KR20080034011A - 소비 전력 측정 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전자 스위치의 소비 전력을 결정하는 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 물리량의 순시 값이 검출되고, 순시 값과 상관된 값이 제 1 메모리로부터 폴링되며, 이들 2개의 값은 미리 정해진 방식으로 함께 처리되어, 처리 동작의 결과가 출력되는 것으로 제안된다.
Figure P1020087004946
소비 전력, 풍력 장치, 인버터, 메모리

Description

소비 전력 측정{MEASUREMENT OF DISSIPATED POWER}
본 발명은 전자 스위치의 소비 전력을 결정하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명은 또한 인버터 및, 인버터 및 풍력 장치(wind power installation)를 제어하는 방법에 관한 것이다.
다음의 문서는 최신 기술로서 공지되어 있다: US No 2004/0196678 A1, US No 2004/0125523 A1, US No 5 841 262 A, US No 2004/0085117 A1, DE 101 41 125 A1, DE 103 19 354 A1, DE 35 26 836 A1, DE 39 05 701 A1, EP 0 397 514 A2, WO 02/080343 A1, WO 2004/012326 A1, WO 03/065567 A1 및 WO 02/07315 A1.
오늘날, 인버터는 직류로부터 교류를 생성시키기 위해 IGBT로 지칭되는 형태의 스위치를 자주 이용하며, 이와 같은 인버터의 구조는 본질적으로 공지되어 있다. 스위치는 아주 필연적으로 공지된 식에 기초로 하여 계산될 수 있는 스위칭 손실을 입는다. IGBT와 관련된 프리휠링(free-wheeling) 다이오드가 또한 용어 '스위치'로 채택될 수 있다는 점에 주지될 수 있다.
그래서, 인버터를 설계할 시에, 동작 파라미터는 계산에 기초로 하여 정의되어 이용될 수 있다. 그래서, 그 계산 및 실체(reality)는 이들 파라미터가 인버터의 동작 중에 유지되어야 함에 따른다.
사실상, 인버터의 제어는 감시되는 스위치 온도에 의해 자주 영향을 받는다. 그 제어는, 스위치가 손실로 인해 온도가 상승하여, 온도의 상승이 이와 같은 손실의 측정치라는 사실에 기초로 한다. 지금 온도 감시에 의해 미리 정해진 임계값을 초과함이 검출되면, 인버터는 손실을 피하기 위해 스위치 오프된다. 또한, 반도체를 기초로 하여 구성되는 이와 같은 스위치는 열 과부하에 민감하게 반응한다는 사실이 추가된다. 이와 같은 스위치의 열 부하가 높을수록, 열 노화(thermal ageing)가 커서, 스위치가 보다 신속히 교체되어야 한다.
이와 같은 인버터가 풍력 장치에 이용되면, 인버터가 스위치 오프되어, 풍력 장치도 종료되어야 한다.
소비 전력을 측정할 수 있도록 하기 위해, 예컨대, IGBT가 순방향 상태(forward state)에 있을 시에 콜렉터-이미터 전압을 측정할 필요가 있다. 그것은 하위 단일 숫자 범위 내의 값이고, 상당한 고 전류 (수백 암페어)로 처리할 시에 매우 정확한 결과치를 달성하기 위해 가능한 정확히 검출되어야 한다. 그러나, 오프 상태에서, 완전 중간 회로 전압(수백 볼트)이 이들 단자에 인가된다.
그래서, 본 발명의 목적은 실제로 스위치에서 생성하는 소비 전력을 결정할 수 있다.
본 발명에 따르면, 그 목적은 전자 스위치의 소비 전력을 결정하는 방법에 의해 달성되는데, 이 방법은, 물리량의 순시 값이 검출되고, 순시 값과 상관된 값이 제 1 메모리로부터 폴링(polling)되며, 이들 2개의 값은 미리 정해진 방식으로 함께 처리되어, 처리 동작의 결과는 출력되는 것을 특징으로 한다.
