KR20130092539A - 교류 모터를 제어하는 제어 장치 및 방법 - Google Patents

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롤스-로이스 마린 에이에스
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Abstract

모터 제어 유닛(19)에 의해 AC 모터(18)를 제어하는 제어 장치(30) 및 방법을 제공한다. 제어 장치(30)는 정류기 유닛(12)과 병렬로 배치된 AFE 유닛(33)을 포함하며, AFE 유닛(33)은, 정상 동작 상태에서, 정류기 유닛(12)에 의해 생기는 성분과 반대의 초고조파 전류 성분을 능동적으로 필터링 및 투입하여, 그리드측에서의 전류 왜곡을 상쇄시킨다. 모터 제어 유닛(19)이 회생 동작을 하는 경우에는, AFE 유닛(33)은 4-쿼드런트 변환기(4-quadrant converter)로서 동작하고, 에너지를 급전 그리드(13)에 다시 공급한다. 본 발명의 장점은 약한 그리드에서 주파수 변환기를 가지며 회생 동작을 취급하여야 하는 모터 구동기의 기존의 해결방안에 비해 소형이며 저렴하고 효율이 향상된다.

Description

교류 모터를 제어하는 제어 장치 및 방법{CONTROL DEVICE AND METHOD FOR CONTROLLING AN AC MOTOR}
본 발명은 청구항 1의 전제부에 따른 교류(AC) 모터를 제어하기 위한 제어 장치에 관한 것이다.
본 발명은 또한 청구항 13의 전제부에 따른 AC 모터를 제어하기 위한 방법에 관한 것이다.
전동기(electric motor)의 회전 속도 제어는 정확한 프로세스 제어 및 에너지 절감의 요구에 의해 점점 일반화되고 있다.
전동기의 회전 속도를 제어하는 가장 일반적인 방법은 주파수 변환기(frequency converter)를 사용하는 것이다.
주파수 변환기는 교류 전압을 고정 주파수로 변환하고, 전원 전압을 직류(DC) 전압으로 변환한다. DC 전압은 가변 주파수를 가지며 전동기에 공급되는 교류 전압을 제공한다.
교류 전압을 DC 전압으로 변환하는 공통 다이오드 정류기(common diode rectifier)가 일반적으로 사용되며, 이에 의해 주파수 변환기는 급전 그리드(supply grid)로부터 정현파가 아닌 전류, 즉 전압과 동일한 형상을 갖지 않는 전류를 유도하게 된다.
비선형 전류 소비량은 상이한 주파수를 가진 정현파 전류, 즉 제1 고조파가 기본 주파수인 고조파 전류로 분해될 수 있다. 이것은 급전 그리드가 약한 경우, 즉 주파수 변환기로부터의 부하가 급전 그리드의 임피던스에 비해 큰 경우에는 문제가 될 수 있다. 비선형 전류에 의해, 바람직하지 않은 그리드 전압의 왜곡이 생긴다. 이것은 프로펠러에 전원을 공급하는 전동기에 주파수 변환기를 사용하는 전기 추진 시스템을 갖춘 선박 등에서는 잘 알려진 문제이다.
현재, 그리드 전압의 왜곡을 최소로 하면서, 급전 그리드의 교류 전압을 DC 전압으로 변환하기 위해 몇 가지 해결방안이 사용되고 있다. 이들에 공통인 것은 주파수 변환기가 복잡하고 물리적으로 대형이며 고가라는 점이다.
미국특허출원 US 20100076612 A1에는, DC 버스에 직류(DC)를 제공하도록 연결된 몇 개의 AFE 유닛을 포함하는 기계장치가 개시되어 있는데, 여기서 DC 버스는 다수의 증폭기에 전기적으로 연결되어 있으며, 각각의 증폭기는 다수의 모터에 교류 전류를 공급하도록 되어 있다.
HOVENARRS A H 등의 "Meeting new marine harmonic standards" PETROLEUM AND CHEMICAL INDUSTRY CONFERENCE, 2008. PCIC 2008. 55TH IEEE, IEEE, PISCATAWAY, NJ, USA, 2008년 9월 22일, 페이지 1-9, XP031355684, ISBN: 978-1-4244-2520-4, 페이지 5, 문단 VII에는, 비선형 부하의 부하 전류의 영향을 상쇄하기 위한 전류 성분의 주입을 위한 능동 필터를 개시하고 있다.
미국특허 6166513A에는 AC 모터를 제어하기 위한 전기 추진 시스템 및 방법을 개시하고 있는데, 여기서는 다수의 2차 권선을 갖는 다상 전력 변환기가 다상의 전력을 4개의 쿼드런트(quadrant) 동작을 제공하는 다수의 파워 셀에 제공한다. 이 해결방안은 모터 제어 유닛으로부터 전원으로 파워를 다시 공급하는 데에만 사용이 가능하며, 순환하는 전류는 취급할 수 없다.
