WO2014116036A1 - 전동기를 구비한 건설기계의 직류단 전압 제어 장치 및 그 방법 - Google Patents

전동기를 구비한 건설기계의 직류단 전압 제어 장치 및 그 방법 Download PDF

Info

Publication number
WO2014116036A1
WO2014116036A1 PCT/KR2014/000655 KR2014000655W WO2014116036A1 WO 2014116036 A1 WO2014116036 A1 WO 2014116036A1 KR 2014000655 W KR2014000655 W KR 2014000655W WO 2014116036 A1 WO2014116036 A1 WO 2014116036A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
voltage
inverter
converter
motor
request
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/KR2014/000655
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
정은수
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
HD Hyundai Infracore Co Ltd
Original Assignee
Doosan Infracore Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Doosan Infracore Co Ltd filed Critical Doosan Infracore Co Ltd
Priority to EP14743817.0A priority Critical patent/EP2949821B1/en
Priority to CN201480005598.1A priority patent/CN104995357B/zh
Priority to US14/762,860 priority patent/US9725056B2/en
Publication of WO2014116036A1 publication Critical patent/WO2014116036A1/ko
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02F—DREDGING; SOIL-SHIFTING
    • E02F9/00—Component parts of dredgers or soil-shifting machines, not restricted to one of the kinds covered by groups E02F3/00 - E02F7/00
    • E02F9/20—Drives; Control devices
    • E02F9/22—Hydraulic or pneumatic drives
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60R—VEHICLES, VEHICLE FITTINGS, OR VEHICLE PARTS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B60R16/00—Electric or fluid circuits specially adapted for vehicles and not otherwise provided for; Arrangement of elements of electric or fluid circuits specially adapted for vehicles and not otherwise provided for
    • B60R16/02—Electric or fluid circuits specially adapted for vehicles and not otherwise provided for; Arrangement of elements of electric or fluid circuits specially adapted for vehicles and not otherwise provided for electric constitutive elements
    • B60R16/03—Electric or fluid circuits specially adapted for vehicles and not otherwise provided for; Arrangement of elements of electric or fluid circuits specially adapted for vehicles and not otherwise provided for electric constitutive elements for supply of electrical power to vehicle subsystems or for
    • B60R16/033—Electric or fluid circuits specially adapted for vehicles and not otherwise provided for; Arrangement of elements of electric or fluid circuits specially adapted for vehicles and not otherwise provided for electric constitutive elements for supply of electrical power to vehicle subsystems or for characterised by the use of electrical cells or batteries
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02F—DREDGING; SOIL-SHIFTING
    • E02F9/00—Component parts of dredgers or soil-shifting machines, not restricted to one of the kinds covered by groups E02F3/00 - E02F7/00
    • E02F9/08—Superstructures; Supports for superstructures
    • E02F9/10—Supports for movable superstructures mounted on travelling or walking gears or on other superstructures
    • E02F9/12—Slewing or traversing gears
    • E02F9/121—Turntables, i.e. structure rotatable about 360°
    • E02F9/123—Drives or control devices specially adapted therefor
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02F—DREDGING; SOIL-SHIFTING
    • E02F9/00—Component parts of dredgers or soil-shifting machines, not restricted to one of the kinds covered by groups E02F3/00 - E02F7/00
    • E02F9/20—Drives; Control devices
    • E02F9/2058—Electric or electro-mechanical or mechanical control devices of vehicle sub-units
    • E02F9/2062—Control of propulsion units
    • E02F9/2075—Control of propulsion units of the hybrid type
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02F—DREDGING; SOIL-SHIFTING
    • E02F9/00—Component parts of dredgers or soil-shifting machines, not restricted to one of the kinds covered by groups E02F3/00 - E02F7/00
    • E02F9/20—Drives; Control devices
    • E02F9/2058—Electric or electro-mechanical or mechanical control devices of vehicle sub-units
    • E02F9/2091—Control of energy storage means for electrical energy, e.g. battery or capacitors
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02F—DREDGING; SOIL-SHIFTING
    • E02F9/00—Component parts of dredgers or soil-shifting machines, not restricted to one of the kinds covered by groups E02F3/00 - E02F7/00
    • E02F9/20—Drives; Control devices
    • E02F9/2058—Electric or electro-mechanical or mechanical control devices of vehicle sub-units
    • E02F9/2095—Control of electric, electro-mechanical or mechanical equipment not otherwise provided for, e.g. ventilators, electro-driven fans
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D29/00—Controlling engines, such controlling being peculiar to the devices driven thereby, the devices being other than parts or accessories essential to engine operation, e.g. controlling of engines by signals external thereto
    • F02D29/04—Controlling engines, such controlling being peculiar to the devices driven thereby, the devices being other than parts or accessories essential to engine operation, e.g. controlling of engines by signals external thereto peculiar to engines driving pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D29/00—Controlling engines, such controlling being peculiar to the devices driven thereby, the devices being other than parts or accessories essential to engine operation, e.g. controlling of engines by signals external thereto
    • F02D29/06—Controlling engines, such controlling being peculiar to the devices driven thereby, the devices being other than parts or accessories essential to engine operation, e.g. controlling of engines by signals external thereto peculiar to engines driving electric generators
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60K—ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PROPULSION UNITS OR OF TRANSMISSIONS IN VEHICLES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PLURAL DIVERSE PRIME-MOVERS IN VEHICLES; AUXILIARY DRIVES FOR VEHICLES; INSTRUMENTATION OR DASHBOARDS FOR VEHICLES; ARRANGEMENTS IN CONNECTION WITH COOLING, AIR INTAKE, GAS EXHAUST OR FUEL SUPPLY OF PROPULSION UNITS IN VEHICLES
    • B60K6/00—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines
    • B60K6/20—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines the prime-movers consisting of electric motors and internal combustion engines, e.g. HEVs
    • B60K6/42—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines the prime-movers consisting of electric motors and internal combustion engines, e.g. HEVs characterised by the architecture of the hybrid electric vehicle
    • B60K6/46—Series type
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60W—CONJOINT CONTROL OF VEHICLE SUB-UNITS OF DIFFERENT TYPE OR DIFFERENT FUNCTION; CONTROL SYSTEMS SPECIALLY ADAPTED FOR HYBRID VEHICLES; ROAD VEHICLE DRIVE CONTROL SYSTEMS FOR PURPOSES NOT RELATED TO THE CONTROL OF A PARTICULAR SUB-UNIT
    • B60W2300/00—Indexing codes relating to the type of vehicle
    • B60W2300/17—Construction vehicles, e.g. graders, excavators
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/62—Hybrid vehicles

