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KR100845111B1 - 자속정보를 이용한 속도 써칭방법 - Google Patents

자속정보를 이용한 속도 써칭방법 Download PDF

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KR100845111B1
KR100845111B1 KR1020060138964A KR20060138964A KR100845111B1 KR 100845111 B1 KR100845111 B1 KR 100845111B1 KR 1020060138964 A KR1020060138964 A KR 1020060138964A KR 20060138964 A KR20060138964 A KR 20060138964A KR 100845111 B1 KR100845111 B1 KR 100845111B1
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KR
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speed
induction motor
voltage
inverter
current
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김선자
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엘에스산전 주식회사
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Publication date
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Abstract

본 발명은 자속정보를 이용한 속도 써칭방법에 관한 것으로, (가) 프리런시 상기 인버터에서 상기 유도 전동기에 인가되는 전압과 전류를 측정하는 단계와; (나) 측정된 상기 전압 및 전류를 이용하여 자속을 추정하고, 추정된 자속으로부터 현재의 회전각을 추정하는 단계와; (다) 상기 추정 회전각과 실제 회전각의 오차가 발생되지 않도록 제어하여 현재의 속도를 추정하는 단계와; (라) 추정된 상기 속도에 대응된 V/F 테이블의 전압을 상기 유도 전동기에 인가하는 단계를 제공함으로써, 속도 또는 위치 센서가 부설되지 않는 V/F 제어 방식의 인버터의 순시정전후 전원이 재인가된 경우에 인버터의 과전류 발생없이 유도 전동기와 재접속(동기)할 수 있고, 순시정전후 전원이 재인가된 경우에 측정가능한 2요소인 전압과 전류를 측정하여 유도 전동기의 속도를 추정할 수 있으며, 순시정전후 전원이 재인가된 경우에 신속하게 인버터와 유도 전동기를 동기접속시킬 수 있어 유도 전동기의 작업 효율을 개선할 수 있는 효과가 있다.
순시 정전, 인버터, 자속

Description

자속정보를 이용한 속도 써칭방법 {Speed search method using magnetic flux information}
도 1은 종래 기술에 의한 PWM 인버터 시스템의 V/F 제어 방식을 개략적으로 나타내는 구성도.
도 2는 PWM 인버터 시스템의 V/F 제어시 고정자 전압 - 속도 그래프이다.
도 3은 본 발명에 의한 속도 써치부를 구비한 PWM 인버터 시스템의 V/F 제어 방식을 개략적으로 나타내는 구성도이다.
도 4는 도 3의 속도 써치부의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 5는 본 발명에 의한 속도 써치부를 구비한 PWM 인버터 시스템의 작동 수순을 나타내는 순서도이다.
<< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >>
1 : PWM 인버터 장치 2 : 속도 써치부
2a : 자속 추정부 2b : 속도 추정부
3 : V/F 테이블
본 발명은 자속정보를 이용한 속도 써칭방법에 관한 것이다.
특히, 본 발명은 유도 정전기를 V/F 제어하는 인버터 시스템에 있어서, 순시정전시 유도 전동기의 고정자 전압 및 전류를 측정하여 자속을 추정하고, 추정된 자속을 이용하여 추정각을 구하고, 추정각과 시스템으로 실제 입력되는 각과의 오차를 '0'로 하는 제어기를 거쳐 속도를 추정함으로써 프리런 상태의 유도 전동기를 인버터의 과전류 발생 또는 유도 전동기의 손상없이 동기 접속이 가능한 속도 써칭방법에 관한 것이다.
인버터란 전기적으로 직류를 교류로 변환하는 장치로서, 상용 전원으로부터 공급된 전력을 입력받아 인버터 내에서 전압과 주파수를 가변시켜 유도 전동기에 공급함으로써 유도 전동기의 속도를 제어하는 장치이다. 여기서, 인버터는 유도 전동기의 연속적인 광범위 가변속 운전이 가능하며, 유도 전동기 제어로 보수성과 내환경성 우수하고 소프트 정지/시동, 시동전류 저하, 전기적 제동 용이, 고속 운전 가능 , 전력 절감 등의 장점이 있다.
이러한 인버터의 종류는 전압/전류 주회로 방식, PWM/PAM 스위칭 방식 등으로 분류되며 제어 방식으로는 V/F제어, 센서리스제어, 벡터제어 등이 있다.
