KR101311378B1 - 가변 발전전압 컨버터-기반의 스위치드 릴럭턴스 발전기 구동 시스템 - Google Patents

가변 발전전압 컨버터-기반의 스위치드 릴럭턴스 발전기 구동 시스템 Download PDF

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이진국
안진우
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경성대학교 산학협력단
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Abstract

전 속도범위 내에서 여자전압과 무관하게 독립으로 발전전압을 제어할 수 있으므로, 중저속 영역에서의 전류 급락과 고속 영역에서의 전류의 과도 증가를 방지할 수 있고, 적은 스위칭 소자를 사용하고, 제어 방식이 간편한, 가변 발전전압 컨버터-기반의 스위치드 릴럭턴스 발전기(SRG) 구동 시스템이 제공된다. 가변 발전전압 컨버터-기반의 SRG 구동 시스템은, 전력을 비례적분(PI)하여 도통각을 구하는 PI 파워 제어기: 파워 컨버터의 직류전압과 직류전류에 대한 전력 평균값을 산출하는 평균값 산출부; 온각 및 회전자 위치에 따라 각도 위치를 제어하여 상스위치의 상태를 구하는 각도위치 제어기; 스위칭소자의 상태 및 상스위치의 상태에 따라 가변 발전전압으로 SRG를 가변속 구동하는 파워 컨버터; 회전자 위치 및 발전전압으로부터 오프각 위치에서의 전류를 산출하는 오프각 위치의 전류 산출부; 회전자 위치를 검출하는 위치 센서; 회전자 위치를 미분하여 회전자 각속도를 출력하는 미분기; 오프각 위치의 전류와 회전자 각속도에 따라 발전전압 지령을 산출하는 기준 발전전압 산출부; 및 발전전압 지령과 발전전압이 가산되어 입력되면, 이를 히스테리시스 전압 제어하여 스위칭소자의 상태를 파워 컨버터에 제공하는 전압 히스테리시스 제어기를 포함한다.

Description

가변 발전전압 컨버터-기반의 스위치드 릴럭턴스 발전기 구동 시스템 {System for driving switched reluctance generator based on variable generation voltage converter}
본 발명은 스위치드 릴럭턴스 발전기에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 스위치드 릴럭턴스 발전기(SRG)의 구동시, 가변속 구동을 위해 가변 발전전압 컨버터(Variable generation voltage converter)를 사용하는 가변 발전전압 컨버터-기반의 스위치드 릴럭턴스 발전기 구동 시스템에 관한 것이다.
SR 기기(Switched Reluctance Machine)는 펄스형의 여자 전원에 의한 고정자와 회전자의 릴럭턴스 토크를 이용하는 전동기구로서, 기계적인 구조가 매우 간단하고 견고하다. 또한, 다른 전동기구에 비해 효율이 높고 단위 체적당 발생 토크가 크고. 기동특성이 직류직권 전동기와 같은 특성을 갖고 있다. 따라서 스위치드 릴럭턴스 전동기(SRM)는 견인 특성이 좋으며 고속회전 특성이 우수하여 견인용 전동기구와 전기자동차의 구동부에 대한 응용이 활발히 연구되고 있다.
스위치드 릴럭턴스 전동기(SRM)는 단일 여자기기(singly excited machine)로서 자기저항(magnetic reluctance)의 변화에 따른 릴럭턴스 토크를 이용하여 회전자를 회전시키는 것으로, 그 구조가 간단하고 저렴하며 각 상(Phase)이 분리됨에 따라 단락사고(short-through fault)에 대해 안정적이며, 직류전동기의 속도-토크 특성을 가지고 있고, 넓은 속도 가변범위 및 고속, 정역회전 특성이 우수하고 강인하다는 특성을 가지고 있다.
이러한 SRM의 구동 원리는 여자된 자기회로의 자기저항이 최소가 되는 방향으로 회전자가 힘을 받게 됨으로써 회전력이 발생하게 된다. 이와 같은 현상은 계에 저장된 에너지를 기계적 에너지로 변환함으로써 계의 에너지를 최소화하려는 물리적 의미를 내포한다. 이와 같은 원리를 이용한 장치로는 간단한 액추에이터로서 인양자석, 선형솔레노이드, 계전기, 스텝 스위치 등이 이에 속한다.
도 1은 일반적인 8/6 스위치드 릴럭턴스 전동기(SRM)의 구조를 예시하는 도면이다.
일반적인 스위치드 릴럭턴스 전동기(SRM)는, 고정자(10)와 회전자 모두 돌극(Teeth)을 갖는 구조로서, 예를 들면, 회전자(20)는 규소강판의 적층 구조를 갖고, 고정자(10)는 집중 권선(30)을 갖고 있다. 이때, 회전자(20)와 고정자(10)의 극수는 원하는 특성에 따라 여러 가지 구조가 가능하다.
도 2는 일반적인 위치 센서를 이용한 SRM 구동 시스템을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 일반적 SRM은 릴럭턴스 토크를 동력화한 전동기로서, 이를 최대한 이용하기 위하여 보통 고정자(10)와 회전자(20) 모두가 돌극형 구조로 하고 고정자(10)에만 집중권선으로 감겨져 있다. 이때, 토크는 자기회로의 릴럭턴스가 최소화되는 방향으로 발생하며, 상당 발생토크의 크기는 다음 수학식 1에서와 같이 상권선에 흐르는 전류 i의 제곱과 회전자(20) 위치각(θ)에 대한 인덕턴스(L)의 변화율에 비례한다.
Figure 112012043751917-pat00001
따라서 인덕턴스의 변화율이 최대가 되도록 하고 각 상스위치의 ON/OFF 시점에서 부하에 대응하는 전류의 확립과 소호를 신속히 함으로써 토크 발생 구간을 최대한 활용하여야 한다.
즉, SRM의 제어는 입력전압과 스위칭 ON/OFF각에 영향을 받으며, 전압원에서 전류를 효과적으로 상승시키기 위해서는 돌극이 만나기 전에 선행스위칭이 필요하다. 스위칭 ON각(턴-온각)은 전류를 적절하게 상승시키기 위한 주요한 요소이므로, 최적의 SRM 운전특성을 얻기 위해서는 스위칭 ON/OFF각을 정확하게 제어할 필요가 있다.
