KR20150140963A - 유도 전동기 구동용 인버터 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 유도 전동기 구동용 인버터에 관한 것으로서, 정전 발생 여부를 알리기 위하여 전원상태신호를 출력하는 정전감시부를 포함하고, 정전감시부에서 출력하는 전원상태신호에 따라 정전 시의 연속운전을 실행한다. 정전감시부는 인버터의 직류단 전압에 의존하지 않고 독립적으로 정전을 감시하도록 구성되기 때문에 인버터의 연속운전 시 제어되는 직류단 전압을 자유롭게 설정할 수 있게 된다. 예컨대 인버터의 연속운전 시 제어되는 직류단 전압을 정상 상태에서의 전압 또는 그 이상의 값으로 유지시킬 수 있으며, 이에 따라 정전 시의 연속운전을 더욱 안정적으로 수행할 수 있게 된다.

Description

유도 전동기 구동용 인버터{ Inverter for Driving Induction Motor }
본 발명은 유도 전동기 구동용 인버터에 관한 것으로서, 특히 전원 입력단에 순시적인 정전이나 일시적 전압 강하가 발생한 경우, 직류단 전압의 제어와 슬립 주파수의 제어를 통해 일정 시간 동안 인버터의 출력을 유지하여, 전원이 복구되었을 때 전동기의 속도를 빠르게 회복시킬 수 있도록 한다.
유도 전동기 구동용 인버터는 3상 교류 전원을 입력 받아 직류로 변환한 후 원하는 교류 전압으로 변환 시키는 전력 변환 장치이며, 변환된 교류 전압으로 유도 전동기를 구동시킨다.
전동기를 구동시키는 도중 순시 정전이 발생하면, 인버터의 직류단 전압이 빠르게 감소되어 수백 msec 내에 인버터 출력이 차단되고 전동기를 제어할 수 없게 된다. 이후 전동기는 제어되지 않은 상태로 정지할 때까지 회전하게 되는데, 제어되지 않은 상태로 회전하는 시간은 부하의 관성이 큰 경우 더욱 길어지게 되어 공정의 손실로 이어질 수 있다.
이러한 문제를 해결하기 위하여 인버터의 출력 시간을 연장시켜 연속 운전이 가능하게 하는 방법이 사용된다.
이와 관련하여, 종래에는 순시 정전이 발생하였는지를 판단하기 위하여 인버터의 직류단 전압을 이용하였으며, 직류단 전압이 일정 레벨 이하가 되면 순시 정전이 발생한 것으로 판단하여 연속운전 모드로 진입하였다.
도 1을 참조하자면, 전원 입력단에 정전이 발생되기 전 인버터는 일정한 직류단 전압(Vdc)과 지령 속도(f_out)로 유도 전동기를 운전한다.
그러나 ①에서 정전이 발생하면, 직류단 전압(Vdc)은 빠르게 감소하고, ②에서 Vdc_ref 까지 감소하면, 정전 시의 연속운전이 시작된다. 여기서, Vdc_ref은 정전으로 인한 연속운전 제어가 필요한지를 판단하기 위해 설정된 값이다.
연속운전 제어가 시작되면, 인버터는 지령주파수를 빠르게 낮춰 슬립(Slip)이 발생되지 않도록 감소시킴으로써 에너지가 부하에 전달되지 않도록 한다.
연속운전 제어 도중 전원이 회복되면 직류단 전압(Vdc)이 다시 상승하고, ③에서 직류단 전압(Vdc)이 Vdc_recover까지 이르면, 전원이 회복되었다고 판단하여 원래의 제어로 복귀한다. 그 후 다시 ①'에서 정전이 발생하면, 앞서 설명한 것과 같이 처리되어 연속운전 제어를 하게 된다.
만일 전원이 정상적으로 복귀되지 않는다면, 인버터는 기계 에너지가 소모될 때까지(④) 인버터 출력을 유지 시킨다.
이와 같이, 종래에는 정전 발생 및 복전 상황을 인버터의 직류단 전압(Vdc)을 통해 판단하기 때문에, 정전으로 인한 연속운전 필요성을 판단하는 기준전압(Vdc_ref)은 저전압 고장 레벨(V_low_trip) 이상, 연속운전 해제 레벨(Vdc_recover) 미만의 값으로 설정할 수 밖에 없다.
