KR100901865B1 - 자가진단 및 계자전류 제어가능한 동기발전기 - Google Patents

자가진단 및 계자전류 제어가능한 동기발전기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 부하에서 발생되는 고조파의 영향을 최소화할 수 있도록, 자가진단 및 계자전류를 제어할 수 있는 발전기에 관한 것이다.
본 발명은 주고정자와; 상기 주고정자에서 회전되는 주회전자로 구성되어 전기를 발전하는 주발전부와; 상기 주발전부에 계자전원을 공급하기 위한 여자부와; 상기 주발전부에서 출력되는 출력전압을 감지하고, 감지된 출력전압을 근거로 하여 상기 여자부를 제어하는 제어부를 포함하는 자가진단 및 계자전류 제어가능한 동기발전기에 있어서, 상기 제어부가 상기 여자부를 제어하도록 제어신호를 전송하는 전류제어장치와; 상기 주회전자의 외주면에 소정간격으로 이격되게 설치되는 다수개의 주마그네트를 포함한다.
본 발명에 의하면, 여자부의 서브코일은 고조파의 인입을 방지할 수 있고, 여자부에서 주발전부로 공급되는 전류의 이상 과도전류를 진단 및 차단하여 주발전부의 전기적 결함을 미연에 방지하여 안정적으로 발전할 수 있는 장점이 있다. 또한, 전류 제어장치에 의해 자가진단하여 여자부의 계자전원을 미세조절 할 수 있으므로, 발전부에서 고조파가 제거되어 안정적인 출력전원을 부하에 공급할 수 있다.
발전, 고조파, 전압헌팅, 계자전류제어, 광, 계자전류 감지

Description

자가진단 및 계자전류 제어가능한 동기발전기 {Synchronous generator capable of controlling self-diagnosis and field electric current}
도 1은 종래 회전계자형 브러시레스 동기자가진단 및 계자전류 제어가능한 동기발전기의 단면도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 자가진단 및 계자전류 제어가능한 동기발전기의 단면도.
도 3은 도 2의 분해단면도.
도 4는 도 2의 회로도.
도 5는 도 2의 주발전부의 회전자 및 고정자를 보인 정면도.
도 6은 도 2의 여자부의 회전자 및 고정자를 보인 정면도.
도 7은 도 2의 보조발전부의 회전자 및 고정자를 보인 정면도.
<도면부호의 간단한 설명>
20 : 주발전부 21 : 주고정자
30 : 여자부 40 : 회전축
50 : 제어부 70 : 전류제어장치
90 : 보조발전부
본 발명은 부하에서 발생되는 고조파의 영향을 최소화할 수 있도록, 자가진단 및 계자전류를 제어할 수 있는 발전기에 관한 것이다.
일반적으로 각종 빌딩에서 사용되는 비상자가진단 및 계자전류 제어가능한 동기발전기는 화석연료를 에너지원으로 하는 내연기관 또는 소형 가스터빈을 이용하여 자가진단 및 계자전류 제어가능한 동기발전기를 구동시키고, 여기에서 발생된 전력을 빌딩 내부의 전력을 소요로 하는 설비에 공급하는 소형 발전소로 볼 수 있다.
컴퓨터의 보급과 더불어 각종 자가진단 및 계자전류 제어가능한 동기발전기 관련장비는 급속히 전자화되었으며, 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.
또한, 상용전력을 사용할 때는 자가진단 및 계자전류 제어가능한 동기발전기의 용량이 대단히 커서 각종 전자장비에서 전력을 비선형적으로 소모해도 자가진단 및 계자전류 제어가능한 동기발전기의 입장에서 공급하는 전력은 거의 선형적이다. 그러나, 비상시 빌딩 내부의 설비에 전력 공급을 담당하는 비상자가진단 및 계자전 류 제어가능한 동기발전기는 상대적으로 작은 용량의 자가진단 및 계자전류 제어가능한 동기발전기임으로 빌딩에 설치된 전력설비로 자가진단 및 계자전류 제어가능한 동기발전기의 난조 없이 전력을 원활히 공급하기 위해서는 특수한 제어장치를 부가하여야만 한다.
이하, 종래 기술이 지닌 문제점을 도면을 토대로 설명한다.
도 1은 종래 자여자방식의 회전계자형 브러시레스 동기자가진단 및 계자전류 제어가능한 동기발전기를 도시한 도면이다.
도 1에 의하면, 상기 종래 자여자방식의 회전계자형 브러시레스 동기자가진단 및 계자전류 제어가능한 동기발전기는 크게 주자가진단 및 계자전류 제어가능한 동기발전기와 여자기로 구분된다.
