KR102524042B1 - 속도변경 및 그에 따른 효율구간 변경이 가능한 전동기 또는 발전기 - Google Patents

속도변경 및 그에 따른 효율구간 변경이 가능한 전동기 또는 발전기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전동기 또는 발전기에 있어서, 고정자 권선의 직렬병렬과 스타델타 결선에 의해 임피던스 변경에 따른 회전속도를 변경할 수 있고 그에 따라 최대효율변경을 할 수 있는 전동기 또는 발전기를 제공한다.

Description

속도변경 및 그에 따른 효율구간 변경이 가능한 전동기 또는 발전기{Motor or generator that can change velocity and efficiency range due to change of velocity}
본 발명은 전동기 또는 발전기와 그 제어 방법에 관한 것이다.
일반적으로 전동기나 발전기는 특정속도에서 최대 효율을 가지게 된다. 제작된 전동기나 발전기는 속도에 따른 최대 효율 구간 변경이 요구된다. 이는 전동기의 고유의 특성으로써 설계 시 결정되어 진다. 그러나 예를 들어 전기차의 경우 정지부터 최대 속도구간까지 운전하게 되며 이는 효율이 낮은 부분에서 운전할 수 밖에 없어 효율을 떨어 뜨리고 있다. 또한 전동기의 고속회전을 위해서는 역기전력보다 높게 인가 전압을 높여야 하는 상황이다. 인가 전압을 높일시 감전등의 위험이 초래하고 별도의 전압 승압장치가 필요하다. 따라서 비용이 증가하고 전압 승압장치의 효율이 100%가 아니므로 전체적인 효율을 떨어뜨리게 된다. 또한 역기전력을 줄이기 위해 약계자제어 방식도 사용하나 이는 효율을 더 저감시키고 있는 실정이다.
따라서 현재의 제작된 전동기나 발전기의 속도에 따른 최대효율구간 변경이 요구되고 있는 실정이다. 예를 들어 전기차의 경우 하나의 전동기와 감속기로 구성되어 있다. 전기차의 저속부터 고속까지의 운행은 하나의 전동기 특성에 기반하는 것으로 최대효율은 전기차의 특정 속도에서만 나올 수 있다. 최대효율 이외의 속도에서 운행시 효율은 떨어지고 한정된 배터리를 탑재하는 전기차는 주행거리가 감소할 수 밖에 없는 문제점이 있다.
이외에 다방면으로 전동기가 응용되는 분야에서도 전동기의 운전시 회전속도의 변화가 클 경우 전력 효율을 떨어 뜨리게 된다. 발전기 또한 자동차나 풍력발전에 이용 시 속도가 변하게 되고 발전기의 최대 효율 구간에서 운전할 수 없게 되는 이유가 된다. 또한, 발전된 전압을 일정하게 정전압하여 배터리에 저장하고 이때 스위칭에 의한 전압조절 회로를 사용하는데 발전기의 특성상 PWM의 스위치 OFF시 전력을 차단하지만 발전기의 회전은 계속되어 이때의 전력은 사용할 수 없게 되고 효율을 떨어 뜨리게 된다.
따라서 저속, 중속, 고속등 회전 속도에 따라 최대 효율에 도달하도록 전기적인 별도의 시스템이 필요하다. 전동기나 발전기에 기계적인 변속기를 장착하여 속도에 따른 변속으로 최대 효율 구간에서 운전 할 수 도 있으나 이는 비용증가와 고장문제, 부피, 무게 문제가 발생한다.
특허문헌으로 특허 제10-0598445호는 슬롯 고정자에 감겨지는 기존의 주권선과는 별도로 슬롯 고정자의 각 치 부분의 여유공간에 주권선과 병렬로 연결되는 보조권선을 추가적으로 설치하여, 기동구간에서는 주권선과 보조권선을 모두 이용하고, 속도 정상 상태 구간에서는 주권선만을 이용하여 고속구동이 이루어지도록 구성한병렬 권선방식의 브러시리스 직류 전동기를 개시하고 있다.
또, 특허 제10-0132904호는 광범위한 회전영역에서 정출력을 발생시킬 수 있는 유도 전동기의 구동 제어 방법으로, Y결선된 유도 전동기의 권선을 소정 비율의 권선수로 2분할하고 2개의 분단권선을 이용하여 저속시에는 전환 스위치만을 가동하고, 분단권선에 전류를 흘리며, 고속시에는 다른 전환 스위치만을 가동하고, 다른 분단권선에만 전류를 흘리는 내용을 개시하고 있다.
또, 일본 공개특허공보 특개2016-086587호는 전동기에 있어서 직렬,병렬, 스타, 델타 결선 변경하여 속도를 변경함에 있어서 예비부하를 구비하여 변속충격에 따른 과전류를 방지 하고 있다.
그러나 예비부하에 의한 변속충격 방지가 미비하고 순간적인 과도전류가 흐르게 되고 필요없는 전류를 낭비하게된다. 예비부하(Z1, Z2, Z3)는 R, L, C 조합으로 스타-델타결선 전환시 스위칭되어 이러한 순간적인 큰 과도전류를 방지하는 목적으로 사용되어진다. 따라서 예비부하는 스위치 전환시 계속해서 전류가 흐르며 이는 전동기의 회전에 전혀 사용이 안되는 낭비되는 전류이고 단지 과도전류를 완화시키는 목적으로만 사용되기 때문에 전동기의 전체적인 효율을 떨어뜨리고 비용이 증가 되는 문제점이 있다. 또한 권선의 부하와 병렬로 결선되어 실제적으로 권선의 전류보다 더 큰 과도전류를 만들게 되어 과도전류 억제 효과가 미비하다고 볼 수 있다.
