KR200157527Y1 - 유도전동기구동시스템에서의 컨버터고장검출장치 - Google Patents

Abstract

유도전동기구동시스템에서의 컨버터고장검출장치는, 구동 초기에 컨버터의 고장을 검출하여 컨버터의 성능이 악화된 상태에서 구동제어가 계속되지 않도록 하기 위한 것이다. 본 고안의 장치는 벡터제어형 인버터에 의해 구동제어되는 유도전동기의 자속확립제어구간에서 컨버터가 정상적인 경우 소량의 전류가 흐른다는 것을 이용하여 자속확립제어구간의 미리 설정한 제어시점에서 컨버터의 전류를 검출하고, 그 검출된 전류가 일정치 이상인지를 판단하여 고장을 검출한다. 따라서, 본 고안은 구동 초기에 가벼운 고장으로 인하여 역률제어, 고조파전류억제, 일정전압출력등의 성능이 악화된 컨버터를 검출하여 구동제어를 정지시켜 고장처리할 수 있는 효과를 제공한다.

Description

유도전동기구동시스템에서의 컨버터고장검출장치

본 고안은 벡터제어형 인버터에 직류전압을 공급하는 PWM제어형 컨버터를 구비한 유도전동기구동시스템에서의 컨버터고장검출장치에 관한 것이다.

일반적으로 유도전동기는 여타전동기에 비해 견고하고 정기적인 유지보수가 필요없는 장점을 가지고 있어 크레인등에 적용되어 그 사용의 폭을 넓혀가고 있다. 이와 같은 유도전동기를 구동제어하는 방식으로, V/F제어방식과 벡터제어방식이 있다. V/F제어방식은 구현이 간단하고 가장 많이 사용되는 것으로, 원하는 유도전동기의 구동속도를 얻기 위하여 해당 주파수신호에 게이트패턴펄스를 발생시켜 유도전동기를 제어한다. 이 V/F제어방식은 유도전동기의 구동에 따른 과도특성이 좋지 않은 결점이 있다. 벡터제어방식은 전류센서, 속도검출을 위한 엔코더등을 구비하고, 유도전동기의 고정자전류와 자속각을 기준으로 제어한다. 이 벡터제어방식은 엔코더가 강전압등으로 유기되는 잡음의 영향으로 오동작을 일으키는 결점이 있다.

한편, 벡터제어방식을 통해 유도전동기를 구동하는 인버터에 직류전원의 공급을 목적으로 하는 진폭변조(pulse width modulation; PWM)방식의 전압제어형 컨버터(converter)가 구성된다. 그런데, 전원입력측에서 많은 전류가 컨버터로 흘러들어가거나 컨버터와 인버터 사이에 많은 직류전압이 걸리면 컨버터를 구성하는 고가의 소자들이 파괴되고, 또 상당히 위험하게 된다.

그래서, 종래에는 전류검출기 및 전압검출기를 통해 컨버터의 소자를 소손하는 값에 가까운 과전류가 흐르는 것을 검출 및 컨버터의 소자를 소손하는 값에 가까운 과전압을 검출하였을 때 컨버터를 치명적인 고장으로 검출하고, 그 동작을 중지시킨다.

이처럼, 종래에는 컨버터의 치명적인 고장에 대해서만 검출하고, 직류단에 존재하는 커패시터의 노화에 따른 용량값 변화등의 컨버터 성능을 악화시키는 비교적 가벼운 고장에 대해서는 검출하지 못한다. 이로 인하여, PWM방식의 전압제어형 컨버터의 목적인 일정전압 출력과 고조파 전류의 억제, 우수한 역률제어등의 성능이 가벼운 고장으로 인하여 악화되더라도 이를 검출하지 못하고 컨버터가 계속 동작하여 유도전동기를 안정적으로 구동시키기 어려운 문제점이 있었다.

따라서, 본 고안의 목적은 치명적인 고장만 검출하는 것이 아니라 구동 초기에 가벼운 고장으로 성능이 악화되었을 때도 검출할 수 있도록 한 유도전동기구동시스템에서의 컨버터고장검출장치를 제공함에 있다.

도 1은 본 고안이 적용된 유도전동기구동시스템을 나타내는 구성도,

도 2a-2d는 도 1 시스템의 각 구성에 대한 동작 타이밍도,

도 3은 도 1 제어부의 컨버터고장검출과정을 설명하기 위한 흐름도.

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 3상교류전원 2 : 인덕터

3 : 컨버터전류검출기 4 : 컨버터

5 : 인버터 6 : 전압검출기

7 : 커패시터들 8 : 분압저항

9 : 인버터전류검출기 10 : 유도전동기(IM)

11 : 속도검출기(E) 12 : 위상검출용 변압기

13 : 제어부

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 고안의 유도전동기구동시스템에서의 컨버터고장검출장치는, 유도전동기를 구동제어하는 벡터제어형 인버터와, 인버터에 직류전원을 공급하는 진폭변조(PWM)방식의 전압제어형 컨버터를 구비한 유도전동기구동시스템에 있어서, 상기 인버터와 상기 컨버터를 각각 구동제어하며, 상기 인버터의 전류와 상기 유도전동기의 속도 및 상기 컨버터의 전류를 통해 구동 초기의 미리 설정된 제어시점을 판단하여 그 제어시점에서의 상기 컨버터의 전류에 따라 컨버터 고장을 검출하고, 고장검출시에 상기 컨버터와 상기 인버터의 구동제어를 중지하고 고장처리하는 제어수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 고안의 바람직한 실시예를 상세히 기술하기로 한다.

