KR900007111B1 - 3상 유도 전동기의 제어방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

[발명의 명칭]

3상 유도 전동기의 제어방법

[발명의 상세한 설명]

[기술분야]

본 발명은 디지탈치에 의한 역행제어(전동기 구동 제어) 및 회생 제어를 행하는 3상 유도 전동기의 제어방법에 관한 것이다.

[배경기술]

최근의 3상 유도 전동기의 제어는 전동기의 고정자 전류를 순시치 제어하여 직류 분권 전동기와 등가인 토오크 발생을 행하는 벡터 제어방식에 의한 경우가 많아지고 있다.

이와같은 백터제어를 사용하여, 3상 유도 전동기의 역행 제어 및 회생제어를 행함은, 예를들어, 일본국특허출원 공개 소화 59년 제14385호 공보에 의해 제안되어 있다.

그런데, 공작기계 등의 주축용 전동기 등과 같이 고속 회전 영역까지 속도 제어를 행할 경우나, 일정 회전수에 있어서의 토오크 지령에 따라서 여자를 약하게 하는 제어를 행할 경우에 벡터 제어에 의해 유동 전동기를 제어하면, 전동기의 2차 누설 인덕턴스, 여자 철손 등의 효과에 의하여 토오그 지령과 여자 전류, 2차 전류, 슬립 주파수가 비선형으로 되며, 이 결과, 토오크 지령에 대하여 출력 토오크도 비선형으로 되어 정확한 직선상의 토오크 지령과 출력 토오크의 관계를 유지하지 못하는 문제가 있었다.

또, 유도 전동기의 출력은 일반적으로 전동기에 인가되는 전압에 대해 2제곱에 비례하여 변화하므로, 교류 입력 전압이 크게 변화하면, 출력 변동이 생긴다. 이와같은 출력변동을 방지하기 위하여, 벡터 제어방식에 교류 입력 전압에 따라서, 최대 슬립량을 변화시키는 등의 대책을 강구하고 있으나, 유도 전동기의 출력을 일정하게 하는 데에는 충분한 효과를 얻지 못했었다.

또한, 회생 제동시에는 입력측의 진상 콘덴서 용량에 의해, 역률이 변동하거나, 전원 왜곡의 증가, 무효전력의 증가의 문제가 있었다.

본 발명의 상기 문제점을 해결하기 위하여 구성된 것으로서, 콘버어터 및 인버어터로써된 전력 증폭기를 사용하여 벡터 제어방식에 의해 역행 제어와 회생제어를 행항에 있어서, 자속센서를 사용함이 없이, 토오크지령에 대하여 출력 토오크를 선형으로 얻을 수가 있으므로, 전원 전압이 변동하여도 3상 유도 전동기의 출력을 일정하게 할수 있는 3상 유도 전동기의 제어방법을 제공함을 목적으로 하고 있다.

[발명의 개시]

본 발명에 의하면, 역행 제어시에는, 교류 입력을 직류로 변환하고, 이 변환된 직류가 인가되는 제1인버어터의 출력에 의하여 3상 유도 전동기를 가변속 구동하며, 회생 제어시에는 3상 유도 전동기의 출력 전류를 직류로 변환하며, 이 변환된 직류가 인가되는 제2인버어터의 출력을 교류 전원으로 회생하도록한 벡터제어방식에 의한 3상 유도 전동기의 제어방법에 있어서, 3상 유도 전동기에 대한 토오크 지령 및 3상 유도전동기에 대응하여 여자 전류 지령, 2차 전류 지령을 각각 여자 자속방향 성분 및 전동기의 기전압 방향 성분으로 벡터 분해하여, 상기 벡터 성분의 합성에 의하여 전동기의 1차 전류 지령을 구하고, 상기 교류 입력을 직류로 변환하는 회로의 직류 링크부의 전압을 검출하며, 상기 검출된 전압에 따라서, 여자 자속 지령을 보정하고, 상기 전원 전압의 변동에도 불구하고, 선형의 출력 토오크를 얻어서, 일정 출력의 제어를 행하며, 또 상기 회생 제어시에는 교류 전원측의 전압과 전류와의 위상을 조정하여 무효 전력을 감소시키도록 제어하는 3상 유도 전동기의 제어방법이 제공된다.

