KR20030031638A

KR20030031638A - 중성점 전압 불균형을 고려한 3-레벨 공간전압벡터펄스폭변조방법과 그 장치

Info

Publication number: KR20030031638A
Application number: KR1020010063374A
Authority: KR
Inventors: 최창호; 방상석; 서재형
Original assignee: 주식회사 포스콘
Priority date: 2001-10-15
Filing date: 2001-10-15
Publication date: 2003-04-23
Also published as: KR100426650B1

Abstract

본 발명은 3레벨 인버터의 전압벡터 인가시간을 조절하여 DC 링크 전압불균형에 의한 문제를 해결하기 위한 공간벡터 펄스 폭 변조방법 및 그 장치에 관한 것으로서 각 상의 출력전압을 발생시키기위한 전압벡터인가시간을 설정하는 단계; 상기 발생된 출력전압과 중성점전압을 모니터링하는 단계; 상기 출력전압과 중성점전압의 변화에 기초하여 상기 전압벡터인가시간을 한 샘플링주기로 조정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하며, 3레벨 인터버에 있어서 직렬연결 구조로 이루어진 DC링크 커패시터 전압의 불균형 문제가 발생하게 되는 경우에 이러한 전압불균형을 고려하여 벡터 인가시간을 계산함으로서 출력전압의 크기를 지령전압의 크기와 일치시킬 수 있게 된다.

Description

중성점 전압 불균형을 고려한 3-레벨 공간전압벡터 펄스폭변조방법과 그 장치{Compensating method for neutral-point potential variation in 3-level SVPWM and apparatus thereof}

본 발명은 공간전압벡터 펄스 폭 변조방식을 이용하는 3-레벨 인버터 시스템에 관한 것으로서, 특히 전압불균형을 고려하여 지령전압과 출력전압이 동일하게 되도록 전압벡터 인가시간을 계산하는 방법 및 그 장치에 관한 것이다.

3-레벨 인버터는 기존의 2-레벨 인버터와 같은 스위칭 주파수에서 비교할 때 출력전압과 전류의 고조파를 반 이상 저감시킬 수 있고, 하나의 스위칭 소자의 차단 전압이 DC-Link전압의 반이 된다. 이와 같은 이유로 3-레벨 인버터 구조는 스위칭 주파수가 낮은 대용량 전력용 반도체 소자를 이용한 고성능 고압 인버터 시스템에 널리 이용되고 있다.

그러나 3-레벨 인버터 시스템의 경우, 직렬연결 구조로 이루어진 DC-Link 커패시터와 충방전되는 에너지의 차이로 인하여 전압불균형의 문제가 발생한다. 이러한 DC-Link 전압불균형의 문제가 발생할 경우 3-레벨 인버터의 장점들을 살릴 수 없게 되고, 교류전동기 제어에 어려움을 주게 된다. 따라서 이러한 전압불균형 문제를 해결하기 위한 여러가지 펄스 폭 변조 알고리즘들이 개발되고 있다.

그러나 기존의 방법들은 전압불균형 문제가 발생하는 경우, 인버터의 스위칭 시퀀스를 수정하거나 전압벡터의 리던던시(redundancy)를 이용하여 이러한 문제점을 해결한다. 이러한 방법들은 실제 전압불균형의 문제를 해결하는데 있어서는 효과적이지만 크든 작든간에 전압불균형의 문제가 발생한다면, 이러한 전압불균형을 고려하지 않고 공간벡터 펄스폭 변조방법(SVPWM)을 수행하면 지령전압벡터와 실제 출력전압벡터사이에는 중성점 전압 불균형으로 인한 오차가 발생하게 된다. 경우에따라서는 전압불균형 문제 해결을 위한 알고리즘으로 인하여 이러한 오차가 더욱 커질 수도 있는 문제점이 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 3레벨 인버터를 동작시키는데 있어서 전압불균형의 문제가 발생하는 경우에 전압벡터인가시간을 조정하여 출력전압을 지령전압과 일치시키는 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 3레벨 인버터를 구성하는 스위칭부의 게이트 온/오프 시간을 조정하여 출력전압을 지령전압과 일치시키는 장치를 제공하는데 있다.

도 1은 본 발명에 의한 3레벨 공간벡터 펄스 폭 변조장치의 블럭도이다.

도 2는 도 1의 스위칭부의 상세구성도이다.

