KR20140075596A - 전기 기기의 저항 추정 - Google Patents

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KR20140075596A
KR20140075596A KR1020130148747A KR20130148747A KR20140075596A KR 20140075596 A KR20140075596 A KR 20140075596A KR 1020130148747 A KR1020130148747 A KR 1020130148747A KR 20130148747 A KR20130148747 A KR 20130148747A KR 20140075596 A KR20140075596 A KR 20140075596A
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제임스 터너 마이클
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니덱 에스알 드라이브즈 리미티드
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Abstract

단방향 여자력이 인가되는 권선을 갖는 전기 기기에서, 예를 들어 저역필터를 (아날로그 영역 또는 디지털 영역에서) 사용하여 순시 상 전압 및 순시 상 전류로부터 전압과 전류의 평균값을 계산할 수 있다. 그 후 권선 저항은 평균 전압을 평균 전류로 나누어 산출할 수 있다. 이 방법으로 기존 온도 센서의 비용, 취약함과 잠재적인 부정확성을 방지하고 권선 온도의 지속적인 추정치를 제어기에 제공한다.

Description

전기 기기의 저항 추정{Estimation of Resistance in Electrical Machines}
본 발명은 전기 기기의 상(phase) 권선 저항의 추정에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 단방향 상 전류로 운전되는 그러한 전기 기기에서 상 권선 저항의 추정에 관한 것이다.
대부분의 전기 기기가 코일에 교류를 인가받아 동작하지만, 몇몇 유형의 기기는 단방향 전류로 동작한다. 이러한 전기 기기에는 직류기기와 이중돌극형(doubly salient) 릴럭턴스 기기가 포함된다. 일반적으로, 릴럭턴스 기기에서 토크는 기기 가동부가 자기(magnetic) 회로의 자기 저항(reluctance)이 최소화하는 위치, 즉 여자용 권선(exciting winding)의 인덕턴스가 최대화하는 위치로 이동하려는 경향에 의해 생성된다. 일부 예에서는, 회로를 설치해서 회전자의 각도 위치를 검출하고, 회전자 위치의 함수로 상 권선을 여자(energising)한다. 이런 유형의 릴럭턴스 기기는 일반적으로 스위치드 릴럭턴스 기기(Switched Reluctance Machine)로 알려져 있으며, 전동기 또는 발전기로서 동작시킬 수 있다. 스위치드 릴럭턴스 기기를 포함하는 전기 구동장치의 대체적인 설명은 다양한 문헌에서 찾을 수 있다. 예를 들어, "Electronic Control of Switched Reluctance Machines" by THE Miller, Newnes, 2001"이 있고 이는 참조로 본 명세서에 포함된다. 이러한 스위치드 릴럭턴스 기기의 특성은 잘 알려져 있으며, 예를 들어, "The Characteristics, Design and Application of Switched Reluctance Motors and Drives”by Stephenson and Blake, PCIM’93, Nurnberg, 21-24 June 1993,"에 기재되어 있고 참조로 본 명세서에 포함된다. 이 논문은 스위치드 릴럭턴스 기기의 특징들이 복합적으로 상 권선들의 인덕턴스를 반복적으로 변화시키는 기능에 대해 비교적 상세히 설명한다. 권선을 여자하는 타이밍을 바꾸는 것만으로 이러한 기기를 전동기 또는 발전기 모드 중 하나로 작동시킬 수 있다는 것은 해당 분야에서 주지의 사실이다.
도 1은 부하(19)에 연결된 전형적인 스위치드 릴럭턴스 구동 기기의 주요 구성 요소를 보여주고 있다. 입력 DC 전원(11)은 일반적으로 배터리 또는 AC 주전원의 정류 및 필터링된 출력으로 얻어지고 고정 혹은 가변 전압으로 이루어질 수 있다. 전원(11)에서 제공하는 DC 전압은 전자 제어기(14)의 제어 하에 전력 변환기(13)에 의해 모터(12)의 상 권선들(16)에 걸쳐 스위칭된다. 구동 기능이 제대로 작동하기 위하여는 스위칭이 회전자의 회전 각도에 제대로 동기화해야 한다. 회전자 위치 검출기(15)는 전통적으로 회전자의 각도 위치를 나타내는 신호를 공급하기 위하여 사용된다. 또한, 회전자 위치 검출기(15)의 출력은 속도 피드백 신호를 생성하는 데 사용할 수 있다.
스위치드 릴럭턴스 기기의 상 권선의 통전(energisation)은 회전자의 각도 위치 감지에 의존한다. 이는 전동기로 동작하는 릴럭턴스 기기의 스위칭을 도시하는 도 2 및 도 3을 참조하여 설명할 수 있다. 도 2는 회전자 자극(20)이 고정자 자극(21)에 대체로 화살표 22로 표시된 방향으로 접근하는 모습을 보여준다. 도 2에 나타낸 것과 같이, 하나의 완전한 상 권선(16)의 일부(23)가 고정자 자극(21)에 감겨 있다. 고정자 자극(21) 둘레의 상 권선(16) 부분(23)에 전원이 공급되면 회전자에 힘이 작용하여 회전 자극(20)을 끌어당겨 고정자 자극(21)과 정렬되게 하려는 경향이 일어난다. 도 3은 전력 변환기(13) 내에서 상 권선(16)의 통전을 제어하고 고정자 자극(21) 둘레의 부분(23)을 포함하는 전형적인 스위칭 회로를 대략적으로 나타낸다. 전압 버스(36, 37)는 일반적으로 DC 링크로 알려져 있고 이들 양단의 캐패시터(35)는 DC 링크 캐패시터로 알려져 있는데, DC 링크 상의 교류 전류를 처리하는 기능을 갖는다. 스위치(31 및 32)가 닫혀 있을 때, 상 권선은 DC 전원에 연결되어 여기된다. 스위치드 릴럭턴스 기기의 상 권선이 위와 같이 여기되었을 때, 이 자기 회로에 있는 자속에 의해 형성되는 자기장이 원주방향의 힘을 일으키고 이 힘이 회전 자극을 당겨 고정 자극과 정렬시키는 작용을 한다.
