KR20090093609A - 입력 역률 개선을 위한 매트릭스 컨버터의 출력 제어 방법및 출력 제어 장치 - Google Patents

입력 역률 개선을 위한 매트릭스 컨버터의 출력 제어 방법및 출력 제어 장치

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KR20090093609A
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Abstract

본 발명은 매트릭스 컨버터의 출력 제어 방법 및 출력 제어 장치에 관한 것으로, 상세하게는 매트릭스 컨버터의 입력단에 구비되어 전원의 고조파 성분 제거 역할을 하는 필터의 입력단과 출력단의 위상차를 보상하도록 제어함으로써, 매트릭스 컨버터의 입력 역률을 개선하기 위한 매트릭스 컨버터의 출력 제어 방법 및 장치에 관한 것이다.
본 발명의 특징에 의한 매트릭스 컨버터의 출력 제어 방법은, (a) 상기 3상 교류 전원의 전원전압(Vs) 및 전원전류(Is)를 검출하고, 검출된 전원전압 및 전원전류의 크기와 위상각을 산출하는 단계; (b) 상기 LC 필터의 출력단에서 필터전압(Vi) 및 필터전류(Ii)를 검출하고, 검출된 필터전압 및 필터전류의 크기와 위상각을 산출하는 단계; (c) 상기 산출된 전원전압과 전원전류의 크기와 상기 LC 필터의 L,C 소자값을 이용하여 전원전류와 필터전류의 위상차를 산출하는 단계; (d) 상기 (b)단계에서 검출된 필터전압과 필터전류 크기와 위상각을 고려하여 공간벡터를 각각 생성하고, 각 공간벡터의 스위칭 테이블을 생성하기 위한 기설정된 섹터 중에서 상기 필터전압의 공간벡터와 상기 필터전류의 공간벡터 각각이 위치하는 섹터를 판별하는 단계; (e) 상기 검출된 필터전압 및 필터전류 각각의 크기와 위상각을 고려하여 목표 출력 전압(Vo)의 공간벡터를 생성하고, 공간벡터의 섹터를 판별한 다음, 기저장된 스위칭 테이블로부터 상기 판별된 섹터에 따라 목표 출력 전압의 스위칭 시간을 산출하기 위한 스위칭 벡터를 선택하는 단계; (f) 상기 선택된 스위칭 벡터에 따라 목표 출력 전압을 제어하기 위한 스위칭 시간을 산출하고, 산출된 스위칭 시간을 이용하여 필터전압과 목표 출력 전압간 전압비(q)를 산출하는 단계; (g) 상기 산출된 전압비를 고려하여 기설정된 최대 보상 가능 위상차 조건을 이용하여 최대 보상 가능한 위상차를 산출하는 단계; (h) 상기 산출된 최대 보상 가능한 위상차에 따라 위상차를 보상하여 보상된 위상을 갖는 필터전류를 공급하도록 제어하는 단계를 포함한다.

Description

입력 역률 개선을 위한 매트릭스 컨버터의 출력 제어 방법 및 출력 제어 장치{AN OUTPUT CONTROL METHOD AND APPARATUS FOR A MATRIX CONVERTER WITH DISPLACEMENT ANGLE COMPENSATION OF LC FILTER }
본 발명은 매트릭스 컨버터의 출력 제어 방법 및 출력 제어 장치에 관한 것으로, 상세하게는 매트릭스 컨버터의 입력단에 구비되어 전원의 고조파 성분 제거 역할을 하는 필터의 입력단과 출력단의 위상차를 보상하도록 제어함으로써, 매트릭스 컨버터의 입력 역률을 개선하기 위한 매트릭스 컨버터의 출력 제어 방법 및 장치에 관한 것이다.
일반적으로 매트릭스 컨버터는 전압원 인버터(Voltage Source Inverter)에 비하여 장수명, 입력 역률제어 및 에너지 회생등의 장점이 있다.
그러나, 매트릭스 컨버터의 양방향 스위치로 사용되는 전력반도체의 고속 스위칭으로 인해 발생되는 고조파 성분의 잡음이 전원단에 미치는 영향을 줄이기 위하여 매트릭스 컨버터의 입력단에는 LC 필터를 사용한다.
이때, LC 필터가 입력단에 구비된 매트릭스 컨버터 출력단에서 출력 주파수나 부하가 변동될 경우 매트릭스 컨버터의 입력 역률도 가변되어 고정된 필터만으로는 매트릭스 컨버터의 입력 역률 저하를 초래하는 문제점이 있었다.
따라서, 출력주파수나 부하가 변동시에 LC 필터 입력단과 출력단의 위상차를 보상함으로써, 입력 역률을 개선하기 위한 매트릭스 컨버터의 출력 제어 장치가 마련될 필요성이 있다.
