KR20110054476A - 단상 유도 전동기 제어 장치 및 방법 - Google Patents

단상 유도 전동기 제어 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

단상 유도 전동기 제어 장치 및 방법이 개시된다. 본 발명은 입력 전압의 변동에 강인하고, 과전압으로부터 전동기 자체를 보호하며, 저 전압 하에서도 안정적이고 효율적으로 기동하거나 또는 운전할 수 있는 단상 유도 전동기 제어 장치 및 방법에 관한 것으로서, 피티씨 써미스터나 과부하 보호 장치를 사용하지 아니하고, 스위치를 포함한 간단한 회로를 구성하고 전류의 위상을 제어함으로써 기동 효율을 향상시킨다.
단상 유도 전동기, 제로 크로싱, 위상 제어, 기동

Description

단상 유도 전동기 제어 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR CONTROLLING SINGLE-PHASE INDUCTION MOTOR}
본 발명은 단상 유도 전동기에 관한 것으로서, 특히 저전압 하에서도 안정적이고 효율적으로 기동하거나 또는 운전할 수 있도록 한 단상 유도 전동기 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 유도 전동기는 권선이 장착된 고정자와 영구자석, 알루미늄 도체 또는 철심으로 형성된 회전자로 구성된다. 이러한 유도 전동기는, 상기 고정자에 장착된 권선에 주기적인 전류의 변화를 발생시키고, 전류 변화에 따른 자계의 일정한 변화에 의해 상기 회전자에 토크가 발생하도록 함으로써 회전 동력을 얻어내는 장치를 말한다.
단상 유도 전동기는 일반적으로 출력 400W 이하의 가정용 가전기기 등에 사용되는 소형전동기로서, 가정용으로 사용되는 상용 전원, 즉 단상 교류 전원을 사용한다. 이러한 단상 유도 전동기는 선풍기, 에어컨, 냉장고, 세탁기 등의 가전기기에 주로 사용되고, 이들의 팬, 회전날개, 압축기 등에 필요한 회전력을 제공한다.
그러나, 단상 유도 전동기는, 단상 권선에 교류 전원이 인가되면 유도 전류가 흐르게 되나, 회전자 상하 부분의 도체에서 발생된 전자력이 서로 상쇄되고, 권선의 축의 방향으로 크기가 변화하는 교번자계가 발생할 뿐이므로 회전력을 발생하지 못하게 된다. 따라서, 단상 유도 전동기는 이를 기동시키기 위한 기동 장치가 필요하게 되고, 설치되는 기동 장치에 따라 분상 기동형, 세이딩 코일형, 콘덴서 운전형, 반발 기동형 등으로 구분된다.
도 1은 일반적인 콘덴서 운전형 단상 유도 전동기를 개략적으로 도시한 회로도이다. 도 1을 참조하면, 단상 유도 전동기는 주권선(20)과, 보조권선(30)과, 상기 보조권선(30)에 직렬로 연결된 피티씨 써미스터(Positive Temperature coefficient of Thermally Sensitive Resistors)(40)와, 상기 피티씨 써미스터(40)에 병렬 연결된 콘덴서(50)로 구성된다. 또한, 상기 단상 유도 전동기는 과부하를 방지하는 과부하 보호 장치(Over-Load Protector) (70)를 더 포함할 수 있다. 상기 피티씨 써미스터(40)는 온도가 상승하면 전기저항이 급격하게 커지는 반도체 소자로서, 스위치 기능을 수행한다. 즉, 회전 속도가 정상 속도의 일정치에 이르면 보조권선을 개방한다. 상기 콘덴서(50)는 전동기의 역률 등 운전 효율을 높인다.
단상 교류 전원(10)을 상기 전동기에 인가하는 경우 상기 주권선(20)에 교번자계가 발생하고, 상기 콘덴서(50)는 상기 보조권선(30)으로 흐르는 전류의 위상을 90도 앞서게 한다. 이에 따라 상기 보조권선(30)에는 전기적으로 90도의 위상차를 갖는 보조자계가 발생한다. 따라서, 상기 주권선(20)에서 발생한 교번자계와 상기 보조권선(30)에서 발생한 보조자계는 자계의 위상이 서로 다르므로 상쇄되지 않고, 서로 합해지면서 회전자계가 발생하여 단상 유도 전동기를 회전시킨다.
종래 기술에 따른 단상 유도 전동기는 피티씨 써미스터와 같은 기동 장치를 사용하고, 기동 토크가 부하 토크보다 클 때 회전하게 되고, 상기 기동 토크는 인가되는 전압에 비례한다. 종래 기술에 따른 단상 유도 전동기에서, 인가 전압이 낮거나 부하가 크면 단상 유도 전동기를 기동할 수 없고, 동시에 전동기 권선에 정격 전류의 약 10배에 달하는 전류가 발생하는 문제점이 있다. 즉, 종래 기술에 따른 단상 유도 전동기는 저 전압에서 기동 실패로 인해 전동기가 손상되고, 전동기가 설치된 응용기기에 이상 운전을 발생시키는 문제점이 있다.
