KR0136058B1 - 전동기의 운전 제어방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전동기의 운전제어 방법 및 장치에 관한 것으로서, 단상 유도전동기의 부하에 따른 최적의 토크 및 지령속도로 운전하므로서 저소음, 고효율로 전동기를 제어하도록 한 것이다.

이와 같은 본 발명은 입력 교류 전원을 변화시켜 부하의 정도에 따라 전동기에 공급하는 구동전압을 가변하는 구동전원 공급수단과, 상기 구동전원 공급수단으로부터 전동기에 공급하는 전원을 검출하여 부하량을 감지하는 부하검출수단과, 상기 부하검출수단 및 전동기 속도를 검출하는 홀 센서의 검출값에 의해 구동전원 공급수단 및 전동기를 제어하는 마이콤과, 상기 마이콤의 제어에 따라 지령속도에 맞는 최적의 회전력을 갖도록 전동기를 제어하는 전동기 제어수단으로 구성한다.

Description

전동기의 운전 제어방법 및 장치

제1도는 종래 세탁기 전동기의 운전 제어장치 구성도.

제2도는 전동기의 속도-토크 특성곡선으로서,

(a)는 일반적인 유도 전동기의 속도-토크 특성곡선이고,

(b)는 제1도의 부하량 검출에 따른 전동기의 속도-토크 특성곡선이고,

(c)는 제1도의 부하량 및 RPM 검출에 따른 전동기의 속도-토크 특성곡선이다.

제3도는 본 발명 전동기의 운전 제어장치 구성도.

제4도는 제3도의 상세회로도.

제5도는 본 발명 전동기의 운전제어방법 흐름도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10:마이콤20:홀센서

30:부하검출수단31:부하전류 검출수단

32:부하량 감지수단40:구동전압 공급수단

41:스위치 구동수단42:구동전원 선택수단

43:변압기50:전동기 제어수단

51,52:포토 트라이액60:전동기

본 발명은 전동기의 운전제어에 관한 것으로서, 특히 단상 유도 전동기의 부하에 따른 최적의 토크 및 지령속도로 운전하므로서 저소음, 고효율로 전동기를 제어할 수 있도록 한 전동기의 운전 제어방법 및 장치에 관한 것이다.

종래 전동기의 운전 제어장치는 제1도에 도시한 바와 같이 세탁부하량에 관계없이 유도전동기(M)를 최대 출력 토오크로 구동시켜 세탁 및 탈수할 수 있도록된 세탁기에 있어서, 상기 세탁부하량의 정도를 선택하여 포트를 선택하고 신호를 선택 포트를 통해서 마이콤에 입력시키는 토클 선택스위치(T1∼T3)로 된 부하전압 선택부(1)와, 상기 부하전압선택부(1)에서 선택된 신호를 미리 프로그래밍된 상태에 따라 제어한 후 선택된 신호에 해당하는 제어신호를 증폭부에 출력시키는 마이콤(2)과, 상기 마이콤(2)으로부터 출력된 신호를 받아 솔레노이드를 구동시킬 수 있는 전압으로 증폭시키는 증폭부(3)와, 상기 증폭부(3)에서 증폭된 신호에 의하여 온되면서 변압기의 출력전압을 선택접속할 수 있도록 솔레노이드(SOL1∼SOL3)로 구성된 솔레노이드 스위치(4)와, 상기 스위치(4)를 통해서 유도전동기(M)에 입력전압을 공급하게 되는 70V∼110V의 5단계 전압을 출력시키도록 탭 변환된 변압기(5)와, 세탁 부하량을 무게로서 감지하여 유도전동기(M)의 입력전압을 선택하게 되는 중량센서(6)와, 상기 중량센서(6)에 감지된 아날로그 신호를 디지탈 신호로 변환시키는 A/D 컨버터(7)로 구성된다.

이와 같이 구성된 종래 세탁기 전동기의 동작은 먼저 세탁기의 전원을 인가시키면 변압기(5)의 1차측에는 110V의 사용전원이 인가되게 된다.

이어서 세탁통에 세탁물을 넣고 회전시켜 세탁 및 탈수를 행하게 되는데 이때 세탁통에 넣어진 세탁부하량에 따라 유도전동기(M)에 적정 입력전압을 공급하게 되고, 상기 유도전동기(M)에 입력전압을 선택공급하는 과정은 사용자가 선택스위치로 부하전압 선택부(1)를 조작하여 입력전압을 선택공급하거나 중량센서(6)로 세탁부하량을 감지하여 아날로그/디지탈 변환부(7)에 의해 디지탈로 변환시켜 부하량을 검출한 후 마이콤(2)에서 이 신호를 입력받아 솔레노이드 스위치(4)를 선택하여 전동기의 입력 전압을 가변 공급하게 된다.

