KR20180074830A - Impedance matching filter design method in pwm motor deriver ant rc filter using the same - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a filter designing method in an electric motor driving device driven by an inverter. The present invention relates to an electric motor driving system which drives an electric motor by using a 3-phase PWM inverter. An RC filter comprises a first resistor, a second resistor, a third resistor, a first capacitor, a second capacitor, and the first capacitor. The first resistor connects a first end to a first phase of the 3-phase PWM inverter. The second resistor connects a first end to a second phase of the 3-phase PWM inverter. The third resistor connects a first end to a third phase of the 3-phase PWM inverter. The first capacitor connects a first end to a second end of the first resistor. The second capacitor connects a first end to a second end of the second resistor. The first capacitor connects the first end to a second end of the third resistor, and connects a second end to a second end of the first capacitor and a second end of the second capacitor. When the RC filter manufactured through the filter designing method is installed in the electric motor, the present invention can prevent an overvoltage phenomenon depending on high speed switching of the PWM inverter. Therefore, the present invention can secure stability of driving of the electric motor, and can prevent damage of the electric motor depending on overvoltage.

Description

인버터로 구동되는 전동기 구동장치에서의 필터설계방법 및 이를 이용한 RC 필터{IMPEDANCE MATCHING FILTER DESIGN METHOD IN PWM MOTOR DERIVER ANT RC FILTER USING THE SAME}FIELD OF THE INVENTION [0001] The present invention relates to a filter design method for a motor drive apparatus driven by an inverter, and an RC filter using the same. [0002]

본 발명은 인버터로 구동되는 전동기 구동장치에서의 필터설계방법 및 이를 이용한 RC 필터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전동기 단에 부가되어 전동기 단의 과전압을 억제하는 RC 필터의 설계를 위한 인버터로 구동되는 전동기 구동장치에서의 필터설계방법 및 이를 이용한 RC 필터에 관한 것이다.The present invention relates to a filter design method in an electric motor drive apparatus driven by an inverter and to an RC filter using the same. More particularly, the present invention relates to an RC filter driven by an inverter for designing an RC filter for suppressing an overvoltage of a motor end. To a filter design method in an electric motor drive apparatus and to an RC filter using the same.

기존에 PWM 인버터로 구동되는 전동기 구동장치에서 전동기 단에서 발생하는 과전압을 억제하기 위해 다양한 방법이 제시되고 있다. 특히 전동기와 인버터가 멀리 떨어져 있어 전력케이블이 길어질 수밖에 없는 응용의 경우에 과전압은 전원전압의 2배까지 발생하게 된다. 과전압은 전동기 절연을 파괴하여 부분 방전 현상을 일으켜 전동기의 수명을 줄여 고장발생으로 이어지는 문제를 가지고 있다. Various methods have been proposed to suppress the overvoltage generated at the motor end in the motor drive apparatus driven by the PWM inverter. In particular, in applications where the motor and the inverter are far away and the power cable is inevitably long, the overvoltage can be up to twice the power supply voltage. The overvoltage has a problem that breaks the motor insulation and causes a partial discharge phenomenon to reduce the life of the motor, leading to a failure.

최근에는 IGBT를 대체하는 새로운 전력반도체 소자 (GaN, SiC)가 개발되어 크기를 줄이고, 무게를 감소시키고, 효율을 증가시키는 등의 인버터의 성능을 획기적으로 개선하고 있다. 이는 전력반도체의 고속스위칭에 의한 효과이지만, 전동기의 과전압 현상은 훨씬 심각해지게 된다. 왜냐하면 과전압 현상은 전력케이블의 길이에 비례하고 전압기울기에 반비례하기 때문이다. In recent years, new power semiconductor devices (GaN, SiC) have been developed to replace IGBTs, which dramatically improve the performance of inverters, such as reducing size, reducing weight, and increasing efficiency. This is due to the high-speed switching of the power semiconductor, but the overvoltage phenomenon of the motor becomes much worse. Because the overvoltage phenomenon is proportional to the length of the power cable and inversely proportional to the voltage slope.

전압상승시간이 절반이 되면 전력케이블의 길이가 절반으로 줄어들어야 과전압이 동일하게 발생한다. 기존의 IGBT 인버터보다 GaN 인버터는 10배 이상 빠르게 동작하기 때문에 전력케이블은 수 미터의 길이에서도 전동기 과전압은 두 배로 발생하게 된다. When the voltage rise time is halved, the length of the power cable must be reduced by half in order to generate the same overvoltage. Since the GaN inverter operates more than 10 times faster than conventional IGBT inverters, the motor overvoltage is doubled even if the power cable is several meters long.

