KR19990041692A - 교류 전동기의 제동 장치 및 제동 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 직류 전류를 발생시키기 위하여 기존의 밧데리나 별도의 직류 전원 장치를 사용할 필요가 없이, 직류 전압원으로서 인버터 회로 앞단에 부착된 캐퍼시터를 그대로 이용하는 교류 전동기 제동 장치에 관한 것으로서, 상세하게는 입력측에 병렬로 연결되어 직류 전원을 공급하는 직류 링크 캐퍼시터; 상기 직류 링크 캐퍼시터로부터 직류 전원을 공급받아 제1상의 교류를 생성하여 전동기의 제1 고정자 권선으로 출력하기 위한 제1 컨버터와 제2상 및 제3상 교류를 생성하여 전동기의 제2 및 제3 고정자 권선으로 출력하는 제2 컨버터를 포함하는 인버터; 상기 인버터로부터 출력되는 제2상 및 제3상 교류 전원을 정류하여 직류 전원을 생성하고 이를 전동기로 공급하는 정류기; 상기 인버터 및 정류기에서 전동기로 공급되는 전류를 단락시키기 위한 제어 스위치부; 상기 전동기의 회전 속도에 따라 전원제어신호를 출력하는 제어신호 생성기; 및 상기 전원제어신호에따라 상기 제2 컨버터를 제어하여 상기 제2 컨버터로부터 출력되는 전압의 크기를 조절하기 위한 인버터 컨트롤러를 포함하는 교류 전동기 제동 장치에 관한 것이다.

Description

교류 전동기의 제동 장치 및 제동 방법

[산업상 이용 분야]

본 발명은 교류 전동기의 제동 장치 및 제동 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 일반 산업용 전동기의 구동에 사용되는 인버터를 이용하여 교류 전동기에 직류 제동 전류를 인가함으로서 교류 전동기를 전기적으로 제동하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

[종래 기술]

교류 전동기의 속도를 감속하거나 정지시키기 위한 방법으로 다양한 형태의 직류 제동 방법이 사용된다. 통상 직류 제동이라 하면, 전동기에 공급되는 교류전원을 차단하고 시간적으로 제어된 직류 전류를 교류 전동기의 고정자 권선에 인가하여 전동기를 제동하는 것이다. 이와 같이 고정자 권선에 인가된 직류 전류는 고정자 권선에 정지 자계를 형성하여 고정자 권선간에 반발력을 발생시키므로, 기계적인 마찰 작용없이 전동기를 빠른 속도로 감속시키게 된다. 기존의 직류 제동회로에서는 교류 전동기에 직류 전류를 인가해 주기 위하여 밧데리나 직류전원 발생장치와 같은 별도의 전원 공급 장치를 사용하였다. 이러한 종래의 직류 제동 방법중 밧데리를 전원으로 사용하는 경우에는 3상 교류 전원을 차단함과 동시에 밧데리에서 발생한 직류전원을 전동기에 흘려주어 간단하게 제동력을 얻을 수 있으나 배터리의 전압강하에 따른 정기적인 배터리 충전이 필요하므로 보수유지에 문제점이 있으며, 직류전원 발생장치가 설치되는 경우에는 안정된 전원을 공급할 수는 있지만 전동기 구동회로 함께 보조전원이나 제어회로를 구성하기가 번거롭다는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 직류 전류를 발생시키기 위하여 기존의 밧데리나 별도의 직류 전원 장치를 사용할 필요가 없이, 직류 전압원으로서 인버터 회로 앞단에 부착된 캐퍼시터를 그대로 이용하는 교류 전동기 제동 장치 및 제동 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 교류 전동기 제동 장치를 도시한 것이며,

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 교류 전동기의 제동 방법을 설명하는 플로우 차트이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1: 직류 링크 캐퍼시터 4: 정류기 5: 제어스위치부

