KR20170115360A - 인버터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 인버터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 인버터의 입력 전원 이상으로 인한 고장 발생 후 복전되는 경우에 인버터의 재기동 여부를 판단하여 인버터의 안정적인 재기동을 가능하게 하는 인버터에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 전동기를 구동하기 위한 전압을 출력하는 인버터에 있어서, 상기 전동기로부터 출력되는 3상 전류와 상기 인버터의 주파수 및 모터의 정격 전류를 입력 받아 제1 재기동 전압과 제1 재기동 위상 각을 출력하는 지령 전압 발생부, 상기 인버터로부터 출력되는 인버터 출력 전압을 입력 받아 제2 재기동 전압과 제2 재기동 위상 각을 출력하는 재기동 지령 전압 발생부 및 상기 제1 재기동 전압과 상기 제1 재기동 위상 각 및 상기 제2 재기동 전압과 상기 제2 재기동 위상 각을 입력 받으며, 재기동 플래그에 따라 재기동 전압과 위상 각을 출력하는 스위치부를 포함한다. 본 발명에 의한 인버터는 자유 회전 중인 전동기의 전압을 기준으로 인버터의 재기동 여부를 판단하여 인버터를 재기동 시키므로 인버터 또는 전동기 고장을 사전에 예방할 수 있는 장점이 있다.

Description

인버터{INVERTER}

본 발명은 인버터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 인버터의 고장 발생 후 복전되는 경우에 인버터의 재기동 가능 여부를 판단하여 인버터의 안정적인 재기동을 가능하게 하는 인버터에 관한 것이다.

고압 인버터(Inverter)는 선간 전압 실효치(RMS value)가 600V 이상인 입력 전원을 사용하는 인버터로서, 정격 전력 용량(Rating power capacity)은 수 백 kW부터 수십 MW까지 다양하다. 또한 인버터는 팬(Fan), 펌프(Pump) 및 압축기(Compressor) 등의 응용 분야에 주로 사용되고 있다.

인버터의 회로 구성 방법으로 3 레벨 이상의 출력 전압을 발생시키는 멀티 레벨 인버터(Multi-level inverter)가 주로 사용되고 있으며, 대표적으로 직렬형 H-브릿지(Cascaded H-Bridge: CHB) 인버터가 있다.

직렬형 H-브릿지 인버터는 단위 전력 셀(Power cell)의 출력을 직렬 연결하는 방식으로, 다양한 출력 전압을 통해 낮은 dv/dt와 우수한 전 고조파 왜율(Total harmonic distortion: THD)의 장점이 있으며, 유지 보수가 용이하다.

또한, 직렬형 H-브릿지 인버터는 전력 셀의 개수에 따라 인버터 출력 전압 레벨의 크기와 개수가 결정되며, 각 전력 셀들은 절연된 입력 전압을 사용한다.

도 1은 종래 직렬형 H-브릿지 인버터를 나타내는 도면이다.

도 1을 참조하면,직렬형 H-브릿지 인버터(100)는 입력 전원(Main supply)(102), 위상 치환 변압기(104), 다수의 전력 셀(106), 전동기(108) 및 전압 센싱 장치(112)를 포함한다. 이때, 직렬형 H-브릿지 인버터는 2단의 단위 전력 셀로 구성되어 있으며, 시스템 요구 사양에 따라 단위 전력 셀(106)의 수는 변경이 가능하다.

입력 전원(102)은 선간 전압 실효치(RMS)가 600V이상인 3상 전압을 나타낸다.

위상 치환 변압기(Phase shift transformer)(104)는 입력 전원(102)을 절연(Isolation)시키고, 단위 전력 셀(106)의 요구에 맞게 전압의 위상(Phase) 및 크기(Magnitude)를 변환한다. 또한 위상 치환 변압기(104)는 위상 치환을 통해 입력 전원(102)에 흐르는 입력 전류의 전 고조파 왜율(Total harmonic distortion:THD)을 향상시킨다.

다수의 전력 셀(106)들은 위상 치환 변압기(104)의 출력 전압들을 입력 전원으로 사용한다.