Definitions

  • the present invention relates to an apparatus and method for controlling DC voltage of a construction machine having an electric motor.
  • hybrid systems include heavy-duty hybrid systems such as hybrid cars and excavators.
  • an engine is used as a power source to drive a final boom, an arm and a bucket through a medium of hydraulic pressure, and performs an operation of turning or traveling.
  • the hybrid excavator system can improve the overall efficiency of the excavator system by additionally installing two motors and an electric storage device in a typical excavator.
  • the main components added to the hybrid excavator system include motors, energy storage devices, inverters and converters.
  • the energy storage device includes a battery and an ultra-capacitor (UC).
  • the DC short-circuit voltage required for the power conversion of the inverter and the converter in the hybrid excavator varies due to the output of the engine auxiliary motor and the unbalance of the output of the swinging motor. Therefore, a converter for an energy storage device for keeping the DC voltage constant is applied.
  • the reference voltage for determining the charge / discharge operation of the converter that is, the command voltage of the DC voltage controller has a constant value regardless of the operation of the construction machine.
  • the command voltage is selected to be large so as to cover all the speed and torque range of the engine auxiliary motor and the swing motor.
  • a method of controlling the DC voltage of the hybrid excavator is as follows.
  • an engine auxiliary inverter connected to a dc terminal, a swing drive inverter, and a converter for an energy storage device are constituted by semiconductor switches.
  • the energy loss occurring during the operation of the semiconductor switch is proportional to the output current, switching frequency, and DC voltage.
  • the magnitude of the output current is determined by the load conditions.
  • the switching frequency is mainly determined by the magnitude of the output stage inductance and the current pulsation.
  • the DC voltage is mainly designed to be the maximum voltage capable of handling all the speed and torque range of the engine auxiliary motor and the swing motor within the voltage range allowed by the semiconductor switch.
  • the present invention has been made to solve the above problems, and it is an object of the present invention to provide a power conversion apparatus, an inverter and a converter, which can optimize the DC voltage in consideration of the operating conditions of a swing motor, an engine auxiliary motor, And to provide a method for controlling a DC voltage of a construction machine having an electric motor and a method thereof.
  • a method of controlling at least one electric motor comprising the steps of: converting at least one electric motor into at least one electric motor, At least one inverter; A converter connected to an energy storage device for storing regenerative power generated by the at least one motor to control the energy storage device; A DC-side capacitor connected between the at least one inverter and the converter, the DC-side capacitor being powered via the at least one inverter, or recovering the regenerated power through the converter; And a controller configured to generate at least one inverter request voltage required by each of the at least one inverter and a converter request voltage required by the converter and to generate a converter request voltage based on the generated at least one inverter request voltage and the converter request voltage, And a control unit for variably controlling the DC voltage of the DC motor of the construction machine.
  • the efficiency of the power conversion apparatus as well as the efficiency of the entire system can be increased.
  • the present invention is not limited to a hybrid construction machine, and is also applicable to an electric excavator having an energy storage device and a swing motor. This case can be applied by removing only the role of the engine auxiliary motor in the above description.
  • an electric motor may be used instead of the swing motor.
  • FIG. 1 is a block diagram of a hybrid construction machine including a DC voltage controller according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a configuration diagram of an electric construction machine including a DC voltage controller according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a detailed block diagram of a control unit of the DC voltage controller according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a block diagram for generating an inverter request voltage in a DC voltage controller according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG.
  • FIG. 5 is an explanatory diagram of a conventional fixed DC voltage control method.
  • FIG. 6 is an explanatory diagram of a variable DC voltage control method according to an embodiment of the present invention.
  • first, second, etc. used in this specification can be used to describe various elements, but the elements should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.
  • first component may be referred to as a second component, and similarly, the second component may also be referred to as a first component.
  • FIG. 1 is a block diagram of a hybrid construction machine including a DC voltage controller according to an embodiment of the present invention.
  • the hybrid construction machine 100 includes a hydraulic pump 101, a boom cylinder 102, an arm cylinder 103, a bucket cylinder 104, an engine 10, an engine auxiliary electric motor 110, An auxiliary inverter 111, a swing motor 120, a pivoting inverter 121, an energy storage device 130, a DC-DC converter 131, a DC capacitor 140, and a controller 150 .
  • a construction machine for example, an excavator, a wheel loader or the like
  • an electric rotary electric motor 120 can be largely divided into a hybrid construction machine 100 and an electric construction machine (FIG. 2) depending on whether the engine 10, have.
  • the hybrid construction machine 100 will be described below with emphasis on the description of the present invention, and a description of the electric construction machine will be given with reference to FIG.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a hybrid construction machine 100. As shown in FIG.
  • the illustrated engine auxiliary electric motor 110 is directly connected to the engine 10.
  • the hydraulic pump 101 connected to the engine auxiliary electric motor 110 is connected to a control valve for controlling the hydraulic pressure of the hydraulic pump 101.
  • the boom cylinder 102, the arm cylinder 103 and the bucket cylinder 104 which drive the boom, the arm and the bucket are driven through the pressure oil delivered from the control valve.
  • the engine auxiliary motor 110 directly connected to the engine 10 operates as an electric motor when the output of the engine 10 is low and operates as a generator when there is a margin in the output of the engine 10.
  • the auxiliary inverter 111 controls the engine auxiliary electric motor 110 to operate the engine auxiliary electric motor 110 as a motor or a generator and drives the engine auxiliary electric motor 110 according to the command of the controller 150.
  • a DC terminal capacitor (140) is connected to the input terminal of the auxiliary inverter (111).
  • the DC capacitor 140 stabilizes the input voltage of the auxiliary inverter 111 and temporarily stores the energy generated when the engine auxiliary motor 110 operates as a generator.
  • the swing motor 120 rotates the swivel body of a hybrid construction machine (e.g., an excavator, etc.)
  • the swing inverter 121 drives the swing motor 120 and is connected to the DC capacitor 140.
  • the swing inverter 121 for driving the swing motor 120 performs an acceleration or deceleration operation in accordance with the lever command of the hybrid construction machine 100.
  • the swing inverter 121 operates the swing motor 120 as a motor at the time of acceleration and operates as a generator at the time of deceleration to convert rotational inertia energy of the swing upper body of the hybrid construction machine 100 into electrical energy, 140).
  • the energy storage device 130 stores the regenerated energy.
  • the energy storage device 130 is connected to a DC-DC converter 131 for controlling charging and discharging of the energy storage device 130.
  • the controller 150 controls the power flow of the entire hybrid construction machine 100 so that the engine auxiliary motor 110 determines the amount of output when operating as a motor and the amount of output when operating as a generator, And controls the stored energy amount.
  • the engine 10 provides the hydraulic pump 101 with the power required for the operation of the hybrid construction machine 100.
  • the engine auxiliary electric motor 110 directly connected to the engine 10 operates as a generator.
  • the spare energy of the engine 10 is supplied to the DC capacitor 140 through the auxiliary inverter 111.
  • the DC-DC converter 131 for controlling the energy storage device 130 senses the DC voltage, stores the DC energy in the energy storage device 130 when the DC voltage increases, Is controlled to be constant.
  • the engine auxiliary electric motor 110 operates as a motor and uses the energy stored in the DC stage.
  • DC converter 131 that controls energy storage device 130 supplies energy stored in energy storage device 130 to DC capacitor 140 and supplies DC energy to DC capacitor (140) is constant.
  • the swing motor 120 rotates the swivel upper body in accordance with a lever command for driving the swivel body of the hybrid construction machine 100.
  • the swing motor 120 accelerates the motor using the energy stored in the DC capacitor 140 during acceleration.
  • the voltage of the DC capacitor 140 decreases due to the energy used in the swing motor 120, and the DC-DC converter 131 supplies the energy used in the acceleration of the swing motor 120 to the DC stage, So that the voltage of the stage is constant.
  • the swing motor 120 When the swing upper body of the hybrid construction machine 100 is decelerated, the swing motor 120 is operated as a generator to generate a braking torque and the generated energy is supplied to the DC capacitor 140, so that the voltage of the DC capacitor 140 .
  • the DC-DC converter 131 stores the increased energy in the energy storage device 130 and controls the DC voltage to be constant.
