KR20100084556A - 중장비 머신의 제어 - Google Patents

Abstract

본 발명은 회전하는 프로세스 머신(P), 예컨대 터빈 또는 프로펠러상에서의 회전 속도를 제어하기 위한 시스템에 관한 것이며, 여기서 회전하는 프로세스 머신(P)은 적어도 하나의 모터(M1)에 연결되고, 모터(M1)에 의해 주어진 회전 속도로 회전하도록 구성되며, 모터(M1)는 제어 시스템(C)에 연결되고, 모터(M1)의 회전 속도는 제어 시스템(C)에 의해 제어되도록 구성된다. 회전하는 프로세스 머신(P)은 조정되도록 구성된 부하 제어부(PC)를 포함하고, 제어 시스템(C)은 회전하는 프로세스 머신(P)에 연결된다. 본 발명을 통해, 다양한 에너지 요건들에 맞춰 모터(M1)의 회전 속도와 크기를 단계적으로 조정함으로써 낮은 에너지 소모 및 여러개의 선택가능한 회전 속도들 사이의 부드러운 천이를 달성한다.

Description

중장비 머신의 제어{CONTROL OF HEAVY MACHINES}

본 발명은 중장비 머신, 예컨대 100kW 이상의 전력을 갖는 머신상에서의 회전 속도 및 전력의 제어를 위한 시스템에 관한 것이다.

현재 환경과 기후는 대부분의 지역들에서 고려되고 있는 중요한 요소들이다. 이것은 예컨대 산업 및 운송에서 특히 중요하며, 이에 따라 전기 에너지, 연료의 소모의 감축 및 환경적으로 위해한 배기가스의 감축을 고려중에 있다. 본 발명은 머신들의 시동, 중단 및 동작이 효율적인 에너지의 이용에 의해 일어나고, 이것은 다시 환경적으로 위해한 배기가스의 배출을 감축시키도록 머신들의 부품 및 조성을 이용함으로써 에너지 효율적인 방법으로 대형 머신에서의 에너지의 효율적인 활용 및 머신들의 효율적인 동작에 기여한다.

예컨대, 기계적 부하 제어에 더하여, 선박에서 이용중인 중장비 머신의 회전 속도 및 전력의 제어를 위한 몇가지 현존하는 시스템들은 제로 회전 속도 또는 최대 회전 속도(100%)를 갖는다. 이것은 선박이 정지중일지라도 모터가 최대 회전 속도로 회전하게 만드는데, 이것은 기계적 부하 시스템에 의해 유발되는 기계적 손실을 가져다준다. 또한, 이와 같은 머신 제어의 형태에서는 노이즈가 문제가 된다.

현존하는 전기기계 시스템에서는 쇄도 전류(inrush current)가 종종 문제가 된다. 전기 모터가 직접적인 시동부(direct start)와 연결될 때, 전기 모터는 소위 말하는 공칭 전류의 10배를 끌어오는 쇄도 과정을 가질 것이며, 즉 모터는 이러한 고속의 커다란 가속을 수행할 수 있도록 매우 많은 전류를 필요로 한다. 모터 부하에 따라, 이러한 상황은 예컨대 0.5초 내지 수 초간 지속될 수 있다. 짧은 시간에서의 이러한 강력한 가속은 많은 양의 이용가능한 전력을 필요로 하는데, 이러한 전력은 가속이 보다 더 제어되어 수행된다면 절감될 수 있다.

특허 공개문헌 US 4,525,655는 두 개의 전기 모터들(하나는 작고 하나는 크다)이 복합 유성 기어 시스템을 통해 공통 축에 기계적으로 결합된 전기 모터 구동 시스템을 기술하고 있다. 모터의 시동시에 커다란 전력 소모를 막기 위해, 프로세스의 작동시에 작은 모터를 이용하여 큰 모터를 가속시킨다. 회전속도계는 이 두 개의 모터들에 전달되는 전력을 제어하는 신호를 비교 회로에 보낸다. 양쪽 모터들의 속도가 동일해질 때, 제어 유닛은 양쪽 모터들에 전달된 전력의 균형을 유지할 것이다. 바람직하게 모터들 중 하나는 나머지 다른 하나의 모터의 두배의 전력을 갖는다.

특허 공개문헌 GB 101,809에서는 소형 모터에 의해 동기기(synchronous machine)를 작동시키기 위한 시스템을 설명하고 있다. 동기 모터가 소망하는 속도에 도달하도록 소형 모터가 도움을 줬을 때에 기계적 스위치는 소형 모터를 턴오프시킨다. 이 공개문헌은 날짜가 1916년도이므로, 소형 모터의 원리가 오랜 기간동안 알려져있는 원리라는 것을 보여준다.

특허 공개문헌 GB 539,203은 인쇄 프레스 또는 기타 머신에서 이용하기 위한, 두 개의 전기 모터들(AC 또는 DC)(하나는 작고, 하나는 크다)의 구동기들에 관한 발명에 관한 것이다. 이 두 개의 모터들은 축(shaft)과 전자기 클러치(electromagnetic clutch)에 의해 함께 연결된다. 브레이크가 모터들을 중지시키는데 이용된다. 반전 스위치들이 모터들을 반전시키는데 이용된다. 작은 모터는 클러치를 이용하여 인쇄 프레스를 작동시키고, 그러고 나서 큰 모터는 인쇄 프레스의 동작을 인계받고, 클러치를 이용하여 작은 모터를 연결해제시킨다.

특허 공개문헌 US 6,297,610 B1는 복수의 전기 유닛들을 제어하는데 이용될 수 있는 시스템을 기술한다.

따라서, 머신이 어떠한 작업도 수행하지 않을 때에 기계적 부하 손실을 감소시키거나 제거하는 전기 구동 시스템과, 단순하고 비용효율적이며 정비가 불필요한 모터의 제어가 필요하다. 모터가 유휴 상태로 구동중일 때에 높은 노이즈 레벨을 갖는 문제점은 줄어들어야 하는 것이 바람직하다. 수 많은 대안적인 유형들의 전기 구동 시스템에서 문제가 되고 있는 전기적 장애의 제거도 마찬가지다. 또한, 가속에 필요한 전력의 필요한 양만이 머신들에 제공되는 것과 동시에 머신들이 다양한 회전 속도들 사이에서 부드럽게 가속하게 되는 시스템이 필요하다.

본 발명은 컴팩트하고 단순한 설계를 가지면서 복잡한 부품들을 거의 갖지 않는, 중장비 머신상에서의 회전 속도 및 전력의 무단계적 조정(stepless regulation)을 위한 시스템으로서, 어떠한 전기적 장애도 발생하지 않으며 현존하는 시스템과 비교하여 비용효율적인 시스템을 제공함으로써 위 문제들을 해결한다. 이와 같은 시스템은 전산화된 제어 시스템, 전기 제어 보드 및 제어되는 프로세스 머신에 연결된 모터를 포함한다. 상술한 문제들을 해결하는 본 시스템은 예컨대, 프로세싱 플랜트에서의 환풍기, 펌프 또는 컴프레서(compressor)를 제어하고, 항공기 또는 선박에서의 조정가능 날개들을 갖는 프로펠러, 풍력발전용 터빈 또는 수력발전기를 제어하는데 이용될 수 있다. 첨부된 청구항들에서 규정된 바와 같이 특징지어진 상술한 시스템을 제공함으로써 상술한 본 발명의 목적이 달성된다.

따라서, 본 발명은 예컨대 터빈 또는 프로펠러와 같은 회전하는 프로세스 머신상에서의 회전 속도 및 전력의 제어를 위한 시스템을 제공하며, 여기서 회전하는 프로세스 머신은 적어도 하나의 모터 또는 발전기에 연결되고 모터에 의해 주어진 회전 속도로 회전하도록 구성된다. 모터 또는 발전기는 제어 시스템에 연결되고, 모터 또는 발전기의 회전 속도는 제어 시스템에 의해 제어되도록 구성된다. 회전하는 프로세스 머신은 조정가능하도록 구성된 부하 제어부를 포함한다. 제어 시스템은 회전하는 프로세스 머신에 연결되며, 회전하는 프로세스 머신내의 부하 제어부를 제어하도록 구성된다. 따라서, 본 발명을 통해 모터의 크기 및 회전 속도를 다양한 전력 요건에 맞춰 단계적으로 조정함으로써 여러가지 선택가능한 회전 속도들간의 부드러운 천이와 보다 낮은 에너지 소모를 달성하게 된다.

