KR101455782B1 - 교류 전동기용 아크 없는 위상제어 회로 - Google Patents

교류 전동기용 아크 없는 위상제어 회로 Download PDF

Info

Publication number
KR101455782B1
KR101455782B1 KR1020130093819A KR20130093819A KR101455782B1 KR 101455782 B1 KR101455782 B1 KR 101455782B1 KR 1020130093819 A KR1020130093819 A KR 1020130093819A KR 20130093819 A KR20130093819 A KR 20130093819A KR 101455782 B1 KR101455782 B1 KR 101455782B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
triac
voltage
motor
speed
input terminal
Prior art date
Application number
KR1020130093819A
Other languages
English (en)
Inventor
김영준
Original Assignee
김영준
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 김영준 filed Critical 김영준
Priority to KR1020130093819A priority Critical patent/KR101455782B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101455782B1 publication Critical patent/KR101455782B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P1/00—Arrangements for starting electric motors or dynamo-electric converters
    • H02P1/16—Arrangements for starting electric motors or dynamo-electric converters for starting dynamo-electric motors or dynamo-electric converters
    • H02P1/24—Arrangements for starting electric motors or dynamo-electric converters for starting dynamo-electric motors or dynamo-electric converters for starting an individual ac commutator motor
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P27/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage
    • H02P27/04—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P29/00—Arrangements for regulating or controlling electric motors, appropriate for both AC and DC motors
    • H02P29/02—Providing protection against overload without automatic interruption of supply
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H7/00—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions
    • H02H7/08—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for dynamo-electric motors
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P1/00—Arrangements for starting electric motors or dynamo-electric converters
    • H02P1/02—Details of starting control
    • H02P1/04—Means for controlling progress of starting sequence in dependence upon time or upon current, speed, or other motor parameter
    • H02P1/10—Manually-operated on/off switch controlling relays or contactors operating sequentially for starting a motor

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Control Of Ac Motors In General (AREA)

Abstract

본 발명은 부하변동에 따른 에너지 절감효과 및 과부하 보호기능을 추가하여 전기적 안정성은 물론 비용절감 측면에서도 효율적인 교류 전동기용 아크 없는 위상제어 회로에 관한 것이다. 본 발명의 회로는, 교류전원의 일단을 전동기에 연결하기 위한 제1 릴레이; 기동 시나 트라이악 모드에서 교류전원의 타단을 전동기에 연결하기 위한 트라이악; 상기 트라이악과 병렬로 연결되어 정상상태에서 교류전원의 타단을 전동기에 연결하기 위한 제2 릴레이; 라인전압을 감지하여 제1 입력단으로 출력하는 전압 감지부; 인가전류를 감지하여 제2 입력단으로 출력하는 전류 감지부; 전동기에 유기된 속도전압을 감지하여 제3 입력단으로 출력하는 속도전압 감지부; 라인전압의 영점을 검출하여 제4 입력단으로 출력하는 영점 검출부; 및 상기 제1 내지 제4 입력단으로부터 라인전압과 인가전류, 영점, 유기전압을 입력받아 기동시에 트라이악을 상용주파수의 반주기 마다 위상제어하여 소프트 기동시키고 정상상태에 도달하면 영점에서 상기 제2 릴레이로 스위칭한 후 상기 트라이악을 오프시키며, 트라이악 모드에서 상기 트라이악을 위상제어하여 에너지 절감과 속도제어 절차를 수행하는 컨트롤러로 구성된다.

