KR20180119883A - 권선 절체 제어 장치 및 방법, 그리고 그를 이용한 3상 교류 전동기 - Google Patents

권선 절체 제어 장치 및 방법, 그리고 그를 이용한 3상 교류 전동기 Download PDF

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KR20180119883A KR1020170053554A KR20170053554A KR20180119883A KR 20180119883 A KR20180119883 A KR 20180119883A KR 1020170053554 A KR1020170053554 A KR 1020170053554A KR 20170053554 A KR20170053554 A KR 20170053554A KR 20180119883 A KR20180119883 A KR 20180119883A
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Abstract

본 발명은 3상 교류 전동기에 있어서 전동기의 운전을 정지하거나 추가적인 하드웨어를 구성하지 않고도 권선 절체가 가능한 권선 절체 제어 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다. 본 발명의 일 실시 예에 따라, 제1 권선부, 상기 제1 권선부와 직렬로 연결된 제2 권선부, 및 상기 제1 권선부 측에 연결되어 3상 전압을 공급하는 전원 공급부를 포함하는 3상 교류 전동기에 대한 권선 절체 제어 장치는, 상기 제1 권선부에 포함되는 3개의 권선을 Y결선 연결하는 제1 스위치부; 상기 제2 권선부에 포함되는 3개의 권선을 Y결선 연결하는 제2 스위치부; 및 상기 제1 및 제2 스위치부의 조절 및 상기 전원 공급부에서 각 권선에 공급되는 전압의 제어를 통해, 상기 제1 권선부와 상기 제2 권선부가 모두 사용되는 전체 권선 모드 및 상기 제1 권선부가 사용되고 상기 제2 권선부는 사용되지 않는 일부 권선 모드를 상호 절체하는 제어부를 포함할 수 있다.

Description

권선 절체 제어 장치 및 방법, 그리고 그를 이용한 3상 교류 전동기{CONTROL DEVICE AND METHOD FOR SWITCHING WINDINGS, AND AC THREE-PHASE MOTOR USING THE SAME}
본 발명은 3상 교류 전동기의 권선 절체 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.
교류 전동기(AC motor)는 교류 전원으로 운전되며, 가장 널리 쓰이는 전동기이다. 기본적으로 고정자와 회전자로 구성되며, 교류전류가 고정자 권선에 공급되면 전자기유도에 의해 자기장이 변화한다. 이 때 회전자에서 회전하는 자기장에 의해 유도전류가 발생하고 토크에 의해 회전자에 있는 축에서 회전력이 발생한다.
교류 전동기의 권선은 인덕턴스 성분을 가지므로 고속 운전시 인가되는 교류 전원의 높은 주파수에서는 높은 임피던스를 만들게 된다. 이는 전동기의 입력 전압을 상승시켜 고속 운전에 불리한 요소로 작용한다. 이를 위해 도 1과 같이 스위치 소자들(12)을 구비하여 필요에 따라 권선(11)의 일부 또는 전체를 사용하게 하는 것을 권선 절체라고 한다.
도 1을 참조하면, 종래의 권선 절체 방법은 외부에 SW1, SW2와 같은 스위치 소자들을 구비하고 SW1이 온, SW2가 오프이면 일부 권선(TU1, TV1, TW1)이 사용되고 SW1이 오프, SW2가 온이면 전체 권선(TU1, TV1, TW1 + TU2, TV2, TW2)이 사용되도록 하였다. 그러나 상술한 바와 같이 교류 전동기의 권선은 인덕턴스 성분을 가지므로 전류가 권선 절체로 급격하게 변할 경우 큰 전압이 유기되어 부품 손상을 초래하거나 사용자에게 위험을 야기하는 문제점이 존재하였다.
이를 해결하기 위하여 절체시 전류가 도통되는 회로를 추가적으로 구성하는 방법이 사용되고 있으나 회로의 필수 구성 요소가 늘어나 가격적인 측면에서 비효율적이며, 전동기의 운전을 잠시 중단하여 권선의 전류를 0으로 만들고 절체하는 방법도 사용되고 있으나 운전 중에 전류를 0으로 만들게 되므로 전동기의 출력 토크가 일시적으로 0이 되어 토크 리플이 발생하는 추가적인 문제점들이 여전히 발생하였다.
본 발명은 3상 교류 전동기에 있어서 필수 부품 수를 줄여 저가격으로 구현 가능하면서도 출력 토크를 유지할 수 있는 권선 절체 제어 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제가 상술한 과제로 한정되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 과제들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 권선 절체 제어 장치는, 제1 권선부, 상기 제1 권선부와 직렬로 연결된 제2 권선부, 및 상기 제1 권선부 측에 연결되어 3상 전압을 공급하는 전원 공급부를 포함하는 3상 교류 전동기를 위한 것으로, 상기 제1 권선부에 포함되는 3개의 권선을 Y결선 연결하는 제1 스위치부; 상기 제2 권선부에 포함되는 3개의 권선을 Y결선 연결하는 제2 스위치부; 및 상기 제1 및 제2 스위치부의 조절 및 상기 전원 공급부에서 각 권선에 공급되는 전압의 제어를 통해, 상기 제1 권선부와 상기 제2 권선부가 모두 사용되는 전체 권선 모드 및 상기 제1 권선부가 사용되고 상기 제2 권선부는 사용되지 않는 일부 권선 모드를 상호 절체하는 제어부를 포함할 수 있다.
