KR101654755B1

KR101654755B1 - 교류 모터 또는 직류 모터의 선택적 제어

Info

Publication number: KR101654755B1
Application number: KR1020147024017A
Authority: KR
Inventors: 맨프레드 에더; 한스-위르겐 퇼레; 한스-위르겐 ?p레
Original assignee: 지멘스 악티엔게젤샤프트
Priority date: 2012-01-30
Filing date: 2013-01-11
Publication date: 2016-09-22
Also published as: KR20140119164A; BR112014018746A2; RU2014135328A; EP2792061B1; RU2579439C2; WO2013113540A2; AU2013214528B2; EP2792061A2; AU2013214528A1; DE102012201269A1; BR112014018746B1; ES2578612T3; BR112014018746A8; WO2013113540A3

Abstract

본 발명은 회로 어셈블리(1), 및 직류 전압원(4)으로부터 공급되는 교류 모터(3) 또는 직류 모터(2)의 선택적 제어를 위한 방법에 관한 것이다. 회로 어셈블리(1)는 동일한 수의 하프 브리지들(7)을 갖는 2개의 컨버터 모듈(5, 6), 컨버터 모듈(5, 6) 내의 하프 브리지들(7)의 수에 대응하는 수의 브리지 흡입 스로틀(14.1, 14.2, 14.3) 및 컨버터 모듈들(5, 6)의 하프 브리지들(7)을 구동하기 위한 제어 유닛(12)을 포함한다. 컨버터 모듈들(5, 6)은 교류 모터(3)를 인버터로서 제어하고, 직류 모터(2)를 직류 전압 컨버터로서 제어하도록 동작한다.

Description

교류 모터 또는 직류 모터의 선택적 제어{ELECTIVE CONTROL OF AN ALTERNATING CURRENT MOTOR OR DIRECT CURRENT MOTOR}

본 발명은 회로 배열, 교류 모터 또는 직류 모터의 선택적인 제어를 위한 방법 및 잠수함에서의 이 방법의 이용에 관한 것이다.

잠수함들에서, 전기 에너지의 공급은 일반적으로 직류 네트워크에 의해 제공된다. 이러한 이유 때문에, 잠수함 내의 (예를 들어, 송풍기, 펌프 등을 위한) 보조 구동 장치들은 일반적으로 시동 저항기(starting resistor)를 통해 통상적으로 시동되는 직류 모터에 의해 동작된다.

EP 0 178 446 A1은 모터가 서로 평행하게 배열된 2개의 반도체 컨트롤러를 통해 DC 전압원으로부터 급전되는 회로 배열에 대한 제어 장치를 개시하고 있다. 상기 반도체 컨트롤러 각각은 중앙 탭(center tap)을 갖는 배출 트랜스포머(draining transformer)와 직렬인 동일한 순방향을 갖는 2개의 제어 가능한 반도체 밸브의 병렬 접속을 포함한다. 반도체 컨트롤러들의 배출 트랜스포머들의 중앙 탭들은 모터의 한쪽 극에 접속된 중앙 탭을 갖는 제3의 배출 트랜스포머의 단부들에 접속된다. 제어 장치는 각자 동일한 제어 인자(control factor)를 갖는 반도체 밸브들에 대한 클록 주파수 신호들을 생성하도록 구성되지만, 상기 클록 주파수 신호들은 최소의 전류 리플(current ripple)을 달성할 수 있는 속도 영역들에서 모터를 동작시키기 위해 2개의 병렬 회로 배열에 대해 서로 90도만큼 전기적으로 오프셋(offset)된다.

US 2006/0043922 A1은 DC 전압원에 의해 다중 위상 교류 발전기들(multi-phase dynamoelectric alternating current machines)을 구동하기 위한 모터 제어 시스템을 개시하고 있다. 모터 제어 시스템은 다중 위상 교류를 생성하기 위한 2개의 인버터 모듈을 포함하며, 이들은 출력 필터 모듈에 결합된다. 각각의 인버터 모듈은 교류의 각각의 위상에 대해, 절연 게이트 전극을 갖는 2개의 바이폴라 트랜지스터로부터 형성된 하프 브리지(half-bridge)를 갖는다. 동일 위상에 속하는 출력 필터 모듈들의 2개의 하프 브리지는 각각의 경우에 출력 필터 모듈의 위상간 트랜스포머(interphase transformer)를 통해 함께 접속된다. 교류를 생성하기 위해, 인버터 모듈들의 하프 브리지들은 공간 벡터 변조에 의해 제어된다.

본 발명의 목적은 옵션으로서 교류 모터 또는 직류 모터를 제어할 수 있는 향상된 회로 배열을 제공하는 것이다. 본 발명의 추가적인 목적은 특히 잠수함들에서 사용하기에 적합한 교류 모터 또는 직류 모터의 선택적 제어를 위한 향상된 방법을 제공하는 것이다.

