KR102064173B1 - 모터의 최대 효율점 제어 및 고장 진단이 가능한 모터 관제 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 모터의 전력에 공급하는 인버터와 동작 연계되어 모터의 최대 효율점 제어 및 고장 진단이 가능한 모터 관제 장치에 관한 것으로, 이는 상기 인버터의 입력단과 출력단에 설치된 전압 및 전류 센서들을 통해 상기 인버터의 입력 전력과 출력 전력을 계측 및 통보하는 전력 센싱부; 상기 입력 전력과 상기 출력 전력 중 적어도 하나로부터 유효 전력, 무효 전력, 피상 전력, 누적 전력량, 주파수, 위상, 역률 데이터 중 적어도 하나를 추출 및 출력하는 데이터 가공부; 상기 출력 전력의 주파수 기반으로 모터 속도 및 모터 토크를 파악하는 모터 속도 감지부; 상기 출력 전력에 대한 dq 변환을 수행한 후 출력 전류의 위상과 크기를 확인하고, 상기 출력 전류의 위상과 크기가 불평형 상태이면 모터 고장을 확인 및 통보하는 모터 고장 검출부; 및 지령 속도가 초기 입력되면 지령 속도에 따라 모터 속도를 제어하되, 모터 속도가 지령 속도와 동일해진 후에는 상기 입력 전력과 상기 출력 전력의 유효 전력과 무효 전력을 기반으로 현재 시점에서의 입출력 전력의 유무효 전력 비율(x(n))을 산출하고, 기 산출된 과거 시점에서의 입출력 전력의 유무효 전력 비율(x(n-1))과의 편차가 최소가 되도록 모터 속도를 반복 제어하는 모터 효율 제어부;를 포함하며, 상기 모터 효율 제어부는 상기 모터 속도의 제어 결과에 따라 상기 인버터의 출력 전압과 출력 주파수 중 적어도 하나를 조정하는 기능을 더 포함한다.

Description

모터의 최대 효율점 제어 및 고장 진단이 가능한 모터 관제 장치{Motor control apparatus for controlling the maximum efficiency point of the motor and diagnosing faults}

본 발명은 모터 관제 장치에 관한 것으로, 특히 인버터의 입력 및 출력 전력의 실시간 계측을 통해 모터의 최대 효율점 제어와 모터 고장 여부를 감시할 수 있도록 하는 새로운 형태의 모터의 최대 효율점 제어 및 고장 진단이 가능한 모터 관제 장치에 관한 것이다.

모터에 의한 전력소비량은 제조업 현장 산업 전력의 70%로 국가 전력 소비량에서 매우 큰 비중을 차지하고 있는 에너지 다소비기기 중 하나이다. 모터의 평균 수명은 15년 이상이며, 전수명 주기 비용을 고려하면 에너지 비용이 차지하는 비중은 약 96%이상으로 전력 사용량 저감에 효과적 수단 중 하나이다.

고효율 모터는 환경 보전, 전력 저감, 경비 저감 면에서 크게 주목받고 있으며, 에너지 절감 및 에너지 사용의 효율성 향상을 위해 인버터 구동 전동기와 더불어 인버터의 수요도 증가하는 추세이다.

팬, 펌프와 같은 2승 저감 부하 특성을 가지는 모터는 동력양이 회전 속도의 3승에 비례하여, 부하 특성에 맞춘 최적의 속도 제어 시 불필요한 여유 마력을 제거할 수 있기 때문에 에너지 절약이 가능하고, 현장에서 운전자의 경험이나 지식을 기반으로 가동률을 결정하고 있기 때문에 불필요한 마력 이상으로 운전되고 있다.

모터의 고장분석으로는 온도, 진동, 전기적 감시 기법을 적용 중에 있으나, 산업용에 적용에 있어 온도, 진동 센서 부착은 실질적으로 어려움이 많은 환경이다.

