KR100784649B1 - 단상 에스알엠 구동회로 및 구동방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 단상 에스알엠 구동회로 및 구동방법에 관한것으로, 본 발명의 실시예에 따른 단상 에스알엠 구동회로는 스위치드 리럭턴스 모터; 상기 스위치드 리럭턴스 모터에 에너지를 제공하는 전원전압; 상기 스위치드 리럭턴스 모터와 병렬로 접속되어 상기 전원전압의 에너지를 일시 저장한 후, 상기 스위치드 리럭턴스 모터에 제공하는 인버터 회로;를 구비하는 것을 특징으로 한다.
SRM, 고역률, 토크리플, 스위칭 토플로지, 방전전류 여자모드, 입력전류 여자모드

Description

단상 에스알엠 구동회로 및 구동방법{Single-Phase Switched Reluctance Motor Driving circuit And Driving Method thereof}
도 1은 종래의 단상 에스알엠 구동회로를 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 단상 에스알엠 구동회로를 나타낸 도면.
도 3a 내지 도 3d는 도 2의 구동모드에 따른 폐루프 형성을 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 단상 에스알엠 구동회로의 스위칭 토플로지를 나타낸 도면.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 단상 에스알엠 구동회로의 충전용 커패시터에 의한 토크리플 억제분석을 나타낸 도면.
도 6은 단상 에스알엠 구동회로의 토크리플 및 역률개선을 측정하기 위한 테스트 장비를 나타낸 예시도.
도 7a 및 도 7b는 각각 6000rpm에서의 종래의 비대칭 인버터회로에서의 전류 및 전압 값과 본 발명의 역률개선 인버터회로를 적용한 전류 및 전압값의 모의실험치를 각각 나타낸 도면.
도 8a 및 도 8b는 각각 도 7의 조건하에서 종래의 비대칭 인버터회로의 상전류와 출력토크파형 및 본 발명의 고역률 단상 SRM 구동회로의 상전류와 출력토크파 형을 각각 나타낸 도면.
도 9a 및 도 9b는 6000rpm에서의 피크 토크리플 저감을 위한 스위칭 토플로지를 적용한 본 발명의 고역률 단상 SRM 구동에서의 전원전압과 전류 및 상전류와 출력토크의 모의실험결과를 각각 나타낸 도면.
도 10a 및 도 10b는 6000rpm에서 본 발명에서 제공한 스위칭 토플로지를 적용했을 경우 및 적용하지 않았을 경우 각각의 실제 실험을 통해 얻은 전원측 전압과 전류, 상전류파형을 나타낸 도면.
도 11a 및 도 11b는 9000rpm에서 본 발명에서 제공한 스위칭 토플로지를 적용했을 경우, 무부하에서의 실험결과, 및 정격부하에서의 실험결과를 각각 나타낸 도면.
도 12a 및 도 12b는 본 발명의 역률개선 인버터회로에 토크리플 저감용 스위칭 토플로지를 적용했을 경우를 기존의 비대칭 인버터회로를 사용했을 경우와 비교하여 모의실험결과 및 실제실험결과를 각각 나타낸 도면.
도 13a 내지 도 13c는 SRM의 운전속도, 선행각, 커패시터의 용량에 따른 최대 피크 토크리플 값을 각각 나타낸 도면.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
10 : 다이오드 정류기 20 : 인버터회로
본 발명은 단상 에스알엠 구동회로 및 구동방법에 관한 것으로, 특히 토크리플을 최소화하고, 고역률을 달성할 수 있는 단상 에스알엠 구동회로 및 구동방법에 관한 것이다.
단상 SRM(Switched Reluctance Motor)은 전자기적인 구조와 구동회로가 간단하고, 기계적구조가 견고하며, 고효율, 고토크/광성비 및 넓은 범위의 가감속운전이 가능하여 여러 산업분야 및 가전분야에 그 적용범위를 넓히고 있다.
이러한, 단상 SRM을 구동하기 위해서는 상용전원으로부터 펄스형 전압을 인가하기 위한 다이오드 정류기 또는 AC/DC 컨버터와 SRM용 인버터 장치가 사용된다. 단상 SRM은 직류전압이 필수적이며, 일반적으로 AC/DC 컨버터와 필터용 대용량 커패시터로 구성된 회로를 통하여 직류전압을 얻고 있다.
도 1은 종래의 단상 SRM 구동회로를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 종래의 단상 SRM 구동회로는 상용전원(Vs)으로부터의 전원을 직류전원으로 정류하는 다이오드 정류기와, 피크 토크리플을 억제하기 위하여 대용량 커패시터를 포함하는 인버터 회로를 포함하여 구성된다.
이와 같은 종래의 필터용 대용량 커패시터를 가지는 인버터 회로를 이용하여 SRM을 구동하는 경우, 단상 SRM은 피크 토크리플은 억제가 가능하지만, 전원측에 연결된 대용량 커패시터의 충/방전으로 인하여 피크성 교류전류가 흐르게 되고, 그 에 따른 역률이 크게 저하되는 문제점을 가지고 있다.
