KR20010092413A - 단상 전력 공급 구동 시스템 - Google Patents

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KR20010092413A
KR20010092413A KR1020010014640A KR20010014640A KR20010092413A KR 20010092413 A KR20010092413 A KR 20010092413A KR 1020010014640 A KR1020010014640 A KR 1020010014640A KR 20010014640 A KR20010014640 A KR 20010014640A KR 20010092413 A KR20010092413 A KR 20010092413A
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뤼르켄스피터
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요트.게.아. 롤페즈
코닌클리케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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Abstract

정류기, 고주파수 필터, 정적 인버터 및 유도 모터를 포함하는 구동 시스템은 에너지 저장 없이 구동되고 단상의 본선에 의해 공급되며, 본선과 동기하는 포락선(envelope) 발생기를 사용하여, 바람직하게는 사인 곡선의 신호가 적절한 사인 곡선의 포락선으로 하여금 정적 인버터 출력 신호상에 부호-중첩되도록 함으로써, 단상 본선에 허용될 수 없는 전류 오버슈트를 방지한다. 따라서, 중간 회로 전압의 가능한 변동들이 보상된다.
본 발명의 다른 실시예들에 있어서, 정적 인버터의 적절한 동작 주파수는 중간 전류와 포락선 신호 사이의 위상 시프트가 평가되므로 PPL 제어 회로에 의해 자동적으로 조정된다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 적절한 동작 주파수는 모터의 회전 속도에 소정의 주파수 차이를 더함으로써 얻어진다.
본 발명의 다른 실시예들에 있어서, 포락선은 직접적으로 단상 본선의 전압의 변화의 투영을 나타낸다.

Description

단상 전력 공급 구동 시스템{Single-phase powered drive system}
AC 유니버설 모터는 소형의 가정용 설비들 및 단상 본선에 의해 전력이 공급되는 전기 장치들의 모터에 가장 광범위하게 사용된 것으로서 오랫동안 사용되어왔다. 짧은 수명, 나쁜 품질의 동작, 및 시끄러운 잡음과 같은 많은 결점들을 가지고 있지만, 저비용으로 인해 널리 사용되고 있다.
몇몇 경우에, 전기적으로 정류된 모터들을 갖는 해결책들이 제안되었지만, 고비용으로 인해 사용되지 않았다. 고비용의 결점은 DC 소스를 다수의 전력 컨덕터들(일반적으로 6개)을 필요로 하는 3-상 전류 시스템으로 변환하는 필요한 전력 전자들로 인해 야기된다. 또한, 꽤 많은 부가적인 구성 요소들이 필요하며, 즉, 추가 전력-전자 회로(일반적으로 업-컨버터)가 필요하여, 합법적으로 필요한 한계 값들보다 작은 본선 입력 전류의 오버슈트(overshoot)를 유지하도록 한다. 이 회로는 고가의 전해질 커패시터와 같은 추가 전력-전자 구성요소들을 포함한다. 회로의 이 부분은 대략 전체 비용의 1/3에 달한다.
에너지 저장이 없는 전력 공급 동기 모터들의 공지된 방법은 직류 변환기(Samann, EP 0 489 970, 도 9)를 사용한다. 그러나, 이러한 방법에서, 정적 인버터의 출력 주파수는 대략 본선 주파수의 1/3로 제한된다. 따라서, 상기 방법은 950 min-1 이상의 회전 속도로 구동하기에 적합하지 않다.
"Undeland, Mohan, Robbins: 전력 전자: 컨버터 응용 및 설계, Wiley & Sons, 1989년, pp.415 등"에 설명되고 도 5에 도시된 다른 방법은 정적 인버터에 공급될 수 있는 높고 대략 일정한 중간 회로 전압을 공급하기 위한 업-컨버터를 사용한다. 동시에, 본선 입력 전류는 실질적으로 사인 곡선의 전류가 얻어지는 것과 같은 방식으로 제어된다. 이 회로는 또한 에너지 저장소(21, 일반적으로 전해질 커패시터), 반도체 스위치(17), 전력 초크(choke)(19) 및 고주파수 다이오드(18)를포함한다. 이 방법은 일반적으로 이용할 수 있지만 높은 비용을 갖는 단점이 있다.
