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PWM은 주기가 일정하고, 제어입력 신호에 따라서 펄스 폭의 듀티비가 변화하는 것을 의미 합니다. 출력 트랜지스터가 ON하고 있는 동안에만 모터에 전류가 흐르게 됩니다. 듀티비가 클 수록 모터에 전류가 흐르는 전체 시간이 길어지겠지요.
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안녕하세요, 다산에듀 전병칠원장입니다.
직류전동기의 전압제어 방법인 PWM(Pulse Width Modulation)제어를
소개합니다.
여러분들에게 도움이 되는 소중한 시간이 되기를 바랍니다.
다산에듀(www.e-dasan.net)
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PWM (펄스 폭 변조) · PFM (펄스 주파수 변조) 제어란?
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Date Published: 6/17/2021
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PWM(Pulse Width Modulation) 제어 원리1
우리말로 펄스 폭 변조라고 불리는 PWM은 간단히 말해 스위치를 on/off 하기 위한 신호의 패턴이다. 차량의 모터는 공급 받는 전류의 주파수와 크기로 …
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PWM 칩, PWM 제어에 대해 알아보자 – IT 하드웨어 갤러리
마더 보드, 그래픽 카드 및 전원 공급 장치 평가에서 PWM 제어 칩도 … 전원 회로에서 사용하는 PWM 제어는 크게 전압 제어 PWM과 전류 제어 PWM으로 …
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PWM을 이용한 브러시 DC 모터 제어 – Portescap
여기에서 전류는. 권선 저항과만 상관관계가 있습니다. 인덕턴스는 일정한 전원에서 인덕터의 임피던스가 0이므로. 전류에 영향을 주지 않습니다. Portescap 카탈로그 값과 …
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PWM(pulse width modulation) 이란? – Sam’s 초보기계설계
정류된 직류 전압을 PWM 제어방식을 이용하여 인버터부에서 전압과 주파수를 동시에 제어한다. 출력전류 및 전압파형. ① 전류파형 – 정현파 ( 전동기 …
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Date Published: 10/8/2021
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- Author: 전병칠
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- Date Published: 2019. 9. 30.
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PWM 제어란?
PWM은 주기가 일정하고, 제어입력 신호에 따라서 펄스 폭의 듀티비가 변화하는 것을 의미 합니다.
출력 트랜지스터가 ON하고 있는 동안에만 모터에 전류가 흐르게 됩니다.
듀티비가 클 수록 모터에 전류가 흐르는 전체 시간이 길어지겠지요.
DC 모터 등의 속도제어를 입력 신호의 변화 만으로 간단히 할 수 있는 것입니다.
(모터가 빠른 주파수의 변화에 기계 반응을 하지 않는다는 것을 이용하는 것입니다.)
스위칭 레귤레이터의 기본 : PWM (펄스 폭 변조) · PFM (펄스 주파수 변조) 제어란? ｜ TechWeb
스위칭 레귤레이터의 기본으로서, 전압 제어 방법에 대해 설명하겠습니다. 스위칭 레귤레이터뿐만 아니라, 전압 레귤레이터 기능은 안정화된 출력전압을 생성하는 것입니다. 이를 위해서 출력전압을 제어 회로에 피드백하여 루프 제어를 실행한다는 것은 「피드백 제어 방식」 편에서 설명했습니다. 본 편에서는 예를 들어 입력전압을 5V로 조정하기 위해서 어떻게 제어해야 하는지, 전압 제어 방식에 대해 설명하겠습니다.
스위칭 레귤레이터는 명칭 그대로, 입력전압을 스위칭 (ON / OFF)함으로써 원하는 출력전압으로 변환합니다. 이는 「동작 원리」 편에서 설명한 바와 같으며, 간단히 표현하자면 입력의 전압을 설정한 출력전압에 적합하도록 나누어 평균화합니다. 이러한 입력전압의 평균화에는 주로 2가지 방법이 있습니다.
・PWM 제어 (펄스 폭 변조)
PWM은 가장 일반적인 전압 제어 방법입니다. 일정한 주기에서, 출력이 필요로 하는 만큼의 전력을 스위치 ON하여 입력으로부터 공급받습니다. 따라서, 필요한 출력전력에 따라 ON / OFF의 비율, 듀티 사이클 (duty cycle)이 달라집니다.
주파수가 일정하므로 발생하는 스위칭 노이즈를 예측할 수 있어, 필터링 처리가 용이하다는 장점이 있습니다. 단점으로는 주파수가 일정하므로 중부하 시나 경부하 시에도 스위칭 횟수가 동일하여 자기 소비전류가 변하지 않기 때문에, 경부하 시에는 이러한 스위칭 손실로 인해 효율이 저하됩니다.
