KR20080015454A - 재생 기능을 가진 가변주파수 드라이브 - Google Patents

재생 기능을 가진 가변주파수 드라이브 Download PDF

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KR20080015454A
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리차드 오스만
유스케 후쿠다
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지멘스 에너지 앤드 오토메이션 인코포레이티드
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Abstract

전기 디바이스가 소스로부터 전력을 수신하고 로드로 전력을 전달하기 위해 전기적으로 연결된 복수의 단상 전력셀을 포함한다. 상기 단상 전력셀은 재생 전력셀의 제 1 랭크와 비재생 전력셀의 제 2 랭크를 포함한다. 각 비재생 전력셀은 인버터 브리지, 상기 인버터 브리지의 단자에 가로질러 전기적으로 연결된 커패시터 세트, 및 상기 단자에 가로질러 전기적으로 연결된 3 상 브리지 정류기를 포함한다. 상기 비재생 전력셀은 복수의 셀이 모터의 제동을 위해 사용될 때 리액티브 전력을 제공한다.
제동 회로, 소스, 로드, 전력 셀, 제 1 랭크, 비재생 전력셀, 제 2 랭크, 전력 강하, 정격 플럭스, 정격 전류, 인버터 브리지, 단자, 커패시터 세트, 3 상 다이오드 브리지 정류기, 트랜지스터, 레지스터

Description

재생 기능을 가진 가변주파수 드라이브{VARIABLE­FREQUENCY DRIVE WITH REGENERATION CAPABILITY}
본 발명은 가변주파수 드라이브에 관한 것으로, 특히 재생 기능을 가진 가변주파수 드라이브에 관한 것이다.
최근 수년동안, 중간 전압 가변 주파수 드라이브(VFD) 애플리케이션용 회로가 주목을 받아왔다. 다수의 새로운 방법이 과거 10여년간 도입되었다. 예를 들면, 그 전체가 본문에 참조로 통합된 Hammond의 미국 특허 5,625,545에 기술된 것과 같은 직렬연결 인버터를 구비하는 회로에서, 인버터 또는 전력셀(110)은 3 상 다이오드 브리지 정류기(112), 하나 이상의 직류(DC) 커패시터(114), 및 H-브리지 인버터(116)를 포함한다. 상기 정류기(112)는 입력 교류(118)(AC) 전압을 상기 정류기(112) 출력부에 연결된 커패시터(114)에 의해 지지되는 거의 일정한 DC 전압으로 변환한다. 상기 인버터(110)의 출력 스테이지는 각각 2개의 디바이스를 가진, 좌측의 극과 우측의 극으로 된 2 개의 극을 포함하는 H-브리지 인버터(116)를 포함한다. 상기 인버터(110)는 상기 DC 커패시터(114)를 지나는 DC 전압을 H-브리지 인버터(116)에서의 반도체 디바이스의 펄스폭 변조(PWM)를 이용하여 AC 출력(120)으로 변환한다.
모터와 같이 로드에 연결될 때, 도 1에서 110으로된 전력셀을 포함하는 회로는 운전 모드에서 동작할 때 모터로 입력원으로부터의 전력을 공급할 수 있다. 그러나, 모터 속도가 감소될 필요가 있을 때, 모터로부터의 전력은 인버터에 의해 흡수될 필요가 있다. 전력이 인버터에 의해 흡수되어야 할때, 이러한 동작 모드를 재생 모드(regeneration mode)라고 한다. 각 전력 셀에서의 다이오드-브리지 정류기(112)는 전력이 다시 소스로 전송되는 것을 허용하지 않는다. 여기서, 상기 회로에 의해 흡수된 전력은 상기 인버터와 각 전력셀에서의 커패시터에서의 손실에 의해 엄격하게 제한되고, 대개 정격 전력의 약 0.2%에서 약 0.5%의 범위이다.
본문에 포함된 개시사항은 상술한 하나 이상의 문제를 해결하려는 시도를 기술한다
일실시예에서, 제동회로는 소스로부터 전력을 수신하고 전력을 로드로 전달하기 위해 전기적으로 연결된 전력셀의 배치를 포함한다. 상기 회로는 재생 전력 셀의 제 1 랭크, 비재생 전력 셀의 제 2 랭크, 및 제어 회로를 포함한다. 상기 재생 전력 셀과 비재생 전력 셀의 출력 전압은 상기 로드가 정격 플럭스 이하 및 정력 전류 이하에서 동작될 때, 자신의 정격값에 적어도 거의 근사하게 관리된다. 상기 제어회로는 상기 로드가 정격 플럭스에서 그리고 정력 전류 이하에서 동작될 때 재생 전력 셀의 전류 가능출력을 적어도 근사하게 사용한다. 상기 제어 회로는 상기 로드가 정격 플럭스 및 풀 전류에서 동작될 때 상기 재생 전력셀과 비재생 전력 셀의 전류 가능출력을 적어도 거의 근사하게 사용한다. 전압 강하가 제동 동안 모든 셀에서 발생한다.
일부 실시예에서, 각 재생 전력셀은 인버터 브리지, 상기 인버터 브리지의 단자를 가로질러 전기적으로 연결된 커패시터 세트, 및 3 상 브리지로서 전기적으로 연결된 복수의 트랜지스터를 구비하는 액티브 프론트 엔드를 포함한다. 대안의 실시예에서, 각 재생 전력 셀은 인버터 브리지, 상기 인버터 브리지의 단자를 가로질러 전기적으로 연결된 커패시터 세트, 상기 단자를 가로질러 전기적으로 연결된 3상 다이오드 브리지 정류기, 및 상기 단자를 가로질러 전기적으로 연결된 직렬 연결된 트랜지스터 및 레지스터 조합을 포함한다. 각 실시예에서, 예를 들면 상기 인버터 브리지는 중성점 클램핑된 연결에 기초한 4 트랜지스터 H-브리지 인버터 또는 8-트랜지스터 H-브리지 인버터를 포함한다.
