KR20140095620A - 전동기를 구비한 건설기계의 직류단 전압 제어 장치 및 그 방법 - Google Patents

전동기를 구비한 건설기계의 직류단 전압 제어 장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 명세서에서 제시되는 일 실시예는 선회 전동기, 엔진 보조 전동기 및 에너지 저장장치의 운전 조건을 고려하여 직류단 전압을 최적의 전압 크기로 가변시킴으로써 인버터 및 컨버터와 같은 전력 변환 장치의 에너지 효율을 증대시킬 수 있는, 전동기를 구비한 건설기계의 직류단 전압 제어 장치 및 그 방법을 제공하고자 한다.

Description

전동기를 구비한 건설기계의 직류단 전압 제어 장치 및 그 방법{APPARATUS AND METHOD FOR CONTROLLING DC TERMINAL VOLTAGE OF CONSTRUCTION EQUIPMENT WITH ELCTRIC MOTOR}
본 발명은 전동기를 구비한 건설기계의 직류단 전압 제어 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
최근에는 유가의 급격한 상승과 함께 엔진의 잉여 동력을 배터리에 저장하고 엔진의 부족한 동력을 배터리로부터 공급하여 연비를 개선한 하이브리드 형태의 건설기계에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
이와 같이, 엔진과 전기 모터를 공통 동력원으로 사용하고 전기에너지 저장장치가 있는 시스템을 하이브리드 시스템이라 한다. 예를 들어, 하이브리드 시스템에는 하이브리드 자동차 및 굴삭기와 같은 중장비용 하이브리드 시스템이 있다.
일반적인 굴삭기 시스템은 엔진을 동력원으로 하여 유압이라는 매개체를 통해서 최종 부하인 붐, 암 및 버켓을 구동하고, 선회시키거나 주행하는 동작을 수행한다. 이와 다르게, 하이브리드 굴삭기 시스템은 일반적인 굴삭기에 2개의 모터와 전기저장 장치를 추가로 설치함으로써, 굴삭기 시스템의 전체 효율을 향상시킬 수 있다. 하이브리드 굴삭기 시스템에 추가되는 주요 부품은 모터, 에너지 저장장치, 인버터 및 컨버터를 포함한다. 여기서, 에너지 저장장치는 배터리(Battery) 및 울트라 캐패시터(Ultra-Capacitor, UC)를 포함한다.
일반적으로, 하이브리드 굴삭기에서 인버터와 컨버터의 전력 변환에 필요한 직류단 전압은 엔진 보조 전동기의 출력, 선회 전동기의 출력의 불평형으로 인해 변동된다. 따라서, 직류단 전압을 일정하게 유지하기 위한 에너지 저장장치용 컨버터가 적용되고 있다.
이때, 컨버터의 충방전 동작을 결정하는 기준 전압, 즉 직류단 전압 제어기의 지령 전압은 건설기계의 운전과 상관없이 일정한 값을 가진다. 또한, 이 지령 전압은 엔진 보조 전동기, 선회 전동기의 운전 가능한 모든 속도 및 토크 영역을 감당할 수 있도록 큰 값으로 선정된다.
이러한 하이브리드 굴삭기의 직류단 전압을 제어하는 방법은 다음과 같다. 일반적으로 직류단에 연결된 엔진 보조용 인버터, 선회 구동용 인버터, 에너지 저장장치용 컨버터는 반도체 스위치로 구성된다. 반도체 스위치의 구동 중 발생하는 에너지 손실은 출력되는 전류, 스위칭 주파수, 직류단 전압에 비례한다. 출력되는 전류의 크기는 부하 조건에 의해 결정된다. 스위칭 주파수는 출력단 인덕턴스와 전류 맥동의 크기에 의해 주로 결정된다. 직류단 전압의 경우는 반도체 스위치가 허용하는 전압 범위 내에서 엔진 보조 전동기, 선회 전동기의 운전 가능한 모든 속도 및 토크 영역을 감당할 수 있는 최대 전압으로 주로 설계된다.
