KR101277924B1

KR101277924B1 - 인버터 발전기

Info

Publication number: KR101277924B1
Application number: KR1020110130084A
Authority: KR
Inventors: 나루토시 요코카와; 쥰이치 가나이; 나오유키 마시마
Original assignee: 도시바 기카이 가부시키가이샤
Priority date: 2010-12-07
Filing date: 2011-12-07
Publication date: 2013-06-26
Also published as: DE102011087875A1; KR20120063444A; US20120139239A1; JP5662781B2; JP2012125030A; US8803345B2

Abstract

엔진 및 이 엔진의 각각의 미리 정해진 회전각에서 펄스를 발생시키는 ECU와 함께 사용되는 인버터 발전기는, 엔진에 의해 구동되어 교류 전력을 생성하는 발전기; d'-q' 추정축을 갖고, 펄스로부터 교류 전력의 교류 전압의 초기 전기각을 추정하고, 교류 전력의 교류 전압의 d-q축으로부터의 d'-q' 추정축의 차이로부터 위상 변위각을 계산하여 교류 전력의 교류 전압의 연속적인 전기각을 추정하며, ECU와 전기 접속되는 추정 수단; 위상 변위각에 기초한 d-q 제어하에서 교류 전력을 직류 전력으로 변환하도록 구성되며, 발전기 및 추정 수단과 전기 접속되는 컨버터; 및 직류 전력을 교류 출력 전력으로 변환하도록 구성되며, 컨버터와 전기 접속되는 인버터로 구성된다.

Description

인버터 발전기{INVERTER GENERATOR}

본 발명은, 모터에 의해 생성된 AC 전력이 DC 전력으로 변환되고 나서, 또한 소망하는 주파수를 갖는 AC 전력으로 변환되는 인버터 발전기에 관한 것이다.

엔진에 의해 구동되는 동기식 전기 모터는 교류 전력을 생성하기 위한 발전기로서 사용된다. 발전기는 때때로, 생성된 전력을 직류 전력으로 변환하고 나서, 그 후 출력을 위한 교류 전력으로 변환하는 컨버터를 더 포함한다. 일반적으로 "인버터 발전기"라고 칭하는 그러한 컨버터를 구비하는 발전기는, 본래 동기식 전기 모터에 의해 생성되는 것과는 독립된 출력 전력의 전압 및 주파수의 제어성과 같은 몇몇 이점을 제공한다.

인버터 발전기의 컨버터는 그 변환 모드를 제어하기 위해 동기식 전기 모터에 대한 전기각(electrical angle)에 관한 정보를 필요로 한다. 이에 따라, 인버터 발전기는 지금까지, 이 인버터 발전기의 컨버터에 전기각을 알려주기 위해 인버터 발전기의 동기식 전기 모터 상에 추가의 센서를 구비할 필요가 있다. JP2005-295626 및 JP2007-185099에는 관련 기술이 개시되어 있다.

본 발명은 동기식 전기 모터 상의 추가의 센서 없이 전기각을 추정할 수 있는, 컨버터를 지닌 인버터 발전기를 제공한다.

본 발명의 양태에 따르면, 엔진 및 이 엔진의 각각의 미리 정해진 회전각에서 펄스를 발생시키는 ECU와 함께 사용되는 인버터 발전기는, 엔진에 의해 구동되어 교류 전력을 생성하는 발전기; d'-q' 추정축을 갖고, 펄스로부터 교류 전력의 교류 전압의 초기 전기각을 추정하고, 교류 전력의 교류 전압의 d-q축으로부터의 d'-q' 추정축의 차이로부터 위상 변위각을 계산하여 교류 전력의 교류 전압의 연속적인 전기각을 추정하며, ECU와 전기 접속되는 추정 수단; 위상 변위각에 기초한 d-q 제어하에서 교류 전력을 직류 전력으로 변환하도록 구성되며, 발전기 및 추정 수단과 전기 접속되는 컨버터; 및 직류 전력을 교류 출력 전력으로 변환하도록 구성되며, 컨버터와 전기 접속되는 인버터로 구성된다.