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명에 따르면, LC 필터의 입력단과 출력단의 위상차를 보상하도록 공간 벡터 변조함으로써, 매트릭스 컨버터의 출력 주파수 및 부하의 변동에 따라 저하된 입력 역률을 개선할 수 있도록 한 입력 역률 개선을 위한 매트릭스 컨버터의 출력 제어 방법 및 장치를 제공하는데 목적이 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명인 입력 역률 개선을 위한 매트릭스 컨버터의 출력 제어 방법은 3상 교류 전원으로부터 공급되는 전원을 교류-교류 전력 변환에 의해 3상 부하에 공급하되, LC 필터를 입력단에 구비하는 매트릭스 컨버터의 출력 제어 방법에 있어서, (a) 상기 3상 교류 전원의 전원전압(Vs) 및 전원전류(Is)를 검출하고, 검출된 전원전압 및 전원전류의 크기와 위상각을 산출하는 단계; (b) 상기 LC 필터의 출력단에서 필터전압(Vi) 및 필터전류(Ii)를 검출하고, 검출된 필터전압 및 필터전류의 크기와 위상각을 산출하는 단계; (c) 상기 산출된 전원전압과 전원전류의 크기와 상기 LC 필터의 L,C 소자값을 이용하여 전원전류와 필터전류의 위상차를 산출하는 단계; (d) 상기 (b)단계에서 검출된 필터전압과 필터전류 크기와 위상각을 고려하여 공간벡터를 각각 생성하고, 각 공간벡터의 스위칭 테이블을 생성하기 위한 기설정된 섹터 중에서 상기 필터전압의 공간벡터와 상기 필터전류의 공간벡터 각각이 위치하는 섹터를 판별하는 단계; (e) 상기 검출된 필터전압 및 필터전류 각각의 크기와 위상각을 고려하여 목표 출력 전압(Vo)의 공간벡터를 생성하고, 공간벡터의 섹터를 판별한 다음, 기저장된 스위칭 테이블로부터 상기 판별된 섹터에 따라 목표 출력 전압의 스위칭 시간을 산출하기 위한 스위칭 벡터를 선택하는 단계; (f) 상기 선택된 스위칭 벡터에 따라 목표 출력 전압을 제어하기 위한 스위칭 시간을 산출하고, 산출된 스위칭 시간을 이용하여 필터전압과 목표 출력 전압간 전압비(q)를 산출하는 단계; (g) 상기 산출된 전압비를 고려하여 기설정된 최대 보상 가능 위상차 조건을 이용하여 최대 보상 가능한 위상차를 산출하는 단계; (h) 상기 산출된 최대 보상 가능한 위상차에 따라 위상차를 보상하여 보상된 위상을 갖는 필터전류를 공급하도록 제어하는 단계를 포함하는 입력 역률 개선을 위한 매트릭스 컨버터의 출력 제어 방법을 제공한다.
상기에 있어서, 상기 (e) 단계 이전에,(e-1) 목표 출력전압 제어시 공간벡터 변조를 위하여 상기 산출된 필터전압 크기와 필터전압 위상각, 필터전류 크기와 필터전류 위상각에 대한 스위칭 테이블을 생성하여 저장하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기에 있어서, 상기 저장되는 스위칭 테이블은,상기 (d) 단계에서 필터전압과 필터전류의 판별된 섹터가 동일한 섹터인 경우와 동일하지 않은 섹터인 경우에 따라 가능한 스위칭 벡터 조합을 생성하고, 생성된 스위칭 벡터 조합이 동일한 섹터인 경우와 동일하지 않은 섹터인 경우별로 저장하는 것이 바람직하다.
상기에 있어서, 상기 (g)단계는 (g-1) 상기 산출된 전압비를 이용하여 상기 산출된 전원전류와 필터전류의 위상차를 보상하기 위한 최대보상 가능 위상차 조건을 산출하여 저장하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명인 입력 역률 개선을 위한 매트릭스 컨버터의 출력 제어 장치는 3상 교류 전원으로부터 공급되는 전원을 교류-교류 전력 변환에 의해 3상 부하에 공급하되, LC 필터를 입력단에 구비하는 매트릭스 컨버터의 출력 제어 장치에 있어서, 전원전압(Vs), 전원전류(Is)를 검출하여 각각의 크기와 위상각을 산출하는 전원전압/전류 검출부; 필터전압(Vi), 필터전류(Ii)를 검출하여 각각의 크기와 위상각을 산출하는 필터전압/전류 검출부; 상기 계산된 위상각으로부터 전원전류와 필터전류의 위상차를 산출하는 위상차 산출부; 상기 검출된 필터전압, 필터전류의 공간벡터를 생성하고, 공간벡터별 스위칭 테이블을 생성하기 위한 섹터를 기설정한 다음, 상기 생성된 공간벡터 각각의 섹터를 판별하여 판별된 섹터에 따른 목표 출력 전압의 스위칭 벡터를 기저장된 스위칭 테이블로부터 선택하도록 제어하며, 선택된 스위칭 벡터에 의해 스위칭 시간을 산출하고, 필터전압과 목표 출력 전압간 전압비(q)를 산출하는 공간벡터 제어부; 상기 산출된 전압비를 이용하여 상기 산출된 전원전류와 필터전류 간의 최대보상 가능 위상차 조건을 계산하고, 계산된 조건으로부터 최대 보상 가능한 위상차를 보상하도록 위상제어신호를 생성하는 위상차 보상 제어부를 포함하는 입력 역률 개선을 위한 매트릭스 컨버터의 출력 제어 장치를 제공한다.
