KR20230075074A - 권선형 동기기 구동을 위한 브러시리스 단일 인버터 구동 시스템 - Google Patents

권선형 동기기 구동을 위한 브러시리스 단일 인버터 구동 시스템 Download PDF

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시예드 사비르 후세인 부카리
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Abstract

하모닉 권선 및 계자 권선을 갖는 로터와, 아머쳐 권선을 갖는 스테이터를 포함하는 동기기; 상기 동기기의 상의 개수에 대응되는 위상차를 갖는 교류 성분 및 서로 동일한 크기의 직류 성분을 각각 갖는 복수의 레퍼런스 전류를 생성하는 레퍼런스 전류 생성부; 상기 아머쳐 권선에 동기기 전류를 공급하며, 상기 복수의 레퍼런스 전류와 피드백 된 동기기 전류를 합산한 전류를 입력 받는 인버터; 및 상기 동기기 전류의 3차 하모닉에 의해 여기된 상기 하모닉 권선에 발생한 전류를 정류하여 상기 계자 권선으로 제공하여 상기 계자 권선에 의해 로터 자계를 발생시키게 하는 정류기를 포함하는 권선형 동기기 구동을 위한 브러시리스 단일 인버터 구동 시스템이 개시된다.

Description

권선형 동기기 구동을 위한 브러시리스 단일 인버터 구동 시스템{Single-Inverter-Controlled Brushless Technique for Wound Rotor Synchronous Machines}
본 발명은 동기기 구동을 위한 인버터 구동 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고정자에 투입되는 전류 제어를 통해 회전자에 영구자석이나 브러시 없이 계자를 여기 시킬 수 있는 권선형 동기기 구동을 위한 브러시리스 단일 인버터 구동 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 동기기 동작을 위해서는 고정자의 자계와 자기적으로 결합할 회전자 자계의 존재가 필수적이다. 종래의 동기기 구동 방식에서는, 회전자에 자계를 만들어 주기 위해서 영구자석을 사용하거나 회전자에 전자석을 구성하고 브러시를 통해 외부 전원으로부터 회전자 권선까지 전류를 흘려주는 방식을 사용하였다.
종래의 영구자석을 사용한 동기기의 경우, 부 여자기에 의해 여자전류가 공급될 수 있다. 종래의 영구자석을 사용한 동기기의 경우 영구자석의 원료가 되는 희토류 가격 변동 및 공급 불안정성에 의해 전동기의 생산성이 크게 영향 받을 수 있으며, 희토류 가격으로 인해 전동기 가격이 상승하게 된다.
도 1에 도시된 것과 같이, 종래의 동기기 구동 방식 중 브러시를 사용한 전동기의 경우에는, 부 여자기의 전류를 정류하여 메인 여자기에 자계를 인가함으로써 여자기를 여기 시키고 이를 정류하여 회전자 자계 발생을 위한 여자 전류로 사용하는 방식이 채용되었다. 종래의 동기기 구동 시스템 중 브러시를 사용한 전동기의 경우 브러시의 마모, 기계적 진동, 소음의 발생, 전자판 발생 등 여러 문제점 들을 발생시킨다.
또한, 종래의 동기기 들은 공통으로 하나 이상의 여자기를 사용하기 때문에 기계 설계에 있어 공간적 낭비가 생기고 소형화 설계가 제한되는 문제점이 있다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
US 2009-0033253 A1 JP 6285256 B2
이에 본 발명은, 고정자에 투입되는 전류 제어를 통해 회전자에 영구자석이나 브러시 없이 계자를 여기 시킬 수 있는 권선형 동기기 구동을 위한 브러시리스 단일 인버터 구동 시스템을 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은,
하모닉 권선 및 계자 권선을 갖는 로터와, 아머쳐 권선을 갖는 스테이터를 포함하는 동기기;
상기 동기기의 상의 개수에 대응되는 위상차를 갖는 교류 성분 및 서로 동일한 크기의 직류 성분을 각각 갖는 복수의 레퍼런스 전류를 생성하는 레퍼런스 전류 생성부;
상기 아머쳐 권선에 동기기 전류를 공급하며, 상기 복수의 레퍼런스 전류와 피드백 된 동기기 전류를 합산한 전류를 입력 받는 인버터; 및
상기 동기기 전류의 3차 하모닉에 의해 여기된 상기 하모닉 권선에 발생한 전류를 정류하여 상기 계자 권선으로 제공하여 상기 계자 권선에 의해 로터 자계를 발생시키게 하는 정류기;