본 발명에 따르면, 동기식 전기 모터 상의 추가의 센서 없이 전기각을 추정할 수 있는, 컨버터를 지닌 인버터 발전기가 제공되며, 이에 따라 인버터 발전기에 추가의 구성 요소를 설치할 필요가 없고, 그 구성이 보다 간단해진다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 인버터 발전기의 블럭 다이어그램.
도 2는 종래 기술의 인버터 발전기의 블럭 다이어그램.
도 3은 예에 따른 인버터 발전기의 컨버터와 ECU 사이의 통신 회로의 회로 다이어그램.
도 4는 다른 예에 따른 인버터 발전기의 컨버터와 ECU 사이의 통신 회로의 회로 다이어그램.
도 5는 발전기에 의해 생성된 교류 전압의 전기각을 추정하는 과정을 도시한 흐름도.
도 6은, ECU 펄스의 상승 에지가 전압파의 제로 크로스 포인트에 대해 위상 변위를 형성하지 않는 경우에, ECU 펄스, 전기각 및 발전기에 유도되는 전압파 간의 타이밍 차트.
도 7은 발전기에 의해 생성된 교류 전압의 초기 전기각을 추정하는 과정을 보여주는 흐름도.
도 8은 ECU 펄스의 상승 에지가 전압파의 제로 크로스 포인트에 대해 약간의 위상 변위를 형성하는 경우에, ECU 펄스, 전기각 및 발전기에 유도되는 전압파 간의 타이밍 차트.
도 9는, 유도 전압이 q축에 대한 소정각(Φ)을 형성하는 것을 보여주는 d-q 평면 상의 벡터 다이어그램.
도 10은, d-q 제어를 실행하도록 d축 전류 및 q축 전류가 측정되는 인버터 발전기의 블럭 다이어그램.
도 11은 사인파와 코사인파의 파형 다이어그램.
도 12는 d-q축으로부터 경사진 d'-q'축 상에서 측정된 전류로부터의 d-q축 상에서 측정된 전류의 차이를 보여주는 벡터 다이어그램.
도 13은 d-q축으로부터 경사진 d'-q'축 상에서 측정된 전류로부터의 d-q축 상에서 측정된 전류의 차이를 보여주는 다른 벡터 다이어그램.
도 14는 PI 보상을 실행하도록 d축 전류와 q축 전류가 측정되는 인버터 발전기의 블럭 다이어그램.

이하에서는 첨부 도면을 참고로 하여 본 발명의 몇몇 실시예를 설명하겠다.

도 1을 주로 참고하면, 본 발명의 실시예의 인버터 발전기(100)는 디젤 엔진, 가솔린 엔진 등과 같은 엔진(11)과, 엔진(11) 상에 설치되는 ECU(19)와 함께 사용된다. 엔진(11)은 커플링(12)을 통해, 일반적인 3상 동기식 전기 모터가 적용될 수 있는 발전기(13)와 구동 가능하게 커플링되고, 이에 따라 U상, V상 및 W상의 3상 교류(AC) 전력을 생성한다. 인버터 발전기(100)는 또한, 3상 AC 전력을, 양극(P) 라인과 음극(N) 라인을 통해 흐르는 직류(DC) 전력으로 변환하는 컨버터(14)와, DC 전력을 R상, S상 및 T상의 3상 AC 전력으로 변환하는 인버터(15)로 구성된다. 인버터 발전기(100)는 또한 노이즈 감소를 목적으로 하는 필터(16)와, 그 RST 라인 상의 브레이커(17)로 구성될 수 있으며, 또한 부하(18)에 접속된다.

컨버터(14)는, 3개의 스위칭 디바이스가 전류 교번에 응답하여 스위칭 작동을 실행하도록 구성되고, 이에 따라 3상 AC 전력을 DC 전력으로 변환하도록 하는 방식으로, IGBT 또는 MOSFET와 다이오드와 같은 스위칭 디바이스들로 구성된다. 또한, 컨버터(14)는 부하(18)에 대한 출력에서의 변화에 응답하여 발전기(13)에 대한 전류를 조정할 수 있고, 이에 따라 엔진(11)의 회전 속도를 높이거나 낮추는 일 없이 발전기(13)에 의한 전력 생성을 조정할 수 있다. 보다 구체적으로 말하자면, 컨버터(14)는 AC 전력을 정류할 뿐만 아니라, 컨버터(14)는 출력에서의 변화에 응답하여 안정화된 DC 전력을 제어 가능하게 생성하는 능력을 갖는다.

컨버터(14)는 AC 전압의 전기각을 추정하고, ECU(19)에 전기 접속되는 추정 수단(14a)을 갖는다. 컨버터(14)에 대한 세부사항은 차후에 설명하겠다.

