KR20080081285A - 주로 유도성인 임피던스에의 연결을 위한 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 주로 유도성인 임피던스(2)에의 연결을 위한 장치에 관한 것이다. 상기 장치는 리액티브 소자(3A, 3B 및 3C)를 포함한다. 게다가, 상기 장치는 병렬 공급을 위한 전기 인버터의 출력 신호를 입력하기 위한 입력 수단(V1, V2, W1, W2, V1 및 V2) 및 상기 임피던스의 하나의 상을 위한 한 공급 단자에의 연결을 위한 적어도 하나의 출력 수단이 제공되어, 상기 장치는 이용하는 동안, 적어도 두 개의 출력의 고주파수 차동 성분을 실질적으로 필터링하도록 구성된다.

Description

주로 유도성인 임피던스에의 연결을 위한 장치 {DEVICE FOR CONNECTION TO AN IMPEDANCE HAVING A MAINLY INDUCTIVE CHARACTER}
본 발명은 예컨대, 전기 모터와 같이, 주로 유도성인 임피던스에의 연결을 위한 장치에 관한 것이다.
예컨대 컴프레서를 위한 전기 드라이브가 단자를 통해 실제로 예컨대 인버터를 포함하는 전기 엑츄에이터 장치(electric actuator unit)에 연결된다. 비교적 높은 주파수로, 상기 인버터는 펄스 형태로 고전압과 저전압 및/또는 고전류와 저전류를 공급한다. 상기 전기 드라이브의 유도성을 통해, 최적의 설계 조건에서 미리 정해진 기준 전압(reference voltage)에 근접한 평균 전압이 만들어진다.
그러나, 기본 주파수(fundamental frequency)를 갖는 평균 전압에 더해, 상기 인버터의 스위칭 작용의 결과로서, 고조파(higher harmonics)가 포함된 전압 성분도 있다. 간략하게 고조파로 불리는 상기 후자의 전압 성분은, 결과적으로 쌍 변화(couple variation)를 갖는 상기 전기 드라이브에서 고주파수 전류를 야기한다. 이는 상기 드라이브의 바람직하지 않은 가열을 야기하는 전기적 손실뿐만 아니라 속도 요동(speed fluctuation)에 이르게 한다.
본 발명은 상기 언급된 결점이 제거된 유도성 임피던스에의 연결을 위한 장치를 고려한다. 특히, 본 발명은, 고조파를 갖는 전압 성분의 생성을 방지하는, 주로 유도성인 임피던스에의 연결을 위한 장치를 획득하는 것을 목적으로 한다. 그 때문에, 상기 장치가 리액티브 소자를 포함하는 한편, 상기 장치는 병렬 공급을 위한 전기 인버터의 출력 신호 입력을 위한 입력 수단 및 상기 임피던스의 하나의 상(phase)을 위한 공급 단자에의 연결을 위한 적어도 하나의 출력 수단이 더 장치되어서, 상기 장치가 사용하는 동안 적어도 두 개의 출력 신호의 고주파수 차동 성분을 실질적으로 필터링하도록 구성된다.
상기 리액티브 소자에 상기 전기 인버터의 출력 신호를 공급함으로써, 유리하게는 둘 또는 그 이상의 출력 신호의 고주파수 차동 성분이 실질적으로 필터링된다. 주로 유도성인 상기 임피던스의 상을 위한 상기 공급 단자에의 연결을 위한 적어도 하나의 상기 출력은, 따라서 상기 본래 출력 신호의 적어도 하나의 고주파수 차동 성분이 실질적으로 제거된 동작 신호를 야기할 수 있다. 결과적으로, 고조파를 갖는 전압 성분의 양 및 상기 전체 동작 신호 내의 에너지 성분은 감소한다.
