KR101689412B1 - 연료 효율이 높은 크레인 시스템 - Google Patents

연료 효율이 높은 크레인 시스템 Download PDF

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Abstract

크레인 오퍼레이터에 의해 발행된 부하 모터 속도 커맨드들에 기초하여 이동식 겐트리 크레인 내의 호이스트 모터와 같은 부하들을 제어하기 위해 이용되는 가변 속도 연소 엔진의 연료 소비를 효율적으로 조정하기 위한 시스템 및 방법이 개시된다. 시스템 및 방법은 부하 모터 전압과 엔진 속도 간의 관계를 나타내는 데이터 및 엔진 속도와 엔진 전력 용량 간의 관계를 나타내는 데이터로부터 도출된 내삽들에 기초하여 엔진 속도를 조정하기 위해 엔진 연료 커맨드들을 발생하기 위해 프로그래밍가능한 논리 제어기에 의존할 수 있다. 방법은 또한 디지털 고정 속도 커맨드를 필요로 하는 연소 엔진에 의해 수정된 형태로 이용될 수 있다.

Description

연료 효율이 높은 크레인 시스템{FUEL EFFICIENT CRANE SYSTEM}
본 발명은 일반적으로 연료 효율이 높은 크레인 시스템을 제공하기 위한 시스템에 관한 것이다. 더 구체적으로, 시스템은 시스템의 주요 DC 버스에의 공급을 위해 다이오드 변환기에 의존함으로써 연료 절감을 제공하기 위해 이용되는 크레인 시스템 발전기의 가변 속도 동작을 허용한다.
이동식 크레인 시스템은 종종 동작에 필요한 에너지를 공급하기 위해 AC 발전기에 연결된 연소 엔진(combustion engines, CE)에 의존한다. 연료 비용 및 오염을 최소화하기 위해, 그러한 시스템을 가능한 가장 효율적인 방식으로 작동시키는 것이 유리하다. 이러한 시스템의 성질은 발전기에 의해 요구되는 전력이 소정 기간에 걸쳐 폭넓게 변한다는 것이다. 그러한 시간의 매우 큰 비율 동안에는 비교적 적은 양의 전력이 필요하지만, 하물(load)을 들어올릴 시기가 오면, 전력의 큰 급등이 요구된다. 선택되는 발전기 시스템은 반드시 피크 수요 조건을 만족시키는 정격을 가져야 한다. 결과적으로, 사용 시의 시간의 큰 비율 동안, 발전기 시스템은 그것의 설계 정격보다 훨씬 더 낮게 동작하고 있다.
발전기 시스템의 효율은 그것의 설계 및 동작 포인트에 의해 결정된다. 설계에 관하여, 손실이 ㎾로 기술되고 효율이 백분율로 기술될 때, 시스템이 클수록 손실 및 효율이 더 높아진다. 그러나, 시스템이 선택되고 나면, 효율을 최적화하는 유일한 방법은 시스템이 작동되는 동작 포인트를 제어하는 것이다. 임의의 발전기 시스템에서, 손실은 시스템의 회전 속도에 따라 증가한다. 그러므로, 요구되는 전력의 생성을 허용하는 가능한 최저 속도에서 시스템을 작동시킴으로써, 효율이 최적화된다.
이동식 크레인에 의해 이용되는 시스템들에서, AC 발전기 시스템에 부착된 전기 부하는 부착된 하나 이상의 인버터를 구비하는 DC 버스에 공급을 하는 변환기를 포함한다. 그러면, 각각의 인버터는 크레인 시스템의 상이한 모터들에 전력을 공급한다. 마지막으로, 예를 들어, 조명, 크레인 케빈 컨트롤(crane cabin controls) 및 공조기(air conditioners)를 제어하는 보조 AC 부하가 처리되어야 한다.
전통적인 시스템에서, 발전기는 일정한 전압 및 주파수를 부하에 제공하기 위해, 일정한 속도에서 작동된다. 일정한 속도 및 전압을 갖는 것은 전기 시스템의 설계를 크게 단순화하고, 전기 시스템이 간단한 방식으로 작동되는 것을 허용한다. 이러한 접근 방식은 한편으로는 최저의 초기 비용 및 고성능으로 이어지지만, 다른 한편으로는 더 낮은 효율을 유발한다. 이러한 유형의 시스템의 단선 결선도의 개략도가 도 1에 도시되어 있다. 이러한 시스템에서, DC 버스 전압은 식 DC = AC(라인-라인 rms) × 1.35에 의해 나타내어지는 AC 버스 전압에 직접 의존한다. 연소 엔진(100)은 AC 버스(110)를 따라 보조 부하(115)에 전력을 공급하는 발전기(105)에, 그리고 다이오드 변환기(120)를 통해 DC 버스(125)를 따라 인버터(130, 135 및 140)에 연결되며, 인버터들은 각각 호이스트 모터(hoist motor)(145), 겐트리 모터(gantry motor)(150) 및 트롤리 모터(trolley motor)(155)와 같은 부하들에 접속된다.
