KR20120004926A - 에너지를 재생 및 저장하는 운동 기구 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 에너지를 재생 및 저장하는 운동 기구 시스템을 제공한다. 이 시스템은 양방향 전력 변화기, 양방향 전력 구동기, 발전기 및 에너지 관리 회로를 포함한다. 에너지 관리 회로는 발전기가 발전 모드일 때 발전기로부터 생산된 전력을 양방향 전력 구동기가 전력망으로 피드백하도록 양방향 전력 변환기를 작동 시킨다. 에너지 관리 회로는 발전기가 모터 모드에서 작동 될 때 구동에 필요한 전력을 양방향 전력 구동기가 얻을 수 있도록 양방향 전력 변환기를 전류 조절 모드로 설정한다.

Description

에너지를 재생 및 저장하는 운동 기구 시스템{Fitness Equipment Energy Regenerating and Saving System}
본 발명은 전력 장치와 관련이 있으며 특히, 운동 기구의 전력 장치에 관한 것이다.
건강은 현대인에게 중요한 주제이다. 건강은 단지 식단 조절뿐만 아니라 사람을 건강하게 만드는 운동도 필요로 한다. 그러므로, 사이클 기구, 웨이트 기구 및 노젓는 기구 같은 운동 기구들은 도시의 삶 속에서 자신들의 몸을 훈련시킬 수 있는 인기 있는 기구들이다. 반면, 환경에 대한 인식도 현대인에게 중요한 주제이다. 자원 재활용 및 에너지 재생은 지구를 지키는 중요한 개념이다.
비록 사람이 작동시킨 운동기구로부터 생산된 전력을 상업적 전력 시스템에 피드백하는 아이디어는 일반적이지만, 아직 이러한 메커니즘의 실현에는 실패하고 있다. 실패의 이유는 다양한 사용자 또는 동일한 사용자가 다양한 방법으로 운동 기구를 작동시켜 회전자의 부하가 다양해지기 때문이다. 그러므로, 운동 기구로부터 생성된 전력을 피드백하는 것은 시간에 따라 변화하고 불안정하다.
본 발명은 관련 산업에서 광범위한 연구와 실험을 통한 수년의 경험에 기초하여, 앞서 언급한 문제를 극복한 에너지를 재생 및 저장하는 운동 기구 시스템을 제공하는데 있다.
상세하게, 이 시스템은 운동 기구에 의해 생산된 전력을 효율적으로 재생하고, 재활용하고, 피드백하기 위해 부하의 다양성에 기초한 제어 전략을 제공하는데 있다.
더 나아가, 본 발명은 다양한 부하에 따른 다양한 전략을 선택하기 위한 시스템의 상세한 회로를 제공할 뿐만 아니라 상업용 전력 시스템에 전력을 피드백하는 역률을 조정하는데 있다.
에너지를 재생 및 저장하는 운동 기구 시스템의 일 실시예가 개시되어 있다. 에너지를 재생 및 저장하는 운동 기구 시스템은 양방향 전력 변환기, 양방향 전력 구동기, 발전기 및 에너지 관리 회로를 포함한다. 양방향 전력 변환기는 다수의 전력 트랜지스터를 가지고 있다. 양방향 전력 변환기의 한쪽 끝단이 전력망에 전기적으로 연결되어 있고, 양방향 전력 변환기의 다른 한쪽 끝단에는 양방향 전력 구동기의 한쪽 끝단이 연결되어 있다. 양방향 전력 구동기의 다른 한쪽 끝단에는 발전기가 전기적으로 연결되어 있고, 따라서 발전기는 운동 기구와 양방향 전력 구동기를 연결시키기 위해 사용되고, 발전기는 양방향 전력 구동기에 의해 구동 될 수 있으며 모터로 동작할 수 있다. 에너지 관리 회로는 발전기가 발전 모드 또는 모터 모드로 동작할지를 결정하기 위해 양방향 전력 변환기, 양방향 전력 구동기 및 발전기와 전기적으로 연결되어 있다. 발전기가 발전 모드로 작동될 때, 에너지 관리 회로는 양방향 전력 구동기가 발전기에 의해 생성된 전력을 전력망에 피드백할 수 있도록 양방향 전력 변환기를 활성화시킨다. 발전기가 모터 모드로 작동될 때, 에너지 관리 회로는 양방향 전력 구동기가 구동되는데 필요한 전력을 전력망으로부터 얻을 수 있을수 있도록 양방향 전력 변환기를 전류 조절 모드로 설정한다.