이 점에서, 본 발명은, 측정에 의해 확인된 측정값과 관련되는 값이 스위치의 공지된 데이터로부터 취해질 수 있는 사실에 기초로 하며, 이 값은 데이터 시트에 공개된다. 본 예에서, 스위치를 통해 흐르는 공지된 전류의 경우에, 예컨대, 데이터 시트로부터 콜렉터-이미터 전압(Vce)을 확인할 수 있다. 흐르는 전류와 콜렉터-이미터 전압의 승산은 스위치를 통해 순시적으로 흐르는 전류에 대한 소비 전력을 제공한다. 그것은 또한 스위치가 스위치 온 및 오프될 시의 스위칭 손실을 포함한다.
스위치의 소비 전력뿐만 아니라 완전한 인버터의 소비 전력도 결정할 수 있도록 하기 위해, 본 발명의 개발에 의해, 복수의 스위치의 물리량이 검출되고, 대응하는 복수의 상관 값이 메모리로부터 판독된다.
특히, 바람직하게는, 측정 결과치 및 처리 중간값이 저장된다. 이런 특징에 의해, 또한, 예컨대 나중에 통계적 평가 등을 위한 이들 값에 접근할 수 있다.
본 발명을 실행하기 위해, 전자 스위치의 소비 전력을 결정하는 장치가 제공되는데, 이 장치는, 전자 스위치의 하나 이상의 물리량의 순시 값을 검출하는 데이터 입력, 물리량과 상관된 데이터가 저장되는 제 1 메모리, 서로 미리 정해진 형식으로 메모리로부터 호출되는 값 및 물리량을 처리하는 처리 유닛 및, 처리 동작의 결과를 출력하는 소자를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 이런 해결책은 스위치의 실제 소비 전력을 결정할 수 있는 이점을 부여한다. 이것은 흐르는 전류에 의존할 뿐만 아니라 스위치의 특정 값에도 의존한다. 오히려, 예컨대, 주변 온도와 같은 주변 영향은 또한 역할을 한다. 그래서, 본 발명에 따른 장치는 원하는 시기에 실제 소비 전력을 검출할 수 있게 한다. 그래서, 이런 식으로, 최신 기술에 공지된 계산 예측 절차보다 더욱 정확하게 스위치의 실제 부하를 결정할 수 있다.
바람직한 개발에서, 이 장치는 복수의 스위치의 물리량의 순시 값을 검출하는 복수의 입력을 포함한다. 이런 식으로, 이 장치를 이용하여, 예컨대, 전체 인버터의 소비 전력을 검출할 수 있다.
연장된 시간 주기에 걸쳐 소비 전력의 변동을 평가할 수 있도록 하기 위해, 특히 바람직한 특징은 측정값 및 중간 결과를 저장하는 제 2 메모리를 제공한다. 그러나, 이 메모리는 또한 구조적으로 제 1 메모리와 조합될 수 있다.
전자 스위치가 그의 동작을 위한 미리 정해진 한계 값을 가지고, 그 이상일 시에는 동작되지 않음에 따라, 장치는 바람직하게는 미리 정해진 한계 값과 처리 동작의 결과를 비교하여, 한계 값이 도달되거나 초과될 시에 신호를 출력하는 소자를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이 경우에, 장치는, 바람직하게, 필요하다면, 각각의 사용 위치로 쉽게 운반될 수 있는 자율(autonomous) 유닛의 형태일 수 있다. 선택적으로, 장치는 또한 인버터 또는 풍력 장치의 제어부로 통합될 수 있다.
예컨대, 이와 같은 유닛의 오퍼레이터 또는 동작 기구에 통지하는데 이용될 수 있는 신호의 출력 이외에, 신호는 특히 바람직하게는 또한 미리 정해진 형식의 제어에 영향을 주도록 인버터 또는 풍력 장치의 제어부로 출력될 수 있다.
