KR19990050109A - 유도 전동기의 제어 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 유도 전동기의 제어 방법은, 고정자 전류 및 목표 주파수에 대한 고정자 전압의 관계식에 따라 제1 전압 신호를 발생시키는 단계; 상기 제1 전압 신호가 소정의 하한 주파수 미만에서 작용되는 제1-1 전압 신호를 발생시키는 단계; 상기 목표 주파수에 비례한 크기의 제2 전압 신호를 발생시키는 단계; 상기 제2 전압 신호가 상기 하한 주파수 이상에서 작용되는 제2-1 전압 신호를 발생시키는 단계; 및 상기 제1-1 전압 신호와 제2-1 전압 신호를 더해서 상기 고정자 전압의 제어 신호로서 발생시키는 단계;를 포함한다.

Description

유도 전동기의 제어 방법 및 장치

본 발명은 유도 전동기의 제어 방법 및 장치에 관한 것이다.

유도 전동기는, 구조적으로 단순하고 사용이 쉽기 때문에, 산업 현장에서 가장 널리 사용되는 전동기이다. 이 유도 전동기의 제어 방식으로는 단순 직기동 방식과, 인버터(Inverter)를 사용한 가변속 구동 방식으로 대별된다. 그러나 대부분 성능이 앞선 가변속 제어 방식 예를 들어, VVVF(Variable Voltage Variable Frequency) 제어 방식이 채용되고 있는 추세이다. 이와 같은 가변속 제어 방식에 있어서, 종래에는, 사용자로부터의 목표 주파수에 비례한 크기의 전압 신호에 옵셋 전압을 더하여, 고정자 전압의 제어 신호로서 사용하였다. 옵셋 전압을 더한 이유는, 유도 전동기가 저속 운전할 때에 회전력을 보상하기 위함이다.

도 1을 참조하여 종래의 유도 전동기의 제어 방법을 설명하면 다음과 같다. 종래의 유도 전동기의 제어 장치에는 전압 신호 발생기(11), 정류기(12) 및 인버터(13)가 마련된다. 전압 신호 발생기(11)는, 목표 주파수 신호(Vfe)를 이득 상수 G 만큼 증폭한 후, 증폭된 신호에 옵셋 전압(V₀)을 더하여, 고정자 전압의 제어 신호(Vs)를 출력한다. 정류기(12)는 인가되는 교류 전압을 정류하여 전압 신호 발생기(11)로부터의 전압 제어 신호에 비례한 직류 전압을 출력한다. 그리고 인버터(13)는 정류기(12)로부터의 직류 전압을 목표 주파수의 교류 전압으로 변환시켜서 유도 전동기(IM)에 인가한다. 유도 전동기(IM)으로부터 검출된 고정자 전류 Is는 귀환 제어용으로 사용될 수 있다.

도 2를 참조하여, 종래의 목표 주파수에 대한 고정자 전압의 특성을 살펴보기로 한다. 도 2의 선형 함수(21)와 같이, 고정자 전압 Vs가 목표 주파수 fe의 모든 영역에서 목표 주파수 fe에 선형적으로 비례한다면, 저속 회전시 고정자 저항의 작용으로 인한 전압 강하가 커져서, 적절한 자속과 회전력이 발생될 수 없다. 따라서 종래에는 이를 보상하기 위하여, 옵셋 전압(Offset voltage) V₀이 작용하는 선형 함수(22) 또는 비선형 함수(23)를 사용한다. 도 2에서 Vsr은 정격 고정자 전압, 그리고 fr은 정격 주파수를 나타낸다.

옵셋 전압 V₀이 작용하는 선형 함수(22)를 사용하는 경우, 옵셋 전압 V₀이 고정된 상태이므로, 저속 회전시를 고려하여 충분한 옵셋 전압 V₀이 인가되어야 한다. 이에 따라 정상 회전시에도 불필요한 옵셋 전압 V₀이 작용하여, 유도 전동기의 과열 및 소비 전력 증대의 원인이 되고 있다. 한편, 옵셋 전압 V₀이 작용하는 비선형 함수(23)를 사용하는 경우, 비선형부의 설정이 어렵고 그 정밀도가 낮으므로, 적절한 자속과 회전력이 발생될 수 없다.