여기서 PWM 인버터는 교류(상용전원)를 직류로 변환하고 이 직류를 트랜지스터 등으 반도체 소자의 스위칭에 의하여 교류로 역변환하며, 특히 스위칭 간격을 가변시킴으로써 주파수를 임의로 변화시킨다. 실제로는 유도 전동기 운전시에 충분한 토크를 확보하기 위하여 주파수뿐만 아니라 전압도 주파수에 따라 가변시킨다.
따라서 인버터는 VVVF(Variable Voltage Variable Frequency; 가변전압 가변주파수)라고도 하며 각각의 동작에 따라 하기와 같은 구성으로 구분될 수 있다.
컨버터부(전원부)는 3상 전파정류회로와 평활회로로 구성되며 교류를 정류후에 콘덴서 등으로 평활하여 맥동분이 적은 직류를 얻는다. 인버터부는 컨버터부에서 변환된 직류에서 트랜지스터 등의 반도체 스위칭에 의하여 임의의 주파수의 교류를 얻는다. 그리고 제어부는 연산회로, 검출회로, 구동회로 등으로 구성되며 인버터의 스위칭제어, 컨버터의 전압제어, 각종 보호기능 동작 등을 수행한다.
현재 주로 사용되고 있는 인버터는 전압원의 직류부에서 교류로 변환하는 것으로 이는 제어성이 우수하며 동시에 전압원으로서 직류 전원을 공통으로 할 수 있어 복수 인터버의 제어가 가능한 범용성이 높은 특징이 있다.
도 1을 참조하면, 종래 기술에 의한 PWM 인버터 시스템은 목표속도(
Figure 112006098568534-pat00001
)와 현재속도(
Figure 112006098568534-pat00002
)로 가감속율을 적절하게 제어하여 현재속도(
Figure 112006098568534-pat00003
)에 알맞은 전압을 V/F 테이블에서 결정하여 PWM 인버터 장치에 전달한다.
PWM 인버터 장치는 3상의 전원을 인가받아 직류로 변환시키고 V/F 테이블에서 결정된 전압을 이용하여 IBGT 제어 및 각종 연상을 수행하도록 구성되어 있다.
그리고 PWM 인터버에 적용되는 V/F 제어방식은 다음과 같다.
먼저 유도 전동기(IM)의 고정자 전압식은 수학식 1과 같다.
Figure 112006098568534-pat00004
여기서,
Figure 112006098568534-pat00005
가 충분히 크다면 다음의 수학식 2가 성립된다.
Figure 112006098568534-pat00006
그리고 수학식 2가 성립되면
Figure 112006098568534-pat00007
가 된다.
결과적으로,
Figure 112006098568534-pat00008
로 운전하게 되면 공극자속으로 일정하게 유지할 수 있다.
그러나 V/F 제어시 전압의 크기와 속도의 관계를 나타내는 도 2를 참조하면, 모터의 고정자 전압(
Figure 112006098568534-pat00009
)의 크기와 속도(
Figure 112006098568534-pat00010
)를 동시에 제어하여 공극자속 (
Figure 112006098568534-pat00011
)이 목표속도(
Figure 112006098568534-pat00012
)까지 일정하도록 제어하고 그 이후에는 전압을 일정하게 제어하면서 속도(
Figure 112006098568534-pat00013
)를 증가시키면 유도 전동기를 사용자가 원하는 대로 사용할 제어할 수 있다. 그리고, 속도(
Figure 112006098568534-pat00014
)가 낮아져서
Figure 112006098568534-pat00015
의 크기가 고정자 회로의 전압강하(
Figure 112006098568534-pat00016
)에 비해 비슷하거나 또는 작게되면 고정자 회로에 인가되는 전압을 고려하여야 된다.
통상적으로, V/F 제어는 유도 전동기(IM)의 속도정보 없이 제어하는 방식으로 V/F 테이블에 따라 목표속도(
Figure 112006098568534-pat00017
)에 알맞은 전압으로 조정하여 운전하는 방식이다. 그러나 순시정전(Moment Power Failure) 발생후 전원이 복구되어 유도 전동기(IM)이 프리런 중에 재시동되는 경우에는 유도 전동기(IM)의 현재속도(
Figure 112006098568534-pat00018
)를 모르기 때문에 V/F 제어를 하게 되면 현재속도(
Figure 112006098568534-pat00019
)와 알맞지 않은 전압을 인가되게 되어 인버터에 과전류가 발생되거나 또는 유도 전동기(IM)가 소손되는 문제점을 야기할 수 있다.
