KR100335980B1 - 컨버터 제어 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 컨버터 제어 장치 및 방법에 관한 것으로, 3상(Er, Es, Et)의 전원을 입력받아 R상의 제로 크로싱으로부터 전원의 전압 벡터가 회전 좌표계상의 q축에 일치하도록 회전 각속도() 및 회전각()를 설정하고, 3상의 전류()를 2상 전류()로 변환하여 정지 좌표계로 만든 후, 다시 상기 정지 좌표를 회전 좌표에 의한 직류 전류(

Description

컨버터 제어 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR CONTROLLING OF CONVERTER}

본 발명은 컨버터 제어 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 PWM 컨버터를 사용하는 구조에서 입력전류에 포함된 고조파 성분을 제거함으로써 시스템의 전류 고조파 함유율 및 역률을 높힐 수 있도록 하기 위한 컨버터 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.

현재 전동기를 구동하는 인버터 시스템은 전원 입력단에 다이오드 컨버터를 사용하는 구조와 펄스폭 변조(PWM) 컨버터를 사용하는 구조로 크게 나눌 수 있다.

다이오드 컨버터의 경우는 직류 출력 전압이 가능한한 리플 성분을 포함하지 않아야 하므로 큰 용량의 커패시터가 다이오드 컨버터의 직류 출력단에 필터로서 연결이 된다.

따라서, 일반적인 커패시터 입력형의 다이오드 정류회로에서는 커패시터가 충방전을 거듭함에 따라 입력 전류에 저차의 고조파 성분을 많이 포함하게 되고, 특히 펄스형의 전원전류가 흐르기 때문에 전원 역률이 0.65∼0.75로 비교적 나쁘게 된다.

이러한 저차의 고조파 전류는 전력 계통에 장애가 되기 때문에 이에 대한 대책으로 전류 평활용 리액터를 연결시켜서 전류의 피크치를 낮추는 방법도 있다.

그러나, 이러한 방법은 전류를 평활시키는 목적에 사용할 수 있을 뿐 DC 링크 전압(컨버터의 출력전압)을 일정하게 한다든지 전동기의 기계적 에너지를 전원단으로 회생시키는 목적에는 사용할 수 없기 때문에, 전력 소자(IGBT : Insulated GateBipolar Transistor)를 이용한 승압형 PWM 정류기를 사용하고 있다.

이와 같은 방법을 통하여 다이오드 정류회로의 문제점이었던 입력 전류의 전류 고조파 함유율(THD) 문제를 상당히 해소하였다.

그러나, 아직 완전히 해결된 것은 아니며 최근 유럽을 중심으로 해서 입력 전류의 고조파 함유율(THD)을 기준치 이하로 규제하는 움직임이 일어나고 있어서 점점 그 관심이 고조되고 있는 상태이다.

도1은 종래 PWM 컨버터를 이용한 정류기의 제어 계통을 보인 구성도로서, 이에 도시된 바와 같이 3상의 전원(Er, Es, Et)을 입력받아 전원위상 검출기(1)를 통해 R상의 제로 크로싱으로부터 전원의 전압 벡터가 회전 좌표계상의 q축에 일치하도록 회전 각속도() 및 회전각()를 설정하고, 전류 위상 변환부(5)를 통해 3상의 전류()를 2상 전류()로 변환하여 정지 좌표계로 만든 후 다시 좌표 변환부(6)를 통해서 상기 정지 좌표를 회전 좌표에 의한 직류 전류()로 변환하여 출력한다.

이때 상기 2상 전류는 R상과 S상의 전류 검출기(CT,미도시) 출력을 A/D 변환하고 T상은 3상 평형을 가정하여 계산한다.

여기서, 역률을 1로 맞추기 위해 d축 전류()를 0으로 제어하기 위한 지령치()를 0으로 하여 d축 전류 제어기(3)로 출력하고, 그 전류 제어기(3)의 출력에 q축의 간섭분()을 보상하여 d축 전압 지령()을 만든다.

다음, 전압 제어기(2)는 컨버터(10)에서 출력시키고자 하는 직류 전압의지령()과 컨버터(2)의 출력부에서 검출된 직류 전압(DC 링크 전압,)의 A/D 변환된 DC 링크 전압을 입력받아 그 전압차로부터 전압 제어를 행하여 q축 전류 지령()을 만들고, q축 전류 제어기(4)는 상기 q축 전류 지령에 의해 q축 전류를 제어하기 위하여 PI 전류 제어를 행하고, 상기 q축 전류 제어기(4)의 출력()에 D축의 간섭분()을 보상하여 q축 전압 지령()을 만든다.