전동기(108)는 인버터(100)의 출력 전압을 입력 받으며, 이때에 출력 전압은 각 상에 해당하는 전력 셀들의 출력 합으로 합성(synthesize)된다. 여기서, 전동기(108)는 고압의 3상 전동기로 유도 전동기(Induction machine) 또는 동기 전동기(Synchronous machine)를 포함할 수 있다.

전압 센싱 장치(Voltage sensing device)(112)는 정상적인 운전 상태(Normal driving)에서 인버터(100)의 출력 전압을 측정한다. 여기서, 측정된 출력 전압은 동기절체(Synchronous bypass) 및 출력 전력 연산(Output power calculation)에 사용된다. 그리고 전원 고장 후, 전동기(108)의 재기동(Restarting)을 위해 사용된다.

여기서, 인버터(100)의 a상 출력 전압은 직렬 연결(Series connection)된 제1 전력 셀(106a1)과 제2 전력 셀(106a2)의 출력 전압의 합이며, b상 출력 전압은 제3 전력 셀(106b1)과 제4 전력 셀(106b2)의 출력 전압의 합이고, c상 출력 전압은 제5 전력 셀(106c1)과 제6 전력 셀(106c2)의 출력 전압의 합이다. 이때, 인버터(100)의 출력 전압의 각 상 전압(Phase voltage)의 크기는 동일하나 위상은 120도 위상 차를 갖는다.

상기와 같이 인버터(100)에 의해 구동되는 대용량의 전동기(108)는 일반적으로 관성(Inertia)이 크기 때문에 입력 전원(Main supply)의 고장(Fault) 또는 정전(Blackout) 사고 후 복전 시 안정적인 재기동(Restarting)을 위해 유도 전동기의 회전자가 정지할 때까지 오랜 시간이 소요되는 문제점이 있다.

따라서, 이러한 문제점을 줄이기 위해 특별한 제어 알고리즘 없이 유도 전동기가 회전 중인 상태에서 유도 전동기의 속도 및 토크를 제어하게 되면, 큰 돌입 전류(Inrush current)가 발생하여 인버터(100) 또는 전동기(108) 고장을 발생시킬 수 있다.

또한, 부하 조건 하에서 재기동을 하는 경우에 유도 전동기의 잔류 전압에 의해 재기동 가능 여부가 결정되는데, 잔류 전압이 클수록 재기동 운전에 가용한 전압이 크므로, 재기동에 요구되는 전류의 크기를 감소시킬 수 있다.

하지만, 잔류 전압이 작을수록 재기동 운전에 가용한 전압이 작으므로, 동일한 토크를 발생시키기 위해 요구되는 전류의 크기가 증가하게 된다. 따라서 잔류 전압이 작은 경우에는 재기동 운전이 오히려 전동기 시스템에 악영향을 미치므로, 정지 후에 기동하는 것이 안정적이다.

본 발명은 인버터의 입력 전원 이상으로 인한 고장 발생 후 복전되는 경우에 인버터의 재기동 여부를 판단하여 인버터의 안정적인 재기동을 가능하게 하는 인버터를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 자유 회전 중인 전동기의 전압을 기준으로 인버터의 재기동 여부를 판단하여 인버터를 재기동 시키므로 인버터 또는 전동기 고장을 사전에 예방할 수 있는 인버터를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 전동기의 유기 기전력을 고려하여 인버터의 재기동 여부를 판단하므로 재기동 영역에서 돌입 전류 없이 전동기가 재기동 할 수 있는 인버터를제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 전동기를 구동하기 위한 전압을 출력하는 인버터에 있어서, 상기 전동기로부터 출력되는 3상 전류와 상기 인버터의 주파수 및 모터의 정격 전류를 입력 받아 제1 재기동 전압과 제1 재기동 위상 각을 출력하는 지령 전압 발생부, 상기 인버터로부터 출력되는 인버터 출력 전압을 입력 받아 제2 재기동 전압과 제2 재기동 위상 각을 출력하는 재기동 지령 전압 발생부 및 상기 제1 재기동 전압과 상기 제1 재기동 위상 각 및 상기 제2 재기동 전압과 상기 제2 재기동 위상 각을 입력 받으며, 재기동 플래그에 따라 재기동 전압과 위상 각을 출력하는 스위치부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 인버터의 주파수는 상기 인버터를 재기동시키는 재기동 영역의 시작점에서 측정된 주파수일 수 있다.