허용 오차 대역 프로세스에 따라 동작하는 인버터의 경우에, 바람직하게, 그 영향에 의해, 장치가 한계 값이 초과되었음을 나타내는 신호를 출력할 경우에 허용 오차 대역폭이 증대될 수 있다. 그래서, 스위치의 소비 전력이 과도하게 높을 경우, 허용 오차 대역폭은 확대될 수 있다. 이것은, 스위칭 주파수 및 그것과 함께 또한 스위치-온 및 스위치-오프 손실 및 결국 (프리휠링 다이오드를 포함하는) 스위치의 소비 전력이 떨어짐을 의미한다.
특히 바람직한 특징에서, 풍력 장치는 적어도 하나의 이와 같은 인버터를 구비한다. 이 점에서, 풍력 장치를 제어하는 방법은, 풍력 장치에 의해 생성된 전력이 미리 정해진 한계 값을 초과하였음을 나타내는 신호에 의해 감소되는 것을 특징으로 한다. 이것에 의해, 인버터에 의해 처리될 전력이 또한 보다 적게 되고, 이에 따라 스위치의 소비 전력이 감소된다.
그 점에서, 본 발명에 따른 장치는, 이런 식으로, 인버터를 경유하지 않고 풍력 장치의 제어에 직접 영향을 줄 수 있도록 하기 위해 풍력 장치의 제어부에 접속될 수 있다.
이하, 도면을 참조로 하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 장치의 단순화된 도면이다.
도 2는 풍력 장치에 관한 장치의 이용의 일례를 도시한 것이다.
도 3은 풍력 장치에 관한 본 발명의 이용의 제 2 예를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 방법의 단순화된 도면이다.
도 5는 인버터의 위상에 대한 스위치 브리지의 단순화된 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 방법의 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같은 본 발명에 따른 장치의 간략화된 도면에서, 참조 번호 10은 (예컨대, IGBT와 같은) 스위치(12)에 접속되어, 생성된 교류를 전송하는 도체를 나타낸다. 이 스위치는 제어부(14)에 의해 작동된다. 도체(10)에서 측정된 전류는 측정 변환기(16)에 의해 검출되어 처리 유닛(18)으로 공급된다. 처리 유닛(18)은 또한 각각의 스위칭 모멘트를 정확히 결정하기 위해 트리거 이벤트로서 제어부(14)로부터 작동 정보를 수신한다. 도체(10)에서 측정 변환기(16)에 의해 확인된 전류에 따르면, 테이블(20)로부터, 콜렉터-이미터 전압에 대한 대응하는 전압 값이 호출되어, 스위치(12)의 실제 소비 전력이 이들 값으로부터 확인될 수 있다. 그 결과는 예컨대 디스플레이(22) 상에 표시될 수 있다. 이들 값은 또한 (도면에 도시되지 않은) 메모리로 입력될 수 있음을 알게 될 것이다. 그 다음, 이 메모리는, 예컨대 (또한 도시되지 않은) 인터페이스를 경유하여 측정용 컴퓨터로 전송될 수 있는 데이터를 수집할 수 있게 한다.
도 2는 실질적으로 도 1에 대응한다. 게다가, 도 2는 제어부(26)를 구비한 풍력 장치(24)의 포드(pod)를 도시한다. 따라서, 처리 유닛(18)에서 계산 동작의 결과에 따라, 계산 결과가 디스플레이(22) 상에 표시될 수 있을 뿐만 아니라, 동시에 또는 선택적으로 풍력 장치(24)의 제어부(26)도 예컨대 이런 식으로 초과된 한계 값에 반응하기 위해 영향을 받을 수 있다. 따라서, 풍력 장치는 생성된 전력을 감소시킬 수 있다. 피치 조정의 경우에는 풍력 장치가 공지된 방식으로 로터 블레 이드(rotor blade)의 피치각을 변경함으로써 가능하다.
도 3은, 도 2와 비교하여, 측정 변환기 및 작동 장치가 추가된 것이다. 도 3은 측정 변환기(161, 162, 163)에 의해 전류 흐름이 검출되는 복수의 도체(100, 101, 102)를 도시한다. 추가적인 스위치는 도면의 간략화를 증대하기 위해 도시되지 않는다. 라인 169는 여기서 당연히 복수의 측정 변환기가 또한 물리량을 검출하는 일례로서 처리 유닛(16)에 접속될 수 있음을 나타낸다.
