KR20190017673A - 3상 ac 모터용 제어 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 3상 AC 모터를 제어하는 방법에 관한 것으로서, 3상 AC 모터는 회전 가능하게 장착된 회전자;와, 제1 코일 그룹 및 제2 코일 그룹을 포함하는 고정자;를 포함하고, 코일의 각각은 교류 전류를 이용한 작동 시에 발진 자기장을 생성하고, 교류 전류의 위상은, 제1 코일 그룹의 자기장들의 중첩이, 회전 방향으로 회전되는 자기 회전 자계를 생성하도록 그리고 제2 코일 그룹의 자기장들의 중첩이, 전술한 회전 방향에 반대로 회전되는 자기 회전 자계를 생성하도록 선택된다. 본 발명의 추가적인 대상은, 그러한 제어 방법을 실행하기 위한, 3상 AC 모터 및 인버터로 이루어진 시스템이다.

Description

3상 AC 모터용 제어 시스템{CONTROL SYSTEM FOR A THREE-PHASE AC MOTOR}

본 발명은 3상 AC 모터를 제어하기 위한 방법에 관한 것이고, 3상 AC 모터는 회전 가능하게 장착된 회전자;와, 제1 코일 그룹 및 제2 코일 그룹을 포함하는 고정자;를 가지며, 각각의 코일은 교류 전류를 이용한 작동 시에 발진 자기장을 생성한다.

3상 AC 모터는 종래 기술로부터 여러 실시예로 알려져 있다. 그러한 것들 모두가 공통적으로 가지는 것은, 3상 AC 모터에서, 코일이 고정자 내에 배열된다는 것이고, 그러한 코일은, 발진 자기장이 각각의 코일 주위에 형성되도록, 위상-오프셋(phase-offset) 교류 전류를 이용하여 동작된다. 여기에서, 코일의 기하형태적 배열 및 연관된 위상은, 모든 코일의 자기장이 중첩되어, 회전자에 토크를 가하는 회전 자기장을 형성하는 방식으로 선택된다.

이러한 경우에, 일반적인 실시예는 3개의 위상을 가지는 3상 AC 모터이고, 이러한 3상 AC 모터에서 코일들은, 코일들에 의해서 발생된 자기장들이 서로 120°의 각도로 배열되고 연관된 위상들이 서로 120°만큼 천이되는 방식으로 고정자 상에 배열된다. 여기에서, 발진하는 개별 자계들이 중첩되어 회전 자계를 형성하고, 이러한 회전 자계에서 자계 진폭은 일정하게 유지되고 인가된 3상 교류의 주파수로 회전된다. 코일의 일반적인 기하형태 배열 및 연관된 위상으로부터 결과적인 회전 자계를 결정하기 위해서 이용될 수 있는 계산 방법이 문헌[예를 들어 Rolf Fischer, "Elektrische Maschinen" (Electric Machines), 4.2장]으로부터 당업자에게 알려져 있다.

많은 경우에, 일차적인 전압 공급원은, 인버터에 의해서 필요 AC 전압으로 먼저 변환되어야 하는 DC 전압을 제공한다. 그러한 상황은, 특히, 예를 들어 전기 차량의 경우에서와 같이, 배터리에 의해서 공급되는 전기 모터에서 존재한다. 이러한 변환의 일반적인 유형은 희망 AC 전압이 펄스-폭 변조에 의해서 발생되는 것으로 구성되고, 전압 곡선의 형상 그리고 그 위상 및 주파수는, 변조기를 그에 따라 제어하는 것에 의해서, 넓은 범위에서 제어되는 방식으로 설정될 수 있다.

추가적인 구조 형태는 6개의 위상을 가지는 3상 AC 모터이다. 이러한 목적을 위해서, 문헌 US 2007120520, WO 2014132385 및 WO 2014207858는 회전하는 자계의 발생을 위해서 3상 권선의 2개의 세트 및 인버터를 가지는 실시예를 개시한다. 문헌 US 20090033251은 전기 모터를 개시하고, 이러한 전기 모터에서는 모터 내에서 발생된 토크를 제어하기 위해서 6개의 위상이 인버터에 의해서 발생된다. 문헌 US 20160365821은, 6개의 위상으로 동작될 수 있는 3상 권선의 2개의 세트를 가지는 전기 모터를 설명한다.

