KR100398223B1 - 유도 전동기의 토오크 및 출력 제어방법 - Google Patents

Abstract

토오크분 전류를 변화시켜 유도전동기의 정토오크영역과 정출력 영역의 경계점을 조절하는 유도전동기의 토오크 및 출력 제어방법에 있어서, 상기 유도전동기의 시동시부터 임의의 속도지점까지 일정한 토오크분 전류값을 유지하는 단계와, 상기 임의의 속도지점으로부터 상기 토오크분 전류값을 변화시켜 정격 토오크분 전류값으로 접근하도록 상기 토오크분 전류값을 조절하는 단계와, 상기 토오크분 전류값이 조절됨에 따라 상기 경계점이 그에 상응하여 조절되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유도전동기의 토오크 및 출력 제어방법.

Description

유도 전동기의 토오크 및 출력 제어방법{Method of Controlling Torque and Power of Induction Motor}

본 발명은 유도전동기의 토오크 및 전력 제어방법에 관한 것으로써, 좀더 상세하게는 유도전동기의 토오크 성분 전류의 크기를 조정하여 유도전동기의 토오크 및 전력을 제어하는 유도전동기의 토오크 및 전력 제어방법에 관한 것이다.

일반적으로 유도전동기는 교류전원을 입력받아 구동되는 교류전동기의 일종으로서 회전하지 않는 고정자와 회전할 수 있는 회전자로 이루어지며, 고정자권선에 전류를 인가하여 회전자계가 발생되면, 회전자권선에 유도전류가 흘러서 토오크가 발생되고 이 토오크에 의해 회전자가 회전하도록 되어 있다.

상기와 같은 유도전동기는 유도전동기로 공급되는 전원의 주파수 및 전압레벨을 조절함으로써 유도전동기의 속도를 제어할 수 있다.

유도전동기는 현재 연료전기 자동차와 순수 전기자동차 그리고 직렬형 하이브리드 전기 자동차에서 파워트레인으로 사용되어지고 있는데, 이러한 유도전동기의 출력과 토오크를 제어하는 것은 차의 동력성능을 결정하는 가장 중요한 요소라고 할 수 있다. 따라서, 유도전동기의 벡터제어에 있어서 일정토오크와 일정출력을 제어하는 것은 전기자동차에 있어서 매우 중요한 일이다.

도 1에는 종래 유도전동기의 일반적인 출력 특성곡선이 도시되어 있다. 상기 특성곡선에서는 기준 속도(3600rpm)이하에서는 정토오크 특성을 나타내고 그 이상에서는 정출력특성을 나타냄을 알 수 있다. 또한, 스톨영역의 시작점에서부터는 출력이 급격히 감소되는데 이것은 유도전동기와 인버터의 고유특성에 의한 것이다.

일반적으로 유도전동기의 동작시에는 회전속도에 따라 역기전압이 발생되는 바, 상기한 역기전압이 회전속도에 따라 비례적으로 증가되면 모터에 인가되는 구동전압보다 커지는 일이 발생되기 때문에 이를 방지하기 위하여 자속을 회전속도에 반비례하도록 감소시키는 약계자 제어를 하게 된다.

즉, 모터의 회전속도에 따라 자속이 반비례 감소됨으로써 토오크를 감소시키고, 이로 인해 역기전압이 구동전압보다 커지는 것을 방지하게 되는 것이다.

그러나, 상기한 바와 같이 자속을 회전속도에 반비례하도록 감소시키게 되면 고속 영역에서 구동토오크의 손실이 너무 크기 때문에 고속 영역에서 상기한 구동토오크를 최대한 사용할 수 있도록 하기한 바와 같이 약계자 영역을 제어하게 된다.

유도전동기의 운전상태를 정상상태(무부하, 정속운전)일 때로 가정하고, 수학식 1에 따라 결정되는 인버터의 전압 및 전류 제한조건과 수학식 2에 따른 고정자 동기 좌표계 전압 방정식(모터 방정식)을 연립하여 풀면 도 2에 도시된 바와 같이 전류평면에서 전압제한은 타원으로 나타나고 전류제한은 원으로 나타나게 된다.

