KR100266403B1 - 3상 인버터의 출력전압 제어장치 - Google Patents

3상 인버터의 출력전압 제어장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 3상인버터의 출력전압 제어장치에 관한 것으로, 3상전원장치의 상기 제1, 제2, 제3필터커패시터의 3상전압을 검출해서 U,V,W상직류검출전압을 출력하는 U,V,W상직류검출기와; 상기 U,V,W상직류검출기의 U,V,W상직류검출전압을 소정의 기준전압과 각기 비교해서 오차를 구하는 U,V,W상전압비교기와; 이 U,V,W상전압비교기의 상기 오차에 대해서 비례적분제어를 하는 제1,제3,제5비례적분제어기와; 이 제1,제3,제5비례적분제어기의 출력에 위상정보를 곱하는 곱셈연산을 하여 U,V,W상기준전류를 구하는 U,V,W상곱셈기와; 이 U,V,W상곱셈기에서 구해진 상기 U,V,W상기준전류를 상기 인버터의 출력측에서 검출된 실제의 U,V,W상전류와 각기 비교하는 U,V,W상전류비교기와; 이 U,V,W상전류비교의 출력에 대해서 비례적분제어를 하는 제2,제4,제6비례적분제어기와; 이 제2,제4,제6비례적분제어기의 출력을 기준으로 해서 구동신호를 발생하고, 이를 상기 인버터에 입력하여 이 인버터의 스위칭소자를 온/오프시킴으로써 인버터의 3상출력전압을 제어하는 게이트구동부로 구성되어, 비선형부하나 불평등부하에서도 인버터의 3상출력전압을 정밀하게 제어할 수 있도록 한 것이다.

Description

3상 인버터의 출력전압 제어장치
제1도는 종래 3상 인버터의 출력전압 제어장치의 구성도.
제2도는 본 발명 3상 인버터의 출력전압 제어장치의 구성도.
제3도는 제2도의 U상직류검출기의 내부구성도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
17,23,29 : U,V,W상직류검출기 18,24,30 : U,V,W상전압비교기
19,25,31 : 제1,제3,제5비례적분제어기
20,26,32 : U,V,W상곱셈기 21,27,33 : U,V,W상전류비교기
22,28,34 : 제2,제4,제6비례적분제어기
35 : 게이트구동부 36 : 인버터
50 : 부하 C1,C2,C3 : 제1,제2,제3필터커패시터
본 발명은 양질의 인버터의 3상출력전압을 만들 수 있는 3상 인버터의 출력전압 제어장치에 관한 것으로, 특히 인버터의 부하가 비선형부하 또는 불평등부하일 때에도 인버터의 3상출력전압을 정밀하게 제어하여 양질의 3상출력전압이 만들어지도록 하는 3상 인버터의 출력전압 제어장치에 관한 것이다.
제1도에는 종래 3상 인버터의 출력전압 제어장치가 블록도로서 도시되어 있다.
3상 전원장치는, 이에 도시된 바와같이, 스위칭소자로 이루어진 인버터(16)의 출력측에 제1,제2,제3필터커패시터(C1)(C2)(C3) 등이 연결되어 구성되게 된다. 미설명부호 '50'은 인버터(16)의 부하이다.
특히, 제 1 필터커패시터(C1)는 상기 인버터(16)의 U상전류(iu) 출력라인과 V상전류(iv) 출력라인의 사이에 연결되어 있고, 제 2 필터커패시터(C2)는 V상전류(iv) 출력라인과 W상전류(iw) 출력라인의 사이에 연결되어 있으며, 그리고 제 3 필터커패시터(C3)는 상기 제 1 필터커패시터(C1)와 제 2 필터커패시터(C2)에 병렬로 연결되어 있다.
