상당 단일 또는 이중 수동 소자를 이용한 3 상 영구 자석 동기 전동기 구동 시스템 의 설계 및 제어

Abstract

본 논문에서는 수동 네트워크를 이용한 3상 영구자석 동기 전동기의 구동 방법을 제안한다. 3상 영구 자석 동기 전동기는 소형 가전부터 전기 자동차, 발전기 등의 대형 전력 변환 시스템까지 다양하게 사용되고 있다. 최근에는 단일 전동기 구동으로 다양한 운전 특성을 요구하는 응용 분야가 증가하고 있다. 하지만 기존의 3상 인버터만으로는 전압 및 전류의 제한으로 인해 최대 운전 영역이 제한된다. 전동기 및 입력 전압원을 재설계함으로써 이를 해결할 수 있으나, 가전 제품과 같이 대량 생산되는 응용 분야에서는 설비 비용의 증가로 인해 이러한 방법을 사용할 수 없다. 이와 같이 전동기의 재설계가 불가능할 경우에는 구동 시스템의 변경을 통해 운전 영역을 확장해야 한다. 본 논문에서는 수동 네트워크를 이용한 구동 시스템의 변경을 통해 전동기의 운전 영역을 확장하기 위한 방법을 제안한다. 수동 네트워크를 3상 인버터와 전동기 사이에 삽입함으로써, 기존 3상 인버터만으로는 구동이 불가능했던 운전 영역에서 전동기의 운전을 가능하게 한다. 즉, 능동 전력 변환 장치인 인버터와 수동 네트워크의 조합을 통해 단일 전동기로도 사용자에 따라 다양한 운전 특성을 만족할 수 있으므로, 전동기 구동 시스템의 성능을 확장할 수 있다. 또한 최근에는 고성능 수동 소자의 제작 기술 발달로 인해 그 가격이 하락하고 있으므로, 가까운 미래에는 수동 네트워크의 적용 시 그 효과 대비 가격의 이점도 생길 것으로 예상된다. 본 논문에서는 수동 네트워크의 임피던스 변환 특성을 이용하여 특정 운전점에서 전동기의 운전 특성을 개선하거나 운전 영역을 확장하는 방법에 대해 알아본다. 이 때 설계 자유도에 따라 다양한 설계가 가능하지만, 본 논문에서는 상당 임피던스의 개수가 1개인 경우와 2개인 경우에 대해 다룬다. 이를 통해 수동 네트워크의 2가지 형태인 커패시터 네트워크와 인덕터-커패시터 네트워크를 소개한다. 각각의 네트워크를 적용하였을 때 구동 시스템의 특성과 이로 인한 운전 영역 확장 효과에 대해 알아보고, 시스템 분석을 통해 네트워크 제정수의 설계 방법을 제시한다. 그 후 제안된 구동 시스템의 제정수 오차에 대한 영향과 손실 요소 등을 분석함으로써 제안하는 구동 시스템의 신뢰성과 효율 특성에 대해 알아본다. 또한 설계된 수동 네트워크를 적용한 구동 시스템의 동특성에 대해 알아본 후 이를 이용하여 피드백 전류 제어기를 구성한다. 각 장의 마지막에서는 실험을 통해 제안하는 수동 네트워크를 이용한 구동 시스템의 이론과의 정합성에 대해 살펴보고, 효율 또는 부피와 같이 실제 시스템에 적용 시 고려해야할 사항들에 대해 알아본다. 또한 상용 에어컨 컴프레서, 무선 진공 청소기 등의 전동기에 제안된 수동 네트워크를 적용함으로써 제안하는 방법이 실제 응용 분야에 사용 가능함을 확인한다.

This dissertation proposes the methods for driving and controlling three-phase permanent magnet synchronous motors using a passive network. A three-phase permanent magnet synchronous motors are used in a variety of applications, from small home appliances to large power systems such as electric vehicles and generators. Recently, there are many applications which demand a variety of operating characteristics for a single motor. However, when a conventional three-phase inverter is used, the maximum operating range of the motor is limited due to the voltage and current limitations. Redesigning a motor and an input voltage source is one solution, but this method is not reasonable in mass production such as home appliances due to increased cost of the production facilities. In this situation where redesigning of a motor is impossible, the operating area can be extended only by modifying the driving circuits. In this paper, passive networks are proposed to extend operating area of three-phase permanent magnet synchronous motors. A passive network is placed between the three-phase inverter and the motor. It makes the motor operate in an operating area where the motor cannot be driven by the three-phase inverter alone. That is, various driving characteristics of the motor are satisfied by the combination of an active devices and a passive network. In this way, the performance of the motor drive system can be extended. In addition, the price of the high-performance passive components has been recently declining due to the development of manufacturing technologies. Therefore, in the near future, it is expected that the passive network will have a price advantage. In this dissertation, the impedance conversion characteristics of the passive network are used to improve the operating characteristics of the motor at specific operating points or to extend the operating region. Many types of the passive network can be designed depending on the degree of design freedom, but this paper only deals with the passive networks which have one or two impedances per phase. So, two types of passive networks are introduced: capacitor networks and inductor-capacitor networks. The effect of the operating area extension is discussed according to the types of the passive networks, and the designing methods for the parameters of the each network are presented. Also, the reliability of the proposed drive system is presented by analyzing the effect from the parameter error. Also, efficiency characteristics of the proposed system are compared to that of the conventional system. In addition, the dynamic performances of the proposed drive systems are obtained by applying the proposed feedback current controllers. At the end of each chapter, the verifications of the proposed methods are presented by the experimental results. Also, it is confirmed that the proposed methods can be used in practical applications by applying them to the commercial applications such as air conditioner compressor or a wireless vacuum cleaner.