KR100978027B1

KR100978027B1 - 전력 회생 효율 증강 시스템

Info

Publication number: KR100978027B1
Application number: KR1020080080704A
Authority: KR
Inventors: 정문수
Original assignee: 정문수
Priority date: 2008-08-19
Filing date: 2008-08-19
Publication date: 2010-08-26
Also published as: KR20100022166A

Abstract

본 발명은 전력 회생 효율 증강 시스템에 관한 것으로서, 코어에 권선된 제1코일, 전자석 및 전자석에 권선된 제2코일을 형성시킨 고정자와, 영구자석을 형성시킨 회전자로 구성되어 외부 전원 또는 인버터로부터 전원을 공급받아 전력을 발생시킴과 아울러, 제2코일의 극성반전을 통해 회전자의 회전속도를 증가시키는 교류 발전기와; 제1코일로부터 출력된 교류 전원을 직류 전원으로 변환시키는 충전 제동기와; 제2코일과 접속되며, 직류 전원을 공급받아 전자석의 극성반전을 위한 스위칭을 수행하는 극성반전 스위칭회로와; 직류 전원을 충전시키는 배터리와; 배터리에 충전된 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 교류 발전기로 공급하는 인버터로 구성되어, 다양한 시스템에의 적용을 위한 소형화 및 적용되는 시스템에 대한 안정성 및 신뢰도를 향상시킴과 아울러 발전된 전력의 효율적인 회생을 통해 전력소비 비율을 낮출 수 있다.

전력, 회생, 효율

Description

전력 회생 효율 증강 시스템{SYSTEM FOR INCREASING POWER OF RECOVERY}

본 발명은 전력 회생 효율 증강 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 교류 발전기를 통해 발생된 전력을 교류 발전기의 고정자에 형성된 전자석의 극성반전 스위칭에 이용하여 회전자의 회전을 용이하게 함으로써 전력 회생을 최대화시키는 전력 회생 효율 증강 시스템에 관한 것이다.

최근, 지구상의 자원 고갈 및 환경 파괴에 대한 문제가 크게 이슈화되면서 대체 에너지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있고, 이와 함께 기존 사용 에너지의 이용 효율을 증대시키기 위한 연구도 함께 진행되고 있다.

그 하나의 예로서, 자동차에 사용되는 연료의 다양화 및 운행 방식의 다양화 등이 있을 것이다. 즉, 휘발유와 경유를 주연료로 사용하는 것을 벗어나, 전기, 연료전지, 수소 등을 이용하는 연료의 다양화가 이루어지고 있으며, 또한 전기와 엔진을 주행 상황에 따라 번갈아 이용하는 운행 방식의 다양화가 이루어지고 있다. 이와 같은 하이브리드 시스템은 직렬식, 병렬식 등 다양한 운전 방식이 이미 소개되어 있다.

또한, 연료의 다양화 및 운행 방식의 다양화와 아울러, 에너지의 회생에 대 한 연구도 활발히 진행되고 있다. 즉, 회생 에너지의 활용에도 많은 관심과 제안이 이루어지고 있는데, 예를 들어 발전된 전기를 충전시키는 과정에서의 최적의 충전 방법, 또는 배터리에 저장된 전기 변환에 대한 최적의 변환 방법 등을 통해 전력을 최대한 회생시키는 방안이 제시되고 있다.

그러나, 예를 들어 자동차의 엔진 회전에 연동되는 교류 발전기를 회전시켜 발전한 후, 발전된 전기를 충전하는 방식의 경우에 엔진의 회전 속도에 대응하여 출력 전압이 불안정해지는 문제점이 있었을 뿐만 아니라, 심지어 출력 전압에 의해 피그 전류 등이 발생되어 배터리가 파괴되는 등의 문제점이 있었다. 이에 교류 발전기의 출력 전압을 안정화시켜 배터리로 전달하는 안정화 방안이 필요하다.

또한, 이렇게 발전되어 저장된 에너지를 이용하는데 있어, 충전된 직류 전원을 다시 교류 전원으로 변환하기 위해 인버터를 이용하게 되는데, 스위칭소자의 전류용량 한계 등으로 인해 소용량의 교류 발전기에만 이용되는 한계가 있었다. 이에 에너지를 많이 생산 및 충전시키는 대용량 발전기에 적용할 수 있는 방안이 필요하다.

그런데, 발전된 전기를 충전시키는 과정에서의 최적의 충전 방법, 또는 배터리에 저장된 전기 변환에 대한 최적의 변환 방법 등의 필요성에도 불구하고, 발전된 전력의 단순 회생 시스템, 즉 교류 발전기에서 생산된 전기를 충전한 후 충전된 전원을 교류 발전기에 재공급하는 단순 회생 방식을 이용함으로써 전력 회생 효율이 저하되는 문제점이 있었다.

한편, 에너지 이용 효율 증대 및 회생에 관련하여 대규모 발전소와 같은 초 기 설치비용이 많이 소요되는 중앙집중식의 전원공급체계에서 벗어나 비록 소규모의 발전이지만 가정, 건물 단위로 자가발전시스템을 구축하는 추세에 있다. 이에 전력 회생을 위해 필수적으로 구비되어야 하는 교류 발전기 등의 소형화가 필요하다.