●주파수가 일정하고, 듀티 사이클을 통해 출력전압을 조정
주파수가 일정하므로, 노이즈 필터링이 용이하다.
주파수가 일정하므로, 경부하 시에는 스위칭 손실로 인한 효율 악화가 현저하다.
・PFM 제어 (펄스 주파수 변조)
PFM은 고정 ON 시간 타입과 고정 OFF 시간 타입이 있습니다. 고정 ON 시간 타입을 예로 들면 (하기 그림 참조), ON 시간은 일정하고 OFF 시간이 변합니다. 다시 말하자면, 다시 ON되기까지의 시간이 달라지는 것입니다. 부하가 커지면, 시간 내의 ON 횟수를 늘려 부하에 대응합니다. 즉, 중부하 시에는 주파수가 높아지고, 경부하 시에는 주파수가 낮아집니다.
장점으로는 경부하 시에는 전력의 추가가 그다지 필요하지 않으므로, 스위칭 주파수가 낮아지고 스위칭 횟수가 줄어 스위칭 손실이 감소하기 때문에, 경부하 시에도 고효율을 유지할 수 있습니다. 단점으로는 주파수가 변하므로 스위칭에 관련된 노이즈가 일정하지 않아 필터링이 어려워집니다. 즉 노이즈 제거가 어려워집니다. 또한, 주파수의 경우 20kHz가 되면 가청대역이 되므로, 링잉이 발생하거나 오디오 기기에서는 S/N에 영향을 미칠 가능성이 있습니다. 이러한 의미에서는 PWM이 더 취급하기 쉽다고 할 수 있습니다.
●ON (또는 OFF) 시간을 일정하게 하여, OFF (또는 ON) 시간을 조정
경부하 시에는 주파수를 낮추어 동작하므로, 스위칭 손실이 감소하여 효율을 유지한다.
주파수가 일정하지 않으므로, 노이즈의 필터링이 어려워 가청대역이 될 가능성이 있다.
어떤 방법을 이용할지는 각 특성을 이해한 후 트레이드 오프 관계를 고려하여 결정합니다. 두가지 방법의 장점만을 이용할 수 있도록, 정상 동작 시에는 PWM 동작으로, 경부하 시에는 PFM으로 전환하여 효율을 유지하는 방식을 채용한 IC도 있습니다.
●PWM과 PFM의 효율 특성
PWM은 경부하 시에도 일정한 주기로 스위칭하므로, 효율이 저하된다.
PFM의 경우, 경부하 시에는 주파수를 낮추어 동작하므로, 스위칭 손실이 감소하여 효율을 유지한다.
정상 시에는 PWM, 경부하 시에는 PFM으로 전환함으로써, 노이즈를 줄여 경부하 시의 효율 저하를 개선한 타입의 IC도 있다.
PWM(Pulse Width Modulation) 제어 원리1
PWM(Pulse Width Modulation) 제어 원리1
전기자동차에서 모터 구동을 위해 주로 쓰이는 인버터(Inverter)는 PWM(Pulse Width Modulation) 제어에 의해 동작한다. 처음 이 PWM 제어에 대해 공부하면 잘 감이 오지 않을 수 있는데, 한 번 이해하면 그렇게 어렵지 않은 개념이니 겁먹지 말고 따라오자.
스위치와 PWM
우리말로 펄스 폭 변조라고 불리는 PWM은 간단히 말해 스위치를 on/off 하기 위한 신호의 패턴이다. 차량의 모터는 공급 받는 전류의 주파수와 크기로 회전 속도와 토크를 조절할 수 있기 때문에 차를 운전하려면 원하는 주파수와 크기의 교류 전원을 만들 필요가 있다. 이를 위해 필요한 장치가 바로 인버터이다. 기본적으로 인버터는 스위치를 껐다 켜는 동작으로 배터리에서 받은 직류를 교류로 바꿔준다. 상식적으로 스위치를 껐다 켜는 것만으로 매끄러운 사인파 교류를 만든다는게 이해하기 어렵다. 하지만 불연속적인(discrete) 관점으로 접근하면 쉽게 와닿을 수 있을 것이다.
우선 아래 그래프들을 비교해보며 평균에 대해 이해해 보자.
위 그림에서 T 동안 왼쪽과 오른쪽의 평균 값은 모두 7로 동일할 것이다.
만약 Vin이 10V인 위와 같은 회로에서 7V의 vout을 얻고 싶다면 앞선 방식과 같이 0.7T만큼 스위치를 켜고 0.3T만큼 스위치를 끈다면 평균 7V의 vout을 얻을 수 있을 것이다.
마찬가지 방법으로 다른 전압들도 구현하여 연속적으로 본다면 아래와 같이 선형적이지 않은 전압도 discrete하게 표현할 수 있다.
