[논문]RCF-PWM을 이용한 IPMSM 기반 차세대 고속철도 구동 인버터 시스템의 소음원 고조파 저감

김성제; 진강환; 이상현; 김윤호

doi:10.7782/jksr.2012.15.3.244

RCF-PWM을 이용한 IPMSM 기반 차세대 고속철도 구동 인버터 시스템의 소음원 고조파 저감
Noise Harmonic Reduction of IPMSM Based Next Generation High Speed Railway System using RCF-PWM 원문보기

한국철도학회 논문집 = Journal of the Korean Society for Railway, v.15 no.3 = no.70, 2012년, pp.244 - 250

김성제 (중앙대학교 공과대학 전자전기공학부) , 진강환 (중앙대학교 공과대학 전자전기공학부) , 이상현 (중앙대학교 공과대학 전자전기공학부) , 김윤호 (중앙대학교 공과대학 전자전기공학부)

초록
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본 논문에서는 차세대 고속철도 구동 인버터 시스템의 고조파로 인한 전자기적 소음을 줄이기 위해 RCF-PWM(Random Carrier Frequency Pulse Width Modulation)을 적용한 인버터 구동시스템을 개발하였다. RCF-PWM 방식은 인버터 스위칭 주파수를 전력용 반도체의 최대 스위칭 주파수와 최소 스위칭 주파수 사이에서 임의적으로 변화시키며 PWM을 수행하는 방법이다. 본 연구의 타당성을 확인하기위해서 RCF-PWM이 적용된 차세대 고속전철 시스템을 설계하여 MATLAB/Simulink 기반의 시뮬레이터를 개발하고 이를 이용하여 일정한 스위칭 주파수를 사용하는 정규적인 SVPWM 방식과 RCF-PWM 방식의 시험결과를 비교 분석하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, The next Generation High Speed Railway Inverter system using RCF-PWM(Random Carrier Frequency Pulse Width Modulation) was developed to reduce electromagnetic noise. RCF-PWM method is randomized the switching frequency in the range between Semiconductor switching devices' maximum switching frequency and minimum switching frequency, Simulation program has been built using MATLAB/Simulink to verify the validity of study. Finally, the simulation results of Next Generation High Speed Railway inverter system using the RCF method was compared with the conventional SVPWM method.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