본 발명에 따른 시스템의 바람직한 실시예에서, 제어 시스템은 제1 제어 보드에 연결되어 이 제1 제어 보드를 제어하도록 구성되며, 제1 제어 보드는 모터에 연결되어 이 모터를 제어하도록 구성된다.

본 발명에 따른 시스템의 다른 바람직한 실시예에서, 제1 제어 보드는 부속하는 제어 전자장치들을 포함하면서, 적어도 하나의 사이리스터(thyristor) 세트와 적어도 하나의 센서(예컨대, 전류 센서)를 포함한다. 이용가능한 전력이 제한되어 있는 플랜트내에서 본 시스템이 이용되기에 적합할 수 있도록 사이리스터는 쇄도 전류 및 시동 토크를 제어하는 것을 가능하게 해준다.

본 발명에 따른 시스템의 추가적인 바람직한 실시예에서, 제어 보드는 또한 적어도 두 개의 컨택터(contactor)를 포함하며, 이로써 모터 또는 발전기는 어느 회전 속도를 갖게될 것인지에 관한 신호를 획득한다. 컨택터들은 커다란 전력을 필요로 하는 비교적 큰 모터를 다룰 수 있다.

본 발명에 따른 시스템의 다른 바람직한 실시예에서, 제어 보드는 적어도 두 개의 사이리스터 세트와 적어도 두 개의 센서를 포함한다. 이용가능한 전력이 제한되어 있는 플랜트내에서 본 시스템이 이용되기에 알맞도록 사이리스터는 모터 또는 발전기의 쇄도 전류 및 쇄도 토크를 제어하는 것을 가능하게 해준다.

본 발명에 따른 시스템의 다른 바람직한 실시예에서, 제어 보드는 적어도 하나의 주파수 컨버터와 적어도 하나의 센서를 포함하며, 이로써 모터 또는 발전기의 회전 속도는 무단계적으로 제어될 수 있다.

본 발명에 따른 시스템의 다른 바람직한 실시예에서, 본 시스템은 축을 통해 연결된 적어도 하나의 제1 모터 또는 발전기와 적어도 하나의 제2 모터 또는 발전기를 포함한다. 제2 모터 또는 발전기는 제1 모터가 높은 회전 속도를 달성하도록 도와주도록 구성되며, 이로써 제1 모터 또는 발전기상의 시동 부하는 커지지 않게 되며, 가속화는 부드럽게 수행되고 제어된다.

본 발명에 따른 시스템의 또 다른 실시예에서, 제1 모터 또는 발전기와 제2 모터 또는 발전기는 제1 제어 보드와 제2 제어 보드에 각각 연결되어 이 제1 제어 보드와 제2 제어 보드에 의해 각각 제어되도록 구성된다.

본 발명에 따른 시스템의 또 다른 바람직한 실시예에서, 제1 모터 또는 발전기는 적어도 하나의 제1 속도를 가지며, 제2 모터 또는 발전기는 적어도 하나의 제2 속도를 갖는다.

본 발명에 따른 시스템의 또 다른 실시예에서, 제1 모터 또는 발전기는 제2 모터 또는 발전기의 전력보다 세 배 내지 열 배 큰 전력을 갖는다.

본 발명에 따른 시스템의 다른 바람직한 실시예에서, 사이리스터는 3상 역평행 연결된 사이리스터이거나 또는 이와 등가적인 전력 반도체이다.

본 발명에 따른 시스템의 다른 바람직한 실시예에서, 본 시스템은 주파수 50Hz를 갖는 외부 전력 공급기에 연결된다.

본 발명에 따른 시스템의 다른 바람직한 실시예에서, 회전하는 프로세스 머신은 예컨대 100kW보다 큰 전력을 갖는다.

본 발명에 따른 시스템의 또 다른 바람직한 실시예에서, 제어 시스템은 부하를 모터에 연결시키고 연결해제시키기 위해 적어도 하나의 클러치에 연결되어 상기 적어도 하나의 클러치를 제어하도록 구성된다.

본 발명에 따른 시스템의 다른 바람직한 실시예에서, 회전하는 프로세스 머신은 기어에 연결되고, 이 기어는 모터 또는 발전기에 연결된다. 기어는 프로세스 머신과 모터 또는 발전기간의 회전 속도가 조정가능하도록 해준다.

본 발명에 따른 시스템의 다른 실시예에서, 회전하는 프로세스 머신은 기어에 연결된다. 기어는 제1 모터 또는 발전기와 제2 모터 또는 발전기에 연결되며, 이로써 프로세스 머신과 모터 또는 발전기간의 회전 속도는 조정가능해질 수 있다.

본 발명에 따른 시스템의 또 다른 실시예에서, 본 시스템이 정보를 송신 및 수신할 수 있도록 원격 제어 시스템이 본 시스템에 연결된다.

본 발명에 따른 시스템의 또 다른 실시예에서, 적어도 하나의 모터 또는 발전기가 축을 통해 비전기적 모터 또는 발전기에 연결되고, 이로써 본 시스템은 다양한 회전 속도들 사이에서 다를 수 있으며, 이 비전기적 모터 또는 발전기는 또한 전체 시스템이 감소된 성능을 갖고 동작하게 할 수 있다.

본 발명에 따른 시스템의 다른 실시예에서, 비전기적 모터는 비전기적 전력 공급기, 예컨대 가압된 오일원(pressurized oil source)에 의해 동작된다.

본 발명에 따른 시스템의 또 다른 실시예에서, 비전기적 모터의 성능 및 동작이 모니터링되고 제어될 수 있도록 비전기적 모터가 회전 속도 센서에 연결된다.

본 발명을 통해, 다양한 에너지 요건들에 맞춰 모터(M1)의 회전 속도와 전력을 단계적으로 조정함으로써 낮은 에너지 소모 및 여러개의 선택가능한 회전 속도들 사이의 부드러운 천이가 달성된다.

이제부터 예시를 통해 본 발명을 도시하고 있는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명을 자세하게 설명할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 시스템의 바람직한 제1 실시예를 도시하는 원리도이다.
도 2는 본 발명에 따른 시스템의 제2 실시예를 도시하는 원리도이다.
도 3은 본 발명에 따른 시스템의 제3 실시예를 도시하는 원리도이다.
도 4는 본 발명에 따른 시스템의 제4 실시예를 도시하는 원리도이다.
도 5는 모든 실시예들에서 모터 또는 발전기의 잠재적인 대안적 배치를 도시하는 원리도이다.
도 6은 본 발명에 따른 시스템의 제5 실시예를 도시하는 원리도이다.
도 7은 본 발명에 따른 시스템의 제6 실시예를 도시하는 원리도이다.
도 8은 본 발명에 따른 시스템의 제7 실시예를 도시하는 원리도이다.

도 1은 본 발명에 따른 시스템의 바람직한 실시예에 대한 원리도를 도시한다. 도 1에서 도시된 시스템은 외부 전원으로부터 전력을 공급받는 3상 교류 시스템이다. 외부 전원은 일반적으로는 50Hz일 것이나, 예컨대 60Hz와 같은 다른 주파수가 이용될 수 있다. 그리드로부터 완전 정현파 전류가 직접 유입되고 이것은 시스템에 전달되므로, 시스템이 실질적인 전기적 장애를 발생시키지 않기 때문에, 예컨대 컨버터 또는 필터링은 필요하지가 않다. 몇가지 유형의 전기 머신들은 기계 축상에서 작동하는 힘의 방향에만 의존하여 모터와 발전기 모두를 동작시킬 수 있다. 이것은 M1/G가 모터 또는 발전기를 의미한다라는 것을 도 1 내지 도 8이 나타내는 이유이다.

