KR960006854B1 - 영구자석 동기 전동기의 제어장치 - Google Patents

영구자석 동기 전동기의 제어장치 Download PDF

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Abstract

내용없음

Description

영구자석 동기 전동기의 제어장치
제1도는 본 발명의 실시예에 관한 영구자석 동기 전동기의 제어장치의 블럭도,
제2도 (a),(b),(c),(d)는 제1도에 나타낸 장치의 각부의 신호의 파형도,
제3도 및 제4도는 영구자석 동기전동기의 개략구성도,
제5도(a),(b),(c),(d)는 제1도에 나타낸 장치의 각부의 신호의 파형도,
제6도는 영구자석 동기전동기의 개략구성도,
제7도는 종래의 영구자석 동기전동기의 제어장치의 회로도,
제8도는 영구자석의 자속밀도 및 항자력의 특성이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1 : 영구자석, 2U,2V,2W : 전기자권선,
8 : 인버터장치, 10 : 펄스발전기,
11 : 펄스카운터, 12 : 기준속도설정기,
13 : 비교증폭기, 14 : 함수발생기,
15 : 백터변환기, 16 : 백터발진기,
17 : 백터승산기, 18 : 3상변환기.
본 발명은 회전자에 영구자석을 사용한 동기전동기의 구동을 제어하는 영구자석 동기전동기의 제어장치에 관한 것이다.
영구자석 동기전동기는 회전자에 영구자석을 사용하고 전기자 권선에 교류전류를 긍급함으로서 회전자계를 형성하여 회전자를 회전시키는 구성의 전동기이다. 이와 같은 영구자석 동기전동기 및 그 제어장치의 개략을 도면에 따라 설명한다.
제7도는 종래의 영구자석 동기전동기의 제어장치의 회로도이다. 도면에서 M은, 영구자석 동기전동기를 나타내며, 영구자석(1) 및 전기자 권선(2U,2V,2W)으로 이루어진다. 이러한 전기자 권선(2U,2V,2W)에는 3상의 교류전류가 공급된다. IU,IV,IW는 각각 전기자 권선(2U,2V,2W)에 공급되는 U상, V상, W상의 전류를 나타낸다. 3은 영구자석 동기전동기(W)를 구동하는 3상 교류전원이다. 4는 6개의 트랜지스터(Tr)로 구성되는 정류부이고, 정류(3)인 3상 교류를 직류로 정류한다. 5는 각 트랜지스터(Tr)의 제어신호를 출력하는 정류제어부이며, 이 정류제어부(5)의 제어신호에 의하여 3상 교류의 적절한 정류가 행하여진다. 6은트랜지스터(Tr)와 다이오드(D)로 병렬회로 6개에 의하여 구성되는 인버터부이고, 정류부(4)에서 정류된 직류를 3상 교류로 변환한다. 7은 인버터부(6)의 각 트랜지스터(Tr)의 제어신호를 출력하는 인버터 제어부이다. 전원(3), 정류부(4), 정류제어부(5), 인버터부(6) 및 인버터 제어부(7)로 이루어지는 구성은 이하에서 인버터장치라고 부로기로 하고 이것을 부호 8로 표시한다.
상기의 영구자석 동기전동기(M)의 제어장치에 있어서, 정류제어부(5) 및 인버터제어부(7)로부터 미리 정해진 제어신호를 출력하면 전기자 권선(2U,2V,2W)에는 이에 대응한 3상 전류가 공급되고, 이들 각상에 전류에 의하여 회전자계가 형성된다. 이 회전자계의 발생에 의하여 영구자석(1)은 해당 회전자계에 동기하여 회전한다.
상기 영구자석 동기전동기는, 회전자에 영구자석을 사용하고 있기 때문에 여자전력이 불필요하게 되어 전력소비량은 동일 용량의 다른 전동기, 예를 들면 유도전동기등에 비교하여 훨씬 적고, 또 슬립이나 브러시도 불필요하므로 고장이나 손실이 적다는 큰 이점을 가진다.
영구자석 동기전동기는 상기한 바와 같은 이점을 가지는 반면, 다음과 같은 문제점을 가진다. 즉, 영구자석은 사용년월의 경과와 함께 그 기자력이 감소하여 감자(減磁)되는 것이 통상적이다. 이것을 제8도에 나타내는 영구자석의 특성곡선에 의하여 설명한다. 도면에서 횡축에는 항자력(抗磁力)이, 또 종축에는 자속밀도가 취해져 있다 영구자석 동기전동기에 사용되는 영구자석은 회전력에 부족이 생기지 않도록 가능한한 큰 자속밀도를 가지는 것을 사용한다. 그러나, 자속밀도가 큰 영구자석은 필연적으로 항자력이 작아진다.즉, 도면에서 자속밀도 Bm1인 영구자석은 항자력이 Hc1가 되나, 이에 대하여 자속밀도 Bm1보다 작은 자속밀도 Bm2를 가지는 영구자석의 항자력 Hc1는 앞의 항자력 Hc1보다 크다. 이로 인하여, 영구자석 동기전동기와 같이 상당한 정도의 회전력이 요구되는 장치에서 자속밀도가 큰 영구자석을 사용하지 않으면 안되고, 또한 그와 같은 영구자석은 항자력이 작으므로, 결국 감자를 면할 수가 없게 된다.