Description

교류 전동기용 아크 없는 위상제어 회로{Arc Free Phase Control Alternatives for AC Motor Starter}
본 발명은 교류 전동기의 제어회로에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 부하변동에 따른 에너지 절감 효과 및 과부하 보호기능을 추가하여 전기적 안정성은 물론 비용절감 측면에서도 효율적인 교류 전동기용 아크 없는 위상제어 회로에 관한 것이다.
일반적으로, 교류 전동기의 기동용 개폐회로는 코일 전자기력을 이용한 것으로 접점용량에 따라 전자 릴레이 또는 전자 접촉기가 주로 사용되나 최근에는 반도체 소자를 이용하여 접점 마모를 제한하는 무 접점 반도체 릴레이(Solid State Relay)가 사용되기도 한다. 기동용 개폐회로에 단락 보호용 차단기와 과부하 보호기를 직렬로 연결하여 전동기용 기동회로(motor starter)를 구성하는데, 에너지 효율을 높이기 위하여 속도제어(Speed Control) 기능을 내장하여 인버터 회로를 대체하여 사용하는 경우도 있다.
또한 전동기의 기동전류는 대개 정격전류의 7~8배이므로 개폐회로의 접점용량도 기동전류에 맞추어 높게 설계해야 하고, 잦은 기동/정지 시에는 전동기 코일의 과열 발생 여지가 커져 기동 특성이 감소하는 것을 고려해야 한다. 반면 반도체 접점을 이용하는 반도체 릴레이(Solid State Relay)는 기동전류 제어는 가능하나 전동기의 운전 중에는 반도체 소자의 자체 발열로 인한 전력소모가 발생하고, 고장 시 단락상태가 되면 고장 전류로 인해 회로가 손상될 여지가 높다.
또한 전동기용 과전류 보호기나 단락전류 보호용 차단기는 개폐기와 분리되어 적용되므로 추가적인 비용상승이 발생하게 되는데, 이를 낮추기 위한 회로의 단순화 설계가 매우 어렵고, 열동형 보호 소자의 특성상 사용환경에 따라 그 동작특성이 불안정한 단점이 있다.
그리고 반도체 소자를 이용한 구동전압 위상제어 회로는 그 설계가 간단한 반면, 팬(FAN), 펌프, 컴프레서와 같은 가변속도 변동 부하형(Variable speed - Variable load) 부하에서는 정격속도 이하 운전 시, 인버터(Variable Frequency Drive)와 같은 에너지 효율을 보장하기 어렵고, 특히 낮은 속도에서의 제어가 어렵다는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점들을 해소하기 위하여 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 반도체 접점을 이용한 구동전압 위상제어(AC phase control, AC chopper)를 통해 미리 정해진 기동시간 또는 전동기의 속도에 따라 구동전압을 점진적으로 인가하여 기동전류를 제한하고, 기동이 완료되면 반도체 접점과 병렬로 연결된 릴레이 접점을 구동하여 접점 이동 시 발생하는 전기적 아크(Electric spark/flash)를 제한할 수 있으며, 개폐기 제어회로와 과전류 감지 및 과부하 보호기능을 디지털 회로를 통해 일체형으로 설계하여 비용을 절감할 수 있고, 부하 변동 시에도 에너지 효율을 높이고, 낮은 속도에서도 정밀한 속도 제어가 가능하도록 제어회로의 위상제어 주기를 확장할 수 있는 교류 전동기용 아크 없는 위상제어 회로를 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 장치는, 교류전원의 일단을 전동기에 연결하기 위한 제1 릴레이; 기동 시나 트라이악 모드에서 교류전원의 타단을 전동기에 연결하기 위한 트라이악; 상기 트라이악과 병렬로 연결되어 정상상태에서 교류전원의 타단을 전동기에 연결하기 위한 제2 릴레이; 라인전압을 감지하여 제1 입력단으로 출력하는 전압 감지부; 인가전류를 감지하여 제2 입력단으로 출력하는 전류 감지부; 전동기에 유기된 속도전압을 감지하여 제3 입력단으로 출력하는 속도전압 감지부; 라인전압의 영점을 검출하여 제4 입력단으로 출력하는 영점 검출부; 및 상기 제1 내지 제4 입력단으로부터 라인전압과 인가전류, 영점, 유기전압을 입력받아 기동시에 트라이악을 상용주파수의 반주기 마다 위상제어하여 소프트 기동시키고 정상상태에 도달하면 영점에서 상기 제2 릴레이로 스위칭한 후 상기 트라이악을 오프시키며, 트라이악 모드에서 상기 트라이악을 위상제어하여 에너지 절감과 속도제어 절차를 수행하는 컨트롤러를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 컨트롤러는 기동시에 위상 지연 시간(Phase delay)을 점차 줄여감으로써 소프트 기동을 하다가 0점에서 스위칭이 이루어지게 하여 기동시에는 트라이악(TRIAC)을 통해 기동전류(Start Current)가 흐르고, 정상 동작시에는 제2 릴레이 접점을 통해 동작 전류(Run Current)가 흐르게 하고, 트라이악(TRIAC) 모드인지를 판단하여 트라이악 모드일 경우에 트라이악 오프(TRIAC Off) 시간동안 전동기 코일 유기전압을 제3 입력단으로 입력받고, 인가전류는 제2 입력단으로 입력받아, 전동기의 속도를 연산하고, 설정된 유기전압과 비교하여, 일정하게 유지하도록 위상 차 제어 방식을 통해 인가전압의 크기를 가변하는 것이다.
또한 상기 컨트롤러는 트라이악 모드에서 전동기의 속도를 연산하여 저속일 경우에는 트라이악(TRIAC)을 통한 인가전압 위상 제어 시 제어주기를 상용 주파수(60Hz)의 1/3배(20Hz), 1/5배(12Hz)로 속도에 따라 가변하되, 전동기 토크를 높이기 위해 전압, 전류 간의 위상 차(Phase delay time)는 감소시켜 인가전압 및 인가전류의 크기를 높이는 것이다.
