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KR102255250B1 - 인버터 제어장치 - Google Patents

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KR102255250B1
KR102255250B1 KR1020180144315A KR20180144315A KR102255250B1 KR 102255250 B1 KR102255250 B1 KR 102255250B1 KR 1020180144315 A KR1020180144315 A KR 1020180144315A KR 20180144315 A KR20180144315 A KR 20180144315A KR 102255250 B1 KR102255250 B1 KR 102255250B1
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Abstract

본 발명은, 전압/주파수 운전을 기반으로, 지령주파수에 3상 PWM 전압을 인버터로 출력하는 지령전압 발생부 및 상기 인버터에 의해 구동되는 전동기의 상전류 및 상전압을 기반으로 슬립주파수를 결정하는 슬립주파수 계산부를 포함하고, 상기 슬립주파수 계산부는, 상기 전동기의 상전류 및 상전압을 정지좌표계의 dq축 상전류 및 상전압으로 변환하고, 상기 dq축 상전류 및 상전압에 지령 위상각을 적용하여 회전좌표계의 dq축 전류 및 전압으로 변환하는 좌표 변환부, 상기 dq축 전류 및 전압으로부터 회전자의 역기전력을 추정하고, 상기 전동기의 역기전력으로부터 상기 회전자의 위상각을 추정하는 외란 관측부, 상기 dq축 상전류에 상기 회전자의 위상각을 적용하여 회전좌표계의 토크분 전류 및 자속분 전류로 변환하는 전류 추정부 및 상기 토크분 전류, 상기 자속분 전류 및 회전자 시정수를 기반으로 추정 슬립주파수를 출력하는 슬립주파수 출력부를 포함하는 인버터 제어장치를 제공한다.

Description

인버터 제어장치{Inverter control apparatus}
본 발명은 인버터 제어장치에 관한 것이다.
일반적으로, 인버터는 입력된 상용 교류전원을 직류전원으로 변환한 후, 다시 전동기에 적합한 교류전원으로 변환하여 전동기에 공급하는 전력변환장치이다. 이때, 인버터는 전동기에 공급되는 교류전원의 크기와 주파수를 제어할 수 있는 가변속(variable speed) 운전시 요구되는 시스템에 널리 사용되고 있다.
이러한 인버터는 전력용 반도체를 기반으로 하는 것으로서, 적용분야에 따라 다양한 구성(topology)이 가능하고, 구성방식에 따라 출력전압의 크기와 레벨수 및 전압합성방식 등이 달라진다. 산업용 인버터로써는 주로 3상 하프 브릿지 인버터가 많이 사용되고 있다. 3상 하프 브릿지 인버터는 3개의 단상 하프 브릿지 인버터가 병렬 연결된 구조이고, 각각의 하프 브릿지는 극(pole), 암(arm) 또는 레그(leg)라 불리는 인버터를 구성하는 기본회로이다.
산업계에서 많이 사용되는 유도전동기는 전압/주파수(V/f) 운전으로 주파수제어가 가능하므로, 정격속도 이하의 운전영역에서 빠른 동특성이 요구되지 않는 팬, 펌프, 블러워와 같은 분야에 주로 사용되고 있다.
그러나, 부하가 가변하는 어플리케이션에 따라 슬립주파수가 발생하므로, 일정속도 운전이 불가능하다. 특히, 컨베이어와 같이 일정한 속도운전이 요구되는 분야에서는 실제 운전속도가 지령속도와 일치하도록 적절하게 슬립주파수를 보상하여야 한다. 즉, 전압/주파수 운전에서, 슬립주파수 발생으로 인한 속도오차를 개선하여, 부하에 관계없이 일정한 속도의 운전이 가능하게 하는 인버터 제어가 요구된다.
도 1은 종래 기술에 따른 인버터 제어장치를 나타낸 제어 블록도이다.
도 1을 참조하면, 인버터 제어장치는 전동기(10), 인버터(20) 및 인버터 제어부(30)를 포함할 수 있다.
인버터 제어부(30)는 지령전압 발생부(40) 및 슬립주파수 결정부(50)를 포함할 수 있다.
