[논문]교류 전동기의 출력 토크 향상을 위한 인버터의 과변조 성능 개선 방법

정혜인; 김상훈

doi:10.6113/tkpe.2019.24.4.273

교류 전동기의 출력 토크 향상을 위한 인버터의 과변조 성능 개선 방법
Method for Improving Overmodulation Performance of an Inverter for the Enhanced Output Torque of AC Motors 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.24 no.4, 2019년, pp.273 - 278

정혜인 (Dept. of Electrical and Medical Convergent Engineering, Kangwon National University) , 김상훈 (Dept. of Electrical and Electronic Engineering, Kangwon National University)

Abstract ▼ AI-Helper

This study proposes a method for improving the overmodulation performance of a three-phase inverter to obtain an enhanced output torque for the AC motors. In the inverter-fed AC motor drives, the output torque of the motor can be enhanced by utilizing the overmodulation region as well as the linear modulation regions of the inverter. The overmodulation method is used for this overmodulation operation of the inverter. However, the voltage gain, the ratio of the output voltage of the inverter to the reference voltage achieved by the conventional overmodulation methods becomes nonlinearly smaller than unity. Therefore, the effect of improving the output torque of the AC motors is insignificant even when the overmodulation region is utilized. In this study, we propose a method that improves the overmodulation performance of the inverter by compensating the limited amount of the reference voltage in the overmodulation operation to enhance the output torque of the AC motors. The effectiveness of the proposed method is verified through the simulations and experiments with an 800 W permanent magnet synchronous motor.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 1. Reference voltage vectors limited by the conventional overmodulation methods.
그림 Fig. 2. Voltage modulation performance of the inverter for the conventional overmodulation methods.
그림 Fig. 3. Block diagram of the proposed method.
그림 Fig. 4. Reference voltage vector compensated by the proposed method.
그림 Fig. 5. Reference voltage vector limited by the overmodulation technique without and with the proposed method.
그림 Fig. 6. Voltage modulation performance of the inverter improved by the proposed method.
표 TABLE I PARAMETERS OF THE PMSM DRIVE SYSTEM
그림 Fig. 7. Simulation results for the conventional method and the proposed method.
그림 Fig. 8. Simulation results for the acceleration performances.
그림 Fig. 9. Experiment results for the conventional method and the proposed method.
그림 Fig. 10. Experiment results for the acceleration performances.

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 논문에서는 인버터의 과변조 동작 시 제한 된 지령 전압을 보상하는 간단한 알고리즘을 이용하여 기존의 과변조 기법만 적용한 경우보다 인버터의 전압 이득을 증가시킴으로써 교류 전동기의 출력 토크 성능 을 향상시킬 수 있는 인버터의 과변조 성능 개선 방법 을 제안한다.
본 논문에서는 교류 전동기의 출력 토크 성능 향상을 위한 인버터의 과변조 성능 개선 방법을 제안하였다. 제안된 방법은 인버터의 과변조 동작 시 제한된 지령 전압을 전류 제어기로부터 주어진 초기 3상 지령 전압에 보상함으로써 인버터의 과변조 성능을 개선하며, 이로 인해 기존의 과변조 기법만 적용한 경우보다 교류 전동기의 출력 토크 성능을 향상시킬 수 있다.

제안 방법

본 논문에서는 제안된 방법을 참고 문헌 [1]의 약자속 제어에 적용했는데, 이 기법은 전동기의 출력 토크 능력을 충분히 활용하기 위해 인버터의 과변조 영역을 활용한다^[1].
제안된 방법은 인버터의 과변조 동작 시 제한된 지령 전압만큼을 전류 제어기로부터 주어진 3상 지령 전압에 보상하여 인버터의 전압 이득을 증가시킴으로써 과변조 성능을 개선한다. 제안된 방법의 블록도가 그림 3에 나타나있으며, 보상을 위한 과정으로는 우선, 식 (2)에서 얻어진 전류 제어기로부터 주어진 지령 전압 벡터 #와 이러한 지령 전압 벡터에 대해 과변조 기법을 적용한 경우 제한된 식 (3)의 지령 전압 벡터 #의 크기 성분 간의 오차 (#)를 LPF(Low Pass Filter)에 통과시킴으로써 전압 오차에 존재하는 고조파성분을 제거한 뒤, 이 값에 식 (4)에서처럼 보상 이득 K_c를 곱하여 보상 전압 |#|을 얻는다.
제안된 방법의 효용성 검증을 위하여 800W, 2000r/min PMSM에 대해 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션에 사용된 800W급 PMSM의 제정수가 표 1에 보인다.

