KR20100075773A

KR20100075773A - 가변속도 드라이브용 공통 모드 및 차동 모드 필터

Info

Publication number: KR20100075773A
Application number: KR1020097014775A
Authority: KR
Inventors: 하롤드 알. 쉐츠카; 아이반 자드릭; 스리샤 아디가 마누어
Original assignee: 존슨 컨트롤스 테크놀러지 컴퍼니
Priority date: 2007-10-31
Filing date: 2008-01-28
Publication date: 2010-07-05
Also published as: KR101265738B1; JP2011502457A; JP5443999B2

Abstract

본 발명은 공통모드 및 차동모드 전류를 여과하기 위한 입력 필터를 포함하고, 능동 인버터를 갖는 개량된 가변속도 드라이브 장치 및 방법에 관한 것이다. 3상의 인덕터는 각각이 한쌍의 인덕터 부분들로 분리하는 중심탭을 갖는 3개의 와인딩; 및 한끝에서 3개의 중심탭과, 반대쪽 끝에서 공통점과 Y모양으로 연결되는 3상 입력 커패시터 뱅크를 포함한다. 상기 3상의 입력 커패시터 뱅크는 예정 기초 주파수이상의 주파수를 입력 AC 전원으로 통과시키는 동안 3상 커패시터 뱅크를 통해 상기한 주파수를 바꾸기 위해 예정 기초 주파수이상의 주파수를 위한 단락을 제공한다.

공통모드, 차동모드, 가변속도 드라이브, 필터, 인버터, 3상 인덕터, 와인딩, 커버시터, 중심탭

Description

가변속도 드라이브용 공통 모드 및 차동 모드 필터{COMMON MODE AND DIFFERENTIAL MODE FILTER FOR VARIABLE SPEED DRIVE}

본 발명은 가변속도 드라이브에 관한 것으로서, 능동 컨버터가 내장된 가변속도 드라이브용 공통 모드 및 차동모드 필터에 관한 것이다.

가열, 환기, 공기조화 및 냉각(HVAC&R)의 적용을 위한 가변속도 드라이브(VSD)는 통상적으로 조정기 또는 컨버터를 포함하고, DC 링크 및 인버터를 포함한다. 전력 인자 교정 및 감소된 입력 전류 하모닉스(Harmonics)를 제공하도록 능동 컨버터 기술을 구현하는 VSD는 종래의 VSD와 비교할 때 매우 더 높은 수준의 공통모드 RMS 및 피크투피크(peak to peak) 전압을 모터 고정자 와인딩에 발생시킨다. 이러한 공통모드 전압은 모터와 압축기 베어링 플루팅(fluting)을 초래하고, 기계 베어링을 통해 흐르는 전류를 발생시키는 이 공통모드 전압은 모터 및/또는 압축기에서 너무 이른 베어링 실패를 초래할 수 있다.

동시 d-q 참조 프레임을 이용한 상기 능동 컨버터 제어 방법론의 적절한 작동은 입력 선간 전압의 순간 상의 각도의 정보를 필요로 한다. 상기 참조 프레임 각도가 틀리거나 알려지지 않으면, 상기 입력 전력 인자 및 능동 컨버터를 갖는 가변속도 드라이브의 입력 전류의 하모닉 왜곡으로 적절히 제어될 수 없다. 상기 VSD는 선간 전압의 확대 손실을 보상하고 상기 전력이 재생될 때 입력 메인에 재동기화할 필요가 있다면, 메인의 손실 중 확대된 d-q 참조 프레임 각도를 보유하는 수단이 필요하다. 게다가, 입력 메인 선간 전압 위로 빨리 록 백(lock-back)하고 실질적인 상의 각도의 선간 전압을 발생시키는 수단이 필요하다. 필요한 것은 하나 또는 그 이상의 이러한 필요를 충족시키거나 다른 유익한 특징을 제공하는 장치 및/도는 방법이다. 본 발명이 특히 능동 컨버터 타입의 AC DC 조정 컨버터 형상을 구현하는 VSD에 관한 것이지만, 상기 발명은 또한 종래의 AC DC 조정 컨버터를 이용한 VSD에 효과적일 수 있다.

다른 특징 및 이점은 본 명세서로부터 명확해질 것이다. 개시된 가르침은 하나 또는 그 이상의 전술한 필요를 달성하든지 여부에 상관없이 청구항의 범위 안에 포함된 구현예로 확대된다.

본 발명은 3상의 펄스폭 변조(PWM)의 가변속도 드라이브(VSD)에 적용을 위한 회로에 관한 것으로서, 능동 컨버터 형상을 갖는 PWM VSD에 적용을 위한 것이다.

일 구현예로서, 가변속도 드라이브 장치는 입력 AC 전력을 고정된 AC 입력 전압 크기와 주파수로 받아 출력 AC 전력을 가변 전압 및 가변 주파수로 공급하도록 구성된다. 상기 속도가변 구동은 입력 AC 전압을 공급하는 AC 전원에 연결된 컨버터 스테이지를 포함한다. 상기 컨버터 스테이지는 입력 AC 전압을 승압된 DC 전압으로 변환하도록 구성된다. DC 링크는 상기 컨버터 스테이지와 연결되고, 상기 컨버터 스테이지로부터 승압된 DC 전압을 여과 및 저장하도록 구성된다. 인버터 스테이지는 상기 DC 링크와 연결되고, 상기 DC 링크로부터 승압된 DC 전압을 가변 전압 및 가변 주파수를 갖는 출력 AC 전력으로 변환하도록 구성된다. 최종적으로 입력 필터는 상기 AC 전원에 존재하는 전도된 전자기적 방해 또는 라디오 주파수 방해에 의해 유도된 공통모드 요소 및 차동모드 요소를 여과시키기 위해 컨버터 스테이지의 입력에서 VSD와 연결된다.