만약 T가 매우 작은 시간이라 가정한다면 더욱 매끄럽게 연속적인 전압을 표현할 수 있다. PWM 제어는 바로 이 원리에서 착안되었다.
Half-Brdge Inverter의 스위치 동작과 출력
이번엔 인버터 중 가장 단순한 형태인 Half-Bridge Inverter에 적용해보자.
Half-Bridge Inverter
이 인버터는 하나의 DC전원을 통해 하나의 교류 출력을 낼 수 있는 장치 중 하나이다. R과 L은 임의의 부하로 저 위치에 모터가 올 수도 있다. 이 그림에서 저 하나의 Birdge에 직렬로 연결 된 스위치 S1과 S2는 부하 용량에 따라 MOSFET이나 IGBT 같은 반도체 소자로 이루어진다. 두 스위치의 주요한 특징으로 한 스위치가 켜지면 반대로 다른 하나는 꺼지는 상보 관계 (Complementary)로 동작한다는 것이 있다. 만약 Vdc가 20V일 때, 이렇게 되면 위쪽 스위치가 꺼진 동안 아래쪽 스위치가 켜지게 되므로 출력 전압은 10V와 -10V 두 가지 값을 갖게 된다. 따라서 앞선 방법과 달리 7V의 출력 전압을 만들기 위해 아래와 같은 스위치 on/off 비율이 필요하게 된다.
Half-Brdge Inverter에서 삼각파 비교 방법 원리
PWM 방법은 정해진 시간 동안 스위치의 on/off 비율을 통해 원하는 전압의 평균값을 출력하는 원리이다. 하지만 이 비율을 수학적으로 계산하려면 계산량이 많고 복잡하여 비싼 DSP 장치를 사용해야하여 매우 비효율적이다. 그럼 좀 더 빠르고 쉽게 비율을 계산할 수 있는 방법은 무엇이 있을까? 바로 아래와 같이 Carrier와 Reference를 이용하는 방법이다. 위에서 설명한 예시와 동일한 상황에서 확인해보자.
내가 출력하고자 하는 원하는 전압을 Reference 전압이란 의미로 Vref라 하고, -10V에서 10V까지 T 동안 선형적으로 변하는 전압을 Carrier 전압의 의미로 Vcar라 하자. 이 두 전압을 비교하여 Vref가 Vcar보다 큰 구간과 작은 구간으로 나누고, 각 구간을 S1 on, S2 off 와 S1 off, S2 on 동작을 하도록 하면 결국 위에서 설명한 예시와 동일한 출력을 발생함을 볼 수 있다. 만약 Carrier가 좌우 대칭이더라도 스위치가 on/off되는 순서만 바뀔 뿐 동일한 평균값을 얻을 수 있다. 따라서 보통 Carrier로 삼각파를 사용한다.
이는 Comparator 소자를 이용하여 손쉽게 구현 가능하다. 아래는 그림과 같이 두 전압을 비교하여 스위치의 on/off 패턴을 발생할 수 있다.
Comparator
하지만 만약 Comparator 소자가 버티지 못할 만큼 Inverter에서 다루는 전압이 매우 크다면 어떡할까? 이번엔 한 번 다음과 같이 더 낮은 전압으로 Vref와 Vcar를 scale down하여 보자.
Vcar의 진폭과 Vref 전압 크기를 같은 비율로 축소시키면 위 그림의 수식과 같이 삼각비에 의해 그 전압과 시간의 비율은 그대로 유지가 될 것이다. 따라서 내가 Inverter에서 다루고 있는 전압과 상관 없이 Comparator가 감당할 수 있는 전압 범위 내에서 스위치 신호의 동작 구간을 결정할 수 있다.
정말 삼각파를 비교하여 발생시킨 출력이 처음 원하던 출력과 동일한지 증명하고 싶다면 아래를 따라가 보면 된다.
축소된 Reference와 Carrier의 비교에 의해 스위치가 동작하여 발생된 출력 전압의 파형은 위와 같다. 이 때 출력의 평균값은 아래와 같이 구할 수 있고, 삼각비에 의한 수식을 대입하여 정리한 값을 B라고 하자.
이는 공교롭게(?) 처음 원하던 출력전압의 평균값과 동일하게 되어 출력 전압과 처음 원하던 출력이 동일함을 알 수 있다.
Half-Brdge Inverter에서 PWM 제어 적용
이제 이 방법을 적용하여 원하는 교류 전압을 만들어 보자. 이번엔 Reference 전압을 직류가 아닌 교류 파형으로 대체하고 그 진폭을 Modulation Ratio(입력 직류 전원 크기와 원하는 출력 크기의 비)에 맞게 축소하여 Carrier와 비교한다. 만약 Carrier의 주파수가 매우 크다면 이 교류 Reference도 거의 직류처럼 보이게 된다.
