KR20020081136A

KR20020081136A - Ｐｗｍ 컨버터 시스템

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Publication number: KR20020081136A
Application number: KR1020020020859A
Authority: KR
Inventors: 사카이게이지로; 오쿠야마도시아키; 나카츠긴야; 이시다세이지; 후지이히로시; 가토준지; 히라가마사히로
Original assignee: 가부시끼가이샤 히다치 세이사꾸쇼
Priority date: 2001-04-18
Filing date: 2002-04-17
Publication date: 2002-10-26
Also published as: EP1251631A2; EP1251631A3; CN1381944A; TW561679B; JP2002315343A; US6556464B2; US20020154526A1

Abstract

본 발명에 따른 단상 PWM컨버터시스템은 양 또는 음측의 아암의 2상 게이트신호 중의 하나가 ON되고 다른 상이 OFF된 상태에서 직류를 샘플홀드하는 샘플홀드(sample-and-hold)회로를 채택하고, 2상 게이트조건에 따른 샘플홀드회로의 출력부호를 결정하고, 컨버터의 입력측에서 상전류를 검출하며, 검출된 전류값이 전원전류명령과 일치하도록 컨버터의 입력측에서 전압을 제어한다.

또한, 본 발명에 따른 3상 PWM컨버터시스템은 직류로부터 전원전류의 유효전류 및 무효전류를 검출하고, 상기 값을 기초로, 전원역률이 1인 정현파전원전류가 제공되도록 PWM컨버터를 제어한다.

Description

ＰＷＭ 컨버터 시스템 {PWM CONVERTER SYSTEM}

본 발명은 거의 1인 전원역률로 전원측으로부터 부하측으로 전력을 공급하거나 또는 부하측으로부터 전원측으로 전력을 회생시키는 정현파전원전류를 제공하는 기능을 구비한 PWM컨버터시스템에 관한 것이다.

정현파 PWM컨버터는 전력컨버터에 의하여 발생된 고조파전류를 크게 감소시키는 전력컨버터로서 널리 보급되어 있다. PWM컨버터는 AC리액터 또는 변압기를 통하여 입력측 AC(교류)전원에 접속되고, 평활콘덴서(smoothing capacitor) 및 부하는 컨버터의 출력측에 위치된 DC(직류)단자들 사이에 접속된다. 따라서, 전력이 전원측으로부터 부하측으로 공급되는 로딩상태동안 전원전압과 동상으로 정현파전원전류(즉, AC리액터전류)가 제공되도록 PWM컨버터가 제어된다.

반면, 태양열 발전장치에서와 같이, 전력이 배터리측(즉, DC전원측)으로부터 AC전원측으로 회생될 때, 전원전압과 위상이 반전된 정현파전원전류가 제공되도록 컨버터가 제어된다. 상세하게는, 평활콘덴서의 DC전압이 일정해지도록, 전원전압과 동상인 전류명령인 전원전류진폭명령이 제공되어, PWM컨버터는 전원전류의 검출된 값이 상기 명령과 일치하도록 제어된다.

상술된 바와 같이, 전류센서는 컨버터의 입력교류를 검출하는 것이 필요하다. 예를 들어, 일본국 특개평 07-213067호 공보에 개시된 바와 같이, 3상컨버터가 사용되면 적어도 2개의 전류센서가 필요하고, 단상컨버터가 사용되면 1개의 전류센서가 필요하다. 또한, 컨버터의 양 또는 음의 아암의 스위칭소자가 단락되면, 평활콘덴서의 전압도 단락되어, 과전류를 일으켜 스위칭소자를 손상시킨다. 따라서, 스위칭소자를 보호하기 위하여 직류센서가 컨버터의 출력측과 평활콘덴서 사이에 위치되어, 과전류를 검출하고 게이트신호를 차단한다.

또한, 관련기술로서, 일본국 특개평 06-153526호 공보에는 3상 인버터의 AC측 전류센서를 불필요하게 만들기 위하여 3상 인버터의 직류로부터 3상 교류를 검출하는 방법이 개시되어 있다.

종래의 PWM컨버터시스템에는, 3상 PWM컨버터가 사용되는 경우, 컨버터의 교류입력측에 2개의 전류센서, 직류출력측에 1개의 전류센서가 필요하며, 단상 PWM컨버터가 사용되는 경우, 입력측에 1개, 출력측에 1개의 센서가 필요하다.

