KR101307024B1 - 센서리스 영구자석 동기 전동기(ｐｍｓｍ)의 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 단일 인버터장치로 2대 이상의 센서리스 ＰＭＳＭ을 확실하게 동기시동하고, 안정한 정격운전, 저속회전 시의 진동 등의 발생방지 및 고장 시에 있어서의 안전정지 등을 제어하는 제어방법을 신규로 제안하는 것이다.

본 발명은 3상 교류 전원을 동력으로 하는 2대 이상의 센서리스 영구자석 동기 전동기(ＰＭＳＭ)의 동기시동 방식이며, 그 2대 이상의 ＰＭＳＭ에 단일 인버터장치로부터 초저주파의 3상 교류 전류를 일정시간 인가하여 저회전으로 동기시동시킨 후, 전원의 주파수를 점차 높여서 회전속도를 상승시켜 정격회전에 도달하도록 한 것을 특징으로 하는 2대 이상의 3상 교류 전원을 동력으로 하는 센서리스 ＰＭＳＭ의 동기시동을 포함하는 제어방법에 있다.

Description

센서리스 영구자석 동기 전동기(ＰＭＳＭ)의 제어방법{A CONTROL METHOD FOR SENSORLESS PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS MOTOR}

도 1은 １Ｃ１Ｍ에 있어서의 시동(始動) 시 등가회로(等價回路) 예.

도 2는 １ＣＸＭ에 있어서의 회로 예.

도 3은 제 2 실시예의 동기시동방법(同期始動方法)의 원리도.

도 4는 역회전 시의 동기화의 원리도.

도 5는 역회전 시에 인가하는 전압의 벡터(vector)도.

도 6은 동기시동방식의 원리도.

특허문헌 1 특개(特開) 2001-268974호 공보

특허문헌 2 특개(特開) 2002-272195호 공보

본 발명은 센서리스 영구자석 동기 전동기(Pemanent Magnet Synchronous Motor, 이하 ＰＭＳＭ이라고 칭한다)의 제어방법, 상세하게는 단일(單一) 인버터장치에 의해 2대 이상의 센서리스 ＰＭＳＭ을 동기시동(同期始動)시켜, 정격속도로 연속운전하며, 역회전(逆回轉) 상태로부터의 시동을 가능하게 하고, 정격(定格)보다도 저속의 회전운전 시에 생기는 진동 등의 발생을 방지하도록 하며, 또 고장 시에는 안전하게 정지시키도록 한 센서리스 ＰＭＳＭ의 제어방법에 관한 것이다.

종래, 3상 교류(交流)를 전원으로 하는 ＰＭＳＭ은 회전자의 자극(磁極) 위치를 검출하는 센서(위치검출장치)를 장착하여, 이 센서에 의해 회전자의 자극 위치를 검출하고, 검출한 회전자의 자극 위치에 따라 고정자 코일의 각(各) 상(相)에 전류를 흘려서 회전자계(回轉磁界)를 발생시키며, 자극(磁極)으로부터 발생하는 자계(磁界)와의 상호작용에 의해 토크(torque)를 생기게 하여, 부하(負荷)에 동력을 전달하는 시동방식이 채용되어 있다.

이러한 센서부착 ＰＭＳＭ과 제어회로와 인버터(inverter)장치의 합계 비용은, 교류전동기의 대표 예인 유도전동기와 인버터장치의 합계 비용에 비교하여 상당히 고가가 되는 것 외에, 센서에 고장이 발생하는 문제도 있기 때문에, 예를 들면 송풍 팬 등 일정 회전속도 이상의 조건에서 사용되는 ＰＭＳＭ에 있어서는, 센서를 없애 비용을 절감한 센서리스 방식의 ＰＭＳＭ이 채용되어 있다. 이 센서리스 ＰＭＳＭ에서는, 연속운전 중의 제어를 센서부착의 것과 같은 수준(level)으로 유지하기 위해 고정자 코일 단자(端子)에 나타나는 각각의 데이터를 검출하고, 그 특성을 산정하여 복잡하게 제어하도록 하고 있다(예를 들면, 특개 2001-268974호, 특개 2002-272195호 참조).

그러나 종래 방법에 따라 센서리스 ＰＭＳＭ을 시동할 때는, 시동용의 별개 특별한 제어장치를 필요로 하고, 또는 제어방법을 더욱 복잡화함에 의해 시동에서부터 제어할 필요가 있으며, 이 제어방식의 복잡함에 의해 시동에 실패하는 일이 있다고 하는 과제가 있었다. 또 전원(電源)을 공급하는 인버터장치는 ＰＭＳＭ 1대에 대해서 각 1대가 필요하여 비용 절감의 실현을 방해하고 있다고 하는 과제가 있다.

