KR790001760B1 - 전동기 제어장치(電動機制御裝置) - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

전동기 제어장치(電動機制御裝置)

제 1 도는 엘리베이터의 구동장치에 응용되는 본 발명에 관련된 전동기 제어장치의 구체적 회로 구성도,

제 2 도는 제 1 도의 장치에 대한 블럭도,

제 3 도 및 제 4 도는 본 발명의 설명을 위한 속도 편차에 대한 토오크 특성도,

제 5 도는 엘리베이터의 동작 설명을 위한 속도, 전류, 가속파형의 시간에 대한 특성도이다.

본 발명은 전동기의 제어장치에 관한 것으로 특히 1개의 전동기로 구성된 정동장치의 구동토오크(驅動torque) 및 제동(制動)토오크를 모두 제어하기 위한 장치에 관한 것이다. 유도전동기는 그 일반적 유용성 때문에 여러 산업분야에서 사용되고 있으며 특히 정확한 속도조절이 필요하지 않은 분야에서 널리 사용되고 있다. 최근에는 싸이리스터(thyristor)의 출현으로 거의 정확한 속도조절이 싸이리스터를 결합하여 가능하게 되었다.

예를 들면 엘리베이터의 경우에 인기있는 보급형으로는 유도 전동기가 사용되어 왔으며, 고급형으로는 정확한 속도조절이 가능한 직류전동기가 사용되어 왔다. 그러나 만일 유동전동기의 속도조절이 싸이리스터의 사용으로 가능해진다면 정확한 속도조절은 확실하게 되며 따라서 그 응용분야도 확대될 수 있다. 싸이리스터를 사용하여 유도전동기의 구동토오크를 제어하는 데는 여러가지 방법이 있으나 그중에서도 교류전원에서 유도전동기에 공급되는 전압을 조절하는 2차전압 조절방법이 가장 널리 사용되고 있다. 1차전압 조절방법으로는 다음과 같은 두가지를 생각할 수 있다. 즉 (1) 교류전원과 유도전동기간에 싸이리스터를 연결시키는 방법과, (2) 유도전동기의 1차권선(primary winding)에 교류전원을 연결하고 1차권선의 각단자간에 싸이리스터를 연결시키는 방법이 있다.

상기의 방법마다 여러가지의 변형이 있다. 즉, (a) 싸이리스터와 직접적 소자로 구성된 역병렬 회로와 (b) 한쌍의 싸이리스터로 구성된 역병렬 회로가 있다. 이러한 역 병렬회로는 3상제어(三相制御)에 사용되며 이 역병렬 회로는 3상 모두 2상제어 및 1상제어에 연결되어 있다.

물론 이들은 여러가지의 변형이 있다.

한편, 싸이리스터를 사용하여 유도전동기의 제동토오크를 제어하는 방법으로는,

(i) 직류제동 및

(ii) 회생제동이 전형적이다.

제동토오크가 저속영역에까지 필요한 경우 회생제동은 부적합하지만 직류제동은 바람직한 것이다.

엘리베이터에 있어서 구동토오크나 제동토오크가 필요한 분야에서는 구동토오크 제어장치 및 제동토오크 제어장치가 모두 준비되어야 한다. 이러한 제어장치들은 통상적으로 구동 및 제동시에 서로 절환될 수 있으며 속도지령과 실제속도의 차(이하 속도편차라 한다)에 의하여 제어된다. 즉 엘리베이터가 가속시에는 유도전동기의 1차전압이 속도편차에 의해 조절되며, 따라서 엘리베이터의 속도는 지령속도에 따라 증가하게 된다.

엘리베이터의 감속시에 직류제동 전류는 속도편차에 의해 조절되며 따라서 엘리베이터는 그의 관성에 반하여 규정속도에 따라 감속하게 된다. 이러한 종래 공지의 장치는 다음과 같은 단점을 가지고 있었다.

(1) 감속시 속도제어는 제동토오크의 제어에만 의존하므로 전동기를 포함하고 있는 엘리베이터의 관성은 매우 크지 않으면 아니된다. 만약 관성이 적으면 엘리베이터가 지정된 층에 도달하기 전에 정지하는 수가 있기 때문이다. 엘리베이터가 지정층에 도달하는 것을 확실하게 하기 위해서는 전동기의 관성모우멘트를 증가시킬 필요가 있다. 이러한 목적을 위하여 관성체가 전동기축에 설치되거나 전동기 자체의 관성 모우멘트가 커야 할 것이다. 그 결과로 큰 제동토오크가 가속시에 필요하며 감속시 직류제동에 따른 열손실로서 축적된 에너지를 없앨 필요가 있다. 결국 전동기의 크기는 관성모우멘트 및 열손실로 인하여 커지게 되며 전동기의 용량도 큰 토오크를 필요로 하므로 커야 한다.

