KR20150103626A - 전력 주파수 변환기 및 연관된 방법 - Google Patents

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Abstract

범위 내에서 변동하도록 허용되는 제 1 주파수와 같은 제 1 주파수의 ac 입력 신호를, 제 1 주파수와 상이하고 고정될 수 있는 제 2 주파수의 ac 출력 신호로 변환하기 위한 전력 주파수 변환기 및 연관된 방법이 제공된다. 전력 주파수 변환기는 복수의 전력 정류 모듈들을 포함한다. 각각의 전력 정류 모듈은 제 1 주파수의 입력 신호의 상이한 상들을 수신하기 위한 복수의 전력 정류 컴포넌트들을 포함한다. 각각의 전력 정류 모듈은 제 2 주파수의 출력 신호를 유도 전동기와 같은 로드에 제공하도록 구성된다. 전력 주파수 변환기는 또한 전력 정류 모듈들을 선택적으로 인에이블하기 위한 제어 신호들을 제공하도록 구성된 제어기를 포함한다. 제어기는 제 1 주파수로의 동기화 없이 제어 신호들을 제공하도록 구성된다.

Description

전력 주파수 변환기 및 연관된 방법{POWER FREQUENCY CONVERTER AND ASSOCIATED METHOD}
본 발명의 예시적인 실시예는 일반적으로, 가령, 변동하도록 허용된 주파수를 갖는 3-상 입력 신호를 고정 주파수를 갖는 3-상 출력 신호로 변환하기 위한 전력 주파수 변환기 및 연관된 방법에 관한 것이다.
유압 작동기들은 매우 다양한 목적들을 위해 사용된다. 유압 작동기를 동작시키기 위해, 유압 펌프, 튜빙(tubing) 및 부가적인 제어부들을 포함하는 유압 시스템이 일반적으로 요구된다. 예를 들면, 항공기는 다양한 기능들을 수행하기 위해 유압 작동기들을 사용한다. 예로서, 일부 항공기는 앞뒤로 교번하여 이동되어야 하는 역추진 장치(thrust reverser)를 포함할 수 있다. 이러한 예시적인 시나리오에서, 항공기는 역추진 장치를 제어 가능하게 이동시키기 위해 유압 작동기를 포함할 수 있다.
유압 작동기들이 많은 상황들에서 유용하지만, 일부 유압 작동기들은 유압 시스템의 비용 면에서, 유압 시스템의 공간 및/또는 무게 면에서 및/또는 유압 작동기가 작동하는 것을 보장하는데 필요한 유지보수(maintenance) 면에서 바람직하지 않게 비경제적으로 될 수 있다. 예를 들면, 역추진 장치와 연관된 유압 작동기는 일반적으로, 가령, 이륙을 중단해야 할 때 역추진 장치를 빠르게 이동시키기 위해 빠르게 활성화될 수 있어야 한다. 그러나, 빠르게 활성화될 수 있도록 하기 위해, 결과적인 유압 작동기 시스템은 비용, 공간, 무게 등의 면에서 바람직하지 않게 비경제적으로 될 수 있다.
따라서, 유도 전동기들은 비용, 공간 요건들, 무게 요건들, 유지보수 요구들 등을 감소시키기 위해 일부 상황들에서 유압 작동기들 대신에 사용될 수 있다. 유도 전동기는 일반적으로 고정 주파수의 3-상 교류(AC) 전력을 요구한다. 그러나, 항공기 전력 시스템들에 의해 제공되는 3-상 AC 전력은 반드시 고정 주파수가 아닐 수 있고, 어느 경우에는, 가장 효율적인 동작을 위해 유도 전동기가 사용하는 고정 주파수가 아닐 수 있다. 대신에, 항공기 전력 시스템들은, 비록 비교적 일정하거나 조정된 전압일지라도, 가령, 320 Hz 내지 800 Hz의 범위에 걸쳐 변동할 수 있는 주파수를 갖는 3-상 전력을 제공할 수 있다.
3-상 전력의 주파수를 고정시키기 위해, 주파수 변환기는 가변 주파수 AC 입력 신호를 수신할 수 있고, 고정 주파수 AC 출력 신호를 생성할 수 있다. 주파수 변환기는, 고정 주파수의 출력 전력을 생성하기 위해 복수의 대형 커패시터들 및 다수의, 예를 들면, 6 개의 정류 다이오드들 및 트랜지스터들을 포함할 수 있다. 그러한 주파수 변환기들은 고가일 수 있으며, 원하는 것보다 더 많이 무거울 수 있다. 또한, 그러한 주파수 변환기들의 스위칭 주파수들은 바람직하지 않게 높을 수 있다. 또한, 그러한 주파수 변환기들은 바람직하지 않게 전자기 간섭(EMI) 및 번개에 민감할 수 있거나, EMI 민감성을 해결하기 위해 특정 물리적 레이아웃 및 케이블링을 요구할 수 있다.
제 1 주파수의 AC 입력 신호를 제 1 주파수와 상이한 제 2 주파수의 AC 출력 신호로 변환하기 위해 예시적인 실시예에 따른 전력 주파수 변환기 및 연관된 방법이 제공된다. 일 실시예에서, AC 입력 신호의 제 1 주파수는 변동하도록 허용될 수 있고, 반면에 AC 출력 신호의 제 2 주파수는 고정 주파수일 수 있어서, 고정 주파수가 유도 전동기와 같은 로드에 제공될 수 있다. 예시적인 실시예의 전력 주파수 변환기 및 연관된 방법은 비교적 작은 크기를 갖고 경량일 수 있으며, EMI 및 번개에 대해 강할 수 있고, 이로써 가령 역추진 장치 등을 동작시키기 위한 유도 전동기와 함께 항공기 기내에서 전력 주파수 변환기 및 연관된 방법을 사용하는 것이 용이해진다.
