KR20110010978A

KR20110010978A - 단상 유도전동기의 기동방법 및 이를 이용한 전자식 계전기

Info

Publication number: KR20110010978A
Application number: KR1020090068382A
Authority: KR
Inventors: 김영준
Original assignee: 김영준
Priority date: 2009-07-27
Filing date: 2009-07-27
Publication date: 2011-02-08
Also published as: EP2280475A2; KR101053759B1; US20110018486A1; US8120305B2; EP2280475A3; EP2280475B1

Abstract

본 발명은 유기전압으로 기동토크 곡선을 모델링하여 프로그래밍 방식으로 제어함으로써 기동실패를 최소화하고 다양한 규격의 전동기에 사용할 수 있는 호환성이 큰 단상 유도전동기용 전자식 계전기에 관한 것이다. 본 발명은 기동권선의 전류 흐름을 단속하는 트라이악과, 전동기의 회전속도에 비례하는 기동권선의 유기전압을 검출하기 위한 유기전압 검출회로, 트라이악의 양단전압을 검출하여 기동전에는 전동기 선로전압의 0점 전압을 검출하고, 기동중에는 기동권선 전류의 0점 전류를 검출하는 윈도우 비교 회로, 및 윈도우 비교 회로의 신호에 따라 전동기 선로전압의 0점 전압 시점에 트라이악을 온시켜 기동을 개시하고, 기동중에는 윈도우 비교 회로의 신호에 따라 기동권선 전류의 0점 전류 시점마다 일정 지연시간 트라이악의 게이트를 트리거시켜 트라이악의 온상태를 유지하며, 기동중에 유기전압 검출회로로부터 기동권선의 유기전압을 입력받아 전동기의 가속토크에 비례하는 유기전압의 변동비를 연산하여 가속토크가 최대치인 것으로 기동토크가 최대인 것을 확인한 후, 가속토크가 감소하기 시작하면 트라이악을 오프시키는 마이컴으로 구성된다.

단상 유도전동기, 유기전압, 기동, 전자식 계전기, 가속토크

Description

단상 유도전동기의 기동방법 및 이를 이용한 전자식 계전기{ METHOD OF STARTING SINGLE PHASE INDUCTION MOTOR AND ELECTRONIC RELAY USING THE SAME METHOD }

본 발명은 단상 유도전동기의 기동방법 및 이를 위한 전자식 계전기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유기전압으로 기동토크 곡선을 모델링하여 프로그래밍 방식으로 제어함으로써 기동실패를 최소화하고 다양한 규격의 전동기에 사용할 수 있는 호환성이 큰, 단상 유도전동기의 기동방법 및 이를 이용한 전자식 계전기에 관한 것이다.

일반적으로, 단상 유도전동기는 고정자 권선이 단상이기 때문에 회전자계가 발생되지 않으나 회전자가 한번 돌기 시작하면 유도토크가 발생되어 고정자의 맥동 자계(Standing wave)에 따라 회전자가 동기속도로 회전하게 된다. 따라서 단상 유도전동기는 초기에 자계의 평형상태를 불균형상태로 만들어 주어 기동토크를 얻기 위한 기동방법이 필요하다.

단상 유도전동기는 기동토크를 얻기 위한 기동방법에 따라 분상(split-phase) 전동기, 콘덴서 전동기, 세이딩-폴(Shading-Pole) 전동기로 구분된다. 분상 전동기는 기동권선을 운전권선에 병렬로 연결하여 기동권선과 운전권선의 임피던스 차에 따른 위상차를 발생시켜 기동하는 방식이다. 콘덴서 전동기는 기동권선(start winding)에 콘덴서(capacitor)를 직렬로 삽입하여 분상 전동기보다 큰 기동토크를 얻을 수 있는 전동기로서, 기동권선에 삽입된 콘덴서에 의해 공급전류의 위상이 변화되어 기동권선에 흐르게 됨으로서 전자력의 평형상태가 깨져 기동토크를 얻게 된다. 그리고 회전자가 회전하기 시작하여 일정 회전수까지 속도가 상승하게 되면, 분상 전동기나 콘덴서 전동기는 원심 스위치(centrifugal switch)에 의해 기동권선이나 콘덴서를 분리하여 정상 운전하게 된다.

그런데 기계식 원심 스위치는 진동에 취약하고 잦은 스위칭 시 아크 발생으로 인해 기계적/전기적 마모로 특성이 저하되는 단점이 있어 점차 전자식 계전기가 사용되고 있다. 단상 유도전동기용 전자식 계전기는 기동권선에 트라이악과 같은 전력용 반도체 스위칭 소자를 직렬로 연결하고 제어회로로 반도체 스위칭 소자를 제어하여 기동시에만 기동권선에 전류가 흐르게 하는 것이다.

종래의 전자식 계전기는 단순히 기동권선에 유기된 전압의 크기만으로 기동 완료시점을 판단하여 제어하므로 전동기의 규격과 설치조건에 따라 특성이 달라져 호환성이 떨어지고 기동실패율이 높은 문제점이 있다. 또한 종래의 전자식 계전기는 트라이악의 게이트를 제어하는 제어회로가 아날로그회로로 구성되어 전류소모가 크고 상대적으로 높은 용량의 게이트 전류를 필요로 하는 경우에는 계전기 내부 전원회로의 효율이 낮은 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 기동권선에 유기된 전압으로 기동토크 곡선을 모델링하여 프로그래밍 방식으로 제어함으로써 기동실패를 최소할 수 있는 단상 유도전동기의 기동방법 및 이를 이용한 전자식 계전기를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 기동권선의 유기전압을 입력받아 유기전압 변동비를 연산하여 전동기의 기동토크가 최대인 것을 확인한 후 기동토크가 감소하기 시작하면 트라이악을 오프시켜 다양한 규격의 전동기에 적용할 수 있는 호환성이 큰 단상 유도전동기의 기동방법 및 이를 이용한 전자식 계전기를 제공하는 것이다.

