KR100451365B1 - 전동기 제어 시스템의 보호장치 - Google Patents

Abstract

전동기 제어 시스템의 보호 장치가 제공된다. 전동기 제어 시스템의 보호 장치는 전동기 제어 시스템의 인버터와 전동기사이에 설치되어, 인버터의 출력 전압을 검출하고 검출된 출력 전압을 제어하는 회생 제동부로서, 상기 전동기로부터의 회생 전압에 의해 상기 인버터의 출력 전압이 상승할 때 상기 전동기로부터의 회생 에너지를 흡수 제거하는 회생 제동부와; 상기 인버터와 전동기사이에 설치되어, 상기 전동기에 제공되는 마이크로 서지 전압을 억제하는 마이크로 서지 필터부로서, 인버터의 출력 직류 전압의 기준치 이하에서 내부 충전 에너지를 유지함으로써 마이크로 서지 전압을 억제하는 마이크로 서지 필터부를 구비하고 있다.

Description

전동기 제어 시스템의 보호 장치

본 발명은 전동기 제어 시스템에 관한 것으로, 특히 마이크로 서지(micro surge) 전압을 억제하는 마이크로 서지 억제 기능과 회생 에너지를 억제하는 회생 제동 기능을 동시에 실현할 수 있는 전동기 제어 시스템의 보호 장치에 관한 것이다.

일반적으로 전동기를 구동하는 전동기 제어 시스템은 인버터를 가지고 있다. 이 인버터에 의해 전동기가 구동될 때, 인버터의 출력 전압에는 이 인버터 주회로 소자의 스위칭에 의해 서지 전압이 중첩되거나, 배선 케이블의 공진이나 반사에 의해 서지 전압이 발생된다. 이러한 서지 전압은 인버터에서 전동기를 구동할 때 전동기의 권선사이의 절연 파괴를 일으키기 때문에 전동기의 손상 원인이 되고 있다. 특히, PWM 인버터를 사용하는 경우에는 스위칭 회수가 많기 때문에 더욱 주의가 필요하다.

이러한 문제에 대응하기 위해서는, 인버터에서 전동기까지의 거리를 최대한으로 짧게 구성하고, 인버터의 서지 전압을 흡수하기 위한 서지 전압 흡수 회로를 설치한다. 또한, 인버터의 출력측에 필터를 설치하여 배선 케이블의 공진과 반사파에 의해 발생되는 서지 전압을 억제하고, 전동기 권선의 절연을 강화한다. 아울러, 정기 점검을 통해 절연 열화를 확인한다.

일반적으로 PWM 인버터에서 상기 전동기를 구동할 때, 상기 PWM 인버터의 PWM 출력 전압은 상기 PWM 인버터와 전동기사이에 설치되어 있는 배선 케이블의 리액터(L) 성분과 부유 용량(C) 성분의 영향을 받게 된다. 따라서, 전동기측에서 높은 서지 전압이 발생된다. 이 높은 서지 전압은 "마이크로 서지 전압"이라고 하는 것으로 전동기의 절연 파괴의 원인이 되고 있다.

즉, 전동기의 구동시에, PWM 인버터는 공급되는 상용 전원을 직류 전압으로 변환하고, 내부에 구비되어 있는 스위칭 소자의 온/오프에 의해 구형파 신호를 생성하며, 이 구형파 신호를 상기 전동기에 공급하여 전동기를 구동한다. 상기 PWM인버터에서 발생된 상기 구형파 신호는 상기 배선 케이블이 가지고 있는 리액턴스(L) 성분과 부유 용량(C) 성분으로 구성된 분포 정수 회로를 통해 상기 전동기측에 공급된다. 상기 분포 정수 회로에 인가된 상기 인버터의 구형파 펄스는 상기 분포 정수 회로의 상기 L 성분과 C 성분에 축적되는 에너지에 의해 생긴 감쇠 진동을 가지고 있다. 이때, 상기 배선 케이블의 길이가 긴 경우에는 상기 배선 케이블의 L 성분과 C 성분의 크기에 따라 상기 전동기의 권선에 대해 높은 임피던스로 작용하기 때문에 투과 현상, 반사 현상이 발생되고, 이에 따라 인가 전압 이상의 서지 전압이 상기 전동기에 제공되게 된다.

