KR102358313B1 - Wbg-based power converter and power converter control method including output filter to control the output voltage of the motor to which the output signal of the matrix converter is applied - Google Patents

Wbg-based power converter and power converter control method including output filter to control the output voltage of the motor to which the output signal of the matrix converter is applied Download PDF

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Abstract

본 발명은 전동기와 연결된 WBG 기반 전력변환장치에 있어서, N상(N은 정수)의 매트릭스 컨버터; 및 상기 매트릭스 컨버터에서 출력되는 출력 전압단에 직렬로 일단이 결선된 필터 인덕터(Lf), 상기 필터 인덕터의 타단에서 분기된 라인에 필터 커패시터(Cf) 및 댐핑 저항이 직렬로 결선된 출력 필터를 포함하고, 상기 출력 필터는, 상기 필터 인덕터에 의한 상기 매트릭스 컨버터 출력단의 전압 강하가 정격 전압의 2%이상 5%이하 범위에 포함되도록 필터 인덕턴스를 설정하는 필터 인덕턴스 설정부; 상기 매트릭스 컨버터의 스위칭 주파수보다 크고 10MHz보다 작은 범위에서 공진 주파수를 설정하는 공진 주파수 설정부; 및 상기 필터 인덕턴스 및 상기 공진 주파수를 통해 필터 커패시턴스를 산출하는 필터 커패시턴스 산출부를 포함하여 간단하게 표준 규격을 만족시킬 수 있으며 상기 전동기의 전압 상승을 완화하고 누설전류를 감소시켜 전체 시스템의 안정성과 신뢰성을 향상시킬 수 있는 것을 특징으로 한다.The present invention provides a WBG-based power converter connected to an electric motor, comprising: an N-phase (N is an integer) matrix converter; and a filter inductor (L f ) having one end connected in series to an output voltage terminal output from the matrix converter, a filter capacitor (C f ) and a damping resistor connected in series to a line branched from the other end of the filter inductor. wherein the output filter includes: a filter inductance setting unit configured to set the filter inductance so that a voltage drop at the output terminal of the matrix converter by the filter inductor is included in a range of 2% or more and 5% or less of a rated voltage; a resonance frequency setting unit for setting a resonance frequency in a range greater than the switching frequency of the matrix converter and less than 10 MHz; and a filter capacitance calculator that calculates a filter capacitance through the filter inductance and the resonant frequency, which can simply satisfy the standard specification, and alleviates the voltage rise of the motor and reduces the leakage current, thereby improving the stability and reliability of the entire system. features that can be improved.

Description

매트릭스 컨버터의 출력 신호를 인가받는 전동기의 출력 전압을 제어하기 위한 출력 필터를 포함한 WBG 기반 전력변환장치 및 전력변환장치 제어방법{WBG-BASED POWER CONVERTER AND POWER CONVERTER CONTROL METHOD INCLUDING OUTPUT FILTER TO CONTROL THE OUTPUT VOLTAGE OF THE MOTOR TO WHICH THE OUTPUT SIGNAL OF THE MATRIX CONVERTER IS APPLIED} WBG-based power converter including an output filter for controlling the output voltage of a motor receiving the output signal of a matrix converter and a method of controlling a power converter OF THE MOTOR TO WHICH THE OUTPUT SIGNAL OF THE MATRIX CONVERTER IS APPLIED

본 발명은 복수의 상을 갖는 전력변환장치와 전동기 사이에 설치되어 전동기의 출력단 전압을 제어하는 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and method installed between a power converter having a plurality of phases and an electric motor to control the output terminal voltage of the electric motor.

