KR950011252B1 - 유도 모터 제어 장치 - Google Patents
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Abstract
내용 없음.
Description
제 1a도 및 제 1b 도는 본 발명에 따른 유도 모터 제어 장치의 제 1 실시예의 블럭도.
제 2 도는 제 1a 도 및 제 1b 도에 도시된 장치의 타이밍도.
제 3 도는 제 1a 도 및 제 1b 도의 제 1 실시예에서 전압 조정 회로의 특정 실시예의 회로도.
제 4 도는 제 3 도에 도시된 회로의 타이밍도.
제 5 도는 제 1a 도 및 제 1b 도의 실시예에서 함수 변환 회로의 회로도.
제 6 도는 제 5 도에 도시된 회로의 동작 설명을 위한 그래프.
제 7 도는 제 1a도 및 제 1b 도의 실시예에 의해 제어되는 유도모터에 있어서 모터 부하, 최적 역률 및, 모터 인가 전압의 변화사이의 관계를 나타내는 챠트.
제 8 도는 본 발명에 따른 유도 모터 제어 장치의 제 2 실시예의 블럭도.
제 9 도는 제 8 도 장치의 회로에 대한 타이밍도.
제 10 도는 제 8 도 장치에서 발생된 모터 인가 전압의 파형도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 교류 전원 16 : 전압 검출 회로
18 : 역률 검출 회로 20 : 피상 전력 계산 회로
21 : 유효 전력 계산 회로 36 : 최적 역률 발생 회로
38 : 함수 변환 회로 48 : 파형 성형 회로
50 : 램프 발생 회로 54 : 구동 회로
본 발명은 유도 모터 제어 장치에 관한 것으로, 특히 모터가 동작하는 역률을 제어하여 동작의 높은 효율을 제공하기 위한 제어장치에 관한 것이다.
그러한 역률 제어 장치는 미국 특허 제4,052,648호에 기재되어 있는데, 이 특허에서는 유도 모터의 역률을 검출하여 모터에 인가되는 전압을 제어함으로서, 유도 모터의 소비 전력을 감소시켜 효율을 증가시키기 위한 것이다. 이 장치에 있어서, 유도 모터의 역률은 모터에 인가되는 전압과 모터 전류 사이의 위상차에 기초하여 검출된다. 그러나, 유도 모터의 전압 및 전류의 파형 왜곡으로 인해서, 그와 같은 방법에 의해 역률의 정확한 검출은 불가능하다. 따라서, 작동 효율의 고레벨을 얻기 위해 유도 모터를 정확하게 제어하는 것이 불가능하다. 종래의 제어 장치에 있어서, 유도 모터에 인가되는 전압은 검출된 역률이 미리 설정된 역률값에 접근되도록 제어되었다. 만일, 역률의 미리 설정된 80%이고, 유도 모터가 무부하 상태이거나 부하가 작은 상태에서 동작할 경우에, 역률의 검출값이 이미 설정된 역률에 접근시키기 위하여 유도 모터에 인가되는 전압을 극단적으로 낮게 해야 한다. 극단적으로 낮은 레벨은 모터의 코우킹(cogging) 또는 스톨링(stalling)을 야기시킨다. 이러한 문제를 해결하기 위하여, 이미 설정된 역률과 별개인 코우킹 방지 전압을 설정하고, 역률의 이미 설정된 값 대신에 검출된 역률을 코우킹 방지 전압 레벨과 비교하므로서, 무부하상태이거나 부하가 작은 상태에서 유도 모터가 동작할 때 코우킹 또는 스톨링을 방지한다. 그러나, 이 경우에 코우킹 방지 전압을 높은 값으로 설정될 수 없다.
따라서, 저부하 또는 무부하 상태에서 유도 모터 전압을 정확히 제어하는 것은 불가능하기 때문에, 모터의 고효율 동작을 얻을 수 없다. 이미 설정된 80%의 역률에 따라 부하의 중간 레벨에서 동작된다면, 이미 설정된 역률값은 부하의 레벨에 비해 상당히 크기 때문에, 유도 모터에 인가되는 전압은 매우 낮아지면서, 모터의 전류는 크게 됨에 따라, 모터의 소비 전력은 증가하게 된다. 따라서, 모터의 소비 전력을 최소화하기 위하여, 유도 모터가 현재 동작하는 부하 상태에 따라 그와 같은 역률 제어 장치의 이미 설정된 역률을 수동으로 조정해야 한다. 이와 다른 상태로서, 그와 같은 유도 모터 제어 장치에서 이미 설정된 역률값이 고정되어 있다면, 모터 부하가 변화할 때에는 효율적 동작을 얻기는 불가능하다.
다른 종래의 유도 모터 제어 장치는 일본 공개 공보 제64-50792호에 기재되어 있는 것으로서, 유도 모터의 효율적인 동작은 인버터 장치를 이용하여 모터에 인가된 전력 주파수에 기초한 역률을 변화시킴으로서 달성된다. 상기 공보의 제 3 도에 도시된 바와 같이 여러 주파수 각각에 각각 상이한 최적 역률값의 최적 역률 패턴은 메모리에 저장되어 있다. 인버터 동작 주파수가 설정되면, 모터에 인가되는 전압은 그 주파수에 대응하는 고정 역률값을 구하기 위해 설정될 수 있다. 그러나, 다양한 부하 상태에 대한 정확한 제어는 불가능하다.
따라서, 첫번째로 언급된 종래의 유도 모터 제어 장치에 있어서, 유도 모터의 전압 및 전류의 파형 왜곡으로 인하여, 역률 검출의 정확도는 낮다. 두번째로 언급된 종래 기술의 유도 모터 장치에 있어서, 주파수가 고정됨으로서 모터 부하의 변동이 있을 경우에 역률이 고정된다. 따라서, 다양한 모터 부하에 대한 에너지 절약 동작을 얻을 수 없다.
