KR20120011009A - 전력 변환 장치 - Google Patents

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Abstract

컨버터(1) 및 인버터(3)를 제어하는 컨버터?인버터 제어 장치(6)를 구비한 전력 변환 장치에 있어서, 컨버터(1)와 인버터(3)의 사이에 접속된 직류 콘덴서(4)와, 직류 콘덴서(4)의 접속단에서의 직류 콘덴서 전압 Efc를 검출하는 직류 콘덴서 전압 검출기(5)를 구비하고, 컨버터?인버터 제어 장치(6)는 교류 전동기(2)의 모터 주파수, 직류 콘덴서 전압 Efc, 및 펄스 모드에 기초하여 컨버터(1)에 대한 직류 콘덴서 전압 Efc의 가변 제어를 실행하고, 모터 주파수의 소정 범위에서는 인버터(3)의 PWM 변조율을 인버터(3)의 출력 전압에 포함되는 소정 차수의 고주파를 저감시키는 값 m0로 고정하여 인버터(3)의 동작을 제어한다.

Description

전력 변환 장치{POWER CONVERSION DEVICE}
본 발명은 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 컨버터와 당해 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 인버터에 의해 교류 전동기를 구동하는 전기차의 전력 변환 장치에 관한 것이며, 특히, 인버터 출력 전압에 포함되는 소정 차수의 고주파 성분을 저감하는 전력 변환 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 전력 변환 장치에서는 유도 전동기를 가변 주파수 가변 전압으로 효율적으로 구동하기 위해, 트랜지스터 모듈의 교류 출력 전압과 교류 출력 주파수의 비 V／F를 일정하게 되도록 제어하는 것이 알려져 있다. 이 V／F의 일정 제어를 실현하기 위해서는, PWM 변조도를 트랜지스터 모듈 출력 주파수에 비례하여 변화시킬 필요가 있다. 단, 일반적인 PWM 제어 방식의 인버터 장치에서는 직류 전압이 높고, 변조율이 낮을수록, 기본파 전압 성분에 대해서, 캐리어 주파수 전압 성분의 비가 커져, 왜곡이 크다는 것이 알려져 있고, 그 결과로서 저(低)주파수 영역에서는 유도 전동기에 큰 고주파 전류가 흘러, 진동 등이 커진다고 하는 문제가 있었다.
이와 같은 문제를 해소하는 수단으로서, 하기 특허 문헌 1에 제시되는 종래 기술은 인버터 출력 주파수가 낮은 영역에서는 직류 전압을 고정하고 인버터의 변조율을 가변으로 함으로써 인버터 출력 전압을 제어하고, 인버터 출력 주파수가 높은 영역에서는 당해 변조율을 고정하고 당해 직류 전압을 가변으로 함으로써 인버터 출력 전압을 제어하고 있다.
[특허 문헌 1] 일본국 특개평 10－28397호 공보
그렇지만, 상기 특허 문헌 1에 기재된 종래 기술은 상술한 바와 같이 인버터 출력 주파수가 높은 영역에서는 인버터의 변조율을 고정하고, 직류 전압을 가변으로 함으로써 인버터 출력 전압을 제어하고 있지만, 이때의 변조율 값은 인버터 출력 전압에 포함되는 소정 차수의 고주파를 저감하는 값으로 설정되지 않고, 상술한 소정 차수의 고주파 성분에 기인하여 발생하는 교류 전동기의 토크 주파수가 전력 변환 장치가 탑재되는 기기의 공진 주파수에 중첩되면, 당해 기기의 진동이나 소음이 커진다고 하는 과제가 있었다.
본 발명은 상기에 감안하여 이루어진 것으로서, 인버터 출력 전압에 포함되는 소정 차수의 고주파를 저감하는 것이 가능한 전력 변환 장치를 얻는 것을 목적으로 한다.
상술한 과제를 해결하여 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 컨버터와, 상기 직류 전력을 임의 주파수 및 임의 전압의 교류 전력으로 변환하여 교류 전동기에 출력하는 인버터와, 상기 컨버터 및 상기 인버터를 제어하는 제어부를 구비한 전력 변환 장치에 있어서, 상기 컨버터와 상기 인버터의 사이에 접속된 콘덴서와 상기 콘덴서의 접속단에서의 콘덴서 전압을 검출하는 전압 검출기를 구비하고, 상기 제어부는 상기 교류 전동기의 주파수, 상기 콘덴서 전압, 및 펄스 모드에 기초하여 상기 컨버터에 대한 상기 콘덴서 전압의 가변 제어를 실행하여 상기 교류 전동기의 주파수의 소정 범위에서는 상기 인버터의 PWM 변조율을 상기 인버터의 출력 전압에 포함되는 소정 차수의 고주파를 저감시키는 값으로 고정하여 상기 인버터의 동작을 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 인버터의 동기 펄스 모드 PWM 제어시에, 컨버터에 대한 직류 콘덴서 전압의 가변 제어를 실행하고, 변조율 값을 인버터 출력 전압에 포함되는 소정 차수의 고주파를 저감할 수 있는 값으로 고정하고, 인버터를 가변 전압 가변 주파수 운전을 하도록 했으므로, 인버터 출력 전압에 포함되는 소정 차수의 고주파를 저감할 수 있다고 하는 효과를 달성한다.
