KR20190142562A - 인버터 제어방법 - Google Patents

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Abstract

인버터 제어방법이 개시된다. 본 발명의 일실시예의 방법은, 직류링크 전압이 소정 제1전압 이상인지 확인하고, 상기 직류링크 전압이 상기 제1전압보다 큰 제2전압 이상인지 확인하고, 상기 직류링크 전압이 상기 제1전압 이상이고, 상기 제2전압 미만인 경우, 직류링크 전압과 시간을 이용하여 계산한 값을 누적하여, 누적값이 소정 제1값 이상인 경우, 상기 인버터부의 출력을 차단하고, 상기 직류링크 전압이 상기 제1전압 미만인 경우, 상기 누적값에서 소정 제2값을 차감한 값을 누적값으로 갱신한다.

Description

인버터 제어방법{METHOD FOR CONTROLLING INVERTER}
본 발명은 인버터 제어방법에 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. 이러한 인버터는, 가변전압 가변주파수(variable voltage variable frequency, VVVF) 방식에 의해 제어되며, 펄스폭변조(pulse width modulation, PWM) 출력 따라 전동기에 입력되는 전압과 주파수를 가변할 수 있다.
도 1은 일반적인 인버터의 구성도이다.
일반적으로, 인버터(100)는 3상의 교류전원을 인가받아, 정류부(110)가 이를 정류하고, 직류링크 커패시터(120)는 정류부(110)가 정류한 직류전압을 평활하여 저장한다. 인버터부(130)는 직류링크 커패시터(120)에 저장된 직류전압을 PWM 제어신호에 따라 소정 전압 및 주파수를 가지는 교류전압을 출력하여, 이를 전동기에 제공할 수 있다. 인버터부(130)는 3상의 레그로 구성되며, 각 레그에는 2개의 스위칭 소자가 직렬로 연결되어 구성된다.
이와 같은 구성에서, 정류부(110)에 입력되는 입력전압의 크기와 상관없이 직류링크 전압이 직류링크 커패시터의 정격전압인 820V가 되면 과전압 고장으로 인버터(100)의 운전이 정지하게 되었다.
종래의 경우, 인버터(100)의 운전중에 직류링크 전압이 직류링크 커패시터(120)의 정격전압을 넘는 일이 드물었으나, 지역에 따라 입력전압의 변동폭이 커 인버터(100)의 운전중에 직류링크 전압이 직류링크 커패시터(120)의 정격전압을 벗어나 직류링크 과전압 고장이 발생하여 인버터(100)가 정지되는 경우가 있다.
이와 같은 경우 E60384-4 커패시터 테스트 항목의 서지전압 테스트(surge voltage test)에서 규정되어 있는 커패시터의 수명조건을 벗어나는 경우가 빈번하여, 커패시터의 소손으로까지 견인되는 문제점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 입력전압이 높아지는 경우에도 운전가능한 영역을 늘림으로써 연속적으로 연속적으로 인버터를 운영하기 위한, 인버터 제어방법을 제공하는 것이다.
이에 의해 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 하드웨어적인 변경을 요구하지 않으면서 직류링크 커패시터의 수명조건을 만족하는 인버터의 제어방법을 제공하는 것이다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해, 직류링크 커패시터와 복수의 스위칭소자로 구성되는 인버터부를 포함하는 인버터 시스템에서, 상기 인버터부를 제어하는 본 발명의 일실시예의 방법은, 상기 직류링크 커패시터의 직류링크 전압이 소정 제1전압 이상인지 확인하는 단계; 상기 직류링크 전압이 상기 제1전압보다 큰 제2전압 이상인지 확인하는 단계; 상기 직류링크 전압이 상기 제1전압 이상이고, 상기 제2전압 미만인 경우, 직류링크 전압과 시간을 이용하여 계산한 값을 누적하여, 누적값이 소정 제1값 이상인 경우, 상기 인버터부의 출력을 차단하는 단계; 및 상기 직류링크 전압이 상기 제1전압 미만인 경우, 상기 누적값에서 소정 제2값을 차감한 값을 누적값으로 갱신하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예의 방법은, 상기 직류링크 전압이 상기 제2전압 이상인 경우, 상기 인버터부의 출력을 차단하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 직류링크 전압과 시간을 이용하여 계산한 값은,
Figure pat00001
일 수 있다.
