KR20160029914A - H-브릿지 멀티레벨 인버터 제어장치 및 이의 동작 방법 - Google Patents

H-브릿지 멀티레벨 인버터 제어장치 및 이의 동작 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시 형태에 따른 H-브릿지 멀티레벨 인버터 제어장치의 동작 방법은, H-브릿지 멀티레벨 인버터의 파워 셀 상태를 확인하여 고장이 발생한 파워 셀이 존재하는지 여부를 검사하는 단계; 및 고장이 발생한 파워 셀이 존재하면, 전동기의 역기전력을 기반으로 전동기의 활주 속도를 실시간 연산하여 재기동 기능을 수행하는 단계;를 포함할 수 있다.

Description

H-브릿지 멀티레벨 인버터 제어장치 및 이의 동작 방법{H-BRIDGE MULTI LEVEL INVERTER CONTROL DEVICE AND OPERATING METHOD THEREOF}
본 출원은 H-브릿지 멀티레벨 인버터 제어장치 및 이의 동작 방법에 관한 것으로서, 특히 전동기의 실제 활주 속도를 실시간으로 연산 또는 추정하여 재기동 기능을 수행하기 위한 H-브릿지 멀티레벨 인버터 제어장치 및 이의 동작 방법에 관한 것이다.
인버터를 이용하여 전동기를 구동할 경우, 전동기가 활주하고 있는 상태에서 인버터를 재기동해야 하는 경우가 발생하며, 이때 전동기 속도에 맞는 인버터 주파수를 출력하여 과전류 트립 없이 전동기가 동작하도록 하는 기능을 재기동(Flying Start) 기능이라고 한다.
에너지 절감효과가 뛰어나 고압 인버터가 가장 많이 사용되는 팬, 블로워 등의 전동기는 인버터 정지시 자체 관성에 의해 길게는 30분 이상 활주를 계속하기 때문에 전동기 활주 상태에서의 재기동 기능이 인버터에 필수적으로 내장되며, 활주 중인 전동기의 속도에 적합한 인버터 주파수를 찾기 위해 소요되는 시간이 성능의 척도가 된다.
파워 셀(Power Cell) 고장 발생 등으로 인버터 정지 시, 인버터에 재기동 기능이 없으면 전동기가 정지할 때까지 기다려야 인버터 동작이 가능하며, 이는 사용 현장에 따라 공정에 문제를 발생시킬 수 있다.
일반적인 인버터의 재기동 기능은 전동기 활주 곡선을 측정한 고정 룩업 테이블(Lock-Up Table)을 이용하여 수행된다. 이러한 방법은 적용 현장마다 활주 곡선을 측정해야 하는 번거로움과 현장 상황에 따라 측정이 불가능한 문제점이 있다.
또한, 활주 곡선은 전동기에 적용되는 부하 양에 따라 변동되므로, 고정 룩업 테이블을 이용한 재기동 기능은 다음과 같은 문제점이 있다. 재기동 시점에서 고정 룩업 테이블의 속도보다 전동기의 실제 활주 속도가 낮은 경우, 인버터 출력주파수를 감속하는 시간만큼 재기동 제어 구현 시간이 길어진다. 반대로, 재기동 시점에서 고정 룩업 테이블의 속도보다 전동기의 실제 활주 속도가 높은 경우, 실제 활주 속도보다 인버터 출력 주파수가 낮으므로 회생에 의한 DC 과전압 고장이 발생된다.
상기한 문제점을 해소하기 위하여, 번거롭게 활주 곡선을 측정할 필요가 없고 부하 변동에 의한 활주 속도 변화에도 과도상태 없이 안정적으로 재기동 기능을 수행할 수 있는 H-브릿지 멀티레벨 인버터 제어장치 및 이의 동작 방법이 요구되고 있다.
본 발명의 일 실시 형태에 따른 H-브릿지 멀티레벨 인버터 제어장치의 동작 방법은, H-브릿지 멀티레벨 인버터의 파워 셀 상태를 확인하여 고장이 발생한 파워 셀이 존재하는지 여부를 검사하는 단계; 및 고장이 발생한 파워 셀이 존재하면, 전동기의 역기전력을 기반으로 전동기의 활주 속도를 실시간 연산하여 재기동 기능을 수행하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 형태에 따른 H-브릿지 멀티레벨 인버터 제어장치는, H-브릿지 멀티레벨 인버터의 파워 셀 상태를 확인하여 고장이 발생한 파워 셀이 존재하는지 여부를 검사하는 파워셀 고장 검출부; 및 고장이 발생한 파워 셀이 존재하면, 전동기의 역기전력을 기반으로 전동기의 활주 속도를 실시간 연산하여 재기동 기능을 수행하는 재기동 기능부;를 포함할 수 있다.
