KR100846201B1 - Automatic voltage regulator for ship generator - Google Patents
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Abstract
본 발명은 자동전압조정기(AVR)와 전류 부스터 장치를 일체로 구성함으로써 설치 및 운전이 용이하도록 한 선박발전기용 자동전압조정기에 관한 것이다.The present invention relates to an automatic voltage regulator for a ship generator to facilitate the installation and operation by integrally configuring the automatic voltage regulator (AVR) and the current booster device.
본 발명에 따른 선박발전기용 자동전압조정기는, 교류발전기의 정상 동작시 발전기의 계자권선에 전류를 공급하는 AVR 전력부와, 상기 AVR 전력부의 정상 동작시 양방향 사이리스터(Thyristor)를 통해 단락상태를 유지하다가 발전기 출력단의 과부하 또는 이상으로 인한 과전류 공급을 필요로 하는 경우 사이리스터를 통한 단락을 해지하고 발전기의 계자권선에 전류를 공급하는 전류 부스터 전력부가 구비된다.The automatic voltage regulator for a ship generator according to the present invention maintains a short-circuit state through an AVR power unit for supplying current to the field winding of the generator during the normal operation of the alternator, and a bidirectional thyristor during the normal operation of the AVR power unit. In case of over-current supply due to overload or abnormality of the generator output stage, a current booster power unit is provided for canceling a short circuit through the thyristor and supplying current to the field winding of the generator.
선박발전기, 자동전압조정기, 전류부스터장치, 교류발전기, 사이리스터Ship Generator, Automatic Voltage Regulator, Current Booster, AC Generator, Thyristor
Description
도 1은 일반적인 선박발전기의 회로 구성도.1 is a circuit diagram of a typical ship generator.
도 2는 도 1의 선박발전기용 자동전압조정기의 전력회로 구성도.2 is a power circuit diagram of the automatic voltage regulator for a ship generator of Figure 1;
도 3은 도 1의 선박발전기용 전류 부스터 장치의 전력회로 구성도.3 is a power circuit diagram of the current generator booster device of Figure 1;
도 4는 본 발명에 따른 선박발전기용 자동전압조정기의 전력회로 구성도.4 is a power circuit diagram of an automatic voltage regulator for a ship generator according to the present invention.
도 5a 및 도 5b는 전류 부스터 전력부에서의 출력전압의 평균치 및 순시치 제어를 설명하기 위한 도면.5A and 5B are views for explaining average value and instantaneous value control of the output voltage in the current booster power unit.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
100 : AVR 전력부 120 : 정류부100: AVR power unit 120: rectifier
140 : 출력부 200 : 전류 부스터 전력부140: output unit 200: current booster power unit
본 발명은 선박발전기용 자동전압조정기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 자동전압조정기와 전류 부스터 장치를 일체로 구성함으로써 설치 및 운전이 용이하도록 한 선박발전기용 자동전압조정기에 관한 것이다. The present invention relates to an automatic voltage regulator for a ship generator, and more particularly, to an automatic voltage regulator for a ship generator to facilitate installation and operation by integrally configuring the automatic voltage regulator and the current booster device.
일반적으로 발전기는 자속 내부를 그 자속과 교차되도록 코일을 움직여 기전력을 발생함으로써 기계적인 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 장치이다. 발전기에 있어서 자동전압의 조정은 자동전압조정기(Automatic Voltage Regulator: AVR)에 의해 발생된 전원을 발전기의 계자권선에 직접 인가하거나, 또는 여자기의 계자권선에 인가하여 제어한다.In general, a generator is a device that converts mechanical energy into electrical energy by generating an electromotive force by moving a coil to cross the magnetic flux inside the magnetic flux. The automatic voltage adjustment in the generator is controlled by directly applying the power generated by the Automatic Voltage Regulator (AVR) to the field winding of the generator or by applying the field winding of the exciter.
이러한 방법은 발전기의 정상 동작에서는 만족스럽지만, 발전기 출력단의 과부하 상태나 사고시와 같은 과도한 전류를 필요로 하는 경우에는 전류 부스터 장치(Current Boost System: CBS)를 추가로 설치하여 이를 통하여 이상시의 전류를 공급하여야 한다. This method is satisfactory in the normal operation of the generator, but if an excessive current such as an overload condition or an accident of the generator output stage is required, an additional current booster system (CBS) is installed to supply current in case of abnormality. shall.
