KR20020085636A - 유도 전동기의 회전자 시정수 측정장치 및 방법 - Google Patents

유도 전동기의 회전자 시정수 측정장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유도 전동기의 회전자 시정수 측정장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 유도 전동기의 정지 상태에서 인버터를 통해 저주파의 구형파 전류를 인가하여 출력 2차 쇄교 자속을 추정하여 유도 전동기의 회전자 시정수 및 상호 인덕턴스를 측정 할 수 있도록 한 유도 전동기의 회전자 시정수 측정장치 및 방법에 관한 것이다. 이를 위하여 본 발명은 유도 전동기의 회전시 검출된 3상 전류를 큐축 및 디축의 고정자 전류로 변환시켜 출력하는 3/2상 변환부와; 자속 제어부와 속도 제어부 및 회전자 시정수를 입력받아 슬립 주파수를 출력하는 슬립 주파수 연산부로 이루어진 유도 전동기의 벡터 제어 장치에 있어서, 상기 3/2상 변환부의 큐축의 고정자 전류를 입력받아 큐축 2차측 쇄교 자속을 검출하는 자속 검출부와; 상기 큐축의 고정자 전류 및 큐축 2차측 쇄교 자속을 입력받아 큐축 2차 쇄교 자속을 추정하는 출력 추정부와; 상기 출력 추정부의 출력과 큐축 2차측 쇄교 자속을 감산하여 오차를 출력하는 비교부와; 상기 오차가 생기지 않도록 추정 변수를 변화시키며 상기 출력 추정부 및 슬립 주파수 연산부로 출력하는 변수 조정부를 포함하여 구성한 것을 특징으로 한다. 따라서 본 발명은 많은 계측 작업이 필요없이 일괄적으로 정지 상태에서만 회전자 시정수 및 상호 인덕턴스를 계측하여 계측 시간을 단축할 수 있고, 회전자 저항 및 누설 인덕턴스의 계측을 위하여 상호 인덕턴스의 영향을 무시하지 않으므로 이로 인해 측정치의 정밀도를 높일 수 있는 효과가 있다.

Description

유도 전동기의 회전자 시정수 측정장치 및 방법{ROTOR TIME CONSTANT OF INDUCTION MOTOR MEASUREMENT APPARATUS AND METHOD}
본 발명은 유도 전동기의 회전자 시정수 측정장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 유도 전동기의 정지 상태에서 인버터를 통해 저주파의 구형파 전류를 인가하여 출력 2차 쇄교 자속을 추정하여 유도 전동기의 회전자 시정수 및 상호 인덕턴스를 측정 할 수 있도록 한 유도 전동기의 회전자 시정수 측정장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 유도 전동기의 회전자 시정수는으로 나타낼 수 있다. 즉, 2차측 자기 인덕턴스(Lr)과 회전자 저항(Rr)을 이용하여 빠른 토오크 제어 응답성과 더불어 우수한 속도 제어 특성을 얻고자한다.
즉, 아래의 수학식은 상기 회전자 시정수()를 이용하여 제어하고자 하는 상기 유도 전동기의 실제 시정수값을 사용하여 정확한 슬립 주파수()를 얻을 수 있다.
상기 수학식(1)에 의해 상기 유도 전동기 내부에 제어부 지령대로 기준 자속분 전류() 및 토오크분 전류()가 형성되어 부하 토오크가 급격히 변화하더라도그에 상응하는 토오크 지령을 전동기에 인가함으로써, 빠른 토오크 제어 응답성과 더불어 우수한 속도 제어 특성을 얻기 위한 것으로, 이와 같은 종래 기술을 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도1은 종래의 유도 전동기의 회전자 시정수 및 상호 인덕턴스값 추정장치의 구성을 보인 예시도로서, 이에 도시된 바와 같이 3상 상용전원(11)을 가변시켜 강압하는 3상 가변 전압 변압부(12)와; 상기 3상 가변 전압 변압부(12)에서 상당 출력된 전류를 측정하는 전류계(13)와; 상기 3상 가변 전압 변압부(12)의 3상 선간 전압을 측정하는 전압계(14)와; 상기 전류계(13)와 전압계(14)의 측정치를 입력받아 상기 유도 전동기(16)의 유효 전력 및 무효전력을 측정하는 전력계(15)와; 상기 3상 가변 전압 변압부의 출력 전원으로 동작하는 유도 전동기의 축(17)이 움직이지 못하도록 구속하는 구속부(18)로 구성되고, 이와 같이 구성된 종래 장치의 동작을 설명한다.