한편, 2승 저감을 갖는 모터를 적용되는 주요 산업으로는 하수 종말 처리장, 공장의 환기 시스템 등이 있으며, 이때의 모터는 현장에서 필요 마력이상으로 운전되는 문제가 있다. 또한 모터가 쉼 없이 계속적으로 운전되어, 유지 보수 혹은 고장에 대한 대처 방안도 부족한 문제도 있다.

국내등록특허 제10-1776163호(등록일자 2017년09월01일)

이에 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 인버터의 입력 및 출력 전력의 실시간 계측을 통해 모터의 최대 효율점 제어와 모터 고장 여부를 감시할 수 있도록 하는 새로운 형태의 모터의 최대 효율점 제어 및 고장 진단이 가능한 모터 관제 장치를 제공하고자 한다.

그리고 2승 저감을 갖는 모터를 최대 효율점 제어 방식으로 속도 제어함으로써, 불필요한 마력을 제거하여 에너지 낭비 발생을 사전 차단할 수 있도록 하는 모터의 최대 효율점 제어 및 고장 진단이 가능한 모터 관제 장치를 제공하고자 한다.

또한 모터 고장 여부를 예측하고, 모터 혹은 인버터 고장 시 전력 데이터를 저장하여 고장 원인의 보다 신뢰성있는 분석이 가능하도록 하는 모터의 최대 효율점 제어 및 고장 진단이 가능한 모터 관제 장치를 제공하고자 한다.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명의 일 실시 형태에 따르면 모터의 전력에 공급하는 인버터와 동작 연계되어 모터의 최대 효율점 제어 및 고장 진단이 가능한 모터 관제 장치는, 상기 인버터의 입력단과 출력단에 설치된 전압 및 전류 센서들을 통해 상기 인버터의 입력 전력과 출력 전력을 계측 및 통보하는 전력 센싱부; 상기 입력 전력과 상기 출력 전력 중 적어도 하나로부터 유효 전력, 무효 전력, 피상 전력, 누적 전력량, 주파수, 위상, 역률 데이터 중 적어도 하나를 추출 및 출력하는 데이터 가공부; 상기 출력 전력의 주파수 기반으로 모터 속도 및 모터 토크를 파악하는 모터 속도 감지부; 상기 출력 전력에 대한 dq 변환을 수행한 후 출력 전류의 위상과 크기를 확인하고, 상기 출력 전류의 위상과 크기가 불평형 상태이면 모터 고장을 확인 및 통보하는 모터 고장 검출부; 및 지령 속도가 초기 입력되면 지령 속도에 따라 모터 속도를 제어하되, 모터 속도가 지령 속도와 동일해진 후에는 상기 입력 전력과 상기 출력 전력의 유효 전력과 무효 전력을 기반으로 현재 시점에서의 입출력 전력의 유무효 전력 비율(x(n))을 산출하고, 기 산출된 과거 시점에서의 입출력 전력의 유무효 전력 비율(x(n-1))과의 편차가 최소가 되도록 모터 속도를 반복 제어하는 모터 효율 제어부;를 포함하며, 상기 모터 효율 제어부는 상기 모터 속도의 제어 결과에 따라 상기 인버터의 출력 전압과 출력 주파수 중 적어도 하나를 조정하는 기능을 더 포함하는 모터의 최대 효율점 제어 및 고장 진단이 가능한 모터 관제 장치를 제공한다.

상기 모터 효율 제어부는 현재 시점에서의 입출력 전력의 유무효 전력 비율(x(n))을 "

"에 따라 산출하며, 상기 Pout-d는 출력 무효 전력, 상기 Pout-q는 출력 유효 전력, 상기 Pin-d는 입력 무효 전력, 상기 Pin-q는 입력 유효 전력인 것을 특징으로 한다.

