KR930007715B1 - Pwm 인버어터의 제어방법 및 장치 - Google Patents

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가부시기가이샤 히다찌세이사꾸쇼
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Abstract

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Description

PWM 인버어터의 제어방법 및 장치
제1도는 본원 발명의 일실시예를 나타낸 구성도.
제2도는 제1도에 있어서의 PWM 인버어터의 일례 상세회로도.
제3도는 제1도에 있어서의 파워보상회로의 일례 상세회로도.
제4도는 제1도에 있어서의 PWM신호 발생회로의 일례 구성도.
제5도는 PWM 인버어터의 통류모우드 상태도.
제6도는 본원 발명의 동작설명용 타임차아트.
제7도는 유도전동기의 토오크특성도.
제8도는 전달함수의 블록선도.
제9도는 PWM 인버어터의 출력전류파형도
제10도~제12도는 각기 전달함수의 특성도.
제13도는 보상정수 특성도.
본원 발명은 PWM 인버어터로 구동되는 유도전동기를 전압/주파수의 비를 일정하게 해서 가변속 구동할 때에 교류전동기 진동을 억제하는 PWM 인버어터의 제어방법 및 장치에 관한 것이다.
PWM 인버어터로 유도전동기를 구동할 경우에 전압/주파수의 비를 일정하게하는것을 오풀루우프 제어하는 것이 행해진다. 유도전동기의 관성 모우멘트가 비교적 작은 것에 있어서는 정격주파수보다 낮은 예를 들어 10-3OHz 정도의 주파수 영역에서 더구나 무부하상태에서 10%부터 20%정도의 경부하상태에 있어서 이상한 진동을 일으키는 불안정현상이 생긴다.
이 불안정현상에 의한 전동기의 이상진동을 억제하는 방법으로서 미국 특허 제 3,800,199호(대응 일본특허 특공소 53-27807호 공보)에 기재되어 있는 것이 알려져 있다. 이 방법은 전동기에 가하는 전력량에서 회전자의 진동주파수대역에 동조한 신호를 대역필터에 의해 검출하고, 이 동조 신호에 의해 1차주파수를 보정함으로써 진동을 억제하도록 한 것이다. 그러나 동조신호는 전동기의 용량이 바뀌거나 또 동일한 용량의 전동기에서도 극수(極數)나 전동기의 부하의 크기가 다르거나 하면 변화한다. 이 때문에 전동기마다 대역필터의 정수를 설정하지 않으면 안되어 실용성이 결핍되고, 게다가 전동기의 부하가 설계시점과 다르면 안정되게 할 수 없게 된다. 따라서, 이 방법은 부특정의 전동기를 구동하는 범용 인버어터에는 적용할 수 없다.
본원 발명은 상술한 문제를 해소하고, 전동기의 종류 및 부하의 상태 여하에 불구하고 충분히 안정화를 도모할 수 있는 교류 전동기의 진동억제 제어방법 및 장치를 제공하는데 있다.
본원 발명의 특징으로 하는 것은 PWM 인버어터에 흘러 들어오는 전류를 플러스의 직류전류로하고 PWM 인버어터에서 직류전원에 유출하는 전류를 마이너스의 직류전류로 할때, PWM 펄스를 얻기 위한 반송파 신호의 일주기 이상에 걸쳐서 1방향만으로 하고, 직류전류가 흘렀을 때에는 PWM 인버어터의 출력주파수(전동기의 1차주파수)를 보정하도록한것에 있다. 구체적으로 반송파신호의 1주기 이상에 걸쳐서 마이너 스의 직류전류만 흘렸을 경우에는 1차주파수가 커지도록 보정하여 전동기에 가하는 힘을 순간적으로 증가시키며, 반대로 반송파신호의 1주기 이상에 걸쳐서 플러스의 직류전류만 흘렸을 경우에는 1차주파수가 작아지도록 보정하여 전동기에 가하는 힘을 순간적으로 감소시킨다.
본원 발명의 일실시예를 제1도에 나타낸다.
제1도에 있어서, 직류전원 EO에서 공급되는 직류전압은 평활콘덴서 (10)에 의해 평활되며, PWM 인버어터(11)에 가해진다. PWM 인버어터(11)은 직류전압을 가변주파수·가변전압의 교류를 변환한다. 이 PWM 인버어터(11)에 의해 유도전동기 (12)가 구동된다. PWM 인버어터(11)는 제2도에 나타낸 것처럼 그레이츠 결선된 트랜지스터 UP, UN, VP, VN, WP, WN과 각 트랜지스터 UP…WN에 각기 역병렬로 접속된 환류다이오우드 DUP, DUN, DVP, DVN, DWP, DWN으로 구성되어 있다. 인버어터(11)에 흐르는 직류전류 ID는 변류기(13)에서 검출되어 전류극성판정회로(14)에 가해진다. 전류극성판정회로(14)는 직류전류 ID가 인버어터(11)에 유입하는 IA방향으로 흐르고 있을 때 정극성이라고 판정하고, 인버어터(11)에서 유출하는 IB방향으로 흐르고 있을 때 부극성으로 판정한다. 전류극성판정회로(14)가 출력하는 전류극성신호 a는 상태판별회로(15)에 입력된다. 상태판별회로(15)는 부극성전류가 소정주기로 흐르고 있을 경우에 하이레벨로 되며, 정극성전류만 흐르고 있으면 로우레벨로 되는 상태판별신호 b를 발생한다 소정주기는 PWM 인버어터(11)에 PWM펄스를 발생할 때에 변조파와 비교하는 반송파의 주파수에 의해 결정된다. 상태판별신호 b는 회생 파워 보상회로(16)와 역행파워보상회로(17)에 입력된다. 회생파워보상회로(16)는 상태판별신호 b의 상승시에 동기해서 일정시정수로 상승하는 회생보상신호 e1를 출력한다. 또 역행파워보상회로(17)는 상태판별신호 b의 하강시에 동기해서 일정시정수로 상승하는 역행보상신호 e2를 출력한다.