H-브릿지 멀티레벨 인버터 제어장치에서 전동기의 실제 활주 속도를 실시간으로 연산 또는 추정하여 재기동 기능을 수행함으로써, 번거롭게 활주 곡선을 측정할 필요가 없고 부하 변동에 의한 활주 속도 변화에도 과도상태 없이 안정적으로 재기동 기능을 수행할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 H-브릿지 멀티레벨 인버터 제어장치의 구성을 도시한 블럭도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 H-브릿지 멀티레벨 인버터 제어장치에서 인버터 B상의 B3과 C상의 C2, C3, C4, C5, C6의 파워 셀에서 고장이 발생하였을 경우 불평형 제어 적용 후의 벡터도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 H-브릿지 멀티레벨 인버터 제어장치 내 불평형 제어부의 불평형 제어 방법을 도시한 제어 블록도,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 H-브릿지 멀티레벨 인버터 제어장치의 동작 방법을 도시한 흐름도,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 H-브릿지 멀티레벨 인버터 제어장치에서 재기동 시점에 전동기의 역기전력이 존재하지 않는 경우의 재기동 모드에서 d축 전류와 q축 전류의 파형을 도시한 도면,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 H-브릿지 멀티레벨 인버터 제어장치에서 재기동 시점에 전동기의 역기전력이 존재하는 경우의 재기동 기능 수행 과정을 도시한 예시도,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 H-브릿지 멀티레벨 인버터 제어장치에서 재기동 시점에 전동기의 역기전력이 존재하지 않는 경우의 재기동 기능 수행 과정을 도시한 예시도,
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 H-브릿지 멀티레벨 인버터 제어장치에서 재기동 시점에 전동기의 역기전력이 존재하는 경우 재기동 모드에서 인버터 출력전압과 출력전류를 도시한 실험 그래프,
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 H-브릿지 멀티레벨 인버터 제어장치에서 재기동 시점에 전동기의 역기전력이 존재하지 않는 경우 재기동 모드에서 인버터 출력전압과 출력전류를 도시한 실험 그래프, 및
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 H-브릿지 멀티레벨 인버터 제어장치에서 재기동 시점에 전동기의 역기전력이 존재하는 경우 불평형 제어와 재기동 기능에 의한 전동기의 선간 전압과 전류를 도시한 실험 그래프이다.
본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 본 명세서에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 기술적인 용어가 본 발명의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는, 당업자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에서 사용되는 일반적인 용어는 사전에 정의되어 있는 바에 따라, 또는 전후 문맥상에 따라 해석되어야 하며, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "구성된다", "구비한다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈", "유닛" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 발명의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 발명의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.
이하, 본 발명의 실시 형태인 H-브릿지 멀티레벨 인버터 제어장치 및 이의 동작 방법에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 H-브릿지 멀티레벨 인버터 제어장치의 구성을 도시한 블럭도이다.
상기 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 H-브릿지 멀티레벨 인버터 제어장치 (100)는, 파워셀 고장 검출부(102), 불평형 제어부(104), 재기동 기능부(106), 펄스폭변조기(PWM: pulse width modulator)(108), 변압기(PT: potential transformer)(110)를 포함한다.
상기 파워셀 고장 검출부(102)는, H-브릿지 멀티레벨 인버터(120)의 파워 셀 상태를 확인하여 고장이 발생한 파워 셀이 존재하는지 여부를 검사하고, H-브릿지 멀티레벨 인버터(120)에 고장이 발생한 파워 셀이 존재하면, 상기 펄스폭변조기(108)가 동작을 중단하도록 제어하고, 상기 불평형 제어부(104)와 재기동 기능부(106)가 동작하도록 제어한다. 상기 H-브릿지 멀티레벨 인버터(120)는 저압 단상 인버터를 직렬 연결하여 고전압을 얻을 수 있는 인버터로서, 단상 H-브릿지 인버터로 구성된 파워 셀(Power Cell)을 캐스케이드(Cascade) 형태로 연결하기 때문에 캐스케이드 인버터라고도 불린다. 상기 H-브릿지 멀티레벨 인버터(120)의 각 상은 직렬 접속된 여러 개의 파워 셀로 구성된다. 각 파워 셀은 독립된 단상 인버터 구조이고, 여러 개의 파워 셀을 직렬로 연결함으로써 저전압 전력용 반도체를 사용하여 고전압을 얻을 수 있다.