이러한 발전기 출력단의 과부하 상태나 사고시와 같은 과도한 전류를 필요로 하는 경우, 이를 해결하기 위해 출원된 미국특허 제 4,264,856 호 'System for maintaining excitation of an alternating current generator during excessive output current conditions'는 센트타입 여자기를 가지는 발전기에서 출력단이 단락상태 등으로 인해 과도한 발전기 전류를 필요로 하는 경우 전류를 공급하기 위한 전류 부스터 장치를 제공한다. 그러나, 이는 전류 부스터 장치 만의 하드웨어에 대한 특허로 발전기의 출력전압을 아날로그 소자로 감지하고, 출력전압이 발전기 단락 등의 이유로 아날로그 볼륨으로 설정한 전압보다 저하하는 경우 하드웨어에 의해 자동적으로 SCR을 턴-오프하도록 한다.In the case of requiring an excessive current such as an overload condition or an accident at the output stage of the generator, US Patent No. 4,264,856 filed for solving the problem is an cent type exciter. Branch provides a current booster device for supplying current when the output stage requires excessive generator current due to short circuit conditions. However, this is a patent for the hardware of the current booster device only, and it detects the output voltage of the generator as an analog element, and automatically turns the SCR on by the hardware when the output voltage drops below the voltage set by the analog volume due to the generator short circuit. Turn it off.
또한, 미국특허 제 5,294,879 호로 출원된 'Microprocessor-controlled Regulator'는 발전기의 출력전압에 대한 일정한 제어를 위한 마이크로프로세서에 의한 여자 제어 장치의 제어 알고리즘에 의해 발전기의 전류를 제어한다. 그러나, 이는 여자 제어 장치인 자동전압조정기 만의 제어 알고리즘에 관한 것이다.In addition, the 'microprocessor-controlled regulator' filed in US Patent No. 5,294,879 controls the current of the generator by the control algorithm of the excitation control device by the microprocessor for the constant control of the output voltage of the generator. However, this relates to the control algorithm of only the automatic voltage regulator which is an excitation control device.
상기 발전기에 있어서, 출력단의 과부하 상태나 사고시와 같은 과도한 전류를 필요로 하는 경우에 필요한 전류 부스터 장치는 선박발전기 등과 같은 응용에서는 반드시 필요로 하는 것으로 자동전압조정기와 함께 설치된다.In the generator, a current booster device necessary for an excessive load such as an overload condition or an accident at the output stage is installed with an automatic voltage regulator as necessary for an application such as a ship generator.
도 1은 일반적인 선박발전기의 회로 구성도이다.1 is a circuit diagram of a general ship generator.
도 1에 도시된 바와 같이, 일반적인 선박용 발전기는 백업(Back-Up) 전원 용량이 적기 때문에 발전기의 사고는 곧 정전으로 이어지고, 장시간의 발전기 사고는 정상적인 선박의 운항에 큰 지장을 주기 때문에 발전기 출력단의 과부하 상태나 사고시와 같은 과도한 전류를 필요로 하는 경우 자동전압조정기(10)가 발전기 계자에 전류를 흘려줄 수 없기 때문에 전류 부스터 장치(20)가 반드시 추가로 설치되어야 한다. 따라서, 자동전압조정기(10)와 직렬로 전류 부스터 장치(20)가 연결된다.As shown in FIG. 1, since a general ship generator has a low back-up power capacity, an accident of a generator immediately leads to a power failure, and a long generator accident causes a great obstacle to normal ship operation, so that In case of requiring an excessive current such as an overload condition or an accident, the
도 2는 도 1의 선박발전기용 자동전압조정기의 전력회로 구성도이다.2 is a power circuit diagram of the automatic voltage regulator for a ship generator of FIG.
도 2에 도시된 바와 같이, 자동전압조정기(10)는 발전기의 출력전압 Va, Vb, Vc로부터 전원을 입력받아 다이오드 모듈(Diode Module) DM1에 의해 교류전원에서 직류전원으로 정류하고 커패시터 모듈(Capacitor Module) CM1에 저장한다. 커패시터 모듈 CM1에 저장된 에너지는 자동전압조정기(10)에 의해 발전기 출력전압을 원하는 전압으로 제어시킬 수 있도록 IGBT Q1의 게이트 신호를 펄스폭 변조(Pulse Width Modulation)한다.As shown in FIG. 2, the
이때, 도 2의 TNR1, TNR2, TNR3는 입력전원의 서지전압(Surge Voltage)을 제 거하기 위한 서지 옵서버이고, R1은 커패시터 모듈 CM1의 방전저항이며, 다이오드 D1은 여자회로 F+ 및 F-의 프리휠링(Free Wheeling) 다이오드이다.In this case, TNR1, TNR2, and TNR3 of FIG. 2 are surge observers for removing surge voltage of an input power source, R1 is discharge resistance of capacitor module CM1, and diode D1 is free of excitation circuits F + and F-. Free Wheeling Diode.
