KR20000003696A - 입력 교류전원의 전류위상 보정장치 - Google Patents

입력 교류전원의 전류위상 보정장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 모터 구동시스템(MDS;Motor Driver System)에 있어서, 특히 삼상교류전원의 선간전압으로 부터 위상을 판별하여 전압위상과 전류위상을 동위상의 단위역류로 제어하기 위한 입력 교류전원의 전류위상 보정장치에 관한 것이다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 삼상교류전원의 선간전압(Vab)(Vbc)을 실시간으로 감지하는 포터커플러(PC1)(PC2)와, 상기 포터커플러(PC1)(PC2)의 감지신호를 반전시키는 반전기(10)(30)와, 상기 반전기(10)(30)에 의해 반전된 신호의 상승 및 하강에지 구간에 인터럽트신호(INT1)(INT2)를 발생시키는 인터럽트 발생기(20)(40)와, 상기 인터럽트 발생기(20)(40)로 부터 발생된 인터럽트신호(INT1)(INT2)를 이용하여 현재의 위상값을 판별 및 보상하여 입력전류의 위상을 제어하기 위한 CPU(50)로 구성시키므로서, 삼상교류전원의 선간전압으로 부터 전압위상을 판별하고, 이 판별된 값에 선전압 및 H/W, S/W 지연시간(offset)를 보상한 후 전류위상과 전압위상을 동일하게 제어하여 입력전원의 단위역률을 실현하고, 또한 압연라인으로 연결되는 공급용 모터의 전력원, 특히 인버터 제어장치를 가진 3상 유도전동기의 DC링크단 전압을 모터의 동작상황에 변동없이 일정하게 제어함과 동시에 전 4상한 운전에서 에너지의 회생이 가능토록 제어하여 제품의 불량 및 오동작을 방지하도록 모터 구동시스템(MDS)에 적용함에 있다.

Description

입력 교류전원의 전류위상 보정장치
본 발명은 모터 구동시스템(MDS;Motor Driver System)에 있어서, 특히 삼상교류전원의 선간전압으로 부터 위상을 판별 및 보상하여 선전압 위상과 선전류위상을 동위상의 단위역류로 제어하기 위한 입력 교류전원의 전류위상 보정장치에 관한 것이다.
도 1은 일반적인 모터 구동시스템의 배경기술을 보인 블록 구성도로서,
삼상교류전원(Va,Vb,Vc)을 직류전원으로 변환시키는 컨버터(1)와, 상기 컨버터(1)에 의해 변환된 직류전원을 선택적으로 스위칭하여 모터(M1)의 구동전류를 제어하는 인버터(2)로 구성된다.
이의 동작은, 삼상 교류전원(Va,Vb,Vc)이 컨버터(1)에서 직류전원으로 변환되어 인버터(2)에 입력되면, 상기 인버터(2)는 변환되어 입력되는 직류전원을 선택적으로 온,오프 스위칭하여 모터(M1)의 구동전류 및 전압을 제어하게 되는 것이다.
이와 같은 모터(M1)를 압연라인등에서 압연 공급을 위한 공급용 모터와 압연권취를 위한 권취용 모터로 적용하여 사용할 경우, 상기 모터의 구동전류 및 전압을 모터의 전 4상한 운전에 대해 정확하게 제어하기 위해서는 입력전압과 전류의 위상을 고려하여 "역률"이 "1"이 되도록 제어하게 되는 것으로서,
종래에는 도 2와 같이 모터구동시스템의 전류위상 보정장치의 제 1 실시예로서, 그 구성을 보면 다음과 같다.
삼상교류전원(Va,Vb,Vc)을 소정의 전원전압으로 다운(down)시키는 트랜스(3)와, 상기 트랜스(3)에 의해 다운되는 교류전원의 아나로그 값을 디지탈 값으로 변환하는 A/D변환기(4)와, 상기 A/D변환기(4)에서 변환되는 직류전원을 샘플링처리하여 그 위상을 계산하는 위상계산부(5)로 구성된다.
이의 동작을 보면, 삼상교류전원(Va,Vb,Vc)을 트랜스(3)에서 다운(Down)시키고, 이 다운된 교류전원은 A/D변환기(4)에서 디지탈 값으로 변환되어 위상계산부(5)에 입력되며, 위상계산부(5)는 디지탈 값에 대해 샘플링(Sampling) 처리한 다음 전압위상을 검출하여 입력전원의 전류를 제어하게 된다.
