KR100984496B1 - 과변조를 가진 인버터 동작 시스템 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

로드로 전력을 전달하기 위해 3 상 직렬연결 셀로 구성된 복수의 전력셀을 포함하는 가변 주파수 드라이브로서, 상기 드라이브는 과변조를 이용하여 각 전력셀의 출력 전압을 증가시키도록 동작된다.
가변 주파수 드라이브, 전력셀, 변압기, 제 2 권선, 3 상 전력, 입력부, 단상 전력셀, 3 상 모터, 출력부, 제어 시스템, 이벤트, 과변조

Description

과변조를 가진 인버터 동작 시스템 및 그 방법{INVERTER OPERATION WITH 0VER­MODULATION}
본 출원서는 하나 이상의 인버터를 사용하는 가변 주파수 드라이브와 같은 전자 디바이스에 관한 것이다. 특히, 본 출원서는 과변조를 이용한 인버터 셋트를 동작시키는 방법 및 시스템에 관한 것이다.
가변 주파수 교류(AC) 드라이브는 로드로 전력을 전달하는 다양한 애플리케이션에 사용된다. 예를 들면, 도 1은 그 전체가 본문에 참조에 의해 통합된, Hammond의 미국 특허 5,625,545에 기술된 것과 같은 인버터를 가진 직렬 연결 전력셀을 구비한 드라이브 회로를 도시한다. 도 1을 참조하면, 변압기(110)는 전력셀 어레이를 통해 3 상 인덕션 모터와 같은 로드(130)로 3 상, 중간 전압 전력을 전달한다. 상기 변압기(110)는 임의의 수의 제 2 권선(114-125)을 여자시키는 주권선(112)을 포함한다. 주권선(112)이 성망형 구성을 가지는 것으로 도시되었지만, 메쉬 구성도 가능하다. 또한, 제 2 권선(114-125)이 메쉬구성을 가지는 것으로 도시되었지만, 성망형 구성의 제 2 권선이 가능하고, 또는 성망형과 메쉬 구성의 권선의 조합이 사용될 수 있다. 또한, 도 1에 도시된 제 2 권선의 수는 단순한 예일 뿐, 임의의 다른 수의 제 2 권선이 가능하다. 상기 회로는 중간 전압 애플리케이 션에서 사용될 수 있고, 또는 일부 실시예에서는 다른 애플리케이션에 사용될 수 있다. 국부 제어 시스템(192)이 각 셀에서 트랜지스터를 턴온 또는 턴오프 하는 것과 같이 각 전력셀을 제어하는 데에 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 국부 제어 시스템(192)은 무선 또는 유선 통신 네트워크(190)를 통해 중앙 제어 시스템(195)에 의해 지시된다.
각 제 2 권선은 3 상 직렬 연결 전력 셀이 로드(130)로 3 상 전력을 전달하기 위해 연결되도록 전용 전력셀(151-153, 161-163, 171-173, 181-183)에 전기적으로 연결된다.
도 1에 도시된 상(phase)당 셀의 수는 예시이고, 상당 4 개 이상의 셀, 또는 그 이하의 셀이 다양한 실시예에서 가능함에 유의하라. 예를 들면, 2300볼트 AC(VAC) 인덕티브 모터 로드에 적용될 수 있는 일 실시예에서, 3개의 전력셀이 3 상 출력 라인 각각에 대해 사용될 수 있다. 4160 VAC 인덕티브 모터 로드에 적용될 수 있는 또다른 실시예에서, 5 개의 전력셀이 3 상 출력 라인의 각각에 대해 사용될 수 있다. 이러한 실시예는 약 +/- 3000볼트 DC(VDC), +/- 2400 VDC, +/- 1800 VDC, +/- 1200 VDC, +/- 600 VDC, 및 제로 VDC를 포함하는 11개의 전압 스테이지를 갖는다.
도 1에 기술된 회로를 포함하지만, 그에 한정되는 것은 아닌, 직렬연결된 인버터를 사용하는 회로 구성의 크기 및/또는 비용을 감소시키는 것을 돕는 방법 및 시스템을 찾는 것이 바람직하다. 본 문에 포함된 설명은 상술한 하나 이상의 문제를 해결하는 방법 및 시스템을 기술한다.
일실시예에서, 가변 주파수 드라이브는 복수의 전력셀을 포함한다. 각 전력셀은 변압기의 제 2 권선으로부터의 3 상 전력을 수신하는 입력부를 가지고, 각각의 전력셀은 3 상 모터의 상으로 단상 전력을 전달하는 출력부를 가진다. 제어 시스템은 각 전력셀의 동작을 제어한다. 제어 시스템은 미리정해진 이벤트의 발생시 과변조를 이용하여 각 전력셀의 출력 전압을 증가시키도록 프로그래밍된다. 상기 미리정해진 이벤트는 예를 들면, 정격 속도의 미리 정해진 퍼센트에 도달한 모터의 정상 상태 동작, 임계레벨을 넘는 전압 변화의 검지, 또는 적어도 하나의 전력셀의 바이패스의 검지중 적어도 하나를 포함한다.
