KR20180008860A - 다상 머신용 변조 기법 - Google Patents

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Abstract

삼상 권선의 제 1 세트 및 삼상 권선의 제 2 세트를 포함하는 6상 전기 모터용 전력 계통. 제 1 펄스폭 변조기는 변환 주파수 및 DC 전력원을 모터에 급전하기 위한 교류 전류로 변환하는 제 1 상에서 동작한다. 제 1 펄스폭 변조기는 삼상 권선의 제 1 세트에 전기적으로 연결된다. 이와 유사하게, 제 2 펄스폭 변조기 역시 변환 주파수 및 DC 전력원을 삼상 권선의 제 2 세트에 급전하기 위한 교류 전류로 변환하는 제 2 상에서 동작한다. 제 1 및 제 2 펄스폭 변조기의 제 1 및 제 2 상은 80 도와 100 도 사이에서 오프셋된다.

Description

다상 머신용 변조 기법
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2015 년 6 월 11 일에 출원된 미국 가출원 번호 제 62/174,205 호에 대한 우선권을 주장하는데, 그 내용은 원용되어 본원에 통합된다.
본 발명은 다상 전기 머신용 전력원에 관한 것이다.
삼상 전압원 인버터(VSI)는 일반적으로 DC 전압을 모터를 구동하기 위한 AC 전압으로 변환하기 위해 사용된다. 통상적으로, VSI는 펄스폭 변조(PWM) 기법 및 전력 디바이스를 사용하여 DC 전압을 3 개의 AC 전압으로 변조한다. 3 개의 AC 전압의 상들은 통상적으로 120 도만큼 분리된다.
VSI가 AC 전압을 생성하려면, DC 전압 서플라이를 가져야 한다. 이러한 DC 전압 서플라이는 통상적으로 내부 에너지 저장 디바이스, 예컨대 커패시터에 의해 인버터 브릿지로 제공된다. 그러나, 다른 타입의 저장 디바이스도 사용될 수 있다. 펄스폭 변조가 이뤄지는 동안 스위칭 인버터가 요구하는 순시 전류를 제공하는 것이 바로 이러한 에너지 저장 디바이스이다.
스위칭 인버터의 전력 변환 성질 때문에, 상전류는 펄스폭 변조의 듀티 사이클에 의해 평균 DC 버스 전류에 관련된다. 큰 듀티 사이클 동안에, 공급 전류는 상전류에 가까워진다. 반대로, PWM의 듀티 사이클이 작으면 상전류는 평균 공급 전류보다 훨씬 크다. 이러한 경우, 통상적으로 커패시터인 에너지 저장 디바이스는 평균 전류 유입(draw)보다 훨씬 큰 전류 펄스를 공급해야 한다. 이러한 펄스 전류는 에너지 저장 디바이스에 큰 리플 전류 부하가 생기게 한다. 결과적으로, 에너지 저장 디바이스는 이러한 리플 전류를 수용하도록 설계되어야 한다. 그러면 통상적으로 커패시터의 크기가 커지고 및/또는 품질이 향상되어야 하는데, 이것이 VSI의 전체 비용을 높인다.
주어진 전력에 상의 수가 증가되면 에너지 저장 디바이스에 가해지는 리플 전류 부하가 감소되지만, 위상각이 균일하게 분산된 경우에만 그러하다. 예를 들어, 위상각은 삼상 머신의 경우 120 도일 것이고, 6상 머신의 경우 60 도 등이 될 것이다.
6상 머신을 구성하는 하나의 방법은 두 삼상 머신을 단일 프레임 내에 구축하는 것이다. 두 삼상 머신은 델타 또는 와이(wye) 구조 중 어느 하나인 두 세트의 삼상 권선 및 하나의 회전자를 가질 것이다. 권선 세트는 자기적으로 서로 커플링되거나 동일한 고정자에 권선될 수도, 그렇지 않을 수도 있지만, 서로 전기적으로 고립된다.