그러나, 이와같이 삼상교류전원(Va,Vb,Vc)을 다운시키기 위해 트랜스(3) 및 A/D변환기(4)를 이용하므로 회로적으로 부피가 커지게 되고, 또한 위상계산부(5)에서 매번 A/D변환기(4)의 결과값을 샘플링 처리하여야 하므로 계산과정이 복잡하고 실제 입력되는 전압의 위상이 트랜스(3) 및 A/D변환기(4)에 의해 위상 지연이 되는 문제점이 있다.
또한, 도 3은 모터구동시스템의 전류위상 보정장치의 제 2실시예를 보인 도면으로서, 이의 구성은 다음과 같다.
각각 입력되는 삼상교류전원(Va/Vb/Vc)을 영("0")의 기준전압과 비교하여 정의 신호만 출력하는 오피증폭기(OP1)로 구성된다.
이의 동작은, 삼상교류전원(Va,Vb,Vc)이 각각 오피증폭기(OP1)에 입력되면, 상기 오피증폭기(OP1)는 삼상교류전원(Va,Vb,Vc)을 영("0")의 기준전압과 비교하여 매 주기마다 정(+)의 구형파 신호를 출력시켜, 주기와 위상 및 주파수를 검출하도록 하게 된다.
그러나, 이는 삼상 교류전원(Va/Vb/Vc) 각각을 오피증폭기(OP1)를 이용하여 영("0")의 기준전압과 비교하므로 회로적으로 복잡하며 영전압과 비교시 오피증폭기(OP1)의 오프셋(offset) 오차가 문제시 되며, 또한 오피증폭기(OP1)에서 출력되는 구형파 신호로 부터 전류의 위상, 주파수의 검출하는 과정이 실시간적으로 계산되지 못하여 전류위상을 보다 정확하게 검출하지 못하는 문제가 있다.
상기한 문제를 해결하도록 본 발명 입력교류전원의 전류위상 보정장치는, 삼상교류전원의 선간전압을 감지하는 포터커플러에서 일정레벨 이상 또는 이하일 경우 동작하여 일정 구형파 신호를 출력하도록 하고, 이 출력되는 구형파의 신호를 반전시키는 반전기를 구비하며, 상기 반전기에 의해 반전된 구형파의 상승 및 하강에지 구간에 인터럽트 발생기에 의해 인터럽트 신호를 발생시키고, 상기 인터럽트 신호를 입력받은 CPU가 어느 한상에 대한 인터럽트 시간차로 부터 현재의 위상값을 판별하고 그 판별된 위상에 오프셋(offset) 값을 보상하여 입력전원의 전류위상을 보정하도록 하므로서, 모터구동시스템에 사용되는 전원의 전압 및 전류위상을 맞추어 역률이 단위역률에 근접하도록 모터를 제어하도록 함에 있다.
도 1은 일반적으로 모터구동시스템의 배경기술을 보인 블록 구성도.
도 2는 종래 모터구동시스템의 전류위상 보정을 위한 제 1 실시예를 보인 블록 구성도.
도 3은 종래 모터구동시스템의 전류위상 보정을 위한 제 2실시예를 보인 블록 구성도.
도 4는 본 발명 입력 교류전원의 전류위상 보정장치의 구성도.
도 5의 (가)-(사)는 본 발명에 의한 각 부 출력 파형의 예를 도시한 파형도.
상기한 목적달성을 위한 본 발명 입력 교류전원의 전류위상 보정장치의 구성은 도 4에 도시된 바와같이,
입력되는 삼상교류전원(Va,Vb,Vc)의 선간전압(Vab)(Vbc)을 실시간으로 감지하는 포터커플러(PC1)(PC2)와,
상기 포터커플러(PC1)(PC2)에 의해 감지된 신호를 반전시키는 반전기(10)(30)와,
상기 반전기(10)(30)에 의해 반전된 신호의 상승 및 하강 에지(Edge)에 인터럽트 신호(INT1)(INT2)를 발생시키는 인터럽트 발생기(20)(40)와,
상기 인터럽트 발생기(20)(40)로 부터 발생되는 인터럽트 신호(INT1)(INT2)의 이용하여 선간전압(Vab)(Vbc)의 전압위상을 판별 및 보상하여 부하 입력전원의 위상을 제어하기 위한 CPU(50)로 구성된다.
