KR0148833B1 - 주기기축 구동발전장치의 전압제어장치 - Google Patents

Abstract

(목적) 본 발명은 무부하로부터 모든 부하까지 인버터의 역율을 고역율로 유지할 수가 있고, 또 안정하고 응답이 빠른 제어가 기대될 수 있는 주기기축 구동발전장치의 전압제어장치를 제공하는 것이다.

(구성) 본 발명은 선박의 주엔진에 의하여 구동되는 축발전기와, 상기 축발전기의 단자전압을 제어하는 전압조정기와, 상기 축발전기의 직류, 교류로 변환하는 콘버터, 인버터와, 인버터 및 부하에 무효전력을 공급하는 동기위상 조절기로 되는 주기기축 구동발전장치에 있어서, 축발전기의 출력전류를 검출하는 전류검출기와, 그 전류검출값을 기초로 함수를 발생하는 함수발생기와, 전압설정값을 상기 함수발생기의 출력신호에 의하여 보정하기 위한 연산기와, 콘버터 출력의 직류전압을 검출하는 직류전압 검출기 및 제어증폭기를 설치하고, 상기 연산기의 출력신호와, 직류전압이 일치하도록 그 편차를 상기 제어증폭기에서 증폭하여 상기 출력전압 조정기의 단자전압 지령값으로 하므로 무부하로부터 모든 부하까지 인버터의 역율을 고역율로 유지할 수가 있고, 또 안정하고, 응답이 빠른 제어가 가능하다.

Description

주기기축 구동발전장치의 전압제어장치

제1도는 본 발명의 주기기축 구동발전장치의 전압제어장치의 1실시예의 블록도.

제2도는 제1도의 함수발생기에 의한 함수패턴의 예를 나타내는 도면.

제3도는 종래의 주기기축 구동발전장치의 전압제어장치의 블록도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 축발전기 2 : 콘버터

3 : 인버터 4 : 동기위상 조절기

5 : 주엔진 6 : 프로펠러

7 : 부하 8 : 차단기

9 : 모선 10 : 출력주파수 지령 설정기

11 : 출력주파수 검출기 12 : 출력주파수 제어기

13,22 : 전류검출기 15,16 : 위상제어기

17 : 전압조정기 18 : 동기 위상 조절기

19 : 직류전압설정기 20 : 전압검출기

21 : 제어증폭기 23 : 필터회로

24 : 함수발생기 25 : 연산기

본 발명은, 선박용의 주기기축 구동발전장치에 관한 것으로서, 축발전기가 저속기에서 리액턴스가 크고, 콘버터의 전류(轉流) 중첩각이 큰 경우에도 안정한 제어를 할 수 있는 주기기축 구동발전장치의 전압제어장치에 관한 것이다.

주기기축 구동발전장치는 주엔진에 의하여 발전기를 구동하고 발전하는 시스템으로 에너지절약, 보수절약에 효과가 크고, 많은 선박에서 사용되고 있다.

이와 같은 종래의 주기기축 구동발전장치를 제3도에 나타낸 구성도를 참조하여 설명한다.

제3도에 있어서 참조부호 (1)은 축발전기, (2)는 콘버터, (3)은 인버터, (4)는 동기위상 조절기, (5)는 엔진, (6)은 프로펠러, (7)은 부하, (8)은 차단기, (9)는 모선, (10)은 출력주파수 지령 설정기, (11)은 출력주파수 검출기, (12)는 출력주파수 지령과 출력주파수 검출값의 편차에 의하여 전류지령값을 연산하는 주파수 제어기, (13)은 인버터의 출력전류를 검출하는 제1전류검출기, (14)는 전류지령값과 전류검출값이 일치하도록 인버터(3)와 콘버터(2)의 위상을 연산하는 전류제어기, (15)는 콘버터(2)의 위상제어기, (16)은 인버터(3)의 위상제어기, (17)은 축발전기(1)의 단자전압을 제어하는 제1전압조정기, (18)은 동기위상 조절기(4)의 단자전압을 제어하는 제2전압조정기, (19)는 직류전압설정기, (20)는 전압검출기, (21)은 제어증폭기이다.