지령전압 발생부(40)는 인버터(20)로 3상 PWM 전압(Vabc_PWM)을 출력할 수 있다. 이때, 인버터(20)는 3상 PWM 전압(Vabc_PWM)에 의해 동작하여 전동기(10)로 3상 출력전압(Vabcn)을 제공할 수 있다.
여기서, 지령전압 발생부(40)는 지령 주파수(wref)를 입력받아 전압/주파수(V/f) 운전을 기반으로 지령 주파수(wref)에 해당하는 인버터(20)의 지령전압을 생성할 수 있다. 이때, 지령전압 발생부(40)는 출력전압(VV/f)과 운전 주파수(wV/f)의 비가 일정하도록 지령전압인 3상 PWM 전압(Vabc_PWM)을 생성할 수 있다.
슬립주파수 결정부(50)는 속도오차에 해당하는 슬립주파수(wslip_comp)를 생성할 수 있다. 이때, 인버터 제어부(30)는 슬립주파수(wslip_comp)를 지령 주파수(wref)에 가산하여 속도오차를 감소시킬 수 있다.
도 2는 도 1에 나타낸 지령전압 발생부를 자세하게 나타낸 블록도이다.
도 2를 참조하면, 지령전압 발생부(40)는 전압결정부(41), 적분기(42), 삼각함수 적용부(43), 곱셈부(44) 및 PWM 출력부(45)를 포함할 수 있다.
전압결정부(41)는 운전 주파수(wV/f)로부터 출력전압(VV/f)의 크기를 결정할 수 있다.
또한, 적분기(42)는 운전 주파수(wV/f)를 적분하여 위상(θV/f)를 출력하며, 삼각함수 적용부(43)는 위상(θV/f)을 설정된 삼각함수에 적용한 위상값을 출력할 수 있다.
이후, 곱셈기(44)는 상기 위상값을 기반으로 3상 교류 정현파인 지령 전압(Vas_ref, Vbs_ref, Vcs_ref)를 출력할 수 있다.
PWM 출력부(45)는 지령 전압(Vas_ref, Vbs_ref, Vcs_ref)에 해당하는 3상 PWM 전압(Vabc_PWM)으로 합성할 수 있다.
도 3은 주파수-전압관계를 설명하기 위한 예시도이다.
도 3은 운전 주파수(wV/f)에 비례하여 출력전압(VV/f)이 증가되는 것을 나타낸다.
도 3에 나타낸 운전 주파수(wV/f)와 출력전압(VV/f)의 관계에 따라, 전압 결정부(41)는 운전 주파수(wV/f)로부터 출력전압(VV/f)의 크기를 결정할 수 있다.
인버터(20)의 초기 기동 시, 인버터(20)의 운전 주파수(wV/f)는 0부터 시작하므로 작은 전압을 출력하며, 주파수가 증가함에 따라 비례하는 크기의 전압을 출력할 수 있다. 이후, 인버터(20)의 운전 주파수(wV/f)가 목표 주파수(wref)에 도달하면, 운전 주파수(wV/f)는 더 이상 증가되지 않고 정속도 운전을 한다.
도 4는 도 1에 나타낸 인버터를 나타낸 회로도이다.
도 4를 참조하면, 인버터(20)는 직류전압 제공부(22) 및 인버터부(24)를 포함할 수 있다.
직류전압 제공부(22)는 인버터부(24)로 충전된 직류전압을 공급할 수 있다.
인버터부(24)는 직류전압 제공부(22)로부터 공급되는 직류전압을 3상 교류 출력전압(Van, Vbn, Vcn)으로 변환할 수 있다. 이후, 인버터부(24)는 3상 교류 출력전압(Van, Vbn, Vcn)을 전동기(10)로 공급할 수 있다.
3상의 교류 출력전압(Van, Vbn, Vcn)은 인버터부(24)의 3상 스위치가 온/오프 상태에 따라 결정될 수 있다.