본 발명은 앞서 언급한 문제를 극복한 에너지를 재생 및 저장하는 운동 기구 시스템을 제공할 수 있다. 특히, 이 시스템은 운동 기구에 의해 생산된 전력을 효율적으로 재생하고, 재활용하고, 전력망으로 피드백하여 환경 오염을 방지할 수 있다.또한, 본 발명은 상업용 전력 시스템에 전력을 피드백할 때 역률을 조정하여 피드백의 메커니즘의 악영향을 줄일 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도1은 에너지를 재생 및 저장하는 운동 기구 시스템의 일 실시예에 따른 기능적 블록도이다.
도2a는 도1에 나타난 양방향 전력 변환 회로(111)의 일 실시예에 따른 회로도이다.
도2b는 도1에 나타난 양방향 전력 변환 회로(111)의 다른 실시예에 따른 회로도이다.
도3은 도1에 나타난 양방향 전력 변환 회로(111)에 의해 생성된 전류 및 전압 파형이다.
도4는 도1에 나타난 양방향 DC 전압 변환기(112)의 일 실시예에 따른 회로도이다.
도5a는 도1에 나타난 발전기(130)의 부하 특성 곡선을 나타낸 일 도표이다.
도5b는 도1에 나타난 발전기(130)의 부하 특성 곡선을 나타낸 다른 도표이다.
도5c는 도1에 나타난 발전기(130)의 생산 전압/회전 속도의 관계를 보여주는 곡선을 나타낸다.
도6은 도1의 상세한 기능 블록도이다.
도7은 도6에 나타난 회전 속도 감지기(143)에 의해 생성된 펄스 신호 파형 도표이다.
도8은 도1의 에너지 조절 회로(141)의 작동 전략을 나타내는 도식이다.
도9는 도6의 구동기 제어 모듈(144)의 작동 블록을 나타낸다.
도10a은 발전기(130)가 6개의 구형파 전류에 의해 제어될 때의 파형을 나타낸 도표이다.
도10b는 발전기(130)가 3상 정현파 전류에 의해 제어될 때의 파형을 나타낸 도표이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도1을 참조하면, 도1은 에너지를 재생 및 저장하는 운동 기구 시스템의 일 실시예에 따른 기능적 블록도이다. 시스템(100)은 양방향 전력 변환기(110), 양방향 전력 구동기(120), 발전기(130), 에너지 관리 회로(140), 배터리(150), 운영 인터페이스(160) 및 운동 기구(170)을 포함한다. 배터리(150)와 운영 인터페이스(160)은 필수적이지 않고, 방전 모듈(149)는 배터리(150)가 존재할 때 사용된다. 운동 기구(170)는 본 발명이 사람에 의해 실행될 때 필요하지만, 상기 운동 기구 시스템(100)은 운동 기구(170) 없이도 판매될 수 있다. 즉, 양방향 전력 변환기(110), 양방향 전력 구동기(120), 발전기(130) 및 에너지 관리 회로(140)은 모듈장치에 통합될 수 있다. 본 발명이 구현될 때, 발전기(130)은 어떤 전통적인 종류의 운동 기구에서는 모터로 대체될 수 있고, 발전기(130)은 양방향 전력 구동기(120)에 의해 모터로 구동될 수 있다. 각각의 요소들의 연결은 도1에 도시되어 있고, 작동 원리는 아래에 설명되어 있다.
에너지 관리 회로(140)를 발전기(130)의 부하 특성에 실제와 일치하도록 만들기 위해서, 에너지 관리 회로(140)는 발전 모드에서 멀티 제어 전략을 수행하기 위해 양방향 전력 변환기(110) 및 양방향 전력 구동기(120)를 제어할 수 있도록 프로그램 및 디자인된다. 상세하게, 에너지 관리 회로(140)는 시스템(100)이 배터리(150)을 포함하지 않은 경우에 적어도 2개의 제어 전략을 제공하고, 시스템(100)에 배터리(150)이 존재할 때 적어도 3개의 제어 전략을 제공한다.
첫번째 제어 전략 : 발전기(130)가 낮은 속도로 회전하고 배터리(150)가 없을 때, 양방향 전력 구동기(120)은 발전기(130)에서 생성된 전력을 각각의 모듈 또는 시스템(100)의 요소에 공급하거나, 또는 발전기(130)에서 생성된 전력을 방전 모듈(149)를 통해서 방출한다.
