KR20090092279A - 우세한 유도 특성을 지닌 부하 제어 방법 및 이 부하 제어 방법을 적용하는 장치 - Google Patents

우세한 유도 특성을 지닌 부하 제어 방법 및 이 부하 제어 방법을 적용하는 장치

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KR20090092279A
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Abstract

본 발명에 따르면, 우세한 유도 특성을 지닌 부하를 제어하는 부하 제어 방법으로서, 상기 부하(3)의 상권선에 전력을 공급하기 위해 주어진 스위칭, 변조 또는 샘플링 주기에 대하여 1개 또는 복수의 파워 일렉트로닉 인버터(11, 12; 34, 35, 46)에 의해 인가되는 적어도 2개의 스위칭되는 출력 전압을 이용하는 부하 제어 방법에 있어서, 해당 출력 전압의 파형은 상이하거나 적시에 시프트되고, 상기 출력 전압은 차동 모드 장치(6)를 통해 부하(3)에 공급되며, 모든 완전한 상기 주기 동안에는 적어도 하나의 상기 출력 전압이 일정하게 유지되고, 이에 따라 스위칭되지 않을 특징으로 하는 부하 제어 방법이 제공된다.

Description

우세한 유도 특성을 지닌 부하 제어 방법 및 이 부하 제어 방법을 적용하는 장치{METHOD FOR CONTROLLING A LOAD WITH A PREDOMINANTLY INDUCTIVE CHARACTER AND A DEVICE APPLYING SUCH A METHOD}
본 발명은 우세한 유도 특성을 지닌, 예컨대 전기 모터, 발전기 등의 부하를 제어하는 부하 제어 방법으로서, 상기 부하의 상권선에 전력을 공급하기 위해 주어진 스위칭, 변조 또는 샘플링 주기에 대해서, 직류 중간 단계 회로를 지닌 인버터, 강압(buck) 또는 승압(boost) 인버터 등과 같은 하나 또는 복수의 파워 일렉트로닉 인버터에 의해 인가되는 적어도 2개의 스위칭되는 출력 전압을 사용하는 부하 제어 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 직류 중간 단계 회로를 지닌 2개의 기본적인 타입의 인버터, 즉 DC 링크 커패시터를 채용하고 스위칭되는 출력 전압을 제공하는 전압 소스 인버터(Voltage Source Inverter; VSI)와, DC 링크 인덕턴스를 채용하고 그 출력부에 스위칭되는 전류 파형을 제공하는 전류 소스 인버터(Current Source Inverter; CSI)가 공지되어 있다. 더욱이, 본 발명의 상세한 설명에서는, 단지 전압 소스 인버터만을 고려할 것이다.
통상적인 전압 소스 인버터에서, 모든 인버터 레그는, 양의 DC 버스 전압이나 음의 DC 버스 전압이 단시간 동안 상기 부하의 상권선 중 하나에 인가되기 때문에 스위칭되는 전압 파형을 부하에 적용하는 2 방식 스위치로 단순화될 수 있다.
음의 버스 전압이 어떠한 상권선에 인가되는 경우에는 이 상권선의 전류가 감소할 것이고, 반대로 양의 버스 전압이 어떠한 상권선에 인가되는 경우에는 상권선의 전류가 통상적으로 증가할 것이다.
펄스 폭 변조(Pulse Width Modulation; PWM)와 같은 변조 기술 또는 히스테리시스(hysteresis) 제어와 같은 공지의 기술을 사용하는 것에 의해, 모든 PWM 주기 내에서 기준 전압과 동일한 평균 전압을 제공하는 것이 가능하다. PWM 주파수가 상기 기준 전압의 주파수보다 훨씬 높기 때문에, 기준 전압은 스위칭되는 펄스 패턴의 기본파(fundamental wave)에 의해 반사된다. 이러한 기본파 이외에, 예컨대 모터 단자에서의 전압 스펙트럼은 보다 높은 많은 고조파를 포함한다. 전동 어플리케이션에서, 이러한 변동 출력은 추가의 전류 고조파를 생성하는데, 이것은 속도 변화 증가와 속도 변화 손실을 일으키는 토크 리플을 증가시켜, 모터 가열을 초래한다.
스위칭되는 전압 파형에 기인하는 전류 리플을 저감하기 위한 공지의 방법은 인버터의 스위칭 주파수가 상승하게 하는 것이다. 그러나, 스위칭 주파수는 파워 일렉트로닉스와 제어 유닛 양자에 좌우되는 최대값으로 제한된다. 더욱이, 또한 스위칭 주파수가 증가하는 결과로서 인버터의 손실이 증가한다.
전류 리플을 저감하기 위한 다른 주지의 조치는 인버터의 출력부에 초크(choke), 또는 초크와 커패시터의 조합으로 형성된 사이너스 필터(sinus filter)를 마련하는 것이다.
인버터의 출력부에 초크를 마련하는 것의 단점은 높은 비용, 추가의 손실 및 전압 강하이다. 특히 고속 구동부와 같은 고주파수 어플리케이션에 있어서, 후자의 단점은 중요한데, 그 이유는 전압 강하가 기본파의 주파수에 좌우되기 때문이다.
병렬식의 컨버터 모두의 전력률을 제한하기 위해 적용되고, 각각의 인버터의 레그가 서로 병렬로 직접 연결된 병렬 컨버터 제공이 이미 알려져 있다.
그러한 시스템의 단점은, PWM 펄스의 시프트와 같은 출력 전압의 임의의 차이가 병렬 연결부 내에 높은 순환 전류 또는 단락을 야기하여 위험할 수 있기 때문에, 병렬 인버터 레그의 출력 전압이 동일해야 한다는 것이다.
