KR101636080B1 - 선회 전동기 구동용 인버터 제어 방법 - Google Patents

선회 전동기 구동용 인버터 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 선회 전동기 구동용 인버터 제어 방법에 관한 것으로, 상세하게는 선회 전동기를 구동하는 인버터의 과전류 및 과전압 발생시 인버터의 반도체 스위치를 오프시키는 경우에 발생하는 선회 상부체의 자유 회전을 방지하기 위해, 인버터의 아랫상 스위치 또는 윗상 스위치를 온/오프(ON/OFF) 스위칭함으로써, 인버터의 고장 발생시 선회 전동기의 제동 토오크를 최대로 발생시켜 인버터를 보호하고 선회 상부체를 신속하게 정지시킬 수 있으며 사고의 위험을 방지할 수 있다.
선회 전동기, 듀티비, 제동 토오크, 인버터, 윗상 스위치, 아랫상 스위치, 온/오프 스위칭

Description

선회 전동기 구동용 인버터 제어 방법{METHOD FOR CONTROLLING INVERTER FOR TURNING MOTOR}
본 발명은 선회 전동기 구동용 인버터 제어 방법에 관한 것으로서, 상세하게는 선회 전동기를 구동하는 인버터의 과전류 및 과전압 발생시 인버터의 반도체 스위치를 오프시키는 경우에 발생하는 선회 상부체의 자유 회전을 방지하기 위해, 인버터의 아랫상 스위치 또는 윗상 스위치를 온/오프(ON/OFF) 스위칭함으로써, 인버터의 고장 발생시 선회 전동기의 제동 토오크를 최대로 발생시켜 인버터를 보호하고 선회 상부체를 신속하게 정지시킬 수 있으며 사고의 위험을 방지할 수 있는, 선회 전동기 구동용 인버터 제어 방법에 관한 것이다.
최근에는 유가의 급격한 상승과 함께 엔진의 잉여 동력을 배터리에 저장하고 엔진의 부족한 동력을 배터리로부터 공급하여 연비를 개선한 하이브리드 형태의 건설기계에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
이와 같이, 엔진과 전기 모터를 공통 동력원으로 사용하고 전기에너지 저장 장치가 있는 시스템을 하이브리드 시스템이라 한다. 예를 들어, 하이브리드 시스템에는 하이브리드 자동차 및 굴삭기와 같은 중장비용 하이브리드 시스템이 있다.
한편, 일반적인 굴삭기 시스템은 엔진을 동력원으로 하여 유압이라는 매개체를 통해서 최종 부하인 붐, 암 및 버켓을 선회시키거나 주행시키는 동작을 수행한다. 이와 달리, 하이브리드 굴삭기 시스템은 일반적인 굴삭기에 2개의 모터와 전기저장 장치를 추가로 설치함으로써, 굴삭기 시스템의 전체효율을 향상시킬 수 있다. 하이브리드 굴삭기 시스템에 추가되는 주요부품은 모터, 전기 저장 장치, 인버터 및 컨버터를 포함한다.
도 1 은 일반적인 유압식 굴삭기 장치의 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 일반적인 유압식 굴삭기 장치는 엔진(110), 유압 펌프(120), 컨트롤 밸브(130), 붐/암/버켓 실린더(140), 선회 모터(150) 및 주행 모터(160)를 포함한다.
유압 펌프(120)는 엔진(110)과 직접 결합되어 압유를 컨트롤 밸브(130)로 공급한다. 즉, 유압 펌프(120)는 엔진(110)의 회전력으로 유압 펌프를 회전시키고 유압메인 콘트롤 벨브(130)로 압유를 공급한다.
컨트롤 밸브(130)는 유압 펌프(120)에서 공급된 유압을 제어함으로써, 액튜에이터(actuator)(예컨대, 붐/암/버켓 실린더(140), 선회 모터(150) 및 주행 모터(160))에 제공될 압유를 제어할 수 있다. 즉, 컨트롤 밸브(130)는 운전자의 레버 지령에 따라 붐/암/버켓 실린더(140), 선회 모터(150) 및 주행 모터(160)에 압유를 공급하여 굴삭기를 운전시키게 된다.
붐/암/버켓 실린더(140)는 컨트롤 밸브(130)에서 제공된 압유를 전달받아서 굴삭기의 붐, 암 및 버켓을 구동시킨다.
선회 모터(150)는 선회용 유압 모터로서, 컨트롤 밸브(130)에서 제공된 압유를 전달받아서 굴삭기의 상부 선회체를 회전시킨다. 또한, 정지시에는 컨트롤 밸브(130)가 압유의 공급을 차단하면, 선회 모터(150)는 제동력을 얻는다.
