KR100377377B1 - 최대 효율로 동작하기 위해 원동기 출력을 정합하는 임피던스를 갖는 제너 레이터 - Google Patents

Abstract

속도 S의 각 값에서 출력-전력/S 기울기 M_d를 갖는 출력 동력 함수를 결정하는 속도 S로 회전하는 출력 샤프트를 갖는 원동기와 상기 샤프트의 회전에 응답하여 전력을 발전시키는 제너레이터를 갖는 전력 발전 유니트에서, 제너레이터 전기 임피던스는 제너레이터 출력-전력/S 기울기 M_g가 M_d기울기에 접근될 수 있도록 선택되어, 속도 S가 효율을 최대화하도록 제어될 수 있다.

Description

최대 효율로 동작하기 위해 원동기 출력을 정합하는 임피던스를 갖는 제너 레이터{GENERATOR HAVING IMPEDANCE MATCHING PRIME MOVER OUTPUT CAPABILITY FOR OPERATION WITH MAXIMIZED EFFICIENCY}

본 발명은 원동기 구동 전기 제너레이터에 관한 것으로서, 특히 최대 효율 및 최소 방출을 얻기 위하여 원동기의 전 속도 범위에 걸쳐 원동기의 출력 구동 능력을 정합하도록 선택된 내부 임피던스를 갖는 새로운 제너레이터에 관한 것이다.

전기 제너레이터의 회전자 샤프트에 부착된 원동기로 상기 전기 제너레이터를 구동하는 것은 공지되어 있다. 통상적으로, 제너레이터의 전기 출력은 제너레이터내의 필드 코일의 여자(excitation)에 응답하여 제공되며, 필드 코일 그 자체 및 분리 필드 여자 전자 장치는 모두 비용이 많이 들어 바람직하지 않다. 또한, 여자 필드 코일의 사용은 종종 제너레이터를 저 효율로 동작시킨다. 이는 바람직하지 않으며, 바퀴가 제너레이터로부터 직간접적으로 제공되는 전력을 받는 모터에 의해 작동되는 전기 차량내에 원동기 및 전기 제너레이터의 조합부가 포함될 때에 특히 바람직하지 않은 특성들을 최소로 할 수도 있다.

따라서, 필드 코일 및 필드 여자 수단없이 원동기에 의해 최대 효율로 직접 구동되는 영구 자석 제너레이터를 제공하는 것이 바람직하다.

도 1은 하이브리드 전기 차량등에서 볼 수 있는 엔진 구동 제너레이터 및 통상적인 부하의 개략적인 블록도.

도 2는 본 발명의 엔진 구동, 임피던스 정합 발전기에 의해 제공된 전압 및 전류를 설명한 한 세트의 좌표 그래프도.

도 3은 본 발명의 새로운 정합 제너레이터의 테브닌 등가 회로도.

도 4는 특정 디젤 엔진의 최대 및 정미(net) 동력 곡선, 종래의 부정합 제너레이터의 동작 곡선 및, 본 발명에 따른 새로운 정합 제너레이터에 대한 한 세트의 동작 곡선을 설명한 그래프도.

도 5는 전압-전류 동작 곡선 세트 및, 한 특정 동작 시나리오에 대한 일정한 부하 전력 곡선을 설명하고, 원동기-제너레이터 효율이 본 발명의 원리에 따라 최대화되는 방식을 설명한 그래프도.

본 발명에 의하며, 원동기는 출력 샤프트를 갖는데, 이 출력 샤프트의 속도 S에서의 회전은 속도 S의 각 값에서 출력-전력/S 기울기 M_d를 갖는 출력 전력 함수를 결정한다. 상기 원동기는 또한 상기 출력 샤프트의 회전에 응답하여 전력을 발전시키는 제너레이터에 결합되며, 제너레이터 전기 임피던스는 효율의 최대화를 촉진하기 위하여 제너레이터 출력-전력/ S 기울기 M_g가M_d기울기에 접근하도록 선택된다.

