KR20000076928A - 이중 전원 전압으로부터 전환형 자기저항 장치의 동작 방법 - Google Patents

이중 전원 전압으로부터 전환형 자기저항 장치의 동작 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에서는 활성화 사이클기간동안 두개의 전압원으로부터 전원 전압이 전환형 자기저항 장치에 인가된다. 보다 높은 전압은 예를 들어, 저-전압 저장 배터리와 업-컨버터로부터 획득된 종래의 버스 전압이다. 보다 낮은 전압은 배터리로부터 직접 인가된다. 보다 높은 전압은 활성 사이클의 일부동안에만 장치에 인가하고, 보다 낮은 전압은 활성 사이클의 남은 기간동안 직접 장치에 에너지를 인가한다. 이것은 업-컨버터의 듀티를 감소하고 구동 전체의 효율을 증가한다. 회로에 대한 오퍼레이션중 한 방법은 업-컨버터를 제거할 수 있다.

Description

이중 전원 전압으로부터 전환형 자기저항 장치의 동작 방법{OPERATION OF A SWITCHED RELUCTANCE MACHINE FROM DUAL SUPPLY VOLTAGES}
본 발명은 이중의 전압에 대한 전환형 자기저항 장치의 동작에 관한 것으로, 특히 내부 연소실에 대해 기동 및 제너레이팅 기능의 수행에 관한 것이다.
내부 연소실을 갖는 차량에 있어서는 분리된 전기 장치(separate electrical machine)를 탑재한 것이 통상적인데, 하나의 전기 장치는 엔진을 기동하기 위한 장치이고, 다른 하나의 전기 장치는 기동 배터리를 재충전하며 자동차상에 부수적인 전기 부하를 인가하기 위한 전기 전력을 발생시키기 위한 장치이다. 기동 장치는 전형적으로 자동차의 보드상에 갖춰진 저장 배터리로부터 인가된다. 12V 배터리는 개인용 승용차와 소형 산업용 자동차에 통상적으로 사용되는 반면에, 6V 시스템은 오토바이에 대해 사용되며, 24V 시스템은 대형 산업용 자동차에 통상적으로 사용된다. 원칙적으로 저장 배터리에 특별히 한정하는 사항은 없지만, 앞서 주목한 이러한 배터리 시스템에 대해 경제적인 면에서 선택을 한정한다.
자동차가, 즉, 개인용 승용차이면, 주변 장치(예컨대, 자동차의 바람박이 유리창 와이퍼, 환풍기, 좌석 조절 장치, 히터 등)에 의해 나타난 전기 부하는 비교적 작고, 이에 따라 이러한 전기 부하를 인가하기 위하며 충전 상태에서 배터리를 유지하기 위해 제너레이터가 요구되어 재기동될 수 있는 엔진도 또한 비교적 작아, 전형적으로 기동 장치 모터의 약 60% 크기이다. 제너레이터는 전기 부하를 인가하고 배터리에 대한 충전을 제공하기 위해 자동차 주위에서 동작하는 전기 버스내에서 정상적으로 발생한다. 일반적으로 전기 장치는 모터링 및 제너레이팅 모드 양쪽에서 동작할 수 있지만, 하나의 장치에 의해 실행되는 전기 장치를 허가하도록 기동 및 제너레이팅 기관의 기능을 결합하는 것이 비용 효율면에서 정상적으로 보이지 않았다. 이것은 두개의 장치가 전형적으로 동작할 때의 속도와 부하때문이다. 기동 장치는 비교적 느린 엔진 속도, 즉, 600 rev/min에서 최대 전력(peak power)을 제공하는 반면에, 제너레이터는 넓은 속도 범위, 즉, 700 내지 6000 rev/min에 걸쳐 동작하며 이 범위 대부분에 걸쳐 최대 출력(full output)을 제공할 수 있다. 그 결과 두개의 장치는 설계상 매우 상이한 경향이 있다.
그러나, 특히 대형 자동차에서 전기 부하가 보다 커지는 경향이 있어, 제너레이터 크기가 커지며, 그 결과 제너레이터 무게는 단일 장치내에서 기동 및 제너레이팅 기능을 결합하는 방식을 찾도록 유발한다. 이 두개의 역할에 대한 적절한 하나의 유형의 전기 장치는 전환형 자기저항 장치이고, 본래부터 거칠고 넓은 속도 영역에 걸쳐 동작할 수 있도록 하는 것이 경제적이다. 비행기 엔진에 대한 기동 장치/제너레이터로서 사용된 전환형 자기저항 장치의 특정면을 기술한, 선드스트랜드(Sundstrand)에게 허여된 미국특허 제5489810호와 제5493195호를 참조용으로 본 명세서에 통합한다.
일반적으로, 자기저항 장치는, 토오크가 자기 회로의 자기저항이 최소화되는, 즉, 활성화된 권선의 인덕턴스가 최대화되는 위치내로 이동하도록 장치의 이동가능한 부분의 경향에 의해 생성되는 전기 장치이다. 제1 유형의 자기저항 장치에 있어서, 위상 권선의 통전이 제어되는 주파수에 의해 발생한다. 이러한 유형은 일반적으로 동기 자기 저항 장치로서 참조되며, 모터 또는 제너레이터로서 동작될 수 있다. 제2 유형의 자기저항 장치에 있어서, 회로는 회전자의 각의 위치를 검출하여 회전자 위치의 함수로서 위상 권선을 통전하기 위해 제공된다. 이 제2 유형의 자기저항 장치는 일반적으로 전환형 자기저항 장치로 알려져 있고, 또한 모터 또는 제너레이터일 수 있다. 이러한 전환형 자기저항 장치의 특성은 잘 알려져 있으며, 예를 들어, 참조용으로 본 명세서에 통합한, 1993년 6월, PCIM'93, 넌버그(Nurnberg), 21-24에 개시된, 스텝펜손(Stephenson) 및 블레이크(Blake)에 의한 "전환형 자기저항 모터 및 구동 장치의 특성, 설계와 응용"에 개시되어 있다. 본 발명은 일반적으로 자기저항 장치, 특히 모터 및 제너레이터로서 동작하는 전환형 자기저항 장치에 응용가능한 것이다.