일 실시예에서, 복수의 전력 정류 모듈들을 포함하는 전력 주파수 변환기가 제공된다. 각각의 전력 정류 모듈은 제 1 주파수의 교류(AC) 입력 신호의 상이한 상들(phases)을 수신하기 위한 복수의 전력 정류 컴포넌트들을 포함한다. 각각의 전력 정류 모듈은 제 1 주파수와 상이한 제 2 주파수의 AC 출력 신호의 각각의 상을 유도 전동기와 같은 로드에 제공하도록 구성된다. 전력 주파수 변환기는 또한 복수의 전력 정류 모듈들을 선택적으로 인에이블하기 위한 제어 신호들을 제공하도록 구성된 제어기를 포함한다. 제어기는 제 1 주파수로의 동기화 없이 제어 신호들을 제공하도록 구성된다.
제 1 주파수는 변동하도록 허용될 수 있고, 반면에 제 2 주파수는 고정될 수 있다. 일 실시예의 전력 정류 컴포넌트들은 제어 신호에 따라 포지티브 정류 또는 네거티브 정류를 교번하여 제공하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 각각의 전력 정류 모듈은 복수의 사이리스터들을 포함할 수 있다. 일 실시예의 제어기는 포지티브 및 네거티브 부분들 및 포지티브 부분과 네거티브 부분 사이의 전이 부분을 갖는 제어 신호를 각각의 전력 정류 컴포넌트에 제공하도록 구성될 수 있다. 이러한 실시예에서, 전이 부분은 AC 입력 신호의 기간보다 더 긴 길이를 가질 수 있다.
AC 입력 신호는 3-상 입력 신호를 포함할 수 있고, AC 출력 신호는 3-상 출력 신호를 포함할 수 있다. 이러한 실시예에서, 각각의 전력 정류 모듈은 3 개의 전력 정류 컴포넌트들을 포함할 수 있다. 각각의 전력 정류 모듈의 각각의 전력 정류 컴포넌트는 3-상 입력 신호의 상이한 상과 연관될 수 있다. 또한, 각각의 전력 정류 모듈의 각각의 전력 정류 컴포넌트의 출력은 3-상 출력 신호의 각각의 상을 위해 결합될 수 있다.
다른 실시예에서, 유도 전동기 및 복수의 전력 정류 모듈들을 포함하는 조립체가 제공된다. 각각의 전력 정류 모듈은 제 1 주파수의 3-상 교류(AC) 입력 신호의 상이한 상들을 수신하기 위한 복수의 전력 정류 컴포넌트들을 포함한다. 각각의 전력 정류 모듈은 또한 제 1 주파수와 상이한 제 2 주파수의 3-상 AC 출력 신호의 각각의 상을 유도 전동기에 제공하도록 구성된다. 일 실시예에서, 제 1 주파수는 변동하도록 허용될 수 있고, 반면에 제 2 주파수는 고정된다. 이러한 실시예의 조립체는 또한 복수의 전력 정류 모듈들을 선택적으로 인에이블하기 위한 제어 신호들을 제공하도록 구성된 제어기를 포함할 수 있다. 제어기는 제 1 주파수로의 동기화 없이 제어 신호들을 제공하도록 구성될 수 있다.
예시적인 실시예의 전력 정류 컴포넌트들은 제어 신호에 따라 포지티브 정류 또는 네거티브 정류를 교번하여 제공하도록 구성될 수 있다. 각각의 전력 정류 모듈은 3 개의 전력 정류 컴포넌트들을 포함할 수 있다. 이러한 실시예에서, 각각의 전력 정류 모듈의 각각의 전력 정류 컴포넌트는 3-상 입력 신호의 상이한 상과 연관될 수 있다. 부가적으로, 각각의 전력 정류 모듈의 각각의 전력 정류 컴포넌트의 출력은 3-상 출력 신호의 각각의 상을 위해 결합될 수 있다. 예시적인 실시예의 제어기는 포지티브 및 네거티브 부분들 및 포지티브 부분과 네거티브 부분 사이의 전이 부분을 갖는 제어 신호를 각각의 전력 정류 컴포넌트에 제공하도록 구성될 수 있다. 전이 부분은 AC 입력 신호의 기간보다 더 긴 길이를 가질 수 있다.
추가의 실시예에서, 전력 주파수 변환을 제공하는 방법이 제공될 수 있다. 이러한 실시예에서, 상기 방법은 복수의 전력 정류 모듈들 각각을 사용하여 제 1 주파수의 교류(AC) 입력 신호를 수신하는 단계를 포함할 수 있다. 각각의 전력 정류 모듈은 AC 입력 신호의 상이한 상들을 수신하기 위한 복수의 전력 정류 컴포넌트들을 포함할 수 있다. 이러한 실시예의 방법은 또한 제 2 주파수의 AC 출력 신호의 각각의 상을 각각의 전력 정류 모듈로부터 로드에 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 제 2 주파수는 제 1 주파수와 상이할 수 있다. 일 실시예에서, 제 1 주파수는 변동하도록 허용되고, 반면에 제 2 주파수는 고정된다. 이러한 실시예에 따라 전력 주파수 변환을 제공하는 방법은 또한 제 1 주파수에 동기화되지 않는 제어 신호들을 사용하여 복수의 전력 정류 모듈들을 선택적으로 인에이블하는 단계를 포함한다.
