KR102495535B1 - 권선형 유도 전동기의 출력 제어 장치 - Google Patents

권선형 유도 전동기의 출력 제어 장치 Download PDF

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Abstract

권선형 유도 전동기의 출력 제어 장치가 개시된다. 개시된 출력 제어 장치는, 고정자 및 회전자를 포함하는 권선형 유도 전동기의 출력 제어 장치로서, 상기 회전자에 권선된 회전자 코일에 유도된 제1 교류 전압을 제1 직류 전압으로 정류하는 제1 정류부, 상기 제1 직류 전압을 제2 교류 전압으로 변환하는 인버터, 상기 제2 교류 전압을 인가받는 1차 코일, 상기 1차 코일과 분리되며 상기 제2 교류 전압에 의해 제3 교류 전압이 유도되는 2차 코일, 및 상기 제3 교류 전압에 기초하여 상기 회전자의 토크를 제어하는 토크 제어부를 포함하되, 상기 제1 정류부, 상기 인버터 및 상기 1차 코일은 상기 회전자와 함께 회전하고, 상기 2차 코일 및 상기 토크 제어부는 상기 회전자와 함께 회전하지 않는다.

Description

권선형 유도 전동기의 출력 제어 장치{APPARATUS FOR CONTROLLING OUTPUT OF WOUND-ROTOR INDUCTION MOTOR}
본 발명의 실시예들은 권선형 유도 전동기의 출력 제어 장치에 대한 것으로서, 보다 상세하게는 비접촉 방식을 이용하여 회전자의 출력을 전달하고, 회전자 측 저항에서 발생하는 발열 손실을 감소시키며, 높은 유도 전압을 견딜 수 있는 권선형 유도 전동기의 출력 제어 장치에 관한 것이다.
유도 전동기는 고정자가 생성하는 회전자계와 상기 회전자계에 의해 발생하는 회전자의 유도 자기장을 이용하여 회전자를 회전시키는 교류 전동기이다. 유도 전동기는 농형 유도 전동기와 권선형 유도 전동기로 나뉜다.
농형(squirrel cage) 유도 전동기는 회전자의 모양이 바구니 모양으로 된 유도 전동기이다. 이 경우, 고정자는 홈과 이가 있는 강판을 쌓고, 쌓인 강판에 권선을 넣어 제조한다. 회전자는 홈과 이가 있는 철심에 동을 끼우거나 알루미늄을 부어 제조한다. 회전자가 튼튼하고 간단하여 취급이 용이하나 기동력이 떨어져 주로 소형으로 사용된다.
권선형 유도 전동기는 슬립링 및 브러쉬를 포함하는 유도 전동기이다. 고정자와 마찬가지로 회전자에도 권선을 하고, 회전자의 끝단을 슬립링(활동환)과 연결하여 브러시를 통하여 외부에 있는 y 결선의 저항기에 연결한다. 권선형 유도 전동기는 회전자 코일에 외부 저항을 연결하고, 저항 값을 조절함으로써, 농형 유도 전동기에 비해 큰 기동 토크를 구현한다.
또한, 권선형 유도 전동기는 회전자의 속도에 따라 회전자 측의 저항의 크기를 조정하여 일정한 토크를 출력할 수도 있다. 따라서, 권선형 유도 전동기는 회전자를 기동하는 데 필요한 기동 토크가 큰 기동기, 크레인 압연기, 및 압축기 등 관성이 큰 부하의 기동에 많이 사용된다.
한편, 권선형 유도 전동기는 저항을 이용하는 회전자 토크 제어 방법 외에도, PWM(Pulse Width Modulation) 신호에 의해 회전자 코일에 흐르는 전류의 크기를 조절하여 회전자의 토크와 속도를 제어하는 방법이 개발되고 있다. 저항을 이용하지 않고, 전류의 크기를 제어하는 회전자 토크 제어 장치는 회전자 측의 저항을 증가시키지 않으므로 저항으로 인한 손실을 없앨 수 있는 장점이 있다.
하지만, 회전자 측의 저항의 크기를 조정하여 토크를 제어하는 경우, 저항에서 열이 발생하는 문제점이 있다. 또한, 회전자 코일에 흐르는 전류의 크기를 조정하여 토크를 제어하는 경우 회전자의 높은 속도에 따른 높은 전압으로 인해 전기 소자가 고장나는 문제점이 있다.
한편, 도 1은 슬립링을 이용하는 종래 권선형 유도 전동기의 개념도를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 계통 전원(100)은 고정자(110)에 전원을 공급한다. 계통 전원(100)은 고정자(110)와 삼상으로 연결된다.
고정자(110)는 계통 전원(100)으로부터 공급받은 삼상 전류를 이용하여 회전자계를 발생시키고, 회전자계에 의해 전압이 유도된다. 유도 전압에 의해 회전자(120)에 전류 및 자기장이 발생하고, 고정자(110)의 자기력과 회전자(120)의 자기력에 의해 회전자(120)가 회전한다.
회전자(120)는 부하를 회전시키기 위한 토크를 발생시키고, 유도 전압에 의해 발생하는 전류를 슬립링(130)을 통해 토크 제어부(140)로 전송한다. 토크 제어부(140)는 내부 소자들의 특성을 조절하여, 슬립링(130)을 통해 전달 받은 전류를 조절함으로써, 회전자(120)의 속도-토크 특성을 제어한다.
슬립링(130)은 회전자(120)에서 발생하는 전류를 토크 제어부(140)로 전달하기 위해 회전자(120)에 접촉되는 전도체다. 슬립링(130)이 회전자(120)의 회전에 따라 회전하면, 회전자(120)에서 발생하는 전류가 슬립링(130)과 물리적으로 접촉하고 있는 브러쉬(미도시)를 통해 토크 제어부(140)로 전달된다.
회전자(120)에서 발생하는 전류를 토크 제어부(140)로 전달하기 위해, 슬립링(130)과 브러쉬는 항시 접촉된 상태로 구동된다. 따라서, 슬립링(130)의 회전에 의해 브러쉬의 마모 또는 파손이 발생할 수 있으며, 전기 스파크가 발생할 수도 있으며, 이로 인해 권선형 유도 전동기의 성능이 저하될 수 있다. 또한, 브러쉬의 마모에 의해 발생한 분진이 권선형 유도 전동기 내부에 퇴적되면, 단락 사고가 발생할 수도 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 종래에는 브러쉬를 주기적으로 교체하거나, 단락 사고가 주로 발생하는 부분에 압축 공기를 분사하여 분진을 제거하거나, 브러쉬 및 슬립링(130)이 수용되는 공간에 집진기를 추가하였다.
하지만, 브러쉬를 주기적으로 교체하는 경우, 권선형 유도 전동기의 유지 보수에 많은 비용이 소요되는 단점이 있다. 또한, 분진을 제어하기 위해 압축 공기를 분사하거나 집진기를 추가 설치하는 것 역시 많은 비용이 소요될 수 있다.