상기와 같이 SRM의 고정자(10) 상권선은 회전자(20) 위치와 동기되어 여자되어야 하는 토크 발생기구의 특성상 회전자(20) 위치각에 대한 정보가 필수적이다. 이러한 회전자(20) 위치각의 검출은 일반적으로 엔코더나 레졸버를 사용하나, 이러한 기계적인 외부 위치센서는 분해능이 높을수록 단가가 상승하게 되는 문제점이 있다. 따라서 종래에는 설치비용에 대한 부담을 줄이기 위해서 저가형 엔코더를 사용하거나, 또는 이를 완전히 제거하기 위한 센서리스 구동에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
예를 들면, 단가를 고려하여 저가형 엔코더, 특히 증분형 엔코더(incremental encoder)를 사용하는 경우가 일반적이다. 이러한 증분형 엔코더에 의해 위치에 따른 출력펄스수를 증감형 계수기(up or down-counter)에 의해 디지털값으로 얻어 마이크로프로세서에 의해 각 상의 신호를 제어하게 된다.
일반적으로, 마이크로프로세서와 디지털 부호방식의 엔코더 시스템은 고성능화, 데이터 취급의 용이성 그리고 프로그래밍의 유연성 등의 특성으로 인해, 전동기 제어에서 많이 사용된다. 이러한 증분형 엔코더의 경우, 회전자 위치와 속도의 정확도는 샘플링 주기와 엔코더 해상도에 달려있으므로, SRM의 제어성능은 회전자 위치의 정확도와 마이크로프로세서의 성능에 의해 결정된다.
예를 들면, 회전자 위치의 절대 측정오차는 엔코더의 해상도에 따른 오차(
Figure 112012043751917-pat00002
)(수학식 2)와 샘플링 주기중의 회전자 속도에 따른 오차(
Figure 112012043751917-pat00003
)(수학식 3)에 의해 결정된다.
Figure 112012043751917-pat00004
Figure 112012043751917-pat00005
여기서,
Figure 112012043751917-pat00006
은 회전자 극수,
Figure 112012043751917-pat00007
는 엔코더의 해상도,
Figure 112012043751917-pat00008
는 마이크로프로세서의 샘플링 주기,
Figure 112012043751917-pat00009
은 회전속도이다. 그러므로 절대측정오차는 다음 수학식 4와 같다.
Figure 112012043751917-pat00010
한편, 4상 SRM 구동부의 파워컨버터 토폴로지로서, 한 개의 상은 제어 가능한 두 개의 스위칭 반도체 소자와 두 개의 다이오드가 한 갱의 상을 여자시킬 수 있도록 구성된다. 이러한 형태의 컨버터를 비대칭 브릿지 컨버터라고 부르며, 가장 일반적으로 적용되는 형태로서, 상전류 중첩이 용이하고 제어특성이 우수한 특징이 있다.
도 3은 비대칭 브릿지 컨버터를 예시하는 도면이고, 도 4는 비대칭 브릿지 컨버터의 동작 모드를 예시하는 도면이다.
도 3에 도시된 비대칭 브릿지 컨버터는 SRM 드라이브 시스템에 있어서 대표적인 전력변환기의 형태이다. 비대칭 브릿지 컨버터의 경우 각상의 독립적인 제어가 용이하므로, 상의 중첩을 통해 토크 리플을 감소시키는 기법을 적용하는데 매우 유용하다.
도 4를 참조하면, 비대칭 브릿지 컨버터는 세 가지의 모드를 가지는데, 각각 상태 1, 0 및 -1로 정의된다.
도 4의 a)는 비대칭 브릿지 컨버터의 상태 1을 도시한 도면이다. 두 개의 스위치가 턴-온되는 동안, 소스전압 Vs가 상권선에 공급된다. 도 4의 b)는 비대칭 컨버터의 상태 0을 도시한 도면이다. 하나의 스위치 및 하나의 다이오드가 턴-온되고, 상전류는 환류 상태가 된다. 도 4의 c)는 비대칭 컨버터의 상태 -1을 도시한 도면이다. 두 개의 스위치가 턴-오프이고, 상전압은 -Vs이다. 감자 전류는 에너지를 상승된 전원커패시터로 회수한다. 직접 순시 토크 제어 기법(Direct Instantaneous Torque Control: 'DITC')은 완만한 토크를 생성하기 위해 이러한 세 개의 상태를 이용한다.
최근에는 높은 고유 토크 리플을 감소시키기 위해 다양한 제어 기법들이 제안되고 있다. 그러나 일반적으로 토크리플 저감을 위해 상의 중첩을 수행할 경우, 선행각을 상대적으로 많이 이용함으로써 동적반응이 느린 문제점이 있었다. 종래의 제어 기법들과 비교하여, 직접 순시 토크 제어 기법(Direct Instantaneous Torque Control: 'DITC')과 4레벨 컨버터는 모든 영역에 있어서 완만한 출력 토크를 발생시키고, 선행각을 적게 사용함으로써 빠른 동적 특성을 얻을 수 있다.
선행기술로서, 대한민국 등록특허번호 제10-976029호에는 "4레벨 컨버터를 이용한 SRM의 직접순시토크 제어 시스템"이라는 명칭의 발명이 개시되어 있는데, 도 5를 참조하여 설명한다.
도 5는 종래의 기술에 따른 4-레벨 컨버터를 이용한 SRM 드라이브 제어 시스템의 블록 구성도이다.
도 5를 참조하면, 종래의 기술에 따른 4-레벨 컨버터를 이용한 SRM 드라이브 제어 시스템은, 토크 추정부(Torque Estimation)(61), 히스테리시스 제어부(Hysteresis Controller)(62), 스위칭 테이블부(Switching Table)(63), 4-레벨 컨버터부(4-level converter)(64)를 포함한다. 여기서, 상기 토크 추정부(61) 및 히스테리시스 제어부(62)는 DITC 방법에 있어서 매우 중요하다.
토크 추정부(61)는 각 상의 전류 및 회전자 위치를 이용한 3-D 테이블에 의해 추정 토크를 계산한다. 즉, 토크는 각 상에서 검출된 전류와 엔코더에서 검출된 각도를 바탕으로 메모리에 저장된 3D 토크 룩업테이블(look-up table)을 참조하여 추정된다. 저장되어 있는 3D 룩업테이블은 실측 또는 FEM 시뮬레이션을 통해 구한다. 이와 같이 간단한 검색 토크 테이블을 이용함으로써 복잡한 토크 계산을 대체할 수 있으며, 토크의 계산 시간을 감소시킬 수 있다.
