KR0132510B1 - 인버터 장치의 전류 억제 방법 - Google Patents

인버터 장치의 전류 억제 방법

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Abstract

본 발명은 인버터 장치에서 과전류에 의한 인버터의 트립을 방지하는 전류억제 방법에 관한 것으로 제어 CPU가 현재 인버터의 출력 전류를 CPU내의 A/D콘버터를 통해 읽어서 억제기준 전류보다 커진 경우 인덱스값을 낮추도록 PWM발생부로 입력되는 인덱스값을 제어함으로써, 인버터의 출력전압을 조정하여 전류의 억제를 달성할 수 있도록 한 전류억제 방법에 관한 것이다. 따라서 본 발명에 의하면 전류파형의 왜곡을 방지하고 파우어 소자의 파괴는 방지할 수 있다.

Description

인버터 장치의 전류 억제 방법
제1도는 종래 인버터 장치의 회로도.
제2도는 종래 전류 억제 신호 발생부의 상세도.
제3도는 종래 PWM 발생부의 상세도.
제4도는 종래 인버터부의 손실을 설명하기 위한 그래프.
제5도는 종래 PWM 발생부와 인버터부에서의 파형도.
제6도는 종래 전동기의 전류 파형도.
제7도는 본 발명 인버터 장치의 회로도.
제8도는 본 발명의 동작 흐름도.
제9도는 본 발명의 전류 억제를 위한 제1실시예의 동작 흐름도.
제10도는 본 발명의 전류 억제를 위한 제2실시예의 동작 흐름도.
제11도는 제2실시예의 pi제어기 구성도.
제12도는 본 발명에 따른 전동기의 전류 파형도.
제13도는 정상적인 상태에서의 인덱스 값, 출력전압, 출력주파수의 관계그래프.
제14도는 인덱스에 대한 설명도이다.
본 발명은 인버터(Inverter)장치의 전류 억제방법에 관한 것으로, 특히 인버터 장치에서의 과전류에 의한 인버터의 트립(Trip)을 방지할 수 있도록 한 전류 억제방법에 관한 것이다.
일반적으로 인버터는 유도 전동기의 속도 제어를 위해 사용되는 제어기로 산업현장에서 광범위하게 이용되고 있다.
종래 유도 전동기의 속도를 제어하기 위한 인버터 및 주변회로의 구성은 제1도와 같다.
3상전원(1)의 교류를 직류로 변환시키는 정류부(2)와, 상기 정류부(2)를 통해 정류된 직류 전압을 평활시키는 평활용 콘덴서(C)와, 다수의 트랜지스터로 구성되어 직류 전압으로부터 특정주파수, 특정 전압의 교류 전압을 출력시키는 인버터부(3)와, 인버터부(3)에서 유도전동기(4)로 입력되는 전류를 검출하는 전류 검출부(5)와, 상기 전류 검출부(5)를 통해 검출된 억제 기준전류를 비교하여 억제신호를 생성하는 전류 억제신호 발생부(6)와, 전압지령치를 외부에서 키보드로 셋팅하거나 가변 저항을 조절하여 입력되는 인덱스(Index)를 출력하는 CPU(7)와, 상기 CPU(7)로부터 인덱스값을 입력받고 전류 억제 신호 발생부(6)로부터 억제신호를 입력받아 상기 인버터부(3)의 각 트랜지스터를 구동하기 위한 구동 신호를 출력하는 PWM 발생부(8)를 포함하여 구성된다.
이와 같이 구성된 종래의 동작을 살펴보면 유도 전동기(4)에 입력되는 전류, 즉 인버터부(3)의 출력 전류를 전류 검출부(5)에서 전류 변형기(current transformer)등을 이용하여 검출한다.
또한, 검출된 전류를 제2도와 같이 비교기(IC1)로 구성된 전류 억제 신호 발생부(6)에서 억제 기준전류와 비교하여 검출전류가 억제 기준 전류보다 초과할 때 로우레벨을 출력하고 억제 기준 전류가 검출전류보다 초과할 때 하이레벨을 출력한다. 따라서, 전류 억제 신호 발생부(6)의 출력 레벨과 CPU(7)의 인덱스 입력을 제3도와 같이 다수개의 앤드게이트(A1- A6)로 구성된 PWM 발생부(8)에서 각각 논리곱하여 각 앤드게이트의 출력 (U+)(U-)(V+)(V-)(W+)(W-)을 인버터부(3)로 출력시키므로 트랜지스터의 구동회로를 차단한다.
제6도는 PWM발생부(8)의 출력전류 파형을 나타낸 것이다.
그러나, 상기와 같은 종래의 전류억제 방법은 전류 억제 동작시 전류 억제 신호 발생부(6)의 출력이 제5도와 (a)와 같이 전류 파형의 왜곡이 심하여 높은 주파수의 온.오프를 반복하게 되므로 인버터부(3)의 트랜지스터 스위칭시 열손실이 발생하게 된다.
