KR20140081707A - 유도기의 제어를 위한 방법과 장치, 그리고 압축기 시스템 - Google Patents

유도기의 제어를 위한 방법과 장치, 그리고 압축기 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 터보 압축기용 유도기를 제어하기 위한 방법에 관한 것으로서, 상기 방법은 유도기의 속도 감소를 위해, 유도기의 작동을 위해 발생한 회전 자계의 자계 약화를 유발하는 단계(901)와, 유도기의 속도 증가를 위해, 유도기의 작동을 위해 발생한 회전 자계의 자계 강화를 유발하는 단계(902)를 포함한다.

Description

유도기의 제어를 위한 방법과 장치, 그리고 압축기 시스템{METHOD AND DEVICE FOR CONTROLLING AN INDUCTION MACHINE AND COMPRESSOR SYSTEM}
본 발명은 예컨대 터보 압축기용 유도기를 제어하기 위한 방법과 장치, 그리고 압축기 시스템에 관한 것이다.
고속으로 회전하는 전기 기기의 급전은 일반적으로 직류 전압원으로부터 전력 전자 작동기에 의해 이루어진다. 이와 같은 기기는 예컨대 전기 터보 압축기에 사용된다. 전력 전자 작동기는 일반적으로, 예컨대 LC 필터 형태의 필터가 하류에 연결되거나 연결되지 않는 펄스폭 변조 인버터로서 구현된다. 제2 가능성은, 직류 전압원과 펄스폭 변조 인버터 사이에 펄스폭 변조 인버터의 입력 전압의 변동을 가능하게 하는 DC/DC 변환기를 추가로 설치하는 것이다.
DE 10 2010 040 835 A1호에는 유도기를 제어하기 위한 3상 교류 전압 및 3상 교류 전류용 필터가 기술되어 있다.
이에 근거하여 본 발명에서는 독립항들에 따른 유도기 제어 방법과 장치, 그리고 압축기 시스템을 소개한다. 바람직한 실시예들은 각각의 종속항들 및 하기의 설명에 기술된다.
유도기의 속도 조정은, 이 유도기가 자계 약화 또는 자계 강화 모드로 작동됨으로써 수행될 수 있다. 자계 약화 또는 자계 강화에 의해 속도 조정이 이루어지면, 유도기를 포함하거나 제어하는 장치의 전체 효율이 높아질 수 있다.
터보 압축기용 유도기를 제어하기 위한 방법은 하기의 단계들, 즉
유도기의 속도 감소를 위해, 유도기의 작동을 위해 발생한 회전 자계의 자계 약화를 유발하는 단계와,
유도기의 속도 증가를 위해, 유도기의 작동을 위해 발생한 회전 자계의 자계 강화를 유발하는 단계를 포함한다.
3상 기계라고도 불리는 유도기는 3상 교류로 작동될 수 있는 3상 전동기를 의미할 수 있다. 이것은 예컨대 전동기, 전기 기기 또는 동기기일 수 있다. 일 실시예에 따라 상기 유도기는 가스를 압축하기 위한 터보 압축기의 구동에 사용될 수 있다. 유도기의 속도가 커질수록, 시간 단위당 더 많은 가스가 터보 압축기에 의해 압축될 수 있다. 회전 자계는 유도기의 샤프트를 구동할 수 있는 자계라 할 수 있다. 회전 자계는 복수의 개별 자계로 구성될 수 있다. 개별 자계는 유도기의 전기 코일을 통해 발생할 수 있다. 따라서, 상기 자계 유발 단계들에서 개별 자계들은 약화될 수도 있고 강화될 수도 있다. 유도기 속도의 사전 설정된 속도 변경을 실행하기 위해, 또는 유도기의 속도를 현재 속도에서 목표 속도로 변경하기 위해, 자계 약화 또는 자계 강화를 실행할 수 있다. 한 결정 단계에서, 사전 설정된 속도 변경 또는 사전 설정된 목표 속도를 달성하는 데 필요한 자계 약화의 크기 또는 자계 강화의 크기가 결정될 수 있다.
자계 약화를 유발하는 단계에서는 회전 자계를 유발하는 전류와 회전 자계를 유발하는 전압 사이의 위상각이 작아질 수 있다. 그에 상응하게, 자계 강화를 유발하는 단계에서는 회전 자계를 유발하는 전류와 회전 자계를 유발하는 전압 사이의 위상각이 커질 수 있다. 전류와 전압 사이의 위상각은 예컨대 위상각 레귤레이터를 사용하여 용이하게 구현될 수 있다. 위상각을 변경하면 매우 신속한 속도 변경이 달성될 수 있다.