제3도에 회생파워보상회로(16)와 역행파워보상회로(17)의 일례 회로도를 나타낸다.
제3도에 있어서, 회생파워보상회로(16)는 상태판별신호 b를 적분하는 적분기 (160)와, 적분기(160)의 적분출력을 반전 증폭하는 반전증폭기(161)로 구성된다. 적분기(160)는 저항(16A), (16B), (16D), 콘덴서(16C) 및 연산증폭기(16E)로 구성되며, 또 반전등폭기(161)는 저항 (16F), (16G), (16H) 및 연산증폭기(161)로 구성되어 있다. 한편, 역행파워보상회로(17)는 상태판별신호 b를 반전시키는 반전회로(17A)와 반전된 상태판별신호를 적분기(170) 및 적분기(170)의 적분출력을 증폭하는 비 반전증폭기(171)로 구성된다. 적분기(170)는 저항(17B), (17C), (17F), 콘덴서(17D) 및 연산증폭기(17E)로 구성되며, 또, 비반전 증폭기(171)는 저항(17G), (17I), (17H)와 연산증폭기(17J)로 이루어지는 반전증폭기와 저항(17K), (17L), (17N)와 연산증폭기(17M)로 이루어진 반전증폭기를 직렬로 접속해서 구성된다.
제1도로 되돌아가, 양 보상회로(16), (17)의 보상신호 e1,e2는 가산기(22)에서 가산되어 보상신호 e를 얻는다. 이 보상신호 e는 리미터회로(18)에 입력된다. 리미터회로(18)에서 리미트된 보상신호 e1는 주파수보정회로(19)에 입력된다. 주파수보정회로(19)는 보상신호 e1에 설정된 개인을 곱셈하여 주파수보정신호 △f를 발생한다. 가산기(20)는 주파수설정신호 fR와 주파수보정신호 △f를 가산하여 주사푸지령 신호 f1를 PWM 신호발생회로(21)에 가한다. PWM 신호발생회로(21)는 제4도에 나타낸 것처럼 주파수지령신호 f₁에 비례한 주파수의 정현파신호(변조파)를 발생하는 정형파발생회로(21A)와, 3각파신호(반송파)를 발생하는 반송파발생회로(21C) 및 변조파와 반송파를 비교하는 비교기(21B)로 구성된다. PWM 신호발생회로(21)가 발생하는 PWM펄스는 인버어터(11)에 주어진다. 한편, 상태판별회로(15)의 상태판별신호 b는 리미터조정회로(40)에도 가해진다.
리미터조정회로(40)는 샘플호울드신호발생회로(41), 리세트펄스발생회로(42), 리미터보상기(43), 리미터보상기(43)에서 출력되는 리미터설정신호에 비례한 플러스, 마이너스 대칭인 리미터치 i+, i_를 출력하는 리미터설정회로(44)로 구성된다. 인버어터(11)의 주파수가 변화하더라도 안정화되도록 하기 위해서는 리미터회로(18)의 상하한리미터치 i+, i_를 상태판별신호 b의 주기에 따라 조정할 필요가 있다. 리미터조정회로(40)는 이 기능으로 얻어지도록 설치한 것이다.
다음에 그 동작을 설명한다.
먼저, 본원 발명의 이해를 용이하게 하기 위해 진동하고 있지 않는 상태 의 동작을 설명한다.
PWM 신호발생회로(21)는 주파수지령신호 f₁를 정현파발생회로(21A)에 입력한다. 정현파발생회로(21A)는 주파수 f₁를 갖는 정현파 신호를 발생해서, 비교기 (21B)에 가한다. 또, 비교기 (21B)에는 반송파발생회로(21C)에서 발생한 3각파도 입력된다. 비교기(21B)는 정현파와 3각파를 비교하여 PWM 펄스를 발생한다. 이와 같이 해서 얻어지는 PWM펄스는 인버어터(11)에 가해진다.
제5도는 무부하상태에서 3상의 PWM신호(UP,, VP,,WP.)를 PWM 인버어터(11)에 인가했을 때의 통전상황과 인버어터입력전류의 파형을 반송파의 주기(=1/fc)분시한 것이다.
제5도에 있어서. "1"은 PWM신호가 플러스측의 트랜지스터UP, VP, WP에 인가되고, 마이너스측의 트랜지스터 UN, VN, WN에는 인가되어 있지 않은 상태를 나티낸다. "0"은 상술한 경우와 반대의 상태를 나타낸다. 통류모우드 A는 3상 PWM 신호의 모두가 플러스측의 트랜지스터 UP, VP, WP에 인가되어 있는 경우를 나타낸다. 통류모우드 A에서는 PWM 인버어터(11)에는 다이오우드 DVP, DWP에서 트랜지스터 UP의 경로로 전류가 흐른다. 모우드 A에서는 인버어터(11)에 직류전류 ID가 흐르지 않는다. 이 모우드를 환류모우드라고 칭한다. PWM 신호가 A의 모우드(1,1,1)에서 W상의 PWM신호 WP逈 "1"에서 "0"으로 변화하여 모우드 B의 (1,1,0)으로 되면, 전류는 직류전원 ED의 플러스측에서 트랜지스터 UP를 거쳐 전동기(12)의 U 상권선에 흘러 들어가 W 상권선에서 트랜지스터 WN를 거쳐 직류전원 ED의 마이너스측으로 흐르기 시작한다. 모우드 B에서는 인버어터(11)에 직류전원 ED에서 전동기(12)에 흘러 들어가는 플러스전류 IA가 흐른다. 이 전류모우드를 유효전류모우드라고 부른다.
