KR102084653B1

KR102084653B1 - 전력손실 저감을 위한 인버터의 제어방법 및 그 장치

Info

Publication number: KR102084653B1
Application number: KR1020160040088A
Authority: KR
Inventors: 손희원
Original assignee: 손희원
Priority date: 2016-04-01
Filing date: 2016-04-01
Publication date: 2020-03-04
Also published as: KR20160144013A

Abstract

본 발명의 일실시예에 따른 전력손실 저감을 위한 인버터의 제어방법은 인버터를 구비하여 전동기를 제어하는 방법으로서, 상기 전동기의 절연저항을 측정하여 기준값과 소정의 오차 범위 이내인 경우 상기 전동기를 기설정된 시간이상 정상운전한 후 기준온도를 설정하고, 공급전압 및 전류에 기초하여 소비전력 절감운전 대상인지를 판단하는 단계; 상기 전동기가 소비전력 절감운전 대상인 경우, 부하율에 따라 상기 공급전압을 조절하여 상기 전동기를 소정시간 구동한 후 부하전류 및 기준온도의 변동량을 검출하여 최소 공급전압으로 조절하는 단계; 및 상기 인버터의 링크전압을 검출하여 기설정된 링크전압 최대값을 비교하고, 상기 검출된 링크전압이 상기 기설정된 링크전압 최대치 인경우에는 기저전압을 최소로 조절하여 상기 전동기의 운전을 종료하는 단계를 포함하며,
공급전압의 파고치를 낮춤으로 고조파의 저감으로 인한 전력손실 및 노이즈를 저감할 수 있고, 각종 손실에 의해 IGBT 모듈에 발생하는 열과 그 발열에 기인한 손실을 줄일 수 있다.

Description

전력손실 저감을 위한 인버터의 제어방법 및 그 장치{Control Method and Device for controlling Inverter for Power Saving}

본 발명은 전력손실 저감을 위한 인버터의 제어방법 및 그 장치에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 PWM 방식 인버터 및 전력 변환기에서 IGBT 모듈에 공급되는 DC Link 전압을 가변함으로써, IGBT 모듈의 손실 에너지, 전동기의 무부하 손실을 저감하기 위한 인버터의 제어방법 및 그 장치에 관한 것이다.

산업현장에서 다양하게 사용되는 각종 인버터 및 서보드라이버 등의 전력변환기기에서 IGBT 모듈에 공급되는 DC Link 전압 제어방식에 관한 것으로써, 서보드라이버의 IGBT 모듈에 실질적으로 공급해야 할 전압보다 높은 전압이 공급될 경우 IGBT 모듈의 자체전력손실 및 손실에 의한 발열은 물론, 변압기의 전력손실 이외에도 변압기 설치장소에 불편을 준다.

종래에 고효율 인버터는 주파수를 낮춤으로써 에너지를 절감하였지만 이때, 대상기기의 운전특성 때문에 회전속을 줄일 수 없는 경우에는 적당한 절감 효과를 주지 못할 수 있고, 기저전압을 감소시켜서 부하에 흐르는 전류를 감소시키는 경우에도 인버터 자체의 손실만 증가할 뿐, 입력전원측의 전류는 감소가 적기 때문에 전력손실절감의 큰 효과를 주지 못한다.

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본 발명의 목적은, 전력변환장치로 사용되는 IGBT 모듈에 공급되는 DC Link 전압을 조절하는 방식으로써 전력손실 저감을 위한 인버터의 제어방법 및 그 장치를 제공하는 것이다.

삭제

본 발명의 일실시예에 따른 전력손실 저감을 위한 인버터의 제어방법은 인버터를 구비하여 전동기를 제어하는 방법으로서, 상기 전동기의 절연저항을 측정하여 기준값과 소정의 오차 범위 이내인 경우 상기 전동기를 기설정된 시간이상 정상운전한 후 기준온도를 설정하고, 공급전압 및 전류에 기초하여 소비전력 절감운전 대상인지를 판단하는 단계; 상기 전동기가 소비전력 절감운전 대상인 경우, 부하율에 따라 상기 공급전압을 조절하여 상기 전동기를 소정시간 구동한 후 부하전류 및 기준온도의 변동량을 검출하여 최소 공급전압으로 조절하는 단계; 및 상기 인버터의 링크전압을 검출하여 기설정된 링크전압 최대값을 비교하고, 상기 검출된 링크전압이 상기 기설정된 링크전압 최대치 인경우에는 기저전압을 최소로 조절하여 상기 전동기의 운전을 종료하는 단계를 포함한다.

본 발명의 일실시예에 따른 전력손실 저감을 위한 인버터의 제어방법에 있어서, 부하율이란 부하전류가 증가하려는 시점으로써, 절감대상 전동기를 기설정된 시간이상 정상운전하여 기준온도를 설정한 후 소정의 링크전압을 감소시켜 운전했을 때, 슬립이 증가하기 직전의 지점인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일실시예에 따른 전력손실 저감을 위한 인버터의 제어방법에 있어서, 상기 부하율이란 부하전류가 증가하려는 시점으로써, 절감대상 전동기를 기설정된 시간이상 정상운전하여 기준온도를 설정한 후 소정의 링크전압을 감소시켜 운전했을 때, 생산성에 지장을 주지 않을뿐더러 오히려 발열이 감소하는 최적의 절감지점인 것을 특징으로 한다.