이때, 상기 유발 단계들에서 회전 자계를 유발하는 전압은 일정하게 유지될 수 있다. 그럼으로써 전압은 초기 속도에서 임의의 전압값을 가질 수 있고, 자계 변경 또는 자계 강화로 인해 속도가 변하는 동안에도 상기 전압값을 가질 수 있으며, 상기 초기 속도와 상이한 목표 속도에 도달하여도 상기 전압값을 가질 수 있다. 바람직하게 유도기의 속도는 임의의 속도 범위 내에서 동일한 전압을 사용하여 조정될 수 있다. 그러므로 적어도 상기 속도 범위 내에서는 속도의 변경을 위해 회전 자계를 유발하는 전압을 변경할 필요가 없다.
상기 방법은 유도기의 속도를 감소시키기 위해, 자계 약화를 유발하는 단계에 반응하여 회전 자계를 유발하는 전압을 감소시키는 단계를 포함할 수 있다. 예컨대, 우선 사전 설정된 속도 범위 내에서 또는 자계 약화를 통해 최대로 달성 가능한 한계까지 속도를 감소시킬 수 있으며, 이때 회전 자계를 유발하는 전압은 감소하지 않는다. 그 이후, 속도를 추가로 더 감소시킬 수 있도록 하기 위해, 회전 자계를 유발하는 전압이 감소할 수 있다. 전압의 변화는 단계적으로 이루어질 수 있다. 예컨대, 회전 자계를 유발하는 전압을 위해 2개 이상의 가능한 전압값들이 조정될 수 있으며, 이 전압은 2개 이상의 가능 전압값들 사이에서 급전환될 수 있다. 그 대안으로, 2개 이상의 가능 전압값들 간의 전환이 가능하도록 하기 위해, 전압이 연속적으로 변경될 수 있다.
이에 상응하게 상기 방법은, 유도기의 속도를 증가시키기 위해 자계 강화를 유발하는 단계에 반응하여 회전 자계를 유발하는 전압을 증가시키는 단계를 포함할 수 있다. 예컨대, 먼저 사전 설정된 속도 범위 내에서 또는 자계 강화를 통해 최대로 달성 가능한 한계까지 속도가 증가될 수 있으며, 이때 회전 자계를 유발하는 전압은 증가하지 않는다. 그 이후, 속도를 추가로 더 증가시킬 수 있도록 하기 위해, 회전 자계를 유발하는 전압이 증가할 수 있다.
상기 회전 자계를 발생시킬 수 있도록 하기 위해, 상기 방법은 3상 교류 전류와 3상 교류 전압을 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 이때, 자계 약화 또는 자계 강화를 유발하기 위해, 상기 유발 단계들에서 3상 교류 전류와 3상 교류 전압 사이의 위상 관계가 조정될 수 있다. 3상 교류 전압은 유도기에 대한 인터페이스에 제공될 수 있다. 이 위상 관계를 통해, 3상 교류 전류 또는 3상 교류 전압의 위상의 전류와 전압 사이의 위상각이 각각 정해질 수 있다. 이때, 위상각들은 3개의 위상의 위상각과 같을 수 있다.
상기 제공 단계에서는, 직류 전류로부터 3상 교류 전류가 펄스 진폭 변조에 의해 그리고 직류 전압으로부터 3상 교류 전압이 추가 펄스 진폭 변조에 의해 발생할 수 있다. 상기 유발 단계들에서는, 자계 약화 또는 자계 강화를 유발하기 위해, 펄스 진폭 변조의 적응을 통해 3상 교류 전류와 3상 교류 전압 사이의 위상 관계가 조정될 수 있다. 적절한 펄스 진폭 변조들을 통해 3상 교류 전류와 3상 교류 전압이 용이하게 발생할 수 있다.
이때, 상기 방법은 직류 전압을 발생시킬 수 있도록 직류 전압 변환을 실행하는 단계를 포함할 수 있다. 이때, 유도기의 제1 속도 범위에 대한 제1 전압값 및 유도기의 제2 속도 범위에 대한 제2 전압값을 갖는 직류 전압이 발생할 수 있다. 제1 속도 범위의 크기는, 제1 전압값을 갖는 직류 전압을 사용하여 전체 제1 속도 범위 내에서 자계 약화와 자계 강화의 유발을 통해 유도기의 속도가 변경될 수 있도록 선택될 수 있다. 제2 속도 범위의 크기는, 제2 전압값을 갖는 직류 전압을 사용하여 전체 제2 속도 범위 내에서 자계 약화와 자계 강화의 유발을 통해 유도기의 속도가 변경될 수 있도록 선택될 수 있다. 예컨대, 유도기의 전체 속도 범위는 복수의 속도 범위로 분할될 수 있으며, 각각의 속도 범위에 고유한 전압값이 할당될 수 있다. 이때, 각각의 속도 범위 모두에, 상기 속도 범위 내에서 유도기의 속도를 작동하는 데 이용될 수 있는 단 하나의 단일 전압값이 할당될 수 있다. 이와 같은 방식으로, 직류 전압 변환을 실행하기 위한 장치가 유리한 작동점들에서 작동될 수 있다.