또한, 일본국 특개평 06-153526호 공보에 개시된 기술에는 고속 A/D컨버터 또는 마이크로프로세서가 필요하다.

본 발명의 주목적은 컨버터의 입력측에 전류센서를 사용하지 않고도 컨버터를 제어하고 전류센서를 구비한 컨버터시스템과 동등한 제어를 수행하는 PWM컨버터시스템을 제공하여, 컨버터시스템의 전체 비용 및 크기를 감소시키는 것이다.

도 1은 본 발명의 제1실시예인 단상 PWM컨버터시스템을 예시하는 개략도,

도 2는 도 1에 도시된 전류검출수단(7a)의 상세회로도,

도 3은 도 2에 도시된 전류검출수단(7a)의 타임차트,

도 4는 단상컨버터의 출력측에서의 직류와 단상컨버터의 입력측에서의 교류간의 관계를 보여주는 설명도,

도 5는 도 2에 도시된 샘플홀드회로(17c)의 출력파형차트,

도 6은 본 발명의 또 다른 실시예인 태양열 발전장치,

도 7은 본 발명의 또 다른 실시예인 3상 PWM컨버터시스템을 예시하는 개략도,

도 8은 도 7에 도시된 전류검출부(7b)의 상세회로도,

도 9는 도 8에 도시된 전류검출부(7b)의 타임차트,

도 10은 3상컨버터의 출력측에서의 직류와 3상컨버터의 입력측에서의 교류간의 관계를 보여주는 설명도,

도 11은 도 8에 도시된 샘플홀드회로(17a, 17b)의 출력파형차트,

도 12는 도 11에 도시된 각 60°구간의 게이트신호파형차트,

도 13은 도 7에 도시된 전원전류제어수단(13b)의 상세한 블록도이다.

본 발명에 따른 PWM컨버터시스템은 컨버터의 출력측에서 직류로부터 컨버터의 입력전류 및 컨버터의 게이트신호를 검출하는 전류검출수단, 검출된 전류를 기초로 컨버터의 전원전류를 제어하는 연산유닛으로 이루어진다. 따라서, PWM컨버터시스템은 컨버터의 입력측에서 전류센서를 사용하지 않고도 컨버터를 제어하고, 이것에 부착된 전류센서를 구비한 컨버터시스템과 동등한 제어를 수행한다.

본 발명에 따른 단상 AC전원에 접속되는 단상 PWM컨버터시스템은 양 또는 음측의 아암의 2상 게이트신호 중에 하나가 ON되고 다른 하나가 OFF된 상태에서 직류를 샘플홀드하는 전류검출수단으로서, 샘플홀드회로를 채택하고, 2상 게이트조건에 따른 샘플홀드회로의 출력부호를 결정하며, 컨버터의 입력전류를 검출한다. 또한 PWM컨버터시스템은 검출된 전류값이 전류명령과 일치하도록 컨버터의 입력전압을 제어하는 수단을 채택한다. 이것은 PWM컨버터시스템이 이것에 부착된 전류센서를 구비한 PWM컨버터시스템과 동등한 제어를 수행하는 것을 가능하게 한다. 또한, 샘플홀드회로로부터 출력된 신호파형은 컨버터의 입력측 AC전압의 180°주기를 갖고, 전원전류와 동기되어 연속적으로 변화한다.

또한, 본 발명에 따른 PWM컨버터시스템은 샘플홀드회로의 출력이 미리 설정된 과전류레벨을 초과하면 컨버터의 모든 게이트신호를 차단한다. 따라서, 과부하 또는 기타 이유로 인하여 과전류가 발생하면, PWM컨버터시스템이 신속하게 보호될 수 있다.

다음에, 3상 AC전원에 접속되는 본 발명에 따른 3상 PWM컨버터시스템의 전류검출부는 3상 PWM컨버터시스템의 양 또는 음측 아암의 스위칭소자의 3개의 상 중에 하나가 ON되고, 다른 2개의 상이 OFF되는 상태에서 직류를 샘플홀드하는 제1샘플홀드회로 및 2개의 상이 ON되고 다른 1개의 상이 OFF되는 상태에서 직류를 샘플홀드하는 제2샘플홀드회로로 이루어진다.