삭제

본 발명의 일실시예에 따른 전력손실 저감을 위한 인버터의 제어장치는 인버터를 구비하여 전동기를 제어하는 장치로서, 상기 전동기의 절연저항을 측정하여 기준값과 소정의 오차 범위 이내인 경우 상기 전동기를 기설정된 시간이상 정상운전한 후 기준온도를 설정하고, 공급전압 및 전류에 기초하여 소비전력 절감운전 대상인지를 판단하는 절감운전 판단부; 상기 전동기가 소비전력 절감운전 대상인 경우, 부하율에 따라 상기 공급전압을 조절하여 상기 전동기를 소정시간 구동한 후 부하전류 및 기준온도의 변동량을 검출하여 최소 공급전압으로 조절하는 공급전압 조절부; 및 상기 인버터의 링크전압을 검출하여 기설정된 링크전압 최대값을 비교하고, 상기 검출된 링크전압이 상기 기설정된 링크전압 최대치 인경우에는 기저전압을 최소로 조절하여 상기 전동기의 운전을 종료하는 제어부를 포함한다.

본 발명의 일실시예에 따른 전력손실 저감을 위한 인버터의 제어장치에 있어서, 부하율이란 부하전류가 증가하려는 시점으로써, 절감대상 전동기를 기설정된 시간이상 정상운전하여 기준온도를 설정한 후 소정의 링크전압을 감소시켜 운전했을 때, 슬립이 증가하기 직전의 지점인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일실시 예에 따른 전력손실 저감을 위한 인버터의 제어장치에 있어서, 상기 부하율이란 부하전류가 증가하려는 시점으로써, 절감대상 전동기를 기설정된 시간이상 정상운전하여 기준온도를 설정한 후 소정의 링크전압을 감소시켜 운전했을 때, 생산성에 지장을 주지 않을뿐더러 오히려 발열이 감소하는 최적의 절감지점인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일실시예에 따른 전력손실 저감을 위한 인버터의 제어방법 및 그 장치는 폭 넓은 전원전압을 선택할 수 있게 하며, 전동기 등 부하기기의 주파수를 낮춤으로서 부하전력을 저감하는 종래의 에너지 절감방식과 다르게 부하기기에 적당한 낮은 전압을 IGBT 모듈에 공급하여 부하에 흐르는 전류도 저감함으로써 2차적으로 전력손실을 절감시키고, 각종 손실에 의해 IGBT 모듈의 발열도 줄이는 효과가 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 전력손실 저감을 위한 인버터의 제어방법 및 그 장치는 인버터 자체 및 전동기의 무효전력의 절감량과 절감금액, 전동기의 누설을 예측할 수 있는 절연저항을 표시함으로써 사용자에게 관리의 편리성을 제공하는 효과가 있다.

삭제

도 1은 AC 3 상 인버터의 기본적인 회로도이고,
도 2는 PWM (Pulse Width Modulation 펄스폭 변조) 방식을 도시한 것이고,
도 3은 본 고안의 일실시예에 따른 인버터의 회로도이고,
도 4는 IGBT의 등가회로도 이고,
도 5는 IGBT 의 동작특성을 도시한 것이고,
도 6은 궤환다이오드의 전압 전류 파형을 도시한 것이며,
도 7은 제 3차 고조파가 주입된 변조신호기법을 도시한 것이고,
도 8은 인버터의 에너지 절감실시 순서도이다.

이하, 본 고안의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 고안을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 고안의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략하며, 단수로 기재된 용어도 복수의 개념을 포함할 수 있다. 또한, 이하에서 본 고안의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 고안의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.

1. 인버터의 기본손실

도 1은 일반적인 AC 3 상 인버터의 기본적인 회로도이다. 도 1에 있어서, 도면번호 101은 단상 또는 3 상의 AC 전원전압이 공급되는 단자이며, 입력된 AC 3 상 전원전압은 도면번호 102의 6 개의 다이오드에서 전파로 정류되어 도면번호 105의 평활콘덴서를 거쳐서 도면번호 106 의 IGBT(Insulated gate bipolar transistor, 절연 게이트 바이폴러 트랜지스터) 모듈에 공급된다.

통상적으로 인버터는 도 2와 같이 도 1의 도면번호 106 의 IGBT 모듈로 정류기 공급전압

의 크기는 변화시키지 않고, 인버터 출력파형의 반주기 내의 펄스를 복수개로 분할하여 각각의 펄스폭을 제어함으로써 출력전압을 제어한다.

도 2를 참조하면, 반송주파수

가 반주기당 펄스수

를 결정하며 변조지수는 출력전압을 제어하는데, 반주기당 펄스의 수는 식 1과 같다.

