KR20040068870A - 가변 릴럭턴스 장치 및 가변 릴럭턴스 장치의 발전기동작방법 - Google Patents

가변 릴럭턴스 장치 및 가변 릴럭턴스 장치의 발전기동작방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 발전기로 동작하는 가변 릴럭턴스 장치 및 가변 릴럭턴스 장치의 발전기 동작 방법에 관한 것으로, 본 발명의 가변 릴럭턴스 발전기는 위상 권선과 바이어스 권선을 갖는다. 바이어스 권선에 의해 산출된 여자(excitation), 해당 가변 릴럭턴스 장치의 속도 또는 DC 링크를 제어함으로써, 단지 다이오드만을 사용하는 전력 컨버터가 DC 버스로 전력을 공급할 수 있다.

Description

가변 릴럭턴스 장치 및 가변 릴럭턴스 장치의 발전기 동작방법{Variable reluctance generator}
본 발명은 발전기로 동작되는 릴럭턴스 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 위상 권선 회로에서 액티브 스위치의 사용 없이 부하(load)를 발생시킬 수 있는 가변 릴럭턴스 발전기의 동작에 관한 것이다.
스위치드 릴럭턴스 시스템의 특성 및 동작은 종래 기술에 잘 알려져 있으며, 예를 들면, 1993년 6월 21일 ~ 24일 독일 뉘른베르그(Nurnberg)에서 개최된 PCIM'93 기술 발표회에서 발표된 스티븐슨(Stephenson)과 블레이크(Blake)의 논문"스위치드 릴럭턴스 모드 및 드라이브의 특징, 설계 및 응용(The characteristics, design and application of switched reluctance motors and drives)"에 기술되어 있고, 이 논문은 본 명세서에 인용되어 있다.
도 1a는 일반적인 스위치드 릴럭턴스 드라이브의 개략적인 구성도이다. 도 1a를 참조하면, 스위치드 릴럭턴스 장치(12)는 부하(19)에 연결되어 있다. DC 전원 공급부(11)는 다른 형태의 전기 저장매체이거나 배터리 또는 정류되고 필터링된 AC(교류) 주 전원일 수 있다. DC 전원 공급부(11)에 의해 공급되는 DC 전압은 전자 제어 유닛(14)의 제어를 받는 전력 컨버터(13)에 의해 스위치드 릴럭턴스 장치(12)의 위상 권선(16) 양단에서 스위칭된다. 이 스위칭은 스위치드 릴럭턴스 드라이브의 적절한 동작을 위해 회전자의 회전각에 정확히 동기화되어야만 한다. 그리고 회전자 위치 검출기(15)는 일반적으로 회전자의 각도 위치에 대응되는 신호를 공급하는데 이용된다. 회전자 위치 검출기(15)는 소프트웨어 알고리즘의 형태를 포함한 다양한 형태를 가질 수 있으며, 회전자 위치 검출기(15)의 출력 또한 속도 피드백 신호를 생성하는데 이용될 수 있다. 회전자의 순간적 위치에 전적으로 의존되는 여자 전략(excitation strategy)의 사용과 상기 위치 검출기의 존재는 이러한 장치들이 "회전자 위치 스위치드"의 일반적인 설명을 가지도록 한다.
많은 상이한 전력 컨버터 토폴로지가 공지되어 있으며, 이중 여러 개의 토폴로지가 상기에서 인용한 스티븐슨 논문에서 다루어지고 있다. 도 2는 다상(polyphase) 시스템의 단일 위상에 대한 가장 통상적인 구성 중의 하나를 도시하고 있다. 도 2를 참조하면, 스위치드 릴럭턴스 장치의 위상 권선(16)은 버스바(26, 27) 양단의 두 개의 액티브 스위칭 소자(21, 22)와 직렬로 연결되어 있다. 버스바(26, 27)는 통틀어 전력 컨버터의 "DC 링크"로서 기술된다. 에너지 복구 다이오드(23, 24)는 액티브 스위칭 소자(21, 22)가 개방될 때, 위상 권선의 전류가 DC 링크로 환류되도록 위상 권선에 연결되어 있다. 작은 값을 갖는 저항(28)은 하부의 액티브 스위칭 소자(22)와 직렬로 연결되어 단순한 전류 변환기로서 동작한다. "DC 링크 커패시터"로 공지된 커패시터(25)는 DC 전원 공급부로부터 유도되거나 DC 전원 공급부로 복귀할 수 없는 DC 링크 전류의 어떤 교류 성분(예컨대, "리플 전류")을 제공하거나 감소시키기 위해 DC 링크의 양단에 연결되어 있다. 실제로, 상기 커패시터(25)는 직렬 및/또는 병렬로 연결된 복수의 커패시터를 포함할 수 있다. 여기서, 병렬 연결이 사용되는 경우, 몇몇 소자들은 전력 컨버터의 도처에 분포될 수 있다.