본 발명은, 3상 교류 전원을 동력으로 하는 2대 이상의 센서리스 ＰＭＳＭ의 동기시동방식이며, 그 2대 이상의 ＰＭＳＭ에 단일 인버터장치로부터 초저주파의 3상 교류 전류를 일정시간 인가하여 저회전(低回轉)으로 동기시동시킨 후, 전원의 주파수를 점차 높여서 회전속도를 상승시켜 정격회전에 도달하도록 한 것으로서, 단일 인버터장치에 의해 2대 이상의 ＰＭＳＭ을 확실하게 시동하도록 하여, 관련된 과제를 해결하도록 한 것이다.

본 발명은, 3상 교류 전원을 동력으로 하는 2대 이상의 센서리스 ＰＭＳＭ의 동기시동방식이며, 그 2대 이상의 ＰＭＳＭ에 단일 인버터장치로부터 초저주파의 3상 교류 전류를 일정시간 인가하여 저회전(低回轉)으로 동기시동시킨 후, 전원의 주파수를 점차 높여서 회전속도를 상승시켜 정격회전에 도달하도록 한 것으로서, 단일 인버터장치에 의해 2대 이상의 ＰＭＳＭ을 확실하게 시동하도록 한 것이다.

또는 2대 이상의 ＰＭＳＭ의 각(各) 3상(三相) 코일 중의 어느 것이든 2상(二相) 코일에 인버터장치로부터 직류 전류를 인가하여 고정자 자축(磁軸)을 만듦으로써 회전자 자극(磁極)을 흡인하고, 2 대 이상의 ＰＭＳＭ을 동시에 동기화시킨 후, 3상 교류 전압의 주파수를 점차 높여 정격회전(定格回轉)에 도달하도록 해서 동기시동(同期始動)하도록 한 것이다.

ＰＭＳＭ이 외부요인(外因)에 의해 역회전하고 있을 때는, 2대 이상의 ＰＭＳＭ의 3상 코일 사이를 각(各) 상(相)마다 접속해 두고, 해당 ＰＭＳＭ 사이에 전기 제동(制動) 전류를 발생시키는 것에 의해 모든 ＰＭＳＭ을 역회전(逆回轉) 상태로 동일 회전속도로 동기화시키고, 그 동기(同期)된 회전속도에서의 ＰＭＳＭ의 발생 전압·주파수를 검지(檢知)하여, 그 각속도±허용 각속도의 주파수의 전압·전류를 인버터장치로부터 인가하는 것에 의해 전원과 동기화시킨 후, 정회전(正回轉) 방향의 회전자계(回轉磁界)로 전환하는 것에 의해 정지상태를 사이에 두고 정격회전에 도달하도록 하여 동기시동하도록 한 것이다.

동기운전(同期運轉) 중의 2대 이상의 ＰＭＳＭ의 회전속도를 저하시켜 부하(負荷) 토크(torque)가 저감된 상태로 운전할 때, 발생하는 전압·주파수 및 전류값을 인버터장치의 ＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)회로의 출력측에서 검출하여, 그 인버터장치에서 공급하는 전류의 위상(位相)을 ＰＭＳＭ의 발생 전압보다 15°이상의 앞선 위상(進相)으로 하여 내부 상(相) 차이각(差角) δ을 크게 함으로써, 2대 이상의 ＰＭＳＭ을 진동·난조(亂調)·탈조(脫調) 등을 발생시키지 않고 운전하도록 한 것이다.

ＰＭＳＭ의 회전속도에 대응하여 발생하는 주파수·전압·전류를 인버터장치의 ＩＧＢＴ회로에서 검출함과 동시에 이상(異常)을 발생한 ＰＭＳＭ으로부터 발생하는 다른 주파수의 전압·전류를 ＩＧＢＴ회로에서 검출하도록 해서, 동기운전 중의 2대 이상의 ＰＭＳＭ 중의 1대가 고장(故障) 등으로 동기속도로부터 탈조(脫調)해 회전속도가 저하되었을 때에 발생하는 이상(異常) 주파수의 전류를 그 ＩＧＢＴ회로에서 검출하여 그 인버터장치의 출력을 차단하고, 건전한 ＰＭＳＭ의 회전을 안전하게 정지하도록 한 것이다.

실시예 1

동기시동방식(同期始動方式)이라는 것은, 3상 교류 전원을 동력으로 하는 동기 전동기를 시동시키는 방식의 하나로, 도 6에 나타낸 바와 같이 구동측(驅動側)의 동기 발전기(Ｇ)와 피구동측(被驅動側)의 동기 전동기(Ｍ)의 양자를 동기기(同期機)로 하여, 정지상태에서 양자의 3상(三相) 단자(端子) 사이를 서로 접속하여 여자전류(勵磁電流)도 각각 흘려버려 두고, 시동에 즈음하여 동기 발전기(Ｇ)에 직결된 구동기(驅動機)(Ｄ)를 천천히 회전시키면, 동기 발전기(Ｇ)는 회전하여 초저주파의 전류를 동기 전동기(Ｍ)에 공급해서 동기 전동기(Ｍ) 측에 발생하는 회전자계와 여자전류에 의해 생기고 있는 자계(磁界)와의 작용으로 동기 전동기(Ｍ)를 동기 발전기(Ｇ)에 동기화하고, 그 후, 동기 발전기(Ｇ) 측의 회전을 상승시킴으로써 동기된 그대로 회전의 상승을 계속하여, 고속의 정격회전속도까지 상승시키는 방식의 것이다.