따라서 이를 토대로 스위칭한 출력 전압의 파형을 본다면 아래와 같을 것이며, 이를 T 주기마다 평균을 내면 discrete한 교류 파형을 얻을 수 있게 된다.
여기서 T를 스위칭 주기라고 하며 흔히 fsw라 표기하는 스위칭 주파수의 역수이다. 이 주기가 짧을수록, 즉 스위칭 주파수가 빠를수록 더 매끄러운 출력전압을 만들 수 있으며 수학적으로는 THD가 낮아지게 된다.
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PWM 칩, PWM 제어에 대해 알아보자
해외 매체에 올라온 기사를 번역한 것으로 오역과 의역이 있을 수 있습니다
자세한 건 원문을 참고하시기 바랍니다.
우리는 라디에이터와 팬을 연구 할 때 PWM에 대해 자주 이야기하며, 대부분의 경우 PWM을 지원하는 제품은 그렇지 않은 제품보다 더 발전합니다. 마더 보드, 그래픽 카드 및 전원 공급 장치 평가에서 PWM 제어 칩도 언급되며, 분명히 PWM은 이미 PC에서 매우 일반적인 존재입니다. 하지만 PWM이란 무엇입니까? PWM이 왜 그렇게 중요한가요? 우리는 많은 플레이어가 “알고”는 말할 것도없고 “알지도”못할 수도 있다고 믿습니다. 이런 이유로 오늘의 슈퍼 파워 클래스에서는 PWM에 대한 2 ~ 3 가지를 살펴보고 PC에서 유비쿼터스처럼 보이는 신성한 PWM이 낯설지만 실제로는 여전히 매우 이상합니다.
마더보드의 PWM 전원 공급 제어 칩
PWM이란 무엇입니까?
PWM의 전체 이름은 펄스 폭 변조, 즉 펄스 폭 변조입니다. 그 본질은 주로 듀티 사이클과 주파수라는 두 가지 구성 요소로 정의되는 디지털 신호입니다. 듀티 사이클은 높은 전압을 나타냅니다. 플랫 상태에서 시간의 양은 전체 사이클 시간의 백분율을 차지하고 주파수는 PWM 신호가 사이클을 완료하는 속도를 나타내며 하이 상태와 로우 상태 사이의 신호 스위칭 속도를 결정합니다.
이미지 제공 : National Instruments
현재 PWM은 다양한 제어 시스템, 특히 다양한 아날로그 회로의 제어에서 널리 사용되고 있으며 대부분은 PWM 신호와 분리 할 수 없습니다. PWM은 디지털 신호이기 때문에 어떻게 아날로그 회로를 제어 할 수 있습니까? 실제로 PWM은 아날로그 회로의 디지털 제어를 실현하기 위해 크게 탄생했습니다. 예를 들어 보겠습니다. 디지털 신호 소스의 하이 레벨이 5V이고 로우 레벨이 0V 일 때이 디지털을 사용하려면 신호 소스 출력은 3V 아날로그 신호와 동일합니다. 그러면 60 %의 PWM 듀티 사이클로이 디지털 신호를 출력 할 수 있습니다. 즉, 신호주기에서 5V를 출력하는 시간의 60 %가 있고 나머지 40 %는 % 시간 출력 0V, 이때 신호주기가 충분히 짧은, 즉 PWM 주파수가 충분히 빠르면 출력 레벨이 무한히 5V * 60 % = 3V에 가까운 신호 소스를 얻을 수 있습니다. 이것이 PWM을 디지털 신호로 제어 할 수있는 방법이며 아날로그 회로의 주된 이유입니다.
과거에는 아날로그 회로를 정밀하게 제어하기 위해 상대적으로 대규모 회로가 필요한 경우가 많았습니다.이 회로는 부피가 클뿐만 아니라 전력 소비와 발열도 적지 않았습니다. 반면 PWM과 같은 디지털 신호를 사용하여 아날로그 회로를 제어하면 정확도를 확보 할 수있을뿐만 아니라 제어 회로의 볼륨과 전력 소비를 효과적으로 줄일 수 있으므로 현재 PWM은 빠르게 주류 회로 제어 모드가되었습니다. 모터, 밸브, 유압 시스템, 전원 공급 장치 등 다양한 분야에서 PWM을 볼 수 있습니다. PC에서도 마찬가지입니다. PC 마더 보드와 그래픽 카드는 모두 전원 공급 제어를 위해 PWM을 사용합니다. 냉각 팬도 PWM 기술에 널리 사용됩니다. PC 전원 공급 장치 PWM의 수치도 필수 불가결합니다.
