KR100926630B1 - 회생형 이중화 ｐｗｍ 방식의 디지털 여자 시스템 - Google Patents

회생형 이중화 ｐｗｍ 방식의 디지털 여자 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이중화되어 펄스 폭 변조 방식으로 발전기에 공급되는 계자 전류를 제어하며, 계자 권선의 에너지를 회생시킬 수 있는 회생형 이중화 PWM 방식의 디지털 여자 시스템에 관한 것이다.
여자 시스템, 이중화, 회생형, UPS 직류전원

Description

회생형 이중화 ＰＷＭ 방식의 디지털 여자 시스템{Dual PWM Digital Excitation System of Regeneration Type}
본 발명은 회생형 이중화 ＰＷＭ 방식의 디지털 여자 시스템에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로 말하자면 이중화되어 펄스 폭 변조 방식으로 발전기에 공급되는 계자 전류를 제어하며, 계자 코일의 에너지를 회생할 수 있는, 회생형 이중화 PWM 방식의 디지털 여자 시스템에 관한 것이다.
발전기의 여자 시스템은 동기기의 계자 권선에 직류 전류를 공급하는 기능으로서 계자 전압을 조정하여 계자 전류를 제어함으로써 전력 계통의 성능 구현에 필수적인 보호 기능과 제어 기능을 수행하는 시스템이다. 따라서, 상기 여자 시스템은 동기 발전기가 연속 운전할 수 있는 범위 내에서의 출력 변화에 응하여 동기기의 계자 전류를 자동 제어함으로써 단자 전압을 유지하게 된다. 또한, 상기 여자 시스템은 발전기의 순간적이고 단시간 능력에 부합하는 계자 강화를 수행함으로써 과도적인 외부 교란에 대응하게 된다.
상기 여자 시스템은 정지형 반도체 정류기를 이용하여 정류된 직류를 계자 권선에 공급하는 정지형 여자 시스템이 있다. 상기 정지형 여자 시스템은 반도체 소자 중에서 싸이리스터(thyrisor)를 사용한 정류기를 구비하여 동기 발전기에 공급하는 여자 전류를 직접 제어할 수 있다. 이러한 정지형 여자 시스템은 일반적으로 여자 전원을 동기 발전기의 출력 단자에 연결된 여자용 변압기(potential power transformer)를 통하여 공급받게 되므로 정상 운전 또는 사고 기간 중에 동기 발전기의 출력 단자 전압의 변화에 따라 직접 영향을 받게 된다. 상기 동기 발전기의 단자 전압의 저하는 송전 전력을 감소시킴과 동시에 최대 공급 가능한 계자 전류를 저하시키게 되고, 이와 같은 계자 전류의 저하는 다시 동기 발전기의 단자 전압을 더욱 저하시킴으로써 기계적 입력과 전기적 출력의 불평형이 심화되어 전력 상각차가 증대되고 결국 동기 탈조하게 된다. 또한, 상기 정지형 여자 시스템은 송전 선로의 지락 및 단락과 같은 사고의 경우에도 계자 전류가 영향을 받게 된다.
한편, 중요 국내 발전설비의 보호 시스템이 취약하여 사소한 제어카드 1개의 고장으로 인한 파급효과가 크게 발생되어 발전소가 정지되는 경우가 종종 발생하고 있다. 특히, 발전기의 중요 제어요소인 계자 전류를 제어하는 제어부에 문제가 발생하는 경우에는 이의 수리를 위하여 발전기가 정지되어야만 한다.
따라서, 발전기의 단자 전압을 제어하는 발전기 여자 시스템은 그 신뢰도 향상을 위하여 이중화 자동 추종 방식으로 형성되는 경우가 있다. 상기 추종 방식의 이중화 시스템은 주제어기가 전체 시스템의 제어를 담당하고 주제어기에 고장이 발생하였을 경우 주제어기의 제어신호를 추종하던 부제어기가 주제어기로 변환되어 운전을 하는 방식이다. 이러한 상기 여자 시스템은 발전기가 무전압 상태에서 있을 때 초기 여자를 완료하고, 이와 같이 발전기의 정격전압이 확립된 후에는 발전기에서 발생된 전력을 강압용 변압기를 통해 여자용 입력전원으로 인가 받아 다이리스터 제어 정류기의 점호각을 제어하여 발전기 계자 전류량을 조절함으로서 발전기 단자 전압을 자동 제어 설정기의 설정값으로 제어되도록 되어 있다.
그러나, 이러한 여자 시스템은 주제어기의 제어신호를 추종하던 부제어기가 주제어기로 변환되어 운전을 하는 방식이므로, 주제어기로 지정되어 운전중인 제어기를 자동 추종하는 부제어기의 추종시간 설정치가 부적절한 경우에, 주제어기의 이상 신호 발생시에 추종되고 있는 부제어기도 그 이상 신호를 빠른 시간에 추종하는 경우가 종종 발생되는 문제점이 있었다.
상기한 바와 같은 문제점을 개선하기 위하여, 펄스 폭 변조(PWM) 회로를 추종제어에 사용하여 톱니파 발생기의 주기를 자유로이 조절하여 추종시간의 선택 폭을 자유롭게 할 수 있도록 여자 시스템이 형성되는 경우가 있다.
그러나, 이러한 종래의 여자 시스템도 통상의 컨버터 방식인 싸이리스터 위상제어 정류기를 사용하므로 제어의 신속성이 떨어지는 문제가 있다.
또한, 종래의 여자 시스템은 발전기의 출력만을 계자 전류로 사용하게 되므로 발전기의 출력에 이상이 발생하는 경우에 발전기 전압을 제어할 수 없는 문제가 있다.
