KR20040018349A

KR20040018349A - Ａｃ 유도 모터용 모터 부하 제어기

Info

Publication number: KR20040018349A
Application number: KR10-2003-7013273A
Authority: KR
Inventors: 제리 디 카섀트
Original assignee: 엔바이로 월드 시스템즈 인코포레이티드; 제리 디 카섀트
Priority date: 2001-04-10
Filing date: 2002-04-04
Publication date: 2004-03-03
Also published as: CN1507688A; MXPA03009302A; BR0208840A; HK1067915A1; US6737827B2; US20020190686A1; CN1269300C; AU2002256074B2; US6954046B2; KR20090127441A; US20040174134A1; WO2003019765A1; US20020145400A1

Abstract

본 발명은 가변 부하하에서 동작하는 단상 또는 3-상 교류 (AC) 유도 모터에서 최적화된 동작 효율성을 획득하고 유지하는 개선된 에너지-절감 방법 및 장치에 관한 것이다.

Description

ＡＣ 유도 모터용 모터 부하 제어기 {MOTOR LOAD CONTROLLER FOR AC INDUCTION MOTORS}

발명의 배경

본 발명이 속하는 분야는, 가변 부하하에서 AC (alternating current) 3-상 유도 모터로 입력되는 전력을 제어하여, 모터로 공급되는 전력이 현재 모터에 부과되고 있는 부하의 함수로서 최적 유지되는 전기 에너지-절감 방법 및 장치이다.

몇가지 응용가능한 종래 기술의 특허로는 Nola 의 미국특허 제 4,439,718 호; Nola 의 미국특허 제 4,052,648 호; 및 Sugimoto 의 미국특허 제 4,379,258 호가 있다.

모터가 실제로 정격 부하에서 동작하고 있는지 여부에 관계없이 일정한 공급 전압하에서 정상적으로 동작하는 AC 유도 모터가 널리 공지되어 있다. 따라서, 모터가, 예를 들어, 저부하에서 동작할 경우, 상당한 전력이 낭비됨으로써, 불필요하게 높은 동작 비용이 발생한다.

종래 기술은, 모터로 입력되는 전력이 모터에 부과되고 있는 부하의 함수이며 그에 비례하도록 모터로 입력되는 전력을 제어하는 것이 목적인 다양한 방법과 장치들을 이용함으로써, 이러한 문제의 정정을 시도해왔다.

Nola 의 특허에는, 가변 부하하에서 모터로의 전력 유입을 제어하는 모터 효율성의 기준 또는 지시자로서 전력 팩터를 이용하는 방법이 개시되어 있다. Nola 의 접근이 가진 문제점은, Nola 의 전력 팩터가, 전압 및 전류 파형이 X 축 (가로좌표) 을 통과하는 동안 전압과 전류 파형 사이에 존재할 수 있는 변위 위상각 (displacement phase angle ; theta) 의 평가에 기초한다는 점이다.

Nola 의 접근은 각각의 파형이 순수하게 정현적일 경우에만 실질적인 효과가 있다. 실제로, 파형이 순수하게 정현적인 경우는 거의 없다.

Sugimoto 의 특허에는, 가변 부하의 조건하에서 동작하고 있는 AC 유도 모터로의 공급 전압 유입을 최대 정격-부하 용량의 함수가 아닌 부하의 함수로서 제어하고자 하는 다른 회로가 개시되어 있다.

Sugomoto 는 공급 전력과 피드백 전력 모두를 주기적으로 샘플링하여 검출하는 전력 제어 회로를 설명한다. 그 다음, 그는 모터의 동작 효율성 (operational efficiency) 을 획득하기 위한 시도와 관련하여 공급 전력과 피드백 전력 사이에 소정의 고정비를 확립한다.

Sugimoto 는, 공급 전압이 모터쪽에서 보는 부하의 함수가 되도록 전압의 공급을 제어하는데 이러한 기준비가 이용된다고 주장한다.

또한, Sugimoto 는, Nola 의 장치가 결함이 있어 불리하다고 주장한다. 종래 기술은 본질적으로, 위상 변위각 (phase displacement angle ; theta), 소정의 최적 전력 팩터나 비, 또는 모터에 부과되고 있는 부하값의 대응되는 테이블을 위한 소정 전압의 테이블을 이용한다.