히스테리시스 제어부(62)는 회전자의 위치에 따라 스위칭 룰을 선택하며, 토크 에러에 대응하여 히스테리시스 제어를 기반으로 인입상과 유출상의 상태신호를 생성한다. 토크 에러는 기준 토크와 추정 토크 사이의 차이로서, 토크 에러 = 기준 토크-추정 토크이다. DITC 기법을 적용하는데 있어 모든 구간에서 동일한 DITC 규칙을 사용하는 것이 아니라 회전자의 위치에 따라 스위칭 룰이 다르게 결정된다. 검출된 회전자의 위치를 이용하여, 3가지의 스위칭 룰 중 하나를 선택하여 사용한다.
스위칭 테이블부(63)는 상태신호를 네 개의 동작모드(모드 1, 모드 0, 모드 -2 및 모드 2)로 구성된 스위칭신호로 전환한다.
4-레벨 컨버터부(64)는 모드 1에서 전원단 전압을 SRM에 공급하며, 모드 0에서는 코일의 전류를 전원측으로 환류시키며, 모드 2에서는 전원단 전압 및 부스트 커패시터 전압을 SRM에 공급하며, 모드-2에서는 코일에 저장된 에너지를 커패시터로 회수하여 SRM 동작을 제어한다.
종래의 기술에 따른 4-레벨 컨버터를 이용한 SRM 드라이브 제어시스템에 따르면, 완만한 토크 출력, 동적출력 특성 및 효율이 향상된 SRM 구동시스템을 제공할 수 있다.
한편, 스위치드 릴럭턴스 발전기(Switched Reluctance Generator: SRG)는 구조가 간단하고, 기계적으로 견고하며, 가격이 저렴하고, 내결함성이 강하므로 인해, 항공기의 전원시스템, 전동차 및 풍력발전 시스템에 널리 적용되고 있다.
이러한 SRG 구동용의 파워 컨버터로 전술한 SRM의 구동과 유사한 비대칭 브릿지 회로를 사용한다. 이러한 SRG를 중저속 영역에서 운전할 경우, 속도 기전력이 발전전압보다 작음으로, 발전영역에서 전류가 감소하게 되는데, 이를 위해 일반적으로 전압 PWM 또는 전류 쵸퍼 제어를 수행한다. 또한, 이러한 SRG를 고속 영역에서 운전할 경우, 속도 기전력이 발전전압보다 높으므로, 발전 영역에서 전류가 과도하게 증가할 가능성이 있으므로, 이를 위해 턴 온/오프각의 조절을 통해 해결한다.
그러나 기존의 스위치드 릴럭턴스 발전기(Switched Reluctance Generator: SRG) 가변속 구동용 비대칭 브릿지 파워 컨버터는, 중저속 영역에서, 전압PWM 및 전류 쵸퍼제어를 통해, 속도 기전력이 발전전압보다 작음으로 인해 발생하는 발전영역의 전류 급락을 피하고 있으며, 또한, 고속영역에서는 턴 온/오프각의 제어를 통해, 속도 기전력이 발전전압보다 크면서 발생하는 발전영역의 과도한 전류 증가를 피하고 있다.
1) 대한민국 등록특허번호 제10-976029호(출원일: 2008년 3월 18일), 발명의 명칭: "4레벨 컨버터를 이용한 SRM의 직접순시토크 제어 시스템" 2) 대한민국 등록특허번호 제10-1139028호(출원일: 2010년 11월 3일), 발명의 명칭: "고속 스위치드 릴럭턴스 모터의 토크 제어방법" 3) 대한민국 등록특허번호 제10-1086135호(출원일: 2010년 4월 9일), 발명의 명칭: "고속 스위치드 릴럭턴스 모터와, 스위치드 릴럭턴스 모터의 회전자 형상 제어방법" 4) 대한민국 등록특허번호 제10-602800호(출원일: 2003년 12월 10일), 발명의 명칭: "아날로그 엔코더장치에 의한 에스알엠의 정밀 각도 제어방법" 5) 대한민국 공개특허번호 제2003-85480호(공개일: 2003년 11월 5일), 발명의 명칭: "스위치드 릴럭턴스 구동부의 제어" 6) 대한민국 등록특허번호 제10-503441호(출원일: 2003년 6월 30일), 발명의 명칭: "스위치드 릴럭턴스 모터의 회전자 위치 검출장치 및 방법" 7) 대한민국 등록특허번호 제10-1012781호(출원일:2003년 9월 9일), 발명의 명칭: "스위치드 릴럭턴스 드라이브용 여자 회로, 스위치드 릴럭턴스 드라이브 및 스위치드 릴럭턴스 드라이브 제어방법"
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 전 속도범위 내에서 여자전압과 무관하게 독립으로 발전전압의 제어가 가능한, 가변 발전전압 컨버터-기반의 스위치드 릴럭턴스 발전기 구동 시스템을 제공하기 위한 것이다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명에 따른 가변 발전전압 컨버터-기반의 스위치드 릴럭턴스 발전기 구동 시스템은, 전력을 비례적분(PI)하여 도통각(
Figure 112012043751917-pat00011
)을 구하는 PI(비례적분) 파워 제어기: 파워 컨버터의 직류전압과 직류전류에 대한 전력 평균값을 산출하는 평균값 산출부; 오프각(
Figure 112012043751917-pat00012
)과 도통각(
Figure 112012043751917-pat00013
)의 차이에 의해 구해진 온각(
Figure 112012043751917-pat00014
) 및 회전자 위치(
Figure 112012043751917-pat00015
)에 따라 각도 위치를 제어하여 상스위치의 상태(
Figure 112012043751917-pat00016
)를 구하는 각도위치 제어기; 스위칭소자(
Figure 112012043751917-pat00017
)의 상태(
Figure 112012043751917-pat00018
) 및 상기 상스위치의 상태(
Figure 112012043751917-pat00019
)에 따라 가변 발전전압(
Figure 112012043751917-pat00020
)으로 스위치드 릴럭턴스 발전기(SRG)를 가변속 구동하는 파워 컨버터; 회전자 위치(
Figure 112012043751917-pat00021
) 및 상기 파워 컨버터(140)로부터 출력되는 발전전압으로부터 오프각 위치에서의 전류를 산출하는 오프각 위치의 전류 산출부; 상기 SRG로부터 회전자 위치(
Figure 112012043751917-pat00022
)를 검출하는 위치 센서; 상기 위치 센서에 구해진 회전자 위치(
Figure 112012043751917-pat00023
)를 미분하여 회전자 각속도를 출력하는 미분기; 상기 오프각 위치의 전류 산출부에서 구해진 오프각 위치의 전류와 상기 미분기에서 구해진 회전자 각속도에 따라 기준 발전전압인 발전전압 지령(
Figure 112012043751917-pat00024
)을 산출하는 기준 발전전압 산출부; 및 상기 기준 발전전압 산출부로부터 산출된 발전전압 지령(
Figure 112012043751917-pat00025
)과 상기 파워 컨버터로부터 출력되는 발전전압이 가산되어 입력되면, 이를 히스테리시스 전압 제어하여 스위칭소자(
Figure 112012043751917-pat00026
)의 상태(
Figure 112012043751917-pat00027
)를 상기 파워 컨버터에 제공하는 전압 히스테리시스 제어기를 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 파워 컨버터는 상기 SRG를 가변속 구동하기 위한 가변 발전전압 컨버터로서, 여자 모드, 발전 모드, 방전 모드, 피드백 모드의 4개의 작동모드에 따라 동작하는 것을 특징으로 하는 가변 발전전압 컨버터-기반의 스위치드 릴럭턴스 발전기 구동 시스템.