알려진 해결방안을 요약하면 다음과 같다.
6-펄스: 급전 그리드에 많은 양의 고조파 왜곡을 허용하고 급전 그리드로부터 제공되는 다른 설비는 많은 왜곡을 허용하도록 된 표준 정류기 해결방안으로서, 많은 왜곡을 허용하지 않는 설비용의 필터가 사용되고 있다. 역 전력을 취급하기 위해서는 제동 초퍼(braking chopper) 및 제동 저항기가 필요하다.
12/24-펄스: 위상이 서로 상대적으로 위치하는 몇 개의 2차 권선을 가진 주파수 변환기의 앞에 변압기를 사용하는 것이다. 이에 의하면, 전류 소비가 더 긴 기간 동안 분산되고 왜곡이 감소한다. 여기서도, 역 전력을 취급하기 위해서는 제동 초퍼와 제동 저항기가 필요하다.
AFE: 정류기 내의 다이오드를 능동 요소로 대체한 능동 정류기이다. 급전 그리도로부터 전류 소비를 제어하고, 역 전력을 다시 급전 그리드로 공급할 가능성이 있다.
필터: 급전 그리드 내에 또는 주파수 변환기의 앞에 설치되는 능동 또는 수동 필터를 구비하는 6-펄스 다이오드 정류기를 사용해서 고주파의 영향을 소거하는 해결방안이다. 여기서도, 역 전력을 취급하기 위해서는 제동 초퍼와 제동 저항기가 필요하다.
상기 언급한 해결방안의 문제점은, 100% AFE 유닛 또는 상변화 변압기가 필요해서 비용이 높아지고, 역 전력을 취급하기 위해서 제동 초퍼와 제동 저항기가 필요하다는 것이다.
종래기술의 다른 단점으로는 고조파와 공진 문제를 고려하는 것에 의해 기술적 작업이 복잡해지고 설치가 복잡해진다는 것이다.
다른 단점으로는, 100% AFE 유닛 또는 상변화 변압기, 및 제동 초퍼와 제동 저항기 때문에, 전체적인 크기가 커지고 무거워진다는 것이다.
또 다른 단점은, 에너지를 회수할 수 없어서, 상변화 변압기에서의 손실에 의해, 정류기 유닛 내의 능동 요소의 손실, 및 제동 초퍼와 제동 저항기 내의 손실에 의해 효율이 감소한다. 제동 저항기를 사용하면, 추가로 설치를 해야 하고, 냉각 시스템을 추가로 설치해야 한다.
또 다른 단점으로는, 상변화 변압기를 경유하여 몇 개의 스위치보드로부터 급전하기 위해 케이블이 필요하게 되어 전체 시스템이 복잡해지며, 급전 그리드의 왜곡을 최소로 하기 위해 외부 필터 또는 특별한 구성이 필요하게 된다.
본 발명의 목적은 상기 설명한 종래기술의 단점들을 해결하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 급전 그리드로부터 낮은 고조파 전류 소비량을 가지며 회생 능력을 갖는 제어 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 가장 낮은 총 크기와 높은 배치 능력을 제공하는 제어 장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명에 의해 장착 및 설치에 낮은 비용이 가능하게 하는 것을 목적으로 한다.
종래의 제어 장치보다 적어도 동일하거나 높은 효율을 가진 제어 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 종래의 제어 장치에 비해 복잡도가 감소된 제어 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 전기적 설치를 위한 작업을 계산할 때에 고조파 왜곡을 고려하지 않도록 해서, 기술적 작업을 단순하게 하는 제어 장치를 제공하는 것이다.
마지막으로, 본 발명의 목적은 앞서 언급한 목적을 가진 AC 모터를 제어하기 위한 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 제어 장치는 청구항 1에 개시한다. 제어 장치의 바람직한 특징에 대해서는 청구항 2-11에 개시한다.
본 발명에 따른 방법은 청구항 13에 개시한다. 이 방법의 바람직한 특징에 대해서는 청구항 14-19에 개시한다.
본 발명의 주로 정현파인 급전 그리드로부터의 전류를 유입해서 이러한 전류를 공급하는 급전 그리드의 왜곡을 형성하지 않으면서, 회생 동작을 하는 제어 장치를 제공하는 해결방안을 제공하는 것이다.
또한, 표준 타입의 모터 제어 유닛은 AC 모터를 제어하는 데에 사용될 수 있는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 제어 장치는 낮은 전력 손실을 가진 표준 다이오드 정류기 유닛을 갖는 주파수 변환기이다. 본 발명에 의하면, 제어 장치는, 정류기 유닛과 병렬로 배치되는 LCL 필터와 함께 소형의 능동 프론트 앤드 제어 유닛(AFE 유닛)을 포함한다.