이렇게 만들어진 d,q축의 전압 지령(,)을 이번에는 역으로 역 좌표 변환부(7)를 통해 정지 좌표로 변환한 후 역 상 변환부(8)를 통해 3상 전압으로 변환하여 게이트 구동부(9)에 입력하고, 그에 따른 PWM 제어신호를 출력하여 컨버터(10)의 전력소자들을 스위칭하게 된다.

이를 도2의 순서도를 참조하여 다시 설명하면 다음과 같다.

일단, 컨버터를 이용한 정류 제어과정이 시작되면 전원 전압과 컨버터의 출력전압(DC 링크전압)을 검출하여 입력받은 후 PI 전류 제어를 위해 검출된 3상 전원의 전류를 정지 좌표인 2상의 전류로 변환한 후 다시 회전 좌표로 변환시킨다.

다음, 상기 회전 좌표로 변환된 전류()와 DC 링크전압을 입력받아 전압 지령치()에 추종하도록 회전 좌표의 각 d,q 축의 전류를 제어한 후 이를 다시 정지 좌표 전압으로 변환하고, 3상으로 다시 변환하여 게이트 구동부(9)에 입력하도록 하여 컨버터(10)를 제어한다.

그러나, 상기에서와 같이 종래의 기술에 있어서는 공급 전원이 깨끗한 경우에는 전류 제어기를 통하여서 입력 전류도 깨끗하게 할 수 있었으나 전원 전압 자체가 많은 고조파를 포함하고 있는 경우 전류 제어기의 출력에 의한 입력 전류 파형도 고조파를 포함하게 되어 규정 이상으로 고주파 함유율(THD)이 높아지게 되는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 창출한 것으로, 입력전류에 포함된 고조파 성분을 제거함으로써 시스템의 전류 고조파 함유율 및 역률을 높힐 수 있도록 하는 컨버터 제어 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

도1은 종래 PWM 컨버터를 이용한 정류기의 제어 계통을 보인 구성도.

도2는 종래 PWM 컨버터 제어 과정을 보인 순서도.

도3은 본 발명에 의한 PWM 컨버터의 제어를 위한 일실시예의 구성을 보인 블록도.

도4는 본 발명에 의한 PWM 컨버터의 제어 과정을 보인 순서도.

***도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명***

100 : 고조파 좌표 변환부 200 : d축 고조파 전류 제어기

300 : q축 고조파 전류 제어기

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 전원 전류에 포함된 고조파 성분의 크기에 해당하는 직류 성분을 검출하는 제1단계와; 상기 고조파 성분을 수학식1에 의해 회전 좌표계상에서의 d,q축 전류 성분으로 변환시키는 제2단계와; 상기 d,q축 고조파 전류 성분을 제거하기 위한 지령치를, 기존의 d,q축 전류를 제어하기 위한 전압 지령에 합하여, 전원 전압에 포함된 고조파 성분을 보상하는 새로운 d,q축 전압 지령을 생성하는 제4단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 따른 일실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도3은 본 발명에 의한 PWM 컨버터의 제어를 위한 일실시예의 구성을 보인 블록도로서, 이에 도시한 바와 같이 도1의 구성에서 좌표 변환부(6)를 통해 변환된 기존 d,q축의 고조파 전류의 회전 좌표를 다시 6배 빠른 주파수로 회전하고 있는 6차 고조파 전류회전 좌표로 변환시켜 주는 고조파 좌표 변환부(100)와; 상기 고조파 좌표 변환부(100)를 통해 출력된 d축과 q축의 6차 고조파 성분을 '0'으로 만들기 위한 d축 고조파 전류 제어기(200),q축 고조파 전류 제어기(300)를 더 포함하여 구성된 것으로, 이의 동작 및 작용을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 상기 고조파 좌표 변환부(100)는 d축, q축에 대해서 동일하게 N차 고조파 전류를 출력하게 되는데, 본 실시예에서는 실험에 의하여 가장 강하게 측정된 6차 고조파에 해당하는 성분을 출력시킨다.

따라서, 입력 전류에 포함된 6차 고조파 성분이 이 고조파 좌표 변환부(100)를 거치게 되면 고조파 성분의 크기에 해당하는 직류 성분이 출력이 될 것이다

6차 고조파 성분을 6차 회전 좌표계상에서의 d,q축 전류 성분으로 변환시켜 주는 식은 다음 수학식 1과 같다.