그 결과로서, 주로 유도성인 상기 임피던스의 쌍 변화는 더 일정하게 유지되어, 속도에 있어서의 요동뿐만 아니라 상기 임피던스의 바람직하지 않은 가열 및 빠른 노후화가 감소한다. 게다가, 에너지가 덜 소모되기 때문에 상기 시스템의 효율은 증가한다. 상기 필터링된 차동 성분의 주파수는 상기 기본 주파수에 대해 높다는 것이 주목된다.
병렬 공급을 갖는 복수의 인버터를 이용함으로써, 게다가, 이산(discrete) 전압 레벨의 수가 증가하여, 상기 미리 정해진 기준 전압에 대해 상기 차이는 더 줄어든다. 또한, 상기 공급 단자에서 상기 서플라이의 상승 시간(rise time) 및 오버 슛(overshoot)은 감소한다. 이는 공통 모드 신호(common mode signal)로도 불리는 출력 전압의 공통 신호를 감소시켜, 예컨대, 전기 기계에서 베어링에서의 바람직하지 않은 전류도 감소시킨다. 더욱이, 결과적으로, 주로 유도성인 상기 임피던스의 권선(winding)에서의 기계적 스트레스를 감소시킨다. 또한, 전자기 호환성 문제가 결과적으로 감소된다. 게다가, 상기 전부의 더 최적의 기능으로 인해, 상기 인버터의 펄스 주파수는 더 낮게 설정될 수 있어서, 상기 인버터에서의 손실이 더 줄어든다.
본 발명에 따른 상기 장치는 예컨대 3상 서플라이를 위해, 단일 권선 또는 복수의 권선을 갖는 주로 유도성인 임피던스에 응용될 수 있다는 것이 주목된다.
유리하게는, 상기 리액티브 소자는 유도성 소자로 설계되어 상기 전압원 타입의 인버터의 출력 신호는 분리될 수 있다. 상기 리액티브 소자를 다르게 예컨대 용량성 소자로서 설계하는 것이 당연히 가능하다. 이런 식으로, 특히 상기 전류원 타입의 인버터의 출력 신호는 분리될 수 있고, 즉, 두 개의 출력 신호 중 적어도 하나의 고주파수 차동 성분이 실질적으로 필터링될 수 있다.
공통 모드 초크(common mode choke)로도 불리는 코일을 이용한 공통 모드 신호를 감소시키기 위한 유도성 시스템이 알려져 있다는 것이 주목된다. 이런 식으로, 고주파수 차동 신호는 실질적으로 비교적 쉽게 통과될 수 있지만, 두 개의 입력 신호 중 공통 부분은 실질적으로 필터링된다.
덧붙여, 예컨대 1상 이상을 갖는 서플라이의 경우에 있어, 또는 고조파를 더 감소시키기 위해, 본 발명에 따른 상기 장치에서 단일 리액티브 소자 대신에 복수의 리액티브 소자가 이용될 수 있다.
인버터의 출력에 연결된 통상적인 출력 코일의 이용시에, 그 치수 및 그에 따른 비용은 전체 상 전류(phase current)에 의존적이다. 본 발명에 따른 상기 장치의 경우에 있어, 상기 리액티브 소자의 치수는 상기 차동 신호에 의존적이다. 상기 차동 신호는 상기 임피던스를 위한 상기 전체 통과된 서플라이 신호의 오직 일부를 구성한다. 상기 리액티브 소자의 상기 치수는 비교적 작은 상태이기 때문에, 비용 이익이 얻어질 수 있다.
명쾌하게, 본 발명에 따른 상기 장치는 비교적 높은 속도로 전기 드라이브를 가동시키는 것에의 응용을 제공한다. 이는 인버터의 출력에 연결된 통상적인 출력 코일의 이용이, 상기 서플라이 전압의 기본 주파수에 의존적인 전압 강하 및 추가 손실을 게다가 수반하기 때문이다. 본 발명에 따른 상기 장치에 있어서의 상기 전압 강하는 실질적으로 없기 때문에, 상기 장치는 정격 속도(rated speed)가 비교적 높게 설정될 수 있는 주로 유도성인 임피던스와 유리하게 이용될 수 있다.
