[논문]제3 고조파 전류성분의 영향을 고려한 5상 농형 유도전동기의 벡터제어 시스템

김민회; 김남훈

doi:10.5370/kieep.2012.61.4.206

제3 고조파 전류성분의 영향을 고려한 5상 농형 유도전동기의 벡터제어 시스템
A Vector Control System for Five-Phase Squirrel-Cage Induction Motor Considering Effects of 3rd Current Harmonics Component 원문보기

전기학회논문지. The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers. P, v.61 no.4, 2012년, pp.206 - 213

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This paper propose a improved speed control system for five-phase squirrel-cage induction motor(IM) considering effects of 3rd. harmonic current components with field oriented control(FOC) A five-phase IM drives present unique characteristics due to the additional degrees of freedom and also drives possess many others advantage compared with the traditional three-phase motor drive system, such as reducing a amplitude of torque pulsation at low frequency and increasing the reliability. In order to maximize the torque per ampere, the proposed motor has concentrated windings. The produced back-electromotive force is almost trapezoidal, and the motor is supplied with the combined sinusoidal plus third harmonic of currents. There is necessary to controlled 3rd harmonic current. For presenting the superior performance of the proposed the speed control system, experimental results are presented using a 32-bit fixed point TMS320F2812 DSP with 1.5[KW] induction motor.

주제어

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문제 정의

이에 따라 본 연구에서는 점차적으로 고성능화되고 있는 산업현장에서의 다양한 전동기제어 시스템들의 요구사항에 부합될 수 있는 제3 고조파 전류성분의 영향을 고려한 5상 농형 유도전동기의 회전자 자속기준 벡터제어 시스템의 구현을 위하여, 전동기 단자에서 얻어지는 부하전류를 검출하여 속도지령에 따라 기본파 성분과 제3 고조파 전류 성분을 빠른 응답으로 추종 할 수 있는 델타 전류제어 PWM 방식을 적용하는 속도제어 시스템을 제안하였다. 제안된 제어기법의 구현과 운전특성을 관찰하기 위해, 전압형 인버터와 디지털 제어기로 TMS320F2812 DSP를 사용하여, 1.