6: 전동기 7: 전류 검출기 8: 타코제너레이터

9: 비교기 13: 인버터 컨트롤러 18: 제어신호 생성기

20: 인버터 22: 제1 컨버터 24: 제2 컨버터

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 입력측에 병렬로 연결되어 직류 전원을 공급하는 직류 링크 캐퍼시터; 상기 직류 링크 캐퍼시터로부터 직류 전원을 공급받아 제1상의 교류를 생성하여 전동기의 제1 고정자 권선으로 출력하기 위한 제1 컨버터와 제2상 및 제3상 교류를 생성하여 전동기의 제2 및 제3 고정자 권선으로 출력하는 제2 컨버터를 포함하는 인버터; 상기 인버터로부터 출력되는 제2상 및 제3상 교류 전원을 정류하여 직류 전원을 생성하고 이를 전동기로 공급하는 정류기; 상기 인버터 및 정류기에서 전동기로 공급되는 전류를 단락시키기 위한 제어 스위치부; 상기 전동기의 회전 속도에 따라 전원제어신호를 출력하는 제어신호 생성기; 및 상기 전원제어신호에따라 상기 제2 컨버터를 제어하여 상기 제2 컨버터로부터 출력되는 전압의 크기를 조절하기 위한 인버터 컨트롤러를 포함하는 교류 전동기 제동 장치를 제공한다. 본 발명은 또한 입력측에 병렬로 연결된 직류 링크 캐퍼시터를 통하여 직류 전원을 공급하고, 인버터를 통하여 상기 직류 전원을 3상 교류 전원으로 변환한 후 전동기를 구동시키는 과정; 상기 3상 교류 전원중 일부는 단락시키고, 나머지는 직류로 정류하여 전동기로 공급하는 과정; 상기 전동기의 회전 속도에 따라 전원제어신호를 출력하는 과정; 및 상기 전원제어신호에따라 상기 인버터를 제어하여 상기 인버터로부터 출력되는 전압의 크기를 조절하는 과정을 포함하는 교류 전동기 제동 방법을 제공한다.

본 발명에서는 교류 전동기를 구동시키기 위해서 사용되는 인버터 회로의 전단에 위치한 직류 링크 캐퍼시터로부터 전동기를 전기적으로 제동하기 위하여 필요한 전원을 확보하고, 제동 모드 시작과 동시에 인버터 회로의 6개의 스위칭 소자중에서 도 1의 제1 컨버터(22)에 대하여는 스위칭을 하지 않음으로서 직류 전원을 흘려줄 수 있는 회로를 구성하고, 전동기의 고정자 권선 중에서 1개를 개방시켜 나머지 고정자 권선에 직류 전류를 공급하도록 하였다. 이때, 인버터는 단상교류를 발생시키는 컨버터 회로의 역할을 하게되며, 교류 전동기의 고정자 권선에 인가되는 직류 전류의 세기를 인버터 회로를 통해 제어함으로서 추가적인 제어장치 없이 전동기를 제동시킬 수 있게 된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 교류 전동기 제동 장치를 도시한 것으로서, 본 발명의 교류 전동기 제동장치는 입력측에 병렬로 연결되어 직류 전원을 공급하는 직류 링크 캐퍼시터(1)와 상기 직류 링크 캐퍼시터(1)와 병렬로 연결되며 이로부터 출력되는 직류를 3상 교류(3a, 3b, 3c)로 변환하여 출력하는 인버터(20)를 포함한다. 상기 인버터(20)는 상기 직류 링크 캐퍼시터(1)로부터 직류 전원을 공급받아 제1상의 교류(3a)를 생성하여 제1 출력단자(5a)로 출력하기 위한 제1 컨버터(22)와 제2상 및 제3상 교류(3b,3c)를 생성하여 제2 및 제3출력단자(5b, 5c)로 출력하는 제2 컨버터(24)로 이루어지며, 제2상 및 제3상 교류 전원을 정류하여 직류 전원을 생성하기 위한 브리지 정류기(4)가 상기 인버터(20)의 제2 및 제3 출력단자(5b, 5c)에 연결되어 설치된다. 여기서 제1 및 제2 컨버터는 다수의 스위칭 소자(2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f)들이 소정 시간 간격으로 스위칭됨에 따라 교류를 출력하도록 되어있다. 또한 본 발명의 교류 전동기 제동 장치는 제1 고정자 권선(6a)으로 상기 제1상의 교류(3a)를 입력받고, 제2 고정자 권선(6b)으로 상기 제2상 교류(3b) 또는 상기 브리지 정류기(4)의 제1 출력단자(5d)로 부터 출력되는 직류를 입력받으며, 제3 고정자 권선(6c)으로 상기 제3상 교류(3c) 또는 상기 브리지 정류기(4)의 제2 출력단자(5e)로 부터 출력되는 직류를 공급받아 회전 또는 정지하는 전동기(6)를 포함한다. 상기 인버터(20) 및 브리지 정류기(4)에서 전동기(6)로 공급되는 전류는 제어 스위치부(5)의 제1, 제2 및 제3 스위치(S1, S2, S3)에 의하여 각각 제어된다. 또한, 상기 제1 고정자 권선(6a)과 접지사이에는 전동기(6)에 흐르는 단락전류를 측정하기 위한 전류검출기(7)가 설치되고, 전동기(6)의 회전속도ω를 측정하기 위한 타코제너레이터(8)가 전동기(6)와 연결되어 있으며, 상기 전동기(6)의 회전속도ω와 소정의 기준속도 ω_r을 비교하고 그 차를 출력하는 비교기(9)가 상기 타코제너레이터(8)에 연결되어 있다. 또한 본 발명의 교류 전동기는 상기 전동기(6)의 제1 고정자 권선(6a)에 흐르는 단락전류와 상기 비교기(9)로 부터의 신호를 입력받아 전원제어신호를 출력하는 제어신호 생성기(18)와 상기 전원제어신호에따라 상기 제2 컨버터(24)의 스위칭 소자들(2c,2d,2e,2f)을 제어하여 상기 제2 컨버터로부터 출력되는 직류 전압의 크기를 조절하기 위한 인버터 컨트롤러(13)를 더욱 포함하고 있다.

