본 논문에서는 비엔나 정류기의 전압제어를 위한 반송파 비교 PWM 방법에 대하여 논한다. 일반적으로 산업용 및 통신용 등 여러 응용분야에서 2레벨 정류기가 주로 사용되어 왔다. 하지만 2레벨 정류기는 효율을 높이고, THD를 낮추는데 한계가 있기 때문에 3레벨 정류기에 대한 연구가 진행 되어 왔다. 3레벨 정류기의 대표적인 회로가 비엔나 정류기이다. 기존의 비엔나 정류기는 대부분 전압 명령으로부터 인가 공간전압 벡터를 선택하고, 공간전압 벡터 인가시간을 직접 계산하여, 그 시간동안 전압 명령을 인가하는 공간 전압 변조 방식이 사용된다. 하지만 이 방법은 전압 명령 생성 및 전압 벡터의 인가시간 계산이 매우 복잡하여, 구현이 어려운 단점이 있다. 이 단점을 보완하기 위해 기존의 3레벨 인버터에 사용되던 반송파 비교 PWM 방법을 비엔나 정류기에 적용할 수 있도록 수정하여, 비엔나 정류기를 위한 간단한 전압제어를 위한 반송파 비교 PWM방식을 도출하고 시뮬레이션 및 실험을 통해 검증 한다.
본 논문에서는 비엔나 정류기의 전압제어를 위한 반송파 비교 PWM 방법에 대하여 논한다. 일반적으로 산업용 및 통신용 등 여러 응용분야에서 2레벨 정류기가 주로 사용되어 왔다. 하지만 2레벨 정류기는 효율을 높이고, THD를 낮추는데 한계가 있기 때문에 3레벨 정류기에 대한 연구가 진행 되어 왔다. 3레벨 정류기의 대표적인 회로가 비엔나 정류기이다. 기존의 비엔나 정류기는 대부분 전압 명령으로부터 인가 공간전압 벡터를 선택하고, 공간전압 벡터 인가시간을 직접 계산하여, 그 시간동안 전압 명령을 인가하는 공간 전압 변조 방식이 사용된다. 하지만 이 방법은 전압 명령 생성 및 전압 벡터의 인가시간 계산이 매우 복잡하여, 구현이 어려운 단점이 있다. 이 단점을 보완하기 위해 기존의 3레벨 인버터에 사용되던 반송파 비교 PWM 방법을 비엔나 정류기에 적용할 수 있도록 수정하여, 비엔나 정류기를 위한 간단한 전압제어를 위한 반송파 비교 PWM방식을 도출하고 시뮬레이션 및 실험을 통해 검증 한다.
In this paper, carrier comparison PWM method for voltage control of Vienna rectifier is discussed. In general, in industrial and communications applications, the two-level rectifier is used. However, this two-level rectifier has the limit of high THD and low efficiency. So, the studies of three-leve...
In this paper, carrier comparison PWM method for voltage control of Vienna rectifier is discussed. In general, in industrial and communications applications, the two-level rectifier is used. However, this two-level rectifier has the limit of high THD and low efficiency. So, the studies of three-level rectifier has been carried out so far, and the Vienna rectifier circuit is the representative. The space vector pulse width modulation(SVPWM) method is generally used for Vienna rectifier, in which voltage vectors and duration time are calculated from the voltage reference. However, this method require very sophisticated and complex calculations, so realizing this method by software is very difficult. To overcome this disadvantage, simple carrier comparison PWM method for Vienna rectifier is proposed which is modified from the carrier comparison method for 3 level inverter. Furthermore, to verify the usefulness of the Vienna rectifier carrier comparison PWM the simulation and experiment are carried out.
