KR20080014003A - 냉각 시스템용 가변속 드라이브 - Google Patents

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Abstract

부스트 컨버터를 갖는 가변속 드라이브가 유도 전동기에 의하여 구동되는 냉각 시스템용으로 제공된다. 상기 부스트 컨버터는 부스트 DC/DC 컨버터 또는 펄스 폭 변조된 부스트 컨버터에 따른 다이오드 또는 쓰리스터 정류기가 될 수 있다. 상기 부스트 컨버터는 DC 링크에 부스트된 전압을 제공하여, 부스트된 전압이 가변속 드라이브의 인버터에 의하여 유도 전동기에 적용되도록 한다.
냉각 시스템, 가변속 드라이브, 유도 전동기, 컨버터, 인버터, DC 링크

Description

냉각 시스템용 가변속 드라이브{VARIABLE SPEED DRIVE FOR A CHILLER SYSTEM}
본 발명은 냉각 시스템용 가변속 드라이브에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 가변속 냉각 시스템을 위한 부스트 성능을 갖는 가변속 드라이브에 관한 것이다.
지금까지, 냉각 시스템에서 압축기를 구동시키기 위한 모터는 모터가 작동되어지는 설비의 동력 분배 시스템으로 유효한 표준 라인(메인) 전압 및 주파수로 작동되도록 설계되어 왔다. 통상, 상기 라인 전압 및 주파수의 사용은 압축기의 용량을 조절하기 위한 선택 사항을 인렛 가이드 베인 및 슬라이드 밸브와 같은 효율적인 기계적 장치로 국한시키게 되고, 그 결과로서, 모터는 모터에 대한 입력 주파수를 기반으로 하는 하나의 작동 속도로 제한된다. 또한, 상기 모터의 작동 속도가 압축기의 원하는 작동 속도와 동일하지 않다면, 원하는 압축기의 작동 속도를 얻기 위하여 "스텝 업(step up)" 또는 "스텝 다운(step down)" 기어박스가 상기 모터와 압축기 사이에 삽입된다.
최근에는, 가변속 드리이브(VSDs)가 냉각 시스템용 모터에 공급되는 주파수 및 전압을 가변시킬 수 있도록 개발되고 있다. 상기 모터에 입력 주파수 및 전압을 가변시키기 위한 성능은 냉각 시스템의 해당 압축기에 가변 입력속도를 제공할 수 있는 모터의 능력에 기인한다. 상기 모터의 가변속 작동은 전체 부하 설계 속도보다 낮은 속도에서 작동하는 것이 바람직한 경우, 냉각 시스템이 압축기의 부분적 부하 동안 발생하는 효율 이득을 취할 수 있도록 한다. 또한, 상기 가변속 드라이브의 사용은 3-상 전력 라인으로부터 직접적으로 작동할 수 있는 이전의 모터 예를 들어, 유도형 모터 또는 동조형 모터 이외에, 냉각 시스템의 전자 드라이브를 요구하는 다른 형태의 모터 사용을 가능하게 한다.
기존의 유도 전동기(모터) VSDs가 갖는 하나의 한계점은 고조파(harmonic) 전압의 과도한 양을 생성함없이 상기 VSD로부터 기반이 되는 출력 전압 크기가 VSD에 대한 입력 또는 사용, 라인 전압 크기보다 더 크지 않다는 점에 있다. 상기 기반이 되는 출력 전압에서의 한계는 VSD에 공급된 선간(line-to-line) AC 전압의 약 1.3배 정격 출력값(root-mean-squared value)과 동일한 크기를 갖는 DC 전압만이 제공된 경우, VSD의 정류기로 인하여 발생된다. 가변속 드라이브의 출력 전압상 한계점은 일정한 볼트/헤르쯔(volts/herzt) 비율의 동작(잘 알려진 바와 같이 일정한 플럭스(flux) 작동)을 필요로 하는 경우,종래 유도 전동기의 최대 속도를 라인 전압으로 작동되는 모터 속도와 일치하는 속도로 국한시키는 점에 있다. 일정한 볼트/헤르쯔(volts/herzt) 비율의 동작은 종래 유도 전동기에 의하여 필요하게 되며, 이는 모터가 갖는 정격 레벨 수준의 토크를 전달하기 위함이다. 따라서, 보다 큰 압축기 속도를 얻기 위하여, 압축기를 구동시키는 모터의 출력 회전 속도를 증가시키고자 "스텝 업(step up)" 기어링 장치가 모터와 압축기 사이에 장착되어야 한다. 또한 모터가 고속 작동과 관련된 회전력에 견딜수 있다면, 정격 전압 및 주파수를 초과한 전압 및/또는 주파수로 보다 낮은 정격 전압 모터를 작동시킬 수 있다.
