직접 구동방식의 터보 압축기를 위한 초고속 영구자석형 동기전동기 센서리스 벡터 구동 시스템 구현 The Development of Super High Speed PMSM Sensorless Vector driver for Direct Drive Method Turbo Compressor원문보기
산업 현장에서 필수적인 설비인 공기 압축기는 스크루, 왕복동 및 터보 압축기가 사용되고 있다. 근래에 터보 압축기가 넓이 사용되고 있는데, 터보 압축기는 구조적으로 임펠러를 고속회전 시켜야한다. 범용전동기에 높은 기어비를 가진 기어박스를 이용하여 구현하였는데, 이는 관성 모멘트, 마찰손 및 압축기의 크기를 증가시켰다. 최근에 터보 압축기의 연구는 초고속 동기전동기를 장착하여 기어박스를 제거하여 크기와 마찰손을 최소화하는 방향으로 진행되고 있다. 본 연구에서는 150마력 70,000rpm 직접 구동방식의 터보 압축기를 개발하기 위하여 초고속 동기전동기 센서리스 벡터 구동시스템을 개발하였고, 이를 적용하여 직접 구동방식 터보 압축기를 개발하였다.
산업 현장에서 필수적인 설비인 공기 압축기는 스크루, 왕복동 및 터보 압축기가 사용되고 있다. 근래에 터보 압축기가 넓이 사용되고 있는데, 터보 압축기는 구조적으로 임펠러를 고속회전 시켜야한다. 범용전동기에 높은 기어비를 가진 기어박스를 이용하여 구현하였는데, 이는 관성 모멘트, 마찰손 및 압축기의 크기를 증가시켰다. 최근에 터보 압축기의 연구는 초고속 동기전동기를 장착하여 기어박스를 제거하여 크기와 마찰손을 최소화하는 방향으로 진행되고 있다. 본 연구에서는 150마력 70,000rpm 직접 구동방식의 터보 압축기를 개발하기 위하여 초고속 동기전동기 센서리스 벡터 구동시스템을 개발하였고, 이를 적용하여 직접 구동방식 터보 압축기를 개발하였다.
There are screw, reciprocating and turbo compressor by structure in an air compressor, essential equipment on he industrial spot. Resently it is wide that the range of turbo compressor's use in gradual, turbo compressor needs high speed rotation of impeller in structure, high rated gearbox and conve...
There are screw, reciprocating and turbo compressor by structure in an air compressor, essential equipment on he industrial spot. Resently it is wide that the range of turbo compressor's use in gradual, turbo compressor needs high speed rotation of impeller in structure, high rated gearbox and conventional induction motor. This mechanical system increased the moment of inertia and mechanical friction loss. Resently the study of turbo compressor applied super high speed motor and drive, removing gearbox made its size small and mechanical friction loss minimum. In this study we tried to develope variable super high speed motor drive systems for 150Hp, 70,000rpm drect drive Turbo compressor. The result of study is applied to a 150Hp direct turbo compressor and makes it goods.
There are screw, reciprocating and turbo compressor by structure in an air compressor, essential equipment on he industrial spot. Resently it is wide that the range of turbo compressor's use in gradual, turbo compressor needs high speed rotation of impeller in structure, high rated gearbox and conventional induction motor. This mechanical system increased the moment of inertia and mechanical friction loss. Resently the study of turbo compressor applied super high speed motor and drive, removing gearbox made its size small and mechanical friction loss minimum. In this study we tried to develope variable super high speed motor drive systems for 150Hp, 70,000rpm drect drive Turbo compressor. The result of study is applied to a 150Hp direct turbo compressor and makes it goods.
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제안 방법
국내, 외의 선행연구가 거의 전무한 상태에서 70, 000rpm, 150마력 직접 구동방식 터보압축기를 구현하기 위하여 초고속 영구자석 동기전동기를 이용하여 구현하여 실험하였다. 초고속 영구자석 동기전동기의 백터 제어방식을 고속기에 적용하여 70, 000rpm, 150마력 전동기 구동시스템의 가능성을 도출하였고, 시스템 특성상 고속의 전동기 위치센서를 장착 할수 없어 센서리스 벡터제어기를 제안 및 구현하였다.
이때 회전체 위치정보는 속도 지령정보를 적분하여 벡터제어기의 인가하였다. 그림3과 같은 속도 PATTEN에 따라 일정 크기의 전류를 회전시키되 영역 3에서는 제안된 센서리스 알고리즘으로 그 모드를 전환시켰다.