정적 인버터의 특수 위상 스위치와 중간 회로 커패시터가 본 발명에 의해 얻어진 효과와 표면상 유사한 효과를 얻는 방법이 DE 19729705에 공지되어 있다. 관련 배치가 도 7에 도시되어 있다. 그러나, 이 방법에서, 중간 회로 커패시터가 아직 방전되지 않았을 때 이 위상 스위치가 동작하기 때문에 마음대로 전력을 감소시키는 것은 불가능하다. 이것은 충분히 높은 스프레드(spread)를 갖는 고속 모터들 외에 정적 인버터에서 허용할 수 없는 높은 전류를 발생시킨다. 따라서, 상기 방법은 저속에서 적합하지 않고 넓은 범위 내에서 조정할 수 있는 전력을 구동하는데 적합하지 않다.
EP 0 711 470에 공지되어 있고 도 6에 도시된 다른 방법에 있어서, DE 19729705에 기술된 것과 같은 위상 스위칭은 불필요하게 되고, 대신 주파수 변조가 이용되어 구동을 동작하기에 적합하게 된다. 그러나, 본선 제로 교차에서 원하지 않는 본선 전류 진동들이 여전히 발생될 수 있으며, 평균 전력을 초과하는 조화 한계를 야기시킨다. 그 사용은 동작중에 최소값 이하로 감소되는 안되는 전력을 갖는 고속 구동으로 제한된다.
다른 방법들은 다이오드들의 특수 배치 및 저장 커패시터들(예를 들어, 도 8에 도시된 "밸리-필" 회로)에 의해 달성될 수 있으며, 중간 회로의 저장 커패시터에도 불구하고 본선 기간의 비교적 큰 부분 동안 전류가 흐른다. 상기 회로들은 주로 본선에서 전류 흐름의 각도에 영향을 미친다. 그러나, 평균 및 높은 전력을갖는 구동의 사용을 허용하기에 충분한 본선 전류 조화 컨텐트를 감소시키는 것은 가능하지 않다.
본 발명에 따른 구동 시스템은 정류기, 고주파수 필터, 정적 인버터 및 유도 모터를 포함하며, 본선-동기로 포락선 발생기의 사용에서 단상 본선에 의해 공급되고 에너지 저장없이 구동되며, 바람직하게, 사인 곡선의 신호는 정적 인버터 출력 신호에 부호가 더해질 바람직하게 사인 곡선의 포락선을 야기시킴으로써, 단상 본선에서 허용할 수 없는 전류 오버슈트를 방지한다. 중간 회로 전압의 가능한 변동이 보상된다.
본 발명의 다른 실시예들에서, 정적 인버터의 적절한 동작 주파수는 PPL 제어 회로에 의해 자동적으로 조정되며, 중간 회로 전류와 포락선 신호 사이의 위상 시프트가 평가된다.
본 발명의 다른 실시예에서, 적절한 동작 주파수는 모터의 회전 속도에 소정의 주파수 차이를 더함으로써 얻어진다.
본 발명의 다른 실시예들에서, 포락선은 직접적으로 단상 본선의 전압 변화의 투영을 나타낸다.
본 발명은 유리하게 단상 본선으로부터의 전체 속도 범위에서 유도 또는 비동기 모터를 구동하는 방법과 관련되어, 회로의 본선 입력 전류의 조화 컨텐트는 허용할 수 있는 상위 한계 이하로 유지된다. 또한, 구동은 전력면에서 마음대로 조정될 수 있다. 활성 본선 정류기에 의해 발생기 동작을 실현하는 것도 가능한다. 이것은 충분한 임의의 속도 범위와 충분한 임의의 응용에 대해 저비용으로 전기적으로 정류된 속도-제어 구동들의 제조 가능성을 제공한다. 모든 다른 방법들에서와 같이 전력 범위의 주요한 한계가 이로써 제거된다. 따라서, 단상 본선의 3㎾의 전형적인 전력 한계까지의 구동이 실현될 수 있다.
도 1은 임의의 바이폴라 포락선(envelope)의 본선-동기 발생(mains-synchronous generation)으로, 중간 회로 전압의 영향의 보상이 결과 포락선과 구동 시스템의 주파수와 전력에 대한 외부의 소정의 값들에 따라 변하는, 본 발명에 따른 배치를 도시하는 도면.
도 2는 임의의 바이폴라 포락선의 본선-동기 발생으로, 중간 회로 전압의 영향의 보상이 결과 포락선과 구동 시스템의 전력에 대한 외부의 소정의 값뿐만 아니라 PLL 모드에서 주파수의 자동 조정에 따라 변하는, 본 발명에 따른 또다른 배치를 도시하는 도면.
