전력전자학술대회논문집 004. 7.1 ~ 7.15 PWM 스위칭기법에의한유도전동기구동시스템의전도노이즈저감 김홍주, 이원철, 김이훈, 원충연, 최세완 *, 김규식 **, 정동효 *** 성균관대학교, * 서울산업대학교, ** 서울시립대학교, *** 시립인천대학 Conducted EMI reduction of Induction Motor Drive System by PWM Switching Technique H.J. Kim, W.C. Lee, L.H. Kim, C.Y. Won, S.Y. Choi *, G.S. Kim **, D.H. Jeong *** Sungkyungkwan Univ., * Seoul National Univ. of Technology, ** Univ. of Seoul, *** Incheon City College. ABSTRACT Conventional SVPWM method has null switching vectors. Null switching vectors cause high common-mode voltage in induction motor drive system. The newly developed common mode voltage reduction PWM technique don't use zero switching state for inverter control. It is realized by changing software without additional hardware. Simulation and experimental results show that proposed method are reduced common mode voltage more than conventional method. 1. 서론 현재산업현장에서유도전동기는각종기계및장치의동력원으로서가장널리사용되고있다. 이는구조가간단하고유지, 보수가간단하며내구성이강하고가격이저렴하기때문이다. 전압과주파수제어가가능한 PWM인버터가유도전동기가변속운전에폭넓게사용되고있다. 최근에전력용반도체소자의발달로인버터제어에있어서스위칭주파수가증가되었고, PWM인버터의성능이개선되었다. 그러나이러한고속스위칭에의한급격한 dv/dt 변화로인해발생한커먼모드전압은고주파누설전류의발생및베어링전류, 축전압등을발생시키며, 그결과전동기의수명저하및 EMI 등의문제를발생시킨다 [1]. 이에따른대책으로커먼모드전압을저감하는많은논문들이발표되고있다 [-]. 여기서커먼모드전압을저감은하드웨어적인방법과소프트웨어적인방법 가지로크게구분된다. 하드웨어적인방법은대상이변경될때마다필터를다시설계하여야하는문제점이있다. 그러나소프트웨어적인방법은인버터에인가되 는 PWM 패턴을변조 / 합성함으로서전도노이즈를저감할수있다. 특히, 스위칭상태가 V0(0,0,0) 와 V7(1,1,1) 인무효벡터구간에서커먼모드전압이 ± 만큼 발생하게되므로무효벡터인가시간을유효벡터로합성하여, 무효벡터를만들어내어이를인버터에인가하는방법이다 [4-8]. 그러므로본논문에서는부가적인하드웨어없이소프트웨어적인 PWM 스위칭기법으로무효벡터인가구간을제거함으로써커먼모드전압의크기를 ± 로저감하였다.. PWM 인버터와커먼모드전압.1. 커먼모드전압그림 1 은세개의인덕터와저항으로모사된전동기에접속된전압형인버터를보여주고있다. +Vdc/ n -Vdc/ i S1 S S Van Vbn S4 S5 S6 Vcn 그림 1. 전압형인버터유도전동기시스템 Fig. 1. voltage source inverter fed induction motor system ias ibs ics 커먼모드전압은식 (1) 과같이정해진다. v sn = v an+ v bn + v cn 식 (1) 은단지 PWM 인버터의스위칭상태가부하임피던스에상관없이커먼모드전압 V sn 을결정함을보여준다. 표 1은인버터스위칭상태에 (1) s Vsn 769
