KR100889186B1

KR100889186B1 - 단상 유도전동기의 기동용 계전기

Info

Publication number: KR100889186B1
Application number: KR1020070072542A
Authority: KR
Inventors: 김영준
Original assignee: 김영준
Priority date: 2007-07-20
Filing date: 2007-07-20
Publication date: 2009-03-17
Also published as: KR20070083439A

Abstract

본 발명은 단상 유도전동기의 기동용 계전기를 제공코자 하는 것으로 트라이악(D1)과 기동권선(W2)에는 트라이악을 드라이브하도록 하기 위한 신호발생회로(g)와 상기 트라이악(D1)의 제로전류 및 제로전압 감지회로를 구동시키기 위한 윈도우 비교회로(s)및 회전자의 속도 감지를 위한 아날로그 디지털 변환기기가 내장된 마이크로 콘트롤러(CPU)에 의해 제어하도록 함으로서 전동기와 같은 유도성 회로에서 주로 발생하는 트라이악 스위칭 노이즈의 영향을 제한하여 트라이악의 양단(M1, M2)에 걸리는 높은 전압으로부터 주변 회로를 보호하고, 보다 정확하고 안정적인 기동권선 제어회로를 구성하는 것이다.

마이크로 콘트롤러, 트라이악, 기동권선, 마이크로 콘트롤러,

Description

단상 유도전동기의 기동용 계전기{Electric Centrifugal Switches for Single Phase Induction Motors}

도1은 본 발명을 설명키 위한 블록 다이어그램

도2는 트라이악의 제로전류 감지회로도이며,

도3은 신호 출력을 나타낸 그래프이며,

도4는 유기전압 감지를 위한 회로 설명도이다.

*****도면중 부호의 설명*****

W1은 유도 모터의 주권선, W2는 기동권선, L. N는 전원 입력 단자, C1은 기동콘덴서, C3,C4는 콘덴서, D1은 트라이악, D3∼6는 다이오드, R2∼R9는 저항, S1. S2는 비교기, CPU는 마이크로 콘트롤러를 의미한다.

본 발명은 단상 유도전동기의 기동용 계전기에 관한 것으로 종래 단상 유도 전동기의 주된 기동방법에는 고정자의 주권선에 기동권선을 병렬로 연결하고 주권선에 비해 가늘게 하거나 또는 기동용 콘덴서를 연결하여 동상이 아닌 전류를 기동 권선에 인가시켜 회전자기장을 만드는 것이 었다. 따라서 회전자 속도가 정격 속도 에 가까워지게 되면 회전자와 회전자기장 사이의 상대속도 및 토크가 감소함으로 고정자의 기동권선 회로를 차단시켜 주도록 되어 있다. 그러나 주권선에 비해 상대적으로 가는 기동권선으로 인해 높은 열이 발생할 소지가 높고 이로 인해 모터를 소손시키는 원인이 되기도 했다. 또한 기동용 콘덴서는 용량대비 가격이 저렴해야 함으로 수초 이상의 기동전류를 연속적으로 견디지 못하고 파손되는 결점이 있어 이를 해결하기 위하여 원심 스위치를 사용하여 회전자가 정격 속도에 가까워지면 기동 권선에 흐르는 전류를 차단시켜 기동권선과 기동용 콘덴서를 보호해 주도록 되어 있다. 그러나 이러한 기계식 원심 스위치는 마모 및 특성 저하로 인해 전동기의 수리 및 교체의 주된 원인이 었다.

이를 시정하기 위한 수 많은 제안이 공개되어 있다. 예를 들어 전원부와 기동권선에 교류 전원을 인가 혹은 차단하기 위한 트라이악이 설치되고, 기동권선에 유기되는 전압을 감지하기 위한 감지수단에 의해 트라이악을 ON-OFF하도록 히스테리시스부와 트리거부로 구성하여 단상 유도 전동기의 기동코일에 교류 전원을 인가 혹은 차단하도록 하거나(본 출원인의 선특허 제0527054호 참조) 또는 기동권선과 접지 사이에 신호 발생부가 구성되어 그 출력의 일부로는 신호 변환부와 다른 일부로는 트라이악 보호용 타이머 회로부를 설치하여 기동권선에 기동전류를 On 또는 Off하도록함으로서 트라이악에 돌입전류의 흐름을 방지하도록 하는것도 알려져 있다(본 출원인의 선특허 제0728535호 참조).

