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  1. (School of Electrical and Electronic Engineering, Gwangju University, Korea)



SRM, Asymmetric bridge converter, 6-Switch inverter, FFT, Vibration, Noise

1. 서론

스위치드 릴럭턴스 전동기(Switched Reluctance Motor, 이하 SRM)는 회전자의 구조가 단순하며 관성이 적고 순시토크 특성이 우수하여 제어용 전동기로서 적합하며 고효율 및 저 온도상승 특성을 가지고 있다[1]. 또한 회로구조 및 구동용 컨버터가 단순하여 제작 면에서도 유리한 특징을 가지고 있으나 기존의 타 전동기에 비해 토크 발생 원리상 맥동 토크 및 진동·소음이 전동기의 실용화 및 상품화에 걸림돌로 되고 있다.

SRM의 주된 진동·소음은 상권선 전류의 스위치 오프 시에 급격한 방사방향의 가진력 변화에 의한 고정자 자극 및 프레임의 가진원에 기인한다는 몇몇 연구를 통해서 확인된바 있다[2,3]. 결과적으로 SRM의 가장 취약점인 진동·소음의 발생원인은 상 전환(Commutation) 과정에서의 인가기자력의 급격한 소호작용과 각상의 권선이 독립적으로 스위칭 온 오프동작을 함에 기인함을 알 수 있다. 또한 SRM은 Reluctance 토크를 이용하는 전동기로 기본적으로는 분포권과 같은 권선방식을 이용하며 구동방식은 정현파 구동방식을 이용하게 되어 있다. 그러나 가전제품과 같은 실 제품에 적용할 때는 가격적인 제한이나 구현상의 어려움으로 인하여 정현파 구동방식을 사용하지 못할 수도 있다. 그리고 인덕턴스의 프로파일을 정현파로 만들기 위해서는 회전자의 형상 역시 많은 flux barrier와 함께 여러 가지가 고려되어야 하는 점들이 있으나 이 역시 현실적으로는 생산에 문제가 될 수 있다.

SRM은 구조가 단순하고, 견고하며, 단위 체적당 고효율의 장점을 가지고 있으나 토크 발생시 맥동 토크 및 진동·소음의 단점을 가지므로 실용화의 제약을 가지고 있기에 SRM의 진동·소음에 대한 해석은 매우 중요하다고 볼 수 있다.

전동기 자체의 제조단가는 다른 전동기에 비해 저렴하나 구동용 컨버터 제작에 많은 비용이 들어가므로 전체 시스템의 가격을 상승시키는 결과가 된다. 일반적인 SRM 구동용 컨버터는 한 상씩 여자 시키기 위해 상·하단 스위치 사이에 권선이 놓이는 구조를 가지지만 스위칭 소자를 모듈화 하는 것은 어렵다. 따라서 스위칭 소자 및 환류 다이오드를 위한 방열판의 크기가 커지고 그에 따른 생산 비용이 증가하게 된다. 이러한 SRM 구동용 컨버터의 원가 상승을 절감하기 위해 6-스위치 컨버터를 사용할 수 있고 모듈 화된 스위칭 소자를 사용하는 제어방법도 연구가 되어왔다. 따라서 본 논문에서는 기존에 일반적으로 사용되고 있는 비대칭 브리지 컨버터와 원가상승을 절감하기 위해 고안된 모듈용 6-스위치 컨버터의 진동 및 소음의 특성을 고찰하고자 한다.

2. 인덕턴스 프로파일에 따른 인버터 여자방식

SRM의 구동을 위해서는 구동용 컨버터가 필요하게 되는데, 구동용 컨버터의 조건은 다음과 같다.

1) 회전자의 위치에 따른 적절한 고정자 상에 전압을 인가시켜 줄 수 있어야 한다.

2) 여자상의 전류의 크기를 제한하거나 일정하게 유지시켜 줄 수 있어야 한다.

3) 여자상의 전류소호를 위해 역전압을 인가시켜 줄 수 있어야 하며, 이 과정은 주로 다이오드에 의하여 이루어진다.

