인버터 테스트

인버터는 전기 구동 시스템의 파워트레인의 일부입니다. 효율성을 개선한다는 것은 HBK의 전력 테스트 솔루션에서 제공하는 시간 상관 관계가 있는 빠르고 지속적인 측정을 기반으로 전력을 안정적으로 계산하는 것을 의미합니다.

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From Component to Vehicle Energy Management. Engineer writing graphics on a transparent wall with an electric power cube charging cars, helicopters, electricity poles, wind turbines and nuclear power

전기 기계 및 전기 인버터의 효율 테스트 - 사용자 관점에서 설명

전기 모터 구동 시스템을 설계할 때 용도가 무엇이든 관계없이 다음 세 가지 요소가 있습니다.

전원 공급 장치
전력 변환기
모터

이러한 요소는 종종 DC 버스 역할을 하는 배터리, 즉 DC 전력을 AC 전력으로 변경하는 인버터와 AC 전력을 사용하여 전기 에너지를 기계 전력으로 변환하는 모터의 형태로 제공됩니다. 이를 전자-기계 전력 변환이라고도 합니다.

엔지니어들이 달성하고자 하는 것은 무엇일까요?

이러한 시스템을 설계할 때 엔지니어는 일반적으로 드라이브 사이클 전반에서 효율성을 극대화하려고 합니다. 가능한 한 많은 포인트에서 앰프당 토크를 최대화하여 이를 수행합니다. 이는 때로는 영리한 기계 설계로 이루어지기도 하고, 적절한 제어 기술을 구현하여 수행되기도 합니다. 이 목표를 극대화하려면 인버터, 제어 장치 및 모터가 모두 잘 작동해야 하지만 이러한 요소는 별도로 개발되는 경우가 많습니다. 이로 인해 매우 효율적인 모터와 같은 문제가 발생하지만 인버터의 효율성이 떨어집니다. 이로 인해 시스템 수준의 작업자와 엔지니어는 시스템 전체에서 역률을 최대화하려고 노력하게 되었습니다. 모터 드라이브의 효율을 높인다면 효율성이 약간 떨어지는 모터를 사용하는 것이 좋습니다.

이 기사에서 Mitchell Marks는 전기 인버터 및 기계 테스트의 기본 및 요구 사항을 설명합니다. 이 애플리케이션에 대해 그가 좋아하는 점:

모터는 깨끗하고 신뢰할 수 있었기 때문에 제어할 수 있는 능력이 없었음에도 불구하고 100년 동안 산업계를 장악했으며, 그냥 연결하기만 하면 작동합니다. 이제 이를 제어할 수 있게 되었으므로 휴대폰에서 잠수함에 이르기까지 모든 곳에 통합되고 있습니다. 많은 애플리케이션이 있기 때문에 작업이 끝나지 않을 것이며 하루하루가 다 다를 것입니다.

전원 공급 장치는 어떻습니까?

이러한 애플리케이션의 전원 공급 장치는 거의 항상 배터리이지만 때로는 전력선에서 DC 버스를 생성하는 정류기 시스템이 있을 수 있습니다. 이 DC 버스는 인버터에 공급되는 DC-DC 컨버터를 사용하여 올리거나 내릴 수 있습니다. DC-DC 컨버터는 인버터가 원하는 수준으로 DC 버스를 조정하기 위해 배터리 시스템에 포함될 수도 있습니다. 이러한 배터리는 일반적으로 리튬 이온 구조이며 자동차 애플리케이션의 경우 200-400V 범위이지만 600-800V까지 높을 수 있습니다. 많은 사람들이 그보다 더 높은 곳을 선택하는 것은 아닙니다. 왜냐하면 그렇게 많은 DC 전위를 가지고 일하면 삶이 훨씬 더 어려워지기 때문입니다.

인버터의 역할

인버터는 모든 전력 변환 및 제어가 이루어지는 곳이기 때문에 시스템에서 매우 중요한 부분입니다. 인버터는 일반적으로 6개의 스위치 (3상 작동용) 로 구성되며, 이 스위치는 특정 패턴으로 열리고 닫혀 AC 전원을 생성합니다. 이 패턴은 대개 9kHz와 25kHz 사이의 스위칭 주파수에서 실행됩니다. 9kHz 미만의 주파수는 매우 잘 들리지만 고전력 애플리케이션의 경우 손실을 줄이려면 더 낮은 스위칭 주파수가 필요합니다. 높은 스위칭 주파수는 스위치의 물리적 한계와 스위칭 손실 증가 모두에 의해 제한됩니다. 일반적으로 이러한 스위치는 IGBT 또는 MOSFET입니다. 전류 수준은 스위치의 선택을 결정합니다. MOSFET은 일반적으로 저전력에 적합합니다. IGBT는 더 높은 전력을 의미합니다. 주파수가 높을수록 패시브 장치를 더 작게 만들고 제어력을 높일 수 있습니다. 이로 인해 와이드 밴드갭 장치에 많은 자금이 투자되었습니다. 이들은 일반적으로 실리콘 카바이드 또는 갈륨 나이트라이드 (GAN) 디바이스입니다. 이러한 장치는 손실이 적으며 일반적으로 더 높은 전류 및 스위칭 주파수에서 작동할 수 있습니다. 지금 당장은 엄청나게 비싸고 그다지 튼튼하지는 않지만 미래가 될 것입니다.