또 하나의 구현예는 공통모드 및 차동모드 전류를 여과하기 위한 입력필터에 관한 것이다. 상기 입력 필터는 3개의 와인딩을 갖는 3상 인덕터를 포함한다. 상기 3상 인덕터의 각 와인딩은 각 와인딩을 한쌍의 인덕터 분분들로 분리하는 중심 탭(TAP)을 갖는다. 3개의 커패시터를 갖는 3상 입력 커패시터 뱅크는 한 쪽 끝에서 3개의 중심 탭과 Y 모양으로 연결되고, 반대쪽 끝에서 공통점과 연결된다. 상기 3상 입력 커패시터뱅크는 예정된 기초 주파수를 컨버터 스테이지에 전달하는 동안에 3상 커패시터 뱅크를 통해 예정된 기초 주파수 이상의 주파수를 바꾸(shunting)도록 예정된 기초 주파수 이상의 주파수를 위한 단락을 실질적으로 제공하도록 구성된다.

또 하나의 구현예는 가변속도 드라이브와 관련된 공통모드 및 차동모드 전류를 여과하기 위한 출력필터에 관한 것이다. 상기 출력 필터는 3개의 커패시터를 갖는 제1출력 커패시터 뱅크를 포함한다. 상기 제1출력 커패시터 뱅크의 각 커패시터는 출력상의 인버터 스테이지와 Y모양으로 연결된다. 상기 제1출력 커패시터 뱅크의 3개의 커패시터는 각각 출력 상 연결의 반대쪽 끝에서 공통 커패시터 연결에 공통으로 연결된다. 상기 공통 커패시터 연결은 또한 접지연결된다.

또 하나의 구현예는 냉각시스템에 관한 것이다. 상기 냉각시스템은 냉각 폐루프로 연결된 압축기, 응축기 및 증발기를 포함하는 냉각회로를 포함한다. 모터는 상기 압축기에 동력을 공급하도록 압축기와 연결된다. 가변속도 드라이브는 상기 모터와 연결된다. 상기 가변속도 드라이브는 고정된 AC 입력 전압 크기 및 주파수로 입력 AC 전력을 받아 가변 전압 및 가변 주파수로 출력 AC 전력을 공급하도록 구성된다. 상기 가변속도 드라이브는 입력 AC 전압을 공급하는 AC 전원에 연결된 컨버터 스테이지를 포함한다. 상기 컨버터 스테이지는 입력 AC 전압을 승압된 DC 전압으로 변환하도록 구성된다. DC 링크는 상기 컨버터 스테이지에 연결되고, 상기 컨버터 스테이지로부터 승압된 DC 전압을 여과하여 저장하도록 구성된다. 인버터 스테이지는 상기 DC 링크에 연결되고, 상기 DC 링크로부터 승압된 DC 전압을 가변 전압 및 가변 주파수를 갖는 출력 AC 전력으로 변환하도록 구성된다. 최종적으로, 공통 모드 및 차동모드 전류를 여과하기 위한 입력필터는 컨버터 스테이지의 입력에서 가변속도 드라이브에 연결된다. 상기 입력필터는 3개의 와인딩을 갖는 3상의 인덕터를 포함하고, 상기 3상 인덕터의 각 와인딩은 한쌍의 인덕터 부분들로 분리하는 중심탭을 갖고, 3상의 입력 커패시터 뱅크는 한쪽 끝에서 상기 3개의 중심탭과, 반대쪽 끝에서 공통점에 Y모양으로 연결된 3개의 커패시터를 갖는다. 상기 3상의 입력 커패시터 뱅크는 실질적으로 예정된 기초 주파수를 컨버터 스테이지로 통과시키는 동안 3상의 커패시터 뱅크를 통해 예정 기초 주파수이상의 주파수로 바꾸기 위해 예정 기초 주파수 이상의 주파수를 위한 단락을 제공하도록 구성된다.

본 발명의 제1이점은 VSD의 작동 결과로서 AC 전원에 존재하는 라디오 주파수 방해 및 전도된 전자기적 방해와 관련된 공통모드 및 차동모드 전류를 감소시키는 것이다.

본 발명의 제2이점은 RMS 및 피크 텀(Peak term) 모두의 모터 고정자에 존재하는 공통모드 전압 스트레스를 감소시킴으로써, 접지 실패의 너무 이른 절연 및 너무 이른 기계 베어링 실패와 관련된 문제를 완화시키는 것이다.

본 발명의 또 하나의 이점은 RMS 및 피크 텀(Peak term) 모두의 모터 고정자에 발생된 차동모드 전압 스트레스를 감소시킴으로써, 너무 이른 기계의 턴투턴(turn to turn) 고정자 와인딩 실패와 관련된 문제를 완화시키는 것이다.

또하나의 예시적인 구현예는 청구항에 일반적으로 인용될 수 있는 다른 특징 및 특징들의 조합에 관한 것이다.

상기 출원은 첨부도면을 참조하여 다음의 상세한 설명으로부터 더욱 더 완전하게 이해될 것이고, 같은 참조 번호는 동일한 요소를 언급한다.

도 1a 및 도 1b는 일반적인 시스템 구성을 개략적으로 도시한다.

도 2a 및 도 2b는 가변속도 드라이브의 구현을 개략적으로 도시한다.

도 3은 냉각시스템을 개략적으로 도시한다.

도 4는 4개 또는 5개의 다리가 달린 인덕터를 사용한 공통모드 및 차동모드의 입력필터의 요소의 개략도를 도시한다.

도 5는 5개의 다리가 달린 인덕터 코어의 1/4 부분도를 도시한다.

도 6은 5개의 다리가 달린 인덕터 코어의 완전한 부분도를 도시한다.

