[논문]3레벨 인버터로 구동되는 IPMSM의 고주파 주입 센서리스 운전에서 중성점 전압 리플 저감

조대현; 김석민; 이교범

doi:10.7471/ikeee.2020.24.3.867

3레벨 인버터로 구동되는 IPMSM의 고주파 주입 센서리스 운전에서 중성점 전압 리플 저감
Neutral-Point Voltage Ripple Reduction of High Frequency Injection Sensorless Control of IPMSM Fed by a Three-Level Inverter 원문보기

전기전자학회논문지 = Journal of IKEEE, v.24 no.3, 2020년, pp.867 - 876

조대현 (Dept. of Electrical and Computer Engineering, Ajou University) , 김석민 (LS Electric Co., Ltd.) , 이교범 (Dept. of Electrical and Computer Engineering, Ajou University)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 3레벨 인버터로 구동되는 IPMSM의 고주파 주입 센서리스 운전에서 중성점 전압 리플 저감을 제안한다. 고주파 전압 주입 기반의 센서리스 제어는 IPMSM의 저속 영역에서 일반적으로 사용하는 센서리스 제어 기법이다. 고주파 전압 주입을 이용한 IPMSM의 센서리스 제어 과정에서 중성점에서의 전압 리플이 증가하는 문제가 발생한다. 중성점에서의 큰 전압 리플은 출력 전류를 왜곡시킬 뿐만 아니라 직류단 커패시터의 수명을 단축시키므로 저감되어야 한다. 본 논문에서 제안하는 기법은 지령 전압에 적절한 값을 보상하여 중성점 전압 리플을 저감하며, 보상값은 지령 전압과 전류를 이용하여 간단히 계산한다. 제안하는 중성점 전압 리플 저감 기법의 타당성은 시뮬레이션을 통해 검증한다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper proposes a neutral-point voltage ripple reduction of high frequency injection sensorless control of IPMSM fed by a three-level inverter. The high frequency voltage injection method has been successfully applied to sensorless control for IPMSM at low speed region. In the process of high frequency voltage injection sensorless control for IPMSM, the neutral-point voltage ripple is increased. It should be reduced because it distorts the output current and decreases a life time of DC-link capacitor. The proposed method in this paper reduces the neutral-point voltage ripple by compensating the reference voltage, and the compensation value is calculated simply with reference voltages and currents. The effectiveness of the proposed method is verified by simulation results.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1. NPC type three-level inverter. 그림 1. NPC 타입 3레벨 인버터
그림 Fig. 2. High frequency voltage injected into estimated d-axis. 그림 2. 추정한 동기좌표계 d-축에 주입하는 고주파 전압
그림 Fig. 3. Three-phase reference voltages and PWM carrier in case of injecting high frequency voltage. 그림 3. 고주파 전압을 주입한 경우의 3상 지령 전압 및 PWM 캐리어
그림 Fig. 4. 3-phase pole voltage during control period. 그림 4. 제어 주기 동안의 3상 극전압
그림 Fig. 5. Average neutral-point current and DC-link top/bottom voltage. 그림 5. 평균 중성점 전류와 직류단 상하단 전압
표 Table 1. Compensation value (dcomp) of the proposed method. 표 1. 제안하는 기법에서의 보상값(dcomp)
표 Table 2. Simulation and IPMSM parameters. 표 2. 시뮬레이션 및 IPMSM 파라미터
그림 Fig. 6. Simulation results of neutral-point voltage ripple increase by high frequency voltage injection in a three-level inverter. 그림 6. 고주파 전압 주입에 의한 3레벨 인버터의 중성점 전압 리플 증가 시뮬레이션 결과
그림 Fig. 7. Simulation results of applying reduction method of neutral-point voltage ripple. 그림 7. 중성점 전압 리플 저감 기법 적용 시뮬레이션 결과
그림 Fig. 8. Simulation results of DC-link top/bottom voltage and a-phase current: (a) Before applying proposed algorithm, (b) After applying proposed algorithm. 그림 8. 직류단 상하단 전압 및 a상 전류의 시뮬레이션 결과: (a) 제안하는 알고리즘 적용 전, (b) 제안하는 알고리즘 적용 후
그림 Fig. 9. Simulation results of applying reduction method of neutral-point voltage ripple depends on load torque: (a) 15 % of rated torque, (b) 50 % of rated torque, (c) 85 % of rated torque. 그림 9. 부하 토크 크기에 따른 중성점 전압 리플 저감 시뮬레이션 결과: (a) 정격 토크의 15 %, (b) 정격 토크의 50 %, (c) 정격 토크의 85 %
그림 Fig. 10. Simulation results of applying reduction method of neutral-point voltage ripple depends on speed of IPMSM. 그림 10. IPMSM의 속도에 따른 중성점 전압 리플 저감 시뮬레이션 결과

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문에서는 3레벨 인버터로 구동되는 IPMSM의 고주파 주입 센서리스 운전에서 중성점 전압 리플 저감을 제안하였다. IPMSM의 저속 영역에서 대표적으로 사용하는 고주파 전압 주입 센서리스기법을 3레벨 인버터에 적용하는 경우, 중성점 전압 리플이 증가하는 문제가 발생한다.

