전기적 드라이브 시스템의 작동 document_id A220623037081

상당 기간 동안, 쉽게 제어되는 반도체 스위치의 가용성은 많은 유형의 전기적 기기의 전자적 제어를 가능하게 하였고, 따라서 전기적 서플라이(Electrical Supply)의 주파수에 의해서 보다는 사용자에 의해서 속도가 제어되는 드라이브 시스템을 제공하였다. 이러한 모든 제어기들은 크든 작든 일종의 피드백 신호들에 의존한다. 서로 다른 유형의 기기들은 서로 다른 제어 방법들을 필요로 하기 때문에, 피드백을 위해 선택된 파라미터들은 전기적 기기가 놓여진(Put) 응용보다는 제어되는 전기적 기기의 유형과 더 관계가 있을 것이다. 스위치 릴럭턴스 시스템(Switched Reluctance System)의 특성과 동작은 당업계에 공지된 사항이며, 예를 들면 여기에 참조로서 편입되는 『Stephenson and Blake, "The characteristics, design and application of switched reluctance motors and drives", PCIM’93, N, 21-24 June, 1993』에 구체화되어 기술되어 있다. 이러한 드라이브를 일반적으로 다루는 방법은 예를 들어, 여기에 참조로서 편입되는 『Miller, T.J.E. "Electronic Control of Switched Reluctance Machines", Newnes, 2001』과 같은 다양한 서적에서 찾을 수 있다. 이 기기들은 경자성 재료(Hard Magnetic Material)가 없는 단일 여자(Single Excited)의 이중 돌출(Doubly Salient) 자성 구조에 의해 특징 지어진다. 도 1은 개략도의 형태로 나타낸 전형적인 스위치 릴럭턴스 드라이브를 도시한 도면이고, 여기서 스위치 릴럭턴스 모터(12)가 부하(19)를 구동한다. DC 입력 파워 서플라이(input DC Power Supply)(11)는 배터리일 수도 있고 정류(Rectify)되고 필터링(Filter)된 교류 전원(AC Mains)일 수도 있다. 파워 서플라이(Power Supply)(11)에 의해 공급되는 직류 전압은 전자 제어 유닛(14)의 제어 하에 파워 컨버터(Power Converter)(13)에 의해 모터(12)의 페이즈 권선(Phase Windings)을 가로질러 스위칭된다. 스위칭은 드라이브의 올바른 동작을 위해 로터의 회전각도(Angle of Rotation)에 정확히 동기화되어야 하며, 로터 위치 감지기(15)는 전형적으로 로터의 각도 위치(Angular Position)에 대응하는 신호를 공급하도록 채택된다. 로터 위치를 정확히 아는 것의 중요성은, 신호의 무결성을 밸리데이트 하기 위하여 디지털 정보의 순서가 모니터(Monitor) 되고 여기에 참조로서 편입되는 US 5723858에 서술된 바와 같은 위치 피드백 신호의 밸리데이션(Validation)을 위한 기술의 발달을 고취시켜 왔다. 많은 서로 다른 파워 컨버터 토폴로지(Topology)들이 알려져 있으며, 위에 언급된 Stephenson의 논문에 그 중 몇 개가 기술되어 있다. 가장 일반적 구성 중에 하나가 폴리페이즈(Polyphase) 시스템의 싱글 페이즈(Single Phase)에 대해 도 2에 도시되었다. 기기의 페이즈 권선(16)은 버스바(Busbar)(26 및 27)를 가로질러 2개의 스위칭 디바이스(21 및 22)와 직렬로 연결되어 있다. 버스바(26 및 27)는 집합적으로 파워 컨버터의 DC 링크(DC Link)라 칭한다. 에너지 회수 다이오드(23 및 24)는, 스위치(21 및 22)가 오픈 되었을 때 권선 전류를 DC링크에게 되흐름(Flow Back) 시키도록 허용하기 위하여 권선(Winding)에 연결된다. "DC링크 캐패시터"로 알려진 캐패시터(25)는, 서플라이(Supply)로부터 오거나 서플라이로 되돌아가지 않는 DC 링크 전류의 교류 성분(즉, 리플 전류)을 소스(Source)하거나 싱크(Sink)하는 DC 링크를 가로질러 연결된다. 실질적 견지에서, 캐패시터(25)는 직렬 및/또는 병렬로 연결된 여러 개의 캐패시터를 포함할 수 있으며, 병렬 연결이 사용된 경우 일부 엘리먼트(Element)는 컨버터 도처에 분산되어 있을 수 있다. 기기로부터 컨버터까지의 전류 피드백은 일반적으로 제어기의 안전한 동작을 위해 필수적인 것으로 간주되고, 당업계에 많은 기술들이 알려져 있다. 도 2에서, 저항(28)은 신호를 공급하기 위하여 하부 스위치(22)와 직렬로 연결된다. 비슷한 배치는 약간 다른 전류의 측정을 위해 저항이 회로의 다른 부분에 놓여져 있으나, 이 모든 것들은 주(Main) 컨버터 회로로부터 전기적으로 고립되지 않는 신호를 공급한다(Similar arrangements place the resistor in other parts of the circuit to give measurements of slightly different currents, but all of these provide a signal which is not electrically isolated from the main converter circuit). 