상기 인버터(16)의 3상출력전압(필터커패시터전압)의 제어를 위해 상기 인버터(16)의 스위칭소자를 온/오프시키는 종래의 3상 인버터의 출력전압 제어장치는, 위의 제1도에 도시되어 있는 바와 같이, 상기 제1,제2,제3필터커패시터 (C1)(C2)(C3)의 3상전압(Vcu, Vcv, Vcw)을 2상전압(고정좌표축상의 2상전압)으로 변환하는 제 1 의 3상/2상변한기(1)와, 이 제 1 의 3상/2상변환기(1)의 상기 2상전압을 회전좌표축상의 2상전압(Vdf, Vqf)으로 변환하는 제 1 고정축/회전축변환기(2)와, 이 제 1 고정축/회전축변환기(2)의 2상전압(Vdf, Vqf)을 소정의 기준전압(Vdref, Vqref)과 비교하여 그 오차를 구하는 제 1 및 제 2 비교기(3)(4)와, 상기 제 1 및 제 2 비교기(3)(4)의 오차에 대해 비례적분제어를 하여 소정의 기준전류(idref, iqref)를 발생하는 제 1 및 제 2 전압용 비례적분제어기(7)(8)와, 상기 인버터(16)의 3상전류(iu, iv, iw)를 2상전류(고정좌표축상의 전류)로 변환하고 이를 출력하는 제 2 의 3상/2상변환기(5)와, 이 제 2 의 3상/2상변환기(5)가 출력하는 상기 2상전류를 회전좌표축상의 2상전류(idf, iqf)로 변환해서 출력하는 제 2 고정축/회전축변환기(6)와, 상기 제 2 고정축/회전축변환기(6)가 출력한 상기 2상전류(idf, iqf)를 상기 제 1 및 제 2 전압용 비례적분제어기(7)(8)가 발생한 상기 기준전류(idref, iqref)와 비교해서 그 오차를 구하는 제 3 및 제 4 비교기(9)(10)와, 이 제 3 및 4 비교기(9)(10)가 구한 상기 오차에 대해서 비례적분 제어하는 제 1 및 제 2 전류용 비례적분제어기(11)(12)와, 이 제 1 및 제 2 전류용 비례적분제어기(11)(12)의 출력을 고정좌표축의 값으로 다시 변환하는 회전축/고정축변환기(13)와, 이 회전축/고정축변환기(13)의 값을 3상값으로 변환하는 2상/3상변환기(14)와, 이 2상/3상변환기(14)의 출력을 기준으로 해서 구동신호(게이트신호)를 발생하고 이를 상기 인버터(16)에 입력하여 이 인버터(16)의 스위칭소자를 온/오프시키는 게이트구동부(15)로 구성되어 있다.
이하, 작용을 설명한다.
제1도의 3상전원장치의 'Vcu'는 제 1 필터커패시터(C1)의 양단전압이고, 'Vcv'은 제 2 필터커패시터(C2)의 양단전압이며, 그리고 'Vcw'은 제 3 필터커패시터(C3)의 양단전압이다.
먼저, 이러한 3상전압(Vcu, Vcv, Vcw)은 종래 3상 인버터의 출력전압 제어장치의 제 1 의 3상/2상변환기(1)에 입력된다.
상기 제 1 의 3상/2상변환기(1)는 상기 3상전압(Vcu, Vcv, Vcw)을 2상전압으로 변환하고, 이를 제 1 고정축/회전축변환기(2)에 입력한다. 그리고 이 제 1 고정축/회전축변환기(2)는 상기 2상전압(고정좌표축상의 전압)을 회전좌표축상의 2상전압(직류값)(Vdf, Vqf)으로 변환하고, 이를 출력한다. 이때 회전좌표축상의 상기 2상전압(Vdf, Vqf)은 전원전압의 위상과 일치하는 위상을 가지게 되고 크기는 일정한 상수값을 가지게 된다.
상기 제 1 고정축/회전축변환기(2)에서 출력된 2상전압(Vdf, Vqf)중에서, 한상전압(Vdf)은 제 1 비교기(3)에 입력되고, 그리고 다른 상전압(Vqf)은 제 2 비교기(4)에 입력되어진다. 제 1 비교기(3)는 입력받은 그 상전압(Vdf)을 다른측 입력인 소정의 기준전압(Vdref)과 비교하여 그 오차를 구하고, 이를 다음단의 제 1 전압용 비례적분제어기(7)에 입력한다. 마찬가지로, 제 2 비교기(4)는 입력받은 그 상전압(Vqf)를 다른측 입력인 소정의 기준전압(Vqref)과 비교하여 그 오차를 구하고, 이를 다음단의 제 2 전압용 비례적분제어기(8)에 입력한다.
제 1 및 제 2 전압용 비례적분제어기(7)(8)는 입력받은 각각의 상기 오차에 대해서 비례적분제어를 하고, 이 비례적분제어의 각 결과값인 두 기준전류(idref, iqref)를 제 3 및 제 4 비교기(9)(10)에 입력한다.
마찬가지로, 인버터(16)의 3상전류(iu, iv, iw)에 대해서도 위의 3상전압(Vcu, Vcv, Vcw)과 실질적으로 동일한 처리과정을 거치게 된다.
즉, 제 2 의 3상/2상변환기(5)에서 상기 3상전류(iu, iv, iw)를 2상전류로 변환하고, 다음에 제 2 고정축/회전축변환기(6)에서 회전좌표축상의 일정한 2상전류(idf)(iqf)로 변환하여 출력하게 된다.
