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KR102213786B1 - 고압인버터 재기동 장치 - Google Patents

고압인버터 재기동 장치 Download PDF

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KR102213786B1
KR102213786B1 KR1020140138880A KR20140138880A KR102213786B1 KR 102213786 B1 KR102213786 B1 KR 102213786B1 KR 1020140138880 A KR1020140138880 A KR 1020140138880A KR 20140138880 A KR20140138880 A KR 20140138880A KR 102213786 B1 KR102213786 B1 KR 102213786B1
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voltage
frequency
ratio
inverter
output
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채범석
최승철
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엘에스일렉트릭(주)
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Publication date
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Abstract

고압인버터 재기동 장치가 개시된다. 본 발명의 장치는, 입력전원이 이상상태에서 정상상태로 복귀하는 경우, 고압전동기의 회전자 속도를 추정하여 재기동함으로써, 회전자 속도가 영속이 될 때까지 기다리지 않아도 되므로, 간단한 구성에 의해 재기동에 소요되는 시간을 줄인다.

Description

고압인버터 재기동 장치{APPARATUS FOR RESTARTING MEDIUM-VOLTAGE INVERTER}
본 발명은 고압인버터의 재기동 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 멀티레벨 고압인버터(multi-level medium-voltage inverter)는 입력 선간전압의 실효치가 600V 이상이고, 출력 상전압이 멀티레벨인 인버터를 말한다. 고압인버터는 수백 kW 내지 수십 MW의 대용량 전동기를 구동하는데 사용되고 있다.
고압인버터에 의해서 구동되는 고압전동기(medium voltage motor)는 통상 관성(inertia)이 크기 때문에, 입력전원의 순시적인 고장 또는 순시정전 등에 의해 고압인버터의 인버터부가 순간적으로 정상적인 동작을 하지 않는 경우에도 회전자의 속도가 크게 줄지 않는다.
이러한 이유로, 입력전원이 고장상태에서 정상상태로 복귀한 경우 회전자 속도가 영속(zero speed)이 될 때까지 기다린 후 재기동을 하여야 하므로, 재기동을 위한 시간이 오래 걸리는 문제점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 입력전원이 순시적인 고장상태에서 정상상태로 복귀한 경우 고압전동기의 회전자 속도를 간단하게 추정하여 안정적으로 재기동하기 위한, 고압인버터 재기동 장치에 관한 것이다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해, 입력되는 전원을 전동기에 제공하는 인버터를 재기동하는 본 발명의 일실시예의 장치는, 상기 전동기의 입력전압을 측정하는 측정부; 상기 측정부가 측정한 상기 전동기의 입력전압으로부터, 상기 전동기의 회전자 속도를 추정하는 추정부; 및 상기 전동기의 입력전압과 상기 전동기의 회전자 주파수로부터, 미리 설정된 전압-주파수 비율에 따라 상기 인버터가 상기 전동기로 출력하는 전압 또는 주파수를 변경하도록 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 추정부는, 상기 전동기의 입력전압으로부터, 상기 인버터가 인가한 주파수에 해당하는 제1전압, 및 제1전압보다 위상이 90도 뒤지는 제2전압을 생성하는 생성부; 상기 전동기의 출력 상전압의 주파수를 결정하기 위한 제어대역폭을 결정하는 결정부; 및 상기 전동기의 입력전압의 주파수를 결정하는 제2검출부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 추정부는, 상기 제1 및 제2전압을 정규화하는 정규화부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 제어부는, 상기 미리 설정된 전압-주파수 비율보다 추정된 전압-주파수 비율이 작은 경우, 미리 설정된 전압-주파수 비율에 도달할 때까지 상기 인버터의 주파수를 유지하고 전압을 증가시키고, 미리 설정된 전압-주파수 비율에 도달한 경우, 해당 전압-주파수 비율에 따라 상기 인버터의 전압과 주파수를 증가시킬 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 제어부는, 상기 미리 설정된 전압-주파수 비율보다 추정된 전압-주파수 비율이 큰 경우, 미리 설정된 전압-주파수 비율에 도달할 때까지 상기 인버터의 전압을 유지하고 주파수를 증가시키고, 미리 설정된 전압-주파수 비율에 도달한 경우, 해당 전압-주파수 비율에 따라 상기 인버터의 전압과 주파수를 증가시킬 수 있다.