발명의 요약

3-상 또는 단상의 교류 유도 모터에 대해, 수직축 (Y, 세로좌표라고도 함) 은 크기를 나타내고 수평축 (X, 가로좌표라고도 함) 은 시간을 나타내는 상태에서, 모터의 전압 및 전류값을 점-대-점 기초로 플로팅할 경우, 전류 뿐만 아니라 전압에 대해서도 개별적인 파형이 존재한다는 것이 널리 공지되어 있다. 이들 파형은 정현적 또는 비정현적 형상 (sinusoidal or non-sinusoidal appearance) 으로 나타날 수 있는데, 이는 부분적으로, 예를 들어, 전압 제어에 관한 전기적 구성 성분에 내재하는 스위칭 특성으로 인한 것이다.

전압과 전류값을 이들의 개별적인 파형 경로로부터 취한 다음, 참값을 얻기 위하여 X-축을 따라 점-대-점 기초로 배율할 경우, VA (voltampere) 파형이 생성된다. 이 파형은 전기적 시스템에 존재하는 전력을 나타내는 실제 전력 파형 (true power waveform) 이라고도 한다.

X 및 Y 축을 따라 플로팅될 경우, 전력 파형의 진동하는 형상은 일반적으로 X-축을 기준으로 양의 값과 음의 값 모두를 갖는다. X 축 위의 파형 부분은 양의 값을 갖는 한편, X 축 아래의 파형 부분은 음의 값을 갖는다.

이들 유도 모터의 동작 동안, 모터 배선 (motor windings) 에 관련한 로터의 움직임은, 음의 값을 가지며, VARs 또는 "실제 무효 VA (true voltamperes reactive)"라고도 하는 무효 전력 (reactive power) 값에 영향을 미친다.

VARs 는 가시적으로 X-축 아래의 VA 파형 부분으로 표현된다.

모터에 부과되는 부하가 모터의 정격 부하 용량과 등가인 값을 가지면, 모터는 최대 효율성에서 동작한다고 생각된다. 그러나, 그런 경우라 하더라도, 모터는 여전히 모터의 내재적인 물리적 특성 및, 모터의 배선에 대한 모터의 (나타내지 않은) 로터의 상대적인 움직임으로 인해 VARs 를 발생시킨다. 이들 VARs 는 모터가 정격 부하에서 동작하고 있는지 여부와 관계없이 항상 발생한다. 이들 VARs 를 "내재적 VARs (inherent VARs)" 라 한다.

유도 모터가 정격 용량 미만의 부하로 동작할 때마다, 추가적인 VARs 또는 "실제 무효 VA" 가 VA 파형에 존재한다. 이들 VARs 는 "과잉 VARs (excess VARs)" 라 한다.

VARs 와 모터에 부과될 수 있는 부하 사이에는 직접적인 비례 관계가 성립한다.

본 발명의 목적은, 모터의 최적 동작 효율성을 달성하기 위해 내재적 및 과잉 VARs 모두를 최소값으로 유지하는 것이다.

가시적으로, VARs 또는 VA 파형의 음의 부분은 X-축의 음의 측에 최대한 근접하게 유지된다.

본 발명의 핵심은 컴퓨터 프로그램으로 하여금 과잉 및 내재적 VARs 또는 실제 전력 (VA) 파형의 음의 값을 계속적으로 검색할 것을 마이크로프로세서에 지시하게 한다는 것이다. 동일하다는 것을 발견하면, 마이크로프로세서는 하나 이상의 정정 디지털 수 (correcting digital numbers) 를 SSR (solid state relay) 로 송신할 것을 지시받는데, SSR 은 입력 전압의 제어 또는 모터 배선에 대한 전압값의 변경을 실질적으로 수행하여, 입력 전압은 모터에 부과되고 있는 가변 부하의 함수로서 그에 비례하게 된다.

도면의 설명

도 1 은 3-상 유도 모터에 관련한 본 발명의 바람직한 실시형태에 대한 통상적인 전기 부품 (electrical components), 신호 흐름 및 정정 디지털 수의 흐름을 나타내는 블록도이다.

발명의 설명

본 발명자에 의해 계획되는 본 발명의 최상 모드는, 본 발명의 전기 부품은 용이하게 이용가능하며 상용화되어 있다는 것이다. 예를 들어, 마이크로프로세서 (1) 는 종래의 어떠한 마이크로프로세서도 될 수 있다.

도 1 에 나타낸 바와 같이, 모터 (2) 는 에너지-절감 회로 (3 ; energy-saving circuit) 내에 위치한다. 모터 (2) 가 최대 부하 미만에서 동작하는 동안, VA 파형에 유의 VARs (significant VARs) 가 나타난다.

