KR100848561B1

KR100848561B1 - 인버터의 과전압 억제를 위한 유도 전동기 감속 제어 장치및 방법

Info

Publication number: KR100848561B1
Application number: KR1020060139082A
Authority: KR
Inventors: 이경주
Original assignee: 엘에스산전 주식회사
Priority date: 2006-12-29
Filing date: 2006-12-29
Publication date: 2008-07-25
Also published as: KR20080062897A

Abstract

본 발명은 유도 전동기의 감속 제어 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유도 전동기의 감속 정지 시에 발생하는 구동용 인버터의 과전압 트립을 억제하는 유도 전동기의 감속 제어 장치 및 방법에 관한 것이다. 일반적으로 에너지 흐름이 양방향으로 지원할 수 없는 인버터 시스템에서, 감속 시에 유도 전동기의 관성, 부하의 관성 및 감속시간에 의해서 필터콘덴서에 직류링크전압이 충전된다. 이 직류링크전압은 큰 관성과 짧은 감속시간에 의해서 상승하게 되고, 인버터의 보호 전압 레벨 이상이 되면 인버터의 출력을 차단한다. 상기의 문제점을 감안하여 창안한 본 발명의 목적은 유도 전동기의 감속 시에 필터콘덴서에 충전되는 상기 직류링크전압을 검출하고, 직류링크전압의 크기 수준에 따라서 인버터의 출력 주파수를 제어함으로써 인버터에 과전압 트립이 발생하지 않도록 하는 감속 제어 장치 및 방법을 제공함에 있다. 본 발명은 직류링크전압의 크기 수준에 의해 3가지 모드 중 하나를 선택하여 수행하는 마이크로 컨트롤러를 포함하여 구성되는데, 사용자가 설정하여 입력한 소정 감속시간에 의해서 출력 주파수를 제어하는 정상 감속모드, 직류링크전압이 소정 제1 기준전압 이상이 되면 직류링크전압의 변화량에 의해 출력 주파수를 제어하는 제1 수정 감속모드, 직류링크전압이 제2기준전압 이상이 되면 직류링크전압을 일정한 값으로 유지하는 제2 수정 감속모드로 구성된다. 본 발명은 과전압 트립을 방지하여 유도 전동기 및 인버터의 운전 효율을 향상시키고, 안정성을 보장하는 효과가 있다.

인버터, 유도 전동기, 과전압 트립, 직류링크전압, 감속모드

Description

인버터의 과전압 억제를 위한 유도 전동기 감속 제어 장치 및 방법{DECELERATION APPARATUS AND METHOD OF AN INDUCITION MOTOR FOR CONTROLLING OVERVOLTAGE OF AN INDUCTION MOTOR DRIVING INVERTER}

도1은 일반적인 유도 전동기 제어 장치의 구성을 보인 블록도이다.

도2는 본 발명에 따른 마이크로 컨트롤러의 구성을 보인 블록도이다.

도3은 본 발명에 따른 직류링크전압으로부터 출력 주파수를 산출하는 방법을 도시한 흐름도이다.

도4는 본 발명에 따른 제2 수정 감속모드 시의 출력 주파수 제어를 보인 블록도이다.

*****도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*****

10:교류 전원 20:컨버터

30:필터콘덴서 40:인버터

50:유도 전동기 60:마이크로 컨트롤러

61:입력부 62:선택부

63:연산부 64:출력부

본 발명은 유도 전동기의 감속 제어 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유도 전동기의 감속 정지 시에 발생하는 구동용 인버터의 과전압 트립을 억제하는 유도 전동기의 감속 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.

종래의 인버터를 이용한 유도 전동기 구동 시스템에서, 회전중인 유도 전동기 감속 정지 방법에는 크게 3가지의 방법이 있다. 제1방법은 인버터에서 유도 전동기에 가해지는 주파수를 미리 정해진 감속시간에 의해 일정한 기울기를 가지고 낮추는 방법이고, 제2방법은 정지신호와 함께 유도 전동기의 고정자에 직류 전류(Direct Current)를 흘리는 방법이고, 제3방법은 제1방법의 소정 주파수에서 유도 전동기에 가해지는 전압을 상대적으로 증가시키는 방법이다.

종래의 유도 전동기 감속 정지 방법 중 제1방법은 회전중인 유도 전동기의 회전 속도보다 고정자에 가해지는 주파수의 회전 속도 환산량이 작다면 유도 전동기의 슬립이 부(-)가 되어 유도 전동기에 제동 토크가 발생하여 감속된다. 제1방법은 회전중인 회전자의 운동에너지가 필터콘덴서로 반환되므로 필터콘덴서의 직류링크전압이 상승하게 되어 심각한 오류를 발생시킨다. 이러한 제1방법의 문제점을 해결하기 위해 저항을 사용하여 방전시키거나 과전압 트립을 발생시켜야 한다.