대한민국 공개특허 제10-2008-0085160호(2008.07.14 공개)
본 발명의 목적은 브러쉬와 슬립링을 사용하지 않고도 비접촉 방식으로 권선형 유도 전동기의 출력을 제어할 수 있는 권선형 유도 전동기의 출력 제어 장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 회전자 측의 저항에서 발생하는 발열 손실을 감소시킬 수 있는 권선형 유도 전동기의 출력 제어 장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 토크의 제어 시 높은 전압을 견딜 수 있는 권선형 유도 전동기의 출력 제어 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 청구범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 고정자 및 회전자를 포함하는 권선형 유도 전동기의 출력 제어 장치는, 상기 회전자에 권선된 회전자 코일에 유도된 제1 교류 전압을 제1 직류 전압으로 정류하는 제1 정류부, 상기 제1 직류 전압을 제2 교류 전압으로 변환하는 인버터, 상기 제2 교류 전압을 인가받는 1차 코일, 상기 1차 코일과 분리되며 상기 제2 교류 전압에 의해 제3 교류 전압이 유도되는 2차 코일, 및 상기 제3 교류 전압에 기초하여 상기 회전자의 토크를 제어하는 토크 제어부를 포함하되, 상기 제1 정류부, 상기 인버터 및 상기 1차 코일은 상기 회전자와 함께 회전한다.
이 때, 상기 토크 제어부는 저항 기반의 제1 토크 제어부 및 전류 기반의 제2 토크 제어부를 포함하고, 상기 권선형 유도 전동기의 출력 제어 장치는 상기 제1 토크 제어부 및 상기 제2 토크 제어부 중 어느 하나를 상기 2차 코일과 선택적으로 연결하는 스위칭부;를 포함할 수 있다.
또한, 제1 토크 제어부가 상기 2차 코일에 연결된 경우, 상기 제1 토크 제어부 내의 저항의 크기가 조절되어 상기 회전자의 토크가 제어되고, 상기 제2 토크 제어부가 상기 2차 코일에 연결된 경우, 상기 제2 토크 제어부로 흐르는 전류의 크기가 조절되어 상기 회전자의 토크가 제어될 수 있다.
또한, 상기 제1 토크 제어부는 적어도 하나의 저항 및 적어도 하나의 스위칭 소자를 포함하되, 상기 적어도 하나의 스위칭 소자의 턴 온 또는 턴 오프가 제어되어 상기 제1 토크 제어부 내의 저항의 크기가 조절될 수 있다.
또한, 상기 제1 토크 제어부는, 순차적으로 연결되는 복수의 소자 그룹을 포함하고, 상기 복수의 소자 그룹 각각은, 제1 저항, 제2 저항 및 제1 스위칭 소자를 포함하고, 상기 제1 스위칭 소자의 일단은 상기 제1 저항의 일단과 연결되고, 상기 제1 스위칭 소자의 타단은 상기 제2 저항의 일단과 연결될 수 있다.
또한, 상기 복수의 소자 그룹 중 첫번째 소자 그룹의 제1 저항의 일단은 상기 2차 코일의 일단과 연결되고, 상기 첫번째 소자 그룹의 제2 저항의 일단은 상기 2차 코일의 타단과 연결되고, 상기 복수의 소자 그룹 중 i(2 이상의 정수)번째 소자 그룹의 제1 저항의 일단은 i-1번째 소자 그룹의 제1 저항의 타단과 연결되고, 상기 i번째 소자 그룹의 제2 저항의 일단은 i-1번째 소자 그룹의 제2 저항의 타단과 연결될 수 있다.
또한, 상기 제1 토크 제어부가 상기 2차 코일과 연결된 경우, 상기 제1 토크 제어부 내의 저항의 크기는 상기 회전자의 속도가 증가함에 따라 단계적으로 감소할 수 있다.
또한, 상기 제2 토크 제어부는, 상기 제3 교류 전압을 제2 직류 전압으로 정류하는 제2 정류부, 상기 제2 직류 전압을 승압하는 부스트 컨버터, 및 상기 승압된 제2 직류 전압을 계통 전원으로 회생시키는 전력 회생부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2 토크 제어부가 상기 2차 코일과 연결된 경우, 상기 제2 토크 제어부로 흐르는 전류는 상기 부스트 컨버터에 포함된 스위칭 소자의 스위칭 듀티비에 기초하여 조절될 수 있다.
또한, 상기 스위칭 듀티비가 증가하는 경우, 상기 제2 토크 제어부로 흐르는 전류는 증가할 수 있다.
또한, 상기 스위칭부는 상기 회전자의 정격 속도의 도달 여부에 기초하여 상기 제1 및 제2 토크 제어부 중 어느 하나를 상기 2차 코일과 선택적으로 연결할 수 있다.
또한, 상기 회전자가 정격 속도에 도달하지 않는 경우, 상기 스위칭부는 상기 제1 토크 제어부를 상기 2차 코일과 연결하고, 상기 회전자가 정격 속도에 도달한 경우, 상기 스위칭부는 상기 제2 토크 제어부를 상기 2차 코일과 연결할 수 있다.
또한, 상기 회전자가 정격 속도에 도달하는 경우, 상기 스위칭부는, 상기 2차 코일과 상기 제1 토크 제어부의 연결을 차단한 후 상기 2차 코일과 상기 제2 토크 제어부를 연결하거나, 상기 2차 코일과 상기 제2 토크 제어부를 연결한 후 상기 2차 코일과 상기 제1 토크 제어부의 연결을 차단할 수 있다.
또한, 상기 스위칭부는 상기 제3 교류 전압의 크기와 상기 제2 토크 제어부에 포함되는 전기 소자의 내전압의 크기를 비교하여 상기 제1 및 제2 토크 제어부 중 어느 하나를 상기 2차 코일과 선택적으로 연결할 수 있다.
또한, 상기 제3 교류 전압의 크기가 상기 내전압의 크기 이상인 경우, 상기 스위칭부는 상기 제1 토크 제어부를 상기 2차 코일과 연결하고, 상기 제3 교류 전압의 크기가 상기 내전압의 크기 미만인 경우, 상기 스위칭부는 상기 제2 토크 제어부를 상기 2차 코일과 연결할 수 있다.