터보 압축기용 유도기를 제어하기 위한 장치는, 터보 압축기용 유도기의 제어 방법의 단계들을 상응하는 장치들에서 실행하도록 형성될 수 있다. 장치와 관련한 본 발명의 실시예들을 통해서도, 본 발명의 과제가 신속하고 효율적으로 해결될 수 있다.
여기서 장치란, 센서 신호들을 처리하고, 이를 토대로 제어 신호들 및/또는 데이터 신호들을 송출하는 전기 장치일 수 있다. 이 장치는 하드웨어 및/또는 소프트웨어에 의해 형성될 수 있는 인터페이스를 포함할 수 있다. 하드웨어에 의한 형성의 경우, 인터페이스들은 예컨대 상기 장치의 매우 다양한 기능들을 포함하고 있는, 이른바 시스템 ASIC의 일부일 수 있다. 또는, 상기 인터페이스들이 고유의 집적 회로이거나, 적어도 부분적으로 분산형 요소들로 구성되는 것도 가능하다. 소프트웨어에 의한 형성의 경우, 인터페이스들은 예컨대 마이크로컨트롤러 상에 다른 소프트웨어 모듈과 함께 제공되는 소프트웨어 모듈일 수 있다.
압축기 시스템은 하기의 특징들, 즉
가스를 압축하기 위한 터보 압축기와,
상기 터보 압축기를 구동하기 위한 유도기와,
상기 유도기를 제어하기 위한 전술한 장치를 포함한다.
프로그램 코드를 포함하는 컴퓨터 프로그램 제품도 바람직하며, 상기 프로그램 코드는 예컨대 반도체 메모리, 하드 디스크 메모리 또는 광 메모리와 같은 기계 판독가능한 캐리어에 저장될 수 있으며, 상기 프로그램 코드가 컴퓨터에서 또는 임의의 장치에서 실행되면 앞서 설명한 실시예들 중 하나에 따른 방법이 실행되도록 하는 데 이용된다. 그럼으로써 프로그램 코드 내에 정의된 방법 단계들이 컴퓨터 또는 상기 장치의 유닛들에 의해 실행될 수 있다.
하기에서는 첨부 도면들을 참고로 본 발명을 예를 들어 상술한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압축기 시스템에 관한 도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유도기의 위상 기준 등가 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 유도기의 자계 기준 등가 회로도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 유도기의 자계 기준 등가 회로도이다.
도 5는 정상 작동 동안 본 발명의 일 실시예에 따른 유도기의 지압 선도이다.
도 6은 자계 약화 작동 동안 본 발명의 일 실시예에 따른 유도기의 지압 선도이다.
도 7은 자계 강화 작동 동안 본 발명의 일 실시예에 따른 유도기의 지압 선도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 압축기 시스템에 관한 도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 유도기의 제어 방법의 흐름도이다.
본 발명의 바람직한 실시예들의 하기 설명에서 다양한 도면들에 도시되어 있고 기능적으로 유사한 요소들에 대해 동일한 또는 유사한 도면 부호들이 사용되고 있으므로, 이와 같은 요소들에 대한 반복적 설명을 피한다.
도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 압축기 시스템이 도시되어 있다. 직류 변환기(101), 펄스폭 변조 인버터(103) 및 유도기(105)가 도시되어 있다. 본 실시예에 따르면 유도기(105)는 압축기를 위한 구동 장치이다. 대안으로서 유도기(105)는 다른 장치의 구동에도 사용될 수 있다. 여기서는 단지 예시로서 압축기를 언급하였다.
직류 변환기(101)는 본 실시예에 따라 DC/DC 변환기로서 구현되어 있다. 직류 변환기(101)는, 직류 변환기(101)의 입력에 인가되는 고전압망의 입력 전압(
Figure pat00001
)과 상기 입력에 인가되는 입력 전류(
Figure pat00002
)를 직류 전압(
Figure pat00003
)과 직류 전류(
Figure pat00004
)로 변환하고, 직류 전압(
Figure pat00005
)과 직류 전류(
Figure pat00006
)를 직류 변환기(101)의 출력에 송출하도록 형성된다.
펄스폭 변조 인버터(103)는 직류 전압(
Figure pat00007
)과 직류 전류(
Figure pat00008
)를 사용하여 3개의 입력 전류들(
Figure pat00009
)과 3개의 입력 전압들(
Figure pat00010
)을 발생시켜 유도기(105)의 3개의 단자들(1, 2, 3)에 제공하도록 형성된다. 유도기(105)를 작동하기 위해, 3개의 입력 전류들(
Figure pat00011
)은 3상 교류 전류를 형성하고 3개의 입력 전압들(
Figure pat00012
)은 3상 교류 전압을 형성한다.