또한 본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 재기동 영역에서 상기 전동기가 발생시킬 수 있는 최대 부하 토크와 부하 토크를 계산할 수 있다.

또한 본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 최대 부하 토크는 상기 제2 재기동 전압, 상기 전동기의 최대 정격 전류와 역률(Power factor)를 곱하고 재기동 속도를 나눈 값일 수 있다.

또한 본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 부하 토크는 상기 인버터 출력 전압의 크기, 상기 전동기의 토크 분 전류의 크기 및 상기 재기동 지령 전압 생성부에서 출력되는 재기동 속도를 나눈 값일 수 있다.

또한 본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 최대 부하 토크와 상기 부하 토크를 비교하여 비교 결과에 따라 상기 재기동 플래그를 셋 할 수 있다.

또한 본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 최대 부하 토크가 상기 부하 토크보다 큰 경우에는 상기 재기동 플래그를 ‘1’로 셋하고, 상기 스위치부는 상기 제2 재기동 전압 및 상기 제2 재기동 위상 각을 상기 인버터로 출력할 수 있다.

또한 본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 최대 부하 토크가 상기 부하 토크보다 작은 경우에는 상기 재기동 플래그를 ‘0’으로 셋하고, 상기 스위치부는 상기 제1 재기동 전압 및 상기 제1 재기동 위상 각을 상기 인버터로 출력할 수 있다.

또한 본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 지령 전압 발생부는 상기 인버터의 출력 주파수를 입력 받아 상기 제1 재기동 전압을 생성하는 전압 생성부 및 상기 모터의 정격 전류와 상기 전동기로부터 출력되는 3상 전류를 입력 받아 상기 제1 재기동 위상 각을 생성하는 위상 각 생성부를 포함할 수 있다.

또한 본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 위상 각 생성부는 상기 모터의 정격 전류와 상기 전동기로부터 출력되는 3상 전류를 덧셈 연산하여 출력하는 덧셈기, 상기 덧셈기의 출력 결과를 설정된 이득에 따라 조절하여 출력하는 증폭기 및 상기 증폭기의 출력 결과를 적분 연산하여 상기 제1 재기동 위상 각으로 출력하는 적분기를 포함할 수 있다.

또한 본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 재기동 지령 전압 발생부는 상기 인버터에서 출력되는 전압을 측정하는 전압 센싱부, 상기 전압 센싱부에서 측정된 상기 전압을 입력 받아 정지 좌표 계 상의 d축 전압 및 q축 전압을 출력하는 전압 측정부, 상기 d축 전압 및 q축 전압을 입력 받아 재기동 전압, 재기동 위상 각 및 재기동 속도를 출력하는 전압 및 위상 검출부 및 상기 재기동 전압, 상기 재기동 위상 각 및 상기 재기동 속도를 입력 받아 상기 제2 재기동 전압과 상기 제2 재기동 위상 각을 출력하는 재기동 전압 발생부를 포함할 수 있다.

전술한 바와 같은 본 발명에 의한 인버터는 인버터의 입력 전원 이상으로 인한 고장 발생 후 복전되는 경우에 인버터의 재기동 여부를 판단하여 인버터의 안정적인 재기동을 가능하게 하는 장점이 있다.

또한 본 발명에 의한 인버터는 자유 회전 중인 전동기의 전압을 기준으로 인버터의 재기동 여부를 판단하여 인버터를 재기동 시키므로 인버터 또는 전동기 고장을 사전에 예방할 수 있는 장점이 있다.

또한 본 발명에 의한 인버터는 전동기의 유기 기전력을 고려하여 인버터의 재기동 여부를 판단하므로 재기동 영역에서 돌입 전류 없이 전동기가 재기동 할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 종래 직렬형 H-브릿지 인버터를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터의의 구성을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 재기동 전압 발생부의 구성을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 재기동 지령 전압 발생부의 구성을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 재기동 지령 전압 발생부의 내부 구성도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 고압 인버터의 동작을 나타내는 타이밍도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 재기동 영역에서 고압 인버터의 동작을 설명하기 위한 순서도이다.

