[논문]IP 제어기를 이용한 통신 전원용 3상 PWM 컨버터의 전압 제어

신희근; 김학원; 조관열; 지준근

doi:10.5762/kais.2011.12.6.2722

IP 제어기를 이용한 통신 전원용 3상 PWM 컨버터의 전압 제어
IP Voltage Controller of Three-phase PWM Converter for Power Supply of Communication System 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.12 no.6, 2011년, pp.2722 - 2728

신희근 (충주대학교 제어계측공학과) , 김학원 (충주대학교 제어계측공학과) , 조관열 (충주대학교 제어계측공학과) , 지준근 (순천향대 전기통신공학과)

초록
AI-Helper

대용량 전원장치의 정류기는 입력전류의 고조파를 줄이기 위해, 입력 전류 제어기능을 갖는 3상 PWM 정류기의 적용이 확대되고 있다. 3상 PWM 정류기의 전압제어기는 일반적으로 PI 제어기가 사용되며, 출력 전압의 안정성을 얻고 신뢰성을 확보하기 위하여 전압 제어기는 출력전압의 과도상태에서 오버슈트(Overshoot)를 작게 설계한다. 그러나 부하 변동이 급격한 대용량 통신용 전원 장치에 3상 PWM 정류기가 적용될 경우 빠른 부하 변동에 대한 안정적 전압 응답을 얻기 위하여 보다 넓은 대역폭을 갖도록 전압 제어기를 설계할 필요가 있다. 넓은 대역폭을 갖는 PI 제어기는 과도한 출력전압의 오버슈트가 발생될 수 있으며, 이 과도한 출력전압 오버슈트는 통신용 전원의 안정성을 해칠 수 있다. 본 논문에서는 과도 상태에서 출력전압의 오버슈트를 작게 하기 위하여 IP 제어기를 갖는 3상 PWM 정류기의 전압 제어기를 제안한다. 제안된 전압 제어기는 3상 PWM 정류기의 기동 시와 부하 변동시의 과도 응답특성을 개선될 수 있음을 시뮬레이션 및 실험을 통해 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

3Phase PWM rectifier has become increasingly popular due to its capability of nearly sinusoidal waveform of the input current, and nearly unity power factor operation as a AC/DC rectifier of high capacity telecommunication power supply system. Generally, PI controller is used as a voltage controller of PWM rectifier and voltage controller must be designed to have low overshoot in transient state to get a reliability and stable operation. However, in the application of telecommunication in which load condition is varied very fast, the voltage controller must have a large bandwidth to reduce output voltage variation. The PI controller with large bandwidth arouse the excessive overshoot of the output voltage, and this large output voltage variation degrades the reliability of communication power of the three-phase PWM Rectifier. In this paper, new IP voltage controller for 3 phase PWM rectifier is proposed which has relatively low transient output voltage variation. The improved output characteristics of the transient state voltage responses of the starting and at load changes of the proposed voltage controller are proved by simulations and experiments.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문에서는 3상 PWM 정류기의 전압제어기에 디지털 IP 제어기를 사용하여 부하전력의 변화에 따른 출력 전압의 변동을 최소화 하는 통신용 3상 PWM 정류기(Rectifier)를 제안한다. Matlab/Simulink로 시뮬레이션을 통하여 PI 제어기 및 IP 제어기의 전압제어 특성을 비교, 검증하였다.
본 논문에서는 순간적인 부하 변동 시 PWM 정류기의 출력전압의 과도상태 응답특성을 개선하기 위하여 IP 전압제어기를 제안하였다. IP 제어기는 기존 PI 제어기의 영점(zero)을 제거함으로써 과도상태에서의 오버슈트를 줄이고 전압 안정화시간을 단축할 수 있다.