일부 실시예에서, 각 비재생 전력셀은 인버터 브리지, 상기 인버터 브리지의 단자를 가로질러 전기적으로 연결된 커패시터 세트, 및 상기 단자를 가로질러 전기적으로 연결된 3 상 브리지 정류기를 포함한다. 이러한 인버터 브리지는 또한 예를 들면 중섬정 클램핑된 연결에 기초한 4 트랜지스터 H-브리지 인버터 또는 8-트랜지스터 H-브리지 인버터를 포함한다. 일부 실시예에서, 재생 전력셀과 비재생 전력셀은 하우징에 착탈가능하고 교환가능하게 장착된다.
대안의 실시예에서, 전기 디바이스는 소스로부터 전력을 수신하여 로드로 전력을 전달하기 위해 전기적으로 연결된 복수의 단상 전력 셀을 포함한다. 상기 단상 전력셀은 재생 전력셀의 제 1 랭크와, 비재생 전력셀의 제 2 랭크를 포함한다. 각 비재생 전력셀은 인버터 브리지, 상기 인버터 브리지의 단자를 가로질러 전기적으로 연결된 커패시터 세트, 및 상기 단자를 가로질러 전기적으로 연결된 3상 브리지 정류기를 포함한다. 상기 비재생 전력셀은 복수의 셀들이 모터의 제동에 사용될 때 리액티브 전력을 제공한다.
대안의 실시예에서, 전기 디바이스는 적어도 3 개의 단상 비재생 전력셀을 포함하는 제 1 랭크, 적어도 3 개의 단상 재생 전력셀을 포함하는 제 2 랭크, 및 제어 회로를 포함한다. 각 비재생 전력셀은 인버터 브리지, 상기 인버터 브리지의 단자를 가로질러 전기적으로 연결된 커패시터 세트, 및 상기 단자를 가로질러 전기적으로 연결된 3 상 브리지 정류기를 포함한다. 디바이스가 모터 제동에 사용될 때, 3 상 전력셀은 필요없고, 비재생 전력 셀이 리액티브 전력을 제공한다.
본 발명의 측면, 특징, 효익 및 이점은 하기의 설명 및 첨부 도면을 참조하여 명확하게 될 것이다.
도 1은 종래 기술의 전력셀을 도시한다.
도 2는 로드에 연결된 복수의 전력셀을 구비하는 회로를 도시한다.
도 3A 및 3B는 예시적인 재생 전력셀의 블록도이다.
도 4는 재생 전력 셀 및 비재생 전력셀의 배치를 도시한다.
도 5A 및 5B는 다양한 실시예에서의 모니터링, 재생, 및 최대 제동을 위한 예시적인 전압-전류 관계를 도시한다.
도 6은 정격 플럭스가 모터에 적용될 수 있는 속도 이상인 모터 속도 범위인 회로의 예시적인 전압-전류 관계를 도시한다.
도 7은 정격 플럭스가 모터에 적용될 수 있는 속도 이하이지만 정격 전류가 모터에 적용될 수 있는 속도 이상인 모터 속도 범위인 회로의 예시적인 전압-전류 관계를 도시한다.
도 8은 예시적인 제어 회로의 블록도이다.
도 9A-9D는 다양한 모터 속도에서의 가변 주파수 드라이브의 시뮬레이션 결과를 예시한다.
본 방법, 시스템, 및 물질이 기술되기 전에, 상기의 것들은 변할 수 있기 때문에, 본 설명은 기술된 특정한 방법론, 시스템 및 물질에 제한되는 것이 아님이 이해되어야 한다. 본 설명에 사용된 전문용어는 특정한 버전 또는 실시예를 기술할 목적일 뿐, 그 범위를 제한할 의도는 아니라는 것이 또한 이해되어야한다. 예를 들면, 본 문과 첨부된 청구범위에 사용된 바와 같은 단수형태의 "a", "an", 및 "the"는 문맥에서 명확하게 다르게 표시하지 않는한은 복수를 포함한다. 다르게 정의되지 않는다면, 본 문에서 사용된 모든 기술 및 과학 용어는 종래기술에서 당업자에 의해 공통으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 추가하여, 하기의 용어는 본 문에서 하기의 정의를 가지는 것으로 의도된다:
커패시터 세트 - 하나 이상의 커패시터.
구비하다(comprising) - 포함하지만 제한되는 것은 아니다.
제어회로 - 제 2 전기 디바이스의 상태를 변경하도록 상기 제 2 전기 디바이스로 신호를 보내는 제 1 전기 디바이스.
전기적으로 연결된, 또는 전기적으로 결합된 - 전기 에너지를 전송하는 방식으로 연결된.
H-브리지 인버터 - 4 개의 트랜지스터와 4 개의 다이오드를 구비한 AC 와 DC 회로 사이의 전력 흐름을 제어하기 위한 회로. 도 1을 참조하면, H-브리지 인버터(116)는 일반적으로 병렬로 전기적으로 연결된 제 1 상 레그 및 제 2 상 레그를 포함한다. 각 레그는 2 개의 트랜지스터/다이오드 조합을 포함한다. 각 조합에서, 상기 다이오드는 상기 트랜지스터의 베이스 및 이미터를 가로질러 전기적으로 결합된다.
인버터 - DC 전력을 AC 전력으로, 또는 AC 전력을 DC 전력으로 변환하는 디바이스.
중간 전압 - 690볼트(V) 이상 69킬로볼트(kV) 이하의 정격전압. 일부 실시예에서, 중간전압은 약 1000V에서 약 69kV 사이의 전압이다.
중성점 클램핑된 연결 - 8 트랜지스터 H-브리지 인버터의 관점에서, 8 트랜지스터 배열은 DC 단자에 병렬로 전기적으로 연결된 제 1 상 레그 및 제 2 상 레그를 포함한다. 각 레그는 4 개의 트랜지스터를 포함한다. 상기 각 상 레그의 상기 트랜지스터의 상부 쌍 사이의 중간점과 상기 트랜지스터의 하부쌍사이의 중간점은 중성점을 형성하기 위해 다이오드를 통해 전기적으로 연결된다.
비재생 전력셀 - 재생 전력을 흡수하는 기능을 가지지 않은 전력셀.