보다 더 복잡한 시스템에서의 이용을 위한 전통적인 시스템의 개선이 이용가능한데, 거기에서는 발전기 주파수 및 전압이 DC 버스 전압으로부터 분리된다. 이러한 시스템들에서, PWM 제어 하에서의 고체 상태 스위치들을 조작하는 액티브 변환기는 발전기 속도(및 AC 버스 전압)에 무관하게 정격 레벨에서 DC 버스 전압을 유지한다. 그러한 시스템들에서, 보조 부하들에 그들이 필요로 하는 일정한 전압 및 주파수를 공급하기 위해 별개의 인버터가 제공된다. 이 시스템은 전통적인 시스템에 비해서 개선된 효율을 제공하지만, 액티브 변환기가 보조 부하들에의 공급을 위한 별개의 인버터로서 기능할 것을 요구하는 것에 의해 초기 비용이 증가된다. 접속된 부하들 전부에 의해 요구되는 총 전력을 계산함으로써 요구되는 엔진 속도를 결정하는 제어기가 포함된다. 도 2는 이러한 유형의 원-라인(one-line) 시스템의 개략도이다. 이러한 변형에서, 연소 엔진(200)은 AC 버스(210)를 따라 활성 IGBT 변환기(215)에 전력을 공급하고, DC 버스(220)를 따라 별개의 인버터들(225, 230, 235, 240 및 245)에 전력을 더 공급하는 발전기(205)에 연결되는데, 별개의 인버터들은 각각 과잉 에너지를 소산시키기 위한 동적 제동 저항기(dynamic braking resistor)로서 기능하는 저항기 뱅크(250), 호이스트 모터(255), 갠트리 모터(260), 트롤리 모터(265) 및 보조 부하들(270)과 같은 부하들에 각각 접속된다.
현재 이용가능한 어떠한 것보다도 더 낮은 초기 셋업 및 운용 비용을 가지며, 더 높은 장기간 신뢰도를 갖는 연료 효율이 높은 크레인 전력 시스템이 필요하다.
본 발명은 적어도 하나의 부하를 제어하기 위해 변화하는 AC 전압을 생성하기 위해 크레인과 함께 이용할 시스템 및 방법에 관한 것이다. 엔진은 발전기에 연결되는데, 그 발전기의 변화하는 AC 출력 전압은 다이오드 변환기에 의해, DC 버스 라인을 따라 별개의 인버터들에 전달되는 변화하는 DC 전압으로 변환되며, 이 별개의 인버터들은 별개의 AC 버스 라인에 의해 별개의 부하에 각각 접속된다. 오퍼레이터에 의해 마스터 제어기에 입력되는 속도 변경 커맨드에 응답하여, 엔진의 속도, 및 각각의 인버터에 의해 그 인버터가 접속되어 있는 개별 부하에 전달되는 전력을 관리하기 위해 마스터 제어기가 이용될 수 있다. 방법은 가변 속도 연소 엔진(variable speed combustion engine)으로부터의 전력을 크레인 상의 부하들에 제공하는 방식에 관한 것이다. 방법은 모터 부하 속도를 이용하여 제1 엔진 속도 커맨드를 생성하고, 부하 전력 요구조건들을 이용하여 제2 엔진 속도 커맨드를 생성한다. 제1 엔진 속도 커맨드와 제2 엔진 속도 커맨드 중 더 높은 것이 실제의 엔진 속도 커맨드로서 선택되어, 엔진에 엔진 연료 커맨드를 발행하기 위한 근거로서 이용된다. 대안적으로, 디지털 고정 속도 커맨드들을 발행하기 위한 방법도 개시된다.
상기의 것과 그 외의 본 발명의 목적, 양태 및 이점은 이하의 본 발명의 상세한 설명을 다음의 도면들을 참조로 하여 보면 더 잘 이해될 것이다.
도 1은 이동식 크레인을 위한 발전기가 일정한 속도에서 작동되는 알려진 원-라인의 전통적인 시스템의 개략도이다.
도 2는 발전기 주파수 및 전압이 DC 버스 전압으로부터 분리되는 알려진 원-라인 시스템의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 시스템의 기본적인 컴포넌트들의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 마스터 제어가 작동하게 하는 프로세스의 개략도이다.
도 5는 본 발명의 마스터 제어가 작동하게 하는 대안적인 프로세스의 개략도이다.
도 6은 이동식 크레인에 접속된 보조 부하들에 거의 일정한 AC 전압을 제공하기 위한 제1 구성의 단순화된 개략도이다.
도 7은 이동식 크레인에 접속된 보조 부하들에 거의 일정한 AC 전압을 제공하기 위한 제2 구성의 단순화된 개략도이다.
도 8은 이동식 크레인에 접속된 보조 부하들에 거의 일정한 AC 전압을 제공하기 위한 제3 구성의 단순화된 개략도이다.
