KR20110031551A - 단상 에스알엠 구동을 위한 능동 부스트 전력 컨버터 - Google Patents

단상 에스알엠 구동을 위한 능동 부스트 전력 컨버터 Download PDF

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KR20110031551A
KR20110031551A KR1020090088854A KR20090088854A KR20110031551A KR 20110031551 A KR20110031551 A KR 20110031551A KR 1020090088854 A KR1020090088854 A KR 1020090088854A KR 20090088854 A KR20090088854 A KR 20090088854A KR 20110031551 A KR20110031551 A KR 20110031551A
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Jianing Liang
이동희
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Abstract

본 발명은 여자모드에서 여자전류를 빠르게 확립하고, 감자모드에서는 테일 전류와 부토크를 줄일 수 있는 단상 에스알엠 구동을 위한 능동 부스트 전력 컨버터에 관한 것으로, 교류전원을 정류하는 정류부에 연결된 부스트부와 상기 부스트부에 연결된 컨버터부를 포함하고, 상기 부스트부는 제 1 및 제 2캐패시터, 제 1 및 제 2다이오드 및 상기 제 1 및 제 2캐패시터를 직렬 또는 병렬로 연결하도록 턴-온/오프 되는 스위치 소자를 포함하며, 상기 스위치 소자는 능동 스위치 소자인 절연 게이트 양극성 트랜지스터이고, 상기 스위치 소자는 상기 스위치 소자가 턴-오프 된 상태에서 상기 제 2 및 제 1캐패시터를 직렬로 연결하는 제 3다이오드를 더 포함하고, 상기 전력 컨버터는 제 1 및 제 2입력모드와 제 1 및 제 2출력모드로 동작하는 구성을 마련한다.
상기와 같은 단상 에스알엠 구동을 위한 능동 부스트 전력 컨버터를 이용하는 것에 의해, 제 1캐패시터의 전압을 dc-링크 전압과 동일하게 만들어 주고, IGBT의 간단한 제어를 통해 제 1 및 제 2캐패시터를 병렬과 직렬로 동작하도록 제어함에 따라 여자모드에서는 높은 여자전압을 인가하여 여자전류를 빠르게 확립하고, 감자모드에서는 높은 감자전압을 인가하여 테일 전류와 부토크를 줄일 수 있다.
에스알엠, 부스트 컨버터, IGBT, 능동 스위치

Description

단상 에스알엠 구동을 위한 능동 부스트 전력 컨버터{ACTIVE BOOST POWER CONVERTER FOR SINGLE PHASE SINGLE-PHASE SRM}
본 발명은 스위치드 릴럭턴스 전동기(Switched Reluctance Motor, 이하 '에스알엠'이라 함) 구동장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 에스알엠의 고속 구동시 구동 특성을 향상시키는 단상 에스알엠 구동을 위한 능동 부스트 전력 컨버터에 관한 것이다.
에스알엠은 기계적 구조가 간단하고, 제작비용이 저렴하여 넓은 산업 응용분야에서 연구되고 있다. 또한, 에스알엠은 기구적으로 강인하고 넓은 속도 범위에서 운전이 용이하며 높은 출력비를 가지고 있어 고속 운전을 수행할 수 있는 장점을 가진다.
한편, 에스알엠의 고속 구동을 위해 4-레벨 컨버터가 제안되었다.
도 1a 내지 도 1d에는 종래의 에스알엠 구동장치에 적용된 4-레벨 컨버터의 동작모드를 예시하는 상세 회로도가 도시되어 있다.
이들 도면을 살펴보면, 4-레벨 컨버터는 상기 비대칭 브리지 컨버터와 비교 하여, 부스트 캐패시터(CCD), 파워 스위치(QCD), 다이오드(DCD)를 추가로 구비한다. 상기 부스트 캐패시터(CCD)와 캐패시터(CDC)는 직렬 연결되고, 상 스위치의 턴-오프 상태 동안 자계에너지를 저장한다. 이때, 상기 부스트 캐패시터(CCD)에 회생에너지의 일부분이 저장됨에 따라 추가된 부스트 전압이 확립된다.