도 3은 상기 포락선이 본선 전압 변화의 투영이고 결과 포락선에 따라 변하는 중간 회로 전압의 영향을 보상하며, 구동 시스템의 전력에 대한 외부의 소정의 값뿐만 아니라 주파수의 자동 조정도 제공하는, 본 발명에 따른 또다른 배치를 도시하는 도면.
도 4는 상기 포락선이 본선 전압 변형의 투영이고 결과 포락선에 따라 변하는 중간 회로 전압의 영향을 보상하며, 구동 시스템의 주파수와 전력에 대한 외부의 소정의 값들을 제공하는, 본 발명에 따른 또다른 배치를 도시하는 도면.
도 5는 보편적인 업-컨버터(universal up-converter) 및 에너지 저장을 사용하는 기술의 상태를 나타내는 배치를 도시하는 도면.
도 6은 중간 회로 전압에 따라 주파수 변조를 사용하는 기술의 상태를 나타내는 또다른 배치를 도시하는 도면.
도 7은 본선 입력 전압의 극성에 따라 정적 인버터 제어 신호의 위상 스위칭(위상 점프)를 사용하는 기술의 상태를 나타내는 또다른 배치를 도시하는 도면.
도 8은 단상 본선에서 전류가 흐르는 기간을 연장하기 위한 소위 "밸리-필(Valley-fill)" 회로를 사용하는 기술의 상태를 나타내는 또다른 배치를 도시하는 도면.
도 9는 직류 변환기(changer) 회로를 사용하는 기술의 상태를 나타내는 또다른 배치를 도시하는 도면.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
1 : AC 전압원 3 : 초크
4 : 커패시터 5 : 3-상 정적 인버터
6 : 비동기 모터 15 : 변조기
도 1은 본 발명에 따른 구동 시스템의 바람직한 실시예를 도시한다. 예를 들어, 50㎐ 단상 본선으로 구성된 단상 AC 전압원(1)는 적당하고 정적 인버터의 무선 간섭을 줄이도록 하는 초크(3)를 통해 정류기(2)에 공급한다. 정적 인버터의 무선 간섭을 줄이기 위한 제 1 인스턴스에도 제공되며 저장 기능을 완료하지 않도록 해야하는 필터 커패시터(4)가 그 출력에 배치된다. 따라서, 필터 커패시터는 저비용의 작은 크기가 된다. 이 커패시터는 바람직하게 비동기 모터(6)에 접속되는 3-상 정적 인버터(5)에 접속된다.
변조기(15)는 조정가능한 주파수(f)에서 회전하고 펄스-폭 변조의 형태에 따라 변할 수 있는 진폭을 갖는 다상 시스템을 발생시킨다. 구동 시스템의 전력을 조정하는데 있어서, 변조기 신호의 주파수(f)와 진폭은 모두 조정단(15)을 통해 제어 파라미터(P2)에 의해 변경될 수 있다.
도 1에 도시된 실시예는 AC 전압원(1)의 전압을 측정하도록 하는 측정단(8)을 더 포함한다. 측정단(8)은 그 출력에 AC 전압원(1)의 전압의 측정값을 공급한다. 이 측정값은 AC 전압원(1)의 전압의 순간적인 값의 투영일 수 있지만, AC 전압원의 전압의 부호에 대한, 즉, 본선 전압에 대한 정보를 포함하는 적어도 하나의신호를 공급한다.
측정단(8)의 출력은 포락선 신호를 발생시키도록 하는 포락선 발생기(HK)(9)의 입력에 접속된다. 이 신호는 포락선 발생기(HK)(9)의 출력으로부터 공급되고, 그 출력은 나눗셈 단(10)의 입력들 중 하나에 연결된다. 나눗셈 단(10)의 제 2 입력은 정류기(2)의 출력에 접속되고; 이 제 2 입력은 배치의 중간 회로 전압을 수신한다. 나눗셈 단(10)에 의해 공급된 몫 신호에 대한 나눗셈 단(10)의 출력은 제 1 곱셈 단(11)의 입력에 접속되고, 상기 제 1 곱셈 단의 제 2 입력은 제 2 곱셈 단(16)의 출력에 접속된다. 조정 값들, 즉, 전력을 조정하기 위한 신호들(이 경우에는 변조기 신호(P2)의 진폭뿐만 아니라 주파수(f)를 조정하기 위한 신호들)은 곱셈 단들(11, 16)을 통해 서로 결합되며, 정적 인버터(5)를 구동하기 위한 정류기 신호들을 형성하기 위한 몫 신호와 곱셈적으로 결합된다. 이 정류기 신호들은 바람직하게 선택적으로 -1 내지 +1의 값들로 가정한다.
