KR100678492B1 - 여자기의 계자를 영구자석 복합방식으로 한 회전계자형자여자식 동기발전기 - Google Patents

여자기의 계자를 영구자석 복합방식으로 한 회전계자형자여자식 동기발전기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 수회 권선되어 직류 전류가 도통되는 여자기 계자권선; 발전기의 출력전압이 기설정된 일정 전압으로 유지될 수 있도록 상기 여자기 계자권선으로 유입되는 전류량을 조절하는 자동전압조절기; 상기 자동전압조절기를 통하여 출력되는 전류에 의하여 전자석화 되는 여자기 계자철심; 및 상기 여자기 계자철심의 소정부에 형성되는 자력에 의해 여자기의 전기자권선에 기전력을 유기시키는 여자기의 계자에 영구자석을 포함하는 자여자식 동기발전기를 제공한다.
여자기, 영구자석, 자동전압조절기

Description

여자기의 계자를 영구자석 복합방식으로 한 회전계자형 자여자식 동기발전기{The revolving field type self-exciting synchronous generator that field of exitor used permanent magnet}
도 1은 종래 자여자방식의 회전계자형 브러시레스 동기발전기를 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 자여자방식의 회전계자형 브러시레스 동기발전기를 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 자동전압조절기(AVR)의 구성을 도시한 블록도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1 : 주발전기 전기자철심 2 : 주발전기 전기자권선
3 : 주발전기 계자철심 4 : 주발전기 계자권선
5 : 여자기 계자철심 6 : 여자기 계자권선
7 : 여자기 전기자철심 8 : 여자기 전기자권선
9 : 회전자 정류기 10 : 자동전압조절기
11 : 초기여자 스위치 12 : 초기여자 축전지
13 : 발전기 출력선로 14 : 자동전압조절기 입력선로
15 : 발전기 회전축 16 : 여자기 계자영구자석
본 발명은 브러시레스 회전계자형 동기발전기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 병원, 은행, 방송국 등 각종 빌딩에서 상용 전력이 정전되었을 때 전력을 공급하기 위하여 사용되는 비상발전기세트의 자여자방식의 브러시레스 회전계자형 동기발전기의 여자기 및 동 발전기에 적용되는 자동전압조절기에 관한 것이다.
일반적으로 각종 빌딩에서 사용되는 비상발전기는 화석연료를 에너지원으로 하는 내연기관 또는 소형 가스터빈을 이용하여 발전기를 구동시키고, 여기에서 발생된 전력을 빌딩 내부의 전력을 소요로 하는 설비에 공급하는 소형 발전소로 볼 수 있다.
컴퓨터의 보급과 더불어 각종 장비는 급속히 전자화 되었으며, 이로 인하여 상기 각종 설비는 보다 양질의 전력 공급을 요구한다. 그러나, 정작 전력설비 그 자체는 전력을 비선형적으로 소모시키고 있으며, 이로 인하여 발생되는 많은 고조파 성분은 전력계통의 왜란을 일으키는 주요 원인이 되고 있다. 상용전력을 사용할 때는 발전기의 용량이 대단히 커 각종 전자장비에서 전력을 비선형적으로 소모해도 발전기의 입장에서 공급하는 전력은 거의 선형적이다. 그러나, 비상시 빌딩 내부의 설비에 전력 공급을 담당하는 비상발전기는 상대적으로 작은 용량의 발전기임으로 빌딩에 설치된 전력설비로 발전기의 난조 없이 전력을 원활히 공급하기 위해서는 특수한 장치를 부가하여야만 한다.
이하, 도면을 참조하여 종래기술을 게시하며, 종래 기술이 지닌 문제점을 설명한다.