더욱이 리액티브 소자에 입력된 상기 개별 출력 신호의 스위칭 모멘트가 서로에 대해 다르게 설정되는 경우, 상기 두 개의 출력 신호의 차동 신호는 매우 더 효과적으로 필터링될 수 있다. 이는 고조파의 결과로서 제1 출력 신호에의 신호 기여(signal contribution)가 고조파의 결과로서 제2 출력 신호에의 신호 기여와 다르기 때문이다. 상기 리액티브 소자 내에 양(both) 출력 신호를 입력함으로써, 차동 신호를 형성하는 상기 고조파는 실질적으로 필터링될 수 있다.
따라서, 각 펄스 주기 동안 리액티브 소자에 입력되는 하나의 출력 신호가 변하지 않도록, 상기 인버터를 스위칭하기 위한 알고리즘이 설계될 수 있다. 물론, 각 펄스 주기 동안 오직 하나의 출력 신호가 변하는 것과 같은 다른 알고리즘을 설계하는 것이 가능하다. 더욱이, 각 펄스 주기 동안 상기 리액티브 소자의 상기 출력 전압이, 상기 전압이 상기 미리 정해진 기준 전압에 가장 가까운 오직 두 개의 상태를 포함하는, 전략이 선택될 수 있다.
본 발명의 더 이로운 실시예가 종속항에 설명된다.
본 발명은 도면에 표현된 대표적인 실시예를 기초로 더 명료하게 될 것이다. 도면은 다음과 같다.
도 1은 주로 유도성인 임피던스에 연결된, 본 발명에 따른 장치의 제1 실시예의 개략도,
도 2는 주로 유도성인 임피던스에 연결된, 본 발명에 따른 장치의 제2 실시예의 개략도,
도 3은 주로 유도성인 임피던스에 연결된, 본 발명에 따른 장치의 제3 실시예의 개략도,
도 4는 주로 유도성인 임피던스에 연결된, 본 발명에 따른 장치의 제4 실시예의 개략도,
도 5는 주로 유도성인 임피던스의 공급 단자에 공급된 결과적인 전압의 그래프,
도 6은 인버터의 출력 전류 강도의 그래프,
도 7은 공급 단자를 통해 주로 유도성인 임피던스에 인가된 상기 전류 강도의 그래프이다.
상기 도면은 본 발명의 오직 개략적 표현이고, 오로지 제한되지 않은 대표적인 실시예로서 주어진다.
도 1은 주로 유도성인 임피던스(2)에 연결된 본 발명에 따른 장치(1)의 제1 실시예의 개략도를 나타낸다. 상기 장치(1)는 유도성 소자로, 더 구체적으로는 변압기(3)로 설계된 리액티브 소자를 포함한다. 상기 변압기(3)의 두 개의 암(arm)의 권선의 수는 일치해서, 1로부터의 전압 전달이 실현된다. 상기 변압기(3)에는 기호 U1 및 U2로서 표현된, 병렬 공급을 위한 전기 인버터의 출력 신호를 입력하기 위한 입력 수단이 제공된다. 제1 입력 수단을 통해, 제1 전류 I1이 상기 변압기의 제1 권선을 따라 흐르는 한편, 제2 입력 수단을 통해, 제2 전류 I2가 제1 전류 I1의 반대 방향으로 상기 변압기(3)의 제2 권선을 따라 흐른다. 제1 권선에 대한 전압은 U1이 다. 공통 모드 신호로도 불리는 I1 및 I2의 합 신호는, 상기 변압기(3)의 자기 코어(magnetic core)에 반대 자속(magnetic flux)을 발생시켜, 상기 합 신호는 방해받지 않고 흐른다. 차동 모드 신호로로 불리는 I1 및 I2의 차동 신호는, 순(net) 자속을 발생시켜, 상기 차동 신호, 확실히 상기 차동 신호의 높은 주파수 성분이 제거된다. 따라서, 상기 변압기(3)의 출력에서, 상기 두 개의 출력 신호 I1 및 I2 중 의 적어도 하나의 고주파수 차동 성분이 실질적으로 필터링된다.