도 3은 본 발명에 의한 3레벨 공간벡터 펄스 폭 변조장치의 스위칭 상태에 따른 출력전압을 표현한 표이다.

도 4는 본 발명에 의한 3-레벨 공간벡터 펄스 폭 변조장치의 공간전압벡터도이다.

도 5는 본 발명에 의한 3레벨 공간벡터 펄스 폭 변조장치의 중성점 전압 불균형으로 인한 출력전압 오차를 보상하기 위한 방법의 흐름을 보여주는 흐름도이다.

도 6은 본 발명에 의한 3-레벨 공간벡터 펄스 폭 변조장치에 있어서 하나의 스위칭 시퀀스와 전압벡터 인가시간을 보여주는 타이밍도이다.

도 7a 내지 도 10b는 본 발명에 의한 실험결과를 보여주는 도면이다.

상기의 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명에 의한 공간벡터 펄스 폭 변조방법은 각 상의 출력전압을 발생시키기위한 전압벡터인가시간을 설정하는 단계; 상기 발생된 출력전압과 중성점전압을 모니터링하는 단계; 상기 출력전압과 중성점전압의 변화에 기초하여 상기 전압벡터인가시간을 한 샘플링주기로 조정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기의 다른 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명에 의한 공간벡터 펄스 폭 변조장치는 상기 인버터의 입력전원단에 직렬접속되어 상기 입력전원을 분배하는 제1,제2 커패시터; 상기 분배된 입력전원을 수신하여 정해진 순서에 따라 각 상별로 전압벡터인가시간에 따른 출력전압을 생성하는 스위칭부; 상기 스위칭부의 스위칭에 의한 출력전압의 상태를 감시하고 중성점전압변동을 수신하여 중성점전압변동을 감시하는 모니터링부; 상기 중성점전압변동이 0이 되도록 상기 전압벡터인가시간을 조절하는 제어부로 구성되는 것을 특징으로 하는 특징으로 한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예를 상세하게 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명에 의한 3레벨 공간벡터 펄스 폭 변조 인버터의 블럭도이며, 도 2는 도 1의 스위칭부의 상세구성도이다. 또한 도 3은 본 발명에 의한 3레벨 공간벡터 펄스 폭 변조 인버터의 스위칭 상태에 따른 출력전압을 표현한 표이고, 도 4는 3-레벨 공간벡터 펄스 폭 변조 인버터의 공간전압벡터도이다.

먼저 제1내지 제3스위칭부(101,103,105)는 120도의 위상차를 가지면서 3상출력(A,B,C)을 내보내기 위한 동작을 하고 기본적인 동작원리는 동일하므로, 하나의 상에 대한 스위칭부를 대상으로 하여 설명하도록 한다. 스위칭부(101,103,105)는 소정의 DC링크 전압(Vdc)를 수신하여 커패시터 C1과 C2에 의하여 양분된 전압을 수신한다. 이 때 출력전압(A)을 생성하기 위하여는 제1내지 제4제어신호에 의하여 제1내지 제4스위칭소자(111,121,131,141)의 온/오프 시간을 제어하여야 한다. 도 2를 보면 알 수 있듯이 스위칭부(101,103,105)의 구조는 각 상(A,B,C)별로 네개의 스위칭 소자(G_1x,G_1x,G_1x,G_1x),여기서 x는 A,B 또는 C이다)가 직렬로 연결되어 있다. P상태 출력을 내기 위하여 제1,제2제어신호는 제1,제2스위칭소자(111,121)를 온 시키고, 제3,제4제어신호는 제3,제4스위칭소자(131,141)를 오프시킨다. O상태 출력을 내기 위하여 제2,제3제어신호는 제2,제3스위칭소자(121,131)를 온 시키고, 제1,제4제어신호는 제1,제4스위칭소자(111,141)를 오프시킨다. 또한 N상태 출력을 내기 위하여 제1,제2제어신호는 제1,제2스위칭소자(111,121)를 오프 시키고, 제3,제4제어신호는 제3,제4스위칭소자(131,141)를 온시킨다. 이런 방식으로 3레벨을 가지는 출력전압을 생성하게 되는데(도 3의 Vxn), 이 때 제1내지 제4제어신호가 각 스위칭소자를 온 시키는 전압벡터인가시간을 사전에 인버터의 출력에 연결되는 부하에 필요한 이상적인 출력값을 생성할 수 있도록 설정한다(501단계).