현재까지 SRM을 제어하기 위한 컨버터 토폴로지에 관한 많은 연구가 진행되었고, 지금까지 사용된 컨버터 topology는 스위치 소자수를 줄여 컨버터의 비용을 줄이거나 제어성능을 향상시키려는 방향으로 발전되었다.

SRM 구동용으로 사용되는 가장 일반적으로 사용되는 비대칭 브리지 컨버터는 그림. 1과 같이 상당 두개의 스위치와 두개의 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 가장 우수한 것으로 알려져 있다. 고전압, 대용량 SRM의 구동에 특히 유리하며, 단점으로는 소자수가 상대적으로 많고 드라이브 회로가 복잡해지는 것을 들 수 있다.

그림. 1. SRM 구동용 비대칭 브리지 컨버터

Fig. 1. Asymmetric converter topology for driving SRM

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그림. 2에서는 각상의 인덕턴스가 증가, 감소 또는 일정한 구간이 존재하며 만약 상권선에 일정한 여자전류를 흐르게 하면, 인덕턴스가 증가하는 구간에서는 정(+)토크, 감소하는 구간에서는 동일한 크기의 부(-)토크가 발생하게 된다. 따라서 SRM에 일정한 여자를 가하면 정토크와 부토크는 서로 상쇄되어서 전동기의 토크는 0이 되므로 회전토크를 얻을 수가 없다. 따라서 부토크의 발생을 방지하고 효과적인 회전토크를 얻기 위해서는 인덕턴스가 증가구간을 여자하는 구조이다.

그림. 2. 비대칭 브리지 컨버터의 인덕턴스 프로파일 및 여자방식

Fig. 2. Inductance profile and current excitation scheme of asymmetric bridge converter topology

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그림. 3그림. 1에서 설명한 비대칭 브리지 컨버터와 동일하게 3상 교류전동기 각 상권선의 한쪽단자는 공통으로 묶어서 Y-결선으로 구성된 6-스위치 인버터를 보여주고 있다. SRM에서의 전동력 발생은 여자된 자기회로에서 자기릴럭턴스가 최소화되는 작용으로 이루어지므로 연속적인 운전을 하기 위해서는 회전방향으로 각 상을 주기적으로 여자 시킬 때 이루어진다. 이때 기존의 비대칭 브리지 컨버터를 이용한 SRM 구동 방식은 순차적으로 한 순간에 한 상을 여자 하는 구동방식이나 6-스위치 인버터의 경우 2상을 여자 시켜 자기릴럭턴스뿐만 아니라 두 상의 상호작용에 의해서도 릴럭턴스 토크를 발생시킬 수 있는 구조이다. 따라서 SRM의 구동용으로 사용되는 2상 여자방식 의한 6-스위치 컨버터도 일반적인 3상 컨버터회로와 유사함을 알 수 있다.

그림. 3. SRM 구동용 6-스위치 인버터

Fig. 3. 6-switch inverter topology for driving SRM

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그림. 4에서 보여주듯이 인덕턴스 프로파일의 음의 기울기를 갖는 영역에서는 부토크를 발생시키므로 전류를 인가하지 않으며 인덕턴스의 상승구간 및 기울기가 0인 구간에서 각각 양(+)의 전류와 음(-)의 전류를 인가하는 구조이다.

그림. 4. 6-스위치 인버터의 인덕턴스 프로파일 및 여자방식

Fig. 4. Inductance profile and current excitation scheme of 6-switch inverter topology

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3. FFT 시뮬레이션 결과

SRM 구동용 컨버터인 비대칭 브리지 컨버터와 6-스위치 인버터를 사용하여 1,000rpm 구동시 각 topology의 상전류 및 상전압의 FFT(Fast Fourier Transform)결과를 시뮬레이션을 통하여 확인하였다.

