KR20190128779A - 인버터의 데드타임 보상전압 추정방법 및 이를 이용한 데드타임 보상장치 - Google Patents

인버터의 데드타임 보상전압 추정방법 및 이를 이용한 데드타임 보상장치 Download PDF

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Abstract

인버터의 데드타임 보상전압 추정방법 및 이를 이용한 데드타임 보상장치가 개시된다. 본 발명의 추정방법은, 제1전류를 설정하고, 제1전류에서 인버터의 정격전류의 소정 비율에 해당하는 크기만큼 증가시킨 제2전류를 설정하고, 제2전류인 경우 상기 인버터의 출력전압과 직류단 전압을 측정하고, 제2전류가 정격전류와 동일한 경우, 인버터 출력전압과 직류단 전압의 크기를 이용하여 보상전압을 계산한다.

Description

인버터의 데드타임 보상전압 추정방법 및 이를 이용한 데드타임 보상장치{METHOD FOR ESTIMATING DEAD TIME COMPENSATION VOLTAGE IN INVERTER AND APPARATUS FOR COMPENSATING DEAD TIME USING THE SAME}
본 발명은 인버터의 데드타임 보상전압 추정방법 및 이를 이용한 데드타임 보상장치에 대한 것이다.
일반적으로 인버터는 전기적으로 직류(DC)를 교류(AC)로 변환하는 역변환 장치로써, 산업계에서 사용되는 인버터는 상용전원으로부터 공급된 전력을 입력받아 자체적으로 전압과 주파수를 가변하여 전동기에 공급함으로써 전동기 속도를 고효율로 이용하게 제어하는 일련의 장치로 정의된다.
인버터는 교류전압의 크기와 주파수를 제어할 수 있으므로, 전동기의 가변속 운전이 요구되는 시스템에 많이 사용된다. 전력용 반도체를 기반으로 적용분야에 따라 다양한 토폴로지가 가능하며, 구성방식에 따라 출력전압의 크기와 레벨수 그리고 전압합성 방식이 달라지기 때문에 사용자의 요구사양에 따라 다양한 인버터 구성이 가능하다.
산업용 인버터에서는 일반적으로 3개의 단상 하프 브릿지 인버터가 병렬연결된 구조인 3상 하프 브릿지 인버터가 많이 사용되고 있다. 각각의 하프 브릿지는 2개의 스위칭 소자가 직렬연결되어 있으며, 극(pole), 암(arm) 또는 레그(leg)라 불리는 인버터 기본회로이다.
두 스위칭 소자는 서로 번갈아 온/오프하는 상보 스위칭 동작을 한다. 두 스위칭 소자의 온/오프 스위칭상태에 따라 4가지 종류가 가능하지만, 동시에 켜지는 경우에는 직류전원이 스위칭 소자를 통해 단락되므로, 큰 전류가 흘러 인버터 고장을 발생시킨다.
이러한 단락사고를 방지하기 위해 두 스위칭 소자는 번갈아 도통하는 상보 스위칭을 한다. 스위칭 소자의 온/오프 과정에서 턴오프 시간과 턴온 시간이 존재하여, 이로 인해 온/오프 과정에서 단락사고가 발생할 수 있다.
단락사고를 방지하기 위해 확실히 스위칭 소자를 끈 후 다른 스위칭 소자를 켤 수 있도록 데드타임(dead time)을 확보한다. 데드타임은 같은 극의 두 스위칭 소자를 모두 끄는 시간으로 스위칭 소자에 따라 적절히 설정하여 사용해야 한다. 데드타임 구간동안 두 스위칭 소자는 동시에 꺼진 상태로 유지된다. 따라서 출력전압지령과 실제 인버터 출력전압이 달라지게 된다.
이러한 전압왜곡은 전류의 왜곡을 발생시켜 소음과 진동을 야기하고, 인버터 성능을 저해한다. 따라서 데드타임 보상 기법이 필수적으로 요구된다.
한편, 인버터는 다양한 환경에 적용될 수 있는데, 만약 인버터가 운전하는 환경의 계통이 불안정하거나 하나의 계통에 부하가 집중되어 계통의 전압을 떨어뜨리는 경우 인버터의 직류링크 전압이 변동하게 된다.
