(19) 대한민국특허청(KR)
(12) 등록특허공보(B1)
(45) 공고일자 2012년11월23일
(11) 등록번호 10-1203911
(24) 등록일자 2012년11월16일
(51) 국제특허분류(Int. Cl.)
H02P 21/00 (2006.01)
(21) 출원번호 10-2005-0069368
(22) 출원일자 2005년07월29일
심사청구일자 2010년05월19일
(65) 공개번호 10-2006-0048925
(43) 공개일자 2006년05월18일
(30) 우선권주장
JP-P-2004-00222831 2004년07월30일 일본(JP)
JP-P-2004-00223130 2004년07월30일 일본(JP)
(56) 선행기술조사문헌
US05796236 A*
JP64034197 A
US5796236 A
KR1020000046678 A
*는 심사관에 의하여 인용된 문헌
(73) 특허권자
가부시끼가이샤 히다치 세이사꾸쇼
일본국 도쿄토 치요다쿠 마루노우치 1초메 6반 6
고
(72) 발명자
도비세 마사히로
일본국 이바라키켄 히타치나카시 히가시이시가와
1181-62
나가타 히로시
일본국 이바라키켄 히타치시 히가시가네사와쵸
5-20-1
(뒷면에 계속)
(74) 대리인
특허법인화우
전체 청구항 수 : 총 50 항 심사관 : 이영노
(54) 발명의 명칭 유도전동기의 제어방법, 제어장치, 제철 ?비철설비,철도차량, 권취기, 선박, 공작기계, 초지
기설비 및반송설비
(57) 요 약
본 발명은 유도전동기의 정격출력 이상의 고출력을 얻는 것을 목적으로 한다.
유도전동기(1)의 계자자속이 강화된 계자자속상태에 있을 때에 계자를 약화시키는 제어에 의한 벡터제어를 행하
는 유도전동기의 제어방법에 있어서, 유도전동기(1)의 회전속도(N)가 정격회전속도보다도 커졌을 때에, 계자를
약화시키는 제어를 행한다. 그리고 계자를 약화시키는 제어시에는 유도전동기(1)의 내부 유도기전력이 정격회전
속도시보다도 커지도록 계자자속을 변화시킨다. 또 계자를 약화시키는 제어의 개시후는, 회전속도(N)의 상승에
따라 유도전동기(1)의 단자전압이 최대 과부하시의 최대 전압을 넘지 않도록 계자자속을 약화시킨다.
대 표 도
등록특허 10-1203911
- 1 -
(72) 발명자
고바야시 기요타카
일본국 이바라키켄 히타치오타시 오메쵸 900-1
요시나리 요시타카
일본국 이바라키켄 히타치시 다카스즈쵸 3-10-4
니토우베 미츠히로
일본국 이바라키켄 히타치시 히가시나메가와쵸
2-10-9
마츠모토 히사유키
일본국 도쿄도 이타바시구 나카다이 2-43-12
에비하라 가즈미
일본국 도쿄도 아다치구 도와 3-12-5
등록특허 10-1203911
- 2 -
특허청구의 범위
청구항 1
계자자속을 일정값으로 한 상태에 있을 때에, 계자를 약화시키는 제어에 의한 벡터제어를 행하는 유도전동기의
제어방법에 있어서,
상기 계자자속을 일정값으로 한 상태에 있을 때에는, 상기 유도전동기의 회전속도의 상승에 비례하여 내부 유도
기전력을 크게 하여 가고, 상기 내부 유도 기전력이 정격 회전속도시보다도 커졌을 때에 계자를 약화시키는 제
어에 의한 벡터제어를 행하며,
상기 계자를 약화시키는 제어시에는, 감소하는 상기 내부 유도 기전력이 상기 정격 회전속도시의 내부 유도 기
전력보다는 크게 되도록 상기 계자자속을 변화시키면서 벡터제어를 행하고,
상기 유도전동기가 개시조건에 이를 때까지는, 일정 토오크 제어를 행하며,
상기 유도전동기가 개시조건에 이르렀을 때에, 상기 유도전동기의 단자전압 및 토오크 전류를 일정하게 유지하
고, 상기 계자를 약화시키는 제어로 이행하며,
상기 계자를 약화시키는 제어에서는, 내부 유도 기전력이, 개시조건에 이르렀을 때의 내부 유도 기전력보다 작
아지도록 제어하는 것을 특징으로 하는 유도전동기의 제어방법.
청구항 2
주어진 속도지령에 따르도록 벡터제어를 행하는 유도전동기의 제어방법에 있어서,
계자자속을 일정값으로 한 상태에 있을 때에는 상기 유도 전동기의 회전속도의 상승에 비례하여 내부 유도 기전
력을 크게 하여 가고, 상기 내부 유도 기전력이 정격 회전속도시보다도 커졌을 때에 계자를 약화시키는 제어에
의한 벡터제어를 행하며,
상기 계자를 약화시키는 제어시에는, 감소하는 상기 내부 유도 기전력이 상기 정격 회전속도시의 내부 유도 기
전력보다는 크게 되도록 상기 계자자속을 변화시키면서 벡터제어를 행하고,
상기 유도전동기가 개시조건에 이를 때까지는, 일정 토오크 제어를 행하며,
상기 유도전동기가 개시조건에 이르렀을 때에, 상기 유도전동기의 단자전압 및 토오크 전류를 일정하게 유지하
고, 상기 계자를 약화시키는 제어로 이행하며,
상기 계자를 약화시키는 제어에서는, 내부 유도 기전력이, 개시조건에 이르렀을 때의 내부 유도 기전력보다 작
아지도록 제어하는 것을 특징으로 하는 유도전동기의 제어방법.
청구항 3
제 1항 또는 제 2항에 있어서,
상기 계자를 약화시키는 제어의 개시시는, 수학식 (1) 및 수학식 (2)의 관계를 만족하도록 상기 계자자속을 변
화시키는 것을 특징으로 하는 유도전동기의 제어방법.
[수학식 1]
[수학식 2]
단, Ed는 내부 유도 기전력, Iq는 토오크전류, w는 유도전동기의 운전속도의 전원 각주파수, wB는 유도전동기의
정격 회전속도시의 전원 각주파수, Iqo는 정격 회전속도시의 정격 토오크전류, Edo는 정격 회전속도시의 내부
유도기전력, L1은 고정자 회로 인덕턴스, L2는 회전자 회로 인덕턴스.
등록특허 10-1203911
- 3 -
청구항 4
제 1항 또는 제 2항에 있어서,
상기 계자를 약화시키는 제어시는, 상기 회전속도의 상승에 따라 상승하는 상기 유도전동기의 단자전압이 최대
과부하시의 최대 전압을 넘지 않도록 상기 계자자속을 약화시키는 것을 특징으로 하는 유도전동기의 제어방법.
청구항 5
제 1항 또는 제 2항에 있어서,
상기 계자자속을 일정값으로 한 상태에 있을 때에는, 상기 유도전동기의 토오크를 일정값으로 하는 정토오크제
어에 의한 벡터제어를 행하는 것을 특징으로 하는 유도전동기의 제어방법.
청구항 6
계자자속을 일정값으로 한 상태에 있을 때에 계자를 약화시키는 제어에 의한 벡터제어를 행하는 유도전동기의
제어장치에 있어서,
상기 계자자속을 일정값으로 한 상태에 있을 때에는, 상기 유도전동기의 회전속도의 상승에 비례하여 내부 유도
기전력을 크게 하여 가고, 상기 내부 유도 기전력이 정격 회전속도시보다도 커졌을 때에 계자를 약화시키는 제
어에 의한 벡터제어를 행하도록 상기 계자자속의 지령을 행함과 동시에, 상기 계자를 약화시키는 제어시에는,
감소하는 상기 내부 유도 기전력이 상기 정격 회전속도시의 내부 유도 기전력보다는 크게 되도록 상기 계자자속
을 변화시키면서 벡터제어를 행하도록 상기 계자자속의 지령을 행하는 자속 지령기를 구비하며,
상기 유도전동기가 개시조건에 이를 때까지는, 일정 토오크 제어를 행하며,
상기 유도전동기가 개시조건에 이르렀을 때에, 상기 유도전동기의 단자전압 및 토오크 전류를 일정하게 유지하
고, 상기 계자를 약화시키는 제어로 이행하며,
상기 계자를 약화시키는 제어에서는, 내부 유도 기전력이, 개시조건에 이르렀을 때의 내부 유도 기전력보다 작
아지도록 제어하는 것을 특징으로 하는 유도전동기의 제어장치.
