KR101475025B1 - 회전기 제어 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 회전기 제어 시스템은 3상 초기 충전 전압을 생성하는 고 임피던스 변압기를 포함하는 초기 충전부 및 상기 3상 초기 충전 전압이 정류된 초기 충전 전압에 의해 충전되고, 3상 교류 전압이 정류된 직류 전압을 저장하는 커패시터를 포함하는 인버터부를 포함한다.

Description

회전기 제어 시스템{A CONTROL SYSTEM OPERATING A ROTARY MACHINE}
본 발명의 개념에 따른 실시예는 회전기 제어 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 회전기를 안전하게 제어할 수 있는 회전기 제어 시스템에 관한 것이다.
발전기 또는 각종 공업용 제품의 생산을 위한 설비에는 회전력을 얻기 위한 전동기가 포함되어 있다. 기존의 전동기는 직류 전동기로 쓰여지고 있었으나 최근에는 교류 전동기가 더 많이 쓰이고 있다.
교류 전동기는 별도의 제어 장치에 의해 제어될 수 있으며, 상기 제어 장치는 주로 상기 교류 전동기를 전력의 조절을 통해 제어한다. 상기 제어 장치는 상용 전원(예컨대, 220V)을 직류 전압으로 변환하고, 변환된 직류 전압을 다시 원하는 주파수와 전압을 가진 교류 전압으로 변환하게 된다. 이 과정에서 과전류가 발생될 수 있으며, 과전류는 교류 전동기의 파손을 야기할 수 있어 과전류의 발생을 억제할 필요가 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 과전류 발생을 억제하고 집적도를 높일 수 있는 회전기 제어 시스템을 제공함에 있다.
본 발명의 실시예에 따른 회전기 제어 시스템은 3상 초기 충전 전압을 생성하는 고 임피던스 변압기를 포함하는 초기 충전부 및 상기 3상 초기 충전 전압이 정류된 초기 충전 전압에 의해 충전되고, 3상 교류 전압이 정류된 직류 전압을 저장하는 커패시터를 포함하는 인버터부를 포함한다.
실시예에 따라 상기 3상 교류 전압을 공급하는 3상 전원부를 더 포함한다.
실시예에 따라 상기 3상 전원부는 제1 스위치 신호에 따라 상기 3상 교류 전압의 흐름을 제어하는 제1 스위치 및 상기 3상 교류 전압의 레벨을 변경하는 변압기를 포함한다.
실시예에 따라 상기 인버터부는 상기 3상 교류 전압과 상기 3상 초기 충전 전압을 각각 상기 직류 전압과 상기 초기 충전 전압으로 변환하는 정류부 및 상기 커패시터에 충전된 전압을 가변 주파수와 가변 전압을 갖는 회전기 제어 신호로 변환하는 전력 변환부를 더 포함한다.
실시예에 따라 상기 제1 스위치 신호는 상기 초기 충전 전압에 의해 충전되는 상기 커패시터의 전압 레벨이 제1 레벨에 도달하면 하이 레벨이 된다.
실시예에 따라 상기 초기 충전부, 상기 인버터부, 및 상기 3상 전원부의 동작을 제어하는 제어부를 더 포함한다.
실시예에 따라 상기 초기 충전부는 제2 스위치 신호에 따라 저전압 3상 교류 전압의 흐름을 제어하는 제2 스위치를 더 포함하고, 상기 고 임피던스 변압기는 상기 고 임피던스 변압기의 임피던스에 대응하는 변압 속도에 따라 상기 저전압 3상 교류 전압의 레벨을 변경하여 상기 3상 초기 충전 전압을 생성한다.
본 발명의 실시예에 따른 회전기 제어 시스템에 의하면, 고 임피던스 변압기를 이용해 과전류 발생을 억제하고 집적도를 높일 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 회전기 제어 시스템을 나타낸 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시된 회전기 제어 시스템을 보다 상세히 나타낸 블록도이다.
도 3은 도 2에 도시된 회전기 제어 시스템(100)의 동작을 설명하기 위한 타이밍도이다.