상기 불평형 제어부(104)는, 파워 셀 고장 발생 시, 고장이 발생한 파워 셀만 바이패스(Bypass) 시키고 상 전압의 위상을 변경하여 3상 출력 선간 전압이 평형이 되도록 불평형 제어를 수행한다. 즉, 고장이 발생한 파워 셀의 경우 바이패스 회로를 동작시켜 고장이 발생한 파워 셀을 제외한 상태에서 전기적으로 회로가 연결되게 하고, 나머지 정상적인 파워 셀의 경우 바이패스 회로를 동작시키지 않고 정상 동작시키며, 이와 같이 정상적인 파워 셀만 동작시킬 경우 3상 불평형이 발생하므로, 도 2와 같이, 각 상의 출력전압의 위상을 변경하여 전동기 측면에서의 출력 선간 전압이 평형이 되도록 불평형 제어를 수행한다. 인버터의 출력 상 전압이 불평형일지라도 3상 출력 선간 전압이 평형을 유지하면 출력전압 저하를 최소화하면서 운전 지속이 가능하며, 이와 같은 방법을 효율적인 정격감소 운전이 가능한 불평형 제어라 한다. 여기서, 불평형 제어가 가능한 파워 셀의 바이패스 회로 구성을 위해 파워 셀의 출력측에 부착되는 보조 스위치는 부하 전류가 양방향이므로 2단자 또는 3단자의 전자접촉기(Magnetic Contactor)나 전력용 반도체 스위치(예를 들어, 사이리스터(thyristor), IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor))를 양방향으로 배치하여 구성할 수 있다. 이후, 도 3을 통해 상기 불평형 제어부(104)의 불평형 제어 방법에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
상기 재기동 기능부(106)는, 파워 셀 고장 발생 시, 전동기가 활주하고 있는 상태에서 인버터의 재기동 기능을 수행한다. 상기 재기동 기능부(106)는, 재기동 시점(즉, 재기동 모드의 시작 시점)에 전동기의 역기전력이 존재하면, 전동기의 역기전력을 기반으로 전동기의 실제 활주 속도(즉, 활주주파수)를 실시간 연산하여 전동기 속도에 맞는 인버터 출력주파수를 출력하고, 재기동 시점에 전동기의 역기전력이 존재하지 않으면, 전동기의 역기전력 대신에 자속분 전류 주입을 기반으로 전동기의 실제 활주 속도를 실시간 추정하여 전동기 속도에 맞는 인버터 출력주파수를 출력한다.
상기 펄스폭변조기(108)는, 파워 셀 고장 발생에 따라 동작이 중단된 후, 상기 불평형 제어부(104)의 불평형 제어 및 상기 재기동 기능부(106)의 재기동 기능 수행 이후 동작 재개하여, 인버터 출력전압을 목표전압까지 증가시키고 상기 재기동 기능 수행 결과에 따른 상기 인버터 출력주파수에 불평형 제어 결과를 반영하여 인버터를 동작시킨다.
상기 변압기(110)는, 상기 H-브릿지 멀티레벨 인버터(120)와 이를 이용하여 구동되는 전동기(130) 사이의 통전 선로에 접속되어, 상기 재기동 기능부(106)의 제어에 따라 상기 전동기(130)의 3상 역기전력을 검출하고, 상기 검출된 3상 역기전력을 상기 재기동 기능부(106)로 제공한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 H-브릿지 멀티레벨 인버터 제어장치 내 불평형 제어부(104)의 불평형 제어 방법을 도시한 제어 블록도이다.
상기 도 3을 참조하면, H-브릿지 멀티레벨 인버터 제어장치 내 불평형 제어부(104)의 불평형 제어 방법을 도시한 제어 블록도는 크게 3가지 블록으로 구분된다. 즉, 상 불평형 상태에서 출력전압의 게인을 계산하는 부분(Calculation of Unbalance Gain)(310), 최대 출력 전압값을 계산하는 부분(Calculation of Output Voltage Limit)(320), 및 선간 출력전압을 3상 평형으로 제어하기 위해 옵셋 전압을 계산하여 중성점을 변경하는 부분(Calculation of Neutral Point Shift Gain)(330)으로 구분된다.
상기 상 불평형 상태에서 출력전압의 게인을 계산하는 부분(310)은, 파워 셀(302)의 고장으로 인버터(300)가 상 불평형이 될 경우, 인버터 (300) A, B, C 3상 각각에 대하여, 하기 <수학식 1>과 같이, 출력전압의 게인 α, β, γ를 계산하는 부분이다.
