[논문]듀얼 인버터 개방 권선형 영구자석 동기 전동기 제어를 위한 PWM 가변 캐리어 생성법 및 영벡터 위치에 따른 전류 리플 분석

심재훈; 최현규; 하정익

doi:10.6113/tkpe.2020.25.4.279

[국내논문] 듀얼 인버터 개방 권선형 영구자석 동기 전동기 제어를 위한 PWM 가변 캐리어 생성법 및 영벡터 위치에 따른 전류 리플 분석
PWM Variable Carrier Generating Method for OEW PMSM with Dual Inverter and Current Ripple Analysis according to Zero Vector Position 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.25 no.4, 2020년, pp.279 - 285

심재훈 (Dept. of Electrical and Computer Eng., Seoul Nat'l University, Electric Power Research Institute) , 최현규 (Dept. of Electrical and Computer Eng., Seoul Nat'l University, Electric Power Research Institute) , 하정익 (Dept. of Electrical and Computer Eng., Seoul Nat'l University, Electric Power Research Institute)

Abstract ▼ AI-Helper

An open-end winding (OEW) permanent magnet synchronous motor with dual inverters can synthesize large voltages for a motor with the same DC link voltage. This ability has the advantage of reducing the use of DC/DC boost converters or high voltage batteries. However, zero-sequence voltage (ZSV), which is caused by the difference in the combined voltage between the primary and secondary inverters, can generate a zero-sequence current (ZSC) that increases system losses. Among the methods for eliminating this phenomenon, combining voltage vector eliminated ZSV cannot be accomplished by the conventional Pulse Width Modulation(PWM) method. In this study, a PWM carrier generation method using functionalization to generate a switching pattern to suppress ZSC is proposed and applied to analyze the control influence of the center-zero vector in the switching sequence about the current ripple.

주제어

표/그림 (17)

그림 Fig. 1. OEW PMSM with dual inverter connected on single power.
그림 Fig. 2. Voltage space vector.
그림 Fig. 3. Switching pattern analysis in 'A' sector.
그림 Fig. 4. Carrier shape according to polarity.
그림 Fig. 5. PWM variable carrier function in tsamp.
표 TABLE I VARIABLES FOR CARRIER FUNCTIONALIZATION
그림 Fig. 6. Method for implementing symmetric switching.
그림 Fig. 7. Added switching for each phase (red SW) in the case with center zero vector.
그림 Fig. 8. Switching losses analysis on 'A Sector and ia>0, ib0'case.
표 TABLE II OEW PMSM SYSTEM PARAMETERS
그림 Fig. 9. Simulation results of switching patterns.
그림 Fig. 10. Simulation results.
그림 Fig. 11. Simulation results at rated power for currents ripple analysis according to (a) Without center zero voltage vector, (b) With center zero voltage vector.
그림 Fig. 12. Experiment set.
그림 Fig. 13. Experiments results of switching patterns.
그림 Fig. 14. Experiments results.
그림 Fig. 15. q-axis current in synchronous reference frame, Rotor speed and Torque.

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 듀얼 인버터를 가진 개방 권선형 동기 전동기에서 ZSV를 고려한 스위칭을 위해 DSP 외부에 부가적인 논리 게이트가 필요했었다. 이런 비용 문제를 PWM 캐리어의 함수화를 통한 시간에 대한 가변 캐리 어를 구성함으로써 해결하였고, 데드타임 악영향 조건하에서 모의 실험 및 실험을 통해 ZSC의 억제를 확인하였다.
본 연구에서는 상기 비용 문제를 ‘시간에 대한 가변 캐리어 구성’을 통해 해결하는 방안을 제시한다.

제안 방법

2.1.3절에서 다룬 바와 같이 PWM 가변 캐리어 함수 화를 이용한 대칭 스위칭을 하기 위해서는 T_zero,1 과 T_zero,2 의 크기가 같도록 하기 위해 최대 듀티를 가지는 상의 위상을 이동시켰다. 이렇게 하면 센터 영벡터가 포함되며, 센터 영벡터가 포함되지 않는 PWM을 구현하기위해서는 T_zero,2 가 0이 되도록 가변 캐리어 위상을 이동시킨 후 대칭시키면 된다.
논문 [2]에 설명된 바와 같이 인버터1과 인버터2에서 합성되는 전압 공간 벡터에서 ZSV가 0이 되는 벡터들만 선택적으로 합성하면 그림 2와 같은 굵은 실선의 공간 벡터 영역이 형성되고, 스위칭 손실을 줄이기 위해 인버터 2는 각 섹터별(A∼F)로 클램핑 하도록 하여 그림 3과 같이 섹터별로 스위칭 패턴을 설계한다.
불규칙해 보이는 스위칭 패턴을 분석하기 위해 섹터별로 스위칭 패턴에 대해 분석한다. 이때 분석의 간소화를 위해 대칭성을 한 번에 고려하지 않고 대칭 패턴절반을 먼저 고려한 후(그림 3의 ‘패턴 1’영역)이 패턴을 대칭시켜 최종 스위칭 형태를 구한다.
본 논문에서는 듀얼 인버터를 가진 개방 권선형 동기 전동기에서 ZSV를 고려한 스위칭을 위해 DSP 외부에 부가적인 논리 게이트가 필요했었다. 이런 비용 문제를 PWM 캐리어의 함수화를 통한 시간에 대한 가변 캐리 어를 구성함으로써 해결하였고, 데드타임 악영향 조건하에서 모의 실험 및 실험을 통해 ZSC의 억제를 확인하였다. 추가적으로 이 방식을 통해 구현한 스위칭 패턴으로 센터 영벡터의 유무에 따른 전류 리플 영향성을 검토하였다.
제안된 PWM 캐리어 생성 검증을 위해 PLECS를 통해 듀얼 인버터를 가진 개방 권선형 영구자석 전동기의 토크 제어 모의 실험을 수행하였다. 정격 조건에서 모의실험을 진행하였으며 모터 제정수 및 시스템 파라미터는 다음과 같다.
제안된 방법은 PLECS 프로그램을 통해 모의 실험한후, 2.1kW급 개방 권선형 영구자석 전동기를 이용하여 실험으로 검증하였다.
이를 통해 DSP 외부에 별도의 하드웨어의 추가 없이 ZSV 가 0이 되는 스위칭 패턴 합성을 구현할 수 있게 된다. 추가로 본 논문에서 제안된 방법을 통해 센터 영벡터의 유/무에 따른 전류 리플 영향성 분석을 함께 다룬다.
이런 비용 문제를 PWM 캐리어의 함수화를 통한 시간에 대한 가변 캐리 어를 구성함으로써 해결하였고, 데드타임 악영향 조건하에서 모의 실험 및 실험을 통해 ZSC의 억제를 확인하였다. 추가적으로 이 방식을 통해 구현한 스위칭 패턴으로 센터 영벡터의 유무에 따른 전류 리플 영향성을 검토하였다.