또한, 이와 같은 시간의 경과에 따른 감자뿐만 아니라 전동기 구동중에 있어서, 전기자 권선(2U,2V,2W)에 의한 자계의 N극과 S극에 각각 영구자석의 N극과 S극이 대향하는 순간에 자주 발생하여, 이에 의해서도 영구자석의 감자가 생긴다. 또 영구자석 동기전동기에 큰 부하가 가해졌을 경우, 영구자석 동기전동기는 탈조(脫調)하고, 이때 부하와의 관계에서 영구자석의 회전이 정지되는 사태가 발생하면, 영구자석의 자극과 전기자 권선의 자계와의 상기 위치관계가 장시간 존재하게 되어 영구자석은 크게 감자되고, 심한 경우에는 소자(消磁)되어 버릴 염려가 있었다.
이와 같이, 영구자석 동기전동기는 감자나 소자를 피할 수가 없으며, 이러한 감자나 소자는 영구자석 동기전동기의 회전력의 부족이나 소실(消失)을 초래하고, 이에 의하여 영구자석 동기전동기가 회전불능이 된다는 문제가 있었다. 그리고, 이 문제는 필연적으로 영구자석 동기전동기의 신뢰성을 현저하게 저하시켜 상기한 이점을 가짐에도 불구하고 많은 분야 특히 엘리베이터나 에스컬레이터 등 인간을 이송하는 분야에 있어서의 장치에는 상기와 같이 신뢰성이 결여되는 영구자석 동기전동기는 도저히 이를 채용할 수는 없었다.
본 발명의 목적은, 상기 종래 기술의 문제점을 해결하고 영구자석의 감자, 소자를 방지할 수가 있고, 나아가서는 영구자석 동기전동기의 신뢰성을 극히 고도의 것으로 할 수 있는 영구자석 동기전동기의 제어장치를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 있어서 제1의 발명은, 회전자에 영구자석을 사용하여 3상의 전기자 권선을 구비한 영구자석 동기전동기에 있어서, 상기 회전자의 회전위치 및 회전속도를 검출하는 검출수단과, 이 검출수단에 의해 검출된 회전속도를 미리 설정된 기준속도와 비교하여 양자의 차와 값을 출력하는 비교수단과, 상기 검출수단에 의하여 검출된 회전위치 및 상기 비교수단에 의하여 얻어진 차의 값으로이루어지는 백터치에 의거하여 상기 각 전기자 권선에 공급하는 전류를 결정하는 변환수단과, 이 변환수단에 의하여 얻어진 값에 의거하여 상기 각 전기자 권선의 전류를 제어하는 전류제어수단을 설치한 것을 특징으로 한다.
상기 검출수단은, 상기 회전자에 결합된 펄스발전기인 것을 특징으로 하며, 또한 상기 비교수단은 비례증폭기 또는 비례적분 증폭기로 되는 것이 바람직하다.
또, 본 발명에 있어서의 제2의 발명은 회전자에 영구자석을 사용하여, 3상의 전기자 권선을 구비한 영구자석 동기전동기에 있어서, 상기 회전자의 회전위치 및 회전속도를 검출하는 검출수단과, 이 검출수단에 의하여 검출된 회전속도를 미리 설정된 기준속도와 비교하여 양자의 차의 값을 출력하는 비교수단과, 이 비교수단에 의하여 얻어진 차의 값이 소정치를 초과했을때 상기 차의 값에 대하여 위상을 90도 달리하는 여자성분치를 출력하는 여자성분 발생수단과, 상기 검출수단에 의하여 검출된 회전위치 및 상기 비교수단에 의하여 얻어진 차의 값으로 이루어지는 백터치 및 상기 회전위치 및 상기 여자성분 발생수단에 의하여 얻어진 여자성분치에 의거하여 상기 각 전기자 권선에 공급하는 전류를 결정하는 변환수단과, 이 변환수단에 의하여 얻어진 값에 의거하여 상기 각 전기자 권선의 전류를 제어하는 전류제어수단을 설치한 것을 특징으로 한다.
또, 상기 검출수단은 상기 회전자에 결합된 펄스발전기인 것을 특징으로 하며, 상기 비고수단은 비례증폭기 또는 비례적분 증폭기로 되는 것이 바람직하다.
상기 제1의 발명에 있어서는, 검출수단에 의하여 영구자석의 회전속도와 회전위치를 검출하고, 검출된 회전속도와 미리 정한 기준속도를 비교수단에서 비교하여 양자의 속도의 차의 값과 검출된 영구자석 회전위치를 변환수단에 입력한다. 이 변환수단에서는 입력된 값에 의거하여, U상, V상 및 W상에 공급하는 전류를 결정하고, 전류제어수단은 결정된 각 전류에 따른 신호에 의하여 해당 전류를 U상, V상, W상의 각 전기자 권선에 공급한다.
또한 상기 제2의 발명에 있어서는, 검출수단에 의하여 영구자석의 회전속도와 회전위치를 검출하고, 검출된 회전속도와 미리 정한 기준속도를 비교수단에서 비교하여 양자의 속도의 차의 값과 검출된 영구자석회전위치를 변환수단에 입력한다. 이 경우 상기 차의 값이 소정의 값보다 클때는 여자성분 발생수단으로부터 상기 차의 값과는 90도 위상을 달리하는 여자성분치가 출력되고, 이 값도 변환수단에 입력된다. 변환수단에서는 이들 입력된 값에 의거하여 U상, V상 및 W상에 공급하는 각 전류 및 이들 각 전류에 대하여 각각 90도 위상을 달리하는 각 전류를 결정하고, 전류제어수단은 결정된 각 전류에 따른 신호에 의하여 해당 각 대응하는 전류의 합성전류를 U상, V상 및 W상의 각 전기자 권선에 공급한다.