상기에 있어서, 상기 공간벡터 제어부는, 각 스위칭 조합에 따른 필터전압의 크기 및 위상각, 필터전류의 크기 및 위상각을 해당 스위칭조합별로 스위칭 테이블에 저장하되, 상기 검출된 필터전압과 필터전류 각각의 공간벡터가 위치하는 섹터의 동일여부를 판별하여 판별된 결과에 따라 구분된 스위칭 벡터별로 스위칭 테이블을 생성 및 저장하는 스위칭 테이블 설정/저장모듈; 상기 저장된 스위칭 테이블로부터 목표 출력 전압의 공간벡터를 생성하고, 생성된 공간벡터의 스위칭 시간을 계산하고, 계산값을 이용하여 필터전압과 목표 출력 전압간 전압비를 계산하는 공간벡터 변조모듈을 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기에 있어서, 상기 목표 출력 전압을 제어시 스위칭 시간을 산출하기 위한 기준인 샘플링 주파수를 제어하는 샘플링제어부를 더 포함하는 것이 바람직하다.
이상에서와 같은 본 발명인 입력 역률 개선을 위한 매트릭스 컨버터의 출력 제어 방법 및 출력 제어 장치에 따르면, 출력주파수와 부하가 변동시에 LC 필터의 입력단과 출력단의 위상차를 산출하여 그 위상차를 보상하도록 공간벡터 변조함으로써, 매트릭스 컨버터의 입력역률을 개선할 수 있으며, 출력주파수와 부하 변동에 덜 민감하도록 매트릭스 컨버터의 출력을 제어함으로써 상용화에 유리한 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 매트릭스 컨버터를 이용한 전력 변환 시스템의 전체 구성도.
도 2는 도 1의 매트릭스 컨버터의 입력단에 구비되는 LC 필터의 회로도.
도 3은 도 1의 출력 제어 장치의 세부적인 구성도.
도 4는 도 1의 전력 변환 시스템의 목표 출력 전압, 필터 전압 및 필터 전류의 벡터도의 일실시예.
도 5는 도 1의 전력 변환 시스템의 목표 출력 전압, 필터 전압 및 필터 전류의 벡터도의 다른 실시예.
도 6a는 도 1의 전력 변환 시스템의 출력전압, 각 상별 출력전류, 필터전압/필터전류, 매트릭스 컨버터 입력단 전압/전류에 대하여 위상차 보상전의 파형도에 대한 일실시예.
도 6b는 도 1의 전력 변환 시스템의 출력전압, 각 상별 출력전류, 필터전압/필터전류, 매트릭스 컨버터 입력단 전압/전류에 대하여 위상차 보상후의 파형도에 대한 일실시예.
도 7a는 도 1의 전력 변환 시스템의 출력전압, 각 상별 출력전류, 필터전압/필터전류, 매트릭스 컨버터 입력단 전압/전류에 대하여 위상차 보상전의 파형도에 대한 다른 실시예.
도 7b는 도 1의 전력 변환 시스템의 출력전압, 각 상별 출력전류, 필터전압/필터전류, 매트릭스 컨버터 입력단 전압/전류에 대하여 위상차 보상후의 파형도에 대한 다른 실시예.
<도면의 주요부분에 대한 참조부호의 설명>
100 : 3상 전원 200 : 매트릭스컨버터
210 : LC 필터 220 : 출력제어장치
221 : 전원전압/전류검출부 222 : 필터전압/전류검출부
223 : 위상차산출부 224 : 위상차보상제어부
225 : 공간벡터제어부 225a : 스위칭테이블설정/저장모듈
225b : 공간벡터변조모듈 230 : 샘플링제어부
300 : RL 부하
이하에는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위한 것이지, 이로 인해 본 발명의 기술적 사상 및 범주가 한정되는 것을 의미하는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 매트릭스 컨버터를 이용한 전력 변환 시스템의 전체 구성도이며, 도 2는 도 1의 매트릭스 컨버터의 입력단에 구비되는 LC 필터의 회로도이다.