또한, 본 발명에 따른 3상 PWM컨버터시스템은 상기 2개의 샘플홀드회로의 출력 및 전원전압위상의 검출된 값을 기초로 전원전류의 유효전류(Iq) 및 무효전류(Id)를 계산하는 수단을 채택한다. 이는 Iq와 Id의 계산값에 대응하여 컨버터의 교류입력전압을 제어할 수 있게 한다. 따라서, 이는 컨버터의 입력측에서 전류센서를 사용하지 않고도, 센서를 구비한 유사한 PWM컨버터시스템에 의한 제어와 동등하게 유효전류 및 뮤효전류의 제어를 수행할 수 있게 한다.

또한, 본 발명에 따른 3상 PWM컨버터시스템은 제1 또는 제2샘플홀드회로로부터의 출력 중 적어도 하나가 미리 설정된 과전류레벨을 초과하면, 컨버터의 모든 게이트신호를 차단한다. 따라서, 컨버터시스템은 과부하 또는 기타 이유로 인한 과전류로부터 신속하게 보호될 수 있다.

제1실시예

도 1에서, AC리액터(2)를 통하여, 단상AC전력원(1a)으로부터 단상컨버터(3a)에 공급되는 교류전력은 단상컨버터(3a)에 의하여 직류전력으로 변환되고, 평활콘덴서(4) 및 부하(5)에 공급된다. 또한, 제어회로는 전원전압위상 검출수단(6), 단상전류검출수단(7a) 및 원-칩 마이크로프로세서로 이루어진 컨버터제어연산유닛(8a)으로 이루어진다. 전원전압위상검출수단(6)은 전원(1a)의 전압위상(θr)을 검출한다. 그 다음, 단상전류검출수단(7a)은 게이트신호 및 직류검출기(9)의 출력을 기초로 직류를 샘플링하고, 컨버터의 입력전류파형을 검출하여, ic로서 값을 출력한다.

그 다음, 컨버터제어연산유닛(8a)은 원-칩 마이크로프로세서의 소프트웨어에의하여 처리를 수행한다. 먼저, 이것은 마이크로프로세서가 내장된 A/D컨버터(10)를 사용하여, 전류검출부에 의하여 출력된 값(ic)을 입력하고, X상의 게이트신호(XL)를 기초로 ic에 부호를 부여하고, 컨버터의 입력전류(iu)를 계산한다. 종래의 기술을 채택하는 컨버터 컨트롤러에서, DC전압제어수단(11)은 검출된 DC전압값(Vdc)이 DC전압명령(Vdc*)과 일치하도록 전원전류(즉, 컨버터의 입력전류)의 진폭명령(amplitude command)(I1)을 출력한 다음, 전원전류명령연산유닛(12)은 수학식(1)을 계산하여, 교류전류명령(iu*)를 출력한다.

여기서, I1은 전력이 전원으로부터 부하측으로 공급될 때 양의 값이 되고, iu*의 위상은 전원전압위상(θr)의 위상과 반대가 된다. 한편, Il은 전력이 부하측으로부터 전원측으로 회생될 때 음의 값이 되고, iu*의 위상은 전원전압위상(θr)의 위상과 동일해진다. 그 다음, 전원전류제어수단(13a)은 검출된 값(iu)이 교류명령(iu*)과 일치하도록 2상 전압명령(Vu*, Vv*)(즉, Vv* = -Vu*)을 출력하고, 이를 기초로, PWM 게이트신호발생수단(14a)은 게이트신호(U, V, X, Y)를 출력한다.

도 2는 본 발명의 주요부인 단상전류검출수단(7a)의 상세한 회로도를 도시한다. 배타적 OR회로(15a)를 거친 컨버터의 양의 아암게이트신호(U, V)의 출력과 배타적 OR회로(15b)를 거친 음의 아암게이트신호(X, Y)의 출력의 논리곱이 취해지고, 그 출력은 샘플홀드회로(17c)의 샘플홀드신호(SHc)로 간주된다. 또한, 래치회로(18c)에서, 게이트신호(X)는 SHc가 1인 상태에서 래치되고, XL신호로 간주된다.