따라서, 본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은 교류 발전기로부터 출력되는 불규칙한 전압을 정류기, 레귤레이터 및 DC-DC 변환기를 이용하여 안정화시키고, 안정화된 직류 전원에 대해 극성반전 스위칭회로를 이용하여 교류 발전기에 형성된 전자석으로 재공급하여 회전자의 회전을 증강시키거나, 안정화되어 충전된 직류 전원을 인버터를 이용하여 교류 발전기로 재공급하여 회전자의 회전을 증강시킴으로써 전력 회생을 최대화시키는 전력 회생 효율 증강 시스템을 제공하는데 있다.

또한, 본 발명의 목적은 교류 발전기의 고정자에 전자석을 형성시키고 회전자에 영구자석을 형성시키되, 영구자석과 전자석 대향면이 평행하지 않도록 배치하여 회전자의 회전을 증강시킴으로써 발전기의 크기를 최소화시키면서 전력 회생을 최대화시키는 전력 회생 효율 증강 시스템을 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전력 회생 효율 증강 시스템은, 코어에 권선된 제1코일, 전자석 및 전자석에 권선된 제2코일을 형성시킨 고정자와, 영구자석을 형성시킨 회전자로 구성되어 외부 전원 또는 인버터로부터 전원을 공급받아 전력을 발생시킴과 아울러, 제2코일의 극성반전을 통해 상기 회전자의 회전속도를 증가시키는 교류 발전기; 상기 제1코일로부터 출력된 교류 전원을 직류 전원으로 변환시키는 충전 제동기; 상기 제2코일과 접속되며, 상기 직류 전원을 공 급받아 전자석의 극성반전을 위한 스위칭을 수행하는 극성반전 스위칭회로; 상기 직류 전원을 충전시키는 배터리; 및 상기 배터리에 충전된 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 상기 교류 발전기로 공급하는 인버터를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 코어는 시트를 적층하여 형성되며, 상기 시트는 경사지게 적층되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 시트의 치형부 말단에 전자석을 배치하고, 상기 전자석은 영구자석의 개수에 대응하거나 상기 치형부의 개수에 대응하게 형성되는 것이 바람직하며, 상기 전자석과 영구자석의 대향면은 일정 각도를 갖고 형성되며, 상기 전자석이 회전자의 회전축에 대해 일정 각도를 갖는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 충전 제동기는, 상기 교류 전원을 상기 직류 전원보다 높은 전압의 제1 출력 직류 전원으로 변환하는 정류기; 상기 제1 출력 직류 전원보다 높은 전압의 제2 출력 직류 전원으로 변환하는 레귤레이터; 및 상기 제2 출력 직류 전원으로부터 필요 전원으로 전압을 강하시키는 DC-DC 변환기로 이루어진다.

이때, 상기 레귤레이터는, 턴오프 손실을 갖는 제1 전력 스위치; 상기 턴오프 동안 상기 제1 전력 스위치를 통해 전압 변동폭을 제한하는 제1 캐패시터와, 상기 제1 캐패시터가 다음의 턴오프 시간까지 방전하는 제1 인덕터, 제2 전력 스위치 및 제1 다이오드로 이루어진 부스터; 및 상기 제2 전력 스위치에 연결된 제2 다이오드 및 제2 캐패시터와, 상기 제2 다이오드와 제2 캐패시터 사이의 접점과 제3 전력 스위치 사이에 연결된 제2 인덕터와, 상기 제3 전력 스위치와 제 2 인덕터 사 이에 연결된 제3 다이오드로 이루어진 스위칭 손실 감소 회로로 이루어진다.

한편, 상기 극성반전 스위칭회로는, 상기 전자석에 복선으로 권선된 제2코일; 상기 복선 각각에 대한 스위칭을 통해 전류방향을 바꾸는 스위칭 장치; 및 상기 회전자의 회전속도에 대응하여 상기 스위칭 장치로 스위치 제어신호를 출력시키는 제어기로 이루어지며, 상기 제어기에는 영구자석의 위치에 대응하는 회전자의 위치를 감지하는 위치 감지 센서를 더 접속시키는 것이 바람직하다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 전력 회생 효율 증강 시스템은, 교류 발전기를 통해 발전된 전기의 제어를 통해 시스템의 안정성 및 신뢰도를 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 발전된 전기가 충전되기 이전 단계에서 교류 발전기의 전자석에 스위칭제어를 수행함으로써 교류 발전기 회전자의 회전을 더욱 용이하게 하여 발전 효율을 증강시킬 수 있으며, 이를 통해 교류 발전기를 기동시키는데 필요한 배터리의 전력소비 비율을 낮출 수 있다.

또한, 본 발명에 의한 전력 회생 효율 증강 시스템은, 전자석과 영구자석이 형성되는 고정자와 회전자의 구성과, 고정자의 적층구조를 통해 시스템 전체 규모를 소형화시킬 수 있다. 이는 비록 소규모의 발전이지만, 가정, 건물 단위의 자가발전시스템을 통해 사용전력을 충당함으로써 중앙집중적인 에너지공급시스템의 문제점을 해결할 수 있다.