일실시예에서, 각 전력셀은 약 740 볼트 내지 약 780 볼트의 입력 AC 전압으로 동작되도록 정격되고, 모터는 약 4160V에서 동작하도록 정격되며, 드라이브는 12개 이하의 전력셀을 포함한다. 또다른 실시예에서, 각 전력셀은 약 740 볼트 내지 약 780 볼트의 입력 AC 전압으로 동작하도록 정격되고, 모터는 약 4160V에서 동작하도록 정격되며, 드라이브는 적어도 12개의 전력셀을 포함하고, 상당 적어도 하나의 셀이 리던던시(redundancy)를 제공한다. 또다른 실시예에서, 각 전력셀은 약 740 볼트 내지 약 780 볼트의 입력 AC 전압으로 동작하도록 정격되고, 모터는 약 6.6 킬로볼트 내지 약 6.9 킬로볼트에서 동작하도록 정격되며, 드라이브는 18개 이하의 전력셀을 포함한다. 또다른 실시예에서, 각 전력셀은 약 740 볼트 내지 약 780 볼트의 입력 AC 전압으로 동작하도록 정격되고, 모터는 약 6.6 킬로볼트 내지 약 6.9 킬로볼트에서 동작하도록 정격되며, 드라이브는 적어도 18개의 전력셀을 포함하고, 상당 적어도 하나의 셀이 리던던시을 제공한다. 또다른 실시예에서, 각 전력셀은 약 740 볼트 내지 약 780 볼트의 입력 AC 전압으로 동작하도록 정격되고, 모터는 약 10 킬로볼트에서 동작하도록 정격되며, 드라이브는 24개 이하의 전력셀을 포함한다. 또다른 실시예에서, 각 전력셀은 약 740 볼트 내지 약 780 볼트의 입력 AC 전압으로 동작하도록 정격되고, 모터는 약 10 킬로볼트에서 동작하도록 정격되며, 드라이브는 적어도 24개의 전력셀을 포함하고, 상당 적어도 하나의 셀이 리던던시를 제공한다.
대안의 실시예에서, 가변 주파수 드라이브는 복수의 전력셀을 포함한다. 각 전력셀은 변압기의 제 2권선으로부터 3 상 전력을 수신하는 입력부를 포함한다. 각 전력셀은 또한 3 상 로드의 상으로 단상 전력을 전달하는 출력부를 포함한다. 로드가 약 4160 볼트에서 동작하도록 정격되면, 드라이브는 24개 이하의 전력셀을 포함한다. 로드가 약 6.6 킬로볼트 내지 약 6.9 킬로볼트에서 동작하도록 정격되면, 드라이브는 18개 이하의 전력셀을 포함한다. 로드가 약 10 킬로볼트에서 동작하도록 정격되면, 드라이브는 24개 이하의 전력셀을 포함한다. 각 전력셀은 예를 들면 약 740 볼트 내지 약 780 볼트의 입력 AC 전압으로 동작하도록 정격된다.
드라이브는 또한 미리정해진 이벤트의 발생시 과변조를 이용하여 각 전력셀의 출력 전압을 증가시키는 제어 시스템을 포함한다.
대안의 실시예에서, 가변 주파수 드라이브를 동작시키는 방법은, 전력을 로드로 전달하기 위해 3 상의 직렬연결된 셀로 구성된 복수의 적력셀을 동작시키는 단계를 포함한다. 상기 방법은 과변조를 이용하여 각 전력셀의 출력 전압을 증가시키는 단계를 포함한다. 과변조의 이용은 정상(steady-state) 상태 하에서 수행되고, 또한 과도(transient) 상태 하에서도 수행될 수 있다. 선택적으로, 과변조 기술은 사인파 변조, 3차 고조파 단사함수를 가진 사인파 변조, 또는 기타 적절한 방법을 포함한다. 상기 출력 전압의 증가는 예를 들면, 공급된 입력 전압에서 셀의 정상 출력 전압의 약 10.2%를 초과하는 데까지 될 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 방법은 또한 로드의 동작 속도를 모니터링하는 단계 및, 상기 동작 속도가 로드의 최대 속도의 약 95%인 것과 같은, 미리정해진 레벨 이상일 때만 과변조를 사용하는 것을 허용하는 단계를 포함한다. 선택적으로, 상기 방법은 또한 전력셀이 바이패스될 때를 검지하기 위해 전력셀을 모니터링하는 단계, 및 바이패스의 검지시 과변조의 사용을 시작하는 단계를 포함한다.
대안의 실시예에서, 가변 주파수 드라이브는 복수의 셀을 포함한다. 각 전력셀은 변압기의 제 2 권선으로부터 3 상 전력을 수신하는 입력부를 포함하고, 각 전력셀은 3 상 모터의 상으로 단상 전력을 전달하는 출력부를 포함한다. 제어 시스템은 각 전력셀의 동작을 제어한다. 상기 제어 시스템은 과변조를 이용하여 각 전력셀의 출력 전압을 증가시키도록 프로그래밍된다. 상기 증가는 모터의 정상 동작동안 발생하거나, 또는 모터가 정격 속도의 미리정해진 퍼센트에 도달하고, 전압 강하의 검지, 또는 적어도 하나의 전력셀의 바이패스의 검지, 또는 기타 미리정해진 이벤트에 의해 시작된다. 일부 실시예에서, 각 전력셀은 약 690 볼트를 공급하도록 정격되고, 상기 모터는 약 4160V에서 동작하도록 정격되고, 상기 드라이브는 12 개 이하의 전력셀을 포함한다. 대안으로, 각 전력셀은 약 690 볼트를 공급하도록 정격되고, 상기 모터는 약 4160V에서 동작하도록 정격되고, 상기 드라이브는, 적절한 시간에 임의의 포인트에서 로드를 구동시키기 위해 필요한 12 개의 셀 보다 더 적은 수의, 적어도 12 개의 전력셀을 포함한다. 대안으로, 각 전력셀은 약 690 볼트를 공급하도록 정격되고, 상기 모터는 약 6.6 킬로볼트 내지 6.9 킬로볼트에서 동작시키도록 정격되고, 상기 드라이브는 18 개 이하의 전력셀을 포함한다. 또다른 실시예에서, 각 전력셀은 약 690 볼트를 공급하도록 정격되고, 상기 모터는 약 6.6킬로볼트 내지 6.9킬로볼트에서 동작시키도록 정격되고, 상기 드라이브는 적절한 시간에 임의의 포인트에서 로드를 구동시키기 위해 필요한 18 개의 셀보다 더 적은 수의, 적어도 18 개의 전력셀을 포함한다.