여기서, 상기 파워 컨버터는, 직류전원; 직류전원 및 발전회로 사이에 스위칭소자(
Figure 112012043751917-pat00028
), 인덕터(
Figure 112012043751917-pat00029
), 다이오드(
Figure 112012043751917-pat00030
)로 구성된 벅-부스트(Buck-boost) 회로; 및 개별 상마다 상스위치(
Figure 112012043751917-pat00031
), 인덕터 및 다이오드로 구성되어 상기 스위칭소자(
Figure 112012043751917-pat00032
)의 턴-온 및 턴-오프를 통해 임의의 발전전압(
Figure 112012043751917-pat00033
)을 얻는 발전회로를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 파워 컨버터의 초기 충전 과정으로서, 초기에 발전전압(
Figure 112012043751917-pat00034
)은 0이며, 상기 SRG가 발전영역에서 내보내는 전기에너지가 전부 커패시터(
Figure 112012043751917-pat00035
)에 충전함으로써, 발전전압(
Figure 112012043751917-pat00036
)이 증가하며, 상기 스위칭소자(
Figure 112012043751917-pat00037
)는 계속 턴-오프 상태에 머물고 있으며, 상기 발전전압(
Figure 112012043751917-pat00038
)이 소요의 전압까지 상승할 때까지 상태를 유지하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 가변 발전전압 컨버터는, 상기 상스위치(
Figure 112012043751917-pat00039
)가 턴-온 상태일 경우, 여자 모드에서 작동하며, 상기 SRG는 직류전원부터 접수한 전기에너지와 모터축으로부터 입력되는 기계에너지를 자계에너지로 변환하여, 모터의 자계회로에 저장하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 여자 모드에서의 전압방정식은,
Figure 112012043751917-pat00040
로 주어지고, 여기서,
Figure 112012043751917-pat00041
은 제
Figure 112012043751917-pat00042
상전류를 나타내고,
Figure 112012043751917-pat00043
은 각각 제
Figure 112012043751917-pat00044
상전류와 회전자 각속도를 나타내는 것을 특징으로 하는 가변 발전전압 컨버터-기반의 스위치드 릴럭턴스 발전기 구동 시스템.
여기서, 상기 가변 발전전압 컨버터는, 상기 상스위치(
Figure 112012043751917-pat00045
)가 턴-오프(Turn-Off) 상태이고, 상전류(Phase Current)가 0이 아닐 경우, 발전 모드(Generating Mode)에서 작동하며, 상기 SRG는 입력된 기계적 에너지와 자계회로에 축적된 자계에너지를 전기적 에너지로 변환하여 커패시터(
Figure 112012043751917-pat00046
)에 내보내어 발전전압(
Figure 112012043751917-pat00047
)이 증가하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 발전 모드에서의 전압방정식은,
Figure 112012043751917-pat00048
로 주어지고, 여기서,
Figure 112012043751917-pat00049
는 발전전압을 나타내고,
Figure 112012043751917-pat00050
는 각각 발전전압과 제
Figure 112012043751917-pat00051
상전류를 나타내는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 가변 발전전압 컨버터는, 상기 스위칭소자(
Figure 112012043751917-pat00052
)가 턴-온(Turn-On) 상태일 경우, 방전 모드에서 작동하며, 상기 커패시터(
Figure 112012043751917-pat00053
)에 축적된 전기에너지가 인덕터(
Figure 112012043751917-pat00054
)의 자계에너지로 변환하며, 발전전압(
Figure 112012043751917-pat00055
)은 감소하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 방전 모드에서의 전압방정식은,
Figure 112012043751917-pat00056
로 주어지고, 여기서,
Figure 112012043751917-pat00057
는 방전 모드에서의 인덕터 전류를 나타내는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 가변 발전전압 컨버터는, 상기 스위칭소자(
Figure 112012043751917-pat00058
)가 턴-오프 상태일 경우, 피드백 모드에서 작동하며, 상기 인덕터(
Figure 112012043751917-pat00059
)에 축적된 자계 에너지가 직류전원에 피드백되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 피드백 모드에서의 전압 방정식은,
Figure 112012043751917-pat00060
로 주어지고, 여기서,
Figure 112012043751917-pat00061
는 피드백 모드에서의 인덕터 전류를 나타내는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 전 속도범위 내에서, 여자전압과 무관하게 독립으로 발전전압을 제어할 수 있으므로, 중저속 영역에서의 전류 급락과 고속 영역에서의 전류의 과도 증가를 방지할 수 있다.
본 발명에 따르면, 기존의 비대칭 브릿지 파워 컨버터에 비해서 적은 스위칭 소자를 사용하고, 제어 방식이 간편하다.
도 1은 일반적인 8/6 스위치드 릴럭턴스 전동기(SRM)의 구조를 예시하는 도면이다.
도 2는 일반적인 위치 센서를 이용한 SRM 구동 시스템을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 비대칭 브릿지 컨버터를 예시하는 도면이다.
도 4는 비대칭 브릿지 컨버터의 동작 모드를 예시하는 도면이다.
도 5는 종래의 기술에 따른 4-레벨 컨버터를 이용한 SRM 드라이브 제어 시스템의 블록 구성도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 스위치드 릴럭턴스 발전기 구동 시스템에서 가변 발전전압 컨버터의 토플로지를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 스위치드 릴럭턴스 발전기 구동 시스템에서 가변 발전전압 컨버터의 작동 모드를 예시하는 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 스위치드 릴럭턴스 발전기 구동 시스템에서 가변 발전전압 컨버터에서 Buck-boost 회로를 예시하는 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 가변 발전전압 컨버터-기반의 스위치드 릴럭턴스 발전기 구동 시스템의 블록 구성도이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 가변 발전전압 컨버터-기반의 스위치드 릴럭턴스 발전기 구동 시스템에서, 각각 0-600-300W의 스텝 전력지령 하에서의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 스위치드 릴럭턴스 발전기 구동 시스템에서 가변 발전전압 컨버터의 토플로지를 나타내는 도면이고, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 스위치드 릴럭턴스 발전기 구동 시스템에서 가변 발전전압 컨버터의 작동 모드를 예시하는 도면이다.
