KR20060121249A

KR20060121249A - 단상 유도 전동기의 시동 시스템

Info

Publication number: KR20060121249A
Application number: KR1020067012969A
Authority: KR
Inventors: 마르코스 길헤르메 스와르쯔
Original assignee: 월풀 에스.에이.
Priority date: 2003-12-11
Filing date: 2004-12-09
Publication date: 2006-11-28
Also published as: CN1890869A; WO2005057773A1; AU2004298075B2; ATE387748T1; EP1700374B1; AU2004298075A1; US20070164700A1; JP2007514394A; BR0305905A; DE602004012158D1; NZ548443A; DE602004012158T2; US7501785B2; JP4723510B2; KR101119549B1; CN100479319C; EP1700374A1

Abstract

러닝 코일(11) 및 시동 코일(12)을 구비하는 스테이터; 상기 러닝 코일(11) 및 시동 코일(12)에 전류를 공급하는 전원(F); 폐쇄 상태일 때 상기 러닝 코일(11)을 상기 전원(F)에 접속하는 러닝 스위치(S1); 폐쇄 상태일 때 상기 시동 코일(12)을 상기 전원(F)에 접속하는 시동 스위치(S2); 및 전동기의 시동 중에, 스테이터에 공급된 전류의 제로크로싱 순간으로부터 고려된 설정 시간 간격 동안, 시동 코일(12)에 공급된 전류에 대한 러닝 코일(11)에 공급된 전류의 지상이 발생하도록 상기 러닝 스위치(S1)를 작동시키도록 프로그램되어 있는 제어 유닛(30)을 포함하는 단상 유도 전동기의 시동 시스템.

단상, 유도, 전동기, 시동, 시스템

Description

단상 유도 전동기의 시동 시스템{STARTING SYSTEM FOR A SINGLE-PHASE INDUCTION MOTOR}

본 발명은 전동기, 특히 단상 유동 전동기에 사용되는 형식의 전자 시동 시스템에 관한 것이다.

단상 유도 전동기는 그 단순성, 강도 및 고성능에 기인되어 광범위하게 사용된다. 단상 유도 전동기는 냉장고, 냉동고, 에어컨, 밀폐형 압축기, 세탁기, 펌프, 팬과 같은 가전제품 및 복수의 산업분야에서 사용된다.

공지의 유도 전동기는 일반적으로 케이지형 로우터 및 러닝 코일(running coil)과 시동 코일의 2개의 권선을 가지는 코일 스테이터를 구비한다. 압축기의 정상 작동 중, 상기 러닝 코일에는 교류 전압이 인가되고, 시동 코일에는 시동 동작의 개시시에 임시로 인가되어 스테이터의 에어 갭 내에 회전 자계를 생성한다. 이것은 로터의 가속 및 전동기의 시동에 필요한 조건이다.

상기 회전 자계는 시동 코일에 러닝 코일 내에서 순환하는 전류에 대해 바람직하게 90도에 접근하는 각도로 시간 변위 된 전류를 공급함으로써 생성시킬 수 있다. 양 코일 내에서 순환하는 전류 사이의 시간 변위는 양 코일의 구조적인 특성에 의해 얻어지거나 양 코일 중 하나의 코일에 외부 임피던스를 직렬 연결함으로써, 그러나 일반적으로는 시동 코일에 직렬 연결함으로써 얻어진다. 상기 주 코일과 시동 코일의 전류 사이의 시간 변위를 형성하는데 가장 많이 사용되는 소자는 커패시터이다.

전동기의 시동 과정 중에 시동 코일을 통해 순환하는 전류의 값은 일반적으로 고전류이므로 전동기의 가속을 촉진하는데 필요한 시간이 경과 된 후에 전류를 차단할 수 있는 몇 종류의 스위치를 설치해 주어야 한다.

전동기가 회전동작 된 후, 러닝 코일에 의해 생성된 자장은 전동기에 의해 유도된 자장과 상호 작용하고, 전동기의 동작을 위한 필요 회전 장(turning field)을 유지한다.

전동기가 시동 코일과 직렬인 장치를 사용하지 않도록 설계된 경우, 즉 전류 사이의 시간 변위가 시동 코일의 구조적 특성에 의해 보장되지 않는 경우, 저항/리액턴스 비를 높게 하고, 그 결과로서 러닝 코일에 대한 전압과 전류 사이의 옵셋을 낮게 하기 위해, 일반적으로 코일 내에 얇은 컨덕터 및 소수의 권선을 설치한다.

