KR20050104148A - 인버터 제어장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 인버터 회로를 보호하기 위한 콘덴서 단락 검출부를 구비한 인버터 제어장치에 관한 것이다.

본 발명은 3상 전원으로부터 전력을 공급받아 직류전원으로 만드는 입력부와, 전동기를 구동하여 주는 출력부와, 입력부와 출력부의 전압과 전류를 제어하는 제어부와, 제어부에 전원을 공급하는 제어전원부로 구성된 인버터 제어장치에 있어서, 상기 제어부는 입력부의 직류전압 검출기와 출력부의 출력전류 검출기로부터 각각 직류전압과 출력전류를 입력받아 사용자가 원하는 전압과 주파수로 제어하는 제어 연산부와, 출력모듈에 펄스폭변조의 게이트 신호를 출력하는 펄스폭변조 발생부와, 직류전압 검출기를 통해 직류전압에 급격한 변동이 발생하는지를 감시하는 콘덴서 단락 검출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

인버터 제어장치{CONTROL DEVICE OF INVERTER}

본 발명은 유도전동기를 운전 제어하는 인버터 제어장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 콘덴서의 단락으로 인해 발생하는 화염 및 폭발로부터 인버터 회로를 보호하기 위한 콘덴서 단락 검출부를 구비한 인버터 제어장치에 관한 것이다.

일반적으로 인버터는 유도전동기를 운전 제어하는 장치이다. 인버터는 유도 전동기를 가변속 구동하기 위한 장치로 산업용으로 널리 사용되고 있으며, 특히 산업 자동화와 에너지 절약이라는 측면에서 그 수요가 점진적으로 증가하고 있는 추세에 있다. 과거에는 속도 및 토크제어가 쉬운 직류 전동기를 사용하여 가변속 시스템을 구성하였으나 근래에는 전력전자 기술의 발달로 인해 직류전동기와 거의 같은 제어성능을 실현하면서 값이 저렴하고 유지 보수가 필요없는 유도전동기를 점차 사용하게 되었다.

이러한 전동기 구동을 위한 인버터 장치는 최근 20여년간에 반도체 기술의 비약적인 발전으로 인해 수백 마력 이상의 전동기까지도 구동할 수 있게 되었다.

일반적으로, 인버터는 크게 입력부, 출력부, 제어부로 구성되는데 그 용량이 점점 커지면서 입력부 및 출력부를 구성하고 있는 부품들의 용량 및 크기 또한 동일하게 커지고 있다.

따라서, 이러한 부품들에 의한 사고의 피해도 증가하게 되므로 제어부의 측면에서도 점점 복잡해지고 각 부분에 대한 고장의 보호기능이 점점 늘어나고 있는 추세이다.

이하, 종래의 인버터 제어장치의 구성을 나타내면 도1에 도시되는 바와 같다.

도1에 따라 인버터 제어장치의 구성과 구성에 따른 동작을 설명하면 다음과 같다.

인버터 제어장치는 3상 전원(10)으로부터 전력을 공급받아 직류전원으로 만드는 입력부(20)와, 직류전원을 교류전원으로 변환시켜 유도 전동기(50)를 구동하는 출력부(30)와, 입력부에서 만든 직류전원을 가지고 출력부가 가변전압, 가변주파수의 전원을 출력하도록 제어하는 제어연산부(170)와 펄스폭변조(PWM:Pulse Width Modulation) 신호를 출력하는 펄스폭변조 발생부(180)로 구성된 제어부(40)와, 제어부(40)에 전원을 공급하는 제어전원부(160)로 구성되어 있다.

상기 입력부(20)는, 3상의 정류다이오드 브릿지로 구성된 정류기(60)와, 초기 충전시 과도한 돌입전류가 유입되는 것을 방지하기 위한 충전저항(90)과, 초기 충전이 완료되어 충전저항을 배제시키기 위한 전자 접촉기(80)와, 정류기(60)에 의해 정류된 전원을 평활하기 위한 콘덴서(100, 110)로 구성되어 있다. 또한 상기 콘덴서는 통상 400V급 인버터에서는 내압 때문에 2개의 콘덴서를 직렬로 연결하여 사용한다.

