KR20180106545A - 인버터의 출력전류 검출 장치 - Google Patents

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Abstract

인버터의 출력전류 검출 장치가 개시된다. 본 발명의 인버터의 출력전류 검출 장치는 직류링크의 캐패시터 출력단에 연결된 션트 저항; 상기 션트 저항에 연결되어 출력전류를 검출하는 검출부; 및 상기 검출부의 전류 샘플링 시점을 조절하는 제어부;를 포함한다.

Description

인버터의 출력전류 검출 장치{Sensing Device for output current of inverter}
본 발명은 인버터의 출력전류 검출 장치에 관한 것이다.
인버터는 대표적인 전력변환 장치로 교류전원을 입력 받아 직류전원으로 변환 후 전력계통을 제어하기 위해 변환된 직류전원을 다시 교류로 변환하여 전력계통을 제어하는 장치이다.
인버터는 팬, 펌프, 엘리베이터, 이송장치, 생산라인 등 산업전반에 걸쳐 다양한 형태로 사용된다.
인버터는 교류전원을 정류하는 정류부, 정류부와 인버터부 사이에 배치되어 정류된 전원을 평활하는 직류링크(DC-link)의 캐패시터 및 인버터부를 포함한다.
직류링크에서 인버터부로 연결되는 출력단에는 고전위측(DCP)과 저전위측(DCN)이 존재한다. 션트 저항(Shunt resistor)은 저전위측에 연결되어 출력전류를 감지한다.
션트 저항의 검출에 있어서는 샘플링 시점을 선택하는 것이 중요하다. 이는 인버터의 하드웨어(Hardware) 구조상 파워 스위치의 온/오프 시에 데드 타임(Dead time), 턴온 타임(Turn on Time), 전압 신호 안정화 시간 등이 존재하기 때문에 이러한 시간에 전류를 샘플링 하는 것은 측정 오차를 크게 할 수 있다. 따라서, 전류의 샘플링은 유효벡터의 시작점이 아니라 유효벡터의 시작점으로부터 일정 시간 지연된 시점에서 이루어진다.
그러나 유효벡터의 시작점으로부터 일정 시간 지연(delay) 후에 전류의 샘플링이 이루어지더라도 하드웨어적인 지연 요소로 인하여 전류 검출 오차가 발생할 수 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 회로 지연 요소가 발생한 경우에도 전류 검출 오차를 방지할 수 있는 인버터의 출력전류 검출 장치를 제공하는 것이다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일실시예의 인버터의 출력전류 검출 장치는 직류링크의 캐패시터 출력단에 연결된 션트 저항; 상기 션트 저항에 연결되어 출력전류를 검출하는 검출부; 및 상기 검출부의 전류 샘플링 시점을 조절하는 제어부;를 포함하되, 상기 제어부는 스위칭 전압에 관한 유효벡터의 길이를 기설정값과 비교하여 상기 유효벡터의 길이를 변조할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 션트 저항은 저전위측에 연결될 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 제어부는 상기 유효벡터의 중간값을 기준으로 설정시간만큼 지연된 시점에서 상기 전류를 샘플링할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 제어부는 상기 유효벡터의 길이를 상기 유효벡터에 의한 전류가 안정화되는 시간보다 큰 값으로 변조할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 제어부는 상기 지연된 시점을 상기 유효벡터에 의한 전류가 안정화되는 시간의 절반보다 큰 값으로 결정할 수 있다.
본 발명은 전류 검출 오차 가능성을 최소화하여 인버터부로의 출력전류를 정확히 측정할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 인버터의 출력전류 검출 장치를 나타낸 도면이다.
도 2는 인버터부에 연결된 스위칭 소자의 배치를 나타낸 도면이다.
도 3은 dq축 변환된 전압과 그에 상응하는 벡터를 나타낸 도면이다.
도 4는 PWM 변조된 스위칭 전압 패턴을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 의한 인버터의 출력전류 검출 방법을 나타낸 순서도이다.
도 6은 유효벡터의 크기가 충분할 경우 전류 샘플링 시점을 나타낸 도면이다.
