KR890002874B1

KR890002874B1 - 교류 전류 제어 장치

Info

Publication number: KR890002874B1
Application number: KR1019840001351A
Authority: KR
Inventors: 료오이찌 구로사와; 다께오 시마무라
Original assignee: 도오쿄오 시바우라덴기 가부시기가이샤; 사바 쇼오이찌
Priority date: 1983-03-16
Filing date: 1984-03-16
Publication date: 1989-08-05
Also published as: JPS59169369A; EP0119583B1; DE3461583D1; JPH031917B2; EP0119583A1; KR840008725A; US4555755A

Abstract

내용 없음.

Description

교류 전류 제어 장치

제1도, 제2도, 제3도는 종래의 교류전류 제어장치의 구성을 표시한 블럭도.

제4도는 본 발명의 일 실시예를 표시한 블럭도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1,18,19 : 좌표 변환기 2,3,4,14,15,20,21,22,27,28 : 가감산기

5,6,7,16,17,25,26 : 제어증폭기 8 : 교류 전류

9 : 전력 변환기 10,11,12 : 전류 검출기

13 : 부하(교류 전동기) 23,24 : 승산기

본 발명은 가변전압, 가변주파수 전원으로서의 전력 변환기에 의해 교류 전동기와 같은 부하에 흘리는 교류 전류를 제어하는 교류 전류제어 장치에 관한 것이다. 최근 교류 전돌기의 전원으로 전력 변환기를 사용하여 전압, 주파수를 제어함으로써 회전 속도를 제어하는 교류 전동기의 가변속 제어를 널리 실행하고 있다.

특히, 교류 전동기의 응답을 더욱 적합하게하는 전류기준치를 전동기 정수를 이용하여 연산하고, 이 전류 기준치에 따라서 전력 변환기의 출력전류 즉, 전동기의 전류를 제어하는 백터제어라고 부르는 제어방법이 실현되고, 교류전동기에 있어서도 직류 전동기와 같이 신속한 응답의 제어가 가능하게 되었다. 이와같은 백터 제어를 실행하기 위해서는 연산된 전류 기준치에 대하여 충실하게 교류 전동기의 전류를 제어하는 것이 중요하다.

대용량의 전력변환기로서 다이리스터를 사용한 사이클로컨버터가 사용되나, 사이클로 컨버터에서는 입력의 교류 전원의 위상에 동기하여 다이리스터의 점호를 하지 않으면 안되고 스위칭제어에 지연이 생긴다. 이와같은 지연 때문에 교류 전류제어를 실행하는 경우, 출력 주파수가 높아지는 동시에 전류기준치와 실제의 전류치 사이에 위상 지연과 진폭의 오차를 발생시킨다는 사실이 일반적으로 알려져 있다. 용량이 작은 전력 변환기로는 트랜지스터를 사용한 인버터가 사용된다. 트랜지스터는 빠른 스위칭 제어를 실행할 수 있으므로 지연이 비교적 적으나 보다 높은 출력 주파수로 사용되므로 그와같이 위상의 지연과 진폭 오차가 문제점이 된다.

백터제어에 있어서는, 전류의 기준치는 회전하는 좌표상에서의 2축 전류기준치 i_d ^*,i_q ^*로서 연산되고 전류제어 장치에 인가된다. 이들의 2축 전류기준치 i_d ^*,i_q ^*는 직류 전동기의 제어에의 여자 전류 기준치와 전기자 전류기준치에 상당하는 값으로 직류적인 신호로서 인가된다. 제1도에는 종래의 전류제어 장치에 의해서 이들의 2축 전류기준치에 따라서 전류제어하는 경우의 구성을 도시하는 있다. 2축 전류기준치 i_d ^*,i_q ^*는 좌표 변환기(1)에 의해 소정의 교류 전류의 각 주파수 ω의 3상 정현파 신호인 3상 전류 기준치 i_u ^*,i_v,^*i_w ^*로 변환되고, 이를 근거로 각상의 교류 전류가 제어되고 있다. U상전류 기준 i_u ^*는 (1)식으로 표시되고, 다른 i_v ^*,i_w ^*는 i_u ^*를 2π/3 및 4π/3만은 위상 지연시킨 값이 된다.

i_u ^*=i_d ^*COS_wt+i_q ^*Sin_wt(1)