이러한 목적은, 본 발명에 따라, 회로 배열과 관련하여 청구항 1의 특징들을 통해 그리고 방법과 관련하여 청구항 5 및 10의 특징들을 통해 달성된다.

본 발명의 유리한 실시예들은 종속 청구항들의 발명이다.

교류 모터 또는 직류 모터의 선택적 제어를 위한 본 발명에 따른 회로 배열은 동일한 수의 하프 브리지들을 갖는 2개의 컨버터 모듈을 포함하며, 컨버터 모듈의 하프 브리지들의 수는 적어도 교류 모터의 위상들의 수만큼 크다. 더구나, 회로 배열은 컨버터 모듈 내의 하프 브리지들의 수와 일치하는 수의 브리지 위상간 트랜스포머들, 컨버터 모듈들에 대한 제어 유닛, 교류 모터에 대한 제1 직렬 모듈 및 직류 모터에 대한 제2 직렬 모듈을 포함한다. 각각의 하프 브리지는 제어 유닛에 의해 제어될 수 있는 한 쌍의 전류 방향-의존 스위치 유닛들(a pair of current direction-dependent switch units)을 가지며, 이들 각각은 입력 및 출력을 갖고, 각각의 쌍의 제1 스위치 유닛의 출력은 동일 쌍의 제2 스위치 유닛의 입력에 링크된다. 더구나, 제1 컨버터 모듈의 하프 브리지 및 제2 컨버터 모듈의 대응하는 하프 브리지는 각각의 경우에 2개의 하프 브리지 사이에 접속된 브리지 위상간 트랜스포머에 의해 풀 브리지(full bridge)에 접속된다. 각각의 브리지 위상간 트랜스포머는 옵션으로서 제1 직렬 모듈을 통해 교류 모터에 또는 제2 직렬 모듈을 통해 직류 모터에 접속될 수 있는 중앙 탭을 갖는다. 제1 직렬 모듈은 교류 필터를 포함하며, 이를 통해 브리지 위상간 트랜스포머들의 중앙 탭들은 각각 교류 모터의 위상에 결합될 수 있다. 제2 직렬 모듈은 직류 모터에 결합될 수 있는 중앙 탭 및 브리지 위상간 트랜스포머의 중앙 탭에 각각 접속 가능한 2개의 외부 단자를 갖는 적어도 하나의 추가적인 위상간 트랜스포머를 포함한다.

컨버터 모듈은 그의 하프 브리지들로 구성되며, 개별 어셈블리(separate assembly)로서 구성될 필요는 없다.

위상간 트랜스포머는 외부 단자들과 중앙 탭 사이에서 동일 방향으로 흐르는 전류들이 그들의 자기 효과를 서로 상쇄하여 낮은 최종 인덕턴스가 생성되는 반면에 반대 방향으로 흐르는 전류들이 그들의 자기 효과를 서로 보강하여 큰 최종 인덕턴스가 생성되도록 자기적으로 결합되는 2개의 부분 인덕턴스를 갖는 평활 초크(smoothing choke)를 의미하는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명에 따른 회로 배열은 단지 하나의 하드웨어 컴포넌트, 특히 직렬 모듈을 교환함으로써 직류 모터의 제어 시스템으로부터 교류 모터의 제어 시스템으로 그리고 그 반대로 전환될 수 있다. 이것은 구동 장치를 직류로부터 교류로 (또는 그 반대로) 변환할 때 비용 및 노력을 줄이며, 그러한 변환이 필요하거나 적절한 용도들에서, 예를 들어 구동 장치의 현대화와 관련하여 특히 유리하다. 위상간 트랜스포머 회로들의 사용은 유리하게도 직류 또는 교류 모터를 구동하는 전류에서의 리플의 제한을 가능하게 한다. 직류 모터의 구동을 위해, 회로 배열은 특히 임피던스 시동기(impedance starter)를 대체하는 DC 트랜스포머로도 사용될 수 있으며, 따라서 특히 그의 시동 저항기에 의해 소비되는 에너지를 유리하게 절약하고, 또한 동작 동안의 속도 및/또는 전력이 프로세스에 의해 요구되는 값으로 조절되는 것을 가능하게 하며, 따라서 속도 및/또는 전력이 아마도 크게 변할 수 있는 직류 네트워크의 전압에 따라 더 이상 설정되지 않으므로 에너지가 더 절약된다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 컨버터 모듈들의 스위치 유닛들 각각은 IGBT(절연 게이트 바이폴라 트랜지스터; insulated-gate bipolar transistor)로 알려진 절연 게이트 전극을 갖는 바이폴라 트랜지스터를 포함하며, 그의 컬렉터는 스위치 유닛의 입력을 정의하고, 그의 이미터는 스위치 유닛의 출력을 정의한다.