도 6을 참조하면, 비대칭 브릿지회로에 비해, 매상마다 1개의 스위칭소자와 휠링다이오드가 적으며, 직류전원과 발전회로 간에 스위칭소자(
Figure 112012043751917-pat00062
), 인덕터(
Figure 112012043751917-pat00063
), 다이오드(
Figure 112012043751917-pat00064
)로 구성된 벅-부스트(Buck-boost) 회로가 도시되어 있다. 여기서, 상기 스위칭소자(
Figure 112012043751917-pat00065
)의 턴-온 및 턴-오프를 통해, 임의의 발전전압(
Figure 112012043751917-pat00066
)를 얻을 수 있고, 초기 충전 과정은 다음과 같다. 이때, 발전회로는 개별 상에 대해 상스위치, 인덕터 및 다이오드로 구성된다.
초기에 발전전압(
Figure 112012043751917-pat00067
)은 0이며, SRG가 발전영역에서 내보내는 전기에너지가 전부 커패시터(
Figure 112012043751917-pat00068
)에 충전함으로써, 발전전압(
Figure 112012043751917-pat00069
)이 증가하게 된다. 이때, 스위칭소자(
Figure 112012043751917-pat00070
)는 계속 턴-오프 상태에 머물고 있으며, 발전전압(
Figure 112012043751917-pat00071
)이 소요의 전압까지 상승할 때까지 이 상태가 유지된다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 스위치드 릴럭턴스 발전기 구동 시스템에서 가변 발전전압 컨버터는, 여자 모드, 발전 모드, 방전 모드, 피드백 모드의 4개의 작동모드에 따라 동작할 수 있다.
먼저, 상스위치(Phase Switch:
Figure 112012043751917-pat00072
)가 턴-온 상태일 경우, 가변 발전전압 컨버터는 여자 모드에서 작동한다. 이때, SRG는 직류전원부터 접수한 전기에너지와 모터축으로부터 입력되는 기계에너지를 자계에너지로 변환하여, 모터의 자계회로에 저장한다. 이러한 여자 모드에서의 전압방정식은 다음의 수학식 5와 같다.
Figure 112012043751917-pat00073
여기서,
Figure 112012043751917-pat00074
은 제
Figure 112012043751917-pat00075
상전류를 나타내고,
Figure 112012043751917-pat00076
은 각각 제
Figure 112012043751917-pat00077
상전류와 회전자 각속도를 의미한다.
다음으로, 상스위치(
Figure 112012043751917-pat00078
)가 턴-오프(Turn-Off) 상태이고, 상전류(Phase Current)가 0이 아닐 경우, 가변 발전전압 컨버터는 발전 모드(Generating Mode)에서 작동한다. 이때, SRG(Switched Reluctance Generator)는 입력된 기계적 에너지와 자계회로에 축적된 자계에너지를 전기적 에너지로 변환하여 커패시터(
Figure 112012043751917-pat00079
)에 내보내어, 발전전압(
Figure 112012043751917-pat00080
)이 증가한다. 이러한 발전 모드에서의 전압방정식은 다음의 수학식 6과 같다.
Figure 112012043751917-pat00081
여기서,
Figure 112012043751917-pat00082
는 발전전압을 나타내고,
Figure 112012043751917-pat00083
는 각각 발전전압과 제
Figure 112012043751917-pat00084
상전류를 의미한다.
다음으로, 스위칭소자(
Figure 112012043751917-pat00085
)가 턴-온(Turn-On) 상태일 경우, 가변 발전전압 컨버터는 방전 모드에서 작동하게 된다. 이때, 커패시터(
Figure 112012043751917-pat00086
)에 축적된 전기에너지가 인덕터(
Figure 112012043751917-pat00087
)의 자계에너지로 변환하며, 발전전압(
Figure 112012043751917-pat00088
)은 감소하게 된다. 이러한 방전 모드에서의 전압방정식은 다음의 수학식 7과 같다.
Figure 112012043751917-pat00089
여기서,
Figure 112012043751917-pat00090
는 방전 모드에서의 인덕터 전류를 가리킨다.
다음으로, 스위칭소자(
Figure 112012043751917-pat00091
)가 턴-오프 상태일 경우, 가변 발전전압 컨버터는 피드백 모드에서 작동하게 된다. 이때, 인덕터(
Figure 112012043751917-pat00092
)에 축적된 자계 에너지가 직류전원에 피드백된다. 이러한 피드백 모드에서의 전압 방정식은 다음의 수학식 8과 같다.
Figure 112012043751917-pat00093
여기서,
Figure 112012043751917-pat00094
는 피드백 모드에서의 인덕터 전류를 가리킨다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 스위치드 릴럭턴스 발전기 구동 시스템에서 가변 발전전압 컨버터의 인덕터와 커패시터의 선정은 다음과 같이 이루어진다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 스위치드 릴럭턴스 발전기 구동 시스템에서 가변 발전전압 컨버터에서 벅-부스트(Buck-boost) 회로를 예시하는 도면이다.
도 8은 가변 발전전압 컨버터 중에서, 벅-부스트(Buck-boost) 회로 부분만 발췌하여 나타내고 있다. 다시 말하면, 본 발명의 실시예에 따른 스위치드 릴럭턴스 발전기 구동 시스템에서, SRG의 전 속도범위에서의 발전전압의 제어를 실현하려면, 이러한 벅-부스트(Buck-boost) 회로의 인덕터와 커패시터의 정확한 선정이 필요하다.
도 8을 참조하면, 스위칭소자(
Figure 112012043751917-pat00095
)가 턴 오프상태일 경우,
Figure 112012043751917-pat00096
를 만족한다. 이를 통해, 스위칭소자(
Figure 112012043751917-pat00097
)의 턴-오프 동안의 발전전압의 증가량을 구할 수 있으며, 다음의 수학식 9와 같다.
Figure 112012043751917-pat00098
여기서,
Figure 112012043751917-pat00099
는 스위칭소자(
Figure 112012043751917-pat00100
)의 오프 상태의 지속시간을 의미한다.
따라서 수학식 9를 통해 다음의 커패시터(
Figure 112012043751917-pat00101
)의 선정 범위를 다음의 수학식 10과 같이 얻을 수 있다.
