KR20110077985A - 고압 인버터의 과전압 보호장치 및 방법 - Google Patents

고압 인버터의 과전압 보호장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 인버터 및 부하와, 인버터와 부하의 사이에 연결되는 케이블의 임피던스의 차이로 인하여 발생되는 전압 파동에 의한 과전압으로 부하가 손상되지 않도록 보호하는 고압 인버터의 과전압 보호장치 및 방법에 관한 것으로서 메인 제어부가 디지털 신호로 제공하는 전압 지령신호를 아날로그 기준전압으로 변환하고, 변환한 아날로그 기준전압을 미리 설정된 전압레벨 및 주파수를 가지는 톱니파와 비교하여 PWM(Pulse Width Modulation) 신호를 발생하며, 발생한 PWM 신호의 펄스 폭을 판단하여 미리 설정된 시간 미만일 경우에 상기 PWM 신호의 펄스 폭을 미리 설정된 시간 폭을 가지도록 변환한다.
고압 인버터, 인버터, 과전압, 전압 파동, 중첩, 임피던스, 케이블,

Description

고압 인버터의 과전압 보호장치 및 방법{Apparatus and method for protecting overvoltage of high voltage inverter}
본 발명은 고압 인버터의 과전압 보호장치 및 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 인버터 및 부하와, 인버터와 부하의 사이에 연결되는 케이블의 임피던스의 차이로 인하여 발생되는 전압 파동에 의한 과전압으로 전동기가 손상되지 않도록 보호하는 고압 인버터의 과전압 보호장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 3상 전동기 등과 같은 부하를 정밀하게 구동시킬 경우에 인버터를 많이 사용하고 있다. 상기 인버터를 사용하여 부하를 구동시키기 위해서는 인버터와 부하의 사이에, 인버터에서 출력되는 전압을 공급하기 위한 케이블이 연결된다.
상기 인버터, 부하 및 케이블의 임피던스는 상호간에 상이하다. 그러므로 인버터에서 발생하여 케이블을 통해 전동기로 공급하는 전압이 임피던스의 불연속점에서 반사되는 전압 반사현상이 발생하고, 이로 인하여 전압에 파동이 발생하게 된 다.
상기 발생하는 전압 파동은 상호간에 상쇄되면, 부하에 아무런 영향도 주지 않고 정상으로 구동시킬 수 있다. 그러나 상기 발생하는 전압 파동이 상호간에 중첩될 경우에 부하의 절연 내압을 초과하는 과전압이 부하에 인가되고, 이로 인하여 부하는 스트레스의 축적으로 인한 절연 파괴 및 베어링의 손상 등이 발생하게 된다.
캐스케이드(Cascade) H-브리지 방식의 고압 인버터는 일반 인버터에 비하여 단위 시간당 전압 변화량이 낮다. 그러므로 캐스케이드 H-브리지 방식의 고압 인버터는 부하의 사이에 연결되는 케이블의 길이가 길어도, 일반적인 인버터에 비하여 과전압으로 인한 부하의 절연 파괴 및 베어링의 손상이 적게 발생하고, 또한 주변 기기의 오동작 등이 적게 발생한다.
그러나 캐스케이드 H-브리지 방식의 고압 인버터를 사용하여도 전압의 파동을 완전하게 제거하지 못하고, 여전히 전압 파동이 발생하여 부하가 손상되는 경우가 있다.
이러한 전압 파동의 영향은 캐스케이드 H-브리지 방식의 고압 인버터를 구성하는 스위칭 소자들을 고속으로 스위칭하거나 상기 스위칭 소자들을 스위칭시키는 PWM(Pulse Width Modulation) 신호의 폭이 좁을 경우에 더욱 크게 발생한다.
