KR20170086342A

KR20170086342A - 인버터

Info

Publication number: KR20170086342A
Application number: KR1020160006061A
Authority: KR
Inventors: 김효진
Original assignee: 엘에스산전 주식회사
Priority date: 2016-01-18
Filing date: 2016-01-18
Publication date: 2017-07-26
Also published as: ES2833442T3; US11296639B2; JP6280976B2; EP3193444B1; EP3193444A1; JP2017131095A; CN106982023B; KR101783121B1; CN106982023A; US20170207741A1

Abstract

본 발명은 인버터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 모터의 최소 운전 전압과 직류단에 인가되는 직류단 전압의 대소 비교 결과에 기초하여 모터로 출력되는 3상 전압의 출력 주파수를 조절하는 인버터에 관한 것이다. 이러한 목적을 달성하기 위한 인버터는 직류단에 인가되는 직류단 전압을 측정하는 측정부, 상기 직류단 전압을 3상 전압으로 변환하여 상기 모터로 출력하는 변환부, 상기 직류단 전압과 상기 모터의 최소 운전 전압 간에 대소를 비교하고, 상기 비교 결과에 기초하여 상기 3상 전압의 출력 주파수를 조절하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면 직류단에 인가되는 직류단 전압과 모터의 최소 운전 전압 간에 대소를 비교하고 비교 결과에 기초하여 모터로 출력되는 3상 전압의 출력 주파수를 제어함으로써, 모터의 출력을 최대로 구동시킬 수 있는 장점이 있다.

Description

인버터{Inverter}

본 발명은 인버터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 모터의 최소 운전 전압과 직류단에 인가되는 직류단 전압의 대소 비교 결과에 기초하여 모터로 출력되는 3상 전압의 출력 주파수를 조절하는 인버터에 관한 것이다.

태양 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 태양광 발전 시스템은 미래의 대체 에너지원 가운데 가장 각광 받는 에너지원으로써, 태양 전지를 통해 태양광을 집광하고 이로 인한, 전하 차이를 이용하여 전기를 발생시켜 축전지에 저장한다. 저장된 전력은 인버터를 통해 직류 전력에서 교류 전력로 변환되어 부하로 공급된다.

이러한 태양광 발전 시스템은 최초 시설비가 많이 소요되는 점은 있으나 일단 설치해놓으면 별도의 연료없이 태양광만으로 높은 에너지 효율을 얻을 수 있음은 물론 반영구적인 사용이 가능한 이점이 있다.

이에 따라, 태양광 발전 시스템은 전력 수급이 난해한 격오지 등에서 오지의 식수 및 농수, 목축업을 위해 필요한 물을 공급하기 위하여 설치된 펌프의 전력 공급 시스템으로 사용되고 있다.

한편, 태양 전지로부터 발전되는 전기 에너지는 기존의 전기 에너지와는 상당히 다른 전기적인 특성을 가지고 있다. 보다 구체적으로, 기존의 전기 에너지는 선형 전압원(Linear Voltage Source)의 특성을 가지고 있기 때문에, 부하단에 선형이나 비선형의 부하가 걸릴지라도 항상 일정한 전압을 유지하고, 안정하게 동작한다.

또한, 하나의 동작점만을 갖기 때문에 어떤 입력 및 출력 조건에서도 항상 안정한 장치으로 동작한다. 즉, 선형 전압원을 가지는 전기 에너지를 사용할 때에는 부하조건에 관계없이 원하는 동작조건을 얻어낼 수 있다.

하지만, 태양 전지로부터 발전되는 전기 에너지는 비선형 전압원으로써 인버터를 통해 부하로 출력되는 전력에 따라 전압 및 전류가 비선형적으로 변경하는 특성을 가지고 있다.

이에 따라, 종래에는 태양 전지의 출력을 최대로 제어하기 위하여 최대 전력 추적(Maximum Power Point Tracking; MPPT) 알고리즘을 사용하여 태양 전지의 출력 전압을 제어하였다.

보다 구체적으로, 종래에는 MPPT 알고리즘을 구동할 수 있는 제어 장치를 인버터와 별도로 구비하고, 태양 전지의 출력 전압과 출력 전류를 MPPT 알고리즘에 입력시켜 태양 전지의 출력을 최대로 제어하기 위한 제어 전압치를 생성하였다.