도 3은 스위치드 릴럭턴스 장치가 모터링 모드일 때, 도 2에 도시된 회로의 두 동작 사이클(cycles)에 대한 파형을 도시하고 있다. 도 3a는 액티브 스위칭 소자(21, 22)가 닫혀졌을 때, 전도 각()의 기간 중에 "온 앵글(on angle)"()에 사용되는 전압을 도시하고 있다. 도 3b는 피크에 도달한 후 약하게 떨어지는 위상 권선(16) 내의 전류를 도시하고 있다. 전도 기간의 끝인 "오프 앵글(off angle)"()이 되면, 액티브 스위칭 소자들이 개방(open)되고 상기 전류가 에너지 복구 다이오드들(23, 24)로 인가되어 위상 권선의 양단에 역전된 링크 전압을 위치시킴으로써 전류 및 플럭스(flux)를 '0'으로 감소시킨다.
전류가 '0'일 때, 에너지 복구 다이오드들(23, 24)은 동작을 멈추고, 해당 회로는 다음 전도 기간의 시작이 되기까지 동작하지 않는다. 도 3c에 도시된 바와같이, 액티브 스위칭 소자들(21, 22)이 개방되었을 때, DC 링크의 전류는 역전되고, 해당 역전된 전류는 DC 전원 공급부로 복귀하는 에너지를 나타낸다. 상기 전류 파형의 형태는 스위치드 릴럭턴스 장치의 동작 점과 적용된 스위칭 전략에 의존하여 변한다. 예를 들어, 상기에서 인용한 스티븐슨 논문에서 잘 알려진 바와 같이, 낮은 속도 동작은 일반적으로 전류 쵸핑을 사용하여 피크 전류를 유지하고, 액티브 스위칭 소자들을 동시에 스위칭 오프하지 않기 위해 "프리휠링(freewheeling)"으로 알려진 동작 모드를 부여한다.
종래 기술로 잘 알려진 바와 같이, 스위치드 릴럭턴스 장치는 발전 모드(generating mode)로 동작될 수 있다. 도 1b는 전형적인 장치를 도시하고 있는데, 여기서, 도 1a의 부하(19)는 기계적 에너지를 공급하는 내연기관과 같은 원동기(prime mover)(19')가 된다. 도 1a의 DC 전원 공급부(11)는 도 1b의 전기적 부하(11')가 되고, 해당 부하(11')는 전력 컨버터(13)를 통해 스위치드 릴럭턴스 장치(12)로부터의 에너지를 받아들인다. 일반적으로, 위상 전류는 모터링 모드에서의 위상 전류의 미러 이미지(mirror images)이다. 이러한 시스템은 예를 들어, 1994년 2월 13일 ~ 17일 플로리다 올랜도에서 개최된 IEEE 9회 응용 전력 전자 회의의 회보록 페이지 41 ~ 47에 라둔(Radun)에 의해 발표된 "Generating with the switched reluctance motor"에 기술되어 있다.
도 4a는 상기 시스템이 모터링 모드일 때 플럭스 파형과 전류 파형을 나타내고, 도 4b는 상기 시스템이 발전 모드일 때 플럭스 파형과 전류 파형을 나타낸다. 도 4b에 도시된 바와 같이, 스위치드 릴럭턴스 장치는 에너지가 DC 링크로 복귀하기 전에 "프라이밍(primming)" 플럭스 또는 자화 플럭스를(이 플럭스를 지원하는필요 전류와 함께) 정착시켜야 함을 이해할 수 있다. 즉, DC 링크로 복귀되는 더 많은 양의 기계적 에너지를 바꾸기 전에, 가변 릴럭턴스 장치를 프라이밍하기 위해 DC 링크로부터 일부 전기적인 에너지가 요구된다.
스위치드 릴럭턴스 장치용 전력 컨버터에는 여러 종류의 토폴로지가 사용되지만, 이들 모든 토폴로지들은 소정 수의 액티브 스위치들을 사용하고, 이러한 액티브 스위치들은 전력 컨버터의 비용 중 상당 부분을 차지한다. 위상 당 스위치(switches per phase)의 수를 감소시키기 위한 오랜 세월에 걸쳐 상당한 노력이 있어 왔다.