본 발명의 목적은 유도 모터의 역률 제어 장치를 제공하여 종래의 문제점을 개선하는데 있다. 본원에 따른 역률 제어 장치의 동작은 유도 모터의 전압 및 전류의 파형 왜곡의 영향을 받지 않으며, 그로인해, 유도 모터 역률 검출의 정확성을 얻을 수 있으며, 또한, 유도 모터는, 그 제어 장치 동작이 유도 모터의 부하 변동에 따라 자동적으로 변화하게 되므로, 모터 부하의 레벨이 크게 변동되어도 에너지 절약 동작을 행한다.
이러한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 다음을 구비하여, 교류 전원으로부터 유도 모터까기 전원을 제어하기 위한 유도 모터 제어 장치를 제공한다. 즉, 상기 교류 전원과 유도 모터 사이에 결합되어, 유도 모터에 공급되는 전압 크기를 변동시키기 위한 제어 가능한 전압 조정 수단; 상기 유도 모터가 현재 작동하고 있는 검출 역률값을 얻기 위한 역률 검출 수단; 역류의 임의 지정된 값을 발생하기 위한 역률 지정수단; 상기 유도 모터의 부하 레벨에 대응하는 부하 변동 파라미터를 발생하기 위한 수단; 역률의 최적값을 발생하기 위하여 상기 부하 변동 파라미터와 역률의 상기 지정값에 따라 동작하는 수단; 상기 최적 역률값과 상기 검출 역률값과의 차이값을 유도하기 위한 비교기 수단과; 상기 전압 조정 수단을 제어하기 위하여 상기 차이값을 인가하는 수단을 구비하여, 상기 차이값을 줄이기 위하여, 유도 모터에 공급된 전압 크기를 변동시킨다.
그 결과, 본 발명에 따른 유도 제어 장치에서는, 역률의 최저값이 유도 모터의 부하 상태에 따라 자동적으로 변화하고, 그 변화는 모터 역률의 정확한 검출에 따르게 된다. 그로인해, 그 장치는, 무부하 상태이거나 부하가 전체에 걸려있는 모터 부하의 전체 범위를 통해 최적의 역률로 모터를 동작시킬 수 있다.
또한, 전압 조정 수단은 가변 주파수 전력 공급원으로서 구성할 수 있다. 예를들어, 출력 전압 주파수가 모터의 회전 속도를 제어하기 위해 필요에 따라 변화될 수 있고, 출력 전압이 역률의 최적값과 검출된 역률사이의 차이로 제어되는 직류-교류(DC-AC)변환기에 공급된 합성 직류(DC) 전력 전압 및 정류된 전력공급 교류(AC) 전압을 제공하는 가변 주파수 공급원으로 구성된다. 이러한 방법으로, 유도 모터의 회전 속도는 소정의 값으로 설정될 수 있고, 본 발명의 제어장치는 역률의 최적값을 보장하여, 그 회전 속도에서 에너지 절약 동작을 행할 수 있다.
제 1 도는 본 발명의 양호한 실시예를 설명하고 있다. 본 장치는 교류 전원(10)과 단상 유도 모터(12) 사이에 접속된 트라이액(46)인 전압 조절 장치와, 그 전압 조절 장치에 인가되는 제어 신호(G)를 발생하는 회로로 기본적으로 구성되어, 이하에 기술하는 것처럼, 모터(12)가 동작하는 역률을 조정하기 위하여 유도 모터(12)의 권선에 인가하는 전압의 레벨을 제어한다. 교류 전원(10)의 출력 전압은 단자(1 및 2)에 나타나는데, 단자(1)는 트라이액(46)을 통해 전압 공급 리드(3)에 접속되고, 유도 모터(12)의 권선에 인가된 전압은 상기 공급 라인(3)과 전원 단자(2)에 접속된 공급 라인 사이에 발생된다. 본 장치는 유도 모터(12)의 권선에 실제로 공급되는 전압을 검출하기위한 전압 검출 회로(16)와, 전압 검출 회로(16)의 검출 출력 신호(VUV) 및, 유도 모터(12)의 권선의 모터 전류 레벨을 검출하는 전류 검출기(CT)의 전류 검출 회로(IU)를 수신하는 역률 검출 회로(18)를 포함한다.
상기 전압 검출 회로(16)는 전압(VU, VV)이 나타나는 유도 모터(12)의 전력 공급 리드(3,4)에 각각 접속된 저항기(Ra,Rb 및 Rc)로 형성된 한쌍의 저항성 전압 분압기로 구성된다. 이들 분압기의 분압 출력은 차동 증폭기(17)의 입력에 인가되어, 유도 모터(12)의 공급 전압에 비례하여 변화하는 출력 전압(VUV)를 얻는다. 모터에 인가되는 공급 전압의 파형은 증폭기(17)의 출력전압(VUV)의 파형과 함께 U-V로서 표시된 제 2 도의 파형도에 도시되어 있다.
상기 역률 검출 회로(18)는 피상 전력 계산 회로(apparent power computing circuit)(20)와 유효 전력(working power) 계산회로(21)를 포함한다. 피상 전력 계산 회로(20)는 한 주기동안에 모터의 교류 전류(IU)[전류 검출기(CT)에서 검출된 전류]의 실효값(IU)(rms)(=Imax/√2)를 검출하는 실효값 변환기(22)(예를들어, 회로(22)는 전류(IU)의 주기적 샘플링을 수행하고, 각각의 샘플링 동작에서 IU(rms)의 상응하는 값이 계산되면서 한 주기동안 전류의 피크값을 얻는다)와; 상기 회로(22)와 유사한 방식으로, 한 주기 동안에 교류 전압(VUV)[전압 검출 회로(16)에 의해 검출됨](rms)의 실효값(VUV)(rms)=(Vmax/√2)을 주기적으로 검출하는 실효값 변환기(24)로 구성된다. 피상 전력 계산 회로(20)는 실효 전류값(IU)(rms)과 실효전압값 (VUV)(rms)을 서로 승산시키는 승산기(26)를 더 포함하여, 피상 전력에 비례하여 변화하는 전압을 얻는다. 즉, P로서 피상 전력값을 표시하면, P=IU(rms)×VUV(rms)이다.