모터에 대한 3 개의 모터 위상 라인 (4, 5 또는 6 ; motor phase lines) 중 임의의 2 개와 관련된 전압은 통상적인 전압 검출기 (7) 에 의해 계속적으로 샘플링되며, 전압 검출기 (7) 또한 그를 통과하는 전압이 전압 입력 스케일러 (11 ; voltage input scaler) 와 양립할 수 있는 크기로 유지되거나 조절되도록 구조적으로 형성된다. 전압 검출기 (7) 내의 (나타내지 않은) 통상적인 전압 분할기가 이러한 보호 기능을 충족시킨다.

전압을 위해 샘플링되고 있는 2 개의 모터 위상 라인 중 어느 하나와 관련된 전류 또한, 도 1 에 나타낸 바와 같이, 통상적인 전류 검출기 (9) 에 의해 계속적으로 샘플링된다. 전류 검출기 (9) 또한, 그것을 통과하는 전류가 크기에 있어전류 입력 스케일러 (10) 와 양립가능할 뿐만 아니라 입력 전류를 나타내는 전압 신호로 변형될 수 있도록 구성된다. 전류 검출기 (9) 내의 통상적인 트랜스포머와 적재된 저항 (양자 모두 나타내지 않음) 이 이러한 보호 기능을 충족시킨다.

전류를 나타내며, 전류 검출기 (9) 로부터 출력되는 전압 신호는, 전압 신호의 크기를 AD 컨버터 (8 ; analog-to-digital converter) 의 정격 용량에 따라 AD 컨버터 (8) 에 의해 수신하기 적절한 레벨로 유지하는 통상적인 전류 입력 스케일러 (10) 로 공급된다.

도 1 에 나타낸 바와 같이, 전압 검출기 (7) 는, 예를 들어, 모터 위상 라인 (5) 과 모터 위상 라인 (4) 에서의 라인 전압을 계속적으로 샘플링하여, 이들 전압을 AD 컨버터 (8) 의 정격 입력 용량과 양립할 수 있는 값으로 조절하는 전압 입력 스케일러 (11) 로 전달한다.

다른 방법으로, 전압 검출기 (7) 는 모터 위상 라인 (4, 5 또는 6) 중 임의의 2 개를 통해 전압을 샘플링할 수 있다.

전압 입력 스케일러 (11) 는 2 개의 샘플링 전압들간의 차이를 취하여 이 차이를 AD 컨버터 (8) 로 전달한다.

지금까지, 전류와 전압을 나타내는 전기 신호는 사실상 아날로그였다.

전류 입력 스케일러 (10) 와 전압 입력 스케일러 (11) 로부터 각각 출력되는 전기적 아날로그 신호 모두는 이들 신호를 디지털 2 진수 (이하, 디지털 수라고 함) 로 변환하는 AD 컨버터 (8) 로 전달된다.

그 다음, 이들 디지털 수는 마이크로프로세서 (1) 로 전달된다.

관련 전압과 전류 신호를 디지털 형태로 수신하면, 마이크로프로세서 (1) 는 이들 디지털 수를 배율하여 VA (voltampere) 값을 획득한다.

그 다음, 마이크로프로세서 (1) 는 이러한 배율 (multiplication) 의 결과값을 취하여, 프로그램 메모리 (12) 로부터의 지시에 따라, 이 결과값이 음의 값을 갖는지 여부를 판정한다. 모터 (2) 의 부하가 가변이라면, 이러한 배율의 결과값 또한 일반적으로 가변값을 갖는다.

이 결과값이 음의 값을 가지면, 이는 VARs 가 존재한다는 것을 나타낸다. 프로그램 메모리 (12) 로부터의 추가적인 지시에 따라, 마이크로프로세서 (1) 는 하나 이상의 디지털 수를 발생시킨다.

마이크로프로세서 (1) 에 의해 발생된 디지털 수(들)는, 입력 전압이 모터 (2) 에 부과되고 있는 부하에 비례하도록 하기 위해 모터 (2) 로 입력되는 전압이 변경될 필요가 있는지를 나타낸다.