도 7은 유효벡터의 크기가 충분하지 않을 경우 PWM 변조 및 전류 샘플링 시점을 나타낸 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 인버터의 출력전류 검출 장치를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 정류부(210)는 3상 교류 전원(300)(R상, S상 및 T상)을 정류할 수 있다. 정류된 전원은 고전위측(DCP)과 저전위측(DCN)을 연결하는 직류링크(DC-link)에서 캐패시터에 의하여 평활될 수 있다.
평활된 직류전원은 인버터부(220)에 제공되며, 인버터부(220)는 직류전원을 다시 3상의 교류 전원으로 전환하여 전력계통(400)에 제공할 수 있다.
본 발명은 이러한 인버터에 있어서, 인버터부(220)로의 출력전류를 검출하는 인버터의 출력전류 검출 장치에 관한 것이다.
인버터의 출력전류 검출 장치는 션트 저항(110), 검출부(120), 제어부(130), 제어전원 공급부(140), 저장부(150) 및 표시부(160)를 포함할 수 있다.
션트저항(110)은 캐패시터가 배치된 직류링크의 저전위측(DCN)과 인버터부(220) 사이에 연결될 수 있다.
션트(Shunt) 저항(110)은 그 크기가 매우 낮은 저항으로 전류 측정에 사용되는 것이다.
검출부(120)는 션트 저항(110) 및 제어부(130)와 연결된다.
검출부(120)는 션트 저항(110) 양단의 신호를 이용하여 전류를 검출할 수 있다. 검출부(120)는 전류의 샘플링을 통하여 전류를 검출하고 이를 제어부(130)에 제공할 수 있다.
제어부(130)는 검출부(120), 표시부(160), 제어전원 공급부(140), 저장부(150) 및 인버터부(220)와 연결될 수 있다.
제어부(130)는 제어전원 공급부(140)로부터 제공받는 전원을 이용하여 검출부(120)로부터 검출된 전류를 수신하고, 저장부(150), 표시부(160) 및 인버터부(220)를 제어할 수 있다.
제어부(130)는 검출부(120)의 전류 샘플링 시점을 조절할 수 있다. 또한, 제어부(130)는 스위칭 전압에 관한 유효벡터 길이를 기설정값과 비교하여 유효벡터의 길이를 변조할 수 있다.
제어전원 공급부(140)는 제어부(130)와 연결되며, 제어부(130)에 제어에 필요한 전원을 공급할 수 있다.
저장부(150)는 제어부(130)와 연결되며, 전류 샘플링 시점에 사용될 수 있는 지연시간, 유효벡터 길이에 관한 기설정값 등을 저장할 수 있다.
표시부(160)는 제어부(130)와 연결되며, 제어부(130)의 제어에 따라 샘플링 된 전류에 관한 정보를 사용자에게 시각적으로 표시할 수 있다.
도 2는 인버터부(220)에 연결된 스위칭 소자의 배치를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 인버터부(220)에 연결된 스위칭 소자는 3상 각각(U, V, W)에 대한 출력선과 캐패시터의 고전위측 사이에 각각 배치되는 상단 스위칭 소자(S1, S2, S3) 및 3상 각각(U, V, W)에 대한 출력선과 캐패시터의 저전위측 사이에 각각 배치되는 하단 스위칭 소자(S4, S5, S6)를 포함할 수 있다.
본 명세서 동일한 열에 배치되는 스위칭 소자는 같은 상에 대한 출력선에 연결되고 U상에 대한 상단 및 하단의 스위칭 소자를 Sa, V상에 대한 상단 및 하단의 스위칭 소자를 Sb 그리고 W상에 대한 상단 및 하단의 스위칭 소자를 Sc로 표시하기로 한다.
스위칭 전압에 관한 벡터는 Sa, Sb, Sc의 상태에 따라 나타낼 수 있다. 즉, 상단 스위칭 소자를 턴온(Turn on)하는 경우 1, 하단 스위칭 소자를 턴온(Turn on)하는 경우를 0으로 표시한다면, 스위칭 전압은 (100), (100) 등으로 나타낼 수 있다. 이 때, (100)은 Sa의 상단 스위칭 소자, Sb의 하단 스위칭 소자, Sc의 하단 스위칭 소자가 턴온(Turn on)되었음을 의미한다. 즉, (100)은 S1, S5, S6이 턴온(Turn on)된 상태를 의미한다.
도 3은 dq축 변환된 전압과 그에 상응하는 벡터를 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, dq축 변환된 V0(000), V1(100), V2(110), V3(010), V4(011), V5(001), V6(101), V7(111)가 표시되었다.
