[논문]철도차량용 선형유도전동기 축소형 모델의 등가회로 파라미터 도출 및 추진력 제어 알고리즘 검증 연구

박찬배; 목형수; 이주

doi:10.5370/kiee.2010.59.7.1248

철도차량용 선형유도전동기 축소형 모델의 등가회로 파라미터 도출 및 추진력 제어 알고리즘 검증 연구
A Study on Deduction of Equivalent Circuit Parameters and Verification of Control Algorithm of Thrust Force of a Small-scaled LIM for a Railway Transit 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.59 no.7, 2010년, pp.1248 - 1254

박찬배 (한국철도기술연구원 주행추진연구실) , 목형수 (건국대학교 전기공학과) , 이주 (한양대학교 전기제어생체공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Authors conducted a deduction of some parameters using the magnetic equivalent circuit method and a verification study of the thrust force control algorithm of a rotary-typed small-scaled linear induction motor for a railway transit. In a LIM, it is possible to express the parameters of the magnetic equivalent circuit into a function of the shape of the secondary aluminium plate and the airgap between the LIM primary core and the secondary aluminium plate. It means that the LIM properties can be changed considerably by the shape of the secondary aluminium plate and the airgap between the LIM primary core and the secondary aluminium plate. So, authors analyzed a tendency of changes of the magnetic equivalent circuit parameters and the LIM characteristics by changing of the airgap of the secondary aluminium plate of a rotary-typed small-scaled LIM. And authors conducted a verification study of the indirect vector control algorithm with constant slip frequency by using the rotary-typed small-scaled LIM tester set on the basis of the calculated LIM parameters. Finally authors accomplished a research on applicability for LIM railway transit.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

