[국내논문]영구자석형 동기전동기 구동용 인버터의 통전각에 따른 운전 방식의 비교 분석 Comparative Analysis of Driving Methods According to Electrical Conduction Angle of Inverter for PMSM원문보기
본 논문에서는 영구자석형 동기전동기를 구동하는 인버터에서 사용할 수 있는 정현파 전류 운전 방식과 120도 운전 방식 및 150도 운전 방식에 대하여 각각 시뮬레이션을 수행하고 이것들의 운전 특성을 비교 분석한다. 이 운전 방식들은 통전각과 전동기의 상전류에 형태로 구분이 된다. 종래에는 인버터의 효율 향상을 위하여 정현파 전류 운전 방식과 120도 운전 방식 간의 전환 방법에 중점을 둔 연구가 많았으나, 본 논문에서는 이들 각각의 운전 방식에 대한 운전 특성을 비교 분석하여 그것들의 장점을 다양한 전환 방법으로 응용할 수 있도록 하는데 중점을 둔다. 이를 위하여 각각의 운전 방식에 대하여 전동기의 발생 토크, 속도 응답 특성, 상전류 THD에 대하여 시뮬레이션을 수행하였다. 그 결과로 정현파 전류 운전 방식이 3가지 운전 방식들 중에서 전체적으로 가장 좋은 성능을 보였고, 120도 운전 방식은 150도 운전 방식에 비하여 속도 응답 특성이 다소 우수하였으며, 150도 운전 방식은 120도 운전 방식에 비하여 상전류 THD가 낮은 것을 확인하였다.
본 논문에서는 영구자석형 동기전동기를 구동하는 인버터에서 사용할 수 있는 정현파 전류 운전 방식과 120도 운전 방식 및 150도 운전 방식에 대하여 각각 시뮬레이션을 수행하고 이것들의 운전 특성을 비교 분석한다. 이 운전 방식들은 통전각과 전동기의 상전류에 형태로 구분이 된다. 종래에는 인버터의 효율 향상을 위하여 정현파 전류 운전 방식과 120도 운전 방식 간의 전환 방법에 중점을 둔 연구가 많았으나, 본 논문에서는 이들 각각의 운전 방식에 대한 운전 특성을 비교 분석하여 그것들의 장점을 다양한 전환 방법으로 응용할 수 있도록 하는데 중점을 둔다. 이를 위하여 각각의 운전 방식에 대하여 전동기의 발생 토크, 속도 응답 특성, 상전류 THD에 대하여 시뮬레이션을 수행하였다. 그 결과로 정현파 전류 운전 방식이 3가지 운전 방식들 중에서 전체적으로 가장 좋은 성능을 보였고, 120도 운전 방식은 150도 운전 방식에 비하여 속도 응답 특성이 다소 우수하였으며, 150도 운전 방식은 120도 운전 방식에 비하여 상전류 THD가 낮은 것을 확인하였다.
In this study, the sinusoidal-wave driving method, six-step driving method, and twelve-step driving method, which can be used in an inverter for permanent-magnet synchronous motors, were simulated, and the results were compared to review their operating performance. These driving methods were classi...
In this study, the sinusoidal-wave driving method, six-step driving method, and twelve-step driving method, which can be used in an inverter for permanent-magnet synchronous motors, were simulated, and the results were compared to review their operating performance. These driving methods were classified according to the electrical conduction angle and phase current of the motor. Conventionally, only the transition control technique between the sinusoidal-wave driving method and six-step driving method was studied for the efficiency of the inverter. In this paper, however, comparative analysis was focused on a variety of transition control applications to use the advantages of each driving method. For this purpose, computer simulations for these driving methods were carried out to obtain the motor torque, speed control characteristics, and THD of the motor phase currents. As a result, the sinusoidal-wave driving method showed the best performance in all respects. The six-step driving method has better speed control characteristics than the twelve-step driving method, and the twelve-step driving method has a lower THD of the motor phase currents than the six-step driving method.
In this study, the sinusoidal-wave driving method, six-step driving method, and twelve-step driving method, which can be used in an inverter for permanent-magnet synchronous motors, were simulated, and the results were compared to review their operating performance. These driving methods were classified according to the electrical conduction angle and phase current of the motor. Conventionally, only the transition control technique between the sinusoidal-wave driving method and six-step driving method was studied for the efficiency of the inverter. In this paper, however, comparative analysis was focused on a variety of transition control applications to use the advantages of each driving method. For this purpose, computer simulations for these driving methods were carried out to obtain the motor torque, speed control characteristics, and THD of the motor phase currents. As a result, the sinusoidal-wave driving method showed the best performance in all respects. The six-step driving method has better speed control characteristics than the twelve-step driving method, and the twelve-step driving method has a lower THD of the motor phase currents than the six-step driving method.