AFE 유닛은 정상 동작하에서 능동 필터로서 작용하며, 정류기 유닛에 의해 생기는 것과 반대의 초고조파 전류 성분(superharmonic current component)을 투입해서, 그리드 측에서의 전류 왜곡을 상쇄시킨다. 모터 제어 유닛이 회생 동작을 하는 경우, 소형의 AFE 유닛은 일반적인 4-쿼드런트 변압기(s-quadrant converter)로서 작용해서 에너지를 급전 그리드로 다시 공급할 것이다.
AFE 유닛의 크기는 정류기 유닛의 바람직하지 않은 효과를 상쇄하기 위해 얼마나 큰 전류 성분이 급전 그리드에 대해 다시 투입될 필요가 있는지에 의해 정해지며, 회생 에너지를 다시 공급할 수 있기 위해 얼마나 큰 전류가 필요한지에 의해 정해진다. 시스템 평가가 이루어질 수 있으며, 이에 의해 소형의 AFE 유닛이 가능하게 된다.
AFE 유닛은 투입할 전류의 크기 및 위상각을 산출할 수 있도록 하기 위해 정류기 유닛에 대한 전압 품질 및 전류 소비를 측정하기 위한 수단을 포함한다. 이에 의하면, AFE 유닛은 정류기 유닛에 우수한 전류 성분을 공급해서 소비하도록 할 수 있다. 급전 그리드에서 보면, 기본 고조파만 소비된다.
또한, AFE 유닛은 중간 회로, 즉 제어 장치와 모터 제어 유닛 사이의 회로에서의 전압을 판독하기 위한 수단을 포함하는 것이 바람직하며, AFE 유닛은 회생 동작을 시작하여야 하는 경우, 즉 중간 회로에 잉여 에너지가 있는 경우를 제어하기 위해 중간 회로 내의 전압을 사용하도록 구성되는 것이 바람직하다. 모터가 제동되거나 회생 동작을 하는 경우, 정류기를 통해 흐르는 전류는 없을 것이며, 이에 따라, 초고조파 성분을 투입할 필요가 없게 되어, AFE 유닛은 에너지를 급전 그리드로 다시 공급하는 것에 완전히 사용할 수 있게 된다.
동일한 DC 버스로 정류기 유닛을 AFE 유닛과 접속하는 것과 관련된 실질적인 문제점은 정류기 유닛과 AFE 유닛 사이에서 순환하는 전류이다.
이를 피하기 위해, 본 발명의 실시예에 따른 제어 장치는 정류기 유닛 내에 하나 이상의 스위치를 포함함으로써, 전원으로부터 에너지를 공급받을 필요가 없게 되면, 전류가 정류기 유닛을 통과하지 못하도록 할 수 있다.
또한, 하나 이상의 스위치는 AFE 유닛과 정류기 유닛 사이에서 DC 전압 접속으로 배치되는 것이 바람직할 수 있다. 이에 의하면, AFE 유닛과 DC 버스 사이에서 전류가 흐르는 것을 차단할 수 있으며, AC 모터의 전력 방향에 기초하여 능동 프론트 앤드 제어 유닛에 의해 제어될 수 있게 된다.
AFE 유닛과 DC 버스 사이에 스위치를 사용해서, AFE 유닛으로부터의 DC 전압을 정류기 유닛으로부터의 전압보다 낮게 할 필요가 있는 경우, AFE 유닛의 입력에 단권 변압기(auto-transformer)를 사용해서, AFE 유닛의 전압 입력을 감소시킴으로써, AFE 유닛과 DC 버스 사이의 DC 접속을 차단할 수 있다.
AC 모터를 제어하는 방법은, AFE 유닛에 의해, 정류기 유닛에 의해 생기는 것과 반대의 초고조파 전류 성분을 투입하여, 모터 제어 유닛이 AC 모터를 구동시킬 때에 그리드 측에서의 전류 왜곡을 상쇄시키는 것을 포함한다.
또한, 본 방법은, AFE 유닛에 의해, 모터가 회생 동작을 하는 경우 또는 AC 모터가 제동되는 경우에, 회생 에너지를 그리드로 다시 공급하는 것을 포함한다.
또한, 본 방법은, 그리드 측에서의 전류 왜곡을 상쇄하기 위해 투입되어야 하는 전류의 크기와 위상각을 계산하기 위해 전류기 유닛에 대한 전압 품질 및 전류 소비를 측정하는 과정을 포함한다.
또한, 본 방법은, 전류를 투입하여야 하는지 또는 회생 에너지를 급전 그리드로 다시 공급해야 하는지를 판정하기 위해 중간 회로의 전압을 측정하는 과정을 포함한다.
또한, 본 방법은, 정류기 유닛 내에 배치되어, AFE 유닛과 DC 버스 사이에서 전류를 흐르지 못하도록 하는 스위치를 제어하는 과정을 포함한다.