또한, 상기 피티씨 써미스터는 보조권선을 개방하는 시간을 제어할 수 없는 문제점이 있고, 상기 피티씨 써미스터를 채용한 단상 유도 전동기는 저전압 하에서 상기의 기동 실패 및 이상 운전의 문제점이 있다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 입력 전압의 변동에 강인하고, 과전압으로부터 전동기 자체를 보호하며, 저 전압 하에서도 안정적이고 효율적으로 기동하거나 또는 운전할 수 있는 단상 유도 전동기 제어 장치 및 방법을 제공함에 일 목적이 있다.
본 발명은 피티씨 써미스터나 과부하 보호 장치를 사용하지 아니하고, 스위치를 포함한 간단한 회로를 구성하고 전류의 위상을 제어함으로써 기동 효율을 향상시키는 단상 유도 전동기 제어 장치 및 방법을 제공함에 다른 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 단상 유도 전동기 제어 장치는, 주권선에 직렬 연결되고, 상기 주권선에 전원을 인가하거나 또는 인가되는 전원을 차단하는 주권선 스위치와, 보조권선에 직렬 연결되고, 상기 보조권선에 전원을 인가하거나 또는 인가되는 전원을 차단하는 보조권선 스위치와, 외부 전원으로부터 인가된 입력 전압을 검출하고, 상기 입력 전압의 제로 크로스 점을 검출하는 검출 유닛과, 상기 제로 크로스 점을 근거로 상기 주권선 스위치와 상기 보조권선 스위치를 개폐하는 제어 유닛을 포함하여 구성된다. 여기서, 상기 제어 유닛은, 상기 제로 크로스 점을 기준으로 일정 시간 경과 후 상기 주권선 스위치를 연결하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 단상 유도 전동기 제어 장치는, 상기 입력 전압을 상기 제어 유닛의 구동 전압으로 변환하여 출력하는 전원 유닛을 더 포함하여 구성되고, 상기 전원 유닛은, 상기 입력 전압을 정류하는 정류 유닛과, 상기 정류 전압을 평활화하는 평활 유닛과, 상기 평활화된 전압을 상기 제어 유닛의 구동 전압으로 변압하는 변압 유닛을 포함하여 구성된다.
본 발명에 따른 단상 유도 전동기 제어 장치에 있어서, 상기 제어 유닛은, 상기 검출 전압이 미리 설정된 기준 전압 이상이면, 상기 보조권선 스위치를 개방하고, 상기 주권선을 통해 상기 전동기를 운전한다. 또한, 상기 제어 유닛은, 상기 검출 전압이 상기 기준 전압보다 작으면, 상기 주권선 스위치를 개방하고, 상기 보조권선을 통해 상기 전동기를 운전하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 단상 유도 전동기 제어 장치에 있어서, 상기 제어 유닛은, 제1 기준 전압과, 상기 제1 기준 전압보다 큰 제2 기준 전압이 미리 설정되고, 상기 검출 전압이 상기 제2 기준 전압 이상이면, 상기 보조권선 스위치를 개방하고, 상기 주권선을 통해 상기 전동기를 운전한다. 또한, 상기 제어 유닛은, 상기 검출 전압이 상기 제1 기준 전압 이하이면, 상기 주권선 스위치를 개방하고, 상기 보조권선을 통해 상기 전동기를 운전하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 단상 유도 전동기 제어 방법은, 보조권선 스위치를 통해 단상 유도 전동기에 전원을 인가하는 단계와, 상기 단상 유도 전동기에 인가되는 전압의 제로 크로스 점을 검출하는 단계와, 상기 제로 크로스 점을 기준으로 주권선 스위치의 연결을 일정 시간 지연하는 단계와, 상기 단 상 유도 전동기를 기동하는 단계를 포함하여 구성된다. 여기서, 상기 단상 유도 전동기를 기동하는 단계는, 상기 일정 시간 지연 후, 상기 주권선 스위치를 통해 상기 단상 유도 전동기에 전류를 인가하는 과정을 포함하고, 상기 주권선 스위치 및 상기 보조권선 스위치를 통해 상기 단상 유도 전동기를 기동한다.
본 발명에 따른 단상 유도 전동기 제어 방법은, 상기 단상 유도 전동기에 인가되는 전압을 검출하는 단계와, 상기 검출 전압을 근거로 상기 주권선 스위치 또는 상기 보조권선 스위치를 개폐하여 상기 단상 유도 전동기를 운전하는 단계를 더 포함하여 구성된다.
본 발명에 따른 단상 유도 전동기 제어 방법에 있어서, 상기 단상 유도 전동기를 운전하는 단계는, 기준 전압을 설정하는 과정과, 상기 검출 전압과 상기 기준 전압을 비교하는 과정과, 상기 비교 결과, 상기 검출 전압이 상기 기준 전압 이상이면, 상기 보조권선 스위치를 개방하는 과정을 포함하여 구성된다. 또한, 상기 단상 유도 전동기를 운전하는 단계는, 상기 비교 결과, 상기 검출 전압이 상기 기준 전압보다 작으면, 상기 주권선 스위치를 개방하는 과정을 더 포함한다.
