KR101998515B1

KR101998515B1 - 가상 dq축을 이용한 커패시터 운전-기동형 단상 유도전동기 돌입전류 제한 장치 및 그 방법

Info

Publication number: KR101998515B1
Application number: KR1020180022092A
Authority: KR
Inventors: 황선환; 강형도
Original assignee: 경남대학교 산학협력단
Priority date: 2018-02-23
Filing date: 2018-02-23
Publication date: 2019-07-09

Abstract

본 발명은 가상 dq축을 이용한 커패시터 운전-기동형 단상 유도전동기 돌입전류 제한 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 입력되는 단상 220V/60Hz AC 상용 전원을 DC 전원으로 변환시키는 정류기와; 상기 정류기에서 정류된 DC전원을 안정화시키기 위해 하나 이상의 콘덴서가 상기 정류기의 출력단에 병렬로 접속 연결되는 직류안정화용 평활 커패시터와; 상기 직류안정화용 평활 커패시터의 출력단에 접속 연결되어 풀 브릿지 인버터로 DC전원을 AC 전원으로 변환 후 단상 유도전동기를 제어하기 위한 PWM Inverter 기능을 갖는 풀-브릿지 인버터와; 상기 풀-브릿지 인버터의 출력단에 접속 연결되는 커패시터 기동-운전형 단상 유도전동기와; 상기 풀브릿지 인버터와 단상 유도전동기를 스위칭 신호를 발생시켜 제어하되, 전류/전압 센서회로를 통해 상기 풀브릿지 인버터와 단상 유도전동기를 실시간으로 전류와 전압의 정보를 감시하는 풀 브릿지 스위칭 신호 및 전압/전류 센서 회로와; 상기 구성들을 갖는 시스템 전체를 제어하기 위한 시스템 제어부로 구성되는 것을 특징으로 하는 가상 dq축을 이용한 커패시터 운전-기동형 단상 유도전동기 돌입전류 제한 장치를 구현함으로써, 가상의 dq축 전류를 이용한 커패시터 기동-운전형 단상 유도전동기의 기동 시 돌입 전류가 발생하는 경우 커패시터 열화 및 부속장치의 운전 APF의 차단 주파수와 차이로 인하여 발생하는 위상오차에 의하여 추종된 위상각이 왜곡되는 것을 방지할 수 있도록 한 독특한 효과가 있다.

Description

가상 dq축을 이용한 커패시터 운전-기동형 단상 유도전동기 돌입전류 제한 장치 및 그 방법{Starting CurrentReduction Method and device of Single-phase Induction Motor Based on dq-axis Transformation}

본 발명은 단상 유도전동기 돌입전류 제한 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 특히 커패시터 기동-운전형 단상유도전동기의 기동방식을 유지한 상태에서 기동 전류(돌입전류)를 저감시키도록 한 가상 dq축을 이용한 커패시터 운전-기동형 단상 유도전동기 돌입전류 제한 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 단상 유도전동기는 한 상의 권선만을 고정자에 감은 특수한 구조로 인하여 단상 교류전원을 투입하면 고정자 기자력은 회전자계가 아닌 교번자계가 발생된다.

교번자계에 의해 회전자 회로에 전압이 유기되어 전류가 흐르지만, 렌즈의 법칙에 의해 자속의 변화를 방해하는 방향으로 전류가 흐르기 때문에 고정자 자속축과 동일축에 반대 방향의 교번자계가 발생한다. 즉, 고정자 자계와 회전자 자계 사이의 각이 180˚ 가 되어 기동토크가 없다. 이를 해결해주기 부가적인 장치가 필요한데, 단상 유도전동기의 고정자에 두 개의 권선을 공간적으로 90˚위상차가 나도록 감는 보조권선을 이용하여야 한다. 보조권선을 감으면 단상 유도전동기는 2상 유도전동기로 가정할 수 있으나, 권선에 입력되는 전원이 단상이므로 2상 유도전동기로는 동작할 수 없다. 따라서 전원을 2상으로 하기 위해서 병렬로 접속된 보조권선에 흐르는 전류가 주권선에 흐르는 전류와 전기적으로 90˚위상차가 발생시키면 된다. 이러한 단상 유도전동기는 주권선(Main winding)과 보조권선(Auxiliary winding)의 리액턴스를 달리하여 2상 교번자계에 의한 기동을 하므로 기동시 과전류의 유입과 과기동 토크를 발생하게 된다. 그 결과 과전류 및 과기동 토크에 의해 기동 및 운전용 커패시터의 열화, 전동기 코일손상 및 베어링 소손 등에 큰 영향을 미치기 때문에 전체 시스템의 수명 단축을 초래할 수 있다.

한편, 대한민국 실용신안공보(Y1) 실1988-0022802호(1988.12.27)에는 단상 유도 전동기의 정속도 제어 회로가 제안된 바 있다[1]. 또한 제10-0662431호(2007.01.02)에는 단상 유도 모터의 기동장치와 이를 구비한 단상 유도 모터가 제안된 바 있다.

