1. 서 론

영구자석 동기전동기는 고전력밀도 고효율, 높은 안정성을 갖는 장점이 있다. 이러한 장점으로, 전기 자동차, 전기 추진 함선, 풍력 발전 등 다양한 분야에서 사용되고 연구되고 있다 ^(1)-(4). 기존 3상 영구자석 전동기는 운전 중 모터 또는 인버터에 고장이 발생하는 경우 고장대응운전이 어렵다는 단점이 있다. 주행 중 고장이 발생하면 정비소까지 대응운전이 요구되는 전기 자동차용 모터로 사용 될 경우, 이러한 3상 전동기의 단점은 치명적이다. 이러한 문제를 해결하기 위해 높은 안정적 구동이 요구가 되는 고속 엘리베이터, 잠수함, 및 항공기 분야에서 이중 3상 영구자석 동기전동기에 대한 연구 및 개발이 진행되고 있다 ^(5)-(8). 이중 3상 영구자석 동기전동기의 시스템은 두 개의 3상 고정자 권선이 동일한 위상으로 결선된 전동기와 두 개의 3상 인버터로 구성되어 있다. 이중 3상 영구자석 동기전동기는 고정자 권선배치를 통해, 출력 증가, 토크리플 및 진동/소음을 저감 할 수 있는 장점이 있으며, 한 쪽 인버터에 고장이 발생할 경우 다른 인버터를 통해 고장 대응운전이 가능하기 때문에 고장에 대한 높은 안정성을 확보 할 수 있다^(9)-(11). 또한 고용량 전동기를 구동할 경우, 한 개의 고출력 전력모듈 대신 두 개의 저출력 전력모듈 사용하기 때문에 이중 3상 인버터 시스템은 3상 인버터 시스템 보다 경제적으로 제작할 수 있다. 이중 3상 영구자석 동기전동기는 두 쌍의 고정자 3상 권선의 위상차가 없도록 설계된다. 사용 하는 모터의 권선 배치는 두 상의 3상 권선 사이의 커플링을 최소로하는 형태로 구성되어 있으며 그림 1과 같이 표현된다.

이중 3상 영구자석 동기전동기는 두 개의 3상 고정자 권선과 두 개의 3상 인버터로 구성되어있기 때문에, 두 가지 운전모드로 운전이 가능하다. 첫 번째 운전모드는 이중 운전모드이다. 이중 3상 전동기의 일반적인 구동을 할 때 사용하는 운전모드로 이중 3상 고정자 권선과 두 개의 3상 인버터를 모두 사용하여 구동하는 운전모드이다. 이중 3상 영구자석 동기전동기의 최대토크를 출력할 수 있는 운전모드이기 때문에, 일반적인 구동에 주로 사용되는 운전모드이다. 두 번째 운전모드는 단일 운전모드로 기존 3상 운전 시스템과 같이 3상 고정자 권선과 3상 인버터로 구동 하는 운전모드이다. 단일 운전모드로 구동할 경우, 최대로 출력할 수 있는 토크는 이중운전모드의 최대 출력토크의 절반이다. 주로 단일 운전모드는 한 쪽 인버터가 고장난 경우, 고장대응운전을 해야 하는 경우 사용된다. 단위 전류당 최대토크제어(MTPA, Maximum Torque per Ampere) 포인트는 각 운전모드에 따라 다르게 나타나기 때문에, 구동시스템의 전체 효율 또한 각 운전모드에 따라 다르게 나타난다. 그러므로 이중 3상 영구자석 동기전동기의 고효율 운전을 위해서는 각 구동모드의 효율을 비교하고, 운전 포인트에 따라 가장높은 효율을 내는 운전 모드를 사용하여 구동 할 필요가 있다. 전기 자동차의 구동 전동기로 사용될 경우 전동기의 실제 운전포인트의 분포는 주행 사이클에 따라 크게 달라진다⁽¹²⁾. 특히 시내주행 사이클일 경우에는, 저속, 저토크의 영역에서 운전 포인트가 많이 분포하기 때문에 저토크 영역에서 높은 효율을 내는 단일 운전모드로 전환하여 주행 할 경우, 저 토크 영역의 효율 향상을 기대 할 수 있다. 본 논문에서는 각 운전모드별 구동시스템의 전체 효율 비교하여 이를 고려한 이중 3상 영구자석 동기전동기의 고효율 운전 전략을 제안한다. 단일 운전모드의 스위칭 손실은 이중 운전모드의 스위칭 손실에 비해 절반정도로 나타나기 때문에, 저토크 영역에서의 전체 효율은 단일 운전모드가 이중 운전모드에 비해 높게 나타나는 경향이 있다. 하지만, 단일 운전모드에서 한 개의 3상 고정자 권선을 사용하더라도, 권선의 동손은 전류의 제곱에 비례해서 나타난다. 따라서 토크가 점점 증가 할수록 이중 운전모드의 전체 효율은 단일 운전모드의 전체 효율 보다 높게 나타난다. 각 운전모드 별 구동시스템의 전체 효율 비교를 기반으로 이중 3상 영구자석 동기전동기의 운전모드 전환기법이 제안된다. 운전모드 전환기법은 단일 운전모드에서 이중 운전모드로 전환 뿐만아니라 반대 방향에 대한 전환에 대해서 다룬다. 본 논문에서 제안하는 이중 3상 동기전동기의 고효율 운전 기법을 검증하기 위해 실험을 진행 하였다. 각 운전 포인트에서 높은 효율을 내는 운전모드를 선택 및 전환하여 구동 시스템의 전체 효율이 향상된 것을 확인하였다.

