KR100674650B1 - 다상 ａｃ 기기 제어기 - Google Patents

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배 시스템즈 컨트롤즈 인코포레이티드
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Abstract

모터나 제너레이터 등의 N AC기기가 2N+1 위상을 갖고 있는 제어시스템에 의해 독립적으로 제어되며 N개의 위상성분이 직교한다. 특정의 응용에서, 제너레이터 및 유도 전동기를 포함하는 하이브리드 수송수단은 상호직교성분의 두 독립세트를 갖는 5상 제어기에 의해 제어된다. 각각의 성분 세트는 기기의 어느 하나를 제어하고 다른 기기에는 영향을 주지않는다.

Description

다상 ＡＣ 기기 제어기 {Polyphase AC machine controller}
도 1은 종종 3상 시스템으로 불리는 120°의 상대적인 시간위상을 갖는 종래의 3상 AC 전류 또는 전압의 진폭-시간도이다.
도 2는 도 1의 전류 또는 전압의 2차원 벡터표시이다.
도 3a, 3b 및 3c는 상호 직교하는 Xa, Xb 및 Xc 또는 직교좌표계를 따라 도 1의 a, b 및 c 전류 또는 전압성분을 나타낸다.
도 4는 인버터에 의해 연결된 두 개의 AC기기 및 직류전압 또는 직류전류를 사용한 장치의 간단한 블럭도이다.
도 5a는 본 발명에 특징에 의한 5상 AC기기장치의 모식도이고, 도 5b 및 도 5c는 도 5a의 AC기기와 연관된 권선을 나타내고, 도 5d는 도 5a의 장치의 교환 또는 위상스와핑부를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 특징에 따른 5상 인버터를 블럭 및 모식도 형태로 나타낸 것이다.
도 7은 종래의 AC기기제어장치를 블럭 및 모식도 형태로 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 특징에 따라 5상 제어기에 의해 독립제어되는 두 개의 AC기기가 있는 장치를 블럭 및 모식도 형태로 나타낸 것이다.
도 9a, 9b, 9c, 9d, 9e, 9f, 9g, 9h 및 9i는 도 5d의 장치와 함께 대체할 수 있는 스와핑 회로로서, 정의식에 대해 10개의 가능한 솔루션을 나타낸다.
도 10은 2N+1상 제어기에 의해 제어되는 N기기의 간단한 일반적인 표시이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호설명
410,412. AC기기 414,416. 인버터
514. 5상 인버터 510,512. AC기기
520,540. 컨덕터세트 530,532. 권선세트
본 발명은 다상의 AC기기 제어(polyphase AC machine control)에 관한 것으로서, 특히 제어된 2N+1상 성분(controlled 2N+1-phase component)을 사용하여 N AC기기를 독립적으로 제어하는 것에 관한 것이다.
도 1은 120°의 상대적인 시간위상을 갖는 종래의 3상 AC 전류 또는 전압의 진폭-시간도로서, 그것은 보통 3상 시스템을 설명하기 위하여 사용된다. AC는 "Alternating Current"의 약자로서 교류전압 또는 교류전류를 말하고 혹은 이 두 가지를 모두 의미하기도 한다. 전압 또는 전류의 순간값이 양(positive)과 음(negative) 사이에서 변할 때 전압과 전류는 "alternating"이라고 한다. 여기서, 양과 음은 기계적인 의미가 아닌 전기적인 의미로서의 방향을 뜻한다. 도 1 에서, 3상은 Xa, Xb 및 Xc로 지정되고, 각각 Xa=Xcoswt, Xb=Xcos(wt-2π/3), Xc=Xcos(wt-4π/3)로 표시될 수 있다. 관련된 기술분야에 있는 업자에게 잘 알려져 있는 바와 같이, 도 2는 도 1의 전압 및 전류에 대한 t=0에서의 2차원 벡터표시이다. 도 2에서 직교하는 α와 β는 기준좌표로서 α축은 a축에 대응된다. 또한, b축과 c축은 a축과 120°의 간격을 두고 위치해 있다. 전압 또는 전류인 Xa는 언제나 a축과 나란히 있고, 순간 진폭값은 시간에 따라 변한다. 마찬가지로, Xb, Xc는 각각 b축과 c축에 나란하며 그들의 진폭값도 시간에 따라 변한다. 도 1의 t=0에 대응하는 도 2에 도시된 시간에서, 도 2의 Xa, Xb 및 Xc의 진폭값은 함께 더해져 벡터에 대응하게 된다. 시간 또는 시간위상이 도 1의 Xa, Xb 및 Xc의 플롯(plot)에서 증가함에 따라, 벡터는 원(210)을 따라 도 2의 반시계 방향(wt의 화살표 방향)으로 회전한다. 2π의 위상 변화는 원(210)을 한 바퀴 회전한 것이 된다. 수학적 계산을 간단히 하기 위해, Xa, Xb 및 Xc의 값을 대응하는 α 및 β성분으로 표현할 수 있다.
Figure 112000004264785-pat00001
Figure 112000004264785-pat00002
수학식 1 및 수학식 2는 a, b 및 c로 표현된 벡터를 α 및 β성분으로 표현된 벡터로 변환하는 행렬변환을 나타낸다. 상기 수학식에서는 교류전압공급과 연관될 수 있는 공통모드(직류 또는 교류) 전압 또는 전류는 고려하지 않고 있다. AC시스템에서, 각각의 위상은 이 위상의 교류성분을 오프셋시키는 공통모드성분과 관련될 수 있다. 도 2의 플롯은 공통모드성분이 없는 상태를 나타내고 있다. 평형 3상 시스템에서는 공통모드성분이 있으면 제거되어 α 및 β성분이 나타나지 않는다. 공통모드성분은 제거(cancel)되기 때문에 존재한다고 해도 도 2와 같은 플롯은 공통모드성분을 나타내지 않는다. 그러나, 도 2의 2차원 플롯에는 나타나지 않는다 하더라고 그러한 공통모드성분은 존재할 수 있다.
