KR101661379B1 - 인버터에서 직류단 커패시터의 용량 추정장치 - Google Patents

Abstract

인버터에서 직류단 커패시터의 용량 추정장치가 개시된다. 본 발명의 용량 추정장치는, 단위 전력셀 중 직류단 커패시터의 용량을 추정할 단위 전력셀을 선택하고, 복수의 단위 전력셀을 제어하는 지령전압을 수정하여 직류단 커패시터의 용량을 추정한다.

Description

인버터에서 직류단 커패시터의 용량 추정장치{APPARATUS FOR ESTIMATING CAPACITANCE OF DC-LINK CAPACITOR IN INVERTER}

본 발명은 인버터에서 직류단 커패시터의 용량 추정장치에 관한 것이다.

멀티레벨 고압인버터(multi-level medium-voltage inverter)는 입력되는 선간전압의 실효치가 600V 이상인 인버터로, 출력 상전압(output phase voltage)이 여러 단계(multi-level)로 출력된다. 고압 인버터는 수백 kW ~ 수십 MW의 용량을 갖는 대용량의 전동기를 구동하는데 사용되며, 주로 팬(fan), 펌프(pump), 압축기(compressor), 견인(traction), 승강(hoist), 컨베이어(conveyor)와 같은 분야에서 주로 사용된다.

멀티레벨 고압인버터중, 직렬형 H-브릿지 인버터는 모듈화(modular) 구조로 인하여 확장이 쉬워, 고압인버터에 주로 사용되고 있다. 이러한 직렬형 H-브릿지 인버터는 단위 전력셀마다 대용량의 직류단 커패시터를 포함하는데, 직류단 커패시터는 전력변환 회로의 구성품 중 가장 고장(fault) 상태에 이르기 쉬운 문제점이 있다.

도 1은 종래의 적용되는 직렬형 H-브릿지 고압인버터의 일실시예 구성도이다.

도면에 도시된 바와 같이, 종래의 고압인버터(100)는, 입력전원(200)으로부터 선간전압 실효치가 600V 이상인 전압을 수신하고, 이를 3상 전압으로 변환하여 전동기(300)에 출력한다. 전동기(300)는 고압(medium voltage)의 3상 전동기이다.

이러한 고압인버터(100)는, 위상치환 변압기(110) 및 복수의 단위 전력셀(120a 내지 120f)로 구성된다.

위상치환 변압기(110)는 입력전원(200)과 고압인버터(100)를 전기적으로 절연하고, 입력단의 고조파를 저감하고, 또한 각 단위 전력셀(120a 내지 120f)에 입력 3상전원을 제공한다.

단위 전력셀(120a 내지 120f)은 위상치환 변압기(110)로부터 전원을 수신하여, 전동기(300)의 상전압(phase voltage)을 출력한다. 각 단위 전력셀은 세개의 그룹으로 구성된다. 도 1에서, 전력셀A1 및 전력셀A2(120a, 120b)는 직렬연결되어 전동기(300)의 a상전압을 합성(synthesize)하고, 전력셀B1 및 전력셀B2(120c, 120d)는 전동기(300)의 b상전압을, 전력셀C1 및 전력셀C2(120e, 120f)는 전동기(300)의 c상전압을 합성한다. 합성된 b상전압과 a상전압은 120도의 위상차를 가지고, c상전압과 b상전압 역시 120도의 위상차를 가진다.

도 2는 도 1의 단위 전력셀의 세부 구성도이다.

도면에 도시된 바와 같이, 일반적인 고압인버터의 단위 전력셀(120)은, 정류부(121), 직류단 커패시터(122), 인버터부(123), 전압센서(124), 전류센서(125), 구동부(126) 및 제어부(127)로 구성된다.

정류부(121)는 위상치환 변압기(110)로부터 전기적으로 절연된 교류전압을 수신하여 직류전압으로 변환한다. 정류부(121)는 일반적으로 복수의 다이오드로 구성되며, 정류된 전압은 정류부(121)의 입력전력과 출력전력의 차와 직류단 커패시터(122)의 용량과의 관계에 의해 결정된다.

직류단 커패시터(122)는 정류부(121)와 인버터부(123) 간의 전력차를 보상하고, 전압센서(124)는 직류단 커패시터(122)의 전압을 측정한다.

