KR20040060215A - 인버터 성능 시험을 위한 시뮬레이션 장치 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 인버터의 성능을 테스트하는 장치에 관한 것으로, 종래에는 성능 시험을 하고자 하는 인버터에 저항부를 직접 부착하거나, 리액터 부하를 이용하여 시험하거나, 다른 부대 시설을 구비하여 실시하였다.

이러한 방법은, 매번 다른 부하 조건에서 시험이 수행되거나 현장에서 인버터가 개발되면, 시험을 수행하기 위한 기반 시설이 없기 때문에, 공급 전력이 부족하여 시험을 할 수 없는 경우가 발생하거나, 공급 전력이 충분하더라도 그 전력을 낭비하는 문제가 발생한다.

그뿐만이 아니라, 이러한 방법은 정격 전압에서 정격 전류를 제공할 수 없으며, 일정한 부하 전류 이외에는 성능 시험을 할 수 없는 문제점이 있다.

이에 본 발명은, 별도의 부대 시설이 필요 없이 인버터의 성능 정보인 파라미터와 사용하고자 하는 부하의 정보를 이용하여 성능 시험을 수행할 수 있는 시뮬레이션 장치를 이용하여 인버터의 성능 시험을 함으로써, 부대 시설을 간소화하여 경제적인 이점을 얻고, 그 성능 시험에 소모되는 노력을 제거하는 것이다.

Description

인버터 성능 시험을 위한 시뮬레이션 장치 및 그 방법{method and apparatus of simulate capability test in inverter}

본 발명은 인버터 성능 시험을 위한 시뮬레이션 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 전력용 인버터를 생산할 때, 이를 용량에 따라 시험하는 인버터 성능 시험을 위한 시뮬레이션 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

인버터(inverter)란, 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 수단을 의미하며, 이는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 컨버터(converter)의 반대 개념이다.

시뮬레이션(simulation)이란, 복잡한 문제를 해석하기 위하여 모델에 의한 실험, 또는 사회현상 등을 해결하는 데서 실제와 비슷한 상태를 수식 등으로 만들어 모의적으로 연산을 되풀이하여 그 특성을 파악하는 것을 말한다.

또한, 이러한 시뮬레이션을 수행하는 수단을 시뮬레이터(simulator)라 칭하고, 이는 실제로 테스트하지 못하는 위험한 장비 등과 동일한 상황을 연출하여 테스트를 수행하는 것이다.

최근 교류(alternating current : AC) 구동 장치의 사용이 증가함에 따라, 전력용 인버터의 필요성이 점차 증가하고 있다.

그로 인하여, 인버터를 제조하는 과정에서 생산되는 인버터의 성능이나 용량에 적합한 시험을 필요로 한다.

도 1은 종래의 인버터를 시험하는 장치의 구성을 설명하는 블럭도이다.

도 1을 참조하면, 인버터(1)와, 저항 뱅크(2)와, 동력계(3)로 이루어져 있다.

인버터(1)는 피시험체로써, 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 기능을 수행한다.

저항 뱅크(2)는 복수 개의 저항 성분들이 나열되어 있는 형태로 이루어지며, 피시험체인 인버터를 시험할 때, 전류의 흐름을 방해하여 그 성능 시험을 가능하게 하는 기능을 수행한다.

동력계(3)는 인버터의 기능을 시험할 때, 그 시험에 소모되는 에너지를 공급하는 기능을 수행한다.

이와 같이 이루어지는 인버터의 시험 장치를 이용하여, 인버터의 성능을 시험하는 방법을 살펴보면, 먼저 인버터(1)의 전체적인 성능을 시험하기 위하여, 피시험체인 인버터(1)는 3상 유도기와 직류 발전기로 구성된 M-G세트를 사용하여야 한다.

그리고, 동력계(3)를 제어하여 인버터(1)의 시험 장치에 에너지를 공급한 다음, 계측기를 설치하여 그 성능을 시험한다.

이러한 인버터(1)의 성능 시험 방법은, 성능을 시험 할 때마다 부하 조건이 바뀌어서 시험되거나 시험 결과를 확인하기 위하여 계측기를 사용하여야 하고, 또한, 제조 현장에서 인버터(1)의 용량보다 공급 전력이 적으면, 성능 시험을 수행할 수 없고, 충분한 전력을 공급받는 경우라도 피시험체인 인버터(1)의 용량에 해당하는 에너지를 소모하게 되는 문제점이 발생한다.