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문제 정의
본 논문에서는 3상 PMSM을 구동하는 인버터에서 사용할 수 있는 정현파 전류 운전 방식과 120도 운전 방식 및 150도 운전 방식에 대하여 각각 시뮬레이션(simulation)을 수행하고 이것들을 비교 분석하여 운전 특성을 파악하고자 한다. 이를 위하여 먼저 각 운전 방식에서 전동기의 상전류와 역기전력, 그리고 발생 토크에 대하여 분석한다.
제안 방법
본 논문에서는 3상 PMSM을 구동하는 인버터에서 사용할 수 있는 정현파 전류 운전 방식과 120도 운전 방식 및 150도 운전 방식에 대하여 각각 시뮬레이션(simulation)을 수행하고 이것들을 비교 분석하여 운전 특성을 파악하고자 한다. 이를 위하여 먼저 각 운전 방식에서 전동기의 상전류와 역기전력, 그리고 발생 토크에 대하여 분석한다. 여기서, 150도 운전 방식은 BLDCM에서 사용한 통전각을 전방으로 30도 확장하는 방법을 사용한다.
여기서, 150도 운전 방식은 BLDCM에서 사용한 통전각을 전방으로 30도 확장하는 방법을 사용한다. 또한 이들 3가지 운전 방식에 대하여 속도 제어 특성을 비교한다. 정현파 전류 운전 방식에서는 벡터 제어 알고리즘과 공간전압벡터 PWM(SVPWM ; Space Voltage Vector PWM) 기법을 사용하고[7], 120도 운전방식과 150도 운전 방식에서는 속도 응답 특성을 개선하기 위하여 속도 제어기에 전류 제어기를 추가한 제어 알고리즘과 상위 스위치 PWM(upper switch PWM) 기법을 사용한다[8].
150도 운전 방식에서는 이를 사용하기 위한 회전자의 위치 측정 방법을 제시한다. 마지막으로 3가지 운전 방식에서 전동기의 운전 효율에 미치는 영향을 알아보기 위하여 상전류의 THD(Total Harmonic Distortion)를 분석한다.
그리고, 전류 제어기는 인버터의 출력단에서 측정한 3상 전류와 속도 센서에서 측정한 실제 속도를 적분하여 계산한 회전자 위치 θr을 이용하여 d, q축의 동기 회전 좌표계로 변환하고, 이를 d, q축의 기준 전류와 비교한 후 PI 제어기를 사용하여 오차를 보상하여 준다.
각 운전 방식에 대한 시뮬레이션에서 사용한 제어 알고리즘은 Fig. 2에서 Fig. 4까지에 보였던 것처럼 속도 제어기와 전류 제어기로 구성되고, 이것의 제어 주기는 각각 2[ms]와 100[μs]로 처리하였다.
3가지 운전 방식에 대한 속도 응답 특성을 알아보기 위하여 Table 1에 보인 SPMSM에 대하여 컴퓨터 시뮬레이션을 수행하였다.
본 논문에서는 PMSM 구동용 인버터의 3가지 운전방식들에 대하여 각각 전동기의 발생 토크와 속도 제어 특성, 전동기의 상전류 THD를 시뮬레이션으로 비교 분석하였다.
이론/모형
또한 이들 3가지 운전 방식에 대하여 속도 제어 특성을 비교한다. 정현파 전류 운전 방식에서는 벡터 제어 알고리즘과 공간전압벡터 PWM(SVPWM ; Space Voltage Vector PWM) 기법을 사용하고[7], 120도 운전방식과 150도 운전 방식에서는 속도 응답 특성을 개선하기 위하여 속도 제어기에 전류 제어기를 추가한 제어 알고리즘과 상위 스위치 PWM(upper switch PWM) 기법을 사용한다[8]. 150도 운전 방식에서는 이를 사용하기 위한 회전자의 위치 측정 방법을 제시한다.