직류성분을 표현하기 위해, 벡터 X는 아래의 변경된 수학식 3 및 수학식 4로 표현될 수 있다.
Figure 112000004264785-pat00003
Figure 112000004264785-pat00004
여기서, 행렬의 마지막 행의 성분이 "1/2"값을 갖고 있는데, 이것이 공통모드성분을 나타낸다. 추가된 Xo 성분은 0 시퀀스성분이다. 0 시퀀스성분으로 표현되는 공통모드성분은 도 2의 α-β평면에 직교하는 벡터로 표현된다. α-β평면에 직교하는 벡터를 사용함으로써 상호 직교하는 3차원 좌표계가 된다.
본 발명의 특징에 따르면 2N+1상 AC기기의 구성은 N AC기기를 포함하며, 여기서 AC기기는 모터 또는 제너레이터가 될 수 있다. N AC기기 각각은 2N+1개의 권선을 가지며 이를 통해 전류가 흐른다. 물론 권선수는 그 이상일 수도 있으나 2N+1의 권선수가 효과적이다. 2N+1상 AC기기의 구성은 또한 제어가능한 2N+1개의 인버터를 포함하는데 이것은 N개의 기기에 대해 전류의 2N+1 위상을 생성한다. 상호연결장치가 인버터 및 N AC기기에 연결되는데 N AC기기의 N개의 권선을 연결하여 각 기기의 각 권선을 통해 흐른 전류가 N AC기기의 다른 각각의 권선에 흐른다. 제어장치는 인버터에 연결되어 N개의 상호 직교하는 위상세트의 2N+1개의 위상을 제어함으로써 서로 독립적으로 N AC기기를 제어한다. 본 발명의 이러한 특성에 의한 특정의 장치에 있어서, 2N+1상의 AC기기의 2N+1개의 권선 각각이 전기적으로 특정의 공간위상이 증가해 가고, 상호연결장치는 특정의 공간위상에 대응하는 AC기기의 어느 하나의 권선을 통해 흐르는 전류가 다른 AC기기의 다른 공간위상을 갖는 권선에 흐르는 방법으로 N AC기기의 권선을 연결한다.
본 발명의 특징에 의한 특정의 장치에서, N은 2이고 2N+1은 5이며, 2개의 AC기기의 5개의 권선 각각이 각 기기에서 특정의 공간위상에 있고, 상호연결장치는 2개의 AC기기의 제 1기기의 5개의 위상 모두를 인버터의 대응하는 위상에 연결하고, 나머지 다른 AC기기의 대응하는 권선을 통해 전류가 흐르도록 AC기기의 권선의 하나를 연결한다.
N개의 상호연결된 2N+1상 AC기기를 포함하는 AC기기시스템을 제어하는 방법에서, AC기기의 각각은 대응하는 공간위상의 권선을 포함하고 전류의 2차원 서브세트의 N개의 상호직교 세트를 나타내는 2N+1상 전류를 생성하는 단계를 포함한다. 전류는 권선의 공간위상에 전류위상이 특정 대응하여 N AC기기의 제 1기기의 공간위상 권선을 통해 인가되고, N AC기기의 제 2기기의 공간위상 권선을 통해 권선의 공간위상에 전류위상이 대응하여 인가되는데, 여기서 이 대응은 특정대응과 달리 전류의 2차원 서브세트의 각각이 독립적으로 N AC기기의 하나를 제어하는 방식이다. 이 방법을 수행하는 특정의 모드에서, 2N+1상 전류를 생성하는 단계는 직류전압버스에 연결된 5상 인버터를 제어하는 단계를 포함한다. 본 발명을 실행하는 이 특정 모드는 N AC기기의 제 1기기와 제 2기기를 제 1수송힐 및 제 2수송힐에 연결하는 부가적인 단계를 포함한다. 다른 모드에서는, 5상 인버터를 제어하는 단계는 유도 배터리에 연결된 5상 인버터의 스위치를 제어하는 단계를 포함한다. 본 발명의 특성에 의한 방법을 수행하는 다른 특정의 모드에서, 2N+1상 전류를 생성하는 단계는 직류전압버스에 연결된 5상 인버터를 제어하는 단계를 포함 하고, N AC기기의 제 1기기가 적어도 제 1수송힐(wheel)에 연결되고, N AC기기의 제 2기기가 내연기관일 수 있는 기계적 구동전력원에 연결되는 부가적인 단계가 포함된다.
발명자는 도 2가 유일한 표현방법이 아니며 다른 표현방법이 새롭고 유용한 장치에 대한 이해를 줄 수 있다는 것을 인식하였다. 특히, 도 3a, 3b 및 3c는 상호 직교하는 세 개의 Xa, Xb 및 Xc축 즉 직교좌표계에 따른 도 1의 a, b 및 c의 전압 또는 전류성분를 나타내고 있다. 전압 또는 전류성분은 Xa, Xb 및 Xc축을 따라 여러 순간값에 대응한다. 도 3a, 3b 및 3c에서, 표현을 간단히 하기 위해 육면체의 중심은 직교좌표계의 중심 또는 원점과 일치한다. 따라서, 육면체의 중심 좌표는 000이다. 6각평면(312)은 원점(000)을 지나 육면체를 동일한 두 부분으로 자른다. 평면(312)에 직교하는 투사축 Xa, Xb 및 Xc축은 각각 a', b' 및 c'로 표시되며, 세 개의 투사는 평면에서 120도 간격을 두고 위치해 있다. 도 3의 투사 a', b' 및 c'는 도 2의 a, b 및 c축에 대응한다. 도 1의 Xa, Xb 및 Xc의 플롯에서 시간위상이 0시퀀스성분 없이 증가하면, 원(310)을 따라 도 3a의 벡터가 반시계방향(wt화살표방향)으로 회전한다. 2π의 위상변화는 원(31)을 한 바퀴 도는 결과가 된다.
