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표제지

목차

약어목록 10

국문요약 11

I. 서론 13

1.1. 연구배경 및 필요성 13

1.2. 연구 목적 16

1.3. 논문의 구성 18

II. 권선형 동기 전동기 벡터 제어 및 제어 시 문제점 19

2.1. 권선형 동기 전동기 19

2.2. 권선형 동기 전동기 제어 24

2.2.1. 권선형 동기 전동기 특성 24

2.2.2. 시지연 보상 28

2.2.3. 계자 권선형 동기 전동기 파라메터 추정 32

2.3. 계자 권선형 동기 전동기 제어 시 문제점 35

2.3.1. 전동기 형상에 따른 고조파 발생 37

2.3.2. 데드 타임에 의한 전류의 왜곡 40

2.3.3. 계자 권선형 동기 전동기의 유기 전압 43

2.3.4. 고정자 3상 불평형 47

2.3.5. 계자 권선형 동기 전동기의 토크 응답성 50

III. 계자 권선형 동기 전동기의 제어 특성 개선 52

3.1. 모델 기반 예측제어를 이용한 고조파 전류 저감 52

3.1.1. 예측 제어 52

3.1.2. 모델 예측 제어 원리 53

3.1.3. 모델 예측 구현 방법 55

3.1.4. 비용 함수 59

3.1.5. 제안된 모델 예측 제어 # 1 63

3.1.6. 제안된 모델 예측 제어 # 2 68

3.1.7. 시정수가 작은 전동기에서의 알고리즘 보완 72

3.2. 상호 간섭 성분 보상을 통한 고조파 전류 저감 77

3.2.1. 계자 권선형 동기 전동기 등가 회로 77

3.2.2. 제안된 상호 간섭 성분 보상 80

3.3. 교류 전류 주입을 이용한 방법 86

3.3.1. d축 전류와 계자 전류 상호 간섭성분 86

3.3.2. 전류의 리플 성분 89

3.3.3. 계자 전류에 교류 전류 주입 92

3.3.4. d축 전류에 고주파 전류 주입 95

IV. 차량용 운용을 위한 계자 권선형 동기 전동기 자속 토크 맵 97

4.1. 계자 권선형 동기 전동기 운전 영역 97

4.1.1. 일정 토크 영역 103

4.1.2. 일정 출력 영역 105

4.1.3. 특성 영역 108

4.2. 계자 권선형 동기 전동기 자속 기반 토크맵 산출 110

4.2.1. 자속 기반 제어 운전 영역 110

4.2.2. 계자 권선형 동기 전동기 자속 기반 토크 맵 생성 113

4.2.3. 토크 응답성을 고려한 맵 산출 125

4.2.4. 자속 기반 토크 전류 맵 128

V. 실험 결과 131

5.1. 실험 조건 131

5.2. 계자 권선형 동기 전동기의 고조파 특성 개선 실험 132

5.2.1. 모델 예측 제어를 이용한 고조파 성분 감소 133

5.2.2. 상호 간섭 성분을 보상 및 고주파 전류 주입을 이용한 고조파 성분 감소 137

5.3. 계자 권선형 동기 전동기의 자속 기반 토크 맵 성능 143

VI. 결론 148

참고문헌 150

Abstract 159

표목차

표 1.1. 영구자석식 전동기와 비영구자석식 전동기의 성능 비교 15

표 3.1. 스위칭 상태에 따른 전압 벡터 57

표 5.1. 전동기 특성 132

표 5.2. 시험 조건 132

그림목차

그림 1.1. 희토류 가격 변동 추이 13

그림 1.2. WFSM의 제어 성능 개선을 위한 연구 방안 17

그림 2.1. 권선형 동기 전동기와 매입형 영구자석형 동기 전동기의 구조 20

그림 2.2. 권선형 동기 전동기의 회전자(좌)와 고정자(우) 20

그림 2.3. 전압 제한 원 중심의 위치에 따른 출력 곡선 22

그림 2.4. 권선형 동기 전동기의 슬립링 손상 22

그림 2.5. 권선형 동기 전동기 제어기 구성 23

그림 2.6. 권선형 동기 전동기 등가 회로 25

그림 2.7. 전동기의 위상각에 따른 토크 곡선 27

그림 2.8. 전압 벡터도 비교 28

그림 2.9. 전압 시지연 보상 30