본 발명에서는 이와 같은 문제점을 해결 하고자 예비부하(Z1, Z2, Z3)를 제거하고 이중의 스타결선스위치와 델타결선스위치, 스위치 조작방법으로 해결하고 있는 것이다. 이러한 발명에 의해 스타, 델타 한쌍의 스위치가 상호 순차적으로 한개씩 시간차를 두고 ON-OFF 되어 과도전류를 억제하게 되고 모든 전류는 전동기의 회전에 사용됨으로써 전원의 낭비가 없어서 효율이 증대되고 비용이 절감되는 효과를 가져온다. 예를 들어 순간적인 과도전류를 억제하기 위해 스위치 전환 시간이 늘어날 경우 일본 공개특허공보 특개2016-086587호에서는 예비부하(Z1, Z2, Z3)에 전원이 낭비되지만 본 발명에서는 스타결선 스위치와 델타결선 스위치스위치 한쌍중 한 개가 작동하여 권선에 전류가 흐르고 전동기를 회전시키는 전원으로 활용됨으로써 전원의 낭비가 없는 것이다. 또한 현실적으로 스위치소자의 비용면에 있어서도 고전류 스위치 한 개의 비용보다 저전류 스위치 2개의 비용이 더 저렴한 실정이고 별도의 예비부하가 없어서 그만큼 비용절감과 효율증대 효과가 있다.
또한 본 발명에서는 스타 결선시 권선의 중성점이 분리된다. 이중고정자 전동기의 운전이나 전동기의 병렬운전시 또는 발전기의 병렬운전시 효율개선 및 부조화를 막기 위해 중성점 분리는 반드시 필요한 기본 상식으로 본 발명에서는 가능하고 중성점의 전위차에 의한 불필요한 전류를 방지하고 각 권선의 회전자계 부조화를 방지하여 효율이 개선 되는 효과가 있다.
따라서 결론적으로 본 발명은 예비부하(Z1, Z2, Z3)의 전류가 없고 각 권선의 중성점 전위차 전류가 없어서 불필요한 전원낭비를 줄여서 효율이 증대되고 비용이 절감되며 과도전류가 없는 더 진보된 기술이다. 또한 본 발명에서는 한쌍의 스타 델타 스위치중 한 개가 파손되더라도 운전이 가능한 장점도 있겠다.
따라서 본 발명은 전동기나 발전기에 있어서 기계적인 작동구조 없이 전기적인 스위치 조작만으로 속도 변경 및 최대 효율 구간에서의 운전을 통하여 효율을 높일 수 있는 방법 및 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위하여 본발명은 3상제어 전동기 또는 발전기의 권선이 직렬, 병렬, 스타, 델타결선되어 속도변경 및 효율 구간을 변경함에 있어서, 스타결선시에는 델타결선스위치(7a)(7b)(7c)는 개방되고 권선의 1개의 상은 중성점에 스위치 없이 상시 단락되어 있고 2개의 스타결선스위치(8a)(8c)에 의해 2개의 상이 단락되어 스타결선되며, 델타결선시에는 2개의 스타결선스위치(8a)(8c)는 개방되며 델타결선스위치(7a)(7b)(7c)를 단락시켜 델타결선할 수 있는 것을 특징으로 하는 전동기 또는 발전기를 제공한다.
또한 6상제어 전동기 또는 발전기에서 3개의 병렬스위치(66a’)(66b’)(66c’)와 3개의 직렬스위치(65a)(65a)(65a)에 의해 권선이 직병렬 결선되며 직렬결선 시에는 인버터(1)의 3상에만 전원이 공급되며 병렬결선 시에는 6상에 전원이 공급되고, 스타결선 시에는 1개의 상은 중성점에 스위치 없이 단락되어 있고 2개의 스타결선스위치(68a')(68c)에 의해 2개의 상이 단락되어 스타결선되며, 델타결선시에는 스타결선스위치(68a')(68c)는 개방되며 3개의 델타결선스위치(67a')(67b')(67c')를 단락시켜 델타결선할 수 있는 것을 특징으로 하는 속도변경 및 효율 구간을 변경할 수 있는 전동기 또는 발전기와 그 제어 방법을 제공한다.
또 이중고정자 전동기 또는 발전기의 직렬, 병렬, 스타, 델타결선되어 속도변경 및 효율 구간을 변경함에 있어서, 스타결선시에는 델타결선스위치(7a)(7b)(7c)는 개방되고 권선의 1개의 상은 중성점에 스위치 없이 상시 단락되어 있고 2개의 스타결선스위치(8a)(8c)에 의해 2개의 상이 단락되어 스타결선되며, 델타결선시에는 2개의 스타결선스위치(8a)(8c)는 개방되며 델타결선스위치(7a)(7b)(7c)를 단락시켜 델타결선할 수 있는 것을 특징으로 하는 전동기 또는 발전기를 제공한다.