이하, 본 발명의 전력 회생 효율 증강 시스템에 대하여 첨부된 도면을 참조 하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 전력 회생 효율 증강 시스템의 구성도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 전력 회생 효율 증강 시스템은 크게, 교류 발전기(10), 충전 제동기(20), 배터리(30), 인버터(40), 극성반전 스위칭회로(50)로 이루어져 있다.

교류 발전기(10)는 고정자(101)와 회전자(102)로 구성되며, 고정자(101)에는 코일(103)이 권선되어 있다. 고정자(101)의 끝단에는 전자석(104)이 형성되며, 이 전자석(104)에는 극성반전을 위한 코일(105)이 권선되어 있으며, 이 전자석(104)에 형성된 코일(105)은 극성반전 스위칭회로(50)에 접속되어 있다. 고정자(101)에 형성된 전자석(104)과 회전자(102)에 형성된 영구자석(106)의 인력 또는 척력에 의해 회전자(102)의 회전이 보강되게 되며, 영구자석(106)과 고정자(101)에 권선된 코일(103)과의 상호작용을 통해 유도전류가 발생된다. 한편, 발생된 유도전류는 극성반전 스위칭회로(50)를 경유하여 전자석(104)에 전원을 공급하여 회전자(102)의 회전속도를 향상시키고, 또한 충전이 이루어진 후 필요에 따라 교류 발전기(10)를 구동시키는 전원으로서 활용된다.

충전 제동기(20)는 교류 발전기(10)로부터 출력되는 교류 전원을 안정화시키고, 승압된 직류 전원으로 변환함과 아울러, 회로에 필요한 직류 전원으로 강하시키는 기능을 수행한다.

배터리(30)는 충전 제동기(20)로부터 출력되는 직류 전원을 충전시키는 기능 을 수행한다.

인버터(40)는 배터리(30)로부터 직류 전원을 공급받아 교류 발전기(10) 주파수와 동일한 설정 교류 전원을 출력시켜 교류 발전기(10)를 구동시키는 기능을 수행한다.

극성반전 스위칭회로(50)는 충전 제동기(20)로부터 출력되는 직류 전원을 공급받아 교류 발전기(10)의 고정자에 형성된 전자석의 극성을 바꾸는 기능을 수행한다. 이를 통해 전자석(104)과 회전자(102)에 형성된 영구자석과의 인력 또는 척력에 의해 회전자의 회전을 더욱 증강시키게 된다.

이하, 상기한 주요한 구성들을 구체적으로 설명한다.

교류 발전기

교류 발전기는 고정자(stator)와 회전자(rotator)로 구성되어 있으며, 통상 고정자 내에 회전자가 위치하게 된다. 물론, 회전자 내에 고정자가 위치할 수도 있다. 고정자와 회전자에는 극성을 갖는 자성체가 형성되어 있으며, 자성체에 의해 형성된 자계에 의해 회전이 이루어지게 되며, 고정자 주위에서의 회전자의 회전은 회전자 자석으로부터의 자속이 고정자 권선과 상호작용하여 전류를 유도하며, 이 유도전류는 정류기에 인가되게 된다.

한편, 본 실시예에서는 교류 발전기를 소형화시키기 위해, 회전자에 영구자석을 형성시키고, 고정자에 전자석을 형성시킨다. 즉, 회전자는 중공된 실린더형 케이스를 가지며, 이 케이스 내부벽에 가우스값이 큰 자성체, 즉 영구자석을 배치 한다. 이때, 영구자석을 N극 및 S극으로 번갈아 배치한다. 한편, 고정자는 회전자 내부에 배치한다.

이와 같은, 교류 발전기는 자동차의 엔진 벨트와 연결되어 초기에 발전 기능을 수행함과 아울러, 이 기능에 의해 발전된 전기를 이용하여 교류 발전기를 회전 구동시켜 엔진 벨트로 회전력을 전달할 수 있다.

도 2는 본 발명에 적용되는 교류 발전기의 구성을 나타낸 도면이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 적용되는 교류 발전기는, 회전의 중심이 되는 샤프트(107)와, 샤프트(107)를 중심으로 방사상으로 형성된 고정자(101)와, 고정자(101)를 둘러싸며 샤프트(107)에 고정되어 함께 회전하는 회전자(102)로 구성되어 있다. 고정자(101)와 회전자(102)는 일정 거리를 갖고 대향하고 있다. 샤프트(107)는 베어링에 의해 유지되고, 이 베어링은 플레이트에 장착되고, 엔진 등의 회전축에 연결되거나 하나의 축으로 형성되어 있다. 회전자(102)는 케이스(102a)와 케이스(102a) 내부 측벽에 배치된 영구자석(106)으로 이루어져 있다. 이 영구자석(106)은 극성을 교번하여 배치한다. 고정자(101)에는 코일(103)이 권선되어 있으며, 이 코일(103)은 정류기와 접속되어 있다.