다음에 상기한 종래의 주기기축 구동발전장치의 동작을 설명한다.

주엔진(5)는 프로펠러(6)를 구동하지만, 동시에 축발전기(1)도 구동한다. 주엔진(5)의 회전수는 항행상태에 의하여 변화한다. 축발전기(1)의 단자전압의 크기는 제1전압조정기(17)에 의하여 희망값으로 제어되지만, 주파수는 엔진회전수에 의하여 변화하여 버린다.

그래서 콘버터(2)에 의하여 교류를 일단 직류로 변환하고, 인버터(3)에 의하여 정주파수의 교류전력으로 변환한다. 동기위상 조절기(4)는 인버터(3) 및 부하(7)에 무효전력을 공급하여 모선(9)의 전압을 일정하게 유지한다. 이것에 의하여 동기위상 조절기(4)의 단자전압은 정주파수·정전압으로 유지된다. 이 전압은 차단기(8)를 통하여 모선(9)에 의하여 부하(7)에 공급된다.

축발전기(1)로부터 부하(7)에 공급하는 전력은 전류에 비례하므로 부하(7)에 따른 전력이 공급되고, 인버터(3)의 출력주파수가 안정하도록 주파수제어부(12)와 전류제어부(14)에서 전류를 제어하고 있다.

선박의 주엔진(5)는 대용량이고, 회전수는 낮다. 따라서, 축발전기(1)도 출력 주파수 5~20Hz의 저속기이다. 저속기는 원래 외형치수가 큰 외에 조금 출력용량이 다르더라도 치수가 크게 변화한다.

그래서, 축발전기(1)의 역률을 가능한한 1에 가깝게 하여 운전하도록 하면, 외형치수도 적게할 수가 있다.

그를 위하여 발전운전중은 콘버터(2)를 제어각 α=0°로 운전하고, 인버터(3)의 위상제어로 전류를 조절하도록 하고 있다. 이와 같이 하면, 동기위상 조절기(4)의 외형치수는 크게 되나, 고속기이므로 작은 치수증가로 대응할 수가 있다.

축발전기(1)가 저속기의 경우 리액턴스가 크게 되기 때문에, 부하시의 콘버터(2)의 전류(轉流) 중첩각이 크게 된다고 하는 문제도 있다. 축발전기(1)의 단자전압이 일정하고 콘버터(2)가 α=0°로 일정하게 운전되고 있어도, 부하(7)가 크게 되어 전류 중첩각이 크게 되면, 콘버터(2)의 직류출력전압은 무부하시에 비교하여 크게 떨어진다. 직류 출력전압이 저하하면, 인버터(3)의 역률이 저하하므로 동기위상 조절기(4)의 용량을 크게 해야만 한다.

따라서, 종래는 전압검출기(20)에 의하여 콘버터(2)의 직류전압을 검출하고, 전압설정기(9)에 의하여 설정되는 직류전압값과의 편차를 제어증폭기(21)에 의하여 증폭하여 단자전압 지령값으로서 제1전압조정기(17)에 부여하는 구성으로 하고 있다.

이 구성으로한 경우, 제어증폭기(21)에 적분요소를 갖게 하면, 게인이 낮아도 정상적으로는 반드시 직류출력전압을 설정치에 일치시킬 수가 있다. 그 때문에 제어게인을 안정한계값의 몇분의 일까지 적게 설정하여도 문제는 없다. 그것은 주기기축 구동발전장치에서는 정상특성이 중요하고, 과도현상은 초단위의 긴시간까지 허용되기 때문이다.

이 때문에 무부하시에 충분한 여유를 갖고 제어증폭기(21)의 조절을 하면, 전(全)부하시까지 안정한 제어가 가능하고, 무부하로부터 전부하까지 인버터를 고역률로 유지할 수가 있고, 동기위상 조절기(4)의 용량을 감소하는 것이 가능하다.

