KR900003482B1 - 인버터 장치의 제어 방법 - Google Patents

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시끼 모리야
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Abstract

내용 없음.

Description

인버터 장치의 제어 방법
제 1 도는 인버터 장치의 운전 특성을 도시하는 그래프.
제 2 도는 인버터 장치를 PAM 제어할 때의 6스탭 파형을 도시하는 파형도.
제 3 도는 본 발명 방법의 일실시예를 설명하기 위한 회로도.
제 4 도 내지 제 6 도는 각부 파형도.
제 7 도는 본 발명 방법의 일실시예의 운전 특성을 도시하는 그래프.
제 8 도는 스위칭 특성을 도시하는 그래프.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 전력용 3상 전원 2a 내지 2n : 다이오드
3a 내지 3g : 트랜지스터 4 : 코일
5a, 5b : 콘덴서 6a, 6b : 저항
7 : 인덕션 모터(IM) 12 : 차동 증폭기
14a 내지 14c : 비교기 15 : 3각파 발생기
16a 내지 16c : 승산기 17 : 3상 정현파 발생기
18 : 전압 주파수 변환기 20 : 제어부
본 발명은 교류 모터의 가변속 제어 등에 사용되는 인버터 장치의 제어 방법에 관한 것이다.
종래 모터에 의해 재봉틀 등의 구동 제어를 행하고, 운전 속도를 변화시키는 경우 모터의 회전 속도는 일정하게 하여 두고, 회전력을 전달하는 클러치의 결합력을 바꾸어서 속도 제어를 행하고 있었다. 그러나, 이 방법에서는 클러치의 보수에 많은 시간을 요하는 것이었다.
이 때문에 모터, 특히 교류 모터를 가변속 제어하는 경우, 인버터 장치를 사용해서 제어하는 일이 있었다. 이 인버터 장치를 제어하기 위해서는 일반적으로 PAM(펄스 진폭 변조) 제어와, PWM(펄스 폭 변조) 제어와의 2개의 제어 방법이 있었다.
이 PWM 제어에 의해 인버터 장치를 제어하는 것으로서는 일본국 특허 공개 소화 59-188377호 공보에 도시하는 바와 같이 3각파와, 최대치와, 최대치 및 주파수를 제어할 수가 있는 정현파를 비교하여 모터 제어용에 제어 펄스를 발생시켜 이 제어 펄스에 의해 정격 전압의 직류 전원을 스위칭하여, 이것을 모터에 공급하는 방법이 제안되어 있다. 이 방법에 의하면 제어 펄스의 펄스 폭과 반복 주기를 제어하므로서 모터에 공급되는 전압의 계속 시간(펄스 폭의 기간) 및 반복 회수가 제어된다. 전압의 계속 시간이 길면 등가적으로 높은 전압을 공급한 것으로 되고, 운전 전압을 제어하고 있는 것으로 된다. 반복 회수가 많은 것은 높은 주파수의 전압을 공급한 것으로 되고, 운전 주파수를 제어한 것으로 된다. 그래서 제 1 도에 도시하는 바와같이 정격 주파수까지는 운전 전압 V과 운전 주파수 f의 비 V/f가 일정한 정토크 운전을 하여 정격 주파수 이상의 영역에서는 운전 전압을 일정하게 하여 정출력 운전을 하고 있다.
그러나 이 PWM 제어에 의해 제어된 인버터에 의해 모터를 구동하는 경우, 모터의 기동시 즉 저속 운전시에 모터로의 부가 전압이 교류 입력 전압을 정류한 전압치로 되어 필요 이상으로 부가 전압이 높아지기 때문에 모터의 누설전류에 의해 발생하는 전자 소음이 커지는 불합리함이 생기고 있었다.
또한, PAM 제어에 의해 인버터 장치를 제어한 경우, 모터에로 부가되는 전압의 상전압 파형은 제 2 도와 같이 된다. 이 제 2 도와 같은 파형은 6스탭 파형이라 불리고 있으며, 방형파 때문에 많은 저차 고주파 성분(3차, 5차 등)이 포함이 되어 있다. 이 때문에, 모터는 기본파 성분으로 회전하는 이외에 저차 고조파 성분에도 응답하여 모터가 회전하므로, 특히 저속에서의 토크리플이 생긴다. 이에 따라 기계계의 진동이 생긴다.
