지능형전력변환실험실( ipcl ) intelligent power conversion...
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지능형 전력 변환 실험실 ( IPCL )IntelligentPowerConversionLaboratory
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6-1. 서 론6-2. 인버터의 특성과 성능지수6-3. 단상 하프브리지 인버터6-4. 단상 풀브리지 인버터
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서 론서 론
§ 인버터의 기능: DC ⇒ AC 전력변환기
Diode 정류기BatteryFuel cellsSolar cells신재생에너지원
50/60 Hz400HzCVCF (Constant Voltage Constant Frequency)VVVF (Variable Voltage Variable Frequency)
Applications-AC motor drive-Induction heating apparatus-UPS : Uninterruptable Power Supply-Power factor correction apparatus-Var compensator-Active power filter-PWM (Pulse Width Modulation) inverter-신재생에너지 계통연계형 인버터
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전압원 인버터와 전류원 인버터전압원 인버터와 전류원 인버터
§ 전압원 인버터: VDC → (VSI) → vo (AC)→ (Z) → io → (VSI) → iDC
§ Industry standard inverter
§ 전류원 인버터: IDC → (CSI) → io (AC)→ (Z) → vo → (CSI) → vDC
§ 대용량 motor driver (Thyristor 사용)§ 전압원 인버터로 대체되고 있음
§ 직류(DC) 입력전원의 성질에 따른 인버터 분류
• 전압원 인버터( Voltage Source Inverter: VSI )• 전류원 인버터( Current Source Inverter: CSI )
Zvi o
o =Ziv oo =
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단상 인버터 출력전압단상 인버터 출력전압
•출력 상전압 : vo
= 부하 상전압
= 출력 선간전압
§ 교류(AC)출력의 상수에 따른 인버터 분류
1) 단상 인버터( Single-phase Inverter ) 2) 다상 인버터( Multiple-phase Inverter )
§ 단상 인버터의 출력전압 파형
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3상 인버터 출력전압3상 인버터 출력전압
§ 인버터를 제어한다는 것은 교류 출력전압에서 다음 중 하나 이상을 제어한다는 것을 말한다.
• 기본파의 크기• 기본파의 주파수, 위상• 고조파 성분
모터 부하의 경우 V/f = f = const. 로 제어한다.
§ 3상 인버터의 출력전압 파형
•출력 상전압: (vao , vbo , vco )
•부하 상전압: (van , vbn , vcn )
•출력 선간전압: (vab , vbc , vca )
n 점: Y 결선된 3상부하의 중성점
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인버터 (전력) 용량 SI인버터 (전력) 용량 SI
§ 인버터의 용량은 인버터가 부하에 공급하는 출력전압, 전류 기본파의 피상전력으로 정의한다.
1 1I o oS V I= ×
1 1
11
1 1
3
33
3
I an a
aba
ab a
S V IV I
V I
= ×
= × ×
= ×
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6-2 단상 하프브리지 인버터6-2 단상 하프브리지 인버터
• 6-2-1. 동작원리• 6-2-2. 입출력 특성• 6-2-3. 회로구성 및 동작• 6-2-4. 출력전압의 제어• 6-2-5. 출력전류의 제어
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단상 하프브리지 인버터: 동작원리단상 하프브리지 인버터: 동작원리
0
( )2
( b )2
DCa
DCa
V S av
V S
ìïï= íï -ïî
가 접점에위치
가 접점에위치
§ 기능 :
§ 동작원리 :
이상적인 양방향 스위치
pole or leg or arm
§ 단상 half bridge 인버터 = single pole
§ vco : pole voltage : è vo22DCDC VorV
-
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출력전압 파형출력전압 파형
§ 2레벨 출력파형 :
ü a접점과 b접점 사이를 훨씬 빈번하게 스위칭 함으로써 고조파가 적게포함되어 정현파에 더욱 가까운 출력전압 파형을 생성할 수 있다.
구형파 출력 PWM 출력 à 고조파가 적다
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입출력 특성: 출력전압입출력 특성: 출력전압
§ 출력전압 (Real implementation)
0 1 22 2DC DC
HB DCV Vv S S S Væ ö æ ö= + - =ç ÷ ç ÷
è ø è ø
( )1 2 1 21 1 12 2 2HBS S S S S= - = - = - 1 1,
2 2HBSì üÎ -í ýî þ
§ 단상하프브리지 인버터의 스위칭 함수 SHB
ü 스위칭 함수 SHB는 단상 하프브리지 인버터의 동작을 완전히 기술한다.
S1과 S2는 complementary switching 한다. 즉,
S1, S2가 동시에 turn-on 하면 ?
