[논문]유도모터의 스위칭 소음저감을 위한 2상 및 3상 RCD-PWM기법의 파워 스펙트럼

위석오; 정영국; 임영철

유도모터의 스위칭 소음저감을 위한 2상 및 3상 RCD-PWM기법의 파워 스펙트럼
Power Spectrum of Two-Phase and Three-Phase RCD-PWM Scheme for Switching Noise Reduction of Induction Motors 원문보기

본 연구에서는 3상 RCD(Random Pulse Centered Displacement) PWM기법에 비하여 구현이 용이하고 스위칭 주파수의 정수배 스펙트럼의 광대역화와 선형화의 효과가 우수한, 2상 RCD-PWM을 제안하였으며, 그 파워 스펙트럼을 비교하고 있다 종전의 3상 RCD-PWM과 제안된 2상 RCD-PWM을 구현하기 위하여, 16비트 고성능 마이크로 컨트롤러 SAB-Cl67이 사용되었다 SAB-C167에 의하여 각 변조 구간에서의 듀티비를 구한 후, 선형 랜덤 발생기를 이용하여 균일한 확률 분포로 각 상의 펄스의 위치를 재배치하였다. 제안된 2상 RCD-PWM에 의한 모터전압과 전류 그리고 직류링크 전류의 파워 스펙트럼 및 모터의 가청 스위칭 소음 효과를 종전의 3상 RCD-PWM과 비교 검토하였다

This paper proposes a two-phase RCD-PWM scheme which is much better than a three-phase RCD-PWM scheme from the standpoint of the broadening and linearizing effect of the power spectrum. To implement the proposed scheme and conventional scheme, the experiment based on the SAB-Cl67 micro-controller was executed. Based on the space vector modulation technique, the duty ratio of the pulses is calculated using the SAB-Cl67 and each of PWM pulses is located randomly in each switching interval. The power spectrum of the output voltage, output current, the d.c link current and the acoustic noise radiated from inverter drives are experimentally investigated. 1'hen, the performance of the proposed scheme was compared and discussed with the conventional scheme.

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문제 정의

본 연구에서는 3상 RCD-PWM 기법에 비하여 구현이 용이하고, 스위칭 주파수의 정수배 스펙트럼의 광대역화와 선형화의 효과가 우수한 2상 RCD-PWM을 제안하였다. 종전의 3상 RCD-PWM4 제안된 2상 RCD-PWM을 구현하기 위하여, 16비트 고성능 마이크로 컨트롤러 SAB-C₁₆7이 사용되었다.

제안 방법

종전의 3상 RCD-PWM4 제안된 2상 RCD-PWM을 구현하기 위하여, 16비트 고성능 마이크로 컨트롤러 SAB-C₁₆7이 사용되었다. SAB-C₁₆7에 의하여 각 변조 구간에서의 듀티비를 구한 후, 선형 랜 덤 발생기를 이용하여 균일한 확률 분포로 각 상의 펄 스의 위치를 재배치하였다. 제안된 2상 RCD-PWM에 의한 모터 전압과 전류, 인버터 직류 링크 전류의 파워 스펙트럼 및 모터의 가청 스위칭 소음 효과를 종전의 3상 RCD-PWM과 비교 검토하였다.
본 연구에서 인버터에 의해 구동되는 유도 모터의 스위칭 소음의 파워 스펙트럼을 얻기 위한 실험은 특별히 설계된 6면이 모드 흡음제로 밀폐되어 있는 무향실에서 수행되었으며, 측정 장비로는 소음 및 진동 신호에 대한 분석이 가능한 전용 측정기 rOROS-25j 를 사용하였다.
본 연구에서는 2상 RCD-PWM 기법을 제시하고, 3상 RCD-PWM 기법과 파워 스펙트럼을 비교 고찰하였다. 제안된 2상 RCD-PWM은 2상 중앙 정렬된 SVM펄스 를 펄스 간 중앙정렬을 유지하면서 펄스의 중앙선을 변 조 구간에서 랜덤하게 배치하기 때문에 스위징 주파수가 일정하지 않다.
본 연구의 내용은 주로 PWM 발생기법에 있으므로 응답성이 좋은 고성능의 폐 루프 제어 대신에 간단한 개루프 전압제어 방식을 택하였다.
그림 2는 그림 1의 3상 RCD-PWM을 2상 RCD- PWM에 적용한 것이다. 제안된 2상 RCD-PWM 기법은 그림 3에서 나타낸 바와 같이 우측 정렬된 2상 펄스를 중앙으로 정렬시킨 후, 변조 구간의 중앙에서 펄스들을 좌우로 위치시키는 방법으로 구현 가능하다. 그림 2와 그림 3의 중앙 정렬된 펄스 폭의 변위 Trnd는 랜덤수 발생기口 ’를 통하여 결정되기 때문에 변위Trw는 랜덤한 값을 갖게 된다.
제안된 2상 RCD-PWM 기법의 타당성을 검증하기 위하여 3상 유도 모터를 무부하, f =40田의 지령속도, 변 조 지수 M = 0.7, fsw = 3kHz의 고정 스위칭 주파수로 오픈 루프 운전하였다.
SAB-C₁₆7에 의하여 각 변조 구간에서의 듀티비를 구한 후, 선형 랜 덤 발생기를 이용하여 균일한 확률 분포로 각 상의 펄 스의 위치를 재배치하였다. 제안된 2상 RCD-PWM에 의한 모터 전압과 전류, 인버터 직류 링크 전류의 파워 스펙트럼 및 모터의 가청 스위칭 소음 효과를 종전의 3상 RCD-PWM과 비교 검토하였다.
공간벡터 변조 및 랜덤수 발생 등의 모든 연산은 C₁₆7내의 제어 프로그램에 의하여 수행될 뿐만 아니라 C₁₆7 포트 출력은 바로 IPM을 게이팅 할 수 있는 신호이다. 즉 PLD를 사용하지 않고 C₁₆7에 내 장된 CAP/COM(Capture/Compare) 기능을 사용하여 저 비용의 전력제어 장치를 구현하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 3상 RCD-PWM 기법에 비하여 구현이 용이하고, 스위칭 주파수의 정수배 스펙트럼의 광대역화와 선형화의 효과가 우수한 2상 RCD-PWM을 제안하였다. 종전의 3상 RCD-PWM4 제안된 2상 RCD-PWM을 구현하기 위하여, 16비트 고성능 마이크로 컨트롤러 SAB-C₁₆7이 사용되었다. SAB-C₁₆7에 의하여 각 변조 구간에서의 듀티비를 구한 후, 선형 랜 덤 발생기를 이용하여 균일한 확률 분포로 각 상의 펄 스의 위치를 재배치하였다.

