KR900005766B1

KR900005766B1 - Pwm 인버어터의 제어시스템

Info

Publication number: KR900005766B1
Application number: KR1019870003536A
Authority: KR
Inventors: 노부요시 무또; 아끼데루 우에다; 모도노부 하또리; 사또시 이보리; 히데유끼 시모나베; 겐지 난도
Original assignee: 가부시기가이샤 히다찌세이사꾸쇼; 미다 가쓰시게
Priority date: 1986-04-14
Filing date: 1987-04-14
Publication date: 1990-08-09
Also published as: EP0241920A3; US4767976A; JPS62244297A; EP0241920A2; KR870010679A; JPH07118950B2

Abstract

내용 없음.

Description

PWM 인버어터의 제어시스템

제1도는 본 발명에 따른 인버어터 제어시스템의 1실시예를 보인 블록 다이어그램.

제2도는 제1도의 전류성분 검출회로를 상세히 나타낸 블록 다이어그램.

제3도는 유도 전동기의 하나의 상에 대한 등가회로를 나타낸 회로도.

제4도는 유도전동기의 전압벡터와 전류벡터 사이의 상관관계를 나타내는 그래프.

제5도는 유도전동기의 U-위상전압과 U-위상 1차 전류사이의 위상관계를 나타내는 파형도.

제6도는 제2도의 전류성분 검출회로의 동작을 나타내는 각부 파형도.

제7도는 자속지령(즉, 자화전류)과 유효전류사이의 관계를 나타내는 그래프.

제8도는 제7도에 보인 자속 제어동작을 설명하기 위한 시간도표.

제9도는 슬립 주파수를 사용한 주파수 제어동작에 있어서의 토오크대 모터 속도 특성을 보인 그래프.

제10도는 정상상태로 유지된 모터에 과부하가 인가되었을 때 모터 토오크를 일정하게 유지시키기 위한 제어동작을 설명하기 위한 그래프.

제11a도 내지 제11d도는 가속상태로 유지된 모터에 과부하가 인가되었을 때 모터의 속도대 토오크 특성을 설명하기 위한 그래프.

제12도는 감속상태로 유지된 모터에 과부하가 인가되었을 때 모터의 속도대 토오크 특성을 설명하기 위한 그래프.

제13도는 제1도의 자속 제어부의 또다른 실시예를 나타내는 회로도.

본 발명은 유도전동기에 대한 제어시스템에 관한 것으로, 특히 입력 주파수에 대한 모터의 인가 전압의 비를 일정하게 유지하면서 유도 전동기를 가변 전압과 가변 주파수(즉, 가변의 모터속도)를 가지고 구동시키기 위한 PWM 인버어터의 제어시스템에 관한 것이다.

유도 전동기를 인버어터로써 구동시키는 경우에 일정한 전압/주파수비를 가지고 제어하는 방법이 광범위하게 사용되어 왔으며, 여기서 유도 전동기는 교류전압의 주파수 f에 대한 유도 전동기의 인가전압 V의 비가 일정하게 유지되면서 가변속도로 구동되고 있다. 그러나, 일정 전압/주파수비 제어방법에 있어서, 모터의 부하가 감소되면 불필요한 자화전류가 모터로 흘러들어가 모터를 효율적으로 구동시킬 수 없게 되는 결과를 가져온다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 이제까지 여러 가지 방법이 제안된바 있다. 예를 들어, 인버어터의 출력 주파수와 그 출력전압의 비를 제어하는 시스템이 도시바에 의해 1981. 5. 6 출원된 일본국 특허출원 제57-183297호에 발표되어 있다. 이와같은 방법은 모두다 인버어터의 입력전류(즉, D.C 전류) 또는 모터의 1차전류를 검출하고 인버어터의 출력전압을 검출전류의 값에 비례하도록 제어하는 것이다.

종래의 제어시스템에 있어서, 모터전류(1차전류)는 항상 모터의 부하에 일치하지 않기 때문에 모터를 효율적으로 구동시킬 수 없다. 즉, 무부하상태에 있게 될지라도 대개 높은 전압이 모터에 설정된 어떤 전압치 및 주파수에 의해 모터로 인가된다. 이 경우, 자화전류가 증가하여 모터전류(1차전류)가 크게 되는 현상을 가져온다. 이와같은 상태에서 모터로 인가된 전압이 전류값에 비례하도록 증가된다면 모터의 여자코일이 포화상태가 되도록 과도여기상태로 놓여지기 때문에 모터전류가 더 증가하게 된다. 따라서, 모터의 효율이 저하되고 모터로 과전류가 흐르게 된다. 이때 인버어터를 교류전원과 연결시키는 차단기가 개방된다. 고로, 인버어터로 공급되기 위한 PWM 신호가 중단되고 모터를 구동시킬 수 없는 상태로 인버어터가 놓여진다.

더욱이, 종래의 제어시스템에 따르면 자속이 입력전압을 변화시키는 것에 의해 제어됨으로써 원하는 토오크가 2차시간 상수에 해당하는 양에 의해 입력전압보다 늦게 발생되고 있다. 따라서 모터의 부하가 급격히 증가하면 모터속도가 크게 감소하여 슬립이 증가하게 된다. 고로 1차전류가 증가하게 되고, 이것은 인버어터를 과전류 트립상태로 만들게 된다. 상술한 문제점들은 검출된 모터전류가 항상 모터의 부하에 일치하지 않는다는 사실에 의해 야기된다.

본 발명의 목적은 PWM 인버어터에 의해 구동되는 유도 전동기의 부하가 급격히 변화하더라도 그 PWM 인버어터가 과전류 트립상태에 놓여지는 것을 방지할 수 있는 제어시스템을 가진 PWM 인버어터의 제어시스템을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 의하면 PWM 인버어터의 출력전압 및 출력주파수(즉, PWM 인버어터에 의해 구동되는 모터의 입력전압과 입력주파수)가 하기에 설명하는 방식으로 유효전류로부터 결정된 인버어터의 주파수지령 및 전압지령에 의해 제어되는 PWM 인버어터의 제어시스템이 제공된다. 즉, 먼저 유효전류를 모터 전류로부터 검출하고, 그 다음 유효전류에 비례한 주파수 보상신호를 인버어터 주파수의 설정값에 가산하여 인버어터 주파수지령을 얻고, 인버어터의 출력 주파수를 인버어터 주파수지령에 의해 제어하는 방식이다. 또한 유효전류에 비례하는 자속 보상값을 자속의 설정치에 가산하여 자속지령신호를 얻고, 이 자속지령신호와 인버터어터 주파수 지령신호를 곱하여 전압지령신호를 구한다음 이를 인버어터의 출력전압을 제어하는 데 사용한다.

유효전류가 모터의 부하 증가로 인하여 미리 지정된 값보다 커질 경우 인버어터 주파수지령은 모터가 구동상태(가속상태 및 정상상태) 또는 재생상태(감속상태)에 놓여지는 것에 따라 감소되거나 증가되며, 고로 수정된 인버어터의 주파수지령은 인버어터의 출력 주파수를 제어하여 모터의 출력 토오크를 일정하게 유지시킨다.

더 상세히 말하면, 유효전류가 미리 지향된 값보다 작아질 경우에 과전류에 의한 트립의 발생이 다음과 같은 동작에 의해 방지된다. 즉, 모터의 부하가 급격히 증가할 때 모터의 1차 임피던스에 기인한 전압 강하가 증가되고 따라서 자화전류가 감소되며 유효전류(즉, 2차전류)가 증가하게 된다. 본 발명에서 유효전류에 비례하는 자속 보상값은 전압지령신호의 값이 증가한다. 고로 부하가 증가될 경우라도 자화전류의 감소가 방지되며 유효전류의 급격한 증가에 기인한 1차전류에 있어서의 증가가 방지된다.

또한 유효전류가 미리 지정된 값을 초과할 경우에 인버어터는 다음과 같은 방식으로 즉각 과전류에 의한 트립상태로 놓여지는 것이 방지된다. 일예를 들어 모터가 정상상태로 유지되는 경우에 대해 고려한다. 유효전류가 미리 지정된 값을 초과한 경우에 인버어터 주파수지령신호는 설정된 시간 상수에 따라 감소된다. 인버어터 주파수가 감소하자마자 모터에 의해 발생된 토오크(모터 토오크)가 감소되고, 즉시 모터전류가 감소된다. 그러나, 유효전류가 다시 미리 지정된 값으로 증가되면 모터에는 모터 토오크보다 큰 부하가 인가되어 진다. 유효전류가 미리 설정된 값에 도달할 때 마다 주파수지령신호의 값이 감소되어 인버어터 주파수를 감소시키고, 이에 의해 모터전류가 미리 지정된 값(예를 들어 규격치)을 초과하는 것을 방지하게 된다. 상기 제어동작에 의해 인버터는 과부하가 급격히 모터에 인가될 경우라도 즉시 과부하 트립상태로 돌입하는 것을 방지할 수 있다.

상기예는 제어동작이 모터에 정상상태에 대해 설명한 것이었다. 모터가 가속상태 및 감속상태에 있을 때 역시 인버어터 주파수가 유효전류 상수를 유지하도록 증가 또는 감소되며, 따라서 인버어터가 과전류 트립상태로 급격히 돌입하는 것에 대한 염려가 없게 된다.

이하 첨부도면에 따라 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

제1도는 본 발명에 의한 인버어터 제어시스템의 1실시예를 나타낸다.

