[논문]부하 전류 및 듀티를 보상한 3상 비엔나 정류기의 출력 전압 제어 기법

이승태; 임재욱; 김학원; 조관열; 최재호

doi:10.6113/tkpe.2018.23.1.32

문제 정의

본 논문에서는 부하가 변동 시 응답특성을 개선하고출력 전압의 변동을 줄이기 위한 제어 방법을 제안한다.비엔나 정류기 분석 결과, DC링크 커패시터로 흐르는 전류는 부하 전류 및 듀티의 영향을 받는다는 것을 확인하였다.
그러므로 부하가 변동할 때, 입력 전압 조건에 관계없이 출력 전압이 일정하게 유지하기 위해서는 인가 듀티를 고려하여 제어기를 설계하여야 한다. 본 논문에서는 이전 제어기에서 고려되지 않았던 부하 전류와 듀티와의 관계를 고려하여 전압제어기에서 그것에 관한 보상을 해주었다^[12]-[13]. 본 논문에서 제안하는 제어 방식은 그림 7과 같으며, 그림에서 보는 것과 같이 전압제어기에 부하 전류와 듀티와의 관계를 고려한 보상기를 추가하였고, 제안하는 제어기를 사용하면 부하의 변동이 있더라고 입력 전압조건에 관계없이 일정한 출력 전압을 유지할수 있다.

가설 설정

비엔나 정류기는 6개의 다이오드와 3개의 양방향 스위치로 구성되어 있으며 일반적으로 단방향 전력 변환 어플리케이션을 위한 고조파 표준을 충족을 위해 사용된다. 같은 입력 필터를 사용한다고 가정하면, 비엔나 정류기의 계통 전류의 총 고조파왜곡율(Total harmonic distortion, THD)은 PWM 정류기의 THD보다 낮고, 효율 면에서 우세하다. 또한 소자의 내압을 절반으로 줄일 수 있어 사용이 증가하고 있다^[3]-[9].

제안 방법

따라서 부하변동 시, 정격 전압이 아닌 비정격 전압이 인가할 때,출력 전압은 변동하게 된다. 따라서 본 논문에서는 부하 전류 및 듀티와의 관계를 고려한 제어기를 제안하였고,제안된 제어기는 3상 비엔나 정류기의 입력 전류와 출력 전압간의 관계를 고려한 보상 방법을 사용한다. 제안한 제어기를 사용하면 입력 전압에 관계없이 부하 변동시 일정한 출력 전압을 유지 할 수 있고, 시뮬레이션과 실험을 통하여 세 가지 유형의 제어기와 비교하여 성능을 확인하였다.
부하 저항은 150Ω에서 50Ω으로 다시 50Ω에서 150Ω으로 바꾸어 주면서 시뮬레이션을 진행하였다.
이외 시뮬레이션에서 진행한 비엔나 정류기의 파라미터는 표 1과 같다. 시뮬레이션은 동일한 조건에서 기존 제어기, 일정한 이득으로 부하 전류를 보상한 제어기, 부하 전류와 듀티를 보상한 제안하는 제어기로 총 3가지 제어기로 진행하였고, 서로 다른 전압조건인 정격전압인 110V, 정격전압의 -20%인 90V, 정격전압의 +20%인 130V로 3가지 조건으로 시뮬레이션을 진행하였고, 그 결과를 비교하여 제안하는 제어기의 성능을 입증하였다.
출력 전압 레퍼런스를 450V로 고정하고, 부하전류를 3A에서 9A로 다시 3A로 변동시켜 시뮬레이션과 동일한 부하 조건으로 만들었다. 실험도 시뮬레이션과 동일하게 서로 다른 입력 조건에서 기존 제어 방법, 부하 전류 보상 제어 방법, 제안된 제어 방법으로 총 세 가지 방식으로 진행하였다.
하지만 이들 방법은 부하 전류 보상을 위한 이득 계산 방법이 매우 복잡하고, 입력 전압 조건이 정격 전압이 아닌 비정격 전압으로 변할 경우에 출력 전압은 다시 변동하는 문제가 발생한다^[12]-[13]. 이 문제를 해결하기 위해 비엔나 정류기를 해석하여 오버슈트 및 언더슈트의 원인을 분석하고, 일정한 출력 전압을 얻기 위해 입력 전압을 고려한 부하 전류를 보상하는 방법을 제안하게 되었다.
따라서 본 논문에서는 부하 전류 및 듀티와의 관계를 고려한 제어기를 제안하였고,제안된 제어기는 3상 비엔나 정류기의 입력 전류와 출력 전압간의 관계를 고려한 보상 방법을 사용한다. 제안한 제어기를 사용하면 입력 전압에 관계없이 부하 변동시 일정한 출력 전압을 유지 할 수 있고, 시뮬레이션과 실험을 통하여 세 가지 유형의 제어기와 비교하여 성능을 확인하였다.
실험 장비는 DC power board, AC power board, Controller board로 구성되어 있으며, 시뮬레이션과 동일한 파라미터로 실험을 진행하였다. 출력 전압 레퍼런스를 450V로 고정하고, 부하전류를 3A에서 9A로 다시 3A로 변동시켜 시뮬레이션과 동일한 부하 조건으로 만들었다. 실험도 시뮬레이션과 동일하게 서로 다른 입력 조건에서 기존 제어 방법, 부하 전류 보상 제어 방법, 제안된 제어 방법으로 총 세 가지 방식으로 진행하였다.