이로 인하여 인버터 장치를 PAM 제어 또는 PWM 제어의 어느 것으로 제어한 경우에 있어서도 모터는 불쾌한 소음이나 진동을 일으키게 되어 특히 모터에 이해 재봉틀을 구동할 때에는 모터가 재봉틀 탁자의 아래에 설치되기 때문에 작업자의 불쾌감이 많아 문제가 있었다.
본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위해서 만들어진 것으로 기계계의 진동 소음을 경감시키는 인버터 장치의 제어 방법을 제공함에 있다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위해서 본 발명에서는 모터의 기동시, 즉 모터의 저속 운전시에 인버터 장치에 제어를 PAM 제어와 PWM 제어를 병용하도록 한 것이며, 모터의 저속 운전시에 모터로의 부가 전압을 낮게 제어함과 동시에, 모터로의 부가 전압을 정현파상으로 하고, 토크리플을 저감하여 기계계, 즉 모터의 진동, 소음을 경감한 것이다.
제 3 도는 본 발명 방법의 일실시예를 설명하기 위한 회로도이다. 같은 도면에 있어서(1)은 동력용의 3상 전원, (2a) 내지 (2n)은 다이오드, (3a) 내지 (3g)는 트랜지스터, (4)는 코일, (5a), (5b)는 콘덴서, (6d), (6b)는 저항, (7)은 인덕션 모터(IM)이다. (11)은 시미트 회로, (12)는 차동 증폭기, (13a) 내지 (13c)는 반전기, (14a) 내지 (14c)는 비교기, (15)는 3각파 발생기, (16a) 내지 (16c)는 승산기, (17)은 3상 정현파 발생기, (18)은 전압 주파수 변환기, (20)은 제어부이다. 제어부(20)는 단자(20a)로 부터 트랜지스터(3a)의 출력 전압을 제어하는 신호, 즉 직류 전압지령 Vdc을 출력하여, 단자(20b)로부터 비교기(14a) 내지 (14c)에서 출력하는 제어 펄스의 펄스 폭을 제어하는 신호, 즉 PWM 전압지령을 출력하여, 단자(20c)로 부터 비교기(14a) 내지 (14c)에서 출력하는 제어 펄스의 반복 주기를 제어하는 신호 F를 출력하도록 되어 있다.
여기에서 제어부(20)는 모터(7)의 운전 전압지령 및 운전 회전수 지령을 출력하고 인버터 장치를 구동하는것으로, V/f 일정제어, 가감속 제어를 하는 것으로, 마이크로 컴퓨터 등에 의해 구성이 되어 있다. 또한, 전압 주파수 변환기(18)는 입력 전압에 대응한 주파수 출력을 내는 것으로, 일반적으로 I/F 콘버터라 불리고 있다. 또 다시 3상 정현파 발생기(17)는 변환기(18)의 출력 주파수에 대응한 주파수의 3상분의 정현파를 발생하는 것이다.
이와 같이 구성된 장치의 동작은 다음과 같다. 제어부(20)의 단자(20a)에서 출력되는 지령 신호 Vdc가 차동 증폭기(12) 및 시미트 회로(11)를 거쳐서 출력되고, 초퍼용의 트랜지스터(3a)에 공급이 되므로서, 그 트랜지스터(3a)가 온되고, 코일(4)을 거쳐서 콘덴서(5b)가 충전된다. 충전된 전압은 차동 증폭기(12)에 공급이되므로, 콘덴서(5b)의 단자 전압 Vc은 제어부(20)의 단자(20a)로 부터 출력되는 신호 Vdc에 의해 결정된다.
제어부(20)의 단자(20c)로부터 출력된 주파수 지령 신호 F는 전압 주파수 변환기(18)를 거쳐서 3상 정현파발생기(17)에 공급이 되므로, 3상 정현파 발생기(17)는 주파수 지령 신호 F에 대응한 주파수의 제어용 3상 신호를 출력한다. 이 제어용 3상 신호는 제어부(20)의 단자(20b)로 부터 출력되는 출력 전압지령 V과, 승산기(16a) 내지 (16c)에 있어서 승산이 되므로, 승산기(16a) 내지 (16c)로 부터 출력되는 제어용 3상 신호의 진폭은 출력 전압 지령 V에 의해 제어된다.