도 1에는 이러한 서지 전압을 억제하기 위한 종래의 전동기 제어 시스템의 마이크로 서지 필터 장치가 도시되어 있다. 종래의 마이크로 서지 필터 장치는 PWM 인버터(30)와 전동기(40)사이에 설치되어 있다. 이 마이크로 서지 필터 장치(25)는 서지 전압을 억제하기 위해 도 1에 도시되어 있는 바와 같이 복수의 리액터(L)와 콘덴서(C)와 저항기(R)로 구성되어 있다.

도 2에는 종래의 전동기 제어 시스템의 회생 제동 장치가 블록도 형태로 도시되어 있다. 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 전동기 제어 시스템은 상용 전원을 직류 전원으로 변환하는 컨버터(10)와, 이 컨버터(10)의 출력 전압을 평활하는 평활용 콘덴서(C3)와, 평활용 콘덴서(C3)의 직류 출력을 가변 전압 가변 주파수의 교류 전압으로 변환하고 이 교류 전압으로 전동기(40)를 구동하는 인버터(30)를 가지고 있다.

도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 종래의 회생 제동 장치는 상기 평활용 콘덴서(C3)와, 전동기(40)를 구동하는 인버터(30)사이에 설치되어 있다. 전동기(40)의 회생 에너지에 의해 상기 평활용 콘덴서(C3)의 직류 충전 전압이 상승하면 인버터(30)에 과전압이 공급되어 인버터(30)의 고장이 야기된다. 즉, 전동기(40)의 구동시에, 이 전동기(40)로부터 회생 에너지가 발생되면 상기 인버터(30)의 주회로의 스위칭 소자(T1-T6)의 병렬 다이오드(D1-D6)를 통해 상기 평활용 콘덴서(C3)가 충전되게 된다.

이때 회생 전류를 I라고 하면, 상기 평활용 콘덴서(C3)에 충전되는 충전 전압은 하기의 수학식 1과 같이 표현될 수 있다:

[수학식 1]

I = C * dV / dT

상기의 수학식 1로부터, 상기 평활용 콘덴서(C3)는 회전 전류(I)의 크기에 따라 그 충전 전압 상승이 좌우됨을 알 수 있다. 회생 전류(I)에 따라 상기 평활용 콘덴서(C3)의 충전 전압이 상승하면 상기 인버터(30)의 복수의 스위칭 소자(T1-T6)에 인가되는 전압이 상승하게 되며, 이에 따라 상기 스위칭 소자(T1-T6)가 파괴되게 된다.

따라서, 이를 방지하기 위해, 회생 운전시에 상기 평활용 콘덴서(C3)의 직류 충전 전압이 상승하면, 상기 회생 제동 장치의 트랜지스터(IGBT)가 온되도록 되어 있다. 즉, 회생 운전시에는 상기 트랜지스터(IGBT)가 온되어, 회생 에너지가 상기 트랜지스터(IGBT)에 접속되어 있는 저항기(R3)를 통해 소비되게 된다.

상기 회생 제동 장치는 상기 직류 충전 전압이 상승할 때 상기 회생 제동 장치의 트랜지스터(IGBT)를 온시키기 위해 비교기(21)를 구비하고 있다. 비교기(21)의 제1입력단자에는 저항기(R2)를 통해 상기 평활용 콘덴서(C3)의 충전 전압이 입력되도록 되어 있다. 상기 비교기(21)의 제2입력 단자에는 저항기(R1)와 제너다이오드(ZD1)와 콘덴서(C1)에 의해 결정된 기준 전압이 입력되도록 되어 있다. 상기 비교기(21)는 상기 평활용 콘덴서(C3)의 충전 전압과 상기 기준 전압을 비교하여 상기 평활용 콘덴서(C3)의 충전 전압이 상기 기준 전압보다 크면 제어 신호를 발생하고, 이 제어 신호를 저항기(R4)를 통해 상기 제어 트랜지스터(IGBT)의 게이트에 인가하여 상기 제어 트랜지스터(IGBT)를 온시키게 된다.