다음에 모우드 B의 (1,1,0)에서 U상의 PWM 신호 UP가 "1"에시 "0"으로 변화하면, 모우드 C(0, 1,0)으로 된다. 모우드 C로 되면 전류는 전동기(12)의 V 상권선에서 다이오우드 DVP를 거쳐 직류 전원 ED의 플러스측으로 흐른다. 통류모우드 C에 있어서는 인버어터(11)에 마이너스전류 IB가 흐른다. 이 전류모우드를 뮤효전류모우드라고 부른다.
모우드 C에서 V상의 PWM 신호 VP,가 "1" 에서 "0"으로 변화하여 모우드 D(0,0,0)으로 된다. 모우드 D에서는 전류가 전동기(12)의 V 상권선에서 트랜지스터 VN및 전동기(12)의 W상권선에서 트랜지스터 WN를 거쳐 다이오우드 DUN으로 들어 가 U상의 권선에 흘러 들어 간다. 이 처럼 모우드 D에서는 전류가 전동기(12)의 V상권선 및 W상권선과 U상의 권선 사이에서 환류한다. 이 때문에 인버어터(11)에 전류가 I는 흐르지 않으며, 0 그대로 된다. 모우드 O는 A와 마찬가지로 환류모우드라고 부른다.
PWM 신호 VP가 "0"에서 "1"로 변화하여 모우드 E로 들어가면, 전동기(12)의 V상권선에서 다이오우드 PVP를 거쳐 직류전원 ED의 플러스측에 전류가 흐른다. 모우드 E에서는 모우드 C와 마찬가지로 인버어터(11)에는 마이너스의 전류 IB가 흐른다.
다음에 U상의 PWM신호 UP가 "0"에서 "1"로 변화하여 모우드 F로 옮으면, 직류전원 ED의 플러스측에서 트랜지스터 UP를 거쳐 U상권선에 흘러 들어가며, 그리고 W상권선에서 트랜지스터 WN를 거쳐 직류전원 ED의 마이너스측에 흐른다. 모우드 F에서는 모우드 B와 마찬가지로 인버터(11)에 흐르는 전류 I는 플러스전류 IN로 된다.
이상의 동작에서 명백한 것처럼 반송파의 주기내에서 인버어터(11)에 흐르는 직류전류 I를 고찰해 보면, 플러스전류 IA와 마이너스 전류 I...가 PWM 신호에 따라 소정의 순서로 흐르고 있는 것을 알 수 있다. 그리고 플러스의 전류 1A및 마이너스 전류 IB는 전동기(12)의 부하에 의해 다른 반송파의 1/2주파기
Figure kpo00001
에서 반송파의 주기
Figure kpo00002
로 흐른다. 이와 같은 주기로 마이너스의 전류 I... 보다도 큰 플러스의 전류 IA가 흐르고 있으면 전동기(12)는 안정되게 회전할 수 있다. 왜냐하면 이 상태에서는 PWM 인버어터(11)에서 항상 전동기(12)가 회전하는 데 필요한 힘이 공급되고 있기 때문이다.
다음에 제6도에 나타낸 타임차아트에 의거하여 진동현상과 그것의 억제동작에 대해 설명한다.
진동이 발생하고 있는 불안정한 상태에서는 인버어터(11)에는 플러스의 전류IA가 지배적으로 흐르는 상태와, 마이너스의 전류 IB가 지배적으로 흐르는 상태를 교대로 반복하는 전류 ID가 나타난다. 여기서는 전자의 진동상태를 역행상태, 후자의 진동상태를 회생상태라고 정의한다. 이들 상태는 모두 반송파의 1주기보다도 오랜 시간 계속하고 있다.
본원발명은 플러스의 전류 IA가 지배적으로 되어 진동에 이르느냐 또는 마이너스 전류 IB가 지배적으로 되어 진동에 이르는지를 상태판별신호 b를 사용하여 미리 판단해서, 인버어퍼의 입력전류 ID의 플러스 전류 성분 IA과 미이너스의 전류성분 I...이 소정의 주기로 흐르도록 PWM 인버어터의 주파수 지령을 보정하도록 한 것이다. 신동상태로 되는지 아닌지는 다음처럼 판정한다. 먼저 인버어터(11)의 입력전류 ID를 변류기(13)에 의해 검출하여 전류극성판정회로(14)에 입력한다. 전류극성판정회로(14)는 마이너스의 전류 I...가 흐르고 있으면 마이너스 극성이라고 판정하여, 구간펄스형상의 논리신호로 되는 전류극성신호 a를 출력한다. 상태판별회로(15)는 마이너스의 전류 IB가 소정의 주기로 흐르고 있을 경우에 하이레벨로 되며, 플러스의 전류 IB만 흐르고 있는 구간에서 로우레벨로 되는 상태판별신호 b를 출력한다.