도 2는 종래의 리액터를 이용한 인버터의 성능을 시험하는 장치의 구성을 설명하는 블록도이다.

도 2를 참조하면, 인버터(1)와, 리액터(4)와, 시험체(5)로 이루어져 있다.

리액터(4)란, 교류 회로에 유도 저항을 주는 수단으로 전자기 에너지의 축적에 의해 전류의 급격한 변화에 의해서 큰 유도성인 리액턴스(reactance)를 나타내는 전기 기기이다.

리액턴스란, 전기 회로에서 직류 전류를 방해하는 것은 저항뿐이지만 교류 전류는 방향 및 양이 시시각각으로 변화하기 때문에 저항 이외에 전류를 방해하는 저항 성분이 있는데, 이 저항 성분을 리액턴스라 한다.

그리고, 유도 작용에 의한 유도 리액턴스와 축전 작용에 의한 용량 리액턴스의 두 종류가 있으며, 어느 것이나 단위는 옴(Ω)으로 나타내며. 저항과 리액턴스를 합성한 것을 임피던스(impedance)라 한다.

시험체(5)는 일례로 인버터를 사용할 수 있으며, 이는 리액터(4) 양단에 인버터를 장착하여, 두 인버터간의 전압의 차로 인하여 전류가 흐르도록 구성하기 위한 것이다.

이와 같이, 리액터(4)를 이용한 인버터(1)의 성능 시험 방법은, 정격 전압에서는 정격 전류를 송출하지 못 하는 문제점이 발생한다.

또한, 일정 부하 전류 시험 외에는 다른 성능 시험을 실시하지 못 하는 문제점이 발생한다.

이상 종래의 인버터의 성능을 시험하는 방법은, 인버터 이외에 부대 설비가 많이 필요하므로, 인버터의 성능 시험을 실시할 때, 많은 시간과 넓은 장소가 필요한 문제가 있다.

따라서, 본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 고안된 것으로, 성능 시험을 하고자 하는 인버터를 직접 시험하지 않고, 시뮬레이터 컨버터를 이용하여 실제로 시험하는 것과 동일하게 성능 시험을 할 수 있는 인버터 성능 시험을 수행하는 시뮬레이션 장치 및 그 방법을 제공하는 것에 그 목적이 있다.

도 1은 종래의 인버터의 성능을 시험하는 장치의 구성을 설명하는 블록도.

도 2는 종래의 리액터를 이용하여 인버터의 성능을 시험하는 장치의 구성을 설명하는 블록도.

도 3은 본 발명의 바람직한 일실시예에 다른 인버터 성능 시험을 위한 시뮬레이션 장치의 구성을 설명하는 블럭도.

도 4는 도 3에서 설명되어지는 피드 포워드부의 전달 기능을 설명하는 제어 블록도.

도 5는 도 3에서 설명되어지는 피드 포워드부를 매트랩을 이용하여 시뮬레이션하기 위한 모델을 설명하는 블록도.

도 6은 도 5의 환경에서 실행한 시뮬레이션 결과를 설명하는 그래프.

도 7은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 인버터 성능 테스트를 위한 시뮬레이션 장치를 매트랩으로 시뮬레이션하기 위한 모델을 설명하는 블록도.

도 8은 도 7의 환경에서 실행한 시뮬레이션 결과를 설명하는 그래프.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 인버터 2 : 저항 뱅크

3 : 동력계 4 : 리액터

10 : 테스트 구동부 11 : 제어부

12 : 보정부 20 : 시뮬레이터부

21 : 보정부 22 : 피드 포워드부

23 : 구동 장치 모델부 24 : 아날로그 필터부

25 : 부하 특성부 30 : 파형 출력부

31 : 집하부 32 : 3상 입력부

33 : 전류 제어부 34 : 반응 완충부

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 인버터 성능 시험을 위한 시뮬레이션 장치는, 구동 수단의 성능을 시험하기 위한 전류를 제공하는 테스트 구동부와, 임의의 시험자로부터 구동 수단과 부하의 특성 정보를 입력받아 그와 동일한 환경을 설정하고, 테스트 구동부로부터 전류를 제공받아 시뮬레이션을 수행하여, 그 결과를 출력하는 시뮬레이터부를 포함하여 이루어진다.