상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 제안된 대한민국 공고특허번호 특1992-001003 (공고일:1992.12.26)에 개시된 기술(이하 '종래 기술'이라 한다.)은 구동중인 전동기에 인버터를 재접속하는 방법으로서, 전동기를 일정 속도로 제어하는 인버터가 전동기로부터 개방된 뒤, 가) 인버터의 출력 주파수는 전동기의 관성 회전수보다 높고, 인버터출력 전압은 전동기의 정격치보다 낮게 하여 인버터를 시동하고, 나) 인버터 출력 전압을 일정하게 유지하면서, 인버터의 주파수를 점차 강하시키고, 다) 인버터에서 전동기로 공급되는 전동기 구동 전류와 전동기에서 인버터로 공급되는 회생전류를 검출하고, 라) 검출된 전동기 구동 전류가 제로에 이르거나, 전동기 회생 전류의 절대치가 최대치에 이르면 인버터 전압을 순간적으로 증가시키고, 마) 검출된 전동기 회생 전류의 절대치가 최대치에 이르면 인버터 전압을 순간적으로 미리 정한 값으로 올리고, 인버터 전압을 점차 상승시키며, 바) 인버터 주파수와 인버터 전압이 일정 비율에 이르면 전동기를 일정한 속도로 제어하는 단계를 한다.
종래 기술은 동기 투입시 유도 전동기의 속도를 검출하지 않는다는 장점이 있는 반면, 이를 구현하기 위하여 소위, "trial and error" 방식을 채택하여 주파수(f)를 상승시키면서 전압(V)를 증가시키기 때문에 부하상태에 따라서는 과전류가 발생될 수 있는 문제점이 있다.
상기와 같은 문제점을 해소하기 위하여 창출된 본 발명의 목적은, V/F 제어 방식의 PWM 인버터 시스템에 있어서, 순시정전 발생시 유도 전동기의 프리런 상태에서 측정가능한 전압과 전류를 검출하여 유도 전동기의 회전속도를 추정하여 인버터와 유도 전동기를 동기 접속할 수 있도록 하는 자속정보를 이용한 속도 써칭방법을 제공함에 있다.
이러한 본 발명의 목적은, (가) 프리런시 상기 인버터에서 상기 유도 전동기에 인가되는 전압과 전류를 측정하는 단계와; (나) 측정된 상기 전압 및 전류를 이 용하여 자속을 추정하고, 추정된 자속으로부터 현재의 회전각을 추정하는 단계와; (다) 상기 추정 회전각과 실제 회전각의 오차가 발생되지 않도록 제어하여 현재의 속도를 추정하는 단계와; (라) 추정된 상기 속도에 대응된 V/F 테이블의 전압을 상기 유도 전동기에 인가하는 단계를 포함하는 V/F 제어 방식 인버터의 자속정보를 이용한 속도 써칭방법에 의해 달성될 수 있다.
바람직하게는, 본 발명의 상기 (다) 단계의 상기 추정각 및 실제 회전각은 오차가 발생하지 않도록 PI 제어기와 LPF를 통과시켜 속도를 추정한다,
바람직하게는, 본 발명의 상기 인버터는 V/F 제어 방식의 PWM 인버터로서, 상기 (라)단계의 추정된 상기 속도에 대응된 전압값은 V/F 테이블에 의해 미리 결정된 전압값이다.
바람직하게는, 본 발명의 상기 (가) 내지 (라)단계는 상기 유도 전동기의 속도가 목표속도에 도달할 때까지 반복 수행된다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구성을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명에 의한 속도 써치부를 구비한 PWM 인버터 시스템의 V/F 제어 방식을 개략적으로 나타내는 구성도이고, 도 4는 도 3의 속도 써치부의 구성을 나타내는 블록도이고, 도 5는 본 발명에 의한 속도 써치부를 구비한 PWM 인버터 시스템의 작동 수순을 나타내는 순서도이다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 속도 써치부를 구비한 PWM 인버터 시스템은 순 시정전시 유도 전동기(IM)의 프리런 중에 PWM 인버터 장치(1)의 과전류 발생 없이 재시동이 가능하도록 속도 써치부(2)를 구비하는 특징이 있다.
일반적으로, 본 발명에 의한 적용되는 PWM 인터버 시스템은 속도 센서나 위치 센서를 구비하지 않는 V/F 제어에 의해 유도 전동기(IM)를 운전하는 것으로 이하 설명되는 경우에는 PWM 인버터 장치(1)와 유도 전동기(IM)가 순시정전 또는 기타 단락 요인에 의해 PWM 인버터 장치(1)가 유도 전동기(IM)를 제어하지 못하고(이하 '순시정전 등'이라 한다.) 유도 전동기(IM)가 프리런(관성 회전)되는 경우에 한정됨을 미리 밝혀둔다.