[발명의 최선 실시형태]

다음에, 도면에 의하여 본 발명 방법에 대하여 설명한다. 제1도는 본 발명 방법을 실시하기 위한 제어회로의 개략적 블록도, 제2도는 제1도의 전력 증폭기의 회로도이다.

제1도의 제어회로에 대하여 설명하기에 앞서, 제3도∼제7도에 의하여 본 발명의 전제로 되는 기술에대하여 설명한다.

제3도는 3상 유도 전동기의 1상 분의 등가회로, 제4도는 백터도, 제5도, 제6도, 제7도는 특성의 설명도이다. 3상 유도 전동기의 백터제어는 다음과 같이 행한다.

(1) 속도지령 ωc를 설정한다.

(2) 전동기속도 ωm을 검출한다.

(3) ωc와 ωm의 감산에 의하여 토오크 지령 Tc를 구한다.

(4) 슬립 주파수의 추정치 ω's를

ω's=Ko×Tc× ωm(Ko는 상수)

로서 구한다.

(5) 여자 주파수의 추정치 ω'o를

ω 'o = ωm - ω 's

로서 구한다.

(6) 제5도의 특성도에 의하여 여자 주파수 ω'o에 대응하는 자속 Ф를 구한다.

(7) 권선저항의 측정, 무부하 시험 및 구속시험을 행하여, 제3도의 등가회로, 제4도의 벡터도로부터 1차 유기 전압 E₁, 여자 전류 I₀의 철손전류 I_0I및 자화전류 I_0M, 여자저항 R₀, 여자 리액턴스 L₀의 값을 각각 구한다.

(8) 회전 자계의 자속 Ф를 기준 위상으로 하여, 회전하고 있는 자표계를 고정한 좌표계로 변환한다. 즉

① 여자 전류

는 Ф축 방향 성분

과 E₁축 방향 성분

의 벡터합으로서, 다음과 같이 구해진다.

② 2차 전류

도 같이 Ф축 방향 성분

과 E₁축 방향 성분

의 벡터합으로서, 다음과 같이 구해진다.

③ 자속 Ф은

E₁=dФ/d_t로부터

=

=

로서 구해진다.

다음에, 제6도의 특성도에 의하여

(K는 상수)을 구한다.

(9) 2차 전류 I₂의 E₂축 방향 성분 I_2W을,

로 부터 구한다.

(10) 슬립 주파수 ωs를 제7도의 특성도에 의하여 결정한다.

(11) 2차 전류의 Ф 방향 성분 I_2M을,

로 부터 구한다.

(12) 1차 전류 I₁의 Ф 방향 성분을,

로 부터 구한다.

(13) l차 전류 I₁의 E₁방향 성분을,

로 부터 구한다. 이와같이 하여서 얻어진 l차 전류는 유동 전동기의 여러 정수를 모두 고려한 경우의 전류 지령으로서 토오크 지령에 대하여 선형의 출력 토오크를 얻기 위한 전류 지령으로 되어 있다.

(14) 여자 주파수 ωo를,

로 부터 구한다.

다음에, 제1도의 블록도로 되돌아 가서, 이 블록도에 대하여 설명한다. 교류 전원에 제2도에 나타낸 바와같이 교류 입력축 및 직류 출력축에 각각 형성되는 콘버어터(b), 인버어터(a)로 구성되는 전력 증폭기(a)를 접속한다. 이 콘버어터(b)는 다이오드에 의하여 전파 정류 브리지로 형성하며, 각 다이오드는 트랜지스터 인버어터와 병렬로 접속되어 있다. 전력 증폭기(a)의 콘버어터(b)에 의하여 직류 전압을 얻고, 이직류 전압을 인버어터(c)에 인가한다. 인버어터의 출력 전압은 PWM 회로 및 전류제어회로(m)에 의하여 펄스폭 제어되어, 3상 유도 전동기(d)에 인가한다.