도 1은 로드에 연결된 복수의 전력셀을 구비하는 예시적인 회로를 도시한다.
도 2A 및 2B는 과변조의 예를 도시한다.
도 3A 및 3B는 3차 고조파 단사함수를 가진 과변조의 예를 도시한다.
도 4는 예시적인 전력셀의 회로도이다.
도 5는 예시적인 과변조 프로세스를 도시한 플로우 차트이다.
본 방법, 시스템, 물질을 설명하기 전에, 본 설명은, 그것들이 변할 수 있기 때문에, 기술된 특정한 방법론, 시스템 및 물질에 한정되는 것은 아니라는 것에 유의하라. 또한, 본 설명에서 사용된 전문용어는 단지 특정한 버전 또는 실시예를 설명할 목적일 뿐, 그 범위를 한정하는 것은 아니라는 것을 이해해야한다. 예를 들면, 구성요소가 단수로 표현되었다 하더라도 문맥에서 명확하게 다르게 표시하지 않는한 복수를 포함한다. 다르게 정의되지 않는다면, 본 문에서 사용된 모든 기술 및 과학 용어는 종래기술에서 당업자에 의해 공통으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 추가하여, 하기의 용어는 본 문에서 하기의 정의를 가지는 것으로 의도된다:
커패시터 세트 - 하나 이상의 커패시터.
구비하다(comprising) - 포함하지만 제한되는 것은 아니다.
제어회로 - 제 2 전기 디바이스의 상태를 변경하도록 상기 제 2 전기 디바이스로 신호를 보내는 제 1 전기 디바이스.
컨버터 - AC 전력을 DC 전력으로 변환하는 디바이스.
전기적으로 연결된, 또는 전기적으로 결합된 - 전기 에너지를 전송하는 방식으로 연결된.
H-브리지 인버터 - 4 개의 트랜지스터와 4 개의 다이오드를 구비한 AC와 DC회로 사이의 전력 흐름을 제어하기 위한 회로. 도 4를 참조하면, H-브리지 인버터(416)는 일반적으로 DC 단자에서 병렬로 전기적으로 연결된 제 1 상 레그 및 제 2 상 레그를 포함한다. 각 레그는 2 개의 트랜지스터/다이오드 조합을 포함한다. 각 조합에서, 상기 다이오드는 상기 트랜지스터의 베이스 및 이미터를 가로질러 전기적으로 결합된다.
인버터 - DC 전력을 AC 전력으로, 또는 AC 전력을 DC 전력으로 변환하는 디바이스.
중간 전압 - 690볼트(V) 이상 69킬로볼트(kV) 이하의 정격전압. 일부 실시예에서, 중간전압은 약 1000V에서 약 69kV 사이의 전압이다.
전력셀 - 3 상 교류 입력 및 단상 교류 출력을 가지는 전기 디바이스.
펄스폭 변조 - 아날로그 입력 신호의 진폭을 나타내는 가변폭 펄스를 생성함으로써 회로를 제어하는 기술.
정상-상태 - 시간에 대해 거의 변하지 않는 안정된 상태
거의 - 거의 비슷하거나 이상의 정도.
도 1의 드라이브에 사용되는 것과 같은, DC 입력을 AC 출력으로 변환하는 인버터는 대개 하나 이상의 펄스 폭 변조(PWM)기술을 이용하여 제어된다. 이러한 기술 중 하나가 사인파 곡선 변조이다. 원하는 주파수에서(또는 기본 주파수라고도 함) 사인파 곡선 출력 전압 파형을 생성하기 위해, 사인파 전압 기준(즉, 진폭 Vcontrol을 가진 제어 신호)이 삼각파형(진폭 Vtri를 가진)과 비교된다. 삼각파형의 진폭 및 주파수는 일반적으로 일정하고, 상기 삼각 파형의 주파수는 인버터의 스위칭 주파수를 구축한다. 사인 곡선 변조는 사인 전압 기준의 진폭이 삼각 캐리어의 진폭과 같아질 때까지 출력 전압의 선형 제어를 허용한다.
사인 곡선 기준의 진폭이 캐리어 신호 진폭을 초과할 때, 출력 전압의 선형 제어는 상실된다. 이것이 발생할 때, 상기 진폭 변조 비, ma = Vcontrol /Vtri는 1.0 이상이다. 이러한 동작 영역을 과변조라고 한다. ma가 1.0 이하인 영역은 대개 선형 영역이라고 부른다. 과변조(즉, 인버터의 선형 영역 외부의 동작)는 출력 전압 이 선형 영역에서 나타난 것보다 더 작은 차수의 고레벨의 고조파(기본 주파수에 근접하지만 그보다 더 높은 주파수에서)를 가지도록 한다.
도 2A는 사인 곡선 변조 Vcontrol(201) 및 Vtri(205)에서 비교되는 2 개의 신호를 도시한다. 도 2B는 변조 인덱스의 함수로서 출력 전압을 도시한다. 도 2B에 도시된 바와 같이, 출력 전압의 기본 주파수 컴포넌트의 진폭은 선형 영역(210)에서 기준 신호의 진폭으로 선형적으로 변한다. 그러나, 출력 전압은 그것이 삼각 캐리어의 진폭을 초과한 후, 즉, 변조 인덱스가 1.0을 초과하고, 과변조 영역(215)으로 들어간 때, 기준 신호의 진폭으로 선형적으로 변화하지 않는다. 본 예시에서, 인버터 출력 전압은 변조 인덱스가 1.0일 때, 3500볼트(V)이고, 본 발명은 그러나 이러한 실시예에 한정되지 않는다.