일반적으로 상 권선은 여기되어 다음과 같은 회전자의 회전 효과를 일으킨다. 회전자의 제 1 각 위치("턴-온 각" θon 이라고 함)에서 제어기(14)는 두 스위칭 장치(31 및 32)를 턴 온 하도록 스위칭 신호를 제공한다. 스위칭 장치( 31,32)가 켜져 있을 때, 상 권선은 DC 링크에 연결되어, 기기 내에 증가하는 자속이 확립된다. 자속은 전동기 작동 토크를 생성하기 위해 회전자 자극들에 작용하는 자기장을 공극에 발생한다. 기기의 자속은 DC 전원(11)으로부터 스위치(31,32) 및 상 권선(23)을 통해 흐르는 전류에 의해 제공되는 기자력(magneto-motive force:mmf)의 지지를 받는다. 전류 피드백이 일반적으로 채용되고 상 전류의 크기는 스위칭 장치들(31 및/또는 32) 중 하나 또는 모두를 빠르게 열거나 닫아 전류를 쵸핑(chopping)함으로써 제어된다. 도 4(a)는 쵸핑 동작 모드의 전형적인 전류 파형을 보여주는데, 여기서 전류는 2개의 고정된 레벨 사이에서 쵸핑되어 있다. 전동 기능 동작시에, 턴-온 각 θon은 종종 회전자의 양극간 공간의 중심선이 고정자 자극의 중심선과 정렬되게 하는 회전자 위치인 것으로 선택되지만, 다소 다른 각도가 되어도 좋다. 또한, 도 4(a)는 상 권선의 이상적인 인덕턴스 프로파일의 형태를 나타낸다.
많은 시스템에서, 회전자가 "자유회전 각", θfw 라는 각도에 도달하도록 회전할 때까지 상 권선은 DC 링크에 계속 연결된(또는 쵸핑이 채용되는 경우 간헐적으로 연결된) 상태를 유지한다. 회전자가 자유회전 각(예를 들어, 도 2 에 표시된 위치)에 해당하는 각 위치에 도달하면, 스위치들 중 하나, 예를 들어 스위치(31)이 오프된다. 그 결과, 상 권선을 흐르는 전류는 흐름을 지속하지만 이제 스위치 중 하나만(이 경우 32)을 통하고 다이오드(34/33) 가운데 오직 하나(이 예에서는 34)만을 통해 흐르게 된다. 이 자유회전 기간 동안 상 권선 양단의 전압 강하는 작아지고 자속은 실질적으로 일정하게 유지된다. 회로는 이 자유회전 상태를 지속하기를 회전자가 "턴-오프 각" θoff 로 알려진 각 위치로 회전할 때까지(회전자 극의 중심선이 고정자 자극의 그것과 정렬된 때 등) 이어간다. 회전자가 턴-오프 각에 도달하면 두 스위치(31,32) 모두 턴 오프되고 상 권선(23)의 전류는 다이오드들(33 및 34)을 통해 흐르기 시작한다. 다음, 다이오드들(33 및 34)은 반대의 의미에서 DC 링크로부터 DC 전압을 인가하면서 기기의 자속(따라서 상 전류) 감소를 일으킨다.
다른 스위칭 각도 및 다른 전류 제어 체제를 사용할 수 있음은 당 기술 분야에 알려져 있다. 마찬가지로, 다른 많은 구성의 적층 형상, 권선 토폴로지 및 스위칭 회로가 당 기술 분야에 알려져 있으며, 그 중 일부는 위에서 인용한 스테펜손 & 블레이크 논문에 나와있다.
기기의 속도가 높아지면 전류가 쵸핑 레벨까지 증가할 시간이 부족하여 구동은 보통 "단일 펄스" 동작 모드로 이루어진다. 이 모드에서는 턴-온, 자유회전 및 턴-오프 각들이, 예를 들면, 속도와 부하 토크의 함수로 선택된다. 일부 시스템에서는 자유회전의 각도 기간을 사용하지 않는, 즉 스위치들(31 및 32)이 동시에 온 오프 스위칭되는 경우가 있다. 도 4(b)는 이렇게 자유회전 각이 0으로 되는 전형적 단일 펄스 전류 파형을 보여준다. 턴-온, 자유회전 및 턴-오프 각들의 값이 미리 정해져 어떤 적절한 형식으로 저장되어 필요에 따라 제어 시스템에 의해 검색받게 되거나 실시간으로 계산 또는 추정될 수 있음은 잘 알려져 있다.