또한, 상기 제3 교류 전압의 크기가 상기 내전압의 크기 미만으로 떨어지는 경우, 상기 스위칭부는, 상기 2차 코일과 상기 제1 토크 제어부의 연결을 차단한 후 상기 2차 코일과 상기 제2 토크 제어부를 연결하거나, 상기 2차 코일과 상기 제2 토크 제어부를 연결한 후 상기 2차 코일과 상기 제1 토크 제어부의 연결을 차단할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 고정자 및 회전자를 포함하는 권선형 유도 전동기의 출력 제어 장치는, 상기 회전자에 권선된 회전자 코일에 유도된 제1 교류 전압을 제1 직류 전압으로 정류하는 제1 정류부, 상기 제1 직류 전압을 제2 교류 전압으로 변환하는 인버터, 상기 제2 교류 전압을 인가받는 1차 코일, 상기 1차 코일과 분리되며 상기 제2 교류 전압에 의해 제3 교류 전압이 유도되는 2차 코일, 상기 제3 교류 전압에 기초하여 상기 회전자의 토크를 제어하는 제1 및 제2 토크 제어부, 및 상기 제1 및 제2 토크 제어부 중 어느 하나를 상기 2차 코일과 선택적으로 연결하는 스위칭부를 포함하되, 상기 제1 토크 제어부는 저항 기반의 토크 제어부이고, 상기 제2 토크 제어부는 전류 기반의 토크 제어부이다.
본 발명에 따르면, 비접촉 방식을 이용하여 회전자의 출력이 전달되므로, 브러쉬와 슬립링 간의 접촉으로 인하여 발생하는 다양한 문제들이 해결될 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 회전자 측의 저항에서 발생하는 발열 손실이 감소될 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 토크의 제어 시 높은 전압을 견딜 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 복수 개의 서로 다른 토크 제어부를 선택적으로 사용함으로써 어느 토크 제어부에 대한 교체 또는 수리를 용이하게 구현할 수 있다.
또한, 본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 슬립링을 이용하는 종래 권선형 유도 전동기의 개념도를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 권선형 유도 전동기의 출력 제어 장치의 회로도를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라서, 제1 토크 제어부가 포함된 출력 제어 장치의 회로도를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라서, 제1 토크 제어부의 저항에 따른 회전자의 속도-토크 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라서, 제2 토크 제어부가 포함된 출력 제어 장치의 회로도를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 권선형 유도 전동기의 출력 제어 장치의 회로도를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라서, 스위칭 듀티비를 조절하여 권선형 유도 전동기의 출력을 제어하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질, 차례, 순서 또는 개수 등이 한정되지 않는다.
어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 다른 구성 요소가 "개재"되거나, 각 구성 요소가 다른 구성 요소를 통해 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 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 가지며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 전동기의 출력 제어 장치(200)의 회로도를 도시한 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유도 전동기의 출력 제어 장치(200)(이하, "출력 제어 장치"로 호칭함)는 유도 전동기 중 권선형 유도 전동기의 출력을 제어하는 장치이다.
여기서, 권선형 유도 전동기는 고정자 및 회전자를 포함하고, 고정자에 고정자 코일이 권선되어 있고, 회전자에도 고정자 코일이 권선되어 있다. 고정자 코일은 계통 전원에서 공급받은 삼상 전류에 기초하여 회전자계를 발생시키고, 회전자계에 의해 전압이 유도된다. 유도 전압에 의해 회전자 코일에 전류 및 자기장이 발생하고, 고정자의 자기력과 회전자의 자기력에 의해 회전자가 회전한다. 그리고, 본 발명의 일 실시예에 따른 출력 제어 장치(200)는 회전자 코일의 출력 전압/전류에 기초하여 회전자의 토크를 제어한다. 회전자 코일의 출력 전압/전류는 회전자의 속도에 따라 변경된다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 출력 제어 장치(200)는 제1 정류부(210), 인버터(220), 변압부(230) 및 토크 제어부(240)를 포함할 수 있다.
한편, 도 2에 도시되시는 않았지만, 출력 제어 장치(200)는 스위칭 제어부를 더 포함할 수 있다. 스위칭 제어부는 출력 제어 장치(200)에 포함된 모든 스위칭 소자의 턴온 및 턴오프를 제어하는 드라이버일 수 있다.
이하, 각 구성 요소 별로 그 기능을 상세하게 설명한다.
제1 정류부(210)는 회전자 코일에 유도되는 교류 전압인 제1 교류 전압을 제1 직류 전압으로 정류한다.
일례로, 제1 정류부(210)는 적어도 하나의 다이오드(D1 내지 D6) 및 커패시터(C1)를 포함할 수 있다. 그러나, 본 발명의 제1 정류부(210)의 구조는 이에 한정되지 않으며, 다양한 구조의 정류부가 사용될 수 있다.
인버터(220)는 제1 정류부(210)에서 정류된 제1 직류 전압을 제2 교류 전압으로 변환한다. 이 때, 인버터(220)는 고주파 단상 인버터로 구현될 수 있다.
일례로, 인버터(220)는 적어도 하나의 스위칭 소자(SW1 내지 SW4)를 포함할 수 있다. 그러나, 본 발명의 인버터(220)의 구조는 이에 한정되지 않으며, 다양한 구조의 인버터가 사용될 수 있다.
변압부(230)는 1차 코일(232) 및 2차 코일(234)를 포함한다. 1차 코일(232)와 2차 코일(234)는 물리적으로 분리되며, 변압기 구조를 형성한다. 변압부(230)는 인버터(220)에서 변환된 제2 교류 전압을 비접촉 방식으로 토크 제어부(240)로 전달한다.
즉, 변압부(230)는 인버터(220)에서 변환된 제2 교류 전압을 비접촉 방식을 이용하여 토크 제어부(240)로 전달한다. 비접촉 방식은 1차 코일(232) 및 2차 코일(234)를 이용하여 구현된다.
1차 코일(232)에는 인버터(220)에서 변환된 제1 교류 전압이 인가한다. 그리고, 2차 코일(234)에는 1차 코일(232)에 인가된 제2 교류 전압에 의해 제3 교류 전압이 유도된다. 2차 코일(234)에서 유도되는 제3 교류 전압의 크기는 1차 코일(232)의 권선 수와 2차 코일(234)의 권선 수 사이의 비에 의해 결정될 수 있다. 2차 코일(234)는 유도된 제3 교류 전압을 토크 제어부(240)로 출력한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 출력 제어 장치(200)는 변압부(230) 내에 구현된 비접촉 방식을 통해 회전자 코일의 출력을 토크 제어부(240)로 전달한다. 즉, 1차 코일(232)과 2차 코일(234)은 서로 분리되어 배치되며, 전자기 유도 방식을 통해 1차 코일(232)에 인가된 전압이 2차 코일(234)로 유도되며, 이에 따라 비접촉 방식이 구현될 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 출력 제어 장치(200)는 상기에서 언급한 브러쉬 및 슬립링을 사용하지 않으며, 브러쉬 및 슬립링 간의 접촉으로 인하여 발생하는 다양한 문제점(일례로, 전기 스파크의 발생, 브러쉬의 마모 또는 파손 등)을 해결할 수 있다.
토크 제어부(240)는 2차 코일(234)에서 출력된 제3 교류 전압에 기초하여 회전자의 토크를 제어한다. 여기서, 토크 제어부(240)는 저항 기반의 토크 제어부인 제1 토크 제어부(242)일 수 있고, 전류 기반의 토크 제어부인 제2 토크 제어부(244)일 수도 있다.
