KR101236621B1 - 인버터 제어장치 - Google Patents

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Abstract

인버터 제어장치가 개시된다. 전동기 구동용 출력전류를 출력하는 인버터를 제어하는, 본 발명의 인버터 제어장치는, 상기 인버터의 DC링크 전압을 검출하고, 상기 출력전류로부터 부하량을 검출하여, 상기 DC링크 전압과 상기 부하량을 이용하여 상기 인버터를 구동하는 출력전압 및 출력주파수를 출력한다.

Description

인버터 제어장치{APPARATUS FOR CONTROLLING INVERTER}
본 발명은 인버터를 제어하는 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 인버터는 전동기의 속도와 토크를 제어하는 장치이다.
최근 전력변환장치를 이용한 인버터에서는, 인버터의 성능뿐만 아니라 신뢰성 문제가 산업계에서 중요하게 대두되고 있다. 실제 공정자동화 설비와 반도체 설비와 같이 전원품질에 민감한 부하들이 증가함에 따라 인버터의 신뢰성은 더욱 강조된다.
도 1은 종래의 유도전동기 구동시스템의 구성도이고, 도 2는 도 1의 인버터의 구성도이다.
도 2에서, 3상 교류전원은 정류부(110)에 의해 직류의 형태로 정류되고, 평활부(120)에 의해 리플이 저감되어 인버터부(130)에 인가된다. 이때, 전압검출부(140)는 평활부(120)의 DC링크 전압으로 순간정전 여부를 판단한다.
즉, DC링크 전압 판단 결과, DC링크 전압이 정전 기준전압 이상이면, 주파수 발생부(150)는 저전압 상태가 아님을 인식하고, 속도지령에 따라 주파수 가변신호를 인버터부(130)로 출력한다. 그리고 인버터부(130)는 주파수 가변신호에 의해 스위칭되어 DC링크 직류전압을을 3상 교류전압으로 변환하여 유도전동기(200)에 인가한다.
반면, 검출된 DC링크 전압이 정전 기준전압 이하인 경우, 주파수 발생부(150)는 전압검출부(140)로부터 전압을 인가받지 못하며, 인버터부(130)는 유도전동기(200) 측으로 구동전압을 인가하지 못한다.
이때 유도전동기(200)는 아래의 [수학식1]에 의해 일정 토크를 발생하며, 전원이 차단된 상태에서도 일정시간 즉, 부하(300)의 관성에너지를 마찰부하로 소진하는 시간 동안 회전을 유지한 후 정지한다.
Figure 112011099202749-pat00001
여기서,
Figure 112011099202749-pat00002
는 전동기(200)와 부하(300)의 관성모멘트이고,
Figure 112011099202749-pat00003
는 마찰계수,
Figure 112011099202749-pat00004
는 회전각속도,
Figure 112011099202749-pat00005
은 부하토크를 나타낸다.
정상적인 인버터 운전상태에서는 인버터(100)의 정지지령에 의하여 인버터 출력 주파수가 점진적으로 감소하여 유도전동기(200)가 정지하게 되나, 전원사고 등 예기치 못한 정전상태가 발생하면 인버터(100)는 출력을 차단하고, 유도전동기(200)의 관성에너지에 의하여 일정시간 회전 후 정지하게 된다.
기존 유도전동기(200)는 전원사고 등의 예측하지 못한 정전사고가 발생하여 평활부(120)의 DC링크 전압이 저전압 이하가 되면, 인버터(100)는 고장을 판단하여 출력을 차단한다. 이때, 입력전원 차단 후, 인버터(100)의 출력이 차단되는 시간은, 부하량 및 인버터의 DC링크 캐패시터의 용량에 의하여 결정된다.
이러한 인버터(100)의 DC링크 전압을 제어하여 부하(300)의 관성에너지를 DC링크에 환원하는 것을 전압강하 보상이라고 한다. 즉, 전압강하 보상은, 순간정전이 발생하더라도 인버터(100)의 제어전원을 보장하여, 출력의 차단없이 인버터(100)를 연속운전하고자 하는 것이다.
