KR830001015B1 - 유도 전동기 구동장치 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

유도 전동기 구동장치

제1도, 제2도, 제3도는 유도 전동기의 백터 제어를 설명하는 설명도로,

제1도는 직류기의 톨크 발생 기구를 설명하는 설명도.

제2도는 2상 유도 전동기의 벡터도.

제3도는 여자전류 성분과 일차부하 전류 성분 사이의 위상관계도.

제4도는 유도 전동기의 등가회로도.

제5도는 본 발명에 사용된 회로블럭도.

제6도는 2상-3상 변환기의 회로도.

제7도는 펄스폭 변조 회로와 인버터의 구성도.

제8도는 펄스폭 변조를 설명하는 파형도.

본 발명은 유도 전동기 구동 장치에 관한 것으로, 특히 경부하에서 동작중 잡음을 감소시킬 수 있는 유도 전동기 구동장치에 관한 것이다.

가변주파수(VF)제어 또는 가변전압-가변주파수(VVVF)제어를 가해 인버터 회로로 직류 전류를 교류전류로 변환하고, 이 교류전류가 전동기를 동작하도록 이용하므로서 유도 전동기가 구동 및 제어되도록 하는 것은 통상의 기술이다. VF제어는 인버터 회로의 출력인 일차주파수가 지령속도에 따라 변하도록 하는 방법이며, VVVF제어는 일차 전압크기가 일차 주파수의 변화에 비례하여 변하도록 하여 출력톨크를 일정하게 유지시키는 방법이다.

이와 같은 종래의 제어 방식을 따르면 유도 전동기의 속도는 일차 전압의 크기 및 주파수를 조정하므로서 제어된다. 좌우지간에 이런 방식은 평균치를 기준으로 하여 제어가 이루어지기 때문에 고도로 응답하는 순간 제어를 이룩하는 것은 불가능이 되어왔다. 최근에 상기 장치를 개선하기 위한 노력의 일환으로 펄스폭 제어장치가 사용되어 왔으며, 이는 분권직류 전동기에 의해 발생되는 톨크와 거의 동등한 톨크를 발생할 수 있도록 유도 전동기의 고정자전류의 순간치를 제어하기 위해 펄스폭 제어를 이용하는 소위 "백터 제어장치"의 발전과 응용으로 이끌어왔다. 예로 야수가와 덴기에서 출판한 잡지 야수가와 덴기의 1974년 제4호 597-599페이지의 "전동기 백터 제어개론"을 보면, 상기 사실이 소개되어 있다.

그러나, 이 새 장치는 종래의 슬립 제어 방법과 유사한 펄스 제어 방법을 사용하고 있으나 상당한 양의 여자 잡음이 유도 전동기 동작중 발생한다. 유도 전동기가 중부하에서 동작하면 공작기계등에서 발생하는 절삭 잡음이 더 크기 때문에 여자 잡음은 특별히 주목할만큼 크지는 않다. 만약, 유도 전동기가 무부하하 또는 경부하에서 운전된다면 인근 작업자에게 상당한 불쾌감을 줄수 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 유도 전동기가 경부하에서 동작할때 여자 잡음과 같은 잡음을 감소시키는 벡터 제어장치를 사용한 유도 전동기 구동장치를 구비하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 여자 잡음이 감소될 수 있도록 부하에 따라서 조정되는 여자전류를 제공하는 벡터 제어장치를 사용한 유도 전동기 구동장치를 구비하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 새로운 구조의 벡터 제어장치를 사용한 유도 전동기 구동장치를 구비하는 것이다.

본 발명의 다른 특징과 이점은 첨부 도면과 함께 취해진 이하의 설명에서 명백해 질 것이다.

유도 전동기 벡터 제어장치는 분권 직류 전동기에서 발생하는 톨크의 원리를 기초로 고정자 전류의 순간치를 조정하므로서 분권 직류 전동기의 톨크와 같은 톨크를 발생한다. 일반적으로 분권 직류 전동기의 톨크 발생기구는 회전자를 사용하여 제1a도 및 제1b도에 보인 바와 같이 전기가 전류 I_a가 항상 주자속

에 비례하도록 하는 방식으로 전류 스위칭 동작을 이룩한다. 다음 식으로 주어지는 발생톨크 T는 주자속

가 일정하다면 전기자 전류 I_a에 비례할 것이다.