상기 제1 스위치부는 상기 제1 권선부에 포함되는 3개의 권선에 흐르는 전류를 각각 조절할 수 있도록 Y결선 연결된 3개의 제1 서브-스위치부를 포함하며, 상기 제2 스위치부는 상기 제2 권선부에 포함되는 3개의 권선에 흐르는 전류를 각각 조절할 수 있도록 Y결선 연결된 3개의 제2 서브-스위치부를 포함할 수 있다.
각각의 상기 제1 서브-스위치부 및 상기 제2 서브-스위치부는 Y결선 중심으로부터의 순방향 다이오드와 상기 다이오드 양단에 연결된 스위치를 포함할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 전원 공급부가 공급하는 3상 전원을 각각 U상, V상, 및 W상이라 할 때, 전체 권선 모드에서 U상에 양의 상전류가 흐르고 V상 및 W상에 음의 상전류가 흐를 때, V상 및 W상 권선에 연결된 제2 서브-스위치부의 스위치를 오프시키고, 상기 제1 서브-스위치부의 모든 스위치를 온시킨 후, 상기 전원 공급부를 제어하여 U상 권선에 양의 상전압을 인가하고, V상 및 W상 권선에 음의 상전압을 인가하며, 상기 제2 권선부에 흐르는 전류가 0이 된 후 U상 권선에 연결된 제2 서브-스위치부의 스위치를 오프시켜 일부 권선 모드로 절체할 수 있다.
상기 전원 공급부가 공급하는 3상 전원을 각각 U상, V상, 및 W상이라 할 때, 일부 권선 모드에서 U상 권선에 양의 상전류가 흐르고 V상 권선 및 W상 권선에 음의 상전류가 흐를 때, V상 및 W상 권선에 연결된 제1 서브-스위치부의 스위치를 오프시키고, 상기 제2 서브-스위치부의 모든 스위치를 온시킨 후, 상기 전원 공급부를 제어하여 U상 권선에 음의 상전압을 인가하고, V상 및 W상 권선에 양의 상전압을 인가하며, 상기 제1 스위치부에 흐르는 전류가 0이 된 후 U상 권선에 연결된 제1 서브-스위치부의 스위치를 오프시켜 전체 권선 모드로 절체할 수 있다.
상기 제2 스위치부는, 상기 제2 권선부의 일단에 제1 스위치부가 연결될 때 상기 제2 권선부의 타단에 연결될 수 있다.
상기 제2 스위치부는, 상기 제1 스위치부와 상기 제2 권선부 사이에 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 3상 교류 전동기는, 제1 권선부; 상기 제1 권선부와 직렬로 연결된 제2 권선부; 상기 제1 권선부 측에 연결되어 3상 전압을 공급하는 전원 공급부; 상기 제1 권선부에 포함되는 3개의 권선을 Y결선 연결하는 제1 스위치부; 상기 제2 권선부에 포함되는 3개의 권선을 Y결선 연결하는 제2 스위치부; 및 상기 제1 및 제2 스위치부의 조절 및 상기 전원 공급부에서 각 권선에 공급되는 전압의 제어를 통해, 상기 제1 권선부와 상기 제2 권선부가 모두 사용되는 전체 권선 모드 및 상기 제1 권선부가 사용되고 상기 제2 권선부는 사용되지 않는 일부 권선 모드를 상호 절체하는 제어부를 포함할 수 있다.
상기 제1 스위치부는 상기 제1 권선부에 포함되는 3개의 권선에 흐르는 전류를 각각 조절할 수 있도록 Y결선 연결된 3개의 제1 서브-스위치부를 포함하며, 상기 제2 스위치부는 상기 제2 권선부에 포함되는 3개의 권선에 흐르는 전류를 각각 조절할 수 있도록 Y결선 연결된 3개의 제2 서브-스위치부를 포함할 수 있다.
각각의 상기 제1 서브-스위치부 및 상기 제2 서브-스위치부는 Y결선 중심으로부터의 순방향 다이오드와 상기 다이오드 양단에 연결된 스위치를 포함할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 전원 공급부가 공급하는 3상 전원을 각각 U상, V상, 및 W상이라 할 때, 전체 권선 모드에서 U상에 양의 상전류가 흐르고 V상 및 W상에 음의 상전류가 흐를 때, V상 및 W상 권선에 연결된 제2 서브-스위치부의 스위치를 오프시키고, 상기 제1 서브-스위치부의 모든 스위치를 온시킨 후, 상기 전원 공급부를 제어하여 U상 권선에 양의 상전압을 인가하고, V상 및 W상 권선에 음의 상전압을 인가하며, 상기 제2 권선부에 흐르는 전류가 0이 된 후 U상 권선에 연결된 제2 서브-스위치부의 스위치를 오프시켜 일부 권선 모드로 절체할 수 있다.