인버터(100)의 입력단에 정전이 발생하면, DC링크 전압이 낮아지고, 이는 곧 저전압 트립(Low Voltage Trip; LVT)으로 이어진다. 뿐만 아니라, 전원이 차단되더라도 부하(300)의 관성에너지에 의해 유도전동기(200)의 회전이 일정 시간 지속되므로, 이 경우 인버터(100)를 재가동하기 위해서는 인버터(100)가 완전히 정지하기를 기다려야 한다. 만약, 공정자동화 설비나 반도체 설비와 같은 중요부하에 적용된 인버터의 경우 이는 매우 큰 손실을 초래하는 문제점이 있다.
전압강하 보상은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 순간정전 발생시 인버터의 출력차단을 방지하기 위해 DC링크 전압을 정전 기준전압 이상으로 유지하는 것이다.
그러나, 부하가 인가되어 있는 경우에는 DC링크 전압이 급격하게 감소하기 때문에 이와 같은 종래의 전압강하 보상에 의해서는 인버터의 제어가 불가능한 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 순간정전 발생시 전동기를 정지하지 않고 운전가능하게 하고, 정전발생후 인버터를 안전하게 차단하도록 하기 위한 인버터 제어장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 전동기를 구동하기 위해 출력전류를 출력하는 인버터를 제어하는, 본 발명의 제어장치는, 상기 인버터의 DC링크 전압을 검출하는 제1검출부; 상기 출력전류로부터 부하량을 검출하는 제2검출부; 및 상기 DC링크 전압과 상기 부하량을 이용하여 상기 인버터를 구동하는 출력전압 및 출력주파수를 출력하는 제어부를 포함한다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 제어부는, 순간정전 발생시 상기 제2검출부가 검출한 부하량을 정전발생시의 출력주파수에서 감산하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 제어부는, 출력주파수와 출력전압의 비율(V/F)을 조절하여 출력주파수를 감소시키는 것이 바람직하다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 제어부는, DC링크 전압이 저전압트립(LVT) 레벨 이하가 되기 전에 상기 인버터를 정지하도록 제어하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 제어부의 제어에 의해, 상기 인버터에 게이팅 신호를 출력하는 게이트 구동부를 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 부하량은, 상기 인버터의 q축전류인 것이 바람직하다.
상기와 같은 본 발명은, 순간정전 발생시 DC링크 전압뿐 아니라, 부하량을 검출하여 인버터를 연속적으로 운전가능하게 하고, 제어특성을 향상하여, 인버터 시스템의 성능을 개선하도록 하는 효과가 있다.
따라서, 본 발명은, 공정자동화 라인이나 반도체 설비 등 신뢰성이 요구되는 중요 설비의 신뢰성을 향상하도록 하는 효과가 있다.
도 1은 종래의 유도전동기 구동시스템의 구성도이다.
도 2는 도 1의 인버터의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 인버터 제어장치가 적용된 인버터 시스템의 일실시예 구성도이다.
도 4a는 본 발명의 인버터 제어에 의해 순간정전 발생후 복전시 DC링크 전압과 출력주파수와의 관계를 설명하기 위한 일실시예 그래프이다.
도 4b는 본 발명의 인버터 제어에 의해 정전시 DC링크 전압과 출력주파수와의 관계를 설명하기 위한 일실시예 그래프이다.
도 5는 본 발명의 인버터 제어방법을 설명하기 위한 일실시예 흐름도이다.
도 6a는 본 발명의 인버터 제어에 의해 순간정전 발생후 복전시 DC링크 전압과 출력주파수의 시험파형의 일예시도이다.