2. 운전모드 별 구동시스템 효율 비교

이중 3상 영구자석 동기전동기의 구동시스템은 그림 2과 같이 나타낼 수 있으며, 두 개의 3상 고정자 권선으로 결선된 전동기와 두 개의 3상 인버터로 구성되어 있다. 이중 3상 영구자석 동기전동기의 나뉘어진 고정자 3상 권선으로 인해, 두 가지 운전 모드를 통해 구동할 수 있다. 그림 3은 각 운전모드에 따른 출력 토크 및 속도 범위를 나타낸다. 단일 단일 운전모드는 기존 3상 구동시스템과 같이 두 개의 3상 고정자 권선 중에서 한 쪽 3상 고정자 권선만 이용하여 구동하는 운전모드이다. 한 쪽 3상 고정자 권선만 이용하기 때문에 출력할 수 있는 최대 토크는 이중 운전모드에서의 최대 토크에 절반 정도이다. 단일 운전모드의 사용하지 않는 인버터는 스위칭 동작을 하지 않아 약계자 제어가 불가능하여 영구자석의 자속의 크기를 낮출 수 없기 때문에, 회전자의 회전으로 인한 Back-EMF의 크기가 DC-link 전압보다 작게 발생하는 속도 영역까지 구동할 수 있다. 토크 출력과 속도에 대한 제한이 있기 때문에, 단일 운전모드는 주로 고장이 발생한 경우 고장 대응운전을 수행하기 위해 사용되고, 일반적인 구동에서 잘 사용되지 않는다. 반면, 이중 운전모드는 모든 고정자 권선을 이용하는 운전모드로, 이중 3상 영구자석 동기전동기의 최대 토크를 출력할 수 있다. 운전모드에 따라 크게 달라지는 손실은 전력모듈의 스위칭 손실과 고정자 권선의 동손이다. 이중 구동모드는 전동기의 최대 출력토크와 최대속도를 출력하기 때문에, 주로 일반적인 구동에서 사용된다.

이중 3상 영구자석 동기전동기의 구동시스템 전체 효율은 운전모드에 따라 크게 변하는 인버터 스위칭 손실과 고정자 권선의 동손에 대한 분석을 통해 운전모드에 따른 전체 효율의 크기를 예상할 수 있다. 한 쪽 인버터만 사용하는 단일 운전모드의 스위칭 손실은 이중 운전모드의 스위칭 손실에 비해 절반 정도 작게 나타난다. 고정자 권선의 동손은 고정자 권선에 흐르는 전류의 제곱으로 나타난다. 단일 운전모드에서는 이중 운전모드의 출력 토크와 같은 토크를 내기 위해서는 거의 두 배의 상 전류가 필요하기 때문에, 토크가 증가 할 수록 한 쪽 3상 고정자 권선만 이용하하더라도 고정자 동손은 이중 운전모드의 동손보다 커지게 된다. 저토크 영역에서의 전체 효율은 단일 운전모드에서 발생하는 고정자 동손과 스위칭 손실의 크기는 이중 운전모드 보다 작기 때문에 이중 운전 모드에 비해 높게 나타나는 경향이 있다. 하지만 토크가 점점 증가 할수록 단일 운전모드의 고정자 동손이 상 전류의 제곱에 비례하여 높아지기 때문에 이중 운전모드의 전체 효율이 단일 운전모드의 전체 효율 보다 높게 나타난다.