상기 변압기의 출력들은 주로 유도성인 상기 임피던스(2)의 상을 위한 공급 단자에 연결되고 인도된다. 따라서, 상기 결과적인 필터링된 신호는 주로 유도성인 상기 임피던스(2)에 공급된다. 상기 주로 유도성인 임피던스에 대한 전압은 ULOAD이다.
도 2는 주로 유도성인 임피던스에 연결된 본 발명에 따른 장치(1)의 제2 실시예의 개략도를 나타낸다. 상기 주로 유도성인 임피던스는 3상을 갖는 전기 기계(2)로 설계된다. 상기 전기 기계(2)는 예컨대 모터 또는 발전기 애플리케이션을 위한 전기 드라이브로 이용될 수 있다. 게다가, 상기 전기 드라이브는 컴프레서를 위해 이용될 수 있다. 더욱이, 주로 유도성인 다른 유형의 부하, 예컨대 활성 전단(active front end) 및/또는 활성 필터 애플리케이션(active filter application)이 이용될 수 있다.
본 발명에 따른 상기 장치(1)의 제1 실시예에서와 같이, 도 2에 명확하게 도시된 두 개의 인버터(4, 5)는 상기 전기 기계(2)를 가동시키기 위한 출력 전압을 발생시킨다. 그러나, 상기 인버터(4, 5)는 3상 Uu1, Uv1, Uw1, Uu2, Uv2 및 Uw2를 갖는 출력 전압을 발생시키기 위해 각각 배치된다. 각 상의 레그(leg)는 예컨대 도 1에 관하여 도시된 상기 변압기로 설계된, 본 발명에 따른 상기 장치(1)의 유도성 소자(3A, 3B 및 3C) 내에 쌍으로(pair-wise) 입력된다. 각 유도성 소자(3A, 3B 및 3C)의 상기 출력 신호는 상기 전기 기계(2)의 하나의 상을 위한 공급 단자에 전달 된다. 도 1에 관하여 도시된 것과 동일한 방법으로, 상기 전기 기계(2)에는 따라서 두 개의 출력 신호들 중 적어도 하나의 고주파수 차동 성분이 실질적으로 필터링된 신호가 공급된다.
도 3은 주로 유도성인 임피던스에 연결된 본 발명에 따른 장치(1)의 실용적인 제3 실시예의 개략도를 나타낸다. 상기 장치(1)는 도 2의 상기 장치(1)에서와 같이, 상기 설명된 것과 유사한 방법으로 연결된 세 개의 변압기(3A, 3B 및 3C)를 포함한다. 나아가, 상기 변압기(3A, 3B 및 3C)의 상기 출력 단자는 3상 전기 드라이브(2)의 공급 단자에 연결된다. 상기 단자들은 두 개의 절연된 스타 포인트(star point)를 갖는 이중층(double layer)의 권선(8)의 개시점 및/또는 종점이다.