3.1 비대칭 브리지 컨버터

그림. 5는 비대칭 브리지 컨버터를 사용하여 SRM을 1,000rpm으로 구동하였을 경우 A상에 대한 상전류 파형을 보여주고 있으며 이 전류파형에 대한 FFT 분석에 대한 결과를 보여주고 있다. FFT 분석결과 기본주파수 60Hz에서 가장 큰 피크성분이 검출되고 있으며 기본주파수 성분을 제외한 홀수차 및 짝수차 고조파 성분의 영향이 있음을 보여주고 있다.

그림. 5. 비대칭 브리지 컨버터 상전류 파형 (a) 상전류, (b) 상전류 FFT 결과

Fig. 5. Phase current waveform of asymmetric bridge converter (a) Phase current (b) FFT result of phase current

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그림. 6은 입력전압 12V, 1,000rpm 운전시 온-오프 스위칭에 대한 A상의 상전압 파형을 보여주고 있으며 이 파형에 대한 FFT 결과를 그림. 8에서 보여주고 있다. 전류파형FFT의 결과와 동일하게 전압파형 FFT 결과에서도 기본주파수 60Hz에서 가장 큰 피크성분이 검출되고 있으며 전 주파수 영역에서 고조파성분이 존재함을 보여주고 있다.

그림. 6. 비대칭 브리지 컨버터 상전압 파형 (a) 상전압, (b) 상전압 FFT 결과

Fig. 6. Phase voltage waveform of asymmetric bridge converter (a) Phase voltage (b) FFT result of phase current

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3.2 6-스위치 인버터

그림. 7은 6-스위치 인버터를 사용하여 그림. 5와 같이 1,000rpm 구동 및 인덕턴스의 상승 구간과 기울기가 0인 구간에서 각각 양의 전류와 음의 전류를 인가하였을 경우 상전류 파형을 보여주고 있으며 이 전류파형에 대한 FFT 분석에 대한 결과를 보여주고 있다.

그림. 7. 6-스위치 인버터 상전류 파형 (a) 상전류, (b) 상전류 FFT 결과

Fig. 7. Phase current waveform of 6-switch inverter (a) Phase current (b) FFT result of phase current

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그림. 5의 FFT 결과와 비교시 6-스위치 인버터를 적용하였을 경우 주파수의 피크성분이 약 0.6~0.7dB 정도 큰 결과가 발생되고 있고 기본주파수 성분을 제외한 홀수차 및 짝수차 고조파 성분의 영향이 있음을 보여주고 있다.

그림. 8은 입력전압 12V, 1,000rpm 운전시 온-오프 스위칭에 대한 A상의 상전압 파형을 보여주고 있으며 이 파형에 대한 FFT 결과를 보여주고 있다. 비대칭 브리지 컨버터를 사용시 상전압에 대한 FFT 분석 결과인 그림. 6의 결과와 비교하였을 경우 상전압의 FFT에 대한 주파수 피크성분도 6-스위치 인버터가 다소 높게 나옴을 알 수 있다.

그림. 8. 6-스위치 인버터 상전압 파형 (a) 상전압, (b) 상전압 FFT 결과

Fig. 8. Phase voltage waveform of 6-switch inverter (a) Phase voltage (b) FFT result of phase voltage

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4. 진동 및 소음 실험결과

진동과 소음의 분야의 넓은 주파수 대역에 걸쳐 측정된 하나의 진동값 또는 소음값을 Overall 또는 Allpass라고 한다. 그러나 광대역 신호를 이루는 각 주파수 성분을 알기 위해서는 주파수 분석이라는 것을 실시한다. 주파수 분석은 필터를 사용하여 일정한 대역폭(Constant Bandwidth)이나 일정비율 대역폭(Percentage Bandwidth)으로 구분된다. 일정비율 대역폭은 주로 Octave를 말하며 사람이 일정비율로 인식하기 때문에 소음분석에 많이 사용된다. 반면에 일정 대역폭은 정확한 원인의 값을 찾기 위해 필요한 기계진동분석, 설비진단 등에 많이 사용되고 있으며 대역폭이 작을수록 정밀하다.

