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요약문
SUMMARY
CONTENTS
목차
제1장 연구개발과제의 개요 31
1.1. 연구개발의 개요 31
1.2. 연구개발의 필요성 31
제2장 국내외 기술 개발 현황 33
2.1. 기술적 측면 33
2.2. 경제·산업적 측면 34
2.3. 사회·문화적 측면 34
제3장 연구개발 내용 및 결과 36
3.1. Random PWM 방식 연구 36
3.1.1. 랜덤 캐리어 주파수 PWM (RCF-PWM) 방식 36
3.1.2. 랜덤 펄스 위치 PWM (RPP - PWM) 방식 38
3.1.3. 랜덤 스위칭 PWM (RS - PWM) 방식 47
3.1.4. Hybrid Random PWM 방식 48
3.1.5. Asymmetric Carrier Random PWM 방식 49
3.1.6. 캐리어 주파수 변조 PWM (CFM - PWM) 방식 50
3.2. 정규적인(공간벡터, 삼각파) 변조방식과 RPWM 변조방식을 적용한 인버터 시스템의 소음원 저감 방안 연구, 시뮬레이터 개발 및 모의시험 결과 분석 52
3.2.1. 정규적인 변조방식을 적용한 제어 알고리즘 및 시뮬레이터 개발 52
3.2.2. 랜덤 변조방식을 적용한 소음원 저감 제어 알고리즘 및 시뮬레이터 개발 55
3.2.3. 변조 방식에 따른 소음원 특성 비교 분석 70
3.2.4. 모의시험 결과 분석 102
3.3. 정규적인 변조 방식과 RPWM 변조방식을 적용한 차세대 고속철도 구동 인버터 시스템의 소음원 저감 제어 알고리즘과 시뮬레이터 개발 및 모의시험 결과 분석 103
3.3.1. 지령속도 600RPM, 스위칭 주파수 650Hz일 경우의 변조 방식에 따른 시뮬레이터를 이용한 모의시험 및 소음원 특성 분석 106
3.3.2. 지령속도 600RPM, 스위칭 주파수 2250Hz일 경우의 변조 방식에 따른 시뮬레이터를 이용한 모의시험 및 소음원 특성 분석 109
3.3.3. 지령속도 1500RPM, 스위칭 주파수 650Hz일 경우의 변조 방식에 따른 시뮬레이터를 이용한 모의시험 및 소음원 특성 분석 112
3.3.4. 지령속도 1500RPM, 스위칭 주파수 2250Hz일 경우의 변조 방식에 따른 시뮬레이터를 이용한 모의시험 및 소음원 특성 분석 115
3.3.5. 종합 분석 118
3.4. 정규적인 변조 방식과 RPWM 변조방식을 적용한 축소 인버터 시스템 개발, 시험 및 시험결과 특성 분석 121
3.4.1. 축소 인버터 시스템 개발 및 시험 121
3.4.2. 인버터 시험 126
3.4.3. 인버터 시스템 시험 및 소음원 특성 분석 130
3.5. 토크제어를 이용한 속도제어 방안 제시(노치별 d-q 전류 결정 및 이에 따른 전압, 전류, 토크, 속도 특성) 140
3.5.1. 토크 1809Nm(4노치) 140
3.5.2. 토크 1266.3Nm(3노치) 142
3.5.3. 토크 904.5Nm(2노치) 144
3.5.4. 토크 542.7Nm(1노치) 146
3.6. 약계자 제어를 위한 속도제어 방안 제시 148
3.6.1. 토크 1809Nm(4노치) 148
3.6.2. 토크 1266.3Nm(3노치) 152
3.6.3. 토크 904.5Nm(2노치) 155
3.6.4. 토크 542.7Nm(1노치) 158
3.6.5. 노치 별 속도-토크 곡선 160
제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 161
4.1. 연도별 연구목표 및 연구개발목표의 달성도 161
4.2. 연구개발 관련 분야의 기여도 164
제5장 연구개발 결과의 활용계획 168
제6장 연구개발 과정에서 수집한 해외과학기술정보 172
제7장 참고문헌 177
별첨1. 3/4차년도(과제시작 1/2차년도) 보고서 요약본 181