주행 모터(160)는 컨트롤 밸브(130)에서 제공된 압유를 전달받아서 굴삭기의 주행 장치를 구동시킨다.
도 2 는 일반적인 하이브리드 굴삭기의 구성도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 일반적인 하이브리드 굴삭기는 엔진(110), 유압 펌프(120), 컨트롤 밸브(130), 엔진 보조 전동기(210), 엔진 보조용 인버터(220), 선회용 인버터(230), 브레이크를 구비한 선회 전동기(240), 에너지 저장부(250), 하이브리드 제어부(260) 및 DC/DC(Direct Current) 컨버터(270)를 포함한다. 여기서, 하이브리드 제어부(260)는 에너지 저장부(250)와 DC/DC 컨버터(270) 사이의 전류를 검출하는 전류 검출기(261)와 연결되어 있다. 또한, 하이브리드 제어부(260)는 에너지 저장부(250)와 DC/DC 컨버터(270) 사이의 전압을 검출하는 전압 검출기(262)와 연결되어 있다.
일반적인 하이브리드 굴삭기는 엔진(110), 엔진(110)과 직결로 연결된 엔진 보조 전동기(210), 엔진 보조 전동기(210)와 직결로 연결된 유압 펌프(120), 유압 펌프(120)의 압유를 제어하는 컨트롤 벨브(130) 및 붐, 암 및 버켓을 구동하는 엑츄에이터로 유압에 의한 구동력을 얻을 수 있다.
엔진(110)과 직결된 엔진 보조 전동기(210)는 엔진(110)의 출력 부족시 전동기로 동작한다. 반면, 엔진(110)의 출력에 여유가 있을 경우, 엔진(110)과 직결된 엔진 보조 전동기(210)는 발전기로 동작한다.
엔진 보조용 인버터(220)는 엔진 보조 전동기(210)를 모터 또는 발전기로 동작시킨다. 엔진 보조용 인버터(220)는 하이브리드 제어부(260)의 제어에 따라 전동기를 구동한다.
엔진 보조용 인버터(220)의 입력단에는 소정의 커패시터인 DC 링크 커패시터(221)를 구비하고 있다. DC 링크 커패시터(221)는 엔진 보조용 인버터(220)의 입력 전압을 안정화하고 엔진 보조 전동기(210)가 발전기로 동작하는 경우, DC 링크 커패시터(221)는 발생된 에너지를 일시적으로 저장하는 기능을 수행한다.
선회 전동기(240)는 하이브리드 굴삭기의 상부 선회체를 구동시킨다. 여기서, 선회 전동기(240)를 구동하는 선회용 인버터(230)는 DC 전압단인 DC 링크 커패시터(221)에 연결되어 있다.
선회 전동기(240)를 구동하는 선회용 인버터(230)는 하이브리드 굴삭기를 조작하는 사용자의 레버 제어에 따라 가속과 감속운전을 수행한다. 선회용 인버터(230)는 가속시에 선회 전동기(240)를 모터로 동작시킨다. 반면, 선회용 인버터(230)는 감속시에 선회 전동기(240)를 발전기로 동작시킨다. 즉, 선회용 인버터(230)는 하이브리드 굴삭기의 선회 상부체의 회전 관성에너지를 전기에너지로 변환하여 DC 전압단의 DC 링크 커패시터(221)로 그 변환된 전기에너지를 공급한다.
에너지 저장부(250)는 전기에너지를 저장하는 기능을 수행하며, 충전 및 방 전을 제어하는 DC/DC 컨버터(270)와 연결되어 있다. DC/DC 컨버터(270)는 DC 전압단인 DC 링크 커패시터(221)의 전압이 일정하도록 제어한다.
하이브리드 제어부(260)는 엔진 보조용 인버터(220), 선회용 인버터(230) 및 DC/DC 컨버터(270)를 제어한다. 하이브리드 제어부(260)는 하이브리드 굴삭기 전체의 전력의 흐름을 제어하여 엔진 보조 전동기(210)가 모터로 동작시의 출력량과 발전기로 동작시의 출력량을 결정한다. 그리고 하이브리드 제어부(260)는 에너지 저장부(250)에 저장된 전기에너지량을 일정 범위 내의 전압으로 유지하도록 제어한다.
도 3 은 도 2와는 다른 하이브리드 굴삭기의 구성도이다.
