KR101572978B1 - 교류전기기계 및 그것을 포함하는 구동장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 제 2 에너지 전달부의 전류 고조파 특성을 개선한 교류전기기계 및 그것을 포함하는 교류전기기계 구동 장치에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 교류전기기계는 제 2 에너지 전달부와 자기적으로 결합하는 제 1 에너지 전달부, 적어도 둘 이상의 3상 권선부들을 포함하는 제 2 에너지 전달부, 제 1 에너지 전달부와 적어도 둘 이상의 3 상 권선부들을 자기적으로 연결하는 코어 및 적어도 둘 이상의 3 상 권선부들을 전기적으로 직접 연결하는 연결부를 포함하고, 연결부에 의해, 적어도 둘 이상의 3상 권선부들은 하나의 델타 결선된 권선부를 등가적으로 구성한다.

Description

교류전기기계 및 그것을 포함하는 구동장치{ELECTRICAL MACHINE AND DRIVING APPARATUS INCLUDING THE SAME}
본 발명은 교류전기기계 및 그것을 포함하는 구동 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전력변환 장치와 연결된 권선의 전류 고조파 특성을 개선한 교류전기기계 및 그것을 포함하는 구동장치에 관한 것이다.
최근 들어 풍력, 태양광과 같은 신재생 에너지의 전력 계통 연결, 또는 전력 계통 지원을 위한 대용량 배터리 에너지 저장 장치의 계통 연결에 대해 많은 응용 예가 있으며, 이에 대한 관심이 급속히 증가하고 있다. 신재생 에너지원 또는 연료 전지, 배터리와 같은 새로운 전력원을 기존의 전력 계통에 연결하기 위해서는 통상 전력변환장치를 통하여 전력원이 계통에 연결되게 된다. 이러한 전력변환장치는 일반적으로 PWM(Pulse Width Modulation)을 이용하여 계통 측 전압을 합성하므로 계통 전류에 고조파 성분들이 포함될 수 있다. 따라서, 풍력, 태양광, 연료전지, 배터리 등과 같은 새로운 전력원을 전력변환장치를 통하여 기존 계통에 연결할 경우, IEEE Std. 1547이나 IEEE Std. 519와 같은 국제 기준 또는 각국의 규제 기관이 정한 고조파 기준을 만족해야 한다.
PWM 주파수가 높아지면 전력변환장치의 출력 고조파 특성은 쉽게 향상될 수 있는 반면에, 스위칭 손실이 증가하여 전체적인 변환 효율이 감소된다. 나아가, 너무 높은 PWM 주파수는 EMI(Electromagnetic Interference) 문제를 야기할 수도 있다. PWM 주파수가 낮은 전력변환장치를 사용할 경우, 상대적으로 장치의 무게 및 부피가 증가하게 되는 것은 물론이고, 관련 규정에서 정한 고조파 기준을 만족시키기 위해 고조파 억제 필터를 추가적으로 설치해야 하는 문제점이 있다.
최근, 반도체 소자의 가격이 감소하면서 대규모 전력원을 계통에 연결하기 위하여 복수의 전력변환장치를 병렬로 운전하는 것이 용이해졌고, 병렬로 연결된 전력변환장치마다 스위칭 순간을 조금씩 다르게 함으로써 합성된 출력 전류의 고조파 맥동을 감소시키는 방법이 제안되었다. 이러한 방법은 추가적인 필터 사용을 최소화시키고, 도 1과 같은 변압기를 이용하여 용이하게 구현할 수 있다는 이점이 있다.
그러나, 이 경우에도 변압기 1차단 전류의 고조파는 병렬 연결된 전력변환장치의 PWM을 적절히 제어하여 억제할 수 있으나, 변압기 2차단에 흐르는 전류에는 여전히 고조파 전류 맥동이 크게 남아있게 되고, 이는 전체적인 실효(RMS,Root Mean Square) 전류를 증가시켜 전력변환장치의 전류 정격을 키우고, 또한 전력 변환 효율을 감소시키는 문제점을 야기하였다.
이러한 문제점은 전력변환장치와 연결된 전동기 또는 발전기의 경우에도 동일하게 나타날 수 있다. 전동기 또는 발전기는 자기적인 결합을 통해 에너지를 전달한다는 측면에서, 구동 원리가 변압기와 매우 유사하다. 예를 들어, 전동기의 경우, 고정자 권선에 교류 전류를 흘리면 공간에 회전하는 자속을 만들 수 있고, 이는 회전자로 하여금 회전을 일으키는 토크를 발생시킨다. 이 때, 전동기 구동에 사용되는 전력변환장치가 PWM을 사용함에 따라, 고정자 권선에 흐르는 전류에는 회전에 필요한 토크를 발생시키는 주파수 성분 외에 스위칭 주파수 대역의 고조파 성분도 포함되게 된다. 이러한 전동기 구동 전류의 고조파 성분 역시 앞서 언급한 바와 같이 RMS 전류를 증가시켜, 전력변환장치의 전류 정격을 증가시키고 전력 변환 효율을 감소시키는 문제점을 야기할 수 있다.
또, 교류전기기계 구동을 위한 전력변환장치는 대상 교류전기기계의 용량이 커지게 되면, 스위칭 주파수를 높여 전류 맥동을 줄이는 것에 한계가 존재하므로, 낮은 스위칭 주파수를 유지하면서 고정자에 흐르는 전류 맥동을 줄일 필요가 있다.
미국등록특허공보 US 제 5177460 호(1993. 01. 05 발행) 미국등록특허공보 US 제 4675591 호(1987. 06. 23 발행)
본 발명의 일 측면에 따르면, 교류전기기계의 복수의 3상 권선부를 포함하는 제 2 에너지 전달부의 권선에 전력변환장치와의 새로운 연결 방식을 적용함으로써, 제 2 에너지 전달부의 전류의 고조파 특성을 향상시킨 교류전기기계 및 그것을 포함하는 교류전기기계 구동 장치를 제공할 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 전력 변환 효율이 향상된 교류전기기계 및 그것을 포함하는 교류전기기계 구동 장치를 제공할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 측면에 따르면, 더 낮은 정격 전류를 갖는 소자들로 구성되어, 제작 비용을 감소시킨 교류전기기계 및 그것을 포함하는 교류전기기계 구동 장치를 제공할 수 있다.
본 발명의 실시 예들에 따른 교류전기기계는, 제 2 에너지 전달부와 자기적으로 결합하는 제 1 에너지 전달부; 적어도 둘 이상의 3상 권선부들을 포함하는 제 2 에너지 전달부; 상기 제 1 에너지 전달부와 상기 적어도 둘 이상의 3상 권선부들을 자기적으로 연결하는 코어; 및 상기 적어도 둘 이상의 3상 권선부들을 전기적으로 직접 연결하는 연결부를 포함하고, 상기 연결부에 의해, 상기 적어도 둘 이상의 3상 권선부들에 포함된 권선들은 하나의 델타(Delta,Δ) 결선된 권선부를 등가적으로 구성한다.