상기 출력부(30)는 6개의 파워 스위치로 구성된 출력모듈(70)과 출력전류를 검출하기 위한 전류 검출기(150)로 구성되어 있다.

다음에, 도1에 따라 동작을 설명하면 다음과 같다.

정류기(60)는 3상의 교류전원으로부터 전력을 공급받아서 이것을 정류하여 직류전원으로 하는 역할을 한다. 이 정류된 전원은 충전저항(90)과 전자 접촉기(80)로 구성된 초기 충전부를 거쳐 콘덴서 뱅크로 입력된다.

3상 교류전원이 투입된 초기에 전자 접촉기(80)는 오프(off)로 되어 있으므로 충전저항(90)을 통해서 정류된 직류전원이 콘덴서(100, 110)로 입력된다.

제어전원부(160)는 콘덴서(100, 110)에 저장된 직류전압을 입력으로 하여 제어부(40)에 필요한 제어전원을 공급한다.

제어부(40)의 제어 연산부(170)에서는 입력부(20)의 직류전압 검출기(130)와 출력부(30)의 출력전류 검출기(150)로부터 각각 직류전압과 출력전류를 입력받아 사용자가 원하는 전압과 주파수를 만들고, 이 전압과 주파수를 펄스폭변조 발생부(180)를 통해 출력모듈(70)로 펄스폭변조의 게이트 신호를 출력한다.

또한 인버터 전원 투입시 초기 충전이 끝나면 전자 접촉기(80)의 여자신호를 통해서 전자 접촉기(80)를 온(on)시켜 곧바로 정류된 전원이 원활하게 콘덴서(100, 110)로 유입되도록 한다.

출력부(30)는 출력모듈로 게이트 신호가 입력됨으로써 직류전원을 3상의 교류전원으로 변환하여 유도 전동기(50)에 3상의 가변전압, 가변주파수의 전력을 공급하고, 전류 검출기(150)로부터 이 전동기의 출력 전류신호를 제어부(40)에 내보내 준다.

상기에서 설명한 종래의 인버터장치에서 콘덴서(100)나 콘덴서(110)에서 단락 사고가 발생하면 단락이 생기지 않은 콘덴서에는 정격 이상의 과도한 전압이 인가되게 된다. 예를 들어, 콘덴서(110)의 양단에 단락사고가 발생하면 콘덴서(110)에는 순식간에 방전이 되므로 정류기(60)를 통해서 들어온 전원은 전류의 제한없이 콘덴서(100)로 유입되게 된다. 이와 같이 단락으로 인해 하나의 콘덴서에 과도한 전압이 걸리면 콘덴서 내부의 절연체의 절연이 파괴되어 단락현상이 발생하고 가스가 생겨서 폭발하기도 하며 화재의 원인이 되기도 하는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 인버터 제어장치 내에 직렬로 연결된 직류 콘덴서 의 단락을 검출하고 이 검출신호에 의해 전자 접촉기의 여자신호를 차단하는 인버터 제어장치를 제공하는데 있다.