상기 모터 효율 제어부는 현재 시점(n)에서 입출력 전력의 유무효 전력 비율 변화치(y(n)=(x(n-1)-x(n))와 과거 시점(n-1)에서 입출력 전력의 유무효 전력 비율 변화치(y(n)=(x(n-1)-x(n))를 획득 및 비교한 후, 비교 결과가 동일한 상태가 기 설정 횟수 이상 연속 반복될 때에만 모터 속도 제어 동작을 수행하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 모터 효율 제어부는 모터 속도 미증가 상태에서, 과거 시점의 변화치(y(n-1))가 현재 시점의 변화치(y(n)) 보다 큰 경우에는 모터 속도를 감소시키고, 작은 경우에는 모터 속도를 증가시키고, 모터 속도 증가 상태에서, 과거 시점의 변화치(y(n-1))가 현재 시점의 변화치(y(n)) 보다 큰 경우에는 모터 속도를 감소시키고, 작은 경우에는 모터 속도를 증가시키는 것을 특징으로 한다.

상기 모터 관제 장치는 모터 관제 장치 동작에 관련된 정보를 시청각화하여 출력하는 표시부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 모터 관제 장치는 전기 설비를 구동시키는 모터의 실시간 계측을 통해 모터의 최대 효율점 제어를 수행함으로써, 2승 저감을 갖는 모터의 불필요한 마력을 제거하여 에너지 낭비 발생을 사전 차단할 수 있도록 한다.

또한 모터 고장 여부를 예측 및 통보할 수 있도록 함으로써, 모터 관리에 소요되는 비용과 시간이 획기적으로 감소될 수 있도록 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 설비 시스템용 원격 제어 및 에너지 열화 감시 시스템을 도시한 도면이다.
도 2 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 원격 제어 및 에너지 열화 감시 시스템을 제공되는 화면들을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터의 최대 효율점 제어 및 고장 진단이 가능한 모터 관제 장치를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 관제 장치의 모터 속도 계측 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 관제 장치의 모터 고장 여부 판단 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 관제 장치의 모터 최대 효율점 제어 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 12은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 관제 장치의 모터 최대 효율점 제어 방법에 따른 전력 효율을 설명하기 위한 도면이다.

본 발명의 목적 및 효과, 그리고 그것들을 달성하기 위한 기술적 구성들은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.

그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다.

그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 설비 시스템용 원격 제어 및 에너지 열화 감시 시스템을 도시한 도면이다.

도 1을 참고하면, 본 발명의 시스템(100)은 하수 종말 처리 시스템, 공장 환기 시스템 등에 구비된 각종 전기 설비의 동작을 원격 제어 및 모니터링하기 위한 것으로, 열화 감시 장치(110), 모터(120), 인버터(130), 모터 관제 장치(140), 설비 센서(150), 및 원격 관제 장치(160) 등을 포함할 수 있다.

다만, 이하에서는 설명의 편이를 위해 하수 종말 처리 시스템을 설비 시스템, 하수 종말 처리 시스템에 구비되는 펌프를 설비 장치의 일례로 들어 설명하기로 한다.

열화 감시 장치(110)는 하수 종말 처리 시스템에 분산 설치되어, 설치 지점 각각에서의 아크 또는 방전 발생 여부를 감지하는 초음파 센서와 온도를 감지하는 온도 센서를 다수개 구비한다. 그리고 아크 발생 패턴 및 온도 변화 패턴을 기반으로 설치 지점 각각, 또는 시스템 전체의 열화 상태를 확인 및 통보하도록 한다.

모터(120)는 펌프를 실제 구동하도록 한다. 특히, 본 발명의 모터는 2승 저감 모터로써, 동력량이 모터 속도의 3승에 비례하여, 부하 특성에 맞춘 최적의 속도 제어 시 불필요한 여유 마력을 제거할 수 있도록 한다. 즉, 최적 속도 제어를 통해 에너지 소비랑을 획기적으로 감소시킬 수 있도록 한다.

인버터(130)는 입력 전력을 전력 변환하여 출력 전력을 생성하되, 모터 관제 장치(140)의 제어하에 출력 전압과 출력 주파수를 가변하도록 한다. 즉, 출력 전압과 출력 주파수를 통해 모터 속도를 제어할 수 있도록 한다.