본 시스템은, 바람직하게 비동기식 모터들이며 기계적으로 기어(G)에 연결된, 프로세스 머신(P)을 구동시킬 두 개의 3상(3~) 투 스피드 전기모터들(M1, M2)을 포함한다. 제1 모터(M1)는 두 개의 회전 속도들, 즉 회전속도 H와 회전속도 L을 가지며, 제2 모터(M2)도 또한 두 개의 회전 속도들, 즉 회전속도 H와 회전속도 M을 갖는다. 제1 모터(M1)는 나머지 다른 모터(M2)에 비해 큰 모터이며, 즉 제1 모터(M1)는 나머지 다른 모터(M2)보다 큰 전력을 갖는다. 예를 들어, 4극 동작에서, 큰 제1 모터(M1)는 1500kW의 최대 전력을 가지며, 8극 동작에서는 400kW의 최대 전력을 가질 것이다. 나머지 작은 모터(M2)는, 4극 동작에서, 200kW의 최대 전력을 가질 것이고, 6극 동작에서는 500kW의 최대 전력을 가질 것이다. 상술한 모든 전력 수치들은 50Hz, 3-상 전류의 전력 공급기에 그 기반을 두고 있다. 만약 다른 주파수를 갖는 전력 공급기가 이용되면, 위의 최대 전력에 관한 수치 예시들은 다른 값들을 가질 것이다. 전술한 바와 같이, 모터는 바람직하게 비동기식 모터이지만, 예컨대 동기식 모터와 같은 다른 유형의 모터를 이용하는 것도 가능하다. 만약 본 발명의 이용이 발전기라면, 모터는 발전기가 될 것이고, 그러면 시스템은 에너지를 소비만하는 것 대신에 에너지를 그리드에 역으로 전달할 것이다. 또한, 조합구성, 즉 소위 말하는 시스템의 모터/발전기 동작이 가능하며, 즉 전력 흐름이 양 방향들로 교대로 진행할 수 있다.

기어(G)가 두 개의 모터들(M1, M2) 사이에 연결되며, 이 기어(G)는 모터들(M1, M2)의 영구적인 기계적 연결을 가져다준다. 이러한 기계적 연결은 강축의 형태를 갖는다. 기어(G)의 기능은 프로세스 머신(P)과 모터들(M1, M2)간의 회전 속도를 조정하는 것이다. 본 시스템은 또한 기어(G)없이 동작할 것이다. 시스템에서 기어(G)를 이용할 것인지 아닌지에 대한 결정은 프로세스 머신(P)의 특성에 달려있다.

클러치(CL)는 기어(G)와 프로세스 머신(P)사이에 연결된다. 클러치(CL)는 전기적으로 제어되며, 프로세스 머신(P)이 동작중이지 않을 때에 연결해제될 수 있지만, 프로세스 머신(P)이 구동할 때에는 연결된다. 본 시스템은 또한 클러치(CL)없이 기능할 것이거나(즉, 전체 시스템이 회전한다), 예컨대 개별적인 모터들(M1, M2)과 기어(G)사이에 연결될 수 있는 여러개의 클러치(CL)를 구비하여 기능할 것이다. 클러치(CL)의 갯수는 가격, 서비스-친화적, 마모, (효율성)손실, 수명 및 기능성이 문제가 되는 평가 문제이다.

프로세스 머신(P)은 회전하는 머신이며, 이것은 예컨대 선박 또는 항공기상의 프로펠러, 프로세스 플랜트에서의 환풍기, 펌프 또는 컴프레서, 풍력발전용 터빈 또는 수력발전기일 수 있다. 프로세스 머신(P)은 예컨대 프로펠러상의 블레이드 각도를 조정함으로써 프로세스 머신(P)의 전력을 무단계적으로 조정하는 것을 가능하게 해주는 전기기계적/유압식 부하 제어/전력 제어부(PC)를 구비한다.

전기기계적/유압식 부하 제어/전력 제어부(PC)는 회전하는 머신, 즉 회전하는 프로세스 머신(P)내의 기계장치이다. 부하 제어부(PC)는 시스템내의 전력을 조정하는데 이용되며, 전력이 어느 방향을 가질 것인지를 결정하는데 이용된다. 부하 제어부(PC)는 도 1에서 도시된 바와 같이, 전산화된 제어 시스템(C)에 연결된 부하 제어 레버(PP)를 통해 작동된다. 부하 제어 레버(PP)는 이하에서 보다 자세하게 설명된다. 부하 제어부(PC)는, 예컨대, 피치 제어부, 밸브가 있는 쓰로틀 제어부(이것은 일반적으로 펌프 및 환풍구내에 있다), 날개 제어부, 밸브에 의해 제어되는 리싸이클링/바이패스 제어부, 슬라이드 제어부(전기기계적으로 제어되는 스크류 컴프레서의 무단계적인 기계적 부하 제어부) 또는 개별적인 실린더가 능동적이거나 수동적인지를 결정하는 디지탈 제어 신호로 피스톤 머신 및 컴프레서상의 모든 실린더들을 제어하는 실린더 제어부와 같은, 여러가지 유형일 수 있다. 상술한 이러한 모든 잠재적인 유형의 부하 제어부(PC)는 기본적으로 전기 신호를 통해 제어 시스템(C)으로부터 무단계적으로 제어될 수 있다. 부하 제어부(PC)는 -100%에서 +100%까지의 영역에서 무단계적으로 조정될 수 있다. 보다 큰 스텝을 가져다주는 실린더 제어를 제외하고, 부하 제어부(PC)의 무단계적 제어가 예컨대 0.5%의 작은 스텝으로 발생하기 때문에, -100%에서 +100%까지의 영역에서의 모든 값들이 원칙적으로 이용될 수 있다.

본 시스템은 부하 제어부(PC)없이 이용될 수 있는데, 이것은 보다 단순하고 값싼 시스템을 가져다주지만, 또한 유연성이 훨씬 덜한 시스템을 가져다주기도 한다. 부하 제어부(PC)가 없으면, 스텝 응답의 제어는 거칠어질 것이며, 프로세스 머신(P)의 단계적 부하/전력 제어만을 얻는다. 이것은 만약 프로세스 머신(P)의 전력 및 회전 속도의 제어에서 단계적 스텝이 필요한 경우에 이용될 수 있다. 부하 제어부(PC)가 없는 시스템은 최적의 시스템은 아니지만, 어떤 경우에서 이것은 충분히 알맞을 수 있다. 부하 제어부(PC)를 갖는 것과 그렇지 않는 것간의 선택은 프로세스 자체에 따라 달라지며, 달성하고자 하는 것에 따라 달라진다. 프로세스 머신(P)상에서 전력 흐름의 방향을 양의 전력 방향에서 음의 방향으로 변경하고자 하는 희망이 또한 전기 모터들(M1, M2)의 권선의 전기 기술적 변환을 이용하여 회전 방향을 바꾸도록함으로써 달성될 수 있다(미도시).

제1 모터(M1)를 제어하는 제1 전기 제어 보드(U1)가 제1 모터(M1)에 연결된다. 제1 전기 제어 보드(U1)는, 전류와 전압을 측정하는 센서(CS)(예컨대, 전류 센서)를 포함하고, 전력을 계산하며, 주어진 한계내에서 유지되는 전류를 제공한다. 제1 전기 제어 보드(U1)는 또한 3상 역평행 연결된 사이리스터 세트(T1)와 제1 모터(M1)에 대한 회전 속도 H, L을 제어하는 두 개의 전기 콘택터들(S1, S2)을 포함한다. 콘택터들 중 어느 쪽 하나의 콘택터(S1)가 연결되거나 또는 나머지 다른 콘택터(S2)가 연결되거나, 또는 양쪽 콘택터들(S1, S2)은 연결해제된다. 양쪽 콘택터들(S1, S2)은 동시에 연결되어서는 안된다. 제1 전기 제어 보드(U1)는 또한 센서(CS)로부터의 신호들을 처리하고 사이리스터(T1)를 제어하는 로컬 제어 유닛(미도시)을 포함하며, 로컬 제어 유닛에서 처분되는 전력량을 계산한다.

