KR101394974B1

KR101394974B1 - 가변속 드라이브에서 능동 컨버터의 동기 작동을 확장하기 위한 장치

Info

Publication number: KR101394974B1
Application number: KR1020097015406A
Authority: KR
Inventors: 하롤드 알. 쉐츠카; 스리샤 아디가 마누어
Original assignee: 존슨 컨트롤스 테크놀러지 컴퍼니
Priority date: 2007-10-31
Filing date: 2008-01-28
Publication date: 2014-05-14
Also published as: KR20100075774A; JP2011502458A; JP5399922B2

Abstract

능동 컨버터를 가지는 가변속 드라이브의 동기 작동을 위한 장치 및 방법은 능동 컨버터의 동기 작동을 라인 드롭아웃을 완성하는 동안 AC 메인 전압으로 확장하는 것을 포함한다. 위상각 제어 회로는 스퀘어링 증폭기, 제1위상 동기 루프(Phase-Lock Loop, PLL) 회로와 제2동기 위상 루프 회로를 포함한다. 상기 스퀘어링 증폭기는 AC 전력을 인가받아 장방형 출력신호를 한 쌍의 위상 동기 루프(PLL) 회로로 출력한다. 제1지연-선행 필터를 갖는 제1위상 동기 루프(PLL) 회로는 높은 컷오프 주파수를 가지도록 구성되어 위상각 매개변수를 컨버터 스테이지에 제공하며; 제2위상 동기 루프 회로는 낮은 컷오프 주파수를 가지도록 구성된 제2지연-선행 필터를 포함하면서 상기 지연-선행 필터가 메인 차단 동안 PLL의 피드백 루프에서 메인 전압의 각도를 저장할 수 있도록 해준다.

가변속 드라이브, 위상각 제어, 동기 위상 루프, 스퀘어링 증폭기, 지연-선행 필터, 커패시터

Description

가변속 드라이브에서 능동 컨버터의 동기 작동을 확장하기 위한 장치{SYSTEM TO EXTEND SYNCHRONOUS OPERATION OF AN ACTIVE CONVERTER IN A VARIABLE SPEED DRIVE}

관련 출원의 상호 참조

본 출원은 2007년 1월 22일자로 출원된 미국특허 가출원번호 제60/885,932 호의 우선권을 주장한다.

본 발명은 가변속 드라이브에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 능동 컨버터를 가지는 가변속 드라이브의 동기 작동을 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.

가열, 환기, 공기조화 및 냉각(HVAC&R) 장치들을 위한 가변속 드라이브(VSD)는 통상적으로 정류기 또는 컨버터, DC 링크, 및 인버터를 포함한다. 드라이브 기술에서 최근의 진전은 능동 컨버터의 개념을 제시한 것이다. 상기 능동 컨버터는 파워 메인에 로딩되는 정현파 전류 입력을 제공하며, 이때 메인 전압 분배에 대해서 낮은 차수의 하모닉 전류가 보다 낮은 차수의 하모닉 전압 왜곡을 생성시키는 문제점을 해소한다.

파워 인자 보상 및 감소된 입력 전류 하모닉스(Harmonics)를 제공하도록 능동 컨버터 기술을 구현하는 VSD는 종래의 VSD와 비교할 때 매우 더 높은 수준의 공통모드 RMS 및 피크 투 피크(peak to peak) 전압을 모터 고정자 와인딩에 발생시킨다. 이러한 공통모드 전압은, 모터와 압축기 베어링의 플루팅(fluting)을 초래하면서, 다양한 탈선 기기 용량을 통해 모터의 로터에 인가될 수 있고, 기계 베어링을 통해 전류가 흐르도록 하는 이러한 공통모드 전압은 모터 및/또는 압축기에서 너무 이른 베어링 손상을 초래할 수 있다.

동기 d-q 참조 프레임을 이용한 상기 능동 컨버터 제어 방법론의 적절한 작동은 입력 라인 간 전압의 순간 위상각의 정보를 필요로 한다. 상기 참조 프레임 각도가 틀리거나 알려지지 않으면, 상기 입력 파워 인자 및 능동 컨버터를 갖는 가변속 드라이브(VSD)의 입력 전류의 하모닉 왜곡이 적절히 제어될 수 없다. 상기 VSD는 입력 라인 간 전압의 확장된 손실을 보상하고 상기 전력이 복원될 때 입력 메인에 재동기화할 필요가 있다면, 메인의 손실 동안 예측된 d-q 참조 프레임 각도를 유지하기 위한 수단이 요구된다. 게다가, 입력 메인 라인 간 전압으로 신속히 록 백(lock back)하고 라인 간 전압의 실제 위상각를 발생시키는 수단이 요구된다.

이에 하나 또는 그 이상의 상기한 요구를 충족시키거나 다른 유익한 특징을 제공하는 장치 및/또는 방법이 필요하다. 기타 다른 특징 및 이점들은 본 명세서로부터 명확해질 것이다. 상기한 요구들 중 하나 또는 그 이상을 달성하는 것에 상관없이, 개시되는 내용은 청구항의 범위 내에 포함된 여러 실시예로 확장된다.

