직렬 커패시터를 사용한 표면 부착형 영구 자석 전동기 전류 제어

Abstract

본 논문은 3 상 전압형 인버터와 3개의 커패시터를 이용한 표면 부착형 영구자석 동기 전동기의 전류 제어 방식을 제안한다. 영구 자석 전동기의 운전 영역은 고정자 권선에 인가되는 최대 전압과 최대 허용 전류에 의해 결정된다. 전동기의 전류 제한은 전동기 구조에 의해 결정 되며, 전동기 내 전압은 매우 크기 때문에, 전동기를 구동하는 인버터의 최대 공급 전압에 의해 전동기의 운전 영역이 결정된다. 따라서 전동기의 운전 영역을 확장시키기 위해 부스트 컨버터 혹은 Z-source 인버터를 사용하여 직류단 전압을 승압하고, 승압된 전압을 통해 인버터 내 스위치가 펄스폭 변조 방식을 사용하여 고정자에 인가되는 전압을 승압한다. 이러한 토폴로지는 인버터 내 스위치의 큰 내 전압을 요구한다. 또 다른 방식은 인버터와 전동기 사이에 직렬 커패시터를 부착하여 고정자에 인가되는 전압을 직접 승압하는 연구가 제시되었다. 직렬 커패시터는 고속에서 전동기의 대부분의 전압을 차지하는 역기전력 전압을 줄이고, 줄어든 전압만큼 토크 생성에 기여하는 전압으로 사용되어 기존 3 상 전동기에 비해 고속에서 넓은 운전 영역을 확보할 수 있다. 이러한 플랜트를 제어하기 위해 비간섭 제어기 적용 시 전류 지령에 대해서 구동 주파수의 전압 지령이 맥동하게 된다. 이러한 구동 주파수의 전압 맥동은 인버터가 합성할 수 있는 최대 전압을 초과할 경우 확장된 운전 영역을 사용하지 못하게 된다. 본 논문에서는 전압 맥동이 발생하는 원인에 대해서 분석하고 비례 공진 제어기를 통해 전압 맥동을 제거하는 전류 제어기를 제안한다.

This thesis proposes a current control method for a surface-mounted permanent magnet motor with series capacitors. Driving circuit is composed of 3-phase voltage source inverter and 3 series capacitors which are attached between motor and the voltage source inverter. The operating region of the permanent magnet motor is determined by the maximum voltage across stator windings and maximum allowable current applied to the stator windings. The current limitation of the motor is determined by the motor heat dissipation structure. Since the withstand voltage of the motor is designed with margin larger than the rated voltage, voltage limitation is determined by not withstand voltage of motor but maximum voltage across the stator winding which supplied by inverter. Therefore, in order to extend the operating region of the motor, a boost converter or a Z-source inverter is used to boost the dc-link voltage. In these topologies, voltage rating of the switches in the inverter should increase. Another topology is proposed to increase the voltage applied to the stator by attaching a series capacitor between the inverter and the motor. The voltage across series capacitor reduces the back electromotive force voltage which occupy most of the motor voltage in the high speed region and generates torque as much as reduced voltage. Therefore it has the advantage of ensuring a wide operating range at high speed, compared to 3-phase voltage source inverter. When the complex vector current controller is applied in order to control such a system, the voltage reference pulsation of the driving frequency exists with respect to the current command. If the voltage reference pulsation of the driving frequency exceeds the maximum voltage that the inverter can synthesize, performance of current controller is degraded. In this thesis, the causes of voltage pulsation is analyzed, then a proportional resonance controller that eliminates voltage pulsation is proposed.