KR20230069438A

KR20230069438A - 센서리스 스프링 차징 동기전동기의 초기 구동 방법 및 시스템

Info

Publication number: KR20230069438A
Application number: KR1020210155484A
Authority: KR
Inventors: 이경표; 이수길; 이건복
Original assignee: 한국철도기술연구원
Priority date: 2021-11-12
Filing date: 2021-11-12
Publication date: 2023-05-19

Abstract

본 발명은 센서리스 스프링 차징 동기전동기의 초기 구동 방법 및 시스템에 관한 것으로, 차단기 개폐 동작을 수행하는 스프링 차징 동기전동기를 초기 구동시 센서리스 스프링 차징 전동기의 정방향 회전에는 높은 토크가 요구되지만, 역방향 회전은 매우 낮은 토크(Torque)로도 회전이 가능한 특성을 이용해 센서리스 스프링 차징 동기전동기를 초기 구동시 매우 낮은 토크(Torque)로도 회전이 가능한 역방향 회전을 통해 회전자 위치를 검출하여 최적 토크로 동기전동기를 초기 구동시킴으로서 구동 실패 문제를 해결할 수 있는 센서리스 스프링 차징 동기전동기의 초기 구동 방법 및 시스템을 제공한다.

Description

센서리스 스프링 차징 동기전동기의 초기 구동 방법 및 시스템 {Initial driving method and system of a synchronous motor for sensorless spring charging}

본 발명은 센서리스 스프링 차징 동기전동기의 초기 구동 방법 및 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 차단기 등에 포함되어 있는 스프링을 차징하기 위한 전동기 중에 특히 센서리스 방식을 이용하는 동기전동기의 초기 구동 방법 및 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 차단기(circuit breaker)는 전기회로에 과전류 즉 정격전류 이상의 전류가 흐를 때 이로 인한 사고를 예방하기 위해 전류의 흐름을 차단하는 장치이다.

이러한 차단기는 개폐 동작을 수행하기 위해서 물리적 힘이 필요하며, 많은 차단기는 이러한 힘을 스프링으로부터 공급받는다. 스프링이 힘을 내기 위해서는 스프링을 압축하거나 인장해야 하는데 이를 스프링 차징이라고 한다. 스프링 차징은 수동으로도 가능하나, 원격에서 자동으로 차징하기 위해서는 일반적으로 전동기를 사용한다. 이러한 전동기를 스프링 차징 전동기라 지칭한다.

전동기가 스프링을 차징하는 기본적인 구조는 도 1과 같다. 전동기의 회전력(토크)으로 연결되어 있는 기어(1)를 회전시키면 접촉되어 있는 스프링 차징부(2)가 회전축 등(3,4)에 의해 왕복운동을 하게 되고, 스토퍼기어 등의 구조를 추가하여 이 왕복운동을 이용해 스프링을 차징한다.

이러한 스프링 차징 전동기는 주로 직류전동기가 사용되고 있으나, 유지보수가 어려워 영구자석 동기전동기로 대체되고 있는 추세이다.

상기 동기전동기는 직류전동기와 달리 드라이버가 회전자의 위치를 알아야만 제어가 가능하기 때문에 일반적으로 홀센서 등을 이용해 회전자 위치 정보를 획득한다.

그러나, 이러한 센서를 배제하고 위치 정보를 획득하는 센서리스 동기전동기의 경우 회전자가 회전하면서 고정자에 발생하는 역기전력을 검측하여 회전자 위치를 추산한다.

이때, 센서리스 동기전동기를 스프링 차징 전동기로 사용할 경우, 드라이버가 동기전동기 회전자의 위치를 파악하기 위해서는 고정자에서 역기전력이 검출되어야 한다. 고정자에 역기전력이 발생되려면 회전자가 약간이라도 회전을 해야만 한다.

특히, 도 1과 같은 기어(1) 구조는 전동기 연결 기어의 위치에 따라 구동 초기부터 매우 큰 토크가 발생되어야 하지만 동기전동기는 제어 원리상 회전자의 위치를 모르는 상태에서 큰 토크를 발생시킬 수 없다.

이러한 상황이 발생할 경우, 스프링 차징 동기전동기는 구동에 실패하거나, 구동을 위해 지나치게 큰 전류를 소모하여 전동기에 손상이 발생하는 문제가 있다.

