KR101003350B1 - Ｈｖａｃ＆ｒ 냉각장치를 위한 전압 저하 순간보상 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

냉각/냉동장치에서 순간보상 능력을 제공하는 방법은, 능동형 컨버터 스테이지, DC 링크 스테이지 및 적어도 하나의 모터로 동력을 인가하도록 가변 주파수와 전압을 제공하기 위한 인버터 스테이지를 갖는 변속드라이브를 채용한다. 유도전동기는 냉각/냉동장치에서 압축기를 구동하기 위한 인버터 스테이지의 출력에 연결된다. 순간보상 방법은 상기 능동형 컨버터를 통한 전류가 소정의 전류한계와 같아질때까지 DC링크 스테이지의 DC링크 전압을 소정의 전압 수준으로 조절하기 위해서 상기 능동형 컨버터를 작동시키고, 다음에는 상기 컨버터의 전류한계에 도달할'때 상기 DC링크의 조절을 상기 인버터로 전달하는 단계를 포함한다. 압축기는 언로딩되고, 인버터를 통한 전력유동은 DC링크 스테이지의 전압수준을 유지하기 위해서 역전된다. 예비회전 날개들, 슬라이드 밸브 또는 체크밸브가 압축기를 언로드하기 위해서 사용된다.
HVAC&R, 냉각장치, 순간보상, 컨버터, 인버터, 체크밸브, 압축기, 언로딩, DC 링크, 전류, 변속드라이브, 모터

Description

ＨＶＡＣ＆Ｒ 냉각장치를 위한 전압 저하 순간보상 방법 및 장치{Ride-through method and system for HVAC＆R chillers}
관련출원의 상호참조
본 출원은 2005년 9월 2일자로 출원된 미합중국 출원번호 11/218,757 호의 일부계속출원이다.
본 출원은 일반적으로 변속드라이브에 관한 것이며, 특히 가열, 환기, 공기조화 및 냉각(HVAC&R)장비에서 사용하기 위한 전압저하 순간보상 능력을 갖는 변속드라이브에 관한 것이다.
변속드라이브(VSDs)는 가변 크기와 가변 주파수 교류(AC)전압을 모터구동 냉각 압축기들로 제공하기 위하여 HVAC&R 장치에서 사용된다. 변속드라이브(VSDs)는 통상적으로 입력 정류기, DC 링크 및 인버터로 구성된다. 전기기기에 의해서 고정 크기와 고정 주파수로 인가되는 선간 교류(AC) 전압은 변속드라이브(VSDs) 입력 정류기에 의해서 직류(DC)전압으로 정류된다. 이러한 직류(DC)전압은 DC링크에서 (캐패시터와 같이) 에너지 저장능력을 갖는 수동 부품들에 의해서 필터링되고 안정화된다. DC 링크 전압은 전기 부하를 공급하는 가변 크기, 가변 주파수 AC 전압으로 전환된다. HVAC&R 장비에 있어서, 전기부하는 보통은 압축기에 연결된 전동기이다. 변속드라이브(VSDs)는 전기기기 공급 입력에서 발생하는 전압저하로서 언급되는 저전압 조건에 특히 영향받기 쉽다. 그러한 전압저하는 다른 방식으로 보정되거나 보상되지 않는 한, DC링크 전압과 부하를 통해서 반영된다. 선간 전압 저하의 대부분은 수 밀리초 내지 수초의 짧은 지속 시간동안에 발생한다. 그러한 전압저하는 DC 링크전압을 저하시키고 VSD장치를 작동중단시키게 된다. 작동중단없이 전압저하를 순간보상하고 입력전압이 회복된 후에 작동을 다시 개시하는 능력은 HVAC&R 장비의 정지시간을 감소시키므로 VSD에서 이점으로서 고려된다. 전압원 인버터(VSI) 기술을 기초한 VSDs에 있어서, 순간보상 능력은 DC링크 전압을 정격전압 또는 그 근처로 유지함으로써 통상적으로 달성된다. VSD는 전동기를 구동하도록 충분한 전압을 공급할 수 있다. 한편, 만일 DC링크가 그것의 정격값 아래로 충분히 떨어지면, VSD 및 냉각 제어장치는 불규칙하고 잠재적으로 해로운 모터 또는 압축기 작동을 방지하도록 작동 중지된다.
그러나, VSDs에서 사용된 대부분 공통적인 형식의 정류기는 수동형 정류기이다. 수동형 정류기는 통상적으로 3상 다이오드 브릿지를 포함한다. 수동형 정류기를 사용하는 경우, DC 링크 전압은 입력 선간전압에 비례한다. 그러므로 수동형 정류기는 입력 선간전압에서의 변화를 보상하지 못한다. 결과적으로, 전압 저하는 DC 링크 전압을 저하시키고, 이것은 다시 VSD의 작동중지를 야기하게 된다.
수동형 정류기가 VSD에 사용되는 경우, 순간보상 능력을 개선하기 위한 한가지 가능한 방식은, 여기에서는 참조로서 통합된, Annette von Jouanne 등이 발표한 Assessment of Ride-Through Alternatives for Adjustable-Speed Drives, 35 IEEE Transactions on Industry Applications 908 (1999)에 개시된 바와 같이, DC링크에 연결된 추가적인 전력원을 제공하는 것이다. 그러한 전력원의 추가는 추가적인 캐패시터, DC 부스트 컨버터, 배터리, 슈퍼캐패시터, 전동발전기 세트, 플라이휘일, 초전도성 자기에너지 저장장치, 연료전지 등에 의해서 제공될 수 있다. 이들 모두는 추가적인 하드웨어를 필요로 하므로 VSD의 비용을 상당히 증가시킨다. 수동형 전방단부를 갖는 VSD의 순간보상 능력을 증가시키기 위한 상대적으로 저렴한 방식은, 전압저하 동안에 동력을 발생시키도록 부하 관성을 이용하는 것이다(위에서 인용한 Annette von Jouanne 등의 저서에 또한 개시되어 있음). 순간보상 능력을 증가시키는 이러한 방식을 달성하기 위해서, 전압저하 동안의 인버터 출력주파수는 모터 부하 주파수 이하의 값으로 조정된다. 이것은 모터로 하여금 발전기로서 작용하게 하고 DC 링크 전압을 원하는 수준으로 유지시키게 한다. 이 방법은 통상적으로 모터 속도 및 전류 센서들을 필요로 하는데, 이들은 VSD의 비용을 추가시키게 된다.
미합중국 특허 제 6,686,718 호에는 VSD의 순간보상 능력을 증가시키는 다양한 기술들이 개시되어 있다. 예를 들면, VSD의 순간보상 능력을 증가시키는 다른 가능한 방식은 능동형 정류기를 사용하는 것이다. 그러한 정류기는 특별한 제어방법과 함께 선간 전류의 스위치 온/오프할 수 있는 동력 장치들의 사용을 통해서 입력 선간전압에서의 변화를 보상할 수 있다. 그러므로, DC 링크 전압은 VSD의 작동중단을 방지하기에 충분히 큰 값으로 유지될 수 있다. 이러한 기술은, 여기에서는 참조로서 통합된, Annabelle van ZyI 등의 Voltage Sag Ride-Through for Adjustable-Speed Drives with Active Rectifiers, 34 IEEE Transactions on Industry Applications 1270(1998)에 개시되어 있다.
한가지 그러한 능동형 정류기는 펄스폭 변조(PWM) 부스트 정류기를 채용한다. DC 링크 전압은 입력 선간전압에서의 감소나 저하 동안에 명목 값으로 치밀하게 조절될 것이다. 그런데, 부스트 정류기의 입력 AC 전류는 선간전압이 감소함에 따라서 증가한다. 부스트 정류기 부품들의 실제적인 전류 전도와 전류 스위칭 한계로 인하여, 입력 AC 전류는 무한정 증가하도록 허용될 수 없다. 그보다는, 제어될 것이며(부스트 정류기 제어 알고리즘을 통해서), 따라서 부스트 정류기 전류 한계로서 언급되는 소정의 한계를 결코 초과하지 않는다. 부스트 정류기의 입력 전류가 전류 한계 이하인 한, 부스트 정류기 출력 DC전압은 명목 설정값으로 치밀하게 제어될 것이다. 그러나, 부스트 정류기의 전류 한계에 도달한 후에 만일 선간전압이 계속적으로 떨어지면, 비록 입력전압은 전류 한계수준으로 조절될지라도 부스트 정류기는 더이상 출력 DC전압을 설정값으로 조절할 수 없다. 전압 저하의 개시전에 모터를 동일한 전력수준으로 구동시키기 위해서 VSD의 인버터 구간이 DC링크 개패시터들로부터 전류를 계속해서 도입함에 따라서, DC링크 캐패시터에 저장된 에너지가 부하로 전달되고 DC링크의 전압이 감소한다. 만일 이러한 상황이 충분한 시간동안 계속되면, DC링크 전압이 소정의 실패 임계값 이하로 감소하고 냉각장치는 사실상 작동중단될 것이다.