제안 방법

IP 전압제어기의 성능을 검증하기 위해서 3상 PWM 정류기의 전압응답 특성에 대한 실험을 수행하였다. 실험을 위하여 TI의 염가형 DSP인 TMS230F28035을 이용하여 디지털 제어 시스템을 구현하였다.
전원 전압은 3상 선간전압이 380Vrms이며 출력전압 지령은 680V로 하였다. PWM 정류기의 과도응답 특성에 대하여 PI 제어기와 IP 제어기를 비교하였으며, 시뮬레이션과 동일한 조건으로 입력 인덕터는 1.2mH, 출력 캐패시터는 2200uF이다. 스위칭 주파수는 10kHz로 하였다.
Matlab/Simulink로 시뮬레이션을 통하여 PI 제어기 및 IP 제어기의 전압제어 특성을 비교, 검증하였다. 또한 3상 220V 교류입력에 대해 출력전압DC 680V, 정격전류 12A, 8.1kW급 시제품을 제작하여 IP 제어기의 성능을 확인하였다.
먼저 다이오드 정류기에서 PWM 컨버터로 바뀌는 순간에서 PI 제어기와 IP 제어기의 전압제어 특성을 검토하였다. 또한 정상운전 상황에서 부하의 변동이 발생할 때의 전압제어 특성을 비교 검토하였다. 표 1은 시뮬레이션 및 실험에서 사용한 상수(parameter)를 나타낸다.
시뮬레이션은 과도상태의 전압제어 특성을 검토하기 위하여 크게 2가지 조건에 대하여 실시하였다. 먼저 다이오드 정류기에서 PWM 컨버터로 바뀌는 순간에서 PI 제어기와 IP 제어기의 전압제어 특성을 검토하였다. 또한 정상운전 상황에서 부하의 변동이 발생할 때의 전압제어 특성을 비교 검토하였다.
IP 제어기는 기존 PI 제어기의 영점(zero)을 제거함으로써 과도상태에서의 오버슈트를 줄이고 전압 안정화시간을 단축할 수 있다. 시뮬레이션과 실험을 통하여 PI 제어기와 IP 제어기의 과도응답 특성을 비교 검토함으로써 IP 제어기가 오버슈트 및 전압 안정화 시간에서 유리함을 검증하였다.
시뮬레이션은 과도상태의 전압제어 특성을 검토하기 위하여 크게 2가지 조건에 대하여 실시하였다. 먼저 다이오드 정류기에서 PWM 컨버터로 바뀌는 순간에서 PI 제어기와 IP 제어기의 전압제어 특성을 검토하였다.
그림 8는 다이오드 정류기에서 PWM 컨버터로 바뀌는 순간 과도응답특성을 나타낸다. 이때 전압제어기의 이득값은 모의해석과 동일한 조건으로 PI 제어기와 IP 제어기를 비교하였다. PI 제어기는 PWM 컨버터로 기동하는 순간 36V의 오버슈트를 나타내었으며, IP 제어기는 8V의 오버슈트를 나타낸다.
통신용 전원을 위한 PWM 정류기의 IP전압제어기의 성능을 입증하기 위하여 MATLAB 으로 시뮬레이션을 수행하였다.

대상 데이터

IP 전압제어기의 성능을 검증하기 위해서 3상 PWM 정류기의 전압응답 특성에 대한 실험을 수행하였다. 실험을 위하여 TI의 염가형 DSP인 TMS230F28035을 이용하여 디지털 제어 시스템을 구현하였다. 그림 7은 제어기의 구성 및 시제품의 사진을 나타낸다.
한편 3상 PWM 컨버터의 제어 대상은 출력전압과 입력전류이다. 3상 PWM 컨버터의 출력 전압의 제어를 위해 비례적분(PI) 제어기가 주로 사용되고 있으나, 부하전력의 순시적인 변동 시 출력전압의 변동이 크고 안정화되기까지 시간이 많이 걸리는 과도 응답 특성을 나타낸다.

데이터처리

본 논문에서는 3상 PWM 정류기의 전압제어기에 디지털 IP 제어기를 사용하여 부하전력의 변화에 따른 출력 전압의 변동을 최소화 하는 통신용 3상 PWM 정류기(Rectifier)를 제안한다. Matlab/Simulink로 시뮬레이션을 통하여 PI 제어기 및 IP 제어기의 전압제어 특성을 비교, 검증하였다. 또한 3상 220V 교류입력에 대해 출력전압DC 680V, 정격전류 12A, 8.