측정된 1초당 반복된 값들을 필터에 통과시켜 1초에 100번 반복, 200번 반복, 300번 반복한 것 등으로 동시에 표시되어 측정된 현상의 고유한 패턴을 동시에 알 수 있다. 따라서 주파수분석은 시간에 따른 패턴을 읽는 것이며 발생 원인을 정확히 찾고 적절한 대책을 수립하기 위한 근본 자료로 활용되는데 그 사용의 이유가 있다[4].

본 논문에서는 진동 및 소음측정을 위해 OROS사의 2채널 OR25 PC-Pack II로 진동 및 소음측정을 하였다. 소음측정은 마이크로폰을 전동기인 SRM과 50cm 떨어진 위치에 삼각대로 고정 설치하였으며 전동기 속도프로파일에서 소음주파수의 피크성분들을 검토하였다. 가청주파수 대역인 0Hz∼20kHz까지 측정하였으며, 마이크로폰으로 측정된 신호로 FFT 분석과 Octave 분석을 통해서 소음의 피크성분과 가청주파수 범위의 Overall 음압레벨을 평가하였다. 그리고 진동측정은 SRM 표면에 압전소자로 이루어진 3축 진동가속도계를 부착하여 0Hz∼5kHz 대역까지 측정하였다. 전동기 속도프로파일에서 레코딩을 하여 FFT 분석을 통해 주파수 피크성분들을 검출하였다.

4.1 진동 실험결과 (0~5kHz)

SRM 전동기 내에서 발생되는 전자력이 토크성분으로 작용하는 접선방향의 전자력 성분뿐만 아니라 고정자와 회전자 사이의 상호인력으로 작용하는 방사방향의 전자력 성분이 SRM 진동에 주된 원인이 되고 있다. 이러한 전자력 성분들의 크기는 고정자와 회전자의 위치에 따라 변화하며 방사방향의 전자력은 고정자와 회전자가 접할수록 증가하게 된다. 또한 상권선의 기자력 소호는 고정자와 회전자가 상당히 접한 상태에서 행하므로 이때 고정자 프레임은 방사방향의 전자력 변화에 의한 탄성진동을 일으키고 이에 의해 큰 진동 및 소음이 발생하게 된다[5].

그림. 9~그림. 14의 실험결과는 각 topology를 사용하여 SRM 구동속도를 각각 1500, 2500, 3,000rpm으로 구동시 주파수대역별로 진동실험 결과들을 보여주고 있다. 전동기 속도 프로파일에 대해 주파수대역 0Hz∼5kHz까지 FFT 분석을 통해 검출된 진동에 대한 주파수 피크성분들을 실험결과를 통해 확인할 수 있다.

그림. 9. 진동 실험결과 (1,500rpm, 155.4E-03g)

Fig. 9. Vibration characteristic at 1,500rpm

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그림. 10. 진동 실험결과(2,500rpm, 228.3E-03g)

Fig. 10. Vibration characteristic at 2,500rpm

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그림. 11. 진동 실험결과 (3,000rpm, 675.0E-03g)

Fig. 11. Vibration characteristic at 3,000rpm

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그림. 12. 진동 실험결과 (1,500rpm, 145.9E-03g)

Fig. 12. Vibration characteristic at 1,500rpm

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그림. 13. 진동 실험결과 (2,500rpm, 232.5E-03g)

Fig. 13. Vibration characteristic at 2,500rpm

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그림. 14. 진동 실험결과 (3,000rpm, 694.9E-03g)

Fig. 14. Vibration characteristic at 3,000rpm

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각각의 구동속도 1500, 2500, 3,000rpm때 수행된 실험결과를 통해 6-스위치 인버터가 비대칭 브리지 인버터와 비교시 검출된 주파수 피크성분이 약간 높은 값을 가지는 것을 알 수 있다. 이는 앞서 언급하였듯이 SRM 구동시 진동 및 소음을 생기게 하는 주요 원인은 방사방향의 가진력 변화 때문이며 비대칭 브리지 인버터의 실험결과와 비교시2상 여자방식을 사용하는 6-스위치 인버터의 주파수 피크성분값이 크게 차이가 나지 않음을 알 수 있다.