이처럼 하이브리드 굴삭기에서 엔진 보조 전동기 또는 선회 전동기가 저속으로 구동되면, 인버터 구동과 상관없이 직류단 전압이 지나치게 크게 유지되어 불필요한 손실이 발생하게 된다. 특히, 저속 고토크 영역에서의 손실에 큰 문제점이 있다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 선회 전동기, 엔진 보조 전동기 및 에너지 저장장치의 운전 조건을 고려하여 직류단 전압을 최적으로 가변시킴으로써 인버터 및 컨버터와 같은 전력 변환 장치의 에너지 효율을 증대시킬 수 있는, 전동기를 구비한 건설기계의 직류단 전압 제어 장치 및 그 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
전술한 목적을 달성하기 위하여, 본 명세서에서 제시되는 실시 예에 따르면, 전기 에너지를 기계 에너지로 변환하거나 기계 에너지를 전기 에너지로 회생하는 적어도 하나의 전동기와 각각 연결되어 상기 적어도 하나의 전동기를 제어하기 위한 적어도 하나의 인버터; 상기 적어도 하나의 전동기에서 발생된 회생 전력을 저장하는 에너지 저장장치와 연결되어 상기 에너지 저장장치를 제어하기 위한 컨버터; 상기 적어도 하나의 인버터 및 상기 컨버터 사이에 연결되고, 상기 적어도 하나의 인버터를 통해 전력을 공급받거나, 상기 컨버터를 통해 상기 회생된 전력을 회수하는 직류단 캐패시터; 및 상기 적어도 하나의 인버터 각각이 요구하는 적어도 하나의 인버터 요구 전압 및 상기 컨버터에서 요구하는 컨버터 요구 전압을 생성하고, 상기 생성된 적어도 하나의 인버터 요구 전압 및 상기 컨버터 요구 전압에 기초하여 상기 직류단 캐패시터의 직류단 전압을 가변적으로 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동기를 구비한 건설기계의 직류단 전압 제어 장치가 제공될 수 있다.
한편, 본 명세서에서 제시되는 실시 예에 따르면, 적어도 하나의 전동기와 각각 연결된 적어도 하나의 인버터에서 요구하는 적어도 하나의 인버터 요구 전압을 생성하는 인버터 요구 전압 생성 단계; 에너지 저장장치와 연결된 컨버터에서 요구하는 컨버터 요구 전압을 생성하는 컨버터 요구 전압 생성 단계; 및 상기 적어도 하나의 인버터를 통해 전력을 공급받거나, 상기 컨버터를 통해 상기 회생된 전력을 회수하는 직류단 캐패시터의 직류단 전압을 상기 생성된 적어도 하나의 인버터 요구 전압 및 상기 컨버터 요구 전압에 기초하여 가변적으로 제어하는 전압 제어 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동기를 구비한 건설기계의 직류단 전압 제어 방법이 제공될 수 있다.
본 명세서에서 제시된 실시 예에 따르면, 직류단 전압을 가변 제어함으로써, 전력변환장치의 에너지 효율을 증대시키고 손실 전력을 감소실 수 있다.
또한, 본 명세서에서 제시된 실시 예에 따르면, 손실 전력의 감소를 통해 냉각 시스템에서 사용되는 전력의 감소시킴으로써, 전력 변환 장치의 효율뿐만 아니라 전체 시스템의 효율을 증대시킬 수 있다.
또한, 본 명세서에서 제시된 실시 예에 따르면, 하이브리드 건설기계에 국한되지 않으며, 에너지 저장장치와 선회 전동기를 가지는 전기 굴삭기에도 적용 가능하다. 이 경우는 앞서의 설명에서 엔진 보조 전동기의 역할만을 제거하여 적용될 수 있다. 여기서, 전기식 건설기계인 경우, 선회 전동기 대신 전동식 주행 전동기가 적용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 직류단 전압 제어 장치가 포함된 하이브리드 건설기계의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 직류단 전압 제어 장치가 포함된 전기식 건설기계의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 직류단 전압 제어 장치의 제어부의 상세 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 직류단 전압 제어 장치에서 인버터 요구 전압 생성에 대한 블록도이다.
도 5는 종래의 고정적인 직류단 전압 제어 방법에 대한 설명도이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 가변적인 직류단 전압 제어 방법에 대한 설명도이다.