냉각 팬의 PWM 기술
냉각 팬의 일반적인 속도 제어에는 DC 속도 제어와 PWM 속도 제어가 있습니다 .DC 속도 제어는 전압 속도 제어라고도 할 수 있습니다. 간단히 말하면 팬에 부하되는 전압을 직접 조정하여 속도를 제어하는 것입니다. 팬 전압을 제어하는 방법은 여러 가지가 있으며보다 직접적인 방법은 외부 저항으로 전압을 나누는 방법으로 다양한 팬 감속 라인에서 사용됩니다. 그러나이 전압 제어 방법은 또한 명백한 단점이 있습니다. 즉, 팬 속도가 전압과 선형 적이 지 않을 수 있습니다. 예를 들어 팬의 공칭 전압은 12V입니다. 6V 만 제공하면 속도가되지 않을 수 있습니다. 반. 시동 전압이 7V 이상일 가능성이 높습니다. 6V 만로드하면 전압이 부족하여 시동이 불가능합니다. 따라서 팬의 속도를 정확하게 제어하려면 팬의 입력 전압을 직접 조정하는 것이 좋습니다. 종종 이상적인 선택이 아닙니다.
PWM 속도 조절을 지원하는 팬은 모두 4 핀 인터페이스를 사용합니다.
PWM 제어를 사용하는 팬은 위와 같은 문제가 없지만 원칙적으로 팬이 사용하는 PWM 속도 조절은 전압 속도 조절로 볼 수 있지만 “실제 전압”이 아닌 “등가 전압”을 나타냅니다. PWM은 듀티 사이클을 통해 출력 신호의 레벨을 조정하기 때문에 팬 전압으로 변환 할 때 12V와 0V 사이의 차이 만 있지만 전원 켜기 시간의 길이는 다릅니다. a wait 6V의 전압에 효과적이지만 실제로는 듀티 사이클이 50 % 인 12V 전압입니다. 이때 팬은 “시작 전압”문제가 없으며 팬 속도와 PWM 듀티 사이클은 다음과 같습니다. 기본적으로 선형이므로 팬 속도 제어가 매우 간단 해집니다.
물론이 PWM 신호는 팬을 구동하기위한 전원으로 사용되는 것이 아니라 팬의 입력 제어를 실현하기 위해 팬 내부의 트랜지스터 또는 MosFET를 구동하는 데 사용되기 때문에 PWM 제어를 지원하는 팬은 3 개의 전선이 있습니다. 전원 공급, 감지 및 접지 용., 추가 PWM 제어 라인이 있습니다. 팬 속도의 PWM 제어에서 영감을 얻은 일부 마더 보드는 PWM 제어 모듈을 팬 인터페이스에 추가하여 PWM을 통해 팬의 입력 전압을 제어하므로 3 핀 인터페이스가있는 팬도 거의 선형 속도 제어를 달성 할 수 있습니다. 그러나이 구성은 기본적으로 중-고급 마더 보드에서만 즐길 수 있으며 PWM 제어를 직접 지원하는 4 핀 팬 인터페이스는 여전히 인기가 있습니다.
전원 회로의 PWM 기술
마더 보드, 그래픽 카드 및 PC 전원 공급 장치는 완전히 다른 세 가지 하드웨어이지만 전원 공급 장치에 사용되는 기술은 비슷합니다 .PC 전원 공급 장치는 다양한 토폴로지와 PWM 기술을 사용하여 주 전원의 AC 출력을 12V, 5V, 3.3V로 변경합니다. , -12V 및 기타 다른 출력 전압, 마더 보드 및 그래픽 카드는 PWM 기술을 사용하여 PC의 전원 공급 장치를 CPU 및 GPU와 같은 칩에 필요한 전압 및 전류로 변환하므로 현재 마더 보드, 그래픽 카드 및 PC 전원 공급 장치는 기본적으로 모두 적용된 PWM 전원 공급 제어 기술입니다.
PC 전원 공급 장치의 PWM 제어 칩
PWM 제어 전압 기술은 듀티 사이클을 제어하여 “등가 전압”을 제어하는 모든 하드웨어에서 동일합니다. 그래픽 카드, 마더 보드 및 PC 전원 공급 장치의 경우도 마찬가지이지만, 부하가 높은 전압 및 전류 안정성을 필요로하기 때문에 저속 PWM은 전원 공급 장치 제어에 적합하지 않습니다. 업계의 현재 일반적인 관행 은 전원 공급 장치의 PWM 제어가 20kHz 이상의 주파수를 사용해야한다는 것이며, 주파수가 높을수록 응답 속도가 더 좋기 때문에 200kHz 이상을 사용하는 것이 좋습니다. 조정.