1. 연구개발의 목표 182
2. 연구개발의 내용 및 범위 182
3. 연구개발 결과 184
표 3.1-1. SRPP-PWM의 랜덤 변위의 시간 순서 46
표 3.3-1. IGBT 파라미터 105
표 3.3-2. IPMSM 파라미터 105
표 3.4-1. 인버터 테스트 조건 및 소자 파라미터 121
표 3.4-2. MI=0.5, 스위칭 주파수 650Hz에 대한 결과 128
표 3.4-3. MI=0.5, 스위칭 주파수 2250Hz에 대한 결과 128
표 3.4-4. MI=0.9, 스위칭 주파수 650Hz에 대한 결과 129
표 3.4-5. MI=0.9, 스위칭 주파수 2250Hz에 대한 결과 129
표 3.4-6. MI=0.5, 스위칭 주파수 650Hz일 경우의 변조 방식에 따른 스펙트럼 비교 분석 138
표 3.4-7. MI=0.5, 스위칭 주파수 2250Hz일 경우의 변조 방식에 따른 스펙트럼 비교 분석 138
표 3.4-8. MI=0.9, 스위칭 주파수 650Hz일 경우의 변조 방식에 따른 스펙트럼 비교 분석 138
표 3.4-9. MI=0.9, 스위칭 주파수 2250Hz일 경우의 변조 방식에 따른 스펙트럼 비교 분석 138
표 3.6-1. 4노치 약계자 영역에서의 속도별 약계자 제어전류 및 토크값 149
표 3.6-2. 3노치 약계자 영역에서의 속도별 약계자 제어전류 및 토크값 152
표 3.6-3. 2노치 약계자 영역에서의 속도별 약계자 제어전류 및 토크값 155
표 3.6-4. 1노치 약계자 영역에서의 속도별 약계자 제어전류 및 토크값 158
그림 3.1-1. 삼각파 캐리어와 지령과의 비교를 통한 PWM 펄스 생성 방법 37
그림 3.1-2. 삼각파 캐리어 발생기 37
그림 3.1-3. RLL-PWM 펄스 38
그림 3.1-4. RCD-PWM 생성과정 40
그림 3.1-5. RCD-PWM 펄스 41
그림 3.1-6. RZV-PWM 생성과정 42
그림 3.1-7. RZV-PWM 펄스 43
그림 3.1-8. SRPP-PWM 생성과정 (1번 섹터일 경우) 44
그림 3.1-9. SRPP-PWM 생성과정 (2번 섹터일 경우) 45
그림 3.1-10. SRPP-PWM 펄스 46
그림 3.1-11. RS-PWM의 펄스 생성 방법 47
그림 3.1-12. RLL-PWM와 Hybrid Random(RCF+RLL) PWM 비교 48
그림 3.1-13. 고정 주파수 PWM와 Hybrid Random(RCF+RCD) PWM의 펄스 비교 49
그림 3.1-14. 일반적인 대칭 삼각파 파형과 비대칭적인 삼각파 파형 49
그림 3.1-15. CFM-PWM 생성방식 50
그림 3.2-1. 전체 SVPWM 시뮬레이션 블록 52
그림 3.2-2. 지령 선택 블록 53
그림 3.2-3. 게이트 블록 53
그림 3.2-4. 인버터 블록 53
그림 3.2-5. Space Vector 지령 및 삼각파 캐리어 54
그림 3.2-6. SVPWM 펄스 54
그림 3.2-7. Random Lead Lag방식 시뮬레이션 블록 55
그림 3.2-8. RLL 캐리어 발생부 55
그림 3.2-9. Space Vector 지령 및 RLL 캐리어 56
그림 3.2-10. RLL-PWM 펄스 56
그림 3.2-11. Random Center Displacement 방식 시뮬레이션 블록 57
그림 3.2-12. RCD 캐리어 발생부 57
그림 3.2-13. Space Vector 지령 및 RCD 캐리어 58
그림 3.2-14. RCD-PWM 펄스 58
그림 3.2-15. Separately Random Pulse Position 방식 시뮬레이션 블록 59
그림 3.2-16. SRPP 캐리어 발생부 59
그림 3.2-17. 3상 SRPP 캐리어 파형 60