도 1은 본 고안이 적용된 유도전동기구동시스템의 구성도로서, 이는 공지의 기술을 통하여 유도전동기(10)의 속도 및 토크(Torque)를 제어하므로 그 동작을 간략하게 설명한다.

도 1에서, 3상교류전원(1)은 상호간에 위상차 120°인 3상전류를 인덕터(Inductor)(2)를 통해 컨버터(4)로 출력한다. 이때, 컨버터전류검출기(3)는 컨버터(4)측의 입력전류를 검출하고, 그 전류검출신호를 제어부(13)로 출력한다. 위상검출용 변압기(12)는 3상전류간의 위상차를 검출하고, 그 검출한 위상차를 제어부(13)에서 처리가능한 형태로 변환하여 제어부(13)로 출력한다. 컨버터(4)는 스위치 역할을 하는 복수의 트랜지스터 및 그에 대응하여 트랜지스터를 보호함과 동시에 전류의 변화를 매끄럽게 하기 위한 복수의 다이오드로 구성된다. 컨버터(4)는 제어부(13)로부터 인가되는 구동신호에 따라 복수의 커패시터들(7)에 걸리는 직류전압을 상승시킨다. 전압검출기(6)는 커패시터들(7)에 걸리는 직류전압을 검출하고, 그 전압검출신호를 제어부(13)로 출력한다. 커패시터들(7)에 걸리는 직류전압은 분압저항(7)을 통해 분압되어 인버터(5)로 공급된다. 인버터(5)는 트랜지스터와 다이오드로 구성되며, 제어부(13)로부터 인가되는 구동신호에 따라 공급되는 직류전압을 교류전압으로 바꾸어 구동대상인 유도전동기(Induction Motor; IM)(10)를 구동시킨다. 이때, 인버터전류검출기(9)는 인버터(5)측의 출력전류를 검출하고, 그 전류검출신호를 제어부(13)로 출력한다. 유도전동기(10)는 인버터(5)로부터 공급되는 교류전압에 의해 원하는 속도로 구동되며, 엔코더(Encoder; E)로 된 속도검출기(11)는 유도전동기(10)의 속도를 검출하고, 그 속도검출신호를 제어부(13)로 출력한다. 제어부(13)에 대한 동작은 도 2 및 도 3를 통해 설명한다.

도 2a-2d는 도 1 시스템의 각 구성에 대한 동작 타이밍도이다.

도 2a는 컨버터(4)에 의해 커패시턴들(7)에 걸리는 직류전압을 나타낸다. 도 2a를 보면, 제어부(13)가 컨버터(4) 및 인버터(5)를 구동하기 전인 초기 t₁시간동안 컨버터(4)의 다이오드를 통하여 V₁만큼의 직류전압이 커패시터들(7)에 충전된다. 그리고, t₁에서 t₂까지의 시간동안 제어부(13)로부터 인가되는 구동신호에 의해 컨버터(4)는 커패시터들(7)에 충전된 전압 V₁을 미리 설정된 전압 V₂로 상승시킨 후 t₃이후부터 전압 V₂를 유지시킨다. 한편, 커패시터들(7)에 충전된 전압이 미리 설정된 전압 V₂로 상승되는 t₂시간 이후부터 제어부(13)는 인버터(5)를 구동시킨다. 제어부(13)의 구동신호 및 공급되는 직류전압에 따라 구동되는 인버터(5)는 공지의 기술인 벡터제어방식에 근거하여 유도전동기(10)의 자속이 확립되도록 도 2b에 나타낸 바와 같이 t₂부터 t₃까지의 시간동안 자속전류 2I₁를 유도전동기(10)에 인가한다. 인버터(5)는 t₃시간 이후부터 자속전류를 I₁으로 유지한다. 유도전동기(10)는 인버터(5)로부터 자속전류 2I₁이 인가되는 동안 즉, 도 2c에 나타낸 바와 같이 t₂에서 t₃까지의 시간동안 자속이 φr로 확립되도록 제어된다. 제어부(13)는 유도전동기(10)의 자속이 확립된 t₃시간 이후에는 도 2d에 나타낸 바와 같이 유동전동기(10)의 속도가 원하는 속도 S₁에 도달할 때까지 가속하고, 그 이후부터는 그 속도를 유지시킨다. 여기서, t₂이후 t₃까지의 시간에는 유도전동기(10)에서 전기적 에너지를 기계에너지로 변환하지 않는 구간이므로 컨버터(4)에서는 역률이 거의 1로서 유효전력성분만을 공급하도록 제어되고 있다. 그래서, 컨버터(4)와 인버터(5)의 손실분, 분압저항(8)에 의한 손실 및 유도전동기(10)의 동손 및 철손등 미량의 유효전력성분만이 필요하므로 정상적 동작의 경우에는 소량의 전류가 흐르게 된다. 이를 이용하여 제어부(13)에서는 도 3의 과정을 통해 컨버터 고장을 검출한다.

