KR101965137B1

KR101965137B1 - 전압 제어 장치 와 방법

Info

Publication number: KR101965137B1
Application number: KR1020190007305A
Authority: KR
Inventors: 이승희
Original assignee: (주)엘아이티씨
Priority date: 2019-01-21
Filing date: 2019-01-21
Publication date: 2019-04-03

Abstract

본 발명은 3상 비동기 전동기(이하 전동기로 약함)의 에너지 절약 동작을 목적으로 한 전압 제어 장치와 방법에 관한 것이다.
본 기술은 전동기의 여자 컨덕턴스 및 여자 서셉턴스에 의하여 설정하는 가변 컨덕턴스(13) 및 가변 서셉턴스(14), 전동기의 일차 코일 및 이차 코일의 저항값에 의하여 설정하는 가변 저항(15), 전동기로 공급되는 기본 파형 순간 전압에 정비례하는 신호 e에 대하여 상기 가변 컨덕턴스에 의한 계산 처리를 거쳐 동손을 산출하는 제 1 과정과, 전동기로 공급되는 기본 파형 순간 전압에 정비례하는 신호e와 전동기 전류의 순간값(i)과 상기 가변 컨덕턴스와 가변 서셉턴스 및 가변 저항값에 의한 계산 처리를 거쳐 동손을 산출하는 제 2 과정과, 상기 과정을 통하여 취득한 동손 값 및 철손 값을 비교하고, 비교 결과에 의하여 전동기로 공급되는 전압을 제어하는 제 3 과정으로 구성함으로써 양자의 일치한 상태를 유지하도록 한다.

Description

전압 제어 장치 와 방법{Voltage control device and method}

본 발명은 3상 비동기 전동기(이하 전동기로 약함)의 에너지 절약 동작을 목적으로 한 전압 제어 장치와 방법에 관한 것이다.

3상 비동기 전동기는 공업 분야에 있어서 필수 불가결한 장비로서, 광산업,철강 산업, 반도체 산업 등 분야뿐만 아니라, 백화점, 호텔 및 일반인들의 생활분야도 3 상 비동기 전동기와 밀접한 관련이 있고 에너지 소모도 비교적 큰 비례를 차지하고 있다. 하지만 전동기의 원리 및 동작 특성에 의하면, 부하의 변화에 따라서 전동기의 동작 특성 및 소비 전력도 수시로 변화하게 된다.

현재 시장에서 흔히 볼 수 있는 전동기용 제어 설비는 컨버터이다. 이는 부하의 변화에 의하여 전동기로 출력되는 주파수를 변경시킴으로써 전동기의 회전 속도를 제어하는 설비이다.

비록 일정한 시간 동안의 기술 발전을 통하여 전동기 제어의 정밀도 방면에서 비약적인 발전을 가져 왔지만, 사용되는 전동기에 대하여 특별한 요구가 있기 때문에, 일반 전동기에 대한 전방위 제어 및 에너지 절감 요구를 만족시킬 수 없다. 일반적인 3상 비동기 전동기의 구조에 있어서, 동작 과정 중의 자체 발열량을 낮추기 위하여 베어링에 냉각 팬이 장착되지만, 컨버터를 적용하는 경우 부하의 변화량에 의하여 회전 속도를 낮추기 때문에 팬의 냉각 능력도 따라서 낮아지게 되고; 이와 동시에 주파수가 일정한 값 이하까지 낮아질 때 전동기의 발열량이 급격하게 높아지면서 최종적으로 전동기의 과열 훼손을 초래하여 생산과 생활에 환원 불가능한 손실과 불편을 가져주게 된다.

전동기의 특성상, 부하의 크기에 관계 없이 일정량으로 유지 불변하는 전력손실 즉 [철손]과 부하의 크기에 따라 변화하는 전력 손실 즉 [동손]이 발생하는데, 동손과 철손의 값이 거의 같아질 때 전동기의 효율이 최대화된다.

즉, 일정한 부하 조건에 있어서, 전동기의 입력 전압에 따른 철손과 동손의 관계는 [도6]에 도시된 바와 같다. 도면을 통하여 알 수 있는 바, 동손과 철손이 동일한 전압 V0 하에서의 손실이 가장 적다. 이때, 부하가 변경되는 경우 동손도 따라서 변경, 즉 최적 전압 V0도 따라서 변경된다. 따라서, 종래에 에너지 절약용 컨버터로서 [도 7]과 같은 장치가 제안된 적도 있다. 종래의 기술에 따르면, 교류 전원(50)의 교류는 정류기(51)에 의하여 직류로 변환된 후, 필터링 캐퍼시터(52)를 통과하면서 맥동 부분이 제거된다. 필터링을 거친 직류는 트랜지스터 또는 GTO 등 반도체로 구성된 PWM 컨버터(53)에 공급된다. PWM 컨버터(53)는 PWM 발생기(54)의 펄스폭 변조신호에 의하여 제어된다. PWM 발생기(54)는 주파수 명령(f) 및 제어 전압(Vr)에 따라 PWM 컨버터(53)를 구동하고, 직류를 가변 전압, 가변 주파수의 교류로 변환하여 출력함으로써 필요한 속도로 전동기(55)를 작동시킨다.

이때, PWM 발생기(54)의 출력은 전력 계산부(56) 및 전압 연산부(57)의 피드백에 따라 진행된다. 전력계산부(56)는 출력 전압(V1) 및 출력 전류(I1)에 의하여 전력(P)을 계산하고, 전압연산부(57)는 상기 전력(P) 및 주파수(f)에 의하여 최대 효율의 Vr를 연산해낸다.