제1도에서, 정류기(2)가 교류전원(1)에 연결되어 교류전압을 직류전압으로 변환시키게 되고, 이 정류기(2)의 직류 출력측은 평활용 캐패시터(3)로 연결되어 있다. 또한, PWM 인버어터(4)가 평활용 캐패시터(3)로 연결되어 정류기(2)로부터의 직류전압을 3상의 교류전압으로 변환시키게 되며, 이 3상 교류전압은 가변의 진폭 및 주파수를 갖는다. 3상 유도전동기(6)는 인버어터(4)의 교류 출력측에 연결되며, 모터의 입력주파수에 대한 입력 전압의 비를 이정하게 유지시키면서 가변속도로 동작하게 된다.

PWM 인버어터(4)의 U위상 및 V위상 출력전류(즉, 모터(6)의 U위상 및 V위상 1차전류)는 전류트랜스(51) 및 (52)에 의해 각각 검출된다. 이 전류트랜스(51) 및 (52)에 의해 검출된 전류 i_1U및 i_1V를 3상 전류 형성회로(7)로 인가하여 그 1차전류 i_1U및 i_1V로부터 모터(6)의 W위상 1차전류 i_1W=-(i_1U+i_1V)를 얻는다. 형성회로(7)로부터의 1차전류 검출신호 i_U, i_V및 i_W는 절대치 회로(8)로 인가되고, 여기서 그 1차전류 검출신호들 각각의 직류성분과 고주파성분을 제거한 다음에 1차전류 검출신호 각각의 절대치 신호

및

를 발생하게 된다. 이 신호들

은 전류성분 검출회로(9)로 공급되고 또한 이 검출회로에는 타이머(17)로부터 출력되는 30°위상신호 가 공급된다. 이 30°위상신호

는 이후에 설명된다.

제2도는 전류성분 검출회로(9)의 일예를 본인 것이다.

제2도에서, 절대치 신호

는 각각 연산증폭기(910),(911),(912)로 공급된다. 이들 연산증폭기 각각은 전압 아이솔레이터가 되어 상호 그 입력과 출력을 분리시킨다. 연산증폭기(910)의 출력단자는 저항(920)의 일단에 연결되고 그 다른 일단은 제1의 샘플/홀드회로(930) 및 (931)로 연결되어 있다. 연산증폭기(911)의 출력단은 저항(921)의 일단으로 연결되고 이 저항의 다른 일단은 제2의 샘플/홀드회로(932) 및 (933)로 연결되어 있다. 또한 연산증폭기(912)의 출력단은 저항(922)의 일단으로 연결되고 이 저항의 다른 일단은 제3의 샘플/홀드회로(934) 및 (935)로 연결된다. 이들 샘플/홀드회로(930)∼(935)는 동일한 회로구성으로 되어 있고, 일예로 샘플/홀드회로(930)의 상세한 구성이 제2도에 도시되어 있다. 즉, 각각의 샘플/홀드회로는 스위치(940), 캐패시터(942) 및 연상증폭기(943)로 구성되어 있다. 스위치(940)의 게이트 단자는 샘플/홀드신호 발생회로(900)의 출력단자로 연결되어 샘플/홀드회로

를 발생시킨다. 샘플/홀드회로(930), (932) 및 (934)의 출력단은 각각 유효전류 합성회로(950)의 저항(924),(925) 및 (926)으로 연결되어 있다. 유효전류 합성회로(950)는 저항(923) 내지(927), 캐패시터(944) 및 연산증폭기(945)로 구성된 1차 자연소자로써 작용한다. 유효전류 합성회로(950)는 각각 샘플/홀드회로(930),(932) 및 (934)로부터 공급된 U위상 유효전류 I_tu, V위상 유효전류 I_tv및 W위상 유효전류 I_tw의 총합을 산출하여 총유효전류 I_t를 만들어낸다.

한편, 샘플/홀드회로(931),(933) 및 (935)의 출력신호 I_mu, I_mv및 I_mw는 무효전류 합성회로(951)로 공급되고, 이 회로는 실질적으로 유효전류 합성회로(950)와 동일한 구성을 갖는다. 이 무효전류합성회로(951)는 U위상 무효전류 I_mu, V위상 무효전류 I_mv및 W위상 무효전류 I_mw의 총합을 산출하여 총무효전류 I_m을 만든다. 간단하게 말해서, 전류성분 검출회로(9)는 30°위상신호

를 기초로 하여 샘플/홀드신호 발생회로(900)에서 발생된 샘플/홀드신호에 따라 특정한 위상전압의 위상각에서 절대치 신호

및

에 대한 샘플링 작용을 수행하여 유효전류 I_t와 무효전류 I_m을 구하게 된다.

제1도를 다시 참조하면, 전류성분 검출회로(9)에서 얻어진 유효전류 I_t는 토오크 제한회로(100)로 공급되고, 무효전류 I_m는 연산증폭기(18)로 공급된다. 토오크 제한회로(100)에서 사용되는 제한 값 I_to는 가변저항(111)에 의해 설정된다. 전류성분 검출회로(9)에서 검출된 유효전류 I_t가 제한 값 I_to보다 작으면, 유효전류 I_t는 연산증폭기(13)로 공급된다. 한편 유효전류 I_t가 제한 값 I_to보다 작지 않으면, 제한 값 I_to이 연산증폭기(13)로 공급된다. 연산증폭기(13)의 출력측은 아날로그 스위치(151)의 입력단자 S₁에 연결되고 또 연산증폭기(14)의 입력측에 연결된다. 연산증폭기(14)의 출력측은 아날로그 스위치(151)의 또다른 입력단자 D₁으로 연결되고 이 스위치(151)의 제어단자 C₁는 구동/재생판별회로(15)의 출력단에 연결된다. 연산증폭기(13) 및 (14)의 이득은 각각 -K_s및 -1로 된다. 상수 K_s는 예상되는 슬립 각 주파수

에 대응하는 보정신호가 유효전류 I_t로부터 구해질 수 있도록 결정한다. 실제로, 상수 K_s는 다음의 식에 의해 주어진다.

연산증폭기(13)가 부(-)의 이득을 가지기 때문에 이 연산증폭기(13)는 -ω_s에 해당하는 부의 전압신호를 발생한다. 또한 연산증폭기(14)가 -1의 이득을 가지고 있으므로 연산증폭기(14)는

에 해당하는 양의 전압신호를 발생한다. 아날로그 스위치(151)의 제어단자 C₁로 공급되는 제어신호는 스위치(151)를 제어하여 양의 슬립 각 주파수

가 모터의 구동상태시 스위치(151)의 출력으로 나타날 수 있게 하고, 모터가 재생상태에 있을 때 부의 슬립 각 주파수

가 스위치(151)의 출력으로 표시되도록 설정되어 있다.

판별회로(15)가 가속/감속 지령발생회로(11)에서 발생된 신호를 기준하여 모터가 구동상태에 있는 것을 판정하면 이 판별회로(15)는 논리 "l"의 레벨을 갖는 신호를 아날로그 스위치(151)의 제어단자 C₁로 보내어 그 스위치(151)의 입력단자 D₁을 출력단자 O₁와 연결시켜 준다. 모터가 재생상태로 유지하고 있는 것을 판별회로(15)가 판정하면, 판별회로(15)는 논리 "O"의 레벨을 갖는 신호를 출력시켜 아날로그 스위치(151)의 입력단자 S₁를 그 출력단자 O₁와 연결되게 한다.

아날로그 스위치(151)의 출력단자 O₁는 아날로그 스위치(153)의 입력단자 S₃와 연결되고, 이 스위치(153)의 제어단자 C₃는 비교기(12)의 출력단에 연결되어 있다. 또한 아날로그 스위치(153)의 또다른 입력단 D₃은 접지되어 있다.

아날로그 스위치(153)의 출력단자 O₃는 슬립 각 주파수 제한회로(101)에 연결되어 여기서 슬립 각 주파수

의 값을 상한 값(ω_s)_max으로부터 하한값(ω_s)_min까지의 범위내에 있게 한다. 슬립 각 주파수 제한회로(101)는 또한 토오크 제한회로(100)로 연결되어 상한값(ω_s)_max을 토오크 제한회로(100)에서 출력된 유효전류 I_t에 비례하게 만든다. 가산기(164)가 슬립 각 주파수 제한회로(101)의 출력단자와 감산기(163)의 출력단자로 연결되어 있다. 감산기(163)의 출력에 나타난 인버어터의 각 주파수 ω₁는 가산기(164)에 의한 슬립각 주파수

에 가산되어 인버어터의 각 주파수지령 ω₁ ^*을 만들게 된다. 감산기(163)의 양 및 음의 입력단자는 가속/감속지령 발생회로(11)의 출력단자와 연산증폭기(10)의 출력단자에 연결된다. 이 연산증폭기의 출력단에 나타나는 각 주파수 ω_R"는 감산기(163)에 의해 지령발생회로(11)의 출력에 나타나는 각 주파수 ω_R'로부터 가산되어 인버어터 각 주파수 ω₁를 얻게된다.

각 주파수 ω_R"는 모터에 과부하가 인가될 때라도 실질적으로 모터 토오크를 일정하게 유지시키는 데 사용되며, 이것에 대한 상세한 것은 나중에 설명한다.