이상과 같은 운전되는 주기기축 구동발전장치에 의하면, 주엔진의 파워에 의하여 정주파수·정전압의 전원이 얻어지고, 에너지 절약, 보수절약에 효과가 있다. 그러나, 부하가 적을 때 직류 출력전압이 일정하게 되도록 축발전기(1)의 단자전압을 제어하면, 인버터(3)에서의 전류제어가 불안정하게 될 수가 있다고 하는 문제가 있었다.

이것은 통상의 발전운전중, 콘버터(2)는 제어각 α=0°로 일정하게 최대직류 출력전압이 얻어지도록 운전하고, 인버터(3)의 β 위상제어로 부하에 공급하는 전류를 제어하고 있다.

여기서 인버터(3)쪽에 대하여 살펴보면, 직류전압 V_dC과 동기 위상조절기(4)의 단자전압 V_s/c은 일정하고, 직류전압 V_dc, 동기위상 조절기의 단자전압(V_s/c), 제어진행각 β, 전류중첩각(u)의 관계는 다음식이 된다.

부하가 크고 전류중첩각 u이 큰 때는, 제어진행각 β도 크게되어 β 리미트값에 대한 β의 가변범위가 크게 되나, 부하가 작고 전류중첩각 u이 적은때는 제어진행각 β도 적게 되고, 전류의 약간의 변화로 β 리미트로 되어 전류제어가 불안정하게 된다. 전류 제어기(14)는 인버터(3)의 제어가 β 리미트로 되어 전류가 제어할 수 없는 경우에, 콘버터(2)의 α 위상제어로 전류를 제어하도록 한다.

예를들면, 부하가 적게 되어 직류전류를 감소시키도록 한 경우에, 인버터(3)의 위상제어가 β 리미트로 되고, 콘버터(2)쪽에도 α 위상제어의 모우드로 되는 것이다. 여기에서 시스템의 전류제어의 응답에 대하여 살펴보면, 축발전기(1)는 저속기로 출력주파수가 낮기 때문에, 콘버터(2)의 위상제어의 응답은 인버터(3)의 위상제어의 응답에 비하여 늦고, 시스템의 전류제어의 응답도 지연된다.

통상의 콘버터(2)가 제어각 α=0°로 일정하게 운전되는 경우는, 인버터(3)에 의한 빠른 응답속도가 요망되나, 콘버터(2)쪽에서도 α 위상제어를 하는 모우드로 되면, 시스템의 제어응답은 콘버터(2)쪽이 늦은 제어응답으로 되어버린다. 또, 응답이 지연되는 것만이 아니고 제어가 불안정하게 된다고 하는 문제가 있었다.

본 발명은 상기 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적은 무부하로부터 전부하까지 인버터의 역률을 고역률로 유지할 수가 있고, 또 안정하고 응답이 빠른 제어가 기대될 수 있는 주기기축 구동장치의 전압제어장치를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 선박의 주엔진에 의하여 구동되는 축발전기와, 상기 축발전기의 출력을 직류로 변환하는 콘버터와, 상기 콘버터의 직류출력을 정주파수의 교류로 변환하는 인버터와, 상기 인버터 및 부하에 무효전력을 공급하는 동기위상 조절기와, 상기 인버터의 입력전압을 검출하는 직류전압 검출기와, 상기 직류전압 검출기로 검출한 직류전압이 직류전압 설정기의 설정값으로 되도록 상기 축발전기의 전압을 제어하는 전압조정기로 이루어지는 주기기축 구동발전장치에 있어서, 상기 축발전기의 출력전류를 검출하는 전류검출기와, 상기 전류검출기의 전류검출값을 입력하고, 그 검출값이 큰 경우 100%의 출력신호를 출력하고, 작은 경우는, 100%에 미치지 않는 출력신호를 출력하는 함수발생기와, 상기 직류전압설정기의 전압설정값과 상기 함수발생기의 출력신호를 입력하여 전압설정치를 함수발생기의 출력신호에 따라서 보정하고, 보정한 전압설정값을 상기 전압조정기의 전압설정값으로 하여 출력하는 연산기를 형성하고, 상기 축발전기의 출력전류가 작을 때에는 축발전기의 출력전압을 저하하여 운전하는 것을 특징으로 하는 것이다.