본 발명이 이루고자 하는 목적은, 소정의 회전수를 경계로 하여 두 영역에서 적절한 고정자 전압을 발생시킬 수 있는 유도 전동기의 제어 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

도 1은 종래의 유도 전동기 제어 장치의 개략적 회로도이다.

도 2는 도 1의 목표 주파수에 대한 고정자 전압의 특성도이다.

도 3은 본 발명에 따른 유도 전동기 제어 방법의 흐름도이다.

도 4는 일반적인 유도 전동기의 등가 회로도이다.

도 5는 본 발명에 따른 유도 전동기 제어 장치의 블록도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

Vs₁...제1 전압 신호, Isv...유효 순시값,

Rs...고정자 저항, Vs₀...전압 상수,

fe...목표 주파수, fr...정격 주파수,

Is...평형 순시값, Vs_1-1...제1-1 전압 신호,

Vs₂...제2 전압 신호, Vs_2-1...제2-1 전압 신호,

Vs...전압 신호, Em...고정자 작용 전압,

Lsl...고정자 누설 인덕턴스, Lrl...회전자 누설 인덕턴스,

M...상호 인덕턴스, Rr...회전자 저항,

s...라플라스 연산자, 51...제1 처리기,

52...저역 통과 필터, 53...제2 처리기,

54...고역 통과 필터, 55...가산기,

56...정류기, 57...인버터,

IM...유도 전동기, 511...Is 연산부,

513...Isv 연산부, 513...Vs₁연산부,

i_as... a상 순시 전류, i_cs...c상 순시 전류,

Vfe...목표 주파수 신호.

상기 목적을 이루기 위한 본 발명에 따른 유도 전동기의 제어 방법은 다음과 같은 단계들을 포함한다. (a1) 유도 전동기의 등가 회로에 따라, 고정자 전류 및 상기 목표 주파수에 대한 고정자 전압의 관계식을 설정한다. (a2) 상기 설정된 관계식에 따라 제1 전압 신호를 발생시킨다. (a3) 상기 제1 전압 신호가 소정의 하한 주파수 미만에서 작용되는 제1-1 전압 신호를 발생시킨다. (a4) 상기 목표 주파수에 비례한 크기의 제2 전압 신호를 발생시킨다. (a5) 상기 제2 전압 신호가 상기 하한 주파수 이상에서 작용되는 제2-1 전압 신호를 발생시킨다. (a6) 상기 제1-1 전압 신호와 제2-1 전압 신호를 더해서 고정자 전압 신호로서 발생시킨다. (b) 인가되는 교류 전압을 정류하여 상기 고정자 전압 신호의 크기에 비례한 직류 전압을 출력한다. 그리고 (c) 상기 직류 전압을 목표 주파수의 교류 전압으로 변환시켜서 유도 전동기에 인가한다. 여기서 상기 단계 a2부터 단계 c까지는 제어가 종료될 때까지 반복 수행된다.

본 발명에 따른 유도 전동기의 제어 장치는, 제1 처리기, 저역 통과 필터, 제2 처리기, 고역 통과 필터, 가산기, 정류기, 및 인버터를 포함한다. 상기 제1 처리기는, 유도 전동기의 고정자 전류 및 상기 목표 주파수에 대한 고정자 전압의 관계식에 따라 제1 전압 신호를 발생시킨다. 상기 저역 통과 필터는, 상기 제1 전압 신호가 소정의 하한 주파수 미만에서 출력되게 한다. 상기 제2 처리기는, 상기 목표 주파수에 비례한 크기의 제2 전압 신호를 발생시킨다. 상기 고역 통과 필터는, 상기 제2 전압 신호가 상기 하한 주파수 이상에서 출력되게 한다. 상기 가산기는, 상기 저역 통과 필터의 출력 신호와 상기 고역 통과 필터의 출력 신호를 더해서 고정자 전압 신호로서 발생시킨다. 상기 정류기는, 인가되는 교류 전압을 정류하여 상기 가산기로부터의 고정자 전압 신호에 비례한 직류 전압을 출력한다. 그리고 상기 인버터는, 상기 정류기로부터의 직류 전압을 상기 목표 주파수의 교류 전압으로 변환시켜서 유도 전동기에 인가한다.