-
= 12 SS
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입출력 특성: 입력전류입출력 특성: 입력전류
§ 입력전류 :
1 1 0si S i=
2 2 0( )si S i= -
01 0 2s HB
ii S i= +
02 0 2s HB
ii S i= -
§ 인버터의 전류파형 예 (L부하)
vo = 기본파 + 고조파io = 기본파 + 고조파Inductor L : low pass filter for io
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단일 폴의 회로구성단일 폴의 회로구성
• ON시 스위치 S1 , S2 에 흐르는 전류의 방향은 부하특성에 따라 정해진다.
⇒ 양방향 전류특성• OFF시 스위치 S1 , S2 에 걸리는 전압의 방향은 부하와 무관하며, ON되어 있는다른 쪽의 스위치로 인하여 VDC의 전압이 인가된다. ⇒ 단방향 전압저지특성
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스위치 특성의 조합스위치 특성의 조합
S1, S2 : VDC 가 항상 positive이므로 vs > 0전류 is1, is2는 positive, negative 값을 가진다.
à 순방향 전압 저지, 양방향 전류 특성à BJT + antiparallel diode, IGBT + antiparallel diode
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단상 하프브리지 인버터의 회로구성단상 하프브리지 인버터의 회로구성
iQ1
+_VDC2
O
VDC2
부하 io
is1
is2
+_
iQ2
iD1
iD2
iB1
iB2
Q1
Q2
D1
D2
vo +_
Q1 Q2 제어가능성 vo
ON ON 불가(KVL위배) -
ON OFF 가능 VDC / 2
OFF ON 가능 -VDC / 2
OFF OFF 가능 VDC / 2 (단, io <0) -VDC / 2 (단, io >0)
0 (단, io =0)
Arm short,Shoot through
Q1, Q2 : complementary switching
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정적특성 : 4가지 동작모드정적특성 : 4가지 동작모드
ü 동작모드는 Q1, Q2, D1, D2 가운데 어느 소자로 부하전류가 흐르는가에 따라 정해진다.
• 전력공급모드:모드 1, 3• 회생모드: 모드 2, 4
On 되어 있는BJT
àQ1 off
àQ2 off
VH à Q1 à Ioà VHvo>0, io>0Powering mode from VH
VL à D2 à Io à VLvo<0, io>0Regeneration(회생) mode from VL
VL à Io à Q2à VLvo<0, io<0Powering mode from VL
VH à Io à D1 à VHvo>0, io<0Regeneration(회생) mode from VH
Q2의 on/off에 무관함
Q1의 on/off에 무관함
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동적 특성: 출력전류의 전환(Commutation)동적 특성: 출력전류의 전환(Commutation)
Switch를 td 만큼 turn-on delay 하여 short circuit을 방지한다.
Dead time (blanking time) 발생
td : dead time,blanking time
Short circuit 방지
Short circuit발생가능성
iQ1
+_VDC2
O
VDC2
부하 io
is1
is2
+_
iQ2
iD1
iD2
iB1
iB2
Q1
Q2
D1
D2
vo +_
H : onL : off
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동적 특성: 출력전류의 전환(Commutation)동적 특성: 출력전류의 전환(Commutation)
Dead Time(Blanking Time) : 출력전류의 전환 과정에서 한 폴의 모든 스위치가 OFF 상태에 머무는 시간.전류 극성에 따라 다이오드로 잔류가 흐른다.
[1]io>0, VH à VL로switching
Q1 on, Q2 off Q1 off, Q2 off Q1 off, Q2 on
Deadtime interval
VL VLVH
출력전압변화없음
[2]Io<0, VH à VL로switching
Q1 on, Q2 off Q1 off, Q2 off Q1 off, Q2 on
VLVHVH
+VDC, td 만큼전압더해짐
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동적 특성: 출력전류의 전환(Commutation)동적 특성: 출력전류의 전환(Commutation)
[1] [3] : Active switch로 전류 흐르던 중 commutation à 출력전압 변화 없음[2] [4] : Diode로 전류 흐르던 중 commutation à 출력전압 왜곡 발생 à 전류 왜곡, THD 증가, 토그 맥동
[3]Io<0, VL à VH로switching
Q1 off, Q2 on Q1 off, Q2 off Q1 on, Q2 off
Deadtime interval
VH
출력전압변화없음
VLVH
[4]io>0, VL à VH로switching
Q1 off, Q2 on Q1 off, Q2 off Q1 on, Q2 off
VH
-VDC, td 만큼전압부족
VLVH
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출력전압의 제어: 구형파 제어출력전압의 제어: 구형파 제어
§ 제어특성: 기본파의 크기-제어불가기본파의 주파수-제어가능
고조파 성분-제어불가
50% duty로 on/off
§ 기본 파형 :
11,3,5,
1 2 sin( )2 n
n tS tnw
p
¥
= ×××
= + å
11,3,5,
1 2 sin2HB
n
n tS Sn
wp
¥
= ×××
= - = å
01,3,5,
2 sin( ) DCHB DC
n
V n tv t S Vnw
p
¥
= ×××
= = å
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구형파 제어 (2)구형파 제어 (2)
2 1( ) sin sin(3 ) sin(5 )5
DCo
Vv t t t tw w wp
é ù= + + ×××ê úë û1
( )+3§ 고조파 분석 :
• 홀수 차수의 고조파만 존재
• 주파수별 전압의 크기:
0
0.8
0.6
0.4
0.2
1
1 3 5 7 9 11 13
n
%Vn^
13
1
17
15
� 2 DCn
VVnp
=
�1
2 DCVVp
=
��
�1
1% nnVV
nV= =
2DC
oVV =
121
2DCVV
p= ×
( n차 고조파)
• 정규화된 고조파의 크기:
§ 실효값 :
( 기본파)
( 기본파)
( 출력전압 전체)
pDCV2
-기본파 성분의 크기는 직류전압 VDC에 의해서만 결정되므로 인버터에 의한 제어성이 없다.-출력전압 주파수 w만 제어가능함
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출력전압 제어: 정현파(Sinusoidal) PWM 제어출력전압 제어: 정현파(Sinusoidal) PWM 제어
§ 동작원리
am =
기준파의진폭
반송파의진폭
f
c
m
ff
=
=
반송파의주파수
기준파의주파수
ü 반송파의 한주기 동안 스위칭이 두 번 발생하므로 인버터의 스위칭 주파수는 반송파 주파수와 같다.