전력셀 - 3 상 교류 입력 및 단상 교류 출력을 가지는 전기 디바이스.
랭크 - 3 상 전력 전달 시스템의 각 상을 가로질러 구축된 전력셀의 배열.
정격 속도 - 그것이 자신의 정격 토크에서 동작될 때, 분당 회전수(RPM)와 같은, 모터의 샤프트가 시간당 회전하는 횟수.
재생 전력셀 - 재생 전력을 흡수하는 기능을 가진 전력셀.
거의 - 거의 비슷하거나 이상의 정도.
3 상 브리지 정류기 - 3 상 교류를 직류로 변환하는 다이오드와 같은 반도체 디바이스의 배치를 포함하는 디바이스.
다양한 실시예에서, 멀티-레벨 전력 회로는 제한된 제동 기능을 제공하기 위해 단상 직렬연결 재생 셀 및 비재생 셀 인버터를 이용한다. 도 2는 이러한 인버터를 가진 회로의 예시적인 실시예를 도시한다. 도 2에서, 변압기(210)는 단상 인버터의 어레이(또한 전력셀이라고 함)를 통해 3 상 인덕션 모터와 같은 로드(230)로 3 상, 중간 전압 전력을 전달한다. 3 상 인버터는 어레이에서는 필요없다. 상기 변압기(210)는 다수의 제 2 권선(214-225)를 여자하는 주권선(212)을 포함한다. 주 권선(212)이 성망형 구성을 가지는것으로 도시되었지만, 메쉬 구성이 또한 가능하다. 또한, 제 2 권선(214-225)이 메쉬 구성을 가지는 것으로 도시되지만, 성망형 구성의 제 2 권선이 가능하거나, 또는 성망형과 메쉬형 권선의 조합이 사용될 수 있다. 또한, 도 2에 도시된 제 2 권선의 수는 단지 예시일 뿐, 다른 수의 제 2 권선이 가능하다. 상기 회로는 일부 실시예, 다른 애플리케이션에서 중간 전압 애플리케이션에 사용될 수 있다.
임의의 수의 전력셀의 랭크는 변압기(210)와 로드(230) 사이에 연결된다. "랭크"는 3 상 세트 또는 전력 전달 시스템의 3 상 각각을 가로질러 구축된 전력셀 의 그룹으로 간주된다. 도 2를 참조하면, 랭크(250)는 전력셀(251-253)을 포함하고, 랭크(260)는 전력셀(261-263)을 포함하고, 랭크(270)는 전력셀(271-273)을 포함하고, 및 랭크(280)는 전력셀(281-283)을 포함한다. 4 개 미만의 랭크, 또는 4 개 이상의 랭크가 가능하다. 중앙 제어 시스템(295)은 명령 신호를 광섬유 또는 유선, 또는 무선 통신 매체(290)을 통해 각 셀에서의 국부적 제어로 전송한다.
상술한 바와 같이, 도 1에 도시된 것과 같은 종래 기술의 전력셀은 임의의 특정한 수의 재생을 허용하지 않는다. 본문에 기술된 실시예에서의 원하는 제동 기능을 달성하기 위해, 교류 전력셀이 사용된다. 도 3A 및 3B는 재생을 허용하는 전력셀의 2 개의 실시예를 도시한다. 도 3A를 참조하면, 전력셀(300)은 그것이 입력부(342)를 통해 변압기의 전용 3 상 제 2 권선으로부터 전력을 수신하면서 3 상 브리지로서 기능하는 액티브 프론트 엔드(310)를 포함한다. 상기 셀(300)은 또한 예를 들면, 본문에서 일반적으로 프론트-엔드 트랜지스터라고 하는, 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT), 집적 게이트 커뮤티드 사이리스터 또는 기타 디바이스와 같은 트랜지스터 또는 사이리스터(312)와 같은 복수의 전류-제어 디바이스를 포함한다. 본 예에서 각각 DC 단자를 가로질러 병렬로 연결된 2 개의 트랜지스터의 3 쌍인, 브리지 포맷으로 6개의 트랜지스터가 도 3A에 도시되어 있지만, 다른 수의 트랜지스터가 이용될 수 있다. 이러한 트랜지스터는 어느 한 방향으로 에너지를 전송하기 위해 로컬 및 원격 제어 시스템(도 2에서, 각각 292, 295)에 의해 제어되어, 그 결과 총 용량(즉, 약 또는 총 100%)으로 모터링 또는 재생하는 것을 허용할 수 있다. 프론트-엔드 트랜지스터를 가지고 이러한 동작을 달성하기에 적절한 방 법이 사용된다. 상기 전력 셀(300)의 나머지는 AC 전력을 출력부(344)로 전달하기 위해 액티브 프론트 엔드(310)의 출력부 또는 DC 단자를 가로질러 각각 연결된, 하나 이상의 커패시터(320)와 H-브리지 인버터(330)를 포함한다. 다른 인버터 브리지는 도 3A에 도시된 4 트랜지스터 H-브리지(330)에 대한 대체물로서 사용될 수 있다. 예를 들면, 중성점 클램핑된 연결에 기초한 8개의 트랜지스터를 구비한 H-브리지가 사용된다.
대안의 실시예에서, 도 3B는 정류기(360), 커패시터(375), 및 입력부(392)와 출력부(394) 사이에 병렬로 연결된 H-브리지 인버터(380)와 같은 인버터 브리지를 포함하는 전력셀(350)을 도시한다. 3 상 다이오드 브리지 정류기(360)는 입력부(392)를 통해 변압기의 전용 3상 제 2 권선으로부터 전력을 수신한다. 추가하여, 제동 회로(370)는 트랜지스터(374)(본문에서 제동 레지스터라고 함)와, 서로에 대해 직렬로 전기적으로 연결되고 정류기(360)의 DC 커패시터(375)와 DC 출력부를 가로질러 병렬로 전기적으로 연결된 레지스터(372)를 포함한다. 상기 제동 트랜지스터(374)는 로컬 컨트롤러에 의해 제어되고, 제동 트랜지스터(374)를 가동하는 동안에는 "오프"가 되도록 제어되고, AC 입력부(392)로부터 AC 출력부(394)로의 에너지 전송에 참가하지 않는다. 그러나, 재생동안 제동 트랜지스터(375)는 레지스터(372)에서 모터로부터 에너지를 소산하기 위해 턴온 및 턴오프하도록 제어되어, 그결과 DC 전압이 미리 정해진 값으로 상기 커패시터(375) 전체에서 유지하도록 한다.
