KR20090100654A - 인버터 제어장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 인버터 제어장치에 관한 것으로서, 인버터의 정격 전류와 인버터의 출력 전류를 이용하여 속도 추종 주파수를 구하고, 속도 추종 주파수에 비례하는 전압을 출력하는 전압 제어부와, 인버터의 정격 전류 및 출력 전류의 차에 해당하는 주파수를 일정한 기울기로 감소시켜 기준 주파수를 구하고, 기준 주파수 및 인버터가 도달하고자하는 목표 주파수의 차에 해당하는 주파수 값과 속도 추종 주파수 값을 비교하여 최종 주파수를 출력하는 주파수 제어부로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 인버터의 플라잉 스타트 시 비례 적분 제어기 없이 속도 추종을 할 수 있고, 디씨 링크 전압을 관찰하여 디씨 링크 전압이 기설정된 값을 초과하면 인버터의 감속되는 기울기를 일정하게 유지함으로써, 인버터의 과전류 및 과전압 트립을 방지할 수 있다.

인버터, 속도 추종, 프리 런, 플라잉 스타트, 전압, 주파수

Description

인버터 제어장치{ Apparatus for controlling inverter }

본 발명은 인버터 제어 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 인버터의 플라잉 스타트시 비례 적분 제어기를 사용하지 않고 속도 추정을 하는 인버터 제어 장치에 관한 것이다.

교류 전동기를 구동하는 가변속 전동기 구동 장치(이하, '인버터'라 한다)는 상용 전원(예를 들어, AC 220V 또는 AC 440V)의 전력을 입력받아 전력 변환을 통하여 출력 전압 및 출력 주파수를 변환시켜 전동기에 공급함으로써, 전동기 속도 및 토크를 고 효율로 제어하는 장치를 말한다.

상기 인버터를 이용하여 전동기를 구동하는 시스템에서, 여러 가지 이유로 인하여 전동기가 회전하고 있는 상태에서 인버터를 재기동하여야하는 경우가 종종 발생한다.

예를 들어, 순간 정전과 같이 상용 전원이 차단되어 전동기가 프리-런(Free-Run)하는 도중에 상용 전원이 다시 입력되어 인버터가 재동작하는 경우가 있는데, 이를 플라잉 스타트(Flying Start)라 한다.

이때, 인버터에는 과도한 전류가 발생하고 이로 인해 소음을 포함한 억제 상황이 야기되며, 심한 경우 인버터의 파워 소자가 소손되는 문제가 발생하기도 한다. 따라서 이러한 상황을 방지할 수 있는 방안이 필요하다.

이와 같이 전동기가 프리-런하는 중에 재기동하는 경우, 인버터에서 전동기의 현재 회전 속도에 해당하는 전압 및 주파수를 출력해 주어야 인버터에 무리가 가지 않게 된다.

여기서, 교류 입력 전원의 순시 정전시 또는 전동기가 프리 런하고 있는 상태에서, 인버터에 무리가 가지 않도록 출력 전압 및 출력 주파수를 조절하여 전동기를 원하는 속도로 회전하게 하는 방법을 속도 추종(Speed Search) 방법이라 한다.

도 1은 종래의 속도 추종 방법에 있어서, 출력 전압을 생성하는 제어 블록을 나타낸 도면이다.

이에 도시된 바와 같이, 제1 가산기(10)에서 전동기의 정격 전류 값과 검출 전류 값의 차를 구하면, 곱셈기(11)에서 상기 정격 전류 값과 검출 전류 값의 차에 상수 K를 곱한다.

다음으로, 제2 가산기(12)에서 상기 곱셈기(11)에서 출력된 주파수 값에 기결정된 출력 전압에 해당하는 최소 주파수(F1)를 더한다.

이어서, V/F 전압 출력기(13)는 상기 제2 가산기(12)가 출력하는 주파수에 비례하는 전압을 출력한다.

여기서, 출력 전압은 0부터 목표 전압까지 상승하는데, 현재 전동기에 흐르는 전류 값이 기설정된 정격 전류 값의 일정치 이하인 경우, 전압 상승 값을 작게 하여 최단 시간에 목표 전압에 도달하도록 한다.

도 2는 종래의 속도 추종 방법에 있어서, 출력 주파수를 생성하는 제어 블록을 나타낸 도면이다.