이를 해결하기 위하여 국내외적으로 최근 PFC(Power Factor Correction)을 목적으로 하는 연구가 활발히 진행되고 있으나, 기존의 PFC회로는 전력회로와 제어회로의 구성이 복잡하고, 경제성이 덜어지거나, 역률이 개선되었으나, 토크리플이 크게 발생하는 등의 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 상기의 문제를 해결하기 위한 것으로, 단상 에스알엠에 제공되는 전원의 토크리플을 최소화하고, 고역률을 달성할 수 있는 단상 에스알엠 구동회로 및 구동방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 단상 에스알엠에 제공되는 직류전원의 토크리플을 최소화할 수 있는 인버터회로를 제안하고, 제안된 인버터 회로의 구동방법을 수학적으로 모델링하고 해석함으로써, 보다 명확하게 토크리플을 억제할 수 있는 단상 에스알엠 구동회로 및 구동방법을 제공하는데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 단상 에스알엠 구동회로는 스위치드 리럭턴스 모터; 상기 스위치드 리럭턴스 모터에 에너지를 제공하는 전원전압; 상기 스위치드 리럭턴스 모터와 병렬로 접속되어 상기 전원전압의 에너지를 일시 저장한 후, 상기 스위치드 리럭턴스 모터에 제공하는 인버터 회로; 를 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 인버터 회로는 상기 전원전압과 교번적으로 상기 스위치드 리럭턴스 모터에 에너지를 공급하는 것을 특징으로 한다.
상기 인버터 회로는 상기 스위치드 리럭턴스 모터와 접속되는 커패시터; 상기 스위치드 리럭턴스 모터의 일측과 상기 커패시터 사이의 제 1 노드; 상기 스위치드 리럭턴스 모터의 타측과 상기 커패시터 사이의 제 2 노드; 상기 제 1 노드와 상기 커패시터 사이에 접속되는 방전스위치; 상기 제 1 노드와 상기 제 2 노드 사이에 각각 배치되는 제 1 상스위치, 인덕터, 제 2 상스위치; 상기 방전스위치와 상기 커패시터 사이의 제 3 노드; 상기 제 1 상스위치와 상기 인덕터 사이의 제 4 노드; 상기 인덕터와 상기 제 2 상스위치 사이의 제 5 노드; 상기 방전스위치에 병렬로 접속되는 제 1 다이오드; 상기 제 3 노드와 상기 제 5 노드 사이에 접속되는 제 2 다이오드; 및 상기 제 4 노드와 상기 제 5 노드 사이에 접속되는 제 3 다이오드;를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 단상 에스알엠 구동방법은 전원전압의 에너지를 스위치드 리럭턴스 모터에 제공하는 단계; 인버터회로가 상기 전원전압과 교번적으로 상기 스위치드 리럭턴스 모터에 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 방법은 상기 인버터회로가 상기 전원전압이 상기 스위치드 리럭턴스 모터에 공급되는 동안 상기 전원전압의 에너지를 충전하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 스위치드 리럭턴스 모터는 전류확립구간, 토크발생구간, 전류회수구간 를 포함하며, 상기 인버터회로는 에너지회수용 커패시턴스를 포함하여 구성되며, 방전전류 여자모드, 입력전류 여자모드, 에너지 회수모드, 전원충전모드를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 전원전압의 전압을 Vs, 상기 커패시터의 전압을 Vc, 상기 스위치드 리럭턴스 모터의 전압을 Vm, Vsm을 상기 전원전압의 최대값, Vc-av를 상기 커패시터 충전전압의 평균값, Vcm을 상기 커패시터의 충전전압의 변동폭이라고 정의하는 경우, 상기 전원전압 Vs는
Figure 112006028092843-pat00001
상기 커패시터의 전압 Vc는
Figure 112006028092843-pat00002
인 것을 특징으로 한다.
상기 커패시터의 전압 Vc는 전원전압이 커패시터 전압 이상인 구간에서의 연산을 제외한 것을 특징으로 한다.
상기 전원전압의 전압을 Vs, 상기 커패시터의 전압을 Vc, θdw을 상기 스위치드 리럭턴스 모터의 도통각, θad를 상기 스위치드 리럭턴스 모터가 상기 커패시터 충전전압에 의해 구동되는 시점부터 회전자 극의 앞쪽 끝이 고정자 극의 끝과 만나게 되는 시점까지의 선행각, ωrm을 상기 스위치드 리럭턴스 모터의 회전속도, Lmin을 상기 스위치드 리럭턴스 모터의 최소인덕턴스 값, 상기 전원전압의 1주기 동안 최대 피크 상전류 imax 및 최소 피크 상전류 imin이
Figure 112006028092843-pat00003
일때,
Figure 112006028092843-pat00004
로 얻어지고, 최대 및 최소 토크가
Figure 112006028092843-pat00005
,
Figure 112006028092843-pat00006
일 경우, 상기 인버터 회로의 최대 피크 토크리플 △Tmax는
Figure 112006028092843-pat00007
, 인 것을 특징으로 한다.
상기 스위치드 리럭턴스 모터의 상전류는 일정한 값을 가지며, 상기 전원전압의 전류는 상기전원전압의 전압과 동위상인 것을 특징으로 한다.
상기 스위치드 리럭턴스 모터의 도통각에 현 위치정보의 싸인함수를 곱함으로써 얻어지는 값만큼의 구간에서, 상기 전원전압이 상기 스위치드 리럭턴스 모터에 에너지를 공급하는 단계; 상기 도통각의 나머지 구간에서 충전된 커패시터가 상기 스위치드 리럭턴스 모터에 에너지를 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 커패시터가 상기 전원전압보다 앞서 상기 스위치드 리럭턴스 모터에 에너지를 공급하는 것을 특징으로 한다.
상술한 목적 및 기타의 목적과 본 발명의 특징 및 이점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 단상 에스알엠 구동회로를 나타내는 도면이 다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 단상 에스알엠 구동회로는 등가적으로 다이오드 정류기(10)로 표현되는 AC/DC 컨버터와 상기 다이오드 정류기(10)에 에너지를 제공하는 전원전압(Vs), 다이오드 정류기(10)와 병렬로 접속되어 상기 전원전압(Vs)의 에너지를 일시 저장한 후, 단상 SRM에 제공하는 인버터 회로(20)를 포함하여 구성된다.