도 1은 종래기술의 전환형 자기저항 구동 장치의 주요 구성부를 도시한다. 입력 DC 전원 장치(11)는 배터리 또는 정류되어 필터링된 AC 메인장치일 수 있다. 전원 장치(11)에 의해 제공된 DC 전압은 전자 제어부(14)의 제어하에 전력 변환기(13)에 의해 장치(12)의 위상 권선(16)에 걸쳐 전환된다. 몇몇 형태의 전류 검출기(17)는 전형적으로 위상 권선으로부터 제어기(14)로 전류 피드백을 제공하도록 사용된다. 전환은 구동 장치의 적절한 동작을 위한 회전자의 회전에 대해 정확하게 동조되어져야 한다. 회전자 위치 검출기(15)는 전형적으로 회전자의 각 위치(angular position)에 대응하는 신호를 인가하도록 채택된다. 회전자 위치 검출기(15)의 출력은 또한 속도 피드백 신호를 발생하기 위해 사용될 수 있다.
회전자 위치 검출기(15)는 많은 형태를 취할 수 있고, 예를 들어, 도 1에 개략적으로 도시한 바와 같은 하드웨어 또는 참조용으로 본 명세서에 통합한 EP-A-0573198(Ray)에 개시한 바와 같은 구동 장치의 다른 모니터링된 파라미터로부터 위치를 연산하는 소프트웨어 알고리즘의 형태를 취할 수 있다. 몇몇 시스템에 있어서, 회전자 위치 검출기(15)는 전력 변환기(13)에서 장치의 상이한 전환 배열이 요구되는 위치에서 회전하는 회전자의 각각의 시간에 따라 변화하는 상태의 출력 신호를 제공하는 회전자 위치 변환기(transducer)를 포함할 수 있다.
전환형 자기저항 장치에서의 위상 권선의 통전은 회전자의 각 위치의 정확한 검출에 크게 의존한다. 회전자 위치 검출기(15)로부터의 정확한 신호의 중요성은 모터와 같이 동작하는 자기저항 장치의 전환을 도시하는 도 2 및 도 3을 참조하여 설명할 수 있다.
도 2는 화살표(22)에 따른 고정자 폴(stator pole)(21)을 접근하는 회전자 폴(rotor pole)(20)을 전반적으로 도시한다. 도 2에 도시한 바와 같이, 완전한 위상 권선(16)의 일부(23)는 고정자 폴(21)을 둘러싸고 감겨져 있다. 앞서 논의한 바와 같이, 고정자 폴(21)을 둘러싸는 위상 권선(16)의 일부는 통전되고, 힘(force)은 고정자 폴(21)에 의해 정렬내로 회전자 폴(20)을 당기도록 하는 회전자상에 가해질 것이다.
도 3은 고정자 폴(21)을 둘러싸는 부분(23)을 포함하는 위상 권선(16)의 통전을 제어하는 전력 변환기(13)의 전형적인 스위치 회로를 전반적으로 도시한다. 스위치(31 및 32)가 닫혀 있을 때, 위상 권선은 DC 전력원에 결합되어 통전된다. 수많은 스위치 회로의 다른 배열은 당해 기술분야에 알려져 있다. 이러한 스위치 회로의 배열 중 몇몇이 앞서 인용된 스텝펜손과 블레이크의 논문에 개시되어 있다.
일반적으로, 위상 권선은 다음과 같은 회전자의 회전에 영향을 미치도록 통전된다. 회전자의 제1 각도의 위치, 소위 "턴-온 각(turn-on angle)", θON에서, 제어기(14)는 스위치(31 및 32) 양쪽 모두를 턴 온(turn on)하도록 전환 신호를 제공한다. 스위치(31 및 32)가 온(on)일 때, 위상 권선은 이 장치에서 확립되는 자속(magnetic flux)의 증가를 야기하는 DC 버스와 결합된다. 자속은 모터링 토오크(motoring torque)를 생성하도록 회전자 폴상에서 작용하는 공기 갭(air gap)에서 자장(magnetic field)을 생성한다. 이 장치에서의 자속은 스위치(31 및 32)와 위상 권선(23)을 통해 DC 전원으로부터 흐르는 전류에 의해 제공되는 기자력(mmf)에 의해 지원된다. 몇몇의 제어기에 있어서, 전류 피드백이 채택되고, 위상 전류의 크기는 스위치(31, 32)의 온(on) 및 오프(off) 중 하나 혹은 양쪽 모두를 신속하게 전환하여 전류를 쵸핑(chopping)함으로써 제어된다. 도 4a는 오퍼레이션중 쵸핑 모드에 있어서 두개의 고정된 레벨 사이에서 쵸핑된 전형적인 전류 파형을 도시한다. 모터링 오퍼레이션에 있어서, 턴-온 각, θON은 자주 회전자의 내부-극성 공간(inter-polar space)의 중심선이 고정자 폴의 중심선을 따라 정렬되지만 몇몇 또 다른 각일 수 있는 회전자 위치로 선택된다.
수많은 시스템에서, 회전자가 회전할 때까지 위상 권선은 DC 버스에 결합되거나 쵸핑이 채택되면 간헐적으로 결합되어 유지되고, 위상 권선은 "자유륜 각(freewheeling angle)", θFW로서 참조되는 각에 도달한다. 회전자가 자유륜 각에 대응하는 각 위치(angular position), 예를 들어, 도 2에 도시한 위치에 도달하면, 스위치중 하나는, 예를 들어, 스위치(31)는 턴 오프된다. 그 결과로서, 위상 권선을 통해 흐르는 전류는 계속해서 흐를 것이지만, 이하 스위치중 하나의 스위치, 본 실시예에선 스위치(32)만을 통해서와 다이오드(33/34)중 하나의 다이오드, 본 실시예에선 다이오드(34)만을 통해서 흐를 것이다. 자유륜기간동안, 위상 권선에 걸친 전압 강하는 작으며, 그 자속(flux)은 실질적으로 일정하게 유지된다. 회로는, 회전자가 "턴-오프 각", θOFF로서 알려진 각 위치로 회전할 때, 예를 들어, 회전자 폴의 중심선이 고정자 폴의 중심선을 따라 정렬될 때까지 이러한 자유륜 조건에서 유지된다. 회전자가 턴-오프 각에 도달하면, 스위치(31 및 32)는 턴 오프되고 위상 권선(23)에서의 전류는 다이오드(33 및 34)를 통해 흐르기 시작한다. 다이오드(33 및 34)는 그후 반대의 감각으로 DC 버스로부터 DC 전압을 인가하고, 장치에서 감소하는 자속 및 그 결과로 흐르는 위상 전류를 야기한다.
