선형유도전동기를 이용한 자기부상추진시스템의 ATO운전 효율 향상

박상욱 건국대학교 대학원 2016 국내석사

최근 도시의 인구집중에 의한 대중교통의 이용이 활발해 지면서 소음, 환경, 에너지 등 다양한 문제들이 발생하고 있다. 열차 또한 이러한 문제가 크게 대두되고 있으며 이에 따라 최근 저소음, 친환경의 선형 전동기를 이용한 자기부상열차가 관심을 받고 있다. 하지만 선형 전동기는 설치비는 저렴하나 운영비용이 크다는 단점을 가지고 있어, 선형 전동기의 운행에 있어서의 비용절감을 위한 운전효율 향상방안과 관련된 많은 연구들이 진행 중 이다. 기존의 선형 유도전동기는 열차의 부상에 영향을 주는 수직력을 제한하기 위하여 슬립주파수를 13.5[Hz]로 고정하여 사용하고 있다. 이에 따라 열차가 운행 중인 모든 구간에서 열차의 운전조건과 열차의 속도등의 변화와 관계없이 고정된 슬립주파수를 사용하게 되고 비효율적인 운전을 시행하게 된다. 본 논문에서는 현재 운행되고 있는 선형 유도전동기의 슬립주파수 고정 방식이 아닌 선형 유도전동기를 이용한 자기부상 열차의 슬립주파수와 수직력 및 추진력과의 관계를 이용, 열차의 가감속시 운행패턴에 따라 운행 중 슬립주파수가 가변할 수 있는 슬립주파수 가변패턴을 형성, 선형유도전동기 자기부상시스템에서의 에너지 효율향상 가능성을 검증하였다. 슬립주파수와 수직력, 추진력과의 관계를 이용 슬립주파수 일정 실효치전류제어 알고리즘과 슬립주파수 일정 벡터제어 알고리즘을 사용하여 운전조건과 슬립주파수를 변경하며 운전조건에 따른 가장 효율적인 슬립주파수의 패턴을 형성하였다. 이후 모의시험과 실차를 이용한 실험을 통해 알고리즘에 대한 정당성과 실제 효율의 증가를 통해 타당성을 검증하였다. 앞선 두 가지 알고리즘을 통해 열차부상에 영향을 미치지 않는 범위의 수직력을 가지는 범위내에서 슬립주파수를 가변 운전 조건에 따른 최적의 슬립주파수에 대한 정보를 기반으로 운행 중 가변하는 슬립주파수를 자동열차운전(ATO)시스템에 적용 모의실험을 통해 그 적용가능성과 효율을 검증하였다. As the use of public transport has recently been increased due to the population concentration in the city, various problems including noise, environment and energy are taking place. Trains also have such problems, and thus, magnetic levitation trains using a low noise and environment-friendly linear motor is recently attracting attentions. However, a linear motor has the disadvantage of a greater operational cost although it has a low installation cost, and therefore, many studies related to the plan for the improvement in operating efficiency for cost reduction in the operation of a linear motor are underway. An existing linear induction motor uses slip frequency fixed at 13.5 [Hz] in order to limit the vertical force affecting the levitation of a train. As a result, a fixed slip frequency is used regardless of the changes in operating conditions and speeds of the train in all sections where the train is being operated, leading to inefficient operation. In this study, by applying the relationship between the slip frequency and vertical and tractive forces of a magnetic levitation train using a linear induction motor, which was not on a fixed slip frequency system, the possibility of improving the energy efficiency of a magnetic levitation system using a linear induction motor was verified by forming variable slip frequency patterns where the slip frequency could vary during operation depending on the operation pattern when the train was accelerated or decelerated. The pattern of the most efficient slip frequency according to the operating conditions was formed while varying the operating conditions and slip frequency using the constant slip frequency root mean square current control algorithm and the constant slip frequency vector control algorithm by applying the relationship of the slip frequency and the vertical and tractive forces. Later, the justification of the algorithm was verified through the simulations and experiments using actual cars, and its validity through the actual increase in the efficiency. By applying the aforementioned two algorithms, the applicability and efficiency were verified via the simulations where the slip frequency varying during the operation based on the information of an optimal slip frequency according to variable operating conditions within the range of vertical force that did not affect the train levitation was applied to the automatic train operation (ATO) system.