일 실시예는 고정된 AC 입력 전압으로 입력 AC 전압을 제공받아 가변 전압 및 가변 주파수로 출력 AC 전력을 공급하기 위한 가변속 드라이브 장치에 관한 것이다. 상기 가변속 드라이브는 입력 AC 전압을 공급하는 AC 전력원에 연결되고 입력 AC 전압을 승압된(boosted) DC 전압으로 변환하도록 구성되는 컨버터 스테이지와; 상기 컨버터 스테이지에 연결되고 컨버터 스테이지로부터 브스트된 DC 전압을 필터링 및 저장하도록 구성되는 DC 링크와; 상기 DC 링크에 연결되고 DC 링크로부터 승압된 DC 전압을 가변 전압 및 가변 주파수를 가지는 출력 AC 전력으로 변환시키도록 구성되는 인버터 스테이지를 포함한다. 상기 가변속 드라이브는 또한 공통모드 및 차동모드 필터링으로 인한 베어링 부식을 막기 위한 필터와; 상대적으로 높은 필터 컷오프 주파수와 작은 값의 적분 커패시터를 갖는 선행-지연 필터(lead-lag filter)를 구비한 능동 컨버터 제어 방법론 범위 내의 두 위상 동기 루프(Phase-Locked-Loops, PLL)를 포함하면서 모든 조건에서 입력 AC 메인 라인 간 전압의 위상각 정보를 유지하기 위한 위상각 추적 장치와; 장치가 최대 주파수에서 작동될 필요가 있을 때 VSD와 관련된 손실들을 제거하기 위한 접촉기 바이패스부(contactor bypass)를 가지면서, VSD로 파워 라인 메인 주파수와 동등한 최대 주파수 및 전압에서 작동하는 VSD 제어 장치용 적분 바이패스 능동 컨버터와; 액체 또는 냉매로 냉각되는 인덕터와; 약 100℃의 연속적인 사용 온도에서 작동될 수 있는 플라스틱 물질로 구성된 냉각기 모듈 중 적어도 하나 이상을 포함한다. 상기 액체 또는 냉매로 냉각되는 인덕터는, (1) 필름 기반 DC 링크 커패시터, (2) 적어도 하나 이상의 파워 전기 모듈에 장착된 복수의 플라스틱 냉각기, (3) 복수의 능동 컨버터 IGBT 모듈, (4) 적어도 하나 이상의 적층 동 부스바, (5) 적어도 하나 이상의 게이트 드라이버 제어 보드, (6) 적어도 하나 이상의 인버터 게이트 레지스터 제어 보드, 및 (7) 적어도 하나 이상의 컨버터 게이트 레지스터 제어 보드를 포함하는 파워 어셈블리이다.

다른 실시예는 완전한 라인 드롭아웃(complete line dropout) 동안 능동 컨버터의 동기 작동을 AC 메인 전압으로 확장하기 위한 방법에 관한 것이다.

또 다른 실시예는 보다 개선된 전속(full speed) 효율을 가지는 능동 컨버터 기반의 가변속 드라이브 장치에 관한 것이다.

또 다른 실시예는 액체 또는 냉매로 냉각되는 인덕터에 관한 것이다. 상기 액체 또는 냉매 냉각되는 인덕터는 액체 또는 냉매 냉각이 이용될 수 있고 마그네틱 성분의 크기와 무게의 감소를 필요로 하는 임의의 장치에서 이용될 수 있다.

상기한 실시예의 이점은 적분 바이패스 능동 컨버터 구성이 VSD에 공급되는 파워 라인 메인 주파수와 동등한 수준의 최대 주파수 및 전압에서 작동하는 VSD 제어 장치에 이용될 수 있다는 것이다. 접촉기 바이패스는 시스템이 최대 주파수에서 작동될 필요가 있을 때 VSD와 관련된 손실을 제거해준다.

그리고, 상기한 실시예의 이점은 RMS와 피크 텀(terms) 모두에서 모터의 스테이터에 가해지는 공통모드 전압 스트레스를 줄여주고 이를 통해 너무 이른 기계 베어링 손상 및 너무 이른 접지와의 절연 손상과 관련된 문제들을 저감시킨다는 것이다. 또한 다른 이점으로는 RMS와 피크 텀 모두에서 모터의 스테이터에 가해지는 차동모드 전압 스트레스를 줄여주고 이를 통해 너무 이른 기계의 턴투턴(turn-to-turn) 스테이터 권선 실패를 저감시킨다는 것이다. 결국, 본 출원에서는 능동 컨버터의 작동과 관련된 전도된 EMI/RFI 방사의 문제를 다루고자 한다.

본 발명은 컴팩트화, 경량화, 보다 쉽게 제공 가능하면서 저비용의 파워 어셈블리로서 다음의 구성부드를 포함한다. : (1) 필름 기반 DC 링크 커패시터, (2) 파워 전기 모듈용 플라스틱 냉각기, (3) 능동 컨버터 IGBT 모듈, (4) 적층 동 부스바, (5) 게이트 드라이버 제어 보드, (6) 인버터 게이트 레지스터 제어 보드, (7)컨버터 게이트 레지스터 제어 보드

또한 가변속 드라이버는 VSD 설계에 기반한 종래의 수동 컨버터와 비교할 때 물리적으로 크고 손실이 많으며 고가인 3상 인덕터의 이용을 필요로 하는 능동 컨버터 기술을 포함한다. 개시되는 본 발명의 또 다른 이점은 인덕터 코어의 액체 또는 냉매 냉각의 이용을 통해 능동 컨버터 기반의 VSD에서 요구되는 크기 및 무게, 비용을 축소할 수 있다는 것이다. 또한 인덕터의 코일은 코어로 열을 전도시키는 코어 냉각 수단에 의해 냉각될 수 있다.