또한, 고정자와 회전자로도 구분된다. 상기 주자가진단 및 계자전류 제어가능한 동기발전기의 회전자에는 주자가진단 및 계자전류 제어가능한 동기발전기 계자철심(3)이 자가진단 및 계자전류 제어가능한 동기발전기 회전축(15)의 외주면에 형성되고 상기 주자가진단 및 계자전류 제어가능한 동기발전기 계자철심(3)에는 주자가진단 및 계자전류 제어가능한 동기발전기 계자권선(4)이 권선된다. 상기 주자가진단 및 계자전류 제어가능한 동기발전기의 고정자에는 주자가진단 및 계자전류 제어가능한 동기발전기 전기자철심(1)이 형성되고 상기 전기자철심(1)의 슬롯에는 주자가진단 및 계자전류 제어가능한 동기발전기 전기자권선(2)이 권선된다.
한편, 여자기는 주자가진단 및 계자전류 제어가능한 동기발전기와는 반대로 자가진단 및 계자전류 제어가능한 동기발전기 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.
주자가진단 및 계자전류 제어가능한 동기발전기든 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 주자가진단 및 계자전류 제어가능한 동기발전기의 회전자에 설치된 주자가진단 및 계자전류 제어가능한 동기발전기 계자권선(4) 사이에는 회전자 정류기(9)가 형성되며, 상기 여자기 전기자권선(8)에 발생된 교류전기는 상기 회전자 정류기(9)를 통하여 직류로 변환되어 주자가진단 및 계자전류 제어가능한 동기발전기 계자권선(4)으로 공급된다.
상기 주자가진단 및 계자전류 제어가능한 동기발전기 전기자권선(2)에서 발생된 전기는 자가진단 및 계자전류 제어가능한 동기발전기 출력선로(13)를 통하여 부하설비로 공급되는 한편 일부는 자동전압조절기 입력선로(14)를 통하여 상기 자동전압조절기(10)로 분기되어 유입된다. 상기 자동전압조절기(10)는 자가진단 및 계자전류 제어가능한 동기발전기의 출력전압이 기설정된 일정 전압으로 유지될 수 있도록 한다. 상기 자동전압조절기(10)의 입력단에서는 자가진단 및 계자전류 제어가능한 동기발전기의 출력전압을 받아 감지하고 적당한 직류전류로 변환하여 출력 단으로 공급하며, 상기 직류전류는 상기 여자기 계자권선(6)으로 입력된다.
최초에 자가진단 및 계자전류 제어가능한 동기발전기를 가동하면 자가진단 및 계자전류 제어가능한 동기발전기 내부에는 어떠한 자석 성분이나 전류의 흐름이 없으므로 전기가 발생하지 않는다. 이때, 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 주자가진단 및 계자전류 제어가능한 동기발전기 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 주자가진단 및 계자전류 제어가능한 동기발전기 전기자권선(2)의 전압을 감지하여 상기 여자기 계자권선(6)으로 피드백 되는 전류의 양을 조절함으로써 일정전압을 유지한다.
부하의 증가 등으로 자가진단 및 계자전류 제어가능한 동기발전기 출력전압이 떨어지면 상기 자동전압조절기(10)는 출력전류를 증가시키고, 반대로 자가진단 및 계자전류 제어가능한 동기발전기 출력전압이 높아지면 상기 자동전압조절기(10)는 출력전류를 감소시켜 자가진단 및 계자전류 제어가능한 동기발전기의 전압을 안정시킨다. 여기에서 상기 자동전압조절기(10)는 자가진단 및 계자전류 제어가능한 동기발전기 전압을 감지하여 자가진단 및 계자전류 제어가능한 동기발전기의 전압을 조정하는 기능과 자가진단 및 계자전류 제어가능한 동기발전기의 전력을 받아 직류전류로 변환하여 상기 여자기 계자권선(6)으로 공급하는 기능을 수행한다.
그러나, 종래기술은 자가진단 및 계자전류 제어가능한 동기발전기와 연결된 부하에 의해 자가진단 및 계자전류 제어가능한 동기발전기 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 함유되므로, 상기 고조파가 자가진단 및 계자전류 제어가능한 동기발전기 내부에서 증폭되어 주자가진단 및 계자전류 제어가능한 동기발전기 출력전압에 영향을 미칠 수 있는 문제점이 있다.
