KR101251533B1 - 유도 전동기 제어장치 및 유도전동기 제어 방법 - Google Patents

유도 전동기 제어장치 및 유도전동기 제어 방법 Download PDF

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명지대학교 산학협력단
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Abstract

유도 전동기 제어 장치는 유도 전동기의 고정자의 온도를 측정하는 고정자 온도센서, 상기 고정자의 온도와 회전자 저항의 관계에 따라 회전자 저항을 추정하고, 상기 회전자 저항으로 회전자 시정수를 보상하고, 상기 보상된 회전자 시정수를 이용하여 슬립 각속도를 산출하는 슬립 각속도 산출부, 상기 전동기의 회전자에 연결된 인코더에 의해 측정된 회전자 각속도 및 상기 슬립 각속도를 이용하여 슬립 주파수를 산출하는 벡터 생성부, 및 상기 슬립 주파수에 따라 q축 지령 전류 및 d축 지령 전류를 생성하는 좌표 변환부를 포함한다. 회전자의 온도 변화에 따른 회전자의 저항 변화를 추정할 수 있으며, 회전자의 온도 변화에 상관없이 유도 전동기가 일정한 토크로 구동할 수 있도록 한다.

Description

유도 전동기 제어장치 및 유도전동기 제어 방법{APPARATUS FOR CONTROLING INDUCTION MOTOR AND METHOD THEREOF}
본 발명은 유도 전동기 제어장치 및 유도 전동기 제어 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 간접 벡터제어 방식으로 유도전동기를 제어하는 유도 전동기 제어장치 및 유도 전동기 제어 방법에 관한 것이다.
유도 전동기는 고정자에 교류 전압을 인가하여 전자기 유도로써 회전자에 전류가 흐르도록 하여 회전력을 생기게 하는 교류 전동기이다. 유도 전동기의 고정자에는 3상 코일이 감겨 있으며, 3상 코일에 3상 교류를 흘리면 회전 자계가 생긴다. 회전 자계에 의해 회전자에 기전력이 생김으로써 전류가 흐르게 되고 회전자가 회전하게 된다.
유도 전동기는 구조 특성상 코깅 토크(cogging torque)가 작은 반면에 회전자 자속을 발생시켜야 하기 때문에 효율이 떨어지고, 관성이 크며, 관성 대 토크 비가 작고, 발생된 토크에 비해 응답속도가 느린 단점이 있다. 이러한 단점을 개선하기 위한 벡터제어 기술이 도입되었다.
벡터제어 기술에 있어서, 회전자 저항의 정확성이 제어 성능에 있어서 매우 중요한 영향을 미친다. 회전자 저항과 인덕턴스 값으로 벡터제어에 꼭 필요한 슬립각을 계산하기 때문이다. 회전자의 저항은 구동 중에 회전자의 온도가 변함에 따라 변하기 때문에 회전자의 온도를 측정하여 회전자의 저항의 변화를 보상하여야 한다. 그러나 회전자의 온도를 직접 측정하는 것은 매우 어렵다.
일본공개특허공보 특개2006-325334호 (2006.11.30. 공개) 한국공개특허공보 특1993-0006454 (1993.04.21. 공개)
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 회전자의 온도 변화에 따른 회전자의 저항 변화를 보상할 수 있는 유동 전동기 제어장치 및 유도 전동기 제어 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유도 전동기 제어 장치는 유도 전동기의 고정자의 온도를 측정하는 고정자 온도센서, 상기 고정자의 온도와 회전자 저항의 관계에 따라 회전자 저항을 추정하고, 상기 회전자 저항으로 회전자 시정수를 보상하고, 상기 보상된 회전자 시정수를 이용하여 슬립 각속도를 산출하는 슬립 각속도 산출부, 상기 전동기의 회전자에 연결된 인코더에 의해 측정된 회전자 각속도 및 상기 슬립 각속도를 이용하여 슬립 주파수를 산출하는 벡터 생성부, 및 상기 슬립 주파수에 따라 q축 지령 전류 및 d축 지령 전류를 생성하는 좌표 변환부를 포함한다.
상기 슬립 각속도 산출부는 수학식
Figure 112011096577921-pat00001