인버터의 출력전압은 인버터의 직류링크 전압에 의해 결정되므로 직류링크 전압이 일정하지 않으면 출력전압에도 영향을 미치게 되는 문제점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 인버터의 비선형성 및 직류링크 전압변동을 반영하여 데드타임 보상전압의 크기를 추정함으로써 인버터의 데드타임을 정확하게 보상하는, 인버터의 데드타임 보상전압 추정방법 및 이를 이용한 데드타임 보상장치을 제공하는 것이다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일실시예의 인버터 데드타임 보상전압 추정방법은, 인버터의 출력전류를 제1전류로 설정하는 단계; 상기 제1전류에서 인버터의 정격전류의 소정 비율에 해당하는 크기만큼 증가시킨 제2전류를 설정하는 단계; 상기 제2전류인 경우 상기 인버터의 출력전압과 직류단 전압을 측정하는 단계; 및 상기 제2전류가 상기 정격전류와 동일한 경우, 인버터 출력전압과 직류단 전압의 크기를 이용하여 보상전압을 계산하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예의 인버터 데드타임 보상전압 추정방법은, 상기 제2전류가 상기 정격전류보다 작은 경우, 상기 제2전류를 상기 제1전류로 치환하는 단계; 및 상기 설정하는 단계와 상기 측정하는 단계를 반복하여 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예의 인버터 데드타임 보상전압 추정방법은, 반복하여 측정된 출력전압과 직류단 전압을 저장하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 계산하는 단계는, 반복하여 측정된 출력전압, 직류단 전압 및 제2전류를 이용하여, 보상전압을 계산할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 계산하는 단계는, 다음의 수학식을 이용하여 보상전압을 계산할 수 있다.
Figure pat00001
(여기서,
Figure pat00002
,
Figure pat00003
,
Figure pat00004
,
Figure pat00005
,
Figure pat00006
,
Figure pat00007
,
Figure pat00008
이고, Ia1,.., Ian은 반복하여 측정된 제2전류를 나타냄.
Figure pat00009
는 직류단 전압,
Figure pat00010
는 스위칭 주기,
Figure pat00011
는 데드타임,
Figure pat00012
는 인버터 출력전류, Rs는 인버터 출력단 저항, Cout은 인버터 출력 캐패시턴스임)
또한, 상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일실시예의 인버터 데드타임 보상장치는, 3상의 정지좌표계 형태의 실제 전류 및 지령전류를 동기좌표계상 전류로 변환하는 제1변환부; 동기좌표계상 실제 전류 및 지령전류의 오차를 비례적분제어하여 지령전압을 출력하는 전류제어기; 3상의 실제 전류와 직류단 전압 및 인버터 출력전압을 이용하여 보상전압을 추정하는 보상전압 추정부; 상기 보상전압을 동기좌표계상 전압으로 변환하는 제2변환부 및 상기 지령전압과 상기 보상전압을 가산하여 최종 지령전압을 출력하는 가산부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 보상전압 추정부는, 인버터의 출력전류를 제1전류로 설정하고, 상기 제1전류에서 인버터의 정격전류의 소정 비율에 해당하는 크기만큼 증가시킨 제2전류를 설정하고, 상기 제2전류인 경우 상기 인버터의 출력전압과 직류단 전압을 측정하고, 상기 제2전류가 상기 정격전류와 동일한 경우, 인버터 출력전압과 직류단 전압의 크기를 이용하여 보상전압을 계산할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 보상전압 추정부는, 상기 제2전류가 상기 정격전류보다 작은 경우, 상기 제2전류를 상기 제1전류로 치환하고, 상기 제1전류에서 인버터의 정격전류의 소정 비율에 해당하는 크기만큼 증가시킨 제2전류를 설정하고, 상기 제2전류인 경우 상기 인버터의 출력전압과 직류단 전압을 측정하는 것을 반복하여 수행할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 보상전압 추정부는, 반복하여 측정된 출력전압과 직류단 전압을 저장할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 보상전압 추정부는, 반복하여 측정된 출력전압, 직류단 전압 및 제2전류를 이용하여, 보상전압을 계산할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 보상전압 추정부는, 다음 수학식을 이용하여 보상전압을 계산할 수 있다.
Figure pat00013
(여기서,
Figure pat00014
,
Figure pat00015
,
Figure pat00016
,
Figure pat00017
,
Figure pat00018
,
Figure pat00019
,
Figure pat00020
이고, Ia1,.., Ian은 반복하여 측정된 제2전류를 나타냄.
Figure pat00021
는 직류단 전압,
Figure pat00022
는 스위칭 주기,
Figure pat00023
는 데드타임,
Figure pat00024
는 인버터 출력전류, Rs는 인버터 출력단 저항, Cout은 인버터 출력 캐패시턴스임)
상기와 같은 본 발명은, 인버터의 비선형적 특성을 반영하여 데드타임 보상전압을 추정하고, 계통에서 발생하는 인버터의 직류단 전압변동을 반영하여 데드타임 보상전압을 추정하여, 보다 정확하고 정밀한 인버터 데드타임 보상전압을 추정하여 데드타임 보상에 반영하게 하는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 3상 인버터를 등가적으로 나타낸 회로도이다.
도 2는 도 1의 인버터부의 3상 스위칭 소자를 구성하는 기본 회로를 설명하기 위한 예시도이다.