도 7은 VSD 출력필터 구성을 포함하는 또 다른 구현의 개략적인 회로도를 도시한다.

도 8은 4개의 다리가 달린 인덕터 코어의 완전한 부분도를 도시한다.

실시예를 상세하게 설명하는 도면을 참조하기 전에, 본 출원은 다음 설명에서 설명되거나 도면에 도시된 상세한 설명에 한정되어서는 아니되는 것으로 이해되어야 한다. 여기서, 채용된 용어 및 표현은 설명을 위한 것이고 제한하는 것으로 간주되지 않는 것으로 이해되어야 한다.

도 1a 및 1b는 일반적으로 시스템 구성을 도시한다. AC 전원(102)은 가변속도 드라이브(104)(VSD)를 제공하고, 모터(106)(도 1a 참조) 또는 모터(106)(도 1b 참조)에 전원을 공급한다. 상기 모터(106)는 바람직하게는 냉각 또는 냉동시스템의 상응하는 압축기를 구동하는데 사용된다(일반적으로, 도 3 참조). 상기 AC 전원(102)은 단상 또는 다상(예컨대, 3상), 고정된 전압, 고정된 주파수의 AC 전력을 AC 전력배분 또는 분배시스템에서 VSD(104)로 공급한다. 상기 AC 전원(102)은 바람직하게는 AC 전압 또는 200V, 230V, 460V 또는 600V의 선 전압, 50Hz, 또는 60Hz, 의 선 주파수를 상응하는 AC 전력 배분에 따라 VSD(104)에 공급할 수 있다.

상기 VSD(104)는 AC 전원(102)으로부터 특정한 고정 선전압과 고정 선 주파수를 갖는 AC 전력을 받아 원하는 전압과 원하는 주파수로 모터(106)에 공급하고, 상기 전압과 주파수가 특별한 필요를 충족시키기 위해 가변될 수 있다. 바람직하게는, 상기 VSD(104)는 모터(106)의 정해진 전압 및 주파수보다 높은 전압 및 주파수를 갖는 모터(106)에 AC 전력을 공급할 수 있다. 또 하나의 구현예에서, 상기 VSD(104)는 모터(104)의 정해진 볼트 및 주파수보다 더 높고 더 낮은 주파수이지만 동일하거나 더 낮은 전압을 다시 제공할 수 있다. 상기 모터((106)는 바람직하게는 유도전동기이나, 가변가능한 속도로 작동될 수 있는 어떤 종류의 모터도 포함할 수 있다. 상기 유도전동기는 두개의 폴, 4개의 폴 또는 6개의 폴을 포함하는 어떤 적절한 폴 배열도 가질 수 있다.

도 2a 및 도 2b는 VSD(104)의 다른 실시예를 도시한다. 상기 VSD(104)는 3단계, 즉 컨버터 단계(202), DC 링크 단계(204) 및 하나의 인버터(206)(도 2a 참조) 또는 복수의 인버터(206)(도 2b 참조)를 갖는 출력 단계를 포함할 수 잇다. 상기 컨버터(202)는 고정된 선 주파수, 고정된 선 전압 AC 전력을 AC 전원(102)으로부터 DC 전압으로 바꿔준다. 상기 DC 링크(204)는 컨버터(202)로부터 DC 전력을 여과하고 에너지 저장 요소를 공급한다. 상기 DC 링크(204)는 커패시터, 인덕터, 또는 상기한 것의 조합으로 구성되고, 그것은 고신뢰성 및 매우 낮은 실패율을 나타내는 수동장치이다. 결론적으로, 도 2a의 구현예에서, 상기 인버터(206)는 모터(106)를 위해 DC 링크(204)에서 나온 DC 전력을 가변 주파수, 가변 전압 AC 전력으로 변환 하고, 도 2b에서 상기 인버터(206)는 DC 링크(204)에 평행하게 연결되어 있고, 각각의 인버터(206)는 상응하는 모터(106)를 위해 DC 링크(204)에서 나온 DC 전력을 가변 주파수, 가변 전압의 AC 전력으로 변환시킬 수 있다. 상기 인버터(206)는 파워트랜지스터, 절연 게이트 양극형 트랜지스터(IGBT) 전력 스위치 및 와이어 본드 기술에 의해 상호 연결된 인버스 다이오드(inverse diode)를 포함할 수 있는 파워모듈이 될 수 있다. 더우기, VSD(104)의 DC 링크(204)와 인버터(206)가 모터(106)에 적절한 출력 전압 및 주파수를 공급하는 동안 상기 논의된 것으로부터 다른 요소를 구현할 수 있다.

도 1b 및 도 2b와 관련하여, 상기 인버터(206)는 공동으로 제어시스템에 의해 제어되어 각각의 인버터(206)가 각각의 인버터(206)에 제공된 제어신호 또는 제어명령에 따라 상응하는 모터에 원하는 동일한 전압과 주파수로 AC 전력을 공급한다. 또 다른 구현예에서, 상기 인버터(206)는 개인적으로 제어시스템에 의해 제어되어 각각의 인버터(206)가 각 인버터에 제공된 제어신호 또는 제어명령에 따라 상응하는 모터(106)에 원하는 다른 전압과 주파수로 AC 전력을 공급하도록 허용한다. 이러한 능력은 VSD(104)의 인버터(206)가 다른 인버터(206)와 연결된 다른 모터(104)와 시스템의 필요와 독립하여 더욱 효과적으로 모터(106)와 시스템의 필요 및 부하를 만족시킨다. 예컨대, 하나의 인버터(206)는 모터(106)에 완전한 전력을 공급할 수 있지만, 또 하나의 인버터(206)는 다른 모터(106)에 전력의 반만을 공급할 수 있다. 또 다른 구현예에서 인버터(206)의 제어는 제어패널 또는 다른 적절한 제어장치에 의해 이루어질 수 있다.