각 상의 레그에는 2개의 스위치가 직렬연결되며, 각 상은 서로 독립적으로 동작하여 출력전압(Van, Vbn, Vcn)이 발생된다. 각 상의 출력전압(Van, Vbn, Vcn)은 서로 120도의 위상차를 가지도록 제어된다.
직류전압 제공부(22)는 캐패시터 또는 배터리로 구성되며, 일정한 전압을 유지할 수 있다. 인버터부(24)의 스위치는 직류전압을 교류전압으로 변환할 수 있다.
인버터 제어부(30)는 지령주파수와 동일한 속도로 전동기(10)가 회전하도록 인버터부(24)의 스위칭 상태를 결정하는 3상 PWM 전압(Vabc_PWM)를 인버터부(24)로 출력할 수 있다.
도 5는 도 1에 나타낸 슬립주파수 결정부를 자세하게 나타낸 블록도이다.
도 5를 참조하면, 슬립주파수 결정부(50)는 제1 좌표변환부(51), 제2 좌표변환부(52), 곱셈부(53), 출력전력 결정부(54), 계산부(55), 슬립 주파수 결정부(56) 및 필터부(57)을 포함할 수 있다.
먼저, 제1 좌표변환부(51)는 3상 abc축 전류(Ias, Ibs, Ics)를 정지좌표계 dq축 전류(Idss, Iqss)로 변환할 수 있다. 또한, 제2 좌표변환부(52)는 정지좌표계 dq축 전류(Idss, Iqss)를 회전좌표계 전류(Idse, Iqse)로 변환할 수 있다.
상술한 정지좌표계 dq축 전류(Idss, Iqss) 및 회전좌표계 전류(Idse, Iqse)는 하기의 [수학식 1]에 의해 변환될 수 있다.
Figure 112018116050512-pat00001
Figure 112018116050512-pat00002
,
Figure 112018116050512-pat00003
곱셈부(53)는 출력전압(VV/f)의 크기와 유효전류(Iqse)를 곱할 수 있으며, 출력전력 결정부(54)는 곱셈부(53)의 결과에서 극수를 고려하여 출력전력(Pload)을 결정할 수 있다.
계산부(55)는 출력전력(Pload)을 운전주파수(wV/f)로 나누어 출력토크(Tload)를 결정하며, 슬립주파수 결정부(56)는 정격 슬립주파수(wslip_rated)와 정격토크(Trated)의 비를 출력토크(Tload)에 적용하고, 필터부(327)는 저대역 필터링을 통해 슬립주파수(wslip_comp)를 결정할 수 있다.
이때, 유효전류(Iqse)를 결정하기 위해 사용되는 위상각은 운전주파수(wV/f)에 대한 지령위상각(θV/f)일 수 있다.
위에서 설명한 전압/주파수 제어는 산업계에서 많이 이용되는 전동기 구동방법으로서, 속도제어가 가능하고 구현이 쉬운 장점이 있다. 그러나, 부하가 큰 운전조건에서는 슬립주파수의 증가로 인하여 사용자가 입력한 속도와 다르게 전동기가 회전하게 되어 속도정확도가 낮아지는 문제점이 있다.
속도정확도가 낮아지는 문제를 보완하기 위해, 인버터 제어부(30)는 슬립주파수를 적절히 보상하여 인버터(20)의 운전주파수를 증가시킬 수 있다. 위에서 설명한 바와 같이, 종래 기술의 슬립 주파수 보상은 인버터의 출력전력과 토크를 계산하고, 슬립주파수와 토크비를 통해 슬립주파수를 추정하는 것이다.
그러나, 출력토크 계산에서 인버터(20)의 운전주파수와 실제 전동기(10)의 회전주파수를 근사화하여 토크를 계산하게 되는데, 저속 운전영역에서는 인버터(20)의 운전주파수와 전동기(10)의 회전주파수 사이의 오차가 상대적으로 크고, 전동기(10)의 손실 영향이 크므로, 정확한 출력전력, 토크 및 슬립주파수 계산이 어려운 문제점이 있다.