도 3은 진령전압에 따른 스위칭 소자의 온/오프와 출력전압의 관계를 설명하기 위한 예시도이다.
도 4는 데드타임 보상부가 추가된 인버터 제어부의 구조를 간략화한 구성도이다.
도 5는 종래의 데드타임 전압 보상방식을 설명하기 위한 예시도이다.
도 6은 전류가 양의 방향으로 흐르는 경우 인버터에서 실제 출력되는 전압의 크기를 설명하기 위한 일예시도이다.
도 7은 인버터의 출력 캐패시턴스에 의해 발생하는 인버터 출력전압의 오차성분을 설명하기 위한 일예시도이다.
도 8은 본 발명의 일실시예의 데드타입 보상장치를 설명하기 위한 구성도이다.
도 9는 본 발명의 일실시예의 인버터 데드타임 보상전압 추정방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
본 발명의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라, 여러가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시예에 대한 설명은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다. 첨부된 도면에서 구성요소는 설명의 편의를 위하여 그 크기를 실제보다 확대하여 도시한 것이며, 각 구성요소의 비율은 과장되거나 축소될 수 있다.
'제1', '제2' 등의 용어는 다양한 구성요소를 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소는 위 용어에 의해 한정되어서는 안 된다. 위 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않으면서 '제1구성요소'는 '제2구성요소'로 명명될 수 있고, 유사하게 '제2구성요소'도 '제1구성요소'로 명명될 수 있다. 또한, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 표현하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어는 다르게 정의되지 않는 한, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 통상적으로 알려진 의미로 해석될 수 있다.
이하에서는, 도 2a 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 인버터 제어장치 및 방법을 설명하기로 한다.
도 1은 일반적인 3상 인버터를 등가적으로 나타낸 회로도이다.
인버터(100)에서, 인버터부(120)는, 직류단 입력전원(110, Vdc)으로부터 3상의 교류 출력전압 Vas, Vbs, Vcs을 출력하여, 3상의 부하(200)에 전력을 공급한다. 3상의 교류 출력전압은 인버터부(120)의 3상의 스위칭 소자의 온/오프 상태에 따라 결정된다.
각 상은 2개의 스위칭 소자가 직렬연결되어 있으며, 서로 독립적으로 동작하여 출력전압이 발생한다. 이때 각 상의 출력전압은 서로 120도의 위상차를 가지도록 제어된다.
인버터(100)의 직류단 전원(110)은 캐패시터 또는 배터리 등으로 구성되어, 입력단의 일정한 전압을 유지한다.
인버터부(120)의 3상 스위칭 소자는 직류전압을 교류전압으로 변환하는 장치로서, 스위칭 소자의 온/오프에 의해 출력전압을 제어한다. 각 상은 도 2의 기본회로로 구성된다.
3상의 부하(200)는 3상 전동기 또는 계통전원으로 구성될 수 있다.
도 2는 도 1의 인버터부(120)의 3상 스위칭 소자를 구성하는 기본 회로를 설명하기 위한 예시도이다.
하나의 레그는 2개의 스위칭 소자 S+ 및 S-가 직렬연결된 형태로 구성된다. 직류전원(110) Vdc는 기본회로의 양단에 입력되고, 출력전압 Vo는 기본회로(121)의 두 스위칭 소자 S+ 및 S- 사이에서 출력되는데, 스위칭 상태에 따라 출력전압이 결정된다.
이때 스위칭 상태에 따라 출력되는 전압의 크기는 직류전원 Vdc의 크기에 의해 결정된다. 따라서 직류전원의 크기가 일시적으로 변동하면 출력되는 전압에도 변동이 발생한다. 스위칭 동작상태는 총 4종류가 있는데, 두 스위칭 소자 S+ 및 S-가 모두켜지는 경우에는 직류전원측과 스위칭 소자가 단락되고, 과전류가 흘러 인버터 고장을 발생시키므로 사용하지 않는다.
두 스위칭 소자가 동시에 도통되어 발생하는 단락사고를 방지하기 위해 두 스위칭 소자는 도 3과 같이 서로 번갈아 온/오프하는 상보 스위칭을 수행한다. 도 3은 진령전압에 따른 스위칭 소자의 온/오프와 출력전압의 관계를 설명하기 위한 예시도이다.
그러나, 이 경우에도, 두 스위칭 소자가 서로 온/오프를 바꾸는 과정에서 스위칭 소자의 온/오프 시간의 차이와 게이팅 신호전달의 시지연 등으로 인해 두 스위칭 소자가 동시에 도통될 위험이 있다.