인버터 회로(20)는 도시된 바와 같이 다이오드 정류기(10)와 접속되는 커패시터(Cf), 다이오드 정류기(10)의 양극 단자(+)와 커패시터(Cf) 사이의 제 1 노드(N1), 다이오드 정류기(10)의 음극 단자(-)와 커패시터(Cf) 사이의 제 2 노드(N2), 제 1 노드(N1)와 커패시터(Cf) 사이에 접속되는 방전스위치(QF), 제 1 노드(N1)와 제 2 노드(N2) 사이에 배치되는 제 1 상스위치(QIU), SRM의 상권선(A), 제 2 상스위치(QID)와, 방전스위치(QF)와 커패시터(Cf) 사이의 제 3 노드(N3), 제 1 상스위치(QIU)와 상권선(A) 사이의 제 4 노드(N4), 상권선(A)와 제 2 상스위치(QID) 사이의 제 5 노드(N5), 방전스위치(QF)에 병렬로 접속되는 제 1 다이오드(Dc), 제 3 노드(N3)와 제 5 노드(N5) 사이에 접속되는 제 2 다이오드(DIU), 제 4 노드(N4)와 제 5 노드(N5) 사이에 접속되는 제 3 다이오드(DID)를 포함하여 구성된다.
이러한 인버터 회로(20)는 스위치의 구동방법에 따라 4개의 모드 즉, 각각 방전전류 여자모드, 입력전류 여자모드, 에너지 회수모드, 전원 충전모드를 포함하여 구동된다. 이를 도 3a 내지 도 3d를 참조하여 설명하기로 한다.
도 3a는 방전전류 여자모드에서 형성되는 폐루프를 나타내며, 도 3b는 입력전류 여자모드, 도 3c는 에너지 회수모드, 도 3d는 전원 충전모드에서 형성되는 폐루프를 각각 나타낸다. 설명에 앞서, 커패시터(Cf)는 적정 전압으로 미리 충전되어 있는 것으로 가정한다.
도 3a를 참조하면, 방전전류 여자모드는 방전스위치(QF), 제 1 상스위치(QIU) 및 제 2 상스위치(QID)가 모두 온일 경우, 충전된 커패시터(Cf)의 전압이 전원전압(Vs) 전압보다 높을 때 나타나며, 이 방전전류 여자모드에서, SRM의 제 1 상전류(i1)는 제 3 노드(N3), 방전스위치(QF), 제 1 노드(N1), 제 1 상스위치(QIU), 제 4 노드(N4), 인덕터(A), 제 5 노드(N5), 제 2 상스위치(QID), 제 2 노드(N2)로 형성된 폐루프를 통하여 흐른다. 전류확립구간에서 이 방전전류 여자모드로 작동할 경우, 충전된 커패시터(Cf)의 높은 전압은 신속하게 필요한 상전류를 생성할 수 있다. 낮은 전원전압 구간에서 이 방전전류 여자모드로 작동하면, 필요한 상전류를 생성함에 있어서 많은 시간을 소요하거나 또는 필요한 상전류를 생성할 수 없는 문제를 해결할 수 있다. 이때의 회로방정식은 수학식 1과 같다.
Figure 112006028092843-pat00008
여기서, R는 SRM의 상 저항값, i1는 제 1 상전류값, Lmin는 SRM의 최소인덕턴스 값, Cf는 에너지회수용 커패시턴스 값이다.
한편, 토크발생구간에서 방전전류 여자모드로 작동할 경우, 커패시터(Cf)에 축적되어 있는 전기에너지가 SRM의 기계에너지로 전환할 수 있다. 낮은 전원전압 구간에서 방전류전류 여자모드로 작동하면, SRM은 부하토크를 발생함에 있어서 필요한 상전류를 형성할 수 있으므로, 가변 전원전압으로 인해 나타나는 출력토크의 리플을 감소시킬 수 있다. 이때의 회로방정식은 수학식 2와 같다.
Figure 112006028092843-pat00009
여기서, R는 SRM의 상 저항값, i1는 제 1 상전류값, L(θ)는 SRM의 인덕턴스 값, Cf는 에너지회수용 커패시턴스 값, ωrm은 SRM의 회전속도이다.
도 3b를 참조하면, 입력전류 여자모드는 제 1 상스위치(QIU)및 제 2 상스위치(QID)가 온일 경우, 전원전압(Vs) 전압이 커패시터(Cf)의 전압보다 높거나 방전스위치(QF)가 오프되었을때 나타나며, 이때, SRM의 제 2 상전류(i2)는 다이오드 정류 기(10), 제 1 노드(N1), 제 1 상스위치(QIU), 제 4 노드(N4), 인덕터(A), 제 5 노드(N5), 제 2 상스위치(QID), 제 2 노드(N2)로 이루어지는 폐루프를 통하여 흐른다. 전류확립구간에서 이 입력전류 여자모드로 작동할 경우, 전원전압(Vs)으로 필요한 상전류를 생성하도록 하는데, 이는 전원전압(Vs)이 높은 구간에서 커패시터(Cf)를 경유하지 않고 전원전압(Vs)으로 바로 필요한 상전류를 생성하게 한다. 이 경우의 회로방정식은 수학식 3과 같다.
Figure 112006028092843-pat00010
한편, 토크발생구간에서 이 입력전류 여자모드로 작동하게 할 경우, 전원측의 전기에너지가 직달로 SRM의 기계에너지로 전환할 수 있어, 구동시스템의 역률개선에 기여한다. 이 경우의 회로방정식은 수학식 4와 같다.