상기 인버터 컨트롤러(13)는 사용자의 의사에 따라 전동기(6)의 회전 또는 정지 상태를 제어할 수 있도록 상기 제1 컨버터(22)의 스위칭 소자(2a, 2b) 및 전동기를 정상 동작 모드에서 제동 모드로 회로를 변환하는 상기 제어 스위치부(5)의 제1, 제2 및 제3 스위치(S1, S2, S3)를 더욱 제어할 수도 있다. 즉, 인버터 컨트롤러(13)는 전동기(6)의 운전패턴, 제동주기에 따라 전동기(6)가 회전 또는 정지할 수 있도록 전동기(6)에 공급되는 제동전류를 제어한다.

다음으로 발명에 따른 교류 전동기의 제동 장치의 동작을 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한다. 여기서 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 교류 전동기의 제동 방법을 설명하는 플로우 차트이다. 직류 링크 캐퍼시터(1)는 전동기(6)가 정상 동작하는 모터링 모드에서는 인버터(20)로 전류를 공급하는 전원 역할을 하다가, 상기 전동기(6)의 제동시에는 전동기(6)를 정지시키기 위한 직류 전류의 전압원 역할을 한다. 모터링 모드상태에서 제1 컨버터(22)와 제2 컨버터(24)로 구성된 인버터(20) 회로는 전동기에 필요한 3상 전원을 생성하여 전동기(6)의 고정자 권선(6a, 6b, 6c)에 공급한다(S10). 이때 상기 제어스위치부(5)는 제1 고정자 권선(6a)으로 상기 제1상의 교류(3a)가 입력되며, 제2 고정자 권선(6b)으로 상기 제2상 교류(3b)가 입력되며, 제3 고정자 권선(6c)으로는 상기 제3상 교류(3c)가 입력되도록 설정되어 전동기(6)를 회전시킨다(S20). 여기서 상기 제어스위치부(5)의 제1, 제2 및 제3 스위치(S1, S2, S3)로서 트랜지스터등 반도체 소자 스위치가 사용될 수 있으며, 이러한 스위치들은 인버터 컨트롤러(13)에 의하여 제어되도록 하는 것이 바람직하다.

