DC단 전류 센서를 이용하는 팬 모터용 영구자석 전동기의 고속 스위칭 운전 방법

Abstract

3상 인버터의 전류를 측정하는 방법은 전류 센서의 개수 및 위치에 따라 상전류 측정 방법, 3 션트 측정 방법, DC단 전류 측정 방법 등이 있다. 이 중 DC단 전류 측정 방법은 전류 센서의 비용을 절감할 수 있다는 장점이 있어 그 비중이 증가하고 있다. DC단 전류 센서를 사용해 상전류를 복원하기 위해서는 유효전압을 인가할 때 DC단에 흐르는 상전류를 측정해야 한다. 하지만 인버터에 존재하는 기생 성분에 의해 DC단 전류에 진동이 발생하기 때문에 유효전압을 인가한 후 특정 시간 후에 DC단 전류를 측정해야 정확한 상전류를 복원할 수 있다. 해당 DC단 전류 진동으로 인해 상전류 복원 불가 영역이 존재하며 전류 진동이 크고 스위칭 주파수가 높을수록 상전류 복원 불가 영역은 넓어진다. 상전류 복원 불가 영역에서 상전류를 복원하기 위한 기존 연구로는 전압 지령 수정 방법과 상전류 예측 방법이 있다. 두 방법은 모두 스위칭 주파수가 높아 상전류 복원 불가 영역이 대부분인 경우 상전류 복원이 불가능하다는 한계가 있다. 한편 고속 영구자석 전동기는 넓은 운전 영역 확보를 위해 일반적으로 낮은 인덕턴스를 갖도록 설계된다. 낮은 인덕턴스로 인해 큰 스위칭 리플이 존재하고 스위칭 상태 내 전류의 휘어짐이 발생해 전류 측정 오차가 발생 할 수 있다. 따라서 고속 영구자석 전동기의 운전을 위해서는 높은 스위칭 주파수로 운전이 필요하다. DC단 전류 센서를 사용해 고속 영구자석 전동기를 구동하는 경우 높은 스위칭 주파수로 인해 상전류 복원 불가 영역이 넓게 존재하기 때문에 기존 상전류 복원 방법을 사용하는데 한계가 있다. 따라서 본 논문에서는 DC단 전류 센서를 사용해 높은 스위칭 주파수로 고속 영구자석 전동기를 구동할 수 있는 2상 운전 방법과 2상 운전의 상전류 복원 방법을 제안하였다. 2상 운전의 전류 인가 방법, 상전류 복원 방법과 함께 기동 및 저속 운전 알고리즘과 중, 고속 운전 알고리즘을 제안하였다. 또한 각 운전 방법에 적용하는 스위칭 방법을 제안하였고 회전자 위치 센서없이 전동기를 구동하기 위한 2상 운전 센서리스 알고리즘을 제안하였다. 본 논문에서 제안하는 2상 운전 방법을 사용해 실험을 진행하였고 기존 상전류 복원 방법을 사용 시 구동이 불가능한 운전 조건에서 고속 영구자석 전동기를 구동하였다. 실험을 통해 제안하는 2상 운전 방법과 상전류 복원 방법, 스위칭 방법 등을 구현 및 검증하였다.

There are Methods for measuring the current of a three phase inverter including a phase current measurement method, a three shunt measurement method, and a DC-Link current measurement method with different the number and location of current sensors. Among them, the DC-Link current measurement method being widely used since it uses only one current sensor thereby reducing the cost. In order to reconstruct the phase current using DC-Link shunt current sensor, the phase current flowing through the DC-Link must be measured when an active voltage is applied. However, since the DC-Link current ringing is generated by the parasitic components present in the inverter, the DC-Link current must be measured after a certain time after applying the active voltage to reconstruct the correct phase current. Due to the DC-Link current ringing, the immeasurable area exist, and this area becomes wider as current ringing and switching frequency becomes higher. Existing studies for reconstructing phase current in immeasurable area include a voltage command correction method and a phase current prediction method. Both methods have a limitation that the phase current reconstruction is impossible when the switching frequency is high and the immeasurable area is large. This is a problem when driving the high-speed permanent magnet motor Since the high-speed permanent magnet motor is generally designed to have low inductance in order to secure a wide driving area. Due to the low inductance, there exist a large switching ripple and curvature of the phase current in the switching state that can cause current measurement error. Therefore, in order to operate a high-speed permanent magnet motor, it is necessary to operate at a high switching frequency. When using a DC-Link shunt current sensor to drive a high-speed permanent magnet motor, there is a limitation in using the existing phase current restoration method because of the high switching frequency and thereby immeasurable area. Therefore, in this paper, I proposed two-phase operation method and phase current reconstruction method that can drive a high-speed permanent magnet motor with a high switching frequency using a DC-Link shunt current sensor. In addition to the current application method and phase current reconstruction method for two-phase operation, the starting and low speed operation algorithms and the medium and high speed operation algorithms were proposed. In addition, a switching method applied to each driving method was proposed, and a two-phase driving sensorless algorithm was proposed to drive the motor without rotor position sensor. The experiment was conducted using the two-phase driving method proposed in this paper, and the high-speed permanent magnet motor was driven under operating conditions that were impossible to drive when using the existing phase current reconstruction method. Through the experiment, the proposed two-phase operation method, phase current recovery method, and switching method were implemented and verified.