본 발명은 첨부된 독립 청구항에 정의되어 있다. 본 발명의 일부 양호한 특징들은 각각의 종속항에 언급되어 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유용한 전력은 종래의 전력 스위치를 동작시키지 않고 가변 릴럭턴스 장치에 의해 발생된다. 바이어스 플럭스가 자기 회로로 도입되는데, 해당 플럭스의 크기는 회전자 위치에 따라 변한다. 전력 발생은 바이어스 플럭스에 의해 위상에 유도된 크기 이하로 위상 전압을 제한함으로써 달성될 수 있다. 따라서, 본 발명의 전력을 발생시키기 위한 장치 및 방법은, 가변 릴럭턴스 장치의 전력 컨버터에 존재하는 액티브 스위치들을 가지지 않거나 또는 실제로는 존재하지만 이 모드 동작 동안에는 동작하지 않기 때문에 실질적으로는 존재하지 않는 것과 같은 전력 스위치에 의해 달성될 수 있다.
바이어스 플럭스와 제한된 전압과 연관된 바이어스 플럭스 간의 플럭스 차는 전류에 의해 지원되는 플럭스를 나타내는데, 여기서 해당 플럭스 차는 위상 권선에흐르도록 유도된다. 그러므로, 본 발명은 가변 릴럭턴스 장치 또는 가변 릴럭턴스 장치의 각 위상에서 전력을 발생한다. 위상 전압은 위상에 접속된 다이오드 또는 다이오드 브리지 배열 등과 같은 반도체 소자에 의해 제한될 수 있다. 이러한 시스템에서 반도체 소자는 위상에서 전류의 흐름을 한 방향으로 제한하여 사용 가능한 정류된 전원을 공급하는 역할도 한다. 위상 전압을 제한하기 위한 다른 소자로는 정류하는 레벨을 제어 가능한 사이리스터가 있다.
자기 회로에서 플럭스는 가변 릴럭턴스 장치의 일부 또는 모든 위상 권선에 자기적으로 연결된 하나 이상의 코일에 의하여 바이어스될 수 있다. 코일의 여자는 일정하거나 또는 가변될 수 있다. 플럭스 바이어싱의 다른 방법은 위상(들)과 관련된 자성체 또는 영구 자석을 배열하는 것이다. 바이어스 코일(들) 또는 자석은 가급적이면 고정자, 위상 권선(들)과 같은 종류의 구성요소로 정해진다.
본 발명은 종래의 스위치드 릴럭턴스 발전기 방식에서 필요로 하는 전력 스위치를 제공해야 하는 문제점을 해결할 수 있다는 분명한 장점이 있다. 스위치드 릴럭턴스 발전기에서 사용되는 종래의 전력 스위치는, 본 발명에 따르면 있을 필요가 없다. 선택적으로, 본 발명에 따른 동작 모드는 종래의 스위치드 릴럭턴스 드라이브 시스템에서 셋 업될 수 있고, 동작 모드의 범위 중 하나로서 임시적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 전기 차량 또는 하이브리드 전기 차량을 위한 드라이브는 원동기 또는 원동기의 일부로서 스위치드 릴럭턴스 드라이브를 포함할 수 있다. 이러한 시스템에서, 스위치드 릴럭턴스 드라이브는 적정 시간에 발전기와 원동력의 소스로서 사용되어 왔다. 본 발명은 존재하지 않는다기 보다는 단순히 동작하지 않는 상태로 있는 전력 스위치들이 사용되는 동일한 드라이브가 허용될 수 있다. 이것은 동작의 개선된 효과를 가져올 수 있다.
도 1a는 종래 기술에 따른 모터로 동작하는 스위치드 릴럭턴스 드라이브에 대한 개략적인 구성도,
도 1b는 종래 기술에 따른 발전기로 동작하는 스위치드 릴럭턴스 드라이브에 대한 개략적인 구성도,
도 2는 종래 기술에 따른 도 1a 또는 도 1b의 스위치드 릴럭턴스 장치에 대한 여자 회로도,
도 3a는 도 2에 도시된 회로의 위상 전압 파형에 대한 도면,
도 3b는 도 3a에 대응되는 위상 전류 파형에 대한 도면,
도 3c는 도 3a에 대응되는 전원 전류 파형에 대한 도면,
도 4a 및 도 4b는 모터링 모드 및 발전 모드 각각에 대한 플럭스 파형과 전류 파형에 대한 도면,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 발전 시스템에 대한 구성도,
도 6a는 스위치드 릴럭턴스 장치의 적층 및 권선에 대한 개략적인 도면,
도 6b는 다른 예의 스위치드 릴럭턴스 장치의 적층 및 권선에 대한 개략적인 도면,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 기본 인덕턴스 파형, 플럭스-링키지 파형 및 전압 파형에 대한 도면,
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 플럭스-링키지 파형, 전압 파형 및 전류 파형에 대한 도면,
도 9a는 도 5에 도시된 회로의 일 변형 예를 나타낸 도면,
도 9b는 도 5에 도시된 회로의 더 많은 변형 예를 나타낸 도면,
도 10은 도 5에 도시된 회로의 더욱 더 변형 예를 나타낸 도면,
도 11은 도 10의 동작에 대응되는 파형 세트를 나타낸 도면,
도 12는 도 9a와 도 10의 구성요소를 결합한 회로에 대한 도면,
도 13 내지 도 15는 다른 동작 조건에 따라 도 12의 동작에 대응되는 파형 세트를 나타낸 도면,
도 16a 및 도 16b는 본 발명의 일 면에 따른 가변 릴럭턴스 발전기의 델타 및 스타 연결관계를 나타낸 도면이다.