또한, 종래의 유도 전동기 스타일 VSDs는 입력 라인 전압상의 일시적인 순간전압 강하를 견뎌낼 수 있는 순간전압 보상 능력(ride-through capabilities)를 제공하기 위한 성능에 제한된다. 전속력 작동에서, 입력 라인 전압 강하는 즉각적으로 VSD의 출력 전압에 반영되고, 하지만 VSD의 컨버터는 입력 라인 전압 강하를 보상하기 위한 수단을 포함하고 있지 않는다. 따라서, 최대에 근접한 속도로 작동할 때, 몇 초의 순간 전압 강하를 견딜 수 있는 능력이 제한될 수 밖에 없고, 상기 VSD의 출력 전압은 DC 링크 전압의 크기 및 그에 따른 입력 전압에 따라 결정될 수 밖에 없다.
또한, VSD로부터의 출력 전압에 대한 한계점으로 인해 냉각 시스템의 고속 유도 전동기의 작동 효율이 제한된다. "스텝 업(step up)" 기어링 장치를 배제한 채 보다 빠른 압축기 속도를 얻기 위해 사용되는 상기 고속 전동기는 감소된 최대 작동 전압이 최대 작동 속도로 사용되는 할 때, 비용 절감 및 효율적인 모터로 설계하는데 어려움이 있기 때문에 한계가 있다.
띠라서, 향상된 순간전압 보상 능력(ride-through capability)를 가지면서, 냉각 시스템에 고속 유도 전동기의 효율적이면서 용이한 작동을 가능하게 하며, 비 용적으로도 효율적인 모터용 가변속 드라이브가 요구되고 있다.
또한, 고정된 공칭 입력 라인 AC 전압을 초과하는 정격 전압을 갖는 모터를 구동시킬 수 있는 가변속 드라이브가 요구되고 있다.
본 발명의 일 구현예는 냉각 시스템의 압축기를 위한 드라이브 시스템을 제공하는데 있다. 상기 드라이브 시스템은 가변속 드라이브와 모터를 갖는다. 상기 가변속 드라이브는 고정된 AC 입력 전압으로 입력 AC 전압을 수신하고, 가변 전압 및 가변 주파수로 출력 AC 전력을 공급하도록 구성된다. 상기 가변속 드라이브는 입력 AC 전압을 제공하는 AC 전원과 연결되는 컨버터 단과, 상기 컨버터 단과 연결되는 DC 링크와, 상기 DC 링크와 연결되는 인버터 단을 포함한다. 상기 컨버터 단은 상기 입력 AC 전압을 부스트된 DC 전압으로 변환하도록 구성된다. 상기 DC 링크 단은 상기 컨버터 단으로부터 부스트된 DC 전압을 필터링하고, 에너지를 저장하도록 구성된다. 상기 인버터 단은 DC 링크로부터의 부스트된 DC 전압을 가변 전압 및 가변 주파수를 갖는 출력 AC 전력으로 변환하도록 구성된다. 상기 모터는 바람직하게는 유도 전동기이며, 상기 인버터 단과 연결되어 인버터 단의 출력에 의하여 구동된다. 상기 모터는 상기 압축기를 구동시키도록 냉각 시스템용 압축기와 연결된다. 상기 컨버터 단은 AC 입력 전압에서 전압 강하가 발생되는 중 상기 부스트 된 DC 전압 수준을 유지시키는 순간전압 보상 능력을 갖도록 구성된다.
본 발명의 장점중 하나는 모터와 압축기 간의 기어를 삭제하여, 비용 절감 및 시스템 효율을 향상시키는데 있다.
본 발명의 다른 장점은 모터 및 인버터에서의 손실 감소를 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 장점은 냉각 시스템의 향상된 신뢰성을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 장점은 가변속 드라이브의 향상된 입력 전력 품질을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 장점은 가변속 드라이브가 입력 전압 강하중 향상된 순간전압 보상 능력을 제공하는데 있다.