그러므로 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 스위칭 소자들을 스위칭시키는 PWM 신호의 펄스 폭을 미리 설정된 시간 폭 이상으로 제한하여 전압 파동현상의 발생을 감소시키는 과전압으로부터 부하가 손상되지 않도록 보호하는 고압 인버터의 과전압 보호장치 및 방법을 제공한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 상기에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않고, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 고압 인버터의 과전압 보호장치 및 방법은 메인 제어부가 디지털 신호로 제공하는 전압 지령신호를 아날로그 기준전압으로 변환한다.
그리고 상기 변환한 아날로그 기준전압을 미리 설정된 전압레벨 및 주파수를 가지는 톱니파와 비교하여 PWM(Pulse Width Modulation) 신호를 발생하며, 발생한 PWM 신호의 펄스 폭을 판단한다.
상기 PWM 신호의 펄스 폭이 미리 설정된 시간 폭 이상일 경우에 상기 PWM 신호의 펄스 폭을 조절하지 않고 그대로 출력하며 스위칭 소자들을 스위칭시키게 한다.
그리고 상기 PWM 신호의 펄스 폭이 미리 설정된 시간 폭 미만일 경우에 상기 PWM 신호의 펄스 폭을 미리 설정된 시간 폭을 가지도록 조절한 후 출력하여 스위칭 소자들을 스위칭시키게 한다.
그러므로 본 발명의 고압 인버터의 과전압 보호장치는, 미리 설정된 주파수 및 전압 레벨을 가지는 톱니파를 발생하는 톱니파 발생부와, 메인 제어부로부터 입력되는 전압 지령신호를 아날로그 기준전압으로 변환하는 아날로그 기준전압 변환부와, 상기 톱니파와 상기 아날로그 기준전압의 전압 레벨을 비교하여 PWM(Pulse Width Modulation) 신호를 발생하는 비교부와, 상기 PWM 신호의 펄스 폭을 판단하는 펄스 폭 판단부와, 상기 펄스 폭 판단부의 판단에 따라 PWM 신호의 펄스 폭을 조절하는 PWM 신호 출력부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 PWM 신호 출력부는 상기 PWM 신호의 펄스 폭이 미리 설정된 시간 이상일 경우에 상기 PWM 신호를 그대로 출력하고, 상기 PWM 신호의 펄스 폭이 미리 설정된 시간 미만일 경우에 상기 PWM 신호의 펄스 폭을 상기 미리 설정된 시간의 폭을 가지도록 조절하여 출력하는 것을 특징으로 한다.
그리고 본 발명의 고압 인버터의 과전압 보호방법은 메인 제어부가 디지털 신호로 제공하는 전압 지령신호를 아날로그 기준전압으로 변환하는 단계와, 상기 아날로그 기준전압을 미리 설정된 전압레벨 및 주파수를 가지는 톱니파와 비교하여 PWM(Pulse Width Modulation) 신호를 발생하는 단계와, 상기 PWM 신호의 펄스 폭을 판단하는 단계와, 상기 PWM 신호의 펄스 폭이 미리 설정된 시간 미만일 경우에 상기 PWM 신호의 펄스 폭을 미리 설정된 시간 폭을 가지도록 변환하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 고압 인버터의 과전압 보호장치 및 방법에 따르면, 스위칭 소자들을 스위칭시키는 PWM 신호의 펄스 폭이 미리 설정된 시간 폭 이상인지의 여부를 판단하고, 미리 설정된 시간 폭 미만일 경우에 PWM 신호의 펄스 폭을 미리 설정된 시간 폭으로 조절한다.
그러므로 인버터, 케이블 및 부하들 사이의 임피던스 불연속점에서 발생하는 전압의 파동현상으로 인하여 부하에 과전압이 인가되는 것을 감소시킨다.
이하의 상세한 설명은 예시에 지나지 않으며, 본 발명의 실시 예를 도시한 것에 불과하다. 또한 본 발명의 원리와 개념은 가장 유용하고, 쉽게 설명할 목적으로 제공된다.
따라서, 본 발명의 기본 이해를 위한 필요 이상의 자세한 구조를 제공하고자 하지 않았음은 물론 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 실체에서 실시될 수 있는 여러 가지의 형태들을 도면을 통해 예시한다.