를 포함하는 권선형 동기기 구동을 위한 브러시리스 단일 인버터 구동 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 로터는, 회전축으로부터 방사형으로 연장된 복수의 로터 메인 투쓰와 상기 로터 메인 투쓰의 단부에서 양측으로 각각 연장된 로터 서브 투쓰를 갖는 로터 코어를 더 포함하며, 상기 계자 권선은 상기 로터 메인 투쓰에 권선 되고, 상기 하모닉 권선은 상기 로터 서브 투쓰에 권선 될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 레퍼런스 전류와 피드백 된 동기기 전류를 합산한 전류에 대해 히스테리시스 제어를 수행하는 히스테리시트 컨트롤러를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 히스테리시스 컨트롤러는 상기 동기기 전류에 포함된 리플 성분의 크기를 제어할 수 있다.
상기 권선형 동기기 구동을 위한 브러시리스 단일 인버터 구동 시스템에 따르면, 동기기를 구성하기 위한 기계의 부피를 크게 감소할 수 있으며, 단일 인버터를 사용한 간단한 전류 제어 방식을 사용하여 효율적으로 브러시리스 권선형 동기기를 구동할 수 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래의 동기기 구동을 위한 타 여자식 여자 시스템을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 권선형 동기기 구동을 위한 브러시리스 단일 인버터 구동 시스템 내 권선형 동기기의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 권선형 동기기 구동을 위한 브러시리스 단일 인버터 구동 시스템 내 여자 시스템을 도시한 회로도이다.
도 4는 도 3의 여자 시스템에 의해 생성되는 인버터 출력 전류와 레퍼런스 전류의 형태를 도시한 파형이다.
도 5은 도 3의 여자 시스템에 의해 생성되는 3상 인버터의 3상 출력 전류와 레퍼런스 전류의 형태를 도시한 파형이다.
도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따른 권선형 동기기 구동을 위한 브러시리스 단일 인버터 구동 시스템에서 계자 권선의 전류를 발생시키기 위한 회로를 도시한 도면이다.
이하, 첨부의 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시형태에 따른 권선형 동기기 구동을 위한 브러시리스 단일 인버터 구동 시스템 내 여자 시스템을 더욱 상세하게 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 권선형 동기기 구동을 위한 브러시리스 단일 인버터 구동 시스템 내 권선형 동기기의 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 권선형 동기기 구동을 위한 브러시리스 단일 인버터 구동 시스템에 적용되는 권선형 동기기는, 회전축(10)으로부터 방사형으로 연장된 복수의 로터 메인 투쓰(21)와 로터 메인 투쓰(21)의 단부에서 양측으로 각각 연장된 로터 서브 투쓰(22)를 갖는 로터 코어(20)와, 로터 메인 투쓰(21)에 권선된 계자 권선(field winding)(23)과, 로터 서브 투쓰(22)에 권선된 하모닉 권선(24)을 포함하는 로터 및 로터의 외측을 둘러싸며 회전축 방향으로 연장된 복수의 스테이터 투쓰(31)를 갖는 스테이터 코어(30)와, 스테이터 투쓰(31)에 권선된 아머쳐 권선(armature winding)(32)을 갖는 스테이터를 포함하여 구성될 수 있다.
도 2에 도시된 것과 같이, 본 발명의 일 실시형태에 따른 권선형 동기기 구동을 위한 브러시리스 단일 인버터 구동 시스템에 적용되는 권선형 동기기는, 영구자석이나 브러시 없이 코어와 권선만으로 이루어진 브러시리스(blushless) 권선형 동기기이다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 권선형 동기기 구동을 위한 브러시리스 단일 인버터 구동 시스템에 적용되는 권선형 동기기의 스테이터(stator: 고정자)는, 통상적인 동기기의 고정자와 동일한 형태를 가진다.
또한, 본 발명의 일 실시형태에 따른 권선형 동기기 구동을 위한 브러시리스 단일 인버터 구동 시스템에 적용되는 권선형 동기기의 로터(rotor: 회전자)는, 로터 코어(20)에 계자 권선(field winding)(23)이 감긴 일반적인 권선형 동기기의 회전자 구조에, 하모닉 권선(harmonic winding)(24)이 추가된 구조를 갖는다.