도 3은 도 1의 선박발전기용 전류 부스터 장치의 전력회로 구성도이다.3 is a power circuit diagram of the current generator booster device of Figure 1;
도 3에 도시된 바와 같이, 전류 부스터 장치(20)는 CT(Current Transformer), PT(Potential Transformer), 필터콘덴서 C1∼C3, 정류용 다이오드 모듈 DM1, 다이오드 BR1, 사이리스터 Q1으로 구성된 전력회로와, VR1, VR2, 출력전류 제한회로(Output Limit Circuit) 및 LED 모니터 등을 포함한다.As shown in FIG. 3, the
발전기가 정상적으로 동작되는 상황에서는 CT에 의해 공급된 교류전력은 정류용 다이오드 모듈 DM1을 거쳐 직류로 변환되고, PT에 의해 검지된 버스전압이 VR1에 의해 설정된 동작점 보다 높아 사이리스터 Q1을 도통시키게끔 하여 다이오드 모듈 DM1에 의해 정류된 전압출력을 바이패스한다. 그러나, 발전기 출력단 단락 등의 비정상적으로 동작되는 상황에서는 버스전압이 하강하여 PT에 의해 검지된 버스전압이 VR1의 설정치 보다 낮아져 사이리스터 Q1을 턴-오프(Turn-Off)시킨다. 사이리스터 Q1의 턴-온(Turn-On)/턴-오프(Turn-Off) 시비율은 VR2로 주어지는 출력전압 설정치에 의해 조정된다. 즉, VR1은 PT에 의해 검지된 발전기 출력전압에 대해 이상시 전압 강하에 따라 전류 부스터 장치(20)의 동작여부를 결정하는 전압을 설정하기 위한 것이며, VR2는 전류 부스터 장치가 동작할 때 전류 부스터 장치의 출력전압을 조정하기 위한 것이다.In the normal operation of the generator, the AC power supplied by the CT is converted to direct current through the rectifying diode module DM1, and the bus voltage detected by the PT is higher than the operating point set by VR1, causing the thyristor Q1 to conduct. Bypass the voltage output rectified by diode module DM1. However, in an abnormal operation such as a short circuit of the generator output, the bus voltage drops and the bus voltage detected by the PT becomes lower than the set value of VR1 to turn off the thyristor Q1. The turn-on / turn-off ratio of thyristor Q1 is adjusted by the output voltage setting given by VR2. That is, VR1 is for setting a voltage that determines whether the
그러나, 상술한 바와 같은 종래의 발전기들은 자동전압조정기 및 전류 부스터 장치가 각각 개별로 제작되어 부착됨으로 부피가 크고, 결선이 복잡해 지는 문 제점이 있다. 즉, 자동전압조정기 및 전류 부스터 장치는 각기 개별로 독립되어 운전됨으로 양쪽 모두 발전기 출력단 전압을 검지할 필요가 있어 출력전압의 감지회로가 이중으로 필요하다.However, the conventional generators as described above have a problem that the voltage regulator and the current booster device are separately manufactured and attached to each other so that the bulky and complicated wiring is complicated. That is, since the automatic voltage regulator and the current booster device are operated independently of each other, both of them need to detect the voltage of the generator output stage, and thus a double detection circuit for the output voltage is required.
또한, 종래의 전류 부스터 장치는 사이리스터의 위상제어를 실시하지 않고 반주기 마다 턴-온/턴-오프의 시비율을 조정하는 평균치 제어를 실시함으로 출력전압의 조정이 미세하지 못한 단점이 있다.In addition, the conventional current booster device has a disadvantage in that the output voltage is not finely adjusted by performing average value control for adjusting the rate of turn-on / turn-off every half cycle without performing phase control of the thyristor.