------------------(식 1)

여기서

로서 주파수 변조비이고, δ는 각 펄스의 폭이다.

이때 실효출력전압

와 직류전압

은 다음과 같다.

------(식 2)

도 4는 IGBT 의 등가회로이며 IGBT 는 MOSFET, BJT, GTO사이리스터의 장점을 결합한 저포화 전압특성을 지닌 일종의 하이브리드 (hybrid) 소자로써, 게이트 - 에미터간의 ±10 ~ 15V 정도의 입력 신호에 의해서, 대전력의 고속 스위칭이 가능하기에 많은 산업분야에서 사용되고 있으며, 주된 손실은 다음과 같다.

도 5는 IGBT 의 동작특성을 나타낸 것으로써, 도면번호 501 의 스위칭 시에 발생하는 삼각형에 해당하는 부분의 턴온 손실, 도면번호 502 의 턴오프 손실과, 도면번호 503 의 온저항에 의한 포화전압

로 발생하는 도통손실과, 도면번호 504 의 누설전류에 의한 오프손실로 나누어진다.

가. IGBT 의 턴온 손실

턴온 손실과 턴오프 손실은 서로 다르며 스위칭 주파수와 부하전류에 비례하고 다음 식으로 표시할 수 있다.

동안 순시전력 손실:

----------------(식 3)

여기서

는

에 비례한다

나. 턴오프 손실

동안 순시전력 손실:

------------(식 4)

여기서

는

에 비례한다

다. IGBT 의 도통시간(DT_S) 동안 도통 손실

IGBT 의 ON 상태에서 컬렉터 - 이미터 포화전압에 의하여 발생하는 손실이다.

------------------(식 5)

라. 오프 손실

IGBT 의 OFF 상태에서 누설전류에 의하여 발생하는 손실이다.

-----------------(식 6)

여기서,

는 컬렉터 이미터 간 포화전압이고

에 비례한다,

는 컬렉터 피크치 전류이다.

또한, 도 6은 도 4의 도면번호 401 과 같이 IGBT 에 역병렬 접속된 궤환다이오드의 턴오프 시의 전압 전류 파형이며, 전동기가 회생동작할 때 도통이 되는데 온저항에 의한 정상손실인 도통손실과, 스위칭에 의한 역회복 손실로 나누어진다.

마. FWD 의 도통손실

도통손실은 다이오드가 순방향으로 전류가 흐르는 동안 자체적으로 소비되는 전력이며 다음 식으로 나타낸다.

--------------(식 7)

바. FWD 의 역회복 손실

도 6의 도면번호 601 의 삼각형에 해당하는 부분이 스위칭 손실에 해당된다. 순바이어스 상태의 다이오드에 급격하게 역바이어스가 걸리면 저항이 제로인 상태를 거쳐서 본래의 고저항 상태로 된다. 이 과도상태의 기간은 역회복 시간 (스위칭 시간)이며, 이것은 턴온시간이 턴오프시간에 비하여 매우 짧으므로 역회복 손실은 턴오프 시에만 고려한다.

--------------(식 8)

이와 같이 각종 손실은 Link 전압

와 비례하게 된다.

2. 인버터의 기본개요에 따른 손실측정

표 1은 인버터에 3상 1Hp 전동기를 부하로 걸고, 1차 공급전압 380V 를 전력변환기에 의하여 단계적으로 20V 단위로 감소시킨 경우이다. 표 2는 인버터에 공급되는 1차 전압은 380V로 고정하고, 인버터 내부의 설정데이터 중에 기저주파수에 대한 최대 전압비율를 이용하여 전동기에 공급되는 전압을 20V 단위로 낮추어 단계적으로 감소시킨 경우이다. 양자를 비교하면 다음과 같은 차이를 보이고 있다.

인버터 1차 전압 가변 (1차 전압 380V)

인버터 1차측 전압가변 (V)	전력변환기 1차측 전류 (A)	인버터 출력전압(V)	1차측 전력 (W)	절감량 (W)	절감율 (%)	인버터 출력 (W)	전력변환기 자체손실 (W)
380	1.26	374	531			522	8
360	1.13	351	451	80	85	440	11
340	1.1	328	415	116	78	400	15
320	1.12	312	397	133	75	387	10
300	1.23	288	409	122	77	393	16
280	1.33	275	413	118	78	405	8

여기서, 인버터 1차측 전압가변(V)은 인버터에 공급되는 전원전압을 가변한 것을 의미하고, 전력변환기 1차측 전류(A)는 전력변환기 전원단 전류를 의미하고, 인버터 출력전압은 인버터의 IGBT 후단에서 전동기에 공급되는 전압이고, 1차측 전력(W)은 인버터 1차측 전압과 전력변환기 1차측 전류의 곱이다. (단, 단순계산을 위하여

에서 역율 0.8 효율 0.8 적용)

절감량(W)은 정격 380V 보다 낮은 전압에서 절감된 전력이고, 절감율(%)은 정격 380V 보다 낮은 전압에서 절감된 전력비율이고, 인버터 출력(W)은 인버터 출력전압과 전력변환기 1차측 전류의 곱이다.(단, 단순계산을 위하여

에서 역율 0.8 효율 0.8 적용) 전력변환기 자체손실(W)은 1차측 전력과 인버터 출력의 차이다.

