KR20030074920A - 유도 전동기의 회전 속도 검출 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유도 전동기의 회전 속도 검출 방법에 관한 것으로, 특히 전압 증가를 전동기에 흐르는 실제 전류를 이용하여 연산하므로 외부에서 가속 시간을 별도로 설정할 필요가 없고, 어떤 상황에서도 최적으로 전압이 상승하여 목표 전압에 도달할 수 있게 하는 것을 목적으로 한다. 이를 위해 본 발명은 출력전류를 이용하여 출력전압을 제어하는 전압제어단계와; 여자성분전류를 이용하여 출력 주파수를 생성하는 출력 주파수 제어단계와; 상기 출력 주파수 제어단계와 전압제어단계의 출력을 이용하여 최종 출력 주파수를 선택하는 출력 주파수 선택단계로 이루어진 것을 특징으로 한다. 따라서, 본 발명은 부하가 큰 경우에는 출력 주파수가 줄어들어 전동기 슬립이 최대 토크를 발생하는 슬립으로 이동하여 유도 전동기의 기동을 가능하게 하고 현 운전 중인 전동기 속도가 목표 주파수보다 큰 경우에는 출력 주파수를 증가시킴으로써 회생 영역에서도 운전을 가능하게 하는 효과가 있다.

Description

유도 전동기의 회전 속도 검출 방법{SPEED SEARCH METHOD FOR INDUCTION MOTOR}

본 발명은 유도 전동기의 회전 속도 검출 방법에 관한 것으로, 특히 전압 증가를 전동기에 흐르는 실제 전류를 이용하여 연산하므로 외부에서 가속 시간을 별도로 설정할 필요가 없고, 어떤 상황에서도 최적으로 전압이 상승하여 목표 전압에 도달할 수 있게 한 유도 전동기의 회전 속도 검출 방법에 관한 것이다.

일반적으로 인버터는 전동기를 구동시 순시 정전, 고장 후 재기동, 동일 부하에 전동기를 병렬로 연결할 경우에서도 기동되어야 하는 경우가 자주 발생된다.

이러한 경우 전동기 회전 속도에 해당하는 V/F 비에 맞는 전압 및 주파수를 인버터로 출력하여야만 인버터는 무리 없이 전동기를 구동할 수 있다.

속도 검출 기능이 동작하는 구간을 살펴보면 도 1에 도시된 바와 같이, 전동기 운전 도중 정전이 되고 다시 복전이 될 때(도 1a)와 상용 전원을 오프 시킨 후 다시 전동기를 운전시킬 때(도 1b)와 회전 중인 전동기를 목표 회전 속도로 진입시킬 때(도 1c)이다.

속도 검출은 위와 같이 전동기의 회전 속도를 모르는 상태에서 인버터가 정상적으로 동작하게끔 인버터의 출력전압 및 출력 주파수를 제어하는 방법이다.

도 2는 종래 유도 전동기의 속도를 단순 전압 제어하는 방법을 설명하기 위한 예시도로서, 유도 전동기의 속도를 단순 전압 제어하는 방법으로 인버터의 출력 주파수는 목표 주파수로 일정하게 유지하면서(도 2a) 인버터의 출력 전압을 일정가속 시간에 걸쳐 목표 전압에 도달하게끔 제어하는(도 2b) 방법이다.

출력전압(n)=출력전압(n-1)+dV이고, dV=목표전압/가속 시간으로 출력 전압은 일정 가속 시간을 가지며 '0' 전압에서 목표 전압으로 일정 기울기를 가지고 증가된다.

그러나, 상기와 같은 종래 기술에 있어서, 사용자가 부하에 알맞게 가속 시간을 직접 설정하여야 하고 관성이 큰 부하에서 가속 시간이 짧으면 과부하 트립이 발생하고 부하가 큰 상태에서 가속 시간이 길어지면 전동기의 속도는 0까지 떨어지는 문제점이 있다.

또한, 부하가 큰 경우 전동기에 인가되는 주파수는 목표 주파수이기 때문에 전동기 슬립이 0에 가까워 전동기의 발생 토크가 적어 기동이 안 되는 문제점이 있다.

또한, 목표 주파수가 현 전동기 운전 속도보다 낮은 경우 회생 영역임으로 단순 전압만 가지고 제어하는 방법으로는 전동기 운전이 되지 않는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 창안한 것으로, 단순히 전압만을 이용하여 전동기를 제어하기 때문에 발생하는 문제점을 해결하기 위해 어떠한 상황에서도 인버터에 무리가 되지 않은 상태에서 전동기를 구동할 수 있도록 한 유도 전동기의 회전 속도 검출 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 유도 전동기에서 속도 검출 기능이 동작하는 구간을 설명하는 예시도.