이후, PID 모듈을 이용하여 실제 태양 전지의 출력 전압과 제어 전압치 사이의 오차에 근거하여 출력 전압이 제어 전압치를 유지하도록 피드백 제어를 수행하였다.

하지만, 상술된 MPPT 알고리즘을 태양광 발전 시스템으로부터 전력을 공급받는 펌프의 인버터에 적용하는 경우, 태양 전지의 출력을 최대로 제어하기 위한 제어값인 제어 전압치를 연산하기 위해 인버터 외에 고가의 제어 장치를 별도로 구비해야 하는 문제점이 있다.

또한, 펌프에 변환된 전력을 공급하는 인버터의 내부에 구비된 PID 모듈을 이용하여 태양 전지의 출력 전압을 제어 전압치로 제어하는 경우, 인버터 내부에 구비된 PID 모듈의 한정된 성능으로 출력 전압 제어 외에 유량 및 압력 등과 같은 펌프 구동에 필요한 변수 제어를 함께 수행해야 하는 문제점이 있다.

본 발명은 직류단에 인가되는 직류단 전압과 모터의 최소 운전 전압 간에 대소를 비교하고 비교 결과에 기초하여 모터로 출력되는 3상 전압의 출력 주파수를 제어함으로써, 모터의 출력을 최대로 구동시킬 수 있는 인버터를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 인버터는 직류단에 인가되는 직류단 전압을 측정하는 측정부, 상기 직류단 전압을 3상 전압으로 변환하여 상기 모터로 출력하는 변환부, 상기 직류단 전압과 상기 모터의 최소 운전 전압 간에 대소를 비교하고, 상기 비교 결과에 기초하여 상기 3상 전압의 출력 주파수를 조절하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

전술한 바와 같은 본 발명에 의하면 직류단에 인가되는 직류단 전압과 모터의 최소 운전 전압 간에 대소를 비교하고 비교 결과에 기초하여 모터로 출력되는 3상 전압의 출력 주파수를 제어함으로써, 모터의 출력을 최대로 구동시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 의하면 모터의 출력을 최대로 구동시키기 위하여 최대 전력 추적(Maximum Power Point Tracking; MPPT) 알고리즘을 연산하는 별도의 제어 장치가 불필요함으로써, 인버터만으로 모터의 출력을 최대로 구동시키는 것이 가능하고 제어 장치로 인해 필요한 설치 공간 및 제조비를 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 의하면 PID 모듈을 이용하지 않고 인버터만으로 모터의 출력을 최대로 구동시키는 것이 가능함으로써, 유량 및 압력 등과 같은 모터의 구동에 필요한 변수 제어에 PID 모듈을 활용할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 태양 전지 및 모터 펌프와 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터 간에 연결 구성을 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터의 구성을 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터에서 모터로 출력되는 3상 전압의 출력 주파수를 시간에 따라 도시한 그래프.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터의 직류단에 인가되는 직류단 전압을 시간에 따라 도시한 그래프.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터로부터 3상 전압을 공급받아 구동되는 모터의 출력을 시간에 따라 도시한 그래프.

전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 비교되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.

도 1은 태양광 발전 장치(10) 및 모터 펌프(20)와 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터(100) 간에 연결 구성을 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터(100)의 구성을 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터(100)는 태양광 발전 장치(10)에서 생성된 직류 전력을 직류단(DC-Link; DCP, DCN)으로 인가받고, 인가 받은 직류 전력을 3상 전압의 교류 전력으로 변환하여 모터(20)로 출력한다. 보다 구체적으로, 인버터(100)의 일측에 형성된 직류단(DCP, DCN)은 태양광 발전 장치(10)와 연결되어 직류단 전압(Vdc)이 인가되고, 인버터(100)의 타측으로는 3상 전압의 교류 전력이 모터(20)로 출력될 수 있다.

이때, 태양광 발전 장치(10)는 복수의 태양 전지가 직렬 및 병렬로 연결된 태양전지 어레이(PV-array)를 포함하고, 태양전지 어레이(PV-array)로부터 발전되는 직류 전력을 인버터(100)에 공급하는 발전 장치일 수 있다.