도 1a 내지 도 1d에 도시된 바와 같이, 4-레벨 컨버터는 빠른 여자모드, 여자모드, 휠링모드, 빠른 감자모드로 구성된 4가지 동작모드를 가진다. 도 2a에 도시된 빠른 여자모드의 경우, 선행각을 줄이기 위해 두 캐패시터(CCD, CDC)의 중첩된 전압은 빠르게 여자 전류를 확립한다. 그리고, 도 1d에 도시된 빠른 감자모드의 경우, 중첩된 전압은 빠른 감자 전류를 발생시켜 부토크와 테일 전류를 줄임으로써, 에스알엠의 동특성을 향상시킨다.
하지만, 상기 4-레벨 컨버터는 상기 부스트 캐패시터(CCD)에 저장된 에너지를 빠른 여자모드에서만 방전한다. 이는 낮은 속도에서 구동시 전류 리플이 커지는 원인이 된다. 또한, 상기 4-레벨 컨버터는 부스트 전압을 제어하기 위한 전압 검출회로와 안정된 전압을 유지하기 위한 복잡한 부스트 제어기법 및 추가회로를 더 구비해야만 하는 문제점이 있었다.
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 에스알엠의 고속 구동시 여자모드에서 여자전류를 빠르게 확립하고, 감자모드에서는 테일 전류와 부토크를 줄일 수 있는 단상 에스알엠 구동을 위한 능동 부스트 전력 컨버터를 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 교류전원을 정류하는 정류부에 연결된 부스트부와 상기 부스트부에 연결된 컨버터부를 포함하고, 상기 부스트부는 제 1 및 제 2캐패시터, 제 1 및 제 2다이오드 및 상기 제 1 및 제 2캐패시터를 직렬 또는 병렬로 연결하도록 턴-온/오프 되는 스위치 소자를 포함한다.
상기 스위치 소자는 능동 스위치 소자인 절연 게이트 양극성 트랜지스터인 것을 특징으로 한다.
상기 스위치 소자는 상기 스위치 소자가 턴-오프 된 상태에서 상기 제 2 및 제 1캐패시터를 직렬로 연결하는 제 3다이오드를 더 포함하고, 상기 전력컨버터는 제 1 및 제 2입력모드와 제 1 및 제 2출력모드로 동작하는 것을 특징으로 한다.
상기 제 1입력모드에서 제 1캐패시터는 제 1구간을 통해 충전하고, 상기 제 2입력모드에서 제 2다이오드는 턴-온 되고, 상기 제 1 및 제 2캐패시터는 직렬 연 결되어 입력전류를 충전하며, 상기 제 2구간에는 중첩된 전압이 입력되는 것을 특징으로 한다.
상기 제 1출력모드에서 제 1 및 제 2캐패시터와 제 1 및 제 2다이오드는 서로 병렬로 연결된 두 개의 독립된 전압원으로 동작하고, 상기 제 2구간의 출력전압은 상기 두 개의 독립된 전압원의 최대 전압과 동일하며, 상기 제 2출력모드에서 제 1 및 제 2캐패시터는 상기 스위치 소자가 턴-온 되어 직렬 연결되고, 상기 제 2구간의 출력전압은 중첩되는 것을 특징으로 한다.
상기 스위치 소자의 턴-오프 상태에서 상기 컨버터부가 여자모드로 동작하고 제 1 및 제 2캐패시터가 병렬로 연결된 경우, 상전압은 상기 제 1 및 제 2캐패시터 전압 중에서 전압레벨이 높은 전압에 의해 결정되는 것을 특징으로 한다.
상기 스위치 소자의 턴-오프 상태에서 상기 컨버터부가 감자모드로 동작하고 제 1 및 제 2캐패시터가 직렬로 연결된 경우, 상권선에 걸리는 전압은 여자모드에서 dc-링크 전압이고 감자모드에서는 상기 dc-링크 전압의 2배인 것을 특징으로 한다.
상기 제 1 및 제 2캐패시터는 상기 스위치 소자가 턴-온 되면 직렬로 연결되어 동작하고, 상기 제 2구간의 중첩된 전압은 빠른 여자 전류를 생성하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 부스트부를 추가하여 제 1캐패시터의 전압을 dc-링크 전압과 동일하게 만들어 주고, IGBT의 간단한 제어를 통해 제 1 및 제 2캐패시터를 병렬과 직렬로 동작하도록 제어함에 따라 여자모드에서는 높은 여자전압을 인가하여 여자전류를 빠르게 확립하고, 감자모드에서는 높은 감자전압을 인가하여 테일 전류와 부토크를 줄일 수 있다. 이에 따라, 본 발명은 에스알엠의 토크 특성을 개선할 수 있고, 출력을 향상시켜 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.