두번째 제어 전략 : 시스템(100)이 첫번째 제어 전략과 유사한 상황이나 배터리가 있을 때, 에너지 관리 회로(140)은 양방향 전력 변환기(110)를 전류 조정 모드로 설정한다. 에너지 관리 회로(140)은 양방향 전력 구동기(120)에 발전기(130)로부터 생성된 전력을 획득하도록 명령하고, 생산된 전력은 각각의 모듈 또는 시스템(100)의 각 요소에 공급 될 뿐만 아니라, 배터리(150)을 충전하는데 사용된다.
세번째 제어 전략 : 발전기(130)가 높은 속도로 회전할 때, 에너지 관리 회로(140)는 양방향 전력 변환기(110)을 작동 시켜서 발전기(130)에 의해 생산된 전력은 양방향 전력 구동기(120) 및 양방향 전력 변환기(110)을 통해 전력망으로 전송한다. 한편, 생산된 전력은 필요하다면 배터리(150)를 충전하는데 사용한다.
반면에, 양방향 전력 변환기(110)은 양방향 전력 변환 회로(111) 및 양방향 DC 전압 변환기(112)로 이루어질 수 있다. 도2a 및 도2b를 참조하면, 도2a는 도1에 나타난 양방향 전력 변환 회로(111)의 일 실시예에 따른 회로도이고, 도2b는 도1에 나타난 양방향 전력 변환 회로(111)의 다른 실시예에 따른 회로도이다. 도2a에서, 양방향 전력 변환 회로(111)은 실리콘 제어 정류기(silicon controlled rectifier, SCR)같은 전파 브릿지형 트랜지스터 정류 회로(full bridge transistor rectifier circuit)이다. 도2b에서, 양방향 전력 변환 회로(111)은 반파 브릿지형 정류 회로(half bridge rectifier circuit)이다. 시스템(100)이 모터 모드로 작동중(예를 들어, 발전기(130)가 모터로 사용될 때)에는, 양방향 전력 변환 회로(111)는 전력망이 제공한 교류 전류(예를 들어, 상용 교류 전력)를 직류 전력으로 변환시킨다. 이에 따라, 상기 직류 전력은 에너지 관리 회로(140)가 탑재된 양방향 전력 구동기(120), 발전기(130) 및 운동 기구(170)에 제공이 된다.
시스템(100)이 발전 모드로 작동중(예를 들어, 발전기(130)가 발전기로서 사용될 때)에는, 에너지 관리 회로(140)는 양방향 전력 변환 회로(111)에 있는 전력 트랜지스터의 온-오프 타이밍을 제어하기 위한 명령 신호를 보내고, 발전기(130)에서 생산된 전력은 전력망으로 피드백 된다.
도3을 참조하면, 도3은 도1에 나타난 양방향 전력 변환 회로(111)에 의해 생성된 전류 및 전압 파형이다. 실시예의 실제 구현에 있어서, 피드백 전력의 역률은 -0.95보다 크며, 이것은 국제 전력 품질 기준을 충족한다. 실시예의 역률 조정 메커니즘은 전력망의 전압 위상을 감지하는 센싱 회로를 사용하고, 그때 피드백 전력이 정현파 전류가 되고, 전류의 위상이 전압의 위상보다 180°지연되도록 양방향 전력 변환 회로(111)를 제어한다. 그러므로, 역률은 -0.95보다 커질 수 있고, 전력 피드백 메커니즘의 악영향은 감소된다. 그러나, 피드백 전류가 정현파이어야 할 필요는 없다.
도4를 참조하면, 도4는 도1에 나타난 양방향 DC 전압 변환기(112)의 일 실시예에 따른 회로도이다. 도4에서, 양방향 DC 전압 변환기(112)는 전력 트랜지스터를 포함한 벅 부스트 회로(buck boost circuit)로 이루어져 있다. 트랜지스터 Sa 와 트랜지스터 Sa' 각각 벅 부스트 회로(buck boost circuit)의 중요한 스위치(예를 들어, 하나는 벅(buck)으로 다른 하나는 부스트(boost))로 사용된다. 그러므로, 진폭 변조 신호는 트랜지터들을 제어하는데 사용되고, 전압 V2를 제어한다. 기본적으로, 전압 V1은 고정되어 있고 전압 V2는 발전기(130)의 모드와 발전기(130)의 회전속도에 따라 가변될 수 있다. 특히, 발전 모드 또는 모터 모드에서 발전기(130)의 회전 속도가 증가하는 만큼 전압 V2는 증가한다. 전압 V2가 전압 V1에 가까워 질 때, 전압 V2는 특정 값에서 고정되고, 조정되지 않는다.
