KR100214690B1 - 펄스폭 변조형 인버터 및 그의 제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 펄스폭 변조형 인버터 및 그의 제어방법에 관한 것으로, 종래의 기술에 있어서는 기준전압 발생기에 의해 에너지절약 운전을 수행하지만 외부의 에너지절약 운전지령에 의해 수행되기 때문에 인버터와는 별개의 제어장치가 전동기에 인가되는 전류나 부하를 감시하여 에너지절약 운전지령을 생성해야 하는 번거로움이 있는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 창안한 것으로, 에너지절약 운전이 외부로부터의 에너지절약 운전지령에 의해서만 동작하도록 함으로써, 별개의 제어장치를 추가하여야 하는 등의 번거로움을 없애고 보다 효율적으로 에너지절약 운전을 수행하도록 하는 장치와 제어방법을 제공하여 별도의 제어 장치가 필요 없이 인버터 자체 내에서 효율적으로 에너지절약 운전을 할 수 있으므로, 종래 기술에 비해 절전효과를 높일 수 있으며, 설치 경비를 줄일 수 있는 효과가 있다.

Description

펄스폭 변조형 인버터 및 그의 제어방법
본 발명은 펄스폭 변조형 인버터 및 그의 제어방법에 관한 것으로, 특히 유도전동기 구동장치에 있어서, 부하가 작은 경부하에서 운전할 때 유도전동기에 인가되는 전압을 부하 전류의 크기를 감시하여 자동으로 조절하는 펄스폭 변조형 인버터 및 그의 제어방법에 관한 것이다.
현재 산업계에서 널리 사용되고 있는 범용 유도전동기는 자유로운 속도 제어와 사용수명 연장 또 에너지 절약 차원에서 유도전동기 구동용 인버터의 채용을 점차로 확대하고 있는데, 단지 인버터의 채용만으로도 유도전동기를 온/오프 제어에 의해 월등한 에너지 절약효과를 가져오지만 여기에 추가로 유도전동기가 부하가 작은 경부하에서 운전할 때는 외부에서 지령을 입력하여 인버터의 출력전압을 적절히 조절하여 유도전동기에서 소모되는 전력을 줄일 수 있다.
도1은 종래 펄스폭 변조형 인버터의 구성을 보인 블록도로서, 이에 도시된 바와 같이 직류전원(10)과; 스위칭 소자로써 임의의 가제어 소자와 역병렬로 접속시킨 다이오드로 구성되며, 상기 직류전원(10)으로부터 공급되는 직류전압을 가변 전압, 가변 주파수의 교류로 변환하는 역변환기(11)와; 인버터에 의해 구동되는 전동기(12)와; 출력 주파수, 출력 전압의 기준이 되는 기준전압파형을 출력하는 기준신호 발생수단에 상당하는 기준전압 발생기(20)와; 삼각파 등의 파형으로 주파수(fc)의 캐리어 파형을 생성, 출력하는 캐리어발생기(14); 상기 기준전압 발생기(20)와 캐리어발생기(14)의 신호에 의해 상기 역변환기(11)의 가제어소자의 점호신호(펄스폭 변조신호)를 발생하는 펄스폭 변조신호 발생수단에 상당하는 펄스폭 변조회로(15)와; 상기 펄스폭 변조회로(15)의 신호에 기초하여 상기 역변환기(11)각상의 상하 가제어 소자간의 단락을 방지하기 위해 단락 방지시간(Td)을 설정한 펄스폭 변조신호를 생성하는 처리수단(16)과; 상기 처리수단(16)의 신호를 받아 상기 역변환기(11)의 가제어 소자를 구동하는 구동회로(17)로 구성된 것으로, 이와 같이 구성된 종래 장치의 동작과정을 설명하면 다음과 같다.