아날로그 스위치(152)의 제어단자 C₂는 비교기(12)의 출력단자로 연결되고 이 스위치(152)의 입력단자 S₂는 접지되어 있다. 스위치(152)의 출력단자 O₂와 그 또다른 입력단자 D₂는 아날로그 스위치(154)의 출력 단자 O₄와 연산증폭기(10)의 입력단자로 각각 연결되어 있다. 비교기(12)의 양 입력단은 각각 가변저항(111)과 토오크 제한회로(100)로 연결된다. 아날로그 스위치(154)의 제어단자 C₄는 구동/재생 판별회로(15)의 출력단자에 연결된다. 또한 아날로그 스위치(154)의 1입력단 D₄와 다른 입력단 S₄은 각각 가변저항(113)과 감산기(65)의 출력단에 연결되어 있다. 감산기(165)의 (+)입력단은 가속/감속 지령발생회로(l)의 출력단에 연결되어 ω_R'에 해당하는 전압신호를 공급한다. 또한, 감산기(165)의 (-)입력단은 가변저항에 연결되어 인버어터 각 주파수의 설정값 ω_R에 해당하는 전압신호를 공급하게 된다. 이 결과, 아날로그 스위치(154)의 입력단자 S₄에는 (ω_R'-ω_R)만큼의 신호가 공급된다.

가속/감속 지령 발생회로(11)에는 인버어터 각 주파수의 설정치 ω_R에 대응하는 신호가 공급되어 다음과 같은 방법으로 출력신호를 발생시킨다. 일정속도 지령의 경우에, 회로(11)의 출력정압 ω_R'은 각 주파수 ω_R'가 설정치 ω_R에 도달할 때까지 예정된 시간상수에 따라서 증가된다. 감속지령의 경우에, 회로(11)는 각 주파수 ω_R'를 출력시키게 되고 이것은 예정된 시간상수에 따라 설정치 ω_R를 감소시킴으로써 얻어진다. 가산기(164)의 출력단은 전압/주파수 변환기(16)의 입력단과 아날로그/디지탈 변환기(20)의 입력단에 연결된다. 전압/주파수 변환기(16)는 가산기(164)의 출력전압에 나타나는 인버어터 각 주파수 지령 ω₁ ^*에 비례한 주파수를 갖는 펄스신호를 발생시킨다. 전압/주파수 변환기(16)는 A타이머와 B타이머를 포함하는 타이머 회로(17)에 연결된다. 전압/주파수 변환기(16)에서 발생된 펄스는 클럭펄스로서 A타이머는 공급된다. A타이머는 마이크로 컴퓨터(21)내의 데이터 버스라인(도시안됨)에 연결된다.

변환기(16)로부터의 클럭펄스에 의해 동작되는 A타이머의 출력은 상기 데이터 버스라인으로 전송되어 마이크로 컴퓨터(21)내로 폐치된다. A타이머의 출력은 한 주기의 펄스폭 변조 파형을 나타낸다. 한편, B타이머는 30°위상신호

를 출력시키며 이 신호

는 A타이머의 출력에 기초한 변조된 신호의 위상각이 30°를 앞설때마다 교대로 고레벨과 저레벨을 갖게 된다. 전류 성분 검출회로(9)는 연산증폭기(18)의 입력단에 연결되어 무효전류 I_m을 공급한다. 가변저항(즉, 전위차계)(112)의 3개 단자는 전원, 접지, 감산기(161)의 (+)입력단으로 연결되어 있다. 고로, 제어전압의 작은 부분이 가변저항(112)으로부터 가산기(161)의 (+)입력단자로 공급되어 자속의 설정치 φ_R를 나타내는 데 사용된다. 한편, 감산기(161)의 (-)입력단은 연산증폭기(18)의 출력단에 연결되어 자속값 φ_O(검출값)을 공급받는다. 고로, 감산기(161)의 출력은 자속의 설정치 φ_R에서 자속값 φ_O을 뺀 자속편차 Δφ를 나타내고 이 출력신호는 연산증폭기(19)의 입력단으로 공급된다. 연산증폭기(19)는 -1의 이득을 가지며 극성반전 연산증폭기로써 작용한다.

연산증폭기(19)의 출력단은 제1차 지연소자로서 작용하는 연산증폭기(22)의 입력단자에 연결되며, 이 연산증폭기(22)의 출력에 나타나는 자속편차 △φ를 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다.

여기서, Tφ는 상수이고 S는 라플라시안을 표시한다. 다시 말해서, 계단입력 △φ가 1차 지연소자(22)에 인가될 때, 그 출력 △φ'가 시간상수 Tφ에 따라 변화하여 입력 △φ가 되게 한다. 연산증폭기(22)로부터의 출력 △φ'와 토오크 제한회로(100)로부터의 유효전류 I_t는 승산기(102)로 공급되어 서로 승산된다. 고로 승산기(102)의 출력은 다음과 같은 식으로 주어지는 자속편차 △φ"가 된다.

여기서, Kφ는 비례상수를 나타낸다. 승산기(102)의 출력은 가산기(162)에 의한 자속의 설장치 φ_R에 가산되어 자속지령 φ^*을 만든다. A/D변환기(20)의 양 입력단자는 가산기(164)의 출력단자와 가산기(162)의 출력단자로 각각 연결되어 자속지령 φ^*과 인버어터 각 주파수지령 ω₁ ^*이 A/D변환기(20)로 폐치되게 한다. 마이크로 컴퓨터(21)의 데이터 버스라인은 A/D변환기(20)의 데이터 버스라인(도시안됨)으로 연결된다. 고로 A/D변환기(20)에 의해 디지털 값으로 변환되고난 다음 값 φ^*ω₁는 마이크로 컴퓨터(21)내에 로오드 된다.

마이크로 컴퓨터(21)는 다음식에 따라 값 φ^*와 ω₁ ^*으로부터의 전압지령 V^*을 결정한다.

여기서 K_v는 비례상수이다.

마이크로 컴퓨터(21)의 데이터 버스라인은 또한 A타이머로 연결되어 인버어터 각 주파수지령 ω₁ ^*에 비례하는 주파수를 가지는 펄스신호를 마이크로 컴퓨터(21)내로 폐치하게 만든다. A타이머로부터의 펄스신호에 대응하는 정현파 신호 데이터가 마이크로 컴퓨터(21)의 메모리에 기억된다. 전압지령 V^*과 정현_파데이터로부터 펄스폭 변조파형을 형성하는 회로구성과 상기 변조파형을 이용하여 펄스폭 변조된(PWM)신호를 형성하기 위한 회로구성은 예를들어 1985년 12월 31일 허여된 미합중국 특허 제4,562,524호에 발표되어 있다. 따라서 상기와 같은 회로구성에 대한 설명은 생략하기로 한다. 마이크로 컴퓨터(21)에 의해 생성된 PWM 신호는 PWM 인버어터(4)로 공급된다.

그 다음, 제1도의 회로동작에 대해 설명한다. 먼저 유효전류 I_t와 무효전류 I_m을 산출하는 동작에 대해 설명하면 다음과 같다.

유도전동기(6)를 통해 흐르는 U위상 1차전류 I_lu와 V위상 1차전류 i_lv는 각각 전류 트랜스(51)와 (52)에 의해 검출된다. 3상전류 형성회로(7)에서, W위상 1차전류 i_lw, U, V 및 W위상의 평형을 이용하여 1차전류 i_lu및 i_lv로부터 결정된다. 3상전류 형성회로(7)로부터의 1차전류 검출신호 i_u, i_v및 i_w는 각각 직류성분과 고주파성분을 포함한다. 이들 성분은 필터(도시안됨)에 의해 제거되며, 처리된 1차전류 검출신호 i_u, i_v및 i_w는 절대치 신호 i_u, i_v및 i_w를 산출하기 위해 사용된다. 본 발명의 실시예에서, 유효전류 I_t와 무효전류 I_m는 절대치 신호

및

로부터 형성된다.

제3도는 유도전동기의 단상(예를 들어 U위상)에 대한 등가회로를 나타낸다. 위상전압 V_u가 모터의 여자코일 양단에 인가되면 1차전류 i_u는 1차저항 r₁과 1차 누설 인덕턴스 l₁로 흘러 들어간다. 결국, 여자전류 i_m'는 자화 인덕턴스 l_m로 흐르고 따라서 유도전압 V_m이 발생한다. 또한, 2차전류 i₂가 2차 누설 인덕턴스 l 2와 2차저항 r₂로 흐른다.

제4도는 제3도의 등가회로에 있어서 전류벡터와 전압벡터 사이의 상관관계를 나타낸다.

위상 전압 V_u와 유도전압 V_m사이의 위상차는 θ' 및 cos θ'로 다음과 같은 식으로 표현된다.

이제, 5.5KW, 4극, 200V와 정격 전류 23A를 가진 유도전동기가 전압/주파수 비를 일정하게 유지하면서 동작되는 경우에 대해 고려해 본다.

1차주파수 f₁가 10Hz, 저항 r₁이 0.658Ω, ω₁l₁(=2πf₁l₁)가 0.18Ω인 경우에, │V_u│와 │V_m│은 각각 40/3▽과 17.8▽이 되고,

는 15.7/3V가 된다. 상기 값이 식(5)에 대입될때 cosθ'는 거의 l과 같게 된다. 고로, 위상치 θ'는 거의 0에 가깝게 된다. 이 결과는 1차 주파수 f₁가 다른 값을 가지는 경우에도 적용된다.