본 발명의 다른 장점과 바람직한 특징은, 이하의 설명으로부터 명백할 것이다.
도 1은 12-펄스 정류 기능을 가진 주파수 변환기, 즉 이중의 3-상 다이오드 브리지와 상변화 변압기를 입력에 구비하는 전형적인 제어 장치의 주요부를 나타낸다.
도 2는 6-펄스 다이오드 전류기 브리지에서의 전형적인 입력 전류를 나타낸다.
도 3은 6-펄스 정류기의 전형적인 전류 스펙트럼 및 진폭을 나타낸다.
도 4a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 제어 장치의 주요 부분을 나타낸다.
도 4b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 제어 장치의 주요 부분을 나타낸다.
본 발명에 대하여 첨부 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1을 참조하면, 12-펄스 다이오드 정류기의 형태로 된 정류기 유닛(12)을 구비하는 통상적인 제어 장치(11)를 나타내고 있다. 상변화 변압기의 형태로 된 전원(13)은 교류 전압을 정류기 유닛(12)에 공급한다. 정류기 유닛(12)은 공급된 교류 전압을 직류 전압으로 변환한다. 이에 의해, 제어 장치(11)는 전원(13)으로부터 정현파가 아닌 전류, 즉 전압에 따르지 않는 전류를 유도한다.
또한, 시스템은 직류 전압의 리플을 평활하게 하고 중간 회로에서 안정적인 전압을 유지하기 위해 정류기 유닛(12)과 병렬로 배치되는 커패시터(14)를 포함하는 것이 바람직하다. 제어 장치는 또한, 커패시터(14)와 병렬로, 잉여 에너지를 제거하는 회로(15)를 포함하는데, 이 회로(15)는 제동 저항기(16)와 제동 초퍼(braking chopper)(17)를 포함한다. 회로(15)는 제어 장치(11)가 접속되는 AC 모터(18)로부터 역 전력(reverse power)을 취급하도록 구성되어 있다.
또한, 제어 장치는 AC 모터(18)를 제어하기 위해 스위치 제어기(20)에 의해 형성된 모터 제어 유닛(19)을 포함한다.
그러나, 3-상 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 가장 간단한 방법은 단순 3-상 정류 브리지, 즉 6-펄스 정류기가 될 것이다. 도 2를 참조하면, 그리드로부터 보면, 이러한 브리지에 대한 전형적인 전류 소비를 나타내고 있다. 통상적으로, 정류기에 대하여 전류의 대략 25-30%의 총 고조파 왜곡이 있게 될 것이며, 주요한 요소는 기본 고조파의 제5, 제7, 제11 및 제13 차수가 될 것이다.
도 3은 상기 설명한 바와 같이, 6-펄스 정류기의 통상적인 전류 스펙트럼과 진폭을 나타낸다. 도 3을 참조하면, 제5 차수는 기본 고조파의 대략 25%이며, 제7 차수는 기본 고조파의 대략 8% 등이다.
이하, 본 발명의 제1 실시예에 따른 AC 모터(18)를 제어하기 위한 제어 장치(30)의 기본 구성을 나타내는 도 4a를 참조한다. 제어 장치(30)는 AC/DC 변압기, 바람직하게는 6-펄스 정류기의 형태로 된 정류기 유닛(12), 및 전류 산출을 평활하게 하고 DC 중간 회로(32) 내의 안정 전압을 유지하기 위한 DC 코일(31)을 포함한다. 정류기 유닛(12)은 DC 코일(31)과 함께, 전원(13)으로부터의 교류 전류를 직류 전류로 변환하는데, 이 직류 전류는 나중에 직류 전압을 가진 직류 전압 중간 회로(323)에 공급된다. 또한, 제어 장치(30)는 정류기 유닛(12) 및 DC 코일(31)과 병렬로 된 능동 프론트 앤드 유닛(33)(AFE 유닛)을 포함하는데, 이 능동 프론트 앤드 유닛은 교류 전압을 직류 전압으로 변환하고, 전원(13)으로 다시 회생 에너지를 공급하는 것과 관련해서 AC 접속(34)에 제공하고, 정류기 유닛(12)에 의해 생성되는 것과 반대의 초고조파 전류 성분을 투입하여 그리드 측에서의 전류 왜곡을 상쇄시킨다. AFE 유닛(33)은 능동 프론트 앤드 제어 유닛(37)과 함께, 하나 이상의 LCL 필터(35) 및 AC/DC 변압기(36)를 포함한다.
AFE 제어 유닛(37)은 정류기 유닛(12)에 의해 생기는 전류 소비(38)와 전압 품질(39)을 측정/판독하기 위한 수단과 DC 중간 회로(32) 내의 전압을 판독하기 위한 수단(40)을 포함하는 것이 바람직하다.