본 발명은 상기와 같은 종래의 기구보다 진일보되고 신뢰성을 높이기 위하여 높은 내구성을 갖는 반도체 스위칭 소자인 스너버레스 트라이악(Snubberless Triac)을 정확하고 빠른 동작이 가능한 마이크로 콘트롤러(Microcontroller)를 이용하여 기동권선에 공급되는 전원을 On-Off하도록하는 소위 ECS(Electric Centrifugal Switches)를 제공함으로서 단상 유도 전동기의 주된 불량 원인을 제거 하고자 하는 것이다.

본 발명을 첨부된 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.

도1은 본 발명을 설명키 위한 블록 다이그램으로 교류전원 입력단자(L, N)사이에는 유도모터의 주권선(W1)이 연결되고, 기동콘덴서(C1)과 트라이악(D1)및 기동권선(W2)이 직렬로 하여 상기한 주권선(W1)과 병렬로 연결됨은 공지와 같은 것이며, 상기한 트라이악(D1)과 기동권선(W2)에는 트라이악(D1)을 드라이브하도록 하기 위한 신호발생회로(g)와 상기 트라이악의 제로전류 및 제로전압 감지회로를 구동시키기 위한 윈도우 비교회로(s) 및 모터의 속도 감지를 위한 아나로그/ 디지털 변환기(ADC)가 내장된 마이크로 콘트롤러(CPU)에 의해 제어하도록 되어 있다. 도1에서 미 설명 부호 P는 전원 공급을 의미한다.

따라서 전동기가 기동을 시작하면, 전원 공급(P)회로는 전압 강하와 정류회로를 거쳐 마이크로 콘트롤러(CPU)의 조작 전압인 4∼5VDC를 마이크로 콘트롤러(CPU)에 공급하게 되고 일정시간 이후 마이크로 콘트롤러의 모든 기능은 정상동작을 시작하게 된다. 이 때, 트라이악(D1)전압은 전류제한 회로와 마이크로 콘트롤러(CPU)의 내부 전압 보호회로를 거쳐 2개의 후술하는 비교기에 공급되어 각각의 비교기 레페랜스 입력과 함께 도2에 도시와 같은 윈도우 비교회로(s)를 구성하도록 되어 있다.

상기한 윈도우 비교회로(s)는 트라이악(D1)전압의 0점 지점을 확인(Zero voltage detection)하여 트라이악(D1)이 On시 발생하는 순간적인 돌입전류(Impulse current)로부터 트라이악(D1)과 주변회로를 보호하도록 되어 있다. 그리고 트라이악(D1) 전압의 0점 지점을 확인하여 트라이악 제어회로(Triac Drive ＆ General I/O)(g)를 통해 트라이악 게이트전류가 인가되면, 트라이악은 On상태가 되고, 유도 전동기와 같은 회로에서 전류와 전압간에 위상차가 발생되고 트라이악(D1)은 동작특성상 교류전류의 반 주기마다(도3 (가)(나)참조) 발생하는 전류의 0점 지점에서 Off상태가 됨으로 트라이악 Commuting (dv/dt)에 영향을 받게 된다. 따라서 상기의 윈도우 비교회로(s)는 전류의 0점 지점에 가까워지는 시점에 마이크로 콘트롤러(CPU)는 일반 I/O port를 통해 트라이악에 충분한 게이트 전류(50mA)를 sink하고, 정상적인 트라이악의 On상태를 유지하여 False turn on으로부터 Triac회로를 보호한다. 전동기의 회전 속도가 증가하면서 발생되는 유기전압은 ECS내부의 전압강하 회로와 마이크로 콘트롤러(CPU)내의 아나로그/디지탈 변환기(ADC)를 거쳐 디지털 값으로 출력되어 마이크로 콘트롤러 후레시 메모리(Microcontroller Flash memory)에 저장하게 되고 마이크로 콘트롤러(CPU)는 저장된 유기전압의 변동비를 계산하여 전동기의 회전 속도가 70∼80％가되는 시점을 예측하여 트라이악 제어회로(g)에 명령을 내리게 되고 트라이악 제어회로(g)는 트라이악 게이트 전류를 제한하여 트라이악은 Off상태가되며, 유도 모터의 보조 권선회로인 기동권선(W2)은 차단되는 것이다. 이후 전동기의 회전 속도가 감소하여 유기전압이 감소하면, 이번에는 트라이악(D1)의 양단(M1, M2)전압 사이에 위상차가 감소함으로 마이크로 콘트롤러(CPU)는 상기한 유기전압 검출회로와 전압 0점 지점확인 및 전류 0점 지점 예측회로를 통해 양 전압 사이의 위상차를 감시하고 전동기의 기동을 위해 트라이악(D1)에 On 신호(도3의 (마)참조)를 인가하게 되는 것이다.