도5a, 5b 및 5c를 함께 참조하면, 도5a는 도1에 나타난 발전기(130)의 부하에 따른 특성 곡선을 나타낸 일 도표이다. 부하 특성 곡선은 운동 기구의 실제 상황을 바탕으로 하고 있으므로 사용자나 운동 기구 제조자에 의해 입력될 수 있고, 이때 양방향 전력 구동기(120)은 도5a에 나타난 부하 특성 곡선에 기초하여 운동 기구(170)을 구동시키기 위해 발전기(130)를 제어하는데 사용된다. 추가적으로, 양방향 전력 구동기(120)는 발전기(130)를 모터 모드에서 모터로 동작시키고 사용자의 몸을 활동적으로 움직이게 한다. 이러한 개념은 격한 운동 후 몸의 통증을 완화시키거나 환자의 재활치료를 돕는데 사용될 수 있다. 도5b는 도1에 나타난 발전기(130)의 부하에 따른 특성 곡선을 나타낸 다른 도표이다. 도5b에 나타나 있듯이, 부하는 발전기(130)가 모터 모드에서 작동 될 때 음의 값을 가질 수 있다.
도5c는 도1에 나타난 발전기(130)의 생산 전압/회전 속도의 관계를 보여주는 곡선을 나타낸다. 에너지 관리 회로(140)은 발전기(130)가 발전 모드로 작동할 때 발전기(130)의 속도에 따라 시스템(100)의 전압 V2를 조정하는데 사용된다. 상세하게, 전압 V2는 회전 속도가 ωL값보다 낮은 경우 V2L로 고정된다. 전압 V2는 회전 속도가 ωH값보다 높은 경우 V2H로 고정된다. 회전 속도가 ωL값과 ωH값 사이에 있을 때에는, 도5c에 나타난 관계 곡선에 따라 전압 V2가 변화된다.
부가적으로, 이러한 메커니즘은 발전기(130)가 모터 모드로 동작할 때 시스템(100)의 효율을 향상시키기 위해 전압 V2를 조정하는데 사용될 수 있다. 이로 인한 효과는 전압 V2의 크기가 에너지 관리 회로(140), 양방향 전력 구동기(120)에 의해 또는 이들 양자에 의해 제어될 수 있다는 것이다. 그러므로, 발전기(130)가 발전 모드로 동작 할 때, 사용자가 운동(예를 들어, 부하가 구동될 때)을 해서 생성된 에너지는 전체 시스템(100)에 필요한 전력으로 제공되거나 또는 상용 전기로 피드백된다. 발전기(130)가 모터 모드로 동작될 때, 발전기(130)를 구동시키는데 필요한 에너지는 상용 전기에서 제공받고, 운동 기구는 사용자가 최소한의 힘으로 동작을 계속하도록 하므로 심한 운동 후 근육 완화의 효능을 얻게 된다.
반면, 도1에 나타나 있듯이, 에너지 관리 회로(140)은 에너지 조절 회로(141) 및 프로세싱 회로(142)로 이루어진다. 상술한 매커니즘은 에너지 조절 회로(141)과 프로세싱 회로(142)의 공동 작업에 의해 완성된다. 구체적으로, 에너지 조절 회로(141)은 양방향 전력 변환기(110)과 양방향 전력 구동기(120)사이에서 에너지 버퍼로 주로 사용된다. 에너지 조절 회로(141)은 전력 변환 회로와 배터리(150)로 형성되어 있다. 양방향 전력 변환기(110)은 발전기(130)의 전력 생산이 임계값 보다 작은 경우 작동되지 않으며, 생산된 전력은 배터리(150)을 충전하는데 사용된다. 만약 배터리(150)가 만충전되어 있으면, 에너지는 방전 모듈(149)를 통해서 방출된다. 그러나, 만약 배터리(150)에 저장된 에너지가 임계값 보다 작으면, 에너지 조절 회로(141)은 전력망 또는 발전기(130)으로부터 얻은 전력을 사용하여 배터리(150)의 충전을 실시한다.
시스템(100)에 배터리(150)가 없고 발전기(130)의 전력 생산이 임계값 보다 작을 때에는, 에너지 조절 회로(141)는 발전기(130)에 의해 생산된 전력을 방전 모듈(149)을 통해 방출하거나, 발전기(130)에 의해 생산된 전력을 각 모듈 및 시스템(100)의 각 요소에 직접 공급한다. 예를 들어, 에너지 조절 회로(141)는 도4에 나타난 회로 즉, 양방향 DC 전압 변환기(112)와 동일한 회로 구조로 형성될 수 있다.