상기 제어 트랜지스터(IGBT)가 온됨에 따라, 상기 전동기(40)로부터의 회생 전류가 상기 인버터(30)의 스위칭 소자(T1-T6)를 거쳐서 상기 트랜지스터(IGBT)에 접속되어 있는 저항기(R3)를 통해 소비되게 된다. 이에 따라 평활용 콘덴서(C3)의 전압 상승이 억제된다.

이와 같이, 종래에는 전동기 제어 시스템에서 마이크로 서지 전압을 억제하는 마이크로 서지 억제 장치와 회생 에너지를 억제하는 회생 제동 장치가 독립적으로 설치되어 있다. 따라서, 넓은 설치 공간을 필요로 하고 비용도 고가이다. 또한, 종래의 회생 제동 장치에서는 전동기로부터의 회생 전류가 인버터의 스위칭 소자(T1-T6)를 통해 흐르도록 되어 있기 때문에, 그 회생 전류에 의해 과전류 트립이 발생할 수도 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 마이크로 서지 전압을 억제하는 마이크로 서지 억제 기능과 회생 에너지를 억제하는 회생 제동 기능을 동시에 실현할 수 있는 전동기 제어 시스템의 보호 장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 설치 공간이 줄고 비용도 저렴한 전동기 제어 시스템의 보호 장치를 제공하는데 있다.

도 1은 종래의 전동기 제어 시스템의 마이크로 서지 필터 장치의 구성도.

도 2는 종래의 전동기 제어 시스템의 회생 제동 장치의 구성도.

도 3은 본 발명의 전동기 제어 시스템의 보호 장치의 구성도.

도 4는 본 발명에 따른 전동기의 입력 파형도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 컨버터 21 : 비교기

30 : 인버터 40 : 전동기

101 : 회생 제동부 102 : 마이크로 서지 필터부

C3 : 평활용 콘덴서

본 발명에 따라 마이크로 서지 전압을 억제하는 마이크로 서지 억제 기능과 회생 에너지를 억제하는 회생 제동 기능을 동시에 실현하는 전동기 제어 시스템의 보호 장치가 제공된다.

본 발명에 따른 전동기 제어 시스템의 보호 장치는 전동기 제어 시스템의 인버터와 전동기사이에 설치되어, 상기 인버터의 출력 전압을 검출하고 검출된 출력 전압을 제어하는 회생 제동부를 구비하고 있다. 이 회생 제동부는 상기 전동기로부터의 회생 전압에 의해 상기 인버터의 출력 전압이 상승할 때 상기 전동기로부터의 회생 에너지를 흡수 제거하는 역할을 한다.

본 발명에 따른 전동기 제어 시스템의 보호 장치는 또한 상기 인버터와 전동기사이에 설치되어, 상기 전동기에 제공되는 마이크로 서지 전압을 억제하는 마이크로 서지 필터부를 구비하고 있다. 이 마이크로 서지 필터부는 상기 인버터의 출력 직류 전압의 기준치 이하에서 내부 충전 에너지를 유지함으로써 마이크로 서지 전압을 억제한다. 이때, 상기 회생 제동부와 상기 마이크로 서지 필터부는 독립적으로 구성되어 있지 않다.

본 발명에 따라, 상기 회생 제동부는 인버터의 출력 전압과 소정의 기준 전압을 비교하여 상기 인버터의 출력 전압이 상기 기준 전압보다 크면 제어 신호를 발생하는 비교기와; 저항기와; 상기 비교기로부터 제어 신호가 입력되면, 상기 저항기를 통해 상기 전동기로부터의 회생 에너지가 소비되도록 하는 제어 트랜지스터를 구비하고 있다. 상기 회생 제동부는 또한 콘덴서를 구비하고 있고, 이때 상기 콘덴서의 충전 전압이 상기 회생 제동부의 제어 전원 전압이 되며, 따라서 인버터가 정지 상태인 경우에는 상기 충전 전압이 없으므로 상기 회생 제동부가 동작하지 않는다.