다른 공지의 시스템에서, 모든 병렬 인버터에는 별도의 초크가 마련되어, 인버터의 이러한 개별 병렬 출력 레그 각각의 전압 펄스가 시프트될 수 있다.
병렬 인버터 출력 레그를 위한 공지의 PWM 방법은 동일한 전압 파형을 적용하는 것이지만, 이에 의해 전압 펄스가 PWM 주기의 절반에 걸쳐 시프트된다.
그러한 방법의 주요 단점은 모든 초크에 인버터의 완전한 출력 전류에 의해 생성되는 자기장에 의해 부하가 걸리고, 스위칭 주파수가 감소될 수 없다는 것이다.
그러한 공지의 방법의 다른 단점은 고조파 함유량이 단지 약간만 감소되고, 높은 기본 주파수에서 높은 전압 강하가 존재한다는 것이다.
그러한 공지의 방법의 다른 단점은 전술한 초크가 고전력에서 매우 크고 고가라는 것이다.
본 출원인의 이전 특허 출원에는, 전술한 단점 중 몇몇을 해결하는 장치가 이미 설명되어 있는데, 이 장치는 인버터 레그 중 하나의 레그의 전류에 의해 생성되는 플럭스 대부분이 하나 또는 복수의 다른 인버터 레그의 전류에 의해 생성되는 플럭스에 의해 상쇄되는 것을 보장하는 차동 모드(differential-mode) 장치로서 구성된다.
동일한 허용 가능한 전력을 갖는 표준 초크에 비해, 최종 자기 플럭스가 매우 낮아, 치수가 작은 저가의 차동 모드 장치가 제공된다.
도 1은 2개의 병렬 인버터 레그의 공지의 구성을 도시한 도면이고,
도 2는 차동 모드 장치의 권선 구성을 도시한 도면이며,
도 3은 도 2에 따른 권선 구성에 관한 대응하는 회로를 도시한 도면이고,
도 4는 도 3에 따른 차동 모드 장치의 예의 구성을 도시한 도면이며,
도 5 및 도 6은 도 4에 따른 변형예를 도시한 도면이고,
도 7은 도 2에 따른 권선 구성의 변형예를 도시한 도면이며,
도 8 및 도 9는 도 7에 따른 변형예를 도시한 도면이고,
도 10은 3상 어플리케이션을 위한 차동 모드 장치의 예의 구성을 도시한 도면이며,
도 11은 본 발명에 따른 방법에 적용되는 스위칭 로직을 나타낸 도면이고,
도 12는 3상 어플리케이션에서의 공통 모드 전압을 나타낸 도면이며,
도 13은 낮은 변조 범위에서의 스위칭 방법을 나타낸 도면이고,
도 14는 낮은 변조 범위에서의 전압 파형을 나타낸 도면이며,
도 15는 다른 시스템에 대한 기준 전압과 3상 전기 장치의 제1 상에서의 최종 모터 입력 전압을 나타낸 도면이고,
도 16은 다른 시스템에 있어서의 3상 어플리케이션을 위한 인버터의 출력 전류를 나타낸 도면이며,
도 17은 다른 시스템에 있어서의 3상 전기 장치의 입력 전류의 예를 나타낸 도면이다.
본 발명의 목적은 우세한 유도 특성을 지닌 부하를 제어하는 부하 제어 방법으로서, 인버터의 스위칭 주파수를 저감하고, 전류 고조파를 저감하며, 및/또는 부하를 제어하기 위해 적용되는 종래의 방법에 비해 다른 장점을 얻는 부하 제어 방법을 제공하는 것이다.
이 때문에, 본 발명은 우세한 유도 특성을 지닌 부하를 제어하는 부하 제어 방법으로서, 상기 부하의 상권선에 전력을 공급하기 위해 주어진 스위칭, 변조 또는 샘플링 주기에 대해서 하나 또는 복수의 파워 일렉트로닉 인버터에 의해 인가되는 적어도 2개의 스위칭되는 출력 전압을 이용하고, 해당 출력 전압의 파형은 상이하거나 적시에 시프트되며, 상기 출력 전압의 파형을 차동 모드 장치로서 구성된 장치를 통해 부하에 적용하고, 모든 완전한 상기 주기 동안 상기 출력 전압 중 적어도 하나의 전압을 일정하게 유지하고, 이에 따라 스위칭하지 않는 것인 부하 제어 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 방법의 주된 장점은 인버터의 스위칭 주파수가 현저히 감소될 수 있고, 그 결과 이 인버터에서의 손실이 감소된다는 것이다.
우세한 유도 특성을 지닌 부하를 제어하는 본 발명에 따른 방법의 다른 장점은 전류 고조파가 감소되어, 부하 효율이 증가하고 부하 가열이 적을 것이라는 것이다.
본 발명에 따른 방법의 추가의 장점은 공통 모드 전압이 현저히 낮고, 그 결과, 예컨대 전자파 적합성(ElectroMagnetic Compatibility; EMC)에 관한 문제가 감소된다는 것이다.
본 발명은 또한, 우세한 유도 특성을 지닌 부하를 제어하는 전술한 방법을 적용하기 위한 장치로서, 이 장치는 주어진 스위칭, 변조 또는 샘플링 주기에 대하여 적어도 2개의 스위칭되는 출력 전압을 제공하는 하나 또는 복수의 파워 일렉트로닉 인버터를 포함하고, 이 장치는 상기 부하의 상권선에 전력을 제공하도록 상기 인버터(들)에 연결되는 적어도 하나의 차동 모드 장치를 포함하며, 상기 인버터(들)에는 해당 출력 전압의 파형이 상이하거나 적시에 시프트되는 것을 보장하는 제어부가 마련되고, 모든 완전한 상기 주기 동안, 상기 출력 전압 중 적어도 하나가 일정하게 유지되며, 이에 따라 스위칭되지 않는 것인 장치에 관한 것이다.
