KR20070023792A - 단상 전력을 사용하여 3상 장치를 작동하는 방법 - Google Patents

단상 전력을 사용하여 3상 장치를 작동하는 방법 Download PDF

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Abstract

3상 전력으로 통상 작동하는 장치(30, 22)용 전력 장치(32, 34)는 단상 전력에 기초하여 작동할 가성능을 갖는다. 개시된 일 기술은 단상 전원에 커플링된 리드 양단의 측정 전압에 기초하여 직류 성분을 추정하는 것을 포함한다. 직각 위상 성분은 직류 성분의 수치 도함수에 기초하여 추정된다. 또한, 직류 성분은 피드 포워드 제어 방식으로 전류 조절기에 제공되며, 이는 오류를 최소화한다.
단상 전력, 3상 전력, 피드 포워드 제어, 직류 성분, 직각 위상 성분, 엘리베이터

Description

단상 전력을 사용하여 3상 장치를 작동하는 방법{OPERATING A THREE PHASE DEVICE USING SINGLE PHASE POWER}
본 발명은 일반적으로 전력 제어 시스템에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 3상 전력으로 통상 작동하는 장치에 단상 전력을 제공하는 것에 관한 것이다.
전기 모터는 잘 알려져 있고 광범위하게 사용된다. 전기 모터는 다양한 크기 및 종류로 나타난다. 전기 모터의 사용에 대한 일 예는, 예를 들어 승강로를 통해 엘리베이터 차체를 상승 또는 하강시키기 위한 구동 쉬브(sheave)를 이동시키는 엘리베이터 기계에 나타난다.
최근, 재생식 구동 기계가 엘리베이터 시스템에 도입되었다. 재생식 구동 기계는, 제1 방향으로 승강로를 통해 카 및 균형추를 이동시키기 위해 전원으로부터 전력을 공급받고 카 및 균형추를 반대 방향으로 이동시키려 할 때 전원으로 역제공되는 전력을 발생시키는 전기 모터를 포함한다. 구동 기계가 구동 쉬브를 적당하게 이동되도록 허용하는 동안 카 및 균형추의 무게가 소정의 이동을 초래하는 경우, 재생식 구동부는 전기 모터가 발전기로 작용하는 능력을 이용한다.
이러한 재생식 구동 기계는 3상 전력 입력에 작동한다. 3상 전력 입력이 불가능한 경우가 있다. 예를 들어, 초기 엘리베이터 시스템이 설치되는 동안, 일반 적으로 3상 전원은 건축 부지에 사용될 수 없다. 엘리베이터 시스템이 설치되는 동안, 단지 단상 전력만이 사용될 수 있다. 많은 경우에, 설치되는 동안 적어도 제한된 모드에서 엘리베이터를 이동시킬 수 있도록 요구된다. 문제점은 3상 전력 없이, 재생식 3상 구동 기계가 작동될 수 없고, 따라서 엘리베이터의 설치 시에 사용될 수 없다는 것이다.
3상 전력이 이용 불가능한 경우, 엘리베이터 설치 동안에도 재생식 3상 구동 기계를 이용할 필요가 있다. 3상 전력이 이용 불가능한 때에도, 3상 장치가 유용한 다른 경우가 있다. 본 발명은 3상 장치를 작동하기 위한 단상 전력을 제공할 수 있는 필요성을 해결한다.
단상 입력 전력을 사용하여 3상 장치에 전력을 제공하기 위한 하나의 예시적으로 개시된 컨버터 장치는, 단상 입력 전력에 기초하여 추정 직류 성분과 추정 직각 위상 성분을 사용하는 위상 동기 루프(phase locked loop; PLL)부를 포함한다.
일 예로, 직류 성분은 단상 입력 전력의 측정 전압에 기초하여 추정된다. 직각 위상 성분은 추정 직류 성분의 수치 도함수에 기초하여 추정된다. 일 예로, 수치 도함수는 입력 전력의 주파수에 기초하여 스케일된다.
일 예로, 전류 조절기부는, 3상 장치에 전류를 공급할 때 오류를 최소화하기 위한 피드 포워드 입력부로서 단상 입력 전력의 추정 직류 성분을 사용한다.