그러므로, 필요한 것은 HVAC&R 장치로 인가된 VSD의 순간보상 능력을 상기한 해당 기술분야의 일반적 목적 VSD의 전류 순간보상 능력 이상으로 증가시키기 위한 방법이다. 새로운 방법은 전압 저하동안에 VSD의 기간과 HVAC&R 장치 작동시간을 최대화하기 위해서 DC링크의 전압을 승압하고 제어하는 단계, DC링크 회로에서의 에너지를 보존하기 위해서 회전하는 모터와 압축기의 관성에 저장된 최대량의 에너지를 포획하고 유지하는 단계, 그리고 입력 전압 저하 동안에 장치의 순간보상 능력을 최대화하기 위해서 HVAC&R 장치의 냉각제 및 물 회로에 저장된 에너지를 이용하는 단계를 기초한다.
본 발명은 압축기와 기계적으로 연결된 모터 및 상기 모터로 동력을 인가하기 위한 변속드라이브를 포함하는 HVAC&R 장치를 위한 VSD에서 순간보상능력을 제공하는 방법을 개시한다. 변속드라이브는 입력 AC 전력을 제공하는 AC 전력원에 연결된 능동 컨버터나 정류기 스테이지를 포함한다. 선간 AC 전압, 입력 AC 전류, DC링크 전압 및 모터 AC 전류는 장치에 의해서 모두 모니터 및/또는 감지된다. DC링크 스테이지의 DC전압은 정상적인 작동 및 전압 저하 동안에 능동형 정류기를 거쳐서 설정값으로 조절된다. DC링크 스테이지의 DC전압의 조절은 능동형 정류기 내로 도입되는 소정의 전류 한계값에 도달하는 입력전류에 반응하여 능동형 정류기 스테이지로부터 인버터 스테이지로 전달되고, 냉각장치에서 압축기에 의해 수행되는 일이 중지된다. DC링크 스테이지의 DC전압은 모터로부터 DC링크로 흐르는 전력을 역전시킴에 의해서 인버터를 거쳐서 제어된다. DC링크 스테이지의 DC전압의 제어는, 소정의 임계 전압값으로 회복하는 모니터링된 선간 AC전압에 반응하여 능동형 정류기로 다시 전달된다.
본 발명의 일 실시 양태에 있어서, 전압저하를 순간보상 하도록 변속드라이브를 제어하기 위한 방법이 개시된다. 상기 방법은, 기계적인 부하에 연결된 모터와 압축기를 제공하는 단계; 상기 모터에 동력을 인가하기 위한 변속드라이브를 제공하는 단계로서, 상기 변속드라이브는 능동형 컨버터 스테이지 및 DC링크 스테이지에 전기적으로 연결된 인버터 스테이지를 포함하는 단계; 상기 DC링크 스테이지의 DC전압을 모니터링하는 단계; 상기 능동 컨버터 스테이지의 입력 매개변수를 모니터링하는 단계; 모니터링된 DC 링크전압에서의 변화에 반응하여 상기 능동형 컨버터를 통해서 상기 DC링크 스테이지의 DC전압을 조절하는 단계; DC전압이 소정의 제 1 임계전압보다 작아지는 것에 반응하여 상기 DC 링크 스테이지의 DC전압의 조절을 상기 인버터 스테이지로 전달하는 단계; 상기 압축기로부터 기계적인 부하를 제거하는 단계; 그리고 상기 모터로부터 상기 DC링크 스테이지로 흐르는 전력을 역전시킴으로써 상기 인버터 스테이지를 통해서 상기 DC링크 스테이지의 DC전압을 조절하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 양태는 냉각장치에서 전압 저하 순간보상 능력을 증가시키기 위한 방법에 관한 것으로, 상기 방법은, 기계적으로 함께 결합된 모터와 압축기를 제공하는 단계; 상기 모터에 동력을 인가하기 위한 변속드라이브를 제공하는 단계로서, 상기 변속드라이브는 능동형 컨버터 스테이지 및 DC링크 스테이지에 전기적으로 연결된 인버터 스테이지를 포함하는 단계; 상기 DC링크 스테이지의 DC전압을 모니터링하는 단계; 상기 능동 컨버터 스테이지의 입력 매개변수를 모니터링하는 단계; 상기 능동형 컨버터를 통해서 상기 DC링크 스테이지의 DC전압을 조절하는 단계; 상기 인버터 스테이지를 통해서 상기 모터의 속도를 조절하는 단계; DC 링크 스테이지의 DC전압이 소정의 제 1 임계전압보다 작은 것에 반응하여 상기 DC 링크 스테이지의 DC전압의 조절을 상기 인버터 스테이지로 전달하는 단계; 상기 압축기를 언로드하는 단계; 상기 능동형 컨버터 스테이지를 불능화하는 단계; 그리고 모터부터 상기 DC링크 스테이지로 흐르는 전력을 역전시킴으로써 상기 인버터 스테이지를 통해서 상기 DC링크 스테이지의 DC전압을 조절하는 단계를 포함한다.
본 발명은 또한 냉각장치에 관한 것으로, 상기 냉각장치는, 폐 냉각루프로서 연결된 압축기, 응축기 및 증발기를 포함하는 냉각 회로; 상기 압축기의 작동속도에서의 감소에 반응하여 상기 압축기를 언로딩하기 위한 언로딩 장치; 상기 압축기에 동력을 공급하도록 상기 압축기에 연결된 모터; 상기 모터에 연결된 변속 드라이브로서, 고정 입력 AC 전압과 고정 입력 주파수의 입력 AC전압을 수용하도록 구성되고, 상기 가변 전압은 고정 입력 AC 전압보다 큰 최대 전압을 가지며, 상기 가변 주파수는 고정 입력 주파수보다 큰 최대 주파수를 가지며, 상기 변속 드라이브는, 입력 AC 전력을 제공하는 AC 전력원에 연결된 컨버터 스테이지로서, 입력 AC전압을 승압된 DC 전압으로 변환하도록 구성된 컨버터 스테이지; 상기 컨버터 스테이지에 연결된 DC 링크로서, 상기 컨버터 스테이지로부터 나오는 DC전압과 저장 에너지를 필터링하도록 구성된 DC 링크; 상기 DC 링크에 연결된 인버터 스테이지로서, 상기 인버터 스테이지는 상기 DC 링크로부터 나오는 DC 전압을 가변 전압과 가변 주파수를 갖는 모터용 출력 전압으로 변환하도록 구성되는 인버터 스테이지; 그리고 상기 변속 드라이브의 작동을 제어하기 위한 제어 패널로서, DC 전압이 소정의 제 1 임계전압보다 작은 것에 반응하여 상기 인버터 스테이지를 통해서 상기 DC 링크 스테이지의 DC 전압을 조절하도록 구성된 제어 패널을 포함하며, 상기 제어 패널은 상기 압축기를 기계적으로 언로드하도록 제어 신호를 제공함으로써 상기 인버터 스테이지를 사용하여 상기 DC 링크 스테이지의 DC 전압, 그리고 상기 DC 링크 스테이지의 DC 전압을 조절하도록 상기 모터로부터 상기 DC 링크 스테이지로 흐르는 역방향 전력을 조절한다.
본 발명의 한가지 장점은 입력 전압 저하 동안에 냉각장치가 작동중지하는 것을 방지하기 위하여 개선된 입력 전압 저하 순간보상 능력을 제공할 수 있다.
