KR101261259B1 - 개선된 ｄｃ 버스 조절기 - Google Patents

개선된 ｄｃ 버스 조절기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 소정 시간에 전력 변환을 위해 트랜지스터 팩들을 더 많이 사용하고 다른 시간에 다이오드, SCR 및 저항기 팩들을 사용하는 개선된 DC 버스 조절기를 개시한다. 변환 기술은 필요한 응답과 전류 부하 용량에 기초하여 조절기에 의해 선택된다. 예로서, 트랜지스터 팩들은 낮은 전력 부하 조건들에서 사용될 수 있다. 이 혼성 시스템의 사용을 통해, 시스템은 빠른 응답 시간과, 전류 조절 기능, 및 양방향 전력 변환을 포함하는 트랜지스터 팩 시스템들의 바람직한 효과들을 얻으면서 트랜지스터 팩들만에 기초한 시스템의 높은 비용들 및 취약성을 완화시킬 수 있다.

Description

개선된 ＤＣ 버스 조절기{IMPROVED DC BUS REGULATOR}
관련 출원에 대한 참조
본 출원은 본 명세서에 그 전문이 참조로 통합되어 있는 2008년 11월 12일자로 출원된 미국 가특허 출원 제 12/269,703 호에 대한 우선권을 주장한다.
기술 분야
본 발명은 일반적으로 전력 전달 네트워크에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 본 발명은 하나 이상의 AC 또는 DC 전력 발전기들로부터 DC 전력 시스템을 작동시키는 것에 관한 것이다. 더 더욱 구체적으로, 본 발명은 AC와 DC 전력 네트워크 사이의 에너지 전달의 조절에 관한 것이다.
전력 전달 네트워크들은 AC 시스템들, DC 시스템들 또는 둘의 조합으로 이루어질 수 있다. AC 전력 네트워크들은 통상적으로 세계 전역에서 사용되고 있다. 그러나, DC 전력 네트워크들은 특정 장점들을 갖는다. DC 전력 네트워크들은 설계 및 구현이 더 용이하며, 그 이유는 전력 시스템에 어떠한 리액턴스도 도입하지 않기 때문이다. 실제 전력만이 전달되기 때문에 DC 시스템들에서 발전기들로부터 더 높은 효율들이 달성될 수 있다. 추가적으로, 전력 공급장치들의 병렬화가 간단하며, 그 이유는 DC 전력의 동작 주파수가 0 Hz이기 때문이다. 따라서, 추가적 공급장치들 또는 부하들이 네트워크 상에 형성될 때 동기화가 불필요하다.
종래에 AC 전력 네트워크들을 사용한 이유는 장거리들에 걸친 AC 전력 전송의 용이성 및 변압기들을 사용한 전압 변경들의 취급성 때문이다. 그러나, 격리된 환경들의 것들 같은 짧은 거리들에 걸쳐, DC 전력 전달 네트워크는 앞서 설명한 이유들 때문에 유익할 수 있다. 오늘날 가용한 고 전력 발전기들은 통상적으로 AC 전력을 생성한다. 따라서, AC 발전기들에 의해 급전되는(powered) DC 전달 네트워크의 동작은 AC로부터 DC로의 변환 및 그 반대의 작업을 필요로 한다.
전력 네트워크의 신뢰성있는 동작은 선상 추진기들을 작동시키기 위해 예로서, 시추 플랫폼들 또는 선박들 상의 다수의 전자 시스템들의 임계적 요소이다. 시추 선박들은 대양에 정박되어 있지 않지만, 대양에서의 원하는 위치를 유지하기 위해 동적으로 제어된다. 추진기들은 시추 장치의 위치를 특정 공차들 내에서 유지하기 위해 사용된다. 추진기들은 블레이드들의 가변적 회전 속도 및 방위각을 가질 수 있는 프로펠러 구동부들이다. 이들 추진기들은 시추 선박의 선상 전력 공급장치에 의해 작동된다. 전력 공급장치의 임의의 고장은 시추 장치의 허용오차들(tolerances)을 벗어난 선박의 변위를 초래할 수 있다. 이런 경우에, 시추 장치는 기계적으로 분리되고 전력 공급장치가 복원되고 시추 선박의 위치가 교정된 이후 재결합될 필요가 있다.
신뢰성있는 전력 공급장치를 실현하는 한 가지 방법은 추진기들 및 기타 구성요소들의 급전을 위해 DC 버스를 사용하는 것이다. 이런 전력 전달 시스템이 도 1에 예시되어 있다. 이런 시스템에서, 전력 공급장치는 일반적으로 AC-대-DC 변환기에 결합된 AC 발전기들로 이루어진다. AC-대-DC 변환기는 AC 발전기들로부터의 전력을 중간 DC 버스에 제공한다. 중간 DC 버스는 DC 발전기들 또는 배터리 백업 시스템에 의해 증대될 수 있다. 시추 선박의 선상의 각각의 모터 또는 추진기(thruster)와, 중간 DC 버스를 사용하는 다른 디바이스들은 DC-대-AC 변환기를 통해 중간 DC 버스에 결합된다.
도 1은 다수의 AC 전압 발전 시스템들을 다양한 부하들에 연결하는 종래의 DC 전압 버스를 예시하는 블록도이다. 전력 시스템(100)은 발전기들(102)을 포함한다. 발전기들(102)은 아이솔레이터들(106)을 통해 AC 버스(104)에 결합된다. 아이솔레이터들(106)은 발전기들(102)이 그들이 불필요하거나 오작동 상태일 때 버스로부터 제거될 수 있게 한다. AC 버스(104)는 라인(110)에 대한 전달을 위해 전력을 상태조정하도록 변압기(108)에 연결된다. AC-대-DC 변환기(112)는 라인(110)에 연결되고, 중간 DC 버스(120) 상으로의 출력을 위해 AC 전력을 DC 전력으로 변환한다. DC 버스(120)에는 DC-대-AC 변환기들(130)이 연결되어 있다. DC-대-AC 변환기들(130)은 DC 전력을 대부분의 구성요소들이 사용하도록 설계되어 있는 AC 전력으로 변환한다. DC-대-AC 변환기들(130)에는 라인(132)이 연결되고, 이 라인에는 부하들이 연결될 수 있다. 모터(134)는 라인(132)에 연결되고, 모터(134)는 예로서, 추진기일 수 있다. 추가적으로, 변압기(135)가 라인(132)에 연결되어 부하(136)를 위해 전력을 상태조정한다. 부하(136)는 예로서, 전구일 수 있다.
AC 발전기들로부터의 전력을 중간 DC 버스에 부여하기 위해 필요한 AC-대-DC 변환기들을 구현하기 위한 다수의 방법들이 존재한다. 이들 방법들은 종래에 다이오드들, 실리콘-제어식 정류기들(SCRs), 또는 트랜지스터들 중 어느 하나의 사용을 채택한다.
AC-대-DC 전력 변환을 위한 한 가지 장치는 다이오드 정류기(또는 다이오드 팩)이다. 다수의 형태들의 다이오드 정류기들이 일반적으로 알려져 있다. 한가지 전형적인 다이오드 정류기는 전파 다이오드 정류기이다. 시추 선박들 상의 AC 전력 시스템들은 통상적으로 3상 파형을 사용하며, 그래서, 6개 다이오드 정류기 구성이 통상적으로 사용된다. 다이오드들은 다이오드의 애노드의 전압이 다이오드의 캐소드의 전압보다 클 때에만 전류를 전도한다. 도 2는 3상 AC 전력을 위한 종래의 다이오드 전파 정류기를 예시하는 개략도이다. 다이오드 정류기(200)는 3상 AC 소스(202)로부터 입력을 받아들인다. 정류기(200)는 제 1 위상을 정류하기 위한 다이오드들(204)과, 제 2 위상을 정류하기 위한 다이오드들(206)과, 제 3 위상을 정류하기 위한 다이오드들(208)을 포함한다. 양의 AC 사이클과 음의 AC 사이클 양자 모두로부터 출력을 생성하기 위해 각 경우에 두 개의 다이오드들이 필요하다. 다이오드들(204), 다이오드들(206), 및 다이오드들(208)은 AC 소스(202)와 DC 버스(210) 사이에 연결되어 있다. 캐패시터(212)가 DC 버스(210)에 연결되어 DC 버스(210) 상의 전압 리플들을 평균화한다. 정류기(200)가 단일 정류기 배열로서 도시되어 있지만, 하나의 전력 용량의 다수의 개별 배열들이 병렬로 배치되어 더 높은 전력 용량을 갖는 정류기(200)를 생성할 수 있다.
