KR100318171B1

KR100318171B1 - 3상펄스폭변조컨버터-인버터시스템에서의커먼-모드전압펄스제거방법

Info

Publication number: KR100318171B1
Application number: KR1019980049321A
Authority: KR
Inventors: 설승기; 이현동
Original assignee: 설승기; 이현동
Priority date: 1998-11-17
Filing date: 1998-11-17
Publication date: 2002-04-22
Anticipated expiration: 2018-11-17
Also published as: US6185115B1; KR20000032765A

Abstract

본 발명은 교류전동기 구동용 3상 펄스폭변조 컨버터와 인버터 시스템의 커먼-모드 전압 펄스를 제거하는 방법에 관한 것으로서, (1) 인버터의 극전압 지령 중 가장 큰 상의 게이팅 시점을 이동시켜 컨버터의 극전압 지령 중 가장 큰 상에 일치시키는 방식(LL방식); (2) 인버터의 극전압 지령 중 가장 작은 상의 게이팅 시점을 이동시켜 컨버터의 극전압 지령 중 가장 작은 상에 일치시키는 방법(SS방식); (3) 인버터의 극전압 지령 중 가장 큰 상의 게이팅 시점을 이동시켜 컨버터의 극전압 지령 중 두 번째로 큰 상에 일치시키는 방법(LM방식); 또는 (4) 인버터의 극전압 지령 중 가장 작은 상의 게이팅 시점을 이동시켜 컨버터의 극전압 지령 중 두 번째로 큰 상에 일치시키는 방법(SM방식)을 사용하여, 인버터의 유효 출력 전압을 왜곡시키지 않고 게이팅 시점을 이동시켜 컨버터의 게이팅 시점과 일치시키는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의한 3상 펄스폭변조 컨버터-인버터 시스템에서의 커먼-모드 전압 펄스 제거 방법에 의하면, 한 제어 주기내의 3개의 커먼-모드 전압 중 하나를 제거하거나, 2Vdc/3 크기의 커먼-모드 전압 펄스를 제거할 수 있다.

Description

3상 펄스폭변조 컨버터-인버터 시스템에서의 커먼-모드 전압 펄스 제거 방법

본 발명은 3상 펄스폭변조 컨버터-인버터 시스템에서의 커먼-모드 전압 펄스 제거 방법에 관한 것이다.

최근 산업용 교류전동기 구동 시스템에서 커먼-모드(common-mode) 전압에 의하여 발생되는 여러 가지 문제점들이 보고되고 있다. 이러한 문제점을 크게 네가지로 정리하면 다음과 같다: 전동기 권선과 전동기 외함 사이에 존재하는 기생 캐패시터를 통해 흐르는 누설 전류 문제; 방사 또는 전도성 전자기적 간섭; 축전압과 베어링 전류; 및 과전압으로 인한 전동기 절연 파괴 문제 등이다.

위와 같은 문제점들로 인한 피해 사례가 산업계에서 속출하고, 따라서 이에 대한 관심이 증대됨에 따라, 커먼-모드 전압을 감소시키려는 연구들이 활발하게 이루어지고 있다.

커먼-모드 전압 및 전류에 의한 문제점을 해결하기 위한 종래의 방법으로는, 커먼-모드 쵸크/변압기를 사용하거나, 기존의 3상 전력변환기에 부가적으로 하나의 레그를 더 설치하여 커먼-모드 전압을 상쇄시키는 방법 등이 있었다. 그러나, 이러한 종래 방법들에서는 별도의 하드웨어가 추가되어야 하므로 전력 변환기의 무게와 부피를 증가시키게 되어 전력 변환 시스템의 가격 상승의 원인이 되고, 제어의 복잡도를 증가시켜 시스템의 신뢰성을 떨어뜨리는 등의 단점을 가지게 된다. 뿐만 아니라, 필터나 커먼-모드 변압기 등은 각 응용 분양 따라 재설계되어야 하므로 산업계에 쉽게 적용되기에는 무리가 따른다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래 방법의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, 별도의 하드웨어를 필요로 하지 않고, 단지 인버터의 게이팅을 조작함으로써 3상 펄스폭변조(Pulse Width Modulation, 이하에서 'PWM'이라 함) 컨버터-인버터 시스템에서의 커먼-모드 전압 펄스를 제거하는 방법을 제공하는 것이다.

