KR900005426B1 - 인버터 제어회로 - Google Patents

인버터 제어회로 Download PDF

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Abstract

내용 없음.

Description

인버터 제어회로
제1도는 이 발명의 한 실시예를 표시하는 블록접속도.
제2도는 PWM변조회로의 블록접속도.
제3도는 전압조정회로의 동작을 설명하는 회로각부의 신호파형도.
제4도는 본 발명이 대상으로 하는 인버터의 회로도.
제5도는 종래의 인버터제어회로의 블록접속도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 인버터주회로 2 : 리액터
3 : 콘덴서 4 : 직류전원
5 : 부하 6a,6b : 전류검출기
6c : 전압검출기 7 : 구동회로
8 : 제어회로
이 발명은 인버터의 출력전압을 고정밀도로 또한 변형율이 낮은 정현파전압으로 제어하는 인버터제어회로에 관한 것이다.
제5도는 그 예로서 인테렉(Intelec)83(Oct. 18-21,도쿄) 논문집 205∼212페이지, [인버터제어회로파형의 밀폐루프제어기법]에 설명된 종래의 인버터제어회로를 본 발명과 같은 형식으로 다시 그린 블록접속도이며, 1인 인버터주회로, 2,3은 교류필터를 구성하는 리액터 및 콘덴서, 4는 직류전원, 5는 부하, 7은 인버터주회로(1)용의 구동회로, 801은 정현파의 기준전압을 발생하는 교류기준전압발생회로, 806은 증폭기, 808은 PWM변조회로이며, 이것이 비교회로(808a) 및 반송파발생회로(806b)로써 구성되어 있다.
다음은 동작에 관하여 설명한다.
인버터주회로(1)의 출력측에는 구동회로(7)의 제어출력에 대응한 정현파모양의 출력전압을 얻게 된다.
한편, 교류기준전압발생회로(801)의 정현파기준과, 출력전압이 일치하도록 증폭기(806)와 PWN변조회로(808)가 인버터(1)의 스위칭을 제어한다.
또 PWM변조회로(808)는 삼각파상의반송파발생회로(808b)와 비교회로(808a)로 구성되어 있으며 증폭기(806)로 부터의 전압편차를 증폭한 대략 정현파모양의 신호에 기준하여 PWM의 스위칭시점을 결정하고 있다.
실제로는 증폭기(806)는 안정성이라는 점에서유한한 게인 밖에 없기 때문에 기준전압(801)에 대하여 인버터의 출력전압은 약간의 편차가 있는 상태로 상기 기준전압을 추종하도록 동작한다.
종래의 인버터제어회로에서는 이상과 같이 구성되어 있으므로, 인버터는 이것을 출력측에서 볼 때 매우 낮은 임피던스의 전압원으로서 동작하고 있다.
그래서, 이 인버터의 부하측에서 단락사고가 발생한다든가 변압기의 투입에 돌입(in-rush)전류가 흐른다든가 하였을 때 출력전류가 지나치게 흘러 과전류상태가 되기 쉬우며 보호하기 곤란하였었다.
또 부하로서 정류기와 같은 고조파를 많이 발생하는 부하를 접속하면, 상기와 같은 제어의 원리상 전압편차가 생기기 시작하며 그것을 보정하는 제어동작을 행하고 있기 대문에 부하고조파에 대응한 전압변형이 아무래도 남는다는 문제점이 있었다.
이 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위한 것으로서 인버터의 출력전압의 과도응답이 좋고, 선형부하, 비선형부하의 어느쪽에도 변형율이 작은 정형파전압을 공급하며, 인버터의 과전류에 대한 보호가 용이하고 확실한 인버터제어회로를 제공함을 목적으로 한다.
이 발명에 의한 인버터제어회로는, 필터를 통과시킨 후의 교류출력전압이 목적으로 하는 값의 정현파전압으로 되게 하기 위하여, 필요한 인버터의 출력전류의 지령치를 부하전류에 관한 정보, 필터의 병렬 임피던스에 흘려야 할 전류에 관한 정보, 출력전압과 기준전압의 오차에 관한 정보 등으로부터 생성하며, 이 전류 지령치에 순간적으로 추종하는 전류마이너루프를 설치함으로써 항상 출력단락 등의 과전류에 대하여 마이너 루프의 전류제한기능으로 보호하면서 정현파를 발생하도록 구성한 것이다.
