KR20040103001A - 전동기 보호기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 인버터와 인버터에 의해 구동되는 전동기를 포함한 전동기 구동 시스템 내에서 전동기에 결합되어 인버터로부터의 반사파를 제거하는 전동기 보호기에 관한 것이다. 본 발명에 따른 전동기 보호기는 전동기의 3상 터미널에 전기적으로 병렬 접속되는 터미널 커넥터, 터미널 커넥터로부터 연장된 3상 선로의 각 선로 사이에 델타 형상으로 결합된 커패시터 및 부하 저항의 복수의 직렬 회로를 포함하고 터미널 커넥터를 통해 입력되는 전기적인 신호로부터 반사파를 제거하는 반사파 제거부, 부하 저항 내에 형성되고 인버터의 구동 주파수로 인해 발생되는 자체 공진을 방지하는 인덕터, 부하 저항에 접촉되고 부하 저항에서 발생되는 열을 유도 방출하는 방열판, 및 반사파 제거부 및 방열판을 덮는 케이싱을 포함한다. 본 발명은 고가인 인버터와 AC 전동기에 일정한 전압을 유기시키고 반사파 및 케이블의 노이즈를 제거함으로써, 갑작스런 전동기의 파손에 따른 설비 보수 및 설비 가동 중단으로 인하여 발생되는 막대한 피해를 사전에 방지할 수 있다.

Description

전동기 보호기{Motor protector}

본 발명은 인버터에 의해 구동되는 전동기를 보호하기 위한 전동기 보호기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 인버터 출력에 포함된 반사파 노이즈로 인하여 발생되는 전동기의 절연 파괴를 방지하는 전동기 보호기에 관한 것이다.

일반적으로 인버터는 전력 전자라는 기술을 이용한 제품으로써 전력반도체(Power semiconductor)라 불리는 트랜지스터(Transistor), IGBT, GTO 등의 소자 기술이 발전에 따라 지속적으로 그 토폴로지(topology)가 바뀌어 왔다. 하지만, 현재는 가격, 성능상의 이유로 대부분의 회사가 저전력(Low power) 인버터의 하드웨어로써 IGBT를 이용한 펄스 폭 변조(PWM) 스위칭을 하는 전압형 인버터라는 토폴로지를 채택하고 있다.

도 1은 종래의 유도 전동기 제어 시스템을 개략적으로 나타낸 구성도이다.

도 1을 참조하면, 종래의 유도 전동기 제어 시스템은 교류 전원(101)을 직류로 변환하는 컨버터(convertor; 102)와, 컨버터의 출력을 평활하는 필터 커패시터(103)와, IGBT와 같은 제어 스위칭 소자로 구성되어 필터 커패시터(103)의 출력인 직류를 다시 교류로 변환시켜 모터에 공급하는 인버터(104)와, 모터(105)의 속도를 제어하기 위한 전압 지령치(Vi) 및 주파수(fo)를 출력하는 운전 지령부(106)와, 주파수(fo)를 적분하여 위상(??)으로 환산하는 적분기(109)와, 인버터(104)의 출력 전류를 검출하는 전류 검출부(110)와, 위상(??)에 맞추어 전류 검출부(110)를 통하여 검출된 전류를 좌표 변환하고, 운전 지령부(106)의 출력을 고려한 각 상별 기준 전압(Vas*, Vbs*, Vcs*)을 출력하는 좌표 변환 및 제어부(107), 및 좌표 변환 및 제어부(107)에서 출력한 각 상별 기준 전압(Vas*, Vbs*, Vcs*)과 삼각파를 비교하고 펄스폭 변조 파형을 발생시켜 인버터(104)의 제어 스위칭 소자의 게이트에 스위칭 전압을 인가하는 펄스폭 변조 발생부(108)로 구성된다.

상기와 같은 구성의 유도 전동기 제어 시스템의 동작을 설명하면, 사용자가전원을 투입하면 교류전원(101)은 교류를 직류로 변환하는 컨버터(102)에 의해 정류되어지며, 이 정류된 직류전압은 평활용 필터 커패시터(103)에 의하여 리플이 감소된 직류전압으로 인버터(104)에 인가된다.

사용자가 운전 개시를 위하여 가속 시간 및 전동기의 목표 주파수를 입력하고 운전을 개시하면, 운전 지령부(106)는 사용자의 입력 조건을 고려한 인버터 출력 주파수(fo)와 전압 지령치(Vi)를 출력하게 된다. 적분기(109)에서는 출력 주파수(fo)를 단위 시간별로 누적하고 그것을 위상(??)으로 변환하여 좌표 변환 및 제어부(107)와 전류 검출부(110)에 각각 제공한다. 좌표 변환 및 제어부(107)는 위상(??)을 이용하여 운전 지령부(106)의 출력 전압(동기 좌표계의 값)을 정지 좌표계의 각 상별 전압 지령치(Vas*, Vbs*, Vcs*)로 변환하여 펄스폭 변조 발생부(108)로 제공하면, 펄스폭 변조 발생부(108)에서는 삼각파와 비교하여 펄스폭 변조 파형(PWM)을 만들고 그것을 인터버(104)의 제어 스위치 소자(미도시)의 게이트로 인가한다.