본 발명에 따른 단상 유도 전동기 제어 방법에 있어서, 상기 단상 유도 전동기를 운전하는 단계는, 제1 기준 전압과, 상기 제1 기준 전압보다 큰 제2 기준 전압을 설정하는 과정과, 상기 검출 전압과 상기 제2 기준 전압을 비교하는 과정과, 상기 검출 전압이 상기 제2 기준 전압 이상이면, 상기 보조권선 스위치를 개방하는 과정을 포함하여 구성된다. 또한, 상기 단상 유도 전동기를 운전하는 단계는, 상기 검출 전압과 상기 제1 기준 전압을 비교하는 과정과, 상기 검출 전압이 상기 제 1 기준 전압 이하이면, 상기 주권선 스위치를 개방하는 과정을 더 포함한다.
본 발명에 따른 단상 유도 전동기 제어 방법은, 상기 검출 전압이 미리 설정된 운전 영역 범위 밖이면, 상기 주권선 스위치 및 상기 보조권선 스위치를 개방하는 단계를 더 포함하여 구성된다.
본 발명에 따른 단상 유도 전동기 제어 장치 및 방법에 따라, 단상 유도 전동기를 입력 전압의 변동에 강인하고, 저 전압 하에서도 안정적이고 효율적으로 기동하거나 또는 운전할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 단상 유도 전동기 제어 장치는, 과전압으로부터 전동기 자체를 보호할 수 있다.
본 발명은 피티씨 써미스터나 과부하 보호 장치를 사용하지 아니하고, 스위치를 포함한 간단한 회로를 구성하고 전류의 위상을 제어함으로써 기동 효율을 향상시킨다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 단상 유도 전동기 제어 장치 및 제어 방법을 상세히 설명한다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 단상 유도 전동기 제어 장치는, 주권선(210)에 직렬 연결되고, 상기 주권선(210)에 전원을 인가하거나 또는 인가되는 전원을 차단하는 주권선 스위치(230)와, 보조권선(220)에 직렬 연결되고, 상기 보 조권선(220)에 전원을 인가하거나 또는 인가되는 전원을 차단하는 보조권선 스위치(240)와, 외부 전원(100)으로부터 인가된 입력 전압을 검출하고, 상기 입력 전압의 제로 크로스 점을 검출하는 검출 유닛(500)과, 상기 제로 크로스 점을 근거로 상기 주권선 스위치와 상기 보조권선 스위치를 개폐하는 제어 유닛(300)을 포함하여 구성된다. 여기서, 상기 제어 유닛(300)은, 상기 제로 크로스 점을 기준으로 일정 시간 경과 후 상기 주권선 스위치를 연결하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어 장치는, 상기 보조권선 스위치(240)에 병렬 연결되고, 역률을 보상하는 운전 커패시터(250)를 더 포함할 수 있다. 상기 제어 장치는, 상기 운전 커패시터(250)를 통해 단상 유도 전동기의 운전 효율을 높일 수 있다. 물론 상기 운전 커패시터(250)는 필요에 따라 상기 주권선 스위치(230)에 병렬 연결될 수 있다.
상기 주권선 스위치(230) 및 상기 보조권선 스위치(240)로는 각각 릴레이(Relay), 트라이악(TRIAC) 등의 기계적 또는 전자적 반도체 소자를 사용할 수 있다. 특히 트라이악은 2개의 실리콘 제어 정류기(SCR)가 병렬로 접속된 것과 동일한 기능을 수행하는 양방향 사이리스터로서, 전자적 소자이며, 많은 회수의 스위칭을 수행할 수 있어서 신뢰성이 좋다.
상기 검출 유닛(500)은 OP-AMP 등을 포함하는 회로로 구성되고, 상기 외부 전원(100)으로부터 인가된 교류 전압을 직접 검출하여 상기 제어 유닛(300)에 전달한다. 상기 외부 전원(100)은 가정용 상용 교류 전원으로서, 예를 들어 우리 나라의 경우에 220V, 50Hz의 교류 전원을 사용한다. 또한, 상기 검출 유닛(500)은 상 기 입력 전압의 제로 크로싱을 검출하여 상기 제어 유닛(300)에 전달한다. 물론 상기 검출 유닛(500)은, 입력 전류를 검출하고, 입력 전류의 제로 크로싱을 검출하여 상기 제어 유닛(300)에 전달할 수 있다.
본 발명에 따른 단상 유도 전동기 제어 장치는, 상기 입력 전압을 상기 제어 유닛의 구동 전압으로 변환하여 출력하는 전원 유닛(400)을 더 포함하여 구성되고, 상기 전원 유닛(400)은, 상기 입력 전압을 정류하는 정류 유닛과, 상기 정류 전압을 평활화하는 평활 유닛과, 상기 평활화된 전압을 상기 제어 유닛의 구동 전압으로 변압하는 변압 유닛을 포함하여 구성된다.