상기 차동 모드 장치에는, 이 장치에 연결된 2개 이상의 인버터 레그의 전류 각각에 관한 전압의 차동 모드를 감쇠시키는 것이 가능해지도록 2개 이상의 병렬 권선을 갖는, 초크, 변압기, 토로이드 변압기, 페라이트 링, 철제 코어, 공통 모드 초크, 전류 상쇄 초크 등과 같은 하나 또는 복수의 인덕터 구성 요소가 마련되는 것이 바람직하다.
본 발명을 특징을 보다 잘 설명하기 위해서, 아래에는 첨부 도면을 참고로 하는, 어떠한 방식으로든 제한의 의미 없이 단지 예로서 본 발명에 따른 이하의 바람직한 방법이 주어진다.
도 1에는 도면에 도시하지 않은 2개의 인버터의 출력 레그(1, 2)가 병렬로 연결되고 우세한 유도 특성을 지닌 부하(3)에 접속된 공지의 구성이 도시되어 있으며, 이 경우에 상기 부하(3)는 모터(4), 보다 구체적으로는 이 모터(4)의 하나의 상으로 구성된다.
각각의 인버터의 출력 레그(1, 2) 각각에는, 알려진 바와 같이 언제나 초크(5)가 마련된다.
서두에서 이미 설명한 바와 같이, 그러한 공지의 구성은 높은 스위칭 주파수, 고조파 함유량의 제한된 감소, 높은 기본 주파수의 경우의 큰 압력 강하, 모든 초크에 있어서의 인버터의 전체 출력 전류에 의해 발생하는 강한 자기장, 및 특히 고전력의 경우에 치수가 큰 고가의 초크(5)와 같은 많은 단점을 갖는다.
도 2에는 본 출원인의 이전 특허 출원에 설명되어 있는 바와 같은, 철제 코어와 같은 공통 자기 코어(8) 상에 2개의 역평행 권선(7)이 마련된 차동 모드 장치(6)의 기본 구성이 도시되어 있다.
상기 권선(7) 모두는 각각의 전압 U1 및 U2를 제공하는 2개의 인버터 레그(1, 2)를 연결하는 데 사용된다.
권선(7)의 타단은 공통 컨덕터(9)를 통해, 유도 특성을 지닌 능동 또는 수동 그리드로 구성될 수 있는 부하의 하나의 상권선, 예컨대 모터의 상권선에 접속된다. 키르히호프의 법칙에 따르면, 컨덕터(9)를 통해 흐르는 부하 전류(i)는 각각의 인버터 레그(1, 2)를 통해 제공되는 인버터 전류(i1, i2)의 합과 같다.
도 3에는 도 2에서와 동일한 구성이 대응하는 단순화된 회로로 도시되어 있다.
병렬식 전력 제어의 경우, 자기 코어(8)에 자기장을 생성하는 2개의 인버터 레그(1, 2)의 전류는 동일해야 한다. 전류 방향에 따라, 권선(7)에 의해 생성되는 풀럭스가 평행하거나 반대 방향일 것이다.
2개의 인버터의 출력 전류가 동일하고 권선비가 100 % 자기 커플링을 갖도록 1 : 1인 경우, 양자의 플럭스는 서로를 완전히 상쇄할 것이고, 차동 모드 장치(6)의 최종 자기장은 0과 동일할 것이다.
그러나, i1이 i2와 상이한 차동 모드 전류가 존재하는 경우, 자기 코어(8)에 자기 플럭스가 존재할 것이고, 그 결과 초크가 이러한 원치 않는 전류에 대해 유도 코일로서 기능할 것이다.
종래의 단일상 초크의 경우에는 자기장이 총 상전류(phase current)에 의해 생성되는 반면, 차동 모드 장치(6)의 자기장은 주로 병렬로 연결된 각각의 인버터의 출력 전류(i1, i2)의 차이에 의해 생성된다.
이러한 차동 모드 전류(즉, 전류차)는 단지 총 상전류의 일부에 해당할 수 있다. 철제 코어가 인버터 전류와 인버터 전압의 기본적인 성분을 나타내지 않기 때문에, 철제 코어는 동일한 허용 가능한 전력을 위해 사용되는 표준 초크 또는 변압기보다 훨씬 작은 치수로 형성될 수 있다.
테스트 구성에서, 예컨대 2kVA 초크의 철제 코어는 상이한 인버터의 출력 레그(1, 2)가 병렬로 연결된 병렬식 전원에 의해 300 kW 모터에 전력을 공급하는 데 사용된다.
그러나, 그러한 구성은 명백하지 않은데, 그 이유는 차동 모드 장치(6)가 포화되고, 이에 따라 더 이상 비교적 낮은 차동 모드 전류 레벨에서 정확하게 작동하지 않을 것이기 때문이다.
도 4 내지 도 10에 예시한 바와 같이, 많은 상이한 구성이 가능하다. 그러나, 기본 원리는 항상 동일하게 유지되는데, 이에 의해
- 인버터 레그(1, 2)의 동일한 출력 전류가 부하(3)의 하나의 동일한 상권선에 전력을 공급하고 누설 손실을 무시하는 경우, 차동 모드 장치(6)에서의 자기장은 0이고,
- 차동 모드 장치(6)의 출력 전압은 이 차동 모드 장치(6)의 각각의 압력 전압(U1, U2)의 합을 입력수로 나눈 것이다.