상기와 같은 본 발명은, 입력전원이 이상상태에서 정상상태로 복귀하는 경우, 고압전동기의 회전자 속도를 추정하여 재기동함으로써, 회전자 속도가 영속이 될 때까지 기다리지 않아도 되므로, 간단한 구성에 의해 재기동에 소요되는 시간을 줄이도록 하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명이 적용되는 고압인버터의 일실시예 구성도이다.
도 2는 종래의 회전자 속도 추정장치를 설명하기 위한 것이다.
도 3a 및 도 3b는 각각 도 2의 전압성분 추출부와 회전자 주파수 검출부의 상세 구성도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 회전자 속도 추정 장치를 개략적으로 설명하기 위한 일예시도이다.
도 5는 도 4의 상세 회로 구성도이다.
도 6은 본 발명의 고압인버터의 시퀀스를 설명하기 위한 일예시도이다.
도 7은 미리 설정된 전압-주파수 비율보다 추정된 전압-주파수 비율이 작은 경우 제어부의 동작을 설명하기 위한 일예시도이다.
도 8은 미리 설정된 전압-주파수 비율보다 추정된 전압-주파수 비율이 큰은 경우 제어부의 동작을 설명하기 위한 일예시도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명이 적용되는 고압인버터 시스템의의 일실시예 구성도로서, 직렬형 H-브릿지(cascaded H-bridge) 고압인버터의 구조를 예를 들어 나타내었으며, 3단의 단위 전력셀로 고압인버터가 구성된 것을 나타내었다. 다만, 이는 예시적인 것으로서, 다른 형태의 고압인버터에 본 발명이 적용될 수도 있을 것이며, 또한 단위전력셀의 수 또한 출력전압에 따라 변경될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 자명하다 할 것이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명이 적용되는 시스템은, 전원공급부(1)로부터 전원을 수신하여, 3상 전동기(3)에 전원을 공급하는 본 발명이 적용되는 고압인버터(2)는 위상치환 변압기(21), 복수의 단위전력셀(22) 및 전압측정부(23)를 포함하여 구성되며, 또한 본 발명이 적용되는 시스템은, 고압인버터(2)에서 필요한 전류, 전압정보를 수신하여 모터의 회전자 속도를 추정하는 추정부(4)와 이를 이용하여 고압인버터(2)를 제어하는 제어부(5)를 포함할 수 있다.
전원공급부(1)는 전동기(3)에 선간전압의 실효치가 600V 이상인 3상의 전원을 공급한다. 또한, 본 발명이 적용되는 전동기(3)는 고압의 3상 전동기로서, 예를 들어 유도전동기(induction machine) 또는 동기전동기(synchronous machine)일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 다양한 형식의 전동기에 적용될 수 있을 것이다.
고압인버터(2)의 위상치환 변압기(21)는, 전원공급부(1)와 고압인버터(2) 간의 전기적 절연(galvanic isolation)을 제공하고, 또한 동시에 입력단의 고조파를 저감하여 단위전력셀(22)에 적절합 입력 3상전원을 제공할 수 있다. 위상치환 변압기(21)의 위상치환각은 단위전력셀(22)의 수에 의해 결정될 수 있다.