여기서, 영구자석(106)은 적어도 5 킬로가우스, 바람직하게는 8 내지 11 킬로가우스 범위의 자속 밀도를 갖는 자석(Magnet)을 포함하는 것이 바람직하고, 네오디뮴 철 보론, 또는 사마리움 코발트 등의 희토류 합금으로 형성시킨다. 영구자석(106)은 사용된 자석의 양을 최소화하기 위해, 두께를 얇게 하면서 그 표면적을 넓게 제조하는 것이 바람직하다.

한편, 고정자(101)는 코어(101a) 및 코어(101a)에 권선되는 코일(103)로 구성되어 있다. 코어(101a)는 방사상으로 치형부와 슬롯을 형성시키고 있으며, 이 치형부에 코일(103)이 권선되게 된다. 이때, 코어(101a)는 얇은 시트를 적층한 구성으로, 회전축을 기준으로 하여 동일하게 적층하거나, 경사지게 적층할 수 있다. 경사지게 적층할 경우에는, 제어 타이밍을 향상시키기 위하여 특별한 파형, 예컨대 경사측을 갖는 전력 출력파를 갖는 것이 유리하다. 이것은 회전자(102)의 영구자석(106) 및 코어(101a)의 치형부 사이의 점진적인 상호작용을 수립함으로써 달성될 수 있다. 이러한 점진적인 상호작용은 예컨대 영구자석(106)에 대하여 경사진 에지를 구비한 슬롯과 치형부를 이용하여 제공될 수 있고, 예컨대 일반적으로 나선 형상으로 나타난다.

그리고, 고정자(101)는 치형부 말단에 전자석(104)을 배치한다. 이 전자석(104)에는 코일이 권선되어 있으며, 이 전자석(104)에 형성된 코일은 극성반전 스위칭회로와 접속되어 있다. 이 치형부 말단에 형성된 전자석(104)과 회전자(102)에 형성된 영구자석(106)간 인력 또는 척력에 의해 회전자(102)의 회전을 증강되게 된다. 이때, 전자석(104)은 영구자석(106)에 대해 전장 방향 제어를 수행하기 위해 전자석(104)과 영구자석(106)의 대향면은 일정각(

°)을 갖도록 한다.

이러한 구성을 통해 자동차 등의 엔진에 장착될 수 있는 정도의 크기로 소형화시킬 수 있으며, 이와 함께 상기한 구성을 통해 고출력을 발생시키는 발전기를 구성할 수 있다.

이와 같이 구성된 교류 발전기의 구동과정을 간략하게 설명하면 다음과 같다.

예를 들어, 초기에 엔진으로부터 전달된 동력은 벨트를 통해 풀리로 전달되고, 이 풀리의 회전축이 교류 발전기의 샤프트(107)와 연결되어 회전력을 전달하게 된다. 이에 발전기의 샤프트(107)는 회전자(102)를 회전시키게 된다. 이에 회전자(102)는 자기장을 발생시켜 고정자(101)의 권선부와 상호작용한다. 발생된 자기장을 권선부가 쇄교함에 따라 유도전류가 발생된다. 유도전류는 정류기에 인가되어 직류전원으로 변화되는 과정을 거쳐 충전되는 과정을 거치게 된다.

한편, 본 발명에서는 발전된 전기를 중간 과정에서 회수하여 회전자(102)의 회전을 더욱 용이하게 하거나, 충전된 전원을 교류전원으로 변환하여 교류 발전기로 재공급함으로써 회전자(102)의 회전을 더욱 용이하게 한다. 이는 고정자(101) 치형부의 말단에 형성된 전자석(104)과 영구자석(106)의 인력 또는 척력에 의해 이루어지게 된다.

한편, 본 발명의 실시예에서는 자동차의 엔진 등에 연동되는 발전기에 대해 설명하였으나, 자석의 배치 형태만으로 전장의 방향을 제어하여 발전하는 발전기도 적용될 수 있다.

즉, 고정자(101)와 회전자(102)에 형성되는 자석을 일정방향으로 향하도록 하여 전장의 방향을 제어함으로써 회전자(102)가 전장의 방향에 대응하여 회전하게 된다. 여기서, 전장의 방향 제어는 자석이 정면으로 대향하고 있을 경우에 일측의 자석, 예를 들어 고정자(101)의 자석이 일정각(

°)을 갖도록 한다. 이에 대향하는 자석의 배치만으로도 회전자(102)의 회전이 가능하게 된다. 이때, 고정자(101) 및 회전자(102)에 형성되는 자석을 모두 영구자석(106)으로 형성시킬 수도 있고, 고정자(101)에 형성된 자석만을 전자석(104)으로 형성시킬 수 있다.

충전 제동기

고정자의 권선된 코일로부터 발생되는 전류는 낮은 전압을 가지므로, 이 낮은 전압에서 높은 전류를 제공하기 위해 코일들을 병렬로 접속하여 구성한다. 물론, 높은 전압 용량을 제공하기 위해서는 직렬로 접속하여 구성할 수도 있다.