그러나 위 특허기술들의 [1]은 과부하에 의한 전동기의 지속적인 구속이나 최저 속도 이하의 구동으로부터 전동기의 소손을 방지한 것에 불과하며, 또한 [2]는 단상 유도모터의 기동장치를 개선하여 사용의 편리성을 증진시키고 신뢰성을 높인 반면, 가상의 dq축 전류를 이용한 커패시터 기동-운전형 단상 유도전동기의 기동 시 돌입 전류가 발생하는 경우 커패시터 열화 및 부속장치의 운전 APF의 차단 주파수와 차이로 인하여 발생하는 위상오차에 의하여 추종된 위상각이 왜곡되는 것을 방지하는 기술적 사항이 결여되어 있다.

따라서, 본 발명에서는 상기 문제점들을 해소하는 전혀 새로운 가상 dq축을 이용한 커패시터 운전-기동형 단상 유도전동기 돌입전류 제한 기법을 제안한다.

본 발명의 목적은 보다 상세하게는 풀-브릿지 인버터와 전역통과필터(APF) 및 가상 dq모델 기반 전류제어기(동기좌표계 PI 전류 제어기) 등을 통해 커패시터 기동-운전형 단상유도전동기의 기동방식을 유지한 상태에서 기동 전류를 저감시키는 기법을 구현함으로써, 가상의 dq축 전류를 이용한 커패시터 기동-운전형 단상 유도전동기의 기동 시 돌입 전류가 발생하는 경우 커패시터 열화 및 부속장치의 운전 APF의 차단 주파수와 차이로 인하여 발생하는 위상오차에 의하여 추종된 위상각이 왜곡되는 것을 방지할 수 있도록 한 가상 dq축을 이용한 커패시터 운전-기동형 단상 유도전동기 돌입전류 제한 장치 및 그 방법을 제공한다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 의하면, 입력되는 단상 220V/60Hz AC 상용 전원을 DC 전원으로 변환시키는 정류기((Rectifier Diode, 100)와: 상기 정류기에서 정류된 DC전원을 안정화시키기 위해 하나 이상의 콘덴서가 상기 정류기의 출력단에 병렬로 접속 연결되는 직류안정화용 평활 커패시터(200)와; 상기 직류안정화용 평활 커패시터의 출력단에 접속 연결되어 풀 브릿지 인버터로 DC전원을 AC 전원으로 변환 후 단상 유도전동기를 제어하기 위한 PWM Inverter 기능을 갖는 풀-브릿지 인버터(FBI; FullBridge Inverter, 300)와; 상기 풀-브릿지 인버터의 출력단에 접속 연결되는 커패시터 기동-운전형 단상 유도전동기(Single Phase Ibduction Motor, 400)와; 상기 풀브릿지 인버터와 단상 유도전동기를 스위칭 신호를 발생시켜 제어하되, 전류/전압 센서회로를 통해 상기 풀브릿지 인버터와 단상 유도전동기를 실시간으로 전류와 전압의 정보를 감시하는 풀 브릿지 스위칭 신호 및 전압/전류 센서 회로(500)와; 상기 구성들을 갖는 시스템 전체를 제어하기 위한 시스템 제어부(600)로 구성되는 것을 특징으로 하는 가상 dq축을 이용한 커패시터 운전-기동형 단상 유도전동기 돌입전류 제한 장치를 제공한다.

