KR20230122592A - 동기 모터의 제어 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고정자와 회전자를 갖는 동기 모터의 제어 방법에 관한 것으로서, 상기 동기 모터의 고정자와 회전자 자기장 벡터 사이의 각도 함수로서 모터의 공급 전압의 주파수, 위상 및 값뿐만 아니라 자속의 값을 보정하는 것을 포함하며, 상기 각도의 도함수는 상기 벡터 사이의 각속도 불일치를 나타낸다.

Description

동기 모터의 제어 방법 및 장치

본 발명은 동기 모터(synchronous motor) 분야에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 고정자(stator) 권선이 일정한 주파수(constant frequency)를 갖는 네트워크에서 공급되거나 자율 가변 주파수 소스(인버터 또는 사이클로컨버터)에서 공급되는 경우, 영구 자석 회전자(rotor) 또는 여자(필드) 권선의 전류로부터 여자(excitation)를 갖는 동기 모터에 관한 것이다. 본 발명은 특히 동기 모터 시동(start), 풀인(pull-in) 동기화 프로세스 및 동기 작동 모드에서의 정적 및 동적 안정성에 관한 것이다. 또 다른 측면에서, 본 발명은 동기 모터의 치수, 질량, 생산 비용 및 전력 단위당 전기 손실을 줄이는 것, 즉 효율성을 높이는 것에 관한 것이다.

동기 모터의 작동에 대한 주요 요구 사항은 비교적 작은 시동 전류를 제공하는 안정적인 시동(start-up) 및 풀인(pull-in) 동기화와, 모터 샤프트의 속도 및 부하 변화를 포함하여 동기 회전 모드에서 모터 작동의 동적 및 정적 안정성이다.

이러한 요구 사항을 제공하는 주요 알려진 방법은 다음과 같다: 고정자 권선이 일정한 주파수의 고정 네트워크에서 공급되는 경우, 여자 권선과 회전자의 시동 단락 권선이 있는 동기 모터가 사용된다. 풀인 동기화는 두 단계로 이루어진다. 첫 번째 단계에서 모터는 상기 시동 권선을 사용하거나 추가 보조 모터를 사용하여 동기 모터에 가까운 속도로 가속되고, 그 후 여자 권선에 직류가 공급되고 하나 또는 여러 번의 진동 후 모터가 동기화된다. 동기 모드에서 지정된 단락 권선은 진동을 줄이고(댐핑), 모터의 동적 안정성을 유지하는 데 도움이 된다.

이 방법의 단점은 모터가 동기 회전 속도를 달성할 수 없고 경우에 따라 정지한다는 것이다. 이는 여자(필드) 전류가 여자(필드) 권선에 인가될 때 발생한다. 이러한 경우 두 개의 반대 방향 토크 임펄스(즉, 토크 곱과 그 작용 시간)가 나타나며, 회전자 필드와 고정자 사이의 각도가 180°변경될 때마다 부호가 변경된다. 두 가지 반대 방향의 토크 임펄스는 반발력이 있으며 토크의 교대 임펄스의 유인 구성 요소는 존재 시간이 동일하지 않고 슬립의 값에 따라 달라지기 때문에 동일하지 않다. 따라서 토크 임펄스의 이러한 구성 요소는 슬립에 따라 달라진다(Zvi Vainer, Boris Epshtein, Saad Tapuchi, Yoram Horen, Pavel Strazhnikov, Moshe Averbukh and AlonKuperman, "Synchronous Motor Pull-in Process Analysis", Journal of Circuits, Systems and Computers, Vol. 24, No. 6 (2015), 1550088 (13 pages)). 토크의 인력과 반발 임펄스 사이의 차이가 클수록 모터의 풀인 동기화(pull-in synchronism)가 성공할 확률이 높아진다.

동기 작동 시, 단락 권선은 댐핑 기능이 제한된다. 또한 모터의 무게, 치수, 비용 및 전기 손실이 증가한다.

모터의 고정자 권선이 주파수 인버터에서 공급되면, 모터의 시동 및 추가 작동은 동기 회전 모드에서 발생한다. 그러나 속도 제어 중 동적 전자기 부하 또는 모터 샤프트의 기계적 부하로 인해 동기화 및 비상 제동이 풀아웃(pull-out) 될 수도 있다.

본 발명의 목적은 안정적인 시동(starting) 및 풀인(pull-in) 동기 모터 동기화를 제공하는 것이다. 제안된 발명의 주요 아이디어는 모터의 전자기 토크 임펄스(유인 구성 요소)의 동기화 구성 요소를 증가시키고, 제동(또는 반발) 구성 요소를 감소시킬 수 있는 방법의 설계이다.

본 발명의 또 다른 목적은 기계적 부하가 변경될 때 동기 모터의 동기 회전의 정적 및 동적 안정성을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 회전 속도를 제어하면서 동기 모터의 동기 회전의 정적 및 동적 안정성을 유지하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 예비 시동 기능을 수행하고 동적 안정성을 유지하는 추가 단락 회전자 권선을 동기 모터의 여러 설계에서 제외할 수 있는 기능이다. 권선은 모터의 부하각(또는 동력각) δ에 대한 피드백 시스템으로 대체될 수 있으며, 모터 작동 효율을 동시에 증가시키면서 동일한 기능을 제공한다.