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전기 모터 및 발전기의 효율 결정

순 제로 미래에는 재생 가능 에너지 생성, 전기 개인 자동차, 상업용 차량, 배터리 전기 구동 시스템이 장착된 항공기 및 전기 엔진이 장착된 선박이 주도할 것입니다. 이 백서는 기계 및 전기 측면의 더 나은 상호 연결을 통해 전기 모터 및 발전기의 효율 결정을 개선하고 총 측정 불확실성을 줄이는 방법을 보여줍니다.

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제어권을 인수하는 중인가요?

통제력은 누구나 자신이 구체적으로 어떻게 수행하는지에 대해 입을 다물고 있는 분야입니다. 소프트웨어이기 때문에 쉽게 비밀로 유지할 수 있습니다. 컨트롤러는 토크와 속도를 확인하고 스위칭 주파수, PWM (펄스 폭 변조) 방법 및 효율성 최적화 방법을 결정합니다. 이러한 측면은 주기 전반에 걸쳐 빠르게 변할 수 있습니다. 모터 유형에 관계없이 대부분의 제어 유형은 자속기준제어 (FOC) 버전입니다. Deadbea 전류 제어가 성장 추세이지만 모든 제어는 폐쇄형 루프 전류 제어가 될 것입니다. 컨트롤은 직접 직교 위상 (dq0) 기준 프레임 변환이 일어나는 곳입니다. 이것은 시스템에 필요한 것을 기반으로 3단계 PWM을 시각화하고 제어하기 위한 수학적 변환입니다. 이는 단순히 위치 참조를 사용하여 사인과 코사인을 조작하여 3단계를 2처럼 보이게 하는 것입니다 (사소하지 않음).

The history of the math for controlling and understanding the induction machine took about 50 years for people to solve. It is amazing that we were using the machine 50 years before we could understand it!

Black and white portrait of Mitch Marks, Business Development Manager - EPT (Electric Power Testing), Electrification at HBK

Mitch Marks HBK

모델을 검증해야 합니다

모든 사람은 어떤 일을 하기 전에 컴퓨터 모델을 사용합니다. 모델은 저렴하며 최적화된 방식뿐만 아니라 매우 빠르게 실행할 수 있습니다. 모터와 컨트롤러를 만드는 것은 빠른 프로세스가 아닙니다. 모터 및 제어 최적화는 모델 및 FEA에서 수행됩니다. 누구나 무언가를 만들기 전에 이 작업을 수행합니다. 모델은 모터와 인버터 동작을 예측하는 데 매우 뛰어나며 믿을 수 없을 정도로 유용한 도구입니다. 대부분의 장소에는 모델 작업을 하는 엔지니어 그룹이 있습니다. 연구원들은 모델 검증을 사용하면 모델에 대한 신뢰도가 높아지기 때문에 모델 검증을 좋아합니다. 따라서 이러한 모델을 사용하여 모터 및 제어 동작을 예측할 수 있기 때문입니다. 이는 당사 제품이 적용되어 모델을 검증할 수 있는 영역입니다.

결국 대부분의 응용 분야에는 크기 제한과 비용 제한이 있기 때문에 모터 설계가 시작되기도 전에 많은 변수가 결정됩니다.

따라서 그룹이 사용하려는 제어 체계를 기반으로 토폴로지와 세부 정보를 선택할 수 있습니다. 냉각 방식과 모터 와인딩 방식도 선택할 수 있습니다. 모터의 주요 유형은 유도, 영구 자석, 권선 필드 및 스위치드 저항입니다. 유도 전동기는 제어하기 가장 쉽고, 우리가 가장 잘 이해하고 있으며, 산업의 총체적인 주력 제품입니다. 그러나 이들의 단점은 현장을 흥분시켜야 하기 때문에 손실이 발생한다는 것입니다. 영구 자석 (PM) 모터는 자석이 로터에 손실을 주지 않고 로터 필드를 공급하기 때문에 전력 밀도가 높기 때문에 효율성이 중요하고 크기가 제한되는 응용 분야에서 많이 사용됩니다. 이러한 PM 모터는 다양한 모드에서 작동할 때 인버터와 많은 냉각 및 관리가 필요합니다. 또한 정전력 속도 비율 CPSR에서는 필드를 쉽게 약화시킬 수 없기 때문에 손실되는 단점도 있습니다. 자기장 약화는 기계의 속도를 높이기 위해 로터의 자기장을 줄이는 방법입니다. q축 전류를 주입하여 인덕션 머신 또는 PM 머신의 자기장을 약화시킬 수 있습니다. FOC의 q축 (토크 제어에 사용) 또는 d축 (회전자 필드 제어에 사용) 전류의 양을 제어해야 하기 때문에 많은 그룹이 dq0 플롯을 실시간으로 모니터링하는 데 관심을 갖습니다. PM 머신의 경우 자기장 약화 시 자석이 제거될 수 있고 역기전력 모니터링이 필요할 수 있으므로 더 많은 사항을 고려해야 합니다. 동기 릴럭턴스 (SR) 모터는 매우 단순한 로터를 사용하는데, 이는 단순히 특정 패턴의 라미네이션입니다. 이 모터는 릴럭턴스 토크 특성을 사용하여 회전 운동을 생성합니다. 이 모터는 구조가 단순하기 때문에 다양한 응용 분야에서 매우 유용하지만 많은 양의 소음과 진동을 발생시키는 단점이 있습니다. 이러한 이유로 특정 시나리오에서만 사용되었습니다. 이러한 기계를 테스트하는 동안 연구자들은 주로 어떤 토크와 속도 진동이 가장 강한지에 대한 진동 맵을 만드는 데 관심이 있습니다.

