KR20020081208A - 에너지보존 모터 제어기 - Google Patents

Abstract

전력인자 제어기(10)는 모터에 대한 부하로 AC 유도 모터에 사용되는 에너지를 동적으로 균등하게 한다. 트리거 발생기(130)는 제공된 각 위상의 AC 전압(V □₃) 및 전류(I □₃)의 감지된 제로교차 사건(254, 256; 255, 257) 타이밍에 대한 응답으로 SCR(113, 114)의 각 게이트(G₁, G₂)에 트리거 제어신호를 준다. 제공된 위상이 번갈아 교차하는 동안, 상기 SCR은 전도 상태로 트리거 되어 AC 전압 제로교차 사건(254, 256)과 이에 상응하는 AC 전류 제로교차 사건(255, 257) 사이에서 측정된 시간차에 비례하는 시간차 동안 도통 상태가 차단된다.

Description

에너지보존 모터 제어기{ENERGY CONSERVING MOTOR CONTROLLER}

잠재적으로 최고 부하(full rated load)보다 낮은 영역(less than)에서 AC 유도 모터의 작동은 부하와 역으로 바뀌는 부하의 전력인자(power factor)가 증가할 때 전기 에너지의 사용에 점점 비효율적이라고 하는 것이 잘 알려져 있다. AC 유도 모터의 에너지 소비를 감소하기 위한 보편적인 방법들과 제어기들이 개발되고 제안되어왔다. 그런 장치들과 방법들의 한 부류는 AC 기계의 전력인자(power factor)의 한 수단, 예를 들어 모터로 전달되는 AC 전력을 조정하는데 사용되는 제어신호를 발생하기 위한 AC 유도 모터를 사용한다. 상대적으로 낮은 전력인자와 최고의 효율을 가지는 작동을 위하여 충분한 로터 슬립(rotor slip)을 유지하기 위하여, 가벼운 하중의 경우, 제어신호가 모터로 인가되는 평균 전력을 절감하기 위해 조정된다.

다른 종래의 시스템과 방법은; (1)정확한 시간 베이스(time base)에 의지하는 대신, 부정확한 시간 베이스(time base)에 의존하는 계산기(counter)를 사용하거나 혹은 온도, 전압 또는 하중에 영향을 받거나, 또는 외부 신호나 간섭에 의한 인터럽션(interruption)에 번갈아 영향을 받아 전형적으로 비효율적이거나 부적절한 제어 동작들을 일으키는 제어기와 방법; (2) 현존하는 높은 간섭 레벨 때문에 정확한 전력인자 센싱(power factor sensing)과 제어 혹은 센서 파라미터(sensor parameter)의 처리 또는 명백한 제어신호의 발생을 심하게 간섭할 수 있는 모터나 제어기 그 자체에서 발생하는 심각한 백-이엠에프(back-EMF) 효과나 다른 전자기적 간섭에 민감(susceptible)한 시스템; (3) 제어기에 접속된 모터가 좋은 조건에 있거나, 전원(power source) 및/혹은 제어기에 정확하게 연결되거나, 중대한 위상 권선(phase winding)의 불규칙성이나 불균형성을 가지지 않거나, 전력인자를 적절하게 보상하거나 조절할 수 없게 하는 기계적 불균일한 하중을 가지지 않거나, 어떤 경우 모터 작동 실패의 경우가 없는 때에만 작동을 양호하게 하는 시스템과 방법; (4) 개별적 적용 조건에 맞추기 위해 상당한 노력과 비용을 들여 손으로 조정해야 되거나, 조정 그 자체의 한계 때문에 최적의 조정을 제공할 수 없는 시스템; (5) 요구되는 전력인자 파라미터(power factor parameter)를 수동으로 셋팅(setting)하거나 한번 배치하면 고정되고 그 시스템으로부터 요구되는 잠재 효율 개선(potential efficiency improvement)에 접근하는 것이 고작인 평균 전력인자(average power factor)의 셋팅(setting); 그리고 (6) 가공하거나 그 시스템의 장착 또는 사용에 원가를 증가시키는 경향이 있는 효율적인 제어를 제공하기 위하여 복잡한 제어회로나 혹은 모터에 대한 개선이 필요한 시스템이나 방법 등을 포함한다.

본 발명은 일반적으로 AC 전기 기계의 제어, 그리고 상세하게는 단상(single phase)과 3상(three phase) 유도 모터의 전력인자 제어기(power factor controller)들에 관련된다.

도1은 본 발명에 따른 3상 전력인자의 실시예의 블록 다이어그램이다.

도2는 본 발명에 따른 각각의 위상을 위한 전력인자 제어기의 간략화된 개략도이다.

도3A는 모터 권선에 연결된 전력의 각각의 위상 전압과 전류의 파형을 나타낸다.

도3B는 인가된 전압의 각각의 위상에서 전압센스 제로교차 신호에 대응하는 인터럽트 파형을 나타낸다.

도3C는 인가된 전압의 각각의 위상에서 전압센스 제로교차 신호에 대응하는 인터럽트 파형을 나타낸다.

도3D는 SCR 게이트 구동회로에 인가된 제로교차 신호로부터 유도된 트리거 제어신호의 파형을 나타낸다.

도4A는 3상 모터에 연결된 전압 파형과 전류 파형의 각 위상을 나타내는 것으로 그 전압 파형과 전류 파형의 위상이 모터로 전달되는 감소된 전력을 제공하는 클립 영역(clipped region)으로 보여진다.

도4B는 도4A에 나타나 있는 전압과 전류의 특정 위상의 전류센스 제로교차 신호(current sense zero-crossing signal)에 대응하는 파형을 나타낸다.

도4C는 첫 번째와 두 번째 SCR들의 게이트 구동회로의 검출로부터 발생하는 트리거 제어신호를 나타낸다.

도5는 본 발명(disclosure)의 트리거 발생기의 CPU를 작동시키기 위한 프로그램의 메인 루틴(main routine)의 순서도(flowchart)이다.

도6은 본 발명의 전력인자 제어기에 의해 모터로 전달되는 전력을 제어하기 위한 트리거 제어신호를 발생시키는데 사용되는 제로교차 정보(zero crossing information)인 인터럽트 루틴(interrupt routine)에 대한 순서도를 나타낸다.

본 발명의 에너지 보존 제어기는 역동적으로 AC 유도 모터의 에너지 사용을 모터의 부하에 맞춘다. 첫 번째와 두 번째 SCR들이 제공되고 그 각각이 게이트(gate)를 가지며, 인가된 AC 전압의 각 위상에 대하여 첫 번째 노드(node)와 두 번째 노드(node)사이에서 서로 반대의 극성을 가지면서 평행하게 연결된다. 상기 첫 번째 노드(node)는 인가된 전압의 소스(source)에 연결되고, 두 번째 노드는 적어도 하나의 모터 권선에 연결된다. 인가된 AC 전압에 일치하는 모터 권선 내의 AC 전압과 AC 전류의 감지된 제로교차 사건들(zero crossing events)의 각 타이밍(timing)에 응답하는 첫 번째와 두 번째 SCR들을 제어하기 위해 트리거 발생기(trigger generator)는 SCR들의 각 게이트(gate)와 인가된 전압 그리고 모터 권선에 결합된다. 더욱이, 상기 첫 번째와 두 번째 SCR들은 인가된 AC 전압이 각각 번갈아 교차하는 동안 전도 상태로 트리거(triggered)되고 모터 권선을 가로질러 첫 번째 제로교차(zero-crossing)를 통과하는 AC전압의 시간과 두 번째 제로교차(zero-crossing)를 통과하는 AC 전류의 시간 차이에 비례하는 간격(interval)동안 번갈아 가며 전도 상태로부터 차단되는데 여기서 그 시간 차이는 계속적인 첫 번째와 두 번째 인터럽트(interrupt)가 트리거 발생기에 결합되고, 연속적인 러닝타임 베이스(running time base)와 비교되어 결정된다.

본 발명의 다른 형태에 따르면, 첫 번째와 두 번째 노드사이에서 결합된 SCR들을 위한 게이트 구동(gate drive)은 트리거 발생기에 의해 제공되는 제어신호(control signal)에 의해 선택적으로 개폐된다.

본 발명의 다른 형태에서, 상기 트리거 발생기는 모터 권선에 인가되는 AC전압을 측정하기 위한 첫 번째 입력단; 상기 모터 권선에 인가되는 AC 전압에 대응하는 모터 권선 내의 AC 전류를 측정하기 위한 두 번째 입력단; 첫 번째와 두 번째 SCR들의 각각을 제어하기 위하여 트리거 제어신호(trigger control signal)를 제공하기 위한 출력단; 그리고 상기 트리거 제어신호를 발생시키기 위한 첫 번째와 두 번째 입력단에 각각 대응하는 첫 번째와 두 번째 인터럽트(interrupt)에 응답하는 연속적인 러닝타임 베이스를 포함하는 제어 장치로 구성된다.

본 발명의 다른 형태에서, 상기 제어 장치는 인가된 AC 전압의 선택 위상에서 발생하는 첫 번째와 두 번째 인터럽트(interrupt)사이의 경과시간을 측정하기 위한 측정 시스템과, 상기 경과시간과 선결인자(predetermined factor)의 곱(product)을 계산하기 위한 측정 시스템을 포함한다. 상기 제어장치는 또한 AC 전압의 선택 위상동안 모터 내 전류의 제로교차의 결과로서 일어나는 첫 번째 시간 간격 내에 트리거 제어신호를 발생시키기 위한 능력을 포함하는데, 여기서 상기 트리거 제어신호는 경과시간과 선결인자의 곱과 같은 지속시간(duration)을 가지고, 더욱이 상기 첫 번째와 두 번째 게이트 구동회로(gate drive circuit)는 트리거 제어신호의 지속기간동안 작동 불능이 된다.

도1에 의하면, 본 발명에 따른 3상 전력인자 제어기(10)의 하나의 실시예의 블록 다이어그램(block diagram)이 도시되어 있다. 도1에서 각 위상 제어부분은 각 명칭 □₁, □₂그리고 □₃에 의해 각 위상을 나타낸다. 상기 각 위상 제어부분은 CPU와 복합 비교기(composite comparator)를 위한 작동 전압을 공급하는 DC 파워 서플라이(power supply)를 따라 도1에서 나타난 CPU와 복합 비교기의 조합에 의해 제어되거나 그 조합에 연결된다. 또한 도1에서는 50Hz나 60Hz에서 작동하는 3상 AC 전원(power source)으로부터 유입 접속뿐만 아니라, 본 발명에 따른 전력인자 제어기에 의해 제어되는 3상 유도 모터로 유출 접속도 나타나 있다.