본 발명의 시스템은 위에서 논의된 종래 기술의 시스템들의 컴포넌트들을 조합하고, 마스터 제어기 장치를 추가하여, AC 및 DC 버스 전압이 발전기 속도에 따라 변화하는 것을 허용하고, 요구되는 전압 및 전력이 필요할 때에만 제공되도록 발전기 속도를 최적으로 제어하는 목적을 달성한다. 도 3은 이러한 신규한 시스템의 컴포넌트들의 개략도를 제공한 것인데, 여기에서 연소 엔진(300)은 중실축(solid shaft)에 의해, AC 버스(310)를 따라 다이오드 변환기(315)에 전력을 공급하고, 공통 DC 버스(320)를 따라 별개의 인버터들(325, 330, 335, 340 및 345)에 전력을 더 공급하는 발전기(305)에 연결되며, 별개의 인버터들은 과잉 에너지를 소산시키거나 저장하기 위한 동작 저항기 뱅크(350) 또는 유사한 부하, 호이스트 모터(355), 갠트리 모터(360), 트롤리 모터(365) 및 보조 부하들(370)과 같은 부하들에 각각 접속된다. 다른 변형에서, 복수의 다이오드 변환기 각각에는 부착된 하나 이상의 인버터가 공급된다. 인버터들(325, 330, 335, 340 및 345) 및 다이오드 변환기(315)는 그들의 규격이 그들이 접속되어 있는 부하들의 요구조건들을 처리할 수 있는 것이기만 하다면, 본 기술 분야에 알려져 있는 어떠한 종류의 것이라도 될 수 있다. 마스터 컨트롤(375)은 오퍼레이터 입력들(380)에 응답하여, 연소 엔진(300), 및 호이스트 모터(355), 갠트리 모터(360) 및 트롤리 모터(365)와 같은 동력화된(motorized) 부하들에 접속된 인버터들에 커맨드 명령어들을 발행한다. 이러한 명령어들은 발전기(305)의 속도를 연소 엔진(300)의 유휴 속도와 그것의 정격 속도 간의 범위 내로 제어하는 기능을 한다. 결과적으로, AC 버스(310)의 전압 및 주파수도 동일한 범위 내에서 변화한다. 또한, 다이오드 변환기(315)의 사용은 DC 버스(320)의 전압도 그러한 동일한 범위 내에서 변화하게 한다. 엔진(300)으로부터 이용가능한 전력은 그것의 동작 속도에 직접 관련이 있으므로, 2가지 문제가 나타난다. 첫번째로, 엔진(300)의 속도는 원하는 전력을 달성하기 위해 조정되어야만 한다. 두번째로, DC 버스(320) 상의 임의의 주어진 전압에서, 임의의 인버터(예를 들어, 330, 335 및 340)가 전개할 수 있는 최대 AC 출력 전압에 한계가 있으며, 따라서 그 인버터에 접속된 임의의 모터(예를 들어, 355, 360 및 365)의 최대 속도에 한계가 있다. 이러한 두번째 인자는 또한 요구되는 출력 전압이 달성될 수 있도록 엔진(300)의 속도를 조정할 것을 요구한다. 마스터 컨트롤(375)은 이러한 2가지 문제를 해결한다.
부하 모터들(355, 360 및 365)에 전달되는 전력 및 속도 둘 다에 대한 요구사항들이 만족될 수 있도록 엔진(300)의 속도를 관리하기 위해 마스터 제어 시스템이 이용될 수 있다. 도 4는 마스터 컨트롤(375)이 이러한 기능들을 만족시키게 하는 프로세스의 개략도이다. 블록(400)에서, 엔진(300), 발전기(305), 부하 모터들(355, 360 및 365) 및 보조 부하들(370)의 적정한 대로의 속도, 전력 및 토크 정격에 관한 데이터 테이블들 및 데이터가 프로그래밍가능한 논리 제어기에 로드되어 저장된다. 이하에 설명되는 동작들 전부를 수행하기 위해, 엔진 제어 모듈과 인터페이스되는 기성품 유형의 알려진 프로그래밍가능한 논리 제어기가 이용될 수 있다. 블록(405)에서, 크레인 오퍼레이터는 속도 변경을 요청하는 커맨드를 생성함으로써, 부하 모터들(355, 360 및 365) 중 하나 이상에서 속도 변경을 요청한다. 