KR101860725B1

KR101860725B1 - 냉방기 응용에 있어서 가변속 드라이브를 위한 다중-펄스 정전압 변압기

Info

Publication number: KR101860725B1
Application number: KR1020167017961A
Authority: KR
Inventors: 지퀴아오 우; 존 씨. 한센
Original assignee: 존슨 컨트롤스 테크놀러지 컴퍼니
Priority date: 2014-02-03
Filing date: 2015-01-21
Publication date: 2018-07-02
Also published as: US20160248363A1; KR20160095073A; JP2017508426A; TW201541853A; TWI604687B; US10707800B2; WO2015116447A8; CN106104996A; US20190006976A1; US10075117B2; JP6353053B2; WO2015116447A1; EP3103185A1; CN106104996B

Abstract

다중 탭들을 갖는 다중-펄스 변압기는 입력 전압의 범위에 걸쳐서 가변속 냉각기의 압축기 모터로 일정한 크기의 전압 출력을 제공한다. 3-상 변압기는 1차 권선 및 다수의 2차 권선을 포함한다. 2차 권선은 연관된 1차 권선과 전자기적으로 연결된다. 1차 권선은 다중 입력 AC 전압을 수용하기 위한 탭들 및 소정의 출력 전압을 공급하기 위해서 단일 출력 단자를 갖는 2차 권선을 포함하며, 정류 후에 가변속 드라이브의 DC 링크를 구동시키기 위해 DC 다중-펄스 파형을 생성하게 된다. 이와는 달리, 3상 변압기는 2차 권선 상에서 다중 탭들을 포함한다. 각각의 1차 권선은 입력 AC 전압을 수용하기 위한 단자를 갖는다. 2차 권선의 탭들은 가변속 드라이브의 DC 링크를 구동시키기 위해서 다중-펄스 파형으로 변환되는 출력 전압을 제공한다.

Description

냉방기 응용에 있어서 가변속 드라이브를 위한 다중-펄스 정전압 변압기{MULTI-PULSE CONSTANT VOLTAGE TRANSFORMER FOR A VARIABLE SPEED DRIVE IN CHILLER APPLICATIONS}

관련출원의 상호 참조

본 출원은 "MULTI-PULSE CONSTANT VOLTAGE TRANSFORMER FOR A VARIABLE DRIVE IN CHILLER APPLICATIONS"라는 발명의 명칭으로 2014년 2월 3일자로 출원된 미국 임시특허출원 제 61/934,918 호(여기에서는 참조로서 통합된 것임)의 우선권을 주장한다.

본 출원은 일반적으로 다중 펄스, 또는 다중-펄스, 변압기에 관한 것이다. 본 출원은 특히 입력전압의 범위에 걸쳐서 일정 크기의 전압출력을 가변속 냉방기의 압축기 모터로 제공하기 위해 다중 탭들을 구비한 다중-펄스 변압기에 관한 것이다.

AC-DC 컨버터는 현대의 에너지 변환 산업분야에서 상당한 역할을 수행한다. 전파정류기와 함께 다중-펄스 변압기들(18 펄스, 24 펄스 등)은 입력 전류 고조파를 저감시키고 컨버터에서 발생한 고조파에 의해서 야기되는 바와 같은 전압 왜곡의 한계에 관한 산업상의 지침을 충족시키기 위해 사용된다.

컴퓨터 및 프로그래밍 가능한 컨트롤러와 같은 다른 디지털 장비의 제조업자들은 5% 미만의 고조파 왜곡 요소 및 정격 RMS 라인 전압의 3% 미만을 갖는 최대 신호 고조파를 갖는 AC 전원을 필요로 할 것이다. 높은 수준의 고조파들은 심각한 결과들을 가질 수 있는 주변장비의 고장을 야기할 수 있다. 기구들은 잘못된 데이터를 제공하거나 다른 한편으로 설계기준을 벗어난 것을 수행함에 의해서 영향을 받을 수 있다.

개시된 장치 및/또는 방법의 의도된 장점들은 이러한 필요성의 하나 또는 그 이상을 만족시키거나 또는 다른 바람직한 특징들을 제공한다. 다른 특징 및 장점들은 본 명세서로부터 명백해질 것이다. 개시된 가르침은 특허청구범위 내에 있는 실시 예들이 상기한 필요들 중 하나 또는 그 이상을 달성하는지 여부에 관계없이 상기 실시 예들로 확장된다.

본 출원은 특히 입력전압의 범위에 걸쳐서 일정 크기의 전압출력을 가변속 냉방기의 압축기 모터로 제공하기 위해 다중 탭들을 구비한 다중-펄스 변압기를 제공하고자 한 것이다.