PWM 발생기(54)는 PWM 컨버터(53)를 제어함으로써 전동기(55)로 상기 주파수(f) 및 최적 전압(Vr)을 제공한다. 이에 따라, 종래의 기술은 공급 주파수 또는 부하의 제한을 받지 않고 최대 효율로 전동기(55)를 구동할 수 있게 된다.

상기와 같이, 비록 전동기의 동작 전력을 검측하고 상기 전력 조건 하에서 동손과 철손이 일치한 전압을 제공할 수 있는 장치가 이미 존재하지만, 그 원리에 있어서 많은 결점이 존재한다.

우선, 도 10에는 전동기의 등가 회로에 의하여 계산된 전동기의 원선도가 도시되어 있다. 상기 도면 중, OP1은 무부하 상태의 전류 벡터, OP3은 촉 구속 상태의 전류 벡터로서, 무부하 상태로부터 구속 상태까지의 전류 벡터의 화살표 궤적을 그려낸 것이다. 세로축은 공급 전압의 벡터이다. 즉, 세로축의 크기는 전동기의 전력 크기와 정비례된다. 원선도의 반경은 공급 전압에 의하여 결정된다.

전동기가 최적 효율점(P1)에서 동작된다고 가정한다. 이론상, 부하 토크가 급격하게 증가하여 PM 이상의 전력이 필요할 때, 공급 전압을 신속하게 향상 시킴으로써 원선도의 반경을 증가함으로써 이에 대응할 수 있지만 종래 기술에 따른 실제적인 장치에서는 헌팅(hunting)이라고 불리우는 이상 발진을 억제하기 위하여 공급 전압의 변화에 일정한 지연 시간을 주기 때문에, 부하 토크가 급격하게 증가 할 때 순간 전압값을 적시적으로 공급할 수 없고, P1이 PM을 초과하는 점에서 P2 점의 방향으로 향하게 된다.

이에 따라 전동기의 슬라이딩 간극이 커지고, 최종적으로 P3 점에서 동작하게 된다. 비록 부하 토크가 증가할 때 P1 점 공급 전압보다 더 높은 공급 전압이 필요하지만, 전동기의 입력 전력이 P1보다 작기 때문에 실제적으로는 P1의 공급 전압보다 작은 방향으로 동작하게 되고, 이에 따라 에너지 절약 방식으로 동작될 수 없으며, 더 나아가서 전동기의 실속 정지를 초래하게 된다.

상기와 같은 상황을 방지하기 위하여, 종래의 기술에 따르면, 공급 전압의 하한 즉 원선도의 최소 반경을 설정하여야 하는 바, 다시 말하면, PM을 정격 토크보다 더큰 토크 상태에서의 입력 전력보다 더 크게 설정하여야 한다. 따라서, 비교적 작은부하 상태에서도 하한 전압의 제한을 받기 때문에 최적의 공급 전압을 제공할 수 없어 이상적인 에너지 절약 효과를 달성할 수 없게 된다.

이와 동시에, 실제적인 전동기 동작 과정에 있어서, 전동기에서 발생하는 동손은 첫째로 부하 전류의 제곱에 정비례로 변화되고, 둘째로 전압 변화율에 따라 변화된다. 이에 더하여, 철손이 동일한 전압 하에서 주파수가 반비례되는 이론에의하면, 부하 전류 및 전압 변화율 또는 주파수를 실시간으로 검측해내어 전동기의 공급 전압을 제어함으로써 동손과 철손이 시종일관하게 일치한 상태가 유지되도록하는 것은 비교적 어려운 것이다.

더 나아가서, 동손과 철손의 크기가 전동기의 일차 코일 및 이차 코일의 저항, 여자 컨덕턴스, 여자 서셉턴스 및 누설 리액턴스 등 요소에 의하여 좌우지되고, 상기 파라미터들은 전동기의 용량, 정격 및 유형 등 요소에 따라 변화되기 때문에, 이미 설치된 전동기에 대하여 철손과 동손이 일치하게 유지되도록 제어할 수 있는 설비를 실현하는 것은 매우 어려운 것이다.

특히 종래 기술에 따르면, 반드시 연결되어 있는 다양한 전동기 각각에 대하여 전동기 용량 등 파라미터를 설정하여야 한다.

본 발명의 목적은 상기와 같은 종래 기술에 존재하는 문제를 해결하기 위한 것이다. 본 발명은 공급 전압을 변경하면서 전동기를 제어함으로써, 임의의 동작 상태에서도 철손과 동손이 시종일관하게 일치한 상태를 유지하도록 하여 전동기의 고효율 동작을 실현하고 전동기의 에너지 절약 동작에 도움을 줄 수 있다.

특히, 본 발명의 특징은 종래 기술에서 실속 정지의 문제를 방지하기 위하여 설정하는 전압 하한의 제한을 해소하여 이상적인 에너지 절약 효과를 달성할 수 있고, 또한 전동기의 변화에 따라 파라미터를 설정할 필요가 없는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 반도체 등 전자 계산 기능을 이용하여 더욱 간단한구조로 전동기를 구동하여 상기와 같은 동손과 철손이 시종일관하게 일치한 상태를 유지하도록 하는 전압 제어 장치를 실현하기 위한 것이다.