제 3 비교기(9)는 이 상전류(idf)를 앞서 상기 제 1 전압용 비례적분제어기(7)로부터 입력된 기준전류(idref)와 비교해서 그 오차를 구하며, 그리고 제 4 비교기(10)는 상기 상전류(iqf)를 앞서 제 2 전압용 비례적분제어기(8)로부터 입력된 기준전류(iqref)와 비교해서 그 오차를 구한다.
제 3 및 제 4 전류용 비례적분제어기(11)(12)는 상기 제 3 및 4 비교기(9)(10)에서 각각 출력되는 오차에 대해서 비례적분제어를 하고, 회전축/고정축 변환기(13)는 상기 제 3 및 4 전류용 비례적분제어기(11)(12)의 출력을 고정좌표축의 값으로 다시 변환해서 2상/3상변환기(14)에 입력한다.
상기 2상/3상변환기(14)는 이 회전축/고정축변환기(13)의 값을 3상값으로 변환하고, 게이트구동부(15)는 상기 2상/3상변환기(14)의 출력을 기준으로 해서 구동신호인 게이트신호를 구하고, 이를 상기 인버터(16)에 입력하여 이 인버터(16)의 스위칭소자를 온/오프시킨다.
이에따라 게이트신호에 따른 제1,제2,제3필터커패시터(C1)(C2)(C3)의 3상전압(Vcu, Vcv, Vcw)이 만들어지며, 결과적으로 제 1 및 제 2 비교기(1)(2)에서 출력되는 오차가 제로가 되도록 제어됨으로써 원하는 3상전압(Vcu, Vcv, Vcw)이 얻어지도록 하고 있다.
이상은 3상전원장치의 부하가 선형부하일 때에 대해서 설명한 것이다. 즉, 부하가 선형부하임에 따라 두 변환기, 즉 3상/2상변환기와 고정축/회전축변환기에 의하여 변환된 값이 앞서 언급한 바와같이 일정한 직류값이었다.
그러나, 위의 종래 구성에서는 부하가 비선형부하일 때에는 그 변환된 값이 직류값이 아닌, 직류에 교류성분이 더하여진 맥동값이 된다.
이는 부하가 불평등부하일 때에도 마찬가지이다. 이에따라 3상출력전압을 정밀하게 제어할 수 없게 된다.
이상에서 설명한 바와같이, 종래에는 부하가 비선형부하이거나 불평등부하일 때에는 두 변환기에 의해 변환된 값이 맥동값으로 되어 나타나며, 종래기술로는 이 맥동성분에 따른 오차를 전적으로 보상할 수 없기 때문에 인버터의 3상출력전압을 정밀하게 제어할 수 없다. 따라서 양질의 3상출력전압이 만들어지지 않는다는 문제점이 있다.
본 발명은 인버터의 부하가 비선형부하일 때 또는 불평등부하일 때에도 인버터의 3상출력전압을 정밀하게 제어할 수 있는, 그래서 양질의 3상출력전압을 만들 수 있는 3상 인버터의 출력전압 제어장치를 제공함에 목적있다.
상기 목적에 따른 본 발명의 3상 인버터의 출력전압 제어장치는, 제2도에 나타낸 바와같이, 3상전원장치의 제1,제2,제3필터커패시터(C1)(C2)(C3)의 3상전압 (Vcu)(Vcv)(Vcw)을 검출해서 U,V,W상직류검출전압을 출력하는 U,V,W상직류검출기(17)(23)(29)와; 상기 U,V,W상직류검출기(17)(23)(29)의 U,V,W상직류검출전압을 각기 소정의 기준전압과 비교해서 오차를 구하는 U,V,W상전압비교기 (18)(24)(30)와; 이 U,V,W상전압비교기(18)(24)(30)의 상기 오차에 대해서 비례적분제어를 하는 제1,제3,제5비례적분제어기(19)(25)(31)와; 이 제1,제3,제5비례적분제어기(19)(25)(31)의 출력 위상정보를 곱하는 곱셈연산을 하여 U,V,W상기준전류를 구하는 U,V,W상곱셈기(20)(26)(32)와; 이 U,V,W상곱셈기(20)(26)(32)가 구한 U,V,W상기준전류를 인버터(36)의 출력측에서 검출된 실제의 U,V,W상전류 (iu)(iv)(iw)와 각기 비교하는 U,V,W상전류비교기(21)(27)(33)와; 이 U,V,W상전류비교기(21)(27)(33)의 출력에 대해서 비례적분제어를 하는 제2,제4,제6비례적분제어기(22)(28)(34)와; 제2,제4제6비례적분제어기(22)(28)(34)의 출력을 기준으로 해서 구동신호를 발생하고, 이를 상기 인버터(36)에 입력하여 이 인버터(36)의 스위칭소자를 온/오프시킴으로써 인버터(36)의 상기 3상출력전압을 제어하는 게이트구동부(35)로 구성되어 있다.