장치의 속도가 증가하면, 쵸핑 레벨에 대해 증가하는 전류에 대한 시간이 짧고, 구동 장치는 "단일-위상" 오퍼레이션 모드에서 정상적으로 동작한다. 이 모드에서, 턴-온, 자유륜 및 턴-오프 각은 예를 들어, 속도 및 부하 토오크의 함수로서 선택된다. 몇몇 시스템은 자유륜의 각기간(angular period)을 사용하지 않는다. 즉, 스위치(31 및 32)는 동시에 온과 오프로 전환된다. 도 4b는 자유륜 각이 0으로 되는 전형적인 이러한 단일-위상 전류 파형을 도시한다. 턴-온, 자유륜 및 턴-오프 각의 값은 사전결정될 수 있고, 필요에 따라 제어 시스템에 의해 검색(retrieval)을 위한 몇몇 적절한 포맷에 저장되거나, 실시간으로 연산 혹은 추론될 수 있다는 사실은 잘 알려져 있다.
자동차용 전기 시스템 특히, 전기 부하가 높은 자동차용 전기 시스템에서의 하나의 개발은 이러한 부하를 인가하도록 고-전압을 사용하는 것이다. 이러한 자동차에 대한 주지의 설계에서는 24 내지 600V 사이의 버스 전압을 사용한다. 이러한 보다 높은 전압의 사용은 주어진 전력에 대해서 버스 전압이 증가한 만큼 전류가 감소하기 때문에 보다 효율적인 시스템을 제공한다. 그러나 이러한 보다 높은 전압의 사용은 기동 및 제너레이팅 기능이 하나의 장치에 의해 수행되는 것이면, 자동차를 기동하기 위해 사용된 저장 배터리가 24V보다 높아지기 때문에 즉각적으로 문제를 발생한다. 고 전압에서 동작하도록 설계된 장치는 종래의 방식으로 저 전압 배터리로 동작되면, 기동 장치 모터로서 필요한 전력을 생성하지 못할 것이다. 하나의 주지의 해결 방안은 배터리와 배터리 전압을 자동차의 높은 버스 전압에 적어도 인접한 전압으로 변환하는 장치 사이에 업-컨버터를 삽입하는 것이다. 두 장치사이에 업-컨버터를 삽입하는 것은 기동 및 제너레이팅 기능 양쪽 모두에 대한 동일한 전압에서 동작하는 전기 장치를 허가하므로, 업-컨버터에 비용이 듦에도 불구하고, 두개의 상당히 상이한 전압상에서 동작하는 장치를 설계하는 어려움을 회피한다. 이러한 전환형 자기저항 장치에 대한 배열은 편의상 이 장치의 하나의 위상만이 도시된 도 5에 도시된다. 배터리(38)에는 종래의 방식으로 활성화된 장치의 권선으로부터 고-전압 DC 버스를 제공하기 위해 주지의 유형의 업-컨버터(36)를 부여한다. 업-컨버터의 효율은 성취해야 하는 전압율(voltage ratio)의 함수이다. 예를 들어, 업-컨버터는 24로부터 300V로 전압을 증가하고 80% 효율 차수의 것인 약 10kW의 출력율(output rating)을 갖는다. 손실은 저장 배터리로부터 인가되므로, 엔진을 기동할 수 있는 에너지의 양을 감소시킬 수 있다. 또한, 업-컨버터의 비용은 그것의 전력율(power rating)에 비례하고 이 비용은 매우 현저할 수 있다. 종래의 해결 방안은 그러므로, 비효율적이고 비용이 드는 단점이 있다.
본 발명의 목적은 전환형 자기저항 장치에 이중 전원 전압을 인가함으로써 종래기술과 결합된 몇가지 문제점을 적어도 완화하는 것이다.
본 발명은 첨부된 특허청구범위에 정의된다. 몇몇 바람직한 특징은 첨부된 특허청구범위에서 재인용된다.
본 발명의 일국면에 따르면, 제1 전압에서 위상 권선에 에너지를 인가하는 방법과; 제2 전압에서 동일한 조건기간동안내에 실질적으로 위상 권선에 에너지를 인가하는 방법을 포함하는, 전도기간동안 전환형 자기저항 장치의 위상 권선을 통전하는 방법을 제공한다.
회로는 전도기간동안 두개의 전압으로 동작할 수 있는 장치에 의해 제공되며, 전도기간내 적절한 시기에 보다 낮은 전압을 사용함으로써 업-컨버터의 기능과 비율을 감소시키는 기회를 제공한다. 본 발명의 일실시예는 업-컨버터에 대한 요구를 제거한다. 따라서, 전도기간내에 보다 낮은 전압을 적절하게 사용함으로써, 모두 함께 제거되지 않으면 업-컨버터는 보다 낮은 비율의 유닛일 수 있다. 이것은 비교적 심한 부하와 관련하여 보다 낮은 전원 전압으로부터 전환형 자기저항 장치를 동작하기 위한 비용면에서 효율적인 해결 방안이다.
본 발명은 다양한 방식으로 실현될 수 있고, 몇몇 실시예는 이하 첨부한 도면을 참조하여 실시예로서 개시될 것이다.
도 1은 전환형 자기저항 구동 장치의 주요 구성부를 도시하는 도면.
도 2는 고정자 폴(stator pole)을 근접시킨 회전자 폴(rotor pole)의 개략적인 도면.
도 3은 도 1의 전환형 자기저항 구동 장치의 위상 권선의 통전을 제어하는 전력 변환기에서의 종래의 스위칭 회로를 도시하는 도면.
도 4a 및 도 4b는 각각 쵸핑(chopping) 및 단일-펄스 모드에서의 전환형 자기저항 구동 동작을 예시하는 종래의 전류 파형도.
