[논문]자기 에너지 회생 스위치를 이용한 3상 유도전동기의 역률개선

선민균; 신상훈; 고광철

자기 에너지 회생 스위치를 이용한 3상 유도전동기의 역률개선
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선민균 (한양대학교 전자전기컴퓨터공학부) , 신상훈 (한양대학교 전자전기컴퓨터공학부) , 고광철 (한양대학교 전자전기컴퓨터공학부)

이 논문에서는 자기에너지 회생 스위치(MERS)를 이용한 3상 유도전동기의 역률개선을 목표로 한다. 기존의 MERS는 단상의 유도성 부하에 대해서는 간단한 제어방법을 통하여 역률을 개선시키는 효과가 있는 스위치로 알려져 있다. 이러한 스위치의 기능을 응용하여 논문에서는 실제 전철 등의 구동시스템에서 사용하는 3상 유도전동기 부하를 가진 시스템에 MERS를 적용시켰을 때 어떠한 이점들이 발생 하는지를 제안한다. 시뮬레이션을 위해 실제로 사용되는 3상 유도전동기와 이를 구동시키기 위한 컨버터와 인버터가 포함된 모터 구동 회로를 직접 구성하였다.

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문제 정의

다음으로는 이러한 MERS의 특정을 활용, 전철 둥 실생활에서 실제로 자주 사용되는 3상의 유도 전동기에 적용시켜 역률의 개선 정도를 확인하고 실효가치가 있는지를 알아 보고자 한다.
이 논문에서는 3상의 유도성 부하 및 유도전동기를 사용하는 회로에서 자기에너지 회생스위치 유·무에 따른 전압 · 천류 파형비교 및 소비 전력 비교를 통해 MERS의 효과에 대해 논의하고자 한다.
이 논문에서는 MERS를 사용한 3상의 유도성 부하 / 유도전동기에 대한 역률 개선을 목표로 하였다. MERS의 특징인 부하에 상관없이 역률을 1에 가깝게 개선시키는 성질을 활용, 3상 시스템에 이를 접목시켜 역률을 개선시킬 수 있다는 것을 실험을 통하여 확인할 수 있었다.

제안 방법

논문의 모든 시뮬레이션은 PSIM을 이용하여 진행하였다. 이를 바탕호토 MERS를 사용하기 전과 후의 파형 비교를 통해 MERS를 사용하면 어떠한이뜩이 발생하는지에 대해 구체적으로 알 수 있었다. 3상 전압을 사용하여 시스템의 경우 단상 시스헴과는 다류제 총 3개의 MERS가 필요하고 입력천압에 따라 스위치의 게이트 신호를 각각 다르게 입력하여 MERS를 제어해야 한다.

이론/모형

논문의 모든 시뮬레이션은 PSIM을 이용하여 진행하였다. 이를 바탕호토 MERS를 사용하기 전과 후의 파형 비교를 통해 MERS를 사용하면 어떠한이뜩이 발생하는지에 대해 구체적으로 알 수 있었다.

성능/효과

<그림 7>은 이러한 실험결과를 보역주고 있다. MERS 사용이후 유효전력은 1100W로 MERS를 사용하지 않은 경우와 동일하지만 소비되는 무효전력은 OVAR로 이전의 경우보다 75VAR 감소된 결과를 보여주고 있다.
개선을 목표로 하였다. MERS의 특징인 부하에 상관없이 역률을 1에 가깝게 개선시키는 성질을 활용, 3상 시스템에 이를 접목시켜 역률을 개선시킬 수 있다는 것을 실험을 통하여 확인할 수 있었다.
시뮬레이션 결과 정상상태 도달이후 전동기는 같은 토크를 발생하여 이전의 실험 결과값과 차이가 없었지만 무효전력의 크기는 감소되었음을확인 할 수 있다. 다시 말해 전동기는 같은 크기의 힘으로 일을 하고 있지만 같은 일을 하기 위해 필요한 소비전력의 크기는 감소한다는 것이다.
앞의 실험으로 우리는 3상에서 유도성 부하에 대한 MERS의 효과로써 무효 전력을 크게 감소시키고 역률을 1에 가깝게 만들어 준다는 것을 실험 결과를 통해 확인할 수 있었다.
75VAR이다. 이를 토대로 전압천류 위상차가 약 4°만큼 차이 나는 것을 계산할 수 있으며 전동기의 유도성 성분으로 인해 무효전력이증가되는 것을 확인할 수 있다.
전압, 전류, 소비전력의 파형을 측정한 결과 전압 · 전류 사어의 위상차는 0.93°로 거의 0°에 가까워 위상차가 없어졌음을 알 수 있었고 소비되는 무효 전력의 크기 또한 25(VAR)로써 앞의 57CMVAR)경우와 비교하여 크게 감소되었음을 알 수 있다. 즉, 실험 자료를 토대로 간단히 정리하면 MERS 사용 이후 회로의 역룔이 1에 가깝게 되었음을 확인할 수 있다.
즉, MERS를 사용하여 같은 크기의 일을 하는 3상 유도전동기에 무효 전력의 소비를 대폭 감수시켜 전체적인 소비전력의 양을 크게 줄일 수 있다는 것이다.
93°로 거의 0°에 가까워 위상차가 없어졌음을 알 수 있었고 소비되는 무효 전력의 크기 또한 25(VAR)로써 앞의 57CMVAR)경우와 비교하여 크게 감소되었음을 알 수 있다. 즉, 실험 자료를 토대로 간단히 정리하면 MERS 사용 이후 회로의 역룔이 1에 가깝게 되었음을 확인할 수 있다.

후속연구

MERS를 사용하기 위해서 간단한 스위칭 제어만을 통해 역률을 개선시켜 무효전력의 소비를 크게 줄일 수 있는 사살로 미루어 보아 부하에서 유도성 성분이 큰 비중을 차지하여 역률이 낮은 즉, 무효전력 소모가 심한 각종 기기에 실제로 MERS를 사용한다면 소비전력 감소의 이득을 얻을 수 있을 것이다.
이러한 사실을 실생활의 3상 유도전동기 시스템에 적용시키면 전체 소비전력을 감소 시키는 이점을 얻을 수 있을 것이다.

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