KR20100055281A - The control method for overmodulation operation of npc type 3-level inverter - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 철도차량용 NPC형 3-레벨 인버터의 과변조 제어 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 철도차량의 유도전동기용 NPC형 3-레벨 인버터의 과변조 운전을 위해 변조 지수(MI)에 따른 과변조영역I에서의 전압기준벡터와 과변조영역Ⅱ에서의 전압기준벡터를 보상해 출력전압이 선형적으로 제어되도록 하기 위한, 철도차량용 NPC형 3-레벨 인버터의 과변조 제어 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an overmodulation control method of an NPC type 3-level inverter for a railroad car, and more particularly, to an overmodulation operation of an NPC type 3-level inverter for an induction motor of a railroad car according to a modulation index (MI). An overmodulation control method for an NPC type 3-level inverter for a railway vehicle for compensating a voltage reference vector in an overmodulation region I and a voltage reference vector in an overmodulation region II so that an output voltage is linearly controlled.
철도차량은 정토크영역을 확장하기 위하여 높은 가선전압을 사용하며, 통상적으로 철도차량의 (견인)유도전동기용 인버터로서 2-레벨 인버터를 구비한다. 이러한 2-레벨 인버터에서는 가선전압이 높아질수록 정격전압이 높은 고가의 스위칭소자를 사용하는데, 일반적인 고압 인버터를 사용하는 철도차량에서는 소자 정격을 줄이기 위해 인버터를 적층하는 방식을 사용한다. Railroad cars use high line voltages to extend the static torque range, and are typically provided with two-level inverters as inverters for (towing) induction motors. In these two-level inverters, expensive switching devices having higher rated voltages are used as the line voltage is increased. In a railroad vehicle using a general high voltage inverter, inverters are stacked in order to reduce device ratings.
그러나, 인버터를 적층하는 방식은 독립된 DC 전원이 필요하고 스위칭 조합 이 많아 펄스폭변조(PWM)가 복잡한 단점을 가지고 있다.However, stacking inverters require an independent DC power supply and have a large number of switching combinations. Thus, pulse width modulation (PWM) has a complex disadvantage.
한편, 최근에 각광받고 있는 NPC형 3-레벨 인버터는 독립된 DC 전원이 필요없고 스위칭소자를 직렬로 구성하기에, 인버터 적층 방식에 비해 그 인버터 구조가 간단해 경제적이다. 이를 부연 설명하면 다음과 같다.On the other hand, NPC type three-level inverters, which are in the spotlight recently, do not need an independent DC power supply and are configured in series with switching elements, so that the inverter structure is simpler and more economical than the inverter stacking method. This will be explained in detail as follows.
NPC형 3-레벨 인버터는 DC-링크 전압을 3단계로 나누어 출력하므로 같은 스위칭 주파수에서의 2-레벨 인버터와 비교할 때 출력전압과 전류의 고조파 성분을 반 이상 줄일 수 있고 스위칭이 유도전동기 권선에 인가되는 전압 스트레스를 줄일 수 있다. 또한, 소자의 직렬 연결 구조와 달리 턴-오프시 균등한 전압분배를 이룰 수 있으므로 턴-오프 동작의 동기화에 대한 고려가 필요없어 하드웨어 구성이 간단하다. NPC type three-level inverter outputs DC-link voltage in three stages, which can reduce the harmonic content of output voltage and current by more than half compared to two-level inverter at the same switching frequency, and switching is applied to the induction motor winding. Can reduce the voltage stress. In addition, unlike the serial connection structure of the device, even voltage distribution can be achieved during turn-off, so the hardware configuration is simple because there is no need to consider the synchronization of the turn-off operation.
또한, 각 스위칭소자의 차단전압이 DC-링크 전압의 반이므로 스위칭 시의 급격한 전압변동으로 인해 발생되는 EMI 노이즈를 줄일 수 있다.In addition, since the cutoff voltage of each switching element is half of the DC-link voltage, EMI noise generated due to a sudden voltage change during switching can be reduced.
다음으로, 도 1을 참조해 앞서 언급한 철도차량의 유도전동기의 특성에 대해 살펴보기로 한다.Next, the characteristics of the induction motor of the aforementioned railway vehicle will be described with reference to FIG. 1.
도 1은 철도차량의 유도전동기의 속도/토크 곡선이다.1 is a speed / torque curve of an induction motor of a railway vehicle.
도 1에 도시된 바와 같이 정토크영역은 유도전동기의 정격속도까지 해당되며, 철도차량이 일정한 가속 능력을 가질 수 있도록 유도전동기에서 최대토크를 일정하게 출력한다. As shown in FIG. 1, the constant torque region corresponds to the rated speed of the induction motor, and the maximum torque is constantly output from the induction motor so that the railway vehicle can have a constant acceleration capability.
이를 위해 가변전압 가변주파수(VVVF) 방식의 인버터가 유도전동기 입력전압 과 주파수의 비를 일정하게 제어하여 필요한 토크를 얻는다. To this end, the inverter of the variable voltage variable frequency (VVVF) method controls the ratio of the induction motor input voltage and frequency to obtain the required torque.
정토크 영역에서의 유도전동기는 일정한 공극 자속으로 운전되어서 고정자전류 토크 감도가 높아지고 철도차량 구동 시스템이 빠르게 응답하게 되는 것이다.Induction motors in the constant torque region are operated with constant air gap flux, which increases the stator current torque sensitivity and makes the railway vehicle drive system respond quickly.
종래방식의 철도차량 구동 시스템의 PWM 기법으로는 대부분 정현파 PWM 방식이 이용된다. 정현파 PWM 방식은 선형적으로 출력할 수 있는 변조 지수(MI; Modulation Index)의 한계가 구형파 인버터의 78.5% 정도이기 때문에 비선형적인 과변조영역이 넓다. As a PWM technique of a conventional railway vehicle driving system, a sinusoidal PWM method is mostly used. The sinusoidal PWM method has a nonlinear overmodulation area because the limit of the modulation index (MI) that can be output linearly is about 78.5% of the square wave inverter.