또한, 쵸핑 및 단일 펄스 동작 모드 모두에서 상 권선의 전류가 단방향임은 명심할 점이다. 수학적으로, 이것은 제로 주파수 성분(소위 "DC 성분" 또는 "평균값")과 고주파에서의 구성 요소 집합으로 나타낼 수 있다. 이것은 직류 성분이 존재하지 않는 다른 전기 기기들과의 중요한 차이이다.
엄밀히 말하면 위의 제로 주파수 성분에 대한 언급은 일정한 속도 또는 출력과 권선 온도에서의 정상 상태 운전(유출하는 평균 전류는 일정한 상태)을 상정한 것이다. 동작 조건이 일정하지 않은 경우에 "제로 주파수"성분은, 실질적으로 운전 상태의 변화의 시정수(time constant of changes)에 의해 적어도 부분적으로 결정되는 주파수 성분을 포함하는 저주파 성분일 것이다. 어떤 경우에도 "제로 주파수"또는 저주파 성분의 주파수 성분은 위에서 언급한 고주파 성분보다 훨씬 낮은데, 그 요인으로는 예를 들어, 해당 상 권선을 여기하도록 스위치들을 작동시키는 스위칭 순서, 그리고 잡음과 기타 고주파 섭동이 있다.
따라서, 상 전류에는 변하는 동작 조건에 적어도 일부 기인하여 가상적인(nortional) 한계 주파수 이하의 주파수 성분을 가지는 저주파 성분이 들어 있다. 안정된 정상 상태 동작(예를 들어, 정속, 일정 출력 및 온도)에서, 저주파 성분은 실질적으로 제로 주파수 성분, 일정한 또는 시 불변 성분이다. 상 전류는 스위치 작동에 적어도 일부 기인하여 가상적 한계 이상이 되는 고주파 성분도 갖는다. 설명의 편의상, 용어 "제로 주파수 성분", "DC 성분", "평균 성분", "평균값", "저주파 성분", "상수 성분", "시 불변 성분 "등은 다음에서 호환적으로 사용된다.
전기 구동 시스템의 작동과 제어에서 상 권선 저항의 지식이 필수는 아니어도 종종 바람직하다. 예를 들어, 많은 그러한 시스템은 회전자 위치를 추정하는 방법을 내장하고, 이러한 방법의 대부분은 저항의 정확한 측정에 의존하고 있다. 다른 시스템에서는 절연 시스템의 허용 수명을 유지하도록 권선이 작동하는 온도에 제한이 가해진다.
권선의 기본재료는 일반적으로 0.0039 정도의 저항온도계수를 갖는 것으로 알려진 구리 또는 0.0043 정도의 저항온도계수를 갖는 것으로 알려진 알루미늄이기 때문에, 상 권선의 평균 온도 산출은 저항을 기지의 온도(보통 20 ℃의 주위 온도)에서 측정하거나 저항을 상승한 온도에서 측정 또는 추정함으로써 가능하다. 이를 수행하는 절차는 많은 표준과 공식 시험 법에 포함되어 온도를 추정하는 일관된 방법을 얻도록 하고 있다. 예를 들어, IEC 60034-1의 제 8 장 "회전 전기 기기 - 1 부: 평가 및 성능"은 기기의 열 성능의 결정에 할애해서 상온을 초과하는 평균 권선 온도 상승을 결정하는 데 수학식 1의 사용을 제시한다:
Figure pat00001
여기서,
θ1은 초기 저항 측정 순간 권선(찬 상태)의 온도(℃)이고;
θ2는 열 시험 종료시 권선의 온도(℃)이고;
θa는 열 시험 종료시 냉각수의 온도(℃)이고;
R1은 온도 θ1(찬 상태)에서 권선의 저항이고;
R2는 열 시험 종료시 권선의 저항이고;
k는 도체 재료 0℃에서 저항온도계수의 역수(reciprocal)이다. (구리의 경우 k=235, 알루미늄 k=225)이다.
위상 권선 저항이 범위 내 예를 들어, 10 내지 100 Ω 사이인 소형기기에 대해서 저항은 멀티미터형 실험기구로 측정할 수 있는 한편, 낮은 저항을 가진 대형 기기에 대해서는 필요한 정도의 정밀도를 제공하기 위해 4-단자 브리지(가령, 켈빈 브리지)의 사용이 일반적으로 필요하다.
종래 기기들(예를 들면 유도 모터 등)의 권선 온도를 추정하는 데 잘 알려진 이러한 "저항 연계 상승" 법(temperature rise-by-resistance technique)에서는 저항 측정에 앞서 기기를 무전압, 즉 비여자 상태로 만들어야 한다. 또한 기기 안에 필연적으로 전자기 돌극성(electromagnetic saliency)이 다소 있게 된다는 것은(비록 회전자 로터 바 형상과 슬롯 가공에 기인한 작은 기생전계효과에 불과하여도) 신뢰성 있는 저항 측정 전에 회전자를 대체로 완전 정지상태로 만들어야 함을 의미한다. 따라서, 전통적인 기법에는 구동 계통 중지하기, 회전자 정지시키기, 시간 대 저항 곡선 플롯하기, 그 곡선을 스위치 오프 순간으로 되돌리는 외삽하기, 그리고 마지막으로 외삽된 저항을 기초로 하여 온도 상승을 계산하기를 포함한다. 비록 산업용 모터의 열적 정격을 측정하기 위한 사실상의 표준 방법이지만, 이 기술은 복잡하고 오류가 발생하기 쉬울 뿐 아니라 정상 작동 중에 지속적으로 기기에 적용할 수 없다. 권선의 온도를 기기가 회전 및/또는 통전되는 동안 모니터링 하기 위한 다른 감지 수단(예를 들면, 열전대, 서미스터 등)이 추가로 필요하다. 이러한 온도 센서는 종종 부정확하며(그들은 전기적으로 절연된 권선과 불명확한 열 접촉을 이루고 실제로 그에 의존하므로) 실제의 진정한 권선 온도와 비교하여 어느 정도 시간 지연을 나타낼 수 있다. 또한, 그 센서들은 추가의 저전압(따라서 잠재적으로 취약하고 민감한) 배선을 필요로 하고 그 추가 비용은 양산 설계의 맥락에서 매우 중요한 요인이 될 것이다. 따라서, 기기가 회전 및/또는 통전되는 동안 권선 온도의 정확한 측정(또는 추정)을 구하는 비 침입적이고 저렴한 방법이 필요하다.