상기 전원 유닛(400)은 상기 외부 전원(100), 즉 상용 교류 전원을 입력받아 단상 유도 전동기 및 제어 장치를 구성하는 회로, 유닛 등을 구동하는 직류 전압을 출력한다. 일반적으로 상기 전원 유닛(400)으로는 스위치 모드 파워 서플라이(Switched-Mode Power Supply; SMPS)를 사용한다. 물론 SMPS 이외에 다른 종류의 AC-DC 변환 장치를 사용할 수 있다. 상기 스위치 모드 파워 서플라이는 외부 전원(100)의 교류 전압을 정류 및 평활화하여 직류 전압으로 변환하고, 이 직류 전압을 고주파 변압기와 레귤레이터 등의 변압 유닛을 이용하여 단상 유도 전동기 및 단상 유도 전동기 제어 장치에 필요한 구동전압들을 생성한다. 상기 검출 유닛(500)은, 상용 교류 전원의 교류 전압을 검출한다.
도 3은 본 발명에 따른 단상 유도 전동기 제어 장치에 있어서의 위상 제어를 설명하기 위한 그래프이고, 도 4는 도 3의 위상 제어에 따른 기동 변화를 설명하기 위한 그래프이다.
도 3 및 도 4를 함께 참조하면, 상기 단상 유도 전동기 제어 장치는, 입력 전압의 제로 크로스 점을 검출하고, 상기 제로 크로스 점으로부터 일정 시간 경과 후에 상기 주권선 스위치(230)를 통해 단상 유도 전동기에 전류를 인가한다. 즉, 상기 제어 유닛(300)은 상기 검출 유닛(500)을 통해 검출된 입력 전압의 제로 크로싱을 기준으로 일정 시간 동안 주권선 스위치(230)를 개방하여 상기 주권선(210)에 인가되는 전류를 지연시킨다. 도 4를 참조하면, 상기 단상 유도 전동기의 기동 능력은 주권선 전류, 보조 권선 전류, 및 상기 주권선 전류와 상기 보조 권선 전류의 위상차의 곱에 비례하는데, 주권선 단에 위상 제어를 수행함으로써 주권선 단에 흐르는 전류가 작아지지만, 주권선 전류의 위상이 지연되는 현상으로 인해 상기 주권선 전류와 상기 보조 권선 전류의 위상차가 커지게 되어 기동 능력이 향상된다.
상기 제어 유닛(300)은, 상기 검출 전압이 미리 설정된 상한 이상이거나, 또는 미리 설정된 하한 이하이면, 상기 주권선 스위치(230) 및 상기 보조권선 스위치(240)를 모두 개방한다. 도 5를 참조하면, 상기 제어 유닛(300)은, 상한(VH)을 미리 설정하여 두고, 상기 검출 전압이 상기 상한(VH) 이상이 되면, 상기 주권선 스위치(230) 및 상기 보조권선 스위치(240)를 모두 개방하여 단상 유도 전동기에 입력되는 전원을 차단함으로써 과전압으로부터 단상 유도 전동기의 파손을 방지한다. 또한, 상기 제어 유닛(300)은, 하한(VL)을 미리 설정하여 두고, 상기 검출 전압이 상기 하한(VL) 이하이면, 상기 주권선 스위치(230) 및 상기 보조권선 스위치(240)를 모두 개방하여 단상 유도 전동기에 입력되는 전원을 차단함으로써 저전압에 의해 기동 실패가 일어나고, 단상 유도 전동기에 과전류가 인가되어 이상 동 작을 수행하는 것을 방지한다. 상기 제어 장치는, 별도의 저장 유닛(미도시)을 더 포함할 수 있고, 상기 상한(VH) 및 상기 하한(VL)은 상기 저장 유닛에 설정되어 저장될 수 있다. 상기 상한(VH) 및 상기 하한(VL)은 단상 유도 전동기를 사용하는 지역의 전압 사정, 단상 유도 전동기의 종류 및 형태, 부하 조건 등에 따라 다르게 설정되는데, 외부 전원의 입력 전압의 일정 비율로 설정될 수 있다.
한편, 상기 제어 유닛(300)은, 상기 검출 전압이 상기 상한보다 작고, 상기 하한보다 크면, 상기 주권선 스위치(230) 및 상기 보조권선 스위치(240)를 모두 연결하여 단상 유도 전동기를 기동한다. 도 5를 참조하면, 상기 입력 전압이 운전 영역 내에 존재하면, 상기 제어 유닛(300)은 상기 주권선 스위치(230) 및 상기 보조권선 스위치(240)를 모두 연결하여 단상 유도 전동기를 기동한다. 상기 제어 유닛(300)은 상기 주권선(210)과 상기 보조권선(220)에 전원을 인가하여 상기 주권선(210)에서 발생한 교번자계와 상기 보조권선(220)에서 발생한 보조자계를 발생시키고, 회전자계가 발생하도록 하여 단상 유도 전동기를 회전시킨다.