Figure 112006028092843-pat00011
도 3c를 참조하면, 에너지 회수모드는 방전스위치(QF), 제 1 상스위치(QIU) 및 제 2 상스위치(QID)가 모두 오프 되는 순간부터 시작되며, 휠링다이오드 즉 제 2 다이오드(DIU) 및 제 3 다이오드(DID)를 통하여 상권선(A)에 남아있는 무효전력을 커 패시터(Cf)로 회수하도록 한다. 즉, 에너지 회수모드시 흐르는 회수전류(i3)는 제 2 노드(N2), 제 3 다이오드(DID), 제 4 노드(N4), 상권선(A), 제 5 노드(N5), 제 2 다이오드(DIU), 제 3 노드(N3), 커패시터(Cf)로 이루어진 폐루프를 따라 이동함으로써 커패시터(Cf)에 에너지가 회수되게 된다. 이때의 회로방정식은 수학식 5와 같다.
Figure 112006028092843-pat00012
도 3d를 참조하면, 전원 충전모드는 제 1 상스위치(QIU) 및 제 2 상스위치(QID)에 상관없이, 전원전압(Vs)이 커패시터(Cf)의 전압보다 높을 때 나타난다. 즉, 전원 충전모드는 제 2 노드(N2), 전원전압(Vs), 제 1 노드(N1), 제 1 다이오드(Dc), 제 3 노드(N3) 및 커패시터(Cf)로 이루어진 폐루프를 형성하고, 상기 전원전압(Vs)의 에너지가 상기 커패시터(Cf)에 공급되며, 이때, 커패시터(Cf)로 흐르는 충전전류(i4)는 수학식 6과 같다.
Figure 112006028092843-pat00013
이와 같은 방식으로 구동되는 본 발명의 단상 SRM 구동회로는 도 4에 도시된 바와 같은 스위칭 토플로지를 나타낸다.
도 4는 토크리플 억제와 역률개선을 위한 스위칭 토플로지를 나타낸 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이 SRM의 토크발생구간에서 출력토크리플이 적은 출력토크를 발생하려면, SRM의 상전류가 im과 같이 일정한 값이여야 하며, 동시에, SRM의 고역률 구동을 위해서는 전원전류(is)가 입력전원전압 Vs와 동위상인 정현파 파형을 이루어야 한다.
따라서, 위의 두 개 조건을 동시에 만족시키기 위해서 충전된 에너지회수용 커패시터(Cf)는 저장된 전기에너지로 그 차액만큼 보상해주면 된다. 즉, 토크리플의 억제와 역률 개선을 위하여 방전전류 여자모드와 입력전류 여자모드의 작동주기를 적절하게 조절함으로써, 전기에너지의 차액을 보상할 수 있다. 이러한 전기에너지의 보상은 제 1 상스위치(QIU) 및 제 2 상스위치(QID)의 턴-온구간인 도통구간에서 방전스위치(QF)의 온오프 전환시점을 조절함으로써 달성할 수 있다. 즉, 도 4의 ▩부분의 면적과 ▨부분의 면적이 같을 경우, 전기에너지의 차액 보상이 이루어지게 되며, 이를 위하여, 다음 수학식 7 및 8이 만족되어야 한다.
Figure 112006028092843-pat00014
Figure 112006028092843-pat00015
여기서, θx는 SRM이 입력전류 여자모드로 작동하는 구간, θdw는 도통각을 각각 나타낸다.
한편, SRM이 방전전류 여자모드로 동작하는 구간은 θdw(1-sinθ)가 될 것이며, 이 구간동안 SRM에 투입되는 전기에너지도 공극적으로는 전원에서 공급한 것으로서, 실제 전원입력측의 전류는 앞에서 언급한 is보다 큰 i* s가 된다.
이러한 스위칭 토플로지를 가지는 본 발명의 SRM에 있어서, 커패시터(Cf)에 의한 토크리플의 억제에 관하여 도 5를 참조하여 상세히 살펴보기로 한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 인버터 회로를 구동하였을 경우, SRM의 각 요소들 즉, 전원전압(Vs), 커패시터 전압(Vc), SRM의 상전압(Vm) 및 상전류(im) 파형을 나타낸 도면이다.
도 5에서, 전원전압 Vs는 수학식 9와 같이 주어진다고 가정한다.
Figure 112006028092843-pat00016
스위칭 토플로지에 따르면, 전원전압(Vs)이 높은 구간에서 전원측이 주로 SRM에 에너지를 공급해주며 이때, 커패시터(Cf)의 충전에너지가 방전에너지보다 더 많게 되어 커패시터(Cf)의 전압이 커진다. 반면, 전원전압(Vs)이 낮은 구간에서는 커패시터(Cf)의 방전에너지가 충전에너지보다 더 많게 되면서 커패시터(Cf)의 전압이 작아진다. 그 전압파형을 도시화하면 도 5의 상측 곡선모양과 같다. 특히, DE구간에서 전원전압(Vs)이 커패시터 전압(Vc)보다 클 경우로서, 전원측이 직달로 SRM과 커패시터(Cf)에 에너지를 공급해준다. 여기서, 분석의 편의를 위하여, 커패시터(Cf) 전압파형을 도시된 바와 같이 약간의 수정을 하여, 다음 수학식 10을 만족하는 정현파라고 가정한다. 이러한 가정은 에너지에 관련된 연산점이 DE구간에 존재하지 않을 때, 가능하다.
Figure 112006028092843-pat00017
여기서, SRM은 θdw의 도통각, θad의 선행각으로 ωrm의 속도로 회전하고 있다고 가정한다.
