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KR101272393B1 - 인버터 제어방법 - Google Patents

인버터 제어방법 Download PDF

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KR101272393B1
KR101272393B1 KR1020120013864A KR20120013864A KR101272393B1 KR 101272393 B1 KR101272393 B1 KR 101272393B1 KR 1020120013864 A KR1020120013864 A KR 1020120013864A KR 20120013864 A KR20120013864 A KR 20120013864A KR 101272393 B1 KR101272393 B1 KR 101272393B1
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KR
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optimum
torque
motor
level
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Inventor
지민훈
Original Assignee
엘에스산전 주식회사
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Priority to US13/762,154 priority patent/US9246430B2/en
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Priority to JP2013023273A priority patent/JP5886772B2/ja
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Abstract

인버터 제어방법이 개시된다. 전동기의 최종속도를 설정하는 본 발명의 제어방법은, 최적속도레벨을 설정하고, 최적속도를 연산하여, 지령속도가 상기 전동기의 정격속도레벨보다 높은 경우에는, 최적속도를 최종속도로 설정하고, 지령속도가 정격속도레벨보다 낮거나 같고, 최적속도레벨보다 높은 경우에는, 지령속도를 최종속도로 설정한다.

Description

인버터 제어방법{APPARATUS FOR CONTROLLING INVERTER}
본 발명은 인버터 제어방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전동기를 구동하는 인버터의 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로 인버터는, 3상교류 상용전원에 연결되어, 교류전원을 직류전원으로 평활화고, 이를 펄스폭변조(Pulse Width Modulation; 이하, 'PWM'이라 함) 스위칭을 통해 주파수와 전압을 가변하여 원하는 출력을 생성하여 전동기로 공급하는 장치이다.
이러한 인버터에 의해 제어되는 전동기는, 기계적인 구동력인 토크를 발생시켜 기계 시스템이 동작하도록 한다.
일반적으로 전동기 구동용 인버터 시스템이 적용될 수 있는 분야는, 크게 블로워 부하와 권상부하, 견인부하 및 장력제어부하로 나뉜다.
이중 권상부하는 크레인이나 호이스트(hoist) 및 엘리베이터 등과 같이 상하 움직임을 가지는 기계 시스템을 말하며, 특히 크레인이나 호이스트는 전동기의 구동속도에 따라 작업능률이 달라진다. 즉, 크레인이나 호이스트에 적용된 전동기를 전동기의 정격에 허용하는 범위에서 최대속도로 운전하면, 크레인이나 호이스트의 작업 능률을 향상시킬 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 종래의 인버터 제어방법을 설명하기 위한 흐름도로서, 전동기를 최대속도로 운전하기 위해 인버터를 제어하는 방법을 나타낸 것이다.
종래의 인버터 제어에서는, 인버터의 출력 최적화 기능을 설정한다(S110).
인버터의 출력 최적화는, S110에서 인버터의 출력최적화 설정에서 시작된다. 권상부하는 전동기의 가감속시에는 정속도 운행시 필요한 토크의 50~200%에 이르는 가감속 토크를 요구하고, 이러한 경우, 전동기와 그 구동 시스템은 가감속 시간동안 정격토크의 150% 이상의 토크를 공급할 수 있어야 한다.
권상부하에서는 전동기의 토크가 양의 방향의 토크뿐만 아니라 음의 방향의 토크가 발생하는데, 토크방향을 확인하여(S120), 정방향 토크의 제한값을 설정하고(S130), 역방향 토크의 제한값을 설정한다(S140).
전동기가 시스템의 가감속을 위해 정방향 토크 뿐 아니라 역방향 토크를 발생할 수 있어야 하고, 전동기의 회전방향 역시 정방향 또는 역방향으로 변경될 수 있어야 한다. 이에, 정방향과 역방향에 따른 토크의 제한값을 설정할 필요가 있는데, 이를 S120~S140에서 수행함을 알 수 있다.
이후, 부하에 걸리는 토크를 누적하고(S150), 설정된 시간이 경과한 경우에는(S160), 설정된 시간동안 누적된 토크의 수와 누적된 토크값을 연산하여, 평균토크를 연산한다(S170).
이후, 연산된 평균토크와 S130 및 S140에서 설정된 정방향 토크 제한값 및 역방향 토크 제한값과, 인버터의 정격속도를 이용하여, 최적속도를 연산한다(S180). 또한, S180에서 연산된 최적속도를 최대주파수 범위 내로 제한한다(S190). 이와 같이, S100에서는 최적속도를 연산한다.
도 1b는, 전동기의 최종속도지령을 설정하는 것을 설명한다.
S100에서 최적속도를 연산하면, 최적속도를 최종 속도지령으로 적용할 것인지를 확인하여(S210), 최종 속도지령으로 적용할 경우에는 S100에서 연산한 최적속도를 최종 속도지령으로 결정하고(S220), 최종 속도지령으로 적용하지 DSKG을 경우에는 지령속도를 최종 속도지령으로 결정한다(S230).
이후, 최종속도를 출력한다(S240).
도 2는 전동기 속도에 따른 최대토크 곡선을 설명하는 그래프이다.
도면에서, a는 전동기 정격속도 이하에서 일정토크가 지속되는 영역을 나타내며, b는 전동기 정격속도 이상의 영역을 나타낸다.
도면에서 정격속도 이상 영역인 b에서는 전동기가 출력할 수 있는 토크가 전동기의 속도가 증가함에 따라 반비례하여 감소한다.
앞서 설명한 바와 같이, 전동기는 가감속시 가감속토크가 필요하므로, 이러한 가감속도를 유지하면서 지령속도를 초과하여 계속 가속하였을때, 최대속도는 가감속하였을때 발생한 가감속토크를 유지할 수 있는 속도가 된다. 이를 수식으로 표현하면 다음과 같다.
Figure 112012011029178-pat00001
Figure 112012011029178-pat00002
위 수학식을 통해 연산된 최적속도를 이용하여, 도 1b의 결정에 따라, 최적속도 또는 지령속도를 최종 속도지령으로 설정하고, 최종속도를 출력함으로써, 출력최적화를 수행한다.
그러나, 도 2를 참조로 하면, 정격속도 이상으로 운전시 출력최적화를 수행하여 최적속도를 결정하며, 정격속도 이하에서는 일정한 속도를 부여하므로, 위와 같은 출력최적화의 수행이 불가능한 문제점이 있다.