또한, 종래의 여자 시스템은 발전기의 용량이 증대됨에 따라 계자 방전 저항도 상대적으로 증가되어 공간적으로 많은 부피를 사용하는 문제가 있다. 또한, 상기 여자 시스템은 계자 권선이 차단되는 경우에 계자 권선에 있는 전류를 저항으로 소비하게 되므로 효율이 저하되는 문제가 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명은, 이중화되어 펄스 폭 변조 방식으로 발전기에 공급되는 계자 전류를 제어하며, 계자 코일의 에너지를 회생할 수 있는, 회생형 이중화 PWM 방식의 디지털 여자 시스템을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 안출된 본 발명의 회생형 이중화 PWM 방식의 디지털 여자시스템은, 발전기의 단자 전압을 강압하여 여자 전압을 공급하며, 출력단에 입력전원 스위치가 구비되는 입력 전원부와, 상기 입력 전원부와 병렬로 연결되며, 상기 입력전원 스위치에 의하여 선택적으로 연결되는 정류 커패시터와, 펄스 폭 변조 방식에 의하여 상기 입력 전원부의 여자 전압을 계자 전압으로 변환하여 공급하는 전력 변환부와, 상기 전력 변환부와 전기적으로 연결되며, 전력 변환부의 이상 작동시 전류를 차단하는 계자 차단부와, 상기 전력 변환부와의 사이에 직류전원 스위치를 구비하며 상기 입력 전원부와 병렬로 상기 전력 변환부에 전기적으로 연결되어, 상기 전력 변환부로 직류전원을 선택적으로 공급하는 직류전원 공급부와, 상기 계자 차단부와 전기적으로 연결되는 계자 권선 및 상기 입력전원 스위치와 직류전원 스위치 및 상기 전력 변환부를 제어하는 주제어부를 포함하며, 상기 정류 커패시터와 전력 변환부와 계자 차단부는 각각 2개로 이루어지며 상기 입력 전원부와 계자 권선 사이에 각각 병렬로 연결되는 것을 특징으로 한다. 또한, 본 발명은 상기 입력전원 스위치와 상기 전력 변환부의 사이에는 정류 다이오드가 구비될 수 있다.
또한, 본 발명에서, 상기 전력 변환부는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)로 이루어지는 제1스위칭 소자 및 제2스위칭 소자와, 제1다이오드와 제2다이오드를 구비하며, 상기 제1스위칭 소자의 컬렉터는 상기 입력 전원부의 일단 및 상기 제2다이오드의 캐소드에 연결되고, 상기 제1스위칭 소자의 에미터는 상기 제1다이오드의 캐소드에 연결되며, 상기 제2스위칭 소자의 컬렉터는 상기 제2다이오드의 애노드에 연결되고, 상기 제2스위칭 소자의 에미터는 상기 제1다이오드의 애노드 및 상기 입력 전원부의 타단과 연결되어 형성될 수 있다.
또한, 본 발명에서 상기 계자 차단부는 제1차단 스위치와 제2차단 스위치를 구비하며, 상기 제1차단 스위치는 상기 제1스위칭 소자와 제1다이오드 사이에 전기적으로 연결되며, 제2차단 스위치는 제2스위칭 소자와 제2다이오드 사이에 전기적으로 연결되도록 형성될 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 계자 권선 사이에 전기적으로 연결되며, 전력 변환부의 이상 작동시 전류를 차단하는 계자 방전부를 더 포함하여 형성되며, 상기 주제어부는 상기 계자 방전부를 제어하도록 형성될 수 있다.
또한, 본 발명에서 상기 계자 방전부는 계자 방전 저항과 방전 스위치로 이루어지며, 상기 방전 스위치가 상기 주제어부에 전기적으로 연결되어 제어되도록 형성될 수 있다.
또한, 본 발명에서 상기 정류 커패시터는 일단이 상기 입력전원부의 일단과 상기 제1스위칭 소자의 컬렉터 사이에 연결되고, 타단이 상기 입력 전원부의 타단과 제1다이오드의 애노드 사이에 연결되도록 형성될 수 있다.
또한, 본 발명에서 상기 계자 차단부와 계자 권선 사이 및 상기 전력 변환부에 연결되어 상기 계자 권선의 전류를 회생시키는 회생 다이오드부를 더 포함하며, 상기 회생 다이오드부는 2개로 이루어질 수 있다. 하나의 회생 다이오드부는, 애노드가 제2차단 스위치와 계자 권선의 타단 사이에 연결되고, 캐소드가 제1차단 스위치와 계자 권선의 일단 사이에 전기적으로 연결되는 제3다이오드와, 애노드가 전력 변환부에 연결되고, 캐소드가 제1차단 스위치와 계자 권선의 일단 사이에 전기적으로 연결되는 제4다이오드를 구비하여 형성될 수 있다. 다른 하나의 회생 다이오드부는, 애노드가 전력 변환부에 연결되고, 캐소드가 제2차단 스위치와 계자 권선의 타단 사이에 전기적으로 연결되는 제5다이오드와, 애노드가 제2차단 스위치와 계자 권선의 타단 사이에 연결되고, 캐소드가 제1차단 스위치와 계자 권선의 일단 사이에 전기적으로 연결되는 제6다이오드를 구비하여 형성될 수 있다.
또한, 본 발명에서 상기 직류전원 공급부는 무정전 전원 공급 장치로 형성될 수 있다.
또한, 본 발명에서 상기 주제어부는 상기 제1스위칭 소자 및 제2스위칭 소자의 베이스 단자와 전기적으로 연결되어 제1스위칭 소자와 제2스위칭 소자를 제어하도록 형성될 수 있다. 또한, 상기 주제어부는 상기 발전기의 출력단에 연결되어 있는 전류 변환기와 전력 변환기로부터 상기 발전기의 출력에 대한 전류 측정값과 전력 측정값을 전달받아 전력 변환부의 제1스위칭 소자와 제2스위칭 소자의 작동을 제어하도록 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, IGBT 소자를 사용하여 계자 전류를 제어하게 되므로 제어의 신속성이 향상되는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 발전기의 단자 전압과 병렬로 무정전 전 원 전압을 계자 전류의 공급원으로 사용하게 되므로 발전기의 출력에 이상이 발생하는 경우에 발전기의 단자 전압을 제어할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 회생 다이오드부를 구비하여 계자 권선이 차단되는 경우에 계자 권선에 있는 전류를 회생할 수 있으며, 여자 시스템의 부피를 최소화할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 여자 시스템은 브러시레스 방식 여자 시스템 및 중소형 직접 여자 시스템에 적용할 수 있다.