또 하나의 예시적인 실시예는 청구항에 일반적으로 인용될 수 있는 다른 특징 및 특징들의 조합에 관한 것이다.

본 출원은 다음의 상세한 설명으로부터 더욱 완전하게 이해될 것이고, 첨부도면을 참조하여 설명될 것이다. 도면에서 동일한 구성요소에 대해서는 같은 참조 번호를 사용하였다.

도 1a 및 도 1b는 일반적인 시스템 구성을 도시한 도면이다.

도 2a 및 도 2b는 가변속 드라이브의 실시예를 도시한 도면이다.

도 3은 냉각시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.

도 4는 능동 컨버터 메인 각도 유지 제어 수단의 블럭도이다.

실시예를 상세하게 예시한 도면을 참조하기 전에, 본 출원은 다음 설명에서 설명되거나 도면에 예시된 상세 내용 또는 방법으로 한정되지 않는 것으로 이해되어야 한다. 여기서, 채용된 용어 및 표현은 단지 설명을 위한 것으로 이해되어야 하고, 발명을 제한하는 것으로 간주되어서는 아니된다.

도 1a 및 1b는 일반적인 시스템 구성을 도시한 도면이다. AC 전력원(102)은 가변속 드라이브(104)(VSD)에 전력을 제공하고, 가변속 드라이브는 모터(106)(도 1a 참조) 또는 모터(106)(도 1b 참조)에 전력을 인가한다. 모터(106)는 바람직하게는 냉장(refrigeration) 또는 냉각(chiller) 장치의 대응하는 압축기를 구동하는데 사용된다(도 3 참조). AC 전력원(102)은 현장에서 존재하는 AC 전력 그리드나 분배장치로부터 VSD(104)로 단상 또는 다상(예컨대, 3상), 고정된 전압, 및 고정된 주파수의 교류(AC) 전력을 제공한다. AC 전력원(102)은 바람직하게는 대응하는 AC 전력 그리드에 따라서 50Hz or 60Hz의 라인 주파수로 200V, 230V, 380V, 460V, 또는 600V의 AC 전압 혹은 라인 전압을 VSD(104)로 공급할 수 있다.

상기 VSD(104)는 AC 전력원(102)으로부터 특정한 고정 라인 전압과 고정 라인 주파수를 갖는 AC 전력을 받아 원하는 전압과 원하는 주파수로 모터(106)에 공급하고, 이때 상기 전압과 주파수가 특정 요구치를 충족하도록 가변될 수 있다. 바람직하게는, VSD(104)는 모터(106)의 정격 전압과 정격 주파수보다 높은 전압과 주파수 혹은 낮은 전압과 주파수를 갖는 AC 전력을 모터(106)로 제공할 수 있다. 다른 실시예에 있어서, VSD(104)는 모터(106)의 정격 전압과 정격 주파수보다 높거나 낮은 주파수 그리고 같거나 낮은 전압을 제공할 수 있다. 모터(106)는 유도 전동기가 될 수 있거나, 아니면 가변 속도로 작동할 수 있는 소정 형식의 모터를 포함할 수 있다. 유도 전동기는 2개 자극, 4개 자극 혹은 6개 자극을 포함하는 소정의 적당한 자극 배열을 구비할 수 있다.

도 2a 및 2b는 VSD(104)의 다른 실시예들을 나타낸 도면이다. VSD(104)는 3개의 스테이지; 컨버터 스테이지(202), DC 링크 스테이지(204), 및 하나의 인버터(206)(도 2a 참조)나 다수의 인버터들(206)(도 2b 참조)을 가지는 출력 스테이지를 구비할 수 있다. 컨버터(202)는 AC 전력원(102)으로부터 나오는 고정 라인 주파수, 고정 라인 전압의 AC 전력을 DC 전력으로 변환시킨다. DC 링크(204)는 컨버터(202)로부터 나오는 DC 전력을 필터링하여 에너지 저장 부품들에게 제공한다. DC 링크(204)는 높은 신뢰율과 매우 낮은 실패율을 나타내는 수동소자들인 커패시터들과 인덕터들로 구성될 수 있다. 끝으로, 도 2a의 실시예에 있어서, 인버터(206)는 DC 링크(204)로부터 나오는 DC 전력을 모터(106)에 대한 가변 주파수, 가변 전압 AC 전력으로 변환시키고, 도 2b에 도시된 실시예에 있어서, 인버터들(206)은 DC 링 크(204)에 병렬로 연결되고, 각각의 인버터(206)가 DC 링크(204)로부터 나오는 DC 전력을 대응하는 모터(106)에 대한 가변 주파수, 가변 전압 AC 전력으로 변환시킨다. 인버터(들)(206)은 파워 트랜지스터들, 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT) 파워 스위치들 및 와이어 본드 기술을 사용하여 상호 연결된 인버스 다이오드들을 포함할 수 있는 파워 모듈이 될 수 있다. 또한 VSD(104)의 DC 링크(204)와 인버터들(206)이 적절한 출력 전압과 주파수를 모터(106)에 제공할 수 있는 한, VSD(104)의 DC 링크(204)와 인버터들(206)은 위에서 언급한 것들로부터 다른 부품들을 통합할 수 있다.

