KR100408050B1 - 유도전동기의벡터제어형인버터 - Google Patents

유도전동기의벡터제어형인버터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유도전동기의 회전속도를 제어하는 기술에 관한 것으로, 종래의 유도전동기에 있어서는 누설 임피던스로 인하여 공극자속과 전동기의 2차전류가 직교하지 않으므로 발생 토오크가 적고 전동기의 속응성이 저하되어 결과적으로 토오크제어가 불가능하게 되는 결함이 있고, 모터의 보호동작에 있어서는 이상신호가 발생될때 파워를 오프시켰다가 다시 온시켜야 하는 불편함이 있었다.
따라서, 본 발명은 이를 해결하기 위하여, 유도전동기의 제어회로에 있어서, 상기 유도전동기(IM)의 회전속도에 상응되는 펄스를 발생하는 펄스발생기(PG)의 출력펄스를 근거로 하여 유도전동기(IM)의 회전각(θr)과 속도오차(Werr)를 구하고, 그 속도오차(Werr)와 속도지령(W★)을 근거로 슬립각속도(WSL)를 구한 후 그 슬립각속도(WSL)를 카운트하여 슬립각(θSL)을 검출하는 회전자 위치 및 슬립각 검출부(600)와; 상기 슬립각(θSL) 및 회전각(θr)을 근거로 sin, cos 롬테이블에서 해당 슬립각 및 회전각을 읽어내고, 이를 토오크 지령전류와 승산하여 토오크지령 전류(iqs*)와 여자지령 전류(ids*)를 구한 후 이를 상변환하여 상기 3상 지령전류 (ias*),(ibs*),(ids*)를 구하는 3상지령전류 연산부(700)를 포함하여 구성한 것이다.

Description

유도전동기의 벡터제어형 인버터
본 발명은 유도전동기의 회전속도를 제어하는 기술에 관한 것으로, 특히 저속운전시 토크를 높이고, 저속에서 고속까지 넓은 가변속 제어를 행하며, 순시 토오크제어도 가능하게 하여 직류기와 동등 이상의 제어 특성을 발휘할 수 있도록 하는 벡터제어형 인버터에 관한 것이다.
일반적인 유도전동기의 작용을 제1도 내지 제4도를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
유도전동기(IM)의 각 상에 전압 V를 인가하면 1차전류 I1이 흐르게 되는데, 이 1차전류 I1은 제1도의 등가회로에 나타난 것과 같이 여자전류 IM과 2차 전류 I2로 분류되며, 이 여자전류 IM은 상호인덕턴스 M에 흘러 자속을 일으키게 된다.
이것을 공극자속 φ g라 하고 M양단에 발생하는 유기전압을 E라고 하면 여자전류 IM, 공극자속 φ g, 유기전압 E1, 2차전류 I2에는 다음과 같은 관계의 식이 성립된다.
이상의 관계를 벡터도로 나타낸 것이 제2도로서, 유도전동기(IM)의 회전자에 2차전류가 흐르면 공극자속과의 사이에 「플레밍의 왼손법칙」에 의하여 토크가 발생하지만 여기서 알 수 있듯이 2차측 회로의 누설 임피던스 wI2때문에 φ g와 I2는 직교해 있지 않고. 실제로 토크를 발생하는 것은 φg에 직교하는 성분 I2x가 된다.
따라서 전동기 발생토크 T는
상기 식으로 부터 E1/F1을 일정하게 하면 전동기 발생토크는 Ws에 의해 결정되는 것을 알 수 있다.
따라서, 유도전동기(IM)의 속도를 변화시키기 위한 주파수 f1을 변화시킬 때 동시에 유기전압 E1과의 비가 일정하도록 제어한다.
제3도는 통상적인 전압(V)/주파수(F)제어의 기본 구성을 보인 것으로 이에 도시한 바와 같이, 입력교류전원(AC)이 교류/직류변환기(1)를 통해 직류로 변환되고, 다시 평활부(2)를 통해 평활된 후 인버터(3)에 공급되어 가변주파수의 교류로 역변환되는데, 이때, 인버터(3)의 출력전압과 주파수 비가 일정하도록 제어부(5)에서 제어를 행하게 된다.
