WO2020209516A1 - 과전류 보호 인버터 - Google Patents

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WO2020209516A1
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current
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이재문
양천석
배태석
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Definitions

  • the present invention relates to an overcurrent protection inverter, and in particular, to an inverter that performs an inverter protection operation by detecting an instantaneous maximum output current and an AD current using a leg-shunt resistor.
  • An inverter is a device that converts DC power into AC power having a desired frequency and size, and is used to control AC motors. Such an inverter is controlled by a variable voltage variable frequency (VVVF) method, and the voltage and frequency input to the motor can be varied according to a pulse width modulation (PWM) output.
  • VVVF variable voltage variable frequency
  • PWM pulse width modulation
  • the inverter 1 receives 3-phase AC power from the power supply unit (three-phase power supply, 2), and the rectifier 11 rectifies it, and the smoothing unit 12 is the rectifier 11
  • the DC voltage rectified by) is smoothed and stored.
  • the inverter unit 13 outputs an AC voltage having a predetermined voltage and frequency according to the PWM control signal from the DC voltage stored in the DC link capacitor, which is the smoothing unit 12, and provides the DC voltage to the motor 3.
  • the inverter unit 13 is composed of three-phase legs, and two switching elements are connected in series to each leg.
  • a current sensor (Current Transformer, CT) is placed at the output (A) of the inverter 1 to detect the inverter output current, or the inverter unit ( The overcurrent is detected by disposing a shunt resistor connected in series with the switching element of the lower leg (B) of 13) and detecting the output current of the inverter unit 13 therefrom. At this time, the overcurrent protection operation is mainly performed by detecting the instantaneous maximum current of the output current.
  • FIG. 11 is an exemplary diagram illustrating a method of detecting an inverter output current using a shunt resistor according to the prior art.
  • the current detection method using a shunt resistor is of a lower switching element (for example, an insulated gate bipolar transistor (IGBT)) of each leg of the inverter unit 13 of the inverter 1.
  • Each of the shunt resistors 20 is disposed at the emitter end to detect the current flowing through the shunt resistor 20.
  • the output current is detected discontinuously according to the switching state of the switching element of the inverter unit 13 and switching. Instantaneous maximum current detection was required considering the switching state of the device.
  • FIG. 12 is a state diagram of an inverter output current according to a switching state during space vector pulse width modulation (SVPWM) control in the prior art
  • FIG. 13 is a diagram showing the operation of a switching element according to the inverter switching state in the prior art. will be.
  • SVPWM space vector pulse width modulation
  • FIG. 14 is a schematic diagram of the operation of the switching element for each SVPWM sector in the prior art.
  • the operation of the switching element is a zero vector section consisting of a T0 section and an active vector consisting of T1 and T2. It is divided into sections.
  • FIG. 15 is a configuration diagram of an inverter overcurrent protection system in a shunt resistance current detection method according to the prior art
  • FIG. 16 is a detailed configuration diagram of the peak current detection unit of FIG. 15
  • FIG. 17 is an output current according to an inverter operation mode in the prior art. It is a diagram showing the route.
  • the inverter operation mode is divided into a powering mode in which the inverter output current increases and a free wheeling mode in which the inverter output current is extinguished, and the powering mode occurs in the SVPWM active vector section, and Wheeling mode occurs in the SVPWM zero vector section.
  • the inverter protection system for overcurrent protection of a general-purpose inverter includes a current detection unit 30 that detects a current output from a shunt resistor 20, and a peak current detection unit 100 that detects an instantaneous maximum output current. ) And an overcurrent protection unit 50 to protect the overcurrent.
  • the current detection unit 30 offsets and amplifies the current output from the shunt resistor 20, and the peak current detection unit 40 detects a peak current, which is the maximum instantaneous output current. Thereafter, the over-current suppression (OCS) operation in which the over-current protection unit 50 temporarily blocks the PWM input of the switching element of the inverter unit 13 according to the detected instantaneous maximum output current or an inverter trip occurs. It performs an over-current trip (OCT) operation.
  • OCS over-current suppression
  • the current detected by the shunt resistor 20 is offset and amplified by the current detector 30 and input to the peak current detector 40.
  • the rectifying unit 41 of the peak current detecting unit 40 outputs a waveform of a full-wave current, and a negative signal is inverted to a positive signal by the inverting amplifier 42 and output (Fig. 6). 4).
  • the overcurrent protection unit 50 compares the input signal levels and generates OCS or OCT according to the input instantaneous maximum output current level.
  • the output current of the inverter unit 13 is a powering mode in which energy is transferred from the DC link capacitor as the smoothing unit 12 to the inverter unit 13 according to the switching operation of the inverter, thereby increasing the output current.
  • the free wheeling mode in which the energy of the motor 3 is extinguished.
  • the freewheeling mode is a first mode in which energy between the inverter unit 13 and the motor 3 is extinguished by applying SVPWM zero vector, and all switching elements are cut off during OCS operation so that the electric motor (3) and the smoothing unit (12) It is divided into a second mode in which energy between the phosphorus DC link capacitors is extinguished.
  • the peak current detection unit 40 is limited in detection of the peak current according to the switching state of the switching element of the inverter unit 13.
  • the SVPWM consists of two zero vector sections consisting of T0 and two active vector sections consisting of T1 and T2 in one PWM period.
  • the T1 section is a section in which an output current path is formed by the lower switching element of the second phase of the inverter unit 13
  • the T2 section is a section in which the output current path is formed by the lower switching element of the first phase of the inverter section 13.
  • the overcurrent is not suppressed in the overcurrent situation in some sections of the powering mode, resulting in a problem that the output current exceeds the overcurrent level.
  • thermal stress is increased on the switching element due to the overcurrent, and there is a problem in that the switching element may be burned or tripped due to an overheat condition.
  • FIG. 18 is a configuration diagram of an inverter according to the maximum output current detection method (OP-AMP Adder method) according to the prior art
  • FIG. 19 is a current waveform of overcurrent non-detection of the inverter according to the maximum output current detection method according to the prior art.