도 1 및 도 2를 참조하여 상세하게 설명하면,
본 발명의 일실시예에 따른 매트릭스컨버터(200)를 이용한 전력 변환 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이 3상(a상, b상, c상) 전원(교류 220[V], 60[Hz],100), 매트릭스컨버터(200), LC 필터(210), 출력제어장치(220), 샘플링제어부(230), RL 부하(300)로 구성될 수 있다.
매트릭스컨버터(200)는 3상 전원(100)으로부터 공급된 3상 전압/전류를 3상(A상, B상, C상) 부하(300)인 RL 부하(300)에 공급하기 위하여 3*3의 양방향 스위치, 즉, 9개의 스위치를 구비하고, 3상 교류를 교류로 직접 변환하여 3상 RL 부하(300)에 공급하는 전력 변환 장치이다.
이때, 매트릭스컨버터(200)의 입력단에 구비되는 LC 필터(210)는 도 2를 참고하여 구체적으로 설명하면, 전원단과 직렬로 연결된 인덕터(L)와 전원단과 병렬로 연결된 커패시터(C) 소자로 회로를 구성하며, 인덕터(L)와 커패시터(C)의 설계값에 따라 매트릭스컨버터(200)의 입력전류인 필터전류(Ii)의 고조파(Harmonics)를 저감할 수 있도록 저역통과 필터를 설계한다.
또한, LC 필터(210)는 전원전류(Is)의 리플에 대한 감쇄율을 높이기 위해서 다단으로 구성될 수도 있다.
출력제어장치(220)는 LC 필터(210)가 구비된 매트릭스컨버터(200)에 의해 전력 변환되어 부하(300)에 공급시에 출력 주파수 또는 3상 부하(300)의 변동에 따라 입력역률이 저하되는 것을 방지하기 위해 매트릭스컨버터(200)의 입력전압, 입력전류인 필터전압(Vi), 필터전류(Ii)를 공간벡터 변조하여 제어한다.
이때, 상기 출력제어장치(220)에 의해 공간벡터 변조를 수행하여 LC 필터(210)의 입력단과 출력단의 위상차를 계산한 다음, 전압비(q)로부터 최대 보상가능한 위상차를 계산하여 보상가능한 위상차만큼 보상함으로써 입력역률을 개선할 수 있는데, 구체적인 설명은 후술하기로 한다.
샘플링제어부(230)는 목표 출력 전압(Vo)을 제어하도록 스위칭 시간 산출시에 전체 스위칭 시간의 기준이 되는 스위칭 주파수 즉, 샘플링 주파수를 제어한다.
RL 부하(300)는 3상 전원(100)으로부터 전력 변환에 의해 3상 전압/전류를 공급받는 부하로서, 3상 유도 전동기 등이 될 수 있다.
도 3은 도 1의 출력 제어 장치의 세부적인 구성도이며, 도 4는 도 1의 전력 변환 시스템의 목표 출력 전압, 필터 전압 및 필터 전류의 벡터도의 일실시예이며, 도 5는 도 1의 전력 변환 시스템의 목표 출력 전압, 필터 전압 및 필터 전류의 벡터도의 다른 실시예이며, 도 6a는 도 1의 전력 변환 시스템의 출력전압, 각 상별 출력전류, 필터전압/필터전류, 매트릭스 컨버터 입력단 전압/전류에 대하여 위상차 보상전의 파형도에 대한 일실시예이며, 도 6b는 도 1의 전력 변환 시스템의 출력전압, 각 상별 출력전류, 필터전압/필터전류, 매트릭스 컨버터 입력단 전압/전류에 대하여 위상차 보상후의 파형도에 대한 일실시예이며, 도 7a는 도 1의 전력 변환 시스템의 출력전압, 각 상별 출력전류, 필터전압/필터전류, 매트릭스 컨버터 입력단 전압/전류에 대하여 위상차 보상전의 파형도에 대한 다른 실시예이며, 도 7b는 도 1의 전력 변환 시스템의 출력전압, 각 상별 출력전류, 필터전압/필터전류, 매트릭스 컨버터 입력단 전압/전류에 대하여 위상차 보상후의 파형도에 대한 다른 실시예이다.
도 3 내지 도 7을 참조하여 상세하게 설명하면,
상기 출력제어장치(220)는 도 3에 도시된 바와 같이, 전원전압/전류검출부(221), 필터전압/전류검출부(222), 위상차산출부(223), 위상차보상제어부(224), 공간벡터제어부(225)를 더 포함할 수 있다.
전원전압/전류검출부(221)는 전원전압(Vs), 전원전류(Is)를 검출하고, 검출된 전원전압(Vs), 전원전류(Is)의 크기 및 위상각을 계산한다.
