제8장 인버터 회로

제8장

인버터 회로

3상 전압형 인버터

3상 인버터의 유형

1) 전압형 인버터는 정류기에 의해 교류를 직류로 변환한 후 직류 커 패시터

로 일정한 크기의 직류링크(dc-link)를 구성

2) 전류형 인버터는 직류인덕터

로 일정한 크기의 직류링크를 구성 하고 제어정류기에 의해 전류의 크기를 조절함

전압형과 전류형

120° 120°

3상 인버터의 유형 ^{PWM 신호로 변환}

3상 인버터의 PWM신호 ^{PWM 변환과정}

단상의 경우

3상의 경우

3상 전압형 인버터 Half- & Full-bridge형

3상 전압형 인버터(half-bridge형) - 가장 널리 이용되는 회로 토폴로지 - 3상 부하 : Y부하, △부하

3상 전압형 인버터(Full-bridge형) - 소요 소자의 개수가 2배로 늘어남 - 3상결선을 위한 변압기 필요

3상 인버터의 제어신호

3상 hb 인버터에서

-출력의 한 주기에 6개 균등한 스위칭 구간이 존재함.

à 6-스텝 인버터라고도 함

-제어신호들이 120° 위상차 가짐

<cf> 3상 전파정류기를 6-펄스 정류기라 하는 것과 같은 의미.

Half- & Full-bridge형

3상 인버터와 3상 Y부하

Y결선 부하일 경우, 중성점 n이 존재하므로, 전원의 중간점 0와 부하의 중성점 n을 연결하면

1) 단상 하프브리지

3상 인버터

선간전압 파형

상전압과 선간전압

상전압과 선간전압

3상 인버터 6-step : Y부하

3상 인버터

d d

d

Rn V V V

R R R

R v R

3 1 1

2 / 1

2 / 1 //

// =

= +

= +

+ -

d d

d

Rn V V V

R R R v R

3 2 1

2 / 1

1

// =

= +

= +

+ -

Y부하시 상전압 산출

3상 인버터 ^{고조파 해석}

þý + ü

+ - +

îí

ì - + +

= sin(11 30 )...

11 ) 1 30 7

7sin(

) 1 30 5

5sin(

) 1 30 3 sin(

) 2

(t V t ⁰ t ⁰ t ⁰ t ⁰

v_{RS d} w w w w

p

선간전압

þý ü îí

ì + + + +

= sin11 ...

11 7 1

7sin 5 1

5sin sin 1

) 2

(t V t t t t

v_{Rn d} w w w w

p

상전압

고조파 스펙트럼

3상 인버터 3상 △부하시 상전류

3상 전류형 인버터

전류형 인버터

전류원의 크기는

- 교류입력일 경우 ; 제어정류기에 의해, - 일정직류일 경우 ; 초퍼에 의해,

각각 전압을 제어하여 변경함.

단상 인버터

- 주로 교류전동기의 운전, 유도가열 및 무효전력발생장치 등에 사용됨.

전류형 인버터

다이오드 D₁에 전류 i_D1이 흐르기 시작 하고 t_u시간 동안 4개의 다이오드 D₁, D₂, D₃ 및 D₄가 모두 켜지게 된다.

전류형에서는 제어정류기의 제어각을 조정하므로 피드백 다이오드가 필요 하지 않으며 그 대신에 직렬 다이오드 를 사용하고 있다.

직렬 다이오드가 없으면 커패시터가

단상 인버터

전류형 인버터

다음에 제시된 회로에 단상 전류형 인버터의 각 동작구간별 스위칭 상 태를 조사하시오.

Homework

전류형 인버터

3상 전류형 인버터는 주로 중-대형 교류전동기 의 가변속운전에 사용됨.

3상 인버터

전류형 인버터

ASCI (autosequentially-commutated inverter) 또는 6-펄스 전류형 인버터

3상 인버터

전류형 인버터 ^{스위칭 상태}

ASCI (6-펄스 전류형 인버터)

전류형 인버터

상전류가 구형파로 변하는 이상적 인 경우 - 전압스파이크가 임펄스 형태로 나타나고 있음.