본 기술은 전동기의 여자 컨덕턴스 및 여자 서셉턴스에 의하여 설정하는 가변 컨덕턴스(13) 및 가변 서셉턴스(14), 전동기의 일차 코일 및 이차 코일의 저항값에 의하여 설정하는 가변 저항(15), 전동기로 공급되는 기본 파형 순간 전압에 정비례하는 신호 e에 대하여 상기 가변 컨덕턴스에 의한 계산 처리를 거쳐 동손을 산출하는 제 1 과정과, 전동기로 공급되는 기본 파형 순간 전압에 정비례하는 신호e와 전동기 전류의 순간값(i)과 상기 가변 컨덕턴스와 가변 서셉턴스 및 가변 저항값에 의한 계산 처리를 거쳐 동손을 산출하는 제 2 과정과, 상기 과정을 통하여 취득한 동손 값 및 철손 값을 비교하고, 비교 결과에 의하여 전동기로 공급되는 전압을 제어하는 제 3 과정으로 구성함으로써 양자의 일치한 상태를 유지하도록 한다.

본 발명은 PWM 컨버터의 출력 전압을 제어함으로써 동손과 철손이 시종일관하게 일치한 상태를 유지하도록 할 수 있다. 이를 통하여, 전동기가 최소 전류 및 최적 전압 상태에서 동작되도록, 즉 전동기의 최적 동작 효율을 확보할 수 있다.

따라서, 전동기의 발열량을 낮추고 전동기를 효과적으로 제어하는 동시에 전동기의 에너지 절약량이 최대화되도록 하고, 더 나아가서 전동기의 사용 수명을 훨씬 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명(전압 제어 장치)의 제1 실시방식의 회로도
도 2는 본 발명(전압 제어 장치)의 제2 실시방식의 흐름도
도 3은 본 발명(전압 제어 장치)의 제2 실시방식에 따른 작용의 전반부를 도
시하는 흐름도
도 4는 본 발명(전압 제어 장치)의 제2 실시방식에 따른 작용의 후반부를 도
시하는 흐름도
도 5는 동손의 전압 보상 곡선의 예
도 6은 공급 전압과 손실 특성 곡선
도 7은 종래 전동기의 에너지 절약 제어 회로
도 8은 유도 전동기의 간단한 등가 회로
도 9는 전동기의 전류 벡터도
도 10은 전동기의 원선도

첨부된 도면 도 1 내지 도 4 를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 전압제어방법은

전동기의 여자 컨덕턴스 및 여자 서셉턴스에 의하여 설정하는 가변 컨덕턴스(13) 및 가변 서셉턴스(14), 전동기의 일차 코일 및 이차 코일의 저항값에 의하여 설정하는 가변 저항(15), 전동기로 공급되는 기본 파형 순간 전압에 정비례하는 신호 e에 대하여 상기 가변 컨덕턴스에 의한 계산 처리를 거쳐 철손을 산출하는 제1 과정과,

전동기로 공급되는 기본 파형 순간 전압에 정비례하는 신호 e와 전동기 전류의 순간값(i)과 상기 가변 컨덕턴스와 가변 서셉턴스 및 가변 저항값에 의한 계산처리를 거쳐 동손을 산출하는 제 2 과정과,

상기 과정을 통하여 취득한 동손 값 및 철손 값을 비교하고, 비교 결과에 의하여 전동기로 공급되는 전압을 제어하는 제 3 과정,

으로 구성한 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 전압제어장치는

교류를 직류로 변환시키는 정류기(1)와, 정류기(1)의 출력전압을 필터링하는 필터링용 캐퍼시터(2)와, 스위치 제어를 통하여 캐퍼시터(2)를 통과한 직류를 스위치 제어를 통해 교류로 변환시켜 전동기(5)로 공급하는 역변환 장치(3)를 포함하는 전압 제어장치에 있어서,

주파수 설정 신호(FRQ) 및 전압 설정 신호(VLEVEL) 등 두개 입력 신호에 의하여 결정되는 PWM 신호(PWM)를 역변환장치(3)로 출력하고, 전동기(5)로 공급되는 기본 파형 순간 전압에 정비례하는 신호 e를 출력하는 PWM발생기(6)와;

전동기로 공급되는 기본 파형 순간 전압에 정비례하는 신호 e에 대하여 가변컨덕턴스에 의한 계산 처리를 거쳐 철손을 산출하는 철손연산회로와;

전동기로 공급되는 기본 파형 순간 전압에 정비례하는 신호 e와 전동기 전류의 순간값(i)과 상기 가변 컨덕턴스와 가변 서셉턴스 및 가변 저항값에 의한 계산처리를 거쳐 동손을 산출하는 동손연산회로와;

동손 값 및 철손 값을 비교하고, 비교 결과에 의하여 전압설정신호(VLEVEL)를 발생시켜 PWM발생기(6)로 출력하는 비교기(12); 로 구성한 것을 특징으로 한다.

또한, 철손연산회로는

PWM 발생기(6)의 전압 출력 신호 e의 출력단에 a, b 두개 입력 단자가 구비된 승산기(7)를 연결하되, 승산기(7)의 입력 단자 b단에는 상기 전압 신호 e가 연결되고, 입력 단자 a단에는 가변 컨덕턴스(13)을 통과한 상기 전압 신호 e가 연결되도록 구성하고,

승산기(7)의 출력단에는 평균치 회로(9)를 연결하며,

평균치회로(9)의 출력단을 비교기(12)의 일측 입력단자(a)에 연결하여 구성한 것을 특징으로 한다.

또한 동손연산회로는

PWM 발생기(6)의 전압 출력 신호 e의 출력단에 적분 회로(8)를 연결하고, 적분 회로(8)의 출력단은 가변 서셉턴스(14)를 통하여 제1 가산기(16)의 입력단에 연결하고, 제1 가산기(16)의 타 입력단에는 상기 가변 컨덕턴스(13)의 출력단을 연결하며,

제1 가산기(16)의 출력단은 제2 가산기의 (-)단의 입력 단자에 연결되고, 제2 가산기(17)의 (+)단의 입력 단자에는 검측 역변환 장치(3)의 출력 전류의 전류검측기(4)가 연결되며,

제2 가산기의 출력단에는 순서에 따라 제곱기(11), 평균치 회로(10) 및 가변저항(15)이 연결되고, 상기 가변 저항(15)의 출력단은 상기 비교기(12)의 동손단의 입력 단자(b)에 연결하여 구성한 것을 특징으로 한다.

