KR100309453B1 - 전동기구동의계자제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전동기 구동에 관한 것으로, 토크 지령치에 소정의 계수값을 승산 하여 발생 가능한 토크를 가정하고 이로부터 토크분 전류를 구하여, 상기 계자전류 및 토크분 전류로 부터 전류제한조건을 만족하면 요구되는 전압의 크기를 각기 성분별로 구하고 이 전압으로 부터 전압제한조건을 만족하는지를 판단함과 아울러, 전류제한조건을 만족하지 않으면 소정의 계수값을 감소하고 다시 상기 단계를 수행하며, 전압제한조건을 만족하지 않으면 소정의 다른 계수값을 감소하고 다시 상기 단계를 수행함으로써, 최종적으로 계자전류 및 토크분 전류를 지령치로 결정하여 계자의 적정수준을 설정한 후 고속에서 전동기를 최대 토크로 운전할 수 있게 하고 최대 토크를 발생할 필요가 없을 때에도 적용이 가능함과 아울러 계산 시간의 감소효과가 있으며, 또한 계자전류를 정격치에서 부터 감소시키면서 찾기 때문에 토크의 속응성을 보장할 수 있는 전동기 구동의 계자 제어 방법에 관한 것이다.

Description

전동기 구동의 계자 제어 방법

본 발명은 전동기 구동에 관한 것으로, 특히 계자를 적정하게 제어하여 전동기를 구동하는 구동전압의 제한 조건 내에서 최대의 토크를 발생시킬 수 있는 전동기 구동의 계자 제어 방법에 관한 것이다.

전동기 구동시 고속에서는 구동전압이 부족하여 계자를 줄이면 토크가 감소하고 반대로 계자를 적당량보다 크게 하면 구동전압이 부족하게 되기 때문에, 구동전압의 제한 조건 내에서 최대의 토크를 발생시키기 위해 계자를 적정하게 제어해야 한다. 종래에는 전동기 구동시 전동기가 고속이 되면, 즉 약계자 영역이 시작되면 전동기의 회전속도에 반비례하여 계자 전류를 감소시키는 방법을 사용한다.

이와같이 계자 전류를 감소시키는 종래 방법은 약계자 영역에서 최대 토크 운전이 불가능하게 되며 계자의 수준이 높기 때문에 경우에 따라서는 구동 전압이 모자라는 문제점이 발생하게 된다.

따라서, 본 발명은 약계자 운전 방식 중 전동기의 전압방정식, 슬립식, 토오크 식을 이용하여 최적의 토크 지령치와 전류지령치를 찾아 계자의 적정수준을 설정함으로써, 고속에서 전동기를 최대 토크로 운전할 수 있게 하는 것을 목적으로 한다.

제1도는 본 발명의 방법을 수행하기 위한 인버터 제어장치의 구성도.

제2도는 본 발명 전동기 구동의 계자 제어 방법을 수행하는 순서도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 정류부 2 : 속도제어기

3 : 전류제어기 4 : 인버터

5 : 검출부

: 토크 지령치 T_e: 발생 가능한 토크

: 계자 전류: 토크분 전류

: 정격 계자전류 I_smax: 주어진 전류의 상수

V_smax: 주어진 전압의 상수에서 전류제어기에서 필요한 전압 여분을 뺀 전압

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 토크 지령치에 소정의 계수값을 승산 하여 발생 가능한 토크를 가정하는 제1단계와, 정격 계자전류에 소정의 다른 계수값을 승산하여 계자전류를 가정하는 한편 상기 발생 가능한 토크로 부터 토크분 전류를 구하는 제2단계와, 상기 계자전류 및 토크분 전류로 부터 전류제한조건을 만족하면 요구되는 전압의 크기를 각기 성분별로 구하고 이 전압으로 부터 전압제한조건을 만족하는지를 판단하는 제3단계와, 상기 제3단계의 전류제한조건을 만족하지 않으면 소정의 계수값을 감소하고 다시 상기 제1단계를 수행하는 제4단계와, 상기 제3단계의 전압제한조건을 만족하지 않으면 소정의 다른 계수값을 감소하고 다시 상기 제3단계를 수행하는 제5단계와, 상기 제3단계의 전압제한조건을 만족하면 상기에서 구한 계자전류 및 토크분 전류를 지령치로 결정하는 제6단계로 이루어진다.

이와같이 이루어지는 본 발명 전동기 구동의 계자 제어방법의 작용을 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.

