KR20180101837A - 인버터 제어장치 - Google Patents

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Abstract

인버터 제어장치가 개시된다. 본 발명의 장치는, 초기기동시 소정 제1보상전압을 지령전압으로 결정하여 상기 인버터에 제공하는 지령전압 결정부, 상기 인버터의 출력전류를 동기좌표계상의 q축 전류로 변환하는 변환부, 및 상기 q축 전류로부터 제2보상전압을 결정하여 상기 지령전압 결정부에 제공하는 보상전압 결정부를 포함한다.

Description

인버터 제어장치{APPARATUS FOR CONTROLLING INVERTER}
본 발명은 인버터 제어장치에 대한 것이다.
일반적으로, 인버터는 상용 교류전원을 입력으로 하여 이를 직류전원으로 변환한 후, 다시 전동기에 적합한 교류전원으로 변환하여 전동기에 공급하는 전력변환장치이다. 이러한 인버터는 전동기를 효율적으로 제어함으로써 전동기의 소모전력을 감소시켜 에너지 효율을 높인다.
산업계의 많은 응용부하에서는, 전압/주파수(V/f) 제어방식에 의해 인버터를 제어하며, 정격속도 이하의 운전영역에서는 빠른 동특성을 요구하지 않는 팬, 펌프, 블로워와 같은 분야에 주로 사용하고 있다.
한편, 엘리베이터, 크레인과 같은 승하강 부하에서는, 전동기의 절대위치나 혹은 전동기의 회전상태에 따른 상대위치를 측정하기 위한 위치센서인 엔코더를 사용하여 정밀하게 속도를 제어하고 이에 의해 높은 기동토크 성능을 발휘할 수 있으나, 일부 시스템에서는 엔코더 유지보수에 발생하는 비용으로 인해 V/f 제어를 수행하고 있다.
그러나 V/F 제어에 의해 인버터를 제어하는 경우, 인버터의 출력전압이 낮은 저속 운전영역에서 전동기 고정자 저항과 누설 인덕턴스에 의한 전압강하로 인해 기동토크가 부족한 경우가 발생하는 문제점이 있으며, 이러한 기동토크 부족으로 인한 기동실패는 과도한 전류를 발생시키므로, 인버터의 고장 또는 전동기의 고장을 야기하게 되는 문제점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 브레이크가 개방되는 경우 높은 기동토크와 빠른 응답성을 요구하는 시스템에서 전압/주파수 제어시 전압강하로 인한 기동토크 부족을 개선하여 안정적으로 기동하게 하는 인버터 제어장치를 제공하는 것이다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해, 전동기를 구동하는 인버터를 제어하는 본 발명의 일실시예의 제어장치는, 초기기동시 소정 제1보상전압을 지령전압으로 결정하여 상기 인버터에 제공하는 지령전압 결정부; 상기 인버터의 출력전류를 동기좌표계상의 q축 전류로 변환하는 변환부; 및 상기 q축 전류로부터 제2보상전압을 결정하여 상기 지령전압 결정부에 제공하는 보상전압 결정부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 지령전압 결정부는, 상기 제1보상전압을 고려하여 결정한 제1지령전압에 상기 제2보상전압을 보상하여 결정한 제2지령전압을 상기 인버터에 제공할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 지령전압 결정부는, 인버터의 지령주파수가 목표주파수에 도달한 경우, 목표 지령전압을 고정하여 출력할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 보상전압 결정부는, 상기 q축 전류를 제1이득에 의해 증폭하여 상기 제2보상전압을 출력하는 제1증폭기를 포함하고, 상기 제1이득은 고정자 저항에 대응할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 보상전압 결정부는, 정격 토크분 전류를 제2이득에 의해 증폭하는 제2증폭기; 및 상기 제2증폭기의 출력과 상기 q축 전류를 비교하는 비교기를 더 포함하고, 상기 q축 전류가 상기 제2증폭기의 출력보다 큰 경우, 상기 q축 전류가 상기 제1증폭기로 출력될 수 있다.