상기 제어 유닛(300)은, 상기 검출 전압이 미리 설정된 기준 전압 이상이면, 상기 보조권선 스위치(240)를 개방하고, 상기 주권선(210)을 통해 상기 전동기를 운전한다. 반대로, 상기 제어 유닛(300)은, 상기 검출 전압이 미리 설정된 기준 전압보다 작으면, 상기 주권선 스위치(230)를 개방하고, 상기 보조권선(220)을 통해 상기 전동기를 운전할 수 있다. 상기 기준 전압은 단상 유도 전동기를 사용하는 지역의 전압 사정, 단상 유도 전동기의 종류 및 형태, 부하 조건 등에 따라 다르게 설정되는데, 외부 전원의 입력 전압의 일정 비율로 설정될 수 있다.
도 5를 참조하면, 상기 제어 유닛(300)은, 제1 기준 전압(V1) 및 제2 기준 전압(V2)을 미리 설정하여 두고, 상기 검출 전압이 상기 제2 기준 전압(V2) 이상이면, 상기 보조권선 스위치(240)를 개방하고, 상기 주권선(210)을 통해 상기 전동기를 운전한다. 상기 제어 유닛(300)은, 상기 검출 전압이 상기 제1 기준 전압(V1) 이하이면, 상기 주권선 스위치(230)를 개방하고, 상기 보조권선(220)을 통해 상기 전동기를 운전한다. 상기 제1 기준 전압(V1) 및 상기 제2 기준 전압(V2)은 단상 유도 전동기를 사용하는 지역의 전압 사정, 단상 유도 전동기의 종류 및 형태, 부하 조건 등에 따라 다르게 설정되는데, 외부 전원의 입력 전압의 일정 비율로 설정될 수 있다. 상기 제1 기준 전압(V1) 및 상기 제2 기준 전압(V2)은 예를 들어 약 10V정도의 차이를 두고, 입력 전압의 급격한 변동으로 인한 상기 전동기의 파손을 방지하기 위한 히스테리시스 동작을 수행한다.
또한, 상기 제어 유닛(300)은, 상기 검출 전압을 근거로 기동 시간을 산출할 수 있고, 상기 단상 유도 전동기를 기동한 후, 상기 검출 전압에 따른 기동 시간이 경과하면, 상기 스위치들 중 하나를 개방하여 단상 유도 전동기를 운전할 수 있다.
본 발명에 따른 단상 유도 전동기 제어 장치에 있어서, 상기 검출 유닛(500)은 상기 전원 유닛(400)의 평활 유닛에 연결되고, 상기 평활 유닛을 통해 평활화된 직류 전압을 검출할 수도 있다. 즉, 상기 검출 유닛(500)은 평활 유닛으로부터 출력된 전압을 저항을 이용하여 전압 분배 방식으로 검출하여 상기 제어 유닛(300)에 전달하고, 상기 제어 유닛(300)은 상기 평활 유닛으로부터 출력된 전압을 근거로 상기 단상 유도 전동기를 운전할 수 있다.
도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 단상 유도 전동기 제어 방법은, 보조권선 스위치를 통해 단상 유도 전동기에 전원을 인가하는 단계(S110)와, 상기 단상 유도 전동기에 인가되는 전압의 제로 크로스 점을 검출하는 단계(S120)와, 상기 제로 크로스 점을 기준으로 주권선 스위치의 연결을 일정 시간 지연하는 단계(S130)와, 상기 단상 유도 전동기를 기동하는 단계(S150)를 포함하여 구성된다. 여기서, 상기 단상 유도 전동기를 기동하는 단계(S150)는, 상기 일정 시간 지연 후, 상기 주권선 스위치를 통해 상기 단상 유도 전동기에 전류를 인가하는 과정(S140)을 포함하고, 상기 주권선 스위치 및 상기 보조권선 스위치를 통해 상기 단상 유도 전동기를 기동한다. 이하 장치의 구성은 도 2를 참조한다.
도 3 및 도 4를 함께 참조하면, 상기 단상 유도 전동기 제어 방법은, 입력 전압의 제로 크로스 점을 검출하고, 상기 제로 크로스 점으로부터 일정 시간 경과 후에 단상 유도 전동기에 전류를 인가한다. 즉, 상기 제어 방법은, 상기 검출된 입력 전압의 제로 크로싱을 기준으로 일정 시간 동안 주권선 스위치(230)를 개방하여 상기 주권선(210)에 인가되는 전류를 지연시킨다. 도 4를 참조하면, 상기 단상 유도 전동기의 기동 능력은 주권선 전류, 보조 권선 전류, 및 상기 주권선 전류와 상기 보조 권선 전류의 위상차의 곱에 비례하는데, 주권선 단에 위상 제어를 수행함으로써 주권선 단에 흐르는 전류가 작아지지만, 주권선 전류의 위상이 지연되는 현상으로 인해 상기 주권선 전류와 상기 보조 권선 전류의 위상차가 커지게 되어 기동 능력이 향상된다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 다른 예에 따른 단상 유도 전동기 제어 방법은, 상기 단상 유도 전동기에 인가되는 전압을 검출하는 단계(S210)와, 상기 검출 전압을 근거로 상기 주권선 스위치 또는 상기 보조권선 스위치를 개폐하여 상기 단상 유도 전동기를 운전하는 단계(S240 내지 S242)를 더 포함하여 구성된다.