예를 들어, 교류 발전기가 자동차 등의 엔진과 연동될 경우에, 교류 발전기의 출력 전압은 부하 전압에 따라 조절되고, 충전 제동기는 각 모드별로 출력 전압을 조절하게 된다. 즉, 충전 제동기의 출력 전압은, 엔진이 저속운전일 경우에 배터리 충전이 가능하도록 교류 발전기보다 높게 부스트되고, 엔진이 고속운전일 경우에 배터리 충전 및 부하측 전기 공급을 수행하며, 엔진이 저속운전과 고속운전의 중간 단계일 경우에 교류 발전기의 출력 전압보다 낮게 감소시킨다.

한편, 정류 및 조절은 듀티 사이클의 위상각 제어와 함께 SCR 브리지를 이용하는 단일 프로세스로 달성될 수 있다. 하지만, 전압 출력 및 리플 컨텐츠는 SCR 위상각 방법이 크기가 변하는 교류 전원을 제어하는데 이용되는 경우에 상당히 변할 수 있으며, 교류 주파수를 매우 빨리 바꿀 수 있다. 추가로, 자동차 시스템에서 교류 발전기 출력으로부터 전형적으로 사용되는 전압에서 조절된 출력 신호를 유도하기 위해 이러한 SCR 브리지를 이용하는 것은 상당량의 열 및 전자기 간섭 발생에 의해 입증된 비교적 높은 스위칭 손실 및 높은 피크 전류를 수반할 가능성이 있다.

따라서, 영구자석을 이용한 교류 발전기의 출력에서 큰 폭의 변화를 수용할 수 있으며, 정밀 오차 범위 내에서 높은 파워 변환 효율성으로 전압을 조절할 필요가 있다.

도 3 내지 도 5는 본 발명의 일실시예에 의한 충전 제동기의 제어회로블록도이다.

충전 제동기는 교류 발전기로부터 출력되는 교류 전원을 정류하여 직류 전원으로 변환하고, 해당 전압을 일정 전압으로 조정하며, 일정 전압을 안정화시키는 기능을 수행하게 된다. 구체적으로, 충전 제동기는 출력되는 교류 전원의 변화에 용이하게 대응할 수 있는 정류기와, 전압을 안정화시키는 레귤레이터와, 직류 전원을 일정 전압으로 강하시키는 DC-DC 변환기로 이루어져 있다.

구체적으로, 도 3에 도시된 바와 같이, 정류기는,

최대 출력값을 제한하여 출력 전압을 제한하는 SCR(Silicon Controlled Rectifier) 브리지 회로(201)와,

마이크로프로세서(204)로부터 SCR_DRV 제어 신호를 수신하여, 이에 응답하여 SCR 브리지 회로(201)로 드라이버 신호를 출력시키는 드라이버 회로(202)와,

SCR들을 디스에이블하여 정류기의 네거티브 출력 단자(-VO) 즉, 공통 접지를, 교류 발전기 3-상 권선(windings)의 중성(neutral) 즉, 제2 플로팅(floating) 접지에 선택적으로 연결함으로써, SCR 브리지 회로(201)를 반파 정류기로 효과적으로 변환하는 하프 브리지 변환 회로(203)와,

마이크로프로세서(204)로부터 SCR_DRV와 상호 배타적인 제어 신호 FET_ENB에 의해 인에이블되면, 분리 경계 회로(203b)와 협력하여 적절한 구동 신호들을 전원 스위치들에 제공하고, 출력 전압 VO의 펄스 폭 변조를 선택적으로 실행시켜 전압을 소정의 최대 출력 레벨(예를 들어, 170 [V])로 제한하는 비교기 및 PWM 구동 발생기(205)와,

교류 발전기로부터의 개별적인 위상들을 각각 수신하고, 분리된 출력 전압 PS를 전압 센서 분리 회로(207) 및 저전압 전원 공급 회로(208)에 인가하는 분리 전압원(206)과,

분리 전압원(206)과 협력하여, 전압 PS(이에 따라 순간적인 RPM 및 부하 조건들 하에서 교류 발전기 출력의 전파 정류에 의해 발생되는 출력 전압 레벨)를 나타내는 표시 신호 V_SNS를 도출하지만, 마이크로프로세서(204)에 입력 신호로서 제공하기에 적합하도록 조건이 설정되고 레벨 시프트되는 전압 센서 분리 회로(207)와,

정류기 및 레귤레이터의 각종 제어 컴포넌트들의 전원 공급을 위해, 바람직하게는 비제한 전압 +PS로부터 그러한 신호들을 도출하기 위해 다수의 분리된 저전압 공급기들을 제공하는 저전압 전원 공급 회로(208)와,

교류 발전기 위상들 중 하나, 예를 들어 위상 C(PH_C)를 수신하여, 위상의 제로 크로싱을 나타내는 출력 신호(ZC), 그리고 이에 따라 RPM을 생성하며, 제로 크로싱 신호 ZC는 입력으로서 마이크로프로세서(204)에 제공하는 제로 크로싱 검출기(209)와,

교류 발전기에 의해 산출되는 전류의 크기를 나타내는 전류 센서 신호, 즉 I_SNS를 생성하는 전류 센싱 회로(210)와,

정류기 및 레귤레이터의 다중모드 동작에 진입하기 전에, 전파 출력 표시 신호 V_SNS, 제로 크로싱 신호 ZC 및 원한다면, 전류 센서 신호 I_SNS에 응답하여, 제어 신호들을 선택적으로 생성하는데, SCR_DRV를 생성하여 전파 정류 모드 동작을 실행시키고, FET_ENB를 생성하여 반파 정류 모드를 실행시키는 마이크로프로세서(204)로 구성되어 있다.