종래의 유도 전동기 감속 정지 방법 중 제2방법은 고정자에 흐르는 직류 전류에 공간적으로 고정된 자속이 발생하며 이에 따라 회전자에는 전류가 유기되고, 이 유기된 전류에 의해 제동 토크가 발생하여 감속된다. 제2방법은 회전자의 운동 에너지가 회전자의 저항손으로 소비되므로 회전자의 온도가 급격히 상승시키고, 이 회전자의 온도 상승은 고정자에 직접적으로 영향을 주어 고정자 권선의 온도도 상승하게 되므로 전동기의 효율이 감소된다.

종래의 유도 전동기 감속 정지 방법 중 제3방법은 제1방법의 소정 주파수에서 유도 전동기에 가해지는 전압을 상대적으로 증가시켜서 제1방법의 제동 토크에 더하여 고정자 권선에 저항손이 발생하게 하며, 이 저항손은 회전자의 운동 에너지로 공급되므로 추가적인 제동 토크가 발생하여 감속된다. 제3방법 역시 회전자의 운동 에너지의 일부가 고정자의 저항손으로 소비되어 필터콘덴서의 직류링크전압을 상승시킨다.

도 1은 일반적인 유도 전동기 제어 장치의 구성을 보인 블록도로서, 이에 도시된 바와 같이, 교류 전원(10)과; 상기 교류 전원(10)의 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 컨버터(20)와; 상기 직류 전압을 평활화하는 필터콘덴서(30)와; 상기 필터콘덴서의 직류 전압을 교류 전압으로 변환하는 인버터(40)와; 상기 인버터(40)의 교류 전압에 의해 구동되는 유도 전동기(50); 및 출력 주파수를 제어하는 마이크로 컨트롤러(60)로 구성된다.

종래의 유도 전동기 감속 정지 방법은 소정 감속시간에 의해 일정한 값을 가지는 주파수 변화량만큼 출력 주파수를 감소시키게 되는데, 이 경우 상기 필터콘덴서(30)에 인가되는 직류링크전압이 제동 토크에 비례하여 증가하게 된다. 이러한 제동 토크는 인버터의 출력 주파수의 감속 기울기와 유도 전동기 및 부하의 총 관성에 의해 결정되는데, 급격한 감속 기울기와 관성이 큰 경우에는 직류링크전압이 크게 상승하게 된다. 만약 직류링크전압이 소정 기준전압, 즉, 인버터 허용 레벨 이상이 되면 과전압 트립을 발생시키고, 인버터의 출력을 차단하여 유도 전동기는 Free-Run 상태가 되며, 사고의 원인이 되는 문제점이 있다.

상기와 같은 문제점을 감안하여 창안한 본 발명의 목적은, 인버터를 이용한 유도 전동기 구동 시스템의 감속 정지에 있어서, 직류링크전압의 급격한 증가에 의해 유발되는 과전압 트립을 억제하고, 원활하게 인버터를 운전할 수 있도록 하기 위한 유도 전동기 감속 제어 장치 및 방법을 제공함에 있다.

상기와 같은 문제점을 감안하여 창안한 본 발명의 또 다른 목적은, 감속 정지 시에 발생하는 직류링크전압을 새로운 하드웨어의 추가 없이 검출하고, 검출한 직류링크전압의 급격한 증가를 억제함과 아울러 출력 주파수를 제어하는 유도 전동기 감속 제어 장치 및 방법을 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 유도 전동기 감속 제어 장치는, 교류 전원과; 상기 교류 전원의 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 컨버터와; 상기 직류 전압을 평활화하는 필터콘덴서와; 상기 필터콘덴서의 직류 전압을 교류 전압으로 변환하는 인버터와; 인버터에 의해 구동되는 유도 전동기로 구성되는 유도 전동기 구동 시스템에 있어서, 인버터의 출력 주파수를 제어하기 위한 마이크로 컨트롤러를 포함하여 구성된다.

상기 마이크로 컨트롤러는 상기 필터콘덴서의 직류링크전압, 정지신호, 인버터의 운전 주파수와 감속시간을 입력받는 입력부와, 상기 직류링크전압을 소정 전 압과 비교하여 소정 감속모드를 선택하는 선택부와, 주파수 변화량 및 출력 주파수를 산출하는 연산부와, 출력 주파수를 인버터로 출력하는 출력부로 구성된다.