또한, 인버터 주파수가 증가함에 따라 펄스 수를 미리 정해 놓기 때문에 펄스 수의 변동에 따른 비선형적인 출력으로 인해 토크의 맥동이 존재하여 철도차량의 승차감이 좋지 못한 단점이 있다. 반면에, 공간 벡터 변조 방식(SVM 방식)이 적용된 인버터의 전압은 구형파 인버터의 0.907배로 과변조영역이 정현파 PWM 방식 보다는 작다.In addition, since the number of pulses is determined in advance as the frequency of the inverter increases, there is a disadvantage in that the riding comfort of the railway vehicle is not good due to the pulsation of torque due to the nonlinear output caused by the variation in the number of pulses. On the other hand, the voltage of the inverter to which the space vector modulation method (SVM method) is applied is 0.907 times that of the square wave inverter, and the overmodulation area is smaller than that of the sinusoidal PWM method.
한편, 종래방식의 철도차량 구동 시스템에서는 유도전동기 구동용 인버터 장치의 직류링크전압을 최대한 이용하기 위하여 정격속도 이상에서는 PWM 동작을 중지하고 1펄스 모드에서 운전한다. On the other hand, in the conventional railroad vehicle driving system, in order to make full use of the DC link voltage of the inverter device for driving an induction motor, the PWM operation is stopped and operated in one-pulse mode above the rated speed.
이에, 유도전동기를 전 속도영역 상의 정토크영역에서 운전하기 위해서는 PWM 선형운전 영역과 1펄스 모드운전 영역 사이에서 연속적 동작이 가능하도록 과변조 기법(overmodulation)을 사용하여야 한다.Therefore, in order to operate the induction motor in the constant torque region on the full speed region, an overmodulation technique should be used to enable continuous operation between the PWM linear operation region and the 1 pulse mode operation region.
종래방식의 정현파 PWM 방식에서는 인버터 전압 이용율을 증가시키기 위해 기준 전압의 3차 고조파 추가 기법을 사용하여 기본파 성분이 15.5%까지 증가될 수 있도록 한다. In the conventional sinusoidal PWM method, the fundamental wave component can be increased by 15.5% by using a third harmonic addition technique of the reference voltage to increase the inverter voltage utilization rate.
한편, 종래방식의 공간 벡터 변조 방식에서는 1펄스 모드로 자연스럽게 진입하기 위해 과변조영역을 구분해 1펄스로 진입하는 'Holtz의 기법'이 사용된다. 그런데, 이러한 'Holtz의 기법'은 인버터의 출력 특성이 선형적이지 못하고, 그 출력전압의 고조파 함유율이 큰 문제점이 있다.On the other hand, in the conventional space vector modulation method, 'Holtz' technique 'is used in which the overmodulation area is divided into one pulse to naturally enter the one pulse mode. However, the 'Holtz' technique has a problem in that the output characteristics of the inverter are not linear and the harmonic content of the output voltage is large.
이에, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고 상기와 같은 요구에 부응하기 위하여 제안된 것으로, 그 이루고자 하는 기술적 과제는, 철도차량의 유도전동기용 NPC형 3-레벨 인버터의 과변조 운전을 위해 변조 지수(MI)에 따른 과변조영역I에서의 전압기준벡터와 과변조영역Ⅱ에서의 전압기준벡터를 보상해 출력전압이 선형적으로 제어되도록 하기 위한, 철도차량용 NPC형 3-레벨 인버터의 과변조 제어 방법을 제공하는 것이다.Accordingly, the present invention has been proposed to solve the above problems and to meet the above demands, and the technical problem to be achieved is to modulate for overmodulation operation of an NPC type 3-level inverter for induction motor of a railway vehicle. Overmodulation of NPC type 3-level inverters for railway vehicles to compensate for the voltage reference vector in the overmodulation region I and the voltage reference vector in the overmodulation region II according to the index MI so that the output voltage is linearly controlled. It is to provide a control method.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예에 따른 방법은, 철도차량용 NPC형 3-레벨 인버터의 과변조 제어 방법에 있어서, 변조 지수(MI)에 따라 전압기준벡터 과변조 운전에 관한 과변조영역I과 과변조영역Ⅱ가 설정되되, 상기 과변조영역I에서의 전압기준벡터를 보상하기 위해, 해당 전압기준벡터의 퓨리에 급수를 통해 기본파 성분의 크기로 유도된 레퍼런스 앵글()을 사용하여 π/2마다 선형화된 4가지 영역 상에서 새로운 전압기준벡터를 생성하며, 상기 과변조영역Ⅱ에서의 전압기준벡터를 보상하기 위해, 해당 전압기준벡터의 퓨리에 급수를 통해 기본파 성분의 크기로 유도된 홀딩 앵글()과 실제 전압기준벡터의 페이스 앵글(, )을 사용하여 π/2마다 선형화된 4가지 영역 상에서 새로운 전압기준벡터를 생성하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the method according to an embodiment of the present invention, in the overmodulation control method of the NPC type three-level inverter for railway vehicles, according to the modulation reference (MI) over The modulation region I and the overmodulation region II are set, and in order to compensate the voltage reference vector in the overmodulation region I, a reference angle derived by the magnitude of the fundamental wave component through the Fourier series of the corresponding voltage reference vector ( A new voltage reference vector is generated on four regions linearized every π / 2 using), and to compensate for the voltage reference vector in the overmodulation region II, the Fourier series of the voltage reference vector Size-induced holding angle ( ) And the face angle of the actual voltage reference vector ( , ) Is used to generate a new voltage reference vector on four regions linearized every π / 2.