도2는 유도 전동기의 상당 등가회로를 보인 예시도로서, 이에 도시된 바와같이 유도 전동기의 1차측 고정자측인 저항(Rs)과 누설 인덕턴스(Lls)을 2차측 회전자 저항(Rr/S) 및 누설 인덕턴스(Llr)를 등가회로화 한것으로 보통 2차측을 1차측으로 환산하거나 1차측을 2차측으로 환산한 경우를 나타낸것으로, 여기서 상기 2차측 회전자 저항(Rr/S)의 에스(S)는 슬립을 의미한다. 상기 슬립은 0∼1사이의 값을 갖게 되고, 상기 3상 상용 전원(11)은 60Hz이므로 다음과 같은 수학식에 의해 상호 인덕턴스(Lm)의 영향을 무시한다.
여기서,는 유도 전동기의 인가 전압 주파수이고은 상호 인덕턴스값,은 회전자 누설 인덕턴스값이며은 회전자 저항값을 나타낸다.
상기 회전자 저항값(Rr)은 저항값을 측정할 수 있도록 상기 3상 상용 전원(11)을 투입하지 않고 그 유도 전동기(16)가 정지된 상태에서 임의의 2개의 단자간의 저항값을 측정한후 그 저항값을 2로 나누면 고정자 저항값(Rs)이 된다.
또한, 3상 상용 전원(11)을 3상 가변 전압 변압부(12)에 연결하고 상기 유도 전동기의 축(17)을 구속부(18)로 구속한 상태에서 가변 전압 변압부(12)의 출력 전압을 0부터 서서히 증가시켜 상기 전류계(13)의 지시가 그 유도 전동기(16)의 정격 전류가 될때까지 전압을 증가 시켜 준다. 이때 상기 전력계(15)에서 현재 상기 유도 전동기(16)에 입력되고 있는 유효 전력 및 무효 전력을 계측한다.
즉, 전류계(13)로 상기 유도 전동기(16)의 U상에 흐르는 상전류(iu)를 측정하고 전압계(14)로 선간 전압(Vuv)를 측정하며 전력계(15)로 3상 입력 유효 전력(Pu)을 측정하여 아래의 수학식(3)에 의해 회전자 저항값(Rr)을 얻는다.
또한, 누설 인덕턴스의 측정을 위해 아래의 수학식을 이용해 1상의 무효 전력을 얻는다.
여기서,는 선간 전압이고는 전류계의 측정값(상전류)이며는 무효 전력으로서, 아래의 수학식(5)를 이용하여 고정자, 회전자 누설 인덕턴스값(Lls)(Llr)을 얻을 수 있다.
는 유도 전동기의 인가 전압 주파수로서, 상기 수학식(3),(5)를 통해 얻은 상기 회전자 저항값(Rr)과 회전자 누설 인덕턴스값()을 갖고 회전자 시정수()를 아래의 수학식(6)에 의해 구할 수 있다.
한편, 상기 유도 전동기(16)는 현재 무부하 상태이므로 회전자 저항(Rr/S)에 흐르는 전류는 무시해도 된다.
따라서, 상전류(iu)는 상기 상호 인덕턴스(Lm)를 통하여 흐르게 되어 아래의 수학식(7)으로부터 상호 인덕턴스의 전압()을 구한뒤 상기 상호 인덕턴스값(Lm)을 산정할 수 있다.