실시 예로서, 상기 교류전기기계는 변압기이며, 상기 제 1 에너지 전달부는 변압기 1차단이고, 상기 제 2 에너지 전달부는 변압기 2차단이며, 상기 코어는 변압기 코어이다.
실시 예로서, 상기 교류전기기계는 전동기 또는 발전기이며, 상기 제 1 에너지 전달부는 회전자이고, 상기 제 2 에너지 전달부는 고정자이며, 상기 코어는 고정자 코어이다.
실시 예로서, 상기 델타 결선된 권선부의 권선들 사이의 노드들에는 적어도 둘 이상의 3상 전원들의 선 전압들 또는 선간 전압들이 연결된다.
실시 예로서, 상기 노드들과 상기 선전압들 또는 선간 전압들은 각각 일대일로 연결된다.
실시 예로서, 상기 적어도 둘 이상의 3상 전원들의 선 전압들 또는 선간 전압들은 대응하는 3상 전원별로 각각 델타결선 또는 Y 결선을 구성한다.
실시 예로서, 상기 적어도 둘 이상의 3상 전원들은 3상 PWM(Pulse Width Modulation) 전원 또는 단상 PWM 전원 3개가 조합된 전원들이다.
실시 예로서, 상기 델타 결선된 권선부의 권선들 사이의 노드들에는 적어도 둘 이상의 3상 부하들의 3상 전력 입력 단자들이 연결된다.
실시 예로서, 상기 노드들과 상기 3상 전력 입력 단자들은 각각 일대일로 연결된다.
본 발명의 실시 예들에 따른 교류전기기계 구동장치는, 제 2 에너지 전달부와 자기적으로 결합하는 제 1 에너지 전달부; 적어도 둘 이상의 3상 권선부들을 포함하는 제 2 에너지 전달부; 상기 제 1 에너지 전달부와 상기 적어도 둘 이상의 3상 권선부들을 자기적으로 연결하는 코어; 및 상기 적어도 둘 이상의 3상 권선부들을 전기적으로 직접 연결하는 연결부를 포함하고, 상기 연결부에 의해, 상기 적어도 둘 이상의 3상 권선부들은 하나의 델타(Delta,Δ) 결선된 권선부를 등가적으로 구성하는, 교류전기기계; 및 상기 제 2 에너지 전달부의 적어도 둘 이상의 3상 권선부들과 전기적으로 직접 연결되는 적어도 둘 이상의 3상 전원들을 포함한다.
실시 예로서, 상기 교류전기기계는 변압기이며, 상기 제 1 에너지 전달부는 변압기 1차단이고, 상기 제 2 에너지 전달부는 변압기 2차단이며, 상기 코어는 변압기 코어이다.
실시 예로서, 상기 교류전기기계는 전동기 또는 발전기이며, 상기 제 1 에너지 전달부는 회전자이고, 상기 제 2 에너지 전달부는 고정자이며, 상기 코어는 고정자 코어이다.
실시 예로서, 상기 적어도 둘 이상의 3상 전원들은 3상 PWM(Pulse Width Modulation) 전원 또는 단상 PWM 전원 3개가 조합된 전원들이다.
실시 예로서, 상기 델타 결선된 권선부의 권선들 사이의 노드들에는 상기 적어도 둘 이상의 3상 전원들의 선 전압들 또는 선간 전압들이 연결된다.
실시 예로서, 상기 노드들과 상기 선전압들 또는 선간 전압들은 각각 일대일로 연결된다.
본 발명의 실시 예들에 따른 교류전기기계 구동장치는, 제 2 에너지 전달부와 자기적으로 결합하는 제 1 에너지 전달부; 적어도 둘 이상의 3상 권선부들을 포함하는 제 2 에너지 전달부; 상기 제 1 에너지 전달부와 상기 적어도 둘 이상의 3상 권선부들을 자기적으로 연결하는 코어; 및 상기 적어도 둘 이상의 3상 권선부들을 전기적으로 직접 연결하는 연결부를 포함하고, 상기 연결부에 의해, 상기 적어도 둘 이상의 3상 권선부들은 하나의 델타(Delta,Δ) 결선된 권선부를 등가적으로 구성하는, 교류전기기계; 및 상기 제 2 에너지 전달부의 적어도 둘 이상의 3상 권선부들과 전기적으로 연결되는 적어도 둘 이상의 3상 부하들을 포함한다.
실시 예로서, 상기 교류전기기계는 변압기이며, 상기 제 1 에너지 전달부는 변압기 1차단이고, 상기 제 2 에너지 전달부는 변압기 2차단이며, 상기 코어는 변압기 코어이다.
실시 예로서, 상기 교류전기기계는 전동기 또는 발전기이며, 상기 제 1 에너지 전달부는 회전자이고, 상기 제 2 에너지 전달부는 고정자이며, 상기 코어는 고정자 코어이다.
실시 예로서, 상기 델타 결선된 권선부의 권선들 사이의 노드들에는 적어도 둘 이상의 3상 부하들의 3상 전력 입력 단자들이 연결된다.
본 발명의 실시 예들에 따르면, 교류전기기계 및 전력변환장치의 출력 고조파 특성이 향상된다. 또한, 교류전기기계의 복수의 3상 권선부를 포함하는 제 2 에너지 전달부의 실효전류가 감소하므로, 전체적인 전력 변환 효율이 향상되고, 더 낮은 정격 전류의 소자들로 교류전기기계 및 교류전기기계 구동장치를 구성할 수 있어 제작 비용을 절감할 수 있다.
도 1은 종래의 변압기 및 구동장치를 나타내는 회로도이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시 예에 따른, 교류전기기계 및 구동장치를 나타내는 블록도이다.
도 2b는 본 발명의 일 실시 예에 따른, 변압기 및 구동장치를 나타내는 회로도이다.
도 2c는 본 발명의 일 실시 예에 따른, 교류전기기계의 단면도 및 교류전기기계와 전력변환장치의 출력 전압의 연결을 나타내는 회로도이다.
도 3은 도 2a의 3상 PWM 전원을 하나의 예시로서 구체적으로 나타내는 회로도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른, 변압기의 2차단 권선 연결을 델타 연결의 형태로 도식화한 회로도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른, 상 순서를 달리한 변압기의 2차단 권선 연결을 나타내는 회로도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른, 3개 이상의 3상 권선부를 갖는 변압기의 2차단 권선 연결을 나타내는 회로도이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 유리한 효과를 보여주기 위해, 종래 기술에 따른 교류전기기계 구동장치 및 본 발명에 따른 교류전기기계 구동장치를 각각 시뮬레이션한 결과를 나타내는 타이밍도이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시 예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시 예는 당업자가 본 명세서를 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시 예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시 예에 관련하여 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시 예로 구현될 수 있다.