전력이 모터로부터 흡수되도록 하는 전력셀을 본 문에서 재생 셀(RC)이라고 하고, 상당한 양의 재생을 허용하지 않는 전력셀(도 1에서 1로 도시되고, 상술됨)은 비재생 셀(NRC)이라고 한다. RC의 2 가지 예가 도 3A 및 3B에 도시되었지만, 다른 RC셀이 본문에 기술된 실시예에서 사용될 수 있다.
따라서, 다시 도 2를 참조하면, 랭크(250 및 270)는 재생 셀을 포함하고, 랭크(260 및 280)는 비재생셀을 포함하거나 또는 그 역일 수 있다. 도 2에 도시된 상당 셀의 수는 예시이고, 4 개의 랭크 이상 또는 이하가 다양한 실시예에서 가능하다는 것에 유의하라. 예를 들면, 2 개의 랭크, 4 개의 랭크, 8개의 랭크, 또는 임의의 다른 수의 랭크가 가능하다. 즉, 사용되는 재생 전력셀의 수는 제공된 제동의 원하는 정도에 기초하여 선택될 수 있다. 추가하여, 전력셀은, 단일 하우징 유닛이 원하는 제동 또는 재생과 같은 원하는 애플리케이션에 따라, 비재생 셀에 대해 교환될 수 있는 재생 셀 또는 그 역의, 다양한 애플리케이션에 사용될 수 있도록 하우징에 원격으로 장착될 수 있다.
도 2에 도시된 것과 같은 회로에 대한 풀 재생 기능을 얻기 위해, RC는 전력셀의 전체 회로에서 사용될 수 있다. 그러나, 다수의 애플리케이션에서, 필요로하는 제동 기능은 배의 추진력과 큰 팬 애플리케이션에 대해 약 10% 내지 20%와 같은, 로드의 정격 용량의 보다 적은 비율이다. 전체 회로에서 RC를 사용하는 것은 해결안을 그것이 필요로하는 것 보다 더 비싸게 만든다. 그러나, 우리는 제한되지만, 풀 제동기능을 제공하는, 예시적인 직렬연결 인버터 배치를 발견하였다.
도 4를 참조하면, 인버터의 직렬연결 배치는 동일한 회로 내에서 RC 와 NRC 모두를 연결하는데에 사용될 수 있다, 제 1 랭크(410)는 3개의 단상 NRC(411, 412, 413)(3 상 회로에서 각 상에 대한 하나의 셀)를 포함하는 반면, 제 2 랭크(420)는 3개의 단상 RC(421, 422, 423)(또한 각 상에 대해 하나씩)를 포함한다. 본 실시예에서, 3 상 전력 셀은 필요없다. 각 셀은 입력 변압기(도 2에서 210)의 전용 제 2 권선으로부터 전력을 수신한다. 각 상에 대해 각 RC 셀의 제 1 출력 단자는 각 상의 대응하는 NRC 셀에 대해 반대되는 극성의 출력 단자에 전기적으로 연결된다. 각 RC셀의 제 2 출력 단자는 출력 라인에 전기적으로 연결된다. 랭크에서의 모든 3개의 RC 셀의 나머지 출력 단자는 성망형 포인트(440)을 형성하기 위해 서로 전기적으로 연결된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 4 개의 총 랭크, 총 6개의 랭크, 총 8개의 랭크, 또는 그 이상의 것과 같은 추가 랭크가 회로에 나타난다. 선택된 RC 의 랭크의 수는 필요한 원하는 레벨의 재생에 기초하여 판단된다.
일부 실시예에서, 회로는 하나 이상의 전력셀이 고장나는 경우, 회로의 연속한 동작을 허용하는 바이패스 특징을 포함한다. 예를 들면 본 문에 참조에 의해 통합된 미국 특허 5,986,909에서, 특히 도 1B와 첨부한 텍스트에 기술된 바와 같이, 바이패스는, 셀이 고장나는 경우, 전류가 상기 전력셀 대신에 바이패스를 통해 흐를 수 있도록 전력셀의 출력 라인 사이의 분로 경로를 생성할 수 있다.
가동 동안에, RC 랭크와 NRC 랭크는 거의 동일한 양의 전력을 로드로 제공한다. 그러나, 재생동안, 상기 NRC에서의 다이오드-브리지 정류기는 유틸리티로의 전력 전송을 방지하지만, RC 에서의 프론트 엔드 트랜지스터(AFE)는 로드로부터(모터와 같은) 입력원으로 전력을 전송함으로써 제동 에너지를 흡수하도록 제어된다. 프론트-엔드 트랜지스터의 제어는 각 RC 내에서의 DC 전압의 조정과 같은 공지된 제어방법과 동일하거나 또는 그와 유사하다. 그러나, 출력 H-브리지의 제어는 상이한 방법들을 필요로한다. 예를 들면 도 4A는 가동 동안의 예시적인 전압과 전류 벡터를 도시하고, 반면에 도 4B는 재생 동안의 예시적인 전압과 전류 벡터를 도시한다. 가동시에, 도 4A에 도시된 바와 같이, 셀(1)(RC)과 셀2(NRC)의 출력 전압 벡터는 모터 전압을 따른다. 각 전력 셀은 동일하거나 또는 거의 동일한 양의 전력을 로드로 제공한다. 도 4B를 참조하면, 재생동안 셀(2)(NRC)의 전압은 구동 전류에 대해 직각위상이 되도록 제어된다. 이것은 셀(2)이 임의 리얼(또는 액티브) 전력을 흡수하는 것을 방지한다. 그러나, 셀(1)(RC)의 출력은 모터 전압과 셀(2)의 출력 사이의 차이를 보충해야만 한다. 이것은 드라이브가 재생동안 고속으로 감속된 플럭스 동작을 생산하고 그를 필요로하는 가용한 전압의 양을 제한한다. 도 4에 도시된 바와 같이, NRC 와 RC 의 혼합 사용시, 상기 NRC 및 RC 전압이 또한 도 5C에 도시된 바와 같이 서로 직각위상이 될 때 최대 제동 토크가 얻어진다. 직각위상 관계(90도)는 0의 전력 흐름이 NRC 셀로 흘러가는 것을 유지하도록 하는 것이 필요하다고 하더라도, 실질적인 구현에 대해, 상기의 각은 전력이 NRC 셀 또는 상기 NRC 셀로부터의 일부 전력흐름이 흐르지 않도록 보장하는 90도 이하로 감소될 수 있다.