본 발명의 또 다른 목적은 동기 모터의 회복 제동 방법을 개발하는 것이다. 모터가 제동 모드에 있을 때 발생하는 모터 모드에서 에너지 생성 모드로의 동기식 기계 전환은 고정자 및 회전자 필드 벡터의 순서가 변경되고 추가 조치없이 자동(자연) 에너지 회수가 수반되는 동기식 기계의 자연스러운 모드이다. 제안된 방법을 사용하면 회전자와 고정자의 필드 사이의 각도를 측정하여 에너지 이동 방향의 변화를 결정하고 이에 따라 필요한 에너지 방향을 조정할 수 있다.

모터의 동기 회전 모드에서 부하각(또는 동력각)이라고 하는 고정자와 회전자에 형성되는 필드의 총 벡터 사이의 각도를 측정하는 장치를 제공하는 것도 본 발명의 다른 목적이다.

본 발명의 다른 목적과 장점은 설명을 진행함에 따라 명백해질 것이다.

발명의 요약

본 발명은 고정자와 회전자를 갖는 동기 모터를 제어하는 방법은, 상기 동기 모터의 고정자 및 회전자 자기장 벡터 사이의 각도의 함수로서 모터의 공급 전압의 주파수, 위상 및 값뿐만 아니라 자속(magnetic flux)의 값을 보정하는 단계를 포함하고, 여기서, 각도의 도함수(angle derivative)는 상기 벡터 사이의 각속도 불일치를 나타내는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 동기 모터의 제어는 동기 회전의 시작 모드 및 상기 동기 모터의 회복 제동을 포함한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 동기 모터를 고정자 권선의 전류에 의해 형성된 필드(이하 작동의 동기 모드)와 회전자 및 그 자기장의 동기 회전 모드로의 풀인뿐만 아니라 작동의 동기 모드에서 모터의 정적 및 동적 안정성을 유지하는 것은, 상기 필드의 위상, 주파수 및 진폭 보정에 의해 제공되며, 상기 필드와 그 도함수 사이의 각도를 측정하는 것이 보정의 정확성을 보장하는 파라미터이다.

본 발명의 실시예에 따르면, 회전자에 여자(필드) 권선 및 일정한 주파수의 전압 네트워크로부터 고정자 권선의 공급을 갖는 동기 모터의 시동은, 회전자 및 고정자 필드 사이의 각도의 측정된 값에서만 직접 여자(필드) 전류를 공급함으로써 회전자 및 그 필드의 각속도를 고정자 필드의 각속도로 보정하는 것을 포함하고, 여기서, 전자기 토크의 임펄스가 고정자 필드와의 동기화 방향으로 회전자 회전의 가속을 유발하고 그 작용이 제동 효과를 유발할 때는 적용되지 않는다.

본 발명의 실시예에 따르면, 회전자에 여자(필드) 권선 및 일정한 주파수 전압 네트워크로부터의 고정자 권선의 공급을 갖는 동기 모터의 시동은, 여자(필드) 권선에 다른 극성의 여자(필드) 전류를 공급함으로써 회전자 필드의 각속도를 고정자 필드의 각속도로 보정하는 단계를 포함하고, 이와 같이 회전자의 위치와 고정자 필드 벡터 사이의 각도에 따라 슬립 주파수에 따라 극성이 변경되면서, 전자기(발생) 토크의 임펄스가 고정자 필드와의 풀인 동기화까지 회전자 회전의 가속 방향으로 지속적으로 작용한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 회전자에 여자(필드) 권선 및 일정한 주파수 전압 네트워크로부터의 고정자 권선의 공급을 갖는 동기 모터의 시동은, 시동 과정에서 회전자 속도가 변하는 동안 여자(필드) 전류 값을 회전자 속도의 함수로서 조절하는 것을 포함한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 회전자에 여자(필드) 권선 또는 영구 자석, 및 전원 전압에 의해 공급되는 고정자 권선을 갖는 동기 모터의 시동은, 고정자와 회전자의 자기장 벡터 사이의 자기장 벡터 사이의 각도에 따라 값으로 변조되고, 상기 각도의 값은 슬립 주파수에 따라 변경되며, 여기서 공급 전압은 회전자 속도와 고정자 필드 속도의 동기화 방향의 모멘트에 해당하는 상기 각도 값으로 고정자 권선에 인가되며, 회전자 제동 방향의 모멘트에 해당하는 각도 값으로는 인가되지 않는다.

본 발명의 실시예에 따르면, 회전자에 여자(필드) 권선 및 일정한 주파수 전압 네트워크로부터의 고정자 권선의 공급을 갖는 동기 모터의 동기 회전의 작동의 정적 및 동적 안정성을 증가시키기 위해, 여자(필드) 전류의 값은 회전자 및 고정자의 필드 사이의 각도 및 그 도함수의 함수로서 조절(제어)된다.

