KR20060117551A - 유도전동기의 인버터 제어 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유도전동기가 회전되고 있는 상태에서 인버터를 재기동시킬 때 인버터에서 유도전동기의 회전 속도에 상응하는 전압 및 주파수를 출력하여 인버터에 무리가 가지 않게 하는 기술에 관한 것이다. 이러한 본 발명은, 주파수 제어부 및 V/F 전압출력기의 출력을 입력받아, 전동기에 흐르는 전류를 이용하여 출력 전압을 제어하는 전압 제어부와; 목표 주파수와 전동기의 여자 전류를 이용하여 출력 주파수를 제어하는 주파수 제어부와; 출력전압을 이용하여 생성한 최소 주파수와 상기 주파수 제어부에 의해 생성된 주파수를 비교하여 최종 출력 주파수를 결정하는 주파수 선택기와; 상기 주파수 제어부에서 출력되는 주파수에 상응되는 전압을 출력하는 V/F 전압출력기에 의해 달성된다.

Description

유도전동기의 인버터 제어 장치{INVERTER CONTROL APPARATUS FOR INDUCTION MOTOR}

도 1a는 순시 정전시 동작서치 구간을 나타낸 그래프.

도 1b는 상용전원 절체시 동작서치 구간을 나타낸 그래프.

도 1c는 회전중인 전동기의 기동시 동작서치 구간을 나타낸 그래프.

도 2a는 본 발명에 의한 유도전동기의 인버터 제어 장치의 블록도.

도 2b는 본 발명에 의한 유도전동기의 인버터 제어 장치의 다른 실시예의 블록도.

도 3는 도 2a에서 전압 제어부의 상세 블록도.

도 4는 현재 흐르는 전류와 설정된 정격전류에 따른 전압 상승률 선택 그래프.

도 5는 도 2a에서 주파수 제어부의 상세 블록도.

도 6은 본 발명의 동작 영역을 나타낸 그래프.

도 7은 제어모드 및 회전 방향에 대한 설명도.

도 8의 (a)는 정방향 회전 중 정방향 플라잉 스타트에 대한 실험 결과 표.

도 8의 (b)는 역방향 회전 중 정방향 플라잉 스타트에 대한 실험 결과 표.

***도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명***

21 : 전압 제어부 22 : 주파수 제어부

22A : 주파수 선택기 23 : V/F전압 출력기

본 발명은 인버터 제어방식의 유도전동기에서 인버터를 재기동하는 기술에 관한 것으로, 특히 인버터에서 유도전동기의 회전 속도에 상응하는 전압 및 주파수를 출력하여 인버터에 무리가 가지 않게 하면서 유도전동기를 구동시킬 수 있도록 한 유도전동기의 인버터 제어 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 인버터로 유도전동기(이하, "전동기"라 칭함)를 구동하는 시스템에서, 여러 가지 이유로 인하여 전동기가 회전되고 있는 상태(예: 순시 정전, 고장 후 재기동, 동일 부하에 전동기를 병렬로 연결한 경우 등)에서 인버터를 기동하여야 하는 경우가 종종 발생된다. 이와 같은 경우, 인버터에서 전동기의 현재 회전 속도에 해당하는 전압 및 주파수를 출력해야만 그 인버터에 무리가 가지 않는다.

도 1a-도 1c는 속도 서치 기능이 적용되는 구간을 나타낸 것으로, 도 1a는 순시 정전시, 도 1b는 상용전원 절체시, 도 1c는 회전중인 전동기의 기동시 동작서치 구간을 나타낸 그래프이다.

종래의 전동기에 있어서는 전압 제어방식으로 인버터의 출력 주파수는 일정 목표 주파수를 유지하게 하면서 인버터의 출력전압이 일정 가속시간에 목표 전압에 도달되게 하는 방식을 사용하였다. 또 다른 방식은 출력 전류를 이용하여 출력 주파수를 제어하는 방식인데, 이 방식은 출력 전압의 증가치가 전동기에 흐르는 실제 전류량에 의해 결정되기 때문에 외부에서 가속시간을 별도로 설정할 필요가 없으며, 어떠한 상황이라도 최적으로 전압이 상승하여 목표 전압에 도달한다.

그러나, 이와 같은 종래 전동기의 인버터 제어 기술에 있어서는 주파수를 일정하게 하고 전압만 가변시키는 방식이므로 다음과 같은 문제점이 있었다. 또한 실제 전류를 이용하여 전압을 가변하는 방식은 전압조정 방식보다 발전된 방식이지만 현재까지는 제어모드가 전압/주파수(V/F)모드일 때에만 적용 가능한 제한이 있었다.