일 실시 예는 정격 AC 입력 전압 크기와 주파수로 입력 AC 전력을 수용하고 가변 전압과 가변 주파수로 출력 AC 전력을 제공하는 가변속 드라이브 장치에 관한 것이다. 가변속 드라이브는 입력 AC 전압을 제공하는 3상 AC 전원에 연결된 다중 펄스 변압기를 포함한다. 컨버터는 입력 AC 전압을 DC 전압으로 변환한다. DC 링크는 컨버터 스테이지에 연결된다. DC 링크는 컨버터 스테이지로부터 제공되는 DC 전압을 필터링하고 저장한다. 인버터는 DC 링크로부터 제공되는 DC 전압을 출력 AC 전력으로 변환시키도록 DC 링크에 연결된다. 다중 펄스 변압기는 3개의 1차 권선들을 포함한다. 각각의 1차 권선은 3상 AC 전원의 위상에 연결된다. 각각의 1차 권선은 AC 전원에 대한 연결을 위한 다수의 입력 탭들을 포함한다. 다중 펄스 변압기는 다수의 2차 권선들을 또한 포함한다. 각각의 2차 권선은 각각 3상 권선을 포함한다. 각각의 2차 권선의 각각의 위상 권선은 잔여 2차 권선의 대응하는 위상 권선에 대한 소정의 위상 시프트(phase shift)를 갖는다. 위상 권선의 위상 시프트는 각각의 2차 권선에 대한 3개의 사인곡선적 출력 전압파를 야기한다. 사인곡선적 출력 전압파는 360도에 걸쳐서 대체로 균등하게 이격된다.

또 다른 실시 예는 정격 AC 입력 전압 크기와 주파수로 입력 AC 전력을 수용하고 가변 전압 및 가변 주파수로 출력 AC 전력을 제공하는 가변속 드라이브 장치에 관한 것이다. 가변속 드라이브는 입력 AC 전압을 제공하는 3상 AC 전원에 연결된 다중 펄스 변압기를 포함한다. 컨버터는 입력 AC 전압을 DC 전압으로 변환하도록 구성된다. DC 링크는 컨버터에 연결된다. DC 링크는 컨버터로부터 제공되는 DC 전압을 필터링하여 저장한다. 인버터는 DC 링크로부터 제공되는 DC 전압을 가변 전압 및 가변 주파수를 갖는 출력 AC 전력으로 변환하도록 DC 링크에 연결된다. 다중 펄스 변압기는 3상 AC 전원에 연결된 3개의 1차 권선을 포함한다. 각각의 1차 권선은 AC 전원에 연결을 위한 적어도 하나의 입력 탭을 포함한다. 다중 펄스 변압기는 다수의 2차 위상 권선을 또한 포함한다. 각각의 2차 위상 권선은 다중 전압 출력 단자들을 포함한다.

또 다른 실시 예는 냉매 유로를 포함하는 냉방장치에 관한 것이다. 냉매 유로는 폐쇄 냉매 루프로 연결된 압축기, 응축기, 및 증발기를 포함한다. 다중 펄스 변압기는 압축기의 모터를 구동시키기 위해 3상 AC 전원에 연결된 3개의 1차 권선 및 가변속 드라이브에 연결된 다수의 2차 권선을 포함한다. 1차 권선 또는 2차 권선은 잔여 1차 또는 2차 권선의 대응하는 권선에 대하여 소정의 위상 시프트로 다중 위상 출력 전압을 제공하기 위한 다중 탭들을 포함한다. 상기 다중 위상 출력 전압의 위상 시프팅(phase shifting)은 다수의 2차 권선의 각각에 대하여 3개의 다중 사인곡선적 출력 전압파들을 제공하며, 이때 상기 사인곡선적 출력 전압파들은 360도에 걸쳐서 대체로 균등하게 이격된다.

여기에서 설명한 실시 예들의 장점은 예를 들어 380V 입력전압, 460V 입력전압 등과 같이 다른 입력전압 수준하에서 일정한 크기의 AC 출력 전압이 얻어지도록 입력 권선이나 출력 권선에 다중 탭들을 갖는 다중-펄스 변압기를 포함하는 것이다.

다른 장점은 일정한 값의 AC 출력 전압이 최적의 DC 링크 전압값으로 가변속 드라이브에서 DC 링크로부터 제공되는 것이다. AC 입력 전압이 다중 전파정류기에 적용된 후에 DC 링크 전압이 얻어진다.

다른 장점은, 낮은 전압 (600볼트 AC 또는 그 미만) HVAC 응용에 대하여, 575V 60Hz 모터가 모든 380볼트 내지 600볼트 AC 50Hz 및 60Hz 응용들에 대해 사용될 것이며, 이것은 한 종류의 모터들이 전세계적으로 모든 응용에 대해 사용될 수 있게 하고, 가장 경제적이며, 주어진 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT) 인버터에 대해 마력에 있어서 출력 등급을 최대화하고, 모터의 가격을 최소화한다는 것이다. 이것은 IGBT는 암페어수로 등급화되기 때문에 높은 전압 모터는 출력 마력 등급을 증가시키기 때문이다. 전력선 입력 주파수의 적어도 2배 범위에 걸쳐서 구동되는 575V, 4극 모터의 사용은 주어진 마력 등급에 대해 장치의 비용 및 크기를 더욱 줄일 수 있다. 380볼트 내지 600볼트 AC, 50Hz 및 60Hz 범위의 모든 입력 전압에 대해, 만약 선택된 모든 압축기 모터들이 575볼트, 60Hz에서 등급이 지정되면, DC 링크 전압은 820V로 고정될 수 있다.

개시된 다중-펄스 정전압 변압기의 추가적인 장점은 유틸리티 그리드 전압이 나라마다 다르기 때문에 세계적인 응용에 있어서 가변속 드라이브 설계를 단순화할 수 있다는 것이다.

