KR910005461B1 - Pwm 인버터의 제어장치 - Google Patents

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Abstract

내용 없음.

Description

PWM 인버터의 제어장치
제1도는 본 발명에 의한 인버터의 제어장치의 일실시예를 나타낸 블록도.
제2도는 제1도에서의 인버터의 기본적인 출력전압 파형도.
제3도는 본 발명의 일실시예에 의한 펄스패턴을 설명하기 위한 도.
제4도는 인버터의 각 소자의 스위칭 패턴을 설명하기 위한 도.
제5도는 본 발명의 다른 실시예에 의한 펄스패턴을 설명하기 위한 도.
본 발명은 무정전 전원등으로 사용하는 PWM 인버터의 제어장치에 관한 것이다.
정전압·정주파 교류전압을 출력하는 PWM 인버터는 일반적으로 계통고장이 발생한 경우의 무정전 전원등으로 사용되고 있다. 이 종류의 인버터는 직류전력을 입력하여 그것을 소정전압·소정주파수의 교류전압으로 변환시켜 출력한다. 이 출력교류전압은 통상은 연계변압기 및 필터를 거쳐서 부하에 공급된다. 필터는 교류필터리액터 및 교류필터 콘덴서에 의해서 구성되어 있다. 인버터의 입력측에는 통상 출력전압을 조정할 수 있는 직류전원이 설비되어 인버터의 출력전압의 조정은 직류전원의 전압 조정을 통하여 행해진다. 그 경우에 인버터는 주파수 조정의 역할을 분담하고 또 그 출력전압을 되도록이면 정현파형이 되도록 미리 정해진 위상기준에 대응한 일정한 게이트신호에 의해서 제어된다.
인버터 출력측의 필터는 인버터를 구성하는 전력을 반도체소자의 스위칭에 기인하는 고조파 성분을 저감시킴과 더불어 부하측 단락등 사고시의 과전류 방지의 역할도 한다.
인버터에 사용되는 전력용 반도체 소자로는 중·소용량의 인버터에서는 트랜지스터가 또 수백 KVA를 초과하는 대용량의 인버터에서는 게이트·턴오프·사이리스터(GTO)가 사용되는 경우가 많다. 대용량의 인버터에 사용되는 GTO의 경우에 트랜지스터만큼의 높은 스위칭 주파수로 동작시킬 수는 없으며, 50Hz 또는 60Hz의 출력주파수의 경우에 1사이클에 대해서 10회 이내의 스위칭 회수로 하는 경우가 많다. 이 스위칭 회수는 소자자체의 스위칭 속도나 손실의 관점에서 제한된다.
소자의 스위칭으로 인해서 발생하는 인버터 출력전압중의 고조파는 인버터의 교류출력측에 설비된 필터에 의해서 저감되고 필터의 출력측에서 정현파에 가까운 교류전압이 얻어지고 그것이 부하로 공급된다.
그런데 필터의 출력측에 정류기를 거쳐서 직류부하를 연결하면 인버터의 교류출력 전류에는 기본정현파 이외에 많은 고주파 성분을 포함하기 때문에 부하전력의 크기에 응하여 교류전압에도 고조파 성분이 생긴다. 이 고조파 성분은 교류측의 필터에 의해서 어느정도 저감될 수 있으나, 부하전력이 클 경우에는 전압왜곡도 커진다. 펄스수 및 스위칭 위상을 고정하여 운전하는 경우에 인버터는 부하측의 왜곡된 전력에 의한 고조파를 저감시키도록한 보정동작을 할 수 없으므로 부하전력이 커지면 전압왜곡도 커진다. 이 전압왜곡 때문에 부하측에 순서적으로 과전압이 생기든지 부족전압이 생기든지 하여 부하로서의 기기가 오동작되는 우려가 있다. 또 정류기 부하와는 별개의 다른 부하가 연결되어 있을 경우에는 그 부하에도 악영향을 줄 수 있다.
따라서 본 발명의 주목적은 부하의 종류에 따라서, 생길 수 있는 필터출력전압 파형의 왜곡을 저감시킬 수 있는 인버터의 제어장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 필터출력전압의 특정한 고조파 성분을 저감시킬 수 있는 인버터의 제어장치를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 인버터의 제어장치는 교류출력측에 필터를 연결한 인버터를 PWM제어하는 제어장치이며 필터의 출력전압을 검출하는 전압검출수단과, 이 전압검출수단에 의해서 검출된 전압에 포함되는 고조파 성분을 산출하는 고주파 성분연산수단과, 인버터의 출력전압 기본파에 영향을 주는 일이없이 특정한 고조파 성분을 상쇄하기 위한 스위칭 타이밍을 정하는 펄스패턴을 특정한 고조파 성분의 여러가지 벡터량에 대해서 기억하고 있는 기억수단과 이 기억수단에 기억되어 있는 복수의 펄스패턴중에서 고조파 성분 연산수단에 의해서 산출된 특정의 고조파 성분을 작게하기 위한 펄스패턴을 선택하는 패턴선택수단과 이 패턴선택수단에 의해서 선택된 펄스패턴에 따라서 인버터를 PWM제어하는 수단을 구비한 것이다.