도1은 일반적인 교류전동기 구동용 3상 PWM 승압 컨버터와 인버터 시스템의 구성도,

도2는 도1에 도시된 일반적인 교류전동기 구동용 3상 PWM 승압 컨버터와 인버터 시스템에서의 컨버터와 인버터의 출력 전압 벡터도,

도3은 종래의 3상 대칭 공간-벡터 펄스 폭 변조(Space-Vector PWM, 이하에서 'SVPWM'라 함)을 사용할 때의 컨버터와 인버터의 스위칭 함수와 커먼-모드 전압의 파형도,

도4는 LL방식을 사용하는 경우, 컨버터와 인버터의 게이팅 함수와 커먼-모드 전압의 파형도,

도5는 SS방식을 사용하는 경우, 컨버터와 인버터의 게이팅 함수와 커먼-모드 전압의 파형도,

도6은 변조 지수(M)과 인버터의 각 출력의 각(θ)에 따른 δT₀의 추이를 보여주는 도면,

도7은 3상 대칭 SVPWM을 사용할 때, C-C-I-I-I-C의 경우 발생하는 커먼-모드전압을 보여주는 도면,

도8은 C-I-I-I-C-C의 경우 발생하는 커먼-모드 전압을 보여주는 도면,

도9는 C-C-I-I-I-C의 경우, LL방식을 통하여 인버터의 게이팅 시점을 이동시킬 경우에 발생하는 커먼-모드 전압을 보여주는 도면,

도10은 C-C-I-I-I-C의 경우, SS방식을 통하여 인버터의 게이팅 시점을 이동시킬 경우에 발생하는 커먼-모드 전압을 보여주는 도면,

도11은 C-C-I-I-I-C의 경우, LM방식을 통하여 인버터의 게이팅 시점을 이동시킬 경우에 발생하는 커먼-모드 전압을 보여주는 도면,

도12는 C-I-I-I-C-C의 경우, LL방식을 통하여 인버터 게이팅을 이동시킬 경우에 발생하는 커먼-모드 전압을 보여주는 도면,

도13은 C-I-I-I-C-C의 경우, SS방식을 통하여 인버터 게이팅을 이동시킬 경우에 발생하는 커먼-모드 전압을 보여주는 도면,

도14는 C-I-I-I-C-C의 경우, SM방식을 통하여 인버터의 게이팅을 이동시킬 경우에 발생하는 커먼-모드 전압을 보여주는 도면,

도15는 종래의 3상 대칭 SVPWM을 사용하였을 때의 한 제어 구간 동안의 V_gn, V_sn및 V_sg을 도시한 것,

도16은 본 발명에 의한 방법을 사용하였을 경우의 V_gn, V_sn및 V_sg을 도시한 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 교류전동기 구동용 3상 펄스폭변조 컨버터와 인버터 시스템의 커먼-모드 전압 펄스를 제거하는 방법은, (1) 인버터의 극전압 지령 중 가장 큰 상의 게이팅 시점을 이동시켜 컨버터의 극전압 지령 중 가장 큰 상에 일치시키는 방식(LL방식); (2) 인버터의 극전압 지령 중 가장 작은 상의 게이팅 시점을 이동시켜 컨버터의 극전압 지령 중 가장 작은 상에 일치시키는 방법(SS방식); (3) 인버터의 극전압 지령 중 가장 큰 상의 게이팅 시점을 이동시켜 컨버터의 극전압 지령 중 두 번째로 큰 상에 일치시키는 방법(LM방식); 또는 (4) 인버터의 극전압 지령 중 가장 작은 상의 게이팅 시점을 이동시켜 컨버터의 극전압 지령 중 두 번째로 큰 상에 일치시키는 방법(SM방식)을 사용하여, 인버터의 유효 출력 전압을 왜곡시키지 않고 게이팅 시점을 이동시켜 컨버터의 게이팅 시점과 일치시키는 것을 특징으로 한다.

이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 3상 펄스폭변조 컨버터-인버터 시스템에서의 커먼-모드 전압 펄스 제거 방법을 상세하게 설명한다.