도 6b는 본 발명의 인버터 제어에 의해 정전시 DC링크 전압과 출력주파수의 시험파형의 일예시도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소들은 이와 같은 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 이 용어들은 하나의 구성요소들을 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결되어' 있다거나, 또는 '접속되어' 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '직접 연결되어' 있다거나, '직접 접속되어' 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, '포함한다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명은 인버터 시스템에서 순간정전 발생시 전동기를 정지하지 않고 운전 가능하게 하고, 나아가 정전발생후 인버터를 안전하게 차단할 수 있다. 이를 위해, DC링크 전압을 검출할 뿐 아니라, 부하량을 추정하여, 인버터 제어의 속응성을 향상하고, 전압강하 보상의 신뢰성을 개선한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 인버터 제어장치가 적용된 인버터 시스템의 일실시예 구성도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명이 적용되는 인버터 시스템은, 인버터(10), 본 발명의 인버터 제어장치(20), 유도전동기(30) 및 부하(40)로 구성되며, 인버터(10)에 3상 교류전원이 인가된다.
인버터(10)는 인가되는 3상 교류전원을 직류전압으로 변환하는 정류부(11), 변환된 직류전압의 리플을 저감하는 평활부(12), 직류전압을 가변된 3상 출력으로 변환하는 인버터부(13)를 포함한다. DC링크 전압이란, 평활부(12)에 인가되는 직류전압을 말하는 것이다.
또한, 본 발명의 인버터 제어장치(20)는, 전압검출부(21), 게이트 구동부(22), 부하량 검출부(23) 및 제어부(24)를 포함한다.
전압검출부(21)는 DC링크 전압을 검출한다.
부하량 검출부(23)는 인버터부(13)의 출력전류를 통해 부하량을 검출한다.
제어부(24)는 인버터부(13)를 구동하는 전압 및 주파수를 계산하여 지령하고, 게이트 구동부(22)는 제어부(24)의 제어에 의해, 인버터부(13)에 게이팅(gating) 신호를 출력한다.
본 발명의 인버터 제어장치(20)는 순간전압강하/순간정전시 DC링크 전압을 이용하여 인버터의 연속운전을 수행하며, 정전발생시 전동기(20)를 정지한 후, 인버터(10)를 정지하여, 사용자의 안전을 보장한다.
본 발명의 인터버 제어장치(20)의 동작을 설명하면 다음과 같다.
인버터 제어장치(20)는 순간정전이 발생한 경우, 전동기(30)의 연속운전이 가능하도록, 전압검출부(21)가 DC링크 전압을 검출하고, 부하량 검출부(23)가 정전시 인버터(10)의 출력전류를 수신하여 부하량을 검출한다. 부하량은 예를 들어, 전동기(30)에 인가되는 q축전류이다.
제어부(24)는 정전발생시 인가되어 있는 부하량에 따라, DC링크 전압이 급격하게 낮아지지 않도록 DC링크 전압을 제어하고, 전동기(30)의 슬립주파수를 '0'에 가깝게 하기 위하여 부하량을 제어한다.
즉, 제어부(24)는, 정격속도에서 정전되는 순간의 부하량을 검출하여 현재 출력주파수에서 감산한다.
일반적으로 유도전동기(30)의 회전속도는 지령주파수에서 슬립주파수를 감산한 것이다. 종래의 인버터 시스템에서는, 순간정전이 발생한 경우 지령주파수가 일정하게 유지되며 실제 유도전동기(30)의 회전속도가 감소함에 따라 슬립주파수가 커진다. 슬립주파수가 커지는 경우 DC링크에 저장되어 있는 에너지가 순식간에 소비되어 제어가 불가능한 경우가 발생한다.
따라서, 본 발명의 제어부(24)는 순간정전이 발생한 경우, 지령주파수를 임의로 감소하여, 슬립을 최소화하며, DC링크의 에너지를 최대한 이용하는 것이다.
도 4a는 본 발명의 인버터 제어에 의해 순간정전 발생후 복전시 DC링크 전압과 출력주파수와의 관계를 설명하기 위한 일실시예 그래프이다.
도면에 도시된 바와 같이, 정전기준전압 이하에서 부하량 추정을 통해 최대한 안정적으로 복전이 될 때까지 부하량을 이용하여 인버터를 연속 운전한다.