제1도의 주회로에서는 직류전원 1로부터 공급되는 직류전력은 촙퍼 2 및 직류필터 콘덴서 3을 거쳐서 3상 PWM 인버터 4로 도입되어 여기서 교류전력으로 변환된다. 인버터 4의 출력교류 전력은 연계용 3상 변압기 5 및 교류필터 6을 거려서 부하 8로 공급된다. 교류필터 6은 필터리액터 6a 및 필터콘덴서 7a로 되어 있다.
인버터 4의 스위칭모드로서 예를 들면 1사이클(=2π)에 5회의 스위칭을 행하는 것으로 할 경우 인버터 R. S. T 각상 출력전압 및 R-S상 선간출력전압은 제2도에 나타낸 바와 같이 되고 선간 출력전압에 있어서는 반사이클에 대해서 5개의 펄스가 나오게 된다. 이 펄스상의 전압중에서 교류측의 필터 6에 의해서 고조파성분이 저감되고 그 결과 필터 6으로부터 정현파에 가까운 교류전압이 출력되게 된다.
제어장치 부분에서는 교류필터 6의 출력측에 연결된 계기용 변압기 9, 정류기 10 및 필터 11에 의해서 교류필터 6의 출력교류전압 Vac가 교류전압 검출신호 Vacd로서 검출된다. 이와 같이 해서 얻어진 교류전압 검출신호 Vacd와 출력전압기준 Vref와의 편차가 가산기 12에 의해서 구해지고 그 편차가 영(0)이 되도록 전압제어회로 13을 거쳐서 촙퍼 2가 제어되고 그것에 의해서 촙퍼 2의 출력전압 즉 인버터 4의 입력전압이 제어된다. 인버터 4의 점호를 위한 기본파의 위상기준 θ를 부여하기 위하여 위상기준발생기 14가 설비되어 있다. 계기용 변압기 9에 의해서 검출된 출력교류전압 Vac에 포함되는 고주파성분 예를 들면 제5고조파 성분 V5의 상기 위상기준 θ를 기준으로한 정현성분 V5d 및 여현성분 V5g를 산출하기 위하여 고조파 성분 연산기 17이 설비되어 있다. 이들의 정현성분 V5d 및 여현성분 V5g를 파형제어에 의해서 소거시키기 위한 보정치 V5y 및 V5x가 보정치 연산기 18에 의해서 산출된다. 펄스패턴 메모리 16은 기본파 성분에 영향을 주는 일이 없이 고주파 성분의 여러가지 벡터량의 정현성분 및 여현성분을 소거시키기 위한 펄스패턴을 테이블의 형태로 기억하고 있고 보정치 연산기 18로부터의 보정치 V5y 및 V5x를 인덱스로 한 정현성분 V5d 및 여현성분 V5g를 소거시키는데 적절한 PWM패턴 θ0-θ4를 게이트신호 발생기 15에 부여하고 게이트 발생기 15는 그 PWM 패턴 위상 θ0-θ4에 따라서 위상기준 발생기 14로부터의 위상기준 θ를 기준으로하여 인버터 4를 ON·OFF제어한다.
펄스패턴 메모리 16에는 제3도에 나타낸 바와 같은 구성으로 펄스패턴 테이블이 기억되어 있다.
제3도의 개개의 좌표점에는 위상 θ0-θ4의 정보가 기억되어 있다. 위상 θ0-θ4는 다음 식에 나타낸 방정식에 따라서 구할 수 있다.
Figure kpo00001
여기서, V1은 기본파 성분에 비례하는 양이다.
(1) 식에 의해서 얻어지는 값은 이론치이다. 실제로는 테이블은 인버터의 스위칭 소자의 정격에 의해서 결정되는 소자의 최소스위칭 폭등도 고려에 넣어서 작성된다.
이와 같은 위상에 관한 정보를 테이블로서 가짐으로써 인버터는 테이블에 존재하는 범위내에서 필터출력 전압에 포함되는 제5차고조파 성분을 소거시키기 위한 보정용의 제5차고조파 성분을 출력할 수 있다.