한편, 도 5의 A점에서의 전원전압(Vs)이 0이므로, SRM은 도통각의 전 구간에 충전된 커패시터(Cf) 전압에 의해 작동되며, B점에서는 도통각의 전 구간, 전원전압(Vs)에 의해 SRM이 작동된다.
A점의 전류확립구간과 토크발생구간에서의 커패시터 방전에너지 및 자계에너지를 회수하는 전류소호구간에서의 커패시터 충전에너지 W1A, W2A, W3A 각각은 다음 수학식 11, 12, 13과 같다.
Figure 112006028092843-pat00018
Figure 112006028092843-pat00019
Figure 112006028092843-pat00020
수학식 11, 12, 13에서, W1A, W2A, W3A는 각각 전류확립구간, 토크발생구간, 전류소호구간에서의 커패시터의 충/방전에너지를 나타내고, Lmin, Loff는 각각 SRM의 최소인덕턴스 값, 제 1 상스위치(QIU) 및 제 2 상스위치(QID) 오프시 인덕턴스(A) 값 을 나타내며, K(θ)는 인덕턴스 상승구간에서 인덕턴스가 회전자 위치에 대한 증가율을 나타낸다.
한편, 위 3구간 즉, 전류확립구간, 토크발생구간, 전류소호구간을 거친 후, 커패시터(Cf)에 새로 축적된 전기에너지(△WA)는 다음 수학식 14와 같다.
Figure 112006028092843-pat00021
수학식 14에서, C는 커패시터의 용량, ω는 전원주파수, P는 회전자 극수를 각각 나타낸다.
또한, B점의 전류확립구간과 토크발생구간에서의 커패시터 충/방전에너지는 0이고, 전류소호구간에서의 커패시터 충전에너지(W3B)는 다음 수학식 15와 같다.
Figure 112006028092843-pat00022
한편, B점에서 3구간 즉, 전류확립구간과 토크발생구간 및 전류소호구간을 거친 후, 커패시터에 새로 축적된 전기에너지(△WB)는 다음 수학식 16과 같다.
Figure 112006028092843-pat00023
에너지보존의 법칙에 의하여 A, B점에서의 SRM과 커패시터 간의 에너지교환 관계는 다음 연립방정식인 수학식 17을 만족한다.
Figure 112006028092843-pat00024
위의 수학식 17을 풀면, 커패시터의 전압방정식 수학식 10의 게인 Vcm과 Vc-av를 얻을 수 있다. 따라서, 전원전압의 1주기동안, 최대 및 최소 피크 상 전류, imax, imin은 다음 수학식 18의 최대 및 최소값이다.
Figure 112006028092843-pat00025
여기서,
Figure 112006028092843-pat00026
결과적으로, 제안된 인버터 회로(20)로 SRM을 구동할 경우 SRM의 최대피크토크 Tmax와 최소피크토크 Tmin은 다음 수학식 19 및 20으로부터 얻어진다.
Figure 112006028092843-pat00027
Figure 112006028092843-pat00028
따라서, 제안된 인버터 회로(20)으로 구동할 경우의 최대 피크 토크리플은 다음 수학식 21로부터 구할 수 있다.
Figure 112006028092843-pat00029
이하, MATLAB을 이용한 모의실험과 도 6에 도시된 테스트 장비를 이용한 실제실험을 통하여 본 발명의 실시예에 따른 단상 SRM 구동회로의 토크리플 및 역률 개선효과를 검증하기로 한다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 단상 SRM 구동회로의 테스트 장비는 오실로 스코프, 다이나노미터 제어기, 다이나노미터, SRM, SRM 구동회로, 엔코더, DSP 제어기, 모니터, 전력 측정기를 포함하여 구성된다. 이와 같은 구성을 가지는 테스트 장비를 이용한 실제실험 및 MATLAB을 이용한 모의실험을 통하여 종래 단상 SRM 구동회로의 역률 및 토크리플의 테스트 데이터와, 본 발명의 단상 SRM 구동회로의 역률 및 토크리플의 테스트 데이터를 도 7a 내지 도 13c를 참조하여 검 증하기로 한다.
도 7a 및 도 7b는 각각 6000rpm에서의 종래의 비대칭 인버터회로에서의 전류 및 전압 값과 본 발명의 역률개선 인버터회로를 적용한 전류 및 전압값의 모의실험치를 나타낸 도면이다. 도시된 바와 같이, 기존의 단상 에스알엠 구동회로의 역률은 0.34이고, 고역률 단상 에스알엠 구동회로의 역률은 0.44로서 역률이 현저하게 개선되었음을 알 수 있다.
도 8a 및 도 8b는 각각 도 7의 조건하에서 종래의 비대칭 인버터회로의 상전류와 출력토크파형 및 본 발명의 고역률 단상 SRM 구동회로의 상전류와 출력토크파형을 나타낸 도면이다. 도 8a 및 도 8b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 SRM 구동회로로 SRM을 구동할 경우, 역률은 개선됨과 아울러, 피크 토크리플이 발생함을 알 수 있다.
도 9a 및 도 9b는 6000rpm에서의 피크 토크리플 저감을 위한 스위칭 토플로지를 적용한 본 발명의 고역률 단상 SRM 구동에서의 전원전압과 전류 및 상전류와 출력토크의 모의실험결과를 나타낸 도면이다.
또한, 도 10a는 6000rpm에서 본 발명에서 제공한 스위칭 토플로지를 적용했을 경우, 도 10b는 본 발명에서 제공한 스위칭 토플로지를 적용하지 않았을 때 실제 실험을 통해 얻은 전원측 전압과 전류, 상전류파형을 나타낸 도면이다.
그리고, 도 11a는 9000rpm에서 본 발명에서 제공한 스위칭 토플로지를 적용했을 경우, 무부하에서의 실험결과, 도 11b는 정격부하에서의 실험결과를 나타낸 도면이다.