인버터(104)의 제어 스위치 소자의 온/오프 동작에 의해 필터 커패시터(103)에 충전되어 있는 직류 전압을 3상의 교류 전압으로 변환시켜 모터(105)의 각 상(3상)에 인가하게 되고, 인가된 3상의 전압으로 인하여 모터(105)는 회전하게 된다. 이때, 전류 검출부(10)가 모터(105)에 흐르는 전류를 검출하여 좌표 변환 및 제어부(107)로 출력하면, 좌표 변환 및 제어부(107)는 적분기(109)로부터의 위치 정보(??)를 이용하여 전류 검출부(110)의 검출 전류를 동기 좌표계 값으로 환산하고 그것을 각종 제어 변수로 사용하게 된다.

한편, 대부분의 경우 좌표 변환 및 제어부(107)는 고분해능으로 설계하고 펄스폭 변조 발생부(108)는 저분해능으로 설계하므로, 전압 지령치와 실제 출력치 사이에 오차가 발생하게 된다. 따라서, 인버터(104) 내의 제어 스위치 소자의 전류 크기별 전압 강하의 차이와 단락을 방지하기 위한 데드 타임(dead time)으로 인한 전압의 왜곡과 시간 오차의 영향으로 전류의 크기별 인버터 출력 전압은 비 선형성을 가지게 된다.

인버터(104)를 구동시키기 위한 각 상별 전압 지령치(Vas*, Vbs*, Vcs*: 이하, 각 상별 전압 지령치의 임의의 상의 전압 지령치를 나타내는 기호로써 V*를 사용한다)와 인버터(104)로부터 출력되는 실제 출력 전압(V)의 오차 및 인버터 내부의 전압 강하를 보상하기 위하여 도 2와 같은 인버터 출력 전압 오차 추정 및 보상 장치인 하드웨어 및 소프트웨어가 추가되는데, 이에 대하여 살펴보면 다음과 같다.

도 2는 도 1의 인버터로 인가되는 전압 지령치와 출력 전압의 오차를 보상하기 위한 구성도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 인버터로 인가되는 전압 지령치와 출력 전압의 오차를 보상하기 위한 시스템(115)은 인버터(104)에서 출력되는 실제 출력전압(V)을 검출하는 출력전압 검출부(111)와, PWM 발생부(108)에서 생성되고 전압 지령치에 대응하는 PWM의 게이트 신호와 실제 인버터(104)의 출력전압(V)을 비교하여 오차 전압(dV)을 구하는 비교기(112)와, 비교기(112)의 오차 전압(dV)을 저역 통과시켜 불필요한 노이즈를 제거한 전압(V')을 출력하는 저역 통과 필터(LPF; 113), 및 좌표 변환 및 제어부(107)에서 PWM 발생부(108)로 출력하는 각 상별 전압 지령치(V*)에 저역 통과 필터(113)에서 필터링된 오차 전압(dV)을 더해서 오차 보상된 전압 지령치(V*')를 PWM 발생부(108)로 제공하는 가산기(114)로 구성된다.

상기한 인버터의 출력 전압 오차 추정 및 보상 시스템(115)의 동작에 대하여 살펴보면, 인버터(104)의 실제 출력전압(V)은 포토커플러, 트랜스포머 등으로 이루어진 출력 전압 검출부(111)를 통해서 검출된다. 검출된 실제 출력전압(V)은 비교기(112)로 제공된다. 비교기(112)는 인버터(104)의 실제 출력전압(V)과 인버터(104)로 공급하는 PWM 발생부(108)의 PWM 게이트 신호를 비교하여 오차 전압(dV)을 구하여 저역 통과 필터(113)를 통과시켜 필터링한다. 필터링 된 오차 전압(dV)은 좌표변환 및 제어부(107)의 출력인 각 상별 전압 지령치(V*)에 더해져서 출력 전압의 오차까지 포함한 보상된 각 상별 전압 지령치(V*')가 된다. 위의 과정에 의해, 인버터 출력 전압 오차 추정 및 보상 시스템(115)은 보상된 각 상별 전압 지령치(V*')에 따라 펄스폭 변조 발생부(108)에서 인버터(104)의 스위칭 소자의 게이트에 인가되는 게이트 신호를 발생시킴으로써 출력 전압의 오차를 보상한다.

그러나 위와 같은 종래의 유도 전동기 제어 시스템은 인버터의 출력 전압 오차를 추종 및 보상하기 위하여 하드웨어 및 소프트웨어를 추가해야 하기 때문에, 제품의 가격이 상승하고 크기가 커진다는 단점이 있다. 또한, 출력 전압 검출 장치가 고전압 스위칭하는 전력 출력단에 위치하므로, 스위칭시의 스파크 및 노이즈를 고려한 정밀한 설계가 필요하다는 문제가 있다.

또한, 현재의 소정 정류부와 IGBT를 사용한 PWM 전압형 인버터의 경우, 많은장점을 가지고 있으나 실제 사용시에 다음과 같은 몇 가지 문제를 가지고 있다.