다른 장점은, 가변속 드라이브에서 다중-펄스 변압기의 사용에 의해서 입력 전류 고조파들을 감소시키고 그에 따라 전력 품질 이슈들에 대한 면책을 개선하고 PWM 정류기들의 효율을 증가시키는 것이다. PWM 정류기는 IGBT들 또는 다른 파워 반도체 스위칭 장치들과 연관된 스위칭 및 통전 손실을 갖기 때문에, 변압기들은 일반적으로 PWM 정류기들보다 효율적이다.

대안적인 바람직한 실시 예들은 특허청구범위에서 일반적으로 재인용될 다른 특징들 및 특징들의 조합에 관한 것이다.

본 출원은 일반적으로 다중 펄스, 또는 다중-펄스, 변압기에 관한 것으로서, 특히 입력전압의 범위에 걸쳐서 일정 크기의 전압출력을 가변속 냉방기의 압축기 모터로 제공하기 위해 다중 탭들을 구비한 다중-펄스 변압기를 제공한다.

도 1은 가열, 통기 및 공기조화 장치의 바람직한 실시 예를 나타낸 도면.
도 2는 바람직한 증기 압축장치의 등각도.
도 3는 가열, 통기 및 공기조화 장치의 바람직한 실시 예를 개략적으로 나타낸 도면.
도 4는 가변속 드라이브의 바람직한 실시 예를 개략적으로 나타낸 도면.
도 5는 다중 탭 1차 권선을 구비한 바람직한 다중-펄스 변압기를 나타낸 도면.
도 6은 다중 탭 2차 권선을 구비한 바람직한 다중-펄스 변압기를 나타낸 도면.

도 1은 통상적인 상업적 셋팅을 위한 빌딩(12)에서 가열, 환기 및 공기조화(HVAC) 장치(10)에 대한 바람직한 환경을 나타낸다. 장치(10)는 빌딩(12)을 냉방하는데 사용될 냉각된 액체를 공급할 수 있는 증기 압축장치(14)를 포함할 수 있다. 장치(10)는 빌딩(12)을 난방하는데 사용될 가열된 액체를 공급하기 위한 보일러(16) 및 빌딩(12)을 통해서 공기를 순환시키는 공기 분배장치를 포함할 수 있다. 공기 분배장치는 공기 복귀 덕트(18), 공기 공급 덕트(20) 및 에어 핸들러(22)를 포함할 수 있다. 에어 핸들러(22)는 도관(24)에 의해서 보일러(16)와 증기 압축장치(14)에 연결되는 열교환기를 포함할 수 있다. 에어 핸들러(22)에 있는 열교환기는 장치(10)의 작동모드에 따라서 보일러(16)로부터 나오는 가열된 액체나 증기 압축장치(14)로부터 나오는 냉각된 액체를 수용할 것이다. 장치(10)는 빌딩(12)의 각 층에서 별도의 에어 핸들러를 구비하고 있는 것으로 나타냈으나, 그 부품들은 층들 사이에서 공유될 수 있음을 알 수 있다.

도 2 및 3은 HVAC 시스템(10)에서 사용될 수 있는 바람직한 증기압축장치(14)를 나타낸다. 증기압축장치(14)는 압축기(32)에 의해서 시작하고 응축기(34), 팽창밸브(들) 또는 장치(들)(36), 및 증발기나 액체 냉각기(38)를 포함하는 회로를 통해서 냉매를 순환시킬 수 있다. 증기압축장치(14)는 제어 패널(40)을 또한 포함할 수 있는데, 이 제어 패널(40)은 아날로그 디지털(a/D) 변환기(42), 마이크로프로세서(44), 비휘발성 메모리(46) 및 인터페이스 보드(48)를 포함할 수 있다. 증기압축장치(14)에서 냉매로서 사용되는 유체들의 몇몇 예들은 예를 들어 R-410a, R- (40)7, R-1(34)a와 같은 하이드로플루오로카본(HFC) 기지 냉매들, 암모니아(NH3), R- 717, 이산화탄소(C02), R-744와 같은 "천연" 냉매들, 또는 탄화수소 기초 냉매들, 수증기나 다른 적당한 형태의 냉매이다.

압축기(32)와 함께 사용된 모터(50)는 가변속 드라이브(52)에 의해서 구동되거나 또는 교류(AC) 또는 직류(DC) 전력원으로부터 직접적으로 전력을 공급받아 구동될 수 있다. 모터(50)는 유도 또는 동기 모터, 또는 스위치드 릴럭턴스(SR) 모터, 또는 VSD에 의해서 구동되거나 AC 또는 DC 전원으로부터 전력을 공급받아서 구동될 수 있는 영구자석 동기 모터(PMSM)를 포함할 수 있다.

도 4는 다중 펄스 변압기(100)를 포함하는 VSD의 바람직한 실시 예를 나타낸다. VSD(52)는 AC 전원으로부터 공급되는 특정 정격 라인 전압 및 정격 라인 주파수를 갖는 AC 전력을 수용하고, 특정 요구조건들을 만족시키도록 변할 수 있는 원하는 전압과 원하는 주파수를 갖는 AC 전력을 모터(50)로 제공한다. VSD(52)는 4개의 부품들: 다중 펄스 변압기, 정류기/컨버터(222), DC 링크(224) 및 인버터(226)를 포함할 수 있다. 다중 펄스 변압기는 하기에서 보다 상세하게 설명하는 바와 같이 3-상 입력 AC 전압을 다중 AC나 사인곡선적 전압파형으로 변환시킨다. 정류기/컨버터(222)는 다중 펄스 변압기(100)로부터 제공되는 다중 사인곡선적 전압파형을 DC 전압으로 변환시킨다. DC 링크(224)는 컨버터(222)로부터 제공되는 DC 전력을 필터링하여 캐패시터들 및/또는 인덕터들과 같은 에너지 저장부품들로 제공한다. 끝으로, 인버터(226)는 DC 링크(224)로부터 제공되는 DC 전압을 모터(50)를 가변 주파수, 가변 크기 AC 전압으로 변환 시킨다.