상기와 같은 본 발명은 철도차량의 유도전동기용 NPC형 3-레벨 인버터의 과변조 운전을 하는데 있어 과변조영역I에서의 전압기준벡터와 과변조영역Ⅱ에서의 전압기준벡터를 정확하게 보상할 수 있는 효과가 있다.As described above, the present invention can accurately compensate the voltage reference vector in the overmodulation region I and the voltage reference vector in the overmodulation region II in the overmodulation operation of the NPC type 3-level inverter for induction motor of a railway vehicle. It works.
또한, 본 발명은 변조 지수(MI)에 따라 인버터 출력전압(상전압의 기본파 성분)을 선형화할 수 있고, 과변조 영역에서의 고조파 노이즈를 최소화하면서도 자연스럽게 PWM 선형운전 영역과 1펄스 모드운전 영역 사이에서 연속적 동작이 가능하도록 하는 효과가 있다.In addition, the present invention can linearize the inverter output voltage (fundamental wave component of the phase voltage) according to the modulation index (MI), while naturally minimizing harmonic noise in the over-modulation region, while PWM linear operation region and one-pulse mode operation region. There is an effect to enable continuous operation in between.
또한, 본 발명은 철도차량의 유도전동기용 NPC형 3-레벨 인버터의 전압 이용률을 가선전압을 증가시키지 않은 상태에서 향상시킬 수 있고, 철도차량 구동 시스템에 본 발명을 적용함으로써 주변압기 및 견인모터의 전기적, 청각적 노이즈를 상당히 감소시킬 수 있고 추진 장치의 크기를 감소시킬 수 있고 아울러 링크전압을 상승시킬 수 있고 부스바 동판의 크기를 줄일 수 있는 효과가 있다.In addition, the present invention can improve the voltage utilization of the NPC three-level inverter for induction motors of railway vehicles without increasing the line voltage, and by applying the present invention to the railway vehicle drive system, The electrical and audio noise can be significantly reduced, the size of the propulsion device can be reduced, the link voltage can be increased, and the size of the busbar copper plate can be reduced.
또한, 본 발명은 철도차량 구동 시스템에 본 발명을 적용함으로써 같은 스위칭 주파수에서의 기존 2-레벨 인버터 대비 소자의 정격용량을 줄일 수 있고 출력전압과 전류의 고조파 성분을 반 이상 줄일 수 있고 스위칭이 유도전동기 권선에 인가되는 전압 스트레스를 줄일 수 있고 각 스위칭소자의 차단전압이 DC-링크 전압의 반이므로 스위칭 시의 급격한 전압변동으로 인한 EMI 노이즈를 줄일 수 있는 효과가 있다.In addition, the present invention can reduce the rated capacity of the device compared to the existing two-level inverter at the same switching frequency, reduce the harmonic components of the output voltage and current by more than half and induce switching by applying the present invention to a railway vehicle drive system. Since the voltage stress applied to the winding of the motor can be reduced and the cutoff voltage of each switching element is half of the DC-link voltage, EMI noise due to the sudden voltage change during switching can be reduced.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.Specific details of other embodiments are included in the detailed description and the drawings.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.Advantages and features of the present invention, and methods for achieving them will be apparent with reference to the embodiments described below in detail in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but may be implemented in various forms. It is provided to fully convey the scope of the invention to those skilled in the art, and the present invention is defined only by the scope of the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout the specification.
비록 제1, 제2 등이 다양한 소자, 구성요소 또는 섹션들을 서술하기 위해서 이용되나, 이들 소자, 구성요소 또는 섹션들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 소자, 구성요소 또는 섹션들을 다른 소자, 구성요소 또는 섹션들과 구별하기 위하여 이용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 소자, 제1 구성요소 또는 제1 섹션은 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 소자, 제2 구성요소 또는 제2 섹션일 수도 있음은 물론이다.Although the first, second, etc. are used to describe various elements, components or sections, these elements, components or sections are of course not limited by these terms. These terms are only used to distinguish one element, component or section from another element, component or section. Therefore, the first device, the first component, or the first section mentioned below may be a second device, a second component, or a second section within the technical spirit of the present invention.
본 명세서에서 이용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 이용되는 "포함한다(comprises)" 또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 그리고, "A 또는 B"는 A, B, A 및 B를 의미한다. 또, 이하 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. In this specification, the singular also includes the plural unless specifically stated otherwise in the phrase. As used herein, the term "comprises" or "comprising" does not exclude the presence or addition of one or more other components, steps, operations or elements. . And "A or B" means A, B, A and B. In addition, like reference numerals refer to like elements throughout the following specification.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 이용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 이용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 이용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다. Unless otherwise defined, all terms (including technical and scientific terms) used in the present specification may be used in a meaning that can be commonly understood by those skilled in the art. In addition, terms defined in a commonly used dictionary are not ideally or excessively interpreted unless they are clearly defined in particular.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명에서는 철도차량 구동 시스템의 (견인)유도전동기의 구동을 위한 과변조영역에서의 NPC형 3-레벨 인버터의 출력전압 선형화 제어 기법을 제시한다. 이를 위해, 본 발명에서는 과변조영역을 변조 지수(MI; Modulation Index)에 따라 과변조영역I 및 과변조영역Ⅱ으로 나누고, 과변조영역I에서의 전압기준벡터를 보상하 는데 있어 해당 전압기준벡터의 퓨리에 급수를 통해 기본파 성분의 크기로 유도된 레퍼런스 앵글(reference angle, )을 사용하여 π/2마다 선형화된 4가지 영역 상에서 새로운 전압기준벡터를 생성하며, 과변조영역Ⅱ에서의 전압기준벡터를 보상하는데 있어 해당 전압기준벡터의 퓨리에 급수를 통해 기본파 성분의 크기로 유도된 홀딩 앵글(holding angle, )과 실제 전압기준벡터의 페이스 앵글(phase angle, , )을 사용하여 π/2마다 선형화된 4가지 영역 상에서 새로운 전압기준벡터를 생성한다. The present invention proposes an output voltage linearization control technique of an NPC type 3-level inverter in an overmodulation region for driving a towing motor of a railroad vehicle driving system. To this end, the present invention divides the overmodulation region into overmodulation region I and overmodulation region II according to a modulation index (MI), and compensates the voltage reference vector in the overmodulation region I accordingly. The reference angle derived from the magnitude of the fundamental wave component through the Fourier series of ) To generate a new voltage reference vector over four regions linearized every π / 2, and to compensate for the voltage reference vector in the overmodulation region II, to obtain the magnitude of the fundamental wave component through the Fourier series of the voltage reference vector. Induced holding angle, ) And the phase angle of the actual voltage reference vector , We generate a new voltage reference vector on four regions linearized every π / 2 using
이렇게 함으로써 본 발명에서는 PWM 선형운전 영역과 1펄스 모드운전 영역 사이에서 연속적 동작[PWM 인버터 출력전압을 1펄스 모드까지 선형적으로 획득]이 가능하도록 한다.By doing so, the present invention enables continuous operation (linear acquisition of the PWM inverter output voltage up to 1 pulse mode) between the PWM linear operation region and the 1 pulse mode operation region.
