Fault Tolerance Operation and Characteristics Analysis of Asymmetric Six-phase Permanent Magnet Synchronous Motor According to Switch Open

비대칭 6상 영구자석 동기 전동기의 스위치 개방에 따른 특성 분석 및 고장허용운전

Abstract

This paper proposes a method related to fault tolerance operation and characteristic analysis of asymmetric 6-phase permanent magnet synchronous motor. In general, motor drive systems with multi-phase structures can be continuously operated despite a reduction of power and speed by using a phase changeover or control techniques according to the failures. As a result, it is widely used in industrial fields such as aviation and defense, which require high efficiency and high reliability. In this paper, the second order ripple of the electrical fundamental freuqnecy occurs in the dq-axis currents of the synchronous coordinate system through mathematical analysis according to the switch open of the dual 3-phase inverter. Therefore, the fault tolerant operation method is presented by applying the fault detection method with a constant cycle for continuous operations. The effectiveness of the proposed fault tolerance operation method is verified through the several experiments.

1. 서론

최근 고효율 및 고신뢰성이 요구되는 다양한 산업 분야에서 영구자석 동기 전동기를 사용한 다상 구동 시스템의 적용이 확대되고 있다. 일반적으로 다상 구동 시스템은 고장허용운전 가능하며, 동일 출력 대비 상전류 및 토크 리플이 감소하는 특징을 가지고 있다. 또한 위상 수를 증가시키면 주어진 크기 또는 도체에 대한 전류 밀도 제한의 부담을 완화할 수 있다. 이런 이점으로 인해 높은 신뢰성이 요구되는 항공우주 및 방산 산업 분야에 적용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다[1[-[4].

이와 같은 다상 구동 시스템에서의 고장 발생은 시스템의 성능 및 효율과 직접적으로 연계되므로 고장 발생 상황에서도 안정적이고 지속적인 전력공급과 연속적인 운전이 가능해야 한다. 이에 따라 전동기 특성에 따른 제어 기법 및 전력변환장치의 내부 고장 유형에 따른 고장 검출과 고장허용운전 기법에 관한 연구가 필요하다[1]-[5].

구동 시스템에서 발생할 수 있는 고장 종류는 스위치, 역방향 다이오드, 전류 센서, 위치 센서 고장등으로 나눌 수 있다[5]-[9]. 고장의 종류에서 스위치 개방 고장은 IGBT 게이팅 신호를 차단시켜 고장을 야기한 후 전류의 흐름 변화를 감지할 수 있으며 이 특성을 이용한 고장허용 제어가 가능하다.

본 연구에서는 분리된 중성점을 갖는 2조 3상권선으로 이루어진 비대칭 6상 영구자석 동기 전동기를 대상으로 하였다. 대상 전동기의 상별 위상차는 30°를 갖도록 설계되었으며, 이의 전류제어를 위해 2개의 동기 좌표계로 구성된 듀얼dq축 전류제어기를 적용하였다. 본 논문에서 제안하는 고장허용운전 기법은 Fig. 1과 같이 스위치개방고장이 발생 후 동기 좌표계 q축 전류의 변화를 일정 주기 동안 감지해 고장을 검출하고 이후 고장상의 인버터 신호를 차단하여 정상적인 3 상 인버터로 연속 구동하는 상전환운전 기법에 대해 다루고자 한다. 제안한 고장허용운전 기법은 다수의 실험으로 신뢰성을 검증하였다.

Fig. 1 Block diagram of switch open fault and tolerance operation

2. 본론

2.1 스위치 개방고장에 따른 동작 특성 분석

비대칭 6상 영구자석 동기 전동기의 정상상태 운전 조건에서의 상전류와 정지 및 동기 좌표계 dq축 전류식은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

\(\left. \begin{array} { l } { i _ { a } = - I _ { m } \operatorname { sin } \theta _ { e } } \\ { i _ { b } = - I _ { m } \operatorname { sin } ( \theta _ { e } - \frac { 2 } { 3 } \pi ) } \\ { i _ { c } = - I _ { m } \operatorname { sin } ( \theta _ { e } + \frac { 2 } { 3 } \pi ) } \end{array} \right.\)       (1)

\(\left. \begin{array} { l } { i _ { d s } ^ { s } = i _ { a } } \\ { i _ { q s } ^ { s } = \frac { 1 } { \sqrt { 3 } } ( i _ { b } - i _ { c } ) } \\ { i _ { d s } ^ { e } = i _ { d s } ^ { s } \operatorname { cos } \theta _ { e } + i _ { q s } ^ { s } \operatorname { sin } \theta _ { e } = 0 } \\ { i _ { q s } ^ { e } = - i _ { d s } ^ { s } \operatorname { sin } \theta _ { e } + i _ { q s } ^ { s } \operatorname { cos } \theta _ { e } = I _ { m } } \end{array} \right.\)       (2)

여기서, 은 상전류 최댓값, 는 전기각을 나타낸다.

