KR102202814B1 - 유도 전동기의 회로 파라미터 추출 장치 및 그 방법 - Google Patents

유도 전동기의 회로 파라미터 추출 장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일실시예에 따른 유도 전동기의 회로 파라미터 추출 방법은 유도 전동기에 무부하 시험을 수행하여 상기 유도 전동기의 기계손 (mechanical loss) 및 철손(iron loss)을 추출하는 단계; 유도 전동기의 입력 데이터와 전동기 전력 평형식을 이용하여 유도 전동기의 고정자 권선 저항값을 추정하는 단계; 상기 유도 전동기에 0속도 운전 시험을 수행하여 회전자 권선 저항값 및 고정자 권선 누설 인덕턴스와 회전자 권선 누설 인덕턴스의 합을 결정하는 단계; 상기 고정자 권선 누설 인덕턴스와 회전자 권선 누설 인덕턴스의 합에서 고정자 권선 누설 인덕턴스 및 회전자 권선 누설 인덕턴스를 분리하여 자화 인덕턴스를 결정하는 단계; 및 상기 고정자 권선 저항값, 회전자 권선 저항값, 고정자 권선 누설 인덕턴스, 회전자 권선 누설 인덕턴스 및 자화 인덕턴스를 포함하는 상기 유도 전동기의 회로 파라미터를 출력하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

유도 전동기의 회로 파라미터 추출 장치 및 그 방법{APPARATUS AND METHOD FOR EXTRACTING CIRCUIT PARAMETERS OF AN INDUCTION MOTOR}
본 발명은 유도 전동기의 구동 제어기를 설계하기 위하여 권선 저항 및 인덕턴스 값들이 포함된 유도 전동기의 회로 파라미터를 추출하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
유도 전동기의 기동전류를 제한하면서 시동하거나 가변속 제어가 가능하도록 구동하기 위해서는 유도 전동기의 회로 파라미터가 필요하다. 특히, 유도 전동기의 회로에 고정자 권선 저항 및 인덕턴스, 자화 인던턴스가 포함된 경우, 인덕턴스 값들을 알아야 유도 전동기의 구동 제어기를 설계하여 유도 전동기를 제어 및 구동할 수 있다.
그러나, 유도 전동기에 부착되어 있는 명판에는 전동기의 출력(kW), 극수, 정격전압(V), 정격전류(A), 정격 회전속도(rpm), 역률 또는 효율만 기재되어 있으므로, 유도 전동기에 부착된 명판으로는 유도 전동기의 회로 파라미터를 알 수 없는 상황이다.
따라서, 유도 전동기에 부착되어 있는 명판에 기재된 데이터를 이용하여 유도 전동기의 회로 파라미터를 추출할 수 있는 방법이 요청되고 있다.
본 발명은 무부하 시험과 0속도 시험을 이용하여 구동 제어기 설계에 사용할 유도 전동기의 회로 파라미터를 추출하는 장치 및 방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 유도 전동기의 회로 파라미터 추출 방법은 유도 전동기에 무부하 시험을 수행하여 상기 유도 전동기의 기계손 (mechanical loss) 및 철손(iron loss)을 추출하는 단계; 유도 전동기의 입력 데이터와 전동기 전력 평형식을 이용하여 유도 전동기의 고정자 권선 저항값을 추정하는 단계; 상기 유도 전동기에 0속도 운전 시험을 수행하여 회전자 권선 저항값 및 고정자 권선 누설 인덕턴스와 회전자 권선 누설 인덕턴스의 합을 결정하는 단계; 상기 고정자 권선 누설 인덕턴스와 회전자 권선 누설 인덕턴스의 합에서 고정자 권선 누설 인덕턴스 및 회전자 권선 누설 인덕턴스를 분리하여 자화 인덕턴스를 결정하는 단계; 및 상기 고정자 권선 저항값, 회전자 권선 저항값, 고정자 권선 누설 인덕턴스, 회전자 권선 누설 인덕턴스 및 자화 인덕턴스를 포함하는 상기 유도 전동기의 회로 파라미터를 출력하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 유도 전동기의 회로 파라미터 추출 방법의 고정자 권선 저항값을 추정하는 단계는, 상기 전동기 전력 평형식 및 상기 기계손을 이용하여 상기 유도 전동기의 회전자 손실을 추정하는 단계; 상기 유도 전동기의 회전자 손실 및 상기 철손을 이용하여 상기 유도 전동기의 고정자 손실을 추정하는 단계; 및 정의한 관계와 상기 유도전동기의 고정자 손실을 이용하여 상기 고정자 권선 저항값을 추정하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 유도 전동기의 회로 파라미터 추출 방법의 회전자 권선 누설 인덕턴스의 합을 결정하는 단계는, 상기 유도 전동기에 전압을 인가한 정지상태에서 전압, 전류, 및 전력을 측정하는 단계; 상기 유도 전동기에 전압을 인가한 정지상태에서 전압, 전류, 및 전력을 이용하여 상기 유도 전동기의 회전자 권선 저항 값을 결정하는 단계; 및 상기 유도 전동기에 전압을 인가한 정지상태에서 전압, 및 전류와 상기 회전자 권선 저항 값 및 상기 고정자 권선 저항값을 이용하여 고정자 권선 누설 인덕턴스와 회전자 권선 누설 인덕턴스의 합을 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 유도 전동기의 회로 파라미터 추출 방법의 무부하 시험에 따른 임피던스 값과 철손 저항, 및 인가 전압의 주파수를 이용하여 고정자 권선 누설 인덕턴스와 자화 인덕턴스의 합을 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 