  • the DC voltage controller controls the operation conditions of the engine auxiliary electric motor 110, the swing motor 120, and the energy storage device 130,
  • the energy efficiency of the power conversion apparatus such as the auxiliary inverter 111, the pivoting inverter 121 and the DC-DC converter 131 can be increased by changing the DC step voltage.
  • the DC voltage control apparatus includes at least one inverter connected to at least one motor (the engine auxiliary motor 110 and the swing motor 120 in FIG. 1) (DC-DC converter 131 in Fig. 1) for controlling the energy storage device 130, a DC capacitor 140, and a control unit 150 .
  • the controller 150 is connected to the current detector 151, the position detector 152 and the voltage detector 153. All of the above-described components are not necessarily required, and some of them may be omitted.
  • the auxiliary inverter 111 and the pivoting inverter 121 are connected to the auxiliary electric motor 110 and the swing electric motor 120 which convert electric energy into mechanical energy or regenerate mechanical energy into electric energy, And the swing motor (120).
  • the DC-DC converter 131 is connected to an energy storage device 130 for storing regenerative power generated by at least one motor to control the energy storage device 130.
  • the DC capacitor 140 is connected between the auxiliary inverter 111, the pivoting inverter 121 and the DC-DC converter 131 and supplies electric power through the auxiliary inverter 111 and the pivoting inverter 121 Or recovers power regenerated through the DC-DC converter 131.
  • the control unit 150 generates at least one inverter required voltage requested by the auxiliary inverter 111 and the pivoting inverter 121 and a converter required voltage required by the DC-DC converter 131. [ At this time, the controller 150 generates the respective inverter request voltages using at least one of the motor speed, the output current, and the inverter output voltage command corresponding to each inverter. Also, the controller 150 generates the converter request voltage using the energy storage device voltage corresponding to the DC-DC converter 131 or the converter output voltage command.
  • the control unit 150 variably controls the DC voltage of the DC capacitor 140 based on the generated at least one inverter request voltage and the converter request voltage.
  • the controller 150 calculates the maximum required voltage among the generated at least one inverter request voltage and the converter request voltage and variably controls the DC terminal voltage of the DC terminal capacitor 140 according to the calculated required maximum voltage .
  • the controller 150 may variably control the DC voltage of the DC capacitor 140 according to the maximum required voltage to which the predetermined voltage margin is added and the predetermined voltage margin is added.
  • FIG. 2 is a configuration diagram of an electric construction machine including a DC voltage controller according to an embodiment of the present invention.
  • the electric construction machine 200 includes a hydraulic pump electric motor 210 that does not have the engine 10 but drives the hydraulic pump 101, unlike the hybrid excavator 110 of FIG. 1, And an auxiliary inverter (211).
  • the embodiment of the present invention is not limited to the hybrid excavator 110 in FIG. 1 but is also applicable to the electric excavator 200 having the energy storage device 140 and the swing motor 120. It is also applicable to an electric loader that uses an electric motor instead of a swing motor.
  • FIG. 3 is a detailed block diagram of a control unit of the DC voltage controller according to the embodiment of the present invention.
  • the controller 150 includes a first inverter request voltage generator 310, a second inverter request voltage generator 320, a converter request voltage generator 330, a DC voltage command generator (340) and a DC voltage controller (350).
  • the first inverter request voltage generator 310 receives the speed of the swing motor 120, the output current, and the inverter output voltage command to generate a first inverter request voltage.
  • the second inverter request voltage generator 320 receives the speed of the engine auxiliary motor 110, the output current, and the inverter output voltage command to generate a second inverter request voltage.
  • the converter request voltage generator 330 receives the voltage of the energy storage device 130 and the converter output voltage command to generate a converter request voltage.
  • the direct current voltage command generating unit 340 generates a direct voltage command from the first inverter requested voltage generating unit 310, the second inverter requested voltage generating unit 320, and the converter required voltage generating unit 330, Calculates the maximum required voltage from the second inverter request voltage and the converter request voltage, and generates the DC step voltage command according to the calculated maximum required voltage.
  • the DC voltage controller 350 variably controls the DC voltage of the DC capacitor 140 according to the generated DC voltage command.
  • the auxiliary inverter 111 and the pivoting inverter 121 can operate normally.
  • the magnitude of the minimum direct current voltage required by the auxiliary inverter 111 and the pivoting inverter 121 can be obtained from the phase voltage command of the auxiliary inverter 111 and the pivoting inverter 121.
  • V dc and V inv represent the magnitude of the DC voltage and the minimum voltage required by each inverter.
  • the phase voltage V phase represents the phase voltage peak value in the steady state, and is determined by the speed and the output current of each motor. This relationship can be represented by a phasor as shown in Equation (2) below.
  • V phase , I phase, and E represent the phase voltage, phase current, and counter electromotive force expressed in the respective papers.
  • ⁇ , L, and R denote the motor speed, phase inductance, and phase resistance, respectively.
  • the magnitude of the counter electromotive force is proportional to the magnitude of the field magnetic flux and the rotation speed as shown in the following equation (3).
  • the DC voltage command generator 340 calculates the DC voltage required by each inverter and the converter, and sets the largest value among them as the DC voltage command of the DC voltage controller 350, As shown in Equation (4).
  • the margin may be about 10 to 20%, and the DC voltage may be controlled as shown in the example of FIG.
  • FIG. 4 is a block diagram for generating an inverter request voltage in a DC voltage controller according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG.
  • FIG. 4 is a block diagram illustrating a process of generating an inverter request voltage using an inverter output voltage command.
  • the speed controller or torque command generator 410 generates a torque or current command.
  • the turning inverter controller 420 generates an inverter output voltage command using the generated torque or current command.
  • the pulse width modulation (PWM) generator 430 controls the inverter 121 for turning according to the generated inverter output voltage command.
  • Equation (2) When the voltage required by the inverter is generated through Equation (2), there may occur a problem that the DC short voltage command frequently fluctuates when there is pulsation of the current magnitude at the time of actual motor operation. In this case, it is possible to reduce the influence of this current pulsation by filtering the current and calculating or using the current command to generate the required voltage.
  • Another method for obtaining the voltage required by each inverter is to directly use the inverter output voltage command of the inverter controller 420 for pivoting in the control unit 150. [ In this case, it is possible to reduce the difference between the result of Equation (2) and the actual required voltage due to the parameter error of the motor such as phase resistance, phase inductance and counter electromotive force constant.
  • the low-pass filter 440 shown in FIG. 4 low- Voltage can be generated.
  • FIG. 5 is an explanatory diagram of a conventional fixed DC voltage control method
  • FIG. 6 is an explanatory diagram of a variable DC voltage control method according to an embodiment of the present invention.
  • the conventional fixed DC voltage control method is a DC voltage control method in which the DC stepped voltage 508, regardless of the swing motor required voltage 502, the engine auxiliary motor required voltage 504 and the energy storage device voltage 506, ) Is fixedly controlled. At this time, DC terminal voltage 508 is kept excessively large, resulting in unnecessary loss.
  • variable direct-current voltage control method includes the swing motor required voltage 502, the engine auxiliary motor required voltage 504, and the energy storage device voltage 506 It is possible to appropriately change the DC voltage 508 in accordance with the maximum required voltage among the swing motor required voltage 502, the engine auxiliary motor required voltage 504 and the energy storage device voltage 506 in consideration of the power conversion The energy efficiency of the device can be increased.
  • embodiments of the present invention may be implemented by hardware, firmware, software, or a combination thereof.
  • the method according to embodiments of the present invention may be implemented in one or more application specific integrated circuits (ASICs), digital signal processors (DSPs), digital signal processing devices (DSPDs), programmable logic devices (PLDs) Field programmable gate arrays (FPGAs), processors, controllers, microcontrollers, microprocessors, and the like.
  • ASICs application specific integrated circuits
  • DSPs digital signal processors
  • DSPDs digital signal processing devices
  • PLDs programmable logic devices
  • FPGAs Field programmable gate arrays
  • processors controllers, microcontrollers, microprocessors, and the like.
  • the method according to embodiments of the present invention may be implemented in the form of a module, a procedure or a function for performing the functions or operations described above.
  • the software code can be stored in a memory unit and driven by the processor.
  • the memory unit may be located inside or outside the processor, and may exchange data with the processor by various well-known means.
  • bucket cylinder 110 engine auxiliary motor
  • auxiliary inverter 120 rotating electric motor
  • DC-DC converter 140 DC capacitor
  • control unit 151 current detector