본 명세서 또는 출원에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서 또는 출원에 설명된 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
본 발명의 개념에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 회전기 제어 시스템을 나타낸 블록도이다. 도 2는 도 1에 도시된 회전기 제어 시스템을 보다 상세히 나타낸 블록도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 회전기 제어 시스템(100)은 3상 교류 전원(20)으로부터 3상 교류 전압을, 저전압 3상 교류 전원(30)으로부터 저전압 3상 교류 전압을 각각 공급받아 회전기 제어 신호(MCS1~MCS3)를 생성할 수 있다. 회전기(50)는 발전기 또는 각종 공업용 제품의 생산을 위한 설비에 포함되는 교류 전동기로 구현될 수 있다. 회전기(50)는 가변 주파수 및 가변 전압을 갖는 회전기 제어 신호(MCS1~MCS3)에 의해 결정되는 회전 속도 및 회전 방향에 따라 동작할 수 있다.
3상 교류 전원(20)은 예컨대, 가정용 또는 공업용으로 공급되는 상용전원으로서 60Hz로 고정된 주파수와 220V로 고정된 전압을 가질 수 있다.
저전압 3상 교류 전원(30)은 3상 교류 전원(20)보다 낮은 전압을 갖는 전원으로 예컨대, 110V의 전압을 가질 수 있다.
회전기 제어 시스템(100)은 회전기(50)와 함께 일체의 하드웨어로 구현되거나, 별도의 하드웨어로 구현될 수 있다.
도 2를 참조하여 회전기 제어 시스템(100)을 상세히 설명하기로 한다. 회전기 제어 시스템(100)은 3상 전원부(110), 초기 충전부(120), 인버터부(130) 및 제어부(140)를 포함할 수 있다.
3상 전원부(110)는 3상 교류 전원(20)이 생성하는 3상 교류 전압을 인버터부(130)에 공급할 수 있다. 3상 전원부(110)는 제1 스위치(112) 및 변압기(114)를 포함할 수 있다.
제1 스위치(112)는 제1 스위치 제어 신호(SW1)에 따라 상기 3상 교류 전압의 흐름을 제어할 수 있다. 제1 스위치(112)는 하이 레벨의 제1 스위치 제어 신호(SW1)에 따라 상기 3상 교류 전압을 변압기(114)의 1차 측에 전달하고, 로우 레벨의 제1 스위치 제어 신호(SW1)에 따라 상기 3상 교류 전압을 차단할 수 있다.
변압기(114)는 1차 측에 상기 3상 교류 전압을 전달받아 상기 3상 교류 전압의 레벨을 변경하여 인버터부(130)에 제공할 수 있다. 상기 3상 교류 전압은 회전기(50)가 요구하는 전압에 따라 결정되는 전압의 레벨로 변경될 수 있다.
초기 충전부(120)는 저전압 3상 교류 전원(30)이 생성하는 저전압 3상 교류 전압을 기초로 3상 초기 충전 전압을 생성하여 인버터부(130)에 공급할 수 있다. 초기 충전부(120)는 제2 스위치(122) 및 고 임피던스 변압기(124)를 포함할 수 있다.
제2 스위치(122)는 제2 스위치 제어 신호(SW2)에 따라 상기 저전압 3상 교류 전압의 흐름을 제어할 수 있다. 제2 스위치(122)는 하이 레벨의 제2 스위치 제어 신호(SW2)에 따라 상기 저전압 3상 교류 전압을 고 임피던스 변압기(124)의 1차 측에 전달하고, 로우 레벨의 제2 스위치 제어 신호(SW2)에 따라 상기 저전압 3상 교류 전압을 차단할 수 있다.
고 임피던스 변압기(124)는 매우 높은 임피던스를 가진 변압기로 구현될 수 있다. 변압기의 임피던스는 변압기의 저항분, 권선의 인덕턴스, 및 1차와 2차 권선의 상호 간격에 따른 누설 임피던스 크기에 따라 결정될 수 있으며, 임피던스가 높을수록 변압 속도 즉, 단위 시간당 1차 측의 전압 변화에 대응한 2차 측의 전압의 변화 정도가 낮아질 수 있다.
고 임피던스 변압기(124)는 고 임피던스 변압기(124)의 임피던스에 대응하는 변압 속도에 따라 1차 측에 인가되는 상기 저전압 3상 교류 전압의 레벨을 변경하여 3상 초기 충전 전압을 생성할 수 있다. 고 임피던스 변압기(124)는 상기 3상 초기 충전 전압을 각 노드들(N1~N3)을 통해 인버터부(130)에 제공할 수 있다.