[문헌 1] 공개특허 제2003-0070772호(2003. 09. 02 공개)
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 약계자 운전영역 이하의 범위에서도 부하에 따라 최대속도를 결정하여 최적의 출력으로 전동기를 제어하기 위한 인버터 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 전동기의 최종속도를 설정하는 본 발명의 인버터 제어방법은, 최적속도레벨을 설정하는 단계; 최적속도를 연산하는 단계; 지령속도가 상기 전동기의 정격속도레벨보다 높은 경우에는, 최적속도를 최종속도로 설정하는 단계; 및 지령속도가 정격속도레벨보다 낮거나 같고, 최적속도레벨보다 높은 경우에는, 지령속도를 최종속도로 설정하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일실시예에서, 지령속도가 최적속도레벨보다 낮거나 같은 경우에는, 상기 전동기가 수동모드인지 확인하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일실시예에서, 수동모드인 경우에는, 지령속도를 최종속도로 설정하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일실시예에서, 수동모드가 아닌 경우에는, 최적속도를 최종속도로 설정하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 최적속도를 연산하는 단계는, 토크제한을 설정하는 단계; 설정된 시간동안 토크를 누적하는 단계; 평균토크를 연산하는 단계; 토크제한, 평균토크 및 상기 전동기의 정격속도를 이용하여 최적속도를 연산하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 토크제한은, 정방향 토크제한 및 역방향 토크제한을 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 최적속도를 연산하는 단계는, 연산된 최적속도를 최대주파수 범위내로 제한하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기와 같은 본 발명은, 정격속도 이상인 구간에서도 출력최적화를 수행하고, 정격속도 이하인 구간에서도 사용자에 의해 정의되는 최적속도레벨 이상에서는 출력최적화를 수행함으로써, 정격속도보다 낮은 영역에서도 부하에 따라 전동기를 최대 속도로 구동하여, 작업 능률을 향상하도록 하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 정격속도와 최적속도레벨의 두가지 기준으로 전동기를 구동하여, 전동기와 부하의 특성에 따라 전동기의 구동을 최적화하도록 하는 효과가 있다.
도 1a 및 도 1b는 종래의 인버터 제어방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 2는 전동기 속도에 따른 최대토크 곡선을 설명하는 그래프이다.
도 3은 본 발명이 적용되는 인버터 시스템의 구성도이다.
도 4는 본 발명에 따른 인버터 제어방법을 설명하기 위한 일실시예 흐름도이다.
도 5는 도 4의 최적속도 연산을 설명하기 위한 일실시예 상세 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 제어에 의한 시퀀스를 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.