인버터부(123)는 단상 풀 브릿지 인버터(single phase full bridge inverter)이며, 직류단 전압으로부터 전력 스위치를 통해 전동기(300)에 출력하는 전압을 합성한다.

전류센서(125)는 인버터부(123)의 출력전류를 측정한다.

구동부(126)는 각 단위 전력셀마다 독립적으로 구동신호를 전송하는 것으로, 제어부(127)로부터 전압지령을 수신하여 인버터부(123)의 스위칭 상태를 결정하는 게이팅 신호를 발생하고, 단위 전력셀의 상태를 제어부(127)에 제공한다.

제어부(127)는 각 단위 전력셀(120)에 전압지령(V_ref)을 인가하며, 전체 시스템의 시퀀스(sequence)를 결정한다. 제어부(127)는 사용자의 명령과 설정에 따라, 각 단위 전력셀(120)에 인가되는 전압지령을 결정할 수 있다.

제어부(127)의 전압지령에 따라, 구동부(126)는 직류단 전압(V_dc)을 고려하여, 전압지령에 대한 게이팅 신호를 결정할 수 있다. 또한, 구동부(126)는 출력전류(I_out)와 직류단 전압(V_dc)에 따라 고장이라고 판단된 경우, 게이팅 신호의 발생을 중지할 수 있다.

이와 같은 시스템에서, 직류단 전압을 평활하기 위하여 사용되는 직류단 커패시터는 다른 소자들에 비해 상대적으로 수명이 짧고, 고장발생 빈도가 가장 높아, 인버터의 신뢰성에 가장 큰 영향을 미친다. 이러한 직류단 커패시터(122)의 고장상태를 판별하기 위해 종래에는 별도의 장치를 요구하거나, 전원분리상태와 같은 특정 운전상태에서 사용되므로, 실시간으로 그 상태를 측정할 수 없었다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 직렬형 H-브릿지 고압인버터의 단위 전력셀의 전압지령에서 교류전력을 발생하는 전압지령을 분리하여 각 단위 전력셀의 출력전압지령을 다르게 하고, 캐패시터의 전력에 관한 식을 이용하여 용량을 추정하는 인버터 직류단 커패시터의 용량 추정장치를 제공하는 것이다.

상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해, 직렬연결된 복수의 단위 전력셀이 전동기로 하나의 상전압을 출력하는 고압인버터 시스템에서, 상기 단위 전력셀의 직류단 커패시터의 용량을 추정하는 본 발명의 장치는, 상기 복수의 단위 전력셀에 대한 전압지령(제1전압지령)을 생성하고, 상기 복수의 단위 전력셀 중 직류단 커패시터의 용량추정에 사용될 단위 전력셀(제1단위 전력셀)을 선택하는 선택신호를 생성하는 제어부; 및 상기 선택신호에 따라, 부하전류각을 이용하여 전압지령을 수정하여, 상기 제1단위 전력셀의 직류단 커패시터의 용량을 추정하고, 직류단 전압을 고려하여 수정된 전압지령(제2전압지령)을 발생하기 위한 게이팅신호를 생성하여 상기 복수의 단위 전력셀 중 상기 제1단위 전력셀 이외의 단위 전력셀(제2단위 전력셀) 각각에 상기 게이팅신호를 제공하는 구동부를 포함할 수 있다.

본 발명의 일실시예에서, 상기 구동부는, 부하전류로부터 출력전류의 각에 해당하는 제1 및 제2삼각함수를 생성하는 제1생성부; 상기 제1전압지령을 수정하여, 용량추정을 위한 전압지령(제3전압지령)과 상기 제2단위 전력셀 각각에 제공할 상기 제2전압지령을 생성하는 수정부; 및 상기 제3전압지령을 이용하여 상기 제1단위 전력셀의 직류단 커패시터의 용량을 추정하는 추정부를 포함할 수 있다.

본 발명의 일실시예에서, 상기 구동부는, 상기 제2전압지령을 발생하기 위한 게이팅신호를 생성하여 상기 제2단위 전력셀 각각에 제공하는 제2생성부를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일실시예에서, 상기 제1생성부는, 이현신호인 부하전류의 위상을 지연하여 정현신호를 생성하는 제1지연부; 상기 부하전류의 크기를 구하는 제3생성부; 및 상기 이현신호 및 상기 정현신호를 상기 부하전류의 크기로 각각 정규화하여, 상기 제1 및 제2삼각함수를 각각 생성하는 정규화부를 포함할 수 있다.