본 발명의 특징 및 장점들은 하기에 첨부도면을 참조로 상세하게 설명되는 바람직한 실시예로부터 명백하게 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 일반적 시스템 구성을 나타내는 개략도,
도 2는 본 발명의 가변속 드라이브의 일 구현예를 나타내는 개략도,
도 3은 본 발명에 사용될 수 있는 냉동 시스템을 나타내는 개략도,
도 4는 본 발명의 일 구현예에 따른 가변속 드라이브의 회로 다이어그램,
이들 도면에 걸쳐, 동일한 구성에 대해서는 동일한 도면부호로 지시하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일반적인 시스템 구성을 나타내는 개략도이다. AC 전 원(102)으로부터 가변속 드라이브(VSD)에 AC 전력이 공급되고, 연이어 AC 전력이 모터(106)에 공급된다. 본 발명의 다른 구현예로서, 상기 VSD(104)는 하나 이상의 모터에 전력을 공급할 수 있다. 상기 모터(106)는 냉동 또는 냉각 시스템의 해당 압축기를 구동시키는데 사용된다(도 3 참조). 상기 AC 전원(102)은 AC 전력 그리드(grid) 또는 분배 시스템으로부터 VSD(104)에 단상 또는 다-상(예를들어, 3상), 고정 전압, 및 고정된 주파수의 AC 전력을 공급한다. 상기 AC 전력 그리드는 전력설비회사로부터 직접 공급받을 수 있고, 또는 전력설비회사 및 AC 전력 그리드간의 하나 또는 그 이상의 변전소로부터 공급받을 수 있다. 상기 AC 전원(102)은 해당 AC 전력 그리드에 의거 상기 VSD(104)에 50Hz 또는 60Hz의 공칭 선간 주파수(nominal line frequency)에서 200V,230V,380V,460V, 또는 600V의 3상의 AC 전압 또는 공칭 선간전압(nominal line voltage)을 제공할 수 있다. 상기 AC 전원(102)은 AC 전력 그리드의 배열에 의존하여, 상기 VSD(104)에 적정 수준으로 고정된 공칭 선간전압 또는 공칭 선간주파수를 제공하는 것으로 이해해야 할 것이다. 또한, 특정 사용처에서는 선간전압 및 선간 주파수를 다르게 요구하므로 이를 만족시키고자 복수의 AC 전원 그리드를 포함한다. 예를 들어, 그 특정 사용처에는 특정의 응용을 다루기 위한 230 VAC 전력 그리드와 또 다른 특정의 응용을 다루기 위한 460 VAC 전력 그리드가 구비될 수 있다.
상기 VSD(104)는 AC 전원(102)으로부터 고정된 선간전압 및 고정된 선간 주파수를 갖는 AC 전력을 공급받게 되며, 특정한 요구를 만족시키고자 원하는 수준으로 조절시킨 전압 및 주파수로 상기 모터(106)에 AC 전력을 공급하게 된다. 바람 직하게는, 상기 VSD(104)는 AC 전원(102)으로부터 공급받은 고정 전압 및 주파수보다 더 높은 전압 및 주파수 또는 더 낮은 전압 및 주파수를 갖는 AC 전력을 상기 모터(106)에 공급할 수 있다. 상기 모터(106)는 고정된 AC 입력 전압 및 주파수보다 더 큰 미리 설정된 정격전압 및 주파수를 가질 수 있으며, 이때 정격 모터 전압 및 주파수는 고정된 AC 입력 전압 및 주파수보다 낮거나 동등할 수 있다. 도 2는 VSD(104)의 일구현예로서 구성의 일부를 보여주는 개략도이다. 상기 VSD(104)는 3개의 단(stage): 컨버터 단(202), DC 링크 단(204) 및 인버터 단(206)을 갖는다. 상기 컨버터(202)는 AC 전원(102)으로부터의 고정된 선간전압 및 주파수를 갖는 AC 전력을 DC 전압으로 변환시킨다. 상기 DC 링크(204)는 상기 컨버터(202)로부터의 DC 전압을 필터링하고, 캐패시터 및/또는 인덕터와 같은 에너지 저장 구성요소를 공급한다. 최종적으로, 상기 인버터(206)는 DC 링크(204)로부터의 DC 전압을 모터(106)를 위한 가변 주파수 및 가변 전압의 AC 전력으로 변환시킨다.