이러한 타입의 스위치 유닛들은 IGBT의 양호한 전도 상태 거동(good conducting-state behavior), 높은 차단 전압, 강건성 및 거의 전력이 필요 없는 제어성(the almost power-free controllability)으로 인해 전류 방향-의존 스위치 유닛들로서 특히 적합하다.

본 발명의 추가적인 바람직한 실시예는 컨버터 모듈의 하프 브리지와 그에 접속된 브리지 위상간 트랜스포머 사이에 흐르는 전류를 검출하기 위한 적어도 하나의 전류 트랜스포머를 제공하며, 전류 트랜스포머는 제어 유닛에 접속되어, 검출된 전류를 제어 유닛으로 전달한다.

이것은 유리하게도 제어 유닛에 의한 하프 브리지의 제어 동안에 하프 브리지와 대응하는 브리지 위상간 트랜스포머 사이에 흐르는 전류를 고려하는 것을 가능하게 한다.

바람직하게는, 하프 브리지들의 스위치 유닛들을 제어하기 위한 제어 유닛은 마이크로프로세서이다.

이것은 유리하게도 간단하고 융통성 있게, 예를 들어 특히 직류 모터를 교류 모터로 대체하거나 그 반대일 때 새로운 소프트웨어를 마이크로프로세서 내에 로딩함으로써 스위치 유닛들의 제어의 변경을 가능하게 한다.

교류 모터 또는 직류 모터의 선택적 제어를 위한 본 발명에 따른 방법에서는 본 발명에 따른 회로 배열이 사용된다. 교류 모터 또는 직류 모터는 DC 전압원으로부터 회로 배열을 통해 급전되며, DC 전압원의 제1 극은 모든 하프 브리지들의 제1 스위치 유닛들의 입력들에 접속되고, DC 전압원의 제2 극은 모든 하프 브리지들의 제2 스위치 유닛들의 출력들에 접속된다. 더구나, 교류 모터의 각각의 위상은 제1 직렬 모듈을 통해 브리지 위상간 트랜스포머의 중앙 탭에 결합되고, 컨버터 모듈들은 DC 전압원의 DC 전압을 교류 모터를 위한 AC 전압으로 변환하기 위한 인버터로서 제어 유닛에 의해 동작되거나, 직류 모터는 제2 직렬 모듈을 통해 브리지 위상간 트랜스포머들의 중앙 탭들에 접속되고, 컨버터 모듈들은 DC 전압원의 DC 전압을 직류 모터를 위한 DC 전압으로 변환하기 위한 DC-DC 컨버터로서 제어 유닛에 의해 동작된다.

따라서, 본 발명에 따른 방법에서, 본 발명에 따른 회로 배열은 DC 전압원에 접속되며, 접속된 모터가 교류 모터인지 또는 직류 모터인지에 따라 인버터 또는 DC-DC 컨버터로서 동작된다. 이것은 유리하게도 각각의 모터에 대한 회로 배열의 동작 모드의 매칭을 가능하게 한다.

컨버터 모듈들의 인버터로서의 동작 동안, 하프 브리지들은 바람직하게는 공간 벡터 변조에 따라 제어 유닛에 의해 제어되며, 따라서 생성되는 AC 전압은 타겟 AC 전압의 타겟 전압 공간 벡터로 조절된다(regulated).

공간 벡터 변조에 따른 하프 브리지들의 제어는 유리하게도 아래에 설명되는 예시적인 실시예에서 더 상세히 설명되는 바와 같이 타겟 AC 전압이 매우 정확하게 설정되는 것을 가능하게 하고, 프로세스에서, 생성되는 교류에서의 전류 리플을 최소화하는 것을 가능하게 한다.

더구나, 컨버터 모듈들 사이에서 브리지 위상간 트랜스포머들을 통해 흐르는 횡류들(cross currents)은 바람직하게 감소하는데, 이는 하프 브리지들의 상이한 스위칭 상태들에 의해 실현될 수 있는 생성된 AC 전압들에 대한 공간 벡터 변조 동안 사용되는 전압 공간 벡터들이 이러한 상이한 스위칭 상태들을 통해 교대로 설정되기 때문이다.

컨버터 모듈들 사이에서 브리지 위상간 트랜스포머들을 통해 흐르는 횡류들의 감소는 교류의 생성에 있어서의 손실들 및 장애들을 유리하게 줄인다. 공간 벡터 변조 동안의 하프 브리지들의 중복 스위칭 상태들의 전압 공간 벡터들에 대한 사용은 그러한 횡류들을 억제하기 위한 간단하고 효과적인 수단이며, 따라서 횡류들의 감소에 특히 적합하다.

브리지 위상간 트랜스포머들의 중앙 탭들에 대한 직류 모터의 접속시, 바람직하게는 제2 직렬 모듈의 추가적인 위상간 트랜스포머가 그의 중앙 탭을 통해 직류 모터의 전기자(armature)에, 제1 외부 단자를 통해 제1 브리지 위상간 트랜스포머의 중앙 탭에 그리고 제2 외부 단자를 통해 제2 브리지 위상간 트랜스포머의 중앙 탭에 접속된다. 더구나, 제3 브리지 위상간 트랜스포머의 중앙 탭은 직류 모터의 계자 권선(field winding)에 접속된다.

