[논문]철도차량용 스위치드 릴럭턴스 전동기의 설계 및 속도제어에 관한 연구

조희; 김경화

doi:10.7782/jksr.2012.15.3.237

철도차량용 스위치드 릴럭턴스 전동기의 설계 및 속도제어에 관한 연구
A Study on the Design and Speed Control of the Switched Reluctance Motor for Railway Traction Application 원문보기

한국철도학회 논문집 = Journal of the Korean Society for Railway, v.15 no.3 = no.70, 2012년, pp.237 - 243

조희 (서울과학기술대학교 철도전문대학원 철도전기신호공학과) , 김경화 (서울과학기술대학교 정보통신대학 전기정보시스템공학과)

초록
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3차원 유한요소법을 이용하여 엔드코일 효과를 고려한 SRM의 자계해석을 수행하였다. 고정자 극 형상에 따른 자계특성의 비교를 통하여 제안된 형상에서 자계특성이 향상됨을 확인하였다. 해석한 자계특성을 적용하여 철도부하에 대한 PI 제어기와 슬라이딩모드 제어기의 속도제어를 수행하였다. 속도 제어 시뮬레이션은 Matlab-Simulink를 사용하여 구현되었으며 부하 가변 조건에서 슬라이딩모드 제어기가 PI 제어기에 비해 더 우수한 과도응답 및 정상상태응답을 나타냄을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, a magnetic analysis of SRM(Switched Reluctance Motor) using 3d finite element method considering end-coil effect is presented. SRM models with different stator pole shapes are taken into consideration for the analysis of magnetic characteristics. It is observed that a stator pole shape model having a pole shoe depth is the most suitable one for railway traction application because it gives an improved inductance and torque characteristic. For a speed control of SRM, the PI and sliding mode controllers are applied to designed SRM with magnetic characteristic data obtained from the magnetic analysis. The simulations are carried out using Matlab-Simulink and the control performance is analyzed. By employing the sliding mode controller, the transient response as well as the steady-state error are much improved under a load variation of railway resistance under operation.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 월미도 모노레일에 사용되고 있는 100kW급 BLDCM의 사양을 만족하는 SRM을 설계하여 그 특성을 비교한다. SRM의 고정자 형상에 따른 자계해석을 수행하였으며 설계한 SRM의 결과값을 이용하여 속도 제어기를 설계하였다.

가설 설정

시뮬레이션은 일정한 권선 전류에 대해 각각의 회전자 위치에서 자계 해석을 하였다. SRM은 성층구조로 되어 있어 와류가 발생하지 않으며, 권선의 전류 밀도는 일정하다고 가정하였다. 3상 6/4 SRM의 한 주기는 30°이며, 시뮬레이션은 비정렬 위치인 0°부터 정렬위치인 45°까지 수행하였다.
성층구조의 철판은 도전율 σ가 0이며 와류(eddy current)가 생기지 않는다고 가정하였고 히스테리시스 특성은 무시하였다.
모델링한 SRM의 동적 모델을 이용하여 슬라이딩모드 제어기를 설계한다. 이때, 부하 및 매개변수 변동에 대해 강인한 슬라이딩모드 제어기를 설계하기 위해 다음과 같이 시스템의 관성, 마찰계수 및 부하토크의 변화를 가정한다.
하지만 2차원 유한요소법은 전동기의 회전자 축 방향을 z축으로 고려할 때, z축 방향으로 무한히 긴 모델을 가정하고 있기 때문에 z축 방향 성분의 자속을 0으로 간주한다. 즉, 권선은 z축 방향 성분만 존재하고 따라서 자속은 x축과 y축 성분만 존재한다고 가정한다. 하지만 3차원 유한요소법을 이용할 경우 2차원 모델에서 고려할 수 없는 엔드코일(end-coil)효과를 고려할 수 있어 더욱 정확한 해석이 가능하다.

