본 논문은 계통연계형 인버터를 위한 비례공진제어 기반의 케스케이드전류-전압 제어기 설계에 대해 다루고있다. 인버터가 계통연계모드로 동작할 때 인버터는 계통의 보조 전력원으로서의 역할을 하기 때문에 전류원으로 정의된다. 이때 LCL 필터가 연결된 계통연계형 인버터의 출력 LC 단에 비선형 지역적 부하가 연결될 경우 기존의 단일 전류 제어기만으로는 비선형 부하로 인한 고조파 왜곡에 대처하기 힘들고 독립운전모드와의 모드절환시 매끄러운 과도 특성을 보장하기 힘들다. 따라서 본 논문에서는 비례다중공진제어기를 활용한 내부 출력 전압, 외부 출력 전류 루프로 구성된 케스케이드 전류-전압 제어기를 제안하였고 제안된 방식이 고조파 보상과 모드 절환시의 매끄러운 과도 특성에 효력을 보임을 PSIM 시뮬레이션을 통해 검증하였다.
본 논문에서는 여러 가지 충격하에서 압저항 고충격 미소가속도계의 과도 출력전압의 계산시 발생하는 방대한 계산 시간 문제를 모드중첩법 및 최소자승법을 이용하여 압저항 미소가속도계의 실시간 출력전압 계산이 가능하도록 효율적인 출력전압 과도해석 방법을 제안한다. 우선 정적 압저항-구조 해석을 통하여 미소가속도계의 변위와 출력전압을 계산하고 출력전압을 특정 위치의 변위에 관한 2차 다항식으로 근사화하여 그 회귀계수를 최소자승법을 통하여 결정한다. 이후에 모드중첩법을 통하여 여러 방향의 고충격하에서 미소가속도계의 과도 변위응답을 계산하고, 이 변위응답을 변위로 표현되는 출력전압 근사식에 대입하여 과도 출력전압을 예측한다. 100,000 G 고충격파, 사인파, 계단파 및 사각파 등의 여러 가지 고충격 입력에 대한 압저항 미소가속도계의 수치예제를 통하여 제안한 방법의 정확성 및 효율성을 검증하였다.
유도결합형플라즈마(ICP)에서 부유 랑뮤어 탐침에 정현파, 톱니파, 사각파, 삼각파 형태의 전압 파형들을 쉬스에 인가하였을 때, 탐침으로 들어오는 고조파전류들의 특성을 넓은 범위에서 연구 하였다. 탐침으로 들어오는 플라즈마전류파형 및 기생전류파형의 모양과 고조파전류들에 대해 고찰하였고, 각각의 전압파형을 인가하였을 때 다양한 압력과 파워조건에서 부유 랑뮤어 탐침법을 이용하여 전자온도와 플라즈마 밀도를 측정하고, 측정결과는 싱글 랑뮤어 탐침법과 비교하였다. 정현파, 삼각파는 싱글 랑뮤어 탐침법과 잘 일치하는 결과를 보였고, 톱니파는 실험상의 오차로 정확한 측정이 안 되었으며, 사각파는 전류파형의 과도현상으로 인해 측정이 안되었다. 그 외에 기존의 부유 랑뮤어 탐침법과 다르게 부유전위의 변화와 제 1 고조파들의 비를 이용해서 전자온도를 구하는 방법도 소개한다.
본 논문에서는 인버터 구동 고압유도전동기 운전시 스위칭 서지로 인하여 고압유도 전동기 단자에서 발생하는 과도과전압을 저감하기 위한 필터로 인버터 출력단자에서 dv/dt를 저감하는 LCR 필터와 전동기 입력단자에서 케이블과 유도전동기 특성임피던스를 매칭시키는 RC필터에 대한 과도과전압 저감특성을 분석하였다. 이 필터를 고압에 대용량 유도전동기에 적합하도록 EMTP(ElectroMagnetic Transients Program)를 이용하여 모델링 및 케이블 영향에 의한 필터의 과도과전압 저감효과를 전압파형과 고조파 스펙트럼으로 비교분석하고, 이를 토대로 고압 대용량 유도전동기에 사용될 필터를 제시하였다. 인버터 스위칭 서지에 의한 과도과전압은 유도전동기 고정자 권선에 심각한 전압 스트레스를 발생시켜 절연파괴를 일으키는 주요원인이 된다. 이러한 과도과전압을 저감위한 필터설계는 고압유도전동기 시스템에서 필수적인 요소임을 보였다. 또한 제시된 필터는 과도과전압을 효과적으로 저감시키는 것을 EMTP 시뮬레이션을 통하여 입증하였다.
