KR20190047923A - 계자 권선형 전동기의 독립형 전류 제어 장치 - Google Patents

계자 권선형 전동기의 독립형 전류 제어 장치 Download PDF

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KR20190047923A
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Abstract

계자 권선형 전동기의 독립형 전류 제어 장치가 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 계자 권선형 전동기의 독립형 전류 제어 장치는 계자 권선형의 고정자에 전류를 인가하는 전동기 고정자 제어부; 및 상기 고정자 전류 제어부의 전원과 분리된 전원을 공급하는 전원부 및 상기 전원부의 전력을 변환하여 상기 계자 권선형 전동기의 계자에 인가하는 전력변환부를 포함하는 계자 제어부;를 포함한다.

Description

계자 권선형 전동기의 독립형 전류 제어 장치{Device for controlling current for field wounding motor}
본 발명은 계자 권선형 전동기에 관한 것으로, 특히, 고정자와 계자의 전류 제어를 독립적으로 수행할 수 있는 계자 권선형 전동기의 독립형 전류 제어 장치에 관한 것이다.
48V 마일드 하이브리드 시스템의 시동 발전기는 기존 차량의 발전기(알터네이터)를 대체하여, 48V 배터리를 충전하고 엔진에 동력을 더해주는 구동 기능을 한다. 일반적으로 시동 발전기는 계자 권선을 포함하는 C/P(Claw Pole)이나 WRSM(Wound Rotor Synchronous Machine)이 사용된다.
여기서, 시동 발전기의 용량은 10㎾ ~ 15㎾ 수준으로 기존 발전기보다 크다. 최대 출력시 수백 A 수준의 전류가 필요하며, 이와 같은 큰 전류 때문에 구동 시 전압이 낮아지는 경우가 종종 발생한다.
한편, 계자 권선형 전동기는 고정자와 계자에 전류를 제어하여 토크를 제어한다. 이러한 계자 권선형 전동기를 위한 제어 장치는 고정자 전류 제어부와 계자 전류 제어부로 구성된다.
여기서, 고정자 권선 대비 계자 권선의 턴 수가 상대적으로 크다. 즉, 계자 권선의 길이가 고정자 권선의 길이보다 상대적으로 크기 때문에, 계자 권선의 저항은 고정자 권선의 저항보다 훨씬 크다.
이에 의해, 계자 권선의 전류 제어는 고정자 권선의 전류 제어 대비 전압 강하의 영향을 많이 받는다. 특히, 종래에는, 고정자 전류 제어를 위한 전원과 계자 전류 제어를 위한 전원이 동일하기 때문에, 계자 권선에 의한 전압 강하의 영향이 크게 나타난다.
이는 계자의 전류 제어 특성을 나빠지게 하며, 따라서 계자 권선형 전동기의 토크 추종 특성에도 악영향을 준다.
KR 2016-0120984 A
상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시예는 독립적인 배터리 전압을 변환하여 계자 제어에 사용함으로써 전압 강하로 인해 발생하는 계자 전류 제어의 특성을 개선하고 토크 추종 성능을 개선할 수 있는 계자 권선형 전동기의 독립형 전류 제어 장치를 제공하고자 한다.
위와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 계자 권선형 전동기의 고정자에 전류를 인가하는 전동기 고정자 제어부; 및 상기 고정자 전류 제어부의 전원과 분리된 전원을 공급하는 전원부 및 상기 전원부의 전력을 변환하여 상기 계자 권선형 전동기의 계자에 인가하는 전력변환부를 포함하는 계자 제어부;를 포함하는 계자 권선형 전동기의 독립형 전류 제어 장치가 제공된다.