상기 마이크로 서지 필터부는 콘덴서와, 상기 인버터의 출력 교류 전압을 정류하여 얻은 출력 직류 전압을 상기 회생 제동부에 공급하는 정류기를 구비하고 있다. 상기 콘덴서의 충전 전압은 상기 회생 제동부의 제어 트랜지스터의 동작에 의해 상기 인버터의 출력 직류 전압의 기준치보다 작도록 제어되고, 이에 따라 상기 전동기의 입력 전압과 상기 콘덴서의 충전 전압의 차에 의해 상기 콘덴서가 충전되며, 이와 같이 충전된 상기 콘덴서의 충전 전압에 의해 상기 마이크로 서지 전압이 억제된다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명한다.

도 3에는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전동기 제어 시스템의 보호 장치가 도시되어 있다. 도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전동기 제어 시스템의 보호 장치(101,102)는 인버터(30)와 전동기(40)사이에 설치되어 있다. 전동기 제어 시스템의 보호 장치는 회생 제동부(101)와 마이크로 서지 필터부(102)를 구비하고 있다.

회생 제동부(101)는 상기 인버터(30)의 출력 전압을 검출하고 검출된 출력 전압을 제어하는 역할을 한다. 도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 회생 제동부(101)는 비교기(21)를 가지고 있다. 이 비교기(21)의 제1입력 단자에는 상기 인버터(30)의 출력 직류 전압(후술됨)이 입력되도록 되어 있다. 상기 인버터(21)의 제2입력 단자에는 기준 전압이 입력되도록 되어 있다. 이 기준 전압은 저항기(R1)와 콘덴서(C1)와 제너 다이오드(ZD1)에 의해 구성된 기준 회로에 의해 발생된다. 상기 콘덴서(C1)의 충전 전압은 회생 제동부(101)의 제어 전원 전압이 된다. 인버터(30)가 정지 상태인 경우에는 상기 인버터(30)에서 출력 전압이 발생되지 않기 때문에 상기 콘덴서(C1)에서 충전이 이루어지지 않아 회생 제동부(101)는 동작하지 않게 된다.

상기 비교기(21)는 제1입력단자를 통해 입력된 상기 인버터(30)의 출력 직류 전압과 상기 제2입력 단자를 통해 입력된 기준 전압을 비교한다. 비교 결과, 상기 인버터(30)의 출력 직류 전압이 상기 기준 전압보다 크면, 제어 신호를 출력한다.

상기 회생 제동부(101)는 또한 제어 트랜지스터(TR1)를 가지고 있다. 이 제어 트랜지스터(TR1)의 게이트에는 상기 비교기(21)의 출력측이 직접 접속되어 있다. 상기 제어 트랜지스터(TR1)의 나머지 두 단자의 양단에는 다이오드(D1)가 설치되어 있다. 또한, 상기 두 단자중 하나의 단자에는 저항기(R2)가 설치되어 있다.

상기 전동기(40)로부터의 회생 전압에 의해 상기 인버터(30)의 출력 전압이 상승함에 따라, 상기 비교기(21)로부터 상기한 제어 신호가 입력되면, 상기 제어 트랜지스터(TR1)가 온된다. 이에 따라, 상기 전동기(40)로부터의 회생 에너지가 상기 저항기(R2)에 공급되어, 이 저항기(R2)에 의해 흡수 제거된다.

본 발명에 따른 전동기 제어 시스템의 보호 장치는 또한 상기 전동기(40)에 제공되는 마이크로 서지 전압을 억제하는 마이크로 서지 필터부(102)를 구비하고 있다. 이 마이크로 서지 필터부(102)는 상기 인버터(30)의 출력 직류 전압의 기준치 이하에서 내부 충전 에너지를 유지함으로써 마이크로 서지 전압을 억제하는 역할을 한다. 이때, 상기 마이크로 서지 필터부(102)는 상기 회생 제동부(101)와 독립적으로 구성되어 있지 않다.