본 발명의 목적은, 유도 전동기의 역기전력(back electromotive force)을 추정하고, 토크분 전류와 자속분 전류를 사용하여 슬립 주파수를 계산(calculation) 및 보상함으로써, 전동기가 일정한 속도 운전을 수행하는 인버터 제어장치를 제공함에 있다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 인버터 제어 장치는, 전압/주파수 운전을 기반으로, 지령주파수에 3상 PWM 전압을 인버터로 출력하는 지령전압 발생부 및 상기 인버터에 의해 구동되는 전동기의 상전류 및 상전압을 기반으로 슬립주파수를 결정하는 슬립주파수 계산부를 포함하고, 상기 슬립주파수 계산부는, 상기 전동기의 상전류 및 상전압을 정지좌표계의 dq축 상전류 및 상전압으로 변환하고, 상기 dq축 상전류 및 상전압에 지령 위상각을 적용하여 회전좌표계의 dq축 전류 및 전압으로 변환하는 좌표 변환부, 상기 dq축 전류 및 전압으로부터 회전자의 역기전력을 추정하고, 상기 전동기의 역기전력으로부터 상기 회전자의 위상각을 추정하는 외란 관측부, 상기 dq축 상전류에 상기 회전자의 위상각을 적용하여 회전좌표계의 토크분 전류 및 자속분 전류로 변환하는 전류 추정부 및 상기 토크분 전류, 상기 자속분 전류 및 회전자 시정수를 기반으로 추정 슬립주파수를 출력하는 슬립주파수 출력부를 포함할 수 있다.
상기 좌표 변환부는, 상기 전동기의 상전류 및 상전압을 상기 dq축 상전류 및 상전압으로 변환하는 제1 변환부 및 상기 dq축 상전류 및 상전압에 상기 지령 위상각을 삼각함수로 연산한 값을 적용하여 상기 dq축 전류 및 전압으로 변환하는 제2 변환부를 포함할 수 있다.
상기 외란 관측부는, 상기 dq축 전류 및 전압에 고정자 저항 및 누설인덕턴스를 적용하고, 저역통과필터를 통과시켜 회전자의 역기전력을 추정하는 역기전력 추정부 및 상기 전동기의 역기전력으로부터 상기 회전자의 위상각을 추정하는 위상각 추정부를 포함할 수 있다.
상기 역기전력 추정부는, 다음의 [수학식]에 의해 상기 회전자의 역기전력을 추정하며,
Figure 112018116050512-pat00004
, 여기서, Edqrs-est 는 역기전력, Kp 및 Ki는 비례전분 제어기 이득, Rs는 고정자 저항, s는 라플라스 연산자, σLs는 누설 인덕턴스, Vdqss는 dq축 전압, idqss는 dq축 전류이다.
상기 위상각 추정부는, 상기 전동기의 역기전력을 회전좌표계 역기전력 위상각으로 변환하는 자속변환부, 상기 역기전력 위상각의 q축 성분이 0이 되도록 제어하여 회전자 자속의 주파수를 출력하는 비례적분 제어기 및 상기 회전자 자속의 주파수를 적분하여 상기 회전자 자속의 위상각을 출력하는 적분기를 포함할 수 있다.
상기 위상각 추정부는, 상기 추정 슬립주파수를 저역통과하여 보상 슬립주파수를 출력하는 저역통과 필터를 더 포함할 수 있다.
상기 전류 추정부는, 상기 dq축 상전류에 상기 회전자 자속의 위상각을 삼각함수로 연산한 값을 적용하여 상기 토크분 전류 및 상기 자속분 전류로 변환할 수 있다.
상기 슬립주파수 출력부는, 다음의 [수학식]에 의해 상기 추정 슬립주파수를 출력하며,
Figure 112018116050512-pat00005
, 여기서,
Figure 112018116050512-pat00006
는 추정 슬립주파수,
Figure 112018116050512-pat00007
는 회전자 시정수,
Figure 112018116050512-pat00008
는 토크분 전류 및
Figure 112018116050512-pat00009
는 자속분 전류이다.