120도 운전 방식에서는 인버터의 스위칭 손실을 줄이기 위하여 6개의 스위칭 소자를 모두 PWM 스위칭하지 않고 상위 3개의 스위칭 소자 또는 하위 3개의 스위칭 소자만을 PWM 스위칭하는 방법이 많이 사용되고 있다. 여기에서는 상위 3개만을 스위칭하는 상위 스위치 PWM 기법을 사용하였다. 그래서 통전 구간마다 1개의 상위 스위칭 소자만 PWM 스위칭을 하므로 3가지 운전 방식 중에서 인버터의 스위칭 손실이 가장 적다.
성능/효과
4[N·m]를 사용하였다. 각 운전 방식의 시뮬레이션 파형에서 좌측에는 기준 속도와 현재 속도를 함께 보였고, 우측의 상단에는 전동기의 3상 전류, 우측의 하단에는 부하 토크와 전동기의 발생 토크를 나타내었다.
이 시뮬레이션 결과에서 보면 부하가 인가되면서 전동기의 속도가 잠시 감소하지만 전동기의 상전류가 증가하여 토크도 증가하고 이에 따라 다시 속도가 증가하여 다시 기준 속도에 복귀하는 것을 볼 수 있으며, 부하 변동에 대한 속도 응답 특성이 양호하게 나타나서 원활하게 속도 제어가 수행되는 것을 알 수 있다.
이 시뮬레이션 결과를 보면 정현파 전류 운전 방식에서 상전류 THD가 5.44[%]로 가장 낮았고, 다음에는 150도 운전 방식으로 15.58[%]이며, 120도 운전 방식은 33.30[%]로 가장 큰 상전류 THD를 보였다. 특히 120도 운전 방식에서는 1[kHz]의 5차 고조파가 두드러지게 크다.
시뮬레이션 결과 이들 3가지 운전 방식 중에서 정현파 전류 운전 방식이 모든 면에서 가장 우수한 성능을 보였다. 120도 운전 방식은 150도 운전 방식에 비하여 속도 제어 특성이 다소 우수하였으며, 150도 운전 방식은 120도 운전 방식에 비하여 상전류 THD가 낮았다.
시뮬레이션 결과 이들 3가지 운전 방식 중에서 정현파 전류 운전 방식이 모든 면에서 가장 우수한 성능을 보였다. 120도 운전 방식은 150도 운전 방식에 비하여 속도 제어 특성이 다소 우수하였으며, 150도 운전 방식은 120도 운전 방식에 비하여 상전류 THD가 낮았다. 또한 전동기를 3000[rpm]으로 운전할 때 10[%]의 경부하에서는 120도 운전 방식이 150도 운전 방식에 비해 전동기의 토크 리플이 작았으며, 100[%]의 중부하에서는 150도 운전 방식의 토크 리플이 작았다.
이러한 시뮬레이션 결과로 보면 종래에 인버터의 운전 효율 향상을 위하여 사용한 정현파 전류 운전 방식을 120도 운전 방식으로 전환하여 사용하는 방법에 추가하여 정현파 전류 운전 방식과 150도 운전 방식 간에 전환하는 방법을 사용한다면 인버터의 스위칭 손실 절감량은 다소 감소하겠지만 고속 운전 구간에서 전동기의 토크 리플로 인하여 발생되는 소음과 고조파 성분에 의해 발생되는 전동기의 철손을 감소시킬 수 있다. 150도 운전방식은 기존의 120도 운전 방식과 제어 알고리즘이 매우 유사하므로 회전자의 위치를 계산하는 소프트웨어 처리만 추가하면 기존의 전환 방법을 거의 그대로 사용할 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
120도 운전 방식은 어디서 주로 사용되는가?
그러나, 시스템을 장시간 사용하여 운전 효율이 중시되는 냉장고와 같은 응용 분야나 배터리를 전원으로 사용하는 전기 스쿠터와 같은 응용 분야에서는 인버터의 스위칭 손실을 줄이기 위하여 120도 운전 방식(six-step driving method)과 정현파 전류 운전방식을 적절히 전환하여 사용하는 방법이 연구되었다[1-3]. 120도 운전 방식은 브러시리스 직류전동기(BLDCM ; Brushless DC Motor)를 구동하는 인버터에서 주로 사용되어 왔는데, 전동기의 상전류가 구형파 형태이고 홀센서의 신호를 이용하여 항상 2개의 스위칭 소자가 전기각으로 120도 구간에만 켜지며 단순한 ON/OFF 동작만을 수행하기 때문에 인버터의 스위칭 손실이 적고 데드 타임(dead time)을 고려하지 않아도 되는 장점이 있다. 그러나, 이 방식은 상전환(commutation) 구간에서 비교적 큰 토크 리플이 발생하므로[4], 이러한 단점을 개선하기 위하여 통전각을 전방으로 30도만큼 확장한 150도 운전 방식(twelve-step driving method)이 연구되었다[5].