청구항 7
주어진 속도지령에 따르도록 벡터제어를 행하는 유도전동기의 제어장치에 있어서,
계자자속을 일정값으로 한 상태에 있을 때에는, 상기 유도전동기의 회전속도의 상승에 비례하여 내부 유도 기전
력을 크게 하여 가고, 상기 내부 유도 기전력이 정격 회전속도시보다도 커켰을 때에 계자를 약화시키는 제어에
의한 벡터제어를 행하도록 계자자속의 지령을 행함과 동시에, 상기 계자를 약화시키는 제어시에는, 감소하는 상
기 내부 유도 기전력이 상기 정격 회전속도시의 내부 유도 기전력보다는 크게 되도록 상기 계자자속을 변화시키
면서 벡터제어를 행하도록 상기 계자자속의 지령을 행하는 자속지령기를 구비하며,
상기 유도전동기가 개시조건에 이를 때까지는, 일정 토오크 제어를 행하며,
상기 유도전동기가 개시조건에 이르렀을 때에, 상기 유도전동기의 단자전압 및 토오크 전류를 일정하게 유지하
고, 상기 계자를 약화시키는 제어로 이행하며,
상기 계자를 약화시키는 제어에서는, 내부 유도 기전력이, 개시조건에 이르렀을 때의 내부 유도 기전력보다 작
아지도록 제어하는 것을 특징으로 하는 유도전동기의 제어장치.
청구항 8
제 6항에 있어서,
상기 자속지령기는, 상기 계자를 약화시키는 제어의 개시시, 수학식 (1) 및 수학식 (2)의 관계를 만족하도록 상
기 계자자속을 변화시키는 것을 특징으로 하는 유도전동기의 제어장치.
등록특허 10-1203911
- 4 -
[수학식 1]
[수학식 2]
단, Ed는 내부 유도 기전력, Iq는 토오크전류, w는 유도전동기의 운전속도의 전원 각주파수, wB는 유도전동기의
정격 회전속도시의 전원 각주파수, Iqo는 정격 회전속도시의 정격 토오크전류, Edo는 정격 회전속도시의 내부
유도기전력, L1은 고정자 회로 인덕턴스, L2는 회전자 회로 인덕턴스.
청구항 9
제 6항에 있어서,
상기 자속지령기는, 상기 계자를 약화시키는 제어시, 상기 회전속도의 상승에 따라 상승하는 상기 유도전동기의
단자전압이 최대 과부하시의 최대 전압을 넘지 않도록 상기 계자자속을 약화시키는 것을 특징으로 하는 유도전
동기의 제어장치.
청구항 10
제 6항에 있어서,
상기 계자자속을 일정값으로 한 상태에 있을 때에는, 상기 유도전동기의 토오크를 일정값으로 하는 정토오크제
어에 의한 벡터제어를 행하는 것을 특징으로 하는 유도전동기의 제어장치.
청구항 11
계자자속을 일정값으로 한 상태에 있을 때에 계자를 약화시키는 제어에 의한 벡터제어를 행하는 유도전동기의
제어방법에 있어서,
상기 유도전동기의 회전속도가 정격 회전속도보다도 커졌을 때에, 상기 계자를 약화시키는 제어를 행하고,
상기 유도전동기가 개시조건에 이를 때까지는, 일정 토오크 제어를 행하며,
상기 유도전동기가 개시조건에 이르렀을 때에, 상기 유도전동기의 단자전압 및 토오크 전류를 일정하게 유지하
고, 상기 계자를 약화시키는 제어로 이행하며,
상기 계자를 약화시키는 제어에서는, 내부 유도 기전력이, 개시조건에 이르렀을 때의 내부 유도 기전력보다 작
아지도록 제어하는 것을 특징으로 하는 유도전동기의 제어방법.
청구항 12
계자자속을 일정값으로 한 상태에 있을 때에 계자를 약화시키는 제어에 의한 벡터제어를 행하는 유도전동기의
제어방법에 있어서,
상기 유도전동기의 회전속도가 정격 회전속도보다 커졌을 때도, 상기 계자자속을 일정값으로 한 상태로 하여 계
속해서 벡터제어를 행하고,
상기 유도전동기가 개시조건에 이를 때까지는, 일정 토오크 제어를 행하며,
상기 유도전동기가 개시조건에 이르렀을 때에, 상기 유도전동기의 단자전압 및 토오크 전류를 일정하게 유지하
고, 상기 계자를 약화시키는 제어로 이행하며,
상기 계자를 약화시키는 제어에서는, 내부 유도 기전력이, 개시조건에 이르렀을 때의 내부 유도 기전력보다 작
아지도록 제어하는 것을 특징으로 하는 유도전동기의 제어방법.
청구항 13
제 11항에 있어서,
등록특허 10-1203911
- 5 -
상기 계자를 약화시키는 제어시에는, 감소하는 상기 유도전동기의 내부 유도 기전력이 정격 회전속도시의 내부
유도 기전력보다는 크게 되도록 상기 계자자속을 변화시키는 것을 특징으로 하는 유도전동기의 제어방법.
청구항 14
제 11항 또는 제 12항에 있어서,
상기 계자를 약화시키는 제어의 개시시는, 수학식 (1) 및 수학식 (2)의 관계를 만족하도록 상기 계자자속을 변
화시키는 것을 특징으로 하는 유도전동기의 제어방법.
[수학식 1]
[수학식 2]
단, Ed는 내부 유도 기전력, Iq는 토오크전류, w는 유도전동기의 운전속도의 전원 각주파수, wB는 유도전동기의
정격 회전속도시의 전원 각주파수, Iqo는 정격 회전속도시의 정격 토오크전류, Edo는 정격 회전속도시의 내부
유도기전력, L1은 고정자 회로 인덕턴스, L2는 회전자 회로 인덕턴스.
청구항 15
제 13항에 있어서,
상기 계자를 약화시키는 제어시는, 상기 회전속도의 상승에 따라 상승하는 상기 유도전동기의 단자전압이 최대
과부하시의 최대 전압을 넘지 않도록 상기 계자자속을 약화시키는 것을 특징으로 하는 유도전동기의 제어방법.
청구항 16
제 11항에 있어서,
상기 계자자속을 일정값으로 한 상태에 있을 때에는, 상기 유도전동기의 토오크를 일정값으로 하는 정토오크제
어에 의한 벡터제어를 행하는 것을 특징으로 하는 유도전동기의 제어방법.
청구항 17
유도전동기의 계자자속을 일정값으로 한 상태에 있을 때에 계자를 약화시키는 제어에 의한 벡터제어를 행하는
유도전동기의 제어장치에 있어서,
상기 유도전동기의 회전속도가 정격 회전속도보다도 커졌을 때에, 상기 계자를 약화시키는 제어를 행하도록 상
기 계자자속의 지령을 행하는 자속지령기를 구비하며,
상기 유도전동기가 개시조건에 이를 때까지는, 일정 토오크 제어를 행하며,
상기 유도전동기가 개시조건에 이르렀을 때에, 상기 유도전동기의 단자전압 및 토오크 전류를 일정하게 유지하
고, 상기 계자를 약화시키는 제어로 이행하며,
상기 계자를 약화시키는 제어에서는, 내부 유도 기전력이, 개시조건에 이르렀을 때의 내부 유도 기전력보다 작
아지도록 제어하는 것을 특징으로 하는 유도전동기의 제어장치.
청구항 18
유도전동기의 계자자속을 일정값으로 한 상태에 있을 때에 계자를 약화시키는 제어에 의한 벡터제어를 행하는
유도전동기의 제어장치에 있어서,
상기 유도전동기의 회전속도가 정격 회전속도보다 커졌을 때도, 상기 계자자속을 계속해서 정상상태로 하여 벡
터제어를 행하도록 상기 계자자속의 지령을 행하는 자속지령기를 구비하며,
등록특허 10-1203911
- 6 -
상기 유도전동기가 개시조건에 이를 때까지는, 일정 토오크 제어를 행하며,
상기 유도전동기가 개시조건에 이르렀을 때에, 상기 유도전동기의 단자전압 및 토오크 전류를 일정하게 유지하
고, 상기 계자를 약화시키는 제어로 이행하며,
상기 계자를 약화시키는 제어에서는, 내부 유도 기전력이, 개시조건에 이르렀을 때의 내부 유도 기전력보다 작
아지도록 제어하는 것을 특징으로 하는 유도전동기의 제어장치.
청구항 19
제 17항에 있어서,
상기 자속지령기는, 상기 계자를 약화시키는 제어시, 감소하는 상기 유도전동기의 내부 유도 기전력이 정격 회
전속도시의 내부 유도 기전력보다는 크게 되도록 상기 계자자속을 변화시키는 것을 특징으로 하는 유도전동기의
제어장치.
청구항 20
제 17항 또는 제 18항에 있어서,
상기 자속지령기는, 상기 계자를 약화시키는 제어의 개시시, 다음식을 만족하도록 상기 계자자속을 변화시키는
것을 특징으로 하는 유도전동기의 제어장치.