실제에서는 구간 t_u가 존재하므로 전압 스파이크가 발생됨.

유도전동기 구동시

전류형 인버터

실제 구간 t_u가 존재하므로 전압 스파이크가 발생됨.

정류기의 전환중복과 비교

실제 중복구간으로 전압의 notch 가 발생됨.

전류형 인버터 ^{구간별 천이특성}

전류형 인버터 ^{스위칭 상태}

전류형 인버터

(1) 전류형에서는 arm(또는 leg)-short로 전류가 크게 증가되지 않지만 전압형에서는 고 속차단 퓨즈로 이를 방지해야 함

(2) 전류형의 경우 전동기의 회생제동이 회로의 구조상 가능하지만 전압형 인버터 사용시 별도의 컨버터가 필요하며 그렇지 않을 경우, 발전제동방식으로 제동해야 함

전압형과의 비교

(3) 전류형은 큰 인덕터 때문에 응답성 저하로 주로 저속동작에 적합하고, 전압형의 PAM 인버터에서는 필터용 C 때문에 응답이 나쁘다. 그러나 PWM 인버터에서는 입력전압의 크기를 펄스폭 제어하므로 응답이 우수하고 원활한 제어가 가능하여 고속 동작에 유리함 (4) 전류형에서는 각 제어소자에 역전압이 걸리므로 SCR이 가장 적합하며 Power TR, MOSFET 및 GTO를 사용할 수 없다. 또한 제어소자와 직결된 다이오드가 있어야 전환에너지를 확보 가능함. 반면에 전압형의 경우 제어용 소자의 사용에 제한이 없으며 피드백 다이오드를 제어소자와 역병렬로 연결해야만 부하측 에너지가 전원측으로 반환될 수 있음

(5) 전류형 인버터는 무부하로 될 경우 전류가 흐를 경로가 없어지므로 반드시 최소한의 부하가 필요하지만 전압형의 경우는 무부하운전도 가능함

(6) 전압형 인버터는 다이오드 정류기를 사용하여 일정한 직류링크를 공유할 수 있어 여러 대의 전동기를 동시에 운전할 수 있고 개로 제어가 가능한 특징이 있다. 그러나 전류형 인버터는 제어 정류기의 사용으로 다중운전이 어렵고 또한 폐로 또는 피드백 제어를 해야 함

전류형 인버터

PWM 6-스텝 CSI

입력 역률 + - --

토크 맥동 ++ - -

다중 전동기 구동 + + -

에너지의 반환 - - ++

단락 보호 - - ++

개방 보호 + + -

저속운전 효율 - + +

크기 및 무게 + + --

전압형과의 비교

인버터 제어

출력의 제어

위상각 제어는 크기는 같고 위상이 다른 두 교류전압으로 부터 벡터합에 대한 출력을 조절하는 방식이다.

인버터의 출력전압

과

의 상차를

라 하고 합성벡터를

라 다음과 같이 얻어진다.

2 / )

2 / cos(

2 f Ð f

= +

= E E E

E &

&

&

위상각제어

출력의 제어

VVI(Variable-voltage input)

펄스크기제어(PAM)

VVO(Variable-voltage output)

출력의 제어

전력회로 제어회로 역률 효율 속응성 스위칭주파수

PAM

복잡 간단 나쁨 낮음

PWM

간단 약간복잡 좋음 높음

PAM & PWM 비교

출력의 제어

원하는 출력인 정현파를 실현하기 위해 정현파신호 e_A , e_B , e_C 를 삼 각파 캐리어와 비교하여 인버터의 스위칭 신호로 사용한다.

파형은 3상 PWM 인버터의 출력 전압을 나타내며 부하가 Y결선된 경우이다.

