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Switched Reluctance Motor, Δ-Connection, Y-Connection, AC Motor, Asymmetric Bridge Converter, Universal Inverter

1. 서 론

SRM(Switched Reluctance Motor)은 유도전동기, 동기전동기, 직류전동기 등의 일반적인 전동기에 비하여 다음과 같은 장점이 있으므로 그의 실용적 가치가 높다(1).

회전자에는 권선, 정류자 또는 영구자석 등이 없고, 고정자에만 집중권으로 권선이 감겨 있으므로 SRM은 범용 유도전동기보다 제작비가 절감된다.

고효율성 전동기로서 효율은 범용 유도전동기보다 7[%] 정도 높고 고효율 유도전동기보다도 효율이 높지만, 생산가격은 상대적으로 낮다. 따라서 고효율 전동기를 개발하기보다는 경제적 측면에서 유리하다.

토크 특성이 우수한 스테핑모터와 직류 직권 전동기의 고유특성을 갖고 있어서 기동에서 정상 속도까지 원활한 운전이 가능하다.

이러한 장점에도 SRM은 전류의 크기와 회전자와 고정자의 상대적 위치에 따라 인덕턴스가 매우 비선형적으로 변하는 특성이 있고, 토크는 이 인덕턴스의 기울기에 비례하여 발생하기 때문에 비선형 토크 특성을 가지며 토크 맥동이 크고 소음이 심한 단점도 있다. 또한 전동기 자체의 제조 단가는 다른 전동기에 비해 저렴하나 드라이브 제작에 큰 비용이 들어가므로 전체 시스템의 가격을 상승시키는 문제점을 가지고 있다(2).

일반적인 SRM 구동용 컨버터는 한 상씩 여자(Excitation) 시키기 위해 상・하단 스위치 사이에 권선이 놓이는 구조를 가지는 비대칭 브릿지 컨버터(Asymmetric Bridge Converter)를 사용하고 있다. 그림 1과 같이 상당 두 개의 스위치와 두 개의 환류 다이오드를 가지는 구조로 효율이 높고 다양한 제어가 가능하며, 각 상의 전류제어가 독립적이어서 두 상의 전류 중첩이 가능하다. 또한 한 상의 고장 발생 시에도 다른 상에 큰 영향이 없으며, 소자의 정격전압이 상대적으로 낮아지는 등 제어성능이 우수하다. 반면에 소자 수가 상대적으로 많고 드라이브 회로가 복잡해지는 문제점과 스위칭 소자를 모듈화하는 것이 불가능하다. 따라서 스위칭 소자 및 환류 다이오드를 위한 방열판의 크기가 커지고 그에 따른 생산 비용이 증가하게 된다.

그림 1 SRM 구동용 비대칭 브릿지 컨버터

Fig. 1 Asymmetric bridge converter for driving SRM

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그림 2 교류 전동기와 범용인버터

Fig. 2 AC motor and general-purpose inverter

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그림 2는 유도전동기, 동기전동기 등의 교류 전동기와 상・하단 스위치가 존재하는 범용인버터와의 결선 구조로 6개의 스위칭 소자를 모듈화시킨 IPM(Intelligent Power Module)을 사용하여 교류 전동기 드라이브 시스템을 간소화시킬 수 있다. 따라서 비대칭 브릿지 컨버터를 사용하는 SRM 구동 시스템보다 회로의 간소화 크기 및 구조를 소형화시킬 수 있는 장점이 있다.

본 논문에서는 이러한 내용을 고찰하여 SRM 구동용 컨버터에서 범용으로 사용되는 비대칭 브릿지 컨버터 대신 교류 전동기에 사용되는 범용인버터를 적용하기 위해 SRM의 상권선 결선을 Δ-결선, Y-결선에 따른 구동 특성을 살펴보고자 한다. 또한 Δ-결선, Y-결선에 따른 교류 전동기의 범용인버터를 적용하기 위한 스위칭 제어기법을 연구하고자 한다.

2. SRM 인덕턴스 Profile 따른 여자(Excitation)

SRM은 고정자 상에 전류가 흐르면 회전자를 최대 인덕턴스값을 가지는 위치가 될 때까지 인덕턴스가 증가하는 방향으로 회전시키려는 토크가 발생하며 토크 식은 식 (1)과 같이 정리할 수 있다. 식 (1)에서 발생 토크는 상전류의 제곱에 비례하고 위치각에 대한 인덕턴스의 기울기에 비례함을 알 수 있다. 토크가 전류의 제곱에 비례하므로 상전류의 방향과 무관하게 토크를 발생시킬 수 있으며, 인덕턴스의 변화율에 따라서 정 토크(Positive Torque) 또는 부 토크(Negative Torque)가 발생할 수 있다(3).