또한, 모터(20)는 낮은 곳에 위치하는 물을 높은 곳으로 퍼올리는 양수용 펌프에 사용되는 전동기일 수 있다.

여기서, 태양광 발전 장치(10) 및 모터(20) 각각의 구체적인 종류는 산업 전반에서 범용적으로 사용되는 종류로써 특별히 한정되지 않음을 유의한다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터(100)는 측정부(110), 변환부(120) 및 제어부(130)를 포함하여 구성될 수 있다. 도 2에 도시된 인버터(100)는 일 실시예에 따른 것이고, 그 구성요소들이 도 2에 도시된 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 일부 구성요소가 부가, 변경 또는 삭제될 수 있다.

측정부(110)는 태양광 발전 장치(10)로부터 직류단(DCP, DCN)에 인가되는 직류단 전압(Vdc)을 측정한다. 이때, 인버터(100)의 직류단(DCP, DCN)에는 태양광 발전 장치(10)로부터 생성된 직류 전력을 평활시켜 직류단 전압(Vdc)로 저장하는 직류단 커패시터가 연결될 수 있다.

여기서, 태양광 발전 장치(10)로부터 공급되어 직류단(DCP, DCN)에 인가되는 직류단 전압(Vdc)은 모터(20)의 출력(W)에 따라 비선형적으로 변경된다.

보다 구체적으로, 인버터(100)로부터 변환되어 모터(20)로 공급되는 3상 전압의 출력 주파수(f)가 인버터(100)의 제어로 증가하는 경우, 모터(20)의 출력(W)은 증가된 출력 주파수(f)의 제곱에 비례하여 증가하고 연쇄적으로 모터(20)의 출력(W)의 증가에 따라 측정부(110)에 측정되는 직류단 전압(Vdc)은 감소할 수 있다.

한편, 측정부(110)는 직류단 커패시터에 저장된 직류단 전압(Vdc)을 전압 센서를 통해 측정하고, 측정된 직류단 전압(Vdc)을 후술되는 제어부(130)로 송신할 수 있다.

변환부(120)는 직류단 전압(Vdc)을 3상 전압으로 변환하여 모터(20)로 출력한다. 보다 구체적으로, 변환부(120)는 직류단 커패시터에 평활되어 저장된 직류단 전압(Vdc)을 스위칭시켜 3상 전압으로 변환하고, 변환된 3상 전압을 모터(20)로 공급하여 모터(20)를 구동시킬 수 있다.

이를 위하여, 일 실시예에 따른 변환부(120)는 복수의 스위칭 소자 및 다이오드가 결선된 스위칭 회로를 포함할 수 있다. 변환부(120)는 스위칭 회로에 직류단 전압(Vdc)을 인가하고, 복수의 스위칭 소자의 온 또는 오프를 제어하여 직류단 전압(Vdc)을 3상 전압으로 변환할 수 있다.

여기서, 스위칭 소자는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(Insulated gate bipolar transistor; IGBT)일 수 있으나, 이에 한정되지 않음을 유의한다.

일 실시예에 따른 변환부(120)는 스위칭 회로를 이용하여 직류단 전압(Vdc)을 3상 전압으로 변환하는 것으로 설명하였으나 직류단 전압(Vdc)을 3상 전압으로 변환하는한 다른 실시예에 따른 변환부(120)의 전압 변환 방식은 전압 기준 인버팅 방식, 벡터 제어 및 VF 제어방식 중 어느 하나 이상일 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터(100)에서 모터(20)로 출력되는 3상 전압의 출력 주파수(f)를 시간에 따라 도시한 그래프이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터(100)의 직류단(DCP, DCN)에 인가되는 직류단 전압(Vdc)을 시간에 따라 도시한 그래프이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터(100)로부터 3상 전압을 공급받아 구동되는 모터(20)의 출력을 시간에 따라 도시한 그래프이다.

이하, 도 3 내지 도 5를 더 참조하여 제어부(130)에 대해 설명하도록 한다.