마이크로프로세서 (1) 가 프로그램 메모리 (12) 로부터의 지시에 따라 최적으로 감소시킬 수 있는 VA 값이 음의 성분 (VARs) 을 갖는 동안, 마이크로프로세서 (1) 는 과잉 및 내재적 VARs 모두를 계속적으로 검색하게 된다. 이들 VARs 의 발견시에, 메모리 (12) 는 마이크로프로세서 (1) 로 하여금 상기 디지털 수를 계속적으로 발생시켜 DA 컨버터 (13) 로 전달할 것을 지시하는데, DA 컨버터 (13) 에서는 디지털 수(들)이 DA 컨버터 (13) 에 의해 연산 증폭기 (14) 로 전달될 아날로그 신호로 변환되며, 연산 증폭기 (14) 에서는 아날로그 전압 신호가 0 V 이상이면서 5 V 이하가 되도록 배율된다. 이러한 0 내지 5 V 범위는 SSR (15 ; solidstate relay) 이 현재 수용하도록 구성되어 있는 적절한 전압-입력 범위이다. 이 범위가 보다 적절한 값으로 변경될 경우, 연산 증폭기 (14) 는, 연산 증폭기 (14) 가 제공할 수 있는 전압-입력 범위값에 이러한 변경이 반영되도록 구성될 것이다.

상술한 바와 같이, 모터 (2) 가 최대 정격 부하 미만에서 동작할 경우, VA 파형에는 유의 무효 전력 (VAR) 값 또는 과잉 VARs 가 존재한다.

출원인의 발명의 핵심은 어떤 VARs 가 존재하더라도 이를 최소로 유지한다는 것이다. 다시 말해, 본 발명은 배율 결과값에 존재할 수 있는 어떠한 음의 값을 취하여, 프로그램가능한 메모리 (12) 로부터 마이크로프로세서 (1) 로 전달되는 지시에 따라, 이들 음의 값을 마이크로프로세서 (1) 의 내재적 용량에 따라 최적화된 최소값으로 유지한다.

따라서, 본 발명은 전력 파형 (VA) 에 대해 음의 부분이 존재하는지에 초점을 맞추며, 모터 (2) 를 최적화된 효율성의 조건에서 동작시키기 위해, 이러한 음의 부분을 최적화된 최소값으로 유지하는데, 이러한 최적화된 최소값은 마이크로프로세서 (1) 가 프로그램 메모리 (12) 로부터의 프로그램가능한 지시에 따라 물리적으로 획득할 수 있는 최저값이다. 전력 파형 (VA) 이 플로팅된다면, VA 파형의 음의 진폭이 X 축 (가로좌표) 의 음의 측에 가능한한 근접하게 유지되거나, X-축으로 둘러싸인 음의 영역 및 전력 파형 (VA) 의 음의 경로가 최소값으로 유지되는 것을 육안으로 볼 수 있다.

따라서, 마이크로프로세서 (1) 는 과잉 VARs 와 내재적 VARs 모두를 계속적으로 검색하고 검출할 뿐만 아니라 마이크로프로세서 (1) 가 어떠한 VARs 를 검출할 경우, VAR 값이 과잉 VARs 인지 내재적 VARs 인지에 관계없이, 마이크로프로세서 (1) 가 더이상 어떠한 VAR 값도 검출하지 않는 시점까지, 하나 이상의 점증적 (incremental) 디지털 수를 발생시키도록 메모리 (12) 에 의해 프로그램된다.

마이크로프로세서 (1) 가 더이상 어떠한 VARs 도 검출하지 않으면, 마이크로프로세서 (1) 는 메모리 (12) 에 의해 점증적 디지털 수의 발생을 중단할 것을 지시받으며, 대신에, 모터의 실속 (stalling) 이 방지되는 시점까지 점감적 (decremental) 디지털 수의 발생을 즉각적으로 개시할 것을 지시받는다.

연산 증폭기 (14) 로부터 출력되는 전압 신호에 응답하여, SSR (15) 은 SSR (15) 과 직렬 상태에 있는 모터 위상 라인 (4, 5 또는 6) 과 관련된 (나타내지 않은) 모터 배선에 대한 공급 전압량을 실질적으로 조절하고 제어하는 작업을 한다.

이러한 방식으로, 모터 (2) 로의 입력 전압은, 입력 전압이 모터 (2) 에 부과되고 있는 가변 부하의 함수이며 그에 비례하도록 계속적으로 조절되고 제어됨으로써, 상당한 에너지 절감 및 동작 비용의 감소를 얻게 된다.

모터 위상 라인들 (4, 5 및 6) 은 각각 통상적인 3-상 전원 (three-phase power supply ; 16) 으로부터 나온다. 에너지-절감 회로 (3) 와 모터 (2) 는 통상적으로 접지된다. 간략화를 위해, 당업자가 명백히 알 수 있는 바와 같이, 접지는 도면에 나타내지 않는다.