본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 상기 단상 유도전동기(400)의 기동 시 돌입 전류를 제한하는 장치는, 특정 주파수를 갖는 파형을 입력되었을 때, 크기는 입력파형의 폭과 같고, 위상은 90°뒤지는 파형이 출력되어 고정자 d축 전류에 대한 가상의 전류를 발생시켜 q축 전류 정보를 생성시키는 전역통과필터(APF; All Pass Filter, 410)와, 상기 전역통과필터(410)의 고정자 d축 전류를 제어하는 제1 가상 dq모델 기반 전류제어기(420A)와 가상 q축 전류를 제어하는 제2 가상 dq모델 기반 전류제어기(420B)가 병렬로 연결되어 지령 전류 값과 실제 전류 값의 오차를 줄이도록 하는 PI(Proportional Integral) 전류 제어기 기능을 갖는 가상 dq모델 기반 전류제어기(420)와, 상기 단상 유도전동기(SPIM)를 정지 상태에서 기동시키기 위한 기동각을 생성하는 SPIM 기동각 생성기(430)와, 상기 가상 dq모델 기반 전류제어기(420)를 통해 가상 dq축 전압으로 위상각 추정 시 계통 전압이 왜곡될 때, 정확한 위상각과 주파수를 추정하는 역할을 하는 위상동기제어기(440)와, 상기 단상 유도전동기(SPIM)의 운전모드 전환 Flag 신호를 발생시키며, 기동 시 돌입전류를 제한하고, 정상상태 도달 시 Flag 신호가 발생하여 운전모드가 전환되도록 하는 SPIM 운전모드 전환 모듈(450)이 구비되는 것을 특징으로 한다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 특징에 의하면, SPIM 기동각 생성기(430)를 통해 전류지령(istart_ref)과 좌표변환(a-b to d-q) 및 역좌표변환(d-q to a-b)에 필요한 단상 유도전동기(SPIM, 400)의 기동각을 생성시키는 제1 단계(S100)와; 상기 SPIM 기동각 생성기(430)에서 생성된 단상 유도전동기(SPIM, 400)의 기동각을 사용한 정현파 전류 지령(istart_ref, ia)에 전역통과필터(APF, 410)를 이용하여 가상의 b축 전류(ib)를 생성시키는 제2 단계(S200)와; 상기 정현파 전류 지령(ia)과 가상의 전류(ib)를 이용하여 동기 좌표계(a-b to d-q )로 변환하여 시변계수를 불시변 계수 즉, DC 성분으로 변환하여 동기 좌표계 idse, iqse 전류를 생성시키는 제3 단계(S300)와; 상기 생성된 동기 좌표계 idse, iqse 전류를 가상 dq모델 기반 전류제어기(420A, 420B)에 통과시켜 전류 지령과의 오차를 줄이는 제4 단계(S400)와; 상기 가상 dq모델 기반 전류제어기(420A, 420B)를 통해 얻어진 동기 좌표계 전압 지령 vdse*와 vqse*는 다시 정지 좌표계(역변환, d-q to a-b)를 이용하여 PWM 전압지령 vdss*을 생성시키는 제5 단계(S500)와; 상기 제4 단계 후, 상기 단상 유도전동기(SPIM, 400)가 기동하여 정격 전압/정격 주파수가 도달 시 SPIM 운전모드 전환 모듈(450)의 Flag 신호를 발생시켜 운전 모드를 변환하고, 상기 dq모델 기반 전류 제어기는 기동각 생성에 대한 전압 지령 vdss* 값만을 출력시키는 제6 단계(S600)를 포함하며, 또한, 계통전압이 왜곡된 경우 정확한 위상각과 주파수를 추정하기 위하여 위상동기제어기(440)의 arctan함수를 이용하여 기동각(θatan)을 생성하기 위한 전압 지령 vdss*을 전역통과필터(APF, 410)를 경유하여 90도 위상차를 가진 전압을 생성시키는 제7 단계(S700)와; 또한, 계통전압에서 위상이 왜곡된 전압이 발생할 경우 위상동기제어기(440)를 통해 정확한 위상 θpll을 추종시키는 제8 단계(S800) 및; 상용전압 크기와 상기 위상동기제어기(440)를 통한 위상 θpll을 이용하여 전압 지령 vs*를 발생시키는 제9 단계(S900)가 포함되는 것을 특징으로 하는 가상 dq축을 이용한 커패시터 운전-기동형 단상 유도전동기 돌입전류 제한 방법을 제공한다.

본 발명의 가상 dq축을 이용한 커패시터 운전-기동형 단상 유도전동기 돌입전류 제한 장치 및 그 방법은 다음과 같은 효과가 있다.

(1)본 발명은, 커패시터 기동-운전형 단상 유도전동기의 기동 시 발생하는 돌입전류를 저감하여 커패시터 열화 방지 및 부속장치의 운전성능 향상시킬 수 있으며, 기동 후 운전 상태에 돌입 했을 경우, 운전 모드 전환 알고리즘을 통해 정상상태에서도 안정적인 동작이 가능하다.

(2)본 발명은, 커패시터 기동-운전형 단상 유도전동기가 적용되는 시스템의 부속장치 성능 향상 및 수명 감소 저하를 위해 널리 적용될 수 있다.

(3)본 발명은, 기존의 기동 및 운전을 위한 커패시터를 이용한 모든 단상 유도전동기에 쉽게 접목이 가능함으로써, 높은 신뢰성 및 고품질의 커패시터 기동-운전형 단상 유도전동기를 제공할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래기술을 나타낸 도면
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 가상 dq축을 이용한 커패시터 운전-기동형 단상 유도전동기 돌입전류 제한 장치 및 그 방법에 대한 커패시터 기동-운전형 단상 유도전동기의 제어 시스템 블록도
도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 가상 dq축을 이용한 커패시터 운전-기동형 단상 유도전동기 돌입전류 제한 장치 및 그 방법에 대한 SPIM 기동 시 돌입전류 제한 장치를 나타낸 블록도
도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 가상 dq축을 이용한 커패시터 운전-기동형 단상 유도전동기 돌입전류 제한 장치 및 그 방법에 대한 SPIM 기동 시 돌입전류 제한 방법을 나타낸 플로워 챠트
도 5는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 가상 dq축을 이용한 커패시터 운전-기동형 단상 유도전동기 돌입전류 제한 장치 및 그 방법에 대한 단상 유도전동기 기동 시 (a)정지 좌표계 d,q축 전류와 (b)동기 좌표계 dq축 전류를 나타낸 그래프
도 6은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 가상 dq축을 이용한 커패시터 운전-기동형 단상 유도전동기 돌입전류 제한 장치 및 그 방법에 대한 위상각 추종을 나타낸 그래프
도 7은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 가상 dq축을 이용한 커패시터 운전-기동형 단상 유도전동기 돌입전류 제한 장치 및 그 방법에 대한 정격전압 정속 운전 전환을 나타낸 그래프