또한 3상제어 전동기 또는 발전기에 있어서,
3개의 병렬스위치(16a)(16b)(16c)와 3개의 직렬스위치(15a)(15b)(15c)에 의해 직병렬결선되며, 4개의 스타결선스위치(18a)(18a’)(18c)(18c’)와 6개의 델타결선스위치(17a)(17a’)(17b)(17b’)(17c)(17c’)에 의해 스타델타 결선되며 제1 고정자권선(13a)과 제2 고정자권선(13a’)의 1개 상은 스위치 없이 각 중성점에 상시 단락되어 있으며 4개의 스타결선스위치(18a)(18a’)(18c)(18c’)에 의해 각 중성점에 단락되어 스타결선되며 이때 제1 고정자권선(13a)과 제2 고정자권선(13a’)의 중섬점은 분리되며, 6개의 델타결선 스위치(17a)(17a’)(17b)(17b’)(17c) (17c’)에 의해 델타 결선되며 순차적으로 시간차를 갖고 스위칭됨으로써 예비부하 없이 과도전류를 방지하는 것을 특징으로 하는 속도변경 및 그에따른 효율을 높이는 전동기 또는 발전기와 그 제어 방법을 제공한다.
또 6상제어 전동기 또는 발전기에 있어서, 별도의 병렬스위치가 없고 3개의 직렬스위치(25a)(25b)(25c)와 인버터(1)의 3상 A, B, C 전원 공급만으로 직렬결선 되며 병렬결선 시에는 직렬스위치(25a)(25b)(25c)는 개방되고 인버터(1)의 6상 A, B, C, A’, B’, C’ 전원 공급에 의해 전원과 병렬결선 되고,
4개의 스타결선스위치(28a)(28a’)(28c)(28c’)와 6개의 델타결선스위치(27a)(27a’)(27b)(27b’)(27c)(27c’)에 의해 스타-델타 결선시 제1 고정자권선(23a)과 제2 고정자권선(23a’)의 1개 상은 스위치 없이 각 중성점에 상시 단락되어 있으며 4개의 스타결선스위치(28a)(28c)(28a')(28c')에 의해 각 중성점에 단락되어 스타결선되며 이때 제1 고정자권선(23a)과 제2 고정자권선(23a’)의 중섬점은 분리되고, 6개의 델타결선스위치(27a)(27b)(27c)(27a')(27b')(27c')의 단락에 의해 델타 결선되며 스위칭시 순차적으로 시간차를 갖고 스위칭됨으로써 예비부하 없이 과도전류를 방지하는 것을 특징으로 하는 속도변경 및 그에따른 효율을 높이는 전동기 또는 발전기와 그 제어방법을 제공한다.
또한 6상제어 전동기 또는 발전기에 있어서, 권선에 별도의 병렬스위치와 직렬스위치가 없고 6상 인버터(1)내부에 전원스위치(30)와 접지스위치(30‘), 결합스위치(31)에 의해 한쌍의 3상이 전원에 병렬연결되거나 상호 직렬결합되며, 스타결선스위치(38a)(38c)(38a’)(38c’)와 델타결선스위치(37a)(37b)(37c)(37a’)(37b’)(37c’)의 변환에 의해 권선이 상호 스타-직렬-스타결선, 스타-병렬-스타결선, 델타-직렬-델타결선, 델타-병렬-델타 결선할 수 있는 것을 특징으로 하는 속도변경 및 그에따른 효율을 높이는 전동기 또는 발전기와 그 제어방법을 제공한다.
또한 전동기 또는 발전기에서 과도전류에 의한 컨트롤러 손상방지 및 셧다운을 막기 위한 스위치의 조작 방법으로, 상기 방법은:
스타-병렬-스타 결선시에는 결합스위치(31)는 개방된 상태에서 델타결선스위치(37a)(37b)(37c)(37a’)(37b’)(37c’)를 개방하고 스타결선스위치(38a)(38c)(38a‘)(38c’)를 단락한후 일정시간 지연후 전원스위치(30)(30‘)를 단락시키는 단계; 델타-병렬-델타 결선시에는 결합스위치(31)는 개방된 상태에서 스타결선스위치(38a)(38c)(38a‘)(38c’)를 개방하고 델타결선스위치(37a)(37b)(37c)(37a’)(37b’)(37c’)를 단락한후 일정시간 지연후 전원스위치(30)(30‘)를 단락시키는 단계;로 이루어 지는 스위치의 조작 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 3상제어 전동기의 권선의 직렬, 병렬, 스타, 델타 결선에 있어서, 스타결선시에 권선의 1개의 상은 중성점에 스위치 없이 상시 단락되어 있고 2개의 스타결선스위치(8a)(8c)에 의해 2개의 상이 단락되어 스타결선되는 것을 특징으로 하는 전동기를 제공한다.
또한, 본 발명은 6상제어 전동기의 권선의 직렬, 병렬, 스타, 델타 결선에 있어서, 직렬결선 시에는 인버터(1)의 3상(A, B, C)에만 전원이 공급되며 병렬결선 시에는 6상(A, B, C, A’, B’, C’)에 전원이 공급되고, 스타결선 시에는 1개의 상은 중성점에 스위치 없이 단락되어 있고 2개의 스타결선스위치(68a')(68c)에 의해 2개의 상이 단락되어 스타결선되는 것을 특징으로 하는 전동기를 제공한다.