도 1은 종래 자여자방식의 회전계자형 브러시레스 동기발전기를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 상기 종래 자여자방식의 회전계자형 브러시레스 동기발전기는 크게 주발전기와 여자기로 구분된다. 또한, 고정자와 회전자로도 구분된다. 상기 주발전기의 회전자에는 주발전기 계자철심(3)이 발전기 회전축(15)의 외주면에 형성되고 상기 주발전기 계자철심(3)에는 주발전기 계자권선(4)이 권선된다. 상기 주발전기의 고정자에는 주발전기 전기자철심(1)이 형성되고 상기 전기자철심(1)의 슬롯에는 주발전기 전기자권선(2)이 권선된다. 한편, 여자기는 주발전기와는 반대로 발전기 회전축(15)의 외주면에 여자기 전기자철심(7)이 형성되고, 상기 여자기 전기자철심(7)에는 여자기 전기자권선(8)이 권선된다. 고정자에는 여자기 계자철심(5)이 형성되고, 상기 여자기 계자철심(5)에는 여자기 계자권선(6)이 권선된다.
주발전기든 여자기든 계자권선(4, 6)에는 직류전류가 흐르게 되고 계자철심(3, 5)은 상기 계자권선(4, 6)에 흐르는 전류로 인하여 전자석화 된다. 이 전자석에 의해 발생된 자장 속에서 전기자권선(2, 8)이 자속을 쇄교하면 상기 전기자권선(2, 8)에는 교류전기가 발생된다. 여자기의 회전자에 설치된 여자기 전기자권선(8)과 주발전기의 회전자에 설치된 주발전기 계자권선(4) 사이에는 회전자 정류기(9)가 형성되며, 상기 여자기 전기자권선(8)에 발생된 교류전기는 상기 회전자 정류기(9)를 통하여 직류로 변환되어 주발전기 계자권선(4)으로 공급된다. 상기 주발전기 전기자권선(2)에서 발생된 전기는 발전기 출력선로(13)를 통하여 부하설비로 공급되는 한편 일부는 자동전압조절기 입력선로(14)를 통하여 상기 자동전압조절기(10)로 분기되어 유입된다. 상기 자동전압조절기(10)는 발전기의 출력전압이 기설정된 일정 전압으로 유지될 수 있도록 한다. 상기 자동전압조절기(10)의 입력단에서는 발전기의 출력전압을 받아 감지하고 적당한 직류전류로 변환하여 출력단으로 공급하며, 상기 직류전류는 상기 여자기 계자권선(6)으로 입력된다.
최초에 발전기를 가동하면 발전기 내부에는 어떠한 자석 성분이나 전류의 흐름이 없으므로 전기가 발생하지 않는다. 이 때 상기 자동전압조절기(10)에 연결된 초기여자스위치(11)를 통하여 축전지(12)의 전기를 상기 여자기 계자권선(6)으로 공급하면 상기 여자기 계자철심(5)은 전자석이 되고 이로 인해 상기 여자기 전기자권선(8)에는 전기가 발생되기 시작한다. 이후, 앞서 설명한 과정을 거쳐 상기 주발전기 전기자권선(2)에 전기가 발생되며, 발생된 전압이 기설정된 전압에 도달하면 자동으로 상기 자동전압조절기(10)에 의해 상기 초기여자스위치(11)는 차단된다. 상기 자동전압조절기(10)가 스스로 주발전기 전기자권선(2)의 전압을 감지하여 상기 여자기 계자권선(6)으로 피드백 되는 전류의 양을 조절함으로써 일정전압을 유지한다.
부하의 증가 등으로 발전기 출력전압이 떨어지면 상기 자동전압조절기(10)는 출력전류를 증가시키고, 반대로 발전기 출력전압이 높아지면 상기 자동전압조절기(10)는 출력전류를 감소시켜 발전기의 전압을 안정시킨다. 여기에서 상기 자동전 압조절기(10)는 발전기 전압을 감지하여 발전기의 전압을 조정하는 기능과 발전기의 전력을 받아 직류전류로 변환하여 상기 여자기 계자권선(6)으로 공급하는 기능을 수행한다.
