KR100356515B1 - 유도전동기 구동용 인버터의 과전류 억제장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유도전동기 구동용 인버터의 과전류 억제장치 및 방법에 관한 것으로, 종래에는 감속패턴이 정상적인 df와 '0'을 토글하는 방식이므로 전동기 토크 리플 및 성능저하의 문제점이 있고, 또한 가감속중에 df를 강제로 '0'으로 하기 때문에 사용자가 설정한 가감속 시간에 목표주파수로 운전할 수 없는 문제점이 있다. 따라서, 본 발명은 유도 전동기에 있어서,사용자에 의해 초기 설정된 전류치와 상전류 최대치를 비교하여, 과전류 트립을 억제하기 위한 속도변화신호(단위시간당 주파수변동량)를 출력하는 과전류트립억제부와; 단위 시간당 가감속 시간별 속도 변화량을 계산하여 그에 따른 속도변화신호를 출력하는 df계산부와; 상기 과전류트립억제부와 상기 df계산부에서 각각 속도변화신호를 비교하여 그에 따른 오차보상신호를 출력하는 속도오차보상부와; 사용자의 선택 또는 기타의 조건으로 상기 과전류트립억제부 및 속도오차보상부의 실행여부를 결정하는 가감속제어부와; 상기 가감속제어부의 제어에 의해, 상기 df계산부의 출력신호를 가감속지령주파수와 가산하거나, 상기 과전류트립억제부의 속도변화신호와 가감속지령주파수를 가산하는 제1 가산기와; 상기 속도오차보상부의 출력신호를 상기 제1 가산기의 출력신호와 가산하는 제2 가산기와; 상기 제2 가산기의 출력신호에 비례하는 지령전압을 계산하여 출력하는 V/f패턴을 포함하여 구성함으로써 전류 및 전압의 정보를 가감속에 적용하여 인버터 및 전동기를 포함한 시스템에 무리를 주지 않고 인버터의 과전류 트립을 억제하는 기능을 수행함과 아울러 전동기의 실제 속도를 사용자가 선택한 가감속 시간에 일치시키는 가감속 방법으로 양호한 가감속 토크, 적응성,속도 선형성,속도 리플저감등의 성능을 향상시키는 효과가 있다.

Description

유도전동기 구동용 인버터의 과전류 억제장치 및 방법{OVERCURRENT CONTROL APPARATUS AND METHOD FOR INDUCTION MOTOR DRIVING INVERTER}

본 발명은 유도전동기 구동용 인버터의 과전류 억제장치 및 방법에 관한 것으로,특히 전동기의 속도를 가감속하는 경우에 발생하는 인버터의 과전류 트립을 억제함과 아울러 전동기의 실제 속도를 사용자가 선택한 가감속 시간에 일치시키도록 한 유도전동기 구동용 인버터의 과전류 억제장치 및 방법에 관한 것이다.

도1은 일반적인 유도전동기의 제어장치에 대한 구성을 보인 블록도로서, 이에 도시된 바와 같이, 교류전원(1)을 직류로 변환하는 컨버터(2)와; 상기 컨버터(2)의 직류전압을 평활시키는 필터콘덴서(3)와; 상기 필터콘덴서(3)의 직류전압을 가변 교류전압으로 변환하는 인버터(4)와; 상기 인버터(4)의 가변 교류전압에 의해 구동되는 모터(5)와; 상기 인버터(4)의 출력전류를 검출하는 전류검출부 (10)와; 상기 전류검출부(10)의 검출전류를 좌표 변환하여 출력함과 아울러 전압지령치를 입력받아 이를 좌표 변환하여 출력하는 좌표변환부(7)와; 각 상별 기준전압과 삼각파를 비교하여 펄스폭 변조 파형을 만들어 인버터(4) 각 상의 스위칭소자의 게이트에 스위칭전압을 인가하는 PWM발생부(8)와; 모터(5)의 속도를 제어하기 위하여 상기 좌표변환부(7)의 좌표 변환된 검출전류에 따른 전압지령치를 출력함과 아울러 주파수신호를 출력하는 운전지령 및 제어부(6)와; 상기 운전지령 및 제어부(6)의 주파수신호를 위상으로 변환하여 상기 좌표변환부(7)로 출력하는 적분기(9)와; 상기 필터콘덴서 (3)의 양단전압을 검출하는 전압검출부(11)로 구성되며,이와같이 구성된 유도전동기는 V/F 제어를 이용하며 유도전동기의 속도제어에 널리 사용되고 있다.

