[논문]SVPWM방식에서의 영벡터 제거에 의한 커먼모드 전압 및 전도성 EMI 저감 기법

함년근; 김이훈; 전기영; 천광수; 원충연; 한경희

[국내논문] SVPWM방식에서의 영벡터 제거에 의한 커먼모드 전압 및 전도성 EMI 저감 기법
Technique of Common Mode Voltage and Conducted EMI Reduction using Nonzero-vector State in SVPWM Method 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.9 no.5, 2004년, pp.507 - 515

함년근 (명지대 대학원 전기공학과) , 김이훈 (성균관대 대학원 메카트로닉스공학과) , 전기영 (명지대 대학원 전기공학과) , 천광수 (성균관대 대학원 메카트로닉스공학과) , 원충연 (성균관대 정보통신공학부) , 한경희 (명지대 전기제어정보공학부)

초록
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고속 스위칭 소자의 출현과 함께 높은 전압 상승률(dv/dt)은 PWM 인버터에 EMI 노이즈 및 축 전압 그리고 베어링 누설전류 등의 문제 등을 발생시키고 있다. 본 논문에서는 유도전동기 시스템에서의 새롭게 개발된 전도성 EMI 저감 SVPWM 기법의 응용에 대하여 기술한다. 새롭게 개발된 커먼모드 전압제거 SVPWM 기법은 인버터 제어에 있어서 영벡터 상태를 사용하지 않고 종래의 PWM 기법에 비하여 커먼모드 전압의 감소가 가능하다. 소프트웨어 접근에 의한 제안된 기법의 타당성은 시뮬레이션과 실험적 결과를 통하여 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

With the advent of fast power devices, the high dv/dt voltage produced by PWM inverts have been found to cause EMI noise, shaft voltage and bearing current. This paper describes the application of newly developed Conducted EMI reduction SVPWM technique in induction motor drives. The newly developed common mode voltage reduction SVPWM technique don't use any zero-vector states for inverter control, hence it can restrict the common mode voltage more than conventional PWM technique. The validity of the proposed technique by software approach is verified through simulation and experimental results.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 전도 노이즈 억제가 가능한 새로운 SVPWM 기법을 제안하였으며 기존의 SVPWM 기법과 비교하여 전도 노이즈가 저감됨을 시뮬레이션과 실험을 통하여 확인하였다.
본 논문에서는 PWM 인버터에 의한 교류 전동기 구동 시스템에서 커먼 모드 전압의 저감을 위한 새로운 SVPWM 기법을 제안하였으며 다음과 같은 결과를 얻었다.

제안 방법

제안된 기법의 검증을 위하여 표 1과 같이 시스템을 구성하여 시뮬레이션과 실험을 행하였다.
그림 7은 전도성 EMI 측정을 위한 인버터 시스템 블럭도이다. 전도 노이즈를 검출하기 위하여 전원의 경우 LISN(Line Impedance Stabilization Network) 을 통하여 인버터 시스템에 공급하였으며 LISN에서 검출된 전도 노이즈 성분의 스펙트럼 분석을 위하여 Adv -antest사의 R3132 Spectrum analyzer를 이용하여 측정하였다. 또한 그림 8은 시험에 사용된 장비의 사진을 나타낸다.
3[dBjiV]의 감소가 가능하였다. 이에 따라 전도성 EMI 노이즈 레벨 감소에 있어 제안된 기법의 실효성을 확인하였다.

대상 데이터

그림 4는 제안된 기법의 성능을 평가하기 위한 유도 전동기 시스템 제어 블록 도를 나타낸다. 시스템은 크게 3상 PWM 인버터와 제어기로 나눌 수 있으며 제어기의 경우 유도 전동기 제어 블록과 제안된 커먼 모 드 전압의 저감을 위한 SVPWM 함수 발생기로 구성되어 있다.