3차 고조파 단사함수를 가진 사인 곡선 변조 또는 공간 벡터 PWM을 가진 다른 방법이 인버터의 선형 제어 영역을 확장시키는 데에 사용될 수 있다. 이러한 방법들은 선형 제어가 상실되기 전에 상기 사인 곡선 변조 방법에 비교된 것과 같이 출력 전압에서의 증가를 허용한다. 예를 들면, 이러한 방법들은 출력 전압에서 약 15.5%의 증가를 허용한다. 도 3A는 3차 고조파 단사함수 방법으로 사인 곡선 변조에서 비교되는 2 개의 신호, Vcontrol(301) 및 Vtri(305)를 도시한다. 도 3B는 변조 인덱스의 함수로서 예시적인 출력 전압을 도시한다. 도 3B에 도시된 바와 같이, 전압 출력은 변조 인덱스가 1.155에 달할때까지는 선형적이다. 그 지점에서, 출력 전압은 4040V이고, 이것은 선형 제어가 사인 곡선 변조로 제한하는 것 보다 상대적으로 더 높다. 상기의 이러한 변조 인덱스의 선형성은 즉, 기준 신호의 진폭이 삼각 캐리어의 진폭의 1.155배를 초과할 때, 상실된다. 상기의 115.5%의 이러한 선형 제어 한계를 초과하는 사인 곡선 전압 기준의 진폭의 증가는 115.5% 이상으로 전압 출력을 증가시킬수 있다. 본 예시에서, 과변조 영역에서의 인버터의 최대 출력은 1.0의 변조 인덱스로 생성된 전압의 127.3%이다. 이것은 사인 곡선 기준 진폭이 삼각 캐리어 신호의 320%를 초과하여 증가된 때(즉, 변조 인덱스가 3.2 이상일 때) 달성된다.
과변조 영역에서의 동작은, 인버터에서의 소스 전압의 갑작스런 손실과 같은, 입력의 일시적 조건하에서 인버터 출력이 최대화되는 것이 필요한 상황에서 발생할 수 있다. 이러한 경우, 인버터는 전압 기준 진폭을 증가시키고 과변조 영역에서 동작시킴으로써 최대 가능한 출력 전압을 유지관리하도록 시도한다. 소스 전압이 보존되면, 인버터는 출력시 보다 낮은 차수의 고조파의 생성을 제한하고, 긴 기간 동안의 이러한 고조파의 부작용이 로드에 영향을 주는 것을 방지하기 위해 선형영역에서 동작한다.
우리는 직렬연결 인버터의 정상상태 동작에서의 과변조의 사용이 특정한 실시예에서 하나 이상의 이점을 제공한다는 것을 발견하였다. 예를 들면, 의도적으로 전력셀이 정상 상태 동작시 과변조 영역에서 동작하도록 강제함으로써, 인버터는 선형영역에서와 같은, 그러나 인버터로 전달되는 소스 전압 보다 더 낮은(예를 들면 약 10%), 동일한 출력 전압을 전달한다. 따라서, 일부 실시예에서, 인버터 또는 입력 변압기에서의 컴포넌트는 낮은 전압에서 정격되고, 따라서, 보다 높은 정격의 컴포넌트보다 덜 비싸거나 더 작게될 수 있다. 추가하여, 이러한 동작(과변조를 가진)은 인버터로 전달되는 동일한 소스 전압을 가진, 더 높은 출력 전압(예를 들면 10% 더 높은)을 제공한다.
따라서, 우리는 정상 상태 영역에서 과변조를 사용하여, 도 1에 도시된 것과 같은 것을 포함하지만 그에 한정되는 것은 아닌 직렬연결 인버터를 이용하는 회로 토폴로지의 동작이 효익을 가진다는 것을 발견하였다. 예를 들면, 각 인버터의 전압의 출력 가능출력이 증가되기 때문에 회로에서는 더 적은 수의 인버터가 필요하다. 이러한 동작은, 본 문에 기술된 실시예가 이러한 애플리케이션에 한정되는 것은 아님에도 불구하고, 중간 전압 애플리케이션에서 특히 이점을 가진다.
도 4는 도 1에서 도시된 것과 동일한 회로에서 사용되는 전력셀의 예시적인 컴포넌트를 도시하는 회로도이다. 도 4를 참조하면, 종래 기술의 전력 셀(410)은 3 상 다이오드 브리지 정류기(412), 하나 이상의 직류(DC) 커패시터(414), 및 H 브리지 또는 기타 인버터(416)를 포함한다. 상기 정류기(412)는 입력(418) AC 전압을 상기 정류기(412) 출력부에 연결된 커패시터(414)에 의해 지지되는 거의 일정한 DC 전압으로 변환한다. 상기 인버터(410)의 출력 스테이지는 각각 2 개의 디바이스를 가진 좌측 극과 우측 극으로된, 2 개의 극을 포함하는 H-브리지 인버터(416)를 포함한다. 상기 인버터(410)는 H 브리지 인버터(416)에서 반도체 디바이스의 펄스폭 변조(PWM)를 이용하여 DC 전압을 DC 커패시터(414)를 가로질러 AC 출력부(420)로 전송한다. H 브리지 인버터의 출력부는 출력 전압을 증가시키기 위해 직렬로(도 1에 도시된 바와 같이) 연결된다. 다른 회로 구성이 도 4에 도시된 회 로 대신에 전력셀에 대해 사용될 수 있다.