본 발명의 다른 장점은, HVAC&R 장치의 열적 순간보상 능력을 최대화하도록 냉각수 또는 식염수 장치들의 열적 저장 능력에 의존하여 전압 저하 동안에 DC링크 캐패시터들의 방전을 최소화하고 냉각장치의 기계적 언로딩을 통해서 모터와 압축기의 회전 질량에 저장된 에너지를 유지하는 능력이다.
본 발명의 다른 장점은 DC링크로 에너지를 공급하기 위해서 모터와 압축기의 회전질량과 DC링크 사이에 에너지의 흐름을 역전시키는 능력이다.
본 발명의 다른 특징 및 장점들은 첨부도면을 참조하여 본 발명의 원리를 예를 들어서 설명하는 바람직한 실시 예의 보다 상세한 설명을 통해서 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명의 일반적인 장치 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 변속 드라이브의 일 실시 예를 개략적으로 나타낸 도면이 다.
도 3은 본 발명에서 사용될 수 있는 냉동장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 단순화한 블록 다이어그램이다.
도 5A는 본 발명의 실시 예의 흐름도이다.
도 5B는 본 발명의 바람직한 일 실시 예의 흐름도이다.
도 6 내지 도 9는 도 5A에 도시된 흐름도의 일부를 나타낸 도면이다.
도 10은 도 5B의 흐름도의 일부를 나타낸 도면이다.
도면을 통해서 동일하거나 유사한 부품들에 대해서는 동일한 참조부호들이 사용될 것이다.
도 1은 본 발명의 장치 구성을 일반적으로 나타낸 도면이다. AC 전력원(102)은 고정전압과 주파수의 AC 전압을 변속 드라이브(VSD)(104)로 인가하고, 계속해서 변속 드라이브(VSD)(104)는 가변 전압과 주파수의 AC전압을 모터(106)에 인가한다. 모터(106)는 압축기 혹은 냉각장치(도 3 참조)의 대응하는 압축기를 구동하도록 바람직하게 사용된다. AC 전력원(102)은 현장에 존재하는 AC 전력 그리드나 분배장치로부터 단일 위상 혹은 다중 위상(즉, 3상) 고정 전압 및 고정 주파수의 AC전력을 VSD(104)로 제공한다. AC 전력그리드는 전기기기로부터 직접적으로 공급될 수 있거나 또는 전기기기와 AC 전력그리드 사이에서 하나이상의 변전소로부터 공급될 수 있다. AC전력원(102)은 대응하는 AC 전력 그리드에 따라서 50 Hz 또는 60 Hz의 선 간 주파수로 200V, 230V, 380V, 460V, 또는 575V의 AC 전압 혹은 선간 전압을 VSD(104)로 바람직하게 공급할 수 있다. AC 전력원(102)은 AC 전력그리드의 구성에 따라서 적당한 고정 선간전압이나 고정 선간주파수를 VSD(104)로 공급할 수 있음을 이해하게될 것이다. 또한, 특별한 장소는 다른 선간 전압과 선간 주파수 요구조건들을 만족시킬 수 있는 다중 AC 전력그리드를 가질 수 있다. 예를 들면, 장소는 소정의 응용을 취급하도록 230 VAC 전력그리드를 가질 수 있고 다른 응용을 취급하도록 460 VAC 전력그리드를 가질 수 있다.
VSD(104)는 AC 전력원(102)으로부터 특별한 고정 선간 전압과 고정 선간 주파수를 갖는 AC 전력을 수용하고, 원하는 전압과 원하는 주파수의 AC 전력을 모터(106)로 공급하며, 이들 모두는 특별한 요구조건을 만족시키도록 변할 수 있다. 바람직하게는, VSD(104)는 AC 전력원(102)으로부터 수신된 고정전압과 고정주파수 보다 높은 전압과 주파수 또는 낮은 전압과 주파수를 갖는 모터(106)로 AC 전압을 제공할 수 있다. 도 2는 VSD(104)의 일 실시 예의 부품들중 일부를 개략적으로 나타낸 도면이다. VSD(104)는 3개의 스테이지들; 즉 정류기/컨버터 스테이지(202), DC 링크 스테이지(204) 및 인버터 스테이지(206)를 가질 수 있다. 정류기/컨버터(202)는 AC 전력원(102)으로부터 나오는 고정 주파수, 고정 크기 AC 전압을 DC 전압으로 변환시킨다. DC 링크(204)는 컨버터(202)로부터 나오는 DC 전력을 필터링하고, 캐패시터 및/또는 인덕터와 같은 에너지 저장 부품들을 제공한다. 끝으로, 인버터(206)는 DC 링크(204)로부터 나오는 DC 전력을 모터(106)에 대한 가변 주파수, 가변 크기 AC 전압으로 변환시킨다.
VSD(104)가 가변 출력전압과 가변 주파수를 모터(106)로 제공할 수 있으므로, 모터는 여러 가지 다른 조건들, 예를 들면 모터의 특별한 부하에 따라서 일정한 플럭스 또는 일정한 볼트/헤르츠(volts/Hz) 모드에서 작동할 수 있다. 바람직하게는, 제어 패널, 마이크로프로세서 혹은 컨트롤러는 제어 패널에 의해서 수용되는 특정한 센서 판독치들에 따라서 VSD(104)와 모터(106)에 대해 적당한 작동 설정을 제공하도록 VSD(104)와 모터(106)의 작동을 제어하기 위해서 VSD(104)로 제어신호를 제공할 수 있다. 예를 들면, 도 3의 냉각장치(300)에 있어서, 제어 패널(308)은 냉각장치에서의 조건들의 변화에 대응하도록 VSD(104)의 출력전압과 주파수를 조정할 수 있다. 즉, 모터(106)의 원하는 작동속도와 압축기(302)의 원하는 부하 출력을 얻기 위해서 압축기(302) 상에서의 부하 조건들의 증가 또는 감소에 반응하여, 제어 패널(308)은 VSD(104)의 출력전압과 주파수를 증가 또는 감소시킬 수 있다.
바람직한 예에 있어서, 정류기/컨버터(202)는, VSD(104)의 입력 전압보다 큰 최대 RMS 출력전압을 VSD(104)로부터 얻기 위해서, 승압된 DC 전압을 DC링크(204)로 제공하도록 절연된 게이트 양극성 트랜지스터(IGBTs)를 갖는 3상 펄스폭 변조 부스트 정류기이다. 다른 예에 있어서, 컨버터(202)는 VSD(104)의 입력전압보다 큰 출력전압을 VSD(104)로부터 얻기 위해서 승압된 DC전압을 DC링크(204)로 제공하도록 부스트 DC/DC 컨버터에 연결된 다이오드 혹은 사이리스터 정류기가 될 수 있다. 다른 예에 있어서, 정류기/컨버터(202)는 전압 승압능력없는 수동 다이오드 혹은 사이리스터 정류기가 될 수 있다.
본 발명의 바람직한 예에 있어서, VSD(104)는 VSD(104)로 제공된 고정 전압 과 고정 주파수의 각각 적어도 1.04배와 3배인 출력전압과 주파수를 제공할 수 있다. 또한, VSD(104)가 모터(106)에 적절한 출력전압과 주파수를 제공할 수 있는 한, VSD(104)는 도 2에 도시된 것과는 다른 부품들을 통합할 수 있음을 이해할 것이다.
VSD(104)는 AC전압이 VSD(104)에 먼저 인가되는 경우에 VSD(104)의 부품들에 손상을 입힐 수 있는 큰 돌입 전류를 회피하기 위해서 0 V로부터 AC 선간전압의 피크에 근접한 값으로 DC 링크 전압의 상승을 제어할 수 있는 예비충전장치(도시되지 않음)를 또한 포함할 수 있다. 예비충전장치는 입력 AC 전력원(102)과 정류기/컨버터(202) 사이에서 혹은 때때로 정류기/컨버터(202)의 출력과 DC 링크(204) 사이에서 예비충전 레지스터들 연결시키도록 사용되는 예비충전 접촉기를 포함할 수 있다. 이러한 예비충전 레지스터들은 돌입 전류를 자화가능한 수준으로 제한한다. 예비충전이 완료된 후에, 예비충전 레지스터들은 예비충전 접촉기를 개방시킴으로써 회로로부터 배척되며, 입력 AC 전력원(102)은 공급 접촉기로서 언급된 다른 접촉기를 폐쇄시킴으로써 컨버터(202)로 직접적으로 연결된다. 공급 접촉기는 장치의 작동과정 동안에 폐쇄되어 유지된다. 이와는 달리 예비충전 수단은 적절한 예비충전 제어수단과 함께 연결된 적절한 전력 반도체장치의 사용을 통해서 정류기/컨버터(202)의 설계 내로 통합될 것이다.