도1은 일반적인 교류전동기 구동용 3상 PWM 승압 컨버터와 인버터 시스템의 구성도이다. 일반적으로 3상 전원과 전동기의 외함은 같은 점에 접지되어 있기 때문에 도1에 도시된 3상 PWM 컨버터-인버터 시스템에서의 커먼-모드 전압은 3상 교류전동기 고정자 권선의 중성점(s)와 접지점(g) 사이의 전압차이인 V_sg로 정의된다. 3상 평형 전원과 부하를 가정하면, V_sg는 컨버터의 스위칭 함수, s_i(i=U,V,W)와 인버터의 스위칭 함수, s_j(j=A,B,C)를 이용하여 다음의 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.

상기 수학식 1로부터 커먼-모드 전압은 전동기의 임피던스와는 관계없이 오직 스위칭 함수와 dc 버스 전압(V_dc)의 크기에 따라 결정됨을 알 수 있다.

도2는 도1에 도시된 일반적인 교류전동기 구동용 3상 PWM 승압 컨버터와 인버터 시스템에서의 컨버터와 인버터의 출력 전압 벡터도이다.

컨버터와 인버터의 출력 전압 벡터는 각각의 스위칭 함수가 조합에 따라서 도2에 도시된 것처럼 8가지(V₀, V₁, V₂, V₃, V₄, V₅, V₆, V₇)이지만, V_sg는 컨버터와 인버터의 출력 전압 벡터의 조합에 따라, 0, ±V_dc/3, ±2V_dc/3, ±V_dc의 모두 7가지 전위를 가진다. 이를 정리하면 다음의 표 1과 같다.

[표 1]

컨버터와 인버터의 출력 전압 벡터에 따른 커먼-모드 전압, V_sg

도3은 종래의 3상 대칭 공간-벡터 펄스 폭 변조(Space-Vector PWM, 이하에서 'SVPWM'라 함)을 사용할 때의 컨버터와 인버터의 스위칭 함수와 커먼-모드 전압의 파형도이다.

도3에서 보이는 바와 같이, 컨버터와 인버터 각 상의 게이팅 동작으로 인하여 커먼-모드 전압의 펄스가 발생한다. 한 샘플링 구간, T_z내에서 컨버터와 인버터 각 상의 게이팅 동작이 총 6회 일어나기 때문에 V_dc/3의 크기로 변화하는 커먼-모드 전압의 펄스가 발생한다.

본 발명에서는 한 샘플링 구간, T_z내에서 하나의 커먼-모드 전압 펄스를 제거하기 위한 방법과 2V_dc/3크기의 커먼-모드 전압 펄스를 제거하는 방법을 제시하고자 한다.

커먼-모드 전압 펄스는 컨버터와 인버터의 게이팅 시점의 불일치로 인하여발생되므로, T_z내에서 인버터의 게이팅 시점을 전후로 이동시켜 컨버터의 게이팅 시점과 일치시킴으로써 커먼-모드 전압 펄스를 제거할 수 있다.

본 발명에서 사용하는 방식으로서, 인버터의 유효 출력 전압을 왜곡시키지 않고 게이팅 시점을 이동시켜 컨버터의 게이팅 시점과 일치시키는 방식으로는 다음과 같은 것들이 있다;

(1) 인버터의 극전압 지령 중 가장 큰 상의 게이팅 시점을 이동시켜 컨버터의 극전압 지령 중 가장 큰 상에 일치시키는 방식(LL방식);

(2) 인버터의 극전압 지령 중 가장 작은 상의 게이팅 시점을 이동시켜 컨버터의 극전압 지령 중 가장 작은 상에 일치시키는 방법(SS방식);

(3) 인버터의 극전압 지령 중 가장 큰 상의 게이팅 시점을 이동시켜 컨버터의 극전압 지령 중 두 번째로 큰 상에 일치시키는 방법(LM방식); 또는

(4) 인버터의 극전압 지령 중 가장 작은 상의 게이팅 시점을 이동시켜 컨버터의 극전압 지령 중 두 번째로 큰 상에 일치시키는 방법(SM방식).

상기한 LL방식과 SS방식을 이용하여, 한 샘플링 구간, T_z내에서 하나의 커먼-모드 전압 펄스를 제거할 수 있다.