도 1 및 4에 도시된 것과 같은 직렬 연결 인버터는 일반적으로 중간 전압 AC 모터 드라이브 애플리케이션에서 사용된다. 따라서, 본문에 기술된 실시예는 각 인버터가 과변조 영역에서 동작하도록 직렬 연결 인버터를 동작시키는 것을 포함한다. 정상상태로 690V를 수신하는(또는 690V의 변압기 제 2 권선 전압으로 동작하는) 전력셀에 대해, 750V(약 8.7%의 증가)까지의 증가, 또는 780V(즉, 약 13%의 증가)까지의 증가도 바람직하다.
모터는 산업 표준인 소수의 불연속적인 전압 레벨에서만 가용하고, 이들 레벨중 일부는 매우 일반적인 것이다. 본 발명이 현재 산업 표준인 전압 레벨에 한정되는 것은 아니지만, 하기에 나열된 예시들은 2 개의 예시적인 전압레벨에서 직렬연결 인버터를 가진 과변조의 이용을 기술한다.
이러한 회로에서의 출력 전압은 전력셀 랭크(R)의 수와, 하기의 식에 의한 전력셀(VAC)에 대한 입력 AC 전압의 함수로서 표현될 수 있다.
Voutput = 1.78 * Kovm * R * VAC
여기서 Kovm은 과변조를 가진 동작에 따른 출력 전압에서의 증가를 나타내고, 1.0 < Kovm <1.10의 범위이다. 상기의 표현은 전력셀로의 AC 입력 전압과, 자신의 실제 제한에 대한 Kovm 팩터 모두를 증가시키는 것이 주어진 출력 전압을 산출하는데에 필요한 랭크의 수를 감소시킬수 있다는 것을 나타낸다. 이것은 하기의 문단에서 예시를 사용하여 설명된다.
예시 1
4160V 모터를 동작시키기 위해, 도 4에 도시된 것과 같은 직렬연결된 인버터를 가진 도 1에 도시된 것과 같은 드라이브가 사용된다. 이러한 출력 전압을 산출하기 위해, 종래기술의 일반적인 드라이브는 상당 4 개의 직렬연결(단상) 인버터를 갖는다. 즉, 4 개의 랭크의 전력셀이 있다는 것이다. 약 1700V에서 정격된 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT) 또는 기타 적절한 디바이스를 사용하는, 각 인버터는 690V AC 소스를 수신하고, 상에서 상으로 약 4912V(또는 상당 약 2836V)의 총 출력을 위해 출력부에서 약 709V를 전달할 수 있다. 이러한 인버터는 4160V의 총 필요한 전압을 잘 산출할 수 있다.
그러나, 상당 3 개의 직렬연결 인버터(즉, 3 랭크의 전력셀)로, 총 출력 전압은 상에서 상으로 약 3684 V가 된다(또는 상당 약 2127V). 이러한 전압 레벨은 4160V의 원하는 출력 이하이다. 인버터가 과변조 영역(Kovm=1.10인)에서 동작하도록 제어된다면, 각 상의 배치에서의 3 개의 직렬연결 인버터는 상에서 상으로 원하는 전압출력보다 매우 근소하게 작은 약 4053V를(또는 상당 2340V) 제공할 수 있다.
각 단상 인버터에서의 740V까지의 입력 소스 전압에서의 작은 증가는 상에서 상으로 약 4347V를 제공할 수 있다. 이것은 4160V의 원하는 출력에 대해 충분한 것이다. 소스 전압에서의 작은 증가는 기존 IGBT 정격으로 수용될 수 있고, 다음으로 더 높은 전압 정격을 위해 정격되는 트랜지스터가 필요없게된다. 일부 실시 예에서, 인버터의 커패시터 정격(즉, 도 4의 소자(414))에서의 작은 증가가 증가된 DC 버스 전압을 핸들링하기 위해 필요하다. 따라서, 상당 3 개의 인버터만을 사용하는 이러한 배치는 전체 크기 및 비용 절감을 가져올 것이다.
예시 2
또다른 자주 사용되는 전압 레벨은 도 1의 드라이브가 사용되는 6900V이다. 이러한 출력 전압을 산출하기 위해, 상기 드라이브는 상당 6개의 직렬연결(단상) 인버터(즉, 6개의 랭크)를 가지도록 변형된다. 1700V에서 정격된 IGBT를 이용하는 도 4에 도시된 것과 같은 각 인버터는 690V 소스를 수신하고 상당 약 4254V의 총 출력, 또는 상에서 상으로 7368V의 출력을 위해, 출력부에서 약 709V가 될 수 있다. 이러한 인버터는 4160V의 필요한 총 전압을 잘 산출할 수 있다.
그러나, 상당 5 개의 직렬연결 인버터(즉, 5개의 랭크)를 가지고, 총 출력 전압은 상에서 상으로 6140V가 될 수 있다(또는 상당 약 3545V). 이러한 전압 레벨은 원하는 6900V의 출력 이하이다. 과변조가 사용되면, 그때 각 상의 배치에서 3 개의 직렬연결 인버터는 상에서 상으로 필요한 전압 출력보다 근소하게 작은 약 6754V(또는 상당 약 3900V)를 제공한다.
