KR101501607B1 - 인버터 회로가 내장된 이동체를 가지는 권선형 동기기 및 그 제어 방법 - Google Patents

인버터 회로가 내장된 이동체를 가지는 권선형 동기기 및 그 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 인버터 회로가 내장된 이동체를 가지는 권선형 동기기에 관한 것으로, 인버터 회로가 내장된 이동체를 가지는 권선형 동기 전동기 또는 발전기를 포함하는 권선형 동기기에 있어서, 권선형 동기기의 이동체에 연결된 이동체 인버터 회로; 및 이동체 인버터 회로에 연결되어 이동체 인버터 회로를 제어하는 이동체 회로 제어장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 권선형 동기기를 제공한다. 이동체 회로 제어장치는, 고정자 인버터 회로의 고주파 전압을 추정하는 고정자 인버터 전압 추정기; 이동체의 계자전류지령을 생성하는 계자전류지령 생성기; 이동체의 직류단 에너지 저장장치 전압을 추종하는 전류지령을 생성하는 에너지 저장장치 전압 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 권선형 동기기를 제공한다. 본 발명에 의하면 희토류 영구자석의 사용문제를 해결할 수 있고 별도의 전력원이 필요 없고, 맥동문제가 거의 발생하지 않는 여자회로가 포함된 권선형 동기기를 구현할 수 있다.

Description

인버터 회로가 내장된 이동체를 가지는 권선형 동기기 및 그 제어 방법{WINDING SYNCHRONOUS MACHINE HAVING A MOVING OBJECT INCLUDING AN INVERTER CIRCUIT, AND METHOD FOR CONTROLLING SAME}
본 발명은 권선형 동기 전동기 또는 발전기를 포함하는 권선형 동기기에 관한 것이며, 보다 자세하게는 인버터 회로가 내장된 회전자(Rotor) 혹은 가동자(Mover)를 포함하는 이동체를 가지는 권선형 동기기에 관한 것이다.
전력전자 기술의 발전으로 전동기/발전기 응용 분야에서 인버터의 사용이 크게 증가하였다. 통상 이를 위해서 도1에서 도시된 전압형 인버터(Voltage Source Inverter; VSI)가 전기기계 구동에 주로 사용되고 있다. 인버터 적용 분야에는 다양한 형태의 전기기계가 사용될 수 있지만, 산업용으로는 신뢰성이 높은 유도 전동기/발전기 또는 동기기가 일반적으로 채택되고 있다. 그 중에서도 특히, 희토류(Rare earth) 영구자석 동기기(Permanent magnet synchronous machine)는 토크 및 출력 밀도, 그리고 효율이 우수한 것으로 알려져 있다. 그러나 희토류 영구 자석의 자속을 실시간으로 변경하기 힘들기 때문에 부하조건에 따른 약자속(flux weakening) 혹은 약계자(field weakening) 운전에 있어 어려운 단점도 있다. 그러나 전술한 여러 장점들로 인해 자동차, 풍력발전 등 다양한 응용 분야에서 영구자석 동기기의 적용 사례가 크게 증가하고 있다. 하지만 희토류 영구자석의 원료가 되는 희토류 자원은 특정 국가에서 독점적으로 보유 생산하고 있어, 향후 희토류 사용의 증가에 따른 수급 차질 및 이에 따른 자원 확보와 가격 상승의 문제가 대두되고 있다.
전기 자동차, 하이브리드 자동차, 영구자석 풍력발전기의 대폭적인 수요 증가에 따라, 이러한 시스템의 구동원인 영구자석 전동기 및 발전기에 필수적으로 쓰이는 희토류 영구자석의 사용이 점차 어려워 질 것으로 예상되어 이를 대체하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한 연구 중에는 유도전동기/발전기, 권선형 동기기 등의 구조를 변경하여 영구자석 사용을 지양하는 방법, 페라이트(ferrite)와 같은 저가의 영구자석으로 희토류 영구자석을 대체하려는 흐름이 있다.
일반적인 권선형 동기기의 경우 회전자 권선에 계자 전류가 흘러 계자 자속을 형성한다. 이 경우 회전자의 계자 권선에 전원을 연결해야 하므로 동기기의 회전자에 외부로부터 전류를 흐르게 하기 위하여, 회전자 축에 슬립링(slip ring)을 부착하는 방식으로 외부 전원이 필요한 여자회로를 구현한다. 일반적인 여자회로를 사용하는 경우 회전자에 별도의 전원이 필요하고 계자 자속 제어를 위해서 별도의 회전자 전류 제어를 위한 회로가 필요하다.
도2는 기존의 권선형 동기기에서 여자회로의 문제점을 해결하기 위하여 브러시(brush)와 여자 회로(exciter)를 제거한 예로 반파 정류형 브러시리스 동기기(Half-wave Rectified Brushless Synchronous Machine)이다. 이 동기기는 일반적인 권선형 동기기와 마찬가지로 회전자에 계자 권선(field winding)을 설치하되, 이를 외부 여자 회로에 연결하지 않고 회전자 내부에 있는 다이오드에 연결한다. 별도의 여자 회로가 없는 대신 고정자에 연결된 인버터를 통해 회전자 계자 전류를 제어한다. 고정자 회로에서 고정자 권선에 동기 주파수보다 높은 주파수의 전압을 인가하면, 이 고주파 성분의 전압과 전류는 전자기 유도현상에 의해 회전자에 전달된다. 이러한 다이오드만으로 구성된 회로에서는 충분한 공극 자속 밀도를 만들기 위해서 계자 전류의 평균값에 해당하는 전류 맥동이 고정자와 회전자 권선에 흐르게 된다. 이러한 방법에 의해 회전자에 계자 전류를 흐르게 할 수는 있으나 계자 전류와 고정자 전류에 포함된 전류 맥동 성분은 동기기 전체 효율을 떨어뜨리고 토크 맥동을 일으켜 전체 시스템의 성능을 크게 떨어트린다.