전동기는 전기적인 에너지를 기계적인 에너지로 변환시키는 장치이다. 전동기 드라이브 시스템은 전원으로부터 공급된 전력을 입력받아 드라이브 내에서 직류(DC) 전원을 교류(AC)로 변환하고 전압과 주파수를 가변시켜 전동기에 공급하여 전동기의 속도를 제어한다.
그러나 전동기 드라이브 시스템은 스위칭 속도가 빨라지면 전압이 상승(dv/dt)하고, 이로 인해. 전동기 드라이브 시스템의 절연 파괴 및 누설 전류 문제를 발생한다. 먼저, 전압 상승으로 인해 전동기 입력단에서 발생하는 절연이 파괴될 수 있다. 전동기 드라이브 시스템과 전동기 사이의 케이블 임피던스와 전동기의 임피던스 차이로 인해 케이블 내에서 전압 반사파(Voltage reflection)가 발생한다. 전압 반사파로 인해 전동기의 입력단에 인가되는 전압은 최대 2배까지 증가할 수 있다. 만약 전동기의 절연 능력보다 높은 전압이 인가될 경우, 전동기의 입력단에서 절연이 파괴되고 이로 인해 고장을 발생하며 전동기 수명을 감소시킨다.
전동기 드라이브 시스템은 스위칭 속도가 빨라지면 기생 커패시터 및 접지선을 통해 누설전류가 흐르는 문제가 발생한다. 전동기 드라이브 시스템으로부터 높은 dv/dt 전압이 전동기에 공급되면, 전동기 내의 고정자-접지프레임 커패시턴스, 고정자-회전자 커패시턴스, 샤프트-베어링 커패시턴스, 샤프트-고정자석 커패시턴스 등의 기생 커패시턴스 성분을 통해 누설 전류가 흐를 수 있다. 누설전류는 전동기의 구성요소에 기계적 결함을 야기하며, 전동기 드라이브 시스템의 센싱 및 제어부에 공통 모드 노이즈를 인가하게 되어 시스템 오동작(Malfunction)을 초래할 수 있다.
또한, 스위칭 속도가 빨라진 전동기 드라이브 시스템은 낮은 스위칭 주파수로 인해 전동기 전류의 리플이 심하고, 이로 인한 전동기의 추가 손실이 발생할 수 있다. 급격한 전압 변동은 케이블이 안테나로 동작하여 전자파 간섭(EMI)을 야기하는 문제가 발생한다. EMI 문제는 케이블을 차폐하여 극복할 수 있으나 비용과 손실이 크게 발생하는 것이 문제된다.
한편, 전력반도체는 전력변환장치에 사용되는 반도체 소자로서 전력을 시스템에 배분하는 제어와 변환기능을 갖는 소자이다. 전력반도체의 성능 향상은 이를 이용하는 전기시스템, 즉 전력변환장치의 성능 향상과 직결된다. 최근 개발된 WBG(Wide Band Gap) 소자는 기존의 실리콘(Si) 반도체 소자에 비해 고온에서 안정적으로 동작하며, 열전도도가 높고 저항이 낮으며 내전압이 높은 장점이 있다. 최근 연구들은 WBG 기반으로 전력변환시스템을 구성하여 시스템의 사이즈를 줄이고 전체 시스템 효율을 높이는 방향으로 진행되고 있다.
특히, 가변속 전동기 드라이브용 시스템에 WBG 소자를 사용하면 높은 스위칭 주파수에서 매우 낮은 손실을 가질 수 있고 매우 높은 온도 환경에서도 구동이 가능하다. 이러한 WBG 소자의 장점으로 인해 전기차 분야, 심해펌프 분야, 항공우주 분야, 철도 분야 등의 산업 분야에 WBG 기반의 전동기 드라이브 시스템이 사용되고 있다. 또한 WBG 소자는 스위칭 속도가 높아 전력변환장치의 필터 등 수동소자의 크기와 수를 줄일 수 있어 경제적이다.
그러나 WBG 기반의 전동기 드라이브 시스템은 스위칭 속도가 기존보다 빨라져 전압 상승(dv/dt)의 문제가 심화될 수 있다. 따라서 IEC와 NEMA에서는 전동기 드라이브 시스템의 출력 필터를 사용하여 전동기 입력단에 인가되는 전압의 피크치와 상승 시간을 제한하여 전동기의 안정적인 구동을 확보하고 있다. 출력 필터에는 정현파 필터와 dv/dt 필터가 사용된다. 정현파 필터는 모터 입력단에 기본파 주파수의 전압 성분만을 인가할 수 있도록 설계되며, dv/dt 필터는 전동기 드라이브 시스템 출력 전압의 피크치와 상승 시간을 조절하도록 설계된다. 이에 본 출원인은 dv/dt 필터를 보다 향상시킬 수 있고, 원하는 사양에 따라 유동적으로 필터 제정수를 선택하여 전동기의 출력 전압을 제어할 수 있는 dv/dt 필터를 포함한 전력변환장치 및 전력변환장치 제어방법에 대한 연구 개발을 진행하였다. 이에, 기존에 사용되었던 dv/dt 필터보다 성능이 향상됨을 확인하게 되었다.An electric motor is a device that converts electrical energy into mechanical energy. The motor drive system controls the speed of the motor by receiving power supplied from the power source, converting direct current (DC) power into alternating current (AC) in the drive, and supplying it to the motor by varying the voltage and frequency.
However, in motor drive systems, the voltage rises (dv/dt) as the switching speed increases, resulting in a higher switching speed. It causes insulation breakdown and leakage current problems in the motor drive system. First, the insulation generated at the input terminal of the motor may be broken due to the voltage rise. Voltage reflection occurs in the cable due to the difference in cable impedance between the motor drive system and the motor and the impedance of the motor. Due to the voltage reflection wave, the voltage applied to the input terminal of the motor can be increased up to 2 times. If a voltage higher than the insulation capacity of the motor is applied, the insulation at the input terminal of the motor is broken, which causes a failure and reduces the life of the motor.
In the motor drive system, when the switching speed increases, leakage current flows through the parasitic capacitor and the ground wire. When a high dv/dt voltage is supplied to the motor from the motor drive system, leakage current flows through parasitic capacitance components such as stator-ground frame capacitance, stator-rotor capacitance, shaft-bearing capacitance, and shaft-stator magnet capacitance in the motor. can Leakage current causes mechanical defects in the components of the motor, and applies common mode noise to the sensing and control unit of the motor drive system, which may cause system malfunction.
In addition, in the motor drive system with the increased switching speed, the ripple of the motor current is severe due to the low switching frequency, which may result in additional loss of the motor. Sudden voltage fluctuations cause the cable to act as an antenna and cause electromagnetic interference (EMI). The EMI problem can be overcome by shielding the cable, but the cost and loss are problematic.
On the other hand, a power semiconductor is a semiconductor device used in a power conversion device, and is a device having a control and conversion function for distributing power to a system. The performance improvement of the power semiconductor is directly related to the performance improvement of the electric system using the same, that is, the power conversion device. The recently developed WBG (Wide Band Gap) device operates stably at high temperature, has high thermal conductivity, low resistance, and high withstand voltage compared to the existing silicon (Si) semiconductor device. Recent studies have been conducted in the direction of reducing the size of the system and increasing the overall system efficiency by configuring the power conversion system based on WBG.
In particular, when a WBG device is used in a system for a variable speed motor drive, it can have very low loss at a high switching frequency and can be driven even in a very high temperature environment. Due to the advantages of these WBG devices, WBG-based motor drive systems are being used in industrial fields such as electric vehicles, deep-sea pumps, aerospace, and railways. In addition, the WBG device is economical because the size and number of passive devices such as filters of power converters can be reduced because of its high switching speed.
However, the WBG-based motor drive system has a higher switching speed than before, so the problem of voltage rise (dv/dt) may intensify. Therefore, IEC and NEMA use the output filter of the motor drive system to limit the peak value and rise time of the voltage applied to the input terminal of the motor to ensure the stable operation of the motor. A sine wave filter and a dv/dt filter are used for the output filter. The sine wave filter is designed to apply only the voltage component of the fundamental frequency to the motor input stage, and the dv/dt filter is designed to control the peak value and rise time of the motor drive system output voltage. Accordingly, the present applicant can further improve the dv/dt filter, and control the power converter and power converter including the dv/dt filter that can control the output voltage of the motor by flexibly selecting the filter enactment number according to the desired specification Research and development was carried out on the method. Accordingly, it was confirmed that the performance was improved compared to the previously used dv/dt filter.

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본 발명은 전력변환장치 및 전력변환장치 제어방법으로서, 전동기 출력단에서 발생하는 dv/dt 크기를 저감하고, 전동기의 구동 안정성과 신뢰성을 확보할 수 있도록 WBG 기반의 전동기 드라이브 시스템의 출력과 전동기 입력단 사이에 설치되는 필터를 제어하는 장치 및 방법을 제공하고자 한다.
본 발명이 해결하려는 과제들은 앞에서 언급한 과제들로 제한되지 않는다. 본 발명의 다른 과제 및 장점들은 아래 설명에 의해 더욱 분명하게 이해될 것이다.The present invention is a power converter and a method for controlling a power converter, between the output of a WBG-based motor drive system and the input of the motor so as to reduce the dv/dt size generated at the output of the motor and secure the driving stability and reliability of the motor. An object of the present invention is to provide an apparatus and method for controlling a filter installed in the
The problems to be solved by the present invention are not limited to the aforementioned problems. Other objects and advantages of the present invention will be more clearly understood by the following description.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, WBG 기반 전력변환장치에 있어서, 전동기와 연결된 N상(N은 정수)의 매트릭스 컨버터; 및 상기 매트릭스 컨버터에서 출력되는 출력 전압단에 직렬로 일단이 결선된 필터 인덕터(Lf), 상기 필터 인덕터의 타단에서 분기된 라인에 필터 커패시터(Cf) 및 댐핑 저항이 직렬로 결선된 출력 필터를 포함하고, 상기 출력 필터는, 상기 필터 인덕터에 의한 상기 매트릭스 컨버터 출력단의 전압 강하가 정격 전압의 2%이상 5%이하 범위에 포함되도록 필터 인덕턴스를 설정하는 필터 인덕턴스 설정부; 상기 매트릭스 컨버터의 스위칭 주파수보다 크고 10MHz보다 작은 범위에서 공진 주파수를 설정하는 공진 주파수 설정부; 및 상기 필터 인덕턴스 및 상기 공진 주파수를 통해 필터 커패시턴스를 산출하는 필터 커패시턴스 산출부를 포함하여 상기 매트릭스 컨버터의 출력 신호를 인가받는 상기 전동기의 출력 전압을 제어하는 것을 일 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 필터 인덕턴스 및 상기 필터 커패시턴스를 통해 상기 전동기 출력단 전압의 상승 시간을 산출하는 상승 시간 산출부를 더 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 필터 커패시터의 필터 커패시턴스는, 상기 필터 인덕턴스 및 상기 공진 주파수와 하기 [수학식 1] 관계일 수 있다.In order to achieve the above object, the present invention provides a WBG-based power conversion device, comprising: an N-phase (N is an integer) matrix converter connected to an electric motor; and a filter inductor (L f ) having one end connected in series to an output voltage terminal output from the matrix converter, a filter capacitor (C f ) and a damping resistor connected in series to a line branched from the other end of the filter inductor. wherein the output filter includes: a filter inductance setting unit configured to set the filter inductance so that a voltage drop at the output terminal of the matrix converter by the filter inductor is included in a range of 2% or more and 5% or less of a rated voltage; a resonance frequency setting unit for setting a resonance frequency in a range greater than the switching frequency of the matrix converter and less than 10 MHz; and a filter capacitance calculator for calculating a filter capacitance based on the filter inductance and the resonance frequency to control the output voltage of the motor to which the output signal of the matrix converter is applied.
Preferably, the apparatus may further include a rise time calculator configured to calculate a rise time of the voltage at the output terminal of the motor through the filter inductance and the filter capacitance.
Preferably, the filter capacitance of the filter capacitor may have a relationship with the filter inductance and the resonance frequency [Equation 1] below.

