KR100982252B1 - 다상 전동기 및 그 제어방법 - Google Patents

다상 전동기 및 그 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다상 전동기 및 그 제어방법에 관한 것이다. 본 발명은 다상 권선(11a, 11b) 구조를 갖는 고정자(11)가 구비된다. 상기 권선(11a, 11b)에 전원을 공급하는 인버터(13, 14)가 각 권선(11a, 11b)마다 연결된다. 그리고 다상 전동기(10)의 정상 운전모드에서는 각 권선(11a, 11b)에 연결된 모든 인버터(13, 14)의 모든 스위칭소자(S1 ~ S4)(S5 ~ S8)을 제어하여 상기 권선(11a, 11b)에 전원이 공급되도록 하여 다상 전동기(10)를 구동시킨다. 반면, 저출력 운전모드로 모드 변환되면 제어부(15)가 연결스위치(12)를 연결하여 동일한 위상을 가지는 인버터(13,14)를 연결하고, 상기 동일한 위상을 가지는 인버터(13,14)의 스위칭 소자(S1 ~ S4)(S5 ~ S8) 중 일부 스위칭소자(S1, S2)(S7, S8)만을 제어하여 상기 권선(11a, 11b)에 전원이 공급되게 하여 다상 전동기(10)를 저출력 운전모드로 구동되게 된다. 이와 같은 본 발명에 따르면 다상 전동기의 저출력 운전모드시 전력손실을 최소화하면서도 토크 리플의 증가나 출력 감소없이 고효율의 운전이 가능한 이점이 있다.
다상 전동기, 저출력 운전, 인버터, 동상 권선, 고정자

Description

다상 전동기 및 그 제어방법{POLYPHASE MOTOR AND METHOD FOR CONTROL THEREOF}
본 발명은 다상 전동기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다상 전동기의 저출력 운전모드시 동일한 위상을 갖는 권선이 연결되도록 하는 다상 전동기 및 그 제어방법에 관한 것이다.
전동기는 전기에너지를 기계에너지로 바꾸는 기능을 한다. 전동기는 전원의 종류에 따라 직류전동기와 교류전동기로 구분되고 다시 교류전동기는 3상 교류용과 단상 교류용으로 구분할 수 있다. 그중 3상 교류용은 1㎾에서 수천 ㎾까지의 출력이 필요한 곳에 사용된다.
특히, 큰 출력을 필요로 하는 선박 등에는 3상 이상의 다상 전동기가 사용되는데, 본 명세서에서는 설명의 편의를 위해 12상 전동기로 설명한다.
도 1에는 일반적인 다상 권선 구조를 갖는 고정자가 도시되어 있고, 도 2에는 도 1의 고정자 권선에 인버터가 연결된 다상 전동기의 블록 구성도가 도시되어 있다.
도 1을 살펴보면, 고정자(3)에는 12개의 권선이 구비된다. 상기 권선은 'A1' 권선을 중심으로 시계방향으로 'B1', 'C1', 'D1', 'E1', 'F1', 'A2', 'B2', 'C2', 'D2', 'E2', 'F2'의 권선이 위치하고 있다. 참고로 동일한 알파벳은 위상이 동일한 것을 나타낸다. 예컨대 'A1'과 'A2'는 동일한 위상을 갖는 권선이다.
도 2를 살펴보면, 도 1의 고정자 권선에 인버터가 연결된 것을 알 수 있다.
상기 인버터는 상기 고정자 권선에 전원을 공급하기 위해 도 3에서와 같이 스위칭소자(s1 ~ s4)(s5 ~ s8)을 포함하여 구성된다. 즉 제 1 인버터(5)는 스위칭소자(s1 ~ s4)를 포함하고, 제 2 인버터(6)는 스위칭소자(s5 ~ s8)을 포함한다. 상기 스위칭소자는 트랜지스터(Transistor)나 절연 게이트형 양극성 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor)일 수 있다.
그리고 저출력 운전모드를 위하여 인접한 인버터를 연결하기 위한 연결스위치(4)가 구비된다. 즉, 연결스위치(4)는 고정자 권선에서 인접한 권선을 상호 연결할 수 있도록 구성된다. 즉 권선 'A1'(3a)과 권선'B1'(3b)을 연결하는 것이다.