개시된 예시적인 배열체는 장치를 작동하기 위해 단지 단상 전력만이 가능한 경우에도 재생식 3상 장치를 사용하기 용이하게 한다.
본 발명의 다양한 특징 및 장점들은 바람직한 본 실시예의 상세한 이하의 설명을 통해 당업자에게 명백해질 것이다. 상세한 설명을 수반하는 도면은 다음과 같이 간단하게 설명될 수 있다.
도1은 본 발명의 실시예에 따라 설계된 전력 장치와 3상 장치를 통합시키는 엘리베이터 시스템의 선택된 부분을 도시하는 개략도이다.
도2는 본 발명의 실시예에 유용한 하나의 예시적인 컨버터 인터페이스의 선택된 부분을 도시하는 개략도이다.
도3은 본 발명의 실시예에 유용한 하나의 예시적인 단상 제어 체계를 도시하는 개략도이다.
도4는 본 발명의 실시예에 유용한 하나의 예시적인 전류 조절기 모델을 도시하는 개략도이다.
도5는 본 발명의 실시예에 유용한 하나의 예시적인 전압 조절기의 모델을 도시하는 개략도이다.
도1은 엘리베이터 시스템(20)의 선택된 부분을 도시하는 개략도이다. 구동 기계(22)는 예를 들어 로핑(24)을 추진시켜 공지된 방법으로 승강로를 통해 엘리베이터 카(26)와 균형추(28)의 소정의 이동을 가능하도록 하는 전기 모터를 포함한다. 이러한 예에서, 구동 기계(22)는 공지된 모터 작동 원리에 따라 발전기 모드에서 전력을 제공하기 위해 전기 모터가 사용될 수 있도록 재생식 3상 기계를 포함 한다. 이러한 예에서, 구동 기계(22)는 일반적으로 3상 전기 전력에 기초하여 작동하는 전기 모터를 포함한다.
제어기(30)는 구동 기계(22)의 모터를 작동시키기 위한 제어 신호를 제공한다. 제어기(30)는 궁극적으로 3상 전원인 전원(32)으로부터 전력을 공급받는다. 컨버터 인터페이스(34)는 예를 들어 소정의 구동 기계 작동을 얻기 위해 제어기(30)에 제공되는 적절한 위상이 존재한다는 것을 보장한다.
엘리베이터 시스템 설치 과정과 같은 몇몇 경우에 전원(32)은 3상 전원으로서 이용 가능하지 않을 수 있다. 몇몇 경우에, 단상 전력은 건설 공사 동안에, 그리고 이에 따라 엘리베이터 시스템 설치 동안에 이용 가능하다. 이러한 예의 컨버터 인터페이스(34)는 전원(32)이 단상 전원인지 또는 3상 전원인지에 상관없이 사용 가능하다. 컨버터 인터페이스(34)는 제어기(30)와 구동 기계(22)가 엘리베이터 시스템이 설치되는 동안 적어도 한정된 모드에서 작동할 수 있도록 단상 전원과 3상 전원 사이의 차이를 조정하는 방식으로 작동한다. 개시된 예의 일 장점은, 컨버터 인터페이스(34)가, 단상 전력에 응답하는 작동을 위해 별개의 컨버터 또는 별개의 하드웨어 성분을 필요로 하지 않는다는 것이다. 그 대신에, 컨버터 인터페이스(34)는 전원 공급 장치가 3상인지 단상인지에 따라 기계 작동을 조정한다.
도2는 일 예로 컨버터 인터페이스(34)의 선택된 부분을 도시하는 개략도이다. 필터부(36)는 일반적으로 공지된 방식으로 작동한다. 전류 조절기부(38)는 위상 동기 루프(PLL)부(40)에 제공되는 전류를 조절하기 위해 공지된 바와 같이 유도성 및 저항성 요소를 포함한다. 버스 전압 조절부(42)는 구동 기계(22) 작동을 위한 조절기(30)에 최종 전류 신호를 제공한다.