본 발명의 또다른 목적은 선로전압과 트라이악 양단전압의 위상비교에 의해 이루어지는 재기동을 통해 충격에 의한 역방향 운전을 보정하고 필요시 순간 정역이 가능한 단상 유도전동기의 기동방법 및 이를 이용한 전자식 계전기를 제공하는 것이다.

본 발명의 또다른 목적은 기동 콘덴서에 방전저항이 연결되지 않은 경우에도 기동 콘덴서의 방전경로를 형성해주어 회로를 보호할 수 있는 단상 유도전동기용 전자식 계전기를 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 방법은 운전권선과 기동권선이 반도체 스위칭 소자를 거쳐 병렬로 연결된 단상유도전동기에서, 반도체 스위칭 소자를 온시켜 기동권선에 전류를 흐르게 하는 단계; 상기 기동권선에 전류가 흐르면, 회전자의 회전속도에 비례하는 유기전압을 상기 기동권선으로부터 검출하는 단계; 상기 검출된 유기전압을 입력받아 가속토크에 비례하는 유기전압의 변동비를 연산하여 저장하는 단계; 상기 저장된 유기전압의 변동비를 비교하여 유기전압 변동비가 증가하다가 감소하면, 유기전압 변동비가 최대치인 시점을 기동토크가 최대인 시점으로 판단하는 단계; 및 상기 판단 후 유기전압의 변동비가 감소하기 시작하면, 상기 반도체 스위칭소자를 오프시켜 기동을 완료하는 단계를 구비한 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 장치는 단상 유도전동기의 기동권선과 기동 콘덴서 사이에 연결되어 상기 기동권선의 전류 흐름을 단속(차단 혹은 연결)하는 트라이악; 전동기의 회전속도에 비례하는 기동권선의 유기전압을 검출하기 위한 유기전압 검출회로; 상기 트라이악의 양단전압을 검출하여 기동전에는 전동기 선로전압의 0점 전압을 검출하고, 기동중에는 기동권선 전류의 0점 전류 를 검출하는 윈도우 비교 회로; 및 상기 윈도우 비교 회로의 신호에 따라 전동기 선로전압의 0점 전압 시점에 상기 트라이악을 온시켜 기동을 개시하고, 기동중에는 상기 윈도우 비교 회로의 신호에 따라 기동권선 전류의 0점 전류 시점마다 일정 지연시간 상기 트라이악의 게이트를 트리거시켜 트라이악의 온상태를 유지하며, 기동중에 상기 유기전압 검출회로로부터 기동권선의 유기전압을 입력받아 전동기의 가속토크에 비례하는 유기전압의 변동비를 연산하여 가속토크가 최대치인 것으로 기동토크가 최대인 것을 확인한 후, 가속토크가 감소하기 시작하면 상기 트라이악을 오프시키는 마이컴으로 구성된다.

본 발명에 따르면, 부하토크 및 관성이 일정할 경우 전동기의 기동토크에 비례하여 기동권선 유기전압의 변동비(dVs/dt)가 증가하는 것을 알 수 있다. 따라서 본 발명에서는 마이컴(MCU)의 ADC1단자로 기동권선(W2)에 유기된 전압을 입력받아 유기전압의 변동비를 연산한 후 전동기의 기동 중 최대토크 발생 시점을 확인할 수 있고, 전동기의 기동토크가 감소하는 시점을 기동완료시점으로 판단하여 트라이악을 오프시킨다. 이러한 본 발명에 따르면 기동실패를 최소화할 수 있고, 전동기의 규격과 종류에 관계없이 다양한 전동기에 적용할 수 있어 호환성이 크게 향상되는 효과가 있다. 또한 본 발명에 따르면 기동완료 후 유기전압의 크기뿐만 아니라 선로전압과 트라이악 양단전압의 위상 비교를 통해 재기동절차를 수행함으로써 보다 신속하고 정확한 재기동이 가능하고 충격에 의한 역방향 운전을 보정하며 순간정역 을 가능케 하는 효과가 있다.

본 발명과 본 발명의 실시에 의해 달성되는 기술적 과제는 다음에서 설명하는 본 발명의 바람직한 실시예들에 의하여 보다 명확해질 것이다. 다음의 실시예들은 단지 본 발명을 설명하기 위하여 예시된 것에 불과하며, 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것은 아니다.

도 1은 본 발명에 따른 전자식 계전기가 적용된 단상 유도전동기의 구동회로를 도시한 회로도이다.

도 1을 참조하면, 단상 유도전동기(200)는 회전자와 고정자로 이루어지고, 고정자에는 운전권선(W1)과 기동권선(W2)이 감겨 있으며, 콘덴서 기동형의 경우 기동권선(W2)에는 기동용 콘덴서(C_S)가 직렬로 연결되어 있다.