도 2는 종래 유도 전동기의 속도를 단순 전압 제어하는 방법을 설명하기 위한 예시도.

도 3은 본 발명에 따른 전압 제어기의 동작 흐름을 설명하는 예시도.

도 4는 본 발명에 따른 주파수 제어기의 동작 흐름을 설명하는 예시도.

도 5는 본 발명에 따른 출력 주파수 선택기의 출력 주파수를 결정하는 방법을 설명하기 위해 제시한 그래프.

도 6은 본 발명을 따른 정격 부하가 인가된 상태에서 임의의 속도로 운전 중인 전동기를 목표 속도까지 가속시키는 시험 결과를 보인 예시도.

도 7은 본 발명에 따른 정지 상태에서 인가 부하에 따른 기동 시험 결과를 보인 예시도.

도 8은 본 발명에 따른 정상 상태에서의 순시 정전과 가속시 순시 정전의 순시 정전 시험 결과를 보인 예시도.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 출력전류를 이용하여 출력전압을 제어하는 전압제어단계와; 여자성분전류를 이용하여 출력 주파수를 생성하는 출력 주파수 제어단계와; 상기 출력 주파수 제어단계와 전압제어단계의 출력을 이용하여 최종 출력 주파수를 선택하는 출력 주파수 선택단계로 동작하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 따른 일실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 3a는 본 발명에 따른 전압 제어기의 동작 흐름을 설명하는 예시도로서, 이에 도시한 바와 같이 정격전류에서 검출전류를 빼고 이 값에 상수, K를 곱해 이전 출력전압과 더해 현 출력전압을 출력하는 과정을 설명하고 있으며 이를 상세히 설명하면 다음과 같다.

출력전압은 도 3b와 같이, 0부터 목표 전압까지 상승하는데 현재 전동기에 흐르는 전류와 설정된 정격전류(설정가능)의 차이를 이용하여 이 차이가 큰 경우(실전류가 적은 경우)에는 전압 상승을 크게 하고 이 차이가 적은 경우(실전류가 큰 경우)에는 전압 상승을 적게 하여 부하에 알맞은 최단시간에 목표 전압까지 상승시킨다.

또한, 출력전압은 0부터 속도 검출 발생 전의 전압까지 상승하는데 현재 흐르는 전류가 설정된 정격전류(설정가능) 이내가 되면서 최단 시간에 도달할 수 있도록 상승시킨다.

도 4는 본 발명에 따른 주파수 제어기의 동작 흐름을 설명하는 예시도로서, 이에 도시한 바와 같이 여자전류를 검출한 값에서 여자전류 기준을 빼서 이 값을비례 적분하여 목표 주파수에서 이 비례 적분된 값을 빼서 출력 주파수를 연산하는 과정을 설명하고 있으며 이를 설명하면 다음과 같다.

출력 주파수는 목표 주파수를 시작으로 전동기에 흐르는 d축 성분전류(여자전류)가 기준 전류 이상이면 주파수를 감소시켜 전동기 속도를 추정하며, d축 성분전류가 여자 전류 기준 이하가 되면 다시 출력 주파수를 증가시킨다.

도 5는 본 발명에 따른 출력 주파수 선택기의 출력 주파수를 결정하는 방법을 설명하기 위해 제시한 그래프로서, 전압 제어기에서 구한 전압으로 최소 출력 주파수를 결정하고, 주파수 제어기의 출력 주파수가 최소 주파수 이하가 되면 최종 출력 주파수는 전압 제어기에서 결정된 최소 주파수가 출력되도록 하는 과정을 설명하기 위한 것으로 이를 설명하면 다음과 같다.

일반적으로 유도 전동기는 V/F 비가 일정(예를 들어: 60Hz:220V)하므로 이 이상의 전압을 인가(예를 들어: 60Hz:300V)하면 유도 전동기가 소손되거나 인버터에 과전류가 흐르게 된다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 전압 제어기에서 구한 전압으로 최소 출력 주파수를 결정하고 주파수 제어기의 출력 주파수가 최소 주파수 이하가 되면 최종 출력 주파수는 전압 제어기에서 결정된 최소 출력 주파수가 출력되도록 구성된다.

또한, 최소 주파수는 V/F 제어방식에서 사용되는 V/F 비를 이용하여 결정하도록 한다.

그리고, 동작영역에서 유동 전동기의 기동 토크를 증가시키기 위하여 정격슬립만큼 주파수를 보정하도록 한다.