0시퀀스성분은 시간에 따라 변한다는 것을 알아야 한다. 0시퀀스성분의 변화가 있다는 것은 도 3a에서 α축과 β축에 직교하고 0축을 따라 있는 성분에 의해 표시된다. 0시퀀스성분의 크기가 고정되어 있으면, 0축과 나란한 평면(312), 즉 육면체의 주요 대각선을 이동한다. 그러나 성분을 나타내는 벡터의 회전에 관계하여 시간에 따라 0시퀀스성분이 변하기 때문에, 궤적(원(310)의 평면)이 0시퀀스 성분이 존재함에 따라서 평면(312)에 상대적으로 기울어져 있다.
도 3b는 평면(312)의 테두리가 겹쳐 보이도록 도 3a를 배열한 것이고, 도 3c는 0축 방향에서의 도면을 나타낸다.
도 2의 직교성분(a, b, c)을 도 3a, 3b, 3c의 직교성분(α, β, 0)으로 변환하는 것은 다음 행렬변환[T3]에 의한다.
Figure 112000004264785-pat00005
수학식 5는 도 3a, 3b 및 3c에서 a, b, c성분으로 표현된 벡터를 α, β 및 0시퀀스성분으로 표현되는 벡터로 변환하는 행렬변환을 나타낸다. 이것은 단지 한 개의 좌표계를 다른 좌표계로 벡터변환하는 것에 불과하다.
역연산은 다음의 수학식 6으로 표현된다.
Figure 112000004264785-pat00006
본 발명의 한 관점에 따르면, 도 3a, 3b 및 3c에서의 3상 시스템의 표현은 다상 시스템이 2N+1차원 초입방체(hypercube)로 표현될 수 있음을 이해할 수 있게 한다. 5상 시스템은 하나의 제로열 축에 부가하여, 평면(312)과 같은 2개의 서로 직교하는 평면을 갖는 식으로 표현될 수 있다. 5상 시스템에 대해 이와 같이 표현된 2개의 평면은 각각 4차원 서브 스페이스 중 2차원을 차지한다. 서로 직교하는 이 2개의 평면은 좌표계의 원점에서만 교차하고 따라서 상호작용을 하지 않는다. 이 개념은 7, 9 등과 같은 어떤 홀수의 위상으로 일반화될 수 있다. 본 발명의 한 관점에 따르면, N AC기기(모터 또는 제너레이터)은 전압 또는 전류의 2N+1 제어 위상에 의해 제어된다.
도 4는 2개의 AC기기(410, 412)의 간략화된 블록도이며, 각각이 인버터(414, 416)에 의해 각각 직류-전압 버스(420)와 배터리로서 표현된 직류-전압원(422)에 접속된다. 하나의 버스는 하나 이상의 전기적 컨덕터를 포함할 수도 있음은 이 분야에 기술자라면 알고 있다. 도 4에서는, AC기기 중 하나가 제너레이터나 모터가 될 수 있다. 하나의 동작 모드에서, 양 기기(410, 412)는 각각 인버터(414, 416)를 통하여 소스(422)로부터 에너지가 공급되면서, 기계적 에너지를 로드(도시되지 않음)에 공급하는 모터로서 동작된다. 또다른 동작 모드에서, 양 기기는 그들이 생성한 전기적 에너지가 정류 모드로 동작되는 인버터(414, 416)에 의해 직류로 정류되면서, 제너레이터로서 동작될 수 있다. 또다른 동작 모드에서, 기기(410)는 제너레이터로서 동작될 수 있고, 기기(410)로부터의 에너지를 인버터(414)에 의해 소스(422)에 공급하고, 소스(422)로부터의 에너지를 인버터(416)에 의해 기기(412)에 공급하는 모터로서 동작될 수 있다. 이 최종 동작 모드에서, 모터(412)용 에너지는 결국 제너레이터(410)에 의해 발생된다. 불행하게도, 제너레이터(410)에 의해 생성된 에너지는 모터(412)로 가는 도중에 인버터(414, 416)를 통과해야만 한다.