차단기의 스프링 차징 구조에 관련된 선행기술로 등록특허 제10-1412608호의 진공차단기의 차징장치, 등록실용신안 제20-0401943호의 진공차단기의 스프링 차징 구조 등이 제안된 바 있다.

참고문헌 1: 등록특허 제10-1412608호 참고문헌 2: 등록실용신안 제20-0401943호

따라서, 본 발명은 이러한 문제점들을 해결하기 위한 것으로서 본 발명은 차단기 개폐 동작을 수행하기 위한 센서리스 스프링 차징 전동기의 초기 구동 문제를 해결하기 위한 제어 방법 및 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

특히, 본 발명은 센서리스 스프링 차징 전동기의 회전자 위치 검출 실패로 인한 구동 실패 문제를 해결할 수 있는 센서리스 스프링 차징 동기전동기의 초기 구동 방법 및 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

이와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명은;

센서리스 스프링 차징 동기전동기의 초기 구동 방법에 있어서,

상기 동기전동기를 제어하여 동기전동기의 회전자가 정방향으로 회전시키는 제1단계; 상기 동기전동기의 정방향 회전에 따른 회전자 위치 정보를 산출하는 제2단계; 상기 동기전동기의 정방향 회전시 회전자 위치 정보가 산출되지 않으면 동기전동기를 제어하여 동기전동기의 회전자를 역방향으로 회전시키는 제3단계; 상기 동기전동기의 역방향 회전에 따른 회전자 위치 정보를 산출하는 제4단계; 및 상기 동기전동기의 역방향 회전에서 산출된 회전자 위치 정보를 이용해 상기 동기전동기를 최적 토크로 초기 구동하는 제5단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서리스 스프링 차징 동기전동기의 초기 구동 방법을 제공한다.

이때, 상기 제2단계는, 상기 동기전동기의 정방향 회전에 따라 고정자에 발생하는 역기전력을 검출하여 회전자 위치 정보를 산출하는 단계인 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 제4단계는, 상기 동기전동기의 역방향 회전에 따라 고정자에 발생하는 역기전력을 검출하여 회전자 위치 정보를 산출하는 단계인 것을 특징으로 한다.

아울러, 상기 제3단계는 동기전동기의 정방향 회전시 회전자 위치 정보가 산출되면 동기전동기를 정상 구동하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 제4단계 이후 제5단계 이전에, 상기 동기전동기의 역방향 회전에서 산출된 회전자 위치 정보를 저장하는 제6단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은;

스프링 차징 동기전동기와 상기 동기전동기를 제어하는 드라이버를 포함하는 시스템에 있어서, 상기 드라이버는 상기 동기전동기를 정방향 회전제어하고 회전자 위치 정보가 산출되지 않으면 동기전동기를 제어하여 동기전동기를 역방향 회전제어하고 회전자 위치 정보를 산출하여 상기 동기전동기를 최적 토크로 초기 구동시키는 것을 특징으로 하는 센서리스 스프링 차징 동기전동기의 초기 구동 시스템도 제공한다.

이때, 상기 드라이버는 상기 동기전동기의 정방향 회전 또는 역방향 회전시 상기 동기전동기의 고정자에 발생하는 역기전력을 검출부에서 검출하여 회전자 위치 정보를 산출하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 드라이버는 상기 동기전동기의 역방향 회전에서 산출된 회전자 위치 정보가 저장되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 차단기 개폐 동작을 수행하는 스프링 차징 동기전동기를 초기 구동시 센서리스 스프링 차징 전동기의 회전자 위치 검출 실패로 인한 구동 실패 문제를 해결할 수 있다.

특히, 본 발명에 따르면 센서리스 스프링 차징 동기전동기를 초기 구동시 매우 낮은 토크(Torque)로도 회전이 가능한 역방향 회전을 통해 회전자 위치를 검출하여 최적 토크로 동기전동기를 초기 구동시킴으로서 구동 실패 문제를 해결할 수 있다.

도 1은 일반적인 스프링 차징 기어 구조를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 센서리스 스프링 차징 동기전동기의 초기 구동 시스템 구성도이다.
도 3은 센서리스 스프링 차징 동기전동기의 연결 기어가 1회전하는 동안 필요한 토크를 도시한 그래프이다.
도 4는 센서리스 스프링 차징 동기전동기 역방향 회전에 따른 동작점 변화를 설명하기 위해 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명에 따른 센서리스 스프링 차징 동기전동기의 초기 구동 과정을 도시한 제어 흐름도이다.