제 2 도의 파형은 이러한 동작을 설명한 것이다. 여기서, 문자(ø)는 전압(VUV)과 전류(IU) 사이의 위상각도를 나타낸다. 또한, 역률 검출 회로(18)에서, 유효 전력 계산 회로(21)는 한 주기 동안의 전류(IU)[검출기(CT)에서 검출됨]와 한 주기 동안의 전압(VUV)[전압 검출 회로(16)에서 검출됨]을 서로 승산하기 위해 제공되어, 출력값(IU·VUV)(=유효 전력)을 얻는다.
상기 유효 전력 계산 회로(21)는 상기 승산을 실행하는 승산기(28)와, 저항기(30) 및 캐패시터(32)로 구성된 적분 회로(34)를 포함한다. 승산기(28)로부터 생성된 출력의 평균값은 유효 전력값(W)을 나타내는 전압 신호, 예를 들어, 유도 모터(12)의 유효 전력과 비례하여 변환하는 전압 신호로서 적분 회로(34)로부터 얻어진다.
제 2 도에 설명된 것처럼, W=IU(rms)·VUV(rms)·cosø이다.
피상 전력(P) 및 유효 전력(W)은 분압기(35)에 인가되어, 그 분압기(35)는 W를 P로 나누어 유도 모터(12)의 검출된 역률값을 표시하는 레벨로 출력 신호(Pfm)을 출력한다. 즉,
Pfm=W/P=IU(rms)·VUV(rms)·cosø/[IU(rms)·VUV(rms)]=cosø
모터의 피상 전력과 유효 전력에 기초한 모터 전력의 검출에 있어서 모터에 인가된 전압의 파형 왜곡에 영향을 받지 않는 장점이 있다. Pfm으로 표시되는 검출된 역률 신호는 최적 역률 발생 회로(36)에 공급된다.
최적 역률 발생 회로(36)는 역률이 이미 정해진 임의 값(Pfs)으로 표시되는 신호를 발생하는 장치(37), 함수 변환 회로(38)와, 최적 역률 신호(COMP.Pfs..)를 발생하는 승산기(39)로 구성된다. 본 실시예에 있어서, 유효 전력값(W)은 부하 변동 피라미터로서, 즉, 모터상의 부하의 전류 레벨을 표시하는 값으로서 표시한다. 함수 변환 회로(38)는 소정의 함수에 따라 유효 전력(W)의 변환을 행하여, 유도 모터(12)의 부하 변동에 따라 소정의 방법으로 변화하는 보상 계수(compensation factor)(COMP)를 얻는다. 승산기(39)는 지정된 역률(Pfs)의 상술한 임의 값으로 보상 계수(COMP)를 승산하여, 최적의 효율을 출력으로서 얻는다. 검출된 역률 신호(Pfm) 및 최적 역률(COMP. Pfs)은 비교기(42)에서 비교되어, Pfm과 COMP.Pfs 사이의 차이에 따라 변화하는 출력으로서 역률 비교 신호(C)를 얻는다. 상기 역률 비교 신호(C)는 제어 신호 발생 회로(44)에 공급된다.
상기 제어 신호 발생 신호(44)는 트라이액(46)을 제어하는 상술한 신호(G)를 발생하도록 제공되고, 교류전력원(10)의 출력 단자(1,2) 사이에 나타나는 전압의 파형 성형(waveform shaping) 및 레벨 조정을 수행하는 파형 성형 회로(48)와, 그 파형 성형 회로(48)의 출력 신호와 동기된 램프 파형 신호(Ra)를 발생하는 램프 파형 발생 회로(50)를 포함한다. 역률 비교 신호(C)의 레벨과 램프 신호(Ra)는 비교기(52)에서 비교되어, 구동 회로(54)에 공급되는 구형파 신호(D)를 얻는다. 그로인해, 상기 신호(D)의 펄스폭은 역률 비교신호(C)의 레벨에 비례하여 변화하고, 신호(D)는 교류 전원(10)에서 생성된 공급 전압의 원점과 동기된다. 그로므로, 구동 회로(54)(전류 증폭기 회로 또는 펄스 변환기로 전형적 구성)에서 발생된 대응 구동 신호는 제어 신호(G)로서 트라이액(46)에 인가될 수 있다.
제 3 도는 제어 신호 발생 회로(44)의 회로(48,50,52)에 대한 특정 구성을 나타내고, 상응하는 타이밍도는 제 4 도에 도시되어 있다. 제 3 도에 있어서 동위상이면서 교류 전원(10)의 출력 단자(1,2) 사이에 나타나는 전압 크기와 같거나 비례하는 전압 신호(U-V)는 저항기(56,58)로 구성된 전압 분압기를 통해서 연산 증폭기(60)에 인가된다. 도시하지는 않았지만, 변압기와 같은 장치는 입력 전압을 분압기(제 3 도)에 공급하는 데 사용되는데, 예를들어 제 1 도의 단자(1,2) 사이에 접속된 변압기의 1차 권선 및 제 3 도의 단자(5,6)사이에 접속된 2차 권선에 공급하는데 사용된다. 연산 증폭기(60)를 보호하기 위하여 제너 다이오드(62)가 제공된다. 피드백(귀환) 저항기(64)는 저항기(56,58)의 값 비율과 함께 연산 증폭기(60)에 기초한 회로의 히스테리시스의 량을 결정하여, 제 4 도에 도시된 (66)처럼, 교류 전력원(10)으로부터 생성된 교류 공급 전압의 것들과 매우 정확하게 동기되는 원점을 갖는, 연산 증폭기(60)의 신호(66)로서 한 출력 구형파 신호를 생성한다. 상기, 출력 신호(66)는 배타 논리 OR게이트(68)의 한 입력에 공급되고, 또한, 저항기(74)를 거쳐서, 저항기(70) 및 캐패시터(72)로 형성된 적분 회로를 통해 배타 논리 OR-게이트(68)의 다른 입력에도 인가된다. 그 결과, 제 4 도에서 (76)로 표시된 파형은 배타 논리 OR게이트(68)의 다른 입력에 나타난다. 상기 신호(wmfs)(76 및 66)는 배타 논리 OR-게이트(68)에 의해 비교되어, 제 4 도의 협대역(narrow)펄스(78)를 발생한다. 그들 펄스는 램프 발생 회로(50)에 공급된다. 램프 발생 회로(50)는 트랜지스터(82), 저항기(84) 및 캐패시터(86)로 구성된다. 트랜지스터(82)의 베이스는 저항기(80)를 통해 배타 논리 OR-게이트(68)의 출력에 접속되고, 트랜지스터(82)의 콜렉터는 안정화 전류원(83)에 접속되며, 그 트랜지스터의 에미터는 접지전위에 접속된다.
