로서, 역률이 클수록 유효하게 사용할 수 있는 전력이 큰 것을 의미하므로, 인버터에서 역률을 개선하는 것이 중요하다.
종래의 인버터 시스템에서는, 인버터의 출력전류로부터 dq 모델링을 통해 부하의 역률을 계산하였다.
그러나, 이와 같이 dq 모델링을 이용하여 부하의 역률을 계산하는 것은 계산량이 늘어나게 되어, 시스템의 부담이 커지는 문제점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 인버터 입력전류를 이용하여 보다 간단하게 인버터 출력전력의 역률을 계산하고 이를 모니터링하는, 인버터 시스템에서 역률 모니터링 장치를 제공하는 것이다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일실시예의 역률 모니터링 장치는, 인버터의 스위칭 소자를 제어하는 전압벡터도의 각 구간에서, 출력전류로부터 입력전류가 인가되는 시간에 대한 평균값인 입력전류의 직류성분을 결정하는 직류성분 결정부; 상기 인버터의 입력전류의 직류성분과 상기 인버터의 출력전류 및 시비율의 관계로부터 역률을 결정하는 역률 결정부; 및 상기 역률을 모니터링하여, 상기 역률이 소정 값 이하가 되는 경우 상기 인버터의 상위 제어부에 메시지를 전송하는 제어부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 역률 결정부는, 다음 식을 이용하여 역률을 구하는 역률 모니터링 장치.
Figure 112018053531987-pat00001
(cosφ는 역률이고, iin,dc는 상기 인버터의 입력전류 iin의 직류성분이고, iout은 상기 인버터 출력전류의 실효값이며, m은 상기 인버터의 변조지수임)
본 발명의 일실시예에서, 상기 직류성분 결정부는, 상기 스위칭 소자에 영전압 이외의 전압이 인가되는 경우, 상기 스위칭 소자의 출력전류로부터 입력전류를 결정하고, 출력전류가 전체 스위칭 구간 대비 해당 입력전류가 입력되는 시간의 비율을 상기 입력전류에 곱하여 직류성분을 결정할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 직류성분 결정부는, 3상의 인버터 출력전압의 각 상 전압크기에 대응하는 상기 스위칭 소자의 동작에 따라 상기 인버터 입력전류의 직류성분을 구할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 스위칭 소자는, U상, V상 및 W상 레그의 상부 및 하부 스위치로 구성되며, 상기 U상, V상 및 W상 레그의 상부 또는 하부 스위치 중 적어도 두개의 스위치 상태가 다를 경우 상기 직류성분 결정부가 상기 인버터 입력전류의 직류성분을 구할 수 있다.
상기와 같은 본 발명은, 인버터의 출력전류를 이용하여 인버터의 입력전류의 직류성분을 간단하게 구하고, 이를 이용하여 간단하게 역률을 구할 수 있다.
도 1은 본 발명이 적용되는 인버터 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예의 역률 모니터링 장치를 개략적으로 설명하기 위한 구성도이다.
도 3은 인버터의 입력전류의 파형을 설명하기 위한 일예시도이다.
도 4는 인버터의 출력전압 및 출력전류의 파형의 일예시도이다.
도 5는 인버터의 PWM 제어부가 사용하는 전압벡터도의 일예이다.
도 6은 3상 스위칭 파형을 설명하기 위한 일예시도이다.
도 7은 도 1의 인버터부를 개략적으로 표시한 일실시예 회로도이다.
도 8은 영전압이 인가될 때의 인버터부의 회로도이다
도 9는 영전압 이외의 전압이 인가될 때의 인버터부의 회로도이다.
본 발명의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라, 여러가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시예에 대한 설명은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다. 첨부된 도면에서 구성요소는 설명의 편의를 위하여 그 크기를 실제보다 확대하여 도시한 것이며, 각 구성요소의 비율은 과장되거나 축소될 수 있다.
'제1', '제2' 등의 용어는 다양한 구성요소를 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소는 위 용어에 의해 한정되어서는 안 된다. 위 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않으면서 '제1구성요소'는 '제2구성요소'로 명명될 수 있고, 유사하게 '제2구성요소'도 '제1구성요소'로 명명될 수 있다. 또한, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 표현하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어는 다르게 정의되지 않는 한, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 통상적으로 알려진 의미로 해석될 수 있다.