유도성의 모터회로에서의 회로전압과 회로전류 사이에는 위상차가 발생한다. 특히 스너버레스 트라이악(Snubberless Triac)제어에 있어서 트라이악 게이트전류의 크기 및 인가시점은 트라이악 dV/dt특성 향상 및 트라이악 스위칭 노이즈를 제한하는데 가장 중요한 요소임으로 회로전류의 0점 지점을 예측하여 트라이악 게이트전류를 제어하는 것이 좋다.

따라서 트라이악은 On상태에서 회로전류가 0점 지점(도3 참조)을 지나는 반주기마다 순간적으로 트라이악(D1)의 양단접점(M1, M2)사이에는 0.6∼1.2V정도의 전압차(VGT)가 발생한다, 유도 모터 회로전류의 0점 지점을 트라이악 양단(M1, M2)의 전압 변동을 통해 예측하고 충분한 용량의 트라이악 게이트 전류를 최소한의 지연시간 안에 인가하는 것은 전동기와 같은 유도성 회로에서 주로 발생하는 트라이악 스위칭 노이즈의 영향을 제한하는 효율적인 방법인 것이다.

상기한 본 발명의 윈도우 비교회로(s)가 도2에 도시되어 있다. 즉 도2에서 트라이악 Off상태에서 유도모터 회로전압의 0점 지점을 확인할 수 있으므로 전동기의 재 기동이나 트라이악 On변환시 발생하는 순간적인 돌입전류(Impulse current, Transition noise)로부터 트라이악과 주변회로의 손상을 최소화할 수가 있게 되는 것이다. 따라서 본 발명 윈도우 비교회로(s)의 구성에 있어서, 트라이악(D1)과 기동코일(W2)사이와 비교기(S1)및 비교기(S2)의 비반전입력단자(+)사이에는 저항(R2)으로 연결되고, 상기 비반전입력단자(+)와 전원(L)및 접지 사이에는 다이오드(D3, 및 D4)가 연결됨과 동시에 비반전입력단자(+)와 접지 사이에는 콘덴서(C3)와 저항(R3)을 병렬로 하여 연결되어 있다. 한편, 상기한 전원(L)과 접지 사이에는 전압 분배저항(R4,R5,R6)이 직렬로 연결되어 저항(R3)과 저항(R4)사이의 중간이 비교기(S1)의 반전입력단자(-)에 연결되고 저항(R5)와 저항(R6)사이의 중간은 비교기(S2)의 반전입력단자(-)에 연결되어 비교기(S1)와 비교기(S2)의 반전 입력단자(-)에는 각기 상이한 전압이 인가되도록 되어 있다.

상기에서 트라이악(D1)의 On 전압은 저항(R2, R3)를 통해 전압 강하되고 전압 강하된 전압은 2개의 비교기(S1, S2)의 입력전압이 되고, 분배저항(R4, R5, R6)은 비교기의 참조 전압을 설정하며, 비교기 입력전압과 비교되어 기동권선회로 전류 또는 전압의 0점 지점 통과 시, 트라이악(D1)의 전압 변동을 감지하기 위해 윈도우 비교회로(s)간 구성된 것이다. 상기한 비교기(S1)의 참조 전압은 비교기(S1) 입력전압의 상한치(High limit)이고 비교기(S2)의 참조전압은 상기한 입력전압의 하한치(Low limit)가 되며, 마이크로 콘트롤러(CPU)는 두 비교기(S1, S2)의 출력 전압이 0·1 또는 1·0상태에서 유도 모터의 회로전류 0점 지점을 통과 구간을 인식하고 최대한 빠른 시간 내에 트라이악 제어회로(g)에 신호를 보내 충분한 용량의 트라이악 게이트 전류를 인가하도록 되는 것이다. 도3의 (다)는 비교기(S1)의 출력도이며, 도3의(라)는 비교기(S2)의 출력도를 표시한 것이다. 도면에서 크램프 다이오드(D3, D4)는 트라이악 Off상태에서 트라이악 양단(M1, M2)에 걸리는 높은 전압으로부터 주변회로를 보호하는 역할을 하며, 콘덴서(C3)는 1KHz외부 노이즈 필터 역할을 하는 것이다.

한편, 전동기토크와 가속토크, 그리고 유기전압 변동기간의 관계를 정의하고 단상유도 전동기 기동에 필요한 유기전압 검출방법을 제안하면 다음과 같다.