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 하며 비록 종래기술과 동일한 부호가 표시되더라도 종래기술은 그 자체로 해석하여야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

먼저, 도 2를 참조하여, 바람직한 실시 예에 따른 가상 dq축을 이용한 커패시터 운전-기동형 단상 유도전동기 돌입전류 제한 장치 및 그 방법에 대한 커패시터 기동-운전형 단상 유도전동기의 제어 시스템 블록도 나타낸다.

더욱 상세하게 설명하면, 입력되는 단상 220V/60Hz AC 상용 전원을 DC 전원으로 변환시키는 정류기((Rectifier Diode, 100)와, 상기 정류기에서 정류된 DC전원을 안정화시키기 위해 하나 이상의 콘덴서가 상기 정류기의 출력단에 병렬로 접속 연결되는 직류안정화용 평활 커패시터(200)와, 상기 직류안정화용 평활 커패시터의 출력단에 접속 연결되어 풀 브릿지 인버터로 DC전원을 AC 전원으로 변환 후 단상 유도전동기를 제어하기 위한 PWM Inverter 기능을 갖는 풀-브릿지 인버터(FBI; FullBridge Inverter, 300)와, 상기 풀-브릿지 인버터의 출력단에 접속 연결되는 커패시터 기동-운전형 단상 유도전동기(Single Phase Ibduction Motor, 400)와, 상기 풀-브릿지 인버터를 단속제어하기 위한 풀 브릿지 스위칭 신호 및 전압/전류 센서 회로(500)와, 상기 구성들을 갖는 시스템 전체를 제어하기 위한 시스템 제어부(600)로 구성된다.

따라서 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 가상 dq축을 이용한 커패시터 운전-기동형 단상 유도전동기 돌입전류 제한 장치 및 그 방법은, 상기 풀-브릿지 인버터의 출력단에 접속 연결되는 부하인 커패시터 기동-운전형 단상 유도전동기(SPIM;Single Phase Ibduction Motor, 400)의 기동 시 돌입전류를 저감시키는데 그 특징이 있다.

이하, 도 2 및 도 3을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 가상 dq축을 이용한 커패시터 운전-기동형 단상 유도전동기 돌입전류 제한 장치 및 그 방법에 대한 상기 단상 유도전동기(Single Phase Ibduction Motor, 400)의 기동 시 돌입전류를 제한하는 장치에 대하여 상세하게 설명한다.

이를 위한 핵심 기술적 구성은, 크게 전역통과필터(APF; All Pass Filter, 410)와, 가상 dq모델 기반 전류제어기(420A, 420B), SPIM 기동각 생성기(430), 위상동기제어기(440), SPIM 운전모드 전환 모듈(450)을 구비하여, 커패시터 기동-운전형 단상 유도전동기의 기동방식을 유지한 상태에서 기동 전류를 저감시키는 기법을 구현함으로써, 가상의 dq축 전류를 이용한 커패시터 기동-운전형 단상 유도전동기의 기동 시 돌입 전류가 발생하는 경우 커패시터 열화 및 부속장치의 운전 APF의 차단 주파수와 차이로 인하여 발생하는 위상오차에 의하여 추종된 위상각이 왜곡되는 것을 방지할 수 있도록 한다.

도 3을 참조하여, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 전역통과필터(APF; All Pass Filter, 410)는, 특정 주파수를 갖는 파형을 입력되었을 때, 크기는 입력파형의 폭과 같고, 위상은 90°뒤지는 파형이 출력되는 수단으로, 고정자 전류에 대한 가상의 전류를 발생시켜 q축 전류 정보를 생성시킨다.

여기서, 상기 전역통과필터(410)는, 가상 DQ모델 기반 전류 제어기(420A, 420B)를 사용하기 위하여 다음 식의 전달함수를 통해 지령 전류

와 크기는 같고 90°의 위상차를 가지는 가상 전류

를 출력할 수 있다.

..................................(1)

여기서,

차단 주파수

가상 DQ모델 기반 전류 제어기를 이용하기 위해선 상기 지령 전류

와 전역통과필터를 이용한 가상의 전류

를 동기 좌표계로 변환 하여야한다.

즉, 지령 전류

와 가상의 전류

을 다음과 같다고 가정하였을 때 다음 식과 같다.

