KR101302717B1 - Ａｃ 전동 지게차용 유도전동기의 최대 운전효율 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 무부하 전류에 대한 고정자 인덕턴스의 함수를 도출하고 이를 이용하여 AC 전동 지게차용 유도전동기의 최대 운전효율 제어방법에 관한 것이며, AC 전동 지게차의 유도전동기를 구동하기 이전에 유도전동기의 고정자 저항을 측정하고, 이와 함께 고정자 인덕턴스를 측정하여 자속분 전류의 변화에 따른 고정자 인덕턴스의 함수를 자동으로 구한 후 이를 바탕으로 AC 전동 지게차의 전 운전영역에서 최소 전류로 최대의 토크를 낼 수 있도록 하는 제어방법을 구현하여, AC 전동 지게차의 배터리의 충전시간을 늘려 AC 전동 지게차에 동일한 배터리를 사용함에 있어 한 번 충전시 더 오랜 시간 지게차를 구동시키고, AC 전동 지게차의 각 운전영역에 대한 효율을 높인 것이다.

속도제어기, 전류제어기, 유도전동기, 고정자 저항, 고정자 인덕턴스

Description

ＡＣ 전동 지게차용 유도전동기의 최대 운전효율 제어방법{MAXIMIZING EFFICIENCY CONTROL OF INDUCTION MOTOR FOR AC FORKLIFT TRUCK}

본 발명은 AC 전동 지게차용 유도전동기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 AC 전동 지게차의 유도전동기에서 자속분 전류에 따라 인덕턴스 성분이 크게 변화하는 성질을 이용하여 벡터 제어 시 부하에 따라 여자전류를 변경함으로써 유도전동기의 효율을 높일 수 있도록 하는 AC 전동 지게차용 유도전동기의 최대 운전효율 제어방법에 관한 것이다.

일반적으로, AC 전동 지게차용 유도전동기를 벡터 제어 시 전류를 자속분 전류와 토크분 전류로 나누게 되는데, 상기 자속분 전류의 크기를 조정함으로써 자속의 위치를 결정하게 된다.

상기 자속은 흐르는 전류와 인덕턴스의 곱으로 표현 할 수 있는데 일반적인 유도전동기의 경우 인덕턴스가 일정하다고 가정하여 선형적으로 제어를 한다.

그러나, AC 전동 지게차용 유도전동기의 경우 자속분 전류와 자속 사이에 비선형적인 특성이 강하게 나타나기 때문에 일반적인 유도전동기처럼 이 둘의 관계를 선형적으로 가정하고 제어를 하게 되면 대부분의 자속분 전류 영역에서 원하는 자 속을 낼 수 없다.

즉, 일반적인 유도전동기의 경우 전동기 설계값으로부터 상호 인덕턴스와 고정자 및 회전자 인덕턴스를 알 수 있고, 설계값을 모른다면 전동기 명판의 3상 전압과 정격 주파수 및 정격 전류를 이용하여 인덕턴스를 계산하여 사용하게 되며, 이는 아래의 수학식들이 적용되는 알고리즘을 이용하여 추정하게 된다.

[수학식 1]

[수학식 2]

[수학식 3]

[수학식 4]

이때, 유도전동기를 무부하 정격속도로 운전시키고, 상기 운전시 전류와 전 압을 측정하여 [수학식4]에 대입하면 고정자 인덕턴스(L_s)를 구할 수 있다.

그리고, 무부하 정격속도라는 가정에 의해 [수학식1]과 같은 d축 전압(V_d)이 고정자 저항(R_s)과 자속분 전류(I_d)의 곱으로 나타내어지고, [수학식2]와 같이 q축 전압(V_q)이 전동기 회전속도에 따른 구동주파수(ω_e)와 고정자 인덕턴스(L_s), 그리고 자속분 전류(I_d)의 곱으로 나타낼 수 있기 때문에 상기 [수학식3]의 과정을 통해 [수학식4]를 도출할 수 있는 것이다.

따라서, 상기의 과정을 통해 얻어진 고정자 인덕턴스(λ_d)는 아래의 [수학식5]와 같은 자속과 전류의 선형적인 관계에 적용될 수 있는 것이다.

[수학식 5]

L_s는 상수

그러나, AC 전동 지게차용 유도전동기의 고정자 인덕턴스(L_s)는 상수가 아니라 자속분 전류(I_d)에 따라 변하기 때문에 효율 운전을 위해 자속분 전류(I_d)를 변경하였을 때 도1의 그래프와 같은 오차를 발생시키게 된다.