본 발명에 따른 교류 전동기용 아크 없는 위상제어 회로는 반도체 접점을 이용한 구동전압 위상제어(AC phase control, AC chopper)를 통해 기동전류를 제한하여 계전기의 정격용량을 낮춰 비용을 절감할 수 있고, 기동이 완료되면 반도체 접점과 병렬로 연결된 릴레이 접점을 구동하여 접점 이동 시 발생하는 전기적 아크(Electric spark/flash)를 방지할 수 있다.
또한 본 발명에 따르면, 개폐기 제어회로와 과전류 감지 및 과부하 보호기능을 디지털 회로를 통해 일체형으로 설계하여 비용을 절감할 수 있고, 부하 변동 시에도 에너지 효율을 높이고, 낮은 속도에서도 제어회로의 위상제어 주기를 확장하여 인가전압을 높임으로써 정밀한 속도 제어가 가능한 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 교류 전동기용 아크 없는 위상제어 회로를 도시한 회로도,
도 2는 본 발명을 3상 교류 전동기에 구현할 경우를 설명하기 위한 개략도,
도 3은 본 발명에 따라 위상제어를 통해 전동기를 기동하는 절차를 도시한 순서도,
도 4는 본 발명에 따라 전동기를 정지하는 절차를 도시한 순서도,
도 5는 본 발명에 따라 과전류로부터 전동기를 보호하는 절차를 도시한 순서도,
도 6은 본 발명에 따라 과부하로부터 전동기를 보호하는 절차를 도시한 순서도,
도 7은 본 발명에 따라 변동부하에서 에너지를 절감하는 절차를 도시한 순서도,
도 8은 본 발명에 따라 전동기의 속도를 제어하는 절차를 도시한 순서도,
도 9는 본 발명에 따른 위상제어 개념을 설명하기 위한 전압/전류 파형도,
도 10은 본 발명에 따른 위상제어시 전류의 흐름과 위상지연을 설명하기 위한 도면,
도 11은 본 발명에 따른 영점 스위칭 동작을 설명하기 위한 도면,
도 12는 본 발명에 따른 과전류 보호동작을 설명하기 위한 동작 파형도,
도 13은 본 발명에 따른 과부하 보호동작을 설명하기 위한 동작 파형도,
도 14는 본 발명에 따른 부하변동시 에너지 절감을 설명하기 위한 파형도,
도 15는 본 발명에 따른 부하변동시 실효 전압을 설명하기 위한 파형도,
도 16은 본 발명에 따른 부하변동시 에너지 절감 효과를 설명하기 위한 그래프,
도 17 내지 도 20은 본 발명에 따른 전동기 속도제어를 설명하기 위한 그래프이다.
본 발명과 본 발명의 실시에 의해 달성되는 기술적 과제는 다음에서 설명하는 본 발명의 바람직한 실시예들에 의하여 보다 명확해질 것이다. 다음의 실시예들은 단지 본 발명을 설명하기 위하여 예시된 것에 불과하며, 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것은 아니다.
도 1은 본 발명에 따른 교류 전동기용 아크 없는 위상제어 회로를 도시한 회로도이고, 도 2는 본 발명을 3상 교류 전동기에 구현할 경우를 설명하기 위한 개략도이다.
본 발명에 따른 교류 전동기용 아크 없는 위상제어 회로는 반도체 릴레이인 트라이악(TRIAC)과 병렬로 연결된 기계식 릴레이(RLY2)의 계전기 조합을 이용하여 도 1에 도시된 바와 같이 단상 교류 전동기(30)에 적용하거나 도 2에 도시된 바와 같이 제1 계전기 조합(42)과 제2 계전기 조합(44)을 통해 삼상 교류전동기(40)에 적용할 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예에서는 부하로서 단상 교류 전동기를 이용하였으나 본 발명은 삼상 교류 전동기는 물론 타 기동 및 운전특성이 상이한 대부분의 교류용 기기에 적용될 수 있다.
본 발명에 따른 교류 전동기용 아크 없는 위상제어 회로는 도 1에 도시된 바와 같이, 교류전원의 일단을 전동기(30)에 연결하기 위한 제1 릴레이(RLY1)와, 기동 시나 트라이악 모드에서 교류전원의 타단을 전동기(30)에 연결하기 위한 트라이악(TRIAC)과, 트라이악(TRIAC)과 병렬로 연결되어 정상상태에서 교류전원의 타단을 전동기(30)에 연결하기 위한 제2 릴레이(RLY2)와, 라인전압을 감지하여 제1 입력단(IN1)으로 출력하는 전압 감지부와, 인가전류를 감지하여 제2 입력단(IN2)으로 출력하는 전류감지부(11)와, 전동기(30)에 유기된 속도전압을 감지하여 제3 입력단(IN3)으로 출력하는 속도전압 감지부(13)와, 라인전압의 영점(Zero cross)을 검출하여 제4 입력단(IN4)으로 출력하는 영점 검출부(12)와, 제1 내지 제4 입력단(IN1~IN4)으로부터 라인전압과 인가전류, 영점, 유기전압을 입력받아 기동 시에 트라이악을 상용 주파수의 반주기 마다 위상제어하여 소프트 기동시키고 정상상태에 도달하면 영점에서 제2 릴레이(RLY2)로 스위칭한 후 트라이악을 오프시키며 트라이악 모드에서 트라이악을 위상제어하여 에너지 절감과 속도제어 절차를 수행하는 컨트롤러(25)로 구성된다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 회로는 교류전원을 전동기(30)에 전달하는 구동회로(10)와, 계전기에 필요한 전원을 공급하는 계전기 전원회로(20)와, 소정의 위상 제어 절차에 따라 전동기(30)를 제어하는 컨트롤러(25;MCU)로 구성된다.
구동회로(10)는 감지저항(Rs)에 강하되는 전압으로 전류를 부하전류를 감지하는 전류감지부(11)와 라인전압의 영점을 검출하는 영점 검출부(12)와 전동기(30) 속도에 비례하여 전동기(30)에 유기되는 유기(속도)전압을 검출하는 속도전압 검출부(13)와, 컨트롤러(25)의 제1 출력신호(OUT1)에 따라 온/오프되는 트라이악(TRIAC), 제2 릴레이(RLY2), 라인전압을 강하시키는 전압강하부(14)와 강하된 전압을 정류하여 컨트롤러(25)에서 필요로 하는 직류전압(VDD)을 제공하는 컨트롤러 전원부로 구성된다.