계속하면, 권선 'A1', 'B1', 'C1', 'D1', 'E1', 'F1', 'A2', 'B2', 'C2', 'D2', 'E2', 'F2'에 대해 각각 하나의 인버터가 연결되는데, 도 2에서는 권선 'A1'(3a)에 제 1인버터(5)가 연결되고, 권선 'B1'(3b)에 제 2인버터(6)가 연결된 일부만을 나타내고 있다.
이와 같은 일반적인 다상 전동기의 제어방법을 도 3a 및 도 3b를 참조하여 설명한다. 도 3a은 다상 전동기가 정상 운전모드로 동작할 때의 상태를 설명하는 회로도이고, 도 3b는 다상 전동기가 저출력 운전모드로 동작할 때의 상태를 설명하는 회로도이다.
먼저, 도 3a를 설명한다.
전동기의 정상 운전모드는 도 3a에서와 같이 권선 'A1'(3a)과 권선 'B1'(3b) 사이의 연결스위치(4)가 개방된 상태에서 동작하게 된다. 그래서 각 권선마다 연결된 모든 인버터가 대응하는 권선에 각각 전원을 공급한다.
상기 전원이 공급되면, 상기 스위칭소자 'S1' 내지 'S4'는 직류전원으로부터 전동기(1) 구동에 필요한 입력 파형을 만들기 위해 서로 교번적으로 온/오프 동작을 반복적으로 수행한다. 예를 들면, 직류전원의 극성에 따라 스위칭소자 'S1'과 'S4'가 동시에 온 동작되어 권선 'A1'(3a)에 전원이 공급된다. 그리고, 상기 전동기(1) 구동에 필요한 입력 파형에 따라 스위칭 소자 'S1'과 'S4'가 오프되고, 스위칭소자 'S3'과 'S2'가 동시에 온 동작되어 권선 'A1'(3a)에 전원이 공급되는 것이다.
그러면 고정자(3)의 모든 권선에 전원이 공급되게 되고, 따라서 정상 운전모드인 12상 운전모드로 동작하게 된다.
상기 12상 운전모드로 동작하다가, 저출력 운전을 위해 정상 운전모드에서 저출력 운전모드로 모드가 변환되면, 도 3b와 같이 동작하게 된다. 도 3b에는 상기 연결스위치(4)가 닫혀있는 상태임을 알 수 있다. 상기 연결스위치(4)는 제어부(7)의 제어에 따라 동작된다.
도시된 바와 같이, 연결스위치(4)가 닫히게 되면, 권선 'A1'(3a)과 권선 'B1'(3b)은 서로 직렬 연결되어 도통상태가 된다. 일단 이와 같이 되면, 제어부(7)는 제 1인버터(5)의 스위칭소자 S1 및 S2을 제어하고, 제 2 인버터(6)의 S7 및 S8을 제어하여, 권선 'A1'(3a)과 권선 'B1'(3b)에 전원이 공급되게 한다. 즉, 직류전원의 극성에 따라 스위칭 소자 'S1'과 'S8'가 동시에 온 동작하여 상기 직렬 연결된 권선 'A1'(3a)과 권선 'B1'(3b)에 전원이 공급된다. 그리고, 상기 전동기(1) 구동에 필요한 입력 파형에 따라 스위칭 소자 'S1'과 'S2'가 오프되고, 상기 전원의 극성이 변환되면, 스위칭소자 'S2'와 'S7'가 동시에 동작하여 권선 'A1'(3a)과 권선 'B1'(3b)에 전원이 공급된다. 이때, 제 2인버터(6)는 동작하지 않기 때문에, 제 2인버터(6) 동작시 소비된 전력을 최소화할 수 있다.
하지만, 이와 같은 종래의 다상 전동기에서의 저출력 운전을 위한 제어방법에는 다음과 같은 문제점이 있다.