여기서, 본 발명의 PWM 인버터 장치(1)가 정상 상태인 경우에는 도 1 및 도 2를 설명하는 종래 기술과 같이 유도 전동기(IM)가 제어되며 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명의 핵심 구성 요소인 속도 써치부(2)는 자속 추정부(2a)와 속도 추정부(2b)로 이루어진다.
자속 추정부(2a)는 PWM 인버터 장치(1)와 유도 전동기(IM)를 3상 결선 케이블에 각기 CT를 연결하여 유도 전동기(IM)의 프리런 상태의 각 상별로 측정된 전류값 (
Figure 112006098568534-pat00020
)과, PWM 인버터 장치(1)에서 각 상별로 측정된 전압값(
Figure 112006098568534-pat00021
)을 제공받아 자속을 측정한다. 그리고 전압은 PWM 인버터 장치(1)에 내부에 제공된 PT 회로를 이용하여 측정하는 것이 바람직하다.
여기서, 측정된 전압값(
Figure 112006098568534-pat00022
)과 전류값(
Figure 112006098568534-pat00023
)은 고정자 좌표계의 전압값 및 전류값과 동일하다.
본 발명에 의한 자속 추정부(2a)는 측정된 고정자 좌표계의 전압값(
Figure 112006098568534-pat00024
)과 전류값(
Figure 112006098568534-pat00025
)을 이용하여 d축 및 g축 각각의 자속을 추정하며 이에 관련된 수학식은 하기와 같다.
먼저 통상적인 유도 전동기(IM)의 전압 모델의 기본식은 하기 수학식 1과 같다. 여기서,
Figure 112006098568534-pat00026
는 정지좌표계의 총자속이고,
Figure 112006098568534-pat00027
은 고정자 저항이다.
Figure 112006098568534-pat00028
그리고 수학식 3을 정리하여 자속을 구하면 수학식 4과 같다.
Figure 112006098568534-pat00029
본 발명에 의한 자속 추정부(2a)에서 수학식 3 및 4에 의해 자속이 구해지면 이 자속값은 속도 추정부(2b)로 제공된다.
속도 추정부(2b)는 자속 추정부(2a)로부터 제공되는 자속값을 삼각함수의 덧셈정리를 이용하여 정리하면 수학식 5와 같이 현재의 추정각이 추정된다.
Figure 112006098568534-pat00030
속도 써치부를 구비한 PWM 인버터 시스템은 자속 추정부(2a)에서 측정된 전류값과 전압값을 이용하여 자속을 추정하고, 속도 추정부(2b)는 추정된 자속을 삼각함수의 덧셈정리로 정리하여 현재의 추정각을 추정한다.
그런 다음, 속도 추정부(2b)는 추정각을 이용하여 실제 시스템에서 사용되는 각과의 오차가 발생되지 않도록(오차가 영(零)이 되도록) PI 제어기(Proportional-Integral Controller)를 거치고 LPF(Low Pass Filter)를 통과시켜 속도를 추정한다.
이후 속도 추정부(2b)는 추정된 속도를 다시 적분하여 회전각을 추정한다.
이와 같이 추정된 회전 속도은 속도 제어기(Speed Controller)에 사용되고, 회전각은 전류 제어기(Current Controller)에 사용된다. 이를 상세히 설명하면, 회전 속도는 V/F 테이블(3)에 제공되어 추정된 회전 속도에 대응된 전압이 PWM 인버터 장치(1)에 의해 유도 전동기(IM)에 인가되도록 한다.
여기서 미설명부호 "4" 및 "5"는 각기 가감속 제어기(또는 가감속 제어부)와 가산기이다.
도 5를 참조하여 본 발명에 의한 시스템의 작동 수순을 설명하면 다음과 같다.
유도 전동기 고정자의 전압 및 전류를 측정 (S110)
본 발명은 V/F 제어 방식의 PWM 인버터에 관한 것으로, 인버터와 유도 전동기가 순시정전 등과 같은 요인에 의해 단락되어 유도 전동기가 프리런 상태인 경우에 다시 전원이 인가된 상태로서, 인버터에 과전류가 발생시키지 않으면서 유도 전동기와 재접속되는 방법에 관한 것임을 미리 밝혀둔다.
먼저, 프리런(관성 회전) 상태에 있는 유도 전동기 고정자의 전압 및 전류를 측정한다. 여기서 고정자의 전압 및 전류를 측정하는 이유는 유도 전동기가 프리런 상태에서 자속의 변화를 추정하기 위해서 용이하게 측정가능한 요소가 전압과 전류이기 때문이다.