한편, 인버터 시스템에 정전이 발생한 경우, 인버터(10)의 출력이 차단되어도 유도전동기(30)는 관성에 의해 회전한다. 따라서, 제어부(24)는 관성에너지를 이용하여 인버터(10)의 정지없이 출력주파수와 출력전압의 비율(V/F 비율)을 조절하여, 최소 에너지로 운전하도록 감속한다.
이에 의해 DC링크 전압은 감소하고, LVT 레벨 이하로 DC링크 전압이 감소하면, 제어부(24)가 인버터(10)의 출력을 차단하여, 유도전동기(30)가 정지된 상태에서 인버터(10)의 전원을 차단할 수 있다.
도 4b는 본 발명의 인버터 제어에 의해 정전시 DC링크 전압과 출력주파수와의 관계를 설명하기 위한 일실시예 그래프이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제어부(24)는 순간정전 시간이 길어지는 경우, DC링크 전압의 관성에너지가 모두 소진될 때까지 출력주파수를 감소시켜, DC링크 전압이 LVT 레벨 이하가 되기 전에 인버터(10)를 정지시키도록 제어한다.
종래에는, DC링크 전압제어만을 수행하였기 때문에, 부하량과 가감속속도에 따라 DC링크 전압 및 전류가 심하게 오실레이션(oscillation)하여 안정적인 제어가 어려운 경우가 생길 수 있으나, 본 발명에 의하면, 부하량 추정을 이용한 제어를 함으로써 보다 안정적으로 인버터를 제어하여 정지할 수 있으며, 유도전동기(30)가 정지된 상태에서 인버터(10)의 전원을 차단하여, 사용자의 안전을 보장할 수 있다.
도 5는 본 발명의 인버터 제어방법을 설명하기 위한 일실시예 흐름도로서, 도 3의 제어부(24)의 제어를 나타낸 것이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제어방법에서, 제어부(24)는, DC링크 전압을 검출하여, DC링크 전압과 기설정된 정전기준전압 및 복전기준전압과의 비교를 통해 정상모드, 정전모드 및 복전모드를 결정한다.
먼저, 전압검출부(21)가 DC링크 전압을 검출하고(S51), DC링크 전압이 정전기준전압보다 크지 않은 경우에는(S52), 정전모드 제어를 수행한다(S53).
즉, 제어부(24)는 유도전동기(30)의 관성에너지가 인버터로 회생되도록 출력주파수와 출력전압의 비율(V/F 비율)을 변경하여, 인버터부(13)로 출력주파수를 출력하고, 유도전동기(30)가 정지하면, 인버터(10)를 정지시킨다.
한편, DC링크 전압이 정전기준전압보다 큰 경우에(S52), 일정시간이 경과하면 복전기준전압 이상으로 올라가는지 판단한다(S54). 이경우, 제어부(24)는 정상모드 제어를 수행한다(S55).
S54에서, 일정시간이 경과하여도 복전기준전압보다 크지 않은 경우에는, 복전시간을 카운트한다(S56). 카운트한 복전시간이 복전기준시간보다 커지면(S57), 관성에너지, 즉 회생량을 연산하여(S58), 관성에너지가 있는 경우에는(S59), 정전모드 제어를 수행한다(S60). 즉, 제어부(24)는 유도전동기(30)의 관성에너지가 인버터로 회생되도록 출력주파수와 출력전압의 비율(V/F 비율)을 변경하여, 인버터부(13)로 출력주파수를 출력하고, 유도전동기(30)가 정지하면, 인버터(10)를 정지시킨다.
S59에서 관성에너지가 없는 경우에는, 복전모드 제어를 수행하는데(S61), 제어부(24)는, 정전 이전과 동일하게, 정상적으로 인버터(10)를 제어하게 된다.
도 6a는 본 발명의 인버터 제어에 의해 순간정전 발생후 복전시 DC링크 전압과 출력주파수의 시험파형의 일예시도이고, 도 6b는 본 발명의 인버터 제어에 의해 정전시 DC링크 전압과 출력주파수의 시험파형의 일예시도로서, 부하(40)를 공조용 팬을 사용한 경우를 나타낸 것이다.