다이오드 정류기들은 다양한 판매자들로부터 상업적으로 입수할 수 있거나, 개별적으로 구매된 다이오드들을 배열함으로써 구성될 수 있다. 다이오드 정류기들의 장점들은 구성요소들의 낮은 비용이다. 개별 다이오드들 및 완성된 정류기들은 고전력 구성들, 즉, 수 메가와트(MW)에 대해 비교적 저가이다. 또한, 다이오드들은 등가의 전력 부하에서 다른 가용한 해법들에 비해 비교적 작은 디바이스들이다. 그러나, 다이오드 정류기들은 출력 전압 또는 전류를 조절하는 기능을 갖지 않는다. 추가적으로, 이들은 한 방향으로만 전도한다.
다이오드 정류기들로부터의 출력 전압 또는 전류의 조절 불가능의 결과로서, 사이리스터 정류기들(thyristor rectifiers)이라고도 알려져 있는 SCR들이 그 대신 널리 사용되어 왔다. 도 3은 3상 AC-대-DC 변환을 위한 SCR들의 종래의 배열을 예시하는 개략도이다. SCR 팩(300)은 3상 AC 소스(302)로부터 입력을 받아들인다. SCR 팩(300)은 제 1 위상을 변환하기 위한 SCR들(304)과, 제 2 위상을 변환하기 위한 SCR들(306)과, 제 3 위상을 변환하기 위한 SCR들(308)을 포함한다. 각 개별 SCR은 입력을 수용하기 위한 게이트 단자(305)를 포함한다. 양의 AC 사이클과 음의 AC 사이클 양자 모두로부터 출력을 생성하기 위해 각 경우에 두 개의 SCR들이 필요하다. SCR들(304), SCR들(306), 및 SCR들(308)은 AC 소스(302) 및 DC 버스(310)에 연결된다. 캐패시터(312)가 DC 버스(310)에 연결되어 DC 버스(310) 상의 리플들을 평균화한다. SCR 팩(300)이 하나의 SCR 배열로서 도시되어 있지만, 하나의 전력 용량의 다수의 개별 배열들이 병렬로 배치되어 더 높은 전력 용량을 갖는 SCR 팩(300)을 생성할 수 있다.
SCR들에서 출력 전류는 게이트 단자(305)를 통해 AC 사이클에서 그들이 온 상태가 되었을 때를 제어함으로써 조절될 수 있다. 또한, SCR들은 다이오드들의 낮은 비용, 작은 크기 및 신뢰성을 제공한다. SCR들의 단점은 AC 전력 공급장치들과의 동기화시 발생해야 하는 그들의 느린 스위칭 시간이다. 결과적으로, 이들은 전력 시스템의 불안정성 동안 겪게 되는 전력 부하 변화들을 취급하기에 부적합하다. 추가적으로, SCR이 게이트 단자(305)를 통해 턴 온되고 나면, 게이트 단자(305)를 통해 턴 오프될 수 없다.
트랜지스터들은 AC-대-DC 전력 변환을 위한 또 다른 해법을 제공한다. 도 4는 3상 AC-대-DC 전력 변환을 위한 트랜지스터들의 종래의 배열을 예시하는 개략도이다. 트랜지스터 팩(400)은 3상 AC 소스(402)로부터 입력을 받아들인다. 트랜지스터 팩(400)은 제 1 위상을 변환하기 위한 트랜지스터들(404)과, 제 2 위상을 변환하기 위한 트랜지스터들(406)과, 제 3 위상을 변환하기 위한 트랜지스터들(404)을 포함한다. 추가적으로, 다이오드들(405)이 트랜지스터들(404)에 양 측부들에서 연결되어 트랜지스터들(404)을 가로질러 발생할 수 있는 손상 전압들(damaging voltages)로부터 트랜지스터들(404)을 보호하고 전력 전달 회로를 완성한다. 이 설정은 트랜지스터들(406)에 연결된 다이오드들(407)과, 트랜지스터들(408)에 연결된 다이오드들(409)에 대해 반복된다. 인덕터들(403)이 트랜지스터들(404), 트랜지스터들(406), 및 트랜지스터들(408)에 도달하기 이전에 전력을 상태조정한다. 트랜지스터들(404), 트랜지스터들(406), 및 트랜지스터들(408)은 AC 소스(402) 및 DC 버스(410)에 연결된다. 캐패시터(412)가 DC 버스(410)에 연결되어 DC 버스(410) 상의 리플들을 평균화한다. 트랜지스터 팩(400)이 하나의 트랜지스터 배열로서 도시되어 있지만, 하나의 전력 용량의 다수의 개별 배열들이 병렬로 배치되어 더 높은 전력 용량을 갖는 트랜지스터 팩(400)을 생성할 수 있다.
트랜지스터들은 SCR들보다 빠른 스위칭 특성들을 소유하고, 온 및 오프 타이밍의 제어 기능을 소유하여 실제 부하들로부터 초래되는 과도전류(transient)들 하에서 더 양호한 해법이 된다. 추가적으로, 트랜지스터들은 변환기를 통한 양 방향들로의 전력 유동을 가능하게 한다. 이는 전력이 DC 버스로부터 AC 버스로 역방향 이동될 수 있게 한다. 통상적으로 큰 부하들을 취급하기 위해 다수의 트랜지스터 기반 변환 디바이스들이 병렬로 배치되는 것을 필요로 한다. 트랜지스터들은 다이오드들 및 SCR들에 비해 고가의 디바이스들이며, 현저히 더 큰 공간의 양들을 점유한다. 추가적으로, 트랜지스터들은 취약하며, 쉽게 파괴된다.
따라서, 트랜지스터들의 빠른 스위칭 기능을 가지면서, SCR들 또는 다이오드들의 낮은 비용, 내구성 및 작은 점유면적을 갖는 전력 시스템이 필요하다.
AC 버스와 DC 버스를 인터페이싱하기 위한 장치는 AC 버스에 연결되고 DC 버스에 연결된 하나 이상의 트랜지스터들의 세트와, AC 버스에 연결되고, DC 버스에 연결된 하나 이상의 다이오드들의 세트와, 하나 이상의 트랜지스터들의 세트를 통한 전류 흐름을 조절하고, 하나 이상의 다이오드들의 세트를 통한 전류 흐름을 조절하도록 구성된, 하나 이상의 트랜지스터들의 세트에 연결된 마이크로콘트롤러를 포함한다. 마이크로콘트롤러는 DC 버스 상의 전압을 조절함으로써 하나 이상의 다이오드들의 세트를 통한 전류를 조절하도록 구성될 수 있다. 또한, 마이크로콘트롤러는 DC 버스의 전력 부하가 제 1 전력 범위 이내에 있을 때 하나 이상의 트랜지스터들의 세트를 통해 실질적으로 모든 전력이 유동하도록 하나 이상의 트랜지스터들의 세트와 하나 이상의 다이오드들의 세트를 통한 전류 유동을 조절하도록 구성될 수 있다. 하나 이상의 트랜지스터들의 세트는 제 1 총 전력 용량을 가질 수 있으며, 하나 이상의 다이오드들의 세트는 제 2 총 전력 용량을 가질 수 있고, 제 1 총 전력 용량은 제 2 총 전력 용량보다 작고, 제 1 전력 범위는 0과 부분적으로 제 1 총 전력 용량에 기초하여 동적으로 선택된 레벨 사이일 수 있다. 또한, 장치는 하나 이상의 전력 소비 또는 저장 디바이스들의 세트와; DC 버스 및 하나 이상의 전력 소비 디바이스들의 세트에 연결된 스위치를 포함할 수 있으며, 마이크로콘트롤러는 하나 이상의 전력 소비 또는 저장 디바이스들의 세트로의 전력 전달을 조절하도록 추가로 구성된다. 하나 이상의 전력 소비 디바이스들의 세트는 저항기들을 포함할 수 있다. 하나 이상의 전력 소비 디바이스들의 세트는 캐패시터들을 포함할 수 있다. 하나 이상의 트랜지스터들의 세트는 하나 이상의 트랜지스터 팩들을 포함할 수 있으며, 각 트랜지스터 팩은 별개의 유닛으로서 동작하도록 구성된다. 또한, 장치는: 트랜지스터 팩이 AC 버스에 직접적으로 연결되지 않도록 트랜지스터 팩들 중 하나와 AC 버스 사이에 배열된 스위치를 포함할 수 있고, 스위치는 AC 버스, AC 부하 디바이스, 및 트랜지스터 팩에 연결되며, 스위치는 AC 버스 또는 AC 부하 디바이스에 트랜지스터 팩을 교번적으로 연결하도록 구성되고; 트랜지스터 팩은 AC 버스 및 DC 버스에 연결될 때 AC 대 DC 전력 변환을 수행하도록 구성되고, DC 버스 및 AC 부하 디바이스에 연결될 때 DC 대 AC 전력 변환을 수행하도록 구성된다.