셀(NRC 및 RC)의 세트를 모두 가지는 접근 방식은 상기 전체 속도 범위동안에 연속한 제동을 허용하는 전체 제동 프로세스동안 전압을 생성한다. 종래기술의 방법과는 달리, 본문에 기술된 방법은 모터 속도가 RC 의 전압 가능출력 이하로 떨어지기 전에 재생 토크를 산출할 수 있다. 상기 셀의 출력 전압은 상기 모터가 자 신의 정격 속도 또는 그에 근접해서 작동할 때 모터로 전력을 제공하는데에 실질적으로 사용된다(정상 시스템 손실로). 모터 전압이 감소될 때(제동에 대해), NRC 와 RC는 또한 상기 NRC가 제동 동안의 리액티브 전력을 제공하고, 전류가 상기 RC 를 통해 보존되도록 또한 참여한다. 이것은 종래기술과 달리, 모든 셀이 제동동안 참여할 수 있다.
하기의 논의의 목적을 위해, 하기의 기호가 하기와 같이 유닛당 베이시스로 정의된다:
RC의 전압 가능출력, VRC = x(단위당)
NRC의 전압 가능출력, VNRC=(1-x)(단위당)
드라이브의 총 전압 가능출력 = 1.0(단위당)
모터의 비로드 전류 = INL
정격 플럭스가 모터에 인가될 수 있는 이하의 속도 = wv
정격 전류가 모터에 인가될 수 있는 이하의 속도 = wI
제동 토크 가능출력 = TB
토크 전류 = Iqs
자화 전류 =Ids
모터 속도 = w
모터 전압 = Vmotor
제한된 제동 기능을 가진 예시적인 드라이브 회로의 동작을 이해하기 위해, 전체 동작 속도 범위는 하기에 기술된 것과 같은 3 개의 속도 범위를 포함하는 것으로 간주된다. 각 속도 범위 동안, 달성 가능한 제동 토크에 대한 개별 제한이 있다. 이러한 제한은 RC와 NRC, 및 모터의 자화 전류의 상대적 전압 가능 출력에 따른 것이다. 하기 설명이 인덕션 모터에 관한 것이지만, 유사한 결과값이 고정자 측에서 감소된 전압으로 동작함으로써 동기의 모터로 달성될 수 있다. 드라이브의 총 전압 가능출력이 1.0의 단위 값을 가지는 것으로 하기에 기술되었지만, 이러한 값은 x가 그 값 이하인 한은 1.0과 상이할 수 있다.
속도 범위 #1: wv≤w≤1.0
상기의 속도 범위에서, 모터 전류의 직각위상에서 NRC 셀을 동작시키기 위한 필요조건 때문에, 상기 드라이브는 정격 플럭스에서 모터를 동작시킬 수 없다. 따라서, 상기 모터는 감소된 플럭스와 감소된 전류에서 동작된다. 도 6을 참조하면, 최대 전압 출력값은 다음과 같다.
Vmax = √(1-2x+2x2)
상기의 속도범위 내에서 최대 가능한 토크를 증가시키거나 또는 얻기 위해, 모터는 상기의 최대 전압, 또는 상기 최대 전압 근방에서 동작된다. 따라서, 셀에 대한 전압은 VRC = x 및, VNRC=(1-x)로 고정된다. 속도가 정격 속도로부터 감소할 수록, 모터 플럭스는 점차로 그것이 w=wv에서의 자신의 정격 값과 같아질 때까지 증가한다. 따라서, 단위 유닛에서, wv=Vmax이다. 다시 도 6을 참조하면, 토크 전류는 다음과 같이 얻어진다.
Iqs=x Ids/(1-x)
정격 속도(최소)에서, 그런다음 제동 토크 가능출력은 하기의 수학식에 의해 얻어질 수 있다.
Figure 112007090997690-PCT00001
TB=VmaxIqs INL(1-2x+2x2)x/(1-x)
여기서, 가벼운 로드와 감소된 플럭스에서 Id
Figure 112007090997690-PCT00002
INLVmax이라고 가정한다.
속도 범위 #2: wI≤ w≤ wv
상기 속도 범위에서, 모터는 정격 플럭스와 감소된 전류에서 동작하지만, RC는 정격 출력을 제공한다. 따라서, 도 7을 참조하면:
VRC=x, VNRC=√(w2-x2), 여기서 w는 속도와 단위당 모터 전압을 나타낸다.
Iqs=xIds/√(w2-x2)
속도가 감소하면서, Iq는 더 커지고, 정격 토크 전류에 도달한다. w=wI(wI=x/PF_정격)일 때, 정격 전류는 모터에 인가되고 정격 제동 토크가 얻어질 수 있다.
속도 범위 #3: 0≤ w≤wI
본 속도 범위에서, 모터는 정격 플럭스와 정격 전류에서 동작된다. NRC와 RC로부터의 전압은 모터 전류가 정격으로 유지되도록, 하기에 도시된 바와 같이 속도에 대해 선형적으로 감소된다.
