KR101750609B1 - 부하적응형 부스트 전압을 제공하는 인버터 - Google Patents

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Abstract

인버터가 개시된다. 본 발명에 따른 인버터는 부하적응형 부스트 전압을 제공하며 유도 전동기를 구동하는 인버터로서, 소정의 전압-주파수 관계에 기초하여 지령주파수에 따라 지령전압을 결정하는 지령전압결정부; 상기 지령전압에 따라 상기 유도 전동기를 구동하는 인버터부; 및 상기 인버터에서 상기 유도 전동기로의 출력전류 크기에 따라, 자동토크부스트전압값을 결정하는 자동토크부스트전압연산부를 포함하되, 상기 지령전압결정부는 상기 지령전압에 미리 설정된 매뉴얼 부스트전압값과 상기 자동토크부스트전압값을 추가로 더하여 최종 지령전압으로 출력한다.

Description

부하적응형 부스트 전압을 제공하는 인버터{AN INVERTER FOR SUPPLYING LOAD-ADAPTIVE BOOST VOLTAGE}
본 발명은 부하적응형 부스트 전압을 제공하는 인버터에 관한 것이다. 구체적으로 본 발명은 부하량 및 부하 상태에 따라 인버터 구동시 출력 전압을 자동으로 조절하여, 초기 운전시에 과전류로 인하여 발생할 수 있는 고장 및 사고를 예방할 수 있는 인버터에 관한 것이다.
인버터는 직류 전원을 공급받아 스위칭 소자에 의해 교류 전원으로 전환하고 상기 교류 전원을 유도 전동기에 공급하여 유도 전동기를 구동하는 수단이다. 상기 인버터는 펄스폭변조(Pulse Width Modulation: PWM) 신호를 발생시켜 펄스폭변조 신호에 의해 스위칭 소자를 제어하여 교류 전원을 생성하고, 펄스폭변조 신호의 펄스폭을 제어하여 교류 전원의 전압과 주파수를 가변시킴으로써 유도 전동기의 토크와 회전 속도를 자유롭게 변환한다.
한편, 유도 전동기는 팬, 펌프와 같은 분야에서부터 크레인, 엘리베이터와 같은 권상부하에 이르기까지 다양한 분야에서 사용되는 전동기이다.
도 1은 일반적인 인버터 시스템의 개략도이다.
인버터(2)는 3상 전원(1)으로부터 전원을 공급받아, 공급받은 전원을 소정 전압 및 주파수로 변환하여 유도전동기(3)를 구동한다. 인버터(2)는 예를 들어 2레벨 인버터일 수도 있고, 3레벨 이상의 멀티레벨 인버터일 수도 있다.
인버터를 이용하여 엘리베이터 부하를 구동함에 있어서, 개루프(open loop) 제어방법으로 인버터를 제어하는 경우, 초기 구동시에 출력 전압이 부족하여 인버터에 과전류가 흘러 인버터에 고장이 발생하거나, 순간적으로 엘리베이터가 미끄러져 엘리베이터에 탑승 중인 승객들에게 불안감을 조성할 수도 있다.
이러한 문제를 방지하기 위해 매뉴얼 부스트 방법이 제안된 바 있다. 매뉴얼 부스트 방법은 사용자가 설정한 값을 부스트값으로 제공하여 운전하는 방식으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 저속의 영역에서는 많은 양을 부스트하고, 고속의 영역에서는 적은 양을 부스트하는 방법으로 부스트전압량을 출력 주파수에 반비례하도록 설정할 수 있다.
그러나, 이러한 매뉴얼 부스트 방법에 따르면 저속 영역에서 토크가 부족하거나, 사용자 설정량에 따라 필요 이상의 과한 토크가 인가되기도 한다. 또한, 매뉴얼 부스트 방법에 따르면 부하량에 관계없이 부스트 전압량이 인가되므로, 부하량에 따라 출력전압이 부족하거나 출력전압이 과한 경우가 발생하게 된다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 부하적응형 부스트 전압을 제공하는 인버터를 제공하는데에 있다.
또한, 본 발명은 부하 상태에 따라 인버터 초기 구동시 출력 전압량을 자동으로 조절하여, 초기 운전시에 과전류로 인하여 발생할 수 있는 고장 및 사고를 예방하고자 한다.
