KR20140057185A - 내연기관에 의해 구동되는 발전기의 회전 불균일성으로 인한 전압 리플의 감소 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 내연기관에 의해 구동되는 발전기의 출력 전압에서 내연기관의 회전 불균일성에 의해 야기되는 리플을 감소시키기 위한 방법에 관한 것이며, 상기 발전기는 고정자 권선과, 회전자 권선과, 이 회전자 권선에 할당되어 발전기의 출력 전압을 조절하기 위한 계자 조절기와, 제어 가능한 스위칭 부재들을 구비하여 하류에 연결되는 전류 변환기를 포함하며, 전압 리플의 감소를 위해 전류 변환기의 스위칭 부재들의 상응하는 제어를 통해 발전기의 출력 전압이 고정자 측에서 조절된다.

Description

내연기관에 의해 구동되는 발전기의 회전 불균일성으로 인한 전압 리플의 감소 방법{METHOD FOR REDUCING A VOLTAGE RIPPLE ON THE BASIS OF ROTATIONAL NON-UNIFORMITY OF A GENERATOR DRIVEN BY AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 내연기관에 의해 구동되는 발전기의 출력 전압에서 내연기관의 회전 불균일성에 의해 야기되는 리플을 감소시키기 위한 방법에 관한 것이다.
자동차에서는 전기 여기부를 포함하는 일반적인 클로폴 발전기(claw-pole generator)가 발전기로서 이용된다. 회전자 권선을 통과하는 전류는 목표하는 출력 전압 또는 요구되는 토크를 조절하기 위한 조절 변수로서 이용되고, 할당된 계자 조절기에 의해 사전 설정된다. 상기 유형의 조절은, 조절이 이루어지지 않을 경우 매우 다양한 엔진 속도에 의해 발전기로부터, 경우에 따라 하류에 배치되는 전기 시스템을 손상시킬 수도 있는 강하게 변동하는 전압 값들이 공급될 수도 있기 때문에 필요하다.
회전자 권선은 전형적으로 150㎳ 초과의 시간 상수(> 150㎳)를 갖기 때문에, 신속한 조절 과정은 불가능하다. 그러나 이는 특히 속도가 낮은 경우, 특히 아이들링 속도의 범위에서 전압 리플을 야기하는데, 그 이유는 여기서 발전기의 출력 전류가 매우 강하게 속도에 좌우되기 때문이다. 속도가 회전 불균일성으로 인해 상기 범위에서 매우 빠르게 변동한다면, 계자 조절기는 회전자 자계의 회전자 시간 상수로 인해 변동에 대해 충분히 신속하게 반응할 수 없으며, 그럼으로써 발전기 출력 전압의 의도하지 않은 리플이 발생한다. 이런 효과는 회전자 권선에 추가로 누설 자속 보상을 위한 영구 자석들을 포함하는 발전기들의 경우 여전히 강화되는데, 그 이유는 여기서 출력 곡선이 훨씬 더 가파른 상승을 나타내기 때문이다.
EP 0 847 485 B1호에는 내연기관의 회전 불균일성으로 인한 토크 변동을 감쇠하기 위한 감쇠 방법이 개시되어 있으며, 이 경우 발전기는 토크 변동을 보상하기 위해 모터로 이용된다. 그러나 그럼으로써 전압 리플은 여전히 강화된다.
그러므로 바람직하게는 내연기관에 의해 구동되는 발전기의 출력 전압의 리플을 감소시키기 위한 가능성이 제시되어야 한다.
본 발명에 따라, 내연기관에 의해 구동되는 발전기의 출력 전압에서 내연기관의 회전 불균일성에 의해 야기되는 리플을 감소시키기 위한 방법이며, 특허 청구항 제1항의 특징들을 포함하는 상기 리플 감소 방법이 제안된다. 바람직한 구현예들은 종속항들 및 하기 설명의 대상이다.
본 발명은 특히 바람직하게는, 제어 가능한 스위칭 부재들을 포함하는 전류 변환기에 의해 출력 전압이 정류되는 발전기들에서 이용된다. 상기 전류 변환기는 동기 정류기, 승압 변환기, 감압 변환기, 펄스 폭 변조 인버터로 등으로서 작동될 수 있다. 본원에서는, 스위칭 부재들의 상응하는 제어를 통해 고정자 측에서 조절하기 위한 특히 간단한 가능성이 제공되며, 그럼으로써 정류 각도와 그에 따라 출력 직류 전압도 영향을 받게 된다.
제어 가능한 스위칭 부재들을 포함하는 전류 변환기들은 자동차에서 발전기들의 경우 증폭되는 방식으로 이용된다. 한편으로 전류 변환기들은 효율과 관련하여 장점을 제공하고, 다른 한편으로 예컨대 내연기관을 시동하거나 추진 시 보조하도록 하기 위해 모터로서의 발전기의 작동도 가능하게 한다. 상응하는 전류 변환기를 포함하는 발전기는 예컨대 DE 100 27 859 A1호에 개시되어 있다.
