소용량 직류단 커패시터를 갖는 3상 인버터의 출력 전류 개선 기법 연구 = A Study on Output Current Improvement Methods of a 3-Phase Inverter with a Small DC-Link Capacitor

국문 초록 (Abstract)

본 논문은 소용량 직류단 커패시터를 적용한 인버터 시스템에서 필연적으로 증가하는 3상 인버터의 출력 전류를 저감하기 위한 제어 기법을 제안한다. 최근 전력전자 시스템은 고효율·고신뢰성과 함께 시스템의 소형화가 요구되며, 이에 따라 기존의 대용량 전해 커패시터 대신 장수명·고온 안정성이 우수한 필름 커패시터를 적용한 소용량 DC-link 인버터 구조가 주목받고 있다.
그러나 커패시턴스가 감소하면 직류단의 에너지 저장 능력이 제한되어 DC-link 전압이 계통 주파수의 두 배()성분으로 맥동하게 되고, 인버터 출력 전압의 진폭이 주기적으로 변조되어 dq축 전류 왜곡, 토크 리플 증가, 출력 전류 증가 등의 문제가 발생한다. 이를 해결하기 위해 본 논문에서는 토크 제어 기반의 dq축 전류 제어 루프 PIR(공진형 비례 적분)제어기를 사용하고, 고주파 통과 필터(HPF)와 공진형 비례(PR)제어기를 결합하여 출력 전류를 개선할 수 있는 기법을 제안한다. 제안된 방법은 기본파 전류 추종 성능을 유지하면서 리플 성분을 억제하여 출력 전류 RMS를 저감시키고, 기존 PI 제어 대비 역률 및 토크 리플 특성을 개선한다. 본 연구는 하드웨어 변경 없이 제어 알고리즘만으로 출력 전류를 저감함으로써, 대용량 전해 커패시터를 대체할 수 있는 인버터 시스템 구현 가능성을 제시한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This paper proposes a control method to reduce the output current that inevitably increases in a three-phase inverter system employing a small DC-link capacitor. Recently, power electronic systems have been required to achieve high efficiency, high reliability, and compactness. Consequently, inverter structures with small DC-link film capacitors, which exhibit long lifetime and superior thermal stability compared to conventional large electrolytic capacitors, have attracted significant attention.
However, as the capacitance decreases, the energy storage capability of the DC-link becomes limited, causing the DC-link voltage to fluctuate with a twice the grid frequency() component. As a result, the inverter output voltage amplitude is periodically modulated, leading to dq-axis current distortion, increased torque ripple, and a rise in output current amplitude.
To address these issues, this paper employs a proportional–integral–resonant (PIR) controller in the torque-based dq-axis current control loop and combines a high-pass filter (HPF) with a proportional–resonant (PR) controller to improve the output current characteristics. The proposed method suppresses ripple components while maintaining the fundamental current tracking performance, thereby reducing the output current RMS value and improving power factor and torque ripple performance compared to conventional PI control. Furthermore, the proposed approach enhances output current performance solely through control algorithms without any hardware modifications, demonstrating the feasibility of implementing inverter systems that can replace large electrolytic capacitors.

목차 (Table of Contents)

• 국문요약 = ⅳ
• 제 Ⅰ 장 서론 = 1
• 제 Ⅱ 장 소용량 직류단 커패시터를 갖는 3상 인버터의 동작 특성 = 3
• 2.1 기존 대용량 직류단 커패시터 인버터 특성 = 3
• 2.2 소용량 직류단 커패시터 적용의 필요성 = 9
• 2.3 소용량 직류단 커패시터 적용 시 기존 전류 제어 방법 = 11
• 2.4 소용량 직류단 커패시터 제어 방식의 문제점 = 14
• 제 Ⅲ 장 제안된 출력 전류 개선 제어기법 = 15
• 3.1 출력 전류 개선을 위한 맥동 주입 방안 = 15
• 3.1.1 기존 PIR 제어기 적용의 한계 = 15
• 3.1.2 제안된 리플 주입 보상원리 = 16
• 3.2 출력전류 개선을 위한 제어기 설계(PIR/PR제어기) = 19
• 제 Ⅳ 장 실험 결과 및 고찰 = 22
• 4.1 시스템 구성 = 22
• 4.2 실험결과 = 24
• 제 Ⅴ 장 결론 = 32
• 참고문헌 = 33
• ABSTRACT = 36