또한, 본 발명의 다른 측면에 따른 인버터 성능 시험을 위한 시뮬레이션 방법은, 임의의 시험자로부터 시험하고자 하는 구동 수단과 부하의 특성 정보를 입력받는 단계와, 입력받은 특성을 이용하여, 그와 동일한 시뮬레이션 환경을 설정하는 단계와, 설정된 시뮬레이션 환경을 이용하여, 일정한 주기로 구동 수단의 성능을 시험하는 단계와, 시험된 성능에 대한 데이터를 그래프로 표현하는 단계를 포함하여 이루어진다.

이하 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 바람직한 일실시예에 다른 인버터 성능 시험을 위한 시뮬레이터 장치의 구성을 설명하는 블럭도이다.

도 3을 참조하면, 테스트 구동부(10)와, 시뮬레이터부(20)로 이루어져 있다.

테스트 구동부(10)는 제어부(11)와, 보정부(12)를 구비하고 있다.

그리고, 시뮬레이터부(20)는 보정부(21)와, 피드 포워드부(22)와, 구동 장치 모델부(23)와, 아날로그 필터부(24)와, 부하 특성부(25)를 구비하고 있다.

제어부(11)는 시험하고자 하는 구동 장치의 용량에 따라 그 시험을 제어하는 기능을 수행한다.

보정부(12)는 제어부(11)로부터 인가되는 전압을 적정하게 보정하여, 시뮬레이터부(20)로 전송되도록 하는 기능을 수행한다.

또한, 시뮬레이터부(20)의 보정부(21)는 시뮬레이터부(20)로부터 테스트 구동부(10)로 인가되는 전압, 즉 피드백(feedback)되는 전압을 적정하게 보정하는 기능을 수행한다.

피드 포워드부(22)는 순시적으로 변하는 부하 전류의 지령치, 즉 짧은 순간에 변하는 시뮬레이터부(20)의 전류의 값을 제어하는 기능을 수행한다.

이때, 피드 포워드부(22)는 구동 장치 모델부(23)로부터 전류를 수신한 이후에, 다음에 필요한 전류 량을 예측하여, 그에 해당하는 전류를 제공하는 기능을 수행한다.

아날로그 필터부(24)는 테스트 구동부(10)로부터 인가되는 전압과 시뮬레이터부(20)에서 피드 백되는 전압의 차만큼 흐르는 전류를 수신하여, 이를 통해서 전압을 획득하는 기능을 수행한다.

구동 장치 모델부(23)는 시험 하고자 하는 교류 구동 장치의 모델을 입력받는 기능을 수행한다.

다시 말해서, 시험 하고자 하는 구동 장치의 특성을 입력받아, 이에 따라 시험이 수행되도록 하는 기능을 수행한다.

부하 특성부(25)는 시험을 수행하고자 할 때, 사용하는 적정한 부하 정보를 설정 받는 기능을 수행한다.

즉, 시험하고자 하는 시뮬레이터부의 전기적인 특성 및 피드 백되는 전류의 용량 등에 관한 정보를 입력받는 기능을 수행한다.

이때, 부하 특성부(25)는 설정된 부하 정보를 이용하여 필요한 전류의 양을 계산하여, 변속 피드 백(speed feedback)라인을 통해 테스트 구동부(5)의 제어부(5a)에 알려, 제어부(5a)가 적당한 제어를 수행 할 수 있도록 한다.

이하 본 발명에 사용되는 피드 포워드(22)의 전달 기능의 특성을 살펴보면 다음과 같다.

옵서버(observer) 상태 방정식은 다음 수학식과 같다.

여기에서, Reduced order Luenberger observer 수식을 정리하면 다음 수학식과 같다.

기술된 수학식을 이용하여, Observer 식을 정리하면 다음과 같은 식을 얻을 수 있다.

수학식(5)을 이용하여 간소화한 전달 기능을 블록도를 이용하여 좀더 쉽게 표현하면 다음과 같다.

도 4는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 리액터의 전달 기능을 설명하는 블럭도이다.

도 4에 도시된 바와 같이 수학식(5)과 같이 도출된 전달 기능을 수학적 모델링으로 표현될 수 있다.

도 4를 참조하여, 전체 전달 함수를 구해 보면 다음 수학 식과 같다.

이때, 필터의 시정 수를 무시할 수 있으면, 이상적인 전류 제어 응답이 도출될 수 있으나, 실제로는 필터의 시정 수를 무시할 수 없다.