  • this is a current detection unit 30 that detects an output current flowing through the shunt resistance of the inverter 1, and an instantaneous maximum output current that detects an instantaneous maximum output current from the output current detected by the current detection unit 30. It may include an output current detection unit 100 and an overcurrent protection unit 50 that performs an overcurrent protection operation according to the detected instantaneous maximum output current.
  • An object of the present invention is to provide an inverter capable of performing an overcurrent protection operation when an overcurrent occurs by detecting an accurate instantaneous maximum output current in a free wheeling mode and a powering mode of the inverter.
  • the overcurrent protection inverter includes an inverter unit having two switching elements connected in series to each leg, and a shunt connected in series with a switching element of the lower leg of the inverter unit.
  • a current detection unit that detects an output current from a signal output from a resistor, the shunt resistor, an instantaneous maximum output current detection unit that adds an output current input from the current detection unit to output an instantaneous maximum output current of the output current of the inverter unit, the current
  • a controller that performs an overcurrent protection operation to protect the inverter from overcurrent when the AD current detected by the detection unit and the instantaneous maximum output current detected by the instantaneous maximum output current detection unit are greater than or equal to a reference current.
  • the controller When the AD current and the instantaneous maximum output current are greater than or equal to an over-current suppression (OCS) level, the controller performs an OCS operation of temporarily blocking the PWM input of the inverter unit, and the AD current and the instantaneous maximum output current When is equal to or higher than the OCT (over-current trip) level, an OCT operation for generating an inverter trip is performed, and the OCS level has a reference current level lower than the OCT level.
  • OCS over-current suppression
  • an OCS operation signal for temporarily blocking the PWM input of the switching element is transmitted to the controller, and if the instantaneous maximum output current is higher than the OCT level And an overcurrent protection circuit for transmitting an OCT operation signal for generating an inverter trip to the controller.
  • the instantaneous maximum output current detector may include an operational amplifier.
  • the overcurrent protection inverter detects an instantaneous maximum output current and detects an AD current from a shunt resistor to protect the inverter by performing an overcurrent protection operation when an overcurrent occurs in the entire inverter operation section.
  • FIG. 1 is a circuit diagram of an overcurrent protection inverter according to the present invention.
  • FIG. 2 is a block diagram of an overcurrent protection configuration of an overcurrent protection inverter according to the present invention.
  • FIG. 3 is a circuit diagram of an instantaneous maximum output current detection unit in the overcurrent protection inverter according to the present invention.
  • 4 and 5 are circuit diagrams showing a current path in SVPWM sector 1 in the overcurrent protection inverter according to the present invention.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining an overcurrent protection operation according to a waveform output from the overcurrent protection inverter according to the present invention.
  • FIG. 7 is a schematic diagram of a section in which the AD current can be detected in the overcurrent protection inverter according to the present invention.
  • FIG. 8 is a comparison diagram of an overcurrent protection operation of an overcurrent protection inverter according to the prior art and the present invention.
  • FIG. 10 is a configuration diagram of a general inverter according to the prior art.
  • FIG. 11 is an exemplary diagram illustrating a method of detecting an inverter output current using a shunt resistor according to the prior art.
  • SVPWM 12 is a state diagram of an inverter output current according to a switching state when controlling space vector pulse width modulation (SVPWM) in the prior art.
  • SVPWM space vector pulse width modulation
  • FIG. 14 is a schematic diagram of an operation of a switching device for each SVPWM sector according to the prior art.
  • 15 is a block diagram of an inverter overcurrent protection system in a shunt resistance current detection method according to the prior art.
  • FIG. 16 is a detailed configuration diagram of a peak current detector of FIG. 15.
  • 17 is a diagram showing an output current path according to an inverter operation mode in the prior art.
  • FIG. 18 is a configuration diagram of an inverter according to the maximum output current detection method (OP-AMP Adder method) according to the prior art.
  • 19 is an overcurrent non-detection current waveform of an inverter according to the maximum output current detection method according to the prior art.
  • FIG. 1 is a circuit diagram of an overcurrent protection inverter according to the present invention
  • FIG. 2 is a block diagram of an overcurrent protection configuration of an overcurrent protection inverter according to the present invention.
  • the overcurrent protection inverter includes a rectifier 100 for rectifying a three-phase power supply, a smoothing unit 200 for smoothing the current output from the rectifier 100, and a smoothing unit.
  • An inverter unit 300 that outputs the smoothed current in 200 to the motor under the control of the controller 700, a current detection unit 400 that detects an output current output from the shunt resistance of the inverter unit 300, and a current detection unit
  • the controller performs an overcurrent protection operation based on the instantaneous maximum output current detected by the instantaneous maximum output current detection unit 500 and the instantaneous maximum output current detection unit 500 that detects the maximum instantaneous output current from the output current detected at 400.
  • It includes an overcurrent protection unit 600 that controls the inverter unit 300 and a controller 700 that performs an overcurrent protection operation according to an AD output current and an instantaneous maximum output current.
  • an overcurrent protection unit 600 that controls the inverter unit 300
  • a controller 700 that performs an overcurrent protection operation according to an AD output current and an instantaneous maximum output current.
  • the current detection unit 400 detects an output current from a shunt resistor connected to the switching element of the lower leg of the inverter unit 300.
  • the current detected by the current detection unit 400 is transmitted to the controller 700 and the instantaneous maximum output current detection unit 500 to be described later.
  • FIG. 3 is a circuit diagram of an instantaneous maximum output current detection unit in the overcurrent protection inverter according to the present invention.
  • the instantaneous maximum output current detection unit 500 detects an instantaneous maximum output current from the output current detected by the current detection unit 400. To this end, the instantaneous maximum output current detection unit 500 includes an offset adjustment module 510 and an amplification and addition module 520.
  • the offset adjustment module 510 adjusts the magnitude of the offset voltage of the amplification and addition module 520 using an offset adjustment resistor.
  • the offset adjustment module 510 may adjust the offset voltage using two resistors R24 and R31.