RCF방식은 랜덤수를 사용하여 삼각파의 주파수를 변경 하는 방식이므로, 캐리어 주파수 입력부와 캐리어 주파수의몇 % 제한 내에서 랜덤한 주파수를 발생할 것 인지를 결정하는 퍼센트 입력부 및 삼각파의 꼭지점을 중앙으로 유지하기 위한 입력부가 필요하다. 랜덤 수 발생기는 -1에서 1사이에서 선택되도록 설정하였으며 퍼센트 입력부의 캐리어 주파수 변동제한 값에 이를 곱하여 S-function 블록으로 랜덤 주파수를 가지는 캐리어 파형을 생성하였다.
본 논문에서는 Matlab/Simulink를 이용하여 실제 적용 예정인 IPMSM 및 인버터 사양을 적용한 차세대 고속철도 구동 시스템을 모델링하고 정규적인SVPWM 방식과RCF-PWM 방식을 적용하여 지령속도 600rpm과 1500rpm경우 출력 상전류를 대상으로 고조파 스펙트럼을 비교 분석하였다.
본 논문에서는 RCF-PWM이 적용된 차세대 고속전철 시스템을 설계하여 Matlab/Simulink 기반의 시뮬레이터를 개발하고 이를 이용하여 일정한 스위칭 주파수를 사용하는 정규적인 SVPWM 방식과 RCF-PWM 방식의 시험결과를 비교 분석한다.
본 논문에서는 그림 9와 같이 MATLAB/Simulink를 이용하여 차세대 고속철도의 견인 전동기 구동 시스템을 구현하였다. 차세대 고속철도 시스템에 적용 예정인 표 1의 전동기 파라미터를 이용하여 IPMSM을 모델링 하였다.
본 논문에서는 캐리어 주파수를 매 스위칭 구간마다랜덤 하게 변경시킴으로써 고정주파수 PWM에 의한 특정 주파수대역에 집중된 고조파를 광대역으로 분포 시키는 RCF-PWM 방식을 SVPWM 기반으로 구현한다. SVPWM은 주어진 인버터 직류 전압 하에서 전압 이용률이 높아 가장 큰 교류 전압을 얻을 수 있고 변조된 출력 전압이 인가된 경우 부하전류에 포함된 고조파가 다른 종류의 전압변조 방식 보다 적은 장점이 있다.
일정한 주파수를 갖는 삼각파 형태의 캐리어 신호를 사용하는 기존 SVPWM 방식과 달리 RCF방식은 랜덤한 주파수를 갖는 캐리어 신호를 사용하게 된다. 이를 MATLAB/ Simulink 프로그램을 이용하여 그림 7과 같이 랜덤 캐리어를 발생시키는 시뮬레이터를 구현하였다.
차세대 고속철도 시스템 시뮬레이터를 통하여 지령속도 600rpm, 1500rpm을 인가하여 정규적인 변조 방식(SVPWM)과 RCF-PWM 방식의 고조파 스펙트럼을 비교 분석 한다. RCF-PWM 방식은 고정 스위칭 주파수(650Hz)를 기준으로 주파수 변동 제한에 따라 고조파 저감 성능을 알아보기 위하여 ±10%, ±30%, ±50%의 주파수 변동 제한을 적용하여 동작하게 하였다.
본 논문에서는 그림 9와 같이 MATLAB/Simulink를 이용하여 차세대 고속철도의 견인 전동기 구동 시스템을 구현하였다. 차세대 고속철도 시스템에 적용 예정인 표 1의 전동기 파라미터를 이용하여 IPMSM을 모델링 하였다. 인버터 변조방식은 일정한 스위칭 주파수를 사용하는 SVPWM방식과 RCF-PWM 방식을 각각 적용하고 인버터 DC전압 2800V, 스위칭 주파수 650Hz, 스위치로는 IGBT를 사용하였다.

이론/모형

이 방식은 스위칭 주파수의 정수배에 해당하는 대역에서 강한 고조파 성분이 나타나는데 이는 전자기적 소음과 진동을 유발한다. 이에 대한 해결 방안으로 고속철도 구동 인버터 시스템에 RPWM 방식을 적용한다. RPWM 방식은 랜덤 수를 이용하여 펄스의 위치나 스위칭 주파수를 랜덤하게 변경 함 으로써 특정 주파수 대역에 집중된 고조파 성분을 광대역화 시킬 수 있다.
차세대 고속철도 시스템에 적용 예정인 표 1의 전동기 파라미터를 이용하여 IPMSM을 모델링 하였다. 인버터 변조방식은 일정한 스위칭 주파수를 사용하는 SVPWM방식과 RCF-PWM 방식을 각각 적용하고 인버터 DC전압 2800V, 스위칭 주파수 650Hz, 스위치로는 IGBT를 사용하였다.