이하, 작용을 설명한다.
제 1 필터커패시터(C1)는 인버터(36)의 U상전류(iu) 출력라인과 V상전류(iv) 출력라인의 사이에 연결되어 있고, 제 2 필터커패시터(C2)는 V상전류(iv) 출력라인과 W상전류(iw) 출력라인의 사이에 연결되어 있으며, 그리고 제 3 필터커패시터(C3)는 상기 제 1 필터커패시터(C1)와 제 2 필터커패시터(C2)에 병렬로 연결되어 있다.
상기 인버터(36)와 제1,제2,제3필터커패시터(C1)(C2)(C3) 이외의 인버터 전원장치의 구성부분은 본 발명을 이해하고 실시하는데 별로 중요하지 않으므로, 그 이외의 구성부분에 대해서는 더 이상 설명하지 않는다.
3상전원장치의 상기 제1,제2,제3필터커패시터(C1)(C2)(C3)에서 U,V,W상전압 (Vcu)(Vcv)(Vcw)이 출력되면, U,V,W상직류검출기(17)(23)(29)는 그 U,V,W상전압 (Vcu)(Vcv)(Vcw)을 검출해서 각기 U,V,W상직류검출전압(Vcu_f)(Vcv_f)(Vcw_f)을 출력한다.
제3도에는 상기 U상직류검출기(17)의 내부구성도가 도시되어 있다. 이에 도시된 바와같이, U상직류검출기(17)는 입력받는 U상전압(Vcu)을 제 1 위상정보(Sin θ)를 곱하는 제 1 승산기(17-1)와, 소정의 기준전압(Vref)에 제 2 위상정보(Cos2θ)를 곱하는 제 2 승산기(17-2)와, 이 제 2 승산기(17-2)의 출력과 상기 제 1 승산기(17-1)의 출력을 더하여 U상직류검출전압(Vcu_f)을 구하는 가산기(17-3)로 구성되어 있다.
이 구성은 U상직류검출기(17)에서 출력되는 U상직류검출전압(Vcu_f)을 식으로 나타내며 다음과 같다.
Vcu_f= Vcu Sin θ + VrefCos2θ ----------- (1)
V,W상직류검출기(23)(29)의 구성은 두 승산기에 입력되는 위상정보가 다르다는 사실을 제외하고는 위의 U상직류검출기(17)의 구성과 동일하다. V상직류검출기(23)에서의 제 1 및 제 2 위상정보는 Sin(θ-3π/2) 와 Cos2(θ-3π/2) 이고, W상직류검출기(23)에서의 제 1 및 제 2 위상정보는 Sin(θ+3π/2)와 Cos2(θ+3π/2) 이다.
이러한 구성의 V,W상직류검출기(23)(29)에서 출력되는 상기 V,W상직류검출전압(Vcv_f)(Vcw_f)의 결과식은 다음과 같다.
Vcv_f= Vcu Sin (θ-3π/2) + VrefCos2(θ-3π/2) -------- (2)
Vcw_f= Vcw Sin (θ+3π/2) + VrefCos2(θ+3π/2) --------- (3)
제1,제2,제3필터커패시터(C1)(C2)(C3)의 U,V,W상전압(Vcu)(Vcv)(Vcw)은 다음과 같다.
Vcu = VmSin θ --------- (4)
Vcv = VmSin (θ-3π/2) --------- (5)
Vcw = VmSin (θ+3π/2) --------- (6)
이들 3개 식(4)(5)(6)을 상기 3개 식(1)(2)(3)에 각각 대입하여 정리하면, U,V,W상직류검출전압(Vcu_f)(Vcv_f)(Vcw_f)은 최종적으로 다음과 같이 표현된다.
Vcu_f= VmSin2θ+ VrefCos2θ --------- (7)
Vcv_f= VmSin2(θ-3π/2) + VrefCos2(θ-3π/2) --------- (8)
Vcw_f= VmSin2(θ+3π/2) + VrefCos2(θ+3π/2) --------- (9)
이때, Vm과 Vref이 근사적으로 동일하다고 가정하면, 일반적으로 Sin2X + Cos2X = 1 이므로, U상직류검출전압(Vcu_f)은 위상정보(θ)가 제거된 직류값으로 표현된다.