바람직하게는, 상기 모터(106)는 가변속으로 구동 가능한 유도 전동기(induction motor)이다. 상기 유도 전동기는 2개의 폴, 4개의 폴 또는 6개의 폴을 포함하며 적절한 폴 배열을 갖는다. 상기 유도 전동기는 부하, 즉 도 3에 도시된 바와 같은 압축기를 구동시키는데 사용된다. 본 발명의 일 구현예로서, 본 발명의 시스템 및 방법은 냉동 시스템의 압축기를 구동시키는데 사용될 수 있다. 도 3은 냉동 시스템과 연결된 본 발명의 시스템 구성을 나타내고 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, HVAC 즉, 냉동 또는 액체 냉각 시스템(300)은 압축기(302), 응축기(304), 증발기(306), 및 제어패널(308)을 포함한다. 상기 제어 패널(308)은 냉동시스템(300)의 동작 제어를 위하여 아날로그/디지털(A/D) 변환기, 마이크로프로세서, 비-활성 메모리, 및 인터페이스 보드와 같은 다양한 구성요소를 포함한다. 상기 제어패널(308)은 VSD(104) 및 모터(106), 뿐만 아니라 냉각 시스템(300)의 다른 구성요소에 대한 동작을 제어하는데 사용된다.
압축기(302)는 냉매 증기를 압축시켜, 배출라인을 통하여 응축기(304)로 증기를 전달한다. 바람직한 상기 압축기(302)는 원심 압축기이며, 스크류 압축기, 왕복형 압축기 등 여러가지 타입의 압축기로 적용할 수 있다. 상기 압축기(302)에 의하여 응축기(304)로 전달된 냉매 증기는 에어 또는 물과 같은 유체와 열교환을 하게 되고, 유체와 열교환 결과로 냉매 액체로 상변화되어진다. 응축된 액체 냉매는 응축기(304)로부터 팽창장치(미도시됨)를 경유하여 증발기(306)로 흐르게 된다.
상기 증발기(306)는 냉각부하의 공급라인 및 리턴라인을 위한 연결체를 포함한다. 2차 액체 즉, 물, 에티렌, 칼슘 클로라이드 브라인 또는 소듐 클로라이드 브라인과 액체는 리턴라인을 통하여 증발기(306)로 이송되고, 공급라인을 통하여 증발기(306)를 빠져나간다. 상기 증발기(306)에서의 액체 냉매는 2차 액체의 온도를 낮출 수 있도록 2차 액체와 열교환을 하게 된다. 상기 증발기(306)에서의 냉매 액체는 2차 액체와 열교환 결과로서 냉매 증기로 상변환되어진다. 상기 증발기(306)에서의 증기 액체는 증발기(306)를 빠져나가 사이클을 완성하도록 흡입라인에 의하여 압축기(302)로 복귀된다. 상기 응축기(304) 및 증발기(306)에서의 냉매 상변환이 이루어진다면, 상기 응측기(304) 및 증발기(306)는 어떠한 적절한 배열이라도 시스템(300)에 사용 가능한 것으로 이해해야 할 것이다.
HVAC 즉, 냉동 또는 냉각 시스템(300)은 도 3에 도시되지 않은 많은 특징을 포함한다. 이러한 특징은 설명의 용이성을 위한 도면의 단순화를 위해 생략하기로 한다. 더욱이, 도 3은 HVAC 즉, 냉동 또는 냉각 시스템(300)은 하나의 냉동 회로로 연결된 하나의 압축기를 나타내고 있지만, 상기 시스템(300)은 하나 또는 그 이상의 냉동 회로로 연결되는 단일 VSD, 또는 복수의 VSDs에 의하여 구동되는 복수의 압축기를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 제어패널, 마이크로프로세서 또는 컨트롤러가 VSD(104)(및 그에 따른 모터(106))를 제어하고자 VSD(104)에 제어 신호를 제공하는 바, 이는 제어패널에 의하여 수신된 센서 신호에 따라 VSD(104) 및 모터(106)의 최적 동작을 셋팅할 수 있도록 함에 있다. 예를 들어, 도 3의 냉동 시스템(300)에서, 상기 제어패널(308)이 냉동 시스템의 조건 변화와 일치하여 VSD(104)의 출력전압 및 주파수를 조절할 수 있다. 즉, 상기 제어패널(308)이 압축기(302)의 부하 조건이 증가 또는 감소되는 것에 반응하여, 상기 VSD(104)의 출력전압 및 주파수를 증가 또는 감소시키며, 이는 상기 모터(106)의 원하는 작동 속도 및 상기 압축기(302)의 원하는 부하 출력을 얻기 위함이다.
첨부한 도 2를 참조하면, 상기 컨버터(202)는 상기 VSD(104)의 입력 전압보다 큰 출력 전압을 VSD(104)로부터 얻기 위하여 상기 DC 링크(204)에 부스트된 DC 전압(boosted DC voltage)을 제공하는 절연된 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBTs)를 갖는 펄스 폭 변조 부스트 정류기이다. 본 발명의 바람직한 구현예로서, 상기 VSD(104)는 상기 VSD(104)에 제공된 고정된 입력전압보다 큰 최대 출력 전압을 제 공할 수 있고, 상기 VSD(104)에 제공된 고정된 입력 주파수보다 큰 최대 출력 주파수를 제공할 수 있다. 더욱이, 상기 VSD(104)는 적정의 출력 전압 및 주파수를 상기 모터(106)에 제공한다면, 도 2에 도시된 것과 다른 구성요소로 이루어진 것을 반영시킬 수 있다.
