회전자 인버터 내장 권선형 동기전동기의 제어에 관한 연구

Abstract

In this paper, a Synchronous Motor with Inverter Integrated Rotor (SMIIR) is introduced and its control scheme is proposed. It is a new breed of the synchronous motor which integrates an inverter inside the rotor. Generally, wound rotor synchronous machines are known to show high efficiency in wide speed range by directly controlling the field flux. In this system, the field windings for the flux construction have to rotate along with the rotor and therefore they are connected to external excitation circuit through slip rings and brushes. Unfortunately, these slip rings and brushes raise issues such as mechanical/electrical losses and durability. Furthermore, they occupy large portion in the machine size even though no contribution is made for the output of the machine and this limits the application within low power density system. In this paper, a rotor inverter, powered by high frequency voltage from the stator inverter, is introduced and its control scheme is proposed. Power transfer process through the high frequency voltage injection and its side-effect such as torque ripple and limitation of fundamental output voltage are analyzed. And some control strategies are proposed to suppress these side-effects. Experiments have been performed to evaluate the feasibility of the proposed SMIIR and its control scheme.

본 논문에서는 회전자 인버터 내장 권선형 동기전동기와 그 제어 방법을 제안한다. 회전자 인버터 내장 권선형 동기 전동기는 계자를 제어하기 위한 회전자 인버터를 회전자 내에 내장한 권선형 동기 전동기를 의미한다. 권선형 동기 전동기는 계자 전류를 직접 제어함으로 넓은 속도 영역에서 높은 효율을 가지는 것으로 알려져 있다. 뿐만 아니라, 고속에서 약계자 운전을 통해 넓은 정출력 영역을 구현할 수 있어, 전기철도, 자동차, 세탁기와 같이 저속에서 높은 토크를 요구하면서, 넓은 정출력 영역을 요구하는 응용에 특히 적합하다. 이러한 특징에도 권선형 동기 전동기의 사용은 대형 발전기를 제외한 응용에서 그 동안 배제되어 왔다. 이는 회전자와 함께 회전하는 계자 권선을 슬립링과 브러시를 통해 전동기 외부의 여자 회로에 연결하여야 하는 단점 때문이다. 슬립링과 브러시는 도체간의 기계적 접촉을 통해 회로를 연결하므로, 마찰에 의한 기계적 손실과 저항에 의한 전기적 손실을 발생시키며, 브러시의 마모 등으로 인해 정기적인 유지 보수를 필요로 한다. 또한, 전동기의 출력에는 기여하기 않음에도 불구하고 전동기에서 큰 부피를 차지하므로 전동기의 출력 밀도를 떨어뜨리는 요인으로 작용한다. 본 논문에서는 회전자 인버터를 내장함으로써 기존의 슬립링과 브러시 없이 권선형 동기 전동기의 장점을 구현할 수 있는 회전자 인버터 내장 권선형 동기전동기와 그 제어 방법을 제안한다. 회전자 인버터를 내장할 경우, 회전자 회로에서 필요로 하는 전력을 외부에서 공급할 수 없으므로, 고정자 회로와 회전자 회로의 전자기적 결합을 이용하여 전력을 전달하여야 한다. 고정자 측 인버터에서 정현파 형태의 고주파 전압을 주입함으로써 회전자 회로로 전력을 전달하는 방법을 분석하고, 효율적인 전력 전달을 위한 방법을 기술한다. 또한, 전동기의 순시적인 토크를 제어하기 위한 벡터 제어와 전력 전달을 위한 고주파 성분과의 간섭을 억제하는 제어 기법을 제안한다. 또한, 고주파 전압 주입을 통한 전력 전달 과정에서 부가적으로 발생하는 토크 맥동 및 기본파 출력 전압의 제한 등에 대한 분석을 기술하며, 이를 억제하기 위한 방법을 제안한다. 제안된 회전자 인버터 내장 권선형 동기 전동기의 유효성을 검증하기 위해, 권선형 동기 전동기에 별도의 전원이 없는 소형의 회전자 인버터를 부착하여 실험을 수행하였다. 이를 통해 제안된 방법의 타당성을 검증한다.