본 발명의 일실시예에서, 상기 수정부는, 상기 제1전압지령을 상기 복수의 단위 전력셀의 개수(N)와 곱하여 한 상에 대한 전압지령(제4전압지령)을 생성하는 제4생성부; 및 상기 제4전압지령으로부터, 부하전류와 1/4 주기 위상차를 가지는 상기 제3전압지령을 생성하는 제5생성부를 포함할 수 있다.

본 발명의 일실시예에서, 상기 수정부는, 상기 제4전압지령으로부터 상기 제3전압지령을 차감한 전압을 상기 보수의 단위 전력셀의 개수에서 1을 차감한 수(N-1)로 나누어 상기 제2전압지령을 생성하는 제6생성부를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일실시예에서, 상기 추정부는, 상기 제3전압지령과 상기 부하전류의 크기로부터 전력을 연산하는 제1연산부; 직류단 전압의 변화량을 연산하는 제2연산부; 직류단 전압의 평균을 연산하는 제3연산부; 및 상기 전력, 변화량 및 평균으로부터, 상기 직류단 커패시터의 용량을 추정하는 용량추정부를 포함할 수 있다.

상기와 같은 본 발명은, 추정하고자 하는 단위 전력셀의 출력전력을 오직 맥동전력으로만 구성되도록 출력전압을 재구성하고, 단위 전력셀의 입력전력을 고려하지 않은 커패시터 전력을 사용하여, 직류단 커패시터의 용량을 추정할 수 있으며, 추가적인 장비 및 장치 없이, 운전 중에도 단위 전력셀에서 직류단 커패시터의 용량을 주기적으로 추정하여 직류단 커패시터의 상태를 판단하고, 이를 바탕으로 고압인버터의 안정성 및 신뢰성을 향상할 수 있다.

도 1은 종래의 직렬형 H-브릿지 고압인버터의 일실시예 구성도이다.
도 2는 도 1의 단위 전력셀의 세부 구성도이다.
도 3은 본 발명에 따른 고압인버터 시스템의 개략적인 동작을 설명하기 위한 구성도이다.
도 4는 도 3의 단위 전력셀의 상세 구성도이다.
도 5는 도 4의 제어부 및 구동부의 상세 구성도이다.
도 6은 도 5의 부하전류각 연산부의 상세 구성도이다.
도 7은 도 5의 전압지령 수정부의 상세 구성도이다.
도 8은 도 7의 전압지령 수정부의 동작을 설명하기 위한 일예시도이다.
도 9는 도 5의 추정부의 상세 구성도이다.
도 10은 도 9의 전력연산부의 상세 구성도이다.
도 11은 도 9의 변화량 연산부와 평균연산부의 상세 구성도이다.
도 12는 도 9의 용량추정부의 상세 구성도이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 고압인버터 시스템의 개략적인 동작을 설명하기 위한 구성도로서, 2단의 단위 전력셀로 구성된 것을 나타낸 것이다. 다만, 단위 전력셀의 수는 편의상 도시한 예시적인 것으로서, 필요에 따라 단위 전력셀의 수가 변경될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 자명하다 할 것이다.

도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 고압인버터 시스템에서 고압인버터(1)는, 입력전원(2)으로부터 선간전압 실효치가 600V 이상인 전압을 수신하고, 이를 3상 전압으로 변환하여 전동기(3)에 출력한다. 전동기(3)는 고압의 3상 전동기로서, 예를 들어, 유도전동기(induction machine) 또는 동기전동기(synchronous machine)일 수 있다.

본 발명의 고압인버터(1)는 제어부(30)를 포함하며, 제어부(30)는 선택신호 생성부(32)를 포함하는데, 선택신호 생성부(32)에서 결정된 신택신호에 따라, 각 상의 전력셀 중 어느 하나가 선택된다. 선택된 전력셀은 해당 상의 다른 셀과 달리, 커패시터의 용량추정을 위해 수정된 전압지령을 사용하여 용량추정을 수행한다.

즉, 본 발명의 제어부(30)의 선택신호 생성부(32)에 의해 각 상당 하나의 전력셀이 선택되며, 선택된 전력셀이 본 발명의 용량추정을 위해 사용되고, 그 외 전력셀은 일반적인 인버터 동작을 수행하게 된다.