도 3에 도시된 다른 하이브리드 굴삭기는 도 2에 도시된 일반적인 하이브리드 굴삭기와 전반적인 구성은 동일하지만, 도 3의 다른 하이브리드 굴삭기는 엔진 보조용 인버터(220)와 에너지 저장부(250) 사이에 DC/DC 컨버터를 구비하지 않고 있다.
이하, 도 2에 도시된 일반적인 하이브리드 굴삭기와 도 3에 도시된 다른 하이브리드 굴삭기의 구성을 비교하여 구성상의 차이점에 대해서 설명하기로 한다.
엔진 보조용 인버터(220)의 입력단에는 소정의 커패시터인 DC 링크 커패시터(221)와 대용량의 에너지 저장부(250)가 병렬로 구성되어 있다. 여기서, 엔진 보조용 인버터(220)의 운전에 따른 충전 및 방전에 의한 리플 전류는 DC 링크 커패시터(221)에서 공급 또는 충전하도록 구성되어 있다.
다른 하이브리드 굴삭기는 에너지를 저장하는 에너지 저장부(250)를 구비하 고 있다. 에너지 저장부(250)는 엔진(110)의 여유 에너지를 충전하고 선회 상부체의 운전시 에너지를 방전할 수 있도록 구성된다. 하이브리드 제어부(260)는 하이브리드 굴삭기 전체의 전력의 흐름을 제어하여 엔진 보조 전동기(210)가 모터로 동작시의 출력량과 발전기로 동작시의 출력량을 결정한다. 그리고 하이브리드 제어부(260)는 에너지 저장부(250)에 저장된 전기에너지량을 일정 범위 내의 전압으로 유지하도록 제어한다.
한편, 선회 전동기(240)를 구동하는 선회용 인버터(230)는 3상 전동기를 구동하기 위해 6개의 반도체 스위치, 반도체 스위치의 온/오프(ON/OFF)를 제어하는 인버터 컨트롤러 및 입력단의 전압을 안정화시키는 DC단 커패시터를 포함한다.
인버터 컨트롤러는 선회 전동기(240)에 전류를 공급하기 위해 6개의 스위치의 온/오프 펄스 폭을 조정하여 선회 전동기(240)에 인가되는 전압을 제어한다.
반도체 스위치 소자는 과전류 발생시 또는 과전압에 의해 소자가 파손된다. 이러한 파손을 방지하기 위하여, 선회용 인버터(230)의 인버터 컨트롤러는 과전류 및 과전압 발생시 선회용 인버터(230)를 보호하기 위해 6개의 스위치를 오프하게 된다.
선회 상부체가 회전하는 동안 선회용 인버터(230)의 과전류 및 과전압의 고장이 감지되어 인버터 컨트롤러가 스위치를 오프하게 되면, 선회 상부체는 회전관성에 의해 브레이크 동작 전까지 선회 상부체가 자유회전을 하게 된다. 이때, 주위의 물체와 선회 상부체의 충돌 등에 의한 사고 발생의 위험이 많이 증가한다는 문제점이 있다.
즉, 선회 상부체를 구동하기 위해 전기식 선회 전동기(240)를 적용한 하이브리드 굴삭기에서 전동기 또는 전동기를 구동하는 인버터의 과전류 과전압 등의 이상 상태가 발생하면, 종래의 선회용 인버터는 전동기의 전력공급을 차단한다. 그러면, 브레이크 동작 전까지 상부 선회체는 자유 회전을 하게 되는데, 이 경우 사고 발생의 위험이 많이 증가하는 문제점이 있다.