도6을 참조하면, 도6은 도1의 상세한 기능 블록도이다. 프로세싱 회로(142)는 회전 속도 감지기(143), 구동 제어 모듈(144), 프로세싱 모듈(145) 및 전압 보상 모듈(146)을 더 포함한다. 회전 속도 감지기(143)는 발전 모드에서 발전기(130)의 회전 속도를 감지하기 위해 사용된다. 발전기(130)가 발전 모드에 있을 때, 구동 제어 모듈(144)은 발전기(130)로부터 양방향 전력 구동기(120)에 의해 획득되어 전력망에 제공되는 출력 전압을 회전 속도나 발전 전력에 따라 최적화 하는데 사용한다. 발전기(130)가 모터 모드일 때, 구동 제어 모듈(144)은 전력망으로부터 양방향 전력 구동기(120)에 의해 획득되어 발전기(130)에 제공되는 출력 전류를 발전기(130)의 속도 제어를 위해 조절하는데 사용된다. 즉, 구동 제어 모듈(144)은 양방향 전력 구동기(120)가 회전 속도에 근거하여 발전기(130)로부터 교류 전력을 얻을 때 타이밍을 제어한다.
프로세싱 모듈(145)은 회전 속도, 발전기(130)의 예상 생산 전력 및 운동할 때 사용자의 요구를 표시하는 운영 인터페이스(160)로부터 입력받은 파라미터에 근거하여 발전 모드에서의 발전기(130)의 출력 부하를 결정하고, 에너지 관리 회로(140)에 명령하여 사용자의 운동으로부터 변환된 전력을 교류 방식으로 양방향 전력 변환기(110)을 통해 전력망에 피드백하기 위해 사용된다. 즉, 프로세싱 모듈(145)은 발전 모드에서 회전 속도와 교류 전력의 크기에 따라 양방향 전력 변환기(110)가 전력을 전력망으로 피드백할 때 타이밍을 제어하는 것에 의해 위상 정합(phase matching)을 달성한다. 한편, 프로세싱 모듈(145)은 추가적으로 전압 보상 모듈(146)에 전압 보상값을 제공함으로써 전압 보상 모듈(146)이 양방향 전력 구동기(120)를 통해서 발전기로부터 얻은 전압 값을 상기 전압 보상값에 근거하여 보상하도록 에너지 조절 회로(141)를 구동시킨다. 발전 전력이 임계값 보다 낮으면, 방전 모듈(149)은 전력을 저항을 통해 방출할 수 있다. 상기 전압 보상 모듈(146)은 소프트웨어 또는 이 소프트웨어와 유사한 기능을 가진 비례 적분기나 폐쇄 루프 제어 회로(closed loop controlling circuit)와 같은 하드웨어에 의해 구성될 수 있다.
도7을 참조하면, 도7은 도6에 나타난 회전 속도 감지기(143)에 의해 생성된 펄스 신호 파형 도표이다. 본 실시예는 회전 속도를 계산하기 위해 회전 속도 감지기(143)에 의해 생성된 펄스 신호를 사용한다. 상세하게 설명하면, 회전 속도 감지기(143)는 회전자 감지기(147) 및 속도 측정기(148)을 포함한다. 상기 회전자 감지기(147)는 회전자가 1회전을 할 때 펄스의 미리 설정된 숫자를 생성하는 센싱 엘리먼트이고, 속도 측정기(148)는 이 펄스에 근거하여 회전 속도를 측정하는데 사용된다. 회전 속도의 측정 방법은 아래의 식에 의해 설명될 수 있다. 수학식 1은 단위시간 주기에 회전자 감지기(147)의 펄스 수를 계산하기 위해 사용된다. 그리고 수학식 2는 펄스의 상승　에지(the rise edge of the pulse)를 위해 요구되는 시간 주기를 계산하는데 사용된다.
Figure pat00001
Figure pat00002
도8을 참조하면, 도8은 도1의 에너지 조절 회로(141)의 작동 전략의 도식이다. 발전 모드에서 에너지 관리 회로(140)의 전략들(예를 들어, 상술한 첫번째, 두번째 및 세번째 제어 전략들에 각각 대응하는 케이스 1-3)은 발전기(130)의 출력 부하와 회전 속도에 기초하여 선택된다. 이로 인한 효과는 도8의 전략 차트가 프로세싱 모듈(145)에 의해 생성되고 에너지 조절 회로(141)에 적용되도록 제공되는 것이다. 발전 전력의 크기는 식 P2(=V2I2)에 의해 측정되고, 그 후 전략들(예를 들어, 케이스 1-3)을 선택하는데 사용된다. 발전된 전력은 회전 속도에 출력 부하를 곱한 것에 비례하기 때문에, 상기 전략 케이스 3은 발전된 전력이 전력망으로 피드백되기에 충분히 크다는 것을 의미한다.
