2레벨과 3레벨 인버터를 이용한 유도전동기의 유한 제어요소 모델 예측 토크제어 기법에 관한 연구 A Study on the Finite Control Set Model Predictive Torque Control Method of an Induction Motor using 2-level and 3-level Inverters원문보기
본 연구에서는 2레벨과 3레벨 인버터를 이용한, 유도전동기의 토크 제어를 위한 새로 운 유한 제어요소 모델 예측 토크제어(FCS-MPTC, Finite Control Set-Model Predictive Torque Control)기법을 제안한다. 본 연구에서는 유도전동기의 상태오차인 고정자 전류 및 회전자 자속의 오차와 토크 오차 성분을 ...
본 연구에서는 2레벨과 3레벨 인버터를 이용한, 유도전동기의 토크 제어를 위한 새로 운 유한 제어요소 모델 예측 토크제어(FCS-MPTC, Finite Control Set-Model Predictive Torque Control)기법을 제안한다. 본 연구에서는 유도전동기의 상태오차인 고정자 전류 및 회전자 자속의 오차와 토크 오차 성분을 비용함수로 정의 하여 사용한다. 그리고 각 상태간의 상호 작용성분을 고려한 비중행렬을 LMI(Linear Matrix inequality)를 이용해 적 절한 값을 계산하여 사용한다. 그리고 전압벡터가 선택된 후 벡터의 크기를 조절하는 모듈레이션 성분은 상태오차 및 토크리플을 모두 최소화 하도록 최적의 값을 계산한다. 이를 통해서 상태간의 상호작용성분을 제거하여서 좋은 제어 성능을 기대할 수 있고, 전류 와 토크리플도 저감 시킬 수 있다. 그리고 FCS-MPTC의 특성상 적분 성분이 포함 되지 않기 때문에 실재 시스템에서 정상상태 오차가 생길 수 있다. 이를 제거하기 위해 제어기에 적분기를 추가하였다. 본 연구에서 제안하는 토크제어 기법을 검증하기 위해 기존의 방법과 시뮬레이션을 통해 비교 분석하였고, TMS320F2835 프로세서 및 3kW급 유도전동기를 이용하여 실재 시스템에 적용하여 실험을 진행하고 그 결과를 얻었다. 앞서 소개한 2레벨 인버터를 이용한 유도전동기의 FCS-MPTC기법을 3레벨 인버터에 확장하여 적용한다. 기존의 토크제어 연구에서는 주로 2레벨 인버터를 이용한 기법들이 소개되었다. 하지만 3레벨 인버터는 2레벨 인버터에 비해 큰 용량의 전력 시스템에서 좋은 효율을 보인다. 본 연구에서는 3레벨 인버터 중에서 Neutral Point Clamped(NPC)형태의 인버터를 사용한다. 이 인버터가 가지는 장점은 출력 전압벡터가 2레벨에 비하여 훨씬 다양하고, 부하에 부담이 되는 서지 전압이 작고, 출력 전류의 리플이 작다는 것이다. 그러나 2레벨에 비해 구조상의 복잡도가 상승하고, 2개의 DC커패시터를 사용하면서 각각의 커패시터 전압 균형을 고려해 주어야 한다. 그리고 FCS-MPTC 기법을 3 레벨 인버터에 사용할 경우 다양한 출력 전압벡터를 고려할 수 있기 때문에 더 좋은 성능을 가질 수 있지만, 그에 비례해서 계산 시간이 늘어난다는 단점이 생긴다. 계산량증가를 보상해 주기 위한 알고리즘과 2개의 DC 커패시터의 전압 균형을 유지시키기 위한 간단한 기법을 소개한다. 제안된 토크제어 기법을 검증하기 위해 시뮬레이션을 진행하고, TMS320F2835 프로세서와 3kW급 유도전동기를 이용한 실재 시스템에 실험을 진행하여 그 결과를 얻었다.
