KR100356516B1 - 유도전동기의 속도제어장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유도전동기의 속도제어장치에 관한 것으로, 종래에는 고정자 전압강하를 무시하므로 인가전압에 의한 자속은 부하의 크기에 관계없이 단지 각주파수에 종속되어, 일정자속 운전은 단순히 각주파수에 비례하는 인가전압의 크기를 유지하여 얻을 수 있는데, 이러한 방식은 고속의 영역에서 유효하며, 모타링에서는 부족여자를 발전부하에서는 과여자의 특성을 나타내고, 저속의 영역에서는 고정자의 저항성분의 전압강하가 인가전압에 비교하여 매우 크게 되어 심각한 부족여자와 토오크 능력의 커다란 손실을 초래하는 문제점이 있다. 따라서, 본 발명은 사용자가 선택한 가감속 지령주파수를 입력받아 일정 자속 운전을 수행하기 위하여 일정 패턴에 의해 비례적으로 계산하여 그에 따른 제1,제2 지령전압을 계산하는 V/F패턴과; 각기 좌표 변환된 동기 좌표계의 인버터 전류값을 제1,제2 고정저항을 통해 입력받아 이를 제1,제2 최종전압지령치와 감산하는 제3,제4 감산기와; 상기 제3,제4 감산기의 제1,제2 공극전압추정치를 로우 패스 필터링하는 제1,제2 로우패스필터와; 상기 제1,제2 로우패스필터의 공극전압궤환값과 상기 V/F패턴의 지령전압을 감산하는 제1,제2 감산기와; 상기 제1,제2 감산기의 오차신호를 각기 입력받아 적분하는 비례 적분기와; 상기 비례 적분기의 출력신호를 각기 입력받아 제한하는 제1,제2 리미트와; 상기 제1,제2 리미트의 출력신호와 상기 V/F패턴의 제1,제2 지령전압을 각기 가산하여 그에 따른 제1,제2 최종전압지령치를 출력하는 제1,제2 가산기로 구성함으로써 유도전동기의 운전중에 부하에 따라 자동으로 적절한 토오크 부스트를 제어하여 유도전동기가 무부하인 경우에 과여자와 함께 포화현상이 나타나거나, 정격 부하인 경우에 부족 여자에 의한 스톨 현상이 나타나는 원인을 제거하여 유도전동기 과열과 노이즈 발생을 방지함으로써 범용인버터의 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

유도전동기의 속도제어장치{VELOCITY CONTROL APPARATUS FOR INDUCTION MOTOR}

본 발명은 유도전동기의 속도제어장치에 관한 것으로, 특히 범용 인버터 시스템이 유동전동기를 운전중에 인가되는 부하에 따라 자동으로 적절한 토오크 부스트를 할 수 있도록 한 유동전동기의 속도제어장치에 관한 것이다.

일반적으로, 유도전동기 구동용 범용 인버터(이하, 인버터)는 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 변화여도 자속의 크기는 일정하게 정격 토오크값에 근접하도록 유지된다.

도1은 일반적인 유도전동기의 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 스위칭전압을인가하는 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)로 구성되고, 이와 구성된 유도전동기는 일정 자속으로 동작하는 경우에 인버터(4)가 제어할 수 있는 출력량인 인버터 출력 각주파수(W1), 인버터 출력전압(V)이 동작조건에 따라 제어가 되어야 하지만 각주파수(W1)가 유동전동기의 회전자 속도와 같아지면 자속제어에 대해 독립적으로 유용한 파라미터는 인버터 출력전압(V1)이다.

도2는 단상 유도전동기의 등가회로를 도시한 것으로, 고정자 전류(i1)는 고정자 저항(R1)과 고정자 누설 인덕턴스(L1)을 통해 흐르는 전류이며, 회전자 전류(i2)는 회전자 누설 인덕턴스(L2)와 회전자 부하저항(RL)을 통해 흐르는 전류이며, 자화전류(im)는 자화인덕턴스(LM)를 통해 흐르는 전류이다.

그리고, V1은 인가전압, E1은 인가전압에 의해 발생하는 공급전압이고, W1은 고정자 각주파수이며, W2는 회전자 각주파수이다.

여기서, 고정자 전류(i1)에 해당하는 부하와 주파수가 W1으로 주어진 동작조건에 대하여 자속의 크기 즉, 자화전류(im)의 크기는 인가전압(V1)에 의해 결정된다.

실제로, 정격자속 요구시에는 인가전압(V1)의 값이 이용되며 이로부터 i1(R1+jw1L1)의 전압강하가 생기는데, 결과적인 공극전압(E1)은 아래의 수식과 같다.

여기서,은 정격 자화전류.