따라서, 상기 상호 인덕턴스값(Lm)은 다음과 같은 수학식(8)에 의해 얻는다.
그러나, 상기와 같이 동작하는 종래 장치는 회전자 저항값 및 상호 인덕턴스값을 구하는데에는 전압계 및 전류계, 전력계등을 통해 많은 연산을 해야함으로 측정 장소에서 바로 구하기가 힘들고, 계측을 위해서는 유도 전동기를 구속해야 하므로 별도의 구속부를 필요로 하고, 또한 상호 인덕턴스값을 측정하기 위해서 무부하 운전을 하는 경우 전동기가 부하측에 연결되어 있을때 그 유도 전동기와 부하측을 분리하여야 하는 번거로움이 있다.
또한, 상기 전압계와 전류계 및 전력계의 오차 등급이 상호 인덕턴스의 정밀도에 영향을 미치고, 회전자 저항의 계측시 상용 전원 주파수가 인가되므로 실제 인버터 운전시의 회전자 주파수보다 훨씬 고주파이므로 표피 효과에 의해 회전자 저항치가 크게 연산되어 저주파에서의 보상 환산이 필요한 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안한 것으로, 많은 계측 작업이 필요 없이 일괄적으로 회전자 시정수 및 상호 인덕턴스를 계측할 수 있으므로 계측 시간을 단축할 수 있고, 상기 유도 전동기의 정지 상태에서만 계측하므로 구속 및 무부하 시험이 필요없다.
또한, 상호 인덕턴스의 영향을 무시하지 않고 측정치의 정밀도를 높일 수 있는 유도 전동기의 회전자 시정수 측정장치 및 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
도 1은 종래의 유도 전동기의 회전자 시정수 및 상호 인덕턴스값 추정장치의 구성을 보인 예시도.
도 2는 유도 전동기의 상당 등가회로를 보인 예시도.
도 3은 본 발명에 따른 유도 전동기의 회전자 시정수 측정장치를 보인 블록도.
** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 **
27: 3/2상 변환부32: 슬립 주파수 연산부
36: 자속 생성부37: 제5 비교부
38: 출력 추정부39: 변수 조정부
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 유도 전동기의 회전시 검출된 3상 전류를 큐축 및 디축의 고정자 전류로 변환시켜 출력하는 3/2상 변환부와; 자속 제어부와 속도 제어부 및 회전자 시정수를 입력받아 슬립 주파수를 출력하는 슬립 주파수 연산부로 이루어진 유도 전동기의 벡터 제어 장치에 있어서, 상기 3/2상 변환부의 큐축의 고정자 전류를 입력받아 큐축 2차측 쇄교 자속을 검출하는 자속 검출부와; 상기 큐축의 고정자 전류 및 큐축 2차측 쇄교 자속을 입력받아 큐축 2차 쇄교 자속을 추정하는 출력 추정부와; 상기 출력 추정부의 출력과 큐축 2차측 쇄교 자속을 감산하여 오차를 출력하는 비교부와; 상기 오차가 생기지 않도록 추정 변수를 변화시키며 상기 출력 추정부 및 슬립 주파수 연산부로 출력하는 변수 조정부를 포함하여 구성한 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 유도 전동기의 벡터 제어 방법에 있어서, 큐축 전류를 인가받는 유도 전동기의 큐축 2차측 쇄교 자속을 검출하는 제1 단계와; 상기 큐축 전류와 큐축 2차측 쇄교 자속에 의해 추정된 2차 쇄교 자속과 그 2차측 쇄교 자속을 감산하는 제2 단계와; 상기 감산 결과 오차가 '0'인지를 판단하여 '0'이 아닐시 '0'이 될때 까지 추정 변수를 조정하고, 오차가 '0'이면 그때의 그 추정 