따라서, 각 상의 단락사고를 방지하기 위해 데드타임(dead time)을 사용한다. 데드타임은 스위칭 소자의 턴오프를 확실하게 보장하여 두 스위칭 소자가 동시에 꺼져 있는 시간을 확보한다. 데드타임 동안에는 인버터 출력전압의 제어가 불가능하므로, 지령전압과 실제 출력전압의 오차가 발생한다. 이 전압오차로 인해 전류가 왜곡되고 소음 및 진동 등이 발생할 수 있다. 데드타임은 운전주파수와 출력전압이 작을수록 큰 영향을 미친다.
도 3에서 (a)는 지령전압이고, (b)는 실제 출력전압이다. 도 3에서와 같이, 지령전압이 양의 전압인 경우, 인버터의 전류가 양의 방향으로 흐르면서 인버터부(120)의 하단의 스위칭 소자 S-와는 관계없이 상단 스위칭 소자 S+가 켜질 때 인버터 전류의 흐름과 출력전압이 변경된다.
데드타임에 대한 보상전압을 고려하지 않은 경우, 데드타임 구간에서, 인버터 상단과 하단의 스위칭 소자가 모두 오프가 되면 지령전압이 양의 전압(3A)임에도 불구하고 전류방향에 의해 출력전압이 3B와 같이 음의 전압으로 출력된다.
데드타임 구간 이후에는 다시 상단의 스위칭 소자 S+가 도통되어 3C 및 3D와 같이 지령전압과 출력전압이 동일해지지만, 데드타임 구간에서는 전압오차 3E가 발생하게 된다.
이와 같은 데드타임 동안 발생하는 전압오차를 보상하기 위해, 데드타임에 대한 보상이 필수적으로 요구된다.
예를 들어, 데드타임 동안 발생하는 전압오차를 보상하기 위해, 데드타임 구간만큼 스위칭 시점을 앞당겨 전압오차를 보상한다. 즉, 오차가 발생하는 데드타임 구간에서 상단 스위칭 소자 S+의 게이팅 시점을 데드타임만큼 앞으로 당기면 지령전압과 출력전압이 동일하게 되어 전압오차가 발생하지 않는다. 이때 보상전압의 크기는 데드타임 시간과 직류단 입력전압의 곱을 통해 계산할 수 있다.
도 4는 데드타임 보상부가 추가된 인버터 제어부(300)의 구조를 간략화한 구성도이다.
일반적인 전류제어기는, 실제 전류와 지령전류에 대한 정보를 정지좌표계의 3상 전류형태로 입력받고, 이는 변환부(310)가 dq축 동기좌표계상 전류정보로 변환한다.
또, 실제전류에 대한 정보는 데드타임 보상부(320)로 입력되며, 데드타임 보상부(320)는 데드타임 보상전압
Figure pat00025
를 출력한다.
전류제어기(330)는 비례적분(proportional-integral, PI) 제어기로, 동기좌표계로 변환된 실제 전류와 지령전류의 오차를 입력받아, 지령전압을 생성한다.
이후, 전류제어기(330)의 출력전압
Figure pat00026
와 데드타임 보상기의 보상전압
Figure pat00027
를 더하여 최종 지령전압
Figure pat00028
를 생성하여, 인버터(100)의 인버터부(120)로 출력한다.
도 5는 종래의 데드타임 전압 보상방식을 설명하기 위한 예시도이다.
기생 캐패시턴스를 고려한 경우,
Figure pat00029
이하의 전류가 도통되면 전류는 기생 캐패시턴스의 충전에 사용된다. 따라서 데드타임 구간동안 필요한 보상전압은 도통되는 전류가
Figure pat00030
보다 작은 경우에는 전압과 선형적으로 보상하고, 도통전류가
Figure pat00031
보다 큰 경우에는 전류방향을 고려하여 일정한 보상전압을 더하거나 빼준다. 계산된 보상전압은 데드타임 보상부(340)에 적용된다.
데드타임 보상은, 다양한 방식으로 구성할 수 있는데, 데드타임 보상을 위해 적절한 보상전압의 크기를 결정해야 한다. 보상전압이 너무 크거나 작아지면 지령전압에 오차가 발생하게 된다. 따라서 보상전압의 크기가 적절하지 않은 경우에는 외란이 발생하거나 데드타임 전압보상의 효과가 없으므로, 인버터와 스위칭 소자의 특성이 고려되어야 한다.
종래의 데드타임 보상방법은, 각각의 인버터의 특성성과는 관계없이 일정한 보상전압을 사용하였다. 종래의 데드타임 보상방법으로서, 평균값 전압, 고조파 전압을 전향 보상하거나, 외란 관측기를 기반으로 데드타임을 보상하는 방법 등이 있다.
평균값 전압을 기반으로 하여 데드타임을 보상하는 경우 상전류의 극성변화에 따라 발생하는 데드타임에 의한 영향을 전압지령이나 스위칭 소자의 게이트에 인가하는 펄스에 직접 전향보상한다. 이들 방법은 구현형태가 간단하기 때문에 주로 사용되고 있다. 그러나 인버터에 사용되는 스위칭 소자(전력용 반도체)로 인해 발생하는 비선형 특성을 고려하지 않는 문제점이 있다.