이때, 계산되는 전원전압 및 전원전류의 크기 및 위상각은 각 상(a,b,c)별 또는 선간(ab, bc, ca)별로 계산될 수 있다.
필터전압/전류검출부(222)는 필터전압(Vi), 필터전류(Ii)를 검출하고, 검출된 필터전압(Vi), 필터전류(Ii)의 크기 및 위상각을 계산한다.
이때, 계산되는 필터전압 및 필터전류의 크기 및 위상각은 각 상(a,b,c)별 또는 선간(ab, bc, ca)별로 계산될 수 있다.
위상차산출부(223)는 전원단과 필터단의 위상차를 산출하기 위해, 아래와 같은 관계식을 이용하여 산출할 수 있다.
위 관계식을 이용하면, 전원단과 필터단의 위상차(φis/ii)는 전원전압(Vs), 전원전류(Is)의 크기, 인덕터(L)와 커패시터(C)값에 따라 결정된다.
위상차보상제어부(224)는 상기 위상차산출부(223)로부터 산출된 위상차를 보상하기 위하여, 최대보상가능 위상차 조건을 설정하며, 이 설정된 조건에 따라 최대보상 가능한 위상차를 보상하도록 제어하는 위상제어신호를 생성한다.
이때, 최대보상가능 위상차 조건은 상기 공간벡터제어부(225)로부터 필터전압과 필터전류의 위상차를 보상하기 위하여 필터전압과 목표출력전압 간 전압비로부터 유도되어 정의되며, 이 관계식에 의해 산출된 위상차에서 최대보상 가능한 위상차를 보상한다.
공간벡터제어부(225)는 도 3에 도시된 바와 같이, 스위칭테이블설정/저장모듈(225a), 공간벡터변조모듈(225b)을 더 포함하여 구성될 수 있으며, 스위칭테이블설정/저장모듈(225a)은 출력의 공간 벡터 변조에 따라 변화하는 필터전압(Vi)의 크기 및 위상각, 필터전류(Ii)의 크기 및 위상각을 각 스위칭벡터별로 스위칭 테이블에 저장하고, 이때 상기 검출된 필터전압(Vi)과 필터전류(Ii) 각각의 공간벡터가 위치하는 섹터의 동일여부를 판별하여 판별된 결과에 따라 구분되어 저장된다.
이때, 기 생성 저장되는 스위칭 벡터별 스위칭 테이블은 아래 표 1과 표 2에 나타낸 바와 같으며, 표 1은 필터 전압(Vi) 공간벡터와 필터전류(Ii) 공간벡터가 동일한 섹터에 있는 경우의 스위칭 테이블이며, 표 2는 필터전압 공간벡터와 필터전류 공간벡터가 동일하지 않은 섹터에 있는 경우이다.
전압섹터 섹터 1 또는 섹터 4 섹터 2 또는 섹터 5 섹터 3 또는 섹터 6
전류섹터 t1 t2 t3 t4 t1 t2 t3 t4 t1 t2 t3 t4
섹터1또는 섹터4 -7 +9 +1 -3 +9 -8 -3 +2 -8 +7 +2 -1
섹터2 또는 섹터5 +4 -6 -7 +9 -6 +5 +9 -8 +5 -4 -8 +7
섹터3 또는섹터6 -1 +3 +4 -6 +3 -2 -6 +5 -2 +1 +5 -4
섹터4또는 섹터1 +7 -9 -1 +3 -9 +8 +3 -2 +8 -7 -2 +1
섹터5 또는 섹터2 -4 +6 +7 -9 +6 -5 -9 +8 -5 +4 +8 -7
섹터6 또는 섹터3 +1 -3 -4 +6 -3 +2 +6 -5 +2 -1 -5 +4
전압섹터 섹터 1 또는 섹터 4 섹터 2 또는 섹터 5 섹터 3 또는 섹터 6
전류섹터 t1 t2 t3 t4 t1 t2 t3 t4 t1 t2 t3 t4
섹터1 또는 섹터4 -7 +8 +1 -2 +9 -7 -3 +1 -8 +9 +2 -3
섹터2 또는 섹터5 +4 -5 -7 +8 -6 +4 +9 -7 +5 -6 -8 +9
섹터3 또는 섹터6 -1 +2 +4 -5 +3 -1 -6 +4 -2 +3 +5 -6
섹터4 또는 섹터1 +7 -8 -1 +2 -9 +7 +3 -1 +8 -9 -2 +3
섹터5 또는 섹터2 -4 +5 +7 -8 +6 -4 -9 +7 -5 +6 +8 -9
섹터6 또는 섹터3 +1 -2 -4 +5 -3 +1 +6 -4 +2 -3 -5 +6
한편, 공간벡터변조모듈(225b)은 상기 저장된 스위칭 테이블을 이용하여 목표 출력 전압(Vo)의 공간벡터를 생성하고, 생성된 공간벡터의 스위칭 시간을 계산하고, 계산된 값을 이용하여 필터전압(Vi)과 목표 출력 전압(Vo)간 전압비(q)를 계산한다.