도2는 종래 펄스폭 변조형 인버터의 동작 파형도로서, 이에 도시된 바와 같이 U, V, W의 3상의 펄스폭 변조형 인버터의 U상 1상에 대한 동작으로써, 인버터의 출력전압, 출력주파수의 기준이 되는 기준전압과 이것을 변조하기 위한 신호, 예를 들면 삼각파의 캐리어파형과 비교하여 기준전압이 캐리어파형의 전압보다 큰 기간은 온, 기준전압이 캐리어파형의 전압보다 작은 기간은 오프하여, U상의 상측의 가제어 소자의 펄스폭 변조신호(Upo)로 하여 구하고, U상의 하측의 가제어 소자의 펄스폭 변조신호(Uno)는 상기 U상의 상측의 가제어 소자의 펄스폭 변조신호(Upo)의 인버터 신호로 구하며, 실제로는 상하의 가제어 소자의 단락을 방지하기 위하여 온하는 타이밍을 단락방지 시간(Td) 만큼 지연시켜 단락방지 처리한 펄스폭 변조신호(Up, Un)으로 가제어 소자는 구동되고, 그 결과 도2(d)와 같이 U상의 출력전압은 정현파 모양의 펄스폭 변조시킨 출력전압 파형을 얻고, 또 V상, W상도 똑같은 방식으로 하여 얻으며, 도2(d)에 나타낸 전위는 직류측의 가상 중성점에 대한 전위를 나타내고 있다.
이상 설명한 기준전압 파형, 캐리어 파형은 도2(a), U상의 상하측의 가제어 소자의 펄스폭 변조신호(Upo, Uno)는 도2(b), 출력전압은 도2(d)에 나타내었다.
도1에 있어서, 기준전압 발생기(20)는 도2(a)에 나타낸 기준전압 파형을 출력하고, 캐리어발생기(14)는 도2(a)에 나타낸 삼각파 모양의 캐리어 파형을, 펄스폭 변조회로(15)는 도2(b)에 표시한 펄스폭 변조신호를, 처리수단(16)은 도2(c)에 표시한 단락방지 처리한 펄스폭 변조신호를 만들고, 구동회로(17)는 상기 처리수단(16)의 단락방지 처리후의 펄스폭 변조신호를 입력으로 역변환기(11)의 가제어 소자를 구동한다.
이렇게 하여 인버터에서는 파형제어된 가변전압, 가변 주파수의 교류가 얻어진다.
도3은 도1에서 기준전압 발생기의 구성을 보인 블록도로서, 이에 도시된 바와 같이 운전속도 지령(f*)에 상당하는 교류(기준)전압을 생성하는 교류전압 발생기(21)와; 상기 교류전압 발생기(21)의 출력인 앞의 교류(기준)전압에 이미 일정 값으로 설정된 에너지 절약비율을 곱하여 출력하는 에너지절약 레벨발생기(22)와; 상기 교류전압 발생기(21)의 출력인 교류(기준)전압과 상기 에너지절약 레벨발생기(22)의 출력 중에서 에너지절약운전 지령이 온되면 에너지절약 레벨을 출력하고, 오프이면 기준전압을 출력하며, 실제의 경우에는 단순 절체하지 않고 일정 기울기를 갖고 절체를 수행하는 절체기(23)와; 최고값이 1이고, 운전속도지령(f*)과 같은 주파수의 정현파를 생성, 출력하는 정현파 발생기(24)와; 상기 절체기(23)의 출력에 상기 정현파 발생기(24)의 출력을 곱하여 기준전압 발생기(20)의 출력을 생성하는 곱셈기(25)로 구성된다.
도4는 종래 기준전압 발생기의 동작 파형도로서, 이에 도시된 바와 같이 먼저 정지 상태에서 운전지령이 온되고, 일정 주파수(f1)에 도달하여 운전하고 있는 상태에서 에너지절약 운전지령이 일정시간 온되었다가 오프되고, 잠시 후 운전지령이 오프되는 경우로 도4(a)는 운전지령이고, 도4(b)는 에너지절약 운전지령이며, 도4(c)는 절체기(23)의 전압출력을 표시하였다. 여기서 상기 절체기(23)은 실제로 과도상태의 충격을 줄이기 위하여 출력전압 값이 일정 기울기를 갖고 변하도록 동작한다.