상기 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은, 회전자에 트랜지스터와 같은 능동 스위치(Active switch)를 포함하는 회로를 내장시켜 희토류 영구자석의 사용을 대체하는 권선형 동기기를 구현하는 것을 목적으로 한다.
또한, 회전자의 계자전류를 제어하는 권선형 동기기를 구현함으로써 희토류 영구자석 동기기에 비해 광범위한 운전영역을 확보하면서 동시에 약계자 제어시 운전 효율을 향상 시킴을 목적으로 한다.
또한, 별도의 외부 전원을 필요로 하지 않는 여자 회로가 포함된 회전자를 가진 권선형 동기기를 구현하여, 고정자에 연결된 인버터를 이용하여 실시간으로 계자 전류를 제어함으로써 속도 및 부하조건에 따른 약자속 혹은 약계자 운전을 실현함을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 제 1측면은, 인버터 회로가 내장된 이동체를 가지는 권선형 동기 전동기 또는 발전기를 포함하는 권선형 동기기에 있어서, 상기 권선형 동기기의 이동체에 연결된 이동체 인버터 회로; 및 상기 이동체 인버터 회로에 연결되어 상기 이동체 인버터 회로를 제어하는 이동체 회로 제어장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 권선형 동기기를 제공한다.
바람직하게는, 상기 이동체 회로 제어장치는, 고정자 인버터 회로의 고주파 전압을 추정하는 고정자 인버터 전압 추정기; 이동체의 계자전류지령을 생성하는 계자전류지령 생성기; 이동체의 직류단 에너지 저장장치 전압을 추종하는 전류지령을 생성하는 직류단 에너지 저장장치 전압 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 권선형 동기기를 제공한다.
바람직하게는, 상기 계자전류지령 생성기는, 상기 추정된 고정자 인버터 전압을 통해 이동체의 계자전류지령을 생성하고; 상기 직류단 에너지 저장장치 전압 제어기는, 상기 추정된 고정자 인버터 전압을 통해 이동체의 직류단 에너지 저장장치 전압을 추종하는 전류지령을 생성하며; 상기 이동체 회로 제어장치는, 상기 계자전류지령 생성기에서 생성된 계자전류지령 및 상기 직류단 에너지 저장장치 전압 제어기에서 생성된 고주파 전류지령을 통해 이동체 회로의 전류를 제어하는 전류 제어기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 권선형 동기기를 제공한다.
바람직하게는, 상기 고정자 인버터 전압 추정기는, 상기 이동체 인버터 회로의 계자전류 및 출력 전압에 기반하여 고정자 인버터 회로의 고주파 전압을 추정하는 것을 특징으로 하는 권선형 동기기를 제공한다.
바람직하게는, 상기 전류 제어기는 상기 이동체 인버터 회로로부터 상기 계자 전류를 되먹임하는 것을 특징으로 하는 권선형 동기기를 제공한다.
바람직하게는, 상기 직류단 에너지 저장장치 전압 제어기는 상기 이동체 인버터 회로로부터 상기 직류단 에너지 저장장치 전압을 되먹임하는 것을 특징으로 하는 권선형 동기기를 제공한다.
바람직하게는, 상기 이동체 인버터 회로는, H-bridge 인버터 회로, 수정된 H-bridge 인버터 회로, 다상 인버터 회로, 단방향 전류 통전을 고려한 수정된 다상 인버터 회로, 단상 멀티레벨 인버터 회로, 다상 멀티레벨 인버터 회로, 단방향 전류 통전을 고려한 수정된 멀티레벨 인버터 회로 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 권선형 동기기를 제공한다.
바람직하게는, 상기 권선형 동기기의 고정자에 연결된 고정자 인버터 회로; 상기 고정자 인버터 회로에 연결되어 상기 고정자 인버터 회로를 제어하는 고정자 회로 제어장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 권선형 동기기를 제공한다.
상기 고정자 회로 제어장치는, 토크 또는 힘 지령으로부터 전류 지령을 생성하는 전류지령 생성기; 상기 이동체의 위치 또는 속도, 또는 부하의 크기에 따라 고주파 전압지령을 생성하는 고주파 전압지령 생성기; 상기 전류지령 생성기에서 생성된 전류지령을 추종하기 위한 전압지령을 생성하는 전류 제어기; 및 상기 고주파 전압지령 생성기에서 생성된 고주파 전압지령 및 상기 전류 제어기에서 생성된 전압지령을 인버터에 전달하는 전달기를 포함하는 것을 특징으로 하는 권선형 동기기를 제공한다.
바람직하게는, 상기 고정자 회로 제어장치는, 상기 이동체의 위치 또는 속도를 이용하여 전류지령을 생성하는 위치/속도 제어기; 상기 이동체의 위치 또는 속도, 또는 부하의 크기에 따라 고주파 전압지령을 생성하는 고주파 전압지령 생성기; 상기 위치/속도 제어기에서 생성된 전류지령을 추종하기 위한 전압지령을 생성하는 전류 제어기; 및 상기 고주파 전압지령 생성기에서 생성된 고주파 전압지령 및 상기 전류 제어기에서 생성된 전압지령을 인버터에 전달하는 전달기를 포함하는 것을 특징으로 하는 권선형 동기기를 제공한다.
