고조파 전류와 자기 포화 영향을 고려한 교류 저항 및 철손에 대한 연구

Abstract

교류 전동기의 구동 시 입력 전류에 포함되는 고조파 성분과 철심의 자기 포화에 의해 발생되는 교류 저항 및 철손의 영향을 산정하는 방법을 제시하였다. 일반적으로 도체에 교류 전류가 흐를 경우 표피 효과와 근접 효과가 발생하게 되고 권선 저항이 변화하게 된다. 뿐만 아니라 전류의 고조파 성분과 철심의 자기 포화에 의한 영향으로 교류 저항이 변화하게 된다. 특히 교류 전동기의 제어에 주로 사용되는 pulse width modulation 방식은 구현이 용이하지만 전류에 고조파 성분을 발생시킨다. 이러한 고조파 전류는 동손뿐만 아니라 강자성체의 철손에도 영향을 미치게 된다. 본 논문에서는 고조파 전류와 자기 포화 영향을 고려한 교류 저항의 산정에 대해 다룬다. 해석적 기법을 활용한 교류저항의 산정에는 자기 포화 현상뿐만 아니라 고조파 전류에 의한 영향이 고려된다. 자기 포화 현상을 고려하기 위해 강자성체의 자화 곡선을 이용하여 포화 계수를 계산한 후 교류저항 산정에 반영하였다. 한편, 교류 저항 산정 시 고조파 전류에 의한 영향을 고려하기 위해 각 고조파에 의한 동손을 중첩시킨 후 전류의 제곱으로 나누는 방법을 제시하였다. 해석적 기법을 이용한 교류 저항 산정 방법은 유한요소해석(FEA)보다 계산속도가 빠르며 전류의 고조파뿐만 아니라 강자성체의 자기 포화 현상의 고려가 가능하다. 고조파 전류에 의한 철손 산정을 위하여 두 단계의 FEA 가 요구된다. 우선 전류의 기본파 성분만을 인가한 후 비선형 해석을 통해 자기회로의 투자율을 산정한다. 다음으로 비선형 해석 후 전류의 고조파 성분에 대해 선형 해석을 수행하여 자기회로의 자속밀도를 최종적으로 계산한다. 이때 비선형 해석 후 구해진 각 요소의 투자율은 선형해석에 그대로 반영된다. 본 논문에서 제시하는 철손 산정 방법은 고조파 전류에 대해서는 선형해석을 수행하므로 기존의 고조파 전류까지 포함한 비선형해석 보다 빠른 철손 산정이 가능하다. 고조파 전류와 자기 포화 영향을 고려한 교류 저항 및 철손 산정 방법은 실험 결과 및 FEA 결과와 비교를 통해 검증하였다. 본 논문에서 제시하는 방법은 신뢰성 높은 전동기의 효율 예측에 기여하는 바가 클 것으로 판단된다.