(1)
$T=\dfrac{1}{2}i^{2}\cdot\dfrac{d L}{d\theta}$

따라서 그림 3과 같이 인덕턴스가 증가하는 구간에서 고정자 각 상을 여자(Excitation) 시켜 상전류(Phase Current)를 흘려주어 전체 토크 리플을 줄이는 것이 중요하다. 이러한 토크 리플을 줄이기 위해 인덕턴스가 증가하는 방향으로 고정자를 여자 시켜야 하며 부토크의 발생을 억제하고 효과적인 회전력을 얻기 위해 반드시 위치각에 따르는 스위칭 여자가 필요하다.

그림 3 인덕턴스 profile에 따른 상전류, 발생토크

Fig. 3 Phase current and generated torque according to inductance profile

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3. SRM 결선에 따른 특성

3.1 AC 전동기용 범용인버터와 SRM Δ-결선

유도전동기, 동기전동기 등의 교류 전동기에서 사용되는 범용인버터를 SRM 구동용 컨버터로 사용하기 위해 SRM의 A, B, C상의 권선을 Δ-결선으로 하여 범용인버터에 연결한 구조를 그림 4에서 보여주고 있다.

그림 5는 비대칭 브릿지 컨버터와 Δ-결선시 범용인버터의 인던턴스 profile에 따른 각상의 상전류 비교 파형을 보여주고 있다. 인덕턴스 profile은 1회전 시 회전자 극수의 횟수만큼 발생하며 다음의 예로 설명할 수 있다.

예 1) 3상 6/4 경우 → 4번 발생 → 한 주기 90º

예 2) 4상 8/6 경우 → 6번 발생 → 한 주기 60º

그림 4 교류 전동기용 범용인버터와 SRM 상 권선의 Δ-결선

Fig. 4 General-purpose inverter for AC motor and SRM Δ-connection

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또한 회전자 극수 = 스위칭 횟수와 관계가 있어 다음의 관계로 예를 들 수 있다.

예 1) 3상 6/4 경우 → 3×4 = 12회 스위칭 → 360/12 = 30º 간격으로 스위칭

예 2) 4상 8/6 경우 → 4×6 = 24회 스위칭 → 360/24 = 15º 간격으로 스위칭

본 논문에서 사용된 SRM은 3상 6/4(고정자 6, 회전자 4) pole의 구조로 1회전 시 한 주기 90º의 인덕턴스 프로파일을 가지며 30º 간격으로 스위칭하는 모습을 확인할 수 있다(4).

그림 5에서 SRM의 상권선을 Δ-결선 후 범용인버터를 적용 시 인덕턴스의 기울기가 0인 구간 동안 음(-)의 전류가 흐르게 되어 Bipolar 스위칭을 가능하게 하며 식 (1)을 통해 토크는 전류의 제곱에 비례하는 관계로 양(+)의 토크를 발생하는 것을 유추할 수 있다. 그러나 SRM 구동용 비대칭 브릿지 컨버터와 비교 시 같은 토크를 발생하지만, 인덕턴스가 감소하는 구간에서 전류를 여자 시키기 때문에 SRM에 전류가 두 배 유입되는 관계로 손실증가의 문제점이 발생한다.

그림 5 비대칭 브릿지 컨버터와 Δ-결선시 범용인버터의 인던턴스 profile에 따른 상전류 비교

Fig. 5 Comparison of phase current according to the inductance profile of a asymmetric bridge converter and general-purpose inverter when Δ-connecting

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SRM의 상권선을 Δ-결선 후 범용인버터를 적용 시 구동 특성 및 스위칭 제어기법을 살펴보기 위해 그림 6과 같이 모델링을 구현하였으며 그에 따른 결과들을 그림 7 ~ 9를 통해 확인할 수 있다. 범용인버터를 이용하여 Δ-결선된 SRM을 구동시키기 위해 유도전동기, 동기전동기 등의 교류 전동기에서 사용되는 스위칭 패턴을 적용하였으며 그림 7과 같이 소프트 스위칭을 통한 6개 스위치의 gate 신호를 보여주고 있다.

SRM 구동시 회전자 전기각(θ)에 따른 각상에 유입되는 상전류 파형을 그림 8에서 확인할 수 있다. 그림 6에서 모델링한 범용인버터의 6개 스위치가 회전자의 전기각 θ)이 90º 즉 인덕턴스 profile이 한주기가 되는 구간에서 스위치 S1, S3, S5를 통해 양(+)의 전류, S2, S4, S6를 통해 음(-)의 전류를 흘리는 것을 볼 수 있다. 따라서 그림 5에서 언급했듯이 Bipolar 스위칭이 가능하여 2상 여자 방식으로 운전이 되지만 음(-)의 전류로 인해 SRM 구동용 비대칭 브릿지 컨버터와 비교 시 전류가 두 배 유입되는 손실증가를 확인할 수 있다.