본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 본 명세서에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 기술적인 용어가 본 발명의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는, 당업자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에서 사용되는 일반적인 용어는 사전에 정의되어 있는 바에 따라, 또는 전후 문맥상에 따라 해석되어야 하며, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 발명의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 발명의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 직류단 전압 제어 장치가 포함된 하이브리드 건설기계의 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 하이브리드 건설기계(100)는 유압 펌프(101), 붐 실린더(102), 암 실린더(103), 버켓 실린더(104), 엔진(10), 엔진 보조 전동기(110), 보조용 인버터(111), 선회 전동기(120), 선회용 인버터(121), 에너지 저장장치(130), DC-DC 컨버터(131), 직류단 캐패시터(140) 및 제어부(150)를 포함한다.
전기식 선회 전동기(120)를 가지는 건설기계(예컨대, 굴삭기, 휠로더 등)는 주 동력원인 엔진(10)의 존재 여부에 따라 크게 하이브리드 건설기계(100)와 전기식 건설기계(도 2)로 구분될 수 있다. 본 발명의 설명 편의상 하이브리드 건설기계(100)에 대해 중점적으로 설명하고, 이후 전기식 건설기계에 대한 설명을 도 2를 참조하여 설명하도록 한다.
도 1은 하이브리드 건설기계(100)에 관한 구성도이다.
도시한 엔진 보조 전동기(110)는 엔진(10)에 직결되어 있다.
엔진 보조 전동기(110)에 직결된 유압 펌프(101)는 유압 펌프(101)의 압유를 제어하는 컨트롤 밸브와 연결되어 있다. 컨트롤 밸브로부터 전달된 압유를 통해 붐, 암, 버켓을 구동하는 붐 실린더(102), 암 실린더(103) 및 버켓 실린더(104)이 구동된다.
엔진(10)과 직결된 엔진 보조 전동기(110)는 엔진(10)의 출력 부족 시, 전동기로 동작하고, 엔진(10)의 출력에 여유가 있을 경우 발전기로 동작한다.
보조용 인버터(111)는 엔진 보조 전동기(110)를 모터 또는 발전기로 동작시키기 위해 엔진 보조 전동기(110)를 제어하고, 제어부(150)의 지령에 따라 엔진 보조 전동기(110)를 구동한다.
보조용 인버터(111)의 입력 단에는 직류단 캐패시터(140)가 연결되어 있다. 직류단 캐패시터(140)는 보조용 인버터(111)의 입력 전압을 안정화하고 엔진 보조 전동기(110)가 발전기로 동작 시, 발생된 에너지를 일시적으로 저장하는 역할을 수행한다.
선회 전동기(120)는 하이브리드 건설기계(예컨대, 굴삭기 등)(100)의 선회 상체를 회전시킨다. 선회용 인버터(121)는 선회 전동기(120)를 구동하고, 직류단 캐패시터(140)에 연결되어 있다.
선회 전동기(120)를 구동하는 선회용 인버터(121)는 하이브리드 건설기계(100)의 레버 지령에 따라 가속 또는 감속운전을 수행한다. 선회용 인버터(121)는 가속 시에는 선회 전동기(120)를 모터로 동작시키고 감속 시에는 발전기로 동작시켜 하이브리드 건설기계(100)의 선회 상체의 회전 관성 에너지를 전기 에너지로 변환하여 직류단 캐패시터(140)로 공급한다.
에너지 저장장치(130)는 회생된 에너지를 저장한다. 에너지 저장장치(130)는 에너지 저장장치(130)의 충전 및 방전을 제어하는 DC-DC 컨버터(131)와 연결되어 있다.
제어부(150)는 하이브리드 건설기계(100) 전체의 전력의 흐름을 제어하여 엔진 보조 전동기(110)가 모터로 동작 시의 출력량과 발전기로 동작 시의 출력량을 결정하고, 에너지 저장장치(130)에 저장된 에너지량을 제어한다.
