KR100980054B1 - 리니어 인덕션모터 구동시스템 - Google Patents

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도요키 아사다
도시히코 세키자와
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가부시키가이샤 히타치세이사쿠쇼
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Abstract

본 발명은 흡인력을 감시하여 과대한 흡인력의 발생을 억제함으로써 안정성이 높은 리니어 인덕션모터 구동시스템을 제공하는 것이다.
이를 위하여 본 발명에서는 전기차(202)의 차상측에 가변 전압, 가변 주파수의 교류를 출력하는 전력변환장치와, 전력변환장치로부터 전력을 공급받아 리니어 인덕션모터의 1차 회로가 되는 코일 권선을 탑재하고, 지상측에 리니어 인덕션모터의 2차 도체가 되는 리액션 플레이트(203)를 설치하고, 리니어 인덕션모터에 의하여 전기차를 구동하는 리니어 인덕션모터(109)의 구동시스템에 있어서, 전기차의 차상측에 흡인력을 연산하는 제어기와, 흡인력의 연산결과가 설정된 값을 하회하도록 제어하는 흡인력 감시제어기(111)를 설치하였다. 흡인력을 연산하는 제어기는, 리니어 인덕션모터(109)에 가하는 전압, 전류, 주파수로부터 흡인력을 연산한 결과에 따라, 리니어 인덕션모터에 가하는 전압, 전류, 주파수를 보정한다.

Description

리니어 인덕션모터 구동시스템{LINEAR INDUCTION MOTOR DRIVE SYSTEM}
본 발명은, 리니어 인덕션모터 구동시스템에 관한 것으로, 특히 가변 전압, 가변 주파수의 교류를 출력하는 전력변환장치에 의하여 벡터제어를 이용하여 리니어 인덕션모터를 구동시키는 전기차의 리니어 인덕션모터의 구동시스템에 관한 것이다.
리니어 인덕션모터 전기차는, 도 2와 같이 리니어 인덕션모터(109)의 1차 회로인 코일을 차량(202)에 탑재하여, 철계의 자성재료(212)와, 자성재료(212)의 위에 설치한 알루미늄, 구리 등의 비자성 도체(211)를 조합시킨 2차 회로인 리액션 플레이트(203)를 2줄의 레일(204) 사이에 부설하고, 리니어 인덕션모터(109)의 1차 회로 코일에 3상 교류를 주어 이동 자계를 발생시키면, 이 자계는 2차 회로인 리액션 플레이트(203)의 철계의 자성재료(212) 위에 설치한 알루미늄, 구리 등의 비자성 도체(211)를 관통하여 비자성 도체(211)에 와전류가 발생하고, 와전류에 의하여 전자력(추력)이 발생하여 전기차는 주행할 수 있다.
동시에, 리니어 인덕션모터(109)와 2차 회로인 리액션 플레이트(203)의 철계의 자성재료(212) 사이에 흡인력(210) 및 반발력이 발생하나, 이 힘은 전차의 추진 에는 기여하지 않는다.
이 리니어 인덕션모터 전기차는, 종래의 전기차와 같이 구동륜에 구비하는 회전식의 전동기가 불필요하게 되기 때문에, 전기차의 저상화가 도모되고, 또 전기차를 소형으로 함으로써 단면적이 작은 터널을 주행할 수 있는 등의 장점이 있다.
리니어 인덕션모터(109)를 구동하는 제어방법은, 특허문헌 1, 2에 개시되어 있는 바와 같이 추력을 제어하기 쉽기 때문에 벡터제어가 제안되어 있다.
[특허문헌 1]
일본국 특개2000-23316호 공보
[특허문헌 2]
일본국 특개2001-28808호 공보
그러나 상기한 예에서는 도 3에 나타내는 바와 같이 리니어 인덕션모터(109)와 리액션 플레이트(203)의 철계의 자성재료(212) 사이에서 과대한 흡인력(210)이 발생하면 리액션 플레이트(203)가 과대한 힘으로 리니어 인덕션모터(109)에 흡인되어 리액션 플레이트(203)가 손상될 염려가 있었다.
또, 리니어 인덕션모터(109)와 철계의 자성재료(212) 사이에서 과대한 흡인력(210)이 발생하면 리액션 플레이트(203)를 지지하고 있는 체결장치(206) 및 침목(209)에 손상을 줄 염려가 있었다.