또한, 각각의 개시된 실시 예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 의도된 것이 아니며, 본 발명의 범위는 원칙적으로 첨부한 청구항들에 정해지고, 청구항들에 기재된 것 및 그와 균등한 범위의 가능한 실시 예들을 포괄한다. 유사한 참조부호가 도면들에서 사용되는 경우, 유사한 참조부호는 여러 실시 예들에 대해서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
종래의 교류전기기계 및 이를 포함하는 구동장치는 앞서 설명한 바와 같은 문제점을 가지며, 교류전기기계는 일반적으로 변압기, 전동기 및 발전기를 포괄하는 개념이다. 변압기는 전력변환장치가 연결된 변압기 권선에서 자속을 제어하여 변압기 코어를 통해 변압기의 다른 권선들과 에너지를 주고 받고, 전동기 및 발전기와 같이 고정자와 회전자를 갖는 교류전기기계는 전력변환장치에 연결된 고정자 권선에 자속 변화를 일으켜 고정자 코어와 공극을 통해 회전자와 에너지를 주고 받는다. 후술하는 종래 기술의 문제점 및 본 발명의 주요한 원리는 변압기의 2차단 권선 또는 교류전기기계의 고정자 권선 및 전력변환장치에 동일하게 적용 가능하므로, 이하, 변압기 및 전력변환장치를 예로 들어 도 1과 함께 종래 기술에 대하여 설명한다.
도 1은 종래의 변압기 및 이를 포함하는 구동장치를 나타내는 회로도이다. 도 1을 참조하면, 구동장치(10)는 변압기 1차단의 권선부(15), 변압기 2차단의 권선부(11, 13), 변압기 코어(17), 교류부하(16) 및 PWM 전원(12, 14)을 포함한다. 그 중 변압기 1차단의 권선부(15), 변압기 2차단의 권선부(11, 13) 및 변압기 코어(17)는 하나의 변압기를 구성할 수 있다.
상대적으로 낮은 PWM 주파수를 갖는 전력변환장치(예를 들어, PWM 전원(12, 14))에 있어서, 고조파 억제 필터의 사용을 줄이기 위해 도 1과 같이 변압기 2차단에 적어도 둘 이상의 전력 공급부가 병렬로 운용될 수 있다. 여기서, 전력 공급부는 하나의 PWM 전원 및 그것과 연결된 권선부로 이루어진 회로 모듈을 의미한다. 예를 들어, 제 1 PWM 전원(12)과 제 1 권선부(11), 그리고 제 2 PWM 전원(14)과 제 2 권선부(13)는 각각 하나의 전력 공급부를 구성한다. 여기서, PWM 전원들(12, 14) 각각은 3상 PWM 전원이고, 변압기 1차단과 2차단의 권선부들(11, 13, 15) 각각은 3상 권선부이다.
구동장치(10)는 PWM 전원들(12, 14)의 반송파 위상(carrier wave)을 서로 다르게 함으로써 권선부들(11, 13)에 제공되는 출력 맥동의 위상이 서로 달라지게 할 수 있다. 그리고, 이러한 고조파 맥동들은 변압기(11, 13, 17, 15)의 자기회로를 통해 합성되고, 서로의 고조파 성분이 상쇄된 상태로 변압기 1차단에 나타난다. 그 결과, 변압기 1차단에서는 훨씬 낮아진 수준의 고조파 맥동만이 나타나게 된다. 이처럼, 병렬 운용되는 복수의 전력 공급부를 적용함으로써, 서로 위상이 다른 고조파 맥동이 변압기를 통해 자기적으로 합성되므로 변압기 1차단에서의 고조파 기준은 보다 쉽게 충족될 수 있다.
그러나, 이 경우에도 변압기 2차단 권선부들(11, 13)의 전류들에 대해서는 서로 상쇄되는 효과를 기대할 수 없으므로, 여전히 변압기 2차단에는 저주파 PWM에 의한 고조파 맥동이 그대로 남아 있게 된다. 이러한 변압기 2차단의 맥동은 실효(Root Mean Square, RMS) 전류를 증가시켜 전력 변환 효율을 감소시키고, PWM 전원들(12, 14)의 스위칭 소자들이 기본파 전류에 비해 큰 정격 전류를 갖는 소자로 구성되어야 하는 문제점을 야기한다.
일반적으로 병렬 운용되는 복수의 전력 공급부에 있어서, 각각에 포함된 변압기 2차단의 권선부들(11, 13)은 서로 직접적인 전기적 연결이 없는 형태로 구성된다. 그에 반해, 본 발명은 변압기 2차단 권선부들(11, 13)간에 직접적인 전기적 연결을 생성하여, 권선부들(11, 13)에 흐르는 전류 맥동을 저감시키고 전력변환장치의 전력 변환 효율을 향상시키는 방법을 제시한다.
도 2a는 본 발명의 실시 예에 따른, 교류전기기계 및 이를 포함하는 교류전기기계 구동장치를 나타내는 회로도이다. 도 2a를 참조하면, 구동장치(100)는 제 1 에너지 전달부(160), 권선부들(110, 130)을 포함하는 제 2 에너지 전달부, 코어(180), 및 PWM 전원(120, 140)을 포함할 수 있다. 또, 구동장치(100)는 교류부하(또는, 3상 부하)(170)를 포함할 수 있다. 이 중, 제 1 에너지 전달부(160), 권선부들(110, 130)을 포함하는 제 2 에너지 전달부 및 코어(180)는 하나의 교류전기기계를 구성할 수 있다. 제 1 에너지 전달부(160)와 권선부들(110, 130)을 포함하는 제 2 에너지 전달부는 유도되는 자기적 현상으로 인해 서로 자기적으로 결합하여 에너지를 주고 받는다.
한편, 도 2a에서, 교류전기기계 제 2 에너지 전달부의 권선부들(110, 130)은 PWM 전원(120, 140)에 연결되는 것으로 예시되었으며, 이 경우 에너지 전달 방향은 제 2 에너지 전달부에서 제 1 에너지 전달부(160)로 향하게 될 것이나, 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 교류전기기계의 제 2 에너지 전달부의 권선부들(110, 130)은 PWM 전원(120, 140)을 대신하여 3상 부하(예를 들어, 충전할 배터리)와 연결될 수 있다. 이 경우, 교류전기기계 제 2 에너지 전달부의 권선부들(110, 130)의 권선들 사이의 노드들에는 3상 부하들의 3상 전력 입력 단자들이 연결될 것이다. 그리고, 에너지 전달 방향은 제 1 에너지 전달부(160)에서 제 2 에너지 전달부로 향하게 될 것이다.
실시 예로서, 교류전기기계는 제 2 에너지 전달부의 권선부들(110, 130)과 외부의 3상 전원들(여기서는 PWM 전원들(120, 140)) 또는 3상 부하들의 연결을 중계하는 3상 연결 단자들(미도시)을 더 포함할 수 있다.