상기 트랜지스터(82)의 베이스에는 매번 펄스가 인가되고, 트랜지스터는 전도 상태에서 설정되어, 라인(88)이 제로(접지)전위로 진행하도록 한다. 트랜지스터(82)는 펄스(78)의 각각의 하강 엣지에 따라 동기되어 비전도 상태로 되어, 전류원(83)으로부터 캐패시터(86)의 충전이 시작된다. 결과적으로, 시간에 따라 선형적으로 변화되는데 제 4 도에 도시된 램프 전압 파형(Ra)은 라인(88)상에 나타난다.
저항기(84)는 트랜지스터(82)가 전도 상태로 될 때에 캐패시터(86)를 통해 흐르는 방전 전류의 레벨을 제한하도록 제공된다.
제 3 도 및 제 4 도에서 알 수 있는 바와 같이, 역률 비교 신호(C) 및 램프 신호(Ra)는 비교기(52)에 의해 비교되어, 출력으로서 구형파 신호(D)를 얻는다. 구동 회로(54)로부터 생성된 구동 신호(G)의 펄스폭이 구형파 신호(D)의 펄스폭에 비례하기 때문에, 신호(D)의 펄스폭 감소는 트라이액(46)의 전도 각도의 감소를 초래하여, 유도 모터(12)에 인가되는 전압을 감소시킨다. 이러한 방식으로, 제어 신호 발생 회로(44)는 검출 역률(Pfm)과 최적 역률(COM.Pfs) 사이의 차이에 따라 제어를 실행한다.
제 5 도는 제 1 도의 함수 변환 회로(38)의 특정 회로의 예이며, 제 6 도는 제 5 도의 회로에서 생성된 출력을 도시한 그래프이다. 제 5 도에 있어서, 역률 검출 회로(18)로부터 공급된 신호로, 전압 레벨이 유효 전력(W)로 표시되는 신호는 저항기(R1,R2)로 형성된 저항성 전압 분압기로 분압된 전압이고, 그 합성 전압은 출력 전압(VDC)을 발생하는 표준 전압원(38b) 및 연산 증폭기(38a)로 형성된 가산기 회로에 공급된다. 전압 분압기의 출력은 출력 전압(VDC)에 가산되어, 보상값(COMP)를 표시하는 출력 신호를 얻는다. 함수 변환기 연산은 다음과 같다.
COMP=VDC+{R2/(R1+R2}·W
즉, 상기 회로는 1차 함수 변환기이다.
제 6 도는 유효 전력(W)과 보상 계수(COMP)사이의 관계를 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 유효 전력(W)이 작을수록 보상 계수(COMP)는 더 작게된다. 유도 모터의 유효 전력은 모터 부하가 감소됨에 따라 작아지기 때문에, 이러한 모터의 최적 역률은 모터 부하의 감소로 인해 낮아지고, 부하의 증가에 따라 상승한다. 그러므로, 모터가 무부하 상태에서 동작할 때에, 본 실시예에서 형성되는 최적 역률은 낮은 값으로 되기 때문에, 모터 구동 전압은 상당히 낮아져서, 모터의 코우킹 또는 스톨링을 방지할 수 있다. 더우기, 상기 경우에 모터 전압이 최적 레벨에 있다는 사실로 인하여, 전동기의 부하전류, 유효전력, 무효전력 및 피상전력은 이후에 기술되는 것처럼 모두 크게 개선시킬 수 있다.
제 7 도는 유도 모터(12)상의 부하 변동과, 보상 계수(COMP), 지정된 역률(Pfs), 최적 역률(COMP.Pfs) 및 모터 전압에 상응하는 변동 사이의 관계를 도시한 도면이다. 시간(t1)동안에, 모터는 레벨(Ld1)에서 안정된 부하로서 동작하고, 이 시간 동안에 보상 계수(COMP)는 레벨(C)에서 안정된다. 이 상태에서, 최적 역률(COMP. Pfs)은 레벨(CP1)에서 안정되고, 모터 전압은 레벨(V1)에서 안정하게 유지된다. LD2로 표시한 바와 같이 모터 부하가 하강하는 연속 시간(t2)동안, 유효 전력이 하강하고, 보정 계수(COMP)도 C2로 표시된 것처럼 하강하며, 그에 따라 최적 역률(COMP.Pfs)도 CP2로 표시된 것처럼 하강한다. 이 시간 동안에, 모터 전압은 V2로 표시된 것처럼 하강하여 검출된 역률이 최적 역률(COMP.Pfs)과 일치하도록 된다. 다음 시간(t3)동안에는, 모터 부하가 저레벨(Ld1)에서 안정을 유지하고, 최적 역률(COMP.Pfs)는 레벨(CP1)보다 낮은 레벨(CP3)에서 안정을 유지하며, 모터 전압은 레벨(V3)에서 안정을 유지한다. 다음 시간(t4)동안에는, 모터 부하가 레벨(Ld3)에서 안정되는 동안, 지정된 역률(Pfs)은 P2로 표시한 것과 같이 감소된다고 가정하자. 그 결과, 최적 역률(COMP.Pfs)은 CP4로 표시된 것처럼, 그에 따라 하강할 것이다. 이 시간 동안, 모터 전압(V4)이 V4로 표시된 것처럼 증가되어, 모터의 검출 역률은 최적 역률(COMP.Pfs)과 일치하도록 한다.