상태판별회로(15)는 제6도에 나타낸 바와 같은 상태판별신호 b를 출력한다. 진동상태의 발생은 상태판별신호 b에서 판별할 수 있다. 상태판별신호 b가 로우레벨에서 하이레벨로 변화하면, 이 변화시점에서 마이너스의 전류 IB가 지배적으로 흘러 회생상태로 옮으려고 하는 것임을 알 수 있다. 또, 상태판별신호 b가 하이레벨에서 로우레벨로 변화하면, 이 변화시점에서 플러스의 전류 IA가 지배적으로 흘러, 역행상태로 옮으려고 하는 것임을 알 수 있다.
그래서 이 판단결과에 의거하여 힘의 변동이 없어지도록 인버어터주파수를 보정하여, 소정의 순서로 플러스의 전류 IA와 마이너스의 전류 IB가 흐르도록 한다. 상술한 힘의 변동을 보정하는 것이 파워보상회로(30)이다. 파워보상회로(30)는 회생파위보상회로(16) 및 역행파워보상회로(17)로 이루어진다. 상태판별신호 b는 회생파워보상회로(16) 및 역행파워보상회로(17)로 인도된다. 회생파워보상회로(16)의 적분기 (160)는 상태판별신호 b가 로우레벨에서 하이레벨로 변화한 시점에서 작동하고, 저항(16A)과 콘덴서(16C)로 결정되는 적분시정수로 상승하는 마이너스의 적분신호를 출력한다. 적분기(160)의 적분출력신호는 반전증폭기(161)에서 극성이 반전되어 회생보상신호 e1로 된다. 적분기(160)는 상태판별신호 b가 하이레벨에서 로우레벨로 변화하면, 저항(16B), 콘덴서(16C)로 결정되는 방전시정수로, 방전을 개시하여 0으로 된다. 한편, 역행파워보상회로(17)는 상태판별신호 b가 하이레벨에서 로우레벨로 변화하면, 동작을 개시한다 그리고, 회생 파워보상회로(16)에 의한 보상과 역행파워보상회로(17)에 보상이 동시에 행해지지 않도록 양 보상회로 (16), (17)에 있어서의 적분기 (160), (170)는 그 방전 시정수를 적분시정수보다 훨씬 작은 값으로 선정된다. 상태판별신호 b는 인버어터(17A)에 의해 반전된다. 역행파워보상회로(17)의 적분기(170)는 상태판별신호 b가 하이레벨에서 로우레벨로 변화한 시점에서 역행파워보상회로(17)의 적분기적분을 개시하여 마이너스 극성의 적분신호를 출력한다. 적분기(170)는 상태판별신호 b가 로우레벨에서 하이레벨로 변화한면, 방전을 개시하여 0으로 된다. 그리고 적분기(160)의 적분시정수는 적분기(170)의 적분시정수보다 작게 선정되어 있다. 그 이유에 대해서는 후술한다. 적분기(170)의 적분 출력은 증폭가(171)에서 증폭되어 마이너스극성의 역행보상신호 e2로 된다
이상과 같이 해서 양 보상회로(16), (17)에서 얻어지는 회생보상신호 e1와 역행보상신호 e2가 가산기(22)에서 가산된다. 가산기(22)의 출력이 보상회로(30)의 파원보상신호 e로 된다. 파워보상신호 e는 예를 들어 제6도처럼 된다. 제6도의 신호 e중 실선으로 나타낸 부분이 회생보상회로(16)에서 출력되는 회생보상신호 e1이며, 파선으로 나타낸 부분이 역행보상회로(17)에서 출력되는 역행보상신호 e2이다. 제6도에 있어서, 파워보상신호 e의 플러스축, 즉 회생보상신호 e1가 평탄하게 되어 있는 것은 회생보상회로(16)의 적분기(160)가 포화하기 때문이다. 또 상술한 바와 같이 회생보상회로(16)의 적분기(160)의 적분시정수는 역행보상회로(17)의 적분기(170)의 적분 시정수보다 작게 선정되어 있다. 이 때문에 제6도의 파워보상신호 e의 플러스극성(회생보상신호e1)의 상승이 마이너스극성(역행보상신호 e2)의 상승보다 급격하게 되어 있다. 회생보상신호 e1의 상승시정수를 작게한 것은 신호 e1,를 리미터회로(18)의 리미터치 i+에 의해 제한하기 위해서이다. 회생보상신호 e1를 리미터치 i+로 제한하는 것은 회생보상신호 e1가 발생하고 있는 상태의주파수보정신호 △f와 역행보상신호 e1가 발생하고 있는 상태의 주파수보정신호 △f의 상승시정수를 동일하게 하고, 파워보정을 회생상태와, 역행상태에서 동일하게 하기 위해서이다. 만약 동일하게 할 수 없으면 회생상태와 역행상태에서 보정파워보상회로(30)의 파워보상신호 e는 리미터회로(18)를 통해 신호 e1로 되어 주파수 보정회로(19)에 입력된다. 리미터회로(18)를 설치한 이유에 대해서는 나중에 상세히 설명한다. 주파수보정회로(19)는 보상신호 e1의 크기에 의거하여, 유도전동기 (12)의 정격미끄럼주파수의 범위내의 크기의 주파수보정신호 △f를 발생한다.