(2) 1차 전압조절에 의한 구동토오크의 제어 및 직류제동에 의한 제동토오크의 제어는 제어진전이 매우 낮으며 오차가 발생한 상태에서의 성능은 매우 나쁘다. 결국 속도가 0이 되었다 해도 엘리베이터는 쉽게 정지하지 못한다. 이 때문에 엘리베이터를 정지시키기 위해서는 어느 정도의 속도를 갖고 있는 상태에서 전자(電磁) 브레이크에 의해 전자적으로 정지시키지 않으면 아니된다. 이러한 이유로 엘리베이터 승차시 불안정하게 되는 것이다. 승차시의 불안정은 구동에서 제동까지의 개폐접점에서도 일어난다.

본 발명의 목적은 낮은 제어입력의 영역에서도 높은 제어이득과 좋은 제어성능을 갖는 전동기 제어장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 싸이리스터를 포함한 전동기 제어장치와 구동에서 제동시까지 높은 이들을 갖는 하나의 유도 전동기로 구성된 조절가능한 유도 전동기를 제공하는데 있는 것이다. 본 발명은 다음과 같은 전동기 제어장치를 포함하고 있다. 즉, 구동토오크를 발생시키는 제1방법과 제동토오크를 발생시키는 제2방법을 가진 하나의 전동기로 구성된 전동기장치, 토오크 제어를 발생시키는 방법, 토오크 제어 발생장치의 출력이 정(正)일 때 그 출력의 값에 부합하는 구동토오크를 발생시키기 위한 제1방법의 원인이 되는 장치, 토오크 제어 발생장치의 출력이 부(負)일 때 그 출력의 값에 부합하는 제동토오크를 발생시키기 위한 제2방법의 원인이 되는 장치 및 구동토오크와 제동토오크를 발생시키는 장치를 동작시키는 장치, 전술한 토오크 제어에 의하여 푸쉬풀(push－pull) 특성을 전술한 제1, 2방법에 의해 얻어지는 토오크에 공급하는 장치를 포함하는 전동기 제어장치인 것이다.

여기에서 푸쉬풀 특성은 공지된 바와 같이 제어입력이 정(正)일 때 제어입력의 값에 부합하는 정(正)의 출력을 발생시키기 위한 제1방법과 제어입력이 부(負)일 때(즉, 제어입력이 원점 0에 가까운 영역에 있을 때 그들 출력은 서로 반대방향)부의 출력을 발생시키기 위한 제2방법에 의해 만들어진 정(正)에서 부(負)까지의 제어 영역에 걸쳐놓은 이득을 갖는 복합출력 특성을 의미한다.

전술한 바에 의해 전동기 장치에서 얻어지는 토오크는 원하는대로 제어되며 제어성능도 어떤 조건에서일지라도 0에 가까운 제어입력의 영역에서 좋아지게 된다.

본 발명의 또 하나의 특징을 전동기의 구동토오크 발생장치나 제동토오크 발생장치에 의해 얻어진 토오크에 관련된 전기적 특성을 다른 제어장치로 부귀환(負歸還)시키는 장치의 전개인 것이다. 이러한 특징에 의해 0 주위의 영역에서 제어이득은 더욱 증가된다.

본 발명의 또 다른 특징은 전동기 장치가 제1, 제2접점의 전동기로 구성되며 제1, 제2전동기는 유도전동기를 포함하며 이러한 유도전동기의 토오크 제어장치는 싸이리스터를 포함하는 것이다. 후자의 특징에 의해 유도전동기의 연속적 토오크 제어가 구동에서 제동까지 넓은 영역에 걸쳐 완전하게 이루어질 수 있다.

이와같은 본 발명을 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

제 1 도에서 엘리베이터 차(CA)와 평형추(CW)는 로우프(RP)에 의해 견인활차의 양쪽에 매달려 있다. 견인활차(TS)는 감속기어(RG), 속도발전기(TG) 및 전자브레이크(MB)를 통해 유도전동기(HM 및 LM)와 연결되어 있다. 고속유도 전동기(HM)와 저속유도 전동기(LM)는 직접 연결되어 있다. 그러나 이 한쌍의 유도 전동기가 항상 필요한 것은 아니다. 이때는 구동토오크 발생장치 및 제동토오크 발생장치로서 각각의 역할을 하는 한쌍의 권선이 준비되어야 한다. 보통 후자의 경우가 많이 사용되고 있다.