본 발명에 따른 유도 전동기의 제어 방법 및 장치에 의하면, 상기 제1 및 제2 전압 신호들이 서로 다른 회전수 영역에서 적절히 발생되므로, 유도 전동기의 고정자 전압이 적절히 인가될 수 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 설명하기로 한다.

도 3에는 본 발명에 따른 유도 전동기 제어 방법이 도시되어 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 유도 전동기 제어 방법은 다음과 같은 단계들을 포함한다. (a1) 유도 전동기의 등가 회로에 따라, 고정자 전류 Is 및 목표 주파수 fe에 대한 고정자 전압 Vs₁의 관계식을 설정한다. (a2) 상기 설정된 고정자 전압 Vs₁의 관계식에 따라 제1 전압 신호 Vs₁을 출력한다. (a3) 상기 제1 전압 신호 Vs₁이 저역 통과 필터를 통과하게 하여, 소정의 하한 주파수 미만에서 작용되는 제1-1 전압 신호 Vs_1-1을 출력한다. (a4) 상기 목표 주파수 fe에 비례한 크기의 제2 전압 신호 Vs₂를 발생시킨다. (a5) 상기 제2 전압 신호 Vs₂가 상기 하한 주파수 이상에서 작용되는 제2-1 전압 신호 Vs_2-1을 출력한다. (a6) 상기 제1-1 전압 신호 Vs_1-1과 제2-1 전압 신호 Vs_2-1을 더해서 고정자 전압 신호 Vs로서 발생시킨다. (b) 인가되는 교류 전압을 정류하여 상기 고정자 전압 신호 Vs의 크기에 비례한 직류 전압을 출력한다. (c) 상기 직류 전압을 목표 주파수 fe의 교류 전압으로 변환시켜서 유도 전동기에 인가한다. (d) 상기 단계 a2부터 단계 c까지는 제어가 종료될 때까지 반복 수행된다.

상기 단계 a1에서, 고정자 전압 Vs₁의 관계식을 설정하는 유도 과정은 다음과 같다.

먼저 유도 전동기의 등가 회로를 구한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 일반적인 유도 전동기는, 고정자 저항 Rs, 회전자 저항 Rr, 고정자 누설 인덕턴스 Lsl, 회전자 누설 인덕턴스 Lrl, 및 상호 인덕턴스 M으로 모델링될 수 있다. 도 4에서, Vs는 고정자 인가 전압, Is는 고정자 전류, Em은 고정자 저항(Rs)의 전압 강하가 반영된 고정자 작용 전압, 그리고 s는 라플라스 연산자를 나타낸다.

도 4의 등가 회로에서, 고정자 전압 Vs₁과 고정자 전류 Is의 위상차를 Φ라 하면, 고정자 전류 Is에 대한 고정자 전압 Vs₁의 관계식은 아래의 수학식 1과 같이 설정될 수 있다.

상기 수학식 1을 고정자 작용 전압 Em에 대하여 정리하면, 아래의 수학식 2가 성립한다.

Em²=Vs₁ ²+(Is⋅Rs)²-2Vs₁⋅Is⋅Rs⋅Cosφ

정격 주파수 fr에서의 고정자 작용 전압 Em이 Emr인 경우, 전압과 주파수의 상호 관계를 적용하면, 고정자 작용 전압 Em은 Emr⋅fe / fr 이다. 이를 Em에 대입하여 상기 수학식 1을 풀면, 아래의 수학식 3이 성립한다.

상기 수학식 3에서 전압 상수 Vs₀은, 아래의 수학식 4에 의하여 구할 수 있다.

여기서, Vsr은 정격 고정자 전압, Isr은 정격 고정자 전류, 그리고 Φr은 정격 위상차를 나타낸다.

상기 수학식 3을 a상, b상 및 c상의 3상 유도 전동기에 적용하려면, 상기 고정자 전류 Is, Cos Φ, 및 Sin Φ에 각 평형 순시값을 반영하면 된다. a상의 고정자 전류의 순시값을 i_as, 그리고 상기 a상과 의 위상차를 갖는 c상의 고정자 전류의 순시값을 i_cs라 하면, 고정자 전류 Is의 평형 순시값은 아래의 수학식 5에 의하여 구할 수 있다.