본 발명의 특징적인 구성에 따르면, 적어도 하나 이상의 위상 권선을 갖는 가변 릴럭턴스 장치를 발전기로 동작시키는 방법이 제공된다. 그리고, 그 방법은 적어도 하나 이상의 위상 권선 또는 위상 권선을 연결하는 바이어스 플럭스를 생성하는 단계; 및 상기 바이어스 플럭스에 의해 위상 권선에 유도되는 크기 이하로 위상 전압을 한정하는 단계를 포함한다.
또한, 본 발명은 적어도 하나 이상의 위상 권선을 가지는 제1부와, 전력을 발생시키는 제1부에 관련되어 움직이도록 배열된 제2부를 가지는 가변 릴럭턴스 장치로 확장된다. 상기 가변 릴럭턴스 장치는 적어도 하나 이상의 위상 권선 또는 위상 권선을 연결하는 바이어스 플럭스를 생성하는 수단; 및 상기 바이어스 플럭스에 의해 위상 권선에 유도되는 위상 전압의 크기 이하로 한정하는 수단을 포함한다.
위상 전압은 초기에 '0' V로 제한될 수 있다. 이는 상기에서 상술한 바와 같이 위상 전압을 제한하기 위한 다이오드의 사용으로 손쉽게 행해질 수 있다. 더욱이, 다이오드는 위상에서 전류의 흐름을 한 방향으로 제한하는 역할도 하므로 정류된 출력 전력을 공급할 수 있다. 이러한 다이오드는 정류 회로 공급장치 예를 들어, 풀-웨이브(full-wave) 정류기의 일부분이 될 수 있다.
본 발명에 따른 가변 릴럭턴스 발전기의 출력은 발전기 속도, 적어도 하나의 위상에 생성된 바이어스 플럭스, 또는 DC 링크의 양단 전압을 제어함에 따라 제어될 수 있다.
본 발명의 다른 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조한 본 발명의 실시예에대한 상세한 설명을 통해서 명백해질 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 릴럭턴스 장치 시스템의 단일 위상에 대한 개략적인 구성도이다. 본 발명의 시스템은 단일 위상 또는 다상(polyphase)을 가질 수 있다. 도 2에서 설명한 종래 기술 시스템과 동일한 구성요소들에 대해서는 동일한 참조부호를 부여했다. 또한, 본 발명의 가변 릴럭턴스 장치는 일정한 전류원(20)을 공급받는 바이어스 권선(18)을 포함한다. 위상 권선(16)에 관한 바이어스 권선(18)의 자기 극성은 통상적인 방법으로 점으로 표시했다. 바이어스 권선(18)의 전류는이고, 전압은이며, 이때,는 위상 전압()과 바이어스 권선의 자기 커플링에 의해 유도된다.
여기서,는 바이어스 권선(18)의 권선수이고,는 위상 권선(16)의 권선수이다.
물리적인 관점에서, 바이어스 권선(18)은 6개의 고정자 전극들(61)과 4개의 회전자 전극들(64)을 가지는 가변 릴럭턴스 장치의 예를 개략적으로 도시한 도 6a와 같이, 가변 릴럭턴스 장치의 전기적 피치(pitch)의 반을 회전시킨 단일 권선을 포함한다. 회전자(66)는 고정자의 안쪽에서 회전하기 위해 샤프트(shaft)(68)에 축설된다. 고정자 전극들(61)은 코일들(63)을 권선하고, 일반적으로 세 개의 위상 권선을 제공하기 위해 직렬 또는 병렬로 연결되어 있다. 여기서, 세 개의 위상 권선중 하나가 도 5에 도면 부호 16으로 도시되어 있다. 바이어스 권선(18)은 가변 릴럭턴스 장치의 지름 양단에 위치하는 단일 코일(65)을 포함하기 때문에 대향되게 배열된 루프에서 전극의 반을 감싼다.
다른 방법으로는 도 6b에 도시된 바와 같이, 바이어스 권선은 전극들의 모두 또는 적어도 일부에 동일한 전극상의 위상 권선(16)의 코일들(63)과 동일한 방법으로 전극을 각각 감싸는 멀티플(multiple) 코일들(65')이 구성될 수 있다. 그러나, 동일한 전극상의 위상 권선(16)의 코일들(63)과는 분리된다.
