[논문]초고속 및 대용량 전동기 구동을 위한 PWM 인버터 병렬 운전에 관한 연구

조운관; 임정식; 설승기

doi:10.6113/tkpe.2010.15.3.244

초고속 및 대용량 전동기 구동을 위한 PWM 인버터 병렬 운전에 관한 연구
A Study on Parallel Operation of PWM Inverters for High Speed and High Power Motor Drive System 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.15 no.3, 2010년, pp.244 - 251

조운관 (서울대 전기컴퓨터공학부) , 임정식 (서울대 전기컴퓨터공학부) , 설승기 (서울대 전기컴퓨터공학부)

초록
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최근 초고속 전동기는 시스템의 크기를 줄이고 에너지 변환 효율을 높이고자 산업계에서 많이 쓰이고 있다. 그러나 초고속 전동기의 경우 상 인덕턴스($L_s$)가 기존의 저속 모터의 상 인덕턴스에 비해 매우 작기 때문에 PWM에 의한 전류 맥동이 커지게 되고, 이로 인해 철손이 기존의 저속 전동기에 비해 커지는 문제점이 존재한다. 본 논문에서는 9개의 결합 인덕터를 이용하여 3개의 PWM 인버터 병렬 운전 방법을 제안한다. 제안된 방법은 기존의 하나의 인버터를 사용할 때에 비해 전류 맥동은 크게 줄일 수 있으며, 인덕터에 의한 전압 강하는 방지할 수 있다. 본 논문에서는 제안한 시스템의 출력 전압을 수식을 통해 분석한 후, 실험 결과를 통해 유효성을 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

High speed motors have been widely used in industries to reduce system size and improve power conversion efficiency. However, the high speed motors sometimes suffer from core losses caused by PWM current ripple; noting that the phase inductance, $L_s$, of high speed motor is smaller than that of ordinary motors. In the proposed topology, three PWM inverters are connected in parallel through nine coupled inductors. Compared to the PWM current ripple of the conventional single inverter system, that of the proposed scheme can be conspicuously reduced without the voltage drop at the inductors. In this paper a theoretical analysis of the output voltage of the proposed topology is presented, and then the validity of the proposed method is verified by experimental results.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 PWM에 의한 전류 맥동을 줄이기 위해 결합 인덕터를 이용한 인버터 병렬 운전 방법을 제안하였다. 제안한 방법은 3개의 PWM 인버터가 9개의 결합 인덕터를 이용하여 연결된 구조이다.
그리고 맥동전류는 속도뿐만 아니라 대용량 인버터의 제한된 스위칭 주파수로 인해 그 영향이 더욱더 커지게 된다. 본 논문에서는 이러한 손실을 야기하는 전류 맥동 성분은 줄이면서 전동기 구동 시스템의 용량을 증가시킬 수 있는 새로운 PWM 인버터 병렬 운전 방법을 제안한다. 제안된 병렬 운전 방법의 출력 전압을 수식을 이용하여 분석한 후, 실험 결과를 통해 제안된 방법의 유효성을 검증한다.
전류가 서로 다른 방향으로 흐를 경우에는 결합 인덕터는 자기 인덕턴스와 상호(Mutual) 인덕턴스의 합으로 작용을 하게 되고, 전류가 같은 방향으로 흐를 경우에는 결합 인덕터가 자기 인덕턴스와 상호 인덕턴스의 차, 즉 누설(Leakage) 인덕턴스로 작용을 하게 된다. 이와 같은 결합 인덕터의 특징을 이용하여 제안된 방법은 부하측으로 흐르는 기본파 전류에 대해서는 결합 인덕터의 영향을 최소화 하고자 하였고, 인터리빙 운전 즉 순시적인 극전압 차이로 인해 생성되는 순환 전류에 대해서는 결합 인덕터의 영향을 극대화하여 억제하고자 하였다.