이하, 실시예와 첨부된 도면을 통하여 본 발명의 회생형 이중화 PWM 방식의 디지털 여자시스템에 대하여 보다 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 회생형 이중화 PWM 방식의 디지털 여자 시스템을 나타내는 회로도이다.
본 발명의 실시예에 따른 회생형 이중화 펄스 폭 변조(PWM : Pulse Width Modulation)방식의 디지털 여자시스템(100)은, 도 1을 참조하면, 입력 전원부(110)와, 정류 커패시터(120)와, 전력 변환부(130)와, 계자 차단부(140)와, 직류전원 공급부(150)와, 계자 권선(160) 및 주제어부(170)를 포함하여 형성된다. 또한, 상기 회생형 이중화 PWM 방식의 디지털 여자시스템(100)은 정류 다이오드(180)를 더 포함하여 형성될 수 있다. 또한, 상기 회생형 이중화 PWM 방식의 디지털 여자시스템(100)은 계자 방전부(190)를 더 포함하여 형성될 수 있다.
상기 회생형 이중화 PWM 방식의 디지털 여자시스템은 입력 전원부(110)가 발전기의 단자 전압을 변환하여 계자 권선(160)에 계자 전류를 공급하는 시스템이다. 또한, 상기 회생형 이중화 PWM 방식의 디지털 여자시스템은 발전기의 단자 전압으로부터 여자 전압을 공급하는 입력 전원부(110)와 병렬로 직류전원 공급부(150)가 구비되어 있어서, 발전기의 출력에 이상이 발생하여도 직류전원 공급부(150)가 계자 권선(160)에 계자 전류를 공급하게 된다. 따라서, 상기 회생형 이중화 PWM 방식의 디지털 여자시스템은 입력 AC 계통 전압 상실 및 과도 상태에도 안정적으로 제어가 가능하도록 설계되었다.
또한, 상기 회생형 이중화 PWM 방식의 디지털 여자시스템은 4상한 운전 중 1, 4상한만을 이용하여 1상한 운전시는 계자에 계자 전류를 공급하고, 4상한 운전시는 계자 권선의 에너지를 다시 회생함으로서 안정적인 운전이 가능하게 된다.
또한, 상기 회생형 이중화 PWM 방식의 디지털 여자시스템은 계자 방전부의 방전저항 대신 회생용 다이오드를 설치하여 안정적인 전력회생 및 시스템 부피 감소가 이루어질 수 있게 된다.
상기 입력 전원부(110)는 발전기의 단자 전압을 강압하여 여자 전압을 공급하게 된다. 상기 입력 전원부(110)는 변압기로 이루어지며, 발전기로부터 출력되는 전력으로부터 전력을 공급받아 강압하게 된다. 상기 입력 전원부(110)는 발전기 출력 전압을 시스템 전원으로 사용하므로 입력측과의 절연을 위하여 여자변압기로 형성된다. 또한, 상기 입력 전원부(110)는 여러 탭이 있어 현장 여건에 맞추어서 전압조절이 가능하도록 형성될 수 있다. 상기 입력 전원부(110)는 계자 권선(160)과 전기적으로 연결되어 계자 권선(160)에 계자 전류를 공급하는 공급원의 역할을 하게 된다.
상기 입력 전원부(110)는 출력단에 입력전원 스위치(112)를 더 구비하며 입력 전원부(110)의 전원에 대한 출력을 제어하게 된다. 상기 입력전원 스위치(112)는 적어도 2개(112a, 112b)로 이루어지며, 입력 전원부(110)에 서로 병렬로 연결되는 2개의 전력 변환부(130a, 130b)에 각각 연결되어 각각의 전력 변환부(130a, 130b)로 공급되는 전원에 대한 출력을 스위칭하게 된다. 상기 입력전원 스위치(112)는 주제어부(170)에 의하여 제어된다.
상기 정류 커패시터(120)는 입력 전원부(110)에 전기적으로 연결되며, 입력 전원부(110)에서 공급되는 전압 중에서 위상이 다른 전압을 일시적으로 저장하여 공급하게 된다. 또한, 상기 정류 커패시터(120)는 계자 권선(160)에 잔존하는 에너지를 저장하여 회생하게 된다. 상기 정류 커패시터(120)는 2개(120a, 120b)로 형성되며, 입력 전원부(110)와 계자 권선(160) 사이에 각각 병렬로 연결된다. 상기 정류 커패시터(120)는 입력 전원부(110)와 전력 변환부(130)의 사이에 전기적으로 연결되어 설치된다. 상기 정류 커패시터(120)는 입력 전원부(110)와 어느 하나의 전력 변환부(130a)의 사이에 연결되는 하나의 정류 커패시터(120a), 입력 전원부(110)와 다른 하나의 전력 변환부(130b)의 사이에 연결되는 다른 하나의 정류 커패시터(120b)를 포함하여 형성된다.
상기 정류 커패시터(120)는 적어도 하나의 커패시터로 이루어진다. 상기 정 류 커패시터(120)는 일단이 입력 전원부(110)의 일단과 전력 변환부(130)의 제1스위칭 소자(Q1)의 컬렉터 사이에 연결되고, 타단이 입력 전원부(110)의 타단과 전력 변환부(130)의 제1다이오드(D1)의 애노드 사이에 연결된다.
또한, 상기 정류 커패시터(120)는 병렬로 연결되는 제3스위칭 소자(Q3)를 더 포함하여 형성될 수 있다. 상기 제3스위칭 소자(Q3)는 정류 커패시터(120)를 과전압으로부터 보호하는 작용을 하게 된다.
