1. 서론
최근 고효율 및 고신뢰성이 요구되는 다양한 산업 분야에서 영구자석 동기 전동기를 사용한 다상 구동 시스템의 적용이 확대되고 있다. 일반적으로 다상 구동 시스템은 고장허용운전 가능하며, 동일 출력 대비 상전류 및 토크 리플이 감소하는 특징을 가지고 있다. 또한 위상 수를 증가시키면 주어진 크기 또는 도체에 대한 전류 밀도 제한의 부담을 완화할 수 있다. 이런 이점으로 인해 높은 신뢰성이 요구되는 항공우주 및 방산 산업 분야에 적용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다[1[-[4].
이와 같은 다상 구동 시스템에서의 고장 발생은 시스템의 성능 및 효율과 직접적으로 연계되므로 고장 발생 상황에서도 안정적이고 지속적인 전력공급과 연속적인 운전이 가능해야 한다. 이에 따라 전동기 특성에 따른 제어 기법 및 전력변환장치의 내부 고장 유형에 따른 고장 검출과 고장 허용운전 기법에 관한 연구가 필요하다[1]-[5].
구동 시스템에서 발생할 수 있는 고장 종류는 스위치, 역방향 다이오드, 전류 센서, 위치 센서 고장 등으로 나눌 수 있다[5]-[9]. 고장의 종류에서 스위치 개방 고장은 IGBT 게이팅 신호를 차단시켜 고장을 야기한 후 전류의 흐름 변화를 감지할 수 있으며 이 특성을 이용한 고장허용 제어가 가능하다.
본 연구에서는 분리된 중성점을 갖는 2조 3상 권선으로 이루어진 비대칭 6상 영구자석 동기 전동기를 대상으로 하였다. 대상 전동기의 상별 위상차는 30° 를 갖도록 설계되었으며, 이의 전류제어를 위해 2개의 동기 좌표계로 구성된 듀얼 dq축 전류제어기를 적용하였다. 본 논문에서 제안하는 고장허용운전 기법은 Fig. 1과 같이 스위치 개방고장이 발생 후 동기 좌표계 q축 전류의 변화를 일정 주기 동안 감지해 고장을 검출하고 이 후 고장상의 인버터 신호를 차단하여 정상적인 3상 인버터로 연속 구동하는 상전환운전 기법에 대해 다루고자 한다. 제안한 고장허용운전 기법은 다수의 실험으로 신뢰성을 검증하였다.
Fig. 1 Block diagram of switch open fault and tolerance operation
2. 본론
2.1 스위치 개방고장에 따른 동작 특성 분석
비대칭 6상 영구자석 동기 전동기의 정상상태 운전 조건에서의 상전류와 정지 및 동기 좌표계 dq축 전류식은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
\(\begin{align}\left. \begin{array} { l } { i _ { a } = - I _ { m } \operatorname { sin } \theta _ { e } } \\ { i _ { b } = - I _ { m } \operatorname { sin } ( \theta _ { e } - \frac { 2 } { 3 } \pi ) } \\ { i _ { c } = - I _ { m } \operatorname { sin } ( \theta _ { e } + \frac { 2 } { 3 } \pi ) } \end{array} \right.\end{align}\) (1)
\(\begin{align}\left. \begin{array} { l } { i _ { d s } ^ { s } = i _ { a } } \\ { i _ { q s } ^ { s } = \frac { 1 } { \sqrt { 3 } } ( i _ { b } - i _ { c } ) } \\ { i _ { d s } ^ { e } = i _ { d s } ^ { s } \operatorname { cos } \theta _ { e } + i _ { q s } ^ { s } \operatorname { sin } \theta _ { e } = 0 } \\ { i _ { q s } ^ { e } = - i _ { d s } ^ { s } \operatorname { sin } \theta _ { e } + i _ { q s } ^ { s } \operatorname { cos } \theta _ { e } = I _ { m } } \end{array} \right.\end{align}\) (2)
여기서, Im은 상전류 최댓값, 𝜃e는 전기각을 나타낸다.
