단일 6-브릿지 인버터를 이용한 이중 표면 부착형 영구자석 동기 전동기의 이종속도 구동을 위한 토폴로지 및 제어

Abstract

일반적인 전력 변환 시스템은 전원과 전력 변환 회로, 전력 변환 기기로 이루어져 있다. 하나의 전원으로부터 여러 개의 전력 변환 기기를 운전하기 위해서는 기기의 수만큼 전력 변환 회로가 필요하다. 이런 경우, 교류단(ac link) 혹은 직류단(dc link)을 공유하는 구조로 전체 시스템이 복잡해지고 전력 변환 회로의 개수만큼 비용이 증가하게 된다. 저용량 시스템에서, 전류 용량에 따른 전력 모듈의 가격 증가 폭을 고려하였을 때, 두 개의 전동기를 구동하는 경우 낮은 용량의 전력 모듈 두 개를 사용하는 것보다 높은 전류 용량의 파워 모듈 하나를 사용하는 것이 가격적인 측면에서 이점을 가질 수 있다. 이에 따라 이중 전동기 – 단일 인버터 시스템의 제어에 대한 연구가 많이 이루어졌다. 유도 전동기의 경우 전류원 인버터를 사용하거나 병렬 연결 구조, 직렬 연결 구조 등의 다양한 토폴로지와 제어 방법이 연구되었다. 하지만 영구자석 동기 전동기의 경우 유도 전동기와 다르게 슬립이 존재하지 않기 때문에 단순한 병렬 연결을 통해 전동기 두 개를 구동하기가 쉽지 않다. 병렬 연결 구조에서 발생할 수 있는 탈조 현상을 해결하기 위해 다양한 제어 방법들이 연구 되었으며, 탈조의 가능성을 없애고 두 전동기를 독립적으로 제어할 수 있도록 인버터의 구조를 변형시키는 방법도 연구 되었다. 연구의 대상이 되는 이중 전동기 – 단일 인버터 구조는 전력 모듈을 이용해 쉽게 구할 수 있는 6-브릿지 형태의 3상 인버터를 사용하며, 두 전동기의 탈조 위험이 없어야 하고, 두 전동기를 독립적으로 제어할 수 있어야 한다. 본 논문에서는 이중 전동기 – 단일 인버터 시스템에서 위와 같은 사항을 만족시킬 수 있는 새로운 토폴로지를 제안하고, 그 제어 방법을 제안한다. 제안하는 토폴로지는 인버터의 직류단 중성점을 사용하며, 전동기의 한 상은 다른 전동기와 연결시키고 나머지 두 상은 인버터에 연결된 형태이다. 두 전동기가 독립적으로 동작하는 경우 두 전류 성분이 서로 중첩되어 전동기 상호간에 미치는 영향을 분석하고, 제안하는 토폴로지가 안정적으로 동작할 수 있는 조건을 제시한다. 전류 중첩의 원리에 대한 분석을 바탕으로 두 전동기의 운전 영역을 최대화할 수 있는 제어 방법과 동손을 최소화하여 효율을 높일 수 있는 제어 방법 두 가지 방법을 제시한다. 제안된 토폴로지 및 제어법을 이용하면 6-브릿지 인버터 하나를 이용해 두 전동기의 독립적인 속도 제어가 가능하다. 제안된 방법은 동일한 560W급 영구자석 동기 전동기 두 개와 25 A 용량의 3상 인버터 파워 모듈을 대상으로 한 실험을 통해 검증했다.