V0(000) 및 V7(111)은 이에 의하여 스위칭 소자를 턴온하더라도 전력계통(400)에 전류가 흐르지 않기 때문에 유효벡터로 정의되지 않는다.
V1 내지 V6은 유효벡터로 정의될 수 있고, V1과 V2사이, V2와 V3사이, V3와 V4사이, V4와 V5사이, V5와 V6사이 및 V6과 V1사이를 각각 섹터(sector) 1 내지 6으로 정의할 수 있으며, 음영구간을 제외한 구간에서 출력전류를 검출할 수 있다.
다음 [표 1]은 각 섹터에 정의될 수 있는 유효벡터와 그에 따른 검출 전류, 그리고 검출 전류와 3상 출력 전류(Iu, Iv, Iw)와의 관계를 나타낸다.
섹터 유효벡터 검출 전류 Iu Iv Iw
1 100 Iu = IDC IDC -(Iu+Iw) -IDC
110 Iw = -IDC
2 010 Iu = IDC -(Iv+Iw) IDC -IDC
110 Iw = -IDC
3 010 Iu = IDC -IDC IDC -(Iu+Iv)
011 Iw = -IDC
4 001 Iu = IDC -IDC -(Iu+Iw) IDC
011 Iw = -IDC
5 001 Iu = IDC -(Iv+Iw) -IDC IDC
101 Iw = -IDC
6 100 Iu = IDC IDC -IDC -(Iu+Iv)
101 Iw = -IDC
예를 들어, 섹터1에서는 유효벡터 (100)에서 션트 저항(110)에 흐르는 전류(IDC)를 측정하면 U상에 흐르는 전류 Iu = IDC임을 알 수 있다. 또한, 유효벡터 (110)에서 션트 저항(110)에 흐르는 전류(IDC)를 측정하면 W상에 흐르는 전류 Iw = -IDC로부터 Iw를 구할 수 있다. 섹터 1에서 U상에 흐르는 전류와 W상에 흐르는 전류를 구하였다면, 3상 평형임을 가정할 때 V상에 흐르는 전류는 Iu + Iv + Iw = 0인 관계로부터 구할 수 있다.
도 4는 PWM 변조된 스위칭 전압 패턴을 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 제어부(130)는 유효벡터의 크기(시간적 길이)가 작아 전류의 샘플링 시간을 확보할 수 없는 경우 스위칭 전압에 대하여 PWM(Phase width modulation) 변조를 하여 샘플링 시간보다 긴 유효벡터의 길이를 확보할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 의한 인버터의 출력전류 검출 방법을 나타낸 순서도이다.
본 발명의 일실시예에 의한 인버터의 출력전류 검출 방법은 본 발명의 일실시예에 의한 인버터의 출력전류 검출 장치에 의하여 수행될 수 있다. 이에, 본 발명의 일실시예에 의한 인버터의 출력전류 검출 방법은 인버터의 출력전류 검출 장치의 검출부(120) 및 제어부(130)를 주체로 하여 설명하기로 한다.
S501단계에서, 제어부(130)는 유효벡터의 크기를 검출한다.
S503단계에서, 제어부(130)는 유효벡터의 크기를 PWM 변조 유효벡터 크기와 비교한다. 유효벡터의 크기가 PWM 변조 유효벡터 크기 이하인 경우 S505단계로 진행하고, 이하가 아닌 경우 S507단계로 진행한다.
여기서 PWM 변조 유효벡터 크기는 샘플링 시간 확보를 위한 최소 시간을 고려하여 설정할 수 있다. 예를 들어, PWM 변조 유효벡터 크기는 전류 샘플링을 위한 최소 시간보다 1μs 더 큰 것으로 설정할 수 있다.
한편, 샘플링 시간을 위한 최소 시간은 스위치 온/오프 시에 데드 타임(Dead time), 턴온 타임(Turn on Time), 전압 신호 안정화 시간를 포함하는 시간을 의미한다.
S505단계에서, 제어부(130)는 유효벡터의 충분한 길이를 확보하기 위해 PWM 변조를 할 수 있다. 따라서, 제어부(130)는 유효벡터의 크기를 PWM 변조 유효벡터 크기로 변조할 수 있다. 즉, 제어부(130)는 전류가 안정화되는 시간보다 큰 시간으로 유효벡터의 크기를 변조하는 것이다.