이하, 본 발명에 의한 유도 전동기 감속 제어 장치의 구성 및 작용을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 마이크로 컨트롤러의 구성을 보인 블록도로서, 이에 도시한 바와 같이, 도 1의 상기 필터콘덴서(30)로부터 상기 직류링크전압(VDC), 정지신호, 인버터의 운전주파수와 감속시간을 입력받는 입력부(61)와; 상기 정지신호가 입력되면, 상기 직류링크전압을 제1 기준전압(VREF1) 및 제2 기준전압(VREF2)과 비교하고, 직류링크전압의 크기 수준에 의해 감속모드를 선택하는 선택부(62)와; 상기 선택부(62)에 의해 선택된 감속모드에 의해 주파수 변화량 및 출력 주파수를 산출하는 연산부(63)와; 출력 주파수를 인버터로 출력하는 출력부(64);로 구성된다.

상기 입력부(61)는 유도 전동기의 감속 정지 시에 필터콘덴서에 유발되어 저장되는 직류링크전압을 검출하여 입력받고, 사용자에 의해 설정된 감속시간, 인버터의 운전주파수를 입력받는다. 또한, 인버터의 운전 시에 정지신호를 입력받게 된다.

상기 선택부(62)는 상기 입력부(61)로 입력된 상기 직류링크전압의 크기와 사용자에 의해 설정한 소정 제1 기준전압 및 제2 기준전압의 크기를 비교한다. 여기서 상기 제2 기준전압은 상기 제1 기준전압보다 크다.

또한, 상기 선택부(62)는 상기 직류링크전압의 크기 수준에 의해 기설정되어 있는 정상 감속모드(Normal Deceleration Mode), 제1 수정 감속모드(Adjusted Deceleration Mode 1), 제2 수정 감속모드(Adjusted Deceleration Mode 2) 중 하나의 감속모드를 선택한다.

상기 연산부(63)는 상기 선택부(62)에 의해 선택된 감속모드에 따라 주파수 변화량을 산출한다. 상기 정상 감속모드에서의 주파수 변화량은 소정 감속시간에 의해 일정한 값을 가지고, 상기 제1 수정 감속모드에서는 상기 직류링크전압의 변화량에 의해 변화된 새로운 주파수 변화량을 산출하게 되며, 상기 제2 수정 감속모드에서는 일정한 값의 주파수 변화량만큼 출력 주파수를 감소시킨다. 또한, 산출한 주파수 변화량에 의해 출력 주파수를 산출하고, 상기 출력부(64)에 의해 인버터로 출력하게 된다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 유도 전동기 감속 제어 방법은, 인버터를 이용한 유도 전동기 구동 방법에 있어서, 직류링크전압, 정지신호, 인버터 운전주파수 및 감속시간을 입력받는 단계와; 상기 정지신호가 입력되면, 상기 직류링크전압을 소정 제1 기준전압 및 상기 제1 기준전압보다 높은 소정 제2 기준전압과 크기를 비교하고, 상기 직류링크전압의 크기에 따라 소정 감속모드를 선택하는 단계와; 선택된 상기 감속모드에 따라 주파수 변화량 및 출력 주파수를 산출하는 단계와; 전 단계에서 산출한 상기 출력 주파수를 출력하는 단계;로 구성된다.

이하, 본 발명에 의한 유도 전동기 감속 제어 방법에 있어서, 출력 주파수를 제어하는 단계를 중심으로 본 발명에 의한 제어 방법의 구성 및 작용을 첨부한 도 면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 직류링크전압으로부터 출력 주파수를 산출하는 방법을 도시한 블록도로서, 이에 도시한 바와 같이, 직류링크전압(VDC[n])을 입력받아 출력 주파수(F_out[n])를 산출하여 출력한다.

먼저 상기 필터콘덴서로부터 검출되어 입력된 직류링크전압(VDC[n])과 제1 기준전압(VREF1)을 비교하여, 직류링크전압이 제1기준전압 미만이면 정상 감속모드(Normal Decerelation Mode)를 수행하고, 직류링크전압이 제1 기준전압 이상이면 제1 수정 감속모드(Adjusted Deceleration Mode 1)을 수행한다. 또한, 직류링크전압을 제2 기준전압(VREF2)과 비교하여, 직류링크전압이 제2 기준전압 이상이면 제2 수정 감속모드(Adjusted Deceleration Mode 2)를 수행한다.