본 발명의 일실시예의 방법은, 갱신된 누적값이 0보다 작은 경우, 누적값을 0으로 갱신하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예의 방법은, 상기 인버터부의 출력이 차단된 이후 소정 기간 경과한 경우, 직류링크 전압이 정격전압의 범위 이내인 경우, 인버터부의 출력차단을 해제하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 제2값은, 상기 제1값에서 소정 단위시간 동안 제1값을 차감하면 0이 되는 상수일 수 있다.
상기와 같은 본 발명은, 인버터의 입력전압 변동이 크거나 전동기로부터 전압이 회생되어 직류링크 커패시터의 과전압 상태가 지속되면서 발생하는 문제로부터 직류링크 커패시터를 보호할 수 있으며, 기존에 입력전압이 높은 경우 빈번한 과전압 고장으로 인버터의 연속동작이 불가능한 문제를 해결하게 하는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 인버터의 구성도이다.
도 2는 직류링크 전압에 따라 과전압 고장이 발생하기까지의 시간을 나타내는 일예시도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예의 인버터 제어장치가 구비되는 인버터 시스템의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예의 인버터 제어방법을 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 2 및 도 3을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 인버터 제어방법을 설명하기로 한다.
도 2는 직류링크 전압에 따라 과전압 고장이 발생하기까지의 시간을 나타내는 일예시도이다.
도면을 참조로 하면, 직류링크 전압이 예를 들어 850V인 경우 과전압 고장이 발생하기까지 소요되는 시간은 약 1msec이고, 직류링크 전압이 820V인 경우 과전압 고장이 발생하기까지 소요되는 시간은 약 400msec임을 알 수 있다. 이와 같이, 직류링크 전압이 클수록 과전압 고장이 발생하기까지의 시간은 짧아지게 된다.
입력전압이 높아짐에 따라 직류링크 커패시터(20)의 정격전압을 초과하여 운전하거나, 또는 회생에 의해 전동기의 전압이 직류링크 커패시터(20)에 인가되어 커패시터(20)의 전압이 급격하게 상승하는 경우, 커패시터(20)의 수명이 짧아질 수 있으므로, 본 발명의 일실시예의 인버터 제어방법은, 커패시터(20)를 보호하기 위해 IEC60383 4-14 규격에서 보증하는 사양내에서 반한시 특성을 가지게 할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 의하면, 인버터가 과전압 고장이 발생한 후에는 5초간 인버터는 운전불가능하게 되고, 5초 이후에 직류링크 커패시터 전압이 커패시터(20)의 정격전압 이내인 경우에 한해 고장이 해제되어 인버터(1)의 운전이 가능해진다.
커패시터(20)의 스트레스는 전압에 가중치가 있으므로, 본 발명의 일실시예에서는,
Figure pat00002
를 연산하여,
Figure pat00003
의 누적값이 일정한 레퍼런스 β 이상이 되면 과전압 고장을 발생시키고,
Figure pat00004
의 누적값은 직류링크 전압이 805V 이상인 경우 연속적으로 누적한다. 그리고 직류링크 전압이 805V 미만인 경우에는 누적값을 일정값 α만큼 감소시킬 수 있다. 이때, α는 β에서 5초간 α만큼 빼면 0이 되는 상수일 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예의 인버터 제어장치가 구비되는 인버터 시스템의 구성도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예의 인버터(1)는, 정류부(10), 직류링크 커패시터(20), 및 인버터부(30)로 구성되며, 전원공급부(40), 아이솔레이터(50) 및 제어부(60)를 포함할 수 있다.
정류부(10)는 입력되는 삼상전원을 정류하고, 직류링크 커패시터(20)가 이를 평활하여 저장할 수 있다. 직류링크 커패시터(20)는 보통 2개 또는 그 이상의 커패시터가 직렬로 연결되어 구성될 수 있다. 인버터부(30)는 복수의 반도체 스위칭소자가 배치되는 것으로서, 3상레그의 상부 및 하부 스위칭소자의 온/오프에 의해 직류링크 커패시터(20)에 저장된 전압을 3상 교류전압으로 출력할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 전원공급부(40)는 예를 들어 스위치 모드 전원공급기(switched mode power supply, SMPS)일 수 있으며, 직류링크 커패시터(20)에서 검출된 전압이 전원공급부(40)에 제공될 수 있다. 전원공급부(40)는 입력되는 직류링크 전압을 소전압으로 분압할 수 있다. 예를 들어, 전원공급부(40)는 직류링크 전압이 900V가 입력되는 경우 200mV로 변환하여 이를 아이솔레이터(50)에 제공할 수 있다.