유도기(105)는 본 실시예에서 동기기로서 구현되어 있다. 유도기(105)는 3개의 코일을 포함하며, 이 코일에 입력 전압들(
Figure pat00013
)이 각각 인가되고 코일이 각각 입력 전류들(
Figure pat00014
)을 공급받는다. 각 코일 모두는 각 입력 전류들(
Figure pat00015
)에 의해 여자하여 유도기의 축을 구동하기 위한 자계를 발생시키도록 형성된다. 이 입력 전류들(
Figure pat00016
) 및 입력 전압들(
Figure pat00017
)에 따라서 유도기(105)의 토크(M)와 속도(n)가 조정될 수 있다.
본 실시예에 따르면, 입력 전류들(
Figure pat00018
)과 입력 전압들(
Figure pat00019
) 사이의 위상각이 변경됨으로써 유도기(105)의 속도(n)가 변동될 수 있다. 이때, 입력 전압들(
Figure pat00020
)의 크기는 일정하게 유지될 수 있다.
일 실시예에 따라 도 1에 도시된 장치는 펄스폭 변조 인버터(103) 및 이의 상류에 연결되어 있는 DC/DC 변환기(101)에 의한 전기 터보 압축기의 급전에 이용될 수 있다.
펄스폭 변조 인버터(103)가 "펄스 진폭 변조(PAM)"의 변조 기법으로 작동되면, 사용되는 파워 반도체는 동기기(105)의 기본 주파수로 클록 제어(clocking)될 수 있다. 위상각을 제어하여 동기기의 속도(n)를 제어하면, 더 이상 동기기(105)의 속도(n)에 항상 비례하여 전압(
Figure pat00021
)을 변경할 필요가 없어서 기계 전류들이 허용되지 않는 높은 값을 취하지 않으므로, 기계에서 너무 큰 열손실이 발생하지 않는다. 그러므로 DC/DC 변환기(103)가 0V 내지 최대 단자 전압(
Figure pat00022
)까지의 범위에서 전압(
Figure pat00023
)을 더 이상 변경할 필요가 없다. 그 결과 매우 많은 열 소실이 DC/DC 변환기(101)에서 억제될 수 있어 상기 어셈블리의 전체 효율이 매우 높아질 수 있다.
일 실시예에 따라 수정된 펄스 진폭 변조에 의해 유도기(105), 예컨대 전기 터보 압축기의 저손실 제어가 이루어진다.
그 때문에 전기 터보 압축기의 제어와 작동이 전체 속도 범위에서 구현될 수 있다. 이때 터보 압축기에서 발생하는 추가 손실은 전력 전자 작동기의 클록 제어 때문에 가능한 한 작게 유지되어야, 유도기(105)의 회전자의 과열이 억제될 수 있다. 동시에, 사용되는 전력 전자 소자들의 부하가 가능한 한 작게 유지되어야 한다. 이를 달성하기 위해 DC/DC 변환기(101)가 오로지 양호한 일정한 작동점들에서 작동된다. E-모터 또는 E-기계의 형태인 유도기(105)의 요구 속도 변경은 터보 압축기용 유도기의 제어 방법을 통해 가능해진다.
펄스폭 변조 인버터(103)에 의해 수행될 수 있는 펄스 진폭 변조는, 동기기(105)가 자계 약화 모드 또는 자계 강화 모드에서 작동하도록 영향을 받는다. 그 때문에, DC/DC 변환기(101)가 출력 전압(
Figure pat00024
)을 변경하지 않아도, 유도기(105) 속도(n)의 속도 조정이 가능해진다. 그 결과, 경우에 따라서는 DC/DC 전압(
Figure pat00025
)이 조정되기 전에 먼저 자계 약화 또는 자계 강화에 의해 신속한 상태 변경이 구현됨으로써, 하이다이나믹 응용 분야에서 요구되는 DC/DC 변환기(101)의 다이내믹이 감소할 수 있다. 그럼으로써, DC/DC 변환기(101)가 전체 전압 범위를 커버하고 무엇보다도 전체 다이내믹 범위를 커버하지 않는 점이 요구되지 않는다. 유도기(105) 내에서의 열손실은 자계 강화 또는 자계 약화로 인해 쉽게 증가하지만, DC/DC 변환기(101)가 유리한, 그리고 경우에 따라 정적인 작동점들에서 작동될 수 있기 때문에, DC/DC 변환기(101)와 펄스폭 변조 인버터(103)로 구성된 시스템의 전체 효율은 더 높아진다.
유도기(105)는 펄스 폭 변조 인버터(105)에 의해 펄스 진폭 변조 기법으로 제어된다. DC/DC 변환기(101)는 유도기(105)의 희망 속도(n)에 따라서 일정한 작동점들에서 작동한다. 일정한 작동점들의 수는 유도기(105)의 DC 전압 및 가능 속도 범위에 따라서 정해진다. 이러한 일정한 작동점들에서는 전압(
Figure pat00026
)을 가능한 한 일정하게 유지하는 점이 추구된다.