변수로부터 회전자 시정수 및 상호 인덕턴스를 계산하는 제3 단계로이루어진 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명에 따른 일실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도3은 본 발명에 따른 유도 전동기의 회전자 시정수 측정장치를 보인 블록도로서, 이에 도시된 바와 같이 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 유도 전동기(IM)의 회전시 검출된 3상 전류()를 큐축 및 디축의 고정자 전류()()로 변환시켜 출력하는 3/2상 변환부(27)와; 자속 제어부(31)와 속도 제어부(22) 및 회전자 시정수를 입력받아 슬립 주파수()를 출력하는 슬립 주파수 연산부(32)로 이루어진 유도 전동기의 벡터 제어 장치에 있어서, 상기 3/2상 변환부(27)의 큐축의 고정자 전류()를 입력받아 큐축 2차측 쇄교 자속()을 검출하는 자속 검출부(36)와; 상기 큐축의 고정자 전류() 및 큐축 2차측 쇄교 자속()을 입력받아 큐축 2차 쇄교 자속을 추정하는 출력 추정부(40)와; 상기 출력 추정부(38)의 출력과 큐축 2차측 쇄교 자속()를 감산하여 오차를 출력하는 비교부(37)와; 상기 오차가 생기지 않도록 추정 변수()를 변화시키며 상기 출력 추정부(38) 및 슬립 주파수 연산부(32)로 출력하는 변수 조정부(39)를 포함하여 구성한 것으로, 이와 같이 구성된 본 발명의 작용 및 효과를 상세히 설명한다.
먼저, 유도 전동기(IM)가 회전하게 되면 속도 검출부(28)에서 회전 속도()를 검출하고, 그 검출한 속도를 제1 비교부(21)로 출력한다.
한편, 외부로 부터 입력되는 기준 속도()가 상기 제1 비교부(21)의 비반전단자로 입력되고, 속도 검출부(28)의 출력인 회전 속도(Wr)가 상기 제1 비교부(21)의 반전단자로 입력되어 두값의 오차를 구하여 속도 제어부(22)로 입력된다.
또한, 외부로 부터 입력되는 기준 회전자 자속()이 제3 비교부(30)에서 비교한 오차를 보상하기 위해 자속 제어부(31)는 회전자 자속 오차에 따른 기준 자속분 전류()를 제4 비교부(33)의 비반전 단자로 입력한다.
상기 유도 전동기(IM)의 회전시 검출한 3상 전류(ias, ibs, ics)를 3/2상 변환부(27)는 디축 및 큐축의 고정자 2상 전류()로 변환하여 출력한다.
이에 따라, 상기 3/2상 변환부(27)에서 출력되는 상기 디축의 고정자 전류()는 상기 제4 비교부(33)의 반전 단자로 입력되고, 그 제4 비교부(33)는 상기 자속 제어부(31)에서 출력되는 상기 기준 자속분 전류()와 3/2상 변환부(27)에서 출력되는 실제 디축의 고정자 전류()와의 오차를 구하여 전류 제어부(24)로 출력한다.
또한, 상기 전류 제어부(24)는 제2 비교부(23)의 비반전 단자로 상기 속도 제어부(22)에서 출력되는 기준 토오크분 전류()를 입력받고, 반전 단자로 상기 3/2상 변환부(27)에서 출력되는 실제 큐축의 고정자 전류()를 입력받아 그 기준 토오크분 전류() 및 실제 큐축의 고정자 전류()의 오차를 입력 받는다.
그러면, 제2 비교부(23)에서 출력되는 큐축 고정자 전류()와 제4 비교부(33)에서 출력되는 디축 고정자 전류()를 입력받은 상기 전류 제어부(24)는 제어를 통하여 기준 자속분 전압()과 기준 토오크분 전압()을 2/3상 변환부(25)로 출력한다.