AC 버스와 DC 버스를 인터페이싱하기 위한 장치는: AC 버스에 연결되고 DC 버스에 연결된 하나 이상의 트랜지스터들의 세트와; AC 버스에 연결되고 DC 버스에 연결된 하나 이상의 SCR들의 세트와; 하나 이상의 트랜지스터들의 세트를 통한 전류 유동을 조절하도록 구성되고 하나 이상의 SCR들의 세트를 통한 전류 유동을 조절하도록 구성되는, 하나 이상의 트랜지스터들의 세트에 연결된 제 1 마이크로콘트롤러를 포함한다. 제 1 마이크로콘트롤러는 DC 버스 상의 전압을 조절함으로써 하나 이상의 SCR들의 세트를 통한 전류를 조절하도록 구성될 수 있다. 제 1 마이크로콘트롤러는 SCR들의 게이트들을 제어함으로써 하나 이상의 SCR들의 세트를 통한 전류를 추가로 조절할 수 있다. 또한, 장치는: 하나 이상의 SCR들에 연결된 제 2 마이크로콘트롤러를 포함하고; 제 1 마이크로콘트롤러는 제 2 마이크로콘트롤러에 신호함으로써 하나 이상의 SCR들의 세트를 통한 전류를 조절한다. 마이크로콘트롤러는 DC 버스의 전력 부하가 제 1 전력 범위 이내일 때 하나 이상의 트랜지스터들의 세트를 통해 실질적으로 모든 전력이 유동하도록 하나 이상의 SCR들의 세트 및 하나 이상의 트랜지스터들의 세트를 통한 전류 유동을 조절하도록 구성될 수 있다. 하나 이상의 트랜지스터들의 세트는 제 1 총 전력 용량을 가지고, 하나 이상의 SCR들의 세트는 제 2 총 전력 용량을 가지며, 제 1 총 전력 용량은 제 2 총 전력 용량보다 작고, 제 1 전력 범위는 0과, 부분적으로 제 1 총 전력 용량에 기초하여 동적으로 선택된 레벨 사이이다. 또한, 장치는 하나 이상의 전력 소비 디바이스들의 세트와, DC 버스 및 하나 이상의 전력 소비 디바이스들의 세트에 연결된 스위치를 포함할 수 있고, 제 1 마이크로콘트롤러는 하나 이상의 전력 소비 디바이스들의 세트로의 전력 전달을 조절하도록 추가로 구성된다. 하나 이상의 전력 소비 디바이스들의 세트는 저항기들을 포함할 수 있다. 하나 이상의 전력 소비 디바이스들의 세트는 캐패시터들을 포함할 수 있다.
하나 이상의 발전기들의 세트에 연결된 AC 버스를 DC 버스와 인터페이싱하기 위한 방법은: AC 버스 및 DC 버스에 제 1 총 전력 용량을 갖는 하나 이상의 트랜지스터들의 세트를 연결하는 단계와; AC 버스 및 DC 버스에 제 2 총 전력 용량을 갖는 하나 이상의 다이오드들의 세트를 연결하는 단계와; DC 버스의 전력 부하가 제 1 전력 범위 이내일 때 하나 이상의 트랜지스터들의 세트를 통해 실질적으로 모든 전력이 유동하도록 하나 이상의 다이오드들의 세트 및 하나 이상의 트랜지스터들의 세트를 통한 전류 유동을 조절하는 단계를 포함하고; 제 1 총 전력 용량은 실질적으로 하나 이상의 트랜지스터들의 세트의 총 전력 용량보다 작다. 제 1 전력 범위는 적어도 부분적으로 하나 이상의 발전기들, AC 버스 및 DC 버스를 포함하는 전체 시스템이 덜 안정한 상태가 되는 것으로 알려진 전력 범위에 대응하도록 선택될 수 있다. 제 1 전력 범위는 0과 소정 레벨 사이일 수 있다. 이 레벨은 부분적으로 제 1 총 전력 용량에 기초하여 동적으로 선택될 수 있다. 이 레벨은 부분적으로 하나 이상의 발전기들의 용량에 의거하여 동적으로 선택될 수 있다. 전류 유동 조절 단계는 DC 버스 상의 전압을 조절하는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 이 방법은 스위치를 통해 DC 버스를 하나 이상의 전력 소비 또는 저장 디바이스들의 세트에 연결하는 단계와, DC 버스의 전력 부하가 제 2 레벨을 초과할 때 하나 이상의 전력 소비 또는 저장 디바이스들을 통한 전류 유동을 조절하는 단계를 포함할 수 있다. 제 2 레벨은 부분적으로 제 1 총 전력 용량에 기초하여 동적으로 선택될 수 있다.
AC 대 DC 및 DC 대 AC 전력 변환을 위한 장치는 하나 이상의 트랜지스터 팩들의 세트로서, 각 트랜지스터 팩이 AC 버스 및 DC 버스에 연결된 별개의 유닛으로서 동작하도록 구성된, 상기 하나 이상의 트랜지스터 팩들의 세트와; 트랜지스터 팩이 AC 버스에 직접적으로 연결되지 않도록 트랜지스터 팩들 중 하나와 AC 버스 사이에 배열된 스위치로서, 스위치는 AC 버스, AC 부하 디바이스, 및 트랜지스터 팩에 연결되고, 스위치는 AC 버스 또는 AC 부하 디바이스에 트랜지스터 팩을 교번적으로 연결하도록 구성되는, 상기 스위치를 포함하고, 트랜지스터 팩은 AC 버스 및 DC 버스와 연결될 때 AC 대 DC 전력 변환을 수행하고 DC 버스 및 AC 부하 디바이스에 연결될 때 DC 대 AC 전력 변환을 수행하도록 구성된다. 또한, 장치는: 제 2 트랜지스터 팩이 AC 버스에 직접적으로 연결되지 않도록 트랜지스터 팩들 중 제 2 트랜지스터 팩과 AC 버스 사이에 배열된 제 2 스위치를 포함하고, 스위치는 AC 버스, AC 부하 디바이스, 및 제 2 트랜지스터 팩에 연결되고, 스위치는 제 2 트랜지스터 팩을 AC 버스 또는 AC 부하 디바이스에 교번적으로 연결하도록 구성되며; 제 2 트랜지스터 팩은 AC 버스와 DC 버스에 연결될 때 AC 대 DC 전력 변환을 수행하고 DC 버스와 AC 부하 디바이스에 연결될 때 DC 대 AC 전력 변환을 수행하도록 구성된다.
AC 버스와 DC 버스를 인터페이싱하기 위한 장치는: AC 버스에 연결되고 DC 버스에 연결된 하나 이상의 트랜지스터들의 세트와; AC 버스에 연결되고 DC 버스에 연결된 하나 이상의 SCR들의 세트와; 하나 이상의 트랜지스터들의 세트를 통한 전류 유동을 조절하고, 하나 이상의 SCR들의 세트를 통한 전류 유동을 조절하도록 구성된, 하나 이상의 트랜지스터들의 세트에 연결된 마이크로콘트롤러를 포함한다. 마이크로콘트롤러는 DC 버스 상의 전압을 조절함으로써 하나 이상의 SCR들의 세트를 통한 전류를 조절하도록 구성될 수 있다. 마이크로콘트롤러는 DC 버스의 전력 부하가 제 1 전력 범위 이내일 때 실질적으로 모든 전력이 하나 이상의 트랜지스터들의 세트를 통해 유동하도록 하나 이상의 SCR들의 세트와 하나 이상의 트랜지스터들의 세트를 통한 전류 유동을 조절하도록 구성될 수 있다. 하나 이상의 트랜지스터들의 세트는 제 1 총 전력 용량을 가질 수 있고, 하나 이상의 SCR들의 세트는 제 2 총 전력 용량을 가질 수 있으며, 제 1 총 전력 용량은 제 2 총 전력 용량보다 작고, 제 1 전력 범위는 0과 부분적으로 제 1 총 전력 용량에 기초하여 동적으로 선택된 레벨 사이이다. 또한, 장치는: 하나 이상의 전력 소비 또는 저장 디바이스들의 세트와; DC 버스 및 하나 이상의 전력 소비 디바이스들의 세트에 연결된 스위치를 포함할 수 있고, 마이크로콘트롤러는 하나 이상의 전력 소비 또는 저장 디바이스들의 세트로의 전력 전달을 조절하도록 추가로 구성된다. 하나 이상의 전력 소비 디바이스들의 세트는 저항기들을 포함할 수 있다. 하나 이상의 전력 소비 디바이스들의 세트는 캐패시터들을 포함할 수 있다. 하나 이상의 트랜지스터들의 세트는 하나 이상의 트랜지스터 팩들을 포함할 수 있고, 각 트랜지스터 팩은 별개의 유닛으로서 동작하도록 구성된다. 또한, 장치는: 트랜지스터 팩이 AC 버스에 직접적으로 연결되지 않도록 트랜지스터 팩들 중 하나와 AC 버스 사이에 배열된 스위치를 포함할 수 있고, 스위치는 AC 버스, AC 부하 디바이스, 및 트랜지스터 팩에 연결되고, 스위치는 트랜지스터 팩을 AC 버스 또는 AC 부하 디바이스에 교번적으로 연결하도록 구성되며; 트랜지스터 팩은 AC 버스와 DC 버스에 연결될 때 AC 대 DC 전력 변환을 수행하고 DC 버스와 AC 부하 디바이스 사이에 연결될 때 DC 대 AC 전력 변환을 수행하도록 구성된다.