삼상 농형 유도전동기의 다중목적 최적화에 관한 연구

김민석 호서대학교 대학원 2023 국내박사

본 연구에서는 기존 유도전동기 설계 프로세스의 정확도 향상과 시간 절약을 위해 새로운 설계 프로세스를 제안한다. 제안된 설계 프로세스는 유한요소법, 인 하우스 설계 프로그램과 다중목적 최적화 알고리즘을 결합하여 컴퓨팅 운영체계에 적용하였다. 그리고 전동기 체적, 권선 설계, 고정자 주요치수 설계, 회전자 주요치수 설계 등 모든 설계 조건과 제작 및 절연특성을 더 정확하고 시간을 절약할 수 있도록 설계 프로세스에 반영하였다. 연구의 검증을 위하여 저압 유도전동기 최적 설계에는 기존 설계 프로세스와 제안 설계 프로세스에 다중목적 최적화 알고리즘 MOGA(Multi-Objective Genetic Algorithm)와 GRSM(Global Response Surface Method)을 적용하였다. 최종 목표인 원가 절감을 위해 총 4가지의 최적 설계 결과를 비교하였다. 3.7 kW 농형 유도전동기에 대해 기존 최적 설계 결과는 MOGA 적용시 원가 6% 절감, 해석시간은 48 시간이 소요되었다. GRSM 적용시 원가 7% 절감, 해석시간은 10 시간 소요되었다. 제안 최적 설계 결과는 MOGA는 적용시 원가 7% 절감, 해석시간은 40 시간 소요되었다. GRSM 적용시 원가 9% 절감, 해석시간은 9시간 소요되었다. 따라서 원가 절감이 가장 큰 제안 GRSM 모델을 최종 모델로 선정하였다. 최종 모델을 기반으로 시작품 제작 및 실험을 통해 제안한 최적화 방법의 타당성을 검증하였다. 1,000 kW 고압 농형 유도전동기에 대해 제안한 설계 프로세스를 적용하여 출력 향상과 온도 저감을 목적함수로 최적화를 적용하였다. 해석 및 시험을 통해 비교 결과 기존 출력 대비 8% 증가, 권선 온도 상승은 85 ℃에서 75.8 ℃로 10% 감소하였다. 유도전동기 손실 중 전자계 해석으로는 계산이 불가능한 기계손과 표류 부하손은 기본 모델 시험을 통해 측정한 값을 사용하였다. 시험 값을 고정변수로 제시하여 기존 설계 방법보다 높은 정확도의 유도전동기 최적 설계가 가능하였다. 결과적으로, 제안한 GRSM 설계 알고리즘에 따라 최적 설계된 저압 및 고압의 농형 유도전동기를 시제작하였으며, 성능시험 결과와 비교함으로써 원가 절감과 동등 효율, 출력 향상과 권선의 온도상승 저감이 확인되어 본 연구의 타당성을 검증하였다. In this study, a new design process is proposed to improve the accuracy of the existing induction motor design process and save time. The proposed design process was applied to the computing operating system by combining the finite element method, in-house design program, and multi-objective optimization algorithm. In addition, all design conditions, manufacturing and insulation characteristics, such as motor volume, winding design, stator main dimension design, and rotor main dimension design, were reflected in the design process to be more accurate and save time. For the verification of the study, multi-objective optimization algorithms MOGA (Multi-Objective Genetic Algorithm) and GRSM (Global Response Surface Method) were applied to the conventional design process and the proposed design process for the low-voltage induction motor optimal design. For cost reduction, a total of four optimal design results were compared. For a 3.7 kW squirrel cage induction motor, the conventional optimal design result was a cost reduction of 6% and analysis time of 48 hours when MOGA was applied. When GRSM was applied, cost was reduced by 7% and analysis time was 10 hours. As for the proposed optimal design result, when MOGA was applied, the cost was reduced by 7% and the analysis time was 40 hours. When applying GRSM, cost was reduced by 9% and analysis time was 9 hours. Therefore, the proposed GRSM model with the greatest cost reduction was selected as the final model. Based on the final model, the validity of the proposed optimization method was verified through prototype production and experiments. A redesigned design process was applied to a 1,000 kW high-voltage squirrel cage induction motor, and optimization was applied to increase output and reduce temperature as the objective function. As a result of comparison through analysis and testing, an 8% increase compared to the existing output and a 10% decrease in winding temperature rise from 85 ℃ to 75.8 ℃. Among the induction motor losses, the values measured through the basic model test were used for mechanical loss and stray load loss, which cannot be calculated by electromagnetic field analysis. By presenting the test values as fixed variables, it was possible to optimize the induction motor design with higher accuracy than the conventional design method. An optimally designed induction motor was prototyped according to the proposed design algorithm, and the validity of the study was verified by comparing with the test results.