전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터의 구성을 나타낸다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터는 제1 재기동 지령 전압 발생부(210), 제2 재기동 지령 전압 발생부(220), 스위치부(230), 고압 인버터(240) 및 전동기(250)를 포함한다.

제1 재기동 지령 전압 발생부(210)는 고압 인버터(240)의 입력 전원(Main supply) 이상으로 인한 고장 발생 후 동작할 수 있으며, 전류를 기반하여 재기동 전압을 생성한다.

또한 제1 재기동 지령 전압 발생부(210)는 고압 인버터(240)의 주파수(ω_ref)와 모터의 정격 전류(I_{abcs _max}) 및 전동기(250)로부터 출력되는 3상 전류(i_as, i_bs, i_cs)를 입력 받아 제1 재기동 전압(V_{ref _ fly1})과 제1 재기동 위상 각(θ_{ref_ fly1})을 출력한다. 여기서, 고압 인버터(240)의 주파수(ω_ref)는 재기동 운전 영역의 시작 점에서 측정된 주파수이다. 이때, 제1 재기동 전압(V_{ref_fly1})은 DC 전압일 수 있다.

제2 재기동 지령 전압 발생부(220)는 고압 인버터(240)의 입력 전원(Main supply) 이상으로 인한 고장 발생 후 동작할 수 있으며, 전압을 기반으로 하여 재기동 전압을 생성한다.

또한 제2 재기동 지령 전압 발생부(220)는 전동기(250)로부터 출력되는 3상 전류(i_as, i_bs, i_cs)를 입력 받아 제2 재기동 전압(V_{ref _fly})과 제2 재기동 위상 각(θ_{ref_fly})을 출력한다.

스위치부(230)는 재기동 모드 플래그(flying_start_mode_flag)에 따라 동작하며, 제1 재기동 지령 전압 발생부(210)의 제1 재기동 전압(V_{ref _ fly1})과 제1 재기동 위상 각(θ_{ref_ fly1})및 제2 재기동 지령 전압 발생부(220)의 제2 재기동 전압(V_{ref _fly})과 제2 재기동 위상 각(θ_{ref_fly})을 각각 입력 받는다.

만약, 스위치부(230)는 재기동 모드 플래그(flying_start_mode_flag)가 ‘0’인 경우에는 제1 재기동 지령 전압 발생부(210)의 제1 재기동 전압(V_{ref _ fly1})과 제1 재기동 위상 각(θ_{ref_fly1})을 고압 인버터(240)에 인가한다.

그러나, 스위치부(230)는 재기동 모드 플래그(flying_start_mode_flag)가 ‘1’인 경우에는 제2 재기동 지령 전압 발생부(220)의 제2 재기동 전압(V_{ref _fly})과 제2 재기동 위상 각(θ_{ref_fly})을 고압 인버터(240)에 인가한다. 이때, 재기동 플래그(flying_start_flag) 가 ‘1’인 경우에는 입력 전원(Main supply)의 고장 또는 정전(Blackout) 사고가 발생한 경우를 나타낸다.

고압 인버터(240)는 스위치부(230)로부터 출력되는 인버터 전압(V_{ref _ inv})과 인버터 위상 각(θ_{ref_ inv})을 입력 받아 전동기 전압(V_m)을 출력한다. 이렇게 생성된 전동기 전압(V_m)은 전동기(250)로 인가된다.이때, 전동기 전압(V_m)은 AC 전압일 수 있다.

전동기(250)는 고압 인버터(240)로부터 출력되는 전동기 전압(V_m)을 입력 받아 동작한다. 이때, 전동기 전압(V_m)은 PWM(Pulse width modulation) 형태의 전압일 수 있다.

이하, 도 3을 참조하여 제1 재기동 전압 발생부에 대해 자세하게 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 재기동 전압 발생부의 구성을 나타낸다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 재기동 지령 전압 발생부(210)는 제1 전압 생성부(310)와 제1 위상 각 생성부(320)를 포함한다.

제1 전압 생성부(310)는 고압 인버터(240)의 출력 주파수(ω_ref)를 입력 받아 제1 재기동 전압(V_{ref_fly1})을 생성한다.