엘리베이터가 상승운전시 단락되는 접점(111,112)과 하강운전시 단락되는 접점(121,122)은 주접점(MC)을 통해 3상교류 전원(U,V,W)에 연결되어 있다. 또한 보통의 운전시 단락되는 접점(131,132)도 전원회로에 연결되어 있다. 이들 접점과 고속유도전동기(HM) 사이에 1차 전압조절기(WR)가 연결되어 있다. 1차 전압 조절기(WR)는 싸이리스터의 역병렬 회로를 포함하고 있다. 제 1 도는 2상제어의 예를 나타내고 있다.

엘리베이터의 저속운전은 승객에 통상의 운전을 제공하는 외에 보수, 검사등을 할때 필수불가결한 것이다. 이러한 이유로 유도전동기를 활용하고 있는 엘리베이터에서 구동시 사용되도록 소수의 극(極)을 갖는 고속 유도 전동기(HM)와 다수의 극을 갖는 저속 유도 전동기(LM)가 구동원으로 장치되는 것이 보통이다.

저속유도 전동기(LM)는 또한 감속시 부분적인 제동을 위하여 사용된다.

본 발명에 있어서는 특히 저속유도 전동기의 사용이 필요한 것은 아니다. 그러나 본 발명이 종래의 엘리베이터 기능에 적용될 때 저속유도 전동기(LM)는 그 내용대로 활용될 수 있는 장점이 있으며 특히 직류제동시 유도전동기(LM)의 다수의 극 때문에 큰 제동토오크가 적응될 수 있다. 교류전원과 저속 유도전동기(LM)의 사이에 삽입된 접점(141,142)은 보수 및 검사운전시 단락된다. 변압기(TR), 정류회로(VR) 및 운전시 단락되는 접점(133,134)을 포함하는 직류 제동회로는 3상 교류전원의 두 단자와 저속 유도전동기(LM)의 두 단자간에 연결되어 있다.

정류회로(VR)는 교류측 단자(a₁)에 반대방향으로 직렬 연결된 한쌍의 싸이리스터(TH₁,TH₂)와 다른 교류측 단자(a₂)에 반대방향으로 직렬 연결된 한쌍의 실리콘 정류소자(SP_1,SP₂)로 구성된 정류브릿지 회로이다. 여기에서 교류측 단자 사이에 공급된 교류전원이 낮을때 플라이 휠(Fly－wheel) 효과가 생기며 저속유도 전동기(LM)에서 발생되는 전자에너지가 정류소자(SP₁,SP₂)로 전달되는 관계로 직류제동 토오크의 변화가 감소되는 장점도 있다.

전술한 설명은 주회로에 대한 것이며 제어장치에 대한 상세한 설명은 제 1 도와 제 2 도를 통해서 할 수 있다. 속도 지령장치(PG)는 시간에 따라 증가하는 출력을 공급하는 가속도지령장치(APG), 감속하는 출력을 공급하는 감속도지령장치(DP

G) 및 제 2 도의 속도곡선(SP)으로 나타나는 가, 감속도 지령장치(APG,DPG)의 낮은쪽 출력을 공급하는 회로(LPC)로 구성되어 있다.

감속도지령장치(DPG)는 엘리베이터 통로에 장치된 검출판(91A~91E,91)과 엘리베이터내에 장치된 위치검출기(P)로 구성되며 위치검출기(P)는 제 1 도의 검출판을 순차적으로 검출함으로써 감속시 단계적으로 감속하는 출력을 발생시킨다.

속도지령장치(PG)의 출력은 세개의 비교기(CP₁,CP₂,CP₃)에 하나의 입력으로 적용되며 다른 입력은 속도발전기(TG)에 의해 귀환속도로서 공급된다. 세개의 비교기(CP₁,CP₂,CP₃)의 출력은 이상기(移相器)와 1차 전압조절기(WR) 및 정류회로(VR)의 1차전압으로 싸이리스터의 상제어를 위하여 공급된다. 결국 구동토오크와 제동토오크는 속도 편차(S)에 의해 제어된다. 구동토오크와 제동토오크의 토오크특성(τM)에 대한 속도편차(S)의 관계가 제 3 도에서 곡선(τHM,τLM)으로 표시되어 있다. 고속유도전동기(HM)는 속도편차(S)가 정(正)인 동안은 정의 토오크(구동토오크)를 발생하며 저속 유도전동기(LM)는 속도편차(S)가 부(負)인 동안 부의 토오크(제동토오크)를 발생시킨다. 속도편차(S)의 정부(正負) 영역을 고려할 때 토오크곡선(τHM

,τLM)은 구동에서 제동까지 연속적으로 토오크를 공급하기 위해 서로 연결되어 있다.