병렬식 전원을 위해 사용되는 차동 모드 장치(6)는 초크, 변압기, 토로이드, 페라이트 링, 철제 코어, "공통 모드" 초크, 전류 상쇄 초크 등과 같은 하나 또는 복수의 인덕터 구성 요소를 사용하는 것에 의해 구현될 수 있다. 그러한 유도 구성 요소는 전압, 전류 각각의 차동 모드를 감쇠하기 위한 2개 이상(병렬 인버터 레그의 개수에 좌우됨)의 병렬 권선을 갖는다.
도 4에는 모터상 형태의 부하(3)에 연결되고, 각각의 출력 전압(U1, U2)을 공급하는 2개의 인버터 레그(1, 2)에 의해 전력이 공급되는, 도 3에 따른 차동 모드 장치(6)의 예시적인 구성이 도시되어 있다.
이 예에서, 도 2에 도시한 바와 같은 차동 모드 장치(6)는 자기 코어(8) 둘레에 권취된 2개의 역평행 권선(7)으로 구성되고, 이 장치에서 권선(7)에 의해 생성된 자기장은 각각의 인버터의 2개의 출력 전류(i1, i2)가 동일할 때 0이다.
역평행 권취 권선(7)이 하나의 동일한 플럭스에 연결되어 있기 때문에, 권선(7)에 걸친 전압 강하는 반대이다. 저항성 전압 강하, 누설 플럭스, 용량성 커플링 및 다른 기생 효과가 무시되는 경우, 각각의 인버터 레그(1, 2)의 출력 전압(U1, U2)은 다음과 같다고 할 수 있다.
U1 = U부하 + UL [식 1]
U2 = U부하 - UL [식 2]
상기 식에서, UL은 제1 인버터 레그(1)이 권선(7)에 걸쳐 일어나는 전압 강하를 나타내는 반면, U부하는 모터상에 인가되는 전압을 나타낸다.
식 1 및 식 2에 따르면, 각각의 인버터의 출력 전압의 합은 다음과 같다.
U1 + U2 = 2U부하 [식 3]
선행하는 식으로부터 부하에 걸친 전압 강하는 다음과 같다.
[식 4]
이 공식은 다음 연립 방정식으로부터 유도할 수 있으며, 아래 식에서 UL은 초크의 자기 유도 전압(self-induction voltage)을 나타내고, Ld는 초크의 자기 유도 계수를 나타낸다.
또한, 선행하는 식으로부터 초크에 걸친 자기 유도 전압은 다음과 같다.
[식 5]
도 5에는 3상 어플리케이션을 위한 3개의 차동 모드 장치(6)를 지닌 본 발명에 따른 장치의 예가 도시되어 있다. 이 예에서는, 이 경우에 3상 모터(10)로 이루어진 전기 장치 형태의 다상 부하는, 역시 본 발명에 따른 장치의 일부인 2개의 3상 인버터(11, 12)에 의해 전력이 공급된다.
이 때문에, 각각의 인버터(11, 12)의 2개의 출력 레그(13, 14)는 언제나 별도의 차동 모드 장치(6)에 의해 병렬로 연결되고, 3개의 별도의 차동 모드 장치(6) 각각은 각각의 모터 상권선(15, 16 또는 17)에 전력을 공급한다.
이에 의해, 상기 파워 일렉트로닉 인버터는 공통 DC 버스 전압에 연결되거나 연결되지 않을 수 있다.
차동 모드 장치(6)의 작동 원리와 최종 방정식은 도 4의 선행하는 예의 것과 유사하다.
사실상, 이 예에 있어서 다음 식이 성립한다.
본 발명에 따르면, 상기 인버터(11 및/또는 12)는 하나의 동일한 차동 모드 장치에 연결되는 각각의 인버터 레그(13, 14)의 해당 출력 전압의 파형이 상이하거나 적시에 시프트되는 것과, 모든 완전한 상기 주기 동안에 상기 출력 전압 중 적어도 하나가 일정하게 유지되고, 이에 따라 스위칭되지 않는 것을 보장하는 제어부를 포함한다.
동일한 원리에 따르면, 예컨대 3개의 인버터 레그(18, 19, 20)에 연결되고 하나의 모터 상권선(21)에 전력을 공급하는 2개의 차동 모드 장치(6)의 구성의 예를 도시한, 예컨대 도 6에 제시한 바와 같이 3개 이상의 인버터 레그를 병렬로 연결하는 것도 가능하다.
이 예에서, 다음 연립 방정식이 성립한다.
[식 6]
이 예에서는, 다음 방정식 역시 성립한다.
및
이들 방정식에서, UL1 및 UL2는 차동 모드 장치(6) 각각의 개개의 초크의 자기 유도 전압을 나타내는 반면, 전압 U1, U2 및 U3는 개개의 인버터의 출력 전압을 나타낸다.
도 6에 있는 구성의 변형예에는, 예컨대 3개 이상의 차동 모드 장치(6) 또는 차동 모드 장치를 위한 다른 권선 분포가 제공될 수 있다.
인버터를 디커플링하는, 단지 하나의 철제 코어를 지닌 차동 모드 장치(6)를 제공하는 것도 가능하며, 그 결과 병원을 형성하는 것이 가능하다.
본 발명의 고유한 특징에 따르면, 차동 모드 장치는 2개 이상의 자기 플럭스 경로를 지닌, 철제 코어 둘레의 권선을 포함한다.
도 7 내지 도 9에는 각기, 기본적으로 1 : 1 : 1의 권선비를 취하고 누설 손실이 무시되는 조건에서 도 6에서의 예로부터의 상기 방정식 [식 6]과 동일한 부하에 대한 전압 방정식을 형성하는 3개의 상이한 권선 구성이 도시되어 있다.
각각의 도면에서, 차동 모드 장치(6)는 도면에 도시하지 않은 3개의 별도의 인버터에 있는 3개의 출력 레그(23, 24, 25)에 의해 전력이 공급되는 3상 변압기(22)를 포함한다.