단위전력셀(22)은, 위상치환 변압기(21)로부터 전원을 입력받아 전동기(3)에 제공할 상전압을 출력한다. 각 단위전력셀(22)은 전동기(3)의 각 삼상전압에 대응하여 세개의 그룹으로 이루어지며, 도 1의 예에서는 단위전력셀 A1, A2, A3가 직렬연결되어, 직렬연결된 단위전력셀로부터 출력되는 전압이 합성되어 전동기(3)의 a상전압으로 제공된다. 마찬가지로, 단위전력셀 B1, B2, 3B가 직렬연결되어, 직렬연결된 단위전력셀로부터 출력되는 전압이 합성되어 전동기(3)의 b상전압으로 제공되며, 또한 단위전력셀 C1, C2, C3가 직렬연결되어 직렬연결된 단위전력셀로부터 출력되는 전압이 합성되어 전동기(3)의 c상전압으로 제공된다. 합성된 b상전압과 a상전압은 120도의 위상차를 가지고, c상과 b상전압 역시 120도의 위상차를 가진다.
전압측정부(23)는 전동기(3)에 입력되는 전압을 측정하며, 전압센서 또는 저항 등으로 구성된 수동소자로 구성될 수 있다.
이와 같은 고압인버터에서의 회전자 속도 추정과 관련하여, 우선 종래기술에 대해 논의 후 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 종래의 회전자 속도 추정장치를 설명하기 위한 것으로서, 전압성분 추출부(410)와 회전자 주파수 검출부(420)로 구성된다. 도 3a 및 도 3b는 각각 도 2의 전압성분 추출부와 회전자 주파수 검출부의 상세 구성도이다.
전압성분 추출부(410)는 전동기(3)의 입력 상전압 또는 선간전압으로부터 전동기(3)의 입력전압의 주파수를 측정하는 것으로서, 제1부(411)는 전동기(3)의 입력전압으로부터 인버터가 인가한 주파수에 해당하는 교류(AC) 신호인 V'과 V'에 위상각이 90도 뒤지는 신호인 qV'를 생성하고, 제2부(412)는 전동기(3) 입력전압의 주파수를 검출하고, 제3부(413)는 전동기의 출력 상전압의 주파수 검출시의 제어대역폭을 결정한다.
도 3b의 회전자 주파수 검출부(420)는, 제1부(421)가 회전좌표변환을 수행하여, 제2부(422)가 비례-적분 보상을 하여 제1부(421)의 출력
Figure 112014098044790-pat00001
를 0으로 만든다. 제3부(423)는 제2부(422)의 출력에 초기 주파수를 더하고, 제4부(424)가 이를 적분하면 추정된 위상각(
Figure 112014098044790-pat00002
)이 출력된다. 또한 제3부(425)의 출력을 저역통과하여 최종 추정된 주파수(
Figure 112014098044790-pat00003
)를 출력한다.
이때, 종래의 회전자 주파수 검출부(420)에서는, 좌표변환되어 출력된
Figure 112014098044790-pat00004
를 0으로 만들기 위해 비례-적분 보상을 위한 제2부(422)가 사용되며, 보통 이를 위상고정루프(phase locked loop, PLL)라 한다.
그러나, 이러한 PLL 회로는 추정부(4)에서 추정시간이 많이 소요되므로, 제어부(5)의 응답성을 느리게 하며, 구현이 복잡한 단점이 있다.
본 발명은, 이와 같이 종래기술에서 사용되는 PLL 회로를 제거하여, 보다 간단한 회로로 전동기(3)의 회전자 속도를 추정하기 위한 것이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 회전자 속도 추정부(4)를 개략적으로 설명하기 위한 일예시도이고, 도 5는 도 4의 상세 회로 구성도이다. 본 발명의 설명에서는, 추정부(4)가 단상의 전압정보를 가져오는 경우를 나타내었으나, 삼상전압에 대해 각각 본 발명의 추정장치가 사용될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 자명하다 할 것이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 장치는, 신호생성부(41), 제어대역폭 결정부(42) 및 주파수 검출부(43)를 포함할 수 있으며, 또한 정규화부(44)를 더 포함할 수 있다.