그림 4는 전동기 속도 1000rpm~6000rpm, 출력 토크 20Nm~ 60Nm의 범위의 운전포인트에서 나타나는 각 운전모드 별 전체 효율 컬러맵을 나타낸다. 효율은 그림 4의 화살표 방향과 같이 파랑색에서 빨간색으로 갈수록 높은 효율을 나타낸다. 그림 4(a)는 단일 운전모드에서의 전체 효율을 나타내고, 그림 4(b)는 이중 운전모드에서의 전체 효율을 나타낸다. 그림 4(c)는 가장 높은 전체 효율을 내는 각 운전모드의 최고 효율을 나타내는 부분을 합친 컬러맵이다. 가장 높은 전체효율은 그림 4(c)에서 실선으로 표기한 효율 경계선을 기준으로 실선의 상단 부분은 이중 운전모드의 전체 효율이고 실선의 하단 부분은 단일 운전모드의 전체 효율 부분이다. 앞서 언급한대로 낮은 토크 영역에서는 단일 운전모드의 전체 효율이 높게 나타나고 토크가 점차 증가할수록 이중 운전모드의 전체 효율이 높게 나타나는 것을 알 수 있다. 이중 3상 영구자석 동기전동기의 고 효율 운전을 위해서 운전포인트 별로 가장 높은 운전모드를 선택하고 적절한 운전모드 전환을 통해 구동하는 것이 필요하다.

3. 운전모드 전환기법

각 운전모드 별로 속도, 토크에 따른 구동 포인트는 다르게 나타나기 때문에, 운전모드 전환시 이를 반영하여 각 운전모드에 맞게 전류제어기의 전류지령 또한 전환해야 한다. 운전모드 전환 시, 원치않는 토크리플이 발생할 수 있기 때문에 각 고정자 권선에 흐르는 상 전류와 3상 인버터의 스위칭 동작을 고려해야 한다. 그림 5는 토크 50Nm 으로 운전할 경우에 운전모드 전환기법의 시간에 따른 절차와 전류제어기 지령을 나타낸다. 매 인터럽트 시작 부분에서는 현재 전동기 속도와 토크지령을 토대로, 운전모드 선택을 진행한다. 그림 5에서 $I_{s1,\:2}$는 각 고정자 권선에 흐르는 상 전류, $i_{dq1,\:2}^{*}$는 동기좌표계에서의 전류제어기 지령, $i_{dq.ddm}^{*},\: i_{dq.sdm}^{*}$은 이중 운전모드와 단일 운전모드에서의 전류지령을 의미하고, 운전모드는 각각 $t_{1},\:t_{2}$에서 전환 된다고 가정한다. 운전모드가 단일 운전모드에서 이중 운전모드로 전환 될 때, 그림 5(a)와 같이 단일 운전모드에서 전류가 흐르고 있는 고정자 권선의 전류는 $i_{dq.sdm}^{*}$에서 $i_{dq.ddm}^{*}$으로 단일 운전모드의 전류지령 보다 거의 절반에 가까운 값으로 변경 된다. 그리고 전류가 흐르지 않은 고정자 권선의 전류는 결선된 3상 인버터의 PWM 동작을 활성화 시킨 후, 반대편 고정자 권선의 전류와 같이 $i_{dq.ddm}^{*}$의 전류지령 값으로 제어 된다. 반대로, 운전모드가 이중 운전모드에서 단일 운전모드로 전환 될 때, 그림 5(b)와 같이 한 쪽 고정자 권선의 전류는 $i_{dq.ddm}^{*}$에서 $i_{dq.sdm}^{*}$으로 거의 두배에 가까운 전류지령 값으로 제어되고, 반대편 고정자 권선의 전류는 전류가 0으로 제어되고, 결선된 3상 인버터의 PWM 동작을 비활성화 시킨다. 그림 6는 제안된 이중 3상 영구자석 동기전동기의 고 효율 운전 전략에 대한 도식을 나타낸다. 토크지령이 입력되면, 이에 해당하는 최고 효율을 내는 운전모드를 선택하고 전류지령을 출력하여 전류 제어기에 입력하는 방식으로 작동한다. 단일 운전모드로 운전 할 경우 사용되는 고정자 권선과 인버터에 열부하가 집중될 수 있다. 고정자 권선의 온도를 피드백받아 사용하는 3상 권선과 인버터의 온도가 일정 온도 이상으로 올라 갈 경우, 사용하지 않는 3상 권선과 인버터로 전환하는 방식을 통해 한 쪽 3상 권선과 인버터로 열부하가 집중되는 것을 방지 할 수 있다. 하지만 본 논문에서는 위와 관련된 내용에 대해서 다루지 않는다.