전원(32)이 3상 전력(즉, R 위상, S 위상, T 위상)을 제공하는 경우, 일반적으로 도2의 컨버터 인터페이스(34)의 예가 작동한다. 도2의 예는 단상 전력에 대한 반응에 매우 적합한 조건으로 나타난다. T 입력부(44, 즉, IGBT H-브리지 T 입력부)는 단선되고 더 이상의 전력을 전달받지 않는다. 이는 예를 들어 컨버터 인터페이스(34) 내의 역학적 스위치(도시되지 않음)에 의해 수행될 수 있다. 따라서, 기술자가 조절기(30)와 구동 기계(22)를 운전시키기 위한 단상 전력을 연결하려고 할 때, IGBT 레그의 T 입력부(44)가 전원(32)과 연결되지 않도록 적합한 스위치가 조작될 수 있다. PLL부(40) 및 버스 전압 조절부(42)로부터의 출력은 단지 IGBT 레그의 R 입력부(46) 및 S 입력부(48)에만 기초하여 작동한다. R 및 S 입력부(46 및 48)에서 IGBT H-브리지를 위한 스위칭 기능을 제공하는 제어 구성은 단상 전력에 응답하는 구동 기계(22)를 작동시키는 것을 허용한다. 이러한 예에서, S 입력부(48)가 다른 리드에 연결되는 동안, R 입력부(46)는 단상 전력 리드들 중 하나의 리드에 연결된다.
도3은 단상 전력을 사용하여 작동을 위한 스위칭 기능을 제공하는 제어 구성의 일 예를 도시하는 개략도이다. 기준 전압(50)은 합산기(52)에 제공된다. 일 예로, 기준 전압은 750 볼트이다. 기준 전압은 이용 가능한 전원에 부분적으로 의존하게 된다. 버스 전압 조절기부(42)의 출력부는 제어기(30)에 전류를 제공하는 54에 제공된다. 출력부(54)는 합산기(52)의 음의 입력부에 제공된다.
합산기(52)의 출력부는 비례 적분 조절기(56)에 제공된다. 비례 적분 조절 기(56)의 기능은 소정의 전류 레벨과 제어기(30)에 궁극적으로 제공되는 출력 전류 레벨(54) 사이의 오류를 제거하기 위해 필요한 전류가 어느 정도인지 표시하는 것이다.
비례 적분 조절기(56)의 출력부는 승산기(58)에 제공된다. 승산기(58)로의 다른 입력부는 PLL(40)로부터 나타난다. 이러한 예에서, PLL(40)은 입력 전력의 위상의 직각 위상 성분을 추정하는데 사용한다. 단상 전력이 제공되고 PLL이 일반적으로 3상 전력에 기초하여 작동하기 때문에, 작동 목적을 위해 단상 전력을 3상 모델로 효과적으로 변환시키는 것이 필요하다.
이러한 예에서, PLL은 입력 전력의 직류 성분 위상과 직각 위상 성분 위상의 추정을 사용한다. 일 예로, 입력부(46 및 48) 양단의 전압은 종래 기술을 사용하여 감지된다. 측정 전압은 직류 성분 위상의 추정으로서 사용된다.
이러한 예에서 직각 위상 성분 위상은 직류 성분 위상의 수치 도함수를 취함으로서 추정된다. 일 예로, 직각 위상 성분의 스케일은 라인(line) 전압의 직류 성분 위상의 수치 미분 이후에 적용된다.
일 예에서, Vd = Vac sin(θ)이고, 이에 따라 d/dt Vd = Vac ωline cos(θ)이다. 일반적으로, 라인 주파수는 공지되지 않지만 50 또는 60 헤르츠일 것이다. 이러한 예에서 위상의 직각 위상 성분을 추정하는 것은 추정 라인 주파수에 기초하는 수치 도함수를 스케일하는 것을 포함하며, 그것은 PLL부(40)에 의해 수행된다. 일 예로, 주파수가 55 Hz 초과인 경우에 1/ωline = 1/(2π60)의 이득(gain)이 적용 된다. 주파수가 55 Hz 미만인 경우에 1/ωline = 1/(2π50)의 이득이 사용된다. PLL부(40)를 위한 추정 직각 위상 성분 위상(즉, q-축 전압)은
Figure 112006098072466-PCT00001
이다.
