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저가형 견인용 PMSM Drive 문제점 및 성능 개선
 저가형 견인용 PMSM Drive 문제점 및 성능 개선 Improvement of Problem And Performance For Low Cost Traction PMSM 기고 : 이상훈·김영수·김창일·박성미(한국승강기대학교) 1. 서론 최근 이산화탄소 저감정책에 따라 에너지 절약을 통한 이산화탄소 정책의 일환으로 전장품에 운전효율 극대화를 위해 기존 단일 여자기 형태의 유도전동기를 이용한 부하에서 점차 브러시리스 직류(Brushless DC) 전동기 및 구동 드라이브를 적용하는 사례가 증가하고 있다. 브러시리스 직류전동기는 회전자에 권선을 감는 대신 영구자석을 장착해 일반적인 DC Motor에 비해 관성 대 토크 비율이 높으며, 브러쉬가 없으므로 유지보수가 용이하고 브러쉬와 정류자편 마찰에 의해 발생하는 스파크나 분진, 가청잡음이 없어 사용환경에 제약을 받지 않는 장점을 가지고 있다. 또 변속 제어가 용이하고 운전영역 변화에 따른 효율 변화가 낮은 특징을 지닌다. 이러한 장점으로 엘리베이터 업체에서는 견인력을 요하는 권상기 및 엘리베이터 도어 드라이브 뿐만 아니라 동력을 요하는 부하에도 브러시리스 직류전동기 적용 전장제품을 연구개발하고 있다. 그러나 중국 저가형 PMSM과 구동 드라이브가 보급됨에 따라 고장 발생 빈도수가 높아지고 엘리베이터 안전까지 위협받고 있는 현실이다. 본 논문에서는 이러한 저가형 PMSM과 구동 드라이브를 분석하고 기존 인버터 드라이브의 문제점을 개선하기 위한 방법을 제시하고자 한다. 2. 저가형 견인용 PMSM 인버터 분석 2.1 기존 인버터 드라이브의 분석 [그림 1]은 기존 엘리베이터 도어에서 사용되고 있는 저가형 PMSM 인버터 드라이브를 나타내고 있다. 기존 인버터 드라이브를 분석하고 이에 따른 개선사항을 정리해 보면 다음과 같으며, 이 중 중요한 3가지 문제점을 개선했다. 1)제어부와 구동부가 전기적으로 비 절연 2)전류 센서의 미사용 3)홀(Hall) 센서 입력부와 제어부간 비절연 4)커넥터(Connector) 미사용 5)EMI(Electro-magnetic interference) 필터 미사용 6)구동부의 패턴 불량 7)PCB(Printed circuit board) 표면부에 코팅이 없음 8)별도의 오퍼레이터 및 조절 장치가 없음. 2.2 제어부와 구동부의 전기적 미절연 현재 분석된 저가형 PMSM과 같이 제어부와 구동부가 전기적으로 절연되어 있지 않는 경우 구동부의 스위칭 노이즈가 제어부에 유입돼 성능저하 및 오작동을 유발할 수 있다. 이와 같은 문제점은 제어부와 구동부를 전기적으로 절연함으로써 해결할 수 있는데, 그 방법은 포토커플러(photocoupler)를 사용하는 것이다. 포토커플러를 사용할 경우 제어부와 구동부는 광으로 서로 결합돼 신호를 전달하기 때문에 구동부의 전기적 노이즈 유입을 방지해 제어회로의 신뢰성을 향상시킬 수 있다. [그림 2]는 전류센서가 없는 기존 인버터와 전류센서를 사용한 회로의 예를 나타내고 있다. 전류센서가 없이 전류제어기를 제어기에 포함하지 않는 경우 다음과 같은 문제점을 야기시킨다. 1)오결선, 홀센서 노이즈 등의 사유로 과전류가 발생할 때 인버터 및 전동기를 보호하지 못함 2)전류제어를 할 수 없기 때문에 토크제어, 토크리미트 등의 기능을 사용할 수 없음 3)속도 제어기 출력이 전압의 입력이 되므로 어떤 원인에 의해 전동기가 회전하지 못하는 경우 속도 제어기의 높은 입력 지령값 때문에 전동기에 큰 전압이 계속 가해지므로 전동기의 상권선에 과전류가 흘러 드라이브 시스템 고장의 원인이 될 수 있음 따라서 [그림 2] (b)와 같이 전류 센서를 사용한 경우 속도 제어기와 PWM 전압 제어 사이에 전류 제어기를 추가함으로써 위의 3가지 문제점을 해결할 수 있다. 속도 제어기의 출력이 전류지령이 되고 전류 제어기를 거쳐 PWM 전압을 제어하므로 예상치 못한 원인에 의해 전동기가 회전하지 못할 경우에도 전류 제어기에서 정격이상 전류를 출력하지 않기 때문에 전동기 및 인버터를 보호할 수 있다. 또 전류제어를 추가할 경우 토크 리플 저감을 위한 추가 제어가 가능하므로 전체 시스템 성능도 향상시킬 수 있다. 2.3 홀(Hall) 센서 입력부와 제어부간 절연 문제 앞서 언급한 구동부와 제어부의 절연 문제와 마찬가지로 해당 인버터는 홀센서 입력부와 제어부 간 절연이 없다. 따라서 노이즈의 영향을 받기 쉬우며 이는 홀 센서 신호의 신뢰성을 감소하는 원인이 된다. 이같은 문제점을 보완하기 위해 앞서 언급했듯이 [그림 3]과 같이 포토커플러를 사용해 입력부와 제어부 사이를 절연시키면 더 높은 신뢰성을 확보할 수 있다. 3. 결론 기존 저가형 견인용 PMSM 및 인버터 드라이브는 저가형 구성을 위해 많은 회로를 생략하고 있음을 확인했다. 그로 인해 앞서 분석한 결과와 같이 시스템 보호와 성능 향상의 관점에서 필요한 3가지 개선점이 도출됐고, 해결방안으로 제어부와 구동부를 포터커플러로 절연시키고 저가형 전류센서를 이용한 전류제어기를 구성하며 마지막으로 홀 센서와 제어부를 절연시켜 구동 드라이브 성능 및 신뢰성을 개선했다. |
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