KR100379687B1 - 인버터 토크 보상장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 인버터 토크 보상장치에 관한 것으로, 종래의 인버터 제어 장치에 있어서는 토크를 보상하기 위해 역률 정보를 사용하기 때문에 즉, 현재 출력 전압과 출력 전류 정보를 이용하여 역률을 계산하므로 무부하인 경우에 큰 역률값을 갖게 되어 전동기가 과여자되고, 큰 전류가 흐르게 되는 문제점이 있었다. 따라서 본 발명은 전동기를 원하는 회전 속도로 운전하기 위한 주파수 지령치를 발생하는 주파수 지령기와, 상기 주파수 지령기의 주파수 지령치를 입력받아 전동기의 자속을 일정하게 유지하도록 그 주파수 지령치에 비례하는 즉, 전압/주파수(V/F) 패턴을 유지하는 전압 지령치를 발생시키는 전압 지령기와, 상기 전압 지령기의 전압 지령치와 전압 보상기에서 출력되는 전압 보상값을 더하여 최종 전압 지령치로 출력하는 가산기와, 상기 주파수 지령기의 주파수 지령치와 상기 최종 전압 지령치를 입력받아 그에 해당하는 주파수와 전압의 교류전원을 발생시켜 유도 전동기에 공급해 주는 전력 변환기와, 상기 최종 전압 지령치와 상기 유도 전동기의 입력 전류 검출값으로부터 부하 토크의 증가에 따라 증가하는 부하각을 구하는 부하각 계산기와, 상기 부하각 계산기에서 계산된 부하각으로부터 그에 비례하는 전압 보상값을 구하는 전압 보상기로 구성하여, 이에 따라 인버터로 구동되는 유도 전동기를 운전함에 있어 저속 및 고속에서 고성능의 운전 특성을 유지할 수 있는 효과가 있다.

Description

인버터 토크 보상장치{TORQUE BOOSTER FOR INVERTER}

본 발명은 인버터 토크 보상장치에 관한 것으로 특히, 인버터를 저속으로 운전시 큰 기동 토크를 요구하는 부하나 급격한 부하 변동이 요구되는 경우에, 전동기가 정지되어 기동을 하지 못하거나 인버터가 과전류로 트립이 되는 경우가 발생하지 않도록 한 인버터 토크 보상장치에 관한 것이다.

도1은 종래의 인버터 토크 보상장치의 구성을 보인 블록도로서, 이에 도시된 바와 같이 전동기를 원하는 회전 속도로 운전하기 위한 주파수 지령치()를 발생하는 주파수 지령기(1)와; 상기 주파수 지령기(1)의 주파수 지령치()를 입력받아 그에 비례적인 관계를 갖는 전압 지령치()를 발생하는 전압 지령기(2)와; 상기 전압 지령기(2)의 전압 지령치()와 전압 보상기(6)의 전압 보상값(Vc)을 더하여 최종 전압 지령치()로 출력하는 가산기(7)와; 상기 주파수 지령기(1)의 주파수 지령치() 와 상기 최종 전압 지령치()를 가지고 이에 해당하는 주파수와 전압의 교류전원을 발생시키는 전력 변환기(3)와; 상기 전력 변환기(3)의 교류 전원을 공급받아 회전하는 유도 전동기(4)와; 상기 최종 전압 지령치()와 상기 유도 전동기(4)의 입력 전류 검출 값으로부터 역률(PF)을 계산하는 역률 계산기(5)와; 상기 역률 계산기(5)의 역률(PF) 정보로부터 이 역률값에 비례하는 전압 보상값(Vc)을 계산하는 상기 전압 보상기(6)로 구성된 것으로, 이와 같이 구성된 종래 장치의동작을 설명한다.