폐루프 고피나스 자속관측기의 위상 오차를 이용한 정지상태 유도전동기 회전자 시정수 추정

김재원 경북대학교 대학원 2014 국내석사

For more than a century, electric motors have been developed as a power source for industrial machines converting kinetic energy to electrical energy. Due to the technical improvement and development the application areas of high performance electric motor drive systems has been widen and the use of variable speed drive systems has been increased. The performance of motor drive system is much affected by the accuracy of the induction motor parameters. So, many researches have been reported about parameter estimation. Methods of parameter estimation can be roughly classified into off-line estimation stage of operation at early and on-line estimation during operation. In this paper, the novel rotor time constant estimation method using flux-estimator at standstill has been proposed. The performance has been verified through the computer simulations using MATLAB Simulink and various experiments. 전동기는 약 1세기 동안 전기에너지를 운동에너지로 변환하는 장치로서 산업기계의 동력원으로 발전해 왔다. 그리고 산업의 발달과 산업체의 기술향상으로 인하여 고성능 전동기 구동 시스템의 응용분야가 넓어졌고, 가변속 구동 시스템에 대한 사용이 증대 되어왔다. 유도전동기의 고성능 벡터제어를 위해서는 유도전동기 파라미터의 정확성에 따라 그 성능이 영향을 많이 받는다. 파라미터 추정 방식은 크게 운전초기에 오프라인 상태에서 파라미터를 추정하는 방식과 운전 중에 파라미터를 추정하는 온라인 방식으로 크게 나눌 수 있다. 본 논문에서는 오프라인 상태에서 파라미터를 추정하는 방식인 전동기가 정지된 상태에서 자속추정기를 이용하여 회전자 시정수를 추정하는 방법에 관한 연구를 하였다. 그리고 매트랩 시뮬링크를 이용하여 컴퓨터 시뮬레이션과 다양한 실험을 통해 성능을 검증하였다.