(2), (3), (4)는 감산기, (5), (6), (7)은 제어증폭기, (8)은 교류 전원, (9)는 전력 변환기, (10), (11), (12)는 전류 검출기, (13)은 부하로서의 교류 전동기이다. 3상 전류 기준치 i_u ^*,i_v ^*,i_w ^*는 각기 전류 검출기(10), (11), (12)에 의해 검출된 부하의 전유치 i_u ^*,i_v ^*,i_w ^*와 감산기(2), (3), (4)에 의해서 비교된 후, 제어 증폭기 (5), (6), (7)에 의해 제어 증폭되고 그 출력치 e_u ^*,e_v ^*,e_w ^*는 전압기준치로 전력 변환기에 입력된다. 전력변환기(9)는 전압기준치에 따른 전압을 출력하고 부하 전류나 3상전류 기준치와 같게되도록 제어된다. 일반적으로 제어증폭기(5),(6),(7)에는 비례요소와 함께 정상 편차를 없애기 위한 적분 요소를 조합시킨 비례 적분 제어 증폭기가 사용된다.비례이득을 k_p적분이득을 k₁으로 하면 제어증폭기의 이득 주파수 특성 ｜G(ω)｜는 각 주파수 ω에 대하여 (2)식으로 표시된다.

각 주파수 ω가 영, 즉 직류분에 대하여서는 이득은 무한대가 되어 정상편차가 발생하지 않는다, 그러나, 각 주파수 ω가 커지게되는 동시에 유한 이득 K_p에 접근하고, 교류분에 대한 정상편차가 위상 지연과 진폭오차로서 나타난다. 각각의 이득 K_p, K_i을 크게하면, 이론적으로는 교류분에 대한 정상 편차를 작게하는 것이 가능하나, 실제로는 전력변환기의 스위칭 제어에는 지연에 의해 임의로 큰 이득으로 하면 제어가 불안정하게 된다.

이와 같은 위상 지연과 진폭오차를 방지하기 위해, 제2도에 도시한 것과 같은 전류제어 장치가 고려되었었다. 제2도에 있어서, (14), (15)는 감산기 (16), (17)은 제어증폭(18), (19)는 좌표 변환기이다. 3상 전류기 i_u,i_v,i_w는 좌표 변환기(19)에 의해 정지하는 좌표상에서 각 주파수 ω로 회전하는 좌표상에서의 2축 전류치 i_d,i_q로 변환되어 직류적인 신호가 된다. 이 i_d,i_q가 그와 같이 회전하는 좌표상에서의 2축 전류 기준치로서 인가된 i_d ^*,i_q ^*와 감산기(14), (15)에 의해 비교된 후, 제어 증폭기(16), (17)에 의해서 제어 증폭되고, 그 출력 e_d ^*,e_q ^*이 좌표 변환기(18)에 의해 정지하는 좌표상에서의 3상 전압기준치 e_u ^*,e_v ^*,e_w ^*로 변환되어, 전력 변환기(9)에 입력된다. 좌표 변환기(18)는 제1도에의 좌표 변환기(1)와 같은 것으로서, 입출력 관계는 (1)식과 동일하다.

좌표 변환기(19)의 3상전류치 i_u,i_v,i_w±입력에 대한 출력 i_d,i_q의 관계는 (3), (4)식으로 표시된다.

U 상 전류 i_u는 진폭을 I, 위상을 θ로 하면 (5)식으로 표시되고, 다른 i_v,i_w는 i_u를 2π/3 및 4π/3만큼 위상을 지연시킨 (6), (7) 식으로 나타낼 수가 있다.

이들의 i_u,i_v,i_w를 (3), (4) 식에 대입하면, i_d,i_q는 (8), (9)식에 표시한 각 주파수 ω에 무관한 직류적인 신호로 된다.

i_d=I COS θ (8)

i_q=I Sin θ (9)

즉, 정지 좌표상에서의 값에서 회전 좌표상에서의 값으로의 좌표 변환기(19)는 교류 신호를 직류적인 신호로 변환하고, 회전 좌표상에서의 값에서 정지좌표상에서의 값으로의 좌표 변환기(18)는 직류적인 신호를 교류 신호로 변환하는 기능을 가지고 있다. 회전좌표상으로 변환된 직류적인 2축 전류 i_d,i_q를 같은 직류적인 2축전류 기준치와 비교 제어하기 위해 각 주파수 ω에 영향 받지 않고 위상지연이나 진폭 오차가 생기는 경우에는 직류분으로서 검출되고 제어 증폭기의 적분 요소에 의한 직류분 제어로서 교류 전류의 위상지연, 진폭오차를 없앨 수 있다고 생각되어 왔다. 그러나, 단순히 좌표 변환만으로서, 교류 신호를 직류적인 신호로 변환한 것 뿐으므로 본질적으로 직류의 제어와는 다르고, 실제로 실행하면 안정된 제어가 어려운 결점이 있었다.