  • the offset voltage is a voltage for removing the DC voltage generated in the amplification and addition module 520 which is an analog circuit, and the offset adjustment module 510 transfers the offset voltage to remove the DC voltage to the amplification and addition module 520.
  • the amplification and addition module 520 may be configured using an OP-AMP, and the three-phase inverter output current is input to the inverting terminal of the operational amplifier.
  • the present invention is not limited thereto, and the output current of the three-phase inverter unit may be input to the non-inverting terminal of the operational amplifier.
  • a current path may be formed in the lower leg switching element of the one or two phases of the inverter unit 300.
  • the path of the inverter peak current may be formed by the lower leg switching element of the first phase.
  • the peak current path of the inverter may be formed by the upper leg switching element of the first phase, according to Kirchhoff's Current Law (KCL).
  • KCL Kirchhoff's Current Law
  • the instantaneous maximum output current detection unit 500 constituted by the amplifying and adding module 520, by detecting the instantaneous maximum output current by inputting an inverter output current of one or two phases in the active vector section, Detection of the instantaneous maximum output current in both the section where the current path is formed by the switching element of the leg (T2 section) and the section where the current path is formed by the switching element of the two-phase lower leg (the section T1), that is, in all powering modes This is possible.
  • FIG. 4 and 5 are circuit diagrams showing a current path in SVPWM sector 1 in the overcurrent protection inverter according to the present invention.
  • FIG. 4 shows a section T1 in which a current path is formed by a switching element of a lower leg on an inverter unit 2
  • FIG. 5 shows a section T2 in which a current path is formed by a switching element of a lower leg on an inverter section 1.
  • the current detector 400 detects the V-phase and W-phase current, and the current path is formed by the upper leg switching element.
  • U-phase current is not detected in the U-phase.
  • the maximum instantaneous output current is formed in the U phase.
  • the V-phase and W-phase currents detected from the current detection unit 400 are input to the instantaneous maximum output current detection unit 500, and are added by the amplification and addition module 520 to output the U-phase current, which is the maximum instantaneous output current.
  • This U-phase instantaneous maximum output current may be input to the overcurrent protection unit 600.
  • the instantaneous maximum output current can be detected in the same manner in the SVPWM sectors 2 to 6 as well.
  • the overcurrent protection unit 600 receives an instantaneous maximum output current from the instantaneous maximum output current detection unit 500 and performs an overcurrent protection operation according to the detected instantaneous maximum output current.
  • the overcurrent protection unit 600 transmits a signal for the overcurrent protection operation to the controller 700 according to the detected instantaneous maximum output current.
  • the controller 700 performs a substantial overcurrent protection operation.
  • the overcurrent protection unit 600 receives the instantaneous maximum output current from the instantaneous maximum output current detection unit 500 of the switching element of the inverter unit 300, and the inverter unit 300 according to the detected instantaneous maximum output current.
  • An OCS operation signal for temporarily blocking the PWM input of the switching element or an OCT operation signal for generating an inverter trip may be transmitted to the controller 700.
  • the instantaneous maximum output current detection unit 500 of the present invention it is possible to detect the maximum instantaneous output current of the inverter in all active vector sections, so that the overcurrent protection operation can be stably performed in all inverter powering modes.
  • the controller 700 controls the actual operation of the inverter unit 300 based on the AD current transmitted from the current detection unit 400 and the OCS operation signal or the OCT operation signal transmitted from the overcurrent protection unit 600.
  • the controller 700 includes an overcurrent protection module 710 that performs an overcurrent protection operation and an inverter unit control module 720 that controls the inverter unit 300.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining an overcurrent protection operation according to a waveform output from the overcurrent protection inverter according to the present invention.
  • Fig. 6(a) is an output phase current of the inverter unit 13
  • Fig. 6(b) is a detection current by a shunt resistance.
  • 6(c) is an output signal of the current detection unit 30
  • FIG. 6(d) is an output signal of the instantaneous maximum output current detection unit.
  • (e) of FIG. 6 is an output signal of the overcurrent protection unit 50.
  • FIG. 7 is a schematic diagram of a section in which the AD current can be detected in the overcurrent protection inverter according to the present invention
  • FIG. 8 is a comparison diagram of the overcurrent protection operation of the conventional technology and the overcurrent protection inverter according to the present invention.
  • the overcurrent protection module 710 performs an overcurrent protection operation by the AD current transmitted from the current detection unit 400 and the OCS operation signal or the OCT operation signal transmitted from the overcurrent protection unit 600. That is, when the AD current transmitted from the current detection unit 400 is higher than the OCS level, or the instantaneous maximum output current transmitted from the instantaneous maximum output current detection unit 500 is higher than the OCS level, the overcurrent protection module 710 receives an OCS operation signal. ), the inverter unit control module 720 performs an OCS operation that temporarily blocks the PWM input of the inverter unit 300.
  • the inverter control module ( 720) performs the OCT operation that causes the inverter trip.
  • the present invention detects the AD current, excellent current detection performance is shown in the zero vector section, and smooth overcurrent detection is possible in the freewheeling mode (section) occurring in the zero vector after the overcurrent occurs.
  • the present invention detects the instantaneous maximum output current, excellent current detection performance is shown even in the active vector section. That is, as shown in FIG.
  • the present invention combines a software structure in which the controller determines the AD current and controls the inverter unit 300 and a hardware structure using OP-AMP to protect the overload in the high carrier low speed region. Performance can be secured. This is summarized in a table as follows.
  • Table 1 is a table of current detection performance according to the SVPWM switching state.
  • FIG. 9 is a current waveform from a test result of the overcurrent protection operation of the overcurrent protection inverter according to the present invention. Since the overcurrent protection inverter according to the present invention can detect an excellent instantaneous maximum output current in all regions including a section having a large active vector and a section having a small active vector, as shown in FIG. 9, the active vector is small. It can be seen that smooth overcurrent protection operation can be performed even under high carrier and low speed operation conditions.