Unbalanced magnetic pull을 고려한 유도전동기의 기계적 피로수명추정 연구

김윤환 성균관대학교 일반대학원 2021 국내박사

본 논문에서는 Unbalanced Magnetic Pull(UMP)를 고려한 고속유도전동기의 기계적 피로수명 추정 연구를 수행하였다. 최근 전동기 기술의 소형고속화 추세에 따라 개발되는 유도전동기도 고속화되는 추세이다. 유도전동기의 고속화에 따라 사용자는 효율 이상으로 신뢰성을 제품선택에 있어서 중요한 요소로 판단하고 있다. 유도전동기 회전자의 전기강판은 회전자의 회전 시 기계적인 힘으로부터 회전자 바를 지지하지만, 브릿지부에서 자속의 누설이 발생하여 전자기적 특성에 영향을 주기 때문에 회전자 설계 시 기계적 강도와 전자기적 성능을 모두 고려하여 회전자의 형상을 설계하는 것이 중요하다. 전동기가 고속화 됨에 따라 기계적 신뢰성을 확보하는 조건 내에서의 설계가 중요시되고 있다. 따라서 본 연구에서는 고속유도전동기에 대하여 기존의 연구에서는 적용되지 않는 UMP를 고려하여 회전자 및 베어링에 대하여 수명을 추정하는 방법을 제안하고자 한다. 전자계-구조계 결합해석을 기반하여 최적화설계를 수행함에 있어 응력 혹은 안전율에 대한 제약조건을 명확히 설정할 필요가 있다. 기존의 유도전동기 회전자 설계방법에서는 유도전동기의 Bar Opening Depth(BOD)를 형상변수에서 제외하고 제작상의 경험에 의존하여 고정된 값으로 설정하고 그 외의 형상에 대하여 구조검토를 제외하고 전자계에 대한 최적설계를 수행하였다. 다른 설계 방법으로는 BOD를 형상변수로 설정시 특정한 안전율을 적용하여 전자계 및 구조계를 모두 고려하여 형상설계 방법이 제안되었으나 설정된 안전율에 대한 명확한 근거가 미흡하였다. 본 연구에서는 전자장 유한요소해석(Finite Element Method, FEM)을 이용하여 UMP를 계산하고 회전자 수명 및 베어링 수명에 영향을 주는 각각의 Force를 추출하는 방법을 제안하였다. 회전자 설계시 필요한 안전율 계산을 위하여 기존의 회전자에 대한 원심력만을 고려하는 방법 이외에 원심력 및 UMP를 고려하여 응력해석을 진행한 후 반복되는 피로하중으로 인하여 발생하는 변형의 요소를 제거하기 위하여 피로해석을 진행하였다. 일반적인 구조해석 관점에서 응력-변형율 곡선상 탄성역영에서 설계를 진행한다고 하더라도 전동기의 회전자는 정하중으로만 고려한 설계는 피로에 의한 변형이 발생할 수 있다. 따라서 회전자의 동하중요소를 고려하여 피로해석을 진행하고 수명을 예측하여 무한수명영역에서 회전자 설계가 가능한 방법론을 제시하였다. 제작시 적용되는 베어링의 사양을 사전 검토하여 설계단계에서 베어링 클리어런스에 의한 편심효과를 예측하고 UMP에 의한 동하중을 분석하여 회전자의 피로수명을 예측할 수 있도록 연구를 진행하였으며 반응표면이론을 적용하여 회전자 형상에 대한 최적설계를 수행하였다. 또한, 전동기 제작을 위하여 선정된 베어링 사양을 검토하고 설계단계에서 전동기 회전자 자중 및 회전자 편심에 의한 동하중 정보를 추출하여, 전동기에 적용되는 베어링의 수명을 예측할 수 있는 방법을 제안하였다. 기존의 정하중만을 고려한 베어링 수명예측과 편심에 의한 UMP을 반영하여 동하중을 포함한 수명예측결과를 비교하였다. 마지막으로, 설계결과를 반영하여 유도전동기를 제작하고, 제작된 전동기에 대한 시험평가를 수행하여 시험 결과를 설계의 결과물과 비교하였으며 적용된 베어링에 대한 가속 스트레스 시험을 진행하여, 개선된 계산법을 통하여 베어링 수명 추정의 정확성이 향상되었음을 검증하였다. In this paper, a study on estimating the mechanical fatigue life of an induction motor is performed considering the unbalanced magnetic pull (UMP). The main failure factors and reliability requirements of induction motors are analyzed through literature research, and the problems of rotor deformation and the bearing life estimation are judged to be important issues, and solutions to two problems are proposed. A method of calculating UMP in electromagnetic field by Finite Element Analysis (FEM) and extracting each force affecting the rotor life and bearing life are proposed. In order to calculate the appropriate stress required for rotor design, the existing method that considers only the centrifugal force on the rotor, the stress analysis is carried out considering centrifugal force and UMP. Fatigue analysis is carried out in consideration of UMP, which is the dynamic load factor of the rotor, and the lifespan is predicted, and a methodology to design the rotor in the infinite life span is presented. The electrical steel plate of the rotor of an induction motor supports the rotor bar from mechanical force during rotation of the rotor, but the leakage of magnetic flux from the bridge part affects the electromagnetic characteristics, so mechanical strength and electromagnetic performance when designing the rotor. It is important to design the shape of the rotor in consideration of UMP, and the optimal design is performed based on the electromagnetic and mechanical system coupling analysis for the high-speed induction motor. Through the optimization process, a shape that is structurally robust and has excellent efficiency and torque characteristics has been proposed. The study is conducted to predict UMP by the eccentricity effect due to bearing clearance at the design stage of the selection of bearings. The fatigue life is predicted of the rotor by analyzing dynamic loads. It is structurally safe if the fatigue life exists in the infinite life span. Based on the fatigue theory, the S-N curve for the metal material is analyzed for the fatigue analysis of the rotor, and the electrical steel plate and the rotor are 3D modeled, and structural robustness is verified through fatigue life analysis. In the design stage, an algorithm is developed to predict the life of bearings applied to motors. The previous method considered only static load, but in this study, a new life prediction method is proposed in consideration of dynamic load by UMP and bearing temperature. The UMP is calculated to account for the dynamic load. Also, a methodology is derived to predict the life change under various conditions, taking into account the ambient temperature of the bearings. Finally, in order to verify that the proposed optima design, an induction motor is manufactured and the motor is tested and evaluated in accordance with the latest international standard IEC 61800-9-2. According to the standard, the loss of the motor is measured at eight operating points and the measurement uncertainty is analyzed. Acceleration stress test is conducted on the applied bearing, and it is verified that the accuracy of bearing life estimation is improved through the improved algorithm. It is hoped that the results and methodology of this study will be helpful in research for improvement of motor reliability and failure analysis.