그런데 만약 발전기와 연결된 부하에 의해 발전기 출력선로(13)에 고조파 성분이 함유되면 상기 자동전압조절기(10)의 전압 감지 기능에 장애가 발생할 수 있으며, 더 나아가 상기 여자기 계자권선(6)으로 공급되는 전력에 고조파가 함유되고, 상기 고조파가 발전기 내부에서 증폭되어 주발전기 출력전압에 영향을 미칠 수 있다.
이러한 문제를 해결하기 위하여 종래에는 부하설비에 비해 발전기의 용량을 매우 크게 하여 전력설비에서 발생할 수 있는 고조파 성분을 상대적으로 무시할 수 있도록 하는 방법을 채용하고 있으나 발전기 용량의 확장에는 한계가 있다.
또한 종래 다른 방법으로는 타여자 방식이 사용되고 있다. 대용량 발전기에서는 자동전압조절기용 전원장치를 구비하여 자동전압조절기(10)의 전원으로 사용할 수 있으나 이는 시스템의 부피를 증가시켜 이를 비상발전기에 적용하는 데에는 무리가 따른다. 따라서 비상발전기에서는 발전기축에 영구자석발전기를 내장하여 상기 영구자석에 의해 발생된 전력을 자동전압조절기(10)의 전원으로 사용한다. 그러나 이 방법 역시 시스템 부피의 확장을 피할 수 없으며, 구현 시 경비가 증가되는 문제점이 있다.
상기 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명은 자여자방식의 발전기에서 발전기의 용량 및 시스템을 증가시키지 않고 부하에서 발생할 수 있는 고조파에 대한 영향을 최소화하는 자여자방식의 브러시레스 회전계자형 동기발전기의 여자기 및 동 발전기에 적용되는 자동전압조절기를 제공하는 데 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 안출된 본 발명은 수회 권선되어 직류 전류가 도통되는 여자기 계자권선; 발전기의 출력전압이 기설정된 일정 전압으로 유지될 수 있도록 상기 여자기 계자권선으로 유입되는 전류량을 조절하는 자동전압조절기; 상기 자동전압조절기를 통하여 출력되는 전류에 의하여 전자석화 되는 여자기 계자철심; 및 상기 여자기 계자철심의 소정부에 형성되는 자력에 의해 여자기의 전기자권선에 기전력을 유기시키는 여자기의 계자에 영구자석을 포함하는 자여자식 동기발전기를 제공한다.
바람직하게는, 상기 여자기의 계자영구자석은 무부하시 설정전압을 발생시키고, 상기 자동전압조절기는 부하의 변동 및 왜란에 의해 추가로 소요되는 전력만 여자기 계자권선에 공급한다.
또한, 발전기의 전압이 기설정된 전압수준에 비하여 낮을 경우, 상기 자동전압조절기로부터 출력되는 전류는 상기 여자기 계자영구자석이 형성하는 자력을 강화시키는 방향으로 흐르고, 발전기의 전압이 기설정된 전압수준에 비하여 높을 경우 즉 자동전압조절기는 부하가 급격히 줄어들거나 용량성 부하가 증가하여 자기여 자가 이루어질 때, 상기 자동전압조절기로부터 출력되는 전류는 상기 여자기 계자영구자석이 형성하는 자력을 상쇄시키는 방향으로 흐른다.
본 발명과 본 발명의 동작성의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 자여자방식의 회전계자형 브러시레스 동기발전기를 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 상기 본 발명의 자여자방식의 회전계자형 브러시레스 동기발전기는 크게 주발전기와 여자기로 구분된다. 또한, 고정자와 회전자로도 구분된다. 상기 주발전기의 회전자에는 주발전기 계자철심(103)이 발전기 회전축(115)의 외주면에 형성되고 상기 주발전기 계자철심(103)에는 주발전기 계자권선(104)이 권선된다. 상기 주발전기의 고정자에는 주발전기 전기자철심(101)이 형성되고 상기 주발전기 전기자철심(101)의 슬롯에는 주발전기 전기자권선(102)이 권선된다. 한편, 여자기에는 주발전기와는 반대로 발전기 회전축(115)의 외주면에 여자기 전기자철심(107)이 형성되고, 상기 여자기 전기자철심(107)에는 여자기 전기자권 선(108)이 권선된다. 고정자에는 여자기 계자철심(105)이 형성되고, 상기 여자기 계자철심(105)에는 여자기 계자권선(106)이 권선된다.