이에, 본 발명의 목적은 자동전압조정기(AVR)와 전류 부스터 장치를 일체로 구성함으로써 설치 및 운전이 용이하도록 한 선박발전기용 자동전압조정기를 제공하는데 있다.Accordingly, it is an object of the present invention to provide an automatic voltage regulator for a ship generator that is easy to install and operate by integrally configuring an automatic voltage regulator (AVR) and a current booster device.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 선박발전기용 자동전압조정기는, 교류발전기의 정상 동작시 발전기의 계자권선에 전류를 공급하는 AVR 전력부와, 상기 AVR 전력부의 정상 동작시 양방향 사이리스터(Thyristor)를 통해 단락상태를 유지하다가 발전기 출력단의 과부하 또는 이상으로 인한 과전류 공급을 필요로 하는 경우 사이리스터를 통한 단락을 해지하고 발전기의 계자권선에 전류를 공급하는 전류 부스터 전력부가 구비된다.In order to achieve the above object, the automatic voltage regulator for a ship generator according to the present invention, the AVR power unit for supplying current to the field winding of the generator in the normal operation of the alternator, and the bidirectional thyristor (AVR power unit in normal operation) ( The current booster power unit is provided to terminate the short circuit through the thyristor and supply current to the field winding of the generator when maintaining the short circuit state through the thyristor and requiring overcurrent supply due to the overload or abnormality of the generator output stage.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명하고자 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail the present invention.
도 4는 본 발명에 따른 선박발전기용 자동전압조정기의 전력회로 구성도이다. 또한, 도 5a 및 도 5b는 전류 부스터 전력부에서의 출력전압의 평균치 및 순시 치 제어를 설명하기 위한 도면이다.4 is a power circuit diagram of an automatic voltage regulator for a ship generator according to the present invention. 5A and 5B are diagrams for explaining the average value and the instantaneous value control of the output voltage in the current booster power unit.
도 4를 참조하여 설명하면, 본 발명에 따른 선박발전기용 자동전압조정기는, 교류발전기의 정상 동작시 발전기의 계자권선에 전류를 공급하는 AVR 전력부(100)와, 상기 AVR 전력부(100)의 정상 동작시 양방향 사이리스터(Thyristor) Q2를 통해 단락상태를 유지하다가 발전기 출력단의 과부하 또는 이상으로 인한 과전류 공급을 필요로 하는 경우 사이리스터 Q2를 통한 단락을 해지하고 발전기의 계자권선에 전류를 공급하는 전류 부스터 전력부(200)로 구성된다.Referring to Figure 4, the automatic voltage regulator for a ship generator according to the present invention, the
상기 AVR 전력부(100)는 도 4에 도시된 바와 같이 교류발전기의 출력으로부터 PT(Potential Transformer)1을 거쳐 절연된 교류전력을 입력받도록 구성되고, 과전류 보호용 고속휴즈 FS1∼FS3와, 정류부(120)와, 출력부(140)로 구분된다. The
상기 과전류 보호용 고속휴즈 FS1∼FS3는 교류발전기의 출력으로부터 PT1을 거쳐 절연된 교류전력을 입력받는 과정에서 과전류 입력시 AVR 전력부(100)의 회로를 보호하는 기능을 수행한다.The high-speed fuses FS1 to FS3 for overcurrent protection perform a function of protecting a circuit of the
상기 정류부(120)는 DM1, C1, C2, C3, C4, R1으로 구성된다. 상기 DM1은 교류발전기 출력으로부터 PT1을 거쳐 절연된 교류입력으로부터 여자기 계자권선에 직류전원을 인가하기 위한 직류 변환용 다이오드 브릿지이고, 상기 C2는 DM1에서 변환된 직류전원을 필터링하는 콘덴서이다. 또한, 상기 C1은 C2로의 초기 전원인가시 돌입전류를 방지하기 위한 NTC 서미스터이고, 상기 C3 및 C4는 입력되는 서지전압(Surge Voltage)을 방지하기 위한 서지 옵서버이며, 상기 R1은 C2의 방전을 위한 저항이다.