상기 전력 변환부(130)는 입력 전원부(110)와 입력전원 스위치(112)를 통하여 선택적으로 연결되며, 펄스폭변조(PWM) 방식에 의하여 입력 전원부(110)의 여자 전압을 계자 전압으로 변환하여 계자 권선(160)으로 공급하게 된다. 상기 전력 변환부(130)는 주제어부(170)의 제어에 의하여 계자 권선으로 공급되는 여자 전압을 조정하게 된다. 상기 전력 변환부(130)는 입력전원 스위치(112)에 의하여 선택적으로 연결된다. 즉, 상기 전력 변환부(130)는 발전기가 정상적으로 작동되는 경우에는 입력 전원부(110)로부터 전압을 공급받게 된다. 하지만, 상기 전력 변환부(130)는 발전기의 작동에 이상이 있는 경우에는 입력전원 스위치(112)에 의하여 입력 전원부(110)와 전기적으로 연결이 끊어지게 된다.
상기 전력 변환부(130)는 적어도 2개(130a, 130b)로 형성되며, 입력 전원부(110)와 계자 권선(160)의 사이에 병렬로 연결되어 형성된다. 따라서, 상기 회생형 이중화 PWM 방식의 디지털 여자시스템은 전력 변환부(130)중에서 어느 하나의 전력 변환부(130a)에 이상이 생겨도 다른 하나의 전력 변환부(130b)에 작동하여 계자 권선(160)에 계자 전류를 공급하게 된다. 즉, 상기 전력 변환부(130)는 입력전원 스위치(112)의 작동에 따라 어느 하나의 전력 변환부(130a, 130b)로 입력 전원이 공급된다.
상기 전력 변환부(130)는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)로 이루어지는 제1스위칭 소자(Q1) 및 제2스위칭 소자(Q2)와, 제1다이오드(D1)와 제2다이오드(D2)를 구비하여 형성된다. 상기 제1스위칭 소자(Q1)의 컬렉터는 입력 전원부(110)의 일단 및 제2다이오드(D2)의 캐소드에 연결되고, 제1스위칭 소자(Q1)의 에미터는 제1다이오드(D1)의 캐소드에 연결된다. 또한, 상기 제2스위칭 소자(Q2)의 컬렉터는 제2다이오드(D2)의 애노드에 연결되고, 제2스위칭 소자(Q2)의 에미터는 제1다이오드(D1)의 애노드 및 입력 전원부(110)의 타단과 연결된다. 또한, 상기 제1스위칭 소자(Q1)와 제2스위칭 소자(Q2)의 베이스는 주제어부(170)에 전기적으로 연결되어 제어된다. 따라서, 상기 주제어부(170)는 아날로그 출력신호(4-20mA)를 전력 변환부(130)에 보내며, 상기 전력 변환부(130)는 펄스폭변조(PWM) 신호를 만들어서 각각의 스위칭 소자의 점호신호로 사용하게 된다.
상기 전력 변환부(130)는 발전기가 연결되어 있는 전력 계통의 부하 변동에 따라 발전기의 출력 변화가 있을 때 발전기의 전압을 제어하기 위하여 계자 전류를 제어하게 된다.
상기 계자 차단부(140)는 전력 변환부(130)와 전기적으로 연결되며 전력 변환부(130)의 이상 작동시 작동하여 전류를 차단하게 된다. 상기 계자 차단부(140; 140a, 140b)는 제1차단 스위치(S1)와 제2차단 스위치(S2)를 구비하여 형성된다. 상기 제1차단 스위치(S1)는 제1스위칭 소자(Q1)와 제1다이오드(D1) 사이에 전기적으로 연결되며, 상기 제2차단 스위치(S2)는 제2스위칭 소자(Q2)와 제2다이오드(D2) 사이에 전기적으로 연결되어 형성된다. 따라서, 상기 계자 차단부(140)는 제1차단 스위치(S1)와 제2차단 스위치(S2)가 작동하여 전력 변환부(130)와 계자 권선(160)의 전기적 연결관계를 조절하게 된다. 상기 계자 차단부(140)는 주제어부(170)의 제어에 의하여 작동하게 된다.
상기 계자 차단부(140)는 적어도 2개(140a, 140b)로 형성되며, 각각의 전력 변환부(130a, 130b)와 계자 권선(160)의 사이에 각각 형성된다. 따라서, 상기 계자 차단부(140; 140a, 140b)는 어느 하나의 전력 변환부(130; 130a, 130b)와 계자 권선(160)을 전기적으로 연결하게 된다. 상기 계자 차단부(140)는 연결된 전력 변환부(130a, 130b)의 작동에 이상이 발생한 경우에 작동하여 계자 권선(160)과 전력 변환부(130a, 130b)의 전기적 연결을 끊게 된다. 그리고, 상기 계자 차단부(140a, 140b)는 다른 하나의 전력 변환부(130a, 130b)와 계자 권선(160)을 전기적으로 연결하게 된다. 즉, 상기 하나의 전력 변환부(130a)와 연결된 계자 차단부(140a)는 전력 변환부(130a)가 정상적으로 작동하는 경우에 전력 변환부(130a)와 계자 권선(160)을 전기적으로 연결하게 된다. 이때, 다른 하나의 계자 차단부(140b)는 열려진 상태를 유지하게 된다. 그러나, 상기 계자 권선(160)에 연결된 전력 변환부(130a)에 이상이 발생한 경우에 계자 차단부(140a)가 열려지게 된다. 또한, 열려진 상태를 유지하는 다른 하나의 계자 차단부(140b)가 작동하여 다른 하나의 전력 변환부(130b)를 계자 권선(160)과 전기적으로 연결되도록 한다. 따라서, 상기 계자 권선(160)은 계속적으로 계자 전류를 공급받게 된다.