양자택일적으로, 도 1의 18에 도시하듯이 전류 변환기(Current Transducer)의 고립된 형태는 일반적으로 제어 시스템에서 사용하기 더 쉬운 신호를 공급하는 데 사용될 수 있다. 폴리페이즈 시스템은 전형적으로 도 2의 "위상 레그(Phase Leg)" 여러개를 사용하며, 각각은 전기적 기기의 페이즈를 에너자이즈(Energise) 하기 위해 병렬로 연결된 각 페이즈 권선 주위에 스위치와 다이오드 쌍으로 구성된다. 스위치 릴럭턴스 기기의 페이즈 인덕턴스 주기는, 예를 들어 로터폴(Rotor Pole)들과 해당 각각의 스테이터폴(Stator Pole)들이 완전히 정렬될 때의 최대값 사이의 페이즈 혹은 각 페이즈의 인덕턴스의 편차의 기간(Period)이다. 스위치(21 및 22)가 닫혔을 때 컨덕션 각도(Conduction Angle) θc의 지속시간(Duration) 동안 전압이 인가된다. 인가 전압의 시간 적분값인 플럭스(Flux)는 전압이 인가되는 동안 거의 직선적으로 상승한다. 페이즈 권선(16)에서의 전류는 피크(Peak)로 상승하고, 동작점에 따라 떨어진다. 컨덕션 기간(Period)의 끝에서는 스위치들이 열리며 다이오드들에게 전류가 전달되면서, 권선을 가로질러 역링크(Inverted Link) 전압을 설정하고 따라서 플럭스와 전류를 0으로 하락시킨다. 전류가 0일 때, 다이오드들은 도통(Conduct)을 멈추며, 그 페이즈의 이어서 발생하는 컨덕션 기간이 시작될 때까지 회로는 비활성(Inactive)이 된다. 로터 위치 변환기(Rotor Position Transducer)를 불필요하게 만드는 다양한 방법이 제안되었다. 이러한 것들의 몇몇이 여기에 참조로 편입된 『W. F. Ray and I. H. Al-Bahadly, "Sensorless Methods for Determining the Rotor Position of Switched Reluctance Motors", in the Proceedings of The European Power Electronics Conference, Brighton, UK, 13-16 Sep, 1993, Vol. 6, pp. 7-13』에 조사되었다. 전기적으로 구동되는 기기에서 로터 위치 추정(Estimation)에 대하여 제안된 이러한 방법들 중 일부는 다른 값들이 유도될 수 있는 하나 이상의 기기 파라미터에 대한 측정법을 사용한다. 예를 들어, 페이즈 플럭스 링키지(Phase Flux-Linkage)(즉, 시간에 대한 인가된 전압의 적분)와 하나 이상의 페이즈(Phase)에서의 전류가 모니터 된다(예를 들어, 전류 변환기에 의해(도 1의 18 또는 도 2의 28). 위치는 인덕턴스 또는 플럭스 링키지에 대한 편차를 인지하여 각도와 전류의 함수로써 계산된다. 어떤 방법이 사용되든지, 전류와 플럭스 신호가 정확하고 신뢰성이 높아야 하는 것은 필수적이다. 전류 변환기의 결함(Fault) 또는 피드백 경로 상의 망가진 선로(Broken Wire)는 제어기에 심각한 결과를 낳는다. 이러한 것에 대한 보호 제공을 시도하기 위하여 도 3 및 도 4에 오류 감지 방법이 제시되었다. 도 3은 전압이 페이즈에 인가된 후의 예상되는 전류 궤적(Trajectory)과, 예상 피크전류 작은 부분(예를 들어, 2-3%)인 전류 임계(Threshold) It를 도시한다. 도 4는 AND 게이트(50)와 타이머(52)로 구성된 로직 회로를 도시한다. AND 게이트에 대한 x와 y 입력은 페이즈 권선을 위한 스위치, 예를 들어, 도 2의 스위치(21 및 22)의 게이트 신호에 의해 유도된다. 제어기가 두 스위치를 닫기로 결정했을 때, AND 게이트의 출력은 클럭 신호에 의해 유도(Derive)되는 타이머(52)를 인에이블(Enable) 한다. 따라서, 타이머는 출력 라인(Output Line) 상에서 카운트업(Count Up) 한다. 타이머의 리셋 라인(RESET Line)은 임계 전류(Threshold Current) It에 의해 구동되며, 이렇게 하여 임계(Threshold)를 지나가는(Pass) 전류가 흐를 때 타이머 출력 Q가 0으로 유지된다. 따라서, 제어기는 초기 기간 동안 카운터 출력이 상승하지만 그 후에는 0으로 유지되는 것을 보게 될 것이다. 만일 이러한 일이 발생하지 않는다면, 예를 들어, 전류 피드백 신호가 상실되거나 어떤 스위치가 닫힘에 실패하는 등의 결함이 발생했을 수 있다. 이 방법은 많은 응용에서 유익한 것임이 입증되었다. 하지만, 한가지 문제점은 오류를 표시하는 출력 Q의 값이 제어되는 특정 기기에 따라 크게 변한다는 것이다: 50μsec에 해당하는 값은 작은 고속 기기에 적합할 수 있는 반면, 대형의 더 느린 기기는 30msec의 값을 요구할 수 있다. 게다가 전류는, 어떤 합법적 이유에 대하여, 예를 들어 시스템 전압이 심각하게 떨어지거나 페이즈 인덕턴스가 최대일 때의 위치에 로터가 놓이는 경우, 상승이 느려질지도 모른다. 따라서, 오류 조건을 신뢰성 있게 표현하는 타이머 출력값을 선택하기가 어렵다.