도4는 LL방식을 사용하는 경우, 컨버터와 인버터의 게이팅 함수와 커먼-모드 전압의 파형도이다.

도4에서 보이는 바와 같이, LL방식에서는 인버터의 유효 전압 벡터가 ΔT만큼 이동된다. 게이팅이 온(ON) 순서인 경우 컨버터와 인버터의 유효 전압 벡터의시작 시점이 일치하게 되어 인버터의 첫 번째 영전압 벡터 인가시간은 T₀(=T₀'-ΔT)로 컨버터의 첫 번째 영전압 벡터 인가시간, T₀"와 동일하게 된다. 게이팅이 오프(OFF) 순서인 경우에는 온(ON) 순서인 경우와는 달리 컨버터와 인버터의 유효 전압 벡터의 끝 시점이 일치하게 되도록 인버터의 유효 전압 벡터가 ΔT만큼 이동된다. 도3의 V_sg와 비교하여 보았을 때, 종래에 한 제어 주기내에 3개이던 전압 펄스 중 첫 번째 커먼-모드 전압 펄스가 제거되어 한 제어 주기내에 2개가 된다.

도5는 SS방식을 사용하는 경우, 컨버터와 인버터의 게이팅 함수와 커먼-모드 전압의 파형도이다.

도5에서 보이는 바와 같이, SS방식에서도 상기한 LL방식에서와 마찬가지로, 인버터의 유효 전압 벡터가 ΔT만큼 이동하게 되는제, 다만, 온(ON) 순서에서는 컨버터와 인버터의 유효 전압 벡터의 끝 시점이, 오프(OFF) 순서에서는 컨버터와 인버터의 유효 전압 벡터의 시작 시점이 일치하도록 한다는 점에서만이 차이가 있다. 도3의 V_sg와 비교하여 보았을 때, 종래의 한 제어 주기내에 3개이던 전압 펄스 중 마지막 커먼-모드 전압 펄스가 제거되어 한 제어 주기내에 2개가 된다.

SS방식을 단계별로 설명하면 다음과 같다. 인버터의 유효 전압 벡터를 ΔT만큼 이동시키고, 게이팅이 온(ON) 순서인 경우 컨버터와 인버터의 유효 전압 벡터의 끝 시점이 일치하게 되어 인버터의 두 번째 영전압 벡터 인가시간은 T₀(=T₀'-ΔT)로 컨버터의 두 번째 영전압 벡터 인가시간, T₀"와 동일하게 되고, 게이팅이오프(OFF) 순서인 경우에는 컨버터와 인버터의 유효 전압 벡터의 시작 시점이 일치하게 되도록 인버터의 유효 전압 벡터가 ΔT만큼 이동시킨다.

한 제어 주기내의 3개의 커먼-모드 전압 펄스 중 하나의 커먼-모드 전압 펄스를 제거하기 위한 LL방식과 SS방식에서 이동 시간, ΔT는 다음의 수학식 2로부터 계산할 수 있다. 대부분의 교류전동기 구동 시스템에서 컨버터의 변조 지수는 인버터의 변조 지수보다 크므로, ΔT는 양의 값을 가지게 된다. 만약 ΔT가 음이라면, 인버터의 유효 벡터를 이동시키는 대신에 컨버터의 유효 벡터를 이동시킴으로써 구현될 수 있다.

상기 수학식 2에서, T₀"은 컨버터의 첫 번째 영전압 벡터 인가 시간, T₀'은 3상 대칭 SVPWM을 사용할 경우 인버터의 첫 번째 영전압 벡터 인가 시간, T_act는 인버터의 유효 전압 벡터 인가 시간을 의미한다.

위에서 설명한 바와 같이, 한 제어 주기 내의 3개의 커먼-모드 전압 펄스 중 하나의 커먼-모드 전압 펄스를 제거하기 위하여 LL방식과 SS방식을 사용할 수 있다. 아래에서 LL방식과 SS방식 중 어느 것을 선택하는 기준을 설명한다.