The
상기 출력부(140)는 R2, R3, R4, R5, C5, C6, D1, D2, Q1으로 구성된다. 상기 Q1은 정류부(120)로부터의 직류전원을 펄스폭 변조(Pulse Width Modulation) 형태로 쵸핑(Chopping)하여 계자권선의 전류를 적절한 값으로 조정하기 위한 주 스위치 IGBT이고, 상기 D1은 여자기 권선의 프리휠링(Free Wheeling)용 다이오드이다. 또한, 상기 R2 및 R3는 계자권선의 직류전류를 센싱하기 위한 저항이고, 상기 R5, C6, D2 및 R4, C5는 입력되는 서지전압을 방지하기 위한 스너버(Snubber) 회로이다.The
따라서, 상기 AVR 전력부(100)는 교류발전기의 정상동작시 교류발전기 출력으로부터 PT1을 거쳐 절연된 교류전력을 입력받아 직류 변환용 다이오드 브릿지 DM1을 통해 정류하고, 필터링 콘덴서 C2를 통해 직류전원으로 필터링한다. 그리고, 상기 필터링 콘덴서 C2를 통해 평활화된 직류전원을 주 스위치 Q1을 통해 계자권선에 적절한 전류값으로 조정되도록 펄스폭 변조 형태로 쵸핑하여 여자기 계자권선에 인가한다.Accordingly, the
한편, 상기 전류 부스터 전력부(200)는 도 4에 도시된 바와 같이, 교류발전기의 출력으로부터 CT(Current Transformer)1 및 CT2를 거쳐 전력을 입력받도록 구성되고, Q2, R6, C7, DM2, C8으로 이루어진다. 상기 Q2는 AVR 전력부(100)의 정상 동작시 턴-온(Turn-On)되어 단락 상태를 유지하는 양방향 사이리스터이고, 상기 R6 및 C7은 Q2에 입력되는 서지전압을 방지하기 위한 스너버 회로이다. 또한, 상기 DM2 및 C8은 발전기의 과부하 및 이상 동작시 과도한 출력전류를 공급하기 위한 교류-직류 정류회로 및 직류 필터링 콘덴서이다.
Meanwhile, as illustrated in FIG. 4, the current
따라서, 상기 전류 부스터 전력부(200)는 AVR 전력부(100)의 정상동작시에는 양방향 사이리스터 Q2를 통해 전류 부스터 전력부(200)를 단락시키고, 단락 상태를 유지하다가 교류발전기 출력단의 과부하 또는 이상으로 인한 과전류 공급을 필요로 하는 경우 사이리스터 Q2를 통한 단락을 해지하고 발전기의 계자권선에 전류를 공급한다.Accordingly, the current
이때, 상기 전류 부스터 전력부(200)는 사이리스터 Q2의 위상 제어에 의한 출력전압의 순시치를 제어함으로써 발전기의 성능을 개선하도록 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이 사이리스터 Q2의 점호각을 조절한 순시전압 제어를 실행한다.At this time, the current
따라서, 본 발명에 따른 선박발전기용 자동전압조정기는 교류발전기의 정상 동작시에 발전기의 계자권선에 전류를 공급하는 AVR 전력부(100)와, 교류발전기 출력단의 과부하 또는 이상으로 인한 과전류 공급을 필요로 하는 경우에 발전기의 계자권선에 전류를 공급하는 전류 부스터 전력부(200)를 일체로 구성함으로써 자동전압조정기와 함께 전류 부스터 장치가 반드시 필요한 선박발전기 등의 응용에 적합하도록 한다.Therefore, the automatic voltage regulator for a ship generator according to the present invention requires the
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 선박발전기용 자동전압조정기에 대한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.What has been described above is only one embodiment of the automatic voltage regulator for a ship generator according to the present invention, anyone skilled in the art to which the present invention belongs to the technical scope of the present invention to the extent that various modifications can be made It will be said to have a spirit.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 선박발전기용 전압자동조정기는 다음과 같은 효과가 있다.As described above, the automatic voltage regulator for a ship generator according to the present invention has the following effects.
첫째, AVR 전력부와 전류 부스터 전력부를 일체로 구성하여 선박발전기의 전체 부피를 감소시키고, 결선을 단순화함으로써 설치 및 운전이 용이하도록 하는 효과가 있다.First, the AVR power unit and the current booster power unit are integrally configured to reduce the overall volume of the ship generator and simplify the connection, thereby making it easy to install and operate.
둘째, 전류 부스터 전력부에서 사이리스터의 위상 제어에 의한 출력전압의 순시치를 제어함으로써 발전기의 성능을 개선할 수 있는 잇점이 있다.Second, the current booster power unit has an advantage of improving the performance of the generator by controlling the instantaneous value of the output voltage by the phase control of the thyristor.
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