상기 DC 링크(204)에 부스트 DC 전압을 제공하는 것 이외에, 상기 컨버터(202)는 상기 VSD(104)의 입력 전력 품질을 향상시키기 위하여 상기 AC 전원(102)에서 나온 전류 파형의 형상 및 위상각을 조절할 수 있다. 상기 입력 전력의 품질은 두 개의 특성을 평가하여 결정될 수 있다. 두 개의 특성중 하나는 AC 전원(102)으로부터 나온 전류 파형의 형상으로서, 전류 파형 형상이 서로 인접하는 이상적인 사인곡선이면, 입력 전력의 품질이 우수한 것으로 판단할 수 있다. 다른 하나는 입력 전력의 전력 인자 즉, 공급된 AC 입력 전압과 AC 전원(102)으로부터 나온 전류의 주된 고조파간의 위상각을 나타내는 사인곡선이며, 보다 인접된 전력 인자는 일체화로 조화되며 우수한 입력 전력을 나타낸다. 또한, 상기 컨버터(202)는 AC 전원(102)으로부터 나온 전류파형 및 위상각을 조절하여, 파형의 형상이 사인곡선을 이루며 AC 입력 전력과 위상이 같게 한다. 따라서, 상기 컨버터(202)는 VSD(104)가 향상된 입력 전력 품질을 갖게 한다.
또한, 상기 컨버터(202)는 전압순간저하(Voltage Sag)로 명명되는 AC 입력 전압의 감소중, VSD(104)의 순간전압 보상 능력(ride-through capabilities)를 향상시키는데 사용될 수 있다. 상기 컨버터(202)는 DC 링크(204)에 AC 입력 전압의 최고점(peak)보다 큰 소정의 또는 미리 결정된 출력 전압을 제공하도록 제어될 수 있다. 상기 AC 입력 전압에 의존하지 않는 DC 전압을 제공함으로써, 상기 커버터(202, 및 VSD(104))는 AC 입력 전압에서의 전압순간저하에 따른 영향을 받지 않게 되어, VSD(104)를 위한 향상된 순간전압 보상 능력이 제공된다. 상기 AC 입력 전압이 순간 저하되더라도, 상기 컨버터(202)는 DC링크(204)에 소정의 DC 전압을 연속적으로 제공할 수 있다. 이러한 상기 컨버터(202)의 순간전압 보상 능력은 AC 입력 전압이 강하되는 순간 그 간섭없이, 상기 VSD(104)가 연속적으로 작동 가능하게 해준다.
도 4는 VSD(104)의 일 구현예를 위한 회로 다이어그램을 나타낸다. 상기 VSD(104)의 구현예에 있어서, 3-상 AC 입력 전원(102)으로부터의 입력라인이 상기 VSD(104)의 상호 대응되는 라인에서의 전류를 부드럽게(smooth)하도록 인덕터(434)들과 연결된다. 다음으로, 상기 각 인덕터(434)의 출력은 입력 AC 전압의 각 위상이 DC전력으로 변환되도록 상기 컨버터(202)에 제공된다. 또한, 상기 VSD(104)는 도 4에 미도시되었지만 상기 인덕터(434)의 업스트림(upstream)에 위치된 추가의 구성요소를 포함한다. 예를 들어, 회로 브레이커(circuit breaker)가 포함될 수 있으며, 이 회로 브레이커는 과전류, 전압 또는 전력이 VSD(104)에 공급될 때, 상기 VSD(104)를 AC 전원(102)으로부터 단절시키게 된다. 프리-차지 레지스터(pre-charge resistors) 및 컨택터(contactors)가 DC 링크 커패시커를 천천히 충전시키도록 포함될 수 있다. 마지막으로 각 라인용 퓨즈(fuse)가 각 라인상의 과도한 전류에 반응하여 입력 위상 또는 VSD(104)의 라인을 단절시키는데 사용될 수 있다.