인버터(15)는 IGBT 또는 MOSFET와 다이오드와 같은 스위칭 디바이스들로 구성되며, 이들 스위칭 디바이스는 제어 가능한 주파수로 스위칭 작동을 실행하도록 구성되며, 이에 따라 DC 전력을 R상, S상 및 T상의 3상 AC 전력으로 변환한다. 보다 구체적으로 말하자면, 인버터(15)는 그 출력 전압과 주파수를 제어 가능하게 변경하도록 구성된다.

ECU(19)는 본 실시예에 대해서 고유한 디바이스가 아니라, 임펄스 타코미터 또는 타코센서의 신호 출력을 위해 엔진 상에 통상적으로 설치되는 디바이스이다. ECU(19)는 엔진(11)의 각각의 미리 정해진 회전 각도에서 펄스를 발생시킨다. ECU(19)는 케이블(51)을 통해 추정 수단(14a)에 전기 접속된다. 이에 따라, ECU(19)는 엔진(11)의 회전 각도에 대응하는 펄스를 판독할 수 있고, 그 후 판독된 펄스를 추정 수단(14a)으로 전송한다.

이와 대조적으로, 도 2에 도시된 바와 같은 종래 기술에 따른 인버터 발전기는 전기각을 판독하기 위한 발전기(13) 상의 위치 센서(52)와, 판독된 전기각을 컨버터(14)로 전송하기 위한 케이블(53)을 구비할 것을 필요로 한다. 이러한 구조는 합리적인데, 그 이유는 엔진(11)은 전기각에 대한 직접적인 정보를 갖지 않지만, 발전기(13)는 전기각에 대한 직접적인 정보를 갖기 때문이다. 이해하다시피, 본 실시예는 종래 기술의 위치 센서(52)를 구비하지 않고, 대신에 ECU(19)와 추정 수단(14a) 사이의 전기 링크를 구비한다. 임펄스 타코미터 또는 타코센서를 지닌 ECU(19)는 대개의 엔진에서 통상적이기 때문에, 본 발명의 실시예는 임의의 추가의 장비 없이도 전기각을 감지하는 것이 가능하다.

ECU(19)와 추정 수단(14a) 사이의 연결부에 관한 몇몇 변형이 있을 수 있다. 도 3은 그러한 변형들 중 하나를 예시한다. ECU(19)는 개방형 컬렉터 타입의 트랜지스터(21)로 이루어지며, 이러한 컬렉터는 단자(22a, 23a)를 통해 컨버터(14)에 있는 DC 소스(27)의 양의 단자와 전기 접속된다. 이미터(emitter)가 직렬로 연결된 단자(22b, 23b)와 레지스터(24, 25)를 통해 DC 소스(27)의 음의 단자와 전기 접속된다.

포토커플러(photocoupler)(26)가 레지스터(25)와 병렬로 연결되며, 이 포토커플러에 있는 발광 다이오드(26a)는 레지스터(25)와 병렬로 연결되고, 이 포토커플러에 있는 포토트랜지스터(26b)는 발광 다이오드(26a)와 광커플링된다. 이에 따라, 포토트랜지스터(26b)는 ECU(19)에서 나온 펄스에 대응하는 신호를 컨버터(14)에 있는 임의의 디바이스에 전송할 수 있다.

도 4는, 2개의 계측 제어기 통신망(Controller Area Network; CAN) 모듈(31, 34)이 ECU(19)와 추정 수단(14a) 사이의 통신을 확립하는 다른 예를 예시한다. ECU(19)에 설치된 CAN 모듈(31)의 CAN_High 라인은 단자(32a), 케이블(35a) 및 단자(33a)를 통해 추정 수단(14a)에 설치된 CAN 모듈(34)의 CAN_High 라인과 전기 접속된다. 이와 동일하게, ECU(19)에 설치된 CAN 모듈(31)의 CAN_Low 라인은 단자(32b), 케이블(35b) 및 단자(33b)를 통해 추정 수단(14a)에 설치된 CAN 모듈(34)의 CAN_Low 라인과 전기 접속된다. 이에 따라, CAN 모듈(31, 34)은 CAN 통신 프로토콜에 의해 ECU(19)에서 나온 펄스에 대응하는 신호를 전송할 수 있다.