이것을 개선하는 것으로서, 종래의 각 상전류제어와, 앞서 기술한 좌표 변환에 의한 직류적인 제어를 조합한 전류제어 방식이 일본 특개소 57-52392공보에 개재되어 있다. 이 블럭도를 제3도에 표시한다. 제3도에 있어서, (1)~(7)까지의 블럭은 제1도와 동일하고 (14)~(19)까지의 블럭은 제2도와 동일한 것으로서, 여기에는 가산기(20), (21), (22)가 추가되어 있다. 종래의 각상 전류 제어를 구성하는 부분의 출력인 제어 증폭기(5), (6), (7)의 출력과 좌표 변환에 의한 직류적인 전류제어를 구성하는 부분의 출력인 좌표 변환기(18)의 출력이 가산기(20), (21), (22)에 의해 합성되고 있다. 교류적인 제어와 직류적인 제어의 조합에 의해 안정하게 위상지연, 진폭오차가 없는 제어를 실행할 수 있다는 사실은 이미 발표되었다(소화 55년 4월 2일 발행, 전기학회 전국대회 강연 논문 504) 그러나, 용이하게 알 수 있는 바와같이 제어회로는 복잡하게 됨과 아울러 각상 전류제어로서의 교류제어를 실행하지 않으면 안되므로 마이크로 컴퓨터등을 사용하여서 디지탈 제어하는 경우, 교류 전류의 최고 각 주파수 ω M에 따른 빠른 샘플링 연산을 필요로 한다. 일반적으로는 교류 전류의 최고 주파수(ωM/2π)의 10배 정도의 샘플링 주파수를 필요로 하고, 최고 주파수를 100Hz로 하면 1KHz정도의 샘플링 주파수가 되어, 마이크로 컴퓨터로 제어를 실현하는 것이 곤란하다. 이에 대하여 직류 전류 제어 또는 직류적인 제어에 있어서는 직류 전류치, 또는 2축의 전류치 id, iq 변화의 최대 주파수 성분의 10배 정도의 샘플링 주파수면 가능하다. 일반적으로 변화의 최대 주파수는 10Hz정도로 샘플링 주파수는 100Hz 정도가 충분하고, 제어의 마이크로 컴퓨터화가 용이하다. 따라서, 마이크로 컴퓨터화 하여도 각상의 전류제어부분은 아날로그 제어를 행하거나, 전용의 디지탈 회로를 구성하지 않으면 안된다. 마이크로 컴퓨터화에 의한 하드웨어의 간단화, 제어의 고신뢰화, 장치의 저렴화등의 이점이 반감된다.

본 발명은 상기 사정에 비추어 간단한 구성으로 안정하게 직류전류의 제어와 같은 느린 샘플링제어가 가능하고 특히 마이크로 컴퓨터 제어에 적합한 교류 전류의 제어장치를 얻는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 2축 전압치의 한쪽 e_x은 적어도 전류 기준치 i_d ^*와 전류치 △i_d와의 편차△i_d에 비례한량과 이 편차 △i_d의 적분치에 비례한 량과, 전류 기준치 i_q ^*와 전류치 i_q와의 편차 △i_q에 각 주파수 ω를 곱한 값의 적분치에 비례한 량을 포함하고 다른쪽의 2축 전압치 i_q는 적어도 상기 편차 △i_d에 비례한 량과 이 편차 △i_q의 적분치에 비례한 량 및 상기 량을 포함하도록한 것을 특징으로 한다.

제4도에는 본 발명의 실시예를 표시한다.

제2도와 같은 블록에는 같은 번호를 붙이고 있으며, (23)~(28)의 블록이 본 발명으로서 새로이 추가된 블록이다. (18), (19)는 좌표 변환기, (14), (15), (27)은 감산기, (28)은 가산기, (23), (24)는 승산기, (16), (17), (25), (26)은 제어 증폭기이다. 전류 검출기에 의해 검출된 3상의 전유치 i_u, i_v, i_w는 좌표 변환기(19)에 의해 정지 좌표상에서 각 주파수로 회전하는 좌표상에서의 2축의 전류치 i_d, i_q로 변환된다. 이 i_d, i_q가 같이 회전하는 좌표상에서의 2축 전류 기준치로서 부여된 i_d ^*, i_q ^*와 감산기(14), (15)에 의해 비교되어서, 편차 △i_d,△i_q가 구해진다. 이들의 편차 △i_d,△i_q는 각기 제어 증폭기 (16), (17)에 의해 제어 증폭됨과 아울러 승산기(23), (24)에 의해 각 주파수 ω가 승산된 후에 제어 증폭기 (25), (26)에 의해 제어 증폭된다. 제어 증폭기(16)의 출력과 제어 증폭기(26)의 출력이 감산기(27)에 의해 감산되어서 d의 축압치 e_d ^*가 구해지고, 제어 증폭기(17)의 출력과 제어 증폭기(25)의 출력이 가산기(28)에 의해 가산되어서 q축의 전압치 e_q ^*가 구해진다. 2축 전압치 e_d ^*, e_q ^*가 좌표 변환기(18)에 입력되고, 각 주파수ω로 회전하는 좌표 상에서 정지하는 좌표상에서의 3상 전압기준치 e5_d ^', e_v ^*, e_w ^*로의 변환 연산이 행하여진다. 3상 전압기준치는 전력 변환기에 입력되고, 이들에 따라서, 전력 변환기의 출력전압이 제어된다.