일 실시예에서, 상기 고정자 전류 제어부는 MOSFET과 보디 다이오드(body diode)를 포함하는 복수 개의 전력용 반도체 스위치를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 전력변환부는 벅-부스터 컨버터(Buck-Boost)일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 계자 제어부는 상위 제어기로부터 상기 고정자 제어부와 독립적으로 계자 전류 지령을 수신할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 고정자 제어부가 정상 동작하지 않는 경우, 상기 계자 제어부는 상기 상위 제어기로부터 계자 전류 지령에 따라 상기 계자에 전류를 공급하고, 상기 고정자 제어부는 보디 다이오드에 의해 정류기로 구동되어 전원을 공급하는 배터리를 충전할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 계자 권선형 전동기의 독립형 전류 제어 장치는 전압 강하가 많이 발생하는 계자 권선형 전동기의 고출력 영역에서도 별도의 전원으로 계자를 제어함으로써, 계자 제어 전류에 영향을 미치지 않으므로 계자 권선형 전동기의 토크 추종 성능을 개선할 수 있다.
또한, 본 발명은 고정자 제어가 불가능한 경우, 상위 제어기에서 직접 계자 전류를 제어함으로써, 48V 배터리를 충전할 수 있으므로, 전체적인 시스템의 안정성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 계자 권선형 전동기의 독립형 전류 제어 장치의 개략적 회로도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 계자 권선형 전동기의 독립형 전류 제어 장치의 제어 블록도,
도 3은 도 1에서 계자 제어부의 회로도,
도 4는 도 3에서 일반 동작 모드의 회로도, 및
도 5는 도 3에서 알터네이터 동작 모드의 회로도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 계자 권선형 전동기의 독립형 전류 제어 장치를 보다 상세히 설명하도록 한다. 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 계자 권선형 전동기의 독립형 전류 제어 장치의 개략적 회로도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 계자 권선형 전동기의 독립형 전류 제어 장치(100) 고정자 제어부(110) 및 계자 제어부(120)를 포함한다.
계자 권선형 전동기의 독립형 전류 제어 장치(100)는 고정자 전류 제어를 위한 전원과 계자 전류 제어를 위한 전원을 독립적으로 구성한다. 일례로, 고정자 제어부(110)는 고전압 배터리(48V)로부터 전원이 공급되고, 계자 제어부(120)는 저전압 배터리(12)로부터 전원이 공급될 수 있다.
여기서, 종래의 경우, 계자 권선형 전동기의 출력이 크면, 계자의 권선 저항과 고정자의 권선 저항의 차이에 의해 전원을 공급하는 배터리의 전압 강하가 크게 발생할 수 있고, 이로 인해 권선 저항이 상대적으로 큰 계자 측의 전류가 감소하여 계자 측의 정상적인 전류 제어가 불리하게 된다.
그러나, 본 발명의 실시예에 따른 계자 권선형 전동기의 독립형 전류 제어 장치(100)는 고정자 제어부(110)와 계자 제어부(120)가 서로 독립적인 전원을 사용하기 때문에 고정자(14a)와 계자(14b) 사이의 권선 저항의 차이에 의한 상호간의 영향이 배제되므로 고정자(14a)와 계자(14b)의 제어 전류를 각각 정상적으로 공급할 수 있다.
이에 의해, 본 발명의 실시예에 따른 계자 권선형 전동기의 독립형 전류 제어 장치(100)는 계자 권선형 전동기(14)의 출력 크기에 영향을 받지 않고, 토크 추종 성능을 개선할 수 있다.
고정자 제어부(110)는 후술하는 바와 같은 상위 제어기(13)로부터의 고정자 전류 지령에 따라 계자 권선형 전동기(14)의 고정자(14a)에 전류를 인가한다. 이러한 고정자 제어부(110)는 복수 개의 전력용 반도체 스위치를 포함할 수 있다.
여기서, 고정자 제어부(110)에 사용되는 전력용 반도체 스위치는 MOSFET과 보디 다이오드가 병렬로 연결된다.