상기 V/F 제어는 유동전동기의 고정자 전압 실효치와 주파수를 비례적으로 제어하여 평균 토오크를 계산하는 방식으로, V/F 제어를 수행하는 경우에 유도전동기는 속도와 토크가 변화더라도 자속의 크기는 일정하게 정격 토오크값에 근접하도록 유지되는데, 이것은 일정 자속운전을 의미하는 것으로 도2는 일정 자속 운전의 전압과 주파수의 비율을 나타낸다.

도3은 상기 운전지령및 제어부(6)에 대한 구성을 보인 블록도로서, 이에 도시된 바와같이 단위시간당 주파수 변동량을 계산하여 그에 따른 속도변화신호(df)를 출력하는 df계산부(12)와; 감속의 실행여부를 결정하는 가감속제어부(13)와; 주파수와 비례적인 관계를 갖는 전압지령치(VI)를 생성하는 V/F패턴(14)으로 구성되며, 이와같은 종래 장치의 동작을 설명한다.

먼저, 인버터(4)가 전동기(5)를 가감속해야하는 경우, 단위시간당 속도변동량(df)을 df계산부(12)에서 계산하여 그 값을 단위 시간별로 가산기(AD1)에서 가감속지령주파수 (f)와 가산하여 그에 따른 주파수 지령치(f0)를 출력하는데, 이를 수식으로 표시하면 아래와 같다.

f[n]=f[n-1]+df:가속일 경우

f[n]=f[n-1]-df:감속일 경우

즉, 상기 df계산부(12)는 아래의 수학식을 이용하여 단위시간당 속도변동량 (df)을 계산하여, 그 계산값(df)은 가감속제어부(13)에서 가감속 시간이 결정되면 계산되는 상수값이다.

df=(f2-f1)×샘플링시간/가감속시간

여기서, 상기 가감속제어부(13)는 사용자의 선택 또는 기타의 조건으로 감속의 실행여부를 결정하는 역할을 하게 되는데, 만일 인버터가 가속중에 전류검출부 (10)의 전류가 설정된 정격값 보다 크면 가속중지를 지령하여 df는 '0'이된다.

그리고, 감속중에 필터콘덴서(3)의 양단에 걸리는 직류링크 전압이 설정된 정격값보다 크거나 가속의 경우처럼 전류가 설정치보다 크면 감속 중지를 지령하여 df는 '0'이된다.

여기서, 일반적인 경우에는 정상 가감속을 하게 되며 상기 수학식 2에서 계산된 df를 수학식1에 대입한 값으로 감속을 하게 되고, V/F패턴(14)은 주파수지령치(f0)와 비례적인 관계를 갖는 전압지령(Vi)을 출력하게 된다.

도4는 인버터의 출력주파수(f0)를 현재 주파수에서 목표주파수까지 도달하도록 하는 감속 패턴의 한가지 방법을 나타낸 것으로, 도4의 (가)는 시간별 출력주파수 변화량, 도4의 (나)는 인버터가 정상감속을 하는 경우의 시간별 속도 변동량 (df)의 변화를 나타낸다.

그러나, 종래 기술에 따른 유도전동기는 감속패턴이 정상적인 df와 '0'을 토글하는 방식이므로 전동기 토크 리플 및 성능저하의 문제점이 있고, 또한 가감속중에 df를 강제로 '0'으로 하기 때문에 사용자가 설정한 가감속 시간에 목표주파수로 운전할 수 없는 문제점이 있다.