Abstract

본 발명은 과전류 보호 인버터에 대한 것으로서, 특히 션트저항(leg-shunt resistor)을 이용하여 순시 최대 출력 전류와 AD 전류를 검출하여 인버터 보호 동작을 수행하는 인버터에 관한 것이다. 본 발명은 순시 최대 출력 전류를 검출하고 션트저항에서 AD 전류를 검출함으로써 인버터 동작 전 구간에서 과전류 발생 시 과전류 보호 동작을 수행하여 인버터를 보호할 수 있다.

Description

과전류 보호 인버터
본 발명은 과전류 보호 인버터에 대한 것으로서, 특히 션트저항(leg-shunt resistor)을 이용하여 순시 최대 출력 전류와 AD 전류를 검출함으로써 인버터 보호 동작을 수행하는 인버터에 관한 것이다.
인버터는 직류 전원을 원하는 주파수 및 크기의 교류 전원으로 변환하는 장치로서 교류 전동기 등을 제어하는데 사용된다. 이러한 인버터는 가변 전압 가변주파수(variable voltage variable frequency, VVVF) 방식에 의해 제어되며, 펄스 폭 변조(pulse width modulation, PWM) 출력에 따라 전동기에 입력되는 전압과 주파수를 가변할 수 있다.
도 10은 종래기술에 따른 일반적인 인버터의 구성도이다.
종래기술에 따른 인버터(1)는 도 10을 참조하면, 전원부(3상 전원, 2)로부터 3상의 교류전원을 인가받아, 정류부(11)가 이를 정류하고, 평활부(12)는 정류부(11)가 정류한 직류전압을 평활하여 저장한다. 인버터부(13)는 평활부(12)인 직류링크 커패시터에 저장된 직류전압을 PWM 제어신호에 따라 소정 전압 및 주파수를 가지는 교류전압을 출력하여, 이를 전동기(3)에 제공한다. 인버터부(13)는 3상의 레그로 구성되며, 각 레그에는 2개의 스위칭 소자가 직렬로 연결되어 구성된다.
인버터를 과전류부터 보호하기 위해서는 과전류 검출이 필요한데, 이와 같은 과전류 검출을 위해 인버터(1)의 출력(A)에 전류센서(Current Transformer, CT)를 배치하여 인버터 출력전류를 검출하거나, 또는 인버터부(13)의 하부레그(B)의 스위칭 소자와 각각 직렬로 연결되는 션트저항을 배치하여, 이로부터 인버터부(13)의 출력전류를 검출함으로써, 과전류를 검출한다. 이때, 주로 출력전류의 순시 최대 전류를 검출하여 과전류 보호동작을 수행하게 된다.
도 11은 종래기술에 따른 션트저항을 이용하여 인버터 출력전류를 검출하는 방식을 설명하기 예시도이다.
도 11을 참조하면, 션트저항을 이용하는 전류검출 방식은, 인버터(1)의 인버터부(13)의 각 레그의 하부 스위칭 소자(예를 들어, 절연 게이트 양극성 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)의 이미터 단에 션트저항(20)을 각각 배치하여, 션트저항(20)에 흐르는 전류를 검출하였다. 하지만, 인버터부(13)의 스위칭 소자의 스위칭 상태에 따라 불연속적으로 출력전류가 검출되어 스위칭 소자의 스위칭 상태를 고려한 순시 최대 전류 검출이 요구되었다.
도 12는 종래기술에서 공간벡터 펄스폭 변조(space vector pulse width modulation, SVPWM) 제어 시 스위칭 상태에 따른 인버터 출력전류의 상태도이고, 도 13는 종래기술에서 인버터 스위칭 상태에 따른 스위칭 소자의 동작을 나타낸 것이다. 도 13에서는, 도 12의 스위칭 상태에 따른 각 상의 스위칭 소자의 동작에 대한 정의를 나타내었다.
도 14는 종래기술에서 SVPWM 섹터별 스위칭 소자의 동작 도식도로서, SVPWM 제어에 서 스위칭 소자의 동작은 T0 구간으로 구성된 영벡터(zero vector) 구간과, T1 및 T2로 구성된 액티브 벡터(active vector) 구간으로 구분된다.
도 15는 종래기술에 따른 션트저항 전류검출 방식에서 인버터 과전류 보호 시스템의 구성도이고, 도 16은 도 15의 피크전류검출부의 상세 구성도이고, 도 17은 종래기술에서 인버터 동작모드에 따른 출력전류 경로를 나타낸 도면이다.
인버터 동작모드는, 인버터 출력전류가 증가하는 파워링 모드(powering mode)와 인버터 출력전류가 소호되는 프리휠링 모드(free wheeling mode)로 구분되며, 파워링 모드는 SVPWM 액티브 벡터 구간에서 발생하고, 프리휠링 모드는 SVPWM 영벡터 구간에서 발생한다.
도 15를 참조로 하면, 범용 인버터의 과전류 보호를 위한 인버터 보호 시스템은, 션트저항(20)으로부터 출력되는 전류를 검출하는 전류검출부(30)와, 순시 최대 출력전류를 검출하는 피크전류검출부(100) 및 과전류를 보호하는 과전류 보호부(50)로 구성된다.
전류검출부(30)는 션트저항(20)으로부터 출력된 전류를 옵셋하여 정렬 및 증폭하고, 피크전류검출부(40)는 순시 최대 출력전류인 피크전류를 검출한다. 이후, 과전류 보호부(50)가 검출된 순시 최대 출력 전류에 따라 인버터부(13)의 스위칭 소자의 PWM 입력을 일시적으로 차단하는 과전류 억제(over-current suppression, OCS) 동작 또는 인버터 트립을 발생하는 과전류 트립(over-current trip, OCT) 동작을 수행한다.
션트저항을 이용하는 전류검출 방식은, 인버터부(13)의 하부 레그의 스위칭 소자로 전류가 도통하는 구간에서만 전류검출이 가능하므로, 도 6과 같이 인버터의 출력전류를 불연속적으로 검출한다.