Figure 112012043751917-pat00102
여기서,
Figure 112012043751917-pat00103
는 발전전압(
Figure 112012043751917-pat00104
)의 맥동값이다.
만일, 발전전압(
Figure 112012043751917-pat00105
)이 불변이라고 가정하면, 정상 상태에서 SRG가 커패시터(
Figure 112012043751917-pat00106
)에 충전되는 전기적 에너지와 커패시터(
Figure 112012043751917-pat00107
)가 인덕터(
Figure 112012043751917-pat00108
)에 방전하는 전기적 에너지는 같으므로, 다음의 수학식 11이 만족될 수 있다.
Figure 112012043751917-pat00109
여기서,
Figure 112012043751917-pat00110
와
Figure 112012043751917-pat00111
는 각각
Figure 112012043751917-pat00112
와
Figure 112012043751917-pat00113
의 평균값을 나타내며,
Figure 112012043751917-pat00114
는 스위칭주기,
Figure 112012043751917-pat00115
는 듀티비를 의미한다. 그 중에서 듀티비(
Figure 112012043751917-pat00116
)는 다음의 수학식 12와 같다.
Figure 112012043751917-pat00117
여기서,
Figure 112012043751917-pat00118
은 스위칭소자(
Figure 112012043751917-pat00119
)의 도통시간을 나타낸다.
전술한 수학식 11 및 수학식 12로부터
Figure 112012043751917-pat00120
를 다음의 수학식 13과 같이 얻을 수 있다.
Figure 112012043751917-pat00121
스위칭소자(
Figure 112012043751917-pat00122
)의 도통구간,
Figure 112012043751917-pat00123
의 변화량은 다음의 수학식 14와 같다.
Figure 112012043751917-pat00124
전술한 수학식 13 및 수학식 14로부터 도통구간(
Figure 112012043751917-pat00125
)의 최소값을 구하면 다음의 수학식 15와 같다.
Figure 112012043751917-pat00126
전술한
Figure 112012043751917-pat00127
과
Figure 112012043751917-pat00128
의 상호관계로부터, 인덕터(
Figure 112012043751917-pat00129
)의 선정 범위가 다음의 수학식 16과 같이 얻어진다.
Figure 112012043751917-pat00130
본 발명의 실시예에 따른 스위치드 릴럭턴스 발전기 구동 시스템에서 가변 발전전압 컨버터는, 전 속도범위에서 운전가능하고, 여자전압과 무관하게 독립으로 발전전압을 제어할 수 있다.
본 발명의 실시예에서는 전 속도범위 내에서, 여자전압과 무관하게 독립으로 발전전압의 제어가 가능한 가변 발전전압 파워 컨버터를 제공함으로써, 중저속 영역에서의 전류의 급락과 고속영역에서의 전류의 과도증가를 방지할 수 있다. 이러한 가변 발전전압 파워 컨버터는 기존의 비대칭 브릿지 파워 컨버터에 비해, 적은 스위칭 소자, 및 간편한 제어 방식이 그 특징이라고 할 수 있다.
한편, 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 가변 발전전압 컨버터-기반의 스위치드 릴럭턴스 발전기 구동 시스템의 블록 구성도이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 가변 발전전압 컨버터-기반의 스위치드 릴럭턴스 발전기 구동 시스템은, PI(비례적분) 파워 제어기(110), 평균값 산출부(120), 각도위치 제어기(130), 파워 컨버터(140), 오프각 위치의 전류 산출부(150), 위치 센서(160), 미분기(170), 기준 발전전압 산출부(180) 및 전압 히스테리시스 제어기(190)를 포함한다.
PI(비례적분) 파워 제어기(110)는 전력을 비례적분(PI)하여 도통각(
Figure 112012043751917-pat00131
)을 구한다. 즉, 전원전력과 상기 평균값 산출부(120)로부터 산출된 전력 평균값이 가산하여 입력되면, 상기 PI(비례적분) 파워 제어기(110)의 비례적분에 의해 도통각(
Figure 112012043751917-pat00132
)이 얻어진다.
평균값 산출부(120)는 파워 컨버터(140)의 직류전압과 직류전류에 대한 전력 평균값을 산출한다.
각도위치 제어기(130)는 오프각(
Figure 112012043751917-pat00133
)과 도통각(
Figure 112012043751917-pat00134
)의 차이에 의해 구해진 온각(
Figure 112012043751917-pat00135
)과 상기 위치 센서(160)에서 검출된 회전자 위치(
Figure 112012043751917-pat00136
)에 따라 각도 위치를 제어하여 상스위치의 상태(
Figure 112012043751917-pat00137
)를 구한다.
파워 컨버터(140)는 상기 상스위치의 상태(
Figure 112012043751917-pat00138
) 및 스위칭소자(
Figure 112012043751917-pat00139
)의 상태(
Figure 112012043751917-pat00140
)에 따라 가변 발전전압(
Figure 112012043751917-pat00141
)으로 스위치드 릴럭턴스 발전기(200) 가변속 구동한다.
오프각 위치의 전류 산출부(150)는 상기 위치 센서(160)에 구해진 회전자 위치(
Figure 112012043751917-pat00142
) 및 상기 파워 컨버터(140)로부터 출력되는 발전전압으로부터 오프각 위치에서의 전류를 산출한다.
위치 센서(160)는 상기 SRG(200)로부터 회전자 위치(
Figure 112012043751917-pat00143
)를 검출한다.
미분기(170)는 상기 위치 센서(160)에 구해진 회전자 위치(
Figure 112012043751917-pat00144
)를 미분하여 회전자 각속도를 출력한다.
기준 발전전압 산출부(180)는 상기 오프각 위치의 전류 산출부(150)에서 구해진 오프각 위치의 전류와 상기 미분기(170)에서 구해진 회전자 각속도에 따라 기준 발전전압인 발전전압 지령(
Figure 112012043751917-pat00145
)을 산출한다.
전압 히스테리시스 제어기(190)는 상기 기준 발전전압 산출부(180)로부터 산출된 발전전압 지령(
Figure 112012043751917-pat00146
)과 상기 파워 컨버터(140)로부터 출력되는 발전전압이 가산되어 입력되면, 이를 히스테리시스 전압 제어하여 스위칭소자(
Figure 112012043751917-pat00147
)의 상태(
Figure 112012043751917-pat00148
)를 상기 파워 컨버터(140)에 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 가변 발전전압 컨버터인 파워 컨버터(140)로 SRG(200)를 구동할 경우, 각 상은 오직 여자 모드와 발전 모드만 존재함으로써, 각도위치 제어방식을 사용한다. 또한, 발전전압의 제어는 히스테리시스 전압 제어방식을 사용할 수 있다.