그림 2.10. 전류 시지연 보상 31

그림 2.11. 계자 전류에 따른 자속 및 상호 인덕턴스 33

그림 2.12. DC Link 전류의 리플 성분으로 인한 캐패시터 소손 36

그림 2.13. 비대칭 극판의 설계 37

그림 2.14. 스큐 모델의 계자 와인딩 38

그림 2.15. 스큐의 적용에 따른 전류 파형 39

그림 2.16. 스큐의 적용에 따른 THD 비교 39

그림 2.17. 데드타임 보상에 따른 U상 전류 고조파 비교 41

그림 2.18. 데드타임 보상에 따른 계자 전류 고조파 비교 42

그림 2.19. 고정자 전류에 의해 유기되는 전압 @1800RPM 44

그림 2.20. 고정자 전류에 의해 유기되는 전류 @3000RPM 45

그림 2.21. 계자 전류 3A일 때의 역기전력 @1800RPM 46

그림 2.22. 전류 제어 시 3상 불평형 발생 47

그림 2.23. 3상 IGBT 모듈의 온도 측정 48

그림 2.24. 계자 권선형 동기 전동기의 토크 응답성 50

그림 2.25. 계자 전류 변동에 따른 고정자 전압 확보 지연 51

그림 3.1. 전동기 제어 기법의 종류 53

그림 3.2. 모델 기반 예측 제어의 수행 54

그림 3.3. 인버터와 전동기의 모델링 55

그림 3.4. 2-level 인버터에서 전압 벡터 57

그림 3.5. 비용 함수에서의 최적의 전압 벡터 선정 60

그림 3.6. 기본적인 모델 기반 예측 제어 61

그림 3.7. 모델 기반 예측 제어 flow chart 62

그림 3.8. 제로벡터의 유무에 따른 전류 리플 크기 비교 64

그림 3.9. 요구되는 전압 지령에 따른 전압벡터 선정 65

그림 3.10. 교류 전류를 이용한 모델기반 예측 제어 67

그림 3.11. 직류 전류를 이용한 모델기반 예측 제어 71

그림 3.12. 직류 성분을 이용한 모델기반 예측 제어 블록도 73

그림 3.13. 벡터제어와 제안된 모델 예측 제어 #1, #2 비교 @500RPM 75

그림 3.14. 제어 방식에 따른 실험 결과 76

그림 3.15. 제안된 벡터제어 알고리즘 83

그림 3.16. 제안된 벡터제어 알고리즘 실험 결과 85

그림 3.17. d축에서 본 등가회로 87

그림 3.18. d축과 계자의 등가회로 88

그림 3.19. d축 전류와 계자 전류의 리플 성분 89

그림 3.20. 교류 전류 주입을 이용한 알고리즘 91

그림 3.21. 계자 전류에 교류 전류 지령 보상 후 전류 파형 @3000RPM 93

그림 3.22. 계자 전류에 교류 전류 지령 보상 후 전류 파형 비교 @3000RPM 94

그림 3.23. d축 전류에 고주파 지령 보상 후 전류 파형 비교 @3000RPM 96

그림 4.1. 계자 전류의 크기에 따른 토크 곡선 98

그림 4.2. 계자 전류에 따른 전압 제한 원 중심 이동 101

그림 4.3. 계자 권선형 동기 전동기의 전압 제한 원과 토크 곡선 102

그림 4.4. 계자 권선형 동기 전동기의 MTPA 곡선 104

그림 4.5. 계자 권선형 동기 전동기의 일정 출력 영역 107

그림 4.6. 계자 권선형 동기 전동기의 MFPT 곡선 109

그림 4.7. 계자 권선형 동기 전동기의 운전영역 112

그림 4.8. 계자 권선형 동기 전동기의 측정된 토크 데이터 114

그림 4.9. 계자 권선형 동기 전동기에 인가된 q축 전압 115

그림 4.10. 계자 권선형 동기 전동기에 인가된 d축 전압 116

그림 4.11. 측정된 계자 권선형 동기 전동기의 운전 영역 118

그림 4.12. 생성된 자속기반 토크 전류 맵 @3A 119

그림 4.13. 생성된 자속기반 토크 전류 맵 @9A 120

그림 4.14. 생성된 자속기반 토크 전류 맵 @13A 121

그림 4.15. 계자 권선형 동기 전동기 자속기반 토크 전류 맵 124