바람직하게는, 상기 위치/속도 제어기는, 상기 이동체로부터 위치 또는 속도를 감지하거나 상기 고정자 인버터 회로의 전류 및 전압으로부터 이동체의 위치 또는 속도를 추정하고, 상기 위치 또는 속도를 이용하여 전류지령을 생성하며; 상기 고주파 전압지령 생성기는, 상기 위치/속도 제어기의 감지되거나 추정된 위치 또는 속도, 또는 부하의 크기에 따라 고주파 전압지령을 생성하며; 상기 전류 제어기는, 상기 위치/속도 제어기에서 생성된 전류지령을 추종하기 위한 전압지령을 생성하는 것을 특징으로 하는 권선형 동기기를 제공한다.
바람직하게는, 상기 고주파 전압지령 생성기는, 기저 속도이상에서 약계자 제어가 필요한 경우 또는 계자전류에 의한 손실을 줄임으로써 고효율 운전이 가능한 경부하 조건에서, 회전자의 속도에 반비례하거나 또는 부하의 크기에 비례하여 고주파 전압지령을 생성하는 것을 특징으로 하는 권선형 동기기를 제공한다.
바람직하게는, 상기 고주파 전압지령 생성기는, 상기 이동체에서 요구되는 계자 전류의 크기를 고주파 전압의 크기 형태 변조(Amlitude Modulation), 고주파 전압의 주파수 형태 변조(Frequency Modulation) 및 고주파 전압의 위상 형태 변조(Phase Modulation) 중 어느 한 변조 방식을 통해 변조하여 고주파 전압지령을 생성하는 것을 특징으로 하는 권선형 동기기를 제공한다.
상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 제 2측면은, 인버터 회로가 내장된 이동체를 가지는 권선형 동기기의 제어방법에 있어서, 고정자 인버터 회로의 고주파 전압을 추정하는 단계; 상기 추정된 고정자 인버터 전압을 통해 회전자의 계자전류지령을 생성하는 단계; 상기 추정된 고정자 인버터 전압을 통해 이동체의 직류단 에너지 저장장치 전압을 추종하는 전류지령을 생성하는 단계; 및 상기 계자전류지령 생성기에서 생성된 계자전류지령 및 상기 직류단 에너지 저장장치 전압 제어기에서 생성된 고주파전류지령을 통해 이동체 회로의 전류를 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 권선형 동기기의 제어방법을 제공한다.
바람직하게는, 상기 고주파 전압을 추정하는 단계는, 상기 이동체 인버터 회로의 계자전류 및 출력 전압에 기반하여 고정자 인버터 회로의 고주파 전압을 추정하는 것을 특징으로 하는 권선형 동기기의 제어방법을 제공한다.
바람직하게는, 상기 이동체 회로의 전류를 제어하는 단계는, 상기 이동체 인버터 회로로부터 계자 전류를 되먹임하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 권선형 동기기의 제어방법을 제공한다.
바람직하게는, 상기 이동체의 직류단 에너지 저장장치 전압을 제어하는 전류지령을 생성하는 단계는, 상기 이동체 인버터 회로로부터 직류단 전압을 되먹임하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 권선형 동기기의 제어방법을 제공한다.
바람직하게는, 상기 이동체의 위치 또는 속도를 이용하여 전류지령을 생성하는 단계; 상기 이동체의 위치 또는 속도에 따라 고주파 전압지령을 생성하는 단계; 상기 전류지령을 생성하는 단계에서 생성된 전류지령을 추종하기 위한 제어전압지령을 생성하는 전류 제어단계; 및 상기 고주파 전압지령 발생단계에서 생성된 고주파 전압지령 및 상기 전류 제어단계에서 생성된 제어전압지령을 인버터에 전달하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 권선형 동기기의 제어방법을 제공한다.
바람직하게는, 상기 고주파 전압지령을 생성하는 단계는, 약계자 제어 영역에서 이동체의 속도에 반비례하는 특성, 또는 고효율 운전을 위해서는 부하에 비례하는 특성을 가진 고주파 전압지령을 생성하는 것을 특징으로 하는 권선형 동기기의 제어방법을 제공한다.
바람직하게는, 상기 고주파 전압지령 및 상기 전압지령을 인버터에 전달하는 단계는, 펄스폭 변조(PWM)의 형태로 인버터에 전달되는 것을 특징으로 하는 권선형 동기기의 제어방법 을 제공한다.
바람직하게는, 상기 고주파 전압지령을 생성하는 단계는, 상기 이동체에서 요구되는 계자 전류의 크기를 고주파 전압의 크기 형태 변조(Amlitude Modulation), 고주파 전압의 주파수 형태 변조(Frequency Modulation) 및 고주파 전압의 위상 형태 변조(Phase Modulation) 중 어느 한 변조 방식을 통해 변조하여 고주파 전압지령을 생성하는 것을 특징으로 하는 권선형 동기기의 제어방법을 제공한다.
상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 제 3측면은, 권선형 동기기의 고정자 인버터 회로의 전류 및 전압으로부터 이동체의 위치 또는 속도를 추정하는 방법을 제공한다.
본 발명에 의하면, 희토류 영구자석의 사용의 증가에 따른 수급 차질 및 이에 따른 자원 확보와 가격 상승의 문제를 해결할 수 있다.
또한, 희토류 영구자석 동기기에 비해 계자전류를 용이하게 제어함으로써 운전영역을 더 확보할 수 있다.
또한, 별도의 전원이 필요 없는 여자회로가 포함된 회전자를 가진 권선형 동기기를 구현할 수 있다.
도1은 종래의 일반적인 3상 전압형 인버터 연결 동기기를 도시한 것이다.
도2는 브러시와 여자회로를 제거한 반파 정류형 브러시리스 동기기를 도시한 것이다.
도3은 본 발명인 인버터 회로가 내장된 회전자를 가지는 권선형 동기기의 개괄적인 구성을 도시한 것이다.
도4은 회전자의 H-bridge 인버터 회로 및 회전자 회로 제어장치를 도시한 것이다.