이들 실시예는 전기 에너지를 운동 에너지로 가능한 한 효과적으로 변환하도록 구성된다.

본 발명의 목적은 제어 방법을 제공하는 것으로서, 그러한 방법을 통해서 목표하는 방식에 따라 전력이 열로 완전히 또는 부분적으로 변환된다.

이러한 목적은 3상 AC 모터를 제어하는 방법에 의해서 달성되고, 3상 AC 모터는 회전 가능하게 장착된 회전자;와 제1 코일 그룹 및 제2 코일 그룹을 포함하는 고정자;를 포함하고, 코일의 각각은 교류 전류를 이용한 작동 시에 발진 자기장을 생성하고, 교류 전류의 위상은, 제1 코일 그룹의 자기장들의 중첩이, 회전 방향으로 회전되는 자기적 회전 자계를 생성하도록 그리고 제2 코일 그룹의 자기장들의 중첩이, 전술한 회전 방향에 반대로 회전되는 자기적 회전 자계를 생성하도록 선택된다.

이러한 방법은, 열로 변환되는 전기 에너지의 비율 및 모터의 회전 운동을 구동하는 비율이 제어 방식으로 설정될 수 있도록, 모터 코일의 작동을 구성할 수 있게 한다. 결과적으로, 별개의 가열 메커니즘을 필요로 하지 않고, 유리하게 열을 발생시킬 수 있다. 차량에서, 발생된 열은 이어서, 예를 들어, 가열/냉각 시스템으로 공급될 수 있다.

코일의 공간적 배열 및 코일과 연관된 교류 전류의 시간적 거동을 명확하게 설명하기 위해서, 이하의 내용에서, 코일에 의해서 발생되는 자기장의 배향이 해당 작동 방향으로 규정된 각도의 시퀀스를 형성하도록 그리고 코일과 연관된 교류 전류의 위상이 규정된 위상 각도의 시퀀스를 유사하게 형성하도록, 작동 방향이 코일의 배열에 대해서 규정되는 것으로 가정한다. 위상 각도들이 작동 방향으로 서로에 대해서 양의 방식(positive manner)으로 천이될 때, 다시 말해서 각각의 위상이 시간적으로 그 선행 위상에 앞서는 경우에, 작동 방향에 반대로 회전되는 회전 자계가 생성된다. 대조적으로, 위상 각도들이 작동 방향으로 서로에 대해서 음의 방식으로 천이된다면, 작동 방향으로 회전되는 회전 자계가 생성된다. 이러한 경우에, 작동 방향의 규정은 임의적이고, 단지 명료한 설명을 위한 기준 프레임을 제공하는 역할을 한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 종래 기술로부터 알려진 6상 모터를 동작시키기 위한 방법이 이용되고, 6개의 교류 전류들이 서로에 대해서 각각 60°만큼 천이되며, 각각의 경우에, 서로에 대해서 60°의 각도 단계로 배열된 6개의 코일을 동작시킨다. 본 발명에 따른 작동을 실현하기 위해서, 각각의 그룹 내의 코일이 서로에 대해서 120°만큼 회전되는 방식으로 각각 배열되도록, 6개의 코일이 2개의 그룹으로 세분된다. 본 발명에 따른 제어 시스템의 경우에, 이제, 제1 그룹의 작동을 변화 없이 유지하고 제2 그룹의 위상 시퀀스를 반전시키는 것으로 충분하다. 결과적으로, 제2 그룹은, 제1 그룹의 회전 자계에 반대되는 방향으로 회전되는 회전 자계를 생성한다. 만약 모든 교류 전류의 진폭이 동일하다면, 2개의 회전 자계는 회전자 상에 반대되는 토크들을 가하고, 그러한 2개의 회전 자계는 서로를 각각 상호 상쇄시킨다. 그에 따라, 전력은 운동으로 변환되지 않고, 그 대신에 열로 변환된다.

설명된 6상 시스템의 일반화를 통해서 본 발명의 추가적인 실시예가 얻어진다. 이러한 경우에, 2n개의 코일이 서로에 대해서 180°/n의 동일한 각도 단계로 배열되고, 각각의 경우에, 각각의 그룹의 코일들이 서로에 대해서 360°/n의 각도 단계로 배열되도록 n 개의 코일의 2개의 그룹으로 분할된다. 제1 그룹의 코일이 서로에 대해서 양의 방식으로 위상-천이된 교류 전류를 이용하여 동작되는 반면, 제2 그룹의 코일은 서로에 대해서 음의 방식으로 위상-천이된 교류 전류를 이용하여 동작된다. 이러한 경우에, 앞서서 더 설명된 6상 모터의 동작은 n = 3의 특별한 경우에 상응한다.