그림 6 범용인버터와 SRM 상권선의 Δ-결선 모델링

Fig. 6 General-purpose inverter and SRM Δ-connection modeling

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그림 7 SRM Δ-결선 시 범용인버터의 스위칭 패턴

Fig. 7 Switching pattern of general-purpose inverter during SRM Δ-connection

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그림 9는 속도 명령(1,000rpm)에 따른 SRM의 실제 응답속도와 그에 따른 상전류 파형의 결과로 기준속도를 잘 추종하면서 Δ-결선에 따른 범용인버터의 스위칭이 정상적으로 제어가 되는 것을 알 수 있다. 따라서 범용인버터와 SRM Δ-결선 모델링을 통한 시뮬레이션 결과 그림 7~9를 통해 기존 비대칭 브릿지 컨버터의 문제점인 소자 수를 줄이며 회로의 간소화를 이룬 범용인버터를 사용하여 SRM을 구동을 할 수 있는 구조적, 제어적측면의 결과를 확인할 수 있다.

그림 8 회전자 전기각(θ)과 SRM 3상 전류

Fig. 8 Rotor electric angle(θ) and SRM 3-phase current

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그림 9 속도 명령에 따른 응답속도와 상전류

Fig. 9 Response speed and phase current according to speed command

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3.2 AC 전동기용 범용인버터와 SRM Y-결선

SRM의 상권선 A, B, C상의 권선을 Y-결선으로 하고 범용인버터와 구조적으로 연결된 모델링 회로를 그림 10에서 보여주고 있다. 그림 5에서 설명된 SRM Δ-결선시 범용인버터를 통해 흐르는 상전류 파형과 같이 Y-결선+범용인버터+Δ-결선시 사용된 스위칭 패턴을 적용하게 되면 동일한 상전류 파형을 얻을 수 있다. 따라서 SRM 상권선을 Y-결선시 구조적으로 생기는 중성점이 필요가 없다는 결과를 알 수 있다(5).

본 논문에서는 3.1절에서 연구된 Δ-결선 시 적용된 스위칭 패턴 대신 범용인버터를 이용하여 BLDC(Brushless DC) 전동기를 제어하는 방법을 기반으로 Y-결선 된 SRM에 적용할 수 있는 제어 방법을 연구하였다. BLDC 전동기는 내부에 있는 위치검출용 Hall-sensor를 이용하여 계자자극의 위치를 검출하여, 그 신호로 전기자 권선에 순차적으로 전류를 흐르게 한다. 따라서 그림 11에서 나타낸 바와 같이, 역기전력이 전기적으로 1/2주기에 120° 기간 이상 일정치, 역기전력을 갖도록 설계되어 있고, 역기전력의 평탄한 부분에 일정치, 전류를 흘려줘야 한다. 그림에서 보듯이 1주기가 6단계로 나누어져 있으며, 각 단계는 전기적으로 60°의 간격을 유지하고 있다.

그림 10 범용인버터와 SRM 상권선의 Y-결선 모델링

Fig. 10 General-purpose inverter and SRM Y-connection modeling

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그림 11 BLDC 전동기의 역기전력과 전류

Fig. 11 Back EMF and current waveform of BLDC motor

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인버터 스위칭 시 같은 브리지에 소속된 위아래 스위칭 소자가 교번적으로 온-오프 스위칭 되는 기간이 발생하여 위아래 소자가 동시에 도통 되는 경우가 발생하지 않는다. 즉, 위 또는 아래의 스위칭 소자가 120º 기간 동안 온 되는 정류작용이 완료되면 다음 60º 기간은 오프 상태를 유지하게 되므로 스위칭 소자의 동작 지연이 생기더라도 위, 아래의 스위칭 소자가 동시에 온이 되는 경우가 발생하지 않는다(6).

또한 BLDC 전동기에 3상 전류를 공급하기 위해 전동기는 Y-결선으로 연결되어 있고 각 상의 스위치는 일정한 순서대로 스위칭 동작을 함으로써 DC 입력 전원으로부터 3상 AC 전류를 발생시킨다(5). 이러한 BLDC 전동기 구동을 바탕으로 기존 6개의 스위치로 구성된 범용인버터를 통해 Y-결선 된 BLDC 전동기를 구동하기 위해 사용하는 스위칭 패턴과 같이 Y-결선 된 SRM을 제어하기 위해 적용된 범용인버터의 각 스위치 게이트 신호를 그림 12에서 보여주고 있다.