그리고 본 발명에 따른 전자식 계전기(100)는 기동권선(W2)에 직렬로 연결되어 기동권선(W2)에 흐르는 전류를 단속(차단하거나 흐르게)하는 전력용 반도체 스위칭 소자(110)와, 기동권선(W2)에 유기된 전압의 변동비를 산출하여 기동토크를 유추하는 제어 알고리즘에 따라 기동기능을 처리하는 마이컴(130)과, 전동기 선로(L1,L2)전압과 기동권선(W2)의 유기된 전압을 감지하여 마이컴(130)으로 제공하고 마이컴(130)의 제어에 따라 전력용 반도체 스위칭 소자(110)를 제어하는 제어회로부(120)로 구성되어 단상 유도전동기(200)에 전원을 인가하여 기동이 완료되면, 기동권선(W2)을 전원선로(L1,L2)에서 분리시키고, 전동기의 운전 중에는 기동권선(W2)에 유기되는 전압의 크기나 선로전압과 반도체 스위칭 소자의 양단전압과의 위상차를 감지하여 필요시 재기동을 처리한다.

본 발명의 실시예에서 전력용 반도체 스위칭소자(110)로는 스누버레스 트라이악(Snubberless Triac;Q1)을 사용하는데, 트라이악(Q1)은 도 1에 도시된 바와 같이 제1 단자(M1)가 기동용 콘덴서(C_S)로 연결되어 있고 제2 단자(M2)가 기동권선(W2)에 연결되어 있으며, 게이트단자(G)는 마이컴(130)의 OUT1 제어에 따라 온/오프되어 트리거신호를 발생하는 트랜지스터(Q2)와 저항(R7)을 통해 연결되어 있다.

또한 제어회로부(120)는 기동권선(W2)에 유기된 전압을 강하하여 마이컴(130)의 ADC1 입력단자로 연결하는 유기전압 검출회로(122)와, 트라이악(Q1) 양단 전압을 이용하여 0점 전압과 0점 전류를 검출한 후 마이컴(130)의 제1 입력단자(IN1)로 제공하는 윈도우 비교 회로(124)와, 기동용 콘덴서(Cs)에 대한 방전경로를 제공하는 방전회로(126)와, 계전기 내부 회로에 전원을 공급하기 위한 전원회로(128) 부분을 포함하고 있다.

유기전압 검출회로(122)는 전압 강하 저항(R8,R9)으로 구현되고, 방전회로(126)는 도 1에 도시된 화살표와 같이 기동 콘덴서(C_S)의 일단에 직렬 연결되는 운전권선(W2)과, 운전권선(W2)에 직렬 연결되는 제1 저항(R1)과, 제1 저항(R1)에 직렬 연결되는 제10저항(R10)과, 일단이 제10 저항(R10)에 직렬 연결되고 타단이 기동 콘덴서(C_S)의 타단에 직렬 연결되는 제2 다이오드(D2)로 이루어진 폐회로로 구성되어 기동용 콘덴서(C_s)의 충전전압을 서서히 방전시키는 기능을 한다. 전원회로(128)는 통상적인 회로 구성이므로 설명을 생략한다.

윈도우 비교 회로(124)는 도 1에 도시된 바와 같이, 트라이악(Q1)의 양단전압을 강하하여 비교기(U1)의 +단자로 연결하는 전압강하저항(R3,R4)과, Vcc 전압을 강하하여 비교기(U1)의 -단자로 연결하는 전압강하저항(R5,R6)과, +단자로 입력되는 트라이악(Q1)의 양단전압과 -단자의 기준전압을 비교하여 마이컴(130)의 제1입력단자(IN1)로 출력하는 비교기(U1)로 구성되고, 비교기(U1)의 -단자에 연결되는 가변저항(R6)은 마이컴(130)의 제2출력단자(OUT2)와 연결되어 마이컴의 제2 출력(OUT2)에 따라 -단자의 기준전압이 달라질 수 있도록 되어 있다. 본 발명의 실시예에서 마이컴(130)은 트라이악 오프시 선로(L1,L2)전압의 영점 전압을 검출하기 위한 제1 기준전압과, 트라이악 온시 기동권선 전류의 영점 전류를 검출하기 위한 제2 기준전압을 제2출력단자(OUT2)를 통해 비교기(U1)의 -단자로 각각 출력한다. 이때 비교기(U1)는 마이컴(130)의 제어에 따라 0점 전압을 검출하기 위한 제1 기준전압과 0점 전류를 검출하기 위한 제2 기준전압을 사용하므로 트라이악(Q1)의 양단전압 입력회로와 함께 윈도우 비교 회로를 구성하게 된다.

그리고 본 발명에 따른 고유한 알고리즘을 수행하는 마이컴(130)은 디지털 입출력단자와, 아날로그 입출력단자, EEPROM, 타이머 등이 내장되어 있는데, 본 발명의 실시예에서 다음 표1과 같이 제어회로부(120)와 연결되어 전체 동작을 제어한 다.

순번	단자명	신호특성	기 능
1	IN1	디지털 입력	비교기(U1)의 출력을 입력받음
2	IN2	디지털 입력	분상기동형에서 선로전압의 위상검출
3	ADC1	아날로그 입력	기동권선 유기전압 입력
4	OUT1	디지털 출력	트라이악 게이트 제어(트라이악 온/오프)
5	OUT2	아날로그 출력	비교기(U1)의 기준전압 제어

상기 표1을 참조하면, 마이컴(130)은 제1입력단자(IN1)를 통해 비교기(U1)의 출력을 입력받음과 아울러 제2입력단자(IN2)를 통해 선로전압의 위상을 검출하고, ADC1 입력단자를 통해 기동권선(W2)에 유기된 전압을 입력받아 유기전압의 변동비로 기동토크를 유추하여 기동완료시점을 판단함과 아울러 영전압-영전류를 검출하여 제1출력단자(OUT1)를 통해 트라이악의 게이트를 효율적으로 제어한다.