션트저항(20)에서 검출된 전류는 전류검출부(30)에 의해 옵셋이 부 가되고 증폭되어 피크전류검출부(40)로 입력된다. 도 16을 참조로 하면, 피크전류검출부(40)의 정류부(41)가 전파전류된 파형을 출력하고, 반전 증폭기(42)에 의해 음의 신호가 양의 신호로 반전되어 출력된다(도 6의 ④).
과전류 보호부(50)는 입력 신호레벨을 비교하여 입력된 순시 최대 출력 전류 레벨에 따라 OCS 또는 OCT를 발생한다.
도 17에 나타낸 바와 같이, 인버터부(13)의 출력전류는 인버터의 스위칭 동작에 따라 평활부(12)인 직류링크 커패시터에서 인버터부(13)로 에너지가 전달되어 출력전류가 증가하는 파워링 모드와 전동기(3)의 에너지가 소호되는 프리 휠링 모드로 구분된다.
프리휠링 모드는 SVPWM 영벡터가 인가되어 인버터부(13)와 전동기(3)간 에너지가 소호되는 제1모드와, OCS 동작 시 모든 스위칭 소자가 차단되어 전 동기(3)와 평활부(12)인 직류링크 커패시터간 에너지가 소호되는 제2모드로 구분된다.
파워링 모드는 SVPWM에서 액티브 벡터가 인가되는 구간에서 발생한다. SVPWM 액티브 벡터 인가 시 출력전류가 증가한다. 과부하 상황에서는 출력전류 가 지속적으로 증가하게 되며, 과전류 보호레벨 이상 출력전류가 발생하게 되면 과 전류 보호동작을 수행하게 된다. 단, 프리휠링 모드에서는 파워링 모드에서 발생한 전류를 소호하는 구간으로 출력전류는 증가하지 않는다.
이러한 종래의 션트저항을 이용한 전류검출 방식에서, 피크전류검출 부(40)는 인버터부(13)의 스위칭 소자의 스위칭 상태에 따라 피크전류 검출이 제한 된다.
즉, 도 14를 참조로 하면, SVPWM은 한 PWM 주기에서 T0로 구성된 2개의 영벡터 구간과, T1 및 T2로 구성된 2개의 액티브 벡터 구간으로 이루어진다. T1 구간은 인버터부(13)의 2상의 하부 스위칭 소자로 출력전류 경로가 형성되는 구간 이고, T2 구간은 인버터부(13)의 1상의 하부 스위칭 소자로 출력전류 경로가 형성 되는 구간이다. 이때 T2 구간은 순시 최대 출력 전류가 1개의 하부의 스위칭 소자를 통하여 모두 인가되기 때문에 순시 최대 출력 전류 검출이 용이하지만, T1 구간에서는 순시 최대 출력 전류가 2개의 하부 스위칭 소자로 나누어 인가되기 때문에 검출된 순시 피크전류가 1/2배로 감소하여 발생하므로 순시 최대 출력 전류 검출이 어려워지게 되는 문제점이 있다.
이로 인해 파워링 모드 일부 구간에서 과전류 상황에서 과전류가 억제되지 않아, 출력전류가 과전류 레벨을 초과하는 문제가 발생한다. 설계치 이상의 과전류가 발생하는 경우, 과전류에 의해 스위칭 소자에 열적 스트레스가 증가하게 되어, 스위칭 소자가 소손되거나 과열상황에 의해 트립이 발생할 수도 있는 문제점이 있다.
도 18은 종래기술에 따른 최대 출력전류 검출 방식(OP-AMP Adder 방식)에 따른 인버터의 구성도이고, 도 19는 종래기술에 따른 최대 출력전류 검출 방식에 따른 인버터의 과전류 미 검출 전류파형이다.
전술된 문제점을 해결하기 위해서, 최대 출력전류 검출 방식이 제시되었다. 이는 도 18에 도시된 바와 같이, 인버터(1)의 션트저항에 흐르는 출력 전류를 검출하는 전류검출부(30)와, 전류검출부(30)에서 검출된 출력 전류에서 순시 최대 출력 전류를 검출하는 순시 최대 출력 전류 검출부(100), 및 검출된 순시 최대 출력 전류에 따라 과전류 보호 동작을 수행하는 과전류 보호부(50)를 포함하여 구성될 수 있다.
하지만, 도 19를 참조하면, 이 경우에도 제로 벡터 구간에서의 순시 최대 출력 전류 검출이 제한된다. 고 캐리어(carrier), 전압 이용률이 낮은 저속 운전 조건에서는 액티브 벡터 구간이 짧게 인가되며, 이 조건에서는 액티브 벡터에 의한 과전류가 발생되면 입력 필터 등 전류 검출 지연요소에 의해 액티브 벡터 구간 내에서 과전류를 검출하지 못하고 제로 벡터로 넘어가게 된다. 따라서, OP-AMP Adder를 이용한 순시 최대 출력 전류 검출 방식에서는 제로 벡터 구간에서의 순시 최대 전류 검출이 제한되므로 다음 액티브 벡터 구간이 충분히 확보될 때까지 과전류 검출을 할 수 없다.
따라서, 모든 구간에서 과전류를 검출하여 인버터를 과전류로부터 보호할 수 있는 인버터가 요구되고 있다.
본 발명의 목적은 인버터의 프리 휠링 모드(Free Wheeling Mode)와 파워링 모드(Powering Mode) 구간에서 정확한 순시 최대 출력 전류를 검출하여 과전류 발생 시 과전류 보호 동작을 수행할 수 있는 인버터를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에 따른 과전류 보호 인버터는, 레그에 각각 직렬로 연결되는 2개의 스위칭 소자가 구비된 인버터부와, 상기 인버터부의 하부레그의 스위칭 소자와 각각 직렬로 연결되는 션트저항, 상기 션트저항으로부터 출력되는 신호로부터 출력전류를 검출하는 전류 검출부, 상기 전류 검출부로부터 입력되는 출력 전류를 가산하여 상기 인버터부의 출력 전류의 순시 최대 출력 전류를 출력하는 순시 최대 출력 전류 검출부, 상기 전류 검출부가 검출된 AD 전류와 상기 순시 최대 출력 전류 검출부가 검출한 순시 최대 출력 전류가 기준 전류 이상일 경우 상기 인버터부를 과전류로부터 보호하는 과전류 보호 동작을 수행하는 제어기를 포함한다.