표 1에서와 같이 공급전압을 300V 로 낮추었을 때부터, 슬립의 증가로 인한 부하전류가 증가하면서 절감량이 줄어든 결과를 보이고 있다. 이것은 본 실험에서처럼 정격용량 750 W 의 전동기에 약 70 % 부하를 걸었을 경우, 약 15 %의 낮은 전압을 공급할 때 약 25 %의 절감효과를 보이고 있다.

인버터 전동기 공급전압 가변 (1차 전압 380V)

전동기 전압가변 (V)	인버터 1차측 전류 (A)	인버터 출력전압(V)	1차측 전력 (W)	절감량 (W)	절감율 (%)	인버터 출력 (W)	인버터 자체손실 (W)
380	1.28	380	539			539
360	1.2	360	505	34	94	479	27
340	1.2	340	505	34	94	452	53
320	1.12	320	472	67	88	397	74
300	1.12	300	472	67	88	372	99
280	1.12	280	472	67	88	348	124

여기서, 전동기 전압 가변(V)은 인버터 내부데이터에서 기저주파수의 파라미터 변경에 의하여 전동기에 공급하는 전압의 가변을 의미하고, 인버터 1 차측 전류 (A)는 인버터 전원단 전류이고, 인버터 출력전압은 인버터의 IGBT 후단에서 전동기에 공급되는 전압이고, 1차측 전력(W)은 인버터 1차측 공급전압과 인버터 1차측 전류의 곱이다.(단, 단순계산을 위하여

에서 역율 0.8 효율 0.8 적용)

절감량(W)은 정격보다 낮은 전압에서 절감된 전력이고, 절감율(%)은 정격 380V 보다 낮은 전압에서 절감된 전력비율이고, 인버터 출력(W)은 인버터 출력전압과 인버터 1차측 전류의 곱이다.(단, 단순계산을 위하여

에서 역율 0.8 효율 0.8 적용) 인버터 자체손실(W)은 1차측 전력과 인버터 출력의 차이다.

이와 같이 표 2 에서 전동기에 공급되는 전압을 인버터 내부의 파라미터 설정에 의하여 줄임으로써, 인버터 출력은 전동기 공급전압의 비율대로 감소시킬수록, 1차측 전력과 비교한 인버터의 자체손실이 증가한 것은 식3 내지 식8에서와 같이

가 일정함에 따라 IGBT 모듈 등의 각종 자체손실에 의한 것이다.

이 자체손실에는 의당 전동기의 무효전력 손실이 포함된 것이며, 또한 전동기 공급전압을 최초 380V 로 하였을 때도 1차측 전력에는 인버터의 자체손실이 다분히 포함되어 있지만, 본 고안에서 절감의 대상은 인버터의 자체손실과 전동기의 무효전력을 합한 것이기 때문에 별도로 구분하지 않았다.

또한 표 1, 표 2에서 정격주파수는 60Hz를 고정으로 하였는데, 통상적으로 주파수를 낮게 공급하는 만큼 전동기의 공급전압은 정비례로 감소하게 되며, 이것은 종래에 산업전반에서 인버터로 주파수를 낮추어 적용하고 있듯이 전동기에 전압을 적당한 수준으로 낮게 공급하여도 전동기는 무리 없이 정상적으로 가동함을 의미한다.

3. 고조파주입변조 방식에 의한 절감

이와 같이 손실을 줄이기 위한 여러 가지 방법 중에는 인버터의 여러가지 변조방식 중에, 통상적으로 사용되는 고조파 주입변조방식을 적용하면 전력손실을 일부 절감할 수 있다.

도 7은 제 3차 또는 3차와 9차 고조파가 주입된 변조신호기법으로써, 통상적으로 기존의 정현파 변조방식 (Sinusoidal PWM : SPWM ) 과 비교했을 때, 15.5 %의 선형변조영역을 확장할 수 있는 방식으로, 지령전압에 더해준 3차 고조파성분은 3상 전동기에서, 그 중성점이 외부회로와 연결되지 않은 경우에는 전동기의 성능에 영향을 주지 않기 때문에, 각 IGBT 와 궤환다이오드 소자에서 손실되는 에너지를 절감할 수 있다.

도 7의 전압변조영역에서와 같이 고조파주입변조방식의 최대 상전압은 공간벡터 전압변조방식에서의 최대전압 변조지수와 동일하며 이것을 SPWM과 비교해보면

SPWM =

, 고조파 주입변조방식 =

이며

SPWM에 AC 380V를 공급하여 최대선형변조한 상전압의 최대값은

가 되고, 고조파 주입변조방식은

가 된다.

통상적으로 기저전압의 파고치가 정상적인 실효치를 만들기 위한 실효치의

배가 필요한 것을,

의 전압만 공급하면 되고, 3차 고조파 외에 9차 고조파를 추가 주입하는 방식도 적용이 가능하다.