상기 코일들(65')이 직렬로 연결되기 때문에 각각의 전류는 동일하다. 이 경우, 직렬로 연결된 6개의 바이어스 코일들은 도 6a의 단일 코일(65)과 동등하다.
상술한 두 배열들이 자기적으로 유사하다는 것은 플럭스 경로를 조사함으로써 알 수 있으며, 두 배열은 가변 릴럭턴스 장치의 이용 가능한 공간과 앤드 권선(end-windings)의 크기와 같은 요소들을 고려하여 선택될 수 있다.
다른 형태의 바이어스 권선이 사용될 수 있다. 예를 들어, 바이어스 권선은 바이어스 플럭스를 지원하는 마그네토(magneto) 유도 에너지(force)가 백-아이언(back-iron) 주위에 적용된 고정자의 백-아이언을 둘러싸는 그램 링 형(gramme-ring type) 권선을 포함한다. 하지만, 모든 경우에서, 바이어스 권선은 가변 릴럭턴스 장치의 전기적 피치의 반(1/2)으로부터 다른 반(1/2)을 향하여 플럭스를 셋 업한다. 이러한 상이한 모든 바이어스 권선 배열들은 공기 갭(air gap)에서 플럭스 패턴이 동일하다. 다상 가변 릴럭턴스 장치에서, 총 플럭스는 일정한 바이어스 전류를 위해 본질적으로 일정한 크기일 것이다. 바이어스 플럭스의 다른 소스로 영구 자석이 바이어스 권선(18)을 대신하여 사용될 수 있다. 그러나, 이러한배열은 전류가 제어될 수 있는 감겨진 코일의 유연성이 결핍된다.
가변 릴럭턴스 장치의 동작은 도 5의 회로를 참조하여 설명한다. 설명을 단순화하기 위해, 본 발명의 가변 릴럭턴스 장치는 자기적으로 선형이라고 가정한다. 또한, 전류원(20)은 바이어스 권선(18)에 유도되는 어떤 전압에 관계없이 일정한 바이어스 전류()를 유지할 수 있는 이상적인 것이라 가정한다. 그리고, 스위치(21, 22)는 개방되어 있다.
위상 권선(16)의 인덕턴스 프로파일은 도 7에 도시된 바와 같다. 그 인덕턴스 프로파일은 가변 릴럭턴스 장치의 적층의 자기 결합구조에 의해 결정된다. 이러한 인덕턴스가 여자 암페어(amp) 당 플럭스-링키지(flux-linkage)로 정의되기 때문에, 위상 권선(16)의 플럭스는 다음과 같이 정의된다.
그리고, 임의의 전류() 값이 도 7에 도시된다. 다음으로, 일정한 전류() 동안에 플럭스-링키지 그래프는 인덕턴스와 동일한 형태를 갖는다. 패러데이 법칙(Faraday's Law)에 의해, 위상 권선(16)에 유도되는 전압은 다음과 같이 산출된다.
여기서,는 회전자의 각도 변위이고,는로서 속도를 나타낸다.
인덕턴스 프로파일의 기울기는 구분적으로 선형이기 때문에, 도 7에 도시된 바와 같이, 위상 권선(16)에 유도된 전압()은 직사각형의 형태를 갖는다. 그리고, 전압()의 크기는 수학식 2 및 수학식 3에 의해 속도()와 바이어스 전류()에 비례한다. 상기 전압이 증가함에 따라 DC 링크 전압의 크기와 같은 점(point)이 생긴다. 도 5를 참조하면, 마이너스 전압 진폭이 DC 링크 전압과 동일하게 될 때, 다이오드(23, 24)는 순방향으로 바이어스되어 위상 전압을 클램핑(clamping)한다. 이것은 도 8에 도시된다. 수학식 3에서,의 클램핑은가 X라인과 같이 그것이 다른 방법에 의해 가지는 기울기보다 Y라인에 보이는 것처럼 낮은 기울기를 갖도록 클램프한다.
여기서, 도 8에 도시된 바와 같이, 두 라인 사이의 플럭스-링키지 차는 다이오드로 흐르는 전류에 의해 지원되는 플럭스를 나타낸다. 이때, 전압 파형과 전류 파형이 비대칭임을 알 수 있다.
스위치(21, 22)가 사용되지 않기 때문에, 가변 릴럭턴스 장치가 모터링 모드로 사용되지 않는다면 도 5의 회로는 도 9a 또는 도 9b와 같이 간소화될 수 있다. 이것은 DC 링크에 연결되는 액티브 스위치를 가지지 않는 가변 릴럭턴스 발전기를 위한 전력 컨버터를 생기게 한다. DC 링크 커패시터(25)는 발생된 에너지를 소비하는 저항(90)으로 대체될 수 있으며, 시스템은 브러시리스 브레이크(brushlessbrake)로 사용된다. 이 경우, 다이오드는 초기의 '0' 값에서 '-IR' 인 마이너스 진폭 전압으로 클램프한다. 한편, 커패시터(25)는 배터리로 대체될 수도 있다.