즉, 연속운전에서 일정하게 제어되는 전압(Vdc_ref)을 정전 발생 전의 직류단 전압과 동일하거나 그 이상의 전압으로 설정할 수 없다.
또한, Vdc_ref이 낮은 레벨에서 제어될 경우, 연속운전 제어 성능에 따라 전압의 오실레이션(Oscillation)이 커지면, 저전압 고장 레벨(V_low_trip)까지 감소하여 기계적 에너지가 소모되기 전에 인버터 출력이 차단될 수도 있다.
이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 정전 발생으로 인하여 연속운전을 실행할 때, 일정하게 유지되는 직류단 전압의 레벨을 자유롭게 설정할 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 유도 전동기 구동용 인버터는 전압/주파수 제어기로 입력되는 지령 주파수에 따라 PWM 제어를 수행하여 유도 전동기를 제어하며, 인버터에 입력되는 전원의 상태에 따라 정전 발생 여부를 알리는 전원상태신호를 출력하는 정전감시부를 포함하고, 상기 정전감시부에서 출력하는 전원상태신호에 따라 정전 시의 연속운전을 실행한다.
특히, 상기 정전감시부는 상기 인버터의 직류단 전압에 의존하지 않고 독립적으로 정전을 감시한다.
상기 정전감시부는 정전 발생 여부에 따라 두 접점 사이를 스위칭하는 스위칭 소자를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 유도 전동기 구동용 인버터는, 기준 전압과 직류단 전압과의 편차를 수신하여 비례 적분 제어를 수행하는 직류단 전압제어기; 상기 유도 전동기에 입력되는 3상 전류를 수신하여 동기좌표계의 전류로 변환하는 3상/동기 좌표변환기; 및 상기 3상/동기 좌표변환기에 의해 변환된 동기좌표계의 전류를 바탕으로 현재의 부하량으로부터 슬립주파수를 추정하는 슬립추정기를 포함하여 이루어질 수 있다.
이러한 실시예에서 상기 유도 전동기 구동용 인버터는 상기 전원상태신호가 정전을 알리는 경우, 현재의 주파수에서 상기 슬립추정기로부터 추정된 슬립주파수와 상기 직류단 전압제어기로부터의 출력을 감하여 상기 전압/주파수 제어기의 지령주파수로 전달한다.
본 발명에 따르면, 전원 입력단의 정전을 판단하는 신호를 인버터의 직류단 전압에 의존하지 않고 독립적으로 생성한다.
그러므로, 인버터의 연속운전 시 제어되는 직류단 전압을 자유롭게 설정할 수 있게 된다. 예컨대 인버터의 연속운전 시 제어되는 직류단 전압을 정상 상태에서의 전압 또는 그 이상의 값으로 유지시킬 수 있으며, 정전 시의 연속운전을 더욱 안정적으로 수행할 수 있게 된다.
도 1은 종래에 인버터의 직류단 전압을 이용하여 정전 시 연속운전을 수행하는 것을 설명하는 예,
도 2는 본 발명에 따른 유도 전동기 구동용 인버터의 일 실시예,
도 3은 정전감시부에 관한 일 실시예,
도 4는 본 발명에 따른 유도 전동기 구동용 인버터의 구체적인 실시예,
도 5는 본 발명에 따라 인버터의 직류단 전압을 자유롭게 설정하여 정전 시 연속운전을 수행하는 것을 보인 예이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 2를 참조하자면, 본 발명에 따른 유도 전동기 구동용 인버터(20: 이하, 인버터라 한다)는 전원 입력단(11)의 3상 교류 전원을 전파 정류하여 직류단의 커패시터에 충전하고, 지령 주파수에 따라 PWM(Pulse Width Modulation: 펄스 폭 변조) 제어를 수행하여 유도 전동기(13)를 구동시킨다.
인버터(20)는 정전감시부(20-1)를 포함하여 이루어진다.
정전감시부(20-1)는 전원 입력단(11)으로 인입되는 3상 교류 전원의 상태에 따라 정전 발생 여부를 알리는 전원상태신호를 출력하는데, 인버터(20)의 직류단 전압에 의존하지 않고 독립적으로 정전을 감지하도록 구성된다.