본 발명의 실시예에 따르면, 회전자에 영구 자석, 및 가변 주파수 인버터 또는 사이클로 컨버터로부터 고정자 권선의 공급을 갖는 동기 모터의 작동의 정적 및 동적 안정성을 증가시키기 위해, 주파수 인버터 또는 사이클로 컨버터의 전압 값은 회전자 및 고정자 필드 사이의 각도의 함수로서 보정되고, 인버터 또는 사이클로 컨버터의 주파수 및 위상은 상기 각도의 도함수의 함수로서 보정된다.

본 발명의 실시예에 따르면, 회전자에 여자(필드) 권선, 및 주파수 인버터 또는 사이클로 컨버터로부터 고정자 권선의 공급을 갖는 동기 모터의 작동의 정적 및 동적 안정성을 증가시키기 위해, 여자(필드) 전류의 값은 회전자 및 고정자 필드 사이의 각도 및 그 도함수의 함수로서 보정되고, 주파수 인버터 또는 사이클로 컨버터의 주파수 및 전압 위상은 상기 각도의 도함수의 함수로서 보정된다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 동기 모터의 회복 제동은 상기 회전자 및 고정자의 필드 사이의 각도의 측정값에 따라 전원 공급원을 통한 에너지 흐름의 방향을 상기 모터로 또는 그 반대로 전환하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 동기 모터의 회생 제동 장치에 관한 것이다.

다른 측면에서, 본 발명은 회전자 위치 센서, 고정자 공급 전압의 기본 고조파 필터, 위상 판별기 및 차동기를 포함하는 회전자의 가로축과 동기 모터의 고정자 자기장 벡터 사이의 각도를 측정하는 각도 측정 장치로서, 상기 회전자 위치 센서는 모터의 샤프트에 설치되고, 상기 고정자 공급 전압의 기본 고조파 필터는 고정자 권선 전압 소스의 위상 중 하나에 연결되며, 회전자 위치 센서와 상기 필터의 출력은 위상 판별기의 두 입력에 연결되고, 위상 판별기의 출력 중 하나는 차동기의 입력에 연결되고, 위상 판별기와 차동기의 출력은 각도 측정 장치의 모터 제어 시스템의 입력에 적용되는 출력 신호인 것을 특징으로 하는 장치에 관한 것이다.

본 발명의 실시예에 따르면, 모터의 고정자 권선은 일정한 주파수 전압원(constant frequency voltage source)에 연결되고, 샤프트상에 타코제너레이터가 설치된 상기 회전자 권선 및 상기 측정 장치는 컨트롤러에 연결되고, 상기 측정 장치의 출력 및 상기 타코제너레이터의 출력은 컨트롤러 입력에 연결되고, 그 출력은 상기 제어 정류기의 입력에 연결되어 동기 모터를 제어할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 고정자 권선은 회전자 자기장이 영구 자석에 의해 형성되는 가변 주파수의 전압 소스에 연결되어 회전자 가로 축과 고정자 자기장의 벡터 및 주파수 검출기 사이의 각도를 측정하고, 측정 장치의 출력과 주파수 검출기의 출력이 모두 상기 가변 주파수 소스의 입력에 연결되어 동기 모터의 제어를 가능하게 한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 고정자 권선은 가변 주파수 소스에 연결되고, 회전자 권선은 제어 정류기에 연결되고, 각도 측정 장치의 출력이 상기 제어 정류기의 입력 중 하나에 연결되며, 회전자 속도 센서의 출력은 제 2 입력에 연결되고, 속도 측정 장치의 출력은 제 3 입력에 연결되고, 차동기의 출력 중 하나는 상기 제어 정류기의 제 3 입력에 연결되며, 상기 차동기의 제 2 출력은 고정자 권선의 가변 주파수 전원 공급 장치의 입력 중 하나에 연결되고, 주파수 검출기 출력은 제 2 입력에 연결된다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따라 회전자 상의 여자 권선 및 일정한 주파수 네트워크로부터 공급되는 고정자 권선을 갖는 동기 모터의 제어 시스템의 블록도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 회전자에 영구 자석이 있고 인버터로부터 공급되는 고정자 권선을 갖는 동기 모터의 제어 시스템의 블록도를 도시한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 회전자 상의 여자 권선 및 인버터로부터 공급되는 고정자 권선을 갖는 동기 모터의 제어 시스템의 블록도를 도시한다.
도 4a-4c는 본 발명의 일 실시예에 따라 시동 및 모터 회전의 비동기 모드 동안 내부 각도 센서의 출력에서 신호를 생성하는 프로세스를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 동기 모터 회전 동안 내부 각도 센서의 출력에서 신호를 생성하는 프로세스를 나타낸다.

본 명세서에서 "동기 모터"라는 용어는 정상 상태에서 샤프트의 회전이 공급 전류의 주파수와 동기화되고, 회전 주기가 교류 사이클의 정수 수와 정확히 일치하는 교류(AC) 모터를 지칭한다. 동기 모터에는 모터의 고정자에 다상 AC 전자석이 있어 라인 전류의 진동에 맞춰 회전하는 자기장을 생성한다. 영구 자석 또는 전자석이 있는 회전자는 고정자 필드와 같은 속도로 회전하며 결과적으로 모든 AC 모터의 두 번째 동기화된 회전 자기장을 제공한다.