를 이용하여 상기 회전자 저항을 추정하고, 상기 Rr은 회전자 저항, 상기 Rr (25)는 고정자 온도가 25℃일 때의 회전자 저항, 상기 Ts는 고정자 온도, 상기 ΔRr/ΔTs는 고정자 온도 변화에 대한 회전자 저항 변화의 비율일 수 있다.
상기 유도 전동기에 3상 전류를 인가하는 PWM 인버터, 및 상기 q축 지령 전류 및 상기 d축 지령 전류에 따라 상기 PWM 인버터에 게이트 신호를 전달하는 전류 제어부를 더 포함할 수 있다.
상기 슬립 각속도 산출부에 지령 토크에 따른 토크 전류를 전달하는 토크 제어부, 및 상기 슬립 각속도 산출부에 지령 자속에 따른 자속 전류를 전달하는 자속 제어부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 유도 전동기 제어 방법은 고정자 온도와 회전자 저항의 관계에 따라 회전자 온도에 따른 회전자 시정수를 보상하는 단계, 상기 회전자 시정수를 이용하여 슬립 각속도를 산출하는 단계, 상기 슬립 각속도를 이용하여 슬립 주파수를 산출하는 단계, 및 상기 슬립 주파수에 따라 q축 지령 전류 및 d축 지령 전류를 생성하는 단계를 포함한다.
상기 고정자 온도와 회전자 저항의 관계에 따라 회전자 온도에 따른 시정수를 보상하는 단계는, 수학식
Figure 112011096577921-pat00002
를 이용하여 상기 회전자 저항을 추정하는 단계를 포함하고, 상기 Rr은 회전자 저항, 상기 Rr (25)는 고정자 온도가 25℃일 때의 회전자 저항, 상기 Ts는 고정자 온도, 상기 ΔRr/ΔTs는 고정자 온도 변화에 대한 회전자 저항 변화의 비율일 수 있다.
상기 고정자의 온도와 회전자 저항의 관계에 따라 회전자 온도에 따른 시정수를 보상하는 단계는, 상기 추정된 회전자 저항으로 상기 회전자 시정수를 보상하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 슬립 각속도를 이용하여 슬립 주파수를 산출하는 단계는, 회전자 각속도를 측정하고, 상기 회전자 각속도 및 상기 슬립 각속도의 합으로 상기 슬립 주파수를 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 q축 지령 전류 및 상기 d축 지령 전류에 따라 PWM 인버터에 게이트 신호를 전달하는 단계, 및 상기 게이트 신호에 따라 3상 전류를 유도 전동기에 인가하여 상기 유도 전동기를 구동시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
회전자의 온도 변화에 따른 회전자의 저항 변화를 추정할 수 있으며, 회전자의 온도 변화에 상관없이 유도 전동기가 일정한 토크로 구동할 수 있도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 전동기 제어 장치를 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고정자 온도와 회전자 저항의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 전동기 제어 방법을 나타내는 흐름도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
또한, 여러 실시예들에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 제1 실시예에서 설명하고, 그 외의 실시예에서는 제1 실시예와 다른 구성에 대해서만 설명하기로 한다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 전동기 제어 장치를 나타내는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 유도 전동기 제어 장치는 토크 제어부(11), 자속 제어부(12), 전류 제어부(20), PWM 인버터(30), 고정자 온도센서(40), 슬립 각속도 산출부(50), 벡터 생성부(60) 및 좌표 변환부(70)를 포함한다.
토크 제어부(11)는 지령 토크에 따른 토크 전류(iqs e *)를 생성한다.
자속 제어부(12)는 지령 자속에 따른 자속 전류(ids e *)를 생성한다. 토크 전류는 q축의 지령 전류이고, 자속 전류는 d축의 지령 전류이다.