또한 본 발명의 다른 목적은 인버터 제어장치 내에 직렬로 연결된 직류 콘덴서 중의 하나에 단락이 발생하더라도 콘덴서에 입력되는 입력전류를 제어하여 돌입전류에 의한 콘덴서의 폭발의 위험을 방지하는 인버터 제어장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 기타 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 이는 본 발명의 청구범위에 기재된 사항 및 그 실시예의 개시내용 뿐만 아니라, 이들로부터 용이하게 추고할 수 있는 범위 내의 수단 및 조합에 의해 보다 넓은 범위로 포섭될 것임을 첨언한다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 3상 전원으로부터 전력을 공급받아 직류전원으로 만드는 입력부와, 전동기를 구동하여 주는 출력부와, 입력부와 출력부의 전압과 전류를 제어하는 제어부와, 제어부에 전원을 공급하는 제어전원부 로 구성된 인버터 제어장치에 있어서, 상기 제어부는 입력부의 직류전압 검출기와 출력부의 출력전류 검출기로부터 각각 직류전압과 출력전류를 입력받아 사용자가 원하는 전압과 주파수로 제어하는 제어 연산부와, 출력모듈에 펄스폭변조의 게이트 신호를 출력하는 펄스폭변조 발생부와, 직류전압 검출기를 통해 직류전압에 급격한 변동이 발생하는지를 감시하는 콘덴서 단락 검출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 제어부의 콘덴서 단락 검출부는 직류전압의 소정시간에 대한 하강전압을 하강 기울기(dv/dt)로 검출하여 변동되는 하강 기울기 값보다 크면 전자접촉기의 여자신호를 오프로 하는 것을 특징으로 한다.

상기 콘덴서 단락 검출부는 AD컨버터를 통해 직류전압 값을 검출하여 직렬로 연결된 콘덴서의 단락을 검출하고, 상기 검출된 값이 어느 기준치 이상이면 전자 접촉기의 여자신호를 통해 전자 접촉기(80)를 오프로 하는 신호를 발생시키는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 공지 구성에 대한 구체적인 설명 또는 당업자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

도2는 본 발명의 실시예에 따른 인버터 제어장치의 구성도이다.

도2에 나타내는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 인버터 제어장치는 3상 전원(10)으로부터 전력을 공급받아 직류전원으로 만드는 입력부(20)와, 직류전원을 교류전원으로 변환시켜 유도 전동기(50)를 구동하는 출력부(30)와, 입력부에서 만든 직류전원을 가지고 출력부가 가변전압, 가변주파수의 전원을 출력하도록 제어하는 제어연산부(170)와 펄스폭변조(PWM:Pulse Width Modulation) 신호를 출력하는 펄스폭변조 발생부(180)와 직류전압 검출기를 통해 직류전압에 급격한 변동이 발생하는지를 검출하고, 이 검출신호로부터 전자 접촉기의 여자신호를 통해서 전자 접촉기를 오프로 하는 콘덴서 단락 검출부로 구성된 제어부(40)와, 제어부(40)에 전원을 공급하는 제어전원부(160)로 구성되어 있다.

상기 입력부(20)는, 3상의 정류다이오드 브릿지로 구성된 정류기(60)와, 초기 충전시 과도한 돌입전류가 유입되는 것을 방지하기 위한 충전저항(90)과, 초기 충전이 완료되어 정상적인 통전상태가 되면 단락되어 충전저항에 의한 손실을 막아주기 위한 전자 접촉기(80)와, 정류기(60)에 의해 정류된 전원을 평활하기 위한 콘덴서(100, 110)로 구성되어 있다. 또한 콘덴서는 통상 400V급 인버터에서는 내압 때문에 2개의 콘덴서를 직렬로 연결하여 사용하며, Vdc는 평활콘덴서 양단의 전압의 크기를 나타낸다.

상기 출력부(30)는, 6개의 파워 스위치로 구성되어 있으며, 파워 스위치는 콘덴서에 저장된 직류전압을 온/오프하여 직류전압을 교류전압으로 바꾸는 역할을 하는 출력모듈(70)과, 출력전류를 검출하기 위한 전류 검출기(150)로 구성되어 있다.

도2에 따라 본 발명의 동작을 설명하면 다음과 같다.

도2에 도시되어 있는 바와 같이, 3상의 교류전원(10)이 정류기(60)를 통해 정류된 후 충전저항(90)과 전자 접촉기(80)로 구성된 초기 충전부를 거쳐 콘덴서 뱅크로 입력된다.

3상 전원이 투입된 초기에 전자 접촉기(80)는 오프로 되어 있어서 충전저항(90)을 통해서 정류된 직류전원이 콘덴서(100, 110)에 입력된다. 또한 초기에 상기 충전저항(90)이 없으면 과도한 돌입전류를 제한할 수 있는 수단이 없기 때문에 과도한 전류가 유입되는 것을 막기위해 전류 제한용으로 사용된다.

