KR19980024843A - 전동기 및 전기 장치 제어 방법 - Google Patents

전동기 및 전기 장치 제어 방법 Download PDF

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Abstract

전동기를 제어하기 위한 방법에 있어서 전동기의 고정자 전압 주파수는 전동기의 최적의 슬립 주파수를 회전자의 희망 회전 주파수에 가산하는 것에 의해 결정된다. 고정자 전압의 크기는 회전자의 희망 회전 주파수에서 실제 회전 주파수를 감산하는 것에 의해 결정된다. 희망 고정자 주파수 및 크기는 전동기로 적절한 전압을 공급하기 위해서 인버터를 제어하는 펄스 폭 변조 유닛으로 입력된다. 최적의 슬립을 갖는 전동기의 동작은 부하에 관계없이 능률이 최적이 된다는 이점을 갖는다.

Description

전동기 및 전기 장치 제어 방법
본 발명의 목적은 전동기 및 이러한 전동기를 포함하는 개선된 전기 장치를 제어하기 위한 개선된 방법을 제공하는 것이다.
[발명의 분야]
본 발명은 일반적으로 전동기(motor) 제어 분야에 관한 것으로, 상세하게는 전기 전동기(electric motor; 이하, 전동기), 특히 교류 전동기 및 이러한 전동기를 구비하는 전기 장치를 제어하기 위한 방법에 관한 것이다.
[배경 기술]
가변 속도 교류 유도 전동기(variable speed alternating current induction motor)를 제어하는 종래 기술은 전동기의 전압-주파수 특성을 사용한다. 이러한 종래 기술에서는 도 1 에 도시된 형태가 사용된다. 도 1 에 있어서 횡좌표는 전동기의 고정자(stator)의 주파수(fST)를 나타내고 세로좌표는 전동기의 고정자 권선에 인가되는 전압의 전압(V)을 나타낸다. 도 1 에 도시된 주파수-전압 곡선(1)은 전동기의 공칭 부하(nominal load)에 대해서만 유효하다. 이러한 도면은 통상 전동기의 제조업체에 의해 제공된다. 이것은 특성을 측정하는 것에 의해 얻어지거나 또는 거의 계산에 의해 얻어질 수 있다. 주파수-전압 곡선(1)의 기준점(B)은 공칭 부하에서 전동기가 작동하기 위한 최적의 조건을 나타낸다.
도 2 를 참조로 종래 기술에서 어떻게 도 1 에 도시된 주파수-전압 곡선(1)이 전동기 제어에 사용되는지를 상세히 설명할 것이다.
도 2 는 고정자(21)와 회전자(rotor; 22)를 구비하는 교류 유도 전동기(20)를 도시한다. 상기 전동기(20)는 마이크로 컨트롤러(24)에 의해 제어된다.
고정자(21)의 권선은 직류 전원 전압(U)에 접속된 인버터(26)에 접속된다. 마이크로 컨트롤러(24)는 6 라인(32)을 통해 인버터(26)에 접속된다. 6 라인(32)은 2 라인의 세 쌍을 포함한다. 라인의 각 쌍은 세 개의 전원 라인(27, 29, 31)에 의해 도 2 에 도시된 교류 유도 전동기(20)의 세 위상 전압의 하나에 할당된다. 라인(32)의 각쌍을 통해 위상 전압의 하나는 적절한 스위칭 신호를 인버터(26)에 인가하는 것에 의해 제어된다. 이들 스위칭 신호는 마이크로 컨트롤러(24)에 속하는 펄스 폭 변조 유닛(33)에 의해 생성된다.
마이크로 컨트롤러(24)는 자신의 라인(34)을 통해 회전자(22)의 희망 회전 주파수(fdes)를 나타내는 입력 신호를 수신한다. 입력 라인(36)을 통해서 마이크로 컨트롤러(24)는 회전자(22)의 실제 회전 주파수를 나타내는 스피드 신호를 수신한다. 이 신호는 전동기(20) 및 입력 라인(36)에 접속된 회전계용 발전기(tacho generator; 38)에 의해 제공된다.
입력 라인(34, 36)은 입력 신호(fdes)와 속도 신호를 감산하는 회로(40)에 접속된다.
상기 회로(40)의 출력은 통상 비례-적분(proportional-integral) 또는 비례-적분-미분 필터(proportional-integral-differential filter)인 필터(42)에 접속된다. 이것은 전동기 제어 시스템의 임펄스 응답을 평탄화시키는 역할을 한다.