도 7의 예에서, 개개의 변압기 레그(27) 둘레의 권선(26)의 타단은 병렬로 연결되어 있고, 이 타단은 공통 컨덕터(28)를 통해 모터상과 같은, 우세한 유도 특성을 지닌 부하(3)에 접속된다.
도 8의 구성에서는, 각각의 변압기 레그(27) 둘레에 2개의 별도의 권선(29, 30)이 마련되는데, 제1 권선(29)에는 개개의 인버터의 출력 레그(23, 24, 25)가 연결되고, 제2 권선(30)은 일단이 상기 제2 권선(29)의 자유단에 각각 연결되며, 제2 권선(30)의 타단은 부하를 제공하도록 병렬로 연결된다.
변압기 레그(27) 상에서 각각의 제1 권선(29)과 제2 권선(30) 간의 연결은 이 경우에 모든 제1 권선(29)이 각각의 변압기 레그(27)에 연결되고 제2 권선(30)이 다른 변압기 레그(27) 둘레에 있도록 형성된다.
도 9에 도시한 구성에서는, 변압기 레그 각각의 둘레에 3개의 별도의 권선(31, 32, 33)이 마련되는데, 이들 권선(31, 32, 33)은 개개의 인버터에 의해 공급되는 모든 출력 전류가 3개의 권선을 통과하여 흐르도록 서로 연결되고, 이들 3개의 권선 각각은 다른 변압기 레그(27) 둘레에 마련된다.
도 8에 따른 차동 모드 장치(6)의 어플리케이션의 일례가 도 10에 도시되어 있는데, 이 도면은 부하에 전력을 공급하는 본 발명에 따른 장치를 보여준다.
이 예에서, 모터(10) 형태의 3상 부하(3)는 3개의 3상 인버터(34, 35, 36), 즉 각각의 변압기 레그(27) 둘레에 2개의 권선(29, 30)이 마련된 도 8의 예로서 구현된 3개의 차동 모드 장치(6)를 통해 전력이 공급된다.
이 때문에, 모든 3상 인버터(34, 35, 36)는 다른 모터 상권선(15, 16, 17)에 전력을 공급하는 데 사용되지만, 인버터(34, 35, 36)의 출력 레그(23, 24, 25)는, 예컨대 하나의 모터 상권선(15)에 전력을 공급하는 모든 인버터(34, 35, 36)의 제1 상(23)을 사용하는 것에 의해, 부하(3)의 제2 상권선(16)에 전력을 제공하는 제2 인버터 상(24)을 사용하는 것에 의해, 개개의 인버터(34, 35, 36)의 제3 상에 의해 제3 부하 상권선(17)에 전력을 공급하는 것에 의해 다른 방식으로 조합될 수 있다는 것이 명확하다.
차동 모드 장치(6)의 모든 어플리케이션에서, 부하의 모든 상에 인가되는 전압은 해당 차동 모드 장치(6)에 전력을 공급하는 개개의 인버터의 출력 전압의 합을 이 차동 모드 장치(6)에 연결된 인버터 출력부의 개수로 나눈 것과 같다.
부하를 위한 소망하는 기준 전압에 접근하기 위한 가장 명백한 방법은 모든 병렬 인버터 레그에 동일한 전압을 인가하여 임의의 추가의 단점 없이 종래의 전원을 얻는 것이다.
우세한 유도 특성을 지닌 부하를 제어하는 본 발명에 따른 방법은 부하 의 상권선에 전력을 공급하기 위해 공통 차동 모드 장치에 연결된 개개의 인버터 레그의 출력 전압의 파형이 상이하거나 적시에 시프트되고, 상기 제어부에 의해 모든 완전한 스위칭, 변조 또는 샘플링 주기 동안에 상기 출력 전압 중 적어도 하나가 일정하게 유지되고, 이에 따라 스위칭 되지 않는 것으로 이루어진다.
본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 모든 완전한 스위칭, 변조 또는 샘플링 주기 동안에 동일한 부하의 상권선에 연결되는 출력 전압 중 최대 전압이 스위칭된다.
동일한 주기 동안, 동일한 차동 모드 장치에 연결된 모든 다른 인버터 레그는 일정한 출력 전압을 공급한다.
도 11에는 3개의 인버터 레그에 의해 제공되는 하나의 부하의 상권선에 관한 예가 도시되어 있다.
상부 다이어그램에는 기준 전압(uref)이 점선으로 표시되어 있고, 부하에 공급되는 최종 상전압(phase voltage)이 실선으로 표시되어 있다.
아래 3개의 다이어그램에도 역시 점으로 기준 전압이 표시되어있고, 각각의 인버터 레그의 스위칭 로직(S1, S2, S3)도 각기 표시되어 있다.
이 예는 "하이" 상태(즉, 각각의 인버터 레그의 양의 출력 전압)로 모든 스위칭 사이클을 개시하는 대칭 PWM을 제시한다.
수평축은 PWM 주기(TPWM)를 시간(t)으로 나눈 것을 나타낸다.
제1 샘플링 또는 PWM 주기 동안, 2개의 최상측 인버터 레그의 출력 전압은 "하이"인 반면, 제3 인버터 레그는 이 샘플링 또는 PWM 주기 동안, "로우"로 잠시동안 스위칭된다.
이 샘플링 또는 PWM 주기 동안, 차동 모드 장치에 의해 부하 상에 인가되는 전압은 "하이"일 것이고, 이 전압은 일시적으로 보다 낮은 전압 레벨로 스위칭될 것이다.
다음 5개의 샘플링 또는 PWM 주기에서, 해당 차동 모드 장치에 연결된 인버터의 출력 레그 중 최대 출력 레그는 스위칭될 것이며, 그 반면에 다른 출력 레그 모두는 연속적으로 "하이" 전압을 공급할 것이다.