그러므로, 필터의 시정 수를 1[ms]로 하여, 수학 식(6)을 살펴보자.

이와 같은 응답 특성을 지닌 피드 포워드부(22)를 추가하여 구비하면, 시뮬레이션을 수행하면서 발생할 가능성이 있는 문제, 즉 짧은 순강에 변하는 전류를제어할 수 없는 경우가 발생할 가능성을 해결할 수 있음을 알수 있다.

이와 같은 시뮬레이션 장치는 양단에 있는 인버터가 교류 출력 측에 평활용 리액터를 경유하여 백 투 백(back to back) 형식으로 접속 될 수 있다.

도 5는 도 3에서 설명되어지는 피드 포워드부를 매트랩을 이용하여 시뮬레이션하기 위한 모델을 설명하는 블록도이다.

도 5는 도출된 수학 식(6)을 수학 연산에 적합한 매트랩(matlab)으로 시뮬레이션하기 위하여 구성되는 모델을 설명한다.

매트랩(MATrix LABoratory : matlab)이란, 수치 해석, 행렬 연산, 신호 처리 및 간편한 그래픽 기능 등을 통합하여 고 성능의 수치 계산 및 결과의 가시화하는 기능을 제공하는 프로그램이다.

또한, 이는 행렬과 벡터를 기본 자료로 사용하여 수행하는 계산 환경을 제공한다.

도 6은 도 5의 환경에서 실행한 시물레이션 결과를 설명하는 그래프이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 인버터의 출력(40) 중 하나의 상태에 대한 전류의 지령 치와 부하 전류(41)를 나타낸 것이다.

이를 살펴보면, 인버터의 출력(40) 중 하나의 상태에 대한 전류의 지령 치와 부하 전류(41)가 거의 동일하게 수렴한다는 것을 알 수 있다.

도 6에서 살펴본 바와 같이 피드 포워드부(22)를 구비하여 성능 시험을 수행하면, 시험을 실시하는 동안 안정된 전류를 공급받을 수 있으므로, 시험을 실시하는 동안 그 과정이 안정되고, 또한 안정된 결과를 얻을 수 있음을 알 수 있다.

도 7은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 인버터 성능 시험을 위한 시뮬레이션 장치를 매트랩으로 시물레이션하기 위한 모델을 설명하는 블록도이다.

도 7을 살펴보면, 3 상 입력부(32)는 시뮬레이션을 수행할 때, 즉 시험에 사용하고자 하는 입력이 인가되도록 조정하는 기능을 수행힌다.

부하 입력부(35)는 사용하고자 하는 부하의 정보를 입력받는 기능을 수행한다.

전류 제어부(33)는 수집되는 전류를 파악하여 적절한 피드 백 전류를 제공하는 기능을 수행한다.

시뮬레이터 시스템(36)은 시뮬레이션되는 정보가 직접 인버터에 접근하여 시험하는 것과 동일하게 도출될 수 있도록 그 시뮬레이션의 과정을 조절하는 기능을 수행한다.

반응 완충부(34)는 시뮬레이션을 수행할 때, 급격한 반응이 발생하지 않도록 그 시뮬레이션의 완급을 조정하는 기능을 수행한다.

집하부(31)는 시뮬레이션을 수행한 결과가 올바르게 도출될 수 있도록, 각 데이터를 한 곳에 모으는 기능을 수행한다.

데이터 출력부(30 #1, #2, #3)는 시뮬레이션이 수행된 데이터, 즉 인버터의 성능 시험의 결과를 표현하는 기능을 수행한다.

이와 같은 시뮬레이션 모델에 구동 조건을 무 부하 상태에서 구동 장치를 구동하고, 0.15초 후에 정격 부하의 반이 되는 부하가 걸리는 경우로 설정하고 시뮬레이션을 수행한다.

도 8은 도 7의 환경에서 실행한 시물레이션 결과를 설명하는 그래프이다.

도 8에 도시된 바와 같이, 구동 수단(25)의 출력 파형(30 #1)과, 피드 포워드부(22)와 데스트 구동부(10)의 출력 파형(30 #2)과, 최종 출력 파형(30 #3)을 비교하여 살펴보면, 실제 현장에서 시험 한 것과 동일한 결과를 얻을 수 있음을 알 수 있다.