첫째, 고조파를 발생시킨다. 인버터의 입력단에 사용되는 다이오드의 경우, 비선형 소자이므로 반드시 전원측에 5고조파, 7고조파 문제를 발생시킨다. 이는 전체 부하에서 인버터가 차지하는 비율이 작은 경우 커다란 문제를 발생시키지는 않으나, 인버터 부하가 증가함에 따라 인버터 내의 트랜스포머의 과열이라는 문제를 발생시킨다. 이를 위한 해결책으로 입력단에 교류 리액터 등을 설치하는 방법이 있다. 하지만, 그러한 방법으로는 문제가 완전하게 해결되지 않는다. 따라서 종래의 전압형 인버터에서는 통상적인 트랜스포머보다 용량이 큰 트랜스포머를 설치하거나 가장 영향력이 큰 고조파인 5고조파를 제거하기 위해서 통상 리액터와 콘덴서를 직렬로 연결한 5고조파 제거기를 사용하여야 하는 이유 등으로 전원 설비비의 증가를 필요로 한다.

둘째, 노이즈를 발생시킨다. 인버터의 출력단에 사용되는 IGBT의 경우 매우 빠른 스위칭이 가능한 소자이므로 깨끗한 전류파형을 얻는 이점이 있으나 트랜지스터형 인버터나 직류 전동기 제어 장치에 비해 많은 노이즈를 발생시킨다. 이는 인버터로 인가되는 전원 계통에 영향을 미쳐 기타 장치의 센서, 저전압 제어기의 신호선 등에 대한 오동작의 원인이 된다.

셋째, 반사파로 인한 전동기 파손이 발생된다. 산업용에서 통상 저전압은 600V이하를 뜻한다. 전동기의 절연 전압 역시 600V를 기준으로 설계가 되나, 이는 정현파(Sine wave)의 전압을 인가할 경우에 해당되며, 인버터는 정현파의 전압을 출력하는 것이 아니라 직류를 초핑(Chopping)한 구형파를 출력하므로 기존의 전동기에 인버터를 붙일 경우 반사파에 의해 최대 1600V(380V입력의 경우)의 전압이 전동기에 인가된다. 따라서 부분 방전에 의해 전동기의 절연 내력은 급격히 감소하여 결국 전동기가 절연 파괴 상태에 이르게 된다.

또한, 일반적으로 전자, 전기 분야에 사용되는 각종 서지 보호 장비는 서지 옵서버(Surge absorber)를 용도별로 선정하여 사용한다. 인버터와 유도기 사이에서 발생하는 서지에 제한해서 보면, 일반적으로 발생되는 서지는 주로 개폐 및 기동에 의한 서지를 말한다. 개폐 및 기동 서지가 많이 발생하는 기기에서 다른 시스템으로 서지가 전이되면 그 시스템은 서지에 의해 악영향을 받는다. 그러므로 기존의 시스템에서는 서지를 제거하기 위하여 아래와 같은 여러 종류의 서지 옵서버를 설치해 주어야 한다.

예를 들면, 개폐 서지는 전원부나 스위치 후단에 노이즈 필터(Noise filter)가 내장된 서지 옵서버를 설치하여 제거한다. 기동 서지는 기동 기기나 부품의 후단에 노이즈 필터가 내장된 소형 서지 옵서버를 설치하여 제거한다. 전도성 서지는 사용 기기의 앞에 소형 서지 옵서버를 설치하여 제거한다. 유도성 서지는 가급적 외부 인입선을 차폐 케이블로 사용하고, 전원선과는 격리시키며, 기기의 앞에 소형 서지 옵서버를 설치하여 제거한다. 전파성 서지는 인입선을 필히 차폐 케이블로 사용하고, 기기의 앞에 소형 서지 옵서버를 설치하여 제거한다. 복합성 서지는 가급적 외부 인입선을 차폐 케이블로 사용하고, 사용 환경에 따라 보호하고자 하는 기기의 앞이나 서지가 많이 발생하는 기기의 뒤에 소형 서지 옵서버를 설치하여 제거한다.

위의 문제 이외에 인버터와 유도기간의 거리로 인한 임피던스 정합 문제 및 고주파로 인한 모터 내의 임피던스 변화에 따른 노이즈 문제 등이 있다. 그리고 이러한 문제들로 인해 발생되는 반사파의 경우 기존의 서지 옵서버로 보호하는 데는 많은 조건에 따른 적용 문제 및 시간 비용이 발생된다.

게다가, 400 V급의 범용 모터를 IGBT 등의 고속 스위칭 디바이스를 사용한 전압형 PWM 인버터로 운전하는 전동기 구동 시스템에서는, 케이블 장(field), 케이블 부설 방법, 케이블 정수 등에 의존하는 서지 전압이 모터 코일의 절연 열화를 일으키는 경우가 있기 때문에, 통상 절연 강화한 모터를 사용하고 인버터 출력 측에 서지 제어 필터를 설치하는 것과 같이 서지 전압의 제어 대책을 실시해야 한다.

예를 들면, 인버터에 IGBT 드라이브를 사용하였을 때, 대부분의 문제는 모터 터미널에 발생된 전위차로 인하여 고전압의 스파이크가 발생되며, 그것에 의해 모터가 스트레스를 받고 절연이 파괴된다. 이러한 현상의 주된 원인은 반사파(reflected wave)라고 알려져 있다. 반사파는 모터 드라이버가 긴 케이블로 연결되어 설치될 때 많이 나타난다. 이것은 디지털 통신이나 파워 분배에 있어서 중요한 문제이다.

