단상 공간벡터 펄스폭변조 방식을 이용한 교류전원 공급장치 및 방법{APPARATUS FOR SUPPLYING AC POWER USING SINGLE PHASE SPACE VECTOR PULSE WIDTH MODULATION METHOD AND METHOD THEREOF}

본 발명은 단상 공간벡터 펄스폭변조 방식을 이용한 교류전원 공급장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 이동식 교류전원장치의 스위칭회로 토폴로지(Topology)에 단상 공간벡터 PWM(Pulse Width Modulation) 방식을 적용함으로써 출력전압의 효율을 향상시킬 수 있는 단상 공간벡터 펄스폭변조 방식을 이용한 교류전원 공급장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 이동식 정현파 교류전원 공급장치는 상용 전원의 정전이나 전압변동, 주파수변동 등 전원 장애가 발생했을 때 양질의 전원을 부하에 계속 공급하기 위한 것으로, 예를 들면, 연구소나 실험실에서 항온 장치 사용시 정전에 의한 데이타의 소멸과 시료의 망실을 방지하는 용도로 사용된다

이와 같은 종래의 이동식 교류전원 공급장치로는 정현파 방식의 삼각파 제어방식을 이용한 직류 전원을 교류로 변환하는 인버터(Inverter)와 직류전원에서 직류 전원을 얻는 컨버터(Converter) 및 외부전원이 차단되어도 연속적으로 전원을 공급하여 주는 무정전 전원장치 등이 개발되고 있다.

그러나, 이러한 종래의 이동식 교류전원 공급장치는 삼각파 제어방식과 구형파 전압 방식으로 제어구조가 복잡하고 출력전압 효율이 매우 낮으며 고주파가 발생하기 때문에 정밀제품의 전원으로 이용시 장비에 손상을 줄 수 있는 문제점이 있다.

또한, 종래의 이동식 교류전원 공급장치는 고가의 부품으로 삼각파 제어방식을 적용하기 때문에 일상생활에서의 제품 적용이 쉽지 않은 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 이동식 교류전원장치의 스위칭회로 토폴로지에 단상 공간벡터 PWM 방식을 적용함으로써 출력전압의 효율을 향상시킬 수 있는 단상 공간벡터 펄스폭변조 방식을 이용한 교류전원 공급장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 전압원에서 출력되는 DC전압을 고전압으로 승압하고 그 고전압을 일정한 전압과 주파수를 갖는 정현파로 인버터하여 교류전원을 출력하는 전력부와; 상기 전력부의 입력전압과 출력전압을 검출하여 2상 전압으로 변환하고 상기 2상 전압을 단상 공간벡터 펄스폭 변조하며 그 펄스를 다시 전력부에 출력하는 제어부;로 구성된다.

바람직하게는, 상기 전력부는 입력전압을 고전압으로 승압시키기 위한 부스트 컨버터와; 상기 부스트 컨버터에서 출력되는 고전압을 정현파 교류전원으로 인버터하는 풀브릿지 PWM 인버터;로 구성된다.

또한, 상기 제어부는 상기 전력부의 입력전압을 검출하기 위한 입력전압 검출부와; 상기 전력부의 출력전압을 검출하기 위한 출력전압 검출부와; 상기 입력전압 검출부와 출력전압 검출부에서 검출된 전압을 단상 공간벡터 펄스폭변조 방식으로 변조하여 풀브릿지 PWM 인버터로 출력하는 전압제어기;로 구성된다.

또한, 상기 출력전압 검출부와 전압제어기 사이에는 전력부의 과부하 상태를 파악하여 과부하시 일정출력모드로 전환하는 수하특성 제어부가 더 구비된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 전력부의 입력전압의 상태와 제어부를 통해 공간벡터 PWM 변조된 출력전압의 상태를 표시하기 위한 LCD 표시부가 더 구비된 것을 특징으로 한다.