즉 제2도(b)에 도시한 바와 같이 A,B,C 등의 곡선과 같은 전동기의 속도-토크 특성을 만들기 위한 입력전압을 부하에 따라 결정한다.

이를 트랜스 및 솔레노이드 스위치를 이용하여 만들어 주므로서 시스템의 효율 및 전동기의 소음 및 진동 저감을 가져올 수 있다.

제2도(a)는 일반적인 유도전동기의 속도-토크 특성 곡선을 나타낸 것으로서 최대 토크를 기준으로 사용영역과 사용 불가능 영역으로 나누어진다.

(b)는 전동기의 부하에 따라 입력 교류 전원을 트랜스를 사용하여 변동시켜 주므로서 얻어지는 속도-토크곡선이다.

즉, (b)의 A곡선을 100% 입력일 때의 속도-토크로 가정하면 B와 C는 트랜스의 1차, 2차비에 의해 70%, 50%로서 결정되어진다.

이것은 전동기의 부하가 B곡선에서 운전가능 부하이면 B곡선의 운전가능 영역에서 운전하고 전동기의 부하가 C곡선에서 운전가능 부하이면 C곡선에서 운전함을 나타낸다.

즉, 전동기의 효율을 입력에 대한 출력의 비로 나타내는데 적절한 입력을 넣어주므로서 100% 입력일때와 같은 출력을 내어 효율을 높일 수 있고, 또한 100%입력을 넣어 전동기부하에 비해 출력이 너무 커짐으로서 생기는 전동기의 과여자 현상에 의한 소음 및 진동을 줄일 수 있다.

그러나 이와 같은 종래 세탁기 전동기 운전 제어장치는 다음 몇가지 문제점이 있다.

첫째, 유도전동기의 특성상 사용가능 영역과 불가능 영역이 정하여지므로서 사용대역의 RPM 영역이 한정되 있고, 두번째로 세탁부하의 특성상 고정된 부하로 운전될 수 없고, 세번째로 중량센서를 사용하여 감지하는 방법은 세탁기의 용도로서는 사용적합하나 단상 유도전동기가 다른 경우에 사용되는 경우에는 부하감지를 하는데 적합하지 않는 문제점이 있었다.

따라서 본 발명은 전동기의 회전수 및 부하 전류를 계속 감지하여 전동기의 속도-토크를 변화시켜 최적의 토크로 운전함으로서 전동기의 효율을 증대시키고 전동기의 과여자로 인한 소음 및 진동을 저감시킬 수 있도록 한 전동기의 운전 제어방법 및 장치를 제공함에 있다.

이와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 수단은 입력 교류전원을 변화시켜 부하의 정도에 따라 전동기의 공급하는 구동전압을 가변하는 구동전원 공급수단과, 상기 구동전원 공급수단으로부터 전동기에 공급하는 전원을 검출하여 부하량을 감지하는 부하검출수단과, 상기 부하 검출수단 및 전동기 속도를 검출하는 홀 센서의 검출값에 의해 상기 구동전원 공급수단 및 전동기를 제어하는 마이콤과, 상기 마이콤의 제어에 따라 지령속도에 맞는 최적의 회전력을 갖도록 전동기를 제어하는 전동기 제어수단으로 이루어지므로서 달성되는 것이다.

그리고 본 발명의 목적을 달성하기 위한 방법은 전동기의 실제속도 및 부하량을 검출하여 최적의 회전수에 맞는 토크를 판단하는 속도-토크 판단과정과, 상기 속도-토크 판단결과에 의해 입력전압 및 전동기의 속도를 가변시키는 전동기 제어과정으로 이루어지므로서 달성되는 것으로서, 이하 본 발명을 첨부한 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.

제3, 제4도는 본 발명 전동기의 운전제어장치 구성도로서 이에 도시한 바와 같이 입력 교류전원을 변압기(43)를 통해 변압시킨 후 부하량에 따라 전동기의 구동전압을 공급하는 구동전원 공급수단(40)과, 상기 구동전원 공급수단(40)으로부터 전동기(60)에 공급하는 전원에서 전류를 검출하여 직류전압으로 변환하는 부하 전류 검출수단(31)과, 상기 부하전류 검출수단(31)에서 얻어진 전압에 따라 부하량을 감지하는 부하량 감지수단(32)과, 상기 전동기(60)의 회전수를 검출하여 회전수에 맞는 구형파를 발생하므로 전동기(60)의 속도를 감지하는 홀센서(20)와, 상기 홀센서(20) 및 부하량 감지수단(32)에서 검출한 부하량 및 회전수에 따라 최적의 토크를 발생하도록 전동기 제어신호에 의해 지령속도에서 최적의 회전력을 갖도록 전동기를 제어하는 전동기 제어수단(50)으로 구성한다.