도 6은 본 발명을 따른 정격 부하가 인가된 상태에서 임의의 속도로 운전 중인 전동기를 목표 속도까지 가속시키는 시험 결과를 보인 예시도로서, 이에 도시된 바와 같이 정격 부하가 인가된 상태에서 임의의 속도로 운전 중인 전동기를 목표 속도까지 가속시킬 때 시간 축에서 출력 주파수, 출력 전압, 상전류 및 전류 크기의 변화를 설명하고 있으며 초기 속도와 목표 속도와의 차이가 클수록 가속 구간이 길어지고 출력 전압과 전류 크기는 점차적으로 증가하는 파형을 나타내지만 출력 주파수는 초기에 높은 주파수 값을 갖다가 점점 내려간 후 다시 상승하여 정상 상태에 도달함을 보인다.

도 7은 본 발명에 따른 정지 상태에서 인가 부하에 따른 기동 시험 결과를 보인 예시도로서, 이에 도시된 바와 같이 각 인가 부하에 따라 시간 축에서 출력 주파수, 출력 전압, 상전류 및 전류 크기의 변화를 설명하고 있으며 정격 부하가 인가된 100% 부하에서도 기동이 됨을 알 수 있다. 또한, 도 6에서 보여준 파형 패턴과 유사한 패턴을 보여주고 있다.

도 8은 본 발명에 따른 정상 상태에서의 순시 정전과 가속시 순시 정전의 순시 정전 시험 결과를 보인 예시도로서, 이에 도시된 바와 같이 정전에 의하여 인버터 출력이 차단되면 전동기는 자유 회전을 하다가 정전이 회복되면 인버터는 전동기 속도를 모르는 상태에서 속도 검출 기능에 의하여 인버터가 정상 동작을 하는지를 검증한 시험으로 정상 상태에서 정전이 된 후 다시 전원이 회복될 때 상전류의 파형을 살펴보면 크기가 점차적으로 상승하여 정상 상태에 도달함을 알 수 있고,가속 상태에서 정전이 된 후 다시 전원이 회복될 때 상전류의 파형을 살펴보면 가파른 상승 후에 다시 하강하여 정상 상태에 도달함을 알 수 있다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명은 전압 증가를 전동기에 흐르는 실제 전류를 이용하여 만들기 때문에 외부에서 가속 시간을 별도로 설정할 필요가 없으며, 어떤 상황에서도 최적으로 전압이 상승하여 목표 전압에 도달하는 효과가 있다.

또한, 부하가 큰 경우에는 출력 주파수가 줄어들어 전동기 슬립이 최대 토크를 발생하는 슬립으로 이동하여 유도 전동기의 기동을 가능하게 하는 효과가 있다.

또한, 현 운전 중인 전동기 속도가 목표 주파수보다 큰 경우에는 출력 주파수를 증가시킴으로써 회생 영역에서도 운전을 가능하게 하는 효과가 있다.

이와 같이, 본 발명은 기존의 알고리즘이 갖고 있는 문제점을 해결하고, 특히 팬 또는 펌프 부하 등 하나의 부하에 여러 전동기가 부착되어 전동기 기동 시 전동기가 회전하고 있는 부하에 간단히 적용할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 기존의 인버터에서 전동기를 구동하는 알고리즘과 독립적으로 구현이 가능하기 때문에 적용 분야가 넓다.

Claims (5)

1. 출력전류를 이용하여 출력전압을 제어하는 전압제어단계와; 여자성분전류를 이용하여 출력 주파수를 생성하는 출력 주파수 제어단계와; 상기 출력 주파수 제어단계와 전압제어단계의 출력을 이용하여 최종 출력 주파수를 선택하는 출력 주파수 선택단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 유도 전동기의 회전 속도 검출 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 전압제어단계에서 출력전압은 정격전류에서 검출전류를 빼고 이 값에 상수, K를 곱해 이전 출력전압과 더해 현 출력전압을 출력하게 이루어진 것을 특징으로 하는 유도 전동기의 회전 속도 검출 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 출력 주파수 제어단계에서 출력 주파수는 여자전류를 검출한 값에서 여자전류 기준을 빼서 이 값을 비례 적분하여 목표 주파수에서 이 비례 적분된 값을 빼서 연산하게 이루어진 것을 특징으로 하는 유도 전동기의 회전 속도 검출 방법.
4. 제2항에 있어서, 상기 출력전압을 이용하여 최소 주파수를 연산하게 이루어진 것을 특징으로 하는 유도 전동기의 회전 속도 검출 방법.
5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 출력 주파수 제어단계에서 구한 출력 주파수가 최소 주파수 이하가 되면 최종 출력 주파수는 상기 전압제어단계에서 결정된 최소 주파수가 출력되게 이루어진 것을 특징으로 하는 유도 전동기의 회전 속도 검출 방법.