라인 수에 따라, 또한 대응하는 작동 장치(141, 142, 143)가 제공된다. 라인은 이들 작동 장치의 각각으로부터 처리 유닛(18)으로 진행함으로써, 각각의 트리거 펄스가 라인(100, 101, 102) 중 하나로 공급하는 각 스위치에 전송될 수 있다. 상술한 바와 같이, 스위치의 콜렉터-이미터 전압에 대한 대응하는 값은 각 검출된 전류 값에 관해 테이블(20)로부터 호출될 수 있으며, 순시 소비 전력은 그로부터 결정될 수 있다. 그 다음, 결과는 다시 디스플레이(22) 또는 풍력 장치(24)의 제어부(26)로 출력될 수 있다. 또한, 대응하는 신호가 대응하는 통지를 트리거하기 위해 이동 전화, 원격 감시 중앙국 등과 같은 다른 장치로 전송될 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 방법에 대한 흐름도를 도시한 것이다. 개시 후, 스위치에 대한 측정 값이 먼저 확인된다. 측정 값에 기초로 하여, 다음 단계는 테이블에서 관련 데이터 값을 판독하고나서, 2개의 값이 처리되어, 이 경우에, 서로 곱해져 스위치의 순시 소비 전력을 확인하는 단계를 포함한다. 그 후, 결정된 값이 미리 정해진 한계치 내에 있는지를 확인하는 검사 동작이 달성될 수 있다. 신호가 출력되지 않으면, 선택적으로 또는 부가적으로, 또한, 디스플레이를 구현할 수 있음 을 알게 될 것이다. 그 다음, 측정이 반복될 수 있거나 반복되지 않을 수 있다. 이 점에서, 반복은 동일한 스위치 또는 다른 스위치에 대해 효과적일 수 있다.
도 5는 위상에 대한 전류가 생성될 수 있는 2개의 스위치(12a 및 12b)의 장치를 도시한 단순화된 도면이다. 프리휠링 다이오드(12c 및 12d)는 또한 스위치에 속한다. 위상에 대한 탭핑은 2개의 스위치(12a 및 12b) 간의 중심에 배치되고, 라인(10)은 도 1-3에 도시된 라인(10)에 대응한다. 측정 변환기(16)는 라인(10) 내에 흘러, 처리 유닛(18)에 공급되는 전류를 검출한다.
제어 유닛(14)은 스위치(12a 및 12b)를 제어한다. 동시에, 그것은 대응하는 트리거 신호를 처리 유닛(18)으로 출력한다. 이들 트리거 신호는 스위치(12a 및 12b)의 작동 클록을 포함할 수 있다.
처리 유닛(18)은 콜렉터-이미터 전압에 대해 전류 값과 관련된 값을 테이블(20)에서 판독하여, 출력(19)에서 그 결과를 출력한다. 이 출력은, 예컨대, 디스플레이, 감시 수단으로의 신호, 및/또는 인버터 또는 풍력 장치에 영향을 주는 신호일 수 있다.
다음의 설명을 이해하기 위해, 각각의 스위치(12a) 및 프리휠링 다이오드(12c) 또는 스위치(12b) 및 프리휠링 다이오드(12d)의 상호동작을 고려하는 것이 도움이 된다. 이것은 예컨대 스위치(12a) 및 프리휠링 다이오드(12c)를 통해 도 5의 좌측 부분에 도시되어 있다. 수직으로 나열하여 도시된 3개의 스위칭 패턴이 여기에 도시되어 있다. 좌측 에지에서 직사각형으로 식별되는 하위 스위칭 패턴은 제어부(14)에 의해 출력되는 IGBT(12a)에 대한 스위칭 클록인 것으로 추정된다. 이 점에서, 하강 에지(falling edge)는 스위치 온되는 IGBT에 이르고, 상승 에지(rising edge)는 스위치 오프되는 IGBT에 이르며, 프리휠링 다이오드는 스위치 온된다. 제어부로부터의 클록이 초기에 고 레벨에 있을 동안, IGBT는 이에 대응하여 스위치 오프되고, 프리휠링 다이오드는 도통한다. 따라서, 여기서 흐름 손실이 발생한다. 시점(t1)에서, 제어 신호는 하강 에지를 갖는다. IGBT는 스위치 온되고, 이 다이오드는 스위치 오프된다. 따라서, 또한 도면의 중간 부분에서 알 수 있는 바와 같이, 흐름 손실은 이 스위치에서 발생한다. 또한, 대응하는 누출 손실은 또한 오프 상태에서 다이오드 내의 누출 전류로 인해 발생하는 것으로 이해되어야 한다.