1. 제1 실시방식

(1-1) 제1 실시방식의 구성

도 1은 본 발명이 컨버터 장치에 적용된 예를 도시한 것이다. 도1에 있어서,

(1)은 교류를 직류로 변환시키는 정류기이고, (2)는 직류 필터링용 캐퍼시터이며, (3)은 스위치 제어를 통하여 직류를 교류로 변환시키는 역변환 장치로서, 정류기(1)로부터 역변환 장치(3)까지에 의하여 컨버터 장치의 주 회로를 구성한다.

역변환 장치(3)은 PWM 발생기(6)에 의하여 구동되고, 전동기(5)로 공급되는 전압(E)은 필터링 캐퍼시터에 충전된 전압과 PWM 발생기(6)에서 생성된 PWM 신호에 의하여 결정된다.

PWM 발생기(6)는 두개의 출력을 가지는데, 그 중 하나는 주파수 설정신호(FRQ) 및 전압 설정 신호(VLEVEL) 등 두개 입력 신호에 의하여 결정되는 PWM신호(PWM)이고, 다른 하나는 전동기로 공급되는 기본 파형 순간 전압에 정비례하는 신호 e이다. 그 중, 전동기로 공급되는 전압(E)은 전압 설정 신호(VLEVEL)에 정비례하고, 주파수(f)는 주파수 설정 신호(FRQ)에 정비례한다. 이에 따라, 전압 설정신호(VLEVEL)이 높아질 때 전동기로 공급되는 전압(E)도 따라서 높아지게 되고, PWM 발생기(6)로부터 출력되는 신호 e의 진폭도 따라서 커지게 된다.

PWM 발생기(6)의 전압 출력 신호 e의 출력단에는 하나의 a, b 두개 입력 단자가 구비된 승산기(7) 및 하나의 적분 회로(8)가 연결된다. 승산기(7)의 입력 단자 b단에는 상기 전압 신호 e가 연결되고, 입력 단자 a단에는 가변 컨덕턴스(13)을 통과한 상기 전압 신호 e가 연결된다. 승산기(7)의 출력단에는 평균치 회로(9)가 연결되고, 상기 평균치 회로(9)의 출력단에는 비교기(12)의 철손단의 입력 단자(a)가 연결된다.

즉, 승산기(7), 가변컨덕턴스(13), 평균치회로(9)가 연결되어 철손연산회로를 구성한다.

상기 적분 회로(8)의 출력단은 가변 서셉턴스(14)를 통하여 제1 가산기(16)의 입력단에 연결된다. 제1 가산기(16)의 타 입력단에는 상기 가변 컨덕턴스(13)의 출력단이 연결된다. 제1 가산기(16)의 출력단은 제2 가산기의 (-)단의 입력 단자에연결된다. 제2 가산기(17)의 (+)단의 입력 단자에는 검측 역변환 장치(3)의 출력전류의 전류 검측기(4)가 연결된다. 제2 가산기의 출력단에는 순서에 따라 제곱기(11), 평균치 회로(10) 및 가변 저항(15)가 연결된다. 상기 가변 저항(15)의 출력단은 상기 비교기(12)의 동손단의 입력 단자(b)에 연결된다.

상기 적분회로(8), 가변 서셉턴스(14), 제 1 가산기(16), 제 2 가산기(17), 제곱기(11), 평균치회로(10)가 연결되어 동손연산회로를 구성한다.

(1-2) 제1 실시방식의 작용

구체적으로 상기 구성요소의 작용에 대하여 설명한다.

(A) 기본 동작

본 구성 장치에 있어서, 교류 전원으로부터 공급되는 교류 전류는 정류기(1)을 통하여 직류로 변환되고, 필터링 캐퍼시터(2)에 의하여 필터링된 후 다시 역변환 장치(3)를 통하여 교류로 변환된다. 이 때, 역변환 장치(3)는 연결된 PWM 발생기(6)의 주파수 명령(FRQ) 및 전압 설정 신호(VLEVEL)의 신호에 의하여 전동기(5)로 정해진 주파수(f) 및 전압(E)을 제공한다.

이 때, 본 실시방식에 따른 전압 설정 신호(VLEVEL)는 전동기의 동손(Pc)과 철손(Pi)의 일치를 전제로 하여 결정된다.

(B) 설정값 결정

전동기의 동손(Pc) 및 철손(Pi)을 결정하는 요소는 다음과 같다; 여자 컨덕턴스(g0), 여자 서셉턴스(b0), 일차 코일 및 이차 코일의 저항값(R1, R2) 그 중, R1, R2의 값은 연결된 전동기에 의하여 규정된 값으로 설정된다.

이 때, 상기 여자 컨덕턴스(g0), 여자 서셉턴스(b0)의 값은 일반적인 공개값을 사용하거나 또는 대상 전동기를 실제적으로 측정한 실제값을 사용하고, 실제 측정값에 의하여 가변 컨덕턴스(13) 및 가변 서셉턴스(14)의 값을 설정한다. 또한, 가변 저항(15)의 저항값(R1+R2)의 값은 연결된 전동기에 대하여 실제적으로 측정하거나 또는 전동기의 설계값에 의하여 설정할 수 있다.