또, 리니어 인덕션모터(109)와 철계의 자성재료(212) 사이에서 과대한 흡인력(210)이 발생하면, 리액션 플레이트(203)의 형상이 볼록하게 변화되어 리니어 인덕션모터(109)와 리액션 플레이트(203)의 간극이 없어지기 때문에, 리액션 플레이트(203)가 리니어 인덕션모터(109)와 접촉하여 리니어 인덕션모터(109)와 리액션 플레이트(203)가 손상될 염려가 있었다.
또, 리니어 인덕션모터(109)와 리액션 플레이트(203)의 사이에서 과대한 흡인력이 발생하면, 주행저항이 커지기 때문에, 가속도가 저하하는 과제가 있었다.
본 발명의 목적은 상기 과제를 해결하기 위하여 흡인력(210)을 감시하여, 과대한 흡인력의 발생을 억제함으로써 안정성이 높은 리니어 인덕션모터 전기차 시스템을 제공하는 것에 있다.
상기 과제를 해결하기 위하여 이하의 수단을 채용한다. 리니어 인덕션모터 전기차의 구동시스템에, 흡인력을 연산하는 흡인력 감시 제어기를 구비하고, 리니어 인덕션모터에 가하는 전압, 인버터 주파수, 슬립 주파수로부터 흡인력을 연산하여, 미리 설정된 값을 초과하면, 리니어 인덕션모터에 가하는 전압, 슬립 주파수를 보정하는 지령을 내어 흡인력의 연산값이 설정된 값을 하회하도록 제어한다.
즉, 본 발명은 전기차의 차상측(車上側)에 가변 전압, 가변 주파수의 교류를 출력하는 전력변환장치와, 그 전력변환장치로부터 전력을 공급받아 리니어 인덕션모터의 1차 회로가 되는 코일 권선을 탑재하고, 지상측(地上側)에 상기 리니어 인덕션모터의 2차 도체가 되는 리액션 플레이트를 설치하여, 상기 리니어 인덕션모터에 의하여 전기차를 구동하는 리니어 인덕션모터의 구동시스템에 있어서, 상기 전기차의 차상측에 상기 코일 권선과 상기 리액션 플레이트 사이의 흡인력을 연산하는 제어기와, 상기 흡인력의 연산결과가 설정된 값을 하회하도록 제어하는 흡인력 감시 제어기를 설치한 리니어 인덕션모터 구동시스템이다.
또, 본 발명은 상기 흡인력을 연산하는 제어기는, 상기 리니어 인덕션모터에 가하는 전압, 전류, 주파수로부터 상기 흡인력을 연산한 결과에 따라, 상기 리니어 인덕션모터에 가하는 전압, 전류, 주파수를 보정하는 수단을 가지는 리니어 인덕션모터 구동시스템이다.
그리고, 본 발명은 상기 흡인력 감시 제어기는, 상기 리니어 인덕션모터에 가하는 전압, 슬립 주파수로부터 상기 흡인력을 연산하고, 그 연산결과에 따라 상기 리니어 인덕션모터에 가하는 전압을 감소시키고, 슬립 주파수를 증가시키도록 보정하는 지령을 내어 상기 흡인력의 연산값이 설정된 값을 하회하도록 제어하는 리니어 인덕션모터 구동시스템이다.
본 발명에 의하면, 리니어 인덕션모터와 리액션 플레이트의 철계의 자성재료 사이에서 발생하는 과대한 흡인력을 억제함으로써 리액션 플레이트의 변형과 손상, 리액션 플레이트를 고정하는 체결장치 및 침목의 손상, 리니어 인덕션모터의 손상, 전기차의 가속도의 저하를 방지할 수 있는 리니어 인덕션모터 전기차시스템을 제공할 수 있다.
또, 리액션 플레이트 및 체결장치 등의 지상설비의 손상을 억제함으로써 지상설비의 메인티넌스작업의 저감이 되는 교통시스템을 제공할 수 있다는 효과도 있다.
본 발명을 실시하기 위한 최선의 형태를 설명한다.
본 발명의 리니어 인덕션모터 구동시스템의 실시예에 대하여, 도면을 사용하여 설명한다.