도 2a에서, PWM 전원들(120, 140)과 권선부들(110, 130)은 각각 3상 전원 및 3상 권선부들이다. 교류전기기계의 제 2 에너지 전달부의 권선부들(110, 130)은 연결부(150)에 의해, 등가적으로 델타(Δ) 형태로 결선된다. 그리고, PWM 전원들(120, 140)의 각 선 전압은 델타 형태로 결선된 권선들(α1, β1, γ1, α2, β2, γ2) 사이의 노드에 인가된다.
구동장치(100)의 제 1 에너지 전달부(160), 권선부들(110, 130) 및 코어(180)로 구성되는 교류전기기계는 3상 교류전기기계이므로, 이상적으로는 권선 α, β, γ의 전압은 크기가 같고 서로 120도의 위상 차를 갖는다.
본 발명에서, 구동장치(100)는 교류전기기계의 제 1 에너지 전달부(160)의 고조파 특성을 유지하면서 교류전기기계의 제 2 에너지 전달부의 전류 고조파 맥동을 감소시키기 위해, 교류전기기계 제 2 에너지 전달부의 권선부들(110, 130)을 직접적으로 연결하는 연결부(150)를 더 포함한다.
연결부(150)는 제 1 권선부(110)의 노드들과 제 2 권선부(130)의 노드들을 결선하여, 제 1 권선부(110) 및 제 2 권선부(130)가 등가적으로 델타 결선 형태의 하나의 권선부를 형성하도록 구성된다.
본 발명은 교류전기기계의 제 2 에너지 전달부에 전력변환장치를 통해 직류 전원들을 병렬로 운용하면서, 연결부(150)를 통해 복수의 3상 권선들(α1, β1, γ1, α2, β2, γ2)을 전기적으로 연결하여 하나의 델타 권선을 형성한다. 도 2a에 예시된 두 개의 권선부(110, 130) 연결을 한 쌍의 권선부라고 정의할 때, 하나의 교류전기기계의 코어에는 여러 쌍의 권선부가 자기적으로 연결될 수 있다.
구동장치(100)의 권선부들(110, 130)을 연결하는 구체적인 원리 및 추가적인 실시 예에 대해서는 뒤에서 더욱 상세히 설명하겠지만, 본 발명의 실시 예와 같이, 권선부들(110, 130) 간의 직접적인 연결을 추가하면 교류전기기계의 제 2 에너지 전달부의 고조파 맥동이 크게 감소하게 된다. 이처럼, 교류전기기계의 제 2 에너지 전달부의 고조파 맥동을 감소시킨 구동장치(100)는 다음과 같은 유리한 효과를 갖는다.
일반적으로, 전력변환장치(120, 140)의 스위칭 소자는 이상적이지 못하여, 전류 도통 시에 얼마간의 전압 강하가 발생하게 되고, 스위치 전압 강하[V]와 도통 전류[A]의 곱만큼 도통 손실[W]이 발생한다. 나아가, 스위칭 순간에는 전압과 전류가 유한한 기울기로 증가/감소하므로 전류와 전압의 곱에 비례하는 스위칭 손실도 발생하게 된다. 따라서 이러한 도통 손실과 스위칭 손실을 줄이기 위해, 전력 전달에 기여하지 않는 기본파 성분 외의 고조파 맥동 전류는 가급적 작은 것이 유리하고, 본 발명에서는 종래의 기술에 비해 3상 PWM 전원의 출력으로부터 스위칭에 의한 맥동 전류를 감소시킬 수 있으므로, 구동장치(100)의 전력 변환 효율이 향상된다.
또한, 이러한 맥동 전류 제거를 위한 필터를 없애거나 최소화할 수 있으므로, 구동장치(100)의 제작 비용, 부피 및 무게가 감소될 수 있다. 나아가, 구동장치(100)의 효율이 향상되면, 스위칭 소자의 온도를 일정하게 유지하기 위한 방열 장치의 동작 손실을 줄일 수 있고, 방열 설계가 유리해져 구동장치(100)의 전체적인 부피와 무게를 추가적으로 더 줄일 수 있다.
도 2b는 본 발명의 실시 예에 따른, 교류전기기계 및 이를 포함하는 구동장치를 나타내는 회로도이다. 도 2b를 참조하면, 본 발명의 교류전기기계는 변압기 1차단(360), 권선부들(310, 330)을 포함하는 변압기 2차단 및 변압기 코어(380)를 포함하는 변압기일 수 있다. 또한, 교류전기기계 구동장치(300)는 변압기 1차단의 권선부(360), 변압기 2차단의 권선부들(310, 330), 변압기 코어(380), 및 PWM 전원(320, 340)을 포함할 수 있으며, 교류부하(또는, 3상 부하)(370)를 포함할 수도 있다.
도 2b에서, 변압기 1차단의 권선부(360)는 Y 결선 형태로 도시되었으나, 권선부(360)는 다른 결선 형태로도 구성될 수 있다. 예를 들어, 변압기 1차단의 권선부(360)는 델타(Δ) 결선 형태로 구성될 수 있다.
도 2b에서, PWM 전원들(320, 340)과 권선부들(310, 330, 360)은 각각 3상 전원 및 3상 권선부들이다. 변압기 2차단의 권선부들(310, 330)은 연결부(350)에 의해, 등가적으로 델타(Δ) 형태로 결선된다. 그리고, PWM 전원들(320, 340)의 각 선 전압은 델타 형태로 결선된 권선들(α1, β1, γ1, α2, β2, γ2) 사이의 노드에 인가된다.
구동장치(300)의 변압기는 3상 변압기이므로, 같은 상의 권선들(예를 들어, α1 과 α2)은 권선 번호(아래 첨자로 표시된, 1 또는 2)와 무관하게 변압기 1차단(360)의 동일한 권선(예를 들어, αp)에 대응된다.
본 발명에서, 구동장치(300)는 변압기 1차단(360)의 고조파 특성을 유지하면서 변압기 2차단의 전류 고조파 맥동을 감소시키기 위해, 변압기 2차단 권선부들(310, 330)을 직접적으로 연결하는 연결부(350)를 더 포함한다.
연결부(350)는 제 1 권선부(310)의 노드들과 제 2 권선부(330)의 노드들을 결선하여, 제 1 권선부(310) 및 제 2 권선부(330)가 등가적으로 델타 결선 형태의 하나의 권선부를 형성하도록 구성된다.
도 2c는 본 발명의 실시 예에 따른 교류전기기계 및 구동장치로서, 고정자 및 회전자를 포함하는 교류전기기계의 단면도 및 전력변환장치의 출력 전압과의 연결관계를 도시하고 있다. 여기서, 교류전기기계는 전동기 또는 발전기일 수 있다. 도 2c를 참조하면, 교류전기기계는 회전자(460), 권선들(α1, β1, γ1, α2, β2, γ2)로 구성되는 권선부들 및 고정자 코어(480)를 포괄하는 고정자를 포함할 수 있다. 또한, 교류전기기계 구동장치(400)는 본 실시예의 교류전기기계 및 PWM 전원(420, 440)을 포함할 수 있으며, 발전기로 동작하는 경우 PWM 전원은 부하로 작용할 수도 있다.