승산기(16a) 내지 (16c)로 부터의 출력된 제어용 3상 신호와, 3각파 발생기(15)로 부터 출력된 3각파는 비교기(14a) 내지 (14c)에 공급이 된다. 이때 제 4a 도에 도시하는 바와 같이 제어용 3상 신호의 최대치가 3각파의 최대치 보다도 적을 때에는, 제어용 3상 신호의 진폭에 비례하여 펄스 폭이 결정되고, 이 펄스가 제 4b 도에 도시하는 제어용 펄스로서 출력된다. 이 제어용 펄스의 1주기 마다의 평균치는 제 4b 도의 1점 쇄선으로 도시하는 바와 같이, 제 4a 도에 도시하는 제어용 3상 신호와 같은 주기로 변환하고 있다. 따라서, 제 4b 도에 도시하는 제어용 펄스 기본파 성분은 제어용 3상 신호의 진폭 및 주파수와 같은 것으로 되어 저차 고조파 성분을 포함하지 아니한다. 그래서 제어용 3상 신호의 진폭 및 주파수가 변하면, 그것에 비례하여 펄스 폭및 반복 주기가 변화한다.
제어용 3상 신호의 진폭을 크게한 경우, 제 5a 도에 도시하는 바와 같이, 그 최대치가 3각파 신호의 최대치를 넘으면, 제 5b 도에 도시하는 바와 같은 제어용 펄스를 출력한다. 이 제어용 펄스는 제어용 3상 신호의 진폭 변화에 완전히 비례한 신호는 아니고, 제 5b 도에 펄스 파형에는 저차고주파 성분을 포함하나, 제어 3상 신호의 기본파 진폭을 제 4b 도의 기본파 진폭보다 더욱 크게 할 수 있다. 제어용 3상 신호 진폭을 또 다시 크게 하면, 제 6 도에 도시하는 바와 같이, 제어 펄스는 3상 제어용 신호의 변화 정보는 주파수 변화 이외는 포함하지 않게 된다.
비교기(14a) 내지 (14c)로 부터 출력되는 제어 펄스에 따라서 트랜지스터(3b) 내지 (3g)가 온, 오프 제거되고, 트랜지스터의 온기간 만큼 콘덴서(5b)에서, 온으로 되어 있는 트랜지스터를 거쳐서, 인덕션 모터(7)에 구동용의 전류가 공급되고, 인덕션 모터(7)가 회전한다. 이때 상술한 바와같이 출력 전압지령을 제어하면 제어용 3상 신호의 최대치가 제어되며, 제 4 도 내지 제 6 도와 같은 변화를 시킬 수가 있다. 주파수 지령 신호F를 제어하면 제어용 3상 신호의 주파수가 제어된다. 그래서 이 정보는 비교기(14a) 내지 (14c)로 부터 출력되는 제어 펄스에 포함되어, 이 제어 펄스에 의해 인덕션 모터(7)에 공급하는 전류를 제어하므로, 인덕션 모터(7)에 공급되는 전원은 전압지령 V 및 주파수 지령 F에 의해 선간 전압 및 선간 전압의 주파수, 즉 운전 전압 및 운전 주파수가 제어된다.
통상, 운전 전압과 운전 주파수를 바꾸어서 모터의 구동을 할때, 제 1 도에 도시하는 바와 같이 정격 주파수 f3까지는 운전 전압 V과 운전 주파수 f의 비는 일정하게 하여 정토크 구동하고, 정격 주파수 이상에서는 운전 전압을 일정하게 하여 정출력 구동하고 있다. 정토크 구동에는 출력 전압지령 V과 주파수 지령 F을 제어하게 되나, 출력 전압지령 V의 레벨이 높아졌을 때에 비교기(14a) 내지 (14c)로 부터 출력되는 제어 펄스는 제 5 도 및 제 6 도(운전 주파수가 f3이상에서는 제 6 도의 제어로 된다)에 도시하는 바와 같이 전압 포화가 일어나고, 저차 주파수 성분이 나타난다. 이로 인하여 이것에 의해 토크리플이 발생하고 진동을 일으키게 된다. 이와 같은 토크리플은 운전 주파수가 f가 적을 수록 영향이 커지므로 저속에 있어서는 전압 포화를 일으키지않는 쪽이 바람직하다.