S507단계에서, 제어부(130)는 유효벡터의 크기의 중간값을 연산할 수 있다. 제어부(130)는 유효벡터가 PWM 변조되지 않은 경우 그 크기 그대로 중간값을 연산하고, 유효벡터가 PWM 변조된 경우에는 변조된 유효벡터에 대하여 중간값을 연산할 수 있다.
S509단계에서 제어부(130)는 유효벡터의 중간값으로부터 지연시간(delay)을 적용하여 샘플링 시점을 결정할 수 있다. 이 경우 제어부(130)는 지연 시간을 PWM 변조 유효벡터 크기의 절반보다 약간 작은 값으로 결정할 수 있다.
예를 들어, 제어부(130)는 샘플링을 위한 최소시간이 10 μs 이면 PWM 변조 유효벡터 크기는 12 μs 로 결정하고, 지연시간은 5 μs 로 결정할 수 있다. 이 경우 샘플링 시점은 유효벡터의 크기가 10 μs 이라면, 유효벡터는 12 μs 의 크기로 변조되고, 중간값인 6 μs 으로부터 지연시간 5 μs 가 적용된 11 μs 시점이 될 수 있다.
S511단계에서, 검출부(120)는 결정된 샘플링 시점에 대응하여 전류를 샘플링하여 제어부(130)에 제공할 수 있다.
도 6은 유효벡터의 크기가 충분할 경우 전류 샘플링 시점을 나타낸 도면이다.
도 6을 참조하면, 유효벡터의 시작점으로부터 샘플링을 위한 최소시간 이후(시점①에 해당함) 샘플링을 하더라도 전류의 오차가 생길 수 있는 상황을 예시하였다.
그러나 본 발명의 일실시예에서와 같이 제어부(130)는 유효벡터의 크기(점선으로 구획된 구간)의 중간값(일점쇄선)으로부터 지연시간 이후(시점②에 해당함)를 샘플링 시점으로 결정하기 때문에 검출되는 전류의 오차가 줄어들 수 있다.
도 7은 유효벡터의 크기가 충분하지 않을 경우 PWM 변조 및 전류 샘플링 시점을 나타낸 도면이다.
도 7을 참조하면, 제어부(130)는 유효벡터의 크기가 충분하지 않아 PWM 변조 유효벡터 크기로 유효벡터를 변조한 것을 알 수 있다.
제어부(130)는 유효벡터를 PWM 변조 유효벡터 크기로 변조할 뿐만 아니라, 변조된 유효벡터의 중간값으로부터 지연시간 이후(시점③에 해당함)를 샘플링 시점으로 결정하기 때문에 다른 유효벡터에서 샘플링이 되거나 샘플링 되는 전류 값에 오차가 생기는 것을 방지할 수 있다.
이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
110: 션트 저항
120: 검출부
130: 제어부
140: 제어전원 공급부
150: 저장부
160: 표시부
210: 정류부
220: 인버터부
300: 3상 교류 전원
400: 전력계통

Claims (5)

  1. 직류링크의 캐패시터 출력단에 연결된 션트 저항;
    상기 션트 저항에 연결되어 출력전류를 검출하는 검출부; 및
    상기 검출부의 전류 샘플링 시점을 조절하는 제어부;를 포함하되,
    상기 제어부는 스위칭 전압에 관한 유효벡터의 길이를 기설정값과 비교하여 상기 유효벡터의 길이를 변조하는 것
    을 특징으로 하는 인버터의 출력전류 검출 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 션트 저항은 저전위측에 연결된 것
    을 특징으로 하는 인버터의 출력전류 검출 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 유효벡터의 중간값을 기준으로 설정시간만큼 지연된 시점에서 상기 전류를 샘플링하는 것
    을 특징으로 하는 인버터의 출력전류 검출 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 유효벡터의 길이를 상기 유효벡터에 의한 전류가 안정화되는 시간보다 큰 값으로 변조하는 것
    을 특징으로 하는 인버터의 출력전류 검출 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 지연된 시점을 상기 유효벡터에 의한 전류가 안정화되는 시간의 절반보다 큰 값으로 결정하는 것
    을 특징으로 하는 인버터의 출력전류 검출 장치.
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