이로써 통상적으로 각종 인버터의 정류회로에서 SCR 등의 전력반도체를 사용하여 Link 전압을 감소시킴으로써, 근본적으로 손실되는 에너지를 절감할 수 있게 된다.

4. 고효율 인버터 관련

인버터에 의한 에너지절감의 경우, 통상적으로 당해 기술자들이 고효율 인버터에서처럼, 회전속을 증가하지 못하도록 차단하거나 회전속을 줄여서 에너지절감을 수행한다.

정부의 지원을 받는 고효율 인버터의 절감방식은 송풍기나 펌프와 같은 자승저감토크부하에 적용되는 것으로써, 인버터 출하 시에 최대주파수를 50 ~ 55 Hz 로 고정시켜서 사용자가 임의적으로 전동기의 속도를 높일 수 없게 하는 방식이다.

축동력의 회전수를 감소시킴에 따라 에너지가 절감되는 것이기에, 정부에서 고시한 것처럼 기존사용주파수 60 Hz를 50 ~ 55 Hz 로 낮출 수 있는 경우에만 가능한 방식이다.

이것은 다음과 같은 사유로 모든 전동기에 적용하기 어렵다.

송풍기나 펌프 등은 설계 시에 여유율을 두는 것은 전동기의 소요동력이며,

회전수는 슬립 3~4 %를 감안한 60 Hz 로 설계한다.

이때 식 9에서와 같이 펌프의 회전수를 2배로 변화시키면 양수량은 2배, 양정은 4배, 동력은 8배가 된다.

,

------- (식 9)

여기서

는 펌프의 양수량이며,

는 양정,

는 펌프의 효율

즉, 회전수를 감소시킨 만큼 동력은

배가 절감되는 대신 펌프의 가장 중요한 성능인 양수량과 양정이 적어지므로 무리한 감속은 생산성에 지장을 주게 되며, 또한 고효율인버터를 포함한 인버터의 주파수 감소에 의해 절감되는

에너지는 식 9의

와는 차이가 있다

그것은 인버터의 자체손실 때문인데, 특히 주파수를 감소할 때 전동기전압도 비례적으로 감소를 하지만 식 2의

에서처럼

는 변하지 않기 때문에 식 3 ~ 8 의 각종손실들이 주파수가 감소한 만큼 줄어들지 않는다.

본 발명은 전동기에 공급되는 주파수의 감소비율에 따라 전력용반도체에 의하여 Link 전압

를 비례적으로 감소시킴으로써 감소하는 만큼의 손실 즉, 인버터 자체 손실 및 무부하 손실을 절감하는 방식이다. 이는 종래의 고효율 인버터 등의 제어방식에서 주파수가 감소함에 따라 전동기 공급전압이 감소한 만큼 손실이 줄어들지 않는 단점을 개선한 것이다.

하지만 여기서

를 주파수에 따라 비례적으로 감소시키면서 주파수 감소에 따른 실효값

가 도 2 에서처럼 펄스폭 δ의 감소에 따르는 것을 고려하여야하며, 이것은 다시 슬립의 증가와 함께 고려되어야하는데 이것을 본 발명에서는 인버터로 제어되는 각개 전동기의 고유한 부하율이라 표현한다.

5. 콘덴서 수명 관련

삭제

도 3을 참조하여, 종래의 구성에서 서보모터가 AC 170V 정도로 구동되는 경우에는 일반적으로 서보드라이버의 전원전압은 단상, 혹은 3상 220V가 공급되며, 전원전압이 사용자의 형편에 따라 220V 보다 높게 380V로 공급될 경우에는 별도의 강압변압기를 설치하는데, 이렇게 서보드라이버의 IGBT 모듈에 실질적으로 공급해야 할 AC 170V 보다 높은 전압이 공급됨으로써, IGBT 모듈의 자체전력손실 및 손실에 의한 발열은 물론, 변압기의 전력손실 이외에도 변압기 설치장소에 불편을 준다.

이때 도면번호 306의 IGBT 에 공급되는 전압이 구형파를 만드는 최소전압만 공급되도록 위상제어를 한다면, 산업현장에서 흔히 사용되는 강압용 변압기를 별도로 설치하지 않을 수 있다.

그리고 종래의 정류회로에는 전원전압을 공급할 때 순간적으로 큰 돌입전류가 발생하고, 전원을 차단했다가 다시 켤 때는 더 큰 돌입전류가 발생하여 정류소자를 파괴하는 경우가 있기 때문에, 돌입전류 방지용으로 도면번호 303의 저항기나 온도특성을 이용한 써미스터, 혹은 직렬 리액터를 사용한다.

리액터나 저항기는 충전이 완료된 시점에서 병렬로 설치된 도면번호 304의 단락용 개폐기가 충전 후 도통이 되는 회로로 구성하여 사용하는 경우가 있다.