이와 같은 기술의 단점은 시동 코일의 구조적인 관점을 변경하는 것만으로는 시동 코일 및 러닝 코일의 각 전류 사이의 시간 변위를 크게 달성시킬 수 없고, 그 결과 시동 중에 전동기의 토오크가 손상된다는 사실에 있다.

상기 기술은 극히 높은 시동 모멘트가 불필요한 부하가 가해지고, 따라서 로우터가 저지(blocked)된 상태에서 토오크가 높지 않아도 부하를 가속시킬 수 있는 전동기에 일반적으로 적용되는 기술이다. 상기 전동기는 시동 코일에 추가의 요소를 연결할 필요가 없으므로 제조비용이 저렴한 장점은 있다.

전동기를 정지상태로부터 가속시키는 다른 방법은 보조 코일에 직렬배치된 고용량의 커패시터, 통상 전동기의 치수에 따라 40F 내지 300F의 용량의 커패시터를 이용하는 것이다. 고용량의 커패시터를 사용하면 시동 코일의 전류가 주 코일의 전류에 비해 약 90도 진상(advanced) 되고, 시동 토오크는 코일에 다른 요소들을 직렬 연결하지 않은 전동기에 비해 높은 값에 도달한다. 시동 커패시터의 사용에 관련된 문제점은 부품비가 고가이고, 커패시터의 사용 수명이 비교적 짧고, 최종 완제품의 부품 수가 증가하는 것이다.

따라서, 본 발명의 목적은 커패시터를 사용하지 않고 전동기의 시동 토오크를 증대시킬 수 있는 단상 유도 전동기의 시동 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 가속 중 전동기에 의해 공급되는 최대 토오크를 증대시키는 전술한 시동 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 시동 기간 및 가속 기간 중 전동기의 전력 소모를 감소시키는 전술한 시동 시스템을 제공하는 것이다.

상기 목적 및 기타의 목적은 러닝 코일 및 시동 코일을 구비하는 스테이터; 상기 러닝 코일 및 시동 코일에 전류를 공급하는 전원; 폐쇄 상태일 때 상기 러닝 코일을 상기 전원에 접속하는 러닝 스위치; 폐쇄 상태일 때 상기 시동 코일을 상기 전원에 접속하고, 전동기의 시동의 종료시 개방 상태가 되는 시동 스위치; 및 상기 전원에 의해 급전됨과 동시에 개방 상태 및 폐쇄 상태를 지령하도록 상기 러닝 스위치 및 시동 스위치에 동작 가능하게 접속된 제어 유닛을 포함하는 단상 유도 전동기용 시동 시스템에 있어서, 상기 제어 유닛은, 전동기의 시동 중에, 스테이터에 공급된 전류의 제로크로싱 순간으로부터 고려된 설정 시간 간격 동안, 시동 코일에 공급된 전류에 대한 러닝 코일에 공급된 전류의 지상이 발생하도록 상기 러닝 스위치를 작동시키도록 프로그램되어 있는 것을 특징으로 하는 단상 유도 전동기용 시동 시스템에 의해 달성된다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 대해 설명한다.

도 1은 본 발명에 따라 구성된 시동 시스템의 일 실시예의 도식도이고;

도 2는 본 발명에 따라 전동기의 시동 중에 상호 시간 변위 된 시동 코일 및 러닝 코일의 변조 전압 및 변조 전류의 도식도이고;

도 3은 종래의 시동 시스템과 본 발명의 시동 시스템의 시동시의 전동기의 가속 곡선의 도식도이고;

도 4는 종래의 시동 시스템과 본 발명의 시동 시스템의 전동기의 가속 중에 얻어진 전력 곡선의 도식도이다.

본 발명의 단상 유도 전동기용 시동 시스템은 교류 전원(F)이 인가되는 러닝 코일(11)과 시동 코일(12)을 구비하는 스테이터를 구비하는 전동기(10)에 관련하여 설명한다. 상기 러닝 코일(11)과 시동 코일(12)은 각각 폐쇄 상태일 때의 러닝 스위치(S1)와 시동 스위치(S2)를 통해 전원(F)에 접속되고, 상기 시동 스위치(S2)는 전동기의 시동 완료시 개방되어 시동 코일(12)에의 통전을 차단한다.

상기 시동 시스템은 또 전동기(10)의 러닝 코일(11)과 시동 코일(12)을 통해 순환하는 전류를 측정하기 위해 전원(F)과 스테이터 사이에 직렬연결된 전류 센서(20)를 구비한다. 상기 전류 센서(20)는 전원(F)이 인가되는 제어 유닛(30)에 접속되어 있고, 상기 제어 유닛(30)은 러닝 스위치(S1) 및 시동 스위치(S2)에 접속되어 전류 센서에 의해 검출된 동작 상태의 함수로서 상기 양 스위치의 온오프(opening and closing)를 지령한다.