이를 해결하기 위해 전동기를 구동하는 인버터의 고장 감지시 효과적으로 전동기를 정지시키는 인버터 제어 방법이 절실히 필요한 상황이다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 선회 전동기를 구동하는 인버터의 과전류 및 과전압 발생시 인버터의 반도체 스위치를 오프시키는 경우에 발생하는 선회 상부체의 자유 회전을 방지하기 위해, 인버터의 아랫상 스위치 또는 윗상 스위치를 온/오프(ON/OFF) 스위칭함으로써, 인버터의 고장 발생시 선회 전동기의 제동 토오크를 최대로 발생시켜 인버터를 보호하고 선회 상부체를 신속하게 정지시킬 수 있으며 사고의 위험을 방지할 수 있는, 선회 전동기 구동용 인버터 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
이를 위하여, 본 발명에 따른 선회 전동기 구동용 인버터 제어 방법은, 선회 전동기 구동용 인버터 제어 방법에 있어서, 선회 전동기 구동용 인버터에서 과전류 및 과전압에 의한 고장이 발생하는지 여부를 확인하는 고장 확인 단계; 및 상기 선회 전동기 구동용 인버터의 고장이 확인되면, 상기 선회 전동기 구동용 인버터의 스위치를 오프하고, 선회 전동기의 제동 토오크를 발생시키도록 상기 선회 전동기 구동용 인버터의 윗상 스위치 또는 아랫상 스위치를 온/오프 스위칭시키는 스위칭 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은, 선회 상부체를 구동하는 선회전동기를 적용한 하이브리드 굴삭기의 운전시 과전류나 과전압에 의한 인버터의 고장을 감지하고, 이러한 고장 발생시 인버터를 보호하고 선회 상부체를 신속하게 정지시켜 사고의 위험을 방지할 수 있는 효과가 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시 예를 상세하게 설명한다. 본 발명의 구성 및 그에 따른 작용 효과는 이하의 상세한 설명을 통해 명확하게 이해될 것이다. 본 발명의 상세한 설명에 앞서, 동일한 구성요소에 대해서는 다른 도면 상에 표시되더라도 가능한 동일한 부호로 표시하며, 공지된 구성에 대해서는 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 구체적인 설명은 생략하기로 함에 유의한다.
도 4 는 본 발명에 따른 선회전동기 구동용 인버터 장치의 일실시예 구성도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명이 적용되는 선회전동기 구동용 인버터 장치(400)는 DC단 커패시터(410), 반도체 스위치(420) 및 인버터 제어부(430)를 포함한다. 이하, 선회전동기 구동용 인버터 장치(400)의 구성요소 각각에 대하여 살펴보기로 한다.
반도체 스위치(420)는 3상 전동기인 선회 전동기(240)를 구동하기 위한 6개의 스위치(SW1 내지 SW6)를 포함한다. 6개의 스위치(SW1 내지 SW6)는 윗상 스위치(SW1, SW2 및 SW3)와 아랫상 스위치(SW4, SW5 및 SW6)로 구분된다.
인버터 제어부(430)는 반도체 스위치(420)의 온/오프(On/off)를 제어한다.
도 5 는 일반적인 선회 전동기의 등가 회로에 대한 일실시예 설명도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 선회 전동기(240)의 등가 회로는 저항(R)(511, 521 및 531), 인덕턴스(512, 522 및 532) 및 인덕턴스 전동기의 회전에 따른 역기전력 성분(513, 523 및 533)으로 등가화할 수 있다.
여기서, 선회 전동기(240)의 등가 회로를 전동기의 전압 방정식으로 표현하면 하기의 [수학식 1]과 같이 표현할 수 있다.
Figure 112009080265307-pat00001
여기서,
Figure 112009080265307-pat00002
,
Figure 112009080265307-pat00003
및
Figure 112009080265307-pat00004
는 선회 전동기(240)의 전압,
Figure 112009080265307-pat00005
,
Figure 112009080265307-pat00006
및
Figure 112009080265307-pat00007
는 선회 전동기(240)에 흐르는 전류(501, 502 및 503),
Figure 112009080265307-pat00008
은 선회 전동기(240)의 저항,
Figure 112009080265307-pat00009
는 인덕턴스(512, 522 및 532),
Figure 112009080265307-pat00010
은 상호인덕턴스,
Figure 112009080265307-pat00011
,
Figure 112009080265307-pat00012
및
Figure 112009080265307-pat00013
는 역기전력 성분(513, 523 및 533)을 나타낸다.
상기 [수학식 1]에서 선회 전동기(240)에 흐르는 전류(501, 502 및 503)가 3상 평형이라고 가정하면 하기의 [수학식 2]와 같이 표현된다.
Figure 112009080265307-pat00014
여기서,
Figure 112009080265307-pat00015
,
Figure 112009080265307-pat00016
및
Figure 112009080265307-pat00017
는 선회 전동기(240)에 흐르는 전류(501, 502 및 503) 및
Figure 112009080265307-pat00018
은 상호인덕턴스를 나타낸다.
상기 [수학식 2]에서 선회 전동기(240)의 전압 방정식을 정리하면 하기의 [수학식 3] 및 [수학식 4]와 같이 정리된다.