구체적으로, SRG의 각도위치 제어기(130)는 오프각(
Figure 112012043751917-pat00149
) 고정 방식을 사용한다. 도통각(
Figure 112012043751917-pat00150
)이 PI 파워 제어기(110)에서 얻어지므로, 온각(
Figure 112012043751917-pat00151
)은 다음의 수학식 17과 같이 구해진다.
Figure 112012043751917-pat00152
따라서 각도위치 제어기(130)의 수학적 모델은 다음의 수학식 18과 같다.
Figure 112012043751917-pat00153
여기서,
Figure 112012043751917-pat00154
는 상스위치(
Figure 112012043751917-pat00155
)의 상태를 나타내는데, 1, -1은 각각 턴-온, 턴-오프를 의미한다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 가변 발전전압 컨버터-기반의 스위치드 릴럭턴스 발전기 구동 시스템에서 발전전압 지령값의 연산은 다음과 같다.
발전 영역에서, 동일위치의 상전류값이 정격속도 하에서의 동일 위치의 상전류값과 같게 설정하면, 발전전압은 회전자 속도에 정비례한다. 또한, 동일 속도 하에서 출력파워의 변화는 상전류의 값과 관계있으며, 출력파워가 클수록 상전류도 크게 요구된다.
따라서 동일 속도 하에서 상전류가 작을 경우, 기전력에 직접적으로 영향을 주게 되며, 여전히 상전류의 급락을 초래한다.
이와 같이, 발전전압의 설정은 주로 회전자 속도와 상전류와 상관이 있으므로, 다음의 수학식 19와 같이 발전전압 지령(
Figure 112012043751917-pat00156
)을 지정한다.
Figure 112012043751917-pat00157
여기서,
Figure 112012043751917-pat00158
는 상수이고,
Figure 112012043751917-pat00159
는 off각 위치의 상전류값이다.
또한, 스위칭소자(
Figure 112012043751917-pat00160
)의 상태를
Figure 112012043751917-pat00161
로 표시하면, 본 발명의 실시예에 따른 전압 히스테리시스 제어기(190)의 수학적 모델은 다음의 수학식 20과 같다.
Figure 112012043751917-pat00162
한편, 본 발명의 실시예에 따른 가변 발전전압 컨버터-기반의 스위치드 릴럭턴스 발전기 구동 시스템에 대한 시뮬레이션 및 검토결과는 다음과 같다.
즉, 컨버터 회로의 가능성과 정확성 검토를 위해, 4상 8/6 SRG에 대해 도 10과 같은 시스템을 구축하고, 시뮬레이션을 수행하였다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 가변 발전전압 컨버터-기반의 스위치드 릴럭턴스 발전기 구동 시스템에서, 0→600→300W의 스텝 전력지령 하에서의 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 이러한 시뮬레이션에서, DC링크 직류전압은 200V, 회전자 속도는 1500rpm, 커패시턴스와 인덕턴스는 각각 220㎌와 6mH으로 설정하였다. 턴-오프각은 13, 수학식 19의
Figure 112012043751917-pat00163
는 0.023으로 하였다. 또한, 초기구동 시, 도통각은 1ㅀ으로, 발전전압은 0V로 설정하였다.
도 10에 도시된 시뮬레이션 결과에서, 초기 출력파형을 보면 음(-)으로 되어 있는데, 이것은 초기에 발전전압이 0이므로, SRG의 출력전력이 전부 커패시터에 충전됨으로써, SRG가 여자 때문에 직류전원(DC)으로부터 전기에너지를 인가받고 있다는 것을 나타내고 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 전 속도범위 내에서, 여자전압과 무관하게 독립으로 발전전압을 제어할 수 있으므로, 중저속 영역에서의 전류 급락과 고속 영역에서의 전류의 과도 증가를 방지할 수 있다. 이에 따라, 기존의 비대칭 브릿지 파워 컨버터에 비해서 적은 스위칭 소자를 사용하고, 제어 방식이 간편하다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
110: PI(비례적분) 파워 제어기
120: 평균값 산출부
130: 각도위치 제어기
140: 파워 컨버터
150: 오프각 위치의 전류 산출부
160: 위치 센서
170: 미분기
180: 기준 발전전압 산출부
190: 전압 히스테리시스 제어기
200: 스위치드 릴럭턴스 발전기(SRG)

Claims (12)

  1. 스위치드 릴럭턴스 발전기의 구동 시스템에 있어서,
    전력을 비례적분(PI)하여 도통각(
    Figure 112012043751917-pat00164
    )을 구하는 PI(비례적분) 파워 제어기:
    파워 컨버터의 직류전압과 직류전류에 대한 전력 평균값을 산출하는 평균값 산출부;
    오프각(
    Figure 112012043751917-pat00165
    )과 도통각(
    Figure 112012043751917-pat00166
    )의 차이에 의해 구해진 온각(
    Figure 112012043751917-pat00167
    ) 및 회전자 위치(
    Figure 112012043751917-pat00168
    )에 따라 각도 위치를 제어하여 상스위치의 상태(
    Figure 112012043751917-pat00169
    )를 구하는 각도위치 제어기;
    스위칭소자(
    Figure 112012043751917-pat00170
    )의 상태(
    Figure 112012043751917-pat00171
    ) 및 상기 상스위치의 상태(
    Figure 112012043751917-pat00172
    )에 따라 가변 발전전압(
    Figure 112012043751917-pat00173
    )으로 스위치드 릴럭턴스 발전기(SRG)를 가변속 구동하는 파워 컨버터;
    회전자 위치(
    Figure 112012043751917-pat00174
    ) 및 상기 파워 컨버터(140)로부터 출력되는 발전전압으로부터 오프각 위치에서의 전류를 산출하는 오프각 위치의 전류 산출부;
    상기 SRG로부터 회전자 위치(
    Figure 112012043751917-pat00175
    )를 검출하는 위치 센서;
    상기 위치 센서에 구해진 회전자 위치(
    Figure 112012043751917-pat00176
    )를 미분하여 회전자 각속도를 출력하는 미분기;
    상기 오프각 위치의 전류 산출부에서 구해진 오프각 위치의 전류와 상기 미분기에서 구해진 회전자 각속도에 따라 기준 발전전압인 발전전압 지령(
    Figure 112012043751917-pat00177
    )을 산출하는 기준 발전전압 산출부; 및
    상기 기준 발전전압 산출부로부터 산출된 발전전압 지령(
    Figure 112012043751917-pat00178
    )과 상기 파워 컨버터로부터 출력되는 발전전압이 가산되어 입력되면, 이를 히스테리시스 전압 제어하여 스위칭소자(
    Figure 112012043751917-pat00179
    )의 상태(
    Figure 112012043751917-pat00180
    )를 상기 파워 컨버터에 제공하는 전압 히스테리시스 제어기