즉, 제4도 (a)와 같이 파우어 소자에 전류(ic)가 흐르고 그 상황에서 VCE그림과 같을 때 제4도 (b)와 같이 파우어 소자에서 손실이 발생하여 이 손실이 결국 열로 나타나게 된다.
따라서, 이와 같은 열손실이 누적되어 과부하 상태가 오래 지속되는 경우 트랜지스터가 파괴되기 쉬운 문제가 있다.
이와 같은 종래의 문제를 해결하기 위한 것으로 제어 CPU에서 전류를 읽어서 PWM발생부로 입력되는 인덱스값을 제어함으로써 인버터의 출력전압을 조정하여 전류의 억제를 달성할 수 있는 인버터 장치의 전류억제 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 인버터 장치의 전류억제 방법의 특징은, 모터의 3상중 2상의 실전류 순시값(ia,ic)을 읽어 3상전류를 2상으로 변환하여 전류순시치의 피크를 계산하는 단계와, 상기 전류 순시치의 피크 억제 기준 전류를 비교하여 억제 기준 전류를 초과하면 인덱스를 인덱스변화분(△i)씩 감소기키고, 억제 기준 전류를 초과하지 않으면 인덱스를 인덱스변화분(△i)씩 증가시키는 단계와, 상기 인덱스를 인덱스변화분(△i)씩 증가시킨 상태에서 인덱스와 정상 인덱스의 크기를 비교하여 정상 인덱스값이 크면 인덱스값을 출력하고 정상 인덱스값이 작으면 정상인덱스값을 인덱스값으로 하여 출력하는 단계로 이루어진 점에 있다.
본 발명의 인버터 장치의 전류억제 방법의 다른 특징은, 모터의 3상중 2상의 실전류순시값들을 읽는 단계와, 상기 실전류 순시값들에서 3상 전류를 2상으로 변화시켜 전류 순시치의 피크를 계산하는 단계와, 상기 전류 순시치의 피크의 에러량과 억제 기준 전류를 비례 적분 제어하여 전류 순서치의 피크가 억제 기준 전류를 초과하면 정상 인덱스보다 감소된 인덱스 값을 출력하고 전류 순서치의 피크가 억제 기준 전류와 작으면 정상 인덱스값을 출력하는 단계로 이루어진 점에 있다.
이러한 특징을 갖는 본 발명은 기존 전류 억제 신호 발생부를 삭제하고 검출된 전류를 CPU에서 직접 파악하여 CPU의 소프트웨어에 의해 인덱스를 제어하게 구성하는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명에 따른 인버터 장치의 전류억제방법의 바람직한 일 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
먼저, 인덱스(index)는 PWM에서 사용되는 용어로서, 출력전압의 크기(amplitude)를 뜻한다. 예를 들어 사인파 PWM의 경우에 출력주파수가 결정되면 V/F- 일정에 의해서 출력전압을 계산한다.
즉, 제14도(a)와 같이 인버터의 출력주파수(F*)가 결정되면 유도 전동기를 정토큐(Torgue)로 운전하기 위해서 일정(V/F-일정)(㉮)제어를 한다.
220V,60HZ의 3상 유도 전동기의 경우는 제14도 (b)와 같다.
따라 펄스폭V1을 변조(PWM)하기 위해서는 제14도(a) ㉰의 삼각파를 이용하여 펄스폭변조(PWM)를 해야 하는데 이를 위해서는 사인파(㉯)(Msinθ)만들어야 한다.
여기서 M을 인덱스라 하고 출력전압과 인덱스(M)와는 제13도와 같은 관계를 갖는다.
따라서, 정상 인덱스란 제13도와 같은 인덱스를 말하며 예를 들어, 주파수가 38HZ이면 전압은 110V이고 인덱스는 8.5가 된다.
그리고 디지탈 제어를 하는 펄스폭 변조의 경우, 제14도(a)의 ㉯에서 사인파(Msinθ)가 결정되면 CPU(7)가 계산하여 제14도(a)의 ㉱와 같은 트랜지스터 베이스 드라이브 펄스(Trausistor Base Drive Pulse)를 만들어 낸다.
즉, CPU의 인터럽트 주기를 T라 하면 제14도(a)의 ㉰삼각파와 ㉱의 사인파는 제14도(c)와 같은 관계를 갖는다.
T1= T/2(1-M Sinθ), T2= T/2(M Sinθ) . . . . . . . . (식1)
결론적으로 인덱스라 함은 계산된 전압을 PWM방식으로 출력하기 위하여 CPU가 식(1)을 계산할 때 이용하는 M을 뜻하는 것이다.