이와 같은 전력용 반도체 스위치는 고정자 전류 지령에 따라 MOSFET이 온오프됨으로써, 고정자(14a)에 제어 전류를 인가할 수 있다. 이때, 고정자 제어부(110)는 고전압 배터리(48V)에 연결되며 MOSFET의 온오프 제어시 고전압 배터리(48V)로부터 전원을 공급받을 수 있다.
또한, 고정자 제어부(110)는 고장 등의 이유로 MOSFET가 온오프 제어되지 않는 경우, 바디 다이오드에 의해 브리지 정류기로 동작될 수 있다. 이와 같이, 고정자 제어부(110)가 브리지 정류기로 동작하는 경우, 계자 제어부(120)가 계자(14b)에 전류를 인가함으로써, 고정자 제어부(110)는 계자 권선형 전동기(14)의 발전에 의해 고전압 배터리(48V)를 충전할 수 있다.
계자 제어부(120)는 상위 제어기(13)로부터의 계자 전류 지령에 따라 계자 권선형 전동기(14)의 계자(14b)에 전류를 인가한다. 이러한 계자 제어부(120)는 전원부(122) 및 전력변환부(124)를 포함할 수 있다.
전원부(122)는 고정자 제어부(110)의 전원(예를 들면, 고전압 배터리(48V))과 분리된 전원을 공급할 수 있다. 이러한 전원부(122)는 저전압 배터리(12V)일 수 있다.
전력변환부(124)는 전원부(122)의 전력을 변환하여 계자 권선형 전동기(14)의 계자(14b)에 인가할 수 있다. 여기서, 전력변환부(124)는 상위 제어기(13)로부터 결정된 계자 전류 지령에 따라 온오프 스위칭됨으로써, 전원부(122)로부터 계자(14b)에 제어 전류를 인가할 수 있다.
이때, 전력변환부(124)는 전원부(122)의 출력전압이 고전압 배터리(48V)보다 작기 때문에 전원부(122)의 12V 전원을 승압할 수 있다. 또한, 전력변환부(124)는 계자(14b)의 전류를 "0"으로 제어하기 위해 전원부(122)의 전압을 강압할 수 있다. 여기서, 전력변환부(124)는 승압 및 강압이 가능한 벅-부스터 컨버터일 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 계자 권선형 전동기의 독립형 전류 제어 장치의 제어 블록도이다.
계자 권선형 전동기의 독립형 전류 제어 장치(100)는 고정자 제어 모듈(11)이 상위 제어기(13)로부터 토크 정보를 수신하여 목표 토크 발생을 위해 연산부(11a)에 의해 필요한 고정자 전류 지령과 계자 전류 지령을 결정할 수 있다.
이와 같이 결정된 고정자 전류 지령에 의해 고정자 제어부(110)는 계자 권선형 전동기(14)의 고정자(14a)로 전류를 인가할 수 있다.
이때, 고정자 제어 모듈(11)은 결정된 계자 전류 지령을 계자 제어 모듈(12)로 전달할 수 있다. 계자 제어 모듈(12)은 연산부(12a)에 의해 필요한 계자 전류 지령을 연산할 수 있다.
이와 같이 연산된 계자 전류 지령에 의해 계자 제어부(120)는 계자 권선형 전동기(14)의 계자(14b)로 전류를 인가할 수 있다.
한편, 계자 제어 모듈(12)은 고정자 제어 모듈(11)과 독립적으로 외부의 지령에 의해 동작할 수 있다. 즉, 계자 제어부(120)는 고정자 제어부(110)와 독립적으로 상위 제어기(13)로부터 계자 전류 지령을 수신할 수 있다.
여기서, 종래의 계자 권선형 전동기의 제어 장치는 상위 제어기의 토크 정보를 처리하여 고정자와 계자의 전류 제어를 수행함으로써 계자 권선형 전동기의 목표 토크를 발생시킨다.
그러나, 본 발명의 실시예에 따른 계자 권선형 전동기의 독립형 전류 제어 장치(100)는 고정자 제어 모듈(11)을 통하지 않고 상위 제어기(13)로부터 전류 지령을 수신할 수 있다.