첫째, 가속시간을 부하에 알맞게 사용자가 직접 설정하여야 한다. 관성(Inertia)이 큰 부하에서 가속시간이 짧으면 과부하 트립이 발생하고, 부하가 큰 상태에서 가속 시간이 길어지면 전동기의 속도는 0까지 떨어진다.

둘째, 부하가 큰 경우 기동이 안된다. 부하가 큰 경우 전동기에 인가되는 주파수는 목표 주파수이기 때문에 전동기 슬립이 0에 가까워 전동기의 발생 토오크가 적어 기동이 안된다.

셋째, 목표 주파수가 현재 전동기 운전속도에 비해 낮은 경우 회생영역이므로 단순 전압만을 이용하여 운전되지 않는다.

넷째, 제어모드가 전압/주파수(V/F)모드가 아닌 센서리스(Sensorless) 모드에서는 동작하지 않는다.

따라서, 본 발명의 목적은 통상의 속도서치 알고리즘이 단순히 전압만을 이용하여 구현되어 발생되는 문제점과, 이를 개선했던 알고리즘을 V/F 모드 뿐만 아니라 센서리스 모드에서도 모두 원활하게 동작하도록 하여 어떠한 상황에서도 인버터에 무리가 가지 않은 상태에서 전동기를 구동하는 인버터 제어장치를 제공함에 있다.

도 2a는 본 발명에 의한 유도전동기의 인버터 제어 장치의 일실시 구현예를 나타낸 블록도로서 이에 도시한 바와 같이, 주파수 제어부(22) 및 V/F 전압출력기(23)의 출력을 입력받아, 전동기에 흐르는 전류를 이용하여 출력 전압을 제어하는 전압 제어부(21)와; 목표 주파수와 전동기의 여자 전류를 이용하여 출력 주파수를 제어하는 주파수 제어부(22)와; 출력전압을 이용하여 생성한 최소 주파수와 상기 주파수 제어부(22)에 의해 생성된 주파수를 비교하여 최종 출력 주파수를 결정하는 주파수 선택기(22A)와; 상기 주파수 제어부(22)에서 출력되는 주파수에 상응되는 전압을 출력하는 V/F 전압출력기(23)로 구성한 것으로, 이와 같이 구성한 본 발명의 작용을 첨부한 도 3 내지 도 8을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

전압제어부(21)에서는 전동기에 흐르는 전류를 이용하여 출력 전압을 제어하는 역할을 수행하는데 도 3을 참조하여 이의 작용을 좀더 상세히 설명하면 다음과 같다.

가산기(31)에서 전동기의 정격전류와 검출전류의 차 값이 구해지고, 그 차 값은 상수 곱셈기(32)에서 상수 K와 곱해진다. 상기 상수 K가 곱해진 주파수와 이미 결정된 출력전압에 해당하는 최소 주파수(F1)가 다음 단의 가산기(33)에서 더해진 후 V/F 전압출력기(34)를 통해 그 주파수에 비례하는 전압으로 출력된다.

출력전압은 0부터 목표전압까지 상승하는데, 현재 전동기에 흐르는 전류값이 설정된 정격전류값에 비하여 일정치 이하인 경우에는 전압 상승값을 적게하여 최단시간에 목표전압에 도달되도록 한다.(도 4 참조)

주파수 제어부(22)에서는 목표 주파수와 전동기의 여자 전류를 이용하여 출력 주파수를 제어하는 역할을 수행하는데, 이의 작용을 도 5를 참조하여 좀더 상세히 설명하면 다음과 같다.

가산기(51)에서 전동기의 여자전류 기준치와 여자전류 검출치의 차 값이 구해지고, 이는 비례적분 제어기(52)를 통해 비례적분된다. 상기 비례적분 제어기(52)의 출력 주파수가 가산기(53)에서 목표 주파수와 더해진 후 주파수 변환부(54)를 통해 출력된다.

즉, 출력주파수는 목표 주파수를 시작으로 전동기에 흐르는 d축 성분전류값(여자전류)이 기준전류값 이상이면 주파수를 감소시켜 전동기의 속도를 추정하도록 하고, d축 성분 전류값이 기준전류값 이하로 되면 다시 출력 주파수를 증가시키게 된다.