도 1은 실시 형태 1에 관한 전력 변환 장치의 구성예를 나타내는 블록도이다.
도 2는 실시 형태 1에 관한 제어부의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 3은 인버터 출력 전압의 5차／7차 성분 및 토크의 6차 성분과, 제어부에서 연산된 변조율의 관계를 나타낸 도면이다.
도 4는 직류 콘덴서 전압 지령 생성부의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 변조율 연산부의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
이하에, 본 발명에 관한 전력 변환 장치의 실시 형태를 도면에 기초하여 상세하게 설명한다. 또한, 이 실시 형태에 의해 이 발명이 한정되는 것은 아니다.
실시 형태.
도 1은 실시 형태 1에 관한 전력 변환 장치의 구성예를 나타내는 블록도이다. 전력 변환 장치는 주된 구성으로서, 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 컨버터(1), 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 교류 전동기(2)를 가변 전압 가변 주파수 운전하는 인버터(3), 컨버터(1)의 출력과 인버터(3)의 입력 사이에 접속되는 직류 콘덴서(4), 직류 콘덴서(4)의 전압을 검출하는 직류 콘덴서 전압 검출기(이하 간단하게 「전압 검출기」라고 칭함; 5), 컨버터(1) 및 인버터(3)를 제어하는 컨버터?인버터 제어 장치(이하 간단하게 「제어부」라고 칭함; 6)을 가지고 구성되어 있다.
제어부(6)는 직류 콘덴서 전압 Efc 및 모터 주파수에 기초하여, 컨버터 게이트 신호 GS1 및 인버터 게이트 신호 GS2를 출력한다. 이하, 제어부(6)의 구성과 동작을 상술한다.
도 2는 실시 형태 1에 관한 제어부의 구성을 나타내는 블록도이다. 제어부(6)는 주된 구성으로서, 연산부(61), 컨버터 제어부(10), 및 인버터 PWM 제어부(9)를 가지고 구성되어 있다.
연산부(61) 및 인버터 PWM 제어부(9)에는 교류 전동기(2)를 가변 전압 가변 주파수 제어하는 인버터 주파수 finv가 입력된다. 또한, 본 실시 형태에서는 교류 전동기(2)에 장착된 속도 센서(도시하지 않음)로부터 얻어진 모터 주파수로부터 인버터 주파수 finv를 연산하고 있지만, 속도 센서리스(sensorless)인 경우에는 속도 센서리스 제어로 얻어지는 속도 추정치를 이용하여도 괜찮은 것은 말할 필요도 없다.
연산부(61)를 구성하는 직류 콘덴서 전압 지령 생성부(7)는 인버터 주파수의 함수로서 직류 콘덴서 전압 지령값 Efc*를 연산하고, 변조율 연산부(8)는 인버터(3)의 변조율 m을 연산한다.
컨버터 제어부(10)는 직류 콘덴서 전압 지령값 Efc*를 입력으로 하고, 또 전압 검출기(5)에 의해서 검출된 직류 콘덴서 전압 Efc의 피드백 제어를 함으로써, 직류 콘덴서 전압 Efc를 직류 콘덴서 전압 Efc*에 추종시키기 위한 컨버터 게이트 신호 GS1를 출력하여 컨버터(1)를 제어한다.
인버터 PWM 제어부(9)는 인버터 주파수 finv, 변조율 m, 및 PWM 펄스 모드 설정에 기초하여, 인버터 게이트 신호 GS2를 출력하여 인버터(3)를 제어한다.
다음으로, 제어부(6)의 동작에 대해서 설명한다. 인버터(3)의 출력 전압 Vinv와 직류 콘덴서 전압 Efc와 변조율 m의 사이에는 1식의 관계가 성립된다. 단, K는 정수이다.