Figure 112009080265307-pat00019
여기서,
Figure 112009080265307-pat00020
,
Figure 112009080265307-pat00021
및
Figure 112009080265307-pat00022
는 선회 전동기(240)의 전압,
Figure 112009080265307-pat00023
,
Figure 112009080265307-pat00024
및
Figure 112009080265307-pat00025
는 선회 전동기(240)에 흐르는 전류(501, 502 및 503),
Figure 112009080265307-pat00026
은 선회 전동기(240)의 저항,
Figure 112009080265307-pat00027
는 인덕턴스,
Figure 112009080265307-pat00028
은 상호인덕턴스,
Figure 112009080265307-pat00029
,
Figure 112009080265307-pat00030
및
Figure 112009080265307-pat00031
는 역기전력 성분(513, 523 및 533)을 나타낸다.
Figure 112009080265307-pat00032
그리고 선회 전동기(240)의 발생 토오크는 하기의 [수학식 5]와 같이 표현된다.
Figure 112009080265307-pat00033
여기서,
Figure 112009080265307-pat00034
는 선회 전동기(240)의 발생 토오크,
Figure 112009080265307-pat00035
,
Figure 112009080265307-pat00036
및
Figure 112009080265307-pat00037
는 선회 전동기(240)에 흐르는 전류(501, 502 및 503),
Figure 112009080265307-pat00038
,
Figure 112009080265307-pat00039
및
Figure 112009080265307-pat00040
는 역기전력 성분(513, 523 및 533) 및
Figure 112009080265307-pat00041
는 선회 전동기(240)의 속도를 나타낸다.
선회 전동기(240)를 소정의 속도로 회전시에 인버터 제어부(430)에서 과전류 등의 고장 감지에 의해 인버터의 반도체 스위치(420)를 오프(OFF)하면 선회 전동기(240)의 전류는 '0'이 되어 상기 [수학식 5]와 같이 선회 전동기(240)의 발생 토오크는 '0'이 되고 선회 상부체는 브레이크 동작 전까지 자유 회전을 하게 된다.
선회 전동기(240)를 소정의 속도로 회전시 반도체 스위치(420)의 윗상 스위치 3개(SW1, SW2 및 SW3) 또는 아랫상 스위치 3개(SW4, SW5 및 SW6)를 동시에 온(ON)시키면 선회 전동기(240)는 발전기로 동작하게 되고, 부(-) 토오크가 발생하여 제동력을 얻게 된다.
제동 토오크는 하기의 [수학식 6]의 미분 방정식에 따라 구해진다.
Figure 112009080265307-pat00042
여기서,
Figure 112009080265307-pat00043
,
Figure 112009080265307-pat00044
및
Figure 112009080265307-pat00045
는 선회 전동기(240)에 흐르는 전류(501, 502 및 503),
Figure 112009080265307-pat00046
,
Figure 112009080265307-pat00047
및
Figure 112009080265307-pat00048
는 역기전력 성분(513, 523 및 533),
Figure 112009080265307-pat00049
은 선회 전동기(240)의 저항,
Figure 112009080265307-pat00050
는 인덕턴스를 나타낸다.
정상상태에서의 전류는 하기의 [수학식 7]에 따라 구해진다. 이때, 전류는 하기의 [수학식 7]과 같이 선회 전동기(240)의 저항과 인덕턴스에 의한 역기전력과 위상차를 가지게 된다.
Figure 112009080265307-pat00051
여기서,
Figure 112009080265307-pat00052
,
Figure 112009080265307-pat00053
및
Figure 112009080265307-pat00054
는 선회 전동기(240)에 흐르는 전류(501, 502 및 503),
Figure 112009080265307-pat00055
,
Figure 112009080265307-pat00056
및
Figure 112009080265307-pat00057
는 역기전력 성분(513, 523 및 533),
Figure 112009080265307-pat00058
는 선회 전동기(240)의 임피던스 및 θ는 위상차를 나타낸다.
위상차를 θ라고 하면 선회 전동기(240)의 임피던스와 위상차는 하기의 [수학식 8] 및 [수학식 9]와 같이 구해진다.
Figure 112009080265307-pat00059
여기서,
Figure 112009080265307-pat00060
는 선회 전동기(240)의 임피던스,
Figure 112009080265307-pat00061
는 선회 전동기(240)의 저항(511),
Figure 112009080265307-pat00062
은 선회 전동기(240)의 인덕턴스를 나타낸다.
Figure 112009080265307-pat00063
여기서, θ는 위상차,
Figure 112009080265307-pat00064
는 선회 전동기(240)의 저항(511)을 나타낸다.
선회 전동기(240)의 제동 토오크는 하기의 [수학식 10]과 같이 된다.
