KR101084796B1 - 전력 제어 시스템 및 그의 방법 - Google Patents

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Abstract

AC 전력 제어 시스템(56)은 비선형 기계 부하(40)를 구동하는 유도 전동기(38)에 3-상 AC 작동전압을 인가한다. 일차 로우 패스 필터(54)는 분기위상 도체(28,30,32)와 AC 전원을 전동기에 인가하는 것을 제어하는 전력 제어기(36) 사이에 직렬로 연결된다. 전력 제어기 출력단자(M1,M2,M3)와 유도 전동기 위상 권선(W1,W2,W3)사이에 션트관계로 연결되는 KVAR 정격 커패시터(C4,C5,C6)는 제어기 출력단자에 걸쳐 이차 로우 패스 필터(59)를 형성한다. 일차 로우 패스 필터 및 이차 로우 패스 필터는 로컬 소스 및 원격 소스에 의해 발생되는 고조파 및 위조 잡음으로부터 전력 제어기와 유도 전동기를 격리시킴은 물론, 전력발생 소스(12)에서부터 유도 전동기(28)까지의 실제 전력 전송 효율을 향상시킨다.
전력 제어 시스템, AC 전원, 로우 패스 필터, 기계 부하, 유도 전동기, 전력 분배 네트워크, 커패시터