도 4b를 참조하면, 도 4b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 AC 모터(18)를 제어하기 위한 제어 장치(30)의 기본 구성을 나타내고 있다. 정류기 유닛(12)과 AFE 유닛을 같은 DC 버스(42)에 접속하는 실질적인 문제는 정류기 유닛(12)과 AFE 유닛(33) 사이에서 전류가 순환하는 것이다.
이것을 피하기 위해, 본 발명에 따른 제어 장치(30)에는 정류기 유닛(12) 내에 하나 이상의 스위치(도시 안 됨), 바람직하게는 사이리스터 스위치가 제공된다. 이에 의하면, 전원으로부터 에너지를 공급받을 필요가 없을 때에, 전류가 정류기 유닛(12)을 통해 흐르는 것을 차단하는 것이 가능하게 된다.
또한, 하나 이상의 스위치(43)는, 예를 들어 AFE 유닛(33)과 정류기 유닛(12) 사이의 직류 전압 접속으로 된 사이리스터 또는 IGBT 트랜지스터(절연된 게이트 쌍극 트랜지스터)인 것이 바람직하며, 이에 의해, AFE 유닛(33)과 DC 버스(42) 사이에서 전류가 흐르는 것을 차단할 수 있다.
능동 프론트 앤드 제어 유닛(37)은 AC 모터(18)의 전력 방향에 기초하여 상기 언급한 스위치(43)의 개방 및 차단을 제어(44)하도록 구성된다.
모터(12)가 모터로서 동작하고 그리드로부터 전력을 소비하는 경우, 정류기 유닛(12) 내의 사이리스터는 전원으로부터 DC 버스(42)로 전력을 공급하도록 개방되고, DC 버스(42)와 AFE 유닛(33) 사이의 스위치/사이리스터 브리지(43)는 폐쇄된다. 이어서, AFE 유닛(33)은 능동 필터로서 작용한다.
모터가 발전기로서 동작하는 경우, 정류기 유닛(12) 내의 사이리스터는 폐쇄되고, DC 버스(42)와 AFE 유닛(33) 사이의 스위치(43)는 개방된다. 이에 의해, AFE 유닛(33)은 그리드에 다시 전력을 공급할 수 있다. 이어서, AFE 유닛(33)은 회생 유닛(regenerative unit)으로서 동작한다.
DC 버스(42)와 AFE 유닛(33) 사이의 직류 전압 접속에 있는 스위치(43)/사이리스터를 폐쇄 및 개방하기 위하여, AFE 유닛(33)으로부터의 직류 전압을 정류기 유닛(12)으로부터의 직류 전압 이상 및 이하로 조정할 필요가 있다. AFE 유닛(33)과 접속된 능동 프론트 앤드 제어 유닛(37)은 AFE 유닛(33)으로부터의 직류 전압을 제어하도록 구성되며, 이에 의해, AFE 유닛(33)과 DC 버스(42) 사이의 사이리스터를 제어(44)할 수 있다.
AFE 유닛(33)과 DC 버스(42) 사이에 사이리스터(43)를 사용해서, AFE 유닛(33)으로부터의 직류 전압을 정류기 유닛(12)으로부터의 전압 이하로 감소시켜서, AFE 유닛의 IGBT 모듈 내의 바이패스 다이오드에 기인하여 AFE 유닛(33)으로부터의 전압보다 낮아지게 하는 경우, AFE 유닛(33)과 DC 버스(42) 사이의 직류 전압 접속을 차단할 수 있도록 하기 위해 AFE 유닛(33)에의 입력 전압을 감소시키는 단권 변압기(auto-transformer)를 AFE 유닛(33)의 입력에 제공하는 것이 바람직하다.
도 4a 및 도 4b를 참조하여 설명한다. 모터 제어 유닛(19)은 DC/AC 변압기와 제어 유닛(도시 안 됨)을 포함하는 것이 바람직하다. 제어 유닛은 외부 제어 시스템(도시 안 됨)으로부터의 입력에 따른 속도, 주파수 또는 파워 제어에 의해 모터(18)를 동작시킬 수 있다.
AFE 유닛(33)은 메인 유닛, 즉 모터 제어 유닛(19)의 15-30% 정도, 바람직하게는 20-30% 정도의 크기인 것이 전형적이다.
이에 의하면, 주로 정현파인 급전 그리드(13)로부터의 전류를 유입하며, 이에 따라 전류를 공급하는 급전 그리드(13)의 왜곡을 최소화하는 제어 장치(30)가 제공된다.