블록(410)에서, 오퍼레이터를 만족시키기 위해 각각의 개별 부하 모터의 속도가 선택된다. 제1 인터폴레이터(interpolator)는 블록(415)에서 부하 모터의 속도에 기초하여 엔진(300)을 위한 제1 적정 속도를 선택하기 위해, 블록(412)에서 저장된 제1 데이터 테이블에 액세스한다. 선택된 속도는, 비록 상이한 하한 및 상한이 선택적으로 선택될 수 있긴 하지만, 엔진 유휴 속도와 같은 하한과 최고 정격 엔진 속도와 같은 상한 사이에 들도록 블록(417)에서 클램핑되게 된다. 예를 들어, 부하 모터가 호이스트를 제어하고, 호이스트가 낮춰지고 있는 경우, 요구되는 개별 엔진 속도가 그것의 하한(전형적으로 그것의 유휴 속도)과 동일하도록 부하 모터 속도가 네거티브로 된다. 이러한 기능은, 블록(420)에서 모든 부하 모터에 대한 속도가 선택되었는지의 여부를 결정하는 것에 의해, 동일한 DC 버스를 공유하는 모든 모터에 대해 반복된다. 그 다음, 블록(422)에서, 부하 모터들 중 임의의 것에 대해 선택되는 최대 엔진 속도가 제1 엔진 속도 커맨드로서 지정된다. 이러한 기능을 위해 데이터 테이블 값들의 선형 내삽(linear interpolation)이 이용되는데, 그러한 테이블은 실제 사용현장에서 쉽게 조정되고, 폐쇄된 형태의 해법은 종종 복잡하기 때문이다. 이러한 경우에서의 제1 데이터 테이블은 임의의 속도에서 필요한 부하 모터 전압과 엔진 속도 간의 기본적인 관계를 반영한다. 예를 들어, 호이스트 전압은 모터가 그것의 최대 속도의 50％로 가속할 때, 제로로부터 최고 정격 전압으로 갈 수 있다. 이것은 때로는 모터의 기저 속도(base speed)로서 알려진다. 그 다음, 기본 속도로부터 최대 속도까지, 전압 요구조건은 비교적 고르게 유지된다. 블록(425)에서 식 전력 = 토크 × 속도에 따라 부하 모터 전력 수요를 계산하기 위해, 블록(423)에서 각각의 모터에 대한 부하 모터 토크는 선택된 모터 속도와 함께 모니터링된다. 블록(426)에서 결정된 바와 같이 각각의 부하 모터에 대해 토크가 계산된 후, 블록(430)에서 총 전력 수요를 구하기 위해, 동일한 DC 버스에 접속된 모든 모터 부하에 대한 부하 모터 전력 수요가 보조 AC 부하들(370)에 의해 요구되는 전력에 가산된다. 블록(435)에서, 이러한 총 전력 수요는 엔진(300)의 정격 전력 용량으로부터 도출된 최대 전력 레벨과 최소 전력 레벨 사이의 범위로 클램핑된다. 제2 인터폴레이터는, 블록(440)에서 엔진(300)을 위한 제2 적정 속도를 선택하기 위해, 블록(437)에서 제2의 저장된 데이터 테이블에 액세스한다. 이러한 제2 데이터 테이블 내의 데이터는 엔진(300)의 내재된 특성들인 엔진 전력 용량과 엔진 속도 사이의 관계를 나타낸다. 블록(445)에서, 엔진(300)을 위한 실제 속도는 제1 엔진 속도와 제2 엔진 속도 중 더 높은 것을 선택하는 것에 의해 결정된다. 블록(450)에서는, 엔진 토크 수치가 블록(445)으로부터의 속도 요청 출력에 기초하여 비례 적분 조정기에 의해 엔진 속도 커맨드로부터 동시에 계산된다. 블록(460)에서, 이러한 수치는 이러한 목적을 위해 피드포워드된 식 토크 = 전력/속도에 따라 블록(455)에서 이루어진 토크 계산값에 가산된다. 그 다음, 최종 토크 커맨드는 블록(465)에서 엔진 제어 모듈에 송신되고, 블록(470)에서 엔진 연료 커맨드를 설정 및 발행하기 위해 이용된다. 실제 엔진 속도는 블록(475)에서 모니터링되고, 그 다음 블록(455)에서 토크 계산 시에 업데이팅 데이터로서 이용되도록 피드백된다. 그 다음, 프로세스는 추가의 오퍼레이터 커맨드를 기다리기 위해 블록(405)으로 복귀한다.