유도기(105)의 속도 변경이 요구되면, 이는 변경 부호에 따라서 자계 약화 또는 자계 강화를 통해 실시된다. 자계 약화 또는 자계 강화에도 불구하고 유도기(105)의 목표 속도가 달성될 수 없을 정도로 요구된 속도 변경이 크면, DC/DC 변환기(101)의 작동점이 바뀌어, DC/DC 변환기(101)가 목표 속도를 가능하게 하는 새로운 작동점에서 작동될 수 있다.
정상적인 작동 동안 유도기(105)는 상전류(
Figure pat00027
)와 상전압(
Figure pat00028
)을 받으며, 전류(
Figure pat00029
)와 전압(
Figure pat00030
) 사이에서 위상각(
Figure pat00031
)이 양의 값들을 갖는다. 그러므로 전압(
Figure pat00032
)이 전류(
Figure pat00033
)보다 앞선다. 이때 전류(
Figure pat00034
)는
Figure pat00035
의 위상각을 갖는다. 이와 같은 관계는 도 2 내지 도 4의 등가 회로도를 참고하여 그리고 도 5 내지 도 7에 대응하는 지압 선도를 참고하여 설명한다.
도 2에는 본 발명의 일 실시예에 따른 유도기(105)의 위상 기준 등가 회로도가 도시되어 있다. 이는 도 1에 도시되어 있는 유도기(105)가 될 수도 있다.
이 등가 회로도에 2개의 단자들이 도시되어 있으며, 이들 사이에 전압(
Figure pat00036
)이 인가된다. 이 단자들 중 제1 단자에 전류(
Figure pat00037
)가 공급된다. 이 단자들 사이에서, 등가 회로도는 전압(
Figure pat00038
)이 강하하는 저항(
Figure pat00039
), 전압(
Figure pat00040
)이 강하하는 코일(
Figure pat00041
) 및 전압(
Figure pat00042
)이 강하하는 전압원으로 이루어지는 직렬 회로를 갖는다.
도 3에는 본 발명의 일 실시예에 따른 유도기(105)의 자계 기준 등가 회로도가 도시되어 있다. 이는 도 1에 도시되어 있는 유도기(105)가 될 수도 있다.
이 등가 회로도에 2개의 단자들이 도시되어 있으며, 이들 사이에 전압(
Figure pat00043
)이 인가된다. 이 단자들 중 제1 단자에 전류(
Figure pat00044
)가 공급된다. 이 단자들 사이에서 등가 회로도는 전압(
Figure pat00045
)이 강하하는 저항(
Figure pat00046
), 전압(
Figure pat00047
)이 강하하는 전압원 및 전압(
Figure pat00048
)이 강하하는 코일(
Figure pat00049
)로 이루어지는 직렬 회로를 갖는다.
도 4에는 본 발명의 일 실시예에 따른 유도기(105)의 자계 기준 등가 회로도가 도시되어 있다. 이는 도 1에 도시되어 있는 유도기(105)가 될 수도 있다.
이 등가 회로도에 2개의 단자들이 도시되어 있으며, 이들 사이에 전압(
Figure pat00050
)이 인가된다. 이 단자들 중 제1 단자에 전류(
Figure pat00051
)가 공급된다. 이 단자들 사이에서 등가 회로도는 전압(
Figure pat00052
)이 강하하는 저항(
Figure pat00053
), 전압(
Figure pat00054
)이 강하하는 전압원 및 전압(
Figure pat00055
)이 강하하는 코일(
Figure pat00056
)로 이루어지는 직렬 회로를 갖는다.
도 2 내지 도 4에 도시되어 있는 등가 회로도에는 E-기기(105)의 위상 기준 및 자계 기준 등가 회로도가 개략적으로 도시되어 있다.
도 5에는 정상 작동 동안 본 발명의 일 실시예에 따른 유도기의 지압 선도가 도시되어 있다. 이는 도 1에 도시되어 있는 유도기(105)가 될 수도 있다.
전류(
Figure pat00057
)와 같은 전류(
Figure pat00058
)에 대한 벡터들, 전압(
Figure pat00059
)과 전압(
Figure pat00060
)으로 이루어지는 제1 페이저(phasor)가 도시되어 있다. 제1 페이저는 0°에 있다. 제2 페이저는 전압(
Figure pat00061
)을 나타낸다. 제1 페이저와 제2 페이저 사이에 위상각(
Figure pat00062
)이 형성된다. 전압(
Figure pat00063
)을 나타내는 벡터가 제1 페이저와 제2 페이저를 연결한다. 이때, 전압(
Figure pat00064
)을 나타내는 벡터는 제1 페이저와 직각을 이룬다. 또 다른 페이저는 벡터(
Figure pat00065
)를 나타내며 270°에 있다. 이 페이저는 시계 반대 방향으로 각속도(
Figure pat00066
)로 회전한다. 도면에 도시된 정상 작동에 대해
Figure pat00067
및
Figure pat00068
이 적용된다.