이러한 동기시동방식은 대용량의 동기 전동기(모터), 예를 들면 양수(揚水) 발전소의 펌프 수차(水車)에 직결(直結)되는 발전 전동기의 시동용으로서, 또는 대용량의 터빈 발전기의 시동용 등으로서, 접속된 계통(系統)에 시동 시의 큰 부하를 걸지 않고, 원활하게 시동할 수 있는 방법으로서 상용(賞用)되고 있어, 각종 실용 예에서 상세한 해석이 행하여져, 각종 파라미터에 의한 동기시동의 가능범위가 확인되어 있다.

ＰＭＳＭ에 동기시동방식을 적용하려고 할 경우는, 먼저 ＰＭＳＭ의 출력이 100W∼수 ㎾이므로 상기 일반 전동기에 비교하여 대단히 소용량이며, 그 전기자(電機子) 코일의 저항값 Ｒ이 단위법(單位法)으로 0.04∼0.2pu(4∼20％)로 대단히 커지는 것, 또 여자(勵磁)가 영구자석이기 때문에 ＰＭＳＭ의 여자 Ｅ２는 고정된 일정값인 것, 및 전원의 공급이 동기 발전기(Ｇ) 대신에 ＩＧＢＴ(lnsulated Gate Bipolar Transistor)회로 등을 사용한 인버터 전원이 되는 등의 서로 다른 점이 있다. 이들에 대해, 상세한 계산은 대단히 복잡하므로, 밝혀져 있는 파라미터로부터 영향이 적은 파라미터를 생략한 간단한 계산에 의해 그 동기시동의 가능범위가 되는 회전속도 Ｎ_１(또는 각속도ω₁)을 구하였다. 또한, 인버터장치에서 ω₁의 전원을 일정시간 ＰＭＳＭ에 인가하고 있다고 한다.

1) １Ｃ１Ｍ(1대의 인버터장치로 1대의 ＰＭＳＭ을 시동)의 경우

(a) 회로와 전류

도 1은 전원(인버터장치)에서 대단히 저속(低速)인 주파수 f₁에 대응한 각속도ω₁(단위법으로 0.01 오더(order))의 전압을 ＰＭＳＭ에 공급하고 있는 상태를 나타낸 것이다.

Ｖ₀을 정격 시의 상(相) 전압(電壓), 정격 시의 전류를 Ｉ₀ (Ａ), f₀를 정격 주파수라고 하면, 초저속 시 Ｎ１min^-1로 돌고 있을 때의 전압 Ｖ는,

여기서 Ｌｍ은 모터의 리액턴스(reactance)에 대응하는 인덕턴스이다.

회로의 임피던스 Ｚｍ은, ω₁Ｌｍ이 Ｒｍ에 비교해서 대단히 작으므로,

도 1의 회로에 흐르는 전류 Ｉ₁ (Ａ)은

또한, 전원의 저항을 무시하면, Ｒｍ은 ＰＭＳＭ의 저항이 된다.

(b) 토크의 산정

㈀ 동기기의 정격 시에 발생하는 Ｆ0은 다음 식으로 표현된다.

Ｂｍ₁ ; 영구자석의 발생하는 자속(磁束)의 안, 기본파(基本波) 자속밀도(磁束密度)의 파고(波高)값[Ｔ]

Ａ_１ ; 전기자 코일에 의한 전기 장하(裝荷)로 Ａ_１=(Ｉ_０·ΣＺ)/(πＤ) (Ａ/ｍ)으로 표현된다. (ΣＺ는 3상 코일의 전체 직렬 도체 수, Ｄ는 고정자의 안지름(內徑)(ｍ))

Ｋｗ ; 코일 계수(係數), δ ; 내부 상 차이각(差角)으로 cosδ≒1 로 한다.

수 백W 클래스의 ＰＭＳＭ의 경우에 적용되는 수치를 상기 (4)식에 대입시키면 Ｆ_０의 개략 값을 구할 수 있다.

한편 Ｉ_１에 대해서는 구체적인 ＰＭＳＭ의 2종류(200W와 150W의 출력)에 대해서 계산한다.

200W ; 1상의 저항값 Ｒｍ=7Ω

150W ; 1상의 저항값 Ｒｍ=20Ω

상기 (3)식의 상(相) 전압은 단자전압이 200Ｖ이므로,

ω₁/ω₀=0.005, 0.01, 0.02, 0.03, 0.06(pu)의 각각에 대해서 Ｉ₁을 구한다.