이러한 본 발명의 전자식 계전기(100)는 제어회로부(120)와 마이컴(130)의 유기적인 연동에 의해 동작되므로 이해의 편의를 위해 도 2 내지 도 5의 흐름도에 따라 동작을 설명한다.

도 2는 본 발명에 따라 마이컴이 기동동작을 처리하는 절차를 도시한 순서도이다.

도 2를 참조하면, 초기에 전동기(200)를 동작시키기 위한 선로전원이 온되면, 전원회로(128)는 VCC전압을 계전기회로에 공급하고 마이컴(130)은 기동 콘덴서(C_S)가 연결된 콘덴서 기동형인지 분상 기동형인지를 판단한 후, 콘덴서 기동형이면 제2출력단자(OUT2)로 비교기(U1)의 기준전압을 제1 기준전압이 되게 한다. 제1 기준전압은 트라이악(Q1)이 오프된 경우에 전동기 선로전압의 0점 전압을 검출하기 위한 기준전압이다(S201,S202).

트라이악(Q1)의 양단전압은 저항 R3, R4를 거쳐 전압 강하되어 비교기(U1)의 입력전압이 되고, 비교기(U1)의 기준전압은 마이컴(MCU;130)의 OUT2 출력에 따라 전원전압(VCC)의 분배전압(R5, R6)이 제1 기준전압으로 된다. 비교기(U1)의 출력은 마이컴(MCU;130)의 입력포트(IN 1)로 입력된다.

마이컴(MCU;130)은 비교기(U1)의 출력신호를 IN1 단자로 감지하여 트라이악(Q1) 양단의 0점 전압을 확인(Zero voltage detection)한 후, 트라이악 게이트(G) 제어용 출력포트(OUT 1)에 트리거 펄스 신호를 출력한다. 마이컴(130)의 출력(OUT1)에 의해 트라이악의 게이트(G) 제어회로인 저항(R7)과 트랜지스터(Q2)를 통해 트라이악 게이트(G)에 게이트 전류가 인가되면, 트라이악(Q1)은 0점 전압에서 온(On) 상태가 되고, 이에 따라 기동권선(W2)에는 운전권선(W1)보다 위상이 앞선 전류가 흐르게 되면서 위상차에 따른 회전력이 발생되어 기동이 개시된다(S204,S205). 이때 본 발명에서는 0전압 상태에서 트라이악(Q1)이 온되므로 임펄스성 전류(Impulse Current)로부터 트라이악(Q1)과 주변회로를 보호할 수 있다.

한편, 트라이악(Q1)은 게이트(G1)에 트리거 전압 이상의 펄스가 인가되면 온되고, M1-M2 단자 사이에 전류가 흐르는 동안 계속 온상태를 유지하다가 M1-M2 단자 사이의 전류가 유지전류 이하가 되면 오프되는 특성을 갖고 있다. 따라서 M1-M2에 교류전류가 흐를 경우에는 동작 특성상 교류전류의 반 주기마다 발생하는 전류의 0점 전류에서 다시 Off 상태가 되므로 트라이악의 온상태를 유지하기 위해서는 그 시점에서 다시 트라이악의 게이트(G)를 트리거시켜야 한다.

따라서 본 발명의 전자식 계전기에서 윈도우 비교 회로(124)는 전동기의 기동 중에는 기동권선 전류가 0점 전류에 가까워지는 반주기 마다 마이컴(MCU;130)에 신호변화를 주게 되고, 이에 따라 마이컴(MCU;130)은 출력포트(OUT 1)와 트랜지스터(Q2)를 통해 트라이악 게이트(G)에 트리거 전류를 인가(Sink)하여 트라이악(Q1)의 On 상태를 유지하게 된다(S206~S209). 특히, 스누버레스 트라이악(Snubberless Triac) 제어에 있어서 트라이악 게이트 전류의 크기는 트라이악 고유의 dV/dt(Commutation) 특성 향상을 위해 중요한 요소이므로, 본 발명에서는 기동권선 전류의 0점 전류를 예측하여 일정지연시간 동안에만 트라이악(Q1)에 충분한 게이트 전류를 인가함으로써 계전기 내부의 전력소모를 최소화하면서 안정적으로 트라이악을 제어할 수 있다.

즉, 트라이악(Q1)은 On 상태에서 기동권선 전류가 0점 전류를 지나는 반 주기마다 트라이악(Q1)의 주 접점인 M1, M2 양단 사이에 부품 특성 및 주변 온도에 따라 가변적이나 약 1.0 ~ 1.5V 정도의 전압변동이 발생한다. 따라서 본 발명에서는 기동권선 전류의 0점 전류 시점을 트라이악(Q1) 양단의 전압변동을 통해 예측하고, 예측된 시점에서 충분한 용량의 전류를 트라이악 게이트(G)단에 최소한의 지연시간 동안 인가하여 트라이악(Q1)을 효율적으로 제어한다.