도 9a 및 도 9b의 모의실험과 도 10a와 도 10b 및 도 11a와 도 11b의 실제실험 결과로부터 본 발명에서 제공한 스위칭 토플로지로 도 2와 같은 역률개선회로를 구동할 경우, 역률개선과 피크 토크리플의 억제를 동시에 도모할 수 있음을 알 수 있다.
도 12a는 본 발명의 역률개선 인버터회로에 토크리플 저감용 스위칭 토플로지를 적용했을 경우를 기존의 비대칭 인버터회로를 사용했을 경우와 비교하여 모의실험결과를, 도 12b는 실제실험결과를 나타낸 도면이다. 도시된 바와 같이, 본 발명의 역률개선 인버터회로 통하여 뚜렷한 역률개선효과가 나타남을 알 수 있다.
도 13a 내지 도 13c는 상기의 분석방법으로 얻은 SRM의 운전속도, 선행각, 커패시터의 용량에 따른 최대 피크 토크리플 값을 나타낸 도면이다. 그 중, 도 13a는 운전속도가 일정할 경우, 도 13b는 선행각이 일정할 경우, 도 13c 커패시턴스 값이 일정할 경우, 최대 피크 토크리플의 변화를 나타낸 도면이다. 도 13a 내지 도 13c로부터 본 발명에서 제공한 스위칭 토플로지로 도 2와 같은 역률개선회로를 구동할 경우, 최대 피크 토크리플은 운전속도와 선행각의 증가 및 커패시터의 용량의 감소에 따라 커짐을 알 수 있다. 또한, 커패시터의 용량이 작은 영역에서 그 값이 최대 피크 토크리플에 매우 민감하게 작용함을 알 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 단상 에스알엠 구동회로 및 구동방법은 단상 SRM에 제공되는 전원의 고역률을 달성하고, SRM의 토크리플 을 최소화할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 단상 에스알엠 구동회로 및 구동방법은 역률개선 인버터회로를 이용하여, 역률개선과 토크리플 저감을 동시에 실현할 수 있고, 단상 에스알엠 구동시스템의 모델링을 통하여 토크리플 저감효과에 대한 이론적 해석방법을 제시함으로써, 시스템의 각 변수, 특히 토크리플에 크게 영향을 미치는 커패시터의 용량 선정을 보다 용이하게 할 수 있다.
아울러 본 발명의 바람직한 실시예들은 예시의 목적을 위해 개시된 것이며, 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가 등이 가능할 것이며, 이러한 수정 변경 등은 이하의 특허청구의 범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

Claims (25)

  1. 스위치드 리럭턴스 모터;
    상기 스위치드 리럭턴스 모터에 에너지를 제공하는 전원전압; 및
    상기 스위치드 리럭턴스 모터와 병렬로 접속되어 상기 전원전압의 에너지를 일시 저장한 후, 상기 스위치드 리럭턴스 모터에 제공하는 인버터 회로;를 포함하며,
    상기 인버터 회로는, 상기 스위치드 리럭턴스 모터와 접속되는 커패시터; 상기 스위치드 리럭턴스 모터의 일측과 상기 커패시터 사이의 제 1 노드; 상기 스위치드 리럭턴스 모터의 타측과 상기 커패시터 사이의 제 2 노드; 상기 제 1 노드와 상기 커패시터 사이에 접속되는 방전스위치; 상기 제 1 노드와 상기 제 2 노드 사이에 각각 배치되는 제 1 상스위치, 상권선, 제 1 상스위치; 상기 방전스위치와 상기 커패시터 사이의 제 3 노드; 상기 제 1 상스위치와 상권선 사이의 제 4 노드; 상권선과 상기 제 2 상스위치 사이의 제 5 노드; 상기 방전스위치에 병렬로 접속되는 제 1 다이오드; 상기 제 3 노드와 상기 제 5 노드 사이에 접속되는 제 2 다이오드; 및 상기 제 4 노드와 상기 제 5 노드 사이에 접속되는 제 3 다이오드;를 구비하는 것을 특징으로 하는 단상 에스알엠 구동회로.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 인버터 회로는
    상기 전원전압과 교번적으로 상기 스위치드 리럭턴스 모터에 에너지를 공급하는 것을 특징으로 하는 단상 에스알엠 구동회로.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 인버터 회로는
    상기 제 1 상스위치, 상기 제 2 상스위치 및 상기 방전스위치가 턴-온이고, 상기 커패시터의 전압이 상기 전원전압보다 높은 경우, 상기 제 3 노드, 상기 방전스위치, 상기 제 1 노드, 상기 제 1 상스위치, 상기 제 4 노드, 상권선, 상기 제 5 노드, 상기 제 2 상스위치 및 상기 제 2 노드로 이루어지는 제 1 폐루프를 형성하고, 상기 커패시터의 전압이 상기 스위치드 리럭턴스 모터에 공급되는 것을 특징으로 하는 단상 에스알엠 구동회로.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 인버터 회로는
    상기 제 1 상스위치 및 상기 제 2 상스위치가 턴-온이고, 상기 전원전압의 전압이 상기 커패시터의 전압보다 높거나 상기 방전스위치가 턴-오프되는 경우, 상기 스위치드 리럭턴스 모터, 상기 제 1 노드, 상기 제 1 상스위치, 상기 제 4 노드, 상권선, 상기 제 5 노드, 상기 제 2 상스위치 및 상기 제 2 노드로 이루어지는 제 2 폐루프를 형성하고, 상기 전원전압의 전압이 상기 스위치드 리럭턴스 모터에 공급되는 것을 특징으로 하는 단상 에스알엠 구동회로.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 인버터 회로는
    상기 방전스위치, 상기 제 1 상스위치 및 상기 제 2 상스위치가 모두 턴-오프 되는 경우, 상기 제 2 노드, 상기 제 3 다이오드, 상기 제 4 노드, 상권선, 상기 제 5 노드, 상기 제 2 다이오드, 상기 제 3 노드 및 상기 커패시터로 이루어진 제 3 폐루프를 형성하고, 상권선에 저장된 에너지를 상기 커패시터에 에너지가 회수하는 것을 특징으로 하는 단상 에스알엠 구동회로.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 인버터 회로는 상기 전원전압이 상기 커패시터의 전압보다 높은 경우, 상기 제 2 노드, 상기 전원전압, 상기 제 1 노드, 상기 제 1 다이오드, 상기 제 3 노드 및 상기 커패시터로 이루어진 제 4 폐루프를 형성하고, 상기 전원전압의 에너지가 상기 커패시터에 공급되는 것을 특징으로 하는 단상 에스알엠 구동회로.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 전원전압은
    정현파 전압인 것을 특징으로 하는 단상 에스알엠 구동회로.