스위칭 테이블을 이용하여 목표 출력 전압(Vo)과 스위칭 시간(t1, t2, t3, t4)을 산출하는 과정을 필터전압(Vi)과 필터전류(Ii)의 공간벡터가 위치하는 섹터에 따라 구분하여 설명하면, 다음과 같다.
먼저, 필터전압(Vi)과 필터전류(Ii)의 공간벡터가 도 4에 도시된 바와 같이, 동일한 섹터 즉, 섹터 1에 위치하는 경우 상기 표 1의 스위칭 테이블을 참고하여 목표 출력전압(Vo)를 구성하는 기준 출력전압(Vo') 벡터의 적합한 방향은 +1과 -3이 된다.
따라서, 다음과 같은 관계식이 성립하게 된다.
상기 수학식 3으로부터 스위칭시간을 산출하기 위하여, 스위칭시간(t1, t2)에 대한 관계식이 다음과 같이 정의된다.
수학식 3과 수학식 4를 이용하여 식을 정리하면, 다음 관계식이 도출된다.
상기 수학식 5에서 Vm은 필터전압의 크기, Vo는 출력전압의 크기, α0는 출력전압의 위상각, kv는 필터전압 벡터의 섹터, ki는 필터전류 벡터의 섹터이며, δ는 필터전압과 필터전류의 위상차를 나타낸다.
또한, 목표 출력 전압(Vo)을 구성하는 다른 기준 출력 전압(Vo")을 상기와 같은 방법에 의해 계산하면, 다음과 같은 관계식을 얻을 수 있다.
또한, 상기 수학식 5 및 수학식 6으로부터 영전압(V0)의 듀티비(δ5)는 다음과 같이 얻을 수 있다.
상기 수학식 5 내지 수학식 7은 스위칭 시간을 산출하기 위하여 이용되며, 이 스위칭 시간에 의해 필터전압(Vi)과 목표 출력 전압(Vo)간의 비인 전압비(q)를 다음과 같은 관계식으로 도출할 수 있다.
한편, 필터전압(Vi)과 필터전류(Ii) 공간벡터가 다른 섹터 즉, 도 5에 도시된 바와 같이, 각각 섹터 1 및 섹터 6에 위치하면서 필터전압과 필터전류간 위상차(δ)를 갖는 경우의 목표 출력전압 공간벡터는 아래와 같은 관계식들에 의해 계산될 수 있다.
먼저, 목표 출력 전압 공간 벡터를 구성하는 기준 출력전압(Vo')의 적합한 벡터의 방향은 표 2를 참조하여 +1과 -2가 되며, 이때, 기준 출력전압의 관계식은 아래와 같이 정의된다.
상기 수학식 9로부터 스위칭시간을 산출하기 위하여, 스위칭시간(t3, t4)에 대한 관계식이 다음과 같이 정의된다.
상기 수학식 9와 수학식 10을 이용하여 식을 정리하면, 다음과 같은 스위칭 시간 계산식을 얻을 수 있다.
또한, 목표 출력전압(Vo)의 다른 기준 출력전압(Vo")을 상기와 같은 방법에 의해 계산하여 정리하면 다음과 같은 관계식을 얻을 수 있다.
수학식 11 및 수학식 12로부터 계산되는 영전압(V0)의 듀티비(δ5)에 대한 관계식은 아래와 같다.
상기 관계식들에 의해 위상차에 따른 최대 출력전압비는 이며, 입력역률이 1일 경우에 최대 출력전압비는 이 된다.
또한, 상기 관계식들로부터 얻어진 전압비(q) 관계식을 이용하여 최대 보상 가능 위상차 조건에 대한 관계식이 수학식 2와 같이 얻어지게 되며, 최대 보상 가능한 위상차를 계산하여 보상하도록 위상 제어한다.
한편, 필터전압의 크기(vi) 및 위상각(αi)과 필터전류의 크기(ii) 및 위상각(βi)을 고려한 매트릭스컨버터(200)의 모든 가능한 스위칭 테이블은 표 3 및 표 4와 같이 나타낼 수 있으며, 표 1 및 표 2의 벡터 방향은 표 3과 관계되며, 이때의 양방향스위치의 스위칭 관계가 표 3에 나타낸 바와 같다.
