[논문 리뷰] Generic machine identification and maximum efficiency operation of induction machines

Julian Kullick, Christoph M. Hackl|arXiv (Cornell University)|2018. 12. 06.

Electric Motor Design and Analysis참고 문헌 14인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 유도기계의 회전자 투자 방향 dq기준좌표계에서의 매개변수 식별을 위한 일반적이고 실험 기반의 방법을 제안하며, 명시적인 철손실 모델이 필요 없이 최대 토크당 최고 효율(MeMEPT) 룩업 테이블을 생성할 수 있도록 한다. 이 방법은 정 steady-state 측정을 통해 비선형성(예: 과포화 및 철손실)을 명시적으로 모델링하지 않고도 간접적으로 포괄하며, 토크 센서가 없어도 V/Hz 제어 및 표준 필드오리엔티드 제어보다 뛰어난 효율을 달성한다.

ABSTRACT

This paper proposes an advanced machine identification method for inverter fed squirrel-cage induction machines, based on steady-state measurements in the rotor flux oriented dq-reference frame. The measured machine maps are used to extract maximum efficiency per torque (MEPT) look-up tables, which guarantee the maximum achievable efficiency in every operating point. Furthermore, it is shown, that comparable results can be achieved, even without a torque sensor. The main advantage of the described method is its generality, which implicitly covers magnetic saturation, iron losses and other nonlinear effects that are typically neglected or approximated by complex models. Finally, the efficiencies of V/Hz and field-oriented control (FOC) are calculated for different speeds and load torques, allowing for quantitative assessment and comparison of both methods.

연구 동기 및 목표

• 정상 상태 조건에서 유도기계의 매개변수를 식별하기 위한 일반적이고 측정 기반의 방법을 개발한다.
• 모든 작동 조건에서 최적의 효율을 보장하는 최대 토크당 최고 효율(MeMEPT) 룩업 테이블을 추출한다.
• 복잡한 분석적 철손실 모델이나 토크 센서에 의존하지 않고도 효율 최적화를 가능하게 한다.
• 다양한 속도와 부하 토크에서 V/Hz 제어와 필드오리엔티드 제어(FOC)의 효율을 정량적으로 비교한다.
• 이론적 모델링 대신 실험 데이터를 통해 자기 과포화 및 철손실과 같은 비선형 효과를 암묵적으로 포착한다.

제안 방법

• 유도기계의 회전자 투자 방향 dq기준좌표계에서의 정상 상태 측정을 수행하기 위해, 가능한 전류 범위를 커버하는 정규 격자 기반의 정자 전류 기준값을 사용한다.
• 각 전류 지점에서 2초 동안 정지 상태를 확보하기 위해 측정을 수행하며, 전압, 전류, 유속 연결량 및 속도를 기록한다.
• 디지털 저통과 필터링 및 평균값 계산을 통해 정상 상태 데이터를 추출한 후, 대칭 기반의 확장을 통해 4사분면 전역으로 확장한다.
• MATLAB에서 loess 곡선 피팅을 적용하여 측정 자료에서 유도된 3차원 비선형 유속 및 효율 지도를 매끄럽게 처리한다.
• 측정된 지도에서 손실을 최소화하는 전류 조합을 식별하여, 각 토크 및 속도 지점에서 MEPT 룩업 테이블을 구성한다.
• 다양한 속도에서 측정을 반복하여 가변 속도 작동을 위한 다차원 LUT를 구축한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 분석적 철손실 모델에 의존하지 않고도 일반적이고 실험 기반의 방법이 dq기준좌표계에서 유도기계의 매개변수를 식별할 수 있는가?
• RQ2 정상 상태 측정을 통해 암묵적으로 포착할 수 있는 비선형 효과(예: 자기 과포화 및 철손실)의 정도는 어느 정도인가?
• RQ3 다양한 속도와 부하 토크에서 V/Hz 제어의 효율은 정량적으로 필드오리엔티드 제어(FOC)와 어떻게 비교되는가?
• RQ4 톆크 센서 없이도 정자 전류 및 전압 측정만으로 최대 토크당 최고 효율(MeMEPT) 작동을 달성할 수 있는가?
• RQ5 기본 MTPA 및 일정 자속 FOC 전략에 비해 MeMEPT 제어가 얼마나 높은 효율 향상을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 방법은 명시적인 모델링 없이도 실험 데이터를 통해 자기 과포화 및 철손실과 같은 비선형성을 암묵적으로 포착하는 데 성공했다.
• 측정된 유속 및 효율 지도에서 유도된 MEPT 룩업 테이블을 통해 모든 작동 지점에서 최적의 전류 기준값을 제공할 수 있었다.
• 이 방법은 토크 센서 없이도 유사한 성능을 달성하여, 센서리스 MeMEPT 작동의 가능성을 입증했다.
• 모든 시험 속도 및 부하 조건에서 필드오리엔티드 제어(FOC)가 V/Hz 제어보다 뚜렷이 더 효율적임을 입증했다.
• 이 연구는 V/Hz 제어와 FOC의 효율을 정량적으로 비교한 최초의 사례로, FOC의 효율적 우월성이 일반적으로 간과되고 있음을 드러냈다.
• 이 방법은 일반 제어 모델에서 일반적으로 忽略되는 속도에 따른 철손실 및 과포화로 인한 주유도성 변화를 암묵적으로 반영한다.