전동기 상전류 리플분의 제곱근평균(rms)의 제곱인 I² _ripple은 한 샘플링 주기 내의 영전압 벡터의 위치와 밀접한 관계가 있다. 상기한 LL방식 또는 SS방식을 사용하는 경우, I² _ripple은 기존의 3상 대칭 SVPWM의 경우의 I² _ripple보다 증가할 여지가 있으므로 LL방식과 SS방식 중에서 I² _ripple의 증가를 최소화하는 방법을 선택한다.

I² _ripple은 T₀에 대한 다항식으로 표시되므로, 최소의 I² _ripple를 발생시키는 초기 영전압 벡터 인가 시간을 산술적으로 구할 수 있다. 이를 T_{0_opt}라고 정의하고, 3상 대칭 SVPWM의 초기 영전압 인가 시간, T₀'(=(T_z-T_opt)/2)와 T_{0_opt}의 차이를 δT₀라고 정의할 때, δT₀는 다음의 수학식 3과 같이 표시할 수 있다.

상기 수학식 3에서, V_α ^*와 V_γ ^*는 각각 인버터의 최대, 최소 상전압 지령치를 나타낸다.

도6은 변조 지수(M)과 인버터의 각 출력의 각(θ)에 따른 δT₀의 추이를 보여준다. 도6에서 δT₀〉0인 경우, 유효 전압 벡터의 이동으로 인한 I² _ripple의 증가를 최소화시킨다는 측면에 있어서, 상기 LL방식이 SS방식보다 유용하며, 반대로, δT₀〈0인 경우, SS방식이 LL방식보다 유용하다. 도6으로부터 LL방식 또는 SS방식의 선택은 변조 지수와는 상관없이 공간상에 전압 지령 벡터가 위치하는 섹터에 따라서 결정될 수 있음을 알 수 있다. 이를 다음의 표 2에 정리하였다.

[표 2]

전압 지령 벡터가 위치하는 섹터에 따른 제1방식과 제2방식 사이의 선택

아래에서는 T_z내에서 인버터의 게이팅 시점을 전후로 이동시켜 컨버터의 게이팅 시점과 일치시킴으로써 2V_dc/3크기의 커먼-모드 전압 펄스를 제거하는 방법을 설명한다.

베어링 전류는 전동기의 축전압이 절연파괴전압 이상이 되는 경우 베어링 윤활유의 절연 파괴로 말미암아 발생하여 전동기 외함을 따라 접지로 흐른다. 베어링 전류의 발생 여부는 축전압의 전위에 확률적으로 관계되며, 이 축전압은 커먼-모드 전압의 캐패시터 분압 형태로 주어진다. 따라서 베어링 전류의 가능성과 축전압의 감소를 위해서는 커먼-모드 전압 자체의 크기를 감소시키는 것이 중요하다. 본 발명에서는 2V_dc/3크기의 커먼-모드 전압 펄스를 인버터 게이팅 시점의 이동을 통하여 제거하여 커먼-모드 전압 펄스의 크기를 V_dc/3이하로 제한함으로써 베어링 전류 발생 확률을 감소시키고자 한다.

상기한 표 1에서 보듯이 컨버터가 영전압이고 인버터가 유효전압을 발생시키는 경우, 2V_dc/3의 커먼-모드 전압 펄스가 나타나고, 인버터가 영전압이고 컨버터가 유효전압을 발생시키는 경우, -2V_dc/3의 커먼-모드 전압 펄스가 나타난다.

이와 같이 2V_dc/3의 커먼-모드 전압 펄스가 나타나는 것은, 'C'를 컨버터의 게이팅이고, 'I'를 인버터의 게이팅으로 표시할 때, 한 제어 주기내에서 순차적으로 C-C-I-I-I-C 또는 C-I-I-I-C-C의 게이팅이 인가될 때 발생한다.

도7은 3상 대칭 SVPWM을 사용할 때, C-C-I-I-I-C의 경우 발생하는 커먼-모드 전압을 보여주는 도면이고, 도8은 C-I-I-I-C-C의 경우 발생하는 커먼-모드 전압을 보여주는 도면이다.

C-C-I-I-I-C의 경우, 컨버터와 인버터의 유효 전압을 유지한 상태로 한 제어 주기내에서 인버터의 게이팅 시점을 이동시킬 수 있는 방법으로는 상기한 LL방식, SS방식 또는 LM방식이 있다.