도 2c에서, 일반적인 3상 전동기 또는 발전기는 구동장치로부터 3개의 전기적 연결을 통해 에너지를 주고 받는데, 본 발명의 교류전기기계 구동장치(400)는 고정자 권선부들을 내부적으로 복수의 권선들(α1, β1, γ1, α2, β2, γ2)로 나누어 복수의 3상 PWM 전원으로부터 각 권선들이 직접 에너지를 전달받을 수 있도록 하는 연결부(450)를 더 포함한다. 연결부(450)는 제 1 권선부(α1, β1, γ1)와 제 2 권선부(α2, β2, γ2)를 연결하여, 권선들(α1, β1, γ1, α2, β2, γ2)이 등가적으로 델타(Δ) 결선 형태의 하나의 권선부를 형성하도록 구성된다. 그리고, PWM 전원들(420, 440)의 각 선 전압은 델타 형태로 결선된 권선들(α1, β1, γ1, α2, β2, γ2) 사이의 노드에 인가된다.
에너지의 전달 방향이 교류전기기계의 고정자에서 회전자를 향할 때, 고정자의 권선들(α1, β1, γ1, α2, β2, γ2)에 인가된 전류(또는, 전압)들은 합성되어 회전자(460)로 에너지를 전달한다. 반대로, 에너지 전달의 방향이 회전자에서 고정자를 향할 때, 회전자의 에너지는 고정자의 권선들(α1, β1, γ1, α2, β2, γ2)에 전류(또는, 전압)들로 나누어 전달된다. 이 경우에도, 고정자의 권선들(α1, β1, γ1, α2, β2, γ2)을 전기적으로 연결하는 것에 의해(450), 고정자의 권선들(α1, β1, γ1, α2, β2, γ2)의 고조파 맥동이 감소하게 되는 것에는 변함이 없다.
도 2c에 도시된 교류전기기계의 단면도는 6개의 슬롯(Slot)으로 구성된 구조이지만, 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않는다. 슬롯의 모양이나 개수 및 권선을 감는 방식은 다양하게 변형이 가능하고, 그에 따라 회전자의 극수도 알맞게 조절이 가능하다.
일반적으로 3상 교류전기기계는 고정자 권선이 3상 권선부를 통해 외부로부터 전력을 공급받거나(예를 들어, 전동기) 발전 전력을 외부로 보내게 된다(예를 들어, 발전기). 특히, 대형 교류전기기계의 경우, 복수의 3상 권선부들이 직·병렬 연결을 통해 기동 특성을 개선하거나 출력을 증대시키는데, 본 발명의 실시 예에서는 2개의 3상 권선부들 또는 2n(n=자연수)개의 3상 권선부들을 통해 외부와 전력을 주고 받게 된다. 이 때, 교류전기기계에 전압을 인가하는 각 전력변환장치(예를 들어, PWM 전원)의 반송파 위상을 다르게 조절하면, 고정자 권선 전류 및 회전자에 쇄교하는 자속에 있어 맥동 저감 효과를 얻을 수 있다. 하나의 교류전기기계를 구동하기 위해서 복수의 전력변환장치를 사용하는 것이 비용적으로 불리해 보일 수 있으나, 대용량 교류전기기계를 구동하는 경우, 스위칭 소자의 용량 한계로 인해 전력변환장치의 병렬 운전이 불가피하여 결과적으로 비용적인 부담은 증가하지 않게 된다.
도 3은 전력변환장치의 하나의 예로서 도 1 및 도 2a 내지 도 2c의 3상 PWM 전원의 일 예를 구체적으로 나타내는 회로도이다. 도 3을 참조하면 3상 PWM 전원(120)은 직류 전원(121), 스위칭 부(122) 및 출력 단자(123)를 포함한다. 도 3은 2-레벨 전력변환장치를 나타내지만, 그보다 높은 레벨의 출력을 갖는 전력변환장치가 사용될 수 있고, 3상 전원이 하나의 직류 전원에서 생성되는 도 3과 달리 각 상 출력이 개별적인 직류 전원으로부터 생성될 수도 있다.
직류 전원(121)은 전력의 공급원으로서 동작한다. 직류 전원(121)은 다양한 형태의 전력 공급체를 포함한다. 예를 들어, 직류 전원(121)은 배터리, 태양광 패널 또는 교류를 직류로 변환하는 정류회로를 이용한 전력 공급체를 포함할 수 있다. 직류 전원(121)은 스위칭 부(122)를 통해 출력 단자(123)에 전력을 제공한다.
스위칭 부(122)는 직류 전원(121)과 출력 단자(123) 사이에 삽입되어, 직류 전원(121)이 제공하는 직류 전력을 스위칭을 통해 PWM 전력으로 변환한다. 스위칭 부(122)는 내부에 복수의 전력 스위치를 포함하고, 각 스위치의 개폐를 제어하여 직류 전력을 3상 PWM 전력으로 변환한다. 직류 전력을 3상 PWM 전력으로 변환하기 위한 스위칭 부(122)의 구체적인 제어 방법은 당해 기술 분야에 널리 알려져 있으므로 여기서는 그에 대한 설명을 생략한다.
스위칭 부(122)에서 변환된 3상 PWM 전력은 출력 단자(123)를 통해 3상 권선부들(110, 130, 도 2a 참조)에 제공된다.
출력 단자(123)는 제공된 3상 PWM 전력을 3상 권선부들(110, 130)에 출력하는 단자이다. 출력 단자(123)는 커넥터를 포함하는 하드웨어 단자로써 구성될 수도 있으나, 간단하게 단순한 전기 결선으로써 구성될 수도 있다.
이하, 본 발명의 실시 예에 따라 교류전기기계의 권선들이 델타연결의 형태가 되는 것을, 변압기의 예를 들어 도 4와 함께 설명한다. 고정자 및 회전자를 포함하는 교류전기기계의 경우에도 각각 변압기의 2차단과 1차단에 대응되어 이와 유사하게 적용된다. 도 4는 도 2b에 도시된 변압기의 2차단 권선부 연결을 델타 연결의 형태로 도식화한 회로도이다. 도 4를 참조하면, 도 2b의 권선부 연결을 더욱 명확히 이해하기 위해, 도 2b의 권선부들 및 그것들에 인가되는 선간 전압들을 델타연결의 형태로 전개한 회로도가 도시된다.
도 2b의 변압기의 2차단 권선부(310, 330, 도 2b 참조)를 연결부(350, 도 2b 참조)를 통해 직접적으로 연결한 결과는, 도 4에 도시된 권선들 및 선간 전압들의 델타 연결과 회로적으로 등가가 된다. 여기서, 선간 전압들(Vab, Vbc, Vca, Vrs, Vst, Vtr)은 각각 PWM 전원들(320, 340, 도 2b 참조)의 출력 단자들 사이의 전압을 의미한다.