한편, 제1 정류부(210), 인버터(220) 및 1차 코일(232)은 회전자와 함께 회전할 수 있고, 2차 코일(234) 및 토크 제어부(240)는 회전하지 않을 수 있다. 즉, 정류부(210), 인버터(220) 및 1차 코일(232)은 출력 제어 장치(200)의 회전부를 구성할 수 있으며, 2차 코일(234) 및 토크 제어부(240)는 출력 제어 장치(200)의 고정부를 구성할 수 있다. 이로 인해 유도 전동기의 전압 및 전류 측정 시 접촉이 필요없고, 접촉을 위해 사용되던 슬립링 및 브러쉬로 인한 마찰 및 그로 인한 유도 전동기 파손이 방지될 수 있다.
회전부는 권선형 유도 전동기의 내부에 위치하거나, 권선형 유도 전동기의 외부에 위치할 수도 있다. 또한, 회전부 및 고정부 모두가 권선형 유도 전동기의 내부에 위치하거나, 권선형 유도 전동기의 외부에 위치할 수도 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라서, 제1 토크 제어부(242)가 포함된 출력 제어 장치(200)의 회로도를 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 제1 토크 제어부(242)는 내부의 저항 값을 조절하여 회전자의 토크를 제어할 수 있다. 즉, 제1 토크 제어부(242)는 저항 크기 조절을 통해 회전자의 속도-토크 특성을 조절할 수 있다.
제1 토크 제어부(242)는 적어도 하나의 저항(R1a, R2b, R1b, R2b, R1c, R2c) 및 적어도 하나의 스위칭 소자(SW5, SW6, SW7)을 포함하여 구성될 수 있다. 저항(R1a, R2b, R1b, R2b, R1c, R2c)과 스위칭 소자(SW5, SW6, SW7)는 출력 제어 장치(200)를 통해 회전자 코일의 출력단에 연결될 수 있다. 제1 토크 제어부(242) 내의 저항(R)의 크기는 스위칭 소자(SW5, SW6, SW7)의 스위칭 동작(즉, 턴온 및 턴오프 동작)에 기초하여 조절될 수 있다. 즉, 적어도 하나의 스위칭 소자(SW5, SW6, SW7)의 턴 온 또는 턴 오프가 제어되어 제1 토크 제어부(242) 내의 저항(R)의 크기가 조절될 수 있다.
보다 상세하게, 제1 토크 제어부(242)는 순차적으로 연결되는 복수의 소자 그룹(Ea, Eb, Ec)를 포함할 수 있다. 복수의 소자 그룹(Ea, Eb, Ec)의 구조는 동일할 수 있다. 도 3에서는 소자 그룹(Ea, Eb, Ec)이 3개인 것으로 도시하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 2개 이상의 소자 그룹이 제1 토크 제어부(242)에 포함될 수도 있다.
복수의 소자 그룹(Ea, Eb, Ec) 각각은 제1 저항(R1), 제2 저항(R2) 및 스위칭 소자(SW5, SW6 또는 SW7)를 포함할 수 있다. 여기서, 스위칭 소자(SW5, SW6 또는 SW7)의 일단은 제1 저항(R1)의 일단과 연결되고, 스위칭 소자(SW5, SW6 또는 SW7)의 타단은 제2 저항(R2)의 일단과 연결된다.
그리고, 복수의 소자 그룹(Ea, Eb, Ec) 중 첫번째 소자 그룹(Ea)의 제1 저항(R1a)의 일단은 2차 코일(234)의 일단과 연결되고, 첫번째 소자 그룹(Ea)의 제2 저항(R2a)의 일단은 2차 코일(234)의 타단과 연결된다.
또한, 복수의 소자 그룹 중 두번째 소자 그룹(Eb)의 제1 저항(R1b)의 일단은 첫번째 소자 그룹(Ea)의 제1 저항(R1a)의 타단과 연결되고, 두번째 소자 그룹(Eb)의 제2 저항(R2b)의 일단은 첫번째 소자 그룹(Ea)의 제2 저항(R2a)의 타단과 연결된다.
또한, 복수의 소자 그룹 중 세번째 소자 그룹(Ec)의 제1 저항(R1c)의 일단은 두번째 소자 그룹(Eb)의 제1 저항(R1b)의 타단과 연결되고, 세번째 소자 그룹(Ec)의 제2 저항(R2c)의 일단은 두번째 소자 그룹(Eb)의 제2 저항(R2b)의 타단과 연결된다.
한편, 복수의 소자 그룹의 연결 관계를 일반화하면, 복수의 소자 그룹 중 첫번째 소자 그룹의 제1 저항(R1)의 일단은 2차 코일(234)의 일단과 연결되고, 첫번째 소자 그룹의 제2 저항(R2)의 일단은 2차 코일(234)의 타단과 연결된다. 또한, 복수의 소자 그룹 중 i(2 이상의 정수)번째 소자 그룹의 제1 저항의 일단은 i-1번째 소자 그룹의 제1 저항(R1)의 타단과 연결되고, i번째 소자 그룹의 제2 저항(R2)의 일단은 i-1번째 소자 그룹의 제2 저항(R2)의 타단과 연결된다.
스위칭 소자(SW5), 스위칭 소자(SW6) 및 스위칭 소자(SW7)가 모두 턴 오프된 경우, 제1 토크 제어부(242)는 저항(R)은 "R1a+R2a+R1b+R2b+R1c+R2c"이다. 또한, 스위칭 소자(SW5) 및 스위칭 소자(SW6)가 턴오프되고, 스위칭 소자(SW7)가 턴 온된 경우, 제1 토크 제어부(242)는 저항(R)은 "R1a+R2a+R1b+R2b"이다. 또한, 스위칭 소자(SW5)가 턴 오프되고, 스위칭 소자(SW6) 및 스위칭 소자(SW7)가 턴 온된 경우, 제1 토크 제어부(242)는 저항(R)은 "R1a+R2a"이다.
제1 토크 제어부(242)의 저항 값이 클수록 회전자가 높은 토크를 발생시키며, 제1 토크 제어부(242)의 저항 값이 작을수록 회전자가 낮은 토크를 발생시킨다. 다시 말해, 회전자가 높은 토크를 요구하는 시점(일례로, 기동 시점)에 제1 토크 제어부(242)의 저항의 크기를 높임으로써, 제1 토크 제어부(242)는 회전자가 큰 기동 토크를 발생시키도록 제어한다.
또한, 제1 토크 제어부(242)는 회전자의 속도가 증가함에 따라 저항의 크기를 단계적으로 또는 연속적으로 감소시켜 회전자가 고속에서 충분한 토크를 발생시키도록 제어한다.
