5상 유도전동기 구동을 위한 인버터의 고장진단 및 허용제어기법

Abstract

본 논문은 5상 유도전동기 구동을 위한 전력변환장치의 IGBT 스위치 고장 및 상 개방고장을 진단하고 각 개방고장이 발생한 상에 적합한 허용제어 방법을 제안한다. 일반적으로 5상 전동기는 3상 전동기와 비교하여 정상상태 운전에서 낮은 전류로 동일한 토크를 얻을 수 있으며 하나의 상 개방고장 발생시에도 약 14 % 더 높은 토크를 얻을 수 있는 장점을 가지고 있어 고장진단 및 허용제어를 적용하기 위해 적합한 시스템이다. 전동기 구동을 위한 인버터의 고장진단 및 허용제어는 시스템의 운영 지속성을 보장하고 갑작스러운 운전 중단으로부터 발생할 수 있는 2차 피해를 줄여 운영효율을 향상시키는데 목적이 있다. 제안된 고장진단 방법은 d-q축 공간개념을 이용하여 5상 전류를 d-q축 전류로 변환하고 임의의 상 개방고장에 따른 d-q축 전류 궤적의 변화를 분석하여 스위치 및 상 개방고장 위치를 판별한다. 개방고장을 판별하기 위한 기준값으로 정지좌표계 d-q축 전류의 크기에 대한 평균값( )과 각도에 대한 오차값( ) 파라미터를 통한 판별을 제안하였다. 상 개방고장에 따른 허용제어는 동기좌표계 변환행렬을 이용한 전류제어 방법을 적용한다. 허용제어를 위한 변환행렬의 조건은 동일한 확률로 발생하는 각 상의 개방고장에 대하여 직교성을 상실하지 않아야 한다. 이를 위해 각 상의 비대칭 조건에 적합한 변환행렬을 도출하는 것은 단순한 문제가 아니다. 본 연구에서는 고장이 발생한 상을 기준으로 정상 출력상의 재배치 기법을 통하여 허용제어시 토크리플(torque ripple)과 전류리플(current ripple)을 최소화 할 수 있도록 알고리즘을 제안하였다. 본 논문에서 제안한 5상 유도전동기의 고장진단과 허용제어 방법은 시뮬레이션을 통해 해석적으로 결과를 예측하였고, 1.5 kW급 실험세트 제작 및 비교 실험을 통하여 제안된 방법의 타당성과 가용성을 검증하였다.