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mining & Mineral Resources (AREA)
  • Civil Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)
  • Operation Control Of Excavators (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)
  • Control Of Eletrric Generators (AREA)
  • Control Of Ac Motors In General (AREA)

Abstract

본 명세서에서 제시되는 일 실시예는 선회 전동기, 엔진 보조 전동기 및 에너지 저장장치의 운전 조건을 고려하여 직류단 전압을 최적의 전압 크기로 변경함으로써 인버터 및 컨버터와 같은 전력 변환 장치의 에너지 효율을 증대시킬 수 있는, 전동기를 구비한 건설기계의 직류단 전압 제어 장치 및 그 방법을 제공하고자 한다.

Description

전동기를 구비한 건설기계의 직류단 전압 제어 장치 및 그 방법
본 발명은 전동기를 구비한 건설기계의 직류단 전압 제어 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
최근에는 유가의 급격한 상승과 함께 엔진의 잉여 동력을 배터리에 저장하고 엔진의 부족한 동력을 배터리로부터 공급하여 연비를 개선한 하이브리드 형태의 건설기계에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
이와 같이, 엔진과 전기 모터를 공통 동력원으로 사용하고 전기에너지 저장장치가 있는 시스템을 하이브리드 시스템이라 한다. 예를 들어, 하이브리드 시스템에는 하이브리드 자동차 및 굴삭기와 같은 중장비용 하이브리드 시스템이 있다.
일반적인 굴삭기 시스템은 엔진을 동력원으로 하여 유압이라는 매개체를 통해서 최종 부하인 붐, 암 및 버켓을 구동하고, 선회시키거나 주행하는 동작을 수행한다. 이와 다르게, 하이브리드 굴삭기 시스템은 일반적인 굴삭기에 2개의 모터와 전기저장 장치를 추가로 설치함으로써, 굴삭기 시스템의 전체 효율을 향상시킬 수 있다. 하이브리드 굴삭기 시스템에 추가되는 주요 부품은 모터, 에너지 저장장치, 인버터 및 컨버터를 포함한다. 여기서, 에너지 저장장치는 배터리(Battery) 및 울트라 캐패시터(Ultra-Capacitor, UC)를 포함한다.
일반적으로, 하이브리드 굴삭기에서 인버터와 컨버터의 전력 변환에 필요한 직류단 전압은 엔진 보조 전동기의 출력, 선회 전동기의 출력의 불평형으로 인해 변동된다. 따라서, 직류단 전압을 일정하게 유지하기 위한 에너지 저장장치용 컨버터가 적용되고 있다.
이때, 컨버터의 충방전 동작을 결정하는 기준 전압, 즉 직류단 전압 제어기의 지령 전압은 건설기계의 운전과 상관없이 일정한 값을 가진다. 또한, 이 지령 전압은 엔진 보조 전동기, 선회 전동기의 운전 가능한 모든 속도 및 토크 영역을 감당할 수 있도록 큰 값으로 선정된다.
이러한 하이브리드 굴삭기의 직류단 전압을 제어하는 방법은 다음과 같다. 일반적으로 직류단에 연결된 엔진 보조용 인버터, 선회 구동용 인버터, 에너지 저장장치용 컨버터는 반도체 스위치로 구성된다. 반도체 스위치의 구동 중 발생하는 에너지 손실은 출력되는 전류, 스위칭 주파수, 직류단 전압에 비례한다. 출력되는 전류의 크기는 부하 조건에 의해 결정된다. 스위칭 주파수는 출력단 인덕턴스와 전류 맥동의 크기에 의해 주로 결정된다. 직류단 전압의 경우는 반도체 스위치가 허용하는 전압 범위 내에서 엔진 보조 전동기, 선회 전동기의 운전 가능한 모든 속도 및 토크 영역을 감당할 수 있는 최대 전압으로 주로 설계된다.
이처럼 하이브리드 굴삭기에서 엔진 보조 전동기 또는 선회 전동기가 저속으로 구동되면, 인버터 구동과 상관없이 직류단 전압이 지나치게 크게 유지되어 불필요한 손실이 발생하게 된다. 특히, 저속 고토크 영역에서의 손실에 큰 문제점이 있다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 선회 전동기, 엔진 보조 전동기 및 에너지 저장장치의 운전 조건을 고려하여 직류단 전압을 최적으로 변경함으로써 인버터 및 컨버터와 같은 전력 변환 장치의 에너지 효율을 증대시킬 수 있는, 전동기를 구비한 건설기계의 직류단 전압 제어 장치 및 그 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
전술한 목적을 달성하기 위하여, 본 명세서에서 제시되는 실시 예에 따르면, 전기 에너지를 기계 에너지로 변환하거나 기계 에너지를 전기 에너지로 회생하는 적어도 하나의 전동기와 각각 연결되어 상기 적어도 하나의 전동기를 제어하기 위한 적어도 하나의 인버터; 상기 적어도 하나의 전동기에서 발생된 회생 전력을 저장하는 에너지 저장장치와 연결되어 상기 에너지 저장장치를 제어하기 위한 컨버터; 상기 적어도 하나의 인버터 및 상기 컨버터 사이에 연결되고, 상기 적어도 하나의 인버터를 통해 전력을 공급받거나, 상기 컨버터를 통해 상기 회생된 전력을 회수하는 직류단 캐패시터; 및 상기 적어도 하나의 인버터 각각이 요구하는 적어도 하나의 인버터 요구 전압 및 상기 컨버터에서 요구하는 컨버터 요구 전압을 생성하고, 상기 생성된 적어도 하나의 인버터 요구 전압 및 상기 컨버터 요구 전압에 기초하여 상기 직류단 캐패시터의 직류단 전압을 가변적으로 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동기를 구비한 건설기계의 직류단 전압 제어 장치가 제공될 수 있다.
한편, 본 명세서에서 제시되는 실시 예에 따르면, 적어도 하나의 전동기와 각각 연결된 적어도 하나의 인버터에서 요구하는 적어도 하나의 인버터 요구 전압을 생성하는 인버터 요구 전압 생성 단계; 에너지 저장장치와 연결된 컨버터에서 요구하는 컨버터 요구 전압을 생성하는 컨버터 요구 전압 생성 단계; 및 상기 적어도 하나의 인버터를 통해 전력을 공급받거나, 상기 컨버터를 통해 상기 회생된 전력을 회수하는 직류단 캐패시터의 직류단 전압을 상기 생성된 적어도 하나의 인버터 요구 전압 및 상기 컨버터 요구 전압에 기초하여 가변적으로 제어하는 전압 제어 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동기를 구비한 건설기계의 직류단 전압 제어 방법이 제공될 수 있다.
본 명세서에서 제시된 실시 예에 따르면, 직류단 전압을 가변 제어함으로써, 전력변환장치의 에너지 효율을 증대시키고 손실 전력을 감소실 수 있다.
또한, 본 명세서에서 제시된 실시 예에 따르면, 손실 전력의 감소를 통해 냉각 시스템에서 사용되는 전력의 감소시킴으로써, 전력 변환 장치의 효율뿐만 아니라 전체 시스템의 효율을 증대시킬 수 있다.
또한, 본 명세서에서 제시된 실시 예에 따르면, 하이브리드 건설기계에 국한되지 않으며, 에너지 저장장치와 선회 전동기를 가지는 전기 굴삭기에도 적용 가능하다. 이 경우는 앞서의 설명에서 엔진 보조 전동기의 역할만을 제거하여 적용될 수 있다. 여기서, 전기식 건설기계인 경우, 선회 전동기 대신 전동식 주행 전동기가 적용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 직류단 전압 제어 장치가 포함된 하이브리드 건설기계의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 직류단 전압 제어 장치가 포함된 전기식 건설기계의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 직류단 전압 제어 장치의 제어부의 상세 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 직류단 전압 제어 장치에서 인버터 요구 전압 생성에 대한 블록도이다.
도 5는 종래의 고정적인 직류단 전압 제어 방법에 대한 설명도이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 가변적인 직류단 전압 제어 방법에 대한 설명도이다.
본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 본 명세서에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 기술적인 용어가 본 발명의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는, 당업자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에서 사용되는 일반적인 용어는 사전에 정의되어 있는 바에 따라, 또는 전후 문맥상에 따라 해석되어야 하며, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 발명의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 발명의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 직류단 전압 제어 장치가 포함된 하이브리드 건설기계의 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 하이브리드 건설기계(100)는 유압 펌프(101), 붐 실린더(102), 암 실린더(103), 버켓 실린더(104), 엔진(10), 엔진 보조 전동기(110), 보조용 인버터(111), 선회 전동기(120), 선회용 인버터(121), 에너지 저장장치(130), DC-DC 컨버터(131), 직류단 캐패시터(140) 및 제어부(150)를 포함한다.