상기와 같은 본 발명은, 고정자 임피던스에 의한 전압강하를 개선하기 위해 빠른 동특성을 요구하는 승하강 부하에서 초기기동시 부족전압을 미리 설정된 전압으로 보상하고, 이후 부하에 따른 보상전압을 결정하여 보상함으로써, 안정적인 기동을 수행하게 하는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 전압/주파수 제어방식의 인버터 시스템을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 2는 도 1의 지령전압 생성부에서 지령주파수에 따라 지령전압이 결정되는 것을 설명하기 위한 예시도이다.
도 3은 종래의 인버터 제어장치를 설명하기 위한 구성도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예의 인버터 제어장치를 개략적으로 설명하기 위한 구성도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따라 결정되는 전압과 주파수 관계를 설명하기 위한 일예시도이다.
도 6은 도 4의 보상전압 결정부의 일실시예 상세 구성도이다.
본 발명의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라, 여러가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시예에 대한 설명은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다. 첨부된 도면에서 구성요소는 설명의 편의를 위하여 그 크기를 실제보다 확대하여 도시한 것이며, 각 구성요소의 비율은 과장되거나 축소될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소의 '상에' 있다거나 '접하여' 있다고 기재된 경우, 다른 구성요소에 상에 직접 맞닿아 있거나 또는 연결되어 있을 수 있지만, 중간에 또 다른 구성요소가 존재할 수 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면, 어떤 구성요소가 다른 구성요소의 '바로 위에' 있다거나 '직접 접하여' 있다고 기재된 경우에는, 중간에 또 다른 구성요소가 존재하지 않은 것으로 이해될 수 있다. 구성요소간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 예를 들면, '~사이에'와 '직접 ~사이에' 등도 마찬가지로 해석될 수 있다.
'제1', '제2' 등의 용어는 다양한 구성요소를 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소는 위 용어에 의해 한정되어서는 안 된다. 위 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않으면서 '제1구성요소'는 '제2구성요소'로 명명될 수 있고, 유사하게 '제2구성요소'도 '제1구성요소'로 명명될 수 있다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 표현하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. '포함한다' 또는 '가진다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하기 위한 것으로, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 부가될 수 있는 것으로 해석될 수 있다.
본 발명의 실시예에서 사용되는 용어는 다르게 정의되지 않는 한, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 통상적으로 알려진 의미로 해석될 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 종래의 인버터 제어장치를 설명한 후, 본 발명의 일실시예의 제어장치를 설명하기로 한다.
도 1은 일반적인 전압/주파수 제어방식의 인버터 시스템을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
사용자가 지령주파수 ωref를 입력하면, 지령전압 생성부(110)는 지령주파수에 해당하는 인버터(120)의 지령전압의 크기 Vref와 위상각 θref를 결정할 수 있다. 인버터(120)는 지령전압 생성부(110)에서 결정된 인버터 출력 지령전압 Vref와 위상각 θref를 이용하여 전동기(130)의 지령전압에 해당하는 3상 펄스폭변조(pulse width modulation, PWM) 전압 Vas, Vbs, Vcs를 합성하여 유도전동기(130)를 구동한다.
도 2는 도 1의 지령전압 생성부에서 지령주파수에 따라 지령전압이 결정되는 것을 설명하기 위한 예시도로서, 인버터(120)의 출력주파수는 출력전압의 크기에 비례함을 알 수 있다.
도 2에서 초기기동시 지령주파수 ωref는 0부터 시작하여 증가하고, 인버터의 출력전압 Vref 역시 전압 주파수 관계에 따라 0부터 증가한다. 즉, 지령주파수 ωref가 증가함에 따라 지령전압 역시 비례하여 증가한다. 지령주파수 ωref가 목표주파수에 도달하면, 인버터(120)는 전동기(130)를 정속도로 운전하게 된다.