전동지게차 14kW급 유도전동기 구동용 인버터 설계 및 개발

박지용 성균관대학교 일반대학원 2023 국내석사

As interest and demand for eco-friendly power sources increase worldwide, the trends in the industrial vehicle sector are also changing especially for electric forklifts showing a continuous growth. Power is supplied from a hydraulic pump to operate the devices of the electric forklift. The hydraulic pump is driven by an induction motor with control of an inverter directly connected to the induction motor at a ratio of one to one. The inverter is a key component for the electric forklift makers in Korea but it is mostly supplied by foreign countries and it is also rare for in-country research and development of the inverter. This paper aims to design and control the inverter hardware in light of the specifications of induction motor installed in electric forklifts. It proposes the most efficient and reliable design method for the induction hardware that specially describes the reason for device selection and the role of peripheral circuits. The multi-core DSP is selected to meet the functional safety regulations that are about to take effect in the industrial vehicle market, and it is designed to be cost-competitive and easy to install in a limited space through parallel deployment of power-switching MOSFET. The inverter drives the induction motor through Indirect Vector Control and simulates optimal control characteristics utilizing PSIM. In order to derive the most similar test result to the actual single product test, actual parameter value of the induction motor was acquired and reflected in the simulation. Single-product performance test using dynamo was conducted on the developed prototype. the test consists of "rated power tests", "maximum power tests", "fast operation tests", and "fast control tests", which are commonly performed in the industry. In addition, the performance characteristics of the equipment was verified by installing the prototype in an electric forklift and finally proved that there was no problem with performance. 전세계적으로 친환경 동력원에 대한 관심과 수요가 증가함에 따라 산업차량 부문에서의 트렌드 역시 변화하고 있다. 특히 전동지게차 수요는 지속적인 성장 추세를 보이고 있다. 전동지게차 작업장치를 동작시키기 위해서는 유압펌프에서 동력이 공급되야한다. 이때 유압펌프는 인버터로 제어하는 유도전동기와 1대 1비율의 직결식으로 연결되어 구동한다. 그러나 국내 전동지게차 제조사들은 핵심 부품인 인버터를 대부분 외자에 의존하고 있는 실정이며, 연구개발 역시 매우 드물게 진행중이다. 본 논문에 전동지게차에 장착되는 유도전동기 사양을 고려하여 인버터 하드웨어를 설계하고 제어하는 것을 목적으로 하고 있다. 가장 효율적인면서 신뢰성이 높은 설계 방법을 제안하는데, 이때 소자 선정 사유 및 주변 회로의 역할에 대해 기술했다. 산업차량 시장에서 발효를 앞두고 있는 기능안전 규제를 만족 하기 위해 멀티코어가 가능한 DSP 부를 선정하였으며, 파워 스위칭 MOSFET 병렬 배치를 통해 원가 경쟁력 및 제한 된 공간에서 설치가 용이하도록 설계했다. 인버터는 간접벡터제어를 통해 유도전동기를 구동하며 PSIM을 활용한 시뮬레이션 구현을 통해 최적 제어 특성을 모의 시험했다. 실제 단품 테스트와 가장 유사한 시험을 결과를 도출하기 위해 유도전동기의 실제 파라미터 값을 취득하여 시뮬레이션에 반영하였다 개발된 시제품을 대상으로 다이나모를 이용한 단품 성능 테스트를 진행했다. 단품시험은 산업계에서 통상적으로 이루어지는 “정격 출력 시험”, “최대 출력 시험”, “고속 작동 시험”, “고속 단속 시험”을 진행한다. 추가적으로 전동지게차에 시제품을 장착함으로 장비에서의 성능 특성을 확인하고 최종적으로 성능에 문제가 없음을 증명했다