그러므로, T=KI_a

.......................(1)

제1a도에서 FM은 계자, AM은 전기자, AW는 전기자 권선을 나타낸다.

만약, 상기 관계가 유도 전동기에 적용되면

는 회전자의 자속 벡터

₂, I_a는 제2차 전류 벡터

₂에 대용 하도록 할 수 있다. 따라서, 분권 직류, 전동기에서 톨크 발생과 동등한 방식으로 유도 전동기를 구동하기 위해서 회전자자속 벡터

₂와 제2차 전류 벡터

₂는 제1b도에 보인 관계를 일정하기 유지되도록 즉이들 사이의 수직 관계를 유지하도록 제어되어야 한다.

그러므로, 벡터 제어는 자속 벡터

₂와 전류 벡터

₂사이의 확실한 수직 관계를 보장해야 한다. 2차누설 인덕턴스를 무시한 발생톨크 T는 다음과 같이 주어진다.

T=k

₂x

=kI₂

₂=kI₂

_m...................... (2)

여기서,

_m은 여자전류 I_m에서 유기되는 주자속이다.

벡터 제어에 따른 2상 유도 전동기를 구동하는 방식을 설명하기 위해 제2도의 벡터도를 참조할 것이다. C-D축은 주자속

_m의 위상과 일치하는 좌표계이며, A-B축은 유도 전동기의 고정자 정지좌표계이다.

₁는 고정자 전류(일차 전류), I_m은 여자전류 성분, I₁'는 일차 부하전류 성분이다. I_1a와 I_1b는 고정자 전류

₁의 A및 B축 성분 즉, A상 고정자 전류와 B상 고정자 전류이다. 만약, 주자속

_m이 고정자의 정지좌표계에 관해 회전하고 회전각이

(

=

t,

는 각속도)라 가정하면 A상및 B상의 고정자 전류 I_1aI_1b는 각각 다음식으로 표시된다.

I_1a=I_mcos

-I_1'sin

.............................(3)

I_1b=I_msin

+I_1'cos

.............................(4)

I_1a와 I_1b는 각각 제3a도 및 제3b도에 나탄난다.

일차 부하 전류 I₁'와 이차전류 I₂는 180°만큼 위상차가 있으며, 다음과 같은 관계가 주어진다.

I₂=kI'........................(5)

여기서, k는 일차와 2차측 사이의 권선비와 위상비에 의존한다.

식 (3),(4)에 의해 주어진 A와 B상 고정자 전류 I_1a, I_1b는 벡터 제어에 의해 유기되며 고정자 권선 즉일차 권선에 인가되어 유도 전동기를 구동한다. 이러한 종래의 백터 제어 장치에서는 일차 부하 전류(2차 전류)만이 부하의 증감에 따라 증감되고 여자 전류 Im은 일정하게 유지된다.

부하의 변동에 관련해서 일차 부하전류 I₁'만을 변화하는 이유를 설명하기 위해 제4도에 보인 유도 전동기의 등가회로를 참조한다. 제4도에서 b₀는 여기 서셉런스, r은 등가 저항, s는 슬립을 나타낸다. 유도 전동기의 부하가 큰 값에 도달하면 r/s양이 감소하도록 슬립 s는 크기에서 감소한다. 일차 부하 전류 I₁'(이하 전류 I₂)는 부하에 따라 증가하나 여자 전류 I_m은 일정하다. 그러므로, 일차 부하전류 I₁'만이 부하의 증감에도 불구하고 종래의 벡터 제어장치에 따라 변한다. 따라서, 상기 방식으로 벡터 제어 장치에 의해 유도 전동기를 구동시키는 종래의 장치에서는 전동기가 중부하 또는 경부하에서 동작하는 것에 관계 없이 여자전류 I_m은 같은 크기를 갖는다. 그 결과, 상기 언급과 같이 과잉 여자 잡음이 발생한다.

펄스폭 제어 장치 인버터를 사용해서 유도 전동기를 동작하면 발생 잡음 수준은 전동기의 일차 여자 전류에 비례한다. 따라서, 벡터 제어 장치에 따라 유도 전동기를 동작하면, 본 발명의 원리는 경부하일 때 유도 전동기의 일차 여자 전류를 감소시키고 중부하일 때 일차 전류를 증가시키는 데 있다.

본 발명의 실시예는 제5도의 블럭도에서 설명한다.