도 4는 도 3의 단위 전력셀의 상세 구성도이며, 도 5는 도 4의 제어부 및 구동부의 상세 구성도로서, 복수의 단위 전력셀(20a 내지 20f)의 구성은 동일하다 할 수 있으므로, 통합하여 설명하기로 한다.

도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 단위 전력셀(20)은, 정류부(21), 직류단 커패시터(22), 인버터부(23), 전압센서(24), 전류센서(25), 구동부(40) 및 제어부(30)를 포함한다. 정류부(21), 직류단 커패시터(22), 인버터부(23), 전압센서(24) 및 전류센서(25)의 동작에 대해서는, 도 2를 참조로 한 바와 동일하므로, 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.

도 5에 도시된 바와 같이, 도 4의 제어부(30)는 전압지령 발생부(31) 및 선택신호 생성부(32)를 포함하고, 구동부(40)는 부하전류각 연산부(41), 전압지령 수정부(42), 추정부(43) 및 게이팅신호 발생부(44)를 포함한다. 본 발명의 구동부(40) 및 제어부(30)는 별도의 구성요소로서 제공되는 경우를 설명하겠으나, 하나의 구성요소로 통합하여 제공될 수도 있음은 자명하다.

본 발명의 제어부(30)는 각 단위 전력셀에 전압지령(V_ref)을 인가하고, 직류단 캐패시터(22)의 용량을 추정할 단위 전력셀을 선택하는 신호(select_signal)를 생성하며, 또한 전체 시스템의 관리 및 동작을 주관한다.

구체적으로, 전압지령 발생부(31)는 사용자의 명령 및 설정에 따라 각 단위 전력셀에 제공할 전압지령을 결정한다.

선택신호 생성부(32)는 복수의 단위 전력셀(20) 중 용량을 추정할 직류단 커패시터를 포함하는 단위 전력셀을 선택하여, 선택신호를 생성한다. 선택신호는 구동부(40)의 전압지령 수정부(42)에 인가되어, 전압지령 수정부(42)가 발생하는 전압지령을 선택할 수 있다. 이는 추후 설명한다.

즉, 제어부(30)는 종래의 제어부(127)와 동일하게 전압지령을 생성하여 이를 구동부(40)에 인가하는 외에, 선택신호를 생성하여, 직류단 커패시터의 용량을 추정할 단위 전력셀을 선택한다. 용량추정을 수행하는 단위 전력셀은 각 상당 하나일 수 있으며, 각 상에서 독립적으로 선택가능하다.

구동부(40)는 복수의 단위 전력셀(20)마다 독립적으로 게이팅 신호를 생성하는 것으로서, 제어부(30)의 지령으로부터 게이팅 신호를 생성하여, 이에 따라 인버터부(23)가 출력전압을 발생하는 것이다.

부하전류각 연산부(41)는 전류센서(25)로부터 부하전류 정보(I_out)를 수신하여, 출력전류의 각에 해당하는 삼각함수(sinθ, cosθ)를 발생한다.

전압지령 수정부(42)는 제어부(30)로부터 인가되는 전압지령을 부하전류각을 이용하여 수정한다. 또한, 선택신호에 따라 전압지령을 결정한다.

추정부(43)는 전압지령 수정부(42)로부터 수신하는 출력 전압지령의 크기(V_{qe _ ref _ mag}), 부하전류각 연산부(41)로부터 수신하는 전류의 크기(I_{out _ mag}) 및 직류단 전압(V_dc)을 이용하여 직류단 커패시터의 용량(C_estimation)을 추정한다.

게이팅신호 발생부(44)는 직류단 전압을 고려하여 전압지령을 발생하기 위한 게이팅신호를 결정하여, 복수의 단위 전력셀(20)에 제공한다. 또한, 출력전류와 직류단 전압에 따라 고장인 것을 판단한 경우, 게이팅신호의 발생을 중지한다.

이하, 본 발명의 고압인버터 시스템에서 용량 추정장치의 동작을 설명하기로 한다.

도 6은 도 5의 부하전류각 연산부의 상세 구성도이다.

도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 부하전류각 연산부(41)는 지연부(69), 절대값 연산부(62) 및 정규화부(63, 64)를 포함한다.

