개방 권선 전동기의 공통모드 전압 제거를 위한 3상 HERIC 인버터 토폴로지 및 제어 알고리즘 연구

Abstract

본 연구에서는 전자파 장해 및 절연 파괴를 유발하는 공통모드 전류와 베어링 전식 현상의 원인이 되는 축 전압 성분을 공통모드 등가 회로 관점에서 해석하고, 이러한 문제들의 근본적인 원인이 되는 공통모드 전압을 제거하는 인버터 토폴로지 및 제어 방법을 제시한다. 3상 교류 전동기 내부에 존재하는 기생 커패시터를 분석하여 공통모드 등가 회로를 구성하고, 인버터가 생성하는 공통모드 전압 변동에 의해 나타나는 공통모드 전류 및 축 전압을 분석하며, 이를 저감하기 위해 근본적으로 공통모드 전압을 0으로 제어해야 할 필요성을 제기한다. 본 연구에서는 공통모드 전압 제어의 자유도를 높이기 위해 3상 개방 권선 전동기를 대상 전동기로 삼고, 영상분과 공통모드를 통합한 등가 회로를 정의한다. 또한, 기존 영상분 전류 저감 제어 방법을 공통모드 전압 관점에서 분석하여 한계점을 제시한다. 영상분과 공통모드 전압을 동시에 저감하기 위해 3상 HERIC 인버터 구조를 제안하여 개방 권선 전동기 제어에 적용한다. 기존 영상분 전류 저감 제어 방법을 HERIC 인버터에서 구현하기 위한 PWM 방법을 제시한다. HERIC 인버터의 특성에 따른 비선형성 전압 왜곡을 분석하고, 전압 왜곡 보상 방법을 제안하여 영상분 전류 및 공통모드 전압 저감 효과를 달성한다. 마지막으로, 3상 HERIC 인버터 도입으로 인한 인버터 손실의 증감을 이중 3상 인버터와 비교하여 분석하고, 실험적으로 검증한다.

In this study, a common-mode current that causes the EMI and insulation breakdown, and a shaft voltage that causes the bearing fault are analyzed. And, an inverter topology and a control method for eliminating the common-mode voltage that is a fundamental cause of them are presented. The parasitic capacitors inside the three-phase AC electric machine are analyzed to form a common-mode equivalent circuit. And it is analyzed that the common-mode current and shaft voltage caused by the common-mode voltage fluctuations. The need to fundamentally control the common mode voltage to zero, is raised. In order to increase the degree of freedom in the common-mode voltage control, a three-phase open winding motor is used as a target motor, and the equivalent circuit that integrates the zero-sequence and common-mode is defined. In addition, limitations from the perspective of the common-mode voltage are presented by analyzing the existing zero-sequence current reduction control method. A three-phase HERIC inverter structure is proposed and applied to the control of the open-end winding machine to simultaneously reduce the zero-sequence and common mode voltage. A new PWM method is suggested for implementing the existing zero-sequence current reduction control method in the HERIC inverter. A nonlinear voltage distortion due to the characteristics of the HERIC inverter is analyzed and a compensation method is proposed to achieve the zero-sequence current and the common-mode voltage reduction. Finally, the increase of the inverter loss due to the introduction of the three-phase HERIC inverter is analyzed by comparing it with a dual three-phase inverter and is verified experimentally.