[수학식 1]
[수학식 2]
단, Ed는 내부 유도 기전력, Iq는 토오크전류, w는 유도전동기의 운전속도의 전원 각주파수, wB는 유도전동기의
정격 회전속도시의 전원 각주파수, Iqo는 정격 회전속도시의 정격 토오크전류, Edo는 정격 회전속도시의 내부
유도기전력, L1은 고정자 회로 인덕턴스, L2는 회전자 회로 인덕턴스.
청구항 21
제 19항에 있어서,
상기 자속지령기는, 상기 계자를 약화시키는 제어시, 상기 회전속도의 상승에 따라 상승하는 상기 유도전동기의
단자전압이 최대 과부하시의 최대 전압을 넘지 않도록 상기 계자자속을 약화시키는 것을 특징으로 하는 유도전
동기의 제어장치.
청구항 22
제 17항, 제 18항, 제 19항 또는 제 21항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 계자자속을 일정값으로 한 상태에 있을 때에는, 상기 유도전동기의 토오크를 일정값으로 하는 정토오크제
어에 의한 벡터제어를 행하는 것을 특징으로 하는 유도전동기의 제어장치.
청구항 23
제 6항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 기재된 유도전동기의 제어장치에 의하여 압연설비의 구동용 유도전동기가
제어되는 것을 특징으로 하는 제철?비철설비.
청구항 24
제 6항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 기재된 유도전동기의 제어장치에 의하여 철도차량의 구동용 유도전동기가
제어되는 것을 특징으로 하는 철도차량.
청구항 25
등록특허 10-1203911
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제 6항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 기재된 유도전동기의 제어장치에 의하여 권취기(winder)의 구동용 유도전
동기가 제어되는 것을 특징으로 하는 권취기.
청구항 26
제 6항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 기재된 유도전동기의 제어장치에 의하여 선박의 구동용 유도전동기가 제
어되는 것을 특징으로 하는 선박.
청구항 27
제 6항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 기재된 유도전동기의 제어장치에 의하여 공작기계의 주축 구동용 유도전
동기가 제어되는 것을 특징으로 하는 공작기계.
청구항 28
제 6항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 기재된 유도전동기의 제어장치에 의하여 초지기(抄紙機) 설비의 구동용
유도전동기가 제어되는 것을 특징으로 하는 초지기 설비.
청구항 29
제 6항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 기재된 유도전동기의 제어장치에 의하여 반송설비의 반송설비용 유도전동
기가 제어되는 것을 특징으로 하는 반송설비.
청구항 30
계자자속을 일정값으로 한 상태에 있을 때에 계자를 약화시키는 제어에 의한 벡터제어를 행하는 유도전동기의
제어방법에 있어서,
상기 계자자속을 일정값으로 한 상태에 있을 때에는, 상기 유도전동기의 회전속도의 상승에 비례하여 내부 유도
기전력을 크게 하고 가고, 상기 내부 유도 기전력이 정격 회전속도시보다도 커졌을 때에 계자를 약화시키는 제
어에 의한 벡터제어로 변환하며,
상기 계자를 약화시키는 제어시에는, 변환시의 내부 유도 기전력을 일정하게 유지하면서 벡터제어를 행하고,
상기 유도전동기가 개시조건에 이를 때까지는, 일정 토오크 제어를 행하며,
상기 유도전동기가 개시조건에 이르렀을 때에, 상기 유도전동기의 단자전압 및 토오크 전류를 일정하게 유지하
고, 상기 계자를 약화시키는 제어로 이행하며,
상기 계자를 약화시키는 제어에서는, 내부 유도 기전력이, 개시조건에 이르렀을 때의 내부 유도 기전력보다 작
아지도록 제어하는 것을 특징으로 하는 유도전동기의 제어방법.
청구항 31
주어진 속도지령에 따르도록 벡터제어를 행하는 유도전동기의 제어방법에 있어서,
계자자속을 일정값으로 한 상태에 있을 때에는, 상기 유도전동기의 회전속도의 상승에 비례하여 내부 유도 기전
력을 크게 하여 가고, 상기 내부 유도 기전력이 정격 회전속도시보다도 커졌을 때에 계자를 약화시키는 제어에
의한 벡터제어로 변환하며,
상기 계자를 약화시키는 제어시에는, 변환시의 내부 유도 기전력을 일정하게 유지하면서 벡터제어를 행하고,
상기 유도전동기가 개시조건에 이를 때까지는, 일정 토오크 제어를 행하며,
상기 유도전동기가 개시조건에 이르렀을 때에, 상기 유도전동기의 단자전압 및 토오크 전류를 일정하게 유지하
고, 상기 계자를 약화시키는 제어로 이행하며,
상기 계자를 약화시키는 제어에서는, 내부 유도 기전력이, 개시조건에 이르렀을 때의 내부 유도 기전력보다 작
아지도록 제어하는 것을 특징으로 하는 유도전동기의 제어방법.
청구항 32
등록특허 10-1203911
- 8 -
제 30항 또는 제 31항에 있어서,
상기 계자를 약화시키는 제어시에는 수학식 (1) 및 수학식 (2)의 관계를 만족하도록 상기 계자자속을 변화시키
는 것을 특징으로 하는 유도전동기의 제어방법.
[수학식 1]
[수학식 2]
단, Ed는 내부 유도 기전력, Iq는 토오크전류, Iqo는 정격 회전속도시의 정격 토오크전류, Edo는 정격 회전속도
시의 내부 유도기전력, w1은 계자를 약화시키는 제어로의 변환시의 전원 각주파수, w2는 계자를 약화시키는 제
어범위의 최대 회전속도시의 전원 각주파수, wB는 유도전동기의 정격 회전속도시의 전원 각주파수, L1은 고정자
회로 인덕턴스, L2는 회전자 회로 인덕턴스.
청구항 33
제 30항에 있어서,
상기 계자를 약화시키는 제어의 개시 후는, 상기 회전속도의 상승에 반비례하여 상기 계자자속을 약화시키는 것
을 특징으로 하는 유도전동기의 제어방법.
청구항 34
제 30항에 있어서,
상기 계자를 약화시키는 제어로의 변환은, 상기 유도전동기의 계자를 약화시키는 제어범위의 최대 회전속도로부
터 정격 회전속도까지의 속도영역 중에서 선택된 회전속도시에 행하는 것을 특징으로 하는 유도전동기의 제어방
법.
청구항 35
제 30항에 있어서,
상기 계자자속을 일정값으로 한 상태에 있을 때에는, 상기 유도전동기의 토오크를 일정값으로 하는 정토오크제
어에 의한 벡터제어를 행하는 것을 특징으로 하는 유도전동기의 제어방법.
청구항 36
계자자속을 일정값으로 한 상태에 있을 때에 벡터제어를 행하는 유도전동기의 제어장치에 있어서,
상기 계자자속을 일정값으로 한 상태에 있을 때에는, 상기 유도전동기의 회전속도의 상승에 비례하여 내부 유도
기전력을 크게 하여 가고, 상기 내부 유도 기전력이 정격 회전속도시보다도 커졌을 때에 계자를 약화시키는 제
어에 의한 벡터제어로 변환하도록 상기 계자자속의 지령을 행함과 동시에, 상기 계자를 약화시키는 제어시에는
변환시의 내부 유도 기전력을 일정하게 유지하면서 벡터제어를 행하도록 상기 계자자속의 지령을 행하는 자속지
령기를 구비하며,
상기 유도전동기가 개시조건에 이를 때까지는, 일정 토오크 제어를 행하며,
상기 유도전동기가 개시조건에 이르렀을 때에, 상기 유도전동기의 단자전압 및 토오크 전류를 일정하게 유지하
고, 상기 계자를 약화시키는 제어로 이행하며,
상기 계자를 약화시키는 제어에서는, 내부 유도 기전력이, 개시조건에 이르렀을 때의 내부 유도 기전력보다 작
아지도록 제어하는 것을 특징으로 하는 유도전동기의 제어장치.
청구항 37
주어진 속도지령에 따르도록 벡터제어를 행하는 유도전동기의 제어장치에 있어서,
등록특허 10-1203911
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계자자속을 일정값으로 한 상태에 있을 때에는, 상기 유도전동기의 회전속도의 상승에 비례하여 내부 유도 기전
력을 크게 하여 가고, 상기 내부 유도 기전력이 정격 회전속도시보다도 커졌을 때에 계자를 약화시키는 제어에
의한 벡터제어로 변환하도록 계자자속의 지령을 행함과 동시에, 상기 계자를 약화시키는 제어시에는, 변환시의
내부 유도 기전력을 일정하게 유지하면서 벡터제어를 행하도록 상기 계자자속의 지령을 행하는 자속지령기를 구
비하며,
상기 유도전동기가 개시조건에 이를 때까지는, 일정 토오크 제어를 행하며,
상기 유도전동기가 개시조건에 이르렀을 때에, 상기 유도전동기의 단자전압 및 토오크 전류를 일정하게 유지하
고, 상기 계자를 약화시키는 제어로 이행하며,
상기 계자를 약화시키는 제어에서는, 내부 유도 기전력이, 개시조건에 이르렀을 때의 내부 유도 기전력보다 작
아지도록 제어하는 것을 특징으로 하는 유도전동기의 제어장치.
