[논문]SPWM 구동 방식을 이용한 단상 풀 브리지 인버터의 전압 제어에 대한 연구

고윤석

doi:10.13067/jkiecs.2017.12.5.851

SPWM 구동 방식을 이용한 단상 풀 브리지 인버터의 전압 제어에 대한 연구
A Study on the Voltage Control of a Single Phase Full-bridge Inverter using SPWM Driving Method 원문보기

한국전자통신학회 논문지 = The Journal of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, v.12 no.5, 2017년, pp.851 - 858

초록
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본 연구에서는 SPWM 구동방식의 단상 풀 브리지 인버터의 전압제어계를 설계하였다. 전압제어계는 단상 풀-브리지 인버터, 출력전압과 기준전압의 오차를 선형적으로 보상하기 위한 PI 제어기, 제어기 신호로부터 SPWM 방식을 이용하여 게이트 신호를 발생시키기 위한 PWM 구동회로, 인버터 출력 전압 파형을 정현 파형으로 필터링하기 위한 LC 필터로 구성하였다. 끝으로, EMTP-RV를 이용하여 PWM 구동방식을 기반으로 하는 단상 풀-브리지 인버터의 전압 제어계를 모델링하였고 수개의 기준전압에 대한 시뮬레이션 연구를 통해 출력전압이 정확하게 기준전압을 수렴하는 것을 확인함으로서 제어계 설계의 유효성을 확인할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the voltage control system of a single phase full bridge inverter was designed based on the SPWM driving method. The voltage control system consists of a single-phase full-bridge inverter, a PI controller for linearly compensating the error between the reference voltage and the output voltage, a PWM driving circuit for generating the gate signal using the SPWM method from the controller signal, and an LC filter for filtering the inverter output voltage waveform into sinusoidal waveform. Finally, the voltage control system of a single-phase full-bridge inverter based on the PWM driving method was modeled using EMTP-RV and by showing that the output voltage accurately converges the reference voltage through several simulation examples, the validity of the control system design was verified.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 단상 풀 브리지 저압제어 기법들을 분석하고 SPWM 방식의 단상 풀 브리지 인버터의 전압제어계를 설계한다. 전압제어계는 단상 풀브리지 인버터, 출력전압과 기준전압의 오차를 선형적으로 보상하기 위한 PI 제어기, 제어기 신호로부터 게이트 신호를 발생시키기 위한 SPWM 구동회로, 인버터 출력 전압 파형을 정현 파형으로 필터링하기 위한 LC 필터로 구성된다.
본 연구에서는 단상 풀 브리지 인버터의 전압제어 방법들을 분석하였다. 또한 이를 기반으로 SPWM 구동방식의 단상 풀 브리지 인버터의 전압제어계를 설계하였다.

제안 방법

본 연구에서는 단상 풀 브리지 인버터의 전압제어 방법들을 분석하였다. 또한 이를 기반으로 SPWM 구동방식의 단상 풀 브리지 인버터의 전압제어계를 설계하였다. 단상 풀-브리지 인버터, 출력전압과 기준전압의 오차를 선형적으로 보상하기 위한 제어기로서 PI 제어기를 선택하였다.
본 장에서는 고조파를 최소화하여 DC 전원으로부터 고 품질의 정현파 AC 전원을 얻을 수 있도록 앞에서 기술된 전압제어 기법들 중 SPWM 기법을 이용하여 전압 제어계를 설계한다. 그림 4는 단상 풀 브리지 인버터의 전압제어계 시스템의 구성을 보인다.
본 장에서는 설계결과의 유효성을 확인하기 위해서 전력계통 과도특성 해석도구인 EMTP-RV[21]를 이용하여 표 1의 설계 데이터를 기반으로 하는 단상 풀 브리지 인버터의 제어계를 모델링하며 기준전압 v_AB^*를 3Vrms로 하여 제어결과를 모의한다. 특히, 시간에 따라 동적으로 변화하는 RL 가변 부하를 설계하여 SPWM 제어계의 동적으로 변화하는 부하전압에 대한 추적능력을 확인한다.
본 장에서는 참고문헌 [16]에서 스마트 그리드의 전기적 특성을 다운 스케일된 보다 안전한 전기적 레벨에서 실험할 수 있도록 제안되는 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터의 적용을 고려하여 단상 풀 브리지 인버터의 제어계를 표 1에 보인바와 같이 설계하였다.
를 3Vrms로 하여 제어결과를 모의한다. 특히, 시간에 따라 동적으로 변화하는 RL 가변 부하를 설계하여 SPWM 제어계의 동적으로 변화하는 부하전압에 대한 추적능력을 확인한다. 그림 5는 EMTP-RV를 이용하여 모델링된 SPWM 제어 방식의 단상 풀 브리지 인버터의 제어계를 보인다.