따라서, 위상 전압 V_u와 유도전압 V_m사이의 위상차 θ'는 무시될 수 있다. 제4도를 참조하면, 유도전압 V_m을 나타내는 전압 벡터는 자화전류 i_m'을 나타내는 전류벡터에 수직이고, 위상 전압 V_u을 나타내는 또 다른 전압벡터는 무효전류 i_m을 나타내는 또 다른 전류벡터에 수직이다. 위상 전압 V_u와 유도전압 V_m사이의 위상차 θ'가 무시할 수 있을 정도로 작기 때문에 무효전류 i_m은 자화전류 i_m'와 거의 동일하며, 유효전류 i_t는 2차전류 i₂(모터의 부하에 해당함)와 거의 동일하게 된다.

따라서, 위상전압 V_u과 1차 전류 i_u사이의 위상차가 Ψ로 표시될 때 유효전류 i_t와 무효전류 I_m는 다음과 같은 식으로 표현된다.

제5도는 차전류 I_u로부터 유효전류 I_t를 검출하는 방법을 보인 것이다. 식(6)에서 볼 수 있는 것과 같이, 유효전류 I_t는 위상전압 V_u의 0위상에 대해 90° 위상으로 1차전류 i_u의 크기로써 구해진다. 위상 전압 V_u의 270°위상에서 1차전류 i_u의 절대치와 동일하게 된다. 즉, 유효전류 I_t는 위상전압 V_u의 90°와 260°위상에서 1차전류 i_u절대치는 위상전압 V_u의 90° 위상에서 1차전류 i_u의 절대치를 가지고 구할 수 있다. 비슷하게, 무효전류 I_m는 위상전압 V_u의0 및 180° 위상에서 1차전류 i_u의 절대치로써 구해진다.

3상전류가 모터로 공급되는 경우에 있어서, 유효전류 I_t와 무효전류 I_m는 다음과 같은 위상전압 V_u의 위상에서 취한 1차 전류 i_u, i_v및 i_w의 절대치 │i_u│,│i_v│ 및 │i_w│로부터 검출될 수 있다.

(1)유효전류 I_t가 결정되었을 경우에, 90° 및 270°위상에서 i_u의 절대치가 검출되고, 30° 및 210°위상에서 I_v의 절대치가 150° 및 330° 위상에서 i_w의 절대치가 검출된다. (2) 무효전류 I_m가 검출되었을 경우에, 0° 및 180° 위상에서_u의 절대치, 120° 및 300°위상에서 i_v의 절대치, 60° 및 240° 위상에서 i_w의 절대치가 검출된다.

상기 설명에서, 1차전류 i_u, i_v및 i_w의 절대치는 위상 전압 V_u의 위상에 기초하여 검출된다. 또한, 그 절대치는 위상전압 V_v또는 V_w의 위상을 근거로 하여 검출될 수 있다.

제2도에 나타낸 전류성분 검출회로(9)의 회로수성은 상술한 방법으로 1차전류의 절대치,

및

로부터 유효전류 I_t와 무효전류 I_m을 검출하게 된다. 그리고 제6도는 전류 성분 검출회로(9)의 동작을 설명하기 위한 시간 도표이다.

타이머회로(17)의 A 타이머는 위상전압 V_u의 0 및 360°위상과 동기되어 동작하고 위상전압 V_u의 위상각이 30전진할때마다 리세트된다. 따라서, A 타이머는 제6도의 최상단에 나타낸 바와 같은 동작을 수행하고 전압 V_u의 의 위상각이 30° 전진할때마다 교대로 논리 "1"과 논리 "0"레벨을 갖는 위상 신호

를 발생한다.

샘플 홀드 신호

는 펄스신호로써 30°위상신호

의 상승 및 하강 변부와 동기되어 있는 펄스를 발생한다. 샘플/홀드 신호

는 30위상 신호

의 90°, 270°, 450°위상에 대응하는 시각 D₂,D₅,D₈에서 펄스를 발생하고, 이 시각에서 1차 전류 i_u의 절대치

및

를 샘플링 및 홀드시키게 된다. 이들 절대치는 1차전류 i_u로부터 검출된 유효전류 I_tu를 형성한다. 샘플/홀드 신호

는 30도 위상 신호

의 0°, 180°, 360° 및 540° 위상에서 대응하는 시각 E₁,E₄,E₇및 E₁₀에서 펄스를 발생하고, 이들 시각에서 1차전류 i_u의 절대치

및

를 샘플링 및 홀드시킨다. 이들 절대치는 1차전류 i_u로부터 검출된 무효전류 I_mu를 형성한다. 비슷하게 유효전류 i_tv와 무효전류 I_mv는 샘플/홀드 신호 d와 e를 사용하여 1차전류 i_v의 절대치 i_v로부터 검출되고, 이 유효전류 i_tv와 무효전류 i_wv는 1차전류 i_w의 절대치 i_w로부터 검출한다.

1차전류 i₁에 해당하는 유효 전류 I_t는 유효전류 I_tu, I_tv의 총합으로 구해지고, 무효전류 I_m는 무효전류 I_mu,I_mv및 I_mw의 총합으로 구해진다. 이들 전류의 총합은 각각 유효전류 합성회로(950)과 무효 전류 합성회로에 의해 산출된다. 각각의 합성회로(950) 및 (951)은 1차 지연소자를 형성하고 각각의 전류 I_t및 I_m에 포함된 리플성분을 억제한다.

이와같이 구해진 유효전류 I_t와 무효전류 I_m은 슬립 주파수와 자속을 제어하는데 사용된다.

무효전류 I_m는 연산증폭기(18)로 공급되고, 유효전류 I_t는 토오크 제한회로(100)로 공급된다.

여기서 우선 I_t<I_to인 경우에 대해 고려한다.

즉, 유효전류 I_t가 제한치 T_to보다 작을 때 전류 성분 검출회로(9)로부터의 유효전류 I_t는 토오크 제한회로(100)에서 발생된다. 유효전류 I_t는 이득 -K_s를 가진 연산증폭기(13)에서 -K_s로 곱해지고 슬립 각 주파수

에 대응하는 전압치로 변환된다. 슬립 주파수

는 이득 -1을 가진 연산증폭기(14)에서 -1로 곱해져서

로 변환된다. 이 슬립 각 주파수 -ω_s및

중 어느 하나가 아날로그 스위치(151)에 의해 선택된다. 이 선택은 구동/재생 판별회로(15)의 출력을 기준하여 수행된다. 가속/감속 지령 발생회로(11)의 출력에 나타나는 인버어터 각 주파수(ω_R"가 인버어터 각 주파수의 설정치 ω_R보다 크지 않으면(즉,

), 구동상태가 유지되고, 그다음 판별회로(15)는 논리 "l"레벨을 갖는 신호를 스위치(151)의 제어단자 C₁으로 전송한다.

이 결과, 연산증폭기(14)의 출력단자는 아날로그 스위치(151)의 출력단자 O₁에 연결되고, 이로써, 슬립각 주파수

를 나타내는 전압신호가 아날로그 스위치(153)의 입력단자 S₃로 공급된다. 유효전류 I_t가 제한치 I_to보다 작기 때문에 비교기(12)로부터 논리 "0"레벨의 신호가 아날로그 스위치(153)의 제어단자 C₃로 전송된다. 고로 슬립각 주파수

를 나타내는 전압 신호가 슬립 각 주파수 제한회로(101)에 공급된다. 슬립각 주파수

가 상한(ω_s)_max과 하한(ω_s)_min사이에 놓여졌다할 때 연산증폭기(14)로부터 보내진 동일 전압신호 즉,

를 나타낸는 전압신호가 제한회로(101)로부터 가산기(164)의 1입력단에 인가된다. 가산기(164)의 다른 입력단자에는 감산기(163)로부터의 인버어터 각 주파수 ω₁를 나타내는 전압 신호가 공급된다. 감산기(163)의 (+)입력단자에는 가속/감속 지령발생회로(11)의 출력이 공급되고 이 감산기(163)의 (-)입력단자에는 연산증폭기(10)의 출력이 인가된다.

(-)입력단자에는 연산증폭기(10)의 출력이 인가된다. 즉, 인버어터 각 주파수 ω₁는 각 ω_R'로부터 각 주파수 ω_R"를 감산함으로써 구해진다. 유효전류 I_t가 제한치 I_to보다 작으면, 비교기(12)는 논리 "0"레벨의 신호를 출력시키고, 이 신호는 아날로그 스위치(152)의 제어단자 C₂로 공급된다. 결국 아날로그 스위치(152)의 입력단자 S₂는 그 출력단자 O₂와 연결되고, 영의 전압이 연산증폭기(10)로 인가되어진다. 따라서, 연산증폭기(10)의 출력단에 나타나는 각 주파수 "R는 0으로 되고 인버어터의 각 주파수 ω₁는 가속/감속 지령발생회로(11)의 출력단에 나타나는 각 주파수 ω_R'와 같게 되낟. 인버어터 각 주파수 지령 ω₁ ^*은 인버어터 각주파수 ω₁(이 경우 ω_R'와 동일)와 보정 인자로 되는 슬립 각 주파수

를 합산함에 의해 구해진다. 즉

다음에, 자속제어 동작에 대해 설명한다.

전류 선분 검출회로(9)로부터 무효전류 I_m는 연산증폭기(18)에 의해 모터에서 발생한 자속 φ_o을 나타내는 전압으로 변환된다. 즉, 연산증폭기(18)는 다음과 같은 식으로 주어지는 동작을 수행한다.