만일, 인가전압(V1)이 주어진 조건에서 요구되는 크기로 조절되어 있고, 각주파수(W1)의 변동없이 고정자 전류(i1)의 변화를 가정하면, i1(R1+jw1L1) 전압강하의 변동으로 공극전압(E1)이 변화함을 알 수 있다.

상기 공극전압(E1)이 설계된 값을 유지하여 일정 자속운전을 보증하려면 인가전압(V1)은 부하의 함수로 반드시 변화하여야 하고, 이와 유사하게 단지 각주파수(W1)만이 변동하더라도 자속의 크기를 일정하게 유지하려면 인가전압(V1)은 주파수의 함수로 변화되어야 하는데, 이는 설계된 자속을 제어하기 위해서는 인가전압 (V1)이 주파수와 고정자 전류(i1)에 정확하게 종속되어야 함을 의미한다.

도3은 종래 유도전동기의 속도제어장치(운전지령 및 제어부)에 대한 구성을 보인 블록도로서,이에 도시된 바와같이 사용자가 선택한 목표 주파수의 가감속을 수행하기 위한 가감속 지령주파수를 입력받아 일정 자속 운전을 수행하기 위하여 일정 패턴에 의해 비례적으로 계산하여 그에 따른 지령전압을 계산하는 V/F패턴 (61)과, V/F패턴(61)에 의해 비례적으로 계산된 지령전압과 사용자에 의해 선택되거나 계산되는 보상전압을 가산하여 최종 전압지령치(VqseRef),(VdseRef)로 출력하는 가산기 (AD)로 구성되며, 이와같이 구성된 종래장치의 동작을 설명한다.

먼저, 사용자가 선택한 목표주파수는 이미 설정된 가감속 시간에 맞추어 가변하는 가감속 지령주파수로 변조된다.

그러면, V/F패턴(61)은 상기 가감속 지령주파수를 입력받아 이를 비례적으로 계산된 지령전압으로 출력하고, 가산기(AD)는 상기 지령전압을 입력받아 이를 사용자에 의해 선택 또는 계산된 보상전압과 가산하여 최종전압지령치 (VqseRef) ,(VdseRef)를 출력한다.

그러나, 상기와 같은 종래기술에 따른 유도전동기의 속도제어장치는 고정자 전압강하를 무시하므로 인가전압에 의한 자속은 부하의 크기에 관계없이 단지 각주파수에 종속되어 도4와 같이 일정자속 운전은 단순히 각주파수에 비례하는 인가전압의 크기를 유지하여 얻을 수 있는데, 이러한 방식은 고속의 영역에서 유효하며, 모타링에서는 부족여자를 발전부하에서는 과여자의 특성을 나타내고, 저속의 영역에서는 고정자의 저항성분의 전압강하가 인가전압에 비교하여 매우 크게 되어 심각한 부족여자와 토오크 능력의 커다란 손실을 초래하는 문제점이 있다.

또한, 일정자속의 운전을 도5와 같이 전체적으로 옮겨진 비례관계로 하거나 도6과 같이 저속영역에서만 인가전압을 밀어 올리는 부스팅 방법으로 원활하게 저속 무부하시에 유도전동기를 과여자로 만들 수 있으므로 일정한 부하의 저속에서 큰 토오크를 내지만, 실제 부하가 가변하더라도 저속의 부스트가 여전히 남아있으므로 부스트의 크기를 과하게 인가하면 유도전동기가 무부하인 경우에 과여자와 함께 포화현상의 원인이 되는 문제점이 있다.

따라서, 상기와 같은 문제점을 감안하여 창안한 본 발명은 유도전동기의 운전중에 인가되는 부하에 따라 자동으로 적절한 토크를 부스트하여 전동기 과열과 노이즈 발생을 방지할 수 있도록 한 유도전동기의 속도제어장치를 제공함에 그 목적이 있다.

도1은 일반적인 유도전동기의 구성을 보인 블록도.

도2는 단상 유도전동기의 등가회로도.

도3은 종래 유도전동기의 속도제어장치의 구성을 보인 블록도.

도4는 도3에 있어서, V/F 일정제어에 대한 특성을 보인도.

도5는 도3에 있어서, 저속의 부족여자를 보완한 리니어 시프트 V/F 일정제어에 대한 특성을 보인도.

도6은 도3에 있어서, 저속영역의 부스트 V/F 일정제어에 대한 특성을 보인도.

도7은 본 발명 유도전동기의 구성을 보인 블록도.