일 실시예의 방법은 제어 신호들에 따라 전력 정류 컴포넌트들을 사용하여 포지티브 정류 또는 네거티브 정류를 교번하여 제공함으로써 AC 출력 신호들을 제공한다. 일 실시예의 AC 입력 신호는 3-상 입력 신호를 포함할 수 있고, 이에 대응하여 AC 출력 신호는 3-상 출력 신호를 포함할 수 있다. 각각의 전력 정류 모듈은, 일 실시예에서, 3 개의 전력 정류 컴포넌트들을 포함할 수 있다. 이러한 실시예에서, 상기 방법은 각각의 전력 정류 모듈의 각각의 전력 정류 컴포넌트를 사용하여 3-상 입력 신호의 상이한 상을 수신함으로써 AC 입력 신호를 수신할 수 있다. 이러한 실시예의 방법은 또한 3-상 출력 신호의 각각의 상을 위해 각각의 전력 정류 모듈의 각각의 전력 정류 컴포넌트의 출력을 결합함으로써 AC 출력 신호를 제공할 수 있다. 예시적인 실시예의 방법은 포지티브 및 네거티브 부분들 및 포지티브 부분과 네거티브 부분 사이의 전이 부분을 갖는 제어 신호를 각각의 전력 정류 컴포넌트에 제공함으로써 복수의 전력 정류 모듈들을 선택적으로 인에이블할 수 있다. 이러한 실시예에서, 전이 부분은 AC 입력 신호의 기간보다 더 긴 길이를 가질 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 양상들을 개괄적인 언어로 설명하였지만, 이제 첨부 도면들에 대해 참조가 이루어질 것이며, 첨부 도면들이 반드시 실척대로 그려진 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 전력 주파수 변환기를 포함하는 조립체의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 전력 주파수 변환기를 포함하는 조립체의 더 상세한 표현이다.
도 3은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른, 전력 정류 컴포넌트들에 제공되는 제어 신호들의 그래픽 표현이다.
도 4는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른, 전력 주파수 변환을 제공하는 방법에 따라 수행되는 동작들을 예시하는 흐름도이다.
이제, 본 발명은 첨부 도면들을 참조하여 이하에서 더욱 완전하게 설명될 것이고, 여기서 본 발명의 모든 양상들이 아니라 일부 양상들이 도시된다. 실제로, 본 발명은 다수의 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 본원에 제시된 양상들에 한정되는 것으로 해석되지 않아야 한다. 오히려, 이러한 양상들은 본 발명이 적용 가능한 법적 요건들을 만족시키도록 제공된다. 동일한 번호들은 전체에 걸쳐 동일한 엘리먼트들을 지칭한다.
이제 도 1을 참조하면, 가령 미리 정의된 고정 주파수의 전력을 로드(10)에 제공하기 위한 전력 주파수 변환기를 포함하는 조립체가 예시된다. 전력 주파수 변환기 및 연관된 방법은 매우 다양한 애플리케이션들에서 그리고 결과적으로 다양한 로드들과 함께 사용될 수 있다. 비제한적인 예로서, 전력 주파수 변환기는 미리 정의된 주파수의 3-상 전력을 항공기 기내의 로드에 제공하는 것과 관련하여 이후에 설명될 것이다. 예를 들면, 항공기 기내의 로드는 다양한 기능들을 서빙할 수 있는 유도 전동기일 수 있다. 이와 관련하여, 유도 전동기는 역추진 장치를 명령된 위치로 제어 가능하게 그리고 빠르게 이동시키기 위해 역추진 장치에 동작 가능하게 접속될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 전력 주파수 변환기는 3-상 AC 입력 신호, 즉, 3Ø-입력과 같은 교류 입력 신호를 수신할 수 있다. 3-상 AC 입력 신호, 즉, 3Ø-입력은 3 개의 상 컴포넌트들, 즉, 3Ø-입력-A, 3Ø-입력-B 및 3Ø-입력-C를 포함한다. 각각의 상 컴포넌트는 약 120 도(120°, 2π/3 라디안) 또는 입력 파형의 기간의 약 1/3만큼 다른 상 컴포넌트들로부터 오프셋된다. 일 실시예에서, 3-상 입력 신호는 변동하도록 허용되는 제 1 주파수로 제공된다. 항공기의 맥락에서, 항공기 전력은, 가령, 320 Hz 내지 800 Hz의 범위 내에서 변동할 수 있는 주파수로 제공될 수 있다. 그러나, 가령 유도 전동기와 같은 적어도 일부 로드들(10)은 미리 정의된 고정 주파수에서 가장 효율적이고 효과적으로 동작한다. AC 출력 신호의 고정 주파수는 AC 입력 신호의 제 1 주파수보다 크거나 그보다 더 작을 수 있지만, 일 실시예에서 40 Hz이다. 일 실시예에서, 예를 들면, AC 출력 신호의 주파수는 입력 주파수 범위에 의해 제한되는 바와 같이 0.003 Hz 내지 400 Hz의 범위 내에 있을 수 있다. 따라서, 예시적인 실시예의 전력 주파수 변환기는 변동하도록 허용된 제 1 주파수의 3-상 AC 입력 신호를 제 2 고정 주파수(로드는 제 2 고정 주파수에서 효율적인 방식으로 동작할 수 있음)의 3-상 AC 출력 신호로 변환할 수 있다.
3-상 AC 입력 신호는 일정하거나 조절된 전압으로 제공될 수 있다. 예시적인 실시예의 전력 주파수 변환기에 의해 제공된 정류의 결과로서, 로드(10)에 제공되는 AC 출력 신호의 결과적인 상들은 3-상 AC 입력 신호보다 더 잡음이 많을 수 있다. 후술되는 바와 같이, 예를 들면, 3-상 AC 입력 신호는 정류의 결과로서 구형 파형의 포지티브 및 네거티브 부분들 상에 중첩된 리플(ripple)을 갖는 구형 파형일 수 있다. 그러나, 유도 전동기와 같은 많은 타입들의 로드들은, 본 발명의 예시적인 실시예의 전력 주파수 변환기에 의해 제공되는 대로 주파수가 고정인 한, 구형 파형의 포지티브 및 네거티브 부분들 상에 중첩된 리플을 갖는 신호와 같은 그러한 잡음이 있는 신호에 기초하여 수신 및 동작하도록 구성된다.