상기 전원 공급부가 공급하는 3상 전원을 각각 U상, V상, 및 W상이라 할 때, 일부 권선 모드에서 U상 권선에 양의 상전류가 흐르고 V상 권선 및 W상 권선에 음의 상전류가 흐를 때, V상 및 W상 권선에 연결된 제1 서브-스위치부의 스위치를 오프시키고, 상기 제2 서브-스위치부의 모든 스위치를 온시킨 후, 상기 전원 공급부를 제어하여 U상 권선에 음의 상전압을 인가하고, V상 및 W상 권선에 양의 상전압을 인가하며, 상기 제1 스위치부에 흐르는 전류가 0이 된 후 U상 권선에 연결된 제1 서브-스위치부의 스위치를 오프시켜 전체 권선 모드로 절체할 수 있다.
상기 제2 스위치부는, 상기 제2 권선부의 일단에 제1 스위치부가 연결될 때 상기 제2 권선부의 타단에 연결될 수 있다.
상기 제2 스위치부는, 상기 제1 스위치부와 상기 제2 권선부 사이에 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따라 3상 교류 전동기에 대하여 전체 권선 모드에서 일부 권선 모드로 권선을 절체하는 권선 절체 제어 방법은, 상기 전원 공급부가 공급하는 3상 전원을 각각 U상, V상, 및 W상이라 할 때, 전체 권선 모드에서 U상에 양의 상전류가 흐르고 V상 및 W상에 음의 상전류가 흐르면 V상 및 W상 권선에 연결된 제2 서브-스위치부의 스위치를 오프시키는 단계; 상기 제1 서브-스위치부의 모든 스위치를 온시키는 단계; 상기 전원 공급부를 제어하여 U상 권선에 양의 상전압을 인가하고, V상 및 W상 권선에 음의 상전압을 인가하는 단계; 및 상기 제2 권선부에 흐르는 전류가 0이 된 후 U상 권선에 연결된 제2 서브-스위치부의 스위치를 오프시키는 시키는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따라 3상 교류 전동기에 대하여 일부 권선 모드에서 전체 권선 모드로 권선을 절체하는 권선 절체 제어 방법으로, 상기 전원 공급부가 공급하는 3상 전원을 각각 U상, V상, 및 W상이라 할 때, 일부 권선 모드에서 U상 권선에 양의 상전류가 흐르고 V상 권선 및 W상 권선에 음의 상전류가 흐르면 V상 및 W상 권선에 연결된 제1 서브-스위치부의 스위치를 오프시키는 단계; 상기 제2 서브-스위치부의 모든 스위치를 온시키는 단계; 상기 전원 공급부를 제어하여 U상 권선에 음의 상전압을 인가하고, V상 및 W상 권선에 양의 상전압을 인가하는 단계; 및 상기 제1 스위치부에 흐르는 전류가 0이 된 후 U상 권선에 연결된 제1 서브-스위치부의 스위치를 오프시키는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 3상 교류 전동기의 권선 절체 제어 방법은, 상기 방법을 제어 장치가 수행하도록 하는 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체에 저장될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면 필수 부품 수를 줄여 저가격으로 구현 가능하면서도 출력 토크를 유지할 수 있는 권선 절체 제어 장치 및 방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 효과가 상술한 효과들로 한정되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래 기술에 따른 권선 절체 제어 방법을 설명하기 위한 회로도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 권선 절체 제어 장치의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 3 및 4는 본 발명의 일 실시 예에 따라 전체 권선 모드에서 일부 권선 모드로 절체하는 방법을 설명하기 위한 회로도이다.
도 5 및 6은 본 발명의 일 실시 예에 따라 일부 권선 모드에서 전체 권선 모드로 절체하는 방법을 설명하기 위한 회로도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 권선 절체 제어 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 8 및 9는 본 발명의 일 실시 예에 따라 도 2에 도시된 권선 절체 제어 장치를 이용한 권선 절체 제어 방법의 예시적인 흐름도이다.
본 발명의 다른 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술하는 실시 예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되지 않으며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 만일 정의되지 않더라도, 여기서 사용되는 모든 용어들(기술 혹은 과학 용어들을 포함)은 이 발명이 속한 종래 기술에서 보편적 기술에 의해 일반적으로 수용되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 공지된 구성에 대한 일반적인 설명은 본 발명의 요지를 흐리지 않기 위해 생략될 수 있다. 본 발명의 도면에서 동일하거나 상응하는 구성에 대하여는 가급적 동일한 도면 부호가 사용된다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다", "가지다", 또는 "구비하다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 본 명에서에서 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결'되는 것의 의미는 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 직접 연결되거나, 또 다른 구성요소를 매개로 하여 간접적으로 연결되는 것을 포함하는 의미이다.