한편, 본 발명에서는 과변조 기법[과변조영역에서의 출력전압을 선형적으로 제어]으로서 2-레벨 인버터에서 출력 상 전압을 퓨리에 급수로 전개하여 그 기본파를 보상하는 'Lee의 기법'을 NPC형 3-레벨 인버터에 적용한다.On the other hand, in the present invention, as an overmodulation technique (linearly controlling the output voltage in the overmodulation region), the NPC uses the 'Lee's technique', which compensates the fundamental wave by developing the output phase voltage in a Fourier series in a two-level inverter. Applies to type 3-level inverters.
그럼, 이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Then, with reference to the accompanying drawings will be described in detail a preferred embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명이 적용되는 NPC형 3-레벨 인버터에 대한 일실시예 구성도이고, 도 3은 NPC형 3-레벨 인버터의 공간 전압 벡터도이고, 도 4는 NPC형 3-레벨 인버터의 동작 영역도이다.2 is a diagram illustrating an embodiment of an NPC type three-level inverter to which the present invention is applied, FIG. 3 is a space voltage vector diagram of an NPC type three-level inverter, and FIG. 4 is an operation of the NPC type three-level inverter. It is an area diagram.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명이 적용되는 NPC형 3-레벨 인버터는 각 상에 4개의 스위칭소자와 4개의 역병렬 다이오드 및 2개의 브랜치 다이오드를 포함한다. 여기서, 각 상당 스위칭 상태는 스위칭소자의 도통 상태에 따라 +Vdc/2, 0, -Vdc/2의 3가지 상태가 존재하므로 도 3과 같이 NPC형 3-레벨 인버터에는 총 27가지의 스위칭 조합이 가능하다.As shown in Fig. 2, the NPC type 3-level inverter to which the present invention is applied includes four switching elements, four antiparallel diodes, and two branch diodes in each phase. Here, each of the equivalent switching states, there are three states of + V dc / 2, 0, -V dc / 2 according to the conduction state of the switching element, so as to total 27 kinds of switching in the NPC type three-level inverter as shown in FIG. Combination is possible.
상기 NPC형 3-레벨 인버터는 공간 벡터 변조 방식을 이용하며, 입력지령치인 a, b, c상 삼상전압은 d-q 변환을 통해 2차원 평면 상의 전압기준벡터 로 나타낼 수 있다.The NPC type three-level inverter uses a space vector modulation method, and the input reference values a, b, and c phase three phase voltages are converted into voltage reference vectors on a two-dimensional plane through dq conversion. It can be represented as.
다음의 [수학식 1] 내지 [수학식 3]은 변조 지수(MI), 인버터 입력전압 , 전압기준벡터 의 관계를 나타낸다.[Equation 1] to [Equation 3] below is the modulation index (MI), inverter input voltage , Voltage reference vector Indicates a relationship.
도 3에 도시된 NPC형 3-레벨 인버터의 공간 전압 벡터도에 있어, 'A, B, C, D, E, F' 6개의 영역으로 분류하고, 각 영역을 다시 '1, 2, 3, 4' 4개의 영역으로 구분하여 24개의 영역으로 구분할 수 있다.In the spatial voltage vector diagram of the NPC type three-level inverter shown in FIG. 3, 'A, B, C, D, E, F' is classified into six regions, and each region is again represented by '1, 2, 3, 4 'It can be divided into 4 areas and it can be divided into 24 areas.
한편, 철도차량 구동 시스템의 유도전동기가 정격속도에 다다르면 상기 NPC형 3-레벨 인버터는 최대 전압을 출력하기 위해 1펄스 모드로 운전한다. 이에, PWM 선형운전 영역에서 1펄스 모드운전 영역까지 출력전압의 기본파를 선형적으로 제어하기 위해서는 중간영역에 대한 과변조 제어 기법이 요구된다. On the other hand, when the induction motor of the railroad vehicle drive system reaches the rated speed, the NPC type three-level inverter operates in one-pulse mode to output the maximum voltage. Therefore, in order to linearly control the fundamental wave of the output voltage from the PWM linear operation region to the 1 pulse mode operation region, an overmodulation control technique for the intermediate region is required.
따라서, 공간 벡터 변조의 전압 이용율을 개선하기 위해 과변조 기법을 사용하여 새로운 전압기준벡터를 생성하여야 한다.Therefore, in order to improve the voltage utilization of the spatial vector modulation, a new voltage reference vector should be generated using the overmodulation technique.
PWM 선형운전 영역은 전압기준벡터의 동작 영역에 따라 도 4에 도시된 바와 같이 공간 벡터 영역을 선형영역과 과변조영역으로 나눌 수 있다.As shown in FIG. 4, the PWM linear driving region may be divided into a linear region and an overmodulation region according to the operation region of the voltage reference vector.