도 1에서 트라이악(Q1)이 On된 상태에서 트라이악 양단전압은 저항R3과 저항 R4를 통해 전압 강하되어 비교기(U1)의 +단자 입력전압(Positive Reference)이 된다. 저항R5과 저항R6은 비교기(U1)의 -단자 기준전압(Negative reference)을 설정한다. 그리고 비교기(U1)는 +단자 입력전압을 -단자 기준전압과 비교하여 트라이악(Q1)의 위상 반전(즉, 기동 전에는 전동기 선로전압의 0점 전압 통과 시점, 기동 중에는 기동권선 전류의 0점 전류 통과 시점)을 감지하여 IN1 단자로 마이컴(130)에 제공한다. 이때 기동권선 전류의 0점 전류 통과시점 및 그 변동구간을 최대한 빨리 정확하게 예측하는 것이 효율적인 트라이악(Q1) 제어에 보다 유리하므로, 본 발명에서는 저항 R6을 가변저항으로 하여 교류전원의 반 주기마다 발생하는 기동권선 전류의 위상반전에 따라 비교기(U1)의 -단자 기준전압(Negative reference)의 상한치(High limit)와 하한치(Low limit)를 마이컴(MCU;130)으로 조정한다.

또한 전동기의 운전 중 트라이악의 비반복 최대전압 사양(Non Repetitive Peak Off-state Voltage)에 동작전압을 맞춘 바리스터(VD)를 트라이악(Q1)의 양단(M1, M2)에 병렬로 연결할 경우, 트라이악(Q1) 양단의 노이즈(서지, 임펄스전압) 및 기동 콘덴서 충전전압으로부터 트라이악(Q1) 및 주변회로를 보호할 수 있다.

단상 유도전동기(200)가 기동을 개시하여 회전자가 회전하기 시작하면 회전자권선에 흐르는 전류에 의한 자속이 발생하고, 이 자속에 의해 기동권선(W2)에 전압이 유기되며 이 유기전압은 회전속도에 비례하여 증가하다가 전동기가 동기속도에 가까워져 기동을 완료하면 기동권선의 유기전압은 일정하게 된다. 본 발명에서 기동권선(W2)의 유기전압은 유기전압 검출회로(122)인 저항 R8, R9를 통해 마이컴(130)의 아날로그 입력단자(ADC1)로 입력된 후 마이컴(130) 내부의 아날로그-디지탈 변환기에 의해 디지털 값으로 변환되어 마이컴(MCU;130)에 내장된 플레시 메모리(Flash memory)에 저장된다.

마이컴(MCU;130)은 전동기의 가속도에 비례하는 유기전압의 변동비를 계산하여 전동기의 기동토크가 최대가 되는 시점을 확인한 후, 전동기의 기동토크가 급격히 감소하기 시작하면 저항(R7)과 트랜지스터(Q2)를 통해 트라이악(Q1)의 게이트 전류를 제한하여 트라이악(Q1)이 Off 상태가 되게 하며, 이에 따라 기동권선(W2)이 차단되게 한다(S210~S213). 일반적으로 전동기는 회전속도가 동기속도의 70∼80％가 되는 시점에서 최대토크가 발생한다.

한편, 본 발명에 따라 전동기 토크(Motor torque)와, 부하토크(Load Torque), 가속토크(Acceleration torque), 그리고 유기전압 변동비(dVs/dt) 간의 관계를 정의하고, 단상 유도전동기의 기동 제어에 필요한 기동 중 최대토크 검출 방법을 설명하면 다음과 같다.

기동 중 고정자(Stator)의 운전권선(W1)과 기동권선(W2)에 인가되는 전류는 회전 자기장을 만들고, 그 회전 자기장이 회전자를 통과하면, 회전자에 전압이 발생되며, 회전자 전압으로 인해 회전자에 전류가 발생한다. 이때 회전자 주변에도 자기장이 발생되고 이 자기장에 의해 기동권선(W2)에 전압이 유기되며, 이 유기전압(Vs)의 크기는 회전자의 회전속도(ω)에 비례하므로 '속도전압'이라고도 한다.

일반적으로 전동기 토크는 다음 수학식1과 같이 부하토크(Motor torque)와 가속토크(Acceleration torque)의 합에 비례한다.

전동기 토크= 부하토크 + 가속토크

가속토크 = J x (dω/dt)

가속토크 = (dVs/dt), 여기서 dJ / dt = 0 그리고 ω= Vs

상기 수학식1에서,

ω: 회전속도(Angular velosity)

J : 관성(Moment of inertia)

Vs : 유기전압(Speed voltage)

dVs/dt : 유기전압 변동비(Rate of Speed-voltage change)

따라서, 부하토크 및 관성이 일정할 경우 전동기의 기동토크는 전동기의 가속(Acceleration) 토크 또는 유기전압의 변동비(dVs/dt)에 비례하여 증가하는 것을 알 수 있다. 그리고 마이컴(MCU;130)은 ADC1단자로 기동권선(W2)에 유기된 전압을 입력받아 유기전압의 변동비를 연산하게 되면 전동기의 기동 중 최대토크 발생 시점을 확인할 수 있고, 이에 따라 전동기의 기동토크가 감소하는 시점 역시 정확하게 감지할 수 있다.

그리고 고정자의 자기장(Stator magnetic field) Φ는 다음 수학식2와 같이 고정자의 전압 또는 전동기 선로전압(Line voltage) V에 비례하여 증가하고, 회전자 유기전압(Induced voltage in a rotor) E는 고정자 자기장의 세기(Stator Magnetic field) Φ 및 회전자 회전속도(Rotor speed) N에 비례한다.

E = kΦ N = k V N,

위와 마찬가지로 기동권선(W2)의 유기전압(Induced voltage in an auxiliary winding) E’은 회전자 자기장(Rotor Magnetic field) Φ’와 회전속도 N에 비례하고, 연산의 이해를 위해 전동기의 구조에 따른 특정상수(Particular constant - Motor dependent) k는 일정하다고 가정하면, 기동권선 유기전압(E')은 다음 수학식 3과 같다.