Figure 112009080265307-pat00065
여기서,
Figure 112009080265307-pat00066
는 선회 전동기(240)의 발생 토오크,
Figure 112009080265307-pat00067
,
Figure 112009080265307-pat00068
및
Figure 112009080265307-pat00069
는 선회 전동기(240)에 흐르는 전류(501, 502 및 503),
Figure 112009080265307-pat00070
,
Figure 112009080265307-pat00071
및
Figure 112009080265307-pat00072
는 역기전력 성분(513, 523 및 533), θ는 위상차 및
Figure 112009080265307-pat00073
는 선회 전동기(240)의 속도를 나타낸다.
실제 선회 전동기(240)의 저항은 인덕턴스에 비해 매우 적은 값을 가지므로 충분한 제동 토오크를 얻을 수 없게 된다.
도 6 은 인버터의 아랫상 3개의 스위치를 온 시킨 경우의 제동 토오크에 대 한 일실시예 예시도이다.
도 6에는 선회 전동기(240)의 상태에 따른 선회 전동기(240)의 전동기 상전류(610), 선회 전동기(240)의 속도(620) 및 선회 전동기(240)의 토오크(630)가 나타나 있다.
선회 전동기(240)의 상태가 가속 상태(601)인 경우, 전동기 상전류(610)의 주기는 짧아지고, 선회 전동기(240)의 전동기 속도(620)는 일정 속도로 증가하고, 선회 전동기(240)의 토오크(630)는 특정 값을 가진다.
선회 전동기(240)의 상태가 정상 상태(602)를 지난 후 제동 상태(603)에서, 선회 전동기(240)의 제동 토오크는 선회 전동기가 일정 속도로 회전시 인버터의 아랫상 스위치 3개가 온(ON)되면 발생하게 된다. 제동 토오크는 선회 전동기(240)의 정격 토오크의 30분의 1 수준의 적은 값을 가진다.
선회 전동기(240)의 전류는 3상 평형이므로 U상의 전류가 선회 전동기(240)에서 흘러나오는 시점을 기준으로 하면, V 및 W상의 전류는 선회 전동기(240)로 흘러 들러가는 상태가 된다.
도 7a 및 도 7b 는 스위치 온/오프시의 선회 전동기 구동용 인버터의 전류에 대한 일실시예 설명도이다.
도 7a에 도시된 바와 같이, 인버터의 아랫상 스위치(SW4, SW5 및 SW6)(424 내지 426)를 온 한 경우의 전류(701)는 인버터의 SW4(424)와 SW5(425) 및 SW6(426)의 다이오드를 통해 흐르게 된다. 이때, 아랫상 스위치(SW4, SW5 및 SW6)(424 내지 426)를 오프하게 되면 SW4(424)로 흐르던 전류(701)는 더 이상 흐를 수 없게 된다.
도 7a에 도시된 바와 같이, SW1(421)의 다이오드를 통해 DC단의 커패시터(410)로 전류(702)가 흐르게 된다. DC단의 커패시터(410)로 흐르는 전류(702)는 DC단의 커패시터(410)를 충전하게 된다.
제동 토오크는 하기의 [수학식 11]과 같이 DC단의 커패시터(410)에 충전되는 에너지량과 선회 전동기(240)의 회전수로 구할 수 있다.
Figure 112009080265307-pat00074
Figure 112009080265307-pat00075
는 선회 전동기(240)의 제동 토오크 및
Figure 112009080265307-pat00076
는 선회 전동기(240)의 속도를 나타낸다.
커패시터(410)에 충전되는 에너지량은 커패시터(410)의 전압에 따라 달라지므로 선회 전동기(240)의 제동 토오크를 DC단의 전압과 선회 전동기(240)의 회전수의 함수가 된다.
도 8 은 본 발명에 따른 인버터의 온/오프 듀티비 변화에 따른 제동 토오크의 일실시예 설명도이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 선회 전동기(240)의 상태에 따른 선회 전동기(240)의 전동기 상전류(810), 선회 전동기(240)의 속도(820) 및 선회 전동기(240)의 토오크(830)가 나타나 있다.
특히, 선회 전동기(240)의 토오크(830)는 선회 전동기(240)가 일정 속도로 회전한 후, 인버터의 윗상 스위치(SW1, SW2 및 SW3)(421 내지 423)는 오프하고 아랫상 스위치(SW4, SW5 및 SW6)(424 내지 426)는 온/오프 듀티비(ON/OFF duty)를 변화시키면서 제동 토오크(830)의 변화를 관측한 결과가 도 8에 나타나 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 듀티비가 '0'이면 아랫상 스위치(SW4, SW5 및 SW6)(424 내지 426) 3개 모두가 오프되어 있는 상태이다. 반면, 듀티비가 '1'이면 아랫상 스위치(SW4, SW5 및 SW6)(424 내지 426) 3개 모두가 온되어 있는 상태이다. 여기서, 선회 전동기(240)의 제동시, 제동 토오크는 음(-)의 토오크값을 가지게 되고, 특정 듀티(Duty)(832)에서 최대 토오크(831)가 발생한다.