성능/효과

그림 5(a), (b) 는 출력 전압 의 섹터에 따른, 커먼모드 전압과 출력 상전류 G”)의 비교 파형이다. 제안된 SVPWM의 경우, 영벡터 인가 시점에 다른 유효벡터를 인가함으로, 상전류의 리플이 다소 증가하였으나 기존 SVPWM 기법에 비하여 커 먼 모드 전압이 1/3로 크기가 감소됨을 알 수 있다. 그림 6(a), (b) 는 그림 5의 커먼 모드 전압의 확대 비교 파형과 그에 따른 누설전류(拿의 비교 파형이다.
그림 6(a), (b) 는 그림 5의 커먼 모드 전압의 확대 비교 파형과 그에 따른 누설전류(拿의 비교 파형이다. 제안한 기법은 기존의 SVPWM 기법에 비해 커먼모드 전압이 ±150[V]에서 ±50[V]로 약 100[V] 정도 감소하였다. 또한 기존의 SVMW의 경우 섹터 스위칭 패턴을 형성하는 2개의 유효 벡터 중 1개의 유효벡터 인가 시 간이 매우 작아지는 경우, 그림 6(a) 와 같이 遍”의 전압 상승률이 커지며 누설전류의 크기가 증가함을 알 수 있다.
제안한 기법은 기존의 SVPWM 기법에 비해 커먼모드 전압이 ±150[V]에서 ±50[V]로 약 100[V] 정도 감소하였다. 또한 기존의 SVMW의 경우 섹터 스위칭 패턴을 형성하는 2개의 유효 벡터 중 1개의 유효벡터 인가 시 간이 매우 작아지는 경우, 그림 6(a) 와 같이 遍”의 전압 상승률이 커지며 누설전류의 크기가 증가함을 알 수 있다. 그러나, 제안된 기법의 경우 Ucm의 형태가 상승과 하강의 교 번을 반복함으로서 전압 상승률이 억제되고 기존 SVPWM 기법에 비하여 누설 전류가 감소 됨을 확인하였다.
또한 기존의 SVMW의 경우 섹터 스위칭 패턴을 형성하는 2개의 유효 벡터 중 1개의 유효벡터 인가 시 간이 매우 작아지는 경우, 그림 6(a) 와 같이 遍”의 전압 상승률이 커지며 누설전류의 크기가 증가함을 알 수 있다. 그러나, 제안된 기법의 경우 Ucm의 형태가 상승과 하강의 교 번을 반복함으로서 전압 상승률이 억제되고 기존 SVPWM 기법에 비하여 누설 전류가 감소 됨을 확인하였다.
또한 상전류 FFT 분석 결과는 표 2와 같다. 제안된 기법의 경우 3[kHz]대역에서 전류의 크기가 기본파에 비하여 5.8[%]의 증가를 보인다.
그림 10(a), (b) 는 커먼 모드 전압 및 누설전류의 실험 파형을 나타낸다. 커먼 모드 전압은 ±150[V]에서 ±50[V]로 약 100[V] 정도 감소하였으며, 누설전류의 피크치도 약 ±150[1也瞄*]에서 ±105[mApeak]로 감소함을 확인하였다.
1) 제안된 스위칭 기법은 영벡터 제거를 통하여 커먼 모드 전압의 억제가 가능하였으며 기존의 기법에. 비하여 커먼 모드 전압의 크기가 약+Vdc/2 ~ -Vdc/2[V]에서 약+Vdc/6~-Vdc/6[V]로 감소가 가능하였다.
2) 커먼모드 전압의 파형을 교번하도록 PWM 패턴을 구성함으로서 전압 상승률이 억제되었으며 그에 따른 누설 전류의 피크치가 약 +150[mApcak] - T50[mApeak] 에서 +105[mApeak]~T05[mApeak] 로 감소가 가능하였다.
3) 제안된 기법의 경우, 전도성 EMI 노이즈 스펙트럼 분석 결과 800[kHz]~2[MHz] 범위에서 약 3.1[dBu V], 7[MHz]~10[MHz] 범위에서 약 4.3[dBjiV]의 감소가 가능하였다. 이에 따라 전도성 EMI 노이즈 레벨 감소에 있어 제안된 기법의 실효성을 확인하였다.

참고문헌 (10)

S. Ogasawara and H. Akagi, 'Modeling and Damping of High-Frequency Leakage Currents in PWM Inverter-Fed AC Motor Driver Systems,' IEEE Trans. Ind. Applicat,. Vol. 32, pp. 1105-1114, Sep./Oct., 1996
J. Erdman, R. J. Kerkman, D. W. Schlegel, and G.L. Skibinski,'Effect of PWM Inverters on AC Motor Bearing Currents and Shaft Voltages,' IEEE Trans. Ind. Applicat., Vol. 32, pp. 250-259, Mar./Apr., 1996
김이훈, 박규현, 원충연, 김영석, 최세완 'PWM 인버터 시스템에서의 전도 노이즈 저감을 위한 출력펼터 설계에 관한 연구' 전력전자학회논문지, Vol.6, No.6, pp. 546-555, 2001. 12
정세교, 신휘범, '가전기기용 교류 전동기 구동 시스템의 EMI 특성 및 필터 설계 EMI', 전력전자학회논문지, Vol.9, No.1, pp.81-87, 2004. 02
Dudi A. Rendusara, Prasad N. Enjeti, 'An Improved Inverter Output Filter Configuration Reduces Common and Differential Modes at the Motor Terminals in PWM Drive Systems ', IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, Vol. 13, No. 6, NOVEMBER 1998 1135
Satoshi Ogasawara, Hideki Ayano, and Hirofumi Akagi, 'An Active Circuit for Cancellation of Common-Mode Voltage Generated by a PWM Inverter' ,IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, Vol.13, No.5, SEPTEMBER 1998 835
박규현, 김이훈, 원충연, 김규식, 최세완, 함년근, 'TMS320F240을 이용한 PWM 인버터 유도전동기 구동 시스템의 전도노이즈 저감을 위한 스위칭 기법', 전력전자학회논문지, Vol.8, No.1, pp.89-97, 2003.02

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M. Cacciato, A. Consoli, G. Scarcella, and A. Testa, 'Reduction of Common Mode Currents in PWM Inverter Motor Drives,' IEEE lAS Annual Meeting, pp. 707-713, 1997
Yen-Shin Lai, 'Investigations into the effects of PWM techniques on common mode voltage for inverter-controlled induction motor drives,' Power Engineering Society 1999 Winter Meeting, IEEE., Vol.1, pp.35-40, 1999
H. W. wan der Broeck, H. C. Skudelny, and G. V. Stanke, 'Analysis and Realization of a Pulsewidth Modulator Based on Voltage Space Vectors,' IEEE Trans. Ind. Appl., Vol.24, No.1, pp.142-150, Jan/Feb., 1988

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