도4는 도 1의 구성하에서 제1내지 제12제어신호에 의한 스위칭 상태에 따른 출력전압벡터(A,B,C)을 표현한 것으로서 출력전압벡터 27가지가 도시되어 있다. 도 4에 제시된 것처럼 3레벨 인버터의 출력전압벡터는 3가지의 영벡터(zero vector)와 12개의 작은 벡터(small vector), 6개의 중간벡터(middle vector)와 6개의 큰 벡터(large vector)로 이루어지는데 이를 정리하면 표 1과 같다. 여기서 출력전압벡터의 표기는, 예를 들어서 (PNP)는 A,B,C상이 각각 P,N.P레벨을 가진다는 것을 의미한다. 아래의 27가지 벡터중에서 임의의 한 벡터를 가지고 아래에서 본 발명의 실시예를 설명하도록 한다.

구 분	출력전압벡터
영벡터(Zero Vector)	(PPP) (OOO) (NNN)
작은벡터(Small Vector)	상위작은벡터(Upper Small Vector)	(POO) (PPO) (OPO) (OPP) (OOP) (POP)
작은벡터(Small Vector)	하위작은벡터(Lower Small Vector)	(ONN) (OON) (NON) (NNO) (NNO) (ONO)
중간벡터(Middle Vector)	(PON) (PON) (OPN) (ONP) (NOP) (NPO)
큰벡터(Large Vector)	(PNN) (PPN) (NPN) (NPP) (NNP) (PNP)

도 6은 인버터의 스위칭 시퀀스가 (POO)-(PON)-(OON)-(ONN)으로 변화하는 경우를 상정한 것이다. 3레벨 인버터에서 중성점의 전압이 DC링크 전압의 1/2로 정확하게 유지되는 경우에 Vn은 Vdc/2가 된다. 이 때 Vn은 도 1에서 표현되어 있는 아랫단 커패시터의 전압이다. 도 6에서 Vn=Vdc/2인 경우에 A상, B상의 출력전압은 각각 다음의 수학식 1,2와 같이 된다. C상은 A 혹은 B상중의 어느 하나의 상과 상태변화가 동일하므로 C상에 대한 수식전개는 생략한다.

여기에서 A상은 P상태에서 O상태로, B상은 O상태에서 N상태로 천이되는 3상중의 임의의 한 상이다. 또한 O상태에서의 출력전압을, DC링크전압과과의 차이전압을,는 샘플링주기,는 DC링크 전압,와는 각각 A상과 B상의 출력전압을 생성케하는 전압벡터 인가시간을 말한다. 즉와시간동안 스위칭소자가 온되어 전압이 출력되게된다. 그러나 위의 수학식 1,2와 같은 경우는 이상적인 것으로서, 양단 커패시터의 물리적 특성이 완전히 일치할 수는 없기 때문에 중성점전압(Vn)은 DC링크 전압의 1/2이 정확하게 출력되지 않는다. 실제로는 다음의 수학식 3,4의와처럼 나타나게 된다.

결국 지령전압벡터(와)와 인버터의 실제 출력전압벡터(와)의 크기는 서로 다른 값을 가지게 되므로와시간을 중성점 전압 오차만큼 보정하여 출력할 필요가 생기게 되는 것이다. 그렇기 때문에 모니터링부(109)는 상기 출력전압벡터(와)를 수신하여 지령전압벡터(와)와 비교한다(503단계). 그 비교결과 지령전압벡터와 출력전압벡터간에 차이가 발생하게 되면 원하지 않는 값이 출력되고 있는 것이므로 전압벡터 인가시간을 조정하게 된다. 제어부(107)는 상기 모니터링부(105)에서 감지한 전압차이값을 이용하여 아래의 수학식들을 이용하여 제1내지 제12제어신호를 조정함으로써 전압벡터 인가시간을 조정한다. 따라서 도 6의 A,B상의 경우, 원하는 출력 상전압을 구하기 위하여 각 상의 전압벡터인가시간와를 다음의 수학식 5와 6의 과정을 거쳐 수학식 7,8처럼 수정하여 스위칭소자의 게이트 온시간을 조절하게되면 실제 출력전압을 지령전압벡터와 일치시킬 수 있게된다.

