KR101069140B1 - 권선형 유도 전동기의 전력 회생 장치 - Google Patents

권선형 유도 전동기의 전력 회생 장치 Download PDF

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Abstract

권선형 유도 전동기의 전력 회생 장치가 제공된다. 전력 회생 장치는 계통전원에 의해 구동되는 회전자 권선을 포함한 권선형 유도 전동기와, 권선형 유도 전동기의 회전자 권선을 인덕터로 사용하여 회전자에서 유도된 전압을 승압하는 전압 승압부와, 전압 승압부에서 승압된 전압을 계통 전원으로 전달하기 위한 전력 회생부를 포함하며, 전압 승압부는 회전자 권선의 각상마다 일단이 연결되어 회전자 권선의 전류를 제어하는 스위칭 소자들을 포함하는 회전자 전류 제어부와, 회전자 권선의 각상마다 애노드가 연결되어 회전자로부터의 전류를 전력 회생부로 전달하기 위한 다이오드들을 포함하는 부스트 다이오드부를 포함하여 구성된다. 이를 통해 권선형 유도 전동기의 회전자에 의해 유도된 전기 에너지를 전원측으로 회생하여 에너지 절감을 도모할 수 있다.

Description

권선형 유도 전동기의 전력 회생 장치{APPARATUS FOR REGENEARTING POWER OF WOUND-ROTOR INDUCTION MOTOR}
본 발명은 권선형 유도 전동기의 회전자에 의해 유도된 전기 에너지를 전원측으로 회생하여 에너지 절감을 도모하는 전력 회생 장치에 관한 것이다.
일반적으로 권선형 유도 전동기는 회전자 철심에 3상 권선을 감아 2차 권선으로 하고, 슬립링을 각 상 권선의 선단에 마련하여 브러시를 통해 2차 전류를 외부로 인도할 수 있도록 한 전동기이다. 이러한 권선형 유도 전동기는 회전자 권선에 외부 저항을 연결하고, 그 저항값을 조절함으로써, 큰 기동 토크를 구현할 수 있다. 따라서 큰 기동 토크가 요구되는 크레인이나 압연기, 압축기 등 큰 관성 부하의 기동 목적으로 아직도 많이 사용되고 있다.
이와 같이 기존의 권선형 유도 전동기는 회전자 권선 출력의 각 상에 외부 저항을 연결하고 단계적으로 단락(저항값을 조절)시키면서 토크와 속도를 제어한다. 따라서 임의의 최대, 최소 토크를 선택할 수 있는 장점이 있는 반면, 회전자 권선에 연결되는 외부 저항에서 큰 손실이 발생하는 단점이 있다.
상술한 방법 외에도 PWM(Pulse Width Modulation) 신호에 의해 회전자 권선에 흐르는 전류의 량을 제어함으로써, 토크와 속도를 제어하는 방법도 고안되고 있다. 이와 같은 방법에 의할 경우 상술한 외부 저항을 대체할 수 있어 외부 저항으로 인한 손실을 없앨 수 있는 장점이 있다.
이와 같이, 권선형 유도 전동기의 토크와 속도를 제어하기 위한 다양한 방법들이 연구되고 있으나, 회전자에 의해 유도된 전기 에너지를 전원측으로 회생하여 에너지를 절감하기 위한 방법에 대해서는 연구 개발이 미미한 실정이다.
본 발명은 권선형 유도 전동기의 회전자에 의해 유도된 전기 에너지를 전원측으로 회생하여 에너지 절감을 도모하는 전력 회생 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 실시 형태에 의하면,
계통전원에 의해 구동되는 회전자 권선을 포함한 권선형 유도 전동기;
상기 권선형 유도 전동기의 회전자 권선을 인덕터로 사용하여 상기 회전자에서 유도된 전압을 승압하는 전압 승압부; 및
상기 전압 승압부에서 승압된 전압을 상기 계통 전원으로 전달하기 위한 전력 회생부를 포함하며,
상기 전압 승압부는,
상기 회전자 권선의 각상마다 일단이 연결되어 상기 회전자 권선의 전류를 제어하는 스위칭 소자들을 포함하는 회전자 전류 제어부; 및
상기 회전자 권선의 각상마다 애노드가 연결되어 상기 회전자로부터의 전류를 상기 전력 회생부로 전달하기 위한 다이오드들을 포함하는 부스트 다이오드부
를 포함하는 권선형 유동 전동기의 전력 회생 장치를 제공한다.