도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에서 두 개의 다이오드(23, 24)는 두 개의 스위치(21, 22)를 대체하여 재 연결된다. 그리고, 종전대로, 하나 또는 더 많은 다이오드가 삭제될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예는 플러스로 동작중인 전압 진폭을 DC 링크 전압으로 클램프하기 때문에, 도 11에 도시된 바와 같이, 증가하는 플럭스의 기울기는 변한다. 이 경우, 플럭스 링키지가 다른쪽으로부터 감소되기 때문에, 전류 흐름은 위상 권선에서 반대 방향이 된다. 새로운 플럭스 링키지 라인이 인덕턴스 프로파일의 데드 존(dead zone) 아래로 떨어지기 때문에, 전류의 형태는 이전에 설명한 전류 형태와는 다르다.
도 8의 전류와 도 11의 전류를 합성하는 것은 도 12와 같이 연결된 4개의 다이오드를 이용하면 가능하다. 이것은 단일 위상 브리지의 형태로 연결되기 때문에, 이런 작업을 위한 표준 구성요소 패키지로 이용될 수 있다.
도 13은 DC 링크로 흐르는 전류를 제공하기 위해 결합된 도 8 및 도 11의 전류 파형을 도시하고 있다. 전류를 합성하는 동작은 도 8로부터 전류의 시작을 지연시킨다는 것을 알 수 있고, 해당 복합 파형이 최소 인덕턴스 영역 부분에서 불연속이 됨을 알 수 있다. 도 14에 도시된 바와 같이, 바이어스 전류 또는 속도가 증가하거나 또는 DC 링크 전압이 감소하여 어떤 포인트에 도달하면, 전류는 항상 한 쌍 또는 다른 쌍의 다이오드로부터 지원된다.
본 발명의 가변 릴럭턴스 장치는 여자 또는 속도가 더 증가하거나 또는 DC 링크 전압이 더 감소하면, 새로운 동작 모드로 동작하여 전이 상태가 된다. 이러한관점에서, 본 발명의 가변 릴럭턴스 장치는 본 명세서에서 인용한 EP 0537761A에 발표된 종래의 스위치드 릴럭턴스 드라이브 시스템의 연속 전류 모드와 유사하다. 저항을 무시한 이상적인 시스템에 대하여 도 15에 도시된 바와 같이, 안정 상태(steady state)에 도달하면, 플럭스가 증가하는 시간의 길이는 플럭스가 감소하는 시간의 길이와 정확하게 매치되고, 증가에서 감소로 변경되는 점의 위치는 본래의 플럭스 링키지 감소를 따른다. 증가 기울기와 감소 기울기가 동일하기 때문에, 동작 점은 임의의 여자 레벨로 결정된다. 인덕턴스 프로파일이 가로축에 대하여 대칭이 아니기 때문에 일반적으로 두 다이오드의 전류가 동일하지 않음을 알 수 있다. 이 모드는 본질적으로 안정하다. 왜냐하면, 어떤 불안의 원인이 증가하는 플럭스 링키지 라인을 더 작은 값으로 드라이브하고 감소하는 플럭스 링키지 라인을 더 큰 값으로 드라이브하기 때문에 이 시스템은 안정하다.
전류가 '0'으로 떨어질 때 다이오드들이 자기 정류하기 때문에, 상기에서 상술한 본 발명의 시스템은 샤프트 위치 정보가 필요하지 않다. 이 것은 더 많은 비용을 절감할 수 있다는 것을 의미한다. 본 발명에서 가변 릴럭턴스 장치의 바이어스 권선과 위상 권선 사이의 연결이 없다는 것을 알 수 있다. 즉, 바이어스 권선과 위상 권선 사이에 전기의 차단이 있다. 이것은 중요한 안전 효과를 줄 수 있다.
상기의 실 예로 사용된 시스템의 단일 위상은 단순히 하나의 예이고, 상기에서 개략적으로 설명된 그 원리와 예는 고정자 전극과 회전자 전극의 소정 조합과 소정 위상에 적용된다. 본 발명의 시스템이 세 개 또는 그 이상의 위상을 가질 경우, DC 링크에 선택적 연결이 가능하다. 예를 들어, 도 16a 및 도 16b에 도시된 바와 같이, 삼상(three-phase) 시스템은 델타 또는 스타(wye) 연결이 가능하다. 위상전압이 대칭이 아니기 때문에, 델타 연결에서 위상 전압은 어떤 특정 조건하에서 합계 '0'이 된다. 그 결과, 일반적으로 순환 전류는 보상하기 위해 델타 연결에 존재한다. 이와 유사하게, 전류가 대칭이 아니기 때문에, 스타 연결에서 위상 전류는 특정 조건하에서만 동일할 수 있다. 그 결과, 일반적으로 스타 포인트는 이것을 조정하기 위해 이동될 수 있다. 이런 연결방식에서, 다이오드들이 표준 삼상 브리지(three-phase bridge)를 형성하므로, 표준 구성요소 모듈이 사용될 수 있다.