이에 따라, 상기 2/3상 변환부(25)는 상기 기준 자속분 전압()과 토오크분 전압()을 입력 받아 3상 전압(Vas, Vbs, Vcs)으로 변환시켜 펄스폭 변조 인버터부(26)에 인가하고, 그 펄스폭 변조 인버터부(26)는 펄스폭을 변조시켜 3상 전압(Vas, Vbs, Vcs)을 유도 전동기(IM)에 인가한다.
따라서, 유도 전동기(IM)는 회전하고, 상기 2/3상 변환부(25)와 3/2상 변환부(27)를 통해 실제 회전 좌표계의 디축과 큐축으로 변환한 실제 디축 고정자 전류()와 큐축 고정자 전류()를 생성하고, 생성된 전류중 상기 디축 고정자 전류()는 자속 추정부(29)와 상기 제4 비교부(33)로 각각 출력하고, 상기 큐축 고정자 전류()는 상기 제2 비교부(23)의 비반전 단자와 자속 생성부(36) 및 출력 추정부(38)에 입력된다.
따라서, 상기 자속 생성부(36)는 아래의 수학식(9)에 의해 큐축 2차측 쇄교 자속()을 출력한다.
여기서,는 누설 인덕턴스값()이고,은 큐축 2차측 쇄교 자속이며,는 큐축 고정자 전압을 나타낸다.
따라서, 상기 큐축 2차측 쇄교 자속() 및 상기 큐축 고정자 전류()를 입력받는 상기 출력 추정부(38)에 의해 아래의 수학식(10)를 이용하여 큐축 2차측 쇄교 자속()을 추정할 수 있다.
여기서,은 추정된 회전자 시정수이고,은 추정된 큐축 2차측 쇄교 자속이며은 추정된 상호 인덕턴스를 나타낸다.
상기 수학식(10)을 다시 표현하면 하기의 수학식(11)과 같이 표현된다.
여기서, P1,P2는 추정 변수()를 나타낸다.
상기 수학식(10)에 의해 상기 출력된 큐축 2차측 쇄교 자속()은 제5 비교부(37)의 비반전 입력 단자로 입력되고, 상기 출력 추정부(38)의 출력치는 그 제5 비교부(37)의 반전 입력 단자로 입력되어 오차()를 계산하게 된다.
여기서, 상기 오차()가 '0'이 되도록 상기 변수 조정부(41)에서는 출력인 추정 변수(P1,P2)의 값을 변화시키면서 추정한다. 일정 시간후 상기 오차()가 '0'이 되면 상기 추정 변수(P1,P2)로 부터 아래의 수학식(12)를 이용하여 추정된 회전자 시정수()와 상호 인덕턴스값()을 구하여 슬립 주파수 연산부(32)로 출력한다.
이에 따라, 상기 슬립 주파수 연산부(32)는 상기 속도 제어부(22)에서 출력되는 상기 기준 토오크분 전류()와 자속 제어부(33)에서 출력되는 상기 기준 자속분 전류()와 상기 변수 조정부(39)의 출력인 추정된 회전자 시정수() 및 누설 인덕턴스()를 이용하여 슬립 주파수()를 계산하여 가산부(34)로 출력한다.
상기 가산부(34)는 상기 속도 검출부(28)에서 출력되는 속도()와 슬립 연산부(32)에서 출력되는 슬립 주파수()를 더하여 적분기(35)로 출력하고, 그 적분기(35)는 그 가산부(34)에서 출력되는 값에 대하여 적분한 값인 회전자 자속각()을 상기 2/3상 변환부(25) 및 3/2상 변환부(27)로 출력한다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 많은 계측 작업이 필요없이 일괄적으로 정지 상태에서만 회전자 시정수 및 상호 인덕턴스를 계측하여 계측 시간을 단축할 수 있다.
또한, 실제 운전시의 회전자 주파수 부근에서 측정하므로 저주파에서 보정 환산 과정이 필요 없으며, 회전자 저항 및 누설 인덕턴스의 계측을 위하여 상호 인덕턴스의 영향을 무시하지 않으므로 이로 인해 측정치의 정밀도를 높일 수 있는 효과가 있다.