한편, 엔진(10)은 하이브리드 건설기계(100)의 운전 시 필요한 동력을 유압 펌프(101)로 제공한다. 하이브리드 건설기계(100)의 부하가 엔진(10)의 출력보다 적은 경우, 엔진(10)과 직결된 엔진 보조 전동기(110)는 발전기로 동작한다. 그리고 엔진(10)의 여유 에너지가 보조용 인버터(111)를 통해 직류단 캐패시터(140)로 공급된다. 이때, 종래에는 에너지 저장장치(130)를 제어하는 DC-DC 컨버터(131)는 직류단 전압을 감지하여, 직류단 전압이 증가하면 직류단의 에너지를 에너지 저장장치(130)에 저장하여 직류단의 전압이 일정하도록 제어한다.
반대로 엔진(10)의 출력이 하이브리드 건설기계(100)의 부하보다 적은 경우, 엔진 보조 전동기(110)는 모터로 동작하고, 직류단에 저장된 에너지를 사용한다. 이로 인해 직류단 전압이 감소하면, 에너지 저장장치(130)를 제어하는 DC-DC 컨버터(131)는 종래에 에너지 저장장치(130)에 저장된 에너지를 직류단 캐패시터(140)에 공급하여 직류단 캐패시터(140)의 전압이 일정하도록 제어한다.
선회 전동기(120)는 하이브리드 건설기계(100)의 선회 상체를 구동하는 레버 지령에 따라 선회 상부체를 회전시킨다. 선회 전동기(120)는 가속 시에는 직류단 캐패시터(140)에 저장된 에너지를 사용하여 전동기를 가속한다. 종래에는, 선회 전동기(120)에서 사용한 에너지로 인해 직류단 캐패시터(140)의 전압이 감소하고, DC-DC 컨버터(131)는 선회 전동기(120)의 가속 시 사용한 에너지를 직류단에 공급하여 직류단의 전압이 일정하도록 제어한다.
하이브리드 건설기계(100)의 선회 상부체를 감속 시에는 선회 전동기(120)를 발전기로 동작시켜 제동 토오크를 발생시키고 발전된 에너지를 직류단 캐패시터(140)에 공급하면 직류단 캐패시터(140)의 전압은 증가한다. 종래에는 DC-DC 컨버터(131)는 증가된 에너지를 에너지 저장장치(130)에 저장하여 직류단 전압이 일정하도록 제어한다.
이와 같이, 종래에는 직류단 전압이 일정하도록 제어되지만, 본 발명의 실시 예에 따른 직류단 전압 제어 장치는 엔진 보조 전동기(110), 선회 전동기(120) 및 에너지 저장장치(130)의 운전 조건을 고려하여 직류단 전압을 가변시킴으로써, 보조용 인버터(111), 선회용 인버터(121) 및 DC-DC 컨버터(131)와 같은 전력 변환 장치의 에너지 효율을 증대시킬 수 있다.
이를 위해, 본 발명의 실시 예에 따른 직류단 전압 제어 장치는 적어도 하나의 전동기(도 1에서 엔진 보조 전동기(110) 및 선회 전동기(120))와 각각 연결된 적어도 하나의 인버터(도 1에서 보조용 인버터(111) 및 선회용 인버터(121)), 에너지 저장장치(130)를 제어하기 위한 컨버터(도 1에서 DC-DC 컨버터(131)), 직류단 캐패시터(140) 및 제어부(150)를 포함하여 이루어진다. 제어부(150)는 전류 검출기(151), 위치 검출기(152) 및 전압 검출기(153)와 연결되어 있다. 전술한 구성요소들은 모두 반드시 필요한 것은 아니며, 일부 생략될 수 있다.
이하, 도 1을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 직류단 전압 제어 장치의 구성요소 각각에 대하여 살펴보기로 한다.
보조용 인버터(111) 및 선회용 인버터(121)는 전기 에너지를 기계 에너지로 변환하거나 기계 에너지를 전기 에너지로 회생하는 보조 전동기(110) 및 선회 전동기(120)와 각각 연결되어 보조 전동기(110) 및 선회 전동기(120)를 제어한다.
DC-DC 컨버터(131)는 적어도 하나의 전동기에서 발생된 회생 전력을 저장하는 에너지 저장장치(130)와 연결되어 에너지 저장장치(130)를 제어한다.