다른 종류의 전기 기기의 권선 저항 변화를 보상하는 방법이 알려져 있다. 예를 들면, 미국 특허 제 4496898호에는 교류 발전기의 계자 권선의 온도 상승을 보상하는 방법이 개시되어있다. 유도 기기의 회전자 저항 보상 방법이 알려졌고 소위 벡터 제어 시스템에서 일반적으로 적용된다. 그러나 이들 방법을 스위치드 릴럭턴스 시스템들에 적용할 수 있는지 여부는, 저항 변화의 영향이 이 장르의 기기에 미치는 데 관한 고려를 한 유례가 없으므로 적용할 수 없다.
따라서, 부하 과도 장애(transient load disturbance)를 포함하는 부하의 모든 조건 및 광범위한 주위 온도에서 동작할 수 있는 전기 기기의 상 권선 저항을 추정하는 안정적이고 경제적인 방법의 필요성이 존재한다. 본 발명은 일반적으로 전동기 또는 발전기 역할을 하는 스위치 형 릴럭턴스 시스템에 적용 가능하다.
본 발명의 측면들은 특허청구범위 독립항 1, 8 및 14에 기재된다. 또한, 선택 기능은 나머지 종속항에 기재된다.
제 1 실시 예는, 동작중인 전기 기기 권선의 저항과 온도 중 하나 이상을 추정하는 방법을 제공한다. 이 방법은 기기의 동작을 위해 권선에 직류를 야기하도록 권선을 여자하는 과정을 포함한다. 이 단방향 전류와 그로 인해 권선에 걸쳐 발생하는 권선 전압은 각기 한계 주파수 이하의 주파수 성분을 가진 저주파성분과 이 한계 주파수 이상의 주파수 성분을 가진 고주파성분을 포함한다. 이 방법은 권선 전압의 상기 저주파성분의 크기를 나타내는 제 1 신호를 도출하고, 직류의 상기 저주파 성분의 크기를 나타내는 제 2 신호를 도출하는 과정들을 포함한다. 또한 이 방법은 제 1 및 제 2 신호를 이용하여 권선의 저항과 온도 중 하나 이상을 나타내는 제 3 신호를 도출하는 과정을 포함한다.
유리하게, 상기 방법은 온도나 저항을 추정하기 위해 추가 전류를 주입하는 것이 아니라, 기기를 동작하는 데 사용되는 전류로부터 저항 또는 온도 신호를 도출한다. 즉, 본 발명의 방법은 저항이나 온도를 계산하기 위해 기기의 동작에 내재한 직류를 이용한다.
제 1 신호를 도출하는 데 사용하는 권선 전압을 나타내는 신호는, 예를 들면, 권선의 각 단부에 인접하여 배치된 각각의 전압 감지 선을 이용하여 권선에 걸쳐 측정되거나; 여기를 제어하는 스위칭 회로의 입력과 출력 사이에서 측정, 단, 권선의 내외로 이어지는 배선의 저항을 무시하거나 추정 값 또는 측정값을 고려한 후 측정되거나; DC 링크 전압 및 스위치 타이밍에 근거하여 추정(통상의 1상-2 스위치 구조에서 스위치 하나 또는 둘이 열렸을 때 때때로 전압 강하가 일어나는 것은 무시하거나 추정한 상태로)하거나; 다른 어떤 적절한 방법으로 구해질 수 있다. 제 3 신호의 도출은, 예를 들어, 제 1 신호를 제 2 신호로 나누거나, 이 두 신호의 비를 계산하거나, 계산을 로그를 사용하여 실행하는 경우 제 1 및 제 2 신호를 서로 감산하는 것으로 이루어질 수 있다. 위의 방법은 기기가 토크를 발생하는 전동기로 동작할 때 적용할 수 있고 기기의 권선과 연관된 상으로부터 충전 전류를 생성하는 발전기로 동작할 때에도 적용할 수 있다.
일부 실시 예에서, 한계 주파수는 권선 여자의 스위칭 주파수를 초과하지 않는데, 예를 들면, 스위칭 주파수의 10 분의 1을 초과할 수 없다. 예를 들어, 한계 주파수는 일부 실시 예에서 10Hz 미만, 1Hz 미만일 수 있다.