전류 제어부(20)는 q축 및 d 축의 지령 전류에 따라 PWM 인버터(30)에 게이트 신호를 전달한다.
PWM 인버터(30)는 게이트 신호에 따라 3상 전류를 생성하여 유도 전동기(80)에 인가한다. 유도 전동기(80)는 PWM 인버터(30)에서 전달되는 3상 전류에 따라 소정의 각속도로 회전자를 회전시킨다. 회전자의 각속도(ωr)는 회전자에 연결된 인코더(85)에 의해 측정되고, 회전자의 각속도(ωr)는 벡터 생성부(60)에 전달된다.
고정자 온도센서(40)는 유도 전동기(80)의 고정자의 온도(Ts)를 측정한다. 고정자 온도센서(40)는 측정된 고정자의 온도(Ts)를 슬립 각속도 산출부(50)에 전달한다.
슬립 각속도 산출부(50)는 토크 제어부(11)에서 생성된 토크 전류(iqs e *), 자속 제어부(12)에서 생성된 자속 전류(ids e *) 및 고정자 온도센서(40)에서 전달받은 고정자의 온도(Ts)를 이용하여 슬립 각속도를 산출한다.
슬립 각속도는 수학식 1과 같이 산출될 수 있다.
Figure 112011096577921-pat00003
여기서, ωsl 은 슬립 각속도, Tr은 회전자 시정수, iqs e *는 토크 제어부(11)에서 전달받은 토크 전류, ids e *는 자속 제어부(12)에서 전달받은 자속 전류이다.
회전자 시정수(Tr)는 회전자 저항(Rr)에 대한 회전자 인덕턴스(Lr)의 비율로써, Tr = Lr / Rr 이다. 회전자 인덕턴스(Lr)는 자속전류의 함수이고, 회전자 저항(Rr)은 온도의 함수이다. 벡터제어에서 자속전류는 일정하게 제어되므로 인덕턴스의 변화는 무시할 수 있다.
회전자 시정수는 유도 전동기(80)의 벡터제어를 수행하기 위한 여러 요소 중에서 유도 전동기(80)의 토크의 선형성을 보장하는 중요한 인수이다. 회전자 저항은 온도 변화에 민감하며 시정수 변동의 주요 원인이다. 따라서, 유도 전동기(80)의 벡터제어에 있어서 회전자의 온도를 측정하고 회전자의 저항을 산출하여 정확한 회전자 시정수를 산출하는 것이 바람직하다. 그러나 일반적인 유도 전동기의 구조상 회전자의 온도를 직접 측정하는 것은 매우 어렵다.
슬립 각속도 산출부(50)는 고정자 온도센서(40)로부터 전달받은 고정자 온도(Ts)를 이용하여 회전자 저항(Rr)을 추정한다. 즉, 슬립 각속도 산출부(50)는 고정자 온도(Ts)를 이용하여 회전자의 온도 변화에 따른 회전자 저항(Rr)의 변화를 보상할 수 있다.
고정자 온도(Ts)와 회전자 저항(Rr)의 관계는 실험적으로 구할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고정자 온도와 회전자 저항의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 2를 참조하면, 회전자 저항(Rr)은 고정자 온도(Ts)가 25℃보다 낮은 온도에서 Rr (25)로 일정하게 유지되고, 고정자 온도(Ts)가 25℃ 이상에서 최대 온도(Ts_max)까지의 범위에서 일정하게 상승하는 경향이 있다.
고정자 온도(Ts)와 회전자 저항(Rr)의 관계는 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112011096577921-pat00004
여기서, Rr (25)는 고정자 온도가 25℃일 때의 회전자 저항이고, Ts는 고정자 온도, ΔRr/ΔTs는 고정자 온도 변화에 대한 회전자 저항 변화의 비율을 나타낸다.
다시 도 1을 참조하면, 슬립 각속도 산출부(50)는 고정자 온도센서(40)로부터 전달받은 고정자 온도(Ts)를 수학식 2에 대입하여 회전자 저항(Rr)을 추정할 수 있다. 그리고, 슬립 각속도 산출부(50)는 추정된 회전자 저항(Rr)으로 회전자 시정수(Tr)를 보상할 수 있으며, 보상된 회전자 시정수(Tr)를 수학식 1에 적용하여 슬립 각속도(ωsl)를 산출할 수 있다.
슬립 각속도 산출부(50)는 산출된 슬립 각속도(ωsl)를 벡터 생성부(60)에 전달한다.
벡터 생성부(60)는 슬립 각속도 산출부(50)로부터 전달받은 슬립 각속도(ωsl) 및 인코더(85)로부터 전달받은 회전자 각속도(ωr)를 이용하여 슬립 주파수(ωe) 및/또는 자속각(θe)을 산출한다.