정상적인 동작하에서, AFE 유닛(33)은 능동 필터로서 작용할 것이며, 정류기 유닛(12)에 의해 생성되는 것과 반대의 초고조파 전류 성분을 투입해서, 그리드 측에서의 전류 왜곡을 상쇄시킨다. 메인 유닛/모터 제어 유닛(19)이 회생 동작을 하는 경우 또는 모터(18)가 제동되는 경우, AFE 유닛(33)은 4-쿼드런트 변압기로서 작용해서 에너지를 급전 그리드(13)로 다시 공급할 것이다.
AFE 유닛(33)에는, 정류기 유닛(12)에 대한 전압 품질 및 전류 소비의 측정에 기초하여 투입될 전류의 크기 및 위상각을 산출하기 위한 수단 및/또는 소프트웨어가 제공된다. 이에 의하면, AFE 유닛(33)은 초고조파 전류 성분을 AC 접속(34)을 통해 정류기 유닛(12)에 공급하도록 제어될 수 있다. 그리드 측에서 보면, 소비될 기본적인 고조파만 있게 된다.
예를 들어, 도 3을 참조하면, 100% 모터 부하에서, AFE 유닛(33)은 네거티브 방향을 가진 제5 차수 전류의 대략 20%와 네거티브 방향을 가진 제7 차수의 대략 5%를 전달할 것이며, 이에 따라 정류기 유닛(12)의 효과를 상쇄시킨다. 사용될 수 있는 전력을 전달하는 기본 고조파만 있게 된다.
AFE 유닛(33)은 회생 동작을 시작하여야 할 때, 즉 DC 중간 회로(32) 내에 잉여 에너지가 있는 경우를 제어하기 위한 중간 회로(32) 내의 직류 전압을 사용한다. 모터(18)가 제공될 때 또는 회생 동작을 할 때에, 정류기 유닛(12)을 통해 전류가 흐르지 않으며, 따라서 초고조파 성분을 투입하지 않아도 된다. AFE 유닛(33)은 급전 그리드(13)에 에너지를 다시 공급하는 데에 완전히 이용될 수 있게 된다.
스위치(41)는 제어 장치(30)와 전원/급전 그리드(13) 사이에 배치되어, 제어 장치(30)와 모터(18)의 접속 및 접속해제하도록 하는 것이 바람직하다.
AFE 및 변압기 해결방안에 대한 이러한 해결방안의 문제점은, DC 중간 회로(32) 내의 전압이 그리드 전압에 완전히 종속적이며, 모터 부하가 증가함에 따라 감소된다는 것이다. 변압기 또는 AFE에 의한 해결방안에서는, 이것을 보상하는 것이 가능하다. 따라서, 주파수 변환기의 크기 및 모터 전압의 설계는 이것을 고려해서 적용되어야 할 것이다. 충분한 DC 전압을 유지하는 모터 전압을 사용하는 것이 필요하다. 예를 들어, 690V 시스템에서, 모터 전압은 660V까지 감소되어야 할 것이다. 전류 용량은 모터의 효율을 유지하게 위해 이에 따라 더 높아야 할 것이다.
기존의 해결방안에 대한 본 발명의 장점은, 100% AFE 유닛 또는 상변화 변압기의 비용을 절감함으로써, 비용을 낮출 수 있다는 것이다. 제동 초퍼나 제동 저항을 구비할 필요가 없으며, 고조파 문제와 공진 문제를 고려할 필요가 없게 됨으로써, 본 발명에 따른 제어 장치에 대해 설치 및 기술적 작업이 단순하게 된다.
다른 장점은 전체적인 크기를 줄일 수 있다는 것인데, 대형의 상변화 변압기 또는 100% AFE 유닛, 및 제동 저항과 제동 초퍼가 필요하지 않기 때문이다.
또 다른 장점은 효율이 높아진다는 것인데, 본 발명에는 상변화 변압기에서의 손실이 없기 때문이다. AFE 유닛을 소형으로 함으로써 스위치에서의 손실이 감소되며, 제동 에너지의 회생에 의해 효율이 더 높아질 것이다.
또 다른 장점은 전체 시스템의 복잡도가 감소한다는 것이다. 본 발명은 상변화 변합기를 거치지 않거나 몇 개의 스위치보드로부터 공급되지 않고 고객에 직접 연결되고 간단한 설치를 제공한다. 또한, 급전 그리드 내의 최대 왜곡에 대한 요건을 취급하기 위한 외부 필터 또는 특별한 구성을 필요로 하지 않는다. 제동 저항이나 이들을 냉각시키기 위한 설치가 필요하지 않다.
또 다른 장점은, 본 발명이 주파수 변환기로부터의 고조파 왜곡을 고려할 필요가 없게 됨으로써 단순한 기술적 작업을 촉진시킨다. 즉, 본 발명에 따른 제어 장치 시스템은 통상적인 AFE 해결방안에 비해, 설치가 간단하다.