제어부(130)는 직류단 전압(Vdc)과 모터(20)의 최소 운전 전압(Vmin) 간에 대소를 비교하고, 비교 결과에 기초하여 3상 전압의 출력 주파수(f)를 조절한다.

이때, 제어부(130)는 조절하고자 하는 3상 전압의 출력 주파수(f)에 대응하여 변환부(120)에 포함된 복수의 스위칭 소자의 온 또는 오프를 제어함으로써, 3상 전압의 출력 주파수(f) 조절할 수 있다.

한편, 제어부(130)는 모터(20)의 운전 시작시 3상 전압의 출력 주파수(f)를 최소 운전 주파수(fmin)로 조절한다.

여기서, 최소 운전 주파수(fmin)는 모터(20)가 구동되기 위하여 모터(20)에 공급되는 3상 전압의 최소 주파수 값일 수 있다. 즉, 모터(20)에 공급되는 3상 전압의 출력 주파수(f)가 최소 운전 주파수(fmin) 이상이면 모터(20)의 구동이 시작될 수 있다.

이때, 최소 운전 주파수(fmin)는 모터(20)의 정격 사양에 따라 상이하게 설정될 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 3상 전압의 출력 주파수(f)가 최소 운전 주파수(fmin) 미만인 3상 전압이 모터(20)에 공급되는 0초부터 t1 구간에는 도 5에 도시된 바와 같이, 모터(20)가 구동되지 않으므로 모터(20)의 출력(W)이 "0"일 수 있다.

또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 0초부터 t1 구간에는 상 전압의 출력 주파수(f)가 최소 운전 주파수(fmin) 미만인 3상 전압이 모터(20)에 공급되어 모터(20)가 구동되지 않으므로 직류단 전압(Vdc)은 변화하지 않을 수 있다.

이후, 제어부(130)가 3상 전압의 출력 주파수(f)를 최소 운전 주파수(fmin)로 조절한 t1 시점에서는 모터(20)의 구동이 시작되어 모터(20)의 출력(W)이 증가하기 시작하고, 모터(20)의 출력(W)이 증가함에 따라 직류단 전압(Vdc)이 감소하기 시작한다.

이때, 제어부(130)은 모터(20)로 작동되는 펌프의 수압이 일정 수압 이상이되어 펌프로써 구동되도록 모터(20)로 공급되는 3상 전압의 출력 주파수(f)를 기 설정된 시간 동안 유지하여 모터(20)를 구동시킨다.

여기서, 기 설정된 시간은 펌프가 설치된 설치 환경에 따라 변경될 수 있다.

다음으로, 제어부(130)은 기 설정된 시간 이후 직류단 전압(Vdc)과 모터(20)의 최소 운전 전압(Vmin)을 비교하고 비교 결과에 기초하여 3상 전압의 출력 주파수(f)를 제1 주파수만큼 상승시키거나 제2 주파수만큼 감소시킨다.

보다 구체적으로, 제어부(130)는 직류단 전압(Vdc)과 최소 운전 전압(Vmin)의 비교 결과, 직류단 전압(Vdc)이 최소 운전 전압(Vmin)을 초과하면 3상 전압의 출력 주파수(f)를 제1 주파수만큼 상승시킬 수 있다.

반대로, 제어부(130)는 직류단 전압(Vdc)과 최소 운전 전압(Vmin)의 비교 결과, 직류단 전압(Vdc)이 최소 운전 전압(Vmin) 이하이면 3상 전압의 출력 주파수(f)를 제2 주파수만큼 감소시킬 수 있다.

여기서, 최소 운전 전압(Vmin)은 모터(20)가 구동되기 위하여 공급되는 전압의 최소 전압값일 수 있다. 최소 운전 전압(Vmin)은 모터(20)의 정격 사양에 따라 상이하게 설정될 수 있다.

즉, 직류단(DCP, DCN)에 인가되는 직류단 전압(Vdc)이 최소 운전 전압(Vmin) 보다 큰 경우에 모터(20)가 구동될 수 있다.

한편, 제1 주파수는 출력 주파수(f)의 조절로 인해 직류단 전압(Vdc)의 급격한 변화를 최소화하는 주파수 값으로 설정될 수 있다. 예를 들어, 제1 주파수는 5Hz일 수 있다.