도 5a는 본 발명의 한 관점에 따른 구성을 나타낸다. 도 5a에서, 직류소스(직류-전압 소스도 포함)는, 도 4에서와 같이 직류버스(420)에 접속된 배터리(422)로서 도시되어 있다. 버스(420)는 버스(420) 상의 직류 전압 또는 전류를 컨덕터의 세트(520) 즉 전류 경로(520a, 520b, 520c, 520d, 520e)상의 5상 전압 또는 전류로 변환하는 5상 인버터(514)에 접속된다. 전류 또는 전압은 컨덕터의 세트(520) 즉 전류 경로로부터, 위상스와핑(phase-swapping) 구성(550)을 통하여 5상 AC기기(510)로 흐른다. 도 5b는 세트(520)의 컨덕터 또는 경로에 접속된 도 5a의 AC기기(510)와 관련된 권선을 나타낸다. 도 5b에 도시된 바와 같이, AC기기(510)은 5개의 권선(530a, 530b, 530c, 530d, 530e)의 세트(530)를 포함한다. 이 분야에 기술자에게 알려진 바와 같이, 5상 권선의 세트(530) 중 각 권 선(530a, 530b, 530c, 530d, 530e)은 기기(510)내에서 물리적으로 방향성을 가지므로써, 세트(530)의 권선에 인가되어 진행하는 위상의 전류 또는 전압은 기기 주위로 나아가는 자기장을 발생시킨다. 더 구체적으로, 권선(530a, 530b, 530c, 530d, 530e)으로부터 권선(530a, 530b, 530c, 530d, 530e)에 인가되는 전류 또는 전압의 위상이 72°만큼 증가하게 되며, 위상 1(0°)이 경로(520a)를 통하여 권선(530a)에 인가되고, 위상 2(72°)가 경로(520b)를 통하여 권선(530b)에 인가되고, 위상 3(144°)이 경로(520c)를 통하여 권선(530c)에 인가되고, 위상 4(216°)가 경로(520d)에 의해 권선(530d)에 인가되고, 위상 5(288°)가 경로(520e)에 의해 권선(530e)에 인가될 때, 세트(530)의 권선의 물리적 배치가 이루어지므로써, 전자장이 동위상에 부가되어 기기에서 회전장을 형성하게 된다. 이 회전장은 전기적 에너지를 기계적 운동으로 또는 기계적 운동을 대응하는 전기적 에너지로 변환할 수 있다. 컨덕터(520a, 520b, 520c, 520d, 520e)로부터 각각 멀리 떨어진 권선(530a, 530b, 530c, 530d, 530e)의 끝은 전류 경로 즉 컨덕터(520a', 520b', 520c', 520d', 520e')에 각각 접속된다. 이 분야의 기술자라면 도 5b의 컨덕터(520a)로부터 권선(530a)으로의 컨덕터로부터 권선으로 흐르는 전류가, 권선(530a)의 경우에는 접속 즉 경로(520a')에 대응하는, 권선의 다른 대응 접속에서도 흐름을 알 수 있다.
도 5c는 컨덕터나 경로 중 세트(540)의 컨덕터나 경로로의 접속과 함께, 도 5a의 AC기기와 관련된 권선을 나타낸다. 도 5c에 도시된 바와 같이, AC기기(512)는 5개의 권선(532a, 532b, 532c, 532d, 532e)의 세트(532)를 포함한 다. 도 5c의 기기(512)은 또한 전기적 컨덕터 즉 경로(540a, 540b, 540c, 540d, 540e)의 세트(540)와도 관련된다. 이 분야에 기술을 가진 자에게 알려져 있고 상기한 바와 같이, 권선 중 5상 세트(532)의 각 권선(532a, 532b, 532c, 532d, 532e)은 기기(512) 내에서 물리적으로 방향성을 가지므로써, 세트(530)의 권선에 인가되어 진행하는 위상의 전류 또는 전압은 기기 주위로 나아가는 자기장을 발생시킨다. 더 구체적으로, 컨덕터(540a, 540b, 540c, 540d, 540e)로부터 권선(532a, 532b, 532c, 532d, 532e)으로 각각 인가되는 전류 또는 전압의 위상이 72°만큼 증가하게 되며, 위상 1(0°)이 경로(540a)에 의해 권선(532a)에 인가되고, 위상 2(72°)가 경로(540b)에 의해 권선(532b)에 인가되고, 위상 3(144°)이 경로(540c)에 의해 권선(532c)에 인가되고, 위상 4(216°)가 경로(540d)에 의해 권선(532d)에 인가되고, 위상 5(288°)가 경로(540e)에 의해 권선(532e)에 인가될 때, 세트(540)의 권선의 물리적 배치가 이루어지므로써, 전자장이 동위상에 부가하여 AC 기기(512)에서 회전장을 형성하도록 된다. 이 회전장은 전기적 에너지를 기계적 운동으로 또는 기계적 운동을 대응하는 전기적 에너지로 변환할 수 있다. 컨덕터(540a, 540b, 540c, 540d, 540e)로부터 각각 멀리 떨어진 권선(532a, 532b, 532c, 532d, 532e)의 끝은 전류 경로 즉 컨덕터(540a', 540b', 540c', 540d', 540e')의 세트(540')에 의해, 공통 즉 "단락(short-circuiting) 컨덕터(542)에 각각 접속된다. 이 분야의 기술자라면 도 5c의 컨덕터(540a)로부터 권선(532a)으로의 컨덕터로부터 권선으로 흐르는 전류가, 권선(532a)의 경우에는 접속 즉 경로(540a')에 대응하는, 권선의 다른 대응 접속에서도 흐름을 알 수 있다.
도 5d는 도 5a의 한 가지 가능한 상호 접속 즉 위상 스와핑 배열(550)의 상세도이다. 도 5d에서, 550으로 지정된 상호 접속 배열은 세트(520')의 컨덕터 즉 전류경로를 컨덕터 즉 전류 경로의 세트(520')와 접속한다. 본 발명의 한 관점에 따르면, 상호 접속 배열(550)의 컨덕터 즉 전류 경로는 몇몇 전류가 관련된 기기에 회전장을 일으키고, 다른 전류는 장을 제거하도록 하는 식으로 접속된다. 더 구체적으로, 도 5a에 도시된 2개의 AC기기 중 하나에는, 도 3a, 3b, 3c와 관련하여 설명된 2개의 직교 평면 중 하나와 관련된 전류(α1, β1)에 기인하는 장이 회전장을 생성하도록 더해지는 반면, 상기 2개의 직교 평면 중 다른 하나와 관련된 전류(α2, β2)는 취소(cancel)하는 장을 발생시켜, 따라서 어떤 회전장도 발생하지 않는다. 도 5d에서, 0°로 임의로 지정된 위상의 전류 또는 전압을 전달하는 컨덕터(520a')는 상호 접속 경로(550a)에 의해 컨덕터 세트(540)의 대응 컨덕터(540a)에 접속된다. 상호 접속 세트(550)의 컨덕터(550b)는 세트(520') 중 72°컨덕터(520b')를 세트(540)의 컨덕터(540d)와 상호 접속한다. 컨덕터 세트(550)의 컨덕터(550c)는 세트(520')의 144°컨덕터(520c')를 세트(540)의 컨덕터(540b)와 상호 접속하고, 컨덕터 세트(550)의 컨덕터(550d)는 컨덕터 세트(520')의 216°컨덕터(520d')를 컨덕터 세트(540)의 컨덕터(540e)에 접속하고, 컨덕터 세트(550)의 컨덕터(550e)는 컨덕터 세트(520')의 288°컨덕터(520e')를 컨덕터 세트(540)의 컨덕터(540c)에 접속한다. 도 5a, 5b, 5c, 5d에 설명된 상호접속으로, 2개의 AC기기(510, 512)는 독립적으로 동작될 수 있다.