..................................(2)

여기서,

Open loop V/F 위상각

또한, 시변하는 정현파 함수인 지령 전류

와 가상의 전류

의 정보를 이용해 아래의 수식을 적용하여 불시변 계수인 동기 좌표계로 변환할 수 있다.

동기 속도로 회전하는 동기 좌표계에서 일정한 크기만 가지는 직류 성분으로 나타낼 수 있으며, 최종 아래와 같은 수식으로 나타낼 수 있다.

..............................(3)

여기서,

전류 최대값을 나타낸다.

앞서 언급한 불시변 계수인 d축 전류와 q축 전류의 정보를 통하여 가상 DQ모델 기반 전류 제어기(420A, 420B)를 이용할 수 있으며, d축 모델 기반 전류 제어기(420A) 같은 경우 동기 좌표계 d축 전류 제어하기 위함이고, 가상 q축 모델 기반 전류 제어기(420B) 같은 경우 동기 좌표계 가상의 q축 전류를 제어기 위함이다.

도 3을 참조하여, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 가상 dq모델 기반 전류제어기(420A, 420B)는, 지령 전류 값과 실제 전류 값의 오차를 줄이도록 하는 PI(Proportional Integral) 전류 제어기로서 병렬회로가 구성되며, 상기 420A에서는 d축 전류를 제어하고, 상기 420B에서는 가상 q축 전류를 제어한다.

다시 말해서, 상기 가상 dq모델 기반 전류제어기(420A, 420B)는, 상기 전역통과필터(410)의 고정자 d축 d축 전류를 제어하는 제1 가상 dq모델 기반 전류제어기(420A)와 가상 q축 전류를 제어하는 제2 가상 dq모델 기반 전류제어기(420B)가 병렬로 연결되어 지령 전류 값과 실제 전류 값의 오차를 줄이도록 하는 PI(Proportional Integral) 전류 제어기 기능을 갖는다.

여기서, 상기 비례적분(Proportional Integral, PI)은, 오차 신호를 적분하여 제어 신호를 만드는 적분제어를 비례제어(Proportional Control)에 병렬로 연결해서 사용한다. 비례 제어는 기준 신호와 현재 신호 사이의 오차 신호에 적당한 비례 상수 이득을 곱해서 제어 신호를 만든다.

또한, 상기 가상 dq모델 기반 전류 제어기(420A, 420B)는, 지령 값과 실제 값과의 오차에 비례하여 출력을 생성하는 항과 오차의 적분으로부터 출력을 생성하는 항으로 구성되어 있으며 전류 제어기에서 출력 전압과의 관계는 다음 식과 같다.

....................(4)

여기서,

: 전류 제어기 비례이득,

: 전류 제어기 적분이득을 각각 나타낸다.

피드백 루프가 있는 폐루프에서 비례 적분 전류제어 시스템의 폐루프 전달함수는 다음과 같다.

....................................(5)

여기서,

비례적분 제어기의 차단 주파수를 나타낸다.

위의 식 (5)로부터 전류 제어기의 비례 이득과 적분 이득은 다음과 같다.

.....................................(6)

여기서,

고정자 인덕턴스,

고정자 저항을 각각 나타낸다.

좌표변환을 통해 동기 좌표계 전류

와

는 전류 제어기를 통해 제어하며,

는 제어기를 통해 ‘0’으로 제어되고,

는 초기 돌입전류 보다 낮으면서, 최소 기동토크를 확보할 수 있는 크기로 제어한다.

제안된 가상 dq모델 기반 전류제어기(420A, 420B)의 최종 출력은 전압지령

와

는 역 좌표변환을 통해

와

로 변환되고,

는 정현파 PWM 제어의 지령으로 사용되며, 추가로 정속운전 전환 시 전압 제어에 사용될 위상을 추정하는 역할을 한다.

역변환을 위한 식은 다음 식과 같다.

......................(7)

도 3을 참조하여, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 SPIM 기동각 생성기(430)는, 초기 정지상태 시 단상 유도전동기(SPIM)를 기동시키기 위한 기동각을 생성한다.

다시 말해서, 상기 SPIM 기동각 생성기(430)는, 앞서 언급한 좌표변환 식 (3)은 위상각이 필요하며, 초기 회전자는 정지 상태이다. 따라서, 상기 단상 유도전동기(400)의 기동을 하기 위해서는 상기 SPIM 기동각 생성기(430)가 필요하다. 이때, 기동을 하기 위해서 속도를 가변속을 하여야한다.

이때, 각속도는 회전자 위치의 미분형이기 때문에 다음과 같은 관계식으로 나타낼 수 있다.

...................................(8)

여기서,

기동 각 지령,

기동 각속도 지령을 각각 나타낸다.

도 3을 참조하여, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 위상동기제어기(440)는, 상기 가상 dq모델 기반 전류제어기(420)를 통해 가상 dq축 전압으로 위상각 추정 시 계통 전압이 왜곡될 때, 정확한 위상각과 주파수를 추정하는 역할을 한다.