도 2와 같은 방법으로 전동기(130)를 구동하는 경우, 초기기동시 저속 운전영역에서는 주파수에 비레하여 출력전압이 생성되므로 출력전압이 작을 뿐 아니라, 전동기(130)의 고정자 저항과 누설 인덕턴스에 의한 전압강하에 의해 실질적으로 전동기(130)의 구동에 필요한 전압이 감소하여, 기동전류를 크게 증가시키고, 인버터(120)와 전동기(130)의 고장 및 기동실패를 야기한다.
이를 방지하기 위해, 저속 운전영역에서 고정자 임피던스의 전압강하를 고려하여 전압을 부스트하여야 한다.
도 3은 종래의 인버터 제어장치를 설명하기 위한 구성도로서, 도 1의 시스템에 변환부(150)와 보상전압 계산부(160)를 추가한 것이다.
도 1과 마찬가지로, 지령전압 생성부(110)는 지령주파수 ωref에 해당하는 출력 지령전압의 크기 Vref와 위상각 θref를 결정하고, 인버터(120)는 지령전압에 해당하는 3상 PWM 전압을 합성하여 전동기(130)를 구동한다.
변환부(150)는 측정부(140)에 의해 측정된 전동기(130)의 3상 전류를 동기좌표계 상의 d축 및 q축전류 Idse 및 Iqse로 변환하며, 보상전압 계산부(160)는 q축전류 Iqse를 이용하여 보상전압을 결정한다. Iqse로의 좌표변환은 다음과 같이 결정된다.
Figure pat00001
여기서, θ는 지령전압의 위상각 θref이다.
Iqse는 인버터(120)의 출력전압과 동상(in-phase)이고, 부하토크에 비례한 토크분 전류(torque current)에 해당한다. 따라서 Iqse의 크기를 통해 부하토크의 정도(degree)를 알 수 있다. 전동기(130)는 부하가 크면 클수록 높은 기동토크가 요구되므로, 보상전압 계산부(160)에서 토크분 전류 Iqse에 비례한 전압을 도 2의 전압-주파수 관계에서 전압에 보상하여 기동토크를 높이게 된다.
그러나, 위와 같은 방식은 기동시 마찰부하만이 동작하는 팬, 펌프, 또는 블로워와 같은 부하에서는 응답특성이 느리므로 사용상 문제가 없으나, 엘리베이터 또는 크레인과 같은 승하강 부하에서 브레이크가 개방되었을 때 높은 기동토크가 요구되는 시스템, 즉, 브레이크가 개방되었을 때 순간적인 스텝부하가 인가되는 시스템에서는 적절하지 않다.
즉, 브레이크가 개방되었을 때 높은 기동토크가 요구되는 시스템에서는, 초기기동시 빠른 전압보상이 이루어져야 정상적인 기동이 가능한데, 보상전압 계산부(160)는 전동기(130)의 기동후 토크분 전류 Iqse를 이용하여 보상전압을 결정하므로, 이에 대한 응답특성이 느려지게 된다. 또한, 적절한 전압보상이 이루어지지 않으므로, 기동토크 부족으로 인한 기동실패에 의해 과도한 전류가 흐르게 되어, 인버터(120) 및 전동기(130)의 고장을 야기하게 된다.
본 발명의 일실시에에서는, 엘리베이터 또는 크레인과 같이 브레이크가 개방되었을 때 높은 기동토크와 빠른 응답특성을 요구하는 시스템에서, 고정자 임피던스에 의한 전압강하를 보상하여 기동토크를 개선하는 인버터 제어장치를 제공할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예의 인버터 제어장치를 개략적으로 설명하기 위한 구성도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예의 인버터 제어장치는, 전동기(1)에 소정 크기 및 주파수의 전압을 출력하는 인버터(1)를 제어하기 위한 것으로서, 지령전압 결정부(10), 출력전류 검출부(20), 변환부(30) 및 보상전압 결정부(40)를 포함할 수 있다.