또한, 종래 기술에 따른 유도전동기는 평균토크를 유지하면서 가감속을 하게 되는데 시스템의 관성부하가 큰 경우에는 인버터의 감속은 완료 되어도 실제 전동기는 감속을 완료하지 못하게 되어 성능이 저하되는 문제점이 있다.

따라서, 상기와 같은 문제점을 감안하여 창안한 본 발명은 전동기 속도의 가감속시 인버터의 과전류 트립을 억제하도록 함과 아울러 전동기의 실제 속도를 사용자가 선택한 가감속시간에 일치시키도록 한 구동용 인버터의 과전류 억제장치 및 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 문제점을 감안하여 창안한 본 발명은 전동기의 속도 감속시 시스템의 관성부하에 따라 자동으로 자속의 크기를 가변하면서 감속하여 전동기의 실제속도를 사용자가 선택한 감속시간에 일치시키도록 한 유도전동기 구동용 인버터의 과전류 억제장치 및 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

도1은 일반적인 유동전동기의 구성을 보인 블록도.

도2는 일정 자속 운전의 전압과 주파수의 비율과의 상관관계를 보인도.

도3은 도1에 있어서, 운전지령및 제어부의 구성을 보인 블록도.

도4는 시간별 출력주파수 변화량과 시간별 속도 변동량을 보인도.

도5는 본 발명 유도전동기 구동용 인버터의 과전류 억제장치의 구성을 보인 블록도.

*****도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*****

12:df계산부 13:가감속제어부

14:V/F패턴 15a1,15a2,15b1,15b2:접점

16,22:적분기 17:df_new계산부

18,21:감산기 19,20:가산기

23:리미트 100:속도오차보상부

200:과전류트립억제부

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 유도 전동기에 있어서,사용자에 의해 초기 설정된 전류치와 상전류 최대치를 비교하여, 과전류 트립을 억제하기 위한 속도변화신호(단위시간당 주파수변동량)를 출력하는 과전류트립억제부와; 단위 시간당 가감속 시간별 속도 변화량을 계산하여 그에 따른 속도변화신호를 출력하는 df계산부와; 상기 과전류트립억제부와 상기 df계산부에서 각각 속도변화신호를 비교하여 그에 따른 오차보상신호를 출력하는 속도오차보상부와; 사용자의 선택 또는 기타의 조건으로 상기 과전류트립억제부 및 속도오차보상부의 실행여부를 결정하는 가감속제어부와; 상기 가감속제어부의 제어에 의해, 상기 df계산부의 출력신호를 가감속지령주파수와 가산하거나, 상기 과전류트립억제부의 속도변화신호와 가감속지령주파수를 가산하는 제1 가산기와; 상기 속도오차보상부의 출력신호를 상기 제1 가산기의 출력신호와 가산하는 제2 가산기와; 상기 제2 가산기의 출력신호에 비례하는 지령전압을 계산하여 출력하는 V/f패턴을 포함하여 구성한 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 의한 유도전동기 구동용 인버터의 과전류 억제장치 및 방법에 대한 작용과 효과를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도5는 본 발명 유동전동기 구동용 인버터의 과전류 억제장치에 대한 실시예의 구성을 보인 블록도로서, 이에 도시한 바와같이 사용자에 의해 초기 설정된 전류치(Isup)와 상전류 최대치(Imag)를 비교하여, 과전류 트립을 억제하기 위한 속도변화신호(단위시간당 주파수변동량:delf)를 출력하는 과전류트립억제부(200)와; 단위 시간당 가감속 시간별 속도 변화량을 계산하여 그에 따른 속도변화신호(df)를 출력하는 df계산부 (12)와; 상기 과전류트립억제부(200)와 상기 df계산부(12)의 속도변화신호 (delf) (df)를 비교하여 그에 따른 오차(df_new)를 출력하는 속도오차보상부(100)와; 사용자의 선택 또는 기타의 조건으로 상기 과전류트립억제부(200) 및 속도오차보상부 (100)의 실행여부를 결정하는 가감속제어부(13)와; 상기 가감속제어부(13)의 제어에 의해 상기 df계산부(12)의 출력신호 (df)를 가감속지령주파수 (f)와 가산하거나, 상기 과전류트립억제부(200)의 속도변화신호 (delf)와 가감속지령주파수(f)를 가산하는 제1 가산기(19)와; 상기 속도오차보상부(100)의 출력신호 (df_new)를 상기 제1 가산기(19)의 출력신호와 가산하여 그에 따른 출력 주파수 (f0)를 출력하는 제2 가산기(20)와; 상기 제2 가산기(20)의 출력신호(f0)에 비례하는 지령전압(Vi)을 계산하여 출력하는 V/f패턴(14)으로 구성한다.

