약계자운전 인버터구동 유도전동기의 등가정수 추출 및 특성해석 = Parameter calculation and characteristic analysis of inverter driven induction machine with field weakening operation

국문 초록 (Abstract)

유도전동기를 넓은 속도영역에서 사용하기 위해서는 약계자운전이 필수적인데, 약계자 영역Ⅰ의 슬립주파수 증가는 인덕턴스 감소의 원인이 되고, 약계자 영역Ⅱ의 인가전류 감소는 인덕턴스 증가의 원인이 되므로, 약계자 운전시의 특성해석을 수행하기 위해서는 운전상황에 따른 등가회로 정수를 정확하게 추출해 내는 것이 필요하다.
기존의 등가회로 정수 추출방법은 인덕턴스의 계산이 정확하지 않았기 때문에 유도전동기의 인덕턴스를 추출하는 새로운 제안하였고, 이 방법을 사용하여 약계자 운전환경에서의 등가회로 정수를 추출한뒤 등가회로법을 사용하여 속도-토크 특성과, 속도-효율 특성, 속도-역률 특성의 해석을 수행하였다.
유도전동기의 등가회로 정수를 추출하기 위하여 2D 유한요소법을 사용하였고, 재질의 비선형성을 고려하기 위해서 뉴튼 랩슨(Newton-Rapshon)법을 적용하였다. 정토크 영역에서는 전압원 해석을 수행하여 정격시의 등가정수를 추출하였고, 약계자 영역에서는 최대토크를 내기위한 전류를 계산하여 전류원 해석으로 등가회로 정수를 추출하였다. 약계자 영역에서의 등가회로 정수 변화는 거의 선형이므로 몇몇 점의 정수만 추출하여 보간하여 특성해석을 수행하였다.
유한요소 해석 프로그램의 타당성을 검증하기 위해 상용 유도전동기의 실험결과와 프로그램의 해석결과를 비교하였고, 약계자 영역에서의 특성해석은 정격시의 등가회로 정수와, 약계자 운전상황이 고려된 등가회로 정수를 이용하여 그 결과를 비교하였다.
본 논문에서 제안한 등가회로 정수의 추출방법은 추후 다양한 운전상황의 변화를 고려한 유도전동기의 설계에 유용하게 사용될 수 있을 것으로 생각된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The field weakening operation is necessary for driving induction machines in wide speed range. In the field weakening region, source voltage, frequency, and slip are varied. As a result, the equivalent circuit parameters(ECPs) of induction machines will be varied. Accordingly, on the characteristic analysis with field weakening operation, the calculation of exact ECPs is necessary.
As the conventional method is not able to give accurate ECPs, a novel algorithm to obtain the ECPs using finite element analysis(FEA) is proposed. The ECPs with the field weakening operation are computed by the proposed method. Using these ECPs, the characteristic analysis of the induction machine with field weakening operation is performed. The speed-torque, speed-efficiency, and speed-power-factor characteristics are investigated.
The Newton-Raphson method is utilized for considering the non-linear B-H characteristics of magnetic material. The field weakening operation is composed of 3 regions; constant-torque, constant-power, and characteristic region. In the constant torque region, voltage source FEA is used to obtain the ECPs on the rated condition. In the field weakening region, the currents that generates the maximum torque are used as the source of FEA that can obtain the ECPs. As the variation of ECPs is almost linear in the field weakening region, it is possible to obtain the ECPs by selecting the some points in the given region. Then the characteristic analysis is performed by the interpolated values of them.
In this dissertation, the novel algorithm to obtain the ECPs under various operating condition is proposed, and it is verified by comparing with the results of the suggested method and the experimental results of commercial induction machine. Then, the characteristic analysis results of induction machine with field weakening operation by two groups of the ECPs are compared. One is the group of ECPs on the rated condition, and the other is on field weakening condition.