VRC=xw/wI
VNRC=w√(wI 2-x2)/wI
상기 수학식은 재생 동안의 RC 및 NRC의 제어된 동작을 위한 예시적인 방법을 도시한다. 이러한 수학식을 전형적인 모터 드라이브 컨트롤러에서 구현하기 위한 예시적인 제어 시스템(800)을 도시하는 블록도가 도 8에 주어진다. 본 도면에서, 상기 "플럭스 기준 제너레이터"(805), "제한된 재생 전압 할당"(810), 및 "재생 제한"(815)이 제한된 재생 제어를 제공하는 것을 돕는다. 도면에 도시된 바와 같이, 상기 예시적인 회로는 적어도 2개의 입력부, 플럭스 수요 λDMD(801) 및 속도 기준 wref(802)를 포함한다. 상기 플럭스 기준 제너레이터(805)는 상기 수학식(1)에 의해 주어진 최대 전압을 이용하여 플럭스 기준과 고정자 주파수, ws(804)를 연산하고, 출력으로서 플럭스 기준λref(803)을 제공한다. 플럭스 기준 제너레이터(805)는 또한 상기 플럭스 기준이 항상 상기 플럭스 수요 λDMD(801)이하라는 것을 보장한다. 상기 플럭스 레귤레이터(820)는 상기 플럭스 기준 λref(803)과 플럭스 피드백 λDS(809) 사이의 차이를 보상하며, 여기서 λDMD(809)는 측정된 모터 전압과 고정자 속도에 의해 주어진 실제 측정된 플럭스 값이다. 플럭스 레귤레이터(820)의 출력은 모터 자화 전류 기준, Ids ref(821)이다.
속도 기준 wref(802)는 속도 레귤레이터(855)에서의 모터 속도 w(850)에 비교되고, 이것은 츨력으로서, 모터 토크 전류 기준Iqs ref(858)을 제공한다. 속도를 늦추도록 상기 모터가 명령을 받을 때, 재생 제한 블록(815)이 상기 수학식(2) 및 (5)를 연산하고, 토크 전류 기준에 대한 제한을 제공한다.
도 8에 도시된 회로는 자화 전류와 토크 전류를 제어하는 2 개의 전류 레귤레이터(860 및 862)를 포함한다. 이들의 출력이 전압 기준, Vds ref(863) 및 Vqs,ref(861)이다. 상기 제한된 재생 전압 할당(810) 블록은 상기 전압 기준, Vds ref(863) 및 Vqs , ref(861)을 RC와 NRC에 대한 전압 기준으로 분할 한다. 제한된 재생 전압 할당(810) 블록에서, 먼저 RC 및 NRC에 대한 전압의 크기는 상기 수학식 (4), (6), 및 (7)로부터 x, Vmotor 및 ws를 이용하여 찾아낸다. 그런다음 상기 NRC 와 RC에 대한 전압 명령의 d- 및 q축 컴포넌트(VqdsNRC (868) 및 VqdsRC(869))가 Ids ref 및 Iqsref를 이용하여 식별된다. 마지막으로, VRC와 VNRC의 d- 및 q 축의 컴포넌트가 고정 프레임에서 3 상 전압으로 변환되고, 인버터를 제어하는 PWM 전압 명령을 생성하기 위한 기준으로서 사용된다.
도 9A-9D는 x=0.5인(즉, RC와 NRC의 수가 동일한) 도 4에 도시된 드라이브 구성을 위한 재생시의 동작을 나타내는 예시적인 시뮬레이션 결과를 제공한다. 동일한 수의 RC와 NRC를 가지는 것은 본문에서 기술된 실시예의 필요조건이 아님에 유의해야한다. 상기 드라이브는 속도 기준 wref를 감소시킴으로서 t=5초에서 재생을 진행하도록 명령을 받는다.
도 9A 및 9B는 예시적인 모터 속도(도 9A)와 RC 및 NRC 렝크의 조합을 가지는 드라이브의 출력 전압(도 9B)을 도시한다. 각 도면에서, 시간=0 에서 시간=5 까지는 가동을 나타내는 반면, 나머지 시간은 제동의 상이한 속도 범위를 나타낸다. 도 9A-9B에 도시된 바와 같이, 종래 기술과는 달리, 전압 강하가 제동동안 비재생 전력셀을 가로질러 나타난다. 실제로는, 이러한 전압은 전체 제동 기간 동안 나타난다.
도 9B를 참조하면, 속도 범위 #1 동안, 드라이브 출력 전압은 RC 및 NRC의 출력 전압이 자신의 각각의 높은 정격값(즉, 100%)에서 유지되는 동안 상기 수학식(1)에 의해 정해진 값으로 유지된다. 속도 범위 #2에서, NRC의 전압은 감소되는 반면, RC의 전압은 수학식(4)에 의해 주어진 바와 같이 자신의 정격 전압에서 유지된다. 모터 속도가 속도 범위 #3으로 들어가자 마자, RC 및 NRC 모두의 전압은 모터가 수학식(6) 및 (7)에 의해 지정되는 바와 같이 감소하는 것처럼 선형적으로 감소한다.
도 9C는 재생 동안의 예시적인 모터 전류의 컴포넌트를 도시한다. 속도 범위 #1에서, 자화 전류(IDS)는 수학식(1)에 의해 정해지는 최대 모터 전류를 만족시키도록 감소된다. 결과적으로, 토크 전류(IQS)는 또한 상기 모터 전류가 도 6에 도시된 바와 같은 NRC의 출력 전압에 대해 직각 위상으로 유지되도록 또한 감소된다. 속도 범위 #1 전체에서, 자화 전류와 토크 전류 모두는 NRC 셀의 모터 전류와 출력 전압 사이의 직각 위상 관계를 유지하고 역률을 유지하면서 자신의 정격값(즉, 거의 100%)으로 모터 플럭스가 도달하도록 하는 비율로 동일하게 증가한다. 속도 범위 #2 동안, 도 7에 나타난 바와 같이, NRC의 전압이 감소하면서 더 큰 토크 전류를 수용하기 위한 빈공간이 더 늘어난다. 상술한 바와 같이, 속도 범위 #3은 전체 모터 전류가 자신의 정격값에 도달할 때 즉시 시작한다.