제1 위상각 생성부(320)는 제1 덧셈기(322)와 증폭기(324) 및 제1 적분기(326)를 포함한다.

제1 덧셈기(322)는 모터의 정격 전류(I_{abcs _max}) 및 전동기(250)로부터 출력되는 3상 전류(i_as, i_bs, i_cs)를 입력 받아 제1 덧셈기(322)를 통해 덧셈 연산 결과를 출력 한다. 증폭기(324)는 제1 덧셈기(322)에서 출력되는 덧셈 연산 결과를 입력 받아 설정된 이득(Gain)에 따라 조절된 덧셈 연산 결과를 출력 한다. 제1 적분기(326)는 증폭기(324)의 출력 결과를 입력 받아 적분 연산을 하여 제1 재기동 위상 각(θ_{ref_fly1})으로 출력 한다.

이하, 도 4를 참조하여 제2 재기동 지령 전압 발생부에 대해 자세하게 설명하기로 한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 재기동 지령 전압 발생부의 구성을 나타낸다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 재기동 지령 전압 발생부(220)는 전압 센싱부(222), 전압 측정부(224), 전압 및 위상 검출부(226) 및 재기동 전압 발생부(228)를 포함한다.

전압 센싱부(222)는 정상적인 운전 상태(Normal driving)의 고압 인버터(240)에서 출력되는 전압(V_m)을 측정한다. 여기서, 고압 인버터(240)에서 출력되는 전압(Vm)은 전동기(250)의 재기동(Restarting)을 위해 사용되는 정보이며, 동기 절체(Synchronous bypass) 및 출력 전력 연산(Output power calculation)에 사용된다. 그리고 입력 전원(Main supply)의 고장 또는 정전(Blackout) 사고가 발생한 경우, 전동기(250)의 재기동(Restarting)을 위해 사용된다.

전압 측정부(224)는 전동기(250)의 입력 전압의 크기와 위상을 추정하기 위해 전압 센싱부(222)에서 측정된 인버터 출력 전압(V_m)을 입력 받아 정지 좌표 계 상의 d축 전압(V_d) 및 q축 전압(V_q)을 출력한다. 이때, 전압 측정부(224)는 좌표 변환(Reference frame transformation)을 통해 측정된 3상의 인버터 출력 전압(V_means)을 정지 좌표 계 상의 d축 전압(V_d) 및 q축 전압(V_q)을 변환한다. 또한, 전압 측정부(224)는 전압 센서 또는 저항 등으로 구성될 수 있다.

전압 및 위상 검출부(226)는 전압 측정부(224)에서 출력되는 d축 전압(V_d) 및 q축 전압(V_q)을 입력 받아 재기동 전압(V_mag), 재기동 위상 각(θ_est) 및 재기동 속도(ω_est)를 출력한다.이때, 재기동 전압(V_mag)은 정지 좌표 계 상의 d축 전압(V_d) 및 q축 전압(V_q)을 각각 제곱하여 더한 값의 제곱근(Squar root)를 취함으로써 계산할 수 있고, 재기동 위상 각(θ_est) 및 재기동 속도(ω_est)는 PLL(phase loop lock)을 통해 구현할 수 있다.

재기동 지령 전압 발생부(228)는 전압 및 위상 검출부(226)에서 출력되는 재기동 전압(V_mag), 재기동 위상 각(θ_est) 및 재기동 속도(ω_est)를 입력 받아 제2 재기동 전압(V_{ref_fly})과제2 재기동 위상 각(θ_{ref_fly})을 출력한다.

이하, 도 5를 참조하여 재기동 전압 발생부에 대해 자세하게 설명하기로 한다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 재기동 지령 전압 발생부의 내부 구성도이다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 재기동 전압 발생부(228)는 제2전압 생성부(340)와 제2위상 각 생성부(360)를 포함한다.

제2전압 생성부(340)는 외부에서 사용자가 입력한 전압의 기울기(342)와 제2덧셈기(344)를 포함한다. 여기서, 전압의 기울기(342)는 상수(Constatnt)값일 수 있다. 또한,제2전압 생성부(340)는 사용자가 입력한 전압의 기울기(342)와 전압 및 위상 검출부(226)에서 출력되는 재기동 전압(V_mag)을 제2 덧셈기(344)를 통해 덧셈 연산을 하여 제2 재기동 전압(V_{ref _fly})으로 출력 한다. 이때, 제2 재기동 전압((V_{ref_fly})은 아래 식(1)과 같이 표현될 수 있다.