상기와는 지령전압벡터와 출력전압벡터의 차이값에 따라와보다 각각 크거나 작을 수 있다. 상기와 같이 전압 벡터 출력시간을 수정하면 DC링크 전압 불균형으로 인한 지령전압벡터와 실제 출력전압벡터와의 오차를 제거하면서 스위칭부(101,103,105)는 원하는 출력전압벡터를 생성하여 출력하여 지령전압벡터와 출력전압벡터의 차이를 0으로 할 수 있다(507단계).

삼상대칭변조법을 사용하는 경우 샘플링주기()동안 스위칭은 한 번만 일어나므로, 출력 상전압은 한 단계씩만 변화하게 된다. 따라서 한 샘플링주기()에서 상전압이 P에서 O상태로 또는 O에서 P상태로만 변화하면와 같이, 상전압이 O에서 N상태로 또는 N상태에서 O상태로만 변화하면와 같이 전압벡터인가시간을 조절하여 중성점 전압변동에 의한 출력전압벡터 오차를 보상할 수 있게 된다.

본 발명에 의한 중성점 전압의 불균형을 고려한 3레벨 공간전압벡터 펄스 폭변조방법의 타당성을 검증하기 위하여 행한 실험을 다음의 표2와 같은 조건하에서 스위칭 주파수를 750[Hz]로 한 상태에서 DC링크 전압 불균형을 임의로 일정한 값으로 유지시키면서 실험을 행하였으며 그 결과를 7a내지 도 10b에 보였다. 이 때 Iqse_ref는 유도전동기의 토크(torque)분 전류지령치를 나타내며, Iqse는 토크분 출력전류치를, Err_Iqse는 Iqse_ref와 Iqse의 차이값을 나타낸다. 또한 Vdc_error는 중성점 전압 불균형전압을 나타내는 것으로서 윗단 커패시터 전압(Vp)과 아랫단 커패시터 전압(Vn)의 차(Vp - Vn)를 말하며, Idse는 유도전동기의 자속분 전류를, Te는 유도전동기의 발생 토크를 의미한다.

구 분	실 험 조 건
시스템구성	3레벨 IGBT 컨버터/인버터
DC링크 전압	300[Vdc]
스위칭 주파수	750[Hz]
인버터 부하	5.5kW, 220V, 3상 유도 모터

도 7a와 도 7b는 각각 Vdc_error가 -5[V]이고, 유도전동기의 회전속도가 1200[rpm]으로 정속운전중인 경우의 중성점 전압변동을 고려하지 않은 기존의 펄스 폭 변조방법에 의한 경우의 결과와 본 발명에 의한 방법 및 그 장치에 의한 경우의 결과를 보여주는 파형이다.

도 8a와 8b, 그리고 도 9a와 도 9b는 역시 Vdc_error가 -5[V]이고, 유도전동기의 회전속도가 각각 900[rpm]에서 1100[rpm], 1700[rpm]에서 1800[rpm]으로 가감속할 때, 기존의 방법에 의한 경우와 본 발명에 의한 경우를 비교한 것이다. 상기 도 7a, 8a, 9a, 10a에 표현된 Err_Iqse, Idse, Te 파형을 보면 알 수 있듯이, 비록 DC링크 중성점 전압 불균형이 전체 DC링크 전압에 비하여 상당히 작은 값이라고 하더라도 공간벡터 변조시 이를 고려하지 않으면 인버터 출력 지령전압값과 실제 전압사이에 오차를 유발시키는 큰 전류, 토오크 맥동을 유발시키게된다. 그러나 도 7b, 8b, 9b, 10b에 표현된 Err_Iqse, Idse, Te 파형을 보면 각 출력에 나타나는 리플이 상당량이 감소되어 나타나는 것을 알 수 있다. 따라서 이러한 중성점 전압 불균형으로 인한 시스템 성능의 저하는 본 발명의 전압벡터 인가시간조정에 의한 방법 및 장치를 이용하면 해결할 수 있게 된다.

본 발명은 또한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현되는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다.컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 하드 디스크, 플로피 디스크, 플래쉬 메모리, 광 데이타 저장장치등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를들면 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함된다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 통신망으로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 읽을 수 있는 코드로서 저장되고 실행될 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 3레벨 인터버에 있어서 직렬연결 구조로 이루어진 DC링크 커패시터 전압의 불균형 문제가 발생하게 되는 경우에 이러한 전압불균형을 고려하여 벡터 인가시간을 계산함으로서 출력전압의 크기를 지령전압의 크기와 일치시킬 수 있게 된다.