AC 버스와 DC 버스를 인터페이싱하기 위한 장치는: AC 버스에 연결되고 DC 버스에 연결된 하나 이상의 트랜지스터들의 세트와; AC 버스에 연결되고 DC 버스에 연결된 하나 이상의 SCR들의 세트와; 하나 이상의 트랜지스터들의 세트를 통한 전류 유동을 조절하고, 하나 이상의 SCR들의 세트를 통한 전류 유동을 조절하도록 구성된, 하나 이상의 트랜지스터들의 세트에 연결된 제 1 마이크로콘트롤러를 포함한다. 제 1 마이크로콘트롤러는 DC 버스 상의 전압을 규제함으로써 하나 이상의 SCR들의 세트를 통한 전류를 규제하도록 구성될 수 있다. 제 1 마이크로콘트롤러는 SCR들의 게이트들을 제어함으로써 하나 이상의 SCR들의 세트를 통한 전류를 추가로 조절할 수 있다. 장치는 또한: 하나 이상의 SCR들에 연결된 제 2 마이크로콘트롤러를 포함하고, 제 1 마이크로콘트롤러는 제 2 마이크로콘트롤러에 신호함으로써 하나 이상의 SCR들의 세트를 통한 전류를 조절한다. 마이크로콘트롤러는 DC 버스의 전력 부하가 제 1 전력 범위 이내일 때 하나 이상의 트랜지스터들의 세트를 통해 실질적으로 모든 전력이 유동하도록 하나 이상의 SCR들의 세트 및 하나 이상의 트랜지스터들의 세트를 통한 전류 유동을 조절하도록 구성될 수 있다. 하나 이상의 트랜지스터들의 세트는 제 1 총 전력 용량을 가지고, 하나 이상의 SCR들의 세트는 제 2 총 전력 용량을 가질 수 있으며, 제 1 총 전력 용량은 제 2 총 전력 용량보다 작고, 제 1 전력 범위는 0과 부분적으로 제 1 총 전력 용량에 기초하여 동적으로 선택된 레벨 사이이다. 또한, 장치는: 하나 이상의 전력 소비 디바이스들과; DC 버스 및 하나 이상의 전력 소비 디바이스들에 연결된 스위치를 포함할 수 있고, 제 1 마이크로콘트롤러는 하나 이상의 전력 소비 디바이스로의 전력 전달을 조절하도록 추가로 구성된다. 하나 이상의 전력 소비 디바이스들의 세트는 저항기들을 포함할 수 있다. 하나 이상의 전력 소비 디바이스들의 세트는 캐패시터들을 포함할 수 있다.
하나 이상의 발전기들의 세트에 연결된 AC 버스를 DC 버스와 인터페이싱하기 위한 방법은: 제 1 총 전력 용량을 갖는 하나 이상의 트랜지스터들의 세트를 AC 버스 및 DC 버스에 연결하는 단계와; 제 2 총 전력 용량을 갖는 하나 이상의 SCR들의 세트를 AC 버스 및 DC 버스에 연결하는 단계와; DC 버스의 전력 부하가 제 1 전력 범위 이내일 때, 하나 이상의 트랜지스터들의 세트를 통해 실질적으로 모든 전력이 유동하도록 하나 이상의 SCR들의 세트 및 하나 이상의 트랜지스터들의 세트를 통한 전류 유동을 조절하는 단계를 포함하고, 제 1 총 전력 용량은 하나 이상의 발전기들의 총 전력 용량보다 실질적으로 작다. 제 1 전력 범위는 적어도 부분적으로 하나 이상의 발전기들, AC 버스, 및 DC 버스를 포함하는 전체 시스템이 덜 안정해지는 것으로 알려진 전력 범위에 대응하도록 선택될 수 있다. 제 1 전력 범위는 0과 소정 레벨 사이일 수 있다. 이 레벨은 부분적으로 제 1 총 전력 용량에 기초하여 동적으로 선택될 수 있다. 레벨은 부분적으로 하나 이상의 발전기들의 용량에 기초하여 동적으로 선택될 수 있다. 전류 유동 조절 단계는 DC 버스 상의 전압을 조절하는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 이 방법은: 스위치를 통해 DC 버스를 하나 이상의 전력 소비 또는 저장 디바이스들의 세트와 연결하는 단계와; DC 버스의 전력 부하가 제 2 레벨을 초과할 때, 하나 이상의 전력 소비 또는 저장 디바이스들의 세트를 통한 전류 유동을 조절하는 단계를 포함할 수 있다. 제 2 레벨은 부분적으로 제 1 총 전력 용량에 기초하여 동적으로 선택될 수 있다.
AC 대 DC 및 DC 대 AC 전력 변환을 위한 장치는 하나 이상의 트랜지스터 팩들의 세트로서, 각 트랜지스터 팩은 AC 버스 및 DC 버스에 연결된 별개의 유닛으로서 동작하도록 구성되는, 상기 하나 이상의 트랜지스터 팩들의 세트와; 트랜지스터 팩이 AC 버스에 직접적으로 연결되지 않도록 트랜지스터 팩들 중 하나와 AC 버스 사이에 배열된 스위치로서, 스위치는 AC 버스, AC 부하 디바이스, 및 트랜지스터 팩에 연결되고, 스위치는 트랜지스터 팩을 AC 버스 또는 AC 부하 디바이스에 교번적으로 연결하도록 구성되는, 상기 스위치를 포함하고, 트랜지스터 팩은 AC 버스 및 DC 버스에 연결될 때 AC 대 DC 전력 변환을 수행하고, DC 버스 및 AC 부하 디바이스에 연결될 때 DC 대 AC 전력 변환을 수행하도록 구성된다. 또한, 장치는: 제 2 트랜지스터 팩이 AC 버스에 직접적으로 연결되지 않도록 AC 버스와 트랜지스터 팩들 중 제 2 트랜지스터 팩 사이에 배열된 제 2 스위치를 포함하고, 이 스위치는 AC 버스, AC 부하 디바이스, 및 제 2 트랜지스터 팩에 연결되며, 이 스위치는 AC 버스 또는 AC 부하 디바이스에 제 2 트랜지스터 팩을 교번적으로 연결하도록 구성되며; 제 2 트랜지스터 팩은 AC 버스 및 DC 버스에 연결될 때 AC 대 DC 전력 변환을 수행하도록 구성되고, DC 버스 및 AC 부하 디바이스에 연결될 때 DC 대 AC 전력 변환을 수행하도록 구성된다.
AC 발전기, AC 부하, 및 DC 버스와 함께 사용하기 위한 장치는: AC 대 DC 전력 변환 및 DC 대 AC 전력 변환을 수행하도록 구성된 트랜지스터 팩으로서, 적어도 제 1 입력 및 제 2 입력을 포함하는, 상기 트랜지스터 팩과; AC 발전기, AC 부하, DC 버스, 및 트랜지스터 팩의 제 1 입력에 연결된 제 1 스위치로서, 트랜지스터 팩의 제 1 입력을 AC 발전기, AC 부하 또는 DC 버스에 연결하도록 배열되는, 상기 제 1 스위치와; AC 발전기, AC 부하, DC 버스 및 트랜지스터 팩의 제 2 입력에 연결된 제 2 스위치로서, 트랜지스터 팩의 제 2 입력을 AC 발전기, AC 부하, 또는 DC 버스에 연결하도록 배열되는, 상기 제 2 스위치와; 제 1 경우에 제 1 스위치와 제 2 스위치가 트랜지스터 팩의 제 1 및 제 2 입력들을 트랜지스터 팩이 AC 발전기로부터의 AC 전력을 DC 버스를 위한 DC 전력으로 변환할 수 있도록 연결하도록 명령하고, 제 2 경우에 제 1 스위치 및 제 2 스위치가 트랜지스터 팩의 제 1 및 제 2 입력을 트랜지스터 팩이 DC 버스로부터의 DC 전력을 AC 부하를 위한 AC 전력으로 변환할 수 있도록 연결하도록 명령하도록 구성된 마이크로콘트롤러를 포함한다. 마이크로콘트롤러는 트랜지스터 팩이 AC 발전기로부터의 AC 전력을 DC 버스를 위한 DC 전력으로 변환할 수 있도록 제 1 스위치가 트랜지스터 팩의 제 1 입력을 AC 발전기에 연결하도록 명령하고, 제 2 스위치가 트랜지스터 팩의 제 2 입력을 DC 버스에 연결할 것을 명령하도록 구성될 수 있으며, 트랜지스터 팩이 DC 버스로부터의 DC 전력을 AC 부하를 위한 AC 전력으로 변환할 수 있도록 제 1 스위치가 트랜지스터 팩의 제 1 입력을 DC 버스에 연결하도록 명령하고 제 2 스위치가 트랜지스터 팩의 제 2 입력을 AC 부하에 연결할 것을 명령하도록 추가로 구성될 수 있다.