이하, 본 발명을 도면에 나타낸 실시예에 의거하여 설명한다.
제1도는 본 발명의 실시예에 따른 영구자석 동기전동기의 제어장치의 블럭도이다. 도면에서 제7도에 나타낸 부분과 동일부품에는 동일부호로 표시하고 설명은 생략한다. 10은 영구자석(회전자)(1)에 연결된 펄스발전기이고, 회전각도에 비례한 펄스열을 출력한다. 예를들면 영구자석의 회전각도 1도마다 1펄스를 출력하는 것으로 하연 1회전에 360펄스가 출력된다. 11은 펄스발전기(10)의 출력펄스를 카운트하는 펄스카운터이고, 펄스를 카운트하므로서 영구자석(1)의 단위시간당의 회전수(영구자석 동기전동기의 속도)에 비례한 신호(NM)를 출력한다.12는 영구자석 동기전동기(M)의 소망의 속도를 기준속도로서 설정하는 기준속도 설정기이고, 설정된 기준속도에 비례한 신호(Ns)가 출력된다.
13은 기준속도 설정기(12)로부터 출력되는 신호(Ns)와 펄스카운터(11)로부터 출력되는 신호(NM)를 비교하고, 그 차의 값을 증폭하여 출력하는 비례증폭기 또는 그 차의 값을 적분하여 증폭출력하는 비례적분 증폭기이다 비례증폭기(13)로부터 출력되는 상기 차의 값에 비례하는 신호를 Irs로 한다. 14는 함수발생기이고, 비례증폭기(13)의 출력신호(Irs)를 입력하여 신호(Irs)의 값이 소정의 값(Irs0)를 초과하면, 그 초과분의 신호에 따른 신호(Ixs)를 출력한다.
15는 비례증폭기(13)의 출력신호(Irs)와 함수발생기(14)의 출력신호(Ixs)를 입력하고, 이들 신호를 백터로 변환하는 백터변환기이다. 이 백터변환기(15)로부터 출력되는 백터신호가 신호 Ⅱs로 표시되어 있다. 16은 펄스발전기(10)로부터의 펄스를 입력하고 이것을 영구자석(1)의 회전각도(회전위치)를 나타내는 백터신호εjθs로서 출력하는 백터발진기이다 즉 백터발진기(16)는 펄스가 입력할때마다 단의각도를 가산하여 순차그 적분치를 출력하는 기능을 가지며, 영구자석(1)의 1회전마다 해당 적분치가 리제트된다. 17은 백터승산기(乘算器)이고, 백터변환기(15)로부터 출력되는 백터신호(Ⅱs)와 백터발진기(16)로부터 출력되는 백터신호(εjθs)를 승산하고, 그 승산된 백터신호(Z)를 출력한다. 8은 백터승산기(17)의 출력신호(Z)에 의거하여 영구자석 동기전동기(M)의 각상 전기자 권선(2U,2V,2W)에 공급하는 전류를 결정하는 3상 변환기이다. 3상변환기(18)는 각 상전류에 비례한 신호 u, v, w를 출력한다. 백터변환기(15), 백터발진기(16), 백터승산기(17) 및 3상 변환기(18)의 기능의 상세는 후술하는 동작의 설명에 의하여 명백해진다. 19U,19V,19W는 전기자 권선(2U,2V,2W)에 흐르는 전류를 검출하여 그것에 비례한 신호를 출력하는 전류 검출기이다. 20u,20v,20w는 제어부이고, 각각 3상 변환기(18)로부터 출력되는 신호(u,v,w)와 전류검출기(19U,19V,19W)에서 검출된 신호를 입력하여 퍼이드백 제어를 행한다. 각 제어부(20u,20v,20w)의 출력신호는 인버터장치(8)의 인버터 제어부(7)에 입력되고, 그 제어신호에 의하여 각 전기자 권선(2U,2V,2W)에 3상 변환기(18)로부터의 신호(u,v,w)에 비례한 전류를 공급한다.
다음에 본 실시예의 동작을 설명한다. 먼저, 기준속도 설정기(12)에 소망의 속도가 설정되고, 기준속도설정기(12)로부터는 이에 따른 신호(Ns)가 출력된다. 영구자석 동기전동기(M)가 구동되면, 영구자석(1)의 회전과 동시에 펄스발전기(10)로부더 그 회전에 따라 단위 각도 회동할때마다 순차 펄스가 출력되고, 이 펄스는 펄스카운터(11) 및 백터발진기(16)에 입력된다. 펄스카운더(11)는 이들 펄스에 의거하여 영구자석(1)의 회전속도에 비례한 신호(NM)를 출력한다. 비례증폭기(13)는 신호(Ns)와 신호(NM)의 차를 연산하고,그 차의 신호(Irs)를 출력한다.
여기서, 기준속도 설정기(12)에는 당연히 영구자석 전동기(M)의 성능의 범위내에서 기준속도가 설정된다. 그리고, 영구자석 전동기(M)는 통상의 상태에서는 설정된 기준속도에 가까운 속도로 회전한다. 따라서 비례증폭기(13)의 출력신호(Irs)는 작고, 함수발생기(14)에 설정된 소정치(Irs0) 이하의 값이 된다. 여기서,먼저 이와 같은 통상의 상태에 있어서의 동작을 이하에 설명한다.