Fig. 2는 정상상태 및 고장 발생 시 정지 좌표계 dq축 전류와 동기 좌표계 dq축 전류의 파형을 보여주고 있다. 식 (1)을 통해 각 상의 전류가120°의 위상차를 가짐을 확인할 수 있으며 식(2)와 Fig. 2(a)롤 통해 정지 좌표계 전류가 90° 위상차를 가짐을 알 수 있다. 또한, Fig. 2(b)의고장 전 시점과 식 (2)와 같이 파형을 보면 동기좌표계의 d축 전류는 영상분이 출력되고 q축 전류는 직류 성분이 출력됨을 알 수 있다.

Fig. 2 Experimental waveforms (a) stationary reference frame dq-axis currents without open fault (b) synchronous reference frame dq-axis currents without and with open fault

스위치 개방고장에서 고장 발생 관련 식은 상단 고장 시 ≤ ≤ 구간에 적용되며 하단 고장 시 구간 ≤ ≤에서 적용된다. 

고장 발생 시, 동기 좌표계 d축 전류는 식 (3)와 같이 전기각 2배 맥동이 발생하며 동기 좌표계 q축 전류는 직류 성분과 전기각 2배 맥동이 발생함을 Fig. 2(b)의 고장 시점 이후를 통해 알 수 있다.

B상 및 C상의 스위치 개방 고장에 따른 정지좌표계 및 동기 좌표계 전류식을 식 (4)와 식 (5) 로 나타낼 수 있다.

식 (4) 및 식 (5)와 같이 스위치 개방 고장 시 고장이 발생한 상의 상전류는 Fig 3(a)와 같이 완전히 차단된다. 정지 좌표계 q축에서는 1배 맥동이 발생한다. 동기 좌표계에서 d축 및 q축에 전기각 기준 2배 맥동이 발생하며 Fig. 3(b)를 통해 고장 발생 시 맥동이 발생함을 확인할 수 있다.

Fig. 3 Experimental waveforms (a) a-phase fault phase currents (b) synchronous reference rame dq axis currents without and with b-phase fault

\(\left. \begin{array} { l } { i _ { d s _ { - } b \text { bfault } } = - I _ { m } \operatorname { sin } \theta _ { e } } \\ { i _ { q s _ { - } b f a u l t } ^ { s } = - \frac { 1 } { \sqrt { 3 } } I _ { m } \operatorname { sin } \theta _ { e } = - \frac { 1 } { \sqrt { 3 } } I _ { m } } \\ { i _ { d s _ { - } b f a u l t } ^ { e } = - \frac { 1 } { 2 } I _ { m } \operatorname { sin } 2 \theta _ { e } - \frac { 1 } { 2 \sqrt { 3 } } I _ { m } + \frac { 1 } { 2 \sqrt { 3 } } I _ { m } \operatorname { cos } 2 \theta _ { e } } \\ { i _ { q s _ { - } b f a u l t } ^ { e } = \frac { 1 } { 2 } I _ { m } - \frac { 1 } { 2 } I _ { m } \operatorname { cos } 2 \theta _ { e } - \frac { 1 } { 2 \sqrt { 3 } } I _ { m } \operatorname { sin } 2 \theta _ { e } } \end{array} \right.\)       (4)