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또한, 본 발명의 실시 형태에 의하면, 상기 전력 회생 장치는,
상기 스위칭 소자들의 타단 및 상기 다이오드들의 캐소드에 연결되어 상기 스위칭 소자들의 스위칭시 발생하는 서지 전압을 흡수함으로써, 상기 스위칭 소자들의 소손을 방지하기 위한 서지 필터를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 형태에 의하면, 상기 전력 회생부는,
상기 전압 승압부에 의해 승압된 전압을 교류 전압으로 변환하여 계통 전압에 공급하는 계통 연계형 회생 인버터를 포함할 수 있으며, 상기 계통 연계형 회생 인버터는, 펄스 폭 변조(PWM) 인버터 및 120도 통전형 인버터 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 형태에 의하면, 상기 전압 승압부와 상기 전력 회생부 사이에는 상기 전력 회생부로부터 상기 전압 승압부로 전류가 역류하는 것을 방지하기 위한 역류 방지용 다이오드를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 형태에 의하면, 상기 스위칭 소자들은, 절연 게이트 양극성 트랜지스터(Insulated gate bipolar transistor, IGBT), 전계 효과 트랜지스터 (Field-effect transistor, FET), 게이트 턴 오프 사이리스터(Gate turn-off thyristor, GTO), 및 접합형 트랜지스터(Bipolar junction transistor, BJT)를 포함하는 반도체 스위치 중에서 선택된 적어도 하나 이상의 반도체 스위치일 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 권선형 유도 전동기(IM)의 회전자 권선(111)에 의해 유도된 전기 에너지를 계통 전원(100)으로 회생하여 에너지 절감을 도모할 수 있는 기술적 효과가 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 권선형 유도 전동기(IM)의 회전자 권선(111)에 의해 유도된 전압을 승압하도록 함으로써, 변압기와 같은 추가적인 승압 장치 없이도 계통 전원(100)으로 회생시킬 수 있는 기술적 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 권선형 유도 전동기의 전력 회생 장치의 전체 구성도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지의 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로만 한정되는 것은 아니다. 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 권선형 유도 전동기의 전력 회생 장치의 전체 구성도이다. 전력 회생 장치는 회전자 권선(111)을 포함한 권선형 유도 전동기(IM)와, 권선형 유도 전동기(IM)의 회전자 권선(111)을 인덕터로 사용하여 회전자 권선(111)에서 유도된 전압을 승압하는 전압 승압부(110)와, 전압 승압부(110)에서 승압된 전압을 계통 전원(100)으로 전달하기 위한 전력 회생부(120)를 포함할 수 있다.
한편, 전압 승압부(110)는 회전자 권선(111)의 각상(A, B, C)마다 일단이 연결되어 회전자 권선(111)의 전류를 제어하는 스위칭 소자들(Q1 내지 Q3)을 포함하는 회전자 전류 제어부(112)와, 회전자 권선(111)의 각상(A, B, C)마다 애노드가 연결되어 회전자 권선(111)로부터의 전류를 전력 회생부(120)로 전달하기 위한 다이오드들(D1 내지 D3)을 포함하는 부스트 다이오드부(113)를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 전력 회생 장치는 스위칭 소자들(Q1 내지 Q3)의 타단 및 다이오드들(D1 내지 D3)의 캐소드에 연결되어 스위칭 소자들(Q1 내지 Q3)의 스위칭시 발생하는 서지 전압을 흡수함으로써, 스위칭 소자들(Q1 내지 Q3)의 소손을 방지하기 위한 서지 필터(140)와, 전력 회생부(120)로부터 전압 승압부(110)로 전류가 역류하는 것을 방지하기 위한 역류 방지용 다이오드(130)를 더 포함할 수 있다.