인버터 발전기(100)는 추정 수단(14a)이 도 5에 도시된 방식으로 전기각의 추정을 실행하도록 한다.

초기 작동 단계에서, 인버터 발전기(100)는, 발전기(13)를 구동하도록 우선 엔진(11)을 기동시키고(단계 S11), 다음에 발전기(13)에 의해 생성된 교류 전압의 초기 전기각의 추정을 실행하도록(단계 S12) 한다.

도 6을 참고하면, 전기각은 그 값이 0도에서 360도로 연속하여 변하고, 그 후 0도로 복귀한다. 그러한 변화가 반복되기 때문에, 전기각은 도 6의 중앙과 기저에 각각 도시된 바와 같이, 생성된 전압의 사인형 파형과 동기식으로 톱니 파형을 형성한다. 이와 대조적으로, ECU(19)는 직사각형파 펄스(이하, ECU 펄스라고 함)를 출력한다. 이 예에서, ECU(19)는 교류 전압의 각각의 5개의 사이클에서 4개의 펄스를 생성하지만, 이러한 비로 제한되는 것이 아니라, 이러한 비는 단지 예일뿐이다. 초기 전기각의 추정은 톱니 파형에 대한 포인트를 결정하는 ECU 펄스를 참고한다. 그 세부사항은 도 7을 참고하여 아래에서 설명하겠다. 한편, ECU 펄스의 상승 에지가 교류 전압의 제로 크로스 포인트와 일치하는 몇몇 포인트가 이 예에서 확인될 수 있지만, 차후에 다른 예를 설명하겠다.

도 7을 참고로 하여, 초기 전기각의 추정을 설명하겠다. 도 7에서, T는 카운터이고, Ta는 ECU 펄스의 상승 에지들 사이에서 카운트된 값을 나타내며, Q는 추정되는 전기각을 나타내고, Pr은 도 단위의 미리 설정된 위상 변위각을 나타내며, Ep는 일정한 값으로 주어진 엔진의 회전수당 펄스의 개수를 나타내고, Mp는 일정한 값으로 주어진 발전기의 극쌍(pole pair)의 개수를 나타낸다. 우선, 추정 수단(14a)은 ECU(19)에서 나온 ECU 펄스를 카운트하고, 각각의 미리 정해진 기간(예컨대, 4 카운트)에서 ECU 펄스의 상승 에지를 대기하는 상태를 유지한다. 그 후, 추정 수단(14a)은 기간 내에서 상승 에지가 검출되었는지 또는 검출되지 않았는지의 여부를 결정한다(단계 S31). 이 단계는, ECU(19)가 앞에서 가정한 바와 같이 회전수당 4개의 펄스를 출력할 때 회전수당 4회 반복된다. 반복 회수와 기간은 상황에 좌우됨은 물론이다.

상승 에지가 검출되지 않으면(단계 S31에서 아니오), 카운터(T)는 1씩 증분하고(단계 S32), 값 Q는 아래의 공식에 따라 증분한다(단계 S33).

Q ← Q + (Mp/Ep) × (360/Ta) [식 1]

보다 구체적으로 말하자면, 값 Q는 T에 있어서의 각각의 증분당 (Mp/Ep) × (360/Ta)만큼씩 증분된다. 결과적인 값 Q가 360도를 넘으면, 값 Q에서 360을 감산한 후에 얻어진 밸런스가 새로운 값 Q로 주어진다(단계 S34). 이러한 증분 단계는 단계 S31에서 아니오인 동안에 반복된다. 이때, 결과적인 값 Q가 추정된 초기 전기각이다.

상승 에지가 검출되면(단계 S31에서 예), 카운터(T)의 값은, 메모리에 입력되는 Ta로 주어진다(단계 S35). 그 후, 카운터(T)는 0으로 리셋되고(단계 S36), 위상 변위각의 예정값(Pr)은 결과적인 Q값으로 주어지는데(단계 S37), 예정값(Pr)은 이 예에서는 전술한 바와 같이 0이다.

전술한 과정을 반복함으로써, 각각의 4개의 ECU 펄스에서 5개의 초기 전기각이 얻어진다.