Vinv=K?m?Efc … (1식)
통상은, 직류 콘덴서 전압 지령 생성부(7)에 나타나고 있는 인버터 주파수 finv와 직류 콘덴서 전압 지령값 Efc*의 관계와 같이, 직류 콘덴서 전압 지령값 Efc*를 일정값으로 하여 변조율 연산부(8)에서 (1식)의 관계가 성립되도록 변조율 m를 제어하여 교류 전동기(2)를 가변 전압 가변 주파수 제어한다.
본 발명의 전력 변환 장치가 탑재되는 기기에 공진 특성이 있어, 교류 전동기(2)가 발생하는 토크에 상기 공진 주파수의 성분이 포함되어 있으면, 상기 기기가 진동하여 소음이 발생한다. 이와 같은 경우, 연산부(61)는 당해 공진 주파수를 발생하는 인버터 주파수 finv0 부근에서는 변조율 m의 값을 당해 공진 주파수를 저감할 수 있는 값(변조율 m0)으로 제어한다.
구체적인 예를 하기에 제시한다. 도 3은 인버터 출력 전압의 5차／7차 성분 및 토크의 6차 성분과, 제어부에서 연산된 변조율의 관계를 나타낸 도면이며, 도 4는 직류 콘덴서 전압 지령 생성부의 동작을 설명하기 위한 도면이며, 도 5는 변조율 연산부의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 3에는 인버터(2)가 3 레벨 인버터로, 펄스 모드가 동기 3 펄스 모드인 경우에 있어서 변조율과, 인버터 출력 전압(상(相)전압)에 포함되는 5차, 7차 주파수 성분과, 이러한 주파수 성분의 전압에 의해서 교류 전동기(2)로부터 발생하는 토크의 6차 주파수 성분의 관계가 제시되어 있다.
본 실시 형태에 관한 전력 변환 장치가 탑재되는 기기의 공진 주파수가, 예를 들면 480Hz인 경우, 토크의 6차 주파수 성분이 480Hz가 되는 인버터 주파수는 480／6=80Hz가 된다. 즉, 도 4, 5에 있어서, 공진 주파수 성분을 발생하는 인버터 주파수 finv0은 80Hz부근이며, 당해 공진 주파수(80Hz부근)를 저감할 수 있는 변조율 m0는 도 3의 관계로부터, 예를 들면 0.92 ~ 0.94의 범위가 된다. 따라서 인버터 주파수 finv0 부근(80Hz부근)의 변조율 m0를 상술한 값으로 설정하면 토크의 6차 성분을 저감 가능하다.
이와 같이, 본 실시 형태에 관한 전력 변환 장치는 인버터의 동기 펄스 모드 PWM 제어시에, 직류 콘덴서 전압 지령 생성부(7)에 의해서 컨버터(1)에 대한 직류 콘덴서 전압 Efc의 가변 제어를 실행하고, 연산부(8)에 의해서 변조율 m를 상전압에 포함되는 소정 차수의 주파수 성분을 저감할 수 있는 값으로 설정하여 인버터(3)를 가변 전압 가변 주파수 운전한다. 따라서 본 실시 형태에 관한 전력 변환 장치는 소정 차수의 고주파 성분에 기인하여 발생하는 교류 전동기(2)의 토크 주파수와 전력 변환 장치가 탑재되는 기기의 공진 주파수가 중첩되더라도, 당해 기기의 진동이나 소음을 저감할 수 있다.
또, 교류 전동기(2)의 발생 토크의 고주파 성분과, 컨버터(1)로부터 인버터(3) 사이의 직류 회로에 흐르는 직류 전류의 고주파 성분은 같기 때문에, 본 실시 형태에 관한 전력 변환 장치는 컨버터(1)로부터 인버터(3) 사이의 직류 회로에 흐르는 직류 전류에 포함되는 소정 차수의 직류 전류 성분도 저감할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 관한 컨버터(1)는 단상(單相) 컨버터에서도 삼상 컨버터에서도 좋고, 각각 2 레벨 컨버터, 3 레벨 컨버터 중 어느 하나라도 좋다. 또, 각 컨버터(1)와 조합되는 인버터(3)는 삼상 인버터로 2 레벨 인버터, 삼상 3 레벨 인버터 중 어느 하나라도 좋다. 또, 교류 전동기(2)는 삼상 유도 전동기, 삼상 동기 전동기 중 어느 하나라도 좋다.