도 1b와 2b를 참조하면, 각각의 인버터(206)가 인버터들(206)의 각각에 제공된 공통의 제어신호나 제어 명령어를 기초로 하여 대응하는 모터에 동일한 원하는 전압과 주파수로 AC 전력을 제공하도록 인버터들(206)은 제어 장치에 의해서 함께 제어된다. 다른 실시예에 있어서, 각각의 인버터(206)가 인버터들(206)의 각각에 제공된 별도의 제어신호나 제어 명령어를 기초로 하여 대응하는 모터(106)에 각기 다른 원하는 전력과 주파수로 AC 전력을 제공할 수 있도록 인버터들(206)은 제어 장치에 의해서 개별적으로 제어된다. 이는 VSD(104)의 인버터들(206)이 다른 인버터들(206)에 연결된 다른 모터(106)들과 장치들의 요구치와는 독립적인 모터(106)와 장치의 요구치 및 부하를 보다 효과적으로 만족시킬 수 있도록 한다. 예를 들면, 한 인버터(206)는 특정 모터(106)에 전체 전력을 제공할 수 있는 반면, 다른 인버터(206)는 다른 모터(106)에 절반의 전력을 제공할 수 있다. 각각의 실시예에서 인버터(206)들의 제어는 제어 패널 또는 다른 적절한 제어 장치에 의해서 이루 어질 수 있다.

VSD(104)에 의해서 전력을 인가받는 각각의 모터(106)에 대하여, VSD(104)의 출력 스테이지에는 대응하는 인버터(206)가 존재한다. VSD(104)에 의해서 전력을 인가받을 수 있는 모터들(106)의 개수는 VSD(104) 내에 포함된 인버터들(206)의 개수에 의존한다. 일 실시예에 있어서, 2개 또는 3개의 인버터들(206)이 VSD(104)에 포함될 수 있는데, 이들은 DC 링크(204)에 병렬로 연결되고 대응하는 모터(106)에 전력을 인가하도록 사용된다. VSD(104)는 2개 내지 3개의 인버터들(206)을 가질 수 있는데, DC 링크(204)가 인버터들(206)의 각각에 적절한 DC 전압을 제공하고 유지할 수 있는 한, 3개보다 많은 인버터들(206)이 사용될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

도 3은 도 1a와 2a의 장치 구성과 VSD(104)를 이용하는 냉장(refrigeration) 혹은 냉각(chiller) 장치의 실시예를 나타낸다. 도 3에 도시된 바와 같이, HVAC, 냉장 혹은 액체 냉각 장치(300)는 압축기(302), 응축기(304), 액체 냉각기 혹은 증발기(306), 및 제어 패널(308)을 포함한다. 압축기(302)는 VSD(104)에 의해서 전력을 인가받는 모터(106)에 의해서 구동된다. VSD(104)는 AC 전력원(102)으로부터 특정의 고정 라인 전압과 고정 라인 주파수를 갖는 AC 전력을 인가받아 특정의 요구치를 만족시키도록 가변될 수 있는 필요 전압과 필요 주파수의 AC 전력을 모터(106)로 제공한다. 제어 패널(308)은 냉각 장치(300)의 작동을 제어하기 위하여 아날로그 디지털(A/D) 변환기, 마이크로프로세서, 비휘발성 메모리, 및 인터페이스 보드와 같은 다양한 부품들을 포함할 수 있다. 제어 패널(308)은 VSD(104), 모 터(124) 및 압축기(106)의 작동을 제어하도록 사용될 수 있다.

압축기(302)는 냉매 증기를 압축한 뒤 배출라인을 통해 응축기(304)로 송출한다. 압축기(302)는 스크류 압축기, 원심형 압축기, 왕복 압축기, 스크롤 압축기 등 적당한 형식의 압축기가 될 수 있다. 압축기(302)에 의해서 응축기(304)로 송출된 냉매 증기는 유체, 예컨대 공기나 물과 열교환을 하게 되고, 유체와의 열교환의 결과로서 냉매 액체로의 상 변화를 겪게 된다. 응축기(304)로부터 나오는 응축된 액체 냉매는 대응하는 팽창장치(도시되지 않음)를 통해서 증발기(306)로 유동한다.