도1에서 나타난 전력인자 제어기(10)에서, 3상 AC 전압의 유입 위상은 각각 라인(L₁, L₂, L₃)에 연결된다. 각 위상 제어부분(L₁, M₁, I₁, T) 그리고 Vcc라고 이름 붙은 단자를 포함한다. 참조번호11로 나타내어지는 라인(L₁)은 노드(14)와 위상 제어부분(□₁)의 L₁단자에 연결된다. 위상 제어부분(□₁)은 참조번호13으로 나타내어진다. 유사하게 라인(18)으로 나타내어지는 L₂는 노드(21)와 위상 제어부분(20)(즉, □₂)의 단자(L₂)에 연결된다. 유사하게 라인(25)으로 나타내어지는 L₃은 노드(28)와 위상 제어부분(27)(즉, □₃)의 단자(L₃)에 연결된다. 유사한 방법으로, AC 전압라인은 위상 제어부분(13)의 단자(M₁)로부터 노드(16)까지 연결되어 있고 3상 유도 모터로 접속을 위해 라인(12)을 따라 단자(M₁)에 연결된다. 라인(19)은 위상 제어부분(20)의 단자(M₂)로부터 노드(23)로 연결되고 라인(19)을 따라 모터의 단자(M₂)로 연결된다. 라인(26)은 위상 제어부분(27)의 M₃단자로부터 노드(30)로 연결되고 라인(26)을 따라 3상 유도 모터의 단자(M₃)에 연결된다. 도1에서는 또한, 유입 AC 전압 소스(source)로부터 접지를 나타내는 기호로 연결된 전도 경로(conductive path)(32)로 나타내어진 접지 단자(earth ground terminal)까지의 연결이 나타나있다.

도1에서 계속 보면 본 발명의 3상 시스템에서 3상은 접지로서 평형이 이루어지고 상기 위상 전압의 하나가 도1에 나타난 전력인자 제어기의 제어회로를 위한 기준 접지(ground reference)로 선택되어졌다. 도1에서 상기 지정된 제어회로의 기준 접지(ground reference)는 노드(14)에서 라인(L₁)으로 연결되어 있다. 이 제어회로의 접지는 노드(14)와 연결된 노드(33)로 연결된 접지 기호로 나타나 있다. 노드(33)에 연결된 본 제어회로의 접지는 항상 라인(L₁)에 존재하는 전위를 가정한다는 점에서 접지에 대하여 부동 접지(floating ground)라는 것을 인정할 수 있다. 이것은 저전압에서 작동하는 모든 제어회로는 노드(33)에서 특정한 제어회로 접지로 기준이 잡히고, 각 제어 또는 측정신호는 절연회로를 통해 위상 제어부분으로 결합되기 때문에 발생한다. 상기 절연회로는 저전압 제어부분으로부터 AC의 고전압을 절연하는 것을 제외하고, 상기 제어부분과 각각 위상 제어부분사이에 결합된 DC요소를 제거한다.

각 위상 제어부분은 AC 전압을 모터 권선으로 스위칭(switching)하기 위한 한 쌍의 SCR들을 포함한다. 또한, 상기 SCR들의 스위칭을 제어하기 위한 게이트 구동회로, 각 AC 전압과 전류 위상의 제로교차 사건(zero-crossing event)에 관련된 타이밍 정보(timing information)를 얻기 위한 제로교차 센스회로, 그리고 제어와 측정 신호라인에 나타나있는 고전압/저전압 등이 포함되어 있다. 따라서, 예를 들면, 위상 제어부분(13)은 AC 전압라인(L₁)으로 연결을 위한 단자, 절연회로의 한 부분으로의 DC 전압(Vcc)으로 연결을 위한 단자, 트리거 제어신호를 위한 단자(T)로 연결을 위한 단자, 그리고 전류 신호의 제로교차를 측정하기 위한 단자(I₁)로부터 연결을 위한 단자를포함한다. 유사하게, 위상 제어부분(20)은 라인(L₂)으로 연결을 위한 단자, 모터로 향하는 라인(M₂), DC 파워 서플라이(Vcc)로부터 연결을 위한 단자, 트리거 제어신호를 위한 단자(T)로 연결을 위한 단자, 그리고 전류센스 제로교차 신호를 위한 단자(I₂)로부터 연결을 위한 단자를포함한다. 최종적으로, 위상 제어부분(27)은 AC 전압라인(L₃)으로 연결된 단자(L₃), 위상 제어부분을 모터 권선 단자 (M₃)뿐만 아니라Vcc를 위한 단자로 연결하는 단자(M₃), □₃에 대한 전류센스 제로교차 신호를 위한 트리거 제어신호(T)와 단자(I₃)를 포함한다.

노드(14), 노드(21) 그리고 노드(28)는 상기 노드와 접지 사이, 각각 커패시터(15), 커패시터(22) 그리고 커패시터(29)사이에 연결된 고조파 차단 커패시터임을 알 수 있다. 유사한 방법으로, 노드(16), 노드(23) 그리고 노드(30)는 커패시터(17), 커패시터(24) 그리고 커패시터(31)로 나타난 고조파 차단 커패시터를 통해 접지로 연결된다. 이런 고조파 차단 커패시터는 라인 전압 스파이크(line voltage spikes)의 형태인 과도 에너지(transient energy), 턴-오프 과도 현상(turn-off transient), AC 전압라인(L₁, L_2,L₃)혹은 모터 권선에 대한 리드(lead)(M₁, M_2,M₃)들 각각에 존재할 수 있는 다른 고주파 노이즈(high frequency noise)등을 흡수한다.

노드(41)에서 라인(42), 커패시터(43), 저항(44), 그리고 노드(19)를 통해 라인(L3)으로부터 제어부분 CPU(35)의 단자(Vs)에 묶여 있는 노드(50)에 까지 결합된 AC 전압을 획득하는 DC 파워 서플라이(DC power supply)가 도1에 나타나 있다. 커패시터(43)는 저항(44)과 고역 통과 필터(high pass filter)로 작용한다. 또한 저항(44)과 연결되어 있고 라인(L₃)상의 유입 AC 전압의 진폭을 낮추기 위한 전압 분배기(divider)를 노드(49)와 노드(50)에 제공하는 제어부분 접지에 연결된 저항(48)은 노드(49)에 연결되어 있다. 단자(Vs)는 모터로 인가된 AC 전압의 제로교차를 측정하기 위하여 제공된다. 와이퍼 단자(wiper terminal)(51, 52, 53)로 나타내어지는 양극(two-pole)이고, 단일 문턱(single-throw)인 스위치(S₁)또한 노드(50)에 연결된다.

단자(53)는 파워 서플라이(power supply)(34)의 AC 입력으로 연결된다. 파워 서플라이(power supply)(34)는 유입 AC 전압을 불규칙한(unregulated) DC 전압으로변환하기 위한 정류기 회로를 포함한다. 상기 불규칙한 DC 전압은 파워 서플라이(power supply)(34)내의 전압 조정회로(voltage regulator circuit)에 인가되고 제어회로의 작동부분의 다양한 Vcc단자에 +5V를 분배하기 위해 라인(38)에 연결되어 있는 출력단자(37)에서 +5V DC 전압을 제공한다. 파워 서플라이(34)는 라인(40)의 공통 단자(39)로부터 제어회로 접지에 결합되어 있는 노드(33)까지 연결된다. 라인(40)은 제어부분의 Vss단자뿐만 아니라 상기 제어부분과 관련되는 회로의 각 부분에 접지 연결을 제공하는 제어회로의 다양한 부분에 부가적으로 연결되어 있다.

상술한, 스위치(S₁)는 상기 강압 AC 전압(stepped down AC voltage)을 파워 서플라이(34)로의 단자(53)에 연결하거나, 혹은 활성 유지 바이어스 전류(keep-alive bias current)를 트리거 제어신호를 위한 절연회로에 공급하는 단자(53)에 연결한다. 이 활성 유지 전류는 실제 조건에서 SCR들에 영향을 미치는 게이트 구동회로를 유지하기 위하여 필요하다. 전력이 상기 회로에 인가될 때, 유입 AC 전압의 각 교번(alternation)에서 각각 SCR들을 작동시키기 위해 요구되는 게이트 구동전류는 애노드가 캐소드에 대하여 양(positive)이 될 때 상기 SCR들을 작동할 수 있게 공급된다. 따라서 스위치(S₁)의 단자(52)는 저항(55)을 통하여 노드(56)로 결합되고, 라인(57)을 따라서 위상 제어부분(13)의 트리거 단자(T)로 결합된다.

유사하게, 스위치(S₁)의 단자(52)는 저항(58)을 통하여 노드(59)로 결합되고, 라인(60)을 따라서 위상 제어부분(20)의 트리거 단자(T)로 결합된다.스위치(S₁)의 단자(52)는 저항(61)을 통하여 노드(62)로 결합되고, 라인(63)을 따라서 위상 제어부분(27)의 트리거 단자(T)로 결합된다. CPU(35)는 상술한 각 위상 제어부분의 트리거링 단자(triggering terminal)를 부가적으로 포함한다. 상기 CPU(35)로부터 Trig1 트리거 제어신호는 노드(56)에 제공된다. 위상 제어부분(20)을 위한 트리거 제어신호인 CPU(35)로부터의 Trig2 트리거 제어신호는 노드(59)에 제공된다. 유사하게 CPU(35)의 Trig3 단자로부터 Trig3 트리거 제어신호는 노드(62)에 제공된다.

도1에서, 3개의 전류센스 제로교차 신호의 각각에 대응하는 CPU(35)에서의 3개의 입력 단자가 보여진다. 이 신호 단자의 입력은 각각 인터럽터#1(Int1), 인터럽터#2(Int2), 그리고 인터럽터#3(Int3)으로 나타난다. 각 위상 권선(phase windings)에서 각 AC 전류의 제로교차 사건을 나타내는 신호는 각 위상 제어부분으로부터 얻어진다. 위상 제어부분(13)에서 시작하는 I₁에서의 출력 단자는 모터 권선 전류의 제로교차를 측정하기 위하여 그리고 비교기(36)의 단자(I₁)로 신호를 부가하기 위하여 제공된다. 비교기(36)는 각 위상 권선을 위한 개별적 비교기 부분(comparator section)의 복합(composite)을 나타낸다. 각 비교기 부분은 분리된 입력 필터와 각 전류센스 라인(current sense line)을 위한 분리된 비교기 부분을 포함한다. 각 비교기는 공통전압 기준회로(common voltage reference circuit)로 나타내어진다. 상기 비교기와 필터회로는 도2와 연결되어 상술될 것이다.

상기 작동을 요약해 보면, 전류센스 신호라인(current sense signal line)은위상 제어부분(13)의 단자(I₁)로부터 비교기(36)의 단자(I₁)까지 연결되어 있고, 전류 센스 신호라인은 위상 제어부분(20)의 단자(I₂)로부터 비교기(36)의 단자(I₂)까지 연결되어 있고, 그리고 전류센스 신호라인은 위상 제어부분(27)의 단자(I₃)로부터 비교기(36)의 단자(I₃)까지 연결되어 있다. 유사하게, 비교기 부분(36)에 의해 수행되는 프로세싱(processing)을 따르는 신호 경로(signal path)는 CPU(35)로 향하는 라인들에 결합된다. 따라서, 비교기의 단자(I₁)는 위상 제어부분(13)을 위한 전류센스 신호라인(75)을 따라 CPU(35)의 Int1까지 결합한다. 유사하게, 비교기(36)로부터 전류센스 라인(I₂)은 CPU(35)의 Int2까지 라인(76)을 따라 각각 인가되고, 비교기(36)의 단자(I₃)는 CPU(35)의 Int3까지 라인(77)을 따라 결합된다. 복합 비교기(36)는 라인(38)을 따라 파워 서플라이(34)로부터 DC 전압을 받고, 노드(33)에서 제어회로 접지로 묶여있다.