신호생성부(41)는 전동기(3)의 입력 상전압 또는 선간전압인 Vmeas를 전압측정부(23)로부터 수신하여, 고압인버터(2)가 인가한 주파수에 해당하는 교류신호인 V'와, V'에 위상각이 90도 뒤지는 신호인 qV'를 생성할 수 있다.
만약, 전동기(3)의 입력전압의 주파수가 ω'으로 주어진 경우, 신호생성부(41)를 통해 결정되는 V'와 qV'는 각각 다음식과 같다. V'과 qV'은 정규화된 정현파 함수이므로, 본 발명의 추정장치는, 종래의 도 2에서의
Figure 112014098044790-pat00005
대신 좌표변환에 V'과 qV'를 사용할 수 있다.
Figure 112014098044790-pat00006
Figure 112014098044790-pat00007
수학식 1에서 측정된 전동기의 입력전압으로부터, ω' 주파수 성분만을 추출할 수 있으며, 수학식 2로부터 수학식 1에서 검출한 성분에 위상이 90도 뒤진 신호를 결정할 수 있다.
제어대역폭 결정부(42)는 전동기의 출력 상전압의 주파수를 결정하기 위한 제어대역폭을 결정할 수 있으며, 주파수 검출부(43)는 전동기 입력전압의 주파수를 검출할 수 있다.
제어대역폭 결정부(42)와 주파수 검출부(43)의 동작을 설명하기로 한다.
신호생성부(41)의 41A 및 41B의 출력을 각각 x1, x2로 정의하면, 다음과 같다.
Figure 112014098044790-pat00008
Figure 112014098044790-pat00009
이때, 다음 수학식 5와 같이 결정될 수 있으며, 정상상태에서는 수학식 6의 조건을 만족한다.
Figure 112014098044790-pat00010
Figure 112014098044790-pat00011
Figure 112014098044790-pat00012
Figure 112014098044790-pat00013
수학식 6의 조건을 이용하여 수학식 3을 정리하면 다음 수학식 7과 같다.
Figure 112014098044790-pat00014
위 수학식 7을 정리하면 수학식 8과 같다.
Figure 112014098044790-pat00015
도 5에서, 각 변수의 평균을 이용하면 다음 수학식 9 및 수학식 10의 관계를 얻을 수 있다.
Figure 112014098044790-pat00016
Figure 112014098044790-pat00017
위 수학식 10에서
Figure 112014098044790-pat00018
항은
Figure 112014098044790-pat00019
(@
Figure 112014098044790-pat00020
)으로 간략화할 수 있으며, 이때 제어대역폭 결정부(42)를 이용하면, 추정 주파수는 다음과 같은 제어대역폭을 가질 수 있다.
Figure 112014098044790-pat00021
수학식 11로부터, 원하는 주파수를 찾는 제어대역폭은, 주파수 검출부(42) 내의 증폭부(42A)의 이득에 의해 결정됨을 알 수 있다. 따라서, 증폭부(42A)의 이득(k2)은, 전동기(3)의 운전주파수보다 높은 값으로 결정되는 것이 바람직하다.
주파수 검출부(43)는 제어대역폭 결정부(42)와 신호생성부(41)의 출력을 수신하여, 전동기 입력전압의 주파수를 검출할 수 있다.
한편, 정규화부(44)는 신호생성부(41)로부터 생성되는 V', qV'를 정규화할 수 있다. 정규화부(44)의 출력은 삼각함수 sinθ, cosθ이다. 즉, 정규화부(44)의 출력은 정규화된 정현파 함수이다.
종래의 도 2와 도 3a 및 도 3b의 재기동 장치에 의하면, 회전자 주파수 검출부(420)의 PLL 회로를 거쳐야 하므로, 응답성이 느려지고, 구현이 복잡한 단점이 있으나, 본 발명에 의하면 PLL 회로를 제거하는 것에 의하여, 응답성이 빠르고 구현이 간단한 장점이 있다.