계전기 전원회로(20)는 A1/A2 단자를 통해 입력되는 교류전원을 전파 정류하는 다이오드브릿지와, 필터와, A1단자를 통한 라인전압을 모니터링할 수 있도록 하는 제1 입력단(IN1), 제1 릴레이 코일(RLY1 COIL), 제2 릴레이코일(RLY2 COIL), 컨트롤러(25)의 제2 출력신호(OUT2)에 따라 제2 릴레이코일(RLY2)을 구동하기 위한 포토카플러(21)로 구성된다.
컨트롤러(25)는 제1 내지 제4 입력단(IN1~IN4)으로부터 입력된 파라메터를 탑재된 소프트웨어의 알고리즘에 따라 처리하여 제1 출력신호(OUT1)와 제2 출력신호(OUT2)를 통해 도 3 내지 도 8에 도시된 바와 같은 각종 제어절차를 실행한다.
이어서, 컨트롤러(25)의 제어 알고리즘에 따라 처리되는 주요 기능을 항목별로 구분하여 설명하면 다음과 같다.
가. 아크 없는 개폐용 접점
도 3은 본 발명에 따라 위상제어를 통해 전동기를 기동하는 절차를 도시한 순서도이고, 도 4는 본 발명에 따라 전동기를 정지하는 절차를 도시한 순서도이다.
또한 도 9는 본 발명에 따른 위상제어 개념을 설명하기 위한 전압/전류 파형도이고, 도 10은 본 발명에 따른 위상제어시 전류의 흐름과 위상지연을 설명하기 위한 도면이며, 도 11은 본 발명에 따른 영점 스위칭 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 자동 또는 수동 On/Off 스위치에 의해 A1, A2에 전원이 인가(On)되면, 제1 릴레이 코일(RLY1 COIL)에 코일전압(24V DC)이 인가되고, 제1 릴레이 접점(RLY1)이 On 상태가 되면, RC 전압강하 회로(14)를 거쳐 MCU(25)에 전원(VDD, GND)이 인가된다(S101~S103).
MCU(25)는 제1 입력단(In1) 신호를 입력받아 내부 ADC(Analog-to-Digital)를 통해 그 크기(라인 전압)를 연산하여 기억하고, 회로 전류의 크기는 전류감지용 저항(Rs, Shunt resistor)의 양단 전압을 전류 감지부(11)를 거쳐 제2 입력단(In2)으로 입력받아 누설 전류 이하인 것을 확인하면, 개폐용 접점인 트라이악(TRIAC)과 제2 릴레이(RLY2) 등이 정상인 것으로 판단한다(S104,S105).
이어 MCU(25)는 제4 입력단(In4) 입력신호를 통해 인가전압의 영점시점 (Zero cross)을 확인하여 제1 출력단(Out1; TRIAC에 Gate 전류)에 On 신호를 반 주기(Half cycle)마다 인가하여 전동기(30)의 기동을 시작한다(S106~S108). 이 때, 도 9에 도시된 바와 같이, 전동기 기동 토크가 부하 토크 이상인 전동기의 경우, 구동 전압과 전동기 전류간의 위상 차(Phase delay)에 반비례하는 전동기 전압(Motor voltage)의 크기를 점차적으로 증가하여(Phase control) 기동 중 회전 가속도를 제어한다.
도 9를 참조하면, 라인전압(Line voltage)의 0전압으로부터 위상지연시간(phase delay time)만큼 지연되어 제1출력단(out1) 신호로 게이트를 구동시키고, 이에 따라 반주기마다 트라이악(TRIAC)이 온되어 모터 전류(Motor current)가 반주기 간격으로 흐르게 되는 것을 알 수 있다.
정격속도 운전모드에서 기동이 완료되어, 전동기의 정격속도가 되면 트라이악(TRIAC)의 발열을 제한하기 위해 병렬로 연결되어 있는 제2 릴레이(RLY2) 접점 제어용 제2출력단(Out2)에 On 신호를 출력한 후 트라이악(TRIAC)을 오프한다(S109~S111). 이 때, 도 10에 도시된 바와 같이, 제2 릴레이(RLY2)의 접점 이동 중(Switch over), 트라이악 게이트(TRIAC Gate) 제어회로인 제1 출력단(Out1)은 온(On) 상태를 출력하므로 제2 릴레이(RLY2) 접점 이동 시 발생하는 전기적 아크는 제한되어 제1 릴레이(RLY1) 및 제2 릴레이(RLY2)의 접점 용량의 축소 설계가 용이해진다.
도 10을 참조하면, 기동시에는 트라이악(TRIAC)을 통해 기동전류(Start Current)가 흐르고, 정상 동작시에는 제2 릴레이 접점을 통해 동작 전류(Run Current)가 흐르게 되며, 기동시에 위상 지연 시간(Phase delay)을 점차 줄여감으로써 소프트 기동을 하다가 0점에서 스위칭이 이루어지는 것을 알 수 있다.
한편, 전동기 정지 시 또는 제1 입력단(In1)의 신호의 이상 발생 시에는 도 4에 도시된 바와 같이, 제4 입력단(IN4)와 제2 입력단(IN2)으로 영점을 체크한 후 TRIAC On -> RLY2 Off -> TRIAC Off -> RLY1 Off 순서로 동작시킨다(S201~S207). 즉, RLY1의 접점 이동 시 RLY2, TRIAC은 Off 상태가 되고, RLY2 접점 이동 시에는 TRIAC은 항상 On 상태를 유지하여 RLY1, RLY2 접점 이동 시 발생하는 아크를 제한할 수 있다. 즉, 본 발명에서는 전동기의 기동 완료 시점까지 기다려 전류용량의 감소를 확인한 후, 제2 릴레이(RLY2) 코일(Coil) 동작시간을 고려하여, 도 11에 도시된 바와 같이 TRIAC 전류의 영점지점에서 RLY2 접점 이동이 발생하도록 Out2 신호를 제어하는 것이다.
나. 구속 전류 보호
도 5는 본 발명에 따라 구속상태에서 과전류로부터 전동기를 보호하는 절차를 도시한 순서도이고, 도 12는 본 발명에 따른 과전류 보호동작을 설명하기 위한 동작 파형도이다.
