하이브리드 자동차용 계자권선형 동기전동기의 최대 토크 운전 :Maximum torque control of WRSM for Mild Hybrid EV

유성환

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자료유형: 학위논문

저자정보: 유성환 (인천대학교, 仁川大學校大學院)

지도교수: 김준석

발행연도: 2014

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이용수36

이 논문의 연구 히스토리 (2)

2014

하이브리드 자동차용 계자권선형 동기전동기의 최대 토크 운전

유성환 전기공학과 2014.01 학위논문

2013

하이브리드 자동차용 계자 권선형 동기전동기의 최대 토크 운전

유성환 , 송우현 , 김준석 전력전자학회 학술대회 논문집 2013.07 학술대회자료

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본 논문은 고성능 운전 능력이 요구되는 계자권선형 동기 전동기 가변속 구동 시스템의 최대 토크 제어에 관한 논문으로서, 영구자석 매입형 동기 전동기(IPM)와는 다르게 고속 운전이 가능한 계자권선형 동기 전동기의 최대 토크 제어 방식에 대하여 연구하였다.
영구자석 매입형 동기 전동기(IPM)는 기계적으로 강인하고 돌극성으로 인한 리럭턴스 토크가 발생하므로 HEV에 적용하기에 적합한 전동기로 인식되고 있다. 그러나, 저속영역에서 큰 토크를 얻기 위한 강한 자속은 고속영역에서의 전압제한으로 나타나는 경향이 있기 때문에 4,000∼5,000rpm이상의 고속에서 토크가 급격히 감소하는 문제를 지니고 있다. 이러한 문제를 근본적으로 해결하기 위해서는 계자자속을 직접 제어할 수 있어야하며 이러한 관점에서 계자에 권선을 도입한 계자권선형 동기전동기(WRSM: Wound Rotor Synchronous Motor)는 매우 적절한 해결책이 될 수 있다. 또한, WRSM은 자체적인 돌극성으로 인해 비교적 큰 리럭턴스 토크를 출력할 수 있기 때문에 단위 체적당 토크가 IPM에 못지않은 우수한 출력특성을 갖는다. 그러나, WRSM은 구조가 복잡하고 IPM에 비해 효율이 다소 감소하는 단점이 있다. 또한 계자용 슬립링이 부착되어야 하는 기계적인 제한으로 인해 자동차 엔진과의 직결형 구조가 어려우며 일반적인 HEV에 적용하기에 다소 문제가 있다. 엔진직결형 구조가 아닌 미들 수준의 MHEV(Mild-HEV)의 경우 통상적으로 전동기가 풀리-벨트로 엔진과 결합하는 구조를 갖고 있고 풀리비가 1:2가 넘는 경우가 많기 때문에 10,000rpm이상의 고속운전이 가능한 전동기가 요구되며, WRSM의 특성이 이러한 요구에 매우 적합하다고 할 수 있다.
WRSM을 제어할 때 마주치는 문제는 MTPA(Maximum Torque Per Ampere)제어에서 공극자속이 변수로 작용한다는 점이다. 이점은 IPM의 제어와 매우 큰 차이가 있으며 해석적인 제어가 더욱 어려워지는 문제를 야기한다. 최대토크스캔 프로그램을 이용하여 전압제한 하에서 WRSM이 구현할 수 있는 최대 토크 능력 곡선을 추적하고 이를 바탕으로 수리적으로 쉽게 구현할 수 있는 해석적 제어방법을 제시한다. 전속도 영역(0-15,000[RPM])에서의 시뮬레이션을 통하여 제시된 계자권선형 동기 전동기의 새로운 제어방식의 효용성과 우수성을 확인한다.

#WRSM #최대토크

목 차
국문초록 ⅰ
목 차 ⅱ
표 목 차 ⅳ
그림목차 ⅴ
1. 서 론 1
1.1. 연구배경 및 필요성 1
1.2. 하이브리드 전기자동차 구동모터 2
1.2.1. 영구자석형 동기 전동기와 유도 전동기 2
1.2.2. 계자권선형 동기 전동기 4
1.3. 계자권선형 동기 전동기의 최대토크 운전점 4
1.4. 연구의 목적 5
1.5. 본 논문의 구성 6
2. 영구자석형 전동기의 모델링 및 최대토크운전 7
2.1. 영구자석형 전동기의 모델링 7
2.2. 단위 전류당 최대 토크 제어 9
2.2.1. CTR에서 운전 9
2.2.2. 약계자 영역에서 운전 (전압과 전류한계영역) 12
2.2.3. 약계자 영역에서 운전 (전압제한영역) 13
3. 계자 권선형 동기전동기의 수학적 모델링 15
3.1. 계자권선형 전동기의 등가 방정식 15
3.1.1. 고정자측 전압 및 전류 합성치 17
3.1.2. 회전자측 전압 및 전류 합성치 18
3.1.3. 합성치를 이용한 전압 방정식 19
3.2. 전동기 dq동기좌표계 모델 21
3.3. 계자권선형 동기 전동기의 벡터제어 24
3.4. 동기 전동기의 출력 및 토크 26
4. 최대 토크 운전 기법 및 약계자 제어 29
4.1. 계자권선형 동기 전동기의 속도 영역 30
4.1.1. 일정 토크 영역 [mode 1] 31
4.1.2. 일정 출력 영역 [mode 2] 31
4.1.3. 약계자 제 2영역 [mode 3] 31
4.2. 최대 토크 제어 32
4.3. 최대토크스캔 프로그램 35
4.4. 일정 토크영역에서 운전(CTR:Constant Torque Region) 38
4.5. 약계자 영역에서 운전(FWR:Field Weakening Region) 43
4.5.1. 전압과 전류제한영역 43
4.5.2. 전압제한영역46
5. MATLAB 시뮬레이션 50
5.1. 시뮬레이션의 구성 50
5.1.1. 전류제어기 51
5.1.2. 속도제어기55
5.2. 시뮬레이션 결과 및 검토 58
5.2.1. 전 운전 속도 영역 (무부하시) 58
5.2.2. 전 운전 속도 영역 (전부하시) 64
5.2.3. DC전압 변동시 운전특성 68
5.2.4. 지령치 변화에 따른 운전특성 72
6. 결 론 76

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