이하, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 동기 모터 제어 장치, 각도 측정 장치 및 동기 모터 제어 방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이러한 실시예들은 본 발명의 정신이나 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 조합될 수 있고, 다른 실시예들이 활용될 수 있으며, 구조적인 변경이 이루어질 수 있다. 따라서, 다음의 상세한 설명은 제한적인 의미로 받아들여져서는 안되며, 첨부된 청구범위 및 그 균등물은 본 발명의 범위를 정의한다. 따라서, 다음의 논의로부터, 본 명세서에 개시된 구조 및 방법의 대체 실시예들은 청구된 발명의 원리를 벗어나지 않고 사용될 수 있는 실행 가능한 대안으로 쉽게 인식될 것임에 유의해야 한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 본 방법은 각속도와 고정자 및 회전자 필드 각도의 벡터 사이의 현재 상태를 정의하는 파라미터를 활용한다. 이 파라미터는 모터의 공급 전압과 그에 따라 모터의 작동 모드에 영향을 미친다. 이것은 고정자 및 회전자 필드 벡터 간의 동기 회전을 조정할 수 있다. 이 파라미터는 고정자 필드 벡터와 자화(magnetized) 회전자 가로축의 공간적 위치, 즉 모터 부하 각도 사이의 각도 δ이다.

본 발명의 실시예에 따르면, 모든 작동 모드의 동기 모터에서 고정자와 회전자에 형성된 필드 사이의 각도 δ와 그 도함수(derivative)가 측정된다. 측정된 각도 δ의 지정된 파라미터는 위상 피드백 신호로 사용된다. 이 신호는 표시된 필드 중 하나 또는 둘 모두의 주파수, 위상 및 값에 영향을 미치며, 이들 간의 허용 위상 불일치 내에서 동기 회전을 보장하고 모터에서 발생하는 전자기(발생) 토크와 샤프트의 기계적 부하 토크 간의 평형을 유지하도록 조정한다.

이 방법은 고정자 및 회전자 필드의 형성 소스가 다른 동기 모터의 모든 설계 종류에 대한 통합 기반으로, 회전자 및 고정자의 회전 필드 벡터의 위상, 주파수 및 진폭 자동-튜닝 아이디어로, 0°에서 90°사이의 각도 내에서 이들의 위상 불일치를 제공하여 안정적인 모터 작동이 보장된다.

본 발명이 제공하는 또 다른 장점은 동기 모터로 모든 전기 드라이브의 기계적 특성을 형성할 수 있다는 것이다. 본 발명의 실시예에 따르면, 본 시스템은 하드, 소프트 또는 결합된 모든 형태의 전기 드라이브의 필요한 기계적 특성을 얻을 수 있다. 필요한 기계적 특성을 형성할 수 있는 능력은 고정자의 벡터와 시스템의 회전자 자기장 사이의 각도로부터 피드백이 있기 때문이다. 이 각도는 모터 샤프트에 가해지는 부하의 함수이다. 특정 구간을 포함하여 피드백의 깊이를 변화시킴으로써 필요한 기계적 특성을 형성할 수 있다.

일정한 주파수 및 여자(필드) 권선 네트워크에서 동기 모터 공급

동기 모터의 알려진 시작 시스템에는 두 단계가 포함된다. 시동 프로세스의 첫 번째 단계에서 여자 권선이 있는 회전자가 저항에 단락되고 회전자에 배치된 추가 단락 권선의 도움으로 비동기 모드에서 서브-동기(sub-synchronous) 회전 속도까지 가속된다. 두 번째 단계에서는 직류가 필드 권선에 적용된다. 슬립 주파수와 함께 교류 토크(alternating torque)가 나타난다. 양의 구성 요소, 즉 유리한 조건에서 동기화 방향으로 작용하는 이 토크의 구성 요소는 회전자 속도를 동기 속도로 조정하는 것을 완료한다. 불리한 조건에서 모터는 제동 모드 또는 제어되지 않은 진동 모드로 들어간다.

모터의 동기 회전 모드에서, 표시된 단락 권선은 댐핑 진동 방지 효과가 있어 모터의 동적 안정성에 기여한다. 댐핑 효과는 구조 및 지정된 권선 배치 가능성에 의해 제한된다.

제안된 방법과 장치는 여자 전류 δ 각도 함수와 그 도함수를 공급하기 위한 폐쇄-루프 제어 시스템을 구성하여 모터의 동기 회전의 동적 및 정적 안정성을 시작하고 유지하는 문제를 해결한다.

모터가 시작되는 동안 제어 시스템은 각도 δ의 해당 값에서만 일정한 여자(필드) 전류를 공급한다. 전자기(발생) 토크(electromagnetic (developed) torque)는 동기화 방향으로 회전자의 회전을 가속화한다. 이러한 조절을 사용하면 토크가 단방향이며 모터 동기화 방향으로 작용하기 때문에 알려진 방법과 달리 여자 전류의 공급은 모터 회전 속도가 0 인 한계에서 큰 슬립 값으로 시작할 수 있다.