특히, 고정자 제어 모듈(11) 또는 고정자 제어부(110)가 고장 등에 의해 정상적으로 동작하지 않는 경우, 계자 제어 모듈(12)은 상위 제어기(13)로부터 계자 전류 지령을 직접 수신할 수 있다.
이와 같이 고정자 제어 모듈(11) 또는 고정자 제어부(110)가 고장 등에 의해 정상적으로 동작하지 않는 상태에서, 계자 권선형 전동기의 독립형 전류 제어 장치(100)는 계자 제어 모듈(12)이 상위 제어기(13)로부터 전류 지령을 직접 전달받음으로써, 계자 권선형 전동기(14)를 알터네이터와 같은 형태로 운영할 수 있다.
도 3은 도 1에서 계자 제어부의 회로도이다.
도 3을 참조하면, 계자 제어부(120)는 승압 및 강압이 가능한 벅-부스터 컨버터를 포함할 수 있다. 즉, 계자 제어부(120)의 전력변환부(124)는 벅-부스터 컨버터일 수 있다. 여기서, 전원부(122)는 12V 배터리일 수 있다.
이와 같은 계자 제어부(120)는 고정자 제어 모듈(11)로부터 전달되는 계자(14b) 전류 지령에 따라 전원부(122)의 출력전압을 승압 또는 강압하여 계자(14b)로 인가할 수 있다.
이러한 전력변환부(124)는 반도체 스위치(S), 다이오드(D), 인덕터(L) 및 커패시터(C)를 포함할 수 있다.
이러한 전력변환부(124)는 먼저, 반도체 스위치(S)가 온되면, 전원부(122)로부터 전류가 인덕터(L)로 공급되어 에너지가 인덕터(L)에 저장되고, 반도체 스위치(S)가 오프되면, 인덕터(L)에 저장된 에너지가 다이오드(D)를 통하여 계자(14b)로 전력을 공급할 수 있다. 계자(14b)에 병렬로 연결된 커패시터(C)는 리플을 제거하기 위해 사용될 수 있다.
여기서, 전력변환부(124)는 반도체 스위치(S)의 스위칭 주기에 따라 강압 또는 승압이 모두 가능하다.
이와 같은 구성에 의해 계자 권선형 전동기의 독립형 전류 제어 장치(100)는 계자 제어 전류에 영향을 미치지 않으므로 계자 권선형 전동기의 토크 추종 성능을 개선할 수 있는 동시에, 고정자 제어가 불가능한 경우, 48V 배터리를 충전할 수 있으므로, 전체적인 시스템의 안정성을 향상시킬 수 있다.
이하, 도 4 및 도 5를 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 계자 권선형 전동기의 독립형 전류 제어 장치(100)의 동작을 설명한다. 도 4는 도 3에서 일반 동작 모드의 회로도이고, 도 5는 도 3에서 알터네이터 동작 모드의 회로도이다.
도 4를 참조하면, 고정자 제어부(110)는 전력용 반도체 스위치가 상위 제어기(13)로부터의 토크 정보에 따라 결정된 게이팅 신호(Gating Signal)에 의해 온/오프 동작을 수행할 수 있다.
이에 의해, 고정자 제어부(110)는 고전압 배터리(48V)로부터 전류를 계자 권선형 전동기(14)의 고정자(14a)에 인가할 수 있다.
이때, 계자 제어부(120)는 고정자 제어 모듈(11)에서 결정된 계자 전류 지령에 따라 반도체 스위치(S)를 스위칭함으로써, 전원부(122)(저전압 배터리(12V))의 출력전압을 승압 또는 강압하여 계자 권선형 전동기(14)의 계자(14b)에 인가할 수 있다.
이와 같이, 고정자 제어부(110) 및 계자 제어부(120)는 고정자(14a) 및 계자(14b)에 적절한 전류를 인가함으로써 계자 권선형 전동기(14)의 목표 토크를 제어할 수 있다.