모터 관제 장치(140)는 인버터(130)의 입력단과 출력단 각각에 설치된 전압 센서와 전류 센서를 구비하고, 이들을 통해 인버터 입력 전력과 출력 전력을 실시간 계측한다. 그리고 계측 결과를 기반으로 인버터(130)의 전력 변환 조건을 수시 조정하고, 이와 동시에 모터(120)의 고장 여부를 산출 및 통보하도록 한다.

설비 센서(150)는 설비 시스템의 동작 환경을 센싱 및 통보하도록 한다. 예를 들어, 하수 종말 처리 시스템의 경우 펌프 압력, 펌프 유량, 탱크별 수위, 자동 밸브 위치, 자동 밸브 개도율, 히터 상태 등을 센싱 및 통보할 수 있을 것이다.

원격 관제 장치(160)는 설비 시스템의 동작을 원격 제어함과 동시에 전기 설비 시스템, 모터, 인버터 동작 상태를 실시간 모니터링하도록 한다. 이때, 원격 관제 장치(160)는 PLC 통신 방식, 무선 통신 방식(예를 들어, 로라(Long Range))을 함께 사용하여 설비 시스템, 열화 감시 장치(110), 모터 관제 장치(140), 설비 센서(150) 등과 통신할 수 있도록 한다. 예를 들어, 설비 시스템과는 PLC 통신 방식으로, 열화 감시 장치(110), 모터 관제 장치(140), 설비 센서(150)과는 무선 통신 방식으로 통신할 수 있을 것이다.

특히, 본 발명의 원격 관제 장치(160)는 그래픽 기반으로 관제 메뉴를 구성하고, 이를 통해 펌프 구동 환경 설정, PLC 및 인버터 설정, 열화 상태 모니터링, 펌프 상태 모니터링, 인버터 상태 모니터링, 설비 센서 모니터링, 밸브 감시 및 제어 등의 동작을 다양하게 수행할 수 잇도록 한다.

보다 구체적으로는, 도 2와 같은 구동 환경 설정 화면을 구성 및 제공함으로써, 사용자로부터 펌프의 동작 설정값, PLC 설정값, 인버터 및 열화 감시 장치 구동 조건 등에 대한 정보를 입력받고, 이에 기반하여 시스템 구동 환경을 전반적으로 제어할 수 있도록 한다.

그리고 설비 시스템 동작 제어값과 모니터링 값을 기반으로 열화 감시 결과, 모터 속도, 펌프 기동 여부, 전력 정보, 누적 유량 정보, 유량계, 압력계, 펌프 상태, 히터 상태, 탱크 상태, 밸브 상태, 센서 상태, 인버터 상태, 운전 모드, 자동 밸브 개도율 등을 파악하고, 이를 사용자에게 일괄 제공하기 위한 화면을 도 3와 같이 구성하여 제공할 수 있도록 한다.

또한 모터 관제 장치(140)로부터 제공되는 정보를 기반으로 3상 입력 전압/전류, 3상 출력 전압/전류, 인버터 효율, 인버터 벡터, 모터 역률, 모터 현재 속도, 모터 현재 토크 등을 파악하고, 이를 도 4와 같은 화면을 통해 추가 제공할 수 도 있도록 한다.

뿐 만 아니라, 알람 발생 조건을 저장 및 관리하며, 알람 발생 조건에 따라 모니터링 결과값을 분석함으로써, 알람 발생 여부를 결정할 수 있도록 한다. 그리고 알람 발생시에는 도 6과 같은 알람 화면을 띄워 현재의 문제점을 보다 신속하게 파악하고, 사용자가 현재 상태에 상응하는 후속 조치를 즉각적으로 취할 수 있도록 한다.