그런데, 제2도의 토크발생식 T = φg x I2xX sinθ (sinθ <1) 에서 간과 할 수 없는 사항은 누설임피던스 WI2로 인하여 φg와 I2가 직교하지 않는 다는 것이다. 이와 같이 φg와 I2가 90°를 이루지 못하므로 실제 토크는 φg X I2x(I2x< I2)가 된다.
이로 인하여 제4도의 S-T곡선에서 볼때 ⓐ영역에서 토오크가 떨어지므로 그 ⓐ영역에서 토오크가 필요한 경우 모터와 인버터의 용량을 증가시켜야 한다.
이와 같이 종래의 유도전동기에 있어서는 누설 임피던스로 인하여 공극자속과 전동기의 2차전류가 직교하지 않으므로 발생 토오크가 적고 전동기의 속응성이 저하되어 결과적으로 토오크제어가 불가능하게 되는 결함이 있고, 모터의 보호동작에 있어서는 이상신호가 발생될때 파워를 오프시켰다가 다시 온 시켜야 하는 불편함이 있었다.
따라서, 본 발명의 목적은 펄스발생기의 출력펄스를 근거로 하여 유도전동기의 회전각 및 슬립각을 구하고, 다시 sin, cos 롬, 승산기 및 2상/3상변환기를 통해 3상 지령전류를 구하여 인버터의 구동을 제어하고, 유도전동기가 비정상적인 상태로 운전되는 것을 검출하여 보호동작을 취하는 유도전동기의 벡터제어형 인버터를 제공함에 있다.
제5도는 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명 유도전동기의 벡터제어형 인버터에 대한 일실시 예시 블록도로서 이에 도시한 바와 같이, 3상교류전원(AC)을 전파정류하고 평활하는 정류기(501) 및 콘덴서(C)와, 상기 정류기(501) 측에서 출력되는 직류전압을 구동전압으로 공급받고 게이트 구동부(504)의 제어를 받아 유도전동기(IM)에 구동 3상전압을 공급하는 인버터(502)와, 상기 유도전동기(IM)의 3상전류(ia),(ib),(ic)와 제어부(505)에서 공급되는지령전류(ias*),(ibs*), (ics*)를 비교하여 그 비교 결과에 따라 출력 펄스폭을 조정하는 펄스폭 변조부(503)와, 상기 펄스폭 변조부(503)의 출력신호에 따라 인버터(502)를 구동시키기 위한 게이트신호를 출력하는 게이트 구동부(504)와, 상기 유도전동기(IM)의 회전속도에 상응되는 펄스를 발생하는 펄스발생기(PG)의 출력펄스(PUL)를 근거로 하여 유도전동기(IM)의 회전각을 구하고, 그 출력펄스(PUL)와 속도지령(W*)을 근거로 슬립각을 구한 후 롬 테이블 및 상변환기를 통해 상기 지령전류(ias*), (ibs*),(ics*)를 구하는 제어부(505)와, 상기 유도전동기(IM)가 비정상적인 상태로 운전되는 것을 검출하여 상기 인버터(502)의 구동을 정지시키고 자동으로 또는 수동으로 복귀하는 회로 보호부(506)로 구성한 것으로, 이와 같이 구성한 본 발명의 작용 및 효과를 첨부한 제6도 내지 제 9도를 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 제5도에서와 같이, 3상교류전원(AC)이 정류기(501)를 통해 전파정류된 후 콘덴서(C)를 통해 평활되어 인버터(502)의 구동전원으로 공급되고, 그 인버터(502)는 게이트 구동부(504)의 제어하에 구동되면서 유도전동기(IM)에 3상구동전압을 공급하여 그 유도전동기(IM)가 소정의 속도로 회전하게 된다.
이때, 펄스발생기(PG)는 그 유도전동기(IM)의 회전속도에 상응되는 갯수의 펄스(PUL)를 발생하고, 제어부(505)는 그 유도전동기(IM)가 주어진 속도지령(W*)어 추종하여 회전하도록 하기 위하여 상기 펄스(PUL)를 근거로 3상지령전류(ias*),(ibs*),(ics*)를 생성하게 되는데 이의 출력과정을 제6도 내지 제8도를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
먼저, 제6도를 참조하여 회전자의 각도(θr), 슬립각도(WSL)의 검출과정을 설명하면 다음과 같다.