그 다음, 도 3은 도 2에 도시된 단상전류검출수단(7a)의 타임차트이다. U상 및 V상 변조파는 각 전압명령에 대응한다. V상 변조파는 U상 변조파와 180°만큼 위상이 어긋나고, 즉 U상 변조파의 반전부호값이다. 도 3은 U상 변조파가 양이고 V상 변조파가 음일 때의 캐리어 주기동안 각 부분의 동작파형을 도시한다. 게이트신호는 변조파가 삼각파보다 클 때, 1이 되고, 게이트신호와 관련되는 스위칭소자가 ON된다. 한편, 게이트신호는 변조파가 삼각파보다 작을 때, 0(제로)이 되고, 게이트신호와 관련되는 스위칭소자는 오프된다. 샘플홀드신호(SHc)는 데드타임구간을 제외하고, 신호들(U, V)이 서로 다른 구간에서 레벨1이 되고, 이 구간에서 직류(idc)는 샘플홀드된다. 또한, 이 구간에서 래치된 X신호의 출력인 XL신호에 의하여 ic의 부호가 판별된다.

이제, 직류(idc)에 포함된 전원전류성분이 도 4를 참조하여 설명된다. 단상 인버터(3a)는 4개의 스위칭소자 및 4개의 다이오드로 이루어지고, 여기서 양의 아암의 게이트신호는 U와 V이고, 음의 아암의 게이트신호는 X와 Y이다. 직류(idc)는 도 4에 따라 수학식(2)에 의하여 표현된다.

idc = iun + ivn

= -iuㆍX - ivㆍY

여기서, iun은 X=0일 때 0이고, X=1일 때, -iu이다. 유사하게, ivn은 Y=0일 때 0이고, Y=1일 때 -iv이다. 또한 iu=-iv이고, 샘플홀드신호(SHc)가 출력되는 구간에서, Y는 X=1일 때 항상 0이고, Y는 X=0일 때 1이다. 따라서, 수학식(1)에서, iu는 X=1일 때 -idc이고, X=0일 때 idc이다. 따라서, 도 1에 도시되는 바와 같이, 샘플홀드신호(SHc)의 구간에서 직류(idc)(즉, ic=idc)를 검출하고, 그 때의 게이트신호(X)(즉, XL=X)를 판별하고, ic에 부호를 부여하는 것에 의하여, 컨버터의 입력측에서의 상전류(iu)를 검출하는 것이 가능하다.

그 다음, 샘플홀드회로(17c)의 출력(ic)의 파형이 도 5에 도시된다. 구간(I)에서, U상 전압명령(Vu*)은 양이고, V상 전압명령(Vv*)은 음이다. 이 구간에서, idc는 도 3에 도시되는 바와 같은 상태(즉, X=0, Y=1)에서, 샘플홀드되어, 그 결과 ic는 iu와 같아진다(즉, ic=idc). 한편, 구간(II)에서, U상 전압명령(Vu*)은 음이고, V상 전압명령(Vv*)은 양이다. 이 구간에서, idc는 X=1, Y=0인 상태에서 샘플홀드되어, 그 결과 ic는 -iu와 같아진다(즉, ic=idc). 따라서, ic의 파형은 컨버터의 입력전류와 동기되어 180°주기로 연속적으로 출력된다.

본 실시예에서는 컨버터의 아암을 단락으로부터 보호하기 위하여 장착된 직류센서의 출력값(idc)을 사용하여 컨버터의 입력전류를 검출함에 따라 컨버터의 전류를 제어한다. 따라서, 전원전류센서가 불필요하므로, 컨버터시스템의 비용 및 크기를 감소시킨다.

또한, 전원전류의 순시값은 도 5에 도시되는 바와 같이 샘플홀드회로로부터 연속적으로 출력된다. 따라서, 본 실시예에서는 ic값이 과부하 또는 기타 이유로 인하여 미리 설정된 과전류레벨을 초과하면, 컨버터의 모든 게이트신호를 차단하여, 다이오드 정류기로 기능한다. 또한, 이것은 과전류신호를 부하측으로 보내어,그것의 동작을 정지시킨다. 예를 들어, 모터구동인버터가 부하로서 접속된 경우에, 본 실시예는 인버터의 게이트신호를 차단하여 동작을 정지시킨다. 따라서, 과부하 또는 기타 이유로 인하여 과전류가 발생되면, 신속하게 컨버터시스템 및 부하측 장치를 보호할 수 있다.