제안 방법

본 논문에서는 3상 지령 전압과 전류를 이용하여 제어 주기 동안의 평균 중성점 전류를 예측하고, 지령 전압에 적절한 값을 보상하여 중성점 전압 리플을 저감한다. 보상값은 지령 전압과 전류를 이용하여 간단히 계산한다.
제안하는 기법을 통한 3레벨 인버터의 중성점 전압 리플 저감 효과를 확인하기 위해 PSIM 시뮬레이션을 진행하였으며, 시뮬레이션 및 IPMSM 파라미터는 표 2와 같다. 그림 6은 고주파 전압 주입에 의한 3레벨 인버터의 중성점 전압 리플 증가 시뮬레이션 결과를 나타낸다.

데이터처리

본 논문에서는 3상 지령 전압을 보상하여 중성점 전압 리플을 저감하며, 보상값은 지령 전압과 전류를 이용하여 간단히 계산할 수 있다. 제안하는 중성점 전압 리플 저감 기법의 타당성은 시뮬레이션을 통해 검증하였다.

성능/효과

1 rpm의 기울기로 증가하여 200 rpm으로 가변하였다. IPMSM의 속도가 변화하더라도, 제안하는 알고리즘을 이용하여 중성점 전압 리플이 저감되는 것을 확인하였다.
제안하는 알고리즘을 적용하기 전인 그림 8(a)의 경우, 중성점 전압 리플이 크게 발생하고, a상 전류의 파형이 왜곡된다. a상전류의 THD는 4.24 %로 측정되었으며, FFT (Fast Fourier Transfrom)분석 결과 5차 및 7차 고조파성분이 존재하는 것을 확인하였다. 제안하는 알고리즘을 적용한 그림 8(b)의 경우, 중성점 전압 리플이 저감되하였으며, 이에 따라 a상 전류의 THD가 3.
24 %로 측정되었으며, FFT (Fast Fourier Transfrom)분석 결과 5차 및 7차 고조파성분이 존재하는 것을 확인하였다. 제안하는 알고리즘을 적용한 그림 8(b)의 경우, 중성점 전압 리플이 저감되하였으며, 이에 따라 a상 전류의 THD가 3.39 %로 감소하였고, FFT 분석 결과 5차 및 7차 고조파 성분이 저감되었다. 고주파 전압 주입 기반의 IPMSM의 센서리스 제어에서는 3상 전류를 이용하여 회전자의 위치를 추정한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	중성점 전압 불평형은 어떻게 분류할 수 있는가?	두 개의 직류단 커패시터로 구성된 3레벨 인버터의 직류단의 중성점에서는 전압 불평형이 발생할 수 있다. 중성점 전압 불평형은 여러 하드웨어적인 문제들로 인해 발생하는 DC 불평형과 3레벨 인버터의 스위칭 기법으로 인해 자체적으로 발생하는 AC 불평형으로 분류할 수 있다[7]-[9]. AC 불평형은 중성점 전압 리플을 의미하며, 중성점 전압 리플의 주파수는 기본파 주파수의 3배이다.
	3레벨 인버터의 장점은 무엇인가?	3레벨 인버터는 2레벨 인버터와 비교하여 고압/대용량에 적합하다는 장점 이외에도 전류 전고조파왜율(Total Harmonic Distortion, THD) 및 효율면에서 우수한 성능을 가지고 있어 많은 분야에서 사용되고 있다[1]-[6]. NPC(Neutral-Point Clamped)인버터는 3레벨 인버터의 대표적인 토폴로지이며, 그림 1과 같이 하나의 상에 두 개의 클램핑 다이오드와 네 개의 스위치 소자로 구성되어 있다.
	벡터 제어를 이용한 매입형 영구자석 동기전동기의 구동을 위해 필수적인 회전자 위치 정보는 무엇을 통해 얻을 수 있는가?	매입형 영구자석 동기전동기(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor, IPMSM)은 효율 및 출력 밀도가 높아 많은 분야에서 사용되고 있다[10]-[12]. 벡터 제어를 이용한 IPMSM의 구동을 위해서는 회전자 위치 정보가 필수적이며, 회전자 위치 정보는 엔코터, 레졸버와 같은 위치 센서를 통해 얻을 수 있다. 센서를 사용하는 경우, 시스템의 부피와 가격이 증가할 뿐만 아니라 노이즈에 의해 신뢰성이 하락할 수 있다.