바람직한 실시 예에 있어서, 정류기/컨버터(222)는 VSD(52)에 대한 입력 전압보다 큰 최대 RMS 출력 전압을 VSD(52)로부터 얻기 위해서 DC 링크(224)로 승압된 DC 전압을 제공하도록 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터들을 갖는 3상 펄스 폭 변조 부스트 정류기가 될 수 있다. 이와는 달리, 컨버터(222)는 승압능력이 없는 수동 다이오드 또는 사이리스터 정류기가 될 수 있다.

VSD(52)는 특정 부하조건에 반응하여 모터(50)의 효과적인 작동을 가능하게 하기 위하여 가변 크기의 출력전압과 가변 주파수를 모터(50)로 제공할 수 있다. 제어패널(40)은 제어패널(40)에 의해서 수신된 특정 센서 판독값에 대하여 적절한 작동 설정하에서 VSD(52)와 모터(50)를 작동시키도록 VSD(52)로 제어신호를 제공할 수 있다. 예를 들면, 제어패널(40)은 증기압축장치(14)에서 조건들을 변화시키는 것에 반응하여 VSD(52)에 의해서 제공된 출력전압과 출력 주파수를 조정하도록 VSD(52)로 제어신호를 제공할 수 있다. 즉, 제어패널(40)은 압축기(32)에서 부하 조건들을 증가시키거나 감소시키는 것에 반응하여 VSD(52)에 의해서 제공된 출력전압과 출력 주파수를 증가시키거나 감소시키기 위한 명령을 제공할 수 있다. 하기에서 보다 상세하게 설명하는 바와 같이, 측정된 모터(50)의 회전자 위상각 θ_r 및 회전자 주파수 ω_r가 모터(50)의 위치 및 회전 주파수의 피드백 제어를 위해 제어패널로 입력될 것이다.

압축기(32)는 냉매 증기를 압축하고 그 증기를 배출통로를 통해서 응축기(34)로 운반한다. 바람직한 일 실시 예에 있어서, 압축기(32)는 하나 또는 그 이상의 압축 스테이지들을 갖는 원심형 압축기가 될 수 있다. 압축기(32)에 의해서 응축기(34)로 운반된 냉매 증기는 예를 들어 물이나 공기와 같은 유체로 열을 전달한다. 냉매 증기는 유체와의 열전달의 결과로서 응축기(34)에서 냉매 액체로 응축된다. 응축기(34)로부터 제공되는 액체 냉매는 팽창장치(36)를 통해서 증발기(38)로 유동한다. 고은 가스 바이패스 밸브(HGBV)(134)는 압축기 배출구로부터 압축기 흡입구로 연장되는 별도 라인에 연결될 것이다. 도 3에 도시된 바람직한 실시 예에 있어서, 응축기(34)는 물로 냉각되고, 냉각탑(56)에 연결된 튜브 번들(54)을 포함한다.

증발기(38)로 운반된 액체 냉매는 응축기(34)에 대해 사용된 유체와 동일한 형식이 되거나 그렇지 않은 다른 유체로부터 열을 흡수하고, 냉매 증기로의 상변화를 겪는다. 도 3에 도시된 바람직한 실시 예에 있어서, 증발기(38)는 냉각부하(62)에 연결된 공급라인(60S)과 복귀라인(60R)을 갖는 튜브 번들(60)을 포함한다. 예를 들어 물, 에틸렌글리콜, 염화칼슘 브라인, 염화나트륨 브라인 또는 다른 적당한 액체와 같은 처리 유체가 복귀라인(60R)을 거쳐서 증발기(38)로 들어가고 공급라인(60S)을 거쳐서 증발기(38)를 빠져나간다. 증발기(38)는 튜브들에서 처리유체의 온도를 낮춘다. 증발기(38)에서 튜브 번들(60)은 다수의 튜브들과 다수의 튜브 번들을 포함할 수 있다. 증기 냉매는 증발기(38)를 빠져나가고, 회로 또는 사이클을 완결하기 위해 흡입라인에 의해서 압축기(32)로 복귀한다. 바람직한 실시 예에 있어서, 증기압축장치(14)는 하나 또는 그 이상의 냉매 유로에서 가변속 드라이브(VSD)(52), 모터(50), 압축기(32), 응축기(34), 팽창밸브(36) 및/또는 증발기(38) 각각의 하나 또는 그 이상을 이용할 것이다.