연속되는 시간(t5)동안, 지정된 역률(Pfs)이 레벨(P3)에 설정되면, 최적 역률(COMP.Pfs)은 레벨(CP5)에서 안정하게 되고, 모터 인가 전압은 레벨(V5)에 안정을 유지한다.
다음 시간(t6)동안, 모터 부하가 Ld4로 표시된 것처럼 증가하면, 보상 계수(COMP)는 C4로 표시된 것처럼 증가한다. 따라서, 이 시간에서, 최적 역률(COMP.Pfs)은 CP6로 표시된 것처럼 증가하고, 모터 전압은 검출된 역률이 최적 역률(COMP.Pfs)이 되도록 증가한다.
연속 시간(t7)동안, 모터 부하가 Ld5에서 안정을 유지하면, 보상 계수는 레벨(C5)에서 설정되고, 최적역률(COMP.Pfs)은 레벨(CP7)에서 안정을 유지하며, 모터 전압은 레벨(V7)에서 유지된다.
이러한 방식에 있어서, 최적 역률에서의 동작은 유도 모터상의 부하의 여러 변동에도 불구하고 달성되기 때문에, 무부하에서 전체 부하까지, 모터 부하의 전체 범위에 걸쳐 에너지 절약의 동작을 보장한다. 또한, 최적 역률값이 모터 부하의 감소에 따라 감소된다는 사실에 기인하여, 모터 부하가 매우 작을 때에, 제어 장치에 의해 모터에 인가되는 전압이 크게 낮아지는 위험이 없기 때문에, 모터의 코우킹 및 스톨링이 효과적으로 방지된다.
제 8 도는 본 발명에 따른 유도 모터 제어 장치의 제 2 실시예에 대한 블럭도이다. 본 실시예의 기본 원리는 앞서 설명한 제 1 실시예와 같다. 그러나, 제 2 실시예에서는, 상기 장치가 가변 주파수 전원으로서 기능을 한다. 즉, 모터 전압이 제어 장치에 의해 제어되어 모터 부하의 큰 변화에도 불구하고 역률의 최적값에서 모터 동작을 유지시킴과 동시에, 제어 장치에 의해 모터에 인가되는 교류 전압 주파수를 사용자의 요구에 맞게 변화시킬 수 있고, 그로인해, 모터의 회전 속도를 변동시킨다. 교류 공급 주파수의 특정값이 설정되었을 때에, 모터에 공급되는 전압은, 모터 부하 전류 레벨 및 설정된 역률의 프리셋값을 기초하여, 제어장치에 의해 자동적으로 조절된다. 그 결과, 모터의 최적 역률 동작을 제공한다.
제 8 도에 있어서, 3-상 전원(도시하지 않음)은 정류회로(104)의 3개의 입력 단자(90,91,92)와 접속되어, 후에 평활 캐패시터(106)에 의해 평활되는 직류 전압을 얻는다. 그 평활 직류 전압은 직류-교류 인버터 회로(108)(이하, 인버터 회로(108)라고 칭함)에 인가되어, 전압 레벨 및 주파수가 이후에 설명될 제어 계산 회로(101)에 의해 결정되는 3-상 AC출력 전원을 발생한다. 상기 3-상 교류 전원은 유도 모터(110)에 인가된다. 교류 검출기(CT)는 모터의 3개의 전원 리드(93,94,95)중의 하나에 흐르는 전류에 비례하여 출력신호를 발생하면서, 전류 검출 신호가, 그들 공급 리드(93 내지 95)중 두 리드 사이에 나타나는 전압, 즉, 제 1 실시예에서 처럼 모터의 유효 전력 및 피상 전력을 결정하는데 이용되는 전압과 함께 제어 계산 회로(101)에 공급된다.
인버터 회로(108)는 반도체 스위칭 장치로 구성되며, 이것은 본 실시예에서 트랜지스터로 구성된 것으로 가정한다. 인버터 회로(108)에 의한 직류-교류 변환은 제어 계산 회로(101)로 부터 인버터 회로(108)에 인가되는 PWM(펄스폭 변조) 제어 신호에 의해 달성된다. 즉, 각각의 공급 리드(93 내지 95)상에 나타나는 전압은 펄스폭이 시간에 따라 주기적으로 변화하면서 평균값이 공급 전압을 구성하는 펄스열이 된다. 그러므로, 상기 주기적인 펄스폭 가변 주파수는 모터(110)의 회전 속도를 결정한다.