데이터처리

실험 결과의 분석에 사용된 데이터는 유도 모터로부터 측면 25&n떨어진 곳에 설치된 마이크로부터 측정된 값을 50초간 평균하여 얻은 값을 사용하였다. 그림 10은 각 방식에 따른 모터의 스위칭 소음의 파워 스펙트럼을 나타내고 있다.

성능/효과

3상 중앙정렬 SVM은 2상 중앙정렬 SVM보다 전류 파형이 양호하며, 2상 RCD는 3상 RCD보다 전류 파형에 맥동이 약간 존재함을 알 수 있다. 이는 RPWM 이 적용되는 경우에 일반적으로 발생되는 현상이며, 전압 PWM 펄스의 랜덤한 위치로 말미암아 전류의 순간적인 상승과 하강이 불균일하게 이루어지기 때문이다.
결국 제안된 방법은 그림 7로 나타낸 전압의 파워 스펙트럼과 유사하게 스위칭 주파수 3kHz에서의 강한 소음을 제외하면, 전체적으로 이산적인 소음 스펙트럼이 상당히 완화되어짐을 알 수 있다.
제안된 2상 RCD-PWM은 2상 중앙 정렬된 SVM펄스 를 펄스 간 중앙정렬을 유지하면서 펄스의 중앙선을 변 조 구간에서 랜덤하게 배치하기 때문에 스위징 주파수가 일정하지 않다. 그 결과 모터의 전압, 전류, 직류링크 전류 그리고 스위칭 소음의 불연속적이고 강한 고 조파 성분을 광대역의 연속적인 성분으로 분산시킬 수 있었다. 따라서 제안된 2상 RCD-PWM 방식은 인버터 구동 모터의 스위칭 소음을 줄이는 데 탁월한 효과가 있었다.
그 결과 모터의 전압, 전류, 직류링크 전류 그리고 스위칭 소음의 불연속적이고 강한 고 조파 성분을 광대역의 연속적인 성분으로 분산시킬 수 있었다. 따라서 제안된 2상 RCD-PWM 방식은 인버터 구동 모터의 스위칭 소음을 줄이는 데 탁월한 효과가 있었다. 제안된 2상 RCD-PMM기법에 의한 인버터의 직류링크 전류의 파워 스펙트럼의 광대역화는 인버터 전원 측에 부착된 EMI 필터의 정격을 감소할 수 있는 가능성을 제시하였다.
따라서 제안된 2상 RCD-PWM 방식은 인버터 구동 모터의 스위칭 소음을 줄이는 데 탁월한 효과가 있었다. 제안된 2상 RCD-PMM기법에 의한 인버터의 직류링크 전류의 파워 스펙트럼의 광대역화는 인버터 전원 측에 부착된 EMI 필터의 정격을 감소할 수 있는 가능성을 제시하였다.

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