직류단 캐패시터(140)는 보조용 인버터(111), 선회용 인버터(121) 및 DC-DC 컨버터(131) 사이에 연결되고, 보조용 인버터(111) 및 선회용 인버터(121)를 통해 전력을 공급받거나, DC-DC 컨버터(131)를 통해 회생된 전력을 회수한다.
제어부(150)는 보조용 인버터(111) 및 선회용 인버터(121) 각각이 요구하는 적어도 하나의 인버터 요구 전압 및 DC-DC 컨버터(131)에서 요구하는 컨버터 요구 전압을 생성한다. 이때, 제어부(150)는 각 인버터에 대응하는 전동기 속도, 출력 전류 및 인버터 출력 전압 지령 중 적어도 하나를 이용하여 각각의 인버터 요구 전압을 각각 생성한다. 또한, 제어부(150)는 DC-DC 컨버터(131)에 대응하는 에너지 저장장치 전압 또는 컨버터 출력 전압 지령을 이용하여 컨버터 요구 전압을 생성한다.
그리고 제어부(150)는 그 생성된 적어도 하나의 인버터 요구 전압 및 컨버터 요구 전압에 기초하여 직류단 캐패시터(140)의 직류단 전압을 가변적으로 제어한다. 제어부(150)는 생성된 적어도 하나의 인버터 요구 전압 및 컨버터 요구 전압 중에서 최대 요구 전압을 계산하고, 그 계산된 최대 요구 전압에 따라 직류단 캐패시터(140)의 직류단 전압을 가변적으로 제어할 수 있다. 또한, 제어부(150)는 계산된 최대 요구 전압에 기 설정된 전압 마진을 부가하고 기 설정된 전압 마진이 부가된 최대 요구 전압에 따라 직류단 캐패시터(140)의 직류단 전압을 가변적으로 제어할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 직류단 전압 제어 장치가 포함된 전기식 건설기계의 구성도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 전기식 건설기계(200)는 도 1에서의 하이브리드 굴삭기(110)와 달리 엔진(10)을 구비하지 않고, 유압 펌프(101)를 구동시키는 유압 펌프 전동기(210) 및 보조용 인버터(211)를 포함한다.
본 발명의 실시 예는 도 1에서의 하이브리드 굴삭기(110)에 국한되지 않으며, 에너지 저장장치(140)와 선회 전동기(120)를 가지는 전기 굴삭기(200)에도 적용이 가능하다. 또한, 선회 전동기 대신 전동식 주행 전동기를 적용하는 전기식 로더에도 적용이 가능하다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 직류단 전압 제어 장치의 제어부의 상세 구성도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 제어부(150)는 제1 인버터 요구전압 생성부(310), 제2 인버터 요구전압 생성부(320), 컨버터 요구전압 생성부(330), 직류단 전압 지령 생성부(340) 및 직류단 전압 제어부(350)를 포함한다.
제1 인버터 요구전압 생성부(310)는 선회 전동기(120)의 속도, 출력 전류, 인버터 출력 전압 지령을 입력 받아 제1 인버터 요구전압을 생성한다.
제2 인버터 요구전압 생성부(320)는 엔진 보조 전동기(110)의 속도, 출력 전류, 인버터 출력 전압 지령을 입력 받아 제2 인버터 요구전압을 생성한다.
컨버터 요구전압 생성부(330)는 에너지 저장장치(130)의 전압, 컨버터 출력 전압 지령을 입력 받아 컨버터 요구전압을 생성한다.
직류단 전압 지령 생성부(340)는 제1 인버터 요구전압 생성부(310), 제2 인버터 요구전압 생성부(320) 및 컨버터 요구전압 생성부(330)에서 각각 생성된 제1 인버터 요구전압, 제2 인버터 요구전압 및 컨버터 요구전압 중에서 최대 요구 전압을 계산하고, 그 계산된 최대 요구 전압에 따라 직류단 전압 지령을 생성한다.
직류단 전압 제어부(350)는 생성된 직류단 전압 지령에 따라 직류단 캐패시터(140)의 직류단 전압을 가변적으로 제어한다.