Description

전력 제어 시스템 및 그의 방법 {A Power Controller System Using Converter and Method Thereof}
본 발명은 AC 전력 분배 시스템(power distribution systems)에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, AC 작동 전원의 AC 유도 전동기로의 인가를 제어하는 AC 전력 제어 시스템(power controller systems)에 관한 것이다.
고조파 전류, 배경 잡음 및 스파이크 임펄스 잡음을 포함하는 위조 잡음 신호들(spurious noise signals)은 AC 전력 분배선 상에서 전개된다. 이러한 잡음 신호들은 전원, 배전 네트워크, 네트워크에 결합된 로컬 및 원격 부하(local and remote loads), 뇌격(lightning strikes) 및 분배 장비 고장에서 발생될 수 있다. 공공시설에서 공급되는 AC 공급전류는 순수 사인파가 아니고, 연결 장비의 적절한 동작을 간섭하는 고조파를 포함하고 있다. 또한, 잡음 및 스위칭 과도 신호가 능동 부하로부터 도입될 수도 있다. 예컨대, 만약 전자 조광기(electronic dimmer) 및 램프에 의해 분기점에서 부하를 받으면, 이 조광기는 60 Hz의 AC 전원 파형을 고주파수에서 절단(chop)하여 조명세기를 감소시킬 것이다. 이렇게 됨으로써 전력 분배 도체 상으로 고조파 및 고주파수 잡음이 도입될 것이다.
이 같은 잡음은 시간에 대해 일정하지 않고, 전력 분배 네트워크에서 장소에 따라 변한다. 더욱이, 통상적인 AC 전력선 네트워크는 전력을 다양한 전기 부하 장치에 분배한다. 각각의 부하는 상당한 레벨의 잡음과 고조파 전류를 전력선 상으로 다시 전도시켜, 전원 파형의 왜곡을 야기시킨다. 서로 다른 부하 및 제어 장치들은 배전 네트워크에 의해 공급되는 장비 및 기계의 동작을 간섭할 수도 있는 서로 다른 타입 및 정도의 왜곡을 발생시킨다.
기계류 및 그 기계류 자체에 의해 사용되는 전력의 양은 전력 분배 시스템에 존재하는 파형 왜곡에 의해 영향을 받을 수 있다. 이러한 왜곡의 제거 또는 제어를 통해 전기 에너지 소모에 대한 실질적인 비용 절감과 기계 고장 및 수리 또는 교체에 대한 비용 절감 효과를 제공할 수 있다. 따라서, AC 전력 분배 시스템에서의 고조파 왜곡의 완화 및 감소의 결과로서, 산업 고객을 위해 실질적인 에너지 비용이 절감될 수 있다.
AC 전력 분배 시스템 측면에서 볼 때, 선형 전기 부하는 지속 상태 동작에서 인가 전압의 사이클에 걸쳐 근본적으로 전원에 대한 일정한 임피던스를 제공하는 부하 장치이다. 선형 부하의 한 예로서, 토크를 일정한 (시불변) 기계 부하에 인가하는 AC 유도 전동기를 들 수 있다. 비선형 부하는 입력 AC 사인파의 사이클에 걸쳐 임피던스가 변하거나 불연속적으로 전류를 인출하는 부하이다. 산업 분배 시스템에서 비선형 부하의 예로는 조명, 용접기, 가변 주파수 구동 변환기 전원 공급장치, 스위칭 모드 전원 공급장치 및 시변 기계 부하(time-varying mechanical loads)에 토크를 인가하는 유도 전동기를 들 수 있다.
전기 분배 시스템의 비선형 부하에 의해 발생되는 고조파 전류는 비선형 소스로 부터 빠져나가 분배 시스템 전원 공급장치를 향해 흐른다. 고조파 전류가 전 력 분배 시스템으로 유입됨으로써, 3상 4선식 접지 시스템(three phase, grounded four wire systems)에서 변압기의 과열과 높은 중성점 전류(neutral currents)를 야기시킬 수 있다. 고조파 전류는 전력 분배 시스템을 통해 흐르기 때문에, 각각의 고조파에 대해 전압강하가 발생함으로써, 분배 버스에 연결된 모든 부하에 인가되는 인가 전압파형이 왜곡된다.
전압파형의 고조파 왜곡은 전동기 자기 회로내의 고조파 자속을 유도함으로써 AC 유도 전동기 성능에 영향을 미친다. 이들 고조파 자속은 전동기 자기 코어에서 열 축적 및 추가 손실을 야기함으로써 전력 전송 효율이 감소된다. 유도 가열 효과(inductive heating effects)는 일반적으로 고조파 전류의 제곱에 비례하여 증가한다. 유도 전동기는 공급전압이 왜곡되면 고조파 전류 가열에 의해 손상되거나 열화될 수 있다. 역상분(negative sequence) 고조파 전류가 작용하여 전동기의 토크 출력을 감소시키게 된다. 이들 효과의 조합을 통해 전력 전송 효율이 감소하고 전동기가 과열되어 연소될 수 있다.
전동기 권선 내의 고조파 자속은 그 고조파 자속을 생성한 고조파 왜곡의 개수 또는 순서에 따라 정상분, 역상분 또는 영상분이 될 수 있다. 정상분 고조파 자기장(자속)은 동기필드의 방향으로 회전하게 될 것이다. 역상분 고조파 자속은 동기필드에 반대인 방향으로 회전함으로써, 토크가 감소하고 전체적인 전류 수요량이 증가할 것이다. 영상분 고조파 자속은 회전 필드를 발생시키지 않고, 전동기 자기회로를 통해 흐름에 따라 고정자 권선에서 추가 열을 여전히 유도할 것이다.
산업용 전력 분배 시스템은 AC 전압파형의 일부 고조파 왜곡을 발생시키는 연결 기계 및 장치에 AC 작동전원을 공급한다. 기본파 주파수의 각각의 고조파는, 정상분, 역상분 또는 영상분인지의 여부와 기본파 주파수의 백분율에 따라, 전동기 성능 및 온도 상승에 악영향을 미칠 수 있음은 물론, 시설 서비스 제공자에 의해 부과되는 전기 서비스의 에너지 비용을 증가시킬 수 있다. 전기 시설에서는 고객이 그 전류를 효율적으로 사용하고 있는지의 여부에 상관없이 예상되는 피크 수요량, kVA (킬로볼트 암페어의 피상 전력)에 부합하도록 적당한 서비스 용량을 발생시켜야 한다. kVA (피상 전력)에 대한 kV(실제 유효 전력)의 비를 부하 역률(load power factor)이라 부른다. 대부분의 시설에서는 고객의 전체 부하 역률이 낮을 때 벌금을 부과한다.