주발전기와 여자기를 불문하고 계자권선(104, 106)에는 직류전류가 흐르고, 상기 계자권선(104, 106)에 흐르는 전류에 의해 상기 계자철심(103, 105)은 전자석화 된다. 상기 전자석에 의해 발생된 자장 속에서 전기자권선(102, 108)이 자속을 쇄교하면 상기 전기자권선(102, 108)에는 교류 전기가 발생된다. 여자기의 회전자에 설치된 여자기 전기자권선(108)과 주발전기의 회전자에 설치된 주발전기 계자권선(104) 사이에는 회전자 정류기(109)가 형성되며, 상기 여자기 전기자권선(108)에 발생된 교류전기는 상기 회전자 정류기(109)를 통하여 직류로 변환되어 상기 주발전기 계자권선(104)으로 공급된다. 상기 주발전기 전기자권선(102)에서 발생된 전기는 발전기 출력선로(113)를 통하여 부하설비로 공급되는 한편 일부는 자동전압조절기 입력선로(114)를 통하여 상기 자동전압조절기(110)로 분기되어 유입된다. 상기 자동전압조절기(110)는 발전기의 출력전압이 기설정된 일정 전압으로 유지될 수 있도록 상기 여자기 계자권선(106)으로 유입되는 전류량을 조절한다. 상기 자동전압조절기(110)의 입력단에서는 발전기의 출력전압을 입력받아 감지하고 적당한 직류전류로 변환하여 출력단으로 공급하며, 상기 직류전류는 상기 여자기 계자권선(106)으로 입력된다. 다만 상기 여자기 계자철심(106)의 중앙에 새로이 여자기 계자영구자석(116)이 형성되어, 상기 자동전압조절기(110)를 통하여 상기 여자기 계자철심(106)으로 입력되는 전류량은 종래에 비하여 월등히 감소된다. 그리고 종래 자동전압조절기(110)에 연결되어 있던 초기여자 스위치와 초기여자 축전지는 불 필요함으로 생략 가능하다. 보다 상세히, 상기 여자기 계자영구자석(116)으로 인하여 발전기의 최초 가동시 전기를 발생시키는 초기여자 회로는 불필요하다.
본 발명의 자여자방식의 회전계자형 브러시레스 동기발전기의 기본 작동원리는 종래 자여자방식의 회전계자형 브러시레스 동기발전기와 크게 다르지 않다. 이하, 종래 자여자방식의 회전계자형 브러시레스 동기발전기와 본 발명의 자여자방식의 회전계자형 브러시레스 동기발전기의 작동원리 중 동일한 부분에 대한 설명은 최대한 생략하며, 그 차이점을 중심으로 기술한다.