또한, 본 발명은 3상제어 전동기의 권선의 직렬, 병렬, 스타, 델타 결선에 있어서, 스타결선시에 제1고정자권선(13a)과 제2 고정자권선(13a')의 각 종단 1개의 상은 스위치 없이 각 중성점에 상시 단락되어 있으며 4개의 스타결선스위치(18a)(18a')(18c)(18c')에 의해 각 중성점에 단락되어 스타결선되며, 제1 고정자권선(13a)과 제2 고정자권선(13a')의 중섬점은 분리되며, 순차적으로 시간차를 갖고 스위칭 되는 것을 특징으로 하는 전동기를 제공한다.
또한, 본 발명은 6상제어 전동기의 권선의 직렬, 병렬, 스타, 델타 결선에 있어서, 직렬스위치(25a)(25b)(25c)와 인버터(1)의 3상 (A, B, C) 전원 공급만으로 직렬결선 되며, 인버터(1)의 6상(A, B, C, A', B', C') 전원 공급에 의해 전원과 병렬결선 되고, 스타 결선시 제1 고정자권선(23a)과 제2 고정자권선(23a')의 1개 상은 스위치 없이 각 중성점에 상시 단락되어 있으며 4개의 스타결선스위치(28a)(28c)(28a')(28c')에 의해 각 중성점에 순차적으로 단락되어 중성점 분리 스타결선되는 것을 특징으로 하는 전동기를 제공한다.
또한, 본 발명은 6상제어 전동기의 권선의 직렬, 병렬, 스타, 델타 결선에 있어서, 전원스위치(30)와 접지스위치(30')에 의해 병렬결선되고 결합스위치(31)에 의해 직렬결선되는 것을 특징으로 하는 전동기를 제공한다.
또한, 본 발명은 이상의 전동기에서, 과도전류에 의한 컨트롤러 손상방지 및 셧다운을 막기 위한 스위치의 조작 방법으로, 상기 방법은: 병렬-스타결선시 스타결선스위치(18a)(18c) 와 스타결선스위치(18a')(18c')가 단계적으로 ON, OFF 스위칭 되는 단계;를 포함하는 스위치의 조작 방법을 제공한다.
본 발명은 전동기의 속도 대역폭을 늘릴수 있고 저속에서 고속까지 속도에 따른 최대 효율 구간에서 운전함으로써 전체 운전 효율을 높일수 있고 고속회전을 위해 고전압을 필요치 않게 되어 안전 및 효율이 높아진다는 효과를 발휘한다. 또한 제어 스위치 개수를 최소로 설계하여 비용절감, 내구성 증가, 효율향상등 효과가 있다.
발전기에 있어서도 최대효율 구간에서 운전함으로써 속도에 따른 전기적 변속으로 전체적인 발전기의 운전효율을 높일 수 있게 된다.
일반적으로 전기차의 경우 회생 제동시 발전기는 구동 전동기와 별개로 구비되는데 이는 운전 효율이 낮아서이다. 하지만, 본 발명에 의해 속도에 따른 권선 변경으로 영구자석 회전자 전동기를 최적의 발전기로 구동할 수 있게 됨으로써 별도의 발전기 없이 스위치 전환으로 구동 전동기를 효율좋은 발전기로 사용할 수 있어서 비용 절감 및 무게, 공간 절약의 효과를 가져온다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 3상제어 직병렬, 스타델타 변환 전자회로도이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 6상제어 직병렬, 스타델타 변환 전자회로도이다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 3상제어 직병렬, 중성점이 분리된 스타델타 변환 전자회로도이다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 6상제어 직병렬, 중성점이 분리된 스타델타 변환 전자회로도이다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 6상제어 스타델타 변환 전자회로도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 프로그램 순서도 이다.
전동기의 속도 변경과 그에 따른 최대효율구간 변경을 위해 권선의 직병렬 결선과 스타델타 결선의 조합에 의한 권선의 임피던스 변환법이 있다. 이러한 방법은 유도전동기뿐만 아니라 영구자석식 BLDC전동기 등 폭넓게 활용될수 있다.
선출원된 ’속도변경 및 그에 따른 효율구간 변경이 가능한 전동기 또는 발전기’ (출원번호 10-2021-0128038)에서 이에 따른 직렬, 병렬, 스타, 델타의 조합에 의한 속도변경 및 효율변경에 대해 설명하고 있다.
또 선출원된 (출원번호 1020160031422, 출원번호 1020170147256) 이중고정자 전동기에서는 제1 고정자권선(1)과 제2 고정자권선(2)에 의해 회전자(3)를 구동 시키는 전동기 구조로 이중고정자 전동기를 구동하는 방법으로 제1 고정자 권선(1)과 제2 고정자권선(2) 각 상의 2개의 권선을 직렬, 병렬, 스타, 델타 상호 조합하여 임피던스를 변경하여 속도를 변경하는 방법이 있겠다. 이중고정자 전동기 종류는 도시하지는 않았지만 레디얼 플럭스 모터(Radial flux motor)나 축방향 플럭스 모터(Axial flux motor) 모두 동일하다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 3상제어 직병렬, 스타델타 변환 전자회로도이다. 도 1은 이를 위한 기본적인 전자회로도이며 제1 고정자 권선(3a)과 제2 고정자 권선(3a’)이 병렬스위치(6a)(6a’)(6b)(6b’)(6c)(6c’)와 직렬스위치(5a)(5b)(5c)에 의해 직병렬 결선될수 있고 스타결선스위치(8a)(8c)와 델타결선스위치(7a)(7b)(7c)에 의해 스타델타 결선되어 직렬-스타결선, 병렬-스타결선, 직렬-델타결선, 병렬-델타결선 4가지 속도변경이 가능하며 그에 따른 최대효율구간을 변경할 수 있다.
