[논문]LabVIEW를 이용한 전력전자 컨버터 교육 프로그램

김주은; 최남섭; 한병문

doi:10.6113/tkpe.2012.17.1.48

LabVIEW를 이용한 전력전자 컨버터 교육 프로그램
Power Electronics Converter Education Program using LabVIEW 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.17 no.1, 2012년, pp.48 - 56

김주은 (Div. of Electric., Electron. Communication & Computer Eng., Chonnam Nat'l Univ.) , 최남섭 (Division of Electric., Electron. Communication & Computer Eng., Chonnam Nat'l Univ.) , 한병문 (Dept. of Electrical Engineering, Myongji University)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper deals with power electronic converter education program using LabVIEW. LabVIEW is a graphic based programming language with easy debugging, which is suitable for education program that can be used to study and figure out the operation of power electronic converters. When LabVIEW is employed as a simulation program of the operation of power electronic converters, the resulting program has the advantage such that the effects of the change of control variables and circuit parameters on the various variables such as the output voltage and the inductor current etc can be directly displayed without any separate compiling procedure. This paper shows the design procedure and the characteristics of the power electronics education program implemented by LabVIEW focusing on DC-DC converter among power electronic converters.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 LabVIEW로 작성된 프로그램이 제대로 동작하는 것을 확인하기 위하여 PSIM을 사용하여 동일한 컨버터를 시뮬레이션하고 그 결과를 비교하였다. 그림 12의 (a)와 (b)는 PSIM과 LabVIEW에서 벅-부스트 컨버터를 각각 시뮬레이션 한 결과이다.
본 논문에서는 전력전자 컨버터 가운데 DC-DC 컨버터를 LabVIEW로 시뮬레이션 함으로써 LabVIEW로 구현된 교육 프로그램의 설계와 특징을 보인다. 여기서는 벅-부스트 컨버터, 벅 컨버터, 부스트 컨버터의 경우를 예로 들어 시뮬레이션을 수행하였는데 연속모드와 불연속모드를 포함하여 교육목적으로 컨버터 회로의 동작을 쉽게 이해할 수 있도록 구현하였다.

가설 설정

즉, 모드-1의 시뮬레이션 후 상태변수 최종 값을 모드-2의 상태방정식 초기조건(X_m2i)으로 설정하며 모드-2의 시작시간(t_m2s)은 모드-1의 끝 시간(t_m1f)과 같게 정한다. 또한 모드-2의 끝 시간(t_m2f)은 불연속모드가 존재하지 않는다는 가정 하에 t_m2f = t_m1s + T이다. 여기서 T는 스위칭 주기이며 T = 1 / f이다.
새로운 모드-1의 끝 시간은 t_m1f = t_m1s + DT이다. 모드-2 또는 모드-3의 시뮬레이션 최종 값을 모드-1의 새로운 초기조건 X_m1i로 설정하고 (4)로 가서 모드-1의 시뮬레이션을 진행한다.

제안 방법

본 논문에 구현된 LabVIEW 프로그램은 벅-부스트 컨버터뿐만 아니라 벅 컨버터와 부스트 컨버터도 시뮬레이션 할 수 있도록 구성하였다. 또한 LabVIEW 프로그램이 정상적으로 동작함을 확인하기 위하여 PSIM의 결과와 비교하였다.
본 논문에서 제안한 LabVIEW 기반의 DC-DC 컨버터 교육 프로그램은 벅-부스트 컨버터, 벅 컨버터, 부스트 컨버터의 경우를 예로 들어 시뮬레이션을 수행하였는데 연속모드와 불연속모드를 포함하여 컨버터 회로의 동작을 쉽게 이해할 수 있도록 구현하였다. 특히, 회로 정수와 제어변수 값 변경에 따른 출력의 영향, 컨버터 동작원리 이해와 변수들의 관계 파악이 용이하다.
본 논문에서는 전력전자 컨버터 가운데 DC-DC 컨버터를 LabVIEW로 시뮬레이션 함으로써 LabVIEW로 구현된 교육 프로그램의 설계와 특징을 보인다. 여기서는 벅-부스트 컨버터, 벅 컨버터, 부스트 컨버터의 경우를 예로 들어 시뮬레이션을 수행하였는데 연속모드와 불연속모드를 포함하여 교육목적으로 컨버터 회로의 동작을 쉽게 이해할 수 있도록 구현하였다.

데이터처리

본 논문에 구현된 LabVIEW 프로그램은 벅-부스트 컨버터뿐만 아니라 벅 컨버터와 부스트 컨버터도 시뮬레이션 할 수 있도록 구성하였다. 또한 LabVIEW 프로그램이 정상적으로 동작함을 확인하기 위하여 PSIM의 결과와 비교하였다.