유도전동기(IM)의 구동축에는 로터리 엔코더와 같은 펄스발생기(PG)가 설치되어 있어 이로부터 그 유도전동기(IM)의 회전속도에 상응되는 펄스(PUL)가 출력되며, 카운터(601)는 그 펄스(PUL)를 카운트하여 유도전동기(IM) 회전자의 각도(θr)를 검출하게 되며, 이를 근거로 회전자의 위치를 인식할 수 있게 된다.
또한, 상기 펄스(PUL)가 주파수(F)/전압(V)변환기(602)를 통해 회전속도에 상응되는 레벨의 아날로그전압으로 변환되고, 이렇게 변환된 전압이 에러검출기(603)에서 속도지령(W*)과 비교되어 이로부터 속도오차(Werr)가 출력된다. 이렇게 발생된 속도오차(Werr)가 비례적분기(604)를 통해 비례적분되어 그 속도오차(Werr)에 상응되는 토오크지령(Te*)으로 변환된 후 A/D변환기(605)를 통해 디지탈신호로 변환된다.
이와 함께 상기 속도지령(W*)이 A/D변환기(606)를 통해 디지탈신호로 변환되어 롬(607)에 공급된다. 이에 의해 그 롬(607)으로 부터 속도지령(W*)에 상응되는 여자분 전류지령(id*)이 출력되는데, 속도지령(W*)이 베이스 속도 이하에서는 그 전류지령(id*)이 " 0" 으로 출력되고, 베이스속도 이상에서는 필드 위크닝을 위해 최대 전류지령치(idmax*)에서부터 속도지령(W*)에 반비례하도록 출력된다.
토오크성분 전류계산기(608)는 비례상수(k), 상기 A/D변환기(605)에서 출력되는 토오크지령, 롬(607)에서 출력되는 전류지령(id*)을 공급받아 1차전류의 토오크성분 전류(Iq*)를 계산하며, 슬립연산기(609)는 그 토오크성분 전류(Iq*)와 전류지령(id*)으로 부터 슬립각속도(WSL)를 계산하며, 카운터(610)는 그 슬립각속도(WSL)를 카운트하여 다음의 식과 같이 슬립각(θSL)을 검출하게 된다.
한편, 제6도에서 구한 슬립각(θSL), 회전각(θr)을 근거로 하여 3상 지령 전류(ias*),(ibs*),(ics*)를 출력하는 과정을 제7도를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
상기에서 검출된 회전각(θr)과 슬립각(θSL)이 동기좌표계(700A)의 롬(701,702),(703,704)에 공급되어 각각의 sin, cos 롬테이블에서 해당 슬립각 및 회전각 sinθSL, cosθSLsinθr, cosθr이 출력되고, 그 롬(701)에서 출력되는 슬립각(sinθSL)과 롬(702)에서 출력되는 슬립각(cosθSL)이 회전좌표계(700B)의 승산기(705),(706)에서 토오크지령전류(iqe*), 여자지령 전류(ide*)와 각기 승산되어 이들로 부터 토오크지령 전류(iqr*)와 여자지령 전류(idr*)가 출력된다.
또한, 상기 회전좌표계(700B)에서 구한 토오크지령 전류(iqr*)와 여자지령전류(idr*)가 정지좌표계(700C)의 승산기(707),(708)에 공급되어 상기 롬(703),(704)에서 출력되는 회전각(sinθr),(cosθr)과 곱해져 이들로 부터 토오크지령 전류(iqs*)와 여자지령 전류(ids*)로 변환되며, 이들은 다시 2상/3상 변환기(709)를 통해 a,b,c상 지령전류(ias*),(ibs*),(ics*)로 변환된다.
이와 같이 동기좌표계로 부터 계산된 전류명령을 실제의 좌표계인 정지좌표계로 변환시켜 인버터(502) 구동을 위한 3상 지령전류(ias*),(ibs*),(ics*)가 얻어지며, 제8도는 이의 좌표변환을 보인 설명도이다.