제안 방법

2[Nm]으로 설정한다. a상과 b상의 선 전류 파형을 측정하여 이때 전류파형에 포함된 고조파 성분을 전력변환 프로그램인 PSIM를 사용한 FFT 고조파 성분 분석과 오실로스코프에 의한 파형의 스펙트럼 분석을 병용한다.
즉 기본파 좌표계 de 1축에서는 기본파 자속성분(λ_m1, λ_r1)이, 제 3고조파 좌표계 de 3축에서는 제3 고조파 자속성분(λ_m3, λ_r3)의 위상각 제어가 잘 이루어 져야 한다. 그러나 본 연구에서는 시스템을 보다 간단하게 하기 위하여 유도전동기 제어시스템에서 일반적으로 많이 사용하는 방법인 자속성분 전류의 제어는 무부하 전류에 해당하는 일정한 값으로 고정하였다.
따라서 그림 3에 나타낸 바와 같이 고정자 자속제어를 위하여 5개의 히스테리시스 전류제어기와 하나의 역변환 좌표식을 적용하였다.
따라서 제3 고조파 전류성분의 영향을 고려하여 우수한 응답특성이 얻어지는 유도전동기의 회전자 자속기준 벡터제어 시스템의 구현을 위하여, 전동기 단자에서 얻어지는 부하 전류를 검출하여 속도지령에 따라 기본파 성분과 제3 고조파 전류 성분을 각각 독립적으로 제어하여 빠른 응답으로 추종 할 수 있는 히스테리시스 벤드 전류제어 PWM 방식에 의해 d축과 q축의 고정자 전류를 제어하는 새로운 형태의 속도제어 시스템이다.
제안된 벡터제어에 의한 농형 유도전동기의 속도제어기법을 검증하기 위하여, 디지털 제어기로는 TMS320F2812 DSP를 사용하였다. 실험용으로 설계 제작하여 개발된 1.5[KW] 농형 유도전동기와 IGBT 전압형 인버터로 벡터제어 시스템을 구현하였으며, 실험을 통해 제안된 시스템의 응답특성을 확인하기 위하여 전동기의 정역 1000[rpm] 속도제어 영역에서 정상상태와 과도상태에서 제3 고조파 전류성분의 영향과 속도제어 특성을 고찰하였다.
제안된 속도제어 시스템에서, 제3 고조파 성분의 영향을 관측하기 위하여 고조파 주입의 정도를 나타내는 비례계수 K는 0 [%]와 15 [%]로 설정하여 응답특성을 관측한다. 속도제어는 과도상태인 0[rpm]에서 시작하여 1000[rpm]으로 운전한 후 다시 역방향인 -1000[rpm]으로 지령 하였을 때, 전동기의 a상과 b상의 선전류 파형을 관측하며, 토크성분 전류 I_q와 실제 속도응답 N의 변화 상태를 관측한다.
제안된 자속기준 벡터제어 기법은 1.5[KW] 5상 농형 유도전동기와 전압형 인버터를 통해 구현하였다. 제어기는 TI 사의 TMS320F2812 DSP를 통해 디지털적으로 구현하였으며, 세미크론사의 SKM75GD124D IGBT를 5상 인버터의 스위칭 소자로 적용하였다.
이에 따라 본 연구에서는 점차적으로 고성능화되고 있는 산업현장에서의 다양한 전동기제어 시스템들의 요구사항에 부합될 수 있는 제3 고조파 전류성분의 영향을 고려한 5상 농형 유도전동기의 회전자 자속기준 벡터제어 시스템의 구현을 위하여, 전동기 단자에서 얻어지는 부하전류를 검출하여 속도지령에 따라 기본파 성분과 제3 고조파 전류 성분을 빠른 응답으로 추종 할 수 있는 델타 전류제어 PWM 방식을 적용하는 속도제어 시스템을 제안하였다. 제안된 제어기법의 구현과 운전특성을 관찰하기 위해, 전압형 인버터와 디지털 제어기로 TMS320F2812 DSP를 사용하여, 1.5[KW]의 5상 농형 유도전동기의 제3 고조파 전류성분과 속도제어 특성을 고찰하였다.
최근 점차적으로 고성능화되고 있는 산업현장에서의 다양한 전동기제어 시스템들의 요구사항에 부합하기 위하여 현재 많이 사용하고 있는 3상 유도전동기에 비해 토크 맥동 특성과 우수한 운전특성이 얻어지는 5상 농형 유도전동기의 벡터제어기법을 적용한 속도제어 시스템을 제안하였다. 5상 유도전동기는 단위전류 당 발생토크의 크기를 최대로 하기 위해 집중권 형태의 고정자 권선을 가지며, 이 권선을 가지는 전동기 공극에서 자속의 파형은 사다리꼴 형태의 파형이 된다.

대상 데이터

제안된 벡터제어에 의한 농형 유도전동기의 속도제어기법을 검증하기 위하여, 디지털 제어기로는 TMS320F2812 DSP를 사용하였다. 실험용으로 설계 제작하여 개발된 1.
5[KW] 5상 농형 유도전동기와 전압형 인버터를 통해 구현하였다. 제어기는 TI 사의 TMS320F2812 DSP를 통해 디지털적으로 구현하였으며, 세미크론사의 SKM75GD124D IGBT를 5상 인버터의 스위칭 소자로 적용하였다. 표 1에서는 연구를 위해 실험용으로 개발 제작된 5상 농형 유도전동기의 주요 사양과 파라미터를 보여준다.