본 발명은 교류 전동기의 권선 절체 제어에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 복수 개의 권선부를 스위치 및 공급 전압을 제어하며 절체하는 장치 및 방법이 제공된다. 본 발명의 일 실시 예에 따르면 회로적으로 필수 구성 부품 수를 줄여 저가격으로 구현 가능하면서도 전동기의 구동을 정지시키지 않고 권선 절체가 가능하도록 하여 출력 토크를 유지할 수 있는 교류 전동기를 제공할 수 있다. 또한, 절체시 전류를 도통시키는 추가적인 회로를 구성하는 기존의 권선 절체법의 경우 권선 사이에 전력 전송이 발생하여 고속 운전 및 높은 권선비(turn ratio)에서는 순환 전력의 문제가 발생하였던 것도 방지할 수 있다.
이하, 첨부되는 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 구체적으로 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 권선 절체 제어 장치(100)의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 권선 절체 제어 장치(100)는 도 2에 도시된 바와 같이 권선이 분리되어 있는 3상 교류 전동기에 대해 권선 절체를 할 수 있다. 도 2에 도시된 3상 교류 전동기는 제1 권선부(TU1, TV1, TW1), 제2 권선부(TU2, TV2, TW2), 및 전원 공급부(110)를 포함한다. 제2 권선부는 제1 권선부에 직렬로 연결되며, 전원 공급부(110)는 제1 권선부 측에 연결되어 3상 전압을 공급한다. 도 2를 참조하면, 전원 공급부(110)로부터 각 권선에 3상 전류(Iu, Iv, Iw)가 공급되고 있다.
3상 교류 전동기의 권선은 인덕턴스로 모델링되므로, 고속 운전에서 전원 공급부(110)로부터 높은 주파수의 전원이 입력되면 권선이 높은 임피던스를 생성하게 되므로, 이를 방지하기 위해 저속 운전시 전체 권선(TU1, TV1, TW1 + TU2, TV2, TW2)이 사용되고 고속 운전시에는 일부 권선(TU1, TV1, TW1)만을 사용하여 인덕턴스를 낮춘다. 도 2를 참조하면, 권선 절체를 위해 제1 스위치부(120), 및 제2 스위치부(130)가 포함된다. 따라서, 저속 운전시 제1 스위치부(120)의 Q1~Q3은 오프, 제2 스위치부(130)의 Q4~Q6은 온되며, 고속 운전시 제1 스위치부(120)의 Q1~Q3은 온, 제2 스위치부(130)의 Q4~Q6은 오프된다. 이하, 본 명세서에서는 저속 운전시의 제1 및 제2 스위치부(120, 130)의 동작을 전체 권선 모드라고 하며, 고속 운전시의 제1 및 제2 스위치부(120), 130)의 동작을 일부 권선 모드라고 한다. 전체 권선 모드와 일부 권선 모드를 상호 절체하는 경우 스위치 온/오프를 갑자기 변동시킬 경우, 상술한 바와 같은 문제점들이 발생한다.
다시 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 권선 절체 제어 장치(100)는 상기 문제점을 해결하기 위한 제어부(140)를 구비한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 권선 절체 제어 장치(100)는 제1 스위치부(120), 제2 스위치부(130), 및 제어부(140)를 포함한다.
제1 스위치부(120)는 제1 권선부에 포함되는 3개의 권선(TU1, TV1, TW1)을 Y결선 연결할 수 있다. 마찬가지로, 제2 스위치부(130)는 제2 권선부에 포함되는 3개의 권선(TU2, TV2, TW2)을 Y결선 연결할 수 있다.
제1 스위치부(120)는 제1 권선부에 포함되는 3개의 권선(TU1, TV1, TW1)에 흐르는 전류를 각각 조절할 수 있도록 Y결선 연결된 3개의 제1 서브-스위치부를 포함할 수 있다. 마찬가지로, 제2 스위치부(130)는 제2 권선부에 포함되는 3개의 권선(TU2, TV2, TW2)에 흐르는 전류를 각각 조절할 수 있도록 Y결선 연결된 3개의 제2 서브-스위치부를 포함할 수 있다.
각각의 제1 서브-스위치부 및 제2 서브-스위치부는 Y결선 중심으로부터의 순방향 다이오드와 상기 다이오드 양단에 연결된 스위치(Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6)를 포함할 수 있다.
제어부(140)는 제1 및 제2 스위치부를 조절하고, 전원 공급부(110)에서 각 권선에 공급되는 전압을 조절함으로써 전체 권선 모드 및 일부 권선 모드를 상호 절체함으로써, 절체하는 과정에서 교류 전동기의 운전을 정지하지 않아도 되게 하여 토크 리플을 방지하고 출력 토크를 계속해서 유지할 수 있다.
이하, 도 3 내지 6을 참조하여 제어부(140)의 동작에 대해 구체적으로 설명한다.
도 3 및 4는 본 발명의 일 실시 예에 따라 전체 권선 모드에서 일부 권선 모드로 절체하는 방법을 설명하기 위한 회로도이다.