각각의 모터(106)가 VSD(104)에 의해 전력을 공급받게 하기 위해, VSD(104)의 출력 단계에서 상응하는 인버터(206)가 있다. 상기 VSD(104)에 의해 전력을 공급받는 모터(106)의 수는 VSD(104)로 구현된 인버터(206)의 수에 따른다. 일구현예에서, DC 링크(204)와 평행하게 연결되고 상응하는 모터(106)에 전력을 공급하기 위해 사용되는 VSD(104)에서 구현된 2 또는 3개의 인버터(206)가 있을 수 있다. 상기 VSD(104)가 2 및 3개의 인버터(206) 사이에 가질 수 있지만, 각 인버터(206)에 적절한 DC 전압을 공급 및 유지하는 동안 3개이상의 인버터(206)가 사용될 수 있는 것으로 이해되어져야 한다.

도 3은 일반적으로 도 1a 및 도 2a의 VSD(104) 및 시스템 구성을 사용한 냉각 또는 냉동시스템의 일 구현예를 도시한다. 도 3에 도시한 바와 같이, 상기 HVAC, 냉각 또는 액체 냉각시스템(300)은 압축기(302), 응축기 배열(304), 액체 냉각기 또는 증발기 배치(306) 및 제어패널(308)을 포함한다. 상기 압축기(302)는 VSD(104)에 의해 전력을 공급받는 모터(106)에 의해 구동된다. 상기 VSD(104)는 AC 전원(102)으로부터 특별히 고정된 선 전압과 고정된 선 주파수를 갖는 AC 전력을 받아 원하는 전압과 원하는 주파수로 모터(106)에 AC 전력을 공급하고, 상기 전압 및 주파수가 가변되어 특별한 필요를 충족시킬 수 있다. 상기 제어패널(308)은 아날로그 디지탈(A/D) 컨버터, 마이크로 플로세서, 비활성 메모리, 및 인터페이스 보드와 같은 다양한 다른 요소를 포함하여 냉각시스템(300)의 작동을 제어한다. 상기 제어패널(308)은 VSD(104) 및 모터(106)의 작동을 제어하는데 사용될 수 있다.

압축기(302)는 냉매 증기를 압축하고, 상기 증기를 배출라인을 통해 응축 기(304)에 전달한다. 상기 압축기(302)는 나사식 압축기, 원심 압축기, 왕복 압축기, 스크롤 압축기 등의 어떤 적절한 종류의 압축기도 될 수 있다. 상기 압축기(302)에 의해 응축기(304)에 전달된 냉매 증기는 유체, 예컨대, 공기, 물과 열교환하고, 상기 유체와 열교환함에 따라 냉매 액체로 상변화된다. 상기 응축기(304)로부터 응축된 액체 냉매는 팽창기(미도시)를 통해 증발기(306)로 유입된다.

상기 증발기(306)는 냉각부하의 공급라인과 리턴 라인의 연결을 포함한다. 제2액체, 예컨대 물, 에틸렌, 염화칼슘 브라인 또는 염화나트륨 브라인은 리턴라인을 통해 증발기(306)로 이동하고, 공급라인을 통해 증발기(306)에서 배출된다. 상기 증발기(306)에서 액체 냉매는 제2액체와 열교환하여 제2액체의 온도를 낮춘다. 상기 증발기(306)에서 냉매 액체는 제2액체와 열교환함에 따라 냉매증기로 상변화한다. 상기 증발기(306)에서 증발 냉매가 배출되고 흡입 라인에 의해 압축기(302)로 리턴되어 싸이클을 끝마친다. 상기 응축기(304) 및 증발기(306)에서 냉매의 적절한 상변화를 얻을 수 있다면 응축기(304)와 증발기(306)의 어떤 적절한 구성도 상기 시스템(300)에서 사용될 수 있다.

상기 HVAC, 냉각 또는 액체 냉각 시스템(300)은 도 3에 도시하지 않은 많은 다른 특징을 포함할 수 있다. 이러한 특징은 설명의 편의를 위해 도면을 단순화하도록 고의적으로 생략될 수 있다. 또한, 도 3은 HVAC, 단일 냉각 회로에 연결된 하나의 압축기를 갖는 냉각 또는 액체 냉각 시스템(300)을 도시하고 있지만, 상기 시스템(300)이 도 1b 및 도 2b에 도시한 단일 VSD, 또는 일반적으로 도 1A 및 도 2A에 도시한 구현예를 참조하면 하나 또는 그 이상의 냉각 회로의 각각에 연결된 다 수의 압축기에 의해 전력을 공급받는다.