자세한 작동방법을 도면에 의해 설명하면, 먼저 직렬-스타결선일 경우 병렬스위치(6a)(6a’)(6b)(6b’)(6c)(6c’)은 개방되어 제2 고정자권선(3a’)이 전원과 단선되고 직렬스위치(5a)(5b)(5c)는 단락되어 제1 고정자권선(3a)과 제2 고정자권선(3a’)은 직렬로 연결된다. 이때 스타결선스위치(8a)(8c)와 델타결선스위치(7a)(7b)(7c)는 개방되어야 하고 이후 스타결선스위치(8a)(8c)는 중성점단락되어 스타결선상태로 된다. 상기에서는 A상에 대하여 설명했지만 B상이나 C상 동일하게 작동한다. 이와 같은 스위치 조작으로 제1 고정자권선과 제2 고정자권선은 직렬-스타결선으로 운전될 수 있다.
여기서 종래에 선출원된 직렬, 병렬, 스타, 델타 결선과 다른점은 종래의 스타 결선시 3개의 양방향 스위치 또는 6개의 단방향 스위치 조합에 의한 3상을 중성점에 단락 결선 하였다. 그러나 본 발명에서는 3상중 1개의 상은 중성점에 상시 단락되어 있으며 2개의 양방향 스위치 또는 4개의 단방향 스위치에 의한 조작만으로 스타결선 시킬 수 있는 특징이 있다. 이는 스위치 수량을 줄여서 구조가 단순해 지고 가격 및 유지보수에서 유리한 잇점이 있는 것이다.
다음으로 직렬-델타결선에 대해 설명하면 병렬스위치(6a)(6a’)(6b)(6b’)(6c)(6c’)는 개방되고 직렬스위치(5a)(5b)(5c)는 단락되어 직렬결선되고 스타결선스위치(8a)(8c)와 델타결선스위치(7a)(7b)(7c)개방 되었다가 델타결선스위치(7a)(7b)(7c)는 단락되어 A상은 B상의 전원과 연결되고 B상은 C상의 전원과 연결되며, C상은 A상의 전원과 연결되어 델타결선된다.
다음으로 병렬-스타결선에 대해 설명하면 병렬스위치(6a)(6a’)(6b)(6b’)(6c)(6c’)는 단락되고 직렬스위치(5a)(5b)(5c)는 개방되어 권선이 병렬로 연결되고 스타결선스위치(8a)(8c)도 단락되어 제1 고정자권선(3a)과 제2 고정자권선(3a’)의 각상이 중성점으로 단락 결선되어 병렬-스타결선이 된다.
마지막으로 병렬-델타 결선은 직렬스위치(5a)(5b)(5c)는 개방되고 병렬스위치(6a)(6a’)(6b)(6b’)(6c)(6c’)는 단락되고 스타결선스위치(8a)(8c)는 개방되고 델타결선스위치(7a)(7b)(7c)는 단락되어 병렬-델타 결선 된다.
결과적으로 종래의 스위치보다 적은수량인 2개의 양방향 스위치만으로 스타결선 시킬수 있어서 속도변경 및 그에따른 효율변경이 가능한 전동기 또는 발전기를 제공할 수 있는 것이다.
도2 는 본 발명의 한 실시예에 따른 6상제어 직병렬, 스타델타 변환 전자회로도이다. 도 2는 본 발명의 다른 실시예로써 6상의 인버터에 의한 권선의 직렬, 병렬, 스타, 델타 결선을 제공 하며 도 1의 3상 인버터 제어와 다른점은 병렬스위치가 3개, 스타결선스위치 2개만으로 가능하다는 것이다. 따라서 이러한 제어회로에 의해 종래의 발명에 비해 병렬스위치와 스타결선스위치 수량이 적으면서도 동일한 성능을 발휘할 수 있게 되어 구조가 단순하고 비용절감, 유지보수면에서 유리한 효과가 있다.
이에 따른 실시예를 설명하면 한예로 직렬-스타 결선시 병렬스위치(66a')(66b')(66c')는 개방되고 직렬스위치(65a)(65b)(65c)는 단락되어 직렬결선되며 델타결선스위치(67a')(67b')(67c')는 개방되고 스타결선스위치(68a')(68c)는 단락되어 스타결선된다. 이때 인버터(1) 내부의 전원 A’ B’ C’는 차단된다. 따라서 인버터(1)의 6상중 3상만 사용하여 직렬-스타 결선된다. 이때 전원이 인가되지 않는 인버터(1) 내부 3상(A’ B’ C’)의 스위치는 모두 개방상태이다.
다른예로 병렬-델타 결선에 대해 설명하면 병렬스위치(66a')(66b')(66c')는 단락되고 직렬스위치(65a)(65b)(65c)는 개방되어 병렬결선되며 델타결선스위치(67a')(67b')(67c')는 단락되고 스타결선스위치(68a')(68c')는 개방되어 델타결선된다. 따라서 각 권선의 종단이 A상은 B상의 전원과 연결되고 B상은 C상의 전원과 연결되며 C상은 A상의 전원과 연결되어진다.
이때 인버터(1) 내부의 6상 전원은 모두 가동되어 전원을 병렬로 공급하게 된다. 인버터(1) 내부의 전원제어는 별도의 스위치 없이 프로그램에 의해 쉽게 ON-OFF할 수 있으므로 이를 활용함으로써 병렬스위치를 줄일수 있고 전원을 병렬공급함으로써 전선의 저항에 의한 손실을 줄일수 있는 효과가 있다.
