Simulink를 사용하여 전력 전자 제어 설계하기

전력효율교정

시뮬레이션을 이용하여 전력효율교정 알고리즘을 설계, 튜닝, 검증

AC 회로의 전력 효율이란 전기부하가 사용하는 순간 실제 출력과 회로를 통해 흐르는 피상 출력의 비율입니다. 얼마나 효율적으로 전력이 전달되고, 전력망에 부착된 부하가 전력을 사용하는지를 나타내는 척도입니다.

\[전력 \; 효율 = \frac{실제 \; 전력 \; (kW)}{피상 \; 전력 \; (kVA)}\]

순수한 선형 회로에서,

\[전력 \; 효율 = cosθ\]

여기에서 \(θ\) 는 아래의 벡터 전력 삼각형에서 실제 전력과 피상 전력 사이의 각도입니다.

벡터 전력 삼각형.

전력 효율이 1에 근접하면 전력망에서 얻은 전력을 최대로 활용하게 됩니다. 전력 효율이 낮으면 회로에 있는 유도 소자 또는 전기용량 소자가 각각 전류를 지연시키거나 전압을 리드하여, 부하가 사용할 수 있는 순간 실제 전력이 줄어들고, 불필요한 전류 용량을 케이블에서 소모하게 됩니다.

리드하거나 지연되는 전력 효율의 평균 전력 프로필.

비선형 회로에서 전력 효율은 선 전류의 고조파에 기인하는 추가적인 왜곡 성분에 의해 영향을 받습니다.

\[전력 \; 효율 = cosθ * \frac{1} {\sqrt {1 + 총 \; 고조파 \; 왜곡^2}}\]

예를 들면 크기, 비용, 효율 면에서 장점이 있기 때문에 모드전환(switched-mode) 전원과 같은 부하를 널리 사용합니다. 그러나 전력효율교정이 이루어지지 않는 모드전환 전원의 단점은 MOSFET과 같은 반도체 기기의 전환으로 인해, 부하에 이러한 고조파가 도입된다는 점입니다. 그렇게 되면 부하 전류의 총 고조파 왜곡이 커지고, 따라서 전력 품질이 저하됩니다.

그러한 전기 설치물의 전력 품질을 개선하기 위해 엔지니어는 다양한 기법을 사용합니다. 리드하거나 또는 지연되는 VAR을 보상하기 위해 반응적 전력 보상을 하면 선형 부하의 전력 효율을 개선할 수 있습니다. 그러나 고조파를 유발하는 비선형 부하는, 고조파를 줄이고 전력 품질을 개선하기 위해 튜닝된 고조파 필터 또는 능동형 고조파 필터와 같은 전력효율교정 기법이 필요합니다. 그러한 전력효율교정 기법은 주로 아날로그 또는 디지털 컨트롤러로 제어되는 전력 전자기기를 사용합니다.

Simulink®를 이용하여 디지털 전력효율교정 제어 설계를 하면, 다중속도 시뮬레이션을 이용하여 디지털 제어 알고리즘을 설계 및 튜닝할 수 있어, 입력 전류 파형을 조절할 수 있으므로 손실을 낮게 유지하고 전력 품질을 원하는 수준까지 개선할 수 있습니다. 이러한 접근방식을 활용하면, 제어 알고리즘을 하드웨어에 배포하기 전에, 변화하는 부하와 입력 전압이 존재할 때 컨트롤러를 테스트하고 검증할 수도 있습니다.

디지털로 제어되는 부스트 전력효율교정을 나타내는 Simulink 모델

선 전류의 고조파 왜곡(청색) 및 전력효율교정 후(황색).

Simulink를 사용하여 다음을 수행할 수 있습니다.

  • 모드전환 전원, AC 모터, 분배 시스템에 있는 기타 부하를 나타내는 정확한 시뮬레이션 모델을 구축
  • 고조파 분석을 수행하여, 회로에 존재하는 총 고조파 왜곡을 확인
  • 전력 컨버터용 수동 구성품의 크기를 조정하여, 출력전압 리플과 같은 원하는 신호 특성을 보장
  • AC 스위핑 및 자동 PID 튜닝을 이용하여 그러한 전력 컨버터용 디지털 컨트롤러를 설계
  • 컨트롤러를 빠르게 프로토타이핑하고 양산을 구현하기 위해 ANSI, ISO 또는 프로세서 최적화 C 코드, HDL를 자동으로 생성

10 Ways to Speed Up Power Conversion Control Design with Simulink

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