일반적으로, 주파수 지령기(1)에서는 전동기를 원하는 회전 속도로 운전하기 위해 주파수 지령치()를 발생시키고, 과전류 트립이 발생하는 것을 방지하기 위하여 그 주파수 지령치()는 0 에서부터 천천히 증가하도록 한다. 이와 같이 출력되는 주파수 지령치()를 전압 지령기(2)에서 입력받아 전동기의 자속을 일정하게 유지하도록 그 주파수 지령치()에 비례하는 전압 지령치()를발생시키며, 이 전압 지령치()와 전압 보상기(6)에서 출력되는 전압 보상값(Vc) 즉, 역률(PF) 정보로부터 역률에 비례하도록 한 전압 보상값(Vc)은 가산기(7)를 통해 가산되어 최종 전압 지령치()로 전력 변환기(3)에 입력되고, 이에 따라 그 전력 변환기(3)에서 최종 전압 지령치()와 상기 주파수 지령치()에 해당하는 주파수와 전압의 교류전원을 발생하여유도 전동기(4)를 구동시키게 된다. 이때 역률계산기(5)에서는 상기 최종전압지령치( )와유도 전동기(4)의 입력 전류 검출값으로부터 역률(PF)을 계산하는데, 즉 유효전력과 피상전력을 구한 후 그로부터 역률(PF= 유효전력/피상전력)을 계산하게 된다. 상기 역률 계산기(5)에서 출력되는 역률(PF)을 전압 보상기(6)에서 입력받아 하기의 수학식 1과 같이 전압 보상값(Vc)을 계산하게 된다.

max - )

여기서 K는 비례상수이며, (max -)는 저속에서의 토크 부족현상의 발생을 보상하기 위한 것으로,max는 최대 전압이 출력될 때의 주파수 지령값이다.

상기와 같이 동작하는 종래의 인버터 토크 보상 장치에 있어서는 유도 전동기의 부하 토크를 보상하기 위해 역률 정보를 이용하는데, 즉 현재 출력 전압과 출력 전류 정보에 의해 역률을 산출하고, 이 역률에 비례하는 보상 전압을 출력 전압에 보상하는 식으로 토크를 보상하게 함으로써, 저속의 무부하인 경우 역률이 크게 계산되어, 큰 전압의 보상과 함께 전동기가 과여자되고 큰 전류가 흐르게 되는 문제점이 있었다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 창안한 것으로,

저속 무부하시에 역률이 크게 계산되는 것을 방지하기 위한 새로운 부하각 계산기를 구성하고 이를 사용하여 전압 보상을 거쳐 부하 토크를 보상하는, 즉 저속 운전시 무부하에서도 과전류나 과여자가 발생하지 않고 부하가 증가함에 따라 전압을 증가시켜 토크를 보상하는 인버터 토크 보상 장치를 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 종래의 인버터 토크 보상장치 블록도