본 연구에서는 2레벨과 3레벨 인버터를 이용한, 유도전동기의 토크 제어를 위한 새로 운 유한 제어요소 모델 예측 토크제어(FCS-MPTC, Finite Control Set-Model Predictive Torque Control)기법을 제안한다. 본 연구에서는 유도전동기의 상태오차인 고정자 전류 및 회전자 자속의 오차와 토크 오차 성분을 비용함수로 정의 하여 사용한다. 그리고 각 상태간의 상호 작용성분을 고려한 비중행렬을 LMI(Linear Matrix inequality)를 이용해 적 절한 값을 계산하여 사용한다. 그리고 전압벡터가 선택된 후 벡터의 크기를 조절하는 모듈레이션 성분은 상태오차 및 토크리플을 모두 최소화 하도록 최적의 값을 계산한다. 이를 통해서 상태간의 상호작용성분을 제거하여서 좋은 제어 성능을 기대할 수 있고, 전류 와 토크리플도 저감 시킬 수 있다. 그리고 FCS-MPTC의 특성상 적분 성분이 포함 되지 않기 때문에 실재 시스템에서 정상상태 오차가 생길 수 있다. 이를 제거하기 위해 제어기에 적분기를 추가하였다. 본 연구에서 제안하는 토크제어 기법을 검증하기 위해 기존의 방법과 시뮬레이션을 통해 비교 분석하였고, TMS320F2835 프로세서 및 3kW급 유도전동기를 이용하여 실재 시스템에 적용하여 실험을 진행하고 그 결과를 얻었다. 앞서 소개한 2레벨 인버터를 이용한 유도전동기의 FCS-MPTC기법을 3레벨 인버터에 확장하여 적용한다. 기존의 토크제어 연구에서는 주로 2레벨 인버터를 이용한 기법들이 소개되었다. 하지만 3레벨 인버터는 2레벨 인버터에 비해 큰 용량의 전력 시스템에서 좋은 효율을 보인다. 본 연구에서는 3레벨 인버터 중에서 Neutral Point Clamped(NPC)형태의 인버터를 사용한다. 이 인버터가 가지는 장점은 출력 전압벡터가 2레벨에 비하여 훨씬 다양하고, 부하에 부담이 되는 서지 전압이 작고, 출력 전류의 리플이 작다는 것이다. 그러나 2레벨에 비해 구조상의 복잡도가 상승하고, 2개의 DC 커패시터를 사용하면서 각각의 커패시터 전압 균형을 고려해 주어야 한다. 그리고 FCS-MPTC 기법을 3 레벨 인버터에 사용할 경우 다양한 출력 전압벡터를 고려할 수 있기 때문에 더 좋은 성능을 가질 수 있지만, 그에 비례해서 계산 시간이 늘어난다는 단점이 생긴다. 계산량증가를 보상해 주기 위한 알고리즘과 2개의 DC 커패시터의 전압 균형을 유지시키기 위한 간단한 기법을 소개한다. 제안된 토크제어 기법을 검증하기 위해 시뮬레이션을 진행하고, TMS320F2835 프로세서와 3kW급 유도전동기를 이용한 실재 시스템에 실험을 진행하여 그 결과를 얻었다.
In this study, proposes a new finite control set-model predictive control (FCS-MPC) method for induction motors. In the method, the reference state that satisfies the given torque and rotor flux requirements is derived. Cost indices for the FCS-MPC are defined using the state tracking eror, and alin...
In this study, proposes a new finite control set-model predictive control (FCS-MPC) method for induction motors. In the method, the reference state that satisfies the given torque and rotor flux requirements is derived. Cost indices for the FCS-MPC are defined using the state tracking eror, and alinear matrix inequality is formulated to obtain a proper weighting matrix for the state tracking eror. The one-line procedure of the proposed FCS-MPC comprises of two steps :select the voltage vector of the two level inverter minimizing the cost index and compute the optimal modulation factor of the minimizing voltage vector in order to reduce the state tracking eror and torque riple. The steady state tracking eror is removed by using an integrator to adjust the reference state. The simulation and experimential results demonstrated that the proposed FCS-MPC shows god torque, rotor flux control performances at diferent rotating speds. And a FCS-MPC strategy for the torque control of 3 phase induction motors using a NPC type 3-level inverter is proposed. It adopts the performance index and cost weights of 2 level FCS-MPC. Here we propose to confine the evaluation of the performance index to 3 voltage vectors of the 3-level inverter considering the fact that the dynamics of the electrical system is far faster than that of mechanical system. Thus the compuational load is not increased compared to previous one, which is based on 2-level inverters. An efective method to maintain the balance of dc capacitors is also proposed. The eficacy of the proposed method is proved simulations and experiments.
In this study, proposes a new finite control set-model predictive control (FCS-MPC) method for induction motors. In the method, the reference state that satisfies the given torque and rotor flux requirements is derived. Cost indices for the FCS-MPC are defined using the state tracking eror, and alinear matrix inequality is formulated to obtain a proper weighting matrix for the state tracking eror. The one-line procedure of the proposed FCS-MPC comprises of two steps :select the voltage vector of the two level inverter minimizing the cost index and compute the optimal modulation factor of the minimizing voltage vector in order to reduce the state tracking eror and torque riple. The steady state tracking eror is removed by using an integrator to adjust the reference state. The simulation and experimential results demonstrated that the proposed FCS-MPC shows god torque, rotor flux control performances at diferent rotating speds. And a FCS-MPC strategy for the torque control of 3 phase induction motors using a NPC type 3-level inverter is proposed. It adopts the performance index and cost weights of 2 level FCS-MPC. Here we propose to confine the evaluation of the performance index to 3 voltage vectors of the 3-level inverter considering the fact that the dynamics of the electrical system is far faster than that of mechanical system. Thus the compuational load is not increased compared to previous one, which is based on 2-level inverters. An efective method to maintain the balance of dc capacitors is also proposed. The eficacy of the proposed method is proved simulations and experiments.
주제어
#Induction Motor Neutral Point Clamped 3 level Inverter Finite Control Set-Model Predictive Control(FCS-MPC) Cost Fucntion
학위논문 정보
저자
박효성
학위수여기관
서울과학기술대학교
학위구분
국내석사
학과
전기정보공학과
지도교수
이영일
발행연도
2015
총페이지
52 p.
키워드
Induction Motor Neutral Point Clamped 3 level Inverter Finite Control Set-Model Predictive Control(FCS-MPC) Cost Fucntion
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