(c) 철손의 검측

상기와 같이, 본 장치에 연결된 전동기에 의하여 g0, b0, R1+R2의 설정값을 확정한 다음, PWM 발생기(6)로부터 전압 신호 e를 취하여 승산기(7)의 b단자, 가변컨덕턴스(13) 및 적분 회로(8)로 입력시킨다. 이어서, 전류 검측기(4)로부터 검측된 역변환 장치(3)의 출력 전류(전동기 전류)를 제2 가산기의 (+)단자로 입력시킨다.

이 때, 도 1에 도시된 바와 같이, 본 장치의 각 부분에서는 각각 i0, ig0, ib0, i, iL 신호가 생성된다. 상기 신호값은 Io, Ig0, Ib0, I, IL의 순간값이다.

가변 컨덕턴스(13)를 통과하는 전류(ig0)의 파형은 신호 e의 파형과 동일하고, 그 진폭이 g0에 의하여 결정되기 때문에 가변 컨덕턴스(13)의 설정점을 g0인 상수라고 가정할 때 신호 e를 가변 컨덕턴스(13)로 분압한 결과에 의하여 ig0을 취득할 수 있다. 이어서 ig0을 승산기(7)의 b단자로 입력하고 a단자로 입력된 신호 e와 승산하여 e·ig0을 취득한다.

상기 취득한 e·ig0은 철손(Pi)의 순간값(pi)이기 때문에, 평균치 회로(9)를 통과시킨 후 e·ig0AVE 및 철손(Pi)을 취득할 수 있다.

(D) 동손의 검측

일 방면으로, ib0은 인덕턴스 부분(가변 서셉턴스(14))을 흐르는 전류로서신호 e에 비하여 위상이 90° 뒤떨어져 있기 때문에, 우선 적분 회로(8)를 통하여 신호 e에 대하여 위상의 90° 지연을 실행하고, 가변 서셉턴스(14)의 설정점을 b0 인 상수라고 가정할 때, 가변 서셉턴스(14)로 분압하여 ib0을 취득할 수 있고, 제1가산기(16)에서 가변 컨덕턴스(13)로부터 취득한 ig0과 가변 서셉턴스(14)로부터 취득한 ib0을 가산하여 i0을 취득하며, 이와 동시에 전류 검측기(4)로부터 검출된 출력 전류(I)의 순간값(i)과 제1 가산기(16)로부터 취득한 i0을 제2 가산기(17)에서 가산하여 IL의 순간값(iL)을 산출한다.

동손(Pc)을 취득하기 위하여, 상기 취득한 IL을 이용하여 우선 제곱기(11)에서 (iL)²을 산출하고, 이어서 평균치 회로(10)에서 (iL)²AVE 및 (IL)²을 산출한다. 상기 설정된 가변 저항(15)의 설정값에 의하여, 가변 저항(15)의 설정점이 R1+R2인 상수라고 가정할 때, (IL)²로부터 (IL)²(R1+R2) 즉 동손(Pc)을 산출한다.

(e) 동손과 철손의 비교.

취득한 동손(Pc)과 철손(Pi)을 비교기(12)에서 비교하여 전압 조절신호(VLEVEL)을 취득하고 PWM 발생기(6)로 입력시킨다.

Pc>Pi일 때 전압 조절신호(VLEVEL)가 상승되고 전동기로 공급되는 전압도 상승된다. 상기 과정에서 비교기(12)가 안정적으로 동작하도록 하기 위하여 지연 요소(12a)를 추가하였다.

(1-3) 제1 실시방식의 효과

상기와 같은 과정을 통하여, 전동기의 부하 조건에 관계 없이, 전동기로 공급되는 전압이 상승할 때 동손(Pc)이 감소되고 철손(Pi)이 증가하며, 이와 반대로 전동기로 공급되는 전압이 하강할 때 동손(Pc)이 증가하고 철손(Pi)이 감소된다.

따라서, 전동기 부하의 영향을 받지 않고 전동기로 Pc=Pi인 전압을 제공할 수 있다.

2. 제2 실시방식

본 발명의 제2 실시방식은 도 2에 도시된 바와 같다. 제2 실시방식은 상기 제1 실시방식에서 사용되는 적분 회로, 가산기, 승산기 등 기능에서 마이크로 컴퓨터 프로세서를 사용하고 소프트웨어 코딩의 방식으로 PWM 컨버터를 제어함으로써 철손과 동손의 일치한 상태를 유지하도록 하는 방식이다.

단, 상기 제2 실시방식은 마이크로 컴퓨터를 이용하여 실현되는 바, 즉 각 기능의 실시방식은 고정된 순서(프로그램)에 따라 마이크로 프로세서를 제어함으로써 실현된다.

본 명세서에서 사용되는 [수단] 또는 [부]는 실시방식에 있어서 각 기능에 대응되는 개념으로서 반드시 특정된 하드웨어 또는 소프트웨어 과정과 일대일로 대응되어야 하는 것은 아니다. 동일한 하드웨어 요소는 구체적인 상황에 따라 다양한 부를 구성할 수 있다. 예를 들자면, 마이크로 프로세서에서 실제적으로 어느 한 명령을 수행할 때에 어느 한 부가 될 수 있으나, 다른 명령을 수행할 때에는 다른 부가 될 수도 있다. 또한, 어느 한 부는 단지 하나의 명령으로 실현될 수 있을 뿐만 아니라, 복수의 명령으로 실현될 수도 있다. 즉, 본 명세서에서는 회로의 과정[부]를 가정하여 실시방식을 설명하게 된다. 또한, 본 실시방식의 각 순서의 단계에 있어서, 그 본질을 위반하지 않는 전제 하에서 실행 순서를 변경할 수 있고 또한 동시에 복수의 단계를 실행할 수도 있으며 다양한 순서로 실행할 수도 있다.