제 1 및 제 2 신호는 저역 통과 필터들을 사용하여 도출할 수 있다. 예를 들어, 저역 통과 필터는 수동 필터일 수 있다. 또한 본 발명의 방법은 제 1 및 제 2 신호를 각각의 디지털 신호로 변환하는 과정과 이 디지털 신호들을 이용하여 제 3의 신호를 도출하는 과정을 포함할 수 있다. 제 1 및 제 2 신호는 저역 통과 필터링 한 후 디지털 신호로 변환할 수 있다. 대안으로 제 1 및 제 2 신호는 디지털 처리를 사용하여 도출, 예를 들면, 디지털 필터링 또는 평균 신호의 계산을 이용하여 도출할 수 있다.
다른 실시 예는 구동 시스템을 제공하는데, 이는 권선을 갖는 전기 기기, 여기 전압을 인가하도록 구성된 제어기, 전압 센서, 전류 센서 및 전압 및 전류 센서와 연결하고 상술한 것과 같이 제 1, 제 2 및 제 3 신호를 도출하도록 구성된 온도 분석장치를 포함한다.
전압 센서의 구성은 감지된 권선 전압이 다음과 같이 구해지도록 이루어질 수 있다: 권선의 각 단부에 인접하여 배치된 각각의 전압 감지 선을 이용하여 권선에 걸쳐 측정되거나; 여기를 제어하는 스위칭 회로의 입력과 출력 사이에서 측정, 단, 권선의 내외로 이어지는 배선의 저항을 무시하거나 추정 값 또는 측정값을 고려한 후 측정되거나; DC 링크 전압 및 스위치 타이밍에 근거하여 추정(통상의 1상-2 스위치 구조에서 스위치 하나 또는 둘이 열렸을 때 때때로 전압 강하가 일어나는 것은 무시하거나 추정한 상태로)하거나; 다른 어떤 적절한 방법으로 구해질 수 있다.
또 다른 실시 예에서는 전기 기기 권선의 저항과 온도 중 하나 이상을 추정하도록 상기와 같은 방법을 실시하기 위한 수단을 구비하는 시스템이 제공된다.
본 발명은 수많은 방식으로 실시될 수 있으며, 예시적으로 그 중 일부를 첨부도면을 참조하여 이제 설명한다.
도 1은 일반적인 스위치드 릴럭턴스 구동 시스템의 주요 구성 요소를 나타내는 도면이다.
도 2는 일반적인 고정자극에 접근하는 회전자극의 개략도이다.
도 3은 도 1의 기기의 상 권선의 통전을 제어하는 전력 변환기의 전형적인 스위칭 회로를 나타내는 도면이다.
도 4(a) 및 도 4(b)는 쵸핑 모드와 단일 펄스 모드 각각에서 스위치드 릴럭턴스 구동 동작의 대표적인 전류 파형을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예의 개략도이다.
도 6은 수동 아날로그 구성 요소를 사용한 도 5의 회로 구현을 나타내는 도면이다.
도 7은 수동 아날로그 구성 요소를 사용한 도 5 회로의 추가 실시 예를 나타내는 도면이다.
도 8은 디지털 구성 요소를 사용한 도 5 회로의 개략도이다.
도 9는 차동 증폭기를 이용한 본 발명의 실시 예를 나타내는 도면이다.
도 10은 절연 증폭기를 이용한 본 발명의 실시 예를 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시 예를 나타내는 도면이다.
기재된 실시 예들은 대부분의 전통적인 AC 모터와는 대조적으로, 권선 전류 가운데 실질적인 DC(즉, 제로 주파수) 성분을 갖는 기기들이 있다는 사실을 활용한다. 일례로는 스위치드 릴럭턴스 시스템이 있다. 이로써 권선 전압의 해당 제로 주파수 성분이 발생한다. 이러한 제로 주파수 성분들(또는 평균값들)은 저역 통과 필터를 사용하여 (아날로그 또는 디지털 영역 중 하나에서) 순시 상 전압 또는 전류로부터 계산될 수 있다. 그 후 권선 저항의 DC 값은 옴의 법칙에서 평균 전압을 평균 전류로 나누어 계산할 수 있다. 이것으로 종래 온도 센서들의 비용, 취약성, 및 잠재적인 부정확성을 방지하고 제어기에 평균 권선 온도의 지속적이고 정확한 추정 값을 제공한다. 이를 이용해서 예를 들어 온도 한계에 가까워질수록 기기의 폴드백(fold-back) 성능에서의 출력을 자동으로 제한할 수 있고, 예를 들어 자속 제어형 및/또는 무센서 정류(sensor-less commutation)에서 자속쇄교수를 추정할 수도 있다.
도 5는 일 실시 예를 나타낸다. 순시 권선 전압 Vph(t)(37)에 대응하는 신호와 순시 권선 전류 Iph(t)(38)에 해당하는 신호가 구해진다. 예를 들어, 차동 증폭기 또는 절연 증폭기를 사용하여 적절한 스케일링 계수로 Vph(t)에 해당하는 신호를 얻을 수 있을 것이다. 전류Iph(t)에 해당하는 신호는, 절연형 전류센서를 이용하여 (예를 들어 홀 효과 또는 자기 저항 원리에 근거하여 - 최저 제로 주파수에까지 대응하는 것이 필수적임을 유의) 구하거나 적절한 신호 조절과 조합하고 간단한 션트 저항을 사용하여 구할 수 있을 것이다. 이러한 저항을 도면에서와 같이 기기 권선과 직렬로 배치할 수 있는 것이 이해될 것이다.