예를 들어, 선간 전압(Vab)은 제 1 PWM 전원(320)의 출력 단자들(a, b) 사이의 전압을 의미하고, 선간 전압(Vbc)은 제 1 PWM 전원(320)의 출력 단자들(b, c) 사이의 전압을 의미하고, 선간 전압(Vca)은 제 1 PWM 전원(320)의 출력 단자들(c, a) 사이의 전압을 의미한다. 유사하게, 선간 전압(Vrs)은 제 2 PWM 전원(340)의 출력 단자들(r, s) 사이의 전압을 의미하고, 선간 전압(Vst)은 제 2 PWM 전원(340)의 출력 단자들(s, t) 사이의 전압을 의미하고, 선간 전압(Vtr)은 제 2 PWM 전원(340)의 출력 단자들(t, r) 사이의 전압을 의미한다.
도 4를 참조하면, 각 권선들에는 제 1 PWM 전원(320)이 제공하는 선간 전압과 제 2 PWM 전원(340)이 제공하는 선간 전압이 동시에 작용한다. 즉, 두 개의 PWM 전원들(320, 340)이 델타 형태로 결합된 회로 구조로 인해, 각각의 권선들(α1, β1, γ1, α2, β2, γ2)에는 서로 다른 PWM 전원들(320, 340)에서 파생된 선간 전압들이 중첩되어(superposition) 인가된다. 따라서, PWM 전원들(320, 340)의 출력 반송파 위상을 서로 다르게 하면, 변압기 2차단에서도 선간 전압들의 중첩 효과로 인해 각 권선의 고조파 맥동이 상쇄되게 된다.
전력 전달의 방향이 변압기의 2차단에서 변압기의 1차단을 향할 때, 제 1 및 제 2 권선부(310, 330)에 인가된 전류(또는, 전압)들은 합성되어 변압기 1차단의 권선부(360, 도 2b 참조)로 전달된다. 반대로, 전력 전달의 방향이 변압기의 1차단에서 변압기의 2차단을 향할 때, 변압기 1차단의 권선부(360)에 인가된 전류(또는, 전압)은 변압기 2차단의 제 1 및 제 2 권선부(310, 330)에 나누어 전달된다. 이 경우에도, 제 1 및 제 2 권선부(310, 330)를 전기적으로 연결하는 것에 의해(350), 제 1 및 제 2 권선부(310, 330)의 고조파 맥동이 감소하게 되는 것에는 변함이 없다.
한편, 앞서 설명한 바와 같이, α, β 및 γ는 서로 120도의 위상 차이를 갖는 3개의 상을 의미하고, 제 1 권선부(310) 및 제 2 권선부(330)에서 서로 대응되는 상들(예를 들어, α1 과 α2)은 서로 크기 및 위상이 같다. 따라서, 제 1 권선부(310)와 제 2 권선부(330) 사이에는 우열이나 순서적인 차이는 없고, 양자는 단지 연결되는 PWM 전원 또는 부하가 다르기 때문에 구분되는 것이다. 예를 들어, α1 과 α2는 도 4에서 서로의 위치가 맞바꾼 상태로 배치하여도 본 발명의 의도한 효과를 발휘하는 데에는 차이가 없고, 이것은 β상 또는 γ상에 대응하는 권선들에 있어서도 동일하다.
권선들(α1, β1, γ1, α2, β2, γ2)의 점(dot)으로 표시된 부분은, 변압기 1차단에서 점이 찍힌 노드에 양의 전압이 걸리면, 변압기 2차단에서도 대응되는 상의 점이 찍힌 노드에 양의 전압이 걸림을 의미한다. 점이 찍힌 노드 또한 상대적인 의미로서, 변압기 2차단 권선의 감기(winding) 방향에 따라 각 권선들이 도 4에 도시된 것과 반대 극성을 갖도록 구성할 수도 있다.
한편, 여기서, 선간 전압들은 델타 전원으로 도시되었으나, 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 델타 전원들은 등가적으로 와이(Y) 전원으로 변환될 수 있다. 단, 이 경우 연결된 선간 전압들은 출력 단자들의 선 전압으로 대체될 것이다. 3상 전원은 하나의 전력변환장치로부터 생성될 수도 있지만, 복수의 전력변환장치를 이용하여 생성될 수도 있다.
위에서 설명한 구성에 따르면, 각 권선들에는 서로 위상이 다른 PWM 전원들의 선간 전압이 중첩되어 인가되므로, 각 권선들의 고조파 맥동이 감소하게 된다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른, 상 순서를 달리한 변압기의 2차단 권선부 연결을 나타내는 회로도이다. 도 5를 참조하면, 도 4와 반대 방향의 상 순서를 갖도록, 권선들 및 선간 전압들이 배치된다.
도 4에서는, 제 1 PWM 전원(320, 도 2b 참조)과 제 2 PWM 전원(340, 도 2b 참조)의 선간 전압들의 상 변화가 반시계 방향으로 나타나지만, 도 5에서는, 제 1 PWM 전원(320)과 제 2 PWM 전원(340)의 선간 전압들의 상 변화가 시계 방향으로 나타난다. 이는 PWM 전원들(320, 340)의 출력 전류(또는 전압)들의 상 순서를 반대 방향으로 바꿈으로써 간단하게 구현될 수 있다.
이처럼 상 순서를 바꾸는 경우에도, 각 권선들(α1, β1, γ1, α2, β2, γ2)에 서로 위상이 다른 PWM 전원들(320, 340)의 선간 전압이 중첩되어 인가되는 데에는 차이가 없으므로, 마찬가지로 각 권선들의 고조파 맥동이 감소되는 효과가 온전히 발휘된다.
한편, 도 2c의 교류전기기계의 고정자의 각 권선들(α1, β1, γ1, α2, β2, γ2)을 연결부(450)를 통해 직접적으로 연결한 결과는, 도 5에 도시된 권선들 및 선간 전압들의 델타 연결과 회로적으로 등가가 된다. 즉, 도 5를 참조하면, 도 2c의 교류전기기계의 각 권선들에는 제 1 PWM 전원(420)이 제공하는 선간 전압과 제 2 PWM 전원(440)이 제공하는 선간 전압이 동시에 작용한다. 즉, 두 개의 PWM 전원들(420, 440)이 델타 형태로 결합된 회로 구조로 인해, 각각의 권선들(α1, β1, γ1, α2, β2, γ2)에는 서로 다른 PWM 전원들(420, 440)에서 파생된 선간 전압들이 중첩되어 인가된다. 따라서, PWM 전원들(420, 440)의 출력 반송파 위상을 서로 다르게 하면, 교류전기기계의 고정자에서도 선간 전압들의 중첩 효과로 인해 각 권선의 고조파 맥동이 상쇄되게 된다.