대상 데이터

정격 조건에서 모의실험을 진행하였으며 모터 제정수 및 시스템 파라미터는 다음과 같다. 데드타임의 악조건 영향을 반영하기 위해 상전류 크기가 작은 1Nm, 1000rpm인 0.05pu 전력 지점에서 모의 실험하였다.
본 연구에서는 듀얼 인버터를 가진 개방 권선형 영구 자석 동기 전동기 토폴로지 중 하나인 그림 1과 같은 '하나의 전원이 두 개의 인버터에 연결된 듀얼 인버터' 구조로 연구를 진행하였다.

성능/효과

A상 전류와 ZSC를 나타낸 것으로 T_sw 내에서 ZSC가 효과적으로 억제된 것을 볼 수 있다. 상전류의 THD는 37.89% 에서 29.64%로 8.25%p 감소되었으며, ZSC의 기본파 성분의 크기도 1.09A에서 0.98A로 줄어들었다. 다만, 기본 파의 3고조파 성분의 ZSC는 데드타임 영향으로 억제하진 못하였다.
본 논문에서 제안된 방법으로 이를 해결하고 ZSC가 효과적으로 억제되는 것을 그림 14에서 확인 할 수 있다. 상전류의 THD는 42.89%에서 30.56%로 12.33%p 감소되었으며, ZSC의 기본파 성분의 크기도 0.95A에서 0.69A로 줄어들었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	듀얼 인버터의 장점은 무엇인가?	듀얼 인버터를 가진 개방 권선형 영구자석 동기 전동기는 고전압 구동이 필요한 모터에서 고전압 배터리 또는 DC/DC Boost 컨버터를 대체할 수 있는 시스템으로써 부각되고 있다. 또한, 듀얼 인버터를 가진 모터 설계에 있어서 턴수비와 전류 정격을 조절하여 모터의 출력을 기존과 같이 유지하며 인버터의 손실을 줄여 시스템의 효율을 상승시킬 수 있다는 장점도 있다. 특히 최근에는 스위칭 반도체 소자 가격 하락과 함께 다양한 산업 분야에서 경제적 이점을 가지며 사용될 수 있는 시스템으로써 연구되고 있다.
	개방 권선형 영구자석 동기 전동기는 왜 부각되고 있는가?	듀얼 인버터를 가진 개방 권선형 영구자석 동기 전동기는 고전압 구동이 필요한 모터에서 고전압 배터리 또는 DC/DC Boost 컨버터를 대체할 수 있는 시스템으로써 부각되고 있다. 또한, 듀얼 인버터를 가진 모터 설계에 있어서 턴수비와 전류 정격을 조절하여 모터의 출력을 기존과 같이 유지하며 인버터의 손실을 줄여 시스템의 효율을 상승시킬 수 있다는 장점도 있다.
	개방 권선형 영구 자석 동기 전동기 토폴로지의 장점은 무엇인가?	본 연구에서는 듀얼 인버터를 가진 개방 권선형 영구 자석 동기 전동기 토폴로지 중 하나인 그림 1과 같은 '하나의 전원이 두 개의 인버터에 연결된 듀얼 인버터' 구조로 연구를 진행하였다. 이 토폴로지의 장점은 모터에 출력할 수 있는 선형 영역 상전압이 기존 인버터 시스템에 비해 √3배 증대시킬 수 있으며, 각 상이 H-Bridge 구조를 가지고 있어 제어가 용이하다는 점이다.

참고문헌 (6)

A. Somani, R. K. Gupta, K. K. Mohapatra, and N. Mohan, "On the causes of circulating currents in PWM drives with open-end winding AC machines," IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 60, No. 9, Sep. 2013.

상세보기
M. R. Baiju, K. K. Mohapatra, and K. Gopakumar, "A dual two-level inverter scheme with common mode voltage limination for an induction motor drive," IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 19, No. 3, May 2004.
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상세보기
Y. Zhou and H. Nian, "Zero-sequence current suppression strategy of open-winding PMSG system with common DC bus based on zero vector redistribution," IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 31, No. 12, Dec. 2016.
G. S. Chandini and G. Shiny, "Common-mode voltage elimination technique for an open-end winding induction motor using carrier based PWM," in 2017 IEEE International Conference on Technological Advancementsin Power and Energy (TAP Energy), Dec. 2017.
X. Lin, W. Huang, and Le Wang, "SVPWM strategy based on the hysteresis controller of zero-sequence current for three-phase open-end winding PMSM," IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 34, No. 4, Apr. 2019.

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저자의 다른 논문 :

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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