본 발명에 의하면, 축발전기의 출력전류로부터 부하의 크기를 검출하고, 부하가 작은 경우에 함수발생기에 의하여 전압설정기의 전압설정값을 작게 보정하고 있으므로, 부하가 작게된 경우에도 콘버터를 제어각 α=0°로 일정하게 운전하고, 인버터를 β 위상제어로 제어할 수 있게 된다.

[실시예]

이하, 본 발명의 실시예를 도면에 의하여 설명하다.

제1도는 본 발명의 실시예의 블록도이다. 본 실시예가 이미 설명한 제3도의 종래예와 상이한 점은, 축발전기(1)의 출력전류를 검출하고, 그 전류의 크기에 따라서 전류검출값을 출력하는 제2의 전류검출기(22)와, 필터회로(23)에서 처리한 전류검출값에 근거하여 제2도에서 나타낸 바와 같이 출력신호를 출력하는 함수발생기(24)와, 함수발생기(24)의 출력신호와 전압설정기(19)의 전압설정값을 입력하여 전압설정값을 함수발생기(24)의 출력신호로 보정하고, 보정한 전압설정값을 전압조정기의 제어증폭기(21)로 출력하는 연산기(25)를 설치한 점만이 다른 것이며, 그 밖의 구성은 제3도와 동일하다.

함수발생기(24)는, 제2도와 같이 전류검출기(22)의 전류검출값이 큰 경우, 즉 축발전기(1)의 출력전류가 큰 경우는, 함수발생기(24)로부터는, 100%의 출력신호를 출력하고, 작은 경우는, 100%에 미치지 않는 출력신호가 출력되도록 하는 특성을 가지고 있다.

다음에 본 실시예의 주기기축 구동발전장치의 전압제어장치의 동작을 설명한다.

지금, 주기기축 구동발전장치가 발전운전중에 모션(9)에 통상의 부하(7)가 접속되어 있으면, 축발전기(1)로부터는, 그 부하(7)의 크기에 따른 전류가 흐르고, 그 전류에 따른 전류검출값이 제2의 전류검출기(22)에서 검출된다. 검출된 전류검출값은, 필터회로(23)를 통하여 함수발생기(24)로 입력되지만, 이 때, 부하(7)가 큰 축발전기(1)로부터 큰 전류가 흐르고 있으면, 함수발생기(24)로부터는, 100%의 출력신호가 출력되고, 부하(7)가 작으면 100%에 미치지 않는 출력신호가 연산기(25)로 출력되고, 연산기(25)는, 함수발생기(24)로부터의 출력 신호를 받아서 전압설정기(19)의 전압설정값을 보정하고, 보정한 전압설정값을 제어증폭기(21)로 출력한다. 즉, 전류검출기(22)의 검출값이 큰 경우는, 전압설정값으로 보정이 가해지지 않고, 그대로의 전압설정값이 제어증폭기(21)로 출력되며, 검출값이 작으면, 전압설정값이 가해져서 전압설정기(19)에서 설정한 전압설정값보다 낮은 전압설정값이 제어증폭기(21)로 출력된다.

따라서, 부하(7)가 작게 되면, 작은 전압설정값이 제어증폭기(21)로 출력되고, 축발전기(1)의 출력전압이 저하한다. 그 결과, 부하(7)가 작은 경우에도, 콘버터(2)를 제어각 α=0°로 일정한채로, 인버터(3)의 위상제어각을 β 리미트에 대하여 충분히 여유를 가지고 제어할 수 있게 되며, 인버터(3)에 의한 응답의 빠른 안정된 제어가 가능하게 된다.