참고문헌 (18)

K.-B. Lee, Advanced power electronics, Munundang, 2019.
J.-S Lee, R. Kwak, and K.-B. Lee, "Novel discontinuous PWM method for a single-phase three-level neutral point clamped inverter with efficiency improvement and harmonic reduction," IEEE Trans. Power Electron., vol.33, no.11, pp. 9253-9266, 2018. DOI: 10.1109/TPEL.2018.2794547

상세보기
J. Rodriguez, S. Bernet, B. Wu, J. O. Pontt, and S. Kouro, "Multilevel voltage-source-converter topologies for industrial medium-voltage drives," IEEE Trans. Ind. Electron., vol.54, no.6, pp.2930-2945, 2007. DOI: 10.1109/TIE.2007.907044

상세보기
S.-M. Kim, I. J. Won, J. Kim, and K.-B. Lee, "DC-link ripple current reduction method for three-level inverters with optimal switching pattern," IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 65, no.12, pp. 9204-9214, 2018. DOI: 10.1109/TIE.2018.2823662

상세보기
S.-W. An, S.-M. Kim, and K.-B. Lee, "Optimized space-vector modulation to reduce neutral point current for extending capacitor lifetime in three-level inverters," IEEE Access, vol., pp. 97689-97697, 2020. DOI: 10.1109/ACCESS.2020.2996998
C. Wang, Z. Li, and H. Xin, "Neutral-point voltage balancing strategy for three-level converter based on disassembly of zero level," J. Power Electron., vol.19, no.1, pp.79-88, 2019. DOI: 10.6113/JPE.2019.19.1.79
N. Celanovic and D. Boroyevich, "A comprehensive study of neutral-point voltage balancing problem in three-level neutral-point-clamped voltage source PWM inverters," IEEE Trans. Power Electron., vol.15, no.2, pp.242-249, 2000. DOI: 10.1109/63.838096

상세보기
U.-M. Choi, H.-H. Lee, and K.-B. Lee, "Simple neutral-point voltage control for threelevel inverters using a discontinuous pulse width modulation," IEEE Trans. Energy Convers., vol.28, no.2, pp.434-443, 2013. DOI: 10.1109/TEC.2013.2257786

상세보기
J. Shen, S. Schroder, B. Duro, and R. Roesner, "A neutral-point balancing controller for a threelevel inverter with full power-factor range and low distortion," IEEE Trans. Ind Appl., vol.49, no.1, pp.138-148, 2013. DOI: 10.1109/TIA.2012.2228615

상세보기
B. Han, J.-S. Lee, Y. Bak, and K.-B. Lee, "Performance analysis of direct torque control method for traction system based on IPMSM," J. Korean Soc. Railw., vol.23, no.1, pp.21-34, 2020.

상세보기
Y.-K. Kang, H.-G. Jeong, K.-B. Lee, D.-C. Lee, and J.-M. Kim, "Simple estimation scheme for initial rotor position and inductances for effective MTPA-operation in wind-power systems using an IPMSM," J. Power Electron., vol. 10, no.4, pp.396-404, 2010. DOI: 10.6113/JPE.2010.10.4.396

원문보기 상세보기
B. Zhao, H. Li, and J. Mao, "Double-objective finite control set model-free predictive control with DSVM for PMSM drives," J. Power Electron., vol.19, no.1, pp.168-178, 2019. DOI: 10.6113/JPE.2019.19.1.168
B.-G. Kang, S.-M. Jeong, Y.-S. Lim, J.-S. Lee, and K.-B. Lee, "Transition algorithm for wide-speed-range operation of sensorless IPMSM drives," J. Korean Soc. Railw., vol.21, no.5, pp. 433-444, 2018. DOI: 10.7782/JKSR.2018.21.5.433

상세보기
G. Wang, D. Xiao, G. Zhang, C. Li, X. Zhang, and D. Xu, "Sensorless control scheme of IPMSMs using HF orthogonal square-wave voltage injection into a stationary reference frame," IEEE Trans. Power Electron., vol.34, no.3, pp.2573-2584, 2019. DOI: 10.1109/TPEL.2018.2844347

상세보기
J.-S. Lee and K.-B. Lee, "A carrier-based PWM method for neutral-point ripple reduction of a 3-level inverter," in Proc. of the IEEE ECCE2014, pp.2095-2100, 2014. DOI: 10.1109/ECCE.2014.6953679
R. Maheshwari, S. M. Nielsen, and S. B. Monge, "Design of neutral-point voltage controller of a three-level NPC inverter with small DC-link capacitor," IEEE Trans. Ind. Electron., vol.60, no.5, pp.1861-1871, 2013. DOI: 10.1109/TIE.2012.2202352
C. Wang and Y. Li, "Analysis and calculation of zero-sequence voltage considering neutralpoint potential balancing in three-level NPC converters," IEEE Trans. Ind. Electron., vol.57, no.7, pp.2262-2271, 2010. DOI: 10.1109/TIE.2009.2024093

상세보기
J.-S. Lee and K.-B. Lee, "Time-offset injection method for neutral-point AC ripple voltage reduction in a three-level inverter," IEEE Trans. Power Electron., vol.31, no.3, pp.1931-1941, 2016. DOI: 10.1109/TPEL.2015.2439689

상세보기

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증