이하, 본 발명에 따른 센서리스 스프링 차징 동기전동기의 초기 구동 방법 및 시스템을 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 기술되는 실시 예에 의하여 그 특징들을 이해할 수 있을 것이다.

이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들은 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

본 발명은 센서리스 스프링 차징 동기전동기 초기 구동 문제를 해결하기 위한 제어 방법이다.

도 2를 참고하면 본 발명의 센서리스 스프링 차징 동기전동기의 초기 구동을 위한 시스템을 구성하는 센서리스 스프링 차징 동기전동기(100)는 드라이버(10)에 의해 구동이 제어되며, 이에 따라 상기 동기전동기(100)의 회전자(110)가 정회전 또는 역회전을 수행한다.

물론, 상기 드라이버(10)는 동기전동기(100)의 회전자(110)가 회전하면서 동기전동기(100)의 고정자(120)에 발생하는 역기전력을 검출부(20)에서 검출하여 회전자 위치 정보를 산출(추산)한다.

그리고, 상기 드라이버(10)는 이와 같이 산출된 회전자 위치 정보를 토대로 초기(처음)부터 최적 토크로 구동시킨다.

본 발명에서 상기 드라이버(10)는 동기전동기(100)의 제어기능을 수행하는 것만 간단히 설명하였으나, 검출부(20)를 통해 검출된 역기전력을 이용하여 회전자 위치 정보를 산출(추산)하고 이를 저장(또는 기억)하는 일련의 과정을 함께 수행하는 것으로 설명한다.

이에 상기 드라이버(10)는 동기전동기(100)를 제어하고 역기전력을 이용하여 회전자 위치 정보를 산출하기 위한 구동 및 연산프로그램의 저장 및 연산처리를 수행 가능한 프로세서 및 메모리를 포함하거나, 마이컴을 포함하는 개념으로 이해함이 바람직하다.

따라서, 상기 드라이버(10)는 자체 메모리(예를 들어 마이컴의 경우 내장메모리)에 상기 구동 및 연산프로그램과, 산출된 회전자 위치 정보를 저장할 수 있다.

한편, 도 3은 본 발명의 센서리스 스프링 차징 동기전동기(100)의 연결 기어가 1회전하는 동안 필요한 토크를 그래프로 나타낸 것이다.

이에 의하면, 이전 차징 동작을 마친 동기전동기(100)의 연결 기어는 관성으로 인해 높은 확률로 A 지점에 멈춰 있게 된다.

이와 같은 A 지점 상태에서 동기전동기(100)가 다시 구동을 시작하려면 시작부터 최대 토크(Tmax)를 발생시켜야 한다.

그러나, 동기전동기(100)를 구동하는 드라이버(10)는 동기전동기(100)의 회전자(110)가 전혀 회전하지 않은 상태이기 때문에 회전자(110)의 위치 정보가 없고, 높은 토크를 낼 수 없어 동기전동기(100)의 정방향 구동에 실패하게 된다.

이러한 상황을 해결하기 위해 상기 드라이버(10)는 동기전동기(100)의 정방향 구동에 실패했을 때 동기전동기(100)를 제어하여 회전자(110)의 역방향 회전을 시도한다.

도 3의 그래프에서 확인되는 바와 같이 동기전동기(100)의 정방향 회전에는 높은 토크가 요구되지만, 역방향 회전은 매우 낮은 토크(Torque)로도 회전이 가능함을 알 수 있다.

따라서, 상기 동기전동기(100)의 역방향 회전에 성공하면 상기 드라이버(10)는 검출부(20)에서 검출한 역기전력을 이용해 동기전동기(100)의 회전자 위치 정보가 산출되면 동기전동기(100)의 회전을 정지한다.

도 4는 본 발명의 센서리스 스프링 차징 동기전동기(100)의 역방향 회전에 따른 동작점 변화를 설명하기 위해 도시한 그래프이다. 이에 의하면 드라이버(10)에서 동기전동기(100)의 회전자 위치 정보가 산출한 경우 동기전동기(100)의 회전자(110)는 B 지점에서 정지하게 된다.

이하에서는 도 5를 참고로 이러한 동기전동기의 특성을 이용하여 본 발명에 따른 센서리스 스프링 차징 동기전동기의 초기 구동 과정을 설명한다.

도 5는 본 발명에 따른 센서리스 스프링 차징 동기전동기의 초기 구동 과정을 도시한 제어 흐름도이다.