다음으로 도 5를 참조하면, 바람직한 다중-펄스 변압기(100)는 3상 입력 전원(104)에 대한 연결을 위해 입력 또는 1차 권선(102a, 102b 및 102c)을 포함한다. 입력 권선(102a, 102b 및 102c)의 각각은 입력 전원(104)에 대한 연결을 위해 다중 단자들을 포함한다. 도 5에 도시된 바람직한 실시 예에 있어서, 각각의 입력 권선에는 3개의 단자들이 존재하는데, 권선(102a)에서 단자 A, Al 및 A2; 권선(102b)에서 단자 B, Bl 및 B2, 및 권선(102c)에서 단자 C, C1 및 C2이다.

변압기(100)는 출력 또는 2차 권선(104, 106 및 108)을 더 포함하는데, 각각의 권선은 각각 a, b 및 c로 표시되는 3상 권선을 갖는다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 2차 위상 권선(104a)은 2차 위상 권선(106a)에 대하여 θ의 위상 시프트를 가지며, 2차 위상 권선(108a)은 2차 위상 권선(106a)에 대하여 -θ의 위상 시프트를 갖는다. 마찬가지로, 출력 권선(104b, 106b, 및 108b)의 각각은 인접한 위상에 대하여 +/- θ로 위상 시프트되고, 출력 권선(104c, 106c, 및 108c)의 각각은 +/- θ로 위상 시프트된다. 2차 권선(104, 106, 및 108) 및 그들의 각각의 위상 권선들의 위상 시프팅(phase shifting)은 출력단자 D, E, F에서 대체로 동등하게 이격된 위상 각도로서 또는 전압피크들 사이에서 약 40도 각도의 분리로서 위상 권선들(104 a, b & c; 106 a, b & c, 및 108 a, b & c)의 9개의 사인파들 발생을 초래한다. 정류기/컨버터(222)에 의해서 정류되는 경우, 결과적인 파형들은 DC 링크(224)로 공급된 18 펄스 DC 파형의 발생을 초래한다. 바람직한 실시 예는 18 펄스(9 위상) 출력 파형에 대해 설명하였지만, DC 링크에서 유용한 원하는 맥동률을 달성하기 위해서 필요한 바와 같은 다른 구성들, 예를 들면 12-펄스(6-위상), 24-펄스(12-위상)이 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

도 5에 도시된 바람직한 실시 예에 있어서, 입력 권선(102)은 다음과 같이 배열된 입력 단자들에 대하여 권선될 것이다:

575볼트 → 단자 A, B & C

460볼트 → 단자 A1, B1 & C1

400/415볼트 → 단자 A2, B2 & C2

그러므로, 입력 전원(104)에서 유용한 유틸리티 전압에 따라서, 2차 위상 권선의 출력전압을 DC 링크에서 820 VDC로 변환하기 위해서, 2차 위상 권선의 출력단자들에서 동일한 출력 전압, 예를 들면 580 VAC RMS 전압을 제공하기 위해 상기한 3개 전압 중 어느 것이 각각의 단자에 적용될 것이다. 위에서 설명한 바와 같이, 주어진 IGBT 인버터 파워 폴에 대하여 출력 파워를 최대화하기 위해서 HVAC 응용에 대해 575볼트 모터를 사용하는 것이 일반적이다. 575V, 4개 극 모터는 주어진 모터 마력 등급에 대해 장치 비용 및 크기를 줄이기 위해서 전력선 입력 주파수의 적어도 2배 범위에 걸쳐서 구동될 것이다. 비록 변압기(100)는 다양한 DC 부스 전압, 예를 들면 575볼트의 모터 전압 등급에 대하여 적당한 813V 내지 1000V의 범위를 제공하도록 설계되었지만, 575V 유도 기계장치에 대하여 바람직한 DC 링크 전압은 820V이다.

다음으로 도 6을 참조하면, 대안적인 실시 예에 있어서, 다중 탭들의 2차 권선을 갖는 바람직한 다중-펄스 변압기(200)가 도시되어 있다. 다른 실시 예에 있어서, 일정한 크기로 유지되는 AC 출력 전압이 다른 입력 전압 수준, 예를 들면 380V 입력 전압, 460V 입력 전압 등에서 얻어지도록 다중 탭들이 출력 권선(204,206,208)에 제공될 것이다. 2차 권선이 다중 탭들을 포함하는 실시 예에 있어서, 1차 권선(202)은 입력 전압에 대해 단지 하나의 단자 연결을 포함할 것이며, 이와는 달리 1차 권선(202)은 다중 탭들을 또한 포함할 것이다.

다중 -펄스 변압기(200)는 3상 입력 전원(202)에 대한 연결을 위해 3개의 1상 권선들(202a, 202b 및 202c)을 갖는 입력 또는 1차 권선들(202)을 포함한다. 도 6에 도시된 바와 같이, 각각의 입력 권선(202a, 202b 및 202c)은 입력 전원(202)에 대한 연결을 위해 각각 단일 입력 단자 A_i, B_i, C_i를 포함한다.