도 5는 저-전압 배터리로부터 도 3의 DC 버스를 인가하는 업-컨버터를 도시하는 도면.
도 6은 본 발명에 따른 변환기 회로를 도시하는 도면.
도 7은 본 발명의 제1 동작 방법에 의해 생성된 위상 권선 전류 파형도.
도 8은 본 발명의 제2 동작 방법에 의해 생성된 위상 권선 전류 파형도.
도 9는 업-컨버터를 제거한 다른 변환기 회로를 도시하는 도면.
도 10은 독립된 배터리를 제공하는 다른 변환기 회로를 도시하는 도면.
도 11은 내부 연소실용 기동 모터/제너레이터로서 사용되는 본 발명의 전환형 자기저항 구동 장치의 주요부의 구성을 도시하는 도면.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉
12 : 전환형 자기저항 모터
13 : 전력 변환기
14 : 제어기
16 : 위상 권선
31, 32 : 스위치
33, 34 : 다이오드
38 : 저전압 배터리
40 : 업-컨버터
44 : DC 링크 캐패시터
50 : 내부 연소실
본 발명은 상이한 전압의 활성 사이클기간동안 전환형 자기저항 장치의 권선에 인가하는 두개의 상이한 전압을 사용한다. 자기저항 장치가 자동차에서 기동 장치 모터/제너레이터로서 설비되는 상황을 고려한다. 제너레이터이면, 사전결정된 전력 출력과 높은 자동차 버스 전압에서 연속적인 기능에 대해 전형적으로 비율화될 것이다. 기동 기능에 대해서, 이 장치는 장치를 구동하기 위해 보다 높은 버스 전압을 요구하지만, 이용가능한 배터리 전압은 전형적으로 보다 낮아질 것이다. 종래기술의 변환기 회로는 기동기간 전체에 이 장치를 구동하도록 높은 전압을 제공하는 대량 기능(heavy duty)의 업-컨버터를 요구하는 반면, 본 발명의 회로는 적절한 시기에 배터리 전압만을 사용하는 모터를 구동한다. 보다 작은 업-컨버터는 이왕 요구되면 그후 사용될 수 있다. 이것은 다상 장치의 하나의 위상에 대해 도 6에 도시한 바람직한 형태로 다양한 회로에 의해 성취될 것이다. 각각의 또 다른 위상은 또한 배터리 양쪽과 VDC를 제공하는 전원 전압 레일 사이에 결합된다. 도 1 및 도 6에 대해 공통적인 이들 회로 요소는 유사한 참조번호를 부여했다.
전환형 자기저항 장치용 스위치 회로는 주지된 또 다른 스위치 배열을 통해 사용될 수 있는 1개의 위상 권선당 2스위치식(two-switche-per-phase type)으로 이루어진 스위치 회로이다. 본 실시예에 있어서, 이 스위치 회로는 상부 및 하부 스위치(31, 32)에 의해 제공된 장치 권선으로부터 DC 링크 캐패시터(44)를 갖는 DC 링크(link)를 갖는다. '상부 스위치'와 '하부 스위치'의 위상은 여기에 편의상 도시하여 사용되며 소정의 필요한 위치적인 중요성을 지시하는 것은 아니다.
DC 대 DC 업-컨버터(40)는 여기에서 DC 링크를 인가하기 위한 업-컨버터로서 작용한다. 사이리스터(42)의 캐소드는 권선(16)의 접합부(junction), 다이오드(34)의 캐소드 및 상부 스위치(31)에 결합된다. 저-전압 배터리(38)는 음극 전압 레일 및 사이리스터(42)의 애노드와 업-컨버터(40)에 대한 전력 입력 사이의 접합부 사이에 결합된다. 예들 들어, 자동차에 있어서, 저-전압 배터리는 주변 전기 장치에 대한 주된 전기 저장 장치이다. 전환형 자기저항 장치(12)는 내부 연소실용 기동 장치 모터이다. 이 장치가 보다 높은 전압 버스상에서 발생하도록 앞서 기술한 바와 같이 설계되면, 그때에는 엔진을 회전시키기 위해 필요한 토크를 제공하는 보다 높은 전압을 또한 요구한다.
그 동작 방법은 다음과 같다. 업-컨버터(40)는 종래방식의 배터리(38)로부터 DC 링크로 에너지를 인가하도록 제어된다. 위상 권선(16)에 대한 전도기간의 기동(기동점(starting point)은 종래방식으로 결정됨)시에, 스위치(31 및 32)가 닫아지고, 위상 권선에 높은 DC 버스 전압을 인가한다. 자속, 및 그에 따른 전류는 몇몇 더 많은 작용이 제어 회로에 의해 취해질 때까지 증가한다. 따라서, 배터리는 고 전압시에 업-컨버터(40)를 우선적으로 통해 요구된 에너지를 인가한다. 도 7은 뱅-뱅 히스테리시스(bang-bang hysteresis)-유형의 전류 제어기를 사용한 경우의 결과로 나타내는 전류 파형을 도시한다. 수많은 상이한 유형의 전류 제어기를 실현하는 이러한 계통의 기술이 사용되어질 수 있다. 히스테리시스의 유형은 도시하기 위한 목적으로 편리하다. 일부의 파형도가 분명하게 과장되었음을 또한 이해해야 할 것이다. 전류가 변환기로부터의 고 전압의 영향하의 상부 경계선 A점에 도달한 경우, 상부 스위치(31)는 턴 오프되며 전류는 위상 권선(16)의 루프, 하부 스위치(32) 및 하부 다이오드(34) 주위를 자유롭게 돈다. 대안적으로, 하부 스위치(32)는 열릴 수 있고, 전류는 위상 권선(16), 상부 스위치(31) 및 상부 다이오드(33)의 주위를 자유롭게 돈다. 스위치가 열려 있음에도 불구하고, 전류는 하부 경계선 B점에 도달할 때까지 권선과 장치에 걸쳐 낮아지는 전압의 영향하에서 쇠퇴하는 자속과 같이 비교적 서서히 낮아진다.