상기 직류전원 공급부(150)는 입력 전원부(110)와 병렬로 전력 변환부(130)에 전기적으로 연결되어, 전력 변환부(130)로 직류 전원을 선택적으로 공급하게 된다, 상기 직류전원 공급부(150)는 무정전 전원 공급 장치(UPS: Uninterruptible Power Supply)로 이루어질 수 있다. 따라서 상기 직류전원 공급부(150)는 발전기의 작동 이상에 의하여 입력 전원부(110)로 단자 전압이 공급되지 않는 경우에 전력 변환부(130)로 일정한 전압을 공급하게 된다.
상기 직류전원 공급부(150)는 전력 변환부(130)와의 사이에 직류전원 스위치(152)를 구비하며 형성된다. 상기 직류전원 스위치(152)는 적어도 2개(152a, 152b)로 형성되며, 직류전원 공급부(150)와 각 전력 변환부(130a, 130b) 사이에 각각 설치된다. 상기 직류전원 스위치(152; 152a, 152b)는 주제어부(170)의 제어에 의하여 작동된다.
상기 계자 권선(160)은 계자 차단부(140)와 전기적으로 연결되며, 전력 변환부(130)로부터 계자 전류를 공급받게 된다. 상기 계자 권선(160)은 동기 발전기의 회전자를 구성하는 철심에 권선되어 있는 코일이다. 상기 계자 권선(160)은 동기발전기의 회전자의 주위에 자장을 형성하게 된다. 또한, 상기 계자 권선(160)은 공급되는 계자 전류가 제어되면서, 발전기의 전압을 제어할 수 있게 된다.
상기 주제어부(170)는 입력전원 스위치(112)와 직류전원 스위치(152)를 제어하게 된다. 따라서, 상기 주제어부(170)는 입력전원 스위치(112)와 직류전원 스위치(152)를 선택적으로 작동시켜 입력 전원부(110)와 직류전원 공급부(150)중 어느 하나가 전력 변환부(130)로 전압을 공급하도록 제어하게 된다.
또한, 상기 주제어부(170)는 전력 변환부(130)의 제1스위칭 소자(Q1) 및 제2스위칭 소자(Q2)의 베이스에 전기적으로 연결되어 제1스위칭 소자(Q1)와 제2스위칭 소자(Q2)의 작동을 제어하게 된다.
또한, 상기 주제어부(170)는 계자 차단부(140)의 제1차단 스위치(140a)와 제2차단 스위치(140b)와 전기적으로 연결되어 계자 차단부(140)의 작동을 제어하게 된다.
상기 정류 다이오드(180)는 적어도 2개(180a, 180b)로 이루어지며, 입력전원 스위치(112)와 전력 변환부(130) 사이에 입력 전원부(110)와 병렬로 설치되며, 입력 전원부(110)에서 공급되는 교류 전압을 정류하게 된다.
상기 계자 방전부(190)는 계자 권선(160)에 병렬로 연결되며, 전력 변환부(130)의 이상 작동시 계자 권선(160)으로 공급되는 계자 전류를 차단하게 된다. 상기 계자 방전부(190)는 주제어부(170)에 의하여 제어된다. 상기 계자 방전부(190)는 계자 방전 저항(R2)과 방전 스위치(SR)로 이루어지며, 방전 스위치(SR)가 주제어부(170)에 전기적으로 연결된다.
상기 계자 방전부(190)는 2개의 전력 변환부(130a, 130b)가 이상 작동을 하는 경우에 방전 스위치(SR)가 작동되어 계자 권선(160)의 에너지가 계자 방전 저항(R2)에서 방전되어 소진되도록 한다.
다음은 본 발명의 실시예에 따른 회생형 이중화 PWM 방식의 디지털 여자시스템이 적용되는 발전기 시스템에 대하여 설명한다.
도 2는 회생형 이중화 PWM 방식의 디지털 여자 시스템이 적용되는 발전기 시스템을 나타내는 개략도이다.
상기 발전기 시스템은, 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 회생형 이중화 PWM 방식의 디지털 여자시스템을 포함하여 구성되며, 발전기의 출력단에서 측정되는 전류와 전력에 따라 계자 전류를 공급받게 된다.
상기 정류 커패시터(120)와 전력 변환부(130)는 발전기(10)의 출력단으로부터 입력 전원부(110)를 통하여 공급되는 전압을 변환하여 계자 권선(160)으로 공급하게 된다. 한편, 상기 직류전원 공급부(150)는 발전기(10)의 작동에 이상이 발생한 경우에 계자 권선(160)으로 직류 전원을 공급하게 된다. 따라서, 상기 계자 권선(160)은 발전기 출력전압과 직류전원을 선택적으로 받게 된다.
상기 주제어부(170)는 발전기(10)의 출력단에 연결되어 있는 전류 변환기(current transformer)(11)와 전력 변환기(power transformer)(12)로부터 발전기(10)의 출력에 대한 전류와 전력을 전달받아 전력 변환부(130)의 제1스위칭 소자(Q1)와 제2스위칭 소자(Q2)의 작동을 제어하게 된다. 상기 주제어부(170)는 아날로그 출력신호(4-20mA)를 전력 변환부(130)에 보내며, 전력 변환부(130)는 펄스 폭 변조(PWM) 신호를 만들어서 각각의 스위칭 소자(Q1, Q2)의 점호신호로 사용하게 된다.
또한, 상기 주제어부(170)는 전류 변환기(11)와 전력 변환기(12)로부터 측정된 값으로부터 발전기(10)의 작동에 이상 발생여부를 감지하고 입력전원 스위치(112)와 직류전원 스위치(152)의 개폐를 제어하게 된다.
다음은 본 발명의 실시예에 따른 회생형 이중화 PWM 방식의 디지털 여자시스템의 작동에 대하여 설명한다.