㈁ 200W기(機)의 발생 토크

200W기의 정격전류 Ｉ_０=1.0 (Ａ), 회전자의 표면적 Ｓ=0.01 (㎡), 정격회전속도 Ｎ_０=1300min^-1, 회전자 반경 ｒ=0.033m 이므로, 상기 (5)식을 이용하여 ＰＭＳＭ 전체의 힘 Ｆ₁ 및 발생 토크 Ｔ를 산정한다.

㈂ 150W기의 발생 토크

150W기의 정격전류 Ｉ₁=0.7 (Ａ), 회전자의 표면적 Ｓ=0.008 (㎡), 정격회전속도 Ｎ_０=1300min^-1, 회전자 반경 ｒ=0.0285m을 사용하면, 마찬가지로 Ｆ₁과 Ｔ가 산정될 수 있다.

3) ＧＤ ² 에 필요한 에너지와 토크

회전체가 ＧＤ²(㎏㎡)의 플라이 휠 효과를 가지며, Ｎ_０(min^-1)의 회전속도로 회전하고 있을 때에 보유하는 에너지 Ｅ_０은,

ＧＤ²는 ＰＭＳＭ의 부하인 팬(fan)의 ＧＤ²가 ＰＭＳＭ보다 대단히 크고, 200W기와 150W기로 동일한 것을 사용하고 있는 것으로 한다.

ＧＤ²=0.124 [㎏㎡]

따라서,

ω₁/ω₀의 회전속도 시에 보유하는 에너지 Ｅ는,

한편, 고정자 코일에 3상 전류가 흘러(ω₁/ω₀의 저주파), 천천히 한 회전자계가 발생하면, 이 자계에 의해 회전자의 표면에 착자(着磁)되어 있는 Ｎ, Ｓ 자계와의 사이에서 힘이 발생하여, 최초의 Ｎ, Ｓ극으로 동기화하지 않으면 동기화는 불가능하게 된다.

회전자 자극을 8극(極) 구성으로 하면, 1극 당의 기계각(機械角) θ₁은,

회전자를 θ₁ 움직이는데 필요한 토크를 Ｔｍ이라고 하면, 거기에 필요한 에너지 W는,

상기 (10)=(12)이라고 하면,

그러므로,

200W기에 대해서 필요한 Ｔｍ과 ㈁에서 구한 발생 토크 Ｔ를 비교한다.

이 계산결과로부터, (ω₁/ω₀)의 값이 약 0.03pu(즉 3％）이하의 속도이면 동기화하고, 그 이상에서는 동기화가 어려운 것이 판명된다.

마찬가지로 하여, 150W기에 대해서도 계산한다.

이 계산결과로부터, ω₁/ω₀의 값이 약 0.01pu(즉 1％)의 속도에서도 동기화가 어려운 것이 판명된다.

4) 동기시동이 가능한 조건

이상의 계산결과에 의해, 동기시동 가능한 조건으로는, 전원으로부터 어떤 일정 저주파수(ω₁에 대응)의 전압을 ＰＭＳＭ에 인가하고, 흘러나온 전류에 의해 ＰＭＳＭ에 공급되는 토크 및 에너지가, 어떤 기간 내에서 ＧＤ²를 포함시켜 ω₁까지 도달하기 위해 필요한 회전자 에너지를 상회(上回)하고, 여유를 갖고 공급할 수 있는 것인가가 판명된다.

상기 200W기에서는, ω₁이 0.03pu(즉 3％）이내로 ω₁을 고정해 두면, 동기화가 가능하다.

한편, 150W기의 ω₁은 0.01pu(즉 1％）이하로, 동기화 범위가 좁고 안정한 동기화가 어려우므로, 이 경우는 전원전압 Ｖ를 증가시킴으로써 안정한 시동이 가능하게 된다.

따라서 안정하게 동기화시키기 위해서는, ＰＭＳＭ의 저항값을 작게 하는, 또는 전원전압을 허용할 수 있는 범위에서 높이는 등의 방법이 고려되지만, 이들은 [모터 가격+인버터 가격]＝총 비용으로 보지 않으면 안 된다. ＰＭＳＭ의 체격을 크게 하여 저항값을 내릴지, 인버터장치에 여유를 마련하는 편이 좋을지의 판단은 중요하지만, 사용조건 등에 따라 선택하면 된다.

상기 예는 １Ｃ１Ｍ(1대의 인버터장치로 1대의 ＰＭＳＭ을 시동)의 경우이며, １ＣＸＭ(1대의 인버터장치로 2대 이상의 ＰＭＳＭ을 시동)의 경우, Ｘ대끼리의 동기화 문제가 추가되므로 더더욱 여유가 필요하게 된다.