필터(42)의 출력은 라인(43, 44)을 통해 각각 논리 회로(45) 및 펄스 폭 변조 유닛(33)에 접속된다. 필터(42)에 의해 전달되는 신호는 고정자의 희망 고정자 주파수(fST)를 나타내고 올바른 주파수로 스위칭 신호의 적절한 시퀀스를 발생하기 위해 펄스 폭 변조 유닛(33)에서 사용되어, 전원 라인(27, 29, 31)에 존재하게 되는 위상 전압이 희망 고정자 주파수(fST)를 갖는 전동기(20)의 고정자 권선에 대해서 각각 위상 전아을 전송하도록 한다.
논리 회로(45)는 위상 전압의 요구되는 크기를 결정하기 위해서 필요되어 진다. 위상 전압의 크기는 도 1 은 참조로 해서 결정되어진다. 통상적으로 이러한 도면은 순람표(look up table)로 논리 회로(45) 내에 저장된다. 이러한 방식으로 희망 고정자 주파수(fST)에 대응하는 희망 고정자 전압 또는 위상 전압(V)이 결정된다.
희망 고정자 전압(VST)은 라인(46)을 통해 펄스 폭 변조 유닛(33)으로 전송된다. 펄스 폭 변조 유닛(33) 내에서 전원 라인(27, 29, 31)용으로 발생될 희망 고정자 전압(VST)에 대응하는 인버터(26) 제어용 충격 계순(duty cycle)가 결정된다.
전동기를 제어하기 위한 이러한 종래 기술은 공칭 부하에 대해서만 최적인 도 1 에 도시된 형태의 고정된 주파수 전압 곡선이 사용된다는 단점이 있다. 부하가 공칭이 아닐 경우 이것은 전동기의 낮은 능률(efficiency)로 나타난다: 전동기가 과부하되는 경우 전동기의 슬립(slip)은 크게 되어 더 높은 손실로 나타나게 된다. 한편, 부하가 공칭 부하보다 작은 경우, 전동기는 과여기(over excited)되는데, 이것은 슬립은 낮지만 고정자 전류는 높아서 손실이 또한 크게 됨을 의미한다. 따라서 개선된 전동기 제어 방법 및 장치에 대한 요구가 생기게 된다.
[발명의 요약]
본 발명이 해결하고자 하는 문제점은 기본적으로 특허 청구의 범위의 독립항에서 나타나는 특징을 적용하는 것에 의해 해결된다. 본 발명의 다른 양호한 실시에는 특허 청구의 범위의 종속항에서 제공된다.
공칭 부하뿐만 아니라 넓은 범위의 상이한 부하에 대해서도 높은 능률로 전동기를 제어할 수 있게 하는 점에서 본 발명은 특히 유익하다. 되도록 상기 유익한 점은 전동기가 부하에 관계없이 자신의 최적의 슬립 주파수에서 동작하도록 전동기를 제어하는 것에 의해 성취된다. 이것은 넓은 부하 범위에 대해서 전동기의 최적의 능률로 나타나는데, 그 이유는 최적의 슬립 주파수가 고정자 권선에 인가되는 주파수나 실제의 부하에 의존하지 않는 불변의 전동기 특성이기 때문이다.
본 발명의 제어 방법에 따른 제어 회로를 구비하는 전동기를 전기 장치 내에 통합하는 것이 유익한데, 그 이유는 전기 장치의 전체 능률이 더 나은 전동기 성능으로 인해 향상되기 때문이다. 본 발명에 따른 전동기 컨트롤러가 저가로 실현될때, 본 발명의 용례의 한 특정 분야는 식기 세척기(dish washers), 세척 기기(washing machines) 또는 자동차용 동력 기타 조타 장치(power steering)와 같은 아주 넓은 범위의 소비재가 될 수 있다.
도 1 은 전동기의 주파수-전압 곡선을 도시하는 도.
도 2 는 종래 기술의 전동기 제어 시스템의 블럭도.
도 3 은 전동기 슬립과 전동기 능률간의 상호의존성을 도시하는 도.
도 4 는 본 발명의 전기 장치의 양호한 실시예를 도시하는 블럭도.
도 5 는 본 발명의 방법의 실시예를 도시하기 위한 순서도.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
1 : 주파수-전압 곡선20 : 전동기
21 : 고정자22 : 회전자
24 : 마이크로 컨트롤러
24 : 인버터33 : 펄스 폭 변조 유닛
도 3 은 전동기의 통상적인 슬립-능률 곡선(2)을 도시한다. 도 3 의 횡좌표는 고정자 권선에 존재하는 전동기 전압 주파수와 회전자의 회전 주파수 사이의 주파수 차이인 슬립(s)을 도시한다. 능률(E)은 도 3 의 세로좌표 상에 도시된다. 능률(E)은 모터에 인가되는 전기적 에너지가 고정자의 기계적 움직임으로 변환되는 백분율을 나타낸다. 전동기가 자신의 최적의 슬립 주파수(Sopt)에서 동작하는 경우 능률(E)은 최대값(EMAX)에 도달한다.