제어 계산 회로(101)에 있어서, 전압-주파수 변환기 회로(116)는 인버터 회로(108)에 의해 생성된 교류 전원에 필요한 주파수를 지정하는 주파수 지정 신호(114)를 수신하는데, 그 신호(114)는, 주파수의 합성 변화를 얻기 위해 변화하는 전압 레벨로서 그 신호(114)를 발생하는 전위차계와 같은 수동 작동장치로 될 수 있는 장치(112)로부터 생성된다. 전압-주파수 변환기 회로(116)는 주파수 지정 신호(114)의 레벨로 결정된 주파수로 정현파 변화하는 출력 전압 신호(118)를 발생한다. 그 전압 신호(118)는 이후에 설명될 비교기(140)로부터 발생되는 역률 비교 신호(C)에 의해 승산되고, 신호(119a)로서 지정된 상기 승산된 결과 신호는 PWM제어 회로(120)에 공급된다. 상기 동작은 제 9 도의 파형도에 설명되어 있는데, 이해를 쉽게 하기 위하여, 전압-주파수 변환기 회로(116)의 출력 신호가 고정 레벨로 도시되어 있다. PWM제어 회로(120)에 있어서, 신호(119a)는 램프 파형 신호(Rb)와 비교되어, 도시된 것과 같은 펄스폭 변조된 출력 신호(122)를 얻는다. 그후, PWM신호(122)는, 인버터 회로(108)에 대해 베이스 구동 신호(126)를 발생하는 베이스 구동 회로(124)에 공급된다.
직류-교류 인버터가 이미 본 기술 분야에 공지되어 있기 때문에, 그 인버터 회로(108)의 내부 구성은 생략한다. 그러나, 정현파적으로 변화하는 PWM신호(122)의 평균 펄스폭이 매우 작을때, 인버터 회로(108)의 3개 출력 전압 위상의 각각은 매우 낮고, 반대로, PWM신호(122)의 펄스폭의 높은 값은 모터(110)에 인가되는 공급 전압의 높은 값으로 됨을 알 수 있다. 상기는 제 10 도에 설명되어 있는데, 상부에 도시된 것처럼, 인버터 회로(108)로부터 출력들의 각각의 위상의 전압 평균값(V1)은 PWM신호(122)의 펄스폭이 비교적 클때 비교적 높게되는 반면에, 하부에 도시된 것처럼, 전압(V1)의 평균값은 PWM펄스폭이 작게될 때 낮게된다.
그러므로, 상기 내용으로부터 인버터 회로(108)로부터 모터(110)에 인가되는 공급 전압(V1)의 평균 레벨의 정현파 변화의 주파수는 주파수 지정 입력 장치(112)로부터 공급되는 주파수 지정 신호(114)의 레벨에 의해 결정되고, 그 공급 전압(V1)의 평균 레벨은 역률 비교 신호(C)의 값에 의해 제어됨을 알 수 있다.
상기 제어 계산 회로(101)는 모터(110)의 작동시에 실제 역률을 검출하는 역률 검출 회로(128)를 더 포함한다. 이것은 제 1 실시예에서 처럼 동일한 수단에 의해서 달성되기 때문에 상세한 설명은 생략하는데, 예를 들어, 역률 검출 회로(128)는 모터(110)의 유효 전력(W)값 및 피상 전력(P)값을 주기적으로 검출하기 위한 회로와, 레벨이 모터의 검출 역률(Pfm)을 나타내는 출력 신호를 발생하기 위하여 유효 전력(W)을 피상전력(P)으로 나누기 위한 회로를 포함한다. 상기 역률 검출 회로(128)에 의한 유효 전력(W)을 피상 전력(P)은, 도시된 것처럼, 모터(110)의 공급 리드(93,94,95)중의 한 리드의 전류 레벨을 검출하는 전류 검출기(CT)의 전류 검출 신호와, 상기 공급 리드(93,94,95)중 두 리드 사이에 발생하는 한 공급 위상의 전압에 기초한다. 반면에, 역률 검출 회로(128)의 내부 구성은 제 1 도의 제 1 실시예의 전압 검출 회로(16)의 역률 검출 회로(18)의 조합과 동일하게 될 수 있다. 제 2 실시예에서는 제 1 실시예에서처럼, 모터의 유효 전력(W)은 모터 부하의 레벨을 표시하는 파라미터로서 이용된다. 이해를 돕기 위해, 유효 전력 계산부(130)는 유효 전력(W)을 나타내는 신호를 유도하기 위해 도시되었지만, 실제에 있어서, 그 신호가 역률 검출회로(128)내에서 내부적으로 발생되기 때문에, 그 유효 전력 계산부(130)는 실제로 필수적인 것이 아님을 알 수 있다. 상기 유효 전력(W) 신호는 제 1 실시예에서 처럼 최적 역률(COMP.Pfs)을 발생하는 최적 역률 발생 회로(132)에 제공되고, 그 신호의 레벨은 비교기(140)에 의해 역률 검출 회로(128)에서 검출된 역률 신호(Pfm)신호와 비교되어, 결과적으로 승산기(119)에 공급되는 상술한 역률 비교 신호(C)를 얻는다.
상기 최적 역률 발생 회로(132)는 지정된 역률(Pfs)의 임의 값을 나타내는 신호를 발생하는 지정된 역률 발생 회로(134)로 형성되고, 최적 역률 발생 회로는 제 1 실시예에서 처럼, 전위차계와 같은 외부적으로 동작하는 장치를 포함하여, 사용자가 지정된 역률(Pfs)의 원하는 값을 설정할 수 있다. 상기 최적 역률 발생 회로(132)는 유효 전력 계산부(130)로부터, 모터 부하에 따라 레벨이 변화하는 유효 전력(W)신호를 수신하고, 상응하는 보상 계수(COMP)를 출력하기 위한 함수 변환기 회로(136)를 더 포함하는데, 그 보상 계수(COMP)와 지정된 역률(Pfs)은 승산기(138)에 의해 함께 승산되어, 최적 역률(COMP.Pfs)를 얻는다.
상기 최적 역률(COMP.Pfs)와 검출된 역류(Pfm)은 비교기(140)의 반전 및 비반전 입력 단자에 입력되어, 비교기의 출력으로서 승산기(119)에 인가될 상술한 역률 비교 신호(C)를 얻는다.
