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제품정보 > 파워 아날라이저 전력변환효율, 모터 평가가 가능한 파워 미터

측정 가이드 : 모터 파라미터 Ld, Lq (PW8001)

요약

전기자동차의 모터에는 모터의 회전수를 저속부터 고속까지 효율적으로 제어할 수 있는 고도의 정현파 제어가 활용되고 있으며, 연비와 주행성능을 동시에 만족시키는 데 필수적인 기술입니다.


이 어플리케이션 노트에서는 전기자동차용 모터뿐만 아니라 산업용 고효율 모터로 널리 사용되는 영구자석 동기 모터(PMSM)에서 사용되는 전기 모터의 벡터 제어(필드 지향 제어)에 중요한 모터 파라미터를 측정하는 방법을 소개합니다.

 

 

 q축 인덕턴스와 d축 인덕턴스의 차이점

  

모터의 회전자(로터)와 d축, q축의 관계



Ld, Lq 파라미터란?

모터 파라미터 Ld 및 Lq는 모터의 회전 자기장과 관련된 q축 및 d축의 인덕턴스를 말합니다. 영구 자석 동기 모터 (PMSM) 및 동기 릴럭턴스 모터 (SynRM)의 벡터 제어에 필요한 파라미터입니다.

 

   ■ d축 인덕턴스(Ld): d축은 영구 자석의 자기장 방향과 동일합니다. Ld는 자석의 극 중심을 가리키는 축에서의 모터 인덕턴스를 나타냅니다.

   ■ p축 인덕턴스(Lq): q축은 d축과 직행하는 축입니다. Lq는 토크 생성에 기여하는 전류 성분의 축상 인덕턴스를 나타냅니다.

 

HIOKI의 파워 아날라이저와 모터 파라미터 측정을 위한 PC 소프트웨어를 도입하여 구동 조건에 따라 달라지는 모터 파라미터를 정확하고 효율적으로 수집할 수 있습니다.이러한 Ld와 Lq의 기본적인 차이는 영구 자석의 배치와 모터 구조의 차이에 영향을 미칩니다. 또한 Ld와 Lq는 구동 전류가 증가함에 따라 인덕턴스가 감소하는 전류 의존성을 가지고 있습니다. PMSM과 그 제어 시스템 개발자의 목표는 정확하고 효과적인 모터 제어를 달성하는 것입니다. 이를 위해서는 Ld와 Lq의 전류 의존적 특성을 이해하는 것이 중요합니다.



 

전류 의존성이 있는 d축과 q축의 인덕턴스 예시

 


파워 아날라이저가 Ld, Lq 측정에 적합한 이유

파워 아날라이저는 모터의 전력 효율을 측정하는 것 외에도 Ld와 Lq를 측정하는 데 필요한 고정밀 센싱 및 연산 능력을 갖추고 있어 다른 측정 방법보다 효율적으로 측정할 수 있습니다.


 

파워 아날라이저 PW8001




모터 파라미터 Ld, Lq를 분석할 때 구동 전류의 크기와 위상을 정확하게 감지하고 연산으로 산출합니다. 정확한 측정을 위해 측정 도구는 두 가지 요건을 충족해야 합니다.


   ■ 전압과 전류의 진폭과 위상을 정확하게 측정할 수 있어야 합니다.

   ■ 로터의 회전각을 감지하고 d축을 기준으로 전류를 계산할 수 있어야 한다.


Ld, Lq를 측정하기 위해서는 PWM 제어에 의해 크게 왜곡된 전압과 그로 인해 발생하는 전류의 파형을 바탕으로 정확한 기본파 성분 실효값과 위상 측정이 필요합니다. 이를 위해서는 오실로스코프와 같은 파형 기록계가 아닌 고해상도 및 고정밀 파형 보완 성능과 전용 고조파 분석 기능을 갖춘 전용 기기, 즉 파워 아날라이저가 필요합니다.



 

파워 아날라이저 PW8001은 PWM 인버터의 전압과 전류, 모터 전력 효율을 정확하게 측정

 


모터의 제어 엔지니어는 Ld와 Lq의 측정 결과를 제어 프로그램에 적용하여 모터의 특성 및 효율 향상에 기여하는지 확인합니다. 이때 파워 아날라이저는 모터의 회전 속도와 토크에 따라 변화하는 효율 측정 결과, 모터 파라미터 Ld와 Lq의 측정 결과를 동시에 검증할 수 있어 한 번의 데이터 수집으로 종합적인 평가가 가능합니다.



