유도전동기의 효율적 운전을 위한 AC-AC 변환기 개발

목차

1. 서론

2. 교류변환기의 구조해석

2.1 점호각 mode

2.2 유도전동기 부하에 대한 변환기 해석

3. 시스템구성

3.2 소프트웨어 알고리즘

4. 실험결과

5. 결론

본문내용

능 등을 통해 시스템을 보호를 하며 경보할 수 있어야 한다.
실제 소프트웨어 및 하드웨어제작 과정에서는 이 모든 사항을 염두에 두고 시스템을 설계하고 제작하였다. 이 모든 기능은 Intel 80196KC 마이크로 프로세서를 이용하여 구현하였다. 마이크로 프로세서를 이용한 제어 시스템은 소프트웨어의 융통성 때문에 시스템 제어 기술을 개발하고 개선시키기가 쉬울 뿐만 아니라 현대 제어 이론을 도입하여 성능의 향상을 추구하기가 쉬워진다. 이 연구에서 이용한 인텔 80196KC 16-bit 단일칩 마이크로 컨트롤러는 다음과 같은 기능을 가지고 있다.
. Register-to-register architecture
. 232 bytes register RAM and 256 bytes additional RAM
. on-chip 10bit A/D converter with 8-channel multiplexer
. 1.75μsec 16bit × 16bit multiply and 3μsec 32bit/16bit divide (at 16MHz clock)
. Five 8bit I/O ports
. 28 channel interrupt sources
. Two 16bit hardware timers
. Programmable high speed input (HSI) and high speed output (HSO)
이 변환기를 제어하기 위한 소프트웨어 프로그램은 크게 주루틴, HSI 인터럽트 루틴, HSO 인터럽트 루틴으로 나눌 수 있다. 주루틴에서는 초기화, 전원 이상 유무 확인, 여러 가지 위험에 대한 진단 기능, 전류 센싱루틴으로 나눌 수 있다. 인터럽트 루틴에서는 전원의 제로 크로싱점을 결정하고 도통 혹은 단락 되어야 할 두 SCR를 선택하며 그 시간을 결정하는 루틴이다.
- 주루틴 (main routine)
그림 4.7은 전체적인 소프트웨어의 흐름도이다. 주 루틴은 크게 네 가지 일을 한다. Initialization 루틴은 시스템의 리세트 이후 실행하는 루틴으로 모든 변수 및 환경을 초기화하는 루틴이다. CT fault, 전류제한치 설정, soft starting time설정등을 행한다. Check Power 루틴에서는 각 상의 위상정보와 전원의 이상유무를 검색한다. Power factor 제어 루틴에서는 효율을 개선시키기 위해 역률을 일정하게 제어하는 루틴이다. 먼저 점호각을 soft starting time에 따라 0도 까지 감소시키고 전동기가 안정된 상태가 되도록 일정시간을 기다린 후 역률제어를 실시한다. 일정한 정해진 역률이 될 떠까지 전동기가 진동하거나 실속하지 않는 범위에서 정해진 한계 점호각까지 증가 시키게 된다. Diagnosis 루틴은 출력 전류를 피드백 받아 전류 제한, 과부하 체크, 과전류 체크, 역률 계산, 소자의 과열 방지등 전체 시스템을 검색 보호하는 일을 한다.
- HSI 인터럽트 루틴
그림 3.5는 HSI 인터럽트 루틴을 나타내었다. 이 루틴에서는 전원의 위상 정보를 알아내어 전원의 제로 크로싱점을 결정하는 루틴이다. 전원의 위상 정보를 빠르고 효과적으로 얻어내기 위해 80196KC에 내장된 HSI (High Speed Input)를 사용한다. 위상 검출 회로는 저항과 포토 커플러 (photo coupler) 그리고, 인버터 슈미트 트리거 (Inverter Schmitt Trigger)로 구성한다.
- HSO 인터럽트 루틴
주 루틴에서 계산된 정보를 이용하여 연속적인 점호펄스를 발생시키는 HSO인터럽트 루틴은 빠르고 효과적인 제어를 위해 단일칩 마이크로 프로세서 80196KC에 내장된 HSO (High Speed Output)를 사용한다. HSO는 타이머와 CAM (Content Addressable Memory) 파일로 구성되고 CAM 파일은 작업명령 (HSO COMMAND)과 명령이 실행될 시간 (HSO TIME)을 8쌍까지 저장할 수 있으며, 타이머의 시간이 CAM파일에 저장된 시간과 일치하는 순간 저장된 명령이 실행된다.
4. 실험결과
본 연구에서는 전디지탈식 AC-to-AC 변환기를 제작 실험하였다. 제어회로는 단일칩 마이크로 컨트롤러 80196KC를 사용하여 SCR의 구동신호를 발생시켰고, 강전회로와 제어회로의 전원은 포토커플러를 이용하여 분리하였으며, 강전에 흐르는 전류는 마이크로 컨트롤러의 A/D converter 단자를 통하여 피드백 받았다. 정상상태에서 에너지 절전기능을 실험하였다. 그림 4.1은 정상상태에서 에너지 절전기능이 없는 경우의 입력전압과 전류의 파형이고, 그림 4.2는 정상상태에서 에너지 절전제어가 동작하는 상태에서의 입력전압과 전류의 파형이다. 기동상태에서 전류제한 기능을 실험하였으며, 그림 4.3은 200% 전류제한시 파형이고, 그림 4.4는 300% 전류제한시 파형이다. 200% 전류제한시 기동에서 동기속도의 94%까지의 시간이 약 1초 정도 걸리는 비해 300% 전류제한시에는 그 시간이 0.6초 정도 걸렸다. 이로부터 전류제한과 기동시간과의 관계는 trade off 관계임을 알 수 있었다. 표 4.1에서 경부하시 효율향상 제어와 비제어의 전력 흐름을 전원 분석장치를 이용하여 비교하였다. 이 결과를 보면 무부하 및 경부하 운전시 효율향상제어를 통하여 무효전력을 효과적으로 줄일 수 있음을 알 수 있다.
5. 결론
본 연구에서는 유도전동기의 기동시의 기동전류 문제점과 운전시 부하조건의 변화와 무관하게 최대효율 운전이 가능한 제어방안으로 교류변환기를 이용한 입력전압 제어방식을 제안하고 마이크로프로세서를 사용한 전디지털 방식의 제어회로를 구성하였다. 실험을 통하여 마이크로프로세서에 탑재된 Soft start알고리즘, 효율향상 알고리즘, 그리고 전동기 보호 알고리즘이 효과적으로 동작하는 것을 보였으며 유도전동기의 역기전력과 누설인덕턴스를 직렬로 하는 등가회로를 이용하여 유도전동기 부하에 대한 교류변환기의 해석이 가능함을 보였다. 특히 전디지탈식 시스템을 구현하여 전원전압의 변도에 둔감한 제어기를 구현할 수 있었으며 소프트웨어 제어를 구현하여 추가 하드웨어의 부담없이 기능 추가 및 변환이 가능하도록 하였다.

키워드

유도전동기,   AC-AC변환기