여기서 구동전원 공급수단(40)은 입력 교류전원을 변압한 변압기(43)에서 부하 구동전압을 선택하는 부하전압 선택수단(42)과, 상기 마이콤(10)의 제어에 의해 감지된 부하량에 따라 상기 전압선택수단(40)을 제어하는 스위치 구동수단(41)으로 구성한다.

또한 상기 전동기 제어수단(50)은 상기 마이콤(10)의 제어신호에 따라 전동기(60)에 구동전원을 인가하도록 광절연 신호전송하는 제1, 제2포토 트라이액(51)(52)과, 상기 제1, 제2포토 트라이액(51)(52)의 온/오프 스위칭에 따라 지령속도에 맞는 점호각을 변환시키는 제1, 제2트라이액(Tri1)(Tri2)으로 구성한다.

이와 같이 구성된 본 발명의 작용, 효과를 첨부한 도면 제2, 제5도를 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

제2도(c)는 속도가변 및 부하변동에 따른 최적 토크로 전동기(60)를 제어할 때의 속도-토크 특성곡선이다.

즉, 제2도(b)에 도시한 바와 같이 전동기(60)의 부하량 감지에 따라 A,B,C 형태의 곡선을 결정한다.

곡선이 결정되어진 후 전 범위로 가변속하기 위하여 전동기의 입력전압을 변화시킴으로서 (c)에 도시한 바와 같이 전 영역에서 최적의 토크로 RPM 변화가 가능한 속도-토크 특성곡선을 얻을 수 있다.

이를 좀더 상세히 설명하면 일반적으로 세탁기에 사용되는 단상유도 전동기(60)는 제2도(b)에 도시한 바와 같이, 최대 부하에 따라 선정되고, 이 단상유도 전동기(60)는 세탁 및 탈수시 세탁 부하량에 관계없이 정격전압에서 제2도(b)의 (A)에 도시한 바와 같이 최대의 속도와 토오크의 특성곡선을 가지면서 운전되기 때문에 부분 부하시 즉 세탁 부하량이 적을 경우에도 필요 이상의 출력 토오크를 운전되게 되므로 고소음과 불필요한 전기에너지를 낭비하게 되는 결과를 초래하게 되었다.

따라서 세탁기의 세탁 및 탈수시 부하량의 정도에 따라 제2도(b)의 (B)(C)에 도시한 바와 같이 속도와 토오크의 특성곡선으로 바꾸어 단상유도 전동기를 구동시켜줌으로써 저소음과 고효율을 운전시킬 수 있는 바, 한편 유도전동기의 속도 N은 다음식 1,2와 같이

되고, 단, NO:동기속도, f:전원주파수, P:극수, S:슬립

유도전동기를 등가회로로 표현하여 얻은 유도전동기의 토오크 T는 다음식 3과 같이

된다.

단 WO:동기각속도, V2:2차 전압, R2:2차 저항, X2:누설리액던스, S:전동기슬립

그러나 세탁기의 유도전동기의 구동시 슬립이 존재하며, 부하 증가시 슬립은 증가하므로 식(2)에서 회전수는 감소하나 식(3)에는 토오크는 증가한다.

그런데 세탁기의 경우 부하변동은 부하의 관성 등으로 해서 전동기 슬립은 크게 변하지 않는다.

따라서 세탁부하량이 적을 경우 즉 부분 부하시 운전할때 상기 식(3)의 전압을 변화시킴으로써 최적 토오크로 시스템을 운전할 수 있다.

실제 세탁기 시스템에서 전동기 입력전압이 65∼100% 변동할때 회전수는 94∼100%, 세탁시 토오크는 55∼100% 변동한다.

탈수시 부분 부하로 운전할때, 65%의 입력전압으로 94% 회전수로 충분한 탈수효과를 볼 수 있었으며 소음은 53.5dB에서 48-5dB로 감소되게 되어 저소음 운전을 가능하게 할 수 있었다.

그러므로 낮은 전압으로 운전하여도 세탁 및 탈수효과를 얻을 수 있어 전기에너지 손실도 줄일 수 있게 된다.

제3도는 이와 같이 부하량 및 RPM에 따른 전동기의 속도-토크를 결정하기 위한 블럭 구성도로서, 먼저 전동기(60)의 속도 지령에 따라 전동기(60)를 기동시킨 후 부하량 검출수단(30)에 의해 부하 전류를 검출한다.