이러한 다상 머신은 물리적 권선 각을 리플 전류로부터 분리하기 위해서 이러한 방식으로 구동되는 것이 가능하다. 예를 들어, 삼상 권선이 두 세트 있다고 가정하면, 각각의 삼상 권선은 120 도의 위상 분리를 가진다. 그러면 두 세트의 삼상 권선은 0 도와 60 도 사이에서 서로로부터 오프셋될 수 있다. 위상 오프셋이 0 도라면, 두 세트의 삼상 권선은 본질적으로 두 병렬 삼상 머신으로서 동작한다. 반대로, 두 세트의 삼상 권선 사이의 위상 오프셋이 60 도라면, 머신은 상마다 60 도를 가지는 완전 평형 6상 머신이 될 것이다.
두 세트의 삼상 권선이 두 권선 세트들 사이에서 0 도의 분리에서 정상 SVM 또는 다른 변조 기법에 의해 구동된다면, 리플 전류는 결합된 두 병렬 머신의 전력을 가지는 하나의 큰 삼상 머신이 될 것이다. 반대로, 두 세트의 삼상 권선 사이의 위상 천이가 60 도라면, 리플 전류는 동일한 전력을 가지는 6상 머신의 리플 전류가 될 것이다.
특히 PWM 주파수의 듀티 사이클이 작은 경우에는 전압원 인버터로부터 나오는 리플 전류를 감소시키는 것이 매우 필요하다. 리플 전류가 감소되면 더 저렴한 커패시터 또는 다른 저장 디바이스가 해당 인버터와 함께 사용될 수 있어서 인버터의 전체 비용이 감소될 것이다.
본 발명은 이전에 공지된 인버터의 이전에 논의된 단점을 극복하는 전압원 인버터에 대한 변조 기법을 제공한다.
짧게 말하면, 본 발명은 이전에 공지된 인버터와 같이 두 세트의 삼상 권선을 포함하는 삼상 전압원 인버터를 제공한다. 이러한 권선은 와이 또는 델타 구조 중 하나를 가질 수 있고 권선들의 각각의 세트의 권선은 위상이 서로에 대해 60 도만큼 오프셋된다. 전압원 인버터는 6상 머신과 함께 사용되도록 설계된다. 이와 같이, 두 세트의 권선 사이의 위상 오프셋 또는 위상차는 0 도와 60 도 사이에서 변할 수 있다. 두 세트의 권선 사이의 실제 선택된 위상 오프셋은 구동되는 6상 머신의 사양의 함수로서 변할 것이다.
종래 공지된 전압원 인버터의 경우와 같이, 통상적으로 커패시터인 DC 에너지 저장 디바이스로부터의 DC 전압을 AC 전압으로 변환하기 위해서 펄스폭 변조가 사용된다. 상대적으로 높은 PWM 주파수, 예를 들어 20 킬로헤르쯔가 변조 주파수로서 사용된다.
그러나, 종래 공지된 전압원 인버터와는 달리, 두 세트의 권선 사이의 PWM 주파수의 위상각은 80 도와 100 도 사이에서, 바람직하게는 실질적으로 90 도만큼 서로로부터 오프셋된다. DC 저장 디바이스로부터의 전력을 변조하기 위하여 사용되는, 두 PWM 주파수 사이에서의 이러한 위상 오프셋은, 두 PWM 주파수 사이의 다른 위상각 차이와 반대로, DC 저장 디바이스, 즉 커패시터로 들어가는 리플 전류를 크게 감소시킨다는 것이 발견되었다. DC 저장 디바이스로 들어가는 리플 전류가 감소되기 때문에, 성능이 열화되지 않으면서도 더 저렴한 DC 저장 디바이스가 사용될 수 있다.
본 발명에 대한 더 양호한 이해는 첨부 도면과 함께 후속하는 상세한 설명을 참조해서 이루어질 것인데, 도면 전체에서 유사한 참조 문자는 유사한 부재를 가리킨다:
도 1 은 두 PWM 변조기를 도시하는 도면이다;
도 2 는 각각의 권선 세트에 대한 펄스폭 변조가 서로 동위상인 펄스폭 변조를 나타내는 선행 기술 그래프이다;
도 3 은 도 2 와 유사하지만, 두 권선 세트의 PWM 주파수가 서로에 대해 90 도 위상만큼 오프셋되는 경우를 예시한다; 그리고
도 4 는 두 세트의 권선을 스위칭하기 위해 사용되는 두 PWM 주파수의 위상각을 변동하는 효과를 예시하는 표이다.