모터가 차가울수록 손실이 적고 손실이 적을수록 효율이 높아집니다.

또한 자석이 너무 뜨거워지면 특정 영역에서 자석이 제거되어 매우 나빠질 수 있습니다. 따라서 권선과 스위치를 시원하게 유지하는 것이 매우 중요합니다. 스위치는 손실이 더 크며 너무 뜨거워지면 폭발할 수도 있습니다. 연구원들은 기계 효율성을 높이기 위한 냉각 전략을 모색하는 데 많은 설계 시간을 할애합니다. 냉각 시스템은 종종 물, 오일 또는 글리콜을 펌프로 뽑아 열을 제거하고자 하는 영역에 분사합니다. 냉각 장비에 가해지는 스트레스로 인해 모터 온도 모니터링은 작동 및 테스트의 중요한 부분이 되었습니다. 테스트에는 온도 모니터링을 위한 열전대가 있으며, 이 열전대는 기록을 남기거나 제어 시스템으로 전송되어 종료됩니다. 이러한 기록된 값을 데이터와 동기화하면 연구자가 제어에 따라 온도 변화가 언제 어디서 발생했는지 알 수 있어 흥미로울 것입니다. 이것은 데이터를 모델 검증에 사용할 수 있는 또 다른 영역입니다.

효율성 높이기

위에서 언급한 많은 주제를 다루는 가장 좋은 방법은 효율성 매핑과 다이노 테스트 또는 동력계 테스트입니다. 누구나 시스템의 효율성을 높이고 싶어합니다. 원시 데이터를 갖는 것은 이를 위해 중요합니다. 왜냐하면 무언가 잘못되면 이전 테스트를 참조할 수 있고 또한 후처리 프로그램에서 심층적인 분석을 수행할 수 있기 때문입니다. 예를 들어, nCode GlyphWorks 또는 MATLAB. 게다가 이는 동적 테스트에서 가장 중요합니다. 동적 로딩을 수행하거나 드라이브 사이클을 테스트할 때 원시 데이터가 없으면 효율성이 이상하게 부정확해질 수 있기 때문입니다.

테스트를 시작하면 DC 버스 전압이 설정되고 그 뒤에 속도가 설정됩니다.

그런 다음 일정한 토크로 기계에 부하를 가합니다. 장비 범위 내에서 사용할 수 있는 모든 원하는 토크와 속도에 대해 이 작업을 수행할 수 있습니다. 그러면 원하는 모든 설정점에 대한 효율성이 제공되고 효율성 맵을 얻을 수 있습니다. 이 포인트는 특정 온도 범위에서 측정됩니다. 설정점에서 측정하기 위해 기계가 냉각될 때까지 기다려야 하는 경우도 있습니다. 이 때문에 HBK의 eDrive 테스트 시스템은 고객의 시간을 크게 절약할 수 있습니다. 테스트 포인트를 몇 초가 아닌 몇 주기로 측정하면 기계가 가열되는 데 걸리는 시간이 줄어들기 때문입니다.

종종 사람들은 기계의 한계를 시험해 보고, 기본적으로 그것을 날려버리거나 시도하기도 합니다. 그들은 기계의 기계적 한계를 알기 위해 최대 속도를 달성하기 위해 노력할 것입니다. 트리거링 및 데이터 버퍼 기능을 통해 연구원은 기계가 어디에서 고장났는지뿐만 아니라 어떻게 고장났는지 이해할 수 있습니다.

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이를 통해 HBM, Brüel & Kjær, nCode, ReliaSoft, Discom 브랜드가 하나로 통합되어 더 깨끗하고 건강하며 생산적인 세상을 위해 더 빠르게 혁신할 수 있도록 지원합니다.

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인버터 테스트

전기 기계 및 전기 인버터의 효율 테스트 - 사용자 관점에서 설명

엔지니어들이 달성하고자 하는 것은 무엇일까요?

전원 공급 장치는 어떻습니까?

인버터의 역할

전기 모터 및 발전기의 효율 결정

제어권을 인수하는 중인가요?

모델을 검증해야 합니다

효율성 높이기

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