따른 V sn 의변화를정리하였다 [7]. 이와같이 PWM 인버터에의해생성된커먼모 드전압 V sn 은유도전동기내의고정자권선과 고정자외함사이에존재하는부유커패시터를통해접지단자로흐르는고주파누설전류의원인이된다. 심한경우전동기의파손까지가져올수있으므로, 커먼모드저감에관한연구가필요하다. 표 1. 스위칭상태에따른출력전압과커먼모드전압 Table1. Common-mode voltage and output voltage according to switching state 스위칭출력전압함수 V an V bn V cn V sn (0 0 0) - V dc / - V dc / - V dc / - V dc / (1 0 0) V dc / - V dc / - V dc / - V dc /6 (1 1 0) V dc / V dc / - V dc / V dc /6 (0 1 0) - V dc / V dc / - V dc / - V dc /6 (0 1 1) - V dc / V dc / V dc / V dc /6 (0 0 1) - V dc / - V dc / V dc / - V dc /6 (1 0 1) V dc / - V dc / V dc / V dc /6 (1 1 1) V dc / V dc / V dc / V dc /.. 기존의 PWM 기법 PWM 기법에는여러종류가있으나종래에는히스테리시스전류제어방식이나삼각파비교변조법을사용하였다. 이방법들은원리가간단하고쉽게구현할수있다는장점을갖고있지만, 응답특성, 스위칭주파수, 출력전류의고조파함유율, 제어의선형성등의측면에서부분적으로미흡한특징들이있다. 이를보완하여공간전압벡터 PWM (Space Voltage Vector PWM; SVPWM) 에의한전압변조방식이직류전압을최대한많이사용할수있다는점에서다른어떤종류의전압변조방식보다우수하다고알려져있다 [8]. 공간전압벡터 PWM 의기본원리는, 그림 에서한주기내의출력전압지령치를, 삼각형의각변에해당하는유효벡터를벡터적으로합성하여평균적으로동일하게만들어준다. 그림. 인버터의출력전압벡터 Fig.. Output voltage vector of inverter 이두전압의인가시간의합이샘플링주기보다 작으면나머지시간동안에는무효벡터 ( 영벡터 ) 를 인가한다. 예를들어그림 와같이지령전압 V * 가영역 1( 0 ~ 60 ) 의부분에존재한다면이 V * 에인 접한 V(1) 과 V() 벡터에투영된 V A, V B 로 V * 를시간적으로합성할수있다. 이원리를식으로표현하면 0 V * dt = 0 T 1 V(1) dt + T 1 T 1 + T V() dt + V(7) dt () T 1 + T 가되는데, 여기서스위칭주기가매우짧다면스 위칭주기내에서 V(1) 과 V() 는각각일정하다 고간주할수있으며식은 V(7) 은영벡터이므로이 V * = V(1) T 1 + V()T () 로나타낼수있다. 따라서 V * = V(1) T 1 + V() T = V A + V B (4) 와같이되며, 여기서 T 1 과 T 는각각한샘플 링주기내에서전압벡터 V(1) 과 V() 를인가 하는시간을나타낸다. 그러면 V(1) 과 V() 및영벡터를인가할시간은다음과같이계산된다. V(1) = V dce j 0, V() = V dce j V * = V * e jγ (5) 여기서 e jα = cos α + j sin α 이므로이들을식 (5) 에넣고연립방정식을풀면 T 1 = V * V dc sin ( π - γ) sin π π = V * V dc V * sin γ T = V dc sin π V * = sin γ V dc T 0 = -(T 1 + T ) (6) 여기서 sin ( π - γ) γ 는이삼각형의출발변으로부터전압 벡터 V * 까지반시계방향으로회전한각을나타내며 0 γ < π/ 이다. 위식들을이용하여지령치전압이섹터 1에있을경우그림 의스위칭함수를나타낸다. 그림에서기존의공간전압벡터 PWM의경우스위칭 770
상태가모두같은무효벡터 (0,0,0) 와 (1,1,1,) 이인가되게된다. 이에따라커먼모드전압이 ± V dc / 가된다. 벡터궤적 그림 4. 제안된 PWM 방식의스위칭패턴과벡터궤적 Fig. 4. Switching pattern and vector locus of proposed PWM method 스위칭패턴 가장큰전압지령치의상을샘플링주기후반부에서턴오프하게하여턴온과턴오프시점만변경한다. 이와같이하면기존의 SVPWM와같은전압지령치를인버터에인가하면서무효벡터구간을제거하여커먼모드전압이 ± V DC /6로제한된다.. 시뮬레이션결과 벡터궤적 그림. 기존 PWM 방식의스위칭패턴과벡터궤적 Fig.. Switching pattern and vector locus of conventional PWM method 그림 5는인버터-유도전동기구동시스템을시뮬레이션하기위한전체회로도이다..kW 유도전동기속도제어는슬립주파수제어방식으로 PSIM 6.0 소프트웨어를사용하여시뮬레이션하였다... 제안된 PWM 기법 상변조 SVPWM 에서는그림 4 에서처럼 상의전압지령치중중간전압지령치와가장작은전압지령치의상을샘플링주기전반부에서턴온하게한다. 