도 9D는 드라이브, RC 셀, 및 NRC 셀로부터 전달된 액티브 전력을 도시한다. 상기 NRC로부터의 액티브 전력은 모터 감소의 지속기간 동안 거의 제로로 유지된 다. 본 예시에서, 모터로부터의 모든 액티브 전력(또는 총 전력)은 RC에 의해 흡수되고, 그에 의해 본 문에 기술된 방법이 성공적으로 상기 모터로부터 흡수된 모든 전력을 재생 동안 RC로 전환시키는 것을 예시한다. 추가하여, 모터에서 생성된 전력은 RC의 전력 정격이하로 제어된다.
상술한 바와 같이, 상술한 예보다 상이한 수의 RC와 NRC가 있다. RC와 NRC의 조합이 변경될 때, 풀 속도에서의 제동 토크의 값은 또한 수학식(3)에 따라 변화한다. 이것은 모터의 비로드 전류, INL이 동일하게 25%라고 가정한, 상이한 셀 조합에 대한 제동 토크의 하기의 표에서 나타낸다.
NRC에 대한 RC의 비, x 풀 속도에서의 제동 토크
0.25 5.4%
0.333 6.9%
0.40 8.7%
0.50 12.5%
0.60 19.5%
0.667 27.8%
상술한 바와 같이, 바이패스 특징이 각각의 전력셀에 제공될 때, 하나 이상의 전력 셀이 오류를 일으키더라도 회로를 동작시키는 것이 가능하다. 이러한 조건 하에서, 상기 제공된 수학식들이 여전히 적용가능하지만, 하기에 상술된 작은 조정이 있어야 한다. 하나 이상의 전력셀이 바이패스되면, RC 및 NRC의 총 전압 가능출력은 각각 y 및 z로 변화되어, t=y+z가 된다. 상기의 수학식(1)-(7)에 상술된 동일한 프로시저가 1.0, x, (1-x)대신에 t, y, z를 이용하여 회로에서의 보다 작은 수의 전력셀을 가진 제어 동작을 판정하기 위해 진행된다.
다른 실시예가 특정한 예시적인 실시예의 상술한 상세한 설명과 도면을 판독하는 것으로부터 당업자에게는 쉽게 명확하게 될 것이다. 다양한 변형, 변경, 및 추가적인 실시예가 가능하며, 따라서 모든 이러한 변형, 변경, 및 실시예는 본 출원의 취지와 범위 내에 있는 것으로 간주되어야 한다. 예를 들면, 본 출원서의 특정한 부분(예를 들면, 명칭, 분야, 배경발명의 요약, 요약서, 도면 등)의 내용에 관계 없이, 명확한 정의에 의해 명확하게 반대의 표시를 하지 않는다면, 임의의 특정한 기술되거나 예시된 특성, 기능, 활동, 또는 엘리먼트, 활동의 특정한 시퀀스, 또는 엘리먼트의 특정한 상호관계가 본 문의 임의의 청구범위(또는 우선권을 주장하는 임의의 출원의 임의의 청구범위)에 포함될 필요는 없다. 또한, 임의의 활동이 반복될 수 있고, 임의의 활동이 다수의 엔티티에 의해 실시되거나 및/또는 임의의 엘리먼트가 복사될 수 있다. 또한, 활동 또는 엘리먼트가 배제될 수 있고, 활동의 시퀀스가 변할 수 있고, 및/또는 엘리먼트의 상호관계가 변할 수 있다. 따라서, 상세한 설명과 도면은 본질적으로 예시로서 간주되어야 하며 한정으로 간주되어서는 안된다. 또한 임의의 수 또는 범위가 본문에 기재되었을 때, 명확하게 다르게 설명되지 않으면, 상기 수 또는 범위는 근사치이다. 임의의 범위가 본문에 기술되었을 때, 명확하게 다르게 설명되지 않으면, 상기 범위는 모든 값을 그 안에 포함하고 그 안에 모든 하위 범위를 포함한다. 본문에 참조로서 통합된 모든 문서(예를 들면, 미국 특허, 미국 특허 출원, 책, 논문 등)에서의 정보는 본문에서 설명된 이러한 정보와 다른 설명 및 도면의 세트 사이에서 상충이 존재하지 않는 정도까지 참조에 의해서만 통합된다. 이러한 상충의 경우, 본 문의 청구범위를 유효하지 않게 하거나 또는 그에 대해 우선순위를 주장하는 경우, 이러한 참조 문서에 의해 통합된 상충하는 정보는 명확하게 본문에 참조에 의해 통합되지 않은 것이다.

Claims (19)

  1. 제동 회로에 있어서,
    소스로부터의 전력을 수신하고 로드로 전력을 전달하기 위해 전기적으로 연결된 전력 셀의 배치로서, 상기 배치는:
    재생 전력셀의 제 1 랭크;
    비재생 전력셀의 제 2 랭크; 및
    제어회로를 구비하는 배치를 포함하는 것을 특징으로 하는 제동회로.
  2. 제 1 항에 있어서,
    전압 강하가 상기 로드의 제동 동안에 비재생 셀 전체에 나타나는 것을 특징으로 하는 제동회로.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 로드가 정격 플럭스 이하와 정격 전류 이하에서 동작될 때, 상기 재생 전력 셀과 비재생 전력셀의 출력 전압은 적어도 자신의 정격값과 거의 동일한 값에서 유지되는 것을 특징으로 하는 제동회로.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 로드가 정격 플럭스와 정격 전류 이하에서 동작될 때, 상기 제어 회로 는 적어도 상기 재생 전력셀의 전류의 가능 출력을 이용하는 것을 특징으로 하는 제동회로.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 로드가 정격 플럭스와 풀 전류에서 동작될 때, 상기 제어 회로는 적어도 상기 재생 전력셀과 비재생 전력셀의 전류의 가능 출력을 이용하는 것을 특징으로 하는 제동회로.
  6. 제 1 항에 있어서, 각각의 재생 전력셀은,
    인버터 브리지;
    상기 인버터 브리지의 단자에 가로질러 전기적으로 연결된 커패시터 세트; 및
    3 상 브리지로서 전기적으로 연결된 복수의 트랜지스터를 구비한 액티브 프론트 엔드를 포함하는 것을 특징으로 하는 제동회로.