ECU 펄스의 임의의 상승 에지가 이 예에서와 같이 교류 전압의 임의의 제로 크로스 포인트와 일치하는 경우는, 엔진(11)과 발전기(13) 사이의 상대각이 미리 적절히 조정되는 경우에 발생한다. 그러한 조정은, ECU 펄스와 생성된 전압이 오실로스코프에 의해 관찰되고, 상기 상대각이 기계적으로 조정되며, 그 후 그러한 관찰하에서 고정되는 경우에 순조롭게 실행될 수 있다. 엔진(11)과 발전기(13) 사이의 상대각이 조정되고 나서, 통상적으로 인버터 발전기의 제작 시기에 고정될 때, 후에 더 이상의 조정이 요구되지 않는다.

그러한 조정이 미리 실행되지 않거나, 또는 변위가 발생하면, ECU 펄스의 상승 에지는 계속해서 도 8에 도시된 바와 같이 교류 전압의 제로 크로스 포인트로부터의 위상 변위를 갖는다. 이 경우, 위상 변위각을 고려해야만 한다. 이러한 방법은 이하에서 설명하겠다.

발전기의 작동 이전에, ECU 펄스와 생성된 전압은 오실로스코프에 의해 관찰된다. 이들 파(波) 상에서, ECU 펄스의 적절한 상승 에지와 교류 전압의 적절한 제로 크로스 포인트를 선택한 후, 이들 사이의 위상 변위를 측정한다. 그 후, 측정된 값이 예정값(Pr)으로 주어진다. 예정값(Pr)은 바람직하게는 추정 수단(14a)에 미리 포함되는 EEPROM 또는 배터리 백업을 지닌 메모리에 저장된다. 인버터 발전기(100)가 기동될 때, 저장된 데이터가 판독된 다음, 예정값(Pr)으로 주어진다. 예정값(Pr)은 도 7에 도시된 초기 전기각 추정에 관하여 전술한 과정에서 이용되고, 이에 따라 추정 과정은 실질적으로 동일한 방식으로 실행될 수 있다.

위상 변위각(Φ)은, 이후에 설명되는 적절한 계산에 기초하여 상이한 방식으로 추정될 수 있다.

도 9는 d-q 평면 상의 생성된 교류 전압의 벡터 다이어그램을 예시하며, 생성된 교류 전압은 q축에 대해 위상 변위각(Φ)을 갖고, 이때 공통 d-q축 분석에서와 같이, q축은 발전기에서의 자속과 평행하고, d축은 발전기에서의 자속에 대해 전기적으로 수직하다.

컨버터(14)는 그 본래의 공통 기능으로서 q축 전압과 d축 전압을 출력할 수 있다. q축 전압(Vq)과 d축 전압(Vd) 모두가 0일 때, q축 전류(Iq)과 d축 전류(Id)는 주어진 유도 전압(V)과 주어진 위상각(Φ)하에서 흐른다. 이때, Vq, Vd, Iq, Id 및 Φ는 아래의 식으로 표현될 수 있다.

Vq = V·cosΦ + R·Iq - p·ω·Ld·Id [식 2], 및

Vd = V·sinΦ + R·Id - p·ω·Lq·Iq [식 3]

상기 식에서, R은 저항을 나타내고, Lq는 q축 인덕턴스를 나타내며, Ld는 d축 인덕턴스를 나타내고, p는 극쌍의 개수를 나타내며, ω는 각속도를 나타낸다.

컨버터(14)가 Vq = Vd = 0의 전압을 출력할 때, cosΦ와 sinΦ는 아래의 식으로 표현된다.

cosΦ = -(R·Iq - p·ω·Ld·Id)/V [식 4]

sinΦ = -(R·Id - p·ω·Lq·Iq )/V [식 5]

식 5에 기초하여, 각도 Φ(아래에서는 Φs)는 아래의 식으로 표현될 수 있다.

Φs = sin^-1{-(R·Id - p·ω·Lq·Iq )/V} [식 6]

식 4에 기초하여, 각도 Φ(아래에서는 Φc)는 아래의 식으로 표현될 수 있다.

Φc = cos^-1{-(R·Iq - p·ω·Ld·Id)/V} [식 7]

각도 Φs 및 Φc는 ±45도의 범위 내에 있는 것으로 가정된다.

sinΦ와 cosΦ의 값에 따라, 각각의 경우는 도 11에 도시되고 아래에서 설명되는 것과 같은 영역 a 내지 영역 h 중 임의의 영역 내에 속한다.