Figure pat00001
Figure pat00002
Figure pat00003
여기서, Total layer number는 정상상태에서 각 상당 직렬로 연결되어 있는 파워 셀의 개수를 나타내며, Total remained number는 파워 셀 고장 발생시 각 상당 정상적으로 동작하는 파워 셀의 개수를 나타낸다. 따라서, 각 상의 파워 셀이 모두 정상일 경우, α, β, γ는 1이 되며, 파워 셀에 고장이 발생하면 α, β, γ는 1 보다 큰 값을 갖게 된다.
상기 최대 출력 전압값을 계산하는 부분(320)은, 상기 계산된 α, β, γ와 인버터(300)의 DC Link 전압 이용률
Figure pat00004
를 이용하여 파워 셀 고장 상태에서 인버터(300)에서 출력 가능한 최대 전압을 계산하는 부분이다.
상기 선간 출력전압을 3상 평형으로 제어하기 위해 옵셋 전압을 계산하여 불평형 상전압의 중성점을 변경하는 부분(330)은, 상기 계산된 α, β, γ의 최대값, 출력전압의 지령값인
Figure pat00005
,
Figure pat00006
,
Figure pat00007
의 최대값 및 최소값을 사용하여 중성점 이동을 위한 옵셋 전압
Figure pat00008
을 계산한다. 상기 옵셋 전압은 샘플링 타임의 영향을 최소화하기 위해 적분형태를 취한다. 상기 계산된 옵셋 전압에 따라 새로운 극전압 지령값인
Figure pat00009
,
Figure pat00010
,
Figure pat00011
이 결정되며, 이에 따라 출력 선간 전압의 평형이 유지될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 H-브릿지 멀티레벨 인버터 제어장치의 동작 방법을 도시한 흐름도이다.
상기 도 4를 참조하면, H-브릿지 멀티레벨 인버터 제어장치는 401단계에서 전동기가 구동되는 동안 미리 정해진 주기로 H-브릿지 멀티레벨 인버터의 파워 셀 상태를 확인하여 고장이 발생한 파워 셀이 존재하는지 여부를 검사한다.
상기 401단계에서, H-브릿지 멀티레벨 인버터에 고장이 발생한 파워 셀이 존재하면, 상기 H-브릿지 멀티레벨 인버터 제어장치는 403단계에서 펄스폭변조기의 동작을 중단하여 인버터 출력전압을 일정 시간 동안 차단하고, 바이패스(Bypass) 회로를 동작시켜 고장이 발생한 파워 셀을 인버터에서 전기적으로 분리한다. 여기서, 전동기는 파워 셀 고장 발생에 따라 인버터가 정지하더라도 자체 관성에 의해 일정 시간 동안 활주를 계속하게 된다.
이후, 상기 H-브릿지 멀티레벨 인버터 제어장치는 405단계에서 전동기의 역기전력을 확인하여 전동기의 역기전력이 미리 정해진 기준값보다 큰 지 여부를 검사한다.
상기 405단계에서, 전동기의 역기전력이 미리 정해진 기준값보다 크면, 상기 H-브릿지 멀티레벨 인버터 제어장치는, 재기동 시점(즉, 재기동 모드의 시작 시점)에 전동기의 역기전력이 존재한다고 판단하고 상기 전동기의 역기전력을 기반으로 전동기의 실제 활주 속도(즉, 활주주파수)를 실시간 연산하여 재기동 기능을 수행하기 위해, 407단계에서 역기전력의 위상각과 크기를 계산한다. 이와 같이 계산된 전동기의 역기전력의 위상각과 크기는 전동기의 활주주파수(즉, 활주 상태의 전동기의 주파수)의 위상각과 크기가 된다. 상기 H-브릿지 멀티레벨 인버터 제어장치는, 예를 들어 위상고정루프(PLL: phase locked loop) 기법을 이용하여 역기전력의 위상각과 크기를 계산할 수 있다. 상기 위상고정루프 기법은, 변압기를 통해 전동기의 3상 역기전력을 검출하고, 변환기를 통해 상기 검출된 3상 역기전력을 2상 역기전력으로 변환한 후, 2상 역기전력의 q축 역기전력을 '0'으로 하는 비례적분(PI: proportional integral) 제어기를 통해 상기 변환된 2상 역기전력의 각속도를 연산한 후, 적분기를 통해 상기 연산된 각속도를 적분함으로써 상기 역기전력의 위상각을 계산하고, 상기 2상 역기전력의 q축 역기전력과 d축 역기전력의 각 값을 제곱하여 더하고 그 결과값에 루트를 취함으로써 상기 역기전력의 크기를 계산하는 기법이다.