A점에서 B점으로 전이하는 동안, 전류 및 그에 따른 자속은 인정할 수 있는 범위에 놓인다. 최대의 고 전압이 전도기간동안 일단 도달한 그 범위내의 전류를 제어하기 위해 절대적으로 필요한 것은 아니라는 것을 인식하였다. 따라서, 스위치는 필요하다면 상부 스위치가 열려 있다는 것과 하부 스위치가 닫혀 있다는 것을 보증하기 위해 지금 액츄에이팅된다. 사이리스터(42)가 그때 점화되어(fired) 배터리 전압만이 변환기의 사용과 변환기의 사용에 따른 비효율을 회피하는 위상 권선(16)에 직접 인가된다. 배터리 전압의 크기는 위상 권선과 장치에 걸쳐 떨어지는 결합된 전압에 비해서 중요하다: 배터리 전압이 전압 하락보다 크다면, DC 링크로부터 인가될 때보다 보다 느리게 증가함에도 불구하고, 자속과 전류는 증가할 것이고; 배터리 전압이 전압 하락보다 작으면, 자유롭게 돌 때보다 느리게 감소함에도 불구하고 자속과 전류는 감소할 것이다. 도 7은 증가할 것인 전류에 근거하여 도시한다. 전류가 증가한다고 가정하면, 결국 오퍼레이션을 선택하는 점인 C점에서 상부 히스테리시스 한계가 도달할 것이다.
제1 방법에 있어서, 상부 스위치(31)가 사이리스터(42)를 턴 오프(정류)하기 위해 지금 다시 닫힐 수 있고, 하부 스위치(32)가 닫히며, 스위치(31), 권선(16) 및 다이오드(33) 주위를 자유롭게 돌도록 전류를 허가한다.
제2 방법은 간단히 사이리스터(42)를 정류하기 위해 상부 스위치(31)를 닫은 후, 상부 스위치를 다시 열고, 스위치(32), 권선(16) 및 다이오드(34) 주위를 자유롭게 돌도록 전류를 허가한다. 이들 방법중 어느 하나의 방법에 의해 생성된 위상 전류 파형은 상부 및 하부 스위치(31, 32)의 θon시의 스위치와 θoff시의 스위치 사이의 각으로서 정의되는 단일 위상 전도 기간을 도 7에 도시한다.
이 두개의 방법은 두개의 스위치와 그들의 열적 듀티(thermal duty)의 균형 사이에서 자유륜 듀티(freewheeling duty)를 공유하기 위해 대안적으로 사용될 수 있다. 그러나, 이들 방법 양쪽 모두에 의해 사이리스터가 갑자기 역 바이어싱되면, 대리 구성요소의 부가에 의해 가능한 높은 등급의 장치를 요구하는 높은 비율의 시간에 대한 전류의 변화(di/dt)를 제공할 것이다. 또한, 배터리 전류가 불연속적이면, 주어진 전력에 대한 배터리에서 비교적 높은 피크의 전류를 유도한다.
C점에서의 제3 오퍼레이션 방법은 스위치(32)를 간단히 열어 전류가 권선을 통해 배터리로부터 연속적으로 흐르도록 하였지만, 지금 다이오드(33)를 통해 DC 링크 캐패시터(44)로 전송된다. 이것은 업-컨버터(40)의 작용을 대신하는 DC 링크 캐패시터로 에너지를 전송한다. 자속 및 그에 따른 전류는 (VDC-VBatt)로 쇠퇴한다. 배터리 전압 VBatt가 링크 전압 VDC에 비교해서 작으면, 쇠퇴율은 링크 전압 VDC만에 의해 생성되는 것과 유사할 것이다. 이 방법의 이점은 사이리스터가 정류될 필요가 없으므로 전류가 배터리로부터 연속적으로 유도된다. 그러나, 하부 스위치에서의 듀티는 스위치(31)이 항상 오프되어 있고 스위치(32)만이 사용되는 것과 같이 두개의 스위치(31 및 32)의 듀티를 동등화할 수 없기 때문에 증가한다. 이 방법은 보다 단계적으로 감소하는 C점 이후를 제외하고 도 7과 유사하다.
제4 방법은 스위치(31)를 닫기 전과 같이 사이리스터(42)를 정류한 후, 양쪽 스위치를 열어, 1개의 위상 권선당 2 스위치식으로 이루어진 스위치 회로가 종래와 같이 동작될 때의 경우와 같이 권선에 저장된 에너지가 DC 링크 캐패시터로 전송되는 것이다. 이 방법은 그러나 불연속 배터리 전류의 단점을 다시 대두시킨다.
시퀀스에서 둘 이상의 이러한 옵션을 결합하여 사용하면, 에너지가 옵션을 전송하기 때문에, 즉, 제3 및 제4 방법은 업-컨버터상의 듀티를 충전하고 보다 더 감소시키는 DC 링크 캐패시터를 유지할 것이고, 또 두개의 옵션, 즉, 제1 및 제2 방법은 열적으로 이익인 두개의 스위치 사이의 자유륜 듀티를 재차 공유하는데 사용될 것이기 때문에, 이익이라는 것이 발견되었다.
당분야에서 이러한 기술은, 캐패시터가 소정의 임계 전압에 도달하였을 때, 이때 캐패시터 전압이 다시 낮아질 때까지 자유륜을 사용하는 예를 들어, 에너지 전송 모드를 사용하도록 제어 기구(control scheme)를 배열하는 루틴 문제를 실현할 것이다.
앞서 기술한 쵸핑 루틴은 스위치-오프 각 θoff으로 회전자가 이동하고 토오크 생성이 그 위상으로부터 더 이상 소망되지 않는 시간까지 계속한다. 앞서 기술한 제3 또는 제4 방법중 어느 한 방법은 위상 권선을 이점에서 de-energise하도록 사용될 수 있다. 사용된 방법이 있다면, 사이리스터는 전류가 0에 도달할 때까지 자연적으로 정류 오프(commutate off)한다. 이러한 방법으로 동작될 때, 사이리스터는 B점에서 전류가 소멸하고, 즉, '변환기' 등급의 비교적 "느린" 장치일 수 있다. 이들중 한 방법이면, 전도기간 끝에서의 DC 링크에 대한 에너지 전송은 업-컨버터상의 듀티를 더 감소시킨다.