대상 데이터

또한 이를 기반으로 SPWM 구동방식의 단상 풀 브리지 인버터의 전압제어계를 설계하였다. 단상 풀-브리지 인버터, 출력전압과 기준전압의 오차를 선형적으로 보상하기 위한 제어기로서 PI 제어기를 선택하였다. 그리고 제어계 설계의 유효성을 확인하기 위해 설계결과에 근거하여 EMTP-RV를 이용하여 SPWM 구동방식의 단상 풀-브리지 인버터의 전압 제어계를 모델링하였고, 목표 기준전압에 대한 시뮬레이션 연구를 수행하였으며 출력전압이 정확하게 기준전압을 수렴하는 것을 확인함으로서 제어계 설계의 유효성을 확인할 수 있었다.

성능/효과

단상 풀-브리지 인버터, 출력전압과 기준전압의 오차를 선형적으로 보상하기 위한 제어기로서 PI 제어기를 선택하였다. 그리고 제어계 설계의 유효성을 확인하기 위해 설계결과에 근거하여 EMTP-RV를 이용하여 SPWM 구동방식의 단상 풀-브리지 인버터의 전압 제어계를 모델링하였고, 목표 기준전압에 대한 시뮬레이션 연구를 수행하였으며 출력전압이 정확하게 기준전압을 수렴하는 것을 확인함으로서 제어계 설계의 유효성을 확인할 수 있었다. 차후, 이들 설계기술은 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터의 3상 태양광 인버터 설계의 기본 기술로서 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
전압제어계는 단상 풀브리지 인버터, 출력전압과 기준전압의 오차를 선형적으로 보상하기 위한 PI 제어기, 제어기 신호로부터 게이트 신호를 발생시키기 위한 SPWM 구동회로, 인버터 출력 전압 파형을 정현 파형으로 필터링하기 위한 LC 필터로 구성된다. 최종적으로 EMTP-RV를 이용하여 SPWM 구동방식을 기반으로 하는 단상 풀-브리지 인버터의 전압 제어계를 모델링하였고 수개의 기준전압에 대한 시뮬레이션 연구를 통해 출력전압이 정확하게 기준전압을 수렴하는 것을 확인함으로서 제어계 설계의 유효성을 확인한다.

후속연구

그리고 제어계 설계의 유효성을 확인하기 위해 설계결과에 근거하여 EMTP-RV를 이용하여 SPWM 구동방식의 단상 풀-브리지 인버터의 전압 제어계를 모델링하였고, 목표 기준전압에 대한 시뮬레이션 연구를 수행하였으며 출력전압이 정확하게 기준전압을 수렴하는 것을 확인함으로서 제어계 설계의 유효성을 확인할 수 있었다. 차후, 이들 설계기술은 마이크로 스마트 그리드 시뮬레이터의 3상 태양광 인버터 설계의 기본 기술로서 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	단상 인버터의 전압 제어를 위한 대표적인 방법에는 어떤 것이 있는가?	단상 인버터의 전압 제어를 위한 대표적인 방법으로는 펄스 폭 변조를 기반으로 하는 단 펄스폭 변조 기법 (Single Pulse Width Modulation), 다중 펄스폭 변조 기법(Multiple Pulse Width Modulation) 정현파 변조 기법 (Sinusoidal Pulse Width Modulation), 수정 정현파 변조 기법(Modified Sinusoidal Pulse Width Modulation)과 위상 변위 제어를 기반으로 하는 위상 변위 제어(Phase Displacement Control) 방법 등이 있다[17-18]. 본 장에서는 이들 방법들 중 전압제어를 위해 주로 사용되는 펄스 폭 변조 기반의 3가지 인버터 전압제어 방법들에 대해서 설명된다.
	단상 풀 브리지 인버터는 어떻게 구성되는가?	단상 풀 브리지 인버터는 기본적으로 DC 전원 E, 커패시터 C, DC를 주어진 전압 주기와 주파수를 가지는 AC 로 변환하기 위한 4개의 스위칭 디바이스들 S1, S2, S3, S4 와 부하로 구성된다. 그림 1은 대표적인 단상 풀브리지 인버터의 구조를 보인다.
	시스템제어기술은 어떻게 구성되는가?	최근, 전력제어, 철도제어, 전기자동차 제어, 로봇제어 그리고 반도체 장비 등 전 산업분야에서 시스템제어기술이 핵심기술로서 인식되고 있다. 시스템 제어는 기본적으로 시스템, 제어기 그리고 구동회로로 구성된다. 특히 구동회로는 최근 급속한 발전을 이룬 전력전자 기술을 이용하여 디지털 전력변환이 가능해 짐으로서 제어기를 추종하는 실시간 디지털 전력제어를 통해 시스템 제어의 고도화를 가능하게 하고 있다.

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PowerSys, EMTP-RV manual.

저자의 다른 논문 :

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].

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