시점(t2)에서, 클록 신호는 상승 에지를 갖는다. 따라서, IGBT(12a)는 스위치 오프되고, 프리휠링 다이오드(12c)는 도통 상태에 있다. 시점(t3)에서, 클록 신호는 하강하며, IGBT(12a)는 스위치 온되고, 이 다이오드는 스위치 오프된다. 시점(t8)까지 더 도시된다.
여기서, 도 6은 구형파 펄스로서 도시되는 클록 펄스와 도체(10)내의 전류 간의 관계를 다시 한번 도시한 것이다. 시점(ta)에서, 클록 신호는 하강 에지를 갖는다. 따라서, 스위치는 스위치 온되고, 전류는, 스위치가 시점(tb)에서 스위치 오프할 때까지 허용 오차 대역 내에서 상승하기 시작한다. 스위치(12a)의 스위치 오프는 스위치(12b)의 스위치 온에 이르고, 전류는 보다 낮은 값이 도달될 때까지 얼마간 하강한다. 그 다음, 스위치(12a)는 다시 스위치 온되고, 하강 에지를 갖는다. 그 다음, 스위치(12b)는 스위치 오프되고, 전류는 다시 상승한다. 이들 스위칭 동 작은 결국 사인파 전류 구성이 생성될 때까지 계속한다.
스위칭 시간이 대응하는 허용 오차 값의 도달에 의존함에 따라, 이런 상황은 고정된 패턴을 포함하지 않는다. 오히려, 스위칭 시간은 정확히 각각의 한계 값의 도달에서 생긴다.
스위치가 스위치 온될 동안, 25 ㎲(그 값은, 예로서, 또한 더 길거나 더 짧을 수 있음)의 구간에서, 도체의 전류는 측정되고, 콜렉터-이미터 전압에 대한 대응하는 값은 테이블에서 호출된다. 따라서, 순시 전류 흐름에 대한 손실을 정확히 결정할 수 있다.
결국, IGBT에 대한 3 종류의 손실 간에 특징이 있다. 스위칭 온 시점에서, 스위칭 온 손실이 발생하여, 이들이 검출된다. 그와 동시에, 스위칭 오프 시점에서, 스위칭 오프 손실이 발생하며, 이것이 또한 검출된다. 트랜지스터가 스위치 온 상태에 있을 동안, 흐름 손실이 발생한다. 이들도 또한 검출되며, 이들 모든 값은 정리되어, IGBT에 대한 손실에 도달할 수 있다.
선택적으로, IGBT를 통한 전류 흐름에 의해, 다이오드를 통한 전류 흐름이 발생한다. 이것은 또한 다이오드가 차단 상태에 있을 시에 흐름 손실뿐만 아니라 누출 손실도 포함한다. 이들 값은 또한 검출되고, 정리되어, IGBT가 스위칭 손실을 제공하는데 획득된 값과 조합된다.
이들 스위칭 손실은, 예컨대, 주요 주파수의 주기, 또는 예컨대 초와 같은 시간의 미리 정해진 다른 주기 동안에 확인되어, 한 주기 동안, 또는 예컨대, 1 초 동안 변환을 더욱 쉽게 하기 위해 스위칭 손실을 결정할 수 있다.