도 1에 또한 도시된 바와 같이, 전력 주파수 변환기는 복수의 전력 정류 모듈들을 포함한다. 각각의 전력 정류 모듈은 AC 입력 신호의 3-상들과 같은, 제 1 주파수의 AC 입력 신호의 복수의 상이한 상들을 수신하기 위한 복수의 전력 정류 컴포넌트들을 포함한다. 각각의 전력 정류 모듈은 단상(single-phase) AC 출력 신호와 같은 AC 출력 신호의 각각의 상을 제 1 주파수와 상이한 제 2 주파수로 로드(10)에 제공하도록 구성된다. 총괄적으로, 각각의 전력 정류 모듈들에 의해 제공되는 단상 AC 출력 신호들은 제 2 주파수로 로드에 제공되는 3-상 AC 출력 신호를 포함할 수 있다. AC 입력 신호가 3-상 AC 입력 신호이고 3-상 AC 출력 신호가 로드에 제공되는 실시예에서, 각각의 전력 정류 모듈은 AC 입력 신호의 모든 3 개의 상들을 수신할 수 있는데, 그 AC 입력 신호의 각각의 상은 아래에 더 상세히 설명되는 바와 같이 각각의 전력 정류 모듈의 상이한 전력 정류 컴포넌트로 지향된다. 또한, 각각의 전력 정류 모듈의 각각의 전력 정류 컴포넌트의 출력은 3-상 AC 출력 신호의 각각의 상을 생성하도록 결합될 수 있다. 도 1을 참조하여, 예를 들면, 상 A 전력 정류 모듈로 지정된 제 1 전력 정류 모듈은, 로드에 제공되는 3-상 AC 출력 신호의 하나의 상, 예를 들면, 출력-A로 지정된 상 A를 생성하도록 결합되는 출력들을 갖는 복수의 전력 정류 컴포넌트들을 포함할 수 있다. 마찬가지로, 상 B 및 상 C 전력 정류 모듈들로 지정된 제 2 및 제 3 전력 정류 모듈들은 이러한 실시예에서 로드에 제공되는 3-상 AC 출력 신호의 출력-B 및 출력-C로 각각 지정되는 상 B 및 상 C를 제공할 수 있다.
이제 도 2를 참조하면, 유도 전동기 형태의 로드(10)는 상이한 전력 정류 모듈들(12)로부터의 3-상 AC 출력 신호의 출력-A, 출력-B 및 출력-C로 각각 지정된 상 A, 상 B 및 상 C를 수신하는 것으로 도시된다. 도 2에 도시된 바와 같이, AC 입력 및 출력 신호들이 3-상인 예시적인 실시예의 각각의 전력 정류 모듈은 3 개의 전력 정류 컴포넌트들을 포함할 수 있고, 각각의 모듈의 각각의 전력 정류 컴포넌트는, 가령, 3-상 AC 입력 신호의 상이한 상을 수신하도록 구성됨으로써 3-상 AC 입력 신호의 상이한 상과 연관된다. 예를 들면, 제 1 전력 정류 컴포넌트는 3Ø-입력-A로 지정된 3-상 AC 입력 신호의 상 A를 수신할 수 있고, 반면에 제 2 전력 정류 컴포넌트는 3Ø-입력-B로 지정된 3-상 AC 입력 신호의 상 B를 수신하고, 제 3 전력 정류 컴포넌트는 3Ø-입력-C로 지정된 3-상 AC 입력 신호의 상 C를 수신한다. 또한, 도 2의 실시예는, 유도 전동기에 제공되는 3-상 AC 출력 신호의 각각의 상, 예를 들면, 출력-A, 출력-B 또는 출력-C를 형성하도록 결합되는, 각각의 모듈의 3 개의 전력 정류 컴포넌트들의 출력들을 도시한다.
예시된 실시예에서, 각각의 전력 정류 컴포넌트는 SCR(silicon controlled rectifier)과 같은 사이리스터(thyristor)(16)이다. 각각의 사이리스터는 3-상 AC 입력 신호의 각각의 상과 같은 입력 신호를 수신하고, 이어서 출력을 생성하기 위해 제어 신호에 기초하여 입력 신호를 포지티브하게 정류하거나 네거티브하게 정류한다.
따라서, 전력 주파수 변환기는, 제어 신호들을 전력 정류 컴포넌트들에 제공하기 위해 도 1에 도시된 바와 같은 제어기(14)를 포함할 수 있다. 제어 신호들은, 3-상 AC 출력 신호가 AC 입력 신호의 제 1 주파수와 상이한 제 2 주파수로 유도 전동기와 같은 로드(10)에 제공되도록, 복수의 전력 정류 모듈들(12)을 선택적으로 인에이블한다. 이와 관련하여, 제 2 주파수는, 제 1 주파수가 변동하도록 허용되었을지라도 고정 주파수일 수 있다. 전력을 고정 주파수로 로드에 제공함으로써, 유도 전동기와 같은 로드는 효율적으로 동작할 수 있다. 제어기는, 가령, 프로세서, 컴퓨터, 예를 들면, 항공기 기내의 컴퓨터와 같은 컴퓨팅 디바이스 등에 의해 다양한 방식들로 구현될 수 있다.
