KR200333455Y1 - 축전지로부터 공급되는 직류전압을 이용한 3상브러시리스 직류전동기 구동장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 상용전원을 공급받을 수 없는 장소에서 3상 브러시리스 직류전동기를 구동하기 위하여 축전지로부터 전원을 공급받아 3상 브러시리스 직류전동기를 구동시키는 장치를 제공함을 목적으로 한다. 이를 위하여 본 고안의 3상 브러시리스 직류전동기 구동 장치는, 상용전원을 공급받을 수 없는 장소에서 3상 브러시리스 직류전동기를 구동하기 위한 장치에 있어서, 축전수단; 상기 상용전원을 이용하여 상기 축전수단을 충전시키기 위한 충전수단; 상기 축전수단으로부터 공급되는 직류전원을 상기 3상 브러시리스 직류전동기를 구동하기 위한 전압으로 승압하기 위한 승압형 DC-DC 컨버터; 상기 승압형 DC-DC 컨버터의 출력을 이용하여 상기 3상 브러시리스 직류전동기를 구동시키기 위한 인버터; 및 상기 인버터를 제어하기 위하여 제어신호를 발생시키기 위한 인버터 제어수단을 포함할 수 있다.

Description

축전지로부터 공급되는 직류전압을 이용한 3상 브러시리스 직류전동기 구동장치 {THREE PHASE BRUSHLESS DIRECT CURRENT MOTOR DRIVING SYSTEM USING DC VOLTAGE SUPPLIED FROM BATTERY}

본 고안은 축전지로부터 공급되는 직류전압을 이용한 3상 브러시리스 직류전동기 구동장치에 관한 것으로서, 구체적으로는 상용전원을 이용하여 전원을 공급할 수 없는 장소나, 혹은 상용전원이 정상적으로 입력되고 있지 않을 때에 브러시리스 직류전동기를 구동하고자 하는 경우에, 축전지로부터 공급되는 직류전압을 이용하여 브러시리스 직류전동기를 구동하는 장치에 관한 것이다.

일반적으로 직류전동기는 유도전동기에 비하여 제어가 수월하기 때문에 사용하기에 편리하다. 그러나, 그 동작특성상 브러시 및 정류자편이 서로 기계적인 접촉에 의하여 마찰하면서 동작하게 되는데, 이러한 브러시와 정류자편의 마찰현상으로 인하여 소음 및 불꽃이 발생하게 되며, 이로 인한 정기적인 교체 및 보수가 필요하기 때문에 유도전동기에 비하여 제조원가가 상승하고, 구조가 복잡하며, 정기적인 보수가 필요하는 등의 여러 가지 불리한 점을 내포하고 있다. 따라서 이러한 직류전동기의 단점을 해결하면서도 직류전동기가 갖고 있는 고유의 장점을 이용할 수 있는 전동기에 대한 필요성이 제기되었으며, 이러한 연구개발의 일환으로 브러시리스 직류전동기가 개발되었다.

브러시리스 직류전동기는 브러시가 없기 때문에 브러시의 존재로 인하여 발생되는 문제점들을 해결할 수 있는 장점이 있다. 즉, 브러시와 정류자편의 마찰 때문에 생기는 브러시 마모에 의한 정기적인 교체, 보수의 필요성, 불꽃 발생 그리고 소음 발생 등의 문제점을 해결할 수 있다. 이러한 브러시리스 직류전동기를 원하는 속도로 구동하기 위한 구동장치로는 스위칭 주파수를 변화시켜 주는 인버터 장치가 있다. 인버터 장치는 반도체 소자를 이용한 스위칭 기술의 발전과 함께 개발되어 오늘날에는 유도전동기의 제어에 매우 유용하게 사용되고 있는 장치로서, 인버터 장치를 이용하여 브러시리스 직류전동기에 공급되는 스위칭 주파수를 변경하여 브러시리스 직류전동기를 구동 및 제어하게 된다.

도 1은 종래기술에 따른 브러시리스 직류전동기 구동장치에 대한 블럭구성도로서, 60Hz의 고정주파수를 갖는 3상 상용교류전원(1)을 입력받아 직류전원으로 변환시켜 주는 3상 정류회로부(2)와, 생성된 직류전원을 브러시리스 직류전동기(5)를 제어하기 위한 임의의 주파수를 갖는 3상 교류전원으로 변환시켜 주는 인버터부(4), 임의의 가변 스위칭주파수를 발생시키기 위한 인버터 제어회로부(6) 등으로 구성되어 있다. 일반적으로 3상 정류회로부(2)는 다이오드를 이용한 정류회로로 구성할 수 있으며, 인버터부(4)는 트랜지스터 등을 비롯한 반도체 스위치 소자로 구성할 수 있다.