본 발명에 의한 유도 전동기 감속 제어 장치 및 방법에 있어서, 감속모드는 정상 감속모드, 제1 수정 감속모드, 및 제2 수정 감속모드의 3 가지 감속모드 중 하나를 선택하게 되어 있으며, 선택된 감속모드에 따라 산출되는 출력 주파수가 달라지게 된다.

상기 정상 감속모드는 직류링크전압이 제1 기준전압 미만인 경우에 수행되는 감속모드이다. 주파수 변화량은 소정 감속시간에 의해 일정한 값을 갖는다. 출력 주파수의 기울기는 상기 주파수 변화량에 의해 일정하게 유지된다. 즉, 출력 주파수는 하기의 수식에 의해 일정한 주파수 변화량(

F)만큼 감소하게 된다.

F_out[n] = F_out[n-1] - F

상기 제1 수정 감속모드는 직류링크전압이 제1 기준전압 이상인 경우에 수행되는 감속모드이다. 이 모드에서는, 감속 기울기가 급격하여 주파수 변화량이 큰 경우에 해당한다. 이 감속모드는 하기의 수식에 의해 직류링크전압의 변화량으로 주파수 변화량을 제어하게 된다. 현재 직류링크전압 VDC[n]이 이전 주기의 직류링크전압 VDC[n-1]보다 큰 경우에 있어서, 직류링크전압의 차이에 비례이득상수 K1을 곱한다. 주파수 변화량

F에서 직류링크전압의 차이에 K1을 곱한 값을 뺀 값을 새로운 주파수 변화량

F_new으로 산출하고, 상기 새로운 주파수 변화량

F_new에 따라 출력 주파수를 감소시킴으로써 직류링크전압의 상승을 억제한다.

F_new = F - K1 * (VDC[n] - VDC[n-1])

F_out[n] = F_out[n-1] -

F_new

(단, K1는 비례 이득 상수, n=1,2,...은 주기)

상기 제2 수정 감속모드는 제1 수정 감속모드에 의해서도 직류링크전압 상승이 억제가 되지 않아 직류링크전압의 크기가 제2 기준전압보다 커지는 경우에 수행하는 감속모드이다. 이 감속모드에서는, 직류링크전압을 제2 기준전압으로 일정하게 유지하도록 제어하면서 출력 주파수를 감속한다.

도 4는 본 발명에 따른 제2 수정 감속모드의 일 실시예로서, 비례적분미분 제어(이하, PID 제어)에 의해 수행되는 제2 수정 감속모드 시의 출력 주파수 제어를 보인 블록도이다. 이에 도시한 바와 같이, 입력되는 직류링크전압을 PID 제어에 의해 제2 기준전압(VREF2)으로 일정하게 유지하고, 주파수 변화량

F도 일정하게 유지하게 된다. 따라서, 출력 주파수를 일정한 주파수 변화량만큼 감속하면서, 인버터의 과전압 트립을 방지할 수 있게 된다.

다시 말해서, 본 발명은 유도 전동기의 감속 정지 시에 정지신호가 입력되면, 상기 필터콘덴서로부터 매주기마다 검출되는 직류링크전압을 입력받아, 소정 제1 기준전압 및 소정 제2 기준전압과 그 크기를 비교하고, 직류링크전압의 크기 수준에 따라 3 가지 감속모드 중 하나를 선택하여 출력 주파수(F_out)를 제어한다. 직류링크전압이 제1 기준전압 미만이면 소정 감속시간에 의해 산출되는 일정한 주파수 변화량만큼 출력 주파수를 감소한다. 그러나, 직류링크전압이 제1기준전압 이상이면, 과전압 트립을 발생시키고 감속 정지를 중지하는 것이 아니라, 이전 주기의 직류링크전압과 현재 주기의 직류링크전압의 차만큼 주파수 변화량에 반영하여 출력 주파수의 감소량을 줄인다. 또한, 제1 기준전압보다 큰 제2 기준전압을 설정하고, 만약 직류링크전압이 제2 기준전압 이상이 되면, 직류링크전압을 제2 기준전압으로 일정하게 유지시키고, 출력 주파수를 다시 일정한 주파수 변화량만큼 감소시킨다. 이 경우에는 PID 제어기를 이용하여 구성할 수 있다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 유도 전동기 감속 제어 장치 및 방법은, 인버터를 이용한 유도 전동기 구동 시스템에 있어서, 감속 정지 시에 상기 필터콘덴서에 유발되는 직류링크전압에 의해 발생하는 인버터의 과전압 트립을 억제하는 효과가 있다. 특히 감속시간이 짧거나 관성이 크더라도 직류링크 전압 및 출력 주파수를 제어하여 과전압 트립을 방지하여 유도 전동기 및 인버터의 운전 효율을 향상시키고, 안정성을 보장하는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 의한 유도 전동기 감속 제어 장치 및 방법은, 감속 정지 시에 발생하는 직류링크전압을 새로운 하드웨어의 추가 없이 검출하고, 검출한 직류링크전압의 급격한 증가를 억제하여 유도 전동기 및 인버터의 가동연한을 증가시키므로 운용 비용을 절감하는 효과가 있다.