(실시예 1)
실시예 1에 대하여, 도 1을 이용하여 설명한다. 리니어 인덕션모터(109)의 제어는, 전류지령 발생기(101), 전류제어기(102), 전압 벡터 연산부(103), PWM 제어기(104), 슬립 주파수 연산부(107), 추력 전류 연산부(112), 인버터 주파수 연산부(113)의 구성으로 이루어지는 벡터제어에, 본 실시예의 흡인력 감시제어기(111) 를 구비하고 있다.
다음에 실시예 1에서의 제어신호의 흐름에 대하여 이하에 설명한다. 전류지령 발생기(101)는, 리니어 인덕션모터(109)에 주는 여자전류지령값(Id*)과 추력 전류지령(Iq*)을 출력한다. 전압 벡터 연산부(103)는, 여자전류지령(Id*)과 추력 전류지령(Iq*)을 받고, 리니어 인덕션모터(109)의 모터정수를 이용하여 벡터 연산하여 리니어 인덕션모터에 가하는 전압지령 변조율(Vc)과 편각(δ)을 출력한다. 상기 전압지령 변조율(Vc)은, 흡인력 감시제어기(111)로 보정되고, 보정 후의 전압지령 변조율 보정후 값(Vc")을 PWM 제어기(104)에 입력한다.
PWM 제어기(104)는, 흡인력 감시제어기(111)로부터의 전압지령 보정후 값(Vc")과 전압 벡터 연산부(103)로부터의 편각(δ), 인버터 주파수 연산부(113)로부터의 인버터 주파수(Finv)를 받아 PWM 변환하고, 리니어 인덕션모터(109)를 구동하기 위한 인버터 주회로부(106)를 제어하여 리니어 인덕션모터(109)를 구동시킨다.
추력 전류검출 연산부(112)와 전류제어기(102)는, 리니어 인덕션모터(109)의 제어성능을 향상시키기 위하여 추력 전류를 피드백하는 기능으로 되어 있다. 추력 전류 연산부(112)는, 모터전류 검출기(115)로부터 모터전류(IM)을 받아, 추력 전류 검출값(Iq)을 전류제어기(102)에 출력한다. 전류제어기(102)는, 추력 전류지령(Iq*)과 추력 전류 검출값(Iq)을 비교하여 지령값과 검출값에 차가 없도록 제어하고 있다.
PWM 제어기(104)에 필요한 인버터 주파수(Finv)는, 슬립 주파수 연산부(107) 에서 전류지령 발생기(101)로부터의 여자전류지령(Id*)과, 전류제어기(102)로부터의 추력 전류지령(Id*)으로부터 슬립 주파수(Fs)를 연산하고, 상기 슬립 주파수(Fs)를 흡인력 감시제어기(111)에서 보정하여, 상기 슬립 주파수 보정후 값(Fs")과 구동륜(110)에 설치된 속도 검출기(110)로부터 출력되는 로터 주파수(Fr)를 가산기(114)로 가산하여, 생성한다.
본 실시예의 특징인 흡인력 감시제어기(111)는, 직류전압을 입력하는 필터 콘덴서전압(Ecf)과 인버터 주파수 연산부(113)로부터 인버터 주파수(Finv)를 받아, 리니어 인덕션모터(109)에 가하는 전압지령 변조율(Vc)과 슬립 주파수(Fs)를 보정하고, 전압지령 변조율 보정후 값(Vc")과 슬립 주파수 보정후 값(Fs")을 출력한다.
다음에 실시예 1에서 리니어 인덕션모터(109)와 리액션 플레이트(203)의 철계의 자성재료(212) 사이에서 발생하는 흡인력(210)의 연산방법에 대하여 설명한다.
리니어 인덕션모터(109)와 리액션 플레이트(203)의 철계의 자성재료(212) 사이에서 발생하는 흡인력(210)은, (흡인력 ∝Φ2/Fs)의 관계이다. 또 자속(Φ)은, (자속 Φ∝V/Finv)의 관계가 있다. 즉, 흡인력은 수학식 (1)에 나타내는 관계식과 같이 전압지령(V), 인버터 주파수(Finv), 슬립 주파수(Fs)로부터 크기를 연산할 수 있다.
Figure 112008005973624-pat00001
전압지령(V)은, 수학식 (2)에 나타내는 관계식과 같이 필터 콘덴서전압(Ecf)과 전압지령 변조율(Vc)로부터 산출할 수 있다.