그 외 직렬-델타, 병렬-스타 결선은 위의 조합에 의해 동일하므로 설명을 생략하겠다.
도3는 본 발명의 한 실시예에 따른 3상제어 직병렬, 중성점이 분리된 스타델타 변환 전자회로도이다. 도 3은 도 1를 개선한 제어회로로써 병렬-스타델타 결선시 중성점을 분리시키고 한쌍의 스위칭 시간차에 의한 과도전류 억제효과가 있다. 도 1에서는 병렬스위치 6개로 병렬회로를 구성하였다면 도3에서는 3개의 병렬스위치로 병렬회로를 구성할 수 있으며 스타결선시 제1 고정자 권선과 제2 고정자권선의 중성점이 분리되어 효율이 높아지며 제1 고정자권선과 제2 고정자권선에 전원을 순차적으로 인가할 수 있어서 과도전류 억제 효과가 우수하다. 따라서 별도로 예비부하 없이도 과도전류를 억제할 수 있는 것이다. 또한 본 발명에서는 스타 결선시 종래의 양방향 6개의 스위치를 4개로 축소하였다.
선출원된 ’속도변경 및 그에 따른 효율구간 변경이 가능한 전동기 또는 발전기’ (출원번호 10-2021-0128038)의 도 5에서는 스타 결선시 총 6개의 양방향 스위치를 사용한다. 그러나 본 발명에서는 3상중 한상은 스위치 없이 상시 중성점에 단락되어 있으며 2개의 상만 스위칭하여 스타 결선 시킬수 있게 개선되었다. 따라서 스위치 개수를 줄이고 동일한 효과를 얻을수 있어서 비용절감등의 효과를 가져온다.
이에 따른 실시예를 들자면 병렬-스타 결선시 직렬스위치(15a)(15b)(15c)는 개방되고 병렬스위치(16a)(16b)(16c)는 단락되어 제1 고정자권선(13a)과 제2 고정자권선(13a’)이 병렬 결선되고 스타결선스위치(18a)(18c)(18a')(18c')는 단락되고 델타결선스위치(17a)(17b)(17c)(17a')(17b')(17c')는 개방되어 각 상의 권선 종단이 중성점에 단락되어 스타결선된다. 이때 제1 고정자권선(13a)과 제2 고정자권선(13a’)의 3상중 1상은 스위치 없이 중성점에 상시 단락되어 있고 중성점은 상호 분리되어 있다. 따라서 종래의 발명은 6개의 스타결선 스위치를 필요로 했지만 본 발명에서는 4개의 스위치만 필요하며 성능은 동일 한 것이다. 또한 제1 고정자권선(13a)과 제2 고정자권선(13a’)의 중성점을 상호 분리 시킴으로써 중성점 전위차에 의한 전류의 흐름을 막기 위해 독립적으로 동작하게 한 것이다. 이는 현실적으로 각상의 3상 평형이 이루어지도록 권선할 수 없으며 이에 따라 미세하게 전위차가 발생하고 전류가 흐르게 되는데 이는 효율을 저하시키고 부조화 문제점이므로, 이를 보완하기 위함이다. 스위칭 시간에 있어서도 제1 고정자권선(13a)과 제2 고정자권선(13a’)의 전원 인가 시간에 지연을 두어 순차적으로 전원을 공급함으로써 과도전류를 억제할 수 있다.
병렬-델타 결선에 있어서도 제1 고정자권선(13a)과 제2 고정자권선(13a’)의 델타결선스위치(17a)(17b)(17c)(17a')(17b')(17c')가 시간차를 두고 스위칭되어 과도전류를 억제하게 한다.
직렬-스타 또는 직렬-델타 결선은 직렬스위치(15a)(15b)(15c)가 단락되고 병렬스위치(16a)(16b)(16c)는 개방되며 제2 고정자권선(13a’) 종단의 스타결선스위치(18a')(18c')가 단락되거나 델타결선스위치(17a')(17b')(17c')가 단락되어 결선된다.
도4는 본 발명의 한 실시예에 따른 6상제어 직병렬, 중성점이 분리된 스타델타 변환 전자회로도이다. 도 4는 도 2를 개선한 전자제어 회로도로써 6상제어에 의해 병렬스위치가 아예 없지만 병렬로 운전할 수 있게 되며 병렬-스타델타 결선시 중성점을 분리시키고 한쌍의 스위칭 시간차에 의한 과도전류 억제효과가 있다.
예를 들어 각 권선의 직렬 결선시 직렬스위치(25a)(25b)(25c)는 단락되고 인버터(1) 내부의 전원 6상중 3상 A, B, C에만 전원이 인가되고 A’, B’, C’ 에는 전원이 인가되지 않는다. 따라서 각 권선은 3상에 의한 직렬 결선이 된다. 반대로 병렬 결선시에는 6상의 전원 A, B, C, A’, B’, C’에 전원이 모두 인가되고 직렬스위치(25a)(25b)(25c)는 개방되어 병렬로 전원을 공급한다. 이에 따라 병렬스위치가 아예 없지만 전체적인 전원의 공급은 병렬결선과 동일하다.