: 동기 좌표계 자속분 전류

: 동기 좌표계 토오크분 전류

: 동기 좌표계 자속분 전압

: 동기 좌표계 토오크분 전압

: 고정자 저항값

: 회전수(r.p.m.)

: 고정자 인덕턴스

: 누설 팩타

한편, 정격전류와 정격토오크의 관계식인 수학식 3으로부터 동기 좌표계 자속분 전류을 구할 수 있다.

상기 수학식 3으로부터 얻어진 동기 좌표계 자속분 전류를 이용하면 약계자 영역의 시작점을 구할 수 있다. 먼저, 정격 고정자 전압이나 정격출력을 알고 있다면 약계자 영역의 시작점을 얻을 수 있다.

(1) 정격 고정자 전압을 알고 있을 경우

이 경우에는 다음의 수학식 4로부터 약계자 영역의 시작점을 알 수 있다.

(r.p.m)

(2) 정격 출력을 알고 있는 경우

위에서 구한 약계자 시작점은 고정자 전압이나 고정자 전류의 정격값에 따라서 바뀌게 된다. 하지만, 전력 리미트나 토오크 리미트를 일정한 비율로 증감시킨다면 약계자 시작점은 일정한 값을 유지하게 되며, 다음의 수학식 5로부터 약계자 영역의 시작점을 알 수 있다.

: 정격 전력

: 정격 토오크

: 자극쌍 수

: 슬립주파수

한편, 유도전동기의 고속 운전 특성은 최대 토오크로 운전할 수 있도록 전류 제한조건과 전압제한 조건으로부터 스톨(stall)운전 영역의 시작점이 구해진다.

저항에서의 전압강하 성분을 무시하게 되면 수학식 1 및 수학식 2로부터 다음의 수학식 6이 얻어진다.

또한, 전압제한 조건을 만족하면서 최대 토오크를 만드는 전류의 조합은 다음의 수학식 7과 같다.

상기 수학식 7을 전류제한식에 대입하면 다음의 수학식 8과 같은 관계를 얻을 수 있다.

이상과 같은 내용에 의해 스핀들 모터의 약계자 운전/스톨 운전 시작점을 각각 추출하면 모터의 정출력 운전영역을 추출할 수 있다. 아래 수학식 9는 다시 한번 약계자 운전 시작점과 스톨 운전 시작점을 제시하고 있다.

: 약계자 시작점

: 스톨 시작점

일반적으로 약계자 시작점은 정격 토오크와 정격 파워가 같은 전동기라면 같은 값을 갖는다. 하지만, 스톨영역의 시작점은 전동기의 특성에 따라서 달라지게 된다. 스핀들 모터의 경우에는 특히 이런 스톨영역 시작점의 값이 크면 클수록 정출력 영역이 넓어지게 되므로 유리하다고 할 수 있으며, 스핀들 모터의 성능을 결정짓는 가장 중요한 요소라 할 수 있다.

그러나, 종래에는 유도전동기의 토오크분 전류를 초기부터 일정하게 유지함으로써 정토오크영역과 정출력 영역의 경계점을 변경할 수 없는 문제점이 있었다. 즉, 동력특성이 우수한 경계점과 가속성능이 우수한 경계점을 필요에 따라 가변시킬 수 없어서 유도전동기의 운용범위가 상당히 좁아진다는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로써 본 발명의 목적은 토오크 성분 전류의 크기를 조정함으로써 전동기의 정토크영역과 정출력영역의 경계점을 조절하여 특성에 따른 유도전동기 운용을 가능하도록 하는 유도전동기의 토오크 및 출력 제어방법을 제공하는 것이다.

도 1은 종래 유도전동기의 출력특성 곡선.

도 2는 전류평면에서의 유도전동기의 전압제한곡선과 전류제한곡선.