사용자가 인버터(2)의 하우징에 배치되는 키패드와 같은 사용자 입력부(도시되지 않음)를 통해 지령주파수 ωref를 입력하면, 지령전압 결정부(110)는 지령주파수에 해당하는 인버터(2)의 지령전압의 크기 Vref와 위상각 θref를 결정할 수 있다.
인버터(2)는 지령전압 결정부(10)에서 결정한 지령전압의 크기 Vref와 위상각 θref를 이용하여 전동기(1)의 지령전압에 대응하는 3상 PWM 전압 Vas, Vbs, Vcs를 합성하여 전동기(1)를 구동할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따라 결정되는 전압과 주파수 관계를 설명하기 위한 일예시도로서, 5A는 종래 도 2에서의 전압과 주파수 관계를 나타낸 것이고, 5B는 본 발명의 일실시예에 따른 전압과 주파수 관계를 나타낸 것이다.
즉, 5A의 경우 지령주파수 ωref는 0부터 시작하여 증가하고, 인버터(120)의 출력전압 Vref도 0부터 시작하여 증가하도록 구성되어 있으나, 본 발명의 일실시예의 지령전압 결정부(10)는 5B의 전압-주파수 관계에 의해 지령주파수 ωref는 0부터 시작하여 증가하고, 인버터(2)의 출력전압 Vref은 Vmin부터 시작하여 증가하도록 구성될 수 있다. 지령주파수 ωref가 목표주파수에 도달하면, 더이상 주파수를 가변하지 않고 정속도 운전을 하게 되며, 따라서 인버터(2)의 출력전압 Vref 역시 고정될 수 있다. 이때, 도 5에 도시된 바와 같이, 지령주파수 ωref가 목표주파수에 도달하면 출력전압 Vref 역시 목표 지령전압에 도달함을 알 수 있다. 즉, 지령주파수 ωref가 0인 초기기동에서 지령전압은 Vmin로 결정되지만, 5B의 기울기는 5A의 기울기보다 더 완만하게 되어, 종래의 경우보다 지령주파수가 증가하면 더 작은 기울기로 지령전압이 증가하고 있음을 알 수 있다.
지령주파수 ωref가 0인 경우 지령전압 결정부(10)가 결정하는 출력전압 Vmin은 전동기(1)의 특성에 따라 미리 사용자에 의해 결정될 수 있다. 이때 과도하게 큰 전압을 설정하는 경우 트립이 발생할 수 있으며, 과도하게 작은 전압을 설정하는 경우 이동이 불가능하게 될 수 있다.
따라서, 본 발명의 일실시예에 의하면, 전동기(1)를 구동하였을 때 고정자 저항과 누설 인덕턴스에 의한 전압강하에 따른 기동실패는 Vmin에 의해 일차적으로 보상하고, 이후 부하에 의한 보상은 보상전압 결정부(40)에 의해 수행될 수 있다.
변환부(30)는 출력전류 검출부(20)에 의해 측정된 인버터(2)의 3상 출력전류를 동기좌표계 상의 d축 및 q축전류 Idse 및 Iqse로 변환하며, 보상전압 결정부(50)는 q축전류 Iqse를 이용하여 보상전압 Vcomp을 결정할 수 있다.
Iqse는 인버터(2)의 출력전압과 동상(in-phase)이고, 부하토크에 비례한 토크분 전류에 해당한다. 따라서 Iqse의 크기를 통해 부하토크의 정도를 알 수 있음은 이미 t설명한 바와 같다. 전동기(1)는 부하가 크면 클수록 높은 기동토크가 요구되므로, 보상전압 결정부(40)에서 토크분 전류 Iqse에 비례한 전압을 도 5의 전압-주파수 관계에서 전압에 보상하여 기동토크를 높일 수 있다.