이 경우, 함수발생기(14)로부터의 출력신호(Ixs)는 영(0)이기 때문에, 백터변환기(15)에는 신호(Irs)만이 입력되고, 이 출력신호(Ⅱs)로서는 백터의 실수부를 이루는 신호(Irs)가 그대로 출력된다. 또한, 백터의 허수부는 함수발생기(14)의 출력신호(Ixs)로 구성되나 이것에 대해서는 이상(異常)시에 있어서의 동작을 설명에서 말하기로 한다.
한편, 백터발진기(16)는 펄스발전기(10)의 출력펄스를 입력한다. 이 출력펄스를 제2도(a)에 나타낸다. 제2도(a)에서 횡축에는 영구자석(1)의 회전각도(θs)가 표시되어 있다. 상기한 바와 같이, 펄스발전기(10)는 영구자석(1)의 단위각도(예를 들면 1도) 회전할때마다 1펄스 출력하는 것이므로 입력된 펄스의 수를 카운트하면 그 수가 영구자석(1)의 회전각도를 나타내게 된다. 그리고, 제2도(a)에 2π(rad)로 표시되는 바와 같이 1회전에 상당하는 수의 펄스가 카운트되면, 그때까지의 카운트를 리세트하여 다시 카운트를 개시하도록 하면, 영구자석(1)의 미리 정해진 기준위치로부터의 회전각도를 항상 보즉시키게 된다. 백터발진기(16)는 이와 같은 기능을 구비하고, 링카운터등을 사용하여 구성되어 있다. 이상으로부터 명백한 바와 같이, 백터발진기(16)의 출력(εjθs)는 각도성분의 신호이고, 영구자석(1)의 현시점에서의 각도(θs)는 펄스의 카운토수에 비례한다.
백터승산기(17)는 백터변환기(15)의 출력(Ⅱs)과, 백터발진기(16)의 상기 각도성분의 출력(εjθs)을 입력하여 승산하고, 그 승산치(Z)를 출력한다. 승산치(Z)는 다음식으로 표시된다.
Z=Ⅱs·εjθs....................................(1)
통상상태에 있어서는 , Ⅱs=Irs이므로,
Z=Irs·εjθs....................................(2)
가 된다.
제2도(b)는 이 (2)식의 파형도이고, 횡축에는 상기 회전각도(θs), 종축에는 상기 백터(Z)의 실수부(Z)가 취해지고 있다. 지금, 가령 펄스발전기(10)의 펄스출력중 제2도(a)에 나타낸 펄스(Ps)를 상기 기준위치의 펄스로 하면, 일점쇄선으로 표시되는 각도는 0(θs=0)이고, 백터발진기(16)의 출력 εjθs=1이다. 따라서, 이 기준위치에 있어서의 백터승산기(17)이 출력신호는 값 Irs가 된다 그리고, 상기 펄스(Ps)를 기준위치의 펄스로 했을때 백터승산기(17)의 출력신호는 제2도(b)에 나타낸 바와 같이 최대치를 값 Irs으로 하는 cos 파형이 된다.
3상 변환기(18)는 제2도(b)에 나타낸 파형의 신호를 입력하고, 이 신호를 U상의 전기자 권선(2U)에 공급하는 U상 전류 Iu의 신호 U로 결정한다. 이와같이 하면, 다른 V상 전류 Iv및 W상 전류 Iw의 U상 전류 Iu에 대한 파형은 동일 파형이고, 또 위상관계는 3개가 일정한 관계에 있으므로, V상 전류 Iv의 신호 V 및 W상 전류 Iw의 신호 W도 일의적으로 결정된다. 이것을 제2도(b),(c),(d)에 나타낸 파형도를 참조하여설명한다. U상, V상, W상의 각 상전류(Iu,Iv,Iw)는 3상 교류이므로 V상 전류(Iv)는 U상 전류(Iu)에 대하여 2π/3(rad)만큼 위상이 높고, W상 전류(Iw)는 V상 전류(Iv)로부터 다시 2π/3(rad)만큼 위상이 지연되고 있다. 따라서, 신호(U)를 U상 전류(Iu)의 신호로 정하면, 신호(V,W)는 각 제2도(c,d)에 나타낸 바와 같이 신호(U)에 대하여, 최대치가 같고 위상이 2π/3(rad), 4π/3(rad)만큼 지연된 신호가 된다. 그러므로 지금, θS=0인 기준위치에 관하여 살펴보면 이 위치에 있어서의 신호(U)의 값은 Irs이고, 신호(V,W)의값은 각각 -Irs/2가 된다. 따라서, 3상 변환기(18)는 영구자석(1)이 기준위치에 있을때 신호 U로서 값 Irs를 신호 V로서 값 -Irs/2를, 또, 신호 W로서 값 -Irs/2를 출력하게 된다. 영구자석(1)이 회전하여 위치가 변화되어 가면, 제2도(a)∼(d)에 나타낸 일점쇄선은 도면의 우측으로 이동해가고, 그때 각 신호파형이 이동한 일점쇄선과 교차하는 점의 값이 신호 u, v, w로서 순차적으로 3상 변환기(18)로부터 출력되게 된다.
영구자석(1)의 회전속도(NM)가 변화하면, 기준속도(Ns)와의 차가 변화하여 비례증폭기(13)의 출력신호(Irs)의 크기가 변화한다. 이 때문에, 제2도(b)∼(d)의 파형도 변화하나 이 변화는 최대치(Irs)의 변화뿐이고, 각 신호파형의 위상관계는 동일하게 유지된다. 이와 같은 신호파형에 따른 신호(V,W)는, 값(Irs)를 파라미터로 하는 제2도(c,d)에 나타낸 파형특성을 가지는 함수발생기를 사용하므로서 얻어진다. 또한, 신호(U)는 입력신호가 그대로 사용된다.