이상 1)∼4)에 나타낸 시동방법에 의하면, ＰＭＳＭ에 센서는 필요 없고(센서리스), 3상용(三相用)의 인버터장치의 출력 주파수의 전압·전류를 저주파 상태 (수 %이하, 주로는 3％ 이하)로 수 초간의 일정시간 ＰＭＳＭ에 인가하면, 도 2에 나타낸 바와 같이 2대 이상의 ＰＭＳＭ에서도 전원(電源)에 동기화하는 것이 가능하게 되며, 그 후 인버터장치의 전원 주파수를 올림으로써 고속의 정격회전속도까지 동기된 그대로 상승시킬 수 있는 것으로 된다.

실시예 2

다음에 동기시동방법의 제 2 실시예를 설명한다. 도 3에 나타낸 바와 같이 3상 코일 중, 우선 2상(二相)의 코일(도면에서는 ＵＶ 사이)에 직류 전류를 흘려보내고, 그에 의해 발생하는 고정자 자축(磁軸)(회전하지 않음)에 의해 회전자 자극을 흡인하여 자축을 맞춰서 동기화하고, 다음에 통상의 인버터장치와 같이 ＶＷ 사이, ＷＵ 사이와 위상전환을 행하여, 주파수를 올려가도록 한 것이다.

이 경우도 최초의 자극(磁極)을 자축에 맞추기 위해서는 수 초의 일정시간 △t(회전자가 고유진동에 의해 진동하면서 동기화하여 안정화할 때까지)이 필요하다.

도 3은 1대의 ＰＭＳＭ에 대한 것이며, 이 방법을 2대 이상 Ｘ대의 ＰＭＳＭ의 시동에 대해서 적용하는 경우는, 동기화 조건은 다소 엄격한 것이 되지만, ＰＭＳＭ의 저항값·ＧＤ²·인가전압 등을 검토함으로써 확실한 동기화를 달성할 수 있는 것이다. 제 1, 제 2 실시예의 어느 쪽 동기시동방법을 선택할지는, 제어방식 및 대(臺) 수를 포함한 전체 밸런스의 검토에 의해 결정하면 좋은 것이다.

１ＣＸＭ(1대의 인버터장치로 Ｘ대)에서 ＰＭＳＭ을 시동하는 경우, 상술한 바와 같이, 동시(同時) 시동의 가부를 결정하는 제일의 요소는 ＰＭＳＭ의 전기자 저항값이며, 다음에 ＧＤ², 전원전압이 영향을 준다. 즉 2대 이상의 ＰＭＳＭ을 동시에 시동시키는 경우, 그들의 저항값에 여유를 가지게 함과 동시에, 인버터장치에 의해 공급하는 전압 및 주파수(저전압, 저주파수) 및 그 보유기간을 천천히 유지함으로써 시동 전류(동기화 전류)가 ＰＭＳＭ에 흘러들어, 2 대의 경우는 2대를 동시에 시동하여 완전히 동기화시키는 것이 중요하게 된다. 이 동기화가 완전히 실시되면, 더더욱 전원 주파수를 올려서 ＰＭＳＭ의 회전속도를 증가시켜 가는 과정에서는, 서로 동기화력(同期化力)이 작용하므로 안정(安定)하여 상승하는 것이 된다. 이 상승과정 및 정격회전속도 도달 후의 운전제어는 ＰＭＳＭ의 전압 및 주파수의 검출에 의한 폐 루프(closed loop) 제어로 전환함에 의해 안정한 운전이 가능하다. 그리고 단일 인버터장치에 의해 2대 이상의 ＰＭＳＭ을 확실하게 시동시킬 수 있으므로, 센서리스 ＰＭＳＭ의 가격을 포함시켜 전체의 가격을 대폭으로 절감할 수 있는 것으로 된다.

실시예 3

센서리스 ＰＭＳＭ이 사용되고 있는 장소가 예를 들면 큰 공기조절설비 등인 경우, ＰＭＳＭ에 직결된 부하는 송풍 팬이며, 어떤 ＰＭＳＭ의 세트(단일 인버터장치에 의해 가동하는 2대 이상의 ＰＭＳＭ)를 정지하기 위해 전원을 끄면, 운전 중인 다른 송풍 팬이 만들어 내는 양압환경(陽壓環境)의 영향으로 정지한 송풍 팬에 압력이 가해져, 통상과는 반대인 역회전으로 도는 것이 된다. 그 회전속도는 정격회전속도의 40％에도 달하는 것이 있다.

본 발명은, 그러한 역회전 시의 상황에서, 2대 이상의 센서리스 ＰＭＳＭ의 경우에도 확실하게 단일(單一) 인버터 전원과 동기화시켜, 안정하여 시동시키는 방법을 제안하는 것이다.