상기 고정자 전류 Is의 유효 순시값을 Isv라 하면, Cos Φ는 , 그리고 Sin Φ는 이다. 여기서 목표 주파수 fe에 의한 각속도 2πf 가 ω , 그리고 동작 시간이 t라 하면, 상기 유효 순시값 Isv는 아래의 수학식 6에 의하여 구할 수 있다.

따라서 상기 수학식 3은 아래의 수학식 7과 같이 정리될 수 있다.

이와 같이 고정자 전류 Is 및 목표 주파수 fe에 대한 고정자 전압 Vs₁의 관계식이 설정되면(단계 a1), 이에 따른 제1 전압 신호 Vs₁을 출력한다(단계 a2). 다음에 출력된 제1 전압 신호 Vs₁이 저역 통과 필터(Low Pass Filter)를 통과하게 하여, 소정의 하한 주파수 미만에서 작용되는 제1-1 전압 신호 Vs_1-1을 출력한다(단계 a3). 한편, 상기 목표 주파수 fe에 비례한 크기의 제2 전압 신호 Vs₂를 발생시킨다(단계 a4). 단계 a4에서 적용될 식은 Vs₂=Vs_o·fe/fr 이다. 다음에 상기 제2 전압 신호 Vs₂가 상기 하한 주파수 이상에서 작용되는 제2-1 전압 신호 Vs_2-1을 출력한다(단계 a5). 다음에 상기 제1-1 전압 신호 Vs_1-1과 제2-1 전압 신호 Vs_2-1을 더해서 고정자 전압 신호 Vs로서 발생시킨다(단계 a6). 다음에 인가되는 교류 전압을 정류하여 상기 고정자 전압 신호 Vs의 크기에 비례한 직류 전압을 출력한다(단계 b). 그리고 상기 직류 전압을 목표 주파수 fe의 교류 전압으로 변환시켜서 유도 전동기에 인가한다(단계 c). 상기 단계 a2부터 단계 c까지는 제어가 종료될 때까지 반복 수행된다(단계 d).

도 5를 참조하여 본 발명에 따른 유도 전동기 제어 장치를 아래에 설명한다. 도 5에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 유도 전동기 제어 장치는, 제1 처리기(51), 저역 통과 필터(52), 제2 처리기(53), 고역 통과 필터(54), 가산기(55), 정류기(56) 및 인버터(57)를 포함한다. 상기 제1 처리기(51)는, 유도 전동기(IM)의 고정자 전류(Is) 및 목표 주파수(fe)에 대한 고정자 전압(Vs₁)의 관계식에 따라 제1 전압 신호 Vs₁을 발생시킨다. 상기 저역 통과 필터(52)는, 상기 제1 전압 신호 Vs₁이 소정의 하한 주파수 미만에서 출력되게 한다. 상기 제2 처리기(53)는, 상기 목표 주파수(fe)에 비례한 크기의 제2 전압 신호 Vs₂를 발생시킨다. 상기 고역 통과 필터(54)는, 상기 제2 전압 신호 Vs₂가 상기 하한 주파수 이상에서 출력되게 한다. 상기 가산기(55)는, 상기 저역 통과 필터(52)의 출력 신호와 상기 고역 통과 필터(54)의 출력 신호를 더해서 고정자 전압 신호 Vs로서 발생시킨다. 상기 정류기(56)는, 인가되는 교류 전압을 정류하여 상기 가산기(55)로부터의 고정자 전압 신호 Vs에 비례한 직류 전압을 출력한다. 그리고 상기 인버터(57)는, 상기 정류기(56)로부터의 직류 전압을 상기 목표 주파수(fe)의 교류 전압으로 변환시켜서 유도 전동기(IM)에 인가한다.