일단 추정 직각 위상 성분이 구해지면, PLL부(40)는 3상 등가물로서 작용한다.
도3에, PLL부(40)로부터 승산기(58)로의 출력부는 라인 전압과 위상이 동일한 PLL로부터의 사인파 기준 출력부이고, 비례 적분 조절기(56)의 출력부와 결합되어 전류 조절기부(38)를 위한 전류 기준을 제공한다.
전류 조절기부(38)로의 입력부는 합산기(60)의 양의 입력부에 제공된다. 합산기(60)의 출력부는 비례 조절기(62)에 제공된다. 비례 조절기(62)의 출력부는 피드 포워드 입력부(66)와 결합되는 합산기(64)에 제공된다. 이러한 예에서, 피드 포워드 입력부(66)는 VR_VS로 표시된다. 이러한 전압은 R 입력과 S 입력(46 및 48) 사이의 감지된 라인 전압과 동일하다. 피드 포워드 입력부(66)는 전류 조절 오류를 최소화할 수 있는 전류 조절기(38)를 제공한다. 일 예로, 피드 포워드 입력부(66)는 PLL부(40)로의 입력부의 직류 구성요소와 동일하다.
합산기(64)의 출력부는 라인 전류(I_line)로 나타나는 전류 조절기 요소(68)에 의해 일반적으로 공지된 방식으로 처리된다.
단상 전류 조절기는 단상 전류 조절기의 교란이 일정하지 않다는 점에서 동기식 전류 조절기와는 다르게 작동하기 때문에, 비례 조절기(62)가 비례 적분 조절 기 대신 도3의 예에 제공된다. 공지된 바와 같이, 비례 적분 조절기는 일정한 교란을 아주 잘 거부하지만, 단상 전류 조절기에 대한 교란은 일정하지 않다. 이러한 예에서, 교란부로서 작용하고 예를 들어 R 및 S 입력부(46 및 48)와 관련된 사인파 라인 전압에 상응하는 피드 포워드 입력(66)과 비례 조절기의 전략적 조합이 나타난다. 피드 포워드 입력부(66)가 전압 교란을 상쇄하는 경우, 전류 조절기(38)는 도4에 도시된 바와 같이 설계될 수 있다.
일 예로, 비례 조절기(62)의 대역폭은 비례 적분 조절기 구조에 기초한다. 도4에 도시된 바와 같이 조절기(62')는 이득(Kp)을 포함하는 함수 블록의 형태로 설계된다. 소정의 위상 여유(Øm = 60°)가 필요한 요구 조건이 주어진 경우, 비례 이득은 Kp = Lωc,Ki = ωcR을 통해 해결될 수 있으며, 여기서 소정의 대역폭(ωc)은 지연(Td)으로부터 결정될 수 있고, 소정의 위상 여유는 방정식(ωc = (π/2 - Øm )/Td)을 사용하여 제한된다. 지연(Td)은 표본 지연 및 펄스 폭 변조 주기의 반을 포함한다. 비례 조절기(62')를 위한 대역폭으로서 ωc를 사용하는 경우, 비례 이득(Kp)은 다음과 같이 결정된다.
폐쇄 루프 전달 함수는
Figure 112006098072466-PCT00002
이다. 그 경우
Figure 112006098072466-PCT00003
이다. 이러한 예에서, L은 3상 등가물의 인덕턴스의 두 배이다. 결과로 나타나는 위상 여유는 비례 조절기의 경우에 60°보다 크다. 큰 대역폭이 요구되는 경우, 이러한 개시 내용의 효과를 아는 당업자는 더 큰 대역폭을 얻기 위해 더 작은 위상 여유를 사용하는 방법을 알 것이다.