상기 마이크로 서지 필터부(102)는 콘덴서(C2)와 정류기(50)를 구비하고 있다. 상기 회생 제동부(101)에 공급된 상기 인버터(30)의 출력 직류 전압은 상기 정류기(50)로부터 공급된다.

상기 콘덴서(C2)의 충전 전압은 상기 회생 제동부(101)의 제어 트랜지스터(TR1)의 동작에 의해 상기 인버터(30)의 출력 직류 전압의 기준치보다 작도록 제어된다. 이에 따라 상기 전동기(40)의 입력 전압과 상기 콘덴서(C2)의 충전 전압의 차에 의해 상기 콘덴서(C2)가 충전되며, 이와 같이 충전된 상기 콘덴서(C2)의 충전 전압에 의해 상기 마이크로 서지 전압이 억제된다.

도 4는 본 발명에 따른 전동기의 입력 파형도이다. 도 4에서, (a)는 인버터(30)의 출력 파형이고, (b)는 전동기(40)의 입력 파형이고, (c)는 본 발명에 따른 마이크로 서지 필터를 사용한 때의 전동기(40)의 입력 파형이다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명하였지만, 본 발명은 이러한 실시예에 전혀 한정되지 않고, 본 발명의 요지를 이탈하지 않는 범위내에서 다양한 형태로 실시될 수 있음은 물론이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전동기 제어 시스템의 보호 장치는 단일 구성으로 마이크로 서지 전압을 억제하는 마이크로 서지 억제 기능과 회생 에너지를 억제하는 회생 제동 기능을 동시에 실현하므로, 회로 구성이 간단하고, 설치 공간이 줄어들 뿐만 아니라 비용이 저렴하다. 또한 인버터의 출력 전압이 발생되는 경우에는 동작하지 않기 때문에 제어에 필요한 전력이 적다.

Claims (4)

1. 전동기 제어 시스템의 인버터와 전동기사이에 설치되어, 상기 인버터의 출력 전압을 검출하고 검출된 출력 전압을 기준전압과의 비교에 의해 제어하여, 상기 전동기로부터의 회생 전압에 의해 상기 인버터의 출력 전압이 상승할 때 상기 전동기로부터의 회생 에너지를 흡수 제거하는 회생 제동부와; 상기 인버터와 상기 전동기사이에 설치되어, 상기 인버터의 출력 직류 전압의 기준치 이하에서 내부 충전 에너지를 유지하는 것에 의해 상기 전동기에 제공되는 마이크로 서지 전압을 억제하는 마이크로 서지 필터부를 구비하여, 상기 회생 제동부와 상기 마이크로 서지 필터부가 일체로 구성된 것을 특징으로 하는 전동기 제어 시스템의 보호 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 회생 제동부는 인버터의 출력 전압과 소정의 기준 전압을 비교하여 상기 인버터의 출력 전압이 상기 기준 전압보다 클 때 제어 신호를 발생하는 비교기와; 저항기와; 상기 비교기에서 제어 신호가 발생되면, 상기 저항기를 통해 상기 전동기로부터의 회생 에너지가 소비되도록 해 주는 제어 트랜지스터를 구비하여 구성된 것을 특징으로 하는 전동기 제어 시스템의 보호 장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 회생 제동부는 콘덴서를 더 구비하여, 그 콘덴서의 충전 전압이 상기 회생 제동부의 제어 전원 전압이 되게 구성된 것을 특징으로 하는 전동기 제어 시스템의 보호 장치.
4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 마이크로 서지 필터부는 콘덴서와, 상기 인버터의 출력 교류 전압을 정류하여 얻은 출력 직류 전압을 상기 콘덴서 및 회생 제동부에 공급하는 정류기를 구비하여, 상기 콘덴서의 충전 전압에 의해 상기 마이크로 서지 전압이 억제되게 구성된 것을 특징으로 하는 전동기 제어 시스템의 보호 장치.

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