변압기(200)는 출력 또는 2차 권선(204, 206 및 208)을 더 포함하며, 각각은 다중 단자들을 구비한 3개의 출력 위상 권선을 갖는다. 출력 권선(204)에서, 위상 A 단자들은 A_O1, A₀₁₁, 및 A₀₁₂; 위상 B 단자들은 B_O1, B₀₁₁, 및 B₀₁₂; 및 위상 C 단자들은 C_O1, C₀₁₁, 및 C₀₁₂로서 각각 지정된다. 출력 권선(206)에서, 위상 A 단자들은 A_O2, A₀₂₁, 및 A₀₂₂; 위상 B 단자들은 B_O2, B₀₂₁, 및 B₀₂₂; 및 위상 C 단자들은 C_O2, C₀₂₁, 및 C₀₂₂로서 각각 지정된다. 출력 권선(208)에서, 위상 A 단자들은 A_O3, A₀₃₁, 및 A₀₃₂; 위상 B 단자들은 B_O3, B₀₃₁, 및 B₀₃₂; 및 위상 C 단자들은 C_O3, C₀₃₁, 및 C₀₃₂로서 각각 지정된다. 도 6에 나타낸 바와 같이, 2차 위상 권선(204a)은 2차 위상 권선(206a)에 대하여 θ의 위상 시프트를 가지며, 2차 위상 권선(208a)은 2차 위상 권선(206a)에 대하여 -θ의 위상 시프트를 갖는다. 마찬가지로, 출력 권선들(204B, 206B 및 208B)의 각각은 인접한 위상에 대하여 +/-θ로 위상 시프트되고, 출력 권선들(204C, 206C 및 208C)의 각각은 인접한 위상에 대하여 +/-θ로 위상 시프트된다. 2차 권선(204, 206 및 208)의 위상 시프팅 및 그들 각각의 위상 권선들은 위상 권선들(204 A, B & C; 206 A, B & C; 및 208 A, B & C)의 출력 단자들 D, E, F에서 대체로 동등하게 떨어진 위상 각도로 또는 볼트 피크들 사이에서 약 40도 각도의 분리로 9개의 사인파들을 발생시킨다. 정류기/컨버터(222)에 의해서 정류된 경우, 결과적인 파형은 DC 링크(224)에 제공된 18개 펄스파의 발생을 야기한다.

도 6에 도시된 바람직한 실시 예에 있어서, 입력 권선(202)은 표준 입력 AC 전압을 위해서 권선될 것이며, 출력 단자들은 단자들 202 A_i, B_i, C_i에 적용된 표준 입력, 예를 들면 AC 전압, 575V, 460V 또는 400/415V에 따른 3가지 단자 옵션들 중 하나로 575볼트를 출력하도록 배열된다.

그러므로, 입력 전원(202)에 제공된 유틸리티 전압에 따라서, 입력 단자들에 적용된 상기 3가지 전압 중 어느 것이 원하는 출력 전압, 2차 위상 권선의 하나의 출력 단자 조합으로, 예를 들면 575V 모터에 대해 575볼트로 제공할 것이다. 앞서 나타낸 바와 같이, 주어진 IGBT 인버터 파워 폴에 대한 출력 파워를 최대화하기 위하여 HVAC 응용에 대해 575볼트 모터를 사용하는 것이 일반적이다.

상기 응용은 다음의 설명이나 도면에 나타낸 상세내용 또는 방법론으로 제한되지 않음을 이해할 수 있을 것이다. 여기에서 채용된 어법이나 용어는 단지 설명을 위한 것이며 본 발명을 제한하는 것으로 간주해서는 안된다는 것을 또한 이해할 수 있을 것이다.

도면들에 나타내고 여기에서 설명한 모범적인 실시 예들은 바람직하게 주어진 것으로, 이 실시 예들은 단지 예로서 제공된 것임을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 출원은 특별한 실시 예로 제한되지 않으며, 다양한 변형으로 확장될 수 있고 그럼에도 불구하고 이것은 첨부된 특허청구의 범위 내에 있다. 어느 프로세스나 방법 단계들의 순서나 절차는 대안적인 실시 예들에 따라서 변화되거나 재-순서화될 수 있다.

다양한 바람직한 실시 예들에 나타낸 바와 같은 다중-펄스 변압기의 구성 및 배열은 단지 설명만을 위한 것임을 주목하는 것이 중요하다. 본 명세서에서는 단지 몇몇 실시 예들이 상세하게 설명되었지만, 본 명세서를 검토하는 사람들은 특허청구범위에서 재인용된 주제의 새로운 특징 및 장점들로부터 실질적으로 벗어남이 없이 많은 변경들(예를 들면, 크기의 변화, 치수들, 구조물들, 다양한 요소들의 형상과 비율, 매개변수들의 값, 장착 배열, 재료의 사용, 색채, 배향 등)이 가능함을 쉽게 이해할 것이다. 예를 들면, 일체로 형성된 것으로 나타낸 요소들은 다수의 부분이나 요소들로 구성될 수 있으며, 요소들의 위치는 역전되거나 또는 바뀔 수 있으며, 불균일한 요소들의 본성이나 개수 또는 위치들은 변경되거나 변화될 것이다. 따라서, 그러한 변형들은 본 출원의 범위 내에 포함되도록 의도된다. 어느 프로세스나 방법 단계들의 순사나 절차는 대안적인 실시 예들에 따라서 변화되거나 재-순서화될 수 있다. 특허청구의 범위에 있어서, 수단-기능 절은 재인용된 기능을 수행하는 바와 같이 여기에서 설명한 구조, 및 구조적인 등가물 뿐만아니라 등가 구조물을 포괄하도록 의도된 것이다. 본 출원의 범위를 벗어남이 없이 바람직한 실시 예의 설계, 작동 조건 및 배열에서 다른 대체, 변형, 수정 및 생략이 이루어질 수 있다.