  9. 전원전압의 에너지를 스위치드 리럭턴스 모터에 제공하는 단계; 및
    인버터회로가 상기 전원전압과 교번적으로 상기 스위치드 리럭턴스 모터에 제공하는 단계를 포함하며,
    상기 스위치드 리럭턴스 모터는, 전류확립구간, 토크발생구간 및 전류회수구간를 포함하며, 상기 인버터회로는 에너지회수용 커패시턴스를 포함하여 구성되며, 방전전류 여자모드, 입력전류 여자모드, 에너지 회수모드 및 전원충전모드를 포함하는 것을 특징으로 하는 단상 에스알엠 구동방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 인버터회로가 상기 전원전압이 상기 스위치드 리럭턴스 모터에 공급되는 동안 상기 전원전압의 에너지를 충전하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 단상 에스알엠 구동방법.
  11. 삭제
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 전류확립구간에서 상기 방전전류 여자모드로 작동하고,
    R가 상기 스위치드 리럭턴스 모터의 상 저항값,
    Lmin이 상기 스위치드 리럭턴스 모터의 최소인덕턴스 값,
    Cf가 상기 에너지회수용 커패시턴스 값 및
    i1이 상기 방전전류 여자모드에서의 상전류일 경우,
    상기 커패시턴스의 전압 Vc는
    Figure 112007049453411-pat00030
    인 것을 특징으로 하는 단상 에스알엠 구동방법.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 토크발생구간에서 상기 방전전류 여자모드로 작동하고,
    R가 상기 스위치드 리럭턴스 모터의 상 저항값,
    L(θ)가 상기 스위치드 리럭턴스 모터의 인덕턴스 값,
    Cf가 상기 에너지회수용 커패시턴스 값,
    ωrm이 상기 스위치드 리럭턴스 모터의 회전속도 및
    i1이 상기 방전전류 여자모드에서의 상전류일 경우,
    상기 커패시턴스의 전압 Vc는
    Figure 112007049453411-pat00031
    인 것을 특징으로 하는 단상 에스알엠 구동방법.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 전류확립구간에서 상기 입력전류 여자모드로 작동할 경우,
    R가 상기 스위치드 리럭턴스 모터의 상 저항값,
    Lmin이 상기 스위치드 리럭턴스 모터의 최소인덕턴스 값 및
    i2가 상기 입력전류 여자모드에서의 상전류일 경우,
    상기 전원전압의 전압 Vs는
    Figure 112007049453411-pat00032
    인 것을 특징으로 하는 단상 에스알엠 구동방법.
  15. 제 9 항에 있어서,
    상기 토크발생구간에서 상기 입력전류 여자모드로 작동할 경우,
    R가 상기 스위치드 리럭턴스 모터의 상 저항값,
    L(θ)가 상기 스위치드 리럭턴스 모터의 인덕턴스 값,
    ωrm이 상기 스위치드 리럭턴스 모터의 회전속도 및
    i2가 상기 입력전류 여자모드에서의 상전류일 경우,
    상기 전원전압의 전압 Vs는
    Figure 112007049453411-pat00033
    인 것을 특징으로 하는 단상 에스알엠 구동방법.
  16. 제 9 항에 있어서,
    상기 에너지 회수모드에서
    R가 상기 스위치드 리럭턴스 모터의 상 저항값,
    L(θ)가 상기 스위치드 리럭턴스 모터의 인덕턴스 값,
    ω가 전원주파수,
    Cf가 상기 에너지회수용 커패시턴스 값 및
    i3가 상기 에너지 회수모드에서의 상전류일 경우,
    상기 에너지회수용 커패시터에 회수되는 에너지 -Vc는
    Figure 112007049453411-pat00034
    인 것을 특징으로 하는 단상 에스알엠 구동방법.
  17. 제 9 항에 있어서,
    상기 전원 충전모드에서
    Cf가 상기 에너지회수용 커패시턴스 값 및
    i4가 상기 전원 충전모드에서의 상전류일 경우,
    상기 전원전압의 전압 Vs는
    Figure 112007049453411-pat00035
    인 것을 특징으로 하는 단상 에스알엠 구동방법.