이 발명에서의 정현파출력전압을 발생하기 위한 인버터전류지령치는 전압제어루프에 의하여 생성되고 상기 전류지령치에 인버터전류가 전류마이너루프에 의하여 순간 응답함으로써 인버터의 필터콘덴서와 부하임파던스의 병렬회로에 소정의 정현파전압을 발생시키기 위하여 필요한 전류가 흐르게 되며, 그 결과 항상 정현파의 출력전압이 생기도록 동작한다.
제1도는 이 발명의 한 실시예를 표시한 블록접속도이며, 도면에서, 1은 전압형인버터의 본체에서 교류필터용 리액터(2) 및 콘덱서(3)을 제외한 부분으로서 직류를 임의의 전압과 주파수의 교류로 변환하는 인버터주회로이며, 예를 들면 제4a, b도에 표시한 것 같이 단상 또는 3상의 스위칭소자 S1-S4, S5∼S10의 플브리지(Full Bridge) 구성의 인버터를 1∼2KHZ 정도 이상의 삼각파캐리어로 PWM변조하는 것 등이 그예이다.
4는 직류전원, 5는 부하, 6a는 인버터전류 IA의 검출기, 6b는 부하전류 IL의 검출기 6c는 인버터출력전압 Vc를 검출하는 전압검출기이다.
7은 인버터의 스위칭소자를 구동하는 구동회로이다.
8은 제어회로이며, 도면에서 800번대의 번호는 제어회로(8)의 구송요소임을 표시한다.
즉, 801은 교류정현파기준전압발생회로, 802는 교류기준전압 VR을 90°리드시킨 신호 VR90으로 변환시키는 90리드회로이다.
그리고, 실제로는 90°리드회로(802)의 신호 VR90을 기준으로 이것을 지연시켜 VR을 만들 수도 있다.
803은 계수기, 804는 인버터가 추종할 수 없는 부하전류 IL의 고조파성분을 제거하는 저역필터, 805는 인버터전류지령치 IR을 인버터의 허용전류 이하로 제한하는 리미터, 806은 전류제어증폭기, 807은 인버터전류 IA의 PWM변조에 의한 리플분을 제거하는 저역필터, 808은 PWM변조회로이다.
809는 전압편차검출회로, 810, 811, 812는 적분증폭기, 813, 814는 곱셈기이다.
제2도는 제1도의 실시예에 사용되는 PWM변조회로(808)의 블록접속도이다.
808a는 비교회로, 808b는 반송파발생회로이며, 예를 들면 삼각파 등의 반송파를 출력한다.
PWM변조회로(808)은, 그 입력신호 IE1와 3각파의 교점에서 비교기(808a)가 스위칭동작하고, 출력신호 PWM0는 입력신호 IE1와 비교하여 펄스폭을 변화시키는 PWM파형을 발생시킨다.
다음에 상기 실시예의 동작을 제1도∼제3도를 참조하면서 셜명한다.
제3도는 전압편차검출회로의 동작설명도이다.
이 실시예에서는, 제어회로(8)는 순간전류제어를 행하는 저역필터(807)을 포함하는 전류마이너루프와, 이에 의하여 충분히 응답이 늦는 전압제어루프로서 구성되어 있다.
인버터가 정현파교류전압을 출력하기 위하여 흘려야 하는 전류지령치 IRL을 구하고 이 지령치에 대하여 전류마이너루프에 의하여 인버터 전류 IA를 순시 응답시켜 교류기준전압에 추정한 정현파출력전압을 얻는다.
즉, 이 전류마이너루프의 동작은 다음과 같다.
인버터출력전류 IA는 검출기(6a)에서 검출되어 검출신호 IA1이 되며, 저역필터(807)에 의하여 PWM 변조에 의한 리플분이 제거된 검출신호 IA2로 된다.
