KR101684706B1 - 인버터의 출력 전류 왜곡 보상장치 - Google Patents

인버터의 출력 전류 왜곡 보상장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 PWM 전압발생부를 제어하기 위한 PWM 신호를 발생시키는 인버터 제어부를 포함하는 인버터의 출력 전류 왜곡 보상장치에 있어서, 상기 인버터 제어부는 인버터의 각 상의 출력 전류 극성에 따라 보상전압을 발생시키는 제1 데드타임 보상전압 발생부 및 상기 인버터의 각 상의 출력 전류 파형에 따라 보상전압을 발생시키는 제2 데드타임 보상전압 발생부를 포함하며, 상기 제1 데드타임 보상전압 발생부로부터 출력되는 제1 데드타임 보상전압과 상기 제2 데드타임 보상전압 발생부로부터 출력되는 제2 데드타임 보상전압을 가산하여 최종 데드타임 보상전압을 생성하는 것을 특징으로 하는 인버터의 출력 전류 왜곡 보상장치를 제공한다.
본 발명에 의하면, 전동기 구동 시스템이 있어서 파워 스위치 소자의 온, 오프 특성 및 전류 검출기의 검출 노이즈에 따라 발생하는 데드타임 보상 오차를 줄여서 전동기 인가 전압의 불평형을 줄이고, 결국은 전류가 심하게 흔들리는 헌팅(Hunting) 현상을 방지하는 장점이 있다.

Description

인버터의 출력 전류 왜곡 보상장치{Compensation Apparatus and Method for output current distortion of inverter}
본 발명은 인버터의 출력 전류 왜곡 보상장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 데드타임 보상전압에 대한 오차로 인한 출력 전류의 왜곡현상에 따른 추가적인 보상전압을 발생하여 인버터의 출력 전류 왜곡을 방지하는 인버터의 출력 전류 왜곡 보상장치에 관한 것이다.
인버터에 의한 모터의 구동은 산업용 생산설비, 빌딩공조, 엘리베이터 등에 적용되고 있다. 일반적인 3상 인버터는 R, S, T의 3상 전원을 인가받아 u, v, w의 3상 출력을 모터에 공급하는데, 모터의 속도 및 전류를 제어하기 위하여 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)와 같은 스위칭 소자를 각 상마다 2개씩 구비(전류 극성에 따라 +상 스위칭 소자와 -상 스위칭 소자로 구분됨)하고, 입력되는 PWM 제어신호에 따라 해당 스위칭 소자를 온 또는 오프시켜 원하는 전압 또는 전류를 출력한다.
이때, 동일 상의 +상 스위칭 소자와 -상 스위칭 소자가 동시에 온(ON) 되면, 스위칭 소자의 정격 전류를 초과하는 임계치 이상의 전류가 흘러 스위칭 소자가 파괴될 수 있으므로 스위칭 소자를 제어하는 PWM 제어신호에 데드타임(Dead Time)을 삽입하여 스위칭소자를 보호하고 있다.
도 1은 종래 인버터의 출력 전류 왜곡 보상장치를 나타내는 블록구성도이다.
도 1에서 보는 바와 같이, 종래 출력 전류 왜곡 보상장치는 3상 전원(1)으로부터 입력 전원을 인가받아 3상 교류를 직류로 변환하는 정류부(2), 정류된 전압을 평활하기 위한 직류 평활부(3), PWM 신호 발생부(140)의 PWM 발생 신호로부터 파워 스위치 소자를 사용하여 PWM 전압을 발생시키는 PWM 전압 발생부(4), PWM 발생 전압으로 인해 회전력을 발생시키는 전동기(5), 주파수와 전압 지령으로부터 각 상의 PWM 출력전압 지령(Va*, Vb*, Vc*)을 만들어 내는 상전압 지령부(110), 전동기의 전류(Ia, Ib, Ic)를 검출하는 전류 검출기(6), 검출된 전류로부터 전류의 극성을 판별하는 전류 극성 판별부(120), 전류 극성으로부터 데드타임 보상전압(dVa, dVb, dVc)을 발생시키는 데드타임 보상전압 발생부(130)로 구성이 되어 있다.