상기 제7도에서 구한 3상 지령전류 (ias*),(ibs*),(ics*)를 근거로 인버터를 기동시켜 유도전동기(IM)가 회전되고, 이때, 그 유도전동기(IM)가 비정상적인 상태로 운전되는 것을 검출하여 보호동작을 취하는 과정을 제9도를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
상기 3상 지령전류 (ias*),(ibs*),(ics*)가 각각의 에러검출기(901),(902), (903)에 공급되어서는 유도전동기(IM)에 흐르는 3상전류(ia),(ib),(ic)와 비교되어 이들로 부터 각각 에러분 전류(ierr)가 출력되고, 이들은 다시 각각의 비례적분기(904-906)를 통해 비례적분된 후 비교기(908-910)의 일측입력으로 제공되어 삼각파 발생기(907)에서 출력되는 삼각파의 기준전압으로 사용된다.
이에 따라 상기 비교기(908-910)에서는 상기의 비교결과에 따른 펄스폭변조신호가 출력되고, 이들은 직접 또는 각각의 지연기(911-913)를 통해 게이트 구동기(914)에 전달되어 이로부터 인버터(502)를 구동시키기 위한 게이트신호가 출력되고, 이에 의해 유도전동기(IM)가 상기 주어진 속도지령(W*)에 추종되는 속도로 회전하게 된다.
이와 같은 상태에서, 검출기(915)는 상기 인버터(502)의 온도, 전압, 전류를 검출하여 그에 상응되는 전압(V1-V4)를 해당 비교기(917-920)의 일측 입력으로 공급하고, 그 각각의 비교기(917-920)는 입력전압(V1-V4)을 기준전압 발생기(916)에서 각기 출력되는 과온도검출용 기준전압(Vref1), 과전압검출용 기준전압(Vref2), 부족전압검출용 기준전압(Vref3), 과전류검출용 기준전압(Vref4)과 비교하여 이상이 검출되면 해당 비교기에서 고전위의 이상검출신호를 출력하게 된다.
예로써, 상기 비교기(917)에서의 비교결과 과온도로 판명되면 고전위의 과온도검출신호(OH)를 출력하게 되고, 상기 비교기(918)에서의 비교결과 과전압으로 판명되면 고전위의 과전압검출신호(OV)를 출력하게 되고, 상기 비교기(919)에서의 비교결과 부족전압으로 판명되면 고전위의 부족전압검출신호(UV)를 출력하게 되고, 상기 비교기(920)에서의 비교결과 과전류로 판명되면 고전위의 과전류검출신호(OC)를 출력하게 된다.
이와 같이 상기 비교기(917-920) 중에서 어느 하나 이상의 비교기에서 고 전위의 검출신호가 출력되면 이는 오아게이트(921)를 통해 플립플롭(F/F)의 세트단자(S)에 공급되어 이로 부터 게이트 구동기(914)에 고전위의 트립신호(TRIP)가 출력되고, 이로 인하여 그 게이트 구동기(914)의 출력이 차단되어 인버터(502)의 구동이 정지되므로 유도전동기(IM)의 구동이 정지된다.
상기 비교기(917-920)에서 출력되는 이상검출신호(OH),(OV),(UV),(OC)가 경보기(922)의 입력으로 공급되므로 이상상태가 검출될때 그 경보기(922)에서 해당 경보음이 출력되어 사용자는 그 사실을 인지하게 된다.
이때, 제어기(923)는 상기 비교기(917-920)에서 출력되는 이상검출신호(OH), (OV),(UV),(OC)를 근거로 이상유무를 판단한 후 이상이 검출된 것으로 판단되면 이전 모드에서 자동복귀 설정키이(AR)가 입력되었는지를 확인하여 입력되었으면 그때 반복횟수 설정키이(RN)를 통해 설정된 반복횟수만큼 카운트하면서 카운트값이 1 증가될때마다 상기 플립플롭(F/F)에 리세트신호(R)를 출력하여 상기의 이상 검출동작이 반복수행되며, 이 과정에서 이상원인이 해제되면 상기 이상검출신호(OH),(OV),(UV),(OC)가 모두 저전위로 출력되므로 시스템은 자동으로 정상복귀된다.