본 발명에서, 권선들과 선간 전압들의 연결 방식은 도 4 및 도 5에 도시된 것에 한정되지 않는다. 본 발명은 서로 구분되는 복수 개의 권선부들(예를 들어, 도 2b의 권선부들(310, 330))을 연결부(예를 들어, 도 2b의 연결부(350))를 통해 서로 연결하여 델타 결선 형태의 하나의 델타 권선부를 생성하고, 델타 권선부에 포함된 각 권선들 사이의 노드들 마다 복수의 3상 전원들의 선간 전압 또는 선 전압이 연결되는 어떤 형태로도 구현될 수 있다.
이때, 하나의 3상 전원(예를 들어, 320)은 그 선간 전압 또는 선 전압들을 하나의 권선부(예를 들어, 310)에 모두 인가할 수도 있고, 둘 이상의 권선부들(예를 들어, 310, 330)에 나누어 인가할 수도 있다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른, 제 2 에너지 전달부에 3개 이상의 3상 권선부를 갖는 교류전기기계를 나타내는 회로도이며, 하나의 예시로 교류전기기계는 변압기일 수 있다. 도 6을 참조하면, 4개의 3상 권선부의 총 12개 권선들(211, 212, 213, 221, 222, 223, 231, 232, 233, 241, 242, 243)이 델타 결선 형태로 연결된다.
유사한 참조 번호를 갖는 권선들은 동일한 권선부를 구성함을 의미한다. 예를 들어, 권선들(211, 212, 213)은 제 1 권선부를 구성하고, 권선들(221, 222, 223)은 제 2 권선부를 구성하고, 권선들(231, 232, 233)은 제 3 권선부를 구성하고, 권선들 (241, 242, 243)은 제 4 권선부를 구성한다.
도 6에서 도시된 델타 권선부(200)는 동일한 권선부를 구성하는 권선끼리 서로 인접하여 위치하도록 구성되었지만, 이는 예시적인 것으로서, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 제 1 권선부를 구성하는 권선(211)은 제 2 권선부를 구성하는 권선(222)과 제 3 권선부를 구성하는 권선(232) 사이에 배치될 수도 있다.
도 6의 점선들은 델타 결선된 4개의 3상 전원을 의미한다. 4개의 3상 전원들의 선간 전압 또는 선 전압들은 각각 델타 권선부(200)의 각 권선들(211, 212, 213, 221, 222, 223, 231, 232, 233, 241, 242, 243) 사이의 노드에 연결된다. 한편, 여기서, 4개의 3상 전원들은 서로 규칙성을 가진 순환 형태로 델타 권선부(200)에 연결되었지만, 이는 예시적인 것으로서, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 4개의 3상 전원들은 서로 대칭적이거나 순환적이지 않은 형태로 델타 권선부(200)에 연결될 수도 있으며, 단지 델타 권선부(200)의 적어도 하나의 권선에 서로 다른 반송파 위상을 갖는 3상 전원들이 교차하도록(즉, 권선의 양단에 서로 다른 반송파 위상을 갖는 3상 전원의 선간 전압 또는 선 전압이 연결되도록) 구성되면 족하다.
한편, 앞서 설명한 바와 같이, 델타 결선된 3상 전원들은 Y 결선 형태의 전원들로 대체될 수 있다.
상기와 같은 구성에 따르면, 제 2 에너지 전달부에 3개 이상의 3상 권선부를 갖는 교류전기기계로 본 발명이 확장 적용될 수 있다. 따라서, 교류전기기계의 제 2 에너지 전달부에 3개 이상의 3상 권선부를 갖는 경우에도, 고조파 맥동이 감소되고 그에 따라 전력 변환 효율이 향상될 수 있다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 유리한 효과를 보여주기 위해, 종래 기술에 따른 구동장치 및 본 발명의 일 실시 예에 따른 구동장치를 각각 시뮬레이션한 결과를 나타내는 타이밍도이다. 도 7 및 도 8에서는, 교류전기기계가 변압기이며 2차단에 4개의 3상 권선부가 포함된 경우를 시뮬레이션하였다.
도 7은 종래 기술에 따른 구동장치에 있어서, 변압기 1차단 및 변압기 2차단의 전류를 나타내는 타이밍도이다.
타이밍도(710)는 변압기 1차단의 계통 전류(Iap)를 나타낸 것으로서, 변압기 2차단의 서로 위상이 다른 3상 전력이 합성되어 변압기 1차단에 나타나기 때문에, 고조파 성분이 크게 줄어 들었음을 알 수 있다.
타이밍도(720)는 변압기 2차단의 a상 전류들(Iai1, Iai2, Iai3, Iai4)을 나타낸다. 변압기 2차단은 4개의 3상 권선부를 포함하므로, 그에 대응하여 3상 전원도 4개가 된다. a상 전류들(Iai1, Iai2, Iai3, Iai4)은 각 3상 전원들의 a상 전류를 의미한다. 타이밍도(720)에서는, 변압기 1차단의 경우와 다르게, 고조파 성분이 크게 나타난다. 이처럼 큰 고조파 성분은 전력변환장치의 실효(RMS) 전류를 증가시키고, 전력변환효율을 낮추고, 계통 손실, 스위칭 손실 등을 증가시킨다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 구동장치에 있어서, 변압기 1차단 및 변압기 2차단의 전류를 나타내는 타이밍도이다.
타이밍도(810)는 변압기 1차단의 계통 전류(Iap)를 나타낸 것으로서, 도 7과 동일한 결과를 보여준다. 마찬가지로, 변압기 2차단의 서로 반송파 위상이 다른 3상 전력이 합성되어 변압기 1차단에 나타나기 때문에, 변압기 1차단에서는 고조파 성분이 크게 줄어 들었음을 알 수 있다.
타이밍도(820)는 변압기 2차단의 a상 전류들(Iai1, Iai2, Iai3, Iai4)을 나타낸다. 변압기 2차단은 4개의 3상 권선부를 포함하므로, 그에 대응하여 3상 전원도 4개가 된다. a상 전류들(Iai1, Iai2, Iai3, Iai4)은 각 3상 전원들의 a상 전류를 의미한다.
본 발명의 실시 예들에서, 각 권선들의 양단에는 서로 다른 3상 전원의 선 전압 또는 선간 전압이 인가된다. 따라서, 각 권선들에는 서로 다른 3상 전원의 선 전압 또는 선간 전압이 중첩된다. 따라서, 3상 전원들의 반송파 위상이 서로 다른 경우, 각 권선들에서 고조파 성분들이 서로 상쇄되게 된다.
타이밍도(820)를 보면 앞서, 도 7과는 다르게, 변압기 2차단의 고조파 성분이 상당히 감소되어 나타난다. 그러므로, 본 발명의 실시 예에 따른 교류전기기계 구동장치는 변압기 2차단의 고조파 성분을 억제하므로, 전력변환효율이 향상되고, 도통 손실, 스위칭 손실 등이 감소됨을 확인할 수 있다.