전압 제어 PWM
물론 전원 공급 장치에 사용되는 PWM 제어는 분명히 팬보다 훨씬 더 복잡합니다. 대부분의 전원 공급 장치 회로는 정전압 및 동적 전류의 부하에 직면하기 때문에 전원 공급 장치에 사용되는 PWM 제어는 전압, 입력 전류도 고려하십시오. 전원 회로에서 사용하는 PWM 제어는 크게 전압 제어 PWM과 전류 제어 PWM으로 나눌 수 있는데, 전자는 전압 피드백 회로를 통해 기준 전압과 실제 출력 전압을 비교 한 후,이를 조정하여 출력 전압을 안정화시킨다. PWM의 듀티 사이클. 이 회로의 구성은 비교적 간단하지만 전원 회로에 사용하면 명백한 단점이 있습니다. 즉, 실제 회로에 커패시터 및 인덕턴스와 같은 구성 요소가 자주 있기 때문에 전류 및 전압 변화가 일관되지 않습니다. 수요에 반응하는 회로는 큰 문제는 아니지만 전력 소비가 높고 동적 변화가 많은 회로의 경우 전압 제어 PWM은 종종 장비의 전원 공급 변경 수요에 즉시 반응하지 못하여 회로가 불안정 해지고 정상적으로 작동하지 못합니다. .
전류 제어 유형 PWM
전류 제어 PWM은 전압 제어 PWM의 단점을 보완하기 위해 개발되었습니다. 전류 제어 PWM의 기본 구성은 전압 제어 PWM을 기반으로 전류 피드백 회로 세트를 추가하여 이중을 형성하는 것입니다. 이러한 방식으로 회로의 전압 또는 전류가 변경 되더라도 PWM 듀티 사이클 조정을 트리거하여 전체 회로의 응답 속도를 크게 향상시켜 전압 조정 속도를 효과적으로 향상시킬 수 있습니다. 전원 공급 및 시스템의 안정성을 향상시킵니다.
PWM(pulse width modulation) 이란?
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펄스 폭변조입니다. pulse width modulation 약자다.
표본화 펄스의 진폭이 전송하고자 하는 신호에 비례하는 경우가 PAM이다.
그러나 표본화 펄스의 진폭은 일정하고 그 펄스 폭이 전송하고자 하는 신호에 따라
변화 시키는 변조 방식을 PWM 방식이라 한다.
PWM 변조는 진폭 제한기의 사용으로 레벨변동을 제거할 수 있고 또 펄스의 상승과 하강을 급격하게 하여
S/N비의 개선이 가능함으로 비교적 많이 사용된다. 모터 제어나 전압제어에 사용된다.
PWM파가 제어하는 방식은 아래와 같다. 전압을 제어하는데 사용이 된다.
전압형 인버터에 주로 이용하는데, 전압형 인버터는 현재 널리 사용되고 있는 인버터로 전력형태는 그림과 같다.
교류전원을 사용할 경우에는 교류측 변환기 출력의 맥동을 줄이기 위하여 LC필터를 사용하는데 이를 인버터측에서
보면 저 임피던스 직류 전압원으로 볼수 있으므로 전압형 인버터라 한다.
제어방식이 PAM제어인 경우 컨버터부에서 전압이 제어되고, 인버터부에서 주파수가 제어되며, PWM제어인 경우
컨버터 부에서 정류된 DC전압을 인버터부에서 전압과 주파수를 동시에 제어한다.
1. SYSTEM 구성
① 컨버터 부
SCR대신에 3상 DIODE MODULE를 사용하여 교류전압을 직류로 정류시킨다.
② DC-LINK 부
DC-LINK 내의 직류전압을 CB(평활용 콘덴서)를 이용하여 평활시킨다.
③ 인버터 부
정류된 직류 전압을 PWM 제어방식을 이용하여 인버터부에서 전압과 주파수를 동시에 제어한다.
출력전류 및 전압파형
① 전류파형 – 정현파 ( 전동기 부하인 경우 )
② 전압파형 – PWM 구형파
전압형 인버터의 특징
① 1, 2상한 운전만 가능하며, 4상한 운전이 필요한 경우에는 DUAL CONVERTER 를 사용 해야 한다.
② 전류 파형의 PEAK치가 높으므로 주소자와 변압기 용량이 필요 이상으로 커진다.
③ PWM 파형에 의해 인버터와 모터간에 역률 개선용 진상콘덴서 및 서지 압소버를 부착 하지 말 것.
④ 인버터의 주소자를 TURN-OFF 시간이 짧은 IGBT, FET 및 TRANSISTOR을 사용 한다.
⑤ 인버터 출력주파수 범위가 광범위가능
전압형 인버터의 장.단점
① 장점
ⓐ 모든 부하에서 정류( COMMUTATION )가 확실하다.
ⓑ 속도제어 범위가 1 : 10 까지 확실하다.
ⓒ 인버터 계통의 효율이 매우 높다.