다시 말해서, 모터의 케이블은 드라이버로부터의 PWM 전압 펄스에서 많은 임피던스(impedance)를 발생시킨다. 또한, 모터의 케이블은 케이블의 길이에 따라서 비례하여 증가하는 커패시턴스(capacitance)와 인덕턴스(inductance)의 값을 포함한다. 케이블 서지 임피던스(cable surge impedance)는 단위 길이의 인덕턴스를 단위 길이의 커패시터로 나누었을 때의 결과값에 제곱근을 한 것으로 정의된다. 즉,케이블 서지 임피던스(Z)는이다. 케이블의 서지 임피던스는 모터의 임피던스와 정합되지 않고 그로 인하여 반사파가 발생된다. 케이블의 커패시턴스와 임피던스에 의존하는 반사파의 속도는 반사파가 최대 크기에 도달할 동안의 스위칭 디바이스의 추가 상승 시간(plus rise time)으로 결정된다. 이것은 스위칭 디바이스의 종류에 의해서 반사파가 야기되므로 별도로 고려하여야 하는 중요한 사항이다.

반사파 현상은 IGBT, GTO, BJT 등의 모든 디바이스에 대한 실험 결과에서 공통적으로 나타난다. 따라서 오늘날의 모터들은 반사파에 의한 전류가 절연 코팅에 미세한 빈 공간을 발생시키고, 에나멜 절연에 기계적인 스트레스를 가해 균열을 발생시키므로 일반적으로 다양한 보호막을 포함한다. 하지만, 반사파는 피크 전압이 반사파 현상에 의해 고정자 권선에 압력을 가할 때 권선의 절연을 파괴함으로써 전동기에 균열과 결함을 발생시킨다. 이와 같이 보호막이 코팅된 권선을 포함한 전동기의 경우에도 반사파에 의한 권선의 절연 파괴가 발생된다.

한편, 전동기의 균열과 결함에 대한 결정적인 현상이 나타나기 전에는 전동기의 절연 파괴 현상을 발생시키는 원인을 정확히 결정짓지는 못하지만 아래의 현상은 이상 상태를 발생시키는 주요 원인으로 동의하는 현상이다.

첫째, 전기적인 스트레스 전압은 대기중의 전압 강하의 정도를 넘어 부분 방전을 발생시킨다. 그러한 지속적인 부분 방전은 절연을 천천히 붕괴시킨다. 둘째, 전기적인 스트레스 전압은 권선을 가로지르는 코로나 또는 코로나 방전 등의 아크(arc)로 유도되고 대기 중에 이온화된다. 그러한 아크의 유도는 모터의 절연을더욱 급속하게 파괴시킨다. 셋째, 전기적인 스트레스 전압이 마그넷 권선 절연(Volt/mil)의 값보다 더 커지면, 모터에는 유전체 스트레스가 가해지고 절연 파괴 현상이 발생된다. 넷째, 인버터와 전동기 사이에는 통상 반사파가 발생된다. 이러한 반사파의 크기는 DC 전압 드라이브의 2배에서 3배 정도의 크기로 나타난다. 반사파의 최고(peek) 값은 모터 내부의 절연에 중대한 충격을 미친다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로, 본 발명의 목적은 산업현장에 널리 사용되는 AC 드라이버인 인버터와 인버터에 의해 구동되는 전동기 사이에서 발생되는 반사파 및 노이즈로 인하여 전동기에 발생되는 절연 파괴를 미연에 방지할 수 있고, 갑작스런 전동기의 파손으로 인한 설비 보수 및 설비 가동 중단으로 인한 막대한 피해를 사전에 방지하여, 상당한 규모의 물적 손실을 예방할 수 있는 전동기 보호기를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 기존의 서지 옵서버가 가지고 있는 기능을 모두 통합하고, 그 구성을 단순화 하며, 전동기의 전단에 설치함으로써 기존의 노이즈 문제를 해결할 수 있는 전동기 보호기를 제공하는 것이다.

도 1은 종래의 유도 전동기 구동 시스템을 개략적으로 나타낸 도면.

도 2는 도 1의 인버터로 인가되는 전압 지령치와 출력 전압의 오차를 보상하기 위한 구성도.

도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 전동기 보호기가 채용되는 전동기 구동 시스템의 개략적인 구성도.

도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 전동기 보호기에 채용되는 알고리즘을 개념화하여 나타낸 도면.

도 5a는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 전동기 보호기의 사시도.

도 5b는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 전동기 보호기의 개략적인 구성도.

도 6은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 전동기 보호기의 반사파 분류 과정을 설명하기 위한 회로도.

도 7은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 전동기 보호기의 설치 후에 인버터의 출력 파형을 설명하기 위한 비교도.

도 8a는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 전동기 보호기를 설치하기 전의 인버터의 출력 정밀 파형을 나타낸 도면.

도 8b는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 전동기 보호기를 설치하기 전의 인버터의 전체 출력 파형을 나타낸 도면.