또한, 복수의 코일이 동일한 라인 작동(line run)에 속하고 그에 따라 동일한 교류 전류를 이용하여 작동되는 본 발명의 실시예가 또한 가능하다. 이는, n개의 코일의 기하형태적 배열 및 m≤n의 연관된 위상 각도를 초래한다. n개의 코일은 다시, 반드시 동일한 수의 코일을 포함하지는 않는, 2개의 그룹으로 분할된다. 2개의 그룹의 결과적인 자기장들이 반대 방향으로 회전되도록 교류 전류를 코일에 할당할 수 있는 가능성이 체계적으로 어렵게 설명될 수 밖에 없으나, 처음에 설명된 계산 방법에 의해서 당업자에 의해서 용이하게 결정될 수 있다.

본 발명의 추가적인 실시예에 따라, 2개의 그룹이 교류 전류들을 이용하여 작동되고, 그러한 교류 전류들은, 제1 그룹 내에서, 서로에 대해서 양의 방식으로 위상-천이되고, 제2 그룹 내에서, 서로에 대해서 음의 방식으로 위상-천이된다. 이러한 경우에, 교류 전류의 진폭들은 하나의 그룹 내에서 서로 동일하나 2개의 그룹들 사이에서는 상이하다. 결과적으로, 반대 방향으로 회전되는 2개의 회전 자계가 생성되고, 제1 및 제2 자계의 강도는 각각의 경우에 시간에 걸쳐 일정하고 방향을 따라 주기적으로 변화되나, 이러한 경우에, 제1 회전 자계는 제2 회전 자계보다 크거나 작은 자계 강도를 갖는다. 중첩 중에, 2개의 회전 자계의 토크들은 서로 상호 상쇄되지 않고, 그 대신에 그러한 차이 내에서 잔여 토크를 생성하는 한편, 전력의 일부가 열로 변환된다. 2개의 회전 자계의 그러한 중첩의 경우에, 소위 타원형 회전 자계가 일반적으로 발생되고, 그러한 회전 자계는 일정 비율로 회전되고 이로 인해 잔류 토크를 생성하고, 그러한 회전 자계의 자계 진폭은 시간에 따라 달라지고, 그에 따라 잔류 토크의 맥동 곡선이 초래된다.

본 발명의 추가적인 실시예는, 각각 m 진폭을 가지는 m≤n의 교류 전류를 이용하여 일반 수(general number) n개의 코일이 동작되는, 일반화로부터 초래된다. 이러한 경우에, 또한, 2개의 그룹이 반대 회전 자기장들을 생성하도록 전류들 및 코일들을 서로에 대해서 할당할 수 있는 가능성은 간결하게 설명될 수 없으나, 처음에 언급된 계산 방법에 의해서 당업자에 의해서 결정될 수 있다.

본 발명의 추가적인 대상은, 청구항 제1항에서 청구된 바와 같은 제어 방법을 실행하기 위한 3상 AC 모터 및 인버터로 이루어진 시스템이다. 제어 방법의 모든 실시예는 본 발명에 따른 시스템을 이용하여 실행될 수 있고, 그 결과, 시스템은 또한 상응하는 위치에서 언급된 각각의 실시예의 장점을 갖는다.

본 발명에 따른 3상 AC 모터 및 인버터로 이루어진 시스템의 바람직한 실시예에 따라, 인버터는, DC 전압으로부터 공급되고 그로부터 펄스-폭 변조를 통해 서로에 대해서 위상-천이된 복수의 AC 전압을 생성하는 방식으로, 구성된다. 이어서, 그러한 AC 전압은 본 발명에 따라, 제1 코일 그룹의 그렇게 발생된 자기장들이 중첩되어, 제2 그룹의 회전 자기장에 반대되는 방향으로 회전되는 회전 자계를 형성하는 방식으로, 코일에 인가된다.