제7도는 본 발명의 유도 전동기 속도를 제어하기 위한 인버터 및 주변 회로 구성도이고, 제8도는 본 발명의 동작흐름도를 나타낸 것으로 동일 부분에 대하여는 동일 부호를 사용하며 동작설명은 생략한다.
이는 종래의 구성과 거의 같으나 제1도에서의 전류 억제 신호 발생부(6)를 사용하지 않고 전류 검출부(5)의 출력을 cpu(7)의 A/D(아나로그/디지탈)콘버터에서 입력받아 PWM발생부(8)로 인덱스를 출력시키도록 구성한 것이다.
이와 같이 구성된 본 발명의 인버터 장치의 전류억제 방법은 상기에서 설명한 계산식(1)을 매 인터럽트마다 수행하는 순서도로써 매인터럽트(T초)마다 반복되는 것이다.
즉, 인덱스가 전류제한 레벨을 초과하는 경우에는 출력전압을 감소시키기 위해서 모듈레이터(Modulnfor)의 모듈레이션 인덱스(Modulation Index)를 일정량 가소시키고 그렇지 않을 경우는 정상 인덱스를 출력한다.
또한 이러한 전류제한 알고리즘은 100Msec주기의 인터럽트에서 수행한다.
이하, 본 발명의 제1실시예를 제9도를 참고로 하여 설명한다. 이 실시예에서는 CPU(7)가 100μsec마다 수행하는 인터럽트 서비스 루틴(interrupt service routine)에서 수행하게 된다.
먼저 CPU(7)내의 A/D콘버터로 실전류 ia, ic(모터의 3상(a, b, c)중에서 a상, c상의 전류)순시값을 읽고 ia, ic로 부터 id, ig(3상 전류를 2상으로 변환시킨 값)를 계산하여 전류의 손시치 ipeak를 계산한다.
만일 전류의 순시치 ipead가 억제 기준전류보다 크면 인덱스를 △i(인덱스 변화분)씩 감소시키고, 반대의 경우에는 △i값이 커지면 응답성이 빨라지게 되며 △i의 변화량은 전동기의 용량이나 응답속도에 따라 가변한다.
다음에, 인덱스값과 정상 인덱스값을 비교하여 정상 인덱스 값이 크면 인덱스값을 출력하고 정상 인덱스값이 작으면 정상 인덱스값으로 하여 출력한다.
예를 들어 현재 인버터부(3)의 출력전류가 억제 기준 전류값을 초과하는 경우 상기 제1실시예와 같은 방법에 의하여 CPU(7)에서 인덱스값을 낮추어 PWM발생부(8)로 입력시키며 이렇게 인덱스값이 낮아짐에 따라 인버터부(3)에서 발생되는 전압이 정상치보다 낮아지므로 인버터부(3)의 출력 전류는 감소하게 된다.
이러한 전류 억제 동작시의 전류 파형은 제12도와 같이 파형의 왜곡이 거의 없으며 또한 정상때와 마찬가지의 스위칭 주파수를 유지하게 된다.
이하, 본 발명의 제2실시예를 제10도를 참고로 하여 설명한다. 제2실시예는 비례적분 (Pi)제어기를 이용한 것으로 제1실시예에서와 마찬가지로 CPU(7)에의 A/D콘버터로 실전류 ia, ic 순시값을 읽고 전류의 순시치 ipeak를 계산한다.
다음에 전류의 순시치 ipeak의 에러량과 억제기준 전류를 제11도와 같이 비례회로(10)와 적분회로(11)로 구성된 pi제어기(9)에 입력하고 pi제어기(9)의 출력을 정상인덱스와 더해서 인덱스값으로 출력한다.
이때에도 인덱스 출력은 정상 인덱스를 넘지는 못한다.
즉, ipead가 억제 기준 전류를 초과하면 에러가 (-)가 되고 pi제어기(9)의 출력도(-)가 되어 출력되는 인덱스값은 정상 인덱스보다 감소하게 된다.
만일 ipeak가 억제 기준 전류보다 작으면 에러가 (+)가 되고 pi제어기(9)의 출력도(+)가 되어 인덱스값은 정상 인덱스 + 제어기 출력이 되나 리미터(12)에 의해 정상 인덱스값으로 제한되어 결국 정상 인덱스값을 출력하게 된다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명은 CPU(7)에서 현재 인버터부(3)의 출력전류를 읽어 억제기준 전류보다 커진 경우 인덱스값을 낮추어 인버터 출력전압을 낮추어 줌으로써 결국 인버터(3)의 출력 전류를 억제 할 수 있어 정상때(제3도 참조)와 마찬가지의 스위칭 주파수를 유지할 수 있기 때문에 제12도와 같이 파형의 왜곡이 거의 없어 전류 파형의 왜곡을 방지할 수 있을 뿐만아니라 파워 소자의 파괴를 방지할 수 있는 효과가 있다.