전기식 선회 전동기(120)를 가지는 건설기계(예컨대, 굴삭기, 휠로더 등)는 주 동력원인 엔진(10)의 존재 여부에 따라 크게 하이브리드 건설기계(100)와 전기식 건설기계(도 2)로 구분될 수 있다. 본 발명의 설명 편의상 하이브리드 건설기계(100)에 대해 중점적으로 설명하고, 이후 전기식 건설기계에 대한 설명을 도 2를 참조하여 설명하도록 한다.
도 1은 하이브리드 건설기계(100)에 관한 구성도이다.
도시한 엔진 보조 전동기(110)는 엔진(10)에 직결되어 있다.
엔진 보조 전동기(110)에 직결된 유압 펌프(101)는 유압 펌프(101)의 압유를 제어하는 컨트롤 밸브와 연결되어 있다. 컨트롤 밸브로부터 전달된 압유를 통해 붐, 암, 버켓을 구동하는 붐 실린더(102), 암 실린더(103) 및 버켓 실린더(104)이 구동된다.
엔진(10)과 직결된 엔진 보조 전동기(110)는 엔진(10)의 출력 부족 시, 전동기로 동작하고, 엔진(10)의 출력에 여유가 있을 경우 발전기로 동작한다.
보조용 인버터(111)는 엔진 보조 전동기(110)를 모터 또는 발전기로 동작시키기 위해 엔진 보조 전동기(110)를 제어하고, 제어부(150)의 지령에 따라 엔진 보조 전동기(110)를 구동한다.
보조용 인버터(111)의 입력 단에는 직류단 캐패시터(140)가 연결되어 있다. 직류단 캐패시터(140)는 보조용 인버터(111)의 입력 전압을 안정화하고 엔진 보조 전동기(110)가 발전기로 동작 시, 발생된 에너지를 일시적으로 저장하는 역할을 수행한다.
선회 전동기(120)는 하이브리드 건설기계(예컨대, 굴삭기 등)(100)의 선회 상체를 회전시킨다. 선회용 인버터(121)는 선회 전동기(120)를 구동하고, 직류단 캐패시터(140)에 연결되어 있다.
선회 전동기(120)를 구동하는 선회용 인버터(121)는 하이브리드 건설기계(100)의 레버 지령에 따라 가속 또는 감속운전을 수행한다. 선회용 인버터(121)는 가속 시에는 선회 전동기(120)를 모터로 동작시키고 감속 시에는 발전기로 동작시켜 하이브리드 건설기계(100)의 선회 상체의 회전 관성 에너지를 전기 에너지로 변환하여 직류단 캐패시터(140)로 공급한다.
에너지 저장장치(130)는 회생된 에너지를 저장한다. 에너지 저장장치(130)는 에너지 저장장치(130)의 충전 및 방전을 제어하는 DC-DC 컨버터(131)와 연결되어 있다.
제어부(150)는 하이브리드 건설기계(100) 전체의 전력의 흐름을 제어하여 엔진 보조 전동기(110)가 모터로 동작 시의 출력량과 발전기로 동작 시의 출력량을 결정하고, 에너지 저장장치(130)에 저장된 에너지량을 제어한다.
한편, 엔진(10)은 하이브리드 건설기계(100)의 운전 시 필요한 동력을 유압 펌프(101)로 제공한다. 하이브리드 건설기계(100)의 부하가 엔진(10)의 출력보다 적은 경우, 엔진(10)과 직결된 엔진 보조 전동기(110)는 발전기로 동작한다. 그리고 엔진(10)의 여유 에너지가 보조용 인버터(111)를 통해 직류단 캐패시터(140)로 공급된다. 이때, 종래에는 에너지 저장장치(130)를 제어하는 DC-DC 컨버터(131)는 직류단 전압을 감지하여, 직류단 전압이 증가하면 직류단의 에너지를 에너지 저장장치(130)에 저장하여 직류단의 전압이 일정하도록 제어한다.
반대로 엔진(10)의 출력이 하이브리드 건설기계(100)의 부하보다 적은 경우, 엔진 보조 전동기(110)는 모터로 동작하고, 직류단에 저장된 에너지를 사용한다. 이로 인해 직류단 전압이 감소하면, 에너지 저장장치(130)를 제어하는 DC-DC 컨버터(131)는 종래에 에너지 저장장치(130)에 저장된 에너지를 직류단 캐패시터(140)에 공급하여 직류단 캐패시터(140)의 전압이 일정하도록 제어한다.
선회 전동기(120)는 하이브리드 건설기계(100)의 선회 상체를 구동하는 레버 지령에 따라 선회 상부체를 회전시킨다. 선회 전동기(120)는 가속 시에는 직류단 캐패시터(140)에 저장된 에너지를 사용하여 전동기를 가속한다. 종래에는, 선회 전동기(120)에서 사용한 에너지로 인해 직류단 캐패시터(140)의 전압이 감소하고, DC-DC 컨버터(131)는 선회 전동기(120)의 가속 시 사용한 에너지를 직류단에 공급하여 직류단의 전압이 일정하도록 제어한다.
하이브리드 건설기계(100)의 선회 상부체를 감속 시에는 선회 전동기(120)를 발전기로 동작시켜 제동 토오크를 발생시키고 발전된 에너지를 직류단 캐패시터(140)에 공급하면 직류단 캐패시터(140)의 전압은 증가한다. 종래에는 DC-DC 컨버터(131)는 증가된 에너지를 에너지 저장장치(130)에 저장하여 직류단 전압이 일정하도록 제어한다.
이와 같이, 종래에는 직류단 전압이 일정하도록 제어되지만, 본 발명의 실시 예에 따른 직류단 전압 제어 장치는 엔진 보조 전동기(110), 선회 전동기(120) 및 에너지 저장장치(130)의 운전 조건을 고려하여 직류단 전압을 변경함으로써, 보조용 인버터(111), 선회용 인버터(121) 및 DC-DC 컨버터(131)와 같은 전력 변환 장치의 에너지 효율을 증대시킬 수 있다.
이를 위해, 본 발명의 실시 예에 따른 직류단 전압 제어 장치는 적어도 하나의 전동기(도 1에서 엔진 보조 전동기(110) 및 선회 전동기(120))와 각각 연결된 적어도 하나의 인버터(도 1에서 보조용 인버터(111) 및 선회용 인버터(121)), 에너지 저장장치(130)를 제어하기 위한 컨버터(도 1에서 DC-DC 컨버터(131)), 직류단 캐패시터(140) 및 제어부(150)를 포함하여 이루어진다. 제어부(150)는 전류 검출기(151), 위치 검출기(152) 및 전압 검출기(153)와 연결되어 있다. 전술한 구성요소들은 모두 반드시 필요한 것은 아니며, 일부 생략될 수 있다.
이하, 도 1을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 직류단 전압 제어 장치의 구성요소 각각에 대하여 살펴보기로 한다.
보조용 인버터(111) 및 선회용 인버터(121)는 전기 에너지를 기계 에너지로 변환하거나 기계 에너지를 전기 에너지로 회생하는 보조 전동기(110) 및 선회 전동기(120)와 각각 연결되어 보조 전동기(110) 및 선회 전동기(120)를 제어한다.
DC-DC 컨버터(131)는 적어도 하나의 전동기에서 발생된 회생 전력을 저장하는 에너지 저장장치(130)와 연결되어 에너지 저장장치(130)를 제어한다.
직류단 캐패시터(140)는 보조용 인버터(111), 선회용 인버터(121) 및 DC-DC 컨버터(131) 사이에 연결되고, 보조용 인버터(111) 및 선회용 인버터(121)를 통해 전력을 공급받거나, DC-DC 컨버터(131)를 통해 회생된 전력을 회수한다.
제어부(150)는 보조용 인버터(111) 및 선회용 인버터(121) 각각이 요구하는 적어도 하나의 인버터 요구 전압 및 DC-DC 컨버터(131)에서 요구하는 컨버터 요구 전압을 생성한다. 이때, 제어부(150)는 각 인버터에 대응하는 전동기 속도, 출력 전류 및 인버터 출력 전압 지령 중 적어도 하나를 이용하여 각각의 인버터 요구 전압을 각각 생성한다. 또한, 제어부(150)는 DC-DC 컨버터(131)에 대응하는 에너지 저장장치 전압 또는 컨버터 출력 전압 지령을 이용하여 컨버터 요구 전압을 생성한다.
그리고 제어부(150)는 그 생성된 적어도 하나의 인버터 요구 전압 및 컨버터 요구 전압에 기초하여 직류단 캐패시터(140)의 직류단 전압을 가변적으로 제어한다. 제어부(150)는 생성된 적어도 하나의 인버터 요구 전압 및 컨버터 요구 전압 중에서 최대 요구 전압을 계산하고, 그 계산된 최대 요구 전압에 따라 직류단 캐패시터(140)의 직류단 전압을 가변적으로 제어할 수 있다. 또한, 제어부(150)는 계산된 최대 요구 전압에 기 설정된 전압 마진을 부가하고 기 설정된 전압 마진이 부가된 최대 요구 전압에 따라 직류단 캐패시터(140)의 직류단 전압을 가변적으로 제어할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 직류단 전압 제어 장치가 포함된 전기식 건설기계의 구성도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 전기식 건설기계(200)는 도 1에서의 하이브리드 굴삭기(110)와 달리 엔진(10)을 구비하지 않고, 유압 펌프(101)를 구동시키는 유압 펌프 전동기(210) 및 보조용 인버터(211)를 포함한다.