다시 말해서, 커패시터 기동-운전의 구동 방식은 기동시의 돌입전류는 매우 높지만, 기동이후 운전시의 전류는 기동시의 전류보다 1/6~1/5배 정도로 매우 낮다. 기동 시 발생하는 돌입 전류를 낮추기 위해 제안된 알고리즘을 사용하였지만, 기동이 된 후, 낮은 운전 전류가 요구되는 상황에도 운전전류의 2~3배에 해당되는 전류로 일정 전류 제어를 지속하면 전류제어기가 포화하는 현상이 발생한다. 따라서 기동이후 정격 전압/정격 주파수에 도달하면 일정 전압제어를 위한 정속 운전 전환이 필요하다.

따라서, 전류 제어기의 출력전압 지령과 동기화된 전압 생성이 필요하고 원활한 운전모드 전환을 위한 위상각 검출 알고리즘이 요구된다. 이를 위해서 위상각 추정 알고리즘 중 arctan 함수를 이용한 상기 위상동기제어기(440)를 사용하여야 한다.

또한, 정지 좌표계 dq축 전압을 이용하여 위상각을 추정하는 기법이 있지만, 계통 전압이 왜곡된 경우 정확한 위상각과 주파수를 추정하기 위하여 보다 향상된 제어기인 상기 위상동기제어(440)를 이용하여야한다.

상기 위상동기제어(430)의 전달함수는 아래와 같이 나타난다.

...........(9)

여기서,

위상동기제어 비례이득,

위상동기제어 각 오차,

위상동기제어 적분이득을 각각 나타낸다.

도 3을 참조하여, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 SPIM 운전모드 전환 모듈(450)은, 상기 단상 유도전동기(SPIM)의 운전모드 전환 Flag 신호를 발생시키며, 기동 시 돌입전류를 제한하고, 정상상태 도달 시 Flag 신호가 발생하여 운전모드가 전환되도록 한다.

다시 말해서, 앞서 언급한 바와 같이 정상상태가 도달할 경우 정속 운전 전환이 필요하다. 따라서, 정격 전압/정격 주파수에 도달하면 상기 SPIM 운전모드 전환 모듈(450)을 통해 SPIM 운전모드 전환에 따른 Flag 신호를 발생시켜 모드가 전환하여 일정전압제어를 하여야한다.

한편, 도 2를 참조하여, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 풀 브릿지 스위칭 신호 및 전압/전류 센서 회로(500)는, 상기 풀브릿지 인버터와 단상 유도전동기를 스위칭 신호를 발생시켜 제어하되, 전류/전압 센서회로를 통해 상기 풀브릿지 인버터와 단상 유도전동기를 실시간으로 전류와 전압의 정보를 감시할 수 있다.

또한, 도 2를 참조하여, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 시스템 제어부(600)는, 알고리즘을 적용하여 전체적인 시스템 제어를 담당하는 역할을 한다.

이하, 도 4를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 가상 dq축을 이용한 커패시터 운전-기동형 단상 유도전동기 돌입전류 제한 장치 및 그 방법에 대한 단상 유도전동기의 기동 시 돌입전류를 제한하는 방법을 상세하게 설명한다.

먼저, SPIM 기동각 생성기(430)를 통해 전류지령(istart_ref)과 좌표변환(a-b to d-q) 및 역좌표변환(d-q to a-b)에 필요한 단상 유도전동기(SPIM, 400)의 기동각을 생성시키는 제1 단계(S100)를 갖는다.

다음은, 상기 SPIM 기동각 생성기(430)에서 생성된 단상 유도전동기(SPIM, 400)의 기동각을 사용한 정현파 전류 지령(istart_ref, ia)에 전역통과필터(APF, 410)를 이용하여 가상의 b축 전류(ib)를 생성시키는 제2 단계(S200)를 갖는다.

또한, 상기 정현파 전류 지령(ia)과 가상의 전류(ib)를 이용하여 동기 좌표계(a-b to d-q )로 변환하여 시변계수를 불시변 계수 즉, DC 성분으로 변환하여 동기 좌표계 idse, iqse 전류를 생성시키는 제3 단계(S300)를 갖는다.

또한, 상기 생성된 동기 좌표계 idse, iqse 전류를 가상 dq모델 기반 전류제어기(420A, 420B)에 통과시켜 전류 지령과의 오차를 줄이는 제4 단계(S400)를 갖는다.

여기서 상기 420A는 d축 전류를 제어하고, 상기 420B는 q축 전류를 제어하는 것을 더 포함한다.

또한, 상기 가상 dq모델 기반 전류제어기(420A, 420B)를 통해 얻어진 동기 좌표계 전압 지령 vdse*와 vqse*는 다시 정지 좌표계(역변환, d-q to a-b)를 이용하여 PWM 전압지령 vdss*을 생성시키는 제5 단계(S500)를 갖는다.