여기서 l_m은 여기 인덕턴스, T₂는 제2차 시간상수, S는 라플라시안이다.

자속이 설정치 φ_R에서 자속 φ_O을 감산하여 구한 자속 편차 Δφ는 감산기(161)의 출력에서 나타난다. 감산기(161)의 출력 구성은 연산증폭기(19)에 의해 반전되고, 연산증폭기(19)의 출력의 극성은 연산증폭기(22)에 의해 반전된다. 따라서, 연산증폭기(22)의 출력으로 나타나는 자속 편차 Δφ'는 자속편차 Δφ와 동일한 극성을 갖게 된다. 자속편차Δ'φ와 유효전류 I_t는 승산기(102)에서 승산되어 자속편차 Δφ로서 사용된다. 이 자속편차 Δφ와 설정치 φ_R의 총합은 가산기(162)에서 구해지고, 여기서 자속지령 φ^*을 형성한다.

상술한 바와 같이, 유효전류 i_t가 제한치 I_to보다 작은 경우와 각 주파수 ω_R가 각 주파수 ω_R' 보다 작지않은 경우에 있어서, 자속 지령 ω₁ ^*과 인버어터 각 주파수 지령 ω₁ ^*은 다음식에 의해 구해진다.

여기서 Kφ는 상수이다. 전압지령 V^*는 제(9)의 자속지령 φ^*와 식(10)의 인버터의 각 주파수 지령ω₁ ^*을 사용함에 의해 식(4)로부터 산출된다.

그다음, 제어 동작이 식(9)와 (10)의 지령 φ^*과 ω₁ ^*을 사용하여 수행되는 경우에 있어 전류-속도 특성에 대해 설명한다. 먼저, 정상상태(즉, ωR'=ωR)에 대해 설명한다.

제7도는 자화 전류와 토오크 r가 일정하게 유지되는 조건하에서 자속 지령에 따라 흐르는 유효전류 사이의 상관 관계를 나타내고 있다. 토오코 r는 자속(또는 무효전류, 즉 자화전류)과 유휴전류의 곱에 비례한다. 일정한 토오크를 갖는 상태를 포물선으로 나타낸다. 제7도에서, 모터가 일정 토오크 곡선 r₁에서의 점 A와 1차전류(Il의 크기)에서 동작되고 있다고 가정할 때 무효전류 I_m1와 유효전류 I_t1가 자속지령 φ_o ^*을 기준하여 모터로 흘러 들어간다. 토오크(부하)가 시각 t₁에서 r₂까지 급격히 증가된 경우에 제어회로에 대한 과전류 억제 동작을 제8도의 시간 도표를 참고하여 이하 설명한다.

연산증폭기(18)의 출력으로 나타나는 자속 φ_o는 모터의 2차 시간 상수에 따라 변화한다. 따라서, 토오크(부하)가 r₁에서 r₂까지에서 급격히 변화하면 자속의 변화는 상기 토오크의 변화보다 늦게 발생되고, 자속 φ_o은 시간 t1 후 얼마동안 설정치 φ_R와 거의 동일하게 된다. 고로 감산기(161)의 출력으로 나타나는 자속 편차 Δφ는 실질적으로 0과 같게 되고, 시간 t₁바로 뒤의 시간에서 자속편차 Δφ'의 값은 시각 t₁바로 전의 시간에서 Δφ'의 값과 동일하게 된다. 그러나, 전류성분 검출회로(9)에 의해 검출된 유효전류 I_t는 부하의 변화에 따라 변동된다. 따라서, r₁∼r₂에서 토오크(부하)가 변화할 때 동일한 속도로 I_t1∼I_t2에서 변화하는 유효전류와 Δφ와 I_t의 곱으로 주어지는 자속 편차 Δφ"는 고로 토오크가 변화할 때 동일한 속도로 Δφ1∼Δφ2에서 변화하여 토오크(부하)의 변동을 보상한다.

이 결과, 자속 φ^*은 토오크(부하)의 변화중에 같은 속도로 φ₁ ^*에서 φ₂ ^*까지 변화한다.

한편, 식(4)에서 볼 수 있는 것과 같이 전압지령 V^*은 자속지령 φ^*과 인버어터 각 주파수 지령 ω₁ ^*의 곱으로 결정된다. 인버어터 각 주파수 ω₁ ^*는 각 주파수 ω_R'의 합에 의해 주어지며, 이 각 주파수 ω_R'는 슬립각 주파수 제한회로(101)의 출력으로 나타나는 슬립각 주파수

와 가속/감속 지령발생회로(11)의 출력에 의해 나타난다. 정상상태에서, 각 주파수 ω_R'는 계속 일정상태를 유지하고 단지 슬립 각 주파수

만이 토오크의 변화에 의해 영향을 받는다. 그러나, 슬립 각 주파수

의 값은 주파수 ω_R'의 몇 퍼센트의 값보다도 작다. 따라서, 전압지령 V^*은 단지 자속 φ^*의 변화에 의해 영향 받는다. 즉, 전압지령 V^*은 자속지령 φ^*의 변화와 동시에 변화한다. 따라서, 토오크가 r₁∼r₂에서 변화할 때, 자하전류는 I_m1에서 I_m2까지 변화하여

에서

까지에서 1차전류의 변화가 적게 나타나고 따라서 인버어터가 과부하에 의해 트립될 우려가 없다.

그러나 r₁에서 r₂동안에 토오크(부하)가 급격히 변화함에도 불구하고 본 발명에 따른 전압 지령의 보정은 시행되지 않고 단지 전압지령V^*은 일정하게 유지되며, 1차 임피던스(1차 저항 r₁과 1차 누설인덕턴스 1₁포함)에 인한 전압강하가 증가되고 유도전압 V_m(제4도)이 감소한다. 따라서, 제7도에서와 같이 무효전류 I_m는 I_mo까지 감소되고, 자속은 φ_o"까지 감소된다. 이 결과, 1차 전류는

급격히 증가하고 따라서 인버어터는 과전류에 의해 트립된다.

특히, 부하가 크게 변화할 때 1차 전류에 기인한 전압 강하가 크게 되어 인버어터는 과전류 트립 상태로 돌입하기가 쉽다.

더욱이, 본 발명의 실시예에 의하면 가속상태에 있다할지라도 가속 기간에서 1차 전류에 의한 전압 강하는 유효전류 I_t에 따른 자속성분에 의해 보상된다. 따라서, 자화전류의 감소가 방지되고 과전류가 억제된다.

다음에, 슬립각 주파수를 사용한 인버어터 각 주파수를 제어하는 동작에 대해 설명한다.

먼저, 정상 상태에 있어서 설명한다.

제9도는 모터의 속도대 토오크의 특성을 나타낸다. 토오크(부하)가 r₁에서 r₂사이에서 변화한다고 가정할 때 상술한 슬립 보상제어를 하지 않는 제어가 수행된다면, 모터는 인버어터 각 주파수의 설정치 ω_R에 대응하는 회전각 속도 ω_M로 구동된다. 토오크 r₁에 해당하는 부하에 대해, 각 주파수

를 가진 슬립이 발생된다. 토오크가 r₁에서 r₂까지 변화할 때 슬립 각 주파수는

까지 증가되고 나서 또

까지 증가한다. 즉, 동작점은 토오크 곡선 에서 점 A'로부터 점 A₁를 지나 점 C까지 이동한다. 이 경우, 회전각속도 ω_M는

만큼 감소되고 다시

만큼 감소되어진다.

한편, 본 발명의 실시예에 따르면, 유효전류는 부하에 대응하여 흐르게 되어 있다. 고로, 소망의 토오크가 과전류가 야기없이 유효하게 발생되며 모터 속도의 감소가 방지된다.

자속이 상술한 자속 제어 동작에 의해 설정치 φ_R와 동일하게 된 경우에 검출된 유효전류 I_t는 슬립에 비례하게 된다. 이 점으로 보아, 유효전류 I_t는 연산증폭기(13)에서 -K_s로 곱해져서 슬립각 주파수

를 얻는다. 이 연산증폭기의 출력은 연산증폭기(14)에서 -1로 곱해지며 여기서 슬립 각 주파수

를 구한다. 구동/재생 판별회로(15)가 모터의 가속 상태 또는 정상상태유지를 판별하였을 때 논리 "I"레벨의 신호가 판별회로(15)로부터 아날로그 스위치(151)의 제어단자 C₁로 전송되며, 여기서 스위치(151)의 출력단자 O₁가 그 입력단자 D₁에 연결된다. 고로, 양의 슬립 각 주파수

는 가속/감속 지령 발생회로(11)의 출력으로 나타나는 각 주파수 ω_R'(=ω₁)에 가산되어 인버어터 각 주파수 지령신호 ω₁ ^*를 얻는다. 즉, 인버어터 각 주파수 ω_R'는 유효전류 I_t에 비례하여 양의 슬립각 주파수의 값에 의해 증가된다. 이것은 인버어터 각 주파수 ω_R'가 슬립각 주파수

에 의해 증가됨을 뜻하고

는 토오크 r₁를 갖는 동작점 A'에서 발생된다. 고로 동작점 A'는 토오크 곡선

에 점 A로 이동하며, 모터의 회전각 속도는 ω_M과 동일하게 된다. 토오크(부하)가 r₁에서 r₂사이에서 증가할 때, 슬립각 주파수

및

는 연속적으로 인버어터각 주파수 ω_R'에 가산되어지고 이로써 모터의 속도 감소를 보상하게 된다. 따라서, 보정된 인버어터각 주파수는 토오크 곡선

위의 점 A₁'에 표시되고 또 토오크 곡선

의 점 B에 표시된다.