도 1은 종래의 R 타입 필터에 대한 회로도이고, 도 2는 기존의 RLC 타입 필터에 대한 회로도이다. 기존의 전동기 측에 설치하는 필터는 도 1과 같은 저항 단일형과 도 2와 같은 저항+인덕터+캐패시터 결합형이 있다. 저항 단일형은 구조가 간단하나 저항 열의 발생이 커서 냉각장치를 부가해야 하며, 저항+인덕터+캐패시터 결합형은 안정적인 동작이 가능하지만 구조가 복잡하며 각각 소자들의 파라미터를 선정하는데 어려움이 있다.FIG. 1 is a circuit diagram for a conventional R type filter, and FIG. 2 is a circuit diagram for a conventional RLC type filter. The conventional filter installed on the motor side has a single resistor type as shown in Fig. 1 and a resistor + inductor + capacitor coupled type as shown in Fig. The resistance single type has a simple structure but generates a large amount of resistance heat, so a cooling device must be added. The resistance + inductor + capacitor combination type can operate stably, but the structure is complicated and it is difficult to select the parameters of the respective devices.

이에 비해 저항+케패시터 직렬형은 구조가 간단하면서 과전압 억제의 효과가 우수한 장점이 있다. 이를 달성하기 위해서는 저항과 케페시터를 파라미터를 선정하는 설계방법과 동시에 고려되어야 한다. 기존의 설계방법으로는 2차 형식의 과전압 파형을 제어하기에는 한계가 있어 왔다. On the other hand, the resistance + capacitor series type has advantages of simple structure and superior effect of overvoltage suppression. To achieve this, the resistance and the capacitor must be considered together with the design method of selecting the parameters. Conventional design methods have had limitations in controlling the secondary overvoltage waveform.

따라서, 고속 전력반도체가 사용되는 PWM인버터가 채용된 전동기 구동장치에서 전동기 단에서의 과전압을 억제하기 위해 전동기 단에 부가되는 RC 필터의 설계방법이 요구된다. Therefore, there is a need for a method of designing an RC filter added to the motor end to suppress overvoltage at the motor end in a motor drive apparatus employing a PWM inverter in which a high-speed power semiconductor is used.

본 발명의 배경이 되는 기술은 한국공개특허 제10-2015-0052291호(2016.10.24.공개)에 개시되어 있다.The background of the present invention is disclosed in Korean Patent Publication No. 10-2015-0052291 (published on October 24, 2016).

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 전동기 단에 부가되어 전동기 단의 과전압을 억제하는 RC 필터의 설계를 위한 인버터로 구동되는 전동기 구동장치에서의 필터설계방법 및 이를 이용한 RC 필터를 제공하기 위한 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention is directed to a filter design method in an electric motor drive apparatus driven by an inverter for designing an RC filter which is added to an electric motor stage and suppresses an overvoltage of a motor end, and an RC filter using the same.

이러한 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 실시예에 따르면, 3상(3-phase) PWM 인버터를 이용하여 전동기를 구동하는 전동기 구동 시스템에 있어서, RC 필터는 상기 3상 PWM 인버터의 제1상에 제1단이 연결되는 제1 저항, 상기 3상 PWM 인버터의 제2상에 제1단이 연결되는 제2 저항, 상기 3상 PWM 인버터의 제3상에 제1단이 연결되는 제3 저항, 상기 제1 저항의 제2단에 제1단이 연결되는 제1 캐패시터, 상기 제2 저항의 제2단에 제1단이 연결되는 제2 캐패시터, 그리고 상기 제3 저항의 제2단에 제1단이 연결되고, 상기 제1 캐패서터의 제2단 및 상기 제2 캐패시터의 제2단에 제2단이 연결되는 제1 캐패시터를 포함한다. According to an aspect of the present invention, there is provided an electric motor drive system for driving an electric motor using a three-phase PWM inverter, the RC filter comprising: A first resistor connected to the first end of the three-phase PWM inverter, a second resistor connected to the first end of the three-phase PWM inverter, a third resistor connected to the third end of the three-phase PWM inverter, A first capacitor having a first end connected to a second end of the first resistor, a second capacitor having a first end connected to a second end of the second resistor, And a first capacitor connected to a second end of the first capacitor and a second end of the second capacitor.

상기 전동기 구동 시스템의 전력 케이블과 전동기의 임피던스 미스매치에 의한 반사계수가 아래의 수학식을 통해 연산될 수 있다. The reflection coefficient due to the impedance mismatch between the power cable and the motor of the motor drive system can be calculated by the following equation.

Figure pat00001
Figure pat00001

Figure pat00002
Figure pat00002

상기 전동기 구동 시스템의 전력 케이블에 따른 PWM 제어 신호의 지연 시간이 아래의 수학식을 통해 연산될 수 있다. The delay time of the PWM control signal according to the power cable of the motor drive system can be calculated by the following equation.