도1에서 부가적으로 보면, 본 발명에 따른 전력인자 제어기의 부가적인 기능을 제공하는 몇 가지 다른 특징이 있다. CPU(35)는 CPU(35)의 단자 X1과 X2에 결합되어 있는 크리스탈(crystal)(68)에 의해 제어되는 내부 오실레이터(internal oscillator)를 포함한다. 이 크리스탈로 제어되는 오실레이터(oscillator)는 CPU(35)를 작동할 뿐만 아니라 정확한 시간 간격(time interval)을 측정하기 위한 기준을 제공하기 위한 연속적인 시간 베이스(continuous time base)로 작동하게 된다. CPU(35)의 단자(B7)는 여기에 개시된 발명에 따른 전력인자 제어기의 작동 상태의 표시를 제공하기 위한 발광 다이오드(light emitting diode, LED)(70)와 저항(69)을 통해서 제어회로 접지로 연결된다. 상기 LED(70)는 세 가지 상태가 있다.: 안정된 오프(steady OFF)는 CPU(35)가 오프(off)된 상태를 나타내고; 안정된 온(steady ON)은 CPU(35)가 리셋(reset)되고 스타트-업 딜레이(start-up delay)를 수행하는 것을 나타낸다.; 그리고 발광 LED(70)는 회로(13)가 모터에 인가된 에너지를 제어하기 위해 완전히 작동하고 있다는 것을 나타낸다.

CPU(35)의 몇 개의 어드레스 라인(address line)이 도1에 보인다. 단자(RA0)가 저항(71)과 라인(40)에서 회로 접지를 제어하기 위해 번갈아 연결되는 점퍼 블록(jumper block)(72)에 연결되어 있은 것이 나타나 있다. 상기 점퍼 블록(72)은 저항(71)을 CPU(35)를 위하여 본 실시예에서는 대략적으로 30초에서 대략 45초 내지 60초까지 턴-온 딜레이(turn-on delay)를 변화시키기 위한 접지에 연결하기 위해 제공된다. 어드레스 라인(RA2)은 노드(64)와 저항(65)을 통하여 DC 전압라인(38)까지 연결된다. 노드(64)는 가변 저항(81)을 통하여 라인(40)에서의 제어회로 접지로 연결된다. 어드레스 라인(RA3)은 노드(66)와 저항(67)을 통하여 DC 전압라인(38)까지 연결된다. 노드(66)는 가변 저항(82)을 통하여 라인(40)에서의 제어회로 접지로 연결된다. 이러한 가변 저항은 트리거 제어신호의 지속시간(duration), 예를 들어 다음의 도6에서 서술할 클립 영역(clip region), 을 조정할 수 있게 한다.

작동 시, 도1의 위상 제어부분(13, 20, 27)은 그 위상 제어부분에 포함되어 있는 SCR들을 통해 각 AC 전압라인을 따라 AC 전류의 유동을 제어하기 위해 제공된다. 예를 들어, 라인(1)을 따라 단자(L₁)에 인가되고, 위상 제어부분(13)의 단자( L₁)에 인가된 AC 전압은 SCR들이 전도 조건(conducting condition)일 때 내부 SCR들을 통해 결합되고 그리고 라인(12)을 따라 단자(M₁)로부터 3상 유도 모터의 하나의 단자(M₁)까지 결합된다. 다음에 서술하는 바와 같이, 위상 제어부분내의 SCR들의 제어는 제어부분에서의 CPU(35)의 작동(action)에 의해 전개되는 모터의 특정 위상 권선을 위한 전력인자와 일치를 이루며 모터로 인가되는 전압을 조정할 수 있게 한다. 상기 제어부분은 모터로 인가되는 AC 전압의 제로교차의 순간과 그 부가되는 전압의 특정 위상에 대한 모터에 흐르는 AC 전류 사이에 발생하는 시간 간격의 함수로서 각 위상 제어부분내의 SCR의 각 쌍을 위한 각각의 게이트 구동회로에 대한 제어를 하는 트리거 제어신호를 전개한다. 상기 AC 전압의 제로교차는 상술한 바와 같이 CPU(35)의 각각의 단자(Vs)에서 측정된다.

여기에서 서술되는 실시예에서, 동일한 필터링(filtering)과 비교기는 필요로 하지 않는다. 그 이유는 AC 전압의 유입 위상으로부터 유도되고, 큰 노이즈 성분(noise component)을 포함하거나, 전류센스 제로교차 신호로서 위상 이동변화(phase shift variation)에 종속되지 않기 때문이다. 그러나 어떤 응용에서는, 깨끗하고, 노이즈가 없는 전압센스 신호를 확실하게 하기 위해서 약간의 신호처리회로가 필요할 수 있다.

도1의 작동에 있어서, 위상 제어부분(13)에 대한 AC 전류의 제로교차는 정확한 시간 신호(time signal)와 완전한 논리레벨 센스신호(logic level sensesignal)를 제공하는 비교기(36)에 의해 처리된 후 CPU(35)의 단자(Int1)에 결합되어 있는 라인(75)을 따라 측정된다. 각 위상 제어부분은 각 모터 권선 위상들에 대한 제로교차 사건사이의 경과시간을 결정함으로써 전력인자(power factor)의 측정으로부터 전개되는 트리거 제어신호에 의해 제어된다. 상기 SCR들에 대한 트리거 제어신호의 영향은 제어된 전압 위상보다 이전의 AC 전압이 번갈아 교차하는(alternation)동안 측정된 부하의 특정 전력인자와 관련된 시간동안 상기 게이트 구동회로를 작동 불능하게 한다. 이것은 도4A, 4B 그리고 4C와 관련하여 설명되어 있다.

이제 도2를 참조하면, 본 발명에 따른 부가된 AC 전압의 단상(one phase)에 대한 전력인자 제어기의 간략화된 개념도가 나타나 있다. 도2는 위상 제어부분에 대한 제어신호를 제공하고 또한 응답하는 트리거 발생기나 혹은 제어회로가 있는 위상 제어부분의 기초적 내부 구조가 나타나 있다. 첫 번째 SCR(113)과 두 번째 SCR(114)이 첫 번째 노드(101)와 두 번째 노드(102)사이에 결합되어있다. SCR(113)의 양극은 첫 번째 노드(101)에 연결되어 있고 SCR(113)의 음극은 두 번째 노드(102)에 연결되어 있다. 유사하게, SCR(114)의 양극은 두 번째 노드(102)에 연결되어 있고 SCR(114)의 음극은 첫 번째 노드(101)에 연결되어 있다. SCR(113)의 게이트 단자(gate terminal)는 노드(105)에 연결되어 있고, SCR(114)의 게이트 단자는 노드(106)에 연결되어 있다. 저항(115)과 커패시터(116)의 직렬 결합(series combination)은 첫 번째 노드(101)와 두 번째 노드(102)사이에 연결되어 있다. 첫 번째 노드(101)는 노드(103)에 연결되어 있고 두 번째 노드(102)는 노드(104)에 연결되어 있다.

저항(117)과 스티어링 다이오드(119)의 병렬 결합(parallel combination)을 포함하는 게이트 구동회로는 노드(103)와 노드(105)사이에 연결되어 있다. 유사하게 저항(118)과 스티어링 다이오드(120)의 병렬 결합을 포함하는 게이트 구동회로는 노드(104)와 노드(106)사이에 연결되어 있다. 스티어링 다이오드(119)의 음극은 노드(105)에 연결되어 있고, SCR(113)의 게이트 단자에 교대로 연결되어 있다. 유사하게, 스티어링 다이오드(120)의 음극은 노드(106)에 연결되어 있고, SCR(114)의 게이트 단자에 교대로 연결되어 있다. 노드(105)는 옵토커플러(136)내의 감광 트라이액(138)의 한 면에 있는 옵토커플러(136)의 단자로 연결되는 저항(139)을 통해 라인(111)을 따라 연결되어 있다.

유사하게, 노드(106)는 경로(112)를 따라 옵토커플러(136)내의 감광 트라이액(138)의 반대쪽에 연결된다. 옵토커플러(136)는 여기 안의 아래에 기술될 트리거 발생기(130)내에 위치하게 된다. 인가된 AC전압은 노드(161)에 결합되고 노드(13)의 라인(107)을 따라 거기로부터 결합된 단자(L1)에 인가된다. 노드(103)는 더 나아가 트리거 발생기(130)내에 있는 노드(141)의 라인(109)을 따라 결합된다. 노드(161)는 더 나아가 고조파 차단 커패시터(121)를 통해서 접지(earth ground)에 결합된다. 도2에 보여진 위상 제어부분에 의해 제어된 모터 권선에 AC전류를 공급하는 AC전압 단자는 노드(162)를 통과해 라인(108)을 따라 노드(104)에서 도2에 보여진 위상 제어기에 결합된 모터 권선의 단자(M1)까지 공급된다. 노드(162)는 고조파 차단 커패시터(122)를 통과해 접지에 결합된다.

작동에 있어서, 도2에 도시된 각 위상 제어부분은 위상 제어부분에 연결된 각 모터 권선에 인가된 AC전압의 스위칭을 제어할 목적으로 제공된다. 인가 전압은 필요한 애노드 투 캐소드(anode-to-cathode) 전압을 인가 AC전압의 어떤 교차의 가동상태에서도 도통으로 트리거되게 하는 각 SCR에 제공할 정도로 SCR(113)과 SCR(114)은 인가 AC전압과 직렬(series)로 각자 연결된다. 그때 적절한 전류가 첫 번째 노드(101)와 두 번째 노드(102) 사이에 나타나는 AC전압의 극성에 의해 도통될 수 있는 각각의 게이트에 제공된다. 그래서, SCR(113)은 첫 번째 노드(101)가 두 번째 노드(102)와 관련해 양 전위 상태에 있을 때 도통할 수 있게 되고 게이트 구동전류는 노드(103)와 노드(104)사이에 결합된 게이트 구동회로를 경유해 도착하게 된다.

동시에 SCR(114)은 첫 번째 노드(101)의 인가 전압의 극성(polarity)이 두 번째 노드(102)와 관련된 음(negative)일 때 적절한 게이트 구동전류의 존재로 동작할 수 있게 된다. SCR(113)의 각각의 게이트 구동전류는 첫 번째 노드(101)가 두 번째 노드(102)와 관련된 양(positive)인 시간 동안 첫째 게이트 구동회로 (저항(R17)과 스티어링 다이오드(119)를 구성함)를 통과해서 제공된다. 동시에, SCR(114)을 도통하게 하는데 필요한 게이트 구동(gate drive)은 SCR(114)의 게이트의 노드(106)를 경유하고 두 번째 게이트 구동회로(저항(R118)과 스티어링 다이오드(120)를 구성함)를 통과해서 제공되며, 두 번째 노드(102)와 노드(104)는 첫 번째 노드(101)와 노드(102)와 관련된 양 전위(positive potential)를 가지게 된다.

