[논문]듀얼 영 벡터 모드를 갖는 2상 RCD-PWM기법에 의한 유도 모터의 스위칭 소음저감

오승열; 위석오; 정영국; 임영철

듀얼 영 벡터 모드를 갖는 2상 RCD-PWM기법에 의한 유도 모터의 스위칭 소음저감
Switching Noise Reduction of Induction Motor by a Two-Phase RCD-PWM Technique with Dual Zero Vector Modes 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.9 no.6, 2004년, pp.525 - 535

오승열 (한국과학재단 지정 전남대 고품질 전기전자부품 및 시스템 연구센터(RRC)) , 위석오 (한국천문연구원) , 정영국 (대불대 컴퓨터정보공학부) , 임영철 (전남대 전기공학과)

초록
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본 연구에서는 높은 변조지수 M 영역에서는 소음 및 고조파 스펙트럼의 광대역화 효과가 저하되는 2상 RCD-PWM(Random Centered Distribution PWM)기법의 문제점을 개선하고자, 듀얼 영 벡터 모드를 갖는 2상 RCD(Dual Zero Vector Modes RCD : DZRCD)기법을 제안하였다. 제안된 2상 DZRCD기법은 변조지수 M=0.8을 기준으로 하여 M이 0.8보다 큰 영역에서는 영 벡터로 $V_0$(111)를 선택하고, 0.8보다 작은 영역에서는 $V_0$(000)를 선택한다. 제안된 방법을 16비트 마이크로 콘트롤러인 C-167기반의 유도 모터 구동 시스템에 적용해 본 결과, M이 0.8이상인 영역에서 모터의 전압 / 전류 및 스위칭 소음 스펙트럼의 광대역화 특성이 종전의 방법과 비하여 우수함을 확인할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, a two-phase DZRCD(Dual Zero Vector Modes RCD) technique is proposed to develope the problem of a conventional two-phase RCD-PWM (Random Centered Distribution PWM) which gives the power spectra of narrow band range in the high modulation index (M). In the proposed DZRCD technique, the zero vector $V_0$ is selected as $V_0$(111) for M$\geqq$0.8. Also, $V_0$ is selected as $V_0$(000) for the modulation indices < 0.8. For the unplementation of the proposed method, a 16-bit micro-controller Cl67 was used and the experiments were conducted with the 1.5kw induction motor under no load condition. The experimental results show that the voltage / current spectra is spread to a wide band range, and the switching noise of motor is reduced by the proposed method compared to the conventional random operation.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 2상 RCD기법을 사용할 때 영 벡터로 Vo(OOO)와 Vo(lll)의 절체 시점을 규정하여 M에 따라 영 벡터를 적합하게 선택하여 M의 전 구간에서고조파 광대역화 효과를 극도로 이끌어 내는 방법에 대하여 기술하기로 한다. 고조파 스펙트럼의 광대역화 효과를 높이기 위해서는 펄스 배치가 랜덤하게 이루어질 수 있어야 되는데, 공간전압 변조기법을 사용하였을 때 M에 따라 펄스가 랜덤하게 배치될 수 있는 공간이 변하게 됨을 주목하여야 한다.
본 연구에서는 이상에서 언급된 펄스 위치의 랜덤화 기법의 문제점을 해결하기 위한 간단한 방법인 듀얼 영 벡터 모드를 갖는 2상 RCD기법 (Dual Zero Vector Modes RCD: DZRCD)을 제안하였다. 일반적으로 높은 m 영역에서 영 벡터로 Vo(in)이 적용되는 경우에는 모터 소음 저감 특성 및 스펙트럼의 랜덤화 특성이 양호하다.