도 5a, 5b, 5c 및 5d의 2개의 기기(510, 512)의 독립적 동작은, 각 기기에 대해 합해져서 회전장을 생성하는 전류 또는 전압을 요구하는 3위상 방식으로 각 2개 기기의 동작에서 발생할 것으로 생각될 수 있다. 각 기기에 대한 이 전압 또는 전류는 도 2 및, 도 3a, 3b, 3c와 관련하여 설명된 한 평면에 놓여있는 α 및 β성분인 것으로 볼 수 있지만, 여기에서 상기한 바와 같이 2개의 평면 (α1, β1) 및 (α2, β2)은 직교한다. 총 5위상 전압 또는 전류는 2개의 직교 평면과 관련된 전압 또는 전류의 벡터 합인 것으로 볼 수 있다. 2 평면의 직교성은 제 1평면과 관련된 5위상 전압 또는 전류의 성분을 합계하여 회전장을 형성하는 반면, 2개의 직교 평면 중 두번째와 관련된 전압 또는 전류는 취소하는 물리적 결과를 가진다. 합산 또는 취소는 위상이 각 기기내에서 어떻게 더해지는가에 달려있다. 도 5a 및 5d의 상호 접속 배열은, 도 5b 및 5c의 권선 배열과 관련하여, 하나의 평면(α1, β1)과 관련된 장의 부가 및 제 2평면(α2, β2)과 관련된 장의 취소시에 AC기기(510)에서 생기는 반면, 기기(512)에서는 제 2평면(α2, β2)으로부터 회전장을 생성하기 위해 가산 즉 합산하도록 하고, 제 1평면(α1, β1)과 관련된 장을 취소하도록 하는 방식으로 재배열된다.
도 6은 도 5a의 배열에서 사용될 수 있는 5상 인버터의 단순화된 표현이다. 도 6에서, 전류 경로(420a, 420b)를 포함하는 직류 전압 또는 직류 버스(420)는 소스(422)를 가로질러 접속된다. 5개의 제어된 전류 경로(610a, 610b, 610c, 610d, 610e)는 컨덕터(420a∼420b)로부터 연장된다. 각 경로(610a, 610b, 610c, 610d, 610e)는 X로 표시된 2개의 제어스위치를 포함한다. 전류 경로(610a)는 상부 스위치(612a1)와 하부 스위치(612a2)를 포함하고, 그 사이에 탭(tap)(614a)이 있다. 전류 경로(610b)는 상부 스위치(612b1)와 하부 스위치(612b2)를 포함하고, 그 사이에 탭(614b)이 있고, 전류 경로(610c)는 상부 스위치(612c1)와 하부 스위치(612c2)를 포함하고, 그 사이에 탭(614c)이 있고, 전류 경로(610d)는 상부 스위치(612d1)와 하부 스위치(612d2)를 포함하고, 그 사이에 탭(614d)이 있고, 전류 경로(610e)는 상부 스위치(612e1)와 하부 스위치(612e2)를 포함하고, 그 사이에 탭(614e)이 있다. 컨덕터 세트(520)의 AC 컨덕터(520a, 520b, 520c, 520d, 520e)는 탭(614a, 614b, 614c, 614d, 614e)에 각각 접속되어 있다. 도 6의 인버터(514)에는 또한 5상 전류 또는 전압을 발생시키는데 적합한 방식으로 스위치를 제어하는 블록(608)으로 표시된 스위치 제어기를 포함한다. 전환된 인버터용 제어기는 이 분야에서 잘 알려져 있고, 5상 동작용 제어기는 이 분야에서 통상의 기술을 가진 자의 지식에 충분히 있다.
도 7은 장 방향성 제어(Field-Oriented Control ; FOC)형의 종래 기술의 3상 AC기기의 단순화된 블록도이다. 도 7에서, AC기기는 상대적으로 0。, 120。, 240。를 갖는 a, b, c위상에 의해 구동되는 유도기기(모터 또는 제너레이터)이다. 공통 전류 경로 즉 단락 버스는 (712)로 표시된다. (714a) 및 (714b)로 표시된 전류 샘플러는 a 및 b 도전 경로의 전류를 샘플하고, 신호샘플들을 T3 블록(716)에 연결한다. 블록(716)은 Ia + Ib + Ic = 0로부터 컨덕터(c)의 전류를 결정하고, (a, b, c) 좌표로부터 (α, β) 좌표로의 T3변환을 행한다. 이 결과의 Iα와 Iβ는, 센서(718)로부터 전기자(armature) 또는 로터(rotor) 각(θ)과 관련되는 정보와 함께, FOC제어기(720)에 연결된다. 이와 같은 제어기는 이 분야에서 알려져 있고, 이하에서는 더 설명하지 않는다. 제어기(720)는 dα 및 dβ 듀티 사이클(duty cycle) 제어신호를 생성하고, 이 신호는 블록(722)으로 표시된 역변환(T3-1)에 인가되고, 여기에서는 dα 및 dβ 듀티 사이클 제어 신호를 da, db, dc 제어신호로 변환한다. da, db, dc 제어신호는 3상 인버터(724)에 인가되고, 3상 인버터(724)는 버스(420)의 그로부터의 전력 흐름과 배터리(422)로 표시된 관련 소스를 제어한다. 도 7과 같은 구성의 한가지 특징적 응용은 하이브리드 전기 수송수단의 구동 시스템이고, 여기에서 소스(422)는 유도 배터리이고, 모터(710)는 적어도 하나의 훨을 갖는 수송수단을 구동하고, FOC 제어기(720)는 모터에 연결될 전력량과, 사용될 회생 제동량을 나타내는 다른 제어 신호들 및 다양한 다른 신호들을 수신한다.