제2실시예

도 6은 본 발명의 제2실시예를 도시한다. 도 6은 태양열 발전장치를 예시하고, 여기서 주회로는 도 1에 도시된 주회로와 다르다. 주회로는 부하(5)대신에 태양전지(19) 및 클램핑 다이오드(20)로 이루어지고, 여기서 DC측의 전력은 AC전원측으로 회생된다. 또한, AC리액터 대신에 사용되는 변압기(21)는 전원을 컨버터로부터 절연한다. 본 실시예에 채택된 단상 PWM컨버터 제어기술은 제1실시예와 동일하다. 따라서, 전원전류센서가 불필요하므로, 장치의 비용 및 크기를 감소시킨다.

제3실시예

그 다음, 본 발명의 실시예인 3상 AC전원에 접속된 3상 PWM컨버터시스템이 도 7을 참조하여 기술된다. 도 7에서, 3상 AC전원(1b)으로부터 AC리액터(2)를 거쳐 3상컨버터(3b)에 공급되는 교류전력은 3상컨버터(3b)에 의하여 직류전력으로 변환된 후, 평활콘덴서(4) 및 부하(5)에 공급된다. 또한, 제어회로는 전원전압위상검출수단(6), 전류검출수단(7b) 및 3상컨버터제어연산유닛(8b)으로 이루어진다. 본 실시예의 주요부인 전류검출수단(7b)은 게이트신호 및 직류검출기(9)의 출력신호를 기초로 컨버터의 입력전류파형을 검출하고, ia 및 ib로서 값을 출력한다.

컨버터제어연산유닛(8b)은 전류검출부로부터의 출력인 ia 및 ib를 입력한다.이들 값, 전압벡터신호(Veca, Vecb) 및 전원전압위상(θr)을 기초로, Id/Iq연산부(22)는 전원전류의 무효전류(Id) 및 유효전류(Iq)를 계산한다.

컨버터컨트롤러는 전원전류(즉, 컨버터의 입력전류)의 유효전류명령(Iq*)을 출력하여, Vdc는 Vdc*와 일치시킨다. 또한, 전원전류컨트롤러(13b)는 3상전압명령(Vu*, Vv*, Vw*)을 출력하여, 검출된 값(Iq)은 유효전류명령(Iq*)과 일치하고 무효전류(Id)는 0이 된다. 이것을 기초로, PWM게이트신호발생수단(14b)은 게이트신호(U, V, W, X, Y, Z)를 출력한다.

본 실시예의 주요부인 전류검출수단(7b)의 상세한 회로도는 도 8에 도시된다. AND회로(23)는 6가지 종류의 게이트상태를 검출한 다음, 가산기(24a)는 인버터의 음의 아암의 게이트신호의 1개의 상이 ON된 상태(즉, (X, Y, Z=1, 0, 0), (X, Y, Z=0, 1, 0), (X, Y, Z=0, 0, 1))에서 모든 신호를 가산하여, 샘플홀드신호(SHa)를 얻는다. 또한, 직류(idc)는 SHa=1일 때, 샘플홀드회로(17a)에 의하여 샘플홀드되고 ia로서 출력된다.

또한, 가산기(24b)는 인버터의 음의 아암의 게이트신호의 2개의 상이 ON된 상태(즉, (X, Y, Z=1, 1, 0), (X, Y, Z=0, 1, 1), (X, Y, Z=1, 0, 1))에서 모든 신호를 가산하여, 샘플홀드신호(SHb)를 얻는다. 또한, 직류(idc)는 SHb=1일 때, 샘플홀드회로(17b)에 의하여 샘플홀드되고, ib로서 출력된다. 래치회로(18a)는 SHa=1인 상태에서 전압벡터를 래치하고 Veca로서 출력한다. 한편, 래치회로(18b)는 SHb=1인 상태에서 전압벡터를 래치하고 Vecb로서 출력한다.

도 8에 도시된 3상전류검출수단(7b)의 타임차트는 도 9에 상세하게 도시된다. 도 9는 U상 전압명령에 대응하는 U상 변조파가 최대이고, V상 변조파가 2번째로 크며, W상 변조파가 최소인 상태를 나타낸다. 데드타임구간을 제외하고, 3상 게이트신호(X, Y, Z) 중 2개가 ON된 게이트조건에서는 SHb신호로 출력되고, 게이트신호 중 1개가 ON된 조건에서는 SHa신호로 출력된다.