그 후 전압 및 전류 신호의 평균(또는 등가적으로, DC) 성분이 저역 통과 필터(39,40)에서 구해지고, 그 비율은 나눗셈기(divider)(41)에 의하여 산출되어 추정 상 저항(estimated phase resistance)(42)에 대응하는 신호를 얻는다. 필터 컷오프 주파수와 자극(pole) 패턴은 중요하지 않지만 지배적 시정수의 전형적인 값은 0.1 초 내지 1 초의 범위에 있을 수 있다. 여기서 주어지는 필터의 차단 주파수를 충분히 낮출 필요가 있는데, 낮은 차단 주파수는 기존의 경우 권선 전압과 전류의 AC성분이 일으켰을 저항 추정 값 요동과 변동을 실질적으로 억지하게 된다. 한편, 필터 컷오프 주파수는 너무 낮아 응답 시간이 과대하게 되지 않도록 하여야 한다(예를 들어 말하면 저항 또는 온도의 디스플레이 영상 표시를 제공하는 편의의 관점에서와 시스템이 준수할 권선 온도의 최대 변화율로 구상하는 값에 따라 제한한다).
마지막으로, 명시적인 온도 추정 값 tph가 필요한 경우, 이는 기준 온도 θ1에서 미리 결정된 기준 권선 저항 R1과 공동으로, 계산된 권선 저항 R2로부터 위 설명과 같이 계산할 수 있다.
도 6은 예를 들면 실험실 맥락에서 본 발명의 방법을 연구 또는 개발 도구로 적용할 수 있는 방법을 보여준다. 도 5의 저역 통과 필터(39,40)가 여기서 간단한 RC 네트워크로 구현되어 있다. R1과 C1을 포함하는 필터는 시변성 전압(37)으로부터 V1으로 표시된 평균 레벨을 추출한다. 마찬가지로, R2 및 C2를 포함하는 필터는전류 신호(38)로부터 V2(적절한 스케일링과 함께)로 표시된 평균 레벨을 추출한다. 여기서, 합리적으로 기존의 다목적 계기를 V1과 V2 자리에 사용해서 필요한 측정값을 얻을 수 있다. 계기의 DC의 범위에서, 그런 측정기는 보통 의도에 따라 평균 응답성을 갖게 되는데, 이 경우에는 저역 통과 필터는 분명히 불필요한 것이 된다. 그러나 전류 측정에(파형의 파고율이 일반적으로 대단치 않은 경우) 필터를 생략하는 것은 허용되지만 전압 측정처럼 권선 전압의 피크 값이 DC성분보다 수십배 또는 심지어 수백배 큰 경우에는 적어도 어느 정도의 저역 통과 필터가 일반적으로 필수이다. 측정 수단의 전방에 수동 필터를 배치하는 것은 신호의 파고율을 감소시키고 전압의 차동 모드 및 공통 모드 고주파 성분들을 감쇠하여 비교적 간단한 측정 기술을 사용할 수 있게 한다. 실험실에서는 이것이 벤치 디지털 전압계일 수 있고, 내장형 구성에서는 기존의 저대역폭(따라서 저렴한) 차동 또는 절연 증폭기이다. 이러한 내장형 구성에 대해 이제 설명한다.
도 7은 저역 필터의 선택적 구성을 보여주는 가운데 R1이 두개의 실질적으로 동등한 부분 R1'로 분할되고 필터링 캐패시터의 일부는 추가의 두 캐패시터 C1''의 접지된 접속부에 제공되는 것을 나타낸다. 이러한 구성은 전압계 V1에서 확인되는 공통 모드 전위의 변화율을 줄이는 데 유용하다. 물론 다양한 다른 필터 구성이 본 기술 분야에 알려진대로 가능하다.
도 8이 나타내는 실시예에서 저항의 계산은 부호 72로 나타낸 마이크로 프로세서, 디지털 신호 프로세서 또는 다른 프로그래머블 컨트롤러에서, 디지털 영역에서 행해진다고 가정한다. 여기서 저역 통과 필터(39,40)를 통해 아날로그 영역에서 이루어지는 필터링의 정도는, 제어기 내에서 다른 부가적인 목적을 위해 순시 권선 전압 및/또는 전류의 측정이 필요한지 여부에 어느 정도 의존하여 달라진다. 신호 처리(conditioning) 증폭기들이 A1과 A2에 설치되어 요구되는 모든 전압 스케일링을 제공한다. 아날로그-디지털 변환기는 ADC1 및 ADC2에 설치되고 디지털 신호는 프로세서(72)에 전달된다.
전기 측정 분야의 당업자가 이해하는 바와 같이 권선 전압의 파고율은 이 유형의 전기 기기에서 크기 때문에 필터링되지 않은 파형의 디지털화가 비교적 작은 평균치를 충분한 정확도로 보존해야 한다. 에일리어싱(aliasing)이 현저해짐에 따라 오류를 방지하기 위해 아날로그-디지털 변환의 샘플링 속도 역시 고려하여야 한다.
도 9는 도 8의 저역 통과 필터와 A1을 구현하는 데 사용할 수 있는 전압 필터링 및 스케일링 구성의 추가 실시 예를 나타낸다. 여기서 기존의 차동 증폭기가 간단한 수동 저역 통과 필터와 함께 사용되는데 - 후자는 상대적으로 낮은 대역폭의 사용과 그에 따라 저가 연산 증폭기를 A3용으로 사용할 수 있게 해준다. 다시 필터의 컷오프 주파수 및 증폭기 배율의 선택은, 필터링된 전압이 저항 추정 목적에만(이 경우 긴 필터 시정수를 이용할 수 있음) 이용될지 여부에 따라, 아니면 더 높은 대역폭의 신호가 다른 목적들에 필요한지에 따라 이루어진다. 다른 목적에 필요한 경우 여기 도시하지 않은 후단의 신호처리에 부가적인 저역 필터링이 적용될 수 있다.