이러한 방식으로, 2개의 브리지 위상간 트랜스포머의 추가적인 위상간 트랜스포머에 대한 접속을 통해, 직류 모터를 통해 흐르는 전류의 리플이 유리하게 더 감소된다.

컨버터 모듈들의 DC-DC 컨버터로서의 동작시, 컨버터 모듈들의 상호 대응하는 하프 브리지들의 제1 스위치 유닛들 및/또는 제2 스위치 유닛들은 서로 시간적으로 오프셋되어 열리고 닫히며, 따라서 직류 모터의 전기자를 통해 흐르는 전류의 리플이 최소화되는데, 이는 직류 모터의 타겟 속도에 대해, 이러한 전류 리플을 최소화하는 제1 브리지 위상간 트랜스포머 및 제2 브리지 위상간 트랜스포머에 접속된 스위치 유닛들의 제어 인자가 제어 유닛에 의해 결정되고 설정되며, 제3 브리지 위상간 트랜스포머에 접속된 스위치 유닛들이 적절한 계자 전류(field current)의 설정에 의해 타겟 속도에 도달하도록 제어되기 때문이다.

이와 관련하여 스위치 유닛의 제어 인자는 클록 기간 내에서 스위치 유닛이 닫히는 지속기간과 전체 클록 기간의 비율인 것으로 이해되어야 한다.

전류 리플의 최소화는 유리하게도 모터에 의한 잡음 생성을 줄인다.

본 발명에 따른 방법은 특히 잠수함 내의 교류 모터 또는 직류 모터의 선택적 제어를 의도한다.

본 발명에 따른 방법은 특히 유리하게도 잠수함들에서의 사용에 적합한데, 그 이유는 잠수함들에서는 모터들의 특히 낮은 잡음 동작이 요구되고, 이것은 특히 클록 주파수 잡음들을 방지하기 위한 위상간 트랜스포머 회로들의 본 발명에 따른 사용을 통해 가능하기 때문이다. 더구나, 일부 상황들에서는 잠수함들을 현대화할 때 직류 모터를 3상 모터들, 특히 비동기 모터들로 대체하는 것이 유용하며, 이는 전술한 바와 같은 본 발명에 따른 회로 배열에 의해 매우 쉽게 가능하다.

이제, 본 발명의 전술한 특성들, 특징들 및 장점들과, 이를 달성하는 방식이 도면들을 참조하여 더 상세히 설명되는 예시적인 실시예에 대한 아래의 설명을 이용하여 더 명확하고 알기 쉽게 설명된다.
도 1은 직류 모터와의 동작 동안의 3상 교류 모터 또는 직류 모터의 선택적 제어를 위한 회로 배열이다.
도 2는 교류 모터와의 동작 동안의 3상 교류 모터 또는 직류 모터의 선택적 제어를 위한 회로 배열이다.
도 3은 도 1 및 2에 도시된 회로 배열을 이용하여 교류 모터에 적용될 수 있는 타겟 공간 벡터 및 타겟 전압 벡터에 대한 공간 벡터 도면이다.
도면들에서 서로 대응하는 요소들은 동일한 참조 부호들을 갖는다.

도 1 및 2는 각각 직류 모터(2) 또는 3상 교류 모터(3)의 선택적 제어를 위한 본 발명에 따른 회로 배열(1)을 나타내며, 회로 배열(1)은 도 1에서 직류 모터(2)와 동작하는 것으로 도시되고, 도 2에서 교류 모터(3)와 동작하는 것으로 도시된다. 직류 모터(2) 및 교류 모터(3) 양자는 DC 전압원(4)으로부터 회로 배열(1)을 통해 급전된다.

회로 배열(1)은 2개의 유사하게 구성된 컨버터 모듈(5, 6)을 포함하고, 이들 각각은 3개의 하프 브리지(7)를 갖고, 각각의 하프 브리지(7)는 한 쌍의 IGBT(8.1, 8.2)를 포함한다. 각각의 쌍의 제1 IGBT(8.1)의 이미터(9.1)는 각각의 쌍의 제2 IGBT(8.2)의 컬렉터(9.2)에 접속된다. 모든 제1 IGBT들(8.1)의 컬렉터들(9.2)은 DC 전압원(4)의 양극(positive pole)에 접속되고, 모든 제2 IGBT들(8.2)의 이미터들(9.1)은 DC 전압원(4)의 음극(negative pole)에 접속된다.