일부 연소 엔진들은 그들의 엔진 컨트롤 또는 그들의 기계적 설계의 단순함으로 인해, 연속 가변 토크 또는 속도 커맨드를 수용하지 못한다. 그러한 엔진들을 제어하는 시스템들은 때로는 하나 이상의 고정 속도에 대응하는 하나 이상의 디지털 입력을 수용할 것이다. 이러한 경우들에는, 지시가 내려진 속도에 기초하여 디지털 속도 커맨드들을 활성화하도록 마스터 컨트롤(375)을 수정할 필요가 있다. 도 5는 이러한 요구조건을 만족시키기 위해 마스터 컨트롤(375)의 동작이 수정될 수 있게 하는 프로세스의 개략도이다. 블록(500)에서, 엔진(300), 발전기(305), 부하 모터들(355, 360 및 365) 및 보조 부하들(370)의 적정한 대로의 속도, 전력 및 토크 정격에 관한 데이터 테이블들 및 데이터가 프로그래밍가능한 논리 제어기에 로드되어 저장된다. 도 4의 실시예의 경우에서처럼, 이하에 설명되는 동작들 전부를 수행하기 위해, 엔진 제어 모듈과 인터페이스되는 기성품 유형의 알려진 프로그래밍가능한 논리 제어기가 이용될 수 있다. 블록(505)에서, 크레인 오퍼레이터는 부하 모터들(355, 360 및 365) 중 하나 이상에서 속도 변경을 요청한다. 블록(510)에서, 오퍼레이터를 만족시키기 위해 각각의 개별 부하 모터의 속도가 선택된다. 도 4에서와 같이, 제1 인터폴레이터는 블록(515)에서 부하 모터의 속도에 기초하여 엔진(300)을 위한 제1 적정 속도를 선택하기 위해, 블록(512)에서 저장된 제1 데이터 테이블에 액세스한다. 역시 도 4의 실시예의 경우에서와 같이, 선택된 속도는, 블록(517)에서 동일한 기준으로 클램핑되게 된다. 이러한 기능은, 블록(520)에서 모든 부하 모터에 대한 속도가 선택되었는지의 여부를 결정하는 것에 의해, 동일한 DC 버스를 공유하는 모든 모터에 대해 반복된다. 그 다음, 부하 모터들 중 임의의 것에 대해 선택된 최대 속도가 블록(522)에서 지정된다. 블록(525)에서 식 전력 = 토크 × 속도에 따라 부하 모터 전력 수요를 계산하기 위해, 블록(523)에서 각각의 모터에 대한 부하 모터 토크는 선택된 부하 모터 속도와 함께 모니터링된다. 블록(526)에서 결정된 바와 같이 각각의 부하 모터에 대해 토크가 계산된 후, 블록(530)에서 총 전력 수요를 구하기 위해, 동일한 DC 버스에 접속된 모든 모터 부하에 대한 부하 모터 전력 수요가 보조 AC 부하들(370)에 의해 요구되는 전력에 더해진다. 블록(535)에서, 이러한 총 전력 수요는 엔진(300)의 정격 전력 용량으로부터 도출된 최대 전력 레벨과 최소 전력 레벨 사이의 범위로 클램핑된다. 제2 인터폴레이터는, 블록(540)에서 엔진(300)을 위한 제2 적정 속도를 선택하기 위해, 블록(537)에서 제2의 저장된 데이터 테이블에 액세스한다. 이러한 제2 데이터 테이블 내의 데이터는 엔진(300)의 내재된 특성들인 엔진 전력 용량과 엔진 속도 사이의 관계를 나타낸다. 블록(545)에서, 엔진(300)을 위한 실제 속도는 제1 인터폴레이터에 의해 송신된 속도 커맨드와 제2 인터폴레이터에 의해 송신된 속도 커맨드의 비교에 기초하여 효율을 최적화하기 위해 더 높은 속도 커맨드를 선택하는 것에 의해 결정된다. 선택된 속도 커맨드가 엔진(300)의 유휴 속도 또는 다른 이용가능한 속도 포인트들 중 임의의 것보다 더 큰지를 결정하기 위해, 블록(550)에서는 임계 비교가 수행된다. 만일 그렇다면, 블록(555)에서 그 선택된 속도가 디지털 고정 속도 커맨드로 변환되고, 유휴 속도 이하라면, 블록(560)에서 엔진 유휴 속도가 디지털 고정 속도 커맨드로 변환된다. 어느 경우에서든, 디지털 커맨드는 엔진 제어 모듈에 송신되고, 블록(570)에서 엔진 연료 커맨드를 설정 및 발행하기 위해 이용된다. 그 다음, 프로세스는 추가의 오퍼레이터 커맨드를 기다리기 위해 블록(505)으로 복귀한다.
본 발명의 시스템 및 방법은 발전기 필드 여기 제어(generator field excitation control)를 고려함으로써 더 최적화될 수 있다. 발전기의 출력 전압은 발전기 필드에 의해 머신 내에서 생성되는 플럭스(flux)와 그것의 회전 속도의 곱이다. 발전기가 필드 전류를 조정하는 제어기를 포함하는 것이 관례적이다. 필드 전류 제어기는 엔진(300)의 저속 동작을 부분적으로 보상하기 위해 발전기 출력 전압을 증가시키기 위해 이용될 수 있다. 통상적으로는 낮은 동작 속도를 완전하게 보상하는 것이 가능하지 않지만, 전형적으로는 임의의 속도에서 전압을 20％까지 증가시키는 것이 가능하며, 이것은 마스터 컨트롤(375)이 연소 엔진을 위한 가능한 최저 속도를 구할 때 그 마스터 컨트롤에 대한 제약들 중 일부를 완화시키므로 여전히 유리하다.