도 1은 고압 인버터의 구성을 보인 도면이다. 여기서, 부호 100은 부하이다. 예를 들면, 상기 부하는 3상 교류전압에 의하여 구동되는 3상 교류 전동기이다.
부호 110은 메인 제어부이다. 상기 메인 제어부(110)는 상기 부하(100)의 구동상태를 판단하고, 판단한 구동상태에 따라 PWM 신호를 발생할 기준전압을 포함하는 전압 지령신호를 발생한다.
부호 120, 122, 124는 복수 개의 전압 발생부이다. 상기 복수 개의 전압 발생부(120, 122, 124)는 예를 들면, 각기 R상 전압, S상 전압 및 T상 전압을 발생하는 전압 발생부로서 상기 메인 제어부(110)가 발생하는 전압 지령신호에 따라 R상 전압, S상 전압 및 T상 전압을 발생하여 상기 부하(100)로 출력한다.
이러한 구성을 가지는 고압 인버터는 메인 제어부(110)가 부하(100)인 전동기의 구동상태를 판단하고, 판단한 구동상태와 사용자가 명령하는 구동명령(도면에 도시되지 않았음)에 따라 기준전압을 포함하는 전압 지령신호를 발생한다.
상기 메인 제어부(110)가 발생하는 전압 지령신호는 복수 개의 전압 발생부(120, 122, 124)로 입력되는 것으로서 복수 개의 전압 발생부(120, 122, 124)는 상기 전압 지령신호에 따라 각기 R상, S상 및 T상의 3상 전압을 발생한다.
상기 발생하는 R상, S상 및 T상의 3상 전압은 부하(100)인 부하(100)에 전동기에 인가되어 부하(100)가 구동된다.
도 2는 복수 개의 전압 발생부(120, 122, 124)들 각각의 구성을 보인 도면이 다. 여기서, 부호 200-1, 200-2, …, 200-N은 복수 개의 단위 제어부이다. 상기 복수 개의 단위 제어부(200-1, 200-2, …, 200-N)들 각각은 상기 메인 제어부(100)가 출력하는 전압 지령신호에 따라 복수 개의 스위칭 신호를 발생한다.
부호 210-1, 210-2, …, 210-N은 복수 개의 스위칭부이다. 상기 복수 개의 스위칭부(210-1, 210-2, …, 210-N)는 상기 부하(100)와 접지의 사이에 직렬 접속되고, 상기 복수 개의 단위 제어부(200-1, 200-2, …, 200-N)들 각각이 출력하는 스위칭 신호에 따라 전원단자(VDD)의 전압을 스위칭하여 상기 부하(100)로 3상 전압을 출력한다.
상기 복수 개의 스위칭부(210-1)(210-2)…(210-N)들 각각은, 전원단자(VDD)와 접지의 사이에 스위칭 소자(SW210-11, SW210-12)(SW210-13, SW210-14), (SW210-21, SW210-22)(SW210-23, SW210-24), …, (SW210-N1, SW210-N2)(SW210-N3, SW210-N4)가 각기 직렬 접속된다.
상기 스위칭 소자(SW210-11∼SW210-14)(SW210-21∼SW210-24)…(SW210-N1∼SW210-V4)의 게이트에는 상기 복수 개의 단위 제어부(200-1, 200-2, …, 200-N)들 각각이 출력하는 복수의 스위칭 신호들이 각기 인가되게 구성된다.
그리고 스위칭 소자(SW210-13)의 에미터와 상기 스위칭 소자(SW210-14)의 콜렉터의 접속점은 상기 부하(100)에 접속되고, 상기 스위칭 소자(SW210-11)(SW210-21)…의 에미터와 상기 스위칭 소자(SW210-12)(SW210-22)…의 콜렉터의 접속점은 상기 스위칭 소자(SW210-23)(SW210-33)…의 에미터와 상기 스위칭 소자(SW210- 24)(SW210-34)…의 콜렉터의 접속점에 각기 접속되고, 상기 스위칭 소자(SW210-N1)의 에미터 및 상기 스위칭 소자(SW210-N4)의 콜렉터의 접속점은 접지에 접속된다.