상기 콘덴서로는 평활용으로 극성이 있고 아주 작은 충방전이 가능한 전해콘덴서가 주로 사용되며, 정상 운선시 일정한 전압을 유지하며, 인버터의 출력에 연결된 유도 전동기(50)에 부하가 걸려 출력부로 많은 전력이 출력될 때도 직류전압의 변동이 작도록 해주는 역할을 한다.

제어전원부(160)는 콘덴서(100, 110)에 저장된 직류전압을 입력으로 하여 제어부(40)에 필요한 제어전원을 공급해 준다. 이 제어전원부(160)는 인버터 운전 정지상태에 있을 때도 동작하기 때문에 어느 정도의 전력을 소비하고 있다.

제어부(40)의 제어 연산부(170)에서는 입력부(20)의 직류전압 검출기(130)와 출력부(30)의 출력전류 검출기(150)로부터 각각 직류전압과 출력전류를 입력받아 사용자가 원하는 전압과 주파수를 생성하고, 이 생성된 전압과 주파수를 펄스폭변조 발생부(180)를 통해서 출력모듈(70)로 펄스폭변조의 게이트 신호를 출력한다. 또한 인버터 전원투입시 초기 충전이 끝나면 전자 접촉기(80)를 온(on)시켜 곧바로 정류된 전원이 원할하게 콘덴서(100, 110)로 유입되게 한다.

콘덴서 단락 검출부(190)는 직류전압 검출기(130)를 통해서 직류전압에 급격한 변동이 발생하는지를 검출하고, 상기 검출된 값이 어느 기준치 이상이면 전자 접촉기의 여자신호를 통해 전자 접촉기(80)를 오프로 하는 신호를 발생시킨다.

출력부(30)는 출력모듈로 게이트 신호가 입력됨으로써 직류전원을 3상의 교류전원으로 변환하여 유도 전동기(50)에 3상의 가변전압, 가변주파수의 전력을 공급해 주고, 전류 검출기(150)로부터 이 유도전동기(50)의 출력전류신호를 제어부(40)로 전송한다.

도3은 본 발명의 동작설명을 설명하는 설명도이다. 도3을 이용하여 본 발명의 동작을 설명하면 다음과 같다.

도3의 ①에 나타내는 바와 같이, t=T1에서, 예를 들어 콘덴서(110)의 양단에서 단락사고 나면, 콘덴서(110)는 순식간에 방전이 되므로 정류기(60)를 통해서 들어온 전원은 전류의 제한없이 콘덴서(100)에 모두 유입되게 된다.

따라서, 직류전압은 도3의 ②에 나타내는 바와 같이, 정상시의 절반에 가까운 전압으로 급격하게 떨어진다. 이때 전압의 떨어지는 기울기(즉 소정시간에 대한 하강 전압(dv/dt))는 인버터에 부하가 걸렸을 때 변동되는 전압 변동 기울기보다 매우 급격하게 떨어진다.

다음에, 도3의 ③에 나타내는 바와 같이, 콘덴서 단락 검출부(190)는 직류전압의 기울기를 검출하여 이 값이 어느 기준치(예들 들면 인버터에 부하가 걸렸을 때 변동되는 기울기보다는 큰 값) 이상이 되면(즉 t=T2이면), 전자 접촉기(8)의 여자신호를 통해 전자 접촉기(80)에 오프로 하는 신호를 전송한다.

그러면 전자 접촉기(80)는 도3의 ④에서 나타내는 바와 같이 오프되며(즉, t=T3), 정류기(60)를 통해 들어 온 전류는 충전저항(90)을 통해서 흐르게 된다.

상기와 같은 과정을 통해 단락으로 인하여 한쪽의 콘덴서에 과도하게 전압이 걸리는 것을 방지할 수 있다.