또한, 상기 제4 단계 후, 상기 단상 유도전동기(SPIM, 400)가 기동하여 정격 전압/정격 주파수가 도달 시 SPIM 운전모드 전환 모듈(450)의 Flag 신호를 발생시켜 운전 모드를 변환하고, 상기 dq모델 기반 전류 제어기는 기동각 생성에 대한 전압 지령 vdss* 값만을 출력시키는 제6 단계(S600)를 갖는다.

또한, 계통 전압이 왜곡된 경우 정확한 위상각과 주파수를 추정하기 위하여 보다 향상된 제어기인 상기 위상동기제어기(440)를 통해 arctan함수를 이용하여 기동각(θatan)을 생성하기 위한 전압 지령 vdss*을 상기 전역통과필터(APF; All Pass Filter, 410)를 경유하여 90도 위상차를 가진 전압을 생성시키는 제7 단계(S700)가 포함된다.

또한, 계통전압에서 위상이 왜곡된 전압이 발생할 경우 위상동기제어기(440)를 통해 정확한 위상 θpll을 추종시키는 제8 단계(S800)가 포함된다.

마지막으로, 상용전압 크기와 상기 위상동기제어기(440)를 통한 위상 θpll을 이용하여 전압 지령 vs*를 발생시키는 제9 단계(S900)가 포함된다.

한편, 도 5는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 가상 dq축을 이용한 커패시터 운전-기동형 단상 유도전동기 돌입전류 제한 장치 및 그 방법에 대한 단상 유도전동기 기동 시 (a)정지 좌표계 d,q축 전류와 (b)동기 좌표계 dq축 전류를 나타낸 그래프이다.

먼저, 상기 (a)정지 좌표계 d,q축 전류는, 상기 전역통과필터(410)를 이용하여 정지 좌표계인 실제 전류 지령 ia와 생성된 가상의 전류 ib를 보여주고 있으며 주파수가 가변함에 따라 위상차가 90ㆍ뒤지는 것을 보여주고 있으며 Imain에서 초기 기동 전류가 낮음을 확인할 수 있다. 다음 상기 (b)동기 좌표계 dq축 전류는, 정지 좌표계 ia와 가상의 전류ib를 이용하여 동기 좌표계로 변환하고 idse, iqse가 상기 가상 dq모델 기반 전류 제어기(420A, 420B)의 전류제어 지령에 맞게 잘 동작하고 있는 것을 보여준다.

또한, 도 6은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 가상 dq축을 이용한 커패시터 운전-기동형 단상 유도전동기 돌입전류 제한 장치 및 그 방법에 대한 위상각 추종을 나타낸 그래프이다.

그래프에서 보는 바와 같이, 상기 위상동기제어기(440)를 이용하여 왜곡된 위상을 보상해주는 것을 보여주고 있으며, 0~2pi에 따라 고정자 전류 is가 위상이 동기화된 정현파와 같다는 것을 알 수 있다.

그리고 도 7은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 가상 dq축을 이용한 커패시터 운전-기동형 단상 유도전동기 돌입전류 제한 장치 및 그 방법에 대한 정격전압 정속 운전 전환을 나타낸 그래프로서, 상기 SPIM 운전모드 전환 모듈(450)에서 SPIM 운전모드 전환에 따른 Flag 신호를 발생시켜 정격전압 정속 운전으로 전환되었다는 것을 보여준다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시 예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100 : 정류기 200 : 직류안정화용 평활 커패시터
300 : 풀-브릿지 인버터 400 : 단상 유도전동기
410 : 전역통과필터 420 : 가상 dq모델 기반 전류제어기
420A : 제1 가상 dq모델 기반 전류제어기
420B : 제2 가상 dq모델 기반 전류제어기
430 : SPIM 기동각 생성기 440 : 위상동기제어기
450 : SPIM 운전모드 전환 모듈
500 : 풀 브릿지 스위칭 신호 및 전압/전류 센서 회로
600 : 시스템 제어부