발전기, 부하, 및 DC 버스와 연계하여 AC 대 DC, DC 대 AC, 또는 DC 대 DC 변환을 수행할 수 있는 트랜지스터 팩을 사용하는 방법은: 트랜지스터 팩이 AC 대 DC 또는 DC 대 DC 변환을 수행할 수 있도록 트랜지스터 팩을 발전기 및 DC 버스에 연결하는 단계를 포함한다. 또한, 이 방법은 트랜지스터 팩이 DC 대 AC 변환 또는 DC 대 DC 변환을 수행할 수 있도록 DC 버스와 부하에 트랜지스터 팩을 연결하는 단계를 또한 포함한다.
본 발명은 트랜지스터들의 빠른 스위칭 기능을 가지면서, SCR들 또는 다이오드들의 낮은 비용, 내구성 및 작은 점유면적을 갖는 전력 시스템을 제공한다.
도 1은 다수의 AC 전압 생성 시스템들을 다양한 부하들에 연결하는 종래의 DC 전압 버스를 예시하는 블록도.
도 2는 종래의 6개 다이오드 전파 다이오드 정류기(diode full-wave diode rectifier)를 예시하는 개략도.
도 3은 AC 대 DC 변환을 위한 SCR들의 종래의 배열을 예시하는 개략도.
도 4는 트랜지스터들의 종래의 배열을 예시하는 개략도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 시스템이 겪는 다양한 동작 영역들을 예시하는 그래프를 도시한 도면.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 트랜지스터 팩과 다이오드 팩을 사용하는 예시적인 DC 버스 조절기를 예시하는 개략도.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 트랜지스터 팩과 SCR 팩을 사용하는 예시적인 DC 버스 조절기를 예시하는 개략도.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 저항기를 사용하는 예시적인 DC 버스 조절기를 예시하는 개략도.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 저항기 및 캐패시터를 사용하는 예시적인 DC 버스 조절기를 예시하는 개략도.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 AC 대 DC, DC 대 AC, 및 DC 대 DC 변환을 위한 스윙 팩을 예시하는 블록도.
본 발명의 보다 완전한 이해를 위해, 이제 첨부 도면과 연계하여 이루어지는 하기의 설명들을 참조한다.
DC 버스 조절기의 신속한 스위칭 특성들은 때때로 다른 것들보다 필요해질 가능성이 높다. 특정 조건들하에서, 부하 시나리오는 예측불가할 수 있고, 전력 시스템의 안정성을 유지하기 위해서는 신속한 스위칭을 수행하는 것이 필수적인 급격한 변화들을 겪을 가능성이 높다. 예로서, 근해 유정의 전력 시스템의 경우에, 전력 시스템은 부하들이 온라인 발전기 용량에 비해 작은 경우 불안정해지는 경향이 있다. 이들 불안정한 상태들 하에서, 트랜지스터들의 신속한 반응 시간이 바람직하다. 그러나, 전력 시스템이 안정적일 때, 신속한 스위칭은 불필요할 수 있다. 트랜지스터들의 신속한 스위칭이 불필요한 경우, 다이오드들 또는 SCR들은 전력 변환을 위한 내구성이 더 높고 비용 효율적인 해법일 수 있다.
트랜지스터들의 신속한 스위칭 기능이 근해 유정 전력 시스템에 대해 발전기 용량에 비해 낮은 전력 부하의 시나리오들 같은 특정 시스템 조건들 동안에만 필요하다는 사실을 인지함으로써, 시스템은 잔여 부하를 취급하기 위해 다이오드 또는 SCR들과 함께 총 전력 부하의 일부만을 취급할 수 있는 트랜지스터들을 포함하도록 설계될 수 있다. 따라서, 이런 혼성 시스템은 필요시 신속한 스위칭 기능을 여전히 유지하면서, 동일 총 전력 부하를 위한 전체 트랜지스터 시스템에 비해 크기 및 비용이 감소될 수 있다. 이런 시스템의 실현은 두 기술들의 단순한 조합에 의해서는 불가능하며, 그 이유는 양 기술들이 일반적으로 동일한 기능을 수행하기 때문이다. 오히려, 혼성 시스템의 생성은 신속한 스위칭이 필요할 가능성이 더 많은 전력 상태들과 시스템이 더욱 안정해질 가능성이 높은 전력 상태들을 식별하는 제어 시스템을 사용하는 것을 필요로 한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 근해 유정 전력 시스템의 예시적 DC 버스 조절기가 겪는 다양한 동작 영역들을 예시하는 그래프이다. 차트(500)는 y-축(501) 상의 DC 버스 조절기를 통한 전력 유동에 대한 x-축(502) 상의 DC 버스에 의한 전력 소비를 도시한다. 라인들(503, 504, 505, 506)은 예시적인 DC 버스 조절기에 포함된 트랜지스터들의 총 용량을 나타내며, 이는 라인들(507, 508)에 의해 예시된 바와 같은 시스템의 총 용량의 단지 일부이다. 영역(51)은 AC 발전기들로부터 DC 버스로의 순방향 전도를 커버한다. 영역(51)은 두 개의 동작 모드들을 갖는다. 영역(511)에서, 트랜지스터들은 순방향 전도 상태이다. 영역(512)에서, 트랜지스터 용량은 초과되고, 다이오드들이 더 큰 부하를 취급하는 것을 돕도록 온 상태로 스위칭되어 있다. 영역(52)은 DC 버스로부터 AC 발전기들로의 역방향 전도를 커버한다. 영역(52)은 두 개의 동작 모드들을 갖는다. 영역(521)에서, 트랜지스터들은 역방향 전도 상태로 기능한다. 영역(522)에서, 트랜지스터들의 용량은 초과되고, 저항기들 또는 다른 전력 소비 또는 저장 디바이스들의 세트가 DC 버스의 전력을 추가적으로 소비하도록 온 상태로 전환되어 있다. 도 5는 일 예시적인 동작 그래프를 예시한다. 라인들(503, 504, 505, 506)은 미리 규정된 레벨들일 수 있거나 전력 시스템의 동작 조건들에 기초하여 동적으로 선택될 수 있다. 다른 대안들이 이하에 설명되어 있으며, 본 기술 분야의 숙련자들은 본 명세서의 교지에 기초하여 다른 것들을 인지할 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 트랜지스터 팩들과 다이오드 팩들을 사용하는 예시적인 DC 버스 조절기를 예시하는 개략도이다. 조절기(600)는 도 5에 도시된 동작 그래프를 구현하도록 사용될 수 있다. 조절기(600)는 변압기(604)에 의해 상태조절된 3상 AC 소스(602)로부터의 입력을 수용한다. 일 용례에서, AC 소스(602)를 위한 통상적인 값은 11kV일 수 있다. 변압기(604)는 라인(610) 및 라인(620) 상으로 전압을 출력한다. 라인들(610, 620)을 위한 전형적인 값은 600C이지만, 이들은 동일할 필요는 없다. 트랜지스터 팩(612)은 라인(610) 및 DC 버스(614)에 연결될 수 있다. 트랜지스터 팩(612)은 적어도 부분적으로 도 4의 트랜지스터 팩(400)을 사용하여 구현될 수 있다. 다이오드 팩(622)은 라인(610)과 DC 버스(614)에 연결될 수 있다. 다이오드 팩(622)은 적어도 부분적으로 도 2의 다이오드 정류기(200)를 사용하여 구현될 수 있다. 마이크로콘트롤러(613)는 트랜지스터 팩(612)의 출력 전압과 그를 통한 전류 유동을 제어하도록 트랜지스터 팩(612)에 작동식으로 연결된다. 마이크로콘트롤러(613)는 예로서, 프로그램형 마이크로프로세서, 디지털 신호 프로세서("DSP"), 필드 프로그램형 게이트 어레이("FPGA"), 용례 특정 집적 회로("ASIC"), 또는 임의의 다른 논리적 디바이스 같은 트랜지스터 팩(612)을 제어할 수 있는 임의의 제어 시스템일 수 있다. 마이크로콘트롤러(613)는 트랜지스터 팩(612)과 통합되거나 별개로 존재할 수 있다. 다른 실시예에서, 트랜지스터 팩(612)은 DC 버스(614)의 전압을 독립적으로 감시하고, 트랜지스터 팩(612)을 통한 전류 유동을 조절한다. 또 다른 실시예에서, 저항기(600)에 연결된 부하들은 추가적 전력 수요들에 대하여 마이크로콘트롤러(613)에 입력을 제공하도록 구성될 수 있다.