결국 엘리베이터가 감속운전시 관성에너지가 적기 때문에 제동토오크만으로 제어하여서는 지정지점에 도달할 수 없을 때라도 속도지령에 따른 지정지점까지의 속도조절은 가능하게 된다. 이는 고속 유도전동기(HM)가 속도편차(S)가 정(正)인 사실에 맞추어 구동토오크를 발생시킬 수 있기 때문이다.

이렇게 해서 전동기 축의 관성모우멘트를 증가시킬 필요가 없게 되며 전동기 용량의 증가나 열손실을 막을 수 있게 된다.

그러나 제 3 도에서 알 수 있듯이 토오크의 변화는 속도편차(S)가 0인 주변 영역에서 완만해진다. 결국 속도지령에서의 변화에 대한 반응은 느려지게 된다. 특히 속도지령이 엘리베이터의 정지 이전에 갑자기 0이 된다 하더라도 속도편차(S)는 적으며 따라서 엘리베이터는 전술한 바와 같이 쉬게 정지하지 않는다. 따라서 본 발명은 제어입력을 위한 구동 및 제동토오크 제어장치에 대한 푸쉬풀 특성을 나타내는 것이다. 비교기(CP₁,CP₂,CP₃)에 각각 바이어스(bias)를 적용시켜 속도편차(S)를 제 3 도의 장치로 바이어스시킨다. 그 결과 종축 S=O는 바이어스 양(SB₁,SB₂)에 의한 점선에 따라 표시된대로 이동한다. 이렇게 해서 귀환속도를 속도지령(SP)에 대하여 SF라 할때(SP SF) 제동토오크 제어장치는 점(b₁)에서 제동토오크를 발생시키며 구동토오크 제어장치는 점(m₁)에서 구동토오크를 발생시킨다. 만약 이러한 것들이 동일한 장치로서 기술된다면 구동토오크(τHM)와 제동토오크(τLM)는 속도편차(S)가 0인 주변영역에서 발생되며 유도전동기(HM,LM)와 직접 연결된 복합토오크는 제 4 도에서 점선으로 표시된 속도편차(S)의 영역에서도 높은 이득을 갖는 토오크곡선으로 된다, 속도지령(SP)에 대한 복합토오크와 귀환속도 양(SF)은 점(b₂)에서 제동토오크가 된다. 이렇게 해서 속도지령에 대한 반응은 매우 빠르게 되며 속도지령이 0이 될때 엘리베이터는 매우 빨리 정지될 수 있다.

그 결과 엘리베이터 정지 이전의 고속상태에 곧 전자브레이크(MB)를 사용할 필요가 없게 되며 따라서 엘리베이터의 진동이 방지되어 승차시의 불안정도 개선될 수 있다.

바이어스(B₁,B₂)는 제어장치에 항상 필요한 것이 아니며 또한 동일한 값일 필요도 없다. 이 값을 정하기 위해서는 보상오차등이 고려되어야 할 것이며 또한 이상기(移相器)의 특성을 찾아내어 바이어스를 제거하는 것도 가능하다.

제어이득을 더욱 향상시키기 위해서는 구동 및 제동토오크에 관한 전기적 성질을 다른 토오크 제어장치로 부(負) 귀환시키는 것이 좋다. 전술한 구체적 표현에서 제동전류를 검출하기 위한 전류검출기(CD)가 사용되었으며 그 출력은 비교기(CP

₁,CP₂)에 부귀환된다.

상기 설명에 의해 제동토오크(τLM)가 발생하였을 때 그것은 구동토오크(τH

M)을 감소시키는 기능을 갖는다.

제 4 도에서 속도편차(S)가 충분히 큰 정(正)의 영역에서 점차 감소하는 동안 발생하는 제동토오크의 영역에 도달할 때 구동토오크(τHM)는 선으로 표시된 특성보다 낮은 값으로 된다. 그리하여 기울기, 즉 복합토오크(τ)의 이득은 점선으로 표시된 것보다 크게 되어 제어능력을 개량할 수 있게 된다. 또한 구동토오크에 관련된 전기적 특성을 제동토오크 제어장치로 부귀환시키는 것이 가능하게 되었다.