유한요소법을 이용한 편측식 선형유도전동기의 동특성 해석에 관한 연구

김창업 漢陽大學校 大學院 1995 국내박사

유도전동기 효율개선을 위한 교류전압제어기의 디지탈 제어

권동빈 광운대학교 대학원 1994 국내석사

본 논문은 유도전동기의 효율개선을 위한 방안으로 인가전압 제어방식을 제안한다. 먼저 정성적인 해석을 통하여 부하율이 낮아질 경우 인가전압을 부하가 감소한 비율의 평방근에 해당하는 만큼 낮추어 줌으로써 전동기의 철손을 감소시켜 효율이 개선되고 입력전력이 절감되는 원리를 보였다. 그리고 유도전동기의 등가회로로부터 최적효율 운전을 위한 조건식을 유도하였으며, 유도전동기의 인가전압을 부하율에 따라 변화시켜 주는 실험을 통하여 실제 전력절감효과가 있음을 확인하였다. 또한 3상 교류전압제어기를 통해 인가전압 제어시의 동특성 해석 및 모의실험을 행하기 위해 필요한 시스템의 수학적 모델을 도출하고 도출된 모델을 사용하여 시뮬레이션을 수행함으로써 유도된 모델의 타당성을 입증하였다. 유도전동기는 정격속도로 운전될때 최대효율을 유지한다는 이론을 등가회로를 통해 입증하였고, 교류전압제어기의 특성으로 나타나는 점호각과 역기전압의 크기로 속도를 추정하여 정격속도 운전을 구현하는 새로운 운전방안을 제시하였다. 이러한 방안을 실제적으로 구현하기위해 80C196KC 마이크로 콘트롤러를 사용한 디지탈 제어시스템을 구성하였고 실험을 통해 입력전력을 절감할 수 있음을 확인하였다. A method which improves improves the efficiency of induction motor by controlling the input voltage with the three phase AC voltage controller is studied at the sides of theory and practice. At first, the principle of decreasing the input power and improving the efficiency is shown by proper adjusting the amplitude of the input voltage according to the load rate. Secondarily, the mathematical model of the three phase AC voltage controller-induction motor system is drived to translate the dynamic characteristics. The validity of the dynamic model is verified by simulation. The new driving method is also proposed, which regulates the rated speed's driving by the speed estimation from the firing angle and the magnitude reverse induced-voltage information. As a result, the digital control system is constructed. Expermintal results show desirable characteristics of proposed system.

외란상쇄 관측기에 의한 유도전동기의 부하토크 제어특성

송호빈 明知大學校 2004 국내박사

최근 들어 유도전동기 운전 시스템에 있어서 벡터제어이론을 적용한 시스템이 산업현장에 널리 보급되고 있으며 유도전동기 구동기술의 발전에 의해 그 적용분야 또한 다양화되고 있다. 예를 들어 부하토크의 변동이 크게 나타나는 압착기나 컴프레서와 같은 장치에서 부하의 변동에 상관없이 정속도를 유지하는 것은 매우 중요한 문제이다. 따라서 이러한 요구에 대한 제어기의 특성은 외란의 변화와 시스템 파라미터의 변화에 대비하여 강인한 제어기를 필요로 한다. 일반적으로 사용되는 PI제어기의 경우 구현이 쉽고 간단하며 제어기 이득을 적절히 조절함으로써 최적의 운전상태를 얻을 수 있다. 그러나 부하 외란이나 파라미터 변동에 매우 민감하기 때문에 운전범위에 제한을 받는다. 또한, 출력 측에 외란의 영향이 나타나고, 이 외란을 보상하는 시간이 많이 걸리게 된다. 따라서 일반적으로 외란이 있는 경우에 내부모델 원리를 기초로 하여 출력에서 외란의 영향이 나타나지 않는 외란상쇄를 고려 할 필요가 있다. 본 논문에서는 전동기에서 기계적인 파라미터의 변화와 함께 외란의 변화에 대하여 외란상쇄 feedforward 루프제어를 적용한 유도전동기의 벡터제어를 고려하였다. 제안한 시스템에서 부하토크는 유도전동기의 토크를 최소차원 상태관측기를 근거로 하여 추정한다. 최소차원 상태관측기를 통해 추정된 부하토크에 의해 토크전류를 얻어내고, 토크전류분을 feedforward 보상해 줌으로서 외란에 의한 영향을 상쇄시켜 외란이 유입되거나 부하가 가변되는 등의 조건에서도 안정되게 동작하는 강인한 속도제어 시스템을 실현할 수 있다. 최근 대부분의 유도전동기 제어에서는 속도검출 센서의 가격과 신뢰도에 의한 문제점이 대두되기 때문에 속도 센서가 없는 제어방법이 널리 사용되고 있다. 이에 본 논문에서도 속도 센서가 없이 검출된 전압과 전류에 의해 속도를 추정하여 사용함으로서 시스템의 가격을 낮추고, 신뢰도를 높일 수 있도록 하였다. 제시한 제어기의 타당성을 입증하기 위하여 Simulink를 이용하여 시뮬레이션을 수행하여 타당성과 안정성을 검토하였고, 이를 확인하기 위하여 실제 시스템을 구성하여 실험을 수행하였다. 그 결과 기존의 시스템에 비해 강인한 시스템을 구성할 수 있음을 확인하였다. In these days, the vector-control application induction motor system is used to industrial spot and the application filed is various. For examples, it is important that the rated speed is maintained without changing load to device like a compressor showing huge change of load torque. So, the robust controller is needed to prepare for changing system parameter and disturbances. In the case of PI controller, it is easy and simple to realize, and to get the optimal operation condition with regulating controller gain. But PI controller is subjected to restriction at the region of operation, because of very sensitivity to change of parameters or disturbances. And this shows effect of disturbances to output side, and then it takes long time to compensate disturbances. Hence, generally speaking, in the case of being disturbances, this controller must consider disturbance offset based on internal modeling. In this paper, vector control to applied disturbance offset feedforward loop control for changing disturbances with various mechanical parameters is suggested. The proposed system estimate load torque based on induction motor torque using minimum dimension state observer. Beacause speed controller using state observer is used on condition of feedforward loop for a torque, the robust speed control system is realized. In the most of induction motor control, the problem of detecting speed sensors cost and reliability is showed, so the control method without speed sensor is widely used. Because of this reason, the proposed paper does to heighten reliability of system by presuming and use the speed by voltage and electric current that is detected without speeds sensor. To prove the propriety of this paper, the various simulations carried out adequacy and stability using SIMULINK, and at the same time real system is made, so it is proved. A s the results of embodying the system, the robust system is realized.