이후, 상기 H-브릿지 멀티레벨 인버터 제어장치는 409단계에서 상기 계산된 역기전력의 크기를 기반으로 전동기의 역기전력과 인버터 출력전압을 동기화하고, 상기 계산된 역기전력의 위상각을 기반으로 전동기의 활주주파수와 인버터 출력주파수를 동기화한 후, 415단계로 진행한다. 이에 따라, 전동기 속도에 맞는 인버터 출력주파수가 출력될 수 있다. 여기서, 상기 H-브릿지 멀티레벨 인버터 제어장치는 전동기의 역기전력과 인버터 출력전압이 일치하도록 제어한 후 동기화하여, 동기 시 충격을 최소화할 수 있다.
반면, 상기 405단계에서, 전동기의 역기전력이 미리 정해진 기준값보다 크지 않으면, 상기 H-브릿지 멀티레벨 인버터 제어장치는 재기동 시점에 전동기의 역기전력이 존재하지 않는다고 판단하고 상기 전동기의 역기전력 대신에 자속분 전류 주입을 기반으로 전동기의 실제 활주 속도(즉, 활주주파수)를 실시간 추정하여 재기동 기능을 수행하기 위해, 411단계에서 전동기에 자속분 전류를 주입하고 이에 따라 전동기에 흐르는 토크분 전류의 주파수 성분으로 전동기의 활주주파수를 추정한다. 전동기에 토크분 전류인 q축 전류는 주입하지 않으면서 자속분 전류인 d축 전류만을 주입하고 DC 전류를 인가하면, 고정자에 자속이 발생하며, 이때 전동기가 활주 상태이면, 도 5의 (a)와 같이, 고정자 자속에 의해 역기전력이 발생하여 전동기에 q축 전류가 흐르게 되고, 전동기가 정지 상태이면, 도 5의 (b)와 같이, 역기전력이 발생되지 않으므로 전동기에 q축 전류가 흐르지 않게 된다. 여기서, q축 전류의 주파수 성분은 전동기의 활주주파수(fest)가 된다. 따라서, 전동기에 자속분 전류를 주입하고 이에 따라 전동기에 토크분 전류가 흐르면, 상기 토크분 전류의 주파수 성분으로 전동기의 활주주파수를 추정할 수 있다.
이후, 상기 H-브릿지 멀티레벨 인버터 제어장치는 413단계에서 상기 추정된 전동기의 활주주파수와 인버터 출력주파수를 동기화한 후, 상기 415단계로 진행한다. 이에 따라, 전동기 속도에 맞는 인버터 출력주파수가 출력될 수 있다.
이후, 상기 H-브릿지 멀티레벨 인버터 제어장치는 상기 415단계에서 고장이 발생한 파워 셀을 바이패스 시키고 정상적인 파워 셀만 동작시킬 경우 3상 불평형이 발생하므로, 상 전압의 위상을 변경하여 3상 출력 선간 전압이 평형이 되도록 불평형 제어를 수행한다.
이후, 상기 H-브릿지 멀티레벨 인버터 제어장치는 417단계에서 재기동 기능 수행을 완료하고, 상기 펄스폭변조기의 동작을 재개하여 출력 주파수와 V/F (전압/주파수)의 비율로 연산된 목표전압까지 가속 기울기를 가지고 인버터 출력전압을 증가시킨다. 재기동 시점에 전동기의 역기전력이 존재하여 상기 407단계 및 409단계를 수행한 경우, 상기 409단계를 통해 역기전력에 동기화된 인버터 출력전압을 목표전압까지 증가시키고, 재기동 시점에 전동기의 역기전력이 존재하지 않아 상기 411단계 및 413단계를 수행한 경우, 인버터 출력전압을 '0'에서부터 목표전압까지 증가시킨다.
이후, 상기 H-브릿지 멀티레벨 인버터 제어장치는 419단계에서 상기 인버터 출력전압이 목표전압보다 크거나 같은지 여부를 검사한다.
상기 419단계에서, 상기 인버터 출력전압이 목표전압보다 작으면, 상기 H-브릿지 멀티레벨 인버터 제어장치는 상기 417단계로 돌아가 이하 단계를 반복 수행한다.
반면, 상기 419단계에서, 상기 인버터 출력전압이 목표전압보다 크거나 같으면, 상기 H-브릿지 멀티레벨 인버터 제어장치는 421단계에서 상기 재기동 기능 수행 결과에 따른 인버터 출력주파수에 불평형 제어 결과를 반영하여 인버터를 동작시킨다.
이후, 상기 H-브릿지 멀티레벨 인버터 제어장치는 본 발명에 따른 알고리즘을 종료한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 H-브릿지 멀티레벨 인버터 제어장치에서 재기동 시점에 전동기의 역기전력이 존재하는 경우의 재기동 기능 수행 과정을 도시한 예시도이다.