Claims

입력되는 단상 220V/60Hz AC 상용 전원을 DC 전원으로 변환시키는 정류기((Rectifier Diode, 100)와;
상기 정류기에서 정류된 DC전원을 안정화시키기 위해 하나 이상의 콘덴서가 상기 정류기의 출력단에 병렬로 접속 연결되는 직류안정화용 평활 커패시터(200)와;
상기 직류안정화용 평활 커패시터의 출력단에 접속 연결되어 풀 브릿지 인버터로 DC전원을 AC 전원으로 변환 후 단상 유도전동기를 제어하기 위한 PWM Inverter 기능을 갖는 풀-브릿지 인버터(FBI; FullBridge Inverter, 300)와;
상기 풀-브릿지 인버터의 출력단에 접속 연결되는 커패시터 기동-운전형 단상 유도전동기(Single Phase Ibduction Motor, 400)와;
상기 풀브릿지 인버터와 단상 유도전동기를 스위칭 신호를 발생시켜 제어하되, 전류/전압 센서회로를 통해 상기 풀브릿지 인버터와 단상 유도전동기를 실시간으로 전류와 전압의 정보를 감시하는 풀 브릿지 스위칭 신호 및 전압/전류 센서 회로(500)와;
상기 구성들을 갖는 시스템 전체를 제어하기 위한 시스템 제어부(600)로 구성되고,
상기 단상 유도전동기(400)의 기동 시 돌입 전류를 제한하는 장치는,
특정 주파수를 갖는 파형을 입력되었을 때, 크기는 입력파형의 폭과 같고, 위상은 90°뒤지는 파형이 출력되어 고정자 d축 전류에 대한 가상의 전류를 발생시켜 q축 전류 정보를 생성시키는 전역통과필터(APF; All Pass Filter, 410)와,
상기 전역통과필터(410)의 고정자 d축 전류를 제어하는 제1 가상 dq모델 기반 전류제어기(420A)와 가상 q축 전류를 제어하는 제2 가상 dq모델 기반 전류제어기(420B)가 병렬로 연결되어 지령 전류 값과 실제 전류 값의 오차를 줄이도록 하는 PI(Proportional Integral) 전류 제어기 기능을 갖는 가상 dq모델 기반 전류제어기(420)와,
상기 단상 유도전동기(SPIM)를 정지 상태에서 기동시키기 위한 기동각을 생성하는 SPIM 기동각 생성기(430)와,
상기 가상 dq모델 기반 전류제어기(420)를 통해 가상 dq축 전압으로 위상각 추정 시 계통 전압이 왜곡될 때, 정확한 위상각과 주파수를 추정하는 역할을 하는 위상동기제어기(440)와,
상기 단상 유도전동기(SPIM)의 운전모드 전환 Flag 신호를 발생시키며, 기동 시 돌입전류를 제한하고, 정상상태 도달 시 Flag 신호가 발생하여 운전모드가 전환되도록 하는 SPIM 운전모드 전환 모듈(450)이 구비되는 것을 특징으로 하는 가상 dq축을 이용한 커패시터 운전-기동형 단상 유도전동기 돌입전류 제한 장치.
삭제
SPIM 기동각 생성기(430)를 통해 전류지령(istart_ref)과 좌표변환(a-b to d-q) 및 역좌표변환(d-q to a-b)에 필요한 단상 유도전동기(SPIM, 400)의 기동각을 생성시키는 제1 단계(S100)와;
상기 SPIM 기동각 생성기(430)에서 생성된 단상 유도전동기(SPIM, 400)의 기동각을 사용한 정현파 전류 지령(istart_ref, ia)에 전역통과필터(APF, 410)를 이용하여 가상의 b축 전류(ib)를 생성시키는 제2 단계(S200)와;
상기 정현파 전류 지령(ia)과 가상의 전류(ib)를 이용하여 동기 좌표계(a-b to d-q )로 변환하여 시변계수를 불시변 계수 즉, DC 성분으로 변환하여 동기 좌표계 idse, iqse 전류를 생성시키는 제3 단계(S300)와;
상기 생성된 동기 좌표계 idse, iqse 전류를 가상 dq모델 기반 전류제어기(420A, 420B)에 통과시켜 전류 지령과의 오차를 줄이는 제4 단계(S400)와;
상기 가상 dq모델 기반 전류제어기(420A, 420B)를 통해 얻어진 동기 좌표계 전압 지령 vdse*와 vqse*는 다시 정지 좌표계(역변환, d-q to a-b)를 이용하여 PWM 전압지령 vdss*을 생성시키는 제5 단계(S500)와;
상기 제4 단계 후, 상기 단상 유도전동기(SPIM, 400)가 기동하여 정격 전압/정격 주파수가 도달 시 SPIM 운전모드 전환 모듈(450)의 Flag 신호를 발생시켜 운전 모드를 변환하고, 상기 dq모델 기반 전류 제어기는 기동각 생성에 대한 전압 지령 vdss* 값만을 출력시키는 제6 단계(S600)를 포함하며,
또한, 계통전압이 왜곡된 경우 정확한 위상각과 주파수를 추정하기 위하여 위상동기제어기(440)의 arctan함수를 이용하여 기동각(θatan)을 생성하기 위한 전압 지령 vdss*을 전역통과필터(APF, 410)를 경유하여 90도 위상차를 가진 전압을 생성시키는 제7 단계(S700)와;
또한, 계통전압에서 위상이 왜곡된 전압이 발생할 경우 위상동기제어기(440)를 통해 정확한 위상 θpll을 추종시키는 제8 단계(S800) 및;
상용전압 크기와 상기 위상동기제어기(440)를 통한 위상 θpll을 이용하여 전압 지령 vs*를 발생시키는 제9 단계(S900)가 포함되는 것을 특징으로 하는 가상 dq축을 이용한 커패시터 운전-기동형 단상 유도전동기 돌입전류 제한 방법.