본 발명의 실시 예는 도 1에서의 하이브리드 굴삭기(110)에 국한되지 않으며, 에너지 저장장치(140)와 선회 전동기(120)를 가지는 전기 굴삭기(200)에도 적용이 가능하다. 또한, 선회 전동기 대신 전동식 주행 전동기를 적용하는 전기식 로더에도 적용이 가능하다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 직류단 전압 제어 장치의 제어부의 상세 구성도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 제어부(150)는 제1 인버터 요구전압 생성부(310), 제2 인버터 요구전압 생성부(320), 컨버터 요구전압 생성부(330), 직류단 전압 지령 생성부(340) 및 직류단 전압 제어부(350)를 포함한다.
제1 인버터 요구전압 생성부(310)는 선회 전동기(120)의 속도, 출력 전류, 인버터 출력 전압 지령을 입력 받아 제1 인버터 요구전압을 생성한다.
제2 인버터 요구전압 생성부(320)는 엔진 보조 전동기(110)의 속도, 출력 전류, 인버터 출력 전압 지령을 입력 받아 제2 인버터 요구전압을 생성한다.
컨버터 요구전압 생성부(330)는 에너지 저장장치(130)의 전압, 컨버터 출력 전압 지령을 입력 받아 컨버터 요구전압을 생성한다.
직류단 전압 지령 생성부(340)는 제1 인버터 요구전압 생성부(310), 제2 인버터 요구전압 생성부(320) 및 컨버터 요구전압 생성부(330)에서 각각 생성된 제1 인버터 요구전압, 제2 인버터 요구전압 및 컨버터 요구전압 중에서 최대 요구 전압을 계산하고, 그 계산된 최대 요구 전압에 따라 직류단 전압 지령을 생성한다.
직류단 전압 제어부(350)는 생성된 직류단 전압 지령에 따라 직류단 캐패시터(140)의 직류단 전압을 가변적으로 제어한다.
구체적으로 살펴보면, 하기의 수학식 1을 만족하는 경우, 보조용 인버터(111) 및 선회용 인버터(121)가 정상 동작할 수 있다. 따라서 보조용 인버터(111) 및 선회용 인버터(121)가 요구하는 최소 직류단 전압의 크기는 보조용 인버터(111) 및 선회용 인버터(121)의 상전압 지령으로부터 구할 수 있다.
수학식 1
Figure PCTKR2014000655-appb-M000001
여기서, Vdc과 Vinv는 각각 직류단 전압과 각 인버터가 요구하는 최소 전압의 크기를 나타낸다. 이때, 상전압(Vphase)는 정상 상태에서의 상전압 피크값을 나타내고, 각 전동기의 속도 및 출력 전류에 의해 결정된다. 이러한 관계는 하기의 수학식 2와 같이 페이서(phasor)로 표현할 수 있다.
수학식 2
Figure PCTKR2014000655-appb-M000002
여기서 Vphase, Iphase 및 E는 각각 페이서로 표현된 상전압, 상전류, 역기전력을 나타낸다. ω, L, R는 각각 전동기 속도, 상인덕턴스, 상저항을 나타낸다.
또한, 역기전력의 크기는 하기의 수학식 3과 같이 계자 자속의 크기와 회전속도에 비례한다.
수학식 3
Figure PCTKR2014000655-appb-M000003
여기서 λf는 계자 자속의 크기를 나타낸다.
전술된 바와 같이, 직류단 전압 지령 생성부(340)는 각각의 인버터 및 컨버터가 요구하는 직류단 전압을 취합하여 그 중 가장 큰 값을 직류단 전압 제어부(350)의 직류단 전압 지령으로 하기의 수학식 4와 같이 생성한다.
수학식 4
Figure PCTKR2014000655-appb-M000004
여기서 a는 전력 변환 장치 내에 수치화하기 힘든 요소들을 고려한 마진을 나타낸다. 예를 들어, 마진은 통상 10~20% 정도를 할 수 있으며, 도 6에 도시된 예와 같이 직류단 전압을 제어할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 직류단 전압 제어 장치에서 인버터 요구 전압 생성에 대한 블록도이다.
도 4는 인버터 출력 전압 지령을 이용하여 인버터 요구 전압을 생성하는 과정을 블록도로 나타내고 있다.
속도 제어기 또는 토크 지령 생성기(410)는 토크 또는 전류 지령을 생성한다.
그리고 선회용 인버터 제어기(420)는 생성된 토크 또는 전류 지령을 이용하여 인버터 출력 전압 지령을 생성한다.
이어서, 펄스폭변조(PWM: Pulse Width Modulation) 생성기(430)는 생성된 인버터 출력 전압 지령에 따라 선회용 인버터(121)를 제어한다.
상기의 수학식 2를 통해 인버터에서 요구하는 전압을 생성할 때, 실제 전동기 구동 시에 전류 크기의 맥동이 존재할 경우, 직류단 전압 지령이 빈번하게 변동하는 문제가 발생할 수 있다. 이러한 경우, 전류를 필터링하여 계산을 하거나 전류 지령을 사용하여 요구되는 전압을 생성하면 이러한 전류 맥동의 영향을 줄일 수 있다.
각 인버터에서 요구하는 전압을 구하는 또 다른 방법으로는 제어부(150)에서 이미 선회용 인버터 제어기(420)의 인버터 출력 전압 지령을 직접 이용하는 방법이다. 이러한 경우, 상저항, 상인덕턴스, 역기전력 상수와 같은 전동기의 제정수(Parameter) 오차로 인해 발생하는 상기 수학식 2의 결과와 실제 요구 전압의 차이를 줄일 수 있다.
상기 수학식 2의 결과와 실제 요구 전압의 차이를 줄이기 위해서, 도 4에 도시된 저역 통과 필터(440)는 인버터 출력 전압의 맥동이 문제가 될 경우, 인버터 출력 전압 지령을 저역 통과 필터링하여 인버터 요구 전압을 생성할 수 있다.
도 5는 종래의 고정적인 직류단 전압 제어 방법에 대한 설명도이고, 도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 가변적인 직류단 전압 제어 방법에 대한 설명도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 종래의 고정적인 직류단 전압 제어 방법은 선회 전동기 요구 전압(502), 엔진 보조 전동기 요구 전압(504) 및 에너지 저장장치 전압(506)에 상관없이 직류단 전압(508)을 고정적으로 제어한다. 이때, 직류단 전압(508)이 지나치게 크게 유지되어 불필요한 손실이 발생하게 된다.
반면, 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 가변적인 직류단 전압 제어 방법은 선회 전동기 요구 전압(502), 엔진 보조 전동기 요구 전압(504) 및 에너지 저장장치 전압(506)을 고려하여 선회 전동기 요구 전압(502), 엔진 보조 전동기 요구 전압(504) 및 에너지 저장장치 전압(506) 중에서 최대 요구 전압에 따라 직류단 전압(508)을 적절히 변경함으로써, 인버터 및 컨버터와 같은 전력 변환 장치의 에너지 효율을 증대시킬 수 있다.
전술한 방법은 다양한 수단을 통해 구현될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 실시 예들은 하드웨어, 펌웨어(firmware), 소프트웨어 또는 그것들의 결합 등에 의해 구현될 수 있다.
하드웨어에 의한 구현의 경우, 본 발명의 실시 예들에 따른 방법은 하나 또는 그 이상의 ASICs(application specific integrated circuits), DSPs(digital signal processors), DSPDs(digital signal processing devices), PLDs(programmable logic devices), FPGAs(field programmable gate arrays), 프로세서, 콘트롤러, 마이크로 콘트롤러, 마이크로 프로세서 등에 의해 구현될 수 있다.
펌웨어나 소프트웨어에 의한 구현의 경우, 본 발명의 실시예들에 따른 방법은 이상에서 설명된 기능 또는 동작들을 수행하는 모듈, 절차 또는 함수 등의 형태로 구현될 수 있다. 소프트웨어 코드는 메모리 유닛에 저장되어 프로세서에 의해 구동될 수 있다. 상기 메모리 유닛은 상기 프로세서 내부 또는 외부에 위치하여, 이미 공지된 다양한 수단에 의해 상기 프로세서와 데이터를 주고 받을 수 있다.
이상에서 본 명세서에 개시된 실시예들을 첨부된 도면들을 참조로 설명하였다. 이와 같이 각 도면에 도시된 실시예들은 한정적으로 해석되면 아니되며, 본 명세서의 내용을 숙지한 당업자에 의해 서로 조합될 수 있고, 조합될 경우 일부 구성 요소들은 생략될 수도 있는 것으로 해석될 수 있다.
여기서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 본 명세서에 개시된 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 명세서에 개시된 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 명세서에 개시된 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
<부호의 설명>
10: 엔진 101: 유압 펌프
102: 붐 실린더 103: 암 실린더
104: 버켓 실린더 110: 엔진 보조 전동기
111: 보조용 인버터 120: 선회 전동기
121: 선회용 인버터 130: 에너지 저장장치
131: DC-DC 컨버터 140: 직류단 캐패시터
150: 제어부 151: 전류 검출기
152: 위치 검출기 153: 전압 검출기