도 3 내지 도 8은 상기 회생형 이중화 PWM 방식의 디지털 여자시스템의 스위칭 방식에 따른 회로도 및 계자 전압과 계자 전류의 파형을 나타내고 있다. 상기 입력 전원부(110)로 입력되는 변압기의 2차 전압은 정류 다이오드에 의하여 직류로 변화되어 제1스위칭 소자(Q1)와 제2스위칭 소자(Q2)의 스위칭 모드에 따라서 계자 권선에 전력을 공급하게 된다.
먼저, 상기 회생형 이중화 PWM 방식의 디지털 여자시스템의 순방향 전력 모드에 대하여 설명한다.
도 3은 도 1의 회생형 이중화 PWM 방식의 디지털 여자시스템에서 순방향 전력 모드를 나타내는 회로도이다. 그리고, 도 4는 도 3의 순방향 전력모드에 따른 계자 전압과 계자 전류의 파형도이다.
상기 순방향 전력모드는, 도 3과 도 4를 참조하면, 전력 변환부(130)의 제1스위칭 소자(Q1)와 제2스위칭 소자(Q2)가 동시에 온(ON)되는 경우이다. 발전기(10)의 단자 전압이 정류 커패시터(120)와 전력 변환부(130)에 의하여 정류되어 계자 전류로 공급된다. 상기 단자 전압은 정류 커패시터(120)와 전력 변환부(130) 및 정류 다이오드(180)에 의하여 직류 링크 전압의 초핑 파형이 되며, 계자 전류는 발전기 계자 권선의 리액터 성분 때문에 평활된 직류 전류가 된다.
다음은 상기 회생형 이중화 PWM 방식의 디지털 여자시스템의 순방향 전력 모드에 대하여 설명한다.
도 5는 도 1의 회생형 이중화 PWM 방식의 디지털 여자시스템에서 제1프리휠링 모드를 나타내는 회로도이다. 그리고, 도 6은 도 5의 제1프리휠링 모드에 따른 계자 전압과 계자 전류의 파형도이다. 또한, 도 7은 도 1의 회생형 이중화 PWM 방식의 디지털 여자시스템에서 제2프리휠링 모드를 나타내는 회로도이다. 그리고, 도 8은 도 7의 제2프리휠링 모드에 따른 계자 전압과 계자 전류의 파형도이다.
상기 프리휠링 모드는, 도 5 내지 도 8을 참조하면, 전력 변환부(130)의 제1스위칭 소자(Q1)와 제2스위칭 소자(Q2) 중 어느 하나가 온(ON)되는 경우이다. 따라서, 상기 전력 변환부(130)는 온(ON)되는 어느 하나의 스위칭 소자와 어느 하나의 다이오드를 통하여 계자 권선(160)에 계자 전류가 공급된다. 상기 단자 전압은 정류 커패시터(120)와 전력 변환부(130)에 의하여 직류(DC) 링크 전압의 초핑 파형이 되며, 계자 전류는 발전기 계자 권선의 리액터 성분 때문에 평활된 DC전류가 된다.
다음은, 상기 회생형 이중화 PWM 방식의 디지털 여자시스템의 회생 모드에 대하여 설명한다.
도 9는 도 1의 회생형 이중화 PWM 방식의 디지털 여자시스템에서 회생 모드를 나타내는 회로도이다. 그리고, 도 10은 도 9의 회생 모드에 따른 계자 전압과 계자 전류의 파형도이다.
상기 회생 모드는, 도 9와 도 10을 참조하면, 전력 변환부(130)의 제1스위칭 소자(Q1)와 제2스위칭 소자(Q2)가 동시에 오프(OFF)되고 계자 차단부(140)가 온(ON)되는 경우이다. 상기 계자 권선(160)에 저장되어 있는 에너지가 제2다이오드(D2)와 제1다이오드(D1)에 의하여 정류 커패시터(120)에 저장되어 에너지가 회생되며, 계자 전류가 감소된다. 따라서, 상기 계자 방전부(190)가 작동되지 않아도 계자 권선(160)의 에너지를 방전할 수 있게 된다.
한편, 도 11은 본 발명의 회생형 이중화 PWM 방식의 디지털 여자시스템에 따라 실제 제작된 시스템에서의 주제어부(160)의 제어신호에 따른 제1스위칭 소자(Q1)와 제2스위칭 소자(Q2)의 점호신호와 계자 전압을 나타내고 있다.
도 12는 실제 제작된 회생형 이중화 PWM 방식의 디지털 여자시스템으로 운전원 조정화면, 제어부 판넬 그리고 각각의 PWM 브릿지로 구성되는 전력 변환부에 대한 사진이다.
다음은 본 발명의 다른 실시예에 따른 회생형 이중화 PWM 방식의 디지털 여자시스템에 대하여 설명한다.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 회생형 이중화 PWM 방식의 디지털 여자 시스템을 나타내는 회로도이다. 도 14는 도 13의 여자 시스템에서 회생 모드를 나타내는 회로도이다. 도 15는 도 14의 회생 모드에 따른 계자 전압과 계자 전류의 파형도이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 회생형 이중화 PWM 방식의 디지털 여자시스템(100)은, 도 13을 참조하면, 입력 전원부(110)와, 정류 커패시터(120)와, 전력 변환부(130)와, 계자 차단부(140)와, 직류전원 공급부(150)와, 계자 권선(160)과, 주제어부(170) 및 회생 다이오드(290)를 포함하여 형성된다. 또한, 상기 회생형 이중화 PWM 방식의 디지털 여자시스템(100)은 정류 다이오드(180)를 더 포함하여 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 회생형 이중화 PWM 방식의 디지털 여자시스템은 도 1의 실시예에 따른 회생형 이중화 PWM 방식의 디지털 여자시스템(100)과 달리 계자 방전부(190) 대신에 회생 다이오드부(290)를 포함하는 점에서 차이가 있다. 따라서, 이하에서 본 발명의 다른 실시예에 따른 회생형 이중화 PWM 방식의 디지털 여자시스템(100)은 회생 다이오드(290)를 중심으로 설명한다. 또한, 상기 회생형 이중화 PWM 방식의 디지털 여자시스템(100)은 도 1의 회생형 이중화 PWM 방식의 디지털 여자시스템(100)과 동일 또는 유사한 부분은 동일한 도면부호를 사용하며, 중복을 피하기 위하여 여기에서는 상세한 설명을 생략한다.