구체적으로 살펴보면, 하기의 [수학식 1]을 만족하는 경우, 보조용 인버터(111) 및 선회용 인버터(121)가 정상 동작할 수 있다. 따라서 보조용 인버터(111) 및 선회용 인버터(121)가 요구하는 최소 직류단 전압의 크기는 보조용 인버터(111) 및 선회용 인버터(121)의 상전압 지령으로부터 구할 수 있다.
Figure pat00001
여기서,
Figure pat00002
과
Figure pat00003
는 각각 직류단 전압과 각 인버터가 요구하는 최소 전압의 크기를 나타낸다. 이때, 상전압(
Figure pat00004
)는 정상 상태에서의 상전압 피크값을 나타내고, 각 전동기의 속도 및 출력 전류에 의해 결정된다. 이러한 관계는 하기의 [수학식 2]와 같이 페이서(phasor)로 표현할 수 있다.
Figure pat00005
여기서
Figure pat00006
,
Figure pat00007
및
Figure pat00008
는 각각 페이서로 표현된 상전압, 상전류, 역기전력을 나타낸다.
Figure pat00009
,
Figure pat00010
,
Figure pat00011
는 각각 전동기 속도, 상인덕턴스, 상저항을 나타낸다.
또한, 역기전력의 크기는 하기의 [수학식 3]과 같이 계자 자속의 크기와 회전속도에 비례한다.
Figure pat00012
여기서,
Figure pat00013
는 계자 자속의 크기를 나타낸다.
전술된 바와 같이, 직류단 전압 지령 생성부(340)는 각각의 인버터 및 컨버터가 요구하는 직류단 전압을 취합하여 그 중 가장 큰 값을 직류단 전압 제어부(350)의 직류단 전압 지령으로 하기의 [수학식 4]와 같이 생성한다.
Figure pat00014
여기서,
Figure pat00015
는 전력 변환 장치 내에 수치화하기 힘든 요소들을 고려한 마진을 나타낸다. 예를 들어, 마진은 통상 10~20% 정도를 할 수 있으며, 도 6에 도시된 예와 같이 직류단 전압을 제어할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 직류단 전압 제어 장치에서 인버터 요구 전압 생성에 대한 블록도이다.
도 4는 인버터 출력 전압 지령을 이용하여 인버터 요구 전압을 생성하는 과정을 블록도로 나타내고 있다.
속도 제어기 또는 토크 지령 생성기(410)는 토크 또는 전류 지령을 생성한다.
그리고 선회용 인버터 제어기(420)는 생성된 토크 또는 전류 지령을 이용하여 인버터 출력 전압 지령을 생성한다.
이어서, 펄스폭변조(PWM: Pulse Width Modulation) 생성기(430)는 생성된 인버터 출력 전압 지령에 따라 선회용 인버터(121)를 제어한다.
상기의 [수학식 2]를 통해 인버터에서 요구하는 전압을 생성할 때, 실제 전동기 구동 시에 전류 크기의 맥동이 존재할 경우, 직류단 전압 지령이 빈번하게 변동하는 문제가 발생할 수 있다. 이러한 경우, 전류를 필터링하여 계산을 하거나 전류 지령을 사용하여 요구되는 전압을 생성하면 이러한 전류 맥동의 영향을 줄일 수 있다.
각 인버터에서 요구하는 전압을 구하는 또 다른 방법으로는 제어부(150)에서 이미 선회용 인버터 제어기(420)의 인버터 출력 전압 지령을 직접 이용하는 방법이다. 이러한 경우, 상저항, 상인덕턴스, 역기전력 상수와 같은 전동기의 제정수(Parameter) 오차로 인해 발생하는 상기 [수학식 2]의 결과와 실제 요구 전압의 차이를 줄일 수 있다.
상기 [수학식 2]의 결과와 실제 요구 전압의 차이를 줄이기 위해서, 도 4에 도시된 저역 통과 필터(440)는 인버터 출력 전압의 맥동이 문제가 될 경우, 인버터 출력 전압 지령을 저역 통과 필터링하여 인버터 요구 전압을 생성할 수 있다.