청구항 38
제 36항에 있어서,
상기 자속지령기는, 상기 계자를 약화시키는 제어시, 수학식 (1) 및 수학식 (2)의 관계를 만족하도록 상기 계자
자속을 변화시키는 것을 특징으로 하는 유도전동기의 제어장치.
[수학식 1]
[수학식 2]
단, Ed는 내부 유도 기전력, Iq는 토오크전류, Iqo는 정격 회전속도시의 정격 토오크전류, Edo는 정격 회전속도
시의 내부 유도기전력, w1은 계자를 약화시키는 제어로의 변환시의 전원 각주파수, w2는 계자를 약화시키는 제
어범위의 최대 회전속도시의 전원 각주파수, wB는 유도전동기의 정격 회전속도시의 전원 각주파수, L1은 고정자
회로 인덕턴스, L2는 회전자 회로 인덕턴스.
청구항 39
제 36항 내지 제 38 중 어느 한 항에 있어서,
상기 자속지령기는, 상기 계자를 약화시키는 제어의 개시 후, 상기 회전속도의 상승에 반비례하여 상기 계자자
속을 약화시키는 것을 특징으로 하는 유도전동기의 제어장치.
청구항 40
제 36항에 있어서,
상기 자속지령기는, 상기 유도전동기의 계자를 약화시키는 제어범위의 최대 회전속도로부터 정격 회전속도까지
의 속도영역 중에서, 주어진 변환신호에 의거하는 회전속도를 선택하여, 선택한 회전속도시에 상기 계자를 약화
시키는 제어로의 변환의 지령을 행하는 것을 특징으로 하는 유도전동기의 제어장치.
청구항 41
제 36항에 있어서,
상기 계자자속을 일정값으로 한 상태에 있을 때에는 상기 유도전동기의 토오크를 일정값으로 하는 정토오크제어
에 의한 벡터제어를 행하는 것을 특징으로 하는 유도전동기의 제어장치.
청구항 42
제 36항에 기재된 유도전동기의 제어장치에 의하여 제철?비철 설비의 구동용 유도전동기가 제어되는 것을 특징
으로 하는 제철?비철 설비.
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청구항 43
제 36항에 기재된 유도전동기의 제어장치에 의하여 철도차량의 구동용 유도전동기가 제어되는 것을 특징으로 하
는 철도차량.
청구항 44
제 36항에 기재된 유도전동기의 제어장치에 의하여 권취기의 구동용 유도전동기가 제어되는 것을 특징으로 하는
권취기.
청구항 45
제 36항에 기재된 유도전동기의 제어장치에 의하여 선박의 구동용 유도전동기가 제어되는 것을 특징으로 하는
선박.
청구항 46
제 36항에 기재된 유도전동기의 제어장치에 의하여 공작기계의 주축 구동용 유도전동기가 제어되는 것을 특징으
로 하는 공작기계.
청구항 47
제 36항에 기재된 유도전동기의 제어장치에 의하여 초지기(抄紙機) 설비의 구동용 유도전동기가 제어되는 것을
특징으로 하는 초지기 설비.
청구항 48
제 36항에 기재된 유도전동기의 제어장치에 의하여 반송설비의 반송설비용 유도전동기가 제어되는 것을 특징으
로 하는 반송설비.
청구항 49
제 1항, 제 2항, 제 11항, 제 12항, 제 30항 또는 제 31항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 개시조건은, 상기 유도전동기의 단자전압이 최대 과부하시의 최대 전압에 이르는 것이며,
상기 유도전동기가 상기 개시조건에 이를 때까지는, 계자자속을 일정값으로 하는 제어를 행하는 것을 특징으로
하는 유도전동기의 제어방법.
청구항 50
제 6항, 제 7항, 제 17항, 제 18항, 제 36항 또는 제 37항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 개시조건은, 상기 유도전동기의 단자전압이 최대 과부하시의 최대 전압에 이르는 것이며,
상기 유도전동기가 상기 개시조건에 이를 때까지는, 계자자속을 일정값으로 하는 제어를 행하는 것을 특징으로
하는 유도전동기의 제어장치.
명 세 서
발명의 상세한 설명
발명의 목적
발명이 속하는 기술 및 그 분야의 종래기술
본 발명은 유도전동기의 제어방법 및 제어장치에 관한 것으로, 특히 벡터제어를 행하는 유도전동기의 제어방법[0008]
및 제어장치에 관한 것이다.
유도전동기의 벡터제어방식으로서, 직류 타여자 전동기의 가장 일반적인 방식을 적용한 것이 알려져 있다. 즉,[0009]
정격 회전속도(이하「베이스속도」라 한다)까지는 정토오크 운전을 행하고, 베이스속도 이상에서는 정출력 운전
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을 행하는 방식이다. 또한 정격 회전속도는, 기준출력으로서의 정격출력시의 최저 회전속도이다. 이와 같은
기술은 예를 들면 비특허문헌 1인 「가변속 교류 전동기의 압연기에의 적용」, 전기학회기술보고, 2003년 8월,
제935호, p. 29에 기재되어 있다.
그러나 베이스속도 이상에서의 정출력 운전시는, 유도전동기의 내부 유도기전력을 일정하게 유지하도록 제어하[0010]
고 있기 때문에, 정격출력 이상의 고출력을 얻는 것이 어려웠다.
발명이 이루고자 하는 기술적 과제
따라서, 본 발명은 상기한 과제를 해결하기 위하여 이루어진 것으로, 그 목적은 고출력을 얻을 수 있는 유도전[0011]
동기의 제어장치 및 제어방법을 제공하는 것이다.
또, 상기한 유도전동기의 제어장치에 의하여 동력용 유도전동기가 제어되는 제철?비철설비, 철도차량,[0012]
권취기(winder), 선박, 공작기계, 초지기(抄紙機;paper machine)설비 및 반송설비를 제공하는 것이다.
발명의 구성 및 작용
상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 계자자속이 강화된 계자자속상태시에는, 유도전동기의 회전속도의 상[0013]
승에 비례하여 내부 유도기전력을 크게 하여 가고, 내부 유도기전력이 정격 회전속도시보다도 커졌을 때에 계자
를 약화시키는 제어에 의한 벡터제어를 행하며, 계자를 약화시키는 제어시에는 감소하는 내부 유도기전력이 정
격 회전속도시의 내부 유도 기전력보다는 크게 되도록 계자자속을 변화시키면서 벡터제어를 행한다.
또는 계자자속이 강화된 계자자속상태시에는, 유도전동기의 회전속도의 상승에 비례하여 내부 유도기전력을 크[0014]
게 하여 가고, 내부 유도기전력이 정격 회전속도시보다도 커졌을 때에 계자를 약화시키는 제어에 의한 벡터제어
로 변환하여, 계자를 약화시키는 제어시에는 변환시의 내부 유도기전력을 일정하게 유지하면서 벡터제어를 행한
다.
도 1은, 본 발명의 실시형태에 관한 유도전동기의 제어장치를 포함하는 전체 시스템의 블럭도이다. [0015]
도 1에 있어서, 유도전동기(1)는 속도지령기(2)로부터의 속도지령(SPs)에 따라 구동하도록 되어 있다. 속도지[0016]
령(SPs)은, 회전속도(N)(r/min)의 목표값이다. 또한 유도전동기(1)는, 예를 들면 제철?비철설비(열간
압연설비, 냉간 압연설비, 프로세싱라인 설비), 철도차량, 권취기(winder)(un winder를 포함한다.), 선박, 공작
기계(주축구동용), 초지기 설비, 반송설비 등의 용도에 사용된다.
구체적으로 설명하면, 속도제한기(4)는 상기한 속도지령(SPs)과 속도센서(3)로 검출된 유도전동기(1)의 회전속[0017]
도(N)와의 차(SPs - N)에 의거하여, 토오크전류지령(Iqs)을 토오크전류제어기(7)에 출력한다.
또, 자속지령기(5)는 속도센서(3)로 검출된 회전속도(N)에 의거하여, 계자자속의 자속지령(φs)을 여자전류연산[0018]
기(6)에 출력한다. 그리고 여자전류연산기(6)는 자속지령기(5)로부터의 자속지령(φs)에 의거하여 유도전동기
(1)의 여자전류를 연산하여 여자전류지령(Ids)을 여자전류제어기(6)에 출력한다.
부호 9로 나타내는 것은 전류연산기이고, 이 전류연산기(9)는 전류센서(10)로 검출된 유도전동기(1)에 흐르는 1[0019]
차 전류(고정자 전류)에 의거하여 토오크전류(Iq) 및 여자전류(Id)를 연산한다. 즉, 전류연산기(9)는 유도전동
기(1)의 선전류를, 전력변환기(12)의 출력의 전원주파수에 동기하여 회전하는 q축 및 d축 좌표계로 변환한다.