도 1은 본 발명 전동기 구동의 계자 제어 방법을 수행하기 위한 인버터 제어장치의 구성도로서, 이에 도시한 바와같이 입력전원(AC)을 정류,평활하는 정류평활부(1)와, 토크 지령치를 입력받아 상기 정류평활된 직류전원을 기 설정된 벡터 제어로직에 따라 제어하여 전류지령치및 토크분 전류지령치를 출력하는 속도제어기(2)와, 상기 지령치에 의해 제어된 구동명령을 출력하는 전류제어기(3)와, 상기 전류제어기(3)에 의해 제어되어 전동기(M)에 교류전원을 공급하는 인버터(4)와, 상기 전동기(M)로 공급되는 전압 및 전류를 검출하여 이를 디지탈 값으로 변환하여 상기 속도제어기(2)로 공급하는 검출부(5)로 구성된다.

상기와 같은 장치로 벡터 제어할 때에는 속도제어기(2)의 출력인 지령치와 전동기의 정수, 이용 가능한 전압 및 전류에 따라 전동기의 회전속도에 따른 운전 특성을 정토크 영역, 정출력 영역 및 토크 항복 영역으로 나눌 수 있으며 각 영역에 따라 제한조건이 달리 고려된다.

먼저 정토크 영역은 보통 계자전류를 정격으로 하여 토크 속응성을 좋게하며, 인버터(4)를 사용할 때의 제한조건 중 전류제한 조건만이 고려된다.

또한, 정출력 영역은 인버터(4)를 사용 할 수 있는 전압이 제한 되기 때문에 계자 전류는 정격치에서 부터 전동기(M)의 회전속도가 증가함에 따라 감소시켜야 하며 이에 따라 토크분 전류를 일정하게 유지시켜도 전동기(M)에서 발생할 수 있는 토크는 감소하게 되며, 전압 및 전류의 제한 조건이 동시에 고려대상이 된다. 또한, 토크 항복 영역은 슬립주파수가 일정하게 유지되며 계자 전류, 토크분 전류모두 감소하게 되어 직류전동기의 직권 특성과 유사한 토크-속도 특성이 얻어지며 전압제한 조건이 고려대상이 된다.

유도전동기(M)를 회전자 자속 기준 벡터제어 할 때의 정상상태 전압방정식은 다음과 같으며,

여기서, σ는 전체 누설율로서, 아래 식(3)과 같이 구할 수 있다.

여기서는 d축 전압,는 q축 전압,는 계자전류,는 토크분 전류, ω_e는 고정자 권선 전압의 각 주파수, L_s는 고정자 권선 인덕턴스, L_r은 회전자 권선 인덕턴스를 나타내며, 이 L_s는 여자 인덕턴스 (L_m) 와 고정자 누설 인덕턴스(L_ls)의 합이며, L_r은 여자 인덕턴스 (L_m) 와 회전자 누설 인덕턴스 (L_lr)의 합이다.

또한, 슬립회전속도(ω_sl), 회전자의 쇄교자속및 1차측 전원 주파수( ω_e)는 다음과 같으며,

여기서, T_r은 회전자 회로의 전기적 시정수로서 회전자 권선 인덕턴스(L_r)를 회전자 권선 저항(R_r)으로 나눈 값이며, ω_r은 회전자의 전기적 회전속도 이다.

발생 가능한 토크(T_e)는 식(7)과 같으며 인버터(4)를 사용할 때의 제한조건은 식 (8)(9)과 같으며,

여기서, V_smax는 주어진 전압의 상수, I_smax는 주어진 전류의 상수이며 K_T는 토오크 상수로서 아래 식(10)과 같으며, P는 전동기의 극수이다.

이와같은 각 영역에서의 상기 식(8)의 전압제한조건 및 식(9)의 전류제한 조건을 고려하여 계자전류 지령치와 토크분 전류지령치를 구하는 과정을 도 2를 참조하여 설명한다.

먼저, 토크 지령치를 입력받고 중간변수 j를 최초에 100으로 설정하여, 이 토크 지령치에 상기 중간변수 j와 1/100을 곱하여 발생 가능한 토크 (T_e)를 가정한다(S1-S3).

다음으로 정격 계자전류로 부터 계자전류를 상기과정(S2-S3)과 유사하게 중간변수 i를 최초에 100으로 설정한 후 1/100을 곱하여 아래 식(11)과 같이 구한다(S4,S5).

또한, 상기 식(7)로 부터 토크분 전류를 계산한다(S6).