거기에서 제 7 도에 도시하는 바와 같이, 운전주파수가 f2까지는 제어부(20)의 단자(20a)에서 출력되는 신호Vdc에 의해, 콘덴서(5b)에 충전되는 전압을 최대 전압 Vc으로 부터 충분히 낮은 일정한 전압 VDCS로 하여 둔다. 그래서, 출력 전압 지령 V과 주파수 지령 f을 제어하여 제 1 도의 범위 A와 같이 V/f가 일정하게 되도록 정토크 구동을 행한다. 이 결과 제 7 도의 주파수 f1까지는 모터로의 부가 전압이 낮아진데 덧붙여서 제 4 도에 도시하는 동작을 행하도록 되어 있으므로, 토크리플이 매우 적어진다.
다음으로 제 7 도의 주파수 f1에서 주파수 f2까지는 제 5 도에 도시하는 동작을 행하게 되므로, 토크리플은 증가하나 모터로의 부가 전압을 Vc에 대해서 낮게 VDCS로 하고 있으므로, 종래의 것보다 충분히 적은 값이며, 소음은 거의 마음에 두지 않는다. 운전 주파수가 f2를 넘으면, 제 6 도에 도시하는 동작을 하게 되므로, 출력전압지령 V에서는 운전 전압의 제어는 불가능하게 된다. 이로 인하여, 이번에는 직류 전압지령 Vdc를 제어하여 콘덴서(5b)에 충전되는 전압을 차례로 상승시키므로서 운전전압을 제어하고 정격 주파수 f3까지는 운전 전압 V과 운전 주파수 f의 비 V/f가 일정하게 되도록 정토크 운전한다. 그래서 운전 주파수가 정격 주파수 f3로 된 시점 이후는 운전 전압은 정격 전압 Vc를 일정하게 하고, 정출력 운전을 행한다. 운전 주파수가 f2이후는 제 6 도에 도시하는 바와 같은 파형으로 동작을 행하게 되므로 저차 토크리플은 증대하나 많은 경우 주파수 30Hz 이상이면 토크리플이 기계계에 미치는 영향이 적으므로, 진동, 소음은 거의 문제가 되지 않는다.
즉, 이 실시예 방법에서는 운전 주파수가 제 7 도에 도시하는 f2이하의 때에는, 인버터 장치를 PAM 제어와 PWM 제어를 병용하도록 하여, 모터로 부가하는 전압을 낮은 소정치로 유지하여 PWM 제어하여 두고, f2를 넘으면 모터로 부가하는 전압을 상승시키도록 한 것이다.
또한 주파수 f1및 주파수 f2는 f1에서 전압 포화가 시작되어, f2에 의해 완전 6스탭 전압 파형으로 이행하나 f1이 정해지면 f2는 V/f 일정제어를 행하고 있으므로 한결 같이 정해진다. 이들 f1, f2는 기계 공진계를 피하도록 선정이 되어 있다.
쵸퍼용 트랜지스터(3a)는 신호 Vdc에 의해 온, 오프하는 스위칭 회로 n가 변화하나, 제 8 도에 도시하는 바와 같이 운전 주파수가 f1까지는 높은 값을 도시하고, 주파수 f1에서 주파수 f2까지는 급격하게 스위칭 회수가 좋으며, 그 이후는 방형 전압 파형으로 되어 운전 주파수와 동일하게 된다.
기계계의 소음을 발생시키는 요인은 이상과 같은 토크리플 외에 제어 펄스의 입상, 입하에 기인하는 모터의 누설 전류에 의해 발생하는 전자 소음도 있다. 그러나, 이 소음도 기동시에 부가 전압을 낮추고 있으므로서 단번에 적어진다.
또한, 이상의 실시에는 쵸퍼 트랜지스터를 사용하였으나 위상 제어 실리콘 제어 콘버터를 사용해도 좋다.
이상으로 설명을 한 바와 같이 본 발명은 기동시의 부가 전압을 낮게 하고 있으므로 토크리플 및 누설 전류가 적어져 기계계의 진동을 적게 할 수가 있는 효과를 갖는다.