전류 변환기를 포함한 발전기들(예컨대 펄스 폭 변조 인버터를 포함한 기동 발전기들)의 경우, 전류 레벨은 고정자 측에서 스위칭 부재들 또는 정류기 부재들, 통상 트랜지스터들의 목표하는 제어를 통해 조절된다. 고정자 권선은 회전자 권선보다 훨씬 더 낮은 시간 상수를 보유하기 때문에, 상기 유형의 조절은 설명한 전압 변동을 감쇠하기에 특히 적합하다. 차량 전기 시스템 내 조절 전압 변동은 최소화된다.
본 발명은, 실질적으로, 아이들링에 가까운 범위에서 전기 기계의 발전기 작동 모드에서, 발전기 전류가 최대 속도에서 감소하고 최소 속도에서는 상승하도록, 정류 각도가 제어되는 소위 전기 프리휠 시스템을 이용하는 조치를 기반으로 한다. 이는 더욱 낮은 전류 리플과 그에 따라 더욱 낮은 전압 리플도 달성한다. 조절을 위한 적합한 입력 변수들은 발전기 속도 및 발전기 전압뿐 아니라, 여기 전계의 위치이다.
조절은 바람직하게는, 전압 리플이 사전 설정 가능한 임계값, 예컨대 100㎷를 초과하고, 발전기 교번 전압의 주파수가 사전 설정 가능한 범위, 예컨대 25 내지 200Hz 이내에 위치하며, 발전기 속도는 사전 설정 가능한 범위, 예컨대 1,000 ~ 1,800U/min 이내에 위치할 때 이용된다. 조절은 바람직하게는 발전기 속도가 사전 설정 가능한 임계값, 예컨대 2,000U/min을 초과할 때 종료된다. 그런 후에 다시 종래의 방식으로 회전자 측에서 계자 조절기를 통해 조절이 이루어지고, 그런 다음 전류 변환기는 대개 동기 정류기로서 작동된다. 본 발명에 따르는 조절을 이용할 경우, 정류 각도는, 전압 리플이 최소가 되거나 허용 가능한 임계값 미만이 될 때까지 스위칭 부재들의 상응하는 제어에 의해 변경된다. 정류 각도의 변경을 통해, 전류 변환기 내에서 전류의 성분이 단락되며, 그럼으로써 출력단에서 리플이 감소하게 된다.
본 발명에 따르는 처리 유닛, 예컨대 자동차의 제어 장치는 특히 프로그램 기술 측면에서 본 발명에 따르는 방법을 실행하도록 장착된다.
본 발명의 추가의 장점들과 구현예들은 본 명세서와 첨부한 도면으로부터 분명하게 제시된다.
자명한 사실로서, 전술되고 하기에서 여전히 설명되는 특징들은 각각 명시된 조합으로 이용될 뿐 아니라, 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 또 다른 조합 또는 단독으로 이용될 수 있다.
본 발명은 실시예들에 따라 도면에 개략적으로 도시되어 있으며 하기에서 도면과 관련하여 상세하게 설명된다.
도 1은, 본 발명의 기초가 될 수 있는 것과 같은, 제어 가능한 스위칭 부재들을 구비한 전류 변환기를 포함하는 발전기의 실시예이다.
도 2는, 본 발명을 실행하기 위한 본 발명에 따라 형성된 제어 유닛의 실시예이다.
도 3a은 종래 기술에 따르는 조절 시 전류 파형, 전압 파형 및 속도 파형을 나타낸 그래프이다.
도 3b는 본 발명의 실시예에 따르는 조절 시 전류 파형, 전압 파형 및 속도 파형을 나타낸 그래프이다.
도 1에는 본 발명의 기초가 될 수 있는 것과 같은 전기 기계가 회로도 유형으로 도시되어 그 전체가 "100"으로 표시되어 있다. 전기 기계는 발전기 컴포넌트(10)와 전류 변환기 컴포넌트(20)를 포함한다. 전류 변환기 컴포넌트는 기계의 발전기 작동 모드에서 대개 정류기로서 작동된다.
발전기 컴포넌트(10)는 별 모양으로 상호 연결된 고정자 권선들(11)과, 다이오드에 대해 병렬로 접속된 여자기 또는 회전자 권선(12)의 형태로 개략적으로만 도시되어 있다. 회전자 권선은 전류 변환기 컴포넌트(20)의 단자(24)와 연결된 회로 차단기(13)에 의해 클록 제어 방식으로 스위칭된다. 회로 차단기(13)의 제어는 계자 조절기(15)에 따라 이루어지고, 회로 차단기(13)는 회전자 권선(12)에 대해 병렬로 접속된 다이오드와 마찬가지로 대개 계자 조절기의 응용 주문형 집적 회로(ASIC) 내에 통합된다.