회로를 동작하는 제5 방법은, 배터리 전압이 사이리스터(42), 권선(16) 및 하부 스위치(32)에 걸쳐 낮아지는 결합 전압(combined voltage)보다 약간 큰 이러한 상황에서 이익이다. 이 상황에서, 자속은 느르게만 증가하여, 전류는 느리게 증가할 수 있거나 권선의 후 기전력(back emf)의 작용하에서 힘이 낮아질 수 있다. 이것은 도 8을 참조하여 기술된다. 권선은 상부 및 하부 스위치를 닫기 전과 같이 θon에서 인가하는 고 전압에 결합된다. 전류가 사전결정한 레벨, iP에 도달할 때, 상부 스위치는 열리고 배터리 전압은 점화한 사이리스터(firing thyrister)(42)에 의해 인가한다. 도시한 바와 같이, 전류는 우선적으로 서서히 증가하지만 후 기전력(back emf)에 의해 결국은 힘이 감소한다. 앞서 기술한 바와 같이 θoff에서 제3 방법을 사용하여 바람직하게는 스위치 오프된다. 당업자에게는 다양한 전류 파형이 고 전압에서 저 전압으로 전류의 인가를 변화하는 레벨과 θoff점을 변화시킴으로써 얻어질 수 있음이 명백할 것이다. 모든 이러한 파형이 갖는 이점은 그러나, 스위칭 활성도가 크게 감소하고 음향적인 노이즈을 없애 적게 한 보다 낮춘 스위칭을 발생시킨다. 이전과 같이, 업-컨버터의 비율은 감소하고 크기 및 비용을 저감할 수 있다.
앞서의 기술은 업-컨버터가 DC 링크를 주요하게 하여 유지되도록 요구된다는 가정을 근거로 하였다. 그러나, 초기 통정에 대해 요구되는 전력의 양이 작거나, 모터를 통전하기 전에 작은 시간 지연이 받아들여지면, 그땐 업-컨버터는 제거될 수 있다. 도 9에 도시한 이 실시예에서 도 6의 구성요소와 동등한 구성요소에는 유사한 참조번호를 부여하였다.
초기의 통전은 두가지의 방법에 의해 성취될 수 있다. 첫째로, 배터리 전압만이 점화한 사이리스터(42)와 스위치(32)에 의해 권선 전류를 증가시키도록(drive up) 사용될 수 있다. 충분한 용량의 배터리이면, 권선의 여기는 결국 충분한 레벨에 도달할 것이다. 그후, 앞서의 제3 또는 제4 방법을 사용하는 권선의 스위칭은 DC 링크를 주요하게 하여 유지하도록 지원할 것이다. 적절하게 될 이것은 대형 장치에 대한 경우에 전형적일 것인 충분하게 낮은 회로 저항을 제공한다. 둘째로, DC 링크 캐패시터(44)는 사이리스터(42)를 점화하고 스위치(32)를 반복적으로 열었다 닫았다함으로써 주요하게 될 수 있어, 당업자에게 알려진 전압 부스터 토폴로지(voltage booster topology)의 유도자 부분으로서 위상 권선(16)을 사용한다. 일단 DC 링크가 적절한 전압에 도달하면, 오퍼레이션은 상기 다섯가지 방법중 어느 한 방법에 대해 앞서 기술한 바와 같이 처리될 수 있다.
비록 이 장치가 초기에 고 전압 링크가 없이 동작될 수 있다하더라도, 고 전압 링크는 저 배터리 전압이 이용가능한 짧아진 사이클 시간에서 요구되는 레벨로 전류를 상승시킬 수 없기 때문에 장치의 속도 상승을 위해 요구된다. 그러므로, 업-컨버터가 없는 상태에서 DC 링크를 주요하게 하여 유지하는 기구를 갖는 것이 바람직하다.
전압 부스팅(voltage boosting)에 의해 DC 링크를 주요하게 하여/하거나 유지하기 위해 사용되는 위상 권선은 최대 또는 최소 인덕턴스 위치가 사용될 수 있기때문에, 토오크-생성 위치에서 위상 권선을 필요로 하지 않는다는 것을 주목해야 한다. 전반적으로, 최대 인덕턴스 영역의 사용은 보다 넓은 회전자 각에 걸쳐 확장하고, 보다 많이 단위 자속당 전류를 산출하며, 이 장치상에서 소정의 원치않는 토오크 방해를 생성하지 않기 때문에 바람직하다.
또한, DC 링크를 주요하게 하거나 유지하도록 동시적으로 사용될 수 있는 둘 이상 또는 모든 위상이 당업자에 의해 실현될 것이다.
업-컨버터가 계속 유지되면, 앞서 기술한 본 발명에 의해 설치된 감소된 듀티는 DC 링크로부터 배터리를 재-충전하도록 전형적으로 사용되는 다운-컨버터와 대략 동일한 비율로 감소되는 업-컨버터를 허가할 수 있다. 이 경우에, DC를 갖는 업-컨버터를 이중-방향성이고, 이 장치가 기동 장치로서 동작하고, 장치가 제너레이터로서 작용할 때 배터리를 재-충전하도록 다운-컨버터로서 작용할 때 배터리로부터 업-컨버터로서 작용하는 DC 변환기로 치환할 수 있다.
도 10은 제2 사이리스터(46)가 DC 링크 캐패시터(44)로부터 배터리(38)로 유도하도록 DC 버스의 바닥선(bottom line)내로 도입되어, 고 전압 전원으로부터 독립된 배터리를 인에이블링하는 본 발명의 또 다른 실시예를 도시한다. 실질적으로, 제2 사이리스터는 제1 사이리스터와 함께 동시적으로 간단히 점화된다. 제2 사이리스터는 예를 들어, 종래의 기동 장치 모터에 의해 채택된 바와 같은 솔레노이드-동작형 스위치인 기계적인 스위치로 동등하게 만족할 수 있다.
도 6, 9 및 10은 배터리를 위상 권선에 결합하도록 사용된 장치로서 사이리스터를 도시한다. 또 다른 유형의 스위치가 각각 필요한 제공되는 적절한 게이팅 또는 구동 회로를 통해 예를 들어, MOSFETs, 게이트 턴-오프 사이리스터, (GTOs) 등으로 사용될 수 있다. 사이리스터는 제4 방법을 제외하고, 위상기간의 끝에서 그 자체를 정류하기 때문에 특히 적절하다. 사이리스터는 비교적 낮은 온-스테이트 전압 강하를 가지며, 높은 피크 전류에 내성을 가질 수 있다. 사이리스터는 일반적으로 반도체 스위치의 가장 값싼 형태로 간주된다.