Claims (2)

  1. 모터의 3상중 2상의 실전류 순시값(ia, ic)을 읽어 3상전류를 2상으로 변환(id, ig)하여 전류 순시치의 피크를 계산하는 단계와, 상기 전류 순시치의 피크 억제 기준 전류를 비교하여 억제 기준전류를 초과하면인덱스를 인덱스변화분(△i)씩 감소시키고, 억제 기준전류를 초과하지 않으면 인덱스를 인덱스변화분(△i)씩 증가시키는 단계와, 상기 인덱스를 인덱스변화분 (△i)씩 증가시킨 상태에서 인덱스와 정상 인덱스의크기를 비교하여 정상 인덱스값이 크면 인덱스값을 출력하고 정상 인덱스값이 작으면 정상인덱스값을 인덱스값으로 하여 출력하는 단계를 포함한 것을 특징으로 하는 인버터 장치의 전류 억제방법.
  2. 모터의 3상중 2상의 실전류 순시값(ia, ic)를 읽는 단계와, 상기 실전류 순시값(ia, ic)에서 3상 전류를 2상으로 변화시켜(id, ig) 전류 순시치의 피크를 계산하는 단계와, 상기 전류 순시치의 피크의 에러량과 억제 기준전류를 비례 적분 제어하여 전류 순서치의 피크가 억제 기준 전류를 초과하면 정상 인덱스보다 감소된 인덱스 값을 출력하고 전류 순서치의 피크가 억제 기준 전류와 작으면 정상 인덱스값을 출력하는 단계로 된 것을 특징으로 하는 인버터 장치의 전류 억제 방법.
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