도 6은 본 발명의 고압인버터의 시퀀스를 설명하기 위한 일예시도이다.
도 6에서, 6A는 전원공급부(1)로부터의 고압인버터(2)로 입력되는 입력전원을 도식적으로 나타낸 것이고, 6B는 고압인버터(2)의 출력전압을 나타낸 것이다. 또한, 6C와 6G는 각각 전원공급부(1)와 고압인버터(2)가 모두 정상동작하는 영역이고, 6D는 입력전원에 이상이 발생하여 고압인버터(2)의 출력전압을 줄이는 영역, 6E는 본 발명의 추정부(4)가 회전자 속도와 전동기(3) 전압의 크기를 추정하는 영역이며, 6F는 본 발명에 의해 추정된 전동기(3)의 회전자 속도와 전압의 크기로부터 제어부(5)가 고압인버터(2)를 재기동하는 영역을 나타낸 것이다.
제어부(5)의 동작을 설명한다.
일반적으로, 고압인버터(2)는 V/F 운전과 같이 일정 자속운전(constant flux) 운전을 하고 있는 경우, 전압과 주파수 비율이 미리 정해진 패턴에 의해 구동된다. 만약, 입력전원에 이상이 발생하여 본 발명에서 추정한 출력전압과 출력주파수 비율이 미리 설정된 값(Vset/Fset)에 비해 작거나 클 경우에는, 제어부(5)는 미리 설정된 전압과 주파수에 도달할 때까지 전압 또는 주파수의 크기를 변동할 수 있다.
도 7은 미리 설정된 전압-주파수 비율보다 추정된 전압-주파수 비율이 작은 경우 제어부의 동작을 설명하기 위한 일예시도로서, 도 6의 6F 구간에서의 동작을 세분화한 것이다.
도 7에서, 7A는 고압인버터(2)의 출력전압을, 7B는 고압인버터(2)의 출력주파수를 나타낸다. 또한, 7C 구간에서 고압인버터(2) 출력전압인 초기 전압(Vinit)은 전압측정부(23)로부터 수신할 수 있으며, 고압인버터(2) 출력주파수인 초기 주파수(Finit)는 도 4의 주파수 검출부(43)의 출력과 같다.
도 7의 7D 영역에서, 제어부(5)는 미리 설정된 전압-주파수 비율에 도달할 때까지 주파수는 유지하고, 전압을 증가시킬 수 있다. 또한, 7E에서 제어부(5)는 미리 설정된 전압-주파수 비율에 따라 전압과 주파수를 동시에 증가킬 수 있다. 이에 의해 7F 영역에서는, 정상동작시 선정된 전압(Vtarget)과 주파수(Ftarget)로 고압인버터(2)가 작동될 수 있다.
도 8은 미리 설정된 전압-주파수 비율보다 추정된 전압-주파수 비율이 큰은 경우 제어부의 동작을 설명하기 위한 일예시도로서, 도 6의 6F 구간에서의 동작을 세분화한 것이다.
도 8에서, 8A는 고압인버터(2)의 출력전압을, 8B는 고압인버터(2)의 출력주파수를 나타낸다. 또한, 8C 구간에서 인버터 출력전압인 초기 전압(Vinit)은 전압측정부(23)로부터 수신할 수 있으며, 고압인버터(2) 출력주파수인 초기 주파수(Finit)는 도 4의 주파수 검출부(43)의 출력과 같다.
도 8의 8D 영역에서, 제어부(6)는 미리 설정된 전압-주파수 비율에 도달할 때까지 전압은 유지하고 주파수의 크기를 증가시킬 수 있다. 또한, 8E에서 제어부(5)는 미리 설정된 전압-주파수 비율에 따라 전압과 주파수를 동시에 증가시킬 수 있다. 이에 의해 8F 영역에서는, 정상동작시 선정된 전압(Vtarget)과 주파수(Ftarget)로 고압인버터(2)가 작동될 수 있다.