바람직한 실시예에서, 제너레이터 기울기(M_g)는 원동기 기울기(M_d)에 대해 인수 2의 범위 즉, 1/2 M_d〈 M_g〈 2M_d의 범위에 있다. 0.15hp/rev. 정도에서 동작 곡선 기울기 M_d를 갖는 원동기 디젤 엔진을 갖는 하이브리드 전기 차량내에서 이용되는 바와 같이, 제너레이터 전기 임피던스 Z는 약 0.075hp/rev. 및 약 0.3hp/rev. 사이의 동작 곡선 기울기 M_g를 산출하도록 선택된다.

따라서, 본 발명의 목적은 제너레이터의 동작 특성을 구동 엔진의 동작 특성에 정합시켜, 효율을 최대화하도록 선택된 임피던스를 갖는 엔진 구동 전기 제너레이터를 제공하는 것이다.

본 발명의 상기 및 다른 목적은 첨부한 도면을 참조로 하기의 상세한 설명으로부터 당업자에게 명백해질 것이며, 도면에서 동일한 요소들은 동일한 참조 부호로 나타낸다.

도 1에서, 하이브리드 전기 차량 및 기타 용 구동 시스템과 같은 시스템(10)은 원동기로서 엔진(11)을 사용한다. 연료 공급원(12)인 엔진의 연료 입력부(11a)에 접속되며, 이 연료는 엔진에서 연소되어 출력 샤프트(11s)가 회전 속도 또는 주파수 S로 턴하게 한다. 엔진 샤프트(11s)의 회전 속도 S는 엔진/부하 제어 수단(14)의 출력(14b)으로부터 엔진 제어 입력부(11b)에 제공된 신호에 응답하여 설정된다. 제어 수단(14)은 전기 배선 버스(16)를 통해 전기 신호를 제너레이터 부하 수단(18)으로 및 그로부터 수신 및 전송하도록 접속된 적어도 하나의 입력/출력 포트(14a)를 가지며, 상기 제너레이터 부하 수단(18)은 센서, 스위치, 및 하이브리드 전기 차량 등의 바퀴 구동 모터와 같은 적어도 하나의 최종 작용체(end-effector)에 결합된 동일한 트랜스듀서 및/또는 작용체를 포함할 수도 있다.

엔진 샤프트(11s)는 부하(18)로의 접속을 위하여, 제너레이터 출력 단자(20a) 및 (20b) 사이에 AC 출력 전압 V_g를 생성하기 위해 제너레이터 수단(20)의 회전자 샤프트(20s)에 직접 접속된다. 일반적으로, 제너레이터(20)는 필드 여자 수단(22)의 필드 여자 출력(22f)에 접속되며 제너레이터 내에서 (가상 라인으로 도시된) 필드 코일(20f)을 갖는 여자 필드형이다. 필드 여자 수단(22)은 통상적으로 제너레이터 전기 출력에 접속된 입력부(22a/22b)를 구비하여, 이로부터 AC 전압을 모니터하고, 또한 제어 입력 포트(22c)를 구비하여, 명령이나 다른 감지 파라미터 등의 신호들을 수신함으로써, 전기 생성 기술분야에 공지된 방법으로, 필드 코일(20f) 여자 신호 특성을 제어함으로써 제너레이터 전압 V_g를 설정하기 위하여 전체 입력 신호들이 이용된다. 본 발명의 한 양상에 따르면, 제너레이터(20)는 여자 코일(20f)이 완전하게 없는 영구 자석형이며, 시스템(10)은 또한 유사하게 어떠한 형태의 필드 여자 수단(22), 및 어떠한 특별한 센서들, 작동기 및 상기의 필드 여자 수단에 접속된 전기 접속부가 완전하게 없다.