더하여, 원격 관제 장치(160)는 설비 시스템 동작 제어값과 모니터링 값을 저장하고 관리하며, 사용자 요청하에 필요 데이터 검색 및 열람할 수도 있도록 한다. 특히, 모터 고장 상태가 일정 시간 이상 유지되면, 인버터를 통해 모터 구동을 중지시키고, 모터 고장 상태 검출 구간(또는 모터 고장 상태 검출 이전 구간)의 데이터를 저장함으로써, 차후 사용자가 이를 기반으로 고장 원인을 정밀 분석할 수 있도록 한다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터의 최대 효율점 제어 및 고장 진단이 가능한 모터 관제 장치를 도시한 도면이다.

도 7을 참고하면, 본 발명의 모터 관제 장치는 전력 센싱부(411~414), 데이터 가공부(420), 모터 속도 감지부(430), 모터 고장 검출부(440), 모터 효율 제어부(450), 및 통신부(460) 등을 포함한다.

전력 센싱부(411~414)는 인버터(130)의 입력단에 연결된 3상 전압 센서(411)와 3상 전류 센서(412), 인버터(130)의 출력단에 연결된 3상 전압 센서(411)와 3상 전류 센서(412)를 구비하고, 이들을 통해 인버터(130)의 입력 전압, 입력 전류, 출력 전압, 출력 전류를 계측 및 통보한다.

데이터 가공부(420)는 인버터(130)의 입력은 계통 3상 전압과 전류로 고정된 60Hz의 주파수를 가진다. 이에 인버터 입력을 1920Hz(32 Sample)의 샘플링을 통해 디지털 값을 검출하여 이산 푸리에 변환(Discrete Fourier Transform)와 주파수 연산을 통해 필요 데이터로 가공하도록 한다. 예를 들어, 입/출력 전력으로부터 유효, 무효, 피상, 누적 전력량과 입/출 전력의 주파수, 위상, 역률 데이터를 획득 및 출력할 수 있을 것이다.

모터 상태 감지부(430)는 전력 센싱부(411~414)를 통해 계측된 출력 전압 또는 출력 전류의 주파수 기반으로 모터 속도 및 모터 토크를 파악하도록 한다.

참고로, 인버터(130)의 입력 전력과 달리 인버터의 출력 전력은 가변되는 주파수(모터 속도)를 가지고 있기 때문에 별도의 주파수 계측용 아날로그 회로가 필요하다. 이에 본 발명은 도 8에서와 같이 구성되는 제로 크로싱 디텍터를 구비하고, 이를 통해 출력 전압 또는 출력 전류의 주파수를 검출한다. 그리고 수학식 1에 따라 현재 검출된 주파수를 모터 속도로 환산하도록 한다.

[수학식 1]

이때, 모터 극수는 모터 종류에 따라 결정되는 상수 값이다.

수학식 1의 모터 속도를 기반으로 수학식 2에 의해 모터 토크 또한 산출할 수 있다.

[수학식 2]

이때, 모터 효율은 모터 종류에 따라 결정되는 상수 값이다.

모터 고장 검출부(440)는 출력 전압과 출력 전류에 대한 dq 변환을 수행하고, dq 변환 결과를 기반으로 불평형 상태 발생 여부를 확인함으로써, 모터의 고장 여부를 확인 및 통보할 수 있도록 한다. 즉, 본 발명에서는 모터의 고장 여부를 인버터의 출력 전압/전류의 dq변환을 통해 파악할 수 있도록 한다.

d축은 모터의 자속이 발생하는 축으로 고정자 U상 권선에서 발생한 자속의 방향으로 선정하고, q축은 d축과 직교를 이루는 축으로 토크를 발생하는 전류의 축으로 선정한다.

인버터의 출력 전압/전류를 dq의 변환을 통해 정지 좌표계와 회전 좌표계로 표현하게 되면, 각 좌표계에서의 신호 발생 패턴이 도 9와 도 10에서와 같이 모터의 고장 여부에 따라 전혀 상이해지게 된다. 이는 정상적인 모터의 전압과 전류는 동일한 위상과 크기를 가지나, 고장상태의 모터의 전압과 전류는 불평형 상태의 위상과 크기를 가지기 때문이다.