제 9 도의 타이밍도에 도시된 것처럼, 전압-주파수 변환기 회로(116)의 출력 신호(118)가 일정한 것으로 가정(설명을 쉽게 하기 위해)하면, 역률 비교 신호(C)는 다음과 같이 변화한다. 검출된 역률(Pfm) 및 최적 역률(COMP.Pfs)이 모두 동일 레벨에 있을때, 역률 비교 신호(C)는 설정된 레벨(C1)로 유지된다. 검출된 역률(Pfm)이 최적 역률(COMP.Pfs)을 초과한다면, 상기 신호(C)는 제 9 도의 C2로 표시한 것과 같이 증가한다. 검출된 역률(Pfm)이 다시 최적 역률(COMP.Pfs)과 같게 될때, 그 역률 비교 신호(C)는 C2보다 큰 값(C3)에서 안정화된다.
상기 승산기(119)는 최적 전압 발생기로서 기능을 하는데, 신호(118 및 C)를 승산하여, 출력으로서, 최적전압 지정신호(119a)를 얻는다. 상기 신호(119a)는 진폭이 역률 비교 신호(C)의 값으로 결정되고, 그 주파수가 신호(114)의 값으로 결정되는 주기적으로 변화하는 신호이다. 그로인하여, 상기 PWM신호(122)는 제어 회로(120)에서 발생된다. 본 기술 분야에 이미 공지된 방법으로 성취될 수 있기 때문에, 그 상세한 설명은 생략한다. 제 9 도에 도시된 것처럼, 상기 PWM신호(122)는 신호(C)의 레벨이 낮을 때 비교적 낮은 펄스폭을 가지며, 그 펄스폭은 신호(C)의 레벨 증가에 따라 증가한다. 인버터 회로(108)의 3-상 출력 전압은 상기 기술된 것처럼, 역률 비교 신호(C)에 기초하여 제어하는데, 그들 3-상 출력의 교류 주파수는 전압-주파수 변환기 회로(116)에 공급되는 주파수 지정 전압 신호(114)에 의해 결정된다.
제 10 도의 평균값 곡선(V1)은 역률 비교 신호(C)의 레벨이 비교적 클때(예를들어, 모터(110)가 과부하 상태에서 동작할 때), 인버터 회로(108)에서 발생한 평균 출력 전압을 설명하고, 제 10 도의 평균값 곡선(V2)은 역률 비교 신호(C)의 레벨이 비교적 낮을 때(예를들어, 모터(110)가 저부하 상태에서 동작할 때), 인버터 회로(108)로부터의 평균 출력 전압 파형을 설명한다. 이 경우에, 유효 전력 계산부(130)에서 얻어진 검출된 역률(Pfm)값이 낮게되기 때문에, 함수 변환기 회로(136)에서 발생한 보상값(COMP)도 낮아진다. 따라서, 최적 역률(COMP.Pfs)의 레벨도 낮아진다. Pfm과 COMP.Pfs의 합성값 사이의 차이, 예를들어, 신호(C)도 낮아지게 되어 인버터 회로(108)로부터 형성된 공급 전압의 감소를 야기시킨다. 그로 인해, 모터(110)의 유효 전력 및 무효 전력이 모두 감소하게 된다. 반면에, 모터 부하가 크게될때, 검출된 역률(Pfm) 또한 높게 되고, COMP 및 CPMP.Pfs의 값들 또한 증가된다. 최종 결과는 신호(C)의 레벨을 증가시키고, 인버터 회로(108)에서 발생한 출력 전압은 모터(110)가 최적 역률로 동작시키는 전압을 공급받을때까지 증가한다. 즉, 인버터 회로(108), 역률 검출 회로(128), 유효 전력 계산부(130) 및 역률 발생 회로(132), 비교기(140), 승산기(119), PWM제어 회로(120) 및, 베이스 구동 회로(124)로 구성된 귀환 루프 동작의 최종 결과는 인버터 회로(108)에서의 출력 전압 레벨이 발생되는 조건을 설정하여, 모터의 검출된 역률(Pfm)이 승산기(138)에서 발생된 최적 역률(COMP.Pfs)값과 정확히 일치하도록 하기 위함이다.
상기로부터, 본 발명의 기본 장점을 이해할 수 있는데, 본 발명의 장점으로, 비교적 과부하 상태에서 원하는 값에 가까운 유도 모터의 역률을 안정화시키기 위해 이용된 피드백 제어가 변경[유효 역률(W)과 같은 파라미터로 표시되는, 모터 부하의 전류 레벨로 영향을 주는 보상값(COMP)에 의해 변경]되므로서, 매우 낮은 저부하 또는 무부하 상태에서 모터가 동작할 때, 모터의 전압이 극도로 낮게됨을 방지하는 것이다.
예를들어, 제 8 도의 실시예에 있어서, 검출된 역률(Pfm)이 지정된 역률값(Pfs)과, 모터 전압을 제어하기 위해 이용되는 합성차[신호(C)와 같음]를 단순히 비교한다면, 본 발명의 장점을 성취시킬 수 없다.
유도 모터 제어 장치에 있어서, 모터 부화의 변화에도 불구하고 역률의 높은 값에서 모터 동작을 자동적으로 유지하기 위해 모터에 인가되는 전압을 연속으로 변화시킬 수 있다. 또한, 무부하 상태에서 스톨링 또는 코우킹으로 인한 모터의 손상없이, 그리고, 수동 조작없이 전체 부하에서 무부하 상태까지 역률의 최적값을 유지시킨다. 그로인해, 에너지-절약을 크게 향상시킬 수 있다.
다음 테스트 결과치는, 상기 기술한 제 2 실시예에 따라, 유도 모터에 제어 장치가 접속될 때 인버터를 기초로 한 유도 모터 제어 장치의 프로토타입(prototype)으로부터 얻은 것이다.
상기 테스트 조건은 다음과 같다.