하이브리드 전기 차량등에서 볼 수도 있는 전형적인 제너레이터 부하(18)는 제너레이터 단자(20a 및 20b)로부터 AC 전압 V_g를 수신하고, 저장 배터리(26) 양단에 발생한 맥동-DC 전압 V'로 정류하는 전파 정류기(FWR) 수단(20)을 포함한다. 제어 스위칭 수단(28)은 배터리 수단(26) 양단에서 DC 전기 모터 등과 같은 가변부하(30)와 직렬로 접속된다. 따라서, 수단(28) 및 수단(30)의 직렬 결합부는 배터리 수단(26)과 병렬로 접속되며, FWR 수단(24)의 출력 양단에 접속된다. 제어 스위칭 수단 입력부(28a)에서의 전위는 입력부(28c)에서의 제어 신호 상태에 응답하여 출력부(28b){및 부하(30)}에 선택적으로 결합되고, 상기 제어 신호는 버스(16) 등을 통해 제공된다.

이제 도 2를 참조하면, 제너레이터 전압 V_g는 항상 어떤 피크값(이는 제너레이터 개방 회로 전압인 V_oc의 최대값을 가지며, 제너레이터 직렬 임피던스 Z를 통해 흐르는 제너레이터 전류에 의해 유발된 전압 강하로 인하여 전형적으로 다소 작은 크기이다)을 갖는 바이폴라 AC 전압(20W)이다. 수단(24)의 출력 전압 V'에서, ( 점선으로 도시된) 네거티브 극성 반사이클(20n)은 전파 정류 과정에 의하여 반전되며, 유니폴라 전압 V'은 단지 포지티브 극성 로브(lobe)(20p)만을 갖는다. 전류 I'는 수단(24)의 정류기 다이오드가 역 바이어스될 시에는 흐르지 않는데, 이는 전압 V'의 순시 크기가 FWR 수단(24) 출력 양단에 접속된 배터리 수단(26)의 전압 V_b보다 작을 때에만 생긴다. 그러나, 전압 V'이 순간적으로 배터리전압 V_b보다 큰 값을 갖게 되면, FWR 수단(24)의 다이오드는 순방향 바이어스되고, 전류 I'의 펄스(32)는 도 2의 하부 파형에 도시된 바와 같이 어떤 피크 값 I_p로 흐른다. 스위치 수단(28)이 비 도통일 경우, 모든 전류 I'는 배터리(26)를 충전 및 재충전하고, 스위칭 수단(28)이 도통일 경우, 전류는 수단(24) 또는 배터리(26)의 어느 하나 또는 양자 모두로부터 수단(28)을 통해 전기 부하(30)로 흐른다.

영구 자석 제너레이터(PMG) 수단(20)은 도 3에 도시된 바와 같은 테브닌 등가 회로를 갖는데, 사인파 공급원(20y)은 제너레이터 단자(20a) 및 (20b) 사이에서 직렬로 ( 제너레이터 입력 샤프트(20s) 회전 속도 S의 함수인) 값 V_oc를 가지며, 제너레이터 임피던스(20z)는 직렬 저항(20r) 및 직렬 리액턴스(20x)로 구성된다. 본 발명의 한 양상에 따르면, 제너레이터 임피던스(20z)의 값 Z는 샤프트 속도 S(분당 회전수)에 대해 파워 P(마력)의 변화도로서 정의되는 특정 동작 기울기 M_g를 설정하도록 선택되고, 바람직하게는 아래에 상세히 기술되는 바와 같이 엔진 P/S 곡선의 기울기 M_d와 정합한다. 기울기 M_g는 저항 성분 크기 R 및/또는 리액턴스 성분 크기 x를 조절함으로써 설정될 수 있다.