이에 도면번호 302의 전력용반도체로 전원투입 시에 전압을 서서히 증가시키는 방식을 적용함으로써, 저항기와 단락용 개폐기를 제거시킬 수 있으며, 각종 PWM 인버터가 구형파 가공 시에 각종 소자에 의한 손실로 온도가 상승하고, 온도가 높아질수록 손실이 증가하는 것을 줄일 수 있다.

또한 사용 장소의 전원전압에 적당하게 SCR 의 위상제어를 통하여 Link 전압을 제어한다면, 용접기용 인버터나 전동기용 인버터와 UPS 등 각종 인버터나 서보드라이버의 전원이, 사용자의 형편에 따라 AC 220V 보다 높게 공급될 경우에도 별도의 변압기를 설치하지 않고, 변압기를 사용함으로써 발생하는 지속적인 전력손실을 줄일 수 있고, 로봇 등과 같이 부하용량이 큰 경우에 큰 변압기를 설치해야하는 불편을 해소할 수 있으며, 사용자가 기종을 선택할 때 전원을 고려하지 않는 편리성을 도모할 수 있다.

6. 부하율

삭제

종래기술(NEMA MG 1. 1. 16)에서 전동기 제작 시에 부하의 경중에 따른 토크특성 A, B, C, D, 4가지의 분류에 의하여 회전자의 슬롯구조를 제작하듯이 전동기의 토크는 설계에 기초가 되며, 정격토크 T 는 다음과 같다.

-------------------- (식 10)

식 10에

,

를 적용하면,

------------ (식 11)

------------ (식 12)

만일 전동기의 과부하 방지목적으로 설계시에 정격토크의 여유율을 10% 로주었다면 식 11에서 식 12와 같이 전압과 전류는 제곱에 비례하여 감소하게 된다.

하지만 통상적으로 전동기의 요구토크의 감소에서 공급전압이 고정이므로 슬립의 감소에 의해 전부하전류보다 감소된 전류가 흐르게 된다.

이때 효율이 식 13과 같이 되고

전동기 입력 :　

--------------------------(식 13)

여기서

는 전동기의 용량에 따라 다르며 1 이하이다.

예를 들어 콘베어와 같은 정토크부하에 사용되는 인버터는 생산속도에 따라 주파수를 가변하는데 380V 60Hz 정격의 전동기에 40Hz로 설정했을 때에 공급되는 전압은 다음과 같다.

이렇게 정격보다 낮은 전압을 공급하였을 때 전동기의 최대토크가 슬립보다 크게 되면 전동기가 정지하는 정동토크에 도달하게 되고 열이 발생하여 소손되는 경우도 있지만, 통상적으로 대부분 설계 시에 이러한 사안을 고려하여 정격이상의 여유율로 전동기 용량을 선정하기에, 종래에도 253V의 낮은 전압이 전동기에 장시간 공급되어도 큰 무리 없이 가동되고 있다.

이것은 공급전압을 감소시키면 무부하손실이 감소하기 때문인데 전동기의 무부하손실 중에서 철손이 가장 크고, 전동기의 전체 손실에서 약 15 ~ 30% 를 차지하며, 식 14에서 같이 전압의 자승에 비례한다.

이에 따른 모든 전동기에서 발생하는 내부손실이 식 14와 같이 적용된다.

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------------------(식 14)

따라서 본 고안은 주파수의 가감으로 인한 회전속의 변화에 의하지 않고, 공급전압을 낮춤으로써 공급전압의 제곱에 비례하는 무효전력을 절감하는 방식으로써, 공급전압을 부하율에 적당하게 감소시켰을 때

에 따라 회전속이 감소하게 되면 슬립이 증가하고, 이에 따른 전류도 증가하게 되어 전동기의 발열을 초래한다.

이에 반하여, 본 발명에서 부하율이란 부하전류가 증가하려는 시점으로써, 피동기구 각개마다 고유한 특성을 고려하면서 전력변환기에 의해 전동기의 공급전압을 감소시킬 때 초기에는 무효전류의 감소에 전류도 감소하게 되는데, 슬립이 증가하기 직전의 지점, 즉 생산성에 지장을 주지 않을뿐더러 오히려 발열이 감소하는 최적의 절감지점을 의미한다.

이것은 통상적인 기술자들이 자명하게 인식하듯이 현재 가동되고 있는 모든 전동기들은 각개마다 고유의 유효한 부하전류가 흐르는데, 이것은 의당 정격전압이 공급된 각개의 전류일 뿐, 법령을 무시하고 비상식적으로 정격전압을 낮추었을 때,

법령 및 통상적인 기술자들의 상식과 어긋나게 다수의 전동기의 부하전류가 증가하지 않는다는 것이며, 간혹 부하전류가 감소하지 않더라도 감소된 공급전압만큼 에너지가 절약되는 것이기에 전동기 각개마다 고유의 절감지점을 찾기 위한 방식인 것이다.