한편 속도지령 ωc와, 속도검출기 PG에 의하여 검출된 전압 신호를 F/V 변환기(o)를 통하여 얻어진 전동기속도 ωm이 비교기에 입력되어, 편차 신호로 부터 토오크 지령 Tc가 얻어진다. 이 속도 지령은 PI, 클램프 회로(g)를 통하여 수정되어서, 실제의 토오크 지령 Tm을 형성한다. 이후 상기 (4)∼(14)에서 설명한 바에 의하여, 1차 전류 I₁과, 여자 주파수 ωo를 구하여, 이들을 2-3상 변환회로(1)에 인가한다. 2-3상 변환회로(1)에서는 직교하는 2상 전류를 3상 전류로 변환하여, 3상의 각상전류 I_u, I_v, I_w를 형성하여, PWM 회로 및 전류 제어회로(m)에 입력한다. 한편, 이 회로(m)에는 CT_l, CT₂에의하여 전동기의 입력전류가 피이드백 되어 2-3상 변환 회로의 출력 전류와 비교되어서, 각 상의 지령 전류가 인버어터(c)에 송출된다.

다음에, 본 발명에 있어서는 전력 증폭기의 직류측전압 Vcc를 검출하여 자속 Ф와 유기전압 V를 보정하고 있으나, 그 작용에 대하여 설명한다.

여기서, PWM 회로에 있어서, 전압 지령 진폭과 실제의 전동기의 단자 전압의 관계를 고려하면, PWM회로의 내부에서 3각파가 형성될 경우, 그 3각파의 이용을 어느 정도로 하는가에 따라서, 출력전압이 다르다. 여기서, 제8도(a)에 나타낸 바와같이,3각파의 진폭을 B로 하고, PWM 신호의 진폭을 A로 하면, 그 진폭비 A/B가 1이하에서는 제9도에 있어서의 4점의 출력 V_u는, 주기를 T로 하면,

전동기에 인가되는 u-v 사이의 선간전압은

단, Vac : 실효치

Vdc : 설정치(직류 전압)

다음에, 진폭비 A/B가 l 이상인 경우에 대하여 인버어터를 구성하는 트랜지스터의 베이스 신호의 제어를 고려하면, 제8도(b)에 나타낸 바와 같이,(A/B)의 비가 1을 넘을때마다, 인버어터의 T_r의 베이스 신호를 오프하는 방법이 있으나, 이 방법에서는, 출력 전압이 상승하지 않는점, 스위칭 손실이 큰점, 등의 결점이 있다.

그리고, 제10도에 진폭비 A/B에 대한 선간전압 V_u-v의 변화의 상태를 나타낸다.

본 발명에 있어서는 PWM 신호의 진폭 A가 3각파의 진폭 B를 넘은 범위에서는, 세8도(c),(d)에 나타낸 바와같이 T_r을 전부 온으로 하는 것이다. 즉, 직류 선압이 낮은 때에는 기저 속도이상의 자속지령 Ф를 증가하여, 3각파에 대한 PWM 회로의 진폭을 크게 하고, 전동기의 단자 전압을 크게하여, 일정출력이 얻어지도록 한다. 또 직류 전압이 높은때에는 기저속도 이하의 영역으로 부터 자속지령을 감속하고, 3각파에대한 PWM 회로의 진폭을 작게 하며, 전동기의 단자 전압을 작게하여, 일정 출력이 얻어지도록 한다. 이와같은 제어는 제1도의 블륵도에 있어서, 여자 주파수와 자속과의 관계를 나타낸 데이터 맵(1)에 인버어터(b)에서 검출되는 직류 검출 전압 Vdc를 입력하여, 자속 Ф을 직류 전압 Vdc에 따라서 수정함으로써 행한다.