각 단상 인버터에서의 740V까지의 입력 소스 전압에서의 작은 증가는 상에서 상으로 약 7243V를 제공할 수 있다. 이것은 6900V의 필요한 출력에 대해 충분하다. 소스 전압에서의 작은 증가는 기존 IGBT 정격으로 수용될 수 있고, 그 다음으로 높은 전압 정격을 위해 정격되는 트랜지스터를 필요로 하지 않는다. 일부 실시예에서, 인버터의 커패시터(즉, 도 4의 소자(414) 정격에서의 근소한 증가는 증가 된 DC 버스 전압을 핸들링하기 위해 필요하다. 그러나, 오직 상당 5 개의 인버터만 사용하는 이러한 배치는 또한 전체 크기 또는 비용 절감을 가져온다.
상술한 2 개의 예시에서, 740V에서 750V까지의 각 셀에 대한 입력 소스 전압에서의 추가적인 증가는 예를 들면, 변압기 누설 임피던스에 기인한 것과 같은 전압 강하를 보상하기에 바람직할 수 있다.
예시 3
또다른 예시로서, 약 10 킬로볼트(kV)에서 정격된 로드를 동작시키기를 원한다면, 약 740V 내지 780V 사이의 입력 AC 전압으로 동작하도록 각각 정격된, 24 개의 직렬 연결 전력셀(즉 8랭크의 셀)을 가진 드라이브가 종래 기술에서 사용될 수 있다. 과변조시, 7 랭크의 셀과 같은 24 미만의 셀이 로드를 구동시키는 데에 사용될 수 있다. 또는, 과변조가 시작될 때 로드를 구동시키는데에 오직 7개만 필요하므로 하나의 랭크가 리던던시를 제공하게 되는, 8개 이상의 랭크가 사용될 수 있다.
도 5를 참조하면, 본 문에 기술된 방법은 전력셀이 과변조 영역(510)에서 동작되도록 기준 및 캐리어 신호를 인입함으로써 도 1에 도시된 것과 같은 드라이브를 동작시키는 제어시스템(즉, 도 1에서의 소자(192))를 이용하는 것을 포함한다. 일부 실시예에서, 과변조 영역에서의 동작은, 정상, 즉 모터를 구동시키기 위한 회로의 정상상태의 동작 동안 전력 회로의 모든 셀에서 발생한다. 일부 실시예에서, 과변조는 또한 과도상태 동안에 발생할 수도 있다. 각각의 상황에서, 제어 시스템은, 하나 이상의 셀이 오류를 일으키거나 또는 바이패스(515) 되는지 판정하기 위해 드라이브를 모니터링하고, 상기 제어 시스템은 하나 이상의 셀의 손실에도 불구하고 거의 풀 출력 전압을 유지하기 위해 과변조(525)를 트리거한다. 일부 실시예에서, 과변조는 또한 하나 이상의 이벤트의 발생에 의해 트리거된다.
예를 들면, 일부 실시예에서, 과변조는 로드로의 전압이 미리정해진 레벨(530) 이하로 강하되는지 또는 미리정해진 레벨(550) 이상으로 증가하는지를 검지하는 것과 같이, 입력 전압이 미리 정해진 임계값을 초과하는 지를 검지함으로써 트리거된다. 따라서, 직렬연결 인버터로의 입력 전압이 모니터링되거나, 또는 로드로 전달된 원하는 전압이 모니터링되고, 과변조가 트리거된다. 일부 실시예에서, 트리거는 미리정해진 또는 정격 레벨의 약 95% 이하로 입력 전압이 강하되는 것을 야기하는 전압 강하와 같은, 제 1의 미리정해진 레벨에 기초한다. 또는, 일부 실시예에서, 트리거는 정격 모터 전압의 약 95%와 같이, 특정한 레벨 이상의 원하는 로드 전압의 증가에 기초한다.
일부 실시예에서, 모터(540)의 동작 속도에 기초하여 과변조의 도입을 제한하는 것이 또한 바람직하다. 따라서, 예를 들면, 과변조는 정격 속도의 약 95% 내지 약 100%인 조건, 또는 원하는 최대 속도의 약 97% 내지 약 100%인 조건, 또는 기타 원하는 조건을 동작시키는 것에 한정된다.
일부 실시예에서, 과변조는 동작 속도에서의 셀의 바이패스와 변화의 검지와 같은, 팩터의 조합에 의해 트리거되도록 제어될 수도 있다. 일부 경우에, 미리정해진 임계 속도와 전압 레벨은 셀의 바이패스가 검지(515)되었는지 여부에 따라, 상이할수 있다(517, 518).
제어 시스템은 본 문에 기술된 목적을 달성하기 위해 현재 또는 이후 공지된 과변조 기술을 적용할 수 있다. 예를 들면, 위스콘신-매디슨 대학에서 1998년 12월 박사학위 논문으로 출간된, Hava의, "Carrier-Based PWM-VSI Drives in the Overmodulation Region"에 개시된 기술이 이용될 수 있다.
일부 실시예에서, 과변조는 입력 전압에 기초하여 자신의 정상 동작보다 약 0% 내지 10.2% 더 높은 출력 전압을 각각의 전력셀이 가지도록 한다. 다른 실시예에서, 과변조는 각각의 전력셀이, 자신의 정상 동작 보다 약 2%내지 약 10% 더 높은 출력 전압을 가지도록 한다. 다른 실시예에서, 과변조는 각각의 전력셀이, 자신의 정상 동작 보다 약 2.7 % 더 높은 출력 전압을 가지도록 한다.