한가지 해결될 추가의 문제가 남아있다. 보조 AC 부하(370)는 적절하게 동작하기 위해 인버터(345)에 의해 고정된 또는 거의 고정된 AC 전압을 공급받아야만 한다. 그러나, 인버터(345)에 대한 경우에서 그러하듯이, 그들의 전류가 아니라 출력 전압을 제어하고 있는 인버터들은 이와 관련된 문제에 직면하게 된다. 인버터(345)의 출력 전압은 일반적으로 수학식 Vac _ out = m *√(3/2) *Vdc/2에 의해 결정된다. 이러한 수학식에서, Vdc는 DC 버스의 전압이고, "m"은 인버터(345) 내에 포함된 펄스폭 변조기에 제공되는 변조 지수(modulation index)이다. 이 식은 DC 전압 및 변조 지수에 기초하여 출력 전압을 생성할 수 있다는 점에서 하드웨어의 함수를 표현한다. 대부분의 전압원 인버터들에서, DC 버스 전압은 고정되거나 거의 고정된다. 결과적으로, 그들의 출력 전압은 인버터 내에서 생성된 변조 지수에 의해 직접 결정된다. 위에 개시된 시스템들의 경우에서, DC 버스 전압이 변화하고 있어서, 바람직하지 않은 변동이 인버터의 출력 AC 전압에 영향을 미치게 한다. 이러한 문제점에 대하여 3가지의 대안적인 해법이 존재한다.
도 6은 인버터(345)로부터 거의 일정한 AC 전압 출력을 제공하기 위한 제1 구성을 단순화된 개략도의 형태로 도시한 것이다. 이 도면은 도 3에 도시된 다른 변환기들, 부하들 및 마스터 컨트롤 전부의 도시를 없애지만, 그 외에는 그 시스템에 적용된다. 아래에서 도 7 및 도 8에 나타난 도면들도 마찬가지로 단순화된다. 이러한 접근방식에서, 인버터(345)로부터의 요구되는 AC 전압 출력은 인버터(345)에 내재하는 변조기에 제공할 정규화된 변조 지수를 생성하기 위해 가변 DC 버스 전압을 나타내는 센서(600)로부터의 피드백 신호에 의해 나누어지는 기준 전압으로서 이용된다. 대안적으로, 선택적인 센서(605)로부터의 AC 입력 전압 또는 AC 입력 주파수, 또는 선택적인 센서(610)로부터의 발전기(305)의 속도와 같이, DC 버스 전압에 비례하는 임의의 다른 신호가 이용될 수 있다.
도 7은 인버터(345)로부터 거의 일정한 AC 전압 출력을 제공하기 위한 제2 구성을 단순화된 개략도 형태로 도시한 것이다. 이러한 접근방식에서, AC 출력 전압(705)을 직접 검출하기 위해 출력 전압 센서(700)가 인버터(345)의 출력에 설치된다. 그 다음, 이 데이터는 DC 버스 전압이 변할 때 인버터(345)의 변조 지수를 자동으로 조절하기 위해, 인버터(345)의 전압 제어기에 공급된다.
도 8은 인버터(345)로부터 거의 일정한 AC 전압 출력을 제공하기 위한 제3 구성을 단순화된 개략도 형태로 도시한 것이다. 이러한 접근방식에서, DC 버스 전압(320)은 사이리스터(800)를 이용함으로써 AC 버스(310)의 최소 전압에 따라 그것의 최저 레벨에서 고정된다. DC 버스 전압(320)은 DC 전압 버스 센서(805)에 의해 검출되고, 요구되는 DC 버스 전압을 나타내는 DC 버스 전압 기준에 대해 비교되도록 전압 제어기(810)에 피드백된다. 전압 제어기(810)는 사이리스터 점호각 제어기(thyristor firing angle controller)(815)에 DC 버스 전압 커맨드를 발행한다. 동시에, 센서(820)는 AC 버스(310)의 AC 전압 또는 주파수를 검출하고, 그 데이터를 AC 라인 전압 위상 고정 루프(PLL)(825)에 송신한다. 점호각 제어기(815)는 PLL(825) 및 전압 제어기(810)로부터 데이터를 조합하여, 사이리스터(800)에 점호각 커맨드를 발행한다. 예를 들어, 최소 AC 라인-대-라인 전압이 V1이라면, DC 버스 전압은 대략적으로 DC = 1.357 * V1에서 고정될 것이다. 이 경우에서, 사이리스터 변환기(800)의 점호각은 완전히 전진될(advanced) 것이다. 그러면, AC 전압이 상승하기 시작함에 따라, 일정한 DC 버스 전압을 유지하기 위해, 점호각은 지연될(retarded) 것이다. 일정한 DC 버스 전압으로, 인버터 변조 지수도 물론 본질적으로 일정하게 된다.
위에서 설명된 제어 시스템은 전기 시스템뿐만 아니라 유압 시스템에도 적용될 수 있다. 유압 시스템에서, 발전기(305)는 펌프로 대체되고, 부하 모터들(355, 360 및 365)은 유압 모터들로 대체된다. 그러한 시스템에서, 유압 모터의 최대 속도는 이용가능한 유압에 의해 제한된다. 전기 및 유압 시스템은, 제어기가 접속된 부하 모터들 중 임의의 것의 최대 속도와 요구되는 부하 전력에 기초하여 엔진 속도를 선택해야만 한다는 점에서 유사하다.