이러한 구성을 가지는 복수 개의 전압 발생부(120, 122, 124)들 각각은 전원단자(VDD)에 동작전압이 인가된 상태에서 상기 복수 개의 단위 제어부(200-1, 200-2, …, 200-N)들 각각은 상기 메인 제어부(110)가 출력하는 전압 지령신호에 따라 소정의 스위칭 신호로 PWM(Pulse Width Modulation) 신호를 발생한다.
상기 복수 개의 전압 발생부(120, 122, 124)들 각각이 스위칭 신호로 발생하는 PWM 신호는 상기 복수 개의 스위칭부(210-1)(210-2)…(210-N)들 각각의 스위칭 소자(SW210-11∼SW210-14)(SW210-21∼SW210-24)…(SW210-N1∼SW210-N4)의 게이트에 인가된다.
그러면, 상기 복수 개의 스위칭부(210-1)(210-2)…(210-N)들 각각에 구비되어 있는 복수 개의 스위칭 소자(SW210-11∼SW210-14)(SW210-21∼SW210-24)…(SW210-N1∼SW210-N4)들은 상기 PWM 신호에 따라 선택적으로 턴 온 및 턴 오프되면서 전원단자(VDD)의 동작전압을 스위칭하고, 상기 복수 개의 스위칭부(210-1)(210-2)…(210-N)들 각각이 출력하는 전압은 상호간에 중첩되어 상기 부하(100)로 출력하게 된다.
도 3은 본 발명의 과전압 보호장치에 따른 단위 제어부의 바람직한 실시 예 의 구성을 보인 도면이다. 여기서, 부호 300은 톱니파 발생부이다. 상기 톱니파 발생부(300)는 소정의 주파수를 가지는 톱니파를 발생한다.
부호 310은 아날로그 기준전압 발생부이다. 상기 아날로그 기준전압 발생부(310)는 상기 메인 제어부(110)로부터 입력되는 전압 지령신호를 아날로그 기준전압으로 변환한다.
부호 320은 비교부이다. 상기 비교부(320)는 상기 톱니파 발생부(300)가 발생하는 톱니파와 상기 아날로그 기준전압 발생부(310)가 변환한 아날로그 기준전압의 전압 레벨을 비교하여 PWM 신호를 발생한다.
부호 330은 펄스 폭 판단부이다. 상기 펄스 폭 판단부(330)는 상기 비교부(320)가 출력하는 PWM 신호의 펄스 폭이 미리 설정된 시간 폭 이하인지의 여부를 판단하고, 판단신호를 발생한다.
부호 340은 PWM 신호 출력부이다. 상기 PWM 신호 출력부(340)는 상기 펄스 폭 판단부(330)가 판단한 펄스 폭이 미리 설정된 시간 폭 이상일 경우에 상기 비교부(320)에서 발생된 PWM 신호를 스위칭 신호로 출력하고, 판단한 펄스 폭이 미리 설정된 시간 폭 미만일 경우에 상기 비교부(320)에서 발생된 PWM 신호의 폭을 상기 미리 설정된 시간 폭으로 조절하여 출력한다.
이러한 구성을 가지는 본 발명은 톱니파 발생부(300)가 미리 설정된 소정의 주파수를 가지는 톱니파를 발생하고, 발생한 톱니파는 비교부(320)로 입력된다.
그리고 메인 제어부(110)가 출력하는 전압 지령신호가 아날로그 기준전압 발 생부(310)로 입력된다.
그러면, 상기 아날로그 기준전압 발생부(310)는 상기 전압 지령신호를 아날로그 기준전압으로 변환한다.