이와 같이, 제1 토크 제어부(242)는 저항의 크기를 조절함으로써, 회전자가 기동 시점으로부터 정격 속도 및 정격 토크에서 동작할 때까지 일정한 토크를 발생시키도록 제어할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라서, 제1 토크 제어부(242)의 저항에 따른 회전자의 속도-토크 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 부하 토크 특성, 제1 토크 제어부(242)의 저항 크기가 "R1a+R2a"일 때의 회전자의 속도-토크 특성, 제1 토크 제어부(242)의 저항 크기가 "R1a+R2a+R1b+R2b"일 때의 회전자의 속도-토크 특성, 및 제1 토크 제어부(242)의 저항 크기가 "R1a+R2a+R1b+R2b+R1c+R2c"일 때의 회전자의 속도-토크 특성이 도시되어 있다.
여기서, 동기 속도는 무부하 상태, 즉 회전자가 고정자의 속도와 동기된 속도를 의미한다. 운전점은 부하와 연결된 회전자가 정상적으로 회전하는 지점의 정격 토크 및 정격 속도를 의미한다. 운전점은 권선형 유도 전동기의 토크 특성과 부하의 토크 특성을 모두 고려하여 결정된다. 슬립은 회전자의 동기 속도와 정격 속도의 차이를 의미한다. 슬립이 클수록 회전자는 더 큰 토크를 발생시킬 수 있다.
제1 토크 제어부(242)의 저항의 크기가 "R1a+R2a+R1b+R2b+R1c+R2c"인 경우, 회전자의 기동 토크가 가장 크다. 따라서, 제1 토크 제어부(242)는 회전자의 기동 시점에 저항 크기를 "R1a+R2a+R1b+R2b+R1c+R2c"로 설정한다. 하지만, 회전자의 속도가 증가할수록 회전자의 토크는 점점 줄어들기 때문에, 제1 토크 제어부(242)는 저항의 크기를 변화시킬 필요가 있다.
제1 토크 제어부(242)는 회전자의 속도에 따른 최대 토크를 유지하기 위해, 회전자의 회전 속도가 증가할수록 저항의 크기를 감소시킨다. 즉, 회전자의 회전 속도가 빨라짐에 따라, 제1 토크 제어부(242)는 저항의 크기를 "R1a+R2a+R1b+R2b+R1c+R2c"에서 "R1a+R2a+R1b+R2b"로 감소시킨다. 이러한 과정을 통해 제1 토크 제어부(242)는 권선형 유도 전동기의 회전자 토크를 일정하게 유지시킬 수 있다.
이 후, 회전자가 정격 속도 및 정격 토크에서 동작할 수 있도록, 제1 토크 제어부(242)는 저항 크기를 "R1a+R2a"로 감소시킨다. 제1 토크 제어부(242)의 저항이 "R1a+R2a"일 때, 회전자는 운전점에서 동작할 수 있다.
한편, 토크 제어부(240)가 오직 저항만을 이용하여 회전자의 토크를 제어하는 경우에는, 저항에서 발생하는 발열 손실을 줄이는 데 한계가 있다. 이러한 한계를 극복하기 위해, 본 명세서에서는 회전자 코일에 흐르는 전류를 조절하는 토크 제어부인 제2 토크 제어부(244)를 제안한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라서, 제2 토크 제어부(242)가 포함된 출력 제어 장치(200)의 회로도를 도시한 도면이다.
도 5을 참조하면, 제2 토크 제어부(244)는 제2 토크 제어부(244)로 흐르는 전류의 크기를 조절하여 회전자의 토크를 제어할 수 있다. 즉, 제2 토크 제어부(244)는 전류 조절을 통해 회전자의 속도-토크 특성을 조절할 수 있다.
제2 토크 제어부(244)는 제2 정류부(510), 부스트 컨버터(520) 및 전력 회생부(530)를 포함하여 구성될 수 있다. 회생 계통 전원(560)은 제2 토크 제어부(244)로부터 회생 전력을 흡수하는 전원이다.
제2 정류부(510)는 제3 교류 전압을 제2 직류 전압으로 정류한다.
일례로, 제2 정류부(510)는 적어도 하나의 다이오드(D7 내지 D10) 및 커패시터(C2)를 포함할 수 있다. 그러나, 본 발명의 제2 정류부(510)의 구조는 이에 한정되지 않으며, 다양한 구조의 정류부가 사용될 수 있다.
부스트 컨버터(520)는 제2 정류부(510)에 의해 정류된 제2 직류 전압을 승압시킨다.
일례로, 부스트 컨버터(520)는 인덕터(L), 다이오드(D11), 스위칭 소자(SW8)를 포함하여 구성될 수 있다.
인덕터(L)의 일단은 제2 정류부(510)의 출력단과 연결되고, 인덕터(L)의 타단은 다이오드(D11)의 입력단과 연결된다. 스위칭 소자(SW8)은 인덕터(L)의 타단과 다이오드(D11)의 입력단 사이에 연결된다. 다이오드(D11)의 출력단은 전력 회생부(530)의 입력단과 연결된다.
전력 회생부(530)는 부스트 컨버터(520)에 의해 승압된 제2 교류 전압을 계통 전원으로 회생시킨다. 일례로서, 전력 회생부(530)는 커패시터(C3) 및 120도 통전 방식의 삼상 교류 인버터(550)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 전력 회생부(530)가 전압을 회생시키기 전에 부스트 컨버터(520)가 제2 직류 전압을 승압시키기 때문에 전력 회생부(530)의 회생 효율이 높아질 수 있다.
이와 같이, 제2 토크 제어부(244)는 능동 소자들을 이용하여 회전자 코일에 흐르는 전류를 조절하므로, 저항을 포함하지 않고, 이에 따라 저항에서 발생하는 발열을 원천적으로 차단할 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 유도 전동기의 출력 제어 장치(600)의 회로도를 도시한 도면이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 출력 제어 장치(600)는 2개의 서로 다른 토크 제어부(242, 244)를 선택적으로 사용할 수 있으며, 이를 위해 스위칭부(610)를 포함할 수 있다. 스위칭부(610)를 제외한 출력 제어 장치(600)의 구성 및 기능에 대해서는 도 2 내지 도 5에서 이미 설명하였으므로, 이하에서는 스위칭부(610)를 중심으로 도 6을 설명한다.
도 6을 참조하면, 출력 제어 장치(600)는 제1 토크 제어부(242) 및 제2 토크 제어부(244)는 스위칭부(610)를 통해 2차 코일(234)와 연결된다. 스위칭부(610)는 제1 및 제2 토크 제어부(242, 244) 중 어느 하나를 2차 코일과 선택적으로 연결한다.
스위칭부(610)는 적어도 하나의 스위칭 소자(SW9, SW10, SW11, SW12)를 포함하여 구성될 수 있다. 제1 및 제2 토크 제어부(242, 244) 중 어느 하나에 고장이 발생한 경우 또는 제1 및 제2 토크 제어부(242, 244) 중 어느 하나의 교체/수리가 필요한 경우, 스위칭부(610)는 스위칭 동작을 통해 제1 및 제2 토크 제어부(242, 244) 중 어느 하나의 토크 제어부(240)를 2차 코일(234)와 연결할 수 있다.