그리고 전류연산기(9)는 연산한 토오크전류(Iq) 및 여자전류(Id)를 출력한다.
토오크전류제어기(7)는, 전류연산기(9)로부터 출력된 토오크전류(Iq)를 속도제한기(4)로부터 출력된 토오크전류[0020]
지령(Iqs)에 추종시키기 위한 토오크전압지령(Vq)을 좌표변환기(11)에 출력한다. 이에 대하여 여자전류제어기
(8)는, 전류연산기(9)로부터 출력된 여자전류(Id)를 여자전류연산기(6)로부터 출력된 여자전류지령(Ids)에 따르
게 하기 위한 여자전압지령(Vd)을 좌표변환기(11)에 출력한다. 또한 전류연산기(9)의 출력의 주파수의 설정은
일반적으로 알려져 있는 기술을 사용할 수 있기 때문에, 도 1에서는 그것에 관한 기재를 생략하고 있다.
좌표변환기(11)는, 상기한 토오크전압지령(Vq) 및 여자전압지령(Vd)을 고정 좌표계로 좌표 변환하여, 3상분의[0021]
전압지령(V)을 생성한다. 그리고, 좌표 변환기(11)는 생성한 전압지령(V)을 전력변환기(12)에 출력한다. 전력
변환기(12)는 예를 들면 PWM (pulse width modulation) 인버터이다.
전력변환기(12)는, 상기한 전압지령(V)에 의거하여 직류전원(13)의 전력을 변환(예를 들면 PWM 변환)하여, 3상[0022]
의 교류전력을 유도전동기(1)에 공급한다. 이와 같이 구성함으로써, 유도전동기(1)의 1차 전류가 제어되어 유
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도전동기(1)의 속도제한이 행하여지게 되어 있다.
여기서, 상기한 자속지령기(5)의 특징점에 대하여 상세하게 설명한다. 자속지령기(5)는 계자자속이 강화된 계[0023]
자자속상태시에는, 유도전동기(1)의 회전속도(N)의 상승에 비례하여 내부 유도 기전력을 크게 하여 가고, 자속
지령기(5)는, 내부 유도 기전력이 베이스 속도시보다도 커졌을 때에 계자를 약화시키는 제어에 의한 벡터제어를
행하도록 계자자속의 지령을 행한다. 그리고 자속지령기(5)는, 계자를 약화시키는 제어시에는 내부 유도 기전
력을 베이스속도시보다도 커지도록 가변시키면서 벡터제어를 행하도록 계자자속의 지령을 행한다.
즉, 자속지령기(5)는 유도전동기(1)의 회전속도(N)가 베이스속도보다도 커졌을 때에, 계자를 약화시키는 제어를[0024]
행하도록 자속지령(φs)을 출력한다. 바꿔 말하면 자속지령기(5)는 유도전동기(1)의 회전속도(N)가 베이스속도
보다 커졌을 때도, 계자자속을 강화하여 계속해서 계자자속상태로 하여 벡터제어를 행하도록 자속지령(φs)을
출력한다.
그리고 자속지령기(5)는, 계자를 약화시키는 제어시, 유도전동기(1)의 내부 유도 기전력이 베이스속도시보다도[0025]
커지도록 계자자속을 변화시킨다. 또한 자속지령기(5)는 계자를 약화시키는 제어의 개시후에는 회전속도(N)의
상승에 따라 유도전동기(1)의 단자전압이 최대 과부하시의 최대 전압을 넘지 않도록 계자자속을 약화시킨다.
이와 같이 구성함으로써, 유도전동기(1)의 계자자속이 변화되어 뒤에서 설명하는 도 4(b)의 동작특성을 얻게 된
다.
또한 유도전동기(1)의 제어장치는, 도 1에 나타낸 각 기기(4 ～ 9, 11)를 포함하여 구성되어 있다. 유도전동기[0026]
(1)의 제어장치는, 예를 들면 아날로그회로로 구성하여도 좋고, 마이크로컴퓨터로 구성하여도 좋으며, 원칩 IC
로 구성하여도 좋다.
다음에 유도전동기(1)의 등가회로에 대하여 설명한다. [0027]
도 2는 유도전동기의 1상분의 T형 등가회로를 나타내는 도면이다. 도 2에 의하면 여자전류(Id)가 여자회로에[0028]
흐르고, 토오크전류(Iq)가 고정자 회로에 흐르도록 되어 있다. 여자회로는 여자회로 인덕턴스(Lm)를 포함하여
구성되고, 고정자 회로는, 회전자 회로 저항(R2)을 슬립(S)으로 줄인 저항(R2/S)을 포함하여 구성되어 있다.
그리고 여자전류(Id) 및 토오크전류(Iq)의 자승 평방근으로 구해지는 1차 전류(고정자전류)(Is)가 고정자 권선
에 흐르도록 되어 있다.
또한 도 2에 있어서 Vs는 단자전압, R1은 고정자 회로저항, L1은 고정자 회로 인덕턴스, L2는 회전자 회로 인덕[0029]
턴스, Ed는 내부 유도 기전력(여자회로전압)을 나타낸다.
도 2에 나타낸 T형 등가회로의 전류 및 전압의 관계는, 도 3의 벡터도로 나타낸다. 이 벡터도에 의하여 단자전[0030]
압(Vs)과 내부 유도 기전력(Ed)과의 관계가 결정되고, 도 1에 나타낸 자속지령기(5)에 의하여 여자전류(Id)를
만들기 위한 자속지령(φs)이 적절하게 행하여지게 된다. 또한 도 3에 있어서, w는 전원 각주파수(angular
frequency)를 나타낸다.
다음에 유도전동기(1)의 동작특성에 대하여 설명한다. 여기서는 참고예의 유도전동기의 동작특성과 비교를 행[0031]
하기 위하여, 양자의 동작특성에 대하여 설명한다.
도 4는 본 실시형태에 관한 유도전동기의 동작특성 및 비교예의 유도전동기의 동작특성을 나타내는 도면이다.[0032]
또한 토오크전류(Iq)는 일정하게 하여 나타내고 있다.
먼저, 비교예의 유도전동기의 동작특성에 대하여 도 4(a)에 의거하여 설명한다. 도 4(a)에 의하면 베이스속도[0033]
[전원 각주파수(wB)]까지의 정토오크제어범위에서는 토오크(T)가 일정값이 되는 정토오크 운전이 행하여지고,
베이스속도 이상의 정출력제어범위에서는 출력(P)이 일정값이 되는 정출력제어가 행하여지고 있다. 이때 계자
자속(φ)은, 정토오크제어범위에서는 일정값(계자자속을 강화하여 계자자속상태)으로 하고, 정출력제어범위에서
는 회전속도(N)에 반비례하여 약화시키도록 하고 있다.
그리고 베이스속도 이상의 정출력제어범위에 있어서, 계자자속(φ)이 회전속도(N)에 반비례하여 감소하여도, 내[0034]
부 유도 기전력(Ed)은 일정값(Edo)을 유지하고 있다. 일정값(Edo)은, 베이스속도시의 내부 유도 기전력(Ed)이
다. 이때 단자전압(Vs)은 회전속도(N)의 상승에 따라 크게 하지 않으면 안된다. 또 단자전압(Vs)은 1차 전류
(Is)의 크기에 따라 크게 하지 않으면 안된다. 그리고 단자전압(Vs)의 최대 전압(Vsm)은 최대 과부하시의 전압
이 되도록 하고 있다. 또한 이때의 회전속도(N)를 탑속도[전원 각주파수(wT)]라 한다.
여기서, 도 4(a)에 나타낸 단자전압(Vs)의 절대값은 도 3에 나타낸 벡터도의 관계로부터, 수학식 (1)에 의하여[0035]
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나타낸다. 또한 %Z는 퍼센트 임피던스, Edo는 베이스속도시의 내부 유도 기전력, wB는 베이스속도시의 전원 각
주파수를 나타낸다. 여기서는 식의 간략화상, 유도전동기(1)의 슬립주파수분에 대해서는 무시하고 설명한다.
수학식 1
[0036]
수학식 (1)에 있어서의 %Z 및 Edo는, 수학식 (2) 및 수학식 (3)에 의하여 나타낸다. [0037]
수학식 2
[0038]
수학식 3
[0039]
또한, 도 4(a)에 나타낸 정출력제어범위(w≥ wB)에서는, Ed = Edo 라 하고 있기 때문에, 수학식 (1)은 다음의[0040]
관계를 고려하여 나타내고 있다.
수학식 4
[0041]
수학식 5
[0042]
도 4(a)에서는, %Z = 0.2(20%), Iq/Iqo = 1.75(175%), w/wB = 3이라 하고, 수학식 (1)에 대입하여, 도 4(a)에[0043]
나타낸 단자전압(Vs)의 최대 전압 Vsm ≒ 1.45Edo 를 구하고 있다.
