[논문]제3 고조파 전류성분 주입에 의한 5상 농형 유도전동기의 속도제어 특성

김민회; 김남훈

doi:10.6113/tkpe.2013.18.3.279

제3 고조파 전류성분 주입에 의한 5상 농형 유도전동기의 속도제어 특성
A Speed Control Characteristics for Five-Phase Squirrel-Cage Induction Motor Injecting 3rd Current Harmonics Component 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.18 no.3, 2013년, pp.279 - 288

김민회 (Dept. of Electrical Automatic Engineering, Yeungnam College of Science & Technology) , 김남훈 (Samsung Techwin)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper proposes a improved speed control system for five-phase squirrel-cage induction motor(IM) injecting 3rd. current harmonic 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 in order to high response characteristics. 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

AI 본문요약
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문제 정의

이에 따라 본 연구에서는 점차적으로 고성능화되고 있는 산업현장에서의 다양한 전동기제어 시스템들의 요구사항에 부합될 수 있는 제3 고조파 전류성분을 주입한 5상 농형 유도전동기의 회전자 자속기준 벡터제어 시스템에 의한 속도 응답특성 개선을 위하여, 전동기 단자에서 얻어지는 부하전류를 검출하여 속도지령에 따라 기본파 성분과 제3 고조파 전류 성분을 제어하는 속도 제어 시스템을 제안하였다. 제안된 제어기법의 구현과 운전특성을 관찰하기 위해, 전압형 인버터와 디지털 제어기로 TMS320F2812 DSP를 사용하여, 1.

제안 방법

즉 기본파 좌표계 d_e1축에서는 기본파 자속성분이, 제3 고조파 좌표계 d_e3축에서는 제3 고조파 자속성분의 위상각 제어가 잘 이루어져야 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 제3 고조파 전류성분의 영향을 고려하여 우수한 응답특성이 얻어지는 농형 유도전동기의 회전자 자속기준 벡터제어 시스템의 구현을 위하여, 전동기 단자에서 얻어지는 부하전류를 검출하여 속도지령에 따라 기본파 성분과 제3 고조파 전류 성분을 각각 독립적으로 제어하여 부하의 속도변화에 따라 빠른 응답으로 추종 할 수 있는 PWM 제어방식에 의해 d축과 q축의 고정자 전류를 제어하는 새로운 형태의 속도제어 시스템이다.
5상 유도전동기는 단위전류 당 발생토크의 크기를 최대로 하기 위해 집중권 형태의 고정자 권선을 가지며 공극에서 자속의 파형은 사다리꼴 형태의 파형이 된다. 또한 전동기로 유입되는 전류의 파형은 기본파 성분과 제3 고조파 성분이 합성된 전류성분이므 운전 응답특성을 개선하기 위해서 제3 고조파 전류성분을 기본파의 15[%]를 주입하여 전동기에 인가되는 전류파형을 구형파 형태로 만들어 전류를 제어 할 수 있는 시스템으로 구성하였다.
0[A]가 되게 설정하였다. 부하는 전동기 정격의 1/2 실부하인 4.2[Nm]으로 설정하여 a상과 b상의 선전류 파형을 측정하며, 이때 전류파형에 포함된 고조파 성분을 전력변환 프로그램인 PSIM를 사용한 FFT 고조파 성분을 분석한다.
제안된 속도제어 시스템에서, 제3 고조파 성분의 영향을 비교 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_qe와 실제 속도응답 N(_{ω_rpm})의 변화 상태를 관측한다.
제안된 속도제어 시스템에서, 제3 고조파 성분의 영향을 비교 관측하기 위하여 제3 고조파 전류성분이 주입하지 않는 K=0.0인 경우와 기본파 성분의 15[%]를 주입 하는 K=0.15인 경우에 있어 토크 전류성분의 응답특성을 비교한다. 주입되는 제3 고조파 전류성분의 영향을 보다 쉽게 비교 될 수 있도록 무부하인 토크지령 전류 성분 #으로 설정하였으며, 자속성분 지령전류는 전동기의 무부하 전류성분이 #가 되게 설정하였다.
제안된 자속기준 벡터제어 기법은 1.5[kW] 5상 농형 유도전동기와 전압형 인버터를 통해 구현하였다. 제어기는 TI사의 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 전류성분을 주입한 5상 농형 유도전동기의 회전자 자속기준 벡터제어 시스템에 의한 속도 응답특성 개선을 위하여, 전동기 단자에서 얻어지는 부하전류를 검출하여 속도지령에 따라 기본파 성분과 제3 고조파 전류 성분을 제어하는 속도 제어 시스템을 제안하였다. 제안된 제어기법의 구현과 운전특성을 관찰하기 위해, 전압형 인버터와 디지털 제어기로 TMS320F2812 DSP를 사용하여, 1.5[kW]의 5상 농형 유도전동기의 제3 고조파 전류성분의 주입에 의한 속도제어 응답특성을 비교 고찰하였다.
최근 점차적으로 고성능화되고 있는 산업현장에서의 다양한 전동기제어 시스템들의 요구사항에 부합하기 위하여 현재 많이 사용하고 있는 3상 유도전동기에 비해 저주파에서 토크의 맥동이 저감되며, 상의 권선이 개방되더라도 계속하여 운전 할 수 있는 등의 우수한 운전 특성을 가지는 5상 농형 유도전동기의 구동특성을 개선하기 위해 제3 고조파 전류성분을 주입하는 벡터제어기 법을 적용한 속도제어 시스템을 제안하였다.