신호 △f는 가산기(20)에서 주파수설정신호 fR에 가해지며, 인버어터(11)의 주파수지령신호 f₁로 된다. 주파수설정신호 fR는 전동기(12)의 온전속도에 의해 가변으로 된다. 주파수보정신호 △f의 극성은 회생보상신호 e1가 발생하고 있을 때에 플러스로 되도록 정해진다. 주파수지령 f₁은 회생보상신호 e1가 발생하고 있는 동안만 주파수설정치 fR에 보상치△f가 가산된다. 회생보상신호 e1가 발생하고 있는 상태에서 얻어지는 주파수보정신호 △f의 시간적변화는 제6도에 나타낸 것처럼 리미터회로(18)의 리미터치 i+의 변화와 동일 해진다. 주파수설정치 fR에 보정치 △f가 가산되면, 인버어터(11)의 출력전압위상은 신호 △f가 플러스방향으로 증가하고 있는 시각 t1에서 시작 t2까지의 동안만 유도전동기(12)의 유기전압의 위상보다도 빨라진다. 인버어터(11)의 출력전압위상이 전동기(12)의 유기전압 위상보다 앞으로 나아가면 인버어터(11)에서 전동기(12)에 유효파워가 흘러 들어간다. 이 때문에 전동기(12)는 속도상승방향으로 재어된다. 시각 t2에서 주파수보정신호 △f가 플러스의 범위에서 감소로 바뀌면 인버어터(11)의 주파수 f₁도 감소한다. 보정신호 △f가 시각t3에서 0으로 되면 인버어터(11)의 출력전압과 전동기(12)의 유기전압은 같은 위상으로 된다. 그리고, 주파수보정신호 △f가 플러스의 범위에서 감소하는 속도로 회생보상회로(16)의 적분기(160)의 방전시정수에 의해 결정된다.
한편, 역행보상신호 e2가 발생하고 있을때 주파수보정신호 △f의 극성은 마이너스로 된다. 이 경우에는 주파수설정치 fR에서 보정치 △f를 감한 것이 주파수지령치 f₁로 된다. 인버어터(11)의 출력 전압위상은 신호 △f가 마이너스 방향으로 증가하고 있는 동안만 유도전동기(12)의 유기전압위상보다도 늦어지게 된다. 따라서 인버어터(11)에서 전동기(12)에 흘러 들어가는 유효파워는 감소한다. 시각 t4에서 주파수보정신호 △f가 마이너스의 범위에서 감소로 전환하면 인버어터(11)의 주파수 f1는 증가한다. 시각 t5에서 주파수보정신호 △f가 0으로 되면 인버어터(11)의 출력전압과 전동기(12)의 유기전압의 위상은 같은 위상으로 된다. 그리고 주파수보정신호 △f가 마이너스의 범위에서 감소하는 속도는 역행보상회로(17)의 전분(170)의 방전시정수에 의해 결정된다. 이후, 상태판별신호 b가 "1"과"0"을 반복하는 불안정영역과 준불안정영역에 있어서 똑같은 동작이 행해진다.
여기서, 시각 t6이후에 주파수보정신호 △f가 직류신호로 되어 있는 것은 다음과 같은 이유에 의한다. 진동이 발생하고 있는지 아닌지는 회생상태와 역행상태가 반복되어 비로서 알 수 있다. 이 때문에 시각 t6에서는 안정된 상태로 이행하려고 하여 마이너스의 전류 IB가 흐르기 시작했는지 예를 들어 시각 T1과 같은 불안정한 상태에서 마이너스의 전류 IB가 흐르기 시작했는지 알 수 없다. 그래서, 시각 t6에서도 시각 t1과 마찬가지로 주파수보정신호 △f를 변화시키고 있다. 제6도의 타임차아트에서는 시각 t6이후에 안정된 상태로 되기 때문에 역행상태의 진동이 나타나지 않으며 상태판별신호 b가 하강하지 않는다. 이 결과 주파수보정신호△f는 직류신호로 되어 시간변화는 없어져서 파워의 보정은 행해지지 않게 된다. 이 때의 주파수보정신호 △f의 값은 정격의 미끄럼주파수로 제한되어 있기 때문에, 인버어터의 동작주파수는 인버어터주파수설정 fR에서 정격의 미끄럼주파수만큼 증가할 뿐으로 실용상 문제는 없다.
이상과 같이 해서 인버어터(11)를 제어하는 것이지만 다음에 주파수 보정신호 △f의 크기에 대해 제7도에 나타낸 토오크특성을 사용하여 설명한다. 제7도에 있어서, 무부하상태 A0에서 미끄럼주파수가 f0일 때가 안정된 상태에 있는 것으로 한다. 인버어터주파수 설정신호 fR의 값이 바뀌어서 진동상태로 된 것으로 한다. 예를 들어 회생상태의 진동 즉 인버어터입력 전류의 마이너스의 전류성분 IB이 커져서 입력파워가 감소되어 동작점이 A0에서 A1으로 이행하려고 하는 경우를 생각한다. 이 시점에서 상술한 주파수보정신호 △f는 플러스의 극성을 갖는 △f2가 인버어터주파수설정치 fR가해진다. 이 결과, 가속토오크 △τ2가 발생하여 원래의 A0점으로 되돌려진다.
다음에 인버터어입력전류의 플러스의 전류성분 IA이 커져 파워가 더욱 증가하는 상태 즉 역행상태의 진동으로 이행하려고 할 때를 생각한다. 즉, 동작점 A0에서 A2로 이행하려고 하는 경우이다. 이 시점에서 상술한 주파수보정신호 △f는 마이너스의 극성을 갖는 △f1이 인버터어주파수설정치 fR에 가해진다. 이 결과, 감속토오크 △τ1가 발생하여, 원래의 A0점으로 되돌려진다. 그런데 진동시 전동기의 파워는 정격치해당까지 변동한다. 이 변동파워를 억제하는 토오크 △τ1, △τ2등은 최대정격토오크까지 발생할 수 있도록 하면 된다. 이를 위해서는 주파수보정신호 △f는 정격의 미끄럼주파수해당의 값까지 변동할 수 있으면 된다. 그래서 주파수보정회로(19)에서는 리미터회로(18)에서 출력되는 주파수보정신호 △f가 정격미끄럼주파수 해당의 값으로 되도록 변환하고 있다.