슬립 주파수(ωe)는 회전자 각속도(ωr) 및 슬립 각속도(ωsl)의 합으로써 수학식 3과 같이 산출될 수 있다.
Figure 112011096577921-pat00005
여기서, ωr은 회전자 각속도, Rr은 회전자 저항, Lr은 회전자 인덕턴스, Lm은 여자 인덕턴스, iqs e는 토크 전류, λdr e는 쇄교 자속이다.
자속각(θe)은 슬립 주파수를 적분하여 수학식 4와 같이 산출될 수 있다.
Figure 112011096577921-pat00006
여기서, θr은 회전자 자속각이다.
벡터 생성부(60)는 산출된 슬립 주파수(ωe) 및/또는 자속각(θe)을 좌표 변환부(70)에 전달한다.
좌표 변환부(70)는 유도 전동기(80)에 공급되는 3상 전류 중에서 2상 전류를 입력받아 유도 전동기(80)에서 현재 발생하는 토크를 구한다. 그리고 좌표 변환부(70)는 벡터 생성부(60)에서 전달받은 슬립 주파수(ωe) 및/또는 자속각(θe)에 따라 q축 지령 전류(iqs e) 및 d축 지령 전류(ids e)를 생성한다. q축 지령 전류(iqs e) 및 d축 지령 전류(ids e)는 회전자의 온도 변화에 따른 회전자 저항(Rr)의 변화가 보상된 전류값을 갖는다.
좌표 변환부(70)는 q축 지령 전류(iqs e) 및 d축 지령 전류(ids e)를 전류 제어부(20)에 전달한다. 전류 제어부(20)는 q축 지령 전류(iqs e) 및 d축 지령 전류(ids e)에 따라 게이트 신호를 PWM 인버터(30)에 전달하고, PWM 인버터(30)는 게이트 신호에 따라 3상 전류를 생성하여 유도 전동기(80)에 인가하여 유도 전동기(80)를 구동시킨다.
이와 같이, 회전자의 온도 변화에 따른 회전자의 저항 변화를 추정할 수 있으며, 유도 전동기(80)는 회전자의 온도 변화에 상관없이 일정한 토크로 구동될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 전동기 제어 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 3을 참조하면, 유도 전동기 제어 장치는 회전자 각속도(ωr)를 측정한다(S110). 유도 전동기 제어 장치는 회전자에 연결된 인코더를 통하여 회전자 각속도(ωr)를 측정할 수 있다.
유도 전동기 제어 장치는 회전자의 온도에 따른 시정수(Tr)를 보상한다(S120). 유도 전동기 제어 장치는 고정자에 설치된 고정자 온도센서를 통하여 고정자 온도(Ts)를 측정하고, 고정자 온도(Ts)와 회전자 저항(Rr)의 관계(수학식2)에 따라 회전자 저항(Rr)을 산출한다. 회전자 시정수(Tr)는 회전자 저항(Rr)에 대한 회전자 인덕턴스(Lr)의 비율로써, Tr = Lr / Rr 이며, 회전자 인덕턴스(Lr)는 벡터제어에서 인덕턴스의 변화는 무시할 수 있으므로, 산출된 회전자 저항(Rr)에 따라 보상 시정수(Tr)가 결정된다.
유도 전동기 제어 장치는 수학식 1에 따라 토크 전류(iqs e *), 자속 전류(ids e *) 및 시정수(Tr)를 이용하여 슬립 각속도를 산출한다(S130).
유도 전동기 제어 장치는 슬립 각속도(ωsl) 및 회전자 각속도(ωr)를 이용하여 슬립 주파수(ωe)를 산출한다(S140). 슬립 주파수(ωe)는 수학식 3에 따라 산출될 수 있다.
유도 전동기 제어 장치는 슬립 주파수(ωe)에 따라 q축 지령 전류(iqs e) 및 d축 지령 전류(ids e)를 생성한다(S150). q축 지령 전류(iqs e) 및 d축 지령 전류(ids e)에 따라 게이트 신호가 생성되고, 게이트 신호에 따라 3상 전류가 생성되어 유도 전동기를 구동시킨다.
지금까지 참조한 도면과 기재된 발명의 상세한 설명은 단지 본 발명의 예시적인 것으로서, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
11 : 토크 제어부
12 : 자속 제어부
20 : 전류 제어부
30 : PWM 인버터
40 : 고정자 온도센서
50 : 슬립 각속도 산출부
60 : 벡터 생성부
70 : 좌표 변환부
80 : 유도 전동기
85 : 인코더