상기 제어기는, 상기 AD 전류와 상기 순시 최대 출력 전류가 OCS(over-current suppression) 레벨 이상일 경우, 상기 인버터부의 PWM 입력을 일시적으로 차단하는 OCS 동작을 수행하고, 상기 AD 전류와 상기 순시 최대 출력 전류가 OCT(over-current trip) 레벨 이상일 경우, 인버터 트립을 발생시키는 OCT 동작을 수행하며, 상기 OCS 레벨은 상기 OCT 레벨보다 기준 전류 크기가 낮다.
상기 순시 최대 출력 전류 검출부에서 검출된 순시 최대 출력 전류가 상기 OCS 레벨 이상이면 스위칭 소자의 PWM 입력을 일시적으로 차단하는 OCS 동작 신호를 상기 제어기에 전달하고, 상기 순시 최대 출력 전류가 상기 OCT 레벨 이상이면 인버터 트립을 발생하는 OCT 동작 신호를 상기 제어기에 전달하는 과전류 보호 회로를 포함한다.
상기 순시 최대 출력 전류 검출부는 연산 증폭기를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 과전류 보호 인버터는 순시 최대 출력 전류를 검출하고 션트저항에서 AD 전류를 검출함으로써 인버터 동작 전 구간에서 과전류 발생 시 과전류 보호 동작을 수행하여 인버터를 보호할 수 있다.
상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.
도 1은 본 발명에 따른 과전류 보호 인버터의 회로도이다.
도 2는 본 발명에 따른 과전류 보호 인버터의 과전류 보호 구성의 블록도이다.
도 3은 본 발명에 따른 과전류 보호 인버터에서 순시 최대 출력 전류 검출부의 회로도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 과전류 보호 인버터에서 SVPWM 섹터 1에서의 전류 경로를 표시한 회로도이다.
도 6은 본 발명에 따른 과전류 보호 인버터에서 출력되는 파형에 따른 과전류 보호 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 과전류 보호 인버터에서 AD 전류를 검출할 수 있는 구간 도식표이다.
도 8은 종래기술과 본 발명에 따른 과전류 보호 인버터의 과전류 보호 동작 비교도이다.
도 9는 본 발명에 따른 과전류 보호 인버터의 과전류 보호동작 시험결과 전류파형이다.
도 10은 종래기술에 따른 일반적인 인버터의 구성도이다.
도 11은 종래기술에 따른 션트저항을 이용하여 인버터 출력전류를 검출하는 방식을 설명하기 예시도이다.
도 12는 종래기술에서 공간벡터 펄스폭 변조(space vector pulse width modulation, SVPWM) 제어 시 스위칭 상태에 따른 인버터 출력전류의 상태도이다.
도 13는 종래기술에서 인버터 스위칭 상태에 따른 스위칭 소자의 동작을 나타낸 것이다.
도 14는 종래기술에 따른 SVPWM 섹터별 스위칭 소자의 동작 도식도이다.
도 15는 종래기술에 따른 션트저항 전류검출 방식에서 인버터 과전류 보호 시스템의 구성도이다.
도 16은 도 15의 피크전류검출부의 상세 구성도이다.
도 17은 종래기술에서 인버터 동작모드에 따른 출력전류 경로를 나타낸 도면이다.
도 18은 종래기술에 따른 최대 출력전류 검출 방식(OP-AMP Adder 방식)에 따른 인버터의 구성도이다.
도 19는 종래기술에 따른 최대 출력전류 검출 방식에 따른 인버터의 과전류 미 검출 전류파형이다.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.
이하에서는, 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 과전류 보호 인버터를 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명에 따른 과전류 보호 인버터의 회로도이고, 도 2는 본 발명에 따른 과전류 보호 인버터의 과전류 보호 구성의 블록도이다.
본 발명에 따른 과전류 보호 인버터는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 3상 전원을 정류하는 정류부(100)와, 정류부(100)에서 출력된 전류를 평활하는 평활부(200), 평활부(200)에서 평활된 전류를 제어기(700)의 제어에 따라 전동기에 출력하는 인버터부(300), 인버터부(300)의 션트저항에서 출력되는 출력 전류를 검출하는 전류 검출부(400), 전류 검출부(400)에서 검출된 출력 전류로부터 순시 최대 출력 전류를 검출하는 순시 최대 출력 전류 검출부(500), 순시 최대 출력 전류 검출부(500)에서 검출된 순시 최대 출력 전류를 기반으로 제어기가 과전류 보호 동작을 수행하도록 하는 과전류 보호부(600), 및 인버터부(300)를 제어하되 AD 출력 전류와 순시 최대 출력 전류에 따라 과전류 보호 동작을 수행하는 제어기(700)를 포함한다. 여기서, 정류부(100)와 평활부(200) 및 인버터부(300)에 대한 설명은 일반적인 인버터와 동일하므로 이에 대한 설명은 생략한다.
전류 검출부(400)는 인버터부(300) 하부레그의 스위칭소자에 연결된 션트 저항으로부터 출력 전류를 검출한다. 전류 검출부(400)에서 검출되는 전류는 후술될 제어기(700)와 순시 최대 출력 전류 검출부(500)에 전달된다.
도 3은 본 발명에 따른 과전류 보호 인버터에서 순시 최대 출력 전류 검출부의 회로도이다.
순시 최대 출력 전류 검출부(500)는 전류 검출부(400)에서 검출된 출력 전류에서 순시 최대 출력 전류를 검출한다. 이를 위해서, 순시 최대 출력 전류 검출부(500)는 옵셋 조정 모듈(510)과 증폭 가산 모듈(520)을 포함한다.