에너지 조절 회로(141)은 5V, 15V 및 -15V 처럼 낮은 전력을 요구하는 시스템(100)의 모듈 및 엘리먼트에 필요한 전력을 제공할 뿐만 아니라, 배터리(150)를 충전하거나 방전한다. 에너지 조절 회로(141)가 배터리(150)를 충/방전할 때의 전략은 사용자의 상황(status) 및 배터리(150)의 충전 상태에 달려있다.
도9를 참조하면, 도9는 도6의 구동기 제어 모듈(144)의 작동 블록을 나타낸다. 심볼들의 의미는 다음과 같다. IP *는 3상 고정 권선의 전류 커맨드(current command)의 최대값을 의미한다. iu *,iv *,iw *는 3상 고정 권선의 전류 커맨드(current command)를 의미한다. iu,iv,iw는 3상 고정 권선의 전류 값을 의미한다. Te *는 발전기(130)의 요구되는 출력 부하를 의미한다. ωr *는 발전기(130)의 회전 속도 커맨드(rotating speed command)를 의미한다. ωr는 발전기(130)의 회전 속도를 의미한다. Kt는 발전기(130)의 토크 상수를 의미한다.
구동기 제어 모듈(144)은 운영 인터페이스(160)에 의해 입력된 설정에 따라 발전기(130)를 모터 모드 또는 발전 모드로 동작 시킨다. 발전기(130)가 모터 모드에서 작동될 때, 스위치(SW)는 1번 위치에 놓이고, 속도 제어기는 발전기(130)의 3상 고정자 전류와 회전 속도를 회전자 자속 포지션(rotor magnetic flux position)에 근거하여 조절한다.
속도 폐쇄 루프 제어 모드(speed close loop control mode)는 속도 값ωr가 속도 커맨드 ωr *(speed command ωr *)를 추종하도록 명령하는데, 이러한 명령은 시스템에 미리 설정되거나 사용자로부터 얻어진다. 속도 제어기의 출력 값은 1/Kt를 곱하는 것에 의해 최대값 Ip *이 된다.
발전기(130)가 발전 모드로 동작될 때, 스위치(SW)는 2번 위치에 놓이고, 시스템(100)은 부하(예를 들어, 전략을 선택하기 위한 도5a 또는 도5b의 특성 차트에 따라)에 의해 제어된다. 한편, 발전기(130)의 출력 부하(Te *)는 최대 값(Ip *= Te */Kt)을 생성하기 위해 사용된다. 발전 모드 또는 모터 모드 중 어느 하나에 의해 생성되는 최대값(Ip *)은 3상 전류 커맨드(iu *,iv *,iw *)를 생성하기 위해 전류 커맨드 발전기(current command generator)로 제공된다. 3상 커맨드(iu *,iv *,iw *)는 구형파 또는 정현파와 유사할 수 있다. 3상 전류 값(iu,iv,iw)과 3상 커맨드(iu *,iv *,iw *) 사이의 편차(deviation)는 전류 제어기로 입력되고, 추가적으로 양방향 전력 구동기(120)를 제어하기 위한 PWM 신호를 생성하기 위해 진폭 변조(PWM) 회로에 제공된다. 그러므로, 발전기(130)는 전류 커맨드에 의해 트리거(trigger)되는 양방향 전력 구동기(120)의 조절된 전압 및 주파수에 의해 구동된다.
도 10a와 도 10b를 함께 참조하면, 도 10a는 발전기(130)가 6개의 구형파 전류에 의해 제어될 때의 파형을 나타낸 도표이다. 도 10b는 발전기(130)가 3상 정현파 전류에 의해 제어될 때의 파형을 나타낸 도표이다. 도 10a 및 도 10b에서, 3상 전류 커맨드(iu *,iv *,iw *)는 6개의 구형파 또는 정현파가 될 수 있으며, 3상 고정자 전류(iu,iv,iw)는 이 커맨드를 각각 추정하게 된다. 그러므로, 시스템(100)은 입력 전류의 파형, 크기 또는 주파수를 제어하는 것에 의해 발전 모드 또는 모터 모드에서 발전기(130)의 효율을 최적화한다.