각각의 IGBT(8.1, 8.2)는 각각의 컨버터 모듈(5, 6)의 전압 공급원(11)에 의해 공급 전압을 공급받는 IGBT 구동기(10)에 결합되며, 명료화를 위해 도 1 및 2에서는 각각의 전압 공급원(11)에 대한 접속이 일부 IGBT 구동기들(10)에 대해서만 도시되고, 추가적인 접속들은 단지 암시된다. 본 발명의 상황 내에서 IGBT(8.1, 8.2) 및 그의 IGBT 구동기(10)는 함께 전류 방향-의존 스위치 유닛을 형성한다.

IGBT들(8.1, 8.2)은 마이크로프로세서로서 구성되는 제어 유닛(12)에 의해 그들 각각의 IGBT 구동기들(10)을 통해 개별적으로 제어될 수 있으며, 명료화를 위해 도 1 및 2에는 제어 유닛(12)과 IGBT 구동기들(10) 간의 일부 제어 라인들(13)만이 도시되며, 다른 것들은 단지 암시된다.

각각의 경우에, 제1 컨버터 모듈(5)의 하프 브리지(7) 및 제2 컨버터 모듈(6)의 대응하는 하프 브리지(7)가 이러한 2개의 하프 브리지(7) 사이에 접속된 브리지 위상간 트랜스포머(14.1, 14.2, 14.3)에 의해 풀 브리지에 접속된다.

브리지 위상간 트랜스포머(14.1, 14.2, 14.3)에 대한 하프 브리지(7)의 각각의 접속에는 하프 브리지(7)와 브리지 위상간 트랜스포머(14.1, 14.2, 14.3) 사이에 흐르는 전류를 검출하는 전류 트랜스포머(15)가 배열된다.

전류 트랜스포머들(15)은 제어 유닛(12)에 각각 접속되어, 검출된 전류를 상기 제어 유닛(12)으로 전송하며, 도 1 및 2에서는 명료화를 위해 제어 유닛(12)과 전류 트랜스포머들(15) 간의 접속들이 도시되지 않는다.

각각의 브리지 위상간 트랜스포머(14.1, 14.2, 14.3)는 옵션으로서 제1 직렬 모듈(17)을 통해 교류 모터(3)에 또는 제2 직렬 모듈(18)을 통해 직류 모터(2)에 접속될 수 있는 중앙 탭(16)을 갖는다. 회로 배열(1)은 직류 모터(2) 또는 교류 모터(3)와 동작할 때 각각의 직렬 모듈(17, 18)에 있어서만 상이하다. 따라서, 특히, 회로 배열(1)은 간단한 수단에 의해 직렬 모듈(17, 18)의 교환을 통해 직류 모터(2)와의 동작으로부터 교류 모터(3)와의 동작으로 그리고 그 반대로 변환될 수 있다.

제1 직렬 모듈(17)은 교류 필터(19)를 포함하며, 이를 통해 브리지 위상간 트랜스포머(14.1, 14.2, 14.3)의 중앙 탭들(16) 각각은 교류 모터(3)의 위상에 그리고 회로 배열(1)의 동작의 경우에는 교류 모터(3)에 결합될 수 있다.

제2 직렬 모듈(18)은 중앙 탭(16)을 통해 직류 모터(2)에 결합될 수 있는 추가적인 위상간 트랜스포머(20), 및 2개의 외부 단자(21.1, 21.2)를 가지며, 이들 단자를 통해 각각의 경우에 추가적인 위상간 트랜스포머(20)의 한 단부는 브리지 위상간 트랜스포머(14.1, 14.2, 14.3)의 중앙 탭(16)에 접속될 수 있다.

직류 모터(2)와의 회로 배열(1)의 동작시, 추가적인 위상간 트랜스포머(20)의 제1 외부 단자(21.1)는 제1 브리지 위상간 트랜스포머(14.1)의 중앙 탭(16)에 접속되고, 추가적인 위상간 트랜스포머(20)의 제2 외부 단자(21.2)는 제2 브리지 위상간 트랜스포머(14.2)의 중앙 탭(16)에 접속되며, 추가적인 위상간 트랜스포머(20)의 중앙 탭(16)은 직류 모터(2)의 전기자에 접속된다. 제3 브리지 위상간 트랜스포머(14.3)의 중앙 탭(16)은 직류 모터(2)의 계자 권선(22)에 접속된다.

직류 모터(2)와의 회로 배열(1)의 동작시, 컨버터 모듈들(5, 6)은 EP 0 178 446 A1로부터 공지된 방법에 따라 DC 전압원(4)의 DC 전압을 직류 모터(2)를 위한 DC 전압으로 변환하기 위한 DC-DC 컨버터로서 제어 유닛(12)에 의해 동작된다.