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[수학식 1][Equation 1]

Figure 112020020178981-pat00001

단, fdvdt는 공진 주파수이며, Lf는 필터 인덕턴스이고, Cf는 필터 커패시턴스이다.
Figure 112020020178981-pat00001

where f dvdt is the resonance frequency, L f is the filter inductance, and C f is the filter capacitance.

바람직하게, 상기 상승 시간은, 상기 필터 인덕턴스 및 상기 필터 커패시턴스와의 관계가 하기 [수학식 2]로 정의될 수 있으며, 하기 [수학식 2]를 통해 산출될 수 있다.Preferably, the rise time, the relationship between the filter inductance and the filter capacitance may be defined by the following [Equation 2], and may be calculated through the following [Equation 2].

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[수학식 2][Equation 2]

Figure 112020020178981-pat00002

단, Trise는 공진 주파수이며, Lf는 필터 인덕턴스이고, Cf는 필터 커패시턴스이다.
바람직하게, 상기 상승 시간이 0.1μs 미만일 경우, 상기 필터 인덕턴스 또는 상기 공진 주파수를 조정하는 재설정부를 더 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 댐핑 저항의 값을 설정하고, 상기 댐핑 저항에 의해 발생하는 전력손실을 산출하는 전력손실 산출부를 더 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 댐핑 저항으로 인해 발생되는 상기 전력손실은,
Figure 112020020178981-pat00002

where Trise is the resonance frequency, L f is the filter inductance, and C f is the filter capacitance.
Preferably, when the rise time is less than 0.1 μs, it may further include a resetting unit for adjusting the filter inductance or the resonance frequency.
Preferably, it may further include a power loss calculator that sets a value of the damping resistor and calculates a power loss generated by the damping resistor.
Preferably, the power loss caused by the damping resistor is

하기 [수학식 3]을 통해 산출될 수 있다.It can be calculated through the following [Equation 3].

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[수학식 3][Equation 3]

Figure 112020020178981-pat00003

단, Pd는 전력손실, v0 2은 입력 전압값, Cf는 필터 커패시턴스이며 fsw는 매트릭스 컨버터의 스위칭 주파수이다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 전동기와 연결된 N상(N은 정수)의 매트릭스 컨버터; 및 상기 매트릭스 컨버터에서 출력되는 출력 전압단에 직렬로 일단이 결선된 필터 인덕터(Lf), 상기 필터 인덕터의 타단에서 분기된 라인에 필터 커패시터(Cf) 및 댐핑 저항이 직렬로 결선된 출력 필터를 포함하는 WBG 기반 전력변환장치를 제어하는 방법에 있어서, 필터 인덕터에 의한 상기 매트릭스 컨버터 출력단의 전압 강하가 정격 전압의 2%이상 5%이하 범위에 포함되도록 필터 인덕턴스를 설정하는 a단계; 상기 매트릭스 컨버터의 스위칭 주파수보다 크고 10MHz보다 작은 범위에서 공진 주파수를 설정하는 b단계; 상기 필터 인덕턴스 및 상기 공진 주파수를 통해 필터 커패시턴스를 산출하는 c단계; 상기 필터 인덕턴스 및 상기 필터 커패시턴스를 통해 상기 전동기 출력단 전압의 상승 시간을 산출하는 d단계; 산출된 상기 상승 시간이 0.1μs 미만일 경우, 상기 필터 인덕턴스 또는 상기 공진 주파수를 재설정하는 e단계; 및 상기 댐핑 저항에 의한 전력손실을 산출하는 f단계를 포함하여 상기 전동기의 출력 전압을 제어하는 것을 다른 특징으로 한다.
Figure 112020020178981-pat00003

However, P d is the power loss, v 0 2 is the input voltage value, C f is the filter capacitance, and f sw is the switching frequency of the matrix converter.
In addition, in order to achieve the above object, the present invention provides an N-phase (N is an integer) matrix converter connected to an electric motor; and a filter inductor (L f ) having one end connected in series to an output voltage terminal output from the matrix converter, a filter capacitor (C f ) and a damping resistor connected in series to a line branched from the other end of the filter inductor. A method of controlling a WBG-based power converter comprising: a step of setting a filter inductance so that a voltage drop of the matrix converter output stage by a filter inductor is included in a range of 2% or more and 5% or less of a rated voltage; b step of setting a resonance frequency in a range greater than the switching frequency of the matrix converter and less than 10 MHz; c step of calculating a filter capacitance based on the filter inductance and the resonance frequency; d step of calculating a rise time of the voltage at the output terminal of the motor through the filter inductance and the filter capacitance; e step of resetting the filter inductance or the resonance frequency when the calculated rise time is less than 0.1 μs; and controlling the output voltage of the motor, including the step f of calculating the power loss due to the damping resistor.

바람직하게, 상기 a단계 내지 상기 f단계를 실행시키기 위하여 컴퓨터 판독 가능 기록매체에 저장된 컴퓨터 프로그램일 수 있다.Preferably, it may be a computer program stored in a computer-readable recording medium to execute steps a to f.

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본 발명에 따르면, 복잡한 EMI 분석을 진행하지 않고도 비교적 간단하게 NEMA 규격을 만족하는 수준으로 dv/dt 크기를 저감할 수 있다. 전동기 출력단의 dv/dt 크기가 작아져 dv/dt 성능이 향상됨에 따라 전동기 내에 흐르는 누설전류 및 전동기 드라이브 시스템 내 존재하는 누설전류 크기가 감소하게 되어 시스템 오동작 빈도를 감소할 수 있다.
본 발명의 dv/dt 필터는 전동기 출력단의 고주파 성분 노이즈를 저감시킬 수 있다. 특히 고주파 동작이 가능한 WBG 기반의 전동기 드라이브 시스템에서는 높은 dv/dt에 의해 수 MHz의 노이즈가 발생한다. 그러나 본 발명의 dv/dt 필터를 적용하게 되면 해당 대역에서의 노이즈를 저감할 수 있으므로 전체 시스템의 구동 안정성과 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 이는 약 3MHz 대역 이상의 고주파 대역에서는 약 10배 이상의 크기 저감 효과를 보인다.
본 발명의 dv/dt 필터는 필터 커패시터에 의한 손실은 고려하지 않아도 될 정도로 매우 낮은 커패시턴스에도 필터 구성이 가능하다. 또한 본 발명에 따르면, 필터 인덕터에 의한 코어손(Core loss)과 동손(Copper loss)도 동일 스위칭 주파수 조건에서의 정현파 필터 손실에 비해 약 5배 이상 적은 효과를 가지는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 공진 주파수가 비교적 높은 주파수 대역에 위치하므로, 출력 필터 값을 낮게 선정할 수 있어 필터의 크기를 줄일 수 있다. 따라서 경제적인 시스템 구성이 가능한 장점을 갖는다.According to the present invention, it is possible to reduce the dv/dt size to a level that satisfies the NEMA standard relatively simply without performing complex EMI analysis. As the dv/dt performance is improved as the dv/dt size of the motor output stage is reduced, the leakage current flowing in the motor and the leakage current existing in the motor drive system are reduced, thereby reducing the frequency of system malfunction.
The dv/dt filter of the present invention can reduce the high-frequency component noise of the motor output stage. In particular, in a WBG-based motor drive system capable of high-frequency operation, several MHz of noise is generated due to high dv/dt. However, when the dv/dt filter of the present invention is applied, noise in the corresponding band can be reduced, so that the driving stability and reliability of the entire system can be improved. This shows a size reduction effect of about 10 times or more in the high frequency band of about 3 MHz or more.
In the dv/dt filter of the present invention, it is possible to configure the filter even with a very low capacitance so that loss due to the filter capacitor does not need to be considered. In addition, according to the present invention, there is an advantage that the core loss and copper loss due to the filter inductor are about 5 times less effective than the sinusoidal filter loss under the same switching frequency condition.
In addition, according to the present invention, since the resonant frequency is located in a relatively high frequency band, the output filter value can be selected to be low, so that the size of the filter can be reduced. Therefore, it has the advantage that an economical system configuration is possible.