부하전류를 이현신호(Icosθ)와 같은 정현파로 고려하면, 지연부(69)는 90°의 위상을 지연하여 부하전류와 위상이 90도 지연된 정현신호(Isinθ)를 발생할 수 있다. 지연부(69)의 지연함수는, 2차로 구현된 전역통과필터의 전달함수로 나타낼 수 있으며, 다음과 같다.

여기서,

이고, ω_N은 90°의 위상차가 발생하는 기준각 주파수이다.

절대값 연산부(62)는 부하전류의 크기(I_{out _ mag})를 구하여, 정규화부(63, 64)의 나눗셈 연산을 통해 부하전류의 각을 삼각함수(sinθ, cosθ)로 나타낼 수 있다.

한편, 전압지령 수정부(42)는 제어부(30)로부터 전압지령(V_ref)을 수신하여, 부하전류각 연산부(41)가 연산한 삼각함수를 통해 단위 전력셀(20)의 출력 전압지령을 재구성한다. 도 7은 도 5의 전압지령 수정부(42)의 상세 구성도이다.

도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 전압지령 수정부(42)는 계산부(71), 지연부(72), 곱셈부(73, 74, 77), 제한부(75), 계산부(76, 78), 및 선택부(79)를 포함한다.

계산부(71)는, 제어부(30)로부터 인가된 전압지령(V_ref)을, 고압인버터(1)의 한 상을 구성하는 단위 전력셀의 개수(N)만큼 곱하여, 고압인버터(1)의 한 상에 대한 전압지령(V_{ds_ref})을 계산한다. 도 8은 도 7의 전압지령 수정부의 동작을 설명하기 위한 일예시도로서, 계산부(71)에서 계산된 전압지령(V_{ds _ ref})을 전류각 기준좌표계의 정지좌표계(stationary reference frame) d축을 기준으로 이현함수와 같은 정현파로 고려한 것을 나타낸 것이다. 이러한 경우, 전압지령은 도 8의 V_{ds _ ref}로 나타낼 수 있고, 수학식 4에 의해 90° 위상이 지연된 전압지령은 도 8의 V_{qs _ ref}로 표현할 수 있다.

이와 같이 계산된 전류각 기준좌표계의 정지좌표계 d 및 q축 지령전압과, 부하전류각 연산부(41)로부터 계산된 삼각함수를 이용하여, 지연부(72), 및 곱셈부(73, 74)는 전류각 기준좌표계상의 동기좌표계(synchronously rotating reference frame) q축 지령전압 V_{qe _ ref}를 다음 수학식 2와 같이 계산할 수 있다. 즉, 도 7의 지연부(72), 및 곱셈부(73, 74)는 전류각 기준좌표계상의 동기좌표계(synchronously rotating reference frame) q축 지령전압 V_{qe _ ref}를 결정할 수 있다.

위 수학식 2에서 계산된 전압은 직류성분이며, 이는 단위 전력셀 출력전력의 교류성분을 발생하는 전압의 크기를 의미한다.

제한부(75)는 위 수학식 2와 같은 출력을, 단위 전력셀의 최대 출력전압의 크기 또는 허용가능한 직류단 맥동전압의 크기를 고려하여 출력전압의 크기를 제한한다(V_{qe _ ref _ mag}). 이 제한된 전압(V_{qe _ ref _ mag})은 정지좌표계 상의 d축에서 바라보았을 때, -sinθ(=cos(θ+π/2)) 관계를 가지므로, 부하전류와 90°의 위상차를 가진다. 이와 같은 관계를 통해, 계산부(76)와 곱셈부(77)에 의해 V_{selected _ ref}가 결정되고, 선택부(79)는 제어부(30)로부터 선택신호를 수신하여 용량을 추정할 단위 전력셀을 결정할 수 있다. V_{selected _ ref}를 사용한 단위 전력셀의 출력전압과 전류는 90도 위상차(1/4 주기)를 가지므로 다음과 같이 나타낼 수 있다.

위 수학식 3 및 4로부터, 용량을 추정할 단위 전력셀의 출력전력은 다음과 같이 결정된다.

일반적으로, 교류의 출력전압 및 출력전류에 의해 결정되는 전력이 직류성분 및 교류성분이 함께 포함되는 것과 달리, 수학식 5에 의하면, 본 발명의 용량추정을 위해 사용되는 전력은 교류성분만을 가지게 됨을 알 수 있다.