또한, VSD(104)는 단일 전력 요소를 갖는 전력을 HVAC&R 장치에 제공할 수 있다. 끝으로, 모터(106)에 의해서 수신된 전압과 주파수를 VSD(104)에 의해서 수신된 고정 선간전압과 고정 선간주파수보다 높거나 낮게 조정하는 VSD(104)의 능력 은, 다른 전력원에 대하여 모터(106)나 VSD(104)를 변경시킴이 없이 다양한 외래와 고유 전력 그리드에서 HVAC&R 장치가 작동하도록 허용한다.
바람직하게는, 모터(106)는 가변속도로 구동될 수 있는 유도전동기이다. 유도전동기는 2개, 4개 혹은 6개의 자극들을 포함하는 소정의 적당한 자극배열을 구비할 수 있다. 유도전동기는 부하, 바람직하게는 도 3에 도시된 바와 같은 냉동장치의 압축기를 구동하도록 사용된다.
도 3에 도시된 바와 같이, HVAC, 냉장 혹은 액체냉각장치(300)는 압축기(302), 응축기(304), 증발기(306) 및 제어패널(308)을 포함한다. 제어 패널(308)은 냉각시스템(300)의 작동을 제어하도록 아날로그 디지털(A/D) 변환기, 마이크로프로세서, 비휘발성 메모리 및 인터페이스 보드와 같은 여러 가지의 다른 부품들을 포함할 수 있다. 제어 패널(308)은 VSD(104)와 모터(106)의 작동을 제어하도록 사용될 수 있다. 종래의 냉각장치(300)는 도 3에는 도시되어 있지 않은 다른 특징들을 포함할 수 있다. 이러한 특징들은 설명의 편의를 위해서 도면을 단순화하도록 생략하였다.
압축기(302)는 냉각 증기를 압축하여 배출라인을 통해서 응축기(304)로 보낸다. 압축기(302)는 바람직하게는 원심형 압축기로 이루어지지만, 다른 적당한 형식의 압축기, 즉 스크루 압축기, 왕복압축기 등이 될 수 있다. 압축기(302)에 의해서 응축기(304)로 운반된 냉각 증기는 유체, 즉 공기나 물과 열교환하게 되고, 유체와의 열교환의 결과로서 냉각 액체로서의 상변화를 겪게 된다. 응축기(304)로부터 나오는 응축된 액체 냉각제는 팽창장치(도시되지 않음)를 통해서 증발기(306)로 유동 한다.
압축기(302)는 압축기(302)의 기계적인 부하를 변화시키기 위한 부하 변화장치(303)를 포함할 수 있다. 원심형 압축기에 있어서 부하 변화장치(303)는 예비회전 날개일 것이다. 증발기(306)로부터 압축기(302)로 이르는 유입구 또는 흡입 라인(301)에서, 압축기(302)로의 냉각제 흐름을 제어하는 하나이상의 예비회전 날개 또는 유입구 안내날개(303)가 존재한다. 압축기(302)로 공급되는 냉각제의 양을 증가시키고 이에 의해서 장치(300)의 냉각용량을 증가시키기 위하여 예비회전 날개(303)를 개방시키도록 액튜에이터가 사용된다. 마찬가지로, 압축기(302)로 공급되는 냉각제의 양을 감소시키고 이에 의해서 장치(300)의 냉각용량을 감소시키기 위하여 예비회전 날개(303)를 폐쇄시키도록 액튜에이터가 사용된다. 스크루 압축기에 있어서 부하 변화장치(303)는 슬라이드 밸브일 것이다. 압축기의 배출라인(307)은 아래에서 보다 상세하게 설명하는 바와 같이 냉각제의 역류를 방지하기 위하여 거기에 연결된 체크밸브(305)를 구비할 것이다. 다른 구성에 있어서, 체크밸브(305)는 흡입라인(301)에서 압축기(302)에 연결된다.
증발기(306)는 냉각 부하의 공급라인과 복귀라인의 연결을 포함할 수 있다. 2차 액체, 즉 물, 에틸렌, 염화칼슘 브라인 또는 염화나트륨 브라인이 복귀라인을 거쳐서 증발기(306) 내로 이동하고 공급라인을 거쳐서 증발기(306)를 빠져나간다. 증발기(306) 내의 액체 냉각제는 2차 액체의 온도를 낮추도록 2차 액체와 열교환하게 된다. 증발기(306) 내의 냉각 액체는 2차 액체와의 열교환의 결과로서 냉각 증기로의 상변화를 겪게 된다. 증발기(306) 내의 증기 냉각제는 증발기(306)를 빠져 나가서 사이클을 완결하도록 흡입라인에 의해서 압축기(302)로 복귀한다. 응축기(304)와 증발기(306)의 적당한 구성이 장치(300)에 사용될 수 있고 응축기(304)와 증발기(306)에서의 냉각제의 적절한 상변화가 얻어질 수 있음을 이해할 것이다.
HVAC, 냉장 혹은 액체 냉각장치(300)는 도 3에는 도시되어 있지 않은 다른 특징들을 포함할 수 있다. 이러한 특징들은 설명의 편의를 위해서 도면을 단순화하도록 생략하였다. 또한, 도 3은 단일 냉동회로로 연결된 하나의 압축기를 갖는 HVAC, 냉장 혹은 냉각장치(300)를 도시하였지만, 장치(300)는 하나이상의 냉동회로의 각각에 연결되며 단일의 VSD에 의해서 전력을 공급받는 다중 압축기를 가질 수 있음을 이해하게 될 것이다.
제어 패널(308)은 압축기에 대한 기계적인 부하장치(303), 예를 들어 원심형 압축기의 예비회전 날개들 또는 스크루 압축기의 슬라이드 밸브의 위치를 결정하고 실행하는 압축기 제어유닛(406)(도 4 참조)을 통합한다. 제어 패널(308)은 냉각장치를 위한 제어 패널(308)에 의해서 발생된 냉각 수요 시그날에 반응하여 압축기(302)와 모터(106)의 속도를 또한 제어한다. 제어 패널(308)은 인버터 제어 유닛(404)(도 4 참조)으로 모터 속도 명령을 보내며, 원하는 압축기 속도를 생성하기 위해서 모터(106)에 대한 전압과 주파수를 출력하도록 인버터(206)를 제어한다. 인버터 제어 유닛(404)은 모터 전류의 플럭스-생성 및 토크-생성을 별도로 그리고 독립적으로 제어함으로써, 직접토크제어를 통해서 모터(106)의 속도를 조절하도록 벡터 제어 알고리즘을 바람직하게 사용한다.
다음의 제어 설명에 있어서, DC 링크 전압, VDC, DC 링크 전압 제 1 설정점, VSTPT1, DC 링크 전압 제 1 임계 VTHI, DC 링크 전압 제 2 설정점 VSTPT2 및 DC 링크 전압 컷아웃 임계 VUNDER는 DC 값들이고, 여기에서 VSTPT1 > VTH1 > VSTPT2 > VUNDER 이고 감지된 입력 AC 선간 전압 VINAC과 입력 AC 전압 임계 VTH _ IN는 RMS 값들이다. 본 발명의 바람직한 방법은 일반적으로 VSD(104)로의 입력에서 발생하는 전압 저하동안에 순간보상을 제공하도록 2단계 작동 모드로 바랍직하게 이루어진다. 제 1 단계에 있어서, AC 선간전압의 크기가 감소함에 따라서, 정류기/컨버터(202)(이 실시 예에서 부스트 정류기)는 정상적인 전체 전압작동하에서 DC 링크 전압을 그것의 정격값으로 조절한다. 부스트 정류기는 DC 링크전압을 그것의 설정점(VSTPT1)으로 유지하기 위해서, 부스트 정류기내로 인가되는 입력 AC 전류를 증가시킴으로써 입력 AC 전압 저하를 보상한다. 부스트 정류기는 입력전류가 소정의 전류 한계에 도달할 때까지 입력 전류를 증가시킴으로써 전압에서의 저하를 계속해서 보상한다. 부스트 정류기가 소정의 전류한계에 도달하는 경우, 만일 선간전압이 수용가능한 수준으로 회복되지 않으면, 본 발명의 제 2 단계는 2개의 실질적으로 동시적인 반응을 착수하는데, 먼저 압축기를 언로딩하고 다음으로는 모터와 압축기의 회전 질량에서 저장 에너지로부터 나온 전력을 DC 링크로 공급한다.