도5는 회전자의 수정된 H-bridge 인버터회로 및 회전자 회로 제어장치를 도시한 것이다.
도6은 회전자의 3상 인버터 회로 및 회전자 회로 제어장치를 도시한 것이다.
도7은 회전자 회로 제어장치의 내부를 블록도로 도시한 것이다.
도8은 회전자에서의 동기기 제어과정을 블록도로 도시한 것이다.
도9는 고정자 회로 제어장치의 내부를 블록도로 도시한 것이다.
도10은 고정자 인버터회로 및 고정자 회로 제어장치를 도시한 것이다.
도11은 고정자에서의 동기기 제어과정을 블록도로 도시한 것이다.
도12는 고주파 전압 추정을 위한 교류 성분에 대한 회전자 d-축 등가회로를 도시한 것이다.
도13은 약계자 운전을 위해, 기저 속도(base speed)에 대한 회전자의 속도에 따른 계자 전류 및 고정자 주입 전압의 실시예를 도시한 것이다.
도14는 선형 동기기의 일 실시예를 도시한 것이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도3은 본 발명인 인버터 회로가 내장된 이동체를 가지는 권선형 동기 전동기 또는 발전기를 포함하는 권선형 동기기의 개괄적인 구성을 도시한 것이다. 본 발명에서는 회전기기를 대상으로 그 원리를 설명하나, 인버터 회로가 내장된 가동자(Mover)를 가지는 권선형 선형기기에 대해서도 동일한 구성과 원리를 적용할 수 있음은 자명하다. 이동체는 회전기기의 회전자와 선형기기의 가동자를 모두 포함하는 용어이다. 도3을 참조하면, 도2의 권선형 동기기의 회전자 부분이 다이오드가 아니라 회전자 인버터 회로 및 회전자 회로 제어장치와 연결되어있음을 알 수 있다. 본 발명의 핵심인 회전자 인버터 회로와 회전자 회로 제어장치에 대한 상세한 내용은 후술한다. 또한 도3에서는 고정자인버터 회로 및 고정자 회로 제어장치를 확인할 수 있다. 고정자 인버터 회로는 일반적인 3상 전동기 구동용 인버터와 동일하다. 다만 고정자 회로 제어장치의 경우 회전자 회로에 고주파 전압을 전달해야 되는 특성을 갖고 있기 때문에, 종래 공지기술과는 다른 구성과 특성을 갖게 된다.
본 발명에서 제안하는 동기기와 그 주변 회로의 동작 원리의 일 실시예는 다음과 같다. 기본적으로 고정자 인버터 회로 및 고정자 회로 제어장치는 영구자석 동기기와 동일한 방식으로 된다. 기본적인 제어와 더불어, 회전자 회로에 전력을 공급하기 위하여 회전자 회로와 자기적으로 연결된 축으로 정현파 고주파 교류 전압을 인가하게 된다. 본 발명에서는 편의상 정현파로 가정하였지만 구형파를 비롯한 모든 형태의 교류 전압 또는 전류가 인가가 가능하다는 점은 자명하다. 고정자 회로에 인가된 고주파 교류 전압 및 전류의 전자기 유도 현상에 의해 회전자의 계자 권선에는 고주파의 전압/전류가 발생하게 된다. 회전자 회로의 능동적인 스위칭이 없다고 가정하면, 회전자 회로의 전압/전류는, 도5의 회로의 다이오드에 의해 별도의 제어 없이 회전자 직류단의 캐패시터를 충전하게 된다. 본 실시예에서는 직류단 에너지 저장 장치로 캐패시터를 사용하였으나, 배터리 또는 슈퍼 캐패시터를 에너지 저장 장치로 사용할 수 있다. 후술할 예정이지만, 도5의 수정된 H bridge 인버터회로는 인버터 회로의 한 실시예이며, 단상 반파 인버터 회로, 단상 전파 인버터 회로, 다상 인버터 회로, 멀티레벨 인버터 회로, 단방향 전류 통전을 고려한 수정된 다상인버터 회로, 단방향 전류 통전을 고려한 수정된 멀티레벨 인버터 회로를 포함한 여러 다양한 형태의 회로가 모두 인버터 회로로서 사용될 수 있다. 일정 전압 이상으로 직류단의 캐패시터가 충전되면, 이 전압을 이용하여 도5의 회로에서 반도체 소자(예를 들면, 트랜지스터) 및 다이오드의 역병렬로 표현된 능동 스위치를 구동하기 위한 회전자 제어회로의 운전이 가능해지고, 능동적인 스위칭 운전이 가능해진다. 즉 회전자 내부에서 별도로 전원을 공급할 필요가 없이, 고정자에서 제공하는 고주파 전압을 통해 회전자 능동소자 및 회전자 회로 제어 장치의 작동 전력과 계자 전류에 의한 회전자 회로의 손실을 보전할 수 있는 전력을 확보하는 데에 본 발명의 의의가 있다. 회전자 인버터 회로는 고정자로부터 인가되는 고주파 전압의 형태와 주파수에 따라 적절한 전압을 출력하여 계자 전류를 임의의 형태로 제어 할 수 있다. 본 발명에서 제시한 바와 같이 권선형 동기기의 동기운전을 위해서는 계자 전류를 직류로 제어할 필요가 있다. 이 과정에서는 회전자의 저항과 반도체 소자의 스위칭에 의한 전력 손실로 인하여 회전자 직류단 캐패시터 전압이 감소하게 된다. 이를 방지하기 위하여 손실에 해당하는 만큼의 전력을 고정자로부터 인가되는 고주파 전압/전류를 통해 연속적으로 공급하여야 한다. 이는 회전자 인버터의 직류단 전압 제어를 통해 구현될 수 있다. 상세한 전압 제어 과정은 후술한다.