Claims

입력 전원의 교류 전압으로부터 변환된 직류 전압을 평활화하는 필터콘덴서와;

상기 필터콘덴서에 충전되는 직류링크전압의 크기와 제1 기준전압 및 상기 제1 기준전압보다 높은 제2 기준전압의 크기를 비교하고, 상기 직류링크전압의 크기 수준에 따라 주파수 변화량을 산출하여 출력 주파수를 제어하는 마이크로 컨트롤러;를 포함하고, 상기 제1 기준전압 및 제2 기준전압은 미리 설정되는 것을 특징으로 하는 유도 전동기의 감속 제어 장치.
제1 항에 있어서, 상기 마이크로 컨트롤러는,

직류링크전압, 정지신호, 인버터 운전주파수 및 감속시간을 입력받는 입력부와;

상기 정지신호가 입력되면, 상기 직류링크전압의 크기와 상기 제1 기준전압 및 제2 기준전압의 크기를 비교하고, 상기 직류링크전압의 크기 수준에 따라 감속모드 중 하나를 선택하는 선택부와;

상기 선택부에서 선택된 감속모드에 따라 주파수 변화량 및 출력 주파수를 산출하는 연산부와;

상기 출력 주파수를 출력하는 출력부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유도 전동기의 감속 제어 장치.
제2 항에 있어서, 상기 감속 모드는,

상기 감속시간에 의해 결정되는 주파수 변화량으로 출력 주파수를 일정하게 감소시키는 정상 감속모드와;

상기 직류링크전압이 상기 제1 기준전압 이상이고 상기 제2 기준전압 미만이면, 상기 정상 감속모드의 주파수 변화량, 직류링크전압의 변화량과 소정 비례이득상수에 의해 새로운 주파수 변화량을 산출하고, 상기 새로운 주파수 변화량으로 출력 주파수를 감소시키는 제1 수정 감속모드와;

상기 직류링크전압이 상기 제2 기준전압 이상이면, 상기 직류링크전압을 상기 제2 기준전압으로 일정하게 유지하는 제2 수정 감속모드; 중 하나인 것을 특징으로 하는 유도 전동기의 감속 제어 장치.
제3 항에 있어서, 상기 마이크로 컨트롤러는,

상기 제2 수정 감속모드를 수행하는 비례적분미분기를 포함하는 것을 특징으로 하는 유도 전동기의 감속 제어 장치.
인버터를 이용한 유도 전동기 구동 방법에 있어서,

직류링크전압, 정지신호, 인버터 운전주파수 및 감속시간을 입력받는 단계와;

상기 정지신호가 입력되면, 상기 직류링크전압을 소정 제1 기준전압 및 상기 제1 기준전압보다 높은 소정 제2 기준전압과 크기를 비교하는 단계와;

상기 직류링크전압의 크기 수준에 따라 소정 감속모드를 선택하는 단계와;

선택된 상기 감속모드에 따라 주파수 변화량 및 출력 주파수를 산출하는 단계와;

산출한 상기 출력 주파수를 출력하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유도 전동기의 감속 제어 방법.
제5 항에 있어서, 상기 감속모드를 선택하는 단계는,

상기 감속시간에 의해 결정되는 주파수 변화량으로 출력 주파수를 일정하게 감소시키는 정상 감속모드와,

상기 직류링크전압이 상기 제1 기준전압 이상이고 상기 제2 기준전압 미만이면, 상기 정상 감속모드의 주파수 변화량, 직류링크전압의 변화량과 소정 비례이득상수에 의해 새로운 주파수 변화량을 산출하고, 상기 새로운 주파수 변화량으로 출력 주파수를 감소시키는 제1 수정 감속모드와,

상기 직류링크전압이 상기 제2 기준전압 이상이면, 상기 직류링크전압을 상기 제2 기준전압으로 일정하게 유지하는 제2 수정 감속모드 중 하나의 감속모드를 선택하는 단계;를 특징으로 하는 유도 전동기의 감속 제어 방법.
제6 항에 있어서,

상기 제2 수정 감속모드를 수행함에 있어서, 비례적분미분 제어를 이용하는 것을 특징으로 하는 유도 전동기의 감속 제어 방법.