즉 PWM 제어신호를 발생시키는 인버터 제어부(100)에서는 상기 데드타임의 영향을 줄이기 위해 인버터의 출력 전류의 극성에 따라 데드타임 보상전압을 가산하여 PWM 제어신호를 출력한다.
그러나 상기 데드타임 보상전압은 스위치 소자의 온, 오프 특성에 따라서 달라지게 되고, 또한 전류 검출기의 검출 노이즈에 따른 인버터 출력 전류의 왜곡에 의하여 상기 데드타임 보상전압도 오차를 가지게 되어 인버터를 제어하기 위한 PWM 제어신호가 왜곡되어 출력되게 된다.
상전압 지령부(110)는 주파수 지령과 이미 결정되어 있는 V/F 비에 의해 현재 주파수 지령에 대한 각 상전압의 지령치 Va*, Vb*, Vc*를 만든다.
전류 극성 판별부(120)는 전류 검출기(6)으로부터 얻은 전류 Ia, Ib, Ic로부터 각 전류의 극성을 판별하여 전류의 극성이 +일 때는 +1, -일 때는 -1을 출력한다.
데드타임 보상전압 발생부(130)는 상기 전류 극성 판별부(120)의 출력으로부터 데드타임 보상전압 dVa, dVb, dVc를 출력한다. 데드타임 보상전압의 연산은 전류의 극성이 +일 때는 데드타임 동안에 해당되는 전압 +dV를 전류의 극성이 -일 때는 데드타임 동안에 해당되는 전압 -dV를 출력하게 된다.
그런데 실제 데드타임 전압은 파워 스위치 소자의 온, 오프 특성에 따라서 달라지게 되고, 전류 검출기(6)의 검출 노이즈에 따라 데드타임 보상전압은 오차를 발생시키게 되고, 이 오차는 전동기 인가 전압에 왜곡이 발생하여, 결국은 전류가 심하게 흔들리는 헌팅(Hunting) 현상까지 발생시키는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 데드타임 보상전압의 오차에 의하여 인버터의 출력전류가 왜곡되고, 이로 인해 전동기의 진동이 발생하는 경우, 상기 왜곡된 인버터의 출력 전류의 형태에 따른 추가적인 데드타임 보상전압을 발생시킴으로서 안정된 인버터의 PWM 제어신호를 출력하는 인버터의 출력 전류 왜곡 보상장치을 제공함을 목적으로 한다.
상술한 바와 같은 목적을 구현하기 위한 본 발명의 인버터의 출력 전류 왜곡 보상장치는 PWM 전압발생부를 제어하기 위한 PWM 신호를 발생시키는 인버터 제어부를 포함하는 인버터의 출력 전류 왜곡 보상장치에 있어서, 상기 인버터 제어부는 인버터의 각 상의 출력 전류 극성에 따라 보상전압을 발생시키는 제1 데드타임 보상전압 발생부 및 상기 인버터의 각 상의 출력 전류 파형에 따라 보상전압을 발생시키는 제2 데드타임 보상전압 발생부를 포함하며, 상기 제1 데드타임 보상전압 발생부로부터 출력되는 제1 데드타임 보상전압과 상기 제2 데드타임 보상전압 발생부로부터 출력되는 제2 데드타임 보상전압을 가산하여 최종 데드타임 보상전압을 생성하는 것을 특징으로 한다.
여기서 상기 제2 데드타임보상 전압 발생부는 상기 인버터 각 상의 출력 전류에 대한 한 주기 적분값을 연산하는 전류 누적 연산부, 및 상기 전류 누적 연산부에서 연산된 한 주기 적분값을 기준으로 제2 데드타임 보상전압을 발생시키는 제2 데드타임 보상전압 발생부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
여기서 상기 상기 제2 데드타임 보상전압(dVa2, dVb2 , dVc2)은 인버터 각 상의 출력전류에 대한 상기 한 주기 적분값(양 또는 음)에 추가 보상 게인(- K)를 곱하여 생성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 인버터의 출력 전류 왜곡 보상장치에 의하면, 전동기 구동 시스템이 있어서 파워 스위치 소자의 온, 오프 특성 및 전류 검출기의 검출 노이즈에 따라 발생하는 데드타임 보상 오차를 줄여서 전동기 인가 전압의 불평형을 줄이고, 결국은 전류가 심하게 흔들리는 헌팅(Hunting) 현상을 방지하는 장점이 있다.
