H-Bridge 7레벨 인버터를 이용한 유도전동기 구동시스템의 노이즈 저감을 위한 출력 필터설계 Output Filler Design for Noise Reduction of Induction Motor Drive System using H-Bridge 7-Level Inverters원문보기
일반적으로 PWM인버터에 발생된 고조파와 노이즈는 스위칭 주파수, dv/dt와 di/dt, PWM 스위칭 방법에 의해 영향을 받는다. 멀티레벨 인버터가 고전력 시스템에 적용되어 낮은 주파수에서 동작할 때 이것은 큰 고조파 성분과 노이즈를 발생하게 된다. 따라서 멀티레벨 인버터에 출력 필터가 요구된다. 본 논문에서는 H-bridge 7레벨 인버터 시스템을 사용한 3상 유도 전동기 구동 시스템의 고조파와 노이즈 감소를 위해 출력 필터를 설계하였다. 가격이 저렴하고 간단한 구조를 가지며, 고조파와 노이즈를 효과적으로 감소시킬 수 있는 수동필터는 멀티레벨 인버터 시스템을 사용한 3상 유도전동기 구동시스템에 적용되었다. 설계된 시스템은 향상되었고, 시뮬레이션과 실험을 통해 그 타당성을 증명하였다.
일반적으로 PWM인버터에 발생된 고조파와 노이즈는 스위칭 주파수, dv/dt와 di/dt, PWM 스위칭 방법에 의해 영향을 받는다. 멀티레벨 인버터가 고전력 시스템에 적용되어 낮은 주파수에서 동작할 때 이것은 큰 고조파 성분과 노이즈를 발생하게 된다. 따라서 멀티레벨 인버터에 출력 필터가 요구된다. 본 논문에서는 H-bridge 7레벨 인버터 시스템을 사용한 3상 유도 전동기 구동 시스템의 고조파와 노이즈 감소를 위해 출력 필터를 설계하였다. 가격이 저렴하고 간단한 구조를 가지며, 고조파와 노이즈를 효과적으로 감소시킬 수 있는 수동필터는 멀티레벨 인버터 시스템을 사용한 3상 유도전동기 구동시스템에 적용되었다. 설계된 시스템은 향상되었고, 시뮬레이션과 실험을 통해 그 타당성을 증명하였다.
In general, the generated harmonics and noise of the PWM inverter are affected by PWM switching method, switching frequency, dv/dt and di/dt. Since multilevel inverters are often applied to the high power system, and operates with low switching frequency, theyproduce large size of harmonic contents ...
In general, the generated harmonics and noise of the PWM inverter are affected by PWM switching method, switching frequency, dv/dt and di/dt. Since multilevel inverters are often applied to the high power system, and operates with low switching frequency, theyproduce large size of harmonic contents and noise. Thus it is necessary to install output filters in the multilevel inverter. In this paper a filter design approach for the harmonic and noise reduction the three phase induction motor driving system using H-bridge 7-level inverter system is presented. The passive filter that has low cost and simple structure and can effectively reduce harmonics and noise, is designed and applied to the three phase induction motor drive having multilevel inverter system. The designed system is implemented and verified by simulation and experiments.
In general, the generated harmonics and noise of the PWM inverter are affected by PWM switching method, switching frequency, dv/dt and di/dt. Since multilevel inverters are often applied to the high power system, and operates with low switching frequency, theyproduce large size of harmonic contents and noise. Thus it is necessary to install output filters in the multilevel inverter. In this paper a filter design approach for the harmonic and noise reduction the three phase induction motor driving system using H-bridge 7-level inverter system is presented. The passive filter that has low cost and simple structure and can effectively reduce harmonics and noise, is designed and applied to the three phase induction motor drive having multilevel inverter system. The designed system is implemented and verified by simulation and experiments.
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문제 정의
그러나 유도전동기는 주파수의 변화에 따라 전동기 내부 임피던스도 변화하므로 토크부족이나 과여자로 인한 자기포화 현상이 발생할 수 있다. 따라서 본 논문에서는 주파수를 변화시킬 때, 인버터 출력전압을 동시에 제어함으로써 전동기 자속을 일정하게 유지하고 효율을 저하시키지 않기 위해 출력전압을 주파수에 비례하여 제어하였다. 시뮬레이션 또한 이와 동일한 가정 하에서 수행되었다.
본 논문에서는 H-bridge 7레벨 인버터를 이용한 3 상 유도전동기 구동시스템의 노이즈 저감을 위한 출력필터를 설계하고 이를 제작하여 실험하였다. 설계된 출력필터를 설치한 경우와 설치하지 않은 경우의 커먼모드 전압, 출력전류 및 선간전압 출력 파형과 FFT 파형을 측정하여 비교 및 분석하였다.