도 9a는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 전동기 보호기의 정밀 출력 파형을 나타낸 도면.

도 9b는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 전동기 보호기의 전체 출력 파형을 나타낸 도면.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

501 : 터미널 커넥터 503 : 전선

505 : 반사파 분류부 507 : 부하 저항

509 : 방열판 511 : 케이싱

상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 인버터와 상기 인버터에 의해 구동되는 전동기를 포함한 전동기 구동 시스템 내에서상기 전동기에 결합되어 상기 인버터로부터의 반사파를 제거하는 전동기 보호기에 있어서, 상기 전동기의 3상 입력 터미널에 전기적으로 병렬 접속되는 터미널 커넥터와, 상기 터미널 커넥터로부터 연장된 3상 선로의 각 선로 사이에 델타 형상으로 결합된 커패시터 및 부하 저항의 복수의 직렬 회로를 포함하고 상기 터미널 커넥터를 통해 입력되는 전기적인 신호로부터 반사파를 제거하는 반사파 제거부와, 상기 부하 저항 내에 형성되고 상기 인버터의 구동 주파수로 인해 발생되는 자체 공진을 방지하는 인덕터와, 상기 부하 저항에 접촉되고 상기 부하 저항에서 발생되는 열을 유도 방출하는 방열판, 및 상기 반사파 제거부 및 상기 방열판을 덮는 케이싱을 포함하는 전동기 보호기를 제공할 수 있다.

바람직한 일 실시예에서, 상기 케이싱은 서로 분리되는 케이싱 상단부와 케이싱 하단부를 구비하고, 상기 커패시터는 상기 케이싱 상단부 내에 설치된 인쇄 회로 기판상에 실장되고, 상기 부하 저항은 상기 케이싱 하단부 내에 설치된 방열판의 상부면과 양측면에 접하여 설치되며, 상기 커패시터 및 상기 부하 저항은 상기 케이싱 상단부 및 하단부를 연결하는 구멍을 통과하는 복수의 전선에 의해 전기적으로 접속되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 직렬 회로 내의 커패시터는 각 선로에 직렬로 각각 접속되어 상기 각 선로 상의 반사파를 분류하는 복수의 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 부하 저항은 알루미늄 케이싱 내부에 저항기(Resistor)를 장착하고 실리콘 또는 시멘트를 몰딩하여 제조되는 것을 특징으로 한다. 상기 저항기는80??/300W의 값을 갖는 것이 바람직하다.

또한 상기 인덕터는 상기 부하 저항 내의 자체 기생 인덕턴스를 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 인덕터의 값은 17uH로 설계되는 것이 바람직하다.

이어서, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 전동기 보호기가 채용되는 전동기 구동 및 보호 시스템의 개략적인 구성도이다. 또한, 도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 전동기 보호기에 채용되는 알고리즘을 장치 개념화하여 나타낸 개요도이다.

도 3을 참조하면, 전동기 구동 및 보호 시스템은 인버터(300), 전동기(400) 및 전동기 보호기(500)를 포함한다. 인버터(300)는 기본적으로 상용 전원(미도시)에 결합되어 전동기(400)에 필요한 전력을 공급한다. 구체적으로, 인버터(300)는 IGBT와 같은 고속 스위칭 소자를 이용하여 산업용으로 많이 사용되는 3상 유도 전동기를 구동시킨다.

전동기(400)는 3상 유도 전동기 등의 유도 전동기를 포함한다. 이러한 전동기(400)는 본 발명이 속한 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 잘 알려져 있으므로, 그에 대한 구체적인 설명은 생략한다.

전동기 보호기(500)는 전동기(400)의 입력 터미널에서 인버터(300)의 출력과 전기적으로 병렬 접속된다. 즉, 전동기(400)가 3상 유도 전동기인 경우, 전동기 보호기(500)의 3개의 3상 터미널 커넥터는 인버터(300)의 출력을 인가받는 전동기(400)의 3상 터미널에 각각 병렬로 접속된다.

또한, 전동기 보호기(500)는 커패시터와 부하 저항의 3개의 직렬 회로로 이루어진 델타(delta) 형상의 반사파 제거 회로를 이용하여 인버터(300) 출력에 의한 반사파 및 전선의 노이즈 등으로 인하여 발생된 과도한 전압이 전동기(400)에 유도되는 것을 방지한다. 예를 들면, 전동기(400)를 구동하기 위한 인버터(300)의 주파수 가변시, 저주파 상태에서 무시되었던 전선 등의 기생 인덕턴스 값은 고주파 상태에서 그 값이 크게 변화된다. 이때 변화된 기생 인덕턴스 값에 의해서 전체 시스템은 임피던스 부정합 상태가 되고, 그로 인하여 인버터(300)와 전동기(400) 사이에는 연속적으로 반사파가 발생된다. 이러한 반사파는 소정 시간 이상의 지속적인 전동기 운전시에 서로 중첩 증가하여 전동기(400)에 인가됨으로써 결국 전동기의 절연 파괴 등의 원인이 된다. 따라서 본 발명에서는 전동기 보호기(500)를 전동기(400)의 입력단에 설치하여 인버터 출력에 의한 반사파 및 전선의 노이즈 등에 의해 인버터(300)와 전동기(400) 사이에서 과도하게 증폭되는 전압을 제거함으로써, 인버터(300)를 보호하고 동시에 전동기(400)의 절연 파괴를 방지한다.