그러므로이논문에서는기존의 상공간변조전압 PWM 에서무효벡터스위칭상태를제거하기위하여아래그림 4 와같이 상의스위칭턴온시점을재구성하였다. 그림 5. PWM 인버터 - 유도전동기구동시스템시뮬레이션회로도 Fig. 5. Simulation circuit of PWM inverter-induction motor drive system 스위칭패턴 슬립주파수제어및 PWM 발생부분은 DLL 블록으로구성하였다. 커먼모드전압은 PWM 인버터 - 유도전동기구동시스템에서의 DC Link 중성점과유도전동기중성점접지간에발생되는전압이다. 그림 6 의 는종래의공간전압 PWM 스위칭 771
기법의커먼모드전압과전류의전체파형이며, 는일부분을확대한파형이다. 커먼모드전압은 - V dc / V sn + V dc / 의 범위를갖는다. 즉, 커먼모드전압은약정도의최대값을갖는다. ±155[V] 그림 6. 종래의공간전압 PWM 스위칭기법의커먼모드전압 [100V/div] 및커먼모드전류파형 [0mA/div] Fig. 6. Common mode voltage and current waveforms of conventional SVPWM technique 그림 7의 는제안된스위칭기법을적용한커먼모드전압과커먼모드전류의전체파형이며, 는일부분을확대한파형이다. 제안된스위칭기법의커먼모드전압의범위는 - V dc /6 V sn V dc /6이고, 커먼모드전압은약 ±5[V] 의최대값을갖는다. 또한커먼모드전류의최대값은 ±0[mA] 가흐르는것을볼수있다. 결과적으로무효벡터구간인 V0(0,0,0) 나 V7(1,1,1) 이제거되므로종래의커먼모드전압보다약 1/배로줄어들었다. 증하기위하여 TMS0VC1 DSP 보드와 상 4 극 175[rpm],.[kW] 유도전동기를대상으로실험하였다. 또한전도노이즈를측정하기위해입력전원 - 인버터간에 LISN 을설치하여스펙트럼분석기로관찰하였다. 표 는실험에사용된유도전동기의상수를나타내었다. 표. 유동전동기의 파라미터 Table. Parameter of Induction motor 정격출력. [kw] 정격전압 0 [V] 정격전류.6 [A] 정격주파수 60 [Hz] 정격회전속도 175 [rpm] 극수 4 [pole] 관성모멘트 0.01 [ kg/m ] 그림 8. 종래의 SVPWM 스위칭기법의한상의전류 [.5A/div] 및 FFT 파형 [0.6A/div],[1KHz/div] Fig. 8. A phase current and FFT waveforms of conventional SVPWM switching technique 그림 8 은종래의공간전압 PWM 기법을사용하였을때유도전동기한상에대한전류파형과 FFT 분석결과이다. 그림 9 는제안된스위칭기법의한상의전류파형과 FFT 분석으로고조파가공간전압 PWM 스위칭기법에비해고조파가다소증가함을볼수있다. 그림 7. 제안된 공간 전압 PWM 스위칭 기법의 커먼 모드 전압 [ 100 V/ div ] 과 커먼 모드 전류 파형 [10mA/div] Fig. 7. Common mode voltage and current waveforms of the proposed SVPWM technique 4. 실험결과 본논문에서제안한스위칭기법의타당성을입 그림 9. 제안된스위칭기법의한상의전류 [.5A/div] 및 FFT파형 [0.6A/div], [1KHz/div] Fig. 9. A phase current and FFT waveforms of proposed SVPWM 그림 10은커먼모드전압을나타내는실험결과이다. 그림 10의 는종래의공간전압 PWM 기법으 77
로커먼모드전압의피크값이 - V dc / V sn V dc / 까지 ( 약 ±155[V]) 변화하는것을보여준다. 그림 10 의 는제안된공간전압 PWM 기법으 로 - V dc /6 V sn V dc /6 까지 ( 약 ±50[V]) 변화하는것을보여준다. 종래의 SVPWM [100V/div],[1msec/div] 그림 10. 커먼모드전압파형 Fi g. 10. Common mode vol tage waveforms 제안된 SV PWM [100V/div],[1msec/div] 그림 11 은 CISPR pub'# 규제의범위에서전도노이즈의스펙트럼파형이다. 제안된스위칭기법을적용하여커먼모드전압을제한함으로써전도노이즈가 1-[MHz] 에서는약 10[dBμV] 정도, -[MHz] 에서는 15[dBμV] 정도저감된것을확인하였다. 