이와 같이 하여 3상 변환기(18)로부터 출력된 신호(u,v,w)는 제어부(20u,20v,20w)를 거쳐 인버터장치(8)의 인버터 제어부(7)에 입력되고, 이것에 따라 인버터부(6)의 각 토랜지스터(Tr)가 제어된다. 이 결과,U상, V상, W상의 각 전기자 권선(2U,2V,2W)에는 신호 u, v, w에 따른 전류 Iu,Iv,Iw가 공급되어 영구자석 동기전동기(M)가 구동된다. 이 구동중 각 상전류 Iu,Iv,Iw는 전류검출기 19U,19V,19W에 의하여 항상 검출되고, 이 검출신호를 각상의 제어부 20u,20v,20w에 입력하므로서 각 상전류에 대한 주지의 피이드백 제어가 행해진다.
여기서, 영구자석 동기전동기(M)를 상기 제어에 의하여 구동하는 경우, 그 구동중에 형성되는 자계에 대하여 설명한다. 제3도는 영구자석 전동기(M)의 개략구성도이다. 이 도면에서, 1은 영구자석,2U,2U'는 U상의 전기자 권선, 2V,2V'는 V상의 전기자 권선,2W,2W'는 W상의 전기자 권선을 나타낸다. 22는고정자, 23은 고정자(22)에 설치된 홈이다. 각 홈(23)에는 각상의 전기자 권선(2U∼2W')이 수납되어 있다. 도면에 있어서, 각상의 대향하는 2개의 홈을 가지고, 이 홈에 1본씩 도체가 수납되고, 이들 2개의 도체로 각상의 전기자 권선이 구성되고 있다. 대향하는 2개의 도체는 영구자석 동기전동기(M)의 한쪽 단부측에서 접속되어 있다.
여기서, 영구자석(1)의 도면에 나타낸 위치를 기준위치(θs=0)로 하면, U상에서는 전기자 권선(2U,2U')에 신호U(U=Irs)에 비레한 U상 전류(Iu)가 화살표 방향으로 흐르고, 또 V상에서는 전기자 권선(2V,2V')에 신호V(V=Irs/2)에 비례 V상 전류Iv(Iv=-Iv/2)가 화살표 방향으로 흐르고, 다시, W상에서는 전기자권선(2W,2W')에 신호W(W=-Irs/2)에 비례한 W상 전류 IW(Iw=-Iu/2)가 화살표방향으로 흐른다. 이들각상의 전류(Iu,Iv,Iw)에 의하여 각 전기자권선(2U~2W')은 자계를 발생하고, 이들의 합성자계는 파선으로 나타내는 바와 같은 고정자(22)를 통하는 자계가 된다. 이 합성자계의 발생에 의하여, 고정자(22)의 도시위치에 N극과 S극이 형성된 것과 동일한 상태가 생기고 영구자석(1)의 N극, S극은 각각 고정자(22)에 형성된, S극, N극과 흡인되어 영구자석(1)은 도면의 화살표방향으로 회동한다. 영구자석(1)의 회동에 의하여 펄스발전기(10)로부터 펄스가 추력되어 백터발진기(16)의 출력신호(εjθs)가 변화하고, 3상 변환기(18)의 출력신호(u,v,w)도 변화하여 3상 전류(Iu,Iv,Iw)가 변화되어 같다. 이에 따라 고정자(22)에 형성되는 합성자계로 변화되어 가고, 그 자극(N,S)은 영구자석(1)의 회동방향과 동일방향으로 이동해 간다. 이에 의하여영구자석(1)의 회전이 최종적으로 거의 기준속도(Ns)와 동일한 회전속도를 계속한다.
상기 동작중, 각상전류에 의하여 고정자(22)에 도시한 합성자계가 형성된 순간의 상태를 고찰하면, 이 합성자계의 방향과 영구자석(1)대의 자계의 방향과는 직교하는 관계에 있다. 따라서, 영구자석(1)은 전기자권선에 의하여 생기는 합성자계에 의하여 감자되는 일이 없다.
그리고, 영구자석(1)의 위치와 각상전류와는 항상 제2도(a)∼(d)에 도시된 일정관계에 있기 때문에, 영구자석(1)과 합성자계의 상기 관계는 영구자석 동기전동기(M)의 구동중 확실하게 유지되어, 영구자석(1)이 감자되는 일은 없다.
이상, 영구자석 전동기(M)의 회전속도(NM)와 기준속도(Ns)에 큰차가 없고, 비례증폭기(13)의 출력실호(Irs)가 소정치(Irs0) 이하인 통상의 경우의 동작에 대하여 설명했다. ·그런데, 부하가 이상하게 커졌을 경우,영구자석(1)이 현저하게 감자되어 극단적인 경우에는 소자되는 사태가 발생한다. 또, 이와 같은 상태가 발생하지 않더라도 앞에서 설명한 바와 같이 영구자석(l)의 경년(經年)에 의한 자연감자가 생긴다.
이와 같은 경우 본 실시예에서는 함수발생기(14)로부터 신호(Ixs)가 출력되어 상기 감자나 소자를 방지한다. 이하, 이에 관하여 설명한다.
먼저, 영구자석(1)의 자연감자 이외의 감자 또는 소자의 발생상태를 제4도에 나타낸 영구자석 동기전동기의 개략도를 참조하면서 설명한다. 제4도에서 제3도와 동일 부분에는 동일부호로 표시하고 설명을 생략한다.