우선, 전체 권선 모드에서는 Q4~Q6이 온 되어 있으며 Q1~Q3은 오프 되어 전체 권선(TU1, TV1, TW1 + TU2, TV2, TW2)이 사용된다.
절체를 위해, 제어부(140)는 U상 전류(Iu)가 0보다 크고, V상 및 W상 전류(Iv, Iw)가 0보다 작을 때, Q4, Q5를 오프시키고 Q1, Q2, Q3은 온 되도록 제1 및 제2 스위치부(120, 130)를 제어한다. 이로써, 도 3에 도시된 바와 같이 전류가 도통될 수 있다. V상 및 W상 전류(Iv, Iw)가 0보다 작기 때문에, Q4 및 Q5에 연결된 다이오드를 통해 전류가 도통된다.
다음으로, 제어부(140)는 U상에 양의 상전압(Vu)을 인가하고 V상 및 W상에 음의 상전압(Vv, Vw)을 인가한다. 제1 스위치부(120)의 Q1~Q3을 온 시켜놓았기 때문에, 도 3의 회로도는 도 4에 도시된 바와 같은 등가회로로 나타날 수 있다.
도 4를 참조하면, 제어부(140)가 U상에 양의 상전압(Vu)을 인가하고 V상 및 W상에 음의 상전압(Vv, Vw)을 인가하면 상전압(Vu, Vv, Vw)는 각각 제1 권선부의 권선들(TU1, TV1, TW1)에 인가될 수 있다. 또한, 내부적으로 발생한 누설 인덕턴스(Ll1)와 상호 인덕턴스(Vu1)에 인가된다.
제1 권선부와 제2 권선부의 권선비가 N1:N2라고 가정할 때, 상호 인덕턴스(Vu1)는 권선비를 통해 Vu2로 제2 권선부의 Tu2 권선에 유기될 수 있다. 유기된 전압 Vu2는 누설 인덕턴스(Ll2)에 인가되어 권선의 전류를 낮추도록 하며, V상과 W상도 동일한 전류 감소가 발생한다. 따라서, 제2 권선부의 권선들(TU2, TV2, TW2)에 흐르는 전류들이 점차 감소되어 0에 도달한다.
제2 권선부의 권선들(TU2, TV2, TW2)에 흐르는 전류가 0에 도달하면, 다이오드의 역방향으로 전류가 흐를 수 없으므로 권선들(TU2, TV2, TW2)에 흐르는 전류는 0에 머물러 있게 된다. 권선들(TU2, TV2, TW2)에 흐르는 전류가 모두 0이 된후, 제어부(140)는 Q6을 오프시켜 일부 권선 모드로 절체를 완료할 수 있다.
도 5 및 6은 본 발명의 일 실시 예에 따라 일부 권선 모드에서 전체 권선 모드로 절체하는 방법을 설명하기 위한 회로도이다.
우선, 일부 권선 모드에서는 Q1~Q3이 온 되어 있으며 Q4~Q6은 오프 되어 일부 권선(TU1, TV1, TW1)이 사용된다.
절체를 위해, 제어부(140)는 U상 전류(Iu)가 0보다 크고, V상 및 W상 전류가 0보다 작을 때, Q1 및 Q2를 오프되고 Q4, Q5, Q6은 온 되도록 제1 및 제2 스위치부(120, 130)를 제어한다. 이로써, 도 6에 도시된 바와 같이 전류가 도통될 수 있다. V상 및 W상 전류(Iv, Iw)가 0보다 작기 때문에, Q1 및 Q2에 연결된 다이오드를 통해 전류가 도통된다.
다음으로, 제어부(140)는 U상에 음의 상전압(Vu)을 인가하고 V상 및 W상에 양의 상전압(Vv, Vw)을 인가한다. 이 때, 도 5의 회로도는 도 6에 도시된 바와 같은 등가회로로 나타날 수 있다.
도 6을 참조하면, Q1 및 Q2에 연결된 다이오드와 온 상태의 Q3가 도통되고 있으므로, 제어부(140)가 U상에 음의 상전압(Vu)을 인가하고 V상 및 W상에 양의 상전압(Vv, Vw)을 인가하면 상전압(Vu, Vv, Vw)는 각각 제1 권선부의 권선들(TU1, TV1, TW1)에 인가될 수 있다. 또한, 내부적으로 발생한 누설 인덕턴스(Ll1)와 상호 인덕턴스(Vu1)에 인가된다.
제1 권선부와 제2 권선부의 권선비가 N1:N2라고 가정할 때, 상호 인덕턴스(Vu1)는 권선비를 통해 Vu2로 제2 권선부의 Tu2 권선에 유기될 수 있다. 유기된 전압 Vu2는 누설 인덕턴스(Ll2)에 인가되어 권선의 전류를 발생시킨다. 이로써, Q1 내지 Q3에 흐르는 전류가 점차 제2 권선부의 권선들(TU2, TV2, TW2)에 흐르는 전류로 전환된다. Q1 내지 Q3에 흐르는 전류가 0에 도달하면 다이오드의 방향 때문에 더 이상 전류가 역으로 흐르지 못하고 제1 권선부의 권선들(TU1, TV1, TW1)에 흐르는 전류들은 모두 제2 권선부의 권선들(TU2, TV2, TW2)로 도통된다.