피상 전력은 비선형 부하가 존재할 때 실제 역률 보다 커질 수 있다. 비선형 부하는 분기 배전 변압기(branch distribution transformer)를 통해 역순환하고 그리고 배전 네트워크 내부로 순환하는 고조파 전류를 발생시킨다. 고조파 전류는 부하에 공급되는 기본파 전류의 RMSM 값에 가산되지만, 유용한 전력을 제공하지는 않는다. 전체 역률에 대한 정의를 이용하면, 실제 유효 전력 kW는 근본적으로 기본파(Hz) AC 파형의 유효 전력인 반면, 고조파 전류 성분의 존재로 인해 피상 유효 전력 kVA의 RMS 값이 더 크다.
낮은 kW/kVA 역률 정격은 전동기 부하 단자에서의 전압과 전류간의 큰 위상차의 결과이거나, 높은 고조파 성분 또는 왜곡/불연속 전류 파형에 기인할 수 있다. 유도 전동기의 고정자 권선에 의해 제공되는 높은 유도 임피던스로 인해 허용할 수 없는 부하 전류 위상각 차이가 예상될 수 있다. 또한, 왜곡 전류 파형은 비 선형 부하에 토크를 인가하는 유도 전동기의 결과가 될 것이다. 유도 전동기가 불연속 부하 조건하에서 작동중 이거나, 부하가 비선형일 때는, 높은 고조파 전류가 야기되어 전동기 성능이 저하되고 역률이 감소된다.
AC 유도 전동기를 위한 종래의 컨트롤러는 역률의 측정치를 사용하여 전동기에 공급되는 전력의 양을 제어한다. 종종 경부하(light loading)가 작용 중일 때 전동기에 인가되는 평균 전력을 감소시켜 비교적 높은 역률과 양호한 전력 전송 효율로 동작하기 위한 충분한 회전자 슬립을 유지하기 위해 제어신호가 조절된다.
종래의 컨트롤러의 동작시, 특히 비선형 부하에 인가되는 전력을 제어할 때 다양한 문제점이 야기된다. 예컨대, 복소 전력 제어 인자(complex power control factors)는 지하 구성물로부터 유체를 끌어올리는 사용되는 펌핑 유닛(펌프 잭)을 구동시키는 AC 유도 전동기의 동작에 의해 제시된다. 이러한 펌핑 유닛은 매 펌핑 사이클 마다 두 번 펌핑 로드, 구성물 유체 컬럼의 중량 부하, 및 대향하는 평형추(opposing counter-weights)에 의해 교대로 부하를 받는다. 더욱이, 매 펌핑 사이클 마다 두 번, 대향하는 하중이 균형을 이루게 되어 전동기는 매 사이클 마다 두 번 하중이 제거된다. 피크 최소값과 피크 최대값 사이에서 일정하게 변하는 기계하중으로 인해, 최적의 전동기 효율 및 경제성을 유지하기 위해 공급된 전력을 연속적으로 조절해야 하는 역률 제어 시스템의 경우 심각한 제어상의 어려움이 야기된다.
최근에, AC 유도 전동기에 공급되는 AC 전원을 제어하기 위한 종래의 컨트롤러에 사이리스터 스위치가 사용된다. 사이리스터의 신속한 온-오프 스위칭 동작 (고속 dv/dt)으로 인해, 높은 피크 전압 및 높은 스위칭 주파수, 전력 제어기의 공급측상의 입력 전류는 고 주파수 스위칭 과도신호로 왜곡되어, 유도 전동기에 공급되는 AC 전원의 고조파 성분이 증가하게 된다. 더욱이, 분기 배전 회로 아래에서 전도되는 원격 소스로부터 파생된 위조 잡음 및 고조파 전류는 컨트롤러 자체의 적절한 스위칭 동작을 간섭함으로써, 전력 제어의 손실이 발생한다.
이들 인자는 분기 부하의 역률을 감소시킴은 물론, 전동기를 간섭하고 분기 배전부를 통해 그리고 배전 네트워크 내부로 고조파 전류를 주입한다. 더욱이, 컨트롤러-발생 고조파 왜곡으로 인해, 시설 서비스료가 기반되는 분기 배전부의 부하 전류의 RMS 값이 증가하여 고객의 에너지 비용이 증가하게 된다.
전동기의 고정자 권선에 AC 전원을 인가하는 것을 제어하기 위해 고속 스위칭 회로를 이용하는 전자 컨트롤러로부터 작동 전원을 수신하는 종래의 AC 유도 전동기의 작동효율과 성능을 향상시키기 위한 개선된 전력 제어 시스템이 제공된다. 이 개선된 전력 제어 시스템은 효율적으로 작동하여 가벼운 토크 부하는 물론, 전 정격 토크 부하(full-rated torque loading) 조건하에서 비선형 기계부하를 구동하고, 원격 소스로부터 파생된 고조파 전류와 컨트롤러-유도 고조파 전류를 완화시키며, 부하-유도 고조파 전류를 완화시킨다.
일차 로우 패스 필터가 분기 위상 도체(branch phase conductors)와 전력 제어기 사이에 직렬로 연결된다. KVAR(킬로볼트 암페어 무효) 커패시터가 전력 제어기의 출력단자에 걸쳐 션트-중성점 관계(shunt to neutral relation)로 연결된다. KVAR 커패시터값은 고정자 권선의 유도 리액턴스 값으로 조정되어 컨트롤러 출력 단자를 가로지르는 이차 로우 패스 필터를 형성한다. 일차 및 이차 로우 패스 필터는 로컬 및 원격 소스에 의해 발생되는 위조 잡음 및 고조파에 대해 전력 제어기와 유도 전동기를 격리시키며, 발전 소스로부터 유도 전동기로의 실제 전력 전송 효율을 향상시킨다.
도 1은 비선형 부하 요건에 부합하도록 유도 전동기에 인가되는 작동 전원을동적으로 조절하기 위한 AC 전력 제어기의 상호연결을 도시한 단순화된 전기 회로 개략도이다.
도 2는 도 1의 전력 제어 시스템에 의해 작동 전원이 공급되는 펌프잭 및 흡입봉 펌핑 시스템(pump jack and sucker rod pump system)의 형태로 이루어진 비선형 부하 인가를 도시한 단순화된 개략도이다.
도 3은 도 2의 펌프잭 및 흡입봉 펌핑 시스템에 의해 발생된 통상적인 유도 전동기 토크 부하 및 흡입봉 스트로크 변위를 도시한 것이다.
도 4는 도 2의 유도 전동기의 제어 동작중에 대표적인 고정자 위상 권선에서 발생되는 통상적인 전압과 전류 파형을 도시한 도면이다.
도 5는 보호 하우징내의 컨트롤러 시스템 부품의 물리적 배치를 도시한 정면 사시도이다.
도 1을 참조하면, 종래의 AC 전력 분배 네트워크(10)는 고전압 AC 전원(12)을 강압용 배전 변압기(14)에 공급한다. 이 강압용 배전 변압기는 종래의 3상 배전 차단기(18,20 및 22)를 포함하는 배전 패널(16)에 전원을 낮은 전압레벨로 공급한다. 60 Hz 및 480 VAC 위상-대-위상 (277 VAC 위상-대-중성점)의 기본파 주파수에 AC 전원이 4개의 도체, AC 위상 도체(28,30,32)를 포함하는 공유 중성점 분기회로(26), 및 공유 중성점 도체(34)를 통해 전도된다.