이에 본 발명에서는 인버터의 출력 전압/전류를 dq 변환한 후, 이때의 신호 발생 패턴을 통해 모터의 고장 여부를 손쉽게 확인하도록 한다.

정지 좌표계는 좌표축이 회전하지 않고 정지된 좌표계로, 수학식 3과 같이 표현될 수 있다.

[수학식 3]

회전 좌표계는 정지 좌표계 벡터 합의 방향으로 d-q축도 함께 회전하는 좌표계로, 이는 각속도 w로 회전하는 좌표계이며, 수학식 4에서와 같이 정지좌표계로부터 회전 좌표계로 구할 수 있다. 이때 각 속도는 전압의 주파수 값으로 구할 수 있다.

[수학식 4]

모터 효율 제어부(450)는 최대 효율점 제어 방식으로 모터 속도를 수시 가변함으로써, 모터에 의해 에너지 소비량이 최소가 될 수 있도록 한다. 이를 위해, 지령 속도가 초기 입력되면 지령 속도에 따라 모터 속도를 제어하되, 모터 속도가 지령 속도와 동일해진 후에는 상기 입력 전력과 상기 출력 전력의 유효 전력과 무효 전력을 기반으로 현재 시점에서의 입출력 전력의 유무효 전력 비율(x(n))을 산출하고, 기 산출된 과거 시점에서의 입출력 전력의 유무효 전력 비율(x(n))과의 편차가 최소가 되도록 모터 속도를 반복 제어한다. 또한 모터 속도의 제어 결과에 따라 인버터(130)의 출력 전압과 출력 주파수 중 적어도 하나를 추가 제어하고, 이를 통해 모터 속도가 실질적으로 가변될 수 있도록 한다.

통신부(460)는 원격 관제 장치(160) 및 인버터(130)와의 유선 또는 무선 통신을 지원하기 위한 유선 통신 모듈과 무선 통신 모듈을 구비할 수 있으며, 예를 들어, 원격 관제 장치(160)와는 로라(Long Range)와 같은 무선 통신 방식을 통해 통신하고, 인버터(130)와는 이더넷과 같은 유선 통신 방식을 통해 통신할 수 있다. 물론, 필요시에는 RS 232/422/485 등과 같은 유선 통신 모듈을 구비하고, 이들을 통해 각종 외부 장치와의 통신을 직접 수행할 수도 있도록 한다.

표시부(470)는 모니터, 알람소자, 스피커 등을 구비하고, 모터 관제 장치를 통해 획득된 각종 데이터를 시청각적으로 안내할 수도 있도록 한다. 예를 들어, 유효 전력량, 무효 전력량, 피상 전력량, 누적 전력량, 전력 주파수,위상, 역률 데이터, 모터 속도, 모터 토크, 및 모터 고장 여부 등에 대한 정보를 시각 또는 청각화하여 제공할 수 있도록 한다.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 관제 장치의 모터 최대 효율점 제어 방법을 설명하기 위한 도면이다.

먼저, 모터의 정격 속도와 정격 부하(예를 들어, 100%)에 대한 지령이 입력되면(S1), 모터 관제 장치(140)는 인버터(130)의 출력 전압 및 출력 주파수 적어도 하나를 통해 모터 속도를 제어하기 시작한다.

그러면 모터 관제 장치(140)는 모터 속도를 검출하기 시작하고(S2), 만약 몬터 속도가 지령 속도와 동일해지면(S3), 모터 관제 장치(140)는 이때의 인버터 입력 및 출력 전력을 계측하고, 이로부터 입력 유효/무효 전력과 출력 유효/무효 전력을 추출하도록 한다(S4).

그리고 수학식 5을 기반으로 입력 유효/무효 전력과 출력 유효/무효 전력으로부터 입출력 전력의 유무효 전력 비율(x(n))을 산출하도록 한다(S5).

