AFE 정류기를 이용한 유도전동기의 센서리스 속도제어에 관한 연구

Abstract

본 논문은 센서로 인한 단점을 보완하기 위해 고안된 유도전동기의 센서리스 제어법에 대하여 다이오드 정류기 대신 AFE 정류기를 이용한 방식을 제안하고자 한다. 이 방식은 기존의 다이오드 정류기를 사용한 방식에 비해 입력전류의 품질을 향상시키고, 역률을 개선하여 전체 시스템의 성능을 높일 수 있다. DFE 정류기는 구조가 간단하고, 특별한 제어가 필요 없다는 장점 때문에 널리 이용되지만, 제어가 불가능한 다이오드의 특성상 입력 전류에 고조파가 많이 함유되어 전체 전력계통에 악영향을 미칠 수 있고 역률 또한 나쁘다. 능동소자를 이용하여 회생 운전이 가능한 AFE 정류기는 입력 전류를 정현파에 가깝게 제어 가능하며 THD 특성을 향상시켜 입력 전류의 품질을 개선할 수 있고, 시스템 안정성이 우수하다. DFE 방식과 달리 위상 천이 변압기가 필요 없기 때문에 구조가 간단하여 시스템의 부피를 줄일 수 있어 설치가 용이하고, 역률 또한 향상시킬 수 있다. 본 논문에서 사용한 센서리스 제어 알고리즘은 전류오차 보상방식이며, 전류제어는 직접토크제어 방식이다. 전류오차보상에 의한 센서리스 속도 제어법은 실제 유도전동기와 수식모델의 고정자전류가 일치하도록 고정자전압을 가하여 전동기의 속도가 설정치인 모델의 속도를 따르도록 만드는 방식이다. 이 방식은 속도를 직접 제어하는 것이 아니라 실제 유도전동기와 수식모델의 전류차를 영으로 수렴시켜 간접적으로 속도를 제어하는 방식이다. 직접토크제어는 토크와 자속을 각각 독립하여 제어하는 방식으로 자속 및 토크의 지령 값과 유도기의 고정자 전압 및 전류 정보를 사용하여 계산한 현재의 자속 및 토크와 비교하여 오차를 산출한 후 제어 정밀도에 따라 폭을 결정하는 히스테리시스 제어기에 입력하고, 출력된 값을 전압벡터의 룩 업 테이블에 입력하여, 오차를 가장 최소화하기 위한 전압벡터를 찾아내어 제어한다. 본 논문에서 제안한 토폴로지의 유효성을 입증하기 위하여 시뮬레이션과 실험을 수행하여 저속영역에서 고속영역에 이르기까지 속도 응답특성이 우수함을 확인하고 중속영역에서 반전속도지령을 가했을 경우, 양호한 응답특성을 확인하였다. 또한 AFE 정류기를 이용한 토폴로지가 DFE 정류기를 이용한 방식보다 입력 전류의 파형이 우수하고, THD 특성 및 역률이 향상되었음을 확인하였다. | This paper proposes a method using the AFE rectifier instead of the diode rectifier for the sensorless control method of the induction motor designed to overcome the disadvantages caused by the sensor. This method improves the quality of the input current and the power factor, thereby improving the performance of the entire system, compared with the conventional diode rectifier method. The DFE rectifier is widely used because of its simple structure and no special control, but due to the nature of the diode that can not be controlled, the input current contains a lot of harmonics, which can adversely affect the entire power system and the power factor is also bad. The AFE rectifier that can regenerate by using the active components can control the input current close to the sinusoidal wave, improve the THD characteristics, improve the input current quality, and have excellent system stability. Unlike the DFE system, it does not need a phase-shifting transformer, which simplifies the structure and reduces the volume of the system, making it easy to install and improve the power factor. The sensorless control algorithm used in this paper is current error compensation method and current control is carried out by direct torque control. The sensorless speed control method by current error compensation is a method of making the speed of the motor follow the speed of the numerical model by applying the stator voltage so that the stator currents of the induction motor and the model are matched. This method does not directly control the speed but indirectly controls the speed by converging the current difference between the induction motor and the numerical model to zero. Direct Torque Control is a method of independently controlling torque and magnetic flux, and it compares the command value of magnetic flux and torque with the current of magnetic flux and torque calculated by using stator voltage and current information of induction machine, then inputs to the hysteresis controller which determines the width according to the control precision and inputs the output value to the lookup table of the voltage vector to find and control the voltage vector for minimizing the error. In order to verify the validity of the proposed topology in this paper, simulation and experiments were carried out to confirm that the speed response characteristics from the low speed range to the high were excellent and good response characteristics were confirmed when the reverse speed command was applied in the middle speed range. Also, it was confirmed that the topology using the AFE rectifier has better input current waveform, THD characteristics and power factor than the DFE rectifier.