3-상 AC 전원은 전자식 전력 제어기(36)의 입력 단자(N1,N2 및 N3)에 분기회로 도체를 통해 인가된다. 전력 제어기(36)는 조절된 양의 AC 전원을 그 출력단자(M1,M2 및 M3)를 통해 3상 유도 전동기(38)의 입력단자(S1,S2 및 S3)에 공급한다. 전동기(38)는 기계부하(40)에 토크 전력 전송 관계로 기계적으로 결합된다. 전력 제어기(36)는 기계 부하의 순간 전력 수요량을 감지하고 그 전력 출력을 조절하여 인가된 전원 파형의 각 하프 사이클 동안 부하 수요 요건에 동적으로 부합시킨다. AC 유도 전동기(38)에 인가되는 AC 전원은 필요에 따라 자동으로 증가 및 감소되어 비선형 부하 수요에 부합하도록 한다.
전력 제어기(36)는 "에너지 보존 전동기 제어기(Energy Conserving Motor Controller)"라는 발명의 명칭으로 본 명세서에 참고로 포함되는 미국특허 제6,400,119호에 개시된 바와 같이 구성되는 것이 바람직하다. 상기 미국특허의 명세서에 개시된 바와 같이, 제 1 및 제 2 게이트 제어 스위치 (실리콘 제어 정류기)(42,44; 46,48; 및 50,52)는 인가된 AC 전압의 각 위상에서 반대 극성 관계로 상호 병렬 연결된다. 트리거 발생기는 유도 전동기의 각각의 고정자 권선 위상에서 AC 전압 및 전류 파형의 감지된 제로 크로싱 이벤트의 타이밍에 응답하여 SCR 스위치의 각 게이트에 트리거 제어 신호를 결합한다.
각 위상의 제 1 및 제 2 SCR 스위치는 인가된 AC 전압의 매 교호 작용(alternation) 중에 교대로 유도 상태로 트리거되고, 제로 크로싱 이벤트에 해당하는 연속된 제 1 및 제 2 인터럽트간의 시간차를 연속되는 시간 베이스와 비교하여 결정된 것과 같은 대응 AC 전류 제로 크로싱과 AC 전압 제로 크로싱 간의 시간 측정차에 비례하는 시간 간격에 대한 유도 상태로부터 교대로 금지된다.
도 4를 참조하면, φA 파형의 각각의 하프 사이클에서 AC 전압 제로 크로싱과 대응 AC 전류 제로 크로싱 간의 시간 측정차는 순간 부하 수요량를 표시한 것이다. 전력 제어기(36)는 시간 측정차를 감지하고 그 출력을 조절하여 인가된 AC 파형의 다음번 하프 사이클 동안 부하 수요 전력 레벨에 동적으로 일치시킨다. 전력 제어기(36)의 각각의 전력 위상에 있는 고속 스위칭 회로(42,44; 46,48; 및 50,52)는 측정차에 비례하여 AC 유도 전동기(38)에 인가되는 AC 전원을 교대로 전도시키고 차단한다.
이 같은 구성에 의해, 전동기에 인가되는 전원은 필요에 따라 각 위상에서 하프 사이클에서 다음번 하프 사이클로 자동으로 증가 또는 감소되어 부하(40)의 순간 전력요건에 부합하도록 한다. 각 위상의 전류 흐름은 전압 파형과 이전 하프 사이클에서의 전류 파형 제로 크로싱 간의 측정 위상차에 비례하는 시간 간격 동안에 차단된다. 따라서, 전류 흐름은, 3상 위상 φA, φB 및 φC에서 연속적으로 전력 조절이 진행되기 때문에, 한 번에 하나의 위상에서만 차단된다.
원격 소스에서 파생된 고조파 전류는 제어기(36)의 입력 단자(N1 N2 및 N3) 에서 분기 배전 도체(28,30 및 32)와 각각 직렬 연결되는 3개의 동일한 LC 필터부를 구비하는 일차 로우 패스 필터(54)에 의해 완화된다. 전력 제어기(36) 및 유도 전동기(38)는 물론, 분기 배전 회로(26)의 필터링측에 연결될 수 있는 다른 모든 부품들은 외부 잡음 및 전력 분배 네트워크(10)의 다른 위상 또는 다른 분기에서 원격장치에 의해 발생되는 위조 신호로부터 격리되어 있다.
각각의 로우 패스 필터부는 위상 도체(28,30,32)와 직렬연결되는 인덕터(L1, L2 및 L3) 및 위상에서 중성점으로 션트 연결되는 커패시터(C1, C2, C3)를 구비한다. 일차 로우 패스 필터(54)의 각각의 LC부는 기본파 배전 주파수(60 Hz)를 통해 DC에서 컷오프 주파수(예: 300 Hz)로 매우 낮은 감쇠를 가지며, 11차 및 그 이상 차수를 통해 고조파 성분을 포함하는 컷오프 주파수 이상의 모든 다른 신호를 실질적으로 감쇠시킨다.
일차 로우 패스 필터(54)의 각 구성부는 인덕터(L1, L2 및 L3) 및 300 Hz 이상의 신호의 높은 임피던스 및 감쇠를 제공하고 50 Hz 내지 60 Hz 범위에 있는 DC 내지 AC 배전 주파수로부터 매우 작은 감쇠 또는 손실을 갖는 임피던스를 제공하도록 튜닝되는 커패시터(C1, C2, C3)를 구비하는 것이 바람직하다. 로우 패스 필터(54)의 각 구성부는 컷오프 주파수에서 40:1 이상의 고주파수 감쇠율을 제공함으로써, 전력 제어기(36) 및 그 연결 부품들을 외부 잡음 및 위조 고주파 신호로부터 격리시켜 준다.
60 Hz의 AC 배전 주파수 및 300 Hz의 컷오프 주파수에서 작동할 수 있도록 하기 위해, 각 커패시터(C1, C2, C3)의 바람직한 값은 3 uF이고, 각각의 커패시터 는 600 VAC 서비스에서 정격으로 사용되며, 각 인덕터(L1, L2 및 L3)의 바람직한 값은 0.86 mH이다. 각 인덕터(L1, L2 및 L3)는 56 amps 및 40 hp, 480 VAC, 60 Hz 서비스에서 정격으로 사용되는 철심 회선 리액터이다. 이것은 60 Hz AC 공급전원이 실제로 감쇠없이 통과할 수 있도록 함으로써, 필터링된 깨끗한 3-상 AC 전류 및 전압을 60 Hz에서 전력 제어기(36)에 공급하게 된다.
본 발명의 중요한 특징에 따르면, 필터링된 AC 전류가 작동 전원으로서 일차 로우 패스 필터(54)로부터 전력 제어기(36)의 내부 전원 공급장치로 공급된다. 이렇게 함으로써 원격 잡음 소스로부터 발생된 간섭을 방지하고 그 마이크로프로세서, 비교기, 트리거 회로 및 안정된 전압 레벨을 필요로 하는 다른 부품들의 안정된 동작을 보장해 준다. 더욱이, 일차 로우 패스 필터(54)의 양방향 동작으로 인해, 전력 제어기(36) 또는 유도 전동기(38)의 스위칭 부품들의 동작에 의해 발생되는 고조파 및 다른 잡음 신호들은 감쇠되고 억업됨으로써, 전력 분배 네트워크(10) 내부로 고조파 전류가 다시 주입되는 것을 억제할 수 있다.