다음 도 4를 참조하면, 입력 필터(10)의 요소를 보여주는 개략도가 있다. 능동 컨버터(202)에 의해 발생된 EMI/RFI 소스는 컨버터(202) 이전에 3상 AC 입력 인덕터(16)를 상당(PER PHASE) 선측(LINE-SIDE) 인덕터(26)와 부하측 인덕터(28)로 분리함으로써 여과된다. 상기 선측 인덕터(26)와 부하 측 인덕터(28)가 인덕터 탭부(18)에 의해 연결된다. 용량성 3상 필터 엘리먼트(20)가 인덕터 탭부(18) 사이에 Y로 연결된다. 선택적인 접지 연결(22)은 Y로 연결된 필터 엘리먼트의 공통점((21)에 연결될 수 있다. 상기 접지 연결(22)은 또한 접지 커패시터(23)를 포함할 수 있다. 상기 선 및 부하 측 인덕터(26,28) 각각 그리고 용량성 필터 엘리먼트(20)가 인덕턴스 및 커패시턴스 값으로 설계되어 EMI/RFI 소스의 롤오프(ROLL-OFF)-즉, 컨버터(202)에 의해 유도된 입력전류의 고주파수 변환요소를 공급한다. 최소의 임피던스를 갖는 네트워크를 통해 파워전류, 예컨대 60Hz의 기초요소를 지나지만, 입력 필터는 차동 모드를 통해 인덕턴스(26,28)의 유도 요소에 높은 임피던스를 제공하고, EMI/RFI 소스와 Y 모양으로 연결된 커패시턴스(20)를 통해 낮은 임피던스를 제공한다. 4 또는 5개가 달린 입력 인덕터(16)를 이용함으로써, 공통모드 유도 요소가 인덕턴스(26)를 통해 그리고 선택적인 접지 연결(22) 또는 그라운딩 커패시터(23)와 함께 설치되고, 필터(10) 용량의 증가는 컨버터(202)에 의해 발생된 공통 모드 전류가 메인 전원(102)으로 유입되지 않도록 하는 작용을 한다. 상기 입력 필터(10)의 Y모양 연결점(21)은 직접적으로 접지되거나 또한 분리 커패시터(23)를 통해 접지됨으로써 더 큰 고주파 접지 전류를 제공할 수 있다. 일 구현예에서, 상기 인덕터(16)는 낮은 상호 감김 커패시턴스로 제공될 수 있다.

선측(LINE-SIDE) 인덕터(26)는 Y연결 커패시터(20)와 AC 전원(102) 사이에 VSD(104)의 예정된 변환주파수로 임피던스를 제공할 수 있다. 상기 선측 인덕터(26)의 임피던스가 Y 연결 커패시터(20)가 입력 AC 메인(102)과 VSD(104) 사이에 상당한 임피던스가 없는 시스템보다 더 효율적이 되도록 설계된다. 인덕터(26)는 또한 역방향으로 고주파 임피던스를 제공하여 컨버터(202)에서 AC 전원(102)으로 고주파 전류의 흐름을 제한한다. 따라서, 상기 인덕터(26)는 고주파 방사를 AC 전원(102)의 뒤로 반사하지 못하도록 제한한다.

인덕터(28)는 커패시터(20)와 VSD(104)의 입력 사이에 임피던스를 제공한다. 인덕터(28)는 AC 전원(102)과 VSD(104)의 능동 컨버터(202)부 사이에 높은 임피던스를 제공한다. 또한, 상기 VSD(104)가 수동 정류기 컨버터를 갖는 종래의 VSD라면, 인덕터(28)의 임피던스는 입력 AC 메인으로부터 상기 VSD(104)를 절연시키고, 상기 VSD(104)에서 메인(102)으로 유도된 고주파 방출을 감소시킨다.

상기 Y모양으로 연결된 커패시터 뱅크(20)는 VSD(104)의 적어도 하나의 변환주파수를 위한 상 전도체(A,B,C) 사이에 낮은 임피던스를 제공하고, 차동모드 전류흐름에 낮은 임피던스를 제공한다. 접지연결이 제공된다면, 상기 Y모양으로 연결된 커패시터 뱅크(20)는 또한 적어도 하나의 변환주파수의 흐름을 위해 공통 모드 전류 흐름을 감소시키도록 낮은 임피던스를 접지 연결(22)에 제공한다.

다음 도 5 및 6을 참조하면, 일 구현예에서 공통모드 입력 필터(10)는 4개의 다리가 달린 AC 인덕터(516')(예컨대 도 8 참조, 프라임 심볼에 의해 지시된 4개의 다리가 달린 인덕터 구현) 또는 능동 컨버터 기술을 갖는 VSD(104)의 입력에 적용된 4개의 다리가 달린 AC 인덕터(516)(집합적으로 4/5 인덕터로 언급된)를 사용하여 구현될 수 있다. 종래의 필터가 3개의 다리가 달린 인덕터를 채용하여 전력 팩터 및 조화 입력 전류 제어를 제공한다. 상기 4/5 인덕터(516)는 공통 모드 및 차동 모드 인덕턴스 모두 제공한다. 도 5 및 6은 5개의 다리가 달린 인덕터(516)를 도시하고, 상기 인덕터는 3상 전력시스템에서 기하학적 대칭을 제공한다. 상기 공통 모드 인덕턴스는 자속회로(504)를 제공함으로써 발생되고 화살표(502)에 의해 지시된다. 상기 3개의 코어 다리(510,512,514)가 자기로 연결된 자속회로(504), 상기 각각의 다리는 삼상 입력 전력(102)에서 복수의 상(Phase) 중 하나와 연결된다. 상기 자속회로는 내부에 3개의 코어 다리(510,512,514)를 둘러싸는 연속적이고 자기적으로 침투할 수 있는 자기 루프이다. 상기 코어 다리(510,512,514)의 각각은 각각의 코어다리(510,512,514)의 전체 표면적을 실질적으로 감싸는 코일 와인딩 또는 전도체(26)(도 4 참조)를 갖는다. 실질적으로 상기 자속회로는 인덕터(516)의 주위 여기저기를 일방향 또는 다른 방향으로 흐를 수 있지만, 상기 자속회로에서 자속의 방향이 코일 와인딩에서 전류의 크기 및 방향에 따르고, 다른 방향으로 흐르는 것처럼 보여진다. 상기 공통모드의 자속회로는 모든 3개의 인덕터 코일(16)에 공통되는 전기적 전류에 의해 유도된다. 이러한 공통의 자속회로(504)는 인덕터 코일을 통해 흐르는 공통 모드 전류 요소에 의해 여기될 수 있다. 상기한 인덕터의 단면적의 그림이 도 5에 보여진다. 이 인덕터(516)는 열 소산을 향상시키는 액체 냉각된 코어를 갖고, 인덕터(516)의 열용량을 증가시킨다.

