단상 입력과 소용량 직류단 캐패시터를 가지는 3상 교류 전동기 구동용 인버터의 제어

Abstract

일반적인 단상 교류 입력 정류 시스템의 경우 일정한 직류단 전압을 얻기 위해 큰 용량의 전해 캐패시터가 주로 사용되고 있다. 이로 인해 펄스 형태의 충전전류가 단상 교류 전원에 흘러 전원 입력 전류의 왜곡이 심하다. 이를 개선하기 위한 입력 역률 보상 회로가 필수적으로 사용 된다. 하지만 단상 정류 시스템의 직류단에 작은 용량의 캐패시터를 설치할 경우 많은 장점들이 존재한다. 입력 전류의 역률 보상 회로가 필요 없고, 입력 전류의 고조파의 감소로 필터의 크기가 감소된다. 또 작은 용량의 캐패시터를 직류단에 사용하면 시스템 초기 충전을 위한 회로가 필요 없게 되어 부피 및 가격이 감소된다. 부가적으로 전동기 구동 시스템의 주된 고장 원인인 전해 캐패시터를 소용량 필름 캐패시터로 교체함으로써 시스템의 신뢰성을 대폭 향상 시킬 수 있다. 이러한 장점에도 불구하고 직류단 전압이 계통 주파수의 두 배로 진동하기 때문에 3상 교류 전동기 구동에 많은 어려움이 존재한다. 계통 주파수의 두 배로 진동하는 직류단에서 오는 주된 문제점은 주기적인 전압 강하로 인해 토크에 비례하는 전류(회전자 좌표계 q축 전류)의 연속성이 보장되지 않고, 평균 토크를 내기 위한 적절한 약자속 방법을 찾기 어렵다는 데에 있다. 이러한 문제점이 해결되지 않으면, 3상 교류 전동기의 토크/속도 제어 성능이 대폭 떨어지게 되고 전동기 제어 그 자체뿐 아니라 단상 교류 입력 전류의 고조파 규제치도 만족시키기 어렵다. 따라서 앞선 문제점들을 극복하기 위해서 토크에 비례하는 전류(q축 전류)의 모양이 결정되어야 하며 평균 토크를 보장하기 위해 필요한 약자속 전류의 적절한 크기를 결정할 필요가 있다. 본 논문에서는 평균 전압 제한 개념을 제안하고 이를 전류 평면에 표현하여 새로운 약자속 영역을 정의하였다. 이 개념을 바탕으로 약자속 제어를 위한 회전자 좌표계 d축 전류지령을 생성하는 제어기를 구성하였다. 그리고 입력 전류의 역률과 고조파를 고려하여 q축 전류 지령의 모양을 결정하였다. 본 논문에서는 이 새로운 전류 지령 생성부가 가지는 물리적 의미를 설명하고, 구현 방법을 서술 한다. 그리고 기존 연구와의 차이점을 비교한다. 제안된 방식의 유효성 검증을 위해 제안한 전류 지령 생성부를 실제 1kW 에어컨의 압축기에 적용하여 입력 전류가 입력 전류 고조파 규제치를 만족함을 보인다.