[논문]LCL 필터와 PWM 정류기를 이용한 3상 유도전동기의 시뮬레이터

조관열; 김학원

doi:10.5762/kais.2020.21.11.861

초록
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대용량 유도전동기용 인버터 개발을 위한 부하 장치는 고가의 제작 비용 및 제작에 많은 시간이 필요하므로 유도전동기 및 부하 장치를 대체할 수 있는 시뮬레이터 개발에 대한 필요가 증대되고 있다. 기존의 대용량 3상 유도전동기의 인버터용 부하 시뮬레이터는 리액터와 3상 PWM 정류기를 사용하여 시험용 인버터의 전류를 제어함으로써 단지 인버터의 부하로만 작용할 뿐 유도전동기의 특성을 모사하기 어렵다. 본 논문에서는 LCL 필터와 3상 PWM 정류기를 이용하여 3상 유도전동기의 모델과 부하 특성을 모사할 수 있는 실시간 시뮬레이터를 제안한다. PWM 인버터에 흐르는 전류는 3상 유도전동기의 고정자 전류를 모사하며 LCL 필터의 인덕터에 흐르는 전류와 커패시터 전압에 의해 제어된다. LCL 필터의 커패시터 전압은 3상 유도전동기의 회전자 자속에 의해 고정자 권선에 유기되는 유도기전력을 모사하며 인덕터 전류와 PWM 정류기에 의해 제어된다. 3상 유도전동기의 회전자 전류, 고정자 및 회전자 자속, 전동기 토크, 슬립 주파수 및 회전자 속도는 인버터에 흐르는 전류와 유도전동기의 상수로부터 유도된다. MATLAB/Simulink 시뮬레이션을 통하여 제안된 3상 유도전동기용 실시간 시뮬레이터의 전기적, 기계적 모델 특성 및 벡터제어 동작을 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

A dynamo set for a high-power induction motor drive is expensive and needs a long time to manufacture. Therefore, the development of a simulator that functions as the induction motor and load equipment is required. A load simulator of an inverter for a high-power three-phase induction motor consists...

A dynamo set for a high-power induction motor drive is expensive and needs a long time to manufacture. Therefore, the development of a simulator that functions as the induction motor and load equipment is required. A load simulator of an inverter for a high-power three-phase induction motor consists of a reactor and three-phase PWM inverter. Therefore, it cannot simulate the dynamic characteristics of an induction motor and functions only as a load. In this paper, a real-time simulator is proposed to simulate a model of an induction motor and the load characteristics based on an LCL filter and three-phase PWM rectifier for a three-phase induction motor. The currents of a PWM inverter that simulate the stator currents of the motor are controlled by the inductor currents and capacitor voltages of the LCL filter. The capacitor voltages of the LCL filter simulate the induced voltages in the stator windings by the rotating rotor fluxes of the motor, and the capacitor voltages are controlled by the inductor currents and a PWM rectifier. The rotor currents, the stator and rotor flux linkages, the electromagnetic torque, the slip frequency, and the rotor speed are derived from the inverter currents and the motor parameters. The electrical and mechanical model characteristics and the operation of vector control were verified by MATLAB/Simulink simulation.

주제어

표/그림 (13)

그림 Fig. 1. Speed control of induction motor with dynamo set
그림 Fig. 2. Equivalent circuit of induction motor
그림 Fig. 3. Simulator circuit for induction motor
그림 Fig. 4. Block diagram of capacitor voltage and inductor current control
그림 Fig. 5. Calculation of simulator output
그림 Fig. 6. Speed and dq current response of simulator for 3 phase induction motor
표 Table 1. Simulation parameters
그림 Fig. 7. dq stator voltages and dq flux linkages of stator and rotor
그림 Fig. 8. Capacitor voltages and currents and inductor currents of LCL filter of simulator
그림 Fig. 9. Capacitor voltages and currents and inductor currents at 900rpm
그림 Fig. 10. Capacitor voltages and currents and inductor currents at 1,800rpm
그림 Fig. 11. Speed and dq currents when load torque changes at 1,800rpm
그림 Fig. 12. Phase currents of stator and rotor when load torque changes at 1,800rpm

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 3상 유도전동기의 전기적, 기계적 동특성과 부하 시험장치를 모사할 수 있는 실시간 시뮬레이터를 제안하였다. 제안된 3상 유도전동기용 시뮬레이터는 LCL 필터와 3상 PWM 정류기로 구성된다.
본 논문에서는 3상 유도전동기의 전기적, 기계적 모델과 부하장치를 모사할 수 있는 3상 유도전동기용 실시간 시뮬레이터를 제안한다. 제안하는 유도전동기용 시뮬레이터는 벡터제어로 동작하는 유도전동기의 고정자 dq 전류를 시험용 인버터에 흐르도록 하기 위해 LCL 필터[8, 9]와 PWM 정류기로 구성된다.