바람직하게는, 상기 컨버터 모듈(202)은 전력 스위치들 또는 트랜지스 터(430) 3개의 쌍(각 입력 위상을 위한 한 쌍)을 포함한다. 상기 컨버터 모듈(202)는 또한 전력 스위치(430)의 스위칭 제어를 위한 제어 연결체(미도시됨)를 포함한다. 바람직한 컨버터 모듈(202)의 구현예로서, 상기 전력 스위치는 IGBT 스위치이며, 이 IGBT 스위치들은 DC 링크를 위한 소정의 출력 전압을 발생시킬 수 있도록 펄스 폭 변조 기술에 의하여 제어된다. 바람직하게는, 상기 컨버터 모듈(202)은 VSD(104)의 입력 전압보다 큰 VSD(104)로부터의 출력 전압을 얻기 위하여 DC 링크(204)에 부스트된 DC전압을 제공하는 부스트 정류기와 같이 작동할 수 있다. 또한, 복수(멀티플) 컨버터 모듈이 상기 컨버터의 전류 용량을 증가시키도록 병렬로 배열될 수 있다.
상기 DC 링크(204)가 상기 컨버터의 출력과 병렬로 연결된다. 이 구현예에서 상기 DC 링크(204)는 DC 전력을 필터링하고, DC 버스(412)로부터의 에너지를 저장하도록 커패시터(들)(420) 및 레지스터(422)를 포함한다. 상기 레지스터는 커패시커와 뱅크(banks)간에 동등한 DC 링크 전압을 유지시키기 위하여 전압 밸런싱 장치와 같은 기능을 수행한다. 상기 레지스터는 또한 상기 AC 전원(102)으로부터 전력이 제거되는 경우, 커패시터 뱅크에 저장된 전압을 "브리드 오프(bleed off)"시키기 위한 충전 소모 장치와 같은 기능을 수행한다. 또한, 상기 DC 버스(412)와 연결된 인버터 부분(206)은 DC 버스(412)의 DC 전력을 모터를 위한 3상 AC 전력으로 변환시킨다. 도 4에 나타낸 구현예에서, 하나의 인버터 부분 또는 모듈(206)이 단일 모터를 구동시키는데 사용된다. 그러나, 여러개의 인버터 모듈(206)이 여러개의 모터를 구동시키는데 추가로 사용될 수 있고, 도 4에 도시된 인버터 모 듈(206)과 유사한 회로 표출을 갖는다.
상기 인버터 모듈(206)은 3개 쌍(각 출력 위상을 위한 것)의 절연된 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT) 전력 스위치(426) 및 다이오드들을 포함한다. 상기 인버터 모듈(206)은 또한 상기 IGBT 전력 스위치(430)의 스위칭을 제어하기 위한 제어 연결체를 포함한다.
상기 인버터 모듈(206)로부터 원하는 AC 전압 및 주파수를 얻기 위한 변조 계획(sheme)을 이용하여 "온(on)" 또는 활성된 위치와 "오프(off)" 또는 비활성된 위치간으로 이루어지는 인버터 모듈(206)에서의 각 IGBT 전력 스위치(426)의 선택적인 스위칭을 통하여, 상기 인버터 모듈(206)은 DC 버스(412)의 DC 전압을 3상 AC 전압으로 변환한다. 게이팅 신호 또는 스위칭 신호는 "온(on)" 위치와 "오프(off)" 위치간으로 IGBT 전력 스위치(426)의 스위칭이 이루어지도록 한 변조 계획을 기반으로 하는 상기 제어패널(308)에 의하여 IGBT 전력 스위치(426)로 공급된다.
바람직하게는, 상기 IGBT 전력 스위치(426)는 상기 스위칭 신호가 "하이(High)" 즉 논리적으로 1(one)이면 "온(on)" 위치로 되고, 상기 스위칭 신호가 "하이(Low)" 즉 논리적으로 0(zero)이면 "오프(off)" 위치가 된다. 그러나 상기 IGBT 스위치(430)의 활성 및 비활성은 스위칭 신호의 반대 상태가 기반이 될 수 있음으로 이해해야 할 것이다.
상기 컨버터(202)로 DC 링크(204)에 부스트된 DC 전압을 제공함으로써, 상기 인버터(206)로의 DC 및 RMS 전류 크기는 감소되는 바, 이때 인버터 전류는 대략적 으로 주어진 시스템 전력율을 위한 인버터(206)의 DC 입력 전압과 역비례한다. 상기 인버터 전류의 감소는 주어진 출력 전압을 위한 VSD(104)용 인버터 손실 감소를 낳는다. 상기 VSD(104)에서의 인버터 손실 감소는 냉각 시스템(300)의 향상된 효율을 제공한다.
