A new induction machine drive for high performance applications is proposed and described analytically in this thesis. The proposed drive is named as "rotor flux controlled induction machine drive (or shortly RFC IM drive)". The RFC IM drive is different from the well known field oriented control principle. RFC IM drive has many advantages such as independent control of rotor flux and output torque even during transient interval, simple construction and robustness against rotor resistance variations. Also, the torque is directly proportional to the slip frequency without delay. Since the rotor flux can be controlled instantaneously without any coupling, the induction machine can be driven with in field weakening condition at light load. The ripple current magnitude becomes somewhat higher than that of the current regulated pulse width modulation type if single hysteresis control is used. However, it is also reduced successfully by employing double hysteresis control method.
RFC IM drive for solving the coupling problems was very attractive. Besides, the ripple current was also reduced by employing double hysteresis control method. However, the theory of the control method is not well established when the rotor resistance deviates from its nominal value. Therefore, another drive scheme based on the RFC IM drive is proposed. In the proposed drive scheme, the rotor flux and the stator currents are simultaneously controlled. This scheme has many advantage such as the independent control of rotor flux and output torque even during transient interval, simple construction and robustness against the rotor resistance variation. Also, the dynamics performance of the drive scheme is improved further comparing with the simple RFC IM drive. In this proposed machine drive, the influence due to the variation of the rotor resistance is analyzed. A compensation method against the rotor resistance variation for accurate torque control is also presented and analyzed. Simulation results show that the drive scheme can be used successfully for high performance applications.
The other machine drive scheme without speed sensor is proposed and analytically described. The speed sensorless induction machine drive is based on the rotor flux controlled IM drive principle. The slip frequency is instantaneously estimated and the mechanical rotor speed is calculated from the estimated slip frequency. In the slip estimator, the influence due to the variation of the rotor resistance is analyzed. A compensation method of the rotor resistance for accurate estimation and stable operation of the estimator is also presented and analyzed. The simulation results show that the drive system without speed sensor operates well and has good dynamics.
Finally a new dc-side indictor-link series resonant inverter for induction machine drive is proposed. The proposed inverter has a simple configuration and can be implemented using all natural commutation switches. It is shown that the inherent problems of the series resonant inverter such as parasitic oscillation can be eliminated without using damping circuits or special control loops for stabilization. The current regulated pulse width modulation method using the proposed inverter is also presented and analyzed. The proposed inverter can operate on the regenerating mode as well as on the powering mode with always unity power factor. Several features are shown through the simulation and experimental results. One demerit is the complexity of the control circuit, however, the proposed inverter is thought to be a viable technique for induction machine drives because of its numerous merits.
본 논문은 고 성능 응용분야에 적합한 유도기의 구동 시스템에 관한 연구이다. 본 논문의 전반부에는 유도기 구동 시스템의 제어부구성에 대하여 논술하였고 후반부는 본 시스템을 구성하는데 요구되는 인버터로서 새로운 형태의 직렬 공진형 인버터에 관해 논술 하였다. 새로 제안된 유도기 구동시스템은 널리 알려있는 자속 기준 제어원리(field oriented control)와 다른 구동 원리를 갖는다. 본 구동시스템의 회전자 자속은 적은 오차내에서 명령 자속을 추종하도록 제어되고 또한 회전자 자속은 어떠한 결합 문제(coupling problem)도 발생치 않으면서 직접적으로 제어된다. 이러한 이유로 해서, 본 구동 시스템은 회전자 자속 제어법에 의한 유도기 구동 시스템 (RFC IM drive)이라 명명했다.
이 제안된 구동 시스템은 자속기준 제어, 벡터제어 또는 다른 제어법에 나타나는 여러 문제를 해결할 수 있다. 이 제안된 구동 방법에 의해, 천이 상태에서 조차, 회전자 자속과 출력 토오크는 독립적으로 제어되고, 회전자 저항 변화에 대해서도 강건(robust)하다. 또한 토오크는 슬립 주파수에 비례하여 순간적으로 제어된다. 제안된 구동시스템은 상변환 또는 좌표 변환 과정이 필요치 않기 때문에, 자속 기준법에 비해 그 구성이 매우 간단하다. 자속 제어 루프(loop)는 페 루프를 형성하므로, 추정 오차는 궤환 동작에 의해 감소된다.
제안된 구동 방법은 결합문제를 해결하기 위한 매우 우수한 방법이나 고정자 전류의 맥동(ripple current)이 크다는 단점을 갖는다. 이러한 문제는 RFC 방법의 응용 구성에 의해 해결할 수 있다. 즉 회전자 자속과 고정자 전류를 동시에 제어하는 구동 방법을 채택함으로써 리플 전류를 크게 감소시킴과 아울러 일반적인 RFC 방법보다 더욱 우수한 다이나믹 특성을 얻을수 있다. 이 구동시스템에서, 정확한 토오크 제어를 위한 회전자 저항 보상 방법에 대해서도 연구 하였다. 또한 본 논문 연구에서는 회전자 자속 제어법에 의한 유도기 구동시스템을 속도 센서 없이 구성하는 방법에 대해서도 연구 하였다. 이 센서없는 RFC 구동 시스템에서, 슬립 주파수는 순시적으로 추정되고, 이 값으로부터 회전자 속도역시 추정 할 수 있다. 이 시스템에서, 회전자 저항 변화에 따른 영향도 해석 되었으며, 정확한 토오크 제어와 추정기(estimator)의 안정한 동작을 위한 회전자 저항 보상방법에 대해서도 연구 하였다.
본 논문 연구에서는 유도기 구동에 적합한 새로운 형태의 직렬 공진형 인버터를 제안하고 해석 하였다. 제안된 인버터는 직렬 공진형 인버터에 통상적으로 내재된 문제인 불안정한 진동 문제를 발생치 않는다. 또한 제안된 인버터는 단일 방향성을 갖는 자연 환류형 스위치를 사용하여 구성할 수 있다. 제안된 인버터에 요구되는 공진 인덕터와 캐패시터의 크기는 매우 작으며 전체적인 구조는 가장 간단한 구성을 갖는다. 이 제안된 인버터는 4상한 운전이 가능하며 입력 측에서 볼 때 역률 100% 근처에서 운전할 수 있다. 본 논문에서는 이 제안된 인버터를 CRPWM 방식으로 동작시켜 고정자 전류를 제어하여 직접적으로 유도기 구동시스템에 이용할 수 있는 방법에 대해 연구하였다.