본 발명의 다른 예에 따른 단상 유도 전동기 제어 방법에 있어서, 상기 단상 유도 전동기를 운전하는 단계는, 기준 전압을 설정하는 과정(미도시)과, 상기 검출 전압과 상기 기준 전압을 비교하는 과정(S240)과, 상기 비교 결과, 상기 검출 전압이 상기 기준 전압 이상이면, 상기 보조권선 스위치를 개방하는 과정(S241)을 포함하여 구성된다. 또한, 상기 단상 유도 전동기를 운전하는 단계는, 상기 비교 결과, 상기 검출 전압이 상기 기준 전압보다 작으면, 상기 주권선 스위치를 개방하는 과정(S242)을 더 포함한다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 다른 예에 따른 단상 유도 전동기 제어 방법은, 전동기에 입력되는 전압을 검출한 다음(S210), 상기 검출 전압이 미리 설정된 상한 이상인가 판단하고(S220), 상기 검출 전압이 미리 설정된 하한 이하인가 판단한다(S224). 상기 판단 결과, 상기 검출 전압이 상기 상한 이상이거나, 또는 상기 하한 이하이면, 즉, 상기 검출 전압이 운전 영역 범위 밖이면, 주권선 스위치 및 보조권선 스위치를 개방하여 주권선과 보조권선에 입력되는 전원을 차단한다(S221, S222). 상기 S220 단계 및 상기 S224 단계의 판단 결과, 상기 검출 전압이 상기 상한보다 작고 상기 하한보다 큰, 즉 상기 운전 영역 범위 내이면, 상기 주권선 스위치 및 보조권선 스위치를 연결하여 전동기를 기동한 다음(S235) 상기 검출 전압을 근거로 주권선 스위치 또는 보조권선 스위치를 개폐하여 상기 전동기를 운전한 다(S240 이하). 이하 장치의 구성은 도 2를 참조한다.
상기 단상 유도 전동기 제어 방법은, 입력 전압의 제로 크로스 점을 검출하고(S232), 상기 제로 크로스 점으로부터 일정 시간 경과 후에(S233) 단상 유도 전동기에 전류를 인가한다(S234). 즉, 상기 제어 방법은, 상기 검출된 입력 전압의 제로 크로싱을 기준으로 일정 시간 동안 주권선 스위치(230)를 개방하여 상기 주권선(210)에 인가되는 전류를 지연시킨다(S233). 또한, 상기 제어 방법은, 상기 검출 전압이 미리 설정된 기준 전압 이상이면, 보조권선 스위치를 개방하고, 주권선을 통해 상기 전동기를 운전한다(S241). 반대로, 상기 제어 방법은, 상기 검출 전압이 미리 설정된 기준 전압보다 작으면, 주권선 스위치를 개방하고, 상기 보조권선을 통해 상기 전동기를 운전할 수 있다(S242). 상기 기준 전압은 단상 유도 전동기를 사용하는 지역의 전압 사정, 단상 유도 전동기의 종류 및 형태, 부하 조건 등에 따라 다르게 설정되는데, 외부 전원의 입력 전압의 일정 비율로 설정될 수 있다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 또 다른 예에 따른 단상 유도 전동기 제어 방법은, 전동기에 입력되는 전압을 검출하는 단계(S310)와, 상기 검출 전압이 미리 설정된 상한 이상인가 판단하는 단계(S320)와, 상기 검출 전압이 미리 설정된 하한 이하인가 판단하는 단계(S324)와, 상기 판단 결과, 상기 검출 전압이 상기 상한 이상이거나, 또는 상기 하한 이하이면, 즉, 상기 검출 전압이 운전 영역 범위 밖이면, 주권선 스위치 및 보조권선 스위치를 개방하여 주권선과 보조권선에 입력되는 전원을 차단하는 단계(S321, S322)와, 상기 S320 단계 및 상기 S324 단계의 판단 결과, 상기 검출 전압이 상기 상한보다 작고 상기 하한보다 큰, 즉 상기 운전 영역 범위 내이면, 상기 주권선 스위치 및 보조권선 스위치를 연결하여 전동기를 기동하는 단계(S335)와, 상기 검출 전압을 근거로 주권선 스위치 또는 보조권선 스위치를 개폐하여 상기 전동기를 운전하는 단계(S340 이하)를 포함하여 구성된다. 이하 장치의 구성은 도 2를 참조한다.