영역 a: cosΦ > 0, sinΦ > 0, |cosΦ| > |sinΦ| Φ = Φs

영역 b: cosΦ > 0, sinΦ > 0, |cosΦ| ≤ |sinΦ| Φ = Φc

영역 c: cosΦ < 0, sinΦ > 0, |cosΦ| < |sinΦ| Φ = Φc

영역 d: cosΦ < 0, sinΦ > 0, |cosΦ| ≥ |sinΦ| Φ = Φs

영역 e: cosΦ < 0, sinΦ < 0, |cosΦ| > |sinΦ| Φ = Φs

영역 f: cosΦ < 0, sinΦ < 0, |cosΦ| ≤ |sinΦ| Φ = Φc

영역 g: cosΦ > 0, sinΦ < 0, |cosΦ| < |sinΦ| Φ = Φc

영역 h: cosΦ > 0, sinΦ < 0, |cosΦ| ≥ |sinΦ| Φ = Φs

상기 식 6 및 식 7에서의 값 R, Lq, Ld 및 p는 미리 측정될 수 있으며, 값 ω는 또한 ECU 펄스를 측정함으로써 측정될 수 있다. 이에 따라, 위상 변위각(Φ)은 계산에 의해 평가될 수 있다. 전압(V)은 식, V = Kv·ω로 표현될 수 있으며, 이 식에서 Kv는 유도 전압 상수이다. 유도 전압 상수(Kv)도 또한 미리 측정될 수 있기 때문에, 유도 전압(V)은 미리 계산될 수 있다.

이러한 분류법은 미리 데이터 테이블로 나누어진 다음, EEPROM 또는 배터리 백업을 지닌 메모리와 같은 적절한 저장부에 저장된다. 추정 수단(14a)은 데이터 테이블을 조회하여, Φs를 선택해야만 하는지 또는 Φc를 선택해야만 하는지의 여부를 결정하고, 그 다음에 선택된 것을 Φ로서 채택한다.

전술한 추정 과정은 q축 전류(Iq)와 d축 전류(Id)를 추정 수단(14a)에 입력할 필요가 있다. 도 10에 도시된 바와 같은 회로가 이러한 목적으로 사용될 수 있다.

도 10에 도시된 회로는 또한, 도 1에 도시된 회로와 비교했을 때, U상 전류 및 V상 전류를 받아들이도록 U상 라인 및 V상 라인과 전기 접속되는 3 대 2상 변압기로 구성된다. 상 변압기는 가상 전기각을 조회하여, U상 전류와 V상 전류를 q축 전류(Iq)와 d축 전류(Id)로 변환한다. 가상 전기각은 EEPROM 또는 배터리 백업을 지닌 메모리와 같은 적절한 저장부에 미리 저장된다.

전술한 바와 같은 위상 변위각(Φ)을 측정할 때, q축 전압(Vq)과 d축 전압(Vd) 모두를 0으로 설정할 것이 요구된다. 그러나, 이러한 조건은 발전기(13)에 있어서의 과전류 흐름을 야기할 수 있다. 과전류 흐름을 방지하기 위해서, 레지스터는 각각 발전기(13) 대신에 U상 라인, V상 라인, W상 라인과 직렬로 연결될 수 있다. 이러한 목적으로, 도 10에 도시된 회로는 각각 U상 라인, V상 라인, W상 라인과 직렬로 연결되는 레지스터(r1, r2, r3)와, 이 레지스터(r1, r2, r3)와 병렬로 연결되는 스위치(SW1, SW2, SW3)로 구성된다.

또한, 측정을 위해서는, 발전기(13)의 저항 및 인덕턴스의 시간 상수보다 5배 정도 긴 적절한 기간 동안 이러한 조건(V=0)을 유지하는 것만으로 충분할 수 있다. 그러한 비교적 짧은 기간은 엔진(11)에 대한 과부하를 회피하는 데 유익하다.

측정된 위상 변위각(Φ)은 일정하게 유지되고, 엔진(11)과 발전기(13) 사이의 관계는 변하지 않는다. 이에 따라, 측정이 실행되고 나면, 일반적으로 더 이상의 측정이 요구되지 않는다. 측정된 위상 변위각(Φ)은 EEPROM 또는 배터리 백업을 지닌 메모리와 같은 적절한 저장부에 저장될 수 있다.

초기 전기각을 추정한 후, 컨버터(14)는 추정된 초기 전기각에 기초한 제어하에 있게 된다. 다음에, 인버터 발전기(100)는 연속 추정 모드로 바꾼다(단계 S15).