유도 전동기(38)의 역률이 향상되고 비선형 기계 부하 조건하에서 유도 전동기의 동작에 의해 발생된 고조파 전류의 영향은 션트-중성점 관계로 제어기 출력 단자(M1,M2 및 M3) 양단에 연결되는 KAR(무효 전력계) 커패시터(C4, C5 및 C6)에 의해 완화된다. KAR 커패시터 값은 고정자 위상 권선(W1,W2 및 W3)의 인덕턴스 값으로 선택되고 조정되어 전력 제어기의 출력 단자(M1,M2 및 M3)와 유도 전동기의 입력 단자(S1,S2 및 S3) 사이에서 직렬연결되는 이차 로우 패스 LC 필터부에 제공된다.
이차 로우 패스 필터(59)의 각 구성부는 기본파 배전 주파수(60 Hz)를 통한 DC에서 부터 컷오프 주파수(예: 300 Hz 또는 제 5 고조파)로 매우 낮은 감쇠를 가지며, 실제로 11차수 이상을 통한 고조파 성분을 포함하는 모든 다른 신호들을 컷오프 주파수 이상으로 감쇠한다.
KVAR 커패시터(C4, C5 및 C6)는 이중 용도를 갖는다: 즉, 유도 전동기(38)의 역률을 향상시키는 것과, 전동기에 의해 발생하는 고조파 전류의 역류(back-flow)를 억압하면서 유도 전동기(38) 내부로 흐르는 전류를 필터링하는 것. 이차 로우 패스 필터(59)는 유도 전동기(38) 내부로 제어기-발생 고조파 전류가 주입되는 것을 방지하고, 제어기(36) 및 배전 네트워크(10) 내부로 유도 전동기-발생 고조파 전류가 주입되는 것을 방지한다.
실제 전력 전송 효율은 일차 로우 패스 필터(54) 및 이차 로우 패스 필터(59)의 임피던스 변환 효과에 의해 향상된다. 일차 로우 패스 필터(54)는 주로 유도적인 전원 임피던스를 일차 로우 패스 필터(54)의 통과 대역 내에서 밸런스드 LC 임피던스로서의 기능을 하는 유효 전원 임피던스 ZS로 변환한다. 이차 로우 패스 필터(59)는 유도 전동기(38)의 높은 유도 입력 임피던스에 대해 동일한 효과를 갖는다. 이차 로우 패스 필터(59)는 유동 전동기 임피던스를 이차 로우 패스 필터의 통과 대역 내에서 밸런스드 LC 임피던스로서의 기능을 하는 유효 부하 임피던스 ZL로 변환한다.
최대 전력 전송 이론에 따르면, 최대 전력 전송은 부하 임피던스 ZL이 전원 임피던스 ZS와 동일해지도록 억제된다. 3상 동작 중에 최적의 역률 보정 및 전력 전송 효율을 위해서는, 40 HP 유도 전동기가 480 VAC 3상 전원으로 60 Hz에서 사용되고, 각 KVAR 커패시터(C4, C5 및 C6)의 바람직한 값은 5uF이고, 각 커패시터는 600 VAC 서비스를 위해 정격으로 사용된다. KAR 역률 보정 커패시터(C4, C5 및 C6)의 값은 전동기 역률 향상, 로우 패스 필터링 작용 및 최적의 전력 전송이 제공되도록 선택되는 것이 바람직하다.
고정자 권선 인덕터(W1,W2 및 W3)와 조합하여 연결되는 KVAR 커패시터(C4, C5 및 C6)는 이차 로우 패스 필터 회로(59)를 형성한다. 이들 이차 필터부는 고 유동성 전동기 부하를 입력에서 일차 로우 패스 필터(54)에 의해 전력 제어기로 제공되는 유효 전원 임피던스 ZS와 유사한 밸런스드 유효 부하 임피던스 ZL로 변환한다. 소정의 유도 전동기를 위한 KVAR 역률 보정 커패시터(C4, C5 및 C6)의 신중한 선택을 통해, 전동기에 의해 제공된 부하 임피던스가 변환됨으로써, 변환된 부하 임피던스 ZL가 어떻게 변환된 전원 임피던스 ZS에 근접하게 매칭시킬 것인지에 비례하여 역률을 향상시킨다.
로우 패스 필터 회로(54), 전력 제어기(36) 및 KVAR 커패시터(C4, C5 및 C6)는 도 5에 도시된 바와 같이, 공통 보호 하우징(55) 내에 수용된다. 공냉식 히트 싱크(도시 생략)가 하우징의 배면측에 있는 철심 회선 리액터(L1,L2 및 L3)에 열적으로 결합된다.
유도 전동기(38)는 40 hp 서비스 정격을 갖는 종래의 3-상 유도 전동기다. 60 Hz, 480 VAC 회선-중성점의 AC 전원이, Wye 권선 구성으로 연결되고 120도로 상호 대칭으로 이격되는 고정자 슬롯에 배열되는 3 위상 고정자 권선(W1, W2 및 W3)에 인가된다. 회전 토크는 고정자 권선(W1, W2 및 W3)에서의 3상 교류 전류의 흐름에 의해 발생되는 회전 자기장에 자기적으로 결합되는 농형 회전자(squirrel cage rotor)(R)에 의해 전달된다. 회전자(R)는 부하(40)에 결합된 출력 구동축(58)에 토크를 전달한다. 부하(40)는 비선형 기계부하, 예컨대 도 2에 도시된 바와 같은 빔형태의 펌핑 유닛(60)일 수도 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 전력 제어 시스템(56)은 3상 분기 전력회선(26)으로부터 AC 작동 전원을 인가받는다. 전력 제어 시스템(56)은 조절된 양의 AC 작동 전원을 빔 형태의 펌핑 유닛(60)에 공급한다. 경우에 따라, 펌프 잭으로 지칭되기도 하는 이 펌핑 유닛은 흡입봉(62) 및 지하펌프를 왕복운동시킨다. 펌프는 흡입봉의 매 상향 스트로크시에 형성 유체를 끌어올리고 오일(형성유체)F는 하향 스트로크시에 펌프 내부로 흐르고, 상향 스트로크시에 웰헤드 장치(well head fitting)에 발생된 다음, 펌핑 사이클이 반복된다.
펌핑 유닛(60)은 종래의 보행빔(66) 및 홀스 헤드(horse head)(68)를 갖춘 보행빔 형태의 펌프 잭(64)을 구비한다. 이 보행빔(66)은 피봇(72)을 중심으로 하여 A-프레임(70)상에 장착된다. 균형추(74) 및 크랭크 암(74)은 AC 유도 전동기(38)에 의해 기어박스(78)를 통해 구동된다. 유도 전동기의 회전자 R은 동력 전달축(58)에 의해 기어박스(78)에 기계적으로 결합된다. 와이어 행거(80)는 짧은 케이블(82)에 의해 홀스 헤드(68)에 부착된다. 행거(80)의 하단부는 흡입봉에 고 정된다. 흡입봉(62)의 연마부는 표면 웰헤드 장치(84)를 통해 연장되고, 생산관(production tubing string)(86)을 통해 웰헤드로부터 지하 저장고로 연장되는 흡입봉 스트링에 연결된다.
