[논문]Psim시뮬레이션과 전동기-발전기(MG) 세트의 출력특성분석

임형택; 조다솜; 손효수; 문상수; 이석현; 김근수; 조철희

doi:10.7849/ksnre.2014.10.3.031

[국내논문] Psim시뮬레이션과 전동기-발전기(MG) 세트의 출력특성분석
The Comparison Analysis between Psim Simulation and Motor-Generator (MG) Set Output Characteristics 원문보기

신재생에너지 = New & Renewable Energy, v.10 no.3, 2014년, pp.31 - 38

임형택 (인하대학교 전기공학과) , 조다솜 (인하대학교 전기공학과) , 손효수 (인하대학교 전기공학과) , 문상수 (인하대학교 전기공학과) , 이석현 (인하대학교 전기공학과) , 김근수 (영진전문대학 전자정보통신계열) , 조철희 (인하대학교 조선해양공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The importance of energy is growing according to the energy shortage and environmental concerns. Accordingly, in order to solve the problems about the use of fossil fuel, a renewable energy sources are needed. Global renewable energy power industry's position in the renewable energy market becomes important and new technology development is also essential. MG set composed by the induction motor and permanent magnet synchronous generator for simulating a renewable energy source is based on a suitable experiment equipment. The torque generated by applying a voltage to the induction motor in MG set is used as an input of the permanent magnet synchronous generator. In Psim simulation, the characteristics of the induction motor model was formulated and the output torque characteristics of the motor was controlled using the induction motor side inverter, In this paper, the comparison analysis between Psim simulation and the output characteristics of the MG set is performed in order to identify a renewable energy power system more accurately.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 M-G세트 시스템을 모델링하여 토크와 출력 전력의 특성을 시뮬레이션하여 구현하였다. 유도전동기와 영구자석 동기발전기를 커플링하여 연결하는 것은 실제 신재생에너지 시스템의 크기에 비해 간소화하여 실험을 가능하게 해주는 것이기 때문에 매우 활용도가 다양한 장비라 할 수 있다.

가설 설정

고정자 권선(Stator winding)은 유효 턴수(Turns) N_s와 저항 R_s를 가지며, 회전자 권선(Rotor winding)은 권선형 또는 농형으로 유효 턴수 N_r과 저항 R_r을 가진다고 가정한다. 공극자속을 정현적으로 분포 시키기 위해 고정자및 회전자의 각 상 권선들을 서로 120°(전기각) 간격으로 정현적으로 분포되도록 배치한다.
공극자속을 정현적으로 분포 시키기 위해 고정자및 회전자의 각 상 권선들을 서로 120°(전기각) 간격으로 정현적으로 분포되도록 배치한다. 그러나 해석을 단순화하기 위해 각 상의 권선을 각 상의 한 슬롯에 집중되는 집중권으로 가정한다. 또한 철심의 투자율은 무한대로 포화현상은 나타나지 않는다고 하며, 코깅 토크와 슬롯 효과 등의 현상은 없다고 가정한다.
그러나 해석을 단순화하기 위해 각 상의 권선을 각 상의 한 슬롯에 집중되는 집중권으로 가정한다. 또한 철심의 투자율은 무한대로 포화현상은 나타나지 않는다고 하며, 코깅 토크와 슬롯 효과 등의 현상은 없다고 가정한다.⁽²⁾

제안 방법

M-G Set System은 전동기를 유도기를 사용하기 때문에 유도전동기를 수학적으로 모델링 하였다.
M-G세트 시스템의 출력 특성을 보다 정확히 파악하고, 제어하기 위해 Psim Simulation의 Tool을 사용하여 유도전동기와 영구자석 동기발전기, 인버터를 모델링 하였다. 이 시뮬레이션은 유도전동기, 영구자석 동기발전기, 인버터 제어기로 구성된다.
7은 유도전동기의 각속도를 제어하기 위해 PI제어가 진행되도록 구성한 부분이다. 이 부분을 통해 원하는 지령치의 값으로 제어가 가능하도록 모델링 하였다. Fig.

대상 데이터

M-G세트 시스템의 출력 특성을 보다 정확히 파악하고, 제어하기 위해 Psim Simulation의 Tool을 사용하여 유도전동기와 영구자석 동기발전기, 인버터를 모델링 하였다. 이 시뮬레이션은 유도전동기, 영구자석 동기발전기, 인버터 제어기로 구성된다. Fig.