다음 3개의 샘플링 또는 PWM 주기 동안, 출력 전압 중 하나가 매번 연속적으로 "로우"일 것이며, 그 반면에 다른 출력 전압은 연속적으로 "하이"이고, 제3 출력 전압은 현재 "하이" 상태로서, "하이"에서 "로우"로 일시적으로 스위칭될 것이다.
다음 8개의 샘플링 또는 PWM 주기 동안, 2개의 출력 전압은 매번 연속적으로 "로우"로 유지될 것이며, 그 반면에 이 샘플링 또는 PWM 주기에서의 제3 출력 전압은 "하이"에서 "로우"로 일시적으로 스위칭될 것이다.
다음에, 출력 전압 중 하나가 연속적으로 "로우"이고, 그 반면에 제2 출력 전압은 연속적으로 "하이"이고, 제3 출력 전압은 현재의 "하이" 상태로서 "로우"로 일시적으로 스위칭되는 많은 샘플링 또는 PWM 주기 역시 존재할 것이다.
이러한 방식으로 도 11의 상부 다이어그램에서 점선으로 나타낸 바와 같은 기준 신호를 얻고, 전압은 고유한 개수의 전압 레벨, 이 경우에는 4개의 전압 레벨 사이에서 스위칭된다.
본 발명에 따르면, 모든 주기를 "하이"로 개시하는 대칭 PWM 대신에, 모든 주기를 "로우"로 시작하는 대칭 PWM, "에지 정렬 PWM", 비동기식 및 동기식 PWM 등과 같은 다른 PWM 방법을 적용할 수도 있다.
모든 샘플링 주기 동안 하나의 최대 출력 인버터 레그가 스위칭되는 본 발명의 바람직한 특징은 상기 스위칭 방법 각각에서 구현될 수 있다.
실시간 어플리케이션에서, 무효 시간 지연, 최소펄스 검출 등과 같은 추가적인 특징이 추가된다.
후속하는 예 모두에서, 인버터 레그의 출력 전압은 기준 전압(xref)에 비례할 것이며, xref는 -1 ≤ xref ≤ 1의 범위 내에 있다.
이에 의해, 기준 신호 "+1"은 양의 DC 버스 전압으로 연속적으로 스위칭되는 인버터 레그에 대응하는 반면, 기준 신호 "-1"은 음의 DC 버스 전압과 동일한 인버터 레그의 출력 전압에 대응한다.
다상 어플리케이션에서는, 임의의 중립 연결부 없이 상이한 상의 상호 작용이 사용될 수 있다.
모든 상권선에 대해서 별도의 인버터를 사용하는 대신에 복잡한 기준 신호를 전체적으로 처리할 수 있다.
어플리케이션에 따라, 그러한 기술은 추가의 장점을 제공할 수 있다. 문헌에 설명되어 있는 전형적인 예는 전동부를 위한 "공간 벡터 변조(Space Vector Modulation; SVM)이다.
스위칭 주파수의 한층 더한 감소는, 본 발명에 따라 완전한 스위칭, 변조 또는 샘플링 주기 동안 적어도 하나의 상권선이 연속적으로 하이 또는 로우가 되도록(즉, 적어도 하나의 상권선에서 어떠한 스위칭 작용도 존재하지 않도록) 모든 상권선에 공통 모드 전압을 추가하는 것에 의해 얻을 수 있다.
그러한 공통 모드 전압 변동은 부하에 의해 나타나지 않는데, 그 이유는 이 공통 모드 전압이 직렬 전압에 영향을 미치지 않기 때문이다.
도 12에는 3상 어플리케이션을 위한 전압 시프트의 예가 도시되어 있다.
이 도면의 상부 다이어그램은 120°만큼 시프트된 사인 곡선형 기준 신호(U, V, W)를 보여준다.
예컨대 점선으로 나타낸 "공통 모드" 전압을 추가하는 것은 3개의 하부 서브 플롯으로 나타낸 바와 같은 기준 신호(Uref, Vref, Wref)를 초래한다.
이 예에서, +1 또는 -1과 동일한 기준 신호는 스위칭 작용을 초래하지 않는다.
그 결과, 유효 스위칭 주파수는 현저히 감소되는데, 그 이유는 모든 스위칭, 변조 또는 샘플링 주기 동안에 최대 2개의 인버터 레그에서 스위칭 작용이 존재할 것이기 때문이다.
이 예에서는, 예컨대 제3 샘플링 또는 PWM 주기, 제4 샘플링 또는 PWM 주기, 제5 샘플링 또는 PWM 주기, 제9 샘플링 또는 PWM 주기, 제10 샘플링 또는 PWM 주기, 제11 샘플링 또는 PWM 주기, 제15 샘플링 또는 PWM 주기, 제16 샘플링 또는 PWM 주기, 제17 샘플링 또는 PWM 주기, 제21 샘플링 또는 PWM 주기, 제22 샘플링 또는 PWM 주기 및 제23 샘플링 또는 PWM 주기 동안 상(U)에 전력을 공급하는 데 사용되는 인버터 출력 각각이 일정하게 유지될 것이다.
이와 유사하게, 각각의 상(V, W)에 대한 사인 곡선형 기준 신호에 공통 모드 전압을 추가하는 것에 의해 이들 상 역시 소정 샘플링 또는 PWM 주기 동안 +1 또는 -1의 상태인 것을 보장하며, 이는 해당 상(V 또는 W)에 전력을 공급하는 차동 모드 장치에 연결된 개개의 인버터 레그의 출력 전압 중 그 어느 것도 스위칭되지 않는다는 것을 뜻한다.