도 3을 참조하자면, 정전감시부(20-1)는 전자 접촉기(Magnetic Contactor) 등 입력 전원이 공급되는지의 여부에 따라 두 접점 사이를 스위칭 하는 스위칭 소자를 이용하여 구성될 수 있다.
예컨대 정전감시부(20-1)는 인버터(20)의 전원 입력단(11)으로 3상 교류 전원이 정상적으로 공급되면 정상신호(정전 Off)를 출력하고, 정전이 발생한 경우에는 정전신호(정전 On)를 출력할 수 있다.
인버터(20)는 정전감시부(20-1)에서 출력하는 전원상태신호에 따라 정전 시의 연속운전을 실행한다.
즉, 정전감시부(20-1)에서 출력하는 전원상태신호가 정상신호(정전 Off)라면 정상적으로 유도 전동기를 제어하고, 정전신호(정전 On)라면 정전 시의 연속운전 제어를 시작한다.
도 4는 본 발명에 따른 유도 전동기 구동용 인버터의 구체적인 실시예를 도시한 것으로서, 외부로부터 공급된 3상 교류 전원을 정류기(미도시)를 통해 정류하고, 정류된 직류 전압을 직류단(21: DC Link)에 충전하며, PWM 제어기(22)를 통해 PWM 변조된 3상 교류 전압을 유도 전동기(13)에 인가한다.
인버터(20)는 정전이 발생하지 않은 정상 상태에서는 정전감시부(20-1)의 정상신호(정전 Off)에 따라 일반 속도 지령으로 유도 전동기(110)를 제어한다(①번 제어모드에서 운전).
그러나, 정전이 발생했을 때는 정전감시부(20-1)의 정전신호(정전 On)에 따라 제어모드를 전환하여(①번 제어모드에서 ②번 제어모드로 전환), 감속된 주파수로 유도 전동기(13)를 제어한다. 즉, 출력 주파수를 감소시켜 기계적 에너지를 회생시킴으로써 지속적인 운전이 가능하도록 한다.
지령 주파수(f*)에 따라 전압/주파수(V/F) 일정 제어를 수행하는 전압/주파수 제어기(23), 동기좌표계의 전압을 3상 전압으로 변환하는 동기/3상 좌표변환기(24), 주파수 신호를 위상으로 변환하는 적분기(25)가 포함되어 있으며, PWM 제어기(22)는 전력소자들에 대한 펄스 폭 변조(PWM) 제어를 실행하여 교류 전압을 생성한다.
직류단 전압 제어기(26-1)는 정전감시부(20-1)의 정전신호(정전 On)에 따라 직류단 전압(Vdc)을 입력 받고, 기준 전압(Vdc_ref)과 직류단 전압(Vdc)의 편차를 비례 적분(PI: Proportional Integral) 제어한다. 이는 감속된 주파수로 유도 전동기(13)를 제어하기 위한 것으로서, 유도 전동기(13)의 손실을 방지하고 제어용 에너지를 확보할 수 있도록 한다.
3상/동기 좌표변환기(26-2)는 유도 전동기(13)로 입력되는 3상 전압에 따른 3상 전류를 입력 받아 동기좌표계의 전류로 변환한다.
슬립추정기(26-3)는 3상/동기 좌표변환기(26-2)에 의해 변환된 동기좌표계의 전류를 바탕으로 현재의 부하량을 추정하여 슬립 주파수를 제어한다. 이때 슬립추정기(26-3)로부터의 출력에 슬립 주파수를 보상하기 위한 이득(Gain)(26-4)이 부가될 수도 있다.
정전이 발생했을 때는 정전감시부(20-1)의 정전신호(정전 On)에 따라 제어모드가 ②번 제어모드로 전환되고, 홀드(Hold)된 현재 주파수에서 슬립추정기(26-3)로부터 추정된 슬립 주파수와 직류단 전압제어기(26-1)로부터의 출력을 감하여 전압/주파수 제어기(23)의 지령 주파수(f*)로 전달한다.
이와 같이 정전 시 직류단 전압의 제어와 슬립 주파수의 제어를 수행함으로써 일정 시간 동안 인버터의 출력을 유지시킬 수 있으며, 전원이 복구되었을 때 전동기의 속도를 빠르게 회복할 수 있게 된다.
도 5를 참조하자면, 정전 시 연속운전에서 일정하게 제어되는 전압(Vdc_ref)이 정전 발생 전의 직류단 전압보다 크게 설정되어 있다.