성능/효과

600rpm의 경우 고조파 성분 최대치를 정규적인 SVPWM 방식 대비 RCF(±10%) PWM 방식은 67.4% 감소, RCF (±30%) PWM 방식은 82.6% 감소, RCF(±50%) PWM 방식은 76.0%가 감소할 수 있었다.
주파수 변동 제한(±10%, ±30%, ±50%)를 갖는 RCF-PWM 방식 모두 정규적인 SVPWM에 의해 발생한 특정 주파수에 집중된 고조파 성분을 67%이상 감소시켜 인버터 동작에 의한 전자기적 소음을 줄일 수 있을 것으로 예상된다. 그 중±30%까지의 주파수 변동 제한을 갖는 RCF-PWM 방식이 지령속도 600rpm과 1500rpm 조건 모두 가장 좋은 성능을 내는 것을 확인 하였다.
그 중에서도 주파수 변동 제한 ±30%를 갖는 RCF-PWM 방식이 정규적인 SVPWM 방식에 의한 집중된 고조파 성분을 줄이는데 가장 좋은 성능을 나타내고 있음을 확인하였다.
그중에서도 주파수 변동 제한 ±30%를 갖는 RCF-PWM 방식이 정규적인 SVPWM 방식에 의한 집중된 고조파 성분을 줄이는데 가장 좋은 성능을 나타내고 있음을 확인하였다.
또한, 1500rpm 경우도 정규적인 SVPWM 방식 대비 RCF(±10%) PWM 방식은 73.2%감소, RCF (±30%) PWM 방식은 80.5% 감소, RCF(±50%) PWM 방식은 78.0%가 감소하였다.
시뮬레이션 결과를 종합하여 살펴보면, 주파수 변동 제한 ±10%, ±30%, ±50%를 갖는 RCFPWM 방식 모두 고정스위칭 주파수로 동작하는 정규적인 SVPWM 방식보다 집중된 고조파 성분을 크게 감소시키는 결과를 나타내었다.
시뮬레이션 결과를 종합하여 살펴보면, 주파수 변동제한 ±10%, ±30%, ±50%를 갖는 RCF-PWM 방식 모두 고정스위칭 주파수로 동작하는 정규적인 SVPWM 방식보다 집중된 고조파 성분을 크게 감소시키는 결과를 나타내었다.
주파수 변동 제한(±10%, ±30%, ±50%)를 갖는 RCF-PWM 방식 모두 정규적인 SVPWM에 의해 발생한 특정 주파수에 집중된 고조파 성분을 67%이상 감소시켜 인버터 동작에 의한 전자기적 소음을 줄일 수 있을 것으로 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	현재 고속철도 구동 인버터 시스템은 어떤 방식을 사용하는가?	국내 고속철도 분야에서는 영업속도 370km/h, 시험 최고 속도 400km/h 급 매입형 영구자석 동기전동기(IPMSM: Interior Permanent Magnet Synchronous Machine)이 적용된 차세대 고속철도시스템을 개발하고 있다. 현재 고속철도 구동 인버터 시스템은 일정한 스위칭 주파수를 갖는 PWM 방식을 사용한다. 일정한 주파수를 갖는 PWM은 전력변환 시전류제어의 주기를 일정하게 함으로써 전류제어기의 디지털화를 용이하게 하는 장점을 갖고 있으나, 고조파 성분이 스위칭 주파수의 정수배에 해당되는 대역에 집중 되어 토크맥동과 전자기적 가청 스위칭 소음을 유발하는 단점이 있다[1,2].
	RCF-PWM 방식이란?	본 논문에서는 차세대 고속철도 구동 인버터 시스템의 고조파로 인한 전자기적 소음을 줄이기 위해 RCF-PWM(Random Carrier Frequency Pulse Width Modulation)을 적용한 인버터 구동시스템을 개발하였다. RCF-PWM 방식은 인버터 스위칭 주파수를 전력용 반도체의 최대 스위칭 주파수와 최소 스위칭 주파수 사이에서 임의적으로 변화시키며 PWM을 수행하는 방법이다. 본 연구의 타당성을 확인하기위해서 RCF-PWM이 적용된 차세대 고속전철 시스템을 설계하여 MATLAB/Simulink 기반의 시뮬레이터를 개발하고 이를 이용하여 일정한 스위칭 주파수를 사용하는 정규적인 SVPWM 방식과 RCF-PWM 방식의 시험결과를 비교 분석하였다.
	PWM 방식의 소음 단점을 해결하기 위해 도입된 방법은?	일정한 주파수를 갖는 PWM은 전력변환 시전류제어의 주기를 일정하게 함으로써 전류제어기의 디지털화를 용이하게 하는 장점을 갖고 있으나, 고조파 성분이 스위칭 주파수의 정수배에 해당되는 대역에 집중 되어 토크맥동과 전자기적 가청 스위칭 소음을 유발하는 단점이 있다[1,2]. 이를 해결하기 위하여 도입된 방법으로 RPWM(Random Pulse Width Modulation) 방식이 있다. RPWM 방식은 주파수 및 펄스 위치를 제한 범위 내에서 랜덤하게 변경시키는 방식으로 특정 주파수대역에 집중된 고조파를 넓은 대역으로 분산시킨다.

참고문헌 (9)

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상세보기
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상세보기
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