도 4에 도시된 NPC형 3-레벨 인버터의 동작 영역도에 있어, 전압기준벡터가 벡터도의 외부 육각형의 내접원 안에 존재하는 영역이 선형영역이고, 전압기준벡터가 외부 육각형의 내접원을 벗어나는 부분부터 외부 육각형의 외접원까지의 영역이 과변조영역이다.In the operating region diagram of the NPC type 3-level inverter shown in FIG. 4, the region where the voltage reference vector exists in the inscribed circle of the outer hexagon of the vector diagram is a linear region, and from the portion where the voltage reference vector escapes the inscribed circle of the outer hexagon. The area up to the circumscribed circle of the outer hexagon is an overmodulation area.
특히, 본 발명에 있어 과변조영역에서의 외부 육각형을 벗어나는 전압기준벡터를 보상해 주기 위해 새로운 전압기준벡터를 생성하며, 이러한 전압기준벡터를 생성하는 방식에 따라 과변조영역I 및 과변조영역Ⅱ를 나눈다. In particular, in the present invention, a new voltage reference vector is generated to compensate for the voltage reference vector deviating from the outer hexagon in the overmodulation area, and the overmodulation area I and the overmodulation area II according to the method of generating the voltage reference vector. Divide
즉, 과변조영역I 및 과변조영역Ⅱ는 변조 지수(MI)에 따라 설정되는 것이다.That is, the overmodulation region I and the overmodulation region II are set according to the modulation index MI.
본 발명에 있어 과변조영역I에서는 전압기준벡터의 퓨리에 급수를 통해 기본파 성분의 크기로 유도된 레퍼런스 앵글()을 사용하고, 과변조영역Ⅱ에서는 전압기준벡터의 퓨리에 급수를 통해 기본파 성분의 크기로 유도된 홀딩 앵글()과 실제 전압기준벡터의 페이스 앵글(, )을 사용한다.In the present invention, in the overmodulation region I, the reference angle induced by the magnitude of the fundamental wave component through the Fourier series of the voltage reference vector ( In the overmodulation region II, the holding angle (derived from the Fourier series of the voltage reference vector to the magnitude of the fundamental wave component) ) And the face angle of the actual voltage reference vector ( , ).
그럼, 상기 선형영역에서의 전압기준벡터를 보상하는 과정을 도 5를 참조하여 설명하고, 상기 과변조영역I에서의 전압기준벡터를 보상하는 과정을 도 6을 참조하여 설명하고, 상기 과변조영역Ⅱ에서의 전압기준벡터를 보상하는 과정을 도 7을 참조하여 설명하기로 한다.Next, a process of compensating the voltage reference vector in the linear region will be described with reference to FIG. 5, and a process of compensating the voltage reference vector in the overmodulated region I will be described with reference to FIG. 6. A process of compensating the voltage reference vector in II will be described with reference to FIG. 7.
도 5는 도 4의 A 섹션에서의 전압 벡터도이다.5 is a voltage vector diagram in section A of FIG.
선형영역에서는 전압기준벡터를 변형하지 않고 사용하는데, 공간 벡터 변조 방식에 의해 정현파의 출력전압을 발생시킨다. 앞서 언급한 바와 같이 전압기준벡터의 크기에 따라 선형영역은 선형영역I()과 하이브리드영역()과 선형영역II()로 구분된다.In the linear region, the voltage reference vector is used without modification. The output voltage of the sine wave is generated by the space vector modulation method. As mentioned above, the linear region depends on the magnitude of the voltage reference vector. ) And hybrid zones ( ) And linear domain II ( Separated by).
상기 선형영역I에서는 전압기준벡터가 내부 육각형 사이에서만 동작하며 기존 2-레벨 인버터와 동일하게 선간전압이 3단계로 출력되는 영역이다. 상기 하이브리드영역에서는 전압기준벡터가 내부 육각형 또는 외부 육각형에서 동작하며 내부 육각형에서 동작할 때에는 2-레벨 인버터와 동일하게 선간전압이 3단계로 출력되며 외부 육각형에서 동작할 경우에는 선간전압이 5단계로 출력된다. 상기 선형영역II 에서는 전압기준벡터가 외부 육각형에서만 동작하며 선간전압이 5단계로 출력된다.In the linear region I, the voltage reference vector operates only between the inner hexagons and is the region in which the line voltage is output in three stages as in the conventional two-level inverter. In the hybrid region, the voltage reference vector operates in the inner hexagon or the outer hexagon, and when operating in the inner hexagon, the line voltage is output in three stages as in the two-level inverter. Is output. In the linear region II, the voltage reference vector operates only in the outer hexagon and the line voltage is output in five steps.
본 발명에 있어 상기와 같은 선형영역에서는 전압기준벡터를 추종하는 출력전압벡터를 한 샘플링마다 현재 전압기준벡터가 존재하는 영역에 인접한 3개의 전압벡터들 각각에 대하여 'Ta, Tb, Tc'의 평균인가시간을 적용하여 생성한다.In the linear region as described above, 'T a , T b , T c for each of the three voltage vectors adjacent to the region where the current voltage reference vector exists for each sampling of the output voltage vector following the voltage reference vector It is generated by applying the average application time of '.
상기 선형영역에서의 전압기준벡터를 생성하는 예시로서, 도 5에서 전압기준벡터가 'A 섹션'의 '3 영역'에 위치했을 때 이 전압기준벡터가 위치한 '3 영역'의 꼭지점 전압벡터들에 대해 Ta(POO / ONN), Tb(PON), Tc(PPO / OON)의 평균인가시간을 적용하여 전압기준벡터를 생성한다. 나머지 5개 영역들에 대하여도 동일한 방식이 적용된다.As an example of generating a voltage reference vector in the linear region, when the voltage reference vector is located in '3 region' of 'A section' in FIG. 5, the voltage reference vectors are located at the vertex voltage vectors of '3 region' where the voltage reference vector is located. The voltage reference vector is generated by applying the average application time of T a (POO / ONN), T b (PON), and T c (PPO / OON). The same applies to the remaining five regions.