도 5를 참조하면, MCU(25)는 구속시 회로보호를 위하여 제4 입력단(In4) 입력신호의 0점 지점 통과 시점을 기억한 후 최대허용전류(Ip)와 위상지연시간(Phase delay time, Tg)을 연산하여 제1 출력단(Out1)에 On 신호를 출력하여 트라이악 게이트를 구동(TRIAC Gate On)한다(S401~S404). 그리고 IN2를 통해 전류를 입력받아 과전류라 판단될 경우에는 트라이악을 턴오프시켜 구속시에 과전류로부터 회로를 보호한다(S405~S407).
이와 같이 본 발명에서는 전동기 기동 중에는 초기 수 사이클 동안 또는 운전 중, 인가전압의 위상제어를 통해, 고장 발생 시, 반도체 접점의 최대 허용전류 이하의 과전류 또는 단락전류를 회로에 인가한다. 일반적으로 반도체 접점은 반주기(half cycle) 동안의 과전류에 대한 내구성은 우수하나 최대 허용전류 이상에서 소손 발생 여지가 여전히 높으므로, 이를 보호하기 위하여, 도 12에 도시된 바와 같이, 제4 입력단(In4) 입력신호의 0점 지점 통과 시점을 기억한 후 위상 차(Phase delay time, Tg)를 연산하여 Out1에 On 신호를 출력하고, TRIAC Gate On을 한다.
도 12를 참조하면, 트라이악 최대 허용전류(Non repetitive peak current of TRIAC) Ip는 다음 수학식1과 같은 연산을 통해 구할 수 있다.
Figure 112013071711465-pat00001
여기서, T는 위상지연시간(Phase delay time), Vmax는 최대전압(Peak voltage level), Rw는 내부저항(Inherent (wire) resistance )이다. 그리고 Sin120πTg < (Ip x Rw/Vmax); if Frequency = 60Hz, (1/2)π< Tm<π, or (3/2)π< Tm<2π; 단, 입력 전압 레벨의 절대값이 하강할 때(where absolute values of input voltage level descending)이고, Tm < Tg < π, 혹은 Tm < Tg < 2π이다. 이때 Tg는 게이트 트리거 위상지연시간(Gate trigger phase delay time)이고, Tm은 최소위상지연시간(Minimal gate trigger phase delay time)이다.
다. 과부하 보호
도 6은 본 발명에 따라 과부하로부터 전동기를 보호하는 절차를 도시한 순서도이고, 도 13은 본 발명에 따른 과부하 보호동작을 설명하기 위한 동작 파형도이다.
일반적으로 사용되는 전류 감지 방식의 과부하 보호는 전동기 보호에는 적합하나 전압변동에 전류 값도 영향을 받으므로, 사용환경 및 부하 변동에 따른 시스템 보호에는 불안정할 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 과전류 감지와 더불어 부하의 소모전력을 감지하여 부하변동을 함께 고려하는 과부하 보호 방법을 수행한다.
도 6을 참조하면, 전동기의 운전 중, 내부 MCU(25)는 제2 입력단(In2)을 통해 인가전류를, 제3 입력단(In3)을 통해 인가전압을, 그리고 제4 입력단(In4)을 통해 위상 차를 감지하여 다음 수학식2에 따라 소모전력과 역률을 연산하고, 미리 설정된 과전류 및 소모전력 보호 설정값과 비교하여 설정치 이상일 경우에는 제4 입력단(IN4)와 제2 입력단(IN2)으로 영점을 체크한 후, TRIAC 턴온-> 제2 릴레이 오프(RLY2 Off) -> 트라이악 턴오프(TRIAC Off) 순서로 동작시킨다(S501~S510).
Figure 112013071711465-pat00002
다른 한편, TRIAC 제어모드일 경우, 전동기의 속도연산을 통해 부하상태를 확인하여 보호할 수 있다.
라. 변동 부하 에너지 절감
도 7은 본 발명에 따라 변동부하에서 에너지를 절감하는 절차를 도시한 순서도이고, 도 14는 본 발명에 따른 부하변동시 에너지 절감을 설명하기 위한 파형도이며, 도 15는 본 발명에 따른 부하변동시 실효 전압을 설명하기 위한 파형도이고, 도 16은 본 발명에 따른 부하변동시 에너지 절감 효과를 설명하기 위한 그래프이다.
밸트용 기기와 같이 정격속도에서 부하변동이 있는 경우(Variable load - Constant speed), 에너지 효율을 높이기 위해 TRIAC의 Gate on 주기를 조절하여 인가전압의 크기를 가변하여 전동기의 속도를 일정하게 유지할 수 있다.
외부 속도 감지 센서를 이용하는 것이 일반적이나 이로 인한 비용상승을 제한하기 위한 본 발명의 절차는 도 7에 도시된 바와 같이, 트라이악(TRIAC) 모드인지를 판단하여 트라이악 모드일 경우에 TRIAC Off 시간 동안 전동기 코일 유기전압을 감지회로(Speed/Induced voltage)의 차분기(OPAMP differentiator)를 거쳐 제3 입력단(In3)으로 입력받고, 인가전류는 제2 입력단(In2)으로 입력받아, 전동기의 속도를 연산하고(Sensor less control), 설정된 유기전압과 비교하여, 일정하게 유지하도록 상기 위상 차 제어 방식을 통해 인가전압의 크기를 가변한다(S601~S606).
이때, 유기전압과 모터전류 및 모터전압의 관계는 도 14에 도시된 바와 같고, 전동기 속도(Speed)는 다음 수학식3과 같이 구할 수 있다.
Figure 112013071711465-pat00003
여기서, k는 상수이다.
상기 위상 차 제어를 통한 인가전압의 가변에 따른 전동기 토크 공식은 다음과 같다. 전동기의 토크는 정격운전 또는 미리 설정된 운전속도까지 부하토크보다 크도록 유지함으로, 부하변동 시 전동기 운전속도는 일정하며, 부하토크에 반비례하여 에너지 절감의 비중도 커지게 된다. 위상 차에 따른 반주기(half cycle) 전동기 RMS 전압을 연산하면 다음 수학식4와 같다.