이처럼, 본 발명에서는 인버터의 출력에 의해 순간적으로 큰 값으로 발생되는 서지성 전압을 커패시터 및 저항의 직렬 회로를 이용하여 시간적으로 지연함으로써 전동기로 유입될 수 있는 서지 성분을 미연에 방지하고, 발생된 서지 성분을 억제시킨다. 발생된 서지 에너지는 부하 저항을 통해 열로 변환시켜 완전히 소모된다.

또한, 본 발명에 따른 전동기 보호 방식은 도 4에 도시한 바와 같이 전동기 보호기에 채용되는 알고리즘을 개념화하여 나타낼 수 있다. 먼저 본 발명은 전동기(400)가 인버터(300)의 출력에 의해 구동되기 시작하는 단계를 포함한다(단계 401). 인버터(300)의 출력이 전동기(400)의 터미널로 입력되면, 전동기 터미널에 병렬로 접속되어 있는 전동기 보호기(500)는 인버터(300)의 출력을 인가받게 된다(단계 403). 이때, 전동기 보호기(500)는 그 내부에 탑재된 반사파 제거 회로를 통해 먼저 인버터 출력 신호 내에 포함된 반사파 및 노이즈를 분류한다(단계 405). 이때 반사파 및 노이즈 분류는 복수의 커패시터 회로에 의해 분류된다.

그 후, 전동기 보호기(500)는 반사파 제거부 내의 직렬 회로에 포함된 부하 저항을 통해 인버터(300)의 출력 신호 내에 포함된 반사파 및 전선의 노이즈 등에 의해 과도하게 증폭된 전압을 열 방출 방식으로 제거하여 인버터 출력을 일정한 전압으로 안정시킨다(단계 407). 이러한 과정을 통해, 인버터의 출력에 의해 발생된 반사파 및 인버터와 전동기 사이의 전선 상에 발생된 노이즈로 인해 과도하게 증폭된 전압이 전동기에 인가되지 않고, 일정한 전압이 전동기에 공급된다(단계 409). 따라서 IGBT 등의 고속 스위칭 소자를 구비한 인버터로 구동되는 전동기의 절연 파괴를 확실하게 방지할 수 있다.

도 5a 및 도 5b는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 전동기 보호기의 외형 및 개략적인 구성을 각각 나타낸 도면이다. 또한, 도 6은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 전동기 보호기의 반사파 제거부의 반사파 분류 과정을 설명하기위한 회로도이다.

도 5a 및 도 5b를 참조하면, 전동기 보호기(500)는 터미널 커넥터(501), 전선(503), 커패시터와 부하 저항(507)으로 이루어진 3개의 직렬 회로를 갖춘 반사파 제거부, 방열판(509), 및 케이싱(511)을 포함한다. 전동기 보호기(500)는 전동기에 인접하게 설치된다. 또한, 전동기 보호기(500)는 앵커 볼트, 한 쌍의 볼트 및 너트 등의 적절한 고정 수단에 의해 바닥이나 지지대 위에 적절하게 고정 지지된다.

구체적으로, 커넥터(501)는 3상 케이블 커넥터를 포함한다. 또한, 커넥터(501)는 전동기의 3상 입력 터미널에 접속되고 커넥터(501)로부터 연장된 전선(503)을 통해 전동기 보호기(500)를 전동기에 전기적으로 병렬 접속시킨다. 전선(503)은 적어도 3개의 전선으로 이루어진 3상 차폐 케이블을 포함한다. 또한 전선(503)은 전동기까지의 길이가 가능한 짧게 연장되도록 설치된다.

반사파 제거부는 복수의 커패시터로 이루어진 반사파 분류부(505)와 부하 저항(507)을 포함한다. 이러한 반사파 제거부는 전동기에 입력되는 인버터 출력을 받아들여서 반사파 및 노이즈 등에 의한 서지 전압을 분류하고 제거한다.

여기서 반사파 분류부(505)는 3상 선로의 각 상에 직렬로 각각 접속된 복수의 커패시터를 포함한다(도 6 참조). 이러한 복수의 커패시터는 인쇄 회로 기판(도시하지 않음)에 적절하게 배치되어 케이싱 상단부(511a) 내에 설치된다. 도 5b에서 참조부호 505는 케이싱 상단부(511a) 내에 설치된 반사파 분류부를 가리킨다.

또한, 반사파 분류부(505)는 도 6에서와 같이 각각 4700㎊의 값을 갖는 커패시터를 포함하는 것이 바람직하다. 도 6에서 J1 내지 J9는 접속점을 나타낸다. J1,J2 및 J3은 각각 전동기 터미널에서 인버터의 R, S, T의 3상 출력 단자와 전기적으로 병렬 접속되는 접속점을 나타낸다. 또한, J4 내지 J9는 제1 부하 저항(R1; 507), 제2 부하 저항(R2; 507) 및 제3 부하 저항(R3; 507)의 양단에 각각 접속하는 접속점을 나타낸다. 즉, J6 및 J7은 제1 부하 저항(R1)의 양단에 접속되고, J9 및 J5는 제2 부하 저항(R2)의 양단에 접속되며, J4 및 J8은 제3 부하 저항(R3)의 양단에 접속된다.