유도 전동기의 회로 파라미터 추출 방법의 자화 인덕턴스를 결정하는 단계는, 상기 고정자 권선 누설 인덕턴스와 회전자 권선 누설 인덕턴스의 합을 기 설정된 비율로 분리하여 고정자 권선 누설 인덕턴스 및 회전자 권선 누설 인덕턴스를 결정하는 단계; 및 상기 고정자 권선 누설 인덕턴스와 자화 인덕턴스의 합 및 상기 고정자 권선 누설 인덕턴스를 이용하여 상기 자화 인덕턴스를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 유도 전동기의 회로 파라미터 추출 장치는 유도 전동기에 무부하 시험을 수행하여 상기 유도 전동기의 기계손 및 철손을 추출하는 무부하 시험부; 유도 전동기의 입력 데이터와 전동기 전력 평형식을 이용하여 유도 전동기의 고정자 권선 저항값을 추정하는 고정자 권선 저항값 추정부; 상기 유도 전동기에 0속도 운전 시험을 수행하여 회전자 권선 저항값 및 고정자 권선 누설 인덕턴스와 회전자 권선 누설 인덕턴스의 합을 결정하는 0속도 시험부; 및 상기 고정자 권선 누설 인덕턴스와 회전자 권선 누설 인덕턴스의 합에서 고정자 권선 누설 인덕턴스 및 회전자 권선 누설 인덕턴스를 분리하여 자화 인덕턴스를 결정하고, 상기 고정자 권선 저항값, 회전자 권선 저항값, 고정자 권선 누설 인덕턴스, 회전자 권선 누설 인덕턴스 및 자화 인덕턴스를 포함하는 상기 유도 전동기의 회로 파라미터를 출력하는 파라미터 출력부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 유도 전동기의 회로 파라미터 추출 장치의 고정자 권선 저항값 추정부는, 상기 전동기 전력 평형식 및 상기 기계손을 이용하여 상기 유도 전동기의 회전자 손실을 추정하고, 상기 유도 전동기의 회전자 손실 및 상기 철손을 이용하여 상기 유도 전동기의 고정자 손실을 추정하며, 정의한 관계와 상기 유도전동기의 고정자 손실을 이용하여 상기 고정자 권선 저항값을 추정할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 유도 전동기의 회로 파라미터 추출 장치의 0속도 시험부는, 상기 유도 전동기에 전압을 인가한 정지상태에서 전압, 전류, 및 전력을 측정하고, 상기 유도 전동기에 전압을 인가한 정지상태에서 전압, 전류, 및 전력을 이용하여 상기 유도 전동기의 회전자 권선 저항 값을 결정하며, 상기 유도 전동기에 전압을 인가한 정지상태에서 전압, 및 전류와 상기 회전자 권선 저항 값 및 상기 고정자 권선 저항값을 이용하여 고정자 권선 누설 인덕턴스와 회전자 권선 누설 인덕턴스의 합을 결정할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 유도 전동기의 회로 파라미터 추출 장치의 고정자 권선 저항값 추정부는, 무부하 시험에 따른 임피던스 값과 철손 저항, 및 인가 전압의 주파수를 이용하여 고정자 권선 누설 인덕턴스와 자화 인덕턴스의 합을 결정할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 유도 전동기의 회로 파라미터 추출 장치의 파라미터 출력부는, 상기 고정자 권선 누설 인덕턴스와 회전자 권선 누설 인덕턴스의 합을 기 설정된 비율로 분리하여 고정자 권선 누설 인덕턴스 및 회전자 권선 누설 인덕턴스를 결정하고, 상기 고정자 권선 누설 인덕턴스와 자화 인덕턴스의 합 및 상기 고정자 권선 누설 인덕턴스를 이용하여 상기 자화 인덕턴스를 결정할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 의하면, 무부하 시험과 0속도 시험을 이용하여 구동 제어기 설계에 사용할 유도 전동기의 회로 파라미터를 추출할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 회로 파라미터 추출 장치를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 유도 전동기의 일례이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 무부하 시험을 수행한 결과의 일례이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 유도 전동기의 데이터의 일례이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 회로 파라미터 추출 방법을 도시한 플로우차트이다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있어서 특허출원의 권리 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 실시예들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물이 권리 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.
실시예에서 사용한 용어는 단지 설명을 목적으로 사용된 것으로, 한정하려는 의도로 해석되어서는 안된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 발명의 일실시예에 따른 회로 파라미터 추출 방법은 회로 파라미터 추출 장치에 의해 수행될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 회로 파라미터 추출 장치를 나타내는 도면이다.