본 기술 분야의 당업자들은 세 개 이상의 위상을 가지는 경우에도 이에 대응되는 링 및 방사상의 회로가 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
일반적으로, 사이리스터 또는 다른 실리콘 조정형 정류기 등과 같은 위상 조정 소자들은 제어의 정도를 더 주기 위하여 전체 다이오드들 또는 몇몇 다이오드들을 대신하여 사용될 수 있다. 이러한 시스템은 회전자 위치 정보를 필요로 하지 않지만(전류가 '0'을 통과할 때 위상 조정 소자들이 턴 오프되기 때문에), 본 발명의 간소화에 반하는 복잡성을 갖는다.
동작에 원동기는 어떤 적정 속도로 발전기를 회전시키는 것으로 가정한다. 개시 발전 동작의 일 실시예에 있어서, 제어 시스템은 적정 레벨의 전류가 바이어스 권선에 흐르도록 한다. 그러면, 전류가 DC 링크 위에 발생되고, 가변 릴럭턴스 장치의 속도 및/또는 바이어스 전류의 크기를 조정함에 따라 전력량이 이동된다. 본 기술 분야의 당업자들은 종래의 피드백 방법이 출력 제어로 이용될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 또한, 다른 실시예는 DC 링크의 모듈레이션(modulation)을 사용할 수 있다.
상기의 설명은 제어된 단일 방향의 바이어스 전류()를 기초로 한다. 그것이 제어되지 않은 바이어스 전류 또는 교류 바이어스 전류를 가지고 동작할 수도 있다는 것을 알지만, 그것은 본 발명의 가장 유용한 실시예일 수 있다. 위상 플럭스-링키지의 프로파일은 가변 릴럭턴스 장치의 인덕턴스 사이클의 주기에 비교되는 교류 바이어스 전류 주기의 길이에 의존하는 수퍼임포즈(superimpose)된 모듈레이션(modulation)을 가지는데, 이는 발생된 전류에 대응되는 모듈레이션을 가져온다.
위상 플럭스 링키지의 주기에 대응되는 바이어스 전류의 주기 동안에, 회로에서 다이오드의 수를 감소시킬 수 있는 기회가 있지만, 이 효과는 두 주파수를 동기시키는 복잡성에 의해 감소될 수 있다.
도 9, 도 10, 도 12 및 도 16의 회로는 모터링 모드에서 사용된 액티브 스위치를 필요로 하지 않지만, 만약 액티브 스위치가 사용된다면 그 시스템이 전력 컨버터의 재 구성없이 종래의 스위칭 모드와 본 발명에서 발전기로서 동작할 수 있다는 것은 분명하다.
당업자들은 본 발명을 벗어나지 않는 범위 내에서, 상기 설명한 본 발명의 배열을 변형시키는 것이 가능하다는 점을 인식할 수 있을 것이다. 따라서, 복수의 실시예에 관한 설명은 예시적인 것으로 본 발명을 제한하기 위한 것은 아니다. 당업자들은 상기 설명한 동작에 대해 상당한 변경을 하지 않고 약간의 변경이 가능하다는 점을 명확히 인식할 것이다. 본 발명은 다음의 특허청구범위에 의해서만 한정된다.
본 발명은 종래의 스위치드 릴럭턴스 발전기(generator) 방식에서 필요로 하는 전력 스위치를 제공해야 하는 문제점을 해결할 수 있다는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 샤프트 위치 정보가 필요하지 않으므로 더 많은 비용을 절감시킬 수 있다는 효과가 있다.

Claims (27)

  1. 적어도 하나 이상의 위상 권선을 가지는 가변 릴럭턴스 장치를 발전기로 동작시키기 위한 방법에 있어서,
    적어도 하나 이상의 위상 권선 또는 위상 권선을 연결하는 바이어스 플럭스를 생성하는 단계; 및
    상기 바이어스 플럭스에 의해 위상 권선에 유도되는 크기 이하로 위상 전압을 한정하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 가변 릴럭턴스 장치의 발전기 동작 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    위상 권선에서 전류의 흐름을 한 방향으로 제한하는 단계를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 가변 릴럭턴스 장치의 발전기 동작 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 전류 흐름은
    위상 전압을 제한하는데 도움을 주는 적어도 하나 이상의 다이오드에 의해 제한되는 것을 특징으로 하는 가변 릴럭턴스 장치의 발전기 동작 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 다이오드는
    풀-웨이브(full-wave) 정류 회로의 일부분인 것을 특징으로 하는 가변 릴럭턴스 장치의 발전기 동작 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 위상 전류는
    저항을 통하여 흐르는 것을 특징으로 하는 가변 릴럭턴스 장치의 발전기 동작 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    가변 릴럭턴스 장치의 전기적 출력은 바이어스 출력을 제어함으로써 제어되는 것을 특징으로 하는 가변 릴럭턴스 장치의 발전기 동작 방법.