E’= k Φ’N = k E N = k²V N²,

N²= (1/k²) (E’ / V)

따라서 전동기의 속도(회전자 회전속도) N 은 다음 수학식 4와 같이 루트 (기동권선 유기전압 ÷ 전동기 선로전압)에 비례한 것을 알 수 있고, 후술하는 바와 같이 기동권선의 유기전압을 모니터링하여 재기동을 처리할 수 있다.

N = sqrt (E’ / V)

도 3은 본 발명에 따라 마이컴이 유기전압의 크기를 비교하여 재기동을 처리하는 절차를 도시한 순서도이고, 도 4는 본 발명에 따라 마이컴이 선로전압과 트라이악 양단전압의 위상비교에 의해 재기동을 처리하는 절차를 도시한 순서도이다.

도 3을 참조하면, 마이컴(130)은 전동기의 기동이 완료된 후 정상운전시에 전동기의 회전속도에 비례하는 기동권선 유기전압(E')을 ADC1 단자로 입력받아 모니터링한다(S301,S302). 그리고 마이컴(MCU;130)은 유기전압(E')의 크기를 지속적으로 확인하여 유기전압의 크기가 구속속도의 유기전압에 근접하면 전동기의 속도가 구속속도에 가까워진 것으로 판단하여 앞서 설명한 기동절차에 따라 트라이 악(Q1)을 제어하여 재기동하게 된다(S303,S304).

한편, 트라이악 양단에는 유기전압과 전원전압의 벡터합이 걸리게 된다. 따라서 정상운전상태에서 트라이악 양단의 전압은 전원전압 보다 지상(遲相)이 된다. 그런데 전동기의 정지(구속)상태에서는 위상차가 최소화되므로 트라이악의 양단전압과 선로전압의 위상차를 누적적으로 저장하고 있다가 상기 위상차의 변화를 판단해　재기동할 수도 있다.　

도 4를 참조하면, 마이컴(130)은 IN1단자를 통해 트라이악(Q1) 양단전압의 위상을 검출하고 IN2단자를 통해 선로전압의 위상을 검출하여 트라이악 양단전압과 선로전압의 위상차로부터 재기동을 판단한다(S311~S314). 예컨대, 트라이악 양단전압과 선로전압 간의 위상차를 지속적으로 감지하여 두 전압간의 위상차가 일정치 이하로 감소하면, 마이컴(MCU;130)은 트라이악(Q1)의 게이트를 트리거하여 재기동한다.

만일, 트라이악의 양단전압이 선로전압보다　진상(進相)이 되면 정/역 결선이 바뀌거나 충격에 의한 역방향 운전으로 판단하고 재기동할 수 있다. 즉,　정/역 결선이 바뀌게 된 경우에는 아크없는 순간정역을 가능케하고, 충격에 의한 원하지 않은 역방향 운전일 경우에는 순방향으로 복귀시키는 기능을 갖게 된다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예로서, 본 발명의 전자식 계전기를 기동 콘덴서가 없는 분상 전동기에 적용하여 기동 및 재기동하는 절차를 도시한 순서도이다.

분상 전동기는 기동용 콘덴서를 이용하지 않으므로 기동 중 기동권선(W2)의 유기전압을 검출하기 어려워 콘덴서 전동기의 방법으로 기동토크가 최대인 시점을 확인하여 기동완료 시점을 예측하기 어렵다. 따라서 본 발명의 전자식 계전기(100)가 분상 전동기에 사용될 경우에는 구속전류가 운전전류의 5~7배 이상이고, 기동이 완료되면 전류가 급격히 감소하여 전동기 선로전압(Line Voltage)과 기동권선 전류 간의 위상차가 급격히 커지는 시점에서 트라이악(Q1)을 제어하도록 한다.

도 5를 참조하면, 분상 전동기의 경우에 트라이악(Q1)이 On 되어 전동기의 기동이 시작되면, 전동기 선로전압(Line Voltage)과 기동권선 전류 사이에는 권선방식에 따라 약 20°∼30°정도의 위상 차가 발생된다.

그리고 기동 중에 전동기의 속도가 70~80％에 도달하면 기동권선(W2)에 유기되는 전압으로 인해 기동권선 전류가 감소하게 되고, 이에 따라 전동기 선로전압과 기동권선 전류의 위상 차가 급격히 증가한다. 기동권선의 전류는 트라이악(Q1)의 양단전압과 동상이므로 트라이악(Q1)의 양단전압으로 기동권선 전류의 위상을 검출할 수 있다.

따라서 마이컴(MCU;130)은 트라이악(Q1)의 양단전압을 비교기(U1)의 출력을 통해 IN1단자로 입력받아 기동권선(W2)의 전류위상을 검출하고, IN2단자로 전동기 선로전압의 위상을 검출한 후 기동권선 전류와 선로전압의 위상차가 증가하는 시점을 확인하고, 그 변화가 완만해지면 기동이 완료된 것으로 예측하여 일정 지연시간 안에 트라이악(Q1)을 Off시킨다(S601~S605). 즉, 기동권선 전류의 위상반전은 0점 전류-0점 전압 검출회로로 사용되는 윈도우 비교회로(124)를 이용하고, 선로전압의 위상반전인 0점 전압은 전류 제한용 저항 R12를 통해 마이컴(MCU;130)의 입력포트인 IN2단자로 직접 입력받는다.

또한 마이컴(130)은 기동 중 일정시간 이상 위상차가 발생하지 않으면 전동기가 기동 중 구속 상태인 것으로 판단하여 트라이악(Q1)을 즉시 Off 시켜 기동권선(W2)을 보호하게 된다.