도 4 를 참조하여, 어떻게 전동기가 본 발명에 따라 제어되어 넓은 부하 범위에 걸쳐서 최적의 슬립 주파수에서 동작되는지를 본 발명의 한 실시예를 통해 상세히 설명될 것이다.
도 4 는 전동기(20)를 구비하는 전기 장치(55)를 도시한다. 이하 동일한 도면 부호는 도 2 및 도 4 에 도시된 유사한 소자에 대해서 사용될 것이다.
전동기(20)는 자신의 전원을 도 2 를 참조로 설명된 바와 같이 펄스 폭 변주 유닛(33)에 의해 제어되는 인버터(26)로부터 수신한다.
또한 전기 장치(55)는 마이크로 컨트롤러(50)를 포함한다. 마이크로 컨트롤러(50)는 전동기(20)의 회전자(22)의 희망 회전 주파수를 나타내는 입력 신호를 라인(34)을 통해 수신한다. 또한 마이크로 컨트롤러(50)는 회전자(22)의 실제회전 주파수를 나타내는 신호를 수신한다. 마찬가지로, 이 신호는 회전계용 발전기(38)에 의해 생성되고 회로(40)에 의해 입력 라인(34)을 통해 수신된 입력 신호로부터 감산된다. 종래 기술에서와 마찬가지로 회로(40)에 의해 출력되는 차동 신호는 필터(42)에 의해 여과된다. 그 결과 발생하는 신호는 희망 고정자 전압(VST)의 크기를 나타낸다.
희망 고정자 주파수(fST)를 나타내는 신호를 발생하기 위해 도 1 에 도시된 형태의 어떠한 주파수-전압 곡선도 사용되지 않는다. 대신 입력 라인(34) 상에 존재하는 신호를 메모리(52)에 의해 전달되고 전동기(20)의 최적의 슬립 주파수(Sopt)를 나타내는 신호에 가산하기 위해서 회로(41)가 사용된다. 통상적인 슬립 주파수는 4Hz이다.
메모리(52)는 최적의 슬립 주파수(Sopt)의 값을 저장할 수 있는 임의의 메모리 요소의 형태일 수 있다.
최적의 슬립 주파수(Sopt)와 희망 회전자(22)의 회전 주파수의 가산의 결과는 전동기(20)의 최적의 동작을 위산 고정자(21)의 고정자 권선의 희망 고정자 주파수를 나타내는 신호이다. 이 신호는 라인(56)을 통해 펄스 폭 변조 유닛(33)으로 제공된다. 이러한 입력에 기초해서 펄스 폭 변조 유닛(33)은 인버터(26)를 제어하기 위한 스위칭 주파수를 결정한다. 결과적으로 전동기(20)의 고정자 주파수는 회전자(22)의 희망 주파수에 최적의 슬립 주파수(Sopt)를 더한 것이 된다.
이것은 최적의 슬립 주파수(Sopt)가 부하 조건에 관계없이 항상 회전자(22)의 희망 회전 주파수에 더해져서 그 결과 전동기(20)가 부하에 관계없이 최적의 슬립으로 달리 표현하면 최적의 능률로 동작하도록 제어된다는 이점을 갖는다.
도 5 는 본 발명에 따른 방법의 일 실시예를 도시한다. 단계(60)에서 희망 고정자 전압 주파수는 전동기의 최적의 슬립 주파수(Sopt)를 회전자의 희망 회전 주파수를 나타내는 입력값에 더하는 것에 의해 결정된다. 도 4 에 도시된 실시예의 관점에서, 이것은 입력 라인(34) 상에 존재하는 입력 신호와 메모리(52)로부터 최적의 슬립 주파수(Sopt)를 나타내는 신호를 가산하는 회로(41)에 의해 수행된다.
단계(62)에서 회전자의 실제 회전 주파수가 결정된다.
다시 도 4 를 참조하면 회전계용 발전기(38)에 의한 회전 주파수를 측정하는 것에 의해 이것은 실현될 수 있다. 또한 다른 측정 기술을 사용하거나 또는 측정될 수 있는 전동기의 다른 전기적 혹은 물리적 특성으로부터 회전 주파수를 유도하는 것이 가능하다.
단계(64)에서 고정자 전압의 크기 또는 다른 표현으로 고정자 전압의 진폭은 고정자 전압 제어 파라미터에 의해 결정될 수 있다. 고정자 전압 제어 파라미터는 희망 회전 주파수에서 회전자의 실제 회전 주파수를 감산하는 것에 의해 결정된다. 고정자 전압 제어 파라미터를 나타내는 결과적인 차동 신호는 고정자 전압 크기를 결정하기 위해서 여과될 수 있다. 적절한 필터는 비례-적분 또는 비례-적분-차동 필터이다.
다시 도 4 를 참조하면 고정자 전압 제어 파라미터는 회로(40)에 의해 결정되고 그 결과 발생하는 고정자 전압 크기는 필터(42)에 의해 회로(40)의 출력 신호를 여과하는 것에 의해 결정된다.
단계(66)에서 전동기는 단계(60)에서 결정된 희망 고정자 전압 주파수와 단계(64)에서 결정된 희망 고정자 전압 크기를 구비하는 고정자 전압을 공급받는다.
내용없음.