다음에는, 직류(idc)에 포함된 전원전류성분이 도 10을 참조하여 설명된다. 3상컨버터(3b)는 6개의 스위칭소자 및 6개의 환류다이오드(reflux diode)로 이루어진다. 직류(idc)는 도 10에 따라 수학식(3)으로 표현된다.

idc = iun + ivn + iwn

= -iuㆍX - ivㆍY - iwㆍZ

여기서 iu, iv, iw는 각 상의 컨버터의 입력측 전류이고, 게이트신호(X, Y, Z)는 ON되면 1이고, OFF되면 0이 된다. 또한, 수학식(3)에 따르면, X, Y, Z=0, 0, 0이면 idc=0이 된다. 또한, X, Y, Z=1, 1, 1이면, 3상 전원전류의 합이 0이 되기 때문에, idc=0이 된다. 따라서, 전류가 도 10에 도시된 바와 같이 idc를 통하여 흐르는 게이트 조건에는 6가지가 있다. idc와 전원전류간의 관계는 게이트조건에 따라 결정된다.

이제, 샘플홀드회로의 출력(ia, ib)이 도 11을 참조하여 설명된다. 도 11은 컨버터의 입력측에서의 전류위상이 컨버터의 입력측에서의 전압위상으로부터 약간 지연될 때의 파형을 도시한다. PWM컨버터 제어에 있어서, 컨버터의 입력측에서의 전압위상은 전원의 전압위상과 거의 동일하다. 따라서, 도 11에 도시된 파형은 전류가 부하측으로부터 전원측으로 공급되는 전력회생시의 파형이다. 3상 AC전압명령(Vu*, Vv*, Vw*)이 교차되는 각 60°구간에 I 내지 VI의 숫자를 할당하면, 각 60°구간에서의 게이트신호파형은 도 12에 도시된 바와 같이 나타난다. X, Y, Z 중의 하나가 ON되면, 샘플홀드회로(17a)는 idc를 샘플홀드하여 ia로서 값을 출력한다. 2개의 상이 ON되면, 샘플홀드회로(17b)는 idc를 샘플홀드하여 ib로서 값을 출력한다. 또한, 이 시점에서의 idc는 수학식(3)으로 표현된다. 각 게이트조건에서 ia 및 ib의 값은 도 12에 도시된다. 상기 값이 인버터의 출력전압의 한 주기로 표현되면, ia 및 ib의 파형은 도 11의 아래에 도시된 바와 같이 나타난다. 즉, 3상 전압 중에 가장 큰 전압위상의 전류가 ib의 값으로서 주기적으로 출력된다. 또한, 가장 낮은 전압위상의 전류의 반전된 부호값이 ia의 값으로 입력된다. 따라서, ia 및 ib는 서로의 위상이 60°만큼 어긋나서 출력된다.

다음에, 과전류보호가 설명된다. 도 11에 따르면, 전원의 역률을 거의 1 또는 -1에서 유지하기 위한 제어에 있어서, 각 위상의 순시전류의 최대값은 ia 또는 ib로서 주기적으로 출력된다. 예를 들어, 도 11에서, 구간(I)에서 순시전류진폭이 가장 큰 iv가 ia로서 출력된다(즉, ia=-iv). 또한, 구간(II)에서 가장 큰 iu가 ib로서 출력된다. 즉, 3상 순시전류의 최대값이 ia 또는 ib로서 출력된다. 따라서, ia 또는 ib가 과부하 또는 기타 이유로 인하여 미리 설정된 과전류레벨을 초과하면, 본 실시예는 컨버터의 모든 게이트신호를 차단하고, 다이오드정류기로서 작용한다. 또한, 과전류신호를 부하측으로 보내어 그것의 동작을 정지시킨다. 그 결과, 본 실시예는 과부하 또는 기타 이유로 인하여 과전류가 발생할 때, 컨버터시스템및 부하측의 장치를 신속하게 보호할 수 있다.

이제, 전원전류의 유효전류(Iq) 및 무효전류(Id)를 검출하는 방법이 설명된다. 도 11에 도시된 60°구간 I 내지 VI가 확인된 후, 수학식(4)을 계산하여 Iq와 Id가 얻어진다.