인버터가 흘려야 할 전류지령치 IRL와 인버터전류 IA의 오차전류 IE0를 증폭기(806)로 증폭하고, 이 증폭기(806)의 출력신호 IE1이 PWM변조회로(808)의 입력으로 되며, 이 변조출력 PWM0를 구동회로(7)를 통하여 출력 PWM1으로 하고, 또 이것을 인버터(1)에 가하여 인버터제어회로(1)이 IE1에 비례한 평균치를 갖는 스위칭파형을 출력한다.
즉, PWM변조회로(808)의 입력 IE1로부터 인버터(1)의 출력단자전압(리액터(2)의 입력전압)까지는, 입력신호를 그것에 비례한 평균전압의 스위칭파형으로 증폭하는 선형증폭기로 생각할 수 있다.
인버터의 출력전류 IA는 인버터(1)의 전압과 콘덴서(3)의 전압 Vc의 차, 즉 리액터(2)의 단자간전압을 리액터(2)의 시정수로 적분한 값이고, 1차적분적으로 변한다.
따라서, 인버터의 출력전류 IA를 스위칭으로 리플전류를 감소시키는 저역필터(807)을 통과시켜 피드백시키고, 지령치 IRL과의 편차 IE0를 연산증폭기(806)를 통과시켜 IE1로서 재차 PWM변조회로(808)로 가하는 폐쇄루프를 구성함으로써, 전류지령된 IRL에 대해 인버터의 전류 IA가 추종하는 전류제어루프를 구성할 수 있다. 이 전류제어루프는, 다음에 설명하는 전압제어의 메이저루프(major loop)에 대해 내측에 있으므로, 전류마이너루프라 부른다. 이 전류마이너루프는 필터(807)의 시간지역능 짧게 하고, 연산증폭가(806)의 게인을 높임으로써, 전류 지령에 대한 응답을 빠르게 할 수 있다.
그러나, 그렇기 위해서는 PWM주파수에 의한 한계가 있고, 일반적으로 PWM주기의 3∼5배 전후의 응답 속도가 된다. 리미터(805)는, 전류지령치 IR이 너무 클 경우에 그것을 인버터의 허용치 이하로 제한하고, 제한된 전류지령치 IRL을 얻기 위해 설치되어 있다.
다음에, 전류지령치 IRL을 구하는 방법과 전압제어루프의 동작을 설명한다.
인버터(1)가 흘려야 할 전류는 콘덴서(3)에 흐르는 전류 Ic와 부하전류 IL이다.
그러나, 인버터(1)을 구성하는 트랜지스터의 스위칭지연이나, 부하 전류의 급변 등으로, 출력전압 Vc에 전압편차가 발생하므로, 그 편차를 수정하기 위한 전압제어회로가 필요하게 된다.
따라서, 인버터전류지령치 IR은, 콘덴서전류 ICR와 부하전류지령치 IRL에 전압편차를 최소로 하기 위한 약간의 보정분 IVR을 부가한 것이다.
먼저, 콘덴서전류지령치 ICR는 다음과 같이 구할 수 있다.
콘덴서의 전압 Vc와 전류 Ic의 관계는 다음식으로 표시된다.
Figure kpo00001
여기서, Vc=Vcp sin(ωt)이면,
Figure kpo00002
(단, Vcp는 콘덴서전압 Vc의 피크치)로 된다.
따라서, 소정의 정현파전압을 얻기 위하여 콘덴서(3)에 흘러야 할 전류는 교류기준전압 VR의 위상을 90°리드시키고 크기를 ωC배한 전류이다.
따라서, 콘덴서전류지령치 ICR은 90°리드회로(802)의 출력에 일정한 제인 ωC를 곱하여 얻을 수 있다.
전류마이너루프가 목표치 IRL을 추종함으로써 무부하상태에서 인버터는 정격전압을 확립할 수 있다.
이와 같이하여 무부하전압을 확립시킨 상태에서 인버터(1)은 전류원에 병렬콘덴서를 접속한 상태로 동작하고 있으므로, 통상의 정형파인버터에 요구되는 저인피던스의 전압원으로서의 특성이 없다.
그래서, 이 발명에서는 인버터(1)의 전류마이너루프를 부하가 요구하는 전류에 고속으로 추종하도록 구성함으로써 부하쪽에서 보아 저인피던스의 전압원이 되도록 하고 있다.