이하에서는, 도 2a 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 인버터 제어장치 및 방법을 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명이 적용되는 인버터 시스템의 개략적인 구성도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 인버터(1)는 전원부(2)로부터 3상의 교류전원을 인가받아, 정류부(11)가 이를 정류하고, 평활부(12)는 정류부(11)가 정류한 직류전압을 평활하여 저장한다.
인버터부(13)는 평활부(12)인 직류링크 커패시터에 저장된 직류전압을 펄스폭변조(PWM) 제어부(4)의 PWM 제어신호에 따라 소정 전압 및 주파수를 가지는 교류전압을 출력하여, 이를 부하인 전동기(3)에 제공할 수 있다.
인버터부(13)는 3상의 레그로 구성되며, 각 레그에는 2개의 스위칭 소자가 직렬로 연결되어 구성될 수 있다. 도 1의 인버터부(13)의 경우 하프-브릿지 방식으로 스위칭 소자의 토폴로지가 구성되는 것을 예를 들어 설명하고 있지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니어서, 풀-브릿지 방식으로 구성되거나, 또는 중성점 클램프(NPC) 방식 등 다양한 토폴로지에 의해 인버터부(13)가 구성될 수 있을 것이다.
인버터부(13)의 스위칭 소자는, 예를 들어 절연 게이트 양극성 트랜지스터(insulated gate bipolar mode transistor, IGBT)일 수 있지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니고, 다양한 반도체 스위칭 소자가 사용될 수 있다.
PWM 제어부(4)는 인버터부(13)의 스위칭 소자의 온/오프를 제어하여 임의 전압 및 임의 주파수의 3상의 교류를 출력하는 마이크로프로세서로, PWM 제어에 대해서는 이미 본 발명이 속하는 분야에서 널리 알려진 바와 같으므로, 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명의 일실시예의 역률 결정장치는, 인버터(1)의 PWM 제어부(4)에 제공될 수 있는 것으로서, 인버터(1)의 입력전류의 직류성분과 인버터 출력전류를 이용하여 부하(3)의 역률을 결정할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예의 역률 결정장치를 개략적으로 설명하기 위한 구성도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 역률 결정장치는, 입력전류 직류성분 결정부(10), 역률 결정부(20) 및 제어부(30)를 포함할 수 있다.
인버터(1)의 출력전력을 수학식으로 나타내면 다음과 같다.
Figure 112018053531987-pat00002
이때 pf는 역률로써 cosφ이고, φ는 지연각이다. 또한, iout은 인버터(1) 출력전류의 실효값이고, vout은 인버터(1)의 출력전압의 실효값이다.
인버터(1)의 3상(UVW) 출력전류를 수학식으로 나타내면 다음과 같다.
Figure 112018053531987-pat00003
Figure 112018053531987-pat00004
Figure 112018053531987-pat00005
또한, 인버터(1)의 출력전압을 생성하기 위해, 인버터부(13)의 스위칭 소자에 인가되는 3상의 시비율(duty ratio)은 각각 다음의 수학식과 같다.
Figure 112018053531987-pat00006
Figure 112018053531987-pat00007
Figure 112018053531987-pat00008
여기서, Ts는 스위칭 소자의 PWM 주기이고, tu, tv, tw는 각각의 상에 전압이 인가되는 시간이며, m은 변조지수(modulation index)이다. 인버터(1)는 인버터부(13)의 스위칭 소자의 시비율을 조절하여 교류의 출력전압을 생성하는 장치이므로, 변조지수 m은 미리 설정되어 저장될 수 있다.
도 3은 인버터(1)의 입력전류의 파형을 설명하기 위한 일예시도로서, 지연각이 20도인 경우를 나타낸 것이다. 입력전류의 직류성분이라 함은, 도 3과 같은 교류전류의 평균값을 말하는 것이다.