제2 모터(M2)를 제어하는 제2 전기 제어 보드(U2)가 제2 모터(M2)에 연결된다. 제2 전기 제어 보드(U2)는 모터(M2)의 회전 속도 H, M을 제어하는 두 개의 3상 역평행 연결된 사이리스터 세트(T2, T3)를 포함한다. 각각의 사이리스터 세트들(T2, T3)은 각각의 센서(CS)에 연결된다. 제2 전기 제어 보드(U2)는 또한, 제1 전기 제어 보드(U1)에서와 같은 로컬 제어 유닛(미도시)을 포함한다. 센서(CS)와 로컬 제어 유닛은 제1 전기 제어 보드(U1)에 대해 설명한 것과 동일한 기능을 갖는다.

3상 역평행 연결된 사이리스터(T1, T2, T3)는 모터들(M1, M2)의 시동 전류와 시동 토크를 제어할 수 있으며, 이 사이리스터들은 제어 시스템(C)으로부터 제어된다. 모터의 부드러운 시동을 획득하는데 사이리스터를 이용하는 것은 잘 알려져 있다. 본 발명분야의 당업자는 사이리스터(T1, T2, T3)가 커다란 쇄도 전류를 최소화해줄 것이라는 것과 모터들(M1, M2)이 부드러운 가속을 갖도록 시동 동안에 토크가 최소화된다는 것을 이해할 것이다. 이러한 낮은 시동 에너지는 예컨대, 선박상에서 또는 전력 그리드가 취약한 지리학적 영역에서, 이용가능한 전력이 제한된 취약한 그리드에 대해 본 시스템이 적합해지도록 한다. 사이리스터 제어부는 두 가지의 업무를 갖는데, 그 하나는 시동시 부드러운 가속을 제공하는 것이고, 나머지 다른 하나는 동작 동안에 모터들(M1, M2)을 보호하고 시스템의 주어진 과부하시에 순간적인 연결해제를 제공하는 것이다. 만약 이용가능한 전력이 제한되어 있지 않는 플랜트에서 본 시스템이 이용되면, 사이리스터(T1, T2, T3)는 보다 단순한 시동 시스템, 예컨대, 컨택터, Y/D 시동기, 레지스턴스 시동기, 변압기 시동기 또는 이와 유사한 것들로 대체될 수 있다.

도시되지 않은 대안구성은 소위 말하는 사이리스터(T1, T2, T3)의 바이패스를 이용하는 것이다. 이것은 사이리스터(T1, T2, T3)가 모터들(M1, M2)의 시동시 및 가속시에 각자의 작업을 수행할 때, 즉 모든 전류가 사이리스터(T1, T2, T3)를 대신하여 컨택터에 흐를 때에 인계하는 사이리스터(T1, T2, T3)와 평행한 컨택터의 이용을 포함한다. 이러한 미도시된 대안구성의 장점은 특정한 유닛에서 전력 손실을 감소시켜주되, 기능성은 변경시키지 않는다는 것이다.

도 1에서 도시되고 상술한 바와 같이, 두 개의 제어 보드들(U1, U2)은 서로 다른 구성을 갖는다. 제1 제어 보드(U1)는 단하나의 역평행 연결된 사이리스터 세트(T1)와 두 개의 기계적 컨택터(S1, S2)를 갖는 반면에, 나머지 다른 제어 보드(U2)는 두 개의 역평행 연결된 사이리스터 세트(T2, T3)를 갖는다. 제1 모터(M1)는, 전술한 바와 같이, 많은 전력을 필요로 하는 비교적 큰 모터이며, 이에 따라 이것은 값싼 해결책인 것이라는 점에 더하여, 속도를 제어하기 위해 컨택터(S1, S2)를 이용하는데에 가장 바람직하다. 나머지 다른 모터(M2)는 제1 모터(M1)와 비교하여, 비교적 작은 모터이며, 제1 제어 보드(U1)에서와 같이 컨택터를 이용할 때 필요한 그렇게 많은 전력을 필요로 하지 않는다. 따라서, 두 개의 역평행 연결된 사이리스터 세트(T2, T3)를 통해 나머지 다른 모터(M2)의 속도를 제어하는 것이 충분해진다. 따라서, 나머지 다른 제어 보드(U2)는 나머지 다른 모터(M2)를 제어하는 것을 단순화시키고 이에 적합해지도록 만드는 기계적 이동가능 부품이 없는 순수한 전기 제어 보드이다. 두 개의 속도들간의 슬립(slip)없는 부드러운 천이를 가져다주기 위해 동시에 두 개의 속도들을 임시적으로 활성화시킬 수 있다는 점에서 제어 보드(U2)는 또한 제어 보드(U1)에 앞선 장점을 갖는다.

대안적인 실시예들(미도시)에서, 양 모터들(M1, M2)은 제1 제어 보드(U1)와 동일한 유형의 제어 보드에 의해 제어되거나, 양 모터들(M1, M2)은 제2 제어 보드(U2)와 동일한 유형의 제어 보드에 의해 제어될 수 있거나, 또는 제1 모터(M1)는 제2 제어 보드(U2)와 동일한 유형의 제어 보드에 의해 제어될 수 있고 제2 모터(M2)는 제1 제어 보드(U1)와 동일한 유형의 제어 보드에 의해 제어될 수 있다. 이 대안적인 실시예들은 잠재적인 실시예들이지만, 이들 중 어느 것도 특별한 최적의 조합이지는 않는다. 바람직하면서 최적의 실시예가 도 1에서 도시되며, 이것은 전술한 바와 같이 제1 모터(M1)가 제1 제어 보드(U1)에 의해 제어되고 제2 모터(M2)가 제2 제어 보드(U2)에 의해 제어되는 것이다.

본 발명에서, 제어 시스템(C)은 프로세스 머신(P)에서의 부하 제어부(PC)와 양쪽 제어 보드들(U1, U2)을 제어한다. 제어 시스템(C)는 제어 보드들(U1, U2)과 부하 제어부(PC)를 제어하는 컴퓨터 기반 제어 시스템과, 시스템의 오퍼레이터를 위한 사용자 인터페이스를 모두 포함한다. 오퍼레이터를 위한 인터페이스는 일반적으로 컴퓨터 스크린일 것이다. 사용자 인터페이스는 모드(회전 속도) 0(제로), 모드 L(낮음), 모드 M(중간), 모드 H(높음)를 선택하기 위한 명령 버튼, 전력용 그래픽 표시기 및 프로세스 머신(P)에 대한 부하를 변경하고 제어하기 위한 부하 제어 레버(PP)를 포함한다. 부하 제어 레버(PP)의 작동에 의해, 제어 시스템(C)은 예컨대 프로펠러상의 블레이드의 각도를 제어하기 위한 명령 신호를 부하 제어부(PC)에 제공한다. 부하는, 전술한 바와 같이, -100% 내지 +100%의 영역에서 무단계적으로 제어될 수 있다. 부하 제어 레버(PP)는 세 개의 서로 다른 주요 위치, 즉 FOR(순방향), N(중성) 및 REV(역방향)을 갖는다. 부하 제어 레버(PP)가 위치 N에 있으면, 제로 명령이 부하 제어부(PC)에 제공되고, 그런 다음 모터들(M1, M2)은 선택된 회전 속도를 갖고 구동되지만, 프로세스 머신(P)은 어떠한 작업도 수행하지 않는다. 부하 제어 레버(PP)가 위치 FOR에 있으면, 최대의 양(positive)의 명령이 부하 제어부(PC)에 주어지고, 그런 다음 모터들(M1, M2)은 선택된 회전 속도와 최고 순방향 전력(최고 양(positive)의 전력)을 갖고 구동할 것이다. 부하 제어 레버(PP)가 위치 REV쪽으로 당겨지면, 전력의 방향은 점진적으로 뒤바뀔 것이며, 부하 제어부(PC)는 선택된 회전 속도와 관련된, 프로세스 머신(P)으로부터의 최대 역 전력을 제공한다. 전력 그래픽 표시기는 얼마나 많은 전력이 임의의 시점에서 프로세스 머신(P)에 제공되는지에 관한 그래픽 디스플레이를 제공한다.