일반적으로, 3상 제어 메커니즘은 회전자 감지기(147)로서 낮은 소음과 진동을 제공하지만 비용이 대략 US$10에 달하는 높은 신호 해상도 장치(hig signal resolution device)를 요구한다. 반면에, 6개의 구형파 제어 메커니즘은 회전자 감지기(147)로서 높은 소음과 진동을 제공하지만 비용이 대략 US$5에 불과한 낮은 신호 해상도 장치를 사용하는 것으로 족하다. 그러나, 본 발명의 상술한 실시예는 회전자 감지기(147)로서 상기 낮은 신호 해상도 장치를 사용하면서도 프로세싱 모듈(145)의 펌웨어 디자인을 통해 3상 제어 매커니즘을 달성할 수 있게 한다. 이로 인해, 3상 제어 메커니즘과 6개의 구형파 제어 매커니즘의 단점은 버리고, 장점만을 취할 수 있게 되었다.
다른 실시예에서, 에너지 관리 회로(140)는 식별 장치, 메모리 및 상기 프로세싱 모듈(145)에 전기적으로 연결된 통신 장치를 더 포함한다. 식별 장치는 사용자를 식별하는데 사용되고, 메모리는 사용자에 의해 발전된 전력의 데이터를 저장하는데 사용되고, 무선 장치와 같은 통신 장치는 데이터 센터로 데이터를 전송하기 위해 사용된다. 상세하게, 식별 정보 및 각 사용자의 운동 기구 사용에 따른 작동 정보는 시스템(100)에 의해 획득, 저장 및 식별이 되고, 그 후 다수 사용자의 발전 전력에 대한 통계는 데이터 센터에 의해 만들어질 수 있다. 그러므로, 각 사용자의 기여가 기록되어 많은 상업적인 메커니즘에 응용될 수 있다. 주목할 점은, 상술한 데이터에 심장 박동 비율, 운동 시간 및 사용자의 위치와 같은 정보가 포함된다는 것이다.
한편, 본 발명을 설명함에 있어, 도 1 등에 도시된 본 발명에 대한 각 구성은 물리적으로 구분되는 구성요소 라기보다는 논리적으로 구분되는 구성요소로 이해되어야 한다.
즉, 각각의 구성은 본 발명의 기술사상을 실현하기 위하여 논리적인 구성요소에 해당하므로 각각의 구성요소가 통합 또는 분리되어 수행되더라도 본 발명의 논리 구성이 수행하는 기능이 실현될 수 있다면 본 발명의 범위 내에 있다고 해석되어야 하며, 동일 또는 유사한 기능을 수행하는 구성요소라면 그 명칭 상의 일치성 여부와는 무관하게 본 발명의 범위 내에 있다고 해석되어야 함은 물론이다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
100 : 시스템 110 : 양방향 전력 변환기
111 : 양방향 전력 변환 회로 112 : 양방향 DC 전압 변환기
120 : 양방향 전력 구동기 130 : 발전기
140 : 에너지 관리 회로 141 : 에너지 조절 회로
142 : 프로세싱 회로 149 : 방전 회로
150 : 베터리 160 : 운영 인터페이스
170 : 운동 기구

Claims (16)

  1. 다수의 전력 트랜지스터를 구비하고, 한쪽 끝단이 전력망에 전기적으로 연결되어 있는 양방향 전력 변환기;
    한쪽 끝단이 상기 양방향 전력 변환기의 다른 쪽 끝단에 전기적으로 연결되어 있는 양방향 전력 구동기;
    운동 기구와 결합하기 위해 상기 양방향 전력 구동기의 다른 쪽 끝단과 전기적으로 연결되어 있고, 상기 양방향 전력 구동기에 의해 구동될 뿐만 아니라 모터로도 동작하는 발전기; 및
    상기 발전기를 발전 모드 또는 모터 모드로 동작할지 여부를 결정하기 위해 상기 양방향 전력 변환기, 상기 양방향 전력 구동기 및 상기 발전기에 전기적으로 연결되어 있는 에너지 관리 회로를 포함하고;
    상기 에너지 관리 회로는, 발전기가 발전 모드로 동작될 때, 상기 양방향 전력 구동기가 상기 발전기에 의해 생성된 전력을 전력망으로 피드백할 수 있도록 상기 양방향 전력 변환기를 활성화시키고,
    발전기가 모터 모드로 동작될 때, 상기 양방향 전력 구동기가 구동을 위해 필요한 전력을 상기 전력망으로부터 얻을 수 있도록 상기 양방향 전력 변환기를 설정하는 것을 특징으로 하는 에너지를 재생 및 저장하는 운동 기구 시스템.
