공진 커패시터를 결합한 삼상 영구자석 동기 전동기의 단상 인버터 구동 방법

Abstract

본 논문은 단상 전압형 인버터와 공진 커패시터를 이용한 영구자석 동기 전동기의 구동 방식을 제안한다. 영구자석 동기 전동기는 고효율, 고출력 밀도 등의 장점을 가지고 있어 소용량부터 대용량까지 산업 전반에서 활발하게 이용되고 있다. 이에 따라 영구자석 동기 전동기의 효율적인 운전을 위한 다양한 구동 방식이 제안되어 왔다. 그 중 회로의 크기 및 비용을 최소화하는 대표적인 방법으로 고정자 단에 수동 소자를 적용하는 방식이 있다. 하지만 이 방식은 고정 주파수, 고정 부하에만 적용될 수 있어 그 응용에 한계를 갖는다. 전동기의 가변 속도 제어를 위해 전력 반도체 소자, 즉, 능동 소자로 구성된 전압형 인버터를 적용하는 방식이 제안되었고, 인버터를 이용하면 고정자 단에 가변 주파수와 가변 크기를 가지는 전압을 인가함으로써 가변 속도 및 부하 제어를 수행할 수 있다. 하지만 전압 합성 시 최대 전압 크기가 제한되면서 최대 출력 또한 제한되어, 출력 향상을 위해서는 추가적인 수동 또는 능동 소자가 요구되고 이는 회로의 크기 및 비용 증대를 야기한다. 따라서 본 논문에서는 구동 회로의 출력 밀도를 개선하기 위한 목적으로, 하나의 단상 인버터와 하나의 커패시터로 영구자석 동기 전동기를 구동하는 방식을 제안하였다. 제안된 구조는 인버터를 통해 전동기의 가변 속도 및 가변 부하 제어를 수행하면서 커패시터 공진을 통한 전압의 승압 효과를 얻을 수 있어, 간단한 회로로 높은 출력 밀도를 제공할 수 있다. 기존에도 회로의 소형화, 경량화를 위해 단상 인버터를 이용하는 구동 시스템들이 제안되었지만 고정된 자속 축으로 인하여 회전자가 그 자속 축과 평행하게 위치할 때 전동기를 기동할 수 없는 문제가 존재하였다. 제안된 시스템은 단상 인버터를 적용함에도 불구하고 커패시터의 임피던스 특성을 이용하여 양방향 기동 능력을 얻을 수 있음이 실증되었다. 본 논문에서는 제안된 구동 회로를 적용한 전동기의 운전 원리 및 기동 원리를 분석하였다. 제안된 시스템은 커패시터의 임피던스 특성으로 인해 기존 시스템과 차별되는 운전 특성을 나타낸다. 또, 전류 및 전압 제한 조건을 고려한 각각의 가용 영역 및 전동기의 운전 가능 영역을 분석하여 기존 시스템과의 비교 분석을 제시하였다. 분석된 운전 특성을 바탕으로, 영구자석 동기 전동기의 최적 운전을 위한 토크 제어기를 제안하였다. 고정자 전류의 크기를 최소화하는 단위 전류 당 최대 토크 운전 제어 기술과 토크 리플을 특정 값 이하로 저감하기 위한 토크 리플 저감 기술이 적용되었다. 또한 전류 지령을 좇기 위한 전압 지령의 크기가 인버터의 최대 합성 가능 전압을 초과하면 전압 지령을 줄이는 방향으로 전류 지령을 수정하는 약자속 제어 기술 또한 적용되었다. 본 논문에서는 전동기의 양방향 기동을 위해 회전자와 동기 된 주파수의 전류와 비동기 된 주파수의 전류를 선택적으로 이용하는 기동 제어 기술이 고안되었다. 기존의 기동 방식과 같이 동기 주파수의 전류만 이용하는 경우에는 기동이 불가한 각도가 존재하여, 해당 각도 부근의 영역에서는 비동기 주파수의 전류를 인가하는 비동기 기동 방식을 제안하였다. 끝으로 본 논문에서는 실험을 통해 제안된 구동 회로와 제어 방법의 실효성과 성능을 검증하였으며, 제안된 구동 시스템의 최대 전력 향상 효과와 양방향 기동 능력을 실증하였다. 제안된 시스템에서의 구동 회로 효율 및 전동기 효율을 측정하여 기존의 3 상 전압형 인버터 구동 시스템에서의 측정 결과와 비교하였다. 제안된 시스템은 모든 운전 조건에서 더 높은 구동 회로 효율을 공급하는 것으로 나타났다. 전동기 효율의 경우, 저속 운전에서는 저하되지만 최대 파워 지점 부근에서는 개선되는 것으로 나타났다.