즉, 상기 메인 제어부(110)는 상기 부하(100)로 3상 전압을 공급하기 위하여 가변되는 전압 레벨의 전압 지령신호를 디지털 신호로 복수의 단위 제어부(200-1, 200-2, …, 200-N)에 제공하고, 상기 복수의 단위 제어부(200-1, 200-2, …, 200-N)들 각각에 구비되어 있는 아날로그 기준전압 발생부(310)는 상기 메인 제어부(110)가 디지털 신호로 제공하는 전압 지령신호를 입력하여 아날로그 기준전압을 변환한다.
상기 아날로그 기준전압 발생부(310)가 변환한 아날로그 기준전압은 비교부(320)로 입력된다.
그러면, 상기 비교부(320)는 상기 톱니파 발생부(300)가 발생하는 톱니파와 상기 아날로그 기준전압 발생부(310)가 변환한 아날로그 기준전압의 전압 레벨을 비교하고, 비교 결과에 따라 소정의 폭을 가지는 PWM 신호를 발생한다.
예를 들면, 상기 비교부(320)는 상기 톱니파와 상기 아날로그 기준전압의 전압 레벨을 비교하여 상기 톱니파의 전압 레벨이 상기 아날로그 기준전압의 전압레벨보다 높은 시간의 폭을 가지는 PWM 신호를 발생한다.
상기 비교부(320)가 발생하는 PWM 신호는 펄스 폭 판단부(330) 및 PWM 신호 출력부(340)에 각기 입력된다.
상기 펄스 폭 판단부(330)는 상기 비교부(320)가 발생하는 PWM 신호의 펄스 폭이 미리 설정된 시간 폭 이상인지 또는 미만인지의 여부를 판단하고, 판단신호를 상기 PWM 신호 출력부(340)로 출력한다.
그러면, 상기 PWM 신호 출력부(340)는 상기 펄스 폭 판단부(330)의 판단 신호에 따라, 상기 비교부(320)가 발생한 PWM 신호의 펄스 폭을 변환하지 않고, 그대로 출력하거나 또는 상기 비교부(320)가 발생한 PWM 신호의 펄스 폭을 상기 미리 설정된 시간 폭으로 조절하여 출력한다.
예를 들면, 미리 설정된 시간 폭으로 1㎳를 설정하여 두고, 상기 펄스 폭 판단부(330)는 상기 비교부(320)가 발생하는 PWM 신호의 펄스 폭이 1㎳ 이상 또는 1㎳ 미만인지의 여부를 판단하여 판단신호를 발생한다.
그리고 상기 펄스 폭 판단부(330)가 PWM 신호의 펄스 폭이 1㎳ 이상임을 판단할 경우에 상기 PWM 신호 출력부(340)는 상기 비교부(320)가 발생한 PWM 신호의 펄스 폭을 변환하지 않고 그대로 출력한다.
상기 펄스 폭 판단부(330)가 PWM 신호의 펄스 폭이 1㎳ 미만임을 판단할 경우에 상기 PWM 신호 출력부(340)는 상기 비교부(320)가 발생한 PWM 신호의 펄스 폭을 1㎳로 변환하여 출력한다.
이와 같이 본 발명은 PWM 신호 출력부(340)가 출력하는, 최소한의 폭을 가지는 PWM 신호는 상기 복수 개의 스위칭부(210-1)(210-2)…(210-N)들 각각의 스위칭 소자(SW210-11, SW210-12)(SW210-13, SW210-14), (SW210-21, SW210-22)(SW210-23, SW210-24), …, (SW210-N1, SW210-N2)(SW210-N3, SW210-N4)의 게이트에 인가되어 스위칭시킨다.
도 4는 본 발명의 과전압 보호방법에 따른 단위 제어부의 바람직한 실시 예의 동작을 보인 신호흐름도이다.
도 4를 참조하면, 복수 개의 단위 제어부(200-1, 200-2, …, 200-N)들 각각은 메인 제어부(110)로부터 전압 지령신호를 입력하고(S400), 입력한 전압 지령신호를 아날로그 기준전압 발생부(310)가 아날로그 기준전압으로 변환한다(S402).