여기 아래에 상세하게 기술되어진 대로, 옵토커플러(136)내에 감광트라이액(138)은 CPU(35)로부터 온 트리거 제어신호에 의해 꺼지고(turn off) 옵토커플러(136)내에 LED(137)을 가로질러 전압이 가해지는(impressed) 때를 제외하고는 항상 도통 상태(conducting state)에 있다. 트라이액(138)과 직렬 저항(series resistor)(139)의 효과는 양 노드(105, 106)를 유지하는 것이고, 그로 인해 첫 번째와 두 번째 게이트 구동 단자들(G1, G2)은 공통으로 첫 번째 노드(101)와 두 번째 노드(102)와 관련해 전위의 균형을 맞춘다. 이것은 각각의 SCR이 인가된 AC전압에 의해 순방향 바이어스 될 때에 각 게이트 단자가 도통 상태로 구동되도록 바이어스 될 거라는 것을 확인시킨다. 트라이액(138)이 도통될 때, 저항(139)과 전도 트라이액(conducting triac)은 각 SCR들의 애노드 단자의 극성에 반대인 인가 전압의 극성과 관련해 바이어스 되도록 각각의 SCR의 게이트 전압에 경로(path)를 제공한다. 저항(139)과 전도 트라이액(138)을 통과하는 전도 경로들이 없다면, 이 기준 경로(reference path)는 부재하고 각각의 게이트는 부동(float) 상태가 된다. 그러므로 그것은 각 SCR의 캐소드 전압과 관련해 양인 전위를 얻을 수가 없다. 그래서, 트라이액(138)이 불통(non-conducting) 상태로 야기될 때, 저항(139)을 통과하는 균형 경로(balancing path)가 열린다. 이런 동작은 게이트들을 부동하게 하고 모터 권선에 인가된 AC전류의 작용(application)을 방해하면서 각각의 SCR에 게이트 구동을 저지시킨다. 첫 번째 노드(101)와 두 번째 노드(102)사이에 연결된 저항(115)과 커패시터(116)의 직렬 결합은 불통상태로 들어갈 때 각 SCR의 과도한 턴-오프(turn off transients)를 제한하도록 스너빙(snubbing)동작을 제공한다.

도2로 계속해서, 트리거 발생기(130)내에 회로들은 지금 기술될 것이다. 입력측에 양방향 빛 방출 다이오드쌍(bidirectional light emitting diode pair)(134)과 출력측에 광 트랜지스터(phototransistor)(135)를 포함하는 옵토커플러(optocoupler)를 보여준다. 광 트랜지스터(135)의 이미터(emitter)는 제어회로 접지에 결합된다. 옵토커플러(133)내에 광 트랜지스터(135)의 컬렉터(collector)는 노드(142)에 결합된다. 저항(143)은 DC 공급전압의 노드(142)에서 공급 전압선(38)(도2에 없음)의 노드(151)를 통해서 결합된다. 저항(144)은 노드(142)와 제어회로 접지사이에 결합된다. 노드(142)는 더 나아가 저항(145)을 통해 노드(146)에 결합되고, 노드(146)는 비교기(148)의 양 입력단(positive input)에 결합된다. 노드(146)는 커패시터(147)를 통해 제어회로 접지에 결합된다. 그래서 노드(142)에 갑자기 나타나 신호에 존재하는 어떤 노이즈(noise)를 여과(filtering)하는 저역 통과 필터(low pass filter)를 형성한다.

비교기(148)의 음(negative) 입력 단자는 단자(149)에서 기준 전압원(voltage reference source)에 결합된다. 여기 안에 보여진 예시적인 구체사항에서, 단자(149)에 제공된 기준 전압(reference voltage)은 DC +2.5V로 고정(order)될 수도 있다. 비교기(149)의 출력은 트리거 발생기(130)에 있는 CPU(132)의 전류 센싱(sensing) 입력에 번갈아 결합되는 노드(150)에 결합된다. 도2의 CPU(132)는 예시적인 구체사항에 있어서 기능적으로 도1의 CPU(35)와 같다. 노드(150)는 또한 풀업(pull-up)저항이 라인(38)에서 노드(152)를 통해 공급전압에 연결되었을 때 저항(152)을 통해 결합된다.

이제 도2에 옵토커플러(133)로 되돌아가서, 양방향 빛 방출 다이오드(134)가위상 제어회로에 있는 노드(104)에서 라인(110)의 한쪽에 결합될 것이다. 양방향 빛 방출 다이오드(134)의 반대쪽은 저항(140)을 통해 회로에 인가된 AC전압원에 연결된 노드(141)에 결합된다. 작동으로, 양방향 빛 방출 다이오드(134)의 양쪽에 인가된 전압이 같은 전위에 있을 때, 양방향 LED들은 어느 것도 도통할 수 없고, 그로 인해 그것들은 모두 오프(off)되며, 광 트랜지스터(135)에 의해 받아들일 수 있는(pick up) 빛이 방출되지 않는다. 이런 상황(condition)은 양 SCR들이 첫 번째 노드(101)와 두 번째 노드(102)사이의 전류가 제로교차(zero-crossing) 상황에 있을 때 일어나는 불통상태에 있기 때문에 L₁단자와 M₁단자 사이에 흐르는 전류가 없을 때마다 발생한다. 이 순간에 양방향 LED들은 꺼지고 광 트랜지스터(135)의 컬렉터에 인가된 DC 전압을 발생하게 하는 광 트랜지스터(135)의 베이스(base)로부터 구동신호(drive signal)를 제거한다. 이런 전압 상승이 단자(149)에 존재하는 전압 기준치 레벨을 지날 때, 비교기(148)는 상태를 변화시키고 CPU(132)의 전류센스 입력에 풀스윙(full swing) 논리신호를 제공한다.

지금 도2에 예시된 트리거 발생기(130)와 계속해서, 그것은 옵토커플러(136)내에 빛 방출 다이오드(137)가 LED(137)의 애노드(anode)의 저항(154)과 노드(153)를 통해 DC 파워 서플라이로부터 작동 전류(operating current)를 받는다. LED(137)의 캐소드(cathode)는 제어회로 접지에 연결된다. 노드(153)는 더 나아가 CPU(132)의 트리거 출력에 결합된다. 작동에 있어서, 이전에 설명한 대로, CPU(132)에 의해 공급된 트리거 제어신호는 노드(153)를 논리 Low로 떨어뜨리게 하고, 그 논리 Low는 트라이액(138)과 저항(139)을 구성하는 출력회로가 오픈 회로가 되도록 하는 LED(137)를 꺼지게 한다. 또한 전압센스회로가 트리거 발생기(130)안에 보여지고, 여기 안에 CPU(132)의 전압센스단자가 노드(155)와 저항(160)을 통해 단극 이중문턱 스위치(single-pole double-throw switch)의 와이터(wiper)의 단자(157)에 결합된다. 노드(141)에 결합되고 단자(L₁)에 인가된 AC전압에 번갈아 결합된 단자(151)에 연결된 와이퍼의 다른 쪽이 보여진다. 단일 위상으로 표시된 스위치의 단자(158)가 보이고 스위치가 3상작용(three phase operation)으로 정해졌을 때 사용되는 화살표 표시가 있는 3상으로 표시된 단자(159)가 보인다.

3상작용 조건에 있어서, 전압센스 라인은 AC전압 제로교차 신호를 얻기 위해 라인(L3)에 연결된다. 다른 경우에 AC전압 제로교차 신호는 저항(160)과 노드(155)를 통해 단자(157)에서 CPU(132) 전압센스단자까지 연결된다. 노드(155)는 저항(156)을 통해서 접지에 결합된다. 저항(156)과 저항(160)은 비교적 높은 인가 AC전압 값을 CPU(132)의 입력포트(port)에 의해 견딜 수 있는 레벨까지 한 단계씩 감소시키는 전압 분배기(voltage divider)를 형성한다. 저항(156, 160)의 강압 분배기 작동(step down divider action)과 Vs단자에 인가된 라인전압(line voltage)이 매우 작다. -전형적으로 피크 투 피크(peak-to-peak)가 +5V미만- 뿐만 아니라 AC결합(C₃경유)때문에 다른 어떤 절연도 Vs 센스라인에 필요하지 않다. 작동에 있어서, CPU(132)는 모터에 결합된 부하저항(load)의 전력인자의 수치를 결정하기 위해 전압센스단자에서 제로교차 신호의 도착과 전류센스단자에 도착하는 제로교차신호사이에 시간차를 계산하다. CPU(132)는 CPU(132)의 트리거 단자에 공급된 트리거 전압 신호의 지속시간(duration)을 계산하는 데 이런 시간측정을 사용한다. 전압과 전류 센스단자들에 공급된 제로교차 신호들의 관계와 트리거 제어신호의 개발은 도3, 4와 관련해 여기 안의 아래에 기술될 것이다.

이제 도3A를 참조해서, 모터 권선에 연결된 전기력(electrical power)의 각 위상의 전압과 전류 파형이 도식되었다. 유도 모터의 권선에 전형적으로 전압 파형(201)에 뒤쳐지는 전류 파형(202)이 보여진다. 시간 204(전압)와 205(전류)에서 발생하는 제로교차로 시작해서 전압 파형(201)과 이에 상응하는 전류 파형(202)의 한 주기(cycle)가 도3A에 보여진다. 이런 파형 들은 모터에 인가된 전압의 감소와 관련해 도2와 결부해서 이전에 기술한 제어회로의 효과를 보여준다. 모터의 전압은, 사실상(in effect), 인가된 AC전압의 각 양과 음 교차의 간소한 일부분(brief portion)에도 꺼진다.

인가된 AC전압이 각각 교차하는 동안 꺼지는 시간량(amount of time)은 각각의 인가 전압의 제로교차에 상응하는 두 개의 연속적인 간섭들과 모터를 통해서 인가된 전류사이에 발생하는 시간 간격으로부터 계산된 전력인자(power factor)에 비례한다. 그래서, 도3A에서 인가 전압의 오프(off) 영역은 시간(204)에서의 전압 제로교차와 시간(205)에서의 전류 제로교차사이의 경과시간(elapsed time)에 근거해서 발생된 트리거 제어신호(기술됨)의 펄스폭(pulse width)에 상응하는 간격(203)으로 나타난다. 트리거 제어신호는 시간(206)에서 끝난다. 트리거 제어신호의 끝에서 전압은 공칭 피크값(nominal peak value)이 발생하고 정현파로 되돌아간다.

음 교차에서 동일 효과가 보여지고, 여기에서 시간(207)에서 전압 제로교차 인터럽트와 시간(208)에서의 전류 제로교차 인터럽트가 뒤따르며 트리거 제어신호는 다시 한번 SCR 게이트 구동회로에 인가되고 전압 파형(201)을 도3A에 보여진 정현파로 되돌아가기 전의 일부동안 꺼지게 된다. 이런 식으로, 각 주기가 교차하는 동안 단시간 제어기간의 인가전압을 차단(turn off)함으로써 모터 권선에 인가된 평균 전압은 모터가 가볍게 부하(loaded)될 때 개선되는 큰 전력인자를 보상하려고 감소된다. 이런 부하에 전송된 평균전압의 감소는 전력인자를 유효 영역(efficient range)으로 되돌리려고 하는 경향이 있다.

