소용량 직류단 캐패시터를 가지는 3상 정류기 및 인버터 시스템에서의 THD 개선 및 필터 최적화에 대한 연구

Abstract

본 논문은 소용량 캐패시터를 가지는 인버터 시스템에서 시스템을 안정적으로 제어하면서 필터를 최소화하는 기법을 제안한다. 3상 전동기를 제어 및 구동시키는 인버터 시스템은 AC-DC-AC 변환 시스템으로 전압을 합성하여 사용자가 원하는 제어를 한다. 이 시스템은 크게 계통의 입력을 받아 직류로 변환해주는 정류기, 전원과 부하간의 순시적인 전력 불균형을 보상하기 위한 직류단 캐패시터, 직류단의 전압을 이용하여 전동기 제어를 위한 전압을 합성시켜주는 인버터, 마지막으로 필터 인덕터로 구성되어 있다. 여기서 직류단 캐패시터는 전압을 일정하게 유지시키고, 정전 및 오작동으로 인해 시스템의 동작이 정지하였을 경우 에너지 저장소의 역할을 한다. 이러한 이유로 일반적인 인버터 시스템에서는 시스템의 안정성을 위해 큰 용량을 가지는 전해 캐패시터가 사용된다. 하지만 전해 캐패시터는 시스템 내의 다른 부분들에 비해 짧은 수명을 가져 신뢰성을 저하시키고 입력 전류의 전고조파 왜곡율을 높이는 문제점을 갖는다. 이에 따라 최근에 대용량 캐패시터를 소용량 캐패시터로 대체한 시스템의 대한 연구가 많이 진행되어 왔다. 소용량 캐패시터로 수명이 긴 필름 캐패시터를 사용한다면 시스템의 신뢰성을 올릴 수 있고 전체 시스템의 가격 및 부피를 저감할 수 있다. 소용량 캐패시터를 갖는 인버터는 제어에 있어서 음의 임피던스 영향으로 전압이 직류단 캐패시터와 필터 인덕터의 공진 주파수로 흔들리며 불안전정한 문제점을 갖는데, 이로 인해 전체 시스템의 불안정성을 초래한다. 본 논문에서 기본적으로 이 문제점을 해결하여 시스템의 안정적 동작을 기본으로 전제하고 전체 시스템의 가격 및 부피를 줄이기 위한 대안으로 계통 필터를 저감하기 위한 기법을 제안한다. 필터 저감에 있어서, 수동 필터의 경우 크기를 줄이고 능동 필터의 경우 같은 조건에서 공급하는 전류의 크기를 최소화하는데 목적을 둔다. 제안된 기법을 통해 고조파 규정인 IEC-61000-3-12를 만족하며 동작하는 한에서 필터를 최소화한다. 제안된 방식과 그 동작은 모의 실험 및 실험을 통해 검증한다.