또한, 본 발명은 엘리베이터 부하에 적용되는 경우, 초기 구동 시 엘리베이터 카(car)가 미끄러지는 등의 이벤트를 방지하여 엘리베이터 탑승객들의 불안감을 낮추고자 한다.
또한, 본 발명은 부하량에 따라 인버터 구동시 출력 전압량을 자동으로 조절함과 동시에 자동 출력 전압 부스트 제어기의 부하 분담률도 낮추고자 한다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명에 따른 부하적응형 부스트 전압을 제공하며 유도 전동기를 구동하는 인버터는, 소정의 전압-주파수 관계에 기초하여 지령주파수에 따라 지령전압을 결정하는 지령전압결정부; 상기 지령전압에 따라 상기 유도 전동기를 구동하는 인버터부; 및 상기 인버터에서 상기 유도 전동기로의 출력전류 크기에 따라, 자동토크부스트전압값을 결정하는 자동토크부스트전압연산부를 포함하되, 상기 지령전압결정부는 상기 지령전압에 미리 설정된 매뉴얼 부스트전압값과 상기 자동토크부스트전압값을 추가로 더하여 최종 지령전압으로 출력한다.
실시 예에 있어서, 상기 지령전압결정부의 출력전압을 정지좌표계상 전압으로 변환하여 상기 인버터부에 제공하는 정지좌표계변환부를 더 포함하는 것이 바람직하다.
실시 예에 있어서, 상기 인버터에서 상기 유도 전동기로 출력되는 전류의 크기를 검출하는 전류검출부를 더 포함하는 것이 바람직하다.
실시 예에 있어서, 상기 자동토크부스트전압값(Vboost_auto)은 아래의 [수학식 1]에 의해 연산되는 것이 바람직하다.
[수학식 1]
Vboost_auto = Vp_rated x Gboost x |io|/|irated_motor|
여기서, Vp_rated 는 모터 정격슬립에 의한 상전압값, Gboost 는 부스트 전압 게인, |io|는 출력 전류 크기, |irated_motor| 는 모터 정격출력전류이다.
실시 예에 있어서, 상기 인버터는 상기 유도 전동기가 역행 모드인지 회생 모드인지를 판단하는 부하상태감지부를 더 포함하는 것이 바람직하다.
실시 예에 있어서, 상기 유도 전동기가 역행 모드인 경우에는, 상기 부스트 전압 게인이 역행용 부스트 전압 게인(G_boost_motor)으로 설정되는 것이 바람직하다.
실시 예에 있어서, 상기 유도 전동기가 회생 모드인 경우에는, 상기 부스트 전압 게인이 회생용 부스트 전압 게인(G_boost_gen)으로 설정되는 것이 바람직하다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 부하량에 따라 인버터 구동시 출력 전압량을 자동으로 조절할 수 있는 이점이 있다.
이에 의해 본 발명은, 인버터 초기 운전시에 과전류로 인하여 발생할 수 있는 고장 및 사고를 예방할 수 있으며, 인버터 트립 또는 유도전동기의 스톨 등의 현상을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명은 엘리베이터 부하 등에 적용되는 경우, 초기 구동 시 엘리베이터 카(car)가 미끄러지는 등의 이벤트를 방지하여 엘리베이터 탑승객들의 불안감을 낮출 수 있다.
도 1은 일반적인 인버터 시스템의 개략도이다.
도 2는 인버터의 매뉴얼 부스트 제어 방법을 설명하기 위한 도이다.
도 3은 일반적인 인버터 운전을 위한 주파수에 따른 출력전압의 예이다.
도 4는 본 발명에 따른 부하적응형 부스트 전압을 제공하는 인버터의 구성도이다.
도 5는 부하 역행 상태에서의 주파수에 따른 인버터 출력전압 그래프이다.
도 6은 부하 회생 상태에서의 주파수에 따른 인버터 출력전압 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시형태에 따른 인버터 제어 방법의 순서도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일 실시예를 상세히 설명한다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 부하적응형 부스트를 제공하는 인버터(2)의 구성도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 인버터(2)는 지령전압결정부(210), 정지좌표계변환부(220), 인버터부(230), 및 자동토크부스트전압연산부(250)를 포함하여 구성된다.
