3상 인버터 동작원리 - 3sang inbeoteo dongjag-wonli

Abstract

본 발명에 따른 3상 PWM 방식 인버터에서의 전압 왜곡 보상방법은, 각 상에 복수의 스위칭 소자와 다이오드를 구비하며, 3상 유도 전동기를 부하로 가지는 3상 PWM 방식 인버터에서 전압 왜곡을 보상하기 위한 방법에 있어서, 임의의 한 상의 기준전압과 실제전압의 비교에 의해 그 상의 스위칭 소자 및 다이오드에 의한 전압강하를 각각 구하는 단계; 상기 스위칭 소자 및 다이오드에 의한 전압강하와 턴-온 및 턴-오프 시간지연을 고려하여 상기 임의의 한 상의 전압 왜곡을 해석하는 단계; 상기 해석된 임의의 한 상의 전압 왜곡을 바탕으로 3상의 전압 왜곡을 구하는 단계; 및 상기 구해진 3상의 전압 왜곡을 바탕으로 각 상에 인가되는 전류 및 전압치를 제어함으로써 상기 스위칭 소자 및 다이오드에 의한 전압강하를 보상하는 단계를 포함하는 점에 그 특징이 있다.

이상과 같은 본 발명에 의하면, 종래와는 달리 턴-온 및 턴-오프 시간지연에 의한 전압 왜곡은 물론 스위칭 소자의 전압강하에 의한 전압 왜곡도 보상하게 되므로, 정밀한 출력전압을 얻을 수 있고, 그에 따라 유도 전동기의 정밀제어가 가능해진다.

Description

3상 PWM 방식 인버터에서의 전압 왜곡 보상방법

본 발명은 3상 PWM(pulse width modulation) 방식 인버터에서의 전압 왜곡 보상방법에 관한 것으로서, 더 상세히는 유도 전동기를 부하로 가지는 3상 PWM 방식 인버터에서 데드 타임(dead time) 및 파워 소자의 전압강하에 의한 출력전압의 왜곡을 보상할 수 있는 3상 PWM 방식 인버터에서의 전압 왜곡 보상방법에 관한 것이다.

일반적으로, 유도 전동기는 고정자 권선의 전압/전류의 변화에 의해 고정자와 회전자 간의 자속을 유도해 낸다. 그러므로, 직류 전동기나 교류 동기 전동기처럼 자속의 세기가 일정하지 않으며, 자속의 세기를 일정하게 유지하는 것이 어려워 동작 특성이 복잡하고 제어가 그만큼 어렵다. 한편, 이 자속의 크기는 정상 상태에서 근사적으로 출력 전압과 주파수의 비, 즉 V/F에 비례한다. 그러므로, 주파수를 일정하게 유지하면 발생 자속이 거의 일정하여 직류 전동기나 교류 동기 전동기와 같은 토크 특성을 얻을 수 있게 된다. 이것은 다시 말해 전동기의 원하는 속도에 대해 전동기의 극수 등을 고려하여 출력 주파수를 결정하고, 그 출력 주파수에 비례하는 전압을 전동기에 인가하게 되는 것을 말한다. 그런데, 상용 전원의 전압과 주파수는 거의 일정하게 유지되고 있으므로, 이를 가변 전압 가변 주파수(variable voltage variable frequency)로 변화시키기 위하여 PWM 방식의 인버터가 사용된다.여기서, 이 PWM 방식은 출력 전압의 크기를 등가의 펄스 폭으로 변조시켜 인가하는 방식으로서 인버터에 있어서 증폭 트랜지스터의 열손실을 막기 위한 필수적인 구성요소라고 할 수 있다.