Figure pat00003
Figure pat00003

Figure pat00004
Figure pat00004

이와 같이 본 발명에 따르면, 본 발명의 필터설계방법을 통해 제조된 RC 필터를 전동기 단에 설치하게 되면 PWM 인버터의 고속 스위칭에 따른 과전압 현상을 방지할 수 있다. 이에 따라, 전동기 구동의 안정성을 보장할 수 있을 뿐만 아니라 과전압에 따른 전동기의 파손을 예방할 수 있는 장점이 있다. As described above, according to the present invention, when the RC filter manufactured through the filter designing method of the present invention is installed at the motor end, it is possible to prevent the overvoltage phenomenon caused by the fast switching of the PWM inverter. As a result, not only the stability of the motor drive can be ensured but also the breakdown of the motor due to the overvoltage can be prevented.

도 1은 종래의 R 타입 필터에 대한 회로도이다.
도 2는 기존의 RLC 타입 필터에 대한 회로도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 RC 타입 필터를 포함한 전동기 구동 시스템의 회로도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 과전압 억제 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다. 1 is a circuit diagram for a conventional R type filter.
2 is a circuit diagram of a conventional RLC type filter.
3 is a circuit diagram of a motor drive system including an RC type filter according to an embodiment of the present invention.
4 is a diagram showing a simulation result of overvoltage suppression according to the embodiment of the present invention.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily carry out the present invention. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. In order to clearly illustrate the present invention, parts not related to the description are omitted, and similar parts are denoted by like reference characters throughout the specification.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.Throughout the specification, when an element is referred to as "comprising ", it means that it can include other elements as well, without excluding other elements unless specifically stated otherwise.

그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily carry out the present invention.

그러면, 도 3을 통해 본 발명의 실시예에 따른 RC 타입 필터에 대해 살펴보도록 한다. 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 RC 타입 필터를 포함한 전동기 구동 시스템의 회로도이다. Referring to FIG. 3, an RC type filter according to an embodiment of the present invention will be described. 3 is a circuit diagram of a motor drive system including an RC type filter according to an embodiment of the present invention.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 임피던스 매칭 방법을 사용하게 되면 케이블의 길이와 전력케이블 파라미터에 맞추어 설계할 수 있게 되어 우수한 과전압 억제성능을 달성할 수 있다. As shown in FIG. 3, when the impedance matching method according to the embodiment of the present invention is used, it is possible to design according to the cable length and the power cable parameter, thereby achieving superior overvoltage suppression performance.

3상(3-phase) PWM 인버터(10)를 이용하여 전동기(20)를 구동하는 전동기 구동 시스템에 있어서, RC 필터(100)는 3상 PWM 인버터의 제1상에 제1단이 연결되는 제1 저항, 3상 PWM 인버터의 제2상에 제1단이 연결되는 제2 저항, 3상 PWM 인버터의 제3상에 제1단이 연결되는 제3 저항, 제1 저항의 제2단에 제1단이 연결되는 제1 캐패시터, 제2 저항의 제2단에 제1단이 연결되는 제2 캐패시터, 그리고 제3 저항의 제2단에 제1단이 연결되고, 제1 캐패서터의 제2단 및 제2 캐패시터의 제2단에 제2단이 연결되는 제1 캐패시터를 포함한다.In the motor drive system for driving the electric motor 20 using a three-phase PWM inverter 10, the RC filter 100 includes a first phase connected to the first phase of the three-phase PWM inverter, A first resistor connected to the second phase of the three-phase PWM inverter, a second resistor connected to the first phase of the three-phase PWM inverter, A first capacitor is connected to the first end of the second resistor, a second capacitor is connected to the second end of the second resistor, and a first end is connected to the second end of the third resistor, And a first capacitor connected to a second end of the second capacitor and a second end of the second capacitor.

그러면, 이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 저항+캐페시터 직렬형 필터의 소자별 파라미터 설계방법을 설명하고자 한다. Hereinafter, a device-specific parameter design method of the resistance + capacitor series filter according to the embodiment of the present invention will be described.

1. 전력케이블과 전동기(20)의 임피던스 미스매치에 의한 반사계수를 구한다. 통상적으로 전동기 임피던스는 전력케이블의 임피던스에 비해 상당히 큰 값을 가진다. 전력케이블과 전동기의 임피던스 미스매치에 의한 반사계수는 아래의 수학식 1을 통해 연산된다. 1. Find the reflection coefficient by the impedance mismatch between the electric power cable and the electric motor 20. Generally, the motor impedance is considerably larger than the impedance of the power cable. The reflection coefficient due to the impedance mismatch between the power cable and the motor is calculated by the following equation (1).

