대용량 유도전동기가 정지상태에서 기동할때 매우 큰 돌입전류에 의해 Voltage Sag를 유발하게 되며 유도전동기에 걸리는 기계적 토크보다 큰 전기적 토크가 가해지지 않으면 유도전동기는 기동에 실패하게 된다. 따라서 대용량 유도전동기의 기동을 위해서는 Voltage Sag를 줄이고 전동기의 가속에 필요한 기동토크를 인가할 수 있는 기동법이 필요하다. 본 논문에서는 유도전동기의 기동특성을 모의할 수 있는 모델링 기법을 제안하고 시뮬레이션에 의한 기동특성을 모의하여 적절한 기동법을 적용한다. 본 논문에서 사용한 대상 유도전동기는 한국수자원공사 취수장에서 운영하는 2500KVA 대용량 유도전동기를 사용하였으며 PSCAD/EMTDC 소프트웨어를 사용하여 시뮬레이션을 수행하였다.
본고에서는 다변수 상태궤환을 이용한 유도전동기의 전류제어, 확장칼만필터(Extened Kalman filter)를 이용한 유도전동기의 속도추정, 칼만필터와 최적제어를 이용한 2관성계 유도전동기 시스템의 축진동 억제를 위한 속도제어 등 현대제어이론을 산업용 유도전동기 제어에 적용한 예에 대해 기술한다.
이 논문은 다른 종류의 유도전동기 구름베어링 손상을 유도전동기 고정자 전류신호해석을 통하여 검출하고 실시간으로 손상을 진단하는 알고리즘을 개발하였다. 유도전동기 구름베어링의 손상을 검출하기 위하여 정상적인 베어링을 갖는 유도전동기, 축정열에 불량을 가지고 있는 전동기와 베어링 외륜에 구멍을 가지고 있는 2가지 종류의 비정상 베어링을 갖는 유도전동기 3set를 실험시스템을 구축하였다. 또한 유도전동기의 구름베어링시스템의 비정상적인 상태에서 고정자전류을 검출하기 위하여 TMS320F2407 DSP 칩을 이용하여 데이터 획득보드를 개발하였다. 이 고정자전류신호를 해석을 통하여 베어링 손상을 검출하기 위한 방법으로 FPT, 웨이브렛 분석 및 내적에 의한 평균신호패던에 의한 분석결과를 제시하였다. 특히 내적에 의한 신호분석을 통하여 베어링 손상 여부를 실시간으로 진단할 수 있는 새로운 알고리즘과 분석방법을 제시하였다.
전동기는 크게 교류 전동기와 직류 전동기로 대별되며 현장에서 가장 널리 쓰이는 것이 교류 전동기 중에서도 유도전동기이다. 이러한 유도전동기의 사고원인을 분석해 보며 표와 같이 기계적인 원인과 전기적인 원인으로 나눌 수 있으며 현장실무자들의 예방정비 및 주기적인 정밀검사에 의하여 사고를 예방하고 또한 전동기 회로 및 특성 해석을 통하여 고장보호 대책을 수립 실시 하여야 한다.
고효율 유도전동기는 일반 유도전동기의 발생 손실을 절감시킨 것으로 적은 소비전력으로 에너지를 절약하고, 운전비용이 낮아서 단기간에 초기 설비투자 비용회수가 가능하고, 온도상승이 크지 않아 전동기 수명을 연장시킬 수 있다. 이에 포스코아에서는 이제까지의 경험을 바탕으로 전기 연구원과 협력하여 고효율 유도전동기 개발에 나섰다. 본 논문에서는 고효율 유도전동기 소형모터금형개발에 관하여 연구하였다.
