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제품정보 > 파워 아날라이저 전력변환효율, 모터 평가가 가능한 파워 미터

가변속 구동 모터의 손실 분리와 효율 맵 작성 (PW8001)

요약

 

 

시작하며

전기자동차의 모터는 저속부터 고속까지 효율적으로 출력을 낼 수 있어야 합니다.

따라서 모터의 회전수와 토크를 변화시켜 각각의 파라미터 값에서 어느 정도의 효율로 동작하고 있는지를 나타내는 효율 맵을 작성하는 것이 중요합니다.

본문 에서는 영구자석 동기 모터(PMSM)의 효율을 측정하고, 측정값을 바탕으로 만든 효율 맵을 소개합니다.

 

인버터 출력과 모터 출력, 손실의 관계

그림1: 모터 출력과 손실

 

인버터에서 모터로 전압이 공급되면, 모터 권선에 전류가 흐르며 고정자에 자속이 발생합니다. 이때 자속이 만들어내는 자기장에 의해 로터가 회전하게 됩니다.

PMSM은 인버터 출력 전압의 기본파에 동기화되어 회전하기 때문에, 기본파 성분이 모터 출력에 기여합니다. 이때, 기본파 성분의 일부는 철손실과 구리손실으로 소모됩니다.

한편, 고조파 성분과 스위칭 주파수 같은 고주파 성분은 출력에는 기여하지 않고 모두 손실로 작용합니다.

​

 

모터 효율의 측정

그림2: 인버터의 전압 및 전류 파형

 

파워아날라이저로 모터 시스템을 측정하면 인버터의 전체 출력뿐만 아니라 기본파의 출력만 측정할 수 있습니다.

또한 모터의 토크와 회전수를 측정하여 모터의 출력을 측정할 수 있습니다. 파워아날라이저는 이 값들을 바탕으로 효율과 손실을 내부적으로 계산하는 기능이 있습니다.

따라서 효율 맵 작성에 필요한 측정 데이터를 쉽게 수집할 수 있습니다.

 

그림3: 기본파 출력과 모터 출력의 측정

 

 

손실 분리: 구리 손실과 철 손실

모터의 효율을 향상시키기 위해서는 구리 손실과 철 손실을 분리하여 각각의 손실을 식별해야 합니다.

구리 손실은 권선의 저항으로 인해 손실이 발생합니다. 철 손실은 와전류 손실과 히스테리시스 손실로 구성되며 자기장과 주파수의 영향을 받습니다.

전력 분석기로 이러한 손실을 분리하여 각각의 동작 조건에서 손실을 맵으로 표현할 수 있습니다.

​

● 구리 손실 계산

​

모터의 구리 손실은 모터의 코일에 전류가 흐를 때 코일의 권선 저항으로 인해 발생하는 손실입니다.

따라서 모터의 권선 저항을 미리 측정하고 파워아날라이저로 측정한 전류(Irms)를 통해 구리 손실을 구할 수 있습니다.

그림4: 저항계 RM3548을 사용한 모터의 권선 저항의 측정


전력 분석기에서는 기본파 전류(Ifnd)도 측정하므로 모든 구리 손실(Pc)뿐만 아니라 기본파의 구리 손실(Pcfnd)도 구할 수 있습니다.

모터의 각상의 권선 저항 값을 R1, R2, R3으로 가정하면 각각의 구리 손실은 다음 식을 통해 계산할 수 있습니다. Pc와 Pcfnd의 차이가 고조파 및 고주파 성분에 의한 구리 손실(Pchrm)이 됩니다.

 

 

 파워아날라이저에는 '사용자 정의 연산(UDF)'이라는 기능이 있어 공식을 정의해두면 측정한 값과 함께 구리 손실을 구할 수 있습니다.

그림5: '사용자 정의 연산' 설정의 예


그림 6: 전체 구리 손실 Pc(UDF1) 및 기본파 구리 손실 Pcfnd(UDF2)

 

● 철 손실의 계산

철 손실은 지금까지 구한 출력이나 손실에서 구할 수 있습니다.

 

 

여기에는 기계손실도 포함되지만, 기계손실은 분리 측정이 어렵고 일반적으로 비중도 작기 때문에, 본 자료에서는 철 손실에 포함시켰습니다.

 

효율 맵 작성

모터의 출력은 모터의 토크와 회전수에 따라 결정됩니다. 전기자동차와 같이 다양한 회전수와 토크에서 동작해야 하는 모터에서는 동작 조건에 따라 구리 손실과 철 손실이 어떻게 분포하는지를 파악하는 것이 설계 개선에 도움이 됩니다. 따라서 작동 조건에 따른 효율과 손실 맵(총 손실, 구리 손실, 철 손실)을 작성하여 인버터와 모터 설계에 도움을 줄 수 있습니다.

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● 효율맵의 작성 예

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이렇게 얻은 데이터를 바탕으로 MATLAB*을 사용하여 효율 맵을 만들었습니다.

* MATLAB은 MathWorks의 소프트웨어 제품입니다.

그림 7: 효율 맵의 예

 

고정밀 모터 효율 맵을 만들기 위해

지금까지 살펴본 바와 같이 모터의 효율과 손실은 인버터의 출력과 모터의 출력으로 구할 수 있습니다. 그러나 다음과 같은 이유로 모터 효율과 손실을 정확하게 측정하기 어렵습니다.

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  • 인버터 출력은 PWM 변조되어 스위칭 주파수와 그 고조파 성분을 포함하기 때문에 광대역 전력 측정이 필요합니다.

  • 인버터의 고조파 전력은 역률이 낮기 때문에 측정기의 위상 오차가 크면 고조파 전력을 정확하게 측정할 수 없습니다.

  • 모터는 저속부터 고속까지 넓은 회전수 영역에서 동작하기 때문에 전 동작 영역에서 고정밀 측정이 요구됩니다.

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PW8001은 DC에서 5MHz까지 넓은 주파수 대역을 커버하며 기본 정확도를 0.03%로 측정할 수 있습니다.

또한, 정밀도가 높은 전류 센서를 이용한 대전류 측정이 가능하며, 전류 센서 위상 보정 기능을 통해 낮은 역률에서도 높은 정확도로 측정할 수 있습니다.

 

그림 8: 역률 0에서의 PW8001의 주파수 특성

 

마무리

본문에서는 전력 효율과 손실에 관한 이론을 바탕으로 PWM에 의해 구동되는 PMSM의 측정, 손실을 구리 손실과 철 손실로 분리하는 방법, 효율과 손실 맵을 작성하는 방법을 설명했습니다. 그리고 연구개발 및 설계에서 모터 효율 향상을 위한 실용적인 측정과 연산 방법, 그리고 측정 시 발생하는 문제를 HIOKI의 PW8001​과 전류 센서를 통해 어떻게 해결할 수 있는지에 대해 소개하였습니다.

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PW8001의 고정밀 측정 능력과 높은 분석 능력이 귀사의 연구개발을 어떻게 향상시킬 수 있는지에 대해 더 자세히 알고 싶으시다면 PW8001 제품 페이지를 보시거나 문의 페이지를 통해 문의해 주시기 바랍니다.