상기 도 6을 참조하면, H-브릿지 멀티레벨 인버터 제어장치는, H-브릿지 멀티레벨 인버터에 고장이 발생한 파워 셀이 존재하는 경우, 재기동 모드(즉, 재기동 기능을 준비하여 수행하는 모드)로 진입하여, 역기전력의 위상각(
Figure pat00012
)과 크기(V)를 계산하고, 상기 계산된 역기전력의 크기를 기반으로 전동기의 역기전력과 인버터 출력전압을 동기화하며, 상기 계산된 역기전력의 위상각을 기반으로 전동기의 활주주파수와 인버터 출력주파수를 동기화한 후, 출력 주파수와 V/F (전압/주파수)의 비율로 연산된 목표전압까지 가속 기울기를 가지고 상기 인버터 출력전압을 증가시킨다. 이후, 상기 H-브릿지 멀티레벨 인버터 제어장치는 상기 인버터 출력전압이 목표전압에 도달하면 재기동 모드를 벗어나 통상적인 V/F 운전 모드로 진입하여 인버터가 통상적인 동작을 수행하도록 한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 H-브릿지 멀티레벨 인버터 제어장치에서 재기동 시점에 전동기의 역기전력이 존재하지 않는 경우의 재기동 기능 수행 과정을 도시한 예시도이다.
상기 도 7을 참조하면, H-브릿지 멀티레벨 인버터 제어장치는, H-브릿지 멀티레벨 인버터에 고장이 발생한 파워 셀이 존재하는 경우, 재기동 모드로 진입하여, 전동기에 자속분 전류인 d축 전류를 주입하고 이에 따라 전동기에 흐르는 토크분 전류인 q축 전류의 주파수 성분으로 전동기의 활주주파수를 추정하며, 상기 추정된 전동기의 활주주파수와 인버터 출력주파수를 동기화한 후, '0'에서부터 출력 주파수와 V/F (전압/주파수)의 비율로 연산된 목표전압까지 가속 기울기를 가지고 인버터 출력전압을 증가시킨다. 이후, 상기 H-브릿지 멀티레벨 인버터 제어장치는 상기 인버터 출력전압이 목표전압에 도달하면 재기동 모드를 벗어나 통상적인 V/F 운전 모드로 진입하여 인버터가 통상적인 동작을 수행하도록 한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 H-브릿지 멀티레벨 인버터 제어장치에서 재기동 시점에 전동기의 역기전력이 존재하는 경우 재기동 모드에서 인버터 출력전압과 출력전류를 도시한 실험 그래프이다.
상기 도 8을 참조하면, 전동기의 역기전력의 크기를 기반으로 전동기의 역기전력과 인버터 출력전압을 동기화하고, 인버터 출력전압을 목표전압까지 증가시키는 재기동 모드에서 인버터 전류파형의 과도상태 없이 인버터가 안정적으로 재기동되는 것을 확인할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 H-브릿지 멀티레벨 인버터 제어장치에서 재기동 시점에 전동기의 역기전력이 존재하지 않는 경우 재기동 모드에서 인버터 출력전압과 출력전류를 도시한 실험 그래프이다.
상기 도 9를 참조하면, 전동기에 자속분 전류인 d축 전류를 주입함에 따라 추정된 전동기의 활주주파수와 인버터 출력주파수를 동기화하고, 인버터 출력전압을 '0'에서부터 목표전압까지 증가시키는 재기동 모드에서 인버터 전류파형의 과도상태 없이 인버터가 안정적으로 재기동되는 것을 확인할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 H-브릿지 멀티레벨 인버터 제어장치에서 재기동 시점에 전동기의 역기전력이 존재하는 경우 불평형 제어와 재기동 기능에 의한 전동기의 선간 전압과 전류를 도시한 실험 그래프이다.
상기 도 10을 참조하면, 파워 셀 고장 발생 시 본 발명에서 제안하는 재기동 기능을 통해 빠른 시간 내(약, 50ms)에 인버터 출력전압이 전동기의 역기전력에 동기되어 출력됨을 확인할 수 있다. 이에 따라, 파워 셀 고장 발생 등으로 인버터가 정지되더라도 본 발명에서 제안하는 불평형 제어와 재기동 기능의 연계 운전으로 활주 상태의 전동기가 정지하지 않고 연속 구동할 수 있게 된다.