도 5를 참조하면, 동작 영역(511)에서, 조절기(600)를 통과하는 총 에너지의 상당한 부분이 트랜지스터 팩(612)을 통과할 것이다. 양호한 실시예에서, 이는 DC 버스(614) 상의 전압이 라인(620) 상의 전압 미만의 레벨이 되어 다이오드들이 전도하지 않게 하도록 트랜지스터 팩(612)을 제어하는 마이크로콘트롤러(613)에 의해 달성된다. 마이크로콘트롤러(613)는 모든 전류가 트랜지스터 팩(612)을 통해 유동하거나, 단순히 상당한 부분이 트랜지스터 팩(612)을 통해 유동하고 더 작은 부분이 다이오드 팩(622)을 통해 유동하도록 시스템을 제어할 수 있다. 전력 부하가 증가하여 동작 영역(512)에 진입할 때, 추가적 에너지가 다이오드 팩(622)을 통해 유동한다. 이는 양호한 실시예에서, 다이오드 팩(622)을 통한 전도를 가능하게 하도록 DC 버스(614) 상의 전압을 변화시키도록 트랜지스터 팩(612)을 구성하는 마이크로콘트롤러(613)에 의해 달성될 수 있다. 동작이 영역(511)에 재진입할 때, 마이크로콘트롤러(613)는 다이오드 팩(622)을 통한 전도를 불능화 또는 실질적으로 감소시키도록 DC 버스(614) 상의 전압을 변경하도록 트랜지스터 팩(612)을 구성한다. 영역(512)에서의 작동시, 트랜지스터 팩(612)을 통한 전력 전도는 일부 실시예들에서 현저히 감소되거나 종결될 수 있다. 이하에서 상세히 설명된 바와 같이, 이는 트랜지스터 팩(612) 또는 그 일부 부분이 분배 네트워크 주변의 다른 동작들에 사용될 수 있게 할 수 있다. 영역들(511, 512) 사이의 경계부는 가용 트랜지스터들의 절대 용량일 필요는 없다는 것을 주의하여야 한다. 오히려, 경계부는 시스템의 작동 특성들과 조절기(600)의 가용 자원들을 고려하여 적절한 값이 될 수 있다.
AC-대-DC 전력을 변환하는 시스템의 다른 실시예는 트랜지스터 팩들을 SCR 팩들과 조합한다. 이러한 설계의 장점들은 트랜지스터들의 빠른 응답 시간과, SCR들의 높은 용량, 낮은 가격, 및 제어가능한 전류이다. SCR들은 가장 간단한 경우에 다이오드들과 동일하게 동작하지만, 게이트 타이밍을 통한 전류 제어의 추가적 특징을 갖는다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 트랜지스터 팩과 SCR 팩을 사용하는 예시적인 DC 버스 조절기를 예시하는 개략도이다. 조절기(700)는 예로서, 도 5에 예시된 시스템을 구현할 수 있다. 트랜지스터 팩(612)은 조절기(600)와 유사하게 DC 버스(614)로의 라인(610)에 연결된다. SCR 팩(722)은 라인(620)에 연결되고, 인덕터들(723)에 의한 상태조정 이후, 도 6의 다이오드 팩(622)의 배치와 유사하게 DC 버스(614)에 연결된다. SCR 팩(722)은 적어도 부분적으로 도 3의 SCR 팩(300)을 사용하여 구현될 수 있다. 동작 영역(511)에서, 조절기(700)를 통과하는 총 에너지의 상당한 부분이 트랜지스터 팩(612)을 통과할 것이다. 양호한 실시예에서, 마이크로콘트롤러(613)는 DC 버스(614) 상의 전압을 조절하기 위해 트랜지스터 팩(612)을 통한 전력 유동을 제어할 수 있다. 일 실시예에서, 마이크로콘트롤러(613)는 또한 SCR 팩(722)에 연결된다. 마이크로콘트롤러(613)는 SCR 팩(722)을 통한 전류 유동을 가능하게 하도록 SCR 팩(722) 내의 SCR들의 게이트들을 제어할 수 있다. 대안적으로, 마이크로콘트롤러(613)는 SCR들을 제어하는 제 2 마이크로콘트롤러(미도시)를 제어할 수 있다.
AC 대 DC 전력을 변환하는 시스템의 다른 실시예는 다이오드들 또는 SCR들 및 저항기들과 트랜지스터들을 조합한다. 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같은 다이오드들 및 SCR들은 순방향 전력이 트랜지스터의 용량을 초과할 때 트랜지스터들의 용량을 증대시키도록 사용된다. 그러나, 다이오드들 및 SCR들은 단지 일방향으로만 전도하여 그들이 역방향 전력 유동을 가능하게 하지 못하게 한다. 동작 영역(522)에서, 레지스터들, 배터리들, 캐패시터들 또는 다른 저장 디바이스들이 DC 버스로부터 전력을 제거하기 위해 추가될 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 저항기들을 사용하는 예시적 DC 버스 조절기를 예시하는 개략도이다. 조절기(800)는 AC 소스(602)로부터 변압기(604)에 의한 상태조정 이후 라인(610) 및 라인(620)으로의 입력을 수용한다. 트랜지스터 팩(612)은 라인(610)을 DC 버스(614)에 연결하고, 다이오드 팩(822)은 라인(620)을 DC 버스(614)에 연결한다. SCR 팩은 다이오드 팩(822) 대신 사용되어 도 7에 예시된 것과 동일한 결과들을 달성할 수 있다. 추가적으로, 트랜지스터 팩(832)은 저항기들(834)을 DC 버스(614)에 연결한다. 트랜지스터 팩(832)은 트랜지스터 팩(612)에 사용되는 트랜지스터들과 유사할 수 있는 트랜지스터들로 구성되거나, 필요한 동작 특성들을 갖는 임의의 다른 스위칭 구성요소일 수 있다. 트랜지스터 팩(832)은 저항기들(834)을 가능화 또는 불능화하도록 마이크로콘트롤러(613)에 의해 제어될 수 있다. 도 5에 예시된 바와 같은 역방향 전력 동작 영역(521)에서, 전력은 트랜지스터 팩(612)을 통해 AC 소스(602)로 역방향 유동할 수 있다. 트랜지스터 팩(612)의 전력 용량이 도달되었을 때, 마이크로콘트롤러(613)는 트랜지스터 팩(832)을 가능화하여 전력을 저항기들(834)로 유동시키고 열로서 소산시킬 수 있게 한다. 동작이 영역(521)으로 복귀되었을 때, 마이크로콘트롤러(613)는 트랜지스터 팩(832)을 턴 오프하고, 전력 유동은 트랜지스터 팩(612)을 통해서만 이루어진다. 상술한 바와 같이, 영역들(521, 522) 사이의 경계는 가용 트랜지스터들의 절대 용량일 필요는 없다. 오히려, 경계는 시스템의 동작 특성들 및 조절기(800)의 가용 자원들을 고려한 적절한 값일 수 있다.