이하 본 발명의 일 실시예에 따른 권선형 유도 전동기의 전력 회생 장치의 구체적인 구성을 상세하게 설명한다.
우선 전압 승압부(110)는 권선형 유도 전동기(IM)의 회전자 권선(111)을 인덕터로 사용하여 회전자 권선(111)에 유도된 전압을 승압할 수 있다. 전압의 승압은 각상(A, B, C)마다 이루어지며, 승압된 전압은 역류 방지용 다이오드(130)를 통해 전력 회생부(120)로 전달될 수 있다.
구체적으로, 전압 승압부(110)는 회전자 전류 제어부(112)와 부스트 다이오드부(113)를 포함할 수 있다. 부스트 다이오드부(111)는 3개의 다이오드(D1 내지 D3)를 포함할 수 있으며, 3개의 다이오드(D1 내지 D3)는 회전자 권선(111)의 각상(A, B, C)에 애노드가 연결되며, 캐소드는 역류 방지용 다이오드(130)를 통해 전력 회생부(120)로 연결될 수 있다. 또한, 회전자 전류 제어부(112)는 3개의 스위칭 소자들(Q1 내지 Q3)을 포함할 수 있으며, 3개의 스위칭 소자들(Q1 내지 Q3)은 회전자 권선(111)의 각상(A, B, C)마다 일단이 연결되어 회전자 권선(111)에 흐르는 전류를 제어한다. 즉, 상술한 구성에 의할 때, 회전자 권선(111)의 각상(A, B, C)을 인덕터로 사용하게 되며, 이에 따라 회전자 권선(111)의 A상 - 스위칭 소자(Q1)-다이오드(D1), 회전자 권선(111)의 B상-스위칭 소자(Q2)-다이오드(D2) 및 회전자 권선(111)의 C상-스위칭 소자(Q3)-다이오드(D3)은 총 3개의 부스트 컨버터를 구성하게 되는 것이다.
상술한 회전자 전류 제어부(112)는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(Insulated gate bipolar transistor, IGBT), 전계 효과 트랜지스터 (Field-effect transistor, FET), 게이트 턴 오프 사이리스터(Gate turn-off thyristor, GTO), 및 접합형 트랜지스터(Bipolar junction transistor, BJT)를 포함하는 반도체 스위치 중에서 선택된 적어도 하나 이상의 반도체 스위치일 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 전압 승압부(110)는 권선형 유도 전동기(IM)의 각상(A, B, C)의 회전자 권선(111)을 인덕터로 사용하며, 회전자 권선(111)에 흐르는 전류를 회전자 전류 제어부(112)와 부스트 다이오드부(113)를 통해 제어함으로써, 부스트 컨버터로 기능할 수 있다. 전압 승압부(110)에 의해 승압된 전압은 역류 방지용 다이오드(130)를 통해 전력 회생부(120)로 전달될 수 있다. 한편, 전압 승압부(110)에 의해 생성된 전압은 계통 전원(100)의 전압보다 크게 함으로써, 변압기와 같은 추가적인 승압 장치 없이도 계통 전원(100)으로 회생시킬 수 있는 기술적 효과가 있다.
그리고, 전력 회생부(120)는 전압 승압부(110)에 의해 승압된 전압을 교류 전압으로 변환하여 계통 전원(100)에 공급한다. 전력 회생부(120)는 계통 인계형 회생 인버터일 수 있으며, 구체적으로 펄스 폭 변조(PWM) 인버터 및 120도 통전형 인버터 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
한편, 역류 방지용 다이오드(130)는 애노드가 부스트 다이오드부(113)에 포함된 다이오드들(D1 내지 D3)의 캐소드에 공통 연결되며, 캐소드는 전력 회생부(120)에 연결된 구성을 포함할 수 있다. 이러한 역류 방지용 다이오드(130)를 통해 전력 회생부(120)로부터 전압 승압부(110)로 전류가 역류하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 서지 필터(140)는 회전자 전류 제어부(112)를 구성하는 스위칭 소자들(Q1 내지 Q3)의 타단 및 부스트 다이오드부(113)에 포함된 다이오드들(D1 내지 D3)의 애노드에 공통 연결된 구성을 포함할 수 있다. 이러한 서지 필터(140)는 스위칭 소자들(Q1 내지 Q3)의 스위칭시 발생하는 서지 전압을 흡수함으로써, 스위칭 소자들(Q1 내지 Q3)의 소손을 방지할 수 있다. 상술한 서지 필터(140)는 커패시터로 구성되며, 그 용량은 발생하는 서지 전압의 크기와 역류 방지용 다이오드(130와 계통 전원(100)까지 존재하는 기생 인덕턴스의 크기에 의해 결정될 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 서지 필터(140)는 커패시터를 도시하고 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 커패시터-다이오드, 커패시터-다이오드-저항을 결합한 스너버 회로로 구성될 수도 있음은 물론이다.