종래의 타이머 제어유닛(88)은 480 VAC, 60 Hz 3-상 전원의 1 위상에 연결되어 내부 펌핑 사이클 타이머(88)에 작동 전원을 공급한다. 공지된 저장고 충전 속도와 일치하도록 설정된 내부 타이머는 소정의 제 1 펌프-온 기간 동안 펌핑 유닛(60)의 펌핑 사이클 동작을 가능하게 한 다음, 소정의 펌프-오프 기간동안 제어기(36)에 공급되는 AC 전원을 차단한다. 타이머 제어 유닛(88)은 110 VAC, 60 Hz 작동 전원을 내부 타이머 및 접촉자 릴레이 회로(contactor relay circuits)에 공급하는 강압용 변압기를 구비한다.
또한, 타이머 제어 유닛(88)은 펌프-오프 제어신호(90)에 응답하여 제어기(36)에 공급되는 AC 전원을 자동으로 차단하고 타이머를 펌프-오프 사이클로 재설정하기 위한 회로를 구비한다. 펌프-오프 제어 신호는 웰 보어(well bore) 내부의 형성 유체의 잠정적인 소진 또는 고갈에 응답하여 발생한다. 펌프 플런저의 해머링 충격은 연마된 흡입봉(62)의 상단부에 있는 와이어 행거(80) 상에 배치된 종래의 유체 충격 센서에 의해 감지된다. 펌핑 작용은 저장고에서 웰 보어를 생산레벨로 재충전할 때 까지 중단된다.
도 3을 참조하면, 파형(92,93)은 유도 전동기 부하 및 펌프 스트로크 변위의 대표값을 각각 나타낸다. 정상적인 펌핑 동작중에는, 펌핑 유닛이 일정한 속도, 예컨대 분당 6.6 스트로크 사이클(9초의 피크-대-피크 스트로크 기간)로 펌핑작용 을 한다. 흡입봉 부하에 의해 부과된 전동기 토크 부하(92)는 양 및 음의 기울기램프 함수(positive and negative slope ramp functions) 및 일부 공명 또는 진동 함수를 포함하는 복소 비선형 시간 함수이다.
이들 토크 파형 성분은 네 개의 별도 부하 위상 중에 발생된다. 펌프는 양의 기울기 부하에 따라 형성 유체를 끌어 올린 후, 균형추(74)가 상사점을 통해 천이됨에 따라 비교적 높은 토크 레벨에서 일부 공명 또는 진동 이 발생하는 스트로크 피크점에서 제로 부하 기울기를 통해 천이된다. 이때, 펌프 부하는 음의 부하 기울기를 따라 하사점을 향해 천이된다. 그런 다음, 토크 부하 파형은 균형추(74)가 하사점을 통해 천이됨에 따라 비교적 낮은 토크 레벨에서 일부 공명 또는 진동 이 발생하는 스트로크 바닥점에서 제로 부하 기울기를 통해 천이된다.
이들 비선형 기계 부하 변동은, 제어기(36)의 동작을 간섭할 수 있고 배전 분기를 통해 그리고 배전 네트워크 내부로 다시 주입될 수 있는 강한 고조파 전류를 야기한다. 이렇게 됨으로써, 시설 서비스 요금의 기초가 되는 배전 분기에서 부하전류의 RMS값이 증가함으로써, 고객의 에너지 비용이 증가하게 된다. 전력 제어 시스템(56)은 전력 제어기(36)의 사이리스터 스위치의 고속 스위칭 동작 또는 유도 전동기(38)에 부과되는 비선형 기계 부하에 의해 야기될 수 있는 전술한 고조파 전류를 감소시키거나 완화시켜준다.
개인 작업 우물에 설치되는 전력 제어 시스템(56)을 이용하여 광범위한 현장 테스트가 실시되었다. 테스트 결과는 표 1 및 표 2에 요약되어 있다.
표 1 및 표 2에 요약된 동작 데이터는 동일한 유도 전동기(38)와 펌핑 유 닛(60)에 대해 수행된 두 번의 별도 테스트와 관련하여 두 달 간격의 별도의 날짜에 기록된 시험일지에서 발췌되었다. 첫 번째 테스트는 전동기가 초기에 베어링 문제로 수리가 요구되는 불량한 작동 조건에서 수행되었다. 두 번째 테스트는 양호한 작동 조건에서 새로운 베어링으로 교체되어 공인받는 후, 동일한 전동기에 대해 두 달 후에 수행되었다. 현장 테스트용 펌핑 유닛에 설치된 유도 전동기(38)는 3-상, 480 볼트, 60 Hz AC 서비스를 위해 정격으로 사용된 40 Hp 유도 전동기였다. 이 전동기는 현장 테스트시에 15년간 서비스되어온 보행빔 타입의 펌핑 유닛(60)에 연결되었다.
테스트에 앞서 사용된 우물은 15년 동안 지속적으로 오일, 물, 가스생산 및 전력소모가 있었던 우물이다. 테스트에 사용된 펌핑 유닛(60)은, 심각한 스파이킹과 빈번한 뇌우 낙뢰에 의해 야기된 전원 서지를 겪은 불규칙한 3-상 4-선식 분기 분배 라인(26)의 단부에 배치되었다. 모든 분기 전력선은 변압기(14)와 서비스폴(service pole)간에 절연이 없는 개방형 전력선이었다.
이들 현장 테스트시에 사용된 데이터 기록계(data logger)는 Rustrak Ranger Model 1231A 기록계였다. 데이터 기록계의 레코더는 시설 서비스 폴에 있는 킬로와트 아워 미터(kilo watt hour meter)의 기록과 일치하는 기록을 반영하기 위해 교정되었다. 교정 명세서에 대해서는 제조업자의 자문을 받았다. 기록 사이클이 기록됨에 따라 기록 사이클 동안에는 간섭현상이 없었다.
표 1 및 표 2에 도시된 기록 데이터는 제어 시스템(56)의 유무에 따른 유도 전동기(38)의 성능을 반영하고 있다. 설치된 제어 시스템(38)의 유무에 따라 전압 이 일정하게 유지되었으나, 전류와 무효전력은 감소하였고, 실제 소비전력도 감소하였으며, 전동기 역률은 설치된 제어 시스템(56)으로 어느정도 향상되었다는 사실에 유념해야 한다.
3차 및 5차 오더에서의 고조파 전류 왜곡은, 제어 시스템이 설치되지 않은 상태에서 5.0 THD 내지 7.0 THD였고, 제어 시스템이 설치된 상태에서는 평균치로 대략 3.0 THD 내지 4.0 THD였다. 이것은 제어 시스템(56)이 효과적으로 기능하였음을 입증하는 것이다. 또한, 유도 전동기(38)의 3 위상에 대한 전류값은 제어 시스템(56)이 설치된 경우 크기가 거의 비슷하였고 안정화되었다는 사실에 유념해야 한다.
테스트 1: 불량조건에서의 40 Hp 전동기-4 사이클
로그