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소들은 이와 같은 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 이 용어들은 하나의 구성요소들을 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결되어' 있다거나, 또는 '접속되어' 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '직접 연결되어' 있다거나, '직접 접속되어' 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, '포함한다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명이 적용되는 인버터 시스템의 구성도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 인버터(10)는 전동기(20)를 구동하기 위한 것으로서, 3상전원을 DC전원으로 변환하고, 이를 전압과 주파수를 가변하여 AC전원으로 변환하여 전동기(20)에 출력한다. 본 발명이 적용되는 시스템은, 권상부하(30)를 구동하는 전동기(20)에 대한 것이지만, 이에 한정되는 것이 아님은 자명하다.
본 발명의 인버터 제어방법은 제어부(11)에서 수행되는 것이다. 이하, 본 발명의 제어방법을 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명에 따른 인버터 제어방법을 설명하기 위한 일실시예 흐름도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제어방법은, 먼저, 사용자에 의해 정의되는 최적속도레벨을 설정한다(S41). 본 발명의 최적속도레벨은, 사용자에 의해 정의되는 것이며, 사용자는 인간-기계 인터페이스(Human-Machine Interface; HMI) 등을 이용하여 최적속도레벨을 입력하는 것이 가능하다.
이후, 제어부(11)는 최적속도를 연산한다. 도 5는 도 4의 최적속도 연산을 설명하기 위한 일실시예 상세 흐름도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 제어부(11)는, 전동기(20)의 토크방향을 확인하여(S51), 정방향인 경우, 정방향 토크제한을 설정하고(S52), 역방향인 경우 역방향 토크제한을 설정한다(S53).
이후, 제어부(11)는 설정된 소정 시간동안(S55)의 토크를 누적하여(S54), 설정된 시간동안 누적된 토크의 수와 누적된 토크를 이용하여, 평균토크를 연산한다(S56).
이후, S56에서 연산한 평균토크, 정방향 토크제한 및 역방향 토크제한, 및 전동기(20)의 정격속도를 이용하여, 수학식 1과 같이 최적속도를 연산한다(S57). 또한, 연산된 최적속도를 최대주파수 범위내로 제한한다(S58).
다시, 도 4에서, 제어부(11)는 외부에서 인가되는 전동기(20)의 지령속도와 정격속도레벨을 비교하여(S43), 지령속도가 정격속도레벨보다 높은 경우에는 최종속도를 최적속도로 설정한다(S44).
S43에서 지령속도가 정격속도레벨보다 높지 않은(낮거나 같은) 경우에는, 지령속도와 최적속도레벨을 비교하여(S45), 지령속도가 최적속도레벨보다 높은 경우에는 최종속도를 지령속도로 설정한다(S46).
S45에서 지령속도가 최적속도레벨보다 높지 않은(낮거나 같은) 경우에는, 수동모드인지 확인하여(S47), 수동모드인 경우 최종속도를 지령속도로 설정하고(S46), 수동모드가 아닌 경우에는 최종속도를 최적속도로 설정한다(S45).
이후, 제어부(11)는 설정된 최종속도를 속도지령으로 출력한다(S48).
도 6은 본 발명의 제어에 의한 시퀀스를 설명하기 위한 일예시도로서, 권상부하(30)로서 크레인의 호이스트가 사용된 경우를 나타낸 것이다.
도 6의 시퀀스도에서, A는 전동기(20)의 운전상태를 보여주는 운전지령 신호, B는 여자전류의 파형을 보여주는 여자전류 신호, C는 크레인의 스프레더가 컨테이너의 걸쇠에 걸려 호이스트 로프가 컨테이너에 고정되었음을 알리는 언락(unlock)/락(lock) 신호, D는 사용자가 수동모드로 전환하였음을 나타내는 수동모드 신호, E는 전동기(20)의 운전속도를 보여주는 전동기 속도, F는 외부지령속도, G는 도 5에 의해 연산된 최적속도, H는 도 4에 의해 선정된 최종속도를 나타내는 그래프이다.