상기 단상 유도 전동기 제어 방법은, 입력 전압의 제로 크로스 점을 검출하고(S332), 상기 제로 크로스 점으로부터 일정 시간 경과 후에(S333) 단상 유도 전동기에 전류를 인가한다(S334). 즉, 상기 제어 방법은, 상기 검출된 입력 전압의 제로 크로싱을 기준으로 일정 시간 동안 주권선 스위치(230)를 개방하여 상기 주권선(210)에 인가되는 전류를 지연시킨다(S333). 또한, 도 8을 참조하면, 본 발명의 또 다른 예에 따른 단상 유도 전동기 제어 방법에 있어서, 상기 단상 유도 전동기를 운전하는 단계는, 제1 기준 전압과, 상기 제1 기준 전압보다 큰 제2 기준 전압을 설정하는 과정(미도시)과, 상기 검출 전압과 상기 제2 기준 전압을 비교하는 과정(S340)과, 상기 검출 전압이 상기 제2 기준 전압 이상이면, 상기 보조권선 스위치를 개방하는 과정(S342)을 포함하여 구성된다. 또한, 상기 단상 유도 전동기를 운전하는 단계는, 상기 검출 전압과 상기 제1 기준 전압을 비교하는 과정(S343)과, 상기 검출 전압이 상기 제1 기준 전압 이하이면, 상기 주권선 스위치를 개방하는 과정(S344)을 더 포함한다.
상기 전동기를 운전하는 단계는, 제1 기준 전압과, 상기 제1 기준 전압보다 큰 제2 기준 전압을 미리 설정하여 두고, 상기 검출 전압과 상기 제2 기준 전압을 비교하여(S350), 상기 검출 전압이 상기 제2 기준 전압 이상이면, 상기 보조권선 스위치를 개방한다. 상기 보조권선 스위치가 개방되면, 상기 단상 유도 전동기는 주권선을 통해 운전된다(S360). 상기 제1 기준 전압 및 상기 제2 기준 전압은 단상 유도 전동기를 사용하는 지역의 전압 사정, 단상 유도 전동기의 종류 및 형태, 부하 조건 등에 따라 다르게 설정되는데, 외부 전원의 입력 전압의 일정 비율로 설정될 수 있다.
상기 제어 방법은, 상기 입력 전압을 연속적으로 검출하여 상기 전동기를 운전하는 동작을 반복 수행한다.
도 5를 참조하면, 상기 제어 방법은, 제1 기준 전압(V1) 및 제2 기준 전압(V2)을 미리 설정하여 두고, 상기 검출 전압이 상기 제2 기준 전압(V2) 이상이면, 상기 보조권선 스위치를 개방하고, 상기 주권선을 통해 상기 전동기를 운전한다. 상기 제어 방법은, 상기 검출 전압이 상기 제1 기준 전압(V1) 이하이면, 상기 주권선 스위치를 개방하고, 상기 보조권선을 통해 상기 전동기를 운전한다. 상기 제1 기준 전압(V1) 및 상기 제2 기준 전압(V2)은 예를 들어 약 10V정도의 차이를 두고, 입력 전압의 급격한 변동으로 인한 상기 전동기의 파손을 방지하기 위한 히스테리시스 동작을 수행한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 단상 유도 전동기 제어 장치 및 방법은, 주권선과 보조권선에 각각 트라이악과 같은 스위칭 소자를 구비하고, 입력 전압의 제로 크로싱을 검출한 다음 주권선 입력 전류를 위상 제어하고, 입력 전압을 근거로 운전함으로써 입력 전압의 변동에 강인하고, 저 전압 지역에서도 안정적 이고 효율적으로 기동하거나 또는 운전할 수 있도록 하며, 과전압으로부터 전동기 자체를 보호할 수 있다.
도 1은 일반적인 콘덴서 운전형 단상 유도 전동기를 개략적으로 도시한 회로도;
도 2는 본 발명에 따른 단상 유도 전동기의 구성을 개략적으로 보인 블록도;
도 3은 본 발명에 따른 단상 유도 전동기 제어 장치 및 제어 방법에 있어서의 위상 제어를 설명하기 위한 그래프;
도 4는 도 3의 위상 제어에 따른 기동 변화를 설명하기 위한 그래프;
도 5는 본 발명에 따른 단상 유도 전동기에 있어서, 입력 전압의 변화에 따른 운전모드의 변화를 도시한 그래프;
도 6 내지 도 8은 본 발명의 실시예들에 따른 단상 유도 전동기의 제어 방법을 개략적으로 도시한 흐름도이다.

Claims (16)

  1. 주권선에 직렬 연결되고, 상기 주권선에 전원을 인가하거나 또는 인가되는 전원을 차단하는 주권선 스위치;
    보조권선에 직렬 연결되고, 상기 보조권선에 전원을 인가하거나 또는 인가되는 전원을 차단하는 보조권선 스위치;
    외부 전원으로부터 인가된 입력 전압을 검출하고, 상기 입력 전압의 제로 크로스 점을 검출하는 검출 유닛; 및
    상기 제로 크로스 점을 근거로 상기 주권선 스위치와 상기 보조권선 스위치를 개폐하는 제어 유닛;을 포함하는 단상 유도 전동기 제어 장치.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 제어 유닛은,
    상기 제로 크로스 점을 기준으로 일정 시간 경과 후 상기 주권선 스위치를 연결하는 것을 특징으로 하는 단상 유도 전동기 제어 장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 입력 전압을 상기 제어 유닛의 구동 전압으로 변환하여 출력하는 전원 유닛;을 포함하는 단상 유도 전동기 제어 장치.