위에서 설명된 시스템들은 또한 개시된 복수의 구성요소들을 포함하는 다양한 변형으로 구현될 수 있다. 따라서, 하나 이상의 엔진(300)은 하나 이상의 DC 버스 라인(320)을 따라 위에서 설명된 유형의 하나 이상의 부하에 DC 전압을 제공하는 하나 이상의 다이오드 변환기(315)에 접속된 하나 이상의 AC 버스 라인(310) 상에 AC 전압을 생성하는 하나 이상의 발전기(305)에 연결될 수 있다.
상기 발명은 바람직한 실시예에 관련하여 설명되었다. 그러나, 본 기술분야의 숙련된 자들에게 있어서, 본 발명의 범위 또는 취지를 벗어나지 않고서, 개시된 장치 및 방법에 대한 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있음이 명백할 것이다. 명세서 및 예시들은 예시적일 뿐인 한편, 본 발명의 진정한 범위는 이하의 청구항들에 의해 정의된다.

Claims (16)

  1. 가변 속도 연소 엔진(variable speed combustion engine)이 적어도 하나의 부하(load)를 제어하기 위해 변화하는 AC 전압을 생성하는 것을 가능하게 하는, 오퍼레이터 감독식 크레인(operator supervised crane)에서 이용하기 위한 시스템으로서,
    직접 상기 엔진에 연결되어 상기 엔진에 의해 직접 구동되며, 상기 엔진의 속도에 대응하는 속도를 갖고, 가변 AC 전압 출력을 생성하는 가변 속도 발전기(variable speed generator);
    한 단부에서 상기 발전기의 출력에 접속된 제1 AC 버스 라인;
    가변 DC 전압을 생성하며 입력 및 출력을 갖고, 상기 입력은 상기 제1 AC 버스 라인의 반대 단부에 접속되는 다이오드 변환기;
    한 단부에서 상기 다이오드 변환기의 출력에 접속된 가변 전압 DC 버스 라인;
    적어도 하나의 인버터;
    적어도 하나의 제2 AC 버스 라인;
    적어도 하나의 가변 속도 모터 부하(variable speed motor load); 및
    마스터 제어 수단을 포함하고,
    상기 적어도 하나의 인버터 각각은 제1 입력 및 출력을 가지며, 각각의 인버터의 상기 제1 입력은 상기 가변 전압 DC 버스 라인에 접속되고,
    상기 적어도 하나의 제2 AC 버스 라인 각각은 한 단부에서 상기 적어도 하나의 인버터 중의 개별적인 인버터의 출력에 개별적으로 접속되고,
    상기 적어도 하나의 가변 속도 모터 부하 각각은 상기 개별 제2 AC 버스 라인들 중 하나의 버스 라인의 반대 단부에 접속되고,
    상기 마스터 제어 수단은 1) 상기 엔진, 2) 상기 적어도 하나의 인버터 각각의 제2 입력 및 3) 오퍼레이터 입력들에 직접 동작가능하게 접속되고,
    상기 마스터 제어 수단은 상기 오퍼레이터 입력들에 응답하여, 상기 엔진 및 상기 인버터로 커맨드 명령어들을 발행하는, 오퍼레이터 감독식 크레인에서 이용하기 위한 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    개별 제2 AC 버스 라인을 통해 상기 적어도 하나의 인버터 중 하나의 인버터의 출력에 접속된, 과잉 에너지를 저장하거나 소산시키기 위한 제동 수단(braking means)을 더 포함하는, 오퍼레이터 감독식 크레인에서 이용하기 위한 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 개별 제2 AC 버스 라인 중 하나의 버스 라인의 한 단부에 접속된 보조 부하; 및
    상기 제2 AC 버스 라인을 통해 상기 보조 부하가 접속되어 있는 인버터로부터, 상기 보조 부하가 일정한 전압을 공급받을 것을 보장하기 위한 정전압 조정 수단
    을 더 포함하고,
    상기 보조 부하는 기능하기 위해 일정한 전압 전달에 대한 알려진 요구조건을 가지는, 오퍼레이터 감독식 크레인에서 이용하기 위한 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 모터 부하들 중 하나는 호이스트 모터(hoist motor)인, 오퍼레이터 감독식 크레인에서 이용하기 위한 시스템.