또한, te1은 전동기(20)를 자기화(여자)하는데 소요되는 시간, te2는 여자전류가 유지되는 구간을 나타내며, tt는 최적속도를 연산하기 위하여 부하토크를 누적하는 구간(S54)이다.
한편, t1 내지 t8은 시퀀스의 동작에 따라 정의되는 것으로서, t1은 최적속도의 연산이 완료된 시점, t2는 수동모드를 위해 사용자가 신호를 인가한 시점, t3은 지령속도가 정격속도레벨보다 커지는 시점, t4는 지령속도가 t3 시점의 지령속도보다 높아진 시점, t5는 지령속도가 정격속도레벨보다 낮아지는 시점, t6은 수동모드가 오프되는 시점, t7은 지령속도가 최적속도레벨보다 낮아지는 시점, t8은 전동기의 운전지령 신호가 오프되는 시점을 나타낸다.
크레인의 스프레더가 컨테이너의 걸쇠에 걸려서 호이스트 로프가 컨테이너에 고정되면, C의 언락/락 신호가 온되고, A의 운전지령 신호가 인가되면 B의 여자전류 신호가 인가되어 te1 구간동안 전동기(20)가 여자된다.
E의 전동기 속도는 F의 외부지령 속도를 최종속도로 하여 서서히 증가한다.
S54의 부하토크의 누적은, 최적속도레벨에 도달하기 약 0.20~0.25초 전인 tt 구간동안 수행된다.
부하토크 누적이 완료되면 t1에서 최적속도가 연산되고, 이는 G의 최적속도 그래프에 반영된다. 이후 전동기 속도는 최적속도를 최종속도지령으로 하여 구동된다.
t2에서 수동모드 신호가 인가된 경우, 전동기 속도는 S43, S45 및 S47에 따라, 지령속도가 정격속도레벨보다 낮고, 최적속도레벨보다 높으므로, 지령속도를 최종속도로 설정하여 구동된다.
t3 및 t4에서는, 지령속도가 정격속도레벨보다 높으므로, 최적속도가 최종속도로 설정되어 전동기(20)가 구동된다.
t5에서는 지령속도가 정격속도레벨보다 낮고 최적속도레벨보다 높으므로, 지령속도가 최종속도로 설정되어 전동기(20)가 구동된다.
t6에서는, S43, S45 및 S47에 따라 지령속도가 정격속도레벨보다 낮고, 최적속도레벨보다 높고 수동모드가 오프된 경우이므로, 최적속도를 최종속도로 설정하여 전동기(20)가 구동된다.
t7에서, S43, S45 및 S47에 따라 지령속도가 최적속도레벨보다 낮으므로, 지령속도를 최종속도로 하여 전동기(20)가 구동된다.
이와 같이, 본 발명은 정격속도 이상인 구간에서도 출력최적화를 수행하고, 정격속도 이하인 구간에서도 사용자에 의해 정의되는 최적속도레벨 이상에서는 출력최적화를 수행함으로써, 정격속도보다 낮은 영역에서도 부하에 따라 전동기를 최대 속도로 구동하여, 작업 능률을 향상할 수 있다.
또한, 정격속도와 최적속도레벨의 두가지 기준으로 전동기를 구동하여, 전동기와 부하의 특성에 따라 전동기의 구동을 최적화할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예들은 컴퓨터로 판독 가능한 기록매체에 컴퓨터가 읽어들일 수 있는 프로그램 코드를 기록하여 구현하는 것이 가능하다. 본 발명의 실시예들이 소프트웨어를 이용하여 실행되는 경우, 본 발명의 구성수단들은 필요한 작업을 실행하는 코드 세그먼트들이다. 또한, 프로그램 또는 코드 세그먼트들은 컴퓨터의 프로세서로 판독 가능한 매체에 저장되거나 전송 매체 또는 통신망을 통해 반송파와 결합된 컴퓨터 데이터 신호로 전송될 수 있다.
컴퓨터로 판독 가능한 기록매체에는 컴퓨터 시스템이 읽어들일 수 있는 데이터를 저장하는 모든 종류의 기록장치가 포함될 수 있다. 예컨대, 컴퓨터 판독가능 기록매체에는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광데이터 저장장치 등이 포함될 수 있다. 또한, 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 컴퓨터 판독가능 기록매체를 분산배치하여 컴퓨터가 읽어들일 수 있는 코드가 분산 방식으로 저장되고 실행되도록 할 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.
10: 인버터 11: 제어부
20: 전동기 30: 권상부하