회로 파라미터 추출 장치(100)는 도 1에 도시된 바와 같이 데이터 입력부(110), 무부하 시험부(120), 고정자 권선 저항값 추정부(130), 0 속도 시험부(140), 파라미터 출력부(150), 및 구동 제어기 설계부(160)를 포함할 수 있다. 이때, 데이터 입력부(110)는 통신기이고, 무부하 시험부(120), 고정자 권선 저항값 추정부(130), 0 속도 시험부(140), 파라미터 출력부(150), 및 구동 제어기 설계부(160)는 서로 다른 프로세서, 또는 하나의 프로세서에서 수행되는 프로그램에 포함된 각각의 모듈일 수 있다.
데이터 입력부(110)는 정보 입력 인터페이스를 통하여 유도 전동기(101)의 데이터를 입력받을 수 있다. 이때, 입력 받은 유도 전동기(101)의 데이터는 정격출력(용량)
Figure 112018129552692-pat00001
, 극수 P, 정격 선간 전압
Figure 112018129552692-pat00002
, 정격 입력 전류
Figure 112018129552692-pat00003
, 주파수 f, 정격 공칭 효율
Figure 112018129552692-pat00004
또는 정격 공칭 역률
Figure 112018129552692-pat00005
, 정격 회전수
Figure 112018129552692-pat00006
중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 데이터 입력부(110)는 유도 전동기(101)의 명판에 기재된 데이터를 유도 전동기(101)의 데이터로 입력받을 수 있다.
무부하 시험부(120)는 유도 전동기(101)에 무부하 시험을 수행하여 유도 전동기(101)의 기계손(mechanical loss) 및 철손(iron loss)을 추출할 수 있다.
구체적으로 무부하 시험부(120)는 유도 전동기(101)의 무부하 시험을 복수 회 수행할 수 있다. 이때, 무부하 시험부(120)는 무부하 시험을 수행할 때마다 전압값(V0,1, V0,2, … V0,m)과 전력값(P0,1, P0,2, … P0,m)을 측정할 수 있다. 그리고, 무부하 시험부(120)는 측정한 전압값들 및 전력값들을 x축이 전압값의 제곱이고, y축은 전력값인 x-y 직교좌표 위에 배치하여 점들 ((
Figure 112018129552692-pat00007
P0,1), (
Figure 112018129552692-pat00008
P0,2), …(
Figure 112018129552692-pat00009
P0,m)을 표시할 수 있다. 이때, V0,1는 정격 전압값이고, 무부하 시험부(120)는 무부하 시험을 반복할 때마다 전압값을 감소시켜 V0,m가 가장 낮은 전압값을 가지도록 할 수 있다.
다음으로, 무부하 시험부(120)는 점들을 연결한 직선의 연장선이 y축과 만나는 교차점(y절편)의 값(P0,0)을 계산할 수 있다.
그 다음으로, 무부하 시험부(120)는 회전속도에 따른 보정을 하여 정격 속도에서의 기계손을 계산할 수 있다. 예를 들어, 무부하 시험부(120)는 수학식 1을 이용하여 기계손
Figure 112018129552692-pat00010
을 계산할 수 있다.
Figure 112018129552692-pat00011
마지막으로 무부하 시험부(120)는 기계손을 이용하여 정격에서의 철손을 계산할 수 있다. 예를 들어, 무부하 시험부(120)는 수학식 2를 이용하여 철손
Figure 112018129552692-pat00012
을 계산할 수 있다.
Figure 112018129552692-pat00013
고정자 권선 저항값 추정부(130)는 유도 전동기(101)의 입력 데이터와 전동기 전력 평형식을 이용하여 유도 전동기(101)의 고정자 권선 저항값을 추정할 수 있다.
이때, 고정자 권선 저항값 추정부(130)는 전동기 전력 평형식 및 기계손을 이용하여 유도 전동기(101)의 회전자 손실을 추정할 수 있다. 다음으로, 고정자 권선 저항값 추정부(130)는 유도 전동기(101)의 회전자 손실 및 철손을 이용하여 유도 전동기(101)의 고정자 손실을 추정할 수 있다. 마지막으로, 고정자 권선 저항값 추정부(130)는 유도 전동기(101)의 고정자 손실을 이용하여 고정자 권선 저항값을 추정할 수 있다. 예를 들어, 고정자 권선 저항값 추정부(130)는 수학식 3을 이용하여 고정자 권선 저항 값
Figure 112018129552692-pat00014
을 추정할 수 있다.
Figure 112018129552692-pat00015
또한, 유도 전동기(101)의 회로로부터 무부하상태에서는 슬립 s가 0이 되어 회전자 측의 임피던스가 무한대가 되고 철손 저항 Rm이 자화 리액턴스 ω1Lm보다 크므로, 고정자 권선 저항값 추정부(130)는 무부하 시험에 따른 임피던스 값과 철손 저항, 및 인가 전압의 주파수를 이용하여 고정자 권선 누설 인덕턴스와 자화 인덕턴스의 합을 결정할 수 있다. 예를 들어, 고정자 권선 저항값 추정부(130)는 수학식 4를 이용하여 고정자 누설 인덕턴스
Figure 112018129552692-pat00016
와 자화 인덕턴스
Figure 112018129552692-pat00017
의 합을 계산할 수 있다.
Figure 112018129552692-pat00018
이때, ω1은 2πf이고 인가 전압의 각주파수를 의미할 수 있다.