그림 3.2-18. Space Vector 지령 및 SRPP 캐리어 60
그림 3.2-19. SRPP-PWM 펄스 60
그림 3.2-20. Random Carrier Frequency 방식 시뮬레이션 블록 61
그림 3.2-21. RCF 캐리어 발생부 62
그림 3.2-22. Space Vector 지령 및 RCF 캐리어 62
그림 3.2-23. RCF-PWM 펄스 62
그림 3.2-24. 전체적인 Hybrid Random (RCF+RCD) PWM 시뮬레이션 블록 63
그림 3.2-25. Hybrid Random (RCF+RCD) 캐리어 발생부 64
그림 3.2-26. Space Vector 지령 및 Hybrid Random (RCF+RCD) 캐리어 64
그림 3.2-27. Hybrid Random (RCF+RCD) PWM 펄스 64
그림 3.2-28. Carrier Frequency Modulated 방식 시뮬레이션 블록 65
그림 3.2-29. CFM 캐리어 발생부 65
그림 3.2-30. Space Vector 지령 및 CFM 캐리어 66
그림 3.2-31. CFM-PWM 펄스 66
그림 3.2-32. 전체적인 Hybrid Random (RCF+RLL) PWM 시뮬레이션 블록 67
그림 3.2-33. Hybrid Random (RCF+RLL) 캐리어 발생부 68
그림 3.2-34. Hybrid Random (RCF+RLL) 캐리어 발생 과정 68
그림 3.2-35. Space Vector 지령 및 Hybrid Random (RCF+RLL) 캐리어 69
그림 3.2-36. Hybrid Random (RCF+RLL) PWM 펄스 69
그림 3.2-37. 스위칭 주파수 650Hz, MI 0.9, Load 3ohm 5.5mH일 때 고조파 분석 71
그림 3.2-38. THD 분석 (MI=0.9, fc=650hz) 72
그림 3.2-39. 효율 분석 (MI=0.9, fc=650hz) 72
그림 3.2-40. 스위칭 주파수 2250Hz, MI 0.9, Load 3ohm 5.5mH일 때 고조파 분석 75
그림 3.2-41. THD 분석 (MI=0.9, fc=2250hz) 76
그림 3.2-42. 효율 분석 (MI=0.9, fc=2250hz) 76
그림 3.2-43. 스위칭 주파수 650Hz, MI 0.5, Load 3ohm 5.5mH일 때 고조파 분석 79
그림 3.2-44. THD 분석 (MI=0.5, fc=650hz) 80
그림 3.2-45. 효율 분석 (MI=0.5, fc=650hz) 80
그림 3.2-46. 스위칭 주파수 2250Hz, MI 0.5, Load 3ohm 5.5mH일 때 고조파 분석 83
그림 3.2-47. THD 분석 (MI=0.5, fc=2250hz) 84
그림 3.2-48. 효율 분석 (MI=0.5, fc=2250hz) 84
그림 3.2-49. 스위칭 주파수 650Hz, MI 0.9, Load 3ohm 16.5mH일 때 고조파 분석 87
그림 3.2-50. THD 분석 (MI=0.9, fc=650hz) 88
그림 3.2-51. 효율 분석 (MI=0.9, fc=650hz) 88
그림 3.2-52. 스위칭 주파수 2250Hz, MI 0.9, Load 3ohm 16.5mH일 때 고조파 분석 91
그림 3.2-53. THD 분석 (MI=0.9, fc=2250hz) 92
그림 3.2-54. 효율 분석 (MI=0.9, fc=2250hz) 92
그림 3.2-55. 스위칭 주파수 650Hz, MI 0.5, Load 3ohm 16.5mH일 때 고조파 분석 95
그림 3.2-56. THD 분석 (MI=0.5, fc=650hz) 96
그림 3.2-57. 효율 분석 (MI=0.5, fc=650hz) 96
그림 3.2-58. 스위칭 주파수 2250Hz, MI 0.5, Load 3ohm 16.5mH일 때 고조파 분석 99