먼저, 발전기가 가동되면 상기 여자기 계자영구자석(116)의 자력에 의해 상기 여자기 전기자권선(108)에 기전력이 유기된다. 상기 유기된 기전력으로부터 생산된 전기는 상기 회전자 정류기(109)를 통하여 직류로 변환되어 상기 주발전기 계자권선(104)으로 전송되어 상기 주발전기 계자철심(103)을 자화시킨다. 상기 주발전기 계자철심(103)에서 자력이 발생되면 상기 주발전기 전기자권선(102)으로부터 전기가 발생되고, 이 전기는 상기 발전기 출력선로(113)를 통하여 부하로 공급된다. 이와 동시에 일부 전기는 자동전압조절기 입력선로(114)를 통하여 자동전압조절기(110)로 입력된다. 상기 자동전압조절기(110)로 입력된 전기는 상기 자동전압조절기(110)의 출력부를 통하여 상기 여자기 계자권선(106)으로 피드백 된다. 상기 자동전압조절기(110)로부터 상기 여자기 계자권선(106)으로 피드백 되는 전류는 발전기의 전압수준과 기설정된 전압수준을 비교하여 그 방향이 결정된다. 보다 상세히, 발전기의 전압이 기설정된 전압수준에 비하여 낮을 경우, 상기 자동전압조절기(110)로부터 출력되는 전류는 상기 여자기 계자영구자석(116)으로부터 발생되는 자력이 증가될 수 있는 방향으로 흐른다. 역으로, 발전기의 전압이 기설정된 전압수준에 비하여 높을 경우, 상기 자동전압조절기(110)로부터 출력되는 전류는 위와 반대방향으로 흘러 상기 여자기 계자권선(106)에서 발생된 자력이 상기 여자기 계자영구자석(116)의 자력을 일부 상쇄시킨다. 전압 조정의 변동폭은 상기 여자기 계자권선(106)에 흐르는 전류의 크기에 따라 달라진다.
종합하면, 본 발명은 발전기 여자기의 계자철심에 여자기 계자영구자석(116)을 설치하고, 상기 여자기 계자영구자석(116)으로부터 발생되는 자력을 이용하여 무부하시 설정전압을 발생시키고, 부하의 변동 및 왜란에 의해 추가로 소요되는 전력만을 상기 자동전압조절기(110)로부터 상기 여자기 계자권선(106)으로 공급하는 발전 시스템을 제안한다. 따라서 상기 자동전압조절기(110)는 상기 여자기 계자권선(106)으로 비교적 적은량의 전류만을 공급해도 되므로 시스템이 작아지고, 부하에 의한 고조파 함유 시에도 상기 고주파가 발전기에 미치는 영향을 최소화할 수 있다. 또한, 상기 자동전압조절기(110)는 부하가 급격히 줄어들거나 용량성 부하가 많아 자기여자가 이루어질 때 역방향 전류를 공급할 수 있도록 형성된다. 이는 종래 순방향의 전류만을 제공하는 자동전압조절기와는 상이하다.
도 3은 본 발명의 자동전압조절기(AVR)의 구성을 도시한 블록도이다.
도 3을 참조하면, 상기 자동전압조절기(110)는 크게 제어부와 전원부로 구분된다. 상기 제어부는 발전기의 전압을 검출하여 높고 낮음을 분석하여 발전기가 일정 전압을 유지할 수 있도록 제어신호를 발생시키는 부분이며, 상기 전원부는 상기 제어부로부터 발생된 제어신호에 따라 상기 여자기 계자권선(106)으로 피드백 되는 전류를 제어하는 부분이다.
상기 제어부의 작동 과정은 다음과 같다. 먼저, 발전기 출력전압을 자동전압조절기(110)의 입력단에 형성되는 변압기를 통하여 전자회로에 적정한 전압으로 낮추어 오차전압송출회로(220)로 송출한다. 또한 일부 변압된 전기를 전원회로(230)에 공급하여 자동전압조절기(110) 내부의 전자회로가 작동될 수 있도록 한다. 보다 상세히, 상기 전원회로(230)에서는 입력 신호를 직류로 변환하여 각종 소자가 동작할 수 있도록 전원을 공급한다. 상기 오차전압송출회로(220)는 외부에서 설정한 전압과 상기 변압기(210)에 입력되는 전압을 비교하여 차이를 검출하고, 상기 차이를 오차전압증폭회로(240)로 전송한다. 상기 오차전압증폭회로(240)는 검출된 미세 신호를 보다 쉽게 조작할 수 있도록 고전압의 신호로 증폭시켜 펄스발생회로(250)로 전송한다. 상기 펄스발생회로(250)에서는 신호전압을 A/D 변환기를 통하여 펄스신호로 변환하여 펄스증폭회로(260)와 동기신호발생회로(270)로 전송한다. 상기 펄스증폭회로(260)에서는 상기 펄스신호의 크기를 상기 자동전압조절기(110)의 출력단에 형성되는 SCR(280)을 구동시킬 수 있을 정도로 증폭시켜 게이트(GATE)로 송출한다. 한편 상기 펄스발생회로(250)에서 발생된 펄스신호는 상기 동기신호발생회로(270)를 거치면서 정화되어 난조방지회로(290)로 전송된다. 상기 신호는 다시 아날로그 전압신호로 변환되어 상기 오차전압증폭회로(240)로 피드백 되어 헌팅 등의 난조를 방지하게 된다.