*****도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*****

100:V/F패턴 101,102:고정저항

103~106:감산기 107,108:로우패스필터

109,110:적분기 111,112:리미트

113,114:가산기

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 교류전원을 직류로 변환하는 컨버터와, 상기 직류전압을 가변 교류전압으로 변환하는 인버터와,상기 인버터의 출력전류를 검출하는 전류검출부와, 상기 검출전류를 좌표 변환하는 좌표변환부와, 좌표 변환된 검출전류에 따른 전압지령치를 출력하는 운전지령 및 제어부를 구비하는 유도 전동기에 있어서, 상기 운전지령 및 제어부는 사용자가 선택한 가감속 지령주파수를 입력받아 일정 자속 운전을 수행하기 위하여 일정 패턴에 의해 비례적으로 계산하여 그에 따른 제1,제2 지령전압을 계산하는 V/F패턴과; 각기 좌표 변환된 동기 좌표계의 인버터 전류값을 제1,제2 고정저항을 통해 입력받아 이를 제1,제2 최종전압지령치와 감산하는 제3,제4 감산기와; 상기 제3,제4 감산기의 제1,제2 공극전압추정치를 로우 패스 필터링하는 제1,제2 로우패스필터와; 상기 제1,제2 로우패스필터의 공극전압궤환값과 상기 V/F패턴의 지령전압을 감산하는 제1,제2 감산기와; 상기 제1,제2 감산기의 오차신호를 각기 입력받아 적분하는 비례 적분기와; 상기 비례 적분기의 출력신호를 각기 입력받아 제한하는 제1,제2 리미트와; 상기 제1,제2 리미트의 출력신호와 상기 V/F패턴의 제1,제2 지령전압을 각기 가산하여 그에 따른 제1,제2 최종전압지령치를 출력하는 제1,제2 가산기로 구성한 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 의한 유도전동기의 속도제어장치에 대한 작용 및 효과를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도7은 본 발명 유도전동기의 속도제어장치에 대한 구성을 보인 블록도로서, 이에 도시한 바와같이, 사용자가 선택한 가감속 지령주파수를 입력받아 일정 자속 운전을 수행하기 위하여 일정 패턴에 의해 비례적으로 계산하여 그에 따른 제1,제2 지령전압(iEqseRef),(iEdseRef)을 계산하는 V/F패턴(100)과; 각기 좌표 변환된 동기 좌표계의 인버터 전류값(iqse),(idse)을 고정저항(101),(102)을 통해 입력받아 이를 최종전압지령치(VqseRef),(VdseRef)와 감산하는 제3,제4 감산기(105),(106)와; 상기 제3,제4 감산기(105),(106)의 공극전압추정치(iEqse),(iEdse)를 로우 패스 필터링하는 제1,제2 로우패스필터(107),(108)와; 상기 제1,제2 로우패스필터 (107),(108)의 공극전압궤환값(ILPFOutU),(ILPFOutL)과 상기 V/F패턴(100)의 지령전압(iEqseRef),(iEdseRef)을 감산하는 제1,제2 감산기(103),(104)와; 상기 제1,제2 감산기(103),(104)의 오차신호를 각기 입력받아 적분하는 비례 적분기 (109),(110)와; 상기 비례 적분기(109),(110)의 출력신호를 각기 입력받아 제한하는 제1,제2 리미트(111),(112)와; 상기 제1,제2 리미트(111),(112)의 출력신호와 상기 V/F패턴(100)의 지령전압(iEqseRef),(iEdseRef)을 각기 가산하여 그에 따른 최종전압지령치(VqseRef),(VdseRef)를 출력하는 제1,제2 가산기 (113) ,(114)로 구성하며, 이와같이 구성한 본 발명의 동작을 설명한다.

먼저, 본 발명의 구현을 위한 제어에 있어서,제1,제2 가산기(113),(114)에서 출력되는 최종전압지령치(VqseRef),(VdseRef)는 고정자 저항(101),(102)에 의한 전압강하를 보정하되,d축의 자속은 일정하고, q축의 자속은 '0'이 되도록 함을 기본으로 한다.

상기 d축의 자속이 일정하기 위한 조건은 'iEqseRef/f0=일정'하도록 V/F패턴(100)에 의해 제1 지령전압(iEqseRef)을 발생하고, q축의 자속이 '0'이 되는 조건은 V/F패턴(100)에 의해 제2 지령전압(iEdseRef)을 '0'으로 발생한다.즉, 상기 V/F패턴(100)은,사용자가 선택한 가감속 지령주파수를 입력받아 일정 자속운전을 수행하기 위하여, 일정패턴에 의해 비례적으로 계산하여 그에 따른 제1,제2 지령전압(iEqseRef)(iEdseRef)을 계산하여 출력한다.우선, 사용자가 선택한 목표주파수를 가감속하기 위하여 변조한 가감속 지령 주파수가 일정 자속 운전을 하기 위해 V/F패턴(100)에 의해 제1,제2 지령전압 (iEqseRef),(iEdseRef)을 비례적으로 계산하여 출력한다.