Figure 112008005973624-pat00002
상기 수학식 (1), (2)의 연산식을 이용함으로써 리니어 인덕션모터(109)와 리액션 플레이트(203)의 철계의 자성재료(212) 사이에서 발생하는 흡인력(210)의 크기를, 필터 콘덴서전압(Ecf), 전압지령 변조율(Vc), 인버터 주파수(Finv), 슬립 주파수(Fs)로부터 연산할 수 있다.
본 실시예에서는 이 상기 연산식을 흡인력 감시제어기(111)에 구비함으로써 흡인력(210)의 크기를 연산할 수 있다.
예를 들면 흡인력(210)이 일정값을 초과한 경우, 전압지령 변조율(Vc)을 내림으로써 자속(Φ)을 저하시켜, 흡인력(210)을 억제할 수 있다.
그러나, 전압지령 변조율(Vc)을 저하시키면, 추력은 수학식 (3)에서 알 수 있는 바와 같이 전압지령(V), 인버터 주파수(Finv), 슬립 주파수(Fs)와 비례관계이고, 추력이 저하하여 전기차의 성능이 저하한다.
Figure 112008005973624-pat00003
따라서 전압지령 변조율(Vc)을 내리림과 동시에, 추력을 유지하기 위해서는 슬립 주파수(Fs)를 올리는 제어를 행한다.
이와 같이 상기 생각에 의거하여, 전압지령 변조율(Vc)과 슬립 주파수(Fs)를 보정함으로써 과대한 흡인력(210)의 발생을 억제하여 추력의 저하를 억제할 수 있다.
다음에 상기 생각에 의거하여 흡인력(210)을 연산하고 있는 흡인력 감시 제어기(111)의 제어에 대하여, 도 4의 제어블럭도를 이용하여 설명한다.
흡인력 감시제어기(111)는, 필터 콘덴서전압(Ecf), 인버터 주파수(Finv)를 받아 리니어 인덕션모터(109)에 가하는 전압지령 변조율(Vc)과 슬립 주파수(Fs)를 보정하고, 흡인력(210)을 억제하여 추력을 유지할 수 있다. 흡인력 감시 제어기(111)의 흡인력 보정블럭(410)은 (V/Finv)2/Fs의 관계로부터 흡인력(210)을 연산하여 미리 설정한 값을 초과한 경우, 흡인력(210)이 크다고 판단하여 전압지령 변조율 보정값(Vc')과 슬립 주파수 보정값(Fs')을 출력한다. 상기 전압지령 변조율 보정값(Vc')은, 감산기(411)로 전압지령 변조율(Vc)로부터 전압지령 변조율 보정값(Vc')을 감산하여, 전압지령 변조율 보정값(Vc")을 PWM 제어기(104)에 출력한다. 상기 슬립 주파수보정값(Fs')은, 가산기(412)로 슬립 주파수(Fs)와 슬립 주파수 보정값(Fs)을 가산하여, 슬립 주파수 보정후 값(Fs")을 인버터 주파수 연산기(113)에 출력한다.
다음에, 본 실시예의 흡인력 감시제어기(111)의 동작에 대하여, 도 5의 제어플로우차트를 이용하여 설명한다.
(1) 흡인력 감시제어기(111)의 흡인력 보정블럭(10)에서 전압지령(V), 인버 터 주파수(Finv), 슬립 주파수(Fs)로부터 흡인력(210)을 연산한다.
(2) 흡인력 보정블럭(410)에서 미리 설정한 값을 초과하지 않은 경우, 흡인력(210)이 작다고 추정하고, 전압지령 변조율(Vc)과 슬립 주파수(Fs)의 보정은 불필요하다고 판단하여 전압지령 변조율 보정값(Vc')과 슬립 주파수 보정값(Fs')은 0을 출력한다.
(3) 흡인력 보정블럭(410)에서 미리 설정한 값을 초과한 경우, 흡인력(210)이 크다고 추정하고, 흡인력(210)을 내리기 위하여 전압지령 변조율 보정값(Vc')을 출력하여 전압지령 변조율(Vc)을 내린다.
(4) 전압지령 변조율(Vc)을 내림으로써 흡인력(210)이 내려 간다.