이에 도시된 바와 같이, 제1 가산기(20)에서 전동기의 여자 전류 기준 값과 여자 전류 검출 값의 차를 구하면, 비례 적분(PI) 제어기(21)는 상기 여자 전류 기준 값과 여자 전류 검출 값의 차를 비례 적분하여 출력한다.

다음으로, 제2 가산기(22)는 상기 비례 적분(PI) 제어기(21)가 출력하는 주파수와 목표 주파수를 더한다.

이어서, 주파수 선택기(23)는 상기 제2 가산기(22)에서 출력되는 주파수와 기결정된 출력 전압에 해당하는 최소 주파수(F1)를 비교하여 출력 주파수를 생성한다.

즉, 목표 주파수를 시작으로 전동기에 흐르는 d축 성분 전류 값(여자 전류)이 기준 전류 값 이상이면 출력 주파수를 감소시켜 전동기의 속도를 추종하도록 하고, d축 성분 전류 값이 기준 전류 값 이하로 되면 다시 출력 주파수를 증가시킨다.

그러나, 이런 방법은 비례 적분(PI) 제어기를 이용하게 되는데, 이때 비례 적분 제어기 내에서 계산하는 도중, 절단(Truncation)이 발생하여 실제 속도 써치를 하는데 몇 가지 문제가 발생하게 된다.

즉, 기존의 속도 추종 방법을 사용하면, 인버터 용량에 따라 비례 적분 제어기의 게인(Gain) 값이 달라져서 속도 써치를 하는데 많은 시간이 걸리는 문제점이 있다.

그리고, 인버터 용량에 의한 부하의 크기에 따라 속도 써치 구간에서 과전류 및 과전압 트립(Over Voltage Trip) 등과 같은 문제점이 발생할 수 있다.

본 발명의 목적은 인버터의 플라잉 스타트시 비례 적분 제어기를 사용하지 않고, 인버터의 과전류 및 과전압 트립이 발생하지 않도록 하는 인버터 제어 장치를 제공하는 데 있다.

상기 문제점을 해결하기 위해 고안된 본 발명의 인버터 제어장치의 바람직한 실시예는, 인버터의 정격 전류와 상기 인버터의 출력 전류를 이용하여 속도 추종 주파수를 구하고, 상기 속도 추종 주파수에 비례하는 전압을 출력하는 전압 제어부와, 상기 인버터의 정격 전류와 출력 전류의 차에 해당하는 주파수를 일정한 기울기로 감소시켜 기준 주파수를 구하고, 상기 기준 주파수 및 상기 인버터가 도달하고자하는 목표 주파수의 차에 해당하는 주파수 값과 상기 속도 추종 주파수 값을 비교하여 최종 주파수를 출력하는 주파수 제어부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 전압 제어부는, 상기 인버터의 정격 전류와 상기 인버터의 출력 전류의 차를 구하는 제1 가산기와, 상기 정격 전류와 출력 전류의 차 값에 상수 K를 곱하여 기준 주파수를 출력하는 곱셈기와, 상기 곱셈기가 출력하는 기준 주파수와 상기 인버터가 도달하고자하는 목표 주파수의 차를 계산하여 속도 추종 주파수를 출력하는 제2 가산기와, 상기 속도 추종 주파수에 비례하는 전압을 출력하는 V/F 전압 출 력기를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 전압 제어부는, 상기 인버터의 디씨 링크(DC Link) 전압 값이 기 설정된 값을 초과하는지 여부를 비교하는 비교기를 더 포함하여 이루어지며, 상기 인버터의 디씨 링크(DC Link) 전압 값이 기 설정된 값을 초과하면, 인버터의 감속되는 기울기를 그대로 유지하도록 하는 전압을 출력하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 주파수 제어부는, 상기 인버터의 정격 전류와 상기 인버터의 출력 전류의 차를 구하는 제1 가산기와, 상기 정격 전류와 출력 전류의 차에 해당하는 주파수를 일정한 기울기로 감소시켜 기준 주파수를 출력하는 주파수 감속기와, 상기 주파수 감속기가 출력하는 기준 주파수와 상기 인버터가 도달하고자하는 목표 주파수의 차를 구하는 제2 가산기와, 상기 기준 주파수와 목표 주파수의 차에 해당하는 주파수와 상기 속도 추종 주파수를 비교하여 최종 주파수를 출력하는 주파수 선택기를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

여기서 상기 주파수 감속기는, 상기 정격 전류와 출력 전류의 차에 해당하는 주파수를 델타 주파수(Delta Frequency)의 기울기로 감소시키는 것을 특징으로 한다.