결국, 상기 VSD(104)의 성능, 즉 VSD(104)에 의하여 모터(106)에 전달되는 최대 출력 전압 및 최대 출력 주파수를 조절하기 위한 성능은 VSD에 대한 정격 AC 입력 전압 및 정격 AC 입력 주파수와 관계없이, 모터(106) 또는 VSD(104)를 서로 다른 전원으로 변경하지 않고도 VSD(104)가 다양한 외부 및 내부 전력 그리드로 작동되도록 함에 있다.
본 발명을 바람직한 구현예로 설명하였지만, 본 발명의 범주로부터 벗어남없이 다양한 변형이 가능하고 등가물로 대체될 수 있음은 당분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 자명할 것이다. 또한, 다양한 수정이 본 발명의 본질적인 범위로부터 벗어남없이 본 발명의 가르침에 따라 특정 상황 또는 물질로 채택될 수 있다. 따라서, 본 발명은 이를 실시하는데 가장 모범적인 양태로 설명되었지만 이에 국한되지 않으며, 본 발명은 청구범위의 범주내에서 이루어지는 모든 구현예를 포함한다.

Claims (20)

  1. 냉각 시스템의 압축기를 위한 드라이브 시스템에 있어서,
    상기 드라이브 시스템은:
    고정된 AC 입력 전압으로 입력 AC 전압을 수신하고, 가변 전압 및 가변 주파수로 출력 AC 전력을 공급하도록 구성된 가변속 드라이브이며,
    상기 가변속 드라이브는:
    입력 AC 전압을 제공하는 AC 전원과 연결되어, 상기 입력 AC 전압을 부스트된 DC 전압으로 변환하도록 구성된 컨버터 단과;
    상기 컨버터 단과 연결되어, 상기 컨버터 단으로부터 부스트된 DC 전압을 필터링 및 저장하도록 구성된 DC 링크와;
    상기 DC 링크와 연결되어, DC 링크로부터의 부스트된 DC 전압을 가변 전압 및 가변 주파수를 갖는 출력 AC 전력으로 변환하도록 구성된 인버터 단과;
    상기 인버터 단과 연결되어, 상기 인버터 단으로부터의 출력 AC 전력에 의하여 출력되고, 상기 압축기를 구동시키도록 냉각 시스템용 압축기와 연결되는 모터;
    를 포함하고,
    상기 컨버터 단은 AC 입력 전압이 상기 고정된 AC 입력 전압의 이하로 떨어질 때, 상기 부스트 된 DC 전압을 상기 입력 AC 전압보다 더 크게 유지시키도록 배열 구성된 것을 특징으로 하는 냉각 시스템용 가변속 드라이브.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 부스트된 DC 전압은 고정된 AC 입력 전압의 정격 출력값(root-mean-squared value)보다 1.3배 더 큰 것을 특징으로 하는 냉각 시스템용 가변속 드라이브.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 컨터버 단은:
    상기 AC 전원과 연결된 정류기와;
    상기 정류기와 연결되어, 상기 DC 링크에 부스트된 DC 전압을 제공하도록 배열 구성된 DC-DC 부스트 컨버터;
    로 구성된 것을 특징으로 하는 냉각 시스템용 가변속 드라이브.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 컨버터 단은 절연된 게이트 바이폴라 트랜지스터를 갖는 펄스 폭 변조 부스트 정류기를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각 시스템용 가변속 드라이브.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 모터는 상기 고정된 입력 AC 전압보다 큰 정격 전압을 갖는 것을 특징으로 하는 냉각 시스템용 가변속 드라이브.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 컨버터 단은 상기 AC 전원으로부터의 전류 파형이 사인 곡선을 가지도록, 상기 고정된 입력 AC 전압의 위상이 되도록 하는 제어를 위하여 구성된 것을 특징으로 하는 냉각 시스템용 가변속 드라이브.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 컨버터 단은 상기 고정된 입력 AC 전압과 관계없이 DC 링크에 부스트된 DC 전압을 제공하도록 구성됨으로써, 가변속 드라이브가 미리 설정된 시간동안 상기 고정된 입력 AC 전압의 감소 도중에 작동될 수 있는 것을 특징으로 하는 냉각 시스템용 가변속 드라이브.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 인버터 단은 상기 DC 링크에 나타나게 되는 부스트된 DC 전압에 반응하여, 감소된 크기의 DC 전류를 가지도록 구성됨으로써, 가변속 드라이브에서의 인버터 손실이 감소되도록 한 것을 특징으로 하는 냉각 시스템용 가변속 드라이브.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 모터는 상기 가변 전압이 상기 고정된 입력 AC 전 압보다 큰 것에 반응하여, 감소된 크기의 RMS 값(root-mean-squared value)을 갖는 모터 전류를 가지도록 구성됨으로써, 모터에서의 모터 손실을 감소시킬 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 냉각 시스템용 가변속 드라이브.