인버터의 전원 입력단(11)에 정전이 발생되기 전 유도 전동기(13)는 인버터(20)를 통해 일정한 직류단 전압(Vdc)과 지령 속도(f_out)로 운전된다.
그러나 ①에서 정전이 발생하면 직류단 전압(Vdc)은 빠르게 감소하고, ②에서 정전감시부(20-1)에 의해 정전신호(정전 On)가 출력되면, 이때부터 정전 시의 연속운전이 시작된다.
연속운전 제어가 시작되면, 인버터(20)는 지령 주파수를 빠르게 낮추어 슬립이 발생되지 않도록 감소시킴으로써 에너지가 부하에 전달되지 않도록 한다.
이때 인버터(20)의 직류단 전압(Vdc)에 의존하지 않는 독립된 전원상태신호를 통해 정전 발생 여부를 판단하기 때문에 연속운전 시 일정하게 유지할 직류단 전압(Vdc_ref)을 정상 상태에서의 전압 보다 큰 값으로 설정할 수 있다.
또한, 연속 운전 시 제어되는 직류단 전압(Vdc_ref)은 정상 상태에서의 전압 보다 낮게 제어될 수도 있다. 하지만, 그 값은 저전압 고장 레벨(V_low_trip) 이상으로 설정되어야 한다.
이러한 연속운전 시 전원이 회복되면 ③에서 정전감시부(20-1)가 정상신호(정전 Off)를 출력하고, 인버터(20)는 원래의 제어 기능으로 복귀하게 된다.
그 후 ①'에서 다시 정전이 발생하면, ②'에서 정전감시부(20-1)에 의해 정전신호(정전 On)가 출력되고, 이때부터 다시 정전 시의 연속운전이 시작되어 직류단 전압은 Vdc_ref으로 제어된다.
만일 정전 상태가 지속되면, 인버터(20)는 기계 에너지가 소모될 때까지(④) 인버터 출력을 유지한다.
상술한 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것이며, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당업자에 의해 다양하게 변형하여 실시할 수 있는 것임은 물론이다.
11: 전원 입력단 13: 유도 전동기
20: 인버터 20-1: 정전감시부
21: 직류단(DC Link) 22: PWM 제어기
23: 전압/주파수 제어기 24: 동기/3상 좌표변환기
25: 적분기 26-1: 직류단 전압제어기
26-2: 3상/동기 좌표변환기 26-3: 슬립추정기
26-4: 이득(Gain)

Claims (4)

  1. 전압/주파수 제어기로 입력되는 지령 주파수에 따라 PWM 제어를 수행하여 유도 전동기를 제어하는 유도 전동기 구동용 인버터에 있어서,
    상기 인버터에 입력되는 전원의 상태에 따라 정전 발생 여부를 알리는 전원상태신호를 출력하는 정전감시부 -상기 정전감시부는 상기 인버터의 직류단 전압과는 독립적으로 정전을 감시함-를 포함하고,
    상기 정전감시부에서 출력하는 전원상태신호에 따라 정전 시의 연속운전을 실행하는 유도 전동기 구동용 인버터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 정전감시부는 정전 발생 여부에 따라 두 접점 사이를 스위칭하는 스위칭 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 유도 전동기 구동용 인버터.
  3. 제 1 항에 있어서,
    기준 전압과 직류단 전압과의 편차를 수신하여 비례 적분 제어를 수행하는 직류단 전압제어기;
    상기 유도 전동기에 입력되는 3상 전류를 수신하여 동기좌표계의 전류로 변환하는 3상/동기 좌표변환기; 및
    상기 3상/동기 좌표변환기에 의해 변환된 동기좌표계의 전류를 바탕으로 현재의 부하량으로부터 슬립주파수를 추정하는 슬립추정기를 포함하고,
    상기 전원상태신호가 정전을 알리는 경우, 현재의 주파수에서 상기 슬립추정기로부터 추정된 슬립 주파수와 상기 직류단 전압제어기로부터의 출력을 감하여 상기 전압/주파수 제어기의 지령주파수로 전달하는 유도 전동기 구동용 인버터.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 슬립추정기로부터 추정된 슬립주파수를 보상하기 위한 이득을 부가하는 유도 전동기 구동용 인버터.
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