1. 사용된 모터 : 5.5KW/4극
2. 전원 전압 : 220V
3. 무부하 작동 상태에서의 최적 역률 : 45%
4. 전체 부하 작동 상태에서의 최적 역률 : 83%
5. 무부하 작동 상태에서의 모터 전압 : 50V
6. 모터 부하값 : 무부하
7 : 인버터 출력 주파수 : 50Hz
상기 테스트 데이타로부터 분명하듯이, 본 발명에 따른 유도 모터 제어 장치는, 무부하 상태에서 동작할 때, 상기 장치가 사용되지 않을 때에 흐르는 전류의 10분의 1정도로 모터 전류를 감소시킬 수 있다. 부가로, 유효 전력은 약 65.7%까지 감소시키고, 비효율 전력 및 피상 전력은 장치가 사용되지 않는 경우의 약 10분의 1정도로 각각 감소시킬 수 있다. 더우기, 모터의 코우킹 또는 스톨링에 관계된 문제는 일어나지 않으며, 매우 안정된 동작을 행한다.
상기 기술한 본 발명의 각각의 실시예에 있어서, 모터의 유효 전력(W)은 부하 변동 파라미터로서 이용된다. 그러나, 유효 전력 대신에 부하 변동 파라미터로서 모터 인가 전압이나 모터 전류를 동일하게 이용할 수도 있다.
부가로, 내부에 기억된 이미 설정된 임의 역률값을 갖는 메모리로서 지정된 역률 발생 회로(134)가 필요에 따라 사용자에 의해 선택될 수 있다.
상기로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 유도 모터 제어 장치는 간단한 구성으로 될 수 있으며, 그로 인해, 제조 비용이 적게들고, 역률 설정값의 수동 조작없이 광범위한 부하 상태에서도 유도 모터의 에너지 절약 작동을 행한다.
Claims (7)
- 유도 모터(12)에 인가되는 교류 전원(10)의 전력 공급을 제어하기 위한 유도 모터 제어 장치에 있어서, 상기 교류 전원과 유도 모터 사이에 결합되어, 유도 모터에 공급되는 전압 크기를 변동시키기 위한 제어 가능한 전압 조정 수단(46); 상기 유도 모터가 작동하고 있는 검출 역률값(Pfm)을 얻기 위한 역률 검출 수단(18); 상기 유도 모터와 부하 레벨이 대응하는 값으로 부하 변동 파라미터(W)를 발생하기 위한 수단(28,30,32); 상기 부하 변동 파라미터를 역률(COMP.Pfs)의 최적값으로 변환하기 위하여, 상기 변동 파라미터의 각각의 값에 의해 표시된 최소 제한과 최대 제한 사이의 상기 모터의 연속 증가 레벨에 따라, 최소 제한과 최대 제한 사이의 범위내에서 상기 최적 역률의 연속 증가하는 값을 발생하는 최적 역률 발생 회로 수단(36); 상기 최적 역률값과 상기 검출 역률값 사이의 차이값을 유도하기 위한 비교기 수단(42)과; 상기 전압 조정 수단을 제어하기 위해 상기 차이값을 인가하기 위한 수단(54)을 포함하여, 유도 모터에 인가되는 상기 전압의 크기를 변화시켜 상기 차이값을 감소시키는 것을 특징으로 하는 유도 모터 제어 장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 역률 검출 수단은, 설정된 주기 수 동안에 상기 유도 모터의 권선에 흐르는 전류의 실효값[IU(rms)]을 주기적으로 얻기 위한 수단(CT,22); 상기 설정된 주기수 동안에 유도 모터의 권선에 인가된 교류 전압의 실효값[VUV(rms)]을 주기적으로 얻기 위한 수단(16,24); 피상 전력(P)의 값으로서 상기 실효 전류 및 실효 전압의 곱을 얻기 위한 수단(26); 유효 전력(W)에 값으로서 적어도 한 주기 동안에 상기 유도 모터의 권선에 인가된 교류 전류(IU) 및 전압(VUV)의 곱을 얻기 위한 수단(CT, 146,28)과; 상기 검출 역률(Pfm)을 얻기 위하여 상기 피상 전력으로 상기 유효 전력을 나누는 수단(35)을 구비하는 것을 특징으로 하는 유도 모터 제어 장치.
- 제 2 항에 있어서, 상기 부하 변동 파라미터는 상기 유효 전력(W)의 값인 것을 특징으로 하는 유도 모터 제어 장치.
- 제 2 항에 있어서, 유효 전력 값을 얻기 위한 상기 수단은, 상기 유도 모터의 권선에 인가된 전압 레벨과, 상기 권선에 흐르는 전류의 레벨을 연속 승산시키는 승산기(28)와, 상기 유효 전력값으로서 상기 승산기에서 생성된 출력 신호의 평균값을 얻기 위한 평균 회로 수단(30,34)을 구비하는 것을 특징으로 하는 유도 모터 제어 장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 전압 조정 수단은 정류기 회로 수단(104)과, 정류기 회로 수단으로부터 직류 전력을 공급을 받기 위해 접속되어 유도 모터에 공급된 상기 전압의 주파수를 변화시키기 위한 제어 가능한 직류-교류 인버터 수단(108)을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 유도 모터 제어 장치.
- 제 5 항에 있어서, 상기 인버터 수단은 최적 역률과 검출 역률 사이의 차이값에 따라 결정되는 펄스폭의 평균값을 갖는 펄스폭 변조된 제어 신호를 공급하는 것을 특징으로 하는 유도 모터 제어 장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 최적 역률 발생 회로 수단은, 역률(Pfs)의 임의 지정된 값을 발생하기 위한 역률 지정 수단(37); 보상값(COMP)을 얻기 위해 이미 결정된 함수에 따라 상기 부하 변동 파라미터를 변환시키기 위한 함수 변환 수단(38)과; 역률의 최적값(COMP.Pfs)을 얻기 위해 상기 보상값과 함께 역률의 상기 지정된 값에 따라 동작하기 위한 수단(39)을 포함하는 것을 특징으로 하는 유도 모터 제어 장치.
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