부하 저항(507)은 인버터의 PWM 파형의 주파수로 발생되는 반사파 에너지를 소모시키기 위하여 특별 제작된 특수 저항을 포함한다. 즉, 본 발명에서는 일반 저항으로 상술한 반사파 에너지를 발열시키지 못하기 때문에, 예를 들어 알루미늄 케이싱 내부에 80??/300W의 값을 갖는 저항기를 삽입하고, 그 주위에 실리콘 또는 시멘트를 몰딩하여 제작한 특수 저항을 포함한다. 이러한 특수 저항은 높은 열전도도 및 높은 내구성을 가진다. 이러한 구성에 의해 부하 저항(507)은 반사파 분류부(505)에 의해 분류된 서지 전압 성분을 열로써 소모하여 제거한다.

또한, 부하 저항(507)은 인덕터를 포함한다. 여기서 인덕터는 기본적으로 부하 저항(507) 내에 기생하는 기생 인덕턴스 성분을 말한다. 즉, 본 실시예에서는 부하 저항(507)에 포함된 자체 기생 인덕턴스 값을 조정하여 자체 공진이 발생되지 않도록 한다. 또한 부하 저항(507) 내에 포함된 인덕터는 그 값이 17마이크로헨리로 설계되는 것이 바람직하다.

예를 들면, 도 6에서와 같이 공진이 발생하는 커패시터와 부하 저항 내의 인덕턴스를 조정하여 주파수 대역을 0.2MHz 대역으로 설정함으로써 자체 공진이 발생하는 것을 미연에 방지한다. LC 공진 주파수는, L=17uH, C=0.047uF의 조건하에서,

의 공식에 의해 결정할 수 있다. 즉, 본 실시예에서 LC 값은 0.2MHz가 된다.

따라서 본 실시예에서는 인버터의 주파수가 20KHz에서 60HZ까지 가변된다고 가정할 때, LC 값에 의한 공진으로 시스템이 불안해지는 것을 방지하기 위하여 부하 저항 내의 인덕턴스 값을 추가하고 조정하여 공진 주파수를 5㎒ 대역으로 설정한다.

방열판(509)은 금속 부재로 가능한 많은 표면적을 갖도록 형성된다. 또한, 방열판(509)은 부하 저항(507)에서 나는 열을 방열시키기 위하여 케이싱 하단부(511b) 내에서 부하 저항(507)에 접촉되도록 적절하게 설치된다. 케이싱(511)은 반사파 제거부, 방열판(509) 등의 전동기 보호기 내의 구성요소를 보호 지지하도록 적절한 부재와 모양으로 형성되어 설치된다. 본 실시예에서 케이싱(511)은 전선(503)의 출입 구멍과 반사파 분류부(505)를 수용하는 케이싱 상단부(511a)와, 부하 저항(507) 및 방열판(509)을 수용하는 케이싱 하단부(511b)로 구성된다.

이처럼, 본 발명에서는 전동기 보호기의 내부 임피던스와 출력 임피던스 값을 최적으로 조정하여 반사파를 제거한다. 즉 본 발명에서는 자체 임피던스 값을 쉽게 측정 할 수 없다는 것과, 자체 임피던스 값이 모델링 과정 중에 많이 변화되며, 주파수에 따라 변화되고, 전동기의 형식에 따라 다르므로 자체 임피던스 값을정할 수 없어 발생된 내부 임피던스와 출력 임피던스 값의 부정합에 의한 반사파의 악영향을 제거한다. 또한, 통상의 인버터는 그 주파수가 상용 60-50Hz로 동작된다. 따라서 본 발명에 따른 전동기 보호기는 인버터의 용량에 상관없이 적용하여 범용으로 사용가능하다.

도 7은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 전동기 보호기의 설치 후에 변화된 인버터의 출력 파형을 나타낸 비교도이다. 도 7에서 위의 파형은 전동기 보호기의 설치 이전의 인버터 출력 파형이고, 아래 파형은 전동기 보호기의 설치 이후의 인버터 출력 파형을 나타낸다. 또한, 도 7은 인버터의 상간 전압의 전압 대 시간(V-T) 특성 출력 파형을 나타낸다.

도 7에 도시된 바와 같이, 위의 출력 파형과 아래의 출력 파형은 그 지연시간에서 0.2us 정도의 차이가 있다. 그러나 이러한 차이는 AC 전동기의 응답 특성에는 크게 영향을 미치지 않는다. 이처럼, 전동기 보호기를 장착한 후의 인버터의 출력 파형은 실질적으로 출력 전압이 인가된 모든 구간에서 전격 전압으로 나타난다. 즉, 그것은 전동기와 인터버가 반사파로부터 보호된다는 것을 보여준다. 이와 같이, 본 발명에서는 인버터에서 발생되는 출력 파형의 스위칭 주파수를 약 5MHz로 샘플링(sampling)하고 상승 시간을 약 0.3us로 지연하여 반사파에 의한 순간 피크 전압(peak voltage)을 차단한다.