도 12 및 도 13은 d-q 평면 및 d'-q' 평면 상의 발생된 교류 전압의 벡터 다이어그램을 예시하고, 이때 d'축과 q'축은 d축과 q축으로부터 가상 전기각(Θ)만큼 떨어져있다.

발전기(13)에 의해 생성된 유도 전압은 q축 상에 나타낸 Kv·ω로 표현된다. 유도 전압 Kv·ω가 d'-q'축 상에서 피드백 전류에 의해 제어될 때, 직접 제어되는 것은 q'축 전류(Iq')(도 12 참고)와 d'축 전류(Id')(도 13 참고)이다.

도 12를 참고하면, 전류(Iq')는 d축 및 q축 상의 전류(Iq1, Id1) 각각으로 분해된다. 이들 전류 성분은 q축 상에서 저항(R)에 의한 Iq1·R 및 인덕턴스(Lq)에 의한 p·ω·Lq·Iq1의 전압 강하를 유발하고, 또한 d축 상에서 저항(R)에 의한 Id1·R 및 인덕턴스(Ld)에 의한 p·ω·Ld·Id1의 전압 강하를 유발한다. 이들 전압 강하는 유도 전압 Kv·ω(q축 전압 Vq)에 더해진다. 그 결과, 이들의 백터합, 즉 V1은 d-q 평면 상에 나타나며, 이는 단지 q'축 전류(Iq')에 의한 제어가 적용될 때, 발전기(13)에서의 유도 전압에 상응한다.

유사한 논의가 도 13에도 적용된다. 전류(Id')는 마찬가지로 전류(Iq2, Id2)로 분해된다. 이들 전류 성분은 q축 상에서 저항(R)에 의한 Iq2·R 및 인덕턴스(Lq)에 의한 p·ω·Lq·Iq2의 전압 강하를 유발하고, 또한 d축 상에서 저항(R)에 의한 Id2·R 및 인덕턴스(Ld)에 의한 p·ω·Ld·Id2의 전압 강하를 유발한다. 이들의 백터합, 즉 V2은 d-q 평면 상에 나타나며, 이는 단지 d'축 전류(Id')에 의한 제어가 적용될 때, 발전기(13)에서의 유도 전압에 상응한다.

사실상, 이들 전압(V1, V2)은 합쳐져야만 한다. 도 12 및 도 13에 도시된 d'축 상의 d'축 전압(Vd')은 아래의 식으로 표현된다.

Vd' = - Kv·ω·sinΘ + p·ω·Iq'·(Ld·sin2Θ + Lq·cos2Θ)

+ Id'·R + p·ω·(Ld - Lq)·Id'·sinΘ·cosΘ [식 8]

비돌극 모터(non-salient pole motor)가 발전기(13)에 적용되면, Lq는 실질적으로 Ld와 동일하다. 이에 따라, Lq는 Ld로 대체되고, 이때 식 8은 sinΘ에 대해 풀어져 아래의 식 9를 제공한다.

sinΘ = (p·ω·Lq·Iq' + Id'·R - Vd')/(Kv·ω) [식 9]

Θ가 -30도 < Θ < 30도 범위와 같이 비교적 작을 때, sinΘ는 Θ와 실질적으로 동일한 것으로 간주된다. 이에 따라, 식 9는 아래의 식 10을 제공한다.

Θ = (p·ω·Lq·Iq' + Id'·R - Vd')/(Kv·ω) [식 10]

컨버터(14)가 d-q 제어를 실행하는 동안, 이 식에서의 각각의 값, Iq', Id' 및 Vd'을 계속해서 측정할 수 있기 때문에, 위상 변위각(Θ)의 실시간 측정이 연속적으로 실시될 수 있다. 이것은, 단계 S12에서 초기 전기각을 추정한 후에 위상 변위각(Θ)이 변할 때의 경우이다. 이에 따라, 측정된 위상 변위각(Θ)에 기초하여 연속적인 전기각이 추정될 수 있다.

상기 설명에서는 비돌극 모터가 발전기로서 예시되어 있지만, 돌극 모터를 사용할 수 있음은 물론이다.

연속적인 전기각을 사용하여 위상 변위각(Θ)을 계속해서 0으로 제어할 수 있다. 이로 인해, 발전기의 제어에서의 효율이 양호해진다.