이 때문에, 도 4(a)에 나타낸 비교예의 제어방법에서는, 도 1에 나타낸 전력변환기(12)의 최대 출력전압을 수학[0044]
식 (1)에 나타낸 Vs로 하여도, 내부 유도 기전력 Edo = (전력변환기의 최대 출력전압) / 1.45의 관계가 되고,
유도 전동기의 출력 P(= 3
1/2
?Vs?Is)은, 전력변환기(12)의 최대 출력전압에 대하여, 1/1.45배로 제한되게 된다.
다음에 본 실시형태에 관한 유도전동기의 동작특성에 대하여 도 4(b)에 의거하여 설명한다. 또한 도 4(a)와 동[0045]
일조건(%Z = 0.2, Iq/Iqo = 1.75, Vsm ≒ 1.45 Edo)으로 하고 있다. 도 4(b)에 있어서, 일점쇄선은 도 4(a)의
동작특성을 나타내고 있다.
도 4(b)에서는, 도 4(a)의 경우와 달리, 정토오크제어범위가 개시속도(전원 각주파수 w1 > wB)까지 확대되어 있[0046]
다. 그리고 개시속도 이상의 계자를 약화시키는 제어범위에서는 계자자속(φ)을 약화시키는 벡터제어가 행하여
지고 있다.
또, 계자를 약화시키는 제어범위에 있어서, 감소하는 내부 유도 기전력(Ed)이 베이스속도시의 내부 유도 기전력[0047]
(Edo)보다는 크게 되도록 하고 있다.
여기서, 도 3에 나타낸 벡터도로부터, 도 4(b)에 나타낸 계자를 약화시키는 제어범위(w ≥ w1)에서의 단자전압[0048]
(Vs)의 절대값의 일반식을 수학식 (6)에 나타낸다. 또한 %Z는 수학식 (2), Edo는 수학식 (3)에 나타내고 있다.
수학식 6
[0049]
또한 도 4(b)에 나타낸 계자를 약화시키는 제어범위(w ≥ w1)에서는, Ed =αEdo 라 하고 있기 때문에, 수학식[0050]
(6)은, 다음의 관계를 고려하여 나타내고 있다. 단, 1.0 < α< 약 2.0.
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수학식 7
[0051]
수학식 8
[0052]
이것에 대하여, 도 4(b)에 나타낸 정토오크제어범위(w < w1)에서는, 다음의 관계가 있다. [0053]
수학식 9
[0054]
그리고, 수학식 (9)를 수학식 (6)에 대입하면, 도 4(b)에 나타낸 개시속도[전원 각주파수(w1)]에서의 단자전압[0055]
(Vs)의 최대 전압(Vsm)(여기서는 절대값)을 나타내는 수학식 (10)이 얻어진다.
수학식 10
[0056]
그리고, 수학식 (10)에 있어서, Vsm을 도 4(a)에 나타낸 Vsm(= 1.45 Edo, 즉 α = 1.45)로서 생각하면, 수학식[0057]
(6)은 다음의 수학식 (11)이 된다. 또한 α = 1.45로 하는 것은, 도 4(a) 및 도 4(b)를 동일한 조건하에서 비
교하기 위함이다. α는 1.0 <α< 약 2.0의 범위 내에 있어서 자유롭게 설정하도록 하여도 좋다.
수학식 11
[0058]
도 4(b)에 나타낸 계자를 약화시키는 제어의 개시시, 도 1에 나타낸 자속지령기(5)는, 수학식 (11)의 관계를 만[0059]
족하도록 자속지령(φs)을 여자전류제어부(6)에 출력한다. 이에 의하여 계자를 약화시키는 제어시, 내부 유도
기전력(Ed)이 Edo보다도 커진다.
그리고, 도 4(b)에서는 예를 들면, %Z = 0.2, Iq/Iqo = 1.75라 하고 있기 때문에 이들을 수학식 (11)에 대입하[0060]
면, 내부 유도 기전력의 최대값은 다음의 관계가 얻어지게 된다. 또한 %Z, Iq/Iqo는, 이것에 한정되지 않고,
종래의 기술에 의하여 여러가지의 변경이 가능하다.
수학식 12
[0061]
이때의 개시속도[전원 각주파수(w1)]는, 수학식 (9)로부터 w1 = 1.37wB를 구할 수 있다. 따라서 이 경우 유도[0062]
전동기(1)의 출력(P1)은 정격출력의 1.37배가 된다. 그리고 개시속도보다도 회전속도(N)가 상승하면, 수학식
(6)의 Vs가 수학식 (10)의 Vsm이 되도록, 계자자속(φ)이 약해지고 있다. 또한 도 4(b)의 해칭부분은 정격출력
(P)보다도 고출력부분을 나타내고 있다.
이와 같이 도 4(b)에 나타낸 계자를 약화시키는 제어범위에서는 도 4(a)에 나타낸 정출력범위에서의 출력용량이[0063]
커져, 유도전동기(1)의 정격용량 이상의 고출력을 실현할 수 있다. 또한 도 4(b)에 나타낸 단자전압(Vs)은, 회
전속도(N)의 크기에 관계없이, 일정값(Vsm)을 유지하기 때문에, 유도전동기(1)의 절연내압을 변경할 필요가 없
다.
또한, 유도전동기(1)의 용도로서 예를 들면 제철?비철설비(열간 압연설비, 냉간 압연설비, 프로세싱라인 설비),[0064]
철도차량, 권취기(un winder를 포함한다), 선박, 공작기계(주축 구동용), 초지기 설비, 반송설비 등에 사용함으
로써, 여러가지 용도의 동력원으로서 이용할 수 있다. 따라서 도 4(b)에 나타낸 동작특성을 가지는 유도전동기
(1)는, 여러가지의 출력용량을 필요로 하는 광범위한 용도에 대응할 수 있다.
또한, 도 4(b)에 나타낸 단자전압(Vs)이 최대 전압(Vsm)을 넘지 않는 범위 내에서, 도 4(b)에 나타낸 개시속도[0065]
를 변경함으로써 유도전동기(1)의 최고 출력(P1)도 변경할 수 있다. 또 정격출력(P)이 최소가 되는 유도전동기
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(1)를 각종 용도의 동력원으로서 선정함으로써 유도전동기(1)의 비용을 저감할 수 있다.
또한 도 4(b)에서는 α는 1.45의 경우로 나타내었으나, 1 < α < 약 2.0의 범위 내에서 변경이 가능하다. 이[0066]
경우, 계자를 약화시키는 제어범위시의 출력(P)을 가변시키는 것이 가능하게 된다.
다른 실시형태에 관한 유도전동기의 제어장치를 설명한다. 도 5는 다른 실시형태에 관한 유도전동기의 제어장[0067]
치를 포함하는 전체 시스템의 블럭도이다. 도 5에서는 도 1에 나타내는 실시예에 대하여, 변환지령기(14)를 추
가적으로 설치하고 있다. 도 1에 나타내는 실시형태와 일부에 있어서 설명이 중복되나, 각 구성에 대하여 순서
대로 설명한다.
도 5에 있어서, 유도전동기(1)는 속도지령기(2)로부터의 속도지령(SPs)에 따라 구동하도록 되어 있다. 속도지[0068]
령(SPs)은 회전속도(N)(r/min)의 목표값이다. 또한 유도전동기(1)는 예를 들면 제철?비철 설비(열간 압연설비,
냉간 압연설비, 프로세싱라인 설비), 철도차량, 권취기(un winder를 포함한다), 선박, 공작기계(주축 구동용),
초지기 설비, 반송설비 등의 용도에 사용된다.
구체적으로 설명하면, 속도제어기(4)는 상기한 속도지령(SPs)과, 속도센서(3)로 검출된 유도전동기(1)의 회전속[0069]
도(N)와의 차(SPs-N)에 의거하여 토오크전류지령(Iqs)을 토오크전류제어기(7)에 출력한다.
또, 자속지령기(5)는 속도센서(3)로 검출된 회전속도(N)와 변환 지령기(14)로부터 출력된 변환신호(k)에 의거하[0070]
여 계자자속의 자속지령(φs)을 여자전류 연산기(6)에 출력한다. 변환신호(k)는 여자방식을 변환하는 타이밍을
나타내는 신호이다. 변환신호(k)는 회전속도(N) 그것을 사용하는 것으로 하나, 예를 들면 해당하는 회전속도
(N)가 미리 정의되어 있는 경우는, 그 회전속도(N)을 지시하는 정보를 사용하여도 좋다.
또한 자속지령기(5)에는 상기한 변환신호(k)에 의거하는 회전속도(N), 즉 여자방식의 변환시의 회전속도가 미리[0071]
설정되어 있다.