본 발명은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 본 발명의 목적은 부하에서 발생되는 고조파의 영향 및 전압의 왜곡현상을 신속한 반응으로 정밀하게 자가진단하고 대처하여 고조파영향을 최소화하도록, 전압 과도특성을 안정시켜서 안정적인 전압을 제공할 수 있는 자가진단 및 계자전류 제어가능한 동기발전기를 제공하는 데에 있다.
본 발명의 다른 목적은 여자부의 서브코일은 고조파의 인입을 방지하고, 여자부에서 주발전부로 공급되는 전류의 이상 과도전류를 진단 및 차단하여 주발전부의 전기적 결함을 미연에 방지 안정적으로 발전할 수 있는 가진단 및 계자전류 제어가능한 동기발전기를 제공하는 데에 있다.
본 발명의 목적을 구현하기 위한 본 발명은 주고정자; 상기 주고정자에서 회전되는 주회전자로 구성되어 전기를 발전하는 주발전부; 상기 주발전부에 계자전원을 공급하기 위한 회전축에 설치되는 여자회전자, 여자고정자, 여자마그네트로 구성되는 여자부; 상기 주발전부에서 출력되는 출력전압을 감지하고 감지된 출력전압을 근거로 하여 상기 여자부를 제어하는 제어부; 상기 제어부의 제어신호로 상기 여자부의 전류를 제어하는 신호발신부, 신호수신부, 계자전류제어부로 구성되는 전류제어장치; 상기 주회전자의 외주면에 소정간격으로 이격되게 설치되는 다수개의 주 마그네트를 포함하는 자가진단 및 계자전류 제어가능한 동기 발전기에 있어서,
상기 여자부는 여자회전자에 고조파 신호의 인입을 방지하는 서브코일을 포함하고, 상기 전류제어장치는 상기 계자전류제어부에서 출력되어 상기 주발전부로 공급되는 전류를 감지하는 전류감지부; 상기 전류감지부의 감지전류와 상기 신호수신부의 신호와 비교하여 상기 전류감지부의 감지전류가 과전류이면 상기 계자전류제어부에 제어신호를 차단하는 전류제어부를 포함한다.
이와 같이, 본 발명은 고조파 성분의 영향을 최소화하면서 왜곡되지 않은 신호를 이용하여 여자부의 계자전류를 조절하여 안정된 출력전원을 부하에 공급할 수 있다.
이하, 본 발명에 대한 실시예들을 도면을 토대로 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 자가진단 및 계자전류 제어가능한 동기발전기의 단면도이고, 도 3은 도 2의 분해단면도이며, 도 4는 도 2의 회로도이다.
도 5는 도 2의 주발전부의 회전자 및 고정자를 보인 정면도이고, 도 6은 도 2의 여자부의 회전자 및 고정자를 보인 정면도이며, 도 7은 도 2의 보조발전부의 회전자 및 고정자를 보인 정면도이다.
도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명은 주고정자(21), 주회전자(23)로 구성되는 주발전부(20); 상기 주발전부(20)에 계자전원을 공급하기 위한 여자회전자(31), 여자고정자(33), 여자마그네트(35)로 구성되는 여자부(30); 제어부(50); 상기 제어부(50)의 제어신호로 상기 여자부(30)의 전류를 제어하는 전류제어장치(70); 다수개의 주 마그네트(25); 서브코일(37)를 포함한다.
여기서, 주발전부(20) 및 여자부(30)는 회전축(40)에 소정간격으로 이격되게 설치되어 있다.
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이때, 주발전부(20)에서 발전될 때 제어부(50)가 출력전압의 증감을 감지하면 제어부(50)가 전류제어장치(70)를 통하여 여자부(30)를 제어한다. 즉, 주발전부(20)에서 발생되는 출력전압이 떨어지면 전류제어장치(70)를 통하여 여자부(30)에서 발생되는 계자전원을 주발전부(20)에 떨어진 만큼 제공하고, 출력전압이 높아지면 계자전원을 높아진 만큼 차단한다.
그리고, 제어부(50)는 제어신호를 디지털신호에서 아날로그신호로 변환할 수 있다.
또한, 제어부(50)는 자동으로 전압을 조정하도록 전압조정기(51)를 포함하고 있다. 여기서, 전압조정기는 VR(Voltage Regulator) 또는 AVR(Automatic Voltage Regulator) 중 어느 하나를 선택적으로 사용할 수 있다.
이와 같이, 주발전부(20)에서 발전되는 출력전류는 여자부(30)에서 발생되는 계자전원이 조절되어 공급되므로, 부하헌팅 현상이 발생되지 않는 깨끗하고 안정적인 전류가 발생된다.