Claims

정격 AC 입력 전압 크기 및 주파수로 입력 AC 전력을 수용하고 가변 전압 및 가변 주파수로 출력 AC 전력을 제공하도록 구성된 가변속 드라이브 로서, 상기 가변속 드라이브는,
상기 입력 AC 전력을 제공하는 3상 AC 전원에 연결된 다중 펄스 변압기;
상기 입력 AC 전력을 DC 전압으로 변환하도록 구성된 컨버터;
상기 컨버터에 연결되고, 상기 컨버터로부터 제공되는 DC 전압을 필터링하여 저장하는 DC 링크; 및
상기 DC 링크에 연결되고, 상기 DC 링크로부터 제공되는 DC 전압을 상기 가변 전압과 가변 주파수를 갖는 출력 AC 전력으로 변환하도록 구성된 인버터;를 포함하며,
상기 다중 펄스 변압기는,
3개의 1차 권선들 - 상기 1차 권선의 각각은 상기 3상 AC 전원의 위상에 연결되고, 상기 AC 전원에 대한 연결을 위해 다수의 입력 탭들을 포함함 -;
상기 다수의 입력 탭들 중 제 1의 입력 탭은 상기 AC 전원에 의해 제 1 유틸리티 전압을 위해 권선되고, 상기 다수의 입력 탭들 중 제 2의 입력 탭은 상기 AC 전원에 의해 제 2 유틸리티 전압을 위해 권선되며, 및
상기 제 1 유틸리티 전압은 상기 제 2 유틸리티 전압과 다른 전압값을 갖도록 구성되며,
다수의 2차 권선들 - 상기 2차 권선의 각각은 3상 권선들을 포함하고, 잔여 2차 권선의 대응하는 위상 권선에 대하여 소정의 위상 시프트를 포함함 -;을 포함하며,
상기 위상들의 위상 시프팅(phase shifting)은 각각의 2차 권선에 대하여 3개의 사인곡선적 출력 전압파의 발생을 초래하고, 상기 사인곡선적 출력 전압파는 360도에 걸쳐서 균등하게 이격된 가변속 드라이브.
제 1 항에 있어서, 상기 다수의 2차 권선은 제 1, 제 2 및 제 3의 2차 권선을 포함하며, 상기 제 1의 2차 권선은 상기 제 2의 2차 권선에 대한 -θ의 위상각 시프트, 및 상기 제 3의 2차 권선에 대한 +θ의 위상각 시프트를 포함하는 가변속 드라이브.
제 2 항에 있어서, 상기 2차 권선들 및 그들 각각의 위상 권선의 위상각 시프트는, 위상 권선의 출력 단자들에서 9개의 사인곡선적 출력 전압 파형을 야기하는 가변속 드라이브.
제 2 항에 있어서, 상기 사인곡선적 출력 전압파들은 40°분리 각도로 이격된 가변속 드라이브.
제 1 항에 있어서, 상기 컨버터는 상기 DC 링크로 제공된 18-펄스 DC 파형을 발생시키기 위해 9개의 사인곡선적 출력 전압 파들을 정류하도록 구성된 가변속 드라이브.
제 1 항에 있어서, 상기 사인곡선적 출력 전압 파는 상기 DC 링크에서 소정의 맥동률을 달성하기 위해 12-펄스 및 6-위상을 포함하는 가변속 드라이브.
제 1 항에 있어서, 상기 사인곡선적 출력 전압 파는 상기 DC 링크에서 소정의 맥동률을 달성하기 위해 24-펄스 및 12-위상을 포함하는 가변속 드라이브.
제 1 항에 있어서, 상기 제 1유틸리티 전압은 575볼트이고, 상기 제 2 유틸리티 전압은 460볼트이며, 및 상기 다수의 입력 탭들 중 제 3의 입력 탭은 상기 AC 전원에 의해 제 3 유틸리티 전압을 위해 권선되고, 상기 제 3 유틸리티 전압은 400 내지 415볼트를 가지며,
상기 각각의 전압 수준 중 어느 것이 상기 연결된 2차 권선의 출력 단자들에 정격 2차 전압을 제공하도록 상기 각각의 입력 탭에 적용되는 가변속 드라이브.
제 8 항에 있어서, 상기 정격 2차 전압은 상기 DC 링크상에 820 VDC를 제공하기 위한 상기 컨버터에 대한 580 VAC RMS 전압 입력이고, 상기 인버터에 의해 구동되는 모터는 전력선 입력 주파수의 적어도 2배의 범위에 걸쳐서 구동되는 4극 모터인 가변속 드라이브.
제 9 항에 있어서, 상기 DC 링크 전압은 813V 내지 1000V 범위이고, 상기 인버터 출력 전압은 575볼트인 가변속 드라이브.
정격 AC 입력 전압 크기 및 주파수로 입력 AC 전력을 수용하고 가변 전압 및 가변 주파수로 출력 AC 전력을 제공하도록 구성된 가변속 드라이브 로서, 상기 가변속 드라이브는,
상기 입력 AC 전력을 제공하는 3상 AC 전원에 연결된 다중 펄스 변압기;
상기 입력 AC 전력을 DC 전압으로 변환하도록 구성된 컨버터;
상기 컨버터에 연결되고, 상기 컨버터로부터 제공되는 DC 전압을 필터링하여 저장하는 DC 링크; 및