상기와 같이 정상 동작중인 전동기(6)를 정지시키기 위하여 직류 제동 모드로 변환하려면(S30), 먼저 제어스위치부(5)의 제1 스위치(S1)를 조작하여 인버터(20) 회로의 3상 출력(3a, 3b, 3c)중에서 제1상의 전원(3a)을 개방시킨다. 여기서 제어스위치부(5)를 이용하여 고정자 권선(6a)에 공급되는 전원을 갑자기 차단할 경우 전기적인 부작용이 발생하지만, 이런 부류의 전기적 충격은 고정자 권선(6a)과 직렬 또는 병렬로 스너버(snubber) 회로를 장착하면 보완이되며, 본 발명에서는 전류 검출기(7)를 설치하여 단락회로를 구성함으로서 이러한 전기적 충격을 완화시킨다. 이와 같이 제1 스위치(S1)로 제1상의 전원(3a)을 개방시킴과 동시에, 제2 및 3 스위치(S2, S3)도 각각 정류기(4)의 제1 및 제2 출력단자(5d, 5e)와 연결되도록 전환시켜, 제2상 및 제3상의 교류 전원이 정류기(4)를 통하여 전동기(6)의 고정자 권선(6b, 6c)으로 전달되도록 한다(S40). 이때, 인버터 컨트롤러(13)는 3상 교류전원을 공급하도록 인버터(20)를 스위칭 하는 것이 아니라, 제 1컨버터(22)의 스위칭 소자들(2a, 2b)은 스위칭하지 않고 제 2컨버터(24)의 스위칭 소자들(2c, 2d, 2e, 2f)만 스위칭 시켜, 상기 인버터(20)회로가 단상 인버터로 동작하게 한다(S50). 이 때 제 2컨버터(24)의 스위칭 동작은 현재의 모터 제어 모드와 모터의 속도에 따라 인버터 컨트롤러(13)에 의하여 제어된다.

즉, 전동기(6)의 회전속도ω를 타코제너레이터(8)를 이용하여 검출하고, 고정자 권선(6a)과 전류 검출기(7)에 의하여 구성되는 폐회로를 통하여 전동기(6)에 흐르는 전류를 검출한다. 이때, 전동기(6)의 제2, 제3 고정자 권선(6b,6c)에 약간의 리플성 직류 전류가 흐르는 경우 나머지 고정자 권선(6a)은 폐루프를 형성하게 되고, 전자기적 작용에 의해 상기 폐루프에는 단락전류가 흐른다. 검출된 속도 ω는 비교기(9)를 통해 기준속도ω_r과 비교되며(S60), 그 속도의 차이 및 제1 고정자 권선에 흐르는 단락전류가 제어신호 생성기(18)로 입력된다. 이때, 상기 검출된 속도 ω가 기준속도ω_r보다 작을 경우에는 제1 및 제2 컨버터(22, 24)의 스위칭동작이 정지되고 전동기(6)로 전류를 공급하지 않는다(S100). 상기 제어신호 생성기(18)내에는 미리 사용자에 의하여 전동기 토오크와 부하토오크의 합이 최소의 조건으로 결정되도록 감속 패턴(10)이 입력되어 있고, 이 감속패턴에 따라 전동기(6)를 감속하기 위해 필요한 가속도(α)가 계산된다(S70). 고정자 권선 (6a) 및 전류검출기(7)의 1차측을 통해 흐르는 단락전류는 전류 검출기(7)의 2차측에 전류를 유기하며, 이렇게 유기된 전류는 상기 감속패턴(10)에서 산출된 가속도(α)와 함께 회전자의 상태를 나타내는 제어신호 생성기(18)내의 리미트 인디케이터(11)에 입력되며, 리미트 인티케이터(11)은 전동기의 회전자가 정지상태이거나 기준속도ω_r이하로 회전할 경우 제동전류를 발생시키지 않도록 한다. 리미트 인디케이터(18)의 이러한 기능은 전동기의 회전속도를 측정함으로서 이루어질 수 있으나, 본 실시예에서는 제1 고정자 권선(6a)에 흐르는 단락전류값을 추가로 검출하여 전동기의 상태를 이중으로 체크할 수 있도록 하였다.

제어신호 생성기(18)는 상기 단락전류와 감속패턴(10)의 출력인 가속도(α)를 참조하고, 미리 설정된 제동 토오크 패턴(12)에 따라 전원제어신호를 인버터 컨트롤러(13)로 입력하면(S80), 인버터 컨트롤러(13)는 상기 전원제어신호에따라 인버터(20)의 스위칭 소자를 제어하여 정류기(4)에 전류를 인가하게 된다. 여기서 미리 설정된 전동기의 제동토오크는 일반적으로 가속 토오크와 같은 크기를 가지며, 전동기의 회전상태에 따라 전동기를 최적의 방법으로 제동하도록 되어 있다. 이와 같은 과정을 통하여 브리지 정류기(4)의 출력은 인버터 컨트롤러(13)에 의해 제어되는 제 2컨버터(24)를 통해 조절된다. 이때 인가되는 제동 전류는 브리지 정류기(4)를 통해 정류되는데 약간의 리플 성분을 포함하고 있는 전류 성분이다. 결국 전동기의 고정자 권선의 전기적 상수는 정해져 있으므로 이때 흐르는 전류는 인버터 컨트롤러(13)를 통해서 제어되게 되며 전동기의 회전자가 정지하거나(S90) 기준 속도 이하일 때까지 계속 전동기로 공급된다.