도 4를 참조하면, 압축기 제어 유닛(406)은 DC링크 캐패시터로부터 나오는 냉동부하에 의해서 소비되는 전력과 모터 회전자 및 압축기의 회전 질량의 관성을 최소화하도록 압축기(302)의 기계적인 언로딩 장치(303)를 작동시킨다. 회전질량에 저장된 에너지를 보존하기 위해서 기계적인 부하가 압축기 제어유닛(406)에 의해서 분리되는 경우, 인버터 제어 유닛(404)은 모터 속도 제어모드로부터 DC 링크전압 제어모드로 스위치 절환하고, 모터 속도를 제어함으로써 DC 링크전압의 크기를 VSTPT2의 수준으로 조절한다. 전압저하의 주기 동안에, 제어 패널에 의해서 수용되는 특별한 센서 판독치들에 따라서 VSD(104)와 모터(106)에 대해 적당한 작동 설정을 제공하도록 제어 패널, 마이크로프로세서 또는 컨트롤러(308)로부터 수신된 명령어는 VSD(104)에 의해서 무시된다. 이 힘은 모터(106)와 압축기(302)로 하여금 그들의 관성에 저장된 필수적인 양의 에너지가 DC 링크 캐패시터들로 전달될 수 있도록 발생기로서 작용하게 한다. 모터 속도는 순간정전보상 동안에 감소하는 반면에, DC링크 전압은 승격된 전압 혹은 그 근처로 유지된다. 입력 전압이 정상적인 범위로 회복되기전에 회전 질량에 저장된 에너지가 계속적으로 고갈되면, DC 링크 전압은 VUNDER로 나타낸 소정의 임계값 이하로 저하될 것이고, 장치는 작동중지될 것이다.
다중 인버터들과 압축기 모터들이 동일한 DC 링크에 연결된 장치에 있어서, 인버터 제어유닛은 단일 인버터 케이스에 대하여 위에서 설명한 바와 같이 유사한 방식으로 작동한다. 주된 차이는 각각의 인버터는 고유한 임계 VTHI(즉, VTH1a, VTH1b, VTH1C, 여기에서 각기 다른 인버터들에 대하여 a, b, c 스탠드) 및 고유한 설정값 VSPT2 (즉, VSPT2a, VSPT2b, VSPT2c)를 갖는다. 다른 인버터들과 압축기 모터들 중에서 임 계값들과 설정값들의 이러한 분리는 다중의 인버터들이 DC링크 전압을 동시에 제어하도록 시도하는 경우에 잠재적인 불안정성을 방지하기 위해서 필요하다.
VSD는 펄스 폭 변조 부스트 정류기나 다른 부스트 정류기 타입이되는 능동형 정류기(202)를 포함한다. DC 링크 스테이지(204)는 노드(400)에 제어신호 VDC를 제공하는데, 이는 정류기 제어유닛(402)과 인버터 제어유닛(404)으로 전달된다. 제어 유닛(402,404)은 DC 링크 전압에 추가하여 다른 제어신호들을 또한 수신하는데, 이것은 도면에서는 설명의 편의를 위해 생략하였다. 제어 유닛들(402,404)은 통상적으로 VSD 캐비닛 내부에 위치하지만, 제어 패널(308) 내에 위치하거나 아니면 각각의 장비에 별도로 장착될 것이다.
본 발명의 순간보상방법의 다른 예가 도 5A에 도시되어 있다. 본 발명의 방법의 일 양태를 일반적으로 설명하는 흐름도(500)는 장치의 초기화를 나타내는 단계(502)에서 시작한다. 장치가 초기화된 후에, 장치는 단계(504)에 도시된 바와 같이 정상적인 작동으로 구동하는데, 상기 단계에서는 AC 전력원으로부터 출력된 선간전압이 정상적인 선간전압 근처, 즉 전압 저하가 없는 상태이거나, 또는 선간전압이 정상적인 선간접압 이하로 저하하기 시작하는 상태이며, 그러나 부스트 정류기 내로의 입력전류는 전류 한계값이하이고 DC링크 전압은 설정값 VSTPT1으로 유지된다. 부스트 정류기는 단계(504a)에서 DC링크 전압을 조절하고; 인버터는 단계(504b)에서 압축기의 속도를 조절하고; DC링크 전압의 모니터링은 단계(504c)(도 6 참조)에서 제어 하드웨어와 소프트웨어에 의해서 수행된다. 단계(504a-504c)는 동시에 수행되거나 또는 단계(504)에 나타낸 바와 같이 순차적으로 수행된다. 도 6에 나타낸 순서는 단지 설명을 목적으로 한 것이다. 부스트 정류기의 입력 전류는 단계(504)에서 부스트 정류기의 RMS 전류 한계값과 같거나 그보다 작다.
단계(506)에서, VDC는 소정의 임계값 VTH1와 비교된다. VTH1의 크기는 DC 링크 전압 VSTPT1의 정상적인 설정값보다 작다. 예에서와 같이, 만일 정상적인 DC전압이 VSTP1 =950 V이면, VTH1는 900V로서 선택될 수 있다. 만일 VDC가 VTH1보다 작으면, 이것은 부스트 정류기가 그것의 전류한계에 도달하였고 DC링크 전압을 그것의 설정값으로 더이상 조절할 수 없고 따라서 장치는 압축기(302)를 언로드하고 부스트 정류기(202)와 예비충전 장치들을 불능화하며 DC 링크 전압을 제어하도록 인버터(206)를 변환시키는 것을 나타낸다. 그렇지 않으면, 장치는 단계(504)로 복귀한다. DC 링크 전압 VDC를 모니터링하는 것은 연속적으로 수행되거나 또는 순차적으로 수행되며, 만일 VDC의 값에서의 변화가 장치에서의 반응을 활성화시키면 여기에서 불균일한 단계로서 나타내어진다.
단계(508a-508c)는 도 7에 도시된 바와 같이 단계(508)에서 수행된다. 압축기 제어 유닛(406)은 원심형 압축기에서 날개들의 작동을 통해서 그리고 스크루 압축기에 있는 슬라이브 밸브의 작동을 통해서 또는 원심형 압축기나 스크루 압축기의 배출라인에 있는 체크밸브를 삽입함으로써 단계(508a)에서 압축기를 기계적으로 언로드한다. 압축기를 언로드함으로써, 모터에서 저장된 회전 에너지는 순간보상작 용에 대하여 보존되고, 아래에서 설명하는 바와 같이 최소 회전 에너지가 냉각장치(300)의 냉각제 부하로 소진된다. 단시간의 순간보상 기간 동안에, 냉각제 루프에 저장된 열에너지와 2차 증발성 냉각 루프는 HVAC&R 장치 부하로 필수 냉각을 제공하기 위해서 사용된다. 동시에, 단계(508b)에서, 부스트 정류기에 있는 IGBTs는 불능화되고, 단계(508c)에서 부스트 정류기와 연관된 예비충전 장치가 불능화된다. 장치는 단계(510a - 510c)에 설명하고 있는 위상 2 순간보상 작동의 제 2 단계에 놓이게 된다. 단계(508a-508c)는 동시에 수행되거나 또는 순차적으로 수행된다.