지령전압결정부(210)는 지령주파수로부터 동기좌표계 상의 인버터(2)의 지령전압을 결정한다. 이 때, 본 발명의 지령전압결정부(210)는 도 3과 같이 미리 결정된 전압-주파수 관계에 따라 지령전압을 결정하고, 소정의 경우(예를 들어, 기동토크가 크게 요구되거나, 부하 변동이 큰 경우 등), 자동토크부스트전압연산부(240)의 동작에 따라 지령전압을 결정할 수 있다.
정지좌표계변환부(220)는 지령전압결정부(210)의 출력을 정지좌표계상의 출력전압으로 변환할 수 있다. 인버터(2)는 전압형 인버터로서, 정지좌표계 상의 지령전압에 따라 유도전동기(3)로 3상 전압을 인가할 수 있다.
인버터부(230)는 지령전압에 따라 유도 전동기(3)를 구동한다. 인버터부(230)는 PWM 변조부(미도시)를 더 포함할 수 있으며, PWM변조부는 PWM 신호를 연산하는 제어부와, 제어부가 연산한 PWM 신호를 이용하여 유도 전동기(3)로 출력할 출력전압을 스위칭하는 스위칭부를 더 포함할 수 있다. 또한, 인버터부(230)는 SMPS(Switch mode power supply; 미도시)를 더 포함할 수 있다. SMPS는 소정의 구동 전압 이상이 되면 동작하기 시작하여, 반도체 소자의 스위칭 프로세서를 이용하여 전력의 흐름을 제어함으로써 인버터 구동, 보호, 또는/및 센싱 등에 사용되는 전원을 생성할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 인버터(2)는 전류검출부(240a, 240b, 240c)를 더 포함할 수 있다. 전류검출부(240a, 240b, 240c)는 유도전동기(3)와 인버터(2)간 상전류를 검출하며, 전류검출부(240a, 240b, 240c)에서 검출된 전류는 자동토크부스트전압연산부(250)로 제공된다.
자동토크부스트전압연산부(250)는 인버터 출력 전류(ias, ibs, ics)로부터 자동토크부스트전압값(Vboost_auto)을 결정한다.
이하에서는 자동토크부스트전압연산부(250)의 동작을 중점으로 설명하기로 한다.
자동토크부스트전압연산부(250)는 인버터 출력 전류의 크기를 이용하여 자동토크부스트전압값을 결정하는데, 구체적으로는 아래의 [수학식 1]에 의해 자동토크부스트전압값을 결정한다.
[수학식 1]
Vboost_auto = Vp_rated x Gboost x |io|/|irated_motor|
|io| =
0 < Gboost ≤ 1
여기서, Vboost_auto 는 자동토크부스트전압값, Vp_rated 는 모터 정격슬립에 의한 상전압값, Gboost 는 부스트 전압 게인, |io|는 출력 전류 크기, |irated_motor| 는 모터 정격출력전류이다. Gboost는 부하의 동작 상태에 따라 역행용 부스트 전압 게인(Gboost_motor)과 회생용 부스트 전압 게인(Gboost_gen)이 선택적으로 적용될 수 있다.
관련하여, 본 발명에 따른 인버터(2)는 부하상태감지부를 더 포함할 수 있다. 부하상태감지부(미도시)는 엘리베이터 부하와 같이, 부하에 따라 역행(모터링) 상태와 회생(제너레이팅) 상태를 모두 가질 수 있는 부하에 적용되어, 부하가 역행 상태인지, 회생 상태인지를 감지할 수 있다. 부하상태감지부에 의해 센싱된 부하 상태에 따라, 역행 상태인 경우에는 상기 [수학식 1]에서 역행용 부스트 전압 게인(Gboost_motor)이 적용되고, 회생 상태인 경우에는 상기 [수학식 1]에서 회생용 부스트 전압 게인(Gboost_gen)이 적용되며, 부하 상태에 따라서 출력 전압 및 제어 방법이 달라질 수 있다.