상기 하이브리드 전기수송의 응용에 있어서, 연료로 동작되는 기기에 의해 구동되는 전기 발생장치 형태의 다른 AC기기는 US특허 제 5,828,201호(1998.10.27 등록, Hoffman et al) 및 제 5,869,950호(1999.2.9 등록, Hoffman et al)에서 자세히 설명된 것처럼 3상 인버터에 연결될 수 있다.
본 발명의 특성에 의하면, FOC 제어장치는 한쌍의 5상제어의 AC기기를 사용한다. 도 8은 본 발명의 이러한 특성에 따른 장치를 도시한다. 도 8에서, 제어 5상 인버터(824)는 5상 전압 또는 전류를 한 세트의 컨덕터(821)로 산출하여 도 5a에서와 같이 연결된 두 개의 5상 모터(810)에 인가한다. 4개의 전류감지기(814a, 814b, 814c, 814d)는 각각의 컨덕터 즉 전류경로에 흐르는 전류를 감지하고, 대응하는 신호(ia, ib. ic. id)를 T5(816)에 연결한다. T5(816)는 측정되지 않은 다섯번째 전류(e)를 결정하는데, a, b, c, d 및 e성분으로 측정된 전류를 0시퀀스성분을 포함하여 두 개의 상호 직교하는 전류로 변환한다. 특히, 도 8의 블럭(816)은 ia, ib. ic. id 및 ie를 i α1, iβ1과 iα2, iβ2 성분 및 0시퀀스성분으로 변환한다. iα1 및 iβ1 성분은 제 1모터와 연관된 로우터의 각도위치에 관계하는 θ1 센서정보와 함께 블록(8201)의 AC 모터 벡터제어에 인가된다. AC 모터 벡터제어(8201)의 두 개의 5상 모터(810) 중 제 1모터에 대한 FOC 제어기이다. FOC 제어기(8201)의 출력은 T5-1 변환블록(822)에 인가되는 제어신호(Vα1, Vβ1)를 포함한다. 블럭(816)에서 생성된 iα2 및 iβ2 성분은 제 2모터와 연관된 로우터의 각도위치에 관계하는 θ2 센서정보와 함께 블록(8202)의 AC 모터 벡터제어에 인가된다. AC 모터 벡터제어(8202)는 두 개의 5상 모터(810)의 제 2모터에 대한 FOC 제어기이다. FOC 제어기(8202)의 출력은 FOC 제어기(8201)로부터의 Vα1, Vβ1 커맨드 와 함께 T5-1 변환블록(822)에 인가되는 제어신호(Vα2, Vβ2)를 포함한다. 블럭(822)은 T5-1 변환을 수행하여 Vα1, Vβ1, 0, Vα2, Vβ2 신호를 5상 인버터 제어신호(Va, Vb, Vc, Vd, Ve)로 변환한다. 블록(822)에서 생성된 신호(Va, Vb, Vc, Vd, Ve)는 도 6의 스위치세트(612)를 제어하는 5상 인버터(824)에 인가된다.
도 8의 T5블록(816)은 (a, b, c, d, e)좌표와 (α1, β1, 0, α2, β2)좌표사이의 변환을 나타낸다.
Figure 112000004264785-pat00007
특히, 그러한 변환은 수학식 7과 같고 행렬[T5]의 해를 수학식 8에 나타내었다.
Figure 112000004264785-pat00008
동일하게, 도 8의 블록(822)의 행렬 [T5-1]은 수학식 9로 정의된다. 여기서 행렬 [T5-1]은 수학식 10과 같다.
Figure 112000004264785-pat00009
Figure 112000004264785-pat00010
적어도 10개의 해가 있는데 그 중 하나가 도 5d의 위상스와핑 배열에서 나타난다. 다른 9개의 솔루션은 다른 시프트를 생성하며, 그것은 도 9a, 9b, 9c, 9d, 9e, 9f, 9g, 9h 및 9i에 도시하였고 더 이상의 설명은 하지 않는다.
도 10은 2N+1 위상을 사용하는 일반적인 N 기기 시스템을 도시한다. 도 10에서, 도 5a에 대응하는 부분에는 동일한 참조번호로 나타내었다. 배터리(422)는 버스(420)에 의해 2N+1상 인버터와 연결된다. 본 발명에 따른 2N+1상 인버터는 컨덕터세트(1020a)의 2N+1 컨덕터에 2N+1상 구동을 생성한다. 컨덕터세트(1020a)는 권선수 2N+1 기기(1010a)와 연결된다. 권선수 2N+1 기기(1010a)의 다른 끝단은 컨덕터세트(1020a')에 의해 제 1위상스와핑(1050a)에 연결된다. 제 1위상스와핑(1050a)은 컨덕터세트(1020b)에 의해 권선수 2N+1의 제 2기기(1010b)와 연결된다. 권선수 2N+1 기기(1010b)의 다른 끝단은 컨덕터세트(1020b')에 의해 제 2위상스와핑(1050b)에 연결된다. 제 2위상스와핑(1050b)의 출력은 컨덕터세트(1020c)에 연결되어 마지막 컨덕터세트가 N번째의 기기(1010N)의 단자에 연결된다. 다른 기기와 떨어져 있는 기기(1010N)의 2N+1개의 단자는 공통 컨덕터(1042)에 연결된다.