상기 DC 링크에 연결되고, 상기 DC 링크로부터 제공되는 DC 전압을 상기 가변 전압과 가변 주파수를 갖는 출력 AC 전력으로 변환하도록 구성된 인버터;를 포함하며,
상기 다중 펄스 변압기는,
3개의 1차 권선들 - 상기 1차 권선의 각각은 상기 3상 AC 전원의 위상에 연결되고,
상기 각각의 1차 권선들은 상기 AC 전원에 대한 연결을 위한 다수의 입력 탭들로 구성되고, 상기 다수의 입력 탭들 중 제 1의 입력 탭은 상기 AC 전원에 의해 제 1 유틸리티 전압을 위해 권선되고, 상기 다수의 입력 탭들 중 제 2의 입력 탭은 상기 AC 전원에 의해 제 2 유틸리티 전압을 위해 권선되며,
상기 제 1 유틸리티 전압은 상기 제 2 유틸리티 전압과 다른 전압값을 갖도록 구성되는 입력 탭을 포함함 -; 및
다수의 2차 권선들 - 상기 2차 권선의 각각은 다중 전압 출력 단자들을 가짐 -;을 포함하는 가변속 드라이브.
제 11 항에 있어서, 상기 각각의 2차 권선은 제 1의 인접한 2차 위상 권선에 대한 θ의 위상각 시프트, 및 제 2의 인접한 2차 권선에 대한 -θ의 위상각 시프트를 포함하는 가변속 드라이브.
제 12 항에 있어서, 상기 2차 위상 권선들의 각각 사이의 위상각 시프트는 상기 2차 위상 권선의 각각의 다중 전압 출력 단자들에서 9개의 사인곡선적 출력 전압파를 발생시키는 가변속 드라이브.
제 13 항에 있어서, 상기 각각의 사인곡선적 전압파들은 동등하게 이격된 위상 각도로 존재하는 가변속 드라이브.
제 13 항에 있어서, 상기 위상 각들은 사인곡선적 전압파들 사이에서 40°의 분리각도인 가변속 드라이브.
제 13 항에 있어서, 상기 컨버터는 상기 DC 링크로 제공된 18-펄스 DC 파형을 발생시키도록 상기 9개의 사인곡선적 출력 전압 파들을 정류하도록 구성된 가변속 드라이브.
제 13 항에 있어서, 상기 1차 권선은 소정의 정격 입력 AC 전압에 대하여 권선되고, 다중 전압 출력 단자들은 상기 다중 전압 출력 단자들 중 적어도 하나에 575볼트를 출력하도록 배열되고, 상기 전압 출력 단자들은 상기 소정의 정격 입력 AC 전압에 의존하는 가변속 드라이브.
냉방장치로서,
폐쇄된 냉매 루프로 연결된 압축기, 응축기 및 증발기를 포함하는 냉매 유로; 및
상기 압축기의 모터를 구동시키도록 3상 AC 전원에 연결된 3개의 1차 권선 및 가변속 드라이브에 연결된 다수의 2차 권선을 포함하는 다중 펄스 변압기;를 포함하며,
상기 각각의 1차 권선은 3상 AC 전원과 연결되기 위한 다수의 입력탭으로 구성되고,
상기 다수의 입력 탭들 중 제 1의 입력 탭은 상기 AC 전원에 의해 제 1 유틸리티 전압을 위해 권선되고, 상기 다수의 입력 탭들 중 제 2의 입력 탭은 상기 AC 전원에 의해 제 2 유틸리티 전압을 위해 권선되며,
상기 제 1 유틸리티 전압은 상기 제 2 유틸리티 전압과 다른 전압값을 갖도록 구성되며,상기 2차 권선 중 적어도 하나는 나머지 2차 권선의 대응하는 권선에 대하여 소정의 위상 시프트를 포함하는 다중 위상 출력 전압을 제공하기 위해서 다중 탭들을 포함하고,
상기 다중 위상 출력 전압의 위상 시프팅(phase shifting)은 다수의 2차 권선의 각각에 대하여 3개의 다중 사인곡선적 출력 전압파를 제공하고, 상기 다중 사인곡선적 출력 전압파는 360도에 걸쳐서 균등하게 이격된 냉방장치
제 18 항에 있어서, 상기 제 1유틸리티 전압은 575볼트이고, 상기 제 2 유틸리티 전압은 460볼트이며, 및 상기 다수의 입력 탭들 중 제 3의 입력 탭은 상기 AC 전원에 의해 제 3 유틸리티 전압을 위해 권선되고, 상기 제 3 유틸리티 전압은 400 내지 415볼트를 가지며,
상기 각각의 전압 수준 중 어느 것은 상기 연결된 2차 권선의 출력 단자들에 정격 2차 전압을 제공하는 냉방장치.
제 18 항에 있어서, 상기 다수의 2차 권선의 각각은 3상 권선을 포함하며, 각각의 위상 권선은 다중 사인곡선적 출력 전압파를 출력하기 위한 다중 탭들을 포함하며, 상기 다중 사인곡선적 출력 전압은 다수의 2차 권선의 각각에게 다중 사인곡선적 출력 전압파를 제공하고, 이때 상기 다중 사인곡선적 출력 전압은 360도 각도에 걸쳐서 균등하게 이격된 냉방장치.