초고속 영구자석 동기전동기의 백터 제어방식을 고속기에 적용하여 70, 000rpm, 150마력 전동기 구동시스템의 가능성을 도출하였고, 시스템 특성상 고속의 전동기 위치센서를 장착 할수 없어 센서리스 벡터제어기를 제안 및 구현하였다. 또한 센서리스 알고리즘의 정확도를 높이기 위해서 정격부하에서 전동기 파라메타 튜닝을 실시하였다. 강전 회로는 기존의 인버터 구조를 가지고 원하는 정도의 제어 특성을 얻을 수 있었다.
이는 고속 DSP를 이용한 디지털 제어기, 공간벡터 PWM 및 동기전동기 벡터제어기법의 우수성에서 기인한 결과로 파악된다. 이러한 연구를 근거로 70, 000rpm, 150마력 직접 구동형 터보 압죽기를 위한 초고속대용량 영구자석형 동기전동기 구동시스템을 설계, 제작 할 수 있었으며, 이를 초소형 압축기 TME 150에 적용하였다.
있었다. 이를 극복하기 위해서 시도된 방법이 초기 구동부터 저속영역 및 제안된 센서리스 알고리즘을 적용하기에 알맞은 속도까지는 일정 크기의 전류를 주어진 속도 패턴에 따라 회전시키는 것이었다. 이때 회전체 위치정보는 속도 지령정보를 적분하여 벡터제어기의 인가하였다.
정확한 전동기 파라메타 설정을 위해서 정격부하 및 정격회전속도에서 센서리스 운전 중 파라메타를 설정하였다.
구현하여 실험하였다. 초고속 영구자석 동기전동기의 백터 제어방식을 고속기에 적용하여 70, 000rpm, 150마력 전동기 구동시스템의 가능성을 도출하였고, 시스템 특성상 고속의 전동기 위치센서를 장착 할수 없어 센서리스 벡터제어기를 제안 및 구현하였다. 또한 센서리스 알고리즘의 정확도를 높이기 위해서 정격부하에서 전동기 파라메타 튜닝을 실시하였다.
이론/모형
벡터제어기법을 이용하여 전동기 제어기를 구현하였으며, 공간벡터 PWM 기법을 이용하여 인버터를 구성하였다. 동기전동기는 영구자석인 회전자의 위치에 따라 최대토크를 발생하는 전류자 속 벡터의 위치가 변하게 된다.
성능/효과
SRM 등이 연구, 개발되고 있다. 논문에 의하면 효율은 영구자석 동기전동기가 뛰어나며 제작 가격적인 즉면을 고려하면 유도전동기가 보다 유리하다는 연구 결과가 있다. 전동기뿐 아니라 해당 전동기를 구동 할 제어기와 인버터 개발도 연구가 진행되고 있는데, 이에 대한 구현은 인가주파수 및 인가전류를 제어하는 방법에 있어서 크게 2가지 부류로 분류할 수 있다.
선행시험에서 오차를 줄이기 실험이 실시되었다. 정상상태에서 q축 PI 제어기에서 보상되는 보상전압은 식8과 식10의 오차인데, 전류제어기에서 전류제어가 심각한 오차 없이 실행되고 앞선 설정에서 전동기의 인덕턴스가 정확히 설정되었고, 각도 오차가 작은 상태에서 실제 전동기의 역기전력과 제어기의 역기전력이 차이가 있을 경우 그 보상전압 V%_/으 식12와 같은 방법으로 식15와 같이 근사시킬 수 있다.
참고문헌 (6)
Compressor Aerodynamics, na Cumpsty Longman Scientific & Technical 1989, pp.19-21
A Super High Speed PM Motor Drive System by Quasi-current Source Inverter, I. Takabashi, T. Koganezawa, Guija Su, Kazunobu Oyama, IEEE ISA Vol 30, no 3, 1994
High Speed Motor Driver for Industrial Applications, Movhoub Mekhiche, James L. Kirtley, Mary Tolikas, IEMD '99, pp.244-248, 1999
Novel High Speed Induction Motor for a Commercial Centrifugal Compressor, Wen L Soong, Gerald B Kliman, Roger N Jonson, Raymond A White, Joseph E Miller, IEEE, ISA, VOL 36, 2000
Implementation of Sensorless Vector Control for Super-High Speed PMSM of Turbo- Compressor Bon-Ho Bae, Seung-Ki Sul, Jeong-Hyeck Kwon, Jong-Sub Shin, IEEE/ ISA Cicago Annual Meetig, 2001
Implementation and Experimental Investgation of Sensorless Control schemes for PMSM in Super High Variable Speed Operation, Longya Xu, Chagjiang Wang, IEEE/ISA 1998. Motor, J.R Hendershot,TJE Miller,Oxford
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