그리고 전동기의 정상운전 중 재기동을 위해서 콘덴서 기동형 전동기과 같이 유기전압 검출에 의한 전동기 속도 감지 방식을 적용할 수 있지만, 다음과 같이 위상차 비교방식을 이용하여 별도의 아날로그 디지털 컨버터 없이 저가의 회로를 구성할 수 있다.

즉, 전동기의 운전 중 트라이악(Q1)의 양단에는 전동기 선로전압과 유기전압의 백터 합이 걸리게 되어 선로전압과 위상차가 발생하지만 구속부하 등의 이유로 전동기의 속도가 감소하면, 트라이악(Q1) 양단전압과 선로전압간의 위상차도 작아진다. 따라서 트라이악 양단전압과 선로전압 간의 위상차를 지속적으로 감지하여 두 전압간의 위상차가 일정치 이하로 감소하면, 마이컴(MCU;130)은 트라이악(Q1)의 게이트를 트리거하여 재기동한다(S606~S609).

이와 같이 본 발명의 전자식 계전기는 분상 전동기의 경우에는 기동 중에는 전동기 선로전압과 기동권선 전류간의 위상차를 감지하고, 운전 중에는 전동기 선로전압과 트라이악(Q1) 양단전압 간의 위상차를 감지하여 필요시 재기동한다.

이상에서 본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 전자식 계전기가 적용된 단상 유도전동기의 구동회로를 도시한 회로도이고,

도 2는 본 발명에 따라 마이컴이 기동동작을 처리하는 절차를 도시한 순서도이며,

도 3은 본 발명에 따라 마이컴이 유기전압의 크기를 비교하여 재기동을 처리하는 절차를 도시한 순서도이고,

도 4는 본 발명에 따라 마이컴이 선로전압과 트라이악 양단전압의 위상비교에 의해 재기동을 처리하는 절차를 도시한 순서도이며,

도 5는 본 발명에 따른 전자식 계전기가 분상 전동기에서 기동을 처리하는 절차를 도시한 순서도이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

100: 전자식 계전기 110: 반도체 스위칭 소자

120: 제어회로부 122: 유기전압 검출회로

124: 윈도우 비교회로 126: 방전회로

128: 전원회로 130: 마이컴

200: 단상 유도전동기

Claims

운전권선과 기동권선이 반도체 스위칭 소자를 거쳐 병렬로 연결된 단상유도전동기에서, 반도체 스위칭 소자를 온시켜 기동권선에 전류를 흐르게 하는 단계;

상기 기동권선에 전류가 흐르면, 회전자의 회전속도에 비례하는 유기전압을 상기 기동권선으로부터 검출하는 단계;

상기 검출된 유기전압을 입력받아 가속토크에 비례하는 유기전압의 변동비를 연산하여 저장하는 단계;

상기 저장된 유기전압의 변동비를 비교하여 유기전압 변동비가 증가하다가 감소하면, 유기전압 변동비가 최대치인 시점을 기동토크가 최대인 시점으로 판단하는 단계; 및

상기 판단 후 유기전압의 변동비가 감소하기 시작하면, 상기 반도체 스위칭소자를 오프시켜 기동을 완료하는 단계를 구비한 것을 특징으로 하는 단상 유도전동기의 기동방법.
제1항에 있어서, 상기 반도체 스위칭 소자는 트라이악이고,

상기 트라이악의 게이트는 상기 기동권선 전류의 0점 전류 시점마다 일정 지연시간 트리거되어 트라이악의 온상태를 효율적으로 유지하는 것을 특징으로 하는 단상 유도전동기의 기동방법.
제2항에 있어서, 상기 단상 유도전동기의 기동방법은,

기동완료 후 상기 유기전압이 일정치 이하로 감소하거나 상기 트라이악의 양단전압과 선로전압의 위상차가 일정치 이하로 감소한 경우 재기동하는 단계를 더 구비한 것을 특징으로 하는 단상 유도전동기의 기동방법.
제2항에 있어서, 상기 단상 유도전동기의 기동방법은,

기동완료 후 상기 트라이악의 양단전압이 선로전압에 비해 진상이 되면 순간정역 또는 외부 충격에 의한 원하지 않은 역방향 운전상태로 판단하여 재기동하는 단계를 더 구비하여 순방향 복귀와 순간정역을 가능하게 한 것을 특징으로 하는 단상 유도전동기의 기동방법.
제2항에 있어서, 상기 단상 유도전동기의 기동방법은,

상기 단상 유도전동기가 분상 기동형일 경우에,

기동 중에는 전동기 선로전압과 기동권선 전류간의 위상차를 감지하여 기동권선 전류와 선로전압의 위상차가 증가하는 시점을 확인하고, 그 변화가 완만해지면 기동이 완료된 것으로 예측하여 일정 지연시간 안에 상기 트라이악을 오프시키고,

운전 중에는 전동기 선로전압과 트라이악 양단전압 간의 위상차를 감지하여 두 전압간의 위상차가 일정치 이하로 감소하면 재기동하는 것을 특징으로 하는 단상 유도전동기의 기동방법.
단상 유도전동기의 기동권선과 기동 콘덴서 사이에 연결되어 상기 기동권선의 전류 흐름을 단속(차단 혹은 연결)하는 트라이악;

전동기의 회전속도에 비례하는 기동권선의 유기전압을 검출하기 위한 유기전압 검출회로;

상기 트라이악의 양단전압을 검출하여 기동전에는 전동기 선로전압의 0점 전압을 검출하고, 기동중에는 기동권선 전류의 0점 전류를 검출하는 윈도우 비교 회로; 및