즉, 정상 운전모드에서 저출력 운전모드로 모드가 변환되면 동일한 위상을 갖는 권선이 아니고, 고정자에 순서대로 배열된 인접한 권선끼리 직렬로 연결되기 때문에, 전체 위상의 수가 절반으로 줄어들어 토크 맥동이 증가하고, 또 역기전력이 감소하여 상대적으로 출력이 저하되는 문제가 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 다상 전동기의 저출력 운전모드시 동일한 위상을 갖는 권선을 연결하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 다상 권선 구조를 갖는 고정자: 상기 다상 권선 구조를 구성하는 권선마다 연결되어 상기 권선에 전원을 각각 공급하는 복수의 인버터: 상기 인버터들 중에서 동일 위상의 인버터를 연결 및 차단하는 스위칭부: 그리고 정상 운전모드시에는 상기 스위칭부를 차단하고 각각의 인버터에 구비된 모든 스위칭소자를 제어하여 각각의 인버터에 대응하는 권선에 전원을 공급하고, 저출력 운전모드시에는 상기 스위칭부를 연결하여 동일 위상의 인버터에 구비된 스위칭소자 중 일부 스위칭소자만을 제어하여 각각의 인버터에 대응하는 권선에 전원을 공급하도록 제어하는 제어부를 포함하여 구성된다.
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본 발명의 다른 특징에 따르면, 본 발명은 다상 권선 구조를 구성하는 권선마다 연결된 복수 개의 인버터에서 각각의 인버터에 구비된 모든 스위칭소자를 제어하여 전동기를 구동하는 정상 운전모드단계와; 상기 정상 운전모드로 운전하는 도중 복수 개의 인버터 중 동일 위상을 갖는 인버터를 상호 연결하여 저출력 운전모드로 모드 변환되면, 상기 동일 위상을 갖는 인버터 각각은 내부에 구비된 스위칭소자 중 일부 스위칭소자만을 제어하여 인버터 각각에 대응하는 권선에 전원이 공급되게 하여 저출력 모드로 전동기를 구동하는 저출력 운전모드 단계를 포함한다.
그리고, 상기 저출력 운전모드에서 상기 정상 운전모드로 모드 변환되면, 상기 동일 위상을 갖는 인버터의 연결을 해제하고, 상기 인버터 각각에 대응하는 권선에 전원을 공급하여 정상운전을 수행한다.
삭제
삭제
이와 같은 구성을 같은 본 발명의 다상 전동기 및 그 제어방법에 따르면, 다음과 같은 효과가 있다.
먼저, 저출력 운전모드가 실행되면 다수개의 고정자 권선 중에서 동일한 위상을 갖는 권선끼리 연결되기 때문에 역기전력의 감소로 인해 출력이 증대되는 효과가 있다.
그리고, 정상 운전모드와 저출력 운전모드시 위상의 개수가 동일하여 토크리플이 증가되는 것을 방지한다.
또한, 저출력 운전모드시에도 출력이 상대적으로 감소하지 않으면서도 인버터에 구성된 스위칭소자가 모두 구동되지 않기 때문에 미구동되는 인버터에 의해 소모되는 전력손실을 최소화할 수 있다.
이하 본 발명에 의한 다상 전동기 및 그 제어방법의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 4에는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다상 전동기의 구성을 보인 블록 구성도가 도시되어 있다. 먼저, 도 4의 고정자 권선은 앞서 도 1에서 설명한 고정자 권선과 동일하다. 즉 권선 'A1'을 중심으로 시계방향으로 'B1', 'C1', 'D1', 'E1', 'F1', 'A2', 'B2', 'C2', 'D2', 'E2', 'F2'의 권선이 위치하고 있고, 참고로 권선 'A1'과 'A2', 'B1'과 'B2', …, 는 상호 동일한 위상을 갖는 권선을 말한다.
그리고, 저출력 운전모드를 위하여 동일한 인버터를 서로 연결하는 연결스위치(12)가 구비된다. 즉 연결스위치(12)는 고정자 권선에서 동일한 위상을 갖는 권선을 상호 연결할 수 있도록 구성된다. 따라서 권선 'A1'(11a)과 권선 'A2'(11b)를 연결하는 것이다. 이는 고정자(11) 권선에서 단순히 인접하고 있는 서로 다른 상을 갖는 권선을 연결하는 것과는 상당한 차이가 있다.
그와 같은 고정자(11) 권선에 인버터(13, 14)가 각각 연결된다.
도 4에서는 권선 'A1'(11a)에 제 1인버터(13)가 연결되고, 권선 'A1'과 동일한 위상을 갖는 권선 'A2'(11b)에 제 2인버터(14)가 연결된 일부만을 나타내고 있다.