회전자에 연결되는 인버터 회로는 단상 인버터회로와 다상 인버터 회로 모두 가능하며 극수와 상관없이 다극 인버터 회로도 가능하다. 또한 고정자의 고주파 전력으로부터 전력을 공급 받아 회전자의 전류를 제어할 수 있는 다양한 형태의 전력 변환 장치가 사용될 수 있다. 도4는 H모양의 bridge 형태로 구성된 단상 인버터(H-bridge 인버터) 회로를 도시한 것이다. 일반적으로 단상 인버터의 구현은 트랜지스터와 역병렬 다이오드를 연결로써 구성된다. 또한 통상 계자 전류의 여자(excitation)를 위한 직류성분이 전력을 공급받기 위한 교류성분에 비해 크고 전류의 방향이 일정하기 때문에 도5와 같이 도4에 비해 트랜지스터 2개를 제거한 수정된 단상 H-bridge 인버터를 사용하는 것도 가능하다. 더불어 도5에서는 캐패시터 전압, 계자전류 및 인버터 회로를 제어하는 회전자 회로제어장치가 연결되어 도시되어 있다. 도4의 기본적인 단상 H-bridge 회로에 마찬가지 방식으로 회전자 회로 제어 장치가 연결될 수 있다.
도6에서는 3상 인버터 회로를 도시한다. 도5와 마찬가지로 캐패시터 전압, 계자전류 및 인버터 회로를 제어하는 회전자 회로제어장치가 연결될 수 있다. 또 도5와 마찬가지로 계자 전류의 여자(excitation)를 위한 직류성분이 전력을 공급받기 위한 교류성분에 비해 크고 전류의 방향이 일정한 경우 6개의 트랜지스터 중에서 3개는 생략할 수도 있다.
도7은 회전자 회로 제어장치의 내부 구성도를 도시한 것이다. 회전자 회로 제어장치(700)는 고정자 인버터 전압 추정기(710), 계자 전류 지령 생성기(720), 직류단 캐패시터 전압 제어기(730), 전류 제어기(740)으로 구성된다. 고정자 인버터 전압 추정기(710)는 고정자 인버터 회로의 고주파 전압을 추정하는 역할을 한다. 고정자 인버터 전압 추정기(710)는 회전자 인버터회로의 계자전류 및 출력전압으로부터 고주파 전압을 추정할 수 있다. 추정 과정은 선형 관측을 통해서 이루어질 수 있다. 교류 성분에 대한 회전자 좌표계 d-축 등가회로를 도시한 도12를 보면 고정자에서 인가한 고주파전압 Vrdsh와 회전자 인버터에서 인가한 전압 Vfd에 의하여 계자 전류 ifd가 결정되므로, 옴의 법칙을 이용하여 간단하게 고주파 전압을 추정할 수 있다. 계자전류지령 생성기(720)는 추정된 고정자 인버터 전압을 통해 회전자의 계자전류지령을 생성하는 역할을 한다. 회전자의 계자를 형성하기 위한 전류는 직류성분이다. 직류단 캐패시터 전압 제어기(730)는 추정된 고정자 인버터 전압을 통해 회전자의 직류단 캐패시터 전압을 추종하는 고주파 전류지령을 생성한다. 전력제어를 위한 회전자 권선의 전류는 고주파 성분의 교류이다. 직류 성분과 고주파 성분의 전류는 독립적이므로 중첩의 원리에 의하여 그 크기를 조절할 수 있다. 본 발명의 한 실시예에서는, 고주파 전압이 동기기의 약계자 영역에서 회전자의 속도에 반비례하여 크기를 조절할 수 있는 경우, 회전자 제어장치에서는 이 고주파 전압의 크기를 이용하여 계자 전류의 지령을 생성할 수도 있다. 회전자의 속도가 기저속도(Wr_base) 이상이 되면, 즉 기저 속도 이상에서 약계자 제어가 필요한 경우에, 또는 부하가 적어 계자전류에 의한 손실을 줄임으로써 효율을 개선시킬 가능성이 있는 경우, 고정자에서 주입하는 고주파 전압의 크기를 감소하도록 설계할 수도 있다. 회전자 제어장치에서는 고주파 전압의 크기를 실시간으로 감시하고 전압이 줄어들 경우, 계자 전류의 지령도 함께 바뀌도록 할 수 있다. 계자 전류의 크기가 감소하게 되면 이로 인해 발생하는 고정자 권선의 역기전력이 감소하게 되므로 전압 제한치를 초과하지 않으면서 넓은 속도 영역에서의 동기기의 운전이 가능하다. 다른 실시예에서는 동기기가 경부하(light load)로 운전 될 경우 고정자 주입 전압을 줄임으로써 여자 전류에 의한 손실을 줄여 동기기의 운전 효율을 개선할 수 있다. 전류제어기(740)는 계자전류지령과 고주파 전류지령을 모두 받아 전류를 제어한다. 동시에 회전자 인버터 회로로부터 계자 전류를 감지함으로써 되먹임(feedback)을 이용하여 안정적으로 전류를 제어할 수 있다. 직류단 캐패시터 전압 제어기(730) 또한 회전자 인버터 회로로부터 직류단 전압을 감지하여 되먹임함으로써 안정적으로 전압을 제어할 수 있게 된다.