0 속도 시험부(140)는 유도 전동기(101)에 0속도 운전 시험을 수행하여 회전자 권선 저항값 및 고정자 권선 누설 인덕턴스와 회전자 권선 누설 인덕턴스의 합을 결정할 수 있다.
이때, 0 속도 시험부(140)는 유도 전동기(101)에 전압을 인가한 정지상태에서 전압 Vsh, 전류 Ish, 및 전력 Psh를 측정할 수 있다.
다음으로, 0 속도 시험부(140)는 유도 전동기(101)에 전압을 인가한 정지상태에서 전압 Vsh, 전류 Ish, 및 전력 Psh를 이용하여 유도 전동기(101)의 회전자 권선 저항 값
Figure 112018129552692-pat00019
을 결정할 수 있다. 예를 들어, 0 속도 시험부(140)는 수학식 5를 이용하여 회전자 권선 저항 값
Figure 112018129552692-pat00020
을 결정할 수 있다.
Figure 112018129552692-pat00021
그 다음으로, 0 속도 시험부(140)는 유도 전동기(101)에 전압을 인가한 정지상태에서 전압 Vsh, 전류 Ish 와 회전자 권선 저항 값
Figure 112018129552692-pat00022
및 고정자 권선 저항값
Figure 112018129552692-pat00023
을 이용하여 고정자 권선 누설 인덕턴스
Figure 112018129552692-pat00024
와 회전자 권선 누설 인덕턴스
Figure 112018129552692-pat00025
의 합을 결정할 수 있다. 예를 들어, 0 속도 시험부(140)는 수학식 6을 이용하여 고정자 권선 누설 인덕턴스
Figure 112018129552692-pat00026
와 회전자 권선 누설 인덕턴스
Figure 112018129552692-pat00027
의 합을 결정할 수 있다.
Figure 112018129552692-pat00028
파라미터 출력부(150)는 고정자 권선 누설 인덕턴스와 회전자 권선 누설 인덕턴스의 합에서 고정자 권선 누설 인덕턴스 및 회전자 권선 누설 인덕턴스를 분리하여 자화 인덕턴스를 결정할 수 있다. 그리고, 파라미터 출력부(150)는 고정자 권선 저항값, 회전자 권선 저항값, 고정자 권선 누설 인덕턴스, 회전자 권선 누설 인덕턴스 및 자화 인덕턴스를 포함하는 유도 전동기(101)의 회로 파라미터를 출력할 수 있다.
이때, 파라미터 출력부(150)는 고정자 권선 누설 인덕턴스
Figure 112018129552692-pat00029
와 회전자 권선 누설 인덕턴스
Figure 112018129552692-pat00030
의 합을 기 설정된 비율로 분리하여 고정자 권선 누설 인덕턴스
Figure 112018129552692-pat00031
및 회전자 권선 누설 인덕턴스
Figure 112018129552692-pat00032
를 결정할 수 있다. 예를 들어, 파라미터 출력부(150)는 수학식 7을 이용하여 고정자 권선 누설 인덕턴스
Figure 112018129552692-pat00033
와 회전자 권선 누설 인덕턴스
Figure 112018129552692-pat00034
를 결정할 수 있다.
Figure 112018129552692-pat00035
기 설정된 비율이 1:1인 경우, α는 0.5일 수 있다.
다음으로, 파라미터 출력부(150)는 고정자 권선 누설 인덕턴스와 자화 인덕턴스의 합 및 고정자 권선 누설 인덕턴스를 이용하여 자화 인덕턴스를 결정할 수 있다. 예를 들어, 파라미터 출력부(150)는 수학식 8을 이용하여 자화 인덕턴스
Figure 112018129552692-pat00036
을 결정할 수 있다.
Figure 112018129552692-pat00037
이때,
Figure 112018129552692-pat00038
+
Figure 112018129552692-pat00039
는 수학식 4에 따라 결정된 값일 수 있다.
구동 제어기 설계부(160)는 고정자 권선 저항값, 회전자 권선 저항값, 고정자 권선 누설 인덕턴스, 회전자 권선 누설 인덕턴스 및 자화 인덕턴스를 이용하여 유도 전동기(101)의 구동 제어기를 설계할 수 있다. 실시예에 따라 구동 제어기 설계부(160)는 회로 파라미터 추출 장치(100)와 별도의 구성일 수도 있다. 이때, 구동 제어기 설계부(160)는 파라미터 출력부(150)가 출력한 유도 전동기(101)의 회로 파라미터를 이용하여 유도 전동기(101)의 구동 제어기를 설계할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 회로 파라미터 추출 장치는 무부하 시험과 0속도 시험을 이용하여 구동 제어기 설계에 사용할 유도 전동기의 회로 파라미터를 추출할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 유도 전동기의 일례이다.
유도 전동기(101)는 기동, 정지가 용이하고 가변속 제어가 가능하며, 원격 제어 및 감시, 전압, 전류, 전력의 측정 등의 기능을 포함하는 구동 장치일 수 있다. 이때, 유도 전동기(101)는 도 2에 도시된 바와 같은 T형 등가 회로를 포함할 수 있다.