증발기(306)는 냉각 부하의 공급 라인과 리턴 라인을 위한 연결부를 포함한다. 2차 액체, 예컨대 물, 에틸렌, 염화칼슘 브라인 또는 염화나트륨 브라인은 리턴 라인을 통해 증발기(306)으로 이동하고 공급 라인을 통해 증발기(306)로부터 배출된다. 증발기(306)에 있는 냉매 액체는 상기 2차 액체와 열교환을 하게 되며, 이에 2차 액체의 온도가 낮아지게 된다. 증발기(306)에 있는 냉매 액체는 상기 2차 액체와의 열교환에 의해 냉매 증기로 상 변화를 겪게 된다. 그리고 증발기(306)에 있는 증기 냉매는 증발기(306)로부터 배출되어 흡입 라인에 의해 압축기(302)로 리턴됨으로써 사이클을 완성하게 된다. 응축기(304)와 증발기(306)에서 냉매의 적절한 상 변화가 얻어질 수 있는 것이라면, 임의의 적절한 구성을 갖는 응축기(304)와 증발기(306)가 장치(300)에 사용될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

HVAC, 냉장 혹은 액체 냉각 장치(300)는 도 3에는 도시되지 않은 다른 많은 특징들을 포함할 수 있다. 이러한 특징들은 쉬운 예시를 위해 도면을 단순화하면서 적절히 생략되었다. 또한 도 3은 단일 냉각회로로 연결된 하나의 압축기를 갖는 HVAC, 냉장 혹은 액체 냉각 장치(300)를 도시하였지만, 장치(300)는 도 1b와 2b에 도시된 바와 같이 단일의 VSD에 의해서 혹은 다중의 VSD에 의해서 전력을 인가받는 다중 압축기들을 구비할 수 있음을 이해할 수 있을 것이며, 도 1a와 2a에 도시된 실시예에서는 하나 또는 그 이상의 냉각회로에 각각 연결됨을 알 수 있다.

다음으로, 도 4를 참조하면, 참조 번호 900으로 표시된 메인 위상각(Mains Phase Angle, MPA) 제어 장치가 도시되고 있다. 제어 장치(900)는 입력 전압 드롭아웃(dropout) 동안 AC 입력원 또는 메인 전압(102)에 대한 위상각 정보의 유지를 제공한다. 메인 전압(102)은 입력신호로부터 대체로 장방형(rectangular)의 출력신호를 생성시키기 위해 스퀘어링 증폭기(squaring amplifier)(901)에 인가된다. 스퀘어링 증폭기의 출력은 한 쌍의 위상 동기 루프(Phase-Locked-Loops, PLL)(902,904)에 동시 입력된다. 제1PLL(902)은 입력신호의 위상이 전압 제어 오실레이터(Voltage Controlled Oscillator, VCO)(922)와의 록킹을 벗어나게 될 때(out of lock)를 검출하기 위해 참조 신호(SIG)를 비교 신호(COMP)와 비교하는 위상 검출기(918)를 가진다. 위상 검출기(918)가 두 입력신호(SIG,COMP)가 위상 록킹을 벗어남을 검출하면, 리셋 신호가 위상 검출기(918)의 터미널(LD)로부터 1-샷 회로(shot circuit)(924)로 출력된다. 1-샷 회로(924)는 작은 폭의 펄스 입력신호를 생성시켜 샘플 앤드 홀드(Sample and Hold, S&H) 회로(910)에 인가한다. 위상 검출기(918)의 출력 에러 신호는 지연-선행(lag-lead) 필터 회로(906)를 통해 VCO(922)로 인가된다. 또한 VCO(922)로부터 나오는 출력신호는 이후 N 분할(divide-by-N) 회로(926)로 입력된다. 상기 N 분할 회로(926)는 위상 검출기(918)의 COMP 터미널 로 인가되는 비교 신호를 제공하며, 또한 메인 전압 d-q축 디지털 각도 출력 고속 응답(928)을 지시하는 제2신호를 출력한다.

제2PLL(904) 회로는 상기한 PLL(902)와 유사하게 구성되는데, 입력 참조 신호(SIG)를 비교 신호(COMP)와 비교하고 에러 신호를 지연-선행 필터(908)로 출력하는 위상 검출기(920)를 가진다. 상기 지연-선행 필터(908)는 1-샷 회로(930)와 아날로그 스위치(916)에 의해 제어되는 S&H 회로(914)를 가진다. 또한 지연-선행 필터(908)는 뒤에서 보다 상세히 설명되는 바와 같이 낮은 컷오프 주파수(low cutoff frequency)를 가진다. VCO(932)는 N 분할 회로(934)에 신호를 인가하며, N 분할 회로(934)는 위상 검출기(920)로 입력되는 COMP 신호를 생성시키고, 또한 메인 전압 d-q축 디지털 각도 출력 저속 응답을 지시하는 제2신호를 출력한다.

