소용량 직류단 캐패시터와 단상 다이오드 정류기를 사용하는 3상 전동기 구동용 인버터의 입력 전류 개선 방법

Abstract

단상 전원을 입력받는 3상 전동기의 구동을 위한 인버터 시스템은 맥동하는입력 전력과 일정한 인버터 출력 전력의 순시적인 차이를 보상하여 전동기를 안정적으로 구동하기 위해 직류단에 대용량의 전해 캐패시터를 사용한다. 그러나 전해 캐패시터는 소자의 특성상 수명이 짧아 전체 시스템의 신뢰성을 저하시킨다. 또한 입력 전류 고조파 성분의 크기가 크며, 이를 억제하기 위해서는 추가 비용을 들여 역률 보상 회로를 사용해야 한다. 위와 같은 문제점들을 해결하기 위해 직류단 캐패시터의 용량을 크게 줄인 시스템이 연구되고 있다. 직류단 캐패시터의 용량을 작게 설계할 경우 수명이 더 긴 캐패시터를 직류단에 사용할 수 있으며, 전체 시스템의 부피 및 가격을 줄일 수 있다. 그러나 입력 전류에 포함된 고조파 성분이 관련 규정의 규제치를 초과하는 현상은 직류단 캐패시터의 설계 변경만으로 해결할 수 없으며, 별도의 방법을 사용하여 입력 전류의 고조파 성분을 억제해야 한다. 연구의 대상이 되는 인버터는 직류단 캐패시터의 용량이 작으므로 입력 전력과 인버터 출력 전력의 형태가 유사하다. 이 특성을 이용하여 인버터 출력 전력을 특정한 형태로 정확히 제어하면 고조파 성분이 제거된 정현파 입력 전류를 얻을 수 있다. 본 논문에서는 인버터 출력 전력을 제어하여 대상 인버터 시스템의 입력 전류 고조파의 크기를 억제하는 기존 방법들의 한계를 분석하고 보다 개선된 입력 전류 제어 방법을 제안한다. 먼저 맥동하는 직류단 전압 조건에서 전동기 전류 제어의 오차를 최소화하면서 원하는 크기의 인버터 출력 전력을 낼 수 있는 전동기 전류 지령을 생성하는 방법을 제안한다. 또한, 전동기 전류 제어기의 출력 전압 벡터를 수정하여 디지털 제어기의 시지연 및 맥동하는 직류단 전압 등으로 인해 발생하는 전동기 전류 제어의 오차를 제거할 수 있는 인버터 출력 전력 제어기를 제안한다. 마지막으로, 과변조 상황에서 인버터 출력 전력의 왜곡을 방지할 수 있는 새로운 과변조 기법을 제안한다. 제안된 제어기는 전동기 전류 제어기와 인버터 출력 전력 제어기, 그리고 새로운 과변조 기법을 사용하여 기존의 방법에 비해 인버터 출력 전력을 보다 정확하게 제어할 수 있다. 제안된 방법의 성능은 1kW급 영구자석 동기 전동기를 대상으로 한 실험을 통해 검증했다. 성능의 검증은 입력 전류 고조파의 크기가 관련 규정 IEC61000-3-2 - Class A의 규제치를 만족하는지 여부를 통해 판단했다.

DC-link capacitor in 3-phase inverter system with single-phase diode rectifier is normally designed to have large capacitance, to effectively compensate the difference of the input power from the grid side and the inverter output power. Large electrolytic capacitor is most widely used as the DC-link capacitor to control the motor power independent to the grid input power. But, the drive system with large DC-link capacitance has some drawbacks. First, the electrolytic capacitor has relatively short lifetime than other devices, which in turn lowers the reliability of the entire drive system. Second, the harmonics of the input current is the drive system has poor grid power factor because of big, constant DC-link voltage. So the PFC(Power Factor Correction) circuit should be used to improve the grid power of the drive system. But using PFC leads to other drawbacks about volume and cost issue of the entire system. To solve these problems, the inverter system which has very low DC-link capacitance is under research, called as Capacitor-less inverter. Capacitor-less inverter can use the other types of the capacitor at the DC-link side to improve reliability. The volume and the cost of the entire system can be reduced. But, the problem that line current harmonics of the system exceeds the harmonic current limit cant be solved only changing the DC-link capacitor, needed other control method to suppress the line current harmonics. The input power and the inverter output power of the Capacitor-less inverter are almost same, because of the low DC-link capacitance. Using this aspect, sinusoidal line current without harmonics can be obtained by controlling the inverter output power. In this paper, the limits of existing control methods to reduce line current harmonics at the Capacitor-less inverter are introduced, and improved control method is proposed. The motor current reference generation method which can minimize the control error under fluctuating DC-link voltage condition and meets output inverter output power reference is proposed first. Next, the inverter output power controller which controls the inverter output power by modifying the output voltage reference from the motor current controller. By adding this controller, the inverter output power error caused by motor current controller can be eliminated. Finally, the over-modulation method that keeps the inverter output power from distortion by the output voltage reference modification at over-modulation area is mentioned. The operation of the proposed system is proved by the experiment with 1kW IPM drive system. The verification is done by comparing Line current harmonics and IEC61000-3-2 current harmonics limit.