상기 과전류트립억제부(200)는 궤환전류(Imag)의 크기를 연산하는 전류크기연산부 (24)와; 상기 전류크기연산부(24)의 출력신호(Imag)와 초기 설정된 전류값 (Isup)을 감산하는 제1 감산기(21)와; 상기 제1 감산기(21)의 출력신호를 입력받아 적분하여 그에 따른 속도변화신호를 출력하는 적분기(22)와; 상기 적분기의 출력값을 제한하는 리미트(23)와; 가감속제어부(13)의 제어에 의해 상기 리미트(23)의 출력신호(delf)의 적용 여부를 결정하는 제2 접점(15b1)으로 구성한다.

상기 속도오차보상부(100)는 과전류트립억제부(200)와 df계산부(12)의 속도변화신호(delf)(df)를 감산하는 제1 감산기(18)와; 상기 제1 감산기(18)의 출력신호를 가감속제어부(13)의 제어에 의해 제3 접점(15b2)을 통해 입력받아 이를 적분하는 적분기(16)와; 상기 적분기(16)의 출력신호를 가감속제어부(13)의 제어신호에 의해 제4 접점(15a2)을 통해 입력받아 그에 따른 속도변화신호(df_new)를 계산하는 df_new계산부(17)로 구성하며, 이와같이 구성한 본 발명의 동작을 설명한다.

먼저, 가감속제어부(13)는 인버터가 정상감속을 하는 경우, 접점 (15a1 ,15a2,15b1,15b2)의 상태를 변화시켜 가감속 시간별 속도변동량(df)의 변화는 종래와 동일하게 df계산부(12)에서 계산하여 출력한다.

만약, 인버터가 가감속을 시작할 때, 유동전동기는 마찰부하 및 관성부하,설정된 감속시간에 의한 슬립의 발생으로 인하여 부하의 요구전류의 크기가 커지게 된다.

이때, 감산기(21)는 정해진 전류의 크기(Isup)와 궤환된 전류(Imag)의 크기를 감산하는데, 만약 그 궤환된 전류(Imag)의 크기가 커지게 되면 가감속제어부 (13)는 접점15a1 ,15a2 ,15b1,15b2)의 상태를 변화시킨다.

즉, 제1,제4 접점(15a1,15a2)은 a접점으로 이루어져 초기 설정 전류치(Isup) 보다 궤환된 출력전류치(Imag)가 크면 가감속제어부(13)의 제어에 의해 오프되고, 제2,제3 접점(15b1,1bb2)은 b접점으로 이루어져 초기 설정 전류치(Isup) 보다 궤환된 출력전류치(Imag)가 크면 가감속제어부(13)의 제어에 의해 온된다.

이에 따라, 상기 감산기(21)의 출력오차는 적분기(22)와 리미트(23)에 의하여 설정된 전류(Isup)보다 큰 출력전류(Imag)에 대한 속도변화신호(delf)를 출력하는데, 이와 같은 경우 출력주파수(f0)는 가산기(19)에서 상기 속도변화신호(delf)와 가감속지령주파수(f)를 합하여 출력한 값이 되며, 지령전압(Vi)에도 변화가 생기게 된다.