그리고, 본 발명은 전압원에서 출력되는 DC전압을 전력부의 부스트 컨버터에 의해 고 전압으로 승압하는 단계와; 상기 승압된 고전압을 전력부의 풀브릿지 방식의 PWM 인버터에 의해 교류전압으로 변환하여 출력하는 단계와; 상기 전력부의 입력전압과 출력전압을 입출력 전압검출부를 통해 검출하는 단계와; 상기 검출된 입출력전압의 위상을 계산하여 2상 전압으로 변환하는 단계와; 상기 변환된 2상 전압을 단상 공간벡터 PWM 방식으로 변조하는 단계와; 상기 변조된 단상 공간벡터 PWM 펄스를 다시 전력부의 풀 브릿지 인버터로 출력하는 단계와; 상기 풀 브릿지 인버터는 입력된 PWM 펄스를 일정한 전압과 주파수를 갖는 정현파 교류전원으로 인버터하여 출력하는 단계;를 포함하여 이루어진다.

바람직하게는, 상기 전력부의 출력전압을 검출하는 단계에는 출력전압이 과부하시 수하특성 제어부를 통해 일정출력모드로 전환하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

이와 같이, 본 발명은 부스트 컨버터가 풀브릿지 PWM 인버터에서 요구하는 전압을 만들기 위해 고 전압으로 승압하고 그 승압된 고 전압은 풀브릿지 방식의 PWM 인버터에 의해 교류전원으로 전환되며 제어부는 전력부의 입력전압과 출력전압을 검출하고 그 검출된 입출력전압의 위상을 계산하여 2상 전압으로 변환하여 단상 공간벡터 PWM 방식으로 변조한다. 그러면, 그 변조된 단상 공간벡터 PWM 펄스를 전압제어기는 플 브릿지 인버터로 전송하여 일정한 전압과 주파수를 갖는 정현파를 사용자에게 220[V] 또는 110[V]의 교류전원을 제공하는 것이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1과 도 2는 본 발명에 의한 단상 공간벡터 변조방식을 이용한 이동식 정현파 교류전원 공급장치의 구성을 설명하기 위한 블럭도이다.

도 1과 도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명은 전압원인 밧데리(40)에서 출력되는 DC전압을 고전압으로 승압하고 그 승압된 고전압을 일정한 전압과 주파수를 갖는 정현파로 인버터하여 교류전원을 출력하는 전력부(10)와 상기 전력부(10)의 입력전압과 출력전압을 검출하여 2상 전압으로 변환하고 상기 2상 전압을 단상 공간벡터펄스폭 변조하며 그 펄스를 다시 전력부(10)에 출력하는 제어부(20)로 구성된다.

특히, 상기 전력부(10)는 입력전압을 고전압으로 승압시키기 위한 부스트 컨버터(12)와 상기 부스트 컨버터(12)에서 출력되는 고전압을 정현파 교류전원으로 인버터하는 풀브릿지 PWM 인버터(14)로 구성된다.

여기서, 상기 부스트 컨버터(12)는 풀브릿지 PWM 인버터(14)에서 요구하는 전압을 만들기 위해 고 전압으로 승압하고 그 승압된 고 전압은 풀브릿지 방식의 PWM 인버터(14)에 의해 일정한 전압과 주파수를 갖는(CVCF : Constant Voltage Constant Frequency) 정현파 교류전원으로 전환되어 사용자에게 220[V] 또는 110[V]의 교류전원을 제공한다.

그리고, 상기 제어부(20)는 전력부(10)의 입력전압을 검출하기 위한 입력전압 검출부(22)와 전력부(10)의 출력전압을 검출하기 위한 출력전압 검출부(24)와 상기 입력전압 검출부(22)와 출력전압 검출부(24)에서 검출된 전압을 단상 공간벡터 변조 방식으로 펄스 폭 변조하여 풀브릿지 PWM 인버터(14)로 출력하는 전압제어기(26)로 구성된다.

PWM 변조방법에는 대표적으로 삼각파 비교법이 있는데 이 방법은 정교하고 안정된 삼각파 발생기가 필요하다. 반면에 공간벡터 PWM 변조 방법은 삼각파 비교법에 비하여 보다 간단하게 정교한 출력파형을 얻을 수 있고 출력효율을 증대할 수 있다. 본 발명에서는 단상 공간벡터PWM을 소프트웨어적으로 간단하게 구현하여 기존의 삼각파 비교법에 비해 출력특성을 개선시킬 뿐만 아니라 저가의 마이컴(21)을 이용하여 고성능의 PWM 제어기법을 수행함으로써 제어회로부를 간단히 하고 시스템의 신뢰도를 높일 수 있다.