여기서, 인버터가 운전중이 아니고 정지상태라면 제어전원부(160)만이 동작하고, 만약 인버터가 운전중이라면 대부분 출력파워가 저항을 통해 입력되는 입력파워보다 크기 때문에 직류전압은 계속 떨어져서 인버터가 운전할 수 없는 전압까지 도달하게 되며, 이로 인해 인버터의 출력은 차단되어 인버터는 정지상태가 되고, 제어전원부(160)만 동작한다.

제어전원부(160)는 인버터가 정지상태에서도 계속 동작하기 때문에 직류부의 전력을 계속 소비하고 있다. 따라서, 이 소비전력의 전류가 충전저항(90)의 전압 강하를 일으키게 되고 따라서 콘덴서의 전압을 낮추게 하여 콘덴서가 폭발하지 않도록 한다.

또한, 단락이 생기지 않은 콘덴서에 정격 이상의 높은 전압이 걸려 콘덴서 내부의 전극간에 과전류가 흐르려 하지만 충전저항이 존재하기 때문에 전류가 제한되고 또한 이 전류로 인해 충전저항에 전압강하가 생겨서 콘덴서의 양단에 걸리는 전압도 줄어들게 된다. 즉, 과전압이 발생했던 콘덴서는 다시 전압이 내려가 과전압이 되지 않게 된다.

한편, 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 보호범위가 실시예에 의해 제한되는 것은 아니며, 이 분야의 기술자가 본 발명을 다른 외부 기기에 용이하게 이용할 수 있는 범위에도 적용될 수 있음을 첨언한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면 인버터 제어장치 내에 직렬로 연결된 직류 콘덴서 중의 하나에 단락이 발생해도 콘덴서 단락 검출부를 통해 콘덴서에 입력되는 입력전류를 제한할 수 있으며 콘덴서의 전압도 줄여서 콘덴서가 폭발하지 않도록 하는 효과가 있다.

본 발명의 다른 효과는, 이상에서 설명한 실시예 및 본 발명의 청구범위에 기재된 사항뿐만 아니라, 이들로부터 용이하게 추고할 수 있는 범위 내에서 발생될 수 있는 효과 및 산업발전에 기여하는 잠정적 장점의 가능성들에 의해 보다 넓은 범위로 포섭될 것임을 첨언한다.

도1은 종래의 인버터 제어장치의 구성도이다.

도2는 본 발명의 인버터 제어장치의 구성도이다.

도3은 본 발명의 동작설명을 위한 설명도이다.

(부호의 설명)

60 정류기 70 출력모듈

80 전자 접촉기 90 충전저항

100, 110 콘덴서 130 직류전압 검출기

150 전류 검출기 160 제어전원부

170 제어 연산부 180 펄스폭변조 발생부

190 콘덴서 단락 검출부

Claims (3)

1. 3상 전원으로부터 전력을 공급받아 직류전원으로 만드는 입력부와, 전동기를 구동하여 주는 출력부와, 입력부와 출력부의 전압과 전류를 제어하는 제어부와, 제어부에 전원을 공급하는 제어전원부로 구성된 인버터 제어장치에 있어서,

   상기 제어부는 입력부의 직류전압 검출기와 출력부의 출력전류 검출기로부터 각각 직류전압과 출력전류를 입력받아 사용자가 원하는 전압과 주파수로 제어하는 제어 연산부와, 출력모듈에 펄스폭변조의 게이트 신호를 출력하는 펄스폭변조 발생부와, 직류전압 검출기를 통해 직류전압에 급격한 변동이 발생하는지를 감시하는 콘덴서 단락 검출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 인버터 제어장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제어부의 콘덴서 단락 검출부는 직류전압의 소정시간에 대한 하강전압을 하강 기울기(dv/dt)로 검출하여 변동되는 하강 기울기 값보다 크면 전자접촉기의 여자신호를 오프로 하는 것을 특징으로 하는 인버터 제어장치.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 콘덴서 단락 검출부는 AD컨버터를 통해 직류전압 값을 검출하는 것을 특징으로 하는 인버터 제어장치.