여기서, 제1 IGBT(8.1) 및/또는 제2 IGBT(8.2)는 서로 시간적으로 오프셋되어 열리고 닫히며, 따라서 직류 모터(2)의 전기자를 통해 흐르는 전류의 리플이 최소화된다. 이러한 목적을 위해, 직류 모터(2)의 타겟 속도에 대해, 이러한 전류 리플을 최소화하는 제어 인자가 제1 브리지 위상간 트랜스포머(14.1) 및 제2 브리지 위상간 트랜스포머(14.2)에 각각 접속된 제1 및/또는 제2 IGBT(8.1, 8.2)에 대해 제어 유닛(12)에 의해 결정되고 설정되며, 제3 브리지 위상간 트랜스포머(14.3)에 접속된 IGBT들(8.1, 8.2)은 그러한 방식으로 제어되고, 결과적으로 계자 전류는 타겟 속도에 도달하도록 설정된다.

교류 모터(3)와의 회로 배열(1)의 동작 동안, 컨버터 모듈들(5, 6)은 DC 전압원(4)의 DC 전압을 교류 모터(3)를 위한 AC 전압으로 변환하기 위한 인버터로서 제어 유닛(12)에 의해 동작된다.

이와 관련하여, IGBT들(8.1, 8.2)은 교류 모터(3)에 인가되는 전압들에 대한 공간 벡터 변조를 통해 제어 유닛(12)에 의해 서로에 대해 시간적으로 오프셋되어 열리고 닫히며, 따라서 교류 모터(3)에 인가되는 전압은 타겟 AC 전압으로 조절되고, 생성된 교류의 전류 리플 및 컨버터 모듈들(5, 6) 사이에서 브리지 위상간 트랜스포머들(14.1, 14.2, 14.3)을 통해 흐르는 횡류들이 최소화된다. 이제, 이것을 도 3을 참조하여 더 상세히 설명한다.

하프 브리지(7)의 IGBT들(8.1, 8.2)은 교대로 열리고 닫히며, 따라서 상기 IGBT들(8.1, 8.2) 중 정확하게 하나가 항상 열리고, 나머지 IGBT(8.1, 8.2)는 닫힌다. 따라서, 각각의 하프 브리지(7)는 2개의 스위칭 상태를 갖는다(제1 IGBT(8.1)가 열리고, 제2 IGBT(8.2)가 닫히거나, 그 반대이다). 도 1 및 2에 도시된 예시적인 실시예에서의 회로 배열(1)은 총 6개의 하프 브리지(7)를 가지므로, 모든 하프 브리지들(7)에 대해 총 2⁶ = 64개의 상이한 가능한 스위칭 상태가 존재한다. 그러나, 그에 따라 생성되는 각각의 AC 전압들의 상호 링크된(interlinked) 위상 전압들과 관련하여, 이러한 스위칭 상태들 중 다수는 중복적인데, 즉 동일한 상호 링크된 위상 전압들을 전달하는 하프 브리지들(7)의 상이한 스위칭 상태들이 존재한다. 일반적으로, 상이한 상호 링크된 위상 전압들에 각각 대응하는 19개의 상이한 전압 공간 벡터가 존재한다.

도 3은 하프 브리지들(7)에 의해 생성될 수 있는 이러한 19개의 상이한 전압 공간 벡터의 결과적인 공간 벡터 도면(D)을 나타내며, 여기서 3개의 교류 위상은 R, S, T로서 식별되고, 도 3에 도시된 공간 벡터 도면(D)의 각각의 노드는 공간 벡터 도면(D)의 중점으로부터 노드로 연장하는 가능한 전압 공간 벡터의 종점을 지시한다.

설정될 타겟 AC 전압의 타겟 전압 공간 벡터(23)는 일반적으로 그를 둘러싸는 3개의 노드(24, 25, 26)의 삼각형 내에 위치하며, 이들 노드는 타겟 전압 공간 벡터(23)에 가장 가까이 위치하는 가능한 전압 공간 벡터들을 나타낸다. 제어 유닛(12)에 의해, 3개의 노드(24, 25, 26) 중 하나에 대응하는 전압 공간 벡터들 중 하나를 각자 실현하는 하프 브리지들(7)의 스위칭 상태들이 공간 벡터 변조에 의해 교대로 설정되며, 따라서 이러한 실현되는 전압 공간 벡터들의 시간적 중간 값은 타겟 전압 공간 벡터(23)를 제공한다. 이러한 수단에 의해, 생성되는 교류의 클록 주파수 전류 리플, 및 따라서 필요한 교류 필터(19)의 크기도 유리하게 최소화된다.

전술한 바와 같이, 하프 브리지들(7)의 상이한 스위칭 상태들은 그에 따라 생성된 전압 공간 벡터들에 대해 중복된다. 이것은 컨버터 모듈들(5, 6) 사이에서 브리지 위상간 트랜스포머들(14.1, 14.2, 14.3)을 통해 흐르는 횡류들을 최소화하는 데 사용된다. 이러한 목적을 위해, 중복 스위칭 상태들에 속하는 전압 공간 벡터들이 공간 벡터 변조 동안에 상이한 상기 스위칭 상태들을 통해 교대로 실현된다.