도 10이 나타내는 또 다른 실시예에서 절연 증폭기들이 이용되고 여기서도 절연 증폭기가 지원해야 하는 대역폭 요건과 공통모드 스트레스를 최소화하기 위해 아날로그 사전 필터링이 어느 정도 사용된다. 설명을 위해, 앞서 보인 고립형 전류 센서 대신 전류 측정용으로 션트 저항 Rsh를 나타냈다. R4와 C4로 구성된 저역 통과 필터는 지점(90)에 권선 전압 평균치에 비례하는 신호를 출력하는 절연 증폭기(A4)에 전원을 공급한다. 마찬가지로 R5와 C5로 구성된 저역 통과 필터는 지점(92)에서 권선 전류 평균치에 비례하는 신호를 출력하는 절연 증폭기(A5)에 전원을 공급한다. 또한 도 10은 증폭기들의 출력에 저역 통과 필터링을 대안으로 추가한 것을 보여주는데, 이는 본 예에서 R4, C4 및/또는 R5, C5가 결정하는 대역폭이 저항 추정치를 산출하는 나눗셈 회로에 필요한 것보다 높은 경우에 대비한다. 이 선택적 출력은 지점(94 과 96)에 제공한다.
도 11은 필터링되지 않은 전압과 전류의 비율이 저역 통과 필터링 전에 계산되는 대체 실시 형태를 나타내고 있다. 두 가지 이유에서 이 방법이 바람직하지 않다. 먼저 이것에 기본적으로 결함이 있는 것은, 전압과 전류의 순수한 AC 성분 비율의 결과로 추가 DC 성분이 초래될 수 있기 때문이다. 둘째, 순전히 실제 문제인데, A6와 나눗셈 수단(102)이 위에서 설명한 대로 전압 파형의 매우 큰 파고율에 대응해야 하는 동시에 훨씬 작은 DC(제로 주파수) 성분의 문제를 정확하게 해소해야 하기 때문이다.
실제에 있어서는, 본 발명에 관련된 회로를 전력 변환기(즉, 도 1의 13)를 내장하는 외함 안에 넣는 것이 편리하다. 일반적으로, 최종 저항 추정치 안에서 모터와 전자 기기 사이의 케이블의 저항은 기기의 권선 저항과 구별되지 않는다. 전력 전자 회로와 기기(12) 사이에 상당한 거리가 있다면, 권선 저항에 대한 케이블 저항이 유의미하게 되어, 저항과 온도의 계산에 그것을 일부 감안한 여유를 만들어줄 필요가 있다. 예를 들어, 케이블 저항을 설계 계산에서 추정하거나 구동 기능 동작 전에 측정하여 전체 저항의 추정 값에서 간단히 빼줄 수 있다. 케이블 저항의 영향을 제거하는 다른 방법은 모터 단자에서 별도로 한쌍의 전압 감지선을 저항 추정 회로의 다른 부분으로 이어주는 것이다. 또 다른 방법은 모터 단자 박스 안에 필터를 포함하여, 온도 감지 케이블의 전압 레벨, 고주파 간섭문제, 그리고 단락 전류 능력을 감소시키는 것이다.
또한, 상기 예시한 다양한 전류 및 전압 측정 구성 방식을 여기에 표시된 것 외에도 많은 순서로 이용할 수 있는 것이 이해될 것이며, 본 발명에서 벗어나지 않고 다른 유사한 수단 및 구성을 이용할 수 있다.
본 발명은 스위치드 릴럭턴스 기기를 포함하는 스위치드 릴럭턴스 구동 시스템에서 사용하기에 특히 적합하지만, 권선 가운데 적어도 하나에 단방향 여기를 적용한다면, 전동기나 발전기 어느쪽으로 동작하는 것이라도, 가진 자극의 갯수와 적층 형상에 상관없이 어떠한 전기 기기에도 적용할 수 있는 것이다. 마찬가지로, 본 발명은 가동부(종종 "회전자"라 함)가 직선으로 이동하는 선형 기기에 적용할 수 있다. 따라서, 당업자는 개시한 배치의 변형이 본 발명에서 벗어나지 않고 가능하다는 것을 이해할 것이다. 따라서, 일부의 실시 예를 위와 같이 설명한 것은 제한 목적이 아닌 예시적인 것이다. 본 발명은 특허 청구 범위에 의해서만 제한될 것이다.
