유도 전동기의 속도 진동을 방지하기 위한 소프트 스타터 고정자 자속 기반 제어 방법

Abstract

본 논문에서는 유도 전동기의 소프트 스타터(soft starter)를 통한 기동 시 회전 속도에 진동이 발생하며 안정한 기동이 불가능하게 되는 현상을 방지하기 위한 소프트 스타터 고정자 자속 기반 제어 방법을 제안하였다. 소프트 스타터는 유도 전동기에 인가되는 전압의 크기를 조절하여 유도 전동기에 급격한 인가 전류와 토크가 발생하는 것을 방지하고 유도 전동기의 안정적인 기동이 가능하게 하는 제어기이다. 하지만 유도 전동기가 저관성의 부하에 연결되어 기동하는 경우 기동 중에 고정자 자속이 급격히 증가하는 현상이 발생하게 되고, 소프트 스타터를 통한 유도 전동기 기동 방법은 이러한 고정자 자속의 급격한 변화에 대응하지 못하여 유도 전동기의 회전 속도에 심한 진동이 발생하는 문제가 있다. 본 논문에서는 유도 전동기의 과도상태 식을 고정자 자속과 연관된 식으로 표현하여 유도 전동기 기동 중 회전 속도에 진동이 발생하는 현상을 분석하고 분석을 바탕으로 고정자 자속의 급격한 증가를 방지하여 속도 진동이 발생하는 것을 방지할 수 있는 고정자 자속 기반 소프트 스타터 제어 방법을 제안한다. 또한, 유도 전동기 과도상태 식을 바탕으로 기동 중 고정자 자속이 점진적으로 증가하도록 하는 제안하는 기동 방식의 의미를 분석한다. MATLAB/SIMULINK를 통해 제안하는 기동 방식과 일반적인 소프트 스타터 기동 방식인 voltage ramp up 방식을 비교하였고 제안하는 고정자 자속 기반 소프트 스타터 제어 방법의 효과를 보였다.

This paper presents a closed-loop stator flux control method for soft starters to prevent rotor speed oscillations in induction motors drive. A soft starter is a controller that regulates the input voltage of an induction motor to prevent sudden current and torque surges and ensure smooth operation during start-up. However, when the conventional firing angle control method is applied to the induction motor with a low inertia rotor and load, the stator flux rapidly increases as the rotor speed reach the synchronous speed. This rapid increase in stator flux results in speed oscillations. To overcome the issues, in this paper, a stator flux magnitude closed-loop control method is proposed to prevent the rapid increases of the stator flux. First, the situation where speed oscillations can occur with low inertia is analyzed, using the equations of the stator flux in the transient state. Then, the closed-loop controller is designed by considering the relationship between the stator flux magnitude and the input voltage. The proposed stator flux control method allows the stator flux to increase gradually and prevents speed oscillation at start-up. Moreover, based on the transient state induction motor equations of stator flux, the effect of gradually increasing stator flux at start-up is analyzed. The MATLAB/SIMULINK simulations using the model of a lightly loaded induction motor are performed and show the effectiveness of the proposed method.