즉 본 발명에 따르면, 감자구간의 빠른 감자를 통한 효율 향상 및 토크특성개선과 여자구간에서 높은 여자전류를 인가함으로써 빠른 응답특성을 구현할 수 있다는 효과가 얻어진다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 단상 에스알엠 구동장치를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 2에는 본 발명의 바람직한 실시 예에 의한 에스알엠 구동장치의 구성이 상세 회로도로 도시되어 있다.
본 실시 예에서는 예를 들어 단상(single phase) 교류전원을 공급하여 에스알엠을 구동하는 단상 에스알엠 구동장치를 이용하여 설명한다.
본 발명에 의한 에스알엠 구동장치(10)는 단상 교류전원을 공급하는 전원부(11), 브리지 정류회로로 구성되고 전원부(11)에서 공급된 전원을 평활화하는 정류부(12), 상기 정류부(12)에 연결되는 부스트부(13), 비대칭 브리지 컨버터를 이용해 구성되는 컨버터부(14) 및 에스알엠(15)을 포함한다.
상기 부스트부(13)는 제 1 및 제 2캐패시터(C1, C2), 제 1 및 제 3다이오드(D1, D3), 한 개의 절연 게이트 양극성 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor, 이하 'IGBT'라 함)(Q1)로 구성된다. 상기 제 1 및 제 2캐패시터(C1, C2)는 서로 병렬로 연결되도록 각각 제 1구간(ab)과 제 2구간(cd)에 구비된다. 상기 제 1다이오드(D1)는 노드(a)와 노드(c) 사이에 구비되며, 상기 제 3다이오드(D2)는 애노드단이 노드(d)에 연결되고, 캐소드단이 상기 제 2캐패시터(C2)와 연결된다. 상기 IGBT(Q1)는 제 1구간(ab)와 제 2구간(cd) 사이에 연결된다. 상기 IGBT(Q1)가 턴-온 되면 상기 제 1 및 제 2커패시터(C1, C2)는 직렬 연결되고, 상기 IGBT(Q2)가 턴-오프 되면 상기 제 1 및 제 2커패시터(C1, C2)는 병렬로 연결된다. 또한, 상기 부스트부(13)는 상기 IGBT(Q1)가 턴-오프 된 상태에서 제 2구간(cd)를 통해 인가된 전원이 흐르도록 상기 IGBT(Q1)의 에미터단과 컬렉터단 사이에 제 2다이오드(D2)를 더 구비한다.
이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명의 바람직한 실시 예에 의한 에스알엠 구동장치의 작용을 도 3a 내지 도 3d 및 도 4a 내지 도 4f를 참조하여 설명한다.
도 3a 내지 도 3d에는 도 2에 도시된 부스트부의 동작모드를 예시하는 상세 회로도가 도시되어 있고, 도 4a 내지 도 4f에는 도 2에 도시된 부스트부 및 컨버터부의 동작모드를 예시하는 상세 회로도가 도시되어 있다.
먼저, 도 3a 내지 도 3d를 참조하여 부스트부(13)의 동작모드를 상세하게 설명한다.
이들 도면에 도시된 바와 같이, 부스트부(13)의 동작모드는 제 1 및 제 2입력모드와 제 1 및 제 2출력모드를 포함한다.
도 3a에 도시된 제 1입력모드에서 제 1캐패시터(C1)는 제 1구간(ab)을 통해 전원부(11)에서 공급되는 에너지를 충전한다. 이때, 제 1커패시터(C1)의 전압은 전원부(11)로부터 공급되어 정류부(12)로부터 정류된 전원과 거의 동일하게 유지된다.
도 3b에 도시된 제 2입력모드에서 에너지가 제 2구간(cd)을 통해 입력됨에 따라 제 2다이오드(D2)가 턴-온 된다. 이에 따라, 제 1 및 제 2캐패시터(C1, C2)가 직렬 연결되어 입력전류를 충전하고, 제 2구간(cd)에는 중첩된 전압이 입력된다.
도 3c에 도시된 제 1출력모드에서 제 1 및 제 2캐패시터(C1, C2)와 제 1 및 제 3다이오드(D1, D2)는 서로 병렬로 연결된 두 개의 독립된 전압원으로 구성되고, 제 2구간(cd)의 출력전압은 독립된 전압원의 최대 전압과 같다.