그룹 벡터 A B C vi αi ii βi
Ⅰ +1 a b b 2/3vab 0 isa -Π/6
-1 b a a -2/3vab 0 isa -Π/6
+2 b c c 2/3vbc 0 isa Π/2
-2 c b b -2/3vbc 0 isa Π/2
+3 c a a 2/3vca 0 isa 7Π/6
-3 a c c -2/3vca 0 isa 7Π/6
+4 b a b 2/3vab 2Π/3 isb -Π/6
-4 a b a -2/3vab 2Π/3 isb -Π/6
+5 c b c 2/3vbc 2Π/3 isb Π/2
-5 b c b -2/3vbc 2Π/3 isb Π/2
+6 a c a 2/3vca 2Π/3 isb 7Π/6
-6 c a c -2/3vca 2Π/3 isb 7Π/6
+7 b b a 2/3vab 4Π/3 isc -Π/6
-7 a a b -2/3vab 4Π/3 isc -Π/6
+8 c c b 2/3vbc 4Π/3 isc Π/2
-8 b b c -2/3vbc 4Π/3 isc Π/2
+9 a a c 2/3vca 4Π/3 isc 7Π/6
-9 c c a -2/3vca 4Π/3 isc 7Π/6
그룹 벡터 A B C vi αi ii βi
Ⅱ 0a a a a 0 - 0 -
0b b b b 0 - 0 -
0c c c c 0 - 0 -
Ⅲ x a b c x x x x
x a c b x x x x
x b c a x x x x
x b a c x x x x
x c a b x x x x
x c b a x x x x
한편, 상기 수학식 2를 이용하여 최대 보상 가능한 위상차를 계산한 다음 상기 위상차보상제어부(224)는 위상제어신호를 생성하여 보상된 위상차만큼 필터전류(Ii)의 위상을 제어함으로써, 매트릭스컨버터(200)의 입력역률이 높은 상태로 유지된다.
이때, 보상 전 ·후의 출력 선간전압(VAB), 각 상별 출력전류(IsA,IsB,IsC), a상 필터전압(Via)/a상 필터전류(Iia), 매트릭스컨버터(200)의 a상 입력단 전압(Viamc)/a상 입력단 전류(Iiamc)별 파형도의 일실시예가 도 6a 및 도 6b에 각각 보인 바와 같으며, 이때의 출력 전압은 [V]이며, 출력 주파수는 40[Hz]이다.
또한, 보상 전 ·후의 출력 선간전압(VAB), 각 상별 출력전류(IsA,IsB,IsC), a상 필터전압(Via)/ a상 필터전류(Iia), 매트릭스컨버터(200)의 a상 입력단 전압(Viamc)/a상 입력단 전류(Iiamc)별 파형도에 대한 다른 실시예가 도 7a 및 도 7b에 나타낸 바와 같으며, 이때의 출력 전압은 [V]이며, 출력 주파수는 60[Hz]이다.
참고로, 도 6a, 도6b, 도7a 및 도 7b의 파형도에 대한 시뮬레이션 수행시 변수인 공급전원은 교류 220[V], 60[㎐], 3상 RL부하의 R은 10[Ω], L은 5[mH], LC 필터의 L은 2[mH], C는 50[㎌]이며, 샘플링주파수는 20[㎑]로 설계한 것이다.

Claims (7)

  1. 3상 교류 전원으로부터 공급되는 전원을 교류-교류 전력 변환에 의해 3상 부하에 공급하되, LC 필터를 입력단에 구비하는 매트릭스 컨버터의 출력 제어 방법에 있어서,
    (a) 상기 3상 교류 전원의 전원전압(Vs) 및 전원전류(Is)를 검출하고, 검출된 전원전압 및 전원전류의 크기와 위상각을 산출하는 단계;
    (b) 상기 LC 필터의 출력단에서 필터전압(Vi) 및 필터전류(Ii)를 검출하고, 검출된 필터전압 및 필터전류의 크기와 위상각을 산출하는 단계;
    (c) 상기 산출된 전원전압과 전원전류의 크기와 상기 LC 필터의 L,C 소자값을 이용하여 전원전류와 필터전류의 위상차를 산출하는 단계;
    (d) 상기 (b)단계에서 검출된 필터전압과 필터전류 크기와 위상각을 고려하여 공간벡터를 각각 생성하고, 각 공간벡터의 스위칭 테이블을 생성하기 위한 기설정된 섹터 중에서 상기 필터전압의 공간벡터와 상기 필터전류의 공간벡터 각각이 위치하는 섹터를 판별하는 단계;
    (e) 상기 검출된 필터전압 및 필터전류 각각의 크기와 위상각을 고려하여 목표 출력 전압(Vo)의 공간벡터를 생성하고, 공간벡터의 섹터를 판별한 다음, 기저장된 스위칭 테이블로부터 상기 판별된 섹터에 따라 목표 출력 전압의 스위칭 시간을 산출하기 위한 스위칭 벡터를 선택하는 단계;
    (f) 상기 선택된 스위칭 벡터에 따라 목표 출력 전압을 제어하기 위한 스위칭 시간을 산출하고, 산출된 스위칭 시간을 이용하여 필터전압과 목표 출력 전압간 전압비(q)를 산출하는 단계;
