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KR20150004032A - 전동기의 기동판별 장치 - Google Patents

전동기의 기동판별 장치 Download PDF

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KR20150004032A
KR20150004032A KR1020130076954A KR20130076954A KR20150004032A KR 20150004032 A KR20150004032 A KR 20150004032A KR 1020130076954 A KR1020130076954 A KR 1020130076954A KR 20130076954 A KR20130076954 A KR 20130076954A KR 20150004032 A KR20150004032 A KR 20150004032A
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Abstract

전동기의 기동판별 장치가 개시된다. 본 발명의 일실시예의 장치는, 전동기로 입력되는 상전류의 주파수를 추정하여, 추정한 주파수와 전동기를 구동하는 인버터의 출력전압의 주파수의 차이로부터 전동기의 기동여부를 판별할 수 있다.

Description

전동기의 기동판별 장치{APPARATUS FOR DETERMINING START OF ELECTRIC MOTOR}
본 발명은 전동기의 기동판별 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 유도 전동기(induction machine) 또는 동기 전동기(synchronous machine)와 같은 3상 전동기는, 위치센서(position sonsor)가 있는 경우와 없는 경우로 그 운전 방법이 구별된다.
엔코더(encoder), 레졸버(resolver)와 같은 위치센서는 회전자의 위치와 속도를 측정하기 위해서 많이 사용되지만, 이러한 위치센서의 사용은 전체 시스템의 가격을 증대시키고, 유지 보수(maintenance) 비용을 증가시킬 뿐 아니라, 고장(fault)에 취약하고 전체 시스템의 부피(volume)을 증대시키는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 극복하기 위해서, 산업계에서는 위치센서가 없는 3상 전동기의 센서리스(sensorless) 운전에 대한 요구가 증대되었다.
그러나, 종래 3상 전동기의 센서리스 운전은, 센서리스 기동후 기동(starting) 실패시 이를 판별하지 못하는 경우가 있다. 이는 회전자 속도와 위치추정의 오차에 의해 발생된다.
특히, 회전자 속도가 저속영역에서는, 회전자 속도 및 위치추정에서 전동기의 운전상태를 정확하게 파악하지 못하게 되므로, 더욱 전동기의 기동성공 여부를 판단하기 어려워지는 문제점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 3상 전동기의 센서리스 운전시 기동 성공여부를 판별할 수 있는 전동기의 기동판별 장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 센서리스 운전시 기동성공시에는 전동기의 운전이 지속되게 하고, 기동실패시에는 운전을 정지하고 다시 기동운전할 수 있게 하기 위한 전동기의 기동판별 장치를 제공하는 것이다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일실시예의 전동기의 기동판별 장치는, 인버터로부터 3상 전동기로 입력되는 적어도 하나의 상전류의 주파수 성분에 해당하는 교류신호(제1신호) 및 상기 교류신호에 위상각이 90도 뒤지는 신호(제2신호)를 출력하는 변환부; 상기 제2신호로부터 주파수를 추정하는 추정부; 및 상기 추정부가 추정한 주파수와 상기 인버터의 출력전압의 주파수의 차이로부터 상기 3상 전동기의 기동여부를 판별하는 판별부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 추정부의 제어 대역폭을 결정하는 대역폭 결정부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 대역폭 결정부가 결정하는 제어 대역폭은, 상기 추정부의 이득에 따라 결정될 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 추정부는, 상기 전동기가 운전불가능한 양의 주파수(입력 주파수)를 입력으로 수신하여, 상기 전동기의 기동이 이루어지지 않는 경우에는 상기 입력 주파수를 출력하여, 상기 전동기의 기동의 성공여부를 판별가능하게 할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 판별부는, 상기 추정부가 추정한 주파수와 상기 인버터의 출력전압의 주파수의 차이가 기설정된 허용가능한 주파수 범위를 벗어나는 경우 기동실패로 판단할 수 있다.
상기와 같은 본 발명은, 3상 전동기의 센서리스 운전시 전동기로 입력되는 상전류의 주파수를 추정하여, 전동기를 제어하는 인버터의 출력전압의 주파수와 비교하여, 전동기의 기동여부를 판별하게 하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명이 적용되는 전동기 제어 시스템의 구성도이다.
도 2는 도 1의 속도제어부의 상세 구성도이다.
도 3a 및 도 3b는 도 1의 전류제어부의 상세 구성도이다.
도 4는 본 발명에 따른 기동판별 장치의 일실시예 상세 구성도이다.