상기와 같이 종래의 기술에 있어서는 기준전압 발생기에 의해 에너지절약 운전을 수행하지만 외부의 에너지절약 운전지령에 의해 수행되기 때문에 인버터와는 별개의 제어장치가 전동기에 인가되는 전류나 부하를 감시하여 에너지절약 운전지령을 생성해야 하는 번거로움이 있는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 창안한 것으로, 에너지절약 운전이 외부로부터의 에너지절약 운전지령에 의해서만 동작하도록 함으로써, 별개의 제어장치를 추가하여야 하는 등의 번거로움을 없애고 보다 효율적으로 에너지절약 운전을 수행하도록 하는 장치와 제어방법을 제공함에 목적이 있다.
도1은 종래 펄스폭 변조형 인버터의 구성을 보인 블록도.
도2는 종래 펄스폭 변조형 인버터의 동작 파형도.
도3은 도1에서 기준전압발생기의 구성을 보인 블록도.
도4는 종래 기준전압 발생기의 동작 파형도.
도5는 본 발명 펄스폭 변조형 인버터의 구성을 보인 블록도.
도6은 도5에 따른 기준전압 발생기의 구성을 보인 블록도.
도7은 유도전동기 등가회로와 전류의 페이서도.
도8은 인버터의 운전 주파수에 따른 역률의 변화
도9는 도5에서 기준전압 발생기의 동작 파형도.
도10은 본 발명의 동작 흐름도.
***도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명***
10 : 직류전원 11 : 역변환기
12 : 전동기 14 : 캐리어발생기
15 : 펄스폭 변조회로 16 : 처리수단
17 : 구동회로 20,40 : 기준전압 발생기
21 : 교류전압 발생기 22 : 에너지절약 레벨발생기
23 : 절체기 24,58 : 정현파 발생기
25,59 : 곱셈기 51 : 에너지 절약레벨 발생기
52 : 에너지 절약값 발생기 53 : 기준역률 발생기
54 : 역률 연산기 55,57 : 제1,2 감산기
56 : 에너지 절약전압 발생기
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명 펄스폭 변조형 인버터의 구성은 도5에 도시한 바와 같이 직류전원과; 스위칭 소자로써 임의의 가제어 소자와 역병렬로 접속시킨 다이오드로 구성되며, 상기 직류전원(10)으로부터 공급되는 직류전압을 가변 전압, 가변 주파수의 교류로 변환하는 역변환기(11)와; 인버터에 의해 구동되는 전동기(12)와; 출력 주파수, 출력 전압의 기준이 되는 기준전압파형을 출력하는 기준신호 발생수단에 상당하는 기준전압 발생기(40)와; 삼각파 등의 파형으로 주파수(fc)의 캐리어 파형을 생성, 출력하는 캐리어발생기(14)와; 상기 기준전압발생기(40)와 상기 캐리어발생기(14)의 신호에 의해 상기 역변환기(11)의 가제어소자의 점호신호(펄스폭 변조신호)를 발생하는 펄스폭 변조신호 발생수단에 상당하는 펄스폭 변조회로(15)와; 상기 펄스폭 변조회로(15)의 신호에 기초하여 상기 역변환기(11)각상의 상하 가제어 소자간의 단락을 방지하기 위해 단락 방지시간(Td)을 설정한 펄스폭 변조신호를 생성하는 처리수단(16)과; 상기 처리수단(16)의 신호를 받아 상기 역변환기(11)의 가제어 소자를 구동하는 구동회로(17)와; 상기 전동기(12)에 입력되는 전류를 검출하여 상기 기준전압 발생기(40)에 입력하는 전류검출기(60)로 구성함을 특징으로 한다.