즉 모터 고정자의 주권선코일(W1)과 기동권선(W2)은 회전자기장을 만들고, 그 회전자기장이 회전자를 통과하면, 회전자에 전압이 인가되며, 회전자 전압으로 인해 회전자에 전류가 발생하면, 회전자 주변에도 자기장이 발생되고 다시 기동권선(W2)에 전압이 유기되는데, 이 때 유기전압의 크기는 회전자의 회전속도에 비례하고, 전동기토크는 다음과 같이 부하토크와의 합산이다.

Motor torque = Load torque+Acceleration torque

Acceleration torque

J x (dω/dt)

Acceleration torque

(dVs/dt), where dJ / dt

0 and ω

Vs

위 식에서

ω : 회전자 속도, Angular velocity

J : 관성, Moment of inertia

Vs : 유기전압, Speed voltage

도4는 아날로그 디지털 변환기(ADC)의 설명을 위한 회로도로 기동권선(W2)과 전원(N)사이에 저항(R7)과 저항(R9)을 직렬로 연결하여 아날로그/디지탈 변환기(ADC)로 연결토록 되고, 상기한 저항(R9)의 양단에는 저항(R8)과 콘덴서(C4)를 통해 접지되고 전원과 접지 사이에 다이오드(D5, D6)을 연결하여 회로를 구성한다. 따라서 전동기 기동중에는 기동권선(W2)의 유기전압(Vs)은 저항(R7, R8)을 통해 5V이하로 전압 강하되어 마이크로 콘트롤러(CPU)에 내장된 아날로그/디지털 변환기(ADC))의 입력 전압이 되어 마이크로 콘트롤러(CPU)는 유기전압(Vs)와 전동기의 가속토크와 비례하는 유기전압 변동비(dVs/dt)를 연산한 후, 후레시 메모리에 저장된다. 이 후 CPU는 위의 전동기의 가속토크(Acceleration torque)가 최대치를 지나 다시 감소하는 시점인 전동기 정격속도의 70∼80％시점에서 트라이악을 Off시키고(도3의 (마)참조) 기동코일(W2)회로를 차단하게 된다. 도면에서 크램프 다이오드(D5, D6)는 높은 전압으로부터 주변 회로를 보호하며, 저항(R9)와 콘덴서(C4)는 1kHz 외부 노이즈 필터 역할을 하는 것이다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 내구성을 가진 반도체 스위칭소자인 스노버레스 트라이악을 정확하고 빠른 동작이 가능한 마이크로 콘트롤러를 이용하여 제어하는 방식을 채택하여 소위 ECS(Electric Centrifugal Switches)를 개발함으로서 회로전압과 트라이악 양단 사이의 위상차를 감시할 수 있고 전동기의 On=Off를 자유로이 제어함과 동시에 전동기의 재 기동 또는 트라이악 변화시 발생하는 순간적인 돌입전류로부터 트라이악과 주변회로의 손상을 최소화할 수 있는 등의 산업적으로 유용한 발명인 것이다.

Claims

단상 유도전동기의 기동을 트라이악 드라이브회로(g)와 윈도우 비교회로(s) 및 아날로그/디지탈 변환기(ADC)로 구성된 마이크로 콘트롤러(CPU)를 통해 제어함에 있어서.

상기 윈도우 비교회로(s)는 트라이악 양단접점(M1, M2)사이의 전압 변동을 2개 비교기(S1, S2)의 입력 전압이 되고, 분배저항(R4, R5, R6)을 통해 상기한 비교기(S1, S2)의 참조전압이 설정되도록 구성하는 것과,

상기 비교기(S1, S2)의 입력 전압과 비교되어 교류파형인 기동권선 회로전류 또는 기동권선 회로전압의 0점 지점 통과시 트라이악의 전압 변동을 감지하기 위하여 비교기(S1)의 참조전압은 비교기 입력전압의 상한치이고 비교기(S2)의 참조전압은 상기 입력전압의 하한치가 되며, 마이크로 콘트롤러(CPU)는 두 비교기(S1, S2)의 출력전압이 0·1 또는 1·0상태에서 기동권선 전류의 0점 지점 통과구간을 인식하여 트라이악을 제어하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 단상 유도전동기의 기동용 계전기.
청구항 1에 있어서,

아날로그/디지탈 변환기(ADC)는 기동권선의 유기전압이 입력 전압이 되고, 마이크로 콘트롤러(CPU)는 유기전압과 전동기의 가속토크와 비례하는 유기전압 변동비(dVs/dt)를 연산한 후 후레시 메모리에 저장되며, 이후 상기 마이크로 콘트롤러(CPU)는 전동기의 기동중 그 가속토크 를 지속적으로 연산 저장하고 그 최대점을 산출하여 트라이악을 On-Off하도록 되는 것을 특징으로 하는 단상 유도 전동기의 기동용 계전기.