제안 방법

SAB-C₁₆7에 의하여 각 변조 구간에서의듀티비를 구한 후, 선형 랜덤 발생기⑸를 이용하여 균일한 확률 분포로 각 상의 펄스의 위치를 재배치하였다. M의 변화에 따른 모터 전압 및 전류 그리고 스위칭 소음의 스펙트럼을 검토하였으며, 제안된 방법은 M의 전 영역에서 모터 전압 / 전류 및 스위칭 소음 스펙트럼의 광대역화 효과를 얻을 수 있었다.
SAB-C₁₆7에 의하여 각 변조 구간에서의듀티비를 구한 후, 선형 랜덤 발생기⑸를 이용하여 균일한 확률 분포로 각 상의 펄스의 위치를 재배치하였다. M의 변화에 따른 모터 전압 및 전류 그리고 스위칭 소음의 스펙트럼을 검토하였으며, 제안된 방법은 M의 전 영역에서 모터 전압 / 전류 및 스위칭 소음 스펙트럼의 광대역화 효과를 얻을 수 있었다.
이렇게, 섹터의 홀수 및 짝수 여부에 따라 지령벡터의 합성 순서를 재배치하여야 쉽게 각 상별 듀티비를 구할 수 있다. 본 연구에서 제안된 2상 DZRCD는 SVM에 의해 얻어진 To, Tb T2의 재배열 방법에 의해 얻어질 수 있다.
8을 넘어서는 경우, 모터 전압/전류 및 스위칭 소음 스펙트럼의 광대역화 효과가 증가되지 못하는 문제점이 있었다. 본 연구에서는 M이 0.8보다 낮은 영역에서는 영벡터 Vo(OOO)을 선택하고 0.8보다 높은 영역에서는 Vo(lll)을 선택하는 듀얼 영 벡터 모드를 채택함으로서 이상의 문제점을 해결하였다. 본 연구의 타당성을 입증하기 위하여 2상 DZRCD 변조기법 기반의 모터 구동 시스템을 제작 실험하였으며, M의 전 영역에서 모터 전압 및 전류 그리고 스위칭 소음 스펙트럼의 광대역화를 이룩할 수 있었다.
8보다 높은 영역에서는 Vo(lll)을 선택하는 듀얼 영 벡터 모드를 채택함으로서 이상의 문제점을 해결하였다. 본 연구의 타당성을 입증하기 위하여 2상 DZRCD 변조기법 기반의 모터 구동 시스템을 제작 실험하였으며, M의 전 영역에서 모터 전압 및 전류 그리고 스위칭 소음 스펙트럼의 광대역화를 이룩할 수 있었다.
본 연구의 타당성을 입증하기 위하여, 16비트 고성능마이크로 컨트롤러 SAB-C₁₆7을 기반으로 실험이 수행되었다. SAB-C₁₆7에 의하여 각 변조 구간에서의듀티비를 구한 후, 선형 랜덤 발생기⑸를 이용하여 균일한 확률 분포로 각 상의 펄스의 위치를 재배치하였다.
제안된 기법은 2상 SVM을 구현하기 위하여 SVM이론에 의해 To, Ti, T2의 값을 구한다. 각상의 펄스를 To, Ti, T2의 합성으로 얻을 수 있는데 여기서는 고조파 광대역화 특성을 위해 지령벡터의 변조지수와 지령벡터의 위상각에 따른 임계 변조지수를 비교하여 적절한 영 벡터를 선택한다.
공간벡터 변조 및 랜덤수 발생 등의 모든 연산은 C₁₆7내의 제어 프로그램에 의하여 수행될 뿐만 아니라 C₁₆7 포트 출력은 바로 IPM을게이팅 할 수 있는 신호이다. 즉 P* LD 사용하지 않고 C₁₆7에 내장된 CAP/COM(Capture/Compare) 기능을 사용하여 저 비용의 전력제어장치를 구현하였다.
또한 최대 값은 변조지수 1에 의해 제한되는데 55°- 65°, 175'- 185°, 295° - 305°에서 1로 제한된다. 최적의 결과를 도출하기 위해서는 그림 9로 계산된 지령벡터 위상 a의 변화에 따른 Me의 변화를 참조표(LUT)에 입력하거나 마이크로프로세서를 이용하여 계산하여 구할 수 있으나, 본 연구에서는 Me의 최대치와 최소치의 중간인 0.8을 Me로하였다.

대상 데이터

것이다. 소음은 무향실에서 측정되었으며, 소음측정 장비로는「OROS OR-25j 를 사용하였다. 실험 결과의 분석에 사용된 데이터는 유도 모터로부터 측면방향으로 Im 떨어진 곳에서 얻은 값을 사용하였다.
나타내고 있다. 실험 시스템은 SAB-C167 마이크로 콘트롤러 보드, IPM 인버터, 1.5kW 3상 유도 모터, 제어 프로그램 그리고 호스트 프로그램 등으로 구성되어져 있다. 공간벡터 변조 및 랜덤수 발생 등의 모든 연산은 C₁₆7내의 제어 프로그램에 의하여 수행될 뿐만 아니라 C₁₆7 포트 출력은 바로 IPM을게이팅 할 수 있는 신호이다.