본 발명의 다른 실시예는 관련기술분야에 있는 자에게 확연할 것이다. 예를 들어, 관련분야에 있는 사람은 여러 실시예의 제어기가 아날로그회로 또는 디지털회로 또는 그 둘을 다 포함할 수 있다는 것을 알고 있다. 전기시스템에서 사용되는 "사이(between)"와 "(across)"는 기계나 항공에서 사용되는 의미와 동일하지 않다. 제어기의 설명은 기기의 구동 또는 부하조건에 따라 제너레이터 및 모 터와 같은 AC 기기의 사용으로 언급되는 것은 아닌데, 제어기는 그러한 조건에 따라 어느 하나의 모드로 동작하고 시스템의 "인버터" 부분은 동작의 경우에서는 제너레이터로서 정류작용과 같은 기능을 수행하여 제너레이터로부터 AC전력을 추출하고 그 전력을 직류전압버스 또는 직류전류버스에 연결한다. 전류감지세트(814)의 감지기에 의한 전류의 감지는 4개의 위상 즉 a, b, c 및 d에 대하여 설명되었으나, 관련분야에 있는 사람은 N상 시스템의 어떠한 N-1 위상도 감지될 수 있고 N번째는 계산에 의해 결정될 수 있다는 것을 알고 있다.
따라서, 본 발명에 의한 특성에 의하면, 2N+1상(5상) AC기기(410, 412, 510, 512, 710, 810) 장치는 N의 AC기기(410, 412, 510, 512, 710, 810)을 포함하는데 여기서 AC기기(410, 412, 510, 512, 710, 810)은 모터 또는 제너레이터가 될수 있다. 그 구성은 N AC기기(410, 412, 510, 512, 710, 810)를 포함한다. N개의 AC 기기(410, 412, 510, 512, 710, 810)의 각각은 2N+1의 권선수(530, 532)를 갖고 있으며, 권선을 따라 교류전류가 흐른다. 물론, 더 많은 권선수도 가능하나 효과적인 권선수(530, 532)는 2N+1이다. 그 구성은 또한 N AC기기(410, 412, 510, 512, 710, 810)에 대하여 2N+1상의 전류를 생성하는 제어 2N+1상 인버터(414, 416, 514, 724, 824)를 포함한다. N AC기기(410, 412, 510, 512, 710, 810)의 권선 N(530, 532)을 연결하는 상호연결장치(550)는 인버터(414, 416, 514, 724, 824) 및 N AC기기(410, 412, 510, 512, 710, 810)에 연결되어 각 AC기기(410, 412, 510, 512, 710, 810)의 각각의 권선을 흐르는 전류가 AC기기(410, 412, 510, 512, 710, 810)의 다른 각각의 권선(530, 532)에 흐르게 된다. 제어장치(608, 716, 720, 722, 816, 8201, 8202, 822)는 인버터(414, 416, 514, 724, 824)에 연결된다. 제어장치(608, 716, 720, 722, 816, 8201, 8202, 822)는 N개의 상호직교하는 위상세트에서의 2N+1 위상을 제어하고 따라서 AC기기(410, 412, 510, 512, 710, 810)을 각각에 독립적으로 제어한다. 본 발명의 특성에 따른 특정한 구성에서, 2N+1상 AC기기(510, 512, 810)의 2N+1 권선(530, 532)의 각각이 전기적으로 특정한 공간위상 진행으로의 방향성이 있고, 상호연결장치(550)는 특정공간위상(b)에 대응하는 AC기기(510, 512, 810)의 어느 하나의 권선(530b)을 통해 흐르는 전류가 AC기기(512, 810)의 다른 어느 하나의 공간위상(d)의 권선(532d)을 통해 흐르는 방식으로, N AC기기(510, 810)의 권선(530, 532)을 연결한다. 본 발명의 실시예에서, 기기(510, 810)의 어느 하나에서 특정공간위상(a)의 권선(530a)을 통한 전류가 다른 기기(512, 810)에서의 동일한 공간위상(a)의 권선(532a)에 흐른다.
본 발명의 특성에 의한 특정한 구성(도 5a, 8)에서 N은 2이고 2N+1은 5이며, 두 개의 AC기기(510, 512, 810)의 5개의 권선(530, 532)들 각각이 특정공간위상으로 각 기기를 향해 있고, 상호연결장치(550)는 두 개의 AC기기(510)의 첫번째 5개의 위상을 인버터(514, 824)의 대응하는 위상에 연결하고, AC기기(510)의 권선(530a)을 다른 AC기기(512)의 대응하는 권선(532a)에 연결한다.