Claims (7)

  1. 전동기의 최종속도를 설정하는 인버터 제어방법에 있어서,
    사용자의 입력에 따라, 상기 전동기의 정격속도레벨 이하인 구간에서 정의되는 상기 전동기의 최적속도레벨을 설정하는 단계;
    상기 전동기의 토크와 정격속도레벨을 이용하여 최적속도를 연산하는 단계;
    지령속도가 상기 전동기의 정격속도레벨보다 높은 경우에는, 최종속도를 최적속도로로 설정하는 단계; 및
    지령속도가 정격속도레벨보다 낮거나 같고, 최적속도레벨보다 높은 경우에는, 최종속도를 지령속도로 설정하는 단계를 포함하는 인버터 제어방법.
  2. 제1항에 있어서,
    지령속도가 최적속도레벨보다 낮거나 같은 경우에는, 상기 전동기가 수동모드인지 확인하는 단계를 더 포함하는 인버터 제어방법.
  3. 제2항에 있어서,
    수동모드인 경우에는, 최종속도를 지령속도로 설정하는 단계를 더 포함하는 인버터 제어방법.
  4. 제2항에 있어서,
    수동모드가 아닌 경우에는, 최종속도를 최적속도로 설정하는 단계를 더 포함하는 인버터 제어방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 최적속도를 연산하는 단계는,
    토크제한을 설정하는 단계;
    설정된 시간동안 토크를 누적하는 단계;
    설정된 시간동안 누적된 토크의 수와 누적된 토크를 이용하여 평균토크를 연산하는 단계;
    토크제한, 평균토크 및 상기 전동기의 정격속도레벨을 이용하여 최적속도를 연산하는 단계를 포함하는 인버터 제어방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 토크제한은,
    정방향 토크제한 및 역방향 토크제한을 포함하는 인버터 제어방법.
  7. 제5항에 있어서, 상기 최적속도를 연산하는 단계는,
    연산된 최적속도를 최대주파수 범위내로 제한하는 단계를 더 포함하는 인버터 제어방법.
KR1020120013864A 2012-02-10 2012-02-10 인버터 제어방법 Active KR101272393B1 (ko)

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