인버터부(130)는 정류부(132), 충전부(134), 및 전력 변환부(136)를 포함할 수 있다.
정류부(132)는 3상 전원부(110)의 3상 교류 전압과 고 임피던스 변압기(124)의 3상 초기 충전 전압을 각각 직류 전압과 초기 충전 전압으로 변환할 수 있다. 정류부(132)는 각 노드들(N1~N3)과 충전부(134)에 접속되는 복수의 정류용 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 인버터들(132-1)을 포함할 수 있다. 복수의 정류용 IGBT 인버터들(132-1)은 제어 신호들(CS1~CS6)을 입력받아 고속 스위칭 동작이 가능한 소자들이다.
복수의 정류용 IGBT 인버터들(132-1)은 제어부(140)로부터 제어 신호들(CS1~CS6)을 입력받아 3상 교류 전압과 3상 초기 충전 전압에 대해 정류를 행하여 직류 형태의 직류 전압과 초기 충전 전압으로 변환할 수 있다. 즉, 복수의 정류용 IGBT 인버터들(132-1)은 정류 다이오드 역할을 수행할 수 있다.
충전부(134)는 상기 3상 초기 충전 전압이 정류된 초기 충전 전압에 의해 충전되고, 상기 3상 교류 전압이 정류된 직류 전압을 저장하는 커패시터(Cdc)를 포함할 수 있다. 즉, 커패시터(Cdc)는 상기 초기 충전 전압과 상기 직류 전압에 의해 충전되어 직류 형태의 직류 전압과 초기 충전 전압에 포함된 맥동을 제거할 수 있다.
전력 변환부(136)는 커패시터(Cdc)에 충전된 전압을 가변 주파수와 가변 전압을 갖는 회전기 제어 신호(MCS1~MCS3)로 변환할 수 있다. 전력 변환부(136)는 커패시터(Cdc)과 회전기(50)에 접속되는 복수의 변환용 IGBT 인버터들(136-1)을 포함할 수 있다. 복수의 변환용 IGBT 인버터들(136-1)은 제어 신호들(CS7~CS12)을 입력받아 고속 스위칭 동작이 가능한 소자들이다.
복수의 변환용 IGBT 인버터들(136-1)은 제어부(140)로부터 제어 신호들(CS7~CS12)을 입력받아 커패시터(Cdc)에 충전된 직류 형태의 전압을 제어 신호들(CS7~CS12)에 따라 정해지는 주파수와 전압을 갖는 회전기 제어 신호(MCS1~MCS3)를 생성할 수 있다. 즉, 복수의 변환용 IGBT 인버터들(136-1)은 제어 신호들(CS7~CS12)에 따라 커패시터(Cdc)에 충전된 직류 형태의 전압의 회전기(50)로 전송되는 전류의 방향과 전류량을 제어함으로써 회전기 제어 신호(MCS1~MCS3)를 생성할 수 있다.
제어부(140)는 제1 스위치(112)를 제어하기 위한 제1 스위치 제어 신호(SW1), 제2 스위치(122)를 제어하기 위한 제2 스위치 제어 신호(SW2), 복수의 정류용 IGBT 인버터들(132-1)을 제어하기 위한 제어 신호들(CS1~CS6), 및 복수의 변환용 IGBT 인버터들(136-1)을 제어하기 위한 제어 신호들(CS7~CS12)을 생성할 수 있다. 도 1 및 도 2에 도시된 CS는 CS1~CS12를 포함하는 개념이다.
도 3은 도 2에 도시된 회전기 제어 시스템(100)의 동작을 설명하기 위한 타이밍도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 회전기 제어 시스템(100)의 초기 구동시 제2 스위치(122)는 제1 시점(t1)에서 제2 스위치 제어 신호(SW2)가 하이 레벨이 됨에 따라단락되어 저전압 3상 교류 전압을 고 임피던스 변압기(124)의 1차 측에 전달할 수 있다.
고 임피던스 변압기(124)는 고 임피던스 변압기(124)의 임피던스에 대응하는 변압 속도에 따라 3상 초기 충전 전압을 생성하여 각 노드들(N1~N3)을 통해 인버터부(130)에 제공할 수 있다.