또한, 본 발명을 소프트웨어의 형식으로 실현할 때, 소프트웨어를 자기 또는 광학 기록 매체에 기록하고 서로 다른 설계자들의 자신의 컴퓨터를 이용하여 이를 판독하고 실행 조작을 하는 방식도 본 발명의 한가지 실시방식으로 간주한다.

(2-1) 제2 실시방식의 구성

제2 실시방식에 있어서, 교류 전원에 연결되는 정류기(1), 필터링캐퍼시터(2), 역변환 장치(3), 전류 검측부(4), 전동기(5) 및 PWM 발생기(6) 부분은 상기 제1 실시방식과 동일하다. 상기 PWM 발생기(6)에는 마이크로 프로세서(20)에 의하여 제어되는 최적 전압 연산부(30)가 연결된다. 마이크로 프로세서는 CPU(21), 메인 메모리(22), RAM 또는 ROM 등 기록 장치(23), 데이터 또는 명령을 입력하기 위한 키보드와 마우스 또는 터치 센서 등 입력 장치(24), 모니터 또는 프린터 등 출력 장치(25), PWM 발생기(6) 또는 역변환 장치(3) 사이에서 데이터의 송수신을 수행하는 I/O부(26)를 포함하여 구성된다. 상기 최적 전압 연산부(30)는 상기 마이크로 프로세서에서 실행되는 소프트웨어의 형식으로 실현된다.

최적 전압 연산부(30)는 동손 연산부(31), 철손 연산부(32) 및 상기 산출된 철손값(Pc)과 동손값(Pi)을 비교하고 비교 결과에 의하여 PWM 발생기(6)로 전압 설정 신호(VLEVEL)를 출력하는 손실 비교부(33)를 포함하여 구성된다.

상기 동손 연산부(31)는 순간 전류값(iL) 산출부(31a), 순간 전류값(iL)의 제곱 적산부(31b), 평균화 처리부(31c) 및 저항 승산부(31d)를 포함하여 구성된다.

다른 방면으로, 철손 연산부(32)는 철손의 순간 전력 산출부(32a), 순간 전력 적산부(32b), 평균화 처리부(32c) 및 데이터 참조부(32d)를 포함하여 구성된다.

최적 전압 연산부(30)는 또한 동손 연산부(31)와 철손 연산부(32)가 교류의 한개 주기 내에서의 순간값 산출 및 적산 여부를 판단하는 샘플링 카운팅부(34)를 더 포함하여 구성된다.

상기 기억 장치(23)는 이미 알고 있는 일반 전동기의 여자 컨덕턴스(g0), 여자 서셉턴스(b0) 및 철손 보상 데이터를 기록한다. 그 중, 철손 보상 데이터는 전동기로 공급되는 전압(E)과 공급 전압의 변화에 따른 철손(Pi)의 데이터 변화가 기록된 데이터로서, 전압(E)의 16 제곱 ~ 18 제곱에 정비례되는 데이터이다. 도 5는 상기 데이터의 일 예를 도시한 도표로서, 16 제곱과 18 제곱의 평균값, 예를들면 17 제곱의 곡선이다. 상기 공급 전압과 보상값의 데이터는 마이크로 프로세서의 ROM에 기록되거나 또는 모의 회로의 구분적 선형 회로에 의하여 작성될 수 있다.

이어서 본 장치에 연결된 정동기의 일차 코일 및 이차 코일의 저항값(R1+R2)을 입력 장치(24)를 통하여 기록 장치(23)로 기록한다. 또한, 상기 여자 컨덕턴스(g0)와 여자 서셉턴스(b0)의 이미 알고 있는 데이터를 ROM 등 구성의 기록 장치(23)로 기록하는 이외에, 입력 장치(24)를 통하여 전동기의 특유값을 입력할 수도 있다.

(2-2) 제2 실시방식의 작용

상기와 같이 구성된 제2 실시방식의 작용을 도 3, 도4의 흐름도를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 비록 도시된 도면에서 철손을 산출하는 단계와 동손을 산출

하는 단계가 서로 뒤섞여 있지만, 양자의 연산 순서는 제한을 받지 않는다.

(단계 1) ··· 전압 제어 신호 e 판독

마이크로 프로세서는 우선 전동기(5)로 공급되는 순간 전압(i)를 PWM발생기(6)의 출력으로 하여 I/O부(26)를 통하여 입력시킨 다음, 전압 제어 신호 e로 한다.

(단계 2) ··· 전압 제어 신호 e' 판독

상기 단계와 같이, 전압 제어 신호 e와 90° 지연이 있는 순간 파형(e')을 판독한다. 상기 파형은 도 1 중의 적분 회로(8) 등 기능부를 통하여 취득할 수 있다. 상기와 같이 취득한 전압 제어 신호(e, e')는 도 2에 도시된 순간 전류값(iL)산출부(31a)를 통과하여 단계 3 ~ 단계 7에 따라 동손을 산출하는 단계를 실행한다.

(단계 3, 4) ··· 동손 산출 단계

기록 장치(23)로부터 일반 전동기의 미리 알고 있는 여자 컨덕턴스(g0) 및 여자 서셉턴스(b0)를 판독하고, 판독한 g0 및 b0을 상기 전압 제어 신호 e 및 e'와 승산하여 e·g0 및 e'·b0의 값을 산출한다. 상기 값은 여자 컨덕턴스(g0)를 통과하는 전류 순간값(ig0) 및 여자 서셉턴스(b0)를 통과하는 전류 순간값(ib0)이다.