상술한 바와같이, 모터 토오크는 실선

으로 나타낸 것처럼 회전각 속도 ω_M를 변화시키지 않고 연속적으로 증가될 수 있다. 회전각 속도 ω_M는 슬립각 주파수가 0과 같아질때에 인버어터각 주파수 ω_R'와 동일해진다. 즉, 본 발명의 실시예에 따르면 회전각 속도 ω_M는 모터의 부하가 변화할때라도 가속/감속 지령 발생회로(11)의 출력에 나타나는 인버어터각 주파수 ω_R'를 따르고 있다. 가속상태에 있어서도 역시 상기 제어동작이 수행되고 회전각 속도 ω_M는 인버어터각 주파수 ω_R'를 따르게 된다.

상기 예에서는 정상 또는 가속 상태에서의 슬립각 동작을 이용한 자속제어 작용 및 인버어터각 주파수 제어 작용에 대한 설명을 한 것이다. 그 다음에 감속 상태에서의 위와 같은 제어 작용을 설명한다. 먼저, 자속제어 동작에 대해 설명하면, 감속 상태에서, 모터에서 발생된 큰 유도전압과 연산증폭기(18)의 출력에 나타나는 자속 φ_o은 설정치 φ_R보다 크게 된다. Δφ는 이 경우 감산기(161)의 출력에 나타나는 자속편차 음(-)으로 되고, 토오크(부하)의 변화에 대한 보상이 가해진 자속 Δφ"도 음(-)이 된다. 따라서, Δφ"과 φ_R의 합에 의한 자속지령은 Δφ"의 값에 의해 감소한다. 또한 전압지령 V^*도 감소된다. 고로 자화 전류의 증가를 억제시키면 재생기간에서의 과전류 발생이 방지된다.

그다음 슬립각 주파수를 사용한 인버어터각 주파수 제어 동작에 대해 설명한다. 감속 상태에서, 슬립각 주파수는 음(-)의 값을 취한다. 고로, 구동/재생 판별회로(15)가 모터의 감속상태를 판정하게 되면 논리 "0"의 레벨을 갖는 신호가 판별회로(15)에서 출력되어 아날로그 스위치(151)의 제어단자 C₂로 전송된다.이 결과 스위치(151)의 입력단자 S₁가 그 출력단자 O₁에 연결되어지고, 연산증폭기(13)의 출력으로 나타나는 (-)의 슬립각 주파수

가 인버어터각 주파수 ω_R'에 가산된다. 또한 감속상태에서 인버어터각 주파수는 감속 토오크에 비례하여 보정되고, 따라서 회전각 속도 ω_M는 인버어터각 주파수 ω_R'를 따르게 한다.

이제, I_t, I_to인 경우에 대해 설명한다. 부하가 증가되어 크게 모터의 정격 토오크를 초과한다고 가정하자.

먼저 정상상태에 대해 설명한다.

유효전류(I_t)가 한계치(I_to)보다 클 때 논리 "l" 레벨을 갖는 신호는 비교기(12)로부터 아날로그스위치(152)의 제어단자(C₂)로 보내진다. 그 결과 스위치(152)의 입력단자(D₂)는 스위치의 출력단자(O₂)에 접속된다. 더욱이 레벨 "l"을 갖는 신호는 구동/재생 판별회로(15)로부터 아날로그스위치(154)의 제어단자(C₄)로 보내지고, 따라서 스위치(154)의 입력단자(D₄)는 스위치의 출력단자(O₄)에 접속된다. 그 결과 인버어터가 주파수(ω_R)의 지시전압은 연산증폭기(10)에 가해진다. 따라서 인버어터각 주파수(ω_R)는 다음 식으로 주어지는 각 주파수 ω_R"로 변환된다.

여기서 T1은 시간정수를 가리키며

는 라플라시안을 가리킨다.

정상상태에서 가속/감속 지령발생회로(11)에 의해 나타난 인버어터각 주파수(ω_R')는 설정치(ω_R)와 같다. 따라서 감산기(163)의 출력으로 나타난 인버어터각 주파수(ω₁)는 설정치(ω_R)로부터 각 주파수(ω_R")를 감산해 얻어진 값과 같다.

현재 경우에 비교기(2)로부터 레벨논리 "l"을 갖는 신호는 아날로그스위치(153)의 제어단자(C₃)로 가해지고, 따라서 스위치(153)의 입력단자(D₃)는 스위치의 출력단자(O₃)에 접속된다. 그 결과 슬립각 주파수(

)영역으로 되며, 인버어터각 주파수지령(

)은 설정치(

)로부터 각 주파수(

)를 감산해서 얻어진다. 즉 다음 식으로 된다.

다시 말하면 식(11)과 (12)로부터 알수 있는 바와같이 지령(ω₁ ^*)은 각 주파수(ω_R")의 증가에 따라 작아진다.

유효전류(I_t)가 한계치(I_to)보다 더 크다고 할 때에도 모터 토오크를 일정하게 유지하고 전류증가를 억제하기 위한 제어 조작은 제10도에 도시되어 있다. 모터가 인버어터각 주파수의 설정치(ω_R)와 같은 회전각 속도(ω_M)에서 구동된다고 하자. 인버어터각 주파수는 유효전류가 한계치(I_to)에 도달할때까지 슬립각 주파수까지 보정된다.

즉 토오크가 토오크곡선(a')을 따라 점(D_o)까지 증가하고 따라서 회전각 속도는 일정하게 유지된다. 토오크가 점(D_o)까지 증가할 때, 즉 유효전류가 한계치(I_to)에 도달할 때 레벨 "I"을 갖는 신호는 비교기(12)로부터 아날로그스위치(153)로 보내지고, 스위치(153)의 입력단자(D₃)는 스위치는 출력단자(O₃)에 접속된다. 따라서 슬립각 주파수(

)는 영으로 되고, 슬립각 주파수에 의한 인버어터각 주파수의 보정은 정지된다. 그러므로 식(11)과 (12)로부터 명백한 바와같이 인버어터각 주파수지령(ω₁ ^*)은 시간정수(T_e)에 따라 감소된다. 각 주파수지령(ω₁ ^*)의 감소에 따라 전압/주파수의 비가 커지게 되어 자속(자화전류)은 증가하게 된다. 이때 부하토오크가 일정하다면 유효전류는 모터토오크가 자화전류와 유효전류의 곱으로 결정되므로 감소하게 된다. 그 결과 토오크 곡선이 곡선(b')으로 이동하고, 조작점이 점(D_o)으로부터 점(D₁)으로 바뀐다. 그러나 한계치(Ito)보다 더 큰 유효전류에 대응하는 부하토오크가 모터에 가해지기 때문에 유효전류(I_t)는 점(D₁)에서 점(D₂)으로 증가하여 한계치(I_to)에 이른다. 그때 인버어터각 주파수 지령신호(ω₁ ^*)는 다시 시간정수(T₁)에 따라 감소한다. 같은 방식으로 토오크곡선은 곡선(C')으로 이동한다. 따라서 조작점은 점(D₂)에서 점(D₃)으로 바뀌고, 유효전류는 다시 감소된다.

한계치(Ito)보다 더 큰 유효전류에 대응하는 부하토오크가 모터에 가해진다면 각 주파수(ω_R")가 설정치(ω_R)와 같게 될 때까지 상기 조작은 반복된다. 결국 인버어터각 주파수지령(ω₁ ^*)은 영으로 되고, 모터는 정지한다.

제10도에서 토오크는 상기 제어조작의 이해를 쉽게하도록 경로 D₀→D₁→D₂…로 변화된다. 그러나 본 실시예는 토오크에 비례하여 유효전류는 모니터하는 동안에 연속적으로 인버어터각 주파수지령(ω₁ ^*)을 감소시키고, 따라서 한계치(I_to)에 대응하는 일정한 모터토오크(r_o)를 유지하는 동안에 모터속도는 감소된다.

상술한 바와같이 유효전류가 한계치(I_to)보다 더 작을 때 제어조작은 모터토오크가 일정 속도선(ω_MD_o)에 따라 변화하도록 수행되고, 유효전류가 한계치(I_to)보다 더 클 때 제어조작은 모터속도가 일정하게 유지되는 것이 아니라 모터토오크가 선(r_oD_o)으로 가리킨 바와같이 일정하게 유지되도록 수행된다.

유효전류가 상술의 제어동안에 한계치(I_to)보다 더 낮아지도록 부하가 감소될 때 조작점은 일정한 토오크선(r_oD_o)상에서 이동하고 다음에 그 점은 일정한 속도선(_MD_o)상에서 이동하며, 모터는 일정한 속도선상에서 부하와 균형을 맞추는 토오크의 토오크곡선상에서 제어된다.

다음에는 유효전류(I_t)가 가속상태에서 한계치(I_to)보다 더 크게 되는 경우에 제어조작에 대해 설명한다.

제11a도 내지 제11d도는 인버어터각 주파수(ω_R')가 설정치(ω_R)로 증가되는 경우에 있는 여러 특성을 보인다.