프리미엄급 고효율 유도전동기의 국내외 최저소비효율기준 비교연구

이영범 아주대학교 2013 국내석사

국내에서 생산 또는 수입 판매되는 삼상유도전동기는 [효율관리기자재의 운영에 관한 규정](산업자원부고시)에 의거하여 2008년부터 최저효율제라는 강제 규정을 충족해야한다. 2, 4, 6극 삼상유도전동기는 - 정격출력 37kW 초과부터 200kW이하는 2008년 7월 1일부터 - 15kW 초과부터 37kW 이하는 2010년 1월 1일부터 - 0.75kW 이상부터 15kW 이하는 2010년 7월 1일부터 8극 삼상유도전동기는 - 정격출력 37kW 초과부터 110kW이하는 2010년 1월 1일부터 - 0.75kW 이상부터 37kW 이하는 2011년 1월 1일부터 이 제도를 주관하고 있는 기술표준원과 에너지관리공단은 현재 권장 단계에 있는 프리미엄급 고효율 유도전동기를 2015년부터 강제 규정으로 공식화 할 계획이다. 하지만 중•소기업의 여건도 고려해야 하기 때문에 공청회를 통해 대기업부터 점진적으로 실시할 계획이다. 이에 따라 본 논문에서는 프리미엄급 삼상유도전동기의 최저효율제에 있어서 선진국 및 주변국들의 최저효율제 시행과 시험방법 등을 비교 분석하고, 국내 기술동향, 기대효과 등을 분석하여 향후 우리나라의 프리미엄급 고효율 전동기 정책방향, 나아가서는 차세대 고효율 유도전동기인 슈퍼프리미엄급에 대한 우리의 발빠른 대응자세에 대해 중요한 맥락들을 제시하였다.