상기 회생형 이중화 PWM 방식의 디지털 여자시스템(100)은 계자 차단부(140)가 차단되면 회생 다이오드부(290)를 통하여 계자 권선(160)에 남아있는 에너지가 정류 커패시터(120)로 자동으로 회생되도록 구성되어 있다. 특히, 상기 회생형 이중화 PWM 방식의 디지털 여자시스템(100)은 계자 차단부(140)가 오프(OFF)되었을 때 주제어부(170)의 제어신호와 무관하게 자동으로 계자 권선(160)의 에너지가 정류 커패시터(120)로 저장되면서 방전된다.
또한, 상기 회생형 이중화 PWM 방식의 디지털 여자시스템(100)은 계자 방전부(190)가 포함되지 않으므로 상대적으로 적은 부피로 형성될 수 있다. 한편, 상기 계자 방전부(190)를 포함하는 발전기는 용량이 증가됨에 따라 계자 방전 저항도 상대적으로 커지게 되며 발전기의 부피도 커지게 된다.
상기 회생 다이오드부(290)는 계자 차단부(140)와 계자 권선(160)의 사이 및 전력 변환부(130)에 연결되어 계자 차단부(140)가 오프(OFF)되는 경우에 계자 권선(160)의 에너지를 회생시키게 된다.
상기 회생 다이오드부(290)는 적어도 2개(290a, 290b)로 이루어진다. 하나의 회생 다이오드부(290a)는, 애노드가 제2차단 스위치(S2)와 계자 권선(160)의 타단 사이에 연결되고, 캐소드가 제1차단 스위치(S1)와 계자 권선(160)의 일단 사이에 전기적으로 연결되는 제3다이오드(200)와, 애노드가 전력 변환부(130)에 연결되고, 캐소드가 제1차단 스위치(S1)와 계자 권선(160)의 일단 사이에 전기적으로 연결되는 제4다이오드(210)를 구비하여 형성된다. 다른 하나의 회생 다이오드부(290b)도, 애노드가 전력 변환부(130)에 연결되고, 캐소드가 제2차단 스위치(S2)와 계자 권선(160)의 타단 사이에 전기적으로 연결되는 제5다이오드(200)와, 애노드가 제2차단 스위치(S2)와 계자 권선(160)의 타단 사이에 연결되고, 캐소드가 제1차단 스위치(S1)와 계자 권선(160)의 일단 사이에 전기적으로 연결되는 제6다이오드(210)를 구비하여 형성된다.
상기 회생 다이오드부(290)는, 도 14를 참조하면, 입력 스위치(112)가 오프(OFF)되고 계자 차단부(140)가 오프(OFF)되는 경우에, 계자 권선(160)에 잔류하는 에너지가 정류 커패시터(120)로 흐르도록 한다. 즉, 상기 여자 시스템은 계자 권선(160)으로부터 제3 및 제5 다이오드(200), 정류 커패시터(120), 제4 및 제6 다이오드(210)를 통하여 계자 권선(160)으로 연결되는 회로가 형성된다. 따라서, 상기 계자 권선(160)에 잔류하는 전류는 제3 및 제5 다이오드(200)를 통하여 정류 커패시터(120)에 저장된다. 또한, 상기 계자 권선(160)의 전류는 도 15에서 보는 바와 같이 완전히 방전된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형의 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 특허청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 회생형 이중화 PWM 방식의 디지털 여자 시스템을 나타내는 회로도이다.
도 2는 회생형 이중화 PWM 방식의 디지털 여자 시스템이 적용되는 발전기 시스템을 나타내는 개략도이다.
도 3은 도 1의 회생형 이중화 PWM 방식의 디지털 여자시스템에서 순방향 전력 모드를 나타내는 회로도이다.
도 4는 도 3의 순방향 전력모드에 따른 계자 전압과 계자 전류의 파형도이다.
도 5는 도 1의 회생형 이중화 PWM 방식의 디지털 여자시스템에서 제1프리휠링 모드를 나타내는 회로도이다.
도 6은 도 5의 제1프리휠링 모드에 따른 계자 전압과 계자 전류의 파형도이다.
도 7은 도 1의 회생형 이중화 PWM 방식의 디지털 여자시스템에서 제2프리휠링 모드를 나타내는 회로도이다.
도 8은 도 7의 제2프리휠링 모드에 따른 계자 전압과 계자 전류의 파형도이다.
도 9는 도 1의 회생형 이중화 PWM 방식의 디지털 여자시스템에서 회생 모드를 나타내는 회로도이다.
도 10은 도 9의 회생 모드에 따른 계자 전압과 계자 전류의 파형도이다.
도 11은 도 1의 회생형 이중화 PWM 방식의 디지털 여자시스템에서 제어 신호에 따른 스위칭 소자의 점호신호와 계자 전압의 관계를 나타내는 파형도이다.
도 12는 도 1의 회생형 이중화 PWM 방식의 디지털 여자시스템의 실제 제품의 사진이다.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 회생형 이중화 PWM 방식의 디지털 u여자 시스템을 나타내는 회로도이다.
도 14는 도 13의 여자 시스템에서 회생 모드를 나타내는 회로도이다.