다음으로, 과변조영역I에서의 전압기준벡터를 보상하는 과정을 도 6을 참조하여 설명하기로 한다.Next, a process of compensating the voltage reference vector in the overmodulation region I will be described with reference to FIG. 6.
도 6은 본 발명에 따른 과변조영역Ⅰ에서의 전압기준벡터를 보상하는 과정을 설명하기 위한 일실시예 설명도로서, 도 6에는 과변조영역I에서 전압기준벡터의 궤적과 상전압 파형이 도시되어 있다.FIG. 6 is an exemplary diagram for explaining a process of compensating a voltage reference vector in an overmodulation region I according to the present invention. FIG. 6 shows a trajectory and a phase voltage waveform of a voltage reference vector in the overmodulation region I. It is.
본 발명에 있어 변조 지수가 이 되면 전압기준벡터가 과변조영역I에서 동작하게 된다.In the present invention, the modulation index In this case, the voltage reference vector operates in the overmodulation region I.
상기 과변조영역I에서는 육각형 외부로 벗어나는 전압기준벡터 를 보상 하기 위하여 보다 승압된 전압기준벡터 를 생성하며, 이 승압된 전압기준벡터 가 벡터도의 내접원일 때부터 육각형의 외접원 사이에 위치할 때까지 동작한다. 도 6에 있어, 세 개의 전압기준벡터의 궤도가 복소평면에서 회전하는 것과 실제 전압기준벡터 을 시변영역에서 표현하였다.In the over-modulation region I, the voltage reference vector is outside the hexagon To compensate More Voltage Reference Vector And the stepped up voltage reference vector It operates until is located between the inscribed circle of the vector diagram and the inscribed circle of the hexagon. In Fig. 6, the trajectories of the three voltage reference vectors rotate in a complex plane and the actual voltage reference vectors. Is expressed in the time-varying region.
특히, 본 발명에서는 과변조영역Ⅰ에서의 승압된 전압기준벡터를 생성하기 위해 전압기준벡터를 π/2마다 선형화된 4가지 영역 상에서 다음의 [수학식 4] 내지 [수학식 10]으로 표현되는 과변조영역I에서의 각 구간별 함수를 사용한다. 여기서, 레퍼런스 앵글()은 정점에서 보상된 전압기준벡터 궤도의 교점까지 측정된 기준각을 의미한다.Particularly, in the present invention, in order to generate a boosted voltage reference vector in the overmodulation region I, the voltage reference vectors are represented by the following Equations 4 to 10 on four regions linearized every π / 2. The function of each section in overmodulation area I is used. Where the reference angle ( ) Is the reference angle measured from the vertex to the intersection of the compensated voltage reference vector trajectory.
상기 [수학식 4] 내지 [수학식 10]에서, 는 인버터 입력전압을, 를, 는 전압기준벡터의 각속도를 각각 나타낸다.In [Equation 4] to [Equation 10], The inverter input voltage, To, Denotes the angular velocity of the voltage reference vector, respectively.
다음으로, 과변조영역Ⅱ에서의 전압기준벡터를 보상하는 과정을 도 7을 참조하여 설명하기로 한다.Next, a process of compensating the voltage reference vector in the overmodulation area II will be described with reference to FIG. 7.
도 7은 본 발명에 따른 과변조영역Ⅱ에서의 전압기준벡터를 보상하는 과정을 설명하기 위한 일실시예 설명도로서, 도 7에는 과변조영역II에서 전압기준벡터의 궤적과 상전압 파형이 도시되어 있다.FIG. 7 is an exemplary explanatory diagram illustrating a process of compensating a voltage reference vector in an overmodulation area II according to the present invention. FIG. 7 shows a trajectory and a phase voltage waveform of a voltage reference vector in the overmodulation area II. It is.
본 발명에 있어 변조 지수가 이 되면 전압기준벡터가 과변조영역Ⅱ에서 동작하게 된다. 예컨대, 가 되면 승압된 전압기준벡터가 벡터도 육각형에 외접하게 되어 전압 손실분을 더 이상 보상해 주지 못하기 때문에 이 영역에 서는 과변조영역I에서 사용한 방식을 사용하지 못한다. 이를 본 발명에서는 과변조영역II라 정의한 것이다.In the present invention, the modulation index In this case, the voltage reference vector operates in the overmodulation region II. for example, Since the boosted voltage reference vector circumscribes the vector in a hexagon and cannot compensate for the voltage loss anymore, the method used in the overmodulation region I cannot be used in this region. This is defined as overmodulation region II in the present invention.
상기 과변조영역II에서는 전압기준벡터 가 시간에 따라 가변할 때 홀딩 앵글() 구간 동안 실제 전압기준벡터 가 각 구간 최고의 전압값을 낼 수 있는 정점에 있게 되고, 나머지 시간을 육각형 면을 따라서 움직인다.In the overmodulation region II, the voltage reference vector Holding angle (when is variable over time) Actual voltage reference vector Is at the peak that can produce the highest voltage for each interval, and moves the rest of the time along the hexagonal plane.
본 발명에서는 과변조영역Ⅱ에서의 전압기준벡터를 생성하기 위해 전압기준벡터를 π/2마다 선형화된 4가지 영역 상에서 다음의 [수학식 11] 내지 [수학식 19]로 표현되는 과변조영역Ⅱ에서의 각 구간별 함수를 사용한다. 여기서, 페이스 앵글(, )은 실제 전압기준벡터 의 위상각을 나타낸다.In the present invention, in order to generate a voltage reference vector in the overmodulation region II, the overmodulation region II represented by the following Equations 11 to 19 on four regions linearized by π / 2. Use the function for each section in. Where the face angle ( , ) Is the actual voltage reference vector Indicates the phase angle of.
상기 [수학식 11] 내지 [수학식 19]에서, 는 인버터 입력전압을, 를, 는 전압기준벡터의 각속도를, , 는 실제 전압기준벡터 의 위상각을 각각 나타낸다.In [Equation 11] to [Equation 19], The inverter input voltage, To, Is the angular velocity of the voltage reference vector, , Is the actual voltage reference vector Each phase angle of is shown.