Ld, Lq 측정

 

Ld와 Lq 인덕턴스는 d축과 q축 전압, 전류로부터 계산됨

 


Ld와 Lq 데이터를 얻기 전에 Ld와 Lq의 연산에 필요한 두 가지 상수(R과 Ke)를 측정해야 합니다. 아래 1단계부터 3단계까지 측정 절차에 대한 개요를 설명합니다.


1. 전기자 저항(R) 측정

HIOKI의 RM3548과 같은 고정밀 저항계를 사용하여 모터의 삼상 권선 저항을 측정합니다. 이 값을 평균하여 전기자 저항 R을 계산합니다.

 

저항계 RM3548을 사용하여 모터의 전기자 저항을 측정


2. 기기 연결

전류 센서와 전압 케이블을 3상 모터 구동 배선에 연결하여 모터 구동 전류, 전압 및 로터 각도를 감지합니다. 위상 영위조정이 필요하므로 부하 모터를 사용하여 DUT 모터를 구동하고 모터 유도 전압을 측정합니다.

 

모터 평가 시스템의 구성

 


3. 위상 영위조정과 유도전압 상수의 계측

파워 아날라이저 PW8001에서 사용할 수 있는 Ld, Lq 측정용 PC 소프트웨어를 사용하면 사용자는 Ld 및 Lq 측정 절차에 따라 설정 흐름을 따라가기만 하면 소프트웨어에서 모든 작업을 완료할 수 있습니다.


PW8001 Ld, Lq Analyzer

 

   ■ 위상 영위조정: 실시간 플롯 그래프를 통해 위상 제로 조정을 직관적으로 확인할 수 있습니다. 그래프 상에 0 deg의 플롯이 올바르게 영위조정 되었음을 나타냅니다.

   ■ 유도 전압 상수 Ke 측정: Ke 값의 안정성을 실시간으로 표시하고, Ld 및 Lq 계산을 위한 상수 Ke 파라미터의 정확한 결정을 지원합니다.


PW8001Ld, Lq Analyzer의 위상 영위조정과 Ke 측정 화면



4. Ld, Lq의 측정

측정 데이터 수집과 모터 파라미터 연산은 모두 자동으로 이루어집니다. 보다 상세한 특성을 파악하기 위해 PC 소프트웨어는 X-Y 그래프를 포함한 Ld 및 Lq 값의 실시간 그래프 작성 및 분석을 수행합니다.


   ■ Ld, Lq의 실시간 플롯

   ■ Ld-Id, Lq-Iq의 X-Y 그래프

   ■ 기본 전력 데이터 및 최대 6개의 모터 전력 파라미터의 실시간 플롯 


Ld, Lq의 실시간 플롯 그래프

 

 

모터 출력 및 효율의 실시간 플롯 그래프

 

 

이 테스트 결과는 파워 아날라이저 PW8001이 모터의 Ld 및 Lq 데이터 수집이 가능하다는 것을 보여주었습니다.



정리

이 기사에서는 다음과 같은 질문에 대한 답을 제시했습니다.


   ■ 모터의 Ld 및 Lq의 정확한 값이 중요한 이유

   ■ 모터의 Ld 및 Lq를 측정하는 방법


모터의 고도의 벡터 제어(필드 지향 제어)는 다양한 작동 조건에서 Ld와 Lq를 정확하게 식별하고 성능 향상을 검증함으로써 실현됩니다.



HIOKI의 파워 아날라이저 PW8001은 고정밀 전력 측정이라는 기본적인 역할뿐만 아니라 모터 파라미터 측정에도 최적임이 입증되었습니다. 

계측 하드웨어뿐만 아니라 설정 작업과 데이터 수집을 용이하게 하고 직관적인 분석을 제공하는 소프트웨어를 도입하여 평가 공수를 줄이고 개발 기간 단축에 기여합니다. 


PW8001 Ld, Lq Analyzer 소프트웨어는 여기에서 다운로드할 수 있습니다.