Q1 내지 Q3에 흐르는 전류가 모두 0에 도달하면 제어부(140)는 Q3를 오프시켜 전체 권선 모드로 절체를 완료할 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 제2 스위치부(130)는 제2 권선부의 일단에 제1 스위치부(120)가 연결될 때 제2 권선부의 타단에 연결될 수 있다. 그러나, 가능한 회로 구성은 이에 제한되지 않으며 도 7에 도시된 바와 같이 구성될 수 있다.
도 7을 참조하면, 제2 스위치부(130)는 제1 스위치부(120)와 제2 권선부 사이에 연결될 수 있다. 도 7에 도시된 바와 같은 권선 절체 제어 장치 또한 상술한 바와 같이 하나의 상에 흐르는 전류의 부호가 다른 두 개의 상에 흐르는 전류 부호와 다를 경우에 스위치부(120, 130)를 제어하고 전압 공급부(110)에서 공급되는 상전압을 조절함으로써 권선 절체를 수행할 수 있다.
도 8은 도 2에 도시된 권선 절체 제어 장치를 이용하여 전체 권선 모드에서 일부 권선 모드로 권선을 절체하는 방법(200)의 예시적인 흐름도이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따라 전체 권선 모드에서 일부 권선 모드로 권선을 절체하는 방법(200)은, U상에 양의 상전류가 흐르고 V상 및 W상에 음의 상전류가 흐르면 V상 및 W상 권선에 연결된 Q1, Q2를 오프시키는 단계(S210), 제1 서브-스위치부의 모든 스위치(Q1, Q2, Q3)를 온 시키는 단계(S220), U상 권선에 양의 상전압을 인가하고, V상 및 W상 권선에 음의 상전압을 인가하는 단계(S230), 및 제2 권선부에 흐르는 전류가 모두 0이 된 후 U상 권선에 연결된 Q6을 오프시키는 단계(S240)를 포함한다.
상기 권선 절체 방법(200)에 따르면, 교류 전동기의 운전을 중단하지 않고도 전체 권선 모드에서 일부 권선 모드로 권선을 절체할 수 있다.
도 9는 도 2에 도시된 권선 절체 제어 장치를 이용하여 일부 권선 모드에서 전체 권선 모드로 권선을 저레하는 방법(300)의 예시적인 흐름도이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따라 일부 권선 모드에서 전체 권선 모드로 권선을 절체하는 방법(300)은, U상에 양의 상전류가 흐르고 V상 및 W상에 음의 상전류가 흐르면 V상 및 W상 권선에 연결된 제1 서브-스위치부의 스위치(Q1, Q2)를 오프시키는 단계(S310), 제2 서브-스위치부의 모든 스위치(Q4, Q5, Q6)를 온시키는 단계(S320), U상 권선에 음의 상전압을 인가하고, V상 및 W상 권선에 양의 상전압을 인가하는 단계(S330), 및 제1 스위치부에 흐르는 전류가 모두 0이 된 후 U상 권선에 연결된 제1 서브-스위치부의 스위치(Q3)를 오프시키는 단계(S340)를 포함한다.
상기 권선 절체 방법(300)에 따르면, 교류 전동기의 운전을 중단하지 않고도 일부 권선 모드에서 전체 권선 모드로 권선을 절체할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 권선 절체 제어 장치 및 방법은, 하드웨어를 추가하지 않고도 구현 가능하여 저가격으로 실시 가능하면서도 전동기의 운전을 정지하지 않고 출력 토크를 유지하며 절체가 가능하다. 또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 권선 절체 제어 장치 및 방법은 절체시 전류가 도통되는 외부 회로를 구성하지 않아 고속 운전 및 높은 권선비를 갖는 교류 전동기에서도 권선 사이에 전력 전송이 발생하는 문제를 발생시키지 않아 고속 운전 및 높은 권선비를 갖는 교류 전동기에도 적용이 가능하다.
본 명세서에서는 설명의 편의를 위해 권선을 제1 권선부 및 제2 권선부의 2개로 나타내었으나, 여러 개의 권선부가 포함된 경우에도 상술된 방법을 동일하게 적용할 수 있다. 예를 들면, 3개의 권선부가 포함된 경우 2개의 권선을 사용하는 모드 및 3개의 권선을 사용하는 모드를 상호 절체할 수 있다. 또한, 설명의 편의를 위해 U상을 기준으로 전류 방향이 양인 것으로 간주하였으나, 관점에 따라 다른 상을 기준으로도 상술된 방법을 동일하게 적용 가능하다.