V_{ref _fly} = V_mag + a ㆍ t (1)

여기서, V_mag는 전압 및 위상 검출부(226)에서 출력되는 재기동 전압을 나타내며, a는 사용자가 입력한 전압의 기울기를 나타낸다.

제2 위상 각 생성부(360)는 제2 적분기(362)와 제3 덧셈기(364)를 포함한다. 제2 적분기(362)는 전압 및 위상 검출부(226)에서 출력되는 재기동 속도(ω_est)를 입력 받으며, 재기동 속도(ω_est)를 적분하여 출력한다. 제3 덧셈기(364)는 제2 적분기(342)에서 출력되는 적분 값과 전압 및 위상 검출부(226)에서 출력되는 재기동 위상 각(θ_est)을 제3 덧셈기(364)를 통해 덧셈 연산을 하여 제2 재기동 위상 각(θ_{ref_fly})으로 출력한다. 이때, 제2 재기동 위상 각(θ_{ref_fly})은 아래 식(2)와 같이 표현될 수 있다.

θ_{ref_fly} = θ_est + ∫ω_est dt (2)

여기서, θ_est와 ω_est는 전압 및 위상 검출부(226)에서 출력되는 재기동 위상 각과 재기동 속도를 각각 나타낸다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 고압 인버터의 동작을 나타내는 타이밍도이다. 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 재기동 영역에서 고압 인버터의 동작을 설명하기 위한 순서도이다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 고압 인버터(240)는 입력 전압과 출력 전압이 모두 정상 동작하는 영역 즉, 정상운전영역에서는 재기동 플래그(flying_start_flag) 가 ‘0’으로 셋된다. 이때, 재기동 플래그(flying_start_flag)는 고압 인버터의 재기동을 위한 동작을 하는 구간을 나타내는 변수로서, 고장 발생 시부터 정상 운전이 가능한 구간까지를 나타낸다.

이때, 입력 전원(a)은 고압 인버터(240)의 주 전원(Main source)의 크기를 나타내고, 인버터 출력 전압(c)은 고압 인버터(240)의 출력 전압(Vm)의 크기를 나타내며, 입력 전원 고장 시 보호 동작으로 인하여 고압 인버터(240)는 출력을 멈춘다.

또한, 고압 인버터(240)의 입력 전원 고장 영역에서 입력 전원(a)의 크기는 정격 전압(Rated voltage)범위 이하로 동작하며, 이 구간에서 측정되는 전동기의 입력 단 전압(d)은 전동기의 유기 기전력이다. 이때, 측정되는 전동기의 입력 단 전압(d) 크기와 전동기 속도(f)는 부하(Load)와 전동기의 시정수(Time constant)에 따라 감소하고, 전동기 전류(e)의 경로(path)를 형성하지 않는다. 여기서, 재기동 플래그(flying_start_flag)는 ‘1’로 셋된다.

한편, 고압 인버터(240)의 재기동 영역은 입력 전원(a) 이상으로 인하여 운전을 멈춘 고압인버터(240)를 재기동시키는 운전 영역이다.

도 7을 참조하면, 고압 인버터(240)를 재기동 시키기 위해 재기동 영역에서는 전동기의 유기 기전력 크기에 따라 전동기가 발생시킬 수 있는 최대 부하 토크(T_limit)와 부하 토크(T_load)를 계산한다(S11). 이때, 최대 부하 토크(T_limit)는 아래 식(3)으로 표현할 수 있다.

T_limit=

V_magㆍI_rateㆍPF/ω_est (3)

여기서, 식(3)은 전력 식으로부터 전기적 토크를 구한 식으로, 잔류 전압 하에서 재기동 가능한 최대 토크 크기를 나타낸 식이다. 식(3)에서 알 수 있듯이, 같은 토크(T_limit) 조건에서 재기동 전압(V_mag)이 작은 경우에 I_rate가 증가한다.