그리고, 정상적인 경우, 속도오차보상부(100)의 감산기(18)는 df계산부(12)의 속도변화신호(df) 과전류트립억제부(200)의 속도변화신호(delf)를 감산하여 제3 접점 (15b2)을 통하여 적분기(16)로 출력하고, 그러면 적분기(16)는 상기 과전류트립억제부(200)의 속도변화신호(delf)가 출력되는 동안의 오차를 계속 누적하고 있다가 전류가 회복되어 설정치보다 작아지면 제4 접점(15a2)을 통해 오차 누적값을 df_new계산부(17)에 인가한다.

이에 따라, 상기 df_new계산부(17)는 상기 오차누적값에 의해 새로 추가해야할 속도변화신호(df_new)를 계산하여 가산기(20)로 출력하고, 그 가산기(20)는 상기 속도변화신호(df_new)를 가감속지령주파수(f) 및 속도변화신호(df)와 가산하여 그에 따른 출력주파수 (f0)를 출력하며, V/F패턴(14)은 상기 가산기(20)의 출력신호(f0)를 비례적으로 계산하여 그에 따른 전압지령(Vi)을 출력한다.

여기서, 상기 df_new계산부(17)의 연산을 수식으로 표현하면 아래와 같다.

df_new=(누적된 df)×(샘플링시간)/(설정된 가감속시간-현재시간)

다시 말해서, 본 발명은 부하전류의 크기가 트립을 발생시키지 않을 정도이면 가감속을 종래의 방식처럼 수행하고, 만일 부하의 상태가 변하여 트립이 발생하는 상황이 되면 트립을 억제하기 위하여 과전류트립억제부(200)를 구동하여 과전류를 억제하다가, 억제동작이 완료되면 다시 정상적인 가감속을 하되 억제동작으로 인하여 손실된 주파수 변동량의 누적치는 속도오차보상부(100)에서 계산하여 이를 가감속시간에 처리하여 사용자가 선택한 가감속시간에 실제속도를 일치시킨다.

그리고, 전동기의 속도감속시 출력전류(Imag)의 크기 및 직류링크 전압(Vdc)을 초기 설정된 전류(Isup) 및 전압값(Vsup)과 비교하여 그에 따라 자동으로 자속의 크기를 가변하여 사용자가 선택한 감속시간에 일치시킨다.

여기서, 상기 자속의 크기 변화는 초기 설정된 전류치(Isup) 보다 큰 궤환 전류치(Imag)가 발생하면 그 오차에 의한 지령전압(dVi)을 생성하여 출력 지령전압 (Vi)에 가산하고, 초기 설정된 전압치(Vsup:미도시) 보다 큰 궤환 전압치(Vdc:미도시)가 발생하면 그 오차에 의한 지령전압(dV2)을 생성하여 출력전압(Vi)에 가산하여 새로운 지령전압(Vi_new)을 만든다.

이에 의해, 마찰부하 및 관성부하, 설정된 감속시간에 의한 슬립의 발생으로 인하여 나타나는 전류의 상승 및 콘덴서 양단의 전압은 감속시 출력하는 전압의 정보로 활용되어 가변토크운전을 수행하게 된다.

이상에서 상세히 설명한 바와같이 본 발명은 전류 및 전압의 정보를 가감속에 적용하여 인버터 및 전동기를 포함한 시스템에 무리를 주지 않고 인버터의 과전류 트립을 억제하는 기능을 수행함과 아울러 전동기의 실제 속도를 사용자가 선택한 가감속 시간에 일치시키는 가감속 방법으로 양호한 가감속 토크, 적응성,속도 선형성,속도 리플저감등의 성능을 향상시키는 효과가 있다.