이와 같이, 축발전기(1)의 출력전류로부터 부하(7)의 크기를 검출하고, 부하(7)가 작은 경우에 함수발생기(24)에 의하여 전압설정기(19)의 전압설정값을 작게 보정하고 있으므로, 부하(7)가 작게 되어도 콘버터(2)를 제어각 α=0°로 일정하게 운전하고, 인버터(3)를 β 위상제어할 수 있게 된다. 따라서, 인버터(3)에 의한 빠른 제어가 가능하게 되고, 전류제어응답의 지연에 기인하는 불안정현상도 없게 되고, 무부하로부터 전부하까지 안정한 응답의 빠른 제어가 가능하게 된다.

제2도는 본 발명의 함수발생기에 의한 함수패턴도의 일예로서, 횡축은 축발전기(1)의 출력전류로 부하의 크기에 거의 비례한다. 종축은 직류의 전압설정값을 보정하는 신호로, 부하가 작은 작은 때에 전압설정값을 내리는 함수패턴으로 하고 있다. 이것에 의하여, 콘버터(2)를 제어각 α=0°로 일정한채로, 인버터(3)의 위상제어각은 β 리미트에 대하여 대하여 충분히 여유를 가지고 제어할 수 있게 되며, 인버터(3)에 의한 응답의 빠른 안정된 제어가 가능하게 된다. 또한, 상기 함수패턴은 일예이며, 목적에 따라서 임의의 패턴을 설정하는 것이 가능하다.

또한, 상기 실시예에서는 독립한 필터회로(23), 함수발생기(24), 연산기(25), 제어증폭기(21) 등을 설치하는 구성으로 나타내었으나, 본 발명은 이것에 한정되는 것은 아니고, 주파수 제어기(12)나 전류제어기(14)와 동일한 콘트롤러에 의하여 소프트웨어에 의하여 실현하는 것도 가능하다.

또한, 상기 실시예에서는 콘버터와 인버터를 직접 결합하는 구성을 나타내었으나, 사이에 직류리액터를 끼우는 구성으로 하여도 좋고, 그 경우 인버터의 직류입력전압을 검출하여 그것을 소정의 값으로 제어하는 구성으로 하여도 좋다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 주기기축 구동발전장치의 전압제어장치에 의하면, 무부하로부터 전부하까지 인버터의 역률을 고역률로 유지하는 것이 가능하고, 동기위상 조절기의 용량을 절감하는 것이 가능하며, 또한 부하의 대소에 관계없이 안정되게 응답이 빠른 제어가 가능하게 되는 우수한 효과가 발휘된다.

Claims (1)

1. 선박의 주엔진에 의하여 구동되는 축발전기와, 상기 축발전기의 출력을 직류로 변환하는 콘버터와, 상기 콘버터의 직류출력을 정주파수의 교류로 변환하는 인버터와, 상기 인버터 및 부하에 무효전력을 공급하는 동기위상 조절기와, 상기 인버터의 입력전압을 검출하는 직류전압 검출기와, 상기 직류전압 검출기로 검출한 직류전압이 직류전압 설정기의 설정값으로 되도록 상기 축발전기의 전압을 제어하는 전압조정기로 이루어지는 주기기축 구동발전장치에 있어서, 상기 축발전기의 출력전류를 검출하는 전류검출기와, 상기 전류검출기의 전류검출값을 입력하고, 그 검출값이 큰 경우 100%의 출력신호를 출력하고, 작은 경우는, 100%에 미치지 않는 출력신호를 출력하는 함수발생기와, 상기 직류전압설정기의 전압설정값과 상기 함수발생기의 출력신호를 입력하여 전압설정치를 함수발생기의 출력신호에 따라서 보정하고, 보정한 전압설정값을 상기 전압조정기의 전압설정값으로 하여 출력하는 연산기를 형성하고, 상기 축발전기의 출력전류가 작을 때에는 축발전기의 출력전압을 저하하여 운전하는 것을 특징으로 하는 주기기축 구동발전장치의 전압제어장치.