제5도의 장치는 비례적 분형 오차증폭기(1), 오차증폭기(1)의 출력의 절대값을 발생하는 절대값 회로(2), 방향 판별회로(3), 절대값회로(2)의 아나로그 신호 출력값에 비례하는 주파수(슬립 주파수의 4배에 상당함)를 갖는 펄스 P_S를 발생시키는 전압-주파수 변환기(이후 V-F 변환기로 칭함)(4)를 포함한다. 동기회로(5)는 VF변환기(4)의 출력인 펄스 P_S와 유도 전동기(14)의 회전속도에 비례하는 주파수를 갖는 펄스 P_n을 합성하여 합성 펄스열 P_c를 출력한다. 회로(5)는 각 펄스에 대해 부호 신호 SN을 출력한다. 펄스 P_c와 부호 신호 SN은 부호 신호 SN과 함께 펄스 P_c의 상향 또는 하향 횟수를 계수하는 상향/하향계수기(6)에 입력된다. 상향/하향 계수기(6)에서 계수값은 이 값에 따라서 각각 정현파 전압 sinφ및 여현파 전압 cosφ를 출력하는 함수 발생기(7)(8)에 입력된다. 승산기(9)(10)은 오차 증폭기(1)의 출력전압 즉, 부하에 따라 각 정현파 및 여현파 전압의 크기를 변경한다. 2상 정현파 발생회로(11)은 회로(2)에서 (10)까지의 블럭으로 구성된다. 4배회로(13)는 유도 전동기(14)의 회전축에 연결된 펄스 발생기(15)로부터 90°만큼 위상차를 갖는 회전신호 P_A,P_B를 입력하여 이 신호를 회전신호주파수의 4배인 펄스 P_n으로 변환하고 회전신호 P_A,P_B의 위상을 판별하기 위해 방향판별신호 DS를 출력한다. 주파수-전압변환기(이하 F-V 변환기로 칭함)(12)는 4배회로(13)로부터 신호 P_a과 DS를 입력하여 이 신호를 후술하는 아나로그 신호로 변환시킨다.

일차 부하전류 연산회로(33)는 인버터회로(16)와 승산회로(17)(18)로 구성된다. 제6도에 보다 상세히 보인 2상을 3상으로 변환하는 변환회로가 제5도의 (19)로 표시되어 있다.

제6도에서 2상을 3상으로 변환하는 변환회로(19)는 2개의 연산증폭기 OA1,OA2, 20 kΩ의 값을 갖는 저항 R₁-R₄, 11.55kΩ 저항 R₆을 포함하고 있다. 저항 R₁-R₆의 상기 값과 보인회로도로 다음과 같은 출력이 각 단자 T_U, T_V및 T_W에서 얻어진다.

I'_u=

_1a

I'_v=

I'_w=

여기서,

_U,

_V및

_W는 각각 2π/3의 위상차를 갖는 전류이다.

제5도의 장치는 증폭회로(31-23), 펄스폭 제어형 인버터(24), 3상 교류 전원(25) 및 교류 전원(25)의 3상 교류전류를 직류 전류로 정류하는 정류회로(26)로 구성된다.

제7도에 상세히 보인 펄스폭 제어형 인버터 회로(24)는 펄스폭 변조회로 PWM과 인버터 INV를 포함하고 있다. 펄스폭 변조회로 PWM은 톱니파신호 STS를 발생하는 톱니파 신호 발생회로 STSG, 비교기 COM_u, COM_v, NOT 게이트 NOT₁-NOT₃, 드라이버 DV₁-DV₆로 구성되어 있다. 인버터 INV는 6개의 파워 트랜지스터 Q₁-Q₆, 및 6개의 다이오드 D₁-D₆으로 구성되어 있다. 비교기 COM_u, COM_v, COM_w는 톱니파 신호 STS와 교류신호 I_u, I_v, I_w의 크기를 비교하여 각 대응 교류입력이 STS의 값보다 크면논리 "1", 작으면 논리 "0"로 출력신호를 출력한다. 그러므로, 비교기 COM_u는 신호 Iu에 대해 제8도에 보인 펄스폭 변조 전류 지령 I_uc를 출력한다. 비교기 COM_v와 COM_w도 같은 방식으로 동작하여 각각 펄스폭 변조 전류 지령 I_vc및 I_wc를 출력한다. 특히, 3상의 전류 지령 I_uc, I_vc및 I_wc는 신호 I_u, I_v및 I_w의 크기에 따른 각각의 펄스폭 변조신호이다.