본 발명이 동일한 효과를 내도록 수많은 상이한 제어 체계와 결합하여 사용될 수 있다는 사실을 앞서 기술하였다. 본 발명은 전환형 자기저항 장치에서 전도기간동안 상이한 시간에 위상 권선 또는 각각의 위상 권선에 걸쳐 결합되는 두개의 상이한 전압에 대해 허가한다. 이 방법에서, 본 발명의 회로는 내부 연소실용 결합형 기동 장치 모터/제너레이터의 일부로서 사용될 수 있다. 이러한 시스템이 도 11에 도시된다. 내부 연소실(50)은 자동차, 모터사이클 또는 압축기 세트와 같은 고정된 플랜트의 일부로서 사용될 수 있다. 배터리(38)는 엔진 배터리이다. 전환형 자기저항 모터(12)는 회전시키기 위해서와 기동 장치와 제너레이터 모드를 초래하는 내부 연소실(50)에 의해 회전되도록 고용된다. 구동 샤프트와 내부 연소실 사이의 기계적인 결합이 도 11에 개략적으로 도시된다.
이에 따라, 앞서 주어진 예시적인 실시예가 모터링 오퍼레이션에 대해서 설명되어진 반면에, 활성 시퀀스가 오퍼레이션을 발생하기 위해 동일하게 인가할 수 있다는 것에 진가를 인정할 것이다. 또한, 본 발명이 소정의 유형의 전환형 자기저항 장치와 함께 사용될 수 있다는 것이 인지될 것이다. 본 발명은 하나의 위상을 포함하는 소정수의 위상을 갖는 전환형 자기저항 시스템에서 사용될 수 있다. 본 발명은 많은 종래기술의 변환기 회로가 사용될 수 있는 바와 같이, 위상 변화기 회로당 두개의 스위치로 한정되지 않는다. 몇몇의 다른 주지의 스위칭 토폴로지가 PCIM'93 논문에서 참조되었다. 또 다른 주지의 스위칭 토롤로지는 당업자에게 동일하게 잘 알려져 있다. 동일하게, 배터리에 대해 앞서의 참조물에서는 초캐패시터(ultracapacitor) 또는 에너지 저장 장치가 아닌 전기 전력원의 사용과 같은 또 다른 에너지 저장 장치의 사용을 배제하지 않는다. 예를 들어, 변압기 또는 다른 AC원의 변형된 출력은 그 대신에 사용될 수 있다. 전류의 모니터링은 권선에 걸친 전압과 같은 또 다른 장치 파라미터를 모니터링함으로써 대신될 수 있다. 따라서, 실시예에 대한 앞서의 기술은 예시를 위해서지 한정을 목적으로 하여 실시된 것은 아니다. 본 발명은 다음의 특허청구범위의 정신 및 범주에 의해서만 한정되는 경향이 있다.
본 발명에 의하면, 전환형 자기저항 장치에 이중 전원 전압을 인가함으로써 업-컨버터의 듀티를 감소시키고 구동 전체의 효율을 증가시키는 효과가 있다.

Claims (26)

  1. 적어도 하나의 통전가능한 위상 권선을 갖는 전환형 자기저항 장치용 변환기 회로에 있어서,
    상기 위상 권선에 제1 전압의 에너지를 인가하기 위한 제1 전기 에너지원과;
    상기 위상 권선에 제1 전기 에너지원을 결합하도록 동작가능한 제1 스위치 수단과;
    상기 위상 권선에 제2 전압의 에너지를 인가하기 위한 제2 전기 에너지원과;
    상기 위상 권선에 제2 전기 에너지원을 결합하도록 동작가능한 제2 스위치 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 전환형 자기저항 장치용 변환기 회로.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제2 전기 에너지원은 양극 및 음극 단자를 가지며, 상기 제2 스위치 수단은 상기 제2 전기 에너지원의 양극 단자로부터 상기 위상 권선으로 전도하도록 동작가능한 사이리스터를 포함하는 것인 전환형 자기저항 장치용 변환기 회로.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제2 스위치 수단은 상기 위상 권선으로부터 상기 제2 전기 에너지원의 음극 단자로 전도하도록 동작가능한 스위치를 더 포함하는 것인 전환형 자기저항 장치용 변환기 회로.
  4. 제3항에 있어서, 상기 추가의 스위치는 사이리스터인 것인 전환형 자기저항 장치용 변환기 회로.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 전기 에너지원은 전기 저장 장치, 예를 들어, 배터리인 것인 전환형 자기저항 장치용 변환기 회로.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 전기 에너지원은 에너지원의 전압을 유지하기 위한 캐패시터를 포함하는 것인 전환형 자기저항 장치용 변환기 회로.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 전압을 수신하도록 배열된 입력단과 제1 전기 에너지원에 결합된 출력단을 가지며, 상기 제2 전압으로부터 상기 제1 전압으로 변환하도록 동작가능한 변환기를 포함하는 것인 전환형 자기저항 장치용 변환기 회로.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 전압은 상기 제1 전압보다 낮은 것인 전환형 자기저항 장치용 변환기 회로.
  9. 고정자와, 적어도 하나의 위상 권선 및 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 기재된 전환형 자기저항 장치용 변환기 회로를 갖는 자기저항 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 전환형 자기저항 구동 장치.
  10. 제9항에 있어서, 제1 스위치 수단은 1개의 위상 권선당 2 스위치식(two-switche-per-phase)으로 이루어진 스위치 회로를 포함하는 것인 전환형 자기저항 구동 장치.