도 6은 도 4의 보상전압 결정부(40)의 일실시예 상세 구성도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 보상전압 결정부(40)는, 제1증폭기(41), 비교기(42), 곱셈기(43), 저역통과필터(low pass filter, LPF)(44) 및 제2증폭기(45)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예의 보상전압 결정부(40)는, 보상전압 Vcomp를 결정하기 전에 우선 비교기(42)를 이용하여 전압보상 유무(enable)를 결정할 수 있다. 즉, 비교기(42)의 출력이 인에이블(enable)인 경우에 토크분 전류 Iqse가 LPF(44)로 출력되도록 곱셈기(43)를 구성할 수 있다. 즉, 제1증폭기(41)의 이득 K1을 곱한 정격 토크분 전류 Iqs _rate를 측정된 토크분 전류 Iqse와 비교하여 토크분 전류 Iqse\가 큰 경우에 비교기(42)가 인에이블을 출력할 수 있다.
제1증폭기(41)의 이득 K1을 곱한 정격 토크분 전류 Iqs _rate를 측정된 토크분 전류 Iqse와 비교하여 무부하 또는 경부하시에는 사용하지 않고, 토크가 부족한 경우에 적용되도록 이득 K1을 1보다 작은 값을 적절히 선절할 수 있다.
LPF(44)는 토크분 전류 Iqse의 맥동성분(ripple)을 감쇄시켜 안정도를 개선할 수 있다. LPF(44)를 통과한 토크분 전류 Iqse와 제2증폭기(45)의 이득 K2를 곱하여 보상전압 Vcomp를 결정할 수 있다. 이득 K2는 고정자 저항에 해당하며, 적용분야에 따라 값이 변경될 수 있다.
보상전압 결정부(40)에 의해 결정된 보상전압 Vcomp는 지령전압 결정부(10)가 결정하는 지령전압에 보상되어, 보상된 지령전압이 인버터(2)로 출력될 수 있다.
이와 같이, 본 발명은, 고정자 임피던스에 의한 전압강하를 개선하기 위해 빠른 동특성을 요구하는 승하강 부하에서 초기기동시 부족전압을 미리 설정된 전압으로 보상하고, 이후 부하에 따른 보상전압을 결정하여 보상함으로써, 안정적인 기동을 수행할 수 있다.
이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
1: 전동기 2: 인버터
10: 지령전압 결정부 20: 출력전류 검출부
30: 변환부 40: 보상전압 결정부

Claims (5)

  1. 전동기를 구동하는 인버터를 제어하는 장치에 있어서,
    초기기동시 소정 제1보상전압을 지령전압으로 결정하여 상기 인버터에 제공하는 지령전압 결정부;
    상기 인버터의 출력전류를 동기좌표계상의 q축 전류로 변환하는 변환부; 및
    상기 q축 전류로부터 제2보상전압을 결정하여 상기 지령전압 결정부에 제공하는 보상전압 결정부를 포함하는 인버터 제어장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 지령전압 결정부는,
    상기 제1보상전압을 고려하여 결정한 제1지령전압에 상기 제2보상전압을 보상하여 결정한 제2지령전압을 상기 인버터에 제공하는 인버터 제어장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 지령전압 결정부는,
    인버터의 지령주파수가 목표주파수에 도달한 경우, 목표 지령전압을 고정하여 출력하는 인버터 제어장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 보상전압 결정부는,
    상기 q축 전류를 제1이득에 의해 증폭하여 상기 제2보상전압을 출력하는 제1증폭기를 포함하고, 상기 제1이득은 고정자 저항에 대응하는 인버터 제어장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 보상전압 결정부는,
    정격 토크분 전류를 제2이득에 의해 증폭하는 제2증폭기; 및
    상기 제2증폭기의 출력과 상기 q축 전류를 비교하는 비교기를 더 포함하고,
    상기 q축 전류가 상기 제2증폭기의 출력보다 큰 경우, 상기 q축 전류가 상기 제1증폭기로 출력되는 인버터 제어장치.
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