LIM의 정격용량은 10[kW]이고, 극수는 실 모델의 경우 단부효과 영향도를 고려하여 8극을 선정하였지만 본 논문의 대상인 LIM 축소형 모델의 경우 Primary Unit의 길이를 고려하여 4극으로 설계하였다. 2차측 리액션플레이트는 알루미늄 재질로써, 형상은 비용대비 성능을 고려하여 1.2 오버행을 갖는 Semi-cap 방식으로 선정하였으며, 리액션플레이트의 두께는 5[mm]로 설계하였다. 표 1은 LIM 축소형 모델 시제품 및 성능시험기의 설계 결과를 보여준다.
본 연구에서는 철도차량용 LIM 축소형 모델의 파라미터를 LIM의 등가회로법을 이용하여 도출하였다. LIM의 경우, 등가회로상의 파라미터는 LIM의 전기자 코어와 2차측 도체판의 형상 및 공극에 대한 함수로써 표현이 가능하기 때문에 LIM 축소형 모델의 공극변화에 따른 LIM의 등가회로 파라미터 및 특성의 변화 추세를 분석하였다. 또한 계산된 LIM 파라미터를 기반으로 LIM 축소형 모델 시제품 시험 세트를 이용하여 일정 슬립 주파수를 가지는 간접벡터제어 알고리즘을 검증을 수행하였으며, 이 결과를 바탕으로 철도차량용 LIM에 대한 적용 가능성을 검토하였다.
그림에서와 같이 LIM의 편측식 Short Primary를 정지형 아크 타입으로, 2차측 벡요크 및 리액션플레이트를 지름 1[m]의 회전형 타입으로 설계하였으며, LIM의 공극은 5[mm]로 설계하였다. LIM의 정격용량은 10[kW]이고, 극수는 실 모델의 경우 단부효과 영향도를 고려하여 8극을 선정하였지만 본 논문의 대상인 LIM 축소형 모델의 경우 Primary Unit의 길이를 고려하여 4극으로 설계하였다. 2차측 리액션플레이트는 알루미늄 재질로써, 형상은 비용대비 성능을 고려하여 1.
그림 2는 LIM 축소형 모델 및 성능시험기 구성도와 제작 중인 시제품을 보여준다. 그림에서와 같이 LIM의 편측식 Short Primary를 정지형 아크 타입으로, 2차측 벡요크 및 리액션플레이트를 지름 1[m]의 회전형 타입으로 설계하였으며, LIM의 공극은 5[mm]로 설계하였다. LIM의 정격용량은 10[kW]이고, 극수는 실 모델의 경우 단부효과 영향도를 고려하여 8극을 선정하였지만 본 논문의 대상인 LIM 축소형 모델의 경우 Primary Unit의 길이를 고려하여 4극으로 설계하였다.
벡터제어와 같이 전동기 파라미터에 절대적으로 의존하는 제어방식을 철도차량용 LIM의 제어방식으로 선택하게 될 경우, 다양한 설계/운행 조건에 따른 전동기 파라미터의 정확한 검출이 요구된다. 따라서 본 논문에서는 LIM 축소형 모델의 설계 및 등가회로법을 이용하여 LIM의 공극 변화에 따른 등가회로 파라미터 및 특성의 변경 추이를 분석하였다. 또한 분석된 LIM 등가회로 파라미터를 기반으로 LIM 축소형 모델 시제품 시험 세트를 이용하여 일정 슬립주파수를 가지는 간접벡터제어 알고리즘의 검증을 수행하였으며, 결론적으로 본 논문에서 연구된 LIM 바탕으로 철도차량용 LIM에 대한 적용 가능성을 검토하였다.
벡터제어와 같이 전동기 파라미터에 절대적으로 의존하는 제어방식을 철도차량용 LIM의 제어방식으로 선택하게 될 경우, 설계 및 제어 알고리즘 구성 시 예상치 못한 결과를 초래할 수 있기 때문에 다양한 설계/운행 조건에 따른 전동기 파라미터의 정확한 검출이 요구된다. 따라서 본 연구에서는 앞 절에서 설계된 LIM 축소형 모델의 공극 변화에 따른 등가회로 파라미터 및 특성의 변경 추이를 분석하였다. 그림 4와 그림 5는 공극이 3[mm], 5[mm], 7[mm]일 때의 LIM 축소형 모델의 등가회로 파라미터 분석 결과를 보여준다.
LIM의 경우, 등가회로상의 파라미터는 LIM의 전기자 코어와 2차측 도체판의 형상 및 공극에 대한 함수로써 표현이 가능하기 때문에 LIM 축소형 모델의 공극변화에 따른 LIM의 등가회로 파라미터 및 특성의 변화 추세를 분석하였다. 또한 계산된 LIM 파라미터를 기반으로 LIM 축소형 모델 시제품 시험 세트를 이용하여 일정 슬립 주파수를 가지는 간접벡터제어 알고리즘을 검증을 수행하였으며, 이 결과를 바탕으로 철도차량용 LIM에 대한 적용 가능성을 검토하였다.
따라서 본 논문에서는 LIM 축소형 모델의 설계 및 등가회로법을 이용하여 LIM의 공극 변화에 따른 등가회로 파라미터 및 특성의 변경 추이를 분석하였다. 또한 분석된 LIM 등가회로 파라미터를 기반으로 LIM 축소형 모델 시제품 시험 세트를 이용하여 일정 슬립주파수를 가지는 간접벡터제어 알고리즘의 검증을 수행하였으며, 결론적으로 본 논문에서 연구된 LIM 바탕으로 철도차량용 LIM에 대한 적용 가능성을 검토하였다.
1절에서 제안한 일정 슬립주파수를 가지는 간접벡터제어 알고리즘을 설계되어진 LIM 축소형 모델 시제품에 적용하였으며, 그림 9는 실제 시험에 사용된 시험세트를 보여준다. 본 연구에서 제작된 선형유도전동기는 회전형 타입으로 그림 9에서 보는바와 같이 철제 프레임 내부에 선형유도전동기의 전기자측이 고정되어 있으며, 이동자측은 Wheel 타입을 적용하였다. 회전형 타입의 선형유도전동기 구동을 위해 30kVA급 인버터 시스템을 구축하였으며, 제어부는 Texas Instrument사의 32bit Floating Point 연산이 가능한 TMS320VC33과 Altera사의 StratixII 계열을 포함하고 있으며, 인버터부는 1200V, 150A급 IPM(Intelligent Power Module)을 포함하고 있다.
그림 12는 가속구간에서의 추진력분 전류와 a상의 실제전류, 슬립주파수의 세부 특성을 보여주며, 그림 13은 시험기의 정상상태에서의 추진력분 전류, a상 전류, 자속각, 슬립주파수를 보여준다. 이 실험에 적용된 간접벡터 제어기법은 회전자의 각속도를 위치센서로부터 얻고, 파라미터로 계산된 슬립주파수를 더하여 자속각을 추정하는 방법으로 진행되었다.
일반적으로 LIM의 등가회로 파라미터 도출을 위하여 FEM을 이용한 수치해석 기법 및 등가회로법을 이용한 수학적 방법이 주로 이용되는데, 본 연구에서는 철도차량용 LIM 축소형 모델의 파라미터 도출을 위하여 등가회로법을 이용한 수학적 방법이 적용되었다. LIM의 설계 시, LIM의 등가전기회로와 등가자기회로의 결합도를 나타내는 Goodness factor는 식 (1)과 같이 나타낼 수 있으며, 2차측의 도체폭을 고려한 등가도전율 및 Russell Norsworthy 계수는 식 (2), (3)과 같이 나타낼 수 있다[1, 2].
철도차량 추진시스템용 실모델 LIM 제작에 앞서서 LIM 축소형 모델 및 성능시험기를 이론적 방법에 의해 설계하였다. 그림 2는 LIM 축소형 모델 및 성능시험기 구성도와 제작 중인 시제품을 보여준다.