Claims (15)

  1. 공급된 직류 전압을 스위칭하여 운전 전압 및 운전 주파수를 제어하는 인버터 장치의 제어 방법에 있어서, 운전 주파수가 소정의 값으로 될때까지는 직류 전압을 낮게 하고 운전 주파수가 소정의 값을 넘은 후에는 운전 주파수의 상승에 따라 직류 전압을 상승시키는 것을 특징으로 하는 인버터 장치의 제어 방법.
  2. 제 1 항에 있어서 직류 전압은 교류 전원으로부터의 교류 전압을 정류기로 정류하고 스위칭 수단을 거쳐서 콘덴서에 축적된 것으로 한 것을 특징으로 하는 인버터 장치의 제어 방법.
  3. 제 2 항에 있어서 스위칭 수단은 운전 주파수에 따라서 제어되는 것을 특징으로 하는 인버터 장치의 제어 방법.
  4. 제 3 항에 있어서 스위칭 수단은 기동시의 스위칭 회수를 높도록 한 것을 특징으로 하는 인버터 장치의 제어 방법.
  5. 제 1 항에 있어서 직류 전압의 스위칭은 인버터 부에 의해 행해지는 것을 특징으로 하는 인버터 장치의 제어 방법.
  6. 제 5 항에 있어서 인버터 부는 PWM 제어 되는 것을 특징으로 하는 인버터 장치의 제어 방법.
  7. 제 6 항에 있어서 인버터 부를 트랜지스터 인버터에 의해 구성한 것을 특징으로 하는 인버터 장치의 제어 방법.
  8. 제 7 항에 있어서 트랜지스터를 구성하는 각 트랜지스터는 각각 역 병렬로 접속된 다이오드를 가지는 것을 특징으로 하는 인버터 장치의 제어 방법.
  9. 제 1 항에 있어서 인버터 장치는 정격 주파수에 도달할 때 까지는 PWM 제어와 PAM 제어를 병용한 것을 특징으로 하는 인버터 장치의 제어 방법.
  10. 제 1 항에 있어서 운전 주파수가 소정의 값으로 될 때까지는 직류 전압을 낮은 소정치로 유지하고, 운전 주파수가 소정의 값을 넘어 정격 주파수에 도달할 때까지는 운전 주파수의 상승에 수반하여 상기 직류 전압을 상승시켜 운전 주파수가 정격 주파수를 넘은 뒤는 상기 직류 전압을 높은 소정치로 유지한 것을 특징으로 하는 인버터 장치의 제어 방법.
  11. 제 10 항에 있어서 운전 주파수가 정격 주파수를 넘을 때 까지는 정토크 구동을 하는 것을 특징으로 하는 인버터 장치의 제어 방법.
  12. 제 10 항에 있어서 직류 전압의 상승은 운전 주파수의 상승에 수반하여 운전 전압이 완전히 포화하였을 때에 개시하는 것을 특징으로 하는 인버터 장치의 제어 방법.
  13. 제 1 항에 있어서 인버터 장치는 교류 모터를 제어하는 것을 특징으로 하는 인버터 장치의 제어 방법.
  14. 제 13 항에 있어서 교류 모터를 재봉틀 구동용으로 한 것을 특징으로 하는 인버터 장치의 제어 방법.
  15. 교류 전원에서 공급된 교류 전압을 정류한 직류 전압을 스위칭 수단을 거쳐서 콘덴서로 공급하여 상기 콘덴서에 축적된 직류 전압을 인버터 부에 의해 교류 전압으로 변환하여 유도 전동기를 제어하는 인버터 장치의 제어 방법에 있어서 상기 인버터 부를 제어하는 제어 전압 및 제어 주파수를 변화시켜서 상기 유도 전동기의 운전 전압 및 운전 주파수를 제어함과 동시에 상기 운전 주파수가 소정치에 이를 때까지는 상기 콘덴서의 직류 전압을 낮게 하고, 상기 운전 주파수가 상기 소정치를 넘은 후는 상기 운전 주파수의 상승에 수반하여 상기 콘덴서의 직류 전압을 상승시키는 것을 특징으로 하는 인버터 장치의 제어 방법.
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