도 2 및 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 주회전자(23)의 외주면에 소정간격으로 이격되게 설치되는 다수개의 주마그네트(25)는 자력을 집중시켜 주발전부(20)에서 발생되는 잔류자속의 감자작용을 방지할 수 있다.
그리고, 주마그네트(25)은 주회전자(23)의 중심으로 대칭되게 배열되는 것이 바람직하다. 이때, 주마그네트(25)는 3개씩 1개의 그룹으로 4곳에 설치되는 것이 바람직하다.
이와 같이 설치되는 주마그네트(25)에 의해 잔류자속의 감자작용 발생을 억제시킨다.
도 2 및 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 여자부(30)는 상기 회전축(40)의 회전에 의해 함께 회전되는 여자회전자(31)와; 상기 여자회전자(31)에 대응되는 여자고정자(33)와; 상기 여자고정자(33)에 설치되는 다수개의 여자마그네트(35)와; 상기 여자회전자(31)에 설치되어 고조파의 인입을 방지하는 서브코일(37)을 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 여자마그네트(35)는 여자고정자(33)의 내주면에 1개 또는 다수개씩 1개의 그룹으로 하여 2~12곳에 설치될 수 있다.
이때, 여자마그네트(35)에 의해 자력이 집중되므로, 여자마그네트(35)에 의 해 여자부(30)에서 발생되는 잔류자속은 증자될 수 있다.
또한, 여자회전자(31)의 내측에는 주코일(39)이 권선되고, 주코일(39)과 별도로 여자회전자(31)의 외측에는 서브코일(37)이 권선된다. 이 서브코일(37)은 외부에서 인입되는 고조파 성분을 방지할 수 있다. 즉, 서브코일(37)은 외부의 고조파로부터 간섭받지 않으므로 고조파의 영향을 더욱 최소화할 수 있다.
도 2 및 4에 도시된 바와 같이, 상기 전류제어장치(70)는 상기 제어부(50)에 연결되어 상기 제어부(50)에서 발생되는 제어신호를 발신하는 신호발신부(71)와; 상기 여자부(30)에 연결되어 상기 신호발신부(71)에서 발신되는 제어신호를 수신하는 신호수신부(73)와; 상기 여자부(30)에서 공급되는 계자전류를 제어하는 계자전류제어부(75)와; 상기 계자전류제어부(75)에서 출력되어 상기 주발전부(20)로 공급되는 전류를 감지하는 전류감지부(77); 상기 전류감지부(77)의 감지전류와 상기 신호수신부(73)의 신호와 비교하여 상기 전류감지부(77)의 감지전류가 과전류이면 상기 계자전류제어부(75)에 제어신호를 차단하는 전류제어부(79)로 구성된다.
여기서, 제어부(50)는 제어신호를 디지털신호에서 아날로그신호로 변환할 수 있다. 변환된 아날로그신호는 신호발신부(71)와 신호수신부(73)를 통하여 전류제어부(79)에 전송된다. 이때, 전류제어부(79)는 신호수신부(73)에서 수신되는 제어신호로 상기 계자전류제어부(75)를 제어하여 여자부(30)의 계자전류를 주회전자(23)에 공급하게 되므로, 출력전압은 헌팅현상이 발생되지 않으면서 안정적으로 부하측으로 공급된다.
그리고, 계자전류제어부(75)와 신호수신부(73)는 회전축(40)의 내부에 홀(42)을 형성하고, 이 홀(42)에 배선되는 전선(쉴드와이어)(44)에 의해 전기적으로 연결된다.
그리고, 계자전류제어부(75)는 전류제어부(79)에 의해 제어되어 여자부(30)에서 공급되는 계자전류를 제어한다.
또한, 전류감지부(77)는 계자전류제어부(75)에서 출력되는 계자전류의 크기를 감지하여 전류제어부(79)에 전송한다.
상기 전류감지부(77)는 저항으로 구성할 수 있다.
이때, 상기 전류제어부(79)는 마이크로 프로세서로 구성하게 되며, 상기 전류제어부(79)는 상기 전류감지부(77)에서 감지된 전류와 상기 제어부(50)로부터 출력되어 신호수신부(73)에서 수신된 제어신호와 비교하여 상기 전류감지부(77)에서 감지된 전류가 이상전류(과전류)이면, 상기 전류제어부(79)에서는 계자전류제어부(75)에 제어신호를 차단하여 상기 계자전류제어부(75)에서 주발전부(20)로 이상전류(과전류)가 공급되지 않도록 차단함으로써, 주발전부(20)를 과전류로부터 보호한다. 즉, 계자전류제어부(75)에서 계자전류를 차단하여 발전기를 보호할 수 있으므로, 주발전부(20)는 안정적으로 발전할 수 있다.