상기한 바와 같이, 본 발명의 교류 전동기의 제동 방법 및 제동 장치를 사용하면 직류 전류를 발생시키기 위하여 기존의 밧데리나 별도의 직류 전원 장치를 사용할 때 발생하는 보수유지의 불편함 또는 회로구성의 복잡함이 없으며, 직류 전압원으로서 인버터 회로 앞단에 부착된 캐퍼시터를 그대로 이용함으로서 간단히 전동기의 제동에 필요한 전원을 공급할 수 있다. 또한 본 발명의 방법 및 장치를 이용한 교류 전동기의 직류 제동은 보조적으로 설치되는 직류 전원장치의 고장으로 직류 제동을 할 수 없는 경우에도 충분히 대처할 수 있다. 또한 본 발명의 방법 및 장치를 기타 교류 전동기의 전기적 제동에 적용하면 보다 효율적인 전동기의 제동을 기대할 수 있다.

Claims (10)

1. 입력측에 병렬로 연결되어 직류 전원을 공급하는 직류 링크 캐퍼시터;

   상기 직류 링크 캐퍼시터로부터 직류 전원을 공급받아 제1상의 교류를 생성하여 전동기의 제1 고정자 권선으로 출력하기 위한 제1 컨버터와 제2상 및 제3상 교류를 생성하여 전동기의 제2 및 제3 고정자 권선으로 출력하는 제2 컨버터를 포함하는 인버터;

   상기 인버터로부터 출력되는 제2상 및 제3상 교류 전원을 정류하여 직류 전원을 생성하고 이를 전동기로 공급하는 정류기;

   상기 인버터 및 정류기에서 전동기로 공급되는 전류를 단락시키기 위한 제어 스위치부;

   상기 전동기의 회전 속도에 따라 전원제어신호를 출력하는 제어신호 생성기; 및

   상기 전원제어신호에따라 상기 제2 컨버터를 제어하여 상기 제2 컨버터로부터 출력되는 전압의 크기를 조절하기 위한 인버터 컨트롤러를 포함하는 교류 전동기 제동 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 제어신호 생성기는 전동기의 회전 속도에 따라 감속 가속도 및 제동 토오크 값을 결정하고, 상기 제동 토오크 값에 따라 전원 제어신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 교류 전동기 제동 장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 제어 스위치부는 상기 인버터 컨트롤러에 의하여 제어되는 것을 특징으로 하는 교류 전동기 제동 장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 정류기는 브리지 정류기인 교류 전동기 제동 장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 전동기의 회전속도를 측정하기 위한 타코제너레이터를 더 가지는 교류 전동기 제동 장치.
6. 제1항에 있어서, 상기 제어신호 생성기는 전원제어신호를 출력하기 위하여 전동기의 제1 고정자 권선에 흐르는 단락전류를 더욱 참조하는 것을 특징으로 하는 교류 전동기 제동 장치.
7. 제6항에 있어서, 상기 전동기의 제1 고정자 권선에 흐르는 전류를 측정하기 위한 전류 검출기를 더 가지는 교류 전동기 제동 장치.
8. 입력측에 병렬로 연결된 직류 링크 캐퍼시터를 통하여 직류 전원을 공급하고, 인버터를 통하여 상기 직류 전원을 3상 교류 전원으로 변환한 후 전동기를 구동시키는 과정;

   상기 3상 교류 전원중 일부는 단락시키고, 나머지는 직류로 정류하여 전동기로 공급하는 과정;

   상기 전동기의 회전 속도에 따라 전원제어신호를 출력하는 과정; 및

   상기 전원제어신호에따라 상기 인버터를 제어하여 상기 인버터로부터 출력되는 전압의 크기를 제어하는 과정을 포함하는 교류 전동기 제동 방법.
9. 제8항에 있어서, 상기 전원 제어 신호를 출력하는 과정은 상기 전동기의 회전 속도에 따라 감속 가속도 및 제동 토오크 값을 결정하고, 상기 제동 토오크 값에 따라 전원 제어신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 교류 전동기 제동 방법.
10. 제8항에 있어서, 상기 정류과정은 브리지 정류기에 의하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 교류 전동기 제동 방법.