단계(510a-510c)는 단계(508)에서 또한 수행된다. 도 8을 참조하면, 단계(510a)에서, 인버터는 DC 링크 전압을 정상적인 값 VSTPT2으로 조절하도록 노력한다. VSTPT2에 대하여 선택된 값은 VTH1에 대하여 선택된 값보다 낮다. 예에서와 같이, 만일 VTH1가 900 V이면, VSTPT2는 850V가 될 것이다. 인버터는 인버터 제어유닛(404)에 의해서 정류기로서 작동한다. 모터(106)와 압축기(302)의 회전질량에 저장된 에너지는 정상적인 모터 작동으로부터 역방향으로 인버터(206)를 통해서 DC 링크(204)로 유동한다. 모터(106)와 압축기(302)는 DC링크로 전력을 공급하는 발생기가 된다. 이러한 방식에 있어서, DC 링크 전압은 모터(106)와 압축기(302)를 포함하는 전자기 부하에 저장된 에너지에 의해서 지지된다. 전기 에너지를 저장하기 위하여 DC 링크에 연결된 캐패시터들(도시되지 않음)은 인버터(206)를 통해서 모터(106)로부터 유동하는 에너지에 의해서 충전상태로 유지된다. 본 발명의 이러한 실시 예에 있어서, 단계(508b)에 있어서, 부스트 정류기는 불능화되고, DC링크에 공급된 에너지 전체는 모터(106)와 압축기(302)에 있는 저장된 에너지로부터 인버터를 통해서 제공된다. DC 링크(204)는 입력 전력원으로부터 격리된다. 단계(510b)에서 DC 링크 전압 VDC의 하드웨어 및 소프트웨어 모니터를 제어하고 단계(510c)에서 입력 선간전압 VINAC를 제어한다. 단계(510a-510c)는 단계(508)에서 동시에 수행되거나 또는 순차적으로 수행되며, 도 8에 나타낸 순서는 단지 설명을 목적으로한 것이다. 단계(508)는 다음중 하나가 도 5A에 도시된 단계들(512 또는 516)중 하나가 일어날 때까지 계속된다.
단계(512)에 있어서, DC 링크 전압 VDC는 연속적으로 모니터링되고, 만일 VDC가 소정의 실패 임계전압 VUNDER(VSTPT2보다 낮음)이 감소되면, 장치 실패가 나타난다. VSD는 단계(514)에서 즉시 작동 중단된다. 한편, 장치는 단계(516)로 진행하는데, 여기에서 입력 선간전압 VINAC는 입력 전력원에서 모니터된다. VINAC가 소정의 입력 선간 임계전압 VTH _ IN보다 크면, 이것은 전압 저하 상태가 더 이상 존재하지 않는다는 것을 나타내며, 장치는 장치를 정상적인 작동으로 재설정하도록 단계(518)로 진행한다. 도 9에 도시된 바와 같이, 단계(518a-518c)는 단계(518)에서 수행된다. 단계(518a)에서, VSD의 전방단부에 있는 예비충전장치는 DC 링크 전압의 증가를 제어할 수 있다. 단계(518b,518c)에 있어서, 부스트 정류기 스위치들은 DC 링크 전압을 소정 값 VSTPT1로 더욱 증가시킬 수 있다. 단계(518d)에 있어서, 인버터 제어모드는 제어 패널에 의해서 수신되는 특정한 센서 판독치들에 따라서 VSD(104)와 모 터(106)에 대해 적당한 작동 설정을 제공하도록 제어 패널, 마이크로프로세서 또는 컨트롤러로부터 수신된 명령어로부터 모터의 속도를 제어하는 것으로 이동하고, DC링크는 정류기 제어 유닛(402)에 의해서 다시 제어된다. 끝으로, 단계(518e)에 있어서, 압축기는 기계적으로 로딩된다. 그러면, 장치는 단계(504)에서 규칙적인 작동에 들어간다.
도 5B를 참조하면, 순간보상 순서에 대한 바람직한 실시 예가 설명된다. 본 발명의 이러한 양태에 있어서, 부스트 정류기는 전체 순간보상 동안에 DC 링크(202)의 캐패시터들로 전류를 공급할 수 있고 동시에 모터(106)로부터 에너지의 재발생을 수행할 수 있다. 이러한 대안적인 방법의 초기 단계(502) 내지 (506)은 위에서 언급한 도 5A 및 도 6에서 나타낸 것과 동일하게 유지된다. 본 발명의 대안적인 방법에 있어서, 만일 VDC가 VTH1 보다 작으면, 단계(506)에서 장치는 단계(608)로 진행하고, 다른 한편으로는 장치는 단계(504)로 복귀한다. 예에서와 같이, 만일 정상적인 DC전압이 VSTP1 = 950V이면, VTH1는 900V로서 선택될 수 있다. 단계(508, 516 및 518)는 아래에서 설명하는 바와 같은 단계(608, 616 및 618)로 대체된다.
단계(508a, 510a, 608a 및 510c)는 도 10에 도시된 단계(608)에서 또한 수행된다. 단계(508a)에서, 압축기 제어 유닛(406)은 위에서 언급한 것과 동일한 방식으로 압축기를 기계적으로 언로드한다. 단계(510a)에서, 인버터 제어 유닛(404)은 DC 링크 전압 VDC를 값 VSTPT2로 조절하는 것을 시작하고, 제어 패널, 마이크로프로세서 또는 컨트롤러로부터 수신된 명령어를 무시하여 압축기 모터(106)의 속도 조절 을 중단하며, 제어 패널에 의해서 수신된 특별한 센서 판독치에 따라서 VSD(104)와 모터(106)에 대한 최적의 작동 설정을 제공한다. VSTPT2에 대하여 선택된 값은 VTH1에 대하여 선택된 값보다 낮다. 예에서와 같이, 만일 VTH1가 900V이면, VSTP2은 850V가 될 것이다. 단계(608a)에 있어서, 부스트 정류기는, 도 7에 도시된 방법에 비해서, DC 링크를 전류 한계에서 작동하는 값 VSTPT1로 조절하도록 노력한다. 단계(508a, 510a, 510c)는 단계(608)에서 동시에 수행되거나 또는 순차적으로 수행되며, 도 10에 나타낸 순서는 단지 설명을 목적으로한 것이다.
단계(510a)에서, 인버터는 DC 링크 전압을 소정의 값 VSTPT2로 조절하도록 정류기로서 작동한다. DC 링크 전압은 정류기/컨버터를 통해서 유도된 에너지, 및 모터(106)와 압축기(302)를 포함하는 전자기 부하에 저장된 에너지에 의해서 지지된다. 이러한 바람직한 예에 있어서, 단계(608a)에 있어서, 부스트 정류기는 그것의 전류 한계를 달성하며, DC링크 전압을 조절하도록 노력한다. 전류 한계에서의 작동은 부스트 정류기가 그것의 출력에서 실제로 VSTPT1를 달성할 수 있는 것을 방지한다. 입력 AC전압이 충분한 크기로 증가하는 경우, 능동형 정류기는 VSTPT1가 달성될 수 있기에 충분한 에너지를 공급할 수 있다. 다시 말해서, 부스트 정류기 전압 제어 루프는 전류 한계에서 작동하는 경우에 포화되지만(부스트 정류기와 인버터가 DC 링크 전압을 제어하도록 시도하는 폐 루프에서 작동하는 경우에 장치의 불안정성을 방지함), 전력은 입력 AC 라인으로부터 DC 링크로 계속해서 흐른다. 그러므 로, 전력은 입력 전압원으로부터 컨버터를 통해서 그리고 부하로부터 인버터를 통해서 DC링크 스테이지로 공급되고, 전압 저하 동안에 최대 에너지가 보유될 수 있으며, 장치의 순간보상 능력을 최대화할 수 있다. 다른 방법은 단계(616)에 도달할때까지 도 5A에 설명되고 또한 도 5B에 도시된 바와 같이 단계(512)로 진행한다. 단계(616)에 있어서, DC링크 전압 VDC는 VTH1 한계와 비교되고, 위상 2 작동으로 되돌아가거나 또는 단계(618)에서 순간보상작동을 중단하게 하는 결정이 이루어진다. 만일 VDC가 VTH1보다 크면, 능동형 정류기는 전류한계에서 더이상 작동하지 않으며, 이것은 입력 선간전압이 정격 선간전압의 소정 백분율 내에서 회복되는 것을 나타내며, 인버터 제어 유닛은 제어 패널, 마이크로프로세서 또는 컨트롤러로부터 수신된 명령에 따라서 모터(106)의 속도를 제어하도록 다시 역전되고, 이것은 제어 패널에 의해서 수신된 특별한 센서 판독치들에 따라서 VSD(104)와 모터(106)에 대한 최적의 작동상 설정을 제공한다. 단계(618)에서, 압축기(302)는 기계적으로 로딩된다. 그러면, 장치는 단계(504)에서 규칙적인 작동에 들어간다.