이상 설명한 바와 같이 진동억제제어장치는 다음의 원리에 의거하여 진동시의 파워변동을 억제한다. 진동억제제어에 의해 보정되는 파워보정량 P은 다음식으로 주어진다.
Figure kpo00003
f₁=fR+f.......................................................(2)
단 KM: 모우터 정수
J : 관성모우멘트
(1)식은 진동이 인버어터주파수설정치 fR의 시간을 거의 무시할 수 있는 정상상태 즉 dfR/dt
Figure kpo00004
0으로 발생하는 것을 고려하여 유도된 것이다.
(1)식에서 주파수보정신호
Figure kpo00005
f를 시간적으로 변화시킴으로써 변동하고 있는 파워를 보정할 수 있다는 것을 알 수 있다. 회생보상신호 e1가 발생한 시점에서는 전동기 입력되는 파워가 감소하여 속도가 감소하려고 한다. 이때 주파수보정신호 △f의 자성은 플러스로 되도록 제어되기 때문에, 전동기에 입력되는 파워는 증가하도록 보정되어, 속도가 감소되는 것을 억제할 수 있다. 또, 역행보상신호 e1가 발생한 시점에서도 똑같은 사고방식으로 입력파워를 보정할 수 있다. 안정된 상태나 부하가 가해전사 인버어터입력전류의 플러스의 전류 IA가 마이너스의 전류 IB보다 커진 상태에서는 상태판별신호 b는 직류신호로 되기 때문에 주파수보정신호 △f의 시간적변화는 없어진다 즉 d△f/dt는 0으로 된다. 이 때문에 이와 같은 상태로 되면 파워의 보정은 자동적으로 정지한다. 따라서 파워는 불안정한 상태일 때만 보정된다.
다음에 자동리미터조정회로(40)의 동작에 대해 설명한다. 인버어터 주파수가 변화하여 전동기의 회전속도가 바뀌거나 또는 동일한 인버어터 주파수로 구동해도 전동기의 용량이나 국수가 바뀌면 무부하시의 회전파워(회전손실)가 바뀐다. 이 때문에 주파수보정신호 △f에 의해 보정되는 파워보정량은 인버어터의 운전주파수나 전동기의 용량 및 국수가 변화해도 항상 진동을 억제할 수 있는 최적의 파워보정량이 얻어지도록 가변리미터 i+, i_를 억제할 필요가 있다. 여기서는 이 최적의 파워보정량은 리미터조정회로(40)에서 가변리미터 i+, i_의 크기를 상태판별신호 b의 주기에 비례해서 변화시킴으로써 얻고 있다.
이것은 파워의 변동이 증가하면, 상태판별신호 b의 주기가 길어지는 것에 의거하고 있다. 파워의 변동이 커지면, 이것에 대응해서 이 파워의 변동을 상쇄해야 할 보정량도 크게 할 필요가 있다. 그래서 상태판별신호 b의 주기의 변화에 따라 자동적으로 리미터 i+, i_를 바꿈으로써 주파수보정신호 △f의 크기도 자동적으로 변화할 수 있도록 한 것이 리미터조정회로(40)이다.
다음에 가변리미터 i+, i_가 얻어지기까지의 과정을 제6도의 타임차아트를 사용하여 설명한다. 본 실시예에서는 진동의 사이클은 회생상태, 역행상태의 순서로 반복되는 것에 착안하여, 진동의 최초의 상태 즉 회생상태에서 리미터의 크기를 결정하도록 한 것이다.
진동시의 회생상태 및 역행상태는 각기 상태판별신호 b의 하이레벨 및 로우레벨에 대응한다. 상태판별신호 b가 시각 t1에서 로우레벨로부터 하이레벨로 상승하면 리 세트펄스발생회로(42)에서 미분펄스 d가 출력된다. 이 미분펄스 d에 의해 리미터보상기(43)는 순시에 리세트되며, 그 출력치는 0으로 된다. 또 상태판별신호 b는 샘플호울드 신호 발생회로(41)에 인도된다. 샘플호울드신호발생회로(41)에서 샘플 호울드신호 C가 발생한다. 이 신호 C는 상태판별신호 b의 상승시점만이 리미터보상회로(43)의 출력치가 0으로 되기까지의 해당시간(미분펄스 d의 펄스폭 해당의 시간)만큼 지연되고 있다. 이것은 리미터보상기(43)의 리세트를 확실하게 함으로써 샘플호울드신호 C가 입력했을 때에는 리미터보상기(43)의 출력치가 반드시 0의 값에서 변화하도록 하기 위해서이다.