여기서, 정류기는 교류 발전기의 출력에 따라 전파 정류, 풀 듀티 사이클 반파 정류, 또는 펄스 폭 변조된 반파 정류 들 중에서 임의로 선택하여 이용할 수 있다. 또한, 정류기는 최대 출력값을 제한하여 출력 전압을 제한한다. 즉, 교류 발전기가 자동차의 엔진과 연동되어 고속운전이 이루어질 경우에 과도한 출력 전압이 발생되게 되므로 이를 제어하기 위해 출력 전압을 제한한다.

또한, 하프 브리지 변환 회로(203)는 적절하게는 비교기 및 PWM 구동 발생기(205)와 분리 경계 회로(203b)와 협력하는 하나 이상의 다이오드 및 전원 스위치(예를 들어, FET)를 포함한다. 다이오드들 및 전원 스위치들은 정류기의 네거티브 출력 단자(-VO)와 교류 발전기 권선의 중성 사이에 선택적인 접속을 제공한다. 전류기의 네거티브 출력(-VO)(공통 접지)이 교류 발전기 권선의 중성(제2 플로팅 접지)에 접속된 경우, 전류는 교류 발전기 AC 사이클의 포지티브 하프 동안에만 흐른다.

그리고, 비교기 및 PWM 구동 발생기(205)는, 마이크로프로세서(204)로부터의 제어 신호 FET_ENB에 의해 활성화되면, 정류기의 출력 전압 VO를 모니터링하고 정류기의 출력 전압 VO에 따라 하프 브리지 변환 회로의 제어를 실행시키기 위해 펄스폭 변조된 제어 신호 FET_DRV를 생성한다. 펄스폭 변조된 제어 신호 FET_DRV의 듀티 사이클은 정류기의 출력에 따라 제어되는데, 예를 들어, 그에 반비례하며, 듀티 사이클은 초기에 100%이고 정류기의 반파 정류 모드 출력이 소정의 최대값, 예를 들어 170 볼트를 초과할 때까지 그 값을 유지하고, 이 때의 듀티 사이클은 출력을 소정값으로 제한하도록 조정된다.

레귤레이터는 역시 일정 전압을 출력시키는데, 정류기에서 출력되는 전압에 대응하여 승압된 전압을 출력시킨다. 즉, 부스터형 레귤레이터를 이용하는 것이 바람직하다. 이는 기존의 변압기를 사용하지 않아도 되는 이점을 최대한으로 활용할 수 있으며, 또한 그 크기를 최소화시킬 수 있다.

구체적으로, 도 4에 도시된 바와 같이, 레귤레이터는 부스터(211)와, 제어 회로((212)와, 스위칭 손실 감소 회로(213)로 이루어져 있다.

부스터(211)는 입력 커패시터(C21), 인덕터(L21), 부스트 다이오드(D21), 제어 회로(212)로부터의 제어 신호에 응답하는 드라이버 회로(211a), 전력 스위 치(211b) 및 출력 스토리지 커패시터(C22)를 포함한다. 전력 스위치(211b)가 (제어 회로(212)로부터의 제어 신호 DRV에 응답하여) 턴온될 때, 인덕터(L21)를 통한 전류 경로를 완성하여, 인덕터(L21)가 에너지를 받도록 유발한다. 부스트 다이오드(D21)는 역-바이어스된다. 전력 스위치(211b)가 턴오프될 때, 인덕터(L21)는 그의 극성을 유효하게 역전하고 그에 의해 순방향-바이어싱 다이오드(D21)의 극성을 역전한다. 인덕터(L21)는 부스트 다이오드(D21)를 통해 출력 스토리지 커패시터(C22)에 전류를 전달한다.

제어 회로(212)는 출력 전압을 감지하고, 그것을 기준 전압과 비교하고, 전력 스위치(211b)의 턴온 및 오프 시간을 변화시켜, 그에 따라 전력 스위치(211b)에 대한 드라이버를 펄스 폭 변조함으로써 출력 전압 VRO를 조정한다. 레귤레이터에 대한 입력 전압(정류기로부터의 VO)이 증가함에 따라, 제어 회로(212)는 전력 스위치(211b)가 온되는 시간량을 감소시킨다. 정류기로부터의 입력 전압 VO가 그의 최대 한계, 예를 들면 170 [V]일 때, 전력 스위치는 오프로 남고 본질적으로 모든 전력은 부스트 다이오드(D21)를 통해 흐른다. 이것은 특별히 높은 전력 처리량 효율을 산출한다. 발생된 유일한 열은 부스트 다이오드(D21)에 의해 소비된 것이다. 또한, 레귤레이터는 단락의 발생시 전류를 본질적으로 제한한다.