    (g) 상기 산출된 전압비를 고려하여 기설정된 최대 보상 가능 위상차 조건을 이용하여 최대 보상 가능한 위상차를 산출하는 단계; 및
    (h) 상기 산출된 최대 보상 가능한 위상차에 따라 위상차를 보상하여 보상된 위상을 갖는 필터전류를 공급하도록 제어하는 단계를 포함하는 입력 역률 개선을 위한 매트릭스 컨버터의 출력 제어 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 (e) 단계 이전에,
    (e-1) 목표 출력전압 제어시 공간벡터 변조를 위하여 상기 산출된 필터전압 크기와 필터전압 위상각, 필터전류 크기와 필터전류 위상각에 대한 스위칭 테이블을 생성하여 저장하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 입력 역률 개선을 위한 매트릭스 컨버터의 출력 제어 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 저장되는 스위칭 테이블은,
    상기 (d) 단계에서 필터전압과 필터전류의 판별된 섹터가 동일한 섹터인 경우와 동일하지 않은 섹터인 경우에 따라 가능한 스위칭 벡터 조합을 생성하고, 생성된 스위칭 벡터 조합이 동일한 섹터인 경우와 동일하지 않은 섹터인 경우별로 저장하는 것을 특징으로 하는 입력 역률 개선을 위한 매트릭스 컨버터의 출력 제어 방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 (g)단계는
    (g-1) 상기 산출된 전압비를 이용하여 상기 산출된 전원전류와 필터전류의 위상차를 보상하기 위한 최대보상 가능 위상차 조건을 산출하여 저장하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 입력 역률 개선을 위한 매트릭스 컨버터의 출력 제어 방법.
  5. 3상 교류 전원으로부터 공급되는 전원을 교류-교류 전력 변환에 의해 3상 부하에 공급하되, LC 필터를 입력단에 구비하는 매트릭스 컨버터의 출력 제어 장치에 있어서,
    전원전압(Vs), 전원전류(Is)를 검출하여 각각의 크기와 위상각을 산출하는 전원전압/전류 검출부;
    필터전압(Vi), 필터전류(Ii)를 검출하여 각각의 크기와 위상각을 산출하는 필터전압/전류 검출부;
    상기 계산된 위상각으로부터 전원전류와 필터전류의 위상차를 산출하는 위상차 산출부;
    상기 검출된 필터전압, 필터전류의 공간벡터를 생성하고, 공간벡터별 스위칭 테이블을 생성하기 위한 섹터를 기설정한 다음, 상기 생성된 공간벡터 각각의 섹터를 판별하여 판별된 섹터에 따른 목표 출력 전압의 스위칭 벡터를 기저장된 스위칭 테이블로부터 선택하도록 제어하며, 선택된 스위칭 벡터에 의해 스위칭 시간을 산출하고, 필터전압과 목표 출력 전압간 전압비(q)를 산출하는 공간벡터 제어부; 및
    상기 산출된 전압비를 이용하여 상기 산출된 전원전류와 필터전류 간의 최대보상 가능 위상차 조건을 계산하고, 계산된 조건으로부터 최대 보상 가능한 위상차를 보상하도록 위상제어신호를 생성하는 위상차 보상 제어부를 포함하는 입력 역률 개선을 위한 매트릭스 컨버터의 출력 제어 장치.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 공간벡터 제어부는,
    각 스위칭 조합에 따른 필터전압의 크기 및 위상각, 필터전류의 크기 및 위상각을 해당 스위칭조합별로 스위칭 테이블에 저장하되, 상기 검출된 필터전압과 필터전류 각각의 공간벡터가 위치하는 섹터의 동일여부를 판별하여 판별된 결과에 따라 구분된 스위칭 벡터별로 스위칭 테이블을 생성 및 저장하는 스위칭 테이블 설정/저장모듈; 및
    상기 저장된 스위칭 테이블로부터 목표 출력 전압의 공간벡터를 생성하고, 생성된 공간벡터의 스위칭 시간을 계산하고, 계산값을 이용하여 필터전압과 목표 출력 전압간 전압비를 계산하는 공간벡터 변조모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 입력 역률 개선을 위한 매트릭스 컨버터의 출력 제어 장치.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 목표 출력 전압을 제어시 스위칭 시간을 산출하기 위한 기준인 샘플링 주파수를 제어하는 샘플링제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 입력 역률 개선을 위한 매트릭스 컨버터의 출력 제어 장치.
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