인버터의 비선형적 특성을 보완하기 위해 인버터에 전류를 주입한 후, 다중회귀 분석방법을 적용하여 데드타임 동안 발생하는 오차전압을 계산하여 데드타임 전압을 보상하는 장치도 있다. 이 방법은 인버터의 비선형성을 고려하여 각각의 인버터가 고유한 데드타임 보상전압을 가지도록 한다. 도통전류가 너무 작으면 인버터의 출력전압에 비선형성이 크게 반영되므로, 임의로 임계전류를 설정하여 그보다 큰 전류가 도통되면 필요한 변수들을 계산하여 인버터의 데드타임을 추정한다.
이와 같은 종래의 방법들은 인버터의 비선형성을 고려하지 않거나, 비선형성을 고려하여 인버터의 데드타임을 추정하더라도 그 과정에서 발생하는 인버터 직류단 전압의 크기 변동은 반영하지 않았다.
인버터부(120)의 스위칭 소자가 도통되면서 발생하는 인버터의 출력전압 크기는 인버터의 직류단 전압에 의해 결정된다. 인버터의 직류전압은 인버터가 운전하는 환경에 따라 순시적으로 그 크기가 변동하기도 한다. 만약 데드타임을 추정하기 위해 전류를 주입하는 과정에서 인버터의 직류단 전압이 변동하면, 인버터의 출력전압 또한 같이 변동한다.
따라서 데드타임 보상 전압 선정을 위해 보상 전압을 추정하는 과정에서 발생하는 인버터 직류단 전압 변동을 반영하는 데드타임 추정이 요구된다.
인버터의 출력전압은 출력전류의 크기에 따라 증가한다. 이때 출력전압의 크기는 직류단 전압을 기준으로 계산된다. 인버터의 직류단 전압의 크기가 변동되면 출력되는 전압의 크기도 같이 변동된다. 본 발명은 데드타임 보상전압을 추정하는 과정에서 인버터의 직류단 전압이 변동하더라도 이를 반영하여 데드타임 보상전압을 추정하는 장치 및 방법에 대한 것이다.
데드타임 보상전압을 추정하기 위해 필요한 보상전압은 인버터의 물리적 모델을 근거로 계산할 수 있다.
도 6은 전류가 양의 방향으로 흐르는 경우 인버터에서 실제 출력되는 전압의 크기를 설명하기 위한 일예시도로서, (a)는 이상적인 경우의 지령전압과 출력전압을 나타낸 것이고, (b)는 실제 회로에서 직류단 전압의 강하에 따른 출력전압의 강하를 설명하기 위한 것이다.
도 6에서,
Figure pat00032
는 스위칭 주기, d는 듀티비,
Figure pat00033
는 직류단 전압의 크기,
Figure pat00034
는 스위칭 소자에 의해 발생하는 전압강하,
Figure pat00035
는 스위칭 소자에 병렬로 연결되는 역방향 다이오드(도 2 참조)에 의해 발생하는 전압강하를 나타낸다.
Figure pat00036
는 실제 듀티비 d와 스위칭 주기
Figure pat00037
의 곱인 지령전압이 출력되는 시간에서, 데드타임
Figure pat00038
를 뺀 것을 말한다.
또, 6A는 데드타임과 스위칭 소자가 온될때 발생하는 시지연의 합으로,
Figure pat00039
으로 나타낼 수 있고, 6B는 스위칭 소자가 오프되는 시간인
Figure pat00040
를 나타낸다. 또, 6C는 이상적인 경우의 지령전압을 나타내고, 6D는 이상적인 경우의 실제 출력전압을 나타낸다.
이때 계통의 저하 또는 부하의 증가 등의 현상이 발생하면, 일시적으로 인버터의 직류단 전압의 크기가 도 6의 (b)에서 6E와 같이
Figure pat00041
로 감소할 수 있다. 다른 소자들의 전압손실이 일정하다고 가정하면, 출력되는 전압은 6F와 같이 감소하게 된다.
도 7은 인버터의 출력 캐패시턴스에 의해 발생하는 인버터 출력전압의 오차성분을 설명하기 위한 일예시도로서, (a)는 스위칭 소자의 도통전류(또는 출력전류)가 작은 경우 출력 캐패시턴스에 의해 인버터 출력전압이 왜곡되는 것을 설명하기 위한 것이고, (b)는 스위칭 소자의 도통전류(또는 출력전류)가 큰 경우 출력 캐패시턴스에 의해 인버터 출력전압이 왜곡되는 것을 설명하기 위한 것이다.