교류필터 6으로부터 출력되는 교류전압의 Vac의 제5차고조파 성분이 고조파 성분 연산기 17에 의해서 산출된다. 출력교류전압 Vac의 제5차고조파 성분은 출력교류전압 Vac의 기본파 성분의 위상을 θ, 출력전압의 순시치를 V, 출력전압의 기본파 성분을 V1으로 하면 출력 1상분의 전압으로부터 (2)식에 의해서 구할수 있다.
Figure kpo00002
출력교류전압 Vac의 기본파위상 θ에 관한 정보는 위상기준 발생기 14로부터 받는다. (2)식의 연산은 제5차고조파 성분을 90°위상이 다른 성분으로 나타낸 것이다. 보정연산기 18은 고조파 성분연산기 17로부터 얻어진 출력전압의 제5차 성분 V5d 및 V5q의 역의 성분을 출력전압으로 발생시키는 보정치 ΔV5x 및 ΔV5y를 연산한다. 이 보정치 ΔV5x, ΔV5y는 (3)식과 같이 나타낼 수 있다.
Figure kpo00003
단 (3)식에서 f는 출력주파수(HZ), L는 교류필터 6의 인덕턴스분(H), C는 교류필터 6의 캐패시턴스(F)이다.
보정치 ΔV5x, ΔV5y 및 V5x, V5y로부터 출력전압 파형의 제5차고조파 성분을 제거하는 보정치 V5xx 및 V5yy가 다음과 같이 연산된다.
Figure kpo00004
펄스패턴 테이블의 간격에 의해서 인버터 4로부터 출력될 수 있는 제5고조파 성분으로서는 이산적인 값밖에 취할 수 없으므로 값 V5x, V5y에 가장 가까운 테이블 좌표를 새로운 값 V5x, V5y로 한다. 여기서 얻어진 새로운 보정치 V5x, V5y로부터 그것에 대응하는 스위칭 위상각 θ1-θ4를 위상테이블로부터 구하고 인버터 4에 그 스위칭 위상각을 부여한다. 인버터 4는 그 위상각에 준하여 제4도에 나타낸 바와 같은 스위칭 패턴으로 동작한다.
정류기 부하와 같이 정현파형이 아닌 전류가 흐르는 부하의 경우에는 부하에 흐르는 고조파 전류에 의해서 출력전압에 고조파 왜곡이 발생된다. 그 고조파중 3의 배수의 고조파는 3상 출력인버터이면 다른 상의 고조파와 상쇄되어 선간전압에는 거의 나타나지 않고 또 주파수가 높은 고주파 성분은 교류필터에 의해서 여과되므로 출력전압에 나타나는 고조파로서는 제5차 성분이 가장 크다. 이 고조파 성분을 저감시킴으로써 출력전압의 총합전압 왜곡율은 상당히 작게 할 수 있다.
이상 기술한 실시예에서는 출력전압에 가장 많이 포함되는 제5차고조파 성분이 작아지도록 인버터 4가 제어되고 종래의 인버터에 비해서 정류기 부하와 같이 고조파를 많이 발생하는 부하일지라도 총합왜곡률이 작은 장치를 얻을 수도 있다.
다음에 다른 실시예에 대해서 설명하겠다.
앞의 실시예에서는 특정고조파로서 출력전압의 제5차고조파에 착안했다. 펄스수가 더 많은 인버터에서는 본 발명에 따라서 복수차수의 고주파를 동시에 저감시킬 수도 있다. 예를 들면 제5차 및 제7차의 고조파를 저감시키는 경우는 각 고조파의 크기 및 위상을 연산하고 그 크기가 저감되는 방향으로 펄스패턴을 이동시키면 된다. 제7차 고주파성분은 제5차 고주파 성분에 관한 (2)식의 경우에 준하여 다음 연산식에 의해서 구할 수 있다.
Figure kpo00005
(2)식에 의해서 제5차고조파 성분을 구함과 더불어 (5)식에 의해서 제7차고조파 성분을 구하고 그들의 고조파 성분을 상쇄시키기 위한 보정전압을 출력전압에 가하는 것과 같은 펄스패턴이 부여된다. 예를 들면 제5차고조파 성분을 저감시키기 위한 패턴위치가 제5도의 A점에 있다고 하면 제7차고조파 성분은 이 점을 중심으로 하여 2차원의 배열로 되고 전체적으로는 4차원의 패턴 테이블로 된다. 최근의 연산용 프로세서에서의 연산속도의 고속화 및 메모리의 대용량화에 의해서 복잡한 연산이나 대량의 데이터 기억이 용이해지고 있고 본 실시예와 같은 복수의 고조파 차수를 고려한 제어도 비교적 용이하게 실현가능하다. 본 실시예에 의하면 제5차 및 제7차의 고조파의 적은 출력전압이 교류필터 6의 출력측에 얻어지고 앞의 실시예에 비해서 더욱 왜곡이 적은 고품질의 교류전력을 부하로 공급할 수 있다.