본 출원의 범위에서는 3상 발전기가 설명된다. 그러나 근본적으로 본 발명은 3상보다 낮거나 높은 상의 발전기들, 예컨대 5상 발전기들에서도 이용될 수 있다.
전류 변환기 컴포넌트(20)는 여기서 B6 회로로서 형성되고, 예컨대 MOSFET(21)로서 형성될 수 있는 스위칭 부재들(21)을 포함한다. MOSFET(21)는 예컨대 버스 바(bus bar)들을 통해 발전기의 각각의 고정자 권선들(11)과 연결된다. 또한, MOSFET는 단자들(24, 24')과 연결되고 그에 상응하는 제어 시 자동차의 전기 시스템(30)을 위한 직류 전류를 공급한다. 스위칭 부재들(21)의 제어는 제어 유닛(25)에 의해 제어 채널들(26)을 통해 이루어지며, 이들 제어 채널들은 명확성을 위해 그 모두가 도면 부호로 표시되어 있지는 않다. 제어 유닛(25)은 상 채널들(27)을 통해 개별 고정자 권선들의 각각의 상 전압을 수신한다. 상기 상 전압들을 공급하기 위해 추가 유닛들이 제공될 수 있지만, 명확성을 위해 상기 유닛들은 도시되어 있지는 않다.
제어 유닛(25)은 (동기) 정류기 작동 모드에서 상 채널들(27)을 통해 공급되는 상 전압들의 분석을 실행하고 그로부터 개별 MOSFET(21)의 각각의 스위치 온 및 스위치 오프 시점을 결정한다. 제어 채널들(26)을 통한 제어는 MOSFET(21)의 게이트 단자들에 작용한다.
본 실시예의 범위에서 제공되는 계자 조절기(15)와 같은 공지된 계자 조절기들은, 발전기의 고정자 권선의 위상과 연결되는 소위 단자 V형 단자(19)를 포함한다. 단자 V 신호 또는 상 입력 신호의 주파수는 조절기(15) 내에서 분석되고 상기 신호의 특성 변수들에 따라서 조절기 작동을 활성화하거나 비활성화하고 종국에는 제어 라인(14)을 통해 회로 차단기(13)를 제어하는 역할을 한다. 상 신호 입력단(19)을 위한 상 신호는 도시된 것처럼 제어 유닛(25)에 의해서도 안내될 수 있다.
엔진 시동 시에 발전기 회전자는 계자 권선(12)과 함께 회전을 개시하며, 전압이 고정자 권선들(11) 내로 유도된다. 상기 상 전압들은 예컨대 주파수로 제어 유닛(25)에 의해 검출되어 개별 MOSFET(21)을 위한 제어 신호들의 유도 또는 결정을 위해 이용된다.
다음에서는 본 발명의 특히 바람직한 실시예가 도 1 및 도 2와 관련하여 더욱 상세하게 설명되며, 도 2에는 본 발명의 특히 바람직한 실시예를 실행하도록 장착된 제어 유닛(25)이 도시되어 있다. 제어 유닛(25)에는 입력 신호들로서 발전기 전압(UG)의 시간 곡선, 발전기 컴포넌트(10)의 순간 속도(nG) 및 발전기 컴포넌트의 위치 각도(
Figure pct00001
)가 공급된다. 이 경우, 위치 센서는 여기 전계의 상 위치를 측정한다. 전기 기계가 다이오드들과 함께 발전기로 작동될 수도 있다면, 상기 다이오드들은 자연 정류 시점(다이오드 전류의 제로 크로싱)에 정류한다. 그러나 스위칭 부재들, 예컨대 파워 반도체들을 이용할 경우, 상기 정류 시점은 변위될 수 있으며, 다시 말하면 파워 반도체들은 더욱 오래 또는 더욱 짧게 통전된다.
한편, 본 발명을 바탕으로, 제어 유닛(25)은, 출력 전압 리플의 감소를 위해 스위칭 부재들(21)을 제어하도록 하기 위해, 상응하는 제어 신호들을 결정한다. 이를 위해, 정류 각도(그에 따라 동기 생성 전압과 고정자 전압 간의 상 위치)는, 발전기 전류가 최대 속도에서 감소하고 최소 속도에서는 상승하도록 변경된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따라서, 속도가 낮은 경우, 전압 리플이 최소가 되거나 허용 가능한 임계값 미만이 될 때까지, 정류 각도가 스위칭 부재들(21)의 상응하는 제어에 의해 변경된다.