도 6을 참조하면, 5개의 다리를 갖는 인덕터(516)의 정단면도는 다리(510,512,514) 안에 삽입된 에어 갭(520)을 도시하고, 코어 포화(saturation)를 방지하고, 인덕터(516)의 작업 자속밀도 범위를 증가시킨다. 상기 인덕터(516)에서 에어갭(520)은 자속회로(504)의 수평 구간 사이에 배열된다. 두개의 에어 갭(520)은 또한 코어 다리(510,512,514)의 각각에 즉시 삽입되고, 각각의 코어 다리(510,512,514)를 3개로 분절한다. 다른 에어갭 구성이 같은 결과를 달성하기 위해 사용될 수 있다.

다음 도 7을 참조하면, 공통모드와 차동모드의 입력 필터 회로와 출력 필터를 갖는 가변속도 드라이브의 구현예가 도시되어 있다. 도 4와 관련하여 설명된 상기 EMI/RFI 입력 필터는 컨버터(202)의 입력에 연결되어 있고, 상기 설명된 것과 동일한 필터링 기능을 수행한다. 상기 VSD(104)의 입력에서 인덕터(16)를 갖는 입력필터의 추가는 효율적으로 AC 동력 메인(102)과 VSD(104) 사이에 높은 임피던스 회로를 제공한다. 공통 모드 전류 흐름을 위한 낮은 임피던스 회로를 제공하기 위해, 3개의 공통모드 커패시터(32)를 포함하고 3상의 Y모양으로 연결된 커패시터 뱅크가 VSD 모터 연결 터미널(38)과 접지(22) 사이에 연결된다. 상기 커패시터 뱅크(30)는 고주파수에서 단락, 즉 낮은 임피던스에 상당하고, 3개의 VSD 출력 터미널(34)에 있는 파괴적인 고주파수 AC 요소를 효과적으로 접지하고, 상기 VSD와 연결된 모터 또는 다른 종류의 부하에 닿지 못하도록 상기 파괴적인 AC요소를 바꿈으로써, 공통 모드 전압으로부터 기인한 전류를 여과시킨다. 상기 커패시터 뱅크(30)는 고주파수 AC 요소가 모터의 와류(Parasitic) 전기용량 접지 요소를 바이패스시 켜 공통 모드 전압 및 전류에 의해 초래된 베어링 손상을 제거하게 한다.

상기 인버터 출력 터미널(34)은 출력 터미널과 연속적으로 연결된 3상의 인덕터(36)를 포함하는 제2필터배열을 제공하고, 상기 출력 터미널(38)은 시스템 부하, 예컨대 모터(106)에 연결되어 있다. 제2의 3상 커패시터 뱅크(42)는 3상 인덕터의 부하측 사이에서 출력 동력 상(L1, L2 및 L3)에 Y모양으로 연결되어 있고, 낮은 임피던스 회로에 차동모드 전류를 제공하여 상기 커패시터 뱅크(42) 사이에 흐르게 한다. 상기 3상 인덕터(36)의 부하측에 Y모양으로 연결된 제2의 3상 커패시터 뱅크의 조합은 L-C 차동모드 출력필터를 제공한다. 상기 공통모드 필터 커패시터 뱅크(30)를 결합함으로써, L-C 차동모드 인덕터(36)와 커패시터 뱅크(42)와 함께, 파괴적인 조건 모두, 즉 공통모드 및 차동모드 전류가 VSD(104)에 의해 전원공급된 부하에 연결되지 못하도록 방해된다.

여기서 설명되고 상기 도면에 도시된 예시적인 구현예가 현재에 바람직하지만, 이러한 구현예가 일례로서만 제공되는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 본 출원이 특정한 구현예에 한정되지 않고, 첨부된 청구항의 범위에 포함된 다양한 변경으로 확대된다. 어떠한 프로세스 또는 방법의 순서가 또 다른 구현예에 따라 변경되거나 재배치될 수 있다. 다양한 예시적인 구현으로 보여진 것처럼 가변속도 드라이브를 위한 공통 모드 및 차동 모드 필터의 구조 및 배열이 설명될 뿐임을 주목하는 것이 중요하다. 단 몇개의 구현예가 이 명세서에서 상세하게 설명되었지만, 이 명세서를 검토하는 당해기술분야의 숙련된 지식을 가진 자가 청구항에 인용된 주제의 새로운 가르침 및 이점으로부터 크게 실질적으로 벗어나지 않고 많은 변경(예컨대, 크기, 치수, 구조, 모양 및 다양한 요소의 비례, 파라미터의 가치, 실장 배열, 물질의 사용, 색깔, 방향 등의 변경)이 가능함을 이해할 것이다. 예컨대, 통합적으로 설치된 것으로 보여진 요소가 다수의 부분 또는 요소로 구성될 수 있고, 요소의 위치가 반대로 되거나 변경될 수 있고, 구분되는 요소의 본질 또는 수 또는 위치가 변경될 수 있다. 따라서, 상기한 모든 변경예가 본 출원의 범위 안에 포함되는 것으로 의도된다. 어떤 프로세스 또는 방법 단계의 순서가 또 다른 구현에 따라 변경되거나 재구성될 수 있다. 청구항에서, 여기서 어떤 수단 및 기능 조항은 인용된 기능을 수행하는 것으로 설명된 구조와, 구조적인 동등물 뿐만 아니라 동일한 구조를 포함하는 것으로 의도된다. 본 출원의 범위로부터 벗어나지 않고 예시적인 구현예의 디자인, 작동조건 및 배열에서 다른 대체물, 변경, 변화 및 생략이 이루어질 수 있다.