상기 발신부(71) 및 수신부(73)는 상기 제어부(50)에서 발생되는 제어신호를 빛으로 발신 및 수신하는 발광소자 및 수광소자를 사용할 수 있다.
여기서, 발광소자 및 수광소자는 광센서인 포토다이오드(Photodiode)를 사용할 수 있으며, 빛의 발기를 이용하여 제어신호를 전송할 수 있고, 주파수발신소자 및 주파수수신소자는 주파수의 세기를 이용하여 제어신호를 전송할 수 있다.
이때, 발신부(71) 및 수신부(73)를 이용하여 제어신호를 전송하면 일반전선에서 발생되는 신호의 왜곡이나 노이즈가 발생되지 않으므로, 깨끗한 제어신호를 전송할 수 있다.
도 2 및 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 회전축(40)에 설치되어 동작전압을 발전시키고, 발전된 동작전압을 상기 제어부(50)에 제공하는 보조발전부(90)는 여자부(30)로부터 소정간격 이격되게 회전축(40)의 끝단에 구비되며, 회전축(40)의 회전에 의해 발생되는 동작전압을 제어부(50)에 공급한다.
그리고, 보조마그네트(91)는 자력을 집중시키므로 보조발전부(90)에서 발생되는 잔류자속을 감자시킨다. 그리고, 보조마그네트(91)는 보조회전자(93)의 외주면에 소정간격으로 4곳에 설치되는 것이 바람직하다.
이와 같이, 보조발전부(90)는 자체적으로 전압을 발생시켜 제어부(50)에 공급하므로, 제어부(50)는 고조파의 영향이 최소화될 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 고조파의 영향을 최소화하여 부하헌팅 현상및 파형 왜곡현상이 발생되지 않으면서 안정적으로 정밀한 전기를 발전할 수 있다.
본 발명은 상술한 바람직한 실시예들에만 한정되는 것이 아니라 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지로 개량, 변경, 대체 또는 부가하여 실시할 수 있는 것임은 당해 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 용이하게 이해할 수 있을 것이다. 이러한 개량, 변경, 대체 또는 부가에 의한 실시가 이하의 첨부된 특허청구범위의 범주에 속하는 것이라면 그 기술사상 역시 본 발명의 범주에 속하는 것으로 간주한다.
본 발명에 의하면, 메인발전부에 마그네트를 구비하여 자가진단 및 계자전류 제어가능한 동기발전기의 부하에 의해 발생되는 고조파 성분의 영향을 최소화할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 광신호 또는 주파수를 이용하여 여자부를 제어하는 신호를 전송하므로, 왜곡되지 않은 신호를 이용하여 여자부의 계자전류를 조절할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 여자부의 서브코일에 의해 고조파의 인입을 방지할 수 있고, 여자부에서 주발전부로 공급되는 계자전류에서 이상전류를 진단 및 차단하여 주발전부는 안정적으로 발전할 수 있는 장점이 있다.

Claims (3)

  1. 주고정자(21); 상기 주고정자(21)에서 회전되는 주회전자(23)로 구성되어 전기를 발전하는 주발전부(20); 상기 주발전부(20)에 계자전원을 공급하기 위한 회전축에 설치되는 여자회전자(31), 여자고정자(33), 여자마그네트(35)로 구성되는 여자부(30); 상기 주발전부(20)에서 출력되는 출력전압을 감지하고 감지된 출력전압을 근거로 하여 상기 여자부(30)를 제어하는 제어부(50); 상기 제어부(50)의 제어신호로 상기 여자부(30)의 전류를 제어하는 신호발신부(71), 신호수신부(73), 계자전류제어부(75)로 구성되는 전류제어장치(70); 상기 주회전자(23)의 외주면에 소정간격으로 이격되게 설치되는 다수개의 주 마그네트(25)를 포함하는 자가진단 및 계자전류 제어가능한 동기 발전기에 있어서,
    상기 여자부(30)는 여자회전자(31)에 고조파 신호의 인입을 방지하는 서브코일(37)을 포함하고,
    상기 전류제어장치(70)는 상기 계자전류제어부(75)에서 출력되어 상기 주발전부(20)로 공급되는 전류를 감지하는 전류감지부(77); 상기 전류감지부(77)의 감지전류와 상기 신호수신부(73)의 신호와 비교하여 상기 전류감지부(77)의 감지전류가 과전류이면 상기 계자전류제어부(75)에 제어신호를 차단하는 전류제어부(79)를 포함하는 자기진단 및 계자전류 제어가능한 동기발전기.
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