상기 제1 처리기(51)는, 평형 순시값 연산부로서의 Is 연산부(511), 유효 순시값 연산부로서의 Isv 연산부(512), 그리고 제1 전압 신호 연산부로서의 Vs₁연산부(513)를 포함한다. Is 연산부(511)는, a상 순시 전류 i_as및 c상 순시 전류 i_cs를 입력받아, 상기 수학식 5에 따라 고정자 전류의 평형 순시값 Is를 구한다. Isv 연산부(512)는, a상 순시 전류 i_as, c상 순시 전류 i_cs및 목표 주파수 신호 Vfe를 입력받아, 상기 수학식 6에 따라 상기 유효 순시값 Isv를 구한다. 그리고 Vs₁연산부(513)는, 평형 순시값 Is와 유효 순시값 Isv를 입력받아, 상기 수학식 7에 따라 제1 고정자 전압 신호 Vs₁을 구한다. 제1 처리기(51)로부터의 제1 고정자 전압 신호 Vs₁은 저역 통과 필터(52)를 통하여 제1-1 고정자 전압 신호 Vs_1-1로서 출력된다.

한편, 제2 처리기(53)에서는 목표 주파수 신호 Vfe에 비례한 제2 고정자 전압 신호 Vs₂를 발생시킨다. 제2 처리기(53)에서 적용될 식은 Vs₂=Vs_o·fe/fr 이다. 여기서 Vs₀는 전압 상수, fe는 목표 주파수, 그리고 fr은 정격 주파수이다. 전압 상수 Vs₀는 상기 수학식 4에 의하여 구해진다. 제2 처리기(53)로부터의 제2 고정자 전압 신호 Vs₂는 고역 통과 필터(54)를 통하여 제2-1 고정자 전압 신호 Vs_2-1로서 출력된다.

가산기(55)에서는, 상기 제1-1 고정자 전압 신호 Vs_1-1와 제2-1 고정자 전압 신호 Vs_2-1를 더하여, 고정자 전압 신호 Vs로서 정류기(56)에 입력시킨다. 정류기(56)는 인가되는 교류 전압을 정류하여 입력된 고정자 전압 신호 Vs에 비례한 직류 전압을 출력한다. 그리고 인버터(57)는, 상기 정류기(56)로부터의 직류 전압을 상기 목표 주파수(fe)의 교류 전압으로 변환시켜서 유도 전동기(IM)에 인가한다. 따라서, 소정의 회전수를 경계로 하여 제1-1 고정자 전압 신호 Vs_1-1또는 제2-1 고정자 전압 신호 Vs_2-1가 작용하므로, 두 영역에서 적절한 고정자 전압을 유도 전동기(IM)에 인가할 수 있다.

이상 설명된 바와 같이, 본 발명에 따른 유도 전동기의 제어 방법 및 장치에 의하면, 소정의 회전수를 경계로 하여 두 영역에서 적절한 고정자 전압을 발생시킬 수 있으므로, 유도 전동기가 적절한 자속과 회전력을 발생시킬 수 있다.

본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 당업자의 수준에서 그 변형 및 개량이 가능하다.

Claims (11)

1. (a1) 유도 전동기의 등가 회로에 따라, 고정자 전류 및 상기 목표 주파수에 대한 고정자 전압의 관계식을 설정하는 단계;

   (a2) 상기 설정된 관계식에 따라 제1 전압 신호를 발생시키는 단계;

   (a3) 상기 제1 전압 신호가 소정의 하한 주파수 미만에서 작용되는 제1-1 전압 신호를 발생시키는 단계;

   (a4) 상기 목표 주파수에 비례한 크기의 제2 전압 신호를 발생시키는 단계;

   (a5) 상기 제2 전압 신호가 상기 하한 주파수 이상에서 작용되는 제2-1 전압 신호를 발생시키는 단계;

   (a6) 상기 제1-1 전압 신호와 제2-1 전압 신호를 더해서 고정자 전압 신호로서 발생시키는 단계;

   (b) 인가되는 교류 전압을 정류하여 상기 고정자 전압 신호의 크기에 비례한 직류 전압을 출력하는 단계; 및

   (c) 상기 직류 전압을 목표 주파수의 교류 전압으로 변환시켜서 유도 전동기에 인가하는 단계;를 포함한 유도 전동기의 제어 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 단계 (a2)부터 단계 (c)까지는,

   제어가 종료될 때까지 반복 수행되는 것을 그 특징으로 하는 유도 전동기의 제어 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 단계 (a1)은,