이에 의하면 드라이버(10)는 동기전동기(100)의 구동을 시작한다.(S1)

이에 상기 드라이버(10)는 상기 동기전동기(100)를 제어하여 동기전동기(100)의 회전자(110)가 정방향으로 회전하도록 한다.(S2)

상기 드라이버(10)는 상기 단계(S2)를 통해 동기전동기(100)를 구동하고 상기 동기전동기(100)가 정방향 회전시 검출부(20)를 통해 고정자(120)에 발생하는 역기전력을 검출하여 회전자 위치 정보를 산출한다.(S3)

상기 드라이버(10)는 상기 단계(S2)를 통해 동기전동기(100)의 회전자(110) 위치가 산출(또는 검출)되면 동기전동기(100)를 정상 구동하고(S4), 구동을 종료한다.(S5)

한편, 상기 드라이버(10)는 상기 단계(S3)를 통해 동기전동기(100)의 정방향 회전시 회전자 위치 정보가 산출(또는 검출)되지 않으면 동기전동기(100)를 제어하여 동기전동기(100)의 회전자(110)를 역방향으로 회전시킨다.(S6)

그리고, 상기 드라이버(10)는 상기 단계(S6)를 통해 동기전동기(100)를 구동하여 동기전동기(100)가 역방향 회전시 검출부(20)를 통해 고정자(120)에 발생하는 역기전력을 검출하여 회전자 위치 정보를 산출한다.(S7)

마지막으로 상기 드라이버(10)는 상기 단계(S7)를 통해 동기전동기(100)의 역방향 회전에서 산출된 회전자 위치 정보를 저장(S8)한 후 상기 단계(S2)로 분기하여 동기전동기(100)를 초기(처음)부터 최적 토크로 구동한다.

한편, 상기 단계(S7)를 통해 동기전동기(100)의 역방향 회전에서 산출된 회전자 위치 정보를 이용한 동기전동기(100)의 구동은 2가지로 나누어 진행할 수 있다.

우선 방식 1은 상기 단계(S7)를 통해 동기전동기(100)의 역방향 회전에서 산출된 회전자 위치 정보는 상기 단계(S8)을 통해 드라이버(10)에 저장(또는 기억)하고 이를 토대로 초기(처음)부터 최적 토크로 동기전동기(100)를 구동하는 방식이다.

다음으로 방식 2는 상기 단계(S7)를 통해 동기전동기(100)의 역방향 회전에서 산출된 회전자 위치 정보는 산출된 회전자 위치 정보를 기억하지 않아 상기 단계(S8)를 거치지 않고, 상기 단계(S7) 수행 후 단계(S2)로 분기하여 다시 회전자 위치 정보를 검출하여 동기전동기(100)를 구동하는 방식이다. 이는 예를 들어 도 4를 참고하면 동기전동기(100)의 역방향 회전에서 산출된 회전자 위치 정보를 기억하지 않고, B지점에서 A지점으로 회전하는 과정에서 다시 회전자 위치 정보를 검출하여 동기전동기(100)를 구동하는 방식이다.

상기 방식 1의 경우 방식 2에 비해 동기전동기(100)를 더욱 효율적으로 제어할 수 있으나 회전자 위치 정보를 기억하기 위해 추가 부품 또는 제어 알고리즘 필요하다.

그리고, 상기 방식 2는 구성은 단순하지만 구동 초기에 동기전동기(100)를 효율적으로 제어할 수 없으며, 작게나마 동기전동기(100)의 구동에 실패할 확률도 존재한다.

이상의 드라이버(10)의 초기 구동시 역방향 회전 각도, 시도 횟수 등 제어 알고리즘에 들어가는 제어 변수들은 기술적 원리를 유지하는 점위 내에서 다양한 변경이 가능하다.

위에서 설명한 센서리스 스프링 차징 동기전동기의 초기 구동 방법을 정리하면, 상기 동기전동기(100)를 제어하여 동기전동기(100)의 회전자(110)가 정방향으로 회전시키는 제1단계와 상기 동기전동기(100)의 정방향 회전에 따른 회전(110)자 위치 정보를 산출하는 제2단계와 상기 동기전동기(100)의 정방향 회전시 회전자(110) 위치 정보가 산출되지 않으면 동기전동기(100)를 제어하여 동기전동기(100)의 회전자(110)를 역방향으로 회전시키는 제3단계와 상기 동기전동기(100)의 역방향 회전에 따른 회전자(110) 위치 정보를 산출하는 제4단계 및 상기 동기전동기(100)의 역방향 회전에서 산출된 회전자(110) 위치 정보를 이용해 상기 동기전동기(100)를 최적 토크로 초기 구동하는 제5단계를 포함하여 이루어진다.