도 3은 본 발명에 따른 토오크분 전류변화에 따른 출력 및 토오크 특성곡선.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 토오크분 전류를 변화시켜 유도전동기의 정토오크영역과 정출력영역의 경계점을 조절하는 유도전동기의 토오크 및 출력 제어방법에 있어서, 상기 유도 전동기의 토오크분 전류값이 시동초기부터 스톨 시작점까지 상기 정격 토오크분 전류값으로 일정하게 유지될 경우의 정토오크 영역과 정출력 영역의 경계점을 기준속도지점으로 설정하는 단계와, 상기 설정된 정토오크 영역과 정출력 영역의 경계점을 기준속도지점을 기준으로 유도전동기의 시동시부터 임의의 속도지점까지 일정한 토오크분 전류값을 유지하는 단계와, 상기 임의의 속도지점으로부터 상기 토오크분 전류값을 변화시켜 정격 토오크분 전류값으로 접근하도록 상기 토오크분 전류값을 조절하는 단계와, 상기 토오크분 전류값이 조절됨에 따라, 상기 임의의 속도 지점까지 상기 토오크분 전류값을 상기 정격 토오크분 전류값보다 크게 유지하고 또한 상기 임의의 속도지점이 상기 기준속도 지점보다 작은 제 1 의 경우에는 상기 임의의 속도지점이 정토오크 영역과 정출력 영역의 경계점이 되도록 상기 유도전동기의 출력특성을 제어하고, 상기 토오크분 전류값을 일정하게 유지하는 상기 단계에서 상기 임의의 속도 지점까지 상기 토오크분 전류값을 상기 정격 토오크분 전류값보다 작게 유지하고 또한 상기 임의의 속도지점이 상기 기준속도 지점인 제 2 의 경우에는 상기 토오크분 전류값이 상기 정격 토오크분 전류값과 일치되기 시작하는 지점이 정토오크 영역과 정출력 영역의 경계점이 되도록 상기 유도전동기의 출력특성을 제어하는 것을 특징으로 하는 유도전동기의 토오크 및 출력 제어방법을 제공한다.

또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 상기 제 1 의 경우에는 상기 경계점에서부터 토오크분 전류값이 상기 정격 토오크분 전류값에 일치하기 시작하는 구간에서 토오크분 전류값은 하기 식 1)로 나타나는 것을 특징으로 하는 유도전동기의 토오크 및 출력 제어방법을 제공한다.

식 1)

: 토오크분 전류값

: 정토오크 영역과 정출력 영역의 경계점

: 시동시부터 약계자 시작점까지의 일정한 전류값

: 속도변수

또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 상기 제 2 의 경우에는 상기 기준속도 지점에서부터 상기 경계점까지의 구간에서 토오크분 전류값은 하기 식 2)로 나타나는 것을 특징으로 하는 유도전동기의 토오크 및 출력 제어방법을 제공한다.

식 2)

: 토오크분 전류값

: 기준속도 지점

: 시동시부터 기준속도지점까지의 일정한 전류값

: 속도변수

한편. 상기 기준속도는 3600 rpm 으로 하는 것이 바람직하다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다.

도 3에는 본 실시예에 따라 토오크 성분 전류의 변화에 따른 토오크 및 출력 변화가 도시되어 있다. 한편, 자속분 전류는 유도전동기 고유의 자기특성을 포함하므로 항상 일정한 값을 유지하도록 한다.

먼저, (2)의 경우에는 종래의 일반적인 방법에 의한 것으로써, 토오크분 전류()가 정격 토오크분 전류값인로 일정하게 유도전동기에 공급될 경우에자속분 전류()의 변화에 따른 출력 특성 곡선을 얻는 방법이다.

(1)의 경우에는 본 발명에 따라, 토오크 성분 전류를 초기에 높게 유지하다가 속도에 반비례하게 감소시키는 방법이다. 이 때 토오크분 전류가 속도에 반비례하여 감소되는 구간의 토오크분 전류는 다음의 수학식 10으로 표현된다.

이상과 같이, 약계자 시작점인에서 기준 속도인(3600 rpm)까지 토오크분 전류가 제어되다가이상에서는 일정한 전류를 유지하게 된다.