이때, V_mag는 전압 및 위상 검출부(226)에서 출력되는 재기동 전압을 나타내고, I_rate는 전동기의 최대 정격 전류를 나타내며, PF는 역률(Power factor)이다. 또한, I_rate는 고압 인버터와 전동기의 허용 가능한 범위에서 전류 크기를 증가시킬 수 있다.

그리고, 부하 토크(T_load)는 아래 식(4)로 표현할 수 있다.

T_load=

V_qseㆍI_qse/ω_est (4)

여기서, 식(4)는 인버터 출력 토크를 나타내며, 고압 인버터(240)의 고장 영역 이전의 토크(T_load)를 계산하고, 고장 영역에서 식(3)의 최대 부하 토크(T_limit)와 크기를 비교하여 비교 결과에 따라 각각 다른 재기동 알고리즘을 수행한다.

이때, V_qse는 동기 좌표계 q축 전압으로서, 고압인버터(240)에서 출력전압의 크기를 나타낸다. I_qse는 토크 분 전류의 크기를 나타내고, ω_est는 전압 및 위상 검출부(226)에서 출력되는 재기동 속도를 나타낸다. 이때, 재기동 속도는 회전자 속도에 해당하며, 전압 및 위상 검출부(226)에서 추정한 유기기전력 주파수를 나타낸다.

그 다음, 계산된 최대 부하 토크(T_limit)와 부하 토크(T_load)를 비교한다(S12). 여기서, 비교기의 결과 값은 재기동 모드 플래그(flying_start_mode_flag) 의 변수에 해당한다.

만약, 최대 부하 토크가 부하 토크(Tload)보다 큰 경우에는 재기동 모드 플래그(flying_start_mode_flag)를 ‘1’로 셋하여 유기 기전력 기반의 재기동 알고리즘이 수행되도록 한다. 이때, 스위치부는(230)는 재기동 모드 플래그(flying_start_mode_flag)에 따라 제2 재기동 지령 전압 발생부(220)에서 생성된 제2 재기동 전압(V_{ref _fly})과 제2 재기동 위상 각(θ_{ref_fly})을 고압 인버터(240)에 인가한다. 고압 인버터(240)는 인가된 제2 재기동 전압(V_{ref _fly})과 제2 재기동 위상 각(θ_{ref_fly})에 따라 재기동 한다(S13).

그러나, 최대 부하 토크(T_limit)가 부하 토크(T_load)보다 작은 경우에는 유기 기전력이 부족하므로, 재기동 모드 플래그(flying_start_mode_flag)를 ‘0’로 셋하여 고압 인버터(240) 및 전동기 고장을 방지하기 위해 전동기를 정지시키거나, 다른 재기동 알고리즘이 수행되도록 한다. 이때, 스위치부(230)는 재기동 모드 플래그(flying_start_mode_flag)에 따라 제1 재기동 지령 전압 발생부(210)에서 생성된 제1 재기동 전압(V_{ref _ fly1})과 제1 재기동 위상 각(θ_{ref_ fly1})을 고압 인버터(240)에 인가한다. 고압 인버터(240)는 인가된 제1 재기동 전압(V_{ref _ fly1})과 제1 재기동 위상 각(θ_{ref_fly1})에 따라 재기동한다(S14).

전술한 바와 같은 본 발명에 의한 인버터 재기동 장치는 인버터의 입력 전원 이상으로 인한 고장 발생 후 복전되는 경우에 인버터의 재기동 여부를 판단하여 인버터의 안정적인 재기동을 가능하게 하는 장점이 있다.

또한 본 발명에 의한 인버터 재기동 장치는 자유 회전 중인 전동기의 전압을 기준으로 인버터의 재기동 여부를 판단하여 인버터를 재기동 시키므로 인버터 또는 전동기 고장을 사전에 예방할 수 있는 장점이 있다.

또한 본 발명에 의한 인버터 재기동 장치는 전동기의 유기 기전력을 고려하여 인버터의 재기동 여부를 판단하므로 재기동 영역에서 돌입 전류 없이 전동기가 재기동 할 수 있는 장점이 있다.

전술한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.

