회생 운전이 가능한 고전압 전동기 구동 컨버터의 회로와 제어

Abstract

본 논문에서는 회생 운전이 가능한 고전압 전동기 구동용 컨버터 시스템의 5-레벨 Cascaded H-Bridge 셀 구조에 대해서 비교 분석하고, 단상 입출력 고전압 전동기 구동용 컨버터의 직류단 전압 제어 방법에 대해서 제안한다. 고전압 전동기 구동용 컨버터에서 가장 많이 사용되고 있는 회로 방식은 Cascaded H-Bridge(CHB) 구조이다. CHB 구조는 반도체의 전압 제한을 다권선 입력 변압기를 이용하여 극복하였으나, 셀의 개수가 많아질 경우 다권선 입력 변압기의 구조가 복잡해지기 때문에 전체 시스템의 부피와 가격이 증가한다. 이러한 CHB의 단점을 극복하기 위하여 5레벨 셀 구조를 사용하여, 기존의 3레벨 셀 구조 사용시보다 동일 출력 전압을 합성을 위한 셀의 개수를 1/2로 줄일 수 있다. 뿐만 아니라, 기존의 3상 입력을 단상 입력으로 치환하여 다권선 입력 변압기의 2차 측 권선 수를 1/3로 줄일 수 있고, 셀 당 레그 수를 5개에서 4개로 줄일 수 있다. 따라서 단상 입출력 5레벨 CHB 회로 방식을 사용하면 전체 시스템 구조를 간단하게 만들 수 있다. 본 논문에서는 4개의 5-레벨 H-Bridge 셀 구조를 제안한다. 두 개의 동일한 3레벨 레그를 사용한 대칭 구조와 하나의 3레벨 레그와 하나의 2레벨 레그를 사용한 하이브리드 구조를 제안하였다. 또한 5-레벨 H-Bridge의 전압 합성을 위한 PWM 방식을 제안한다. 대칭 구조에서는 레그 간 삼각파의 위상 관계에 따라서 레벨 천이 PWM(LS-PWM)과 위상 천이 PWM(PS-PWM)을 사용할 수 있고, 하이브리드 구조에서는 하이브리드 PWM을 사용할 수 있다. 셀 구조가 다르더라도 동일한 PWM 방식을 사용한다면 출력 특성은 정확히 일치한다. 하지만 각 구조 별로 도통 특성이 다르기 때문에 반도체 손실 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 셀 구조와 PWM 방식에 따른 손실 분포와 전체 효율 등을 비교 분석한다. 시뮬레이션 결과 전체 효율, 손실 분포, 가격 경쟁력 등을 종합적으로 고려하였을 때 대칭 NPC 구조가 가장 우수한 셀 구조라는 결과가 나왔다. 단상 입출력 5-레벨 CHB 고전압 전동기 구동용 컨버터 직류단 전압 제어의 경우 기존 3상 입력을 사용할 때와 달리 각 상의 입력 전력을 이용하여 각 상의 직류단 전압을 제어해야 하므로 일반적인 경우와 다른 시스템 모델링이 필요하다. 모델링을 통해 본 논문에서는 정상분 전압을 이용하여 3상 직류단 전압의 평균값을 제어하고, 역상분 전압을 이용하여 상간 직류단 전압의 균형 제어를 수행하는 방식을 제안한다. 상간 직류단 균형 제어를 하지 않으면 상간 직류단 전압 차이가 발생하기 특정한 상에서만 과변조가 발생하여 전체 시스템 성능에 악영향을 미칠 수 있다. 제안한 직류단 전압 제어 방식을 컴퓨터 시뮬레이션과 실험을 통해 검증하였다. 정격 운전 조건에서 A, B, C상 직류단 전압의 차이가 기준 전압의 1% 내로 제어가 잘 됨을 확인하였다.