한편, 인버터 출력전류를 검출하여 좌표변환한 동기 좌표계의 전류값 (idse)(iqse)은 고정자 저항(101),(102)을 통해 흐르면서 발생하는 전압강하와 최종전압 지령치(VdseRef,VqseRef)를 감산기(105),(106)에서 감산하여 그에 따른 오차는 공극전압으로 추정되는 공극전압추정치(iEqse,iEdse)로 출력된다.

그러면, 제1,제2 저역통과필터(107),(108)는 상기 감산기(105),(106)로부터 출력되는 공극전압 추정치(iEqse,iEdse)가 저역 통과 필터링하여 노이즈 성분이 제거된 공극전압 궤환값(ILPFOUTU,ILPFOUTL)을 생성한다.

이때, 감산기(103),(104)는 각기 상기 V/F패턴(100)에서 발생되는 제1,제2 지령전압(iEqseRef),(iEdseRef)과 상기 공극전압 궤환값(ILPFOUTU,ILPFOUTL)을 각기 감산하여 그에 따른 오차신호를 출력하고, 그러면 비례 적분기(109),(110)는 상기 오차신호를 각기 입력받아 적분하여 공극의 전압을 일정하게 하기 위한 보상전압을 출력한다.

이후, 리미트(111),(112)는 상기 비례 적분기(109),(110)의 과다한 출력을 제한하여 출력하고, 가산기(113),(114)는 상기 비례 적분기(109),(110)의 출력신호를 각기 입력받아 이를 제1,제2 지령전압(iEqseRef),(iEdseRef)과 가산하여 그에 따른 최종전압지령치 (Vdseref,Vqseref)를 출력한다.다시 말해서, 본 발명은, V/F패턴(100)에 의해, 도7과 같이, 일정기울기를 갖는 직선함수를 생성하도록, 사용자가 설정한 지령 주파수 대비 제1 지령전압 (iEqseRef)을 연산하여 출력하고, 아울러 q축이 자속이 '0'이 되도록 제2지령전압 (iEdseRef)을 '0'으로 발생한다.

이상에서 상세히 설명한 바와같이 본 발명은 유도전동기의 운전중에 부하에 따라 자동으로 적절한 토오크 부스트를 제어하여 유도전동기가 무부하인 경우에 과여자와 함께 포화현상이 나타나거나, 정격 부하인 경우에 부족 여자에 의한 스톨 현상이 나타나는 원인을 제거하여 유도전동기 과열과 노이즈 발생을 방지함으로써 범용인버터의 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 교류전원을 직류로 변환하는 컨버터와, 상기 직류전압을 가변 교류전압으로 변환하는 인버터와,상기 인버터의 출력전류를 검출하는 전류검출부와, 상기 검출전류를 좌표 변환하는 좌표변환부와, 좌표 변환된 검출전류에 따른 전압지령치를 출력하는 운전지령 및 제어부를 구비하는 유도 전동기에 있어서, 상기 운전지령 및 제어부는 사용자가 선택한 가감속 지령주파수를 입력받아 일정 자속 운전을 수행하기 위하여 일정 패턴에 의해 비례적으로 계산하여 그에 따른 제1,제2 지령전압을 계산하는 V/F패턴과; 각기 좌표 변환된 동기 좌표계의 인버터 전류값을 제1,제2 고정저항을 통해 입력받아 이를 각기 제1,제2 최종전압지령치와 감산하는 제3,제4 감산기와; 상기 제3,제4 감산기의 제1,제2 공극전압추정치를 로우 패스 필터링하는 제1,제2 로우패스필터와; 상기 제1,제2 로우패스필터의 제1,제2 공극전압궤환값과 상기 V/F패턴의 제1,제2 지령전압을 감산하는 제1,제2 감산기와; 상기 제1,제2 감산기의 오차신호를 각기 입력받아 적분하는 비례 적분기와; 상기 비례 적분기의 출력신호를 각기 입력받아 제한하는 제1,제2 리미트와; 상기 제1,제2 리미트의 출력신호와 상기 V/F패턴의 제1,제2 지령전압을 각기 가산하여 그에 따른 제1,제2 최종전압지령치를 출력하는 제1,제2 가산기로 구성한 것을 특징으로 하는 유도전동기의 속도제어장치.
2. 제1 항에 있어서, 제1 지령전압은 자속 벡터 제어의 조건이 일정하도록, 하기의 수학식과 같이, 가감속 지령 주파수와의 비가 일정하게 유지되어 출력되는 것을 특징으로 하는 유도전동기의 속도제어장치.

   [수학식]

   iEqseRef/f0=일정

   여기서, iEqseRef는 제1 지령전압,f0는 가감속 지령 주파수
3. 제1 항에 있어서, 제2 지령전압은, q축의 자속이 "0"이 되도록, 자속 벡터 제어의 조건을 "0"으로 하여 출력하는 것을 특징으로 하는 유도전동기의 속도제어장치.