Fig. 2는 정상상태 및 고장 발생 시 정지 좌표계 dq축 전류와 동기 좌표계 dq축 전류의 파형을 보여주고 있다. 식 (1)을 통해 각 상의 전류가 120° 의 위상차를 가짐을 확인할 수 있으며 식 (2)와 Fig. 2(a)롤 통해 정지 좌표계 전류가 90° 위상차를 가짐을 알 수 있다. 또한, Fig. 2(b)의 고장 전 시점과 식 (2)와 같이 파형을 보면 동기 좌표계의 d축 전류는 영상분이 출력되고 q축 전류는 직류 성분이 출력됨을 알 수 있다.
Fig. 2 Experimental waveforms (a) stationary reference frame dq-axis currents without open fault (b) synchronous reference frame dq-axis currents without and with open fault
스위치 개방고장에서 고장 발생 관련 식은 상단 고장 시 0 ≤ 𝜃e ≤ π 구간에 적용되며 하단 고장 시 구간 π ≤ 𝜃e ≤ 2π에서 적용된다.
고장 발생 시, 동기 좌표계 d축 전류는 식 (3)와 같이 전기각 2배 맥동이 발생하며 동기 좌표계 q축 전류는 직류 성분과 전기각 2배 맥동이 발생함을 Fig. 2(b)의 고장 시점 이후를 통해 알 수 있다.
B상 및 C상의 스위치 개방 고장에 따른 정지 좌표계 및 동기 좌표계 전류식을 식 (4)와 식 (5)로 나타낼 수 있다.
식 (4) 및 식 (5)와 같이 스위치 개방 고장 시 고장이 발생한 상의 상전류는 Fig 3(a)와 같이 완전히 차단된다. 정지 좌표계 q축에서는 1배 맥동이 발생한다. 동기 좌표계에서 d축 및 q축에 전기 각 기준 2배 맥동이 발생하며 Fig. 3(b)를 통해 고장 발생 시 맥동이 발생함을 확인할 수 있다.
\(\begin{align}\begin{array}{l}i_{d s_{\_} b \text { bault }}^{s}=-I_{m} \sin \theta_{e} \\ i_{q s_{-} b \text { fault }}^{s}=-\frac{1}{\sqrt{3}} I_{m} \sin \theta_{e}=-\frac{1}{\sqrt{3}} I_{m} \\ i_{d s_{-} \text {bfault }}^{e}=-\frac{1}{2} I_{m} \sin 2 \theta_{e}-\frac{1}{2 \sqrt{3}} I_{m}+\frac{1}{2 \sqrt{3}} I_{m} \cos 2 \theta_{e} \\ i_{q s_{-} \text {bfault }}^{e}=\frac{1}{2} I_{m}-\frac{1}{2} I_{m} \cos 2 \theta_{e}-\frac{1}{2 \sqrt{3}} I_{m} \sin 2 \theta_{e}\end{array}\end{align}\) (4)
\(\left. \begin{array} { l } { i _ { d s _ { - } c f a u l t } ^ { s } = - I _ { m } \operatorname { sin } \theta _ { e } } \\ { i _ { q s _ { - } c f a u l t } ^ { s } = - \frac { 1 } { \sqrt { 3 } } ( - I _ { m } \operatorname { sin } \theta _ { e } ) = \frac { 1 } { \sqrt { 3 } } I _ { m } } \\ { i _ { d s _ { - } c f a u l t } ^ { e } = - \frac { 1 } { 2 } I _ { m } \operatorname { sin } 2 \theta _ { e } + \frac { 1 } { 2 \sqrt { 3 } } I _ { m } - \frac { 1 } { 2 \sqrt { 3 } } I _ { m } \operatorname { cos } 2 \theta _ { e } } \\ { i _ { q s _ { - } c f a u l t } ^ { e } = \frac { 1 } { 2 } I _ { m } - \frac { 1 } { 2 } I _ { m } \operatorname { cos } 2 \theta _ { e } + \frac { 1 } { 2 \sqrt { 3 } } I _ { m } \operatorname { sin } 2 \theta _ { e } } \end{array} \right.\) (5)
Fig. 3 Experimental waveforms (a) a-phase fault phase currents (b) synchronous reference rame dq axis currents without and with b-phase fault
2.2 스위치 개방고장 허용운전 알고리즘
Fig. 4는 본 연구에서 제안하고자 하는 고장 검출 알고리즘을 상세하게 나타낸 블록도이다. 스위치 개방고장 발생 후, 동기 좌표계 q축 전류변화를 감지하고 안정적인 판별을 위해 전기 각을 기준으로 일정 주기 후 고장이 발생한 인버터 측 신호를 차단해 상전환운전으로 넘어가는 방식의 알고리즘을 제안하였다.