11: DC전원 12:모터
14: 전자 제어기 15: 회전자 위치 검출기
16: 상 권선 20: 회전자 자극
21: 고정자 자극 23: 상권선 일부
31, 32: 스위치 35: 캐패시터
36, 37: 전압 버스 38: 순시 권선 전류
39, 40: 저역 통과 필터 41: 나눗셈기
42: 추정 상 저항 72: 프로세서
102: 나눗셈 수단 ADC1,ADC2: 아날로그-디지털 변환기

Claims (18)

  1. 동작 중인 전기 기기의 권선의 저항과 온도 중 하나 이상을 추정하는 방법으로서,
    상기 기기를 동작시키기 위해 상기 권선에 단방향 전류의 흐름을 야기하도록 상기 권선을 여자(energising)하되, 상기 단방향 전류와 그로 인해 상기 권선에 걸쳐 발생하는 권선 전압이 각기 한계 주파수 이하의 주파수 성분을 가진 저주파성분과 상기 한계 주파수 이상의 주파수 성분을 가진 고주파성분을 포함하도록 하는 과정;
    상기 권선 전압의 상기 저주파성분의 크기를 나타내는 제 1 신호를 도출하는 과정;
    상기 단방향 전류의 상기 저주파 성분의 크기를 나타내는 제 2 신호를 도출하는 과정; 및
    상기 제 1 및 제 2 신호를 이용하여 상기 권선의 저항과 온도 중 하나 이상을 나타내는 제 3 신호를 도출하는 과정
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 권선의 여자는 스위칭 주파수에서 주기적으로 온오프되며, 상기 한계 주파수는 상기 스위칭 주파수를 초과하지 않는 것, 예를 들어 상기 한계 주파수는 상기 스위칭 주파수의 10 분의 1을 초과하지 않는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 한계 주파수는 10Hz보다 낮은 것, 예를 들어 상기 한계 주파수는 1Hz보다 낮은 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 저역필터들을 이용하여 상기 제 1 및 제 2 신호를 도출하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 저역필터들이 수동필터들인 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    디지털처리를 이용하여 상기 제 1 및 제 2 신호를 도출하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 구동 시스템으로서,
    권선을 포함하는 전기 기기;
    상기 기기를 동작시키기 위해 상기 권선에 단방향 전류의 흐름을 야기하도록 상기 권선을 여자(energising)하되, 상기 단방향 전류와 그로 인해 상기 권선에 걸쳐 발생하는 권선 전압이 각기 한계 주파수 이하의 주파수 성분을 가진 저주파성분과 상기 한계 주파수 이상의 주파수 성분을 가진 고주파성분을 포함하도록 하는 제어기;
    상기 권선 전압을 검출하는 전압 센서;
    상기 단방향 전류를 검출하는 전류 센서; 및
    상기 전압 센서 및 상기 전류 센서에 연결되어, 상기 권선 전압의 상기 저주파성분의 크기를 나타내는 제 1 신호를 도출하고; 상기 단방향 전류의 상기 저주파 성분의 크기를 나타내는 제 2 신호를 도출하고; 상기 제 1 및 제 2 신호를 이용하여 상기 권선의 저항과 온도 중 하나 이상을 나타내는 제 3 신호를 도출하도록 구성된 온도 분석기
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 구동 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 권선의 여자를 스위칭 주파수에서 주기적으로 온오프하도록 구성되고, 상기 한계 주파수는 상기 스위칭 주파수를 초과하지 않는 것, 예를 들어 상기 한계 주파수는 상기 스위칭 주파수의 10 분의 1을 초과하지 않는 것을 특징으로 하는 구동 시스템.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 한계 주파수는 10Hz보다 낮은 것, 예를 들어 상기 한계 주파수는 1Hz보다 낮은 것을 특징으로 하는 구동 시스템.
  10. 제 7 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 온도 분석기는 상기 제 1 및 제 2 신호를 도출하는 각각의 저역필터들을 포함하는 것을 특징으로 하는 구동 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 저역필터들이 수동필터들인 것을 특징으로 하는 구동 시스템.
  12. 제 7 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 온도 분석기는 디지털처리를 이용하여 상기 제 1 및 제 2 신호를 도출하도록 구성된 것을 특징으로 하는 구동 시스템.
  13. 동작 중인 전기 기기의 권선의 저항과 온도 중 하나 이상을 추정하는 시스템으로서,
    상기 기기를 동작시키기 위해 상기 권선에 단방향 전류의 흐름을 야기하도록 상기 권선을 여자(energising)하되, 상기 단방향 전류와 그로 인해 상기 권선에 걸쳐 발생하는 권선 전압이 각기 한계 주파수 이하의 주파수 성분을 가진 저주파성분과 상기 한계 주파수 이상의 주파수 성분을 가진 고주파성분을 포함하도록 여자하는 수단;
    상기 권선 전압의 상기 저주파성분의 크기를 나타내는 제 1 신호를 도출하는 수단;
    상기 단방향 전류의 상기 저주파 성분의 크기를 나타내는 제 2 신호를 도출하는 수단; 및
    상기 제 1 및 제 2 신호를 이용하여 상기 권선의 저항과 온도 중 하나 이상을 나타내는 제 3 신호를 도출하는 수단
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 여자 수단은 상기 권선의 여자를 스위칭 주파수에서 주기적으로 온오프하고, 상기 한계 주파수는 상기 스위칭 주파수를 초과하지 않는 것, 예를 들어 상기 한계 주파수는 상기 스위칭 주파수의 10 분의 1을 초과하지 않는 것을 특징으로 하는 시스템.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 한계 주파수는 10Hz보다 낮은 것, 예를 들어 상기 한계 주파수는 1Hz보다 낮은 것을 특징으로 하는 시스템.
  16. 제 13 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 신호를 도출하는 상기 수단들은 각각의 저역필터들을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 저역필터들이 수동필터들인 것을 특징으로 하는 시스템.
  18. 제 13 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 신호를 도출하는 상기 수단들은 디지털처리를 이용하여 상기 제 1 및 제 2 신호를 도출하는 것을 특징으로 하는 시스템.
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