  4. 제3 항에 있어서, 상기 전원 유닛은,
    상기 입력 전압을 정류하는 정류 유닛;
    상기 정류 전압을 평활화하는 평활 유닛; 및
    상기 평활화된 전압을 상기 제어 유닛의 구동 전압으로 변압하는 변압 유닛;을 포함하는 단상 유도 전동기 제어 장치.
  5. 제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어 유닛은,
    상기 검출 전압이 미리 설정된 기준 전압 이상이면, 상기 보조권선 스위치를 개방하고, 상기 주권선을 통해 상기 전동기를 운전하는 것을 특징으로 하는 단상 유도 전동기 제어 장치.
  6. 제5 항에 있어서, 상기 제어 유닛은,
    상기 검출 전압이 상기 기준 전압보다 작으면, 상기 주권선 스위치를 개방하고, 상기 보조권선을 통해 상기 전동기를 운전하는 것을 특징으로 하는 단상 유도 전동기 제어 장치.
  7. 제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어 유닛은,
    제1 기준 전압과, 상기 제1 기준 전압보다 큰 제2 기준 전압이 미리 설정되고,
    상기 검출 전압이 상기 제2 기준 전압 이상이면, 상기 보조권선 스위치를 개방하고, 상기 주권선을 통해 상기 전동기를 운전하는 것을 특징으로 하는 단상 유 도 전동기 제어 장치.
  8. 제7 항에 있어서, 상기 제어 유닛은,
    상기 검출 전압이 상기 제1 기준 전압 이하이면, 상기 주권선 스위치를 개방하고, 상기 보조권선을 통해 상기 전동기를 운전하는 것을 특징으로 하는 단상 유도 전동기 제어 장치.
  9. 보조권선 스위치를 통해 단상 유도 전동기에 전원을 인가하는 단계;
    상기 단상 유도 전동기에 인가되는 전압의 제로 크로스 점을 검출하는 단계;
    상기 제로 크로스 점을 기준으로 주권선 스위치의 연결을 일정 시간 지연하는 단계; 및
    상기 단상 유도 전동기를 기동하는 단계;를 포함하는 단상 유도 전동기 제어 방법.
  10. 제9 항에 있어서, 상기 단상 유도 전동기를 기동하는 단계는,
    상기 일정 시간 지연 후, 상기 주권선 스위치를 통해 상기 단상 유도 전동기에 전류를 인가하는 과정;을 포함하고,
    상기 주권선 스위치 및 상기 보조권선 스위치를 통해 상기 단상 유도 전동기를 기동하는 것을 특징으로 하는 단상 유도 전동기 제어 방법.
  11. 제9 항 또는 제10 항에 있어서,
    상기 단상 유도 전동기에 인가되는 전압을 검출하는 단계; 및
    상기 검출 전압을 근거로 상기 주권선 스위치 또는 상기 보조권선 스위치를 개폐하여 상기 단상 유도 전동기를 운전하는 단계;를 더 포함하는 단상 유도 전동기 제어 방법.
  12. 제11 항에 있어서, 상기 단상 유도 전동기를 운전하는 단계는,
    기준 전압을 설정하는 과정;
    상기 검출 전압과 상기 기준 전압을 비교하는 과정; 및
    상기 비교 결과, 상기 검출 전압이 상기 기준 전압 이상이면, 상기 보조권선 스위치를 개방하는 과정;을 포함하는 단상 유도 전동기 제어 방법.
  13. 제12 항에 있어서, 상기 단상 유도 전동기를 운전하는 단계는,
    상기 비교 결과, 상기 검출 전압이 상기 기준 전압보다 작으면, 상기 주권선 스위치를 개방하는 과정;을 더 포함하는 단상 유도 전동기 제어 방법.
  14. 제11 항에 있어서, 상기 단상 유도 전동기를 운전하는 단계는,
    제1 기준 전압과, 상기 제1 기준 전압보다 큰 제2 기준 전압을 설정하는 과정;
    상기 검출 전압과 상기 제2 기준 전압을 비교하는 과정; 및
    상기 검출 전압이 상기 제2 기준 전압 이상이면, 상기 보조권선 스위치를 개방하는 과정;을 포함하는 단상 유도 전동기 제어 방법.
  15. 제14 항에 있어서, 상기 단상 유도 전동기를 운전하는 단계는,
    상기 검출 전압과 상기 제1 기준 전압을 비교하는 과정; 및
    상기 검출 전압이 상기 제1 기준 전압 이하이면, 상기 주권선 스위치를 개방하는 과정;을 더 포함하는 단상 유도 전동기 제어 방법.
  16. 제11 항에 있어서,
    상기 판단 결과, 상기 검출 전압이 미리 설정된 운전 영역 범위 밖이면, 상기 주권선 스위치 및 상기 보조권선 스위치를 개방하는 단계;를 더 포함하는 단상 유도 전동기 제어 방법.
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