인가 전압이 각자 교차하는 동안, 인가 전압에 상응하는 뒤쳐지는 전류(lagging current)는 또한, 전압과 같이, 전류가 제로를 통해 지나가는 시기에 시작되는 인가 전압의 오프(OFF) 간격동안 제로로 감소된다. 오프 기간이 끝난 후에 전류가 모터 권선에서 흐르기 시작할 때 전류는 트리거 발생기에 의해 스위칭 오프된 인가 전압이 없게 되는 값에서 순간적으로 발생하지는 않는다. 오히려 그것은 대략적인 정현파류(sinusoidal fashion)에서 발생하고 다시 한번 전류 파형이 전압 파형에 뒤쳐지는 양에 상응하는 시간(208)에서 제로를 가로지른다. 라는 것이 또한 도3A에 주지될 것이다. 이러한 이유는 인덕턴스(inductance)로 전류가 순간적으로 변할 수 있는 것이 아니라 오히려 권선의 인덕턴스를 변화시키는 약간의 시간량을 필요로 할 수 있다는 것이다. 물론, 인가 AC전압에 상응하는 권선에서 같은 효과가 각자의 연속적인 전류 교차로 되풀이된다.

이제 도3B를 참조해서, 인가 전압의 대표적인 위상으로 전압센스 제로교차신호들에 상응하는 일련의 인터럽트 펄스(interrupt pulse)들이 도시되어있다. 도3B에서 아주 단시간의 음으로의 전환(negative transition)이 인가 AC전압 파형이 제로를 통해서 지나는 시기의 매 점(every point)에서 발생한다. 이런 음으로의 전환이 거의 즉시 제로교차 사건이 뒤따르는 High 논리레벨(high logic level)로 되돌아가는 단시간의 음 상승 펄스(negative going pulse)의 형태로 보여진다. 그래서, 파형(211)은 각 제로교차 사건인 논리 Low 레벨의 음으로의 전환(213)을 포함하고, 인가 AC전압의 다음제로교차 사건 전까지 양으로의 전환(214)을 경유해서 파형(211)의 High 논리레벨로 되돌아간다. 그래서, 초당 120사이클의 반복률(repetition rate)을 가진 음 펄스열(negative pulse train)이 60사이클 AC 전력을 위해 발생된다. 혹은, 50사이클 AC전력의 경우에, 반복률은 100㎐가 될 것이다. 이런 인터럽트들은 CPU(35)의 전압센스단자에 나타나는 전압(Vs)에 반응해서 CPU(35)내에서 발생(develop)된다.

이제 도3C를 참조해서, 인가 전압의 대표적인 위상으로 전류센스 제로교차 신호들에 상응하는 일련의 인터럽트 펄스들이 도시되어있다. 도3C의 파 모양은 두 개의 SCR이 게이트 제어가 끝나고 인가 전압이 다시 한번 모터에 가해지기 전까지 전류는 제로가 되는 기간동안 트리거 사건에 상응하는 펄스의 트레일링 에지(trailing edge)가 뒤쳐지는 것을 제외하고는 도3C의 인터럽트 파 형태로 나타난다. 그래서 전류 제로교차에 상응하는 인터럽트 신호는 정상적으로 여기 위의 신호가 Low 논리레벨로의 아주 빠른 음 전환을 겪는 제로교차 사건이 발생하기 전까지 논리 High 레벨을 가지게 된다. 그리고, 만약 존재하는 트리거 제어신호가 없다면, 거의 즉시 양으로의 전환을 따라 공칭 High 레벨 논리신호(nominal high level logic signal)로 되돌아 갈 것이다.

그렇지만, 만약 트리거 제어신호가 인가되면, 그 때 모터 권선 단자에 감지되는 제로교차 신호는 트리거 신호가 끝나기 전까지 Low 논리레벨 상태로 남아있다. 도3C에서, 연속적인 세 개의 트리거 제어기간(period)들을 보여준다. 파형에 상응하는 인가된 AC전압의 세 개의 연속적인 교차(alternation)들을 위해 그 중 하나를 도3A에 도시했다. 도3C에서, High 논리레벨(215)은 모터 권선에서 전류의 제로교차 사건의 순간에 음으로의 전환(217)이 되고, 양으로의 전환(218)을 따라 공칭 High 레벨(215)로 되돌아가기 전까지 Low 논리레벨(216)로 떨어진다. 트리거 제어신호가 동작(active)하는 기간에 상응하는 Low 논리레벨은 도3C의 Low 논리레벨(219)로 보여진다.

도3D는 트리거 제어신호가 동작하는 기간동안 인가된 전압과 전류의 제로교차 사건들에 상응하는, 트리거 제어신호가 동작하는 기간동안, 인터럽트 파형을 밀접하게 닮은 트리거 제어신호를 도시한다. 다시, High 논리레벨(220)은 음으로의 전환(222)에 의해 Low 논리레벨(221)로 이어지고, 여기에서 신호는 트리거 제어신호의 끝이 상승 전환(rising transition)(223)에 의해 공칭 High 논리레벨(220)로 이어지기 전까지 남아있다. 센스 신호들의 음으로의 전환은 모터의 전력인자(power factor)를 가까워지게 하는데 필요한 인터럽트들과 정보들을 제공하는데 이것은 도3B와 도3C를 비교함으로써 관찰될 것이다. 제로교차 사건들 사이의 경과시간(elapsed time)은 전류 제로교차 사건의 늦은(later) 시간에서 전압 제로교차 사건의 이른(earlier) 시간을 뺌으로써 그리고, 평균 인가전압을 합리적이고 효율적인 범위(range)내에서 빛 부하 전력인자(power factor for a light load)를 다시 가져오는데 필요한 양(the amount)으로 감소시키는 데 요구되는 트리거 제어신호의 지속시간을 계산하기 위해 이 시간 간격을 사용함으로써 얻게 된다. 이전에 기술된 대로, 도3D에 보여진 트리거 제어파형은 도2에 보여진 옵토커플러(136)내의 저항(139)과 트라이액(138)으로 구성된 SCR 게이트 회로의 개방(opening)을 제어한다. SCR 게이트 회로가 개방될 때, SCR은 불통상태 혹은 차단상태(blocking state)로 들어간다.

이제 도4A를 참조해서, 3상 시스템을 위한 전압 파형(250)과 전류 파형(251)이 도시된다. 여기에서 3상 전압 파형(phase three voltage waveform)(250)은 그 부분적인 주기(cycle)의 전압과 전류 파형에 대한 전력인자 제어기의 효과(effect)를 보여준다. 인가 전압의 제로교차 사건들은 도4A의 시간(254, 255)들에서 발생한다. 유사하게, 전류 파형의 제로교차 사건들이 발생하는 시간들은 각각 시간(255, 257)들에서 발생한다. 각 전압과 전류의 제로교차 인터럽트들 사이에 발생하는 시간의 차이는 인가된 전압 파형의 각 교차를 위한 제어기간(control period)의 지속시간을 계산하는데 사용된다. 또한 3상 전압 파형(250)의 양(the positive)에서의 제어기간과, 가끔 클립 영역(clip region)(252)이라 불리는, 음(the negative)에서의 클립 영역(253)은 AC전압이 인터럽트 되거나 3상이 연결된 모터 권선들에서 제거된 시간을 나타낸다.

다시 한번 3상에서 파생 전류 파형(resulting current waveform)(251)이 트리거 제어나 클립 영역(252)의 끝과 모터 권선의 전류와 전압사이에 부분적인 위상 지체(lag)량에 따라 인가 AC전압 제로교차가 뒤따르는 시간(257)에서의 부차 제로교차 사건(subsequent zero-crossing event)사이에 정현파 특성(sinusoidal characteristic)을 담당(takes on)하게 된다는 것이 도4A에 보여진다. 이런 도시적인 예로 도4B는 도4A에 도시된 부분적인 3상으로 두 전압과 전류를 위한 제로교차 센스신호들을 보여준다. 3상용 전압 센스신호(258)는 3상용 전류 센스신호(258)로 늦지 않게(in time) 이어진다. 유사하게, 음 방향으로의 연속적인 교차(alternation)로 3상용 전류 센스신호(260)로 이어지는 전압 센스신호(260)가 보여진다.

이제 도4C를 참조해서, 도4B에 도시된 제로교차 센스신호들에 상응하는 3상용(for phase three) 트리거 제어신호를 보여준다. 트리거 제어신호의 타이밍(timing)은 전류 제로교차의 시작점(onset)에서 시작되고 도4A에 보여진 인가 전압 파형(250)의 3상 양 상승교차(positive going alternation)하는 전환(263)에서 트리거 제어신호가 다시 한번 High 논리레벨로 되돌아가기 전까지 클립 영역(252)은 계속된다는 것이 기꺼이 보여질 수 있다. 유사하게 3상 음 교차(negative alternation)의 트리거 제어신호가 논리 High 공칭 레벨 뒤로 음으로의 전환(264)과 이어서 전환(265)에서의 클립 영역이 도4C에 또한 보여진다.

단순한 관계가 도4C에 보여진 대로 지적될 수도 있다. 여기에서 전압과 전류 제로교차 사건들 -그리고 상응하는 인터렙트들- 사이에 시간은 T₃으로 인식되고 전류 제로교차를 뒤따르는 클립 영역의 지속시간은 □₃으로 인식된다. T₃은 모터 권선에 있는 부하의 전력인자에 상응하고 □₃은 즉, 전력인자 측정이 이루어진 동일 교차의 제어기간인 클립 영역의 지속시간에 상응한다. 이 두 개의 변수(variable)들은 모터의 종류에 의존해서 제어되는 단순 인자에 관련된다는 것을 보여줄 것이다.

이제 도5를 참조해서, 본 명세(present disclosure)의 전력인자 제어기용 메인 프로그램 루틴(routine)을 도해하는 단순화된 순서도(flowchart)가 도시되어있다. 순서(flow)는 전력이 시스템에 적용되거나 시스템이 초기화(reset)되었을 때 프로그램이 출발하는 블록(302)에서 시작한다. 순서는 CPU의 레지스터(register)들 모두를 설정하는 루틴을 통해서 CPU가 동작(run)하는 블록(304)으로 처리된다. 왜냐하면, 위상 제어부분들 중에 SCR 모두를 태워버리게 되어 전력이 모터에 가해질 수도 있고, 프리셋 타이머 값(preset timer value)들을 설정해야하기 때문이다. 그런 이유로 순서는 루틴이 시스템의 가동 지연 입력(startup delay input)을 읽어내는 블록(306)으로 처리되고 상태 LED(status LED)가 계속해서 발광하게 된다. 여기 안의 위에 기술된 대로, 블록(306)에서 나타내는 가동 지연(startup delay)이 저항(71)을 제어회로 접지에 연결한 점퍼(72)에 의한 지연 설정(delay set)이다. 점퍼가 제거된 채, 이런 지연은 30초에 거의 가깝고(on the order of 30 seconds), 점퍼가 있는 곳에서 지연은 45초에서 60초의 영역으로 확장된다. 블록(308)에서, 루틴은 지연이 완전하게 실행되어 왔는가를 확인하려고 점검하고루틴이 인터럽트들을 설정하고 CPU가 전력인자 제어기의 작동을 제어하고 있다는 것을 나타내는 상태 LED를 발광 조건(flashing condition)으로 설정하는 블록(310)으로 처리된다.