한편, 상기 출력전압 검출부(24)와 전압제어기(26) 사이에는 전력부(10)의 과부하 상태를 파악하여 과부하시 일정출력모드로 전환하는 수하특성 제어부(28)가 더 구비된다. 즉, 출력전압 검출부(24)를 통해 얻어진 정보를 이용하여 시스템의 과부하 상태를 파악하여 과부하시 수하특성 제어부(28)는 수하특성모드로 전환한다.

또한, 전력부(10)의 입력전압의 상태와 제어부(20)를 통해 공간벡터 PWM 변조된 출력전압의 상태를 표시하기 위한 LCD 표시부(30)가 더 구비된다. 이는 밧데리의 전압을 자동으로 검출하여 용량별 전압에 따른(12V, 24V, 48V) 모드로 자동 전환되도록 하여 어떤 전압의 밧데리를 사용하더라도 사용자가 모드 전환없이 항상 밧데리의 현재 상태를 사용자에게 LCD 표시부(30)를 통해 자동으로 알려준다. 또한, 입출력전압 및 전류 검출부(22)(24)를 통해 얻어진 정보를 이용하여 과전압, 과전류, 부족전압 등의 정보를 마이컴(21)은 LCD 표시부(30)를 통해 사용자에게 알려준다. 또한, RS-232 통신을 이용하여 상기 과전압, 과전류 등의 정보를 PC로 출력하여 사용자가 현재의 상태를 판단할 수 있도록 한다.

도 3 은 본 발명에 의한 단상 공간벡터 변조방식을 이용한 이동식 정현파 교류전원 공급 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명은 밧데리(40)에서 출력되는 DC전압을 전력부(10)의 부스트 컨버터(12)에 의해 고전압으로 승압하고(S10), 상기 승압된 고전압을 전력부(10)의 풀브릿지 방식의 PWM 인버터(14)에 의해 교류전압으로 변환하여 출력한다(S20).

그리고, 상기 전력부(10)의 입력전압과 출력전압을 입출력 전압검출부(22)(24)를 통해 검출한다(S30). 그러면, 제어부(20)의 마이컴(21)은 상기 검출된 입출력전압의 위상을 계산하여 2상 전압으로 변환하고(S60), 그 변환된 2상 전압을 단상 공간벡터 PWM 방식으로 변조한다(S70).

그러고 나서, 상기 변조된 단상 공간벡터 PWM 펄스를 전압제어기(26)는 전력부(10)의 풀 브릿지 인버터(14)로 전송하여 일정한 전압과 주파수를 갖는 정현파 교류전압을 출력한다(S80).

특히, 상기 출력전압을 검출하는 단계(S30)에는 출력전압이 과부하 시(S40) 수하특성 제어부(28)를 통해 일정출력모드로 전환하여 전압제어기(26)로 출력한다(S50). 즉, 출력전압을 검출받아 일정전압 이상이 되었을 경우에 수하특성 제어부(28)는 그 전압을 낮추어 일정출력모드로 전환하여 전압제어기(26)로 출력함으로써 교류전압 공급장치의 신뢰성과 안정성을 확보할 수 있도록 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 이동식 교류전원장치에 단상 공간벡터 PWM 변조방식을 적용하여 제어방식이 간단하고 출력전압의 효율이 높고 고주파 함유율이 낮은 정현파를 사용자에게 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은 전압 및 전류 검출회로를 통해 얻어진 정보를 이용하여 과부하시에 일정한 출력모드로 전환하도록 함으로써 사용자의 안전 및 시스템의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 밧데리 전압을 자동으로 검출하여 저전압, 과전압, 부족전압 등의 정보를 LCD 를 통해 사용자에게 알려줌으로써 이상 발생시 신속한 조치를 취할 수 있다.

도 1 과 도 2 는 본 발명에 의한 단상 공간벡터 펄스폭변조 방식을 이용한 교류전원 공급장치의 구성을 설명하기 위한 블럭도.

도 3 은 본 발명에 의한 단상 공간벡터 펄스폭변조 방식을 이용한 교류전원 공급 방법을 설명하기 위한 흐름도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 전력부 12 : 부스트 컨버터

14 : 풀 브릿지 PWM 인버터 16 : LC 필터

20 : 제어부 21 : 마이컴

22 : 입력전압 검출부 24 : 출력전압 검출부

26 : 전압 제어기 28 : 수하특성 제어부

30 : LCD 표시부 40 : 밧데리