도 5에서는 자계 약화 또는 자계 강화를 가지지 않는 유도기의 정상 작동에 대한 지압 선도를 볼 수 있다. 이때 위상각(
Figure pat00069
)은 정확하게는 각(
Figure pat00070
)에 상응한 데, 자계 형성 전류가
Figure pat00071
이기 때문이다.
도 6에는 자계 약화 작동 동안 본 발명의 일 실시예에 따른 유도기의 지압 선도가 도시되어 있다. 이는 도 1에 도시되어 있는 유도기(105)가 될 수도 있다.
전류(
Figure pat00072
)에 대한 벡터들과 전압(
Figure pat00073
)으로 이루어지는 제1 페이저가 도시되어 있다. 제1 페이저는 0°에 있다. 제2 페이저는 전압(
Figure pat00074
)을 나타낸다. 제1 페이저와 제2 페이저 사이에 위상각(
Figure pat00075
)이 있다. 제3 페이저는 전류(
Figure pat00076
)를 나타낸다. 제1 페이저와 제3 페이저 사이에 위상각(
Figure pat00077
)이 있다. 제3 페이저와 제2 페이저 사이에 위상각(
Figure pat00078
)이 있다. 서로 직각을 이루는 벡터들로서 전압(
Figure pat00079
)을 나타내는 벡터와 전압(
Figure pat00080
)을 나타내는 벡터가 제1 페이저와 제2 페이저를 연결한다. 전압(
Figure pat00081
)을 나타내는 벡터가 서로 직각을 이루는 벡터들(
Figure pat00082
과
Figure pat00083
)에 의해 형성된다. 또 다른 페이저는 벡터(
Figure pat00084
)를 나타내며 270°에 있다. 그외에도, 전류(
Figure pat00085
)의 벡터가 도시되어 있다. 전류들(
Figure pat00086
및
Figure pat00087
)의 벡터들에 의해 직사각형이 펼쳐진다. 이 페이저들은 시계 반대 방향으로 각속도(
Figure pat00088
)로 회전한다. 도시되어 있는 자계 약화 작동에 대해,
Figure pat00089
은 0A보다 작고,
Figure pat00090
은 0°보다 크며,
Figure pat00091
은 0°보다 크고
Figure pat00092
의 사실이 적용된다.
자계 약화는 음의, 자계 형성 전류(
Figure pat00093
)에 의해 구현된다. 이때, 전류 벡터는 합성 전압 벡터보다 앞설 수 있다. 그러므로 위상각(
Figure pat00094
)은 양의 또는 음의 값들을 가질 수 있지만, 자계 약화 없는 작동 동안보다는 항상 작다. 그에 대응하는 지압 선도가 도 6에 도시되어 있다. 자계 약화를 통해 일정한 속도(
Figure pat00095
)는 자계 약화 없는 때보다 더 작은 전압 벡터(
Figure pat00096
)로 구현될 수 있다. 그 반대로, 전압 벡터(
Figure pat00097
)가 일정하여 전압(
Figure pat00098
)이 일정한 경우 더 높은 속도(
Figure pat00099
)가 구현될 수 있다.
도 7에는 자계 강화 작동 동안 본 발명의 일 실시예에 따른 유도기의 지압 선도가 도시되어 있다. 이는 도 1에 도시되어 있는 유도기(105)가 될 수도 있다.
전류(
Figure pat00100
)에 대한 벡터들과 전압(
Figure pat00101
)으로 이루어지는 제1 페이저가 도시되어 있다. 제1 페이저는 0°에 있다. 제2 페이저는 전압(
Figure pat00102
)을 나타낸다. 제1 페이저와 제2 페이저 사이에 위상각(
Figure pat00103
)이 있다. 제3 페이저는 전류(
Figure pat00104
)를 나타낸다. 제1 페이저와 제3 페이저 사이에 위상각(
Figure pat00105
)이 형성된다. 제3 페이저와 제2 페이저 사이에 위상각(
Figure pat00106
)이 형성된다. 서로 직각을 이루는 벡터들로서 전압(
Figure pat00107
)을 나타내는 벡터와 전압(
Figure pat00108
)을 나타내는 벡터가 제1 페이저와 제2 페이저를 연결한다. 전압(
Figure pat00109
)을 나타내는 벡터가 서로 직각을 이루는 벡터들(
Figure pat00110
과
Figure pat00111
)에 의해 형성된다. 또 다른 페이저는 벡터(
Figure pat00112
)를 나타내며 270°에 있다. 그외에도, 전류(
Figure pat00113
)의 벡터가 도시되어 있다. 전류들(
Figure pat00114
및
Figure pat00115
)의 벡터들에 의해 직사각형이 펼쳐진다. 이 페이저들은 시계 반대 방향으로 각속도(
Figure pat00116
)로 회전한다. 도시되어 있는 자계 강화 작동에 대해,
Figure pat00117
은 0A보다 크고,
Figure pat00118
은 0°보다 작으며,
Figure pat00119
은 0°보다 크고
Figure pat00120
이 적용된다.
