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문제 정의
- NPC형 3레벨 인버터의 특징은 출력전압의 레벨이 증가함에 따라 낮은 dv/dt를 가지고 고조파의 특성도 개선할 수 있는 장점을 가진다.[1] 본 논문에서는 이러한 장점을 가지는 3상 NPC형 3레벨 인버터의 변조비(MI)에 대한 출력전압의 고조파를 분석하였다. 3상 NPC형 3레벨 인버터는 SVPWM을 적용하여 선형영역을 0.
제안 방법
- [5,6] 시뮬레이션은 PSIM의 DLL 블록을 적용하여 200[μs]의 샘플링 주기를 갖도록 하였다. 3레벨 인버터의 영역도의 각 영역에 대한 고조파의 특성은 선간전압의 FFT분석결과를 통해 확인하였다. 시뮬레이션의 결과에 대한 검증을 위해 실험은 시뮬레이션과 동일한 조건으로 수행 하였다.
- [1] 본 논문에서는 이러한 장점을 가지는 3상 NPC형 3레벨 인버터의 변조비(MI)에 대한 출력전압의 고조파를 분석하였다. 3상 NPC형 3레벨 인버터는 SVPWM을 적용하여 선형영역을 0.907까지 확장하였고 과변조 영역에서는 푸리에 급수에 의한 추종전압의 보상기법을 적용하여 6스텝영역까지 운전할 수 있도록 하였다.[2,3,4] PWM된 출력전압의 고조파 특성분석에는 PD (Phase Disposition)방식의 멀티 캐리어 기법에 대하여 이중 푸리에 급수를 적용하여 해석하였다.
- 또한 변조비에 따른 출력 전압의 고조파 해석을 위해 두 시변항에 대한 스위칭 함수를 계산하고 이중 푸리에 급수로 전개하여 고조파의 분포를 해석하였다. 각 변조비에 따른 고조파의 해석 결과의 확인은 시뮬레이션과 실험을 통하여 확인하였다. 시뮬레이션은 PSIM의 DLL을 사용하여 구현하였고 시뮬레이션에 의한 해석결과의 확인을 위해 실험을 통하여 동일 변조비(MI)에 대한 고조파의 분포와 크기를 비교 검토 하였다.
- 907까지 확장하였고 과 변조 영역에서는 푸리에 급수에 의한 추종 전압의 보상 기법을 적용하여 6스텝영역까지 선형적으로 운전하도록 구현하였다. 또한 변조비에 따른 출력 전압의 고조파 해석을 위해 두 시변항에 대한 스위칭 함수를 계산하고 이중 푸리에 급수로 전개하여 고조파의 분포를 해석하였다. 각 변조비에 따른 고조파의 해석 결과의 확인은 시뮬레이션과 실험을 통하여 확인하였다.
- 본 논문에서는 3상 NPC형 3레벨 인버터를 SVPWM 방법을 적용하여 선형영역을 0.907까지 확장하였고 과 변조 영역에서는 푸리에 급수에 의한 추종 전압의 보상 기법을 적용하여 6스텝영역까지 선형적으로 운전하도록 구현하였다. 또한 변조비에 따른 출력 전압의 고조파 해석을 위해 두 시변항에 대한 스위칭 함수를 계산하고 이중 푸리에 급수로 전개하여 고조파의 분포를 해석하였다.
- 그림 14～18은 각 영역에서의 선간전압과 FFT분석 결과를 보여주고 있다. 선간 전압의 측정은 디퍼레셜 프르브(100:1)를 사용하여 실측하였다. 실험 결과는 시뮬레이션 결과와 동일한 고조파의 분포 결과를 나타내었다.
- 승압된 전압기준벡터를 만들기 위하여 전압기준벡터를 π/2마다 선형화된 4가지 영역으로 표현하였다.
- 각 변조비에 따른 고조파의 해석 결과의 확인은 시뮬레이션과 실험을 통하여 확인하였다. 시뮬레이션은 PSIM의 DLL을 사용하여 구현하였고 시뮬레이션에 의한 해석결과의 확인을 위해 실험을 통하여 동일 변조비(MI)에 대한 고조파의 분포와 크기를 비교 검토 하였다. 시뮬레이션과 실험의 결과는 서로 잘 일치하고 있으며, 본 해석결과를 이용하여 향후 고조파에 기인하는 손실 등을 해석하는데 활용할 수 있겠다.
