상인버터 지능형전력변환실험실 ( IPCL ) Intelligent Power Conversion Laboratory 1

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근수 원
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1 6-5. 상인버터

2 상인버터 기능및동작원리 : ì ( 출력상전압,, ) Î í, - î ü ý þ { } ( 출력선간전압,, ) Î, 0, - ì ( 부하상전압,, ) Î í,, 0, -, - î n n n ü ý þ

3 상인버터 6 개의스위치로구성된 상인버터 à 상,, (0 위상차 ) S -S 4, S -S 6, S 5 -S 는서로 omplementry swithing ( 서로반대임 )

4 상인버터의스위칭상태 가능한출력상전압 (8 개 ) () etor,, 5 () etor, 4, 6 () etor 7 (d) etor 0 tie etor :,,, 4, 5, 6 : zero etor ( 영벡터 ) : 0, 7 4

5 부하상전압 상부하의연결상태 - /6 /6 etor,, 5 etor, 4, 6 / - / etor 7 etor 0 ü o 점을기준으로한 n 점의전위 ( no ) 는 상부하의연결상태에따라 - /6, /6, /, - / 가운데하나가된다. 5

6 상인버터의스위칭상태 출력상전압출력선간전압부하상전압 n n n () / () () / (-) - / (--) - (--) - / (0) 0 () / (-) - / (0) 0 6

7 7 입출력특성 : 출력전압 상부하는 lne 부하 è i i i 0 상인버터경우에 no 가발생 à ommon mode oltge n n n n n n n n n Zi Zi Zi ( ) n i i i Z n þ ý ü î í ì - Î,,, n n n n n n þ ý ü î í ì - - Î n n n,,0,,,,

8 입출력특성 : 출력전압 상인버터의스위칭함수 : o / - / / - n / - / - /

9 입출력특성 : 입력전류 입력전류 : i S i S i S i 5 i S i S i S i - ( i i i ) S i S i S i 5 9

10 상인버터의이상적인동작 이상적인출력상전압과부하전류 : é ù ésin( wt) ù ê ú ê o sin( wt p / ) ú ê ú ê - ú êë ú û êë sin( wt p / ) úû éi ù ésin( w t -f) ù ê i ú I ê o sin( w t p / f) ú ê ú ê - - ú êë i ú û êë sin( w t p / -f) úû 출력전력 : p i i i I osf 일정 o o o 입력전력 : p i i po 이므로 직류측입력전류 : i po oio osf 일정 ü 상인버터의출력파형이정현파인이상적인경우직류측입력전류는순시적으로항상일정한값이된다. ü 단상풀브리지인버터에서는출력파형이정현파인이상적인경우직류측입력전류에기본주파수의 배주파수의교류성분이포함되어있다. 0

11 상인버터의회로구성 회로구성 동작파형 : ü 부하의역률은출력의한주기가운데각폴의다이오드가도통하는구간의크기를결정한다.

12 스위치및다이오드의전류의실효값 일반적인경우 : Q -D 은반주기동안양의전류를 Q 4 -D 4 는음의전류가흐른다. I Q I Q i d t p p ( ) ( 4) ò ( w ) rms rms f I D I D i d t p f ( ) ( 4) ò ( w ) rms rms 0 부하전류가정현파인경우 : p I ( Q ) I ( D ) i d( wt) rms rms p ò0 ì I Q I t d t I p p î p rms ( ) ò [ sin( )] ( ) ( ) sin[( )] 0 o w - f w o í p -f - p -f f é I D I t d t I p p ë f rms ( ) ò [ sin( )] ( ) sin( ) 0 o w - f w o êf - f I ( Q ) I ( D ) I / rms rms o ù ú û ü ý þ ü 스위치와다이오드의전류의실효값은부하의역률에따라정해진다.

13 출력전압의제어 : 6- 스텝제어 출력상전압 : 각폴의상단, 하단스위치는 80 omplementry swithing 각폴은 0 위상차 출력선간전압 : 는 를 0 led 한다

14 출력전압의제어 : 6- 스텝제어 부하상전압과상전류 : - n 은 60 구간씩 6 차례단계로변한다. à 6 STEP 제어 - 와 n 은동상 (in phse) 부하중성점의전압 : - /6 의구형파 - 출력주파수의 배 제어특성 : 기본파의크기 - 제어불가 기본파의주파수 - 제어가능 고조파성분 - 제어불가 n n n n ¹ 0 ü 6- 스텝제어는 상인버터로얻을수있는최대전압을출력으로발생한다. 4

15 출력파형의주파수해석 출력상전압 : 차고조파존재 출력선간전압 : å sin nwt p n n,,5 å sin n( wt - p ) p n n,,5 å sin n( wt p ) p n n,,5 é ù ê sinwt sin wt sin 5wt p ë 5 ú û 4 np p - å os sin n ( wt ) p n 6 6 n,,5 4 np p - å os sin n ( wt - ) p n 6 n,,5 4 np 5 - å os sin n( wt p ) p n 6 6 n,,5 ü 출력선간전압 : n, 9 에서 0 (os(p/) 0) 5