상기에서 구한 계자전류와 토크분 전류로 부터 상기 식(9)과 같은 전류제한조건을 만족하는 지를 판단하여 만족하면 상기 식(1)(2)(3)(5)(6)으로 부터 요구되는 전압을 구하고, 상기 식(8)과 같은 전압제한 조건을 만족하는 지를 판단하여 만족하면 상기에서 구한 계자전류및 토크분 전류를 전류제어기의 지령치로 한다(S7-S9)(S14).

이때, 상기 단계(S9)의 V_smax는 주어진 전압의 상수 V_smax에서 전류제어기(3)에서 필요한 전압 여분을 뺀 전압이다.

한편, 상기 단계(S9)의 전압제한조건을 만족하지 않으면 상기 중간변수 i를 감소시킨 후 이 중간변수 i가 '0'이 될때까지 이 중간변수 i로 부터 다시 상기 계자전류를 구하는 단계(S5)로 궤환한다.

다시 말하면 이 중간변수 i가 '0'이 되면 주어진 토크를 발생할 수 없으므로 속도제어기(2)에서 출력되는 지령치를 수정하여야 한다.

또한 상기 단계(S7)의 전류제한조건을 만족하지 않으면 상기 중간변수 j를 감소시킨 후 이 중간변수 j가 '0'이 될때까지 이 중간변수 j로 부터 다시 상기 발생 가능한 토크(T_e)를 구하는 단계(S3)로 궤환한다.

상기에서 계자전류와 토크분 전류를 구할때 각각의 중간변수 i 및 j를 최초에 100으로 설정한 후 이 값에 1/100을 곱한 후 1/100씩 줄이면서 단계를 반복하는 것은 미소 변화치가 1/100이 됨을 의미한다.

따라서 이 미소 변화치를 줄일 수록 계산의 정밀도를 높일 수 있는 장점이 있는 반면에 계산 시간이 증가하는 단점이 있으며, 반대로 전체 계산 시간을 감소하려면 미소 변화치를 증가시키면 된다.

또한, 본 발명의 방법은 전동기의 정수와 전압, 전류의 제한치를 미리 알고 있다면 오프-라인(off-line)으로 계산하여 각 회전속도 및 토크 지령치짝에 대하여 계자 전류를 테이블로 저장해 두고 운전시에는 이 테이블을 참조하여 계자 전류의 지령치및 토크분 전류의 지령치를 계산 할 수 있다.

따라서, 본 발명은 전압방정식, 슬립식, 토오크 식을 이용하여 최적의 토크 지령치와 전류지령치를 찾아서 계자의 적정수준을 설정한 후 고속에서 전동기를 최대 토크로 운전할 수 있게 하여 주어진 토크 지령치에 대하여 이 토크 지령치를 줄여 가면서 계산함으로서 최대 토크를 발생할 필요가 없을 때에도 적용이 가능함과 아울러 계산 시간의 감소의 효과가 있으며, 또한 계자전류를 정격치에서 부터 감소시키면서 찾기 때문에 토크의 속응성을 보장할 수 있는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 토크 지령치에 소정의 계수값을 승산 하여 발생 가능한 토크를 가정하는 제1단계와, 정격 계자전류에 소정의 다른 계수값을 승산하여 계자전류를 가정하는 한편 상기 발생 가능한 토크로 부터 토크분 전류를 구하는 제2단계와, 상기 계자전류 및 토크분 전류로 부터 전류제한조건을 만족하면 요구되는 전압의 크기를 각기 성분별로 구하고 이 전압으로 부터 전압제한조건을 만족하는지를 판단하는 제3단계와, 상기 제3단계의 전류제한조건을 만족하지 않으면 소정의 계수값을 감소하고 다시 상기 제1단계를 수행하는 제4단계와, 상기 제3단계의 전압제한조건을 만족하지 않으면 소정의 다른 계수값을 감소하고 다시 상기 제3단계를 수행하는 제5단계와, 상기 제3단계의 전압제한조건을 만족하면 상기에서 구한 계자전류 및 토크분 전류를 지령치로 결정하는 제6단계로 이루어짐을 특징으로 하는 전동기 구동의 계자 제어 방법.
2. 제1항에 있어서, 제4단계에서 소정의 계수값의 감소 증분과 제5단계에서 소정의 다른 계수값의 감소 증분은 사용자가 임의로 변경할 수 있는것을 특징으로 하는 전동기 구동의 계자 제어 방법.