Figure 112013071711465-pat00004
여기서, a는 트라이악 트리거 타임(Triac trigger time)이고, b = 1/120, at 60Hz이다.
또한, 전동기 회전 자기장의 세기(Magnetic field, ∮m)는 다음 표1과 같이 인가전압에 비례하는 고정자 자기장(Stator magnetic field, ∮s)과 회전자 자기장(Rotor magnetic field, ∮r)간의 상호작용(Interaction, ∮i)에 비례한다.
∮s = Vrms ＊ (b-a),
∮r = k ∮s,
∮i ≒ k . (∮s)2, since k is constant
∮m ≒ (∮s)2.△L, where L = Motor length
Motor Torque ≒ (Vrms . (b-a))2, since △L is constant, Motor Torque ≒ ∮m
이와 같은 본 발명의 방법에 따르면, 도 16에 도시된 바와 같이 에너지를 절감할 수 있다.
마. 전동기 속도제어
도 8은 본 발명에 따라 전동기의 속도를 제어하는 절차를 도시한 순서도이고, 도 17 내지 도 20은 본 발명에 따른 전동기 속도 제어를 설명하기 위한 그래프이다.
팬(Fan), 송풍기(Blower), 컴프레셔(compressor)와 같이 속도에 따라 부하토크가 가변하는 경우(Variable load - Variable speed), 회전속도는 부하토크의 제곱승에 비례하므로(Speed ≒ (Load torque)2), 전동기 인가전압을 제어하여 회전속도를 가변한다. 앞서 설명한 바와 같이 인가 전압의 크기만으로 전동기 토크를 제어하는 방식은 전동기 코일 특성에 따라 에너지 절감 비율은 다소 가변적이다. 특히 낮은 속도에서는 상기 위상 차 (Phase delay time)에 따른 전동기 토크의 감소비가 커지는 반면, 부하토크의 변동에 따른 속도 가변은 커지게 되어 그 제어가 용이하지 않다.
본 발명은 낮은 속도(30% synchronous speed)에서의 속도제어를 용이하게 하고, 동시에 에너지 절감을 높이는 것으로, 도 8에 도시된 바와 같이, 트라이악 모드일 경우에 TRIAC Off 시간 동안 전동기 코일 유기전압을 감지회로(Speed/Induced voltage)의 차분기(OPAMP differentiator)를 거쳐 제3 입력단(In3)으로 입력받고, 인가전류는 제2 입력단(In2)으로 입력받아, 전동기의 속도를 연산하고(Sensor less control) 저속일 경우에는 TRIAC를 통한 인가전압 위상 제어 시 제어주기를 상용 주파수(60Hz)의 1/3배(20Hz), 1/5배(12Hz)로 속도에 따라 가변하되, 전동기 토크를 높이기 위해 전압, 전류 간의 위상 차(Phase delay time)는 감소시켜 인가전압 및 인가전류의 크기를 높인다(S701~S708).
이와 같이 본 발명에서는 반도체 접점을 이용한 구동전압 위상제어(AC phase control, AC chopper)를 통해 구동전압을 점진적으로 기동회로에 인가하여, 기동전류를 제한하고 기동이 완료되어, 전류가 감소하면 상기 TRIAC과 병렬 연결되어 있는 RLY2 접점 제어용 Out2 에 On 신호를 출력하여, Relay2 접점 용량을 최적화한다.
또한 제1 릴레이(RLY1)의 접점 이동 시 제2 릴레이(RLY2) 및 트라이악(TRIAC)은 Off 상태가 되고, 제2 릴레이(RLY2) 접점 이동 시에는 TRIAC은 항상 On 상태를 유지하되, 제2 출력단(Out2) 신호제어는 제2 릴레이(RLY2) 접점 이동시간을 고려하여 TRIAC 전류의 영점지점에서 RLY2 접점 이동이 되도록 하고, 이에 따라 RLY1 및 RLY2 접점 이동 시 아크를 제한한다.
또한, 과전류 보호 동작 시, 접점 손상을 막기 위해 전동기 인가전압의 위상제어로 인가 전류의 피크 치를 제한하고, 접점 이동 시, 반도체 접점의 최대 허용전류 이하의 과전류 또는 단락전류를 회로에 인가한다.
전동기의 운전 중, MCU(25)는 In2~In3 입력신호를 통해, 전동기 전압, 전류, 위상 차를 감지해 역률 및 소모전력을 연산하고, 미리 설정된 과전류 및 소모전력 보호 설정 값과 비례하는 동작 시간 이후에 상기 설명된 정시 시 접점 이동 순서에 따라 회로를 개방한다
정격속도에서 부하변동이 있는 경우(Variable load - Constant speed), 에너지 효율을 높이기 위해 TRIAC Off 시간 동안 전동기 코일 유기전압을 입력 받아 인가전류와 비교하여, 전동기의 속도를 연산하고(Sensor less control), 미리 설정된 동작 속도와 비교하여, 일정하게 유지하도록 상기 위상 차 제어 방식을 통해 인가전압의 크기를 가변 하고, 경 부하 비중에 따라 에너지를 절감한다.
속도가변에 따라 부하변동이 있는 경우(Variable load - Variable speed), 낮은 속도(30% synchronous speed)에서의 속도제어를 용이하게 하고, 동시에 에너지 절감을 높이기 위해 TRIAC를 통한 인가전압 위상 제어 시 제어주기를 상용 주파수의 1/3배 (20Hz), 1/5배 (12Hz)로 가변하고, 동시에 전압, 전류 간의 위상 차는 감소시켜 전동기 토크를 높인다.
이상에서 본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
10: 구동회로 11: 전류감지부
12: 영점 검출부 13: 속도전압 감지부
14: 전압강하부 20: 전원회로
21: 포토카플러 25: 컨트롤러
30,40: 전동기 42,44: 계전기 조합