성능/효과

한편, 서보용의 교류전동기의 위치제어에는 IP(Integral Proportional) 제어가 활용되고 있다.[4] PI 제어기는 지령값과 측정값의 오차 및 오차의 적분값에 비례하는 출력을 발생한다. 반면에 IP 제어기는 지령값과 측정값의 오차의 적분값과 측정값에 비례하는 출력을 발생한다.
또한 안정화 시간은 PI 제어기가 370ms인 반면 IP제어기의 안정화 시간은 140ms로 안정화 시간이 짧게 나오는 것을 확인 할 수 있었다. 또한 부하가 정격부하의 60%인 7.2A에서 10%인 1.2A로 변한 경우 PI 제어기는 19V의 오버슈트와 18V의 언더슈트를 나타내는 반면 IP 제어기는 15V의 오버슈트와 7V의 언더슈트로 부하 변동시 IP 제어기가 오버슈트가 작은 것을 확인 할 수 있다. 또한 안정화 시간은 PI 제어기의 경우 520ms, IP 제어기의 경우 210ms로 안정화 시간 또한 IP 제어기가 짧게 나오는 것을 확인할 수 있었다.
반면 IP 제어기는 5V의 오버슈트와 13V의 언더슈트를 나타내어 PI 제어기보다 오버슈트가 작은 것을 확인할 수 있다. 또한 안정화 시간은 PI 제어기가 370ms인 반면 IP제어기의 안정화 시간은 140ms로 안정화 시간이 짧게 나오는 것을 확인 할 수 있었다. 또한 부하가 정격부하의 60%인 7.
2A로 변한 경우 PI 제어기는 19V의 오버슈트와 18V의 언더슈트를 나타내는 반면 IP 제어기는 15V의 오버슈트와 7V의 언더슈트로 부하 변동시 IP 제어기가 오버슈트가 작은 것을 확인 할 수 있다. 또한 안정화 시간은 PI 제어기의 경우 520ms, IP 제어기의 경우 210ms로 안정화 시간 또한 IP 제어기가 짧게 나오는 것을 확인할 수 있었다.
반면에 IP 제어기는 부하가 정격부하의 10%에서 60%로 증가할 때 21V의 오버슈트를, 부하가 정격부하의 60%에서 10%로 감소할 때 24V의 오버슈트를 나타내었다. 실험 결과로부터 부하가 정격부하의 10%에서 60%로 변할 때 IP 제어기의 오버슈트는 PI 제어기에 비해 약 60% 수준으로 감소됨을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	통신용 전원은 어떻게 구성되는가?	통신기술이 발달함에 따라 요구되는 전원의 용량이 점차 증대되고 있다. 통신용 전원은 일반적인 전원과 같이 교류/직류 컨버터와 직류/직류 컨버터로 구성된다. 일반적으로 교류/직류 컨버터는 부하가 정류기를 포함한 캐패시터(Capacitor)이며 부하의 비선형성으로 입력 전류의 왜곡이 발생된다.
	교류/직류 컨버터에서 왜곡이 일어나는 상황은?	통신용 전원은 일반적인 전원과 같이 교류/직류 컨버터와 직류/직류 컨버터로 구성된다. 일반적으로 교류/직류 컨버터는 부하가 정류기를 포함한 캐패시터(Capacitor)이며 부하의 비선형성으로 입력 전류의 왜곡이 발생된다. 일반적으로 통신용 전원에서 교류를 직류로 변환하는 정류기로 가장 많이 사용되어지는 것은 다이오드 정류기이다.
	펄스 폭 변조 컨버터는 다이오드 정류기의 어떤 문제점을 해결하기 위해 고려된 것인가?	일반적으로 통신용 전원에서 교류를 직류로 변환하는 정류기로 가장 많이 사용되어지는 것은 다이오드 정류기이다. 하지만 다이오드 정류기는 입력 전류에 고조파를 다량으로 함유하고 있으므로 입력 역률을 저하시킨다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 일반적으로 펄스 폭 변조 (Pulse Width Modulation, 이하 PWM) 컨버터가 고려된다.

참고문헌 (4)

M. T. Tsai and W. I. Tsai, "Analysis and Design of Three-Phase AC-to-DC Converters with High Power Factor and Near-Optimum Feedforward". IEEE Trans. Indus. Elec., Vol. 46, No. 3. pp. 535-543. 1999.

상세보기
R. Ghosh and G. Narayanan, "Generalized Feedforward Control of Single-Phase PWM Rectifiers Using Disturbance Observers". IEEE Trans. Indus. Elec Vol. 54, No. 2. pp. 984-993. 2007.

상세보기
Ahmed F.I, EI-Tobshy A.M. "P-I AND I-P controllers in a closed loop for DC motor devices", Power Conversion Conference, Vol. 2, pp. 613-618, 1997.
M. Boussak and K. Jarray, "A High-Performance Sensorless Indirect Stator Flux Orientation Control Of Induction Motro Drive", IEEE Trans. Indus. Elec Vol. 53, No. 1. pp. 41-49. 2006.

상세보기

저자의 다른 논문 :

LOADING...

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증