(단계 5) ··· 동손 산출 단계

상기 취득한 전류 순간값(ig0, ib0)을 가산하여 여자 전류의 순간값(i0)을 산출한다.

(단계 6, 7) ··· 동손 산출 단계

전류 검측기(4)로부터 검출된 전동기 전류의 순간값(i)에 의하여, 상기 여자전류의 순간값(i0)을 기초로 하여 i-i0을 산출하여 순간 전류값(iL)을 취득한다.

(단계 8) ··· 철손 산출 단계

다른 방면으로, 철손 연산부(32)의 순간 전력 산출부(32a)에 있어서, 우선 단계 1에서 판독한 전압 제어 신호 e와 기록 장치(23)로부터 판독된 여자컨덕턴스(g0)에 의하여 e²·g0를 산출하고, 이어서 철손의 순간 전력(PiA)에 가산한다.

상기 PiA는 철손 순간 전력의 적산값으로서, 후술되는 교류의 한개 주기가 결속될 때 평균화를 통하여 Pi의 값을 산출하기 위한 것이다.

(단계 9) ··· 동손 산출 단계

상기 단계 7에서 취득한 순간 전류값(iL)을 이용하여 순간 전류값 제곱 적산부(31b)를 통하여 (iL)²를 산출하여 IL²A에 가산한다.

상기 IL²A는 순간 전류값(iL)의 제곱 적산값으로서, 후술되는 교류의 한개주기가 결속될 때 평균화를 통하여 (IL)의 제곱값을 산출하기 위한 것이다.

(단계 10, 11) ··· 샘플링 처리의 카운팅

한개 교류 주기 내에서 적어도 10회 이상의 상기 샘플링 처리를 실행한다.

한개 교류 주기 내에서 실행한 샘플링 횟수 N에 대하여 카운팅 처리한다. 이 때, 샘플링 카운팅부(34)를 통하여 한개 교류 주기 내에서의 샘플링 종료 여부의 판단(단계 10의 예 또는 아니오 판단) 및 샘플링 횟수 N의 카운팅 터리를 실행하고, 한개 교류 주기가 종료되지 않았을 때 단계 1로 돌아가 철손의 순간 전력(PiA) 및 전류 순간값의 제곱값(iL)²의 산출을 반복하여 적산값의 처리 과정에 적산한다. 한개 교류 주기가 종료된 다음, 도 4에 도시된 바와 같이 단계 12로 진입한다.

(단계 12) ··· 철손 산출 단계

한개 교류 주기의 샘플링이 종료되었을 때, 다음 단계에서 철손 연산부(32)의 평균화 처리부(32c)를 통하여 철손의 순간 전력의 적산값에 대하여 카운팅 값에 의하여 평균화 처리를 실행함으로써 PiA/N을 산출한다. 그 중, 실제적인 철손은 전동기로 공급되는 전압에 따라 변화되기 때문에, 상기 단계를 통하여 취득한 철손 순간 전력의 평균값을 직접 사용할 수 없다. 본 실시방식에 있어서, 데이터참조부(32d)를 이용하여 기록 장치(23)로 기록한 전동기 공급 전압(E)의 철손 보상데이터를 판독하고 이를 보상 데이터로 하여 PiA/N에 승산함으로써 PiA/N과 유사한 실제 전동시 철손값(Pi)을 산출한다.

(단계 13) ··· 동손 산출 단계

이어서, 동손 연산부(31)의 평균화 처리부(31c)를 통하여 상기 단계에서 취득한 IL²A를 샘플링 카운팅값 N으로 나누어 IL²A/N를 산출하고 평균화된 (IL)²를 취득한다.

(단계 14) ··· 동손 산출 단계

상기 단계를 통하여 취득한 (IL)²를 이용하여 저항 승산부(31d)를 통하여 (IL)²·(R1+R2)의 값을 산출한다. 상기 값이 동손(Pc)이다.

(단계 15) ··· 동손과 철손의 비교 처리

손실 비교부(23)을 통하여 동손(Pc) - 철손(Pi)의 값을 연산하고, 취득한 값이 정수인 경우 전압 설정 신호(VLEVEL)가 출력 전압을 높이는 신호를 PWM발생기(6)로 출력하도록 하고, 취득한 값이 부수인 경우 전압 설정 신호(VLEVEL)가 출력 전압을 낮추는 신호를 출력하도록 한다. 그 중, 출력 전압값의 상승, 하강 속도는 일정한 속도로 진행되거나, 또는 Pc-Pi의 함수일 수도 있다.

그 결과는 제1 실시방식과 마찬가지로, PWM 발생기(6)를 통하여 역변환장치(3)를 제어함으로써 전동기로 공급되는 전압을 최적 전압으로 제어할 수 있다.

(단계 16)

상기 단계를 통하여 PWM 발생기(6)로 전압 설정 신호를 출력한 다음, 제반 한개 교류 주기 내에서 적산하여 취득한 값 PiA, IL²A 및 N을 리셋하고, 이어서 다음 한개 교류 주기의 샘플링을 실행한다.

(2-3) 제2 실시방식의 작용

상기 단계에서 설명한 바와 같이, 제2 실시방식에 따르면, 마이크로 프로세서의 소프트웨어화를 통하여 동손 및 철손을 계산하고, 이를 통하여 시스템이 더욱 간단해지고 안정성이 훨씬 향상되도록 할 수 있다. 또한, 본 장치에 연결되는 다양한 전동기의 여자 컨덕턴스, 여자 서셉턴스 또는 코일 저항 등 상수를 기록 장치에 기록함에 따라, 전동기 모델을 지정하는 방식을 통하여 복잡한 파라미터 설정을 완성할 수 있기 때문에, 조작이 더욱 간단하고 정밀도가 더욱 높은 전압 제어 장치를 실현할 수 있다.