-순시적으로 출력전압의 기본파 성분 크기와 주파수 제어-스위칭 주파수를 높여서 저자 고조파 제거
vr : reference wave (기준파)-1 < vr < 1, 주파수 f
vc : triangular carrier wave (반송파)-1 < vc < 1, 주파수 fc
Amplitude modulation
Frequency modulation
vr>vc à Q1 on, Q2 off vo=VDC/2vr<vc à Q1 off, Q2 on vo=-VDC/2
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출력전압의 제어: 정현파 PWM 제어출력전압의 제어: 정현파 PWM 제어
§ 제어 특성 : 기본파의 크기 – 제어가능기본파의 주파수 – 제어가능고조파의 크기 – 반송파 주파수를 증가시키면 효과 억제됨
§ 고조파 성분 예
��
�1
1% nnVV
nV= =
�1
2 DCVVp
=
0.8 x 0.785=0.628
785.042
2 ==p
pDC
DC
V
V
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정현파 PWM 제어: 기본파 성분정현파 PWM 제어: 기본파 성분
§ 스위칭 주기 Ts 동안 출력전압의 구간평균값 (기준파 vr = const.)
2 22 2
( )
SAV o T
DC DCH L
S
DCH L
S
v v
V Vt t
TV t tT
= á ñ
æ ö æ ö´ + ´ -ç ÷ ç ÷è ø è ø=
= -
1 1r r
H L
v vt t+ -
=
2s
H LTt t+ =
( , 1 1 )2DC
AV r rVv v v= × - £ £단
2
)()1()1(
sr
LHrLH
rrrH
Tv
ttvttvtvt
=
+=-+=-
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정현파 PWM 제어: 기본파 성분 (2)정현파 PWM 제어: 기본파 성분 (2)
sin ( , 0 1 )r a av m t mw= £ £단
§ 기준파 vr 이 정현파일 때 출력전압의 기본파 성분
• 정현파 PWM 제어에서 기본파 성분은 (mf > 21)
• 출력전압 기본파의 크기는 ma에 비례하고, 주파수는 기준파의 주파수와 같다.• 선형변조시 출력전압 기본파의 최대치는 ma=1일 때 VDC/2 이다.• 정현파 PWM 제어로 얻을 수 있는 출력전압 기본파의 최대 크기는 구형파 제어되는경우( = 2VDC /p)의 78.5% 에 불과하다.
faDC
AVo vtmVvv === wsin21,
• Ts 스위칭 구간 동안 평균 vAV
rDC
AV vVv2
=
• 선형변조 (Linear modulation) : 0 < ma < 1)
12max1, == aDC
o matVv
785.042
2 ==p
pDC
DC
V
V
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정현파 PWM 제어 고조파 성분정현파 PWM 제어 고조파 성분
h cf Mf Nf= ±
( )( )
h f
f
f M m f NfMm N f
= ±
= ±
fh Mm N= ±
§ 고조파 주파수 :fc : 반송파 (carrier wave) 주파수f : 기준파 주파수
단, M+N=홀수, M, N=정수
§ 예 : mf=15일 때 출력전압에 존재하는고조파 성분의 주파수
h : harmonic order
mf =9
9 99+/- 2 7,119+/- 4 5,12
18 +/- 1 17, 1918 +/- 3 15, 21
27 2727 +/- 2 25, 2927 +/- 4 23, 31
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과변조(overmodulation)과변조(overmodulation)
§ 과변조 (ma > 1) :
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과변조(overmodulation) (2)과변조(overmodulation) (2)
§ ma 에 따른 기본파 성분의 크기
785.042
2 ==p
pDC
DC
V
V