추가적인 바람직한 실시예에 따라, 발생된 AC 전압의 진폭 및 위상이 가변적인 방식으로 설정될 수 있도록, 인버터가 구성된다. 결과적으로, 일반적인 제어 방법이 실현될 수 있고, 그러한 제어 방법에서 코일은, 목표된 방식으로 서로 매칭되는 전압 곡선들에 의해서 작동되고, 그에 따라 유도된 자기장들이 중첩되어 희망하는 전체 자계를 형성한다.

본 발명에 따른 3상 AC 모터 및 인버터로 구성된 시스템의 추가적인 바람직한 실시예에 따라, 3상 AC 모터는, 회전자의 회전 운동을 잠금(lock)하기 위해서 이용될 수 있는 장치를 갖는다. 이러한 장치의 가능한 형태는, 예를 들어, 브레이크 또는 잠금 브레이크이다. 결과적으로, 또한 제어 방법이 토크들을 정확하게 균형잡지 못하는 경우에도, 부가적인 운동의 발생이 없이 전력이 독점적으로 열로 변환되도록 기계적 방식으로 회전 운동을 방지할 수 있는 것이 유리하다.

본 발명의 추가적인 상세 내용, 특징 및 장점이 도면으로부터 그리고 도면을 기초로 하는 바람직한 실시예에 관한 이하의 설명으로부터 명백해질 것이다. 이러한 경우에, 도면은, 본 발명의 개념을 제한하지 않는 본 발명의 예시적인 실시예만을 도시한다.

도 1은 종래 기술에 따른 일 실시예에 따른 6개의 위상을 가지는 3상 AC 모터의 제어 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 6개의 위상을 가지는 3상 AC 모터의 제어 시스템을 개략적으로 도시한다.

도 1은 종래 기술에 따른 3상 AC 모터의 제어 시스템(1)을 도시한다. 이러한 경우에, 도면은, 6개의 코일(5)이 6상 교류 전류의 개별적인 위상을 이용하여 작동되는 방식만을 도시하고, 코일(5)의 기하형태적 배열은 그로부터 명확하지 않다. 도면에서, 제1 그룹(6) 및 제2 그룹(7)의 각각의 3개의 코일(5)은 델타 연결(delta connection)에 의해서 직렬로 연결된다. 이러한 경우에, 6개의 코일(5)은 공간적 배열(미도시)을 함께 형성하고, 그러한 배열에서 제1 그룹(6)의 그리고 제2 그룹(7)의 코일(5)은 교번적으로 서로를 뒤따르고, 교류 전류를 이용한 동작 중에, 각각 60°만큼 오프셋된 6개의 발진 자기장을 생성한다. 각각의 경우에 2개의 자기장이 60°만큼 오프셋된 경우에, 자기장 발진의 시간 곡선은 여기에서 60°만큼 위상-오프셋된다. 그에 의해서 제1 그룹(6)의 자기장들이 중첩되어 전체 자기장을 형성하고, 그 방향은 도시된 제1 회전 방향(8)으로 회전되며, 자계 강도는 시간에 걸쳐 일정하게 유지된다. 제2 그룹(7)의 자기장들이 중첩되어, 유사하게, 제1 회전 방향(8)으로 회전되는 전체 자기장을 형성한다. 결과적으로, 2개의 그룹(6, 7)의 회전 자계들은, 다시, 제1 회전 방향(8)으로 회전되는 전체 회전 자계를 형성하는 방식으로, 중첩된다. 전체 회전 자계는 회전자(미도시)의 권선 내에서 전류를 유도하고, 그러한 전류의 자기장은 외부의 전체 회전 자계와 반대로 작용한다. 이는, 회전자를 회전시키는, 회전자와 코일(5) 사이의 토크를 생성한다. 이러한 배열의 모든 코일(5)의 자기장이 전체 회전 자계를 증폭시키기 때문에, 최대 토크가 발생되고, 그와 관련하여, 전력의 운동으로의 최대 변환이 발생된다.