Figure pat00005
Figure pat00005

Figure pat00006
Figure pat00006

2. 전력케이블에 의한 PWM 파의 지연시간을 계산하면 다음의 수학식 2와 같이 구해진다. 여기에 설계조건을 대입하게 되면 지연시간을 구할 수 있다. 2. The delay time of the PWM wave by the power cable is calculated as follows. By substituting the design conditions here, the delay time can be obtained.

Figure pat00007
Figure pat00007

Figure pat00008
Figure pat00008

3. 지연시간을 PWM파의 전파시간보다 충분히 길게 설정하면 과전압을 억제할 수 있게 된다. 최종적으로 저항+캐페시터 직렬형 필터(100)의 소자별 파라미터를 구할 수 있게 된다. 지연시간은 아래의 수학식 3을 통해 연산된다. 3. Setting the delay time sufficiently longer than the propagation time of the PWM wave makes it possible to suppress the overvoltage. Finally, the device-specific parameters of the resistance + capacitor series filter 100 can be obtained. The delay time is calculated by the following equation (3).

Figure pat00009
Figure pat00009

Figure pat00010
Figure pat00010

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 과전압 억제 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 전동기(20) 단에서의 과전압이 억제됨을 확인할 수 있다. 4 is a diagram showing a simulation result of overvoltage suppression according to the embodiment of the present invention. As shown in Fig. 4, it can be confirmed that the overvoltage at the end of the electric motor 20 is suppressed.

본 발명의 필터설계방법을 통해 제조된 RC 필터를 전동기 단에 설치하게 되면 PWM 인버터의 고속 스위칭에 따른 과전압 현상을 방지할 수 있다. 이에 따라, 전동기 구동의 안정성을 보장할 수 있을 뿐만 아니라 과전압에 따른 전동기의 파손을 예방할 수 있는 장점이 있다.If the RC filter manufactured by the filter design method of the present invention is installed at the motor end, it is possible to prevent the overvoltage phenomenon caused by the fast switching of the PWM inverter. As a result, not only the stability of the motor drive can be ensured but also the breakdown of the motor due to the overvoltage can be prevented.

10 : PWM 인버터 20 : 전동기
100 : RC 필터10: PWM inverter 20: Motor
100: RC filter

Claims (3)

3상(3-phase) PWM 인버터를 이용하여 전동기를 구동하는 전동기 구동 시스템에 있어서,
상기 3상 PWM 인버터의 제1상에 제1단이 연결되는 제1 저항,
상기 3상 PWM 인버터의 제2상에 제1단이 연결되는 제2 저항,
상기 3상 PWM 인버터의 제3상에 제1단이 연결되는 제3 저항,
상기 제1 저항의 제2단에 제1단이 연결되는 제1 캐패시터,
상기 제2 저항의 제2단에 제1단이 연결되는 제2 캐패시터, 그리고
상기 제3 저항의 제2단에 제1단이 연결되고, 상기 제1 캐패서터의 제2단 및 상기 제2 캐패시터의 제2단에 제2단이 연결되는 제1 캐패시터를 포함하는 RC 필터. 1. A motor drive system for driving an electric motor using a three-phase PWM inverter,
A first resistor connected to a first end of the three-phase PWM inverter,
A second resistor whose first end is connected to the second phase of the three-phase PWM inverter,
A third resistor connected to a third end of the three-phase PWM inverter,
A first capacitor having a first end connected to a second end of the first resistor,
A second capacitor whose first end is connected to the second end of the second resistor, and
And a first capacitor having a first end connected to a second end of the third resistor and a second end connected to a second end of the first capacitor and a second end of the second capacitor, . 제1항에 있어서,
상기 전동기 구동 시스템의 전력 케이블과 전동기의 임피던스 미스매치에 의한 반사계수가 아래의 수학식을 통해 연산되는 RC 필터:
Figure pat00011

Figure pat00012
The method according to claim 1,
Wherein the reflection coefficient of the electric motor drive system due to the impedance mismatch between the power cable and the motor is calculated by the following equation:
Figure pat00011

Figure pat00012
 제1항에 있어서,
상기 전동기 구동 시스템의 전력 케이블에 따른 PWM 제어 신호의 지연 시간이 아래의 수학식을 통해 연산되는 RC 필터:
Figure pat00013

Figure pat00014

The method according to claim 1,
Wherein the delay time of the PWM control signal according to the power cable of the motor drive system is calculated by the following equation:
Figure pat00013

Figure pat00014
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KR200492373Y1 (en) * 2019-08-29 2020-09-25 백용호 A harmonic filter for inverter
KR20210000584U (en) * 2019-08-29 2021-03-10 백용호 A harmonic filter apparatus for inverter

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KR200492373Y1 (en) * 2019-08-29 2020-09-25 백용호 A harmonic filter for inverter
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