이와 같이, 본 발명의 실시 형태에 따른 H-브릿지 멀티레벨 인버터 제어장치 및 이의 동작 방법은, 파워 셀 고장 발생 시 전동기가 활주하고 있는 상태에서, 전동기의 실제 활주 속도를 실시간으로 연산 또는 추정하여 인버터 재기동 기능을 수행함으로써, 번거롭게 활주 곡선을 측정할 필요가 없고 부하 변동에 의한 활주 속도 변화에도 과도상태 없이 안정적으로 재기동 기능을 수행할 수 있는 이점이 있다.
이상에서 본 발명이 구체적인 구성요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명이 상기 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형을 꾀할 수 있다.
따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등하게 또는 등가적으로 변형된 모든 것들은 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100: H-브릿지 멀티레벨 인버터 제어장치
102: 파워셀 고장 검출부
104: 불평형 제어부
106: 재기동 기능부
108: 펄스폭변조기
110: 변압기
120: 인버터
130: 전동기

Claims (14)

  1. H-브릿지 멀티레벨 인버터의 파워 셀 상태를 확인하여 고장이 발생한 파워 셀이 존재하는지 여부를 검사하는 단계; 및
    고장이 발생한 파워 셀이 존재하면, 전동기의 역기전력을 기반으로 전동기의 활주 속도를 실시간 연산하여 재기동 기능을 수행하는 단계;를 포함하는 H-브릿지 멀티레벨 인버터 제어장치의 동작 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전동기의 역기전력을 기반으로 전동기의 활주 속도를 실시간 연산하여 재기동 기능을 수행하는 단계는,
    역기전력의 위상각과 크기를 계산하는 단계; 및
    상기 계산된 역기전력의 크기를 기반으로 전동기의 역기전력과 인버터 출력전압을 동기화하고, 상기 계산된 역기전력의 위상각을 기반으로 전동기의 활주주파수와 인버터 출력주파수를 동기화하는 단계;를 포함하는 H-브릿지 멀티레벨 인버터 제어장치의 동작 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    전동기의 역기전력을 확인하여 전동기의 역기전력이 미리 정해진 기준값보다 큰 지 여부를 검사하는 단계; 및
    상기 전동기의 역기전력이 미리 정해진 기준값보다 크지 않으면, 자속분 전류 주입을 기반으로 전동기의 활주 속도를 실시간 추정하여 재기동 기능을 수행하는 단계;를 더 포함하며,
    상기 전동기의 역기전력을 기반으로 전동기의 활주 속도를 실시간 연산하여 재기동 기능을 수행하는 단계는, 전동기의 역기전력이 미리 정해진 기준값보다 큰 경우 수행하는 H-브릿지 멀티레벨 인버터 제어장치의 동작 방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 자속분 전류 주입을 기반으로 전동기의 활주 속도를 실시간 추정하여 재기동 기능을 수행하는 단계는,
    전동기에 자속분 전류를 주입하고 이에 따라 전동기에 흐르는 토크분 전류의 주파수 성분으로 전동기의 활주주파수를 추정하는 단계; 및
    상기 추정된 전동기의 활주주파수와 인버터 출력주파수를 동기화하는 단계;를 포함하는 H-브릿지 멀티레벨 인버터 제어장치의 동작 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 전동기의 역기전력을 기반으로 전동기의 활주 속도를 실시간 연산하여 재기동 기능을 수행하는 단계 이전에,
    고장이 발생한 파워 셀이 존재하면, 펄스폭변조기의 동작을 중단하여 인버터 출력전압을 일정 시간 동안 차단하고, 바이패스(Bypass) 회로를 동작시켜 고장이 발생한 파워 셀을 인버터에서 전기적으로 분리하는 단계;를 더 포함하는 H-브릿지 멀티레벨 인버터 제어장치의 동작 방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 전동기의 역기전력을 기반으로 전동기의 활주 속도를 실시간 연산하여 재기동 기능을 수행하는 단계 이후,
    상 전압의 위상을 변경하여 3상 출력 선간 전압이 평형이 되도록 불평형 제어를 수행하는 단계;
    상기 펄스폭변조기의 동작을 재개하여 목표전압까지 가속 기울기를 가지고 인버터 출력전압을 증가시키는 단계; 및
    상기 인버터 출력전압이 목표전압보다 크거나 같으면, 상기 재기동 기능 수행 결과에 따른 인버터 출력주파수에 불평형 제어 결과를 반영하여 인버터를 동작시키는 단계;를 더 포함하는 H-브릿지 멀티레벨 인버터 제어장치의 동작 방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 상 전압의 위상을 변경하여 3상 출력 선간 전압이 평형이 되도록 불평형 제어를 수행하는 단계는,
    각 상 출력전압의 게인을 계산하는 단계;
    상기 계산된 각 상의 출력전압의 게인과 인버터의 DC Link 전압 이용률을 이용하여 파워 셀 고장 상태에서 인버터에서 출력 가능한 최대 전압을 계산하는 단계;
    상기 계산된 각 상의 출력전압의 게인의 최대값, 출력전압의 지령값의 최대값 및 최소값을 사용하여 중성점 이동을 위한 옵셋 전압을 계산하는 단계; 및
    상기 계산된 옵셋 전압에 따라 새로운 극전압 지령값을 결정하는 단계;를 포함하는 H-브릿지 멀티레벨 인버터 제어장치의 동작 방법.