도 2로 유추하여, 도 4는 1상 유도성 임피던스(2)에 연결된 본 발명에 따른 장치(1)의 제4 실시예의 개략도를 나타낸다. 두 개의 인버터 대신에, 본 실시예에서는, 3개의 인버터가 세 개의 출력 전압 U1, U2 및 U3를 발생시키기 위해 이용된다. 상기 결합된 유도성 소자(3D, 3E, 3F 및 3G)를 통해, 상기 장치(1)의 이용 동안, 상기 세 개의 출력 신호 U1, U2 및 U3의 고주파수 차동 성분은 실질적으로 필터링된다. 도 3에 도시된 것과 같은 방법으로, 도 4로부터의 상기 장치를 이용함에 의해 3상 전기 기계의 가동이 실현될 수 있다. 물론, 도 4의 상기 장치(1)와 같거나 실질적으로 같은 기능을 실현하는 다른 회로도 구성될 수 있다. 상기 설계에서, 상기 장치의 포화는, 각 레그에서 평균적으로 동일한 출력 전류 흐름을 갖고, 상기 유도성 소자(3)에서 동일한 수의, 즉, 양의 방향으로 필드를 발생시키는 권선의 수 가 음의 방향으로 필드를 발생시키는 권선의 수와 같도록, 반대 권선을 제공함으로써 방지될 수 있다.
도 5, 6 및 7은 각각 주로 유도성인 임피던스의 공급 단자에 공급된 결과적인 전압, 인버터의 출력 전류 강도 및 주로 유도성인 상기 임피던스에 공급 단자를 통해 인가된 상기 전류 강도의 그래프를 나타낸다.
가로축은 알려진 종래 기술에 따른 단일 인버터에 의해 제어되는 3상 전기 기계의 상태를 보여주는 0-5ms의 간격(interval)을 갖는 시간을 나타낸다. 5-10ms의 간격은 도 2에 도시된 것과 같이 병렬 공급을 위한 두 개의 인버터에 의해 제어된 3상 전기 기계의 상태를 보여주지만, 10-15ms의 간격은 도 4에 도시된 것 중의 하나인 병렬 공급을 위한 세 개의 인버터에 의해 제어된 3상 전기 기계의 상태를 보여준다.
도 5는 상기 전기 기계에 공급된 제1 및 제2 상 사이의 전압 차이 U12의 미리 정해진 기준 전압(20)을 나타낸다. 도시된 예에서, 상기 인버터(들)의 조작된 출력 신호는 세 개의 레벨을 갖는 펄스 코드 변조(21)이다. 병렬 공급을 갖는 두 개 이상의 인버터를 이용함으로써, 이산 레벨의 수는 즉, 5 및 7로 각각 증가한다. 5-10ms 및 10-15ms의 간격을 참조.
도 6은 상기 언급된 간격에서, 모든 3상을 위한 상기 인버터로부터의 상응하는 출력 전류 iinv를 나타낸다. 각 인버터로부터의 신호의 진폭이 감소하는 것을 분명하게 볼 수 있다. 그러나, 이는 각 신호를 결합시킴으로써 보상된다.
게다가, 도 7은 상기 전기 기계의 3상의 단자에 공급된 결과적인 전류 imot를 나타낸다. 본 발명에 따라, 전류 신호에서의 파동(ripple)은 병렬 연결된 인버터 수의 증가로 감소된다. 이는 고조파의 필터링에 의해 야기된다.
본 발명은 본 명세서에 설명된 대표적인 실시예로 제한되지 않는다. 많은 변형이 가능하다.
예컨대, 상기 유도성 소자는 변압기로서 뿐만 아니라 환상체(toroid), 초크(choke), 페라이트 고리(ferrite ring), 철심(iron core), 공통 모드 초크, 전류 보상 초크 등과 같은 다른 유도성 소자로 설계될 수 있다.
게다가, 상기 리액티브 소자를 포함하는 주로 유도성인 상기 임피던스에의 연결을 위한 상기 장치는, 주로 유도성인 상기 임피던스에 장치될 수 있다. 본 발명에 따른 실시예에서, 상기 유도성 소자는 주로 유도성인 상기 임피던스의 권선 패키지에 의해 적어도 부분적으로 형성된다. 그러나, 주로 유도성인 상기 임피던스 외부에 개별적으로 상기 장치를 배치하는 것도 가능하다. 또한, 상기 장치는 하나 이상의 인버터에 장치될 수 있다.