도 1은 이와 같은 3상 PWM 방식 인버터의 개략적인 회로 구성도이고, 도 2는 도 1의 인버터에서의 데드 타임 및 턴-온 지연시간 보상을 보여주는 게이팅 펄스 파형도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 3상 PWM 인버터에 있어서 데드 타임(Td) 동안에는 동일한 상(phase), 예컨대 a상의 스위칭 소자인 트랜지스터(Ta)(Ta')로는 전류가 흐르지 못하고, b상의 다이오드(Db)(Db')나 c상의 다이오드(Dc)(Dc')로만 전류가 흐르게 된다. 이때, c상의 트랜지스터(Tc)(Tc')가 T1에서 턴-온(turn-on)되어야 할 때, A-게이팅을 먼저 T1-Tcom에서 턴-오프(turn-off)시키고, A+게이팅을 T1-Tcom+Td에서 턴-온함으로써 데드 타임(Td)이 보상된다. 도 2에서 (a)는 이상적인 게이팅 펄스 파형도, (b)는 데드 타임을 보상한 경우의 게이팅 펄스 파형도, (C)는 스위칭 제어신호의 턴-온에서 스위칭 소자의 실제 턴-온 까지의 지연시간(Ton)을 보상한 경우의 게이팅 펄스 파형도, 그리고 (d)는 (c)의 등가 파형도이다. 또한, (a)∼(d)는 유도 전동기로 흘러 들어가는 a상의 전류()가 0보다 큰 경우의 파형도이고, (e)∼(g)는가 0보다 작은 경우의 파형도이다.

이상에서와 같이 종래에는 턴-온 시간지연 및 턴-오프 시간지연의 보상에 의해서만 출력전압의 왜곡을 보상하였다. 그러나, 출력전압의 왜곡은 턴-온 및 턴-오프의 시간지연에 의해서 뿐만이 아니라, 상기 스위칭 소자의 전압강하에 의해서도 발생된다. 따라서, 종래와 같은 보상방법으로는 출력전압의 왜곡을 완전히 보상할 수 없으며, 그 결과 유도 전동기를 정밀하게 제어할 수 없게 된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 턴-온 및 턴-오프의 시간지연에 의한 전압 왜곡 뿐만이 아니라, 스위칭 소자의 전압강하에 의한 전압 왜곡도 보상할 수 있는 3상 PWM 방식 인버터에서의 전압 왜곡 보상방법을 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 일반적인 PWM 방식 인버터의 개략적인 회로 구성도.

도 2는 도 1의 인버터에서의 데드 타임 및 턴-온 지연시간의 보상을 보여주는 게이팅 펄스 파형도.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

Vdc...전원전압 Ta,Ta',Tb,Tb',Tc,Tc'...트랜지스터

Da,Da',Db,Db',Dc,Dc'...다이오드 IM...유도 전동기

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 3상 PWM 방식 인버터에서의 전압 왜곡 보상방법은, 각 상에 복수의 스위칭 소자와 다이오드를 구비하며, 3상 유도 전동기를 부하로 가지는 3상 PWM 방식 인버터에서 전압 왜곡을 보상하기 위한 방법에 있어서, 임의의 한 상의 기준전압과 실제전압의 비교에 의해 그 상의 스위칭 소자 및 다이오드에 의한 전압강하를 각각 구하는 단계; 상기 스위칭 소자 및 다이오드에 의한 전압강하와 턴-온 및 턴-오프 시간지연을 고려하여 상기 임의의 한 상의 전압 왜곡을 해석하는 단계; 상기 해석된 임의의 한 상의 전압 왜곡을 바탕으로 3상의 전압 왜곡을 구하는 단계; 및 상기 구해진 3상의 전압 왜곡을 바탕으로 각 상에 인가되는 전류 및 전압치를 제어함으로써 상기 스위칭 소자 및 다이오드에 의한 전압강하를 보상하는 단계를 포함하는 점에 그 특징이 있다.

이상과 같은 본 발명에 의하면, 종래와는 달리 턴-온 및 턴-오프 시간지연에 의한 전압 왜곡은 물론 스위칭 소자의 전압강하에 의한 전압 왜곡도 보상하게 되므로, 정밀한 출력전압을 얻을 수 있고, 그에 따라 유도 전동기의 정밀제어가 가능해진다.

이하 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 3상 PWM 방식 인버터에서의 전압 왜곡 보상방법은 도 1에 도시된 3상 PWM 방식 인버터에 그대로 적용될 수 있다. 따라서, 도 1 및 도 2를 다시 참조하여 본 발명의 방법을 설명하기로 한다.

도 1의 3상 PWM 방식 인버터에서 예컨대, a상의 전류가 부하인 유도 전동기(IM)로 흘러 들어갈 때, a상에 걸리는 실제전압 Van은 다음과 같이 표현될 수 있다.