(구간I)

iα = -ia

iβ = (ia - 2ib)/√3

Id = iαㆍcos(θd* -2π/3) + iβㆍsin(θd* -2π/3)

Iq = iαㆍsin(θd* -2π/3) + iβㆍcos(θd* -2π/3)

(구간II)

iα = ib

iβ = (2ia - ib)/√3

Id = iαㆍcosθd* + iβㆍsinθd*

Iq = iαㆍsinθd* + iβㆍcosθd*

(구간III)

iα = -ia

iβ = (ia - 2ib)/√3

Id = iαㆍcos(θd* -4π/3) + iβㆍsin(θd* -4π/3)

Iq = iαㆍsin(θd* -4π/3) + iβㆍcos(θd* -4π/3)

(구간IV)

iα = ib

iβ = (2ia - ib)/√3

Id = iαㆍcos(θd* -2π/3) + iβㆍsin(θd* -2π/3)

Iq = -iαㆍsin(θd* -2π/3) + iβㆍcos(θd* -2π/3)

(구간V)

iα = -ia

iβ = (ia - 2ib)/√3

Id = iαㆍcosθd* + iβㆍsinθd*

Iq = iαㆍsinθd* + iβㆍcosθd*

(구간VI)

iα = ib

iβ = (2ia - ib)/√3

Id = iαㆍcos(θd* -4π/3) + iβㆍsin(θd* -4π/3)

Iq = -iαㆍsin(θd* -4π/3) + iβㆍcos(θd* -4π/3)

여기서, 전원전압상의 검출된 값이 θr이면, 기준위상명령(θd*)은 θr-π/2가 된다. 또한, ia는 샘플홀드회로(17a)의 출력이고, ib는 샘플홀드회로(17b)의 출력이다.

또한, 수학식(4)로 표현된 60°구간I 내지 VI는 도 8에 도시된 래치회로의 출력인 Veca 및 Vecb로 확인된다. 예를 들어, 주어진 구간에서 게이트조건이 도 12에 도시된 바와 같으면, Veca는 X, Y, Z=0, 1, 0을 나타내고, Vecb는 X, Y, Z=0, 1, 1을 나타내어, 구간I로 판별된다.

다음, 전원전류컨트롤러(13b)의 상세한 블록도는 도 13에 도시된다. 비례+적분보상부(25a)는 무효전류(Id)가 0이 되도록 보상하고, d축 전압명령(Vd*)으로 값을 출력한다. 한편, q축에서는, 비례+적분보상부(25b)는 검출된 값(Iq)을 Iq*와 일치하도록 보상하고, q축전압명령(Vq*)를 얻기 위하여 출력(△Vq)을 전원전압진폭명령값(Vr*)에 가산한다. 또한, dq/uvw컨버터(26)는 수학식(5)에 의하여 회전좌표축의 전압명령(Vd*, Vq*)을 계산한 후, 고정좌표상의 교류의 3상전압명령(Vu*, Vv*, Vw*)으로 값을 출력한다.

상술된 바와 같이, 본 발명의 본 실시예는 직류로부터 전원전류(Iq, Id)를 계산할 수 있으므로, 전원의 역률이 1이고 작은 고조파전류를 갖는 정현파전원전류가 제공되도록 상기 값을 기초로 PWM컨버터를 제어할 수 있다. 따라서, 컨버터의 입력측에서 2개의 상을 위한 센서가 불필요하므로, 컨버터시스템의 비용 및 크기를 감소시킬 수 있다.

본 발명에 따르면, 컨버터의 입력전류, 유효전류 및 무효전류를 계산할 수있으므로, 상기 값을 기초로 PWM컨버터를 제어할 수 있다. 따라서, 컨버터의 입력측에 센서가 불필요하여, 경제적인 컨버터시스템을 실현할 수 있고, 컨버터시스템의 크기를 감소시킬 수 있다.

또한, 샘플홀드의 출력이 미리 설정된 과전류레벨을 초과하면, 본 발명은 컨버터의 게이트신호를 차단하여, 과전류로부터 컨버터시스템을 보호할 수 있다.