ⓓ 제어회로 및 이론이 비교적 간단하다.
ⓔ 주로 소, 중용량에 사용한다.
② 단점
ⓐ 유도성 부하만을 사용할수 있다.
ⓑ REGENERATION을 하려면 DUAL CONVERTER가 필요하다.
ⓒ 스위칭 소자 및 출력 변압기의 이용률이 낮다.
ⓓ 전동기가 과열되는 등 전동기의 수명이 짧아 진다.
ⓔ dv/dt PROTECTION이 필요하다.
2. 전류형인버터
(1) 전류형 인버터
전류형 인버터는 DC LINK 양단에 평활용 콘덴서 대신에 리액터 L을 사용하는데, 인버터측에서 보면
고 임피턴스 직류 전류원으로 볼수 있으므로 전류형 인버터라 한다. – 전류 일정 제어.
(2) SYSTEM 구성
① 컨버터 부 : CONTROLLED RECTIFIER라고 하며, 인버터 출력전류의 크기를 제어 한다.
② DC-LINK 부 : DC-LINK 내의 직류전류를 평활시킨다.
③ 인버터 부 :CONTROLLED RECTIFIER에서 제어된 직류 전류를 인버터부에서 원하는 주파수로
스위칭하여 출력을 발생시킨다. – 출력 주파수제어
(3) 출력전압 및 전류 파형
① 전류파형 – 구형파
② 전압파형 – 정현파
(4) 전류형 인버터의 특징
① 회생(REGENERATION)이 가능하다.
② 인버터의 주소자를 TURN-OFF 시간이 비교적 긴 PHASE CONTROL용 SCR를사용 한다.
③ 전류제어를 할경우 토오크-속도 곡선의 불안정 영역에서 운전되므로 반드시 제어 루우프가 필요하다.
④ 인버터의 동작 주파수의 최소치와 최대치가 제한된다 ( 6 ∼ 66Hz ).
최소 주파수 : 전동기의 맥동 토오크
최대 주파수 : 인버터의 전류 실패( COMMUTATION FAILURE )
⑤ 인버터 출력단과 모타간에 역률개선용 진상콘덴서가 사용가능 하다.
(5) 전류형 인버터의 장.단점
① 장점
ⓐ 4상한 운전이 가능하다.
ⓑ 전류회로가 간단하며, 고속 THYRISTOR가 필요없다.
ⓒ 전류가 제한되므로 PULL-OUT 되지 않는다.
ⓓ 과부하시에도 속도만 낮아지고 운전이 가능하다.
ⓔ 넓은 범위에서 효과적인 토오크제어를 할수 있다.
ⓕ 유도성 부하외에 용량성 부하에도 사용할수 있다.
ⓖ 스위칭 소자 및 출력 변압기의 이용률이 높다.
ⓗ 일정 전류특성으로 강력한 전압원을 가한것 처럼 기동 토오크가 크다.
② 단점
ⓐ FEEDBACK( CLOSED 제어방식 )이 필수적이므로 제어회로가 복잡하다.
ⓑ 구형파 전류로 인해 저주파수에서 토오크 맥동이 발생한다.
ⓒ 부하전류 인버터( LOAD COMMUTATED INVERTER )이므로 전압 SPIKE가 크며,
따라서 전동기 동작에 영향을 미칠수 있다.
ⓓ 부하 전동기 설계시 누설 인덕턴스 문제와 회전자에서의 SKIN EFFECT를 고려 해야 한다.
3. 인버터의 내부 회로 구성
(1) 컨버터 부
컨버터부는 3상 교류 입력전압을 직류로 변환시키는 Diode Module( DM )과 EMI 노이즈 제거를
위해 Surge Absorber( ZNR )로 구성 된다.
(2) DC LINK 부
컨버터부에서 정류된 DC 전압을 Filtering(평활)시키는 전해 콘덴서( CB ), 전원 OFF시 전해
콘덴서에 충전된 전압을 방전시키는 방전저항( RB )와 인버터 운전시 VDC에서 발생되는
스위칭노이즈를 제거하기 위한 고조파용 고전압 Film 콘덴서( C ), 그리고 입력전원 ON시 과전류에
의해 PM( IPM, TR. )소자의 손상을 방지하는 전류제한저항( RS )와 RLY( 84a )로 구성된다.
또한, 인버터 출력단 SHORT 및 기타 문제발생시 과전류에 의한 POWER 소자 손상 방지용
DC REACTOR가 들어 있다.
(3) 인버터 부
컨버터부에서 변환된 직류를 TRANSISTOR, IGBT 등의 반도체 소자를 이용하여 PWM 제어방식에
의해 DC전압을 임의의 교류 전압 및 주파수를 얻으며, 또한 TURN-ON 및 OFF시 주소자에 인가되는
과전압과 스위칭 손실을 저감시키거나 전력용 반도체의 역바이어스 2차 항복 파괴 방지를 목적으로
연결된 SNUBBER 회로로 구성된다.
