철도차량용 스위치드 릴럭턴스 전동기의 설계 및 속도제어에 관한 연구 = A Study on the Design and Speed Control of the Switched Reluctance Motor for Railway Traction Application

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

A SRM (Switched Reluctance Motor) is composed of silicon steel plates where the rotor structure is simple and laminated without coil winding or permanent magnet, making it mechanically robust and its maintenance and repair excellent. Also, it has simple stator winding coils which allows shorter end-turns than other types of motors.
Due to the double salient structure of SRM, its magnetic characteristics are highly nonlinear. Since the flux linkage is represented as a nonlinear function of stator current as well as rotor position, the generated electric torque becomes a nonlinear function. These characteristics make the control of SRM difficult.
This paper attempts to investigate the design and control simulation of SRM to apply SRM in a railway traction. In design simulation, SRMs having three different types of stator pole shape are taken for magnetic analysis using 3d finite element method. It is observed that the proposed model gives improved magnetic characteristic. In speed control simulation, PI and Sliding mode controllers are designed. Two speed control methods for SRM are designed using magnetic characteristic obtained from the designed SRM with FEM. The simulation results are compared and the performance is analyzed. By employing the sliding mode controller, the transient response as well as the steady-state error is much improved even under a load variation.

국문 초록 (Abstract)

스위치드 릴럭턴스 전동기(Switched Reluctance Motor; SRM)는 회전자의 구조가 권선이나 영구자석이 없는 간단한 성층구조의 규소강판으로 되어 있어 기계적으로 견고하여 유지보수성이 매우 좋으며, 고정자 극에만 권선을 감기 때문에 엔드턴(end-turn)이 짧아지는 장점이 있다. 또한 고정자의 상전류 극성을 바꿀 필요가 없기 때문에 스위칭 소자의 개수를 줄일 수 있어 구동회로를 경제적으로 구현할 수 있다. 철도 견인전동기는 부하조건이 가혹하고, 콤팩트하여야 하기 때문에 이 특성에 적합한 스위치드 럴럭턴스 전동기의 적용이 적극적으로 검토되고 있다.
SRM은 고정자와 회전자 모두에 극을 갖는 돌극형 구조이기 때문에 매우 비선형적인 자계특성을 갖는다. 전동기의 쇄교자속은 고정자권선에 흐르는 전류와 회전자의 회전각도 모두에 영향을 받으며 따라서 발생토크 또한 비선형적이다. 이러한 특성으로 인해 SRM의 제어는 매우 어렵다.
본 논문에서는 스위치드 릴럭턴스 전동기를 철도차량구동용 전동기에 적용하기 위하여 설계와 속도제어 시뮬레이션을 수행하였다. 설계 시뮬레이션은 3차원 유한요소법을 이용하여 고정자 극의 형태에 따른 전동기 각 모델의 토크, 인덕턴스, 자속특성을 비교, 분석하였고 제안된 형태의 고정자극 모양에서 자계 특성이 향상됨을 확인하였다. 속도제어 시뮬레이션에서는 철도차량부하에 대한 PI 제어기와 슬라이딩모드 제어기를 설계하였고, 유한요소법을 이용하여 설계한 SRM의 자계특성을 이용하여 PI 제어기와 슬라이딩모드 제어기의 속도제어를 수행하였다. 그 결과를 비교, 분석하였으며 부하조건에서 PI 제어기에 비해 슬라이딩모드 제어기의 과도상태 및 정상상태 제어특성이 향상됨을 확인하였다.

목차 (Table of Contents)

• 목 차
• 요 약 ⅰ
• 기 호 표 ⅱ
• 약 어 표 ⅳ
• 표 목 차 ⅴ
• 그림목차 ⅵ
• Ⅰ. 서 론 1
• 1.1. 연구배경 및 필요성 1
• 1.2. 연구의 필요성 2
• 1.3. 연구내용 및 구성 2
• Ⅱ. SRM 설계 4
• 2.1. 동작원리 4
• 2.1.1. 페로마그네틱 액츄에이터 4
• 2.1.2. SRM 6
• 2.2. 유한요소법 8
• 2.2.1. 맥스웰 방정식 8
• 2.2.2. 자계발생 9
• 2.2.3. 물질특성 10
• 2.2.4. 3차원 유한요소해석 11
• Ⅲ. SRM 제어 12
• 3.1. SRM 제어원리 12
• 3.1.1. 토크발생원리 12
• 3.1.2. SRM 모델링 14
• 3.1.3 비선형성 15
• 3.2. PI 제어 15
• 3.2.1. 비례 제어 16
• 3.2.2. 적분 제어 16
• 3.2.3. PI 제어기의 장단점 18
• 3.3. 슬라이딩모드 제어 18
• 3.3.1. 연속시간영역의 슬라이딩모드 제어 19
• 3.3.2. 슬라이딩모드 제어기 설계 23
• 3.3.2.1. 슬라이딩면 설계 24
• 3.3.2.2. 제어입력 설계 26
• 3.4. 동작원리 27
• 3.5. 히스테리시스 전류제어 29
• 3.6. 철도 부하 모델링 30
• 3.6.1. 주행저항 30
• 3.6.2. 곡선궤도저항 31
• 3.6.3. 구배저항 31
• 3.6.4. 관성(가속)저항 32
• 3.6.5. 열차 견인력 32
• Ⅳ. 시뮬레이션 34
• 4.1. 설계 시뮬레이션 34
• 4.1.1. 시뮬레이션 조건 34
• 4.1.2. 결과 및 비교 35
• 4.2. 속도제어 시뮬레이션 37
• 4.2.1. 시뮬레이션 조건 37
• 4.2.2. 결과 및 비교 39
• Ⅴ. 결 론 44
• 5.1. 결론 44
• 5.2. 추가연구 44
• 참고문헌 45
• Abstract 47
• 감사의 글 48