예들 들면, 위에서 언급한 바와 같이, 반사파 제거부의 커패시터 값과 부하 저항 값을 각각 0.047uF과 80??/300W로 설계한다. RC 회로에 대한 RC 시정수는??=1/RC이므로 공식에 의해 0.2us가 된다. 이것을 주파수로 환산하면 5㎒가 된다. 이것은 인버터의 캐리어 주파수가 약 5㎒라는 것을 나타낸다. 따라서 이 주파수의 주기가 변화되는 시점을 기준으로 가정하면, RC 값에 의해 인버터의 캐리어 주파수가 약 1000분주된다고 할 수 있다. 즉, 노이즈는 짧은 시간에 빠른 변화를 일으키므로 이것을 기준으로 변화되는 시간을 길게 주어 전동기의 입력부에서 노이즈 신호를 제거한다.

도 8a 및 도 8b는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 전동기 보호기를 설치하기 이전의 인버터의 출력 정밀 파형 및 인버터의 전체 출력 파형을 각각 나타낸 도면이다. 또한, 도 9a 및 도 9b는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 전동기 보호기의 정밀 출력 파형 및 전체 출력 파형을 각각 나타낸 도면이다.

도 8a 및 도 8b를 참조하면, 전동기 보호기를 장착하지 않은 전동기 구동 시스템의 인버터의 출력 전압의 순간 피크 전압은 정격 전압의 3배 정도이다. 이러한 순간 피크 전압은 모터의 절연을 파괴하기에 충분하며 전동기뿐만 아니라 인버터에도 손상을 줄 수 있다.

도 9a 및 도 9b를 참조하면, 본 발명에 따른 전동기 보호기를 장착한 전동기 구동 시스템의 인버터의 출력 전압의 순간 피크 전압은 실질적으로 정격 전압과 같다. 이처럼, 본 발명에 따른 전동기 보호기는 종래에 발생하던 인버터의 출력 전압의 순간 피크 전압을 제거할 수 있다.

본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 많은 변형이 본 발명의 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 가능함은 물론이다.

이와 같이 본 발명에 의하면, 산업 현장에 널리 사용되는 AC 드라이버인 인버터와 전동기 사이에 발생되는 반사파 및 노이즈로 인하여 전동기에 발생되는 절연 파괴를 미연에 방지함으로써, 갑작스런 전동기의 파손으로 인한 설비 보수 및 설비 가동 중단으로 인한 막대한 피해를 사전에 방지하여, 상당한 규모의 물적 손실을 예방할 수 있다.

본 발명에 의하면, 기존의 서지 옵서버가 가지고 있는 기능을 모두 통합하고, 그 구성을 단순화 하며, 전동기의 전단에 설치하는 전동기 보호기를 사용함으로써 기존의 노이즈 문제를 해결할 수 있다. 이것은 유지관리를 위한 비용을 크게 감소시키고 시스템의 안정성을 크게 증가시킨다.

Claims (5)

1. 인버터와 상기 인버터에 의해 구동되는 전동기를 포함한 전동기 구동 시스템 내에서 상기 전동기에 결합되어 상기 인버터로부터의 반사파를 제거하는 전동기 보호기에 있어서,

   상기 전동기의 3상 입력 터미널에 전기적으로 병렬 접속되는 터미널 커넥터;

   상기 터미널 커넥터로부터 연장된 3상 선로의 각 선로 사이에 델타 형상으로 결합된 커패시터 및 부하 저항의 복수의 직렬 회로를 포함하고, 상기 터미널 커넥터를 통해 입력되는 전기적인 신호로부터 반사파를 제거하는 반사파 제거부;

   상기 부하 저항 내에 형성되고, 상기 인버터의 구동 주파수로 인해 발생되는 자체 공진을 방지하는 인덕터;

   상기 부하 저항에 접촉되고 상기 부하 저항에서 발생되는 열을 유도 방출하는 방열판; 및

   상기 반사파 제거부 및 상기 방열판을 덮는 케이싱

   을 포함하는 전동기 보호기.
2. 제1항에 있어서,

   상기 케이싱은 서로 분리되는 케이싱 상단부와 케이싱 하단부를 구비하고, 상기 커패시터는 상기 케이싱 상단부 내에 설치된 인쇄 회로 기판상에 실장되고,상기 부하 저항은 상기 케이싱 하단부 내에 설치된 방열판의 상부면과 양측면에 접하여 설치되며, 상기 커패시터 및 상기 부하 저항은 상기 케이싱 상단부 및 하단부를 연결하는 구멍을 통과하는 복수의 전선에 의해 전기적으로 접속되는 것

   을 특징으로 하는 전동기 보호기.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 직렬 회로의 커패시터는 각 선로에 직렬로 각각 접속되어 상기 각 선로 상의 반사파를 분류하는 복수의 커패시터를 포함하는 것

   을 특징으로 하는 전동기 보호기.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 부하 저항은 알루미늄 케이싱 내부에 저항기를 장착하고 실리콘 또는 시멘트를 몰딩하여 제조한 것을 특징으로 하는 전동기 보호기.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 인덕터는 상기 부하 저항 내의 자체 기생 인덕턴스를 포함하는 것

   을 특징으로 하는 전동기 보호기.