KR20100059064A - 고속전철용 ｐｗｍ 컨버터의 전원전압 위상 검출장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고속전철용 PWM 컨버터의 전원전압 위상 검출장치에 관한 것으로서, 특히 입력전압(v_in)에 대해 입력전압과 크기는 같으면서 위상이 90°뒤지는 전압을 발생시키는 발생시키는 2상전압 발생기와; 상기 2상 전압 발생기에서 출력되는 전압을 동기좌표계로 변환시키는 좌표계 변환부와; 동기좌표계로 변환된 2개의 전압을 저대역에 대해 필터링하여 노이즈를 제거하여 추정오차를 구하는 로우패스필터와; 노이즈가 제거된 2개의 전압을 PI제어하는 PI제어기와; PI제어기의 출력값에 주파수 설정치(w_set)에 샘플링타임(T_s)을 곱한 값을 더하여 추정위상각을 검출하는 혼합기; 로 구성한 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 입력전압을 2상의 전압으로 변환한 후 좌표계를 동기좌표계로 변환시켜 보다 신속하게 입력전압의 위상을 추정할 수 있고, 순시적인 위상도 빠르고 정확하게 검출할 수 있는 효과를 기대할 수 있다.

고속전철, 컨버터, 전원전압, 위상검출, 2상 전압발생기, 좌표변환,

Description

고속전철용 ＰＷＭ 컨버터의 전원전압 위상 검출장치{Phase Locked Logic Device of High Speed Subway PWM Converter}

본 발명은 고속전철용 PWM 컨버터의 전원전압 위상 검출장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 위상의 검출속도가 빠르고 순시적인 위상도 신속하게 검출할 수 있도록 한 고속전철용 PWM 컨버터의 전원전압 위상 검출장치에 관한 것이다.

고속전철용 추진제어장치는 도 1에 도시된 바와같이 가선으로부터 공급된 AC25000V를 주변압기(1)를 통해 감소된 AC 1400V를 컨버터(2)로 공급하고, 컨버터(2)는 주변압기(1)로 부터 입력된 AC 1400V을 DC2800V로 변환하여 인버터(3)부의 입력으로 공급한다.

인버터(3)는 DC2800V를 AC 0~2183V로 변환하여 열차 운행 속도와 운전 지령에 따라 가변하여 견인전동기(4)에 공급하게 된다.

도 1에 도시된 바와같이 인버터(3)는 동시에 2개의 견인전동기에 전원을 공급하여 추진 및 전기 제동의 기능을 수행한다.

역행/회생시 컨버터(2)는 DC링크 전압을 2800V 로 일정하게 제어하면서 입력전압과 동일한 위상으로 역율제어를 수행해야 한다.

역율제어를 수행하기 위하여 전원전압의 위상을 검출해야만 하며, 본 발명은 그 전원전압의 위상을 검출하는 것에 관한 것이다.

전원전압의 위상을 검출하는 종래의 방법은 도 2에 도시된 바와같이 입력전압(v_in)을 샘플링하여 현재값과 과거값을 곱셈 연산하여 영점을 검출한다.

이때, 영점 검출값이 0 보다 크면 위상이 0인 경우이고 영점 검출값이 0 보다 작으면 위상이 π인 경우이다.

그러나, 이러한 영점검출방식의 종래기술은 노이즈에 민감한 문제점이 있었다.

즉, 입력전압에 노이즈가 유입되어 영점을 여러번 지나게 되면 계통전압의 위상검출에 오류가 발생하게되고, 또한 영점에서만 위상을 검출하기 때문에 추정속도가 매우 느리며, 순시적인 위상을 검출할 수 없는 문제점이 발생하고 있었다.

상기 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 입력전압을 2상의 전압으로 변환한 후 좌표계를 동기좌표계로 변환시켜 보다 신속하게 입력전압의 위상을 추정할 수 있고, 순시적인 위상도 빠르고 정확하게 검출할 수 있도록 한 고속전철용 PWM 컨버터의 전원전압 위상 검출장치를 제공함을 목적으로 한다.