  7. 제1항 내지 제6항의 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나 이상의 위상 권선을 연결하는 바이어스 플럭스는 바이어스 코일 또는 코일들을 가지고 생성되는 것을 특징으로 하는 가변 릴럭턴스 장치의 발전기 동작 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    가변 릴럭턴스 장치는 다상이고,
    상기 바이어스 코일(들)은 해당 가변 릴럭턴스 장치의 위상 권선에 비례하여 연결되도록 배열되는 것을 특징으로 하는 가변 릴럭턴스 장치의 발전기 동작 방법.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 바이어스 플럭스는
    각각의 바이어스 코일 또는 바이어스 코일의 일정 전류에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 가변 릴럭턴스 장치의 발전기 동작 방법.
  10. 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 바이어스 플럭스는
    각각의 바이어스 코일 또는 바이어스 코일의 교류 전류에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 가변 릴럭턴스 장치의 발전기 동작 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가변 릴럭턴스 장치는 전력 컨버터 회로에 연결되는 것을 특징으로 하는 가변 릴럭턴스 장치의 발전기 동작 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 전력 컨버터 회로는
    액티브 스위치를 가지지 않는 것을 특징으로 하는 가변 릴럭턴스 장치의 발전기 동작 방법.
  13. 제11항에 있어서, 상기 전력 컨버터 회로는
    상기 가변 릴럭턴스 장치가 발전기로 동작하는 동안 오픈 상태를 유지하는 액티브 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 릴럭턴스 장치의 발전기 동작 방법.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    가변 릴럭턴스 장치의 속도를 제어하여 해당 가변 릴럭턴스 장치의 출력 전력을 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 릴럭턴스 장치의 발전기 동작 방법.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    위상 전압이 제안되는 크기를 조정함으로써 가변 릴럭턴스 장치의 출력 전력을 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 릴럭터스 장치의 발전기 동작 방법.
  16. 적어도 하나 이상의 위상 권선을 가지는 제1부와 전력을 발생시키는 제1부에 관련되어 움직이도록 배열된 제2부를 가지는 가변 릴럭턴스 장치에 있어서,
    적어도 하나 이상의 위상 권선 또는 위상 권선을 연결하는 바이어스 플럭스를 생성하는 수단; 및
    상기 바이어스 플럭스에 의해 위상 권선에 유도되는 크기 이하로 위상 전압을 한정하는 수단을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 가변 릴럭턴스 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    위상 권선에서 전류의 흐름을 한 방향으로 제한하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 릴럭턴스 장치.
  18. 제17항에 있어서, 상기 제한 수단과 한정 수단은
    공동으로 적어도 하나 이상의 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 가변릴럭턴스 장치.
  19. 제18항에 있어서, 상기 적어도 하나 이상의 다이오드는
    적어도 하나 이상의 위상 권선과 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 가변 릴럭턴스 장치.
  20. 제19항에 있어서, 상기 적어도 하나 이상의 다이오드는
    풀-웨이브 정류 회로의 일부분인 것을 특징으로 하는 가변 릴럭턴스 장치.
  21. 제16항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 바이어스 플럭스 생성수단은 적어도 하나 이상의 바이어스 코일을 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 릴럭턴스 장치.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 가변 릴럭턴스 장치는 다상이고,
    상기 바이어스 코일은 위상들에 비례하여 연결되도록 배열되는 것을 특징으로 하는 가변 릴럭턴스 장치.
  23. 제21항 또는 제22항에 있어서,
    적어도 하나 이상의 바이어스 코일 또는 바이어스 코일을 여기시키기 위해 연결되는 일정 전류원을 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 릴럭턴스 장치.
  24. 제21항 또는 제22항에 있어서,
    상기 바이어스 코일에 연결되는 교류 전류원을 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 릴럭턴스 장치.
  25. 제16항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서,
    전력 컨버터 회로를 연결하는 가변 릴럭턴스 장치.
  26. 제25항에 있어서, 상기 전력 컨버터 회로는
    액티브 스위치를 가지지 않는 것을 특징으로 하는 발전기.
  27. 제16항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 위상 권선 또는 위상 권선의 양단에 연결된 저항성의 부하를 포함하는 발전기.
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