본 발명에 따른 인버터 제어장치는 외란 관측부를 통해 위상 왜곡 없이 역기전력과 회전자 자속의 위상각을 추정하고, 추정된 회전자 자속의 위상각을 기반으로 계산된 토크 분 전류와 자속 분 전류를 통해 슬립 주파수를 추정 및 보상함으로써, 인버터가 부하에 무관하게 일정한 속도로 운전시킬 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 인버터 제어장치는 저속 운전영역 및 고속 운전영역에서 모두 적용 가능하도록 함으로써, 인버터 제어가 용이한 이점이 있다.
상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.
도 1은 종래 기술에 따른 인버터 제어장치를 나타낸 제어 블록도이다.
도 2는 도 1에 나타낸 지령전압 발생부를 자세하게 나타낸 블록도이다.
도 3은 주파수-전압관계를 설명하기 위한 예시도이다.
도 4는 도 1에 나타낸 인버터를 나타낸 회로도이다.
도 5는 도 1에 나타낸 슬립주파수 결정부를 자세하게 나타낸 블록도이다.
도 6은 본 발명에 따른 인버터 제어장치를 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 7은 도 6에 나타낸 슬립주파수 계산부를 나타낸 블록도이다.
도 8은 도 7에 나타낸 좌표 변환부를 나타낸 제어 구성도이다.
도 9는 도 7에 나타낸 외란 관측부를 나타낸 제어 구성도이다.
도 10은 도 7에 나타낸 전류 추정부 및 슬립 주파수 출력부를 나타낸 제어 구성도이다.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.
이하에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터 제어 장치를 설명하도록 한다.
도 6은 본 발명에 따른 인버터 제어장치를 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 6을 참조하면, 인버터 제어장치(100)는 전동기(110), 인버터(120) 및 인버터 제어부(130)를 포함할 수 있다.
여기서, 전동기(110) 및 인버터(120)은 도 1에 나타낸 인버터 제어장치에 포함된 전동기(10) 및 인버터(20)와 동일하므로, 설명을 생략한다.
인버터 제어부(130)는 지령전압 발생부(140) 및 슬립주파수 계산부(150)를 포함할 수 있다. 도 1에 나타낸 인버터 제어장치에 포함된 인버터 제어부(30)와 다르게, 인버터 제어부(130)는 전동기(120)의 고정자 전압과 전류를 사용하여 직접 회전자 자속을 추정하고 위상각을 계산할 수 있다.
지령전압 발생부(140)는 지령주파수(wref)와 보상 슬립주파수(wslip_comp)의 합에 해당하는 주파수를 운전주파수로 입력받을 수 있다. 이때, 지령전압 발생부(140)는 전압/주파수(V/f) 운전을 기반으로 상기 운전주파수에 해당되며 출력전압과 주파수의 비가 일정한 인버터(120)의 지령 전압인 3상 PWM 전압(Vabc_PWM)을 생성할 수 있다.
지령전압 발생부(140)는 인버터(120)로 3상 PWM 전압(Vabc_PWM)을 출력할 수 있다. 이때, 인버터(120)는 3상 PWM 전압(Vabc_PWM)에 의해 동작하여 전동기(110)로 3상 출력전압(Vabcn)을 제공할 수 있다.
슬립주파수 계산부(150)는 전동기(110)의 상전류 및 상전압을 이용하여 슬립주파수를 결정할 수 있다. 또한, 슬립주파수 계산부(150)는 전동기(110)의 상 전류(Iabcs) 및 상전압(Vabcs)으로부터 전동기(110)의 역기전력을 추정하고, 전동기(110)의 역기전력으로부터 회전자 자속의 위상각(θest)을 추정할 수 있다. 또한, 슬립주파수 계산부(150)는 회전자 자속의 위상각(θest)을 기반으로 전류와 슬립주파수의 관계로부터 슬립주파수를 보상할 수 있다.
도 7은 도 6에 나타낸 슬립주파수 계산부를 나타낸 블록도, 도 8은 도 7에 나타낸 좌표 변환부를 나타낸 제어 구성도, 도 9는 도 7에 나타낸 외란 관측부를 나타낸 제어 구성도 및 도 10은 도 7에 나타낸 전류 추정부 및 슬립 주파수 출력부를 나타낸 제어 구성도이다.