상기 주파수 제어부(22)의 내부에 장착된 주파수 선택기(22A)에서는 출력전압을 이용하여 생성한 최소 주파수와 주파수 제어부(22)에 의해 생성된 주파수를 비교하여 최종 출력 주파수를 결정한다.

일반적으로, 유도전동기는 전압/주파수(V/F) 비율이 일정(예: 60Hz : 220V)하므로 그 이상의 전압(예: 60Hz : 300V)이 인가되면 전동기가 소손되거나 인버터에 과전류가 흐르게 된다.

따라서, 본 발명에서는 이를 감안하여 상기 전압제어부(21)에서 구한 전압을 근거로 최소 출력 주파수를 결정하고, 상기 주파수 제어부(22)의 출력 주파수가 기 설정된 최소 주파수 이하로 하강되면 최종 출력 주파수는 전압 제어부(21)에서 결정된 최소 주파수가 출력되도록 하였다.

일반적으로, 상기 최소 주파수는 V/F 제어방식에서 사용되는 V/F 비율을 이용하여 결정하게 된다.

도 6은 본 발명에 의한 인버터 제어 장치의 동작 주파수 영역을 나타낸 것이고, 도 7은 본 발명에 의한 제어모드 및 회전 방향에 관한 그래프로서 전동기의 회전 방향이 반대인 경우 또는 V/F 제어의 오토 토크(Auto Torque) 및 센서리스 제어 모드에서 플라잉 스타트(Flying Start) 기능을 사용할 수 있다.

도 8의 (a)는 정방향 회전 중 정방향 플라잉 스타트에 대한 실험 결과를 나타낸 것이고, 도 8의 (b)는 역방향 회전 중 정방향 플라잉 스타트에 대한 실험 결과를 나타낸 것이다.

한편, 도 2b는 본 발명의 다른 실시예를 나타낸 것으로, 도 2a와 전반적인 동작 원리는 유사하다. 하지만, 도 2a는 제어모드가 V/F인 경우 오토 토크 부스트(Auto Torque Boost)를 사용할 때 적용되도록 한 것에 비하여, 도 2b는 제어모드가 센서리스(Sensorless) 모드인 경우 전압 제어부(21A)에 오픈 루프 제어 대신 클로즈 루프 제어에 대한 변환 알고리즘이 적용된 것이 다른 점이다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 전동기가 회전되고 있는 상태에서 인버터를 기동시킬 때 인버터에서 유도전동기의 회전 속도에 상응하는 전압 및 주파수를 출력하도록 함으로써, 인버터에 무리가 가지 않게 하면서 유도전동기를 구동시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 주파수 제어부 및 V/F 전압출력기의 출력을 입력받아, 전동기에 흐르는 전류를 이용하여 출력 전압을 제어하는 전압 제어부와;

   목표 주파수와 전동기의 여자 전류를 이용하여 출력 주파수를 제어하는 주파수 제어부와;

   출력전압을 이용하여 생성한 최소 주파수와 상기 주파수 제어부에 의해 생성된 주파수를 비교하여 최종 출력 주파수를 결정하는 주파수 선택기와;

   상기 주파수 제어부에서 출력되는 주파수에 상응되는 전압을 출력하는 V/F 전압출력기로 구성한 것을 특징으로 하는 유도전동기의 인버터 제어 장치.
2. 제1항에 있어서, 전압 제어부는 전동기의 정격전류와 검출전류의 차 값을 구하는 제1가산기와; 상기 차 값에 상수 K를 곱하는 상수 곱셈기와; 상기 상수 K가 곱해진 주파수와 이미 결정된 출력전압에 해당하는 최소 주파수를 더하는 제2가산기와; 상기 제2가산기의 출력주파수에 대응되는 전압을 출력하는 V/F 전압출력기로 구성된 것을 특징으로 하는 유도전동기의 인버터 제어 장치.
3. 제1항에 있어서, 주파수 제어부는 전동기의 여자전류 기준치와 여자전류 검출치의 차 값을 구하는 제1가산기와; 상기 제1가산기의 출력값을 비례적분하는 비례적분 제어기와; 상기 비례적분 제어기의 출력 주파수를 목표 주파수와 더하는 제2가 산기를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 유도전동기의 인버터 제어 장치.
4. 제1항에 있어서, 주파수 선택기는 상기 주파수 제어부 내에 설치된 것을 특징으로 하는 유도전동기의 인버터 제어 장치.

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