그리고, 도 2에서 R은 저항, L은 인덕턴스 성분의 값일 수 있다. 또한, 도 2의 아래 첨자 1, 2, m, l은 각각 고정자, 회전자, 자화 성분 및 누설성분을 나타낼 수 있다. 그리고, E1은 유도 전동기(101) 내부의 고정자 측에 본 유기 기전력이고 s는 슬립으로 동기속도에 대한 동기속도와 회전속도의 차이에 대한 비일 수 있다.
유도 전동기(101)의 단자에 v1의 입력 교류 전압을 인가하는 경우, 입력전류 i1이 고정자 권선에 흐르고 R2,out이라는 등가 출력 저항에서 발생하는 전력이 기계적 출력으로 발생하여 부하에 회전력을 전달할 수 있다. 이때, Pin=3V1I1PF또는 Pin=Pout/η에 해당하는 입력에서 등가회로 상에서 전기저항으로 표시되는 저항 성분에서 발생하는 여러 손실을 뺀 부분이 출력 Pout 일 수 있다.
이때, V1은 입력 상전압 v1의 실효값이고, I1은 입력 상전류 i1의 실효값이며, PF는 역률이고 η는 효율(=출력/입력)일 수 있다. 그리고, 역률PF는 수학식 9와 같이 정의될 수 있다.
Figure 112018129552692-pat00040
또한, 전동기 전체 손실 Ploss 은 입력과 출력의 차이가 되므로, 회로 파라미터 추출 장치(100)가 사용하는 전동기 전력 평형식은 수학식 10과 같이 정의될 수 있다.
Figure 112018129552692-pat00041
이때, 고정자 손실 Pst는 고정자 권선에 흐르는 전류에 의해 고정자 권선의 저항에서 발생하는 동손이며,
Figure 112018129552692-pat00042
로 나타낼 수 있다. 또한, 철손 Pfe는 고정자 철심 및 회전자 철심에서 발생하는 철손이며,
Figure 112018129552692-pat00043
으로 나타낼 수 있다. 그리고, 회전자 손실 Prt는 회전자 권선에 흐르는 전류에 의해 회전자 권선의 저항에서 발생하는 동손이며,
Figure 112018129552692-pat00044
로 나타낼 수 있다. 이때, I2는 회전자 전류i2의 실효값을 의미할 수 있다. 또한, 기계손
Figure 112018129552692-pat00045
은 마찰손과 풍손의 합으로 전동기의 회전속도와 연관된 데이터일 수 있다. 그리고, 표유 부하손 Psll은 앞서 설명한 손실 외의 손실로서 측정 및 산정하기가 쉽지 않은 손실이므로 0으로 가정할 수 있다.
데이터 입력부(110)가 획득할 수 있는 유도 전동기(101)의 데이터는 정격 상전압
Figure 112018129552692-pat00046
, 정격 상전류
Figure 112018129552692-pat00047
,. 정격 슬립
Figure 112018129552692-pat00048
, 정격 입력
Figure 112018129552692-pat00049
,역률
Figure 112018129552692-pat00050
, 효율
Figure 112018129552692-pat00051
, 출력
Figure 112018129552692-pat00052
일 수 있다. 데이터 입력부(110)가 획득할 수 있는 유도 전동기(101)의 데이터는 공칭값을 의미하는 '-'표시를 하였으며 정격상태의 값으로는 아래 첨자에 n을 표시하였다.
도 2의 출력 저항 R2,out에서 발생하는 전력은 부하에 전달되는 기계적 출력
Figure 112018129552692-pat00053
과 기계손
Figure 112018129552692-pat00054
의 합이며, 수학식 11과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112018129552692-pat00055
이때, 정격 슬립
Figure 112018129552692-pat00056
은 유도 전동기(101)의 명판에 기재된 극수 P와 전원 주파수 f, 및 정격 회전수
Figure 112018129552692-pat00057
를 이용하여 계산될 수 있다. 예를 들어, 동기 속도 rpmsyn이
Figure 112018129552692-pat00058
인 경우, 정격 슬립
Figure 112018129552692-pat00059
은 수학식 12에 따라 계산될 수 있다.
Figure 112018129552692-pat00060
또한, 정격에서의 회전자 입력 P2,n은 수학식 13에 따라 계산될 수 있다.
Figure 112018129552692-pat00061
그리고, 수학식 13은 수학식 11을 참조하여 수학식 14와 같이 변형될 수 있다.
Figure 112018129552692-pat00062
이때, 수학식 10, 수학식 11, 수학식 13, 수학식 14를 이용하면, 정격에서의 회전자 손실
Figure 112018129552692-pat00063
를 계산하기 위한 수학식 15가 도출될 수 있다.
Figure 112018129552692-pat00064
또한, 철손
Figure 112018129552692-pat00065
이 계산되면, 수학식 16을 이용하여 고정자 손실 Pst,n을 계산할 수 있다.
Figure 112018129552692-pat00066
그리고, 고정자 손실 Pst,n을 3
Figure 112018129552692-pat00067
R1로 변환하여 수학식 3에 적용하면, 고정자 권선 저항 값
Figure 112018129552692-pat00068
을 추정할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 무부하 시험을 수행한 결과의 일례이다.