실험결과 회전주파수를 변경한 경우, 구동용 topology를 변경한 경우에도 주된 진동은 동일한 주파수 대역에서 발생하며 이는 스위칭 주파수나 회전주파수보다는 전동기 고유특성에 영향을 받음을 알 수 있다.

4.2 소음 실험결과 (0~20kHz)

보통 소음 측정시 측정하려는 대상의 소음이 암소음에 비해 10dB 이상 높아야만 정확한 측정이 이루어진다. 실험실내의 암소음은 보통 40dB 정도이지만 운전시 발생하는 소음치가 크고 주위 소음의 영향을 최소화하기 위해 야간에만 소음측정을 하였다. 소음측정 실험은 SRM의 속도를 일정속도로 구동시 발생하는 소음의 크기를 측정하였으며 측정시 가중치를 적용하였기 때문에 사람의 귀에 민감한 1kHz~5kHz 영역의 소음이 상대적으로 크게 측정되었다.

그림. 15~그림. 17은 1,500, 2,500rpm 구동시 비대칭 브리지 컨버터와 6-스위치 인버터를 적용하였을 때의 소음측정 결과를 보여주고 있다. 그림. 9~그림. 14에 나타난 각 구동용 컨버터의 진동측정 결과 값과 달리 소음측정 결과는 비대칭 브리지 컨버터가 1.3kHz 대역에서 약간 높은 소음 값을 나타내고 있다. 소음실험 분석결과 진동실험에서 나타난 결과와 동일하게 회전주파수를 변경한 경우, 구동용 topology를 변경한 경우에도 주된 소음은 동일한 주파수 대역에서 발생하며 결과적으로 전동기 고유특성에 영향을 받음을 알 수 있다.

그림. 15. Octave spectrum에 의한 소음 실험결과 (blue : 비대칭 브리지 컨버터, green : 6-스위치 인버터)

Fig. 15. Noise test results by octave spectrum (blue : asymmetric bridge converter, green : 6-switch inverter)

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그림. 16. 소음 실험결과 (비대칭 브리지 컨버터, 2,500rpm, 103.89dB)

Fig. 16. Noise test results (Asymmetric bridge converter, 2,500rpm, 103.89dB)

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그림. 17. 소음 실험결과(6-스위치 인버터, 2,500rpm)

Fig. 17. Noise test results (6-switch inverter, 2,500rpm, 98.71dB)

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5. 결 론

본 논문에서는 기존에 일반적으로 사용되고 있는 비대칭 브리지 컨버터와 교류전동기의 일반적인 모듈용 6-스위치 컨버터를 적용하여 구동시 각 컨버터에 대한 FFT 특성 및 진동·소음의 결과를 확인하였다. 실험결과 회전주파수를 변경한 경우, 구동용 topology를 변경한 경우에도 주된 진동 및 소음은 동일한 주파수 대역에서 발생하며 이는 스위칭 주파수나 회전주파수보다는 전동기 고유특성에 영향을 받음을 알 수 있다. 따라서 SRM 구동용 컨버터 topology 보다는 기계적인 고유특성으로부터 SRM의 가장 취약점인 진동·소음을 개선 및 연구해야 할 것으로 사료된다.

감사의 글

이 연구는 2019년도 광주대학교 대학 연구비의 지원을 받아 수행되었음.

References

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Pollock Charles, Brackle Mark, 2003, Comparison of the Acoustic Noise of a Flux-Switching and a Switched Reluctance Drive, IEEE Trans. on Industry Applications, Vol. 39, No. 3, pp. 826-834DOI
2 
Srinivas K. N., Arumugam R, 2005, Analysis and characterization of switched reluctance motors_Part II. Flow, thermal, and vibration analyses, IEEE Trans. on Magnetics, Vol. 41, No. 4, pp. 1321-1332DOI
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5 
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저자소개

윤 용 호 (Yong-Ho Yoon)
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2007년 성균관대 메카트로닉스공학과 졸업(박사)

2007년~2011년 삼성탈레스 종합연구소 메카트로닉스그룹 전력전자팀 전문연구원

현재 광주대학교 전기전자공학부 교수