명령 버튼들(0, L, M, H)은 예컨대 컴퓨터 스크린상의 버튼들이며, 오퍼레이터는 이들을 이용하여 프로세스 머신(P)을 어느 모드에 위치시킬지, 즉 어떤 회전 속도를 갖게할지를 선택한다. 도 1에서는, 네 개의 서로 다른 회전 속도들이 예시로서 도시되지만, 다른 갯수의 선택가능한 회전 속도들을 갖는 것도 가능하다. 하지만, 회전 속도는 전기 머신(M1, M2)의 극성 갯수와 주요 주파수에 의해 결정되기 때문에, 회전 속도는 임의적인 회전 속도일 수는 없다. 예컨대, 만약 제어 보드(U1, U2)에서 주파수 컨버터(FC) 또는 비전기적 모터(HM)가 사이리스터(T1, T2, T3)를 대신하여 이용되면, 낮은 회전 속도의 영역에서 가장 작은 구동 모터(M2)를 통해 정규의 회전 속도에 임의의 회전 속도를 보충시킬 수 있다. 또한, 주요 주파수가 50Hz 내지 60Hz사이에서 변경될 수 있다. 이것은 회전 속도들(0, L, M, H) 사이의 보다 유동적인 천이를 가져다줄 것이며, 시스템에서의 유연성을 증가시킬 것이다. 이와 같은 유동적인 주파수들은 예컨대 선박과 같은, 폐쇄 플랜트에서 가능하다. 주파수 컨버터(FC)를 이용할 때의 상황은 아래의 도 3에 대해서 보다 자세하게 설명된다.

특정한 명령 버튼(0, L, M, H)을 오퍼레이터가 누른 후, 스크린상의 버튼광은 선택된 모드(회전 속도)에 시스템이 도달하였음을 확인시켜줄 것이다. 명령 버튼(O)는 제로 회전 속도를 제공하며, 명령 버튼(L)은 낮은 회전 속도를 제공하며, 명령 버튼(M)은 중간 회전 속도를 제공하며, 명령 버튼(H)은 높은 회전 속도를 제공한다. 도 1에서 도시된 바와 같이, 제1 모터(M1)는 회전 속도 H, L을 갖는 반면에, 제2 모터(M2)는 회전 속도 H, M을 갖는다. 또한, 부하 제어 레버(PP)는 전력을 제어하는데 이용된다. 도 1에서의 실시예에 대한 네 개의 모드들에서의 회전 속도 및 전력의 수치예가 아래의 [표 1]에서 도시된다. 전술한 바와 같이, 시스템은 일반적으로 50Hz의 전력 공급기를 통해 동작할 것이지만, 다른 주파수들도 가능하다. [표 1]은 또한 60Hz의 전력 공급기에서의 전력 및 회전 속도를 도시하지만, 이하에서는 50Hz가 시작점으로서 이용될 것이다.

모드	O	L	M	H
능동 모터(도 1)	-	M1	M2	M1, M2
전력(kW)(50Hz)	0	0 - 400	0 - 500	0 - 1500
회전 속도(rpm)(50Hz)	0	750	1000	1500
전력(kW)(60Hz)	0	0 - 480	0 - 600	0 - 1800
회전 속도(rpm)(60Hz)	0	900	1200	1800

도 1에서 도시된 바와 같이, 모드 0에서 시스템은 턴오프되고, 모터(M1, M2)는 회전하지 않으며, 어떠한 전력도 제공하지 않는다. 모드 L에서, 제1 모터(M1)는 낮은 회전 속도(750rpm)로 회전한다. 그러면 부하 제어 레버(PP)를 통해 선택된 부하 제어부(PC)의 부하 레벨에 따라, 프로세스 머신(P)의 전력은 0과 400kW사이이다. 모드 M에서, 제2 모터(M2)는 중간 회전 속도(1000rpm)로 회전한다. 그러면 부하 제어부(PC)의 부하 레벨에 따라, 프로세스 머신(P)의 전력은 0과 500kW사이이다. 만약 선택된 모드가 H이면, 제1 모터(M1)는 높은 회전 속도 H(1500rpm)로 회전한다. 부하 제어부(PC)의 부하 레벨에 따라, 높은 회전 속도 H에서의 프로세스 머신(P)의 전력은 0과 1500kW 사이이다.

위의 설명은 선택된 다양한 모드들에서의 회전 속도 및 전력을 기술하지만, 상이한 모드들간의 천이들을 기술하는 것도 중요하다. 만약 오퍼레이터가 시스템을 모드 0에 배치시키면, 시스템이 선택된 모드에 놓여 있음을 표시하기 위해 램프가 제어 시스템(C)의 인터페이스에서 턴온될 것이다. 그런 후 만약 오퍼레이터가 명령 버튼(L)을 누르면, 시스템은 모드 0에서 모드 L로 이동할 것이다. 모드 0에서 모드 L로의 이러한 천이를 TR1이라고 칭할 수 있다. 그런 후 제어 시스템(C)으로부터의 제어 신호가 제1 제어 보드(U1)에서의 사이리스터(T1)와 컨택터(S2)를 작동시킬 때에, 제1 모터(M1)는 회전 속도 0에서부터 회전 속도 L(750rpm)까지 가속된다. 본 발명분야의 당업자에게 알려져 있는 사이리스터(T1)의 특성으로 인해, 그런 후 제1 모터(M1)는 필요한 회전 속도 L에 도달할 때 까지 제한된 시동 전류로 부드럽게 가속화할 것이다. 두 개의 모터들(M1, M2)은 축을 통해 기계적으로 연결되기 때문에, 제1 모터(M1)는 또한 제2 모터(M2)와 함께 회전 속도 L로 회전할 것이다.

상술한 천이 TR1에서, 제어 시스템(C)은 부하 제어부(PC)를 감소시킴으로써 가속 에너지의 필요성을 감소시킬 가능성을 갖는다. 높은 가속 에너지는 생성된 많은 이용가능한 에너지를 필요로 한다. 만약 이용가능한 에너지가 충분히 존재하지 않으면, 가속 에너지를 감소시킬 필요가 있다. 이것은 두 가지 방법으로 행해질 수 있다. 첫번째 방법은 부하 제어부(PC)를 제로로 향하도록 조정함으로써 부하를 감소시키기 위한 명령을 부하 제어부(PC)에 전해주는 제어 시스템(C)을 제공한다. 이것은 제어 시스템(C)이 부하 제어 레버(PP)를 자동적으로 그리고 임시적으로 지배함으로써 행해진다. 제어 시스템(C)은 이용가능한 에너지에 관한 정보를 원격 제어 시스템(RC)으로부터 얻는다. 가속 에너지에 대한 필요성을 감소시키기 위한 두번째 방법은 클러치(CL)의 이용을 수반한다. 제어 시스템(C)은 머신들(M1, M2)로부터 모든 부하들이 없어지도록, 개방하라는 명령을 클러치(CL)에게 전달한다. 회전 속도 L에 도달한 후, 제어 시스템(C)은 다시 연결하라는 명령을 클러치(CL)에 전달할 수 있으며, 부하 제어부(PC)의 부하 레벨을 필요한 레벨까지 증가시킨다. 소위 말하는 소프트 클러치를 도입함으로써, 재연결이 보다 부드러운 방식으로, 즉 즉각적인 기계적 연결없이 발생할 것이다. 용어 소프트 클러치는 본 발명분야의 당업자에게는 잘 알려져 있다. 이러한 동작들이 수행된 후, 시스템은 모드 L에 위치할 것이며, 모터들(M1, M2)은 회전 속도 L(=750rpm)을 가지며, 전력은 부하 제어부(PC)에 의해 0kW과 400kW사이에서 무단계적으로 제어될 수 있다.