In this paper, carrier comparison PWM method for voltage control of Vienna rectifier is discussed. In general, in industrial and communications applications, the two-level rectifier is used. However, this two-level rectifier has the limit of high THD and low efficiency. So, the studies of three-level rectifier has been carried out so far, and the Vienna rectifier circuit is the representative. The space vector pulse width modulation(SVPWM) method is generally used for Vienna rectifier, in which voltage vectors and duration time are calculated from the voltage reference. However, this method require very sophisticated and complex calculations, so realizing this method by software is very difficult. To overcome this disadvantage, simple carrier comparison PWM method for Vienna rectifier is proposed which is modified from the carrier comparison method for 3 level inverter. Furthermore, to verify the usefulness of the Vienna rectifier carrier comparison PWM the simulation and experiment are carried out.
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문제 정의
본 논문에서 쉽고 간단한 비엔나 정류기의 삼각파비교 PWM 방식에 대하여 고찰하였으며, 이를 위한 스위칭 함수 발생기를 제안하였다. 기존의 공간전압 벡터를 이용한 PWM 방식은 공간 벡터 생성을 위한 유효 전압 벡터 인가 시간과 영 전압 벡터 인가 시간의 계산이 복잡하고, 구현이 어려운 문제를 가지고 있었다.
제안 방법
한편 기존의 비엔나 정류기의 전압 제어 방법으로 공간 전압 벡터(Space Voltage Vector) 를 이용한 방법이 제시되었지만, 공간 전압 벡터 생성을 위한 유효 전압 벡터의 선택이 복잡하고, 유효 전압 벡터 및 영 전압 벡터의 인가 시간 계산이 복잡하여, 실제 구현이 어려운 문제가 있다. [2-4] 본 논문에서는 비엔나 정류기를 간단하게 제어하기 위한 방안으로, 기존의 3레벨 인버터에 사용되는 두 개의 반송파를 이용한 삼각파 비교 PWM 방식을 수정하여 비엔나 정류기를 위한 삼각파 비교방식의 PWM 방식을 제시하고, 시뮬레이션과 실험을 통해 결과를 검증한다.
기존의 공간전압 벡터를 이용한 PWM 방식은 공간 벡터 생성을 위한 유효 전압 벡터 인가 시간과 영 전압 벡터 인가 시간의 계산이 복잡하고, 구현이 어려운 문제를 가지고 있었다. 이를 해결하기 위해 두 개의 캐리어 신호를 이용한 삼각파 비교 방식의 비엔나 정류기를 위한 스위칭 함수 발생기를 제안하였다. 제안한 캐리어 비교 PWM을 사용하여 모의해석 및 실험한 결과 간단하게 제어되는 것을 검증하였다.
제안한 비엔나 정류기의 전압제어를 위한 캐리어 비교 PWM을 검증하기 위해 실험을 하였다. 실험 조건은 모의 해석의 파라미터 값과 같다.
대상 데이터
표 2는 모의해석 및 실험에 사용된 파라미터 값을 나타낸다. 모의해석에서 스위칭 소자는 MOSFET를 사용하였다. 그림 9의 xa, xb, xc는 비엔나 정류기의 각 상의 정규 화된 단자 전압 명령이다.
그러므로 2 레벨 전압 변조 방식의 블록도에서 상전압 지령과 단자 전압 지령은 그대로 사용하고, 삼각파 비교부만 비엔나 정류기에 적합하게 바꾸어 삼각파 비교 PWM 방식을 구현할 수 있다. 삼각파 비교부는 기존 3레벨 인버터와 동일하게 2개의 반송파를 사용하며, 제안하는 스위칭 함수 발생기를 가지고 있다.
실험 조건은 모의 해석의 파라미터 값과 같다. 실험에서 4상한 스위칭 소자의 전력용 반도체는 MOSFET를 사용하였다. 그림10의 (a)는 정규화된 단자전압 명령 Xabc이다.
데이터처리
제안한 비엔나 정류기의 전류제어를 위한 캐리어 비교 PWM 방법을 검증하기 위해 모의 해석을 하였다.
성능/효과
Vdc는 비엔나 정류기 동작 결과 얻어진 직류링크 전압이다. 두 개의 반송파를 사용한 PWM방식의 모의해석 결과 제어가 잘 되는 것을 확인 할 수 있다.