하이레벨의 샘풀호울드신호 C가 리미터보상기(43)에 입력되면, 리미터보상기(43)의 출력치는 역행파워보상회로(17)의 적분기의 적분시 정수와 동일한 적분시정수로 적분해 간다. 이 적분동작은 샘플호울드신호 C의 레벨이 하이레벨에서 로우레벨로 변화하는 시각 t2까지 계속된다. 그리고 시각 t2까지의 상술한 적분 동작에 의해 얻어진 리미터치 i0가 호울드된다. 이 값 i0은 샘플호울드신호 C가 로우레벨에서 하에레벨로 변화하는 시각 t5까지 호울드된다. 이 결과 시각 t3에서 동작하는 역행파워보정회로의 값은 시각 t2에서 얻어진 리미터치 -i0까지 변화해 간다. 회생상태와 역행상태에서 변동하는 파워량은 대충 동일하다. 그래서 회생상태와 역행상태에서 보정되는 파워보정량을 동일하게 할 필요가 있다. 이 때문에 리미터보상기(43)의 적분시정수와 역행파워보상회로(17)의 적분기의 적분시정수와 동일하게 선정되어 있다. 이 때문에 상술한 리미터치 -i0로 되기까지의 시각 t4까지 역행보상신호 e2는 시각 t1에서 시각 t2의 사이에서 얻어진 회생보상신호 e1와 동일한 시정수로 변화한다.
이상의 설명에서 회생상태와 역행상태의 2개의 진동상태가 반복될때마다 새로운 리미터치가 얻어진다. 이 때문에 인버어터의 동작주파수가 변화하여 진동상태가 바뀌어도 항상 이 진동을 억제할 수 있는 최적의 파워보정량이 얻어진다. 따라서 회생상태와 역행상태가 각기 한번 반복되는 것만으로 진동은 억제할 수 있다. 그리고 제6도의 마이밍차아트에서는 상태판별신호 b의 동기가 변화할 때마다 새로 리미터치가 얻어져 가는 과정을 나타내고 있다.
제8도는 제1도의 진동억제제어회로를 전달함수로 나타낸 것이다. 이것은 주파수설정신호 fR에 주파수보정신호 △f가 가산요소(200)에서 가해재서, f1(=fR+△f)을 얻고. 이 f2이 PWM 인버어터의 전달요소(100)에 가해지고, 이 요소에는 인출되는 주파수 f2에 의해 미분요소(120), 곱셈요소(121)로 구성되는 유도기의 회전파워 P를 제어하는 구성을 나타내고 있다.
(1)식에서 알 수 있듯이 회전파워의 보정은 주파수보정신호 △f의 시간변화가 없어질 때까지(d△f/dt=0)행해진다. 회전파워 P에서 △f를 출력하기까지 진동억제요소는 인버어터의 입력 전류의 극성에서 파워방향을 판정하는 요소(140) (제1도의 14에 대응), 파워방향의 변동을 검출하는 요소(150) (제1도의 15에 대응),파워방향의 변동에 대응하여 파워를 보정하는 요소(300) (제1도의 30에 대응), (300)에서 출력되는 파워보정신호를 적정한 값으로 변환하는 요소(180)(제1도의 18에 대응), (190) (제1도의 19에 대응) 및 리미터보상요소(400)로 이루어진다.
여기서 (150), (300) 및 (400)의 각 전달요소 Gt(S), GP(S),GI(S)의 특성에 대해 기술한다. 이들의 특성을 제9도에 나타낸 것처럼 진동시의 인버어터의 출력전류에서 다음 식에서 정의되는 전류안정율을 도입하여 설명한다.
전류안정율= ImiN/lmax………………………………………………(3)
단,
ImiN : 진동시의 1차 전류진폭의 최소치
Imax : 진동시의 1차 전류진폭의 최대치
제10도는 전달요소 Gt(S)의 특성을 나타낸 것이다. 전류안정율이 대충 1로 되는 안정된 영역을 나타내는 특성으로서 다음식이 얻어진다.
Figure kpo00006
(s ; 더플러스연산자)
Tc/2 ≤ Td1≤Td2≤3Tc…………………………………………………(5)
(Tc; 반송파의 주기)
가 얻어지고 있다.
제11도는 역행파워보상회로의 전달요소 G'P(s)의 특성을 나타낸 것이다. 이들 다음에 나타낸 함수가 얻어진다.
Figure kpo00007
여기서 (6)식에 있어서의 보상정수 T's의 허용조건으로 한 다음 식 이 실험에 의해 얻어지고 있다.
Tc≤ T's≤5Tc …………………………………………………………(7)
다음에 리미터보상기(43)의 전달요소 G1(s)는 역행파워보상회로의 전달요소 GP(s)와 동일하게 선정한다. 진동시의 파워의 보정이 역행상태와 회장상태를 동일하게 되도록 했기 때문이다.
Figure kpo00008
다음에 회생파워보상회의 전달요소 G"P(s)는 (6), (8)식과 같은 전달함수로 표시되지만 그 시정수 TS는 다르다. 제12도는 안정된 보상계가 실현될 수 있었던 TS와 TS'와의 관계를 나타낸 것이다. 이 관계는 TS의 값에 의해 다소 변화는 있지만, 이것으로부터 다음과 같은 조건식이 얻아진다.
TS'
Figure kpo00009
4TS………………………………………………………………(9)
(9)식은 자동리미터보상동작쪽이 회생파워보상동작보다 지연되기 때문에, 회생파워보상구간에서는 항상 자동리미터보상계에 의해 주파수보정신호 △f는 제어된다. 한편 역행파워보상구간에서는 자동리미터보상계는 작동하지 않고 일정한 리미터치를 출력하므로 이들 구간은 Ts'와 동등한 보상정수로 한다. 이것에 의해 회생파워보상과 역행파워보상이 전적으로 동일한 파워로 보상할 수 있으므로 보정의 균형이 유지되어 정확하게 진동을 억제할 수 있다.