자계 강화는 양의, 자계 형성 전류(
Figure pat00121
)에 의해 구현된다. 이때, 전류 벡터는 합성 전압 벡터보다 늦다. 그러므로 위상각(
Figure pat00122
)은 음의 또는 양의 값들을 가질 수 있지만, 자계 강화 없는 작동 동안보다는 항상 크다. 그에 대응하는 지압 선도를 도 7에서 볼 수 있다. 자계 강화를 통해 일정한 속도(
Figure pat00123
)는 자계 강화 없는 때보다 더 큰 전압 벡터(
Figure pat00124
)로 구현될 수 있다. 그 반대로, 전압 벡터(
Figure pat00125
)가 일정하여 전압(
Figure pat00126
)이 일정한 경우 더 작은 속도(
Figure pat00127
)가 구현될 수 있다.
전체적으로, 일정한 전압(
Figure pat00128
)으로 유도기의 속도가 물리적 한계 내에서 자계 약화 또는 자계 강화를 통해 증가 또는 감소될 수 있다. 양 경우에 이와 같은 자계 영향은 위상각(
Figure pat00129
)의 조정을 통해 실시된다. 펄스 진폭 변조에 대해 이는 간단한 위상각 레귤레이터를 통해 구현될 수 있다. 이것은 유도기의 희망하는 목표 속도에 기초하여 DC/DC 변환기를 통해
Figure pat00130
의 전압 레벨을 제어하고 펄스폭 변조 인버터를 통해 위상각(
Figure pat00131
)을 제어한다.
도 8에는 본 발명의 일 실시예에 따른 압축기 시스템이 도시되어 있다. 가스를 압축하기 위한 터보 압축기(807)가 도시되어 있다. 터보 압축기(807)는 이 터보 압축기(807)를 구동하기 위한 유도기(105)에 의해 구동된다. 유도기(105)는 다시 유도기(105)를 제어하기 위한 장치(809)에 의해 제어될 수 있다. 장치(809)는 유도기(105)에서 회전 자계를 발생시키기 위한 제어 신호를 제공하도록 형성된다. 예컨대, 장치(809)는 도 1에 도시되어 있는 것처럼 DC 변환기와 펄스폭 레귤레이터를 포함할 수 있다.
장치(809)는 본 실시예에서 유도기(105)의 회전 자계의 자계 약화를 유발하기 위한 제1 장치(811)와 유도기(105)의 회전 자계의 자계 강화를 유발하기 위한 제2 장치(812)를 포함한다. 유도기(105)의 실제 회전 자계의 자계 약화를 통해 유도기(105)의 실제 속도가 감소할 수 있다. 제1 장치(811)는, 실제 속도보다 더 작은 목표 속도로 유도기(105)의 실제 속도를 변경할 수 있는 속도 변경에 대한 값을 수신하거나 결정하도록 형성될 수 있다. 제2 장치(811)는 실제 속도보다 더 큰 목표 속도로 유도기(105)의 실제 속도를 변경할 수 있는 속도 변경에 대한 값을 수신하거나 결정하도록 형성될 수 있다. 따라서 유도기(105)의 실제 회전 자계의 자계 강화를 통해 유도기(105)의 실제 속도가 증가할 수 있다. 예컨대, 제1 장치(811)는 제어 신호를 통해 발생한 유도기(105)의 회전 자계가 약화될 정도로 유도기(105)의 제어를 위한 제어 신호를 변경하도록 형성된다. 따라서 제2 장치(812)는 제어 신호를 통해 발생한 유도기(105)의 회전 자계가 강화될 정도로 유도기(105)의 제어를 위한 제어 신호를 변경하도록 형성된다.
일 실시예에 따라 상기 제어 신호는 클록 전류 신호와 클록 전압 신호를 포함하고, 장치들(811, 812)은 예컨대 도 5 내지 도 7에 도시된 것처럼 회전 자계의 변경을 유발하기 위해 클록 전류 신호와 클록 전압 신호 사이에 위상차를 조정하도록 형성된다.
그외에도, 일 실시예에 따라 제1 장치(811)는 클록 전압 신호의 진폭 감소를 위해 형성된다. 그에 대응하여 제2 장치(812)는 본 실시예에서 클록 전류 신호의 진폭 증가를 위해 형성된다.
일 실시예에 따라 제1 장치(811)와 제2 장치(812)는 단독으로 유도기(105)의 제어를 위한 장치를 형성할 수 있으며 예컨대 도 1에 도시되어 있는 전압 변환기와 펄스폭 변조 인버터에 독립적으로 배치될 수 있다.