도 2는 본 발명에 의한 인버터 토크 보상장치 블록도

***도면의 주요부분에 대한 부호의 설명***

11:주파수지령기 12:전압지령기

13:전력변환기 14:유도전동기

15:부하각계산기 16:전압보상기

17:가산기

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 전동기를 원하는 회전 속도로 운전하기 위한 주파수 지령치를 발생하는 주파수 지령기와, 상기 주파수 지령기의 주파수 지령치를 입력받아 전동기의 자속을 일정하게 유지하도록 그 주파수 지령치에 비례하는 즉, 전압/주파수(V/F) 패턴을 유지하는 전압 지령치를 발생시키는 전압 지령기와, 상기 전압 지령기의 전압 지령치와 전압 보상값을 더하여 최종 전압 지령치로 출력하는 가산기와, 상기 주파수 지령기의 주파수 지령치와 상기 최종 전압 지령치를 입력받아 그에 해당하는 주파수와 전압의 교류전원을 발생시켜 유도 전동기에 공급해 주는 전력 변환기와, 상기 최종 전압 지령치와 상기 유도 전동기의 입력 전류 값으로부터 부하 토크의 증가에 따라 증가하는 부하각을 구하는 부하각 계산기와, 상기 부하각 계산기에서 계산된 부하각으로부터 그에 비례하는상기전압 보상값을 구하는 상기 전압 보상기로 구성한 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 의한 인버터 토크 보상장치에 대한 작용 및 효과를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도2는 본 발명 인버터 토크 보상 장치에 대한 블록도로서, 이에 도시한 바와 같이 전동기를 원하는 회전 속도로 운전하기 위한 주파수 지령치()를 발생하는 주파수 지령기(11)와; 상기 주파수 지령기(11)의 주파수 지령치()를 입력받아 전동기의 자속을 일정하게 유지하도록 그 주파수 지령치()에 비례하는 즉, 전압/주파수(V/F) 패턴을 유지하는 전압 지령치()를 발생시키는 전압 지령기(12)와; 상기 전압 지령기(12)의 전압 지령치()와 전압 보상값(Vc)을 더하여 최종 전압 지령치()로 출력하는 가산기(17)와; 상기 주파수 지령기(11)의 주파수 지령치()와 상기 최종 전압 지령치()를 입력받아 그에 해당하는 주파수와 전압의 교류전원을 발생시켜 유도 전동기(14)에 공급해 주는 전력 변환기(13)와; 상기 최종 전압 지령치()와 상기 유도 전동기(14)의 입력 전류 값으로부터 부하 토크의 증가에 따라 증가하는 부하각을 구하는 부하각 계산기(15)와; 상기 부하각 계산기(15)에서 계산된 부하각(LF)으로부터 그에 비례하는상기전압 보상값(Vc)을 구하여상기가산기(17)에 인가하는전압 보상기(16)로 구성한 것으로, 이하 본 발명에 따른 동작 및 작용을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 주파수 지령기(11)에서 전동기를 원하는 회전 속도로 운전하기 위해 전동기의 회전 주파수 지령치()를 발생하고, 전압 지령기(12)에서는 상기 주파수 지령기(11)의 주파수 지령치()를 가지고 유도 전동기(14)의 자속을 일정하게 유지하도록 그 주파수 지령치()에 비례하는 즉,전압/주파수(V/F) 패턴을 유지하는 전압 지령치()를 발생시키며, 이 전압 지령치()와 전압 보상기(16)에서 출력되는 전압 보상값(Vc)은 가산기(17)를 통해 가산되어 최종 전압 지령치()로 전력 변환기(13)에 입력됨과 아울러 상기 주파수 지령기(11)의 주파수 지령치()가 그 전력 변환기(13)에 입력되며, 이에 따라 그 전력 변환기(13)는 그 주파수 지령치()와 최종 전압 지령치()에 해당하는 주파수와 전압의 교류전원을 발생시켜 유도 전동기(14)에 공급함으로써 그 유도 전동기(14)를 구동시키게 된다.

이 때, 부하각 계산기(15)에서는 상기 최종 전압 지령치()와 유도 전동기(14)의 입력 전류 값으로부터 부하 토크의 증가에 따라 증가하는 값을 갖는 새로운 부하각(LF)이라는 정보를 만드는데, 이 부하각(LF)의 값은 무부하시 0 이되고, 부하가 커짐에 따라 증가하는 값으로 1보다 작은값을 갖게 되며 이 부하각(LF)은 유효전력, 피상전력 및 저항부하손을 이용하여 하기의 식2와 같이 구하게 되고, 또한 상기 유효전력, 피상전력 및 저항부하손은 하기의 수학식 3 ∼ 수학식 5 와 같이 구하게 된다.

부하각 (LF) = (유효전력 - 저항(Rs)부하손 )/ 피상전력

× Ia＋ × Ib + × Ic

× Ia｜+｜ × Ib｜+｜ × Ic｜

）

여기서,,는 각각의 a,b,c상에 대한 최종 전압 지령치이고, Ia, Ib, Ic는 각각의 상 전류 검출값이며, Rs는 전동기 고정자측의 한상에 해당하는 저항값이다. 그리고 무부하시 유효 전력은 전동기 고정자측의 저항부하손과 거의 일치하므로 무부하시 부하각(LF)은 0 이 되고 부하가 증가하면서 증가하게 된다.