Claims

3 레벨 공간벡터 펄스 폭 변조 인버터에 있어서,

(a) 각 상의 출력전압을 발생시키기위한 전압벡터인가시간을 설정하는 단계;

(b) 상기 발생된 출력전압과 중성점전압을 모니터링하는 단계;

(c) 상기 출력전압과 중성점전압의 변화에 기초하여 상기 전압벡터인가시간을 한 샘플링주기로 조정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 공간벡터 펄스 폭 변조방법.
제1항에 있어서, 상기 (c)단계는 출력전압의 상태변화에 따라 상기 전압벡터인가시간을 다르게 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 공간벡터 펄스 폭 변조방법.
제1항에 있어서, 상기 (c)단계는 상기 출력전압의 상태가 한 샘플링주기동안 P상태에서 O상태로 또는 O상태에서 P상태로 변화하는 경우에는 상기 조절된 후의 전압벡터인가시간을, 상기 초기에 설정된 전압벡터인가시간을,DC링크전압을, 샘플링주기를, O상태에서의 출력전압을,DC링크전압과과의 차이전압을라고 할 때 상기 전압벡터인가시간과 상기 DC링크 전압, 그리고 Vp와의 비에 따라 조절하는 것을 특징으로 하는 공간벡터 펄스 폭 변조 방법.
제3항에 있어서, 상기 (c)단계는 상기 조절된 후의 전압벡터인가시간을으로 조절하는 것을 특징으로 하는 공간벡터 펄스 폭 변조방법.
제3항에 있어서, 상기 (c)단계는 상기 출력전압의 상태가 한 샘플링주기동안 O상태에서 N상태로 또는 N상태에서 O상태로 변화하는 경우에는 상기 전압벡터인가시간을 DC 링크 전압의 절반값과 Vn의 비에 따라 조절하는 것을 특징으로 하는 공간벡터 펄스 폭 변조 방법.
제5항에 있어서, 상기 전압벡터인가시간을로 조절하는 것을 특징으로 하는 공간벡터 펄스 폭 변조방법.
3 레벨 공간벡터 펄스 폭 변조 인버터에 있어서,

상기 인버터의 입력전원단에 직렬접속되어 상기 입력전원을 분배하는 제1,제2 커패시터;

상기 분배된 입력전원을 수신하여 정해진 순서에 따라 각 상별로 전압벡터인가시간에 따른 출력전압을 생성하는 스위칭부;

상기 스위칭부의 스위칭에 의한 출력전압과 중성점전압변동을 수신하여 중성점전압변동을 감시하는 모니터링부;

상기 중성점전압변동이 0이 되도록 상기 전압벡터인가시간을 조절하는 제어부;로 구성되는 것을 특징으로 하는 공간벡터 펄스 폭 변조 장치.
제7항에 있어서, 상기 스위칭부는

상기 제1,제2 커패시터와 병렬로 연결되고, 상호간에는 직렬로 접속되어 상기 전압벡터인가시간에 따라 온/오프 동작을 반복하여, 제1,제2스위칭소자만 온 되면 제1레벨, 제2,제3스위칭소자만 온 되면 제2레벨, 그리고 제3,제4스위칭소자만 온 되면 제3레벨을 형성하여 총 3레벨의 출력전압을 내는 제1내지 제4스위칭소자;를 포함하는 것을 특징으로 하는 공간벡터 펄스 폭 변조장치.
제7항에 있어서, 상기 스위칭부는 n을 양의 정수라고 할 때, 복수(n개)로 구성되어 n상의 출력전압을 생성하여 출력하는 것을 특징으로 하는 공간벡터 펄스 폭 변조장치.
3 레벨 공간벡터 펄스 폭 변조 인버터에 있어서,

(a) 각 상의 출력전압을 발생시키기위한 전압벡터인가시간을 설정하는 단계;

(b) 상기 발생된 출력전압과 중성점전압을 모니터링하는 단계;

(c) 상기 출력전압과 중성점전압의 변화에 기초하여 상기 전압벡터인가시간을 한 샘플링주기로 조정하는 단계;를 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.