제2도에 표시한 종래예에서는 축의 전압치 e_d ^*는 d축의 편차 △i_d만에서 제어 증폭에 의해서 구해지고, q축의 전압치 e_q ^*는 q축의 편차 △i_q만에서 제어 증폭에 의해서 구해지며, 각기의 2축의 성분이 분리되어서 구해졌었다. 통상의 부하는 저항과 인덕턴스의 직렬 회로로 간주되고, 이와같은 부하에 흐르는 직류전류를 제어하는 경우, 일반적으로 제어 증폭기로서는 편차에 비례한 량과 편차의 적분치에 비례한 량과의 합을 출력하는 비례 적분형 제어 증폭기기 사용된다. 전류를 증가시키기 위해 전류 기준치를 증가시키면, 우선 편차가 생기고 제어 증폭기의 출력은 이 편차에 비례하여 증가되는 동시에 이 편차의 적분치에 따라서 서서히 증가한다.

제어 증폭기의 출력에 따라서 전력 변환기의 출력 전압도 증가하고, 부하 전류도 증가하되기 시작한다. 편차가 영으로 될때까지 제어증폭기의 출력, 즉 전력변환기의 출력 전압이 증가하여 전류 기준치에 전류치가 균등하게 제어된다. 제어가 정상상태로 된 후에는 전류치는 일정하게 되므로 부하의 인덕턴스분에는 전압이 발생하는 전압만 전력 변환기의 출력전압이 증가하게 된다. 제어증폭기의 적분 작용은 정상시에 있어 부하에 목적으로 하는 전류를 흘리는데 필요한 전압에 따른 값을 발생하는데 있다.

같은 저항과 인덕턴스의 직렬 부하에 대하여 교류 전류를 제어하는 경우, 정상 상태에 있어서, 저항분에 의해 발생하는 전압외에 인덕턴스에는 교류 전류의 주파수 및 크기에 비례하여 전류에 대하서

만큼 위상이 앞선 전압을 발생시키게 된다. 좌표 변환에 의해서 교류신호를 외견상 직류적인 신호로 변환하여도 본질적으로 직류신호와는 다르고, 전력 변환기는 교류제어의 경우는 정상시에 전류에 비례한 동상 성분의 전압과 전류와 주파수의 적에 비례한 90°위상을 앞서게한 성분의 전압을 출력하지 않으면 안된다. d축의 전압치 e_d ^*를 d축의 편차 △i_d에서, q축의 전압치 e_q ^*를 q축의 편차 △i_q에서만 제어 증폭기에 의해서 구하는 경우, 전류와 동성 성분의 전압을 발생할 수가 있으나, 90°위상을 앞서게한 성분을 발생할 수가 없다. 또, d축전류 성분 i_d를 증가시키려고 d축의 전아바치 e_d ^*를 증가시켜도 실제의 전류는 e_d ^*에 대해 위상이 늦어지므로 q축 전류성분도 변환하고, d축과 q축이 상호 관계를 맥게되어 안정한 제어를 할 수 없다. 이에 대하여 본 발명은 d축의 전압치 e_d ^*에는 d축의 편차 △i_d를 제어 증폭한 성분외에 q축의 편차 △i_q에 각 주파수 ω를 곱한 값을 제어 증폭한 성분이 포함되고, q축의 전압치 e_q ^*에는 q축의 편차 △i_q를 제어 증폭한 성분외에 d축의 편차 △i_d에 각 주파수 ω를 곱한 값을 제어 증폭한 성분이 포함되어 있다.