[수학식 5]

이때, Pout-d는 출력 무효 전력, Pout-q는 출력 유효 전력, Pin-d는 입력 무효 전력, Pin-q는 입력 유효 전력이다.

그리고 모터 속도의 증가 여부를 확인한 후(S6), 증가하지 않은 경우 "No" 구문을 실행하고, 증가하는 경우에는 "Yes" 구문을 실행하도록 한다.

먼저, "No" 구문에서는 현재 시점(n)에서 입출력 전력의 유무효 전력 비율 변화치(y(n)=(x(n-1)-x(n))를 산출한 후, 현재 시점의 변화치(y(n))과 과거 시점의 변화치(y(n-1))과 비교한다(S7).

단계 S7의 비교 결과, 과거 시점의 변화치(y(n-1))가 현재 시점의 변화치(y(n)) 보다 크면(S8), 현재 시점의 유무효 전력 비율(x(n))과 변화치(y(n))를 과거 시점 값(x(n-1), y(n-1))으로 업데이트한 후(S9), 동일 상태가 10회 이상 연속 발생하는 지 확인한다(S10). 즉, 외부의 외란 혹은 입출력의 노이즈 등의 문제로 오차 비율이 매우 큰 폭으로 변경될 수 있음을 고려하여, 동일 상태가 10회 이상 연속 반복될 때에만 현재 모터가 최적 효율이 아니라고 판단하도록 한다.

이에 동일 상태가 10회 이상 연속 반복되면, 반복 횟수(count)을 "0"으로 초기화시킨 후(S11), 현재 모터 속도를 기 설정치(3%)만큼 감소시켜 모터 효율이 최적화될 수 있도록 한다(S12).

그리고 단계 S7의 비교 결과, 과거 시점의 변화치(y(n-1))가 현재 시점의 변화치(y(n)) 보다 작으면(S8), 현재 시점의 유무효 전력 비율(x(n))과 변화치(y(n))를 과거 시점 값(x(n-1), y(n-1))으로 업데이트한다(S13).

그리고 동일 상태가 10회 이상 연속 반복되면(S14), 반복 횟수(count)을 "0"으로 초기화시킨 후(S15), 현재 모터 속도를 기 설정치(3%)만큼 증가시켜 모터 효율이 조정될 수 있도록 한다(S16).

그리고 "Yes" 구문에서도 현재 시점(n)에서 입출력 전력의 유무효 전력 비율 변화치(y(n)=(x(n-1)-x(n))를 산출한 후, 현재 시점의 변화치(y(n))과 과거 시점의 변화치(y(n-1))과 비교한다(S17).

단계 S17의 비교 결과, 과거 시점의 변화치(y(n-1))가 현재 시점의 변화치(y(n)) 보다 크면(S18), 현재 시점의 유무효 전력 비율(x(n))과 변화치(y(n))를 과거 시점 값(x(n-1), y(n-1))으로 업데이트한다(S19).

그리고 동일 상태가 10회 이상 연속 반복되면(S20), 반복 횟수(count)을 "0"으로 초기화시킨 후(S21), 현재 모터 속도를 기 설정치(3%)만큼 감소시켜 모터 효율이 최적화될 수 있도록 한다(S22).

반면, 단계 S17의 비교 결과, 과거 시점의 변화치(y(n-1))가 현재 시점의 변화치(y(n)) 보다 작으면(S18), 현재 시점의 유무효 전력 비율(x(n))과 변화치(y(n))를 과거 시점 값(x(n-1), y(n-1))으로 업데이트한다(S23).

그리고 동일 상태가 10회 이상 연속 반복될 때에(S24), 반복 횟수(count)을 "0"으로 초기화시킨 후(S25), 현재 모터 속도를 기 설정치(3%)만큼 증가시켜 모터 효율이 조정될 수 있도록 한다(S26).

도 12은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 관제 장치의 모터 최대 효율점 제어 방법에 따른 전력 효율을 설명하기 위한 도면이다.