Claims (5)

  1. 유도 전동기의 회전시 검출된 3상 전류를 큐축 및 디축의 고정자 전류로 변환시켜 출력하는 3/2상 변환부와; 자속 제어부와 속도 제어부 및 회전자 시정수를 입력받아 슬립 주파수를 출력하는 슬립 주파수 연산부로 이루어진 유도 전동기의 벡터 제어 장치에 있어서, 상기 3/2상 변환부의 큐축의 고정자 전류를 입력받아 큐축 2차측 쇄교 자속을 검출하는 자속 검출부와; 상기 큐축의 고정자 전류 및 큐축 2차측 쇄교 자속을 입력받아 큐축 2차 쇄교 자속을 추정하는 출력 추정부와; 상기 출력 추정부의 출력과 큐축 2차측 쇄교 자속을 감산하여 오차를 출력하는 비교부와; 상기 오차가 생기지 않도록 추정 변수를 변화시키며 상기 출력 추정부 및 슬립 주파수 연산부로 출력하는 변수 조정부를 포함하여 구성한 것을 특징으로 하는 유도 전동기의 회전자 시정수 측정장치.
  2. 유도 전동기의 벡터 제어 방법에 있어서, 큐축 전류를 인가받는 유도 전동기의 큐축 2차측 쇄교 자속을 검출하는 제1 단계와; 상기 큐축 전류와 큐축 2차측 쇄교 자속에 의해 추정된 2차 쇄교 자속과 그 2차측 쇄교 자속을 감산하는 제2 단계와; 상기 감산 결과 오차가 '0'인지를 판단하여 '0'이 아닐시 '0'이 될때 까지 추정 변수를 조정하고, 오차가 '0'이면 그때의 그 추정 변수로부터 회전자 시정수 및 상호 인덕턴스를 계산하는 제3 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 유도 전동기의 회전자 시정수 측정방법.
  3. 제2 항에 있어서, 상기 제1 단계는 아래의 수학식을 사용하여 큐축 2차측 쇄교 자속을 검출하게 이루어진 것을 특징으로 하는 유도 전동기의 회전자 시정수 측정방법.
    (수학식)
    여기서,는 누설 인덕턴스값()이고,은 큐축 2차측 쇄교 자속이며는 큐축 고정자 전압을 나타낸다.
  4. 제2 항에 있어서, 상기 제2 단계는 아래의 수학식을 사용하여 추정된 큐축 2차측 쇄교 자속을 얻게 이루어진 것을 특징으로 하는 유도 전동기의 회전자 시정수 측정방법.
    (수학식)
    여기서,은 추정된 회전자 시정수이고,은 추정된 큐축 2차측 쇄교 자속이며,은 추정된 상호 인덕턴스를 나타낸다.
  5. 제 2항에 있어서, 상기 제3 단계는 아래의 수학식을 사용하여 추정변수를 이용하여 회전자 시정수 및 상호 인덕턴스를 계산할 수 있도록 이루어진 것을 특징으로 하는 유도 전동기의 회전자 시정수 측정방법.
    (수학식)
    여기서,은 추정된 회전자 시정수이고은 추정된 상호 인덕턴스값이며는 추정 변수로서이다.
KR1020010025237A 2001-05-09 2001-05-09 유도 전동기의 회전자 시정수 측정장치 및 방법 KR20020085636A (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR100451370B1 (ko) * 2002-03-26 2004-10-06 엘지산전 주식회사 유도전동기 회전자 시정수 추정 장치
CN102570958A (zh) * 2010-12-30 2012-07-11 Ls产电株式会社 用于控制电动车辆的感应电动机的转矩的系统和方法

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CN102570958A (zh) * 2010-12-30 2012-07-11 Ls产电株式会社 用于控制电动车辆的感应电动机的转矩的系统和方法

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