상기 부하 전류에 따라 제2도(c)의 A,B,C 곡선을 결정한 후 이 속도지령에 맞게 RPM 제어를 하기 위한 방법으로 마이콤(10)에 의해 전동기 제어수단(50)의 포토 트라이액(51)(52)를 구동시켜 점호각에 의해 트라이액(Tri1)(Tri2)을 구동시키고 전동기의 회전수를 홀센서(20)로부터 계속 피드백 받아 점호각을 변환시켜 속도 지령치에 도달시킨다.

상기 트라이액(Tri1)(Tri2)은 제로 크로스 점에서 턴온하여 전동기가 회전하기 시작한다.

즉 제1트라이액(Tri1)이 턴온될시 메인 코일에 전류가 흐르고 콘덴서(8)에 의한 지상전류가 서브 코일에 흐르게 됨으로서 전동기내의 교번자계를 회전자계로 변환하여 전동기가 회전하기 시작하고 홀센서(20)에서 전동기의 회전수에 맞는 구형파가 출력하여 회전속도를 검출하게 된다.

부하변동시, 즉 부하전류 검출수단(31)에서 부하에 공급되는 전류를 계속 검출하여 제2도(c)의 A,B,C 곡선을 변화시킴으로 부하변동에 따라 마이콤(10)에서 이를 감지하여 스위치 구동수단(41)을 제어하여 구동전압 선택수단(42)의 각 스위치를 선택함에 따라 부하에 맞는 전원을 전동기에 공급하여 최적의 토크로 전동기를 운전하게 된다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 다음과 같은 효과가 있다.

첫째 단상유도 전동기의 부하전류 및 회전속도를 검출하여 최적의 토크를 찾아 운전하므로서 전동기의 효율증가 및 소음, 진동 저감효과가 있으며, 둘째로 전동기의 사용 불가능 영역을 없앰으로서 전동기의 변속 제어가 용이한 효과가 있다.

Claims (5)

1. 마이콤의 속도 지령시 전동기를 구동시키는 단계와, 상기 전동기 구동후 구동전압에서 부하전류를 검출하는 단계와, 상기 검출한 부하 전류 및 회전수에 의해 최적의 속도-토크를 결정하는 단계로 이루어져 전동기의 실제속도 및 부하량을 검출하여 최적의 회전수에 맞는 토크를 판단하는 속도-토크 판단과정과, 상기 속도-토크 판단결과에 따라 입력전압 및 전동기의 속도를 가변시키는 전동기 제어과정으로 이루어짐을 특징으로 한 전동기의 운전 제어방법.
2. 제1항에 있어서, 전동기 제어 과정은 상기 최적의 속도-토크 결정에 따라 구동전압을 결정하여 전동기에 인가하는 단계와, 상기 구동전압 인가후 전동기의 속도를 검출하는 단계와, 상기 전동기의 속도 검출결과 속도 지령치에 맞도록 점호각을 결정하는 단계와, 상기 점호각 결정에 따라 트라이액을 구동시켜 전동기의 회전을 제어하는 트라이액 구동단계로 이루어짐을 특징으로 한 전동기의 운전 제어방법.
3. 입력 교류 전원을 탭변환한 변압기에 의해 변압한 부하전압을 선택하는 부하전압 선택수단과, 상기 마이콤의 제어에 의해 감지된 부하량에 따라 상기 부하전압 선택수단을 제어하는 스위칭 구동수단으로 구성되어 입력 교류전원을 변압시켜 부하량에 따라 전동기의 구동전원을 공급하는 구동전원 공급수단과, 상기 구동전원 공급수단으로부터 전동기에 공급하는 전원을 검출하여 부하량을 감지하는 부하 검출수단과, 상기 부하 검출수단 및 전동기 속도를 검출하는 홀 센서의 검출값에 의해 상기 구동전원 공급수단 및 전동기를 제어하는 마이콤과, 상기 마이콤의 제어에 따라 지령속도에 맞는 최적의 회전력을 갖도록 전동기를 제어하는 전동기 제어수단을 포함하여 된 것을 특징으로 한 전동기의 운전 제어장치.
4. 제3항에 있어서, 부하 검출수단은 상기 구동전원 공급수단에서 전동기에 공급하는 전원으로부터 전류를 검출하여 직류 전압으로 변환하는 부하전류 검출수단과, 상기 부하전류 검출수단에서 얻어진 전압에 따라 부하량을 감지하는 부하량 감지수단으로 구성함을 특징으로 한 전동기의 운전 제어장치.
5. 제3항에 있어서, 전동기 제어수단은 상기 마이콤의 제어에 따라 전동기에 구동전압을 인가하도록 광절연 신호전송하는 제1, 제2포토 트라이액과, 상기 제1, 제2포토 트라이액의 온/오프에 따라 지령속도에 맞는 점호각을 변화시키는 제1, 제2트라이액으로 구성함을 특징으로 한 전동기의 운전 제어장치.