제 5 도는 제 1 도의 장치로 제어되는 엘리베이터의 동작설명을 위한 파형도이다. 먼저 출발 및 가속시 속도지령(SP)와 귀환속도 값(SF)는 비교기(CP₁,CP₂)에서 비교된다. 구동토오크(τHM)는 이상기(PS₁,PS₂)통하여 1차 전압조절장치(WR)에 의해 속도지령(SP)와 귀환속도 값(SF)의 차에 따라 조절된다. 결국 엘리베이터의 속도(W)는 속도지령에 따라 증가하며 부하의 값이나 방향에 따라서는 변동되지 않는다.

이때 고속유도전동기(HM)의 전류(IHM)는 제 5b 도에 도시된 교류 전류이며, 엘리베이터 가속도(α)는 제 5d 도와 같이 변화한다.

다음 가속된 엘리베이터가 지정층 직전의 감속 개시점에 도달할 때를 (td)라 하면 속도지령(SP)은 전술한 바에 의하여 엘리베이터의 위치에 따라 감속한다. 이때 전동기 축의 관성 모우멘트는 적게되어 있으므로 엘리베이터의 속도는 엘리베이터의 제어되지 않은 상태에서 엘리베이터차(CA)와 평행추(CW)의 무게비율에 따라 δ₁과 δ₂간에 놓이게 된다.

이것은 제 4 도에서의 토오크 특성(τ)에 의해 제 5a 도에 화살표로 표시되어 있다.

예를 들면 무부하로 상승운전하거나 큰 부하로 W₁의 속도를 갖고 하강 운전할때 δ₂가 되기 쉬운 속도를 끌어 내릴려면 전술한 바와 같이 관성모우멘트가 적은 탓으로 큰 토오크가 필요하지 않다. 더욱 속도편차(S)가 적은 범위에서 토오크 특성의 이득이 높기 때문에 엘리베이터의 속도(W₁)를 높은 정확도로서 속도지령에 접근시킬 수 있다.

제 5 도에서 숫자 1은 부(負)방향에서의 엘리베이터 부하토오크 특성에 관련되어 첨가된 것이고 2는 정(正)방향에서의 엘리베이터 부하토오크에 관해 첨가된 것이다. 예를 들면 부방향으로의 부하토오크인 경우 초과운전을 방지하기 위해 제동토오크가 필요하므로 직류제동전류(ILM1)가 저속유도전동기(LM)에 공급되며 δ₁과 같이 정방향으로의 부하토오크인 경우 구동토오크가 감속시 필요한 것과는 반대의 이유로 가속전류(IHM₂)가 고속유도전동기(HM)에 공급된다. 이렇게 해서 전자브레이크(MB)가 동작되는 0의 위치까지 속도가 접근하며 엘리베이터는 감속하게 된다. 이 경우 속도는 충분히 낮고 가속도(α)는 제 5 도와 같이 감속하며 엘리베이터의 진동도 약해지고 승차시 안정된다.

본 발명에서 구동토오크를 발생하는 제1전동기는 어떠한 전동기로도 된다. 그러나 싸이리스터로 1차 전압조절을 하는 유도전동기를 사용하는 것이 보다 적절할 것이다. 제동토오크를 발생시키는 제2의 전동기로서는 직류제동제어할 수 있는 유도전동기를 사용하는 것이 같은 이유로 적합하다. 그러나 본 발명은 위치 신호나 토오크 자체의 구성을 귀환시키는 경우에도 적용 가능하다.

Claims (1)

1. 구동토오크(驅動 torque)를 발생시키는 제1수단과 제동토오크(制動 torque)를 발생시키는 제2의 수단을 가진 최소한 하나의 전동기로 형성된 전동기 장치와, 토오크 제어지령을 발생하는 장치 및 토오크 제어지령 발생장치의 출력이 정(正)일 때 그 출력의 값(値)에 따른 구동코오크를 상기 제1의 수단에 발생시키고,토오크 제어지령 발생장치의 출력이 부일 때 그 출력의 값에 따른 제어 토오크를 상기 제2의 수단에 발생시키며, 구동 토오크를 발생시키는 장치와 제동토오크를 발생시키는 장치에 작용하여 상기한 제1의 수단 및 제2의 수단에 의해 얻어지는 토오크에 상기 토오크 제어지령에 따른 푸쉬풀 특성을 갖게한 것을 특징으로 하는 전동기 제어장치.

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