성능/효과

61[%]로 분석 되었다. 이는 그림 4(d)와 비교하면, 제3 고조파 성분의 주입이 약 15[%]로 제3 고조파 성분의 제어가 잘 이루어짐을 알 수 있으며, 또한 전류밀도가 증가됨을 확인 할 수 있다.
결과적으로, 제안된 알고리즘은 전류제어를 위한 PI 제어기를 사용하지 않고서 제3고조파 성분의 주입이 가능하다. 이 알고리즘이 전류왜곡에 영향을 가져오는 제3 고조파 전류 성분을 제거할 수 있으므로, 결과적으로 토크 맥동을 보다 적게 할 수 있다.
• 일반적으로 전동기 용량이 적은 농형 유도전동기 제어시스템에서는 주입되는 제3 고조파 전류성분은 무부하 전류 성분에 보다 큰 영향을 주며, 토크성분 전류에 기여되는 정도가 상대적으로 약하게 되어 속도제어 응답특성 개선에는 큰 영향을 미치지 못하나, 용량이 큰 전동기를 사용하는 제어시스템에서는 속도제어 응답특성이 개선됨을 보다 쉽게 알 수 있다[2][10]. 따라서 제안된 속도제어시스템에서 얻어진 그림 4(f)의 K=0.0인 경우와 제3 고조파 전류성분을 고려한 그림 5(f)의 K=0.15를 비교한 결과는 속도응답 특성이 크게 개선됨을 확인 할 수 없다. 이는 실험에 사용된 1.
이때 a상의 전류 파형을 사용하여 PSIM 프로그램으로 FFT 고조파 성분을 분석한 결과는 (d)이다. 이 결과에서 a상 전류에 포함된 기본파 성분은 102.70[%]이며, 제 3고조파 성분은 22.61[%]로 분석 되었다. 이는 그림 4(d)와 비교하면, 제3 고조파 성분의 주입이 약 15[%]로 제3 고조파 성분의 제어가 잘 이루어짐을 알 수 있으며, 또한 전류밀도가 증가됨을 확인 할 수 있다.
결과적으로, 제안된 알고리즘은 전류제어를 위한 PI 제어기를 사용하지 않고서 제3고조파 성분의 주입이 가능하다. 이 알고리즘이 전류왜곡에 영향을 가져오는 제3 고조파 전류 성분을 제거할 수 있으므로, 결과적으로 토크 맥동을 보다 적게 할 수 있다. 좌표축 변환에서 동기 회전각 θ는 식(18)과 같이 3개의 각 합으로 계산된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	다상 전동기의 장점은 무엇인가?	다상 전동기는 산업분야에서 가장 많이 사용되고 있는 삼상 전동기에 비해 토크의 맥동이 저감되며, 주파수 증가에 따라 소음이 감소되고, 회전자에서 고조파 전류가 저감되며, 상당 전압의 증가 없이 상당 전류의 밀도를 높일 수 있으며, 인버터의 직류 링크 전류의 고조파 성분을 감소할 수 있고, 보다 높은 전류밀도의 공급이 가능하며, 고조파 전류성분의 주입으로 출력 토크가 증가될 수 있으며, 상 권선의 개방 사고에서도 연속적으로 운전 할 수 있는 장점 등을 가지므로, 정밀하고 높은 신뢰성이 요구되는 전동기 가변속 시스템에서는 3상 전동기를 대체할 차세대 전동기로써 이에 대한 연구도 대단히 활발하게 진행되고 있다[9]~[13].
	본 연구에서 제안한 5상 농형 유도전동기의 벡터제어기법을 적용한 속도제어 시스템은 어떤 시스템인가?	따라서 제3 고조파 전류성분의 영향을 고려하여 우수한 응답특성이 얻어지는 유도전동기의 회전자 자속기준 벡터제어 시스템의 구현을 위하여, 전동기 단자에서 얻어지는 부하 전류를 검출하여 속도지령에 따라 기본파 성분과 제3 고조파 전류 성분을 각각 독립적으로 제어하여 빠른 응답으로 추종 할 수 있는 히스테리시스 벤드 전류제어 PWM 방식에 의해 d축과 q축의 고정자 전류를 제어하는 새로운 형태의 속도제어 시스템이다.
	다상 전동기 가변속 구동 시스템의 단점은 무엇인가?	5상 농형 유도전동기를 비롯한 다상 전동기 가변속 구동 시스템에서는 3상에 비해 인버터 구성에 있어 렉(legs)이 증가되어 많은 스위칭 소자가 추가적으로 필요하고, 시스템을 적합한 형태로 재구성해야 하는 단점으로 인하여 높은 신뢰성이 요구되는 전기자동차나 선박 추진시스템 및 우주항공산업분야 등에서 부분적으로 적용되고 있으며, 전력용 반도체 소자의 가격 저하와 자동화 시스템의 고성능화로 인해 점차적으로 적용분야가 확대 되고 있다[14]~[23].

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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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