지금 영구자석 동기전동기(M)의 부하가 엘리베이터인 것으로 한다. 일반적으로 엘리베이터는 와이어의 일단에 승차용 카아가 타단에 평형추가 연결되고, 상기 와이어를 전동기로 구동되는 권상기로 감아 올리는구성으로 되어 있다. 본 실시예의 경우, 해당 전동기로서 영구자석 동기전동기가 사용되게 된다. 그런데, 엘리베이터에 있어서 카아를 상승시키고자 하는 경우, 카아의 중량이 과대하면 평형추와의 균형이 깨져 카아가 상승하지 않고 반대로 약간 하강 상태에서 정지되어 버리는 경우가 있다. 이 경우의 영구자석 동기전동기의 상태를, 상기의 사태가 영구자석(1)의 기준위치(θs=0)에 있을때 발생판 것으로 하여 제4도에 나타낸다. 영구자석(1)의 기준위치에 있으므로, 각 전기자권선(2U∼2W')에 흐르는 각 상전류는 제3도에 나타내는 방향과 동일방향으로 흐르고, 고정자(22)에도 동일한 자극(N,S)이 형성된다. 한편, 상기한 바와 같이 카아가 약간 하강하면 영구자석(1)은 제3도에 나타낸 화살표와 역방향으로 회동되어 대략 제4도에 나타낸 위치에 정지한다. 이 상태에서 고정자(22)의 합성자계는 영구자석(1)의 내부자계와 역방향으로 되고, 또한 각상 전류는 크고, 따라서, 상기 합성자계도 크고, 또, 이 위치에서의 정지시간도 길기 때문에, 영구자석(1)은 현저하게 감자되어 심한 경우에도 소자되어 버린다. 이상은, 영구자석(1)의 내부자계와 고정자(22)에 생기는 합성자계가 역방향으로 되는 극단적인 예를 나타내었으나, 이에 한정되지 않고, 영구자석(1)의 자연감자에 의하여 회전력이 부족하면 탈조(脫調)가 생겨, 영구자석(1)의 위치가 상기 합성자계의 내부자계에 대한 역방향 성분이 커지게 되는 위치가 되어 영구자석(1)이 감자되는 상태가 때때로 발생한다.
그런데 상기한 바와 같이 영구자석 동기전동기(M)에 감자 또는 소자가 발생하는 상태에 있을 경우, 영구자석 동기전동기(M)의 회전 속도(NM)는 극히 늦어진다. 그렇게 되면 제1도에 나타낸 비례증폭기(13)의출력신호(Irs)는 대단히 커져서 소정치(Irs0)를 초과하는 값이 된다. 따라서 함수발생기(14)로부터는 그 특성에 따라 신호(Ixs)가 출력된다. 이 신호(Ixs)는 백터변환기(15)에 입력되어 비례증폭기(13)의 출력신호(Irs)와 함께 백터로 변환된다. 이 변환된 백터를 Ⅱs라 하면 백터 Ⅱs는 다음식으로 표시된다.
Figure kpo00001
(3)식에 있어서 값 Irs와 Ixs는 서로 90도 위상을 달리하고, 값 Irs는 백터의 실수부, 값 Ixs는 허수부를 구성한다. 그리고 백터 Ⅱs는 두값을 합성한 백터이다.
여기서,
Figure kpo00002
라 하면 (3)식은 다음과 같이 표시된다.
Figure kpo00003
또한, 앞에 설명한 통상의 상태(값 Irs)가 소정치 Irs0이하인 상태에 있어서는 값 Irs는 O이므로 상기한바와 같이 Ⅱs=Irs가 된다.
이와 같이, 허수부를 포항하는 백터(Ⅱs)는 백터승산기(17)에 입력되고, 백터발진기(16)로부터 출력되는각동성분(εjθs) 이 승산된다. 따라서, 백터승산기(17)의 출력신호(Z)는 다음식으로 표시된다.
Figure kpo00004
여기서, 상기 (5)식의 실수부의 값 Irs에 각도성본(εjθs)가 승산되었을 경우의 신호는 상기한 3상 변환기(18)의 출력신호(U)와 동일하다. 그러므로, 이하, 상기 (5)식의 허수부의 값(Ixs)에 각도성분(εjθs)가 승산된 경우의 신호에 대하여, 제5도(a),(b)에 나타낸 파형도를 참조하면서 설명한다. 제5도(a),(b)에 나타낸 실선파형은 제2도(a),(b)에 나타낸 파형과 동일파형, 즉 실수부의 파형이다. 백터승산기(17)의 출력(Z)은 해당 실수부와 항께 허수부도 출력되나 이 허수부는 (3)식에 나타낸 바와 같이 실수부에 대하여 위상이 π/2 늦고 최대치가 Ixs인 파형이 된다. 이와 같은 파형을 제5도(b)에 파선으로 나타낸다. 따라서, 백터승산기(17)의 출력신호(Z)는 이들 실수부 및 허수부의 파형의 합(백터합)이 되고, 이 신호(Z)가 3상 변환기(18)로부터 신호(u)로서 출력된다. 단, 본 실시예에 있어서는, 백터승산기(17)로부터 출력되는 신호(Z)는 실수부와 허수부가 각각 독립되어 출력되고, 이들의 합성은 3상 변환기(18)에서 행해진다.