게다가, 상기 인버터의 상기 출력 신호를 위한 펄스 코드 변조 대신에, 예컨대 이력 현상 제어(hysteresis control)와 같은 다른 기술도 이용될 수 있다.
또한, 교류계 대신에, 예컨대 DC 전류 및/또는 DC 전압이 공급되는 전기 기계와 같은 주로 유도성인 다른 유형의 임피던스를 이용하는 것이 가능하다.
더욱이, 주로 유도성인 상기 임피던스는 예컨대 모터와 같이 전기 에너지를 기계 에너지로 바꾸기 위한 부하로서 작동될 수 있을 뿐만 아니라 발전기와 같이 전기 에너지를 발생시키기 위한 소스로서도 작동될 수 있다.
이러한 변형은 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 분명할 것이고, 첨부된 청구항에 설명되는 바와 같은 본 발명의 범위 내에 있다는 것이 이해될 것이다.

Claims (14)

  1. 리액티브 소자(reactive element)를 포함하는, 주로 유도성인 임피던스에의 연결을 위한 장치로서,
    상기 장치는, 병렬 공급을 위한 전기 인버터의 출력 신호를 입력하기 위한 입력 수단들 및 상기 임피던스의 하나의 상(phase)을 위한 공급 단자에의 연결을 위한 적어도 하나의 출력 수단을 포함하며,
    상기 장치가 이용하는 동안, 적어도 두 개의 출력 신호의 고주파수 차동 성분을 실질적으로 필터링하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 주로 유도성인 임피던스에의 연결을 위한 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    주로 유도성인 3상 임피던스에의 연결을 위한 출력 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는, 주로 유도성인 임피던스에의 연결을 위한 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 리액티브 소자는 전압원 인버터를 분리하기 위한 유도성 소자(inductive element)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 주로 유도성인 임피던스에의 연결을 위한 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 리액티브 소자는 전류원 인버터를 분리하기 위한 용량성 소자(capacitive element)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 주로 유도성인 임피던스에의 연결을 위한 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 임피던스는 전기 드라이브(electric drive)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 주로 유도성인 임피던스에의 연결을 위한 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 임피던스는 컴프레서 드라이브를 포함하는 것을 특징으로 하는, 주로 유도성인 임피던스에의 연결을 위한 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 임피던스는 높은 정격 속도(rated speed)를 갖는 드라이브를 포함하는 것을 특징으로 하는, 주로 유도성인 임피던스에의 연결을 위한 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 장치는 상기 임피던스 내에 배치되는 것을 특징으로 하는, 주로 유도성인 임피던스에의 연결을 위한 장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유도성 소자는 상기 임피던스의 권선 패키지(package of winding)에 의해 적어도 부분적으로 형성되는 것을 특징으로 하는, 주로 유도성인 임피던스에의 연결을 위한 장치.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 인버터들의 스위칭 모멘트가 다른 것을 특징으로 하는, 주로 유도성인 임피던스에의 연결을 위한 장치.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    펄스 주기 동안, 상기 리액티브 소자 내에 입력되는 하나의 출력 신호가 변하지 않고 유지되도록, 상기 장치가 배치되는 것을 특징으로 하는, 주로 유도성인 임피던스에의 연결을 위한 장치.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    펄스 주기 동안, 상기 리액티브 소자의 상기 출력 전압이, 상기 전압이 상기 미리 정해진 기준 전압에 가장 가까운 오직 두 개의 상태를 포함하도록, 상기 장치가 배치되는 것을 특징으로 하는, 주로 유도성인 임피던스에의 연결을 위한 장치.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 주로 유도성인 임피던스는 활성 전단(active front end) 및/또는 활성 필터 애플리케이션(active filter application)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 주로 유도성인 임피던스에의 연결을 위한 장치.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 장치는 병렬 공급을 위해 전기 인버터 사이에서 스위칭하기 위해 배치되는 것을 특징으로 하는, 주로 유도성인 임피던스에의 연결을 위한 장치.
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