Claims

입력 AC 전력을 고정된 AC 입력 전압 크기와 주파수로 받아 출력 AC 전력을 가변 전압 및 가변 주파수로 공급하는 가변속도 드라이브 장치에 있어서,

입력 AC 전압을 공급하는 AC 전원에 연결되고 입력 AC 전압을 승압된 DC 전압으로 변환하도록 구성된 컨버터 스테이지와;

상기 컨버터 스테이지와 연결되고, 상기 컨버터 스테이지로부터 승압된 DC 전압을 여과 및 저장하도록 구성된 DC 링크와;

상기 DC 링크와 연결되고, 상기 DC 링크로부터 승압된 DC 전압을 가변 전압 및 가변 주파수를 갖는 출력 AC 전력으로 변환하는 인버터 스테이지와; 및

상기 AC 전원에 존재하는 전도된 전자기적 방해 또는 라디오 주파수 방해에 의해 유도된 공통모드 요소 및 차동모드 요소를 여과시키기 위해 컨버터 스테이지의 입력에서 VSD와 연결된 입력 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 가변속도 드라이브 장치.
청구항 1에 있어서, 상기 입력 필터는 3개의 와인딩을 갖고, 각 와인딩이 각 와인딩을 한쌍의 인덕터 구간으로 분리하는 중심 탭(TAP)을 갖는 3상 인덕터와;

한 쪽 끝에서 3개의 중심 탭과 Y 모양으로 연결되고, 반대쪽 끝에서 공통점과 연결되는 3개의 커패시터;를 포함하고,

상기 3상 입력 커패시터뱅크는 예정된 기초 주파수를 컨버터 스테이지에 전달하는 동안에 3상 커패시터 뱅크를 통해 예정된 기초 주파수 이상의 주파수를 바꾸(shunting)도록 예정된 기초 주파수 이상의 주파수를 위한 단락을 실질적으로 제공하는 것을 특징으로 하는 가변속도 드라이브 장치.
청구항 2에 있어서, 접지 연결을 갖는 상기 3상 입력 커패시터 뱅크의 반대쪽 끝에 공통점(common point)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가변속도 드라이브 장치.
청구항 3에 있어서, 공통점과 접지 사이에 연결된 커패시터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가변속도 드라이브 장치.
청구항 2에 있어서, 각 쌍의 인덕터 구간은 한쪽 끝에서 중심탭과 연결되는 라인측 인덕터와 부하측 인덕터를 포함하고, 상기 라인측 인덕터는 중심탭 반대쪽의 제2끝에서서 AC 전원과 연결되고, 상기 부하측 전도체는 중심탭의 반대쪽의 제2끝에 컨버터 스테이지와 연결되는 것을 특징으로 하는 가변속도 드라이브 장치.
청구항 2에 있어서, 상기 3상 인덕터는 각각이 한쌍의 전기적 전류가 흐르는 코일로 감겨지는 적어도 3개의 다리부를 갖는 코어 엘리먼트와, 연속적인 자기장 회로에서 3개의 다리부를 연결하고, 직사각형의 프레임부를 형성하기 위해 상부 다리에 의해 상단과, 하부 다리에 의해 하단에 연결되는 한쌍의 수직다리를 갖는 자속부를 포함하고, 상기 3개의 다리부는 상기 프레임부와 자기적인 연결이 되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 가변속도 드라이브 장치.
청구항 2에 있어서, 상기 3상의 인덕터는 4개의 다리가 달린 전도체이고, 상기 전도체는 각각이 한쌍의 전기 코일로 감겨진 적어도 3개의 다리부를 갖는 코어 엘리먼트와, 연속적인 자기장 회로에서 3개의 다리부를 연결하고, 자속회로가 상기 전기코일을 통해 흐르는 공통모드 전류요소에 의해 여기되는 자속부를 포함하는 것을 특징으로 하는 가변속도 드라이브 장치.
청구항 2에 있어서, 각각이 인덕터의 출력상에 Y모양으로 연결된 3개의 커패시터를 갖는 제1출력 커패시터 뱅크를 더 포함하고, 상기 제1출력 커패시터 뱅크의 3개의 커패시터 각각은 출력 상 연결의 반대쪽 끝에 공통적으로 연결되고; 상기 공통 커패시터 연결은 또한 접지연결되는 것을 특징으로 하는 가변속도 드라이브 장치.
청구항 8에 있어서, 상기 인버터 스테이지의 출력 상과 연속적으로 연결된 3개의 출력상 와인딩을 갖는 출력 인덕터와;

각각이 상기 출력 인덕터의 부하측에 Y모양으로 연결된 3개의 커패시터를 갖는 제2출력 커패시터 뱅크;를 포함하고, 차동모드 전압요소에 의해 유도된 전류가 실질적으로 출력 인덕터의 부하측에서 제거되고, 상기 출력 인덕터에 연결된 부하에 흐르지 못하도록 방해받는 것을 특징으로 하는 가변속도 드라이브 장치.
각각이 한쌍의 인덕터 구간으로 각각 분리하는 중심 탭을 갖는 3개의 와인딩과;