데이터처리

스위칭 주파수는 10kHz, 전류의 샘플링 주기는 100us, V_dc는 220V이며, PMSM의 벡터 제어 시 q축에만 전류를 인가하였다. 제안된 방법에 의한 전동기의 출력 토크 성능 향상 효과를 확인하기 위해 인버터의 과변조 동작 시 기존 과변조 기법만 적용한 경우와 제안된 방법을 적용한 경우의 성능 비교가 이루어진다.
그러므로 전동기와 구동 시스템의 크기가 제한되는 응용 분야에서 제안된 방법을 사용하면 전동기를 좀 더 효율적으로 구동하는 것이 가능해진다. 제안된 방법을 800W PMSM 에 적용하여 그 유효성을 검증하였다.
제안된 방법의 타당성 검증을 위해 실험을 수행하였으며, 실험 조건은 시뮬레이션 조건과 동일하다.

성능/효과

988로 제한되는 반면, (c)의 제안된 방법을 사용한 최소 거리 과변조 기법을 적용한 경우의 M 은 0.996으로, (d)의 제안된 방법을 사용한 스위칭 상태 유지 과변조 기법을 적용한 경우의 M 은 1로 증가됨을 확인할 수 있다. 따라서 제안된 방법을 사용하면 인버터의 전압 이득이 보상되어 기존의 과변조 기법만 적용한 경우보다 과변조 성능이 개선될 수 있음을 알 수 있다.
그림 10에 이러한 과변조 기법들에 따른 가속 성능을 비교한 실험 결과가 나타나 있으며, 시뮬레이션 결과와 유사하게 제안된 방법을 사용함으로써 기존의 과변조 기법만 적용한 경우보다 교류 전동기의 출력 토크 성능을 효과적으로 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.
시뮬레이션 결과와 동일하게 (a), (b)는 각각 기존의 최소 거리, 스위칭 상태 유지 과변조 기법만 적용한 경우이며, (c), (d)는 각각 제안된 방법을 사용한 최소 거리, 스위칭 상태 유지 과변조 기법을 적용한 경우이다. 그림 9에서 볼 수 있듯이, 이들 과변조 기법에 따른 인버터의 과변조 성능은 그림 7의 시뮬레이션 결과와 거의 유사하며, 제안된 기법을 사용하여 더 향상된 과변조 성능을 얻을 수 있음을 알 수 있다.
996으로, (d)의 제안된 방법을 사용한 스위칭 상태 유지 과변조 기법을 적용한 경우의 M 은 1로 증가됨을 확인할 수 있다. 따라서 제안된 방법을 사용하면 인버터의 전압 이득이 보상되어 기존의 과변조 기법만 적용한 경우보다 과변조 성능이 개선될 수 있음을 알 수 있다.
제안된 방법은 일정 토크 영역과 일정 출력 영역에 모두 적용할 수 있으며, PMSM뿐만 아니라 유도 전동기에도 적용할 수 있으므로 활용 범위가 넓다. 또한 인버터의 과변조 성능 개선을 위한 다른 복잡한 과변조기법들보다 간단하게 구현이 가능하다.
(a), (b) 모두 주어진 지령 전압 벡터 #에 대해 육각형 내로 제한된 지령 전압 벡터는 제안된 방법이 없는 경우 #이 되며, 제안된 방법이 있는 경우에는 보상된 지령 전압 벡터 #에 의해 #이 된다. 이를 통해 제안된 방법을 사용하면 과변조 기법에 의해 제한된 지령 전압 벡터가 육각형의 꼭짓점에 더 가까워지므로 인버터의 전압 활용도가 높아져 과변조 성능이 개선될 수있음을 알 수 있다. 특히, 제안된 방법을 사용한 스위칭 상태 유지 과변조 기법을 적용한 경우에는 제한된 지령 전압 벡터가 육각형의 꼭짓점으로 결정되므로 인버터는 6-스텝 모드로 동작할 수 있어 인버터의 전압을 최대한으로 활용하는 것이 가능해진다.
본 논문에서는 교류 전동기의 출력 토크 성능 향상을 위한 인버터의 과변조 성능 개선 방법을 제안하였다. 제안된 방법은 인버터의 과변조 동작 시 제한된 지령 전압을 전류 제어기로부터 주어진 초기 3상 지령 전압에 보상함으로써 인버터의 과변조 성능을 개선하며, 이로 인해 기존의 과변조 기법만 적용한 경우보다 교류 전동기의 출력 토크 성능을 향상시킬 수 있다. 그러므로 전동기와 구동 시스템의 크기가 제한되는 응용 분야에서 제안된 방법을 사용하면 전동기를 좀 더 효율적으로 구동하는 것이 가능해진다.
이들 과변조 기법에 따른 출력 토크 향상 효과를 확인하기 위하여 가속 성능을 비교한 결과가 그림 8에 보인다. 제안된 방법을 사용한 경우 기존의 과변조 기법만 적용한 경우보다 동일한 속도에 도달하는데 걸리는 시간이 더 짧은 것을 확인할 수 있으며, 이를 통해 제안된 방법을 사용함으로써 교류 전동기의 출력 토크 성능이 더 향상될 수 있음을 알 수 있다.