제안 방법

이 장에서는 2장에서 얻은 SRM의 자속특성과 설계모델 및 3장에서 설계한 제어기를 통해 속도 제어 시뮬레이션을 수행하고 그 결과를 비교한다. PI 제어기와 슬라이딩모드 제어기를 설계하여 그 특성을 비교하였다.
본 논문에서는 월미도 모노레일에 사용되고 있는 100kW급 BLDCM의 사양을 만족하는 SRM을 설계하여 그 특성을 비교한다. SRM의 고정자 형상에 따른 자계해석을 수행하였으며 설계한 SRM의 결과값을 이용하여 속도 제어기를 설계하였다. 철도 부하 조건에서 속도 제어기의 성능을 평가하였으며 그 결과를 비교하였다.
다음으로 제어시뮬레이션에서는 100kW 3상 6/4 SRM을 설계하여 구한 데이터를 이용하여 속도제어 시뮬레이션을 수행하였다. 설계한 PI 제어기와 슬라이딩모드 제어기를 통해 무부하 및 부하시의 속도제어 시뮬레이션과 구형파 속도 명령에 대한 무부하 속도제어 시뮬레이션을 수행하였다.
본 논문에서는 3차원 유한요소법을 이용하여 SRM을 설계하였고 각 모델의 자계 특성을 비교하였다. 또 PI 제어기와 슬라이딩모드 제어기를 설계하였으며 그 설계방법을 제시하였고, SRM 설계 데이터를 이용하여 PI 제어기와 슬라이딩모드 제어기를 통해 각각 속도제어 시뮬레이션 수행하였다. 설계 시뮬레이션에서는 고정자 극 형상을 바꿔가며 설계를 하였고 각 모델의 토크 및 인덕턴스 특성을 비교 하였다.
모델링한 SRM의 동적 모델을 이용하여 슬라이딩모드 제어기를 설계한다. 이때, 부하 및 매개변수 변동에 대해 강인한 슬라이딩모드 제어기를 설계하기 위해 다음과 같이 시스템의 관성, 마찰계수 및 부하토크의 변화를 가정한다.
본 논문에서는 3차원 유한요소법을 이용하여 SRM을 설계하였고 각 모델의 자계 특성을 비교하였다. 또 PI 제어기와 슬라이딩모드 제어기를 설계하였으며 그 설계방법을 제시하였고, SRM 설계 데이터를 이용하여 PI 제어기와 슬라이딩모드 제어기를 통해 각각 속도제어 시뮬레이션 수행하였다.
또 PI 제어기와 슬라이딩모드 제어기를 설계하였으며 그 설계방법을 제시하였고, SRM 설계 데이터를 이용하여 PI 제어기와 슬라이딩모드 제어기를 통해 각각 속도제어 시뮬레이션 수행하였다. 설계 시뮬레이션에서는 고정자 극 형상을 바꿔가며 설계를 하였고 각 모델의 토크 및 인덕턴스 특성을 비교 하였다. 그 결과 기본형상의 모델에 비해 폴슈를 추가한 형상에서 향상된 자계특성을 얻을 수 있었다.
설계된 SRM을 이용하여 속도 제어 시뮬레이션을 수행하기 위해 4.2절에서 설계한 SRM의 회전자 위치에 따른 전류-자속곡선을 이용하여 SRM 모델 블록을 구성하였다. 해석한 SRM의 회전자 위치에 따른 전류-자속 곡선을 Fig.
다음으로 제어시뮬레이션에서는 100kW 3상 6/4 SRM을 설계하여 구한 데이터를 이용하여 속도제어 시뮬레이션을 수행하였다. 설계한 PI 제어기와 슬라이딩모드 제어기를 통해 무부하 및 부하시의 속도제어 시뮬레이션과 구형파 속도 명령에 대한 무부하 속도제어 시뮬레이션을 수행하였다. 그 결과 PI 제어기의 경우 무부하 조건에서 설계를 한 경우, 부하를 인가하였을 때 과도상태 응답 특성이 나빠지고 속도오차가 발생하는 것을 확인하였다.
폴슈를 추가한 형상의 인덕턴스가 증가하였다. 시뮬레이션은 일정한 권선 전류에 대해 각각의 회전자 위치에서 자계 해석을 하였다. SRM은 성층구조로 되어 있어 와류가 발생하지 않으며, 권선의 전류 밀도는 일정하다고 가정하였다.
그 결과 기본형상의 모델에 비해 폴슈를 추가한 형상에서 향상된 자계특성을 얻을 수 있었다. 시뮬레이션을 통해 제한된 공간에 권선을 감아야 하는 설계 조건에서 실제권선이 감기는 공간의 변화 없이 토크 발생량 및 발생구간을 늘릴 수 있는 방법을 제시하였다.
SRM의 고정자 형상에 따른 자계해석을 수행하였으며 설계한 SRM의 결과값을 이용하여 속도 제어기를 설계하였다. 철도 부하 조건에서 속도 제어기의 성능을 평가하였으며 그 결과를 비교하였다.

데이터처리

이 장에서는 2장에서 얻은 SRM의 자속특성과 설계모델 및 3장에서 설계한 제어기를 통해 속도 제어 시뮬레이션을 수행하고 그 결과를 비교한다. PI 제어기와 슬라이딩모드 제어기를 설계하여 그 특성을 비교하였다.

이론/모형

SRM의 자속, 인덕턴스 및 토크를 구하기 위해 먼저 맥스웰 방정식과 자기벡터포텐셜(magnetic vector potential)을 이용하여 자계분포를 구한다. 자속밀도와 자기벡터포텐셜에 대해 식 (1)과 같은 미분 방정식이 성립한다.