다음으로, 전술한 바와 같은 본 발명에서 제시하는 알고리즘에 대한 시뮬레 이션 및 그 성능 평가 결과를 도 8 내지 도 17을 참조하여 설명하기로 한다.Next, the simulation and the performance evaluation results of the algorithm proposed in the present invention as described above will be described with reference to FIGS. 8 to 17.
도 8 및 도 9는 본 발명이 적용된 NPC형 3-레벨 인버터의 공간 벡터 과변조 운전 시뮬레이션 블럭도이다.8 and 9 are space vector overmodulation operation simulation block diagrams of the NPC type 3-level inverter to which the present invention is applied.
본 발명의 알고리즘이 적용된 NPC형 3-레벨 인버터의 선형영역 및 과변조영역 운전에 관한 시뮬레이션을 수행하는데 있어, 입력전압은 311[V], 직류 평활용 커패시터는 상하 각각 6,400[uF], 부하는 20[mH] 및 33[uhm]의 3상 R-L 부하로 구성하고, 인버터 제어를 위해 TMS320C33 DSP 보드를 이용하여 샘플링 주파수 4[kHz]에서 제어하였다.In the simulation of the linear region and overmodulation region operation of the NPC type 3-level inverter to which the algorithm of the present invention is applied, the input voltage is 311 [V] and the DC smoothing capacitor is 6,400 [uF], respectively. Three phase RL loads of 20 [mH] and 33 [uhm] were configured and controlled at a sampling frequency of 4 [kHz] using a TMS320C33 DSP board for inverter control.
도 9에 도시된 바와 같이, 출력전압에 대한 3상 입력이 주어지면 d-q 변환을 통하여 3상 입력을 2차원 평면상의 d축과 q축 성분으로 표시된 전압기준벡터 로 나타낸다. 전압기준벡터 의 위치에 따라 전압기준벡터 가 선형영역에 있는지 과변조영역에 있는지를 판별한 후, 전압기준벡터 가 위치한 인접한 3개의 벡터신호에 대한 시간값을 계산하여 스위칭 테이블에 맞추어 스위칭 신호를 인가한다.As shown in Fig. 9, given a three-phase input to the output voltage, the voltage reference vector represented by the d-axis and q-axis components of the two-dimensional plane through the three-phase input through dq conversion. Represented by Voltage reference vector Voltage reference vector depending on the position of The voltage reference vector after determining whether is in the linear or overmodulation region Calculate the time value of three adjacent vector signals where is located and apply the switching signal according to the switching table.
도 10은 선형영역I에서의 선간전압(위) 및 상전류(아래) 시뮬레이션 파형이고, 도 11은 선형영역II에서의 선간전압(위) 및 상전류(아래) 시뮬레이션파형이고, 도 12는 과변조영역I에서의 선간전압(위) 및 상전류(아래) 시뮬레이션 파형이고, 도 13은 과변조영역II에서의 선간전압(위) 및 상전류(아래) 시뮬레이션 파형이고, 도 14는 1펄스 영역에서의 선간전압(위) 및 상전류(아래) 시뮬레이션 파형이다.10 is a simulation waveform of line voltage (top) and phase current (bottom) in linear region I, FIG. 11 is a simulation waveform of line voltage (top) and phase current (bottom) in linear region II, and FIG. 12 is an overmodulation region. Line voltage (top) and phase current (bottom) simulation waveforms in I, FIG. 13 are line voltage (top) and phase current (bottom) simulation waveforms in the overmodulation region II, and FIG. 14: Line voltage in one pulse region. (Top) and phase current (bottom) simulation waveforms.
도 10에 도시된 선간전압 파형 및 상전류 파형은 선형영역I인 인 조건에서의 동작을 보이며, 전압기준벡터의 발생을 내부 육각형 벡터들만으로 구성하고 있어서 선간전압 파형이 2-레벨 인버터와 동일한 형태의 파형을 나타냄을 확인할 수 있다.The line voltage waveform and the phase current waveform shown in FIG. 10 are linear regions I. In this case, the voltage reference vector generates only the internal hexagonal vectors, so the line voltage waveform shows the same waveform as the two-level inverter.
도 11에 도시된 선간전압 파형 및 상전류 파형은 선형영역II인 인 조건에서의 동작을 보이며, 기준전압이 내부 육각형 내접원과 외부 육각형 내접원 사이에서 존재하므로 3-레벨로 동작하여 선간전압 파형이 5단계로 출력되는 특징을 보임을 확인할 수 있다.The line voltage waveform and the phase current waveform shown in FIG. 11 are linear regions II. It shows the operation under the condition that the reference voltage exists between the inner hexagonal inscribed circle and the outer hexagonal inscribed circle, so it can be seen that the line voltage waveform is output in five levels by operating in three-level.
도 12에 도시된 선간전압 파형 및 상전류 파형은 과변조영역Ⅰ인 인 조건에서의 동작을 보이며, 전압기준벡터가 외부 육각형의 외곽선을 따라서 도는 구간에서는 선간전압의 스위칭이 발생하지 않는 것을 확인할 수 있다.The line voltage waveform and the phase current waveform shown in FIG. 12 are overmodulation region I. It shows the operation under the condition of, and it can be seen that the switching of the line voltage does not occur in the section in which the voltage reference vector follows the outline of the outer hexagon.
도 13에 도시된 선간전압 파형 및 상전류 파형은 과변조영역Ⅱ인 인 조건에서의 동작을 보이는데, 홀딩 앵글()이 확장됨에 따라 스위칭이 발생하지 않는 구간이 늘어나다가 인 1펄스 모드에서 전압기준벡터가 외부 육각형 꼭지점만 따라 돌기 때문에 도 14와 같이 선간전압 파형이 1펄스 모드인 구형파 인버터의 경우와 같게 나타남을 확인할 수 있다.The line voltage waveform and the phase current waveform shown in FIG. 13 are overmodulation region II. In the in condition, the holding angle ( ) Expands and the interval where no switching occurs In the 1-pulse mode, since the voltage reference vector rotates along only the outer hexagonal vertex, it can be seen that the line voltage waveform is the same as in the case of the square-wave inverter having the 1-pulse mode as shown in FIG. 14.