이상의 실시 예들은 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제시된 것으로, 본 발명의 범위를 제한하지 않으며, 이로부터 다양한 변형 가능한 실시 예들도 본 발명의 범위에 속할 수 있음을 이해하여야 한다. 예를 들어, 본 발명의 실시 예에 도시된 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 반대로 여러 개로 분산된 구성 요소들은 결합 되어 실시될 수 있다. 따라서, 본 발명의 기술적 보호범위는 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이며, 본 발명의 기술적 보호범위는 특허청구범위의 문언적 기재 그 자체로 한정되는 것이 아니라 실질적으로는 기술적 가치가 균등한 범주의 발명에 대하여까지 미치는 것임을 이해하여야 한다.
100 : 권선 절체 제어 장치
110 : 전원 공급부
120 : 제1 스위치부
130 : 제2 스위치부
140 : 제어부

Claims (15)

  1. 제1 권선부, 상기 제1 권선부와 직렬로 연결된 제2 권선부, 및 상기 제1 권선부 측에 연결되어 3상 전압을 공급하는 전원 공급부를 포함하는 3상 교류 전동기에 대한 권선 절체 제어 장치로,
    상기 제1 권선부에 포함되는 3개의 권선을 Y결선 연결하는 제1 스위치부;
    상기 제2 권선부에 포함되는 3개의 권선을 Y결선 연결하는 제2 스위치부; 및
    상기 제1 및 제2 스위치부의 조절 및 상기 전원 공급부에서 각 권선에 공급되는 전압의 제어를 통해, 상기 제1 권선부와 상기 제2 권선부가 모두 사용되는 전체 권선 모드 및 상기 제1 권선부가 사용되고 상기 제2 권선부는 사용되지 않는 일부 권선 모드를 상호 절체하는 제어부를 포함하는 권선 절체 제어 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 스위치부는 상기 제1 권선부에 포함되는 3개의 권선에 흐르는 전류를 각각 조절할 수 있도록 Y결선 연결된 3개의 제1 서브-스위치부를 포함하며, 상기 제2 스위치부는 상기 제2 권선부에 포함되는 3개의 권선에 흐르는 전류를 각각 조절할 수 있도록 Y결선 연결된 3개의 제2 서브-스위치부를 포함하고,
    각각의 상기 제1 서브-스위치부 및 상기 제2 서브-스위치부는 Y결선 중심으로부터의 순방향 다이오드와 상기 다이오드 양단에 연결된 스위치를 포함하는 권선 절체 제어 장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 전원 공급부가 공급하는 3상 전원을 각각 U상, V상, 및 W상이라 할 때,
    전체 권선 모드에서 U상에 양의 상전류가 흐르고 V상 및 W상에 음의 상전류가 흐를 때, V상 및 W상 권선에 연결된 제2 서브-스위치부의 스위치를 오프시키고, 상기 제1 서브-스위치부의 모든 스위치를 온시킨 후,
    상기 전원 공급부를 제어하여 U상 권선에 양의 상전압을 인가하고, V상 및 W상 권선에 음의 상전압을 인가하며,
    상기 제2 권선부에 흐르는 전류가 0이 된 후 U상 권선에 연결된 제2 서브-스위치부의 스위치를 오프시켜 일부 권선 모드로 절체하는 권선 절체 제어 장치.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 전원 공급부가 공급하는 3상 전원을 각각 U상, V상, 및 W상이라 할 때,
    일부 권선 모드에서 U상 권선에 양의 상전류가 흐르고 V상 권선 및 W상 권선에 음의 상전류가 흐를 때, V상 및 W상 권선에 연결된 제1 서브-스위치부의 스위치를 오프시키고, 상기 제2 서브-스위치부의 모든 스위치를 온시킨 후,
    상기 전원 공급부를 제어하여 U상 권선에 음의 상전압을 인가하고, V상 및 W상 권선에 양의 상전압을 인가하며,
    상기 제1 스위치부에 흐르는 전류가 0이 된 후 U상 권선에 연결된 제1 서브-스위치부의 스위치를 오프시켜 전체 권선 모드로 절체하는 권선 절체 제어 장치.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 스위치부는, 상기 제2 권선부의 일단에 제1 스위치부가 연결될 때 상기 제2 권선부의 타단에 연결되는 권선 연결 제어 장치.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 스위치부는, 상기 제1 스위치부와 상기 제2 권선부 사이에 연결되는 권선 연결 제어 장치.