특히, 스위칭부(610)는 회전자의 구동 특성에 따라 제1 및 제2 토크 제어부(242, 244) 중 어느 하나를 2차 코일(234)에 선택적으로 연결할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 스위칭부(610)는 회전자의 정격 속도의 도달 여부에 기초하여 제1 및 제2 토크 제어부(242, 244) 중 어느 하나를 2차 코일과 선택적으로 연결할 수 있다.
보다 상세하게, 회전자가 정격 속도에 도달하지 않는 경우 스위칭부(610)는 제1 토크 제어부(242)를 2차 코일과 연결하고, 회전자가 정격 속도에 도달한 경우 스위칭부(610)는 제2 토크 제어부(244)를 2차 코일과 연결할 수 있다.
즉, 회전자의 기동 시점부터 회전자의 토크 정격 속도에 도달하는 시점까지 제1 토크 제어부(242)가 회전자, 즉 2차 코일에 연결된다. 이 때, 제2 토크 제어부(244)는 2차 코일에 연결되지 않는다. 또한, 상기에서 언급한 바와 같이, 제1 토크 제어부(242)는 회전자의 토크를 높게 유지하기 위해 회전자의 속도가 증가함에 따라 저항의 크기를 단계적으로 감소시킨다. 그 후, 회전자의 속도가 정격 속도에 도달하면, 제2 토크 제어부(244)가 회전자, 즉 2차 코일에 연결된다. 이 때, 제1 토크 제어부(244)는 2차 코일에 연결되지 않는다.
본 발명의 일례에 따르면, 회전자의 속도가 정격 속도에 도달하면, 스위칭부(610)는, 2차 코일(234)을 제2 토크 제어부(244)에 연결한 후에, 2차 코일(234)과 제1 토크 제어부(242)의 연결을 차단할 수 있다.
본 발명의 다른 일례에 따르면, 회전자의 속도가 정격 속도에 도달하면, 스위칭부(610)는 2차 코일(234)과 제1 토크 제어부(242)의 연결을 차단한 후에, 2차 코일(234)을 제2 토크 제어부(244)에 연결할 수도 있다.
한편, 스위칭부(610)가 회전자의 기동 시점부터 2차 코일(234)를 제2 토크 제어부(244)에 연결하는 경우, 회전자의 초기 유도 전압의 크기(즉, 2차 코일에서 유도된 제3 교류 전압의 크기)가 제2 토크 제어부(244)에 포함된 전기 소자의 내전압 크기보다 클 수 있다. 이에 따라 제2 토크 제어부(244)의 내의 전기 소자가 손상될 수 있다. 여기서, 제2 토크 제어부(244)의 내전압은 커패시터(C2), 스위칭 소자(SW11) 및 커패시터(C3) 등의 내전압을 의미할 수 있다.
하지만, 회전자의 속도가 증가하면 회전자 코일에 유도되는 유도 전압의 크기가 줄어든다. 따라서, 회전자가 정격 속도에 도달한 후에 스위칭부(610)가 2차 코일(234)을 제2 토크 제어부(244)에 연결하면, 제2 토크 제어부(244) 내의 전기 소자의 내전압이 낮더라도 전기 소자의 손상이 방지될 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 스위칭부(610)는 2차 코일(234)에서 유도된 유도 전압의 크기 또는 상기 유도 전압과 대응되는 2차 코일(234)의 제3 교류 전압의 크기가 제2 토크 제어부(244)에 포함되는 전기 소자의 내전압의 크기를 비교하여 제1 및 제2 토크 제어부(242, 244) 중 어느 하나를 2차 코일과 선택적으로 연결할 수 있다.
즉, 제3 교류 전압의 크기가 상기 내전압의 크기 이상인 경우 스위칭부(610)는 제1 토크 제어부(242)를 2차 코일(234)과 연결하고, 제3 교류 전압의 크기가 상기 내전압의 크기 미만인 경우 스위칭부(610)는 제2 토크 제어부(244)를 2차 코일(234)과 연결할 수 있다.
이 때도, 제3 교류 전압의 크기가 상기 내전압의 크기 미만으로 떨어지는 경우, 스위칭부(610)는, 2차 코일(234)과 제1 토크 제어부(242)의 연결을 차단한 후 2차 코일(234)과 제2 토크 제어부(244)를 연결하거나, 또는 2차 코일(234)과 제2 토크 제어부(244)를 연결한 후 2차 코일(234)과 제1 토크 제어부(242)의 연결을 차단할 수 있다.
한편, 권선형 유도 전동기는 회전자의 정격 토크 및 정격 속도에서 동작하는 것이 일반적이지만, 권선형 유도 전동기의 외부 환경을 고려할 때 회전자가 정격 속도가 아닌 다른 속도에서 동작할 필요가 있다.
예를 들어, 관에 연결된 팬(fan)을 회전시키는 경우, 팬을 정격 속도로 회전시킴과 함께 유량(quantity of flow)을 조절하기 위해 댐퍼(damper)가 사용된다. 그러나, 댐퍼를 이용하여 유량을 조절하는 것은 권선형 유도 전동기의 에너지 효율의 측면에서 불리하다. 즉, 댐퍼를 사용하는 경우 권선형 유도 전동기가 목표 유량을 흘려 보내는데 필요한 에너지보다 많은 에너지가 소모되는 단점이 있다.
하지만, 본 발명에 따른 권선형 유도 전동기의 출력 제어 장치(200)는 전류를 제어하여 회전자의 토크 및 속도를 제어하는 제2 토크 제어부(244)를 포함한다. 따라서, 외부 환경을 고려하여 회전자의 토크 내지 속도가 적절하게 제어될 수 있으며, 권선형 유도 전동기의 슬립에 따른 효율을 극대화할 수 있다.
외부 환경을 고려하여 회전자의 토크 내지 속도를 제어하는 경우, 제2 토크 제어부(244)는 상기에서 언급한 다이오드, 커패시터 및 스위칭 소자 등과 같이 내전압의 한계가 있는 전기 소자를 사용한다. 이 때, 회전자의 기동 시점부터 제2 토크 제어부(244)를 이용하여 회전자의 토크 및 속도를 제어하는 경우, 회전자 측 유도 전압(즉, 2차 코일에서 유도된 제3 교류 전압)의 크기를 견디지 못하여 제2 토크 제어부(244) 내의 전기 소자가 손상될 수 있다. 따라서, 권선형 유도 전동기도 함께 고장날 수 있다. 따라서, 회전자 코일에 흐르는 전류를 제어함으로써 저항 손실을 줄이고 슬립에 따른 효율을 극대화하면서도 회전자의 높은 유도 전압을 견딜 수 있는 회로에 대한 설계가 필요하다.