부하의 요구전류는 정류기부하 등에서 많은 고주파를 포함한 변형파형으로 된다.
이 변형전류파형을 지연없이 신속하게 인버터(1)이 출력함으로써 전류원적 인버터(1)을 겉보기전압원이 되도록 구성하고 있다.
그러나, 부하의 변형전류 중, 예를 들면, 11차 이상의 고차성분은 출력콘덴서(3)에서 공급되기 때문에, 너무 큰 전압변형의 원인으로는 되지 않는다는 것, 또 인버터(1) 자체의 전류마이너루프는 고차의 성분을 출력하기 위해서 극도의 고속응답성과 출력전압 여유가 요구되기 때문에 비경제적으로 된다는 것 등을 고려하여, 예를 들어 부하전류 중 11차 이상은 주로 병렬콘덴서(3)에 분담시키고, 7차 이하를 인버터가 분담하도록 구성하고 있다.
즉, 저역필터(804)에 의하여 11차 이상을 감소시키고, 7차 이하를 ILR을 만들고, 이에 인버터(1)을 추종시킴으로써 비선형부하에 의하여 전압변형이 증대하지 않는 인버터를 얻을 수 있다.
다음은, 보정분 IVR을 출력하는 전압제어루프의 목적과 동작에 관하여 설명한다.
이상 설명한 제어계는 콘덴서전류 Ic를 예정의 정현파전류 ICR에 추종시키는 피드백제어에 부하전류지령치 ILR을 피드포워드(Feed Forward)한 것이다.
따라서, 콘덴서 전류 Ic는 예정의 전류 ICR에 근사한 전류로 되지만 콘덴서(3)의 용량치의 정밀도, 전류 마이너루프의 정상오차 등에 의하여 인버터출력전압 Vc는 교류기준전압 VR에 대하여 약간의 오파 VE가 있다.
그래서, 오차 VE를 최소로 하는 보정전류 IVR을 만들어 인버터전류지령치에 가한다.
보정분 IVR은 다음과 같이 만들어진다.
먼저 전압오차 VE를 전압편차검출회로(809)에 의하여 유효전류에 따라 보정되는 전압오차 VP와, 무효전류에 따라 보정되는 오차 VQ와 직류전류에 따라 보정되는 오차 VD로 분해된다.
인버터전류 IA의 유효전류가 증가하면 리액터(2)에 의하여 인버터출력전답 Vc의 위상이 리드하고, 진상의 무효전류가 증가하면 인버터출력전압 Vc의 진폭이 증가한다.
또, 약간의 전류전류를 지령에 부가함으로써, 인버터출력전압의 정부(正負)의 불균형을 보정할 수 있다.
제3도는 전압편차검출회로(809)의 이와 같은 동작예이다.
제3도의 la는 기준전압에 대하여 동상의 전압진폭편차가 있는 경우를 표시하고 있다.
이 편차는 인버터(1)의 무효전류에 의하여 변화하는 것으로서, 기준전압의 90°와 270°의 전후에 편차가 크게 나타난다.
따라서, 제3도의 T1과 T3의 타이밍으로 편차를 검출하여 VQ=VC(T1)-VR(T1)-VC(T3)+VR(T3)를 구함으로써 진폭편차에 대응한 신호 VQ를 구할 수 있다.
제3도의 2a는 기준전압에 대하여 위상편차가 있는 경우를 표시하고 있다.
이 편차는 인버터(1)의 유효전류에 의하여 변화하는 것으로서 기준전압 90°와 180°의 전후에 편차가 크게 나타난다.
따라서, 제3도의 T0와 T2의 타이밍으로 편차를 검출하여 VP=VC(T0)-VR(T0)-VC(T2)+VR(T2)를 구함으로써 위상편차에 대응한 신호 VP를 구할 수 있다.
제3도의 3a는 기준전압에 대하여 직류성분의 편차가 있는 경우를 표시하고 있다.
이 편차는 전주기에 걸쳐 똑같이 생기므로 VD=VC(T0)-VR(T0)+VC(T1)-VR(T1)+VC(T2)-VR(T2)+VC(T3)-VR(T3)를 구함으로써 검출할 수 있다.