제안 방법

Matlab/Simulink를 사용하여 본 논문에서 제안한 유도 전동기용 시뮬레이터의 모의해석을 위한 모델을 구현하 고, 모의해석을 통하여 제안하는 3상 유도전동기용 시뮬 레이터의 제어특성을 검증한다.
제안된 3상 유도전동기용 시뮬레이터는 LCL 필터와 3상 PWM 정류기로 구성된다. 제안된 시뮬레이터의 LCL 필터의 커패시터 전압은 3상 유도전동기의 회전자 자속에 의해 고정자 권선에 유기되는 유도 전압을 모사한다. 3상 유도전동기의 회전자 전류, 고정자 및 회전자 자속, 전동기 토크, 슬립주파수 및 회전자 속도는 시뮬레이터의 인버터에 흐르는 전류와 유도전동기의 상수로부터 유도하였다.
본 논문에서는 3상 유도전동기의 전기적, 기계적 모델과 부하장치를 모사할 수 있는 3상 유도전동기용 실시간 시뮬레이터를 제안한다. 제안하는 유도전동기용 시뮬레이터는 벡터제어로 동작하는 유도전동기의 고정자 dq 전류를 시험용 인버터에 흐르도록 하기 위해 LCL 필터[8, 9]와 PWM 정류기로 구성된다. LCL 필터의 커패시터 전압이 회전자의 자속에 의해 고정자 권선에 유기되는 유도전압을 모사하고 커패시터 전압은 커패시터에 흐르는 전류에 의해 제어된다.

대상 데이터

시뮬레이터로 모사된 유도전동기 구동을 위한 인버터와 시뮬레이터 정류기의 스위칭 주파수는 동일하게 20kHz로 선정하였다. 인버터 전류제어기의 대역폭(Bandwidth)은 1kHz, 속도제어기의 대역 폭은 10Hz로 선정하였다.
본 논문에서는 3상 유도전동기의 전기적, 기계적 동특성과 부하 시험장치를 모사할 수 있는 실시간 시뮬레이터를 제안하였다. 제안된 3상 유도전동기용 시뮬레이터는 LCL 필터와 3상 PWM 정류기로 구성된다. 제안된 시뮬레이터의 LCL 필터의 커패시터 전압은 3상 유도전동기의 회전자 자속에 의해 고정자 권선에 유기되는 유도 전압을 모사한다.
제안된 3상 유도전동기용 시뮬레이터의 동작특성을 검증하기 위한 모의 해석에 사용된 3상 유도전동기는 4극, 정격출력은 839kW, 정격속도는 1,786rpm, 정격토 크는 4.49kNm이고 유도전동기 상수와 LCL 필터의 상수는 표 1과 같다. 시뮬레이터의 저항은 유도전동기의 고정자 저항과 같은 값을 사용하였고 LCL 필터의 커패 시터 용량은 20uF이다.

데이터처리

시뮬레이터의 모델구현 및 동작특성은 MATLAB/ Simulink를 이용하여 모의해석을 실시하였으며, PWM 정류기 및 LCL 필터는 SimPowerSystem 툴 박스를 사용하여 구현하였다.
제안된 3상 유도전동기용 시뮬레이터의 동작 및 속도 제어 특성은 MATLAB/Simulink를 통하여 검증하였다. 모의해석 결과로부터 제안된 3상 유도전동기용 시뮬레이터는 벡터제어 유도전동기의 정상상태에서 전기적, 기계적 특성과 부하가 변동할 경우 과도상태 특성을 잘 모사 하고 있음을 확인하였다.

성능/효과

제안된 시뮬레이터의 LCL 필터의 커패시터 전압은 3상 유도전동기의 회전자 자속에 의해 고정자 권선에 유기되는 유도 전압을 모사한다. 3상 유도전동기의 회전자 전류, 고정자 및 회전자 자속, 전동기 토크, 슬립주파수 및 회전자 속도는 시뮬레이터의 인버터에 흐르는 전류와 유도전동기의 상수로부터 유도하였다.
제안된 3상 유도전동기용 시뮬레이터의 동작 및 속도 제어 특성은 MATLAB/Simulink를 통하여 검증하였다. 모의해석 결과로부터 제안된 3상 유도전동기용 시뮬레이터는 벡터제어 유도전동기의 정상상태에서 전기적, 기계적 특성과 부하가 변동할 경우 과도상태 특성을 잘 모사 하고 있음을 확인하였다.
그림 7에 나타난 바와 같이 고정자의 q축 전압은 그림 6의 전동기 속도와 유사한 패턴을 나타냄을 알 수 있으며 전동기의 속도가 1,800rpm 일 때 고정자의 d축 전압은 -89V, q 축 전압은 1,094V를 나타낸다. 시뮬레이터의 속도가 속도지령을 잘 추종하고 있으며 전동기의 토크도 부하토크를 따라 발생하고 있음으로부터 유도전동기의 시뮬레이터가 유도전동기 모델과 부하특성을 잘 모사하고 있음을 알 수 있다.
그림 11은 1,800rpm으로 운전 시 부하가 정격부하의 100%에서 50%로 변동할 경우 전동기 속도, 고정자 및 회전자의 dq축 전류의 과도상태를 나타내고, 그림 12는 이 때 고정자 및 회전자의 abc축 상전류를 나타낸다. 전동기 부하가 정격부하의 100%에서 50%로 변동함에 따라 자속성분 전류인 고정자 및 회전자의 d축 전류는 일정하게 유지하고 있는 반면 토크성분 전류인 고정자의 q 축 전류는 310A에서 154A로, 회전자의 q축 전류는 300A에서 151A로 토크에 비례하여 거의 50%로 줄어듬을 알 수 있다.

참고문헌 (9)

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Z. Hakan Akpolat, "Dynamic emulation of mechanical loads using a vector-controlled induction motor-generator set", IEEE Trans. on Industrial Electronics, Vol.46, No.2, pp.370-379, April 1999.

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B. W. An, H. K. Shin, H. W. Kim, K. Y. Cho, and B. M. Han, "Active damping of LCL filter for three-phase PWM inverter without additional hardware sensors," Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, Vol.18, No.1, pp.10-17, Feb. 2013. DOI: https://doi.org/10.6113/TKPE.2013.18.1.10

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