이를 위해, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제2 토크 제어부(244)는 부스트 컨버터(520)의 스위칭 온 듀티비(switching on duty-ratio, 이하 "스위칭 듀티비"라 호칭함)를 조절함으로써, 부스트 컨버터(520) 내의 커패시터(C2)의 전압에 따라 회전자 코일에 흐르는 전류를 조절할 수 있다.
구체적으로, 스위칭부(610)에 의해 제2 토크 제어부(244)가 2차 코일(234)에 연결되는 시점에서, 부스트 컨버터(520)에 포함된 스위칭 소자(SW8)의 스위칭 듀티비를 "1"로 설정한다. 이 후, 제2 토크 제어부(244)는 스위칭 듀티비를 기 설정된 값까지 감소시킨다. 기 설정된 스위칭 듀티비는 권선형 유도 전동기의 슬립이 20%가 되도록 하는 값이거나, 제2 토크 제어부(244) 내의 전기 소자의 내전압이 2차 코일(234)에서 유도된 유도 전압의 크기보다 작도록 하는 값일 수 있다.
스위칭 듀티비가 "1"에 가깝게 설정하는 경우, 커패시터(C2)의 전압이 줄어들고, 회전자의 유도 전압(2차 코일의 제3 교류 전압과 대응)과 커패시터(C2)의 전압 사이의 차가 증가한다. 회전자와 제2 토크 제어부(244) 사이의 전압차가 클수록 회전자로부터 제2 토크 제어부(244)로 흐르는 전류는 증가한다. 이러한 제2 토크 제어부(244)의 동작은 제1 토크 제어부(242)가 저항의 크기를 감소시키는 것과 유사하다. 즉, 제2 토크 제어부(244)는 스위칭 듀티비를 줄여 회전자의 고속 동작에서의 최대 토크를 높이고, 회전자를 정격 속도에서 동작시킬 수 있다.
반면에, 스위칭 듀티비가 "0"에 가깝게 설정하는 경우, 커패시터(C2)의 전압이 올라가고, 회전자의 유도 전압(2차 코일의 제3 교류 전압외 대응)과 커패시터(C2)의 전압 사이의 차가 줄어든다. 회전자와 제2 토크 제어부(244) 사이의 전압차가 낮을수록 회전자로부터 제2 토크 제어부(244)로 흐르는 전류가 줄어든다. 이러한 제2 토크 제어부(244)의 동작은 제1 토크 제어부(242)가 저항의 크기를 증가시키는 것과 유사하다. 즉, 제2 토크 제어부(244)는 스위칭 듀티비를 높여 회전자의 기동 토크를 높일 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라서, 스위칭 듀티비를 조절하여 권선형 유도 전동기의 출력을 제어하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 7을 참조하면, 토크 제어부(240)의 스위칭 듀티비(D)가 "1"일 때, 부하에 연결된 회전자는 정격 토크 및 정격 속도로 회전한다. 정격 토크 및 정격 속도는 권선형 유도 전동기와 부하 간 관계에 의해 결정된다. 실제 권선형 유도 전동기를 운용하는 경우, 외부 환경을 더 고려하여 회전자를 정격 속도보다 낮은 속도로 회전시키거나 정격 속도보다 높은 속도로 회전시킬 필요가 있음을 확인할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 토크 제어부(240)는 스위칭 듀티비를 "1"보다 작은 값으로 설정함으로써, 회전자의 속도-토크 특성을 그래프 상에서 좌측으로 이동시킬 수 있다. 이에 따라, 회전자는 정격 토크보다 낮은 토크 및 정격 속도보다 낮은 속도에서 동작한다. 즉, 토크 제어부(240)는 외부 환경을 고려하여 회전자의 토크 및 속도를 제어함으로써, 권선형 유도 전동기의 에너지 효율을 높일 수 있다.
요컨대, 본 발명의 일 실시예에 따른 출력 제어 장치(200, 600)는 변압기 구조로 형성되는 1차 코일(232) 및 2차 코일(234)를 이용하여 전압을 전달함으로써 브러쉬와 슬립링을 사용하지 않고도 비접촉 방식으로 권선형 유도 전동기의 출력을 제어할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 출력 제어 장치(600)는 스위칭부(610)를 통해 제1 토크 제어부(242)과 제2 토크 제어부(244)를 선택적으로 사용함으로써 회전자 측의 저항에서 발생하는 발열 손실을 감소시킬 수 있고, 토크의 제어 시 높은 전압을 견딜 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (17)

  1. 고정자 및 회전자를 포함하는 권선형 유도 전동기의 출력 제어 장치로서,
    상기 회전자에 권선된 회전자 코일에 유도된 제1 교류 전압을 제1 직류 전압으로 정류하는 제1 정류부;
    상기 제1 직류 전압을 제2 교류 전압으로 변환하는 인버터;
    상기 제2 교류 전압을 인가받는 1차 코일;
    상기 1차 코일과 분리되며, 상기 제2 교류 전압에 의해 제3 교류 전압이 유도되는 2차 코일; 및
    상기 제3 교류 전압에 기초하여 상기 회전자의 토크를 제어하는 토크 제어부;를 포함하되,
    상기 제1 정류부, 상기 인버터 및 상기 1차 코일은 상기 회전자와 함께 회전하고, 상기 2차 코일 및 상기 토크 제어부는 상기 회전자와 함께 회전하지 않고,
    상기 토크 제어부는 저항 기반의 제1 토크 제어부 및 전류 기반의 제2 토크 제어부를 포함하고,
    상기 제1 토크 제어부는, 순차적으로 연결되는 복수의 소자 그룹을 포함하고, 상기 복수의 소자 그룹 각각은, 제1 저항, 제2 저항 및 스위칭 소자를 포함하고, 상기 스위칭 소자의 일단은 상기 제1 저항의 일단과 연결되고, 상기 스위칭 소자의 타단은 상기 제2 저항의 일단과 연결되는, 권선형 유도 전동기의 출력 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 권선형 유도 전동기의 출력 제어 장치는 상기 제1 토크 제어부 및 상기 제2 토크 제어부 중 어느 하나를 상기 2차 코일과 선택적으로 연결하는 스위칭부;를 포함하는, 권선형 유도 전동기의 출력 제어 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 토크 제어부가 상기 2차 코일에 연결된 경우, 상기 제1 토크 제어부 내의 저항의 크기가 조절되어 상기 회전자의 토크가 제어되고,
    상기 제2 토크 제어부가 상기 2차 코일에 연결된 경우, 상기 제2 토크 제어부로 흐르는 전류의 크기가 조절되어 상기 회전자의 토크가 제어되는, 권선형 유도 전동기의 출력 제어 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 토크 제어부는 적어도 하나의 저항 및 적어도 하나의 스위칭 소자를 포함하되,
    상기 적어도 하나의 스위칭 소자의 턴 온 또는 턴 오프가 제어되어 상기 제1 토크 제어부 내의 저항의 크기가 조절되는, 권선형 유도 전동기의 출력 제어 장치.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 소자 그룹 중 첫번째 소자 그룹의 제1 및 제2 저항의 일단은 상기 2차 코일의 일단과 연결되고, 상기 첫번째 소자 그룹의 제2 저항의 일단은 상기 2차 코일의 타단과 연결되고,
    상기 복수의 소자 그룹 중 i(2 이상의 정수)번째 소자 그룹의 제1 저항의 일단은 i-1번째 소자 그룹의 제1 저항의 타단과 연결되고, 상기 i번째 소자 그룹의 제2 저항의 일단은 i-1번째 소자 그룹의 제2 저항의 타단과 연결되는, 권선형 유도 전동기의 출력 제어 장치.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 제1 토크 제어부가 상기 2차 코일과 연결된 경우, 상기 제1 토크 제어부 내의 저항의 크기는 상기 회전자의 속도가 증가함에 따라 단계적으로 감소하는, 권선형 유도 전동기의 출력 제어 장치.