위 수학식 2의 인버터(1)의 출력전류와, 수학식 3의 인버터부(13)의 스위칭 소자의 시비율을 이용하여, 입력전류의 직류성분을 계산할 수 있다. 이때, 아래 도 5를 참조로 하는 전압벡터도의 전구간에서, 전압벡터도의 각 구간에서 출력되는 전류를 확인하고, 해당 출력전류에 시비율을 곱하여, 전압벡터도의 해당 구간에서 적분한 것이다. 이를 정리하면 수학식 4와 같다.
Figure 112018053531987-pat00009
이때 iin,dc는 입력전류 iin의 직류성분이다. 따라서 위 수학식 4를 이용하여 역률을 구하면 아래와 같다.
Figure 112018053531987-pat00010
본 발명은 이러한 원리를 이용한 것으로서, 입력전류 직류성분 결정부(10)는 인버터(1)의 입력전류의 직류성분을 결정하고, 역률 결정부(20)는 수학식 5를 이용하여 인버터(1)의 부하여 역률 cosφ를 계산할 수 있다.
이하에서는 도면을 참조로, 입력전류 직류성분 결정부(10)가 인버터(1)의 입력전류의 직류성분을 결정하는 과정을 설명하기로 한다.
도 4는 인버터(1)의 출력전압 및 출력전류의 파형의 일예시도이고, 도 5는 인버터(1)의 PWM 제어부(4)가 사용하는 전압벡터도의 일예이다. 도 6은 3상 스위칭 파형을 설명하기 위한 일예시도이고, 도 7은 도 1의 인버터부(13)를 개략적으로 표시한 일실시예 회로도이다.
도 4를 참조로 하면, 3상의 평형전압이 인가되는 경우 전동기(3)에 인가되는 전압(즉, 인버터(1)의 출력전압)의 형태는 총 6가지로 나누어지며, 이는 도 5의 전압벡터도 상에서 6개의 구역으로 표현된다. 도 4의 음영지역은, vu,ref>vv,ref>vw,ref인 경우를 나타낸 것으로서, 이는 도 5에서도 음영으로 나타내었다.
본 발명의 설명에서는, vu,ref>vv,ref>vw,ref인 경우에 대해서 입력전류의 직류성분을 구하는 과정을 설명하겠지만, vu,ref>vv,ref>vw,ref 외의 5가지의 경우도 같은 방법으로 계산할 수 있을 것이다.
도 4의 음영지역에서의 전압 스위칭 파형은 도 6과 같다. 도 6과 같은 스위칭 파형이 인버터부(13)의 스위칭 소자에 인가되는 경우, PWM 주기 Ts에서 tu, tv, tw 동안은 인버터부(13)의 U상, V상 및 W상 레그의 상부 스위칭 소자만이 턴온되고, Ts-tu, Ts-tv, Ts-tw 동안은 인버터부(13)의 U상, V상 및 W상 레그의 하부 스위칭 소자만이 턴온된다.
상부 스위칭 소자가 턴온되고 하부 스위칭 소자가 턴오프되면 1, 상부 스위칭 소자가 턴오프되고 하부 스위칭 소자가 턴온되면 0으로 표시할 수 있다. 예를 들어, (100)은 U상의 상부 스위칭 소자, V상 및 W상의 하부 스위칭 소자가 턴온된 것을 의미한다.
도 6과 같은 스위칭 파형이 인가되면, (000), (100), (110), (111), (110), (100), (000)의 순서로 전압이 인가될 수 있다.
인버터(1)는 3상 스위칭 소자의 온/오프 조합에 따라 인가되는 전압이 결정되고 전류가 결정된다. 예를 들어, (000), (111)인 전압이 인가되면 3상이 단락되어 영전압이 인가되며 이때는 전류가 흐르지 않는다.
도 7은 인버터(1)의 인버터부(13)의 스위칭 소자를 간략하게 도시한 것으로서, 도 8은 영전압이 인가될 때의 인버터부(13)의 회로도이다. 도 8에서, (a)는 (111) 전압이 인가되는 경우의 회로도이고, (b)는 (000) 전압이 인가된 경우의 회로도이다.
도 8의 (a)와 (b)의 회로도 모두 3상이 단락되어 영전압이 인가되므로, 이 때에는 입력전류가 0이 된다.