블록(310)에 이어서, 메인 프로그램 루틴은 블록(312)으로 처리되고 계산되어온 클립 조정들로 아날로그 투 디지털(analog to digital) 변환기들을 점검하려고 CPU의 주요 작동들은 블록(314)의 루틴 순서로 이어지는 블록(312)의 감시 타이머(watchdog timer)를 깨끗이 하는 것으로 시작되는 루프에서 실행되고, 만약 클립 조정들(adjustments)이 발견되면, 그때 CPU는 여기 안의 아래에 논의될 적절한 인터럽트들 동안에 뒤의 사용을 위해 클립 조정들을 저장한다. 클립 조정들은 트리거 제어신호의 지속시간으로 이루어지는 변화들이다. 주요 프로그램 단계들의 실행에 이어서, 메인 프로그램 루틴은 블록(314)에서 결정 블록(316)으로 처리된다. 여기에서 메인 프로그램 루틴은 전력이 시스템에 턴-오프 되어 왔는가를 점검한다. 만약 결과가 긍정적(affirmative)이라면, 그때 순서는 루틴이 끝나고 시스템이 종료(off)되는 블록(318)으로 처리된다.

그렇지만, 만약 전력이 아직 온(on)이면, 그때 순서는 감시 타이머를 깨끗이 하려고 블록(312)으로 도시된 단계로 되돌아가고, 메인 프로그램 루틴은 주요 기능적인 활동들을 통해서 처리된다. 이전에 진술된 대로, 인터럽트는 메인 프로그램 루틴이 작동하는 동안 어느 때라도 발생될 수 있다. 본 명세의 전력인자 조절기용 CPU는 인터럽트들이 블록(312)과 블록(314)에 의해 나타내어진 주요 프로그램 루프 동안에 발생할 때 이런 인터럽트들을 제공(service)하기 위해 프로그램 된다. 메인프로그램 루틴에 의해 제공되는 인터럽트들은 여기 안의 아래에 기술될 도6에 도시된 순서도에 기술된다.

이제 도6을 참조해서, 본 명세의 전력인자 조절기에 발생될 수도 있는 인터럽트들을 처리하는 루틴이 도시된다. 루틴은 인터럽트가 발생할 때, 블록(320)에 들어오게 되고 블록(322)으로 이어진다. 여기에서 루틴은 인터럽트가 제공되고 순서가 메인 프로그램으로 되돌아갈 때 사용하기 위해 프로그램 계산기(program counter)와 누산기(accumulator)를 스택(stack)에 저장한다. 도6의 인터럽트 루틴은 전력인자 제어기의 작동에 필수적인 3종류의 인터럽트들을 제공할 목적으로 제공된다. 이런 3종류의 인터럽트들은 결정 블록들(324, 326, 328)로 나타내어진다. 결정 블록(324)은 도시적인 구체사항에 있어서, 전압 제로교차 사건은 라인(3)의 AC전압이 인터럽트 핀에 의해 감지된 대로 제로점(zero point)을 통해서 가로지를 때 발생하는 것을 나타내는 신호의 인터럽트 발생을 나타낸다. 만약 이런 형태의 인터럽트가 아니었다면(be not of this type) 그때 루틴이 존재하는 인터럽트가 타이머 인터럽트 즉, 도시적인 예로 시간(128)에서 전력 라인 주파수(power line frequency)를 작동시키는 타이머, 인지 결정하는 결정 블록(326)으로 순서가 처리된다.

이 타이머는 제로교차 간격, T,를 측정하는 것과 연계된 타이밍을 결정하기 위해 전력인자 제어기의 작동에 시간 베이스(time base)를 제공하는 128개의 동등한 조각(equal slice)들로 전력 라인 주파수를 분배할 목적과 도2에 보여진 대로 트리거 발생기(130)의 CPU(132)에 의해 발생된 트리거 제어신호(예를 들면, 도4C의266)의 지속시간( □)을 계산할 목적으로 제공된다. 만약 블록(326)에 제공된 인터럽트가 타이머 인터럽트가 아니라면, 그때 순서는 인터럽트가 모터에서 전류의 제로교차 사건의 발생에 상응하는지를 루틴이 결정하는 블록(328)으로 처리된다. 만약 이 결정의 결과가 부정적이라면, 그때 순서는 인터럽트 루틴이 프로그램 계산기와 누적기 에 제어를 저장하는 블록(330)으로 처리되고, 블록(332)에서, 메인 프로그램으로 되돌아간다.

이제 결정 블록(324)을 참조해서, 만약 존재하는 인터럽트가 라인(3)에서 AC전압의 제로교차를 나타낸다면, 그때 순서는 경로 표시된 "yes"를 따라 블록(334)으로 처리되고 여기에서 간격 계산기(interval counter)는 제로에서부터 인가된 AC전압의 라인(3)을 위한 전압 제로교차 사건과 전류 제로교차 사건 사이에 간격(T)을 측정하기 위해서 전류의 제로교차를 나타내는 인터럽트가 발생하는 시간을 향해 계산되기 시작한다. 제로교차 사건이 발생할 때, 순서는 인터럽트 루틴에서의 점(A)으로 또한 인식되는 결정 블록(324)의 입구(entry)로 거슬러 처리되고 방금 발생한 인터럽트가 라인(3)에서 전압 제로교차 사건인가로 결정 블록(324)에서의 결정이 이루어진다. 이런 특정한 경우에, 방금 발생한 인터럽트가 라인(3)에서 전압 제로교차 사건이 아니었기 때문에 순서는 결정 블록(324)에서 결정 블록(326)으로 처리될 것이다. 결정 블록(326)에서 루틴은 방금 발생한 인터럽트가 간격 시간(interval time)에 의해 야기되었는지를 점검하고 이런 경우에 결과는 부정적이며 그래서 순서는 방금 발생한 인터럽트가 전류 제어교차 사건인가로 결정이 이루어지는 블록 (328)으로 처리된다. 이런 경우에, 결과는 긍정적이고, 순서는 경로표시된 "yes"를 따라 두 번째 단계의 결정 블록(352, 362, 368)들로 처리된다. 결정 블록(352)에서, 루틴은 전류의 제로교차 사건을 나타내는 인터럽트가 라인(3)에서 발생했는지를 결정한다. 만약 결정이 긍정적이라면, 그때 순서는 경로 표시된 "yes"를 따라 블록(354)으로 처리되고 여기에서 루틴은 이전에 기술된 대로, 클립 영역의 지속시간이 CPU(132)에 의해 발생될 트리거 제어신호의 지속시간(예를 들면, 도4C의 266)과 같은지를 계산한다.

결정 블록(326)에서 루틴은 방금 발생한 인터럽트가 내부 타이머에 의해 야기되었는지를 점검하고 이런 경우에 결과는 긍정적이며, 그래서 방금 발생한 인터럽트가 전류 제로교차 사건인가로 결정이 이루어지는 블록(328)으로 처리된다. 이런 경우에, 결과는 긍정적이고 순서는 경로 표시된 "yes"를 따라 두 번째 단계인 결정 블록(352, 362, 368)으로 처리된다. 결정 블록(352)에서, 루틴은 전류의 제로교차 사건을 나타내는 인터럽트가 라인(3)에 발생하는가를 결정한다. 만약 결정이 긍정적이면, 그때 순서는 경로 표시된 "yes"를 따라 블록(354)으로 처리되고, 여기에서 루틴은 이전에 기술된 대로, CPU(132)에 의해 발생될 트리거 제어신호(예를 들면, 도4C의 266)의 지속시간과 같은 클립 영역의 지속시간을 계산한다.

트리거 제어신호(예를 들면, 도4C의 266)의 지속시간( □)은 일대일 관계로 클립 영역의 지속시간을 결정한다. 각 위상 제어부분에서 SCR들에 게이트 구동 제어회로들의 불가능(disabling)을 야기함으로써 트리거 제어신호는 클립 영역의 기간 동안 각각의 교차에서 SCR을 불통 상태로 들어가도록 야기한다. 그래서 클립 영역은 모터 권선으로 AC전압이 인터럽트 되는 기간을 나타낸다. 이 AC전압의 클립된영역 지속시간은 모터 권선에 인가된 AC전압의 관련 위상(associated phase)을 위한 전압 제로교차 사건에 관계(relative)된 모터 권선에서의 전류 위상 지체량(amount of phase lag)의 기능(function)이다. 도시적인 구체사항에 있어서, 대개 트리거 제어신호 지속시간의 관계는 특정 위상의 전압 제로교차 사건과 전류 제로교차 사건사이에 경과된 시간의 지속시간(T)의 배수(multiple)로 일부 선결된다.

예를 들면, 3상인 AC 240V에서 작동하는 모터들에서, 트리거 펄스의 지속시간은 제로교차 간격의 지속시간(T)과 일대일 관계를 낳는다. 그래서, 이 예에서, 전압 파형이 인터럽트 될 시간의 길이는 트리거 제어신호에 의해 제어되고 있는 특정 위상의 제로교차 사건들 사이에 발생하는 경과시간(elapsed time)에 동등하다. 이 일대일 관계는 트리거 제어신호의 트레일링 에지를 앞서게 하거나 뒤쳐지게 하기 위해 트리거 제어신호 펄스의 클립 지속시간( □)(clip duration)이나 펄스폭에 더해지는 클립 조정에 의해 수정될 수도 있다. 클립 조정은 여기 안의 아래에 기술될 것이다. 유사하게, AC 480V에 작동하는 3상 모터의 또 다른 예에 있어서, 클립 영역의 지속시간은 제로교차 간격(T)을 둘로 나눔으로써 결정되고 특정 형태의 모터에 트리거 제어신호의 트레일링 에지를 앞서게 하거나 뒤쳐지게 하는데 클립 조정을 추가함으로써 결정된다.

클립 조정은 트리거 제어신호의 위상 폭인 클립 영역의 지속시간으로 이루어진다. □은 도1에 도시된 CPU(35)의 지정된 핀에 연결된 트리거 발생기에서 전위차계의 설정으로 결정된다. 이 전위차계 연결을 위한 CPU(35)의 지정된 핀들은 RA2와RA3이다. 상기 전위차계는 +5V V_cc라인(38)과 제어회로 접지 라인(40) 사이에 연결된 전압 분배기의 하부 반을 형성한다. CPU(35)의 RA2는 저항(65)과 전위차계(81) 사이의 교차점인 노드(64)에 연결된다. 전위차계(81)는 이 실시예에서 240V의 AC 모터용 클립 조정을 설정하기 위하여 작용한다. 이와 유사하게 CPU(35)의 RA3은 저항(67)과 전위차계(82)의 교차점을 이루는 노드(66)에 연결된다.

전위차계(82)는 480V AC 모터용 클립 조정을 설정하기 위하여 작용한다. 전위차계(82)가 최대 저항으로 설정될 때, 트리거 제어신호(266)의 위상 폭을 설정하도록 제로교차 간격(T)을 지속시키는 부가적인 시간이 주어지지 않는다. 전위차계(82)의 저항이 감소됨에 따라, CPU(35)의 핀(RA3)에 전압이 또한 감소되어 트리거 제어신호의 트레일링 에지 발생을 일으켜, 트리거 제어신호의 위상 폭을 줄이는 결과를 일으킨다. 전위차계(81)가 최소 저항으로 설정될 때, 핀(RA2)의 전압은 최소 전압으로 설정된다. 전위차계(81)의 저항이 증가됨에 따라 상기 결과는 트리거 제어신호의 트레일링 에지의 타이밍을 늦추어 트리거 제어신호의 위상 폭을 길게 한다.