\(\left. \begin{array} { l } { i _ { d s _ { - } c f a u l t } ^ { s } = - I _ { m } \operatorname { sin } \theta _ { e } } \\ { i _ { q s _ { - } c f a u l t } ^ { s } = - \frac { 1 } { \sqrt { 3 } } ( - I _ { m } \operatorname { sin } \theta _ { e } ) = \frac { 1 } { \sqrt { 3 } } I _ { m } } \\ { i _ { d s _ { - } c f a u l t } ^ { e } = - \frac { 1 } { 2 } I _ { m } \operatorname { sin } 2 \theta _ { e } + \frac { 1 } { 2 \sqrt { 3 } } I _ { m } - \frac { 1 } { 2 \sqrt { 3 } } I _ { m } \operatorname { cos } 2 \theta _ { e } } \\ { i _ { q s _ { - } c f a u l t } ^ { e } = \frac { 1 } { 2 } I _ { m } - \frac { 1 } { 2 } I _ { m } \operatorname { cos } 2 \theta _ { e } + \frac { 1 } { 2 \sqrt { 3 } } I _ { m } \operatorname { sin } 2 \theta _ { e } } \end{array} \right.\)       (5)

2.2 스위치 개방고장 허용운전 알고리즘

Fig. 4는 본 연구에서 제안하고자 하는 고장 검출 알고리즘을 상세하게 나타낸 블록도이다. 스위치 개방고장 발생 후, 동기 좌표계 q축 전류변화를 감지하고 안정적인 판별을 위해 전기 각을 기준으로 일정 주기 후 고장이 발생한 인버터 측 신호를 차단해 상전환운전으로 넘어가는 방식의 알고리즘을 제안하였다.

Fig. 4 Block diagram of switch open fault algorithm

위에서 제안한 상전환운전 알고리즘은 별도의 하드웨어 없이 구현할 수 있으며, 정상상태 뿐만아니라 과도상태에서도 안정적인 상전환 운전이 가능하다.

2.3 실험

본 논문에서 제안하는 고장허용운전 기법의 실험을 위해 실험 장치를 Fig. 5와 같이 구성했다. 대상으로 한 비대칭 6상 영구자석 동기 전동기와 제어기 사양은 Table 1과 같다. 실험은 DC단 기준 48 [V]에서 1,000 [rpm] 및 1,500 [rpm]에서 진행하였다.

Fig. 5 Experimental setup

Table 1. Specifications of 6-phase asymmetric PMSM drives

Fig. 6은 상전환운전의 실험 결과 파형이다. Fig. 6(a) 및 (b)는 1,000 [rpm]에서 구동한 결과 파형이고 Fig. 6(c)와 (d)는 1,500 [rpm]에서 구동한 결과 파형이다. 위에서 언급한 바와 같이 Fig. 6(a)와 (c)롤 통해 동기 좌표계 q축 전류에서 고장이 인지되고 일정 전기각 기준 주기가 지난 후 속도 및 전류변화를 확인하였다. Fig. 6(b) 및 (d)에서 알 수 있듯이 고장허용운전으로 넘어가며 고장이 발생한 인버터측의 전류가 ‘0’으로 차단됨을 확인하였고 그 이후 정상적인 3상 인버터의 동작으로 정속도가 유지됨을 확인할 수 있다.

Fig. 6 Experimental waveform (a), (b) 1,000 [rpm] fault tolerance operation (c), (d) 1,500 [rpm] fault tolerance operation

3. 결론

본 논문에서는 비대칭 6상 영구자석 동기 전동기의 스위치 개방 고장에 따른 동작 특성을 분석하고 고장에 따른 운전 특성을 고려하여 상전환운전 기법을 제안하였다.

동기 좌표계 q축 전류 및 전기각을 이용해 고장을 인지하고 고장 난 인버터측 신호를 차단해정상인 인버터로 상전환 운전이 되어 속도 및 각 인버터측의 동기 좌표계 전류값으로 확인하였다. 2조 3상 권선 구조로 1개의 3상 권선 고장 발생시 나머지 3상 권선으로 구동할 수 있도록 스위칭 소자 및 제어기 구성을 통한 구동 시스템의 신뢰성을 향상시키고자 하였다. 또한, 제안한 고장허용운전은 하드웨어가 추가로 필요하지 않으며 빠르게 고장허용운전으로 전환할 수 있다는 특징이 있다. 향후 더 나아가 전류 센서 고장에 따른 고장 검출 및 고장허용운전 알고리즘을 기법을 연구하고자 한다.

후기

이 논문은 한국에너지기술평가원의 신재생에너지 핵심 기술 개발사업 “최대이륙중량 200kg급비행체용 순정격출력 30KW급 연료전지 파워팩시스템 개발”(과제번호 20213030030100)로 수행된 것임.