풀인 동기화 프로세스의 강도와 부드러움을 증가시키는 또 다른 시작 방법은 시작 단계에서 여자 권선에 양극 전압(bipolar voltage)을 적용하는 것이다. 또한 각도 δ가 0°에서 90°사이인 경우 공급된 여자(필드) 전류의 극성은 양성이 된다. 90°에서 180°까지의 각도에서는 여자(필드) 전류의 극성이 음극이다. 따라서 동기화로 끌어당기는 지속적인 전자기(발전) 토크가 발생한다.

모터가 동기 작동 모드로 풀인된 후, 각도 δ에 따른 피드백 신호의 비례 구성 요소가 모터에서 발생하는 최대 전자기 토크의 진폭에 영향을 미친다. 기계적 부하가 증가하면 최대 토크가 증가하여 모터 작동의 정적 안정성 마진이 증가한다.

상기 피드백 신호의 차동 구성 요소는 모터의 댐핑 권선과 유사하게 작용하여 결과 진동을 감소시킨다. 그러나 댐퍼 권선과 달리 상기 피드백의 깊이를 넓은 범위 내에서 조정할 수 있으므로 댐퍼 권선이 제공할 수 있는 것보다 더 큰 동적 안정성을 달성할 수 있다. 댐퍼 권선을 완전히 제거하면 동일한 모터 출력으로 크기, 무게, 전기 손실을 줄일 수 있다.

주파수 인버터에 의해 공급되는 고정자 권선을 갖는 영구 자석 동기 모터

이러한 고정자 및 회전자 필드 형성 소스를 가진 동기 모터의 가장 일반적인 제어 시스템은 회전자 각도 위치의 함수로서 주파수 인버터의 스위칭 장치 정류의 슬레이브 제어 시스템이다. 일반적으로 "영구 자석 브러시리스 DC 모터"라고 한다. 이러한 시스템에서는 고정자 및 회전자 필드의 동기화에 문제가 없다.

이러한 시스템의 단점은 상대적으로 높은 구조 복잡성, 상대적으로 높은 전기 손실로 인한 낮은 효율, 높은 시동 전류 및 비선형 제어 특성이다. 고정자 권선이 자율 인버터에서 전원을 공급받는 경우, 동기 모터는 시동 및 작동 모드 모두에서 동기 회전 모드에 있어야 한다. 모터 샤프트의 부하 또는 인버터 주파수의 급격한 변화와 관련된 동적 힘은 모터의 비상 제동 또는 동기화 중단으로 이어질 수 있다.

제안된 방법의 프레임워크 내에서 문제에 대한 해결책은 인버터의 주파수에 영향을 미치는 측정된 각도 δ의 도함수에 의한 피드백이다. 이 피드백은 또한 일정한 주파수 소스(주전원)의 전원 공급 장치에서 공급할 때와 같이 진동을 감쇠하고 동적 안정성을 증가시킨다.

회전자에 여자(필드) 권선이 있는 사이클로컨버터 또는 주파수 인버터에서 동기 모터 공급

시동 모드와 작동 모드 모두에서 동기 모터의 회전자는 고정자 필드와 동기식으로 회전해야 한다. 영구 자석 동기 모터의 경우와 마찬가지로 회전자에 필드 권선이 있는 동기 모터는 여러 가지 이유로 발생하는 동적 힘이나 전원 공급 장치의 주파수 변화에 관계없이 동기 작동 모드를 유지해야 한다. 회전자에 여자(필드) 권선이 있는 모터의 경우, 정적 안정성은 여자(필드) 전류의 크기에 영향을 미치는 각도 δ에 의한 피드백에 의해 제공되며, 동적 안정성은 여자(필드) 전류 및 인버터(사이클로컨버터)의 주파수 또는 지정된 파라미터 중 하나에 영향을 미치는 각도 δ의 도함수에 의한 피드백에 의해 제공된다.

고정자와 회전자 필드 사이의 각도를 측정하는 장치

본 발명의 실시예에 따르면, 본 장치는 회전자 위치 센서, 고정자 권선 공급 전압의 기본 고조파 필터, 위상 감별기 및 차동기 장치(differentiating device)를 포함한다.

이하 도면을 참조하여 설명한다. 회전자에 여자(필드) 권선이 있는 동기 모터의 고정자에 일정한 주파수와 전압의 표준 주전원 전압이 공급되면 도 1에 표시된 다이어그램에 따라 안정적인 시동 및 동기 회전이 구현된다. 이 다이어그램에서 동기 모터(I)의 고정자(II)는 일정한 전압과 주파수를 갖는 표준 주전원 전압(1)에서 공급되고, 회전자(III)는 조정된 전원 공급 장치(2)에서 공급된다. 회전자 샤프트에는 회전자 위치 센서(3)와 속도 측정 장치(타코제너레이터)(7)가 설치되어 있다. 회전자 위치 센서(3)의 출력 신호는 회전자의 현재 각도 위치와 그에 따라 전원 소스(2)의 여자(필드) 전류에 의해 형성되는 자기장의 벡터를 결정한다. 필터(4)에 의해 기본 고조파를 필터링하고 분리한 후, 공급 전원(1)의 위상 중 하나의 전압이 모터 부하(5)의 내부 각도 δ에 대한 판별기의 입력 중 하나에 적용되어 회전자 위치 센서(3)의 출력 신호가 공급되는 두 번째 입력으로 전달된다. 판별기(5)의 출력에서 두 개의 신호가 생성되는데, 그 중 하나의 신호(5-1)는 각도 δ의 값에 비례하고 두 번째 신호(5-2)는 이 각도의 도함수에 비례한다. 판별기의 초기 조정은 무부하 모터의 동기 회전 하에서 수행된다. 이 경우 회전자 위치 센서(3)는 판별기 출력의 전압이 0이 되는 위치로 설정된다.