도 5는 부하 역행 상태(모터링 영역)에서의 주파수에 따른 인버터 출력전압 그래프이다. 도 5를 참고하면, 부하가 없고 부스트량 설정이 없는 경우(a)와, 부하가 없고 매뉴얼 부스트 전압 설정이 있는 경우(b), 본 발명에 따라 모터 정격 전류만큼의 부하가 인가되고, 자동토크부스트전압값이 적용된 경우(c)의 전압-주파수 관계가 도시되어 있다. 또한, 인버터 운전지령 신호(d)와, 출력 전류(e), 및 자동토크부스트전압(f) 그래프가 함께 도시되어 있다.
부하가 없고 부스트량 설정이 없는 경우(a)에는 주파수가 증가함에 따라 선형으로 전압이 증가함을 알 수 있다. 한편, 매뉴얼 부스트 전압 설정이 있는 경우(b)에는 저속에서 일정한 전압 비율에 의한 출력 전압값에 사용자가 설정한 매뉴얼 부스트 전압값이 더해지게 되며, 주파수가 상승하면서 더해지는 매뉴얼 부스트 전압값은 감소하게 되며 기저 주파수(fb)에 도달하면 더해지는 부스트 전압값은 0이 된다.
한편, 예를 들어, 모터 정격 전류만큼의 부하가 인가되고, 자동토크부스트전압값이 적용된 경우(c)에는 부하에 따라 자동으로 연산된 자동토크부스트량이 출력 전압값에 더해지게 된다. 도 5의 실시예에서는 자동토크부스트전압값이 사용자에 의해 설정된 매뉴얼 부스트 전압값에 더하여 추가적으로 출력 전압값에 더해져서 출력되는 예가 도시되어 있으나, 사용자 설정에 따라 자동토크부스트전압값만이 출력 전압값에 추가되는 경우도 가능하다 할 것이다.
한편, 도 6은 부하 회생 상태(제너레이팅 영역)에서의 주파수에 따른 인버터 출력전압 그래프이다. 도 6을 참고하면, 부하가 없고 부스트량 설정이 없는 경우(a)와, 부하가 없고 매뉴얼 부스트 전압 설정이 있는 경우(b), 본 발명에 따라 모터 정격 전류만큼의 부하가 인가되고, 자동토크부스트전압값이 적용된 경우(c)의 전압-주파수 관계가 도시되어 있다. 제너레이팅 영역에서의 동작 또한 모터링 영역에서의 동작과 유사하지만, 부스트 전압게인으로서 회생용 부스트 전압게인(Gboost_gen)이 적용된다.
다음으로, 도 7을 참고하여 본 발명의 일 실시형태에 따른 인버터 제어 방법을 설명한다. 도 7에 도시된 바와 같이, 우선, 인버터에서 유도 전동기로의 출력 전류를 검출한다(S100). 인버터 출력 전류를 검출한 후, 출력 전류의 크기에 따라, 자동토크부스트전압값을 계산한다(S110). 자동토크부스트전압값을 계산한 후, 계산된 자동토크부스트전압값을 인버터의 지령전압에 추가하여 보상 지령전압을 생성한다(S120). 이 때, 사용자에 의해 미리 설정된 매뉴얼 부스트전압을 추가로 더하여 최종 지령전압을 생성할 수도 있다. 지령전압이 생성되면, PWM변조하여 유도 전동기로 출력한다(S130).
여기서, 아래의 [수학식 1]을 이용하여, 출력 전류의 크기에 따라 자동토크부스트전압값을 계산할 수 있다.
[수학식 1]
Vboost_auto = Vp_rated x Gboost x |io|/|irated_motor|
여기서, Vp_rated 는 모터 정격슬립에 의한 상전압값, Gboost 는 부스트 전압 게인, |io|는 출력 전류 크기, |irated_motor| 는 모터 정격출력전류이다.
한편, 본 발명에 따른 인버터 제어 방법은 유도 전동기가 역행 모드인지 회생 모드인지 감지하는 단계를 더 포함할 수 있다. 유도 전동기가 역행 모드인 경우에는, [수학식 1]의 부스트 전압 게인을 역행용 부스트 전압 게인(G_boost_motor)으로 설정하고, 유도 전동기가 회생 모드인 경우에는, [수학식 1]의 부스트 전압 게인을 역행용 부스트 전압 게인(G_boost_motor)으로 설정할 수 있다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 부하량 및 부하 상태에 따라 인버터 구동시 출력 전압을 자동으로 조절하여, 초기 운전시에 과전류로 인하여 발생할 수 있는 고장 및 사고를 예방가능하며, 엘리베이터 부하 등에 적용되어 엘리베이터 카(car)가 미끄러지는 등의 이벤트를 방지하여 엘리베이터 탑승객들의 불안감을 낮출 수 있게 된다.