여기에서 설명한 단계들을 수행하도록 마이크로프로세서 (1) 를 프로그램하는 것 또한, 전기 유도 AC 모터와 관련된 기술 뿐만 아니라 컴퓨터 프로그래밍, 마이크로프로세서 분야의 당업자에게 명백한 것이다.

따라서, 프로그램 리스팅 및 코드를 자세히 설명하지는 않지만,Fonar Corp. v. General Electric Co., 107 F3d 1543, 1549 (Fed. Cir. 1997) 의 경우 뿐만 아니라Manual of Patent Examining Procedures, Section 2106.01 에 따라서, 3-상 모터 (2) 와 함께, 프로그램 메모리 (12) 및 마이크로프로세서 (1) 와 관련되는 소프트웨어의 특정 기능은 다음과 같다.

상술한 바와 같이, 프로그램 메모리 (12) 에 의해 제공되는 소프트웨어의 특정 기능은 (1) AD 컨버터 (8) 로부터 출력되며, 서로 관련되는 개개의 디지털 수를 수신하여 배율할 것을 마이크로프로세서 (1) 에 지시한다. (2) (1) 에서 설명한 배율의 결과값에서 계속적으로 음의 값을 검색하고 검출할 것을 마이크로프로세서 (1) 에 지시한다. (3) 음의 값 (VARs) 이 관찰되면, DA 컨버터 (13) 로 하나 이상의 디지털 수를 발생시킬 것을 마이크로프로세서 (1) 에 지시하는데, 이러한 디지털 수는 VA 값이 마이크로프로세서 (1) 에 의해 최적으로 저감될 수 있는 어떠한 음의 성분 (VARs) 을 갖는 동안 계속적으로 발생된다. (4) 모터의 부하가 증가하고 있는지 감소하고 있는지 인식할 것을 마이크로프로세서 (1) 에 지시한다. (5) VA 파형의 최소 음의 값에 대해 최적 조건이 실현될 때까지, 점증적 또는 점감적 방식의 디지털 수를 계속적으로 SSR (15) 로 발생시킬 것을 마이크로프로세서 (1) 에 지시한다.

가변 디지털 수의 값은 연산 증폭기 (14) 와 관련된 0-내지-5 V 범위에 비례한다.

핵심적으로, 마이크로프로세서 (1) 가 VARs 를 검출하는 동안, DA 컨버터 (13) 로부터 출력되는 아날로그 신호의 3-상 SSR (15) 의 궁극적인 전달을 위해, 마이크로프로세서 (1) 는 DA 컨버터 (13) 로 정정 디지털 수를 계속적으로 발생시키는데, 이 경우, 모터 (2) 의 입력 전압은 모터가 연산 증폭기 (14) 로부터 수신하는 0 과 5 V 사이의 아날로그 신호값에 비례하며 따르도록 자동 조절된다.

통상적인 3-상 전력원 (16) 과 3-상 모터 (2) 사이에 위치하는, 여기에서 설명한 본 발명의 바람직한 실시형태는, 단상 SSR 각각이 (나타내지 않은) 통상적인 선형 비례 제어기를 갖도록 구성된다면 단상 SSR 을 이용함으로써 (나타내지 않은) 단상 모터에 적용될 수도 있다.

여기에서는 본 발명을 하나의 예시적 실시형태에 대해서만 상세히 설명하였지만, 마이크로프로세서, 컴퓨터 프로그래밍 및 전기 모터 분야의 당업자는 본 발명의 변형 및 변경이 용이하다는 것을 알 수 있다.

Claims

가변 부하하에서 동작하고 있는 단상 및 3-상 교류 유도 모터의 동작 효율성을 최적화하는 개선된 에너지-절감 방법으로서,

실제 VA (voltampere) 무효 전력을 계속적으로 모니터링하고 검출하는 단계; 및

실제 VA 무효 전력이 검출되는 동안, 입력 라인 전압이 부하의 함수로 최적화되도록 입력 라인 전압을 조절하고 제어하기 위해, 계속적으로 신호를 발생시키는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 개선된 에너지-절감 방법.
가변 부하하에서 동작하고 있는 단상 및 3-상 교류 유도 모터의 동작 효율성을 최적화하는 개선된 에너지-절감 장치로서,

실제 VA (voltampere) 무효 전력을 계속적으로 모니터링하고 검출하는 수단; 및

실제 VA 무효 전력이 검출되는 동안, 입력 라인 전압이 부하의 함수로 최적화되도록 입력 라인 전압을 조절하고 제어하기 위해, 계속적으로 신호를 발생시키는 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 개선된 에너지-절감 장치.