그림 12 SRM Y-결선 시 범용인버터의 스위칭 패턴

Fig. 12 General-purpose inverter switching pattern of SRM Y-connection

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그림 13 SRM Y-결선 시 3상 전류

Fig. 13 3-phase current of SRM Y-connection

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그림 13은 SRM Y-결선 시 범용인버터의 스위칭 패턴을 통한 각상에 흐르는 상전류 파형으로 BLDC 전동기 구동 때 전류 파형과 동일한 결과를 보여주고 있다. 그러나 각상 A, B, C상에 흐르는 상전류 파형에서 역기전력이 전기적으로 평탄한 음(-)의 부분에서 스위치 오프(off) 및 환류 다이오드를 통해 순환되는 상태로 인해 일정 전류의 리플이 발생하는 것을 볼 수 있다(7). 따라서 Δ-결선과 동일하게 SRM Y-결선도 Bipolar 스위칭이 가능하여 2상 여자 방식으로 구동을 하지만 비대칭 브릿지 컨버터와 비교 시 전류의 리플 성분이 증가하고 있음을 알 수 있다.

Y-결선 된 SRM과 범용인버터, 각 스위치에 적용된 스위칭 패턴을 이용하여 SRM을 BLDC 전동기와 동일하게 구동 및 제어를 통한 속도 명령 1,000rpm 따른 응답속도와 속도 변화에 따른 상전류의 결과들을 그림 14를 보여주고 있다. 또한 표 1은 SRM의 상권선 결선을 Δ-결선, Y-결선에 따른 구동 특성의 결과를 기존의 비대칭브릿지 컨버터와 비교한 내용을 보여주고 있다.

그림 14 속도 명령에 따른 응답속도와 상전류

Fig. 14 Response speed and phase current according to speed command

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표 1 각각의 컨버터에 대한 특성비교

Table 1 Comparison of characteristics for each converter

구분

특성

비대칭브릿지 컨버터

Δ-결선

Y-결선

범용인버터 및 IPM 적용

×

인버터 설계에 따른 제작비용

고가

중저가

중저가

제어특성

비대칭브릿지 컨버터에 비해 Δ-결선, Y-결선 구동시 전류리플에 따른 손실 및 효율저하 발생

4. 결 론

SRM 구동용 컨버터로 한 상씩 여자(Excitation) 시키기 위해 상・하단 스위치 사이에 권선이 놓이는 구조를 가지는 비대칭 브릿지 컨버터를 일반적으로 가장 많이 사용하고 있다. 효율이 높고 다양한 제어가 가능하며, 각 상의 전류제어가 독립적이어서 두 상의 전류 중첩이 가능한 장점들도 있지만, 소자 수가 상대적으로 많고 드라이브 회로가 복잡해지는 문제점과 스위칭 소자를 모듈화하는 것이 불가능하다는 단점을 가지고 있다.

따라서 본 논문에서는 이러한 단점을 극복하고자 교류 전동기에 사용되는 범용인버터를 이용하여 SRM의 상권선을 Δ-결선, Y-결선에 따른 구동 특성을 살펴보았다.

SRM Δ-결선, Y-결선을 통한 범용인버터의 스위칭 패턴과 함께 SRM을 구동 및 제어를 할 수 있지만, 비대칭 브릿지 컨버터와 비교 시 전류 리플이 상대적으로 많이 발생하여 손실 및 효율이 떨어진다. 그러나 IPM 형태의 범용인버터를 적용하면서 회로의 단순화와 전체 구동 시스템의 간소화를 위한 분야에 효과적으로 적용될 수 있을 것을 사료된다.

Acknowledgements

This study was conducted by research funds from Gwangju University in 2021.

References

1 
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2 
R. Krishnan, 2001, Switched Reluctance Motor Drives, CRC PressGoogle Search
3 
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4 
C. W. Lee, H. S. Hwang, S. G. Oh, 2017, A Comparative Study on the Structural Characteristics of the Novel Two-Phase 8/6 Switched Reluctance Machine, Trans. KIEE, Vol. 66, No. 2, pp. 315-322DOI
5 
Y. C. Kim, Y. H. Yoon, W. C. Lee, B. K. Lee, C. Y. Won, 2005, SRM Drive System Using 6-switch IGBT Module, Trans. KIPE, Vol. 10, No. 6, pp. 569-577DOI
6 
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T. H. Kim, J. W. Ahn, 2009, A Study on the Control Method for Torque Ripple Reduction during Phase Commutation, Trans. KIEE, Vol. 59, No. 2, pp. 333-337DOI

저자소개

정성인 (Sung-In Jeong)
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He received B.S. and M.S. degrees in Electrical Engineering from Dongguk and Hanyang University, South Korea, respectively.

And then he was responsible for the development of electrical machine and its drive at Samsung Heavy Industry, Samsung Electronics, and Daewoo Electronics, in order.

After he received Dr.-Ing. degree from Technical University Braunschweig, Germany.

He was in the Daelim Motor, South Korea.

Since March 2018, he has joined Gwangju University, where he is currently a Professor in the Division of IT-Automotive Engineering.

His research and development field and interest included design, analysis and drive of electric machine for electric and smart personal motilities.