한편, 선택신호에 의해 선택되지 않는 단위 전력셀들은, 선택부(79)를 통해 V_{unselected_ref}의 전압지령을 사용하며, V_{unselected _ ref}는 고압 인버터(1)의 한 상의 전압지령과 단위 전력셀의 교류전력을 발생시키는 전압지령(V_{selected _ ref})의 차를 계산부(78)에 의해 1/(N-1) 배하여 구하면, 다음 식과 같이 결정할 수 있다.

이와 같이, 재구성된 전압지령(V_{unselected _ ref}, V_{unselected _ ref})의 합이 각 상의 전압지령(V_{ds_ref})이므로, 제어부(30)의 제어에 영향을 미치지 않고, 각 단위 전력셀들이 재구성된 전압지령으로 동작될 수 있다.

도 9는 도 5의 추정부의 상세 구성도로서, 선택된 단위 전력셀의 직류단 커패시터의 용량을 추정한다.

직류단 커패시터(22)의 용량은 다음 수학식 7과 같이 근사화된 커패시터 전력에 관한 식을 통해 계산할 수 있다.

여기서, P_in(t)은 단위 전력셀의 입력전력, C_dc는 직류단 커패시터(22)의 용량, v_dc는 직류단 전압, v_dc0는 직류단 전압의 동작점을 나타내며, 직류단 전압의 평균에 해당한다.

본 발명에서는, 용량을 추정하는 단위 전력셀의 출력전력이 수학식 5와 같이 교류전력으로 구성되므로, 직류단 전압의 평균은 단위 전력셀의 입력전압에 의해 영향을 받는다. 직류단 전압이 평균에 도달하면, 단위 전력셀의 입력전력에 대한 영향을 거의 받지 않는다. 따라서, 직류단 전압이 평균에 도달한 정상상태에서, 직류단 커패시터(22)의 전력은 다음과 같다.

위 수학식 8을 사용하여 용량을 계산하기 위해, 커패시터의 전력(P_cap), 직류단 전압의 평균(v_dc0) 및 직류단 전압의 변화량(

)이 요구된다. 따라서, 본 발명의 추정부(43)는, 도면에 도시된 바와 같이, 전력연산부(91), 변화량 연산부(92), 평균연산부(93) 및 용량추정부(94)를 포함한다.

도 10은 도 9의 전력연산부(91)의 상세 구성도이다.

도면에 도시된 바와 같이, 전력연산부(91)는, 부하전류각 연산부(41)로부터 부하전류의 크기(I_{out _ mag})를 수신하고, 전압지령 수정부(42)로부터 단위 전력셀의 출력전압의 크기(V_{qe _ ref _ mag})를 수신하여, 단위 전력셀(20)의 출력전력을 다음과 같이 출력한다.

여기서, V_{0 _ peak}은 V_{qe _ mag}, I_{0 _ peak}은 I_{out _ mag}, 그리고 Po_peak은 P_{out _ mag}을 의미한다.

도 11은 도 9의 변화량 연산부(92)와 평균연산부(93)의 상세 구성도로서, 변화량 연산부(92)와 평균연산부(93)는, 직류단 전압의 변화량과 평균을 계산한다. 도 도 4의 전압센서(24)로부터 직류단 전압(V_dc)을 수신하면, 직류단 전압은 수학식 8의 출력전력에 의해 운전주파수의 2고조파가 존재하며, 대역통과필터(111)를 사용하여 주요 고조파 성분만 통과시키고, 절대값 연산부(112)를 통해 수학식 12와 같이 직류단 교류성분의 크기를 구할 수 있다. 직류단 평균전압은 수학식 11과 같이 평균연산을 통해 구할 수 있다.

대역통과필터(111)의 전달함수는 다음과 같다.

직류단 평균전압은 다음 식에 의해 구할 수 있다. 이는 저역통과필터의 특성과 같다.

절대값 연산부(112)는 다음과 같은 함수에 의해 절대값을 연산하며, 이를 통해 교류성분의 크기를 구할 수 있다. 단, 저역통과필터의 차단주파수는, 운전주파수의 2고조파보다 낮게 설정한다.

도 9의 용량추정부(94)는, 수학식 8로부터 다음의 수학식 13을 전개하여 직류단 커패시터(22)의 용량을 추정한다.

도 12는 도 9의 용량추정부(94)의 상세 구성도이다.