제어 장치(900)는 전류 왜곡을 줄이고 AC 입력 메인 전압(102)의 재인가에 따른 에너지 재생을 제거하기 위하여(VSD(104)에서 확장된 순간보상 성능을 제공하기 위하여) 능동 컨버터(202)를 갖는 VSD(104)의 동기 작동을 유지하는데 사용될 수 있다. 두 개의 PLL(902,904)의 이용은 제어 장치(900)가 능동 컨버터(202)의 능력을 최대화시키도록 하여 모든 조건하에 AC 입력원(102)에서 라인 간 전압 위상각에 대한 최적의 가용 정보를 유지하도록 한다. 제1PLL(902)에서 지연-선행 필터(906)는 상대적으로 높은 필터 컷오프 주파수와 작은 값의 적분 커패시터(C1)를 가진다. 이 필터(906)는 정상적인 컨버터 작동 조건에서 능동 컨버터(202)에 빠르고 정확한 위상각 추적 능력을 제공한다. 상기 필터(906)는 저항(R1,R2)과 커패시터(C2)를 포함한다. 일 실시예에서, 저항(R1)의 저항값은 43㏀, 나머지 저항(R2)의 저항값은 120㏀이 될 수 있고, 커패시터 C1의 전기용량은 0.47㎌일 수 있으며, 이러한 지연-선행 필터(906)의 저항(R1,R2) 및 커패시터(C1)의 값은 필터(906)의 원하는 컷오프 주파수를 조정하기 위해 가변될 수 있다. 제2PLL(904)의 선행-지연 필터(908)는 낮은 컷오프 주파수, 큰 값의 적분 커패시터(C2), 및 저항(R3,R4)를 가진다. 낮은 컷오프 주파수는 메인 차단 동안 PLL의 피드백 루프에서 메인 전압의 각도를 저장할 수 있는 능력을 지연-선행 필터(90)에 제공한다. 일 실시예에서, R3, R4, 및 C4의 전형적인 성분 값으로는 각각 510㏀, 68㏀, 202㎌이 될 수 있다. 전력 차단 동안 메인 위상각 정보를 유지하기 위한 능력을 증대시키기 위하여, 각각의 PLL 피드백 루프(906,908)는 샘플 앤드 홀드 회로(S&H)(910,914)와 아날로그 스위치 통합 회로(912,916)를 각기 포함한다. 아날로그 스위치(912,916)를 가지는 S&H 회로(910,914)는 각각의 지연-선행 필터(906,908) 내에서 적분 커패시터(C1,C2) 상에 저장된 전하를 유지시키며, 또한 위상 검출기의 출력으로 누설에 의한 커패시터(C1,C2)의 방전을 방지하게 된다. 또한 저항 비율 R3/R4의 크기는 아날로그 스위치(916)가 천이될 때 전압 제어 오실레이터(VCO)(932)에 공급되는 전압의 단계적 변화를 최소화할 수 있도록 선택되어진다.

각 아날로그 스위치(912,916)의 위치는 메인 전압 검출기(또는 메인에 존재하는) 회로를 통해 메인 전압(102)의 총 손실을 검출함으로써 제어된다. 샘플 앤드 홀드 회로(910,914)는 각 위상 검출기에 포함된 아웃 오브 록(out of lock) 검출기에 의해 제어된다. 또한 VCO 출력은 n비트 카운터(926,934)에 의해 분할되어 공급되는데, 여기서 n은 특정한 응용에서 요구되는 위상각 해상도의 함수로서 선택된 다. 상기 카운터 출력은 폐루프를 형성하도록 각 위상 검출기(918,920)의 제2입력(COMP로 표기됨)으로 다시 공급된다. 또한 카운터 출력은 메인 위상각을 나타내는 디지털 워드(digital word)(928,936)를 제공하는데 사용될 수 있다. 상기 디지털 워드(928,936)는 메인 차단 동안 d-q 각도 출력을 제어한다. 위상각 정보를 천이시키는 시점은 특정한 응용의 함수로 선택되나, 보통의 경우라면 메인 전압 검출기(또는 메인에 존재하는) 회로를 이용할 수 있을 것이다. 일 실시예에서, PLL(902,904)은Phillips Semiconductor Corp.에 의해 제조된 74HC7046 통합 회로를 이용하여 실시될 수 있다. 상기 74HC7046 통합 회로는 아웃 오브 록(out of lock) 검출기와 전압 제어 오실레이터(VCO)를 가지는 상태 머신(state machine) 타입의 위상 검출기를 포함한다. 이러한 회로 형태는 최악의 조건에서 지정된 각도를 초과하는 위상 에러를 초래하지 않으면서 1초까지 지속적으로 전력 차단을 가능하게 한다.

도면으로 예시되고 여기에 기술된 예시적인 실시예들이 바람직하긴 하지만, 이러한 실시예들은 단지 예로서 제공되는 것임을 이해하여야 한다. 따라서, 본 출원이 특정의 실시예로 제한되지 않으며, 첨부된 청구항 범위 내에서 다양한 변경으로 확장될 수 있다. 임의의 공정들이나 방법적인 단계들의 순서는 다른 실시예에 따라 변화되거나 순서가 바뀔 수 있다.

본 출원은 방법, 장치, 그리고 작동을 위해 기계적인 독출이 가능한 매체 상 의 프로그램 제품들이 고려된다. 본 출원의 실시예들은 현재 존재하는 컴퓨터 프로세서를 이용하거나, 본 목적 혹은 다른 목적을 위해서 통합된 특정한 장치를 위한 특정 목적의 컴퓨터 프로세서에 의해, 또는 배선 시스템(hardwired system)에 의해 수행될 수 있다.