   (a11) 각 상의 고정자 전류의 순시값을 처리하여 그 평형 순시값을 구하는 평형 순시값 연산 단계;

   (a12) 상기 각 상의 고정자 전류의 순시값 및 목표 주파수를 처리하여 그 유효 순시값을 구하는 유효 순시값 연산 단계; 및

   (a13) 상기 평형 순시값 및 유효 순시값을 처리하여 상기 제1 전압 신호를 구하는 전압 신호 연산 단계;에 의하여 수행되는 것을 그 특징으로 하는 유도 전동기의 제어 방법.
4. 제3항에 있어서, 상기 단계 (a11)은,

   3상 전동기에서, a상의 고정자 전류의 순시값을 i_as, 상기 a상과 의 위상차를 갖는 c상의 고정자 전류의 순시값을 i_cs, 그리고 상기 평형 순시값을 Is 라 하면, 의 식에 따라 수행되는 것을 그 특징으로 하는 유도 전동기의 제어 방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 단계 (a12)는,

   상기 목표 주파수에 의한 각속도 2πf 가 ω , 동작 시간이 t, 그리고 상기 유효 순시값이 Isv라 하면,

   의 식에 따라 수행되는 것을 그 특징으로 하는 유도 전동기의 제어 방법.
6. 제5항에 있어서, 상기 단계 (a13)은,

   상기 제1 전압 신호가 Vs₁, 고정자 저항이 Rs, 전압 상수가 Vs₀, 상기 목표 주파수가 fe, 그리고 정격 주파수가 fr이라 하면,

   의 식에 따라 수행되는 것을 그 특징으로 하는 유도 전동기의 제어 방법.
7. 제6항에 있어서, 상기 전압 상수 Vs₀는,

   정격 고정자 전압이 Vsr, 정격 고정자 전류가 Isr, 그리고 정격 위상차가 Φr이라 하면, 의 식에 의하여 구해지는 것을 그 특징으로 하는 유도 전동기의 제어 방법.
8. 제7항에 있어서, 상기 단계 (S4)는,

   상기 제2-1 전압 신호가 Vs₂라 하면, Vs₂=Vs_o·fe/fr 의 식에 의하여 수행되는 것을 그 특징으로 하는 유도 전동기의 제어 방법.
9. 유도 전동기의 고정자 전류 및 상기 목표 주파수에 대한 고정자 전압의 관계식에 따라 제1 전압 신호를 발생시키는 제1 처리기;

   상기 제1 전압 신호가 소정의 하한 주파수 미만에서 출력되게 하는 저역 통과 필터;

   상기 목표 주파수에 비례한 크기의 제2 전압 신호를 발생시키는 제2 처리기;

   상기 제2 전압 신호가 상기 하한 주파수 이상에서 출력되게 하는 고역 통과 필터;

   상기 저역 통과 필터의 출력 신호와 상기 고역 통과 필터의 출력 신호를 더해서 고정자 전압 신호로서 발생시키는 가산기;

   인가되는 교류 전압을 정류하여 상기 가산기로부터의 고정자 전압 신호에 비례한 직류 전압을 출력하는 정류기; 및

   상기 정류기로부터의 직류 전압을 상기 목표 주파수의 교류 전압으로 변환시켜서 유도 전동기에 인가하는 인버터;를 포함한 것을 그 특징으로 하는 유도 전동기의 제어 장치.
10. 제9항에 있어서, 상기 제1 처리기는,

    각 상의 고정자 전류의 순시값을 처리하여 그 평형 순시값을 구하는 평형 순시값 연산부;

    상기 각 상의 고정자 전류의 순시값 및 목표 주파수를 처리하여 그 유효 순시값을 구하는 유효 순시값 연산부; 및

    상기 평형 순시값 및 유효 순시값을 처리하여 상기 제1 전압 신호를 구하는 전압 신호 연산부;를 포함한 것을 그 특징으로 하는 유도 전동기의 제어 장치.
11. 제10항에 있어서, 상기 평형 순시값 연산부 및 유효 순시값 연산부에 입력되는 상기 각 상의 고정자 전류는,

    3상 전동기인 경우, 서로 의 위상차를 갖는 두 상의 고정자 전류인 것을 그 특징으로 하는 유도 전동기의 제어 장치.