성능/효과

8인 경우, 모터 전류의 고조파 스펙트럼을 나타내고 있다. 그림 16(a)로부터 종전의 방법은 3kHz 스위칭 주파수 및 그 정수배 성분들이 광대역으로 충분하게 분산되지 못함을 알 수 있다. 그러나 제안된 DZRCD기법은 그림 16(b)에서와 같이 전류 스펙트럼의 강한 이산적인 성분들을 광대역으로 분산시킬 수 있다.
9에서 거의 스펙트럼의 광대역화를 이루지 못하고 있다. 그러나 제안된 2상 DZRCD는 스위칭주파수 3kHz에서의 고조파 스펙트럼의 감소 뿐만 아니라 스위칭 주파수의 정수배 고조파 성분을 광대역으로 분산시키고 있음을 관찰할 수 있다.
제안된 방법은 6kHz-12kH五사이에서 종전의 방법보다 현저하게 선형화된 소음 스펙트럼을 보이고 있다. 또한 종전의 방법과 제안된 방법 모두 스위칭 주파수 3kHz의 정수배와 무관한 3kHz이하의 저주파수에서도 소음 스펙트럼이 존재하고 있는데, 이는 모터의 고유 주파수와 랜덤 스위칭 주파수가 중첩되어 기계적인 공진을 유발하여 발생한 현상으로 생각된다.
표 3으로 나타낸 소음에 대한 불연속 성분이 dB라는 것을 제외하고는, 전압 과전류의 단위는 mV이다. 변조지수 M이 0.9인 상태에서 스위칭 주파수 3kHz의 경우, 모터 전압, 전류 그리고 스위칭 소음의 스펙트럼의 광대역화는 종전의 방법에 비해서 제안된 DZRCD방식에서 우수하게 나타나고 있다.
그림 18(b)는 제안된 방법에 의한 스위칭 소음 스펙트럼의 결과이다. 제안된 방법은 6kHz-12kH五사이에서 종전의 방법보다 현저하게 선형화된 소음 스펙트럼을 보이고 있다. 또한 종전의 방법과 제안된 방법 모두 스위칭 주파수 3kHz의 정수배와 무관한 3kHz이하의 저주파수에서도 소음 스펙트럼이 존재하고 있는데, 이는 모터의 고유 주파수와 랜덤 스위칭 주파수가 중첩되어 기계적인 공진을 유발하여 발생한 현상으로 생각된다.

후속연구

본 연구에서는 최대 임계 변조지수와 최소 임계 변조지수의 중간 값인 0.8을 임계 변조지수 Me로 선정하였지만, 차후의 연구에서는 고성능의 마이크로 프로세서나 참조표등을 이용하여 지령벡터의 위상변화에 따른 Me를 실시간적으로 결정하는 Me의 최적화 기법이 연구되어야 할 것으로 기대된다.

참고문헌 (8)

J. L. Shyu, T. J. Liang, and J. F. Chen, 'Digitallycontrolled PWM inverter modulated by multi-random technique with fixed switching frequency", IEE Proc. Electr. Power Appl., Vol.148, No.1, january, pp. 62-68, 2001
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M.M. Bech, J. K. Pedersen, and F. Blaabjerg, 'Field-oriented control of an induction motor using random pulse width modulation', IEEE Trans. Ind. Applicat., Vol.37, No.6, pp. 1777-1785, 2001

상세보기
M. M. Bech, 'Random pulse-width modulation techniques for power electronic converters', Ph.D. dissertation, Aalborg Univ., Denmark, 2000
Y. G. jung, S. H. Na, Y. C. Lim and S.H. Yang, 'Reduction of audible switching noise in induction motor drives using random position space vector PWM', IEE Proc. Electr. Power Appl., Vol.149, No.3, May, pp.195-200, 2002

상세보기
V. Blasko, M. M. Bech, F. Blaabjerg and K. Pedersen, 'A New hybrid random pulse width modulator for industrial drives', in Proc. IEEE APEC'OO, pp.932-938, 2000
정영국，나석환，임영철，정성기，'유도 전동기의 소음 저감을 위한 DSP 기 반 PWM 인버터의 랜덤 캐리어 주파수 변조기법 의 구현', 대한전기 학회 논문집 52B-12-4, pp.608-615, 2003
위석오，정영국，임영철，'유도모터의 스위칭 소음 저감을 위한 2상 및 3상 RCD-PWM기법의 파워 스펙트럼' 전력전자학회 논문집， 9-2-12, pp.3178 -186, 2004

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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