상기 러닝 스위치(S1) 및 시동 스위치(S2)는 전기기계식 접점이나 예를 들면 트라이액과 같은 교류 정지형 반도체 스위치(AC static semi-conductor switche)로구성할 수 있다. 본 발명에 따르면 적어도 하나의 러닝 스위치(S1)는 트라이액 형식의 반도체로 구성한다.

본 실시예에 있어서, 전동기(10)의 러닝 코일(11)의 러닝 스위치(S1)의 변조를 제어할 수 있도록 하기 위해, 전류 센서(20)는 전류의 제로 크로싱(zero-cross) 순간마다 제어 유닛(30)에 정보를 제공한다.

단상 유도 전동기의 일반적인 시동 토오크 생성방법은 러닝 코일(11) 내의 통전 전류에 대해 시동 코일(12) 내의 통전 전류의 위상을 진상하는 수단으로 구성된다. 따라서, 상기 시간 변위를 보장하도록 전동기를 제작하거나, 전술한 바와 같이 시동 위상 시 시동 코일(12)과 직렬로 커패시터를 설치한다.

본 발명은 러닝 스위치(S1)로서 작용하는 트라이액의 트리거 각(triggering angle)을 제어함으로써 시동 중에 전동기(10)의 러닝 코일(11) 내의 통전 전류를 지상(delaying) 시키는 것으로 구성된다.

본 발명에 따라, 상기 제어 유닛(30)은, 전동기의 시동 중에, 스테이터에 공급된 전류의 제로크로싱 순간으로부터 고려된 설정 시간 간격 동안, 시동 코일(12)에 공급된 전류에 대한 러닝 코일(11)에 공급된 전류의 지상(delay)이 발생하도록 상기 러닝 스위치(S1)를 작동시키도록 프로그램되어 있다.

본 실시예에 있어서, 러닝 코일(11) 및 시동 코일(12) 중의 적어도 하나의 코일의 공급 전류가 제로에 도달할 때마다 상기 제어 유닛(30)은 러닝 스위치(S1)에 개방을 지령하고, 소정의 시간 동안 이 상태를 유지한 다음, 제어 유닛(30)은 러닝 스위치(S1)에 폐쇄를 지령한다.

도 2는 전동기의 시동 시간 중에 러닝 코일(11)에 인가된 전압의 파형도이다. 러닝 스위치(S1)로서 작용하는 트라이액은 소정의 순간에 트리거(trigger)되고, 순환 전류의 소실시 게이트에 인가된 신호가 없는 경우, 러닝 스위치(S1)로서 작용하는 트라이액은 공지의 자동스위칭 상태인 개방 상태로 복귀한다. 다음에, 상기 제어 유닛(30)은 게이트 단자에 새로운 신호를 인가함과 동시에 러닝 스위치(S1)로서 작용하는 트라이액을 재트리거(re-trigger) 시키기 위해 전류 센서(20)에 의해 검출되는 러닝 코일(11)과 시동 코일(12) 중의 하나를 통전하는 전류의 제로 크로싱에 관련하여 측정되는 시간(t) 동안 대기한다.

러닝 스위치(S1)로서 작용하는 트라이액의 트리거링이 지연된 결과, 러닝 코일(11)을 순환하는 전류는 도 2에 도시된 형태를 가지게 된다. 도 2는 변위(shifting)의 결과로서 얻어진 전류는 러닝 스위치(S1)로서 작용하는 트라이액의 제어가 없는 전류에 비해 지상(delay) 되는 것을 보여준다. 상기 러닝 코일(11)의 전류가 변조되지 않는 원래의 상태보다 지상 되면, 러닝 스위치(S1)에 대응하는 트라이액의 트리거 지연 상태가 증가함에 따라 전동기(10)의 시동 및 가속상태도 증가한다. 즉, 러닝 코일(11)의 전류를 지상 시키면 시동 코일(12) 내의 전류의 진상(advance)과 유사한 효과가 얻어진다.

반면에 러닝 코일(11)에 공급된 유효 전류는 트리거 각도가 증대하면 감소한다. 따라서, 토오크의 증대시키기 위한 러닝 스위치(S1)에 대응하는 트라이액의 변위의 지연을 위한 최대 점이 존재한다. 이 트라이액의 트리거링을 위한 이상적인 지연은 전동기(10)의 시동 중 러닝 코일(11)의 특성 인덕턴스 및 거동에 의존하고, 시동 중에 가능한 최대 토오크에 도달하기 위해 전동기(10)의 구조적인 특성에 따라 조절된다. 상기 러닝 코일(11)에의 급전 지연은 예를 들면 최대 90도로 한다.