전압은 PWM 인버터 장치로부터 측정될 수 있으며, 전류를 각 상별로 CT를 취부하여 측정할 수 있다. 그리고 전압은 PWM 인버터 장치에 내부에 제공된 PT 회로를 이용하여 측정하는 것이 바람직하다.
유도 전동기의 속도 추정 (S130)
측정된 전압값과 전류값으로부터 유도 전동기의 현재 속도를 추정하기 위해서는 먼저 측정된 전압값과 전류값을 전술된 수학식 3 및 4를 이용하여 자속을 추정한다(S131).
그리고 자속이 추정되면 전술된 수학식 5를 이용하여 현재의 회전각을 추정한다. 여기서 수학식 5는 수학식 4를 삼각함수의 덧셈정리를 이용하여 정리한 것이다.
그런 다음, 추정각(현재의 회전각을 추정한 것) 및 실제 회전각과의 오차가 발생되지 않도록 PI 제어기를 거치고 LPF(Low Pass Filter)를 통과시켜 속도를 추정한다.
추정 속도에 대응된 전압을 유도 전동기에 인가 (S150)
V/F 제어 방식은 속도에 따라 미리 정해진 전압이 선택되는 것이다. 본 발명에서 속도가 추정되면 V/F 테이블에 의해 미리 정해진 전압이 인버터를 통해 유도 전동기에 인가된다.
결과적으로 추정 속도에 대응된 전압이 유도 전동기에 인가되면 유도 전동기는 목표속도는 아니지만 현재 조건하에서 바람직한 전압 인가됨으로써 종래 기술에 의한 인버터의 과전류가 발생되지 않는다.
그리고 이와 같은 작동 수순은 일회에 구현될 수 있으나 실제적으로는 추정 속도가 유도 전동기의 목표속도와 동일하여 질 때까지 반복적으로 수행된다. 최종적으로, 추정 속도와 목표속도가 동일하거나 또는 공차 범위내에 들면 본 발명의 추정 방법은 종료된다.
결과적으로 본 발명의 추정 방법은 인버터와 유도 전동기가 단락된 상태에 실행되어 유도 전동기가 정상 운전되면 실행이 중지되고 V/F 제어에 의해 유도 전동기가 운전된다.
이상에서 설명된 본 발명은 전술된 실시예에 한정되어 설명되었지만, 이에 한정되지 않고 본 발명이 속하는 분야의 통상적인 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있는 정도의 변형은 본 발명의 기술적 사상에 속하는 것임은 자명하다.
이상의 구성을 갖는 본 발명은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 본 발명은 속도 또는 위치 센서가 부설되지 않는 V/F 제어 방식의 인버터의 순시정전후 전원이 재인가된 경우에 인버터의 과전류 발생없이 유도 전동기와 재접속(동기)할 수 있다.
둘째, 본 발명은 순시정전후 전원이 재인가된 경우에 측정가능한 2요소인 전압과 전류를 측정하여 유도 전동기의 속도를 추정할 수 있다.
셋째, 본 발명은 순시정전후 전원이 재인가된 경우에 신속하게 인버터와 유도 전동기를 동기접속시킬 수 있어 유도 전동기의 작업 효율을 개선할 수 있다.

Claims (4)

  1. (가) 프리런시 상기 인버터에서 상기 유도 전동기에 인가되는 전압과 전류를 측정하는 단계와;
    (나) 측정된 상기 전압 및 전류를 이용하여 자속을 추정하고, 추정된 자속으로부터 현재의 회전각을 추정하는 단계와;
    (다) 상기 추정 회전각과 실제 회전각의 오차가 발생되지 않도록 PI 제어기와 LPF를 통과시켜 현재의 속도를 추정하는 단계와;
    (라) 추정된 상기 속도에 대응된 V/F 테이블의 전압을 상기 유도 전동기에 인가하는 단계를 포함하는 V/F 제어 방식 인버터의 자속정보를 이용한 속도 써칭방법.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 인버터는 V/F 제어 방식의 PWM 인버터로서,
    상기 (라)단계의 추정된 상기 회전속도에 대응된 전압값은 V/F 테이블에 의해 미리 결정된 전압값인 것을 특징으로 하는 자속정보를 이용한 속도 써칭방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 (가) 내지 (라)단계는 상기 유도 전동기의 속도가 목표속도에 도달할 때까지 반복 수행되는 것을 특징으로 하는 자속정보를 이용한 속도 써칭방법.
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