본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 인버터 성능 시험을 위한 시뮬레이션 장치를 이용하여 인버터의 성능 시험을 실시하는 방법을 살펴보자.

먼저, 성능 시험을 하고자 하는 구동 장치, 즉 인버터의 정보를 입력한다.

이때, 성능 시험을 하고자 하는 관리자는 구동 장치 모델부(23)에 인버터의 정보, 즉 정격 용량 및 그 제품의 사향 등을 입력한다.

구동 장치의 정보를 입력한 이후에 성능 시험을 수행할 때 사용되어지는 부하를 부하 설정부(25)를 통해 설정한다.

부하를 설정한 이후에, 사용 환경이 올바른지 학인 하여 시뮬레이션을 실시한다.

이상에서 본 발명은 기재된 구체 예에 대해서만 상세히 설명하였지만 본 발명의 기술 사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 인버터의 시험을 현장에서 실시하지않고, 시뮬레이션을 통해 그 결과를 도출하면, 현장에서 시험할 때 필요한 부대 시설을 간소화 할 수 있으므로 경제적인 이점이 있고, 또한 구동 장치의 매개 변수만으로도 시험을 하여도 실제 구동 수단과 거의 동일한 시험 결과를 도출 할 수 있음으로 시험하는데 소모되는 시간을 제거할 수 있으므로 시간상의 이점을 얻을 수 잇는 효과가 있다.

Claims (6)

1. 임의의 구동 수단의 성능을 시험하는 장치에 있어서,

   구동 수단의 성능을 시험하기 위한 전류를 제공하는 테스트 구동부와,

   임의의 시험자로부터 상기 구동 수단과 부하의 특성 정보를 입력받아 그와 동일한 환경을 설정하고, 상기 테스트 구동부로부터 전류를 제공받아 시뮬레이션을 수행하여, 그 결과를 출력하는 시뮬레이터부를 포함하여 이루어지는 인버터 성능 시험을 수행하는 시뮬레이션 장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 테스트 구동부는,

   임의의 인버터의 성능 시험을 위하여 공급하는 전류를 제어하는 제어부와,

   상기 제어부로부터 전류를 수신하여, 상기 전류가 성능 시험에 필요한 적정한 전류인지 여부를 확인하여, 적정한 전류가 아닌 경우, 이를 보정하는 보정부를 포함하여 이루어지는 인버터 성능 시험을 수행하는 시뮬레이션 장치.
3. 제 1항에 있어서, 상기 시뮬레이터부는,

   상기 테스트 구동부로부터 전류를 인가 받는 아날로그 필터부와,

   임의의 시험자로부터 성능 시험에 사용하고자 하는 부하 특성 정보를 입력받는 부하 특성부와,

   상기 시험자로부터 성능 시험을 하고자 하는 구동 수단의 특성 정보를 입력받아 그와 동일한 환경을 설정하여 시뮬레이션하는 구동 장치 모델부와,

   상기 구동 장치 모델부로부터 인가되는 전류를 수신하여, 임의의 전달 함수를 통해 이후 필요한 전류의 량을 예측하여 송출하는 피드 포워드부를 포함하여 이루어지는 인버터 성능 시험을 수행하는 시뮬레이션 장치.
4. 제 3항에 있어서, 상기 전달 함수는,

   인 것을 특징으로 하는 인버터 성능 시험을 수행하는 시뮬레이션 장치.
5. 제 3항에 있어서, 상기 아날로그 필터부는,

   상기 피드 포워드부로부터 수신되는 전압과 상기 테스트 구동부로부터 수신되는 전압의 차만큼 생성되는 전류를 수신하여, 이를 통해 전압을 획득하는 인버터 성능 시험을 수행하는 시뮬레이션 장치.
6. 임의의 구동 수단의 성능을 시험하는 방법에 있어서,

   임의의 시험자로부터 시험하고자 하는 구동 수단과 부하의 특성 정보를 입력받는 단계와,

   상기 입력받은 특성을 이용하여, 그와 동일한 시뮬레이션 환경을 설정하는단계와,

   상기 설정된 시뮬레이션 환경을 이용하여, 일정한 주기로 구동 수단의 성능을 시험하는 단계와,

   상기 시험된 성능에 대한 데이터를 그래프로 표현하는 단계를 포함하여 이루어지는 인버터 성능 시험을 수행하는 시뮬레이션 방법.