도 1은 종래 인버터의 출력 전류 왜곡 보상장치를 나타내는 블록구성도,
도 2는 본 발명에 따른 인버터의 출력 전류 왜곡 보상장치를 나타내는 블록구성도,
도 3은 본 발명에 따른 한 주기 동안의 전류 누적치로부터 제2 데드타임 보상전압을 발생시키는 방법을 나타내는 파형도이다.
이하의 상세한 설명은 예시에 지나지 않으며, 본 발명의 실시 예를 도시한 것에 불과하다. 또한 본 발명의 원리와 개념은 가장 유용하고, 쉽게 설명할 목적으로 제공된다.
따라서, 본 발명의 기본 이해를 위한 필요 이상의 자세한 구조를 제공하고자 하지 않았음은 물론 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 실체에서 실시될 수 있는 여러 가지의 형태들을 도면을 통해 예시한다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 종래와 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호를 사용하기로 한다.
도 2는 본 발명에 따른 인버터의 출력 전류 왜곡 보상장치를 나타내는 블록구성도이다.
도 2에서 보는 바와 같이, 본 발명의 인버터의 출력 전류 왜곡 보상장치는 3상 전원(1)으로부터 입력 전원을 인가받아 3상 교류를 직류로 변환하는 정류부(2), 정류된 전압을 평활하기 위한 직류 평활부(3), PWM 신호 발생부(10)의 PWM 발생 신호로부터 파워 스위치 소자를 사용하여 PWM 전압을 발생시키는 PWM 전압 발생부(4), PWM 발생 전압으로 인해 회전력을 발생시키는 전동기(5) 및 상기 PWM 신호를 발생하는 인버터 제어부(100)를 포함한다.
상기 인버터 제어부(100)는 주파수와 전압 지령으로부터 각 상의 전압 지령(Va*, Vb*, Vc*)을 만들어 내는 상전압 지령부(110), 전동기의 전류(Ia, Ib, Ic)를 검출하는 전류 검출기(6)로부터 검출된 전류로부터 전류의 극성을 판별하는 전류 극성 판별부(120), 상기 판별된 전류 극성으로부터 1차 데드타임 보상전압 (dVa1, dVb1, dVc1)을 발생시키는 제1 데드타임 보상전압 발생부(130) 및 추가 데드타임 보상전압 발생부(150)를 포함한다.
도 2를 참고하면, 인버터는 3상 전원으로부터 인가된 3상 교류 입력전원을 정류부(2)를 통해 직류 평활부(3)에 공급되고, PWM 전압 발생부(4)는 인버터 제어부(100)의 PWM 신호발생부(140)에서 출력되는 PWM 제어신호에 의하여 파워 스위치 소자(IGBT 등)를 사용하여 PWM 전압을 발생시켜 전동기(5)에 공급한다.
또한 인버터 제어부의 제1 데드타임 보상전압 발생부(130)는 전류 검출기(6)의 출력인 검출 전류로부터 전류의 극성을 판별하는 전류 극성 판별부(120)를 통해 전류의 극성을 입력받아 1차 데드타임 보상전압(dVa1, dVb1, dVc1)을 발생시킨다. 여기서 상기 전류 극성 판별부(120)는 전류 검출기(6)으로부터 얻은 전류 Ia, Ib, Ic로부터 각 전류의 극성을 판별하여 전류의 극성이 +일 때는 +1, -일 때는 -1을 출력한다.
즉 제1 데드타임 보상전압 발생부(130)는 상기 전류극성 판별부(120)의 출력으로부터 1차 데드타임 보상전압(dVa1, dVb1, dVc1)를 출력한다. 이 데드타임 보상전압의 연산은 전류의 극성이 +일 때는 데드타임 동안에 해당되는 전압 +dV를, 전류의 극성이 -일 때는 데드타임 동안에 해당되는 전압 -dV를 출력하게 된다.
