[논문]유도전동기용 벡터제어 인버터에서 전류측정 오차의 실시간 보상 방법

김지훈; 윤덕용

doi:10.5762/kais.2014.15.3.1685

초록
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본 논문에서는 유도전동기 벡터제어 인버터에서 상전류를 검출할 때 발생하는 측정 오차를 실시간으로 보상하는 방법을 제안한다. 전류측정에 오프셋 오차와 변환이득 오차가 포함될 경우의 3상 유도전동기 토크 방정식을 유도하여 이러한 측정 오차들이 전동기의 토크 리플을 유발하는 것을 보였으며, 이러한 토크 리플을 제거할 수 있는 방법을 제시하였다. 특히, 본 논문에서는 전동기의 운전 상태에서 실시간으로 변환이득 오차에 의한 토크 리플을 제거하는 방법을 제안하였다. 이를 200[W]급 3상 유도전동기의 벡터제어 인버터에 적용하여 컴퓨터 시뮬레이션 및 실험을 수행함으로써 제안된 방법의 유효성을 검증하였으며, 그 결과 전류측정에서 변환이득 오차가 있더라도 전동기의 토크가 상당히 제거되는 것을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper proposes a novel method to compensate for the measurement errors in detecting phase currents for vector-controlled inverter in real-time. The output torque equations for 3-phase induction motor are derived in terms of offset error and transducing gain error in current measurement circuits...

This paper proposes a novel method to compensate for the measurement errors in detecting phase currents for vector-controlled inverter in real-time. The output torque equations for 3-phase induction motor are derived in terms of offset error and transducing gain error in current measurement circuits, and the equations shows that motor output torque has many ripples due to current measurement errors. Especially, if the proposed method is applied to vector-controlled inverter, the torque ripple by transducing gain error can be reduced in real-time at running state of motor. To verify the proposed method, it was applied to vector-controlled inverter for 3-phase induction motor of 200[W] and computer simulation and experimentation were carried out.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이러한 전류측정 오차에 의한 전동기의 토크 리플을 제거하기 위한 여러 가지 방법이 제안되었으나[2], 이것은 시스템을 기동할 때에 측정된 값을 기준으로 적용하므로 운전 중에 동작 환경이 달라지면 오차문제를 정확하게 해결하기 어렵다. 본 논문에서는 전류측정 오차에 의한 영향을 수학적으로 해석하고, 이러한 오차를 실시간으로 보상하는 새로운 방법을 제안한다.
종래에는 인버터를 기동할 때 측정한 값을 가지고 이러한 오차를 보상하는 방법을 적용하였으므로 운전 중에 온도 변화 등에 의하여 전류측정 회로의 특성이 달라지면 보상이 정확하게 수행되지 못하는 단점이 있었다. 본 논문에서는 특히 변환이득 오차에 의한 유도 전동기의 토크 리플을 저감하기 위하여 인버터의 운전 중에 실시간으로 오차를 보상하는 방법을 제안하였다.

제안 방법

제안된 실시간 보상제어 알고리즘을 200[W]급의 3상 유도전동기 벡터제어 인버터에 적용하여 실험하였다. 모든 운전 조건은 시뮬레이션에서와 동일하게 하였고, 전동기의 발생 토크는 직접 측정하기 어려우므로 인버터의 컨트롤러에서 계산한 값을 D/A 컨버터로 출력하여 관측 하였다.
시뮬레이션은 전류센서의 변환이득이 G_a=0.9와 G_b=1.1로 서로 어긋난 경우에 약 1/2부하 상태에서 전동기의 기준속도를 +1500[rpm]으로 기동할 때 제안된 알고리즘을 적용하지 않았을 경우와 적용한 경우에 대하여 두 가지로 나누어 실시하였다. Fig.
가 모두 합해진 형태로 표현된다. 여기서, 이와 같은 토크 리플을 제거 하기 위해서는 전통적으로 시스템을 기동하기 전에 인버터가 정지된 상태에서 전동기의 상전류를 측정하여 이를 오프셋 오차로 간주하고 저장하여 두었다가, 전동기를 운전할 때 전류측정 주기마다 이를 가지고 보상하는 방법을 사용하였다[2].
제안된 변환이득 보상 방법은 각 상의 전류측정 회로에서 변환이득이 같아지도록 하기 위하여 측정전류 중 어느 한 상의 전류를 기준으로 다른 상의 전류를 보상하는 방법인데, 본 논문에서는 a상 전류를 기준으로 하여 b상 전류를 보상하는 방법을 사용하였다.
제안된 실시간 보상제어 알고리즘의 유효성을 검증하기 위하여 이를 200[W]급의 3상 유도전동기 벡터제어 인버터에 적용하고 PSIM 소프트웨어로 컴퓨터 시뮬레이션을 수행하였다.

이론/모형

제안된 실시간 보상제어 알고리즘을 200[W]급의 3상 유도전동기 벡터제어 인버터에 적용하여 실험하였다. 모든 운전 조건은 시뮬레이션에서와 동일하게 하였고, 전동기의 발생 토크는 직접 측정하기 어려우므로 인버터의 컨트롤러에서 계산한 값을 D/A 컨버터로 출력하여 관측 하였다.