본 발명은 주로 선적용 배의 추진 설치에 관한 것이지만, 해결해야 할 동일한 문제를 갖는 다른 분야의 용도에도 사용될 수 있다. 예를 들어, 해양 또는 육지에의 펌프 설치/콤프레셔 설치나, 주파수 변환기로부터의 부하가 급전 그리드 내의 임피던스에 비해 큰 약한 그리드의 대형의 주파수 변환기 설치에도 적용된다.
변형예
정류기 유닛 뒤의 DC 코일은 정류기 유닛 앞의 3-상 AC 코일로 교체할 수 있다.
가변 모터 부하를 보상하기 위해, 에너지 저장 유닛이 DC 중간 회로 내에 배치될 수 있다.
AFE 유닛은 낮은 분하에서 모터 제어 유닛에 전력을 공급할 수 있다. 낮은 부하는 모터 유닛의 전력과 관련해서 AFE 유닛의 전력이 될 것이다(대략 25%).
전원(13)과 제어 장치(30) 사이에 저역통과 필터(RFI)를 설치해서, AFE 유닛(33)으로부터의 도통된 고주파수 잡음이 전원(13)으로 되돌아가는 것을 방지할 수 있다.
전류가 AFE 유닛 내의 바이패스 다이오드를 통과하지 못하도록 하기 위해, LCL 필터(35)와 접속하는 단권 변압기를 배치해서 AFE 유닛에의 전압을 감소시킬 수 있으며, 이에 의해, 정현파 전압의 최대값이 DC 중간 회로(32) 내의 DC 전압을 초과하지 않도록 한다. 이것은 AFE 유닛 내의 바이패스 다이오드를 통하는 전류가 AFE 유닛의 능동 필터 기능과 간섭하기 때문이다. 단권 변압기는 LCL 필터(35)의 앞에 배치되거나 LCL 필터(35)와 통합된다.

Claims (20)

  1. 모터 제어 유닛(19)에 의해 교류(AC) 모터(18)를 제어하는 제어 장치(30)로서,
    상기 제어 장치(30)는,
    정류기 유닛(12);
    하나 이상의 LCL 필터(35)를 구비하는 능동 프론트 앤드(AFE: active front-end) 유닛(33),
    AC/DC 변환기(36), 및
    능동 프론트 앤드 제어기(37)를 포함하며,
    상기 제어 장치(30)에는 전원/급전 그리드(13)로부터 에너지가 공급되고,
    상기 AFE 유닛(33)은 상기 정류기 유닛(12)과 병렬로 배치되어, 정상 동작 상태에서, 상기 정류기 유닛(12)에 의해 생기는 성분과 반대의 초고조파 전류 성분(super-harmonic current component)을 능동적으로 필터링 및 투입(inject)하여, 상기 그리드측에서의 전류 왜곡을 상쇄시키고, 상기 모터 제어 유닛(19)이 회생 작업을 수행하는 경우에는, 4-쿼드런트 변환기(4-quadrant converter)로서 동작하여 에너지를 상기 급전 그리드(13)에 다시 공급하는 것을 특징으로 하는 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 정류기 유닛(12)은, 하나 이상의 스위치, 바람직하게는 사이리스터 스위치(thyristor switch)를 포함하여, 상기 전원(13)으로부터 에너지를 공급받을 필요가 없을 때에는, 전류가 상기 정류기 유닛(12)을 통과하지 않도록 하는, 제어 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어 장치는 하나 이상의 스위치(43), 바람직하게는 사이리스터 스위치 또는 IGBT 트랜지스터 스위치를 포함하며, 상기 스위치는 상기 AFE 유닛(33)과 상기 정류기 유닛(12) 사이에 직접 전압 접속(direct voltage connection)이 가능하도록 해서, 상기 AFE 유닛(33)과 DC 버스(42) 사이에서 전류가 흐르지 않도록 하는, 제어 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 능동 프론트 앤드 제어기(37)는 상기 정류기 유닛(12) 내의 스위치와 상기 스위치(43)를 제어하는, 제어 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 AFE 유닛(33)은 상기 모터 제어 유닛(19)보다 낮은 전력을 갖는, 제어 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 AFE 유닛(33)은 상기 모터 제어 유닛(19)의 전력의 15-50%, 바람직하게는 모터 제어 유닛(19)의 효율의 20-30%에 해당하는 전력을 갖는, 제어 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 AFE 유닛(33)은 전압 품질(voltage quality)을 측정하기 위한 수단(39) 및 상기 정류기 유닛(12)에 대한 전류 소비를 측정하는 수단(38)을 포함하는, 제어 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 AFE 유닛(33)은, 상기 AFE 유닛(33)이 상기 급전 그리드(13)에 다시 에너지를 공급하기 위해 전류를 투입하거나 회생을 위한 동작을 수행하여야 하는지 여부를 판정하기 위해, DC 중간 회로(32) 내의 전압을 측정하는 수단(40)을 포함하는, 제어 장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 AFE 유닛(33)은, 상기 그리드 측에서의 전류 왜곡을 상쇄하기 위해 투입하여야 하는 전류의 크기를 판정하고 투입할 전류의 위상각 및 크기를 계산하기 위한 수단 및/또는 소프트웨어를 포함하는, 제어 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 정류기 유닛(12)은 6-펄스 정류기이며, 상기 정류기 유닛(12)의 뒤에 배치되는 DC 코일(31) 또는 상기 정류기 유닛(12)의 앞에 배치되는 AC 코일을 포함하여, DC 중간 회로(32) 내에서 전류 소비를 평활하게 하고 안정적인 전압을 유지하는, 제어 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 모터 제어 유닛(19)은 DC/AC 변환기, 및 속도, 주파수 또는 전력 제어에 의해 상기 모터(18)를 동작시킬 수 있는 제어 유닛을 포함하는, 제어 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 LCL 필터(35)의 앞에 배치된 또는 상기 LCL 필터(35)와 통합되는 단권 변압기(auto-transformer)를 더 포함하며, 상기 단권 변압기는 상기 모터 제어 유닛(19)의 동작하에서 상기 AFE 유닛(33) 내의 바이패스 다이오드를 통해 전류가 흐르지 못하도록 하기 위해 상기 AFE 유닛(35)에 대한 전압을 감소시키도록 구성된 것인, 제어 장치.