그러나, 상기 기 설정된 반복횟수를 모두 카운트할때까지 계속하여 상기 이상검출신호(OH),(OV),(UV),(OC) 중에서 어느 하나 이상이 고전위로 입력되면 사용자 복귀모드로 전환하게 되고, 이후 사용자에 의해 트립해제키이(TE)가 입력될때 상기 플립플롭(F/F)에 리세트신호(R)를 출력하여 트립상태가 해제된다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 펄스발생기의 출력펄스를 근거로 하여 유도전동기의 회전각 및 슬립각을 구하고, 다시 sin, cos 롬, 승산기 및 2상/3상변환기를 통해 3상 지령전류를 구하여 인버터의 구동을 제어함으로써 저속운전시에도 높은 토오크를 발생할 수 있을 뿐만 아니라 속도응답이 양호하고 급가감속 운전, 스톨 토오크제어 등이 가능하여 직류기와 동등 이상의 제어특성을 발휘할 수 있는 효과가 있고, 유도전동기가 비정상적인 상태로 운전되는 것을 검출하여 보호동작을 취하도록 함으로써 편리함을 제공하고 전동기의 수명을 연장시킬 수 있는 효과가 있다.
제1도는 유도전동기의 T형 등가회로도.
제2도는 유도전동기의 벡터 그래프.
제3도는 일반적인 유도전동기의 전압/주파수 제어형 인버터의 블록도.
제4도는 일반적인 유도전동기의 S-T 특성 그래프.
제5도는 본 발명에 의한 유도전동기의 벡터제어형 인버터의 전체 블록도.
제6도 및 제7도는 제6도에서 제어부의 일실시 예시 상세 블록도.
제8도는 본 발명에 의한 지령전류의 좌표변환 그래프.
제9도는 제5도에서 회로 보호부의 일실시 예시 상세 블록도.
*** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ***
501 : 정류기 502 : 인버터
503 : 펄스폭 변조부 504 : 게이트 구동부
505 : 제어부 506 : 회로 보호부
IM : 유도전동기 PG : 펄스발생기

Claims (4)

  1. 유도전동기(IM)의 3상전류(ia),(ib),(ic)와 제어부(505)에서 공급되는 지령전류(ias*),(ibs*),(ics*)를 비교하여 그 비교 결과에 따라 출력 펄스폭을 조정하는 펄스폭 변조부(503)와; 상기 펄스폭 변조부(503)의 출력신호에 따라 인버터(502)를 구동시키기 위한 게이트신호를 출력하는 게이트 구동부(504)로 구성된 유도전동기의 제어회로에 있어서, 상기 유도전동기(IM)의 회전속도에 상응되는 펄스를 발생하는 펄스발생기(PG)의 출력펄스를 근거로 하여 유도전동기(IM)의 회전각(θr)과 속도오차(Werr)를 구하고, 그 속도오차(Werr)와 속도지령(W*)을 근거로 슬립각속도(WSL)를 구한 후 그 슬립각속도(WSL)를 카운트하여 슬립각(θSL)을 검출하는 회전자 위치 및 슬립각 검출부(600)와; 상기 슬립각(θSL) 및 회전각(θr)을 근거로 sin, cos 롬테이블에서 해당 슬립각 및 회전각을 읽어내고, 이를 토오크 지령전류와 승산하여 토오크지령 전류(iqs*)와 여자지령 전류(ids*)를 구한 후 이를 상변환하여 상기 3상 지령전류(ias*),(ibs*),(ics*)를 구하는 3상지령전류 연산부(700)를 포함하여 구성한 것을 특징으로 하는 유도전동기의 벡터제어형 인버터.