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도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 전력변환 시스템의 구조도를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 출력 필터의 구성도를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 전력변환장치의 출력 필터의 상당 등가회로를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 실험 예로서, 댐핑 저항에 따른 출력 필터 전달함수의 보데선도 그래프를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 실험 예로서, 출력 필터의 유무에 따른 출력 전압과 출력 전류 파형을 나타낸다.
도 6은 본 발명의 실험 예로서, 도 5a 및 도 5b의 출력 전압 파형을 확대한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실험 예로서, 출력 필터의 유무에 따른 누설전류 파형을 나타낸다.
도 8은 본 발명의 실험 예로서, 출력 필터의 유무에 따른 주파수 스팩트럼을 나타낸 그래프이다.
도 9는 발명의 다른 실시 예로서, 전동기 출력단의 출력 전압 상승을 출력 필터가 제어하도록 하는 전력변환장치가 제어방법을 나타낸다. 1 shows a structural diagram of a power conversion system according to an embodiment of the present invention.
2 is a block diagram of an output filter according to an embodiment of the present invention.
3 shows an equivalent circuit of the output filter of the power conversion device according to an embodiment of the present invention.
4 is a Bode diagram graph of an output filter transfer function according to a damping resistance as an experimental example of the present invention.
5 shows an output voltage and output current waveforms according to the presence or absence of an output filter as an experimental example of the present invention.
6 is an enlarged graph of the output voltage waveform of FIGS. 5A and 5B as an experimental example of the present invention.
7 shows a leakage current waveform according to the presence or absence of an output filter as an experimental example of the present invention.
8 is a graph showing a frequency spectrum according to the presence or absence of an output filter as an experimental example of the present invention.
9 shows a control method of a power conversion device that allows an output filter to control an increase in an output voltage of an output stage of a motor as another embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 다만, 본 발명이 예시적 실시 예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일 참조부호는 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 부재를 나타낸다.
본 발명의 목적 및 효과는 하기의 설명에 의해서 자연스럽게 이해되거나 보다 분명해 질 수 있으며, 하기의 기재만으로 본 발명의 목적 및 효과가 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 전력변환 시스템(1)의 구조도를 나타낸다. 전력변환 시스템(1)은 교류 전원부(10), 입력 필터(30), 전력변환장치(50) 및 전동기(70)를 포함할 수 있다. 전력변환 시스템(1)은 교류 전원부(10)로부터 공급받은 전력을 구동하려는 대상인 전동기(70)에 적합하도록 변환시킨다. 본 발명의 실시예에 따른 도 1의 전력변환 시스템(1)은 입력 3상(A상, B상, C상)과 출력 3상(U상, V상, W상)과 연결될 수 있다.
교류 전원부(10)는 단상 또는 3상일 수 있으며, 최종적으로 전동기(70)에 전력을 공급한다. 본 발명의 일 실시 예인 도 1에서는 3상(A상, B상, C상)의 교류 전원을 도시하였다.
입력 필터(30)는 LC 필터 또는 CL 필터일 수 있으며, 교류 전원부(10)의 각 상과 입력 필터(30)의 인덕터의 일단이 직렬로 결선될 수 있으며, 입력 필터(30)의 인덕터의 일단 또는 타단에서 분기된 라인에 입력 필터(30)의 커패시터가 결선되어 입력 필터(30)를 구성할 수 있다. 입력 필터(30)의 인덕터에는 저항이 병렬로 연결될 수 있다.
전력변환장치(50)는 WBG 소자를 기반으로 제작될 수 있으며, 전동기(70)와 연결되며 복수의 상을 갖는 매트릭스 컨버터(510)와 출력 필터(530)를 포함할 수 있다. 전력변환장치(50)는 전동기(70) 출력단의 전압 상승을 제어하기 위해 출력 필터(530)를 통해 조절된 신호를 전동기(70)의 입력단에 인가시킬 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면 매트릭스 컨버터(510)는 특히 GaN FET 기반의 직접형 매트릭스 컨버터일 수 있다. 직접형 매트릭스 컨버터는 양방향 스위치가 AC/AC 전력 변환 장치로 교류 전원부(10)의 고조파 전류를 억제할 수 있다. 매트릭스 컨버터(510)는 교류 전원부(10)의 각 상에 연결된 복수개의 양방향 스위치로 구성될 수 있으며, 각 스위치는 2개의 단방향 스위치가 직렬 연결된 양방향 스위치로 구성될 수 있다. 도 1을 참고하면, 매트릭스 컨버터(510)는 교류 전원부(10)의 각 상에 양방향 스위치가 3개씩 결선되어 총 9개의 양방향 스위치로 구성될 수 있다.
출력 필터(530)는 매트릭스 컨버터(510)와 전동기(70) 사이에 설치되어, 전동기(70) 출력단의 전압에 대해 피크 전압과 전압의 상승 시간을 제어할 수 있다. 출력 필터(530)는 인덕터와 커패시터로 구성될 수 있으며, 댐핑 및 과전압 방지를 위해 저항이 인덕터에 병렬로 연결될 수 있다. 출력 필터(530)는 매트릭스 컨버터(510)에서 출력되는 출력 전압단에 직렬로 일단이 결선된 필터 인덕터, 필터 인덕터의 타단에서 분기된 라인에 필터 커패시터 및 댐핑 저항이 직렬로 결선되도록 설계될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 매트릭스 컨버터(510)의 출력 전압 제어 기준은 NEMA(National Electrical Manufacturers Association)의 규격을 기준으로 한다. NEMA에서 규정하고 있는 전동기(70) 구동의 제한 조건은, 전동기(70)의 입력단의 정격 전압이 600V 이하인 경우에 전동기(70) 입력단에서의 피크 전압이 전동기(70) 정격 전압의 3.1배 이하이고, 전동기(70) 입력단 전압의 상승 시간(10%~90%)이 0.1μs 이상인 것으로 규정하고 있다.
전동기(70)는 출력 필터(530)로부터 출력 전압의 상승이 제어되어 전압 품질이 확보된 신호를 인가받으므로 구동 안정성과 신뢰성이 확보될 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 출력 필터(530)의 구성도를 나타낸다. 출력 필터(530)는 전동기(70) 출력단의 전압 상승을 제어하여 WBG 소자 기반의 전력변환장치(50)의 빠른 스위칭 특성으로 인해 더욱 극심하게 발생하는 전압 상승 문제를 완화할 수 있다.
출력 필터(530)는 필터 인덕턴스 설정부(5301), 공진 주파수 설정부(5303), 필터 커패시턴스 산출부(5305), 상승 시간 산출부(5307), 전력손실 산출부(5308), 재설정부(5309)를 포함할 수 있다.
필터 인덕턴스 설정부(5301)는 출력 필터(530)의 필터 인덕터에 의한 매트릭스 컨버터(510) 출력단의 전압 강하가 정격 전압의 2%이상 5%이하 범위에 포함되도록 필터 인덕턴스를 설정할 수 있다. 정격 전압의 2%이상 5%이하 범위는 정격 전압의 0.02pu ~ 0.05pu를 의미할 수 있다.
공진 주파수 설정부(5303)는 매트릭스 컨버터(510)의 스위칭 주파수(fsw)보다 크고 10MHz보다 작은 범위에서 공진 주파수(fdvdt)를 설정할 수 있다. 즉