Fig. 4 Block diagram of switch open fault algorithm
위에서 제안한 상전환운전 알고리즘은 별도의 하드웨어 없이 구현할 수 있으며, 정상상태 뿐만 아니라 과도상태에서도 안정적인 상전환 운전이 가능하다.
2.3 실험
본 논문에서 제안하는 고장허용운전 기법의 실험을 위해 실험 장치를 Fig. 5와 같이 구성했다. 대상으로 한 비대칭 6상 영구자석 동기 전동기와 제어기 사양은 Table 1과 같다. 실험은 DC단 기준 48 [V]에서 1,000 [rpm] 및 1,500 [rpm]에서 진행하였다.
Fig. 5 Experimental setup
Table 1. Specifications of 6-phase asymmetric PMSM drives
Fig. 6은 상전환운전의 실험 결과 파형이다. Fig. 6(a) 및 (b)는 1,000 [rpm]에서 구동한 결과 파형이고 Fig. 6(c)와 (d)는 1,500 [rpm]에서 구동한 결과 파형이다. 위에서 언급한 바와 같이 Fig. 6(a)와 (c)롤 통해 동기 좌표계 q축 전류에서 고장이 인지되고 일정 전기각 기준 주기가 지난 후 속도 및 전류변화를 확인하였다. Fig. 6(b) 및 (d)에서 알 수 있듯이 고장허용운전으로 넘어가며 고장이 발생한 인버터측의 전류가 ‘0’으로 차단됨을 확인하였고 그 이후 정상적인 3상 인버터의 동작으로 정속도가 유지됨을 확인할 수 있다.
Fig. 6 Experimental waveform (a), (b) 1,000 [rpm] fault tolerance operation (c), (d) 1,500 [rpm] fault tolerance operation
3. 결론
본 논문에서는 비대칭 6상 영구자석 동기 전동기의 스위치 개방 고장에 따른 동작 특성을 분석하고 고장에 따른 운전 특성을 고려하여 상전환운전 기법을 제안하였다.
동기 좌표계 q축 전류 및 전기각을 이용해 고장을 인지하고 고장 난 인버터측 신호를 차단해 정상인 인버터로 상전환 운전이 되어 속도 및 각 인버터측의 동기 좌표계 전류값으로 확인하였다. 2조 3상 권선 구조로 1개의 3상 권선 고장 발생시 나머지 3상 권선으로 구동할 수 있도록 스위칭 소자 및 제어기 구성을 통한 구동 시스템의 신뢰성을 향상시키고자 하였다. 또한, 제안한 고장허용운전은 하드웨어가 추가로 필요하지 않으며 빠르게 고장허용운전으로 전환할 수 있다는 특징이 있다. 향후 더 나아가 전류 센서 고장에 따른 고장 검출 및 고장허용운전 알고리즘을 기법을 연구하고자 한다.
후기
이 논문은 한국에너지기술평가원의 신재생에너지 핵심 기술 개발사업 “최대이륙중량 200kg급 비행체용 순정격출력 30KW급 연료전지 파워팩 시스템 개발”(과제번호 20213030030100)로 수행된 것임.
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