유도 전동기(101)에 부하를 인가하지 않은 상태에서 전압을 가하는 경우, 유도 전동기(101)는 거의 동기 속도(rpmsyn)로 회전할 수 있다. 그리고, 무부하 상태에서의 유도 전동기(101)의 기계적 출력은 0이 되므로 유도 전동기(101)의 무부하 손실Pin,0은 수학식 17로 나타낼 수 있다.
Figure 112018129552692-pat00069
이때, 3
Figure 112018129552692-pat00070
R1은 무부하 고정자 손실일 수 있다. 정격 상태에서 고정자 손실과 기계손 및 철손의 합은 임계값 이하의 차이를 가질 수 있으나, 무부하 전류는 정격 전류의 1/5이므로, 무부하 기계손 및 철손은 무부하 고정자 손실의 25배일 수 있다.
그리고, 기계손에 해당하는 토크를 발생하기 위한 2차 전류를 0이라고 가정하면, 무부하시의 회전자 손실은 0일 수 있다. 또한, 수학식 1에서 아래 첨자 '0'은 무부하상태를 의미한다.
예를 들어, 인가 전압이 0인 경우, 입력 전류가 0이 되어 무부하 고정자 손실과 철손도 0이 되므로 전압이 0일 경우의 무부하 손실 P0,0은 동기속도로 회전할 경우의 기계손일 수 있다.
그리고, 무부하 시험 과정에서 정격전압 및 정격전압 보다 낮은 몇 개의 전압을 인가하는 경우, 도 3에 도시된 바와 같이 전압에 대한 무부하 손실 곡선을 구할 수 있다.
이때, 도 3에서 x축은 입력전압의 제곱 값일 수 있다. 그리고, 실선으로 표시된 무부하 손실을 y축까지 연장(점선) 시키면, 연장된 점선과 접촉한 y절편값(도 3의 y축에 표시된 사각형)이 무부하시의 기계손 P0,0일 수 있다. 이때, 기계손은 회전속도의 함수로 표현하며, 회전 속도의 3승에 비례하므로, 정격상태에서의 기계손
Figure 112018129552692-pat00071
은 수학식 1에 따라 계산될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 유도 전동기의 데이터의 일례이다.
데이터 입력부(110)가 도 4에 도시된 바와 같은 유도 전동기(101)의 명판에 기재된 데이터를 유도 전동기(101)의 데이터로 입력 받는 경우, 정격출력(용량)
Figure 112018129552692-pat00072
은 7.5kW이고, 극수 P는 4일 수 있다. 또한, 정격 선간 전압
Figure 112018129552692-pat00073
은 220V(△결선), 또는 380V(Y결선)이고, 정격 입력 전류
Figure 112018129552692-pat00074
은 28.2A(△결선), 또는 16.3A(Y결선)일 수 있다. 그리고, 주파수 f는 60HZ이고, 정격 공칭 효율
Figure 112018129552692-pat00075
은 0.87이며, 정격 회전수
Figure 112018129552692-pat00076
은 1796 rpm일 수 있다.
그리고 데이터 입력부(110)는 입력받은 데이터를 기초로 정격 상전압, 정격 상전류, 동기 속도, 정격 슬립, 정격 입력을 획득할 수 있다.
예를 들어, 정격 상전압
Figure 112018129552692-pat00077
은
Figure 112018129552692-pat00078
(△결선), 또는
Figure 112018129552692-pat00079
/
Figure 112018129552692-pat00080
(Y결선)이고, 정격 상전류
Figure 112018129552692-pat00081
은
Figure 112018129552692-pat00082
(△결선), 또는
Figure 112018129552692-pat00083
(Y결선)일 수 있다. 또한, 동기 속도 rpmsyn은
Figure 112018129552692-pat00084
이고, 정격 슬립
Figure 112018129552692-pat00085
은
Figure 112018129552692-pat00086
일 수 있다. 그리고, 정격 입력
Figure 112018129552692-pat00087
은 3
Figure 112018129552692-pat00088
또는
Figure 112018129552692-pat00089
일 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 회로 파라미터 추출 방법을 도시한 플로우차트이다.
단계(510)에서 데이터 입력부(110)는 정보 입력 인터페이스를 통하여 유도 전동기(101)의 데이터를 입력받을 수 있다. 예를 들어, 데이터 입력부(110)는 유도 전동기(101)의 명판에 기재된 데이터를 유도 전동기(101)의 데이터로 입력받을 수 있다.
단계(520)에서 무부하 시험부(120)는 유도 전동기(101)에 무부하 시험을 수행하여 유도 전동기(101)의 기계손(mechanical loss) 및 철손(iron loss)을 추출할 수 있다.
단계(530)에서 고정자 권선 저항값 추정부(130)는 단계(510)에서 입력된 유도 전동기(101)의 입력 데이터와 전동기 전력 평형식을 이용하여 유도 전동기(101)의 고정자 권선 저항값을 추정할 수 있다. 이때, 고정자 권선 저항값 추정부(130)는 전동기 전력 평형식 및 기계손을 이용하여 유도 전동기(101)의 회전자 손실을 추정할 수 있다. 다음으로, 고정자 권선 저항값 추정부(130)는 유도 전동기(101)의 회전자 손실 및 철손을 이용하여 유도 전동기(101)의 고정자 손실을 추정할 수 있다. 마지막으로, 고정자 권선 저항값 추정부(130)는 유도 전동기(101)의 고정자 손실을 이용하여 고정자 권선 저항값을 추정할 수 있다.