  7. 제1 권선부;
    상기 제1 권선부와 직렬로 연결된 제2 권선부;
    상기 제1 권선부 측에 연결되어 3상 전압을 공급하는 전원 공급부;
    상기 제1 권선부에 포함되는 3개의 권선을 Y결선 연결하는 제1 스위치부;
    상기 제2 권선부에 포함되는 3개의 권선을 Y결선 연결하는 제2 스위치부; 및
    상기 제1 및 제2 스위치부의 조절 및 상기 전원 공급부에서 각 권선에 공급되는 전압의 제어를 통해, 상기 제1 권선부와 상기 제2 권선부가 모두 사용되는 전체 권선 모드 및 상기 제1 권선부가 사용되고 상기 제2 권선부는 사용되지 않는 일부 권선 모드를 상호 절체하는 제어부를 포함하는 3상 교류 전동기.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 제1 스위치부는 상기 제1 권선부에 포함되는 3개의 권선에 흐르는 전류를 각각 조절할 수 있도록 Y결선 연결된 3개의 제1 서브-스위치부를 포함하며, 상기 제2 스위치부는 상기 제2 권선부에 포함되는 3개의 권선에 흐르는 전류를 각각 조절할 수 있도록 Y결선 연결된 3개의 제2 서브-스위치부를 포함하고,
    각각의 상기 제1 서브-스위치부 및 상기 제2 서브-스위치부는 Y결선 중심으로부터의 순방향 다이오드와 상기 다이오드 양단에 연결된 스위치를 포함하는 3상 교류 전동기.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 전원 공급부가 공급하는 3상 전원을 각각 U상, V상, 및 W상이라 할 때,
    전체 권선 모드에서 U상에 양의 상전류가 흐르고 V상 및 W상에 음의 상전류가 흐를 때, V상 및 W상 권선에 연결된 제2 서브-스위치부의 스위치를 오프시키고, 상기 제1 서브-스위치부의 모든 스위치를 온시킨 후,
    상기 전원 공급부를 제어하여 U상 권선에 양의 상전압을 인가하고, V상 및 W상 권선에 음의 상전압을 인가하며,
    상기 제2 권선부에 흐르는 전류가 0이 된 후 U상 권선에 연결된 제2 서브-스위치부의 스위치를 오프시켜 일부 권선 모드로 절체하는 3상 교류 전동기.
  10. 제8 항에 있어서,
    상기 전원 공급부가 공급하는 3상 전원을 각각 U상, V상, 및 W상이라 할 때,
    일부 권선 모드에서 U상 권선에 양의 상전류가 흐르고 V상 권선 및 W상 권선에 음의 상전류가 흐를 때, V상 및 W상 권선에 연결된 제1 서브-스위치부의 스위치를 오프시키고, 상기 제2 서브-스위치부의 모든 스위치를 온시킨 후,
    상기 전원 공급부를 제어하여 U상 권선에 음의 상전압을 인가하고, V상 및 W상 권선에 양의 상전압을 인가하며,
    상기 제1 스위치부에 흐르는 전류가 0이 된 후 U상 권선에 연결된 제1 서브-스위치부의 스위치를 오프시켜 전체 권선 모드로 절체하는 3상 교류 전동기.
  11. 제7 항에 있어서,
    상기 제2 스위치부는, 상기 제2 권선부의 일단에 제1 스위치부가 연결될 때 상기 제2 권선부의 타단에 연결되는 3상 교류 전동기.
  12. 제7 항에 있어서,
    상기 제2 스위치부는, 상기 제1 스위치부와 상기 제2 권선부 사이에 연결되는 3상 교류 전동기.
  13. 제8 항에 따른 3상 교류 전동기에 대하여 전체 권선 모드에서 일부 권선 모드로 권선을 절체하는 권선 절체 제어 방법으로,
    상기 전원 공급부가 공급하는 3상 전원을 각각 U상, V상, 및 W상이라 할 때, 전체 권선 모드에서 U상에 양의 상전류가 흐르고 V상 및 W상에 음의 상전류가 흐르면 V상 및 W상 권선에 연결된 제2 서브-스위치부의 스위치를 오프시키는 단계;
    상기 제1 서브-스위치부의 모든 스위치를 온시키는 단계;
    상기 전원 공급부를 제어하여 U상 권선에 양의 상전압을 인가하고, V상 및 W상 권선에 음의 상전압을 인가하는 단계; 및
    상기 제2 권선부에 흐르는 전류가 0이 된 후 U상 권선에 연결된 제2 서브-스위치부의 스위치를 오프시키는 시키는 단계를 포함하는 권선 절체 제어 방법.
  14. 제8 항에 따른 3상 교류 전동기에 대하여 일부 권선 모드에서 전체 권선 모드로 권선을 절체하는 권선 절체 제어 방법으로,
    상기 전원 공급부가 공급하는 3상 전원을 각각 U상, V상, 및 W상이라 할 때, 일부 권선 모드에서 U상 권선에 양의 상전류가 흐르고 V상 권선 및 W상 권선에 음의 상전류가 흐르면 V상 및 W상 권선에 연결된 제1 서브-스위치부의 스위치를 오프시키는 단계;
    상기 제2 서브-스위치부의 모든 스위치를 온시키는 단계;
    상기 전원 공급부를 제어하여 U상 권선에 음의 상전압을 인가하고, V상 및 W상 권선에 양의 상전압을 인가하는 단계; 및
    상기 제1 스위치부에 흐르는 전류가 0이 된 후 U상 권선에 연결된 제1 서브-스위치부의 스위치를 오프시키는 단계를 포함하는 권선 절체 제어 방법.
  15. 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 있어서,
    제13 항 또는 제14 항에 따른 권선 절체 제어 방법을 제어 장치가 수행하도록 하는 프로그램이 기록된 기록매체.
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