KR100415725B1 - 스위치드 릴럭턴스 전동기의 속도-토오크 특성 조정방식 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스위치드 릴럭턴스 전동기(Switched Reluctance Motor, 이하 SRM) 구동시의 가변속 운전에 관한 것으로서 SRM은 속도-토오크특성이 직류직권특성 이어서 속도 변동률이 높으며 가변속 운전에 어려움이 많다.

SRM에서의 속도-토오크특성은 여자기전력의 전류의 크기에 의하여 제어된다. 그리고 전류의 크기는 선행각(advance angle)에 의하여 제어된다. 본 발명에서 토오크제어는 이러한 원리를 도입하여, SRM에서 부하토오크가 증감하면 별도의 연산장치 없이 전류의 드웰각(dwell angle)을 증감시키고 동시에 순시 전류의 자승에 비례하는 효과적인 토오크 출력을 갖게하여 전동기의 구동특성을 향상시킬 수 있게 하였다.

속도-토오크특성을 조정하기 위하여 기준속도에 대한 전동기의 속도 궤환루우프를 구성한다. 이때 전동기의 속도 검출은 간단한 디스크형 엔코더에 의하여 펄스신호로 검출하며 동시에 기준속도도 펄스화한다. 이때 컨버터의 변환이득을 조정하여 주파수/전압의 변환정수를 달리하여 결합시키면 양 F/V 컨버터의 바이어스 전압의 조정에 의하여 스위칭주파수 및 속도를 조정할 수 있게 한다.

Description

스위치드 릴럭턴스 전동기의 속도-토오크 특성 조정방식 {Speed-Torqe regulation method of SRM}

본 발명은 스위치드 릴럭턴스 전동기(Switched Reluctance Motor)의 구동시가변속 운전에 관한 것으로서 SRM의 속도-토오크특성 조정방식에 관한 것이다.

SRM은 릴럭턴스 토오크를 극대화하기 위해 회전자와 고정자가 모두 돌극형인 이중돌극형의 간단한 자기적 구조를 가지고 있으며, 고정자에만 집중권으로 권선이 감겨져 있다. 또한 효율특성과 열전달 특성이 우수하고 비교적 간단한 제어장치에 의해 직류직권전동기와 같은 속도-토오크 특성을 가지고 있어 가변속 전동기구로써 활용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.

SRM은 회전자위치에 따라 상권선에 전류를 도통시키며, 스위칭 여자 회전각과 여자 기간 그리고 가변인덕턴스에 따라 운전특성이 크게 달라진다. 따라서 부하토오크에 따라 적절한 전류 도통각(dwell angle)의 조정이 필요한데 이때 가변 인덕턴스는 자기 포화현상으로 인하여 인가되는 전류에 따라 변하기 때문에 원하는 토오크를 발생시키기 위해 가변하는 포화정도를 감안하여 전류를 제어하여야 한다. 그러나 인덕턴스는 상전류에 따라 비선형적으로 변하기 때문에 가변인덕턴스의 값을 정확히 알기가 어렵다. 지금까지는 전류 도통각의 조정은 간접적인 제어 방식에 의하여 산출된 스위칭 각으로 행하여지고 있다. 그러나 이러한 운전방식은 SRM의 직류직권 특성으로 인해 부하토오크의 변동에 강인하고 속응성있게 대응하는 유연성이 부족하게 되는 등 전동기의 높은 속도변동률과 가변속운전이 취약한 단점을 가지고 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점인 높은 속도 변동률과 가변속운전의 어려움을 개선하기 위하여 SRM의 속도-토오크 특성을 부하특성에 맞도록 능동적으로 조정할 수 있는 방식의 제공을 목적으로 한다.

도1 전압 및 드웰각(dwell angle) 조정에 의한 속도-토오크의 조정

도2 두 컨버터의 정합시 이득조정 원리

도3 컨버터 이득조정에 의한 속도-토오크특성 조정원리

도4 동적 속도제어원리

도5 부하증가에 따른 드웰각(dwell angle) 변화

도6 회전자 엔코더

도7 컨버터 변환이득조정에 의한 속도-토오크의 조정

도8 토오크-속도 특성조정을 위한 제어시스템

도9 전압조정기(Voltage regulator)의 구성도

SRM의 속도-토오크 특성을 부하특성에 맞도록 능동적으로 조정하기 위해 도 1은 SRM에서의 속도-토오크의 조정원리를 보여주는 것으로서 인가전압 및 드웰각(dwell angle)을 조정하면 도 1에서와 같이 속도-토오크를 원하는 형태로 조정할 수 있을 것이다.

SRM의 전압방정식은 식 (1)과 같다.

속도-토오크특성을 조정하기 위하여 기준속도에 대한 전동기의 속도궤환루우프를 구성한다. 이때 전동기의 속도검출은 간단한 디스크형 엔코더에 의하여 펄스신호로 검출하며 동시에 기준속도도 펄스화한다. 이때, 전동기속도는컨버터로 직류 화하고, 기준속도는컨버터로 형성시키되,와컨버터는 변환이득을 조정하여 주파수/전압의 변환정수를 달리하여 결합시킨다

지금, 도 2에서및컨버터의 변환식은 식 (2)와 같다.

이들을 결합시키면 식 (3)과 같은 주파수 조건에서 동일(identification)하다.