Figure 112020020178981-pat00004
표현할 수 있다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the contents described in the accompanying drawings. However, the present invention is not limited or limited by the exemplary embodiments. The same reference numerals provided in the respective drawings indicate members that perform substantially the same functions.
Objects and effects of the present invention can be naturally understood or made clearer by the following description, and the objects and effects of the present invention are not limited only by the following description. In addition, in describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a known technology related to the present invention may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.
1 shows a structural diagram of a power conversion system 1 according to an embodiment of the present invention. The power conversion system 1 may include an AC power supply unit 10 , an input filter 30 , a power conversion device 50 , and an electric motor 70 . The power conversion system 1 converts the power supplied from the AC power supply unit 10 to be suitable for the electric motor 70 that is to be driven. The power conversion system 1 of FIG. 1 according to an embodiment of the present invention may be connected to three input phases (A phase, B phase, C phase) and output three phases (U phase, V phase, W phase).
The AC power supply unit 10 may be single-phase or three-phase, and finally supplies power to the electric motor 70 . In FIG. 1, which is an embodiment of the present invention, three-phase (A-phase, B-phase, C-phase) AC power is shown.
The input filter 30 may be an LC filter or a CL filter, and each phase of the AC power supply unit 10 and one end of the inductor of the input filter 30 may be connected in series, and one end of the inductor of the input filter 30 may be connected in series. Alternatively, a capacitor of the input filter 30 may be connected to a line branched from the other end to configure the input filter 30 . A resistor may be connected in parallel to the inductor of the input filter 30 .
The power converter 50 may be manufactured based on a WBG element, and may include a matrix converter 510 and an output filter 530 connected to the electric motor 70 and having a plurality of phases. The power converter 50 may apply a signal adjusted through the output filter 530 to the input terminal of the motor 70 in order to control the voltage rise of the output terminal of the motor 70 .
According to an embodiment of the present invention, the matrix converter 510 may be a GaN FET-based direct matrix converter. In the direct matrix converter, the bidirectional switch is an AC/AC power conversion device and may suppress harmonic currents of the AC power supply unit 10 . The matrix converter 510 may be composed of a plurality of bidirectional switches connected to each phase of the AC power supply unit 10 , and each switch may be composed of a bidirectional switch in which two unidirectional switches are connected in series. Referring to FIG. 1 , the matrix converter 510 may consist of a total of nine bidirectional switches by connecting three bidirectional switches to each phase of the AC power supply unit 10 .
The output filter 530 may be installed between the matrix converter 510 and the motor 70 to control the peak voltage and the rise time of the voltage with respect to the voltage at the output terminal of the motor 70 . The output filter 530 may include an inductor and a capacitor, and a resistor may be connected to the inductor in parallel to prevent damping and overvoltage. The output filter 530 may be designed such that one end of the filter inductor is connected in series to the output voltage terminal output from the matrix converter 510, and a filter capacitor and a damping resistor are connected in series to a line branched from the other end of the filter inductor. .
The output voltage control standard of the matrix converter 510 according to an embodiment of the present invention is based on a standard of the National Electrical Manufacturers Association (NEMA). The limiting condition for driving the motor 70 stipulated in NEMA is that, when the rated voltage of the input terminal of the motor 70 is 600V or less, the peak voltage at the input terminal of the motor 70 is 3.1 times or less of the rated voltage of the motor 70 , it is stipulated that the rise time (10% to 90%) of the voltage at the input terminal of the motor 70 is 0.1 μs or more.
Since the motor 70 receives a signal in which the increase of the output voltage is controlled and the voltage quality is secured from the output filter 530, driving stability and reliability can be secured.
2 is a block diagram of an output filter 530 according to an embodiment of the present invention. The output filter 530 controls the voltage rise of the output terminal of the motor 70 to alleviate the voltage rise problem that occurs more severely due to the fast switching characteristics of the WBG element-based power converter 50 .
The output filter 530 includes a filter inductance setting unit 5301 , a resonance frequency setting unit 5303 , a filter capacitance calculating unit 5305 , a rise time calculating unit 5307 , a power loss calculating unit 5308 , and a resetting unit 5309 . ) may be included.
The filter inductance setting unit 5301 may set the filter inductance so that the voltage drop at the output terminal of the matrix converter 510 by the filter inductor of the output filter 530 is included in the range of 2% or more and 5% or less of the rated voltage. The range of 2% or more and 5% or less of the rated voltage may mean 0.02pu ~ 0.05pu of the rated voltage.
The resonance frequency setting unit 5303 may set the resonance frequency f dvdt in a range greater than the switching frequency f sw of the matrix converter 510 and less than 10 MHz. In other words
Figure 112020020178981-pat00004
can express

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필터 커패시턴스 산출부(5305)는 필터 인덕턴스 및 공진 주파수를 통해 필터 커패시턴스를 산출할 수 있다. 필터 커패시턴스는 필터 인덕턴스 및 공진 주파수와의 관계가 하기 [수학식 1]로 정의될 수 있으며, 하기 [수학식 1]을 통해 산출될 수 있다.The filter capacitance calculator 5305 may calculate the filter capacitance based on the filter inductance and the resonance frequency. The filter capacitance may be defined by the following [Equation 1] in relation to the filter inductance and the resonance frequency, and may be calculated through the following [Equation 1].

Figure 112020020178981-pat00005

단, fdvdt는 공진 주파수이며, Lf는 출력 필터(530)의 인덕턴스이고, Cf는 출력 필터(530) 커패시턴스이다.
Figure 112020020178981-pat00005
However, f dvdt is the resonance frequency, L f is the inductance of the output filter 530 , C f is the capacitance of the output filter 530 .

상승 시간 산출부(5307)는 필터 인덕턴스 및 필터 커패시턴스를 통해 전동기(70) 출력단 전압의 상승 시간을 산출할 수 있다. 상승 시간은 필터 인덕턴스 및 필터 커패시턴스와의 관계가 하기 [수학식 2]로 정의될 수 있으며, 하기 [수학식 2]를 통해 산출될 수 있다.The rise time calculator 5307 may calculate the rise time of the voltage at the output terminal of the motor 70 through the filter inductance and the filter capacitance. The rise time may be defined by the following [Equation 2] in the relationship between the filter inductance and the filter capacitance, and may be calculated through the following [Equation 2].

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Figure 112020020178981-pat00006

단, Trise는 공진 주파수이며, Lf는 출력 필터(530)의 인덕턴스이고, Cf는 출력 필터(530)의 커패시턴스이다.
Figure 112020020178981-pat00006
However, Trise is the resonance frequency, L f is the inductance of the output filter 530 , C f is the capacitance of the output filter 530 .