도9는 LL방식을 통하여 인버터의 게이팅 시점을 이동시킬 경우에 발생하는 커먼-모드 전압을 보여주는 도면이고, 도10은 SS방식을 통하여 인버터의 게이팅 시점을 이동시킬 경우에 발생하는 커먼-모드 전압을 보여주는 도면이고, 도11은 LM방식을 통하여 인버터의 게이팅 시점을 이동시킬 경우에 발생하는 커먼-모드 전압을 보여주는 도면이다.

LM방식은, 인버터의 극전압 지령 중 가장 큰 상의 게이팅 시점을 이동시켜 컨버터의 극전압 지령 중 두 번쩨로 큰 상에 일치시키는 방법(LM방식)으로서, 단계별로 설명하면 다음과 같다. 인버터의 유효 전압 벡터를 ΔT만큼 이동시키면,온(ON) 순서인 경우 게이팅 시점의 일치로 인하여 인버터의 첫 번째 영전압 벡터 인가시간은 T₀(=T₀'-ΔT)로 되고, 게이팅이 오프(OFF) 순서인 경우에는 게이팅 시점의 일치로 인하여 인버터의 두 번째 영전압 벡터 인가시간은 T₀(=T₀'-ΔT)로 된다.

도9와 도11에서 보이는 바와 같이, LL방식과 LM방식을 사용하면, 2V_dc/3의 전압 펄스를 제거하여 커먼-모드 전압을 V_dc/3로 제한함을 알 수 있고, 도10에서 보이는 바와 같이, SS방식은 2V_dc/3의 전압펄스를 제거하지 못하고, 대신 V_dc/3 전압 펄스를 제거하게 되어 축전압 감소에 기여하지 못한다. 따라서 본 발명에서는 커먼-모드 전압의 2V_dc/3 전압 펄스를 제거할 수 있는 인버터의 유효 전압 이동 방법으로 C-C-I-I-I-C인 경우 LL방식과 LM방식을 사용하는 것을 제안한다.

한편, C-I-I-I-C-C인 경우, 컨버터와 인버터의 유효전압을 유지한 상태로 한 제어주기 내에서 인버터의 게이팅 시점을 이동시킬 수 있는 방식은 LL방식, SS방식 또는 SM방식이 있다.

도12는 LL방식을 통하여 인버터 게이팅을 이동시킬 경우에 발생하는 커먼-모드 전압을 보여준다. 도13은 SS방식을 통하여 인버터 게이팅을 이동시킬 경우에 발생하는 커먼-모드 전압을 보여준다. 도14는 SM방식을 통하여 인버터의 게이팅을 이동시킬 경우에 발생하는 커먼-모드 전압을 보여준다.

SM 방식은, 인버터의 극전압 지령 중 가장 작은 상의 게이팅 시점을 이동시켜 컨버터의 극전압 지령 중 두 번쩨로 큰 상에 일치시키는 방법으로서, 인버터의유효 전압 벡터를 ΔT만큼 이동시키면, 온(ON) 순서인 경우 게이팅 시점의 일치로 인하여 인버터의 두 번째 영전압 벡터 인가시간은 T₀(=T₀'-ΔT)로 되고, 게이팅이 오프(OFF) 순서인 경우에는 게이팅 시점의 일치로 인하여 인버터의 첫 번째 영전압 벡터 인가시간은 T₀(=T₀'-ΔT)로 된다.

도13과 도14에서 보이는 바와 같이, SS방식과 SM방식을 사용하면, 2V_dc/3의 전압펄스를 제거하여 커먼-모드 전압을 V_dc/3로 제한함을 알 수 있고, 도12에서 보이는 바와 같이, LL방식은 2V_dc/3의 전압 펄스를 제거하지 못하고, 대신 V_dc/3 전압 펄스를 제거하게 되어 축전압 감소에 기여하지 못한다. 따라서, 본 발명에서는 커먼-모드 전압의 2V_dc/3 전압 펄스를 제거할 수 있는 인버터의 유효전압 이동 방식으로 C-I-I-I-C-C의 경우, SS방식과 SM방식을 사용하는 것을 제안한다.