여자전류연산기(6)는, 자속지령기(5)로부터의 자속지령(φs)에 의거하여, 유도전동기(1)의 여자전류를 연산하여[0072]
여자전류지령(Ids)를 여자전류제어기(6)에 출력한다.
부호 9로 나타내는 것은 전류연산기이고, 이 전류연산기(9)는 전류센서(10)로 검출된 유도전동기(1)에 흐르는 1[0073]
차 전류(고정자 전류)에 의거하여 토오크전류(Iq) 및 여자전류(Id)를 연산한다. 즉, 전류연산기(9)는 유도전동
기(1)의 선전류를, 전력변환기(12)의 출력의 전원주파수에 동기하여 회전하는 q축 및 d축 좌표계로 변환한다.
그리고 전류연산기(9)는, 연산한 토오크전류(Iq) 및 여자전류(Id)를 출력한다.
토오크전류제어기(7)는, 전류연산기(9)로부터 출력된 토오크전류(Iq)를 속도제한기(4)로부터 출력된 토오크전류[0074]
지령(Iqs)에 따르게 하기 위한 토오크전압지령(Vq)을 좌표 변환기(11)에 출력한다. 이것에 대하여 여자전류제
어기(8)는 전류연산기(9)로부터 출력된 여자전류(Id)를 여자전류연산기(6)로부터 출력된 여자전류지령(Ids)에
따르게 하기 위한 여자전압지령(Vd)을 좌표변환기(11)에 출력한다. 또한 전류연산기(9)의 출력의 주파수의 설
정은 일반적으로 알려져 있는 기술을 사용할 수 있기 때문에 도 5에서는 그것에 관한 상세한 기재를 생략하고
있다.
좌표변환기(11)는, 상기한 토오크전압지령(Vq) 및 여자전압지령(Vd)을 고정 좌표계로 좌표 변환하여 3상분의 전[0075]
압지령(V)을 생성한다. 그리고 좌표변환기(11)는 생성한 전압지령(V)을 전력변환기(12)에 출력한다. 전력변환
기(12)는 예를 들면 PWM (pu1se width modulation) 인버터이다.
전력변환기(12)는, 상기한 전압지령(V)에 의거하여 직류전원(13)의 전력을 변환(예를 들면 PWM 변환)하여, 3상[0076]
의 교류전력을 유도전동기(1)에 공급한다. 이와 같이 구성함으로써 유도전동기(1)의 1차 전류가 제어되어, 유
도전동기(1)의 속도제어가 행하여지도록 되어 있다.
여기서, 상기한 자속지령기(5)의 특징점에 대하여 상세하게 설명한다. 자속지령기(5)는 계자자속을 강화하여[0077]
계자자속상태시에는 유도전동기(1)의 회전속도(N)의 상승에 비례하여 내부 유도 기전력을 크게 하여 간다. 그
리고 자속지령기(5)는 내부 유도 기전력이 베이스속도시보다도 커졌을 때에 계자를 약화시키는 제어에 의한 벡
터제어로 변환하도록 계자자속의 지령을 행한다. 이에 의하여 계자자속을 강화하여 계자자속상태시에는 토오크
를 일정값으로 하는 정토오크제어를 행하는 것이 가능하게 된다.
그리고 계자를 약화시키는 제어시에는 자속지령기(5)는 계자를 약화시키는 제어로의 변환시의 내부 유도 기전력[0078]
을 일정하게 유지하면서 벡터제어를 행하도록 계자자속의 지령을 행한다. 또 자속지령기(5)는 계자를 약화시키
는 제어의 개시후, 회전속도(N)의 상승에 반비례하여 계자자속을 약화시킨다. 이에 의하여 계자를 약화시키는
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제어시에는 유도전동기(1)의 출력을 일정값으로 하는 정출력제어를 행하는 것이 가능하게 된다.
이와 같이 구성함으로써, 유도전동기(1)의 계자자속이 변화되어 뒤에서 설명하는 도 6(b)의 동작특성을 얻게 된[0079]
다.
또한, 유도전동기(1)의 제어장치는 도 5에 나타낸 각 기(4 ～ 9, 11)를 포함하여 구성되어 있다. 유도전동기[0080]
(1)의 제어장치는, 예를 들면 아날로그회로로 구성하여도 좋고, 마이크로컴퓨터로 구성하여도 좋으며, 원칩 IC
로 구성하여도 좋다.
이 유도전동기(1)의 등가회로에 대해서는, 이미 도 2에서 설명한 바와 같이, 여자전류(Id)가 여자회로에[0081]
흐르고, 토오크전류(Iq)가 고정자 회로에 흐르도록 되어 있다. 여자회로는 여자회로 인덕턴스(Lm)를 포함하여
구성되고, 고정자 회로는 회전자 회로저항(R2)을 슬립(S)으로 줄인 저항(R2/S)을 포함하여 구성되어 있다. 그
리고 여자전류(Id) 및 토오크전류(Iq)의 자승합 평방근으로 구해지는 1차 전류(고정자 전류) (Is)가 고정자 권
선에 흐르도록 되어 있다.
T형 등가회로의 전류 및 전압의 관계는, 이미 도 3의 벡터도에서 나타낸 바와 같이 단자전압(Vs)과 내부 유도[0082]
기전력(Ed)과의 관계가 결정되고, 도 1에 나타낸 자속지령기(5)에 의하여 여자전류(Id)를 만들기 위한 자속지령
(φs)이 적절하게 행하여지게 된다.
다음에 유도전동기(1)의 동작특성에 대하여 설명한다. 여기서는, 참고예의 유도전동기(1)의 동작특성과 비교를[0083]
행하기 위하여 양자의 동작특성에 대하여 설명한다.
도 6은 본 실시형태에 관한 유도전동기의 동작특성 및 비교예의 유도전동기의 동작특성을 나타내는 도면이다.[0084]
가로축은 회전속도(N)를 나타내고, 세로축은 토오크 (T), 계자자속(φ), 1차 전류(Is), 단자전압(Vs), 내부 유
도 기전력(Ed)을 나타내고 있다. 또한 토오크전류(Iq)는 일정하게 하여 나타내고 있다.
우선, 비교예의 유도전동기의 동작특성에 대하여 도 6(a)에 의거하여 설명한다. 도 6(a)에 의하면, 베이스속도[0085]
[전원 각주파수(wB)]까지의 정토오크제어범위에서는 토오크(T)가 일정값이 되는 정토오크운전이 행하여지고, 베
이스속도 이상의 정출력제어범위에서는 출력(P)이 일정값이 되는 정출력제어가 행하여지고 있다. 이때 계자자
속(φ)은 정토오크제어범위에서는 일정(계자자속을 강화하여 계자자속상태)하게 하고, 정출력제어범위에서는 회
전속도(N)에 반비례하여 약화시키도록 하고 있다.
그리고, 베이스속도 이상의 정출력제어범위에 있어서, 계자자속(φ)이 회전속도(N)에 반비례하여 감소하여도 내[0086]
부 유도 기전력(Ed)은 일정값(Edo)을 유지하고 있다. 일정값(Edo)은 베이스속도시의 내부 유도
기전력(Ed)이다. 이때, 단자전압(Vs)은 회전속도(N)의 상승에 따라 크게 하지 않으면 안된다. 또 단자전압
(Vs)은, 1차 전류(Is)의 크기에 따라 크게 하지 않으면 안된다. 그리고 단자전압(Vs)의 최대 전압(Vsm)은 최대
과부하시의 전압이 되도록 하고 있다. 또한 이 때의 회전속도(N)를 탑속도[각주파수(wT)]라 한다.
여기서, 도 6(a)에 나타낸 단자전압(Vs)의 절대값은, 도 3에 나타낸 벡터도의 관계로부터, 수학식 (13)에 의하[0087]
여 나타낸다. 또한 %Z는 퍼센트 임피던스, Edo는 베이스속도시의 내부 유도 기전력, wB는 정격회전속도시의 전
원 각주파수를 나타낸다. 여기서는, 식의 간략화상, 유도전동기(1)의 슬립 주파수분에 대해서는 무시하고 설명
한다.
수학식 13
[0088]
수학식 (13)에 있어서의 %Z 및 Edo는, 수학식 (14) 및 수학식 (15)에 의하여 나타낸다.[0089]
수학식 14
[0090]
수학식 15
[0091]
또한, 도 6(a)에 나타낸 정출력제어범위(w ≥ wB)에서는, Ed = Edo 라 하고 있으므로, 수학식 (1)은, 다음의 관[0092]
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계를 고려하여 나타내고 있다.
수학식 16
[0093]
수학식 17
[0094]
여기서 도 6(a)에서는, %Z = 0.2(20%), Iq/Iqo = 1.75(175%), w/wB = 3이라 하고, 수학식 (1)에 대입하여, 도[0095]
6(a)에 나타낸 단자전압(Vs)의 최대 전압 Vsm ≒ 1.45Edo 를 구하고 있다.