도 7 내지 도 10을 참조하면, 슬립주파수 계산부(150)는 좌표 변환부(160), 외란 관측부(170), 전류 추정부(180) 및 슬립주파수 출력부(190)를 포함할 수 있다.
여기서, 도 (a)는 dq축 상전류변환부(162)의 제어 구성도 및 도 8(b)는 dq축 상전압변환부(164)의 제어 구성도를 나타낸다.
좌표 변환부(160)는 dq축 상전류변환부(162) 및 dq축 상전압변환부(164)를 포함할 수 있다
먼저, dq축 상전류 변환부(162)는 3상 abc축 고정자 전류, 즉 3상 abc축 전류(Ias, Ibs, Ics)를 정지좌표계의 dq축 상전류(Idss, Iqss)로 변환할 수 있다. dq축 상전압 변환부(164)는 3상 abc축 고정자 전압, 즉 3상 abc축 상전압(Vas, Vbs, Vcs)을 정지좌표계의 dq축 상전압(Vdss, Vqss)로 변환할 수 있다.
외란 관측부(170)는 역기전력 추정부(172) 및 위상각 추정부(174)를 포함할 수 있다.
역기전력 추정부(172)는 dq축 상전류(Idss, Iqss) 및 dq축 상전압(Vdss, Vqss)을 입력으로 전동기(110)의 전기전력을 추정할 수 있다.
전동기(110)의 역기전력(Edqrs_est)는 하기의 수학식 2, 3에 의해 추정할 수 있다.
Figure 112018116050512-pat00010
Figure 112018116050512-pat00011
여기서, Vdqss는 고정자 전압, idqss는 고정자 전류, Rs는 고정자 저항, σLs는 고정자 누설 인덕턴스, Lr은 회전자 인덕턴스 및 Lm은 상호 인덕턴스, λdqre는 dq축 회전자 자속 및 Edqrs_est는 전동기(110)의 역기전력이다.
여기서, [수학식 2]는 유도 전동기의 전압 방정식이며, 저항과 누설 인덕턴스로 구성되는 고정자 임피던스에 의한 전압과 역기전력의 합으로 나타낼 수 있다.
즉, [수학식 3]은 고정자 전류와 역기전력의 미분항에 대해 정리한 상태 방정식이며, [수학식 3]으로부터 역기전력 추정부(172)를 설계할 수 있다.
Figure 112018116050512-pat00012
Figure 112018116050512-pat00013
여기서, [수학식 4] 및 [수학식 5]는 [수학식 3]과 유사하게 추정 전류와 역기전력이 미분항에 대하여 정리한 식이며, [수학식 5]는 측정한 전류와 추정한 전류의 미분항으로 비교하여 역기전력을 추정하도록 제어기를 사용할 수 있다. 하지만, 미분항은 시스템을 복잡하게 할 뿐만 아니라 시스템 불안정을 야기할 수 있으므로, 임의의 변수를 정의하여 미분항을 제거할 수 있다.
Figure 112018116050512-pat00014
Figure 112018116050512-pat00015
여기서, [수학식 6]은 임의의 변수
Figure 112018116050512-pat00016
를 새롭게 정의한 식이며, [수학식 7]은
Figure 112018116050512-pat00017
의 미분항이다. [수학식 6] 및 [수학식 7]을 [수학식 5]에 대입하여 정리하면, 다음의 [수학식 8]로 나타낼 수 있다.
Figure 112018116050512-pat00018
Figure 112018116050512-pat00019
여기서, [수학식 8] 및 [수학식 9]는 전류 미분 항을 제거한 역기전력 추정부(172)이고, 아래의 [수학식 10] 및 [수학식 11]과 같이 정리할 수 있다.
Figure 112018116050512-pat00020
Figure 112018116050512-pat00021
여기서, s는 라플라스 연산자일 수 있다.
[수학식 10] 및 [수학식 11]은 각각 [수학식 8] 및 [수학식 9]로부터 정리된 식이며, [수학식 11]을 [수학식 10]에 대입하면, 아래의 [수학식 12]와 같이 정리할 수 있다.