전류 조절기(38)의 출력부는 버스 전압 조절기(42) 내의 승산기(80)에 제공된다. 승산기(80)로의 다른 입력부(82)는 실제 라인 전압 측정값이다. 승산기(80)의 출력부는 합산기(84)에 제공되며, 합산기는 합산기(84)의 음의 입력부로의 부하 전력 입력부(86)를 포함한다. 일반적으로 공지된 방식으로 DC 버스 전압 조절을 제공하는 조절기 함수 블록(88)이 도시된다. 이러한 예에서, 제어기(30)는 단상 입력부에 응답하여 작동하고, 버스 전압 조절기는 이러한 목적에 적합한 출력부를 제공한다. 이러한 예에서, 다음의 방정식이 참이다.
Figure 112006098072466-PCT00004
단상 전원을 사용하는 입력 전력은 사인파이고, 따라서 이러한 예에서 평균값은 버스 전압용으로 사용된다. 일 예로서, Vac가 최대전압이고 I가 라인 전류의 진폭인 경우의 평균은 .5(VacI)이다. 따라서, 버스 전압 PI 조절기 설계는 다음 관계에 기초할 수 있다.
Figure 112006098072466-PCT00005
일 예에서, DC 버스 전압 조절기(42)는 도5에 개략적으로 도시된 것처럼 설계될 수 있다. 도5에 도시된 관계는 비례 이득(Kp) 및 적분 이득(Ki)을 포함한다. 이들은 다음의 관계에 기초하여 결정될 수 있다.
일 예로서, 전류 조절기 대역폭은 DC 버스 전압 조절기 대역폭보다 더 크며, 이로써 개방 루프 전달 함수는 크로스오버 주파수에서 다음을 만족시킨다.
Figure 112006098072466-PCT00006
Figure 112006098072466-PCT00007
크기(magnitude) 방정식으로부터:
Figure 112006098072466-PCT00008
이고, 위상 방정식으로부터:
Figure 112006098072466-PCT00009
이다. 이러한 두 개의 방정식으로부터 Kp 및 Ki 는 다음과 같이 해를 구할 수 있다.
Figure 112006098072466-PCT00010
,
Figure 112006098072466-PCT00011
,
Figure 112006098072466-PCT00012
일 예에서, 펄스 폭 변조는 단상 전력에 응답하는 구동 기계(22)를 제어하기에 유용한 방식으로, 제어기(30)에 전류를 제공하기 위해 사용된다. 일 예에서, R 입력부(46) 및 S 입력부(48)에 적용된 펄스 폭 변조 스위칭 기능은 상보적이다. 이러한 예에서, R 입력부(46)는 양의 버스에 연결되는 반면, S 입력부(48)는 음의 버스에 연결된다. 이러한 방식으로, 버스로부터의 이용 가능한 전압 범위가 충분히 이용될 수 있다.
하나의 예시적인 펄스 폭 변조 구성은 0과 1 사이에 위치하는 듀티비(d)를 사용하는 것을 포함한다. 이러한 예에서, 0 값은 관련된 위상이 전체 펄스 폭 변 조 사이클을 위해 음의 버스에 연결되는 것을 의미한다. 이러한 예에서 1은 관련된 위상이 전체 펄스 폭 변조 사이클을 위해 양의 버스에 연결되는 것을 의미한다. 일 예로, 다음의 관계가 유용하다.
Figure 112006098072466-PCT00013
은 R 입력부(46)를 위한 듀티비이다. dr은 캐리어 주기 동안 R 입력부(46)가 작동되는 시간량을 나타낸다. V*는 전술한 피드 포워드함을 포함하는, 펄스 폭 변조 생성기에 제공되는 전압 기준이다. S 입력부(48)를 위한 듀티비인 ds는 1-dr으로 표현될 수 있다. T 입력부(44)에 0 볼트가 제공되도록, 이러한 예에서 바람직하게는 .5의 듀티비(dt)가 T 입력부(44)에 제공된다.
신호 위상 전압에 기초한 직각 위상 성분 및 직류 위상 성분의 추정을 사용함으로써, 개시된 예는 3상 전력이 단상 전력 입력에서도 작동하도록 설계된 구성을 사용할 수 있도록 한다. 직류 조절기에 피드 포워드 방식으로 위상의 D-축 또는 직류 성분을 제공하는 것은 오류를 최소화하고, 개시된 예가 단상 전력에 기초하여 작동하도록 허용한다.