본 발명의 실시예
우선 도 1 을 참조하면, 두 PWM 변조기(10 및 12)가 6상 전압원 인버터의 일부로서 도시된다. 변조기들 양자 모두가 일반적으로 구조가 같기 때문에 변조기(10)에 대해서만 설명될 것이며, 유사한 설명이 변조기(12)에도 적용될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
PWM 변조기(10)는 출력(14)에서 자신의 3 개의 위상에 대해 고측과 저측 게이트 신호를 생성한다. 게이트 신호는 삼상 인버터 브릿지에 있는 그들 각각의 전력 디바이스(15)에 인가되어 삼상 전류를 모터 권선(17)에 생성한다.
삼상 전압원(16)은 각각의 AC 전압 출력(14)과 연관된다. 각각의 전압원(16)은 비교기(18)를 통해 자신의 연관된 출력(14)에 전기적으로 연결된다. 삼상 전압원(16)의 모터 주파수는 모터 rpm과 폴(pole) 카운트에 의해 결정되고, 통상적으로 1 헤르쯔와 수 백 헤르쯔 사이이다.
PWM 사인파 발생기(20)가 제 2 입력으로서 비교기들(18) 각각에 연결된다. PWM 발생기(20)는 기대된 최대치 모터 주파수, 예를 들어 20 킬로헤르쯔보다 훨씬 높은 주파수에서 동작하며, 바람직하게는 삼각파형을 생성한다. 이러한 삼각파형이 삼상 전압원(16)과 비교되어 변조기(10)로부터의 출력(14)에 펄스폭 변조된 신호를 생성한다. 변조기(10)에 대한 펄스폭 변조를 생성하기 위하여 마이크로프로세서, ASIC 등과 같은 종래의 임의의 수단이 사용될 수 있다.
이제 변조기들(10 및 12) 양자 모두에 대해서 사인파 발생기(20)로부터 출력되는 삼각파 출력이 서로 동위상이라고 가정하면서 도 2 를 참조하면, 사인파 발생기들(20) 양자 모두로부터의 출력 신호가 서로 동위상인 실효적으로 하나의 삼각파형(30)이 생성된다. 그러면 이러한 신호가 삼상 사인 소스와 비교되어 변조기(10 및 12)로부터의 출력으로서 펄스폭 신호(32)를 생성한다.
이제 도 3 을 참조하면, 이전에 공지된 VSI와는 달리, PWM 사인파 발생기로부터의 출력(34 및 36)은 도 2 에 도시된 바와 같이 위상이 동기화되지 않고, 80 도와 100 도 사이에서, 바람직하게는 실질적으로 90 도만큼 서로로부터 오프셋된다. 한 삼각 신호(34)는 변조기(10)에 대한 자신의 연관된 스위칭 디바이스(18)를 제어하도록 펄스폭 변조되는 반면에, 제 2 삼각파형(36)은 제 2 변조기(12)에 대한 스위칭 신호의 펄스폭 변조를 제어하도록 사용된다.
이제 도 4 를 참조하면, 하나의 PWM 주파수의 위상을 다른 것에 대해서 천이하는 효과를 예시하는 표가 도시된다. 특히, 열 40 은 두 변조기들 사이에서 삼상 사인파 소스들(16) 사이의 위상 오프셋을 나열한다. 따라서, 행 42 는 서로 동기화되는 두 삼상 출력을 예시하는 반면에, 행 44 및 46 은 서로로부터 위상이 각각 30 도 및 60 도만큼 오프셋되는, 두 변조기(10 및 12)로부터의 AC 출력 전압을 각각 예시한다. 따라서, 출력 AC 전압의 위상 오프셋이 서로 동위상인 경우, 이것은 단일 삼상 머신과 등가이다. 반대로, 위상각이 행 46 에 표시된 것처럼 60 도만큼 오프셋되면, 평형 6상 머신이 얻어진다. 열(44)에 표시된 30 도 위상 천이는 오직 일 예로서 선택된 것이다.
또한 행 42 내지 46 에서, 변조기들(10 및 12) 양자 모두에 대한 PWM 주파수들 사이의 열 64 에 표시된 위상각 오프셋 또는 TRI 각도는 서로 동위상이라는 것에 주의해야 한다. 그러면, 이제 하나의 평형 6상 머신에 대한 111 암페어와 두 개의 병렬 삼상 머신에 대한 155 암페어 사이인 리플 전류가 생성된다.