제어기가 없는 경우

지정회선 사이클1 사이클2 사이클3 사이클4

Volts 회선1 495.98 498.23 497.91 501.82
Volts 회선3 494.03 494.51 496.75 501.35
Amps 회선1 29.48 29.37 29.39 29.89
Amps 회선3 29.11 29.63 29.49 29.68
PF 회선1 0.359 0.352 0.348 0.388
PF 회선3 0.357 0.354 0.345 0.388

합계 KW 9.25 9.41 9.3 10.22


제어기가 있는 경우

사이클1 사이클2 사이클3 사이클4

499.9 499.78 498.51 499.39
500.3 494.51 497.81 496.78
24.7 24.31 24.56 24.66
24.3 23.7 24.76 23.64
0.347 0.322 0.386 0.347
0.346 0.322 0.386 0.347

8.22 7.47 8.4 7.5
Rustrak Ranger Model 1231A 레코더로 측정된 측정값
제어기가 없는 경우의 4 사이클 누적 합계 KW: 38.18
제어기가 있는 경우의 4 사이클 누적 합계 KW: 31.59
측정차: 6.59
제어기가 있는 경우 에너지 절감율: 17.26%
테스트 2: 양호한 조건에서의 40 Hp 전동기-3 사이클 로그

제어기가 없는 경우

지정회선 사이클1 사이클2 사이클3
Volts 회선1 498.17 493.49 496.86 Volts 회선3 495.43 494.49 498.43 Amps 회선1 29.09 29.24 29.04 Amps 회선3 22.98 22.31 22.7 PF 회선1 0.342 0.348 0.377 PF 회선3 0.342 0.348 0.377

합계 KW 8.72 8.79 9.46


제어기가 있는 경우

사이클1 사이클2 사이클3

501.89 500.72 507.38
503.25 501.26 498.27
24.05 24.04 24.45
28.57 28.46 27.29
0.347 0.354 0.361
0.346 0.357 0.381


7.07 7.3 7.87
Rustrak Ranger Model 1231A 레코더로 측정된 측정값
제어기가 없는 경우의 3 사이클로그 누적 합계 KW: 26.97
제어기가 있는 경우의 3 사이클로그 누적 합계 KW: 22.24
측정차: 4.73
제어기가 있는 경우 에너지 절감율: 17.53%

Claims (10)