  8. 고정자 및 회전자를 포함하는 권선형 유도 전동기의 출력 제어 장치로서,
    상기 회전자에 권선된 회전자 코일에 유도된 제1 교류 전압을 제1 직류 전압으로 정류하는 제1 정류부;
    상기 제1 직류 전압을 제2 교류 전압으로 변환하는 인버터;
    상기 제2 교류 전압을 인가받는 1차 코일;
    상기 1차 코일과 분리되며, 상기 제2 교류 전압에 의해 제3 교류 전압이 유도되는 2차 코일; 및
    상기 제3 교류 전압에 기초하여 상기 회전자의 토크를 제어하는 토크 제어부;를 포함하되,
    상기 제1 정류부, 상기 인버터 및 상기 1차 코일은 상기 회전자와 함께 회전하고, 상기 2차 코일 및 상기 토크 제어부는 상기 회전자와 함께 회전하지 않고,
    상기 토크 제어부는 저항 기반의 제1 토크 제어부 및 전류 기반의 제2 토크 제어부를 포함하고,
    상기 제2 토크 제어부는,
    상기 제3 교류 전압을 제2 직류 전압으로 정류하는 제2 정류부;
    상기 제2 직류 전압을 승압하는 부스트 컨버터; 및
    상기 승압된 제2 직류 전압을 계통 전원으로 회생시키는 전력 회생부;를 포함하는, 권선형 유도 전동기의 출력 제어 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제2 토크 제어부가 상기 2차 코일과 연결된 경우,
    상기 제2 토크 제어부로 흐르는 전류는 상기 부스트 컨버터에 포함된 스위칭 소자의 스위칭 듀티비에 기초하여 조절되는, 권선형 유도 전동기의 출력 제어 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 스위칭 듀티비가 증가하는 경우, 상기 제2 토크 제어부로 흐르는 전류는 증가하는, 권선형 유도 전동기의 출력 제어 장치.
  11. 제2항에 있어서,
    상기 스위칭부는 상기 회전자의 정격 속도의 도달 여부에 기초하여 상기 제1 및 제2 토크 제어부 중 어느 하나를 상기 2차 코일과 선택적으로 연결하는, 권선형 유도 전동기의 출력 제어 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 회전자가 정격 속도에 도달하지 않는 경우, 상기 스위칭부는 상기 제1 토크 제어부를 상기 2차 코일과 연결하고,
    상기 회전자가 정격 속도에 도달한 경우, 상기 스위칭부는 상기 제2 토크 제어부를 상기 2차 코일과 연결하는, 권선형 유도 전동기의 출력 제어 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 회전자가 정격 속도에 도달하는 경우, 상기 스위칭부는,
    상기 2차 코일과 상기 제1 토크 제어부의 연결을 차단한 후 상기 2차 코일과 상기 제2 토크 제어부를 연결하거나,
    상기 2차 코일과 상기 제2 토크 제어부를 연결한 후 상기 2차 코일과 상기 제1 토크 제어부의 연결을 차단하는, 권선형 유도 전동기의 출력 제어 장치.
  14. 제2항에 있어서,
    상기 스위칭부는 상기 제3 교류 전압의 크기와 상기 제2 토크 제어부에 포함되는 전기 소자의 내전압의 크기를 비교하여 상기 제1 및 제2 토크 제어부 중 어느 하나를 상기 2차 코일과 선택적으로 연결하는, 권선형 유도 전동기의 출력 제어 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제3 교류 전압의 크기가 상기 내전압의 크기 이상인 경우, 상기 스위칭부는 상기 제1 토크 제어부를 상기 2차 코일과 연결하고,
    상기 제3 교류 전압의 크기가 상기 내전압의 크기 미만인 경우, 상기 스위칭부는 상기 제2 토크 제어부를 상기 2차 코일과 연결하는, 권선형 유도 전동기의 출력 제어 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제3 교류 전압의 크기가 상기 내전압의 크기 미만으로 떨어지는 경우, 상기 스위칭부는,
    상기 2차 코일과 상기 제1 토크 제어부의 연결을 차단한 후 상기 2차 코일과 상기 제2 토크 제어부를 연결하거나,
    상기 2차 코일과 상기 제2 토크 제어부를 연결한 후 상기 2차 코일과 상기 제1 토크 제어부의 연결을 차단하는, 권선형 유도 전동기의 출력 제어 장치.
  17. 고정자 및 회전자를 포함하는 권선형 유도 전동기의 출력 제어 장치로서,
    상기 회전자에 권선된 회전자 코일에 유도된 제1 교류 전압을 제1 직류 전압으로 정류하는 제1 정류부;
    상기 제1 직류 전압을 제2 교류 전압으로 변환하는 인버터;
    상기 제2 교류 전압을 인가받는 1차 코일;
    상기 1차 코일과 분리되며, 상기 제2 교류 전압에 의해 제3 교류 전압이 유도되는 2차 코일;
    상기 제3 교류 전압에 기초하여 상기 회전자의 토크를 제어하는 제1 및 제2 토크 제어부; 및
    상기 제1 및 제2 토크 제어부 중 어느 하나를 상기 2차 코일과 선택적으로 연결하는 스위칭부;를 포함하되,
    상기 제1 토크 제어부는 저항 기반의 토크 제어부이고, 상기 제2 토크 제어부는 전류 기반의 토크 제어부이고,
    상기 제1 토크 제어부는, 순차적으로 연결되는 복수의 소자 그룹을 포함하고, 상기 복수의 소자 그룹 각각은, 제1 저항, 제2 저항 및 스위칭 소자를 포함하고, 상기 스위칭 소자의 일단은 상기 제1 저항의 일단과 연결되고, 상기 스위칭 소자의 타단은 상기 제2 저항의 일단과 연결되는, 권선형 유도 전동기의 출력 제어 장치.
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