아이솔레이터(50)는 전원공급부(40)로부터 인가되는, 소전압으로 분압된 직류링크 전압을 제어부(60)에 제공할 수 있다. 아이솔레이터(50)는 회로의 한 방향으로 신호를 전달하는 수동소자일 수 있다.
제어부(60)는 본 발명의 일실시예에 따라 직류링크 전압의 과전압을 판단하여, 인버터부(30)의 게이트신호를 차단하여 과전압 보호를 수행할 수 있다. 이하, 본 발명의 일실시예의 제어방법을 도면을 참조로 하여 설명하기로 한다. 한편, 본 발명의 일실시예의 인버터 제어장치는, 저장부(70)를 더 포함하여, 제어부(60)에서 생성하는 데이터를 저장할 수 있을 것이다.
도 4는 본 발명의 일실시예의 인버터 제어방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예의 방법은, 제어부(60)가 인버터부(30)의 스위칭소자에 게이트 신호를 전달하여(S10), 인버터(1)의 운전이 시작될 수 있다. 제어부(60)는 게이트 신호를 전달하여, 인버터부(30)의 스위칭소자의 온오프를 제어할 수 있다.
인버터부(30)의 스위칭소자의 온오프에 의해 출력전압이 전동기(도시되지 않음)로 인가되면 직류링크 전압이 변동할 수 있다. 전원공급부(40)는 직류링크 커패시터(20)의 직류링크 전압을 전압검출부(도시되지 않음)로부터 수신하여 이를 소전압으로 변환하여 아이솔레이터(50)를 통하여 제어부(60)에 제공할 수 있다.
제어부(60)는 직류링크 전압을 확인하고(S15), 직류링크 전압이 소정 제1전압(본 발명의 일실시예에서는 805V라 하기로 하자) 이상인지를 확인할 수 있다(S20).본 발명의 일실시예에서는, 직류링크 커패시터(20)의 직렬로 연결된 개별 커패시터의 용량이 400V인 것을 가정하여 생각하기로 한다. 따라서 2개의 개별 커패시터가 직렬로 연결된 것이어서, 원칙적으로 제1전압은 800V일 수 있지만, 본 발명의 일실시예에서는, 마진을 생각하여 제1전압을 805V인 것으로 상정하여 설명하기로 하겠다. 다만, 이는 본 발명의 일실시예에서 한정적인 것은 아니며, 직렬로 연결된 커패시터의 개수 및 개별 커패시터의 용량에 따라 결정될 수 있을 것이다.
종래의 경우, 비교기를 사용하여, 직류링크 전압과 비교기 레퍼런스를 비교하여 과전압이 발생한 것으로 판단하여 인버터부(30)의 게이트 신호를 차단하였다. 즉, 비교기 레퍼런스를 예를 들어 820V로 선정하고, 직류링크 전압이 820V를 넘어서는 경우 과전압 발생을 판단하였기 때문에, 입력전압의 변동이 크거나 전압이 회생되어 직류링크 커패시터의 과전압 상태가 지속되는 경우에도 빈번하게 과전압 고장이 발생하는 문제점이 있었다. 본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것이다.
제어부(60)는 직류링크 전압이 805V보다 큰 경우에는, 다시 소정 제2전압(본 발명의 일실시예에서는 예를 들어 850V) 이상인지 확인할 수 있다(S25). 다만, 본 발명의 일실시예에서, 제2전압이 850V에 한정되는 것은 아니며, 직렬로 연결된 커패시터의 개수 및 개별 커패시터의 용량에 따라 결정될 수 있을 것이다.
만약, S25에서 직류링크 전압이 850V 이상인 경우, 제어부(60)는 과전압 고장으로 판단하고, 인버터부(30)로 전송하는 게이트 신호를 차단하여 인버터부(30)의 출력을 차단할 수 있다.
S25에서 직류링크 전압이 850V 이하인 경우에는,
Figure pat00005
을 누적할 수 있을 것이다(S30). 이때 V는 직류링크 전압이고, t는 미리 설정된 단위시간일 수 있다. 누적된 누적값은 저장부(70)에 저장될 수 있다.