PWM 제어

출력의 제어

① 발생방듀티비 식에 따른 분류

i) 변조 (duty ratio modulation:DM)

ii) 주기적 변조 (periodic modulation:PM)

② 변조방식에 따른 분류

i) 싱글에지 변조 (single edge modulation)

~ 전단변조(leading edge modulation)

~ 후단변조 (trailing edge modulation) ii) 이중에지 변조 (double edge modulation)

PWM방식의 유형

③ 출력 레벨에 따른 분류 i) 2 – 레벨

ii) 3 – 레벨

④ 위상관계에 따른 분류 i) M – 변조

ii) W – 변조

출력의 제어

(1) 하드웨어방식

PWM펄스 발생방식

출력의 제어

3 개의 각(leg) 출력의 상태를 S_a ,S_b ,S_c 로 각각 표현하면 가능한 모든 스위칭 상태를 표 8-4와 같이 조사된다.

즉 8개의 가능한 스위칭조합을 생 각할 수 있고 S_a ,S_b ,S_c가 무두 오프 되거나 온 되는 경우를 제외하면

공간벡터변조

출력의 제어

S

S

S

1 0 0 0 -

V(0)

2 1 0 0

II V(1)

3 1 1 0

III V(2)

4 0 1 0

IV V(3)

5 0 1 1

V V(4)

6 0 0 1

VI V(5)

7 1 0 1

I V(6)

8 1 1 1 -

V(7)

공간벡터변조

출력의 제어

각 공간백터들은 이번에는 정육각형의 꼭지점상에 놓이게 되는데, 여기서 벡터 V(1)~V(6)는 반시계방향으로 꼭지점

공간벡터변조

출력의 제어

이와 같이 인버터 출력이 공간상의 기준 벡터전압 V_O와 평균적으로 같게 되도록 유효벡터들을 이용하여 합성해 내고 이 를 위해 각 유효전압벡터의 스위칭 순서 와 간격을 결정하여 인버터의 3상 출력 을 제어하는 방법이 바로 공간벡터변조 이다.

공간벡터변조

출력의 제어

영벡터에서 시작하여 일정한 시간 T_O/2 이후 벡터 V(1), 즉 (100)의 스위칭상태 II 로 전환되는데 이때 시간 T_m 만큼 벡터

V(1)이 나타남으로써 V_m의 크기로 제어됨.

샘플링 주기 T 내에서 기준전압벡터 V_O 를 적분하면

ò ò

ò

ò

T T T T

T T T

Odt V dt V dt V dt

V ^{2 2 2}

0

0 0

0 0

) 2 ( )

1 ( )

0 (

공간벡터변조

출력의 제어

스칼라량인 T_m과 T_n을 구하기 위하여 그림에 표시한 α-β 축으로 기준전압벡터 V_O를 분해하 여 각 축상의 크기를 나타내면 다음과 같다.

0 0

60 sin 0

sin :

60 cos cos

:

n K

o

n m

K o

V T

V

V V

T V

+

=

+

= q

b

q a

축 축

0

0

60 3 sin

sin 2 :

60 3 cos

2 3

cos 2 :

d n K

o

d n d

m K

o

V T T

V

V V V

T T

V

=

+

=

q b

q a

축 축

여기에서 V_m과 V_n에 2/3 T_mV_d와 2/3 T_nV_d 를 각각 대입하면

공간벡터변조

출력의 제어

기준전압 벡터의 위치에 따라 인가되어지는 2개의 유효전압 벡터가 선택되고 각 전압벡터를 인가해야 하는 시간은 다음과 같이 구할 수 있다.

0

0 0

60 sin

sin 3

2

60 sin

) 60

sin(

3 2

k

d o m

k

d o m

V T T V

V T T V

q

q

=

÷÷ ø ö çç

è

æ -

=

여기서 영벡터 인가시간 T₀는 T_m 및 T_n이 결정되면 스위칭주기 T와 함께 다음의 식으로 결정할 수 있다.

) (

o

T T T

T = - +

공간벡터변조