비록, 전력이 DC 버스로부터 인출될 필요가 있을 때 저항기들이 전력 소비를 제공하지만, 전력은 열 소산으로 소실된다. 발전기들이 DC 버스로부터 취출된 에너지를 생성하기 위해 자원들을 소비하기 때문에, 이 에너지를 에너지가 추후 시간에 DC 버스 상에 다시 투입될 수 있게 하는 수단에 저장하는 것이 바람직할 수 있다. 이런 구성은 효율을 증가시키고, 전력 시스템의 발전기들을 작동시키는 비용을 감소시킨다. 추가적으로, 저장된 에너지는 전력 부하들의 변화들에 더욱 동적으로 응답할 수 있다. 전력 수요의 급격한 증가들은 필요한 전력을 발생시키기 위해 연료 소비를 증가시키기 위해 필요한 응답 시간의 길이에 기인하여 AC 발전기들에 의해 수용되기 어렵다. 또한, AC 발전기들의 급작스러운 고장이 저장된 전력에 의해 보상될 수 있기 때문에 발전기들의 자치성이 얻어진다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 역방향 전력 조절을 위해 저항기 및 캐패시터를 사용하는 예시적인 DC 버스 조절기를 예시하는 개략도이다. 조절기(900)는 AC 소스(602)로부터 변압기(604)에 의한 상태조절 이후 라인(610) 및 라인(620)으로의 입력을 수용한다. 트랜지스터 팩(612)은 라인(610)을 DC 버스(614)에 연결하고, 다이오드 팩(822)은 라인(620)을 DC 버스(614)에 연결한다. 유사한 결과들을 달성하도록 다이오드 팩(822) 대신 SCR 팩이 사용될 수 있다. 추가적으로, 스위치(942)는 캐패시터들(944) 및 저항기들(946)을 DC 버스(614)에 연결한다. 스위치(942)는 캐패시터들(944)을 인에이블 또는 디스에이블하도록 마이크로콘트롤러(613)에 의해 제어될 수 있다. 추가적으로, 각각 캐패시터들(944) 및 저항기들(946)에 연결된 스위치(950) 및 스위치(952)는 에너지가 캐패시터들(944)에서 저장되거나 저항기들(946)을 통해 소산될 수 있게 한다. 역방향 전력 동작 영역(521)에서, 전력은 트랜지스터 팩(612)으로부터 AC 소스(602)로 역방향 유동할 수 있다. 트랜지스터 팩(612)의 전력 용량이 도달될 때, 마이크로콘트롤러(613)는 942를 인에이블하여 캐패시터들(944)로 전력이 유동할 수 있게 한다. 동작이 영역(521)으로 복귀될 때, 마이크로콘트롤러(613)는 스위치(942)를 턴 오프할 수 있고, 전력 유동은 트랜지스터 팩(612)을 통해서만 이루어진다. 또한, 조절기(900)는 캐패시터들(944) 대신 저항기들과 캐패시터들의 조합을 사용할 수도 있다. 또한, 회전 질량체들 또는 배터리들 같은 임의의 다른 에너지 소산 또는 에너지 저장 기술이 캐패시터들(944)을 대체하여 또는 그와 조합하여 사용될 수 있다.
비록, 본 발명이 3상 AC 소스들을 사용하여 상세히 설명되었지만, 본 기술 분야의 숙련자는 2상 또는 다른 AC 시스템에서 동작하도록 또는 DC 발전기들로부터 동작하도록 본 출원의 발명을 쉽게 변경할 수 있다.
도 1의 설계에서, 다수의 DC-대-AC 변환기들 및 DC-대-DC 변환기들이 존재하는 것과 같이 다수의 AC-대-DC 변환기들이 필요하다. 예로서, 모터(134)는 AC 전력으로 동작하며, 따라서, 이는 모터(134)에 의한 사용 이전에 DC 버스 상의 전력을 다시 AC로 변환하는 것을 필요로 한다. 본 기술 분야의 숙련자는 DC-대-AC 전력 변환이 AC-대-DC 전력 변환을 위해 사용되는 것과 유사한 구성요소들을 사용하여 달성될 수 있다는 것을 알고 있을 것이다. 예로서, 도 6, 도 7, 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같은 트랜지스터 팩(612)은 DC-대-AC 변환을 수행하도록 구성될 수 있다. 또한, DC-대-DC 전력 변환은 DC-대-AC 및 AC-대-DC 전력 변환과 유사한 구성요소들을 사용하여 달성될 수 있다.
도 5에 예시적으로 도시된 다양한 동작 영역들에서, 전력 유동이 트랜지스터들로부터 다이오드들 또는 SCR들로 전환되기 때문에, 더 이상 사용되지 않는 트랜지스터 팩의 적어도 일부는 DC 버스를 위한 AC-대-DC 전력 변환으로부터 부착된 부하, 에너지 저장 장치, 또는 저항기를 위한 DC-대-AC 전력 변환을 수행하도록 스위칭될 수 있다. 이런 구성은 도 1에 예시된 전력 시스템을 위해 필요한 트랜지스터들의 수를 감소시킬 수 있으며, 그에 의해, 전체 전력 시스템의 비용 및 공간 요구들을 감소시킨다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 AC-대-DC, DC-대-AC, 및 DC-대-DC 변환을 위한 스윙 팩을 예시하는 블록도이다. 전력 시스템(1000)은 변환기들의 뱅크(1002)를 포함한다. 변환기들의 뱅크(1002)는 도 4에 예시된 트랜지스터 팩(400) 같은 AC-대-DC, DC-대-AC, 및 DC-대-DC 변환을 수행할 수 있는 임의의 수의 디바이스들 또는 이들의 조합일 수 있다. 변환기들의 뱅크(1002)는 일 측부에서 DC 버스(1020)에 연결되고, 다른 측부에서 아이솔레이터들(1004)에 연결된다. 아이솔레이터들(1004)은 폐쇄되었을 때 뱅크(1002)의 하나의 변환기를 AC 또는 DC 발전기들에 이어지는 라인(1014)에 연결하거나, AC 또는 DC 부하들에 이어지는 라인(1012)에 연결한다. 아이솔레이터들은 예로서, 마이크로콘트롤러에 의해, 또는 마이크로콘트롤러(613)와 동일하거나 별개일 수 있는 다른 제어 시스템에 의해 제어될 수 있다. 인덕터(1006)는 라인(1012) 또는 라인(1014)에 도달하기 전에 전력을 상태조정한다. 어느 전력 소비 유닛이 발전기 대 DC 버스 전력 전달 또는 DC 버스 대 부하 전력 전달에 결부되는지의 선택은 당면한 프로세스에 기초하여 이루어질 수 있다. 예로서, 에너지 저장 장치로의 전력 전달을 위한 뱅크(1002)의 온 파워 팩(on power pack)의 사용은 DC 버스가 잉여 전력을 가지고, 따라서, 전력 팩이 발전기로부터 DC 버스로의 이동 전력에 결부될 필요가 없을 때 이루어진다.
본 발명 및 그 장점들을 상세히 설명하였지만, 첨부된 청구범위에 규정된 바와 같은 본 발명의 개념 및 범주로부터 벗어나지 않고 다양한 변경들, 치환들 및 변화들이 이루어질 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 또한, 본 발명의 범주는 본 명세서에 설명된 프로세스, 기계, 제조, 물질의 조성, 수단, 방법들, 및 단계들의 특정 실시예들에 한정되지 않는다. 본 기술 분야의 숙련자가 본 발명으로부터 쉽게 인지할 수 있기 때문에, 본 명세서에 설명된 대응 실시예들과 실질적으로 동일한 결과를 달성하거나 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 현존하는 또는 추후 개발될 명세, 기계들, 제조, 물질의 조성들, 수단, 방법들, 또는 단계들이 본 발명에 따라 사용될 수 있다. 따라서, 첨부된 청구범위는 이런 프로세스들, 기계들, 제조, 물질 조성들, 수단, 방법들, 또는 단계들을 포함하는 것을 의도한다.