이론/모형

각 모드 사이의 전환은 LabVIEW의 라이브러리 함수 중 선택함수와 배열 인덱스 함수를 사용하여 구현하였다.
본 논문에서 다루지 않은 DC-DC 컨버터의 시뮬레이션도 스위치 모드별 회로방정식에 대해 미분방정식을 유도하고 LabVIEW의 룽게쿠타 4차 함수를 이용하여 시뮬레이션 할 수 있다. 이러한 방법으로 전력전자공학 분야 이외에 물리학, 공업수학 등의 학습 프로그램에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.
LabVIEW는 미분방정식을 풀기위한 여러 가지 다양한 함수를 내장하고 있다. 본 논문에서는 LabVIEW에서 제공된 룽게쿠타 4차 함수를 사용하여 각 모드에 따른 구간별 시뮬레이션을 수행하였다.^[5]

성능/효과

본 논문에서 개발한 전력전자 컨버터 시뮬레이션 프로그램은 시뮬레이션 출력의 단순한 모니터링뿐만 아니라 실행 중에 회로정수, 제어변수 값을 바꿀 수 있고, 그에 따른 출력의 변화를 즉각적으로 볼 수 있는 장점이 있다.

후속연구

본 논문에서 다루지 않은 DC-DC 컨버터의 시뮬레이션도 스위치 모드별 회로방정식에 대해 미분방정식을 유도하고 LabVIEW의 룽게쿠타 4차 함수를 이용하여 시뮬레이션 할 수 있다. 이러한 방법으로 전력전자공학 분야 이외에 물리학, 공업수학 등의 학습 프로그램에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	기존의 상용 전력전자 컨버터의 시뮬레이션 프로그램의 단점은?	PSIM, PSPICE, CASPOC, PLECS와 같은 기존의 상용 전력전자 컨버터의 시뮬레이션 프로그램은 회로 파라미터를 변경할 때마다 매번 컴파일링 및 타이밍 시뮬레이션 과정을 거쳐야 하므로 파라미터 변경에 따른 출력의 변화를 즉시 모니터링하기 어려운 단점이 있다.
	LabVIEW 프로그램을 실시간 전력계통 교육용 시뮬레이터로 사용하는 이유는?	LabVIEW를 전력전자 컨버터의 동작을 시뮬레이션 하기 위한 프로그램으로 사용할 경우, 별도의 컴파일링 작업 없이 제어변수와 회로 파라미터의 변화에 대하여 출력전압, 인덕터 전류 등 여러 변수들에 대한 결과를 즉시 모니터링 할 수 있으므로 전력전자 컨버터의 동작을 이해하고 학습하기 위한 교육 프로그램으로 큰 장점을 갖는다고 할 수 있다.[2]
	LabVIEW의 장점은?	LabVIEW는 다양한 함수를 와이어(wire)의 연결로 설계하는 그래픽 기반의 graphical programming 언어로 다른 언어에 비해 코드가 직관적이고 코딩이 빠르다. 또한, LabVIEW는 프런트 패널(front panel)을 통하여 다양한 형식의 디스플레이가 가능하다. LabVIEW의 이러한 장점으로 인해 최근 전력계통 운영자들을 훈련시키고 교육시키는 전력계통 시뮬레이터로써 LabVIEW 프로그램의 TCP/IP 통신을 이용한 실시간 전력계통 교육용 시뮬레이터를 사용하고 있다.

참고문헌 (8)

이규화, 김일주, 최준영, 이송근, "랩뷰를 이용한 실시간 전력계통 교육용 시뮬레이터 개발", 조명전기설비학회논문지, 제 24 권 제 6 호, pp. 177-182, 2010.

원문보기 상세보기
박문수, "LABVIEW를 이용한 중등 과학 교육 적용 및 분석 연구", 학위논문(석사) 창원대학교 교육대학원 물리교육전공, 2009.
노의철, 정규범, 최남섭, 전력전자공학, 문운당, 3판, 2011.
National Instruments Co., LabVIEW manual, 2006, 8.
장건수, 박은재, 알기쉬운 수치해석, 청문각, 2004.
고석조, 이병우, 김창동, "LabVIEW를 이용한 공정관리 모니터링 시스템 개발", 한국기계기술학회 학술대회논문집, pp. 6-11, 2003.
김승룡, 이상혁, 김광헌, 정혜정, 박성준, "LabVIEW를 이용한 TCP/IP 기반 분산전원 모니터링 시스템", 전력전자학회학술대회 논문집, pp. 525-527, 2009.
고석환, 장문석, 주영철, 이윤섭, "LabVIEW를 이용한 풍력 발전 성능평가용 모니터링 시스템 개발", 한국태양에너지학회 논문집, 제 29 권, 제 6 호, pp. 69-74, 2009.

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