여기서 상기 제1차 데드타임 보상전압 발생부(130)에서 출력되는 1차 데드타임 보상전압은 파워 스위치 소자(IGBT 등)의 온, 오프 특성에 따라 달라지게 되고, 또한 전류 검출기의 검출 노이즈에 따라 오차를 갖는다.
따라서 본 발명의 인버터의 출력 전류 왜곡 보상장치는 전류 검출기(6)에서 검출되는 왜곡된 전류의 형태에 따라 추가적인 데드타임 보상전압을 발생시켜 전동기에 흐르는 전류가 + 또는 -로 치우치지 않고 정현파를 유지하도록 하기 위한 추가 데드타임 보상전압 발생부(150)를 포함한다.
상기 추가 데드타임 보상전압 발생부(150)는 각 상의 전류를 한 주기 동안 누적하는 전류 누적 연산부(151) 및 전류 누적치로부터 추가 데드타임 보상전압 (dVa2, dVb2, dVc2)을 발생시키는 제2 데드타임 보상전압 발생부(152)로 구성된다.
상기 제2 데드타임 보상전압 발생부(152)는 각 상의 전류를 한 주기 동안 누적하는 전류 누적 연산부(151)로부터 한 주기의 전류 누적치에 게인을 곱하여 제2 데드타임 보상전압(dVa2, dVb2, dVc2)을 발생시킨다.
도 3은 본 발명에 따른 한 주기 동안의 전류 누적치로부터 제2 데드타임 보상전압을 발생시키는 방법을 나타내는 파형도이다.
도 3에서 보는 바와 같이, 도 3의 (a)는 출력전류(Ia)의 파형, 도 3의 (b)는 전류 누적 연산치 및 도 3의 (c)는 추가 데드타임 보상치를 나타낸다.
먼저, 검출된 출력전류 Ia(G1) 파형처럼 전류가 정현파인 경우(양이나 음으로 치우지지 않은 균형이 맞춰져 있는 경우)는 전류의 한 주기 적분값(전류 누적 연산치)이 G2 파형처럼 0이 되므로 G3 파형을 참고하면 추가 데드타임 보상치(제2 데드타임 보상전압 dVa2)은 0이 된다.
한편, 검출된 출력전류 Ia(G4) 파형처럼 전류가 양의 방향으로 치우쳐 왜곡되어 있을 경우, 전류의 한 주기 적분값(전류 누적 연산치, G5)는 양의 값이 되고, 이에 따라 양의 방향의 옵셋을 줄이기 위해 다음 주기에서는 출력 전압에 음의 값의 보정 전압을 줘야 하며, 그 보정 전압의 크기는 한 주기 전류 적분값에 비례하도록 한다. 즉, 추가 데드타임 보상치(G6, 제2 데드타임 보상전압 dVa2)는 - K * Ia_integral이 된다. 여기서 K는 보상 게인, Ia_integral는 Ia상 한 주기 전류의 적분치를 나타낸다.
한편, 검출된 출력전류 Ia(G7) 파형처럼 전류가 음의 방향으로 치우쳐 왜곡되어 있을 경우, 전류의 한 주기 적분값(전류 누적 연산치, G8)은 음의 값이 되고, 이에 따라 음의 방향의 옵셋을 줄이기 위해 다음 주기에서는 출력 전압에 양의 값의 보정 전압을 줘야 하며, 그 보정 전압의 크기는 한 주기 전류 적분값에 비례하도록 한다. 즉, 추가 데드타임 보상치(G9, 제2 데드타임 보상전압 dVa2)는 - K * Ia_integral이 된다.
여기서는 한 상의 검출된 전류(Ia)에 대하여 설명하였으나, 각 상의 검출된 전류(Ib, Ic)에 대한 제2 데드타임 보상전압(dVb2,dVc2)도 마찬가지이다.
다시 도 2를 참조하면, 이 각상의 제1 데드타임 보상전압 발생부(130)로부터 출력되는 제1 데드타임 보상전압(dVa1, dVb1, dVc1)과 제2 데드타임 보상전압 발생부(152)로부터 출력되는 제2 데드타임 보상전압(dVa2, dVb2, dVc2)을 더하여 최종 데드타임 보상전압(dVa, dVb, dVc)이 생성된다.