이제 도 4를 참조하면, 그래프(40)는 횡좌표(41)을 따라 도시된 분당 회전수(rpm)인 엔진(11)의 회전 속도 S 및, 좌표(42)를 따라 도시된 마력인 엔진 파워 출력 P를 갖는다. 특정 디젤 엔진(11)에 대하여, 최대 파워 P_max곡선(44) 및, 엔진과 그의 샤프트 부하 사이의 공지된 커플링에 의한 정미 파워(net power) Pnet 곡선(44') 모두가 얻어질 수 있다. 곡선(44')은 곡선(44)을 바싹 접근하여 진행되는바, 이런 특정 엔진에 대하여 파워 대 속도 곡선(44)은 약 (240-60)hp/(2000-800)rpm=0.15hp/rev의 기울기 M_d를 갖는다. 제너레이터(20)는 정류될 시에 배터리 전압 V_b와 동일한 출력 전압 V_g에 의해 결정되는 동작 곡선(46)을 갖게 되어, 제너레이터는 하한(lower limit) 배터리 전압(여기서는 약 450 V_dc)에 대해서는 샤프트(20s)의 출력 파워 대 속도 S의 제 1 동작 곡선(46a)을 가지며, 더욱 큰 값 Vb(여기서는 각각 약 500, 540, 580 및 620 V_dc)에 대해서는 다른 동작 곡선(46b, 46c, 46d, 및 46e)을 갖는다.

본 발명에 따르면, 제너레이터 임피던스 Z는 제너레이터 동작 곡선(46)의 기울기 M_g를 엔진 동작 기울기 M_d에 근접시키도록 선택된다. 전형적으로 어떠한 속도 S에 대한 제너레이터 곡선(46) 기울기 M_g는 인수 2, 예를 들어 엔진 곡선(44) 기울기 M_d에 대해 동일속도에서 대략 1/2M_d의 최소 제너레이터 동작 곡선 기울기 M_g,min및 대략 2M_d의 최대 제너레이터 동작 곡선 기울기 M_d,max로 상관 관계를 갖는다. 예시적으로 0.15의 M_d를 가진 엔진에 대하여, 최소 제너레이터 곡선(46) 기울기는 {곡선(45a)의 상위 단부에서} 약 0.075이고, 최대 제너레이터 기울기 M_g는 {곡선(46e)의 하위 단부에서} 약 0.3이다. 공지된 엔진-제너레이터 결합부에서, 통상적인 제너레이터 동작 곡선(48)은 약 0.4 마력의 전형적인 기울기 M_old를 갖는다. 본 발명에 따르면, 정합 엔진 제너레이터 쌍은 통상적인 제너레이터의 동작 기울기보다 2 또는 3배 적은 동작 곡선 기울기를 갖는다.약 450 볼트 및 약 620 볼트 사이의 AC 피크 전압에서 출력 파워를 제공하는 영구자석 제너레이터 (20)와 240 피크 마력 디젤 엔진의 한 특정 결합에 대하여, 제너레이터(20)는 원동기에 대한 임피던스 정합을 위해 선택된 뿐만 아니라, 제너레이터가 약 1000rpm 이하의 회전 속도에 대해서는 실질적으로 출력 파워를 제공하지 않도록 선택되며; 이에 따라 피크 전력의 약 5% 이상으로 한정될 수 있는 전력은 저속 영역 ( 이 저속 영역에서는 이용되는 특정 엔진이 고 방출 및 다른 바람직하지 않은 특성을 지니게 된다 ) 위에 있도록 하기 위하여 선택되는 속도들에서만 제공된다.

본 발명의 다른 양상에 따르면, 1000 및 1200 rpm 사이의 샤프트 속도에서의 제너레이터 파워 출력이 나타남으로써, 엔진 방출을 최소로 되면서도 디젤 터보가 전체 동작 속도를 줄이지 않도록 속도를 충분히 램프업(ramp up)할 때까지 디젤 엔진(11)에 부하를 주지않게 되는바, 이는 또한 디젤 엔진의 연료 주입 시스템이 연료 흐름을 증가시키기 전에 약 1200rpm으로 점진적으로 램프(ramp)하도록 조정될 수 있게 함으로써 낮은 엔드 토오크(end torque) 요건을 충족시키며, 따라서 엔진(11)으로부터의 가스 및 미립자 방출을 감소시킨다.