따라서 선회 전동기(240)의 전동기 속도(820)가 결정되고 인버터의 DC 링크 전압이 결정되면, 최대 제동 토오크가 발생하는 듀티(Duty)(832)는 선회 전동기(240)의 속도(820)와 DC 전압에 의해 결정된다. 즉, 최대 제동 토오크가 발생하는 듀티(Duty)(832)는 DC 전압에 반비례하고, 선회 전동기(240)의 속도에 비례하게 된다.
도 9 는 듀티비 변화에 따른 전동기의 제동 토오크에 대한 일실시예 설명도이다.
선회 전동기(240)의 제동 토오크를 최대로 발생시키기 위해 선회 전동기(240)의 전동기 속도(930)와 인버터의 DC 링크 전압(940)에 따라 변화시킨 경우의 선회 전동기(240)의 제동 토오크(920)가 도 9에 나타나 있다.
따라서 인버터의 과전류 등에 의해 인버터의 운전을 정지시키는 경우, 인버 터 제어부(430)는 선회 전동기(240)의 전동기 회전속도(930)와 인버터의 DC 링크 전압(940)에 따라 듀티비(950)를 가변시킨다. 그러면, 인버터 제어부(430)는 가변되는 듀티비(950)에 따라 인버터의 아랫상 스위치 또는 윗상 스위치 3개를 동시에 온/오프(ON/OFF)시켜 선회 전동기(240)의 최대 제동 토오크를 발생시켜 선회 상부체를 신속하게 정지시킬 수 있다.
도 10 은 본 발명에 따른 선회 전동기 구동용 인버터 제어 방법에 대한 일실시예 흐름도이다.
인버터 제어부(430)는 전류를 검출하는 전류 검출기(261) 및 전압을 검출하는 전압 검출기(262)로부터 전류 및 전압을 획득한다(1002).
그리고 인버터 제어부(430)는 전류 검출기(261) 및 전압 검출기(262)에서 검출된 전압 및 전류를 모니터링하여 과전류 또는 과전압에 따른 고장이 발생하는지 여부를 확인한다(1004).
상기 확인 결과(1004), 과전류 또는 과전압에 따른 고장이 발생하면, 인버터 제어부(430)는 과전류 및 과전압 등의 고장 감지에 따라 인버터의 스위치(420)를 오프시킨다(1006). 반면, 상기 확인 결과(1004), 과전류 또는 과전압에 따른 고장이 발생하지 않으면, 인버터 제어부(430)는 "1002" 과정부터 다시 수행한다.
이어서, 인버터 제어부(430)는 전압 검출기(262)로부터 DC 링크 전압을 획득하고, 선회 전동기(240)의 전동기 속도를 획득한다(1008).
이후, 인버터 제어부(430)는 선회 전동기(240)의 전동기 속도(930)와 인버터의 DC 링크 전압(940)에 따라 듀티비(950)를 결정한다(1010).
그리고 인버터 제어부(430)는 "1010" 과정에서 결정된 듀티비(950)에 따라 인버터 스위치(420)의 윗상 스위치(SW1, SW2 및 SW3)(421 내지 423) 또는 아랫상 스위치(SW4, SW5 및 SW6)(424 내지 426)를 온/오프시켜 선회 전동기(240)의 제동 토오크를 발생시킨다(1012).
이후, 인버터 제어부(430)는 전동기 속도가 일정 속도 이내로 감속되는지 여부를 확인한다(1014). 여기서, 일정 속도는 선회 전동기(240)가 브레이크에 의해 고장없이 정지될 수 있는 속도를 의미한다.
상기 확인 결과(1014), 전동기 속도가 일정 속도 이내로 감속되면 인버터 제어부(430)는 인버터 스위치(420)의 윗상 스위치(SW1, SW2 및 SW3)(421 내지 423) 또는 아랫상 스위치(SW4, SW5 및 SW6)(424 내지 426)를 온/오프 과정을 종료한다. 반면, 전동기 속도가 일정 속도 이내로 감속되지 않으면, 인버터 제어부(430)는 제동 토오크에 의해 변화된 선회 전동기(240)의 전동기 속도(930)와 DC 링크 전압(940)을 획득하는 "1008" 과정부터 다시 수행한다.