  7. 제 1 항에 있어서, 각각의 재생 전력셀은,
    인버터 브리지;
    상기 인버터 브리지의 단자에 가로질러 전기적으로 연결된 커패시터 세트;
    상기 단자에 가로질러 전기적으로 연결된 3 상 다이오드 브리지 정류기; 및
    상기 단자에 전기적으로 연결된 직렬 연결된 트랜지스터 및 레지스터 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 제동회로.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 인버터 브리지는 중성점 클램핑된 연결에 기초한 4 트랜지스터 H-브리지 인버터 또는 8 트랜지스터 H-브리지 인버터를 포함하는 것을 특징으로 하는 제동회로.
  9. 제 1 항에 있어서, 각각의 비재생 전력셀은,
    인버터 브리지;
    상기 인버터 브리지의 단자에 가로질러 전기적으로 연결된 커패시터 세트; 및
    상기 단자를 가로질러 전기적으로 연결된 3 상 브리지 정류기를 포함하는 것을 특징으로 하는 제동회로.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 인버터 브리지는 중성점 클램핑된 연결에 기초한 4 트랜지스터 H-브리지 인버터 또는 8 트랜지스터 H-브리지 인버터를 포함하는 것을 특징으로 하는 제동회로.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 재생 전력셀과 비재생 전력셀은 하우징에 착탈가능하게 그리고 교환가능하게 장착되는 것을 특징으로 하는 제동회로.
  12. 전기 디바이스에 있어서,
    소스로부터의 전력을 수신하고 로드로 전력을 전달하기 위해 전기적으로 연결된 복수의 단상 전력셀로서, 상기 단상 전력셀은 재생 전력셀의 제 1 랭크와 비재생 전력셀의 제 2 랭크를 구비한 복수의 단상 전력셀을 포함하고;
    각각의 비재생 전력셀은,
    인버터 브리지,
    상기 인버터 브리지의 단자에 가로질러 전기적으로 연결된 커패시터 세트,
    상기 단자를 가로질러 전기적으로 연결된 3 상 브리지 정류기를 포함하고,
    상기 비재생 전력셀은 상기 복수의 셀이 모터의 제동을 위해 사용될 때 리액티브 전력을 제공하는 것을 특징으로 하는 전기 디바이스.
  13. 제 12 항에 있어서, 각 재생 전력 셀은,
    인버터 브리지;
    상기 인버터 브리지의 단자를 가로질러 전기적으로 연결된 커패시터 세트; 및
    3 상 브리지로서 전기적으로 연결된 복수의 트랜지스터를 구비한 액티브 프론트 엔드를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 디바이스.
  14. 제 12 항에 있어서, 각각의 재생 전력셀은,
    인버터 브리지;
    상기 인버터 브리지의 단자에 가로질러 전기적으로 연결된 커패시터 세트;
    상기 단자에 가로질러 전기적으로 연결된 3 상 다이오드 브리지 정류기; 및
    상기 단자에 가로질러 전기적으로 연결된 직렬 연결된 트랜지스터 및 레지스터 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 디바이스.
  15. 제 12 항에 있어서,
    전압 강하가 상기 로드의 제동동안 상기 비재생 셀 전체에 나타나고;
    상기 로드가 정격 플럭스 이하 및 정격 전류 이하에서 동작될 때, 상기 재생 전력셀과 비재생 전력셀의 출력 전압이, 적어도 자신들의 정격 값에서 유지되고;
    상기 로드가 정격 플럭스와 정격 전류 이하에서 동작될 때, 상기 제어 회로는 적어도 상기 재생 전력셀의 전류 가능출력을 이용하고;
    상기 로드가 정격 플럭스와 풀 전류에서 동작될 때, 상기 제어 회로는 적어도 상기 재생 전력셀과 비재생 전력셀의 전류 가능출력을 이용하는 것을 특징으로 하는 전기 디바이스.
  16. 전기 디바이스에 있어서,
    적어도 3개의 단상 비재생 전력셀을 구비하는 제 1 랭크;
    적어도 3 개의 단상 재생 전력셀을 구비하는 제 2 랭크; 및
    제어 회로를 포함하고,
    상기 각각의 비재생 전력셀은,
    인버터 브리지,
    상기 인버터 브리지의 단자에 가로질러 전기적으로 연결된 커패시터 세트,
    상기 단자에 가로질러 전기적으로 연결된 3 상 브리지 정류기를 구비하고,
    상기 디바이스가 모터의 제동에 이용될 때, 3 상 전력셀은 필요없고, 비재생 전력셀이 리액티브 전력을 제공하는 것을 특징으로 하는 전기 디바이스.
  17. 제 16 항에 있어서, 각 재생 전력셀은,
    인버터 브리지;
    상기 인버터 브리지의 단자에 가로질러 전기적으로 연결된 커패시터 세트;
    3 상 브리지로서 전기적으로 연결된 복수의 트랜지스터를 구비하는 액티브 프론트 엔드를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 디바이스.
  18. 제 16 항에 있어서, 각 재생 전력 셀은,
    인버터 브리지;
    상기 인버터 브리지의 단자에 가로질러 전기적으로 연결된 커패시터 세트;
    상기 단자에 가로질러 전기적으로 연결된 3 상 다이오드 브리지 정류기; 및
    상기 단자에 가로질러 전기적으로 연결된 직렬 연결된 트랜지스터 및 레지스터 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 디바이스.
  19. 제 16 항에 있어서,
    전압 강하가 상기 로드의 제동동안 상기 비재생 셀 전체에 나타나고;
    상기 로드가 정격 플럭스 이하 및 정격 전류 이하에서 동작될 때, 상기 재생 전력셀과 비재생 전력셀의 출력 전압이, 적어도 자신들의 정격 값에서 유지되고;
    상기 로드가 정격 플럭스와 정격 전류 이하에서 동작될 때 상기 재생 전력셀이 거의 정격 전류를 출력하고;
    상기 로드가 정격 플럭스와 풀 전류에서 동작될 때, 상기 재생 전력셀과 비재생 전력셀이 거의 정격 전류를 출력하는 것을 특징으로 하는 전기 디바이스.
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