마지막으로 도 5를 참조하면, 그래프 참조하면, 그래프(50)는 횡좌표(51)를 따라 도시된 부하 전류 I_L과, 세로좌표(52)를 따라 도시된 부하 전압 V_L을 갖는다. 부하 {모터(30)}는 점선으로 도시된 V-I 곡선(53)을 갖는 일정한 전력 부하이다. 이런 곡선은 부하 모터로 전달된 전력이며, 곡선(53) 상의 어느 포인트에서 제너레이터 전압 V_g와 거의 동일한 동작 전압과 동작 전류와의 곱이다. 설정 속도에서, 제너레이터(20)는 배터리 시스템 전압 포인트 V_b에 의해 결정되는 전력을 생성하는 제너레이터 전력 곡선을 따라 동작을 하게된다. 설명의 목적으로, 실선 곡선(55)에 의해 주어진 제 1 동작 속도 제너레이터 전력 곡선을 가정하자. 이 곡선은 제 2 곡선(56)의 중간 속도(1800rpm) 보다 높은 속도( 예를 들어, 2000rpm)에서 이루어지는데, 이는 제 3 동작 곡선의 낮은 속도(즉, 1,800rpm)보다 여전히 높게된다. 제너레이터로부터의 요구 전력이 곡선(55)을 따라, 가령 2000rpm의 소정의 속도에서의 제너레이터 용량 보다 상당히 낮다면, 전류 I는 자연히 감소되어 시스템이 덜 효율적인 포인트에서 동작하게 한다. 곡선(55) 상에서, 화살표 A 방향에서 발생한 회전자 손실을 증가시키고 화살표 B 방향에서 발생한 I²R 손실을 증가시키면서, 포인트(55a)에서 최대 효율이 얻어진다. 단지 가능한 동작 포인트들은 곡선들(53, 55)이 포인트들(55p, 55p')과 교차하는 곳인데, 비교적 높은 제너레이터 전압은 대개 제너레이터 곡선(55)에 대한 최대 효율보다 훨씬 적은 효율을 갖는 포인트(55p)에서 동작을 요구한다. 제어기 수단(14)은 포인트(55a)에서 상당히 떨어져 있는 전압 V_O.1및 전류 I_L.1에서의 동작을 인식하고, 디젤 엔진(11)의 속도를 조정하는데, 예를 들어 제너레이터의 효율을 증가시키기 위하여 속도를 감소시킨다. 얼마 후에, 제너레이터의 속도는 제너레이터(20)가 제너레이터 곡선(56)을 따라 동작할 때까지 떨어진다. 정확한 동작 포인트는 곡선(53 및 56)이 교차하는 포인트(56p)가 될 것이다. 동작 포인트(56p)는 여전히 이 새로운 속도에서의 제너레이터의 최대 효율 동작 포인트(56a)로부터 꽤 멀리 떨어져 있다. 따라서, 제어기 수단(14)은 속도가 생성 곡선(57)에 도달할 때까지 엔진 속도를 계속 감소시키는데, 생성 속도에서는 제너레이터가 최대 동작 효율 포인트(57a)에 매우 근접한 포인트에서 동작한다. 곡선(48)과 같은 동작 곡선을 갖는 제너레이터의 통상적인 85% 효율에 대하여, 약 94%의 최소 효율이 제너레이터 임피던스 Z를 제너레이터 샤프트를 회전시키는 엔진에 정합시킴으로써 얻어질 수 있는 것으로 밝혀졌다.

본 발명이 그의 바람직한 실시예에 대해 기술되었지만, 당업자에게 있어 다양한 변형 및 수정이 가능함은 명백하다. 그러므로, 본 발명은 본 원의 상세한 설명에서 제시된 세부사항들 및 수단들에 의해서가 아닌 첨부된 특허 청구 범위로 한정되어야 할 것이다.