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 전동기 제어 시스템의 구성도로써, 본 발명의 일실시예의 전동기 제어 시스템(1)은, 3상 전동기(2)를 운전하게 된다. 전동기(2)는 예를 들어 유도 전동기일 수도 있고 동기 전동기일 수도 있다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 전동기 제어 시스템(1)은, 속도제어부(10), 전류제어부(20), 제1변환부(30), 제2변환부(40), 인버터(50), 회전자 속도 및 위치추정부(60), 전류측정부(70a, 70b, 70c; 70) 및 본 발명의 기동판별 장치(80)를 포함하며, 본 발명의 제어 시스템(1)에서 기동판별 장치(80)가 전동기(2)의 기동 성공여부를 판별하여, 이를 상위 제어부(도시되지 않음)로 전송하는 것이다.
속도제어부(10)는 회전자 속도지령과 실제 회전자 속도를 입력으로 하여, 동기좌표계(synchronous reference frame) 상의 q축 전류지령을 출력한다.
전류제어부(20)는 동기좌표계 상의 d, q축 전류지령과 실제 전류로부터 동기좌표계 상의 d, q 전압을 출력한다.
제1변환부(30)는, 전류제어부(20)의 출력전압을 정지좌표계(stationary reference frame) 상의 전압으로 변환한다.
제2변환부(40)는 전류측정부(70)에서 측정한 전동기(2)의 상전류(phase current)를 동기좌표계상의 d, q축 전류로 변환한다.
인버터(50)는 전동기(2)에 전압을 인가하며, 회전자 속도 및 위치추정부(60)는 전류측정부(70)가 측정한 전동기의 상전류와 제1변환부(30)의 출력전압을 입력으로 하여, 3상 전동기(2)의 회전자 속도(rotor speed)와 회전자 위치(rotor position)를 추정한다.
전류측정부(70)는 전동기(2)로 입력되는 상전류를 측정한다.
본 발명의 기동판별 장치(80)는, 전동기(2)의 기동이 성공한 경우에는 'S'를 출력하고, 실패한 경우에는 'F'를 출력하여 상위 제어부(도시되지 않음)로 전송할 수 있다. 기동판별 장치(80)는 재기동을 위한 신호를 추가하여 출력할 수 있다.
각 구성요소를 더욱 상세하게 설명하기로 한다.
도 2는 도 1의 속도제어부(10)의 상세 구성도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 속도제어부(10)는, 지령속도(speed reference)와 실제 속도(feedback speed)의 차를 비례적분(proportional and integral)제어를 이용하여 q축 전류지령을 출력하는 것이다.
본 발명의 속도제어부(10)는, 비례적분 제어기(11a, 11b), 제한기(12) 및 안티 와인드업(Anti-windup) 이득설정부(13)를 포함하는데, 비례적분 제어기(11a, 11b)는 속도를 제어하고, 제한기(12)는 속도제어부(10)의 출력을 제한하며, 이득설정부(13)는 제한기(12)가 동작할 때 적분기(11b)의 발산을 방지하기 위한 것이다.
속도제어부(10)의 출력은 동기좌표계 상의 q축 전류가 된다.
도 3a 및 도 3b는 도 1의 전류제어부(20)의 상세 구성도로서, 도 3a는 동기좌표계 상의 d축 전류제어부의 구성을, 도 3b는 동기좌표계 상의 q축 전류제어부의 구성을 나타낸 것이다.
도면에 도시된 바와 같이, d, q축 전류제어부는, 동기좌표계 상의 d, q축 전류를 각각 제어하기 위한 비례적분 제어기와 전향보상(feed-forward)으로 이루어질 수 있다. 즉, 본 발명의 전류제어부(20)는, 전류지령과 궤환전류(feedback current)로부터 전류를 제어하기 위한 비례적분 제어기(21a, 21b, 24a, 24b)과 전향보상부(22, 25) 및 안티 와인드업 이득설정부(23, 26)를 포함한다.
전향보상부(22, 25)는 3상 전동기(2)의 모델링(modeling)에 따라 다양하게 구성될 수 있다. 또한, 이득설정부(23, 26)는 전류제어부(20)의 출력이 인버터(50)가 합성할 수 있는 전압의 크기를 벗어나는 경우 적분기(21b, 24b)의 발산을 방지하기 위한 것이다.
도 1의 제1변환부(30)는 전류제어부(20)의 출력인 동기좌표계 상의 전압을 정지좌표계 상의 전압으로 변환하는 것으로서, 다음을 출력할 수 있다.
Figure pat00001
Figure pat00002
또한, 제2변환부(20)는, 전류측정부(70)로부터 수신한 전동기(2)의 상전류로부터 동기좌표계 상의 d, q축 전류를 다음과 과정을 거쳐 출력한다.
Figure pat00003
Figure pat00004
Figure pat00005
Figure pat00006
회전자 속도 및 위치추정부(60)는, 전동기(2)로 입력되는 전류와 인버터(50)로 입력되는 전압을 입력으로 하여 회전자의 속도와 회전자 자속의 위치를 출력한다. 이의 세부적인 구성에 대해서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 사항이므로, 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 1에서, 기동판별 장치(80)는 전동기(2)로 입력되는 전류로부터 전동기(2)로 입력되는 전류의 주파수를 통해 전동기(2)의 기동을 판별하는 것이다. 도 1에서, 기동판별 장치(80)는 전동기(2)의 입력전류를 전류측정부(70)로부터 모두 수신하는 것으로 도시되어 있지만, 하나 또는 두 전류를 입력받을 수도 있다.
이하, 도면을 참조로 본 발명의 기동판별 장치를 상세하게 설명한다.