예컨대, d축 전류 기준치 i_d ^*를 증가시킨 경우, d축의 전압치 e_d ^*가 증가되는 동시에 q축의 전압치 e_q ^*도 증가하기 시작한다. d축에 대해 q축은 90°위상이 앞선관계로 되어 있으므로 q축의 전압을 증가하는 것은 d축에 대하여 90^*위상이 앞선부하의 인덕턴스분이 발생사흔 전압성분에 대응한 전압이 발생하게 된다. q축 전류 기준 i_q ^*를 증가시킨 경우에는 , q축의 전압치 e_q ^*가 증가하는 동시에 축의 전압치 e_d ^*가 감소되기 시작한다. 교류신호에 있어서, 감소와 증가는 위상이 180°다른 것이며, q축 성분에 대하여 90°위상이 지연된 d축 성분이 감소하는 것은 q축 성분에 대하여 90°위상이 앞서는 d축성분이 증가하는 것이되며, 그와같이 부하의 인덕턴스분이 발생하는 전압성분에 대응한 발생하는 것이 된다. 90°위상이 앞선 성분을 발생하기 위한 제어 증폭기 (25), (26)은 정상상태에서의 부하의 인덕턴스분이 발생하는 전압 성분을 발생하면 좋으므로 적분형 제어 증폭기를 사용한다. 또한, 본 발명의 실시예에 있어서 좌표변환하는 각 주파수가 교류 전류의 각 주파수와 같은 것으로 하여 설명하였지만, 완전히 교류전류의 각 주파수가 아니라도 좋으며, 교류 전류의 각 주파수가 가까우면 제어하는데 있어 상당히 직류에 가까운 저 주파수의 제어가 되어 같은 효과를 얻을 수가 있다.

또, 교류 전동기를 부하로 하는 경우에는, 저항분과 인덕턴스 분에 의한 전압외에 회전수에 따른 속도 기전력을 발생한다. 이것을 보상하기 위해, 제4도에서의 가산기(27), 감산기(28)의 뒤에서 속도 기전력에 따른 전압치를 가산하여 보다 좋은 제어를 행할 수도 있다.

이상 기술한 바와같이 본 발명은 부하의 인덕턴스분이 발생하는 전압 성분을 고려하여서, d축 편차를 q축전압에 작용시키고, q축 편차를 d축 전압에 작용시킴으로써, 좌표 변환에 의해 교류신호로 변환하여 실행하는 제어에 있어서, d축과 q축 사이의 상호작용을 발생하지 않으면서 안정하게 제어하는 것으로서, 본 발명에 의하면 교류전류의 제어를 간단한 구성으로 직류전류 제어와 같이 안정한 제어를 할 수 있고, 빠른 응답의 제어를 필요로 하지 않으므로 제어 장치를 마이크로 컴퓨터로 구성하여서 느린 샘플링 제어를 실현 할 수가 있으므로, 제어 장치의 저렴화 고신뢰화, 및 소형화가 가능하게 된다.

Claims

전력 변환기(9)에 의해서 인가되는 다상부하에 흐르는 교류 전류를 검출하는 전류 검출기(10,11,12) 상기 전류 검출기(10,11,12) 출력의 다상전류 검출기를 각 주파수 ω로 회전하는 좌표상에서의 2축 전류치 i_d.i_q로 변환하는 회전 좌표 변환기(1,18,19)변환된 2축 전류치 i_d및 i_q에 대한 2축 전류 기준치 i_d ^*및 i_q ^*를 발생하는 기준 발생기(8), 상기 2축 전류치 i_d및 i_q와 상기 2축 전류 기준치 i_d ^*및 i_q ^*를 입력하여 2축의 전압치 e_d ^*및 e_q ^*를 출력하는 제어 증폭기(5,6,7,16,17,25,26) 상기 2축의 전압치 e_d ^*, e_q ^*및 상기 각 주파수 ω에 따라서 상기 전력 변환기(9)에서 발생하는 전압의 기준치를 연산하는 좌표 변환기(1,18,19)를 구비한 교류 전류제어 장치에 있어서, 상기 제어 증폭기(5,6,7,16,17,25,26) 출력의 전압치e_d ^*가 적어도 전류 기준치 i_d ^*와 전류치 i_d와의 편차 △i_d에 비례한 량과 상기 편차 △i_d의 적분치의 비례한량과 전류 기준치 i_q ^*와 전류치 i_q와의 편차
i_q에 상기 각 주파수 ω를 곱한 값의 적분치에 비례한 량을 포함하고, 상기 제어 증폭기 출력의 전압치 e_q ^*가 적어도 상기 편차
i_q의 적분치에 비례한 량과 상기 편차
i_d에 상기 각 주파수 ω를 곱한 값의 적분치에 비레한 량을 포함한 것을 특징으로 하는 전력 변환(9)의 교류 전류제어장치.