영구자석형 동기전동기의 운전 효율이 높은 이유는?
오늘날 운전 효율을 중요하게 취급하는 전동기 제어시스템에서는 영구자석형 동기전동기(PMSM ; PermanentMagnet Synchronous Motor)를 널리 사용한다. 이것은 회전자에 영구자석을 사용하기 때문에 회전자에서의 동손 및 철손이 없고, 고정자에 여자 전류가 흐르지 않기 때문에 이로 인한 고정자 측에서의 손실도 감소되어 전체적으로 전동기의 운전 효율이 높다. 또한, 회전자의 자속밀도를 높게 할 수 있으므로 전동기의 중량 대 토크비를 높일 수 있다.
정현파 전류 운전 방식의 특징은?
이러한 PMSM을 구동하는 3상 인버터에서는 정현파 전류 운전 방식(sinusoidal-wave driving method)을 널리 사용하고 있다. 이 방식에서는 전동기의 상전류가 정현파이므로 토크 리플(torque ripple)이 작고 빠른 속도 응답 특성을 갖고 있어서 서보용 속도 제어 시스템에 많이 사용되고 있다. 그러나, 시스템을 장시간 사용하여 운전 효율이 중시되는 냉장고와 같은 응용 분야나 배터리를 전원으로 사용하는 전기 스쿠터와 같은 응용 분야에서는 인버터의 스위칭 손실을 줄이기 위하여 120도 운전 방식(six-step driving method)과 정현파 전류 운전방식을 적절히 전환하여 사용하는 방법이 연구되었다[1-3].
참고문헌 (9)
T.-S. Son, Y.-K. Lee, H.-W. Kim, K.-Y. Cho, H.-S. Mok, "The Control Method of In-Wheel PMSM for Electric Scooter using Speed Observer", Journal of KIPE, vol. 16, no. 2, pp. 130-136, 2011. 4. DOI: http://doi.org/10.6113/TKPE.2011.16.2.130
K.-W. Lee, S.-G. Park, S.-K. Jeong, "A Seamless Transition Control of Sensorless PMSM Compressor Drives for Improving Efficiency Based on a Dual-Mode Operation", IEEE Trans. Power Electron., vol. 30, no. 3, pp. 1446-1456, March 2015. DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2014.2316198
S.-Y. Heo, "A Transition Control of Square-wave to Sinusoidal-wave in IPMSM Control System for Refrigerator Compressor", Master's Thesis in Engineering, Chonbuk National University, pp. 6-8, 2014. 2.
S.-H. Kim, Motor Control - DC, AC, BLDC, Bogdoo Publication Co., pp. 127-130, 2016.
Y.-.J. Kang, J.-Y. Yoo, D.-K. Kim, K.-W. Lee T.-D. Kim, " $150^{\circ}$ Electrical Conduction Method of Sensorless BLDCM Applied to Air Conditioner Compressor", Journal of KIPE, vol. 9, no. 6, pp. 517-524, 2004. 12.
S.-A. Kim, S.-G. Lee, C.-S. Jang, Y.-H. Cho, "Study on Output Characteristics of Surface Mounted Permanent Magnet Synchronous Motor according to Commutation Method", Conference of KIEE, pp. 1031-1032, 2014. 7.
D.-Y. Yoon, S.-C. Hong, "Speed Control of Permanent Magnet Synchronous Motor Using Space Voltage Vector PWM", Journal of KIEE, vol. 43, no. 7, pp. 1112-1120, 1994. 7.
S.-Y, Lee, D.-Y. Yoon, "The Transition Control Technique between Sinusoidal-Wave and Square- Wave Driving Method in Inverter for PMSM", Conference of KIPE, pp. 113-114, 2016. 7.
Thomas M. Jahns, "Torque Production in Permanent- Magnet Synchronous Motor Drives with Rectangular Current Excitation", IEEE Trans. Ind. Applicat., vol. IA-20, no. 4, pp. 803-813, Jul./Aug. 1984. DOI: https://doi.org/10.1109/TIA.1984.4504490
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