상기 기준전압 발생기는 운전속도 지령(f*)에 상당하는 교류(기준)전압을 생성하는 교류전압 발생기와; 상기 교류전압 발생기에서 출력하는 교류(기준)전압에 이미 일정 값으로 설정된 에너지절약 비율을 곱하여 출력하는 에너지 절약레벨 발생기와; 상기 교류전압 발생기의 출력인 교류(기준)전압에서 에너지 절약레벨을 감산하여 에너지절약 값을 만드는 에너지 절약값 발생기와; 이미 일정 값으로 선정된 역률 값을 출력하는 기준역률 발생기와; 검출전류로부터 전동기의 부하에 따라 비례하는 역률을 계산하는 역률 연산기와; 상기 기준역률 발생기의 출력인 기준역률에서 상기 역률 연산기의 출력인 역률을 감산하여 그 결과값을 출력하는 제1 감산기와; 상기 제1 감산기의 출력을 비례적분하여 최소값이 0이고, 최고값이 상기 에너지 절약값 발생기의 출력 에너지 절약 값으로 제한하여 출력하는 에너지 절약전압 발생기와; 상기 교류전압 발생기의 출력인 교류(기준)전압에서 상기 에너지 절약전압 발생기의 출력인 에너지 절약전압을 감산하는 제2 감산기와; 최고값이 1이고 운전속도지령(f*)과 같은 주파수의 정현파를 생성, 출력하는 정현파 발생기와; 상기 제2 감산기의 출력에 상기 정현파 발생기의 출력을 곱하여 기준전압 발생기의 출력을 생성하는 곱셈기로 구성함을 특징으로 한다.
그리고, 제어방법에 있어서는 전류검출기를 이용하여 전류를 검출하고, 역률을 연산하는 제1 단계와; 상기 제1 단계에서 연산된 역률이 기준 역률보다 큰 가를 비교하는 제2 단계와; 상기 제2 단계의 비교에 의해 역률이 일정 값으로 설정된 기준 역률보다 작으면 에너지절약 값을 설정해 놓은 레벨로 세트하거나, 역률이 일정 값으로 설정된 기준 역률보다 큰 경우에 에너지절약 값을 '0'으로 세트하는 제3 단계와; 운전 주파수 지령에 상당하는 교류전압에서 에너지절약 값을 감산하여 전압을 출력하는 제4 단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명에 따른 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도6은 도5에 따른 기준전압 발생기의 구성을 보인 블록도이며, 도7은 유도전동기 등가회로와 전류의 페이서도이고, 도8은 인버터의 운전 주파수에 따른 역률의 변화로서, 이에 도시한 바와 같이 도7(a)에서 상호 인덕턴스(Lm)와 회전자 저항(Rr/S)이 병렬로 연결되어 있고, 여기에 직렬로 고정자 저항(Rs)이 연결되며, 고정자에 교류전압(V1)을 인가하면 상기 고정자 저항(Rs)에 고정자 전류(i1)가 흐르고, 상기 상호 인덕턴스(Lm)에는 여자전류(im)가, 상기 회전자 저항(Rr/S)에는 회전자 전류(i2)가 흐르게 되며, 도7(b)는 고정자의 교류전압(V1)과 고정자 전류(i1)의 위상차를 직각 좌표계의 2개의 전류 성분인 회전자 전류(i2)와 여자전류(im)로 나타낸 것으로서, 고정자의 교류전압(V1)에 비교하여 고정자 전류(i1)는 항상 지연된 위상을 갖으며, 이때 여자전류(im)와 회전자 전류(i2)의 관계식을 유도하면
Figure kpo00001
---------- (식1)
이 되고, 여기서 슬립주파수(S×f1)를 구해보면
Figure kpo00002
------------- (식2)
이 되어, 여자전류(im)와 회전자 전류(i2)를 알면 슬립주파수(S×f1)를 계산할 수 있다.
도7(a)에서 고정자 저항(Rs)의 영향을 무시하고, 고정자의 교류전압(V1)을 전동기에 인가한 경우 여자전류(im)를 일정하게 제어하면 회전자 전류(i2)에 의하여 전동기의 역률이 정해지며, 이때 전동기의 고정자 전류(i1)는 다음 식으로 결정된다.