  6. 크레인 상의 모터 부하에 DC 버스를 따라 전력을 제공하는 발전기에 직접 연결된 가변 속도 연소 엔진의 속도를 제어하기 위한 방법으로서,
    모터 전압들과 엔진 속도들 간의 관계 및 엔진 속도들과 엔진 전력 용량들 간의 관계를 나타내는 데이터가 알려져 있으며, 상기 방법은,
    모터 부하 속도를 선택하는 단계;
    상기 모터 부하의 모터 전압들과 엔진 속도들 간의 관계를 나타내는 데이터의 내삽(interpolation)에 기초하여 제1 엔진 속도 커맨드를 생성하는 단계;
    상기 모터 부하에 의해 요구되는 전력을 결정하는 단계;
    엔진 속도들과 엔진 전력 용량들 간의 관계를 나타내는 데이터의 내삽에 기초하여 제2 엔진 속도 커맨드를 또한 생성하는 단계;
    상기 제1 엔진 속도 커맨드를 상기 제2 엔진 속도 커맨드와 비교하고, 상기 제1 엔진 속도 커맨드 및 상기 제2 엔진 속도 커맨드 중 더 높은 것을 선택하는 단계;
    선택된 엔진 속도 커맨드에 기초하여 상기 엔진에 엔진 연료 커맨드를 발행하는 단계; 및
    이에 따라, 상기 선택된 모터 부하 속도로 상기 모터 부하를 동작시키기 위해 요구되는 최소 DC 전압 및 전력을 생성하는데 요구되는 최소 엔진 속도를 선택하는 단계
    를 포함하고,
    상기 모터 부하는 또한 가변 속도로 동작하고, 상기 전력은 가변 전압 DC 버스를 따라 가변 속도 모터 부하에 제공되는, 가변 속도 연소 엔진의 속도 제어 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 엔진 속도 커맨드를 생성하는 단계 후에, 상기 제1 엔진 속도 커맨드를 미리 정해진 범위 내로 클램핑하는 단계가 후속하는, 가변 속도 연소 엔진의 속도 제어 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 전력을 결정하는 단계 후에, 상기 전력을 미리 정해진 범위 내로 클램핑하는 단계가 더 후속하는, 가변 속도 연소 엔진의 속도 제어 방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 제1 엔진 속도 커맨드 및 상기 제2 엔진 속도 커맨드 중 더 높은 것을 선택하는 단계 후에, 선택된 엔진 속도 커맨드에 기초하여 엔진 토크를 결정하는 단계가 더 후속하는, 가변 속도 연소 엔진의 속도 제어 방법.
  10. 크레인 상의 적어도 하나의 모터 부하에 DC 버스를 따라 전력을 제공하는 발전기에 직접 연결된 가변 속도 연소 엔진의 속도를 제어하기 위한 방법으로서,
    모터 전압들과 엔진 속도들 간의 관계 및 엔진 속도들과 엔진 전력 용량들 간의 관계를 나타내는 데이터가 알려져 있고, 상기 모터 부하들 중 적어도 하나에 대해 속도 변경이 요청되었고, 상기 방법은,
    상기 속도 변경 요청을 만족시키기 위해 상기 적어도 하나의 모터 부하 각각에 대한 모터 속도들을 선택하는 단계;
    상기 모터 부하의 모터 전압들과 엔진 속도들 간의 관계를 나타내는 데이터의 내삽에 기초하여, 상기 적어도 하나의 모터 부하 각각에 대한 엔진 속도 커맨드를 생성하는 단계;
    각각의 엔진 속도 커맨드를 미리 정해진 범위 내로 클램핑하는 단계;
    상기 엔진 속도 커맨드들 중 가장 높은 것을 제1 엔진 속도 커맨드로서 지정하는 단계;
    상기 적어도 하나의 모터 부하 전부에 의해 요구되는 총 전력을 결정하는 단계;
    엔진 속도들과 엔진 전력 용량들 간의 관계를 나타내는 데이터의 내삽에 기초하여 제2 엔진 속도 커맨드를 또한 생성하는 단계;
    상기 제1 엔진 속도 커맨드를 상기 제2 엔진 속도 커맨드와 비교하고, 상기 제1 엔진 속도 커맨드 및 상기 제2 엔진 속도 커맨드 중 더 높은 것을 선택하는 단계;
    선택된 엔진 속도 커맨드에 기초하여 상기 엔진에 엔진 연료 커맨드를 발행하는 단계; 및
    이에 따라, 상기 선택된 모터 부하 속도들 각각의 속도에서 상기 적어도 하나의 모터 부하를 동작시키기 위해 요구되는 최소 DC 전압 및 전력을 생성하는데 요구되는 최소 엔진 속도를 선택하는 단계
    를 포함하고,
    각각의 모터 부하는 또한 가변 속도로 동작하고, 상기 전력은 가변 전압 DC 버스를 따라 각각의 가변 속도 모터 부하에 제공되는, 가변 속도 연소 엔진의 속도 제어 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 각각의 속도 커맨드를 생성하는 단계 후에, 각각의 엔진 속도 커맨드를 미리 정해진 범위 내로 클램핑하는 단계가 후속하는, 가변 속도 연소 엔진의 속도 제어 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 전력을 결정하는 단계 후에, 상기 적어도 하나의 모터 부하들 전부에 대한 총 전력을 미리 정해진 범위 내로 클램핑하는 단계가 더 후속하는, 가변 속도 연소 엔진의 속도 제어 방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 제1 엔진 속도 커맨드 및 상기 제2 엔진 속도 커맨드 중 더 높은 것을 선택하는 단계 후에, 선택된 엔진 속도 커맨드에 기초하여 엔진 토크를 결정하는 단계가 더 후속하는, 가변 속도 연소 엔진의 속도 제어 방법.
  14. 삭제
  15. 삭제
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