그러나, 도 1과 같은 종래기술에 따른 상기 브러시리스 직류전동기 구동장치는 후술하는 바와 같은 문제점을 가지고 있다. 구체적인 서술에 앞서 먼저, 브러시리스 직류전동기 장치는 전동기가 안정적으로 구동해야 한다는 점은 물론, a) 정확한 속도 및 토오크 제어가 가능해야 한다는 점, b) 입력전원의 역률을 높게 유지해야 한다는 점, c) 과부하 등에 의한 구동장치의 소손 및 브러시리스 직류전동기의 소손 방지를 위한 보호회로가 포함되어야 한다는 점, d) 상용전원을 공급받을 수 없는 장소등에서도 일정시간동안 정상적으로 동작이 이루어져야 한다는 점 등이 충족되어야 한다.

최근에 사용되고 있는 대부분의 전기동력장치는 전동기의 회전운동으로부터 동력을 발생시킨 후, 기계적인 장치를 이용하여 속도의 가감 또는 직선운동으로의 변환 등의 과정을 거치게 된다. 따라서 시스템의 요구에 충족되는 전기 동력을 발생시키기 위해서 전동기의 속도 제어 및 토오크 제어가 정확히 이루어져야 함은 물론이다. 또한 전동기의 제어에 덧붙여 최근에 많은 관심이 집중되고 있는 문제가 바로 전기, 전자 기기의 입력전원 역률개선 문제이다. 즉, 반도체 부품을 이용한 전기, 전자 기기의 발달과 함께 대두되기 시작한 고조파에 의해 노이즈가 발생하고, 이에 따라 입력전원의 역률이 왜곡되어 입력전원의 무효전력이 상승하게 되고, 이러한 무효전력 상승은 곧 에너지 효율 및 기기의 수명에 악영향을 미치게 된다. 또한 상용전원을 공급받을 수 없는 지역에서 종래에는 화석에너지를 이용한 발전기를 가동하여 전동기를 구동하였으나, 기존의 발전기를 이용한 방식은 효율이 낮고, 구조가 복잡하며, 환경오염의 문제 등을 유발한다는 점을 감안할 때, 위의 요건은 반드시 충족되어야 하는 필수요건이라 할 수 있다.

이러한 관점에서 도 1과 같은 종래기술에 따른 브러시리스 직류전동기 구동장치를 살펴보면 다음과 같은 문제점을 가지고 있다. 종래의 브러시리스 직류전동기 구동장치는 모두 상용전원으로부터 공급되는 교류전압을 이용하는 것으로서, 상용전원을 공급받지 못하는 장소에서는 그 사용이 불가능하였다. 따라서 종래에는 이러한 장소에서 전동기를 구동하여야 할 경우, 화석에너지에 의하여 운전되는 발전기로부터 전원을 공급받아 전동기를 구동하였으나, 이러한 경우 전동기를 구동하기 위한 별도의 발전기가 필요하기 때문에 부피가 크고, 복잡하며, 비용이 많이 소요된다는 문제점이 발생하였다. 또한 발전기의 에너지 효율이 낮고, 발전기의 소음 및 화석에너지의 사용으로 인한 환경오염문제 등이 발생하였다.

또한, 종래기술에 따른 3상 브러시리스 직류전동기 구동장치는 입력전원의 역률개선을 위한 역률개선회로가 포함되어 있지 않기 때문에 역률저하현상을 수반하였다. 이와 같은 역률저하는 무효전력을 상승시켜 에너지 손실이 증대시키고, 전력계통의 운용에도 좋지 않은 영향을 미치게 된다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 고안은 상용전원을 공급받을 수 없는 장소에서 3상 브러시리스 직류전동기를 구동하기 위하여 축전지로부터 전원을 공급받아 3상 브러시리스 직류전동기를 구동시키는 장치를 제공함에 목적이 있다.

또한, 본 고안은 3상 브러시리스 직류전동기 구동장치용 축전지로부터 공급되는 직류전원을 승압형 DC-DC 컨버터를 이용하여 3상 브러시리스 직류전동기를 구동할 수 있을 정도의 높은 전압으로 승압시킴으로써, 소량의 축전지를 이용하여 3상 브러시리스 직류전동기를 구동시키는 데에 목적이 있다.