본 연구에서는 정상상태에서 고조파 전류와 순시전압강하의 보상특성이 우수한 3상 능동형 순시 전압강하 보상기를 제안하고 있다. 제안된 시스템의 보상 알고리즘으로는 구현하기 쉽고 간단한 직접 필터법가 사용되었으며 하이브리드 직렬형 능동전력필터에 적용하였다. 제안된 알고리즘은 전원전압이 순간적으로 왜형과 sag가 발생되더라도 비선형 부하에 인가되는 전압은 일정한 정현파로 제어 가능하며 동시에 전원전류의 고조파와 기본파 무효전류도 보상 가능하다. 정상상태와 과도 상태에서 전력전자전용 시뮬레이터인 PSIM에 의해 제안된 이론의 타당성을 입증하였다.
본 연구는 독립 운전 모드의 P+MR 기반의 전압제어기의 계통 동기화 방식을 조사한다. 계통 복전 후 계통과의 재연결을 위한 계통 동기화가 고정자 좌표계하에서 제어가 수행되는 경우, 독립운전하에서 정전압, 정주파수를 가지는 교류 지령 전압은 계통 전압으로 대체되는데 이 부분에서 고정자 좌표계 제어하의 현재 출력 전압과 계통 전압의 위상 차이에 기인하여 상당한 전압 오차가 발생할 여지가 있고 이러한 전압 오차 발생은 심각한 전압 과도 상태를 야기할 수 있게 된다. 추가적으로, 인버터의 출력 단에 연결된 부하가 비선형 부하라면 부하에서 생성되는 고조파에 기인하여 위에 언급된 전압 과도 상태가 더욱 심각해질 수 있다. 본 논문에서는 위에 언급된 문제를 해결하기 위한 대책으로 독립 운전 모드하에서의 전압 제어를 위해 사용되는 P+MR 제어 기반의 비선형 부하를 고려한 매끄러운 계통 동기화 방식이 제안되었다. 제안된 매끄러운 계통 동기화 방식은 실험 결과를 통해 검증된다.
국내 도시 철도에 차량 견인용으로 사용되는 전동기는 인버터로 구동되는 200㎾급 3상농형 유도 전동기를 표준 사양으로 선정하였으며 열악한 운전 조건에서도 20년을 상회하는 운전 수명을 보장하도록 규정하고 있다. 그러나 PWM 인버터 구동은 견인 전동기에서 추가적인 고조파 발열 손실과 소음, 진동을 초래하며 더욱이 고속 스위칭에 의한 과도 전압과 빠른 상승 시간을 가진 반복 과전압은 인버터와 전동기를 연결하는 케이블 공진 현상에 의해 배가되어 정현파 구동 시에 예상할 수 없었던 매우 커다란 스트레스를 절연 시스템에 가하게 되어 견인 전동기의 예상 수명에 심각한 영향을 미치고 있다. 따라서 본 연구에서는 인버터 구동 견인전동기의 운전수명을 보장하기 위해서는 기존의 시험 방법에 포함되지 않은 PWM 가변속 구동에 따른 고조파 손실과 과도 전압 충격의 문제점을 고려한 새로운 장기 신뢰성 평가기법이 절실히 필요한 상황이기 때문에 이를 제안하고자 하였다.
일반적으로 3상 PWM AC/DC 컨버터는 정상상태 에러 제거 및 빠른 과도응답 특성을 얻기 위해 동기 좌표계상으로 모델링하여 제어한다. 그러나 이와 같은 제어기는 입력전압이 평형일 경우를 전제조건으로 하므로, 입력전원이 불평형인 경우 입력전류와 출력전압에 고조파 성분이 나타나게 된다. 본 논문에서는 전원전압을 동기좌표계상의 정/역상 분으로 분석한 후 두 축(D, Q)의 역기전력 보상성분을 전원전압의 상태에 따라 적절하게 가변하고, 무효 전력과 고조파 전력 성분을 선택적으로 제거함으로써 입출력 시스템의 역률 및 고조파 성분을 효과적으로 보상하기 위한 간단하면서도 효과적인 제어기법을 제안하고, 시뮬레이션과 실험을 통하여 검증하였다.
본 논문은 과도고전압 측정시스템의 단위계단응답으로부터 구한 보정계수를 사용하여 수치계산에 의해 출력값을 보정하는 방법에 대하여 기술하였다. 또한 실규모 용량성분압기의 분압비와 상승시간을 갖는 모의등가회로를 구성하여 측정한 바, 본 연구에서 제안된 보정방법은 급준파 및 차단파 등의 어떠한 입력에도 유용하게 사용할 수 있다.
배전변전소에서 과도현상은 주로 스위칭으로 인해 발생한다. 본 논문에서는 스위칭 서지 현상을 분석하고, 과도현상을 저감시키는 방법을 상용화된 EDSA의 EMTAP 프로그램을 이용하였다. 과도현상으로 인한 전압의 크기를 제한하는 방법으로 부하측의 역률개선용 캐패시터 뱅크를 노조파 필터로 변환시켰다. 캐패시터 뱅크에 직렬로 연결된 인덕턴스는 부하측에 적절한 수준의 전압으로 낮출 수가 있었다. 또한 EDSA의 고조파 분석 프로그램으로 시뮬레이션한 결과는 고조파 저감 효과도 검증할 수 있었다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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