도8은 회전자 제어회로의 제어과정을 도시한 것이다. 회전자 인버터 회로에서 계자 전류와 직류단 캐패시터 전압을 감지하여 고정자 인버터 전압을 추정(802)하고, 추정된 고정자 인버터 전압을 통해 회전자의 계자 전류 지령을 생성하며(803) 이와 동시에 직류단 캐패시터 전압을 추종하는 고주파 전류지령을 생성하고(804) 계자 전류 지령과 고주파 전류 지령을 통해 전류를 제어하고(805), 동시에 회전자 인버터 회로로부터 계자전류를 되먹임하며, 직류단 캐패시터 전압을 직류단 캐패시터 전압 제어기에 되먹임하는 일련의 과정을 도시한다. 도13은 본 발명의 실시예로 모의 실험을 통해 구현된 속도에 따른 계자 전류와 고정자 주입 전압의 관계를 도시한 것이다. 속도에 따라 주입 전압의 크기를 조절하도록 고정자 제어기를 설계하여, 속도가 기저 속도 이상이 되면서 주입 전압의 크기가 바뀌는 것을 볼 수 있다. 회전자 제어장치에서는 주입 전압의 변화량에 따라 계자 전류의 크기를 변경하는 것을 확인할 수 있다. 도13에서 계자 전류는 천천히 변화하는 직류 성분과 일정한 주파수의 교류 성분을 함께 가지고 있는데, 직류 성분은 동기기의 토크를 발생시키기 위한 계자 전류성분이며, 교류 전류는 고정자로부터 회전자로의 전력 전달을 위한 고주파 전류성분이다
도9는 고정자 인버터 회로 및 고정자 회로 제어장치를 나타낸 것이다. 일반적인 3상회로 제어장치와 기본적으로 그 구조는 동일하다. 회전자에 연결되는 인버터 회로와 마찬가지로 고정자 인버터 회로 또한 3상 이상의 다상 인버터 회로 모두 가능하며 극수와 상관없이 다극 동기기도 가능하다.
도10은 고정자 회로 제어장치의 내부구조를 나타낸 것이다. 위치/속도 제어기(1010), 전류 제어기(1020), 고주파 전압지령 생성기(1030)가 포함된다. 본 실시예에서는 위치/속도 제어기를 포함하는 고정자 회로의 제어 장치에 대하여 설명하고 있으나, 응용 분야에 따라서는 위치/속도 제어기 없이 직접 토크 또는 힘 지령을 입력으로 받아 전류 지령을 생성하는 전류지령 생성기를 포함할 수도 있다. 일반적인 3상회로 제어장치와 구조적으로 다른 것은 고주파 전압지령 생성기(1030)가 있다는 점이다. 전술한 바와 같이 고정자 고주파 전압지령 생성기(1030)에서 기인된 고주파 전압이 회전자의 캐패시터를 충전하여 능동소자의 구동이 가능해지며, 손실 전력을 보전할 수 있다. 위치/속도 제어기(1010)는 이동체로부터 위치 또는 속도를 감지하거나 상기 고정자 인버터 회로의 전류, 전압으로부터 이동체의 위치 또는 속도를 추정할 수 있다. 이동체의 위치 또는 속도를 추정하기 위해 먼저, 고정자 인버터 회로의 고주파 전압의 주파수 또는 위상을 이용하여 고정자 인버터 회로의 전류로부터 위치 추정에 필요한 전류 성분만을 추출하는 복조(demodulation)를 실행한다. 실행된 복조 과정에서의 출력값은 회전자 위치의 오차에 비례하는 값이 나오게 되며, 이러한 위치 오차가 줄어들도록 위치/속도 관측기를 구성하여 위치 또는 속도를 추정할 수 있다.
본 실시예에서는 감지된 속도를 이용하여 전압을 제어하는 방식을 다루도록 한다. 감지된 속도를 이용하여 전류지령을 생성한다. 이 경우 전류지령 대신에 토크지령을 생성할 수도 있다. 본 실시예에서는 전류지령을 생성한 경우를 설명한다. 전류 제어기(1020)는 위치/속도 제어기(1010)에서 생성된 전류지령을 추종하기 위한 전압지령을 생성한다. 고주파 전압 지령 생성기(1030)는 위치/속도 제어기(1010)에서 감지한 회전자의 속도에 기반하여 고주파 전압 지령을 생성한다. 본 발명에서는 고주파 전압을 편의상 정현파로 가정하였지만 구형파를 비롯한 모든 형태의 교류 전압 또는 전류의 인가가 가능하다는 점은 자명하다. 고주파 전압지령은 회전자의 속도에 반비례하여 크기를 조절하도록 할 수 있다. 전류 제어기(1020)에서 생성된 전압지령과 고주파 전압지령 생성기(1030)에서 생성된 고주파 전압지령은 인버터에 중첩하여 전달기에 의해 전달되게 된다. 인버터 전달 과정은 직사각형 펄스의 폭을 변화시키는 펄스폭 변조(PWM; Pulse Width Modulation)방식을 통하여 수행될 수 있다. 또한 전류 제어기는 고정자 전류를 되먹임하여 안정적인 전류 제어를 할 수 있다.
도11은 고정자 제어회로의 제어과정을 도시한 것이다. 동기기 회전자로부터 위치 또는 속도를 감지하고, 감지된 위치 또는 속도에 따라 전류지령을 생성하며(1101), 감지된 위치 또는 속도에 따라 고주파 전압지령을 생성하고(1102), 전류지령을 추종하는 제어전압지령을 생성하고(1103) 고주파 전압지령과 제어전압지령이 인버터에 전달되며, 인버터가 동기기를 구동하는 일련의 과정을 도시한다.
도14는 본 발명이 적용된 선형 동기기의 한 실시예이다. 도14에서는 가동자(1401), 가동자 코일(1402), 고정자 코일(1403), 고정자(1404)가 표현된 선형기가 도시되어 있다. 선형기는 통상 가동 권선형(고정자가 영구자석인 형태) 혹은 가동 자석형을 주로 사용한다. 가동 권선형의 경우, 가동자에 전력을 공급하기 위해 선형기의 이동방향과 평행하게 운반대(Carriage)를 설치하여 전력선이 가동자와 함께 움직이도록 한다. 본 발명을 적용하여 고정자를 권선형으로 바꾸게 되면, 이러한 운반대와 전력선을 제거하거나 크게 줄일 수 있게 된다. 마찬가지로, 가동 자석형의 경우, 가동자의 영구자석을 권선형으로 바꿀 경우, 별도의 전력선이 없이 운전이 가능하다. 따라서 선형기의 이동거리(Stroke)가 길수록 운반대가 커지므로, 본 발명의 적용이 유리하다.