한편, 제어부(150)는 회전자의 속도(151), 회전자의 전류(152) 및 회전자의 전압/위상/주파수(153)를 검출하고, 검출된 정보들에 기초하여 회전자 전류 제어부(112)의 스위칭 소자들(Q1 내지 Q3) 및 전력 회생부(120)의 스위칭 소자들(Q4 내지 Q9)를 제어하기 위한 제어신호를 생성한다. 생성된 제어신호에 의해 회전자 전류 제어부(112)의 각 스위칭 소자들(Q1 내지 Q3)과 전력 회생부(120)의 스위칭 소자들(Q4 내지 Q9)이 온오프된다. 상술한 회전자의 속도(151), 회전자의 전류(152) 및 회전자의 전압/위상/주파수(153)에 기초한 제어 신호의 생성은 다양한 알고리즘에 의해 구현될 수 있을 것이며, 본 발명의 일 실시예로서 구체화하지는 않았다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 회생 장치의 동작 원리를 설명한다.
도 1을 참조하면, 인가된 계통 전원(100)에 의해 권선형 유도 전동기(IM)의 속도 및 토크 제어가 수행되며, 이에 따라 권선형 유도 전동기(IM)의 고정자 권선에 자기적으로 결합된 회전자 권선(111)의 각상(A, B, C)에는 전압이 유도된다.
제어부(150)는 회전자의 속도(151), 회전자 권선(111)을 흐르는 전류(152) 및 회전자의 전압/위상/주파수(153)를 검출하고, 검출된 정보들(151, 152, 153)에 기초하여 회전자 전류 제어부(112)의 스위칭 소자들(Q1 내지 Q3) 및 전력 회생부(120)의 스위칭 소자들(Q4 내지 Q9)를 제어하기 위한 제어신호를 생성한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 제어부(150)에 의해 생성된 제어 신호에 의해 회전자 전류 제어부(112)의 스위칭 소자들(Q1 내지 Q3)이 턴온/턴오프를 반복하며, 회전자 권선(111)은 인덕터로 기능하여, 회전자 권선(111)에 유도되는 전압은 전압 승압부(110)에 의해 승압되게 된다. 구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 회전자 권선(111)의 각 상(A, B, C)을 인덕터로 사용하게 되며, 이에 따라 회전자 권선(111)의 A상 - 스위칭 소자(Q1)-다이오드(D1), 회전자 권선(111)의 B상-스위칭 소자(Q2)-다이오드(D2) 및 회전자 권선(111)의 C상-스위칭 소자(Q3)-다이오드(D3)은 총 3개의 부스트 컨버터가 독립적으로 또는 상호 연계하여 동작하게 된다. 예컨대, 회전자 권선(111)의 A상 - 스위칭 소자(Q1) - 다이오드(D1)를 포함하는 부스트 컨버터 모듈의 경우 스위칭 소자(Q1)가 턴온될 경우 인덕터로 기능하는 회전자 권선(111)에는 전류가 증가하게 되며, 스위칭 소자(Q1)가 턴오프되면 회전자 권선(111)의 전류는 전력 회생부(120)로 부스팅되게 된다. 나머지 부스크 컨버터 모듈의 경우도 유사하게 동작할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 스위칭 소자들(Q1 내지 Q3)의 타단 및 다이오드들(D1 내지 D3)의 캐소드에 연결된 서지 필터(140)를 통해 스위칭 소자들(Q1 내지 Q3)의 스위칭시 발생하는 서지 전압을 흡수함으로써, 스위칭 소자들(Q1 내지 Q3)의 소손을 방지할 수 있다.