도 4는 본 발명에 따른 기동판별 장치(80)의 일실시예 상세 구성도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 기동판별 장치(80)는, 전류변환부(81), 주파수 추정부(82), 대역폭 결정부(83) 및 판별부(84)를 포함한다.
전류변환부(81)는 전동기(2)로 입력되는 상전류(x=a, b, c)로부터 인버터(50)가 인가한 주파수에 해당하는 교류(AC) 신호인
Figure pat00007
, 및
Figure pat00008
에 위상각(phase angle)이 90도 뒤지는 신호인
Figure pat00009
를 생성하며, 감산부(81a), 이득설정부(81b), 감산부(81c), 승산부(81d), 적분부(81e), 적분부(81f) 및 승산부(81g)를 포함한다.
주파수 추정부(82)는 전동기(2)로 입력되는 상전류의 주파수를 추정하고, 승산부(82a, 82b), 이득설정부(82c), 적분부(82d) 및 합산부(82e)를 포함한다.
대역폭 결정부(83)는 주파수 추정부(82)의 제어대역폭을 결정하고, 승산부(83a, 83b), 합산부(83c), 제산부(83d) 및 이득설정부(83e)를 포함한다.
판별부(84)는 전동기(2)의 주파수 추정부(82)의 출력을 이용하여 기동이 성공하였는지 실패하였는지 판별하고, 감산부(84a) 및 결정부(84b)를 포함한다.
이하, 본 발명의 기동판별 장치(80)의 동작을 상세하게 설명한다.
전동기(2)로 인가되는 상전류의 주파수가
Figure pat00010
인 경우, 전류변환부(81)는 다음 식을 이용하여
Figure pat00011
및
Figure pat00012
를 결정할 수 있다.
Figure pat00013
Figure pat00014
수학식 7에서, 측정된 전동기(2)의 상전류로부터
Figure pat00015
의 주파수 성분만을 추출할 수 있으며, 수학식 8로부터 수학식 7에서 결정된 성분에 위상이 90도 뒤진 신호를 결정할 수 있다.
주파수 추정부(82)는, 전동기(2)에 입력되는 상전류의 주파수를 검출하는데, 먼저, 전류변환부(81)에서 적분부(81e, 81f)의 출력 x1, x2는 각각 다음 수학식과 같이 결정될 수 있다.
Figure pat00016
Figure pat00017
이때, 다음의 수학식 10과 같은 관계인 경우, 정상상태에서는, 수학식 11의 조건을 가지게 된다.
Figure pat00018
Figure pat00019
Figure pat00020
Figure pat00021
수학식 11의 조건을 이용하여 수학식 8을 정리하면 다음과 같다.
Figure pat00022
위 수학식 12를 정리하면 다음과 같은 관계가 결정된다.
Figure pat00023
다음으로, 대역폭 결정부(83)의 동작을 살펴본다.
각 변수의 평균을 이용하면, 다음과 같이 결정된다.
Figure pat00024
Figure pat00025
수학식 15에서
Figure pat00026
항은
Figure pat00027
(@
Figure pat00028
)로 간략화할 수 있으며, 따라서, 대역폭 결정부(83)는, 추정 주파수가 다음 제어 대역폭을 가지는 것으로 결정할 수 있다.
Figure pat00029
따라서, 수학식 16을 참조로 하면, 제어 대역폭은 주파수 추정부(82)의 이득설정부(82c)의 이득에 의해 결정됨을 알 수 있다. 따라서, 이득설정부(82c)의 이득은 전동기(2)의 운전 주파수보다 높은 값으로 선정하는 것이 바람직하다.
판별부(84)의 감산부(84a)는, 주파수 추정부(82)의 출력인 추정된 전류의 주파수
Figure pat00030
와, 인버터(50)가 출력하는 전압의 주파수
Figure pat00031
의 차이를 출력하고, 결정부(84b)는 감산부(84a)의 차이가 이미 설정되어 있는 허용가능한 주파수 범위인
Figure pat00032
를 넘게 되면 기동실패로 판단하여 'F'를 출력하고, 설정된 허용가능한 주파수 범위 이내인 경우에는 기동성공으로 판단하여 'S'를 출력한다.
3상 전동기(2)의 센서리스 운전이 정상적으로 동작할 경우, 인버터(50)가 인가하는 전압의 주파수와 동일한 전류 주파수가 출력되어야 한다. 이때, 인버터(50)가 인가하는 전압의 주파수
Figure pat00033
는 상위 제어부(도시되지 않음)가 이미 주지하고 있는 변수이므로, 정상동작시 주파수 추정부(82)가 추정한 전동기(2)로 입력되는 상전류의 주파수
Figure pat00034
은 동일하여야 한다(
Figure pat00035
). 즉, 주파수 추정부(82)의 출력이 인버터(50)의 출력전압 주파수와 동일한 경우에는 3상 전동기(2)가 정상적으로 동작하는 경우이고, 그 값이 서로 다른 경우에는 3상 전동기(2)의 센서리스 제어 상에 문제가 있는 것으로 판별하여, 상위 제어부는 운전을 정지하고 재기동하도록 할 수 있다.
이때, 주파수 추정부(82)의 입력인
Figure pat00036
를 전동기(2)가 운전불가능한 양의 값으로 선정하면, 전동기(2)의 기동이 이루어지지 않은 경우에는 주파수 추정부(82)의 출력이
Figure pat00037
가 되어, 전동기(2)의 기동의 성공여부를 쉽게 판별할 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 본 발명의 기동판별 장치(80)는 전동기(2)로 입력되는 세개의 전류 모두에 대하여 측정할 수도 있고, 또는 하나 또는 둘의 전류에 대해 측정할 수도 있는데, 모든 전류에서 'S'가 출력되지 않는 경우 상위 제어부는 기동실패로 판단할 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.
81: 전류변환부 82: 주파수 추정부
83: 대역폭 결정부 84: 판별부