직접토크제어 유도전동기의 성능 개선 및 고장허용 제어

류지수 단국대학교 2001 국내박사

교류전동기의 제어방법인 직접토크제어(Direct Torque Control)는 벡터제어와 같이 자속과 토크를 분리 제어하면서도 알고리즘이 매우 단순하고 비교적 낮은 스위칭 주파수로 운전되기 때문에 특히 중대형 교류전동기의 제어기법으로 많은 주목을 받고 있다. 본 논문에서는 직접토크제어 기법에 의해 구동되는 유도전동기 제어시스템의 제어성능 개선을 위하여 기존 설계기법의 문제점을 분석하고 그 대안을 제시하였으며, 더불어 신뢰도 확보를 위해 장치고장의 검출식별시스템과 이를 도입한 고장허용제어계의 설계 방법을 제안하였다. 본 논문의 주요 제안 사항은 세가지이다. 첫째, 직접토크제어 기법 적용시 저속영역에서의 자속저하 현상을 해결하기 위하여 퍼지 가변스위칭 섹터 기법을 제안하였다. 이 기법에서는 전동기의 속도에 따라 최적의 섹터이동각을 결정해주는 퍼지 알고리즘을 채택하였으며, 퍼지 알고리즘의 실시간 적용이 가능하도록 단순함수(Simple Function)에 의한 추론방법도 함께 제시하였다. 둘째, 직접토크제어계의 성능 향상을 위해 새로운 자속관측기를 제안하였다. 이 관측기는 비선형성의 극복에 유용하게 사용되는 퍼지 이득조정 기법과 시변성 및 불확실성을 극복하기 위해 사용되는 파라미터 적응 알고리즘을 함께 도입한 구조로서, 기존의 자속관측기와 달리 설계자가 의도한 일정 수렴속도를 가지도록 설계될 뿐 아니라, 고정자 저항과 같은 전동기 파라미터 변화에 대해 강인한 특성을 가진다. 셋째, 직접토크제어되는 유도전동기 구동장치의 신뢰성 개선을 위한 장치고장 검출식별 기법을 제안하였으며, 이 기법은 고장허용 특성을 가진다. 이를 위해 속도센서 및 전류센서 고장이 각 변수 및 제어시스템의 성능에 미치는 영향을 분석하였으며, 그 결과에 근거하여 이들 센서고장을 조기에 검출, 식별할 수 있는 두 가지의 관측기 기반 고장검출식별 기법을 제안하였다. 그중 하나는 다중관측기 기법으로서 고장검출식별을 위한 중복정보를 얻기 위하여 관측기 3개를 병렬로 사용하는 방법이고, 나머지 하나는 다중관측기 기법의 실현시 문제점인 계산량을 줄이기 위한 단일관측기 기법이다. 특히 단일관측기 구조의 고장검출 및 식별 기법은 실시간 방식으로 적용될 수 있으며, 고장허용 특성을 가짐으로서 직접토크제어되는 유도전동기 구동장치와 이를 포함한 많은 자동화 시스템 및 고성능 운송시스템의 신뢰성 및 성능향상에 기여할 수 있다. 제안한 알고리즘들의 타당성을 입증하기 위하여 2.2[kW]급 유도전동기에 대하여 속도제어계를 구성하고 시뮬레이션을 수행하였으며, 고성능 DSP를 이용한 제어보드를 개발하여 직접토크제어 및 고장검출식별 알고리즘을 도입한 후 다양한 실험을 통하여 실시간 적용의 가능성과 유용성을 검증하였다. Direct torque control(DTC) method provides direct and independent control of the flux linkages and electromagnetic torque like the well known vector control method does. The method has been accepted as a high performance control scheme specially for high power induction motor drives because it usually operates at relatively low switching frequency. In this dissertation, some important problems of conventional DTC are analyzed and solutions for the problems, flux drooping at low speed range and difficulty of flux estimation due to nonlinearty of system dynamics, are suggested to improve the control performance of DTC based induction motor drives. Also, a new Instrument fault detection and isolation scheme(IFD1S) and a fault-tolerant control system(FTCS) with the IFDIS are proposed to enhance the functional reliability of the overall control system,. The major contributions of this dissertation are threefold. First, the fuzzy variable switching sector scheme is proposed to reduce the flux drooping. The scheme includes a fuzzy algorithm to decide optimal shifting-angle of the sector and a simple functional realization method of the fuzzy inference which possibilizes the real-time application of the variable switching sector scheme. Second, a novel flux observer with a fuzzy gain scheduling algorithm and an adaptive law to overcome time-varying properties and parameter uncertainties is proposed. Third, to improve reliability of induction motor drives, an IFDIS with which an FTCS can be constructed is proposed. The effects of speed sensor fault and current sensor fault on control performance are analyzed. On the basis of the analyzed results, two observer based fault detection and isolation schemes are presented. The one is the multiple observer scheme which simultaneously drives three parallel observers to get redundant informations for fault isolation. The other is single observer scheme which reduces the computational burden of multiple observer scheme while providing the same information. To verify the performance of proposed algorithms, the speed control system is designed for 2.2[kW] induction motor and evaluated by simulation and experimental study. Experimental setup consists of IPM inverter, and high performance TMS320VC33 DSP. Simulation and experimental results prove the feasibility of the proposed schemes.