- 실험은 시뮬레이션과 동일하게 인버터의 기본파의 주파수는 60[Hz]로 하고 스위칭 주파수는 2.5[kHz]로 설정하고 선형영역 Ⅰ, 선형영역 Ⅱ, 과변조영역 Ⅰ, 과변조 영역 Ⅱ 그리고 6스텝영역으로 나누어 그 결과를 확인하였다. NPC형 3레벨 인버터는 세미크론사의 IGBT(SKM200GB -123D)와 Gate driver (SKHI 22B) 그리고 Diode(SKKD81 /16)를 사용하여 구성하였으며, 제어보드에 사용된 프로세서는 20[ns]의 H1 clock을 가지는 DSP(TMS320VC33)을 사용하였다.
- 과변조 영역에서는 푸리에 급수에 의한 전압보상 알고리즘을 적용하여 구현하였다. 이중 푸리에 급수에 의한 고조파 해석 결과를 확인하기 위해 시뮬레이션은 선형영역 Ⅰ, 선형 영역 Ⅱ, 과변조영역 Ⅰ, 과변조영역 Ⅱ 그리고 6스텝 영역으로 나누어 그 결과를 확인하였다.
대상 데이터
- 5[kHz]로 설정하고 선형영역 Ⅰ, 선형영역 Ⅱ, 과변조영역 Ⅰ, 과변조 영역 Ⅱ 그리고 6스텝영역으로 나누어 그 결과를 확인하였다. NPC형 3레벨 인버터는 세미크론사의 IGBT(SKM200GB -123D)와 Gate driver (SKHI 22B) 그리고 Diode(SKKD81 /16)를 사용하여 구성하였으며, 제어보드에 사용된 프로세서는 20[ns]의 H1 clock을 가지는 DSP(TMS320VC33)을 사용하였다. 이렇게 구성된 인버터의 축소모델은 그림 12에서 보여주고 있다.
- 시뮬레이션의 결과에 대한 검증을 위해 실험은 시뮬레이션과 동일한 조건으로 수행 하였다. 실험에는 DSP(TMS320VC33)를 사용하여 구현하였다.
이론/모형
- NPC형 3레벨 인버터의 출력전압에 대한 고조파 해석을 위한 시뮬레이션을 PSIM을 사용하여 구현하였다. 인버터의 기본파의 주파수는 60[Hz]로 하고 스위칭 주파수는 2.
- 907까지 확장하였고 과변조 영역에서는 푸리에 급수에 의한 추종전압의 보상기법을 적용하여 6스텝영역까지 운전할 수 있도록 하였다.[2,3,4] PWM된 출력전압의 고조파 특성분석에는 PD (Phase Disposition)방식의 멀티 캐리어 기법에 대하여 이중 푸리에 급수를 적용하여 해석하였다.[5,6] 시뮬레이션은 PSIM의 DLL 블록을 적용하여 200[μs]의 샘플링 주기를 갖도록 하였다.
- 5[kHz]로 설정하였다. 과변조 영역에서는 푸리에 급수에 의한 전압보상 알고리즘을 적용하여 구현하였다. 이중 푸리에 급수에 의한 고조파 해석 결과를 확인하기 위해 시뮬레이션은 선형영역 Ⅰ, 선형 영역 Ⅱ, 과변조영역 Ⅰ, 과변조영역 Ⅱ 그리고 6스텝 영역으로 나누어 그 결과를 확인하였다.
성능/효과
- 또한, 과변조 영역에서는 α값이 커짐에 따라 기본파 성분에 의한 고조파 성분이 증가하고, 캐리어에 의한 고조파 성분항(Cm0)과 측대고조파 성분의 항(Cmevennodd, C moddneven)은 점차 감소함을 확인할 수 있다.
- 과변조 영역에서 α값이 최대값(π/2)에 이르게 되면 6스텝영역에서 운전하게 되고 이 영역에서는 식 11의 기본파 성분의 크기를 계산하면 2Vdc/π로 계산된다. 또한, 기본파에 의한 고조파 성분은 홀수배의 고조파만이 존재하고 캐리어에 의한 고조파 성분 항(Cm0)과 측대고조파 성분 항(Cmevennodd, C moddneven)은 0이 됨을 알 수 있다. 캐리어 주파수의 홀수차에 의한 측대고조파는 기본파 주파수의 짝수의 측대고조파로 나타나고 반대로 캐리어 주파수의 짝수차에 의한 측대고조파는 기본파 주파수의 홀수차에 의한 측대고조파를 발생시키는 것을 알 수 있다.
후속연구
- 시뮬레이션은 PSIM의 DLL을 사용하여 구현하였고 시뮬레이션에 의한 해석결과의 확인을 위해 실험을 통하여 동일 변조비(MI)에 대한 고조파의 분포와 크기를 비교 검토 하였다. 시뮬레이션과 실험의 결과는 서로 잘 일치하고 있으며, 본 해석결과를 이용하여 향후 고조파에 기인하는 손실 등을 해석하는데 활용할 수 있겠다.
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