즉, 도1에서 만약 AC 전동 지게차의 유도전동기에 T_q 만큼의 토크를 내고자 할 때 λ₂ 만큼의 자속이 필요하다면 선형 관계식(도 1의 점선)의 경우 자속분 전류로써 I₁의 전류를 흘리게 되지만, 실제(도 1의 실선)로는 λ₁ 의 자속이 형성되어 약 16%의 오차가 생김으로써 T_q의 토크를 만들기 위해 토크분 전류를 약 40% 정도 더 흘리게 된다.

이럴 경우 전체적인 전류가 약 10%정도 더 흐르게 되어 운전효율을 떨어뜨리는 주요한 원인이 된다.

특히 AC 전동 지게차의 경우 배터리를 사용하기 때문에 약 10%의 전류증가는 1일 충전시간에 있어 치명적인 약점으로 나타나게 되며, 이에 따라 자속분 전류(I₁,I₂)와 자속(λ₁,λ₂)의 관계를 최대한 실제와 같게 적용하기 위해서 자속분 전류에 따른 고정자 인덕턴스의 정확한 추정이 필요하다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, AC 전동 지게차의 유도전동기를 구동하기 이전에 유도전동기의 고정자 저항을 측정하고, 이와 함께 고정자 인덕턴스를 측정하여 자속분 전류의 변화에 따른 고정자 인덕턴스의 함수를 자동으로 구한 후 이를 바탕으로 AC 전동 지게차의 전 운전영역에서 최소 전류로 최대의 토크를 낼 수 있도록 하는 제어방법을 구현함으로써, AC 전동 지게차에 동일한 배터리를 사용함에 있어 한 번 충전 시 더 오랜 시간 지게차를 구동시킬 수 있도록 하는 무부하 전류에 대한 고정자 인덕턴스의 함수를 도출하고 이를 이용하여 AC 전동 지게차용 유도전동기의 최대 운전효율 제어방법을 제공함에 그 목적이 있는 것이다.

상기 목적 달성을 위한 본 발명 AC 전동 지게차용 유도전동기의 최대 운전효율 제어방법은, 유도전동기를 구동시키지 않은 상태에서 무부하 전류를 인가하여 고정자 저항을 측정하고, 유도전동기를 정격속도로 구동시키면서 단계적인 무부하 전류를 인가하여 고정자 인덕턴스를 측정하는 측정단계; 자속분 전류를 최대 운전영역의 전류까지 증가시키면서 상기 측정단계를 반복하고, 상기 반복 과정에서 측정되는 자속분 전류에 대한 고정자 인덕턴스를 이용하여 근사화 과정으로 상기 고정자 인덕턴스의 함수를 도출하는 함수도출단계; 및, 상기 함수도출단계에서 도출된 고정자 인덕턴스의 함수를 이용하여 무부하 전류를 조정하여 유도전동기의 벡터 제어에 직접적인 영향을 주는 인자들을 변화시키는 제어단계; 를 포함하여 진행하는 것이다.

또한, 상기 고정자 측정은, 토크분 전류를 제로(zero)로 제어하고, 자속분 전류를 목표전류인 정격전류에 대하여 일정비율로 감소시켜 인가하는 단계; 상기 인가되는 자속분 전류를 서서히 증가시켜 안정화시킨 후 일정시간 동안 제 1의 d축 자속분 전압의 평균을 산출하는 단계; 상기 자속분 전류를 정격전류만큼 인가하는 단계; 상기 인가되는 자속분 전류를 서서히 증가시켜 안정화시킨 후 일정시간 동안 제 2의 d축 자속분 전압의 평균을 산출하는 단계; 및, 상기 산출되는 제 1,2의 d축 자속분 전압으로부터 고정자 저항을 산출하는 단계; 를 포함한다.

또한, 상기 자속분 전류를 정격전류에 대하여 일정비율로 감소시켜 인가하는 것에 있어 일정비율은 3/4 인 것이다.

또한, 상기 고정자 저항을 측정 시 자속분 전류는 정격전류 부근의 서로 다른 값을 택하되, 상기 두 값의 차이가 크지 않도록 설정하고, 시정수보다 충분히 큰 시간이 흐른 뒤 상기 자속분 전류가 안정화된 상태(정상상태)에 이르렀을 때 측정하는 것이다.