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7. 인버터 실시

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이러한 각종 조건들을 고려한 본 방식의 실시를 우선 인버터에 적용하게 되면, 도 8의 도면번호 1001과 같이 선정된 전동기의 에너지 절감운전 전에, 우선 절연저항을 측정하여 기준에 적합하면 도면번호 1002와 같이 정상운전을 실시하고, 도면번호 1003과 같이 기준이하의 전동기에는 적용하지 않는다.

절감대상에 선정된 전동기를 도면번호 1004와 같이 주변여건과 피동부하 등에 따라 일정시간을 가동한 후에, 도 3의 도면번호 318 PLC 수신부로부터 입력된 전동기의 표면온도를 확인하고 그 온도, 즉 전혀 변화를 주지 않은 본래상태에서의 온도를 절감대상의 도면번호 1005과 같이 기준온도로 정한다.

기준온도가 설정되면 도면번호 1006과 같이 공급전압을 감소시켰을 때 부하전류가 증가하는 경우에는, 도면번호 1003과 같이 절감대상에서 제외하고, 감소하는 경우에는 부하전류가 증가하는, 즉 슬립이 증가하는 시점에서 공급전압 감소를 중지한다.

도면번호 1007과 같이, 도 3의 도면번호 308 위상제어부에서 공급전압을 조정한 후, 도면번호 1008과 같이 일정시간 정상운전을 실시하면서, 도면번호 1009, 도면번호 1011 처럼 부하변동이나 주변여건에 의하여 부하전류가 증가하거나, 표면온도가 기준온도를 초과하게 되면 도면번호 1010과 같이 공급전압을 최대로 조정하여, 전동기 보호에 만전을 기한다.

또한 에너지 절감의 상시운전 중에 도 3의 도면번호 302의 SCR 등의 전력소자에서 단락 등 이상이 발생하거나, 도면번호 308의 위상제어부에서 이상이 발생하여, 도면번호 1012와 같이 Link 전압이 최대로 유입되는 것을 감지했을 경우에는, 도면번호 1013과 같이 기저전압을 최소로 낮추면서, 도면번호 1014와 같이 운전을 종료하고, 도 3의 도면번호 310의 표시창에 SCR 단락정보 등을 표시한다.

정상적인 절감운전을 수행한 다음 도면번호 1014와 같이 운전을 종료한 후에는, 도면번호 1015와 같이 무부하 상태에서 전원전압과 Link 전압을 비교하여 콘덴서의 수명을 예측하며, 또한 매 운전종료 시마다 절연저항을 재 측정하여 이상 시에는 도면번호 1017에서와 같이 표시하고, 절감운전을 시행한 동안 누적된 절감전력과 이것을 금액으로 환산한 것을 표시하며, 특히 절감운전 중에 부하율에 대한 최저값을 자동 저장한 후 재운전 시에 적용하게 한다.

또한 도 3에서 도면번호 311의 온도검출부에서 측정한 데이터를 도면번호 309의 인버터 CPU로 전달하는 방식에서, 전동기와 인버터 등 운전기기가 원거리에 있는 경우, 전동기의 동력선과 온도 측정값을 전달하는 배선을 별도 케이블로 시공할 때에는 배선비용도 추가되고, 전동기 동력선에서 발생하는 와류와 고조파에 의한 노이즈로, 특히 인버터를 사용한 전동기의 동력선은 캐리어 주파수를 낮추어도 노이즈가 심하여, 미약한 온도신호에 편차가 발생할 수 있다.

이와 같이 원거리의 경우에는 별도의 배선없이 데이터 전송에 안정된 전력선 통신(Power Line Communication, PLC) 방식을 적용하고, 근거리의 경우에는 실드 케이블로 구성할 수 있다.

여기서, 도면번호 312의 온도검출부는 써머커플, Pt, 더미스터 등 온도를 측정할 수 있는 센서로 구현 가능하다. 도 3에 도시된 바와 같이, 도면번호 307의 전동기에서 발생하는 온도를 측정하기 위하여 가공된 써머커플, Pt, 더미스터 등 도면번호 311의 온도검출센서를 접지단자 취부 시 병렬부착하게 구성하고, 온도 검출센서가 전동기의 표면온도를 측정한다.

도 3에 도시된 바와 같이, 원거리의 경우 도면번호 307의 유도전동기의 전원공급선 3가닥 중 2가닥에 병렬접속을 하여서 도면번호 317의 PLC 송신모듈을 통하여 도면번호 309의 인버터CPU에 전송하는 방식으로 구성된다.

여기서, 도면번호 317의 PLC 송신모듈은 전력선 통신을 위하여 도면번호 307의 전동기의 표면에서 발생하는 온도를 측정하는 도면번호 311의 온도검출센서와, 온도에 따라 변화되는 온도 검출센서의 아나로그 측정 데이터를 통신으로 전송하기 위한, 디지털 데이터로 변화시키는 도면번호 313의 A-D 컨버터부와, 디지털 데이터에 통신 프로토콜을 설정하여 통신용 데이터로 변경하는 도면번호 314의 PLC CPU와, PLC 사용주파수 60~130 KHZ 로 변조하는 도면번호 315의 변조부와, 통신 데이터를 전력선에 실어주기 위한 도면번호 317의 파워라인 인터페이스부를 거쳐, 전동기 동력선에 연결하면 동력선을 통한 데이터를 도면번호 318의 PLC 수신부가 도면번호 306의 IGBT 모듈 후단부에서 받아 도면번호 309의 인버터 CPU에 전달한다.