도면에 도시된 바와 같이, 직류단 전압의 2고조파 성분(Vdc_2x_mag)은 직류단 전압의 변화량(dv_dc)으로 사용하고, 평균(V_{dc _ avg})은 동작점으로 사용하여, 수학식 13으로부터 용량을 추정할 수 있다.

이상과 같이, 본 발명의 용량 추정장치는, 추정하고자 하는 단위 전력셀의 출력전력을 오직 맥동전력으로만 구성되도록 출력전압을 재구성하고, 단위 전력셀의 입력전력을 고려하지 않은 커패시터 전력을 사용하여, 직류단 커패시터의 용량을 추정할 수 있다.

이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.

1: 고압인버터 2: 입력전원
3: 3상 전동기 20: 단위 전력셀
30: 제어부 40: 구동부

Claims (7)

1. 직렬연결된 복수의 단위 전력셀이 전동기로 하나의 상전압을 출력하는 고압인버터 시스템에서, 상기 단위 전력셀의 직류단 커패시터의 용량을 추정하는 장치에 있어서,
   상기 복수의 단위 전력셀에 대한 전압지령(제1전압지령)을 생성하고, 상기 복수의 단위 전력셀 중 직류단 커패시터의 용량추정에 사용될 단위 전력셀(제1단위 전력셀)을 선택하는 선택신호를 생성하는 제어부; 및
   상기 선택신호에 따라, 부하전류각을 이용하여 전압지령을 수정하여, 상기 제1단위 전력셀의 직류단 커패시터의 용량을 추정하고, 직류단 전압을 고려하여 수정된 전압지령(제2전압지령)을 발생하기 위한 게이팅신호를 생성하여 상기 복수의 단위 전력셀 중 상기 제1단위 전력셀 이외의 단위 전력셀(제2단위 전력셀) 각각에 상기 게이팅신호를 제공하는 구동부를 포함하는 용량 추정장치.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 구동부는,
   부하전류로부터 출력전류의 각에 해당하는 제1 및 제2삼각함수를 생성하는 제1생성부;
   상기 제1전압지령을 수정하여, 용량추정을 위한 전압지령(제3전압지령)과 상기 제2단위 전력셀 각각에 제공할 상기 제2전압지령을 생성하는 수정부; 및
   상기 제3전압지령을 이용하여 상기 제1단위 전력셀의 직류단 커패시터의 용량을 추정하는 추정부를 포함하는 용량 추정장치.
   
3. 제2항에 있어서, 상기 구동부는,
   상기 제2전압지령을 발생하기 위한 게이팅신호를 생성하여 상기 제2단위 전력셀 각각에 제공하는 제2생성부를 더 포함하는 용량 추정장치.
   
4. 제2항에 있어서, 상기 제1생성부는,
   이현신호인 부하전류의 위상을 지연하여 정현신호를 생성하는 제1지연부;
   상기 부하전류의 크기를 구하는 제3생성부; 및
   상기 이현신호 및 상기 정현신호를 상기 부하전류의 크기로 각각 정규화하여, 상기 제1 및 제2삼각함수를 각각 생성하는 정규화부를 포함하는 용량 추정장치.
   
5. 제2항에 있어서, 상기 수정부는,
   상기 제1전압지령을 상기 복수의 단위 전력셀의 개수(N)와 곱하여 한 상에 대한 전압지령(제4전압지령)을 생성하는 제4생성부; 및
   상기 제4전압지령으로부터, 부하전류와 1/4 주기 위상차를 가지는 상기 제3전압지령을 생성하는 제5생성부를 포함하는 용량 추정장치.
   
6. 제5항에 있어서, 상기 수정부는,
   상기 제4전압지령으로부터 상기 제3전압지령을 차감한 전압을 상기 복수의 단위 전력셀의 개수에서 1을 차감한 수(N-1)로 나누어 상기 제2전압지령을 생성하는 제6생성부를 더 포함하는 용량 추정장치.
   
7. 제5항에 있어서, 상기 추정부는,
   상기 제3전압지령과 상기 부하전류의 크기로부터 전력을 연산하는 제1연산부;
   직류단 전압의 변화량을 연산하는 제2연산부;
   직류단 전압의 평균을 연산하는 제3연산부; 및
   상기 전력, 변화량 및 평균으로부터, 상기 직류단 커패시터의 용량을 추정하는 용량추정부를 포함하는 용량 추정장치.

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