2 대의 송풍 팬이 각각 별개 전원(각각의 인버터장치)의 것이라면 달랐던 회전속도(예를 들면 한쪽은 -Ｎ_３min^-1, 다른 쪽은 -Ｎ₄min^-1)로 회전하는 곳, １Ｃ１Ｍ의 경우는 양ＰＭＳＭ의 각(各) 상(相)의 코일 사이를 접속해 두는 것으로, 역회전에 의해 생기게 하는 양ＰＭＳＭ 사이로 흘려보내는 전류에 의해 발전 제동이 발생하고, 2대의 ＰＭＳＭ을 양ＰＭＳＭ의 각각의 회전의 거의 중간인 -Ｎ₅min^-1이라고 하는 동일 회전속도로 동기(同期)한 상태로 하여, 즉 두 개의 ＰＭＳＭ을 한 개의 ＰＭＳＭ으로 보고 정할 수 있는 상태로 할 수 있다.

이 상태에서 ＰＭＳＭ으로부터 발생하는 전압·주파수를 검지하고, ＩＧＢＴ회로로부터 그에 대응한 전압을 인가함으로써 2대의 ＰＭＳＭ을 동시에 동기화시켜서, 회전을 -Ｎ₅min^-1(역회전)∼Omin^-1(정지)∼Ｎ₀min^-1(정격회전속도)로 상승시킬 수 있다.

더욱 상세하게 설명하면, 2대의 ＰＭＳＭ (a) (b)의 경우(１Ｃ１Ｍ), ＩＧＢＴ회로로부터의 출력 단자(端子)에 양ＰＭＳＭ의 3상의 단자를 각각 접속해 두는 것이다. 그래서 이 세트를 어떠한 이유로 정지하기 위해 ＩＧＢＴ회로의 출력을 끊으면, ＰＭＳＭ (a) (b)는 Ｎ₀min^-1(정격회전속도)∼Omin^-1(정지)∼역회전이 되지만, 양기(兩機)는 전기적으로 접속되어 있으므로, 역회전한 경우에도 동기상태를 유지하여, -Ｎ₅min^-1의 동일 회전속도로 도는 것이 된다. 만약, 양ＰＭＳＭ 사이에 접속이 없고 단독(單獨)인 운전의 경우, ＰＭＳＭ (a) (b)는 각(各) 팬 특성 등의 차이에 의해 각각 -Ｎ₃min^-1, -Ｎ₄min^-1의 달라진 회전속도로 도는 것으로 되지만, 전기적으로 접속했을 경우는 제동(制動) 전류가 흐르므로 전기제동 토크가 작용하여, -Ｎ₃min^-1과 -Ｎ₄min^-1의 중간인 -Ｎ₅min^-1의 회전속도로 동기(同期)하여 회전하는 것이 된다.

따라서, 전원(電源) 기반(基盤)으로부터 그때의 ＰＭＳＭ의 발생 전압 및 주파수(ＰＭＳＭ은 발전기로서 작용)를 검지(檢知)하고, 인버터장치는 그 전압 Ｖ_５에 대응한 역회전 자계의 3상 전압과 주파수를 인가하여 소정의 전류를 흘려보내서 전원과 동기화시키고, 그 후 전원의 2상을 전환하여 정방향의 회전자계로 함으로써 Omin^-1의 상태까지 이행할 수 있는 것이다.

이상의 프로세스에서, 역회전하고 있는 상태로부터의 센서리스 ＰＭＳＭ의 시동이 가능해진다. 이것은 ＰＭＳＭ이 1대뿐만 아니라, 다수 대의 ＰＭＳＭ에서도 가능해지는 것이 큰 특징이다.

이 역회전 시에 있어서의 동기화 현상은 Omin^-1 때부터의 시동 시의 동기화 현상과 거의 유사해 있다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 시계방향으로 정회전 방향을 잡으면, 역회전 방향은 반 시계방향이 되고, ＰＭＳＭ 2대의 경우는 상술한 바와 같이 동기하여 -Ｎ₅min^-1로 도는 역회전 자계를 만들어 내고 있으므로, 고정자 코일로 유기(誘起)하는 주파수 f₅는

f₅=ＰＮ_５/120 (㎐) (Ｐ는 극수(極數))

이 되고,

ω₅=2πf₅

이므로, 코일 단자에서 검출한 주파수로부터 구한 각속도ω₅에 대해, 인버터장치에서 인가하는 전원으로서는 역회전 자계에서 각속도ω₅±(0∼ω₁)의 범위이면 동기화가 가능한 것이 판명된다. ω₁은 동기화 허용 각속도다. 실제로는 ω₅±△ω₁ (△ω₁＜ω₁)의 각속도를 인가하여, 보다 동기화를 용이하고 또한 확실하게 하는 것이 중요하다. 인가전압은 당연 1)에서 설명한 동기화에 필요한 전류를 흘려보낼 수 있는 전압이 된다(도 5의 벡터를 참조).

도 4의 (b)는 동기화 시의 인버터장치의 출력의 역회전 자계를 발생하는 전류의 방향을 나타내는 것이다. 따라서 동기화 후는 곧 도 4의 (c)과 같이 Ｖ, Ｗ상(相)을 교체함으로써 정방향 회전자계로 변경하여 회전속도를 -Ｎ₅min^-1에서부터 Omin^-1까지 되돌리는 것이다. 다수 대의 ＰＭＳＭ에서도 용이하고 또한 확실하게 상기 프로세스를 행할 수 있는 것이 된다. Omin^-1로부터의 시동은 1)에서 설명한 동기시동방법을 적용하는 것이다.