Figure 112018116050512-pat00022
여기서, [수학식 12]는 본 발명의 역기전력 추정부(172)를 나타내며, 우변의 괄호 안의 수식은 [수학식 2]에 대한 역기전력에 대한 식이며, [수학식 12]은 계산된 역기전력을 저역 통과 필터를 통해 역기전력을 추정할 수 있다. 여기서, 역기전력 추정부(172)의 이득은 저역 통과 필터의 차단 주파수로 동작할 수 있으며, 비례 제어기 또는 비례 적분 제어기로 구성하는 경우, 각각의 전달함수는 아래의 [수학식 13] 및 [수학식 14]와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112018116050512-pat00023
Figure 112018116050512-pat00024
여기서, Kp 및 Ki는 비례 제어기 또는 비례 적분 제어기의 이득일 수 있다.
[수학식 13]은 비례 제어기를 사용하여 1차 저역 통과 필터로 구성된 역기전력 추정부(172)이고, [수학식 14]는 비례 적분 제어기를 사용하여 2차 저역 통과 필터로 구성된 역기전력 추정부(172)일 수 있다.
여기서, 도 9(a)는 역기전력 추정부(172)의 제어 구성도 및 도 9(b)는 위상각 추정부(174)의 제어 구성도를 나타낸다.
즉, 역기전력 추정부(172)는 상술한 [수학식 14]를 기반으로 전동기(110)의 역기전력을 추정할 수 있다.
위상각 추정부(174)는 전동기의 역기전력(110)을 회전좌표계 역기전력 위상각으로 변환하는 자속변환부(미도시), 상기 역기전력 위상각의 q축 성분이 0이 되도록 제어하여 회전자 자속의 주파수를 출력하는 비례적분 제어기(미도시) 및 상기 회전자 자속의 주파수를 적분하여 상기 회전자 자속의 위상각을 출력하는 적분기(미도시)를 포함할 수 있다.
즉, 위상각 추정부(174)는 전동기(110)의 역기전력 위상각이 회전자 자속의 위상각보다 90°앞서므로, 역기전력 위상각을 90°위상 지연시켜, 회전자 자속의 위상각(θest)을 추정할 수 있다.
도 10(a)는 전류 추정부(180)의 제어 구성도 및 도 10(b)는 슬립 주파수 출력부(190)를 나타낸다.
전류 추정부(180)는 dq축 상전류(Idss, Iqss)에 회전자 자속의 위상각(θest)을 삼각함수로 연산한 값을 적용하여 유효전류가 아닌 토크분 전류(Itorque) 및 자속분 전류(Iflux)로 변환할 수 있다.
슬립 주파수 출력부(190)는 토크분 전류(Itorque), 자속분 전류(Iflux) 및 회전자 시정수(Tr)를 기반으로 추정 슬립주파수(wslip_est)를 출력할 수 있다.
Figure 112018116050512-pat00025
여기서,
Figure 112018116050512-pat00026
는 추정 슬립주파수,
Figure 112018116050512-pat00027
는 회전자 시정수,
Figure 112018116050512-pat00028
는 토그분 전류 및
Figure 112018116050512-pat00029
는 자속분 전류이다.
[수학식 15]에 의해 산출된 추정 슬립주파수(wslip_est)는 위상각 추정부(174)에 포함된 저역통과필터(LPE)를 통과하여 보상된 슬립주파수(ωslip_comp)로 출력될 수 있다.
슬립주파수(ωslip_comp)는 속도오차에 해당하며, 인버터 제어부(130)는 슬립주파수(ωslip_comp)를 지령주파수에 가산하여 운전주파수를 결정함으로써, 부하에 관계없이 일정한 속도 제어를 수행할 수 있다.
본 발명에 따른 인버터 제어장치는 전동기의 역기전력 및 회전자 자속의 위상각을 추정하고, 추정된 회전자 자속의 위상각을 기반으로 슬립주파수를 보상하여, 인버터가 부하에 무관하게 일정한 속도로 운전시킬 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 인버터 제어장치는 저속 운전영역 및 고속 운전영역에서 모두 적용가능하도록 함으로써, 인버터 제어가 용이한 이점이 있다.