도 3d에 도시된 제 2출력모드에서 IGBT(Q1)가 턴-온 되면서 제 1 및 제 2캐패시터(C1, C2)는 직렬 연결되고, 제 2구간(cd)의 출력전압은 중첩된다.
이어, 도 4a 내지 도 4f를 참조하여 에스알엠 구동장치(10)의 동작모드를 상세하게 설명한다.
이들 도면에 도시된 바와 같이, 에스알엠 구동장치(10)의 동작모드는 제 1캐패시터 여자모드, 제 2캐패시터 여자모드, 제 1 및 제 2캐패시터 여자모드, 빠른 여자모드, 휠링모드, 빠른 감자모드의 6가지 동작모드를 포함한다.
IGBT(Q1)가 턴-오프 상태인 경우, 도 4c에 도시된 바와 같이 컨버터부(14)는 여자모드로 동작되고, 제 1 및 제 2캐패시터(C1, C2)는 병렬로 연결된다. 이때, 상전압은 제 1 및 제 2캐패시터(C1, C2) 전압 중에서 전압레벨이 높은 전압에 의존한다. 그리고, 도 4f에 도시된 바와 같은 감자모드의 경우, 제 1 및 제 2캐패시터(C1, C2)는 직렬로 연결된다. 이에 따라, 에스알엠(15)의 상권선에는 여자모드에서 dc-링크 전압이 걸리고, 감자모드에서는 dc-링크 전압의 2배가 걸린다.
반면, IGBT(Q1)가 턴-온 상태인 경우, 도 4d에 도시된 바와 같이 제 1 및 제 2캐패시터(C1, C2)는 직렬로 연결되어 동작하고, 중첩된 전압은 빠른 여자 전류를 생성한다.
이에 따라, 본 발명은 감자구간에서 빠른 감자를 통해 에스알엠의 효율을 향상시키고, 토크 특성을 개선할 수 있다. 또한 여가구간에서 높은 여자전류를 인가함으로써, 빠른 응답특성을 구현할 수 있다.
도 5에는 도 2에 도시된 에스알엠의 인덕턴스 프로파일이 예시된 그래프가 도시되어 있다. 도 5에 도시된 프로파일은 본 발명의 에스알엠 구동장치(10)의 특성을 증명하기 위해 매트랩/시뮬링크(Matlab/Simulink)를 사용하여 시뮬레이션을 수행한 결과이다.
도 6a에는 비대칭 브리지 컨버터만이 적용된 에스알엠 구동장치의 시뮬레이션 결과를 예시하는 그래프가 도시되어 있고, 도 6b 및 도 6c에는 IGBT가 적용된 에스알엠 구동장치의 시뮬레이션 결과가 IGBT의 오프 상태 및 온 상태를 구분하여 예시하는 그래프가 각각 도시되어 있다.
또 도 7에는 도 6a 내지 도 6c에 도시된 에스알엠 구동장치의 자속 및 전류 궤적을 예시하는 그래프가 도시되어 있다.
이들 도면에 도시된 시뮬레이션 결과를 살펴보면, IGBT(Q1)가 턴-오프 상태인 경우, 에스알엠 구동장치(10)의 높은 감자전압으로 인해 테일 전류와 부토크가 감소된다. 반면, IGBT(Q1)가 턴-온 상태일 때, 제 1 및 제 2캐패시터(C1, C2)는 직렬 연결되어 동작함에 따라 2배의 dc-링크 전압이 상권선에 인가되면서 전류가 빠르게 확립된다. 그리고 동일한 턴-온 각과 턴-오프 각에서 에스알엠(15)의 출력이 증가한다.
이와 같이 부스트부(13)를 통해 증가된 출력은 도 7에 도시된 자속-전류 궤적의 증가한 영역을 통해 확인할 수 있듯이, 비대칭 브리지 컨버터만이 적용된 에스알엠 구동장치에서의 출력보다 2배가 된다.
상기한 바와 같은 과정을 통하여, 본 발명은 부스트부를 추가하여 제 1캐패시터의 전압을 dc-링크 전압과 동일하게 만들어 주고, IGBT의 간단한 제어를 통해 제 1 및 제 2캐패시터를 병렬과 직렬로 동작하도록 제어함에 따라 여자모드에서는 높은 여자전압을 인가하여 여자전류를 빠르게 확립하고, 감자모드에서는 높은 감자전압을 인가하여 테일 전류와 부토크를 줄일 수 있다.
본 발명의 권리범위는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.