더 상세하게는 제11a도는 토오크 대 속도의 특성을 보이고, 제11b도는 인버어터각 주파수지령 대 시간의 특성을 보이며, 제11c도는 유효전류 대 시간의 특성을 보이고, 제11d도는 모터속도 대 시간의 특성을 보인다.

인버어터각 주파수의 설정치(ω_R)를 가리키는 입력전압이 가속/감속 지령발생회로(11)에 가해질 때 출력전압은 다음식으로 주어지는 인버어터각 주파수(ω_R')를 나타낸다.

여기서 는 시간정수를 가리키며,

는 라플라시안이다.

가속시간과 감속시간은 시간정수(T_A)에 의해 결정된다.

제11a도 내지 제11d도에서 특성곡선 ①, 특성곡선 ②, 특성곡선 ③은 각각 시간정수(T_A)의 소, 중, 대 치에 상응한다. 가속시간이 짧은 경우 즉 특성곡선 ① 또는 ②이 형성되는 경우에 대해 생각해보자. 모터가 가속될 때 유효전류(I_t)는 점차 증가되고, 유효전류(I_t)가 시간 A₁또는 B₁에서 한계치(I_to)보다 더 크게 되는 것을 비교기(12)에 의해 검출된다. 그때 레벨논리 "1"을 갖는 신호를 비교기(13)로부터 아날로그스위치(152)의 제어단자(C₂)에 보내지며 출력단자(O₂)에 입력단자(D₂)가 접속되게 한다. 더욱이 구동상태를 나타내기 위해 레벨논리 "1"을 갖는 신호는 구동/재생 판별회로(15)에서부터 아날로그스위치(154)의 제어단자(C₄)로 보내지며 입력단자(D₄)가 출력단자(O₄)에 접속되게 한다. 따라서 인버어터각 주파수의 설정치(ω_R)를 가리키는 신호는 조작증폭기(10)에 가해진다.

그 결과 조작증폭기(10)의 출력에 의해 지시된 각 주파수(ω_R")는 시간정수(T_e)에 따라 영에서부터 점차증가된다. 따라서 인버어터각 주파수지령(ω₁ ^*) 유효전류(I_t)가 한계치(I_to)보다 더 크게 되는 시간 A₁또는 B₁이후에 점차 감소된다. 다시 말하면 인버어터각 주파수지령(1^*)은 한계치(I_to)와 같은 유효전류(I_t)를 만들도록 감소된다.

그 결과 모터속도는 제11a도에 도시한 토오크 대 속도의 특성곡선 ① 또는 ②의 일정 토오크선(τ=το)을 따라 영으로 감소한다. 말하자면 제11a도 내지 제11d도의 특성곡선 ③은 모터가 한계치(I_to)보다 유효전류(I_t)를 더 작게 유지하는 동안 바람직한 속도로 가속되는 경우를 보인다.

다음에 인버어터각 주파수 설정치(ω_R)로부터 영으로 감소시킴으로써 과전류가 발생되는 경우에 제어조작에 대해 설명한다.

제12도는 점(A)로 지시된 토오크를 가하고 인버어터각 주파수의 설정치(ω_R)와 같은 회전각속도(ω_M)에서 구동되는 모터가 감속되고, 유효전류(I_t)가 점(B)에서 한계치(I_to)를 초과하는 경우를 보인다. 모터가 감속상태가 있을 때 레벨논리 "0"을 갖는 신호는 구동/재생 판별회로(15)에서 부터 아날로그스위치(154)의 제어단자(C₄)로 보내지고, 따라서 감산기(165)의 출력단자는 입력단자(S₄)를 통하여 스위치(154)의 출력단자(O₄)에 접속된다. 유효전류(I_t)가 한계치(I_to)를 초과할 때 레벨 "1"을 갖는 신호는 비교기(12)로부터 아날로그스위치(152)의 제어단자(C₂)로 보내지고, 스위치(52)의 입력단자(D₂)를 출력단자(O₂)에 접속되게 한다. 따라서 (ω_R'-ω_R)을 나타내는 신호는 감산기(165)의 출력단자에서부터 연산증폭기(10)로 보내지고, 연산증폭기(10)의 출력에 의해 나타나는 각 주파수(ω_R")는 시간정수(T₁)에 따라 영에서부터(ω_R'-ω_R)로 점차 증가된다. 그 결과 감산기(163)의 출력신호에 의해 나타나는 각 주파수(ω₁)는 ω_R로 점차 증가된다. 더욱이 아날로그스위치(153)의 입력단자(D₃)는 출력단자(O₃)에 접속되며, 슬립각 주파수(

)는 영으로 된다. 따라서 인버어터각 주파수지령(ω₁ ^*)은 각 주파수 ω₁에서와 같은 방식으로 변화한다.

인버어터의 각 주파수지령 ω₁ ^*이 제12도의 점 B에서 증가되면 감속기간에서 발생된 재생전력이 소모되어 이로써 1차 전류가 감소된다.

그러나 각 주파수(ω_R')가 감소되면, 1차 전류는 한계값(I_to')에 의해 다시 급격히 증가되어 인버어터각 주파수지령(ω₁ ^*)이 재차 증가된다. 상기 제어동작이 실행되는 동안 유효전류(I_t)가 한계치(I_to")를 초과하는지 여부를 판단하여 동작점이 제12도의 선 BC에서 연속적으로 이동된다. 동작점이 C에서 도달하면 유효전류(I_t) 는 한계치(I_to')보다 작게되어 슬립각 주파수를 이용하는 제어동작이 실행된다. 따라서 동작점은 일정속도 선 CA에서 이동하여 점 A로 복귀한다.

유효전류(I_t)가 한계치보다 작은 경우에서와 같은 자속제어 동작이 유효전류(I_t)가 I_to보다 적지 않은 경우에 실행된다. 따라서 신속 제어동작의 설명은 생략될 것이다.

본 실시예에 따른 상기의 설명에서, 과부하가 모터에 인가되면 인버어터가 과전류 트립상태내에 수용되지 않고 모터는 모터토오크가 일정한 상태에 있도록 제어된다.

따라서 절단기가 유도전동기에 연결되어 있는 경우에 공작기간중에 급격한 부하의 변화가 발생되면 모터의 토오크가 일정한 상태를 유지하고 있기 때문에 피가공물이 손상되는 것을 방지하게 된다. 또한 본 실시예에 따르면 모터의 가속시간 및 감속시간을 최적화시키기 쉽게 된다.

다음 설명은 자속제어 동작의 다른 예를 나타낸 것이다.

제13도는 상기 예를 실행하기 위한 회로요소를 나타낸다. 제13도를 참조하여 인버어터의 각 주파수 지령(ω₁ ^*)의 다수값 및 상기 값에 적당히 대응하는 자속보상량(△ψ)의 값은 자속보상 테이블(10A)내에 저장된다.

그 테이블(10A)이 자속한계회로(10A)에 연결되어 인버어터의 각 주파수지령(ω₁ ^*)을 나타내는 인버어터에 적용되고, 그리고 자속한계회로(10A)는 그 지령(ω₁ ^*)에 대응하는 자속 보상값(△ψ)의 신호에 적용된다. 그 회로(10B)는 유효전류(I_t)의 신호를 또한 나타낸다. 그러므로 선속 보상값(△ψ)을 나타낸 시놓는 올바른 토오크(부하)에 의거하여 선속 한계회로(10B)에서 가산기(162)의 한 입력단자에 도달시킨다.

더욱이 자속의 고정값(ψ_R)을 나타낸 신호는 가변저항(112)에서 가산기(162)의 다른 입력 단자에 도달된다. 따라서 가산기(162)는 △ψ' 및 ψ_R의 합이 자속지령(ψ^*)의 출력신호에 전달된다.

자속지령(ψ^*)이 제1도의 마이크로컴퓨터(21)에 제공된 전압지령(V^*)을 얻기 위해서 ψ^*및 ω₁ ^*의 곱에 정비례한다. 인버어터의 각 주파수(ω₁ ^*)를 얻기 위해 제1도에 도시한 바와같이 같은 구조이며, 상기 회로 요소의 설명은 생략될 것이다.

다은 설명은 제13도의 회로요소에 대한 자속제어동작을 나타낼 것이다. 자속보상 테이블(10A)은 자속 보상값(△ψ)이 인버터의 각 주파수(ω₁ ^*)의 작은 값에 대하여 크고, (저속범위에서)인버터어의 각 주파수지령(ω₁ ^*)의 큰 값에 대하여 적은 값(고속 범위에서)이 형성된다.

자속 보상값(△ψ)은 하기 이유에 대하여 저속범위에서 큰 값을 갖는다. 저속범위에서 전압은 1차 임피이던스의 증가로 인하여 드롭되어 자속이 감소한다. 자속의 감소는 자속 보상값(△ψ)의 증가로 인하여 보상된다. 저속범위 내에서 자속 보상값(△ψ)의 최대값이 결정되므로 예정된 개시 토오크는 예정도 주파수에서 발생된다. 자속 보상값(△ψ)은 인버어터의 각 주파수지령(ω₁ ^*)에 따라 결정한다.

테이블(10A)에서 얻어진 자속 보상값(△ψ)은 한계값(I_to)과 같은 유효전류(I_t)일 때 동시에 자속한계회로(10B)의 출력에 의해 나타낸 자속보정값(△ψ)과 같다. 출력회로(10B)를 표시한 자속 보상값(△ψ')은 다음과 같은 방정식이 주어진다.