도 2는 본 발명에 따른 3상 AC 모터의 제어 시스템(1)을 도시한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 여기에서 도면은 또한 코일(5)에 대한 위상의 할당을 도시하고, 코일(5)의 공간적 배열은 도면으로부터 명확하지 않다. 6개의 코일(5)은, 각각의 경우에, 서로에 대해서 60°만큼 오프셋된 자기장의 시퀀스를 생성한다. 그러한 6개의 코일의, 제1 그룹(6)은 연관된 자기장을 가지는 3개의 코일(5)을 포함하고, 그러한 코일들은 서로에 대해서 120°만큼 오프셋되어 배열되고, 그러한 코일의 시간 곡선들은 서로에 대해서 양의 방식으로 120°만큼 위상-천이된다. 제2 그룹(7)은 나머지 3개의 코일(5)을 포함하고, 그러한 코일의 자기장은 유사하게 서로에 대해서 120°만큼 오프셋되어 배열되고, 그러한 코일의 시간 곡선들은 서로에 대해서 음의 방식으로 120°만큼 위상-천이된다. 결과적으로, 제1 그룹(6)의 자기장들은, 도시된 제1 회전 방향(8)으로 회전되는 회전 자계를 발생시키는 방식으로, 중첩된다. 대조적으로, 결과적인 회전 자계가 도시된 제2 회전 방향(9)으로 회전되도록, 제2 그룹(7)의 자기장들이 중첩된다. 제1 회전 방향(8)으로 회전되는 회전 자계 및 제2 회전 방향(9)으로 회전되는 회전 자계가 중첩되어, 회전되지 않고 그 대신에 규정된 방향으로 배향되는 전체 회전 자계를 형성하고, 그러한 자계의 강도는 시간에 걸쳐 발진된다. 이러한 발진은 회전자의 권선 내에서 전류를 유도하나, 그러한 전류는 회전 자계에서와 같이 회전자를 회전시키지 않고, 그 대신에 단지 전력을 저항 가열로 변환한다. 다시 말해서, 반대 방향들로 회전되는 회전 자계들은 회전자에 2개의 대향 토크들을 가하고, 그러한 토크들은 서로 상쇄되며, 그에 따라 소비 전력은 회전자를 회전시키지 않고 열로 변환된다.

Claims (5)

1. 3상 AC 모터를 제어하기 위한 방법(1)으로서, 상기 3상 AC 모터는 회전 가능하게 장착된 회전자;와, 제1 코일 그룹(6) 및 제2 코일 그룹(7)을 포함하는 고정자;를 포함하고, 코일(5)의 각각은 교류 전류를 이용한 작동 시에 발진 자기장을 생성하는, 3상 AC 모터의 제어 방법에 있어서,
   제1 코일 그룹(6)의 자기장들의 중첩이, 회전 방향(8)으로 회전되는 자기 회전 자계를 생성하도록 그리고 제2 코일 그룹(7)의 자기장들의 중첩이, 회전 방향(8)에 반대로 회전되는 자기 회전 자계를 생성하도록, 상기 교류 전류의 위상이 선택되는 것을 특징으로 하는, 3상 AC 모터의 제어 방법.
2. 제1항에 있어서,
   제1 코일 그룹(6)을 작동시키기 위한 상기 교류 전류는 일정한 제1 진폭을 가지고, 제2 코일 그룹(7)을 작동시키기 위한 교류 전류는 일정한 제2 진폭을 가지며, 상기 제1 및 제2 진폭의 비율은 적어도 2개의 상이한 값들로 설정될 수 있는, 3상 AC 모터의 제어 방법.
3. 제1항에 따른 제어 방법(1)을 실행하기 위한, 3상 AC 모터 및 인버터로 이루어진 시스템으로서, 상기 3상 AC 모터는 회전 가능하게 장착된 회전자;와, 제1 코일 그룹(6) 및 제2 코일 그룹(7)을 포함하는 고정자;를 포함하고, 코일(5)의 각각은 상기 인버터에 의해서 발생된 교류 전류를 이용한 작동 시에 발진 자기장을 생성하고, 제1 코일 그룹(6)의 자기장들의 중첩이 회전 방향(8)으로 회전되는 자기 회전 자계를 생성하도록 그리고 제2 코일 그룹(7)의 자기장들의 중첩이 회전 방향(8)에 반대로 회전되는 자기 회전 자계를 생성하도록, 상기 교류 전류의 위상이 선택되고, 상기 시스템은, 코일(5)이 제1항에서 청구된 방법에 따라 목표한 방식으로 작동될 수 있는 방식으로, 구성되는, 시스템.
4. 제3항에 있어서,
   상기 인버터는 펄스-폭 변조에 의해서, 인가된 DC 전압으로부터 교류 전류를 생성하는, 시스템.
5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
   상기 3상 AC 모터는, 상기 회전자의 회전 운동을 잠금하기 위해서 이용될 수 있는 장치를 가지는, 시스템.

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