제어기(14)가 다양한 제어 신호들을 전력 정류 컴포넌트들에 제공하도록 구성될 수 있지만, 일 실시예의 제어기는 상이한 제어 신호들을 각각의 전력 정류 모듈(12)에 제공하도록 구성된다. 그러나, 각각의 전력 정류 모듈에 대해, 제어기는 동일한 제어 신호들을 각각의 모듈의 각각의 전력 정류 컴포넌트에 제공하도록 구성될 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 예를 들면, 제어기는 동일한 상 A 제어 신호들을 제 1 전력 정류 모듈의 3 개의 전력 정류 컴포넌트들 각각에 제공할 수 있다. 제어기는 또한 동일한 상 B 제어 신호들을 제 2 전력 정류 모듈의 3 개의 전력 정류 컴포넌트들 각각에 제공할 수 있고, 상 B 제어 신호들은 상 A 제어 신호들과 상이하다. 또한, 이러한 실시예의 제어기는 동일한 상 C 제어 신호들을 제 3 전력 정류 모듈의 3 개의 전력 정류 컴포넌트들 각각에 제공하도록 구성될 수 있고, 상 C 제어 신호들은 상 A 제어 신호들 및 상 B 제어 신호들 둘 모두와 상이하다.
일 실시예에서, 제어기(14)는 도 3에 도시된 타입의 제어 신호들을 제공하도록 구성될 수 있다. 이와 관련하여, 도 3은 상 A 제어 신호들, 상 B 제어 신호들 및 상 C 제어 신호들을 개별적으로 도시한다. 도시된 바와 같이, 제어 신호들 각각은 주기적이고, 포지티브 부분(20), 이 부분(20) 다음의 네거티브 부분(22) 및 이어서 다른 포지티브 부분 등을 반복적인 방식으로 포함한다. 또한, 제어 신호는 각각의 포지티브 부분과 각각의 인접한 네거티브 부분 사이의 전이 부분(24)을 포함할 수 있다. 전이 부분 동안에, 제어 신호는 포지티브 및 네거티브 부분들을 분리하고 입력 상이 상 전도(phase conduction)되는 것을 방지하기 위해 오프이고, 예를 들면, 0의 값을 갖는다. 실제로, 전이 부분이 없는 경우에, 입력의 2 개의 상들은 연결될 수 있어서, 상간 단락(phase to phase short)이 발생할 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 상 A 제어 신호들, 상 B 제어 신호들 및 상 C 제어 신호들은 일 실시예에서 타이밍에 관련해서만 서로 상이할 수 있고, 가령 약 120°또는 파형의 기간의 약 1/3만큼 서로에 대해 시간 시프트되더라도, 주파수 및 파형은 그와 달리 동일하다. 제어기에 의해 제공되는 제어 신호들의 주파수는 AC 출력 신호들이 생성되는 제 2 주파수와 동일하거나 매우 유사할 수 있다. 그러나, 제어 신호의 주파수는 AC 입력 신호의 제 1 주파수와 동기화될 필요가 없고, 이로써 전력 주파수 컨버터의 설계가 간략화된다. 파형에 관련하여, 도 3에 도시된 바와 같이, 포지티브 부분들 및 네거티브 부분들은 동일하거나 대략 동일한 길이들을 가질 수 있고, 반면에 전이 부분의 길이는 훨씬 더 짧을 수 있다. 그러나, 예시적인 실시예의 전이 부분은 입력 상이 상 전도되는 것을 방지하기 위해 AC 입력 신호의 기간보다 더 긴 길이를 갖는다.
제어 신호들에 응답하여, 전력 정류 컴포넌트들은 입력 신호의 포지티브 정류 또는 입력 신호의 네거티브 정류를 교번하여 제공하도록 구성될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 제어 신호의 포지티브 부분(20)은 제어 신호가 제공되는 전력 정류 컴포넌트들로 하여금 입력 신호의 포지티브 정류를 제공하게 할 수 있고, 반면에 동일한 제어 신호의 네거티브 부분(22)은 동일한 전력 정류 컴포넌트들로 하여금 제어 신호를 네거티브로 정류하게 할 수 있다. 이로써, 각각의 전력 정류 컴포넌트의 출력은 그 각각의 컴포넌트에 제공되는 제어 신호의 구형 파형을 근사화 또는 미러링하는 구형 파형을 가질 수 있다. 각각의 세트(12)의 각각의 전력 정류 컴포넌트의 출력은 로드(10)에 제공되는 출력 신호들의 각각의 상을 제공하도록 결합될 수 있다. 따라서, 출력 신호들은 일반적으로 AC 입력 신호들의 제 1 주파수와 상이한 제 2 고정 주파수의 구형 파형을 또한 가질 것이다. 그러나, 정류의 결과로서, 출력 신호들은, 가령, 구형 파형의 포지티브 및 네거티브 부분들 상의 리플을 포함함으로써 입력 신호들보다 잡음이 더 많을 수 있다. 그러나, 유도 전동기와 같은 적어도 일부 로드들(10)은, 특히, 파형이 미리 정의된 고정 주파수인 경우에 잡음이 더 많은 파형에 대하여 효율적으로 및 효과적으로 동작할 수 있다.
이제 도 4를 참조하면, 전력 주파수 변환을 제공하는 방법이 도시된다. 블록(30)에 도시된 바와 같이, 상기 방법은 복수의 전력 정류 모듈들(12) 각각을 사용하여 제 1 주파수로 AC 입력 신호를 수신하는 단계를 포함한다. 일 실시예에서, 제 1 주파수는 변동하도록 허용된다. 상술된 바와 같이, 각각의 전력 정류 모듈은 AC 입력 신호의 상이한 상들을 수신하기 위한 복수의 전력 정류 컴포넌트들을 포함할 수 있다. AC 입력 신호가 3-상 AC 입력 신호이고 이에 대응하여 각각의 전력 정류 모듈이 3 개의 전력 정류 컴포넌트들을 포함하는 실시예에서, 상기 방법은 각각의 전력 정류 모듈의 각각의 전력 정류 컴포넌트를 사용하여 3-상 AC 입력 신호의 상이한 상을 수신함으로써 AC 입력 신호를 수신할 수 있다.