위와 같이, 본 발명은 고압 전동기(3)의 입력전압을 측정하고 측정된 전압의 주파수 성분을 추출하여 고압 전동기의 회전자 속도를 추정할 수 있으며, 미리 설정된 전압-주파수 비에 도달할 때까지 인버터의 출력전압 또는 출력주파수를 증가시키고, 전압 또는 주파수가 미리 설정된 전압-주파수 비에 도달한 경우에는 출력전압과 출력주파수를 동시에 증가하여 재기동할 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 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
1: 전원공급부 2: 고압인버터
3: 전동기 4: 추정부
5: 제어부

Claims (6)

  1. 전동기의 입력전압을 측정하는 측정부;
    상기 입력전압으로부터, 상기 전동기의 회전자 주파수를 추정하는 추정부; 및
    상기 회전자 주파수를 이용하여, 미리 설정된 전압에 대한 주파수에 해당하는 제1비율에 따라 인버터의 출력전압 또는 출력주파수를 변경하도록 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 추정부는,
    상기 입력전압으로부터, 상기 인버터가 상기 전동기에 인가한 주파수에 해당하는 제1전압, 및 상기 제1전압보다 위상이 90도 뒤지는 제2전압을 생성하는 생성부;
    상기 제1전압 및 상기 제2전압을 정규화하는 정규화부;
    상기 전동기의 출력전압의 주파수를 결정하기 위한 제어대역폭을 결정하는 결정부; 및
    상기 정규화부의 정규화된 출력을 사용하여 상기 제어대역폭을 기반으로 상기 회전자 주파수를 결정하는 제2검출부를 포함하고,
    상기 결정부는 정규화된 상기 제1전압 및 상기 제2전압과, 상기 제2검출부의 증폭 이득에 기반하여 상기 제어대역폭을 결정하는 재기동 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1비율보다, 상기 입력전압에 대한 상기 회전자 주파수에 해당하는 제2비율이 작은 경우, 상기 제1비율에 도달할 때까지 상기 인버터의 출력주파수를 유지하고 출력전압을 증가시키고,
    상기 제1비율보다 상기 제2비율이 큰 경우, 상기 제1비율에 도달할 때까지 상기 인버터의 출력전압을 유지하고 상기 출력주파수를 증가시키는 재기동 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제2비율이 상기 제1비율에 도달한 경우, 상기 제1비율에 따라 상기 인버터의 출력전압과 출력주파수를 증가시키는 재기동 장치.
  4. 전동기의 입력전압으로부터, 인버터가 상기 전동기에 인가한 주파수에 해당하는 제1전압과, 상기 제1전압보다 위상이 90도 뒤지는 제2전압을 생성하는 단계;
    상기 제1전압 및 상기 제2전압을 정규화하는 단계;
    상기 전동기의 출력전압의 주파수를 결정하기 위한 제어대역폭을 결정하는 단계; 및
    정규화된 상기 제1전압 및 상기 제2전압을 사용하여 상기 제어대역폭을 기반으로 상기 전동기의 회전자 주파수를 추정하는 단계를 포함하는 인버터 재기동 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    미리 설정된 전압에 대한 주파수에 해당하는 제1비율이, 상기 입력전압에 대한 상기 회전자 주파수에 해당하는 제2비율보다 작은 경우, 상기 제1비율에 도달할 때까지 상기 인버터의 출력주파수를 유지하고 출력전압을 증가시키는 단계; 및
    상기 제1비율이 상기 제2비율보다 큰 경우, 상기 제1비율에 도달할 때까지 상기 인버터의 출력전압을 유지하고 출력주파수를 증가시키는 단계를 더 포함하는 인버터 재기동 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2비율이 상기 제1비율에 도달한 경우, 상기 제1비율에 따라 상기 인버터의 출력전압과 출력주파수를 증가시키는 단계를 더 포함하는 인버터 재기동 방법.
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