정류부(132)는 고 임피던스 변압기(124)의 3상 초기 충전 전압을 초기 충전 전압으로 변환하여 커패시터(Cdc)에 제공함으로써, 커패시터(Cdc)는 초기 충전되기 시작한다.
3상 초기 충전 전압이 고 임피던스 변압기(124)의 임피던스에 대응하는 변압 속도로 생성되는바, 고 임피던스 변압기(124)를 사용함으로써 일반적인 변압기와 저항을 직렬로 연결한 것과 동일한 효과(인버터 측으로의 과전류를 제한)를 얻을 수 있다. 또한, 통상적으로 저항은 큰 면적을 차지하므로 일반적인 변압기와 저항을 사용할 때보다 높은 집적도를 가진 회전기 제어 시스템(100)이 구현될 수 있다.
만일 3상 전원부(110)가 3상 교류 전원(20)이 생성하는 3상 교류 전압을 커패시터(Cdc)의 초기 충전 없이 인버터부(130)에 공급할 경우 인버터부(130)로 과전류가 흐르게 되어 회전기(50) 또는 회전기 제어 시스템(50)의 수명이 감소하거나 파괴될 수 있다. 따라서, 커패시터(Cdc)의 초기 충전 동작으로 인해 상기의 과전류 현상이 방지될 수 있다.
초기 충전 동작에 의해 커패시터(Cdc)의 양단 전압(Vdc)이 상승하다가 제2 시점(t2)에서 제1 레벨(VT)에 도달하면, 제2 스위치 제어 신호(SW2)는 로우 레벨이 되고 제1 스위치 제어 신호(SW1)는 하이 레벨이 된다. 즉, 제2 시점(t2)에서 초기 충전 동작이 중지되고, 3상 전원부(110)는 3상 교류 전압을 인버터부(130)에 공급할 수 있다.
이미 초기 충전 동작으로 커패시터(Cdc)의 양단 전압(Vdc)이 제1 레벨(VT)에 도달한 상태이므로, 인버터부(130)로의 과전류 유입이 방지될 수 있다. 제1 레벨(VT)은 회전기 제어 시스템(100) 또는 회전기(50)의 허용 전류에 따라 미리 결정될 수 있다.
발명은 도면에 도시된 일 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
3상 교류 전원(20) 3상 전원부(110)
저전압 3상 교류 전원(30) 초기 충전부(120)
회전기(50) 인버터부(130)
회전기 제어 시스템(100) 제어부(140)

Claims (7)

  1. 3상 초기 충전 전압을 생성하는 고 임피던스 변압기를 포함하는 초기 충전부; 및
    상기 3상 초기 충전 전압이 정류된 초기 충전 전압에 의해 충전되고, 3상 교류 전압이 정류된 직류 전압을 저장하는 커패시터를 포함하는 인버터부를 포함하며,
    상기 초기 충전부는
    제2 스위치 신호에 따라 저전압 3상 교류 전압의 흐름을 제어하는 제2 스위치를 더 포함하고,
    상기 고 임피던스 변압기는 상기 고 임피던스 변압기의 임피던스에 대응하는 변압 속도에 따라 상기 저전압 3상 교류 전압의 레벨을 변경하여 상기 3상 초기 충전 전압을 생성하는 회전기 제어 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 3상 교류 전압을 공급하는 3상 전원부를 더 포함하는 회전기 제어 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 3상 전원부는
    제1 스위치 신호에 따라 상기 3상 교류 전압의 흐름을 제어하는 제1 스위치; 및
    상기 3상 교류 전압의 레벨을 변경하는 변압기를 포함하는 회전기 제어 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 인버터부는
    상기 3상 교류 전압과 상기 3상 초기 충전 전압을 각각 상기 직류 전압과 상기 초기 충전 전압으로 변환하는 정류부; 및
    상기 커패시터에 충전된 전압을 가변 주파수와 가변 전압을 갖는 회전기 제어 신호로 변환하는 전력 변환부를 더 포함하는 회전기 제어 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 스위치 신호는 상기 초기 충전 전압에 의해 충전되는 상기 커패시터의 전압 레벨이 제1 레벨에 도달하면 하이 레벨이 되는 회전기 제어 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 초기 충전부, 상기 인버터부, 및 상기 3상 전원부의 동작을 제어하는 제어부를 더 포함하는 회전기 제어 시스템.
  7. 삭제
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