도 1a 내지 도 1d는 종래의 에스알엠 구동장치에 적용된 4-레벨 컨버터의 동작모드를 예시하는 상세 회로도.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 의한 에스알엠 구동장치의 구성을 보인 상세 회로도.
도 3a 내지 도 3d는 도 2에 도시된 부스트부의 동작모드를 예시하는 상세 회로도.
도 4a 내지 도 4f는 도 2에 도시된 부스트부 및 컨버터부의 동작모드를 예시하는 상세 회로도.
도 5는 도 2에 도시된 에스알엠의 인덕턴스 프로파일이 예시된 그래프.
도 6a는 비대칭 브리지 컨버터만이 적용된 에스알엠 구동장치의 시뮬레이션 결과를 예시하는 그래프.
도 6b 및 도 6c는 부스트부가 적용된 에스알엠 구동장치의 시뮬레이션 결과를 IGBT의 오프 상태 및 온 상태를 구분하여 예시하는 그래프.
도 7은 도 6a 내지 도 6c에 도시된 에스알엠 구동장치의 자속 및 전류 궤적을 예시하는 그래프.
《도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명》
10: 에스알엠 구동장치 11: 전원부
12: 정류부 13: 부스트부
14: 컨버터부 15: 에스알엠
Q1: IGBT D1,D2,D3,DU,DD: 다이오드
QU,QD: 트랜지스터

Claims (8)

  1. 교류전원을 정류하는 정류부에 연결된 부스트부와,
    상기 부스트부에 연결된 컨버터부를 포함하고,
    상기 부스트부는 제 1 및 제 2캐패시터, 제 1 및 제 2다이오드 및 상기 제 1 및 제 2캐패시터를 직렬 또는 병렬로 연결하도록 턴-온/오프 되는 스위치 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 능동 부스트 전력 컨버터.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 스위치 소자는
    능동 스위치 소자인 절연 게이트 양극성 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 능동 부스트 전력 컨버터.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 스위치 소자는 상기 스위치 소자가 턴-오프 된 상태에서 상기 제 2 및 제 1캐패시터를 직렬로 연결하는 제 3다이오드를 더 포함하고,
    상기 전력 컨버터는 제 1 및 제 2입력모드와 제 1 및 제 2출력모드로 동작하는 것을 특징으로 하는 능동 부스트 전력 컨버터.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 제 1입력모드에서 제 1캐패시터는 제 1구간을 통해 충전하고,
    상기 제 2입력모드에서 제 2다이오드는 턴-온 되고,
    상기 제 1 및 제 2캐패시터는 직렬 연결되어 입력전류를 충전하며,
    상기 제 2구간에는 중첩된 전압이 입력되는 것을 특징으로 하는 능동 부스트 전력 컨버터.
  5. 제 3항에 있어서
    상기 제 1출력모드에서 제 1 및 제 2캐패시터와 제 1 및 제 2다이오드는 서로 병렬로 연결된 두 개의 독립된 전압원으로 동작하고,
    상기 제 2구간의 출력전압은 상기 두 개의 독립된 전압원의 최대 전압과 동일하며,
    상기 제 2출력모드에서 제 1 및 제 2캐패시터는 상기 스위치 소자가 턴-온 되어 직렬 연결되고,
    상기 제 2구간의 출력전압은 중첩되는 것을 특징으로 하는 능동 부스트 전력 컨버터.
  6. 제 3항에 있어서,
    상기 스위치 소자의 턴-오프 상태에서 상기 컨버터부가 여자모드로 동작하고 제 1 및 제 2캐패시터가 병렬로 연결된 경우, 상전압은 상기 제 1 및 제 2캐패시터 전압 중에서 전압레벨이 높은 전압에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 능동 부스트 전력 컨버터.
  7. 제 3항에 있어서,
    상기 스위치 소자의 턴-오프 상태에서 상기 컨버터부가 감자모드로 동작하고 제 1 및 제 2캐패시터가 직렬로 연결된 경우, 상권선에 걸리는 전압은 여자모드에서 dc-링크 전압이고 감자모드에서는 상기 dc-링크 전압의 2배인 것을 특징으로 하는 능동 부스트 전력 컨버터.
  8. 제 4항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2캐패시터는 상기 스위치 소자가 턴-온 되면 직렬로 연결되어 동작하고,
    상기 제 2구간의 중첩된 전압은 빠른 여자 전류를 생성하는 것을 특징으로 하는 능동 부스트 전력 컨버터.
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