만약, 시스템이 이미 모드 L에 놓여있을 때에 오퍼레이터가 명령 버튼 M을 작동시키면, 제어 시스템(C)은 사이리스터(T1)와 콘택터(S2)를 연결해제시키고, 제2 모터(M2)의 제2 제어 보드(U2)에서 사이리스터(T3)를 동시에 맞물리게한다. TR2라고 호칭되는 이러한 천이 모드의 시작시, 양쪽 모터들(M1, M2)은 상술한 바와 같이, 예컨대 750rpm의 낮은 회전 속도 L을 갖는다. 사이리스터(T3)를 맞물릴 때, 사이리스터(T3)는 제2 모터(M2)를 1000rpm의 회전 속도 M까지 가속시킨다. 따라서, 사이리스터(T3)는 또한 제1 모터(M1)를 회전 속도 M으로 회전시킨다. 그런 후 시스템의 전력은 모터(M2)에 의해 제공된 0kW와 500kW 사이에서 무단계적으로 부하 제어부(PC)에 의해 제어될 수 있다. 이러한 식으로, 회전 속도 L과 회전 속도 M간의 소프트 천이가 달성된다.

회전 속도 M과 회전 속도 H간의 천이는 다소 이와 다른 방식으로 일어난다. TR3라고 호칭되는 이러한 천이의 기본은 모터들(M1, M2)이 회전 속도 M으로 구동되고, 사이리스터(T3)가 연결되어 있는 동안 나머지 다른 사이리스터(T1, T2)와 컨택터들(S1, S2)이 연결해제된다는 것일 것이다. 천이 TR3에서, 제2 모터는 소위 말하는 소형 모터로서 기능을 하고, 이것은 제1 모터(M1)가 높은 회전 속도 H에 도달하는 것을 도와주는 보조 모터이다. 오퍼레이터가 제어 시스템(C)에서 명령 버튼(H)을 작동시킬 때, 사이리스터(T3)는 연결해제되고 이와 동시에 사이리스터(T2)는 연결된다. 제2 모터(M2)는 회전 속도 H까지 가속된다. 제어 시스템(C)은 이러한 가속을 모니터링하고, 모터들(M1, M2)이 회전 속도 H에 도달하는 것을 알게될 때, 제1 모터(M1)에 연결된 제1 제어 보드(U1)에서의 콘택터(S1)와 사이리스터(T1)를 맞물리게한다. 그런 후 사이리스터(T2)는 기본적으로 연결해제될 것이고, 모터(M1)는 어떠한 실질적인 시동 전류 없이 그리드에 부드럽게 동기화된다. 그러면 모터들(M1, M2)은 고정된 높은 회전 속도 H, 즉 1500rpm로 구동되고, 시스템 전력은 부하 제어부(PC)에 의해 0kW와 1500kW사이에서 변할 수 있다.

모드 H로부터 모드 M으로의 천이, 모드 H로부터 모드 L로의 천이, 모드 H로부터 모드 0으로의 천이, 모드 M으로부터 모드 L로의 천이, 모드 M으로부터 모드 0으로의 천이, 모드 L로부터 모드 0으로의 천이, 모드 0으로부터 모드 M으로의 천이, 및 모드 0으로부터 모드 H로의 천이가 상술한 대응하는 방법에 따라 행해지며, 이에 따른 보다 자세한 설명은 기술하지 않을 것이다.

도 1에서 도시된 바와 같이, 원격 제어 시스템(RC)이 본 시스템에 연결된다. 이 원격 제어 시스템(RC)은 시스템의 나머지 부분들과 정보를 교환하며, 예컨대 시스템의 나머지 부분들에 대한 그리드 공급 에너지와 이 그리드는 얼마나 큰 용량을 갖고 있는지에 관한 정보를 제공한다. 이와 같은 원격 제어 시스템(RC)은 이용가능한 에너지보다 더 많은 에너지를 시스템이 그리드로부터 취하는 것을 막으며, 즉 시스템에서 과부하를 막는 부하 또는 전력 제어가 발생한다.

도 1에서 자세하게 설명된 부품 및 기능부, 및 대안적인 구성은 도 2 내지 도 8에서 도시된 실시예들에 대해서도 유효하다. 따라서, 도 1에서의 실시예와 나머지 실시예들 각각사이의 실질적인 차이점만을 이하에서 설명할 것이다.

도 2는 제어 보드(U2)와 모터(M2)의 회전 속도를 제외하고, 도 1에서 도시된 것과 매우 유사한 본 발명의 제2 실시예를 도시한다. 도 2에서의 실시예는 부품들의 갯수와 가격 모두를 고려한, 도 1에서의 바람직한 실시예의 단순화된 솔루션이다. 도 2에서 도시된 시스템의 부품들은 도 1에 대해서 상술한 것과 동일하며, 이에 따라 도 2에 대해서는 자세하게 설명하지 않을 것이다. 도 1에서와 마찬가지로, 제어 보드(U2)는 제2 모터(M2)를 제어한다. 제어 보드(U2)는 센서(CS)와 역평행 연결된 사이리스터의 세트(T2)(도 1에서의 두 개의 사이리스터 세트와 대조됨)를 포함한다. 오직 하나의 사이리스터 세트(T2)의 선택은 오직 하나의 회전 속도를 갖는 제2 모터(M2)와 관련이 있다. 제어 패널(C)은 명령 버튼들(0, L, M, H)을 가지며, 모터(M2)에서의 회전 속도 H에 대응하는 것은 제어 패널(C)상의 명령 버튼(M)이다. 오직 하나의 회전 속도를 갖는 모터(M2)는 도 1에서의 대응하는 모터(M2)와 비교하여 단순하고 값싼 모터이다. 모드 및 모드들간의 천이는 도 1에서 설명한 것과 대략 비슷하다.

도 3은 제어 보드(U2)와 모터들(M1, M2)의 회전 속도가 도 1과 비교하여 변경된 제3 실시예이다. 도 3에서의 제어 보드(U2)는 전류와 전압을 측정하는 센서(CS)를 포함하며, 전력을 계산한다. 센서(CS)에 더하여, 제어 보드(U2)는 주파수 컨버터(FC)를 갖는다. 제1 모터(M1)는 회전 속도 H, M으로 구동할 수 있는 반면에, 제2 모터(M2)는 회전 속도 L을 갖는 원 스피드 모터이다. 주파수 컨버터(FC)에 의해, 제2 모터(M2)의 회전 속도는 회전 속도 0에서 회전 속도 H까지 무단계적으로 제어된다. 제2 모터(M2)상에서의 회전 속도는 제어 시스템(C)으로부터 원격적으로 제어된다. 주파수 컨버터(FC)의 이용은 회전 속도의 상승 및 하강을 자유롭게 조절할 가능성을 제공해주며, 모터(M2)를 희망하는 회전 속도로 고정시킨다. 주파수 컨버터(FC)는 또한 제1 모터(M1) 자신의 제어 패널(U1)에 의해 로딩되고 제어되지 않을 때에 제1 모터(M1)를 원하는 회전 속도까지 가속시키는데 기여한다.

주파수 컨버터에 관련된 알려진 문제점은 이 주파수 컨버터들이 전기 그리드상에서 많은 장애를 일으킬 수 있다라는 점이다. 이러한 문제점은 주파수 컨버터(FC)를 갖춘 제2 제어 보드(U2)에 더하여, 사이리스터(T1)와 컨택터(S1, S2)를 갖춘 제1 제어 보드(U1)를 이용함으로써 본 발명에서 해결된다. 그러면 전력은 모터(M2)로부터 높거나 중간 속도의 모터(M1)로 이동한다. 주파수 컨버터는 표준적인 부품이며, 본 발명분야의 당업자가 주파수 컨버터의 유형 및 브랜드를 선택하는 것은 간단할 것이다.