여기서,는 전원에서 검출된 위상이다.

다음, 상기와 같이 구한 6차 고조파 전류를 d축 고조파 전류 제어기(200)와 q축 고조파 전류 제어기(300)로 입력시키게 된다.

이때에 d,q축 고조파 전류 제어기(200,300)의 지령치는 항상 0이다.

즉, 이러한 6차 고조파 성분을 모두 제거하는 방향으로 제어기가 동작하게 되는 것이다.

이 고조파 전류 제어기의 지령치와 기존의 전류 제어기(3,4)의 지령치를 합하여서 d,q축의 전압 지령(,)을 생성하게 된다.

이를 도4의 순서도를 참조하여 다시 설명하면 다음과 같다.

일단, 전원 전류를 정류하는 과정은 종래와 같다. 즉, 정류 제어과정이 시작되면 전원 전압과 컨버터의 출력전압(DC 링크전압)을 검출하여 입력받은 후 PI 전류 제어를 위해 검출된 3상 전원의 전류를 정지 좌표인 2상의 전류로 변환한 후 다시 회전 좌표로 변환시킨다.

다음, 상기 회전 좌표로 변환된 전류()와 DC 링크전압을 입력받아 전압 지령치()에 추종하도록 회전 좌표의 각 d,q 축의 전류를 제어한 후 이를 다시 정지 좌표 전압으로 변환하고, 3상으로 다시 변환하여 게이트 구동부(9)에 입력하도록 하여 컨버터(10)를 제어한다.

다만, 좌표 변환부(6)를 통해 출력된 회전 좌표에서 6차 고조파 성분의 회전 좌표를 구하고, 이를 이용하여 d,q축의 N차 고조파 전류를 제어하여 전원에 의해 고조파 함유율을 감쇄시키게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명 컨버터 제어 장치 및 방법은 전원 전압 자체에 많이 포함되어 있는 고조파를 PWM 컨버터를 사용하는 구조에서 입력전류에 포함된 고조파 성분을 제거함으로써 시스템의 전류 고조파 함유율 및 역률을 높힐 수 있는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 3상(Er, Es, Et)의 전원을 입력받아 R상의 제로 크로싱으로부터 전원의 전압 벡터가 회전 좌표계상의 q축에 일치하도록 회전 각속도() 및 회전각()를 설정하고, 3상의 전류()를 2상 전류()로 변환하여 정지 좌표계로 만든 후, 다시 상기 정지 좌표를 회전 좌표에 의한 직류 전류()로 변환하여 출력하는 PWM 컨버터를 이용한 정류기의 전원 전압 자체에 포함되어 있는 고조파 성분을 제거함에 있어서,

   전원 전류에 포함된 고조파 성분의 크기에 해당하는 직류 성분을 검출하는 제1단계와; 상기 고조파 성분을 수학식1에 의해 회전 좌표계상에서의 d,q축 전류 성분으로 변환시키는 제2단계와; 상기 d,q축 고조파 전류 성분을 제거하기 위한 지령치를, 기존의 d,q축 전류를 제어하기 위한 전압 지령에 합하여, 전원 전압에 포함된 고조파 성분을 보상하는 새로운 d,q축 전압 지령을 생성하는 제4단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 컨버터 제어 방법.

   (수학식 1)

   (d축 전류 성분) i_Nde= cosNθ ×i_de+ sinNθ× i_qe

   (q축 전류 성분) i_Nqe= -sinNθ'×i_de+ cosNθ ×i_qe

   여기서, θ는 전원에서 검출된 위상이고, N은 고조파의 차수.
2. 3상(Er, Es, Et)의 전원을 입력받아 R상의 제로 크로싱으로부터 전원의 전압 벡터가 회전 좌표계상의 q축에 일치하도록 회전 각속도() 및 회전각()를 설정하고, 3상의 전류()를 2상 전류()로 변환하여 정지 좌표계로 만든 후, 다시 상기 정지 좌표를 회전 좌표에 의한 직류 전류()로 변환하여 출력하는 PWM 컨버터를 이용한 정류기에 있어서,

   전원 전류의 회전 좌표값에서 N차 고조파 성분을 검출하여 회전 좌표로 변환시키는 고조파 좌표 변환부와; 상기 고조파 좌표 변환부를 통해 출력된 d,q축의 고조파 성분을 0으로 만들기 위한 d축 고조파 전류 제어기 및 q축 고조파 전류 제어기를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 컨버터 제어 장치.