도 6a에 도시된 바와 같이, 2초 이내의 순간정전후 복전시 정상 목표 주파수로 안정적으로 복귀됨을 알 수 있다. 또한, 도 6b에 도시된 바와 같이, 정전시간이 길어지는 경우에도 부하량을 추정하여 안정적으로 DC링크 전압을 제어하여, 출력주파수가 0이 되어 유도전동기(30)가 정지할 때까지 DC링크의 제어가 가능해진다.
본 발명은 인버터의 입력단에 순간정전이 발생하는 경우, 시스템의 신뢰성 확보를 위해 전압강하 보상을 통하여 순간정전을 보상한다.
이와 같은 본 발명의 제어는, 순간정전 발생시 DC링크 전압뿐 아니라, 부하량을 검출하여 인버터를 연속적으로 운전가능하게 하고, 제어특성을 향상하여, 인버터 시스템의 성능을 개선할 수 있으며, 이는 공정자동화 라인이나 반도체 설비 등 신뢰성이 요구되는 중요 설비의 신뢰성을 향상할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예들은 컴퓨터로 판독 가능한 기록매체에 컴퓨터가 읽어들일 수 있는 프로그램 코드를 기록하여 구현하는 것이 가능하다. 본 발명의 실시예들이 소프트웨어를 이용하여 실행되는 경우, 본 발명의 구성수단들은 필요한 작업을 실행하는 코드 세그먼트들이다. 또한, 프로그램 또는 코드 세그먼트들은 컴퓨터의 프로세서로 판독 가능한 매체에 저장되거나 전송 매체 또는 통신망을 통해 반송파와 결합된 컴퓨터 데이터 신호로 전송될 수 있다.
컴퓨터로 판독 가능한 기록매체에는 컴퓨터 시스템이 읽어들일 수 있는 데이터를 저장하는 모든 종류의 기록장치가 포함될 수 있다. 예컨대, 컴퓨터 판독가능 기록매체에는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광데이터 저장장치 등이 포함될 수 있다. 또한, 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 컴퓨터 판독가능 기록매체를 분산배치하여 컴퓨터가 읽어들일 수 있는 코드가 분산 방식으로 저장되고 실행되도록 할 수 있다.
이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
10: 인버터 11: 정류부
12: 평활부 13: 인버터부
20: 인버터 제어장치 21: 전압검출부
22: 게이트 구동부 23: 부하량 검출부
24: 제어부 30: 유도전동기
40: 부하

Claims (6)

  1. 전동기를 구동하기 위해 출력전류를 출력하는 인버터를 제어하는, 인버터 제어장치에 있어서,
    상기 인버터의 DC링크 전압을 검출하는 제1검출부;
    상기 출력전류로부터 부하량을 검출하는 제2검출부; 및
    상기 DC링크 전압과 상기 부하량을 이용하여 상기 인버터를 구동하는 출력전압 및 출력주파수를 출력하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는, 순간정전 발생시 상기 제2검출부가 검출한 부하량에 의해 검출된 주파수를 정전발생시 출력주파수에서 감산하고, DC링크 전압이 정전기준전압 이하 및 복전기준전압 이상에서 유지되도록 상기 출력주파수를 상기 부하량에 의해 검출된 주파수를 이용하여 조정하는 인버터 제어장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 제어부는, 정전모드의 경우 출력주파수와 출력전압의 비율(V/F)을 조절하여 출력주파수를 감소시키는 인버터 제어장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제어부는, DC링크 전압이 저전압트립(LVT) 레벨 이하가 되기 전에 상기 인버터를 정지하도록 제어하는 인버터 제어장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제어부의 제어에 의해, 상기 인버터에 게이팅 신호를 출력하는 게이트 구동부를 더 포함하는 인버터 제어장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 부하량은, 상기 인버터의 q축전류인 인버터 제어장치.


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