  18. 제 9 항에 있어서,
    상기 전원전압의 전압을 Vs,
    상기 커패시터의 전압을 Vc,
    상기 스위치드 리럭턴스 모터의 전압을 Vm,
    Vsm을 상기 전원전압의 최대값,
    Vc-av를 상기 커패시터 충전전압의 평균값 및
    Vcm을 상기 커패시터의 충전전압의 변동폭이라고 정의하는 경우,
    상기 전원전압 Vs는
    Figure 112007049453411-pat00036
    상기 커패시터의 전압 Vc는
    Figure 112007049453411-pat00037
    인 것을 특징으로 하는 단상 에스알엠 구동방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 커패시터의 전압 Vc는
    전원전압이 커패시터 전압 이상인 경우에서의 연산을 제외한 것을 특징으로 하는 단상 에스알엠 구동방법.
  20. 제 9 항에 있어서,
    상기 커패시터에 충전된 전압에 의해 상기 스위치드 리럭턴스 모터가 구동되는 동안,
    θdw을 상기 스위치드 리럭턴스 모터의 도통각,
    θad를 상기 스위치드 리럭턴스 모터가 상기 커패시터 충전전압에 의해 구동되는 시점부터 회전자 극의 앞쪽 끝이 고정자 극의 끝과 만나게 되는 시점까지의 선행각,
    ωrm을 상기 스위치드 리럭턴스 모터의 회전속도,
    Lmin을 상기 스위치드 리럭턴스 모터의 최소인덕턴스 값,
    Loff를 상기 커패시터에 연결된 상 스위치가 턴-오프될시 인덕턴스 값,
    K(θ)를 인덕턴스에 대한 회전자 위치 증가율,
    C는 상기 커패시터의 용량,
    ω는 전원주파수 및
    P는 회전자 극수일 경우,
    상기 전류확립구간에서의 상기 커패시터에 방전에너지 W1A는
    Figure 112007049453411-pat00038
    ,
    상기 토크발생구간에서의 상기 커패시터 방전에너지 W2A는
    Figure 112007049453411-pat00039
    ,
    상기 전류회수구간에서의 상기 커패시터 충전에너지 W3A는
    Figure 112007049453411-pat00040
    ,
    상기 전류확립구간, 상기 토크발생구간 및 상기 전류회수구간 이후의 상기 커패시터에 충전되는 에너지 △WA는
    Figure 112007049453411-pat00041
    , 인 것을 특징으로 하는 단상 에스알엠 구동방법.
  21. 제 9 항에 있어서,
    상기 전원전압의 전압에 의해 상기 스위치드 리럭턴스 모터가 구동되는 동안,
    θdw을 상기 스위치드 리럭턴스 모터의 도통각,
    θad를 상기 스위치드 리럭턴스 모터가 상기 커패시터 충전전압에 의해 구동되는 시점부터 회전자 극의 앞쪽 끝이 고정자 극의 끝과 만나게 되는 시점까지의 선행각,
    ωrm을 상기 스위치드 리럭턴스 모터의 회전속도,
    Lmin을 상기 스위치드 리럭턴스 모터의 최소인덕턴스 값,
    Loff를 상기 커패시터에 연결된 상 스위치가 턴-오프될시 인덕턴스 값,
    K(θ)를 인덕턴스에 대한 회전자 위치 증가율,
    C는 상기 커패시터의 용량,
    ω는 전원주파수 및
    P는 회전자 극수일 경우,
    상기 전류확립구간 및 상기 토크발생구간에서의 충방전 에너지는 0이며,
    상기 전류회수구간에서의 상기 커패시터 충전에너지 W3B는
    Figure 112007049453411-pat00042
    ,
    상기 전류확립구간, 상기 토크발생구간 및 상기 전류회수구간 이후의 상기 커패시터에 충전되는 에너지 △WB는
    Figure 112007049453411-pat00043
    , 인 것을 특징으로 하는 단상 에스알엠 구동방법.
  22. 제 9 항에 있어서,
    상기 전원전압의 전압을 Vs,
    상기 커패시터의 전압을 Vc,
    θdw을 상기 스위치드 리럭턴스 모터의 도통각,
    θad를 상기 스위치드 리럭턴스 모터가 상기 커패시터 충전전압에 의해 구동되는 시점부터 회전자 극의 앞쪽 끝이 고정자 극의 끝과 만나게 되는 시점까지의 선행각,
    ωrm을 상기 스위치드 리럭턴스 모터의 회전속도,
    Lmin을 상기 스위치드 리럭턴스 모터의 최소인덕턴스 값 및
    상기 전원전압의 1주기 동안 최대 피크 상전류 imax 및 최소 피크 상전류 imin이
    Figure 112007049453411-pat00044
    일때,
    Figure 112007049453411-pat00045
    에서의 최대 및 최소이고,
    Figure 112007049453411-pat00046
    ,
    Figure 112007049453411-pat00047
    일 경우,
    상기 인버터 회로의 최대 피크 토크리플 △Tmax는
    Figure 112007049453411-pat00048
    , 인 것을 특징으로 하는 단상 에스알엠 구동방법.
  23. 제 9 항에 있어서,
    상기 스위치드 리럭턴스 모터의 상전류는 일정한 값을 가지며,
    상기 전원전압의 전류는 상기전원전압의 전압과 동위상인 것을 특징으로 하는 단상 에스알엠 구동방법.
  24. 제 9 항에 있어서,
    상기 커패시터가 상기 전원전압보다 앞서 상기 스위치드 리럭턴스 모터에 에너지를 공급하는 것을 특징으로 하는 단상 에스알엠 구동방법.
  25. 상기 스위치드 리럭턴스 모터의 도통각에 현 위치정보의 싸인함수를 곱함으로써 얻어지는 값만큼의 구간에서, 상기 전원전압이 상기 스위치드 리럭턴스 모터에 에너지를 공급하는 단계;
    상기 도통각의 나머지 구간에서 충전된 커패시터가 상기 스위치드 리럭턴스 모터에 에너지를 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 단상 에스알엠 구동방법.
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