종래의 SVPWM (b ) 제안된 SV PWM 그림 11. 커먼모드 EMI 의스펙트럼파형비교 Fig. 11. Common mode EMI of Specurm waveforms 5. 결론 본논문에서는 PWM 인버터 - 유도전동기구동시스템에서 PWM 기법의따른전도노이즈의영향을비교분석하여다음의결과를얻었다. 1) 종래의공간전압 PWM 스위칭기법의커먼모드전압은최대값이 ± 이지만제안된 스위칭기법은무효벡터구간을제한함으로써 ± 으로낮아진다. ) 제안된스위칭기법을적용하여커먼모드전압을제한함으로써전도노이즈가 1-[MHz] 에서는약 10[dBμV] 정도, -[MHz] 에서는 15[dBμV] 정도저감된것을확인하였다. 본연구는한국과학재단목적기초연구 (00-057-000) 지원으로수행되었슴. 참고문헌 [1] J. Erdman, R. J. Kerkman, D. W. Schlegel, and G.L. Skibinski, "Effect of PWM Inverters on AC Motor Bearing Currents and Shaft Voltages," IEEE Trans. Ind. Applicat., vol., pp. 50-59, Mar./Apr., 1996. [] S. Ogasawara and H. Akagi, "Modeling and Damping of High-Frequency Leakage Currents in PWM Inverter-Fed AC Motor Driver Systems," IEEE Trans. Ind. Applicat,. vol., pp. 1105-1114, Sep./Oct., 1996. [] Ogasawara, S. Ayano, H. Akagi, H. Measurement and reduction of EMI radiated by a PWM inverter-fed AC motor drive system, Industry Applications, IEEE Transactions on, Vol., Issue. 4, pp. 1019-106, July/Aug. 1997 [4] M. Cacciato, A. Consoli, G. Scarcella, and A. Testa, "Reduction of Common Mode Currents in PWM Inverter Motor Drives," IEEE IAS Annual Meeting, pp. 707-71, 1997. [5] M. Cacciato, A. Consoli, G. Scarcella, and A. Testa, "Reduction of Common Mode Currents in PWM Inverter Motor Drives," IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 5, no., pp. 469-476, Mar./Apr., 1999. [6] Yen-Shin Lai, "Investigations into the effects of PWM techniques on common mode voltage for inverter-controlled induction motor drives," Power Engineering Society 1999 Winter Meeting, IEEE., vol. 1, pp. 5-40, 1999. [7] Kyu-Hyun Park, Lee-Hun Kim, Chung-Yuen Won, Gyu-Sik Kim, Se-Wan Choi, Nyon-Kun Hahm, "A Switching Technique for Common Mode Voltage Reduction of PWM-Inverter Induction Motor Drive System using the DSP0F40", ICEE(The International Conference on Electrical Engineering), pp 60~697, 00.7. [8] H. W. wan der Broeck, H. C. Skudelny, and G. V. Stanke, "Analysis and Realization of a Pulsewidth Modulator Based on Voltage Space Vectors," IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 4, no. 1, pp. 14-150, Jan/Feb., 1988. 77