또한, 상기 고정자 인덕턴스는, 자속분 전류를 최소 운전 영역의 자속분 전류만큼 인가하여 유도전동기를 정격속도로 구동시키는 단계; 상기 유도전동기를 정격속도로 구동시키기 위해 인가되는 최소 운전 영역의 자속분 전류를 구동주파수에 실어 3상 전류로 직접 인가하는 단계; 상기 유도전동기가 정격속도에 도달 시 산출된 고정자 저항은 물론, 일정시간 동안의 토크분 전류와 q축 전압, 그리고 유 도전동기의 구동에 따른 측정주파수의 평균을 구하여 고정자 인덕턴스를 산출하는 단계; 를 더 포함한다.

또한, 상기 고정자 인덕턴스를 측정함에 있어 인가하는 무부하 전류의 크기는 실제 운전범위를 미리 파악하여 그 범위를 설정하고, 상기 무부하 전류를 단계적으로 인가 시 시정수보다 충분히 큰 시간이 흐른 뒤 상기 무부하 전류가 안정화된 상태(정상상태)에서 측정하는 것이다.

또한, 상기 제어단계에는, 유도전동기의 변화되는 인자들이 속도제어기의 주기에 동기 되도록 상기 속도제어기의 주기에 따라 고정자 인덕턴스를 갱신(업데이트)하는 단계; 를 더 포함하여 진행하는 것이다.

또한, 상기 제어단계에는, 상기 갱신되는 고정자 인덕턴스에 따라 상호 인덕턴스와 회전자 인덕턴스의 변화가 이루어지고, 상기 상호 인덕턴스와 회전 인덕턴스의 변화에 따라 유도전동기의 인자들인 회전자 시정수와 토크 상수 및 정격 자속분 전류가 갱신(업데이트)됨은 물론, 벡터 제어에 사용되는 제어기의 이득이 갱신(업데이트)되는 것을 포함한다.

이 같은 본 발명은 AC 전동 지게차의 유도전동기를 구동하기 이전에 유도전동기의 고정자 저항을 측정하고, 이와 함께 고정자 인덕턴스를 측정하여 자속분 전류의 변화에 따른 고정자 인덕턴스의 함수를 자동으로 구한 후 이를 바탕으로 AC 전동 지게차의 전 운전영역에서 최소 전류로 최대의 토크를 낼 수 있도록 하는 제어방법을 구현한 것으로, 이를 통해 AC 전동 지게차의 배터리의 충전시간을 늘려 AC 전동 지게차에 동일한 배터리를 사용함에 있어 한 번 충전 시 더 오랜 시간 지게차를 구동시키고, AC 전동 지게차의 각 운전영역에 대한 효율을 높이는 효과를 기대할 수 있는 것이다.

이하, 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 실시 예를 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 실시 예로 AC 전동 지게차의 유도전동기의 고정자 저항과 무부하 전류에 대한 고정자 인덕턴스를 측정하는 과정을 보여주는 흐름도이고, 도 3은 본 발명의 실시 예로 도 2에 의해 구한 무부하 전류에 대한 고정자 인덕턴스의 함수를 이용하여 AC 전동 지게차의 유도전동기의 벡터제어에 적용하는 방법을 보여주는 블럭 흐름도를 도시한 것이다.

도 2,3을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 무부하 전류에 대한 고정자 인덕턴스의 함수 도출은 고정자 저항을 측정하는 제 1 단계, 고정자 인덕턴스를 측정하는 제 2 단계, 그리고 함수를 도출하는 제 3 단계를 포함한다.

상기 제 1 단계는 유도전동기(300)를 구동시키지 않은 상태에서 무부하 전류를 인가하여 고정자 저항(R_s)를 측정하는 것이다.

즉, 첨부된 도 2에서와 같이 속도제어기(100)의 토크분 전류(I_q)를 제로(zero)로 제어한 상태에서, 도 2의 고정자 저항(R_s)에 대한 도출함수는 전류제어기(200)에 자속분 전류(I_d)를 목표전류인 정격전류(I_d1)에 대하여 일정비율로 감소시켜 인가한다(S1)(S2).

여기서, 상기 자속분 전류(I_d)를 정격전류(I_d1)에 대하여 일정비율로 감소시켜 인가하는 것에 있어 상기 일정비율은 3/4 인 것이 바람직하지만, 반드시 이러한 수치적인 것에 한정하지는 않으며 변경될 수 있는 것이다.

다음으로, 상기 도 2의 고정자 저항(R_s)에 대한 도출함수는 상기 전류제어기(200)에 인가되는 자속분 전류(I_d)를 서서히 증가시켜 안정화시킨 후 일정시간 동안 제 1의 d축 자속분 전압(V_d1)의 평균을 산출하여 둔다(S3)(S4).