제안 방법

이와 같이 제작된 인버터를 이용하여 그림 8과 같이 유도기와 직류기로 구성된 시스템을 구동하였다. 실제 제어에는 유도기를 사용하였으며, 직류기로는 일정 출력을 모의하였다. 실험에 사용된 유도기의 제정수 값과 운전 조건은 각각 표 2 ,3과 같다.
이와 같은 실험 조건 하에 하나의 인버터를 이용하여 유도기를 구동하였을 경우와 제안한 방법으로 구동하였을 경우에 대해 각각 실험을 수행하였다
전체 시스템의 구성은 3개의 PWM 인버터의 출력단이 9개의 결합 인덕터와 연결되어 있으며, PWM 인버터는 스위칭에 의한 전류 맥동을 줄이고자 인터리빙 운전을 하게 된다. 인버터의 출력측에 연결되어 있는 결합 인덕터는 각 인버터의 출력 전류가 전동기 측으로 흐르게 될 경우 누설 인덕턴스로만 작용을 하여 인덕터에 의한 전압 강하를 최소화 하는 반면, 인터리빙 운전으로 인한 인버터간 순시적인 전압 차이로 인해 생성되는 순환 전류에 대해서는 자기 인덕턴스(self inductance)와 상호 인덕턴스(mutual indcutance)의 합으로 작용을 하여 순환 전류를 최소화 하고자 한다.
그림 1은 제안된 병렬 운전 방법의 회로도를 나타낸 것이다. 전체 시스템의 구성은 3개의 PWM 인버터의 출력단이 9개의 결합 인덕터와 연결되어 있으며, PWM 인버터는 스위칭에 의한 전류 맥동을 줄이고자 인터리빙 운전을 하게 된다. 인버터의 출력측에 연결되어 있는 결합 인덕터는 각 인버터의 출력 전류가 전동기 측으로 흐르게 될 경우 누설 인덕턴스로만 작용을 하여 인덕터에 의한 전압 강하를 최소화 하는 반면, 인터리빙 운전으로 인한 인버터간 순시적인 전압 차이로 인해 생성되는 순환 전류에 대해서는 자기 인덕턴스(self inductance)와 상호 인덕턴스(mutual indcutance)의 합으로 작용을 하여 순환 전류를 최소화 하고자 한다.
제안된 방법에서 이용한 결합 인덕터에서 발생하는 전압 강하를 측정하기 위해 인버터 출력 측에서 바라본 인덕턴스의 값을 측정하였다. 측정 방법은 하나의 인버터를 이용하였을 경우에는 실험에 사용된 유도기의 입력 측에 구형파 전압을 인가하여 전류의 증감을 측정을 하였고, 이때의 인덕턴스의 값은 유도기의 고정자 과도 인덕턴스(Stator transient inductance), L_σ, 값을 의미한다.
측정 방법은 하나의 인버터를 이용하였을 경우에는 실험에 사용된 유도기의 입력 측에 구형파 전압을 인가하여 전류의 증감을 측정을 하였고, 이때의 인덕턴스의 값은 유도기의 고정자 과도 인덕턴스(Stator transient inductance), L_σ, 값을 의미한다. 제안된 방법을 이용하였을 경우에도 같은 방법으로 구형파 전압을 인가하여 전류의 증감을 측정하였고, 이때 측정된 인덕턴스의 값은 결합 인덕터의 인덕턴스와 유도기의 인덕턴스의 합을 의미한다.
제안된 방법의 타당성을 검증하기 위하여 결합 인덕터를 분말 자성코어(high-flux core)와 리츠 와이어(Litz wire)를 이용하여 제작하였다. 제작 설계 목표치를 57uH로 선정 후 그림 6과 같이 직접 제작하였고, RLC 미터를 이용하여 제정수를 측정하였다.
본 논문에서는 PWM에 의한 전류 맥동을 줄이기 위해 결합 인덕터를 이용한 인버터 병렬 운전 방법을 제안하였다. 제안한 방법은 3개의 PWM 인버터가 9개의 결합 인덕터를 이용하여 연결된 구조이다. 인터리빙 운전으로 인해 부하로 출력되는 전류의 맥동 성분은 하나의 인버터를 이용하여 구동할 때에 비해 현저히 줄어들게 된다.
측정 방법은 하나의 인버터를 이용하였을 경우에는 실험에 사용된 유도기의 입력 측에 구형파 전압을 인가하여 전류의 증감을 측정을 하였고, 이때의 인덕턴스의 값은 유도기의 고정자 과도 인덕턴스(Stator transient inductance), Lσ, 값을 의미한다.

데이터처리

본 논문에서는 이러한 손실을 야기하는 전류 맥동 성분은 줄이면서 전동기 구동 시스템의 용량을 증가시킬 수 있는 새로운 PWM 인버터 병렬 운전 방법을 제안한다. 제안된 병렬 운전 방법의 출력 전압을 수식을 이용하여 분석한 후, 실험 결과를 통해 제안된 방법의 유효성을 검증한다.