한편, 발전기를 병렬 운전할 때에는 발전기간에 서로 주고받는 무효전류가 발생될 수 있다. 이 때 CT(300)를 통하여 발전기의 전류를 검출하고 이를 횡류보상회로(310)에서 전압신호와의 위상차를 분석하여 무효 전류분을 검출하고, 그 크기를 신호화한다. 이후 상기 신호화된 무효 전류분을 상기 오차전압송출회로(220)로 송출하여 발전기의 출력전압을 제어하여 횡류를 최소화한다.
상기 자동전압조절기(110)의 전원부는 PT(320)를 통하여 발전기의 출력전압을 상기 여자기 계자권선(106)에서 처리 가능한 적정 수준으로 낮추고, 리액터(330)를 통하여 선로에서 입력되는 고조파를 최소화한다. 상기 PT(320)와, 리액터(330)를 거친 신호는 제어부로부터 출력된 제어 신호에 따라 상기 SCR(280)을 거쳐 상기 여자기 계자권선(106)으로 전송된다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
본 발명의 여자기의 계자를 영구자석 복합방식으로 한 회전계자형 자여자식 동기발전기는 종래 자여자식 동기발전기에 비하여 저비용으로 발전기의 부하에 의해 발생되는 고조파 성분의 영향을 최소화할 수 있다. 또한 초기여자회로가 필요 없으므로 시스템의 구성을 보다 간단히 할 수 있으며, 종래 자여자식 동기발전기에 비하여 여자기의 계자권선에 흐르는 전류량을 획기적으로 줄일 수 있어 발전기 자체의 효율을 증가시킬 수 있다.

Claims (3)

  1. 수회 권선되어 직류 전류가 도통되는 여자기 계자권선;
    발전기의 출력전압이 기설정된 일정 전압으로 유지될 수 있도록 상기 여자기 계자권선으로 유입되는 전류량을 조절하는 자동전압조절기;
    상기 자동전압조절기를 통하여 출력되는 전류에 의하여 전자석화 되는 여자기 계자철심; 및
    상기 여자기 계자철심의 소정부에 형성되는 자력에 의해 여자기의 전기자권선에 기전력을 유기시키는 여자기의 계자에 영구자석을 포함하는 자여자식 동기발전기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 여자기의 계자영구자석은 무부하시 설정전압을 발생시키고, 상기 자동전압조절기는 부하의 변동 및 왜란에 의해 추가로 소요되는 전력만 여자기 계자권선에 공급하는 자여자식 동기발전기.
  3. 제 1항에 있어서,
    발전기의 전압이 기설정된 전압수준에 비하여 낮을 경우, 상기 자동전압조절 기로부터 출력되는 전류는 상기 여자기 계자영구자석이 형성하는 자력을 강화시키는 방향으로 흐르고, 발전기의 전압이 기설정된 전압수준에 비하여 높을 경우 즉 자동전압조절기는 부하가 급격히 줄어들거나 용량성 부하가 증가하여 자기여자가 이루어질 때, 상기 자동전압조절기로부터 출력되는 전류는 상기 여자기 계자영구자석이 형성하는 자력을 상쇄시키는 방향으로 전류를 흐르게 하는 자여자식 동기발전기.
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