한편, 앞에서 설명한 바와 같이, 3상 변환기(18)에서는 V상 W상에 대한 신호 V, W가 신호(Z)의 실수부를 기초로 하여 제2도(c),(d)에 나타낸 바와같이 만들어 지나, 완전히 동일하게 신호 Z의 허수부를 기초로 하여 신호 V, W의 허수부가 만들어진다. 이것을 제5도(c),(d)에 나타낸다. 즉, 제5도(c),(d)에나타낸 실선파형은 제2도(c),(d)에 나타낸 파형과 동일한 실수부의 신호파형이고, 파선파형은 허수부의 신호파형을 나다낸다. 이들 허수부의 신호파형은 각각 그 실수부의 신호파형에 대하여 위상이 π/2 높고, 최대치 Ixs의 파형이 된다. 이와같은 신호파형은 값 Ixs를 파라미터로 하는 제5도(c),(d)에 파선으로 표시하는 파형특성을 가지는 함수발생기를 사용하므로서 얻을 수가 있다.
여기서, 상기한 Ixs=0의 경우와 같이, 영구자석(1)의 기준위치(θs=0)에 있어서의 허수부의 신호(여자신호라함)에 의하여 형성되는 자계에 관하여 고찰한다. 또한 이하의 설명에서는 편의상 3상 변환기(18)의 출력신호(u,v,w)는 여자신호 성분뿐인 것으로 가정한다. 실수부와의 위상관계로부터 제5도(b)∼(d)에 나타낸 바와 같이 θs=0일때,
Figure kpo00005
이다. 따라서, 인버터장치(8)로부터 출력되는각 상전류는 U상 전류 Iu는 0, V상 전류 Iv는 신호
Figure kpo00006
에 비례한 값, W상 전류 Iw는 신호
Figure kpo00007
에 비례한 값이 된다. 이들의 전류에 의하여 형성되는 자계를 제6도에 나타낸다.
제6도는 영구자석 동기전동기의 개략 구성도이고, 제3도에 나타낸 부분과 동일분에는 동일부호로 표시되어 있다. 상기한 각 상전류에 의하여 형성되는 자계가 도면중에 파선으로 표시되어 있다. 이와 같은 자계는, 그 방향이 영구자석(1)의 내부자계의 방향과 일치하고, 영구자석(1)을 증자하도록 작용한다.
그런데 이와 같은 자계는 3상 변환기(18)의 출력신호(u,v,w)가 여자신호 성분 뿐이라고 가정했을 경우에 형성되는 자계이나 실제로는 신호(u,v,w)는 상기한 바와 같이 실수부의 신호와 허수부의 신호(여자신호)가 합성된 신호이다.
또한, 이와 같이 합성된 신호(u,v,w)는, 상기한 실수를 입력하는 함수발생기의 출력 및 허수를 출력하는 함수발생기의 출력을 동상(同相)마다 가산기에 입력하여 가산하므로서 얻을 수가 있다. 이와 같이, 신호u, v, w는 합성신호이므로 각 상전류도 해당 합성된 신호 의하여 얻어지는 합성전류이고, 그 결과, 영구자석 동기전동기(M)에 생기는 자계는 제3도에 나타낸 자계와 제6도에 나타낸 자계를 합성한 자계가 된다. 그러나, 제6도에 나타낸 자계성분이 존재하는 것은 변함이 없으며, 이 자계성분에 의하여 영구자석(1)이증자되는 것도 변함이 없으며, 이 자계성분에 의하여 영구자석(1)이 증자되는 것도 변함은 없다. 그리고,이와 같이 영구자석(1)은 증자하는 자계성분은 영구자석(1)의 위치 여하에 관계없이, 백터변환기(15)의 출력신호(Ⅱs)에 허수부가 포함되었을 때에는 항상 발생하는 것이 명백하다.
또, 가령 영구자석 동기전동기(M)의 부하가 엘리베이터이고, 제4도에 나타낸 상태가 발생하여 영구자석(1)에 큰 감자가 생겼다 하더라도, 이후의 동작에 있어서, 이 감자 때문에 회전력이 부족하여 큰 여자신호가 발생하고, 이에 의하여 상기 증자방향의 자계가 발생하여 상기 감자분을 보상하기 때문에 최종적으로 엘리베이터의 운전에 지장을 초래하는 일은 없다.
이와 같이, 본 실시예에서는 펄스발진기에 의하여 영구자석의 위치와 회전속도를 검출하고, 이에 따라 전기자권선에 공급하는 전류를 제어하도록 하었기 때문에, 영구자석 동기전동기의 구동중에 발생하는 잔계를 영구자석내의 자계의 방향과 대략 직교하는 방향으로 유지할 수가 있고, 이에 의하여 영구자석의 감자를 방지할 수가 있으며, 나아가서는 영구자석 동기전동기를 높은 신뢰성을 가지고 사용할 수가 있다 또한, 영구자석이 감자되어 회전력이 부족한 상태가 발생하여, 회전속도와 기준속도와의 차가 소정치 이상이 되었을때 이에 따라 전기자 권선에 앞서의 전류와 함께 이것과 별개인 성분의 전류도 공급하도록 하였기 때문에, 영구자석을 증자하는 방향의 자계를 발생할 수가 있고, 이에 의하여 영구자석의 각자를 적극적으로 보상할 수가 있어 이러한 면에서도 영구자석 동기전동기의 신뢰성을 높일 수가 있다.
또한, 상기 실시예의 설명에서는, 비례증폭기(13), 함수발생기(14), 백터변화기(15), 백터발진기(16), 백터승산기(17) 및 3상 변환기(18)는 전기적 회로에 의하여 구성되어 있는 것으로 설명했으나, 이것들은 마이크로 컴퓨터로 구성할 수 있음은 명백하다.