그리고 상기 주파수 선택기는, 상기 기준 주파수와 목표 주파수의 차에 해당하는 주파수 및 상기 속도 추종 주파수 중 큰 주파수를 최종 주파수로 출력하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 인버터의 플라잉 스타트 시 비례 적분 제어기가 없이도 속도 추종을 할 수 있으며, 인버터의 감속 시간 동안 디씨 링크 전압을 관찰하여 디씨 링크 전압이 기설정된 값을 초과하면 인버터의 감속되는 기울기를 일정하게 유지함으로써, 인버터의 과전류 및 과전압 트립을 방지할 수 있다.

이하, 도 3 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 인버터 제어 장치에 대해 상세히 설명한다.

본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 3은 본 발명의 순시 정전시 시간에 따른 전동기의 속도를 나타낸 그래프이다.

이에 도시된 바와 같이, 정상적인 전압/주파수 제어를 통해 운전을 하다가 순시 정전이 일어나면, 전동기는 프리 런(Free-Run) 동작을 하게 되고, 이후 속도 추종 방법을 통해 속도 써치를 완료하면, 일반 가속 모드로 절환하여 정상적인 운 전을 하게 된다.

도 4는 본 발명의 속도 추종 방법에 있어서, 출력 전압을 생성하는 방법을 나타낸 제어 블록도이다.

이에 도시된 바와 같이, 제1 가산기(100)를 통하여 인버터의 정격 전류와 인버터의 출력 전류의 차를 구한다. 즉, 인버터에서 출력되는 전류를 검출한 후, 검출된 전류와 인버터의 정격 전류와의 차를 구한다.

다음으로, 곱셈기(110)는 상기 정격 전류와 출력 전류의 차이에 상수(K)를 곱하여 기준 주파수를 출력한다.

이어서, 제2 가산기(120)는 상기 기준 주파수와 목표 주파수의 차이를 계산하여 속도 추종 주파수를 출력한다.

연이어, V/F 전압 출력기(130)는 상기 속도 추종 주파수에 비례하는 전압을 출력한다.

한편, 본 발명에서는 인버터의 과전류 및 과전압 트립을 방지하기 위해, 인버터의 감속 시간 동안 비교기(미도시)를 통해 디씨 링크(DC-Link) 전압 값을 관찰하여 디씨 링크 전압 값이 기 설정된 값보다 커지면, 인버터의 감속되는 기울기를 그대로 유지한다.

즉, 인버터의 감속 시간 동안 디씨 링크 전압 값이 기 설정된 값보다 크게 되면, 인버터의 감속되는 기울기를 그대로 유지함으로써 전동기가 프리-런하는 상태에서 인버터를 동작시킬 때 발생하는 인버터 과전류를 억제한다.

도 5는 본 발명의 속도 추종 방법에 있어서, 출력 주파수를 생성하는 방법을 나타낸 순서도이다.

이에 도시된 바와 같이, 제1 가산기(200)를 통하여 인버터의 정격 전류와 인버터의 출력 전류의 차이를 구한다. 즉, 인버터에서 출력되는 전류를 검출한 후, 검출된 전류와 인버터의 정격 전류와의 차를 구한다.

본 발명에서는 비례 적분 제어기를 사용하지 않기 때문에, 인버터의 여자 전류(즉, d축 성분 전류)를 이용하지 않고 인버터에서 출력되는 3상 전류 값을 이용한다.

다음으로, 주파수 감속기(210)에서 상기 정격 전류와 출력 전류의 차이에 해당하는 주파수 값이 델타 주파수(Delta Frequence)의 기울기를 가지고 감소하도록 하여 기준 주파수를 출력한다.

즉, 본 발명에서는 비례 적분 제어기를 사용하지 않고, 상기 주파수 감속기(210)를 통해 주파수가 전압 비에 맞게 일정 기울기를 가지고 감소하도록 한다.

이어서, 제2 가산기(220)는 상기 기준 주파수와 목표 주파수의 차이를 계산하고, 주파수 선택기(230)에서는 상기 제2 가산기(220)에서 계산된 기준 주파수 및 목표 주파수의 차이와 속도 추종 주파수를 비교하여 최종 주파수를 출력한다.

즉, 상기 주파수 선택기(230)는 상기 기준 주파수 및 목표 주파수의 차이 값이 속도 추종 주파수보다 크면, 상기 기준 주파수 및 목표 주파수의 차이에 해당하는 주파수를 최종 주파수로 출력한다.