도면번호 311의 온도검출센서는 전동기내부에 취부하여 내부온도를 측정하는 것도 가능하고, 전동기의 접속단자함에 설치되는 것이 효율적이다.

이와 같이 본 고안은 인버터의 손실절감방식 시행에서 1차적으로 고조파주입변조방식을 적용한 후, 2차적으로 Link 전압제어에 의한 전동기의 무효전력감소에 의하여 에너지를 절감하는 방식으로써, IGBT 모듈을 사용하여 구형파를 만드는 각종 인버터에서 서보모터, 용접기 등의 무부하 전력이나, 풍력발전기, 혹은 UPS 등의 부하율에 따라 적용할 수 있다.

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AC 전원 : 31
정류기 : 32
RC 필터 : 33, 34
평활 콘덴서 : 35
IGBT 모듈 :37
전동기 : 38
위상 제어기 : 39
인버터 CPU :40

Claims

인버터를 구비하여 전동기를 제어하는 방법에 있어서,
상기 전동기의 절연저항을 측정하여 기준값과 소정의 오차 범위 이내인 경우 상기 전동기를 기설정된 시간이상 정상운전한 후 상기 전동기의 표면온도를 기준온도로 설정하고, 상기 인버터에 공급되는 전원전압 및 상기 전동기의 부하전류에 기초하여 소비전력 절감운전 대상인지를 판단하는 단계; 및
상기 전동기가 소비전력 절감운전 대상인 경우, 부하율에 따라 전동기 공급전압을 조절하여 상기 전동기를 소정시간 구동한 후 상기 부하전류의 변동량 및 상기 표면온도의 변동량을 검출하여 상기 전동기 공급전압을 최소 공급전압으로 조절하는 단계를 포함하되,
상기 최소 공급전압이란 상기 전동기 공급전압이 감소함에 따라 상기 부하전류가 감소하다가 증가할 때의 상기 전동기 공급전압인 것을 특징하는 전력손실 저감을 위한 인버터의 제어방법.
제1항에 있어서, 상기 최소 공급전압 조절단계는,
상기 기준온도 설정 후 상기 전동기 공급전압을 감소시켜 상기 전동기를 운전하는 경우 상기 전동기의 슬립이 증가하는 시점에서 상기 전동기 공급전압의 감소를 중지시키는 것을 특징으로 하는 전력손실 저감을 위한 인버터의 제어방법.
제1항에 있어서, 상기 최소 공급전압 조절단계는,
상기 기준온도 설정 후 상기 전동기 공급전압을 감소시켜 상기 전동기를 운전하는 경우 상기 전동기의 표면온도가 상기 기준온도를 초과하는 경우 상기 전동기 공급전압을 기설정된 최대값으로 조정하는 것을 특징으로 하는 전력손실 저감을 위한 인버터의 제어방법.
인버터를 구비하여 전동기를 제어하는 장치에 있어서,
상기 전동기의 절연저항을 측정하여 기준값과 소정의 오차 범위 이내인 경우 상기 전동기를 기설정된 시간이상 정상운전한 후 상기 전동기의 표면온도를 기준온도로 설정하고, 상기 인버터에 공급되는 전원전압 및 상기 전동기의 부하전류에 기초하여 소비전력 절감운전 대상인지를 판단하는 절감운전 판단부;
상기 전동기가 소비전력 절감운전 대상인 경우, 부하율에 따라 전동기 공급전압을 조절하여 상기 전동기를 소정시간 구동한 후 상기 부하전류의 변동량 및 상기 표면온도의 변동량을 검출하여 상기 전동기 공급전압을 최소 공급전압으로 조절하는 공급전압 조절부를 포함하되,
상기 최소 공급전압이란 상기 전동기 공급전압이 감소함에 따라 상기 부하전류가 감소하다가 증가할 때의 상기 전동기 공급전압인 것을 특징하는 전력손실 저감을 위한 인버터의 제어장치.
제4항에 있어서, 상기 공급전압 조절부는
상기 기준온도 설정 후 상기 전동기 공급전압을 감소시켜 상기 전동기를 운전하는 경우 상기 전동기의 슬립이 증가하는 시점에서 상기 전동기 공급전압의 감소를 중지시키는 것을 특징으로 하는 전력손실 저감을 위한 인버터의 제어장치.
제4항에 있어서, 상기 공급전압 조절부는
상기 기준온도 설정 후 상기 전동기 공급전압을 감소시켜 상기 전동기를 운전하는 경우 상기 전동기의 표면온도가 상기 기준온도를 초과하는 경우 상기 전동기 공급전압을 기설정된 최대값으로 조정하는 것을 특징으로 하는 전력손실 저감을 위한 인버터의 제어장치.