그림 3.2-59. THD 분석 (MI=0.5, fc=2250hz) 100
그림 3.2-60. 효율 분석 (MI=0.5, fc=2250hz) 100
그림 3.3-1. 시뮬레이터 블록 다이어그램 103
그림 3.3-2. 차세대 고속철도 인버터 구동 시스템 104
그림 3.3-3. 지령속도 600RPM, 스위칭 주파수 650Hz 경우의 변조방식에 따른 스펙트럼 106
그림 3.3-4. 600rpm-650Hz 경우 변조방식별 효율 및 THD 107
그림 3.3-5. 지령속도 600RPM, 스위칭 주파수 2250Hz 경우의 변조방식에 따른스펙트럼 109
그림 3.3-6. 600rpm-2250Hz 경우 변조방식별 효율 및 THD 110
그림 3.3-7. 지령속도 1500RPM, 스위칭 주파수 650Hz 경우의 변조방식에 따른 스펙트럼 112
그림 3.3-8. 1500rpm-650Hz 경우 변조방식별 효율 및 THD 113
그림 3.3-9. 지령속도 1500RPM, 스위칭 주파수 2250Hz 경우의 변조방식에 따른 스펙트럼 115
그림 3.3-10. 1500rpm-2250Hz 경우 변조방식별 효율 및 THD 116
그림 3.4-1. 인버터 실험 시스템 123
그림 3.4-2. 인버터 시스템 회로구성 125
그림 3.4-3. fc=650Hz, MI와 변조방식에 따른 인버터 시험 결과 126
그림 3.4-4. fc=2250Hz, MI와 변조방식에 따른 인버터 시험 결과 127
그림 3.4-5. MI=0.5, 스위칭 주파수 650Hz일 경우의 변조 방식에 따른 스펙트럼 비교 분석 130
그림 3.4-6. MI=0.5, 스위칭 주파수 2250Hz일 경우의 변조 방식에 따른 스펙트럼 비교 분석 132
그림 3.4-7. MI=0.9, 스위칭 주파수 650Hz일 경우의 변조 방식에 따른 스펙트럼 비교 분석 134
그림 3.4-8. MI=0.9, 스위칭 주파수 2250Hz일 경우의 변조 방식에 따른 스펙트럼 비교 분석 136
그림 3.5-1. 1809Nm 경우 일정토크곡선 및 전압·전류 제한 곡선 140
그림 3.5-2. 토크 1809Nm(4노치) Matlab/Simulink 시뮬레이터 결과 파형 141
그림 3.5-3. 1266.3Nm 경우 일정토크곡선 및 전압·전류 제한 곡선 142
그림 3.5-4. 토크 1266.3Nm(3노치)Matlab/Simulink 시뮬레이터 결과 파형 143
그림 3.5-5. 904.5Nm 경우 일정토크곡선 및 전압·전류 제한 곡선 144
그림 3.5-6. 토크 904.5Nm(2노치) Matlab/Simulink 시뮬레이터 결과 파형 145
그림 3.5-7. 542.7Nm 경우 일정토크곡선 및 전압·전류 제한 곡선 146
그림 3.5-8. 토크 542.7Nm(1노치) Matlab/Simulink 시뮬레이터 결과 파형 147
그림 3.6-1. 토크 1809Nm 경우 속도에 따른 전압 및 전류 제한곡선 148
그림 3.6-2. 4노치 약계자 영역에서의 Matlab/Simulink 시뮬레이터 검증 파형 150
그림 3.6-3. 토크 1266.3Nm 경우 속도에 따른 전압 및 전류 제한곡선 152
그림 3.6-4. 3노치 약계자 영역에서의 Matlab/Simulink 시뮬레이터 검증 파형 154
그림 3.6-5. 토크 904.5Nm 경우 속도에 따른 전압 및 전류 제한곡선 155
그림 3.6-6. 2노치 약계자 영역에서의 Matlab/Simulink 시뮬레이터 검증 파형 157
그림 3.6-7. 토크 542.7Nm 경우 속도에 따른 전압 및 전류 제한곡선 158
그림 3.6-8. 1노치 약계자 영역에서의 Matlab/Simulink 시뮬레이터 검증 파형 159
그림 3.6-9. 노치별 속도 토크 곡선 160