NOT 게이트 NOT₁-NOT₃및 드라이버 DV₁-DV₆는 이전류 지령을 인버터 INV의 파워 트랜지스터 Q₁-Q₆의 스위칭동작을 제어하기 위한 드라이브 신호 SQ₁-SQ₆으로 변환하기 위해 합병되어 있다.

제5도로 다시 돌아오면 합차회로(27-32)CFLU, CFLV 및 CFLW로 표시된 전류 궤환루우프 U, V 및 W상 일차전류 검출용 전류트랜스(35-37)이 제5도에 표시되어 있다. 합차회로(28,29)는 일차 전류 연산회로(34)의 구성요소이며, 일차 부하전류 연산회로(33)은 승산기(17)(18) 및 인버터 회로(16)로 구성된다.

동작에서, 도면에 나타나지 않은 속도 지령회로는 소정속도로 유도 전동기(14)를 회전시키기 위해 소정 아나로그 값의 속도 지령신호 V_CMD를 출력한다. 유도전동기의 회전속도가 슬립 s의 양에 의해 지령속도보다 낮은 방식으로 전동기가 소정 부하에서 운전되고 있다고 가정한다. 유도 전동기(14)의 회전속도는 속도 검출기로서 제공된 펄스 발생기(15) 즉, 펄스 주파수가 전동기 회전속도에 비례하도록 π/2만큼 위상차를 갖는 펄스열 PA, PB를 발생하는 펄스 발생기(15)에 의해 검출된다. 펄스열 P_A,P_B는 모두 4배회로(13)에 입력하여 이 입력신호 주파수의 4배인 주파수를 갖는 펄스열 P_n으로 변환된다. 펄스열 P_n은 F-V변환기(12)에 의해 아나로그 속도 신호 V_a로 변환되며, 훈 변환신호는 합차회로(27)에 입력된다. 속도 지령신호 V_CMD와 속도 신호 V_a의 차는 오차증폭기(1)에서 오차전압 Er로 증폭되어 절대값회로(2)와 방향 판별회로(3)에 입력된다. 특히, 오차증폭기(1)은 다음식에 의해 비례적분 동작을 수행한다.

Er=K1(V_CMD-V_a)+K₂Σ(V_CMD-V_a) ……………… (6)

Σ(V_CMD-V_a)=Σ(V_CMD-V_a)+(V_CMD-V_a) ……………… (7)

절대값 회로(2)는 오차 증폭기(1)의 출력의 절대값을 취하고, 방향 판별회로(3)은 오차 증폭기 출력의 부호를 판별하여 그 부호가 양이면 논리"1", 음이면 논리"0'의 신호를 출력한다. 절대값 회로(2)의 출력은 슬립 s즉, 유도 전동기(14)에서 본 부하상태, 부하의 증감에 따른 신호 전압증감을 지시한다. V-F 변환기(4)는 절대값 회로(2)의 출력전압에 비례하는 주파수를 갖는 펄스 P_s를 출력한다. 펄스 P_s의 주파수가 슬립 주파수의 4배라는 것을 주시해야 한다. 동기회로(5)는 V-F 변환기(4)의 출력 펄스 P_s와 4배회로(13)의 펄스 P_n을 합성하여 신호 P_c를 출력한다. 상향 하항계수기(6)은 대응부호 신호 SN에 의해 동기회로의 출력 펄스 P_c의 상향수 또는 하향수를 카운트한다. 계수기(6)에서 카운트 한값은 함수 발생기(7)(8)에 입력되고 이 함수 발생기는 계수값을 아나로그 정현파 전압 sinφ와 아나로그 여현파 전압 cosφ로 각각 변환시킨다. ws가 슬립의 각 주파수, wn이 회전각 주파수라 하면 φ는(ws+wn)t가 될 것이다. 다시말해, 정현파 전압 sinφ와 여현파 전압 cosφ는 일정한 파고치를 갖고 주파수만이 변할 것이다.