전력손실 산출부(5308)는 댐핑 저항의 값을 설정할 수 있고, 댐핑 저항에 의해 발생하는 전력손실을 산출할 수 있다. 댐핑 저항으로 인해 발생되는 전력손실은, 하기 [수학식 3]을 통해 산출될 수 있다.The power loss calculator 5308 may set the value of the damping resistor and calculate the power loss generated by the damping resistor. The power loss caused by the damping resistor can be calculated through the following [Equation 3].

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Figure 112020020178981-pat00007

단, Pd는 전력손실, v0은 입력 전압값, Cf는 출력 필터(530) 커패시턴스이며, fsw는 매트릭스 컨버터(510)의 스위칭 주파수이다.
재설정부(5309)는 상승 시간 산출부(5307)에서 산출된 상승 시간을 0.1μs(NEMA의 제한 조건)와 비교하여 0.1μs보다 미만일 경우, 필터 인덕턴스 또는 공진 주파수를 조정할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 전력변환장치(50)의 출력 필터(530)의 상당 등가회로를 나타낸다. 출력 필터(530)는 필터 인덕터(Lf), 필터 커패시터(Cf), 댐핑 저항(Rd)으로 구성될 수 있다. 매트릭스 컨버터(510)와 전동기(70)간 전달함수는 2차 시스템 함수로 구성될 수 있으며, [수학식 4]와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112020020178981-pat00007
However, P d is the power loss, v 0 is the input voltage value, C f is the output filter 530 capacitance, f sw is the switching frequency of the matrix converter (510).
The reset unit 5309 compares the rise time calculated by the rise time calculator 5307 with 0.1 μs (a limiting condition of NEMA), and when it is less than 0.1 μs, the reset unit 5309 may adjust the filter inductance or the resonance frequency.
3 shows an equivalent circuit of the output filter 530 of the power conversion device 50 according to an embodiment of the present invention. The output filter 530 may include a filter inductor (L f ), a filter capacitor (C f ), and a damping resistor (R d ). The transfer function between the matrix converter 510 and the motor 70 may be composed of a secondary system function, and may be expressed as [Equation 4].

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Figure 112020020178981-pat00008

단, G(s)는 도 3 등가회로의 전달함수이며, Lf는 필터 인덕터이고 Cf는 필터 커패시터이며 Rd는 댐핑 저항이다.
Figure 112020020178981-pat00008
However, G(s) is a transfer function of the equivalent circuit of FIG. 3 , L f is a filter inductor, C f is a filter capacitor, and R d is a damping resistor.

또한, 필터 인덕터(Lf), 필터 커패시터(Cf), 댐핑 저항(Rd)에 의해 감쇠비(Damping ratio)가 결정될 수 있다. 따라서 사용자는 원하는 사양에 따라 유동적으로 필터 제정수를 선택하여 사용할 수 있다. 다만, 본 발명의 실시예에 따르면 필터 인덕터(Lf), 필터 커패시터(Cf), 댐핑 저항(Rd)의 설정 가능한 범위는 NEMA의 제한 조건을 만족하는 범위이어야 한다. 필터 인덕터(Lf), 필터 커패시터(Cf), 댐핑 저항(Rd)는 전술한 도 2의 출력 필터(530)의 구성으로부터 설정 또는 산출될 수 있다. 또한 후술할 도 9의 전력변환장치(50)가 제어방법을 통해 설정 또는 산출될 수 있다. 감쇠비와 필터 인덕터(Lf), 필터 커패시터(Cf), 댐핑 저항(Rd)의 관계는 [수학식 5]와 같이 표현될 수 있다.In addition, a damping ratio may be determined by the filter inductor L f , the filter capacitor C f , and the damping resistor R d . Therefore, the user can flexibly select and use the filter enactment water according to the desired specification. However, according to an embodiment of the present invention, the settable ranges of the filter inductor (L f ), the filter capacitor (C f ), and the damping resistor (R d ) should be in a range that satisfies the NEMA limit condition. The filter inductor L f , the filter capacitor C f , and the damping resistor R d may be set or calculated from the above-described configuration of the output filter 530 of FIG. 2 . In addition, the power conversion device 50 of FIG. 9 to be described later may be set or calculated through a control method. The relationship between the damping ratio, the filter inductor (L f ), the filter capacitor (C f ), and the damping resistor (R d ) may be expressed as in [Equation 5].

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Figure 112020020178981-pat00009