다음으로, 도 2의 고정자 저항(R_s)에 대한 도출함수는 자속분 전류(I_d)를 정격전류(I_d2)만큼 인가한 후 상기 인가되는 자속분 전류(I_d)를 서서히 증가시켜 안정화시킨 후 일정시간 동안 제 2의 d축 자속분 전압(V_d2)의 평균을 산출하여 둔다(S5)(S6).

그러면, 상기 산출되는 제 1,2의 d축 자속분 전압(V_d1)(V_d2)으로부터 아래의 수학식6과 같은 고정자 저항(R_s)를 산출할 수 있게 되는 것이다(S7).

[수학식 6]

여기서, 상기 고정자 저항(R_s)을 측정 시 자속분 전류(I_d)는 정격전 류(I_d1)(I_d2) 부근의 서로 다른 값을 택하되, 상기 두 값의 차이가 크지 않도록 설정하고, 시정수보다 충분히 큰 시간이 흐른 뒤 상기 자속분 전류(I_d)가 안정화된 상태(정상상태)에 이르렀을 때 측정하는 것이 좋다.

상기 제 2 단계는 유도전동기(300)를 정격속도로 구동시키면서 단계적인 무부하 전류를 인가하여 고정자 인덕턴스(L_s)를 측정하는 것이다.

즉, 도 2의 고정자 저항(R_s)에 대한 도출함수는 자속분 전류(I_d)를 최소 운전 영역의 자속분 전류만큼 인가하여 유도전동기(300)를 정격속도로 구동시킨 다음(S8), 상기 유도전동기(300)를 정격속도로 구동시키기 위해 속도제어기(100)에서 전류제어기(200)로 인가되는 최소 운전 영역의 자속분 전류(I_d)를 명령주파수(ω_e ^*)에 실어 3상 전류로 직접 인가한다(S9)(S10).

다음으로, 상기 유도전동기(300)가 정격속도에 도달 시 산출된 상기 고정자 저항(R_s)은 물론, 일정시간 동안의 토크분 전류(I_q)와 q축 전압(V_q), 그리고 유도전동기(300)의 구동에 따른 측정주파수(ω_e)의 평균을 구하면(S11), 아래의 수학식7과 같은 고정자 인덕턴스(L_s)를 산출할 수 있는 것이다(S12).

[수학식 7]

여기서, 상기 고정자 인덕턴스(L_s)를 측정함에 있어 인가하는 무부하 전류의 크기는 실제 운전범위를 미리 파악하여 그 범위를 설정하고, 상기 무부하 전류를 단계적으로 인가 시 시정수보다 충분히 큰 시간이 흐른 뒤 상기 무부하 전류가 안정화된 상태(정상상태)에서 측정하는 것이 좋다.

상기 제 3 단계는 도 2의 단계 S15에 의한 고정자 인덕턴스 생성 함수에 의해 이루어지는 것으로, 상기 단계 S15는 자속분 전류(I_d)를 최대 운전영역의 전류까지 증가시키면서 상기 제 1,2 단계를 반복하고(S13)(14), 상기 반복 과정에서 측정되는 자속분 전류(I_d)에 대한 고정자 인덕턴스(L_s)를 이용하여 근사화 과정으로 상기 고정자 인덕턴스(L_s)의 함수를 도출할 수 있도록 한 것이다.(S15)

한편, 첨부된 도 3에서와 같이 고정자 인덕턴스 생성함수부(500)를 통해 도출되는 고정자 인덕턴스(L_s)의 함수를 이용하여 무부하 전류를 조정한 후 유도전동기(300)의 벡터 제어에 직접적인 영향을 주는 인자들을 변화시키면, 상기 유도전동기(300)의 최대 운전효율을 제어할 수 있는 것이다.

즉, 상기 고정자 인덕턴스 생성함수부(500)를 통해 도출되는 고정자 인덕턴 스(L_s)의 함수를 매 속도제어 주기마다 사용하여 전동기인자 갱신함수부(600)에서 상기 고정자 인덕턴스(Ls)를 갱신(업데이트)하는 경우, 상기 갱신되는 고정자 인덕턴스(Ls)에 따라 상호 인덕턴스와 회전자 인덕턴스가 변화되고, 이에 따라 유도전동기(300)의 인자들인 회전자 시정수(T_r)와 토크 상수(K_t) 및 정격 자속분 전류(I_{d_rate}), 그리고 저항(R_x)이 새롭게 갱신(업데이트)되고, 더불어 제어기 이득계산부(700)에 의해 이루어지는 벡터 제어에 사용되는 속도제어기(200)의 이득(K_{p,i,a_sc})과 전류제어기(200)의 이득(K_{p,i,a_cc})이 갱신(업데이트)됨은 물론, 상기 속도제어기(200)로 인가되는 슬립주파수 계산부(800)의 슬립주파수(ω_sl)가 변화될 수 있는 것이다.