도 14에 도시된 바와 같은 회로는 추정된 연속적인 전기각에 기초한 d-q 제어를 실행하는 데 사용될 수 있다. 도 14에 도시된 회로는 또한, 도 1에 도시된 회로와 비교했을 때, 컨버터(14)의 피드백 제어를 실행하도록 3 대 2상 변압기와 컨버터(14) 사이의 연결부로 이루어진다. 컨버터(14)에는, q축 전류 명령(Iq')과 d축 전류 명령(Id')이 입력된다. q축 전류(Iq)와 d축 전류(Id)는 각각 피드백으로서 이들 명령(Iq', Id')으로 주어지고, 이에 의해 d-q 제어를 실행한다.

전술한 설명은 ECU(19)가 임펄스 타코미터 또는 타코센서의 신호를 출력하는 데 사용되는 경우에 관한 것이지만, 대신에 임펄스 타코미터 또는 타코센서 자체가 실시예에서 사용될 수 있다.

전술한 실시예는 동기식 전기 모터에 센서를 특별히 추가하는 일 없이 전기각의 추정을 가능하게 한다. 동기식 전기 모터 상의 센서가 생략되었지만, 본 실시예는 종래 기술에 있어서의 전기각의 측정 기능을 유지한다. 실시예는 단지 전술한 바와 같은 인버터 발전기와 조합되는 통상의 구성을 요구한다.

본 발명의 몇몇 실시예를 참고하여 본 발명을 설명하였지만, 본 발명은 전술한 실시예로 제한되는 것이 아니다. 상기 교시의 견지에서 당업자라면 전술한 실시예를 수정 및 변경할 것이다.

11 : 엔진
12 : 커플링
13 : 발전기
14 : 컨버터
14a : 추정 수단
15 : 인버터
16 : 필터
17 : 브레이커
18 : 부하
19 : ECU
100 : 인버터 발전기

Claims

엔진 및 이 엔진의 각각의 미리 정해진 회전각에서 펄스를 발생시키는 ECU와 함께 사용되는 인버터 발전기로서, 상기 인버터 발전기는
엔진에 의해 구동되어 교류 전력을 생성하는 발전기;
d'-q' 추정축을 갖고, 펄스로부터 교류 전력의 교류 전압의 초기 전기각(electrical angle)을 추정하고, 교류 전력의 교류 전압의 d-q축으로부터의 d'-q' 추정축의 차이로부터 위상 변위각을 계산하여 교류 전력의 교류 전압의 연속적인 전기각을 추정하며, ECU와 전기 접속되는 추정 수단;
위상 변위각에 기초한 d-q 제어하에서 교류 전력을 직류 전력으로 변환하도록 구성되며, 발전기 및 추정 수단과 전기 접속되는 컨버터; 및
직류 전력을 교류 출력 전력으로 변환하도록 구성되며, 컨버터와 전기 접속되는 인버터
를 포함하는 것인 인버터 발전기.
제1항에 있어서, 교류 전력의 교류 전압의 제로 크로스 포인트(zero cross point)를 사용하여 펄스의 상승 에지를 조정하도록, 엔진과 발전기를 구동 가능하게 커플링하는 샤프트를 더 포함하는 인버터 발전기.
제1항에 있어서, 상기 추정 수단은 초기 전기각을 추정하기 위한 미리 설정된 위상 변위값을 얻기 위해, 펄스의 상승 에지를 교류 전력의 교류 전압의 제로 크로스 포인트와 비교하는 것인 인버터 발전기.
제3항에 있어서, 상기 추정 수단은, 발전기의 q축 전압과 d축 전압이 0일때, 발전기를 통해 흐르는 전류에 기초하여 미리 설정된 위상 변위값을 계산하는 것인 인버터 발전기.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 추정 수단은 식, Θ = (p·ω·Lq·Iq' + Id'·R - Vd')/(Kv·ω)에 의해 위상 변위각을 계산하며, 상기 식에서 Θ는 위상 변위각을 나타내고, p는 발전기의 극쌍(pole pair)의 개수를 나타내며, ω는 발전기의 각속도를 나타내고, Lq는 q축 인덕턴스를 나타내며, R은 저항을 나타내고, Kv는 유도 전압 상수를 나타내며, Iq'는 q'축 전류를 나타내며, Id'는 d'축 전류를 나타내며, Vd'는 d'축 전압을 나타내는 것인 인버터 발전기.