Claims (3)

  1. 회전자를 구비하는 전동기를 제어하기 위한 방법에 있어서,
    a) 전동기의 최적의 슬립 주파수를 상기 회전자의 희망 회전 주파수에 가산하는 것에 의해 고정자 전압 주파수를 결정하는 단계와;
    b) 상기 회전자의 실제 회전 주파수를 결정하는 단계와;
    c) 상기 희망 회전 주파수에서 상기 실제 회전 주파수를 감산하는 것에 의해 결정되는 고정자 전압 제어 파라미터에 의해 고정자 전압 크기를 결정하는 단계; 및
    d) 상기 고정자 전압 주파수 및 상기 고정자 전압 크기를 구비하는 고정자 전압을 상기 전동기에 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동기 제어 방법.
  2. 전동기 및 전동기 제어 수단을 포함하는 전기 장치에 있어서,
    상기 전동기 제어 수단은
    a) 상기 전동기의 최적의 주파수를 상기 회전자의 희망 회전 주파수에 가산하는 것에 의해 고정자 전압 주파수를 결정하기 위한 수단과;
    b) 상기 회전자의 실제 회전 주파수를 결정하기 위한 수단과;
    c) 상기 희망 회전 주파수에서 상기 실제 회전 주파수를 감산하는 것에 의해 결정되는 고정자 전압 제어 파라미터에 의해 고정자 전압 크기를 결정하는 위한 수단; 및
    d) 상기 고정자 전압 주파수 및 상기 고정자 전압 크기를 구비하는 고정자 전압을 상기 전동기에 공급하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 장치.
  3. 제어 방법을 수행하기 위한 제어 수단을 포함하는 전동기에 있어서,
    상기 제어 방법은
    a) 상기 전동기의 최적의 슬립 주파수를 상기 회전자의 희망 회전 주파수에 가산하는 것에 의해 고정자 전압 주파수를 결정하는 단계와;
    b) 상기 회전자의 실제 회전 주파수를 결정하는 단계와;
    c) 상기 희망 회전 주파수에서 상기 실제 회전 주파수를 감산하는 것에 의해 결정되는 고정자 전압 제어 파라미터에 의해 고정자 전압 크기를 결정하는 단계; 및
    d) 상기 고정자 전압 주파수 및 상기 고정자 전압 크기를 구비하는 고정자 전압을 상기 전동기에 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동기.
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