단, ξ는 감쇠비이며 Rd는 댐핑 저항, Cf는 필터 커패시터, Lf는 필터 인덕터이다.
도 4는 본 발명의 실험 예로서, 댐핑 저항에 따른 출력 필터(530) 전달함수의 보데선도 그래프를 나타낸다. 보다 상세하게는 도 4a는 출력 필터(530)의 상이한 댐핑 저항 값 조건에서 주파수(x축)에 따른 크기(dB)를 나타내고, 도 4b는 주파수(x축)에 따른 위상(deg)을 나타낸다. 이때 노란색 선은 댐핑 저항이 10Ω이고 빨간색 선은 댐핑 저항이 50Ω이며, 파란색 선은 댐핑 저항이 100Ω이다.
댐핑 저항은 전력변환 시스템(1)에서의 댐핑과 과전압을 방지하기 위해 출력 필터(530)의 필터 인덕터와 병렬로 결선될 수 있다. 댐핑 저항이 없는 경우에는 공진 주파수에서의 이득 값이 무한대가 되므로 공진 주파수 성분이 지배적으로 출력 전압에 나타나게 되어 본 발명의 출력 필터(530) 달성하고자 하는 전압 상승 제어 효과를 기대하기 어렵다.
도 4a를 참고하면 댐핑 저항이 커질수록 공진 주파수에서의 이득 값을 낮출 수 있다. 즉, 댐핑 저항이 100Ω(파란색)인 경우가 10Ω(노란색)보다 주파수에 따른 크기(dB)가 작다. 그러나 댐핑 저항이 추가되거나 댐핑 저항의 값이 커지면, 댐핑 저항으로 인해 손실이 발생할 수 있다. 이때 댐핑 저항으로 인해 발생으로 하는 손실은 [수학식 3]과 같이 입력 전압값, 필터 커패시터, 스위칭 주파수를 이용하여 예측 가능하다.
도 5는 본 발명의 실험 예로서, 출력 필터(530)의 유무에 따른 출력 전압과 출력 전류 파형을 나타낸다. 보다 상세하게 도 5a는 출력 필터(530)가 없는 전력변환장치(50)의 시간에 따른 출력 파형이고, 도 5b는 출력 필터(530)가 있는 경우 전력변환장치(50)의 시간에 따른 출력 파형이다. 도 5b의 출력 필터(530)는 dv/dt 필터일 수있다. 도 5a 및 도 5b 모두 도면의 상단에 도시된 파형이 출력 전압 파형이고, 도면의 하단에 도시된 파형이 출력 전류 파형이다. 도 5a 및 도 5b에서 VUV는 전동기(70)의 입력단 전압이고, IU는 출력 3상 중 하나인 U상에서의 전동기(70)의 전류이다.
도 5a에서의 스위칭 주파수는 10kHz이며, 출력 필터(530)가 없는 도 5a에서는 스위칭 주파수보다 큰 고주파 성분이 있음을 VUV 및 IU의 파형을 통해 확인할 수 있다. 그러나, 출력 필터(530)가 있는 도 5b의 출력 전류 파형에서는 고주파 성분이 유의미하게 감소되었다. 도 5b의 전동기(70)의 출력 전압 파형에서는 여전히 고주파 성분을 가지는 것으로 관찰되나, 후술하는 도 6을 통해 전동기(70)의 출력 전압 파형에서도 고주파 성분이 감소되었음을 보다 자세하게 설명한다. 따라서 출력 필터(530)는 전동기(70)의 고주파 성분을 제거함을 확인할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실험 예로서, 도 5a 및 도 5b의 출력 전압 파형을 확대한 그래프이다. 도 5에서와 마찬가지로 출력 필터(530)의 유무에 따라 도 6a와 도 6b를 구분하였다. 도 6a 및 도 6b 모두 전동기(70)의 출력 전압 파형이 일정하다가 갑자기 증가하는 형태의 파형을 보이며, 전압이 증가한 후에는 파형의 진폭이 감소하는 파형을 그리다가 점차 일정 범위로 수렴하는 파형을 보인다. 고주파 성분 제거 여부를 판단함에 있어, 도 6a보다 도 6b에서 보다 유의하게 고주파 성분이 제거됨을 확인할 수 있다. 또한 전동기(70)의 출력 전압의 상승 시간 측면에서도 출력 필터(530)가 없는 도 6a에서는 출력 전압의 상승 시간이 78ns로서 빠른 상승 시간을 갖는다. 이로 인해 전동기(70)에서 출력되는 신호는 고주파 성분을 갖고 높은 전압 스파이크(spike)를 갖게 된다. 반면, 출력 필터(530)가 있는 도 6b에서의 상승 시간은 489ns로서 NEMA 표준 제한 조건인 0.1us 상승 시간을 만족하며, 고주파 성분을 완화시킨다.
도 7은 본 발명의 실험 예로서, 출력 필터(530)의 유무에 따른 누설전류 파형을 나타낸다. 보다 상세하게 도 7a는 출력 필터(530)가 없는 경우 시간에 따른 전력변환장치(50)의 누설전류 파형이고, 도 7b는 출력 필터(530)가 있는 경우 시간에 따른 전력변환장치(50)의 누설전류 파형이다. 누설전류는 전동기(70)의 기계적 결함을 일으킬 수 있으며, 전력변환장치(50)의 센싱 및 제어부에 노이즈를 인가하게 되어 시스템 오동작을 초래할 수 있어 문제가 된다. 이에 도 7a 및 도 7b를 참고하면 출력 필터(530)가 있는 도 7b에서 누설전류의 크기가 감소함을 확인할 수 있다.
도 8은 본 발명의 실험 예로서, 출력 필터(530)의 유무에 따른 주파수 스팩트럼을 나타낸 그래프이다. 보다 상세하게 파란색 그래프는 출력 필터(530)가 없는 경우의 주파수 스팩트럼이고, 빨간색 그래프는 출력 필터(530)가 있는 경우의 주파수 스팩트럼이다. 전술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 WBG 기반의 전력변화장치(50)는 높은 전압 상승으로 인해 노이즈가 발생하고, 전력변환 시스템(1)의 구동 안정성과 신뢰성이 감소하는 문제가 있다. 따라서 노이즈 저감을 위해 고주파 성분을 제거해야 한다. 도 8을 참고하면, 저주파 대역에서는 두 파형이 유사한 크기를 가지지만, 약 3MHz 대역 이상에서는 출력 필터(530)가 있는 빨간색 그래프가 파란색 그래프보다 약 10배 이상 크기가 저감된 것을 확인할 수 있다.
Figure 112020020178981-pat00009
However, ξ is the damping ratio, R d is the damping resistor, C f is the filter capacitor, and L f is the filter inductor.
4 is a Bode diagram graph of the transfer function of the output filter 530 according to the damping resistance as an experimental example of the present invention. In more detail, FIG. 4A shows the magnitude (dB) according to the frequency (x-axis) under different damping resistance value conditions of the output filter 530 , and FIG. 4B shows the phase (deg) according to the frequency (x-axis). At this time, the yellow line has a damping resistance of 10Ω, the red line has a damping resistance of 50Ω, and the blue line has a damping resistance of 100Ω.
The damping resistor may be connected in parallel with the filter inductor of the output filter 530 to prevent damping and overvoltage in the power conversion system 1 . In the absence of the damping resistor, since the gain value at the resonant frequency becomes infinite, the resonant frequency component appears predominantly in the output voltage, so it is difficult to expect the effect of controlling the voltage increase to be achieved by the output filter 530 of the present invention.
Referring to FIG. 4A , as the damping resistance increases, the gain value at the resonant frequency may be decreased. That is, when the damping resistance is 100Ω (blue), the magnitude (dB) according to the frequency is smaller than that of 10Ω (yellow). However, if a damping resistor is added or the value of the damping resistor is increased, a loss may occur due to the damping resistor. In this case, the loss caused by the damping resistance can be predicted using the input voltage value, the filter capacitor, and the switching frequency as shown in [Equation 3].
5 shows the output voltage and output current waveforms according to the presence or absence of the output filter 530 as an experimental example of the present invention. In more detail, Figure 5a is an output waveform over time of the power conversion device 50 without the output filter 530, Figure 5b is an output waveform over time of the power conversion device 50 when the output filter 530 is present to be. The output filter 530 of FIG. 5B may be a dv/dt filter. 5A and 5B, the waveform shown at the top of the figure is the output voltage waveform, and the waveform shown at the bottom of the figure is the output current waveform. In FIGS. 5A and 5B , V UV is the input terminal voltage of the motor 70 , and I U is the current of the motor 70 in the U phase, which is one of the output three phases.
The switching frequency in FIG. 5A is 10 kHz, and in FIG. 5A without the output filter 530 , it can be confirmed through the waveforms of V UV and I U that there is a higher frequency component than the switching frequency. However, in the output current waveform of FIG. 5B with the output filter 530, the high frequency component was significantly reduced. Although it is observed that the output voltage waveform of the motor 70 of FIG. 5B still has a high frequency component, it will be described in more detail that the high frequency component is also reduced in the output voltage waveform of the motor 70 through FIG. 6 to be described later. Therefore, it can be confirmed that the output filter 530 removes the high-frequency component of the electric motor 70 .
6 is an enlarged graph of the output voltage waveform of FIGS. 5A and 5B as an experimental example of the present invention. As in FIG. 5 , FIGS. 6A and 6B are classified according to the presence or absence of the output filter 530 . 6A and 6B both show a waveform in which the output voltage waveform of the electric motor 70 is constant and then suddenly increases, and after the voltage increases, a waveform in which the amplitude of the waveform decreases, and then gradually converges to a certain range shows a waveform . In determining whether to remove the high-frequency component, it can be seen that the high-frequency component is removed more significantly in FIG. 6B than in FIG. 6A. Also, in terms of the rise time of the output voltage of the motor 70, in FIG. 6A without the output filter 530, the rise time of the output voltage is 78 ns, which has a fast rise time. Due to this, the signal output from the electric motor 70 has a high frequency component and has a high voltage spike. On the other hand, the rise time in FIG. 6b with the output filter 530 is 489ns, which satisfies the NEMA standard limit of 0.1us rise time, and alleviates the high-frequency component.
7 shows a leakage current waveform according to the presence or absence of the output filter 530 as an experimental example of the present invention. In more detail, Fig. 7a is a leakage current waveform of the power conversion device 50 over time when there is no output filter 530, and Fig. 7b is a diagram of the power conversion device 50 over time when there is an output filter 530 This is the leakage current waveform. Leakage current may cause a mechanical failure of the electric motor 70, and may cause a system malfunction by applying noise to the sensing and control unit of the power conversion device 50, which is a problem. Accordingly, referring to FIGS. 7A and 7B , it can be seen that the magnitude of the leakage current is reduced in FIG. 7B with the output filter 530 .
8 is a graph showing a frequency spectrum according to the presence or absence of an output filter 530 as an experimental example of the present invention. In more detail, the blue graph is a frequency spectrum when the output filter 530 is not present, and the red graph is a frequency spectrum when the output filter 530 is present. As described above, in the WBG-based power conversion device 50 according to the embodiment of the present invention, noise is generated due to a high voltage rise, and there is a problem in that the driving stability and reliability of the power conversion system 1 are reduced. Therefore, in order to reduce noise, it is necessary to remove high-frequency components. Referring to FIG. 8 , although the two waveforms have similar sizes in the low frequency band, it can be confirmed that the red graph with the output filter 530 is reduced in size by about 10 times or more than the blue graph in about 3 MHz band or higher.