Claims

입력측은 AC리액터 또는 변압기를 통하여 AC전원에 접속되고, 출력측 DC단자들은 그들간의 평활콘덴서에 접속되는, 교류를 직류로 변환하기 위한 PWM컨버터 및 그것을 위한 컨트롤러를 구비한 PWM컨버터시스템에 있어서,

상기 컨트롤러는,

상기 PWM컨버터의 출력직류를 기초로 상기 PWM컨버터의 입력측에서 상전류파형을 출력하는 전류검출부; 및

상기 전류파형을 기초로 상기 PWM컨버터를 제어하도록 연산을 수행하는 연산유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 PWM컨버터시스템.
제1항에 있어서,

상기 전류검출부는 단상 PWM컨버터의 양 또는 음측의 아암의 스위칭소자의 2개의 상 중에 하나가 ON되고 다른 상은 OFF된 상태에서 컨버터의 출력직류를 샘플홀드하는 샘플홀드회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 PWM컨버터시스템.
제1항에 있어서,

상기 전류검출부는 단상 PWM컨버터의 양 또는 음측의 아암의 스위칭소자의 2개의 상 중에 하나가 ON되고 다른 상은 OFF된 상태에서 컨버터의 출력직류를 샘플홀드하는 샘플홀드회로 및 상기 샘플홀드회로의 출력에 대응하여 컨버터의 AC입력전압을 제어하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 PWM컨버터시스템.
제1항에 있어서,

상기 전류검출부는 단상 PWM컨버터의 양 또는 음측의 아암의 스위칭소자의 2개의 상 중에 하나가 ON되고 다른 상은 OFF된 상태에서 컨버터의 출력직류를 샘플홀드하는 샘플홀드회로 및 상기 샘플홀드회로의 출력 및 상기 게이트조건을 기초로 컨버터의 입력측에서 전류를 검출하고, 상기 검출된 전류값에 대응하여 컨버터의 AC입력전압을 제어하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 PWM컨버터시스템.
제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 샘플홀드회로에 의하여 출력된 전류파형은 컨버터의 AC전압의 180°주기로 변화하는 것을 특징으로 하는 PWM컨버터시스템.
제3항 또는 제4항에 있어서,

상기 컨트롤러는 상기 샘플홀드회로의 출력이 미리 설정된 과전류레벨을 초과하면, 컨버터의 모든 게이트신호를 차단하는 수단을 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 PWM컨버터시스템.
제1항에 있어서,

상기 전류검출부는 3상 PWM컨버터의 양 또는 음측 아암의 스위칭소자의 3개의 상 중에 하나가 ON되고, 다른 2개의 상이 OFF되는 상태에서 컨버터의 출력직류를 샘플홀드하는 제1샘플홀드회로 및 2개의 상이 ON되고 다른 1개의 상이 OFF되는 상태에서 컨버터의 출력직류를 샘플홀드하는 제2샘플홀드회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 PWM컨버터시스템.
제1항에 있어서,

상기 전류검출부는 3상 PWM컨버터의 양 또는 음측 아암의 스위칭소자의 3개의 상 중에 하나가 ON되고, 다른 2개의 상이 OFF되는 상태에서 컨버터의 출력직류를 샘플홀드하는 제1샘플홀드회로, 2개의 상이 ON되고 다른 1개의 상이 OFF되는 상태에서 컨버터의 출력직류를 샘플홀드하는 제2샘플홀드회로 및 상기 샘플홀드회로의 출력에 대응하여 컨버터의 AC입력전압을 제어하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 PWM컨버터시스템.
제1항에 있어서,

상기 전류검출부는 3상 PWM컨버터의 양 또는 음측 아암의 스위칭소자의 3개의 상 중에 하나가 ON되고, 다른 2개의 상이 OFF되는 상태에서 컨버터의 출력직류를 샘플홀드하는 제1샘플홀드회로, 2개의 상이 ON되고 다른 1개의 상이 OFF되는 상태에서 컨버터의 출력직류를 샘플홀드하는 제2샘플홀드회로를 포함하고; 상기 컨트롤러는 전원전압위상의 검출된 값 및 상기 샘플홀드회로의 출력을 기초로 전원전류의 유효전류 및 무효전류를 계산하는 수단 및 상기 유효전류와 상기 무효전류의 계산값에 대응하여 컨버터의 AC입력전압을 제어하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 PWM컨버터시스템.
제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 샘플홀드회로에 의해 출력된 전류파형은 컨버터의 AC입력전압의 120°주기로 변화되는 것을 특징으로 하는 PWM컨버터시스템.
제8항 또는 제9항에 있어서,

상기 컨트롤러는 상기 샘플홀드회로의 출력이 미리 설정된 과전류레벨을 초과하면, 컨버터의 모든 게이트신호를 차단하는 수단을 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 PWM컨버터시스템.