그리고, 고정자 권선 저항값 추정부(130)는 무부하 시험에 따른 임피던스 값과 철손 저항, 및 인가 전압의 주파수를 이용하여 고정자 권선 누설 인덕턴스와 자화 인덕턴스의 합을 결정할 수 있다.
단계(540)에서 0 속도 시험부(140)는 유도 전동기(101)에 0속도 운전 시험을 수행하여 회전자 권선 저항값 및 고정자 권선 누설 인덕턴스와 회전자 권선 누설 인덕턴스의 합을 결정할 수 있다. 이때, 0 속도 시험부(140)는 유도 전동기(101)에 전압을 인가한 정지상태에서 전압 Vsh, 전류 Ish, 및 전력 Psh를 측정할 수 있다. 다음으로, 0 속도 시험부(140)는 유도 전동기(101)에 전압을 인가한 정지상태에서 전압 Vsh, 전류 Ish, 및 전력 Psh를 이용하여 유도 전동기(101)의 회전자 권선 저항 값
Figure 112018129552692-pat00090
을 결정할 수 있다. 그 다음으로, 0 속도 시험부(140)는 유도 전동기(101)에 전압을 인가한 정지상태에서 전압 Vsh, 전류 Ish 와 회전자 권선 저항 값
Figure 112018129552692-pat00091
및 고정자 권선 저항값
Figure 112018129552692-pat00092
을 이용하여 고정자 권선 누설 인덕턴스
Figure 112018129552692-pat00093
과 회전자 권선 누설 인덕턴스
Figure 112018129552692-pat00094
의 합을 결정할 수 있다.
단계(550)에서 파라미터 출력부(150)는 고정자 권선 누설 인덕턴스와 회전자 권선 누설 인덕턴스의 합에서 고정자 권선 누설 인덕턴스 및 회전자 권선 누설 인덕턴스를 분리할 수 있다. 그리고, 파라미터 출력부(150)는 분리한 고정자 권선 누설 인덕턴스를 단계(530)에서 결정한 고정자 권선 누설 인덕턴스와 자화 인덕턴스의 합에서 마이너스 하여 자화 인덕턴스를 결정할 수 있다.
단계(560)에서 파라미터 출력부(150)는 단계(530)에서 추정한 고정자 권선 저항값, 단계(540)에서 추정한 회전자 권선 저항값, 단계(550)에서 결정한 고정자 권선 누설 인덕턴스, 회전자 권선 누설 인덕턴스 및 자화 인덕턴스를 포함하는 유도 전동기(101)의 회로 파라미터를 출력할 수 있다.
또한, 구동 제어기 설계부(160)는 고정자 권선 저항값, 회전자 권선 저항값, 고정자 권선 누설 인덕턴스, 회전자 권선 누설 인덕턴스 및 자화 인덕턴스를 이용하여 유도 전동기(101)의 구동 제어기를 설계할 수 있다.
본 발명은 무부하 시험과 0속도 시험을 이용하여 구동 제어기 설계에 사용할 유도 전동기의 회로 파라미터를 추출할 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.
101: 유도 전동기
110: 데이터 입력부
120: 무부하 시험부
130: 고정자 권선 저항값 추정부
140: 0속도 시험부

Claims (10)

  1. 유도 전동기에 무부하 시험을 수행하여 상기 유도 전동기의 기계손 (mechanical loss) 및 철손(iron loss)을 추출하는 단계;
    유도 전동기의 입력 데이터와 전동기 전력 평형식을 이용하여 유도 전동기의 고정자 권선 저항값을 추정하는 단계;
    상기 유도 전동기에 0속도 운전 시험을 수행하여 회전자 권선 저항값 및 고정자 권선 누설 인덕턴스와 회전자 권선 누설 인덕턴스의 합을 결정하는 단계; 및
    상기 고정자 권선 누설 인덕턴스와 회전자 권선 누설 인덕턴스의 합에서 고정자 권선 누설 인덕턴스 및 회전자 권선 누설 인덕턴스를 분리하여 자화 인덕턴스를 결정하는 단계; 및
    상기 고정자 권선 저항값, 회전자 권선 저항값, 고정자 권선 누설 인덕턴스, 회전자 권선 누설 인덕턴스 및 자화 인덕턴스를 포함하는 상기 유도 전동기의 회로 파라미터를 출력하는 단계
    를 포함하고,
    상기 고정자 권선 저항값을 추정하는 단계는,
    상기 전동기 전력 평형식 및 상기 기계손을 이용하여 상기 유도 전동기의 회전자 손실을 추정하는 단계;
    상기 유도 전동기의 회전자 손실 및 상기 철손을 이용하여 상기 유도 전동기의 고정자 손실을 추정하는 단계;
    상기 유도전동기의 고정자 손실을 이용하여 상기 고정자 권선 저항값을 추정하는 단계
    를 포함하는 유도 전동기의 회로 파라미터 추출 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 회전자 권선 누설 인덕턴스의 합을 결정하는 단계는,
    상기 유도 전동기에 전압을 인가한 정지상태에서 전압, 전류, 및 전력을 측정하는 단계;