그리고 유기 전압 보정회로(n)는 전동기의 속도신호 ωm 대한 유기전압의 값을 보정하여, PWM 전류제어회로(m)에 인가한다.

다음에, 본 발명에 의한 회생 제어동작에 대하여, 제2도에 의하여 설명한다. 회생 제어회로(P)에는 전압 제어회로(r)와 역률 조정회로(g)를 형성한다.

회생 제어를 행할때에는, 전력 증폭기의 직류축 전압과 직류 전압지령치를 비교하여 직류측 전압이 클때는 편차신호를 전압 제어 회로(r)를 통하여 역률 조정회로(g)에 입력한다. 역률 조정회로에는 전력 증폭기의 교류측의 입력 전압을 PT를 통하여 인가하며, CT₃, CT₄에 의하여 검출되는 전력 증폭기의 교류 입력측 전류가 교류측 전압과 동상으로 되도록 즉, 역률이 1이 되도록 회생 전류 지령신호를 전류 제어회로에 출력한다. PWM 회로는 이 지령치에 의하여 입력측 트랜지스터 인버어터를 제어한다.

[산업상의 이용가능성]

이상과 같이, 본 발명에 의한 3상 유도 전동기의 제어방법은 콘버어터 및 인버어터로써된 전력 증폭기를 사용하여, 벡터 제어방식에 의하여 역행 제어와 회생제어를 행함에 있어서, 자속센서를 사용함이 없이, 토오크 지령에 대하여, 출력 토오크를 선형으로 얻을 수가 있으므로, 전원 전압이 변동하여도, 3상 유도 전동기의 출력을 일정하게 할수 있다.

[도면의 간단한 설명]

제1도는 본 발명의 개략적 블록도.

제2도는 회로도.

제3도는 등가 회로도.

제4도는 벡터도.

제 5도∼제10도는 설명도이다.

Claims (3)

1. 역행 제어시에는 교류 입력을 직류로 변환하고, 이 변환된 직류가 인가되는 제1인버어터의 출력에 의하여 3상 유도 전동기를 가변속 구동하며, 회생 제어시에는 3상 유도 전동기의 출력 전류를 직류로 변환하며, 이 변환된 직류가 인가되는 제2인버어터의 출력을 교류 전원에 회생하도록한 벡터 제어방식에 의한 3상 유도 전동기의 제어방법으로서, 3상 유도 전동기에 대한 토오크 지령 및 3상 유도 전동기에 대응하여 결정되는 여자 자속 지령을 기초로 하여, 여자 전류지령, 2차 전류 지령을 각각 여자 자속 방향성분 및 전동기의 기전압 방향 성분으로 벡터 분해하는 스텝 ; 상기 벡터 성분의 합성에 의하여 전동기의 1차 전류 지령을 구하는 스텝 ; 상기 교류 입력을 직류로 변환하는 회로의 직류 링크부의 전압을 검출하는 스텝 ; 상기검출된 전압에 따라서 여자 자속지령을 보정하는 스텝 ; 상기 전원 전압의 변동에도 불구하고, 선형의 출력토오크를 얻어서 일정 출력의 제어를 행하는 스텝을 포함함을 특징으로 하는 3상 유도 전동기의 제어방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 3상 유도 전동기의 회생 제어시에는 교류 전원측의 전압과 전류와의 위상을 조정하여, 무효 전력을 감소시키도록 제어함을 특징으로 하는 3상 유도 전동기의 제어방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 여자 자속 지령을 보정하는 스텝은 상기 제1인버어터에 대한 PWM 신호의 진폭이 3각파의 진폭을 넘는 범위에서, 이 인버어터를 구성하는 스위칭 소자를 항상 온함을 특징으로 하는3상 유도 전동기의 제어방법.

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