도 7의 (a)에서, 7A는 및 7B는 출력전류의 크기에 따라 출력전압이 캐패시턴스에 의해 왜곡되는 것을 나타낸 것이다. (b)와 같이 출력전류가 커지면, 7C 및 7D와 같이 더 왜곡이 심한 상태로 출력전압이 출력되며, 직류단 전압의 감소(
Figure pat00042
)에 의해, 출력전압은
Figure pat00043
와 같이 감소하므로, 출력전압의 왜곡 역시 7E와 같이 변경됨을 알 수 있다.
본 발명은, 위와 같이 직류단 전압의 크기가 감소하는 경우, 이에 대한 직류단 전압의 변동을 반영하여 데드타임 보상전압을 추정하므로, 보다 정밀한 데드타임 보상전압 추정이 가능하다. 또, 본 발명은 인버터의 출력 캐패시턴스에 의한 비선형적 특성을 반영하는 데드타임 보상전압을 추정할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일실시예의 데드타입 보상장치를 설명하기 위한 구성도로서, 도 1과 같은 인버터(100)에 데드타임이 보상된 지령전압을 제공하기 위한 것이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예의 데드타임 보상장치는, 제1변환부(10), 보상전압 추정부(20), 제2변환부(30), 전류제어기(40) 및 가산부(50)를 포함할 수 있다.
변환부(10)는 실제 전류
Figure pat00044
에 대한 정보와 지령전류
Figure pat00045
에 대한 정보를 정지좌표계의 3상 전류형태로 입력받아 이를 dq축 동기좌표계상 전류정보로 변환할 수 있다. 이때, 변환부(10)는 아래의 수학식을 이용하여 정지좌표계 3상 전류
Figure pat00046
를 동기좌표계상 전류
Figure pat00047
로 변환할 수 있을 것이다. 여기서, 첨자 s는 정지좌표계를 나타내고, e는 회전좌표계를 나타낸다. 수학식 1의 과정을 통해 정지좌표계 3상전류를 동기좌표계 dq축 전류로 변환할 수 있다.
Figure pat00048
Figure pat00049
Figure pat00050
Figure pat00051
보상전압 추정부(20)는, 직류단 전압의 강하 및 인버터의 비선형성을 고려하여, 인버터 실제전류와 직류단 전압을 이용하여 보상전압을 추정할 수 있다. 이를 도면을 참조로 하여 더욱 상세히 설명하기로 한다.
도 9는 본 발명의 일실시예의 인버터 데드타임 보상전압 추정방법을 설명하기 위한 흐름도로서, 도 8의 보상전압 추정부(20)의 동작을 나타낸 것이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예의 추정방법에서, 보상전압 추정부(20)는 인버터의 출력전류
Figure pat00052
를 설정된 전류
Figure pat00053
으로 설정한다(S10). 이때
Figure pat00054
은 인버터의 출력전압이 선형성을 나타내기 시작하는 전류로, 사용자에 의해 임의로 설정될 수 있다.
이후, 보상전압 추정부(20)는 이전 전류에 인버터(100)의 정격전류
Figure pat00055
의 1%에 해당하는 크기만큼 증가시킨 전류
Figure pat00056
를 설정할 수 있다(S15). 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 1% 이외의 비율로 정격전류
Figure pat00057
를 증가시키는 것도 가능하다 할 것이다. 이에 의해, 인버터(100)의 용량이 달라지는 경우에도 동일한 간격으로 전류의 크기를 증가시킬 수 있다.
이후, 보상전압 추정부(20)는 전류가
Figure pat00058
인 경우 인버터의 출력전압
Figure pat00059
과 직류단 전압
Figure pat00060
를 측정할 수 있다(S20). 측정된 출력전압
Figure pat00061
과 직류단 전압
Figure pat00062
는 저장부(도시되지 않음)에 저장될 수 있다. 인버터(100)의 출력전압은 직류단 전압이 변동하면 이에 대응하여 변동하기 때문에, 추정과정에서 직류단 전압이 감소하거나 증가하면 인버터의 출력전압 또한 증가하거나 감소하므로, 이를 반영하지 않고 데드타임 보상전압을 추정하면 잘못된 보상전압을 선정하게 된다. 보상전압이 잘못 선정되면 데드타임 보상의 효과가 없어지거나 오히려 외란으로 작용할 수 있다. 따라서, 보상전압 추정부(20)가 인버터(100)의 직류단 전압의 변동을 반영할 수 있도록 직류단 전압에 대한 정보도 함께 저장할 수 있다.
S15 및 S20은, 전류
Figure pat00063
가 정격전류만큼 증가할 때까지 반복적으로 진행될 수 있다(S25). S25에서 전류
Figure pat00064
가 정격전류와 같지 않은 경우에는, 현재 전류
Figure pat00065
를
Figure pat00066
로 치환하여(S30), 다시 S15로 진입할 수 있을 것이다.