도 5는 종래의 고정적인 직류단 전압 제어 방법에 대한 설명도이고, 도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 가변적인 직류단 전압 제어 방법에 대한 설명도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 종래의 고정적인 직류단 전압 제어 방법은 선회 전동기 요구 전압(502), 엔진 보조 전동기 요구 전압(504) 및 에너지 저장장치 전압(506)에 상관없이 직류단 전압(508)을 고정적으로 제어한다. 이때, 직류단 전압(508)이 지나치게 크게 유지되어 불필요한 손실이 발생하게 된다.
반면, 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 가변적인 직류단 전압 제어 방법은 선회 전동기 요구 전압(502), 엔진 보조 전동기 요구 전압(504) 및 에너지 저장장치 전압(506)을 고려하여 선회 전동기 요구 전압(502), 엔진 보조 전동기 요구 전압(504) 및 에너지 저장장치 전압(506) 중에서 최대 요구 전압에 따라 직류단 전압(508)을 적절히 가변시킴으로써, 인버터 및 컨버터와 같은 전력 변환 장치의 에너지 효율을 증대시킬 수 있다.
전술한 방법은 다양한 수단을 통해 구현될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 실시 예들은 하드웨어, 펌웨어(firmware), 소프트웨어 또는 그것들의 결합 등에 의해 구현될 수 있다.
하드웨어에 의한 구현의 경우, 본 발명의 실시 예들에 따른 방법은 하나 또는 그 이상의 ASICs(application specific integrated circuits), DSPs(digital signal processors), DSPDs(digital signal processing devices), PLDs(programmable logic devices), FPGAs(field programmable gate arrays), 프로세서, 콘트롤러, 마이크로 콘트롤러, 마이크로 프로세서 등에 의해 구현될 수 있다.
펌웨어나 소프트웨어에 의한 구현의 경우, 본 발명의 실시예들에 따른 방법은 이상에서 설명된 기능 또는 동작들을 수행하는 모듈, 절차 또는 함수 등의 형태로 구현될 수 있다. 소프트웨어 코드는 메모리 유닛에 저장되어 프로세서에 의해 구동될 수 있다. 상기 메모리 유닛은 상기 프로세서 내부 또는 외부에 위치하여, 이미 공지된 다양한 수단에 의해 상기 프로세서와 데이터를 주고 받을 수 있다.
이상에서 본 명세서에 개시된 실시예들을 첨부된 도면들을 참조로 설명하였다. 이와 같이 각 도면에 도시된 실시예들은 한정적으로 해석되면 아니되며, 본 명세서의 내용을 숙지한 당업자에 의해 서로 조합될 수 있고, 조합될 경우 일부 구성 요소들은 생략될 수도 있는 것으로 해석될 수 있다.
여기서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 본 명세서에 개시된 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 명세서에 개시된 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 명세서에 개시된 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
10: 엔진 101: 유압 펌프
102: 붐 실린더 103: 암 실린더
104: 버켓 실린더 110: 엔진 보조 전동기
111: 보조용 인버터 120: 선회 전동기
121: 선회용 인버터 130: 에너지 저장장치
131: DC-DC 컨버터 140: 직류단 캐패시터
150: 제어부 151: 전류 검출기
152: 위치 검출기 153: 전압 검출기

Claims (10)

  1. 전기 에너지를 기계 에너지로 변환하거나 기계 에너지를 전기 에너지로 회생하는 적어도 하나의 전동기와 각각 연결되어 상기 적어도 하나의 전동기를 제어하기 위한 적어도 하나의 인버터;
    상기 적어도 하나의 전동기에서 발생된 회생 전력을 저장하는 에너지 저장장치와 연결되어 상기 에너지 저장장치를 제어하기 위한 컨버터;
    상기 적어도 하나의 인버터 및 상기 컨버터 사이에 연결되고, 상기 적어도 하나의 인버터를 통해 전력을 공급받거나, 상기 컨버터를 통해 상기 회생된 전력을 회수하는 직류단 캐패시터; 및