상술한 전압 승압부(110)에 의해 승압된 전압은 전력 회생부(120)로 전달되며, 전달된 전압은 전력 회생부(120)에 의해 계통 전원(100)으로 전달할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 회생부(120)는 계통 인계형 회생 인버터일 수 있으며, 구체적으로 펄스 폭 변조(PWM) 인버터 및 120도 통전형 인버터 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시 형태에 의하면, 권선형 유도 전동기(IM)의 회전자 권선(111)에 의해 유도된 전기 에너지를 계통 전원(100)으로 회생하여 에너지 절감을 도모할 수 있는 기술적 효과가 있다. 또한, 권선형 유도 전동기(IM)의 회전자 권선(111)에 의해 유도된 전압을 승압하도록 함으로써, 변압기와 같은 추가적인 승압 장치 없이도 계통 전원(100)으로 회생시킬 수 있는 기술적 효과가 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되지 아니한다. 첨부된 청구범위에 의해 권리범위를 한정하고자 하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
100: 계통 전원
IM: 권선형 유도 전동기
110: 전압 승압부
111: 회전자 권선
112: 회전자 전류 제어부
113: 부스트 다이오드부
120: 전력 회생부
130: 역류 방지용 다이오드
140: 서지 필터
150: 제어부

Claims (7)

  1. 계통전원에 의해 구동되는 회전자 권선을 포함한 권선형 유도 전동기;
    상기 권선형 유도 전동기의 회전자 권선을 인덕터로 사용하여 상기 회전자에서 유도된 전압을 승압하는 전압 승압부; 및
    상기 전압 승압부에서 승압된 전압을 상기 계통 전원으로 전달하기 위한 전력 회생부를 포함하며,
    상기 전압 승압부는,
    상기 회전자 권선의 각상마다 일단이 연결되어 상기 회전자 권선의 전류를 제어하는 스위칭 소자들을 포함하는 회전자 전류 제어부; 및
    상기 회전자 권선의 각상마다 애노드가 연결되어 상기 회전자로부터의 전류를 상기 전력 회생부로 전달하기 위한 다이오드들을 포함하는 부스트 다이오드부
    를 포함하는 권선형 유동 전동기의 전력 회생 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전력 회생 장치는,
    상기 스위칭 소자들의 타단 및 상기 다이오드들의 캐소드에 연결되어 상기 스위칭 소자들의 스위칭시 발생하는 서지 전압을 흡수함으로써, 상기 스위칭 소자들의 소손을 방지하기 위한 서지 필터
    를 더 포함하는 권선형 유도 전동기의 전력 회생 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전력 회생부는,
    상기 전압 승압부에 의해 승압된 전압을 교류 전압으로 변환하여 계통 전압에 공급하는 계통 연계형 회생 인버터
    를 포함하는 권선형 유도 전동기의 전력 회생 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 계통 연계형 회생 인버터는,
    펄스 폭 변조(PWM) 인버터 및 120도 통전형 인버터 중에서 선택된 어느 하나인 권선형 유도 전동기의 전력 회생 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전압 승압부와 상기 전력 회생부 사이에는
    상기 전력 회생부로부터 상기 전압 승압부로 전류가 역류하는 것을 방지하기 위한 역류 방지용 다이오드
    를 더 포함하는 권선형 유도 전동기의 전력 회생 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭 소자들은,
    절연 게이트 양극성 트랜지스터(Insulated gate bipolar transistor, IGBT), 전계 효과 트랜지스터 (Field-effect transistor, FET), 게이트 턴 오프 사이리스터(Gate turn-off thyristor, GTO), 및 접합형 트랜지스터(Bipolar junction transistor, BJT)를 포함하는 반도체 스위치 중에서 선택된 적어도 하나 이상의 반도체 스위치인 권선형 유도 전동기의 전력 회생 장치.
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