상기 윈도우 비교 회로의 신호에 따라 전동기 선로전압의 0점 전압 시점에 상기 트라이악을 온시켜 기동을 개시하고, 기동중에는 상기 윈도우 비교 회로의 신호에 따라 기동권선 전류의 0점 전류 시점마다 일정 지연시간 상기 트라이악의 게이트를 트리거시켜 트라이악의 온상태를 유지하며, 기동중에 상기 유기전압 검출회로로부터 기동권선의 유기전압을 입력받아 전동기의 가속토크에 비례하는 유기전압의 변동비를 연산하여 가속토크가 최대치인 것으로 기동토크가 최대인 것을 확인한 후, 가속토크가 감소하기 시작하면 상기 트라이악을 오프시키는 마이컴을 구비한 것을 특징으로 하는 단상 유도전동기용 전자식 계전기.
제6항에 있어서, 상기 마이컴은

기동 전에는 제1 기준전압을 상기 윈도우 비교 회로에 제공하고 상기 트라이악의 양단전압과 비교한 후 상기 윈도우 비교 회로가 0점 전압을 검출하면 상기 트 라이악의 게이트를 제어하여 상기 트라이악을 온시키고,

기동권선에 전류가 흐르게 되면, 상기 윈도우 비교 회로가 교류전원의 반주기마다 발생하는 기동권선 전류의 0점 전류를 검출하도록, 다음 위상의 제2 기준전압을 상기 윈도우 비교 회로에 제공하고 상기 트라이악의 양단전압과 비교한 후 기동권선 전류의 0점 지점으로 인식하여 기동전류의 위상반전이 완료되는 시간(0점 전류 발생시간)동안 상기 트라이악의 게이트에 전류를 인가하여 효율적으로 상기 트라이악의 온상태를 제어하는 것을 특징으로 하는 단상 유도전동기용 전자식 계전기.
제6항에 있어서, 상기 단상 유도전동기용 전자식 계전기는,

상기 기동 콘덴서의 충전전압을 방전시키기 위한 방전회로를 제공하여

별도의 방전저항 없이도 계전기 내부의 전원회로를 통해 상기 기동 콘덴서를　방전시키는 것을 특징으로 하는 단상 유도전동기용 전자식 계전기.
제8항에 있어서, 상기 방전회로는

상기 기동 콘덴서의 일단에 직렬 연결되는 운전권선과, 상기 운전권선에 직렬 연결되는 제1 저항(R1)과, 상기 제1 저항(R1)에 직렬 연결되는 제10저항(R10)과, 일단이 상기 제10 저항(R10)에 직렬 연결되고 타단이 상기 기동 콘덴서의 타단에 직렬 연결되는 제2 다이오드(D2)로 이루어진 폐회로인 것을 특징으로 하는 단상 유도전동기용 계전기.
제6항에 있어서, 상기 트라이악의 양단에는 바리스터가 병렬로 연결되어충전전압 및 서지나 임펄스로부터 상기 트라이악을 보호하도록 된 것을 특징으로 하는 단상 유도전동기용 계전기.
운전권선과 기동권선이 병렬로 연결되는 분상 기동형 단상 유도전동기의 전자식 계전기에 있어서,

상기 기동권선에 직렬로 연결되어 게이트신호에 따라 전류 흐름을 단속(차단 혹은 연결)하는 트라이악;

상기 기동권선 전류의 위상반전(0점 전류)을 검출하기 위한 윈도우 비교 회로;

선로전압의 위상반전(0점 전압)을 검출하기 위한 전류 제한용 저항(R12); 및

상기 윈도우 비교 회로를 통해 상기 트라이악의 양단전압을 입력받아 상기 기동권선의 전류 위상을 검출하고, 상기 전류 제한용 저항을 통해 전동기 선로전압의 위상을 검출한 후, 기동권선 전류와 선로전압의 위상차가 증가하는 시점을 확인하고, 그 변화가 완만해지면 기동이 완료된 것으로 예측하여 일정 지연시간 안에 상기 트라이악을 오프시키도록 제어하는 마이컴을 포함하는 것을 특징으로 하는 단상 유도전동기용 전자식 계전기.
제11항에 있어서, 상기 마이컴은

전동기의 기동중에는 '선로전압의 위상반전'인 '기동권선 양단전압의 0전압'을 감지하여 내부 타이머를 초기화한 후, 교류전원의 반주기마다 발생하는 '기동권선 전류의 위상반전'과 동상을 이루는 '트라이악 양단전압의 변동'을 감지하면, 상기 타이머의 값을 가져와 선로전압과 기동권선 전류간의 위상차를 연산하여 지속적으로 그 변화를 내부 메모리에 저장하였다가 전동기의 기동토크가 증가하여 전동기의 속도가 상대적으로 급격히 증가하여 전류가 감소하면, 상기 위상차도 전동기의 구속시와 비교하여 상대적으로 급격히 커지는 것을 확인하여 일정 동작지연시간 이후, 상기 트라이악을 오프시켜 기동권선회로를 차단하는 것을 특징으로 하는 단상 유도전동기용 전자식 계전기.
제11항에 있어서, 상기 마이컴은

상기 트라이악 양단전압과 선로전압 간의 위상차를 지속적으로 감지하여 두 전압간의 위상차가 일정치 이하로 감소하면, 상기 트라이악의 게이트를 트리거하여 재기동하는 것을 특징으로 하는 단상 유도전동기용 전자식 계전기.