N개의 상호연결된 2N+1상 AC기기를 포함하는 AC기기시스템을 제어하는 본 발명에 따른 방법에서, 각각의 AC기기는 대응하는 공간위상권선을 포함하고 N개의 상호 직교하는 전류의 2차원 서브세트(subset)의 세트를 나타내는 2N+1상 전류를 생 성하는 단계를 포함한다. 전류는 N AC기기의 제 1기기의 공간위상 권선을 통해 권선의 공간위상에 전류위상이 특정 대응하여 인가되고, N AC기기의 제 2기기의 공간위상 권선을 통해 권선의 공간위상에 전류위상이 대응하여 인가되는데, 여기서 이 대응은 특정대응과 달리 전류의 2차원 서브세트의 각각이 독립적으로 N AC기기의 하나를 제어하는 방식이다. 이 방법을 수행하는 특정의 모드에서, 2N+1상 전류를 생성하는 단계는 직류전압버스에 연결된 5상 인버터를 제어하는 단계를 포함한다. 본 발명을 실행하는 이 특정 모드는 N AC기기의 제 1기기와 제 2기기를 제 1수송힐 및 제 2수송힐에 연결하는 부가적인 단계를 포함한다. 다른 모드에서는, 5상 인버터를 제어하는 단계는 유도 배터리에 연결된 5상 인버터의 스위치를 제어하는 단계를 포함한다. 본 발명의 특성에 의한 방법을 수행하는 다른 특정의 모드에서, 2N+1상 전류를 생성하는 단계는 직류전압버스에 연결된 5상 인버터를 제어하는 단계를 포함하고, N AC기기의 제 1기기가 적어도 제 1수송힐에 연결되고, N AC기기의 제 2기기가 내연기관일 수 있는 기계적구동전력원에 연결되는 부가적인 단계가 포함된다.
본 발명에 의하면, 제너레이터 및 유도 전동기를 포함하는 하이브리드 수송수단은 상호직교성분의 두 독립세트를 갖는 5상 제어기에 의해 제어된다. 따라서, 각각의 성분 세트는 기기의 어느 하나를 제어하고 다른 기기에는 영향을 주지않는다. 따라서, 본 발명은 다상의 AC기기 제어에 있어서, 특히 제어된 2N+1상 성분(controlled 2N+1-phase component)을 사용하여 N AC기기를 독립적으로 제어할 수 있다.

Claims (8)

  1. 2N+1상 AC기기 유도 모터/제너레이터 장치에 있어서,
    2N+1 권선을 통해 교류전류가 흐르는 N AC기기와,
    상기 N AC기기를 구동하는 2N+1 위상전류를 생성하는 제어가능 2N+1상 인버터와,
    상기 인버터와 상기 N AC기기에 연결되어 상기 N AC기기의 상기 N 권선을 상호연결함으로써 각 기기의 각 권선을 흐르는 전류가 상기 N AC기기의 나머지 다른 기기의 각각의 권선을 통해 흐르도록 하는 상호연결수단과,
    상기 인버터에 연결되어, 상기 N 위상상호직교세트의 2N+1 위상을 제어함으로써 서로 독립적으로 상기 N AC기기를 제어하는 제어수단을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 다상 AC기기 제어기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 2N+1상 AC기기의 2N+1 권선의 각각이 전기적으로 특정 공간 위상 진행 방향으로 향하며,
    상기 상호연결수단은 상기 AC기기의 어느 하나의 권선을 통해 흐르는 전류가 상기 AC기기의 다른 하나의 다른 공간위상의 권선을 통해 흐르는 방법으로 상기 N AC기기의 상기 권선을 연결하는 것을 특징으로 하는 다상 AC기기 제어기.
  3. 제 1항에 있어서,
    N은 2이고 2N+1은 5이며, 상기 두 개의 AC기기의 5개의 권선 각각은 각 기기에서 특정공간위상에 있고,
    상기 상호연결수단은 상기 두 개의 AC기기의 제 1기기의 5 위상 모두를 상기 인버터의 대응하는 위상에 연결하고, 상기 AC기기의 제 2기기의 대응하는 권선을 통해 전류가 흐르도록 상기 AC기기의 상기 제 1기기의 상기 권선의 하나를 연결하는 것을 특징으로 하는 다상 AC기기 제어기.
  4. 대응하는 공간위상권선을 포함하는 N개의 상호연결된 2N+1상 AC기기를 제어하는 방법에 있어서,
    전류의 2차원 서브세트의 N 상호직교세트를 나타내는 2N+1상 전류를 생성하는 단계와,
    상기 2N+1 위상의 상기 전류를 상기 N AC기기의 제 1기기의 공간위상 권선을 통해 상기 권선의 공간위상에 상기 전류의 상기 위상을 특정 대응하여 인가시키는 단계와,
    상기 N AC기기의 제 2기기의 공간위상 권선을 통해 상기 특정대응과 달리 상기 전류의 상기 2차원 서브세트의 각각이 독립적으로 상기 N AC기기의 하나를 제어하는 방식으로 상기 권선의 상기 공간위상에 상기 전류의 상기 위상을 대응하여 인가시키는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 다상 AC기기 제어방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    2N+1상 전류를 생성하는 상기 단계는 직류전압버스에 연결된 5상 인버터를 제어하는 단계를 포함하고,
    상기 N AC기기의 제 1기기 및 제 2기기를 제 1수송힐 및 제 2수송힐에 연결하는 부가적 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다상 AC기기 제어방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    5상 인버터를 제어하는 상기 단계는 유도 배터리(traction battery)에 연결된 5상 인버터 스위치를 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다상 AC기기 제어방법.
  7. 제 4항에 있어서,
    2N+1상 전류를 생성하는 상기 단계는 직류전압버스에 연결된 5상 인버터를 제어하는 단계를 포함하고,
    상기 N AC기기의 제 1기기를 적어도 제 1수송힐에 연결하고, 상기 N AC기기의 제 2기기를 기계구동전원에 연결하는 부가적인 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다상 AC기기 제어방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 N AC기기의 제 2기기를 기계구동전원에 연결하는 상기 단계는 상기 N AC기기의 상기 제 2기기를 내연기관에 연결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하 는 다상 AC기기 제어방법.
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