Claims (5)

  1. 인버터로부터 3상 전동기로 입력되는 적어도 하나의 상전류의 주파수 성분에 해당하는 교류신호(제1신호) 및 상기 교류신호에 위상각이 90도 뒤지는 신호(제2신호)를 출력하는 변환부;
    상기 제2신호로부터 주파수를 추정하는 추정부; 및
    상기 추정부가 추정한 주파수와 상기 인버터의 출력전압의 주파수의 차이로부터 상기 3상 전동기의 기동여부를 판별하는 판별부를 포함하는 전동기의 기동판별 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 추정부의 제어 대역폭을 결정하는 대역폭 결정부를 더 포함하는 전동기의 기동판별 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 대역폭 결정부가 결정하는 제어 대역폭은,
    상기 추정부의 이득에 따라 결정되는 전동기의 기동판별 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 추정부는,
    상기 전동기가 운전불가능한 양의 주파수(입력 주파수)를 입력으로 수신하여, 상기 전동기의 기동이 이루어지지 않는 경우에는 상기 입력 주파수를 출력하여, 상기 전동기의 기동의 성공여부를 판별가능하게 하는 전동기의 기동판별 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 판별부는,
    상기 추정부가 추정한 주파수와 상기 인버터의 출력전압의 주파수의 차이가 기설정된 허용가능한 주파수 범위를 벗어나는 경우 기동실패로 판단하는 전동기의 기동판별 장치.
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