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커패시터 수명 진단 및 불평형 전류 제어를 통한 인버터 병렬운전의 신뢰성 향상

Reliability Improvement of Paralleled Inverters with Capacitor Diagnosis and Unbalanced Current Control

  • 이봉기 (아주대학교 일반대학원)

초록/요약

본 연구는 전동기 제어용 병렬 운전 시스템에서 고장이 빈번하게 발생하는 주요 부 품인 전해 커패시터와 대전력 스위칭 소자인 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)의 신뢰성 확보를 목적으로 한다. 병렬운전 시스템은 다수의 인버터를 병렬로 연결하여 단일 전동기를 구동하는 방식으로, 효율성과 확장성 측면에서 적합하나, 커패시터의 열화 및 인버터 간의 순환 전류에 의한 출력 전류 불균형으로 시스템의 안정성이 저 하되는 문제가 존재한다. 이를 해결하기 위하여, 본 연구에서는 커패시터와 IGBT 소제 보호를 위한 방안을 제안한다. 먼저 단독형 대용량 인버터의 구조와 한계를 설명하고 대용량 전동기 제어 를 위한 인버터 병렬운전 구성하는 시스템 3가지를 설명을 하고 구현에 따른 차이점 을 설명한다. 그리고 직류 전원 평활용 커패시터의 신뢰성 확보를 위해 현재 용량을 추정하고 이를 초기 설계 용량과 비교하여 사용율을 산출함으로써 커패시터의 교체 시기를 진단하는 방법을 제시한다. 병렬 운전 시 발생하는 인버터 간 출력 전류 불균 형을 최소화하기 위해 PCUC (Phase Current Unbalanced Compensator) 기법을 제안한 다. PCUC는 병렬로 연결되어 있는 인버터의 동상 출력 전류를 균등하게 제어함으로 써 인버터들 간에 발생한 순환전류에 의해 발생한 출력 전류 불균형으로 인한 IGBT 의 과전류 손상을 예방하여 시스템의 안정성을 높인다. 제안된 기법들을 시뮬레이션 과 3대의 인버터들을 병렬로 연결하여 병렬운전 시스템을 구성하고 시험을 통해 입 증한다. 본 연구에서는 병렬 운전 시스템에서 커패시터와 IGBT의 신뢰성을 동시에 확보할 수 있는 진단 및 제어 방법을 제안하였다. 제안된 방법은 핵심 부품의 고장을 사전에 감지하고 이를 효과적으로 제어함으로써 시스템의 안정적인 운전을 가능하게 한다. 또한 이러한 접근은 향후 대용량 전동기 구동 시스템의 안정성 향상과 수명 연장에 기 여할 수 있을 것으로 기대된다.

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목차

제 1 장 서론 1
1.1 연구의 배경 1
1.2 연구의 목적 3
제 2 장 인버터 병렬운전 시스템 구조 6
2.1 대용량 인버터에서 IGBT 병렬 연결에 의한 순환 전류 발생 원인 분석 7
2.2 대용량 전동기 제어를 위한 인버터 병렬운전 시스템 15
2.3 단독형 인버터에서 전동기 제어 18
2.4 인버터 병렬 운전 시스템에서의 전동기 제어 21
제 3 장 인버터 병렬운전 시스템에서 전해 커패시터 고장 진단 33
3.1 전해 커패시터 구조 33
3.2 커패시터 용량 연산 기본 수식 36
3.3 전동기의 고정자 저항을 이용한 커패시터 용량 추정 37
3.4 인버터 시스템의 소비 에너지를 반영한 커패시터 용량 추정 방법 44
3.5 커패시터 용량 추정 방법에 대한 시험 47
제 4 장 인버터 병렬운전 시스템에서 IGBT 보호를 위한 불평형 전류 제어 55
4.1 교류 리액터 임피던스 차이에 의한 전류 불평형 분석 55
4.2 스위칭 소자의 켜지는 시각 오차에 의한 전류 불평형 분석 59
4.3 불평형 전류 저감을 위한 3 상전류 제어 기법 74
4.4 상전류 불평형 보상을 위한 PCUC 제어 시뮬레이션 84
4.5 상전류 불평형 보상을 위한 PCUC 시험 94
제 5 장 결론 101
참고 문헌 102
Abstract 111

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