도 9는 영전압 이외의 전압이 인가될 때의 인버터부(13)의 회로도로서, (a)는 (100) 전압이 인가되는 경우를, (b)는 (110) 전압이 인가되는 경우를 나타낸 것이다.
도면에 도시된 바와 같이, (100) 전압이 인가되는 경우, 출력전류는 iu이므로, 입력전류 역시 iu이고, (110) 전압이 인가되는 경우, 출력전류는 iu+iv이므로, 입력전류 역시 iu+iv가 될 수 있다.
따라서, 도 4의 음영영역에서의 인버터(1)의 입력전류는 아래와 같다.
전체 구간의 길이가 Ts이고, 입력전류가 iu인 시간은 tu-tv이며, 입력전류가 iu+iv인 시간은 tv-tw이다.
위 관계를 이용하여, 입력전류 직류성분 결정부(10)는 다음 수학식과 같이 인버터(1)의 입력전류의 직류성분을 계산할 수 있다.
Figure 112018053531987-pat00011
역률 결정부(20)는 위 수학식 5로부터 구한 입력전류의 직류성분을 이용하여, 수학식 5에 의해 인버터(1)의 부하의 역률을 구할 수 있다.
제어부(30)는, 역률 결정부(20)가 결정하는 인버터(1)의 역률을 확인하고, 역률이 소정 크기 이하가 되는 경우, 상위 제어부(도시되지 않음)에 이를 보고할 수 있다.
역률을 모니터링하는 것은 시스템의 효율을 모니터링하는 것을 의미하는 것으로서, 제어부(30)의 모니터링에 의해 인버터(1)의 역률이 소정 크기 이하가 되는 경우, 상위 제어부(도시되지 않음)는 역률을 개선하기 위한 다양한 조치를 취할 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 의하면, 인버터의 출력전류를 이용하여 인버터의 입력전류의 직류성분을 간단하게 구하고, 이를 이용하여 간단하게 역률을 구할 수 있는 효과가 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 청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
1: 인버터 2: 전원부
3: 전동기 4: PWM 제어부
10: 입력전류 직류성분 결정부 20: 역률 결정부
30: 제어부

Claims (5)

  1. 인버터의 스위칭 소자를 제어하는 전압벡터도의 각 구간에서, 출력전류로부터 입력전류가 인가되는 시간에 대한 평균값인 입력전류의 직류성분을 결정하는 직류성분 결정부;
    상기 인버터의 입력전류의 직류성분과 상기 인버터의 출력전류 및 시비율의 관계로부터 역률을 결정하는 역률 결정부; 및
    상기 역률을 모니터링하여, 상기 역률이 소정 값 이하가 되는 경우 상기 인버터의 상위 제어부에 메시지를 전송하는 제어부를 포함하는 역률 모니터링 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 역률 결정부는, 다음 식을 이용하여 역률을 구하는 역률 모니터링 장치.
    Figure 112018053531987-pat00012

    (cosφ는 역률이고, iin,dc는 상기 인버터의 입력전류 iin의 직류성분이고, iout은 상기 인버터 출력전류의 실효값이며, m은 상기 인버터의 변조지수임)
  3. 제1항에 있어서, 상기 직류성분 결정부는,
    상기 스위칭 소자에 영전압 이외의 전압이 인가되는 경우, 상기 스위칭 소자의 출력전류로부터 입력전류를 결정하고, 출력전류가 전체 스위칭 구간 대비 해당 입력전류가 입력되는 시간의 비율을 상기 입력전류에 곱하여 직류성분을 결정하는 역률 모니터링 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 직류성분 결정부는,
    3상의 인버터 출력전압의 각 상 전압크기에 대응하는 상기 스위칭 소자의 동작에 따라 상기 인버터 입력전류의 직류성분을 구하는 역률 모니터링 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 스위칭 소자는,
    U상, V상 및 W상 레그의 상부 및 하부 스위치로 구성되며,
    상기 U상, V상 및 W상 레그의 상부 또는 하부 스위치 중 적어도 두개의 스위치 상태가 다를 경우 상기 직류성분 결정부가 상기 인버터 입력전류의 직류성분을 구하는 역률 모니터링 장치.
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