V,W상직류검출전압(Vcv_f)(Vcw_f)도 마찬가지이다.
이와같이, 상기 U,V,W상직류검출기(17)(23)(29)는 제1,제2,제3필터커패시터 (C1)(C2)(C3)의 3상전압(Vcu)(Vcv)(Vcw)에서 위상정보가 제거된 U,V,W상직류검출전압 (Vcu_f)(Vcv_f)(Vcw_f)을 구해서 U,V,W상전압비교기(18)(24)(30)에 입력한다.
U,V,W상전압비교기(18)(24)(30)는 입력받은 상기 U,V,W상직류검출전압(Vcu_f)(Vcv_f)(Vcw_f)을 각기 소정의 기준전압(Vref)과 비교해서 오차를 구하고, 이를 제1,제3,제5비례적분제어기(19)(25)(31)에 입력한다.
제1,제3,제5비례적분제어기(19)(25)(31)는 그 오차에 대해서 비례적분제어를 하고, U,V,W상곱셈기(20)(26)(32)는 이 제1,제3,제5비례적분제어기(19)(25)(31)의 출력에, 해당하는 위상정보(SiN θ)(θ-3π/2)(θ+3π/2)를 곱하는 곱셈연산을 하여, U,V,W상기준전류(iu_ref)(iv_ref)(iw_ref)를 구하고, 이를 출력한다.
U,V,W상전류비교기(21)(27)(33)는 이 U,V,W상곱셈기(20)(26)(32)에서 출력되는 U,V,W상기준전류(iu_ref)(iv_ref)(iw_ref)를 인버터(36)의 출력측에서 검출된 실제의 U,V,W상전류(iu)(iv)(iw)와 각기 비교한다.
제2,제4,제6비례적분제어기(22)(28)(34)는 U,V,W상전류비교기(21)(27)(33)의 출력에 대해서 비례적분제어를 하고, 게이트구동부(35)는 제2,제4,제6비례적분제어기(22)(28)(34)의 출력을 기준으로 해서 구동신호, 즉 게이트신호를 발생하고, 이를 상기 인버터(36)에 입력하여 이 인버터(36)의 스위칭소자를 온/오프시킴으로써 인버터(36)의 상기 3상출력전압을 제어한다.
이상에서 상세히 설명한 바와같이, 본 발명에서는 인버터를 단상 인버터의 전압제어형태로 독립적으로 제어하는 형태이므로 인버터의 부하가 불평등부하이거나 비선형부하이더라도 인버터의 3상출력전압을 정밀하게 제어가능하므로 양질의 3상출력전압을 얻을 수 있다는 효과를 가지고 있다.

Claims (2)

  1. 인버터와 제1,제2,제3필터커패시터를 포함하고 있는 3상전원장치의 3상출력 전압을 제어하는 3상 인버터의 출력전압 제어장치에 있어서, 3상전원장치의 상기 제1,제2,제3필터커패시터의 3상전압을 검출해서 U,V,W상직류검출전압을 출력하는 U,V,W상직류검출기와; 상기 U,V,W상직류검출기의 U,V,W상직류검출전압을 소정의 기준전압과 각기 비교해서 오차를 구하는 U,V,W상전압비교기와; 이 U,V,W상전압비교기의 상기 오차에 대해서 비례적분제어를 하는 제1,제3,제5비례적분제어기와; 이 제1,제3,제5비례적분제어기의 출력에 위상정보를 곱하는 곱셈연산을 하여 U,V,W상기준전류를 구하는 U,V,W상곱셈기와; 이 U,V,W상곱셈기가 구한 상기 U,V,W상기준전류를 상기 인버터의 출력측에서 검출된 실제의 U,V,W상전류와 각기 비교하는 U,V,W상전류비교기와; 이 U,V,W상전류비교의 출력에 대해서 비례적분제어를 하는 제2,제4,제6비례적분제어기와; 이 제2,제4,제6비례적분제어기의 출력을 기준으로 해서 구동신호를 발생하고, 이를 상기 인버터에 입력하여 이 인버터의 스위칭소자를 온/오프시킴으로써 인버터의 3상출력전압을 제어하는 게이트구동부로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 3상 인버터의 출력전압 제어장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 U,V,W상직류검출기는 입력된 각 상전압에 제 1 위상정보를 곱하는 제 1 승산기와, 소정의 기준전압에 제 2 위상정보를 곱하는 제 2 승산기와, 상기 제 2 승산기의 출력과 상기 제 1 승산기의 출력을 더하는 가산기로 각각 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 3상 인버터의 출력전압 제어장치.
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