또한, 제1 및 제2 주파수는 기 설정된 상수에 비례하는 주파수 값일 수 있다. 예를 들어, 제1 주파수는 제2 주파수의 2배일 수 있다.

제어부(130)는 3상 전압의 출력 주파수(f)의 조절 이후 기 설정된 대기 시간 동안 조절된 출력 주파수(f)를 유지함으로써, 출력 주파수(f)의 변화로 인한 모터(20)의 출력(W) 및 직류단 전압(Vdc)의 변화 시간을 지연시킬 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 제어부(130)는 t1부터 t2 구간까지 3상 전압의 출력 주파수(f)를 제1 주파수만큼 상승시키고, 3상 전압의 출력 주파수(f)의 상승에 따라 감소하는 직류단 전압(Vdc)과 최소 운전 전압(Vmin)을 비교한다.

도 4에 도시된 바와 같이, 제어부(130)는 직류단 전압(Vdc)과 최소 운전 전압(Vmin)의 비교 결과, t2 시점까지는 직류단 전압(Vdc)이 최소 운전 전압(Vmin)을 초과하므로 t2 시점까지 3상 전압의 출력 주파수(f)를 제1 주파수만큼 상승시킨다.

이후, t2 시점부터는 직류단 전압(Vdc)과 최소 운전 전압(Vmin)의 비교 결과, 직류단 전압(Vdc)이 최소 운전 전압(Vmin) 이하이므로 제어부(130)는 3상 전압의 출력 주파수(f)를 제2 주파수만큼 감소시킨다.

제어부(130)는 상술된 직류단 전압(Vdc)과 최소 운전 전압(Vmin)의 비교를 반복하여 비교 결과에 따라 3상 전압의 출력 주파수(f)를 조절함으로써, t2 시점 이후 구간과 같이 직류단 전압(Vdc)이 최소 운전 전압(Vmin)을 초과하는 운전 상태를 유지함과 동시에 3상 전압의 출력 주파수(f)를 최대로 조절할 수 있다. 이에 따라, 도 5에 도시된 바와 같이, t2 시점 이후 구간에서는 모터(20)의 출력(W)이 최대로 유지될 수 있다.

즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터(100)는 최대 전력 추적(Maximum Power Point Tracking; MPPT) 알고리즘을 연산하는 별도의 제어 장치와 PID 모듈을 이용하지 않고도 태양광 발전 장치(10)의 전기 에너지로 구동되는 모터(20)를 최대 출력으로 구동시킬 수 있다.

이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터(100)는 MPPT 알고리즘을 연산하는 제어 장치로 인해 요구되는 설치 공간 및 제조비를 감소시키고 유량 및 압력 등과 같은 펌프에 사용되는 변수 제어에 PID 모듈을 활용할 수 있다.

전술한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.

Claims

전력을 변환하여 모터에 공급하는 인버터에 있어서,
직류단(DC-Link)에 인가되는 직류단 전압을 측정하는 측정부;
상기 직류단 전압을 3상 전압으로 변환하여 상기 모터로 출력하는 변환부;
상기 직류단 전압과 상기 모터의 최소 운전 전압 간에 대소를 비교하고, 상기 비교 결과에 기초하여 상기 3상 전압의 출력 주파수를 조절하는 제어부를
포함하는 인버터.
제1항에 있어서,
상기 제어부는
상기 모터의 운전 시작시 상기 출력 주파수를 상기 모터의 최소 운전 주파수로 조절하는 인버터.
제2항에 있어서,
상기 제어부는
상기 출력 주파수가 상기 최소 운전 주파수에 도달하면 기 설정된 시간 동안 상기 출력 주파수를 상기 최소 운전 주파수로 유지하는 인버터.
제1항에 있어서,
상기 제어부는
상기 비교 결과 상기 직류단 전압이 상기 최소 운전 전압을 초과하면 상기 출력 주파수를 제1 주파수만큼 증가시키는 인버터.
제4항에 있어서,
상기 제어부는
상기 비교 결과 상기 직류단 전압이 상기 최소 운전 전압 이하이면 상기 출력 주파수를 제2 주파수만큼 감소시키는 인버터.