    를 포함하는 가변 발전전압 컨버터-기반의 스위치드 릴럭턴스 발전기 구동 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 파워 컨버터는 상기 SRG를 가변속 구동하기 위한 가변 발전전압 컨버터로서, 여자 모드, 발전 모드, 방전 모드, 피드백 모드의 4개의 작동모드에 따라 동작하는 것을 특징으로 하는 가변 발전전압 컨버터-기반의 스위치드 릴럭턴스 발전기 구동 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 파워 컨버터는,
    직류전원;
    직류전원 및 발전회로 사이에 스위칭소자(
    Figure 112012043751917-pat00181
    ), 인덕터(
    Figure 112012043751917-pat00182
    ), 다이오드(
    Figure 112012043751917-pat00183
    )로 구성된 벅-부스트(Buck-boost) 회로; 및
    개별 상마다 상스위치(
    Figure 112012043751917-pat00184
    ), 인덕터 및 다이오드로 구성되어 상기 스위칭소자(
    Figure 112012043751917-pat00185
    )의 턴-온 및 턴-오프를 통해 임의의 발전전압(
    Figure 112012043751917-pat00186
    )을 얻는 발전회로
    를 포함하는 가변 발전전압 컨버터-기반의 스위치드 릴럭턴스 발전기 구동 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 파워 컨버터의 초기 충전 과정으로서, 초기에 발전전압(
    Figure 112012043751917-pat00187
    )은 0이며, 상기 SRG가 발전영역에서 내보내는 전기에너지가 전부 커패시터(
    Figure 112012043751917-pat00188
    )에 충전함으로써, 발전전압(
    Figure 112012043751917-pat00189
    )이 증가하며, 상기 스위칭소자(
    Figure 112012043751917-pat00190
    )는 계속 턴-오프 상태에 머물고 있으며, 상기 발전전압(
    Figure 112012043751917-pat00191
    )이 소요의 전압까지 상승할 때까지 상태를 유지하는 것을 특징으로 하는 가변 발전전압 컨버터-기반의 스위치드 릴럭턴스 발전기 구동 시스템.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 가변 발전전압 컨버터는, 상기 상스위치(
    Figure 112012043751917-pat00192
    )가 턴-온 상태일 경우, 여자 모드에서 작동하며, 상기 SRG는 직류전원부터 접수한 전기에너지와 모터축으로부터 입력되는 기계에너지를 자계에너지로 변환하여, 모터의 자계회로에 저장하는 것을 특징으로 하는 가변 발전전압 컨버터-기반의 스위치드 릴럭턴스 발전기 구동 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 여자 모드에서의 전압방정식은,
    Figure 112012043751917-pat00193

    로 주어지고, 여기서,
    Figure 112012043751917-pat00194
    은 제
    Figure 112012043751917-pat00195
    상전류를 나타내고,
    Figure 112012043751917-pat00196
    은 각각 제
    Figure 112012043751917-pat00197
    상전류와 회전자 각속도를 나타내는 것을 특징으로 하는 가변 발전전압 컨버터-기반의 스위치드 릴럭턴스 발전기 구동 시스템.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 가변 발전전압 컨버터는, 상기 상스위치(
    Figure 112012043751917-pat00198
    )가 턴-오프(Turn-Off) 상태이고, 상전류(Phase Current)가 0이 아닐 경우, 발전 모드(Generating Mode)에서 작동하며, 상기 SRG는 입력된 기계적 에너지와 자계회로에 축적된 자계에너지를 전기적 에너지로 변환하여 커패시터(
    Figure 112012043751917-pat00199
    )에 내보내어 발전전압(
    Figure 112012043751917-pat00200
    )이 증가하는 것을 특징으로 하는 가변 발전전압 컨버터-기반의 스위치드 릴럭턴스 발전기 구동 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 발전 모드에서의 전압방정식은,
    Figure 112012043751917-pat00201

    로 주어지고, 여기서,
    Figure 112012043751917-pat00202
    는 발전전압을 나타내고,
    Figure 112012043751917-pat00203
    는 각각 발전전압과 제
    Figure 112012043751917-pat00204
    상전류를 나타내는 것을 특징으로 하는 가변 발전전압 컨버터-기반의 스위치드 릴럭턴스 발전기 구동 시스템.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 가변 발전전압 컨버터는, 상기 스위칭소자(
    Figure 112013048811640-pat00205
    )가 턴-온(Turn-On) 상태일 경우, 방전 모드에서 작동하며, 상기 커패시터(
    Figure 112013048811640-pat00206
    )에 축적된 전기에너지가 인덕터(
    Figure 112013048811640-pat00207
    )의 자계에너지로 변환하며, 발전전압(
    Figure 112013048811640-pat00208
    )은 감소하는 것을 특징으로 하는 가변 발전전압 컨버터-기반의 스위치드 릴럭턴스 발전기 구동 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 상기 방전 모드에서의 전압방정식은,
    Figure 112012043751917-pat00209

    로 주어지고, 여기서,
    Figure 112012043751917-pat00210
    는 방전 모드에서의 인덕터 전류를 나타내는 것을 특징으로 하는 가변 발전전압 컨버터-기반의 스위치드 릴럭턴스 발전기 구동 시스템.
  11. 제3항에 있어서,
    상기 가변 발전전압 컨버터는, 상기 스위칭소자(
    Figure 112012043751917-pat00211
    )가 턴-오프 상태일 경우, 피드백 모드에서 작동하며, 상기 인덕터(
    Figure 112012043751917-pat00212
    )에 축적된 자계 에너지가 직류전원에 피드백되는 것을 특징으로 하는 가변 발전전압 컨버터-기반의 스위치드 릴럭턴스 발전기 구동 시스템.
  12. 제11항에 있어서, 상기 피드백 모드에서의 전압 방정식은,
    Figure 112012043751917-pat00213

    로 주어지고, 여기서,
    Figure 112012043751917-pat00214
    는 피드백 모드에서의 인덕터 전류를 나타내는 것을 특징으로 하는 가변 발전전압 컨버터-기반의 스위치드 릴럭턴스 발전기 구동 시스템.
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Bychkov et al. Torque control of switched reluctance drive in generating mode

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