대상 데이터

실험 장비는 DC power board, AC power board, Controller board로 구성되어 있으며, 시뮬레이션과 동일한 파라미터로 실험을 진행하였다. 출력 전압 레퍼런스를 450V로 고정하고, 부하전류를 3A에서 9A로 다시 3A로 변동시켜 시뮬레이션과 동일한 부하 조건으로 만들었다.

성능/효과

(a)는 기존 제어기를 사용한 시뮬레이션 결과로 부하변동 시 출력 전압은 약 ± 50V의 오버슈트와 언더슈트를 나타났고, 출력 전류 또한 변동하였다.
큰 오버슈트와 언더슈트는 소자의 내구성을 떨어트려 기기에 악영향을 줄 수 있다. 9(b)의 일정한 이득으로 부하 전류를 보상한 제어기와 9(c)의 제안하는 제어기의 시뮬레이션 결과는 부하 변동 시 일정한 출력전압으로 유지되는 것을 확인할 수 있었고, 양호한 제어 성능을 보였다.
이는 일정한 이득 보상으로 인한 부하 전류의 과보상으로 보여진다. 11(c)의 제안하는 제어방법의 결과는 입력 전압 조건의 관계없이 일정한 출력전압이 유지되는 것을 확인하였다.
13(b)와 13(c)는 각각 일정이득의 부하 전류 보상 방법과 제안한 방법의 실험 결과이다. 두 방법은 정격 전압에서 부하의 변동이 있더라도 출력 전압의 변동없이 우수한 제어 성능을 보였다.
본 논문에서는 이전 제어기에서 고려되지 않았던 부하 전류와 듀티와의 관계를 고려하여 전압제어기에서 그것에 관한 보상을 해주었다^[12]-[13]. 본 논문에서 제안하는 제어 방식은 그림 7과 같으며, 그림에서 보는 것과 같이 전압제어기에 부하 전류와 듀티와의 관계를 고려한 보상기를 추가하였고, 제안하는 제어기를 사용하면 부하의 변동이 있더라고 입력 전압조건에 관계없이 일정한 출력 전압을 유지할수 있다.
본 논문에서는 부하가 변동 시 응답특성을 개선하고출력 전압의 변동을 줄이기 위한 제어 방법을 제안한다.비엔나 정류기 분석 결과, DC링크 커패시터로 흐르는 전류는 부하 전류 및 듀티의 영향을 받는다는 것을 확인하였다. 하지만 기존 제어기 및 부하 전류 보상 제어 기에서는 부하 전류와 듀티와의 관계를 고려하지 않고 일정 이득을 갖도록 제어기를 설계해왔다.
시뮬레이션 결과에 따르면, 정격 전압에서는 일정한 이득으로 부하 전류를 보상한 제어기와 제안하는 제어기는 부하 조건이 변경되더라도 출력 전압의 변동없이 일정한 출력 전압을 나타낸다. 하지만 정격전압이 아닌 비정격 전압이 인가되었을 경우에 일정한 이득으로 부하 전류를 보상한 제어기는 출력 전압의 변동이 생겨일정한 값을 유지할 수 없다.
실험 결과에 따르면 정격전압 조건에서 부하 변동 시 기존 제어 방법을 제외한 두 가지의 제어 방법은 출력전압의 변동없이 일정한 전압을 제어하며 우수한 성능을 보였지만, 비정격 전압에서는 일정한 이득으로 부하전류를 보상한 제어기 또한 출력전압이 변동되는 것을 확인하였다. 하지만 제안한 제어 방법은 정격 전압과비정격 전압 모두 일정한 출력 전압을 유지하며 성능을 입증하였다.
정격 전압인 110V, 정격 전압의 –20%인 90V, 정격전압의 +20V인 130V에서 정상상태에서 확대한 파형을 보면 세 가지 제어기 모두 역률은 0.99이상, 출력 전압 변동률은 약 1V 내외, 출력 전류 변동률도 약 0.03A 내외로 우수한 전압 품질 및 전류 품질이 나타나는 것을 확인하였다.