그러나, 이 점에서, 위상의 스위치를 고려할 수 있다(도 5 참조). 또한, 3개의 위상에 대한 스위치 및, 예컨대, 부스트 변환기 또는 중간 회로의 초퍼(chopper)의 스위치를 검출할 수 있다.

Claims (15)

  1. 전자 스위치의 소비 전력을 결정하는 방법으로서,
    물리량의 순시 값이 검출되고,
    상기 순시 값과 상관된 값이 제 1 메모리로부터 조사(poll)되며,
    상기 2개의 값이 미리 정해진 방식으로 함께 처리되어, 그 처리 동작의 결과가 출력되는 것을 특징으로 하는 전자 스위치의 소비 전력을 결정하는 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    복수의 스위치의 물리량이 검출되고, 대응하는 복수의 상관 값이 메모리로부터 판독되는 것을 특징으로 하는 전자 스위치의 소비 전력을 결정하는 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    측정 결과치 및 처리 중간값이 저장되는 것을 특징으로 하는 전자 스위치의 소비 전력을 결정하는 방법.
  4. 전자 스위치의 소비 전력을 결정하는 장치로서,
    전자 스위치의 하나 이상의 물리량의 순시 값을 검출하는 데이터 입력부,
    상기 물리량과 상관된 데이터가 저장되는 제 1 메모리,
    서로 미리 정해진 형식으로 메모리로부터 호출되는 값 및 물리량을 처리하는 처리 유닛 및,
    처리 동작의 결과를 출력하는 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 스위치의 소비 전력을 결정하는 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    복수의 스위치의 물리량의 순시 값을 검출하는 복수의 입력부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 스위치의 소비 전력을 결정하는 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    측정값 및 중간 결과를 저장하는 제 2 메모리를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 스위치의 소비 전력을 결정하는 장치.
  7. 청구항 4 내지 6 중 어느 한 항에 있어서,
    미리 정해진 한계 값과 처리 동작의 결과를 비교하여, 한계 값에 도달되거나 초과될 시에 신호를 출력하는 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 스위치의 소비 전력을 결정하는 장치.
  8. 청구항 4 내지 7 중 어느 한 항에 있어서,
    자율(autonomous) 유닛의 형태인 것을 특징으로 하는 전자 스위치의 소비 전력을 결정하는 장치.
  9. 청구항 4 내지 7 중 어느 한 항에 있어서,
    풍력 장치의 인버터의 제어부에 통합되는 것을 특징으로 하는 전자 스위치의 소비 전력을 결정하는 장치.
  10. 청구항 4 내지 9 중 어느 한 항에 있어서,
    미리 정해진 형식으로 제어부에 영향을 주기 위해 인버터 또는 풍력 장치의 제어부로 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 전자 스위치의 소비 전력을 결정하는 장치.
  11. 허용 오차 대역 프로세스에 따라 동작하는 인버터를 제어하는 방법에 있어서,
    허용 오차 대역 폭은, 청구항 4 내지 10 중 어느 한 항에 따른 장치가 한계 값이 초과되었음을 나타내는 신호를 출력할 시에 증대되는 것을 특징으로 하는 인버터를 제어하는 방법.
  12. 인버터가 허용 오차 대역 프로세스에 따라 제어되는 청구항 11에 따른 방법을 실행하는 인버터에 있어서,
    미리 정해진 한계 값이 초과될 시에 청구항 4 내지 10 중 어느 한 항에 따른 장치에 의해 출력되는 신호가 인가될 시에 허용 오차 대역폭이 증대되는 것을 특징 으로 하는 인버터.
  13. 청구항 12에 따른 하나 이상의 인버터를 포함하는 풍력 장치.
  14. 풍력 장치를 제어하는 방법으로서,
    풍력 장치에 의해 생성된 전력이, 미리 정해진 한계 값을 초과하였음을 나타내는 신호에 의해 감소되는 것을 특징으로 하는 풍력 장치를 제어하는 방법
  15. 제어부에 접속되는 청구항 4 내지 10 중 어느 한 항에 따른 장치를 포함하는 풍력 장치.
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