함수 발생기(7)(8)의 출력인 정현 및 여현파 전압 sinφ와 cosφ는 제2도에 보인 바와 같이 여자 전류의 각 A 및 B상 성분이나 유도 전동기(14)에서 본 부하의 증감에 무관하게 sinφ와 cosφ의 값은 일정하다. 본 발명에 따라 승산기(9)(10)는 함수 발생기(7)(8)의 각 출력전압파 절대값 회로(2)의 출력 I_m(유도 전동기 부하의 증감에 따라 증감됨)을 곱해 정현파신호 I_msinφ와 여현파신호 I_mcosφ를 출력하며, 이 신호의 파고치는 부하의 증감에 따라 변한다. 일차 부하전류 연산회로(33)은 신호 I_msinφ와 I_mcosφ를 입력으로 하여 승산기(17)(18)에 의해 이 값과 오차 증폭기(1)의 출력 Er을 곱해 일차 부하전류성분(-I₁' ·sinφ) 및 (I₁·cosφ)를 출력한다. 일차 전류연산회로(34)는 합차회로(28)(29)로 구성되어 있으며, 상기 2상 일차부하전류 성분을 입력으로 하여 각 여자 전류성분(I_m·cosφ) 및 (I_m·sinφ)을 합산하고 I_m·cosφ-

₁'sinφ인 A상 고정자전류 I₁a와 I_m·sinφ+I₁'·cosφ인 B상 고정자전류 I1b를 출력하는데 I₁b는 I₁a에 관해 위상차가 90°늦다. 이 2상 고정자 전류 I₁a, I₁b는 2상으로 입력하여 3상변환회로(19)의 응답으로 3상 교류신호 I_u, I_v, I_w를 출력하며 이 출력신호는 제7도에 보인 바와같이 각각 비교기 COM_u, COM_v및 COM_w에 입력한다. 이 비교기의 각각은 대응 교류입력의 크기와 톱니파신호 STS를 비교하면 3상 펄스폭 변조전류 지령신호 I_uc, I_vc및 I_wc를 각각 출력한다. 이 신호는 NOT 게이트 NOT₁-NOT₃및 드라이버 DV₁-DV₆에 의해 인버터 구동신호 SQ₁-SQ₆으로 변환되고 구동신호 SQ₁-SQ₆은 인버터 INV의 파워 트랜지스터 Q₁-Q₆의 각 베이스에 입력되며 트랜지스터의 도통이 제어되어 3상유도 전류를 3상유도 전동기(14)에 공급한다. 이 동작은 유도전동기(14)의 회전속도가 지령속도와 일치할때까지 계속된다.

제5도에 보인 실시예는 유도 전동기(14)로 유입하는 3상 전류를 검출하기 위한 검출기(35-37) 및 이 검출기와 합차회로(30-32)를 연결하는 전류 궤환루우프 CFLU, CFLV, CFLW를 구비하여 검출전류 값의 부궤환을 이루고 있다.

본 발명은 전동기 운전조건이 부하의 변동에 상응하도록 한 백터제어장치의 전동기에 있어서 부하 감소에 따라 유도전동기의 여자 전류가 감소되는 것은 상기 설명으로 볼때 명백할 것이다. 유도전동기가 종래의 백터 제어장치에 의해 동작될 때 통상유기되는 여자잡음이 없기 때문에 경부하에서 운전된다 할지라도 유도 전동기는 상당히 조용하게 동작한다는 것이 틀림없다.

본 발명이 특별히 간편한 형식으로 설명됐지만 상기 지침의 면에서 볼때 여러 수정과 변경이 있을 수 있다는 것은 명백하다. 그러므로, 이하특허청구 범위내에서 본 발명이 상기한 바와는 다른 실시예가 있을 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (1)

1. 유도 전동기의 회전속도 검출용 속도 검출기와, 지령속도를 발생하기 위한 속도 지령수단 및 유도 전동기의 회전속도와 지령속도 사이의 차를 증폭하는 오차 증폭기를 구비하여 회전속도와 지령속도 사이의 차에 따라 2차 전류의 크기가 변하도록 일차 전류의 크기를 제어하므로서 유도 전동기를 구동하는 유도 전동기 구동장치에 있어서, π/2의 위상차를 갖고 크기가 오차 증폭기의 출력에 상응하도록 2개의 정현파 신호를 발생하는 2상 정현과 발생수단과, 오차 증폭기의 출력과 상기 2상 정현파 발생수단의 출력을 사용하여 일차 부하전류를 계산하는 일차 부하전류 연산수단과, 출력이 여자전류로 제공되는 상기 2상 정현파 발생수단의 출력에 일차 부하 전류를 합산하여 2상 일차 전류 지령을 계산하는 일차 전류 연산수단 및 일차 전류 지령에 따라 유도 전동기를 구동하는 수단을 구성한 것을 특징으로 하는 유도 전동기 구동장치.

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