본 실시형태의 모듈, 기능 블록들 또는 수단들은 전자 회로, 집적 회로, ASIC(Application Specific Integrated Circuit) 등 공지된 다양한 소자들로 구현될 수 있으며, 그 소자들에 내장된 소프트웨어(software) 혹은 하드웨어(hardware)로써 각각 별개로 구현되거나 2 이상이 하나로 통합되어 구현될 수 있다.
이상과 같이 본 발명의 이해를 위하여 그 실시예를 기술하였으나, 당업자라면 알 수 있듯이, 본 발명은 본 명세서에서 기술된 특정 실시예에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 범주를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형, 변경 및 대체될 수 있다. 따라서, 본 발명의 진정한 사상 및 범주에 속하는 모든 변형 및 변경을 특허청구범위에 의하여 모두 포괄하고자 한다.
본 발명에 의하면, 희토류 영구자석의 사용의 증가에 따른 수급 차질 및 이에 따른 자원 확보와 가격 상승의 문제를 해결할 수 있다.
또한, 희토류 영구자석 동기기에 비해 계자전류를 용이하게 제어함으로써 운전영역을 더 확보할 수 있다. 또 약계자 운전시 계자 전류의 크기를 직접 제어함으로써 희토류 영구 자석 전동기에 비해 고효율 운전이 가능하다.
또한, 별도의 전원이 필요 없는 여자회로가 포함된 회전자를 가진 권선형 동기기를 구현할 수 있다.

Claims (23)

  1. 인버터 회로가 내장된 이동체를 가지는 권선형 동기 전동기 또는 발전기를 포함하는 권선형 동기기에 있어서,
    상기 권선형 동기기의 고정자에 연결된 고정자 인버터 회로;
    상기 고정자 인버터 회로에 연결되어 상기 고정자 인버터 회로를 제어하는 고정자 회로 제어장치;
    상기 이동체에 감긴, 단일 단상 코일 또는 중성점이 하나인 다상 코일로 이루어진 이동체 권선;
    상기 권선형 동기기의 이동체에 연결된 이동체 인버터 회로; 및
    상기 이동체 인버터 회로에 연결되어 상기 이동체 인버터 회로를 제어하는 이동체 회로 제어장치를 포함하되,
    상기 이동체 회로 제어장치는 상기 고정자 인버터 회로로부터 상기 이동체 인버터 회로로 전달되는 전력의 크기를 제어하는 것을 특징으로 하는 권선형 동기기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 이동체 회로 제어장치는,
    상기 고정자 인버터 회로의 고주파 전압을 추정하는 고정자 인버터 전압 추정기;
    이동체의 계자전류지령을 생성하는 계자전류지령 생성기;
    이동체의 직류단 에너지 저장장치 전압을 추종하는 전류지령을 생성하는 직류단 에너지 저장장치 전압 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 권선형 동기기.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 계자전류지령 생성기는,
    상기 추정된 고정자 인버터 전압을 통해 이동체의 계자전류지령을 생성하고;
    상기 직류단 에너지 저장장치 전압 제어기는,
    상기 추정된 고정자 인버터 전압을 통해 이동체의 직류단 에너지 저장장치 전압을 추종하는 전류지령을 생성하며;
    상기 이동체 회로 제어장치는,
    상기 계자전류지령 생성기에서 생성된 계자전류지령 및 상기 직류단 에너지 저장장치 전압 제어기에서 생성된 고주파 전류지령을 통해 이동체 회로의 전류를 제어하는 전류 제어기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 권선형 동기기.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 고정자 인버터 전압 추정기는,
    상기 이동체 인버터 회로의 계자전류 및 출력 전압에 기반하여 상기 고정자 인버터 회로의 고주파 전압을 추정하는 것을 특징으로 하는 권선형 동기기.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 전류 제어기는,
    상기 이동체 인버터 회로로부터 상기 계자 전류를 되먹임하는 것을 특징으로 하는 권선형 동기기.
  6. 제 3항에 있어서,
    상기 직류단 에너지 저장장치 전압 제어기는,
    상기 이동체 인버터 회로로부터 상기 직류단 에너지 저장장치 전압을 되먹임하는 것을 특징으로 하는 권선형 동기기.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 이동체 인버터 회로는,
    H-bridge 인버터 회로, 단방향 전류만 제어 가능한 H-bridge 인버터 회로, 다상 인버터 회로, 단상 멀티레벨 인버터 회로, 다상 멀티레벨 인버터 회로 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 권선형 동기기.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 이동체 인버터 회로는,
    다상 및 다극 인버터 회로인 것을 특징으로 하는 권선형 동기기.