성능/효과

따라서 이와 같은 값은 결합 인덕터의 자기 인덕턴스에 비해 매우 작은 값이므로 제안된 방법을 이용하면 결합 인덕터에서의 전압 강하는 최소화하면서, 전류의 맥동 성분을 줄일 수 있음을 의미한다.
따라서 제안한 방법의 경우 스위칭 상태에 따라 총 4단계의 극전압 -V_dc/2, -V_dc/6, V_dc/6, V_dc/2을 출력할 수 있고, 이를 이용하여 스위칭 주기동안 출력 전압을 합성하게 됨을 알 수 있다. 이와 같은 총 4단계의 극전압을 조합하여 출력 선간 전압은 -V_dc, -2V_dc/3, -V_dc/3, 0, V_dc/3, 2V_dc/3, V_dc와 같이 7단계의 전압이 출력된다.
따라서 제안한 방법이 기존의 하나의 인버터를 이용하여 구동할 때에 비해 전류의 맥동성분을 감소시키는 데에 있어서 장점을 가지고 있다는 것을 보여준다.
인터리빙 운전으로 인해 부하로 출력되는 전류의 맥동 성분은 하나의 인버터를 이용하여 구동할 때에 비해 현저히 줄어들게 된다. 또한 결합 인덕터의 양단에 공통 모드 전류가 흐를 경우, 인덕터는 누설 인덕턴스만을 나타내게 되어 결합 인덕터에서의 전압 강하는 무시할 정도로 작음을 실험을 통해 검증하였다. 또한 인터리빙 운전으로 생성되는 순환 전류는 전압 방정식을 이용하여 예상이 가능하며, 결합 인덕터의 자기 인덕턴스 값을 이용하여 제한이 가능함을 확인하였다.
또한 결합 인덕터의 양단에 공통 모드 전류가 흐를 경우, 인덕터는 누설 인덕턴스만을 나타내게 되어 결합 인덕터에서의 전압 강하는 무시할 정도로 작음을 실험을 통해 검증하였다. 또한 인터리빙 운전으로 생성되는 순환 전류는 전압 방정식을 이용하여 예상이 가능하며, 결합 인덕터의 자기 인덕턴스 값을 이용하여 제한이 가능함을 확인하였다.
하나의 인버터를 이용하여 구동하였을 경우 상전류 파형에는 스위칭으로 인한 많은 전류의 맥동 성분이 포함되어 있는 것을 알 수 있고, FFT 결과에서도 샘플링 주파수에 해당하는 전류의 맥동 성분이 많이 포함되어 있는 것을 알 수 있다. 이에 반해 제안된 방법으로 구동하였을 경우에는 스위칭에 의한 전류의 맥동성분이 현저히 감소함을 알 수 있다.
하나의 인버터를 이용하여 구동하였을 경우 상전류 파형에는 스위칭으로 인한 많은 전류의 맥동 성분이 포함되어 있는 것을 알 수 있고, FFT 결과에서도 샘플링 주파수에 해당하는 전류의 맥동 성분이 많이 포함되어 있는 것을 알 수 있다. 이에 반해 제안된 방법으로 구동하였을 경우에는 스위칭에 의한 전류의 맥동성분이 현저히 감소함을 알 수 있다.
/2 두 가지의 극전압을 출력으로 얻을 수 있다. 하지만 제안된 방법의 경우, 각상의 인덕턴스 값이 평형을 이루고 있다면, 인터리빙 운전으로 인해 4 단계의 극전압이 출력됨을 알 수 있다. 그림 5는 스위칭 상태에 따른 상당 등가회로를 나타낸 것이고, 이에 따른 출력 극전압은 표 1과 같다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	대용량 인버터의 경우 병렬운전이 반드시 필요한 이유는?	이와 같은 시스템의 경우 용량이 수십 MW, 정격 속도는 수만 r/min에 이르기도 하기 때문에 인버터의 운전 주파수는 수 kHz에 이르게 된다. 그러나 대용량 인버터의 경우 사용되는 전력용 반도체의 스위칭 손실로 인해 스위칭 주파수가 제한되어 있기 때문에 병렬 운전이 반드시 필요하게 된다.
	PWM에 의한 전류 맥동을 줄이기 위해 결합 인덕터를 이용한 인버터 병렬 운전 방법의 구조는?	본 논문에서는 PWM에 의한 전류 맥동을 줄이기 위해 결합 인덕터를 이용한 인버터 병렬 운전 방법을 제안하였다. 제안한 방법은 3개의 PWM 인버터가 9개의 결합 인덕터를 이용하여 연결된 구조이다. 인터리빙 운전으로 인해 부하로 출력되는 전류의 맥동 성분은 하나의 인버터를 이용하여 구동할 때에 비해 현저히 줄어들게 된다.
	초고속 전동기의 문제점은?	최근 초고속 전동기는 시스템의 크기를 줄이고 에너지 변환 효율을 높이고자 산업계에서 많이 쓰이고 있다. 그러나 초고속 전동기의 경우 상 인덕턴스($L_s$)가 기존의 저속 모터의 상 인덕턴스에 비해 매우 작기 때문에 PWM에 의한 전류 맥동이 커지게 되고, 이로 인해 철손이 기존의 저속 전동기에 비해 커지는 문제점이 존재한다. 본 논문에서는 9개의 결합 인덕터를 이용하여 3개의 PWM 인버터 병렬 운전 방법을 제안한다.

참고문헌 (4)

W. L. Soong et al., "Novel high speed induction motor for a commercial centrifugal compressor", IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 36, Issue 3, pp. 706-713, 2000, May/June.

상세보기
M. Mekhiche, J. L. Kirtley, M. Tolikas, E, Ognibene, J. Kiley, E. Holmansky, and F. Nimblett, "High speed motor drive development for industry application", in Conf. Rec. IEMD'99 pp. 244-248, 1999. May.
Bon-Ho Bae, Seung-Ki Sul, Jeong-Hyeck Kwon, Ji-Seob Byeon, "Implementation of Sensorless Vector Control for Super-High-Speed PMSM of Turbo-Compressor", IEEE Trans. Ind. Appl., Vol. 39, Issue 3, pp. 811-818, 2003, May/June.

상세보기
Chen Liangliang, Xiao Lan, Hu Wenbin, Yan Yangguang, "Application of coupled inductors in parallel inverter system", Electrical Machines and System, 2003. ICEMS 2003. Sixth International Conf. Vol. 1, pp. 398-401, 2003, Nov.

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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