따라서 PWM 신호 발생부(140)는 상기 최종 데드타임 보상전압(dVa, dVb, dVc)과 상전압 지령부(110)로부터 생성된 주파수와 전압 지령으로부터 각 상의 전압 지령(Va*, Vb*, Vc*)를 더해 최종 각 상의 출력전압 지령(Va**, Vb**, Vc**)로부터 PWM 신호를 발생시킨다.
따라서, 인버터에 의한 전동기 구동시, 파워 스위치 소자의 온, 오프 특성 및 전류 검출기의 검출 노이즈에 따라 발생하는 데드타임 보상 오차를 줄여서 전동기 인가 전압의 불평형을 줄이고, 결국은 전류가 심하게 흔들리는 헌팅(Hunting) 현상을 방지할 수 있다.
이상에서는 대표적인 실시 예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시 예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다.
그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
2 : 정류부 3 : 직류 평활부
4 : PWM 전압 발생부 5 : 전동기
6 : 전류 검출기 100 : 제어부
110 : 상전압지령부 120 : 전류극성판별부
130 : 제1 데드타임 보상전압 발생부 140 : PWM 신호 발생부
150 : 추가 데드타임 보상전압 발생부
151 : 제2 데드타임 보상전압 발생부
152 : 전류 누적 연산부

Claims (3)

  1. 3상 전원을 이용하여 3상 출력을 모터에 공급하는 PWM 전압발생부, 상기 PWM전압발생부를 제어하기 위한 PWM 신호를 발생시키는 인버터 제어부를 포함하는 3상 인버터의 출력 전류 왜곡 보상장치에 있어서,
    상기 인버터 제어부는, 주파수 지령과 이미 결정되어 있는 전압과 주파수 비에 의해 현재 주파수 지령에 대한 각 상전압의 지령치를 만들어 내는 상전압 지령부; 3상 인버터의 각 상의 출력 전류를 검출하기 위한 전류 검출기의 검출값으로부터 전류의 극성을 판별하는 전류 극성 판별부; 상기 인버터의 각 상의 출력 전류 극성에 따라 제 1 데드타임 보상전압을 발생시키는 제1 데드타임 보상전압 발생부; 상기 인버터 각 상의 출력 전류에 대한 한 주기 적분값을 연산하는 전류 누적 연산부; 상기 전류 누적 연산부에서 연산된 한 주기 적분값을 기준으로 제2 데드타임 보상전압을 발생시키는 제2 데드타임 보상전압 발생부; 상기 제1 데드타임 보상전압 발생부로부터 출력되는 제1 데드타임 보상전압과 상기 제2 데드타임 보상전압 발생부로부터 출력되는 제2 데드타임 보상전압을 가산하여 최종 데드타임 보상전압을 생성하는 가산부; 상기 상전압 지령부로부터 생성된 각 상전압의 지령치에 상기 가산부의 최종 데드타임 보상전압이 보상된 PWM 신호를 발생하여 상기 PWM 전압발생부로 공급하는 PWM신호발생부를 포함하고,
    상기 제 1 데드타임 보상 전압 발생부는, 전류 극성이 +일 때는 데드타임 동안에 +dV 보상전압을 출력하고, 전류의 극성이 -일 때는 데드타임 동안에 -dV 보상전압을 출력하고,
    상기 제 2 데드타임 보상전압 발생부는, 상기 전류 누적 연산부에서 출력하는 전류 한주기 적분값이 양이 값일 때, 양의 방향의 옵셋을 줄이기 위해서 다음 주기에서는 출력전압에 음의 값의 보상전압을 설정하고, 상기 전류 누적 연산부에서 출력하는 전류 한주기 적분값이 음의 값일 때, 음의 방향의 옵셋을 줄이기 위해서 다음 주기에서는 출력전압에 양의 값의 보상전압을 설정하며,
    상기 제2 데드타임 보상전압 발생부에서 생성되는 보상전압(dVa2, dVb2, dVc2)의 크기는 인버터 각 상의 출력전류에 대한 상기 한 주기 적분값(양 또는 음)에 비례하도록 추가 보상 게인(- K)를 곱하여 생성되는 것을 특징으로 하는 인버터의 출력 전류 왜곡 보상장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
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