  2. 제1항에 있어서, 회전자 위치 및 슬립각 검출부(600)는 펄스발생기(PG)의 출력펄스(PUL)를 카운트하여 회전자의 각도(θr)를 검출하는 카운터(601)와; 상기 출력펄스(PUL)의 주파수에 상응되는 아날로그전압을 출력하는 F/V변환기(602)와; 상기 F/V변환기(602)의 출력전압과 속도지령(W*) 전압을 비교하여 속도오차(Werr)를 검출하는 에러검출기(603)와; 상기 속도오차(Werr)를 비례적분하여 토오크지령(Te*)을 발생하는 비례적분기(604)와; 상기 비례적분기(604)의 출력, 속도지령(W*)을 각기 디지탈신호로 변환하는 A/D변환기(605),(606)와; 상기 A/D변환기(606)의 출력을 공급받아 속도지령(W*)에 상응되는 여자분전류지령(id*)을 출력하는 롬(607)과; 비례상수(k), 상기 A/D변환기(605)의 출력 토오크지령, 롬(607)에서 출력되는 전류지령(id*)을 공급받아 1차전류의 토오크성분 전류(Iq*)를 계산하는 토오크성분 전류계산기(608)와; 상기 토오크성분 전류(Iq*)와 전류지령(id*)으로 부터 슬립각속도(WSL)를 계산하는 슬립연산기(609)와; 상기 슬립각속도(WSL)를 카운트하여 슬립각(θSL)을 검출하는 카운터(610)로 구성한 것을 특징으로 하는 유도전동기의 벡터제어형 인버터.
  3. 제1항에 있어서, 3상지령전류 연산부(700)는 검출된 회전각(θr)과 슬립각(θSL)을 입력으로 하여 해당 슬립각 및 회전각 sinθSL, cosθSL, sinθr, cosθr,을 출력하는 롬(701,702),(703,704)과, 상기 롬(701)에서 출력되는 슬립각(SinθSL)과 롬(702)에서 출력되는 슬립각(cosθSL)을 토오크지령 전류(iqe*), 여자지령 전류(ide*)와 각기 승산하여 토오크지령 전류(iqr*)와 여자지령 전류(idr*)를 출력하는 승산기(705),(706)와; 상기 토오크지령 전류(iqr*)와 여자지령 전류(idr*)를 상기 롬(703),(704)에서 출력되는 회전각(sinθr), (cosθr)과 곱하여 토오크지령 전류(iqs*)와 여자지령 전류(ids*)로 변환하는 승산기(707),(708)와; 상기 토오크지령 전류(iqs*)와 여자지령 전류(ids*)를 a,b,c상 지령전류(ias*), (ibs*),(ics*)로 변환하는 2상/3상변환기(709)로 구성한 것을 특징으로 하는 유도전동기의 벡터제어형 인버터.
  4. 제1항에 있어서, 상기 인버터(502)의 온도, 전압, 전류를 검출하여 그에 상응되는 전압(V1-V4)을 출력하는 검출기(915)와; 과온도검출용 기준전압(Vref1), 과전압검출용 기준전압(Vref2), 부족전압검출용 기준전압(Vref3), 과전류검출용기준전압(Vref4)을 출력하는 기준전압 발생기(916)와, 상기 검출전압(V1-V4)을 해당되는 기준전압(Vref1-Vref4)과 비교하여 일정값 이상의 차가 검출되면 고전위의 이상검출신호(OH),(OV),(UV),(OC)를 출력하는 비교기(917-920)와, 이와 같이 상기 비교기(917-920) 중에서 어느 하나 이상의 비교기에서 고전위의 검출신호가 출력될때 플립플롭(F/F)의 세트단자(S)를 인에이블시키는 오아게이트(921)와; 상기 비교기(917-920)에서 출력되는 이상검출신호(OH),(OV),(UV),(OC)를 근거로 이상여부를 확인하여 자동 또는 수동으로 상기 플립플롭(F/F)의 리세트신호(R)를 인에이블시키는 제어기(923)와; 상기 오아게이트(921)의 제어를 받아 상기 인버터(502)의 구동을 정지시키고 상기 제어기(923)의 제어를 받아 그 인버터(502)를 재 기동시키는 플립플롭(F/F)으로 구성된 회로 보호부(506)를 더 포함하여 구성한 것을 특징으로 하는 유도전동기의 벡터제어형 인버터.
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