도 15는 도 14의 회생 모드에 따른 계자 전압과 계자 전류의 파형도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100 - 회생형 이중화 PWM 방식의 디지털 여자시스템
110 - 입력 전원부 120 - 정류 커패시터
130 - 전력 변환부 140 - 계자 차단부
150 - 직류전원 공급부 160 - 계자 권선
170 - 주제어부 180 - 정류 다이오드
190 - 계자 방전부 290 - 회생 다이오드

Claims (11)

  1. 발전기의 단자 전압을 강압하여 여자 전압을 공급하며, 출력단에 입력전원 스위치가 구비되는 입력 전원부;
    상기 입력 전원부와 병렬로 연결되며, 상기 입력전원 스위치에 의하여 선택적으로 연결되는 정류 커패시터;
    펄스 폭 변조 방식에 의하여 상기 입력 전원부의 여자 전압을 계자 전압으로 변환하여 공급하는 전력 변환부;
    상기 전력 변환부와 전기적으로 연결되며, 전력 변환부의 이상 작동시 전류를 차단하는 계자 차단부;
    상기 전력 변환부와의 사이에 직류전원 스위치를 구비하며 상기 입력 전원부와 병렬로 상기 전력 변환부에 전기적으로 연결되어, 상기 전력 변환부로 직류전원을 선택적으로 공급하는 직류전원 공급부;
    상기 계자 차단부와 전기적으로 연결되는 계자 권선;
    상기 입력전원 스위치와 직류전원 스위치와 상기 전력 변환부를 제어하는 주제어부; 및
    상기 계자 차단부와 계자 권선 사이 및 상기 전력 변환부에 연결되어 상기 계자 권선의 전류를 회생시키는 회생 다이오드부를 포함하며,
    상기 정류 커패시터와 전력 변환부와 계자 차단부와 회생 다이오드부는 각각 2개로 이루어져 상기 입력 전원부와 계자 권선 사이에 각각 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 회생형 이중화 PWM 방식의 디지털 여자 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 입력전원 스위치와 상기 전력 변환부 사이에는 정류 다이오드가 구비되는 것을 특징으로 하는 회생형 이중화 PWM 방식의 디지털 여자 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 전력 변환부는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)로 이루어지는 제1스위칭 소자 및 제2스위칭 소자와, 제1다이오드와 제2다이오드를 구비하며,
    상기 제1스위칭 소자의 컬렉터는 상기 입력 전원부의 일단 및 상기 제2다이오드의 캐소드에 연결되고, 상기 제1스위칭 소자의 에미터는 상기 제1다이오드의 캐소드에 연결되며,
    상기 제2스위칭 소자의 컬렉터는 상기 제2다이오드의 애노드에 연결되고, 상기 제2스위칭 소자의 에미터는 상기 제1다이오드의 애노드 및 상기 입력 전원부의 타단과 연결되는 것을 특징으로 하는 회생형 이중화 PWM 방식의 디지털 여자 시스템.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 계자 차단부는 제1차단 스위치와 제2차단 스위치를 구비하며,
    상기 제1차단 스위치는 상기 제1스위칭 소자와 제1다이오드 사이에 전기적으로 연결되며,
    상기 제2차단 스위치는 제2스위칭 소자와 제2다이오드 사이에 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 회생형 이중화 PWM 방식의 디지털 여자 시스템.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 계자 권선 사이에 전기적으로 연결되며, 전력 변환부의 이상 작동시 전류를 차단하는 계자 방전부를 더 포함하여 형성되며
    상기 주제어부는 상기 계자 방전부를 제어하는 것을 특징으로 하는 회생형 이중화 PWM 방식의 디지털 여자 시스템.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 계자 방전부는 계자 방전 저항과 방전 스위치로 이루어지며, 상기 방전 스위치가 상기 주제어부에 전기적으로 연결되어 제어되는 것을 특징으로 하는 회생형 이중화 PWM 방식의 디지털 여자 시스템.
  7. 제 3항에 있어서,
    상기 정류 커패시터는 일단이 상기 입력전원부의 일단과 상기 제1스위칭 소자의 컬렉터 사이에 연결되고, 타단이 상기 입력 전원부의 타단과 제1다이오드의 애노드 사이에 연결되는 것을 특징으로 하는 회생형 이중화 PWM 방식의 디지털 여자 시스템.
  8. 제 4항에 있어서,
    상기 2개의 회생 다이오드부중에서,
    하나의 회생 다이오드부는, 애노드가 제2차단 스위치와 계자 권선의 타단 사이에 연결되고, 캐소드가 제1차단 스위치와 계자 권선의 일단 사이에 전기적으로 연결되는 제3다이오드와, 애노드가 전력 변환부에 연결되고, 캐소드가 제1차단 스위치와 계자 권선의 일단 사이에 전기적으로 연결되는 제4다이오드를 구비하여 이루어지며,
    다른 하나의 회생 다이오드부는, 애노드가 전력 변환부에 연결되고, 캐소드가 제2차단 스위치와 계자 권선의 타단 사이에 전기적으로 연결되는 제5다이오드와, 애노드가 제2차단 스위치와 계자 권선의 타단 사이에 연결되고, 캐소드가 제1차단 스위치와 계자 권선의 일단 사이에 전기적으로 연결되는 제6다이오드를 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 회생형 이중화 PWM 방식의 디지털 여자 시스템.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 직류전원 공급부는 무정전 전원 공급 장치로 형성되는 것을 특징으로 하는 회생형 이중화 PWM 방식의 디지털 여자 시스템.
  10. 제 3항에 있어서,
    상기 주제어부는 상기 제1스위칭 소자 및 제2스위칭 소자의 베이스 단자와 전기적으로 연결되어 제1스위칭 소자와 제2스위칭 소자를 제어하는 것을 특징으로 하는 회생형 이중화 PWM 방식의 디지털 여자 시스템.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 주제어부는 상기 발전기의 출력단에 연결되어 있는 전류 변환기와 전력 변환기로부터 상기 발전기의 출력에 대한 전류 측정값과 전력 측정값을 전달받아 전력 변환부의 제1스위칭 소자와 제2스위칭 소자의 작동을 제어하는 것을 특징으로 하는 회생형 이중화 PWM 방식의 디지털 여자 시스템.
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