[수학식 1]

Van= Vdc/2 - Vce(윗상이 도통하고 있을 때)

Van= -Vdc/2 - Vd(아랫상이 도통하고 있을 때)

여기서, Vdc는 전원전압, Vce는 스위칭 소자의 전압강하, Vd는 다이오드의 전압강하를 각각 나타낸다.

그리고, 상기 a상의 전류가 부하인 유도 전동기(IM)로부터 흘러 나올 때, a상에 걸리는 실제전압 Van은 다음과 같이 표현될 수 있다.

[수학식 2]

Van= Vdc/2 + Vd(윗상이 도통하고 있을 때)

Van= -Vdc/2 + Vce(아랫상이 도통하고 있을 때)

한편, 전류의 크기가 커짐에 따라 스위칭 소자(Ta)(Ta') 및 다이오드(Da) (Da')의 전압강하도 각각 커지므로, 스위칭 소자(Ta)(Ta') 및 다이오드(Da)(Da')의 전압강하(Vce)(Vd)는 각각 다음과 같이 표현될 수 있다.

[수학식 3]

Vce= Vceo+ rce

Vd= Vdo+ rd

여기서, Vceo는 스위칭 소자(Ta)(Ta')의 문턱전압(threshold voltage), Vdo는 다이오드(Da)(Da')의 문턱전압, rce및 rd는 스위칭 소자(Ta)(Ta') 및 다이오드(Da)(Da')의 온(on) 상태에서의 기울기 저항,는 유도 전동기(IM)로 흘러 들어가는 a상의 전류를 각각 나타낸다.

이때, 턴-온 시간지연 및 턴-오프 시간지연, 스위칭 소자(Ta)(Ta')의 전압강하(Vce)의 영향을 고려하여 전압 왜곡을 해석하면, 다음과 같이 표현될 수 있다.

[수학식 4]

Vas= Vas *+ Vas' - ½(rce+rd)

여기서, Vas는 a상의 실제전압, Vas *는 a상의 전압지령치, Vas'는 a상의 왜곡 전압을 각가 나타낸다.

그리고, 상기 수학식 4는 다시 다음과 같이 표현될 수 있다.

[수학식 5]

Vas' ={Vdc-(Vce-Vd)K/Ts- Vceo+Vdo}

7?EMI ID=8 HE=8 WI=4 FILE="kpo00008.TIF">(VdcK/Ts- Vceo+Vdo)

여기서, K=Toff-Ton-Td+Tcom을 나타내고, Vdc≫Vce-Vd이므로, Vce-Vd는 무시된 것이다. 그리고, 턴-온 및 턴-오프의 지연시간(Ton)(Toff)은 전류의 크기에 따라 증감하지만, Toff-Ton은 상수로 간주할 수 있고, 따라서 K도 상수로 간주할 수 있다. Tcom은 보상 시간을 나타낸다.

또한, 상기 수학식 4에서 ½(rce+rd)는 유도 전동기(IM)의 고정자 저항처럼 작용하므로, 고정자 저항을 rs, 전체 합성 저항을 rs'라고 할 때, 다음과 같이 표현될 수 있다.

[수학식 6]

rs' = rs+ ½(rce+rd)

이상의 사항들을 바탕으로 3상의 전압 왜곡을 d-q변환, d축 및 q축의 2축 직각 좌표계에 입각하여 변환하면, 다음과 같이 표현될 수 있다.

[수학식 7]

Vqs s' = Vas' = ⅔(VdcK/Ts- Vceo+Vdo)

Vds s' = (Vcs'-Vbs')/= 0

그리고, 상기 수학식 7을 바탕으로 임의의 전류 Iqs1 *, Iqs2 *를 이용하여 상기 Vqs s', rs'를 다시 정리하면 다음과 같다.

[수학식 8]

Vqs s' = (Vqs1 s*Iqs2 s*-Vqs2 s*Iqs1 s*)/(Iqs1 *-Iqs2 *)

rs' = (Vqs1 s*-Vqs2 s*)/(Iqs1 *+Iqs2 *)

이상에 의해 전압 왜곡을 최소화할 수 있는 Tcom을 얻을 수 있고, 그 결과 정밀한 인버터 출력전압을 얻을 수 있다.