그림 4.16. 제안된 계자 권선형 동기 전동기 자속기반 토크 전류 맵 126

그림 4.17. 계자 권선형 동기 전동기 전류 맵 생성 flow chart 127

그림 4.18. 계자 권선형 동기 전동기의 자속 기반 알고리즘 블록도 130

그림 5.1. 계자 권선형 동기 전동기 실험 환경 131

그림 5.2. 제안된 모델기반 예측제어 전류 파형 비교 @1000RPM 134

그림 5.3. 전류 파형의 정밀성 감소 @1000RPM 135

그림 5.4. 제안된 예측 제어 기법과 벡터제어 THD 비교 136

그림 5.5. U상 전류 FFT 분석 138

그림 5.6. 계자 전류와 DC 출력단 전류 FFT 분석 140

그림 5.7. 속도에 따른 THD 비교 142

그림 5.8. 시내주행 모드 전류 맵 성능 확인 143

그림 5.9. 시내주행 모드에서 생성된 전류 맵 #1과 #2 비교 144

그림 5.10. 고속도로 주행 모드 전류 맵 성능 확인 145

그림 5.11. 고속도로 주행 모드에서 생성된 전류 맵 #1과 #2 비교 146

그림 5.12. 생성된 전류 맵 #1과 #2의 토크 응답성 비교 147

초록보기

 세계 희토류 시장의 95%는 중국의 시장이 장악하고 있는데, 중국의 자원 무기화 정책으로 인해 국내 중소 중견 자동차 부품 회사에 큰 타격이 되고 있다. 이러한 문제점에 대비해서 비영구자석형 전동기에 대해 많은 연구가 진행되고 있다. 그 중에서도 동기 전동기 분야에서 권선형 동기 전동기는 많은 연구가 진행되고 있으며 영구자석형 동기 전동기보다 고속 제어 영역에 대해 유동적으로 대처할 수 있고, 재료비가 적다는 장점이 있다. 그러나 장시간 운전 시 기구적인 결함 발생, 제어의 성능 및 출력 밀도가 부족한 단점이 있다.

전동기가 적용되는 시스템에 따라서 전동기 및 인버터의 무게 및 부피가 제한되데, 이러한 제한을 고려하여 전동기를 설계하면 전동기의 고조파 성분이 많이 포함되어 제어의 성능을 감소시킨다. 부피 및 무게의 제한을 고려하여 설계된 권선형 동기 전동기를 제어하면 고정자 및 계자의 전류에 고조파 성분이 많이 발생하고 이는 소음 및 진동으로 반영된다. 또한 전동기의 고조파 성분으로 인해 인버터의 DC Link 캐패시터의 전류에 고조파가 발생하고 리플 성분의 실효치 값에 따라서 캐패시터의 수명은 단축된다. 이로 인해 인버터의 캐패시터 용량은 커져야 하며 부피도 증가하게 된다. 기존의 계자 권선형 동기 전동기의 고조파 성분 저감에 대한 연구는 전동기 설계 분야에서 많이 연구되어 왔지만 제어적으로 개선하기 위한 연구들은 많이 진행되지 않았다.

토크의 응답성 측면에서도 계자의 직류 전류를 인가하여 자속을 확보해야하기 때문에 영구자석형 동기 전동기보다 느리게 된다. 그리고 기존의 연구된 계자 권선형 동기 전동기의 자속 기반 전류 맵은 고정자의 동손만을 고려하여 생성되었는데, 계자 전류 지령의 변동률이 크다는 단점을 갖고 있다.

본 논문에서는 고조파 전류 저감을 위한 모델 기반 예측 제어, 상호 간섭 성분을 보상한 벡터 제어, 고주파 전류 주입을 통한 벡터제어 알고리즘이 제안되었으며, 토크 응답성을 개선시키기 위한 전류 맵 생성 시 계자 전류의 변동률을 최소화하기 위한 방법을 제안하여 연구하였다.

전동기 토크 리플의 지표가 되는 전류의 고조파 성분을 감소시킴으로써 시스템에서의 진동 및 소음을 저감할 수 있으며, 시스템의 내구성 측면에서 개선이 된다. 또한 전기자동차용 전동기의 토크 응답성은 운전자의 승차감을 결정하는 요인으로 본 논문에서 제안한 토크 응답성을 고려한 전류 맵을 적용 시 보다 운전자에게 만족감을 제공할 수 있다. 운전자가 요구하는 주행모드에 따라서 기존의 최대 효율을 고려한 전류 맵과 토크의 응답성을 고려한 전류 맵을 적용하여 유동적으로 대처할 수 있게 된다.

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