성능/효과

그 결과 PI 제어기의 경우 무부하 조건에서 설계를 한 경우, 부하를 인가하였을 때 과도상태 응답 특성이 나빠지고 속도오차가 발생하는 것을 확인하였다. 같은 조건에서 슬라이딩 모드 제어기의 경우 부하를 인가하여도 그 특성의 저하됨이 없이 원하는 속도에 추종함을 확인하였다. 슬라이딩모드 제어기를 사용할 경우 과도상태 응답 및 정상상태 오차가 개선되었음을 확인하였다.
설계한 PI 제어기와 슬라이딩모드 제어기를 통해 무부하 및 부하시의 속도제어 시뮬레이션과 구형파 속도 명령에 대한 무부하 속도제어 시뮬레이션을 수행하였다. 그 결과 PI 제어기의 경우 무부하 조건에서 설계를 한 경우, 부하를 인가하였을 때 과도상태 응답 특성이 나빠지고 속도오차가 발생하는 것을 확인하였다. 같은 조건에서 슬라이딩 모드 제어기의 경우 부하를 인가하여도 그 특성의 저하됨이 없이 원하는 속도에 추종함을 확인하였다.
설계 시뮬레이션에서는 고정자 극 형상을 바꿔가며 설계를 하였고 각 모델의 토크 및 인덕턴스 특성을 비교 하였다. 그 결과 기본형상의 모델에 비해 폴슈를 추가한 형상에서 향상된 자계특성을 얻을 수 있었다. 시뮬레이션을 통해 제한된 공간에 권선을 감아야 하는 설계 조건에서 실제권선이 감기는 공간의 변화 없이 토크 발생량 및 발생구간을 늘릴 수 있는 방법을 제시하였다.
12는 기준전류 200A일 때 a상의 전류명령과 실제 전류 응답을 나타낸 그래프이다. 설정한 on/off 스위칭 각도와 기준전류에 따라 상전류 명령을 만들고, 실제전류는 히스테리시스 전류 제어기를 통해 전류명령에 추종하는 것을 확인할 수 있다. Fig.
같은 조건에서 슬라이딩 모드 제어기의 경우 부하를 인가하여도 그 특성의 저하됨이 없이 원하는 속도에 추종함을 확인하였다. 슬라이딩모드 제어기를 사용할 경우 과도상태 응답 및 정상상태 오차가 개선되었음을 확인하였다.
열차 부하 인가 시에도 무부하시와 마찬가지로 50km/h에 수렴하는 것을 볼 수 있다. 이를 통해 PI 제어기를 사용했을 때 보다 슬라이딩모드 제어기를 사용했을 때 부하변화에 둔감해진 것을 확인할 수 있다.
두 제어기 모두 무부하시 구형파 속도 명령에 대해 추종하는 것을 볼 수 있다. 이를 통해 전동기의 정/역회전, 정/부토크 제어가 가능함을 확인할 수 있다.
BLDCM은 월미도 모노레일에 사용된 전동기 사양이다. 표에서 두 전동기는 외경과 성층길이는 같지만 SRM의 축방향 길이(axial length)가 약 0.72배 작아졌다. SRM은 고정자 극에 한상의 코일을 집중해서 감기 때문에 엔드코일의 길이를 줄일 수 있어서 전동기의 크기가 컴팩트해진다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	스위치드 릴럭턴스 전동기가 구동회로를 경제적으로 구현할 수 있는 이유는?	스위치드 릴럭턴스 전동기(Switched Reluctance Motor; SRM)는 회전자의 구조가 영구자석이나 권선이 없는 간단한 성층구조의 규소강판으로 되어 있어 기계적으로 견고하여 유지보수성이 매우 좋으며, 고정자 극에만 권선을 감기 때문에 엔드턴(end-turn)이 짧아지는 장점이 있다[1,2]. 또한 고정자의 상전류 극성을 바꿀 필요가 없기 때문에 스위칭 소자의 개수를 줄일 수 있어 구동회로를 경제적으로 구현할 수 있다[3]. 철도 견인전동기는 부하조건이 가혹하고, 콤팩트 하여야 하기 때문에 이 특성에 적합한 스위치드 럴럭턴스 전동기의 적용이 적극적으로 검토되고 있다.
	현재 철도차량 및 전기자동차용 견인전동기로는 무엇이 사용되는가?	최근 환경보호의 문제로 인해 전기철도 및 전기자동차용 견인전동기로 저비용, 고효율 및 고출력의 전동기에 대한 관심이 높아지고 있다. 현재 철도차량 및 전기자동차용 견인전동기로는 BLDCM(Brushless Direct Current Motor) 및IPMSM(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor)이 많이 사용되고 있다. 하지만 이들은 네오디뮴 등의 희토류계 영구자석을 필요로 한다.
	현재 영구자석의 대량공급이 어려워지고 있는 까닭은?	하지만 이들은 네오디뮴 등의 희토류계 영구자석을 필요로 한다. 최근 희토류의 공급제한과 가격상승으로 인해 영구자석의 대량공급이 어려워지고 있다[1].

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원문보기 상세보기
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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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