이때, 상기 제2단계는, 상기 동기전동기(100)의 정방향 회전에 따라 고정자(120)에 발생하는 역기전력을 검출하여 회전자(110) 위치 정보를 산출하는 단계이다.

그리고, 상기 제4단계는, 상기 동기전동기(100)의 역방향 회전에 따라 고정자(120)에 발생하는 역기전력을 검출하여 회전자(110) 위치 정보를 산출하는 단계이다.

아울러, 상기 제3단계는 동기전동기(100)의 정방향 회전시 회전자(110) 위치 정보가 산출되면 동기전동기(100)를 정상 구동하는 단계이다.

그리고, 상기 제4단계 이후 제5단계 이전에, 상기 동기전동기(100)의 역방향 회전에서 산출된 회전자(110) 위치 정보를 저장하는 제6단계를 더 포함한다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형 가능한 것으로, 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10: 드라이버 20: 검출부
100: 동기전동기 110: 회전자
120: 고정자

Claims

센서리스 스프링 차징 동기전동기의 초기 구동 방법에 있어서,
상기 동기전동기를 제어하여 동기전동기의 회전자가 정방향으로 회전시키는 제1단계;
상기 동기전동기의 정방향 회전에 따른 회전자 위치 정보를 산출하는 제2단계;
상기 동기전동기의 정방향 회전시 회전자 위치 정보가 산출되지 않으면 동기전동기를 제어하여 동기전동기의 회전자를 역방향으로 회전시키는 제3단계;
상기 동기전동기의 역방향 회전에 따른 회전자 위치 정보를 산출하는 제4단계; 및
상기 동기전동기의 역방향 회전에서 산출된 회전자 위치 정보를 이용해 상기 동기전동기를 최적 토크로 초기 구동하는 제5단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서리스 스프링 차징 동기전동기의 초기 구동 방법.
제 1항에 있어서,
상기 제2단계는, 상기 동기전동기의 정방향 회전에 따라 고정자에 발생하는 역기전력을 검출하여 회전자 위치 정보를 산출하는 단계인 것을 특징으로 하는 센서리스 스프링 차징 동기전동기의 초기 구동 방법.
제 1항에 있어서,
상기 제4단계는, 상기 동기전동기의 역방향 회전에 따라 고정자에 발생하는 역기전력을 검출하여 회전자 위치 정보를 산출하는 단계인 것을 특징으로 하는 센서리스 스프링 차징 동기전동기의 초기 구동 방법.
제 1항에 있어서,
상기 제3단계는 동기전동기의 정방향 회전시 회전자 위치 정보가 산출되면 동기전동기를 정상 구동하는 것을 특징으로 하는 센서리스 스프링 차징 동기전동기의 초기 구동 방법.
제 1항에 있어서,
상기 제4단계 이후 제5단계 이전에, 상기 동기전동기의 역방향 회전에서 산출된 회전자 위치 정보를 저장하는 제6단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 센서리스 스프링 차징 동기전동기의 초기 구동 방법.
스프링 차징 동기전동기와 상기 동기전동기를 제어하는 드라이버를 포함하는 시스템에 있어서,
상기 드라이버는 상기 동기전동기를 정방향 회전제어하고 회전자 위치 정보가 산출되지 않으면 동기전동기를 제어하여 동기전동기를 역방향 회전제어하고 회전자 위치 정보를 산출하여 상기 동기전동기를 최적 토크로 초기 구동시키는 것을 특징으로 하는 센서리스 스프링 차징 동기전동기의 초기 구동 시스템.
제 6항에 있어서,
상기 드라이버는 상기 동기전동기의 정방향 회전 또는 역방향 회전시 상기 동기전동기의 고정자에 발생하는 역기전력을 검출부에서 검출하여 회전자 위치 정보를 산출하는 것을 특징으로 하는 센서리스 스프링 차징 동기전동기의 초기 구동 시스템.
제 6항에 있어서,
상기 드라이버는 상기 동기전동기의 역방향 회전에서 산출된 회전자 위치 정보가 저장되는 것을 특징으로 하는 센서리스 스프링 차징 동기전동기의 초기 구동 시스템.