이러한 실시예의 방법은 또한 제 2 주파수의 AC 출력 신호를 전력 정류 모듈들로부터 유도 전동기와 같은 로드(10)에 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 도 4의 블록(32)을 참조하라. 제 2 주파수는 제 1 주파수와 상이하고, 일 실시예에서 고정 주파수이다. AC 출력 신호가 3-상 AC 출력 신호인 실시예에서, 상기 방법은 3-상 AC 출력 신호의 각각의 상을 형성하기 위해 각각의 전력 정류 모듈(12)의 각각의 전력 정류 컴포넌트의 출력을 결합함으로써 AC 출력 신호를 제공할 수 있다. 이러한 실시예의 방법은 또한 제 1 주파수에 동기화되지 않은 제어 신호들로 복수의 전력 정류 모듈들을 선택적으로 인에이블하는 단계를 포함한다. 블록(34)을 참조하라. 이러한 실시예에서, 상기 방법은 제어 신호들에 따라 전력 정류 컴포넌트들을 사용하여 포지티브 정류 또는 네거티브 정류를 교번하여 제공함으로써 AC 출력 신호들을 제공할 수 있다. 예를 들면, 상기 방법은 포지티브 및 네거티브 부분들(20, 22) 및 포지티브 부분과 네거티브 부분 사이의 전이 부분(24)을 갖는 제어 신호를 각각의 전력 정류 컴포넌트에 제공함으로써 복수의 전력 정류 모듈들을 인에이블할 수 있다. 이러한 실시예에서, 전이 부분은 AC 입력 신호의 기간보다 더 긴 길이를 가질 수 있다.
따라서, 예시적인 실시예의 전력 주파수 변환기 및 연관된 방법은 가변 주파수 및 235 V와 같은 일정하거나 조절된 전압을 갖는 입력 신호를 고정 주파수와 같은 상이한 주파수 및, 일 실시예에서 유도 전동기와 같은 로드(10)에 제공될 수 있는 잡음이 더 많은 파형을 갖는 출력 신호로 변환하여, 유도 전동기가 더 효율적으로 동작하도록 허용할 수 있다. 도 2에 예시된 실시예에서, 전력 주파수 변환기는 어떠한 커패시터들도 없이 9 개의 사이리스터들(16)과 같은 9 개의 전력 정류 컴포넌트들만을 사용할 수 있어서, 그 전력 주파수 변환기는 덜 비쌀 수 있고, 공간을 덜 소비할 수 있고, 다른 설계들보다 덜 무거울 수 있다. 또한, 예시적인 실시예의 전력 주파수 변환기는 전자기 간섭 및 번개에 대해 더 강할 수 있고, 이로써 가령, 예를 들면, 역추진 장치를 작동시킬 수 있는 유도 전동기를 동작시키기 위해 항공기 기내를 포함하는 더 넓은 범위의 애플리케이션들에서의 활용을 용이하게 한다. 이와 관련하여, 35 마력 유도 전동기와 같은 유도 전동기는 역추진 장치를 활성화하기 위해 약 1.5 초와 같은 제 1 시간 기간 동안 실행될 수 있고, 역추진 장치를 적재된(stowed) 위치로 복귀시키기 위해 약 2.5 초와 같은 제 2 시간 기간 동안에 실행될 수 있다. 전력 주파수 변환기 및 연관된 방법은 가변 주파수 AC 소스를 사용하는 다른 애플리케이션들에서 사용될 수 있다. 전력 주파수 변환기 및 연관된 방법은 또한 바람직한 성능 특성들을 갖는 전동기와 함께 사용될 수 있고, 그 전력 주파수 변환기 및 연관된 방법이 사용되지 않는다면, 전동기는 부정확하거나 바람직하지 않은 가변 주파수를 갖는 AC 소스에 의해 구동될 것이다.
또한, 본 발명은 다음의 항목들에 따른 실시예를 포함한다.
항목 1: 전력 주파수 변환기는 복수의 전력 정류 모듈들 ― 각각의 전력 정류 모듈은 제 1 주파수의 교류(AC) 입력 신호의 상이한 상들을 수신하기 위한 복수의 전력 정류 컴포넌트들을 포함하고, 각각의 전력 정류 모듈은 제 1 주파수와 상이한 제 2 주파수의 AC 출력 신호의 각각의 상을 로드에 제공하도록 구성됨 ― ; 및 복수의 전력 정류 모듈들을 선택적으로 인에이블하기 위한 제어 신호들을 제공하도록 구성된 제어기 ― 제어기는 제 1 주파수로의 동기화 없이 제어 신호들을 제공하도록 구성됨 ― 를 포함한다.
항목 2: 제 1 항목에 있어서, 제 1 주파수는 변동하도록 허용되고, 제 2 주파수는 고정된다.
항목 3: 제 1 항목에 있어서, 전력 정류 컴포넌트들은 제어 신호에 따라 포지티브 정류 또는 네거티브 정류를 교번하여 제공하도록 구성된다.
항목 4: 제 3 항목에 있어서, 각각의 전력 정류 모듈은 복수의 사이리스터들을 포함한다.
항목 5: 제 1 항목에 있어서, AC 입력 신호는 3-상 입력 신호를 포함하고, AC 출력 신호는 3-상 출력 신호를 포함한다.
항목 6: 제 5 항목에 있어서, 각각의 전력 정류 모듈은 3 개의 전력 정류 컴포넌트들을 포함하고, 각각의 전력 정류 모듈의 각각의 전력 정류 컴포넌트는 3-상 입력 신호의 상이한 상과 연관되고, 각각의 전력 정류 모듈의 각각의 전력 정류 컴포넌트의 출력은 3-상 출력 신호의 각각의 상을 위해 결합된다.