이상에서 본 발명에 따른 실시 예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
1 : 3상 전원
2 : 인버터
3 : 유도 전동기
210 : 지령전압결정부
220 : 정지좌표계변환부
230 : 인버터부
240 : 전류검출부
250 : 자동부스트전압연산부

Claims (7)

  1. 부하 적응형 부스트 전압을 제공하며 유도 전동기를 구동하는 인버터로서,
    소정의 전압-주파수 관계에 기초하여 지령주파수에 따라 지령전압을 결정하는 지령전압 결정부;
    상기 지령전압에 따라 상기 유도 전동기를 구동하는 인버터부; 및
    상기 인버터에서 상기 유도 전동기로의 출력전류 크기에 따라, 자동 토크 부스트 전압값을 결정하는 자동 토크 부스트 전압 연산부를 포함하되,
    상기 지령전압 결정부는 상기 지령전압에 미리 설정된 매뉴얼 부스트 전압값과 상기 자동 토크 부스트 전압값을 추가로 더하여 최종 지령전압으로 출력하며,
    상기 자동 토크 부스트 전압값(Vboost_auto)은 아래의 [수학식 1]에 의해 연산되는 인버터.
    [수학식 1]
    Vboost_auto = Vp_rated x Gboost x |io|/|irated_motor|
    여기서, Vp_rated 는 모터 정격슬립에 의한 상전압값, Gboost 는 부스트 전압 게인, |io|는 출력 전류 크기, |irated_motor| 는 모터 정격출력전류이다.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 지령전압결정부의 출력전압을 정지좌표계상 전압으로 변환하여 상기 인버터부에 제공하는 정지좌표계변환부를 더 포함하는 인버터.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 인버터에서 상기 유도 전동기로 출력되는 전류의 크기를 검출하는 전류검출부를 더 포함하는 인버터.
  4. 삭제
  5. 부하 적응형 부스트 전압을 제공하며 유도 전동기를 구동하는 인버터로서,
    소정의 전압-주파수 관계에 기초하여 지령주파수에 따라 지령전압을 결정하는 지령전압 결정부;
    상기 지령전압에 따라 상기 유도 전동기를 구동하는 인버터부;
    상기 인버터에서 상기 유도 전동기로의 출력전류 크기에 따라, 자동 토크 부스트 전압값을 결정하는 자동 토크 부스트 전압 연산부; 및
    상기 유도 전동기가 역행 모드인지 회생 모드인지를 판단하는 부하상태감지부를 포함하되,
    상기 지령전압 결정부는 상기 지령전압에 미리 설정된 매뉴얼 부스트 전압값과 상기 자동 토크 부스트 전압값을 추가로 더하여 최종 지령전압으로 출력하고,
    상기 자동 토크 부스트 전압값(Vboost_auto)은 다음의 [수학식 1]에 의해 연산되며,
    [수학식 1]
    Vboost_auto = Vp_rated x Gboost x |io|/|irated_motor|
    (여기서, Vp_rated는 모터 정격슬립에 의한 상전압값, Gboost는 부스트 전압 게인, |io|는 출력 전류 크기, |irated_motor|는 모터 정격출력전류이다.)
    상기 자동 토크 부스트 전압값은 상기 유도 전동기가 역행 모드인 경우에 상기 부스트 전압 게인을 역행용 부스트 전압 게인으로 설정하여 산출되며, 상기 유도 전동기가 회생 모드인 경우에 상기 부스트 전압 게인을 회생용 부스트 전압 게인으로 설정하여 산출되는 인버터.
  6. 삭제
  7. 삭제
KR1020150033015A 2015-03-10 2015-03-10 부하적응형 부스트 전압을 제공하는 인버터 KR101750609B1 (ko)

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