이상과 같은 (1)의 방법은 고토오크 특성을 내면서 출력은 보통으로 유지하고자 할 경우에 사용할 수 있으며, 결과적으로 정출력 영역이 넓어지므로 전기자동차의 동력특성이 향상된다.

(3)의 경우에는 본 발명에 따라, 저속 영역에서는 저 토오크 특성을 유지하다가 기준 속도(3600 rpm)이상에서 토오크분 전류를 증가시켜서 출력 특성곡선을 상승시켜 일정한 출력을 유지하는 방법이다. 이 때 상승구간에서의 토오크분 전류는 다음의 수학식 11과 같이 제어된다.

이상과 같은 (3)의 방법은 저토오크 특성을 내면서 출력이 유지되기를 원하는 경우에 사용할 수 있으며, 결과적으로 전기자동차의 가속성능이 향상된다.

이상과 같이, 본 발명에 의하면 유도전동기의 토오크분 전류의 크기를 조정함으로써, 필요에 따라 전기자동차의 동력특성 및 가속성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (5)

1. 토오크분 전류를 변화시켜 유도전동기의 정토오크영역과 정출력영역의 경계점을 조절하는 유도전동기의 토오크 및 출력 제어방법에 있어서,

   상기 유도전동기의 토오크분 전류값이 시동초기부터 스톨 시작점까지 상기 정격 토오크분 전류값으로 일정하게 유지될 경우의 정토오크 영역과 정출력 영역의 경계점을 기준속도지점으로 설정하는 단계와;

   상기 설정된 정토오크 영역과 정출력 영역의 경계점을 기준속도지점을 기준으로 유도전동기의 시동시부터 임의의 속도지점까지 일정한 토오크분 전류값을 유지하는 단계와;

   상기 임의의 속도지점으로부터 상기 토오크분 전류값을 변화시켜 정격 토오크분 전류값으로 접근하도록 상기 토오크분 전류값을 조절하는 단계와;

   상기 토오크분 전류값이 조절됨에 따라 상기 임의의 속도 지점까지 상기 토오크분 전류값을 상기 정격 토오크분 전류값보다 크게 유지하고 또한 상기 임의의 속도지점이 상기 기준속도 지점보다 작은 제 1 의 경우에는 상기 임의의 속도지점이 정토오크 영역과 정출력 영역의 경계점이 되도록 상기 유도전동기의 출력특성을 제어하고, 상기 토오크분 전류값을 일정하게 유지하는 상기 단계에서 상기 임의의 속도 지점까지 상기 토오크분 전류값을 상기 정격 토오크분 전류값보다 작게 유지하고 또한 상기 임의의 속도지점이 상기 기준속도 지점인 제 2 의 경우에는 상기 토오크분 전류값이 상기 정격 토오크분 전류값과 일치되기 시작하는 지점이 정토오크 영역과 정출력 영역의 경계점이 되도록 상기 유도전동기의 출력특성을 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유도전동기의 토오크 및 출력 제어방법.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,

   상기 제 1 의 경우에는 상기 경계점에서부터 토오크분 전류값이 상기 정격 토오크분 전류값에 일치하기 시작하는 구간에서 토오크분 전류값은 하기 식 1)로 나타나는 것을 특징으로 하는 유도전동기의 토오크 및 출력 제어방법.

   식 1)

   : 토오크분 전류값

   : 정토오크 영역과 정출력 영역의 경계점

   : 시동시부터 약계자 시작점까지의 일정한 전류값

   : 속도변수
4. 제 1항에 있어서,

   상기 제 2 의 경우에는 상기 기준속도 지점에서부터 상기 경계점까지의 구간에서 토오크분 전류값은 하기 식 2)로 나타나는 것을 특징으로 하는 유도전동기의 토오크 및 출력 제어방법.

   식 2)

   : 토오크분 전류값

   : 기준속도 지점

   : 시동시부터 기준속도지점까지의 일정한 전류값

   : 속도변수
5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 기준속도는 3600 rpm 인 것을 특징으로 하는 유도전동기의 토오크 및 출력 제어방법.