이제까지는 인버터는 정전압·정주파수의 교류전압을 출력하는 것으로 설명해 왔으나, 이것은 가변전압·가변주파수의 교류전압을 출력하는 것이라도 상술한 것과 같은 효과를 얻을 수 있다.
이상 기술한 바와 같이 본 발명에 의하면 펄스수가 적은 인버터장치에 있어서 교류출력전압을 검출하고 그 특정 주파수 성분을 산출하고 그 특정주파수 성분이 작아지도록 펄스패턴을 선택하여 인버터를 제어함으로써 종래의 인버터장치에 비해서 출력전압 왜곡이 작은 고품질의 교류전력을 부하로 공급할 수 있다.

Claims (6)

  1. 교류출력측에 필터를 연결한 인버터를 PWM 제어하는 제어장치에 있어서, 상기 필터의 출력전압을 검출하는 전압검출수단과, 상기 전압검출수단에 의해서 검출된 전압에 포함되는 특정 고조파 성분을 산출하는 고조파 성분 연산수단과, 상기 인버터의 출력전압기본파에 영향을 주는 일이 없이 상기 특정의 고조파성분을 상쇄하기 위한 스위칭 타이밍을 정하는 펄스패턴를 상기 특정 고조파 성분의 여러가지 벡터량에 대해서 기억하고 있는 기억수단과, 상기 기억수단에 기억되어 있는 복수의 펄스패턴중에서 상기 고조파 성분 연산수단에 의해서 산출된 특정 고조파 성분을 작게하기 위한 펄스패턴을 선택하는 패턴 선택수단과, 상기패턴 선택수단에 의해서 선택된 펄스패턴에 따라서 상기 인버터를 PWM 제어하는 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 PWM 인버터의 제어장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 고조파 성분 연산수단 및 게이트 패턴발생기에 대해서 기준위상을 부여하는 위상기준 발생수단을 더 구비하고 있는 것을 특징으로 한 PWM 인버터의 제어장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 고조파 성분 연산수단은 상기 전압검출수단에 의해서 검출된 전압에 포함되는 제5고조파 성분을 산출하고 상기 패턴 선택수단은 제5차고조파 성분의 양이 작아지도록 하는 펄스패턴을 선택하는 것을 특징으로 하는 PWM 인버터의 제어장치.
  4. 교류출력측에 필터를 연결한 인버터를 PWM 제어하는 제어장치에 있어서, 상기 필터의 출력전압을 검출하는 전압검출수단과, 상기 전압검출수단에 의해서 검출된 전압에 포함되는 특정한 제1 및 제2고조파성분을 산출하는 고조파 성분 연산수단과, 상기 인버터의 출력기본파에 영향을 주는 일이 없이 특정 제1고조파 성분을 상쇄하기 위한 스위칭 타이밍을 정하는 제1펄스패턴을 상기 특정 제1고조파 성분의 여러가지 벡터량에 대해서 기억함과 더불어 상기 제1고조파 성분의 여러가지 벡터량의 각각에 대해서 상기 출력기본파에 영향을 주는 일이 없이 특정 제2고조파 성분을 상쇄하기 위한 스위칭 타이밍을 정하는 제2펄스패턴을 상기 특정 제2고조파 성분의 여러가지 벡터량에 대해서 기억하고 있는 기억수단과, 상기 기억수단에 기억되어 있는 펄스패턴중에서 상기 고조파 성분 연산수단에 의해서 산출된 특정한 제1 및 제2고조파 성분을 함께 작게하기 위한 펄스패턴을 선택하는 패턴 선택수단과, 상기, 패턴선택수단에 의해서 선택된 펄스패턴에 따라서 상기 인버터를 PWM 제어하는 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 PWM 인버터의 제어장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 고조파 성분 연산수단 및 게이트 패턴 발생기에 대해서 기준위상을 부여하는 위상기준 발생수단을 더 구비한 것을 특징으로 하는 PWM 인버터의 제어장치.
  6. 제4항에 있어서, 상기 고조파 성분 연산수단은 상기 전압검출 수단에 의해서 검출된 전압에 포함되는 제5차 및 제7차의 고조파 성분을 산출하고 상기 패턴 선택수단은 제5차 및 제7차의 고조파 성분의 양이 작게되도록 한 펄스패턴을 선택하는 것을 특징으로 하는 PWM 인버터의 제어장치.
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