도 15 및 도 16은 NPC형 3-레벨 인버터의 과변조 운전에 따른 출력 파형이고[도 16은 도 15의 확대도], 도 17은 기본파를 100으로 정규화한 경우의 고조파 스펙트럼이다.15 and 16 are output waveforms according to overmodulation operation of the NPC type three-level inverter (FIG. 16 is an enlarged view of FIG. 15), and FIG. 17 is a harmonic spectrum when the fundamental wave is normalized to 100. FIG.
도 15 및 도 16에 도시된 바와 같이, 변조 지수(MI)가 '0'부터 '1'까지 변화할 때 출력 상전압의 기본파 성분의 값이 변조 지수(MI)에 비례하여 선형적으로 변화하는 것을 확인할 수 있다.15 and 16, when the modulation index MI changes from '0' to '1', the value of the fundamental wave component of the output phase voltage changes linearly in proportion to the modulation index MI. You can see that.
도 17에는 선형영역과 과변조영역으로 동작하기 위하여 변조 지수(MI)를 변동시킴에 따라 출력전압의 고조파 성분에 미치는 영향을 분석한 결과를 보이는데, 변조 지수(MI)를 증가시켜서 선형영역(MI=0.9), 과변조영역Ⅰ(MI=0.94), 과변조영역Ⅱ(MI=0.97), 1펄스 모드 영역(MI=1.0)에서 동작할 때 각 차수의 고조파가 점점 증가됨을 확인할 수 있다.FIG. 17 shows the result of analyzing the influence on the harmonic components of the output voltage as the modulation index MI is changed to operate in the linear region and the overmodulation region. The linear index MI is increased by increasing the modulation index MI. = 0.9), over-modulation region I (MI = 0.94), over-modulation region II (MI = 0.97), and 1-pulse mode region (MI = 1.0).
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해되어야만 한다.Although the embodiments of the present invention have been described above with reference to the accompanying drawings, those skilled in the art to which the present invention belongs may be embodied in other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. You will understand that. Therefore, the embodiments described above are to be understood in all respects as illustrative and not restrictive.
도 1은 철도차량의 유도전동기의 속도/토크 곡선.1 is a speed / torque curve of the induction motor of the railway vehicle.
도 2는 본 발명이 적용되는 NPC형 3-레벨 인버터에 대한 일실시예 구성도.Figure 2 is an embodiment configuration for an NPC type three-level inverter to which the present invention is applied.
도 3은 NPC형 3-레벨 인버터의 공간 전압 벡터도.3 is a space voltage vector diagram of an NPC type three-level inverter.
도 4는 NPC형 3-레벨 인버터의 동작 영역도.4 is an operation region diagram of an NPC type three-level inverter.
도 5는 도 4의 A 섹션에서의 전압 벡터도.5 is a voltage vector diagram in section A of FIG.
도 6은 본 발명에 따른 과변조영역Ⅰ에서의 전압기준벡터를 보상하는 과정을 설명하기 위한 일실시예 설명도(과변조영역I에서 전압기준벡터의 궤적과 상전압 파형).FIG. 6 is an exemplary diagram for explaining a process of compensating a voltage reference vector in the overmodulation region I according to the present invention (trajectory and phase voltage waveform of the voltage reference vector in the overmodulation region I).
도 7은 본 발명에 따른 과변조영역Ⅱ에서의 전압기준벡터를 보상하는 과정을 설명하기 위한 일실시예 설명도(과변조영역II에서 전압기준벡터의 궤적과 상전압 파형).FIG. 7 is an exemplary explanatory diagram for explaining a process of compensating a voltage reference vector in the overmodulation area II according to the present invention (trajectory and phase voltage waveform of the voltage reference vector in the overmodulation area II). FIG.
도 8 및 도 9는 본 발명이 적용된 NPC형 3-레벨 인버터의 공간 벡터 과변조 운전 시뮬레이션 블럭도.8 and 9 are spatial vector overmodulation operation simulation block diagram of the NPC type three-level inverter to which the present invention is applied.
도 10은 선형영역I에서의 선간전압(위) 및 상전류(아래) 시뮬레이션 파형.10 is a simulation waveform of line voltage (top) and phase current (bottom) in the linear region I;
도 11은 선형영역II에서의 선간전압(위) 및 상전류(아래) 시뮬레이션파형.11 is a simulation waveform of line voltage (top) and phase current (bottom) in the linear region II.
도 12는 과변조영역I에서의 선간전압(위) 및 상전류(아래) 시뮬레이션 파형.12 is a simulation waveform of line voltage (top) and phase current (bottom) in the overmodulation region I;
도 13은 과변조영역II에서의 선간전압(위) 및 상전류(아래) 시뮬레이션 파형.Fig. 13 is a simulation waveform of line voltage (top) and phase current (bottom) in overmodulation area II.
도 14는 1펄스 영역에서의 선간전압(위) 및 상전류(아래) 시뮬레이션 파형.Fig. 14 is a simulation waveform of line voltage (top) and phase current (bottom) in one pulse region.
도 15 및 도 16은 NPC형 3-레벨 인버터의 과변조 운전에 따른 출력 파형.15 and 16 are output waveforms according to overmodulation operation of an NPC type three-level inverter.
도 17은 기본파를 100으로 정규화한 경우의 고조파 스펙트럼.17 is a harmonic spectrum when the normal wave is normalized to 100. FIG.
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Legal Events
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A201 | Request for examination | ||
E902 | Notification of reason for refusal | ||
E601 | Decision to refuse application |