그리고, 상기 주파수 선택기(230)는 상기 기준 주파수 및 목표 주파수의 차이 값이 속도 추종 주파수보다 작으면, 상기 속도 추종 주파수를 최종 주파수로 출력한다.

이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다.

그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

도 1은 종래의 속도 추종 방법에 있어서, 출력 전압을 생성하는 제어 블록을 나타낸 도면.

도 2는 종래의 속도 추종 방법에 있어서, 출력 주파수를 생성하는 제어 블록을 나타낸 도면.

도 3은 본 발명의 순시 정전시 시간에 따른 전동기의 속도를 나타낸 그래프.

도 4는 본 발명의 속도 추종 방법에 있어서, 출력 전압을 생성하는 방법을 나타낸 순서도.

도 5는 본 발명의 속도 추종 방법에 있어서, 출력 주파수를 생성하는 방법을 나타낸 순서도.

100 : 제1 가산기 110 : 곱셈기

120 : 비교기 130 : 제2 가산기

140 : V/F 전압 출력기 200 : 제1 가산기

210 : 주파수 감속기 220 : 제2 가산기

230 : 주파수 선택기

Claims (7)

1. 인버터의 정격 전류와 상기 인버터의 출력 전류를 이용하여 속도 추종 주파수를 구하고, 상기 속도 추종 주파수에 비례하는 전압을 출력하는 전압 제어부; 및

   상기 인버터의 정격 전류와 출력 전류의 차에 해당하는 주파수를 일정한 기울기로 감소시켜 기준 주파수를 구하고, 상기 기준 주파수 및 상기 인버터가 도달하고자하는 목표 주파수의 차에 해당하는 주파수 값과 상기 속도 추종 주파수 값을 비교하여 최종 주파수를 출력하는 주파수 제어부를 포함하여 이루어지는 인버터 제어장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 전압 제어부는,

   상기 인버터의 정격 전류와 상기 인버터의 출력 전류의 차를 구하는 제1 가산기;

   상기 정격 전류와 출력 전류의 차 값에 상수 K를 곱하여 기준 주파수를 출력하는 곱셈기;

   상기 곱셈기가 출력하는 기준 주파수와 상기 인버터가 도달하고자하는 목표 주파수의 차를 계산하여 속도 추종 주파수를 출력하는 제2 가산기; 및

   상기 속도 추종 주파수에 비례하는 전압을 출력하는 V/F 전압 출력기를 포함 하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 인버터 제어장치.
3. 제2항에 있어서,

   상기 인버터의 디씨 링크(DC Link) 전압 값이 기 설정된 값을 초과하는지 여부를 비교하는 비교기를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 인버터 제어장치.
4. 제3항에 있어서,

   상기 전압 제어부는,

   상기 인버터의 디씨 링크(DC Link) 전압 값이 기 설정된 값을 초과하면, 인버터의 감속되는 기울기를 그대로 유지하도록 하는 전압을 출력하는 것을 특징으로 하는 인버터 제어 장치.
5. 제1항에 있어서,

   상기 주파수 제어부는,

   상기 인버터의 정격 전류와 상기 인버터의 출력 전류의 차를 구하는 제1 가산기;

   상기 정격 전류와 출력 전류의 차에 해당하는 주파수를 일정한 기울기로 감소시켜 기준 주파수를 출력하는 주파수 감속기;

   상기 주파수 감속기가 출력하는 기준 주파수와 상기 인버터가 도달하고자하는 목표 주파수의 차를 구하는 제2 가산기; 및

   상기 기준 주파수와 목표 주파수의 차에 해당하는 주파수와 상기 속도 추종 주파수를 비교하여 최종 주파수를 출력하는 주파수 선택기를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 인버터 제어장치.
6. 제5항에 있어서,

   상기 주파수 감속기는,

   상기 정격 전류와 출력 전류의 차에 해당하는 주파수를 델타 주파수(Delta Frequency)의 기울기로 감소시키는 것을 특징으로 하는 인버터 제어장치.
7. 제5항에 있어서,

   상기 주파수 선택기는,

   상기 기준 주파수와 목표 주파수의 차에 해당하는 주파수 및 상기 속도 추종 주파수 중 큰 주파수를 최종 주파수로 출력하는 것을 특징으로 하는 인버터 제어장치.

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