일반적인 스위칭 주파수의 한층 더한 감소는 최소 펄스 검출 등과 같은 공지의 기술을 적용하는 것에 의해 얻을 수 있다.
본 발명은 또한 상기 출력 전압이 낮은 변조 범위에 있는 어플리케이션을 위한 추가의 장점을 제공하는 특별한 스위칭 방법 또한 제공하며, 이 특별한 스위칭 방법에서 기준 전압은 DC 버스 전압에 비해 작다.
주된 장점은 무효 시간 효과와 같은 인버터의 비선형 특징이 상쇄되고, 스위칭 주파수가 감소된다는 것이다.
도 12로부터의 선행예에서와 유사한 방식으로, 이 스위칭 방법의 주요 사상은 모든 스위칭, 변조 또는 샘플링 주기 동안 병렬 인버터 레그 중 최대 출력 레그에 스위칭 작용이 있도록 모든 상에 공통 전압을 추가하는 것이다.
동일한 PWM 주기 동안, 다른 인버터 레그 모두는 동일한 출력 전압이며, 이는 이들 다른 인버터 레그 모두가 연속적으로 "하이"이거나 연속적으로 "로우"이고, 일정한 하이 전압과 일정한 로우 전압의 혼합이 없다는 것을 뜻한다.
그러한 3상 어플리케이션의 예가 도 13에 제시되어 있으며, 도 13은 도 12과 같은 아날로그식 구성을 보여주고, 도 13에 표시한 기준 전압은 낮은 변조 범위에서 사용된다.
예컨대 도 14에는, 하나의 부하 상, 이 경우에는 상(U)에 전력을 공급하는 데 사용되는 인버터 레그의 스위칭 로직이 제시되어 있다.
도 15 내지 도 17은 3상 어플리케이션의 전압의 예이다. 이 예에서, 3상 전기 장치에는 실질적으로, 차동 모드 장치에 의해 병렬로 연결된 1개, 2개 또는 3개의 인버터 각각에 의해 전력이 공급되고, 비선형 특성이 무시된다.
도 15는 시간(t)에 따른 기준 전압과 제1 상과 제2 상 사이의 모터의 입력 전압(u12)을 보여준다.
통상적으로, 단일 3상 인버터에 의해 전력이 공급되는 3상 모터의 선간전압(line voltage)은 3개의 상이한 상태, 즉 0, 양의 DC 버스 전압 및 음의 DC 버스 전압으로 이루어진다.
이에 따라, 본 발명에 의해 3개 이상의 상태로 이루어진 선간전압을 인가하는 것이 가능하다.
그 결과, 전압은 한층 더한 사인 곡선 형상을 얻고, 이는 전압이 기준 전압에 더 유사해진다는 것을 뜻한다.
주어진 예에서, 상태의 개수(n)는 다음과 같다.
n = 2k + 1 [식 6]
이 식에서 k는 병렬 인버터 레그의 개수이다.
도 16 및 도 17은 각각, 시간(t)에 따른 인버터의 출력 전류(iinv)와 모터의 입력 전류(imot)를 보여준다.
단일 인버터에 의해 전력이 공급되는 모터의 경우, 인버터의 출력 전류가 이 인버터에 의해 전력이 공급되는 모터의 입력 전류와 동일할 것임은 물론이다.
복수의 인버터에 의한 공급 모드에서, 인버터의 출력 전류는 모터 전류에 추가된다.
도면으로부터 추론할 수 있는 바와 같이, 모터 전류(imot)는 복수 인버터 모드에서 보다 균일하게 얻어지는데, 그 이유는 공급 전압이 한층 더한 사인 곡선형이기 때문이다.
임의의 제한없이, 본 발명은 복수 층을 갖는 권선을 지닌 전동부에도 적용될 수 있다. 이 경우, 병렬 권선을 연결하는 것이 필수적인 것은 아니지만 가능하기는 한데, 그 이유는 병렬 권선이 동일한 모터 플럭스에 커플링되기 때문이다. 그 결과, 병렬 권선의 압력 강하 역시 동일할 것이다.
본 발명에 따르면, 차동 모드 장치에 연결된 상기 부하는 모터, 발전기, 전원 네트 등과 같은 모든 타입의 수동 또는 능동 부하로 구성될 수 있다.
그 결과, 본 발명에 따른 방법은 전동부에 대한 어플리케이션으로 제한되는 것이 아니라, 이와 달리 그러한 방법은 압축기 구동 어플리케이션에 대해 특히 매우 적합한 것으로 보인다.
고유한 특징에 따르면, 본 발명에 따른 방법은 고속 어플리케이션 및/또는 능동 전방 단부 및/또는 능동 필터 어플리케이션에 적용된다. 본 발명에 따르면, 상기 차동 모드 장치는 파워 일렉트로닉 인버터의 하우징에 적어도 부분적으로 마련될 수 있다.
더욱이, 본 발명에 따른 그러한 차동 모드 장치는 부분적으로 전기 장치의 권선으로 형성될 수 있고 및/또는 부분적으로 전기 장치의 적층형 코어로 형성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 차동 모드 장치가 다른 상에 전력을 공급하는 다른 차동 모드 장치의 권선 역시 마련되는 철제 코어 둘레에 마련되는 하나 또는 복수의 권선 형태로 형성되는 것이 포함된다.
본 발명은 결코 첨부 도면에 도시한, 예로서 주어진 방법 및 장치로 제한되지 않는다. 이와 반대로, 본 발명에 따른 방법 및 장치는 본 발명의 범위 내에 남아 있는 한 모든 유형의 방식으로 달성될 수 있다.