도 4에서는, 본 발명에 따른 잠재적인 제4 실시예를 도시한다. 이 실시예는 모터들(M1, M2)을 제외하고, 도 1에서 도시된 것과 매우 유사하다. 큰 모터(M1)는 높은 회전 속도 H를 갖는 반면에, 작은 모터(M2)는 두 개의 회전 속도 H, L을 갖는다. 여기서, 또한 제2 모터(M2)는 제1 모터(M1)가 높은 회전 속도 H에 도달하는 것을 도와주는 보조 모터로서 작동한다. 제어 패널(C)은, 모터들(M1, M2)의 회전 속도의 결과로서, 모드 선택을 위한 세 개의 명령 버튼(0, L, H)을 갖는다. 서로 다른 회전 속도들간의 천이는 도 1에서 설명한 바와 같다.

도 1 내지 도 4 및 도 6에서, 제1 모터(M1)가 축을 통해 기어(G)에 기계적으로 연결되어 있고, 제2 모터(M2)도 또한 축을 통해 동일한 기어(G)에 기계적으로 연결되어 있는 것이 도시된다. 대안적인 단순화된 구성은 제1 모터(M1)가 두 개의 축을 갖도록, 기어(G)를 통하지 않고, 축을 통해 제2 모터(M2)를 제1 모터(M1)에 연결시키는 것이다. 이와 같은 잠재적인 구성이 도 5에서 도시된다. 도 5에서의 모터들(M1, M2)은 원 스피드 모터이며, 즉 모터(M1)는 회전 속도 H를 갖고 모터(M2)는 회전 속도 L을 갖는다. 이것은 또한 오직 세 개의 선택가능한 모드들(0, L, H)이 존재하는 제어 시스템(C)에서 반영되어 있다. 이 솔루션은 나머지 다른 실시예들과 비교하여 기어(G)에 대해 기계적으로 보다 손쉽게해주는 기계적인 변경만 있지만, 제어와 관련해서는 어떠한 변경도 제공하지 않는다. 도 5에서 도시된 실시예는 또한 나머지 다른 실시예들과 같이, 기어(G)와 클러치(CL)의 부존재에 의해 단순화된다. 도 5에서 도시된 이러한 단순화된 구성은 도 1 내지 도 4 및 도 6에서 도시된 모든 실시예들에서의 대안적인 단순화된 구성으로서 이용될 수 있다.

도 6은 본 발명의 제5 실시예를 도시한다. 본 도면에서 도시된 바와 같이, 이 실시예는 전술한 실시예들에서와 같은 두 개의 모터들을 대신하여, 네 개의 모터들(M1, M2, M3, M4)을 포함한다. 네 개의 모터들(M1, M2, M3, M4)은 유사한 특성을 갖는 투 스피드 모터들이다. 각각의 모터에서는 한 개의 속도와 세 개의 속도들도 이용될 수 있다. 도 6에서는 모터들(M1, M2, M3, M4)이 두 개의 회전 속도들, 즉 높은 회전 속도 H와 낮은 회전 속도 L을 갖는 것이 도시되지만, 이와 다른 회전 속도 선택도 가능하다. 제어 보드(U1, U2, U3, U4)가 모터들(M1, M2, M3, M4)에 연결되어 이 모터들(M1, M2, M3, M4)을 제어한다. 이러한 모든 제어 보드(U1, U2, U3, U4)들은 동등한 구조와 기능을 갖는다. 이러한 네 개의 제어 보드(U1, U2, U3, U4)는 각각 역평행 연결된 사이리스터 세트(T1, T2, T3, T4), 센서(CS) 및 두 개의 컨택터들(S11와 S12, S21와 S22, S31와 S32, S41와 S42)를 갖는다. 제어 보드(U1, U2, U3, U4)는 유사한 구조 및 기능을 가져야 하지만, 설명한 구조 대신에, 이것들은 예컨대 두 개의 역평행 연결된 사이리스터들의 세트와 두 개의 센서를 가질 수 있다(미도시). 제어 시스템(C)은 제어 보드(U1, U2, U3, U4)를 제어한다. 도 6에서의 실시예에서 전력 및 회전 속도의 무단계적인 제어는 이전의 실시예들에 대해 설명한 것과 동일한 방식으로 일어난다. 도 6에서, 시스템은 네 개의 모터들을 포함하지만, 두 개와 열 개 사이의 모든 갯수들의 동일한 평행 모터들이 이용될 수 있다. 도 6에서의 제어 시스템(C)에서는, 나머지 다른 실시예들에서는 존재하지 않는 스위치와 표시기(D)가 추가된다. 스위치/표시기(D)는 얼마나 많은 전력이 프로세스 머신(P)상에서 차지하는지에 따라, 사용자로부터의 작동시에, 모터들(M1, M2, M3, M4) 중 하나 내지 네 개까지 연결시켜주는 동적 기능을 갖는다. 도 6에서 도시된 실시예는 프로세스 머신(P)에 대한 큰 전력이 여러개의 구동 모터들상에서 배분될 필요가 있는 경우에 주로 이용된다.

도 6에서 도시된 구성의 도시되지 않은 대안구성은 네 개의 모터들(M1, M2, M3, M4)에 더하여 다섯번째 모터를 추가하는 것이다. 이 다섯번째 추가되는 모터는 도 3에서 도시된 바와 같이, 주파수 제어형 작은 모터일 것이다.

도 7은 시스템이 단하나의 단일 모터(M1)를 포함하는 본 발명의 제6 실시예를 도시한다. 모터(M1)는 두 개의 회전 속도, 즉 높은 회전 속도 H와 낮은 회전 속도 L를 갖는 투 스피드 모터이다. 쓰리 스피드 모터 또는 포 스피드 모터도 이용될 수 있다. 따라서, 제어 보드(U1)가 또한 확장되어야 한다. 전술한 실시예들에서와 마찬가지로, 모터(M1)가 또한 제어 보드(U1)에 의해 제어된다. 제어 보드(U1)는 두 개의 센서(CS)와 두 개의 역평행 연결된 사이리스터 세트(T2, T3)를 포함한다. 제어 보드(U1)의 대안적인 구조(미도시)는 센서(CS), 역평행 연결된 사이리스터 세트 및 두 개의 컨택터를 포함하는 것일 수 있다. 제어 보드(U1)는 전술한 바와 동일한 구조와 기능을 가지면서 제어 시스템(C)에 의해 제어된다. 모터(M1)가 두 개의 회전 속도 H, L을 갖기 때문에, 제어 시스템(C)에서 모드 0, 모드 L, 모드 H사이의 선택을 가져다주는 세 개의 명령 버튼들만이 존재한다. 이 실시예들에서, 사이리스터(T2, T3)가 단독으로 모터(M1)의 모든 가속을 생성하며, 소형 모터가 이용되는 나머지 다른 실시예들과는 대조적으로 시스템의 동작을 책임맡는다. 도 7에서 도시된 이러한 시스템은 그리드상에 보다 큰 부하를 제공하며, 이전의 대안구성들보다 강력한 그리드를 필요로 한다.

도 8은 본 발명의 제7 실시예를 도시하며, 이것은 도 3에서 도시된 실시예의 변형체이다. 도 3에서의 주파수 컨버터(FC)를 대신하여, 본 시스템은 제7 실시예에서 비전기적 모터/터빈(HM)을 갖는다. 이 비전기적 모터/터빈(HM)은 일반적으로 유압식 또는 공기식으로 동작하지만, 다른 유형의 비전기적 모터/터빈이 이용될 수도 있다. 비전기적 모터/터빈(HM)은 분리된 전력 공급기(S)에 의해 동작한다. 비전기적 모터/터빈(HM)은 전기적이 아니기때문에, 자신의 동작을 측정하는 회전 속도 센서(SP)를 필요로 한다. 회전 속도 센서(SP)는 비전기적 모터/터빈(HM)의 전기적 모니터링을 제공한다. 비전기적 모터/터빈(HM)은 회전 속도 0에서 회전 속도 L까지 진행하고 회전 속도 0에서 회전 속도 H까지 진행하는 것이 가능하도록 제어되며, 이것은 또한 전체 시스템이 감소된 성능을 갖고 구동하는데 이용될 수 있다. 복귀량(R)은 비전기적 모터/터빈으로부터 되돌아오는 오퍼레이팅 매질의 양이며, 이것은 예컨대 펌프를 통해 전력 공급기(S)로 돌아가서 리싸이클링될 수 있다.