대상 데이터

그림 8은 본 논문에서 LIM 축소형 모델 시제품 구동을 위한 일정 슬립주파수를 가지는 간접벡터제어에 근거한 알고리즘을 나타낸다. 전류제어기는 기존에 널리 이용되는 역기전력을 보상한 동기좌표계 비례-적분 제어기를 사용하였다. 그림 8에서 알 수 있듯이 공급된 고정자 전류는 슬립에 의해 자속전류와 회전자 전류로의 분배가 결정된다.
본 연구에서 제작된 선형유도전동기는 회전형 타입으로 그림 9에서 보는바와 같이 철제 프레임 내부에 선형유도전동기의 전기자측이 고정되어 있으며, 이동자측은 Wheel 타입을 적용하였다. 회전형 타입의 선형유도전동기 구동을 위해 30kVA급 인버터 시스템을 구축하였으며, 제어부는 Texas Instrument사의 32bit Floating Point 연산이 가능한 TMS320VC33과 Altera사의 StratixII 계열을 포함하고 있으며, 인버터부는 1200V, 150A급 IPM(Intelligent Power Module)을 포함하고 있다.

이론/모형

일반적으로 LIM의 파라미터 검출을 위하여 FEM을 이용한 수치해석 기법 및 등가회로법을 이용한 수학적 방법이 주로 이용된다. 본 연구에서는 철도차량용 LIM 축소형 모델의 파라미터를 LIM의 등가회로법을 이용하여 도출하였다. LIM의 경우, 등가회로상의 파라미터는 LIM의 전기자 코어와 2차측 도체판의 형상 및 공극에 대한 함수로써 표현이 가능하기 때문에 LIM 축소형 모델의 공극변화에 따른 LIM의 등가회로 파라미터 및 특성의 변화 추세를 분석하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	기존 철도 시스템의 방식은?	회전형 전동기를 이용하여 기계적인 추진력을 기어와 바퀴로 전달하여 레일 위를 달리는 기존의 철도 시스템에서 발생하는 여러 가지 문제점들을 개선하기 위하여 동력변환장치 없이 직선 추진력을 직접 얻을 수 있는 선형유도전동기(Linear Induction Motor, LIM)를 이용한 철도응용 분야에 관심을 두고 지속적인 연구 및 상용화가 진행되고 있다. LIM을 추진시스템으로 채택한 대표적 철도응용 분야는 자기부상열차와 리니어 지하철 및 경전철 분야이며, 그림 1은 국내 용인에 건설 중인 용인경전철의 LIM 추진시스템과 일본 리니어메트로 차량의 대차 하부에 부착된 LIM 추진시스템을 보여준다.
	선형유도전동기의 어떤 방식이 기존 철도 시스템의 문제를 해결할 수 있다고 보이는가?	회전형 전동기를 이용하여 기계적인 추진력을 기어와 바퀴로 전달하여 레일 위를 달리는 기존의 철도 시스템에서 발생하는 여러 가지 문제점들을 개선하기 위하여 동력변환장치 없이 직선 추진력을 직접 얻을 수 있는 선형유도전동기(Linear Induction Motor, LIM)를 이용한 철도응용 분야에 관심을 두고 지속적인 연구 및 상용화가 진행되고 있다. LIM을 추진시스템으로 채택한 대표적 철도응용 분야는 자기부상열차와 리니어 지하철 및 경전철 분야이며, 그림 1은 국내 용인에 건설 중인 용인경전철의 LIM 추진시스템과 일본 리니어메트로 차량의 대차 하부에 부착된 LIM 추진시스템을 보여준다.
	철도차량용 LIM의 공극은 무엇을 야기할 수 있는가?	일반적으로 철도차량용 LIM의 경우, 철도차량용 휠의 운행에 따른 기계적 마모 및 LIM의 2차측 리액션플레이트의 정밀 시공 기술의 어려움으로 인해 실제 LIM을 추진시스템으로 적용하고 있는 철도차량에서 LIM의 공극은 운행조건에 따라 변하게 된다. 이러한 일정하지 못한 공극은 누설자속과 이에 따른 누설 인덕턴스의 변화를 야기시키며, 결국은 운행조건에 따른 다양한 등가회로 파라미터 변화의 원인이 된다. 벡터제어와 같이 전동기 파라미터에 절대적으로 의존하는 제어방식을 철도차량용 LIM의 제어방식으로 선택하게 될 경우, 다양한 설계/운행 조건에 따른 전동기 파라미터의 정확한 검출이 요구된다.

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상세보기
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상세보기
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W. Xu, G. Sun, and Y. Li, "Research on Tractive Characteristics of the Single Linear Induction Motor", IEEE Proceedings of ICIT, pp.35-38, 2006.
임홍우, 채봉, 최문한, 이강연, 조금배, 백형래, "단부효과가 고려된 편측형 선형 유도전동기의 안정속도제어 모델링," 전력전자학회, 전력전자학회논문지 제11권 제3호, 2006, 6, pp.266-273.

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표제어: PCR

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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