도 12에서와 같이, 본 발명은 모터 속도를 수시 가변함으로써, 모터 효율이 극대화될 수 있도록 하고, 이에 따라 정격 운전시와 달리 에너지 소비량(피상 전력)이 효과적으로 감소될 수 있음을 알 수 있다.

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

Claims (5)

1. 모터의 전력에 공급하는 인버터와 동작 연계되어 모터의 최대 효율점 제어 및 고장 진단이 가능한 모터 관제 장치에 있어서,
   상기 인버터의 입력단과 출력단에 설치된 전압 및 전류 센서들을 통해 상기 인버터의 입력 전력과 출력 전력을 계측 및 통보하는 전력 센싱부;
   상기 입력 전력과 상기 출력 전력 중 적어도 하나로부터 유효 전력, 무효 전력, 피상 전력, 누적 전력량, 주파수, 위상, 역률 데이터 중 적어도 하나를 추출 및 출력하는 데이터 가공부;
   상기 출력 전력의 주파수 기반으로 모터 속도 및 모터 토크를 파악하는 모터 속도 감지부;
   상기 출력 전력에 대한 dq 변환을 수행한 후 출력 전류의 위상과 크기를 확인하고, 상기 출력 전류의 위상과 크기가 불평형 상태이면 모터 고장을 확인 및 통보하는 모터 고장 검출부; 및
   지령 속도가 초기 입력되면 지령 속도에 따라 모터 속도를 제어하되, 모터 속도가 지령 속도와 동일해진 후에는 상기 입력 전력과 상기 출력 전력의 유효 전력과 무효 전력을 기반으로 현재 시점에서의 입출력 전력의 유무효 전력 비율(x(n))을 산출하고, 기 산출된 과거 시점에서의 입출력 전력의 유무효 전력 비율(x(n-1))과의 편차가 최소가 되도록 모터 속도를 반복 제어하는 모터 효율 제어부;를 포함하며,
   상기 모터 효율 제어부는
   상기 모터 속도의 제어 결과에 따라 상기 인버터의 출력 전압과 출력 주파수 중 적어도 하나를 조정하는 기능과, 현재 시점(n)에서 입출력 전력의 유무효 전력 비율 변화치(y(n)=(x(n-1)-x(n))와 과거 시점(n-1)에서 입출력 전력의 유무효 전력 비율 변화치(y(n)=(x(n-1)-x(n))를 획득 및 비교한 후, 비교 결과가 동일한 상태가 기 설정 횟수 이상 연속 반복될 때에만 모터 속도 제어 동작을 수행하는 기능을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모터의 최대 효율점 제어 및 고장 진단이 가능한 모터 관제 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 모터 효율 제어부는
   현재 시점에서의 입출력 전력의 유무효 전력 비율(x(n))을 "

   

   "에 따라 산출하며, 상기 Pout-d는 출력 무효 전력, 상기 Pout-q는 출력 유효 전력, 상기 Pin-d는 입력 무효 전력, 상기 Pin-q는 입력 유효 전력인 것을 특징으로 하는 모터의 최대 효율점 제어 및 고장 진단이 가능한 모터 관제 장치.
3. 삭제
4. 제1항에 있어서, 상기 모터 효율 제어부는
   모터 속도 미증가 상태에서, 과거 시점의 변화치(y(n-1))가 현재 시점의 변화치(y(n)) 보다 큰 경우에는 모터 속도를 감소시키고, 작은 경우에는 모터 속도를 증가시키고,
   모터 속도 증가 상태에서, 과거 시점의 변화치(y(n-1))가 현재 시점의 변화치(y(n)) 보다 큰 경우에는 모터 속도를 감소시키고, 작은 경우에는 모터 속도를 증가시키는 것을 특징으로 하는 모터의 최대 효율점 제어 및 고장 진단이 가능한 모터 관제 장치.
5. 제1항에 있어서,
   모터 관제 장치 동작에 관련된 정보를 시청각화하여 출력하는 표시부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모터의 최대 효율점 제어 및 고장 진단이 가능한 모터 관제 장치.

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