도 3은 본 발명과 보조 시동 요소가 없는 종래의 시동 시스템의 가속 중의 토오크 곡선을 도시한 것이다.

러닝 코일(11)에 공급되는 전류가 트리거 제어가 없는 상황에 비해 크게 감소하므로 본 발명의 시동 및 가속 중인 전동기(10)가 소비하는 전력은 전력 시스템으로부터 직접 수행되는 시동에 비해 감소한다.

도 4는 가속 중의 전동기에 의해 소모되는 전력의 비교 곡선도이다. 가속시 토오크 곡선의 증가 함수로서 부하는 더욱 신속히 가속되고, 그 결과 시동 시간이 단축되고 시동에 관련된 에너지 소모가 감소한다.

전동기(10)의 소정의 시동 시간이 종료하면, 시동 코일(12)의 급전에 관련되는 시동 스위치(S2)에 대응하는 트라이액에는 개방 상태를 유지하도록 하는 지령이 가해지고, 러닝 코일(11)의 급전에 관련되는 트라이액에는 전도(conduction) 지연이 없는 상태에서 전원(F)과 러닝 코일(11) 사이의 접속을 유지하도록 하는 지령이 가해진다. 즉 시동의 완료시, 전원 시스템의 전압은 전동기(10)의 러닝 코일(11)에 직접 인가되고, 그 결과 정상 동작시간 중에 전동기(10) 내의 최대 전압 및 토오크를 보장한다.

Claims

러닝 코일(11) 및 시동 코일(12)을 구비하는 스테이터; 상기 러닝 코일(11) 및 시동 코일(12)에 전류를 공급하는 전원(F); 폐쇄 상태일 때 상기 러닝 코일(11)을 상기 전원(F)에 접속하는 러닝 스위치(S1); 폐쇄 상태일 때 상기 시동 코일(12)을 상기 전원(F)에 접속하고, 전동기의 시동의 종료시 개방 상태가 되는 시동 스위치(S2); 및 상기 전원(F)에 의해 급전됨과 동시에 개방 상태 및 폐쇄 상태를 지령하도록 상기 러닝 스위치(S1) 및 시동 스위치(S2)에 동작 가능하게 접속된 제어 유닛(30)을 포함하는 단상 유도 전동기용 시동 시스템에 있어서, 상기 제어 유닛(30)은, 전동기의 시동 중에, 스테이터에 공급된 전류의 제로크로싱 순간으로부터 고려된 설정 시간 간격 동안, 시동 코일(12)에 공급된 전류에 대한 러닝 코일(11)에 공급된 전류의 지상이 발생하도록 상기 러닝 스위치(S1)를 작동시키도록 프로그램되어 있는 것을 특징으로 하는 단상 유도 전동기용 시동 시스템.
제1항에 있어서, 시동 코일(12)의 공급 전류가 제로에 도달하는 매 순간마다, 상기 제어 유닛(30)은 상기 러닝 스위치(S1)의 개방을 지령하고, 이 개방 상태가 소정의 시간 동안 유지된 후, 상기 제어 유닛(30)은 상기 러닝 스위치(S1)의 폐쇄를 지령하는 것을 특징으로 하는 단상 유도 전동기용 시동 시스템.
제1항에 있어서, 상기 러닝 코일(11)에의 급전 지연은 최대 90도인 것을 특 징으로 하는 단상 유도 전동기용 시동 시스템.
제1항에 있어서, 상기 전원(F)과 스테이터 사이에 접속됨과 동시에 상기 제어 유닛(30)에 동작이 가능하게 접속된 전류 센서(20)를 포함하고, 이 전류 센서(20)는 상기 스테이터에 공급된 전류가 제로에 도달할 때마다 상기 제어 유닛(30)에 정보를 제공하는 것을 특징으로 하는 특징으로 하는 단상 유도 전동기용 시동 시스템.
제1항에 있어서, 적어도 상기 러닝 스위치(11)는 반도체인 것을 특징으로 하는 단상 유도 전동기용 시동 시스템.
제5항에 있어서, 상기 러닝 스위치(11)는 트라이액인 것을 특징으로 하는 단상 유도 전동기용 시동 시스템.
제1항에 있어서, 소정의 시간 간격(t)이 상기 전동기(10)의 구조적인 특징의 함수로서 사전에 설정되는 것을 특징으로 하는 단상 유도 전동기용 시동 시스템.