회전자(III)에 연결된 전원(1)으로 모터(I)를 시동하는 동안 소프트한 모터의 시동과 풀인 동기화의 두 가지 주요 옵션이 있다.

첫 번째 옵션에서 레귤레이터(6)는 전자기(발생) 토크가 고정자 필드와의 회전을 동기화하는 방향으로 회전자를 가속화하는 각도 δ의 값에서만 일정한 여자 전류를 공급하고, 전자기(발생) 토크가 회전을 제동하는 각도 δ의 값에서 직접 여자 전류를 끌 수 있는 것을 허여한다.

두 번째 옵션에서는 여자(필드) 전류도 해당 δ각도에서 공급되며, 첫 번째 옵션에서는 브레이크 효과로 인해 꺼지지만, 여자 전류의 극성이 변경된다. 이는 전체 시동 과정에서 단방향 전자기(발생) 토크가 생성되어 고정자 필드와 동기화 방향으로 회전자를 가속한다는 사실로 이어진다.

모터가 회전할 때 부하 각도 δ에 의한 피드백은 최대 전자기(발전) 토크(electromagnetic (developed) torque)를 조절하여 기계적 부하가 증가함에 따라 토크를 증가시켜 모터의 정적 안정성을 높이다. 피드백의 차동 구성 요소(differential component)는 회전 모터의 기계적 또는 전자기(발생) 토크의 다양한 교란으로 인해 발생하는 진동을 감쇠시켜 동적 안정성을 증가시킨다.

회전자에 영구 자석이 있는 동기 모터의 고정자가 가변 주파수 인버터 또는 사이클로 컨버터의 독립적인 소스에서 공급되는 경우, 작동 모드의 시작 프로세스와 회전은 모두 회전자 및 고정자 필드의 동기 회전과 함께 발생한다. 이 경우, 도 2에 표시된 블록 다이어그램에 따라 모터의 안정적인 작동을 보장하는 것이 실현된다. 이 경우 부하 각도 δ의 도함수에 의한 피드백이 사용되어 전원 공급 장치(1)의 주파수에 영향을 미친다. 이 피드백은 결과 진동의 감쇠로 이어지고 그에 따라 모터의 동적 안정성이 증가한다.

모터가 회전자의 여자(필드) 권선, 및 자율 가변 주파수 인버터 또는 사이클로컨버터 공급 고정자 권선과 함께 작동하는 경우, 제안된 제어 시스템의 연결은 도 3에 나와 있다. 이 경우, 부하 각도 δ에 의한 피드백은 여자(필드) 전류 레귤레이터(2)에만 연결되고, 각도의 도함수 피드백은 자율 가변 주파수 인버터 또는 사이클로컨버터 공급 고정자 권선의 입력과 여자(필드) 전류 레귤레이터 모두 또는 그 중 하나에 연결된다. 속도 측정 장치(타코제너레이터)(7)는 여자(필드) 전류 레귤레이터(2)의 제3 입력에 연결되고, 상기 속도 측정 장치(타코제너레이터)(7)의 제2 출력은 속도 차 감별기(9)의 입력 중 하나에 연결된다. 속도 차 감별기(speed difference discriminator: 9)의 제2 입력은 주파수-전압 변환기(8)의 출력에 연결된다. 속도 차 감별기(9)의 출력은 자율 가변 주파수 인버터 또는 사이클로컨버터(1)의 입력 중 하나에 연결된다.

도 1-3의 다이어그램에서 본 방법을 각각 다른 블록으로 표시된 개별 작업으로 구분하여 설명한 것은 편의성과 명확성을 위해서만 선택된 것임을 이해해야 한다. 도면에 설명된 방법을 다른 방법으로 나누어도 동일한 결과를 얻을 수 있다. 이러한 방법의 대체적인 분할은 본 발명의 실시예의 범위 내에 포함되는 것으로 간주되어야 한다.

또한 달리 명시되지 않는 한, 도표의 블록으로 표시된 예시된 연산 순서는 편의와 명확성을 위해서만 선택된 것임을 이해해야 한다. 예시된 연산의 실행 순서는 변경될 수 있으며, 또는 예시된 방법의 연산을 동시에 실행하여 동등한 결과를 얻을 수 있다. 순서도의 블록으로 예시된 동작의 이러한 순서 변경은 본 발명의 실시예의 범위에 포함되는 것으로 간주되어야 한다.