210: 제1 재기동 지령 전압 발생부 220: 제2 재기동 지령 전압 발생부
230: 스위치부 240: 인버터
250: 전동기

Claims (11)

1. 전동기를 구동하기 위한 전압을 출력하는 인버터에 있어서,
   상기 전동기로부터 출력되는 3상 전류와 상기 인버터의 주파수 및 모터의 정격 전류를 입력 받아 제1 재기동 전압과 제1 재기동 위상 각을 출력하는 지령 전압발생부;
   상기 인버터로부터 출력되는 인버터 출력 전압을 입력 받아 제2 재기동 전압과 제2 재기동 위상 각을 출력하는 재기동 지령 전압 발생부; 및
   상기 제1 재기동 전압과 상기 제1 재기동 위상 각 및 상기 제2 재기동전압과 상기 제2 재기동 위상 각을 입력 받으며, 재기동 플래그에 따라 재기동 전압과 위상 각을 출력하는 스위치부를 포함하는 인버터.
2. 제1항에 있어서,
   상기 인버터의 주파수는 상기 인버터를 재기동시키는 재기동 영역의 시작점에서 측정된 주파수인 인버터.
3. 제2항에 있어서,
   상기 재기동 영역에서 상기 전동기가 발생시킬 수 있는 최대 부하 토크와 부하 토크를 계산하는 인버터.
4. 제3항에 있어서,
   상기 최대 부하 토크는 상기 제2 재기동 전압, 상기 전동기의 최대 정격 전류와 역률(Power factor)를 곱하고 재기동 속도를 나눈 값인 인버터.
5. 제3항에 있어서,
   상기 부하 토크는 상기 인버터 출력 전압의 크기, 상기 전동기의 토크 분 전류의 크기 및 상기 재기동 지령 전압 생성부에서 출력되는 재기동 속도를 나눈 값인 인버터.
6. 제3항에 있어서,
   상기 최대 부하 토크와 상기 부하 토크를 비교하여 비교 결과에 따라 상기 재기동 모드 플래그를 셋하는 인버터.
7. 제6항에 있어서,
   상기 최대 부하 토크가 상기 부하 토크보다 큰 경우에는 상기 재기동 모드 플래그를 1로 셋하고, 상기 스위치부는 상기 제2 재기동 전압 및 상기 제2 재기동 위상 각을 상기 인버터로 출력하는 인버터.
8. 제6항에 있어서,
   상기 최대 부하 토크가 상기 부하 토크보다 작은 경우에는 상기 재기동 모드 플래그를 0으로 셋하고, 상기 스위치부는 상기 제1 재기동 전압 및 상기 제1 재기동 위상 각을 상기 인버터로 출력하는 인버터.
9. 제1항에 있어서,
   상기 지령 전압 발생부는 상기 인버터의 출력 주파수를 입력 받아 상기 제1 재기동 전압을 생성하는 전압 생성부; 및
   상기 모터의 정격 전류와 상기 전동기로부터 출력되는 3상 전류를 입력 받아 상기 제1 재기동 위상 각을 생성하는 위상 각 생성부를 포함하는 인버터.
10. 제9항에 있어서,
    상기 위상 각 생성부는 상기 모터의 정격 전류와 상기 전동기로부터 출력되는 3상 전류를 덧셈 연산하여 출력하는 덧셈기;
    상기 덧셈기의 출력 결과를 설정된 이득에 따라 조절하여 출력하는 증폭기; 및
    상기 증폭기의 출력 결과를 적분 연산하여 상기 제1 재기동 위상 각으로 출력하는 적분기를 포함하는 인버터.
11. 제1항에 있어서,
    상기 재기동 지령 전압 발생부는 상기 인버터에서 출력되는 전압을 측정하는 전압 센싱부;
    상기 전압 센싱부에서 측정된 상기 전압을 입력 받아 정지 좌표 계 상의 d축 전압 및 q축 전압을 출력하는 전압 측정부;
    상기 d축 전압 및 q축 전압을 입력 받아 재기동 전압, 재기동 위상 각 및 재기동 속도를 출력하는 전압 및 위상 검출부; 및
    상기 재기동 전압, 상기 재기동 위상 각 및 상기 재기동 속도를 입력 받아 상기 제2 재기동 전압과 상기 제2 재기동 위상 각을 출력하는 재기동 전압 발생부를 포함하는 인버터.

Images