도 9에는 본 발명의 일 실시예에 따른 유도기를 제어하기 위한 방법의 흐름도가 도시되어 있다. 이 방법의 단계들은 예컨대 도 8에 도시된, 유도기를 제어하기 위한 장치에 의해 실시될 수 있다.
만약 유도기의 속도가 감소되어야 하면, 단계(901)에서 유도기의 작동을 위해 발생한 회전 자계의 자계 약화가 일으켜진다. 그에 반해, 유도기의 속도가 증가되어야 하면, 단계(902)에서 유도기의 작동을 위해 발생한 회전 자계의 자계 강화가 일으켜진다.
전술한 그리고 도면에 도시된 실시예들은 단지 예시로서 선택되었다. 상이한 실시예들이 전부 또는 개별 특징들과 관련하여 결합될 수 있다. 또한, 하나의 실시예가 다른 실시예를 통해 보완될 수 있다. 그외에도, 본 발명에 따른 방법 단계들은 반복적으로 그리고 전술한 순서와 다른 순서로 실시될 수도 있다.

Claims (10)

  1. 터보 압축기(807)용 유도기(105)를 제어하기 위한 방법으로서, 상기 방법은 하기의 단계들, 즉
    유도기(105)의 속도 감소를 위해, 유도기(105)의 작동을 위해 발생한 회전 자계의 자계 약화를 유발하는 단계(901)와,
    유도기(105)의 속도 증가를 위해, 유도기(105)의 작동을 위해 발생한 회전 자계의 자계 강화를 유발하는 단계(902)를 포함하는, 터보 압축기용 유도기의 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서, 자계 약화를 유발하는 단계(901)에서는 회전 자계를 유발하는 전류와 회전 자계를 유발하는 전압 사이의 위상각이 작아지고, 자계 강화를 유발하는 단계(902)에서는 회전 자계를 유발하는 전류와 회전 자계를 유발하는 전압 사이의 위상각이 커지는, 터보 압축기용 유도기의 제어 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 유발 단계들(901, 902)에서는 회전 자계를 유발하는 전압이 일정하게 유지되는, 터보 압축기용 유도기의 제어 방법.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 유도기(105)의 속도를 더 감소시키기 위해, 자계 약화를 유발하는 단계에 반응하여 회전 자계를 유발하는 전압을 감소시키는 단계를 포함하는, 터보 압축기용 유도기의 제어 방법.
  5. 제2항 또는 제3항에 있어서, 유도기(105)의 속도를 더 증가시키기 위해, 자계 강화를 유발하는 단계에 반응하여 회전 자계를 유발하는 전압을 증가시키는 단계를 포함하는, 터보 압축기용 유도기의 제어 방법.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법은 회전 자계를 발생시키기 위해 3상 교류 전류와 3상 교류 전압을 제공하는 단계를 포함하며, 이때 유발 단계들(901, 902)에서는 자계 약화 또는 자계 강화를 유발하기 위해 3상 교류 전류와 3상 교류 전압 사이의 위상 관계가 조정되는, 터보 압축기용 유도기의 제어 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제공 단계에서는 직류 전류로부터 펄스 진폭 변조에 의해 3상 교류 전류가 발생하고 직류 전압으로부터 추가 펄스 진폭 변조에 의해 3상 교류 전압이 발생하며, 상기 유발 단계들(901, 902)에서는 자계 약화 또는 자계 강화를 유발하기 위해 펄스 진폭 변조의 조정을 통해 3상 교류 전류와 3상 교류 전압 사이의 위상 관계가 조정되는, 터보 압축기용 유도기의 제어 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 방법은 직류 전압을 발생시키기 위해 직류 전압 변환을 실행하는 단계를 포함하고, 이 단계에서 유도기(105)의 제1 속도 범위에 대한 제1 전압값 및 유도기(105)의 제2 속도 범위에 대한 제2 전압값을 갖는 직류 전압이 발생하며, 제1 속도 범위의 크기는, 제1 전압값을 갖는 직류 전압을 사용하여 전체 제1 속도 범위 내에서 자계 약화와 자계 강화의 유발을 통해 유도기(105)의 속도가 변경될 수 있도록 선택되고, 제2 속도 범위의 크기는, 제2 전압값을 갖는 직류 전압을 사용하여 전체 제2 속도 범위 내에서 자계 약화와 자계 강화의 유발을 통해 유도기(105)의 속도가 변경될 수 있도록 선택되는, 터보 압축기용 유도기의 제어 방법.
  9. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 방법의 단계들(901, 902)을 실행하도록 형성되는, 터보 압축기(807)용 유도기(105)의 제어 장치.
  10. 압축기 시스템으로서, 하기의 특징들, 즉
    가스를 압축하기 위한 터보 압축기(807)와,
    상기 터보 압축기(807)를 구동하기 위한 유도기(105)와,
    제9항에 따른, 유도기(105)를 제어하기 위한 장치(809)를 포함하는, 압축기 시스템.
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