  1. 하나 이상의 공급 위상(φA,φB,φC)을 갖는 AC 전원(12)으로부터 AC 전압을 공급받기 위한 하나 이상의 공급 입력단자(F1,G1,H1), 및 AC 유도 전동기(38)의 하나 이상의 고정자 위상 권선(W1,W2,W3)에 AC 전류를 전도시키기 위한 하나 이상의 공급 출력단자(S1,S2,S3)를 포함하는 전력 제어 시스템(56)에 있어서,
    상기 하나 이상의 공급 입력단자로부터 AC 전압을 공급받기 위한 하나 이상의 전원 입력단자(N1,N2,N3), 상기 하나 이상의 공급 출력단자에 AC 전류를 전도시키기 위해 전기적으로 연결되는 하나 이상의 전원 출력단자(M1,M2,M3) 및 상기 하나 이상의 공급 출력단자(S1,S2,S3)의 전도를 제어하기 위해 상기 전원 입력단자(N1,N2,N3)와 상기 전원 출력단자(M1,M2,M3) 사이에 결합되는 스위칭 수단(42,44;46,48;50,52)을 구비하는 전자식 전력 제어기(36);
    상기 하나 이상의 공급 입력단자(F1,G1,H1)와 상기 전자식 전력 제어기(36)의 하나 이상의 전원 입력단자(N1,N2,N3)에 결합되는 일차 로우 패스 필터 회로(54); 및
    상기 하나 이상의 전원 출력단자(M1,M2,M3)에 대해 션트위상-중성점 관계로 연결되는 하나 이상의 션트 커패시터(C4,C5,C6);를 포함하되,
    상기 하나 이상의 션트 커패시터(C4,C5,C6)의 정전용량 값은, 이차 로우 패스 필터 회로(59)를 제공하도록 고정자 위상 권선(W1,W2,W3)의 인덕턴스 값을 이용하여 선택되고 조정되며,
    상기 이차 로우 패스 필터 회로(59)는, 기본적인 전력 분배 주파수(fundamental power distribution frequency)를 통해 DC에서 컷오프 주파수로 감쇠를 가지며, 컷오프 주파수 이상(above)의 주파수에서 전류 흐름(current flow)을 감쇄하는 것을 특징으로 하는 전력 제어 시스템(56).
  2. 제1항에 있어서, 상기 각 션트 커패시터(C4,C5,C6)의 정전용량 값은 상기 전력 제어 시스템에 연결되는 유도 전동기(38)의 하나 이상의 고정자 위상 권선(W1,W2,W3)의 인덕턴스 값을 이용하여 선택되고 조정됨으로써, 상기 션트 커패시터(C4,C5,C6)의 연결시 하나 이상의 이차 로우 패스 필터 회로(59)를 형성하는 것을 특징으로 하는 전력 제어 시스템(56).
  3. 제1항에 있어서, 상기 각 션트 커패시터(C4,C5,C6)의 정전용량 값은 상기 전력 제어 시스템에 연결되는 유도 전동기(38)의 하나 이상의 고정자 위상 권선(W1,W2,W3)의 인덕턴스 값을 이용하여 선택되고 조정됨으로써, 상기 션트 커패시터(C4,C5,C6)의 연결시 유도 전동기에 의해 제공되는 유효 부하 임피던스를 상기 일차 로우 패스 필터 회로(54)가 AC 전원(12)에 결합될 때 상기 일차 로우 패스 필터 회로의 출력에 제공되는 유효 전원 임피던스(ZS)와 같은 전기 임피던스(ZL)로 변환하는 것을 특징으로 하는 전력 제어 시스템(56).
  4. 제1항에 있어서, 상기 각 션트 커패시터(C4,C5,C6)는 킬로볼트 암페어 무효 전력 서비스용으로 정격되는 것을 특징으로 하는 전력 제어 시스템(56).
  5. 제1항에 있어서, 상기 일차 로우 패스 필터 회로(54)는 상기 하나 이상의 공급 입력단자(F1,G1,H1)와 상기 하나 이상의 전원 입력단자(N1,N2,N3) 사이에 연결 되는 하나 이상의 로우 패스 LC 필터(L1,C1;L2,C2;L3,C3)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 제어 시스템(56).
  6. 제1항에 있어서, 상기 전자식 전력 제어기(36)는 제 1 및 제 2 게이트-제어 스위치(42,44;46,48;50,52)를 포함하되, 각 스위치는 각각의 제어 게이트를 구비하며 각 스위칭 쌍은 AC 전압의 각각의 위상에 대해 제 1 노드와 제 2 노드사이에서 상호 평행하게 반대 극성 관계로 연결되고, 상기 제 1 노드는 상기 공급 입력단자(F1,G1,H1) 중 하나에 전기적으로 결합되고, 상기 제 2 노드는 상기 공급 출력단자(S1,S2,S3) 중 하나에 전기적으로 결합되는 것을 특징으로 하는 전력 제어 시스템(56).
  7. 하나 이상의 공급 위상(φA,φB,φC)을 갖는 AC 전원(12)으로부터 AC 전압을 공급받기 위한 하나 이상의 공급 입력단자(F1,G1,H1), 및 AC 유도 전동기(38)의 하나 이상의 고정자 위상 권선(W1,W2,W3)에 AC 전류를 전도시키기 위한 하나 이상의 공급 출력단자(S1,S2,S3)를 포함하며,
    상기 하나 이상의 공급 입력단자로부터 AC 전압을 공급받기 위한 하나 이상의 전원 입력단자(N1,N2,N3), 상기 하나 이상의 공급 출력단자에 AC 전류를 전도시키기 위해 전기적으로 연결되는 하나 이상의 전원 출력단자(M1,M2,M3) 및 상기 하나 이상의 공급 출력단자(S1,S2,S3)의 전도를 제어하기 위해 상기 전원 입력단자(N1,N2,N3)와 상기 전원 출력단자(M1,M2,M3) 사이에 결합되는 스위칭 수단(42,44;46,48;50,52)을 구비하는 전자식 전력 제어기(36);
    상기 하나 이상의 공급 입력단자(F1,G1,H1)와 상기 전자식 전력 제어기(36)의 하나 이상의 전원 입력단자(N1,N2,N3)에 결합되는 일차 로우 패스 필터 회로(54); 및
    상기 하나 이상의 전원 출력단자(M1,M2,M3)에 대해 션트위상-중성점 관계로 연결되는 하나 이상의 션트 커패시터(C4,C5,C6);를 포함하는 구성으로,
    AC 유도 전동기(38)에 의해 구동되는 기계 부하(40)의 전력요건에 부합하도록 하기 위해, AC 전압의 하나 이상의 공급 위상(φA,φB,φC)에 있는 전원(12)의 AC 작동전압을 상기 AC 유도 전동기의 하나 이상의 고정자 위상 권선(W1,W2,W3)에 인가하는 것을 제어하는 방법에 있어서,
    상기 AC 전압의 선택된 위상(φA,φB,φC)과 상기 고정자 위상 권선(W1,W2,W3) 사이에, 게이트-제어 스위치와 상기 전동기에 인가되는 AC 전압의 각 극성에 하나씩 각각 대응하는 제 1 및 제 2 제어 게이트를 각각 구비하는 상기 게이트-제어 스위치(42,44;46,48;50,52)를 직렬로 연결하는 단계;
    AC 전압의 매 교호인가 중에 상기 게이트-제어 스위치(42,44;46,48;50,52)를 교대로 트리거하여 전도 상태로 전환하는 단계;
    상기 고정자 위상 권선(W1,W2,W3)에서의 교호인가되는 AC 전압이 제 1 제로-크로싱 지점을 통과할 때 시작되고 상기 고정자 위상 권선(W1,W2,W3)에서의 교호인가되는 대응 AC 전류가 제 2 제로-크로싱 지점을 통과할 때 종료되는 시간 간격에 비례하는 시간 간격 동안 상기 AC 전압의 매 교호인가 중에 상기 게이트-제어 스위치의 전도를 억제하는 단계;
    상기 게이트-제어 스위치를 통해 전도되는 AC 공급전압을 필터링하는 단계; 및
    상기 전원 출력단자(M1,M2,M3) 중 하나에 션트 커패시터(C4,C5,C6)를 션트 위상-중성점 관계로 연결하는 단계;를 포함하여 구성되되 각 단계는 각각의 위상에 대해 수행되고,
    상기 션트 커패시터의 정전용량 값은 상기 고정자 위상 권선(W1,W2,W3) 중 하나의 인덕턴스 값을 이용하여 선택되고 조정됨으로써, 상기 션트 커패시터(C4,C5,C6)의 연결시 이차 로우 패스 필터 회로(59)를 형성하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 이차 로우 패스 필터 회로(59)는,
    상기 션트 커패시터(C4,C5,C6)의 정전용량 값을 상기 고정자 위상 권선(W1,W2,W3) 중 하나의 인덕턴스 값을 이용하여 선택하고 조정함으로써, 유도 전동기(38)에 의해 제공되는 전기 임피던스를 상기 일차 로우 패스 필터 회로(54)가 AC 전원(12)으로부터 AC 전압을 공급받을 때 상기 일차 로우 패스 필터 회로의 출력에 제공되는 유효 전원 임피던스(ZS)와 같은 유효 전기 임피던스(ZL)로 변환하는 단계를 제공하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제7항에 있어서, 전자식 제어기(36)에 의해 상기 게이트-제어 스위치(42,44;46,48;50,52)의 동작을 제어하는 단계, 및 일차 로우 패스 필터(54)로부터 출력된 필터링된 전압을 상기 전자식 제어기에 작동 전원으로서 인가하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제7항에 있어서, 상기 션트 커패시터(C4,C5,C6)의 정전용량 값을, 상기 고정자 위상 권선(W1,W2,W3)의 인덕턴스 값과의 조정을 통해 선택하여 유도 전동기에 의해 제공되는 전기 임피던스를 일차 로우 패스 필터 회로(54)가 AC 전원(12)으로부터 AC 전압을 공급받을 때 상기 일차 로우 패스 필터 회로의 출력에서 나타나는 유효 전원 임피던스(ZS)와 같은 유효 임피던스(ZL)로 변환하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
KR1020087028034A 2006-04-24 2007-04-24 전력 제어 시스템 및 그의 방법 KR101084796B1 (ko)

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