이상 본원발명의 실시예에 의하여 전동기의 구동조건이 바뀌어 진동상태가 바뀌어도 항상 변동하는 파워를 상쇄할 수 있는 파워보정량이 얻어지기 때문에 전동기의 종류, 용량에 관계 없이 진동은 억제할 수 있다. 또 전류의 크기를 검출하여 진동을 억제하고 있는 것이 아니기 때문에 인버어터의 용량에 의해 전류검출기를 바꿀 필요는 없으며, 어떤 용량의 인버어터로도 본 방식은 적용할 수 있다.
본원발명에 의하면 PWM 인버어터의 스위칭시에 흐르는 인버어터의 입력전류의 플러스의 전류 및 마이너스의 전류가 흐르고 있는 주기가 소정의 주기 이내에 흐르고 있는 상태를 안정된 상태, 그렇지 않은 상태를 불안정한 상태라고 판정하고, 불안정한 경우는 이 주기마다 주파수 보정신호를 구한다음 이것에 의거해서 파워의 보정을 하고 있다. 이 때문에 전동기의 구동조건이 변화해도 항상 정확한 파워보정량이 얻어져서 전동기의 용량 및 종류와 부하에 무관계로 진동을 억제할 수 있다.
이상의 설명은 유도전동기의 경우에 대해 설명했지만 동기전동기의 진동억제에도 적용할 수 있다. 이 경우, 주파수보정신호의 동작범위는 인버어터주파수설정치의 수퍼센트로 설정하면 된다. 또 PWM 인버어터를 구성하는 파워스위칭소자로서 파워트랜지스터를 사용했을 경우에 대해 설명했지만, 이 밖에 게이트터언 오프트랜지스터 (GTO), 파워 MOSFET, 다이리스터 등의 파워스위칭소자를 사용한 PWM인버어터로도 적용할 수 있다. 또한 진동억제제어회로는 연산증폭기 등의 아날로그 연산소자를 사용하여 구성했지만, 마이크로콤퓨터를 사용하여 진동 억제제어회로를 구성하는 것은 용이하게 할 수 있다.

Claims (10)

  1. 교류전동기를 구동하는 것으로서, 빈송파신호와 주파수설정신호에 지레한 주파수의 정현파고조파신호를 비교하여 얻어지는 펄스폭변조 신호에 의해 제어되는 PWM 인버어터에 있어서. 상기 PWM 인버어터의 직류입력측에 흐르는 직류전류의 극성을 검출하고, 이 직류전류의 극성이 상기 반송파신호의 1주기내에 있어서 교대로 나타나도록 상기 주파수설정신호를 보정하도록 한 것을 특징으로 하는 PWM 인버터의 제어방법.
  2. 상기 주파수설정신호의 보정량은 상기주파수설정신호의 크기에 비례해서 크게 하도록 한 것을 특징으로 하는 특허청구의 범위 1기재의 PWM 인버어터의 제어방법.
  3. 상기 주파수설정신호의 보정은 상기 반송파산호의 1주기 이상에 걸쳐서 마이크스의 극성직류전류만 흘렀을 때에는 상기 주파수설정신호를 증가시키며, 상기 반송파신호의 1주기 이상에 걸쳐서 플러그극성의 직류전류만 흘렀을 때에는 상기 주파수설정신호를 감소시키는 것을 특징으로 하는 특허청구의 범위 1기재의 PWM 인버어터의 제어방법.
  4. 상기 주파수설정신호의 보정은 일정한 변화율로 행해지는 것을 특징으로 하는 특허청구의 범위 1기재의 PWM인버어터의 제어방법.
  5. 상기 주파수설정신호의 보정량은 상기 PWM 인버어터로 흘러 들어가는 직류전류가 상기 반송파신호의 1주기 이상에 걸쳐 플러스의 전류 또는 마이너스의 전류만 흐르고 있는 기간에 비례해서 결정하는 것을 특징으로 하는 특허청구의 범위 1기재의 PWM 인버어터의 제어방법.
  6. 교류전동기를 구동하는 PWM 인버어터와, 반송파신호와 주파수 설정신호에 비례한 주파수의 정현파 변조파신호를 비교하여 상기 PWM 인버어터를 제어하는 펄스폭변조신호를 출력하는 변조신호발생수단과, 상기 PWM 인버어터의 직류입력측에 흐르는 직류전류의 극성을 판별하는 전류극성판정수단과, 상기 직류 전류가 상기 반송파신호의 1주기 이상에 걸쳐서 플러스극성전류만, 또는 마이너스극성전류만 흐르면 진동상태라고 판단하는 상태판별수단과, 상기 상태판별수단이 진동상태라고 판단했을 때에 파워보상신호를 출력하는 파워보상수단과, 상기 파워보상신호에 따라 상기 주파수설정신호를 보정하는 주파수보정수단을 구비한 PWM 인버어터의 제어장치.
  7. 상기 파워보상수단은 회생보상신호를 출력하는 회생보상수단과 역행보상신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 특허청구의 범위 6기재의 PWM 인버어터의 제어장치 .
  8. 상기 주파수수단은 상기 파워보상신호의 크기를 제한하는 리미터회로를 구비한 것을 특징으로 하는 특허청구의 범위 6기재의 PWM 인버어터의 제어장치.
  9. 상기 파워보상수단은 회생상태와 역행상태의 발생시에 일정한 변화율로 변화하는 파워보상신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 특허청구의 범위 6기재의 PWM 인버어터의 제어장치.
  10. 상기 주파수보정수단은 상기 리미터회로의 리미터치를, 상기 상태 판별신호가 출력하는 상태판별신호의 주기에 비례해서 변화시키는 리미터조정회로를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 특허청구의 범위 8기재의 PWM 인버어터의 제어장치.
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