정격 전압보다 낮은 전압인 경우와 높은 전압인 경우 다른 출력 전압의 결과를 보였는데, 이는 일정한 이득으로 보상하여 정격전압보다 높은 전압에서 보상이 과해진 것으로 보인다. 제안한 제어 방법은 시뮬레이션과 동일하게 정격전압이 아닌 비정격 전압에서도 출력전압의 변동없이 일정한 전압을 유지했다.
하지만 정격전압이 아닌 비정격 전압이 인가되었을 경우에 일정한 이득으로 부하 전류를 보상한 제어기는 출력 전압의 변동이 생겨일정한 값을 유지할 수 없다. 하지만 본 논문에서 제안한 제어기는 비정격 전압이 인가하여도 부하 변동 시에일정한 출력 전압을 유지할 수 있는 것을 확인하였다. 이는 기존 제어기에는 고려되지 않았던 부하 전류와 듀티의 관계를 고려하였기 때문이다.
실험 결과에 따르면 정격전압 조건에서 부하 변동 시 기존 제어 방법을 제외한 두 가지의 제어 방법은 출력전압의 변동없이 일정한 전압을 제어하며 우수한 성능을 보였지만, 비정격 전압에서는 일정한 이득으로 부하전류를 보상한 제어기 또한 출력전압이 변동되는 것을 확인하였다. 하지만 제안한 제어 방법은 정격 전압과비정격 전압 모두 일정한 출력 전압을 유지하며 성능을 입증하였다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	IEC 61000 및 IEEE std 519은 무엇인가?	교류를 직류로 변환 할 때 비선형 소자인 다이오드로 인하여 전류 고조파가 발생되는데, 고조파는 기기의 발열, 과전압, 전자파간섭(Electro magnetic interference, EMI)을 유발하여 시스템에 악영향을 끼친다. 그로 인해 IEC 61000 및 IEEE std 519와 같은 고조파 크기를 제한하는 규정이 다양한 분야에서 적용되고 있다[1]-[2]. 고조파 크기를 저감하기 위한 대표적인 해결책으로는 전류 제어가 가능한 PWM(Pulse Width Modulation) 컨버터를 이용하는 것이다.
	비엔나 정류기의 구조는?	대표적인 PWM컨버터의 예로 그림 1에 2레벨 PWM 정류기, 그림 2에3레벨 비엔나 정류기를 나타내었다. 비엔나 정류기는 6개의 다이오드와 3개의 양방향 스위치로 구성되어 있으며 일반적으로 단방향 전력 변환 어플리케이션을 위한고조파 표준을 충족을 위해 사용된다. 같은 입력 필터를 사용한다고 가정하면, 비엔나 정류기의 계통 전류의 총 고조파왜곡율(Totalharmonic distortion, THD)은 PWM정류기의 THD보다 낮고, 효율 면에서 우세하다.
	부하 전류를 보상하는 방법이 해결할 수 있는 문제점은?	이러한 문제를 해결하기 위해 부하 전류 주입에의한 보상에 관한 많은 연구가 진행되었고[11]-[13], 이러한방법을 사용하게 되면 부하 변동에 의한 출력 전압 변동을 막을 수 있다. 하지만 이들 방법은 부하 전류 보상을 위한 이득 계산 방법이 매우 복잡하고, 입력 전압 조건이 정격 전압이 아닌 비정격 전압으로 변할 경우에출력 전압은 다시 변동하는 문제가 발생한다[12]-[13]. 이문제를 해결하기 위해 비엔나 정류기를 해석하여 오버슈트 및 언더슈트의 원인을 분석하고, 일정한 출력 전압을 얻기 위해 입력 전압을 고려한 부하 전류를 보상하는 방법을 제안하게 되었다.

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