참고로, 상기 인버터(13, 14)는 상기 권선(11a, 11b)에 전원을 공급하기 위해 도 6a에 도시된 바와 같이 스위칭소자를 포함한다. 즉 인버터(13)은 스위칭소자(s1 ~ s4)를 포함하고, 인버터(14)는 스위칭소자(s5 ~ s8)을 포함한다. 상기 스위칭소자 S1 내지 S8는 트랜지스터(Transistor)나 절연 게이트형 양극성 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor)가 제공되거나, 스위치 역할을 하는 다양한 형태의 소자가 사용될 수 있다.
그리고, 제어부(15)가 구비된다. 상기 제어부(15)는 운전모드 선택에 따라 인버터(13,14)에 구비된 스위칭소자(S1 내지 S8) 구동과 연결스위치(4)의 동작을 제어하는 역할을 한다.
이어 본 실시 예에 따른 다상 전동기의 제어방법을 도 5와 도 6a 및 도 6b를 참조하여 설명한다. 도 5는 도 4에 도시된 다상 전동기의 제어방법을 단계별로 설명하는 흐름도이고, 도 6a는 다상 전동기가 정상 운전모드로 동작할 때의 상태를 설명하는 회로도이며, 도 6b는 다상 전동기가 저출력 운전모드로 동작할 때의 상태를 설명하는 회로도이다.
도 5의 제 10단계(S10)에서 정상 운전모드가 선택되어, 다상 전동기(이하 '전동기'라 함)(10)는 도 6a에서와 같이 권선 'A1'(11a)과 권선 'A2'(11b) 사이의 연결스위치(12)가 개방된 상태에서 동작하게 된다. 그래서 제 12단계(S12) 및 제 14단계(S14)에서 각 권선마다 연결된 모든 인버터가 대응하는 권선에 전원을 공급한다.
상기 전원이 공급되면, 상기 스위칭소자 'S1' 내지 'S4'는 직류전원으로부터 상기 전동기(10) 구동에 필요한 입력 파형을 만들기 위해 서로 교번적으로 온/오프 동작을 반복적으로 수행한다. 예를 들면, 직류전원의 극성에 따라 스위칭소자 'S1'과 'S4'가 함께 온 동작되어 'A1' 권선에 전원이 공급된다. 그리고, 상기 전동기(10) 구동에 필요한 입력 파형에 따라 스위칭소자 'S1'과 'S4'가 오프되고, 스위 칭소자 'S3'과 'S2'가 함께 온 동작되어 'A1' 권선에 전원이 공급되는 것이다.
그러면 제 16단계(S16)에서 고정자(11)의 모든 권선에 전원이 공급되게 되고, 따라서 전동기(10)는 정상 운전모드로 구동된다.
제 18단계(S18)에서 상기 12상 운전모드로 동작하다가, 저출력 운전을 위해 정상 운전모드에서 저출력 운전모드로 모드가 변환되면, 도 6b와 같이 동작하게 된다. 도 6b에는 상기 연결스위치(12)가 닫혀있는 상태임을 알 수 있다. 상기 연결스위치(12)는 제어부(15)의 제어에 따라 동작된다.
제 20단계(S20)에서 도 6b에 도시된 바와 같이 연결스위치(12)가 닫히게 되면, 권선 'A1'(11a)과 권선 'A2'(11b)는 서로 직렬 연결되어 도통상태가 된다.
일단 이와 같이 되면, 제 22단계(S22)에서 제어부(15)는 제 1인버터(13)의 스위칭소자(S1 ~ S4) 중 스위칭 소자 S1, S2만을 제어하고 제 2인버터(14)는 스위칭소자(S5 ~ S8) 중 스위칭 소자 S7, S8만을 제어한다. 그에 따라 권선 'A1'(11a)과 권선 'A2'(11b)에 전원이 공급되게 한다. 즉, 직류전원의 극성에 따라 스위칭 소자 'S1'과 'S8'가 동시에 온 동작하여 상기 직렬 연결된 권선 'A1'(11a)과 권선 'A2'(11b)에 전원이 공급된다. 그리고, 상기 전동기(10) 구동에 필요한 입력 파형에 따라 스위칭소자 'S1'과 'S8'이 오프되고, 스위칭소자 'S2'와 'S7'가 동시에 동작하여 권선 'A1'(11a)과 권선 'A2'(11b)에 전원이 공급된다. 결국 저출력 운전모드에서는 제 1인버터(13)의 스위칭 소자 S3, S4와 제 2인버터(14)의 스위칭 소자 S5, S6은 동작하기 않기 때문에, 제24단계(S24)에서 전동기(10)는 소비되는 전력을 최소화할 수 있다.