  11. 전도기간동안 적어도 하나의 위상 권선에 걸쳐 두개의 전압을 연속적으로 인가하는 제9항 또는 제10항에 기재된 전환형 자기저항 구동 장치의 동작 방법에 있어서,
    상기 위상 권선에 걸쳐 제1 전압을 인가하는 제1 스위치 수단을 동작시키는 단계와;
    상기 자기저항 장치의 출력을 제어하기 위해 자기저항 장치의 파라미터를 모니터링하는 단계와;
    상기 모니터링된 파라미터가 사전결정된 값에 도달하여 상기 위상 권선에 걸친 전압이 제1 값에 비해서 낮아졌을 때 상기 위상 권선으로 제2 전압을 인가하는 제2 스위치 수단을 동작시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전환형 자기저항 구동 장치의 동작 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 자기저항 장치의 모니터링된 파라미터는 권선 전류인 것인 전환형 자기저항 구동 장치의 동작 방법.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 자기저항 장치의 출력은 히스테리시스 제어에 따라 제어되고, 상기 모니터링된 파라미터가 전도기간동안 사전결정된 밴드내의 전류를 유지하도록 사전결정된 값에 도달하였을 때 상기 위상 권선에는 제2 전압이 인가되는 것인 전환형 자기저항 구동 장치의 동작 방법.
  14. 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 1개의 위상 권선당 2 스위치식으로 이루어진 스위치 회로는, 제1 전기 에너지원과 위상 권선의 일단부 사이에 결합된 상부 스위치와, 제1 전기 에너지원과 위상 권선의 타단부 사이에 결합된 하부 스위치와, 각각의 상기 상부 및 하부 스위치와 상기 위상 권선에 의해 각각 병렬로 결합된 재순환 다이오드(recirculating diode)를 포함하고, 상기 제2 스위치 수단은 제2 전기 에너지원과 상기 위상 권선의 일단부 사이에 결합된 스위치를 포함하며, 자기저항 장치의 파라미터가 상위의 값에 도달한 경우, 위상 권선에서 쇠퇴하는 전류에 대한 상부 및 하부 스위치 중 하나의 스위치를 비동작시키는 단계를 더 포함하는 것인 전환형 자기저항 구동 장치의 동작 방법.
  15. 제10항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 1개의 위상 권선당 2 스위치식으로 이루어진 스위치 회로는 제1 전기 에너지원과 위상 권선의 일단부 사이에 결합된 상부 스위치와; 제1 전기 에너지원과 위상 권선의 타단부 사이에 결합된 하부 스위치와; 각각의 상기 상부 및 하부 스위치와 위상 권선에 의해 병렬로 각각 접속된 재순환 다이오드와; 제2 전기 에너지원과 위상 권선의 일단부 사이에 결합된 스위치를 포함하는 제2 스위치 수단을 포함하고, 자기저항 장치의 파라미터가 상위의 값에 도달한 경우 위상 권선에서 쇠퇴하는 전류에 대한 상부 및 하부 스위치 양쪽을 디액츄에이팅하는 방법을 포함하는 것인 전환형 자기저항 구동 장치의 동작 방법.
  16. 제14항에 있어서, 상기 상부 및 하부 스위치는 전도기간이내의 각각의 쇠퇴 간격에 대해서 대안적으로 비동작되거나 연속적인 전도기간동안 대안적으로 비동작되는 것인 전환형 자기저항 구동 장치의 동작 방법.
  17. 제14항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 스위치 수단은 자기저항의 파라미터가 전도기간내의 하위 레벨에 도달한 경우 상기 위상 권선에 제2 전압을 인가하도록 동작되는 것인 전환형 자기저항 구동 장치의 동작 방법.
  18. 제14항 또는 제16항에 있어서, 전류는 하부 스위치를 열어 쇠퇴되어, 상기 제2 전기 에너지원이 상부 스위치를 통해 상기 제1 전기 에너지원으로 전송되는 것인 전환형 자기저항 구동 장치의 동작 방법.
  19. 제14항 또는 제16항에 있어서, 전류는 상부 스위치를 닫아 쇠퇴되고, 그후 상부 및 하부 스위치 양쪽을 열어 위상 권선에 저장된 에너지가 상기 재순환 다이오드를 통해 상기 제1 전기 에너지원으로 전송되는 것인 전환형 자기저항 구동 장치의 동작 방법.
  20. 제14항에 있어서, 전도기간동안 상기 제1 전기 에너지원의 제1 전압을 유지하기 위해 제18항 또는 제19항에 기재된 전환형 자기저항 구동 장치의 동작 방법과 제15항 기재의 전환형 자기저항 구동 장치의 동작 방법을 조합하여 사용하는 것인 전환형 자기저항 구동 장치의 동작 방법.
  21. 제14항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 스위치 수단은 전도기간 초기에 위상 권선에 걸친 제2 전압을 연결하도록 동작되는 것인 전환형 자기저항 구동 장치의 동작 방법.
  22. 제14항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 전기 에너지원의 전압은 제2 스위치 수단을 동작시킴으로써 상승되고, 하부 스위치 수단을 반복적으로 동작시키는 것인 전환형 자기저항 구동 장치의 동작 방법.
  23. 제22항에 있어서, 상기 제1 전기 에너지원의 전압은 이 위상 권선의 전도기간 외부로 상승되는 것인 전환형 자기저항 구동 장치의 동작 방법.
  24. 제6항, 제9항 또는 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 변환기는 양방향성 DC 대 DC 변환기이고, 변환기의 출력에서 제1 전압에 대해 제2 전압의 업 컨버젼(up conversion) 및 변환기의 입력에서 제2 전압에 대해 제1 전압의 다운 컨버젼(down conversion)을 제공하는 것인 전환형 자기저항 구동 장치.
  25. 제24항에 있어서, 내부 연소실 기동 장치/제너레이터로서 구성되어 배열되는 것인 전환형 자기저항 구동 장치.
  26. 전도기간동안 전환형 자기저항 장치의 위상 권선을 통전시키는 방법에 있어서,
    상기 위상 권선에 제1 전압의 에너지를 인가하는 단계와;
    동일한 전도기간내에 상기 위상 권선에 제2 전압의 에너지를 연속해서 인가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 위상 권선 통전 방법.
KR1020000014491A 1999-03-23 2000-03-22 전환형 자기 저항 장치용 변환기 회로, 전환형 자기 저항 구동 장치, 전환형 자기 저항 구동 장치의 동작 방법, 및 전환형 자기 저항 장치의 위상 권선을 통전시키는 방법 KR100649989B1 (ko)

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