제어 알고리즘은 컴퓨터 프로그램에 내장되고 VSD(104) 내에 위치된 마이크로프로세서에 의해서 실행되는 것이 바람직하지만, 해당 기술분야의 당업자에 의해서 디지털 및/또는 아날로그 하드웨어를 사용하여 제어 알고리즘이 실행될 수도 있음을 이해할 수 있을 것이다. 만일 하드웨어가 제어 알고리즘을 실행하도록 사용되면, VSD(104)의 대응하는 구성은 필요 부품들을 통합하고 더 이상 필요없는 부품들은 제거하도록 변할 수 있다.
본 발명의 다른 방법에 있어서, VSD(104)의 컨버터(202)는 수동 정류기, 즉 AC 입력 전력을 DC 링크 스테이지에 대한 DC 전력으로 변환하기 위한 다이오드나 사이리스터 정류기가될 것이다. 수동형 정류기/컨버터(202)를 사용하는 방법은 능동형 정류기/컨버터 방법 보다 작은 순간보상능력을 제공하는 반면에, 냉각제 부하의 언로딩 및 모터/압축기 부하로부터 DC 링크(204)로의 에너지의 재발생의 결과로서 개선된 순간보상이 달성된다. 수동형 정류기가 사용되면, 도 5에 도시된 방법이 샐행되어 순간보상이 단계(508)에서 효과적으로 시작되고, DC 링크 전압은 임계전압 VTH1 이하로 감퇴한다. 도 7의 단계(508b)에서 그리고 도 9의 단계(518b)에서, 작용은 능동형 정류기보다 수동형 정류기 쪽으로 이루어진다. 이러한 경우에 있어서 DC 링크 전압은 입력 컨버터를 통해서 VSTP1와 같은 특정 설정점으로 제어될 수 없지만, DC 링크 전압 크기는 입력 AC 선간전압의 수동형 정류의 함수이다. 이러한 경우에 있어서 VTH1의 크기는 입력 선간전압의 정류로부터 발생하는 최소 기대 DC 전압보다 낮고 장치의 작동 입력 전압범위 이상의 수준으로 선택된다. VSTPT2는 VTH1 보다 작아지게 선택되고 인버터 제어 유닛(404)은 전압 저하 동안에 DC 링크 전압 VDC를 값 VSTPT2로 조절한다.
다시 도 3을 참조하면, 압축기(302)의 기계적인 언로딩을 실행하도록 사용될 여러 가지 장치들이 존재한다. 예비회전 날개들(303)은 단지 원심형 압축기에서의 응용을 나타내도록 파선으로 표시된다. 예비회전 날개들(303)은 원심형 압축 기(302)에 있는 압축기 유입구에 연결된다. 예비회전 날개들(303)은 압축기(302)의 부하를 변화시키도록 작동할 수 있다. 바람직하게는, 고속 액튜에이터(도시되지 않음)는 전력 저하에 반응하여 예비회전 날개들(303)을 신속하게 폐쇄시키도록 채용될 것이다. 마찬가지로, 압축기는 스크루 압축기이고, 예비회전 날개들(303)이 원심형 압축기 배열에서 구동하므로 슬라이드 밸브(303)는 부하를 변화시키도록 사용될 것이다. 예비회전 날개들(303)은 단지 스크루 압축기에서의 응용을 나타내도록 파선으로 표시된다. 슬라이드 밸브(303)에 대한 고속 액튜에이터는 바람직하게는 장치로 하여금 전압 저하에 대하여 신속하게 반응하도록 할 수 있다. 전압 저하가 발생하는 경우, 압축기의 기계적인 언로딩은 예비회전 날개들(303)을 폐쇄시킴으로써 달성된다.
도 3은 압축기의 배출라인(307)에 삽입된 체크밸크(305)를 또한 나타낸 것이다. 이와는 달리, 체크밸크(305)는 압축기(302)의 흡입라인(301)에 삽입될 것이다. 체크밸브(305)의 작동은 압축기로 하여금 부하를 기계적으로 쉐드(shed)하도록 냉각기 제어장치에 의한 작용에 대한 필요성을 제거한다. 즉, 체크밸브(305)는 고속 작동장치, 즉 스크루 압축기에 있는 슬라이드 밸브(303) 또는 원심형 압축기에 있는 예비회전 날개들(303)에 대한 필요성을 제거한다. 체크밸브(305)는 압축기(302)의 기계적인 언로딩 시간을 또한 최소화시킨다. 다른 실시 예에 있어서, 체크밸브(305)는 생략될 수 있고, 압축기(302)의 기계적인 언로딩을 위해서 사용된 예비회전 날개들이나 슬라이드 밸브(303)가 생략될 수도 있다. 체크밸브(305)는 단독으로 사용되거나 또는 다른 형식의 기계적인 언로딩 장치들중 하나와 조합하여 사용 될 것이다.
장치는 압축기 서지(surge)의 테두리 상에서 정상적으로 작동하기 때문에, 압축기의 이러한 급속한 기계적인 언로딩은 원심형 압축기 응용에 있어서 특히 바람직하다. 냉각장치에서 냉각제의 유동이 원심형 임펠러에 대하여 역방향을 취하는 경우에 압축기 서지가 발생한다. 만일 압축기(302)가 서지 포인트 또는 그 근처에서 작동하면, 압축기 작동 속도에서의 감소는 압축기(302)로 하여금 서지 영역 내로 들어가게 할 것이다. 도 5 내지 도 10을 참조하여 위에서 설명한 바와 같이, 작동 속도에서의 이러한 감소는 순간보상 알고리즘에 따라서 실행된다. 압축기(302)의 배출 라인에 삽입된 체크밸브(305)는 냉각제 가스가 역방향으로 유동하는 것을 방지하며, 따라서 압축기(302)의 서지 상태를 방지한다. 배출라인에서 가압된 냉각제 가스는 역방향 유동에 의해서 압력을 즉시 평형화하도록 시작되기 때문에, 임펠러의 회전속도가 감소하는 경우에 체크밸브(305)는 폐쇄된다. 동시에 밸브를 폐쇄하여 압축기 장치를 언로드하며, 따라서 회전장치에서 에너지의 저장이 최대화되고 장치의 순간보상능력이 확대된다.
입력 AC전력(102)이 정상적인 전압으로 회복되는 경우에, 압축기 임펠러의 RPM은 정격 작동 RPM으로 회복된다. 압축기 배출라인(307)의 압력은 조절되고 체크밸브(305)를 개방시킬 수 있는 정격수준으로 복귀하며, 장치의 기계적인 부하는 전압 저하전의 수치로 회복된다.
본 발명의 장치 및 방법은 전압저하 조건들을 모니터하고 그에 반응하기 위해서 모터 속도의 감지를 필요로 하지 않으며, 이에 의해서 장치의 제조비용이 절 감되고 신뢰성이 증가된다. 제어는 DC 링크 전압, 입력 AC 선간전압, 입력 전류 및 모터 전류를 감지하는 것을 통해서 달성된다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 또한, 많은 변형이 본 발명의 필수적인 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 실행하기 위한 특정 이벤트이나 재료를 채택하도록 이루어질 것이다. 그러므로, 본 발명은 본 발명을 수행하기 위한 최선의 모드로서 설명하고 있는 본 발명의 특정한 실시 예로서 제한되지 않으며, 본 발명은 첨부된 특허청구범위의 영역 내에 있는 모든 실시 예들을 포함하게 될 것이다.