실시예 4

본 실시예에서는 정격회전속도의 70％이하의 회전속도 시의 안정화 대책으로서의 제어방법에 대해 설명한다.

회전속도가 정격회전속도보다 저하하면, 특히 송풍 팬 등의 부하의 경우, 그 부하 토크는 회전속도의 2승에 비례해서 저하한다. 따라서 ＰＭＳＭ이 필요로 하는 전류도 토크에 비례하여 저감해 가는 것이 된다. 이것은 ＰＭＳＭ의 내부 상 차이각 δ가 작아지는 것을 의미하고 있어, １ＣＸＭ의 경우에 2대 이상의 ＰＭＳＭ이 1대의 인버터 전원에 접속되어 있으면, 전류값이 대폭으로 저감한 상태에서 각각의 송풍 팬 부하의 약간의 특성 차이에 의한 내부 상 차이각의 차이로 기인하는 진동이 발생하여, 안정한 운전을 할 수 없는 현상이 발생하는 것이다. 그래서 동기 운전 중인 2대 이상의 ＰＭＳＭ의 전압·주파수·전류값을 인버터장치의 ＩＧＢＴ(lnsulated Gate Bipolar Transistor)회로의 출력측에서 검출하여, 인버터장치에서 공급하는 전류의 위상을 ＰＭＳＭ의 발생 전압보다 15°이상의 앞선 위상(進相)으로 하여 내부 상 차이각δ을 크게 함으로써 전류를 증가해서, 2대 이상의 ＰＭＳＭ을 진동(振動)·난조(亂調)·탈조(脫調) 등을 발생시키지 않고 운전하도록 한 것이다.

일반적으로 정격운전 시(정격회전속도)에 있어서는, ＰＭＳＭ을 가장 효율적으로 운전하기 위해 직축전류(直軸電流) Ｉｄ=0 제어(모터 발생 전압과 전류의 위상을 같은 위상으로 하는 제어)를 채용하는 것이 많다. 이 경우 전류가 최소값이 되므로, 2대 이상의 병렬운전인 경우, 상기한 바와 같이 회전속도를 저하시켜서 운전할 때는 진동 또는 난조로 되는 가능성이 커지는 것이다. 이것을 개선하기 위해 전류의 위상각(位相角)을 발생 전압보다 앞으로 나아가게 하면, 내부 상 차이각δ가 δ+△δ로 커지게 되고, 또 전류값도 커지므로, 부하 특성의 차이에 의해 생기는 양ＰＭＳＭ(2대의 경우)의 유효전류의 출입이 Ｉ²Ｒ손실의 증가 등에 의해서 저감되어, 진동 또는 난조를 억제할 수 있는 것이 된다. 앞선 위상각(進相角)은 15°이상, 바람직하게는 20°이상으로 함으로써 안정한 억제효과를 기대할 수 있는 것이 된다.

실시예 5

본 실시예에서는 고장 시 등에 ＰＭＳＭ을 안전하게 정지하는 방법에 대하여 설명한다.

ＰＭＳＭ의 회전속도에 대응하여 발생하는 주파수의 전압·전류를 인버터장치의 ＩＧＢＴ회로에서 검출함과 동시에, 동기 운전 중인 2대 이상의 ＰＭＳＭ 중 1대가 고장 등으로 동기속도로부터 탈조(脫調)하여 회전속도가 저하했을 때에 발생하는 다른 주파수의 전류를 ＩＧＢＴ회로에서 검출해서 인버터장치의 출력을 차단하고, 다른 한편으로는 건전한 ＰＭＳＭ의 회전을 안전하게 정지하도록 한 것이다.

예를 들면 2대의 ＰＭＳＭ의 운전 시에, 그 중 1대가 축받이(軸受) 손상 등으로 동기속도로부터 탈조하여 정지(停止)를 향해 회전속도가 저하하면, ＰＭＳＭ은 그 회전속도에 대응한 주파수의 전압을 발생하고, 그 전류는 인버터장치의 ＩＧＢＴ회로 및 다른 1대에 다른 주파수의 전류로서 흐르므로, 이 전류를 ＩＧＢＴ회로의 출력측에서 검지하여, 인버터장치의 출력을 끊으면, 이 세트를 안전하게 정지시킬 수 있는 것이 된다. 또한, 상기 고장기(故障機)의 1대가 조기에 완전히 정지하면 ＩＧＢＴ회로로부터 큰 전류가 흐르므로, ＯＣＲ(Over Current Relay)회로로 정지시킬 수도 있다.

본 발명의 제어방법은 2대 이상의 센서리스 ＰＭＳＭ을 사용하는 환경에서 신뢰성이 높고 구성용이(構成容易)로 하면서 또한 비용 절감의 장점을 갖고 널리 이용할 수 있는 것이다.