상기 설명된 240V의 3상 AC 모터와 480V의 3상 AC 모터인 두 예에 이어서, 이들 두 형태의 모터에 대한 각각의 트리거 제어신호에 관한 위상 폭에 대한 클립 조정을 결정하기 위해 요구되는 환경이 설명되었다. 이들 두 예는 3상 장치의 각 위상에 공급되는 전력을 제어하기 위한 위상 폭의 제어에 있어서, 여러 가능한 배열 중 단지 두 가지 예의 설명이며, 단상 장치가 선택되어질 수도 있다. 따라서,상기 조정이 클립 조정 또는 어떤 다른 용어로 불려지건 간에 이들 실시예는 트리거 제어신호의 위상 폭이 어떤 특별한 작용을 위하여 결정될 수 있는 다양한 방식으로 설명된다.

도6의 블록(356)을 보면, 루틴은 클립 영역 지속시간을 설정하고 도 1에 도시된 것과 같은 CPU(35)의 외부 전위차계(81,82)의 설정에 따라 클립 영역을 설정한다. 그 다음에 순서가 블록(358)으로 진행하고 여기서 상기 루틴은 상기 블록(356)에서 조정된 것과 같이 3상에 대한 클립 지속시간을 위해 트리거 제어신호의 위상 폭을 설정한다. 그 후에 순서는 위상 제어부분(27)이 라인(L3)을 클립 하도록 즉, 게이트 구동이 트리거 제어신호의 트레일링 에지에 의해 복원될 때까지 인가되는 AC 전압의 특정 교차에 상응하는 상기 SCR이 제로교차 사건이 이어지는 것을 차단하도록 3상 제어부분(27) 내의 SCR 게이트 구동회로에 대한 트리거 제어신호가 작용하는 블록(360)으로 진행한다. 그 후 순서는 블록(360)으로부터 지점(A)으로 상기 라인을 따라 진행하여 설명된 것과 같이 입력 루틴은 결정 블록(324)으로 되돌아간다.

도6의 블록(352)을 보면, 그 후에 AC 라인(L3)에 전류 제로교차 사건이 발생되지 않는 사건에서 순서는 "no"라는 진행을 따라 결정 블록(362)으로 진행하여 전류 제로교차 사건이 관련된 특정한 위상이 두 위상인지 결정한다. 블록(362)에서 결정의 결과가 확실하다면, 그 후 순서는 블록(364)으로 진행하여 두 위상에 대한 클립 지속시간은 블록(356)에서 결정된 것과 같이 클립 지속시간 플러스 조정과 동일하게 설정된다. 블록(356)에서 발생되는 클립 지속시간 조정이 상기 모터 권선의각 위상에 대한 클립 지속시간을 결정하도록 이용되는 것을 주목할 필요가 있다. 블록(356)에서 3상에 대하여 결정된다면, 인터럽트 루틴이 3상에 관한 전압 제로교차와 전류 제로교차 사이에 시간차를 제공할 때, 값이 블록(356)에서 정정되거나 수정될 때까지 동일한 값이 위상을 연결하기 위하여 사용된다.

블록(364)을 보면, 두 위상에 관한 클립 지속시간이 블록(356)에서 계산된 클립 지속시간과 동일하게 설정된 후에 순서는 블록(366)으로 흐르고, 여기서 트리거 발생기는 블록(360)에 관하여 설명된 바와 같이 두 위상에 관한 위상 제어부분에서 유사한 SCR에 관한 두 위상을 위해 트리거 제어신호를 출력하여 게이트 구동회로를 차단한다. 두 위상에 대한 트리거 제어가 발생된 후에, 순서는 지점(A)으로 다시 진행하여 입력 결정 블록(324)으로 돌아온다. 결정 블록(362)에서 전류 제로교차 사건이 두 라인 상에서 발생되지 않는 다면, 순서는 "no"라는 라인을 따라 결정 블록(368)으로 진행하여 전류 제로교차 사건이 단상에서 발생되는지 결정한다.

결과가 부정이라면, 순서는 "no"라는 라인을 따라 지점(A)으로 진행하여 결정 블록(324)의 입력단으로 돌아온다. 하여간 상기 블록(368)에서 결정의 결과가 긍정이라면, 인가되는 AC 전압의 특정 교차에 상응하는 SCR이 불통 상태가 되도록 순서는 블록(368)으로 진행하여 블록(356)에서 결정된 클립 지속시간과 동일하게 단상에 대한 클립 지속시간을 설정하고 블록(372)으로 진행하여 단상용 트리거 제어신호가 블록(370)에서 결정된 지속시간을 갖도록 발생되어 트리거 제어신호의 위상 폭의 지속시간에 대한 각 모터 권선에 AC 전압이 인가되는 것을 차단한다. 그래서, 순서는 지점(A)으로 진행하여 다시 다음 인터럽트를 평가하도록 결정블록(324)의 입력단으로 되돌아온다.

수신된 인터럽트가 내부 타이머와 결정 결과가 긍정적인지 여부에 따라 발생된 것인지 결정하는 블록(326)을 보면, 순서는 블록(336)으로 진행하여 계산기는 클립 영역을 지속시키는 시간의 경과를 계산한다. 즉, 트리거 제어신호의 펄스 폭이 제공된 어떤 클립 지속시간 플러스 조정에 상응하는 재 보충(refill) 값으로 다시 보충된다. 상기 타이머가 보충된 후에 순서는 클립 영역의 끝 방향에 필요로 되는 증가 또는 감소 계산기 루틴인 블록(338)으로 진행한다. 계산을 하는 동안, 인터럽트 루틴은 클립 영역이 계산되는지 결정하여 클립 영역에 대한 특정 계산이 클립 영역의 끝에 상응하는 제로에 도달하는지를 체크한다. 그래서 결정 블록(340) 초기에 상기 루틴은 세 개의 클립 영역에 관한 계산기가 제로에 도달하는지를 결정하여 블록(342)에서 결과가 "yes"이면, 계산은 상기 트리거 제어신호 펄스의 트레일링 에지에 해당하는 클립 영역의 끝을 표시하면서 정지된다. 트리거 발생기는 그 교차(alternation)의 클립 영역을 끝마치기 위해 양으로의 전환을 일으킨다.

그 후 순서는 지점(A)으로 진행하여 루틴은 블록(324)의 입력단으로 되돌아온다. 블록(340)을 보면 세 개의 클립(3) 영역에 관한 계산기가 제로에 도달하는지 결정하여 답이 부정이면, 순서를 결정 블록(344)으로 진행하여 진행된 클립 영역이 두 위상인지를 결정하게 되고, 만일 그렇다면 계산기가 제로인지를 확인한다. 만일 답이 긍정이면, 순서는 블록(346)으로 진행하여 클립 영역 계산이 제로에서 멈추어 트리거 발생기가 두 위상에 관한 트리거 제어신호 펄스에 대하여 양 전환 트레일링 에지를 출력하여 클립 영역 끝으로 신호를 준다. 다시 순서는 지점(A)으로 진행하여 결정 블록(324)으로 돌아온다.

결정 블록(344)에서, 처리되는 클립 영역이 두 위상이 아니거나 계산이 제로가 되지 않는다면, 순서는 결정 블록(348)으로 진행한다. 블록(348)에서 위상이 단상으로 처리되고 이 위상에 관한 계산이 제로인지를 결정하여 만일 결과가 "no"라면, 순서는 지점(A)으로 진행하여 인터럽트 루틴 진행을 계속하도록 블록(324)의 입력단으로 되돌아온다. 하여간 결정 블록(348)에서 전류 클립 영역이 단상이고 제로라고 결정되면, 순서는 "yes"라는 라인을 따라 카운트를 위한 계산기 블록(350)으로 진행하여 하나의 클립 영역을 위한 시간 값이 정지되고 트리거 발생기는 양 진행 트레일링 에지와 단상용 클립 영역을 출력하여 순서는 지점(A)으로 계속 돌아와 다음 인터럽트 진행을 지속하도록 결정 블록(324)의 입력단으로 되돌아온다.

본 발명의 에너지 보존 전력인자 제어기(10)는 예를 들어 지하 매장물로부터 오일을 추출하는 펌핑 장치(pumping units)를 구동하는 단상 및 3상 AC 유도 모터와 같은 다양한 기계적인 부하 상태에서 작동되는 AC 모터에 인가된 전력을 제어하기 위한 것이다. 이와 같은 펌핑 장치는 펌핑 로드(rod)에 의해 번갈아 로드 되어지고 각 펌핑 사이클에 두 번 평형력을 대항한다. 더욱이, 두 마주한 부하는 각 사이클에 두 번 균형을 맞추어주고 펌프 구동 모터는 각 사이클을 두 번 언로드(unloaded) 되어진다. 상기 전력인자 제어기(110)는 지속적으로 변하는 부하에 의해 존재하는 최대와 최소 값 사이에서 최적의 효율과 비용을 유지하기 위하여 상기 펌프 구동 모터로 인가된 전력을 지속적으로 조정한다. 바람직한 실시예가 상세한 설명에서 기술되었지만, 청구범위에 한정되지 않고 본 발명의 기술 사상을 벗어남이 없이 다양한 변화와 응용 및 적용되어질 수 있다.

Claims (35)

1. AC 전압의 각 위상에 관하여 각 게이트를 갖고 AC 전압원에 연결되는 첫 번째 노드와 모터의 적어도 하나의 모터 권선에 연결되는 두 번째 노드 사이에 각각 양극이 마주하도록 평행하게 연결된 첫 번째 및 두 번째 SCR; 및

   상기 AC 전압과 상응하는 상기 모터 권선에서 AC 전압과 AC 전류의 감지된 제로교차 사건의 각 타이밍에 대한 응답으로 상기 각 첫 번째 및 두 번째 SCR을 제어하기 위한 상기 각 게이트, 상기 인가된 전압 및 상기 모터 권선에 연결되는 트리거 발생기를 포함하며,