미 설명 부호 R1-R4는 저항, C1,C2는 콘덴서이다.
상기와 같이 구성되는 본 발명 입력 교류전원의 전류위상 보정장치의 동작에 대하여 도 4 및 도 5를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
먼저, 입력되는 삼상 교류전원(Va,Vb,Vc)의 상전압(Va/Vb/Vc)이 각 선로를 통해 도 5의 (가)와 같은 선간전압(Vab)(Vbc)으로 포터커플러(PC1)(PC2) 양단에 입력된다.
여기서, 저항(R1)(R2)은 선로에 직렬로 연결되어 입력 선간전압(Vab)(Vbc)의 레벨을 제한하여 포터커플러(PC1)(PC2)의 구동전류를 조절하게 되고, 또 상기 포터커플러(PC1)(PC2)의 입력단에 병렬로 접속된 다이오드(D1)(D2)가 과전압으로 부터 보호하게 된다.
그리고, 상기 포터커플러(PC1)(PC2)는 입력되는 선간전압(Vab)(Vbc)을 실시간으로 감지하여 선간전압(Vab)(Vbc)이 일정레벨 이상일 경우 (또는 일정레벨 이하일 경우) 동작하여 선간전압(Vab)(Vbc)의 매 주기마다 부(-) (또는 정(+)) 의 구형파 신호를 출력하게 된다.
즉, 포터커플러(PC1)(PC2)는 도 5의 (가)와 같이 입력되는 선간전압(Vab)(Vbc)이 일정레벨 이상일 경우 동작하여 도 5의 (나)(다)와 같은 부(-)의 구형파 신호를 출력하게 된다.
그리고, 상기 포터커플러(PC1)(PC2)로 부터 출력되는 부의 구형파 신호는 각 콘덴서(C1)(C2)를 통하여 고조파의 노이즈가 제거된 후 반전기(10)(30)에 입력된다.
상기 반전기(10)(30)는 입력되는 부의 구형파신호를 도 5의 (라)(마)와 같이 반전된 정(+)의 파형으로 인터럽트 발생기(20)(40)에 각각 출력하고, 상기 인터럽트 발생기(20)(40)는 입력되는 정의 구형파 신호의 상승에지와 하강에지에서 인터럽트 신호(INT1)(INT2)를 발생시키게 된다.
즉, 선간전압(Vab)(Vbc)의 위상판별을 위해 인터럽트 발생기(20)(40)는 도 5의 (라)(마)와 같이 매주기 마다 입력되는 정의 구형파의 신호의 상승에지와 하강에지 구간에서 인터럽트를 발생시켜 도 5의 (바)(사)와 같은 인터럽트 신호(INT1)를 CPU(50)에 출력하게 된다.
그리고, 상기 CPU(50)는 선간전압(Vab)(Vbc)에 대한 인터럽트 신호(INT1)(INT2)로 부터 인터럽트가 걸린시간를 이용하여 주기(T)를 판별하여 위상(θ) 및 주파수(f)를 검출하게 되고 또한 입력전압의 상순을 검출하게 된다.
즉, 인터럽트가 걸린시간으로 부터 어느 한상에 대한 피크치(Peak) 지점의 시간(t(k-1),t(k))을 구하고, 이 값을 이용하여 주기(T)를 검출하여 주파수(f) 및 위상(θ) 검출이 가능하게 된다.
예로하여, 도 5의 (바)와 같은 인터럽트 신호(INT1)로 부터 인터럽트가 걸린시간(t1)(t2)(t3)(t4)을 이용하여 선간전압(Vab)의 피크치 지점의 시간 ("t(n-1), t(n)")을 아래와 같이 구할 수 있다.
t(n-1)=t2-t1
t(n)=t4-t3
상기 수학식 1에서 선간전압(Vab)의 피크치 지점(t(n-1),t(n))이 구해지면, 그 시간차(Peak to Peak)로 부터 주기(T)를 수학식 2과 같이 구할 수 있다.