상기 목적달성을 위한 본 발명은 입력전압(v_in)에 대해 입력전압과 크기는 같으면서 위상이 90°뒤지는 전압을 발생시키는 2상전압 발생기와; 상기 2상 전압 발생기에서 출력되는 입력전압과 샘플링전압을 동기좌표계로 변환시키는 좌표계 변환부와; 동기좌표계로 변환된 2개의 전압을 저대역에 대해 필터링하여 노이즈를 제거하여 추정오차를 구하는 로우패스필터와; 노이즈가 제거된 2개의 전압을 PI제어하는 PI제어기와; PI제어기의 출력값에 주파수 설정치(w_set)에 샘플링타임(T_s)을 곱한 값을 더하여 추정위상각을 검출하는 혼합기; 로 구성한 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 입력전압을 2상의 전압으로 변환한 후 좌표계를 동기좌표계로 변환시켜 보다 신속하게 입력전압의 위상을 추정할 수 있고, 순시적인 위상도 빠르고 정확하게 검출할 수 있는 효과를 기대할 수 있다.

이하, 첨부된 도면 도 3 내지 도 5 를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.

본 발명을 설명함에 있어서 정의되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의 내려진 것으로, 본 발명의 기술적 구성요소를 한정하는 의미로 이해되어서는 아니 될 것이다.

상기 도면에 의하면, 본 발명은, 입력전압(vin)에 대해 입력전압과 크기는 같으면서 위상이 90°뒤지는 전압을 발생시키는 2상전압 발생기(10); 상기 2상 전압 발생기(10)에서 출력되는 전압을 동기좌표계로 변환시키는 좌표계 변환부(11); 동기좌표계로 변환된 2개의 전압을 저대역에 대해 필터링하여 노이즈를 제거하여 추정오차를 구하는 로우패스필터(12); 노이즈가 제거된 2개의 전압을 PI제어하는 PI제어기(13); PI제어기(13)의 출력값에 주파수 설정치(wset)에 샘플링타임(Ts)을 곱한 값을 더하여 추정위상각(θ')을 검출하는 혼합기(14); 로 구성한다.

그리고, 상기 2상 전압 발생기(10)는 입력전압(vin)을 APF(올패스필터:All Pass Filter)에 통과시켜 입력전압과 크기는 같으면서 위상이 90°뒤지는 전압을 발생시키는 것을 특징으로 한다.

이와같이 구성되는 본 발명의 동작을 설명하면 다음과 같다.

우선, 입력전압(v_in)이 2상 전압발생기(10)를 통과하면, 입력전압(v_in)과 그 입력전압에 대해 위상이 90°뒤진 전압이 발생되어 2개의 전압이 출력된다.

상기 2상 전압발생기(10)는 도 4 에 도시된 바와같이 APF(10)로서 구현되는 데, 입력전압(v_in)이 APF(10)를 통과하게되면 입력전압(v_in)과 동일한 위상과 크기의 제 1 전압(V_dss)과 입력전압(v_in)에 대해 위상이 90°뒤진 제 2 전압(V_qss)이 생성되어 출력된다.

즉, 상기 제 1 전압(V_dss)은 입력전압(v_in)에 대응하는 것이고, 상기 제 2 전압(V_qss)은 90°뒤진 전압에 대응되는 것이며, 이하 설명에서는 제 1 전압(V_dss)과 제 2 전압(V_qss)으로 설명한다.

상기 2상 전압 발생기(10)의 동작을 수식으로 설명하면, 입력전압이 다음과 같이 주어졌을때,

vin = Ecos(wt) = Ecos(θ)--- 식 1

위상차가 π/2 인 다음과 같은 제 1 전압(V_dss)과 제 2 전압(V_qss)이 2상 전압 발생기(10)에서 발생된다.