Figure kpo00003
------------------ (식3)
여기에서 부하의 크기는 회전자 전류(im)의 크기에 영향을 주고, 이는 바로 역률에 영향을 주기 때문에 역률을 구하여 제어정수로 이용하면 부하에 따른 인버터의 출력전압 제어를 할 수 있다.
즉, 전동기가 경부하 시에는 전동기에 인가되는 전압과 전류의 위상차가 90도 가까이 발생한다(역률이 0에 접근한다).
전동기에 부하가 정격에 가까와질수록 전동기에 인가되는 전압과 전류의 위상차가 줄어들고 그 결과 역률이 1에 접근하게 되고, 따라서 전동기의 부하량을 전동기에 인가되는 전압과 전류의 위상차를 기준으로 판단할 수가 있다.
그러나, 도7에서 역률(cosθ)은 전동기의 고정자 권선의 저항(Rs)은 운전 주파수가 낮을 때 역률에 많운 영향을 주기 때문에 운전 주파수에 따른 고정자 저항(Rs)의 영향을 고려할 필요가 있다.
도8(b)에서 인버터의 운전 주파수가 낮을 때 고정자 저항(Rs)에 의한 영향으로 역률(cosθ)이 크게 영향을 받는 것을 알 수 있으며, 따라서 고정자 저항(Rs)의 영향을 고려하면 자속전류(im')와 회전자 전류(i2)와의 백터 합의 성분(i1')과 상호 인덕턴스(Lm)의 양단 전압(e1)과의 위상차 만을 고려하여 제어를 하는 경우 저속에서 보다 정확한 제어가 될 수 있다.
Figure kpo00004
------------ (식4)
Vd를 '0'으로 하면,
Figure kpo00005
------------------------- (식5)
고정자 저항(Rs)을 고려한 경우는 다음과 같다.
Figure kpo00006
-------------------------------------- (식6)
Figure kpo00007
----------------------------- (식7)
Figure kpo00008
-------------------------------------------- (식8)
Figure kpo00009
--------------------------------------------- (식9)
Figure kpo00010
-------------------------------------- (식10)
Figure kpo00011
------------------------------------- (식11)
도9(a)는 전동기에 인가되는 부하에 따라 전동기의 역률을 나타내었는데, 이미 설명한 바와 같이 부하가 증가함에 따라 역률 또한 같이 증가하며, 기준 역률은 임의로 설정하는 값으로 전동기 부하가 작을 때의 역률값으로 설정한다.
도9(b)는 에너지 절약전압 발생기(56)의 출력을 나타내었는데, 상기 에너지 절약전압 발생기(56)는 제1 감산기(55)의 결과값을 비례적분하여 그 상한값을 상기 에너지 절약값 발생기(52)의 출력값으로 제한하고, 하한값은 '0'으로 하는 출력을 갖는다.
도9(c)는 제2 가산기(57)의 출력을 나타내었는데, 이미 일정 주파수로 운전하고 있을 때 역률이 기준역률보다 낮은 경부하에서는 본래의 교류전압에서 에너지 절약전압을 감산한 전압을 출력하여 에너지 절약운전상태에 있다가 부하가 인가되어 역률이 기준역률보다 커지면 에너지절약값이 '0'으로 떨어지고, 본래의 교류전압을 출력한다.