도 3은 도 1 제어부(13)의 컨버터고장검출과정을 설명하기 위한 흐름도이다.

도 3에서, 제어부(13)는 컨버터전류검출기(3)에 의해 검출되어진 컨버터전류검출신호, 전압검출기(6)에 의해 검출되어진 전압검출신호, 인버터전류검출기(9)에 의해 검출되어진 인버터전류검출신호, 그리고 속도검출기(11)에 의해 검출되어진 유도전동기(10)의 속도검출신호를 각각 입력받는다. 그래서, 제어부(13)는 구동 초기의 t₂에서 t₃까지의 시간 즉, 유도전동기(10)가 자속확립제어구간인지를 판단한다(단계 301). 제어부(13)는 자속확립제어구간이면 컨버터(4)를 구동하기 전에 컨버터(4) 고장을 검출하기 위하여 미리 설정한 제어시점 즉, t₂시점을 판단한다. 먼저, 제어부(13)는 도 2b에 근거하여, 인버터전류검출기(9)에 의해 검출되어진 인버터(5)의 토크성분 전류가 0인지를 판단한다(단계 302). 단계 302에서, 제어부(13)는 전류가 0이 아니면 컨버터(4)의 가벼운 고장을 검출할 수 있는 제어시점이 경과된 경우로 판단하여 컨버터고장검출과정을 종료한다. 반대로, 제어부(13)는 인버터(5)의 토크성분 전류가 0이면 도 2d에 근거하여, 속도검출기(11)에 의해 검출되어진 유도전동기(10)의 속도가 0인지를 판단한다(단계 303). 단계 303에서, 제어부(13)는 속도가 0이 아니면 제어시점이 경과된 경우로 판단하여 그대로 종료한다. 반대로, 제어부(13)는 유도전동기(10)의 속도가 0이면 제어시점 즉, t₂시점인 경우로 판단하고, 이때 컨버터전류검출기(3)에 의해 검출되어진 컨버터(4)의 전류가 일정치 이내인지를 판단한다(단계 304). 단계 304에서, 제어부(13)는 컨버터(4)의 전류가 일정치 이내이면 정상적인 경우로 판단하여 그대로 종료한다. 반대로, 제어부(13)는 컨버터(4)의 전류가 일정치 이내가 아니면 컨버터(4) 및 인버터(5)의 제어를 중지하고, 컨버터(4)를 고장처리한다(단계 305).

상술한 바와 같이, 본 고안의 유도전동기구동시스템에서의 컨버터고장검출장치는 치명적인 고장의 경우에만 컨버터의 고장을 검출하여 제어중지하던 종래에 비해서 구동 초기에 컨버터에 일정치 이상의 전류가 흐르는 것을 검출하여 고장을 검출하므로 가벼운 고장으로 컨버터의 성능이 악화된 상태에서 계속 구동시키지 않게 되는 잇점을 갖는다.

Claims (5)

1. 유도전동기를 구동제어하는 벡터제어형 인버터와, 인버터에 직류전원을 공급하는 진폭변조(PWM)방식의 전압제어형 컨버터를 구비한 유도전동기구동시스템에 있어서,

   상기 인버터와 상기 컨버터를 각각 구동제어하며, 상기 인버터의 전류와 상기 유도전동기의 속도 및 상기 컨버터의 전류를 통해 구동 초기의 미리 설정된 제어시점을 판단하여 그 제어시점에서의 상기 컨버터의 전류에 따라 컨버터 고장을 검출하고, 고장검출시에 상기 컨버터와 상기 인버터의 구동제어를 중지하고 고장처리하는 제어수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 컨버터고장검출장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 제어수단은 유도전동기의 자속확립제어구간의 시작시간을 컨버터 고장 검출을 위한 제어시점으로 미리 설정함을 특징으로 하는 컨버터고장검출장치.
3. 제 2항에 있어서, 상기 제어수단은 유도전동기의 자속확립제어구간에서 컨버터가 정상적인 경우 소량의 전류가 흐름을 이용하여 컨버터의 고장을 검출하는 것을 특징으로 하는 컨버터고장검출장치.
4. 제 3항에 있어서, 상기 제어수단은 유도전동기의 자속확립제어구간에서 상기 인버터의 토크성분 전류가 0이고, 유도전동기의 속도가 0일 때를 고장검출을 위한 제어시점으로 판단하는 것을 특징으로 하는 컨버터고장검출장치.
5. 제 4항에 있어서, 상기 제어수단은 고장검출제어시점에서 컨버터의 전류가 일정치 이상이면 컨버터 고장으로 검출하는 것을 특징으로 하는 컨버터고장검출장치.