하모닉 권선(24)을 감기 위해 로터 코어(20)의 투쓰는 메인 투쓰(21)와 메인 투쓰의 단부에서 양측으로 갈라진 구조를 갖는 서브 투쓰(22)로 구성될 수 있다. 메인 투쓰(21)에는 통상의 동기기 구조와 같이 계자 권선(field winding)(23)이 감길 수 있으며, 서브 투쓰(22)에는 하모닉 권선(24)이 감길 수 있다.
서브 투쓰(22)는 하나의 메인 투쓰(21) 당 두 개씩 구비될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 권선형 동기기 구동을 위한 브러시리스 단일 인버터 구동 시스템 내 여자 시스템을 도시한 회로도이고, 도 4는 도 3의 여자 시스템에 의해 생성되는 인버터 출력 전류와 레퍼런스 전류의 형태를 도시한 파형이며, 도 5은 도 3의 여자 시스템에 의해 생성되는 3상 인버터의 3상 출력 전류와 레퍼런스 전류의 형태를 도시한 파형이다.
도 3 내지 도 5을 참조하면, 레퍼런스 전류 생성부(50)는 레퍼런스 전류(ia *, ib *, ic *)를 생성할 수 있다. 더욱 구체적으로, 레퍼런스 전류 생성부(50)는, 동기기의 상의 개수에 대응되는 위상차를 갖는 교류 성분과 서로 동일한 크기의 직류 성분을 각각 갖는 복수의 레퍼런스 전류를 생성할 수 있다. 예를 들어, 3상 동기기의 경우, 레퍼런스 전류(ia *, ib *, ic *)의 교류 성분은 서로 120도의 위상차를 가질 수 있다. 3상 동기기에 적용되는 레퍼런스 전류 생성부(50)에서 생성되는 레퍼런스 전류(ia *, ib *, ic *) 다음의 식 1과 같다.
[식 1]
Figure pat00001
레퍼런스 전류 생성부(50)에서 생성된 레퍼런스 전류(ia *, ib *, ic *)는 피드백 되는 각상의 동기기 전류(ia, ib, ic)에 합산되고 합산된 전류는 히스테리시스 컨트롤러(51)로 입력된다. 히스테리시스 컨트롤러(51)는 레퍼런스 전류(ia *, ib *, ic *)와 피드백 된 동기기 전류(ia, ib, ic)를 합산한 전류에 대해 히스테리시스 제어를 수행하여 출력하고, 히스테리시스 컨트롤러(51)에서 출력된 전류는 인버터(52)로 입력된다.
이러한 과정을 통해 인버터(52)는, 도 4에 도시된 것과 같이 레퍼런스 값에 전류 리플이 더해진 전류로 출력될 수 있다. 도 4에서 검정색 파형은 레퍼런스 전류이며 적색 파형은 레퍼런스 전류에 더해진 리플에 해당한다. 여기서, 히스테리시스 컨트롤러(51)의 설정값에 의해 출력 전류의 리플의 크기가 결정될 수 있다.
도 4에 도시된 파형은 복수의 상 중 하나의 상에 해당하는 인버터 출력 전류를 도시한 것이며, 3상 동기기에 적용되는 3상 인버터의 출력을 도시하면 도 5와 같다.
도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따른 권선형 동기기 구동을 위한 브러시리스 단일 인버터 구동 시스템에서 계자 권선의 전류를 발생시키기 위한 회로를 도시한 도면이다.
인버터 출력 전류의 리플 성분에 의해 발생하는 3차 하모닉(3rd harmonics)에 회전자의 하모닉 권선(harmonic winding)(24)이 여기될 수 있다. 하모닉 권선의 여기에 의해 발생하는 전류가 도 6에 도시된 것과 같이 정류기를 통해 로터의 계자 권선(field winding)으로 인가되어 권선형 동기기의 로터 자계가 발생하게 된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 실시형태에 따른 권선형 동기기 구동을 위한 브러시리스 단일 인버터 구동 시스템은, 단일 인버터로 스테이터 권선에 스테이터 자계 발생을 위한 메인 전류 및 회전자 계자 권선의 여기(excitation)를 위한 3차 하모닉 전류를 발생시키는 시스템이다. 본 발명의 일 실시형태에 따른 권선형 동기기 구동을 위한 브러시리스 단일 인버터 구동 시스템은, 동기기를 구성하기 위한 기계의 부피를 크게 감소할 수 있으며, 단일 인버터를 사용한 간단한 전류 제어 방식을 사용하여 효율적으로 브러시리스 권선형 동기기를 구동할 수 있다.
이상에서 본 발명의 특정한 실시형태에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
20: 로터 코어 21: 로터 메인 투쓰
23: 계자 권선 24: 하모닉 권선
30: 스테이터 코어 31: 스테이터 투쓰
32: 아머쳐 권선 50: 레퍼런스 전류 생성부
51: 히스테리시스 컨트롤러 52: 인버터
53: 정류기