본 발명은 바람직한 예시적인 실시예를 이용하여 상세히 도시되고 설명되었지만, 본 발명은 주어진 예에 의해 한정되지 않으며, 본 발명의 보호 범위로부터 벗어나지 않고서 이 분야의 통상의 기술자들에 의해 바람직한 실시예로부터 다양한 변경들이 도출될 수 있다.

Claims

교류 모터(3)의 제어를 위한 회로 배열(1)로서,
동일한 수의 하프 브리지들(half-bridges)(7)을 갖는 2개의 컨버터 모듈(5, 6) - 컨버터 모듈(5, 6)의 하프 브리지들(7)의 수는 적어도 상기 교류 모터(3)의 위상들의 수만큼 큼 -;
컨버터 모듈(5, 6) 내의 하프 브리지들(7)의 수와 일치하는 수의 브리지 위상간 트랜스포머들(bridge interphase transformers)(14.1, 14.2, 14.3);
상기 컨버터 모듈들(5, 6)에 대한 제어 유닛(12); 및
상기 교류 모터(3)에 대한 제1 직렬 모듈(17);
을 포함하고,
각각의 하프 브리지(7)는 상기 제어 유닛(12)에 의해 제어될 수 있는 한 쌍의 전류 방향-의존 스위치 유닛들(a pair of current direction-dependent switch units)을 갖고, 상기 스위치 유닛들 각각은 입력 및 출력을 갖고, 각각의 쌍의 제1 스위치 유닛의 상기 출력은 동일 쌍의 제2 스위치 유닛의 상기 입력에 링크(link)되며;
각각의 경우에, 제1 컨버터 모듈(5)의 하프 브리지(7) 및 제2 컨버터 모듈(6)의 대응하는 하프 브리지(7)는 2개의 상기 하프 브리지(7) 사이에 접속된 브리지 위상간 트랜스포머(14.1, 14.2, 14.3)에 의해 풀 브리지(full bridge)에 접속되고;
각각의 브리지 위상간 트랜스포머(14.1, 14.2, 14.3)는 상기 제1 직렬 모듈(17)을 통해 상기 교류 모터(3)에 접속될 수 있는 중앙 탭(center tap)을 갖고;
상기 제1 직렬 모듈(17)은 교류 필터(19)를 갖고, 상기 교류 필터에 의해 상기 브리지 위상간 트랜스포머들(14.1, 14.2, 14.3)의 상기 중앙 탭들 각각은 상기 교류 모터(3)의 위상에 결합될 수 있으며;
상기 회로 배열(1)은 교류 모터(3) 또는 직류 모터(2)의 선택적 제어를 위해 구성되고;
상기 회로 배열(1)은 직류 모터(2)에 대한 제2 직렬 모듈(18)을 포함하고;
상기 각각의 브리지 위상간 트랜스포머(14.1, 14.2, 14.3)의 상기 중앙 탭은 선택적으로 상기 제1 직렬 모듈(17)을 통해 상기 교류 모터(3)에, 또는 상기 제2 직렬 모듈(18)을 통해 상기 직류 모터(2)에 접속될 수 있으며;
상기 제2 직렬 모듈(18)은 상기 직류 모터(2)에 결합될 수 있는 중앙 탭 및 브리지 위상간 트랜스포머(14.1, 14.2, 14.3)의 중앙 탭에 각자 접속될 수 있는 2개의 외부 단자(21.1, 21.2)를 갖는 적어도 하나의 추가적인 위상간 트랜스포머(20)를 포함하는 회로 배열(1).
제1항에 있어서,
상기 컨버터 모듈들(5, 6)의 상기 스위치 유닛들 각각은 절연 게이트 전극을 갖는 바이폴라 트랜지스터(8.1, 8.2)를 포함하고, 상기 바이폴라 트랜지스터의 컬렉터(9.2)는 상기 스위치 유닛의 상기 입력을 정의하고, 상기 바이폴라 트랜지스터의 이미터(9.1)는 상기 스위치 유닛의 상기 출력을 정의하는 것을 특징으로 하는 회로 배열(1).
제1항 또는 제2항에 있어서,
컨버터 모듈(5, 6)의 하프 브리지(7)와 상기 하프 브리지에 접속된 상기 브리지 위상간 트랜스포머(14.1, 14.2, 14.3) 사이에 흐르는 전류를 검출하기 위한 적어도 하나의 전류 트랜스포머(15)를 포함하고, 상기 전류 트랜스포머(15)는 상기 제어 유닛(12)에 접속되어, 상기 검출된 전류를 상기 제어 유닛(12)으로 전달하는 것을 특징으로 하는 회로 배열(1).
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 하프 브리지들(7)의 상기 스위치 유닛들을 제어하기 위한 상기 제어 유닛(12)으로서의 마이크로프로세서를 포함하는 것을 특징으로 하는 회로 배열(1).