이와 같이 저출력 운전모드로 동작하는 경우, 본 실시 예에서는 동일한 위상을 갖는 권선끼리 연결하여 토크 리플의 증가나 출력감소 없이 고효율로 운전할 수 있다. 그리고, 권선마다 연결된 인버터가 모두 사용되지 않아 전력 손실을 최소화할 수 있다.
본 발명의 권리범위는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.
예를 들면, 본 발명에서는 12상 전동기를 이용하여 설명하였으나, 복수의 위상을 갖는 다양한 형태의 전동기에도 동일한 위상을 갖는 권선을 직렬 연결하여 저출력 운전모드를 수행할 수 있다.
도 1은 일반적인 다상 권선 구조를 갖는 고정자를 보인 구성도.
도 2는 도 1에 도시된 고정자 권선에 인버터가 연결된 다상 전동기의 블록 구성도.
도 3a는 도 2에 도시된 다상 전동기의 정상운전 동작 상태를 보인 회로도.
도 3b는 도 2에 도시된 다상 전동기의 저출력운전 동작 상태를 보인 회로도.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 다상 전동기의 블록 구성도.
도 5는 도 4에 도시된 다상 전동기의 제어방법을 설명하는 흐름도.
도 6a는 도 4에 도시된 다상 전동기의 정격출력 운전모드 동작 상태를 보인 회로도.
도 6b는 도 4에 도시된 다상 전동기의 저출력 운전모드 동작 상태를 보인 회로도.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
10: 다상 전동기 11: 고정자
11a, 11b: 권선 12: 연결스위치
13, 14: 인버터 15: 제어부
S1 내지 S8: 스위칭소자

Claims (5)

  1. 다상 권선 구조를 갖는 고정자:
    상기 다상 권선 구조를 구성하는 권선마다 연결되어 상기 권선에 전원을 각각 공급하는 복수의 인버터:
    상기 인버터들 중에서 동일 위상의 인버터를 연결 및 차단하는 스위칭부: 그리고
    정상 운전모드시에는 상기 스위칭부를 차단하고 각각의 인버터에 구비된 모든 스위칭소자를 제어하여 각각의 인버터에 대응하는 권선에 전원을 공급하고, 저출력 운전모드시에는 상기 스위칭부를 연결하여 동일 위상의 인버터에 구비된 스위칭소자 중 일부 스위칭소자만을 제어하여 각각의 인버터에 대응하는 권선에 전원을 공급하도록 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 다상 전동기.
  2. 삭제
  3. 다상 권선 구조를 구성하는 권선마다 연결된 복수 개의 인버터에서 각각의 인버터에 구비된 모든 스위칭소자를 제어하여 전동기를 구동하는 정상 운전모드단계와;
    상기 정상 운전모드로 운전하는 도중 복수 개의 인버터 중 동일 위상을 갖는 인버터를 상호 연결하여 저출력 운전모드로 모드 변환되면, 상기 동일 위상을 갖는 인버터 각각은 내부에 구비된 스위칭소자 중 일부 스위칭소자만을 제어하여 인버터 각각에 대응하는 권선에 전원이 공급되게 하여 저출력 모드로 전동기를 구동하는 저출력 운전모드 단계를 포함하는 다상 전동기의 제어방법.
  4. 삭제
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 저출력 운전모드에서 상기 정상 운전모드로 모드 변환되면,
    상기 동일 위상을 갖는 인버터의 연결을 해제하고,
    상기 인버터 각각에 대응하는 권선에 전원을 공급하여 정상운전을 수행하는 것을 특징으로 하는 다상 전동기의 제어방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2001157487A (ja) * 1999-11-26 2001-06-08 Nissan Motor Co Ltd 回転電機の制御装置
JP3596711B2 (ja) * 1996-10-21 2004-12-02 株式会社安川電機 工作機用モータの巻線切替装置

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