    상기 유도 전동기에 전압을 인가한 정지상태에서 전압, 전류, 및 전력을 이용하여 상기 유도 전동기의 회전자 권선 저항 값을 결정하는 단계; 및
    상기 유도 전동기에 전압을 인가한 정지상태에서 전압, 및 전류와 상기 회전자 권선 저항 값 및 상기 고정자 권선 저항값을 이용하여 고정자 권선 누설 인덕턴스와 회전자 권선 누설 인덕턴스의 합을 결정하는 단계
    를 포함하는 유도 전동기의 회로 파라미터 추출 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    무부하 시험에 따른 임피던스 값과 철손 저항, 및 인가 전압의 주파수를 이용하여 고정자 권선 누설 인덕턴스와 자화 인덕턴스의 합을 결정하는 단계
    를 더 포함하는 유도 전동기의 회로 파라미터 추출 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 자화 인덕턴스를 결정하는 단계는,
    상기 고정자 권선 누설 인덕턴스와 회전자 권선 누설 인덕턴스의 합을 기 설정된 비율로 분리하여 고정자 권선 누설 인덕턴스 및 회전자 권선 누설 인덕턴스를 결정하는 단계;
    상기 고정자 권선 누설 인덕턴스와 자화 인덕턴스의 합 및 상기 고정자 권선 누설 인덕턴스를 이용하여 상기 자화 인덕턴스를 결정하는 단계
    를 포함하는 유도 전동기의 회로 파라미터 추출 방법.
  6. 유도 전동기에 무부하 시험을 수행하여 상기 유도 전동기의 기계손(mechanical loss) 및 철손(iron loss)을 추출하는 무부하 시험부;
    유도 전동기의 입력 데이터와 전동기 전력 평형식을 이용하여 유도 전동기의 고정자 권선 저항값을 추정하는 고정자 권선 저항값 추정부;
    상기 유도 전동기에 0속도 운전 시험을 수행하여 회전자 권선 저항값 및 고정자 권선 누설 인덕턴스와 회전자 권선 누설 인덕턴스의 합을 결정하는 0속도 시험부; 및
    상기 고정자 권선 누설 인덕턴스와 회전자 권선 누설 인덕턴스의 합에서 고정자 권선 누설 인덕턴스 및 회전자 권선 누설 인덕턴스를 분리하여 자화 인덕턴스를 결정하고, 상기 고정자 권선 저항값, 회전자 권선 저항값, 고정자 권선 누설 인덕턴스, 회전자 권선 누설 인덕턴스 및 자화 인덕턴스를 포함하는 상기 유도 전동기의 회로 파라미터를 출력하는 파라미터 출력부
    를 포함하고,
    상기 고정자 권선 저항값 추정부는,
    상기 전동기 전력 평형식 및 상기 기계손을 이용하여 상기 유도 전동기의 회전자 손실을 추정하고, 상기 유도 전동기의 회전자 손실 및 상기 철손을 이용하여 상기 유도 전동기의 고정자 손실을 추정하며, 상기 유도전동기의 고정자 손실을 이용하여 상기 고정자 권선 저항값을 추정하는 유도 전동기의 회로 파라미터 추출 장치.
  7. 삭제
  8. 제6항에 있어서,
    상기 0속도 시험부는,
    상기 유도 전동기에 전압을 인가한 정지상태에서 전압, 전류, 및 전력을 측정하고, 상기 유도 전동기에 전압을 인가한 정지상태에서 전압, 전류, 및 전력을 이용하여 상기 유도 전동기의 회전자 권선 저항 값을 결정하며, 상기 유도 전동기에 전압을 인가한 정지상태에서 전압, 및 전류와 상기 회전자 권선 저항 값 및 상기 고정자 권선 저항값을 이용하여 고정자 권선 누설 인덕턴스와 회전자 권선 누설 인덕턴스의 합을 결정하는 유도 전동기의 회로 파라미터 추출 장치.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 고정자 권선 저항값 추정부는,
    무부하 시험에 따른 임피던스 값과 철손 저항, 및 인가 전압의 주파수를 이용하여 고정자 권선 누설 인덕턴스와 자화 인덕턴스의 합을 결정하는 유도 전동기의 회로 파라미터 추출 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 파라미터 출력부는,
    상기 고정자 권선 누설 인덕턴스와 회전자 권선 누설 인덕턴스의 합을 기 설정된 비율로 분리하여 고정자 권선 누설 인덕턴스 및 회전자 권선 누설 인덕턴스를 결정하고, 상기 고정자 권선 누설 인덕턴스와 자화 인덕턴스의 합 및 상기 고정자 권선 누설 인덕턴스를 이용하여 상기 자화 인덕턴스를 결정하는 유도 전동기의 회로 파라미터 추출 장치.
KR1020180168124A 2018-12-24 2018-12-24 유도 전동기의 회로 파라미터 추출 장치 및 그 방법 KR102202814B1 (ko)

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