Claims (9)

  1. 유도 전동기의 고정자의 온도를 측정하는 고정자 온도센서;
    상기 고정자의 온도와 회전자 저항의 관계에 따라 회전자 저항을 추정하고, 상기 회전자 저항으로 회전자 시정수를 보상하고, 상기 보상된 회전자 시정수를 이용하여 슬립 각속도를 산출하는 슬립 각속도 산출부;
    상기 전동기의 회전자에 연결된 인코더에 의해 측정된 회전자 각속도 및 상기 슬립 각속도를 이용하여 슬립 주파수를 산출하는 벡터 생성부; 및
    상기 슬립 주파수에 따라 q축 지령 전류 및 d축 지령 전류를 생성하는 좌표 변환부를 포함하고,
    상기 슬립 각속도 산출부는 수학식
    Figure 112013010431861-pat00007

    를 이용하여 상기 회전자 저항을 추정하고, 상기 Rr은 회전자 저항, 상기 Rr(25)는 고정자 온도가 25℃일 때의 회전자 저항, 상기 Ts는 고정자 온도, 상기 ΔRr/ΔTs는 고정자 온도 변화에 대한 회전자 저항 변화의 비율인 유도 전동기 제어 장치.
  2. 삭제
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 유도 전동기에 3상 전류를 인가하는 PWM 인버터; 및
    상기 q축 지령 전류 및 상기 d축 지령 전류에 따라 상기 PWM 인버터에 게이트 신호를 전달하는 전류 제어부를 더 포함하는 유도 전동기 제어 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 슬립 각속도 산출부에 지령 토크에 따른 토크 전류를 전달하는 토크 제어부; 및
    상기 슬립 각속도 산출부에 지령 자속에 따른 자속 전류를 전달하는 자속 제어부를 더 포함하는 유도 전동기 제어 장치.
  5. 고정자 온도와 회전자 저항의 관계에 따라 회전자 온도에 따른 회전자 시정수를 보상하는 단계;
    상기 회전자 시정수를 이용하여 슬립 각속도를 산출하는 단계;
    상기 슬립 각속도를 이용하여 슬립 주파수를 산출하는 단계; 및
    상기 슬립 주파수에 따라 q축 지령 전류 및 d축 지령 전류를 생성하는 단계를 포함하고,
    상기 고정자 온도와 회전자 저항의 관계에 따라 회전자 온도에 따른 시정수를 보상하는 단계는,
    수학식
    Figure 112013010431861-pat00008

    를 이용하여 상기 회전자 저항을 추정하는 단계를 포함하고,
    상기 Rr은 회전자 저항, 상기 Rr(25)는 고정자 온도가 25℃일 때의 회전자 저항, 상기 Ts는 고정자 온도, 상기 ΔRr/ΔTs는 고정자 온도 변화에 대한 회전자 저항 변화의 비율인 유도 전동기 제어 방법.
  6. 삭제
  7. 제5 항에 있어서,
    상기 고정자의 온도와 회전자 저항의 관계에 따라 회전자 온도에 따른 시정수를 보상하는 단계는,
    상기 추정된 회전자 저항으로 상기 회전자 시정수를 보상하는 단계를 포함하는 유도 전동기 제어 방법.
  8. 제5 항에 있어서,
    상기 슬립 각속도를 이용하여 슬립 주파수를 산출하는 단계는,
    회전자 각속도를 측정하고, 상기 회전자 각속도 및 상기 슬립 각속도의 합으로 상기 슬립 주파수를 산출하는 단계를 포함하는 유도 전동기 제어 방법.
  9. 제5 항에 있어서,
    상기 q축 지령 전류 및 상기 d축 지령 전류에 따라 PWM 인버터에 게이트 신호를 전달하는 단계; 및
    상기 게이트 신호에 따라 3상 전류를 유도 전동기에 인가하여 상기 유도 전동기를 구동시키는 단계를 더 포함하는 유도 전동기 제어 방법.
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