본 발명은, 간이(簡易)한 제어방법에 의해, 단일 인버터장치로 2대 이상의 센서리스 ＰＭＳＭ을 동기시동(同期始動)에서부터 연속운전까지 제어할 수 있도록 한 것이므로, 대폭적인 비용 절감을 꾀할 수 있다고 하는 효과를 생기게 한다.

2 대 이상을 포함하는 센서리스 ＰＭＳＭ을 역회전 상태로부터 시동할 수 있다고 하는 효과를 생기게 한다.

센서리스 ＰＭＳＭ의 정격회전보다도 저속(低速)인 회전 시에 있어서의 진동 등의 발생을 방지하여 안정하면서 또한 정숙한 저속운전을 실현할 수 있다고 하는 효과를 생기게 한다.

센서리스 ＰＭＳＭ의 고장 등에 있어서의 이상한(비정상적인) 회전상태를 검지(檢知)하고 제어해서 정지(停止) 등을 안전 속에 행할 수 있다고 하는 효과를 생기게 한다.

Claims (5)

1. 3상(三相) 교류 전원을 동력으로 하는 2대 이상의 센서리스(sensorless) 영구자석 동기 전동기(ＰＭＳＭ)를 단일 인버터장치에 병렬 접속하고, 그 2대 이상의 ＰＭＳＭ의 시동시에 그 인버터장치로부터 그 ＰＭＳＭ의 정격주파수의 1 내지 3% 내의 초저주파의 3상 교류 전류를 수초 동안 인가하여 그 2대 이상의 ＰＭＳＭ을 확실하게 저회전 및 동기시동시킨 후, 그 인버터장치에 의해 전원 주파수를 그 2대 이상의 ＰＭＳＭ의 정격주파수까지 점차 높게 함으로써 그 ＰＭＳＭ의 동기화 실패에 따른 회전 불능을 회피하고 정격회전(定格回轉)에 도달시키도록 한 것을 특징으로 하는 단일 인버터장치에 병렬 접속하는 2대 이상의 3상 교류 전원을 동력으로 하는 센서리스 영구자석 동기 전동기의 제어방법.
2. 단일 인버터장치에 병렬 접속한 2대 이상의 ＰＭＳＭ의 3상 코일 사이를 각 상(相)마다 접속하고, 해당 ＰＭＳＭ 사이에 전기 제동(制動) 전류를 발생시킴으로써 모든 ＰＭＳＭ을 역회전 상태로 동일 회전속도로 동기화시키고, 그 동기(同期)된 회전속도에서의 ＰＭＳＭ의 발생 전압·주파수를 검지하여, 모든 ＰＭＳＭ 동기화 시의 회전속도에 대응하는 각속도±허용 각속도의 주파수의 전압·전류를 인버터장치로부터 인가함으로써 전원과 동기화시킨 후, 정지상태를 사이에 두고서 정회전(正回轉) 방향의 회전자계(回轉磁界)로 전환함으로써 정격회전에 도달하도록 한 역회전 상태로부터의 센서리스 영구자석 동기 전동기의 제어방법.
3. 단일 인버터장치에 병렬 접속하여 동기운전(同期運轉) 중인 2대 이상의 ＰＭＳＭ의 회전속도를 저하시켜 부하(負荷) 토크(torque)가 저감한 상태로 운전할 때에, 발생하는 전압·주파수 및 전류값을 인버터장치의 ＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)회로의 출력 측에서 검출하고, 그 인버터장치에서 공급하는 전류의 위상(位相)을 상기 ＰＭＳＭ의 발생 전압보다 15° 내지 20°의 앞선 위상(進相)으로 하여 내부 상(相) 차이각(差角) δ을 크게 함으로써 2대 이상의 ＰＭＳＭ을 진동·난조(亂調)·탈조(脫調)를 발생시키지 않고 운전하도록 한 센서리스 영구자석 동기 전동기의 제어방법.
4. ＰＭＳＭ의 회전속도에 대응하여 발생하는 주파수·전압·전류를 인버터장치의 ＩＧＢＴ회로에서 검출함과 아울러 이상(異常)을 발생한 ＰＭＳＭ으로부터 발생하는 다른 주파수의 전압·전류를 ＩＧＢＴ회로에서 검출하도록 하고, 단일 인버터장치에 병렬 접속하여 동기운전 중인 2대 이상의 ＰＭＳＭ 중 1대가 고장(故障)으로 동기속도로부터 탈조(脫調)해서 회전속도가 저하한 때에 발생하는 이상(異常) 주파수의 전류를 그 ＩＧＢＴ회로에서 검출하여 그 인버터장치의 출력을 차단하고, 건전한 ＰＭＳＭ의 회전을 안전하게 정지하도록 한 센서리스 영구자석 동기 전동기의 제어방법.
5. 삭제

Images