전류가 계속 증가하여 정격전류
Figure pat00067
에 도달하면(S25), 보상전압 추정부(20)는 전 과정에서의 전류, 인버터 출력전압 및 인버터 직류단 전압에 대한 정보를 저장하고(S35), 각 구간에서 측정된 인버터(100)의 출력전압과 직류단 전압의 크기를 이용하여 보상전압을 계산할 수 있다(S40).
이와 같은 과정을 통해 인버터(100)의 개별 특성을 고려하고 추정중 발생하는 인버터(100)의 직류단 전압변동을 반영하여 각각의 인버터가 고유한 데드타임 보상전압을 추정하도록 할 수 있다.
직류단 전압 변동을 반영하였을 때, 각 지점에서의 인버터 전류와 인버터 출력전압, 인버터 직류단 전압을 이용하여 보상전압을 추정하는 과정은 아래 수학식 2 와 같다.
Figure pat00068
여기서,
Figure pat00069
,
Figure pat00070
,
Figure pat00071
,
Figure pat00072
,
Figure pat00073
,
Figure pat00074
,
Figure pat00075
이고, Ia1,.., Ian은 반복하여 측정된 제2전류를 나타낸다.
VasDT는 a상 전압의 보상전압을 나타낸 것으로서, b상 및 c상 전압 역시 동일한 방법을 이용하여 구할 수 있을 것이다. 또, 수학식 2에서, Rs는 인버터의 출력단 저항으로서, 인버터가 실제 운전하는 경우 측정되는 저항을 말하며, Cout은 출력 캐패시턴스이다.
제2변환부(30)는, 보상전압 추정부(20)가 추정한 3상의 정지좌표계 형태의 보상전압을 dq축 동기좌표계 형태의 전압으로 변환할 수 있다. 제2변환부(30)가 3상 정지좌표계 형태의 보상전압을 변환하는 것은 수학식 1에 의해 수행될 수 있을 것이다.
전류제어기(40)는 실제전류와 지령전류의 오차를 수신하여, 이를 바탕으로 데드타임 보상전압이 포함되지 않은 지령전압
Figure pat00076
를 출력할 수 있다. 전류제어기(40)가 출력하는
Figure pat00077
는 아래 수학식과 같다.
Figure pat00078
전류제어기(40)는 비례적분(PI) 제어기일 수 있으며, 출력을 측정하여 이를 원하는 참조값과 비교하여 오차를 계산하고, 이 오차를 이용하여 제어에 필요한 제어값을 계산하는 구조로 구성된다. 이때 적분항과 비례항이 사용되는데, 비례항은 현재 상태에서의 오차의 크기에 비례한 제어를 수행하고, 적분항은 정상상태 오차를 없애는 작용을 한다. 위 수학식 3에서, Kp는 비례이득, Ki는 적분이득에 해당하며,
Figure pat00079
는 적분항을 나타내는 것이다.
가산부(50)는 데드타임 보상전압이 포함되지 않은 지령전압
Figure pat00080
에 제2변환부(30)의 출력인 데드타임 보상전압을 가산하여 인버터의 최종 지령전압인
Figure pat00081
을 출력할 수 있다.
최종 지령전압은
Figure pat00082
은 인버터부(120)의 스위칭소자의 게이트신호를 전송하기 위한 펄스폭변조(PWM) 제어부에 제공되어, 인버터부(120)가 부하(200)로 출력전압을 출력하게 할 수 있다.
본 발명의 일실시예의 데드타임 보상전압 추정방법은, 데드타임 보상에 필요한 보상전압을 추정하는 과정에서 직류단 전압의 변동을 반영한다. 이때, 인버터가 동작하는 환경의 변화로 인버터의 직류단 전압이 변동하더라도 이를 고려하여 보상 전압을 계산하므로 보다 정밀한 보상전압을 구할 수 있다. 또한, 데드타임 보상전압을 추정하는 중에 발생하는 외란에도 강인한 데드타임 보상전압 추정장치를 구현할 수 있다.