과변조를 가지면, 보다 적은 전력셀이 로드를 구동시키는데 필요하다. 따라서, 전체 회로가 더 작아진다. 또는, 로드를 구동하는데 일반적으로 사용되는 회로는 그보다는 오히려 전력셀의 고장의 경우에 리던던시를 제공하도록 할 수 있다. 예를 들면, 도 1을 참조하면, 전력셀이 690V의 입력 AC 전압을 가지고 동작하도록 정격되는 회로에서, 셀(150, 160, 170, 및 180)의 4개의 랭크가 일반적으로 4160V 또는 약 4 킬로볼트(kV)의 로드를 구동하기 위해 필요하다. 각 랭크는 3 개의 전력셀(상당 하나의 셀)을 포함하고, 그 결과 정상 동작하에서 상기 회로는 일반적으로 12개의 전력셀(151-153, 161-163, 171-173, 및 181-183)을 필요로한다. 전력셀이 과변조를 이용하여 제어되고 각 전력셀이 약 740V 내지 약 780V의 입력 AC 전압으로 동작된다면, 오직 3 개의 랭크(150, 160, 170)(즉, 9개의 전력셀(151-153, 161-163, 171-173))가 4160V를 제공하는 데에 필요하다. 종래 시스템과는 달리, 4번째 랭크(180)가 상기 예시 1에서 기술한 바와 같이 생략될 수 있기 때문에, 12개 미만의 전력셀이 필요하다. 또는, 4 번째 랭크(180)는 회로에 포함될 뿐 아니라, 4160V의 정격 모터 전압에 대해 상당 하나의 전력셀의 리던던시를 제공하는 데에 사용될 수 있다.
유사하게, 약 6.6kV 또는 약 6.9kV에서 로드를 구동하는 회로에서, 전력셀이 약 690V의 입력 AC 전압으로 동작하도록 정격된다면, 6 개의 전력셀의 랭크(즉, 총 18개의 전력셀)가 필요하다. 과변조를 이용하고, 각각 약 740V 내지 약 780V의 입력 AC 전압으로 동작하는 전력셀을 가지고, 상기의 회로는 상기 예시 2에서 기술된 바와 같이 5 개의 랭크(즉, 15개의 전력셀)만을 이용하여 로드로 6900V를 공급할 수 있다. 상기 6번째 랭크는 회로에서 생략되거나, 또는 리던던시의 전력셀을 제공하기 위해 회로에 포함될 수 있다.
전력셀의 선택은 본문에 기술된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 임의의 수의 전력셀이 전력을 로드에 공급하기 위해 제공되는 원하는 전압에 기초하여 선택될 수 있다.
상기 설명한 상세한 설명과 특정한 예시적 실시예의 도면을 판독하여, 다른 실시예도 당업자가 쉽게 이해될 것이다. 오직 2 개의 변조 방법이 도시되었지만, 다른 변조 방법이 또한 직렬연결 인버터에서의 과변조의 제시된 사용에 결합될 수 있다. 다양한 변경, 변조, 및 추가적인 실시예가 가능하며, 따라서, 이러한 모든 변형, 변조, 및 실시예들은 본 발명의 취지와 범위 내에 있는 것으로 간주되어야 한다는 것이 이해될 것이다. 따라서, 상세한 설명과 도면은 본래 예시적인 것으로 간주되어야지, 한정적인 것으로 간주되어서는 않된다. 또한, 임의의 수 또는 범위 가 본 문에 기술되었을 때, 명확하게 다른 언급이 없는한, 그 수 또는 범위는 근사치이다.

Claims (19)

  1. 가변-주파수 드라이브에 있어서,
    복수의 전력셀 및 제어 시스템을 포함하고,
    상기 복수의 전력셀은:
    각 전력셀이 변압기의 2차 권선으로부터 3상 전력을 수신하는 입력부를 가지고,
    각 전력셀이 단상 전력을 3상 로드의 하나의 상에 전달하는 출력부를 가지고,
    각 전력셀은 입력부와 출력부 사이에 중성 연결(neutral connection)을 갖지 않도록 구성되고,
    상기 로드가 4160V에서 동작하도록 정격된다면, 상기 복수의 전력셀이 12개 이하의 전력셀을 포함하고,
    상기 로드가 6.6 킬로볼트 내지 6.9 킬로볼트에서 동작하도록 정격된다면, 상기 복수의 전력셀이 18개 이하의 전력셀을 포함하고,
    상기 로드가 10 킬로볼트에서 동작하도록 정격된다면, 상기 복수의 전력셀이 24개 이하의 전력셀을 포함하고,
    상기 제어 시스템은, 미리정해진 이벤트의 발생시 과변조를 이용하여, 각 전력셀에 동일한 전력이 흐르도록 유지하면서, 각 전력셀의 출력 전압을 증가시키고,
    상기 미리정해진 이벤트는, 정격속도의 미리정해진 퍼센트에 도달한 모터의 정상 상태의 동작, 임계레벨을 넘는 전압 변화의 검지, 또는 적어도 하나의 전력셀의 바이패스의 검지 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 주파수 드라이브.
  2. 제 1 항에 있어서, 각 전력셀은 740 볼트 내지 780 볼트의 입력 AC 전압으로 동작하도록 정격되고, 모터는 4160V에서 동작하도록 정격되고, 상기 드라이브는 12 개 미만의 전력셀을 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 주파수 드라이브.
  3. 제 1 항에 있어서,
    각 전력셀은 740 볼트 내지 780 볼트의 입력 AC 전압으로 동작하도록 정격되고, 모터는 4160V에서 동작하도록 정격되고, 상기 드라이브는 적어도 12 개의 전력셀을 포함하고, 상(phase)당 적어도 하나의 셀이 리던던시를 제공하는 것을 특징으로 하는 가변 주파수 드라이브.