또한, 철손 보상 상수를 저장함으로써 취득한 철순에 대하여 보상처리를 진행하여 정밀도가 더욱 높은 철손값을 취득할 수 있으며, 이에 따라 더욱 정확한 최적 전압값을 산출할 수 있다.

발명의 효과

상기와 같이, 본 발명에 따르면, PWM 컨버터를 이용하여 출력 전압을 제어하여 동손과 철손이 시종일관하게 일치한 상태를 유지하도록 함으로써, 전동기의 에너지 절약 분야에 도움이 되는 전압 제어 장치를 제공할 수 있다.

1 : 정류 2 : 필터링 캐퍼시터
3 : 역변환 장치 4 : 전류 검측기
5 : 전동기 6 : PWM 발생기
7 : 승산기 8 : 적분 회로
9 : 평균치 회로 10 : 평균치 회로
11 : 제곱기 12 : 비교기
13 : 가변 컨덕턴스 14 : 가변 서셉턴스
15 : 가변 저항 20 : 마이크로 컴퓨터
30 : 최적 전압 연산부 31 : 동손 연산부
32 : 철손 연산부 33 : 손실 비교부
34 : 샘플링 카운팅부

Claims

교류를 직류로 변환시키는 정류기(1)와, 정류기(1)의 출력전압을 필터링하는필터링용 캐퍼시터(2)와, 스위치 제어를 통하여 캐퍼시터(2)를 통과한 직류를 스위치 제어를 통해 교류로 변환시켜 전동기(5)로 공급하는 역변환 장치(3)를 포함하는전압 제어장치에 있어서,
주파수 설정 신호(FRQ) 및 전압 설정 신호(VLEVEL) 등 두개 입력 신호에 의하여 결정되는 PWM 신호(PWM)를 역변환장치(3)로 출력하고, 전동기(5)로 공급되는기본 파형 순간 전압에 정비례하는 신호 e를 출력하는 PWM발생기(6)와;
전동기로 공급되는 기본 파형 순간 전압에 정비례하는 신호 e에 대하여 가변컨덕턴스에 의한 계산 처리를 거쳐 철손을 산출하는 철손연산회로와;
전동기로 공급되는 기본 파형 순간 전압에 정비례하는 신호 e와 전동기 전류의 순간값(i)과 상기 가변 컨덕턴스와 가변 서셉턴스 및 가변 저항값에 의한 계산처리를 거쳐 동손을 산출하는 동손연산회로와;
동손 값 및 철손 값을 비교하고, 비교 결과에 의하여 전압설정신호(VLEVEL)를 발생시켜 PWM발생기(6)로 출력하는 비교기(12); 로 구성한 것을 특징으로 하는전압제어장치.
제 1 항에 있어서, 철손연산회로는
PWM 발생기(6)의 전압 출력 신호 e의 출력단에 a, b 두개 입력 단자가 구비된 승산기(7)를 연결하되, 승산기(7)의 입력 단자 b단에는 상기 전압 신호 e가 연결되고, 입력 단자 a단에는 가변 컨덕턴스(13)을 통과한 상기 전압 신호 e가 연결되도록 구성하고,
승산기(7)의 출력단에는 평균치 회로(9)를 연결하며, 평균치회로(9)의 출력단을 비교기(12)의 일측 입력단자(a)에 연결하여 구성한 것을 특징으로 하는 전압제어장치.
제 1 항에 있어서, 동손연산회로는
PWM 발생기(6)의 전압 출력 신호 e의 출력단에 적분 회로(8)를 연결하고, 적분 회로(8)의 출력단은 가변 서셉턴스(14)를 통하여 제1 가산기(16)의 입력단에 연결하고, 제1 가산기(16)의 타 입력단에는 상기 가변 컨덕턴스(13)의 출력단을 연결하며,
제1 가산기(16)의 출력단은 제2 가산기의 (-)단의 입력 단자에 연결되고, 제2 가산기(17)의 (+)단의 입력 단자에는 검측 역변환 장치(3)의 출력 전류의 전류검측기(4)가 연결되며, 제2 가산기의 출력단에는 순서에 따라 제곱기(11), 평균치 회로(10) 및 가변저항(15)이 연결되고, 상기 가변 저항(15)의 출력단은 상기 비교기(12)의 동손단의 입력 단자(b)에 연결하여 구성한 것을 특징으로 하는 전압제어장치.
전동기의 여자 컨덕턴스 및 여자 서셉턴스에 의하여 설정하는 가변 컨덕턴스(13) 및 가변 서셉턴스(14), 전동기의 일차 코일 및 이차 코일의 저항값에 의하여 설정하는 가변 저항(15), 전동기로 공급되는 기본 파형 순간 전압에 정비례하는신호 e에 대하여 상기 가변 컨덕턴스에 의한 계산 처리를 거쳐 철손을 산출하는 제1 과정과,
전동기로 공급되는 기본 파형 순간 전압에 정비례하는 신호 e와 전동기 전류의 순간값(i)과 상기 가변 컨덕턴스와 가변 서셉턴스 및 가변 저항값에 의한 계산처리를 거쳐 동손을 산출하는 제 2 과정과,
상기 과정을 통하여 취득한 동손 값 및 철손 값을 비교하고, 비교 결과에 의하여 전동기로 공급되는 전압을 제어하는 제 3 과정,
으로 구성한 것을 특징으로 하는 전압제어방법.