스위칭 입력 신호는 하나의 기준신호 (reference signal)와 6개의 캐리신호(carrier 1, 2, 3, 4, 5, 6)와 비교되어 발생되었다. 본 논문에서는 스위칭 소자를 위한 PWM 게이트 신호를 발생하기 위해 기준 1.2[kHz]의 캐리신호와 비교되었다.
가설 설정
(b) 선간전압 출력파형을 보여주고 있다. 그림 20 은 LC출력 필터가 있는 경우 출력전류, 선간전압의 FFT분석 파형을 보여준다.
제안 방법
본 논문에서 앞 절에 예시된 H-bridge 멀티 레벨인버터 시스템과 필터설계의 타당성을 입증하기 위해 TMS320C31 DSP와 3상 4극 1670[r/min] 유도 전동기를 사용하여 V压제어 운전 실험을 수행하였다. 실험과 시뮬레이션에 사용된 파라미터는 표 1에서 보여 준다.
본 논문에서는 H-bridge 7레벨 인버터를 사용한 3 상 유도 전동기 구동 시스템에서의 고조파 성분과 노이즈 저감을 위한 출력필터를 설계하였다. 효과적으로 고조파를 감소시킬 수 있는 가격이 저렴하고 구조가 간단한 수동필터를 설계하고 이를 멀티레벨 인버터에 적용하여 스위칭 주파수 가변에 따른 출력 전류의 FFT분석을 수행하였다.
설계된 출력필터를 설치한 경우와 설치하지 않은 경우의 커먼모드 전압, 출력전류 및 선간전압 출력 파형과 FFT 파형을 측정하여 비교 및 분석하였다. 멀티레벨 인버터의 특성상 동일 스위칭 주파수라면 멀티레벨 인버터의 출력이 일반적인 2레벨 인버터의 출력보다 고조파 성분이 낮으나, 고전력 시스템에 적용하는 경우는 스위칭 주파수가 2레벨 인버터의 경우 보다 훨씬 낮은 주파수로 되므로 멀티레벨 인버터는 높은 저주파수의 고조파 성분과 노이즈를 갖는 특성을 나타낸다.
효과적으로 고조파를 감소시킬 수 있는 가격이 저렴하고 구조가 간단한 수동필터를 설계하고 이를 멀티레벨 인버터에 적용하여 스위칭 주파수 가변에 따른 출력 전류의 FFT분석을 수행하였다.
성능/효과
(b) 선간전압 출력파형을 보여주고, 필터가 없는 경우 출력 전류파형은 7레벨 멀티레벨 인버터를 사용함에 따라 고조파가 감소된 것을 알 수 있으며, 출력 선간전압은 멀티레벨의 형태로 출력됨을 확인할 수 있다. 그림 17은 LC필터가 없는 경우 출력전류, 선간전압의 FFT분석 파형을 보여주고 있다.
3[dB]에서 약 600[kHz]의 차단주파수를 갖고 위상이득은 대략 86[°] 정도인 것을 확인할 수 있었다
6[V]이다. 본 실험 결과에서 보듯이 필터를 설치하지 않은 경우 출력 전류의 주된 고조파 성분인 3고조파(0.083[A]), 21고조파 (스위칭 노이즈, 0.166IA])가 필터를 설치한 경우 거의 0[A]로 나타나는 것을 확인할 수 있다. 또한 커먼모드 전압은 필터를 설치하지 않은 경우 10[V]이었으나 필터를 설치 한 경우 8.
따라서 출력 필터를 설치할 필요성 이 2 레벨 인버터에 비해 높아진다. 제시된 “출력 필터를 설치한 경우 출력 전류의 노이즈와 커먼모드 전압 노이즈가 감소함을 시뮬레이션과 실험결과를 통해 보여 주었다.
필터를 사용한 경우가 사용하지 않은 경우에 비해 약 0.03[ms〕정도 더 빨리 과도상태에서 벗어나 안정 상태로 접어든다는 것을 확인하였다. 그림 14는 그림 13에서 측정된 출력파형의 FFT분석 파형을 보여준다 필터를 설치하지 않은 경우에 비해 고조파는 감소되었음을 확인할 수 있다.
참고문헌 (4)
von Jouanne, A.; Enjeti, P.N.; 'Design considerations for an inverter output filter to mitigate the effects of long motor leads in ASD applications', Industry Applications, IEEE Transactions on Vol. 33, Issue 5, Sept.-Oct. 1997 pp:1138-1145
Xudong Huang, Pepa. E., Jih-Sheng Lai, Shaotang Chen, Nehl. T.W, 'Three-phase inverter differential mode EMI modeling and prediction in frequency domain', Industry Applications Conference, 2003. Vol.3 pp.2048-2055
Hirofumi Akagi, Hiroshi Hasegawa, Takafumi Doumoto, 'Design and Perform- ance of a Passive EMI Filter for Use With a Voltage-Source PWM Inverter Having Sinusoidal Output Voltage and Zero Common Mode Voltage', IEEE Transaction on power electronics, Vol.19, No.4, July 2004, pp:1069-1076
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