이때 제어부(60)는
Figure pat00006
를 누적한 누적값이 소정 β 이상인 경우, 제어부(60)는 과전압 고장으로 판단하고, 인버터부(30)로 전송하는 게이트 신호를 차단하여 인버터부(30)의 출력을 차단할 수 있다. 그러나, 제어부(60)는
Figure pat00007
를 누적한 누적값이 소정 β 이상이 아닌 경우에는, S15로 진행하여 다시 직류링크 전압을 확인할 수 있을 것이다.
S40에서 과전압 고장에 의해 인버터부(30)의 출력이 차단된 경우, 제어부(60)는 인버터부(30)의 출력이 차단된 이후로 소정 기간(예를 들어 5초)가 경과되었는지를 확인하여(S60), 소정 기간이 경과되지 않은 경우에는 인버터부(30)의 출력차단을 유지할 수 있다.
만약, 제어부(60)는 소정 기간이 경과한 경우에는, 직류링크 전압이 정격전압의 범위 이내인지 확인하여(S65), 정격전압의 범위 이내인 경우에는 다시 S10으로 진행하여 제어부(60)가 인버터부(30)의 스위칭소자에 게이트 신호를 전달하여(S10), 인버터(1)의 운전이 시작될 수 있다. 그러나, 직류링크 전압이 정격전압의 범위를 벗어나는 경우에는, 인버터부(30)의 출력차단을 유지할 수 있다.
S20에서, 제어부(60)는 직류링크 전압이 805V 이상이 아닌 경우, 누적값에서 α를 뺀 값을 다시 누적값으로 갱신할 수 있다(S45). 이때, α는 β에서 5초간 α만큼 빼면 0이 되는 상수일 수 있다. 다만, 본 발명의 일실시예가 이에 한정되는 것은 아니며, 5초 이외의 다른 시간이 누적되는 것도 가능하다 할 것이다.
제어부(60)는 누적값이 0보다 작은 경우(S50), 누적값을 0으로 갱신하고(S55), 다시 S15로 진행하여 직류링크 전압을 확인할 수 있을 것이다.
이와 같이, 본 발명의 일실시예에 의하면, 인버터의 입력전압 변동이 크거나 전동기로부터 전압이 회생되어 직류링크 커패시터의 과전압 상태가 지속되면서 발생하는 문제로부터 직류링크 커패시터를 보호할 수 있으며, 기존에 입력전압이 높은 경우 빈번한 과전압 고장으로 인버터의 연속동작이 불가능한 문제를 해결할 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.
1: 인버터 10: 정류부
20: 직류링크 커패시터 30: 인버터부
40: 전원공급부 50: 아이솔레이터
60: 제어부 70: 저장부

Claims (6)

  1. 직류링크 커패시터와 복수의 스위칭소자로 구성되는 인버터부를 포함하는 인버터 시스템에서, 상기 인버터부를 제어하는 방법에 있어서,
    상기 직류링크 커패시터의 직류링크 전압이 소정 제1전압 이상인지 확인하는 단계;
    상기 직류링크 전압이 상기 제1전압보다 큰 제2전압 이상인지 확인하는 단계;
    상기 직류링크 전압이 상기 제1전압 이상이고, 상기 제2전압 미만인 경우, 직류링크 전압과 시간을 이용하여 계산한 값을 누적하여, 누적값이 소정 제1값 이상인 경우, 상기 인버터부의 출력을 차단하는 단계; 및
    상기 직류링크 전압이 상기 제1전압 미만인 경우, 상기 누적값에서 소정 제2값을 차감한 값을 누적값으로 갱신하는 단계를 포함하는 인버터 제어방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 직류링크 전압이 상기 제2전압 이상인 경우, 상기 인버터부의 출력을 차단하는 단계를 더 포함하는 인버터 제어방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 직류링크 전압과 시간을 이용하여 계산한 값은,
    Figure pat00008
    인 인버터 제어방법.
    (V는 직류링크 전압이고, t는 단위시간임)
  4. 제1항에 있어서,
    갱신된 누적값이 0보다 작은 경우, 누적값을 0으로 갱신하는 단계를 더 포함하는 인버터 제어방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 인버터부의 출력이 차단된 이후 소정 기간 경과한 경우, 직류링크 전압이 정격전압의 범위 이내인 경우, 인버터부의 출력차단을 해제하는 단계를 더 포함하는 인버터 제어방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제2값은,
    상기 제1값에서 소정 단위시간 동안 제1값을 차감하면 0이 되는 상수인 인버터 제어방법.
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