16 출력파형의주파수해석 출력선간전압 : o o o [sin( wt 0 ) - sin 5( wt 0 ) - sin 7( wt 0 ) p 5 7 o o sin( wt 0 ) sin( wt 0 ) - ] o o o [sin( wt - 90 ) - sin 5( wt - 90 ) - sin 7( wt - 90 ) p 5 7 o o sin( wt - 90 ) sin( wt - 90 ) - ] o o o [sin( wt 50 ) - sin 5( wt 50 ) - sin 7( wt 50 ) p 5 7 o o sin( wt 50 ) sin( wt 50 ) - ] 출력선간전압은 6k± (k 정수 ) 차수의고조파성분만을포함한다. 6

17 출력파형의주파수해석 부하상전압 : n ( wt - 0 ) ( 0 ) n n wt - ( 0 ) n n wt é ù n sin ( wt) sin 5wt sin 7wt p ê - - ë 5 7 ú û é ù n sin( wt 0 ) sin 5( wt 0 ) sin 7( wt 0 ) p ê ë 5 7 ú û é ù n sin ( wt 0 ) sin 5( wt 0 ) sin 7( wt 0) p ê - - ë 5 7 ú û 부하중성점의전위 : 4 æ ö n ç å sin nwt p è 6 ø n,,5, n 7

18 출력파형의실효값 출력파형의실효값 출력상전압 : 출력선간전압 : 부하상전압 : p æ ö PO d( wt) 0.5 p ò0 ç è ø p / LL ò ( ) w d t p d t p p PN ò ( ) n w 출력파형기본파의실효값 출력상전압 : 출력선간전압 : p p PO() PN () LL() 6 p p 8

19 출력전압의제어 : 정현파 PWM 제어 동작원리 0 r r r m m m sinwt p sin( wt - ) p sin( wt ) m f : multiple of (odd) m 기준파의진폭반송파의진폭 반송파의주파수 m f 기준파의주파수 f f 9

20 정현파 PWM 제어 : 기본파성분 선형변조시기본파의실효값 출력상전압 : 출력선간전압 : PO() m m LL() PO() 0.6 LL(),mx 부하상전압 : PN () LL() PO() ü LL(),mx 는 6-스텝제어될때얻는출력선간전압실효값의 78.6% 에지나지않는다. 6- 스텝출력선간전압 : LL() 6 p p 0

21 정현파 PWM 제어 : 기본파성분 상인버터의동작영역과출력선간전압의실효값

22 정현파 PWM 제어 : 고조파성분 주파수변조지수 m f 의결정 임의의상의출력상전압에포함된고조파성분의차수 h 는 hmm f ±N ( 단, MN 홀수 ) 이다. 임의의두상의고조파성분은서로 (0ⅹh) 만큼의위상차를갖는다. 그러므로, h 가 의배수인고조파성분은서로동상이되어출력선간전압 에나타나지않는다. 상정현파 PWM 에서는출력선간전압에고조파성분이최대한적게발생하도록, 즉출력상 전압의더많은고조파성분의차수가 의배수가되도록 m f 를 의배수가운데하나로정한 다. 짝수차고조파는 상시스템에악영향을미치므로 m f 는 의배수가운데홀수인것으로한 다. ü 상인버터에서는출력상전압보다출력선간전압의고조파성분이중요함. ( 출력선간전압의각고조파성분이부하전류의고조파성분결정 )

23 정현파 PWM 제어 : 고조파성분 와 는 0 위상차 à h 차고조파성분은 0xh 만큼의위상차 à - 이므로 h 가 의배수인고조파성분은서로동상으로소거된다. è m f 는 의배수 & 홀수 m f, 9, 5,, 7

24 정현파 PWM 제어 : 고조파성분 m f 의가홀수인 의배수인경우출력선간전압의고조파성분 m f 5 5 7, 45 57,6 9, 9,5,9 5,69 4

25 공간벡터 (Spe etor) PWM : SPWM 공간벡터 PWM (SPWM) - 상의 6 개의스위치를한꺼번에고려하여, 인버터의스위칭상태를미리계산된순서 (sequene) 와지속시간 (dwell time) 에따라전환해주는방식 - 기준이되는부하상전압 (referene oltge) 와각상의실제부하상전압이스위치주기 (swithing period) 동안평균적으로같도록한다. 공간벡터 PWM s. 상정현파 PWM 상정현파 PWM (SPWM) 공간벡터 PWM (SPWM) Ø 상의각폴을단상하프브리지인버터처럼독립적으로정현파 PWM 하는방식 Ø 한상의스위칭상태를결정하는데다른상의스위칭상태를고려하지않음. Ø 상의 6 개스위치를한꺼번에고려하여인버터의스위칭상태를이미계산된순서와지속시간에따라전환해줌 5

26 좌표변환과공간벡터 F F F 0 고정좌표 d-q 변환 : 상 F, F, F à 직교하는 상의 F d, F q 로변환 ( 단, 상은평형, ) æ j p - j p ö F Fd jfq ç F F e F e è ø éf ê ëf d q ù ú û é ù éf ù ê - - ú ê ú ê ú êf ú ê ú ê ú ê0 - ê ú ë úû ëf û F d F é ù ê 0 ú éf ù ê ú ê Fd F ú ê ú é ù ê ú - ê ú ê F ú q êf ë û ë ú û ê ú ê ú ê - - ë úû 6