항목 7: 제 1 항목에 있어서, 제어기는 포지티브 및 네거티브 부분들 및 포지티브 부분과 네거티브 부분 사이의 전이 부분을 갖는 제어 신호를 각각의 전력 정류 컴포넌트에 제공하도록 구성된다.
항목 8: 제 7 항목에 있어서, 전이 부분은 AC 입력 신호의 기간보다 더 긴 길이를 갖는다.
항목 9: 조립체는: 유도 전동기; 복수의 전력 정류 모듈들 ― 각각의 전력 정류 모듈은 제 1 주파수의 3-상 교류(AC) 입력 신호의 상이한 상들을 수신하기 위한 복수의 전력 정류 컴포넌트들을 포함하고, 각각의 전력 정류 모듈은 제 1 주파수와 상이한 제 2 주파수의 3-상 AC 출력 신호의 각각의 상을 유도 전동기에 제공하도록 구성됨 ― ; 및 복수의 전력 정류 모듈들을 선택적으로 인에이블하기 위한 제어 신호들을 제공하도록 구성된 제어기 ― 제어기는 제 1 주파수로의 동기화 없이 제어 신호들을 제공하도록 구성됨 ― 를 포함한다.
항목 10: 제 9 항목에 있어서, 제 1 주파수는 변동하도록 허용되고, 제 2 주파수는 고정된다.
항목 11: 제 9 항목에 있어서, 전력 정류 컴포넌트들은 제어 신호에 따라 포지티브 정류 또는 네거티브 정류를 교번하여 제공하도록 구성된다.
항목 12: 제 9 항목에 있어서, 각각의 전력 정류 모듈은 3 개의 전력 정류 컴포넌트들을 포함하고, 각각의 전력 정류 모듈의 각각의 전력 정류 컴포넌트는 3-상 입력 신호의 상이한 상과 연관되고, 각각의 전력 정류 모듈의 각각의 전력 정류 컴포넌트의 출력은 3-상 출력 신호의 각각의 상을 위해 결합된다.
항목 13: 제 9 항목에 있어서, 제어기는 포지티브 및 네거티브 부분들 및 포지티브 부분과 네거티브 부분 사이의 전이 부분을 갖는 제어 신호를 각각의 전력 정류 컴포넌트에 제공하도록 구성된다.
항목 14: 제 13 항목에 있어서, 전이 부분은 AC 입력 신호의 기간보다 더 긴 길이를 갖는다.
항목 15: 전력 주파수 변환을 제공하는 방법은: 복수의 전력 정류 모듈들 각각을 사용하여 제 1 주파수의 교류(AC) 입력 신호를 수신하는 단계 ― 각각의 전력 정류 모듈은 AC 입력 신호의 상이한 상들을 수신하기 위한 복수의 전력 정류 컴포넌트들을 포함함 ― ; 제 2 주파수의 AC 출력 신호의 각각의 상을 각각의 전력 정류 모듈로부터 로드에 제공하는 단계 ― 제 2 주파수는 제 1 주파수와 상이함 ― ; 및 제 1 주파수에 동기화되지 않는 제어 신호들을 사용하여 복수의 전력 정류 모듈들을 선택적으로 인에이블하는 단계를 포함한다.
항목 16: 제 15 항목에 있어서, 제 1 주파수는 변동하도록 허용되고, 제 2 주파수는 고정된다.
항목 17: 제 15 항목에 있어서, AC 출력 신호들을 제공하는 단계는 제어 신호에 따라 전력 정류 컴포넌트들을 사용하여 포지티브 정류 또는 네거티브 정류를 교번하여 제공하는 단계를 포함한다.
항목 18: 제 15 항목에 있어서, AC 입력 신호는 3-상 입력 신호를 포함하고, AC 출력 신호는 3-상 출력 신호를 포함한다.
항목 19: 제 18 항목에 있어서, 각각의 전력 정류 모듈은 3 개의 전력 정류 컴포넌트들을 포함하고, AC 입력 신호를 수신하는 단계는 각각의 전력 정류 모듈의 각각의 전력 정류 컴포넌트를 사용하여 3-상 입력 신호의 상이한 상을 수신하는 단계를 포함하고, AC 출력 신호를 제공하는 단계는 3-상 출력 신호의 각각의 상을 위해 각각의 전력 정류 모듈의 각각의 전력 정류 컴포넌트의 출력을 결합하는 단계를 포함한다.
항목 20: 제 15 항목에 있어서, 복수의 전력 정류 모듈들을 선택적으로 인에이블하는 단계는 포지티브 및 네거티브 부분들 및 포지티브 부분과 네거티브 부분 사이의 전이 부분을 갖는 제어 신호를 각각의 전력 정류 컴포넌트에 제공하는 단계를 포함하고, 전이 부분은 AC 입력 신호의 기간보다 더 긴 길이를 갖는다.
상술한 설명 및 연관된 도면들에서 제시된 교시들의 이익을 갖는, 본원에 제시된 본 발명의 많은 변형들 및 다른 양상들이 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자에게 생각날 것이다. 그러므로, 본 발명이 개시된 특정한 양상들로 제한되는 것이 아니며, 변형들 및 다른 양상들이 첨부된 청구항들의 범위 내에 포함되는 것으로 의도된다는 것이 이해될 것이다. 구체적인 용어들이 본원에 사용되지만, 이들은 포괄적(generic) 및 설명적(descriptive) 의미로만 사용되며 제한의 목적을 위한 것이 아니다.