상기 3개의 중심 탭과 한쪽 끝에서 Y모양으로 연결된 3개의 커패시터를 갖는 3상의 입력 커패시터 뱅크를 포함하고,

상기 3상 입력 커패시터 뱅크는 실질적으로 예정 기초 주파수 입력 AC 전원으로 통과시키는 동안 3개의 커패시터 뱅크를 통해 예정된 기초 주파수 이상의 주파수를 바꾸기 위해 예정 기초 주파수 이상의 주파수를 위해 단락을 제공하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 공통모드 및 차동모드 전류를 여과하기 위한 입력필터.
청구항 10에 있어서, 접지 연결을 갖는 3상의 입력 커패시터의 반대쪽 끝에 공통점을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 입력필터.
청구항 11에 있어서, 공통점과 접지 사이에 연결된 커패시터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 입력필터.
청구항 11에 있어서, 쌍으로 된 인덕터 구간 각각은 상기 중심 탭의 한쪽 끝에 각각 연결된 라인측 인덕터와 부하측 인덕터를 포함하고, 상기 라인측 인덕터는 중심탭의 반대쪽의 제2단부에서 AC 전원에 연결되고, 상기 부하측 전도체는 중심탭의 반대쪽 제2단부에서 가변속도 드라이브의 컨버터 스테이지에 연결되는 것을 특징으로 하는 입력필터.
청구항 11에 있어서, 상기 3상 인덕터는 4개의 다리가 달린 인덕터이고, 상기 인덕터는 각각이 한쌍의 전류를 운반하는 코일로 감겨진 적어도 3개의 다리부를 갖는 코어 엘리먼트와; 연속적인 자기장 회로에서 3개의 다리부를 연결하고, 실질적으로 직사각형 프레임부를 형성하기 위해 상부 다리에 의해 상단에 및 하부다리 에 의해 하단에 연결된 자속부를 포함하고, 상기 3개의 다리부는 상기 프레임부와 자기적으로 연결되도록 배치된 것을 특징으로 하는 입력필터.
청구항 11에 있어서, 상기 3상의 인덕터는 4개의 다리가 달린 전도체이고, 상기 전도체는 각각이 한쌍의 전기 코일로 감겨진 적어도 3개의 다리부를 갖는 코어 엘리먼트와, 연속적인 자기장 회로에서 3개의 다리부를 연결하고, 상기 전기코일을 통해 흐르는 공통 모드 전류 요소에 의해 여기된 공통의 자속회로를 제공하는 자속부를 포함하는 것을 특징으로 하는 입력필터.
가변속도 드라이브와 관련된 공통모드 및 차동모드 전류를 여과하기 위한 출력 필터에 있어서,

각각이 출력상의 인버터와 Y모양으로 연결된 3개의 커패시터를 갖는 제1출력 커패시터 뱅크를 포함하고, 상기 제1출력 커패시터뱅크의 3개의 커패시터 각각은 출력 상 연결의 반대쪽 끝에서 공통으로 연결되는 것을 특징으로 하는 출력필터.
청구항 16에 있어서, 출력상의 인버터 스테이지와 연속적으로 연결된 3개의 출력상 와인딩을 갖는 출력 인덕터; 및

각각이 상기 출력 인덕터의 부하측에 Y모양으로 연결된 3개의 커패시터를 갖는 제2출력 커패시터를 포함하고;

상기 차동 모드 전압 요소에 의해 유도된 전류가 실질적으로 상기 출력 인덕터의 부차측에서 제거되고, 상기 출력 인덕터에 연결된 부하로 흐르지 못하도록 방해받는 것을 특징으로 하는 출력필터.
냉각 폐루프로 연결된 압축기, 응축기 및 증발기를 포함하는 냉각회로;

상기 압축기에 동력을 공급하도록 압축기와 연결된 모터;

상기 모터와 연결되고, 고정된 AC 입력 전압 크기 및 주파수로 입력 AC 전력을 받아 가변 전압 및 가변 주파수로 출력 AC 전력을 공급하는 가변속도 드라이브;

상기 입력 AC 전압을 공급하는 AC 전원에 연결되고, 상기 입력 AC 전압을 승압된 DC 전압으로 변환하도록 구성된 컨버터 스테이지;

상기 컨버터 스테이지에 연결되고, 상기 컨버터 스테이지로부터 승압된 DC 전압을 여과하여 저장하도록 구성된 DC 링크;

상기 DC 링크에 연결되고, 상기 DC 링크로부터 승압된 DC 전압을 가변 전압 및 가변 주파수를 갖는 출력 AC 전력으로 변환하도록 구성된 인버터 스테이지; 및

공통 모드 및 차동모드 전류를 여과하기 위한 입력필터;를 포함하고:

상기 입력필터는 각각이 한쌍의 인덕터 부분들로 분리하는 중심탭을 갖는 3개의 와인딩을 갖는 3상의 인덕터; 및

한쪽 끝에서 상기 3개의 중심탭과 Y모양으로 연결된 3개의 커패시터를 갖는 3상의 입력 커패시터 뱅크;를 포함하고,

상기 3상의 입력 커패시터 뱅크는 실질적으로 예정된 기초 주파수를 컨버터 스테이지로 통과시키는 동안 3상의 커패시터 뱅크를 통해 예정 기초 주파수이상의 주파수로 바꾸기 위해 예정 기초 주파수 이상의 주파수를 위한 단락을 제공하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 냉각시스템.
청구항 18에 있어서, 가변속도 드라이브와 관련된 공통모드 및 차동모드 전류를 여과하기 위한 출력필터를 더 포함하고, 상기 출력필터는:

각각이 출력상의 인덕터와 Y모양으로 연결된 3개의 커패시터를 갖는 제1출력 커패시터 뱅크를 포함하고;

상기 제1출력 커패시터 뱅크의 3개의 커패시터 각각이 출력상 연결의 반대쪽 끝에 공통으로 연결되고; 상기 공통 커패시터 연결이 또한 접지 연결되는 것을 특징으로 하는 냉각시스템.
청구항 18에 있어서, 상기 출력필터는 출력상의 인버터 스테이지와 연속적으로 연결된 3개의 출력상 와인딩을 갖는 출력 인덕터; 및

각각이 상기 출력 인덕터의 부하측에 Y모양으로 연결된 3개의 커패시터를 갖 는 제2출력 커패시터 뱅크를 포함하고;

차동 모드 전압에 의해 유도된 전류가 실질적으로 출력 인덕터의 부하측에서 제거되고, 상기 출력 인덕터에 연결된 부하로 흐르지 못하도록 방해받는 것을 특징으로 하는 냉각시스템.