이상에 설명한 것처럼, 본 실시 형태에 관한 전력 변환 장치는 인버터의 동기 펄스 모드 PWM 제어시에, 컨버터(1)에 대한 직류 콘덴서 전압 Efc을 가변 제어하고, 변조율 m를 상전압에 포함되는 소정 차수의 주파수 성분을 저감할 수 있는 값으로 설정하여 인버터(3)를 가변 전압 가변 주파수 운전하는 제어부(6)를 구비하도록 했으므로, 소정 차수의 고주파 성분에 기인하여 발생하는 교류 전동기(2)의 토크 주파수와 전력 변환 장치가 탑재되는 기기의 공진 주파수가 중첩되더라도, 당해 기기의 진동이나 소음을 저감하는 것이 가능하다. 또, 컨버터(1)와 인버터(3) 사이의 직류 회로에 흐르는 직류 전류에 포함되는 소정 차수의 직류 전류 성분을 저감하는 변조율로 설정함으로써, 소정 차수의 직류 전류 성분을 저감하는 것이 가능하다.
[산업상의 이용 가능성]
이상과 같이, 본 발명에 관한 전력 변환 장치는 교류 전기차에 적용 가능하고, 특히, 단상 교류 전력을 단상 컨버터로 직류 전력으로 변환하고, 삼상 인버터로 당해 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 삼상 유도 전동기나 삼상 동기 전동기를 제어하여, 전기차에 탑재되는 기기의 진동이나 소음을 저감하는 발명으로서 유용하다.
1: 컨버터
2: 교류 전동기
3: 인버터
4: 직류 콘덴서
5: 직류 콘덴서 전압 검출기(전압 검출기)
6: 컨버터?인버터 제어 장치(제어부)
7: 직류 콘덴서 전압 지령 생성부
8: 변조율 연산부
9: 인버터 PWM 제어부
10: 컨버터 제어부
61 연산부
Efc: 직류 콘덴서 전압(콘덴서 전압)
Efc*: 직류 콘덴서 전압 지령값(콘덴서 전압 지령값)
finv: 인버터 주파수
finv0: 공진 주파수 성분을 발생하는 인버터 주파수
GS1: 컨버터 게이트 신호
GS2: 인버터 게이트 신호
m, m0: 변조율

Claims (12)

  1. 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 컨버터와, 상기 직류 전력을 임의 주파수 및 임의 전압의 교류 전력으로 변환하여 교류 전동기에 출력하는 인버터와, 상기 컨버터 및 상기 인버터를 제어하는 제어부를 구비한 전력 변환 장치에 있어서,
    상기 컨버터와 상기 인버터의 사이에 접속된 콘덴서와,
    상기 콘덴서의 접속단에서의 콘덴서 전압을 검출하는 전압 검출기를 구비하고,
    상기 제어부는
    상기 교류 전동기의 주파수, 상기 콘덴서 전압, 및 펄스 모드에 기초하여 상기 컨버터에 대한 상기 콘덴서 전압의 가변 제어를 실행하고, 상기 교류 전동기의 주파수의 소정 범위에서는 상기 인버터의 PWM 변조율을 상기 인버터의 출력 전압에 포함되는 소정 차수의 고주파를 저감시키는 값으로 고정하여 상기 인버터의 동작을 제어하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 제어부는
    상기 소정 범위에서는 상기 PWM 변조율을 상기 인버터의 출력 전압에 포함되는 5차 또는 7 차 고주파를 저감시키는 값으로 고정하여 상기 인버터의 동작을 제어하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 제어부는
    상기 교류 전동기의 주파수에 기초하여, 상기 콘덴서 전압의 전압 지령값과, 상기 인버터의 출력 전압에 포함되는 소정 차수의 고주파를 저감시키는 상기 PWM 변조율을 연산하는 연산부를 구비한 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  4. 청구항 1에 있어서, 3 펄스 모드인 경우, 상기 소정 범위에서의 상기 PWM 변조율은 0.92 ~ 0.94의 범위인 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 컨버터는 단상 2 레벨 컨버터이고,
    상기 인버터는 삼상 2 레벨 인버터인 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 컨버터는 삼상 2 레벨 컨버터이고,
    상기 인버터는 삼상 2 레벨 인버터인 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 컨버터는 단상 3 레벨 컨버터이고,
    상기 인버터는 삼상 3 레벨 인버터인 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 컨버터는 삼상 3 레벨 컨버터이고,
    상기 인버터는 삼상 3 레벨 인버터인 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 컨버터는 단상 3 레벨 컨버터이고,
    상기 인버터는 삼상 2 레벨 인버터인 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  10. 청구항 1에 있어서, 상기 컨버터는 삼상 3 레벨 컨버터이고,
    상기 인버터는 삼상 2 레벨 인버터인 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  11. 청구항 1에 있어서, 상기 교류 전동기는 삼상 유도 전동기인 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  12. 청구항 1에 있어서, 상기 교류 전동기는 삼상 동기 전동기인 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
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