Claims (18)

  1. 우세한 유도 특성을 지닌 부하를 제어하는 부하 제어 방법으로서, 상기 부하(3)의 상권선에 전력을 공급하기 위해 주어진 스위칭, 변조 또는 샘플링 주기에 대하여 1개 또는 복수의 파워 일렉트로닉 인버터(11, 12; 34, 35, 46)에 의해 인가되는 적어도 2개의 스위칭되는 출력 전압을 이용하는 부하 제어 방법에 있어서,
    해당 출력 전압의 파형은 상이하거나 적시에 시프트되고, 상기 출력 전압의 파형은 차동 모드 장치(6)를 통해 부하(3)에 공급되며, 모든 완전한 상기 주기 동안에는 적어도 하나의 상기 출력 전압이 일정하게 유지되고, 이에 따라 스위칭되지 않는 것을 특징으로 하는 부하 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서, 모든 완전한 상기 주기 동안에, 상기 출력 전압 중 최대 출력 전압이 스위칭되는 것을 특징으로 하는 부하 제어 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 부하(3)는 다상 부하(multi-phase load) 형태로 이루어지고, 이 부하의 복수의 상권선은 각각 차동 모드 장치(6)에 의해 전력을 공급받는 것을 특징으로 하는 부하 제어 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 출력 전압은 낮은 변조 범위에 있고, 모든 주기 동안에 모든 상권선에 있어서 최대 출력의 하나의 인버터 레그(13, 14; 18, 19, 20; 23, 24, 25)가 출력 전압을 변경하도록 모든 상권선에 공통 모드 전압을 인가하는 반면, 동일한 상권선에 있어서 다른 모든 인버터 레그(13, 14; 18, 19, 20; 23, 24, 25)는 연속적으로 "하이"로 스위칭된 상태로 남아 있는 것을 특징으로 하는 부하 제어 방법.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 출력 전압은 낮은 변조 범위에 있고, 모든 주기 동안에 모든 상권선에 있어서 최대의 하나의 인버터 레그(13, 14; 18, 19, 20; 23, 24, 25)가 출력 전압을 변경하도록 모든 상권선에 공통 모드 전압을 인가하는 반면, 동일한 상권선에 있어서 다른 모든 인버터 레그(13, 14; 18, 19, 20; 23, 24, 25)는 연속적으로 "로우"로 스위칭된 상태로 남아 있는 것을 특징으로 하는 부하 제어 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 복수의 파워 일렉트로닉 인버터(11, 12; 34, 35, 36)가 사용되고, 이들 파워 일렉트로닉 인버터(11, 12; 34, 35, 36)에는 공통 DC 버스 전압에 의해 전력이 공급되는 것을 특징으로 하는 부하 제어 방법.
  7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 복수의 파워 일렉트로닉 인버터(11, 12; 34, 35, 36)가 사용되고, 이들 파워 일렉트로닉 인버터(11, 12; 34, 35, 36) 모두가 동일한 DC 버스 전압에 연결되는 것은 아닌 것을 특징으로 하는 부하 제어 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 부하 제어 방법은 전동 어플리케이션을 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 부하 제어 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 부하 제어 방법은 고속 어플리케이션에서 사용되는 것을 특징으로 하는 부하 제어 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 부하 제어 방법은 압축기 구동 어플리케이션에 사용되는 것을 특징으로 하는 부하 제어 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 부하 제어 방법은 능동 전방 단부 및/또는 능동 필터 어플리케이션을 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 부하 제어 방법.
  12. 우세한 유도 특성을 지닌 부하를 제어하기 위해 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 부하 제어 방법을 적용하기에 적절한 장치로서, 이 장치는 주어진 스위칭, 변조 또는 샘플링 주기에 대해서 적어도 2개의 스위칭되는 출력 전압을 공급하기 위해 1개 또는 복수의 파워 일렉트로닉 인버터(11, 12; 34, 35, 36)를 포함하는 것인 장치에 있어서,
    상기 장치는, 부하(3)의 상권선에 전력을 공급하기 위한 인버터(들)(11, 12; 34, 35, 36)가 연결되는 적어도 하나의 차동 모드 장치(6)를 포함하고, 상기 인버터(들)(11, 12; 34, 35, 36)에는 해당 출력 전압의 파형이 상이하거나 적시에 시프트되는 것을 보장하는 제어부가 마련되고, 모든 완전한 상기 주기 동안, 적어도 하나의 상기 출력 전압이 일정하게 유지되고, 이에 따라 스위칭되지 않는 것을 특징으로 하는 장치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 차동 모드 장치(6)에는, 이 차동 모드 장치(6)에 연결된 2개 이상의 인버터 레그(13, 14; 18, 19, 20; 23, 24, 25)의 전압, 전류 각각의 차동 모드 감쇠가 가능해지도록 초크(choke), 변압기, 토로이드, 페라이트 링, 철제 코어, "공통 모드" 초크, 전류 상쇄 초크 등과 같은, 2개 또는 복수의 병렬 권선을 갖는 1개 또는 복수의 인덕터 구성 요소가 마련되는 것을 특징으로 하는 장치.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서, 상기 차동 모드 장치(6)는 부분적으로 전기 장치의 권선으로 형성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  15. 제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 차동 모드 장치(6)는 부분적으로 전기 장치의 적층형 코어로 형성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  16. 제12항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 차동 모드 장치(6)는 2개 이상의 자기 플럭스 경로를 갖는, 철제 코어 둘레의 권선을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  17. 제12항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 차동 모드 장치에는 다른 상권선에 전력을 공급하는 다른 차동 모드 장치(6)의 권선 역시 둘레에 마련되는 철제 코어의 둘레에 마련된 1개 또는 복수의 권선이 설치되는 것을 특징으로 하는 장치.
  18. 제12항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 차동 모드 장치(6)는 적어도 부분적으로 인버터의 하우징(11, 12; 34, 35, 36)에 마련되는 것을 특징으로 하는 장치.
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