한편, 도 5를 참조하면, 고정자 제어 모듈(11) 또는 고정자 제어부(110)의 고장 등에 의해 MOSFET에 게이팅 신호가 없는 경우, MOSFET는 오프 상태가 된다. 이때, MOSFET와 역병렬로 연결된 바디 다이오드는 게이팅 신호와 상관없이 동작할 수 있다. 여기서, 고정자 제어부(110)는 바디 다이오드에 의해 브리지 정류기로 동작할 수 있다.
이와 같이 고정자 제어부(110)가 정상적으로 동작하지 못하는 경우에도, 계자 제어부(120)는 상위 제어기(13)로부터 계자 전류 지령을 직접 수신하기 때문에 계자 전류 지령에 따라 계자(14b)로 전류를 인가할 수 있다.
이에 의해 계자 제어부(120)를 통하여 계자(14b)에 전류가 인가됨에 따라 고정자(14a)의 역기전력을 제어함으로써 계자 권선형 전동기의 독립형 전류 제어 장치(100)는 계자 권선형 전동기(14)를 구동할 수 있다.
이와 같이 발생한 역기전력에 의해 계자 권선형 전동기(14)는 역토크로 발전을 수행하고, 발전된 전력은 브리지 정류기로 동작하는 고정자 제어부(110)를 통하여 고전압 배터리(48V)를 충전할 수 있다.
여기서, 고정자 제어부(110)가 정류기로 동작하는 경우, 고정자(14a)에 전류가 인가되지 않기 때문에 토크 발생을 위한 계자 권선형 전동기(14)의 구동은 불가능하고, 전류가 인가된 계자(14b)에 의해 계자 권선형 전동기(14)의 역토크가 발생하여 발전만이 가능하게 된다.
이와 같이, 고정자 제어부(110)는 MOSFET가 오프되고 바디 다이오드를 통하여 정류기로 동작함으로써 고전압 배터리(48V)를 충전할 수 있으므로 발전 효율을 증가시킬 수 있고 따라서 전체적인 시스템의 안정성을 향상시킬 수 있다.
이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.
100 : 계자 권선형 전동기의 독립형 전류 제어 장치
110 : 고정자 제어부 120 : 계자 제어부
122 : 전원부 124 : 전력변환부
11 : 고정자 제어 모듈 12 : 계자 제어 모듈
13 : 상위 제어기 14 : 계자 권선형 전동기
14a : 고정자 14b : 계자

Claims (5)

  1. 계자 권선형 전동기의 고정자에 전류를 인가하는 전동기 고정자 제어부; 및
    상기 고정자 전류 제어부의 전원과 분리된 전원을 공급하는 전원부 및 상기 전원부의 전력을 변환하여 상기 계자 권선형 전동기의 계자에 인가하는 전력변환부를 포함하는 계자 제어부;
    를 포함하는 계자 권선형 전동기의 독립형 전류 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고정자 전류 제어부는 MOSFET과 보디 다이오드(body diode)를 포함하는 복수 개의 전력용 반도체 스위치를 포함하는 계자 권선형 전동기의 독립형 전류 제어 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전력변환부는 벅-부스터(Buck-Boost) 컨버터인 계자 권선형 전동기의 독립형 전류 제어 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 계자 제어부는 상위 제어기로부터 상기 고정자 제어부와 독립적으로 계자 전류 지령을 수신하는 계자 권선형 전동기의 독립형 전류 제어 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 고정자 제어부가 정상 동작하지 않는 경우, 상기 계자 제어부는 상기 상위 제어기로부터 계자 전류 지령에 따라 상기 계자에 전류를 공급하고, 상기 고정자 제어부는 보디 다이오드에 의해 정류기로 구동되어 전원을 공급하는 배터리를 충전하는 계자 권선형 전동기의 독립형 전류 제어 장치.
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