그리고 상기 복수 개의 단위 제어부(200-1, 200-2, …, 200-N)들 각각은 상기 변환한 아날로그 기준전압과 톱니파 발생부(300)가 발생하는 톱니파의 전압 레벨을 비교하여 PWM 신호를 생성하고(S404), 상기 생성한 PWM 신호의 펄스 폭이 미리 설정된 시간 이상인지의 여부를 판단한다(S406).
상기 판단 결과 상기 생성한 PWM 신호의 펄스 폭이 미리 설정된 시간 이상일 경우에 상기 복수 개의 단위 제어부(200-1, 200-2, …, 200-N)들 각각은 상기 생성한 PWM 신호를 그대로 출력한다(S410).
그리고 상기 판단 결과 생성한 PWM 신호의 펄스 폭이 미리 설정된 시간 이상이 아닐 경우에 상기 복수 개의 단위 제어부(200-1, 200-2, …, 200-N)들 각각은 상기 생성한 PWM 신호의 펄스 폭이 미리 설정된 시간으로 되게 조절하고(S408), 상기 펄스 폭을 조절한 PWM 신호를 출력한다(S410).
이상에서는 대표적인 실시 예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시 예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다.
그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
본 발명은 인버터 및 부하와, 인버터와 부하의 사이에 연결되는 케이블의 임피던스의 차이로 인하여 발생되는 전압 파동에 의한 과전압으로 전동기가 손상되지 않도록 보호한다.
도 1은 고압 인버터의 구성을 보인 도면,
도 2는 고압 인버터에서 복수 개의 전압 발생부들 각각의 구성을 보인 도면,
도 3은 본 발명의 과전압 보호장치에 따른 단위 제어부의 바람직한 실시 예의 구성을 보인 도면, 및
도 4는 본 발명의 과전압 보호방법에 따른 단위 제어부의 바람직한 실시 예의 동작을 보인 신호흐름도이다.

Claims (3)

  1. 미리 설정된 주파수 및 전압 레벨을 가지는 톱니파를 발생하는 톱니파 발생부;
    메인 제어부로부터 입력되는 전압 지령신호를 아날로그 기준전압으로 변환하는 아날로그 기준전압 변환부;
    상기 톱니파와 상기 아날로그 기준전압의 전압 레벨을 비교하여 PWM(Pulse Width Modulation) 신호를 발생하는 비교부;
    상기 PWM 신호의 펄스 폭을 판단하는 펄스 폭 판단부; 및
    상기 펄스 폭 판단부의 판단에 따라 PWM 신호의 펄스 폭을 조절하는 PWM 신호 출력부;를 포함하는 고압 인버터의 과전압 보호장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 PWM 신호 출력부는;
    상기 PWM 신호의 펄스 폭이 미리 설정된 시간 이상일 경우에 상기 PWM 신호를 그대로 출력하고, 상기 PWM 신호의 펄스 폭이 미리 설정된 시간 미만일 경우에 상기 PWM 신호의 펄스 폭을 상기 미리 설정된 시간의 폭을 가지도록 조절하여 출력하는 것을 특징으로 하는 고압 인버터의 과전압 보호장치.
  3. 메인 제어부가 디지털 신호로 제공하는 전압 지령신호를 아날로그 기준전압으로 변환하는 단계;
    상기 아날로그 기준전압을 미리 설정된 전압레벨 및 주파수를 가지는 톱니파와 비교하여 PWM(Pulse Width Modulation) 신호를 발생하는 단계;
    상기 PWM 신호의 펄스 폭을 판단하는 단계;
    상기 PWM 신호의 펄스 폭이 미리 설정된 시간 미만일 경우에 상기 PWM 신호의 펄스 폭을 미리 설정된 시간 폭을 가지도록 변환하는 단계;를 포함하는 고압 인버터의 과전압 보호방법.
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