600 : 조절기 602 : AC 소스
604 : 변압기 610, 620 : 라인들
612 : 트랜지스터 팩 613 : 마이크로콘트롤러
614 : DC 버스 622 : 다이오드 팩

Claims (22)

  1. AC 버스와 DC 버스를 인터페이싱하기 위한 장치에 있어서:
    상기 AC 버스에 연결되고 적어도 제 1 출력 및 제 2 출력을 가진 변압기와;
    상기 제 1 출력에 연결되고 상기 DC 버스에 연결되는 하나 이상의 트랜지스터들의 세트와;
    상기 하나이상의 트랜지스터들의 세트로부터 분리되고, 상기 제 2 출력에 연결되고 상기 DC 버스에 연결되는 하나 이상의 다이오드들의 세트와;
    상기 하나 이상의 트랜지스터들의 세트를 통한 전류 유동을 조절하고, 상기 하나 이상의 다이오드들의 세트를 통한 전류 유동을 조절하도록 구성된, 상기 하나 이상의 트랜지스터들의 세트에 연결된 마이크로콘트롤러를 포함하는, 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 마이크로콘트롤러는 상기 DC 버스 상의 전압을 조절함으로써 하나 이상의 다이오드들의 세트를 통한 전류를 조절하도록 구성되는, 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 마이크로콘트롤러는, 상기 DC 버스의 전력 부하가 제 1 전력 범위 이내일 때 실질적으로 모든 전력이 상기 하나 이상의 트랜지스터들의 세트를 통해 유동하도록, 상기 하나 이상의 다이오드들의 세트와 상기 하나 이상의 트랜지스터들의 세트를 통한 전류 유동을 조절하도록 구성되는, 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 트랜지스터들의 세트는 제 1 총 전력 용량을 가지고, 상기 하나 이상의 다이오드들의 세트는 제 2 총 전력 용량을 가지며, 상기 제 1 총 전력 용량은 상기 제 2 총 전력 용량보다 작고, 상기 제 1 전력 범위는 0과 부분적으로 상기 제 1 총 전력 용량에 기초하여 선택된 제 1 레벨 사이인, 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    하나 이상의 전력 소비 또는 저장 디바이스들의 세트와;
    상기 DC 버스에 연결되고 상기 하나 이상의 전력 소비 디바이스들의 세트에 연결된 스위치를 추가로 포함하고,
    상기 마이크로콘트롤러는 또한 상기 하나 이상의 전력 소비 또는 저장 디바이스들의 세트로의 전력 전달을 조절하도록 구성되는, 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 전력 소비 디바이스들의 세트는 저항기들을 포함하는, 장치.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 전력 소비 디바이스들의 세트는 캐패시터들을 포함하는, 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 트랜지스터들의 세트는 하나 이상의 트랜지스터 팩들을 포함하고, 각 트랜지스터 팩은 별개의 유닛으로서 동작하도록 구성되며,
    상기 장치는:
    상기 트랜지스터 팩이 상기 AC 버스에 직접적으로 연결되지 않도록 상기 트랜지스터 팩들 중 하나와 상기 AC 버스 사이에 배열된 스위치를 추가로 포함하고,
    상기 스위치는 상기 AC 버스, AC 부하 디바이스, 및 상기 트랜지스터 팩에 연결되고, 상기 스위치는 상기 트랜지스터 팩을 상기 AC 버스 또는 상기 AC 부하 디바이스에 교번적으로 연결하도록 구성되며,
    상기 트랜지스터 팩은 상기 AC 버스와 상기 DC 버스에 연결될 때 AC-DC 전력 변환을 수행하고, 상기 DC 버스 및 상기 AC 부하 디바이스에 연결될 때 DC-AC 전력 변환을 수행하도록 구성되는, 장치.
  9. AC 버스와 DC 버스를 인터페이싱하기 위한 장치에 있어서,
    상기 AC 버스에 연결되고 적어도 제 1 출력 및 제 2 출력을 가진 변압기와;
    상기 제 1 출력에 연결되고 상기 DC 버스에 연결되는 하나 이상의 트랜지스터들의 세트와;
    상기 하나 이상의 트랜지스터들의 세트로부터 분리되고, 상기 제 2 출력에 연결되고 상기 DC 버스에 연결되는 하나 이상의 SCR들의 세트와;
    상기 하나 이상의 트랜지스터들의 세트를 통한 전류 유동을 조절하고, 상기 하나 이상의 SCR들을 통한 전류 유동을 조절하도록 구성된, 상기 하나 이상의 트랜지스터들의 세트에 연결된 제 1 마이크로콘트롤러를 포함하는, 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 마이크로콘트롤러는 상기 DC 버스 상의 전압을 조절함으로써 상기 하나 이상의 SCR들의 세트를 통한 전류를 조절하도록 구성되는, 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 마이크로콘트롤러는 또한 상기 SCR들의 게이트들을 제어함으로써 상기 하나 이상의 SCR들의 세트를 통한 전류를 조절하는, 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 SCR들에 연결된 제 2 마이크로콘트롤러를 추가로 포함하고,
    상기 제 1 마이크로콘트롤러는 상기 제 2 마이크로콘트롤러에 시그널링함으로써 상기 하나 이상의 SCR들의 세트를 통한 전류를 조절하는, 장치.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 마이크로콘트롤러는, 상기 DC 버스의 전력 부하가 제 1 전력 범위 이내일 때 실질적으로 모든 전력이 상기 하나 이상의 트랜지스터들의 세트를 통해 유동하도록, 상기 하나 이상의 SCR들의 세트 및 상기 하나 이상의 트랜지스터들의 세트를 통한 전류 유동을 조절하도록 구성되는, 장치.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 트랜지스터들의 세트는 제 1 총 전력 용량을 가지고, 상기 하나 이상의 SCR들의 세트는 제 2 총 전력 용량을 가지며, 상기 제 1 총 전력 용량은 상기 제 2 총 전력 용량보다 작고,
    제 1 전력 범위는 0과 부분적으로 상기 제 1 총 전력 용량에 기초하여 선택된 레벨 사이인, 장치.
  15. 제 9 항에 있어서,
    하나 이상의 전력 소비 디바이스들의 세트와,
    상기 DC 버스에 연결되고 상기 하나 이상의 전력 소비 디바이스들의 세트에 연결된 스위치를 추가로 포함하고,
    상기 제 1 마이크로콘트롤러는 또한 상기 하나 이상의 전력 소비 디바이스들의 세트로의 전력 전달을 조절하도록 구성되는, 장치.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 전력 소비 디바이스들의 세트는 저항기들을 포함하는, 장치.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 전력 소비 디바이스들의 세트는 캐패시터들을 포함하는, 장치.
  18. 하나 이상의 발전기들의 세트를 가진, AC 버스에 연결된 변압기와 DC 버스를 인터페이싱하는 방법에 있어서:
    제 1 총 전력 용량을 갖는 하나 이상의 트랜지스터들의 세트를 상기 변압기의 제 1 출력 및 상기 DC 버스에 연결하는 단계와;
    상기 하나 이상의 트랜지스터들의 세트로부터 분리되고, 제 2 총 전력 용량을 갖는 하나 이상의 SCR들의 세트를 상기 변압기들의 제 2 출력 및 상기 DC 버스에 연결하는 단계와;
    상기 DC 버스의 전력 부하가 제 1 전력 범위 이내일 때 실질적으로 모든 전력이 상기 하나 이상의 트랜지스터들의 세트를 통해 유동하도록, 상기 하나 이상의 SCR들의 세트와 상기 하나 이상의 트랜지스터들의 세트를 통해 전류 유동을 조절하는 단계를 포함하는, 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 전류 유동 조절 단계는 상기 DC 버스 상의 전압을 조절하는 단계를 포함하는, 방법.
  20. 제 18 항에 있어서,
    스위치를 통해 상기 DC 버스를 하나 이상의 전력 소비 또는 저장 디바이스들의 세트에 연결하는 단계와;
    상기 DC 버스의 전력 부하가 제 2 레벨을 초과할 때, 상기 하나 이상의 전력 소비 또는 저장 디바이스들의 세트를 통한 전류 유동을 조절하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  21. AC-DC 및 DC-AC 전력 변환을 위한 장치에 있어서,
    각각 AC 버스 및 DC 버스에 연결된 별개의 유닛으로서 동작하도록 구성되는 하나 이상의 트랜지스터 팩들의 세트; 및
    트랜지스터 팩이 직접적으로 상기 AC 버스에 연결되지 않도록 상기 트랜지스터 팩들 중 하나와 상기 AC 버스 사이에 배열된 스위치를 포함하고,
    상기 스위치는 상기 AC 버스, AC 부하 디바이스, 및 상기 트랜지스터 팩에 연결되고, 상기 스위치는 상기 트랜지스터 팩을 상기 AC 버스 또는 상기 AC 부하 디바이스에 교번적으로 연결하도록 구성되며,
    상기 트랜지스터 팩은 상기 AC 버스 및 상기 DC 버스에 연결될 때 AC-DC 전력 변환을 수행하고, 상기 DC 버스 및 상기 AC 부하 디바이스에 연결될 때 DC-AC 전력 변환을 수행하도록 구성되는, 장치.
  22. 제 21 항에 있어서,
    제 2 트랜지스터 팩이 상기 AC 버스에 직접적으로 연결되지 않도록 상기 트랜지스터 팩들의 제 2 트랜지스터 팩과 상기 AC 버스 사이에 배열된 제 2 스위치를 추가로 포함하고,
    상기 스위치는 상기 AC 버스, AC 부하 디바이스, 및 상기 제 2 트랜지스터 팩에 연결되고, 상기 스위치는 상기 AC 버스 또는 상기 AC 부하 디바이스에 상기 제 2 트랜지스터 팩을 교번적으로 연결하도록 구성되며,
    상기 제 2 트랜지스터 팩은 상기 AC 버스 및 상기 DC 버스에 연결될 때 AC-DC 전력 변환을 수행하고, 상기 DC 버스 및 상기 AC 부하 디바이스에 연결될 때 DC-AC 전력 변환을 수행하도록 구성되는, 장치.
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