(5) 전압지령 변조율(Vc)이 내려 간만큼, 추력이 저하하기 때문에 슬립 주파수 보정값(Fs')을 슬립 주파수(Fs)에 가산하여 추력을 유지한다.
이상의 실시예에 의하여 리니어 인덕션모터(109)와 리액션 플레이트(203)의 철계의 자성재료(212) 사이에서 발생하는 흡인력(210)이 과대해진 경우, 직류전압을 입력하는 필터 콘덴서전압(Ecf), 전압지령 변조율(Vc), 인버터 주파수(Finv), 슬립 주파수(Fs)로부터 흡인력(210)을 연산하여, 과대한 흡인력의 발생을 억제함으로써 리액션 플레이트(203)의 손상, 리액션 플레이트(203)를 고정하는 체결장치(206) 및 침목(209)의 손상, 리니어 인덕션모터(109)의 손상, 전기차의 가속도의 저하를 방지할 수 있는 리니어 인덕션모터 전기차 시스템을 실현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에서의 방법을 설명한 블럭도,
도 2는 리니어 인덕션모터 전기차의 단면도,
도 3은 종래기술의 과제를 설명하는 설명도,
도 4는 본 발명의 실시예에서의 흡인력 감시 제어기의 제어블럭도,
도 5는 본 발명의 실시예에서의 흡인력 감시 제어기의 제어플로우차트이다.
※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
101 : 전류지령 발생기 102 : 전류제어기
103 : 전압 벡터 연산부 104 : PWM 제어기
105 : 고압 전원 입력부 106 : 인버터 주회로부
107 : 슬립 주파수 연산부 108 : 구동륜
109 : 리니어 인덕션모터 110 : 속도검출기
111 : 흡인력 감시제어기 112 : 추력 전류검출 연산부
113 : 인버터 주파수 연산부 114 : 가산기
115 : 모터전류 검출기 202 : 차량
203 : 리액션 플레이트 204 : 레일
206 : 체결장치 207 : 볼트
208 : 갭 209 : 침목
210 : 흡인력 211 : 비자성 도체
212 : 자성재료 410 : 흡인력 보정블럭
411 : 감산기 412 : 가산기

Claims (3)

  1. 전기차의 차상측(車上側)에, 가변 전압, 가변 주파수의 교류를 출력하는 전력변환장치와, 상기 전력변환장치로부터 전력을 공급받아 리니어 인덕션모터의 1차 회로가 되는 코일 권선을 탑재하고, 지상측(地上側)에, 상기 리니어 인덕션모터의 2차 도체가 되는 리액션 플레이트를 설치하여, 상기 리니어 인덕션모터에 의하여 전기차를 구동하는 리니어 인덕션모터의 구동시스템에 있어서,
    상기 전기차의 차상측에, 상기 코일 권선과 상기 리액션 플레이트 사이의 흡인력을 연산하는 제어기와, 상기 흡인력의 연산결과가 설정된 값을 하회하도록 상기 전력변환장치에 대한 지령값을 제어하는 흡인력 감시 제어기를 설치한 것을 특징으로 하는 리니어 인덕션모터 구동시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 흡인력을 연산하는 제어기는, 상기 전력변환장치에 가하는 전압 지령값, 전류 지령값, 주파수 지령값으로부터 상기 흡인력을 연산하고,
    상기 흡인력 감시 제어기는, 연산한 상기 흡인력에 따라, 상기 전력변환장치에 가하는 전압 지령값, 전류 지령값, 주파수 지령값을 보정하는 수단을 가지는 것을 특징으로 하는 리니어 인덕션모터 구동시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 흡인력을 연산하는 제어기는, 상기 전력변환장치에 가하는 전압 지령값, 슬립 주파수 지령값으로부터 상기 흡인력을 연산하고,
    상기 흡인력 감시 제어기는, 그 연산결과가 상기 설정된 값보다 큰 경우에, 상기 전력변환장치에 가하는 전압 지령값을 감소시키고, 슬립 주파수 지령값을 증가시키도록 보정하고, 상기 흡인력의 연산값이 설정된 값을 하회하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 리니어 인덕션모터 구동시스템.
KR1020080007453A 2007-03-12 2008-01-24 리니어 인덕션모터 구동시스템 KR100980054B1 (ko)

Applications Claiming Priority (2)

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