위의 모든 내용은 다음의 예시적이고 제한적이지 않은 그래프 예시를 통해 더 잘 이해할 수 있다.

도 4a-4c는 시동 및 비동기 모터 회전 중 내부 각도 센서의 출력에서 신호가 생성되는 과정을 보여준다. 도 4a는 위상 검출기에 연결된 네트워크 소스 신호(즉, 메인 네트워크 신호)를 보여준다. 도 4b는 위치 회전자 센서에서 생성된 신호(즉, 회전자 위치 센서 출력 신호)를 보여주며 위상 검출기의 다른 입력에 연결된다. 도 4c는 위상 검출기 출력 신호를 보여준다.

도 5는 동기 모터 회전 중 내부 각도 센서의 출력에서 신호가 생성되는 과정을 보여준다.

당업자가 알 수 있듯이, 제안된 방법과 도면에 설명된 배열은 일정한 주파수 및 전압 네트워크에서 공급되는 고정자 및 회전자의 필드 권선이 있는 동기 모터의 안정적인 시동 및 풀인 동기화를 보장한다. 또한 이 방법을 사용하면 동적 부하 또는 공급 전압 변화의 크기에서, 일정한 주파수 및 전압 네트워크에서 공급되는 고정자 및 회전자의 필드 권선을 사용하여 모터의 정적 및 동적 안정성을 유지할 수 있다. 이 방법을 사용하면 모터 속도를 조절하고 제어할 때 동적 부하 변화 과정을 포함하여 조정가능한 주파수 인버터로 공급되는 동기 모터의 안정적인 시동 및 안정적인 정상 상태 작동이 가능한다. 이 경우, 모터 설계에서 단락된 댐핑 시동 권선을 제외할 수 있다. 이를 통해 모터의 질량, 치수, 생산 비용을 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 시동 및 동기 작동 중에 지정된 권선의 전류와 관련된 모터의 에너지 손실을 줄일 수 있다.

상기의 모든 설명 및 실시예는 예시의 목적으로 제공되었으며 어떤 식으로든 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 많은 다른 메커니즘, 측정 방법, 전자적 및 논리적 요소가 모두 본 발명의 범위를 초과하지 않고 사용될 수 있다.

Claims (15)

1. 고정자와 회전자를 갖는 동기 모터를 제어하는 방법으로서,
   상기 동기 모터의 고정자와 회전자 자기장 벡터 사이의 각도 함수로서 모터의 공급 전압의 주파수, 위상 및 값뿐만 아니라 자속의 값을 보정하는 단계를 포함하고, 여기서, 각도의 도함수(angle derivative)는 상기 벡터들 사이의 각속도 불일치를 나타내는 방법.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 동기 모터의 제어는 상기 동기 회전의 시동 모드 및 상기 동기 모터의 회복 제동을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
   
3. 제2항에 있어서, 상기 동기 모터를 고정자 권선의 전류에 의해 형성된 필드(이하 작동의 동기 모드)와 회전자 및 그 자기장의 동기 회전 모드로의 풀인뿐만 아니라 작동의 동기 모드에서 모터의 정적 및 동적 안정성을 유지하는 것은, 상기 필드의 위상, 주파수 및 진폭 보정에 의해 제공되며, 상기 필드와 그 도함수 사이의 각도를 측정하는 것이 보정의 정확성을 보장하는 파라미터인 방법.
   
4. 제2항에 있어서, 회전자에 여자(필드) 권선 및 일정한 주파수의 전압 네트워크로부터 고정자 권선의 공급을 갖는 동기 모터의 시동은, 회전자 및 고정자 필드 사이의 각도의 측정된 값에서만 직접 여자(필드) 전류를 공급함으로써 회전자 및 그 필드의 각속도를 고정자 필드의 각속도로 보정하는 것을 포함하고, 여기서, 전자기 토크의 임펄스가 고정자 필드와의 동기화 방향으로 회전자 회전의 가속을 유발하고 그 작용이 제동 효과를 유발할 때는 적용되지 않는 방법.
   
5. 제3항에 있어서, 회전자에 여자(필드) 권선 및 일정한 주파수 전압 네트워크로부터의 고정자 권선의 공급을 갖는 동기 모터의 시동은, 여자(필드) 권선에 다른 극성의 여자(필드) 전류를 공급함으로써 회전자 필드의 각속도를 고정자 필드의 각속도로 보정하는 단계를 포함하고, 이와 같이 회전자의 위치와 고정자 필드 벡터 사이의 각도에 따라 슬립 주파수에 따라 극성이 변경되면서, 전자기(발생) 토크의 임펄스가 고정자 필드와의 풀인 동기화까지 회전자 회전의 가속 방향으로 지속적으로 작용하는 방법.
   
6. 제3항에 있어서, 회전자에 여자(필드) 권선 및 일정한 주파수 전압 네트워크로부터의 고정자 권선의 공급을 갖는 동기 모터의 시동은, 시동 과정에서 회전자 속도가 변하는 동안 여자(필드) 전류 값을 회전자 속도의 함수로서 조절하는 것을 포함하는 방법.
   