상기에서 제시한 본 발명에 의한 커먼-모드 전압 펄스 제거 방법의 타당성을 입증하기 위하여, 22㎾ 유도전동기 구동용 3상 PWM 컨버터/인버터 시스템을 이용하여 실험을 행하였다. 3상 승합형 PWM 컨버터는 단위 역률제어와 dc 버스 전압을 370V로 제어하고 있고, PWM 인버터는 22㎾ 유도전동기를 50㎐V/f로 제어하고 있다. PWM 컨버터와 인버터의 게이팅 주파수는 모두 2.5㎑이며 제어 주기가 서로 동기화되어 있다.

도15는 종래의 3상 대칭 SVPWM을 사용하였을 때의 한 제어 구간 동안의 V_gn, V_sn및 V_sg을 도시한 것이다. 여기에서, V_gn은 접지점(g)와 dc 버스 중성점(n)과의 전압차를 의미하고, V_sn은 전동기 고정자 권선의 중성점(s)과 dc 버스 중성점(n)과의 전압차를 의미한다. V_gn과 V_sn은 영전압이 인가될 때, ±V_dc/2의 전압을 가지게 되고, 유효 전압이 인가될 경우에는 ±V_dc/6의 전압을 가진다. 도7에서 보이는 바와 같이, V_sg는 컨버터와 인버터의 게이팅 상태에 따라서 한 제어 구간 동안 3개의 커먼-모드 전압 펄스를 가진다.

도16은 본 발명에 의한 방법을 사용하였을 경우의 V_gn, V_sn및 V_sg을 도시한 것이다. 도16에서는 컨버터와 인버터의 유효 벡터 인가 시점이 서로 일치함을 알 수 있고, 도15에서 보이는 3개의 커먼-모드 전압 펄스 중 첫 번째 것이 제거되어 한 샘플링 주기 동안 2개의 커먼-모드 전압 펄스가 발생됨을 알 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 3상 펄스폭변조 컨버터-인버터 시스템에서의 커먼-모드 전압 펄스 제거 방법에서는 인버터의 유효 출력 전압을 왜곡시키지 않고 게이팅 시점을 이동시켜 컨버터의 게이팅 시점과 일치시키는 방식을 사용하여, 한 제어 주기내의 3개의 커먼-모드 전압 중 하나를 제거하거나, 2Vdc/3 크기의 커먼-모드 전압 펄스를 제거할 수 있다.

Claims

교류전동기 구동용 3상 펄스폭변조 컨버터와 인버터 시스템의 커먼-모드 전압 펄스를 제거하는 방법에 있어서,

다음에 기재하는 방식 중 어느 하나의 방식을 사용하여 인버터의 유효 출력 전압을 왜곡시키지 않고 게이팅 시점을 이동시켜 컨버터의 게이팅 시점과 일치시키는 것을 특징으로 하는 3상 펄스폭변조 컨버터-인버터 시스템에서의 커먼-모드 전압 펄스 제거 방법:

(1) 인버터의 극전압 지령 중 가장 큰 상의 게이팅 시점을 이동시켜 컨버터의 극전압 지령 중 가장 큰 상에 일치시키는 방식(LL방식)으로서, 인버터의 유효 전압 벡터를 ΔT만큼 이동시키는 단계(1a); 게이팅이 온(ON) 순서인 경우 컨버터와 인버터의 유효 전압 벡터의 시작 시점이 일치하게 되어 인버터의 첫 번째 영전압 벡터 인가시간은 T₀(=T₀'-ΔT)로 컨버터의 첫 번째 영전압 벡터 인가시간, T₀"와 동일하게 되는 단계(1b); 및 게이팅이 오프(OFF) 순서인 경우에는 컨버터와 인버터의 유효 전압 벡터의 끝 시점이 일치하게 되도록 인버터의 유효 전압 벡터가 ΔT만큼 이동시키는 단계(1c);

(2) 인버터의 극전압 지령 중 가장 작은 상의 게이팅 시점을 이동시켜 컨버터의 극전압 지령 중 가장 작은 상에 일치시키는 방법(SS방식)으로서, 인버터의 유효 전압 벡터를 ΔT만큼 이동시키는 단계(2a); 게이팅이 온(ON) 순서인 경우 컨버터와 인버터의 유효 전압 벡터의 끝 시점이 일치하게 되어 인버터의 두 번째 영전압 벡터 인가시간은 T₀(=T₀'-ΔT)로 컨버터의 두 번째 영전압 벡터 인가시간, T₀"와 동일하게 되는 단계(2b); 및 게이팅이 오프(OFF) 순서인 경우에는 컨버터와 인버터의 유효 전압 벡터의 시작 시점이 일치하게 되도록 인버터의 유효 전압 벡터가 ΔT만큼 이동시키는 단계(2c);