그 외 스타 델타 변환 결선 시에는 스타결선스위치(28a)(28c)(28a')(28c')와 델타결선스위치(27a)(27b)(27c)(27a')(27b')(27c')의 조작에 의해 이루어 지는데 도 3과 동일하게 4개의 스타결선 스위치로 변환시킬 수 있다. 다만 델타결선시 6상이므로 제1 고정자권선(23a)과 제2 고정자권선(23a’)이 각각 3상씩 델타결선 되는 부분이 다르다고 하겠다.
실시 예를 들어 직렬-스타 결선시 인버터(1) 내부의 전원 A, B, C에만 전원이 공급되고 A’, B’, C’ 에는 전원이 공급되지 않고 스위치가 모두 개방상태이다. 그리고 직렬스위치(25a)(25b)(25c)는 단락상태이고 스타결선스위치(28a')(28c')도 단락상태이며 델타결선스위치(27a)(27b)(27c)(27a')(27b')(27c')는 개방상태이다. 따라서 제1 고정자권선(23a)과 제2 고정자권선(23a’)은 직렬-스타결선 상태로 동작하게 된다.
스타결선은 종단이 각각 한상씩 단락되어 있어서 총4개의 스위치만 필요로 하고 중성점이 분리되어 비용과 효율에서 종래의 기술보다 개선되었다.
병렬-델타결선시에는 인버터(1) 전원 6상 A, B, C, A’, B’, C’ 에 모두 전원이 공급되고 직렬스위치(25a)(25b)(25c)와 스타결선스위치(28a)(28c)(28a')(28c')는 개방되며 델타결선스위치(27a)(27b)(27c)(27a')(27b')(27c')는 단락되어 각 권선의 종단이 A상은 B상에, B상은 C상에, C상은 A상에, A‘상은 B’상에, B‘상은 C’상에, C‘상은 A’상에 단락되어 병렬-델타결선된다.
이로써 별도의 병렬스위치 없이 인버터(1)의 6상제어와 직렬스위치(25a)(25b)(25c)만으로 직병렬 변환을 할 수 있고 4개의 스위치만으로 중성점이 분리된 스타결선을 할 수 있으며 스위칭을 단계적으로 할 수 있어서 과도전류 억제, 비용절감, 내구성 향상, 효율증대등의 효과를 가져오는 진보된 기술이다.
그 외의 결선은 위의 조합으로 가능하므로 설명을 생략하겠다.
도5는 본 발명의 한 실시예에 따른 6상제어 스타델타 변환 전자회로도이다. 도 5는 권선에 직렬스위치와 병렬스위치가 없으며 인버터(1) 내부의 전원스위치(30), 접지스위치(30‘), 결합스위치(31)에 의해 스타-직렬-스타결선, 스타-병렬-스타결선, 델타-직렬-델타결선, 델타-병렬-델타 결선할 수 있다. 즉 직렬스위치와 병렬스위치가 없으면서도 이러한 효과를 낼수 있는 발명이다.
작동원리를 설명하자면 제1 고정자권선(33a, 33b, 33c)과 제2 고정자권선(33a', 33b', 33c')은 인버터(1)의 6상중 3상에 각각 독립적으로 구성되어 있어서 각각 독립적으로 스타-델타 결선되며 이를 다시 인버터 내부의 전원스위치(30), 접지스위치(30‘), 결합스위치(31)에 의해 전원과 병렬 연결 또는 3상씩 직렬 결합되어 진다. 따라서 종래의 발명에 비해 직렬, 병렬 스위치가 없어져서 회로가 단순해 지고 이는 비용절감 및 내구성증가 효율증대 효과를 가져오는 진보된 기술이라 하겠다.
이에 따른 구체적인 에를 들어 설명하면 먼저 스타-직렬-스타결선의 경우, 스타결선스위치(38a)(38c)(38a')(38c')는 각 중성점에 단락되며 델타결선스위치(37a)(37b)(37c)(37a')(37b')(37c')는 개방된다. 인버터(1)내부의 전원스위치(30)와 접지스위치(30‘)는 개방되고 결합스위치(31)는 단락되어 각 3상이 전원과 직렬로 연결된다. 전체적으로 회로는 스타-직렬-스타 방식으로 결선되어 전원을 공급하게 되고 이는 직렬-스타 결선과 비슷한 임피던스를 갖게 되고 회전속도 또한 비슷하게 나온다.
다른예로 델타-병렬-델타 결선을 설명하면 각 권선의 스타결선스위치(38a)(38c)(38a')(38c')는 개방되고 델타결선스위치(37a)(37b)(37c)(37a')(37b')(37c')는 단락되어 델타결선을 형성하고 전원스위치(30)와 접지스위치(30‘)는 단락되어 전원이 병렬로 공급되며 결합스위치(31)는 개방된다. 따라서 전체적인 회로는 델타-병렬-델타 회로가 구성이 되고 이는 병렬-델타 회로와 비슷한 임피던스 및 회전속도를 갖게된다. 이와 같은 발명에 의해 별도의 직렬스위치나 병렬스위치 없이 회로를 직병렬 구성하는 효과를 갖게되어 비용절감, 효율증대등 효과가 자명한 진보된 기술이라 하겠다. 종래는 직렬병렬 변환하는 양방향 스위치가 9개정도 필요했지만 본 발명에서는 이러한 스위치가 전혀 필요없으며 다만 인버터(1) 내부에 단방향 스위치 3개만 필요할뿐이다.