  4. 제 1 항에 있어서,
    각 전력셀은 740 볼트 내지 780 볼트의 입력 AC 전압으로 동작하도록 정격되고, 모터는 6.6 킬로볼트 내지 6.9 킬로볼트에서 동작하도록 정격되고, 상기 드라이브는 18개 미만의 전력셀을 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 주파수 드라이브.
  5. 제 1 항에 있어서,
    각 전력셀은 740 볼트 내지 780 볼트의 입력 AC 전압으로 동작하도록 정격되고, 모터는 6.6 킬로볼트 내지 6.9 킬로볼트에서 동작하도록 정격되고, 상기 드라이브는 적어도 18개의 전력셀을 포함하고, 상당 적어도 하나의 셀이 리던던시를 제공하는 것을 특징으로 하는 가변 주파수 드라이브.
  6. 제 1 항에 있어서,
    각 전력셀은 740 볼트 내지 780 볼트의 입력 AC 전압으로 동작하도록 정격되고, 모터는 10 킬로볼트에서 동작하도록 정격되고, 상기 드라이브는 24개 미만의 전력셀을 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 주파수 드라이브.
  7. 제 1 항에 있어서,
    각 전력셀은 740 볼트 내지 780 볼트의 입력 AC 전압으로 동작하도록 정격되고, 모터는 10 킬로볼트에서 동작하도록 정격되고, 상기 드라이브는 적어도 24개의 전력셀을 포함하고, 상당 적어도 하나의 셀이 리던던시를 제공하는 것을 특징으로 하는 가변 주파수 드라이브.
  8. 제 1 항에 있어서,
    각 전력셀은 740 볼트 내지 780 볼트의 입력 AC 전압으로 동작하도록 정격되는 것을 특징으로 하는 가변 주파수 드라이브.
  9. 삭제
  10. 가변 주파수 드라이브에 있어서,
    각각의 전력셀이 변압기의 제 2 권선으로부터 3상 전력을 수신하는 입력부를 가지고, 또한 각각의 전력셀이 단상 전력을 3상 모터의 하나의 상으로 전달하는 출력부를 갖는, 복수의 전력셀; 및
    각 전력셀의 동작을 제어하는 제어 시스템;을 포함하고,
    각 전력셀은 입력부와 출력부 사이에 중성 연결을 갖지 않도록 구성되고,
    상기 복수의 전력셀은 상당 직렬 연결된 복수개의 랭크의 전력셀로 배열되고,
    상기 제어 시스템은 미리정해진 이벤트 발생시 과변조를 이용하여, 각 전력셀에 동일한 전력이 흐르도록 유지하면서, 각 전력셀의 출력 전압을 증가시키도록 프로그래밍되고,
    상기 미리정해진 이벤트는, 정격속도의 미리정해진 퍼센트에 도달한 모터의 정상 상태의 동작, 임계레벨을 넘는 전압 변화의 검지, 또는 적어도 하나의 전력셀의 바이패스의 검지 중 적어도 하나를 포함하고,
    상당 적어도 하나의 전력셀이 리던던시를 제공하거나, 또는 각 드라이브에서 정격 전압에 대한 전력셀의 랭크의 개수에서 하나의 전력셀의 랭크가 감소되는 것을 특징으로 하는 가변 주파수 드라이브.
  11. 가변주파수 드라이브를 동작시키는 방법에 있어서,
    전력을 로드로 전달하기 위해 3상 직렬 연결된 셀로서 구성된 복수의 전력셀을 동작시키는 단계; 및
    미리정해진 이벤트의 발생시 정상 상태의 조건 하에서의 전력셀의 적어도 일부의 출력 전압을 증가시키기 위해, 적어도 하나의 전력셀에 동일한 전력이 흐르도록 유지하면서, 과변조를 적용하는 제어 시스템을 이용하는 단계를 포함하고,
    각 전력셀은 입력부와 출력부 사이에 중성 연결을 갖지 않도록 구성되고,
    상기 미리정해진 이벤트는, 정격속도의 미리정해진 퍼센트에 도달한 모터의 정상 상태의 동작, 임계레벨을 넘는 전압 변화의 검지, 또는 적어도 하나의 전력셀의 바이패스의 검지 중 적어도 하나를 포함하고,
    상당 적어도 하나의 전력셀이 리던던시를 제공하거나, 또는 각 드라이브에서 정격 전압에 대한 전력셀의 랭크의 개수에서 하나의 전력셀 랭크가 감소되는 것을 특징으로 하는, 가변 주파수 드라이브를 동작시키는 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 로드의 동작 속도와, 상기 동작 속도가 미리정해진 레벨 이상인지를 검지하는 미리정해진 이벤트를 모니터링하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 주파수 드라이브를 동작시키는 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 미리 정해진 레벨은 로드의 최대 속도의 95%인 것을 특징으로 하는 가변 주파수 드라이브를 동작시키는 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    전력셀이 바이패스되었을 때를 검지하기 위해 복수의 전력셀을 모니터링하는 단계를 더 포함하고, 상기 미리정해진 이벤트는 바이패스의 검지를 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 주파수 드라이브를 동작시키는 방법.
  15. 제 13 항에 있어서,
    과변조의 사용은 과도상태 하에서도 수행되는 것을 특징으로 하는 가변 주파수 드라이브를 동작시키는 방법.
  16. 제 13 항에 있어서,
    과변조의 사용은 사인 곡선의 변조를 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 주파수 드라이브를 동작시키는 방법.
  17. 제 13 항에 있어서,
    과변조의 사용은 3차 고조파 단사함수를 가진 사인 곡선의 변조를 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 주파수 드라이브를 동작시키는 방법.
  18. 삭제
  19. 삭제
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