제1항 또는 제2항에 따른 회로 배열(1)에 의한 교류 모터(3) 또는 직류 모터(2)의 선택적 제어를 위한 방법으로서,
상기 교류 모터(3) 또는 상기 직류 모터(2)는 DC 전압원(4)으로부터 상기 회로 배열(1)을 통해 급전되고, 상기 DC 전압원의 제1 극은 모든 하프 브리지들(7)의 제1 스위치 유닛들의 입력들에 접속되고, 상기 DC 전압원의 제2 극은 모든 상기 하프 브리지들(7)의 제2 스위치 유닛들의 출력들에 접속되며;
상기 교류 모터(3)의 각각의 위상은 제1 직렬 모듈(17)을 통해 브리지 위상간 트랜스포머(14.1, 14.2, 14.3)의 중앙 탭에 결합되고, 컨버터 모듈들(5, 6)은 상기 DC 전압원(4)의 DC 전압을 상기 교류 모터(3)를 위한 AC 전압으로 변환하기 위한 인버터로서 제어 유닛(12)에 의해 동작되거나, 또는
상기 직류 모터(2)는 제2 직렬 모듈(18)을 통해 상기 브리지 위상간 트랜스포머들(14.1, 14.2, 14.3)의 상기 중앙 탭들에 결합되고, 상기 컨버터 모듈들(5, 6)은 상기 DC 전압원(4)의 DC 전압을 상기 직류 모터(2)를 위한 DC 전압으로 변환하기 위한 DC-DC 컨버터로서 상기 제어 유닛(12)에 의해 동작되는 방법.
제5항에 있어서,
상기 컨버터 모듈들(5, 6)의 인버터로서의 동작 동안, 상기 하프 브리지들(7)은 공간 벡터 변조에 따라 상기 제어 유닛(12)에 의해 제어되며, 따라서 생성되는 AC 전압은 타겟 AC 전압의 타겟 전압 공간 벡터(target voltage space vector)(23)로 조절되는(regulated) 것을 특징으로 하는 방법.
제6항에 있어서,
상기 하프 브리지들(7)의 상이한 스위칭 상태들에 의해 실현될 수 있는 상기 생성되는 AC 전압들에 대한 상기 공간 벡터 변조 동안 사용되는 상기 전압 공간 벡터들이 이들 상이한 스위칭 상태들을 통해 교대로 설정됨에 따라, 상기 컨버터 모듈들(5, 6) 사이에서 상기 브리지 위상간 트랜스포머들(14.1, 14.2, 14.3)을 통해 흐르는 횡류들(cross currents)이 감소하는 것을 특징으로 하는 방법.
제5항에 있어서,
상기 브리지 위상간 트랜스포머들(14.1, 14.2, 14.3)의 중앙 탭들에 대한 상기 직류 모터(2)의 접속시에, 상기 제2 직렬 모듈(18)의 추가적인 위상간 트랜스포머(20)가 상기 추가적인 위상간 트랜스포머의 중앙 탭을 통해 상기 직류 모터(2)의 전기자(armature)에, 제1 외부 단자(21.1)를 통해 제1 브리지 위상간 트랜스포머(14.1)의 상기 중앙 탭에 그리고 제2 외부 단자(21.2)를 통해 제2 브리지 위상간 트랜스포머(14.2)의 상기 중앙 탭에 접속되고, 제3 브리지 위상간 트랜스포머(14.3)의 상기 중앙 탭은 상기 직류 모터(2)의 계자 권선(field winding)(22)에 접속되는 것을 특징으로 하는 방법.
제8항에 있어서,
상기 컨버터 모듈들(5, 6)의 DC-DC 컨버터로서의 동작시에, 상기 컨버터 모듈들(5, 6)의 상호 대응하는 하프 브리지들(7)의 제1 스위치 유닛들 및/또는 제2 스위치 유닛들이 서로 시간적으로 오프셋되어 열리고 닫히며, 따라서 상기 직류 모터(2)의 타겟 속도에 대해, 상기 제어 유닛(12)에 의해, 전류 리플(ripple)을 최소화하는 상기 제1 브리지 위상간 트랜스포머(14.1) 및 상기 제2 브리지 위상간 트랜스포머(14.2)에 접속된 상기 스위치 유닛들의 제어 인자가 결정되고 설정되며, 상기 제3 브리지 위상간 트랜스포머(14.3)에 접속된 상기 스위치 유닛들이 적절한 계자 전류(field current)의 설정에 의해 상기 타겟 속도에 도달하도록 제어됨에 따라, 상기 직류 모터(2)의 상기 전기자를 통해 흐르는 전류의 리플이 최소화되는 것을 특징으로 하는 방법.
교류 모터(3) 또는 직류 모터(2)의 선택적 제어를 위한 제5항에 기재된 방법으로서, 상기 방법은 잠수함에서 사용되는 방법.