성능/효과

d-q축 좌표계에서 표현된 3상 부하는 abc 전압 방정식과 비슷하게 R-L회로와 역기전력을 갖는 2개의 독립된 전압 방정식으로 표현할 수 있다는 것을 확인할 수 있다. Fig.
8은 유도전동기에서 출력되는 토크를 나타내는 그림이다. 발전기와 연결된 유도전동기 축의 토크 값이 급격히 증가하다가 과도상태가 지나면 일정한 토크를 발생하는 것을 확인할 수 있다.
출력 전력은 급격하게 증가하는 과도상태를 거쳐 안정상태가 유지되는 것을 확인 할 수 있다. 유도전동기를 통하여 입력되는 토크의 값이 일정하므로 그에 따라 발생하는 전력값도 일정한 값을 갖는 것을 확인할 수 있다.
10은 유도전동기의 각속도를 나타낸 것이다. 유도 전동기의 각속도의 지령치를 입력해주면 그 값에 따라 PI제어를 통해 실제 유도전동기의 각속도 또한 지령치에 근접한 값으로 증가하는 모습을 확인할 수 있다.
따라서 M-G Set를 이용하여 풍력이나 조류와 같은 블레이드를 이용한 발전방식에 대한 모의 실험을 하여 데이터를 얻을 때는 이러한 M-G Set System을 이용하여 실험하여도 그 특성을 파악하는데 어려움이 없다는 것을 확인할 수 있었다.
13은 기존의 M-G Set에 부착되어 있는 매입형 영구자석 동기전동기(IPMSM)로 구동되는 시스템을 표면 부착형 영구자석 동기 전동기(SPMSM)의 형태로 바꾸었을 때의 토크출력과 전력출력의 특성을 나타낸 그래프이다. 기존의 매입형을 사용하였을 때보다 증가폭의 더 가파른 것을 확인할 수 있다. 이것은 릴럭턴스 토크의 영향으로 보다 큰 토크값을 발생하기 때문이라고 볼 수 있다.
13에서 사용한 Ld, Lq값 보다 2배 큰 Ld, Lq값을 사용하여 측정한 토크출력과 전력출력의 특성을 나타낸 그래프이다. 기존의 표면부착형의 인덕턴스의 값을 사용하였을 때보다 증가폭은 크지만 출력되는 전력의 값은 더 작게 측정되는 것을 확인할 수 있다.
유도전동기와 영구자석 동기발전기를 커플링하여 연결하는 것은 실제 신재생에너지 시스템의 크기에 비해 간소화하여 실험을 가능하게 해주는 것이기 때문에 매우 활용도가 다양한 장비라 할 수 있다. 풍력이나 조류와 같은 블레이드를 이용한 발전에 대하여 실험을 수행할 때는 이러한 M-G Set System을 이용하여 그 특성을 파악하는데 보다 수월하다는 것을 확인할 수 있었다.

후속연구

그리고 화석에너지의 더 많은 이용으로 인하여 매장량이 감소되는 것은 미래의 발전에 영향을 미치게 될 것이다. 이에 따라 앞으로 에너지 문제를 극복하기 위해서 화석에너지를 보다 효율적으로 이용하고 동시에 안전한 원자력 에너지의 이용을 포함하여 신재생에너지원의 이용률을 향상시키는 기술 개발이 필요하다. 아울러 전력산업의 구조개편이 세계적인 추세가 되면서 신재생에너지의 입지변화는 긍정적인 방향으로 자리 잡을 것이라 여겨진다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	M-G세트 시스템이란?	이는 전동기의 회전 속도를 가변 시키며 제어할 수 있을 뿐만 아니라 공간적인 이점을 가지고 있어 전동기를 채택하며 일반적으로 유도 전동기를 사용한다. 여기서 발전기는 전동기와는 다른 회전기로 구현할 수 있으며, 일반적인 형태인 전동기와 발전기가 결합되어 있는 시스템을 M-G세트 시스템이라고 한다. Fig.
	신재생에너지 시스템의 터빈을 전동기로 대체하는 이유는?	블레이드를 사용하여 기계적 에너지를 얻는 풍력 및 조류발전과 같이 터빈을 통해 얻은 에너지를 전기적인 에너지로 변환하는 시스템을 구성하기 위해서 신재생에너지 시스템의 터빈을 전동기로 대체하여 구성하게 된다. 이는 전동기의 회전 속도를 가변 시키며 제어할 수 있을 뿐만 아니라 공간적인 이점을 가지고 있어 전동기를 채택하며 일반적으로 유도 전동기를 사용한다. 여기서 발전기는 전동기와는 다른 회전기로 구현할 수 있으며, 일반적인 형태인 전동기와 발전기가 결합되어 있는 시스템을 M-G세트 시스템이라고 한다.
	영구자석 동기발전기의 장점은?	유도기와 다른 점은 회전자가 직류 전원에 의해 여자 권선을 통해 자속을 발생하거나 또는 영구자석(Permanent Magnet)을 통해 자속을 발생시킨다는 점이다. 영구자석 동기발전기는 회전자의 자속 발생에 관여하는 여자 권선이 없기 때문에 이로 인한 손실이 없어 좋은 효율특성을 갖고, 고출력 밀도 덕분에 전동기 무게에 비해서 출력 토크의 비가 크고, 신속한 속응성을 장점으로 가지고 있다. 이러한 다양한 측면을 비교해 봤을 때 성능이 유도 발전기나 직류 발전기보다 우수하다고 평을 듣고 있다.

참고문헌 (6)

Koutroulis, E., Kalaitzakis, K., 2006, "Design of a Maximum Power Tracking System for Wind-Energy-Conversion Application", IEEE Transaction on Industrial Electronics, Vol. 53, No. 2, pp. 486-494.

상세보기
Gupta, J., Kumar, A., 2012, "Fixed Pitch Wind Turbine-Based Permanent Magnet Synchronous Machine Model for Wind Energy Conversion System", Journal of Engineering and Technology, Vol. 2, pp. 52-62.
Kumar, A., Sandhu, K. S., Jain, S. P., Kumar, P. S., 2009, "Modeling and Control of Micro-Turbine Based Distributed Generation System", International Journal of Circuit, Systems and Signal Processing, Vol. 3, pp. 65-72.
Won-Young, A., Hyung-Tack, L., Seok-Hyun, L., Gun-Su, K., Chul-Hee, J., 2013, "Analysis of the Characteristics of the Tidal current Power Generation System Using Motor-Generator Set", New & Renewable Energy, Vol. 9, No. 4, pp. 19-24.

원문보기 상세보기
Won-Young, A., Seok-Hyun, L., Gun-Su, K., Kang-Hee, L., Chul-Hee, J., 2013, "Analysis of the Characteristics of the Tidal Current Power Generation System Using PMSG and Water Tunnel", New & Renewable Energy, Vol. 9, pp. 44-49.

원문보기 상세보기
Joo-Il, H., Seok-Hyun, L., Won-Young, A., Chul-Hee, J., 2010, "Development of a Tidal Current Power Simulator based on LabVIEW", KIEE Summer Conference, pp. 1219-1220.

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