이 때문에, 도 6(a)에 나타낸 비교예의 제어방법에서는, 도 5에 나타낸 전력변환기(12)의 최대 출력전압을 수학[0096]
식 (13)에 나타낸 Vs로 하여도, 내부 유도 기전력 Edo = (전력변환기의 최대 출력전압) / 1.45의 관계가 되고,
유도 전동기의 출력 p(= 3
1/2
?Vs?Is)은, 전력변환기(12)의 최대 출력전압에 대하여, 1/1.45배로 제한되게 된다.
다음에 본 실시형태에 관한 유도전동기의 동작특성에 대하여 도 6(b)에 의거하여 설명한다. 또한 도 6(a)와 동[0097]
일조건(%Z = 0.2, Iq/Iqo = 1.75, Vsm ≒ 1.45 Edo)으로 하고 있다. 도 6(b)에 있어서, 일점쇄선은 도 6(a)의
동작특성을 나타내고 있다.
도 6(b)에서는 도 6(a)의 경우와 달리, 정토오크제어범위가 개시속도[전원 각주파수(w1 > wB)]까지 확대되어 있[0098]
다. 그리고 개시속도 이상의 정출력제어범위에서는 계자자속(φ)을 약화시키는 벡터제어가 행하여지고 있다.
그리고 정출력제어범위에 있어서, 내부 유도 기전력(Ed)이 베이스속도시의 내부 유도 기전력(Edo)보다도 커지도
록 하고 있다.
그리고, 정출력제어의 개시시(개시속도시), 즉 계자를 약화시키는 제어로의 변환시, 도 5에 나타낸 자속지령기[0099]
(5)는, 다음식 (18)의 관계를 만족하도록 자속지령 (J)을 여자전류제어부(6)에 출력하도록 하고 있다. 이에 의
하여 도 6(b)에 나타낸 정출력제어범위에서는 내부 유도 기전력(Ed)이 Edo보다도 커진다.
수학식 18
[0100]
단, 수학식 (18)중의 w2는 유도전동기(1)의 계자를 약화시키는 제어범위의 최대 회전속도이다.[0101]
%Z는 상기한 수학식 (14), Edo는 상기한 수학식 (15)에 의하여 나타낸다. [0102]
여기서, 도 3에 나타낸 벡터도로부터, 도 6(b)에 나타낸 정출력제어범위(w > wB)에서의 단자전압(Vs)의 절대값[0103]
의 일반식을 수학식 (19)에 나타낸다.
수학식 19
[0104]
또한 도 6(b)에 나타낸 정토오크제어범위(w < w1)에서는, Ed =αEdo라 하고 있기 때문에, 수학식 (7)은 다음의[0105]
관계를 고려하여 나타내고 있다.
수학식 20
[0106]
수학식 21
[0107]
또한 도 6(b)에 나타낸 정토오크제어범위(w < wl)에서는, 다음의 관계가 있다.[0108]
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수학식 22
[0109]
여기서, 도 6(b)에 나타낸 계자를 약화시키는 제어범위의 최대 회전속도[전원 각주파수(w2)]를 w2 = 1.5?w1로서[0110]
생각한다. 그렇게 하면 w2에서는 다음의 관계가 성립한다.
수학식 23
[0111]
수학식 (23) 및 수학식 (19)로부터 w2에서의 Vs(여기서는 절대값)는, 다음의 식으로 나타낸다.[0112]
수학식 24
[0113]
여기서, 수학식 (12)의 Vs는, 전제조건으로부터, 도 6(a)에 나타낸 Vsm ≒ 1.45 Edo로 하기 때문에, 다음과 같[0114]
이 된다.
수학식 25
[0115]
수학식 (13)으로부터, Ed는 Edo보다도 커지는 것이 나타난다. [0116]
여기서, 도 6(b)에서는 예를 들면, %Z = 0.2, Iq/Iqo = 1.75라 하고 있기 때문에, 이들을 수학식 (25)에 대입[0117]
하면, 내부 유도 기전력(Ed)의 최대값은 다음의 관계가 얻어지게 된다. 또한 %Z, Iq/Iqo, w2/w1은 이것에 한정
되지 않고, 종래의 기술에 의하여 여러가지의 변경이 가능하다.
수학식 26
[0118]
이때의 계자를 약화시키는 제어의 개시속도[전원 각주파수(w1)]는, 수학식 (22)로부터 w1 = 1.28 wB를 구할 수[0119]
있다. 따라서 이 경우, 유도전동기(1)의 출력(P1)은 정격출력의 1.28배가 된다. 그리고 회전속도(N)가 더욱
상승하여, 개시속도보다도 커지면, 수학식 (24)의 Vs가 최대 전압(Vsm ≒ 1.45 Edo)을 넘지 않도록, 회전속도
(N)에 반비례하여 계자자속(φ)을 약화시킨다. 또한 도 6(b)에 나타낸 단자전압(Vs)은 회전속도(N)의 크기에
상관없이 일정값(Vsm)을 유지하기 때문에, 유도전동기(1)의 절연내압을 변경할 필요가 없다. 또한 도 6(b)의
해칭부분은 정격출력(P)보다도 고출력 영역을 나타내고 있다.
이와 같이 하여 유도전동기(1)의 정격용량 이상의 고출력을 실현할 수 있다.[0120]
또, 유도전동기(1)의 용도로서, 예를 들면 제철?비철설비(열간압연 설비, 냉간압연 설비, 프로세싱라인 설비),[0121]
철도차량, 권취기(un winder를 포함한다), 선박, 공작기계(주축 구동용), 초지기 설비, 반송설비 등에 사용함으
로써, 여러가지 용도의 동력원으로서 이용할 수 있다. 따라서 도 6(b)에 나타낸 동작특성을 가지는 유도전동기
(1)는 여러가지의 출력 용량을 필요로 하는 광범위한 용도에 대응할 수 있다.
또, 정격출력(P)이 최소가 되는 유도전동기(1)를 각종 용도의 동력원으로서 선정함으로써, 유도전동기(1)의 비[0122]
용을 저감할 수 있다.
여기서, 도 6(b)에서는 개시속도는 w1 = 1.28 wB의 경우로 나타내었으나, 예를 들면 도 6(b)에 나타낸 베이스속[0123]
도[전원 각주파수(wB)]로부터 탑속도[전원 각주파수(wT)]까지의 속도범위에 있어서, 개시속도를 변경하도록 하
여도 좋다. 이 경우, 도 5에 나타낸 자속지령기(5)는 도 5에 나타낸 변환지령기(5)로부터 주어진 변환신호
(k)에 의거하는 회전속도를 선택하여, 선택한 회전속도시에 계자를 약화시키는 제어로의 변환을 행하도록 계자
자속(φ)의 지령을 행하도록 되어 있다. 그렇게 하면, 도 6(b)에 나타낸 출력(P)의 고출력 범위는, 도 7에 나
타내는 바와 같이 된다. 즉, 개시속도가 작아질수록 고출력범위는 확대되나, 반대로 출력(P)의 최대값이 작아
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진다. 이에 의하여 여러가지의 출력특성을 얻을 수 있다.
또, 도 6(b)에서는 α는 1.45의 경우로 나타내었으나, 1 < α< 약 2.0의 범위내에 있어서 변경이 가능하다. 이[0124]
경우, 정토오크 출력범위시의 출력(P)을 가변시키는 것이 가능해진다.
발명의 효과
상기한 구성에 의하면, 유도전동기의 고출력을 실현할 수 있다.[0125]
도면의 간단한 설명
도 1은 본 발명의 실시형태에 관한 유도전동기의 제어장치를 포함하는 전체 시스템의 블럭도,[0001]
도 2는 도 1의 유도전동기의 1상분의 T형 등가회로를 나타내는 도,[0002]
도 3은 도 2의 T형 등가회로의 벡터도,[0003]
도 4는 도 1의 유도전동기의 동작특성 및 참고예로서의 유도전동기의 동작특성을 나타내는 도면으로, (a)는 비[0004]
교예의 유도전동기의 동작특성을 나타내는 도, (b)는 본 실시형태에 관한 유도전동기의 동작특성을 나타내는
도,
도 5는 본 발명의 다른 실시형태에 관한 유도전동기의 제어장치를 포함하는 전체 시스템의 블럭도,[0005]
도 6은 도 5의 유도전동기의 동작특성 및 참고예로서의 유도전동기의 동작특성을 나타내는 도면으로, (a)는 비[0006]
교예의 유도전동기의 동작특성을 나타내는 도, (b)는 본 실시형태에 관한 유도전동기의 동작특성을 나타내는
도,
도 7은 도 6(b)의 개시속도를 변경한 경우의 회전속도와 출력과의 관계를 나타내는 도면이다. [0007]
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도면
도면1
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도면2
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도면3
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도면4
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도면5
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도면6
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도면7
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