상기와 같이 부하각 계산기(15)에서 출력되는 부하각(LF)을 전압 보상기(16)에서 입력 받는다. 그 부하각(LF)에 비례하는 전압 보상값(Vc)을 하기의 수학식 6과 같이 계산하게 된다.

max - )

여기서 K는 비례상수 이고, (max -)는 거의 저주파수에서만 토크 부족현상이 발생하기 때문에 저주파수에서만 보상하기 위한 것으로,max는 최대 전압이 출력될 때의 주파수 지령값이다.

상기 전압 보상기(16)에서의 보상 전압값(Vc)은 가산기(17)에서 상기 전압 지령기(12)의 전압 지령값(V')에 더해져 최종 전압 지령치()로 되고, 이 최종 전압 지령치()가 전력 변환기(１３)에 입력된다.

따라서 부하 토크의 증가에 따라 증가하는 값을 만드는 새로운 개념의 부하각 계산기(１５)의 부하각(LF)으로부터 부하 토크 보상량을 계산하여 전압 지령치를 보상하므로, 인버터로 전압/주파수(V/F) 운전시 저속에서 부하가 걸려도 토크를 발생 할 수 있게 된다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 인버터로 구동 되는 유도 전동기를 운전함에 있어 저속 및 고속에서 고성능의 운전 특성을 유지할 수 있고 즉, 부하 토크의 증가에 따라 증가하는 부하각을 구해 전압 지령치를 보상하기 위한 전압 보상치를 구함으로써, 무부하에서는 과전류나 과여자가 발생하지 않게 하고, 큰 기동 토크를 요구하는 부하나 급격한 부하 변동이 요구되는 경우에는 전동기가 정지되어 기동을 하지 못하거나 인버터가 과전류로 트립이 되는 일이 발생하지 않도록 하는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 유도 전동기의 회전 주파수 지령치를 발생하는 주파수 지령기와, 상기 주파수 지령기의 주파수 지령치를 입력받아 그에 비례하는 전압 지령치를 발생시키는 전압 지령기와, 상기 전압 지령기의 전압 지령치에 전압 보상값（Ｖｃ）을 가산하여 최종 전압 지령치로 출력하는 가산기와, 상기 주파수 지령기의 주파수 지령치와 상기 최종 전압 지령치를 입력받아 그에 해당하는 주파수와 전압의 교류전원을 발생시켜 상기 유도 전동기에 공급해 주는 전력 변환기와, 상기 최종 전압 지령치와 상기 유도 전동기의　전류　검출값을　입력받아，　각상　최종　전압　지령치와　각상전류 검출 값으로부터　유효　전력　및　피상전력을　구하고，　한상의　고정자　저항값과　상기　각상　전류　검출　값으로부터　저항　부하손을　구한　후　그로부터　하기의　수학식과　같이부하 토크의 증가에 따라 증가하는 부하각（ＬＦ）을 구하는 부하각 계산기와, 상기 부하각 계산기로부터 출력되는 부하각（ＬＦ）으로부터　하기의　수학식과　같이그에 비례하는 상기 전압 보상값을 구하는 전압 보상기로 구성한 것을 특징으로 하는 인버터 토크 보상장치.

   부하각（ＬＦ）　＝　（유효전력　－　저항　부하손）／피상전력

   전압보상값（Ｖｃ）　＝　Ｋ　×　ＬＦ　×　（Ｆ＊ｍａｘ　－　Ｆ＊）

   여기서，　Ｋ는　상수이고，Ｆ＊ｍａｘ는　최대　주파수　지령값이며，　Ｆ＊는　주파수　지령값이다．
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