Claims (10)

  1. 전기 에너지를 기계 에너지로 변환하거나 기계 에너지를 전기 에너지로 회생하는 적어도 하나의 전동기와 각각 연결되어 상기 적어도 하나의 전동기를 제어하기 위한 적어도 하나의 인버터;
    상기 적어도 하나의 전동기에서 발생된 회생 전력을 저장하는 에너지 저장장치와 연결되어 상기 에너지 저장장치를 제어하기 위한 컨버터;
    상기 적어도 하나의 인버터 및 상기 컨버터 사이에 연결되고, 상기 적어도 하나의 인버터를 통해 전력을 공급받거나, 상기 컨버터를 통해 상기 회생된 전력을 회수하는 직류단 캐패시터; 및
    상기 적어도 하나의 인버터 각각이 요구하는 적어도 하나의 인버터 요구 전압 및 상기 컨버터에서 요구하는 컨버터 요구 전압을 생성하고, 상기 생성된 적어도 하나의 인버터 요구 전압 및 상기 컨버터 요구 전압에 기초하여 상기 직류단 캐패시터의 직류단 전압을 가변적으로 제어하는 제어부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동기를 구비한 건설기계의 직류단 전압 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    각 인버터에 대응하는 전동기 속도, 출력 전류 및 인버터 출력 전압 지령 중 적어도 하나를 이용하여 각각의 인버터 요구 전압을 각각 생성하고, 상기 컨버터에 대응하는 에너지 저장장치 전압 또는 컨버터 출력 전압 지령을 이용하여 컨버터 요구 전압을 생성하는 것을 특징으로 하는 전동기를 구비한 건설기계의 직류단 전압 제어 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    저역 통과 필터를 더 포함하고, 상기 적어도 하나의 전동기 구동 시 발생하는 맥동을 감소시키기 위해, 상기 포함된 저역 통과 필터를 통해 상기 출력 전류를 저역 통과 필터링시켜 인버터 요구 전압을 생성하는 것을 특징으로 하는 전동기를 구비한 건설기계의 직류단 전압 제어 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 생성된 적어도 하나의 인버터 요구 전압 및 상기 컨버터 요구 전압 중에서 최대 요구 전압을 계산하고, 상기 계산된 최대 요구 전압에 따라 상기 직류단 캐패시터의 직류단 전압을 가변적으로 제어하는 것을 특징으로 하는 전동기를 구비한 건설기계의 직류단 전압 제어 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 계산된 최대 요구 전압에 기 설정된 전압 마진을 부가하고 상기 기 설정된 전압 마진이 부가된 최대 요구 전압에 따라 상기 직류단 캐패시터의 직류단 전압을 가변적으로 제어하는 것을 특징으로 하는 전동기를 구비한 건설기계의 직류단 전압 제어 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 전동기는,
    하이브리드 건설기계 또는 전기식 건설기계에서의 선회 전동기, 엔진 보조 전동기 및 주행 전동기 중에서 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동기를 구비한 건설기계의 직류단 전압 제어 장치.
  7. 적어도 하나의 전동기와 각각 연결된 적어도 하나의 인버터에서 요구하는 적어도 하나의 인버터 요구 전압을 생성하는 인버터 요구 전압 생성 단계;
    에너지 저장장치와 연결된 컨버터에서 요구하는 컨버터 요구 전압을 생성하는 컨버터 요구 전압 생성 단계; 및
    상기 적어도 하나의 인버터를 통해 전력을 공급받거나, 상기 컨버터를 통해 상기 회생된 전력을 회수하는 직류단 캐패시터의 직류단 전압을 상기 생성된 적어도 하나의 인버터 요구 전압 및 상기 컨버터 요구 전압에 기초하여 가변적으로 제어하는 전압 제어 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동기를 구비한 건설기계의 직류단 전압 제어 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 인버터 요구 전압 생성 단계는, 각 인버터에 대응하는 전동기 속도, 출력 전류 및 인버터 출력 전압 지령 중 적어도 하나를 이용하여 각각의 인버터 요구 전압을 각각 생성하고,
    상기 컨버터 요구 전압 생성 단계는, 상기 컨버터에 대응하는 에너지 저장장치 전압 또는 컨버터 출력 전압 지령을 이용하여 컨버터 요구 전압을 생성하는 것을 특징으로 하는 전동기를 구비한 건설기계의 직류단 전압 제어 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 인버터 요구 전압 생성 단계는,
    상기 적어도 하나의 전동기 구동 시 발생하는 맥동을 감소시키기 위해, 상기 출력 전류를 저역 통과 필터링시켜 인버터 요구 전압을 생성하는 것을 특징으로 하는 전동기를 구비한 건설기계의 직류단 전압 제어 방법.
  10. 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전압 제어 단계는,
    상기 생성된 적어도 하나의 인버터 요구 전압 및 상기 컨버터 요구 전압 중에서 최대 요구 전압을 계산하고, 상기 계산된 최대 요구 전압에 따라 상기 직류단 캐패시터의 직류단 전압을 가변적으로 제어하는 것을 특징으로 하는 전동기를 구비한 건설기계의 직류단 전압 제어 방법.
PCT/KR2014/000655 2013-01-24 2014-01-23 전동기를 구비한 건설기계의 직류단 전압 제어 장치 및 그 방법 Ceased WO2014116036A1 (ko)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP14743817.0A EP2949821B1 (en) 2013-01-24 2014-01-23 Apparatus for controlling direct current terminal voltage of construction machinery equipped with motor, and method for same
CN201480005598.1A CN104995357B (zh) 2013-01-24 2014-01-23 具备电动机的工程机械的直流端电压控制装置及其方法
US14/762,860 US9725056B2 (en) 2013-01-24 2014-01-23 Apparatus for controlling direct current terminal voltage of construction machinery equipped with motor, and method for same