  10. 청구항 1에 있어서, 상기 모터는 유도 전동기인 것을 특징으로 하는 냉각 시스템용 가변속 드라이브.
  11. 냉각 시스템에 있어서,
    폐냉동 루프로서 연결된 압축기, 응축기, 및 증발기;
    상기 압축기를 구동시키도록 압축기와 연결된 모터;
    상기 모터와 연결되어, 고정된 입력 AC 전압 및 고정된 입력 주파수로 입력 AC 전력을 수신하고, 가변 전압 및 가변 주파수로 모터에 출력 전력을 공급하도록 구성된 가변속 드라이브; 로 구성되고,
    상기 가변 전압은 상기 고정된 입력 AC 전압보다 크기가 더 큰 최대 전압을 가지고, 상기 가변 주파수는 상기 고정된 입력 주파수보다 더 큰 최대 주파수를 가지며;
    상기 가변속 드라이브는:
    입력 AC 전압을 제공하는 AC 전원과 연결되어, 상기 입력 AC 전압을 부스트 된 DC 전압으로 변환하되, 이 부스트된 DC 전압이 상기 고정된 입력 AC 전압보다 더 크게 변환시키도록 구성된 컨버터 단과;
    상기 컨버터 단과 연결되어, 상기 컨버터 단으로부터 부스트된 DC 전압을 필터링하고, 에너지를 저장하도록 구성된 DC 링크와;
    상기 DC 링크와 연결되어, 상기 DC 링크로부터의 부스트된 DC 전압을 상기 가변 전압 및 가변 주파수를 갖는 모터용 출력 전력으로 변환하도록 구성된 인버터 단; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각 시스템.
  12. 청구항 11에 있어서, 상기 부스트된 DC 전압은 고정된 AC 입력 전압의 정격 출력값(root-mean-squared value)보다 1.3배 더 큰 DC 전압인 것을 특징으로 하는 냉각 시스템.
  13. 청구항 11에 있어서, 상기 컨터버 단은:
    상기 AC 전원과 연결된 정류기와;
    상기 정류기와 연결되어, 상기 DC 링크에 부스트된 DC 전압을 제공하도록 배열 구성된 DC-DC 부스트 컨버터;
    로 구성된 것을 특징으로 하는 냉각 시스템.
  14. 청구항 11에 있어서, 상기 컨버터 단은 절연된 게이트 바이폴라 트랜지스터를 갖는 펄스 폭 변조 부스트 정류기를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각 시스템.
  15. 청구항 11에 있어서, 상기 모터는 상기 고정된 입력 AC 전압보다 큰 정격 전압을 갖는 것을 특징으로 하는 냉각 시스템.
  16. 청구항 11에 있어서, 상기 컨버터 단은 상기 AC 전원으로부터의 전류 파형이 사인 곡선을 가지도록, 상기 고정된 입력 AC 전압의 위상이 되도록 하는 제어를 위하여 구성된 것을 특징으로 하는 냉각 시스템.
  17. 청구항 11에 있어서, 상기 컨버터 단은 상기 고정된 입력 AC 전압과 관계없이 DC 링크에 부스트된 DC 전압을 제공하도록 구성됨으로써, 가변속 드라이브가 미리 설정된 시간동안 상기 고정된 입력 AC 전압의 감소 도중에 작동될 수 있는 것을 특징으로 하는 냉각 시스템.
  18. 청구항 11에 있어서, 상기 모터는 상기 가변 전압이 상기 고정된 입력 AC 전압보다 크기가 더 크게 되는 것에 반응하여, 감소된 크기의 RMS 값(root-mean-squared value)을 갖는 모터 전류를 가지도록 구성됨으로써, 모터에서의 모터 손실을 감소시킬 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 냉각 시스템.
  19. 청구항 11에 있어서, 상기 인버터 단은 상기 DC 링크에 나타나게 되는 부스트된 DC 전압에 반응하여, 감소된 크기의 DC 전류를 가지도록 구성됨으로써, 가변속 드라이브에서의 인버터 손실이 감소되도록 한 것을 특징으로 하는 냉각 시스템.
  20. 청구항 11에 있어서, 상기 모터는 유도 전동기인 것을 특징으로 하는 냉각 시스템.
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