Claims (15)

  1. 전력 주파수 변환기로서,
    복수의 전력 정류 모듈들 ― 각각의 전력 정류 모듈은 제 1 주파수의 교류(AC) 입력 신호의 상이한 상들(phases)을 수신하기 위한 복수의 전력 정류 컴포넌트들을 포함하고, 각각의 전력 정류 모듈은 상기 제 1 주파수와 상이한 제 2 주파수의 AC 출력 신호의 각각의 상을 로드(load)에 제공하도록 구성됨 ― , 및
    상기 복수의 전력 정류 모듈들을 선택적으로 인에이블하기 위한 제어 신호들을 제공하도록 구성된 제어기 ― 상기 제어기는 상기 제 1 주파수로의 동기화 없이 상기 제어 신호들을 제공하도록 구성됨 ― 를 포함하는,
    전력 주파수 변환기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 주파수는 변동하도록 허용되고, 상기 제 2 주파수는 고정된,
    전력 주파수 변환기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 전력 정류 컴포넌트들은 상기 제어 신호에 따라 포지티브 정류 또는 네거티브 정류를 교번하여 제공하도록 구성되는,
    전력 주파수 변환기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    각각의 전력 정류 모듈은 복수의 사이리스터들(thyristors)을 포함하는,
    전력 주파수 변환기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 AC 입력 신호는 3-상 입력 신호를 포함하고, 상기 AC 출력 신호는 3-상 출력 신호를 포함하는,
    전력 주파수 변환기.
  6. 제 5 항에 있어서,
    각각의 전력 정류 모듈은 3 개의 전력 정류 컴포넌트들을 포함하고, 각각의 전력 정류 모듈의 각각의 전력 정류 컴포넌트는 상기 3-상 입력 신호의 상이한 상과 연관되고, 각각의 전력 정류 모듈의 각각의 전력 정류 컴포넌트의 출력은 상기 3-상 출력 신호의 각각의 상을 위해 결합되는,
    전력 주파수 변환기.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기는 포지티브 및 네거티브 부분들 및 포지티브 부분과 네거티브 부분 사이의 전이(transition) 부분을 갖는 제어 신호를 각각의 전력 정류 컴포넌트에 제공하도록 구성되는,
    전력 주파수 변환기.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 전이 부분은 상기 AC 입력 신호의 기간보다 더 긴 길이를 갖는,
    전력 주파수 변환기.
  9. 조립체로서,
    유도 전동기(induction motor),
    복수의 전력 정류 모듈들 ― 각각의 전력 정류 모듈은 제 1 주파수의 3-상 교류(AC) 입력 신호의 상이한 상들을 수신하기 위한 복수의 전력 정류 컴포넌트들을 포함하고, 각각의 전력 정류 모듈은 상기 제 1 주파수와 상이한 제 2 주파수의 3-상 AC 출력 신호의 각각의 상을 상기 유도 전동기에 제공하도록 구성됨 ― , 및
    상기 복수의 전력 정류 모듈들을 선택적으로 인에이블하기 위한 제어 신호들을 제공하도록 구성된 제어기 ― 상기 제어기는 상기 제 1 주파수로의 동기화 없이 상기 제어 신호들을 제공하도록 구성됨 ― 를 포함하는,
    조립체.
  10. 전력 주파수 변환을 제공하는 방법으로서,
    복수의 전력 정류 모듈들 각각을 사용하여 제 1 주파수의 교류(AC) 입력 신호를 수신하는 단계 ― 각각의 전력 정류 모듈은 상기 AC 입력 신호의 상이한 상들을 수신하기 위한 복수의 전력 정류 컴포넌트들을 포함함 ― ,
    제 2 주파수의 AC 출력 신호의 각각의 상을 각각의 전력 정류 모듈로부터 로드에 제공하는 단계 ― 상기 제 2 주파수는 상기 제 1 주파수와 상이함 ― , 및
    상기 제 1 주파수에 동기화되지 않는 제어 신호들을 사용하여 상기 복수의 전력 정류 모듈들을 선택적으로 인에이블하는 단계를 포함하는,
    전력 주파수 변환을 제공하는 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 주파수는 변동하도록 허용되고, 상기 제 2 주파수는 고정되는,
    전력 주파수 변환을 제공하는 방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 AC 출력 신호들을 제공하는 단계는 상기 제어 신호에 따라 상기 전력 정류 컴포넌트들을 사용하여 포지티브 정류 또는 네거티브 정류를 교번하여 제공하는 단계를 포함하는,
    전력 주파수 변환을 제공하는 방법.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 AC 입력 신호는 3-상 입력 신호를 포함하고, 상기 AC 출력 신호는 3-상 출력 신호를 포함하는,
    전력 주파수 변환을 제공하는 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    각각의 전력 정류 모듈은 3 개의 전력 정류 컴포넌트들을 포함하고, 상기 AC 입력 신호를 수신하는 단계는 각각의 전력 정류 모듈의 각각의 전력 정류 컴포넌트를 사용하여 상기 3-상 입력 신호의 상이한 상을 수신하는 단계를 포함하고, 상기 AC 출력 신호를 제공하는 단계는 상기 3-상 출력 신호의 각각의 상을 위해 각각의 전력 정류 모듈의 각각의 전력 정류 컴포넌트의 출력을 결합하는 단계를 포함하는,
    전력 주파수 변환을 제공하는 방법.
  15. 제 10 항에 있어서,
    상기 복수의 전력 정류 모듈들을 선택적으로 인에이블하는 단계는 포지티브 및 네거티브 부분들 및 포지티브 부분과 네거티브 부분 사이의 전이 부분을 갖는 제어 신호를 각각의 전력 정류 컴포넌트에 제공하는 단계를 포함하고,
    상기 전이 부분은 상기 AC 입력 신호의 기간보다 더 긴 길이를 갖는,
    전력 주파수 변환을 제공하는 방법.
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