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020130007859A KR102046178B1 (ko) 2013-01-24 2013-01-24 전동기를 구비한 건설기계의 직류단 전압 제어 장치 및 그 방법
KR10-2013-0007859 2013-01-24

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2014116036A1 true WO2014116036A1 (ko) 2014-07-31

Family

ID=51227778

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/KR2014/000655 Ceased WO2014116036A1 (ko) 2013-01-24 2014-01-23 전동기를 구비한 건설기계의 직류단 전압 제어 장치 및 그 방법

Country Status (5)

Country Link
US (1) US9725056B2 (ko)
EP (1) EP2949821B1 (ko)
KR (1) KR102046178B1 (ko)
CN (1) CN104995357B (ko)
WO (1) WO2014116036A1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016055273A1 (de) * 2014-10-06 2016-04-14 Robert Bosch Gmbh Elektrischer motor zum unterstützen einer funktion

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6563182B2 (ja) * 2014-08-29 2019-08-21 住友重機械工業株式会社 建設機械
EP3340456B1 (en) * 2016-12-21 2021-04-14 Danfoss Mobile Electrification Oy An electric system for an electromechanical power transmission chain
JP7704567B2 (ja) * 2021-05-19 2025-07-08 住友重機械工業株式会社 作業機械
EP4245923B1 (de) 2022-03-18 2024-05-15 BAUER Maschinen GmbH Elektrisch betriebene tiefbaumaschine und verfahren zu deren betrieb
JP7848147B2 (ja) * 2023-02-02 2026-04-20 日立建機株式会社 作業車両

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002359935A (ja) * 2001-05-31 2002-12-13 Komatsu Ltd ハイブリッド作業機械の蓄電部充放電制御装置
JP2003328397A (ja) * 2002-05-08 2003-11-19 Hitachi Constr Mach Co Ltd ハイブリッド建設機械
JP2008101345A (ja) * 2006-10-17 2008-05-01 Hitachi Constr Mach Co Ltd アーティキュレート式作業機
JP2009191463A (ja) * 2008-02-12 2009-08-27 Sumitomo Heavy Ind Ltd ハイブリッド型建設機械
KR20120024736A (ko) * 2009-06-09 2012-03-14 스미도모쥬기가이고교 가부시키가이샤 하이브리드식 쇼벨 및 그 제어방법

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100378727B1 (ko) 1996-12-12 2003-06-19 신카타피라 미쓰비시 가부시키가이샤 건설기계의제어장치
KR20050094129A (ko) 2004-03-22 2005-09-27 볼보 컨스트럭션 이키프먼트 홀딩 스웨덴 에이비 조작레버 응답모드의 설정방법
WO2010114036A1 (ja) * 2009-03-31 2010-10-07 日立建機株式会社 電源システムを備えた建設機械及び産業車両
CN202000385U (zh) 2010-07-16 2011-10-05 徐工集团工程机械股份有限公司江苏徐州工程机械研究院 液电复合混合动力挖掘机驱动装置

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002359935A (ja) * 2001-05-31 2002-12-13 Komatsu Ltd ハイブリッド作業機械の蓄電部充放電制御装置
JP2003328397A (ja) * 2002-05-08 2003-11-19 Hitachi Constr Mach Co Ltd ハイブリッド建設機械
JP2008101345A (ja) * 2006-10-17 2008-05-01 Hitachi Constr Mach Co Ltd アーティキュレート式作業機
JP2009191463A (ja) * 2008-02-12 2009-08-27 Sumitomo Heavy Ind Ltd ハイブリッド型建設機械
KR20120024736A (ko) * 2009-06-09 2012-03-14 스미도모쥬기가이고교 가부시키가이샤 하이브리드식 쇼벨 및 그 제어방법

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016055273A1 (de) * 2014-10-06 2016-04-14 Robert Bosch Gmbh Elektrischer motor zum unterstützen einer funktion
CN107107845A (zh) * 2014-10-06 2017-08-29 罗伯特·博世有限公司 用于支持功能部的电动马达

Also Published As

Publication number Publication date
CN104995357A (zh) 2015-10-21
EP2949821A4 (en) 2016-09-28
KR102046178B1 (ko) 2019-11-18
US20150321630A1 (en) 2015-11-12
CN104995357B (zh) 2018-07-27
EP2949821A1 (en) 2015-12-02
US9725056B2 (en) 2017-08-08
EP2949821B1 (en) 2021-11-03
KR20140095620A (ko) 2014-08-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2014116036A1 (ko) 전동기를 구비한 건설기계의 직류단 전압 제어 장치 및 그 방법
JP4949288B2 (ja) ハイブリッド型建設機械
CN101381046B (zh) 电梯
WO2011078575A2 (ko) 하이브리드용 전력 변환 장치
WO2014104676A1 (ko) 하이브리드 건설기계용 전원 공급 장치 및 그 방법
WO2010143628A1 (ja) ハイブリッド式ショベル及びその制御方法
WO2010087364A1 (ja) ハイブリッド式作業機械及びサーボ制御システム
WO2014181942A1 (ko) 교류 모터의 제어 방법
WO2013100559A1 (ko) 전기자동차 충전장치
WO2013121916A1 (ja) ショベル及びショベルの制御方法
JP5674086B2 (ja) ハイブリッド型建設機械
JP5550954B2 (ja) ハイブリッド型作業機械
WO2009157485A1 (ja) ハイブリッド型作業機械
US9441345B2 (en) Hybrid excavator and method of controlling hybrid excavator
JP6289597B1 (ja) 車両用電源装置および車両用電源装置の制御方法
CN209072382U (zh) 集成驱动与动力电池充电的开关磁阻电机控制系统
WO2011078592A2 (ko) 선회 전동기 구동용 인버터 제어 방법
JP4934561B2 (ja) 電力変換装置
WO2013115530A1 (ko) 하이브리드 굴삭기의 붐 구동시스템 및 그 제어방법
WO2014104700A1 (ko) 하이브리드 건설기계의 에너지 저장 장치의 충전 시스템
CN102906344A (zh) 混合建设机械的控制装置
CN109274310A (zh) 集成驱动与动力电池充电的开关磁阻电机控制系统及控制方法
JP5178666B2 (ja) ハイブリッド型掘削機械
JP5449806B2 (ja) ハイブリッド型作業機械及びその制御方法
CN212210875U (zh) 一种基于西门子s120的交流电铲变频驱动分散控制系统

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 14743817

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 14762860

Country of ref document: US

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2014743817

Country of ref document: EP