또, 상기 실시예의 설명에서는 영구자석 동기전동기의 속도와 기준속도와의 차가 소정의 값을 초과했을 경우에 허수부의 신호를 출력하여 영구자석의 증자를 행하는 구성을 설치하는 예에 대하여 설명했으나, 이와 같은 구성은 반드시 필요한 것은 아니고 해당구성을 구비하지 않더라도 영구자석의 자연적인 감자 이외의 감자는 확실하게 방지할 수가 있다. 그리고, 만일 필요하다면 영구자석의 증가를 행하는 구성대신 상기의 차가 소정의 값을 초과했을때 영구자석 동기전동기의 구동을 정지시키는 수단을 설치할 수도 있다.
또한, 상기 실시예의 설명에서는, 영구자석의 회전위치 및 회전 속도를 검출하기위하여 펄스발전기를 하용하는 예에 대하여 설명했으나, 펄스 발전기 대신, 각 전기자 권선에 생기는 역기전력을 검출하고 이것에의하여 영구자석의 회전위치와 회전속도를 판단할 수도 있다.
이상 설명한 바와 같이, 제1의 발명에서는 영구자석의 회전위치와 회전속도를 검출하고, 그 회전속도와 기준속도와의 차 및 상기 회전위치에 따라 전기자 권선에 전류를 공급하도록 하였기 때문에, 영구자석 동기전동기의 발생하는 자계의 방향을 영구자석내의 자계의 방향에 대하여 대략 직교하는 방향으로 할 수가 있고, 이에 의하여 영구자석의 감자를 방지할 수가 있고, 나아가서는 영구자석 동기전동기를 높은 신뢰도로 사용할 수가 있다.
또, 제2의 발명에서는, 상기 제1의 발명에 부가하여 영구자석의 회전속도와 기준속도와의 차가 소정치가 초과했을때 영구자석을 증자하는 방향에 자계성분을 발생하도록 하었기 때문에, 영구자석의 감자를 충분히 보상할 수가 있어 영구자석 동기전동기의 신뢰성을 현저하게 향상시킬 수가 있다.

Claims (8)

  1. 회전자에 영구자석을 사용하며 3상의 전기자 권선을 구비한 영구자석 동기전동기에 있어서, 상기 회전자의 회전위치 및 회전속도를 검출하는 검출수단과, 상기 검출수단에 의하여 검출된 회전속도를 미리 설정된 기준속도와 비교하여 양자의 차이값을 출력하는 비교수단과, 상기 비교수단에 의하여 얻어진 차이값이 소정값을 초과한 때에만, 상기 영구자석을 증자하는 방향의 자계성분을 만드는 여자전류를 상기 전기자권선에 발생시키는 여자성분으로서, 상기 전기자권선에 공급되어 있는 전류에 대해 위상을 90도 다르게 하여, 상기 차이값의 증감에 대응하여 증감하는 여자성분값을 출력하는 여자성분발생수단과, 상기 검출수단에 의해 검출된 회전위치 및 상기 비교수단에 의해 얻어진 차이값으로 이루어진 백터값과, 상기 회전위치와 상기 여자성분발생 수단에 의해 얻은 여자성본값에 의거하여 상기 각 전기자권선에 공급하는 전류를 결정하는 변환수단과, 이 변환수단에 의하여 얻어진 값에 의거하여 상기 각 전기자 권선의 전류를 제어하는 전류제어수
    단을 포함하는 것을 특징으로 하는 영구자석 동기전동기의 제어장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 검출수단은, 상기 회전자에 결합된 펄스반전기인 것을 특징으로 하는 영구자석동기전동기의 제어강치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 비교수단은, 비례증폭기인 것을 특징으로 하는 영구자석 동기전 동기의 제어장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 비교수단은, 비레적분 증폭기인 것을 특징으로 하는 영구자석 동기전동기의 제어장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 변환수단은, 상기 비교수단에 의하여 얻어진 차의 값에 비례한 값을 최고치로하는 정현파 전류에서, 상기 검출수단에 의하여 검출된 회전위치에 대응하는 위상에서의 전류치를 각상의 전류치로서 구하는 수단인 것을 특징으로 하는 영구자석 동기전동기의 제어장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 전류제어수단은, 교류전류를 정류하는 정류부와, 이 정류부에서는 얻어진 직류전류를 3상 교류전류로 변환하는 인버터부와, 상기 변환수단에 의하여 결정된 값에 의거하여 상기 인버터부를 제어하는 제어부로구성되어 있는 것을 특징으로 하는 영구자석 동기전동기의 제어장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 여자성분 발생수단은, 상기 소정치를 초과한 분의 차의 값에 비례하는 값을 출력하는 함수발생기인 것을 특징으로 하는 영구자석 동기전동기의 제어장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 번환수단은, 상기 비교수단에 의하여 얻어진 차이값에 비례하는 값을 최고치로하는 정현파 전류에 있어서, 상기 검출수단에 의하여 검출된 회전위치에 대응하는 위상에서의 전류치와, 상기 여자성분 발생수단에 의하여 얻어진 여자성분치를 최고치로 하는 정현파전류에 있어서, 상기 검출수단에의하여 검출된 회전위치에 대응하는 위치에서의 전류치와의 합성치를 각 상의 전류치로서 구하는 수단일 것을 특징으로 하는 영구자석 동기전동기의 제어장치.
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