여기서 역률 연산기(54)는 검출전류를 상기 (식5)에 따라 3상-2상 변환한 결과값의 크기를 현재의 출력되는 전압의 위상각과 같은 위상의 전류성분과, 전압의 위상각과 수직인 위상의 전류성분으로 나누고, 전압의 위상각과 수직인 위상의 전류성분을 상기 2가지 전류성분을 평방근을 취한 값으로 나누어 역률을 계산하며, 제2 감산기(57)의 출력은 정현파 발생기(58)의 출력 크기가 '1'인 정현파와 곱한 결과를 펄스폭 변조회로(15)에 인가하게 된다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명 펄스폭 변조형 인버터 및 그의 제어방법은 별도의 제어 장치가 필요 없이 인버터 자체 내에서 효율적으로 에너지절약 운전을 할 수 있으므로, 종래 기술에 비해 절전효과를 높일 수 있으며, 설치 경비를 줄일 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

  1. 직류전원과; 스위칭 소자로써 임의의 가제어 소자와 역병렬로 접속시킨 다이오드로 구성되며, 상기 직류전원으로부터 공급되는 직류전압을 가변 전압, 가변 주파수의 교류로 변환하는 역변환기와; 인버터에 의해 구동되는 전동기와; 출력 주파수, 출력 전압의 기준이 되는 기준전압파형을 출력하는 기준신호 발생수단에 상당하는 기준전압 발생기와; 삼각파 등의 파형으로 주파수의 캐리어 파형을 생성, 출력하는 캐리어발생기와; 상기 기준전압 발생기와, 상기 캐리어발생기의 신호에 의해 상기 역변환기의 가제어소자의 점호신호(펄스폭 변조신호)를 발생하는 펄스폭 변조신호 발생수단에 상당하는 펄스폭 변조회로와; 상기 펄스폭 변조회로의 신호에 기초하여 상기 역변환기 각상의 상하 가제어 소자간의 단락을 방지하기 위해 단락 방지시간을 설정한 펄스폭 변조신호를 생성하는 처리수단과; 상기 처리수단의 신호를 받아 상기 역변환기의 가제어 소자를 구동하는 구동회로와; 상기 전동기에 입력되는 전류를 검출하여 상기 기준전압 발생기에 입력하는 전류검출기로 구성함을 특징으로 하는 펄스폭 변조형 인버터.
  2. 전류검출기를 이용하여 전류를 검출하고, 역률을 연산하는 제1 단계와; 상기 제1 단계에서 연산된 역률이 기준 역률보다 큰 가를 비교하는 제2 단계와; 상기 제2 단계의 비교에 의해 역률이 일정 값으로 설정된 기준 역률보다 작으면 에너지절약 값을 설정해 놓은 레벨로 세트하거나, 역률이 일정 값으로 설정된 기준 역률보다 큰 경우에 에너지절약 값을 '0'으로 세트하는 제3 단계와; 운전 주파수 지령에 상당하는 교류전압에서 에너지절약 값을 감산하여 전압을 출력하는 제4 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 펄스폭 변조형 인버터의 제어방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 기준전압 발생기는 운전속도 지령에 상당하는 교류(기준)전압을 생성하는 교류전압 발생기와; 상기 교류전압 발생기에서 출력하는 교류(기준)전압에 이미 일정 값으로 설정된 에너지절약비율을 곱하여 출력하는 에너지절약 레벨발생기와; 상기 교류전압 패턴 발생기의 출력인 교류(기준)전압에서 에너지절약 레벨을 감산하여 에너지절약 값을 만드는 에너지 절약값 발생기와; 이미 일정 값으로 선정된 역률 값을 출력하는 기준역률 발생기와; 검출전류로부터 전동기의 부하에 따라 비례하는 역률을 계산하는 역률 연산기와; 상기 기준역률 발생기의 출력인 기준역률에서 상기 역률 연산기의 출력인 역률을 감산하여 그 결과값을 출력하는 제1 감산기와; 상기 제1 감산기의 출력을 비례적분하여 최소값이 '0'이고, 최고값이 상기 에너지 절약값 발생기의 출력 에너지 절약 값으로 제한하여 출력하는 에너지 절약전압 발생기와; 상기 교류전압 발생기의 출력인 교류(기준)전압에서 상기 에너지 절약전압 발생기의 출력인 에너지 절약전압을 감산하는 제2 감산기와; 최고값이 '1'이고, 운전속도 지령과 같은 주파수의 정현파를 생성, 출력하는 정현파 발생기와; 상기 제2 감산기의 출력에 상기 정현파 발생기의 출력을 곱하여 기준전압발생기의 출력을 생성하는 곱셈기로 구성함을 특징으로 하는 펄스폭 변조형 인버터.
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