포락선 곡선 발생기(HK)(9)는 측정단(8)에서 본선 전압의 적어도 부호의 측정을 통해 제어되어, 본선 동기 방법으로 바람직하게는 사인 함수인 포락선 신호를 발생시키도록 한다. 이 포락선 및 순간적인 중간 회로 전압에 있어서, 보정 함수는 나눗셈 단(10)에서의 나눗셈에 의해 마지막으로 형성되며, 그 함수에서 변조기 출력 신호의 진폭은 제 1 곱셈 단(11)에서 부호-곱셈이 이루어진다. 음의 부호에 의한 곱셈은 정적 인버터 출력 전압의 180도의 위상 점프에 해당한다. 따라서, 정적 인버터 출력 전압의 포락선은 포락선 발생기에 의한 소정의 변화에 대응하며, 중간 회로 전압의 실제 변화에 독립적이다. 물론, 보정은 중간 회로 전압이 0일때 더 이상 가능하지 않기 때문에, 소정의 포락선이 실제 중간 회로 전압보다 항상 낮을 때에만 계속될 수 있다.
변조기의 주파수 및 모터의 회전 속도는 정적 인버터(5)의 정적 인버터 입력 전류의 거동을 정의하지만, 특히 전류와 전압 사이의 시간적인 시프트가 따라서 영향을 받을 수 있다. 모터의 회전 속도에 따른 주파수(f)의 보정 선택의 경우에, 정적 인버터 입력에서 전류와 전압은 일반적으로 바람직하게 동위상으로 얻어질 수 있다. 구동 시스템의 유리한 제어에 있어서, 주파수(f)에 대한 조정값들과 구동 시스템의 전력(조정값 P2)이, 예를 들어, 마이크로 제어기에 의해 계산될 수 있다. 그러나, 수동 조정도 가능하다.
본선 주파수와 정적 인버터 출력 주파수가 실질적으로 동일할 때, 포락선은 물론 더 이상 인식할 수 없지만 대신 비트 효과(beat effect)가 얻어진다. 그러나, 이것은 본 발명에 따른 구동 시스템의 효과적인 동작에 대해서는 좋지 않다.
도 2는 도 1과 구별되는 본 발명에 따른 또다른 배치를 나타내고 도 1에 도시된 구동 시스템의 실시예의 수정으로, 초크(3)는 정류기(2) 뒤에, 즉, 구동 시스템의 중간 회로에 배치되어 있다. 중간 회로는 전류 소비를 측정하기 위한 전류 측정 소자(7)를 포함한다. 전류 측정 소자(7)의 출력은 추가 곱셈 단의 입력에 연결되고, 상기 추가 곱셈 단의 제 2 입력은 포락선 발생기(HK)(9)의 출력에 접속된다. 추가 곱셈 단의 출력은 포락선 발생기(HK)(9)로부터의 출력 신호로서 포락선 신호를 수신하는 위상 제어 회로(PLL)(14)에 접속된다. 위상 제어 회로(PLL)(14)의 출력은 덧셈기 단(12)에 접속되고 위상 제어 회로(PLL)(14)의 출력 신호는 바람직하게 주파수(f)에 대한 조정 값을 형성하기 위한 일정한 위상 시프트(φ0)를 나타내는 신호와 덧셈적으로 결합된다.
도 2의 실시예에 나타낸 구동 시스템에서, 포락선 발생기(HK)(9)의 출력으로부터 공급된 포락선 신호로 곱한 이후에, 주파수는 위상 제어 회로(PLL)(14)가 끊임없이 포락선 신호와 전류 측정 소자(7)의 출력으로부터 공급된 정적 인버터 입력에서의 중간 회로의 전류의 측정값을 비교하는 것과 같이 자동으로 조정되며, 이어서 변조기의 주파수는 (덧셈기 단(12)을 통해 명목적인 값으로서 제공되는) 유리한 위상 시프트(φ0)가 유지되는 것과 같은 방식으로 조정된다. 유리한 위상 시프트는 본질적으로 구동 시스템의 정지 동작의 경우에 일정하다. 상기와 같이 유사하게, 이 값은 마이크로 제어기에 의해 미리 정해질 수 있다.