대상 데이터

제안된 벡터제어에 의한 농형 유도전동기의 속도제어 기법을 검증하기 위하여, 디지털 제어기로는 TMS320 F2812 DSP를 사용하였다. 실험용으로 설계 제작하여 개발된 1.
5[kW] 5상 농형 유도전동기와 전압형 인버터를 통해 구현하였다. 제어기는 TI사의 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^[3].

성능/효과

결과적으로, 제안된 알고리즘은 기본파 성분과 제3고조파 성분의 전류를 각각 정밀제어하기 위하여 PI 제어기를 사용하며, 고정자의 제3 고조파의 토크와 자속 성분 전류 # 및 #는 기본파 성분인 # 와 #의 15[%]를 주입하기 위하여 K=0.15로 설정된다.
정현파 형태의 공극자속 분포를 지닌 전동기에 서는 코어의 일부분에서만 포화현상이 나타나므로, 공극의 자속밀도가 사다리꼴 형태의 파형을 가지는 경우에는 코어 활용도가 높아질 수 있다. 따라서 전동기에 공급되는 전류파형이 정현파 전류보다는 3차 고조파 성분이 포함된 전류파형이 토크발생에 있어 보다 유리한 장점을 가질 수 있으므로 5상 유도전동기 제어에서는 제3 고조파 전류의 주입으로 높은 전류밀도를 가질 수 있으며, 15[%] 정도의 출력 토크 상승을 가져 올 수 있다.
따라서, 언급된 고조파 해석을 기초로, 사다리꼴과 유사한 형태의 파형으로 5상 전동기 단자에서 나타나는 기본파와 제3 고조파가 합성된 전류파형은 사다리꼴 형태의 전류파형이 간단하게 계산 될 수 있으며, 제3 고조파 성분은 공간 자계 고조파와 시간 전류 고조파에서 모두 기본파 성분에는 영향을 주지는 않는다. 기본파와 제3 고조파에 의해 생성되는 기자력과 자속은 동일한 동기속도로 회전하므로, 제3 고조파는 전동기에서 등가적인 기본파 성분으로 동작한다.
제안된 벡터제어에 의한 농형 유도전동기의 속도제어 기법을 검증하기 위하여, 디지털 제어기로는 TMS320 F2812 DSP를 사용하였다. 실험용으로 설계 제작하여 개발된 1.5[kW] 농형 유도전동기와 IGBT 전압형 인버터로 벡터제어 시스템을 구현하였으며, 실험을 통해 제어 시스템의 응답특성을 전동기의 정역 1000[rpm] 속도제어 영역에서 정상상태와 과도상태에서 제3 고조파 전류 성분의 영향과 속도제어 응답특성을 고찰한 결과 제안된 제어시스템의 타당성을 확인하였다.
● 그림 7(b)의 a상 전류파형을 사용하여 PSIM 프로그램으로 FFT 고조파 성분을 분석한 결과는 그림 7(c)이다. 이 결과에서 a상 전류에 포함된 기본파 성분은 35.29[Hz]에서 97.73[%]이며, 제 3고조파 성분은 14.38[%]가 포함되고 있음을 알 수 있다.
● 그림 6(b)의 a상 전류파형을 사용하여 PSIM 프로그램으로 FFT 고조파 성분을 분석한 결과는 그림 6(c)이다. 이 결과에서 a상 전류에 포함된 기본파 성분은 35.29[Hz]에서 99.33[%]이며, 제 3고조파 성분은 4.24[%]가 포함되고 있음을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	다상 전동기가 삼상 전동기에 비해 가지는 장점은?	다상 전동기는 산업분야에서 가장 많이 사용되고 있는 삼상 전동기에 비해 토크의 맥동이 저감되며, 주파수 증가에 따라 소음이 감소되고, 상당 전압의 증가 없이 전류의 밀도를 높일 수 있으며, 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 전기자동차나 선박 추진시스템 및 우주항공 산업분야 등에서 부분적으로 적용되고 있으며 점차적으로 적용분 야가 확대되어 이에 대한 연구도 대단히 활발하게 진행되고 있다[10]-[23].
	농형 유도전동기의 장점은?	최근 전력전자분야의 기술이 비약적으로 발전함에 따라 신뢰성이 우수한 고성능 전력변환장치들의 실용화가 이루어짐과 동시에 다양한 전동기 제어기법들의 개발로 인해 정밀 전동기제어 시스템에 농형 유도전동기나 영구자석 동기전동기가 사용되고 있으며, 견고성이나 가격 및 유지보수 측면에서 상대적으로 우수한 특성을 가지는 농형 유도전동기의 적용이 확대되고 있다. 현재 보편 화된 가변속 전동기 구동시스템에는 3상 농형 유도전동기가 대부분 적용되고 있으나, 3상 전동기 구동시스템에 비해 구동 특성에서 많은 장점을 가지는 다상 전동기 제어시스템에 대한 연구가 이루어지고 있는 추세에 있다[1]-[9].
	집중권의 형태의 전동기에서 정현파 형태가 아닌 사다리꼴 형태의 파형이 나타나는 이유는?	일반적으로 인버터에 의해 구동되는 다상 전동기는 공급전원의 고유특성과 호환성의 우수한 특성 및 제작의 편의성 측면에서 고정자의 권선을 집중권의 형태로 제작한다. 집중권선을 가지는 전동기에서는 공극 자속이 제3 공간 고조파 성분을 포함하고 있으므로 정현파 형태가 아닌 사다리꼴 형태의 파형으로 나타나게 되므로, 전동기에서 발생되는 역기전력도 사다리꼴 형태의 파형이 된다. 정현파 형태의 공극자속 분포를 지닌 전동기에 서는 코어의 일부분에서만 포화현상이 나타나므로, 공극의 자속밀도가 사다리꼴 형태의 파형을 가지는 경우에는 코어 활용도가 높아질 수 있다.

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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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