  9. 삭제
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 고정자 회로 제어장치는,
    토크 또는 힘 지령으로부터 전류 지령을 생성하는 전류지령 생성기;
    상기 이동체의 위치 또는 속도, 또는 부하의 크기에 따라 고주파 전압지령을 생성하는 고주파 전압지령 생성기;
    상기 전류지령 생성기에서 생성된 전류지령을 추종하기 위한 전압지령을 생성하는 전류 제어기; 및
    상기 고주파 전압지령 생성기에서 생성된 고주파 전압지령 및 상기 전류 제어기에서 생성된 전압지령을 인버터에 전달하는 전달기를 포함하는 것을 특징으로 하는 권선형 동기기.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 고정자 회로 제어장치는,
    상기 이동체의 위치 또는 속도를 이용하여 전류지령을 생성하는 위치/속도 제어기;
    상기 이동체의 위치 또는 속도, 또는 부하의 크기에 따라 고주파 전압지령을 생성하는 고주파 전압지령 생성기;
    상기 위치/속도 제어기에서 생성된 전류지령을 추종하기 위한 전압지령을 생성하는 전류 제어기; 및
    상기 고주파 전압지령 생성기에서 생성된 고주파 전압지령 및 상기 전류 제어기에서 생성된 전압지령을 인버터에 전달하는 전달기를 포함하는 것을 특징으로 하는 권선형 동기기.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 위치/속도 제어기는,
    상기 이동체로부터 위치 또는 속도를 감지하거나 상기 고정자 인버터 회로의 전류 및 전압으로부터 이동체의 위치 또는 속도를 추정하고, 상기 위치 또는 속도를 이용하여 전류지령을 생성하며;
    상기 고주파 전압지령 생성기는,
    상기 위치/속도 제어기의 감지되거나 추정된 위치 또는 속도, 또는 부하의 크기에 따라 고주파 전압지령을 생성하며;
    상기 전류 제어기는,
    상기 위치/속도 제어기에서 생성된 전류지령을 추종하기 위한 전압지령을 생성하는 것을 특징으로 하는 권선형 동기기.
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 고주파 전압지령 생성기는,
    기저 속도이상에서 약계자 제어가 필요한 경우 또는 계자전류에 의한 손실을 줄임으로써 고효율 운전이 가능한 경부하 조건에서, 회전자의 속도에 반비례하거나 또는 부하의 크기에 비례하여 고주파 전압지령을 생성하는 것을 특징으로 하는 권선형 동기기.
  14. 제 11항에 있어서,
    상기 고주파 전압지령 생성기는, 상기 이동체에서 요구되는 계자 전류의 크기를 고주파 전압의 크기 형태 변조(Amlitude Modulation), 고주파 전압의 주파수 형태 변조(Frequency Modulation) 및 고주파 전압의 위상 형태 변조(Phase Modulation) 중 어느 한 변조 방식을 통해 변조하여 고주파 전압지령을 생성하는 것을 특징으로 하는 권선형 동기기.
  15. 인버터 회로가 내장된 이동체를 가지는 권선형 동기 전동기 또는 발전기를 포함하는 권선형 동기기의 제어방법에 있어서,
    고정자 인버터 회로의 고주파 전압을 추정하는 단계;
    상기 추정된 고정자 인버터 전압을 통해 회전자의 계자전류지령을 생성하는 단계;
    상기 추정된 고정자 인버터 전압을 통해 이동체의 직류단 에너지 저장장치 전압을 추종하는 전류지령을 생성하는 단계; 및
    상기 계자전류지령 생성기에서 생성된 계자전류지령 및 상기 직류단 에너지 저장장치 전압 제어기에서 생성된 고주파전류지령을 통해 이동체 회로의 전류를 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 권선형 동기기의 제어방법.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 고주파 전압을 추정하는 단계는,
    상기 이동체 인버터 회로의 계자전류 및 출력 전압에 기반하여 고정자 인버터 회로의 고주파 전압을 추정하는 것을 특징으로 하는 권선형 동기기의 제어방법.
  17. 제 15항에 있어서,
    상기 이동체 회로의 전류를 제어하는 단계는,
    상기 이동체 인버터 회로로부터 계자 전류를 되먹임하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 권선형 동기기의 제어방법.
  18. 제 15항에 있어서,
    상기 이동체의 직류단 에너지 저장장치 전압을 제어하는 전류지령을 생성하는 단계는,
    상기 이동체 인버터 회로로부터 직류단 에너지 저장장치 전압을 되먹임하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 권선형 동기기의 제어방법.
  19. 제 15항에 있어서,
    상기 이동체의 위치 또는 속도를 이용하여 전류지령을 생성하는 단계;
    상기 이동체의 위치 또는 속도에 따라 고주파 전압지령을 생성하는 단계;
    상기 전류지령을 생성하는 단계에서 생성된 전류지령을 추종하기 위한 제어전압지령을 생성하는 전류 제어단계; 및
    상기 고주파 전압지령 발생단계에서 생성된 고주파 전압지령 및 상기 전류 제어단계에서 생성된 제어전압지령을 인버터에 전달하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 권선형 동기기의 제어방법.
  20. 제 19항에 있어서,
    상기 고주파 전압지령을 생성하는 단계는,
    약계자 제어 영역에서 이동체의 속도에 반비례하는 특성, 또는 고효율 운전을 위해서는 부하에 비례하는 특성을 가진 고주파 전압지령을 생성하는 것을 특징으로 하는 권선형 동기기의 제어방법.
  21. 제 19항에 있어서,
    상기 고주파 전압지령 및 상기 전압지령을 인버터에 전달하는 단계는,
    펄스폭 변조(PWM)의 형태로 인버터에 전달되는 것을 특징으로 하는 권선형 동기기의 제어방법.
  22. 제 20항에 있어서,
    상기 고주파 전압지령을 생성하는 단계는,
    상기 이동체에서 요구되는 계자 전류의 크기를 고주파 전압의 크기 형태 변조(Amlitude Modulation), 고주파 전압의 주파수 형태 변조(Frequency Modulation) 및 고주파 전압의 위상 형태 변조(Phase Modulation) 중 어느 한 변조 방식을 통해 변조하여 고주파 전압지령을 생성하는 것을 특징으로 하는 권선형 동기기의 제어방법.
  23. 제 10항에 따른 상기 권선형 동기기의 고정자 인버터 회로의 전류 및 전압으로부터 이동체의 위치 또는 속도를 추정하는 방법.
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