본 발명의 일실시예는, 인버터의 비선형적 특성을 반영하여 데드타임 보상전압을 추정하고, 계통에서 발생하는 인버터의 직류단 전압변동을 반영하여 데드타임 보상전압을 추정하여, 보다 정확하고 정밀한 인버터 데드타임 보상전압을 추정하여 데드타임 보상에 반영할 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 청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
100: 인버터 110: 직류단 입력전원
120: 인버터부 10, 30: 변환부
20: 보상전압 추정부 40: 전류제어기
50: 가산부

Claims (11)

  1. 인버터의 출력전류를 제1전류로 설정하는 단계;
    상기 제1전류에서 인버터의 정격전류의 소정 비율에 해당하는 크기만큼 증가시킨 제2전류를 설정하는 단계;
    상기 제2전류인 경우 상기 인버터의 출력전압과 직류단 전압을 측정하는 단계;
    상기 제2전류가 상기 정격전류와 동일한 경우, 인버터 출력전압과 직류단 전압의 크기를 이용하여 보상전압을 계산하는 단계를 포함하는 인버터 데드타임 보상전압 추정방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2전류가 상기 정격전류보다 작은 경우, 상기 제2전류를 상기 제1전류로 치환하는 단계; 및
    상기 설정하는 단계와 상기 측정하는 단계를 반복하여 수행하는 단계를 더 포함하는 인버터 데드타임 보상전압 추정방법.
  3. 제2항에 있어서,
    반복하여 측정된 출력전압과 직류단 전압을 저장하는 단계를 더 포함하는 인버터 데드타임 보상전압 추정방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 계산하는 단계는,
    반복하여 측정된 출력전압, 직류단 전압 및 제2전류를 이용하여, 보상전압을 계산하는 인버터 데드타임 보상전압 추정방법.
  5. 제3항에 있어서, 상기 계산하는 단계는, 다음의 수학식을 이용하여 보상전압을 계산하는 인버터 데드타임 보상전압 추정방법.
    Figure pat00083

    (여기서,
    Figure pat00084
    ,
    Figure pat00085
    ,
    Figure pat00086
    ,
    Figure pat00087
    ,
    Figure pat00088
    ,
    Figure pat00089
    ,
    Figure pat00090
    이고, Ia1,.., Ian은 반복하여 측정된 제2전류를 나타냄.
    Figure pat00091
    는 직류단 전압,
    Figure pat00092
    는 스위칭 주기,
    Figure pat00093
    는 데드타임,
    Figure pat00094
    는 인버터 출력전류, Rs는 인버터 출력단 저항, Cout은 인버터 출력 캐패시턴스임)
  6. 3상의 정지좌표계 형태의 실제 전류 및 지령전류를 동기좌표계상 전류로 변환하는 제1변환부;
    동기좌표계상 실제 전류 및 지령전류의 오차를 비례적분제어하여 지령전압을 출력하는 전류제어기;
    3상의 실제 전류와 직류단 전압 및 인버터 출력전압을 이용하여 보상전압을 추정하는 보상전압 추정부;
    상기 보상전압을 동기좌표계상 전압으로 변환하는 제2변환부 및
    상기 지령전압과 상기 보상전압을 가산하여 최종 지령전압을 출력하는 가산부를 포함하는 인버터 데드타임 보상장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 보상전압 추정부는,
    인버터의 출력전류를 제1전류로 설정하고,
    상기 제1전류에서 인버터의 정격전류의 소정 비율에 해당하는 크기만큼 증가시킨 제2전류를 설정하고,
    상기 제2전류인 경우 상기 인버터의 출력전압과 직류단 전압을 측정하고,
    상기 제2전류가 상기 정격전류와 동일한 경우, 인버터 출력전압과 직류단 전압의 크기를 이용하여 보상전압을 계산하는 인버터 데드타임 보상장치.
  8. 제6항에 있어서, 상기 보상전압 추정부는,
    상기 제2전류가 상기 정격전류보다 작은 경우, 상기 제2전류를 상기 제1전류로 치환하고,
    상기 제1전류에서 인버터의 정격전류의 소정 비율에 해당하는 크기만큼 증가시킨 제2전류를 설정하고, 상기 제2전류인 경우 상기 인버터의 출력전압과 직류단 전압을 측정하는 것을 반복하여 수행하는 인버터 데드타임 보상장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 보상전압 추정부는,
    반복하여 측정된 출력전압과 직류단 전압을 저장하는 인버터 데드타임 보상장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 보상전압 추정부는,
    반복하여 측정된 출력전압, 직류단 전압 및 제2전류를 이용하여, 보상전압을 계산하는 인버터 데드타임 보상장치.
  11. 제9항에 있어서, 상기 보상전압 추정부는, 다음 수학식을 이용하여 보상전압을 계산하는 인버터 데드타임 보상장치.
    Figure pat00095

    (여기서,
    Figure pat00096
    ,
    Figure pat00097
    ,
    Figure pat00098
    ,
    Figure pat00099
    ,
    Figure pat00100
    ,
    Figure pat00101
    ,
    Figure pat00102
    이고, Ia1,.., Ian은 반복하여 측정된 제2전류를 나타냄.
    Figure pat00103
    는 직류단 전압,
    Figure pat00104
    는 스위칭 주기,
    Figure pat00105
    는 데드타임,
    Figure pat00106
    는 인버터 출력전류, Rs는 인버터 출력단 저항, Cout은 인버터 출력 캐패시턴스임)
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