그 외의 결선방식은 위의 조합에서 스위칭만 바뀌므로 생략 하도록 하고 인버터(1)의 각 3상(A, B, C), (A, B, C)의 전원측에 병렬로 커패시터를 구비할 수 도 있겠다.
도 5와 같은 구조의 결선방식은 회전자가 영구자석식 전동기의 병렬운전에 있어서 회전속도가 서로 상이할 경우 종래에는 직렬결선할 수 없는 문제점이 있지만 본 발명에서는 서로 다른 센서 신호에 의한 독립적인 위상제어로 인하여 직렬결선할 수 있게 되는 효과가 있다. 예를 들어 전기자동차에서 좌우 바퀴를 듀얼모터로 구동할 경우 자동차가 코너를 회전시 좌우 바퀴 모터는 다른속도로 회전할 수 밖에 없다. 2개의 전동기를 직렬결선하게 되면 기존에는 속도차에 의해 파손되어 운전이 불가능하다. 그러나 도 5와 같은 전자회로에 의해 2대의 전동기는 독립적인 센서신호에 의해 독립적인 3상 전원이 공급됨으로 직렬결선 효과로 운전할 수 있게된다.
도6은 본 발명의 실시예에 따른 프로그램 순서도 이다. 이로써 마이크로프로세서에 의해 직렬-병렬, 스타-델타 결선을 속도에 따라 적절하게 결선시킬 수 있음으로써 속도변경 및 그에 따른 최대효율 범위에서 운전할 수 있게 된다.
상기와 같은 결선방식을 단일고정자에서는 각상의 권선수가 짝수배이거나 고정자가 2개인 이중 고정자 방식의 전동기로 설명하였으나 이를 발전기에 응용하여 발전기의 회전속도에 따라 결선을 바꿈으로써 발전기의 최대효율 부근에서 운전할 수 도 있다. 발전기로 동작 시에는 속도에 따라 직병렬, 스타델타 결선이 전동기와 동일하며 충전스위치(10)의 동작으로 축전지가 충전하게 된다.
또한 단일 고정자 전동기의 권선에 있어서 각상의 슬롯 또는 티가 짝수배 일 때 이를 반으로 나누어 제 1고정자권선과 제 2고정자권선으로 직렬, 병렬, 스타, 델타 결선할 수 도 있고 티가 홀수배 이더라도 각상의 권선을 짝수배로 복수의 연선으로 권선해서 이를 반으로 나누어 사용할 수 도 있다.

Claims (7)

  1. 3상제어 전동기의 권선의 직렬, 병렬, 스타, 델타 결선에 있어서,
    스타결선시에 권선의 1개의 상은 중성점에 스위치 없이 상시 단락되어 있고 2개의 스타결선스위치(8a)(8c)에 의해 2개의 상이 단락되어 스타결선되는 것을 특징으로 하는 전동기.
  2. 6상제어 전동기의 권선의 직렬, 병렬, 스타, 델타 결선에 있어서,
    직렬결선 시에는 인버터(1)의 3상(A, B, C)에만 전원이 공급되며 병렬결선 시에는 6상(A, B, C, A’, B’, C’)에 전원이 공급되고, 스타결선 시에는 1개의 상은 중성점에 스위치 없이 단락되어 있고 2개의 스타결선스위치(68a')(68c)에 의해 2개의 상이 단락되어 스타결선되는 것을 특징으로 하는 전동기.
  3. 삭제
  4. 3상제어 전동기의 권선의 직렬, 병렬, 스타, 델타 결선에 있어서,
    스타결선시에 제1고정자권선(13a)과 제2 고정자권선(13a')의 각 종단 1개의 상은 스위치 없이 각 중성점에 상시 단락되어 있으며 4개의 스타결선스위치(18a)(18a')(18c)(18c')에 의해 각 중성점에 단락되어 스타결선되며, 제1 고정자권선(13a)과 제2 고정자권선(13a')의 중섬점은 분리되며, 순차적으로 시간차를 갖고 스위칭 되는 것을 특징으로 하는 전동기.
  5. 6상제어 전동기의 권선의 직렬, 병렬, 스타, 델타 결선에 있어서,
    직렬스위치(25a)(25b)(25c)와 인버터(1)의 3상 (A, B, C) 전원 공급만으로 직렬결선 되며, 인버터(1)의 6상(A, B, C, A', B', C') 전원 공급에 의해 전원과 병렬결선 되고, 스타 결선시 제1 고정자권선(23a)과 제2 고정자권선(23a')의 1개 상은 스위치 없이 각 중성점에 상시 단락되어 있으며 4개의 스타결선스위치(28a)(28c)(28a')(28c')에 의해 각 중성점에 순차적으로 단락되어 중성점 분리 스타결선되는 것을 특징으로 하는 전동기.
  6. 6상제어 전동기의 권선의 직렬, 병렬, 스타, 델타 결선에 있어서,
    전원스위치(30)와 접지스위치(30')에 의해 병렬결선되고 결합스위치(31)에 의해 직렬결선되는 것을 특징으로 하는 전동기.
  7. 제4 항 및 제 5항 중의 어느 하나의 전동기에서, 과도전류에 의한 컨트롤러 손상방지 및 셧다운을 막기 위한 스위치의 조작 방법으로, 상기 방법은:
    병렬-스타결선시 스타결선스위치(18a)(18c) 와 스타결선스위치(18a')(18c')가 단계적으로 ON, OFF 스위칭 되는 단계;를 포함하는 스위치의 조작 방법.
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