T=t(n)-t(n-1)
그리고, 수학식 1, 2에서 선간전압(Vab)의 피크치 지점의 시간(t(n-1),t(n))과 주기(T)가 구해지면, 상기 주기(T)와 주파수(f)의 관계를 이용하여 현재의 위상값( θ 1)을 수학식 3와 같이 구할 수 있다.
상기 수학식 3에서 구해지는 선간전압의 위상( θ 1)에서 - (30°) 만큼 빼주는 것은 상기 현재의 위상( θ 1)값이 선간전압(Vab)을 기준으로 하여 구한 값이므로 상전압(Va)의 위상으로 바꿔주기 위함이다.
그리고, 현재의 위상( θ 1)에 오프셋(offset) 값, 즉 입력전압의 변동 및 파형왜곡과 포터커플러(PC1)(PC2)의 온,오프등에 따른 회로소자의 지연시간을 더해주면 수학식 4와 같이 된다.
또한, 상기한 바와같이, 선간전압(Vab)에 대한 위상( θ 1)이 구해지면, 선간전압(Vbc)의 위상( θ 2)도 동일한 방식으로 검출하게 된다.
따라서, 각 선간전압(Vab)(Vbc)에 대한 위상( θ 1, θ 2)으로 부터 수학식 5에 의해 각 선간전압(Vab)(Vbc)의 인터럽트 발생시간(Tabc)을 조사하므로서, 입력전압의 상순을 알 수 있다.
Tabc=θ2-θ1
이때, 상기 CPU(50)는 각 선간전압의 인터럽트 발생시점의 중앙점, 즉 선간전압의 피크치로 부터 입력전압의 주파수 및 위상을 판단하므로, 삼상 교류전원(Va,Vb,Vc)의 선간전압(Vab)(Vbc)이 변동하거나 H/W적인 인터럽트 발생시점이 변동하더라도 그 주기(T)를 정확히 판별하여 전압위상( θ )을 검출하므로서, 일정시간에 전류위상과 전압위상을 동일하게 보상 제어하여 부하 입력전원을 단위역률("1")로 만들어 준다.
그러므로, 모터구동 시스템(MDS)이 적용되는 압연라인 등에서 공급용 또는 권취용으로 적용되는 모터의 교류 입력전원이 변동하더라도 그 위상( θ )을 판별하여 전압과 전류에 의한 역률이 "1"에 가까워 지도록 제어하므로서, 교류 입력전원에 따라 모터의 동작상황에 변동없이 일정한 제어가 가능하다.
이상에서 설명한 바와같이, 본 발명은 삼상 교류전원의 선간전압을 감지하고, 이 감지된 값에 따라 주기판별을 위한 인터럽트 신호를 발생시켜 선간전압의 주기 및 위상을 판별하고, 이 판별된 값에 입력전원의 변동분을 보상하므로서, 입력전원의 변동에 따라 전류위상을 전압위상과 동일하게 하여 전원역률을 단위역률에 가깝게 제어하는 한편, 모터의 전 4상한 운전에서 급 가감속이 용이하도록 하여 제품 및 기기의 불량을 방지하는 효과가 있다.

Claims (2)

  1. 입력 교류전원의 선간전압을 실시간으로 감지하는 포터커플러와, 상기 포터커플러에 의해 감지된 신호를 반전시키는 반전기와, 상기 반전기에 의해 반전된 신호의 상승 및 하강에지 구간에 인터럽트 신호를 발생시키는 인터럽트 발생기와, 상기 인터럽트 발생기로 부터 발생되는 인터럽트 신호의 시간차로 부터 현재의 위상값을 판별 및 보상하여 부하 입력전원의 전류위상을 보정하는 CPU로 구성시킨 것을 특징으로 하는 입력 교류전원의 전류위상 보정장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 CPU의 위상판별은 인터럽트가 걸린시간차로 부터 판별되는 선간전압의 위상을 상전압의 위상으로 바꿔 주기 위해 "- " 만큼을 감산하고, 그 위상으로 부터 전압변동, 파형왜곡과 소자 등의 동작지연에 따른 오프셋 값을 가산한 위상 " " 으로 판별하는 것을 특징으로 하는 입력 교류전원의 전류위상 보정장치.
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