[논문]PV Water Pumping 시스템을 위한 BLDC 모터 제어

김성남; 최성호; 조정민; 전기영; 이승환; 한경희

PV Water Pumping 시스템을 위한 BLDC 모터 제어
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김성남 (명지대학교 대학원 전기공학과 박사과정 수료, (주)두이전기통신 부사장) , 최성호 (광성산업주식회사) , 조정민 (전기영 명지대학교 전기·정보제어공학부) , 전기영 (전기영 명지대학교 전기·정보제어공학부) , 이승환 (대덕대학 전기·전자계열) , 한경희 (명지대학교 전기·정보제어공학부)

In this paper, we adapted BLDC motor to PV water pumping systems to maintain high efficiency in the wide speed area. Also, to design confidence we adapted the vector control that drive the maximum torque at each speed limit. We designed optimal gain value of current, speed and pressure PI controller. Inverter gate pulse used Space Vector PWM to reduce torque pulsation of BLDC motor. According to, it was improve general matters of high water storage tank method by direct water supply pumping method.

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문제 정의

본 논문에서는 PV 양수시스템에 BLDC 모터를 채택하여 유도기에 비해 넓은 속도 범위에 대하여 고효율 운전이 되 도록 하였다. 그리고 BLDC 모터를 벡터제어 함으로써 각 운전속도의 영역에서 최대토크 운전 및 높은 신뢰성을 가능 하도록 하였다.
본 논문에서는 모터의 가변 속도 방식을 채택하여 수용유량의 변동에 따른 토출구의 유량변동이나 수압 변동에 펌프를 정압제어 함으로써 유연한 용수시스템의 운전이 되도록 하였다. 그림 4는 펌프 압력제어기의 블록선도를 나타낸다.

제안 방법

본 논문에서는 PV 양수시스템에 BLDC 모터를 채택하여 유도기에 비해 넓은 속도 범위에 대하여 고효율 운전이 되 도록 하였다. 그리고 BLDC 모터를 벡터제어 함으로써 각 운전속도의 영역에서 최대토크 운전 및 높은 신뢰성을 가능 하도록 하였다. 이를 위해 전류 .
본 논문에서는 PV 양수 시스템에 BLDC 모터를 사용하여 다음과 같은 결과를 시뮬레이션 및 실험을 통하여 확인 하였다.
시뮬레이션은 C언어를 이용하여 펌프 부하시 압력제어기 에 의해 결정되는 속도 지령치에 대한 BLDC 모터의 응답을 비교 . 예측해 보았다.
속도 . 압력 PI 제어기를 처 적의 값으로 설계하고, 일반적인 구형파 형태의 전류로 여자 되는 BLDC 모터의 토크 맥동 발생을 저감시키기 위해 정 현파 방식의 SVPWM(Space Vector PWM) 스위칭 패턴을 구현하여 BLDC 모터를 이용한 펌프직송 방식의 PV 양수 시스템의 실효성을 확인한다.
태양전지의 전류와 전압을 검출하여 전력을 계산하고 과거 전력과 현재전력을 비교하여 쵸퍼의 시비율을 제어하는 최대출력점 추적제어 방식을 이용하여 최대의 효율로 에너지를 이용할 수 있도록 고려하였다.

데이터처리

실험을 통해 시뮬레이션의 결과를 확인하고 펌프부하 가 변시 (압력 가변시) 압력제어기의 성능을 비교 . 확인하였다.

성능/효과

1) PV 양수시스템의 BLDC 모터에 벡터제어 기법을 이용, 최대효율로의 제어가 가능하였다.
2) 부하변화 즉 압력변화에 따른 각각의 펌프운전 영역에서 압력지령치에 대한 양호한 응답을 확인하였다.
3) BLDC 모터의 회전수 가변을 통하여 정압제어를 하는 펌프직송 방식의 PV 양수펌프의 실효성을 확인하여 기존의 고가 저장수조 방식의 일반적인 문제점을 개선하였다.
4) 유도기 대신 BLDC 모터를 대체함으로써 무부하시에 무효전력의 상승을 저감시켜 배터리의 충방전횟수를 적게 하여 배터리의 수명을 연장할 수 있었다.
전류 . 속도 PI제어기를 사용하여 BLDC 모터의 속도를 제어함으로서 일정압력이 되도록 제어할 수 있고 유량 및 양정의 변화에 따른 압력의 변화에도 불구하고 목표치 압력를 우수하게 추종함을 확인하였다:
그림 13은 일정부하의 경우 속도지령치를 400rpm에서 650rpm으로 증가시키고 다시 650rmm에서 400rpm으로 감소시켰을때 속도 지령치에 대한 속도 응답과 iabc, d 전류를 함께 비교한 파형이다. 속도 응답의 경우 무부하시의 경우 보단 느리지만 속도지령 가변시 약 80ms정도 이내에서 추종함으로 보아 부하시에도 속도 응답이 우수함을 확인할 수 있다.
그림 14는 시뮬레이션과 같은 조건에서 무부하시의 BLDC 모터의 시뮬레이션 파형을 보여주고 있다. 속도지령치를 40 Orpm에서 800rpm으로 증가시켰을 때 속도지령치에 대한 속도 응답과 q축 전류응답 파형으로 시뮬레이션에서의 경우와 마찬가지로 우수한 응답특성을 확인할 수 있었다. 그림 15 는 무부하시 속도지령치를 800rpm에서 400 rpm으로 감소시 켰을때의 실험결과이다.
실험조건으로 전류제어기의 Bandwidth는 1000[rad/sec], 속도제어기의 Bandwidth는 300[rad/secL으로 설정하였고 d축 전류기의 지령치는 최대토크에서의 운전 을 위해 0으로 주었다. 여기에서 속도지령치는 400rpm에서 800rpm으로 변화시키고 속도지령치에 대한 속도 응답과 전류를 함께 비교하였다 파형에서 알 수 있듯이 BLDC 모터의 속도 응답은 50ms정도로 우수하다.
이상과 같은 결론을 통하여 PV 양수 펌프 시스템에 BLDC 모터를 적용한 결과 그 특성이 우수함을 확인할 수 있었다.
이상과 같은 관계식에서 펌프가 정상운전 영역에서 운전 하고 있다고 하면 유량과 수압은 모터의 속도에 상응하는 것을 알 수 있다.[3] 표 2는 펌프의 사양을 표시한다.

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