여기서, 검출신호 VQ는 무효전류에 의하여 보정되는 진폭오차이며, VP는 유효전류에 의하여 보정되는 위상오차이며, VD는 직류전류에 의하여 보정되는 정부 불균형에 의한 오차이다.
이들의 신호는, 적분증폭기(810), (811), (812)와 곱셈기(813), (814)에 의하여 보정유효전류 IP, 보정무효전류 IQ, 보정직류전류 ID로 변환되고, 이들의 합이 보정분 IVR로 된다.
이 보정분 IVR은 약간의 전압편차를 보정하기 위한 것이며, 보정분 IVR의 크기로 콘덴서전류지령치 ICR보다 작은 것이다.
적분증폭기(810), (811), (812)는 보정분 IVR을 제한하기 위한 포화 특성이 있다.
보정분 IVR은 편차가 최소가 되도록 인버터(1)의 출력전류를 미조정한다.
그리고, 이상의 예에서는 VQ, VP, VD의 검출을 샘플링방식에 의하여 행하고 있지만은 연속계에 의하여 같은 신호를 검출할 수 있음은 말한것도 없다.
제1도에서, 이상과 같이 구한 전류지령치 ICR, ILR 및 IVR의 합이 리미터(805)를 통하여 증폭기(806)으로 된 전류마이너루프로 가해진다.
이 리미터에 의하여 어떠한 과도상태에도 인버터(1)의 허용할 수 있는 순간전류 이상의 지령치는 주어지지 않으므로 인버터(1)는 항상 과전류로 될 걱정이 없으며 안전하게 동작한다.
그리고, 상기 실시예에서는 단상인버터의 경우에 관하여 설명하였지만 PWM변조인버터를 제어하는 이개념은 각 상마다 같은 제어회로를 사용하여 3상교류기준전압을 가함으로써, 3상인버터에 적용할 수 있다.
또, 상기 실시예에서는 전류마이너루프를 비례제어에 의한 순간치제어의 경우에 관하여 설명하였지만 PI제어, PID제어, 디지틀제어기에 의한 유한시간설정제어 등에도 적용가능하며 상기 실시예와 같은 효과를 얻을 수 있다.
이상과 같이, 이 발명에 의하면 교류정현파출력전압을 발생시키기 위한 인버터가 출력할 전류지령치를 만들고, 이 전류지령치에 인버터전류가 추종하도록 순간치제어를 실시하도록 구성하였으므로 인버터 출력전압의 정밀도, 과도응답이 양호하고 또 부하고조파에 대하 왜곡율이 작고, 부하의 돌입전류나 단락전류에 대하여 스위칭소자의 과전류보호를 전류마이너루프로써 확실하게 실시할 수 있는 효과가 있다.
특히 부하전류의 변동과 그 고조파에 관하여는 전압편차가 발생한 다음 보정하는 것이 아니고, 피드포워드적으로 제어하고 있으므로 우수한 전압정밀도와 파형을 얻을 수 있다.

Claims (3)

  1. 부하에 정형파의 교류전력을 공급하는 인버터 중, 이 인버터를 구성하는 스위칭소자가 1사이클 내에 복수회의 스위칭을 실시하여 정형파를 발생하도록 구성된 인버터제어회로에 있어서, 상기 인버터가 출력할 교류정현파전압기준발생회로를 갖추고 있으며, 인버터에는 그 출력전류의 순시치를 제어하는 전류마이너루프를 설치하고, 이 전류마이너루프에 대한 전류기준으로서 인버터의 출력필터의 병렬콘덴서에 흘려야 할 전류치와 인버터의 부하에 흘려야할 전류치의 합을 부여할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 인버터제어회로.
  2. 제1항에 있어서, 부하에 흘려야 할 전류로서, 부자전류의 검출치를 필터에 걸어서, 부하전류의 저차성분(低次成分)을 사용한 것을 특징으로 하는 인버터제어회로.
  3. 제1항에 있어서, 교류정현파전압기준과 인버터의 출력전압의 편차를 검출하고, 그 편차를 보정하기 위하여 필요한 전류를 전류마이너루프의 전류기준에 가한 것을 특징으로 하는 인버터제어회로.
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