Claims (4)

  1. 하모닉 권선 및 계자 권선을 갖는 로터와, 아머쳐 권선을 갖는 스테이터를 포함하는 동기기;
    상기 동기기의 상의 개수에 대응되는 위상차를 갖는 교류 성분 및 서로 동일한 크기의 직류 성분을 각각 갖는 복수의 레퍼런스 전류를 생성하는 레퍼런스 전류 생성부;
    상기 아머쳐 권선에 동기기 전류를 공급하며, 상기 복수의 레퍼런스 전류와 피드백 된 동기기 전류를 합산한 전류를 입력 받는 인버터; 및
    상기 동기기 전류의 3차 하모닉에 의해 여기된 상기 하모닉 권선에 발생한 전류를 정류하여 상기 계자 권선으로 제공하여 상기 계자 권선에 의해 로터 자계를 발생시키게 하는 정류기;
    를 포함하는 권선형 동기기 구동을 위한 브러시리스 단일 인버터 구동 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 로터는,
    회전축으로부터 방사형으로 연장된 복수의 로터 메인 투쓰와 상기 로터 메인 투쓰의 단부에서 양측으로 각각 연장된 로터 서브 투쓰를 갖는 로터 코어를 더 포함하며,
    상기 계자 권선은 상기 로터 메인 투쓰에 권선 되고, 상기 하모닉 권선은 상기 로터 서브 투쓰에 권선 되는 것을 특징으로 하는 권선형 동기기 구동을 위한 브러시리스 단일 인버터 구동 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 레퍼런스 전류와 피드백 된 동기기 전류를 합산한 전류에 대해 히스테리시스 제어를 수행하는 히스테리시트 컨트롤러를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 권선형 동기기 구동을 위한 브러시리스 단일 인버터 구동 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 히스테리시스 컨트롤러는 상기 동기기 전류에 포함된 리플 성분의 크기를 제어하는 것을 특징으로 하는 권선형 동기기 구동을 위한 브러시리스 단일 인버터 구동 시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP6285256B2 (ja) 2014-04-02 2018-02-28 株式会社Ｓｏｋｅｎ 電力変換装置

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