  2. 제1항에서,
    상기 에너지 관리 회로를 경유하여 상기 양방향 전력 구동기에 전기적으로 연결되어 발전기가 발전 모드로 동작될 때 충전되고, 발전기가 모터 모드로 동작될 때 상기 운동 기구에 DC 전력을 제공하기 위한 배터리를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지를 재생 및 저장하는 운동 기구 시스템.
  3. 제2항에서,
    상기 발전기가 배터리에 대한 충전을 수행하는 최저 회전 속도 제한(lower rotational speed limit)을 설정하기 위해 상기 에너지 관리 회로에 전기적으로 연결되는 운영 인터페이스를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지를 재생 및 저장하는 운동 기구 시스템.
  4. 제1항에서,
    상기 양방향 전력 변환기는 양방향 전력 변환 회로와 양방향 DC 전압 변환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지를 재생 및 저장하는 운동 기구 시스템.
  5. 제4항에서,
    상기 양방향 전력 변환 회로가 4개의 전력 트랜지스터로 이루어진 전파 브릿지 정류회로인 것을 특징으로 하는 에너지를 재생 및 저장하는 운동 기구 시스템.
  6. 제4항에서,
    상기 양방향 전력 변환 회로가 2개의 전력 트랜지스터로 이루어진 반파 브릿지 정류회로인 것을 특징으로 하는 에너지를 재생 및 저장하는 운동 기구 시스템.
  7. 제4항에서,
    상기 양방향 DC 전압 변환기는 벅 부스터 회로(buck boost circuit)인 것을 특징으로 하는 에너지를 재생 및 저장하는 운동 기구 시스템.
  8. 제1항에서,
    상기 에너지 관리 회로는 에너지 조절 회로와 프로세싱 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지를 재생 및 저장하는 운동 기구 시스템.
  9. 제8항에서, 상기 프로세싱 회로는,
    발전 모드에서 발전기의 회전 속도를 검출하기 위한 회전 속도 감지기;
    발전기가 발전 모드에 있을 때 상기 양방향 전력 구동기가 발전기로부터 획득해서 상기 전력망에 제공할 출력 전압을 회전 속도에 따라 최적화하고, 발전기가 모터 모드에 있을 때 상기 양방향 전력 구동기가 상기 전력망으로부터 획득해서 발전기에 제공할 출력 전류를 발전기의 속도 제어를 위해 조절하기 위한 구동기 제어 모듈;
    발전 모드에서 운영 인터페이스에 의해 입력된 운동시 사용자의 요구를 나타내는 파라미터, 회전 속도 및 발전기의 예상 발전 전력에 근거하여 발전기의 출력 부하를 결정하고, 사용자의 운동으로부터 변환된 발전 전력을 교류 방식으로 상기 양방향 전력 변환기를 통해 전력망으로 피드백할 수 있도록 상기 에너지 관리 회로를 명령하기 위한 프로세싱 모듈; 및
    상기 양방향 전력 구동기의 출력 DC 전압을 제어하기 위해 상기 에너지 조절 회로와 협력하기 위한 전압 보상 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지를 재생 및 저장하는 운동 기구 시스템.
  10. 제9항에서,
    상기 구동기 제어 모듈이 진폭 변조(PWM) 회로인 것을 특징으로 하는 에너지를 재생 및 저장하는 운동 기구 시스템.
  11. 제9항에서,
    사용자의 식별을 위해 상기 프로세싱 모듈에 전기적으로 연결되는 식별 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지를 재생 및 저장하는 운동 기구 시스템.
  12. 제9항에서,
    발전된 전력에 관한 데이터를 저장하기 위해 상기 프로세싱 모듈에 전기적으로 연결되는 메모리를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지를 재생 및 저장하는 운동 기구 시스템.
  13. 제12항에서,
    상기 데이터를 전송하기 위해 상기 프로세싱 모듈에 전기적으로 연결되는 통신 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지를 재생 및 저장하는 운동 기구 시스템.
  14. 제13항에서,
    상기 통신 장치가 무선 장치인 것을 특징으로 하는 에너지를 재생 및 저장하는 운동 기구 시스템.
  15. 제8항에서,
    상기 에너지 조절 회로는 발전 모드에서 상기 프로세싱 회로에 의해 선택된 적어도 2개 이상의 전략을 제공하는 것을 특징으로 하는 에너지를 재생 및 저장하는 운동 기구 시스템.
  16. 제1항에서,
    상기 양방향 전력 구동기는 모터 모드에서 상기 발전기가 모터가 되도록 활성화시켜서 사용의 사지(四肢)를 활발하게 움직이게 하는 것을 특징으로 하는 에너지를 재생 및 저장하는 운동 기구 시스템.
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