   상기 첫 번째 및 두 번째 SCR은 상기 AC 전압이 각 번갈아 교차하는 동안 도통 상태로 번갈아 트리거 되어 시간에 비례하여 상기 전도상태로부터 첫 번째 제로교차를 통해 지나는 모터 권선을 가로지르는 교차가 존재하는 AC 전압 시간과 두 번째 제로교차를 통해 지나는 모터 권선에 존재하는 교차에 상응하는 AC 전류 시간사이의 시간에서 측정된 차이로 번갈아 제지되고 상기 측정된 차는 상기 시간에 상응하는 연속된 첫 번째 및 두 번째 인터럽트 사이의 시간차로 결정되어 상기 AC 전압과 상기 상응하는 AC 전류의 감지된 제로교차 사건은 트리거 발생기에 연결되어 연속된 작동 시간에 기초하여 비교되는 적어도 하나의 모터 권선을 가지며 AC전원이 가로질러 인가되는 모터상의 부하에 대한 AC 유도 모터로 사용하는 동적 매칭 에너지용 제어기.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 첫 번째 및 두 번째 SCR은 각 게이트는 상기 트리거 발생기에 의해 발생된 트리거 제어신호에 대해 응답하는 스위치와 함께 직렬로 저항을 지나 연결되는 것을 특징으로 하는 제어기.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 스위치는 상기 트리거 제어신호에 의해 제어되는 광 신호에 응답하는 감광 트라이액인 것을 특징으로 하는 제어기.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 첫 번째 SCR은 상기 첫 번째 노드와 상기 첫 번째 SCR의 게이트 사이에 연결되는 첫 번째 게이트 구동회로를 포함하고, 상기 두 번째 SCR은 상기 두 번째 노드와 상기 두 번째 SCR의 게이트 사이에 연결되는 두 번째 게이트 구동회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 제어기.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 첫 번째 및 두 번째 SCR의 상기 각 게이트는 상기 트리거 발생기에 의해 발생된 트리거 제어신호에 응답하는 스위치와 함께 직렬로 저항을 지나 연결되는 것을 특징으로 하는 제어기.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 스위치는 상기 트리거 제어신호에 의해 제어되는 광 신호에 응답하는 감광 트라이액인 것을 특징으로 하는 제어기.
7. 제 4 항에 있어서, 상기 첫 번째 및 두 번째 게이트 구동회로는 스트링 다이오드와 함께 평행하게 연결되는 저항을 포함하고, 상기 스트링 다이오드의 캐소드 단자는 상기 SCR의 각 게이트에 연결되는 것을 특징으로 하는 제어기.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 첫 번째 및 두 번째 SCR은 상기 모터 권선의 각 위상을 제어하기 위하여 쌍으로 결합되는 것을 특징으로 하는 제어기.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 첫 번째 노드와 두 번째 노드는 그 사이에 직렬로 연결되는 저항과 콘덴서를 포함하는 것으로 특징으로 하는 제어기.
10. 제 1 항에 있어서, 상기 트리거 발생기는 상기 모터 권선으로 인가되는 AC 전압을 감지하기 위한 첫 번째 입력단;

    상기 모터 권선으로 인가되는 AC 전압에 상응하는 상기 모터 권선에서 상기 AC 전류를 감지하기 위한 두 번째 입력단;

    상기 첫 번째 및 두 번 째 SCR을 제어하기 위한 트리거 제어신호를 제공하는 출력단; 및

    상기 연속적인 작동 시간 베이스를 포함하고 상기 트리거 제어신호를 발생시키기 위해 상기 첫 번째 및 두 번째 입력단에 각각 상응하는 첫 번째 및 두 번째 인터럽트에 응답하는 제어수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 제어기.
11. 제 10 항에 있어서, 상기 첫 번째 입력단은 상기 AC 전압의 샘플을 제공하기위하여 첫 번째 노드에서 첫 번째 입력단으로 연결된 분배 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 제어기.
12. 제 10 항에 있어서, 상기 두 번째 입력단은 상기 두 번째 노드에 연결된 입력측과 모터에서 AC 전류의 제로교차에 응답하는 논리 전환을 제공하기 위한 출력측을 갖는 절연 수단; 및 상기 전력 수단의 상기 출력측과 상기 두 번째 입력단 사이에 연결된 비교기 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 제어기.
13. 제 12 항에 있어서, 상기 절연 수단의 출력단과 비교기 수단은 그 사이에 연결되는 논리 전환으로부터 노이즈를 제거하기 위한 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 제어기.
14. 제 12 항에 있어서, 상기 절연 수단은 양방향 LED 입력측과 포토레지스터 출력측을 갖는 옵토커플러(optocoupler)를 포함하는 것을 특징으로 하는 제어기.
15. 제 12 항에 있어서, 상기 비교기는 상기 논리 전환이 연결되는 첫 번째 입력단과 두 번째 입력단을 갖는 차동 증폭기; 및

    상기 두 번째 입력단에 연결되는 차동 신호를 포함하는 것을 특징으로 하는 제어기.
16. 제 10 항에 있어서, 상기 제어 수단은 상기 AC 전압의 선택된 위상에서 발생되는 첫 번째 인터럽트와 상기 AC 전압의 선택된 위상 동안의 두 번째 인터럽트 사이의 경과된 시간을 측정하기 위한 수단;

    미리 설정된 알고리즘에 따라 상기 경과된 시간과 미리 결정된 인자의 결과를 계산하기 위한 수단; 및

    상기 두 번째 인터럽트의 수신에 이어 첫 번째 시간 차 내에서 상기 결과와 실질적으로 동일한 지속시간을 갖는 상기 트리거 제어신호를 발생시키기 위한 수단을 포함하며,

    상기 첫 번째 및 두 번째 게이트 구동회로는 상기 트리거 제어신호의 지속시간 동안 억제되는 것을 특징으로 하는 제어기.
17. 제 16 항에 있어서, 상기 트리거 제어신호의 지속시간은 조정 가능한 것을 특징으로 하는 제어기.
18. 제 10 항에 있어서, 상기 제어수단은 상기 AC 유도 모터의 각 권선에 대한 AC 전압의 모든 위상에 관하여 제어 기능이 일체로 된 단일 처리 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 제어기.
19. 제 1 항에 있어서, 상기 제어기는 상기 첫 번째 노드와 접지 사이에 연결된 첫 번째 콘덴서; 및

    상기 두 번째 노드와 상기 접지 사이에 연결된 두 번째 콘덴서를 포함하는 것을 특징으로 하는 제어기.
20. 제 1 항에 있어서, 상기 제어기는 상기 트리거 발생기를 둘러싸고 접지에 연결되는 전도성 실드(shield)를 포함하는 것을 특징으로 하는 제어기.
21. 제 20 항에 있어서, 상기 제어기는 상기 첫 번째 및 두 번째 제로교차에 상응하는 신호를 전송하는 각 도체와 트리거 제어신호를 전송하는 각 도체를 둘러싸며, 상기 접지에 연결되는 전도성 실드를 포함하는 것을 특징으로 하는 제어기.
22. 제 1 항에 있어서, 상기 첫 번째 및 두 번째 SCR은 상기 AC 전압의 각 번갈아 교차하는 동안 상기 AC 전류의 각 제로교차에 이은 미리 결정된 간격 동안 상기 트리거 발생기에 의해 전도로부터 차단되는 것을 특징으로 하는 제어기.
23. 제 18 항에 있어서, 상기 미리 결정된 간격은 상기 첫 번째와 두 번째 인터럽트에 대한 응답으로 계산되는 것을 특징으로 하는 제어기.
24. 제 19 항에 있어서, 상기 첫 번째 및 두 번째 인터럽트가 상기 AC 유도 모터의 전력인자에 대한 비례하는 시간 간격을 규정하는 것을 특징으로 하는 제어기.
25. 제 4 항에 있어서, 상기 첫 번째 및 두 번째 게이트 구동회로는 상기 AC 전압이 각 번갈아 교차하는 동안 상기 AC 전류의 각 제로교차에 이은 미리 결정된 간격 동안 상기 트리거 발생기에 의해 차단되는 것을 특징으로 하는 제어기.
26. 제 25 항에 있어서, 상기 미리 결정된 간격은 상기 첫 번째 및 두 번째 인터럽트에 대한 응답으로 계산되는 것을 특징으로 하는 제어기.
27. 제 26 항에 있어서, 상기 첫 번째 및 두 번째 인터럽트는 상기 AC 유도 모터의 전력인자에 비례하는 시간차를 규정하는 것을 특징으로 하는 제어기.
28. 제 1 항에 있어서, 상기 첫 번째 및 두 번째 노드 사이에 연결된 저항 분배기 회로는 상기 모터의 부하로 사용하는 에너지에 상응하는 측정된 차에 대한 응답 시간을 규정하기 위하여 선택적으로 개폐되는 것을 특징으로 하는 제어기.
29. 제 1 항에 있어서, 상기 첫 번째 및 두 번째 노드 사이에 연결된 상기 저항 분배기 회로는 상기 두 번째 제로교차 이후 두 번째 시간 경과에 이어 선택적으로 닫히는 것을 특징으로 하는 제어기.
30. 양방향 게이트-제어 스위치가 스위치와 모터 사이에 인가되는 AC 전압의 각 극에 관한 첫 번째 및 두 번째 게이트를 포함하며, 첫 번째 노드에 연결된 AC 전압과 두 번째 노드에 연결되는 적어도 하나의 모터 권선 사이에 직렬로 연결되는 단계;

    상기 AC 전압과 상기 AC전압에 상응하는 상기 모터 권선의 AC 전류의 감지된 제로교차 사건의 응답 시간에 대한 AC 전압 응답의 각 극을 제어하기 이하여 양방향 게이트-제어 스위치의 첫 번째 및 두 번째 게이트에 과하여 트리거 제어신호를 발생시키는 단계;

    양방향, 게이트-제어 스위치가 교차되는 AC 전압에 전도 상태로 교대로 트리거 되는 단계; 및

    첫 번째 제로교차를 통과하는 모터 권선을 가로질러 교차되는 AC 전압 시간과 두 번째 제로교차를 통과하는 모터 권선에서 교차되며 지속적인 작동 시간을 기초로 하여 비교되는 AC 전류에 상응하는 시간 사이에 측정된 시간차에 비례하는 시간과 AC 전압의 제로교차 사건이 감지된 시간에 상응하는 연속되는 첫 번째 및 두 번째 인터럽트 사이에서 시간차로 결정된 측정차에 관하여 AC 전압이 각 교차하는 동안 양방향, 게이트-제어 스위치의 유도를 차단하는 단계를 포함하며,

    적어도 하나의 모터 권선을 가지며 AC 전압이 인가되는 모터에 대한 부하로 AC 유도 모터에 의해 사용되는 에너지를 동적으로 균등하게 하는 방법.
31. 제 30 항에 있어서, 상기 트리거 제어신호에 대한 응답하는 스위치를 직렬로 첫 번째 저항을 지나 첫 번째 및 두 번째 게이트와 함께 연결하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
32. 제 31 항에 있어서, 상기 연결 단계는 첫 번째 노드와 첫 번째 게이트 사이에 첫 번째 게이트 구동회로를 연결하는 단계; 및

    두 번째 게이트와 두 번째 노드 사이에 두 번째 게이트 구동회로를 연결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
33. 제 30 항에 있어서, 상기 연결 단계는 첫 번째 및 두 번째 노드 사이에 서로 평행하게 양극단으로 마주한 첫 번째 및 두 번째 SCR을 연결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
34. 제 30 항에 있어서, 상기 발생 단계는 적어도 하나의 모터 권선에 인가된 AC전압을 감지하여 첫 번째 제로교차에 상응하는 첫 번째 인터럽트를 출력하는 단계;

    적어도 하나의 모터 권선에 인가된 AC 전압에 상응하는 적어도 하나의 모터 권선에 흐르는 AC 전류를 감지하여 상기 두 번째 제로교차에 상응하는 두 번째 인터럽트를 출력하는 단계; 및

    첫 번째 시간차에서 시작하여 두 번째 인터럽트의 발생에 이어 첫 번째 인터럽트의 발생과 두 번째 인터럽트의 발생 사이의 시간차에 비례하여 경과된 시간으로 끝나는 트리거 제어신호를 발생시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 단계.
35. 제 31 항에 있어서, 상기 차단 단계는 첫 번째 및 두 번째 게이트와 함께 연결된 첫 번째 저항이 직렬로 연결되는 스위치는 개방하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.