발전기 전압의 고정자 측 조절은 더욱 바람직하게는 아이들링 속도 안팎의 낮은 속도 범위, 예컨대 1,000 내지 1,800U/min 이내에서만 실행된다. 발전기 속도(nG)가 사전 설정 가능한 임계값, 예컨대 2,000U/min을 초과한다면, 발전기 전압은 다시 종래의 방식으로 계자 조절기(15)를 통해 회전자 권선(12)을 통과하는 전류의 사전 설정에 의해 조절된다.
도 3a에는 도 1에 따르는 전기 기계(100)의 종래 기술에 따르는 제어 시에 발생하는 것과 같은 전류 파형, 전압 파형 및 속도 파형이 시간에 걸쳐 도시되어 있다. 이 경우, 발전기 속도(nG)의 시간 곡선은 그래프 "301"에, 단자들(24 및 24')에서 발생하는 것과 같은 정류된 출력 전압(UBatt)의 시간 곡선은 그래프 "302"에, 그리고 관련된 출력 전류(IBatt)의 시간 곡선은 그래프 "303"에 도시되어 있다. 그래프를 통해, 회전 불균일성으로 인해, 출력 전압(UBatt)뿐 아니라 출력 전류(IBatt)의 분명한 리플이 발생하는 점을 확인할 수 있다.
이와 비교하여, 도 3b에는 도 1에 따르는 전기 기계(100)의 본 발명에 따르는 제어 시에 발생하는 출력 전압(UBatt) 및 출력 전류(IBatt)의 시간 곡선이 도시되어 있다. 출력 전류(IBatt)의 시간 곡선은 그래프 "403"에, 그리고 출력 전압(UBatt)의 시간 곡선은 그래프 "402"에 도시되어 있다. 도 3b에 따르는 발전기 속도(nG)의 시간 곡선은 도 3a에 따르는 시간 곡선(301)에 상응한다. 그래프를 통해, 스위칭 부재들의 바람직한 제어를 바탕으로, 출력 전압(UBatt)뿐 아니라 출력 전류(IBatt)의 리플의 분명한 감소가 달성될 수 있음을 확인할 수 있다.

Claims (8)

  1. 내연기관에 의해 구동되는 발전기(10)의 출력 전압(UBatt)에서 내연기관의 회전 불균일성에 의해 야기되는 리플을 감소시키기 위한 방법이며, 상기 발전기는 고정자 권선(11)과, 회전자 권선(12)과, 회전자 권선(12)에 할당되어 발전기(10)의 출력 전압을 회전자 측에서 조절하기 위한 계자 조절기(15)와, 제어 가능한 스위칭 부재들(21)을 구비하여 하류에 연결되는 전류 변환기(20)를 포함하며, 전압 리플의 감소를 위해, 전류 변환기(20)의 스위칭 부재들(21)의 상응하는 제어를 통해 발전기의 출력 전압(UBatt)의 고정자 측 조절이 실행되는, 리플 감소 방법.
  2. 제1항에 있어서, 발전기(10)의 출력 전압(UBatt)의 고정자 측 조절은 발전기 속도(nG)가 제1 임계값 미만인 경우에 실행되는, 리플 감소 방법.
  3. 제2항에 있어서, 제1 임계값은 내연기관의 아이들링 속도에 따라 사전 설정되는, 리플 감소 방법.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 발전기(10)의 출력 전압의 회전자 측 조절은 발전기 속도(nG)가 제2 임계값을 상회하는 경우 회전자 권선(12)을 통과하는 전류의 설정을 통해 실행되는, 리플 감소 방법.
  5. 제4항에 있어서, 제2 임계값은 제1 임계값에 따라 사전 설정되는, 리플 감소 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 조절은, 출력 전압(UBatt)의 리플이 사전 설정 가능한 제3 임계값을 초과할 때에만 실행되는, 리플 감소 방법.
  7. 특히 자동차를 위한 에너지 공급 유닛(100)이며, 고정자 권선(11)과, 회전자 권선(12)과, 회전자 권선(12)에 할당되어 발전기의 출력 전압을 회전자 측에서 조절하기 위한 계자 조절기(15)를 구비한 발전기(10)뿐 아니라, 제어 가능한 스위칭 부재들(21)을 구비하여 하류에 연결되는 전류 변환기(20)를 포함하는, 에너지 공급 유닛(100)에 있어서,
    고정자 측에서 발전기의 출력 전압을 조절하기 위한 수단으로서, 전류 변환기(20)의 스위칭 부재들(21)의 상응하는 제어를 통해 출력 전압을 조절하도록 장착된 수단(25)을 특징으로 하는, 에너지 공급 유닛(100).
  8. 제7항에 있어서, 출력 전압을 조절하기 위한 상기 수단(25)은, 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따르는 방법을 실행하도록 장착된 처리 유닛으로서 형성되는, 에너지 공급 유닛(100).
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