4. 인버터 제어방식
(1)PAM(Pulse Amplitude Modulation) 제어방식
① 주회로구성
② 회로 설명
PAM 제어는 컨버터부에서 AC전압을 DC전압으로 변환시 DIODE MODULE 대신
SCR MODULE을 사용하여 위상 제어기법으로 직류전압을 제어하고, 동시에 인버터부에서
주파수를 제어하는 방식이다.
즉, 하기 그림과 같이 전압의 진폭 및 주파수를 제어하는 방식이다.
PAM 제어시 인버터 출력 전압 파형
(2) PWM(Pulse Width Modulation) 제어방식
① 주회로 구성
② 회로 설명
PWM 제어는 컨버터부에서 DIODE MODULE을 이용하여 AC전압을 DC전압 으로
정류시켜 콘덴서로 평활시킨 다음, 인버터부에서 직류전압을 CHOPPING 하여 펄스폭을
변화시켜서 인버터 출력전압을 변화시키며, 동시에 주파수를 제어하는 방식이다.
즉,아래 그림 과 같이 제어하는 방식으로, 펄스폭이 1/2주기에 있어서 같은 간격인
등펄스폭 제어와 중앙부에서 양단으로 좁아지는 부등 펄스폭제어가 있다.
– 부동 펄스폭 제어방식
– 등 펄스폭 제어방식
– PWM 펄스 변조 원리
fR : 기준신호( 정현파 ) , fc : 비교신호( 삼각파 )
fC는 일정한 주파수로 유지한 상태에서 fR의 신호의 진폭 및 주기를 가변시켜 펄스의 폭을 가변함으로 ,
인버터의 출력전압과 주파수를 동시에 제어하는 방식이다.
순서 제어방식 항목 PWM 제어 PAM 제어 부등간격제어 (PM) 등간격제어 (DM) 1 출력 전압 파형 PWM 구형파 PWM 구형파 정현파 2 출력 전류 파형 정현파 정현파 구형파 3 적용 인버터 전압형 인버터 전류형 인버터 4 제어 회로 복 잡 간 단 간 단 5 모터 효율 ○ △ × 6 인버터 효율 95% 정도 90% 정도 7 전원 효율 80 ~ 94% 90% 정도 8 진 동 ○ △ 9 전원 고조파 ○ × 10 장 점 – 응답성이 좋다.
– 전원역률이 높다. – 주회로가 간단하다. – 모터 효율이 높다. – 저속 진동영향이 적다. – 고속운전이 가능. – 응답성이 좋다.
– 전원역률이 높다.
– 인버터 효율이 높다.
– 회로가 간단하다.
– 고차 노이즈가 적다.
– 내구성이 강하다. 11 단 점 – 고차 NOISE가 큼.
– 과부하 내량이 적음
– 전원이용율이 낮다.
– 저속에서 진동이 큼.
– 고차 NOISE가 큼. – 전원역율이 낮다. – 응답성이 나쁘다. – 주회로가 복잡하다. – 저속에서 진동이 큼.
5. 인버터의 주요 제어기능
(1) 과부하 제한 기능
(2) 전자 Thermal 기능
(3) 직류제동 기능
(4) TORQUE BOOST 기능
(5) 주파수 JUMP 기능
(6) 주파수 상. 하한 LIMIT 기능
(7) 다단속 기능
(8) 제2 제어 기능
(9) 제2 가감속 기능
(10) FREE-RUN-STOP 기능
(11) 외부 트립 기능
(12) 복전 재시동 방지 기능
(13) 상용 절체 기능
(14) DATA 소프트록 기능
(15) 전류 입력 선택 기능
(16) 리세트 기능
(17) 주파수 원격 조작 기능 : 증속( UP ), 감속( DOWN )
(18) 아날로그 주파수 지령에 대한 출력주파수 GAIN. BIAS 기능
(19) 시동시 주파수 정지 시간 설정 기능
(20) 순정 재시동 기능
(21) 초기 설정 기능
(22) AUTO-TUNING 기능
(23) 퍼지 가.감속 기능
6. 인버터의 주요 보호기능
(1) 부족전압 보호
(2) 과전압 보호
(3) 순시 과전류 보호
(4) 과부하 보호
(5) 실속 방지
(6) 순시 정전 보호
(7) 지락 보호
(8) 결상 보호
(9) 방열판 과열 보호
(10) 제동저항기 과부하 보호
(11) EEPRON, CPU & CT ERROR
(12) 외부 트립
(13) 복전후 재시동 방지
(14) 수전 과전압 보호
(15) 파워 모듈 보호
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