Claims (20)

  1. 전압 저하를 순간보상하도록 변속드라이브를 제어하기 위한 방법으로서,
    기계적인 부하에 연결된 모터와 압축기를 제공하는 단계;
    상기 모터로 동력을 인가하도록 변속드라이브를 제공하는 단계로서, 상기 변속드라이브는 능동형 컨버터 스테이지 및 DC 링크 스테이지에 의해서 전기적으로 연결된 인버터 스테이지를 포함하는, 단계;
    상기 DC 링크 스테이지의 DC 전압을 모니터링하는 단계;
    상기 능동형 컨버터 스테이지의 입력 매개변수를 모니터링하는 단계;
    모니터링된 DC 링크 전압에서의 변화에 반응하여 상기 능동형 컨버터를 사용하여 상기 DC 링크 스테이지의 DC 전압을 조절하는 단계; 그리고
    DC전압이 소정의 제 1 임계전압보다 작은 것에 반응하여, 상기 DC링크 스테이지의 DC전압을 상기 인버터 스테이지로 전달하는 단계, 상기 압축기로부터 기계적인 부하를 제거하는 단계, 및 상기 모터로부터 상기 DC 링크 스테이지로 유동하는 전력을 역전시킴으로써 상기 인버터 스테이지를 사용하여 상기 DC 링크 스테이지의 DC전압을 제어하는 단계를 실행하는 단계;를 포함하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 압축기로부터 기계적인 부하를 제거하는 단계는, 상기 압축기의 작동속도 감소에 반응하여 냉각제 유동이 역전되는 것을 방지하기 위하여 상기 압축기의 냉각제 라인에 삽입된 체크밸브에 의해서 자동적으로 실행되는 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 냉각제 라인은 상기 압축기의 배출라인인 방법.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 냉각제 라인은 상기 압축기의 흡입라인인 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 압축기는 원심형 압축기이고, 상기 압축기로부터 기계적인 부하를 제거하는 단계는, 상기 압축기의 기계적인 부하를 제거하도록 다수의 예비회전 날개들을 작동시키는 단계를 포함하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 압축기는 스크루 압축기이고, 상기 압축기로부터 기계적인 부하를 제거하는 단계는, 상기 압축기의 기계적인 부하를 제거하도록 슬라이드 밸브를 작동시키는 단계를 포함하는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서, AC입력 전력원의 AC입력전압을 모니터링 하는 단계; 그리고 모니터된 AC전압이 소정의 임계전압 값과 같거나 큰 것에 반응하여 상기 능동 컨버터 스테이지를 사용하여 상기 DC 링크 스테이지의 DC전압을 제어하는 단계를 더 포함하는 방법.
  8. 냉각장치에서 전압 저하 순간보상 능력을 증가시키기 위한 방법으로서,
    기계적으로 함께 연결된 모터와 압축기를 제공하는 단계;
    상기 모터로 동력을 인가하도록 변속드라이브를 제공하는 단계로서, 상기 변속드라이브는 능동형 컨버터 스테이지 및 DC 링크 스테이지에 의해서 전기적으로 연결된 인버터 스테이지를 포함하는, 단계;
    상기 DC 링크 스테이지의 DC 전압을 모니터링하는 단계;
    상기 능동형 컨버터 스테이지의 입력 매개변수를 모니터링하는 단계;
    상기 능동형 컨버터를 통해서 상기 DC 링크 스테이지의 DC 전압을 조절하는 단계;
    상기 인버터 스테이지를 통해서 모터 속도를 조절하는 단계; 그리고
    DC전압이 소정의 제 1 임계전압보다 작은 것에 반응하여, 상기 DC링크 스테이지의 DC전압을 상기 인버터 스테이지로 전달하는 단계, 상기 압축기를 언로딩하는 단계; 상기 능동형 컨버터 스테이지를 불능화하는 단계, 및 상기 모터로부터 상기 DC 링크 스테이지로 유동하는 전력을 역전시킴으로써 상기 인버터 스테이지를 사용하여 상기 DC 링크 스테이지의 DC전압을 제어하는 단계를 실행하는 단계;를 포함하는 방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 압축기를 언로딩하는 단계는, 상기 압축기의 작동속도 감소에 반응하여 냉각제 유동이 역전되는 것을 방지하기 위하여 상기 압축기의 냉각제 라인에 삽입된 체크밸브에 의해서 실행되는 방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 냉각제 라인은 상기 압축기의 배출라인인 방법.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 냉각제 라인은 상기 압축기의 흡입라인인 방법.
  12. 제 8 항에 있어서, 상기 압축기는 원심형 압축기이고, 상기 압축기를 언로딩하는 단계는, 다수의 예비회전 날개들을 작동시킴으로써 상기 DC 링크 전압의 감소에 반응하여 상기 압축기의 기계적인 부하를 변화시키는 단계를 포함하는 방법.
  13. 제 8 항에 있어서, 상기 압축기는 스크루 압축기이고, 상기 압축기를 언로딩하는 단계는, 슬라이드 밸브를 작동시킴으로써 상기 DC 링크 전압의 감소에 반응하여 상기 압축기의 기계적인 부하를 변화시키는 단계를 포함하는 방법.
  14. 제 8 항에 있어서, AC입력 전력원의 AC입력전압을 모니터링 하는 단계; 그리고 모니터된 AC전압이 소정의 임계전압값과 같거나 큰 것에 반응하여 상기 능동형 컨버터 스테이지를 사용하여 상기 DC 링크 스테이지의 DC전압을 제어하는 단계를 더 포함하는 방법.
  15. 냉각장치로서,
    폐 냉각루프로서 연결된 압축기, 응축기 및 증발기를 포함하는 냉각 회로;
    상기 압축기의 작동속도 감소에 반응하여 상기 압축기를 언로딩하기 위한 언로딩 장치;
    상기 압축기에 동력을 공급하도록 상기 압축기에 연결된 모터;
    상기 모터에 연결된 변속 드라이브로서, 고정 입력 AC 전압과 고정 입력 주파수의 입력 AC전력을 수용하도록 구성되고, 모터에 가변 전압과 가변 주파수의 출력 전력을 공급하도록 구성되되, 상기 가변 전압은 입력 AC 전압보다 큰 최대 전압을 가지며, 상기 가변 주파수는 고정 입력 주파수보다 큰 최대 주파수를 갖는 변속 드라이브;를 포함하며,
    상기 변속드라이브는,
    (ⅰ) 입력 AC 전력을 제공하는 AC 전력원에 연결된 컨버터 스테이지로서, 입력 AC전압을 승압된 DC 전압으로 변환하도록 구성되고, 상기 승압된 DC전압은 상기 고정 입력 AC전압보다 큰 컨버터 스테이지;
    (ⅱ) 상기 컨버터 스테이지에 연결되고, 상기 컨버터 스테이지로부터 나오는 승압된 DC전압과 저장 에너지를 필터링하도록 구성된 DC 링크 스테이지;
    (ⅲ) 상기 DC 링크 스테이지에 연결되고, 상기 DC 링크 스테이지로부터 나오는 DC 전압을 가변 전압과 주파수를 갖는 상기 모터용 출력전압으로 변환하도록 구성된 인버터 스테이지; 그리고
    (ⅳ) 상기 변속 드라이브의 작동을 제어하기 위한 제어 패널로서, DC 전압이 소정의 제 1 임계전압보다 작은 것에 반응하여 상기 인버터 스테이지를 사용하여 상기 DC 링크 스테이지의 DC 전압을 조절하도록 구성된 제어 패널을 포함하며,
    상기 제어 패널은 상기 압축기를 기계적으로 언로드하도록 제어 신호를 제공함으로써 상기 인버터 스테이지를 사용하여 상기 DC 링크 스테이지의 DC 전압을 조절하고, 상기 DC 링크 스테이지의 DC 전압을 조절하도록 상기 모터로부터 상기 DC 링크 스테이지로 흐르는 역방향 전력을 조절하는 냉각장치.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 언로딩 장치는 체크밸브이고, 상기 압축기의 냉각제 라인에 삽입된 상기 체크밸브는 상기 압축기의 작동속도 감소에 반응하여 냉각제 유동의 역전을 방지하는 냉각장치.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 냉각제 라인은 상기 압축기의 배출라인인 냉각장치.
  18. 제 16 항에 있어서, 상기 냉각제 라인은 상기 압축기의 흡입라인인 냉각장치.
  19. 제 15 항에 있어서, 상기 압축기는 원심형 압축기이고, 상기 언로딩장치는 다수의 예비회전날개이고, 상기 예비회전 날개들은 상기 압축기의 기계적인 부하를 제거하도록 작동할 수 있는 액튜에이터를 갖는 냉각장치.
  20. 제 15 항에 있어서, 상기 압축기는 스크루 압축기이고, 상기 언로딩장치는 슬라이드 밸브이며, 상기 슬라이드 밸브는 상기 압축기의 기계적인 부하를 제거하도록 작동될 수 있는 냉각장치.
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