즉, 상기 슬립주파수 계산부(800)는 유도전동기(300)로부터 피드백 되는 자속분 및 토크분의 측정전류(I_dq)와, 약계자함수 처리부(400)에서 출력하는 명령자속(λ_d)와, 고정자 인덕턴스 생성함수부(500)에서 출력하는 고정자 인덕턴스(L_s), 그리고 전동기인자 갱신함수부(600)에서 출력하는 회전자 시정수(T_r)를 계산하여 슬립주파수(ω_sl)의 변화량을 속도제어기(100)에 출력하는 것이다.

그러면, 상기 갱신되는 속도제어기(200)의 이득(K_{p,i,a_sc})과 상기 슬립주파수(ω_sl)가 변화량으로부터 상기 속도제어기(200)에서 전류제어기(300)로 출력되는 명 령 토크분 전류(I_q)가 조정되고, 이에 따라 상기 전류제어기(300)에서 유도전동기(100)로 출력되는 자속분 및 토크분 전압을 포함하는 명령전압(V_dq)은 변화되며, 따라서 상기 유도전동기(100)는 AC 전동 지게차의 전 운전영역에서 최소 전류로 최대의 토크를 낼 수 있음은 물론, AC 전동 지게차의 배터리 충전시간이 길어지면서 한 번 충전 시 더 오랜 시간 지게차를 구동시킬 수 있는 등 AC 전동 지게차의 각 운전영역에 대한 운전효율을 높일 수 있게 되는 것이다.

이하, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와같은 변경은 청구범위 기재의 범위내에 있게 된다.

도 1은 종래 자속분 전류와 자속간의 선형적인 관계를 보인 그래프.

도 2는 본 발명의 실시 예로 AC 전동 지게차의 유도전동기의 고정자 저항과 무부하 전류에 대한 고정자 인덕턴스를 측정하는 과정을 보여주는 흐름도이고,

도 3은 본 발명의 실시 예로 도 2에 의해 구한 무부하 전류에 대한 고정자 인덕턴스의 함수를 이용하여 AC 전동 지게차의 유도전동기의 벡터제어에 적용하는 방법을 보여주는 블럭 흐름도를 도시한 것이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

100; 속도제어기 200; 전류제어기

300; 유도전동기 400; 약계자함수 처리부

500; 고정자 인덕턴스 생성함수부 600; 전동기인자 갱신함수부

700; 제어기 이득계산부 800; 슬립주파수 계산부

Claims (3)

1. 유도전동기를 구동시키지 않은 상태에서 무부하 전류를 인가하여 고정자 저항을 측정하고, 유도전동기를 정격속도로 구동시키면서 단계적인 무부하 전류를 인가하여 고정자 인덕턴스를 측정하는 측정단계;

   자속분 전류를 최대 운전영역의 전류까지 증가시키면서 상기 측정단계를 반복하고, 상기 반복 과정에서 측정되는 자속분 전류에 대한 고정자 인덕턴스를 이용하여 근사화 과정으로 상기 고정자 인덕턴스의 함수를 도출하는 함수도출단계; 및,

   상기 함수도출단계에서 도출된 고정자 인덕턴스의 함수를 이용하여 무부하 전류를 조정하여 유도전동기의 벡터 제어에 직접적인 영향을 주는 인자들을 변화시키는 제어단계; 를 포함하여 진행하는 것을 특징으로 하는 AC 전동 지게차용 유도전동기의 최대 운전효율 제어방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 제어단계에는,

   유도전동기의 변화되는 인자들이 속도제어기의 주기에 동기 되도록 상기 속도제어기의 주기에 따라 고정자 인덕턴스를 갱신(업데이트)하는 단계; 를 더 포함하여 진행하는 것을 특징으로 하는 AC 전동 지게차용 유도전동기의 최대 운전효율 제어방법.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 제어단계에는,

   갱신되는 상기 고정자 인덕턴스에 따라 상호 인덕턴스와 회전자 인덕턴스의 변화가 이루어지고, 상기 상호 인덕턴스와 회전 인덕턴스의 변화에 따라 유도전동기의 인자들인 회전자 시정수와 토크 상수 및 정격 자속분 전류가 갱신(업데이트)됨은 물론, 벡터 제어에 사용되는 제어기의 이득이 갱신(업데이트)되는 것을 특징으로 하는 AC 전동 지게차용 유도전동기의 최대 운전효율 제어방법.

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