(3) 인버터의 극전압 지령 중 가장 큰 상의 게이팅 시점을 이동시켜 컨버터의 극전압 지령 중 두 번째로 큰 상에 일치시키는 방법(LM방식)으로서, 인버터의 유효 전압 벡터를 ΔT만큼 이동시키는 단계(3a); 온(ON) 순서인 경우 게이팅 시점의 일치로 인하여 인버터의 첫 번째 영전압 벡터 인가시간은 T₀(=T₀'-ΔT)로 되는 단계(3b); 및 게이팅이 오프(OFF) 순서인 경우에는 게이팅 시점의 일치로 인하여 인버터의 두 번째 영전압 벡터 인가시간은 T₀(=T₀'-ΔT)로 되는 단계(3c);

(4) 인버터의 극전압 지령 중 가장 작은 상의 게이팅 시점을 이동시켜 컨버터의 극전압 지령 중 두 번째로 큰 상에 일치시키는 방법(SM방식)으로서, 인버터의 유효 전압 벡터를 ΔT만큼 이동시키는 단계(4a); 온(ON) 순서인 경우 게이팅 시점의 일치로 인하여 인버터의 두 번째 영전압 벡터 인가시간은 T₀(=T₀'-ΔT)로 되는 단계(4b); 및 게이팅이 오프(OFF) 순서인 경우에는 게이팅 시점의 일치로 인하여 인버터의 첫 번째 영전압 벡터 인가시간은 T₀(=T₀'-ΔT)로 되는 단계(4c);
제1항에 있어서,

상기한 LL방식 또는 SS방식을 사용하여 한 제어 주기내의 3개의 커먼-모드 전압 펄스 중 하나를 제거하는 것을 특징으로 하는 3상 펄스폭변조 컨버터-인버터 시스템에서의 커먼-모드 전압 펄스 제거 방법.
제2항에 있어서,

LL방식과 SS방식 중 전동기 상전류 리플분의 제곱근평균(rms)의 제곱인 I² _ripple의 증가를 최소화하는 방법을 선택하기 위하여, I² _ripple를 발생시키는 초기 영전압 벡터 인가 시간을 T_{0_opt}라 하고, 3상 대칭 SVPWM의 초기 영전압 인가 시간, T₀'(=(T_z-T_opt)/2)와 T_{0_opt}의 차이를 δT₀라고 정의할 때, δT₀〉0인 경우, 상기한 LL방식을 선택하고, 반대로, δT₀〈0인 경우, 상기한 SS방식을 선택하는 것임을 특징으로 하는 3상 펄스폭변조 컨버터-인버터 시스템에서의 커먼-모드 전압 펄스 제거 방법.
제1항에 있어서,

3상 대칭 SVPWM을 사용할 때, C-C-I-I-I-C('C'는 컨버터의 게이팅, 'I'는 인버터의 게이팅을 각각 나타냄)의 경우 발생하는 커먼-모드 전압에 관하여, 상기한 LL방식 또는 LM방식을 사용하여 2V_dc/3크기의 커먼-모드 전압 펄스를 제거하는 것을특징으로 하는 3상 펄스폭변조 컨버터-인버터 시스템에서의 커먼-모드 전압 펄스 제거 방법.
제1항에 있어서,

3상 대칭 SVPWM을 사용할 때, C-I-I-I-C-C('C'는 컨버터의 게이팅, 'I'는 인버터의 게이팅을 각각 나타냄)의 경우 발생하는 커먼-모드 전압에 관하여, 상기한 SS방식 또는 SM방식을 사용하여 2V_dc/3크기의 커먼-모드 전압 펄스를 제거하는 것을 특징으로 하는 3상 펄스폭변조 컨버터-인버터 시스템에서의 커먼-모드 전압 펄스 제거 방법.