비록 개시된 예가 엘리베이터 시스템을 위한 구동 기계에 전력 제공의 내용으로 표현되었다 할지라도, 본 발명은 엘리베이터 시스템에 한정될 필요는 없다.
상기 설명은 사실상 제한적인 것이 아니라 예시적인 것이다. 본 발명의 본질에서 반드시 벗어나는 것이 아닌 개시된 실시예에 대한 변경예 및 변형예는 당업자에게 명백할 것이다. 본 발명의 법률적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위를 검 토함으로써만 결정될 수 있다.

Claims (15)

  1. 단상 입력 전력을 사용하여 3상 장치에 전력을 제공하기 위한 컨버터 장치이며,
    단상 입력 전력에 기초하여 추정 직류 성분과 추정 직각 위상 성분을 사용하는 위상 동기 루프부를 포함하는 컨버터 장치.
  2. 제1항에 있어서, 피드 포워드 입력부로서 추정 직류 성분을 사용하는 전류 조절기를 포함하는 컨버터 장치.
  3. 제1항에 있어서, 위상 동기 루프부는 R 위상 입력부, S 위상 입력부 및 T 위상 입력부를 갖고, T 위상 입력부는 0볼트로 설정되고 R 위상 입력부 및 S 위상 입력부는 단상 입력 전력의 리드에 커플링되는 컨버터 장치.
  4. 제3항에 있어서, T 위상 입력부를 선택적으로 절연시키기 위한 스위치를 포함하는 컨버터 장치.
  5. 제1항에 있어서, 위상 동기 루프부는 추정 직류 성분으로서 단상 입력 전력의 측정 전압을 사용하는 컨버터 장치.
  6. 제1항에 있어서, 위상 동기 루프부는 추정 직각 위상 성분으로서 추정 직류 성분의 수치 도함수를 사용하는 컨버터 장치.
  7. 제6항에 있어서, 위상 동기 루프부는 스케일된 수치 도함수를 사용하고 수치 도함수에 적용된 스케일은 단상 입력 전력의 주파수에 기초하여 결정되는 컨버터 장치.
  8. 제7항에 있어서, 주파수가 55Hz 초과인 경우에 제1 스케일이 수치 도함수에 적용되고, 주파수가 55Hz 미만인 경우에 제2 스케일이 적용되는 컨버터 장치.
  9. 단상 입력 전력을 사용하여 3상 장치를 작동하는 방법이며,
    단상 입력 전력에 기초하여 직류 성분 및 직각 위상 성분을 추정하는 단계를 포함하는 3상 장치 작동 방법.
  10. 제9항에 있어서, 단상 입력 전력의 측정 전압에 기초하여 직류 성분을 추정하는 단계를 포함하는 3상 장치 작동 방법.
  11. 제9항에 있어서, 직류 성분의 수치 도함수에 기초하여 직각 위상 성분을 추정하는 단계를 포함하는 3상 장치 작동 방법.
  12. 제11항에 있어서, 단상 입력 전력의 주파수에 기초하여 수치 도함수를 스케일하는 단계를 포함하는 3상 장치 작동 방법.
  13. 제12항에 있어서, 주파수가 55Hz 초과인 경우에 제1 스케일을 사용하고 주파수가 55Hz 미만인 경우에 제2 스케일을 사용하는 단계를 포함하는 3상 장치 작동 방법.
  14. 제9항에 있어서, 전류 조절을 위한 피드 포워드 입력으로서의 직류 성분을 사용하여 3상 장치를 작동하기 위해 공급되는 전류를 조절하는 단계를 포함하는 3상 장치 작동 방법.
  15. 제9항에 있어서, 3상 입력부를 갖고, 입력부들 중 하나를 0볼트에 커플링시키고 단상 입력 전력을 제공하는 리드에 다른 두 개의 입력부를 각각 커플링시키는 위상 동기 루프부를 사용하는 단계를 포함하는 3상 장치 작동 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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