자속지령(ψ^*)이 설정치(ψ^R')에서 자속 보상값(△ψ')과 함께 가산하여 얻어진 하기 방정식이 주어진다.

△ψ의 값은 부하에 비례하여 증가한다.

따라서 부하의 증가로 인해 자화전류의 감소는 자속 보상값△ψ의 사용으로 인해 억제할 수 있다. 그러므로 부하에서의 갑작스런 증가로 인해 과전류 발생을 방지할 수 있다.

자화 전류는 모터의 용량에 따라 좌우된다.

다수의 △ψ-ω₁ ^*특성곡선이 테이블(10A)내에 저장되면 하나의 특성곡선은 최대로 되어 모터의 개시 토오크가 선택된 상기 제어 방법은 광범위 용량을 가진 모터에 적합하다.

본 실시예에서 유효전류(I_t) 및 무효전류(I_m)눈 위상전압(예를들면, U-상 전압)의 위상각에 지정되어 1차전류의 표본화에 의해 얻어진다. 유효전류(I_t) 및 무효전류(I_m)는 양자택일하여 하기 식에 의해 U-상 1차전류(i_Iu) 및 V-상 1차전류(i_IV)에서 계산되며,

여기서 ω₁ ^*은 인버어터의 각 주파수 지령을 나타낸다.

상기 방법은 연산하기에 복잡하지만, 1차전류(i_Iu,i_IV)에서 재빨리 I_m과 I_t의 값을 결정할 수 있다. 따라서, 이러한 방법은 부하의 갑작스런 변화가 다수의 시간이 되풀이된때에 효과적이다.

더욱이 유효전류(I_t)는 인버어터의 입력전류(I_O)가 대략 직류전류(D.C)일 것이다. 인버어터의 입력전압이 D.C인 경우에 인버어터 손실뿐만 아니라 구리손실(즉, 음 손실)도 일정한 상태를 유지하며, 모터에서의 철손실(즉, 코어손실)은 거의 무시해도 되며 유효전류(I_t)는 다음과 같은 식이 주어진다.

Claims

유도전동기를 구동시키는 PWM 인버어터의 제어시스템에 있어서, 일정 전압/주파수비 형태의 PWM 인버어터와; 유도전동기의 모터전류로부터 유효전류를 검출하기 위한 전류성분 검출수단과, 상기 유효전류는 상기 유도전기 전동기에 인가된 부하에 비례하고; 상기 인버어터의 출력주파수를 설명하기 위한 주파수 설정수단과; 상기 유도전동기에서 발생된 자속의 양을 설정하기 위한 자속설정 수단과; 상기 유효전류에 비례한 주파수 보정량을 계산하기 위한 보정주파수를 계산하는 수단과; 상기 유효전류에 비례하는 자속 보정량을 계산하기 위한 보정자속계산 수단과; 검출된 유효전류를 미리 지정된 값과 비교하기 위한 비교기 수단과; 상기 비교기 수단에 의해 상기 유효전류가 예정값보다 적은 것이 판단되면, 주파수 보정량을 상기 설정주파수에 가산 함으로써 인버어터에 대한 주파수 지령신호를 형성하는 주파수지령 형성수단과; 상기 비교기 수단에 의해 상기 유효전류가 예정값 보다 적은 것이 판단되면, 상기 자속의 설정량의 합과 상기 자속보정량을 곱하고 또 상기 설정량의 합과 주파수 지령신호를 곱하는 것에 의해 상기 인버어터에 대한 전압지령 신호를 형성하는 전압지령 형성수단; 그리고 상기 전압지령 형성수단으로부터의 전압지령 신호와 상기 주파수지령 형성수단으로부터의 주파수 지령신호를 기본으로 하여 상기 인버어터를 제어하는 인버어터 제어 수단으로 이루어진 것을 특징으로 하는 PWM 인버어터의 제어시스템.
제1항에 있어서, 상기 전류성분 검출수단은 무효전류를 검출하는 전류성분 검출수단을 포함하고, 상기 제어시스템은 이 무효전류에 따라 상기 자속보정량을 변화시키는 수단을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 PWM 인버어터의 제어시스템.
제2항에 있어서, 상기 전류성분 검출수단은, 그 특정한 위상각에서 각 위상의 출력전류를 샘플링하고, 상기 인버어터 출력전류의 샘플링된 값을 기초로 하여 상기 유효전류를 형성하게 한 샘플링 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 PWM 인버어터용 제어 시스템.
제3항에 있어서, 상기 전류성분 검출수단에서 검출된 무효전류에 따른 값은 자속의 설정값에 감산되고 그 감산결과는 상기 자속검출량을 얻도록 상기 보정 자속계산 수단으로 공급되는 것을 특징으로 하는 PWM인버어터용 제어시스템.
유도전동기를 구동하는 PWM 인버어터용 제어시스템에 있어서 일정한 전압/주파수비 형태의 PWM 인버어터와 ; 상기 유도전동기의 모터전류로 부터 유효전류를 검출하기 위한 전류성분 검출수단과, 이 유효전류는 상기 유도전동기에 연결된 부하에 비례하고 ; 상기 인버어터의 출력 주파수를 설정하기 위한 주파수 설정 수단과 ; 상기 유도전동기에서 발생된 자속의 양을 설정하기 위한 자속설정 수단과; 상기 유효전류가 예정값보다 적지 않을 때 과전류 신호를 출력시키는 비교기 수단과 ; 예정된 시정수에 따른 상기 주파수 설정수단에서 설정된 출력 주파수가 감소되어 상기 비교기 수단에서 상기 과전류 신호를 응답하는 수단과 ; 상기 예정된 시정수에 따른 감소로 상기 출력주파수를 기초로 하여 상기 인버어터용 전압지령 신호로 형성하기 위한 전압지령 형성수단과 ; 그리고 상기 주파수 지령신호와 전압지령 신호를 기초로 하여 상기 인버어터를 제어하기 위한 인버어터 제어수단으로 이루어진 것을 특징으로 하는 PMW 인버어터용 제어시스템.
제5항에 있어서, 상기 전압지령 형성수단은 전압지령 신호를 형성하기 위해 상기 자속 설정량 및 주파수 지령신호의 곱을 산출하기 위한 수단으로 이루어진 것을 특징으로 하는 PWM 인버어터용의 제어시스템.
유도전동기를 구동하는 PWM 인버어터용 제어시스템에 있어서, 일정 V/f비 형태의 PWM 인버어터와 ; 유도전동기에 연결된 부하에서 비례하는 유효전류를 가지고, 상기 유도전동기의 모터전류에서 유효전류를 검출하기 위한 전류성분 검출수단과 ; 상기 인버어터의 출력주파수를 설정하기 위한 주파수설정 수단과; 상기 유도전동기에서 발생된 자속의 양을 설정하기 위한 자속설정수단과 ; 상기 유효전류에 비례하는 주파수 보정량을 연산하기 위한 보정 주파수 연산수단과 ; 상기 유효전류에 비례하는 자속 보정량을 연산하기 위한 보정 자속 연산수단과 ;검출된 유효전류를 예정된 값과 비교하기 위한 비교기 수단과 ; 상기 비교기 수단에 의해 유효전류가 상기 예정값보다 적은 것이 판단되면 상기 설정된 출력주파수와 주파수 설정량을 합산하여 상기 인버어터용 1차 주파수지령을 형성하는 제 1의 주파수지령 형성수단과 ; 상기 비교기 수단에 의해 유효전류가 상기 예정값보다 적은 것이 판단되면 상기 자속의 설정량의 합과 상기 자속보정량을 곱하고, 또 상기 합과 상기 제 1의 주파수 지령신호를 곱하여 상기 인버어터에 대한 제1의 전압지령 신호를 형성하도록 한 제1의 전압지령 형성수단과 ; 상기 비교기 수단에 의해 상기 예정값 보다 적지 않은 유효전류가 판정되면 예정된 시간 상수에 따라 상기 설정출력 주파수를 감산하기 위한 수단과 ; 상기 예정된 시간 상수에 따른 감산이 출력주파수를 기초로하여 상기 인버어터용 제2의 주파수 지령신호를 형성하기 위한 제2의 주파수지령 형성수단과 ; 상기 제2의 주파수 지령 신호및 자속의 설정량을 기초로하여 상기 인버어터용 제2의 전압지령 신호를 형성하기 위한 제2의 전압지령 형성수단과; 그리고 상기 제2의 주파수 지령신호와 제2의 전압지령 신호의 조합 및 상기 제1의 주파수 지령신호와 제1의 주파수 지령신호의 조합된 것중의 어느 하나를 기초로 하여 상기 인버어터를 제어하는 인버어터 제어수단으로 이루어진 것을 특징으로 하는 PWM 인버어터용의 제어시스템.
제7항에 있어서, 상기 전류성분 검출수단은 무효전류를 검출하기 위한 수단을 포함하며, 상기 제어장치는 상기 무효전류에 따른 자속 보정량을 변화시키는 수단을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 PWM 인버어터용 제어시스템.
제8항에 있어서, 상기 전류성분 검출수단은 각 위상의 특정한 위상각에서 인버어터 출력전류를 샘플링하고 이 인버어터의 출력전류의 표본화된 값을 기초로 하여 상기 유효전류를 형성하는 샘플링 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 PWM 인버어터용 제어시스템.