다양한 예시적인 실시예에서 나타낸 바와 같은 메인 위상각 제어 장치의 구성과 배열은 단지 설명을 위한 것임을 명심해야 한다. 비록 몇몇 실시예들이 본 명세서에 상세하게 설명되었지만, 본 명세서를 보는 해당기술 분야의 숙련된 당업자는 특허청구범위에서 재인용된 대상물의 장점들 및 새로운 기술들로부터 벗어남이 없이 많은 변경들(즉, 여러 가지 요소들의 크기, 치수, 구조, 형상 및 비율, 매개변수들의 값, 장착 배열들, 재료의 사용, 색상, 배향 등)이 가능함을 쉽게 알 수 있을 것이다. 예를 들면, 일체로 형성된 것으로 보여지는 요소들은 다중 부품이나 요소들로서 구성될 수 있고, 요소들의 위치는 뒤바뀌거나 변화될 수 있고, 불균일한 요소들의 특성이나 개수 혹은 위치들이 변경될 수 있을 것이다. 따라서, 모든 그러한 변경들은 본 출원서의 범위 내에 포함될 것이다. 어떤 공정들이나 방법 단계들의 순서는 다른 실시예에 따라서 변화되거나 순서가 바뀔 수 있다. 특허청구범위에 있어서, 수단-기능 절은 재인용한 기능을 수행하는 것과 같이 여기에서 설명한 구조들 그리고 구조적 등가물뿐만 아니라 동등한 구조물을 포괄하도록 의도된 것이다. 본 출원의 범위를 벗어남이 없이 설계, 작동 조건 및 예시적인 실시예들의 배열에 있어서 다른 대체, 변형 및 변화들과 생략이 이루어질 수 있다.

상기한 바와 같이, 본 출원의 범위 내 실시예들은 기계적으로 실행 가능한 명령어 또는 저장된 데이터 구조를 전달하거나 가지기 위해 기계적으로 독출 가능한 매체로 구성된 프로그램 제품을 포함한다. 그러한 기계적 독출 가능 매체는 일반적인 목적 혹은 특별한 목적의 컴퓨터나 기타 프로세서를 가진 기계에 의해 액세스(accessed) 될 수 있는 임의의 사용 가능 매체가 될 수 있다. 예를 들면, 상기 기계적 독출 가능 매체는 RAM, ROM, EPROM, EEPROM, CD-ROM 혹은 기타 광학 디스크 스토리지, 마그네틱 디스크 스토리지 혹은 기타 마그네틱 저장장치, 또는 기계적으로 실행 가능한 명령어 혹은 데이터 구조의 형태로 원하는 프로그램 코드를 전달 혹은 저장할 수 있고 일반 목적 혹은 특별한 목적의 컴퓨터나 기타 프로세서를 가진 기계에 의해 액세스 될 수 있는 기타 임의의 매체가 될 수 있다. 정보가 네트워크 혹은 다른 통신 연결(배선, 무선, 또는 배선과 무선의 조합)을 통해 기계에 전달되거나 제공될 때, 그 기계는 기계적 독출 가능한 매체로서 상기 연결을 볼 수 있다. 따라서, 상기와 같은 임의의 연결이 기계적 독출 가능한 매체라 할 수 있다. 또한 상기의 조합이 기계적 독출 가능한 매체에 포함될 수 있다. 기계적으로 실행 가능한 명령어는 예를 들어 일반 목적의 컴퓨터, 특별한 목적의 컴퓨터, 혹은 특별한 목적의 처리 장치로 하여금 어떤 함수나 함수 그룹을 수행하도록 하는 명령어 및 데이터를 포함한다.

여기서 특징들이 방법적 단계들의 특별한 순서를 나타내는 것이라 하더라도 상기한 단계들의 순서는 설명된 것과는 달라질 수 있다. 또한 둘 또는 그 이상의 단계들이 동시에 또는 부분적으로 동시에 수행될 수 있다. 상기한 변화는 선택된 소프트웨어 및 하드웨어 시스템, 그리고 설계자의 선택에 따라 달라질 수 있다. 마 찬가지로, 소프트웨어 수단은 룰(rule)을 기반으로 하는 로직, 및 여러 연결 단계, 처리 단계, 비교 단계 및 결정 단계를 수행하는 그 밖의 로직을 가지는 표준적인 프로그래밍 기술에 의해 달성될 수 있다.

Claims

고정 AC 입력 전압으로 입력 AC 전압을 인가받아 가변 전압 및 가변 주파수로 출력 AC 전력을 공급하는 가변속 드라이브 장치에 있어서,

입력 AC 전압을 공급하는 AC 전력원에 연결되고 입력 AC 전압을 승압된 DC 전압으로 변환하도록 구성된 컨버터 스테이지와;

상기 컨버터 스테이지에 연결되고 컨버터 스테이지로부터 나오는 승압된 DC 전압을 필터링 및 저장하도록 구성된 DC 링크와;

상기 DC 링크에 연결되고 DC 링크로부터 나오는 승압된 DC 전압을 가변 전압 및 가변 주파수를 갖는 출력 AC 전력으로 변환하는 인버터 스테이지와;

스퀘어링 증폭기(squaring amplifier), 제1위상 동기 루프 회로(Phase-Locked Loops, PLL), 제2위상 동기 루프 회로를 포함하는 위상각 제어 회로;