Claims (6)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 교류전원의 일단을 전동기에 연결하기 위한 제1 릴레이;
    기동 시나 트라이악 모드에서 교류전원의 타단을 전동기에 연결하기 위한 트라이악;
    상기 트라이악과 병렬로 연결되어 정상상태에서 교류전원의 타단을 전동기에 연결하기 위한 제2 릴레이;
    라인전압을 감지하여 제1 입력단으로 출력하는 전압 감지부;
    인가전류를 감지하여 제2 입력단으로 출력하는 전류 감지부;
    전동기에 유기된 속도전압을 감지하여 제3 입력단으로 출력하는 속도전압 감지부;
    라인전압의 영점을 검출하여 제4 입력단으로 출력하는 영점 검출부; 및
    상기 제1 내지 제4 입력단으로부터 라인전압과 인가전류, 영점, 유기전압을 입력받아 기동시에 트라이악을 상용주파수의 반주기 마다 위상제어하여 소프트 기동시키고 정상상태에 도달하면 영점에서 상기 제2 릴레이로 스위칭한 후 상기 트라이악을 오프시키며, 트라이악 모드에서 상기 트라이악을 위상제어하여 에너지 절감과 속도제어 절차를 수행하는 컨트롤러를 포함하고,
    상기 컨트롤러는
    기동시에 위상 지연 시간(Phase delay)을 점차 줄여감으로써 소프트 기동을 하다가 0점에서 스위칭이 이루어지게 하여 기동시에는 트라이악(TRIAC)을 통해 기동전류(Start Current)가 흐르고, 정상 동작시에는 제2 릴레이 접점을 통해 동작 전류(Run Current)가 흐르게 되는 것을 특징으로 하는 교류 전동기용 아크 없는 위상제어 회로.
  4. 교류전원의 일단을 전동기에 연결하기 위한 제1 릴레이;
    기동 시나 트라이악 모드에서 교류전원의 타단을 전동기에 연결하기 위한 트라이악;
    상기 트라이악과 병렬로 연결되어 정상상태에서 교류전원의 타단을 전동기에 연결하기 위한 제2 릴레이;
    라인전압을 감지하여 제1 입력단으로 출력하는 전압 감지부;
    인가전류를 감지하여 제2 입력단으로 출력하는 전류 감지부;
    전동기에 유기된 속도전압을 감지하여 제3 입력단으로 출력하는 속도전압 감지부;
    라인전압의 영점을 검출하여 제4 입력단으로 출력하는 영점 검출부; 및
    상기 제1 내지 제4 입력단으로부터 라인전압과 인가전류, 영점, 유기전압을 입력받아 기동시에 트라이악을 상용주파수의 반주기 마다 위상제어하여 소프트 기동시키고 정상상태에 도달하면 영점에서 상기 제2 릴레이로 스위칭한 후 상기 트라이악을 오프시키며, 트라이악 모드에서 상기 트라이악을 위상제어하여 에너지 절감과 속도제어 절차를 수행하는 컨트롤러를 포함하고,
    상기 컨트롤러는
    트라이악(TRIAC) 모드인지를 판단하여 트라이악 모드일 경우에 트라이악 오프(TRIAC Off) 시간동안 전동기 코일 유기전압을 제3 입력단으로 입력받고, 인가전류는 제2 입력단으로 입력받아, 전동기의 속도를 연산하고, 설정된 유기전압과 비교하여, 일정하게 유지하도록 위상 차 제어 방식을 통해 인가전압의 크기를 가변하는 것을 특징으로 하는 교류 전동기용 아크 없는 위상제어 회로.
  5. 교류전원의 일단을 전동기에 연결하기 위한 제1 릴레이;
    기동 시나 트라이악 모드에서 교류전원의 타단을 전동기에 연결하기 위한 트라이악;
    상기 트라이악과 병렬로 연결되어 정상상태에서 교류전원의 타단을 전동기에 연결하기 위한 제2 릴레이;
    라인전압을 감지하여 제1 입력단으로 출력하는 전압 감지부;
    인가전류를 감지하여 제2 입력단으로 출력하는 전류 감지부;
    전동기에 유기된 속도전압을 감지하여 제3 입력단으로 출력하는 속도전압 감지부;
    라인전압의 영점을 검출하여 제4 입력단으로 출력하는 영점 검출부; 및
    상기 제1 내지 제4 입력단으로부터 라인전압과 인가전류, 영점, 유기전압을 입력받아 기동시에 트라이악을 상용주파수의 반주기 마다 위상제어하여 소프트 기동시키고 정상상태에 도달하면 영점에서 상기 제2 릴레이로 스위칭한 후 상기 트라이악을 오프시키며, 트라이악 모드에서 상기 트라이악을 위상제어하여 에너지 절감과 속도제어 절차를 수행하는 컨트롤러를 포함하고,
    상기 컨트롤러는
    트라이악 모드에서 전동기의 속도를 연산하여 저속일 경우에는 트라이악(TRIAC)을 통한 인가전압 위상 제어 시 제어주기를 상용 주파수(60Hz)의 1/3배(20Hz), 1/5배(12Hz)로 속도에 따라 가변하되, 전동기 토크를 높이기 위해 전압, 전류 간의 위상 차(Phase delay time)는 감소시켜 인가전압 및 인가전류의 크기를 높이는 것을 특징으로 하는 교류 전동기용 아크 없는 위상제어 회로.
  6. 삭제
KR1020130093819A 2013-08-07 2013-08-07 교류 전동기용 아크 없는 위상제어 회로 KR101455782B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020130093819A KR101455782B1 (ko) 2013-08-07 2013-08-07 교류 전동기용 아크 없는 위상제어 회로

