[논문]인버터 구동 시스템을 위한 새로운 공간벡터 Random PWM기법

나석환; 정영국; 임영철

문제 정의

따라서 본 연구에서는 LLPANM의 펄스 위치를 랜덤 하게 함으로써 효율적인 RPWM을 구현 할 수 있는 새로운 방식의 RPPWM(Random Position Pulse Width Modulation)을 제안하였다. 제안된 방식은 각 3 상 펄스들의 위치를 변조 구간내의 임의의 위치에 랜 덤하게 배치함으로써 스위칭에 의한 고조파의 스펙드 럼을 광대역화 하는 RPWM 방식이다.
본 연구에서는 펄스의 위치를 랜덤하게 함으로써 효 율적인 RPWM을 子현할 수 있는 새로운 공간벡터 RPPWM방식을 제안한 결과, 다음과 같은 길론을 얻 을 수 있었다.
Random한 PWM 배열 특 성상 다른 방시에 비해 제안된 방식의 전류 파형은 다 소 맥농이 존재하고 있다. 전류 파형의 맥동은 모터의 토크 맥동을 유발할 우려가 있으나, 본 연구에서의 주 관심은 토크 맥동보다는 새로운 random PWM기법을 제시하고 전압과 전류파형 및 각각의 스펙트럼을 확인 하는데 있기 때문에 이점은 크게 고려하지 않아도 된 다.

제안 방법

시뮬레이션 소프트웨어로는 기 본적인 산술 연산은 물론 여러 가지 툴 박스들에 의하 여 전기 기계 및 전력 전자 장치 시뮬레이션에서도 좋 은 성능을 발휘하는 Matlab/Simulink를 사용하였다. 공간벡터 변조, 펄스 발생회로, 3상 유도전동기 등에 대한 블록을 서브시스템 또는 S-Function으로 구성하 여 RPPWM 시스템 전체를 모델링하였다. 모델 내에 서 사용자가 전동기 회전 속도에 해당하는 기본 주파 수, 스위칭 주파수, 변조 지수, 그리고 시뮬레이션 하 고자 하는 각 PWM 방식을 변경하면서 스위칭 함수, 전압 및 전류의 파형 그리고 전압, 전류의 스펙트럼 을 미리 예측할 수 있었다.
본 인구에서 제안하는 새로운 공간벡터 RPWM기법 은 펄스의 위치를 랜덤하게 하는 것이다. 이는 서론에 서 앞서 설명한 LLPWM을 기]선한 방식이다.
제안된 RPPWM의 타당성을 검증하기 위하여 시뮬 레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 소프트웨어로는 기 본적인 산술 연산은 물론 여러 가지 툴 박스들에 의하 여 전기 기계 및 전력 전자 장치 시뮬레이션에서도 좋 은 성능을 발휘하는 Matlab/Simulink를 사용하였다.
따라서 본 연구에서는 LLPANM의 펄스 위치를 랜덤 하게 함으로써 효율적인 RPWM을 구현 할 수 있는 새로운 방식의 RPPWM(Random Position Pulse Width Modulation)을 제안하였다. 제안된 방식은 각 3 상 펄스들의 위치를 변조 구간내의 임의의 위치에 랜 덤하게 배치함으로써 스위칭에 의한 고조파의 스펙드 럼을 광대역화 하는 RPWM 방식이다.

대상 데이터

각 스위칭 방법의 변조지수 변화에 따른 전압 스펙 트럼의 시뮬레이션 결과를 그림 21〜그림 23에 나타내 었다. 시뮬레이션 조건은 기본주파수 60Hz 및 스위 칭 주파수 3kHz인 경우이다.
전체 시스템을 위한 모델은 공간벡터 변조부, 펄스 위치 랜덤화 부, PWM 패턴 발생부, IPM 인버터 부, 유도모터 부로 구성되어 있다. 유도모터 부는 3상/2상 변환부, D축 연산부, Q축 연산부, 회전자부 등으로 구 성되어 있다.

이론/모형

눈 연-丫에서滂 제안뇐 공간베터 RPPWM을 "'현히- 기 위하여 沪산벡터 변소 방식을 적용한다. 二림 4에 시 기준 선압베터 U플 합성하기 위해시、th, 以, 를 어떤 게산뇐 시간만급 적설히 나十어 인가해줌으记써 가능하다.
제안된 RPPWM의 타당성을 검증하기 위하여 시뮬 레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 소프트웨어로는 기 본적인 산술 연산은 물론 여러 가지 툴 박스들에 의하 여 전기 기계 및 전력 전자 장치 시뮬레이션에서도 좋 은 성능을 발휘하는 Matlab/Simulink를 사용하였다. 공간벡터 변조, 펄스 발생회로, 3상 유도전동기 등에 대한 블록을 서브시스템 또는 S-Function으로 구성하 여 RPPWM 시스템 전체를 모델링하였다.
제안된 RPPWN[에 의 한 인버 터 출력전압 및 전류 스펙트럼의 분포를 예측하기 위해 Simulink를 이용하 여 시뮬레이션을 수행하였다. 표 2에 본 연구의 시뮬 레이션 환경을 나타내었다.