이상의 설명은 본 발명을 예시적으로 설명한 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명의 명세서에 개시된 실시 예들은 본 발명을 한정하는 것이 아니다. 본 발명의 범위는 아래의 특허청구범위에 의해 해석되어야 하며, 그와 균등한 범위 내에 있는 모든 기술도 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석해야 할 것이다.
본 발명에 따른 선회 전동기 구동용 인버터 제어 방법은 선회상부체를 구동하는 선회 전동기를 적용한 하이브리드 굴삭기에서 과전류나 과전압에 의한 인버터의 고장을 방지하고 선회 상부체를 신속하게 정지시켜 사고의 위험을 방지할 수 있다.
도 1 은 일반적인 유압식 굴삭기 장치의 구성도,
도 2 는 일반적인 하이브리드 굴삭기의 구성도,
도 3 은 도 2와는 다른 하이브리드 굴삭기의 구성도,
도 4 는 본 발명이 적용되는 선회전동기 구동용 인버터 장치의 일실시예 구성도,
도 5 는 일반적인 선회 전동기의 등가 회로에 대한 일실시예 설명도,
도 6 은 인버터의 아랫상 3개의 스위치를 온 시킨 경우의 제동 토오크에 대한 일실시예 예시도,
도 7a 및 도 7b 는 스위치 온/오프시의 선회 전동기 구동용 인버터의 전류에 대한 일실시예 설명도,
도 8 은 본 발명에 따른 인버터의 온/오프 듀티비 변화에 따른 제동 토오크의 일실시예 설명도,
도 9 는 본 발명에 따른 듀티비 변화에 따른 전동기의 제동 토오크에 대한 일실시예 설명도,
도 10 은 본 발명에 따른 선회 전동기 구동용 인버터 제어 방법에 대한 일실시예 흐름도이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
400: 선회 전동기 구동용 인버터 장치 410: DC단 커패시터
420: 반도체 스위치 430: 인버터 제어부
240: 선회 전동기

Claims (5)

  1. 선회 전동기 구동용 인버터 제어 방법에 있어서,
    선회 전동기 구동용 인버터에서 과전류 및 과전압에 의한 고장이 발생하는지 여부를 확인하는 고장 확인 단계;
    상기 선회 전동기 구동용 인버터의 고장이 확인되면, 상기 선회 전동기 구동용 인버터의 스위치를 오프하고, 선회 전동기의 제동 토오크를 발생시키도록 상기 선회 전동기 구동용 인버터의 윗상 스위치 또는 아랫상 스위치를 온/오프 스위칭시키는 스위칭 단계;
    상기 선회 전동기 구동용 인버터와 연결된 DC 링크 전압 및 상기 선회 전동기의 전동기 속도를 검출하는 전압 및 속도 검출 단계;
    상기 검출된 DC 링크 전압 및 상기 검출된 전동기 속도를 이용하여 최대 제동 토오크를 발생시키는 상기 윗상 스위치 또는 상기 아랫상 스위치의 온/오프 듀티비(ON/OFF duty)를 산출하는 듀티비 산출 단계; 및
    상기 스위칭 단계 이후에 제동 토오크에 의해 상기 DC 링크 전압 및 상기 전동기 속도가 변경되면, 상기 변경된 DC 링크 전압 및 전동기 속도에 따라 상기 산출된 온/오프 듀티비를 갱신하는 듀티비 갱신 단계
    를 포함하며,
    상기 듀티비 산출 단계는, 상기 검출된 DC 링크 전압에 비례하고 상기 검출된 전동기 속도에 반비례하는 온/오프 듀티비를 산출하고,
    상기 스위칭 단계는, 상기 산출된 온/오프 듀티비에 따라 상기 윗상 스위치 또는 상기 아랫상 스위치를 온/오프 스위칭시키며, 상기 갱신된 온/오프 듀티비에 따라 상기 윗상 스위치 또는 상기 아랫상 스위치를 온/오프 스위칭시키는 선회 전동기 구동용 인버터 제어 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 스위칭 단계는,
    상기 윗상 스위치를 오프시키고 상기 산출된 온/오프 듀티비에 따라 상기 아랫상 스위치를 온/오프 스위칭시키거나, 상기 아랫상 스위치를 오프시키고 상기 산출된 온/오프 듀티비에 따라 상기 윗상 스위치를 온/오프 스위칭시키는 선회 전동기 구동용 인버터 제어 방법.
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