옵셋 조정 모듈(510)은 도 3에 도시된 바와 같이, 옵셋 조정 저항을 이용하여 증폭 가산 모듈(520)의 옵셋 전압의 크기를 조절한다. 보다 상세하게, 옵셋 조정 모듈(510)은 두 개의 저항(R24, R31)을 이용하여 옵셋 전압을 조절할 수 있다. 옵셋 전압은 아날로그 회로인 증폭 가산 모듈(520)에 발생하는 DC 전압을 제거하기 위한 전압이며, 옵셋 조정 모듈(510)은 DC 전압을 제거하는 옵셋 전압을 증폭 가산 모듈(520)에 전달한다.
증폭 가산 모듈(520)은 OP-AMP를 사용한 구성으로 이루어질 수 있으며, 3상의 인버터부 출력전류가 연산 증폭기의 반전단자로 입력된다. 물론, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 3상의 인버터부 출력전류가 연산 증폭기의 비 반전 단자로 입력되도록 할 수도 있다. SVPWM 액티브 벡터 구간에서는 인버터부(300)의 1상 또는 2상의 하부 레그 스위칭 소자에 전류경로가 형성될 수 있다. 1상의 하부레그 스위칭 소자로 전류경로가 형성되는 SVPWM T2 구간 에서는 1상의 하부레그 스위칭 소자로 인버터 피크전류의 경로가 형성될 수 있다. 또한, 2상의 하부레그 스위칭 소자로 전류경로가 형성되는 T1 구간에서는, 1상의 상부레그 스위칭 소자로 인버터 피크전류의 경로가 형성될 수 있으며, 키르히호프의 전류 법칙(Kirchhoff's Current Law, KCL)에 따라 인버터 피크전류는 하부레그 스위칭 소자에 흐르는 전류의 합과 같다. 본 발명은 증폭 가산 모듈(520)로 구성되는 순시 최대 출력 전류 검출부(500)에서, 액티브 벡터 구간에서 1상 또는 2상의 인버터 출력전류를 입력으로 하여, 순시 최대 출력 전류를 검출함으로써, 1상의 하부레그의 스위칭 소자로 전류 경로가 형성되는 구간(T2 구간)과 2상의 하부레그의 스위칭 소자로 전류경로가 형성되는 구간(T1 구간) 모두에서, 즉, 파워링 모드 전구간에서 순시 최대 출력 전류의 검출이 가능하다.
도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 과전류 보호 인버터에서 SVPWM 섹터 1에서의 전류 경로를 표시한 회로도이다. 도 4는 인버터부 2상의 하부레그의 스위칭 소자로 전류경로가 형성되는 T1 구간을 나타낸 것이며, 도 5 는 인버터부 1상의 하부레그의 스위칭 소자로 전류 경로가 형성되는 T2 구간을 나타낸 것이다.
도 4를 참조하면, V상 및 W상 하부레그의 스위칭 소자로 전류경로 가 형성되는 T1 구간에서는 전류 검출부(400)가 V상 및 W상 전류를 검출하고, 상부레그 스위칭 소자로 전류경로가 형성되는 U상에서는 U상전류를 검출하지 않는다. 이때 순시 최대 출력 전류는 U상으로 형성된다. 전류 검출부(400)로부터 검출된 V상 및 W 상 전류는 순시 최대 출력 전류 검출부(500)로 입력되며, 증폭 가산 모듈(520)에 의해 가산되어 순시 최대 출력 전류인 U상 전류가 출력될 수 있으며, 이 U상 순시 최대 출력 전류가 과전류 보호부(600)로 입력될 수 있다. 물론, SVPWM 섹터 2 내지 섹터 6에서도 동일한 방법으로 순시 최대 출력 전류를 검출할 수 있다.
도 5를 참조하면, W상 하부레그의 스위칭 소자로 전류경로가 형성 되는 T2 구간에서는 전류 검출부(400)가 W상 전류를 검출하고, U상 및 V상 전류는 검출하지 않는다. 이때 순시 최대 출력 전류는 W상으로 형성된다. 순시 최대 출력 전류 검출부(500)는 W상 전류를 입력받아 순시 최대 출력 전류를 검출할 수 있으며, W상 순시 최대 출력 전류를 과전류 보호부(600)로 출력할 수 있다.
과전류 보호부(600)는 과전류 보호 회로로서, 순시 최대 출력 전류 검출부(500)로부터 순시 최대 출력 전류를 전달받고 검출된 순시 최대 출력 전류에 따라 과전류 보호 동작을 수행한다. 여기서, 과전류 보호부(600)는 검출된 순시 최대 출력 전류에 따라 과전류 보호 동작에 대한 신호를 제어기(700)에 전달한다. 또한, 제어기(700)는 실질적인 과전류 보호 동작을 수행한다. 이는 구체적으로, 과전류 보호부(600)가 인버터부(300)의 스위칭 소자의 순시 최대 출력 전류 검출부(500)로부터 순시 최대 출력 전류를 수신하고, 검출된 순시 최대 출력 전류에 따라 인버터부(300) 스위칭 소자의 PWM 입력을 일시적으로 차단하는 OCS 동작 신호 또는 인버터 트립을 발생하는 OCT 동작 신호를 제어기(700)에 전달할 수 있다.
즉, 본 발명의 순시 최대 출력 전류 검출부(500)에 의하면, 모든 액티브 벡터 구간에서 인버터 순시 최대 출력 전류의 검출이 가능하여, 인버터 파워링 모드 전구간에서 안정적으로 과전류 보호동작을 수행할 수 있다.
제어기(700)는 전류 검출부(400)에서 전달된 AD 전류와, 과전류 보호부(600)에서 전달된 OCS 동작 신호 또는 OCT 동작 신호를 기반으로 인버터부(300)의 실질적인 동작을 제어한다. 이러한 제어기(700)는 과전류 보호 동작을 수행하는 과전류 보호 모듈(710)과, 인버터부(300)를 제어하는 인버터부 제어 모듈(720)을 포함한다.