이상의 설명에서와 같이 본 발명에 따른 3상 PWM 방식 인버터에서의 전압 왜곡 보상방법은 종래와는 달리 턴-온 및 턴-오프 시간지연에 의한 전압 왜곡은 물론 스위칭 소자의 전압강하에 의한 전압 왜곡도 보상하게 되므로, 정밀한 출력전압을 얻을 수 있고, 그에 따라 유도 전동기의 정밀제어가 가능해진다.

Claims (5)

1. 각 상에 복수의 스위칭 소자와 다이오드를 구비하며, 3상 유도 전동기를 부하로 가지는 3상 PWM 방식 인버터에서 전압 왜곡을 보상하기 위한 방법에 있어서,

   임의의 한 상의 기준전압과 실제전압의 비교에 의해 그 상의 스위칭 소자 및 다이오드에 의한 전압강하를 각각 구하는 단계;

   상기 스위칭 소자 및 다이오드에 의한 전압강하와 턴-온 및 턴-오프 시간지연을 고려하여 상기 임의의 한 상의 전압 왜곡을 해석하는 단계;

   상기 해석된 임의의 한 상의 전압 왜곡을 바탕으로 3상의 전압 왜곡을 구하는 단계; 및

   상기 구해진 3상의 전압 왜곡을 바탕으로 각 상에 인가되는 전류 및 전압치를 제어함으로써 상기 스위칭 소자 및 다이오드에 의한 전압강하를 보상하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 3상 PWM 방식 인버터에서의 전압 왜곡 보상방법.

2. 제1항에 있어서, 상기 임의의 한 상의 스위칭 소자 및 다이오드에 의한 전압강하는 상기 기준전압을 Vdc/2, 실제전압을 Van, 스위칭 소자에 의한 전압강하를 Vce, 다이오드에 의한 전압강하를 Vd라고 하고, 전류가 상기 유도 전동기로 흘러들어 갈 경우,

   Vce= Vdc/2 - Van

   Vd=-Vdc/2 - Van(여기서, Vdc는 전원 전압을 나타냄)

   의 수식에 의해 각각 구해지는 것을 특징으로 하는 3상 PWM 방식 인버터에서의 전압 왜곡 보상방법.

3. 제1항에 있어서, 상기 임의의 한 상의 스위칭 소자 및 다이오드에 의한 전압강하는 전류가 상기 유도 전동기로부터 흘러나올 경우,

   Vce= Vdc/2 + Van

   Vd=-Vdc/2 + Van

   의 수식에 의해 각각 구해지는 것을 특징으로 하는 3상 PWM 방식 인버터에서의 전압 왜곡 보상방법.

4. 제2항 또는 제 3항에 있어서, 상기 임의의 한 상의 스위칭 소자 및 다이오드에 의한 전압강하(Vce)(Vd)는 상기 스위칭 소자 및 다이오드의 문턱전압을 각각 Vceo, Vdo, 스위칭 소자 및 다이오드의 온 상태에서의 기울기 저항을 각각 rce, rd, 상기 임의의 한 상에 흐르는 전류를라고 할 때,

   Vce= Vceo+ rce

   Vd=Vdo+ rd

   의 수식에 의해 각각 구해지는 것을 특징으로 하는 3상 PWM 방식 인버터에서의 전압 왜곡 보상방법.

5. 제1항에 있어서, 상기 임의의 한 상의 전압 왜곡을 Vas', 그때의 그 상의 실제전압 및 전압지령치를 각각 Vas, Vas *라고 할 때, 전압 왜곡 Vas'는

   Vas' = Vas- Vas *+ ½(rce+rd)

   의 수식으로 해석되는 것을 특징으로 하는 3상 PWM 방식 인버터에서의 전압 왜곡 보상방법.

Priority Applications (1)

Applications Claiming Priority (1)

Publications (1)

Family

ID=65985030

Family Applications (1)

Country Status (1)

Cited By (4)

• 1997
  • 1997-03-05 KR KR1019970007262A patent/KR19980072428A/ko not_active Application Discontinuation

Similar Documents

Legal Events