  8. H-브릿지 멀티레벨 인버터의 파워 셀 상태를 확인하여 고장이 발생한 파워 셀이 존재하는지 여부를 검사하는 파워셀 고장 검출부; 및
    고장이 발생한 파워 셀이 존재하면, 전동기의 역기전력을 기반으로 전동기의 활주 속도를 실시간 연산하여 재기동 기능을 수행하는 재기동 기능부;를 포함하는 H-브릿지 멀티레벨 인버터 제어장치.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 재기동 기능부는,
    역기전력의 위상각과 크기를 계산하고, 상기 계산된 역기전력의 크기를 기반으로 전동기의 역기전력과 인버터 출력전압을 동기화하고, 상기 계산된 역기전력의 위상각을 기반으로 전동기의 활주주파수와 인버터 출력주파수를 동기화함으로써, 상기 재기동 기능을 수행하는 H-브릿지 멀티레벨 인버터 제어장치.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 재기동 기능부는,
    전동기의 역기전력을 확인하여 전동기의 역기전력이 미리 정해진 기준값보다 큰 지 여부를 검사하고,
    상기 전동기의 역기전력이 미리 정해진 기준값보다 크면, 상기 전동기의 역기전력을 기반으로 전동기의 활주 속도를 실시간 연산하여 재기동 기능을 수행하고,
    상기 전동기의 역기전력이 미리 정해진 기준값보다 크지 않으면, 자속분 전류 주입을 기반으로 전동기의 활주 속도를 실시간 추정하여 재기동 기능을 수행하는 H-브릿지 멀티레벨 인버터 제어장치.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 재기동 기능부는,
    전동기에 자속분 전류를 주입하고 이에 따라 전동기에 흐르는 토크분 전류의 주파수 성분으로 전동기의 활주주파수를 추정하며, 상기 추정된 전동기의 활주주파수와 인버터 출력주파수를 동기화함으로써, 상기 자속분 전류 주입을 기반으로 전동기의 활주 속도를 실시간 추정하여 재기동 기능을 수행하는 H-브릿지 멀티레벨 인버터 제어장치.
  12. 제 8 항에 있어서, 상기 파워셀 고장 검출부는,
    고장이 발생한 파워 셀이 존재하면, 펄스폭변조기가 동작을 중단하도록 제어하는 H-브릿지 멀티레벨 인버터 제어장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    고장이 발생한 파워 셀이 존재하면, 바이패스(Bypass) 회로를 동작시켜 고장이 발생한 파워 셀을 인버터에서 전기적으로 분리하고, 상기 재기동 기능부의 재기동 기능 수행 이후, 상 전압의 위상을 변경하여 3상 출력 선간 전압이 평형이 되도록 불평형 제어를 수행하는 불평형 제어부;를 더 포함하며,
    상기 펄스폭변조기는, 상기 불평형 제어부의 불평형 제어 수행 이후, 동작을 재개하여 목표전압까지 가속 기울기를 가지고 인버터 출력전압을 증가시키고, 상기 인버터 출력전압이 목표전압보다 크거나 같으면, 상기 재기동 기능 수행 결과에 따른 인버터 출력주파수에 불평형 제어 결과를 반영하여 인버터를 동작시키는 H-브릿지 멀티레벨 인버터 제어장치.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 불평형 제어부는,
    각 상 출력전압의 게인을 계산하고,
    상기 계산된 각 상의 출력전압의 게인과 인버터의 DC Link 전압 이용률을 이용하여 파워 셀 고장 상태에서 인버터에서 출력 가능한 최대 전압을 계산하고,
    상기 계산된 각 상의 출력전압의 게인의 최대값, 출력전압의 지령값의 최대값 및 최소값을 사용하여 중성점 이동을 위한 옵셋 전압을 계산하고,
    상기 계산된 옵셋 전압에 따라 새로운 극전압 지령값을 결정하는 H-브릿지 멀티레벨 인버터 제어장치.
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