전술한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.
100: 전동기 120: 인버터
130: 인버터 제어부

Claims (8)

  1. 전압/주파수 운전을 기반으로, 지령주파수에 3상 PWM 전압을 인버터로 출력하는 지령전압 발생부; 및
    상기 인버터에 의해 구동되는 전동기의 상전류 및 상전압을 기반으로 슬립주파수를 결정하는 슬립주파수 계산부를 포함하고,
    상기 슬립주파수 계산부는,
    상기 전동기의 상전류 및 상전압을 정지좌표계의 dq축 상전류 및 상전압으로 변환하고, 상기 dq축 상전류 및 상전압에 지령 위상각을 적용하여 회전좌표계의 dq축 전류 및 전압으로 변환하는 좌표 변환부;
    상기 dq축 전류 및 전압으로부터 회전자의 역기전력을 추정하고, 상기 전동기의 역기전력으로부터 상기 회전자의 위상각을 추정하는 외란 관측부;
    상기 dq축 상전류에 상기 회전자의 위상각을 적용하여 회전좌표계의 토크분 전류 및 자속분 전류로 변환하는 전류 추정부; 및
    상기 토크분 전류, 상기 자속분 전류 및 회전자 시정수를 기반으로 추정 슬립주파수를 출력하는 슬립주파수 출력부를 포함하는,
    상기 외란 관측부는,
    상기 dq축 전류 및 전압에 고정자 저항 및 누설인덕턴스를 적용하고, 저역통과필터를 통과시켜 회전자의 역기전력을 추정하는 역기전력 추정부; 및
    상기 전동기의 역기전력으로부터 상기 회전자의 위상각을 추정하는 위상각 추정부를 포함하고,
    상기 역기전력 추정부는,
    다음의 [수학식]에 의해 상기 회전자의 역기전력을 추정하는,
    인버터 제어장치,
    [수학식]
    Figure 112020139375228-pat00046

    여기서, Edqrs-est 는 역기전력, Kp 및 Ki는 비례전분 제어기 이득, Rs는 고정자 저항, s는 라플라스 연산자, σLs는 누설 인덕턴스, Vdqss는 dq축 전압, idqss는 dq축 전류이다.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 좌표 변환부는,
    상기 전동기의 상전류 및 상전압을 상기 dq축 상전류 및 상전압으로 변환하는 제1 변환부; 및
    상기 dq축 상전류 및 상전압에 상기 지령 위상각을 삼각함수로 연산한 값을 적용하여 상기 dq축 전류 및 전압으로 변환하는 제2 변환부를 포함하는,
    인버터 제어장치.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 위상각 추정부는,
    상기 전동기의 역기전력을 회전좌표계 역기전력 위상각으로 변환하는 자속변환부;
    상기 역기전력 위상각의 q축 성분이 0이 되도록 제어하여 회전자 자속의 주파수를 출력하는 비례적분 제어기; 및
    상기 회전자 자속의 주파수를 적분하여 상기 회전자 자속의 위상각을 출력하는 적분기를 포함하는,
    인버터 제어장치
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 위상각 추정부는,
    상기 추정 슬립주파수를 저역통과하여 보상 슬립주파수를 출력하는 저역통과 필터를 더 포함하는,
    인버터 제어장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 전류 추정부는,
    상기 dq축 상전류에 상기 회전자 자속의 위상각을 삼각함수로 연산한 값을 적용하여 상기 토크분 전류 및 상기 자속분 전류로 변환하는,
    인버터 제어장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 슬립주파수 출력부는,
    다음의 [수학식]에 의해 상기 추정 슬립주파수를 출력하는,
    인버터 제어장치,
    [수학식]
    Figure 112018116050512-pat00031

    여기서,
    Figure 112018116050512-pat00032
    는 추정 슬립주파수,
    Figure 112018116050512-pat00033
    는 회전자 시정수,
    Figure 112018116050512-pat00034
    는 토크분 전류 및
    Figure 112018116050512-pat00035
    는 자속분 전류이다.
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