도 9는 본 발명의 다른 실시 예로서, 전동기(70)의 출력단에서 발생하는 전압 상승을 제어하기 위해, 출력 필터(530)를 포함한 전력변환장치(50)를 제어하는 방법을 나타낸다. 필터 인덕턴스를 설정하는 (a)단계, 공진 주파수를 설정하는 (b)단계, 필터 커패시턴스를 산출하는 (c)단계, 상승 시간을 산출하는 (d)단계, 상승 시간에 따라 재설정하는 (e)단계, 전력손실을 산출하는 (f)단계를 포함할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시 예에 따르면 (a)단계 내지 (f)단계는 컴퓨터 프로그램으로서 컴퓨터 내부에서 수행될 수 있고, 컴퓨터 판독 가능 기록매체에 저장될 수 있다.
(a)단계는 필터 인덕터에 의한 매트릭스 컨버터 출력단의 전압 강하가 정격 전압의 2%이상 5%이하 범위에 포함되도록 필터 인덕턴스를 설정하는 단계를 의미한다. (b)단계는 매트릭스 컨버터의 스위칭 주파수보다 크고 10MHz보다 작은 범위에서 공진 주파수를 설정하는 단계를 의미한다. (c)단계는 필터 인덕턴스 및 공진 주파수를 통해 필터 커패시턴스를 산출하는 단계를 의미한다. (d)단계는 필터 인덕턴스 및 필터 커패시턴스를 통해 전동기 출력단 전압의 상승 시간을 산출하는 단계를 의미한다. (e)단계는 산출된 상승 시간이 0.1μs 미만일 경우, 필터 인덕턴스 또는 공진 주파수를 재설정하는 단계를 의미한다. (f)단계는 댐핑 저항에 의한 전력손실을 산출하는 단계를 의미한다. (a) 내지 (f)단계는 전력변환 시스템(1)의 실시예에서 수행되는 과정을 나타낸 것으로 각 단계의 의미와 의의를 전술한 바, 중복 설명은 생략한다.9 shows a method of controlling the power conversion device 50 including the output filter 530 in order to control the voltage rise generated at the output terminal of the electric motor 70 as another embodiment of the present invention. (a) step of setting the filter inductance, (b) step of setting the resonance frequency, (c) step of calculating the filter capacitance, (d) step of calculating the rise time, (e) step of resetting according to the rise time , it may include a step (f) of calculating the power loss. In addition, according to an embodiment of the present invention, steps (a) to (f) may be performed inside a computer as a computer program, and may be stored in a computer-readable recording medium.
Step (a) means setting the filter inductance so that the voltage drop at the output stage of the matrix converter by the filter inductor falls within the range of 2% or more and 5% or less of the rated voltage. Step (b) means setting the resonance frequency in a range greater than the switching frequency of the matrix converter and less than 10 MHz. Step (c) means calculating the filter capacitance through the filter inductance and the resonance frequency. Step (d) means calculating the rise time of the motor output terminal voltage through the filter inductance and filter capacitance. Step (e) means resetting the filter inductance or resonance frequency when the calculated rise time is less than 0.1 μs. Step (f) means calculating the power loss due to the damping resistor. Steps (a) to (f) show a process performed in an embodiment of the power conversion system 1 and the meaning and significance of each step has been described above, and redundant descriptions are omitted.

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이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리 범위는 설명한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태에 의하여 정해져야 한다. Although the present invention has been described in detail through representative embodiments above, those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains will understand that various modifications are possible within the limits without departing from the scope of the present invention with respect to the above-described embodiments. will be. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be defined by all changes or modifications derived from the claims and equivalent concepts as well as the claims to be described later.

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1: 전력변환 시스템
10: 교류 전원부
30: 입력 필터
50: 전력변환장치
510: 매트릭스 컨버터
530: 출력필터
5301: 필터 인덕턴스 설정부
5303: 공진 주파수 설정부
5305: 필터 커패시턴스 산출부
5307: 상승 시간 산출부
5308: 전력손실 산출부
5309: 재설정부
70: 전동기1: Power conversion system
10: AC power supply unit
30: input filter
50: power converter
510: matrix converter
530: output filter
5301: filter inductance setting unit
5303: resonant frequency setting unit
5305: filter capacitance calculator
5307: rise time calculator
5308: power loss calculator
5309: reset unit
70: electric motor

Claims (9)

WBG 기반 전력변환장치에 있어서,
전동기와 연결된 N상(N은 양의 정수)의 매트릭스 컨버터; 및
상기 매트릭스 컨버터에서 출력되는 출력 전압단에 직렬로 일단이 결선된 필터 인덕터, 상기 필터 인덕터의 타단에서 분기된 라인에 필터 커패시터 및 댐핑 저항이 직렬로 결선된 출력 필터를 포함하고,
상기 출력 필터의 상기 필터 인덕터는,
상기 매트릭스 컨버터에서 출력되는 전압이 정격 전압의 2%이상 5%이하인 필터 인덕턴스 값을 가지며,
상기 출력 필터의 공진 주파수는,
상기 매트릭스 컨버터의 스위칭 주파수보다 크고 10MHz보다 작은 것을 특징으로 하여,
상기 매트릭스 컨버터의 출력 신호 제어를 통해 상기 전동기의 출력 전압을 제어하는 전력변환장치.

In the WBG-based power conversion device,
a matrix converter of N-phase (N is a positive integer) connected to the motor; and
A filter inductor having one end connected in series to an output voltage terminal output from the matrix converter, and an output filter having a filter capacitor and a damping resistor connected in series to a line branched from the other end of the filter inductor,
The filter inductor of the output filter,
The voltage output from the matrix converter has a filter inductance value of 2% or more and 5% or less of the rated voltage,
The resonance frequency of the output filter is,
Characterized in that it is larger than the switching frequency of the matrix converter and smaller than 10 MHz,
A power converter for controlling the output voltage of the motor through the control of the output signal of the matrix converter.

 삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 필터 커패시터의 필터 커패시턴스는,
상기 필터 인덕턴스 및 상기 공진 주파수와 하기 [수학식 1] 관계인 것을 특징으로 하는 전력변환장치.
[수학식 1]
Figure 112021127261220-pat00010

단, fdvdt는 공진 주파수이며, Lf는 필터 인덕턴스이고, Cf는 필터 커패시턴스이다.

The method of claim 1,
The filter capacitance of the filter capacitor is,
The power conversion device, characterized in that the filter inductance and the resonance frequency and the following [Equation 1] relationship.
[Equation 1]
Figure 112021127261220-pat00010

where f dvdt is the resonance frequency, L f is the filter inductance, and C f is the filter capacitance.

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