또한, 턴오프 기간 동안 전력 스위치(211b)에 걸친 전압과 이를 통한 전류의 변화 속도를 제어하기 위해서 스위칭 손실 감소 회로(213)를 포함하고, 다른 경우에 열로서 손실되었을 파워 스위치를 턴오프하는 과정 중에 발생된 에너지를 최소화하고, 예를 들어, 부하(load)를 향해 이를 공급함으로써 이를 되찾아 부하에 (궁 극적으로) 전달함으로써, 변환 효율은 증가되고, 전자기 방출(간섭)은 감소될 수 있다.

스위칭 손실 감소 회로(213)는 다이오드(D22), 커패시터(C23), 인덕터(L22), 드라이버 회로(213a), 스위칭 장치(213b) 및 다이오드(D23)와 함께 동작하는 FET을 적절하게 포함한다. 다이오드(D22) 및 커패시터(C23)는 스위칭 장치(213b)(예를 들면, FET 스위치용, 다이오드(D22)의 애노드는 FET의 드레인에 접속되고, 커패시터(C23)는 다이오드의 캐소드와 FET 소스 사이에 위치함)를 거쳐 접속된다. 스위칭 장치(213b)는 커패시터(C23)를 거쳐 인덕터(L22)와 직렬로 접속된다. 다이오드(D23)는 인덕터(L22)와 출력 단자 +VR0 사이에 방향성 전류 경로(directional current path)를 제공하도록 배치된다. 스위칭 장치(213b)는 전력 스위치(211b)와 동시에 적절하게 동작한다. 스위치들(211b, 213b)이 온될 때, 커패시터(C23)는 인덕터(L22)로 방전한다. 스위치들(211b, 213b)이 오프될 때, 커패시터(C23)는 충전되고, 인덕터(L22)는 효과적으로 그 극성을 반대로 하며, 그로 인해 포워드 바이어싱 다이오드(D23)가 되고, 다이오드(D23)를 통해 단자 +VR0로 전류를 전달한다.

DC-DC 변환기는 상대적으로 높은 전압 출력의 정류기 및 레귤레이터로부터, 원하는 레벨의 출력 전압, 예를 들어, 12, 24, 또는 42 [V] 또는 그외의 원하는 DC 전압을 유도한다. DC-DC 변환기로는, 스위치 모드의 풀 브리지(full bridge), 하프 브리지(half bridge), 푸시 풀(push pull), 플라이 백(fly back), 포워드 변환기, 또는 백 부스트 변환기와 같은 임의의 적절한 토폴로지를 사용하여 구현될 수 있 다. DC-DC 변환기는 종래의 풀 브리지의 펄스폭 변조된 전압 강하 토폴로지를 사용하여 구현된다.

구체적으로, 도 5에 도시된 바와 같이, DC-DC 변환기는 변조된 풀 브리지 펄스 폭, 스텝 다운(stepped down), 토폴로지를 이용하여 구현된다.

이러한 DC-DC 변환기는, 필터 커패시터(C24), 펄스 폭 변조(PWM) 제어기(217)에 응답하는 전력 스위치(214), 스텝 다운 변압기(215), 다이오드 브리지 정류기(216) 및 저장 커패시터(C25)를 포함한다. 일반적으로, 비교적 고 레벨(예컨대, 180 [V]) DC 입력 신호(레귤레이터로부터의 VRO)는 전력 스위치(214)에 의해 펄스 폭 변조 신호로 변환된다. 스텝 다운 변환기(215)는 PWM 신호의 전압을 소정의 레벨로 스텝 다운한다. 다음에 다이오드 브리지 정류기(216)는 신호를 DC로 정류하고, 저장 커패시터(C25)를 충전한다. PWM 신호의 듀티 사이클은 출력 VI에 따라 PWM 제어기(217)에 의해 제어되고, 이에 따라 원하는 값으로 출력 신호를 조절한다. 각각의 스위칭 손실 감소 회로(218)는 전력 스위치(214)내의 스위치에 대해 제공된다.

배터리

이 DC-DC 변환기로부터 출력되는 전압은 교류 발전기의 전자석으로 직류 전원을 공급함과 아울러, 배터리(30)로 직류 전원을 충전시키게 된다. 이 배터리(30)는 대용량 스토리지로서, 슈퍼 커패시터를 사용하는 것이 바람직하다. 이는 교류 발전기로부터 출력되는 전압이 변동하는 경우에 유용하게 대응할 수 있다. 즉, 충 전 제동기에서 전압 안정화가 이루어지지만, 자동차의 엔진 등에 연동되어 변동되는 교류 발전기에 수시도 변동된 직류전압을 공급하여 교류 발전기로부터 출력을 최대화하기 위함이다.