27 좌표변환과공간벡터 상의정현파와회전하는벡터의대응관계 F F F oswt p os( wt - ) p os( wt ) t wt0 F F F - - æ j p - j p ö F Fd jfq ç F F e F e è ø t wt60 F F F A : mgnitude inrint 7

28 좌표변환과공간벡터 상인버터의부하상전압과공간벡터 [ S S S ] k n n n k ( j ) d k d q q [ ] [ ] [ ] [ ] - [ ] - [ ] - [ ] [ ] e j e e e e 0 p j p p j 4p j 5p j 8

29 좌표변환과공간벡터 상인버터의부하상전압크기 9

30 좌표변환과공간벡터 상인버터에서 6 개의스위치를조작하여얻을수있는인버터상태 8 개 à 공간벡터 (spe etor) ~ 6, 0 & 7 k ( k -) p ì j ï e k,,, 6 í ï î0 k 0, 7 ~ 6 0, 7 : tie etor : zero etor 공간벡터 : 상인버터에서부하상전압을 d-q 변환하여얻은벡터 0

31 공간벡터 PWM 기본원리 : 일정한시간간격 T s 동안기준부하상전압과인버터의출력부하상전압의평균적으로같도록공간벡터의종류와각공간벡터의설정 기준부하상전압과기준벡터 é ê ê ê ë * n * n * n ù ú ú ú û m s éoswt ù ê ú ê os( wt - p ) ú êë os( wt p ) úû d-q 변환 * jwt mse wt q 0 < m s < 선택되는공간벡터의종류 : 기준벡터 * 에가장인접한세벡터 ( m, n, z, 여기서 m < n, z 0, 7) 선택된공간벡터의지속시간 : d m T s, d n T s, d z T s æ tm tn t ö z ( dm dn dz ) ç è Ts Ts Ts ø

32 공간벡터 PWM ms 기준벡터 * 는 setor II 이있으며,,, 0 or 7 에의해합성된다. m, n s m

33 공간벡터 PWM 공간벡터의지속시간비율 ( d m, d n, d z ) 의계산 : Ø T s 동안 * 는일정하다고가정 ( 스위칭주파수 f s (/T s ) >> 인버터주파수 f (/Tw/p) ) ( ) m n z t Ts t tm t tm tn t T * s dt dt dt dt T ò t T ò t ò t t ò m t tm tn s s T s 동안 * 의평균 T s 동안인접한세공간벡터의평균 T * t t 단, Ts tm tn tz s m m n n 또는 * d d m m n n 단, dm dn dz

34 공간벡터 PWM * d d 단, dm dn dz m m n n : 벡터형식 m e s jq d m 실수부와허수부를각각같게놓아행렬식으로정리하면, e jq m d n e jq n q e j osq j sinq ém ê ëm s s osq ù sinq ú û éosqm ê ësinqm osqn ùéd sinq úê n ûëd m n ù ú û d d m m m m m d n s s o n sin( qn -qm) sin(60 ) d - ( d d ) z m n s sin( qn -q ) sin( q -q ) n m sin( q -q ) m m s sin( qn -q ) o sin(60 ) sin( q -q ) m 인가시간 d m T s n 인가시간 d n T s Zero etor 인가시간 4

35 공간벡터 PWM 인접한 개공간벡터의선택순서 : Atie etor ( ~ 6 ) : * 의 ngle q 결정 - Zero etor ( 0, 7 ) : * 의크기결정 - 한주기 T s 내에서 zero etor 인가시간 T z 를 ½ 로나누어 0 와 7 에인가한다. - 매주기마다시작하는 zero etor 0 or 7 을바꾸어서최소의스위칭이발생하도록한다. (00), (0) 0 (000), 7 () 5

36 공간벡터 PWM 스위칭패턴 0 zero etor 에서시작하여 0 에서끝나도록 tie etor 의순서를정한다. 6

37 공간벡터 PWM 기본파의크기 공간벡터 PWM 에서부하상전압의기본파성분은기준부하상전압과같다. 기준벡터의최대크기는기준벡터궤적이 6 각형에내접하는원이될때이다. 공간벡터 PWM 제어되는인버터에서부하상전압의기본파의최대실효값 : PN (),mx 공간벡터 PWM 제어할때기본파의최대실효값은 6- 스텝제어될때의 90.7% 에해당하며, 이는 정현파 PWM 시부하상전압의기본파성분이 6- 스텝제어될때의 78.6% 에지나지않았던것에비 추어볼때,.5 배증가한값이다. 6 스텝상전압 ( 실효치 ) : SPWM 상전압 ( 실효치 ) : p 7

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SEML ppt 서식 Presented by Byoung-Kuk Lee, Ph. D., Senior IEEE Energy Mechtronics Lb. College of Informtion nd Communiction Eng. Sungkyunkwn University Tel: 8-31-99-4581 Fx: 8-31-99-461 http://seml.skku.c.kr EML: bkleeskku@skku.edu