도 6은 본 발명에 따른 과전류 보호 인버터에서 출력되는 파형에 따른 과전류 보호 동작을 설명하기 위한 도면이다. 도 6의 (a)는 인버터부(13)의 출력 상 전류이고, 도 6의 (b)는 션트 저항에 의한 검출 전류이다. 또한, 도 6의 (c)는 전류 검출부(30)의 출력 신호이고, 도 6의 (d)는 순시 최대 출력 전류 검출부의 출력 신호이다. 마지막으로 도 6의 (e)는 과전류 보호부(50)의 출력 신호이다. 또한, 도 7은 본 발명에 따른 과전류 보호 인버터에서 AD 전류를 검출할 수 있는 구간 도식표이고, 도 8은 종래기술과 본 발명에 따른 과전류 보호 인버터의 과전류 보호 동작 비교도이다.
도 6을 참조하면, 과전류 보호 모듈(710)은 전류 검출부(400)에서 전달된 AD 전류와 과전류 보호부(600)에서 전달된 OCS 동작 신호 또는 OCT 동작 신호에 의해 과전류 보호 동작을 수행한다. 즉, 과전류 보호 모듈(710)은 전류 검출부(400)에서 전달된 AD 전류가 OCS 레벨 이상이거나, 순시 최대 출력 전류 검출부(500)에서 전달된 순시 최대 출력 전류가 OCS 레벨 이상일 경우(OCS 동작 신호 수신), 인버터부 제어 모듈(720)이 인버터부(300)의 PWM 입력을 일시적으로 차단하는 OCS 동작을 수행하도록 한다. 또한, 전류 검출부(400)에서 전달된 AD 전류가 OCT 레벨 이상이거나, 순시 최대 출력 전류 검출부(500)에서 전달된 순시 최대 출력 전류가 OCT 레벨 이상일 경우(OCT 동작 신호 수신), 인버터부 제어 모듈(720)이 인버터 트립을 발생시키는 OCT 동작을 수행하도록 한다. 본 발명은 도 7에 도시된 바와 같이, AD 전류를 검출하므로 제로 벡터 구간에서 우수한 전류 검출 성능을 보이며 과전류 발생 후 제로 벡터에서 발생하는 프리휠링 모드(구간)에서 원활한 과전류 검출이 가능하다. 또한, 본 발명은 순시 최대 출력 전류를 검출하므로 액티브 벡터 구간에서도 우수한 전류 검출 성능을 보인다. 즉, 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명은 제어기가 AD 전류를 판단하여 인버터부(300)를 제어하는 소프트웨어적인 구조와 OP-AMP를 이용한 하드웨어적인 구조를 결합하여 고 캐리어 저속영역의 과부하 보호 성능을 확보할 수 있다. 이를 표로 정리하면 아래와 같다.
표 1은 SVPWM 스위칭 상태에 따른 전류 검출 성능표이다.
Figure PCTKR2020003655-appb-img-000001
표 1을 참조하면, 종래의 AD 전류 검출 방식이나 정류회로 방식 및 최대 출력전류 검출 방식에서는 일부 구간에서 과전류 검출이 불가능한 경우가 발생한다. 하지만, 본 발명은 프리휠링 모드와 파워링 모드 전 구간에서 정확하게 과전류를 검출할 수 있으므로 인버터를 과전류로부터 안전하게 보호할 수 있다.도 9는 본 발명에 따른 과전류 보호 인버터의 과전류 보호동작 시험결과 전류파형이다.본 발명에 따른 과전류 보호 인버터는 액티브 벡터가 큰 구간과 액티브 벡터가 작은 구간을 포함하는 모든 영역에서 우수한 순시 최대 출력 전류를 검출할 수 있으므로, 도 9에 도시된 바와 같이, 액티브 벡터가 작은 고 캐리어, 저속 운전 조건에서도 원활한 과전류 보호동작을 수행할 수 있음을 알 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시 예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다. 아울러 앞서 본 발명의 실시 예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을 지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.

Claims (4)

  1. 레그에 각각 직렬로 연결되는 2개의 스위칭 소자가 구비된 인버터부와,
    상기 인버터부의 하부레그의 스위칭 소자와 각각 직렬로 연결되는 션트저항,
    상기 션트저항으로부터 출력되는 신호로부터 출력전류를 검출하는 전류 검출부,
    상기 전류 검출부로부터 입력되는 출력 전류를 가산하여 상기 인버터부의 출력 전류의 순시 최대 출력 전류를 출력하는 순시 최대 출력 전류 검출부,
    상기 전류 검출부가 검출된 AD 전류와 상기 순시 최대 출력 전류 검출부가 검출한 순시 최대 출력 전류가 기준 전류 이상일 경우 상기 인버터부를 과전류로부터 보호하는 과전류 보호 동작을 수행하는 제어기를 포함하는 과전류 보호 인버터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 AD 전류와 상기 순시 최대 출력 전류가 OCS(over-current suppression) 레벨 이상일 경우, 상기 인버터부의 PWM 입력을 일시적으로 차단하는 OCS 동작을 수행하고,
    상기 AD 전류와 상기 순시 최대 출력 전류가 OCT(over-current trip) 레벨 이상일 경우, 인버터 트립을 발생시키는 OCT 동작을 수행하며,
    상기 OCS 레벨은 상기 OCT 레벨보다 기준 전류 크기가 낮은 과전류 보호 인버터.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 순시 최대 출력 전류 검출부에서 검출된 순시 최대 출력 전류가 상기 OCS 레벨 이상이면 스위칭 소자의 PWM 입력을 일시적으로 차단하는 OCS 동작 신호를 상기 제어기에 전달하고, 상기 순시 최대 출력 전류가 상기 OCT 레벨 이상이면 인버터 트립을 발생하는 OCT 동작 신호를 상기 제어기에 전달하는 과전류 보호 회로를 포함하는 과전류 보호 인버터.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 순시 최대 출력 전류 검출부는 연산 증폭기를 포함하는 과전류 보호 인버터.
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