후속연구

제안된 방법은 일정 토크 영역과 일정 출력 영역에 모두 적용할 수 있으며, PMSM뿐만 아니라 유도 전동기에도 적용할 수 있으므로 활용 범위가 넓다. 또한 인버터의 과변조 성능 개선을 위한 다른 복잡한 과변조기법들보다 간단하게 구현이 가능하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	과변조 기법에는 무엇이 있는가?	이러한 교류 전동기의 과변조 범위에서의 운전을 위해 사용되는 과변조 기법으로는 동일 위상 과변조 기법, 최소 거리 과변조 기법, 스위칭 상태 유지 과변조 기법이 구현의 간단함으로 인해 많이 사용된다[4],[5] . 그러나 이러한 기법들을 사용하면 인버터의 전압 이득 즉, 지령 전압에 대한 인버터 출력 전압의 비가 1보다 비선형적으로 작아지게 되므로 과변조 성능이 저하된다.
	과변조 기법을 사용하게 되면 어떤 현상이 일어나는가?	이러한 교류 전동기의 과변조 범위에서의 운전을 위해 사용되는 과변조 기법으로는 동일 위상 과변조 기법, 최소 거리 과변조 기법, 스위칭 상태 유지 과변조 기법이 구현의 간단함으로 인해 많이 사용된다[4],[5] . 그러나 이러한 기법들을 사용하면 인버터의 전압 이득 즉, 지령 전압에 대한 인버터 출력 전압의 비가 1보다 비선형적으로 작아지게 되므로 과변조 성능이 저하된다. 그러므로 교류 전동기 구동 시 인버터의 과변조 영역을 활용하더라도 전동기의 출력 토크 향상 효과가 크지 않다.
	과변조 기법들의 단점은 무엇인가?	[6]에서는 푸리에 급수 전개를 기반으로 하여 지령 전압의 크기 및 위상을 수정함으로써, [7]에서는 지령 전압 변조 지수에 대한 보상 값을 미리 오프라인으로 얻어서 극전압 지령을 수정함으로써 인버터의 과변조 성능을 개선한다. 그러나 이러한 과변조 기법들은 지령 전압의 수정을 위해 필요한 값들을 미리 오프라인으로 계산해야 하므로 구현을 위한 과정이 복잡하다는 단점이 있다. [8], [9]에서는 인버터의 과변조 영역 활용 시, 전압 제한을 벗어난 지령 전압 벡터에 대해 전류의 과도 응답 성능을 결정하는 성분인 전류 제어기의 출력 전압 벡터의 방향이 최대한 유지되도록 지령 전압 벡터를 수정함으로써, [10]에서는 제한을 벗어난 지령 전압 벡터에 대해 지령 전압과 전향 보상 전압을 양 꼭짓점으로 하는 사각형 내에서 자속 축 전압이 최대한 보장되도록 지령 전압 벡터를 수정함으로써 인버터의 과변조 성능을 개선한다.

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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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