7. 제2항에 있어서, 회전자에 여자(필드) 권선 또는 영구 자석, 및 전원 전압에 의해 공급되는 고정자 권선을 갖는 동기 모터의 시동은, 고정자와 회전자의 자기장 벡터 사이의 자기장 벡터 사이의 각도에 따라 값으로 변조되고, 상기 각도의 값은 슬립 주파수에 따라 변경되며, 여기서 공급 전압은 회전자 속도와 고정자 필드 속도의 동기화 방향의 모멘트에 해당하는 상기 각도 값으로 고정자 권선에 인가되며, 회전자 제동 방향의 모멘트에 해당하는 각도 값으로는 인가되지 않는 방법.
   
8. 제2항에 있어서, 회전자에 여자(필드) 권선 및 일정한 주파수 전압 네트워크로부터의 고정자 권선의 공급을 갖는 동기 모터의 동기 회전의 작동의 정적 및 동적 안정성을 증가시키기 위해, 여자(필드) 전류의 값은 회전자 및 고정자의 필드 사이의 각도 및 그 도함수의 함수로서 조절(제어)되는 것을 특징으로 하는 방법.
   
9. 제2항에 있어서, 회전자에 영구 자석, 및 가변 주파수 인버터 또는 사이클로 컨버터로부터 고정자 권선의 공급을 갖는 동기 모터의 작동의 정적 및 동적 안정성을 증가시키기 위해, 주파수 인버터 또는 사이클로 컨버터의 전압 값은 회전자 및 고정자 필드 사이의 각도의 함수로서 보정되고, 인버터 또는 사이클로 컨버터의 주파수 및 위상은 상기 각도의 도함수의 함수로서 보정되는 것을 특징으로 하는 방법.
   
10. 제2항에 있어서, 회전자에 여자(필드) 권선, 및 주파수 인버터 또는 사이클로 컨버터로부터 고정자 권선의 공급을 갖는 동기 모터의 작동의 정적 및 동적 안정성을 증가시키기 위해, 여자(필드) 전류의 값은 회전자 및 고정자 필드 사이의 각도 및 그 도함수의 함수로서 보정되고, 주파수 인버터 또는 사이클로 컨버터의 주파수 및 전압 위상은 상기 각도의 도함수의 함수로서 보정되는 것을 특징으로 하는 방법.
    
11. 제2항에 있어서, 상기 동기 모터의 회복 제동은 상기 회전자 및 고정자의 필드 사이의 각도의 측정값에 따라 전원 공급원을 통한 에너지 흐름의 방향을 상기 모터로 또는 그 반대로 전환하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
    
12. 회전자 위치 센서, 고정자 공급 전압의 기본 고조파 필터, 위상 판별기 및 차동기를 포함하는 회전자의 가로축과 동기 모터의 고정자 자기장 벡터 사이의 각도를 측정하는 각도 측정 장치로서,
    상기 회전자 위치 센서는 모터의 샤프트에 설치되고, 상기 고정자 공급 전압의 기본 고조파 필터는 고정자 권선 전압 소스의 위상 중 하나에 연결되며, 회전자 위치 센서와 상기 필터의 출력은 상기 위상 판별기의 두 입력에 연결되고, 위상 판별기의 출력 중 하나는 차동기의 입력에 연결되고, 위상 판별기와 차동기의 출력은 각도 측정 장치의 모터 제어 시스템의 입력에 적용되는 출력 신호인 장치.
    
13. 제12항에 있어서, 상기 모터의 고정자 권선은 일정한 주파수 전압원에 연결되고, 샤프트상에 타코제너레이터가 설치된 회전자 권선 및 상기 측정 장치는 컨트롤러에 연결되고, 상기 측정 장치의 출력 및 상기 타코제너레이터의 출력은 컨트롤러 입력에 연결되고, 그 출력은 제어 정류기의 입력에 연결되어 동기 모터를 제어할 수 있도록 하는 장치.
    
14. 제12항에 있어서, 고정자 권선은 회전자 자기장이 영구 자석에 의해 형성되는 가변 주파수의 전압 소스에 연결되어 회전자 가로 축과 고정자 자기장의 벡터 및 주파수 검출기 사이의 각도를 측정하고, 측정 장치의 출력과 주파수 검출기의 출력이 모두 상기 가변 주파수 소스의 입력에 연결되어 동기 모터의 제어를 가능하게 하는 것을 특징으로 하는 장치.
    
15. 제12항에 있어서, 고정자 권선은 가변 주파수 소스에 연결되고, 회전자 권선은 제어 정류기에 연결되고, 각도 측정 장치의 출력이 상기 제어 정류기의 입력 중 하나에 연결되며, 회전자 속도 센서의 출력은 제 2 입력에 연결되고, 속도 측정 장치의 출력은 제 3 입력에 연결되고, 차동기의 출력 중 하나는 상기 제어 정류기의 제 3 입력에 연결되며, 상기 차동기의 제 2 출력은 고정자 권선의 가변 주파수 전원 공급 장치의 입력 중 하나에 연결되고, 주파수 검출기 출력은 제 2 입력에 연결되는 것을 특징으로 하는 장치.