  13. 모터 제어 유닛(19)에 의해 교류(AC) 모터(18)를 제어하는 방법으로서,
    제어 장치(30)는, 정류기 유닛(12), 하나 이상의 LCL 필터(35)를 구비하는 능동 프론트 앤드(AFE: active front-end) 유닛(33), AC/DC 변환기(36), 및 능동 프론트 앤드 제어기(37)를 포함하며, 상기 제어 장치(30)에는 전원/급전 그리드(13)로부터 에너지가 공급되고, 상기 정류기 유닛(12)과 병렬로 배치된 상기 AFE 유닛(33)에 의해, 상기 정류기 유닛(12)에 의해 생기는 성분과 반대의 초고조파 전류 성분(super-harmonic current component)을 능동적으로 필터링 및 투입(inject)하여, 상기 모터 제어 유닛(19)이 AC 모터(18)로서 동작할 때에, 상기 그리드측에서의 전류 왜곡을 상쇄시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 AFE 유닛(33)에 의해, 상기 모터 제어 유닛(19)이 회생 동작을 하거나 상기 AC 모터(18)가 제동 동작을 할 때에, 회생 에너지를 사기 급전 그리드(13)로 다시 공급하는 단계를 포함하는, 방법.
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서,
    상기 정류기 유닛(12) 내에 배치된 하나 이상의 스위치(43)에 의해, 상기 전원(13)으로부터 에너지를 공급받을 필요가 없을 때에는, 상기 정류기 유닛(12)을 통과하는 전류를 차단하는 단계를 포함하는 방법.
  16. 제13항 또는 제14항에 있어서,
    상기 AFE 유닛(33)과 상기 정류기 유닛(12) 사이에 DC 전압 접속하도록 배치된 하나 이상의 스위치(43)에 의해, 상기 AC 모터(18)의 전력의 방향에 기초하여 상기 AFE 유닛(33)과 DC 버스(42) 사이로 흐르는 전류를 차단하는 단계를 포함하는 방법.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 그리드 측에서의 전류 왜곡을 상쇄하기 위해 투입할 필요가 있는 전류 크기를 판정하기 위해 상기 정류기 유닛(12)에 대한 전압 품질과 전류 소비를 측정하는 단계를 포함하는 방법.
  18. 제13항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서.
    측정한 전류 품질과 전류 소비에 기초하여, 상기 그리드 측에서의 전류 왜곡을 상쇄하기 위해 투입할 필요가 있는 전류의 크기를 판정하도록, 전류의 크기 및 위상각을 계산하는 단계를 포함하는 방법.
  19. 제13항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    전류를 투입해야 하는지 또는 회생 에너지가 상기 급전 그리드(13)로 다시 공급되어야 하는지를 판정하기 위해 DC 중간 회로(32) 내의 전압을 측정하는 단계를 포함하는 방법.
  20. 제13항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    LCL 필터(35)의 앞에 배치된 또는 상기 LCL 필터(35)와 통합되는 단권 변압기(auto-transformer)를 사용하여, 정현파 전압의 최대값이 상기 중간 회로(32) 내의 DC 전압을 초과하지 않도록 하기 위해, 상기 모터 제어 유닛(19)의 동작하에서 상기 AFE 유닛(33) 내의 바이패스 다이오드를 통해 전류가 흐르지 못하도록 해서, 상기 AFE 유닛(35)에 대한 전압을 감소시키는 단계를 포함하는 방법.
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