그리하여 양 F/V 컨버터의 바이어스 전압의 조정에 의하여 도3과 같이 SRM의 스위칭주파수 및 속도를 조정할 수 있게 한다. 여기서는및의 변환정수 이고및은 그것들의 바이어스 전압이다.

SRM에서의 속도-토오크특성은 여자기전력의 전류의 크기에 의하여 제어된다. 그리고 전류의 크기는 선행각(advance angle)에 의하여 제어된다. 동기기에서는 부하토오크가 증감하면 상차각의 증감이 생기게 되고 이것의 정현값에 비례하는 토오크출력이 속응성있게 대응하게 한다.

본 발명에서 토오크제어는 이러한 원리를 도입하여, SRM에서 부하토오크가 증감하면 별도의 연산장치 없이 전류의 드웰각(dwell angle)을 증감시키고 동시에 순시 전류의 자승에 비례하는 효과적인 토오크출력을 갖게 하여 전동기의 동특성 향상시킬 수 있게 하였다.

도 4는 일정속도에서 부하토오크의 변동에 따라 드웰각(dwell angle)이 가변하여 안정한 운전을 유지하는 제어개념도를 보여주고 있다. 도 4(a)는 부하토오크와 발생 토오크가 평형을 이루고 있는 한 상태를 나타내고 있다. 이때 부하토오크가 감소하면 발생토오크가 부하토오크보다 더 커져 순간적으로 회전자는 가속된다. 도 4(b)에서와 같이 회전자속도가 빨라진 만큼 회전자 위치센서로부터 나오는 펄스신호는 상대적으로 앞당겨서 발생하여 드웰각(dwell angle)이 줄어들고 전류의 크기가 작아지고 발생토오크도 작아진다. 그리하여 발생토오크와 부하토오크가 평형되는 도통각에서 동작하게 되고 회전자속도는 여전히 기준속도와 같게 된다.

반대로 부하토오크가 증가하게 되면, 발생토오크가 부하토오크보다 작아 순시적으로 회전자는 감속하게 된다. 따라서 스위치 오프신호가 시간적으로 늦어진 만큼 도 4(c)와 같이 드웰각(dwell angle)이 넓어지게 되어 발생토오크가 증가하여 부하토오크에 대응하게 된다. 이러한 동작은 도 5에서 부하가 증가할 경우의 펄스신호를 검토함으로서 확인할 수 있다. 기준속도신호는 속도명령에서 얻어지며 회전자 속도신호는 회전자에 부착된 속도엔코더로부터 얻을 수 있다. 이 두 신호로부터 드웰각(dwell angle)을 생성할 수 있으며, 스위칭-온 각은 속도기준신호로부터, 스위칭-오프각은 회전자 속도신호로부터 얻는다. 이때 회전자엔코터는 스위칭-오프각에 맞추어 회전자에 설치하였다. 도 6은 회전자엔코더의 형태로 6/4형 SRM에 적당한 형상이다.

속도-토오크 조정 동작은와컨버터로 구성된 속도제어기에서 도 2와 같은 원리로 동작되며 이를 전 속도영역에서 행하면 도 7과 같이 된다. 두 컨버터의 정합시, 식(1)의 전압방정식에서의 임피던스전압강하 성분에 대한 기준모델 (reference model)의 보상 분으로는 부하전류의 평균치의 변환치를 기준값에 궤환시키고, 속도역기전력 성분에 대한 보상 분으로는 드웰각(dwell angle)의 변환치를 전동기속도궤환값 _에 귀환시켜 그들의 바이어스 전압를 조정한다. 이때 식(3)은 다음의 식(4)와 같은 관계식을 갖게 된다.

여기서는 시스템이 동정된 상태에서의 전동기 속도주파수이고,는 부하전류의 귀환계수이며,는 드웰각(dwell angle)의 귀환보상계수이다.

여기서, 부하전류의 귀환정수,및 드웰각의 귀한 계수를 조정하는 구동시스템을 구성하면 도 8과 같이 된다.

도 9는 전압조정기(voltage regulator)의 구성도로서 얻어진 드웰각(dwell angle)을 이용하여 SRM에 적당한 상전압을 인가하기 위하여 램프형 PWM펄스전압을 만든다.

스위치드 리럭턴스 전동기(Switched Reluctance Motor, SRM)는 기존 교류전동기에 비해 우수한 운전특성을 가지고 있어 가변속 구동원으로의 적용이 다양하게 검토되고 있으며, 본 발명에서는 SRM의 속도-토오크 특성을 부하특성에 맞도록 능동적으로 조정할 수 있는 방식을 제안하여 이를 활용함으로 전동기 토오크 이용률을 향상시킬수 있다.

Claims (1)

1. 상스위치온신호와 상스위치오프신호사이로 이루어지는 드웰각에의해 속도가 제어되는 에스알엠에 있어서,

   속도명령에서 획득되는 기준속도펄스의 상승엣지 신호에 따라 상스위치온 신호가 발생하게 되며, 에스알엠의 스위칭-오프각에 맞춰 상기 회전자에 부설된 엔코더로부터 발생된 회전자속도펄스의 상승엣지 신호에따라 상스위치오프신호가 발생하게되어 회전자의 속도증감에 따라 드웰각이 조절되도록하여 에스알엠의 회전속도를 상기 속도명령의 기준속도로 제어하게 되는 것을 특징으로 하는 스위치드 릴럭턴스 전동기의 속도-토오크 특성 조정방식.