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020130093819A KR101455782B1 (ko) 2013-08-07 2013-08-07 교류 전동기용 아크 없는 위상제어 회로

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR101455782B1 true KR101455782B1 (ko) 2014-11-03

Family

ID=52288376

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020130093819A KR101455782B1 (ko) 2013-08-07 2013-08-07 교류 전동기용 아크 없는 위상제어 회로

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101455782B1 (ko)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101791255B1 (ko) * 2017-03-02 2017-10-30 주식회사 웰림 복합 다기능 릴레이 시스템 및 그 제어방법
CN108781046A (zh) * 2016-03-08 2018-11-09 西门子股份公司 电机启动器和诊断方法

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100492757B1 (ko) * 2003-02-25 2005-06-07 엘에스산전 주식회사 하이브리드 모터 스타터의 기동 제어회로

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100492757B1 (ko) * 2003-02-25 2005-06-07 엘에스산전 주식회사 하이브리드 모터 스타터의 기동 제어회로

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108781046A (zh) * 2016-03-08 2018-11-09 西门子股份公司 电机启动器和诊断方法
CN108781046B (zh) * 2016-03-08 2023-02-17 西门子股份公司 电机启动器和诊断方法
KR101791255B1 (ko) * 2017-03-02 2017-10-30 주식회사 웰림 복합 다기능 릴레이 시스템 및 그 제어방법
CN108388176A (zh) * 2017-03-02 2018-08-10 维林株式会社 复合多功能继电器系统及其控制方法
WO2018159914A1 (ko) * 2017-03-02 2018-09-07 주식회사 웰림 복합 다기능 릴레이 시스템 및 그 제어방법
JP2020514774A (ja) * 2017-03-02 2020-05-21 ウェリム インコーポレイテッド 複合多機能リレーシステム及びその制御方法
CN108388176B (zh) * 2017-03-02 2020-12-08 维林株式会社 复合多功能继电器系统及其控制方法
US11005255B2 (en) 2017-03-02 2021-05-11 Acmex Almaz Co., Ltd. Complex multifunctional relay system and control method therefor

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8587913B2 (en) Active current surge limiters with voltage detector and relay
US8488285B2 (en) Active current surge limiters with watchdog circuit
CA2596362C (en) Active current surge limiters
JP4754747B2 (ja) 時間変化率電動機始動回路
US10320313B2 (en) Arc free phase control alternatives for AC motor starters
JP5955484B1 (ja) コンバータユニットシステム及びコンバータユニット
US7511979B2 (en) Automatic phase converter
JP2010169098A (ja) 圧縮機の運転制御装置及びその方法
KR101455782B1 (ko) 교류 전동기용 아크 없는 위상제어 회로
EP2622731B1 (en) System and method for monitoring and controlling a brushless electric motor
KR101641234B1 (ko) 단상 유도 전동기 제어 장치 및 방법
KR101301518B1 (ko) 아크없는 개폐기 및 보호기능을 포함한 삼상 전동기용 기동 회로
KR101549864B1 (ko) 단상 유도 전동기 제어 장치 및 방법
EP3503330B1 (en) Dynamic motor current phase unbalance protection
KR101537708B1 (ko) 단상 유도 전동기 제어 장치 및 방법
KR101637445B1 (ko) 단상 유도 전동기 제어 장치 및 방법
RU2477560C2 (ru) Система и способ для энергоснабжения электродвигателя и вспомогательной обмотки электродвигателя
KR20090004004A (ko) 삼상유도전동기의 리액터식 절전구동장치
GB2467590A (en) Power supply and control apparatus for an environmental conditioning system
JPH07312826A (ja) モータの駆動装置

Legal Events

Date Code Title Description
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20181030

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190819

Year of fee payment: 6