또한, 본 고안은 별도의 역률개선회로를 사용하지 않고 승압형 DC-DC 컨버터를 이용하여 입력전원의 역률을 높임으로써, 고속 스위칭 동작에 의해 발생하는 고조파 노이즈에 인한 외부기기의 악영향 및 전력계통의 악영향을 방지하는 데에 또 다른 목적이 있다.

도 1은 종래의 상용전원을 이용하는 3상 브러시리스 직류전동기 구동장치에 관한 블럭 구성도,

도 2는 본 고안에 따른 축전지로부터 공급되는 직류전압을 이용한 3상 브러시리스 직류전동기 구동장치의 블럭 구성도,

도 3은 본 고안에 따른 축전지로부터 공급되는 직류전압을 이용한 3상 브러시리스 직류전동기 구동장치의 전체 회로도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 상용전원 2 : 3상 정류회로부

3 : 평활콘덴서 4 : 인버터부

5 : 3상 브러시리스 직류전동기 6 : 인버터 제어장치

11 : 상용전원 감시장치 12 : 축전지

13 : 승압형 DC-DC 컨버터 14 : 승압형 DC-DC 컨버터 제어장치

15 : 입력전원 절환 및 보호회로부 16 : 축전지 충전장치

상기 목적을 달성하기 위한 본 고안의 3상 브러시리스 직류전동기 구동 장치는, 상용전원을 공급받을 수 없는 장소에서 3상 브러시리스 직류전동기를 구동하기 위한 장치에 있어서, 축전수단; 상기 상용전원을 이용하여 상기 축전수단을 충전시키기 위한 충전수단; 상기 축전수단으로부터 공급되는 직류전원을 상기 3상 브러시리스 직류전동기를 구동하기 위한 전압으로 승압하기 위한 승압형 DC-DC 컨버터; 상기 승압형 DC-DC 컨버터의 출력을 이용하여 상기 3상 브러시리스 직류전동기를 구동시키기 위한 인버터; 및 상기 인버터를 제어하기 위하여 제어신호를 발생시키기 위한 인버터 제어수단을 포함할 수 있다.

또한, 본 고안은 상기 상용전원의 전압을 정류하기 위한 정류수단; 상기 정류수단으로부터의 출력을 평활화하기 위한 평활수단; 상기 상용전원의 입력여부를 감지하기 위한 감지수단; 및 상기 감지수단으로부터의 출력에 응하여 상기 승압형 DC-DC 컨버터 혹은 상기 정류수단의 출력 중 어느 하나를 상기 인버터의 입력전압으로 사용하기 위하여 상기 인버터의 입력측을 절환하기 위한 절환수단을 더 포함할 수 있다.

또한, 본 고안의 상기 절환수단은, 과전압, 과전류 및 돌입전류를 보호하기 위한 보호회로를 포함할 수 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 고안의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기 로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 고안자는 그 자신의 고안을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 고안의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 고안의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 고안의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 2는 본 고안의 실시예에 따른 축전지로부터 공급되는 전원을 이용한 3상 브러시리스 직류전동기 구동장치의 개략적 구성도이다.

본 고안의 일실시예에 따르면 상용전원(1)이 공급될 때에는 공급되는 상용전원(1)을 정류회로(2)에서 정류하고 이를 3상의 교류전압으로 변환하는 인버터부(4)를 거쳐 3상 브러시리스 직류전동기에 전원을 공급하며, 이와 동시에 축전지(12)에 상용전원(1)을 이용하여 전력을 저장한다.

한편, 상용전원(1)이 공급되지 않을 때, 입력전원 절환장치(15)에 의하여 축전지(12)로부터 공급되는 직류전압을 인버터부(4)로 공급하게 된다. 이 때, 축전지(12)로부터 공급되는 전압은 승압형 DC-DC 컨버터(13)를 이용하여 3상 브러시리스 직류전동기(5)를 구동할 수 있을 정도의 높은 전압으로 승압시킨 후, 인버터부(4)로 공급하여 전동기를 구동 및 제어하게 된다.

이를 위해 상용전원(1)으로부터 전원을 입력받아 직류전압의 형태로 저장하는 축전지(12), 축전지(12)에 전압을 저장하기 위한 충전회로(16), 축전지(12)로부터 공급되는 직류전압을 승압시키는 승압형 DC-DC 컨버터(13), 승압된 직류전압을 입력받아 스위칭 작용을 통하여 교류전압으로 변환시켜 주는 인버터부(4) 등으로 구성되어 있다.