성능/효과

그림 13(a)의 경우 스위칭 주파수의 2배 주파수 영역에 고 조파의 가장 강한 성분이 있고 스위칭 주파수의 1배 주파수 영역에 두 번째로 강한 고조파 성분이 존재함 을 알 수 있다. 그림 13(b)의 경우는 LLPWM방식에 의한 결과로써, 2배 스위칭 주파수대의 강한 고조파가 현서히 줄었으며, 내신 1배 스위칭 주파수대의 고조파 가 상당히 증가하였다. :現 13(c)의 경우 1배 스위칭 주파수대, 2배 스위칭 주파수대 및 3배 스위칭 주파수 대 모두 고조파 성분의 a기가 매우 준어들었음을 알 수 있다.
1) 제안된 RPPWM은 매 변조구간마다 각 3상 펄스 의 위치를 랜덤하게 배치하여 스위칭 주파수가 일성하 지 않다. 그 길과 인버터의 츨려 신압 및 선류의 불연 속적이고 강한 고조파 싱분을 광대역에 연속적인 성분 으记 분산시킨 수 있었斗.
2) 고성 주파수 SVTWM 방식, LLPWM 방식 및 제 안된 RPPWM 방식에 의한 인버터 줄력 진압, 전류의 스펙트럼을 비교 검토한 결괴-, 제안된 RPPWM 방시 이 불연속치 성분의 선압 및 선류의 고조파를 줄이는 데는 탁월한 효과가 있었다.
3) LLPWM 방식에서는 펄스가 위치할 수 있上 경 우의 수 두가지皇 매우 제한 되어 있었기 때문에 만족 할 만한 진압 및 선류 스펙드引의 광대역화를 이룩하 지 못했다. 그러나 제안된 RPPWM 방식은 다른 상 펄스위치의 경계를 벗어나지 않는 한 어上 위치에서도 연속석인 위치가 가능하므记 펄스 위치 선징에 있어서 매우 자유도가 높은 RPWM방식임을 알 수 있었다.
PWM 패턴 및 전압 파형을 살펴보면 SVPVM방식 에서는 균일하나, LLPWM 및 RPPMN에서는 매우 불 규칙적임을 알 수 있다. LLPWM의 경우, 같은 변조 주기를 갖더라도 실제记 일어난 스위칭 횟수는 다른 방식에 비해 약 0.
SVPVW과 LLPWM 그리고 본 연구에서 제안한 RPPMU의 경우 모두, 전압의 스펙트럼 분포와 거의 비슷한 양상을 보이고 있다.
3) LLPWM 방식에서는 펄스가 위치할 수 있上 경 우의 수 두가지皇 매우 제한 되어 있었기 때문에 만족 할 만한 진압 및 선류 스펙드引의 광대역화를 이룩하 지 못했다. 그러나 제안된 RPPWM 방식은 다른 상 펄스위치의 경계를 벗어나지 않는 한 어上 위치에서도 연속석인 위치가 가능하므记 펄스 위치 선징에 있어서 매우 자유도가 높은 RPWM방식임을 알 수 있었다.
공간벡터 변조, 펄스 발생회로, 3상 유도전동기 등에 대한 블록을 서브시스템 또는 S-Function으로 구성하 여 RPPWM 시스템 전체를 모델링하였다. 모델 내에 서 사용자가 전동기 회전 속도에 해당하는 기본 주파 수, 스위칭 주파수, 변조 지수, 그리고 시뮬레이션 하 고자 하는 각 PWM 방식을 변경하면서 스위칭 함수, 전압 및 전류의 파형 그리고 전압, 전류의 스펙트럼 을 미리 예측할 수 있었다.
다. 본 연구에서 제안한 RPPWM 방식 의 스위칭 함수를 그림 3에 나타내었으며 LLPWM에 비해서 내 변조구간에서 펄스의 위치가 랜덤하게 변하 고 있음을 알 수 있다.
시뮬게이션 실과를 살펴보R 선압의 고소파 성분은 모너의 지닝속壬 빛 스위칭 주파수에 리 커다란 영 향은 받지 않는 것을 알 수 있다.
시뮬레이션에 의하여 현재 일반적으로 많이 쓰이고 있는 공간벡터 변조방식의 고정 주파수 SVPWM, Lead-lag PWM, 그리고 제안된 공간벡터 RPPWM에 의한 고조파 스펙트럼을 분석한 결고}, 제안된 RPPWM 방식에 의하여 인버터 출력전압, 전류의 고 조파 성분이 넓은 영역에 고루 분포됨을 알 수 있었 다.
그림 23은 제안된 RPPWM방식의 변조지수 변화에 따른 고조파 분포도이다. 제안뒨 RPPWM 에 의하여 1배, 2배 및 3배 스위칭 주파수에 대해 고조파의 양이 현저히 줄어 있음을 알 수 있다.

후속연구

4) 제안된 RPPWM은 종전의 SVPMM을 적용할 수 있는 대早분의 인버티 叶동 장치에 싱능 저하 또는 제 한 사항 잆이 적용 가능하리라 사료된다.

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