발명의 효과 누락

Claims (20)

1. 각각의 속도 S의 값에서 출력-전력/S 기울기 M_d를 갖는 원동기의 출력 전력 대 속도 곡선을 결정하는 속도 S로 회전하는 출력 샤프트를 갖는 원동기 수단; 및

   상기 샤프트의 회전에 응답하여 전력을 제공하며, 제너레이터의 출력 전력 대 속도 곡선이 상기 속도의 S 값에서 1/2 M_d〈 M_g〈 2M_d범위에서 상기 기울기 M_d에근접하는 기울기 M_g를 가질 수 있도록 선택되는 임피던스를 갖는 제너레이터 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 전력 발전용 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 장치의 효율을 최대화하기 위하여 샤프트 회전 속도를 제어하는 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 발전용 장치.
3. 삭제
4. 삭제
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 제너레이터 수단은 1500rpm 보다 작은 회전 속도 S에 대하여 제너레이터 최대 전력 출력의 10% 보다 작은 저 전력 출력을 제공하는 것을 특징으로 하는 전력 발전용 장치.
6. 제 5 항에 있어서,

   어떤 제너레이터 전력 출력도 1000 rpm이하의 회전 속도 S에 대해서는 제공되지 않는 것을 특징으로 하는 전력 발전용 장치.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 원동기 수단은 탄화 수소 연소 엔진인 것을 특징으로 하는 전력 발전용 장치.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 엔진은 하이브리드 전기 차량내의 터보 디젤 엔진인 것을 특징으로 하는 전력 발전용 장치.
9. (a) 각각의 속도 S의 값에서 출력-전력/S 기울기 M_d를 갖는 원동기의 출력 전력 대 속도 곡선를 결정하는 속도 S로 회전하는 출력 샤프트를 갖는 원동기를 제공하는 단계;

   (b) 상기 출력 샤프트의 회전에 응답하여 전력을 발전시키는 제너레이터를 제공하는 단계; 및

   (c) 제너레이터의 출력 전력 대 속도 곡선이 상기 속도 S 값에서 1/2 M_d〈 M_g〈 2M_d범위에서 상기 기울기 M_d에근접하는 기울기 M_g를 가질 수 있도록 제너레이터 임피던스를 선택하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 발전 방법.
10. 삭제
11. 제 9 항에 있어서,

    상기 제너레이터의 효율을 최대화하기 위하여 원동기 속도 S를 변화시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 발전 방법.
12. 제 9 항에 있어서,

    필드 여자 없이 제너레이터를 동작시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발전 방법.
13. 제 9 항에 있어서,

    사전 선택된 최소 S값 이상으로만 전기 출력을 제공하도록 제너레이터를 선택하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 발전 방법.
14. 하이브리드 전기 차량내의 전력 발전 방법에 있어서,

    (a) 각각의 속도 S의 값에서 출력-전력/S 기울기 M_d를 갖는 출력 전력 함수를 결정하는 속도 S로 회전하는 출력 샤프트를 갖는 원동기를 제공하는 단계;

    (b) 상기 출력 샤프트의 회전에 응답하여 전력을 발전시키는 제너레이터를 제공하는 단계; 및

    (c) 제너레이터의 출력-전력/S 함수가 상기 속도 S의 값에서 1/2 M_d〈 M_g〈 2M_d범위에서 상기 기울기 M_d에근접하는 기울기 M_g를 가질 수 있도록 제너레이터 임피던스를 선택하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 발전 방법.
15. 삭제
16. 제 14 항에 있어서,

    상기 제너레이터의 효율을 최대화하기 위하여 원동기 속도 S를 변화시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 발전 방법.
17. 제 14 항에 있어서,

    필드 여자 없이 제너레이터를 동작시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 발전 방법.
18. 제 14 항에 있어서,

    사전 선택된 최소 S값 이상으로만 전기 출력을 제공하도록 제너레이터를 선택하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 발전 방법.
19. 제 14 항에 있어서,

    상기 원동기를 디젤 엔진으로 선택하고, 상기 제너레이터를 입력 샤프트를 가진 AC 제너레이터로 선택하며, 상기 엔진 출력 샤프트를 상기 제너레이터 입력 샤프트에 직접 접속하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 발전 방법.
20. 제 19 항에 있어서,

    필드 여자 없이 상기 제너레이터를 동작시키고, 상기 제너레이터의 효율을 최대화하기 위하여 원동기 속도 S를 변화시키며, 그리고 상기 제너레이터가 사전 선택된 최소 S값 이상으로만 전기 출력을 제공하도록 선택하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 발전 방법.