를 포함하고,

상기 스퀘어링 증폭기는 AC 전력을 인가받아 AC 전력을 기초로 하여 장방형 출력신호를 출력하도록 구성되고,

상기 제1위상 동기 루프 회로는 제1지연-선행 필터와, 상기 컨버터 스테이지에 위상각 매개변수를 제공하는 제1커패시터를 포함하며,

상기 제2위상 동기 루프 회로는 제2지연-선행 필터와, 상기 지연-선행 필터가 메인 차단 동안 PLL의 피드백 루프에서 메인 전압의 각도를 저장할 수 있도록 해주는 제2커패시터를 포함하고,

상기 제1지연-선행 필터의 컷오프 주파수는 상기 제2지연-선행 필터의 컷오프 주파수 보다 더 큰 것을 특징으로 하는 가변속 드라이브 장치.
청구항 1에 있어서,

상기 제1지연-선행 필터는 제1저항과 제2저항을 포함하고, 상기 제1저항은 제2저항보다 낮은 저항값을 가지며, 상기 제1커패시터는 상기 제2커패시터 보다 더 작은 전기용량 값을 갖는 것을 특징으로 하는 가변속 드라이브 장치.
청구항 2에 있어서,

상기 제1저항의 저항값은 43㏀이고, 상기 제2저항의 저항값은 120㏀이며, 상기 제1커패시터의 전기용량 값은 0.47㎌인 것을 특징으로 하는 가변속 드라이브 장치.
청구항 3에 있어서,

상기 제2지연-선행 필터는 제3저항과 제4저항을 포함하고, 상기 제3저항은 제4저항보다 큰 저항값을 가지는 것을 특징으로 하는 가변속 드라이브 장치.
청구항 4에 있어서,

상기 제3저항의 저항값은 510㏀이고, 상기 제4저항의 저항값은 68㏀이며, 상기 제2커패시터의 전기용량 값은 2.2㎌인 것을 특징으로 하는 가변속 드라이브 장치.
청구항 1에 있어서,

상기 제1위상 동기 루프 회로와 제2위상 동기 루프 회로는 각각 제1샘플 앤드 홀드 회로와, 상기 샘플 앤드 홀드 회로와 교신하는 제1아날로그 스위치를 포함하며, 상기 아날로그 스위치는 제1 또는 제2지연-선행 필터 내에 관련된 제1 또는 제2커패시터에 저장된 전하를 유지시켜 제1 또는 제2커패시터의 방전을 방지하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 가변속 드라이브 장치.
청구항 2에 있어서,

제1저항, 제2저항 및 제1커패시터는 제1PLL(902)의 고속 록킹(fast locking) 작동을 위해 선택되는 것을 특징으로 하는 가변속 드라이브 장치.
청구항 4에 있어서,

상기 제2위상 동기 루프 회로에 관한 제2아날로그 스위치가 상태를 변화시킬 때 전압 제어 오실레이터(Voltage Controlled Oscillator, VCO)에 공급되는 전압에서 단계 변화를 최소화하는 제3저항과 제4저항 간 저항 비율을 제공하기 위해 그들의 저항값에 기초하여 선택되는 것을 특징으로 하는 가변속 드라이브 장치.
청구항 1에 있어서,

상기 제1위상 동기 루프와 제2위상 동기 루프는 아날로그 스위치와 메인 전압 검출기 회로를 더 포함하고, 상기 메인 전압 검출기 회로는 AC 전력원의 입력 AC 전압의 손실을 검출함에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 가변속 드라이브 장치.
청구항 9에 있어서,

상기 제1위상 동기 루프와 제2위상 동기 루프는 위상 검출기 회로, 전압 제어 오실레이터(Voltage Controlled Oscillator, VCO) 및 N 분할 회로를 더 포함하고, 상기 위상 검출기 회로는 스퀘어링 증폭기의 구형파 출력신호와 상기 전압 제어 오실레이터에 응답하여 N 분할 회로에 의해 생성되는 비교 피드백 신호 사이의 위상차에 응답하는 아웃 오브 록(out-of-lock) 검출기를 가지는 것을 특징으로 하는 가변속 드라이브 장치.
청구항 10에 있어서,

상기 N 분할 회로의 분할 인자(divisor) n은 미리 결정된 응용을 위해서 위상각의 원하는 해상도를 기초로 하여 선택되는 것을 특징으로 하는 가변속 드라이브 장치.
청구항 11에 있어서,

상기 N 분할 회로가 VCO의 출력신호를 처리하여 피드백 신호를 생성하고, 상기 피드백 신호가 폐루프를 형성하도록 각 위상 검출기의 제2입력 터미널로 인가되는 것을 특징으로 하는 가변속 드라이브 장치.
청구항 12에 있어서,

상기 N 분할 회로가 메인 위상각을 나타내는 디지털 워드(word)를 생성하고, 상기 디지털 워드가 메인 차단 동안 VSD(Variable Speed Drive) 출력의 d-q 각도를 제어하는데 이용되는 것을 특징으로 하는 가변속 드라이브 장치.
청구항 13에 있어서,

제1위상 동기 루프 회로와 제2위상 동기 루프 회로가 AC 전력원의 손실이 발생하는 동안 동기 작동을 유지하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 가변속 드라이 브 장치.
청구항 14에 있어서,

상기 AC 전력원의 손실 지속은 드라이브가 설정된 각도 한계치 내에서 위상 에러를 유지하는 동안 1초까지 지속될 수 있는 것을 특징으로 하는 가변속 드라이브 장치.