[논문]3상 교류 불평형 전압 제어 기법

장두원; 최경달; 주형길

3상 교류 불평형 전압 제어 기법
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장두원 (한국산업기술대학교 에너지 대학원) , 최경달 (한국산업기술대학교 에너지 대학원) , 주형길 (한국산업기술대학교 에너지 대학원)

본 논문은 3상 불평형 전압이 부하에 인가될 때 선간 전압의 실효값을 측정해서 불평형을 검출하고 불평형이 발생되면 선간전압의 실효값이 평형이 되도록 각 상의 상전압을 전력소자를 사용한 위상 각제어를 통해서 각 상별 스위칭각을 비대칭적으로 조절함으로서 3상 전압 불평형 개선하고자 한다. 이를 모의 실험을 통해 유도전동기 부하에서 검증하였고 이를 통한 고조파 영향을 분석하였다.

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문제 정의

같이 차이를 보인다. 따라서 본 논문에서는 NEMA(National Electrical Manufacturers Association)에서 정하는 LVUR을 기준으로 불평형을 정의하고자 한다.
본 논문에서는 3상 전압 값의 불평형에 의한 전압 불평형의 현상과 원인을 분석하여 위상각 제어에 의한 상전압 제어를 통해 불평형 전압을 제어하고자 한다. 선간 전압의 불평형은 전압 벡터도에 의해서 각 상별 크기의 변화로 표현될 수 있다.
제어 방법을 분류 한다. 전력소자를 사용하여 각 상전압의 크기를 비대칭적으로 조절하여 3상 선간전압의 불평형을 제어하는 방법을 제안하고자 한다.

제안 방법

3상 전원 전압 불평형을 해소하기 위해서 본 논문에서 제안한 비대칭 위상각 제어 방식을 적용하여 PSIM으로 모의실험을 하였다. 표 2에서 나타나는 것과 같이 본 논문에서 제안한 방식을 적용한 결과 유도전동기에서 불평형율은 모두 NEMA에서 규정하는 불평형 허용범위인 1[%]을 초과하지 않는 만족한 결과를 얻었고 불평형 전류는 전압 불평형율을 감소시킴으로 평형에 가까워짐을 그림 2의 결과를 통해 알 수 있었다.
PSIM을 사용하여 3상 불평형 전압을 인가한 후 각 선간 전압의 실효치를 측정하여 불평형을 검출하고 이에 따라 제어 모드를 결정하였다[6]. 제어 모드에 따라 각 상별 위상각을 조절하여 상전압을 제어하였다.
각 선간 전압의 실효값이 일치 하지 않을 경우 불평형으로 판단하므로 불평형을 검출 한다. 검출된 불평형의 원인을 제어 모드에 따라 분류하고 각각의 제어모드에 따른 상전압을 제어한다. 상전압을 제어할 때는 각 상마다 역병렬로 연결된 젼력 소자의 스위칭 각을 조절하므로 상전압의 크기를 조절한다.
본 논문에서는 3상 선간전압 불평형을 상전압의 크기가 서로 다른 것을 원인으로 보고 대칭 좌표법을 통해 원인별 상전압 크기 변화를 분석하여 제어 방법을 분류 한다. 전력소자를 사용하여 각 상전압의 크기를 비대칭적으로 조절하여 3상 선간전압의 불평형을 제어하는 방법을 제안하고자 한다.
있게 된다[6]. 선간 전압의 불평형 발생하면 제안하는 전압 제어 방법의 제어모드를 통해 각각의 경우에 따른 상전압을 제어 하게 된다. 제어된 상전압을 통해서 선간전압의 실효값이 평형을 이루게 함으로 불평형을 감소시킬 수 있다.
유도 전동기 모의실험은 표 1에서와 같이 각각의 불평형 전압의 경우에 대해 실행하였고 그에 따른 불평형율과 유도 전동기에서의 토 오크와 고조파 왜곡을 분석하였다. 그림 1은 각 경우에 있어서 3상 불평형 전압의 실효값이 제어를 통해 평형으로 수렴하는 과정을 나타내고 있다.
결정하였다[6]. 제어 모드에 따라 각 상별 위상각을 조절하여 상전압을 제어하였다.

성능/효과

그림 1의 실험결과를 표 2에 정리하여 제어전과 제어후의 선간 전압의 변화와 전압 불평형율의 변화를 비교하여 나타냈다. 실험을 통해 선간전압의 불평형율이 현저히 감소함을 알 수 있었다. 하지만 선간 전압의 평형 전압이 다소 감소함을 알 수 있었다.
정상 상태(1200RPM)에서의 토오크 맥동을 비교해 볼 때 제어 후(그림 3(우))의 맥동 토크가 제어 전 맥동 토오크에 비해 현저히 감소함을 알 수 있다.
표 2에서 나타나는 것과 같이 본 논문에서 제안한 방식을 적용한 결과 유도전동기에서 불평형율은 모두 NEMA에서 규정하는 불평형 허용범위인 1[%]을 초과하지 않는 만족한 결과를 얻었고 불평형 전류는 전압 불평형율을 감소시킴으로 평형에 가까워짐을 그림 2의 결과를 통해 알 수 있었다. 또한 그림 3에 나타난 실험을 통한 결과로 토오크 맥동이 저감함을 알 수 있었다.

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