도 3은 본 고안에서 적용한 전체 시스템의 회로도로서, 상용전원(1)이 공급되지 않을 때, 축전지(12)로부터 공급되는 DC 24V의 전압을 입력받아 3상 브러시리스 직류전동기(5)를 구동하기 위한 장치를 포함하는 전체 회로도이다.

축전지 충전회로(16)는 상용전원이 공급되는 평상시에 상기 상용전원(1)을 입력받아 축전지(12)를 충전시킬 수 있다.

승압형 DC-DC 컨버터(13)는 축전지(12)로부터 공급되는 DC 24V의 전압을 3상 브러시리스 직류전동기를 구동할 수 있을 정도의 높은 전압인 DC 310V로 승압시키기 위한 장치로서, 제어회로(14)에서 발생하는 PWM 전압파형을 이용하여 부하 변동에 관계없이 출력전압을 일정하게 유지시킬 수 있다. 한편, 승압형 DC-DC 컨버터(13)는 인덕터와 커패시터의 상호 작용에 의해 입력전원의 역률을 향상시킬 수 있다. 그리고, 승압형 DC-DC 컨버터(13)는 펄스폭 변조방식 (Pulse WidthModulation : PWM)을 적용하여 스위칭 동작을 행할 수 있다.

승압형 DC-DC 컨버터(13)로부터 출력된 출력전압은 절환회로(15)를 통하여 3상 브러시리스 직류전동기(5)를 구동하기 위하여 인버터(4)로 공급되며, 상기 인버터(4)는 인버터 제어회로(6)에 의하여 6개의 스위칭 소자를 통하여 3상 브러시리스 직류전동기(5)를 제어할 수 있다. 절환회로(15)는 상용전원(1)의 입력여부를 감지하는 감지회로(11)의 출력을 이용하여 상기 상용전원(1)이 공급되지 않을 때, 상용전원(1)의 회로를 끊고, 승압형 DC-DC 컨버터(13)로부터 공급되는 전압이 상기 인버터(4)로 전달되도록 스위치를 절환한다. 또한, 절환회로(15)는 과전압, 과전류 혹은 돌입전류 등의 이상동작으로부터 전체 시스템을 보호하기 위한 보호회로를 포함하여 구성될 수 있다.

이상과 같이, 본 고안은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 고안은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 고안이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 고안의 기술사상과 아래에 기재될 실용신안등록청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

상기와 같은 본 고안의 구성에 따르면, 상용전원에 의하여 축전지를 충전시킨 후, 상용전원의 공급이 불가능한 장소에서 축전지로부터 공급되는 전원을 이용하여 3상 브러시리스 직류전동기를 구동함으로써, 상용전원의 공급여부에 관계없이3상 브러시리스 직류전동기를 구동할 수 있다. 특히, 입력전원의 역률을 높이기 위한 회로 및 과전압, 과전류 등을 비롯한 각종 보호회로가 포함되어 있기 때문에 입력역률 저하로 인한 전력계통에 미치는 악영향을 최소화하고, 안정하고 정확한 브러시리스 직류전동기 구동 및 제어가 가능하다.

Claims (3)

1. 상용전원을 공급받을 수 없는 장소에서 3상 브러시리스 직류전동기를 구동하기 위한 장치에 있어서,

   축전수단;

   상기 상용전원을 이용하여 상기 축전수단을 충전시키기 위한 충전수단;

   상기 축전수단으로부터 공급되는 직류전원을 상기 3상 브러시리스 직류전동기를 구동하기 위한 전압으로 승압하기 위한 승압형 DC-DC 컨버터;

   상기 승압형 DC-DC 컨버터의 출력을 이용하여 상기 3상 브러시리스 직류전동기를 구동시키기 위한 인버터; 및

   상기 인버터를 제어하기 위하여 제어신호를 발생시키기 위한 인버터 제어수단

   을 포함하는 것을 특징으로 하는 3상 브러시리스 직류전동기 구동 장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 상용전원의 전압을 정류하기 위한 정류수단;

   상기 정류수단으로부터의 출력을 평활화하기 위한 평활수단;

   상기 상용전원의 입력여부를 감지하기 위한 감지수단; 및

   상기 감지수단으로부터의 출력에 응하여 상기 승압형 DC-DC 컨버터 혹은 상기 정류수단의 출력 중 어느 하나를 상기 인버터의 입력전압으로 사용하기 위하여 상기 인버터의 입력측을 절환하기 위한 절환수단

   을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3상 브러시리스 직류전동기 구동 장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 절환수단은,

   과전압, 과전류 및 돌입전류 중 어느 하나를 보호하기 위한 보호회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 3상 브러시리스 직류전동기 구동 장치.