도 3은 도 2의 실시예의 다른 버전으로서 본 발명에 따른 구동 시스템의 다른 실시예를 도시하며, 포락선 신호는 AC 전압원(1)의 본선 전압 신호로부터 직접 얻어짐으로써, 전류 측정단(7)으로부터의 전류의 측정값은 본선 전압 부호로 곱해진다. 이를 위해서, 도 2의 포락선 발생기(HK)(9)는 부호-형성단(Sgn(x)(13))으로 대체되고, 상기 부호-형성단의 출력은 포락선 발생기(HK)(9)의 출력 위치에서 추가 곱셈 단의 제 2 입력에 접속된다. 측정단(8)의 출력은 나눗셈 단(10)의 제 1 입력과 위상 제어 회로(PLL)(14)에 직접 접속된다.
도 4는 도 1의 실시예의 다른 변형으로서 본 발명에 따른 구동 시스템의 다른 실시예를 도시하며, 소정의 주파수 차이가 모터의 기계적 주파수(회전 속도 x극쌍 번호)에 더해지는 것과 같이 적당한 주파수가 얻어진다. 이 배치는 도 1에 도시된 소자들을 포함할 뿐만 아니라, 도 2에 참조로서 설명된 덧셈기 단(12)도 포함하며, 모터(M)(6)의 회전 속도를 나타내는 신호는 바람직하게 주파수(f)에 대한 조정 값을 형성하기 위한 일정한 위상 시프트(φ0)를 나타내는 신호와 덧셈적으로 결합된다.
본 발명을 통해 정류기, 고주파수 필터, 정적 인버터 및 유도 모터를 포함하는 구동 시스템이 제공되고, 이 구동 시스템은 에너지 저장 없이 구동되고 단상 본선에 의해 공급되며, 본선과 동기하는 포락선 발생기를 사용하여, 바람직하게는 사인 곡선의 신호가 적절한 사인 곡선의 포락선으로 하여금 정적 인버터 출력 신호상에 부호-중첩되도록 하여, 단상 본선에 허용될 수 없는 전류 오버슈트를 방지함으로써, 중간 회로 전압의 가능한 변동들을 보상할 수 있다.

Claims (7)

  1. 단상 교류 전류원에 의해 전력이 공급되는 구동 시스템으로서, 적어도 정류기, 선행 또는 후속 필터 코일, 필터 커패시터, 바람직하게 가변 주파수와 조정가능한 출력 전압 진폭을 갖는 다상 정적 인버터, 및 상기 정적 인버터에 의해 전원을 공급받는 유도 모터를 포함하는 상기 구동 시스템에 있어서,
    본선-동기 포락선 발생기(mains-synchronous envelope generator)는 원 신호의 부호-곱셈(sign-multiplication)에서 상기 정적 인버터의 출력 전압 진폭을 변경하는 바이폴라 신호를 발생시켜, 상기 모터에서의 상기 전압의 포락선이 실제 중간 회로 전압의 변화와 관계없이 상기 포락선 발생기의 신호와 본질적으로 동일하게 하는 것을 특징으로 하는, 구동 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 순간적인 중간 회로 전압은 상기 중간 회로 전압의 순간적인 값으로 상기 포락선 신호를 나눔으로써 보상되는 것을 특징으로 하는, 구동 시스템.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 포락선 신호는 본질적으로 사인 함수인 것을 특징으로 하는, 구동 시스템.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 포락선은 상기 본선 전압의 변화와 직접적으로 대응하는 것을 특징으로 하는, 구동 시스템.
  5. 제 1 항, 제 2 항, 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서, 정적 인버터 주파수는 PLL 모드에서 자동적으로 제어되어, 상기 포락선 신호의 부호로 상기 정적 인버터 입력에서의 상기 전류의 부호를 곱한 이후에, 바람직하게는 0도인 소정의 위상 시프트가 상기 정적 인버터 입력에서의 상기 전류와 상기 포락선 신호 사이에서 얻어지는 것을 특징으로 하는, 구동 시스템.
  6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 정적 인버터 주파수는 고정값이 상기 모터의 기계적 주파수(회전 속도 x 극쌍 번호)에 더해지게 되어 자동적으로 제어되는 것을 특징으로 하는, 구동 시스템.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 정류기는 양방향 전력-전자 구성 요소들, 바람직하게는 프리-휠(free-wheel) 다이오드들을 갖는 IGBT 트랜지스터들 또는 MOSFET 트랜지스터들을 포함하는 것을 특징으로 하는, 구동 시스템.
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