여전히 도 4 를 참조하면, 열 48 내지 62 는 모두 두 변조기(10 및 12)에서부터의 삼상 교류 전류 출력들 사이에 30 도의 위상 천이를 가지는 전압원 인버터를 나타낸다. 그러나, 열 64 에서 PWM 파 변조기들 사이의 위상각은 0 도부터 180 도까지 변하게 된다. 이러한 과정에서, 열 66 에 표시된 리플 전류는 0 도 및 180 도 양자 모두에서 약 125 암페어의 높은 값으로부터, 90 도의 위상 천이에서 약 87 암페어의 낮은 값으로 감소된다.
결과적으로, 두 변조기들 사이의 PWM 주파수들 사이의 위상 천이를 80 도와 100 도 사이, 바람직하게는 실질적으로 90 도만큼 변경함으로써, 리플 전류가 크게 감소된다.
결과적으로, 본 발명이 6상 전기 모터용 전력 계통을 제공한다는 것을 알 수 있다. 전력 계통은 삼상 권선의 제 1 세트 및 삼상 권선의 제 2 세트를 포함한다.
제 1 펄스폭 변조기는, 예를 들어 10 킬로헤르쯔를 넘고 바람직하게는 20 킬로헤르쯔인 변환 주파수에서 동작하며, 제 1 상에서 삼상 권선의 제 1 세트에 전기적으로 연결된다. 이러한 제 1 펄스폭 변조기는 DC 전력원을 전기적으로 모터에 급전하기 위한 교류 전류로 변환한다. 이러한 제 1 펄스폭 변조기는 위상 권선의 제 1 세트에 전기적으로 연결된다.
이와 유사하게, 제 2 펄스폭 변조기 역시 제 1 펄스폭 변조기와 유사한 동일한 변환 주파수에서 그리고 제 2 전기적 상에서 동작한다. 제 2 펄스폭 변조기는 DC 전력원을 삼상 권선의 제 2 세트에 급전하기 위한 교류 전류로 변환한다. 제 2 펄스폭 변조기는 삼상 권선의 제 2 세트에 전기적으로 연결된다.
제 1 및 제 2 펄스폭 변조기의 제 1 상과 제 2 상은 바람직하게는 80 도와 100 도 사이 그리고 더 바람직하게는 90 도만큼 서로로부터 오프셋된다. 두 펄스폭 변조기로부터의 출력의 위상을 오프셋시킴으로써, 권선의 두 삼상 세트는 두 삼상 권선이 서로 동위상으로 급전되는 이전에 공지된 6상 전기 모터와 비교된다.
앞선 설명으로부터, 본 발명이 전기 권선의 피크 전류 흐름을 크게 감소시키는, 6상 전기 모터 용 전력 계통을 제공한다는 것을 알 수 있다. 그러나, 본 발명이 설명되었기 때문에 첨부된 청구 범위에 의해 규정되는 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않으면서 본 발명이 여러 가지로 변형될 수 있다는 것이 당업자에게는 명백할 것이다.

Claims (4)

  1. 6상 전기 모터용 전력 계통으로서,
    삼상 권선의 제 1 세트,
    삼상 권선의 제 2 세트,
    변환 주파수 및 DC 전력원을 교류 전류로 변환하는 제 1 상에서 동작하는 제 1 펄스폭 변조기로서, 상기 제 1 펄스폭 변조기는 상기 삼상 권선의 제 1 세트에 전기적으로 연결되는, 제 1 펄스폭 변조기,
    상기 변환 주파수 및 상기 DC 전력원을 교류 전류로 변환하는 제 2 상에서 동작하는 제 2 펄스폭 변조기로서, 상기 제 2 펄스폭 변조기는 상기 삼상 권선의 제 2 세트에 전기적으로 연결되는, 제 2 펄스폭 변조기를 포함하고,
    상기 제 1 상과 제 2 상은 서로로부터 오프셋되는, 6상 전기 모터용 전력 계통.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 상은 상기 제 1 상으로부터 80 도와 100 도 사이에서 오프셋되는, 6상 전기 모터용 전력 계통.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 상은 상기 제 1 상으로부터 실질적으로 90 도 오프셋되는, 6상 전기 모터용 전력 계통.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 변환 주파수는 10 킬로헤르쯔보다 높은, 6상 전기 모터용 전력 계통.
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