4. 실험 결과

본 논문에서 제안하는 이중 3상 영구자석 동기전동기의 고 효율 운전 전략을 검증하기 위해서 앞서 그림 4에서 나타낸 것과 같이 각 운전모드의 구동 시스템 전체 효율에 대한 분석을 기반으로 하여 실험을 진행하였다. 그림 7은 본 논문에서 제안하는 이중 3상 영구자석 동기전동기 고 효율 운전 시험 전동기와 실험 환경이다. 실험은 이중 3상 인버터의 스위칭 주파수 5kHz, DC link 전압 400V의 조건에서 진행 하였다. 표 1은 본 논문에서 사용한 이중 3상 영구자석 동기전동기의

파라미터를 나타낸다. 각 운전모드 별 이중 3상 영구자석 동기전동기의 구동시스템 전체 효율은 전력분석기 두 대를 각각 3상 인버터 및 3상 고정자 권선에 연결하여 측정하였다. 구동시스템의 전체 효율은 전동기 속도 1000rpm ~ 6000rpm 영역에서 1000rpm 간격으로, 토크 20Nm ~60Nm 영역에서 10Nm 간격으로 측정하였다. 측정결과는 그림 4에 컬러맵으로 표기 하였고, 전체 효율은 그림 4(c)에서 표기한 효율 경계선을 기준으로 나뉘어 나타난다. 각 운전모드의 전체 효율 변화 추이를 확인하기 위해 그림 8에서 전동기 속도 1000rpm 영역에서 출력 토크만 20Nm에서 60Nm 까지 증가시켰을 때, 구동시스템의 전체 효율을 그래프로 나타냈다. 검은색 실선은 토크의 크기를 나타내고, 빨간색 점선과 파랑색 점선은 각각 단일 운전모드, 이중 운전모드의 전체 효율을 나타낸다. 출력 토크가 20Nm에서 약 51Nm 까지는 단일 운전모드의 전체 효율이 이중 운전모드의 전체 효율 보다 높게 나타나는 반면, 점차 출력 토크가 증가 할수록 이중 운전모드의 전체 효율도 점차 증가하여 약 51Nm부근에서 단일 운전모드 보다 높게 나타난다. 위의 운전 조건에서 이중 운전모드 운전 시 구동시스템 평균효율은 83.2% 이고, 고 효율 운전시 구동시스템의 평균효율은 85.1%으로 본 논문에서 제안하는 운전모드 전환으로 1.9% 의 구동시스템의 평균효율 증가를 기대할 수 있다.

그림 9는 전동기 속도 1000rpm 조건에서 출력토크를 20Nm에서 60Nm으로 제어하였을 때, 운전모드 전환기법을 적용한 전류 파형을 나타낸다. 점선은 전동기 속도 1000rpm 에서의 효율 경계선을 의미하고 효율 경계 토크의 크기는 51.8Nm 이다. 효율 경계선 이전 부분에서는 단일 운전모드로 운전하여, 한 쪽 3상 고정자 권선에 전류를 제어하기 때문에 반대편 3상 고정자 권선의 상전류는 0이다. 토크가 점차 증가하여 효율 경계 토크(51.8Nm)을 넘어서면 운전모드 전환이 발생하고 전동기는 이중 운전모드로 제어된다. 상 전류의 크기는 단일 운전모드에서 제어한 전류의 크기에 거의 절반의 크기로 제어되고, 반대편 3상 고정자 또한 같은 전류의 크기로 제어된다. 토크가 60Nm에서 줄어들어 효율 경계 토크 보다 작아지면 운전모드는 이중 운전 모드에서 단일 운전모드로 전환되고, 한 쪽 3상 고정자 전류는 원래 전류에 거의 두배의 크기로 제어되고, 반대편 3상 고정자의 전류는 0으로 줄어든다.

5. 결 론

본 논문에서는 이중 3상 영구자석 동기전동기의 고 효율 운전 전략을 제안하였다. 이중 3상 영구자석 동기전동기의 독립적인 두 쌍의 3상 고정자 권선 구조로 인해 이중 3상 영구자석 동기전동기는 한 쪽 고정자 권선과 3상 인버터만 사용하는 단일 운전모드와 두 쌍의 3상 고정자 권선과 두 쌍의 3상 인버터를 모두 사용하는 이중 운전모드로 구동 할 수 있다. 운전모드에 따라서 동일 운전포인트에서도 다른 전체 효율이 나타난다. 저 토크 영역에서는 전력모듈의 스위칭 손실과 전류에 의한 고정자 권선의 동손이 작기 때문에 한 쪽 3상 고정자 권선을 이용하는 단일 운전모드의 전체 효율이 이중 운전모드의 전체 효율보다 높고, 토크가 점차 증가 할수록 전류량이 증가하여 단일 운전모드의 고정자 동손이 급격히 증가하기 때문에 두 쌍의 3상 고정자 권선을 모두 이용하는 이중 운전모드의 전체 효율이 단일 운전모드의 전체 효율 보다 높아진다. 이러한 운전모드에 따른 구동시스템의 전체 효율 분석을 기반으로, 현재 운전포인트에서 가장 높은 효율을 내는 운전모드로 구동하는 운전모드 전환기법을 제안하였다. 속도 1000rpm에서 출력 토크만 20Nm에서 60Nm 까지 증가시키는 운전 실험에서, 논문에서 운전모드 전환기법을 구현 및 적용하여, 1.9% 의 구동시스템의 평균효율 증가시켰다.