한편, 본 발명은 변압기 및 그것을 포함하는 구동장치의 성능을 향상시키는 데 기여할 수 있는 것으로, 배터리 에너지 저장 장치 분야 외에도 전력변환장치가 사용될 수 있는 전력 변환 분야라면 어디에서든 폭넓게 활용될 수 있을 것이다.
또한, 예시된 실시 예들에서, 변압기 2차단과 연결되는 3상 전원은 3상 PWM 전원인 것으로 설명되었으나, 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 본 발명의 다른 실시 예에서는, 3상 PWM 전원을 대신하여 단상 PWM 전원 3개가 조합된 전원들이 사용될 수 있다.
본 명세서의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예를 들어 설명하였으나, 본 명세서의 범위에서 벗어나지 않는 한 각 실시 예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있다.
또한, 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 명세서의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 명세서의 범위는 상술한 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구범위 및 그 균등물에 의해 정해져야 한다.
100: 교류전기기계 구동장치 120, 140: PWM 전원
160: 제 1 에너지 전달부 180: 코어
110, 130: 제 2 에너지 전달부의 권선부 150: 연결부
170: 3상 부하

Claims (19)

  1. 제 2 에너지 전달부와 자기적으로 결합하는 제 1 에너지 전달부;
    적어도 둘 이상의 3상 권선부들을 포함하는 상기 제 2 에너지 전달부;
    상기 제 1 에너지 전달부와 상기 적어도 둘 이상의 3 상 권선부들을 자기적으로 연결하는 코어; 및
    상기 적어도 둘 이상의 3 상 권선부들을 전기적으로 직접 연결하는 연결부를 포함하고,
    상기 연결부는 상기 적어도 둘 이상의 3상 권선부들을 구성하는 권선들이 하나의 델타 결선된 권선부를 등가적으로 구성하도록 배치된, 교류전기기계.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 교류전기기계는 변압기이며,
    상기 제 1 에너지 전달부는 변압기 1차단이고, 상기 제 2 에너지 전달부는 변압기 2차단이며,
    상기 코어는 변압기 코어인, 교류전기기계.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 교류전기기계는 전동기 또는 발전기이며,
    상기 제 1 에너지 전달부는 회전자이고, 상기 제 2 에너지 전달부는 고정자이며,
    상기 코어는 고정자 코어인, 교류전기기계.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 델타 결선된 권선부의 권선들 사이의 노드들에는 적어도 둘 이상의 3상 전원들의 선 전압들 또는 선간 전압들이 연결되는, 교류전기기계.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 노드들과 상기 선전압들 또는 선간 전압들은 각각 일대일로 연결되는, 교류전기기계.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 적어도 둘 이상의 3상 전원들의 선 전압들 또는 선간 전압들은 대응하는 3상 전원별로 각각 델타 결선 또는 Y 결선을 구성하는, 교류전기기계.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 적어도 둘 이상의 3상 전원들은 3상 PWM(Pulse Width Modulation) 전원 또는 단상 PWM 전원 3개가 조합된 전원들인, 교류전기기계.
  8. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 델타 결선된 권선부의 권선들 사이의 노드들에는 적어도 둘 이상의 3상 부하들의 3상 전력 입력 단자들이 연결되는, 교류전기기계.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 노드들과 상기 3상 전력 입력 단자들은 각각 일대일로 연결되는, 교류전기기계.
  10. 제 2 에너지 전달부와 자기적으로 결합하는 제 1 에너지 전달부;
    적어도 둘 이상의 3상 권선부들을 포함하는 상기 제 2 에너지 전달부;
    상기 제 1 에너지 전달부와 상기 적어도 둘 이상의 3 상 권선부들을 자기적으로 연결하는 코어; 및
    상기 적어도 둘 이상의 3 상 권선부들을 전기적으로 직접 연결하는 연결부를 포함하고,
    상기 연결부는 상기 적어도 둘 이상의 3상 권선부들을 구성하는 권선들이 하나의 델타 결선된 권선부를 등가적으로 구성하도록 배치된, 교류전기기계; 및
    상기 제 2 에너지 전달부의 적어도 둘 이상의 3상 권선부들과 전기적으로 직접 연결되는 적어도 둘 이상의 3상 전원들을 포함하는, 교류전기기계 구동장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 교류전기기계는 변압기이며,
    상기 제 1 에너지 전달부는 변압기 1차단이고, 상기 제 2 에너지 전달부는 변압기 2차단이며,
    상기 코어는 변압기 코어인, 교류전기기계 구동장치.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 교류전기기계는 전동기 또는 발전기이며,
    상기 제 1 에너지 전달부는 회전자이고, 상기 제 2 에너지 전달부는 고정자이며,
    상기 코어는 고정자 코어인, 교류전기기계 구동장치.
  13. 제 10 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 둘 이상의 3상 전원들은 3상 PWM(Pulse Width Modulation) 전원 또는 단상 PWM 전원 3개가 조합된 전원들인, 교류전기기계 구동장치.
  14. 제 10 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 델타 결선된 권선부의 권선들 사이의 노드들에는 상기 적어도 둘 이상의 3상 전원들의 선 전압들 또는 선간 전압들이 연결되는, 교류전기기계 구동장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 노드들과 상기 선전압들 또는 선간 전압들은 각각 일대일로 연결되는, 교류전기기계 구동장치.
  16. 제 2 에너지 전달부와 자기적으로 결합하는 제 1 에너지 전달부;
    적어도 둘 이상의 3상 권선부들을 포함하는 제 2 에너지 전달부;
    상기 제 1 에너지 전달부와 상기 적어도 둘 이상의 3 상 권선부들을 자기적으로 연결하는 코어; 및
    상기 적어도 둘 이상의 3 상 권선부들을 전기적으로 직접 연결하는 연결부를 포함하고,
    상기 연결부는 상기 적어도 둘 이상의 3상 권선부들을 구성하는 권선들이 하나의 델타 결선된 권선부를 등가적으로 구성하도록 배치된, 교류전기기계; 및
    상기 제 2 에너지 전달부의 적어도 둘 이상의 3상 권선부들과 전기적으로 연결되는 적어도 둘 이상의 3상 부하들을 포함하는, 교류전기기계 구동장치.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 교류전기기계는 변압기이며,
    상기 제 1 에너지 전달부는 변압기 1차단이고, 상기 제 2 에너지 전달부는 변압기 2차단이며,
    상기 코어는 변압기 코어인, 교류전기기계 구동장치.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 교류전기기계는 전동기 또는 발전기이며,
    상기 제 1 에너지 전달부는 회전자이고, 상기 제 2 에너지 전달부는 고정자이며,
    상기 코어는 고정자 코어인, 교류전기기계 구동장치.
  19. 제 16 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 델타 결선된 권선부의 권선들 사이의 노드들에는 적어도 둘 이상의 3상 부하들의 3상 전력 입력 단자들이 연결되는, 교류전기기계 구동장치.
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JP2013099054A (ja) * 2011-10-31 2013-05-20 Hitachi Ltd 電力変換装置

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