    상기 적어도 하나의 인버터 각각이 요구하는 적어도 하나의 인버터 요구 전압 및 상기 컨버터에서 요구하는 컨버터 요구 전압을 생성하고, 상기 생성된 적어도 하나의 인버터 요구 전압 및 상기 컨버터 요구 전압에 기초하여 상기 직류단 캐패시터의 직류단 전압을 가변적으로 제어하는 제어부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동기를 구비한 건설기계의 직류단 전압 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    각 인버터에 대응하는 전동기 속도, 출력 전류 및 인버터 출력 전압 지령 중 적어도 하나를 이용하여 각각의 인버터 요구 전압을 각각 생성하고, 상기 컨버터에 대응하는 에너지 저장장치 전압 또는 컨버터 출력 전압 지령을 이용하여 컨버터 요구 전압을 생성하는 것을 특징으로 하는 전동기를 구비한 건설기계의 직류단 전압 제어 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    저역 통과 필터를 더 포함하고, 상기 적어도 하나의 전동기 구동 시 발생하는 맥동을 감소시키기 위해, 상기 포함된 저역 통과 필터를 통해 상기 출력 전류를 저역 통과 필터링시켜 인버터 요구 전압을 생성하는 것을 특징으로 하는 전동기를 구비한 건설기계의 직류단 전압 제어 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 생성된 적어도 하나의 인버터 요구 전압 및 상기 컨버터 요구 전압 중에서 최대 요구 전압을 계산하고, 상기 계산된 최대 요구 전압에 따라 상기 직류단 캐패시터의 직류단 전압을 가변적으로 제어하는 것을 특징으로 하는 전동기를 구비한 건설기계의 직류단 전압 제어 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 계산된 최대 요구 전압에 기 설정된 전압 마진을 부가하고 상기 기 설정된 전압 마진이 부가된 최대 요구 전압에 따라 상기 직류단 캐패시터의 직류단 전압을 가변적으로 제어하는 것을 특징으로 하는 전동기를 구비한 건설기계의 직류단 전압 제어 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 전동기는,
    하이브리드 건설기계 또는 전기식 건설기계에서의 선회 전동기, 엔진 보조 전동기 및 주행 전동기 중에서 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동기를 구비한 건설기계의 직류단 전압 제어 장치.
  7. 적어도 하나의 전동기와 각각 연결된 적어도 하나의 인버터에서 요구하는 적어도 하나의 인버터 요구 전압을 생성하는 인버터 요구 전압 생성 단계;
    에너지 저장장치와 연결된 컨버터에서 요구하는 컨버터 요구 전압을 생성하는 컨버터 요구 전압 생성 단계; 및
    상기 적어도 하나의 인버터를 통해 전력을 공급받거나, 상기 컨버터를 통해 상기 회생된 전력을 회수하는 직류단 캐패시터의 직류단 전압을 상기 생성된 적어도 하나의 인버터 요구 전압 및 상기 컨버터 요구 전압에 기초하여 가변적으로 제어하는 전압 제어 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동기를 구비한 건설기계의 직류단 전압 제어 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 인버터 요구 전압 생성 단계는, 각 인버터에 대응하는 전동기 속도, 출력 전류 및 인버터 출력 전압 지령 중 적어도 하나를 이용하여 각각의 인버터 요구 전압을 각각 생성하고,
    상기 컨버터 요구 전압 생성 단계는, 상기 컨버터에 대응하는 에너지 저장장치 전압 또는 컨버터 출력 전압 지령을 이용하여 컨버터 요구 전압을 생성하는 것을 특징으로 하는 전동기를 구비한 건설기계의 직류단 전압 제어 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 인버터 요구 전압 생성 단계는,
    상기 적어도 하나의 전동기 구동 시 발생하는 맥동을 감소시키기 위해, 상기 출력 전류를 저역 통과 필터링시켜 인버터 요구 전압을 생성하는 것을 특징으로 하는 전동기를 구비한 건설기계의 직류단 전압 제어 방법.
  10. 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전압 제어 단계는,
    상기 생성된 적어도 하나의 인버터 요구 전압 및 상기 컨버터 요구 전압 중에서 최대 요구 전압을 계산하고, 상기 계산된 최대 요구 전압에 따라 상기 직류단 캐패시터의 직류단 전압을 가변적으로 제어하는 것을 특징으로 하는 전동기를 구비한 건설기계의 직류단 전압 제어 방법.
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