그림 10 (c)는 정상상태에서의 입력 상전류 iabc의 파형과 정상상태에서의 출력 Vdc의 파형이다. 실험 결과는 모의해석 결과와 유사하게 동작 하는 것을 확인 할 수 있으며, 제안한 비엔나 정류기의 삼각파비교 PWM 방식이 잘 동작하는 것을 확인하였다.
이를 해결하기 위해 두 개의 캐리어 신호를 이용한 삼각파 비교 방식의 비엔나 정류기를 위한 스위칭 함수 발생기를 제안하였다. 제안한 캐리어 비교 PWM을 사용하여 모의해석 및 실험한 결과 간단하게 제어되는 것을 검증하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
비엔나 정류기의 전압 제어 방법 중 공간 전압 벡터를 이용한 방법의 단점은 무엇인가
한편 기존의 비엔나 정류기의 전압 제어 방법으로 공 간 전압 벡터(Space Voltage Vector) 를 이용한 방법이 제 시되었지만, 공간 전압 벡터 생성을 위한 유효 전압 벡터 의 선택이 복잡하고, 유효 전압 벡터 및 영 전압 벡터의 인가 시간 계산이 복잡하여, 실제 구현이 어려운 문제가 있다.[2-4] 본 논문에서는 비엔나 정류기를 간단하게 제 어하기 위한 방안으로, 기존의 3레벨 인버터에 사용되는 두 개의 반송파를 이용한 삼각파 비교 PWM 방식을 수정 하여 비엔나 정류기를 위한 삼각파 비교방식의 PWM 방 식을 제시하고, 시뮬레이션과 실험을 통해 결과를 검증한다.
비엔나 컨버터의 단점은 무엇인가
이에 따라 전력용 반도체 소 자의 스위칭 손실을 대폭 저감할 수 있으며, 재료비를 낮 출 수 있는 장점이 있다. 반면 비엔나 컨버터는 단 방향 의 전력 흐름만을 허용하기 때문에 양 방향의 전력 흐름 이 요구되는 응용에는 사용이 불가능한 단점을 가지고 있다.
3 레벨 비엔나 정류기의 장점은 무엇인가
5Vdc 3개의 상태를 가지고 있기 때문에 기 존의 2 레벨 PWM 정류기에서 사용되는 전력용 반도체 소자와 비교하여, 스위칭 소자의 내압을 절반 수준으로 낮출 수 있어, 전력용 반도체 소자를 IGBT 대신 MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)로 사용 가능하다. 이에 따라 전력용 반도체 소 자의 스위칭 손실을 대폭 저감할 수 있으며, 재료비를 낮 출 수 있는 장점이 있다. 반면 비엔나 컨버터는 단 방향 의 전력 흐름만을 허용하기 때문에 양 방향의 전력 흐름 이 요구되는 응용에는 사용이 불가능한 단점을 가지고 있다.
참고문헌 (6)
J.W Kolar and F.C Zach, "A Novel Three-phase utility interface minimizing line current harmonics of high-power telecommunications rectifier modules," IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 44, no. 4, pp. 456-467, 1997, August
Rolando R, Rixin Lai, Yunqing Pei, Fei Wang, Dushan Boroyevich, Josep Pou "Space vector modulaion for vienna-type rectifiers based on the equivalence between two-and three-level converters: a carrier-based implementation", IEEE Trans Power Electron, vol. 23, no. 4, pp 1888-1898, 2008, July
Alahuhtala J, Tuusa H "Space Vector Modulation Method for unidirectional four-wire three-phase / leveI switch (Vienna) rectifier", The 7th International Conference on Power Electronics, pp 742-748, 2007, October
Hunsun Jung, Sejin Noh, jaeho Choi, GyoBum chung " Improvement of input wave using VIENNA rectifier" Conference Proceedings of The Korean Institute of Power Electronics, pp19-21, 2007, January
Thomas Bruckner and Donald Grahame Holmes, "Optimal pulse-width modulation for three-level inverters," vol. 20, no. 1, pp 82-89, 2005
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