성능/효과

본 논문에서 제안한 실시간 오차 보상 방법은 이와 같이 기존의 방법에 비하여 벡터제어 인버터의 운전조건이나 환경 변화에 대하여 더욱 정확하게 오차를 보상하여 전동기의 토크 리플을 제거할 수 있다. 그러나, 이러한 과정에서 디지털 PLL이나 PI 제어 알고리즘이 사용되므로 유도전동기 벡터 제어의 속응성이나 안정성을 떨어뜨릴수 있으므로 이에 관한 후속 연구가 필요할 것으로 사료된다.
7[sec]부터 보상 알고리즘을 적용하였을 때의 시뮬레이션 결과이다. 이 시뮬레이션 결과에서 제안된 실시간 변환이득 보상 방법을 적용한 이후에는 토크 리플이 점차 감소하는 것을 확인할 수 있다.
이상의 결과들로부터 각 상의 전류를 측정할 때 변환 이득의 비 G_b/G_a 를 보상하면 a상과 b상의 변환이득이 같게 되어 토크 리플이 완전히 제거된다. 그러나, 이러한 종래의 보상 방법은 인버터를 기동하기 전에 측정한 변환이득의 비를 사용하므로 운전 중에 온도변화 등으로 인하여 각 전류센서의 변환이득이 변동되는 경우에는 오차문제를 정확히 해결하지 못하는 단점을 가지고 있다.
제안된 변환이득 보상 방법의 유효성을 검증하기 위하여 이를 200[W]급의 3상 유도전동기 벡터제어 인버터에 적용하여 컴퓨터 시뮬레이션 및 실험을 실시하였으며, 그결과 보상 알고리즘이 적용된 시점부터 전동기의 토크 리플이 뚜렷하게 감소하는 것을 확인하였다.

후속연구

본 논문에서 제안한 실시간 오차 보상 방법은 이와 같이 기존의 방법에 비하여 벡터제어 인버터의 운전조건이나 환경 변화에 대하여 더욱 정확하게 오차를 보상하여 전동기의 토크 리플을 제거할 수 있다. 그러나, 이러한 과정에서 디지털 PLL이나 PI 제어 알고리즘이 사용되므로 유도전동기 벡터 제어의 속응성이나 안정성을 떨어뜨릴수 있으므로 이에 관한 후속 연구가 필요할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전류센서의 아날로그 출력신호를 처리하는 과정에서 포함된 오프셋 오차 또는 변환이득 오차는 무엇을 야기시키는가?	전통적으로 전동기의 입력전류는 2개의 홀 전류센서를 사용하여 측정하고 나머지 1상의 전류는 이로부터 계산하여 사용한다. 대부분 전류센서의 아날로그 출력신호는 증폭회로를 사용하여 증폭하고, 이를 A/D 컨버터를 사용하여 디지털 값으로 변환하는데 이러한 처리 과정에서 오프셋 오차 또는 변환이득 오차를 포함할 수 있으며, 이 오차들은 전동기의 토크 리플을 야기한다. 이러한 전류측정 오차에 의한 전동기의 토크 리플을 제거하기 위한 여러 가지 방법이 제안되었으나[2], 이것은 시스템을 기동할 때에 측정된 값을 기준으로 적용하므로 운전 중에 동작 환경이 달라지면 오차문제를 정확하게 해결하기 어렵다.
	3상 유도전동기의 입력전류는 어떻게 측정하는가?	3상 유도전동기의 속도제어를 위해서는 순시 토크제어가 필요하며, 이와 같이 토크를 제어하려면 실시간으로 전동기의 입력전류를 측정해야 한다[1]. 전통적으로 전동기의 입력전류는 2개의 홀 전류센서를 사용하여 측정하고 나머지 1상의 전류는 이로부터 계산하여 사용한다. 대부분 전류센서의 아날로그 출력신호는 증폭회로를 사용하여 증폭하고, 이를 A/D 컨버터를 사용하여 디지털 값으로 변환하는데 이러한 처리 과정에서 오프셋 오차 또는 변환이득 오차를 포함할 수 있으며, 이 오차들은 전동기의 토크 리플을 야기한다.
	3상 유도전동기의 속도제어를 위해서 필요한 것은 무엇인가?	3상 유도전동기의 속도제어를 위해서는 순시 토크제어가 필요하며, 이와 같이 토크를 제어하려면 실시간으로 전동기의 입력전류를 측정해야 한다[1]. 전통적으로 전동기의 입력전류는 2개의 홀 전류센서를 사용하여 측정하고 나머지 1상의 전류는 이로부터 계산하여 사용한다.

참고문헌 (3)

Duck-Yong Yoon, Soon-Chan Hong, "Speed Control of Permanent Magnet Synchronous Motor Using Space Voltage Vector PWM", Journal of KIEE, Vol. 43, No. 7, pp. 1112-1120, 1994.
Duck-Yong Yoon, Soon-Chan Hong, "Reduction of Torque Ripple due to Current-Sensing Errors in Inverter-Fed AC Motor Systems", Journal of KIPE, Vol. 3, No. 4, pp. 280-286, 1998.
A.Timbus, M.Liserre, R.Teodorescu, F.Blaabjerg, "Synchronization Methods for Three Phase Distributed Power Generation Systems - An Overview and Evaluation", IEEE 36th PESC '05, pp. 2474-2481, 2005. DOI: http://dx.doi.org/10.1109/PESC.2005.1581980

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