Claims (10)

1. 유도 전동기에 있어서,

   사용자에 의해 초기 설정된 전류치와 상전류 최대치를 비교하여, 과전류 트립을 억제하기 위한 속도변화신호(단위시간당 주파수변동량)를 출력하는 과전류트립억제부와; 단위 시간당 가감속 시간별 속도 변화량을 계산하여 그에 따른 속도변화신호를 출력하는 df계산부와; 상기 과전류트립억제부와 상기 df계산부에서 각각 속도변화신호를 비교하여 그에 따른 오차보상신호를 출력하는 속도오차보상부와; 사용자의 선택 또는 기타의 조건으로 상기 과전류트립억제부 및 속도오차보상부의 실행여부를 결정하는 가감속제어부와; 상기 가감속제어부의 제어에 의해, 상기 df계산부의 출력신호를 가감속지령주파수와 가산하거나, 상기 과전류트립억제부의 속도변화신호와 가감속지령주파수를 가산하는 제1 가산기와; 상기 속도오차보상부의 출력신호를 상기 제1 가산기의 출력신호와 가산하는 제2 가산기와; 상기 제2 가산기의 출력신호에 비례하는 지령전압을 계산하여 출력하는 V/f패턴을 포함하여 구성한 것을 특징으로 하는 유도전동기 구동용 인버터의 과전류 억제장치.
2. 제1 항에 있어서, 제1 접점은 a접점으로 이루어져, 초기 설정 전류치 보다 궤환된 전류치가 크면 오프되는 것을 특징으로 하는 유도전동기 구동용 인버터의 과전류 억제장치.
3. 제1 항에 있어서, 과전류트립억제부는 궤환전류의 크기를 연산하는 전류크기연산부와; 상기 전류크기연산부의 출력신호와 초기 설정된 전류값을 감산하는 제1 감산기와; 상기 제1 감산기의 출력신호를 적분하여 그에 따른 속도변화신호를 출력하는 적분기와; 상기 적분기의 출력값을 제한하는 리미트와; 가감속제어부의 제어에 의해, 상기 리미트에서 출력되는 신호의 적용여부를 결정하는 제2 접점으로 구성된 것을 특징으로 하는 유도전동기 구동용 인버터의 과전류 억제장치.
4. 제3 항에 있어서, 제2 접점은 b접점으로 이루어져 초기 설정 전류치 보다 궤환된 출력전류치가 크면 온되는 것을 특징으로 하는 유도전동기 구동용 인버터의 과전류 억제장치.
5. 제1 항에 있어서, 속도오차보상부는 과전류트립억제부와 df계산부에서 각각 출력되는 속도변화신호를 서로 감산하는 제1 감산기와; 상기 제1 감산기의 출력신호를 제3 접점을 통해 입력받아 적분하는 적분기와; 상기 적분기의 출력신호를 가감속제어부의 제어신호에 의해 제4 접점을 통해 입력받아 그에 따른 속도변화신호를 계산하는 df_new계산부로 구성한 것을 특징으로 하는 유도전동기 구동용 인버터의 과전류 억제장치.
6. 제5 항에 있어서, 제3 접점은 b접점으로 이루어져 초기 설정 전류치 보다 궤환된 출력전류치가 크면 온되는 것을 특징으로 하는 유도전동기 구동용 인버터의 과전류 억제장치.
7. 제5 항에 있어서, 제4 접점은 a접점으로 이루어져 초기 설정 전류치 보다 궤환된 출력전류치가 크면 오프되는 것을 특징으로 하는 유도전동기 구동용 인버터의 과전류 억제장치.
8. 제5 항에 있어서, df_new계산부는 아래의 수식으로 속도변화신호를 구하는 것을 특징으로 하는 유도전동기 구동용 인버터의 과전류 억제장치.

   수학식 3

   df_new=(누적된 df)×(샘플링시간)/(설정된 가감속시간-현재시간)
9. 삭제
10. 삭제