V_dss = Ecos(θ) --- 식 2

V_qss = Esin(θ) --- 식 3

상기 식2 와 식3 과 같은 제 1 전압(V_dss)과 제 2 전압(V_qss)이 2상 전압 발생기(10)에서 발생되면, 좌표계변환부(11)는 그 제 1 전압과 제 2 전압을 식4 와 식5 와 같이 동기좌표계로 변환시킨다.

v_dse = v_dsscosθ' + v_qsssinθ --- 식 4

v_qse = -v_dsssinθ' + v_qsscosθ' --- 식 5

이때, V_dss = Ecos(θ)이고, V_qss = Esin(θ) 이므로, θ' 와 θ 의 오차가 작을 경우

v_dse = Ecos(θ'-θ)≒E --- 식 6

v_qse = Esin(θ-θ')≒E(θ-θ') --- 식 7

로 근사화 할 수 있다.

즉, v_dse 는 입력전압의 진폭을 나타내고, v_qse는 추정 위상 오차를 표현한다.

상기 식6 및 식7 과 같이 동기좌표계로 변환된 제 1 전압(V_dse)과 제 2 전압(V_qse)을 노이즈가 포함된 경우를 고려하여 로우패스필터(12)에 통과시키면 필터링된 추정오차 v_qse-f 를 구할 수 있게된다.

상기 로우패스필터(12)에서 구해진 추정오차를 PI제어기(13)에서 PI제어하여 혼합기(14)로 출력하고, 상기 혼합기(14)는 PI제어기(13)의 출력값에 주파수 설정치 w_set에 샘플링타임 T_s를 곱한 값을 더하여 줌으로서 비로서 추정 위상각 θ'가 검출되는 것이다.

본 발명에 의한 위상각 추정방법을 검증하기 위하여 도 5 와같이 시뮬레이션을 실시하였다.

도 5는 전원전압과 90°위상이 뒤진 v_dss, v_qss를 동기좌표계와 PI제어기를 사 용하여 검출된 위상각에 대하여 나타낸 것이다.

결론적으로 APF를 사용하여 90°뒤진 2상 검출기와 동기좌표계와 PI제어기를 사용한 본 발명의 위상검출방식이 타당함을 확인 할 수 있었다.

도 1은 고속전철용 추진제어장치를 보인 블럭도.

도 2는 종래 위상검출방법을 설명하기 위한 순서도.

도 3은 본 발명의 전원전압 위상 검출장치를 보인 블럭도.

도 4는 본 발명에 적용된 2상 전압발생기를 보인 도면.

도 5는 본 발명의 결과를 확인하기 위해 실시한 시뮬레이션 결과를 보인 도면.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

10: 2상 전압 발생기, 11: 좌표계 변환부,

12: 로우패스필터, 13: PI제어기,

14: 혼합기,

Claims (2)

1. 입력전압에 대해 입력전압과 크기는 같으면서 위상이 일정각도 뒤지는 전압을 발생시키는 2상전압 발생기;

   상기 2상 전압 발생기에서 출력되는 전압을 동기좌표계로 변환시키는 좌표계 변환부;

   동기좌표계로 변환된 2개의 전압을 저대역에 대해 필터링하여 노이즈를 제거하여 추정오차를 구하는 로우패스필터;

   노이즈가 제거된 2개의 전압을 PI제어하는 PI제어기; 및,

   상기 PI제어기의 출력값에 주파수 설정치에 샘플링타임을 곱한 값을 더하여 추정위상각을 검출하는 혼합기; 를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는 고속전철용 PWM 컨버터의 전원전압 위상 검출장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 2상 전압 발생기는 입력전압을 APF(All Pass Filter)에 통과시켜 입력전압과 크기는 같으면서 위상이 일정각도 뒤지는 샘플링전압을 발생시키는 것을 특징으로 하는 고속전철용 PWM 컨버터의 전원전압 위상 검출장치.

Images