전기철도는 전력공급시스템과 전기차로 구성되어 있다. 전기철도의 전기차는 대규모의 견인력을 얻을 수 있어 대량수송과 고속운전에 적합하다. 전기차는 모터블록과 견인전동기에 의해서 구동되며, 지령속도에 따라 모터블록에서 견인전동기에 전력을 공급하여 속도가 제어된다. 전기차의 속도제어는 모터블록과 견인전동기의 최소 에너지로 속도를 제어하는 것이 목표이다. 최근의 견인전동기는 직류 및 동기전동기에서 유도전동기를 사용하고 있다. 대부분의 유도전동기는 벡터제어기법을 사용하여 유도전동기의 속도를 제어한다. 본 논문에서는 유도전동기의 벡터제어기법을 이용하여 유도전동기의 속도를 제어하였다. Simulink를 이용하여 제어시스템을 모델링하고, PI 제어기와 Hysteresis 제어기를 이용하여 펄스를 제어하여 전동기의 속도를 제어하였다. 실시간 제어를 위해 IGBT 인버터를 사용하였고, 유도전동기 구동실험에 의해 시스템 성능을 입증하였다.
본 논문에서는 가전제품과 같은 저전력 응용분야에 효과적으로 적용이 가능한 2상 유도전동기 벡터제어 인버터를 제안한다. 현재까지 이 분야에서는 가격이 저렴하지만 속도제어가 용이하지 않은 단상 유도전동기를 사용해왔다. 2상 유도전동기 벡터제어는 3상 유도전동기 벡터제어에 버금가는 우수한 제어 성능을 가지고 있으면서도 좌표변환이 불필요하여 제어기의 부담을 줄일 수 있고, 전체 시스템을 저가격으로 구현할 수 있으므로 이러한 저전력 응용분야에서 단상 유도전동기에 대한 훌륭한 대안이 될 수 있다. 본 논문에서는 360[W]급의 소용량 2상 유도전동기를 위한 3레그형 2상 벡터제어 인버터를 설계하였고, 실험을 통하여 시스템의 유효성을 검증한다.
전동기의 가변속도제어에 대하여 유도전동기를 중심으로 소개하고 최근에 상당한 주목을 받고 있는 벡터제어 방식에 대하여 간단히 설명하였다. 백터제어방식에 의하여 교류전동기의 속도조정 가능이 실용화되었으며 직류전동기의 속도제어의 경우와 동일한 속응성 및 신뢰성을 얻을 수 있게 되었다.
고성능 영구자석의 보급이 활발해지면서 기존 유도 전동기와 같이 상용전원에서 구동이 가능하고 동기전동기의 특성을 갖는 고효율 유도기동성 영구자석 전동기에 대한 관심이 증가하고 있다. 이러한 유도기동성 영구자석 전동기는 회전자에 알루미늄 바와 영구자석이 설치되어 유도기의 원리로 기동이 되며 정상 속도에서는 동기 전동기의 특성을 갖게 된다. 이때 동기속도로 인입되는가의 여부를 판별하기 위한 기동 특성 해석은 매우 중요하다. 이러한 유도 기동성 영구자석 전동기의 기동시 특성을 해석하기 위해서는 종래의 유도 전동기의 과도 특성 해석 방법에 영구자석에 의한 영향을 고려해야 한다. 본 논문에서는 등가회로 해석 방법을 이용하여 유도 기동성 영구자석 전동기의 기동시의 특성을 살펴보고자 한다.
현재 전기철도에서는 고성능 유도전동기를 사용하고 있어서 열차속도제어를 위해 벡터제어를 이용하고 있다. 또한 최근에 인버터와 제어이론의 개발로 인해 다양한 방법으로 유도전동기 제어가 가능하다. 현재 유도 전동기를 사용하는 철도차량은 교류전동기를 이용한 역행, 역상제동 및 회생제동 등이 가능하다. 따라서 다양한 방법을 적용하기 위해서는 모터블록과 유도전동기의 모델이 필요하다. 유도전동기의 제어 방법으로는 가변 전압운전, 가변주파수 운전을 통하여 유도전동기의 토크와 회전수를 제어한다. 철도차량 추진시스템은 많은 서브시스템을 가지고 있어 속도제어 성능을 해석하기가 매우 복잡하다. 본 논문에서는 유도전동기를 사용하는 철도차량 추진시스템을 대상으로 Matlab/Simulink를 이용한 속도제어 특성을 분석하였고, 일정시간에 부하에 대한 외란입력응답 특성을 해석하였다. 또한 철도차량 추진시스템의 속도제어 특성을 해석하기 위해 전류, 속도, 자속추정기 및 유도전동기 모델을 제시하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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