모터(M1)는 회전 속도 H와 회전 속도 L을 갖는 투 스피드 모터 또는 발전기이며, 이것은 이 모터(M1)은 센서(CS)에 각각 연결되어 있는 두 개의 역평행 연결된 사이리스터 세트(T2, T3)를 포함하는 제어 보드(U1)에 의해 제어된다. 제어 시스템(C)은 제어 보드(U1), 모터(M1) 및 모터/터빈(HM)을 위의 나머지 다른 실시예들에서 설명한 것과 동일한 방식으로 제어한다. 모터(M1)는 원칙적으로 하나 내지 네 개의 속도를 가질 수 있다.

본 발명에 따른 시스템에서 이용된 부품들은 입수가능한 기성품들이며, 본 발명분야의 당업자는 다양한 부품들의 어떤 유형 및 브랜드가 선호될 것인지를 이해할 것이다. 예외는 제어 시스템(C)에 연결된 소프트웨어이며, 이것은 표준적인 소프트웨어가 아니다.

Claims (20)

1. 회전하는 프로세스 머신(P), 예컨대 터빈 또는 프로펠러상에서의 회전 속도와 전력의 제어를 위한 시스템에 있어서,
   상기 회전하는 프로세스 머신(P)은, 적어도 하나의 모터 또는 발전기(M1)에 연결되고, 상기 모터 또는 발전기(M1)에 의해 주어진 회전 속도로 회전하도록 구성되며,
   상기 모터 또는 발전기(M1)는 제어 시스템(C)에 연결되고, 상기 모터 또는 발전기(M1)의 회전 속도는 상기 제어 시스템(C)에 의해 제어되도록 구성되며,
   상기 회전하는 프로세스 머신(P)은 조정되도록 구성된 부하 제어부(PC)를 포함하고,
   상기 제어 시스템(C)은 상기 회전하는 프로세스 머신(P)에 연결되어 상기 회전하는 프로세스 머신(P)에서의 상기 부하 제어부(PC)를 제어함으로써 여러개의 선택가능한 회전 속도들 사이의 부드러운 천이를 달성하고, 다양한 에너지 요건들에 맞춰 상기 모터 또는 발전기(M1)의 상기 회전 속도 및 크기를 단계적으로 조정함으로써 낮은 에너지 소모를 달성하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 회전 속도와 전력의 제어를 위한 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제어 시스템(C)은 제1 제어 보드(U1)에 연결되어 상기 제1 제어 보드(U1)를 제어하도록 구성되며,
   상기 제1 제어 보드(U1)는 상기 모터 또는 발전기(M1)에 연결되어 상기 모터 또는 발전기(M1)를 제어하도록 구성되는 것인, 회전 속도와 전력의 제어를 위한 시스템.
3. 제2항에 있어서,
   상기 제1 제어 보드(U1)는 적어도 하나의 사이리스터 세트(T1)와 적어도 하나의 센서(CS)(예컨대, 전류 센서)를 포함하는 것인, 회전 속도와 전력의 제어를 위한 시스템.
4. 제3항에 있어서,
   상기 제1 제어 보드(U1)는 또한 적어도 두 개의 컨택터들(S1, S2)을 포함하는 것인, 회전 속도와 전력의 제어를 위한 시스템.
5. 제2항에 있어서,
   상기 제1 제어 보드(U1)는 적어도 두 개의 사이리스터 세트(T2, T3)와 적어도 두 개의 센서(CS)를 포함하는 것인, 회전 속도와 전력의 제어를 위한 시스템.
6. 제2항에 있어서,
   상기 제1 제어 보드(U1)는 적어도 하나의 주파수 컨버터(FC)와 적어도 하나의 센서(CS)를 포함하는 것인, 회전 속도와 전력의 제어를 위한 시스템.
7. 제1항에 있어서,
   상기 회전 속도와 전력의 제어를 위한 시스템은 축을 통해 상호 연결된 적어도 하나의 제1 모터 또는 발전기(M1)와 적어도 하나의 제2 모터 또는 발전기(M2)를 포함하며,
   상기 제2 모터 또는 발전기(M2)는 상기 제1 모터 또는 발전기(M1)가 높은 회전 속도에 도달하는 것을 도와주도록 구성되는 것인, 회전 속도와 전력의 제어를 위한 시스템.
8. 제7항에 있어서,
   상기 제1 모터 또는 발전기(M1) 및 상기 제2 모터 또는 발전기(M2)는, 제1 제어 보드(U1) 및 제2 제어 보드(U2)에 각각 연결되고, 상기 제1 제어 보드(U1) 및 상기 제2 제어 보드(U2)에 의해 각각 제어되도록 구성되는 것인, 회전 속도와 전력의 제어를 위한 시스템.
9. 제7항에 있어서,
   상기 제1 모터 또는 발전기(M1)는 적어도 하나의 제1 속도(H)를 가지며, 상기 제2 모터 또는 발전기(M2)는 적어도 하나의 제2 속도(L)를 갖는 것인, 회전 속도와 전력의 제어를 위한 시스템.
10. 제7항에 있어서,
    상기 제1 모터 또는 발전기(M1)는 상기 제2 모터 또는 발전기(M2)의 전력보다 세 배 내지 열 배 큰 전력을 갖는 것인, 회전 속도와 전력의 제어를 위한 시스템.
11. 제3항 또는 제5항에 있어서,
    상기 사이리스터들(T1, T2, T3)은 3상 역평행 연결된 사이리스터들이거나 또는 이와 등가적인 전력 반도체인 것인, 회전 속도와 전력의 제어를 위한 시스템.
12. 제1항에 있어서,
    상기 회전 속도와 전력의 제어를 위한 시스템은 주파수 50Hz를 갖는 외부 전력 공급기에 연결되는 것인, 회전 속도와 전력의 제어를 위한 시스템.
13. 제1항에 있어서,
    상기 회전하는 프로세스 머신(P)은 예컨대 100kW보다 큰 전력을 갖는 것인, 회전 속도와 전력의 제어를 위한 시스템.
14. 제1항에 있어서,
    상기 제어 시스템(C)은 적어도 하나의 클러치(CL)에 연결되어 상기 클러치(CL)를 제어하도록 구성되는 것인, 회전 속도와 전력의 제어를 위한 시스템.
15. 제1항에 있어서,
    상기 회전하는 프로세스 머신(P)은 기어(G)에 연결되고, 상기 기어(G)는 상기 제1 모터 또는 발전기(M1)에 연결되는 것인, 회전 속도와 전력의 제어를 위한 시스템.
16. 제7항에 있어서,
    상기 회전하는 프로세스 머신(P)은 기어(G)에 연결되고, 상기 기어(G)는 상기 제1 모터 또는 발전기(M1)와 상기 제2 모터 또는 발전기(M2)에 연결되는 것인, 회전 속도와 전력의 제어를 위한 시스템.
17. 제1항에 있어서,
    상기 회전 속도와 전력의 제어를 위한 시스템에 원격 제어 시스템(RC)이 연결되는 것인, 회전 속도와 전력의 제어를 위한 시스템.
18. 제1항에 있어서,
    적어도 상기 제1 모터 또는 발전기(M1)는 축을 통해 비전기적 모터 또는 발전기(HM)에 연결되고, 상기 비전기적 모터 또는 발전기(HM)는 상기 제어 시스템(C)에 의해 제어되는 것인, 회전 속도와 전력의 제어를 위한 시스템.
19. 제18항에 있어서,
    상기 비전기적 모터 또는 발전기(HM)는 전력 공급기(S)에 의해 동작되는 것인, 회전 속도와 전력의 제어를 위한 시스템.
20. 제18항에 있어서,
    상기 비전기적 모터 또는 발전기(HM)는 회전 속도 센서(SP)에 연결되는 것인, 회전 속도와 전력의 제어를 위한 시스템.

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