인버터

인버터는, 정류 및 레귤레이터의 출력으로부터, 소정의 전압 및 파형의 AC 출력 신호, 예를 들어, 120V RMS 50/60 Hz AC를 생성할 수 있는 임의의 회로를 포함할 수 있다.

도 6은 본 발명에 적용되는 인버터의 회로 구성도이다.

인버터는, 사인파의 교류 파형을 출력시키고, 이 사인파의 교류 파형은 교류 발전기의 위상에 일치시킨다.

도 6에 도시된 바와 같이, 인버터는, 인버터 출력의 양(+)의 절반 사이클(positive half cycle)과 관련되는, 제1 "하이 사이드"(상부) 스위칭 회로(401)(예를 들면, 하나 이상의 FET을 포함함) 및 관련된 드라이버 회로(402)와, 인버터 출력의 음(-)의 절반 사이클과 관련되는, 제2 "하이 사이드"(상부) 스위칭 회로(403) 및 관련된 드라이버 회로(404)와, 인버터 출력의 양(+)의 절반 사이클과 관련되는, 제1 "로우 사이드"(하부) 스위칭 회로(405) 및 관련된 드라이버 회로(406)와, 인버터 출력의 음(-)의 절반 사이클과 관련되는, 제2 "로우 사이드"(하부) 스위칭 회로(407) 및 관련된 드라이버 회로(408)와, 통상적으로 인덕터 및 커 패시터를 포함하는 적합한 필터 회로(409)와, 전류 센싱 회로(410)와, 제어기(411)를 포함한다.

바람직한 실시예에서, 스위칭 회로(405, 407)는 스위칭 손실 감소 회로들(미도시)을 더 포함하며, 이들은 스위칭 회로(405, 407)과 함께 동작한다. 주어진 절반 사이클과 관련된 스위칭 장치들(401, 405 ; 403, 407)은, 조정된 DC 레일(rail), 즉, 정류기 및 레귤레이터의 출력 VRO와 공통 접지 사이에서 필터회로(409)에 직렬로 접속된다. 하이 사이드 스위치(401, 403)는 양의 레일 +VR0과 필터(409) 사이에 접속되고, 로우 사이드 스위치(405, 407)는 필터회로(409)와 공통 접지 사이에 접속된다. AC 출력은 필터회로(409)로부터 출력된다. 전류 센싱 회로(410)는 AC 전류를 나타내는 출력 신호 I_SNS를 제어기(411)로 제공한다. 제어기(411)는 드라이버들(402, 404, 406, 408)에게 제어 신호들을 제공한다.

일반적으로, AC 신호는, 소정 주파수(desired frequency)의 1/2 사이클(180°)에 대응하는 기간, 예컨대, 60 ㎐ 신호에 대해 대략 8~9 ㎳동안, 제1 스위칭 디바이스 쌍(예컨대, +1/2 사이클에 관련된 스위치(401, 405)), 그 다음 제2 스위칭 디바이스 쌍(예컨대, -1/2 사이클에 관련된 스위치(403, 407))에, 상호 배타성에 근거하여, 주기적으로 도전성을 부여함으로써 발생된다. 이는 본질적으로 필터회로(409)에 의해 평탄해지는 구형파 형상을 발생하지만, 시간축을 충분하게 설정할 경우 사인파의 특징을 갖는다.

극성반전 스위칭회로

도 7은 본 발명에 적용되는 극성반전 스위칭회로의 개념도이다.

도 7에 도시된 바와 같이, 극성반전 스위칭회로(50)는, 전자석(104)에 복선으로 권선되어 있는 코일(105)과, 이 복선에 대한 각각의 스위칭을 통해 전류방향을 바꾸는 스위칭 장치(501)와, 이 스위칭 장치의 스위칭을 제어하기 위한 제어기(502)로 구성되어 있다.

이와 같이 구성되어, 예를 들어 최초 105a 코일에 일방향으로 전류(ia)가 흐르도록 스위칭 제어를 수행하였다면, 이후 상기한 105a 코일의 일방향의 반대 방향으로 105b 코일에 전류(ib)가 흐르도록 스위칭 제어를 수행한다. 이 스위칭 제어는 회전자의 회전속도에 연계되며, 실질적으로 영구자석의 위치와 연계되어 있다. 이는 회전자의 위치를 감지하는 위치 감지 센서(미도시)에 의해 이루어지게 되며, 이 위치 감지 센서를 통해 회전자에 형성된 영구자석의 극성에 대응하여 회전자에 형성된 전자석의 극성반전을 수행하게 된다.

이와 같이, 단순히 코일의 선택적인 스위칭에 의해 전류 방향을 바꾸는 방법을 이용함으로써 회로 구성을 단순화시킬 수 있다.

이상에서 몇 가지 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시예로 국한되는 것이 아니고 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형실시될 수 있다.

도 3은 본 발명에 적용되는 정류기의 회로 구성도이다.

도 4는 본 발명에 적용되는 레귤레이터의 회로 구성도이다.

도 5는 본 발명에 적용되는 DC-DC 변환기의 회로 구성도이다.

도 6은 본 발명에 적용되는 인버터의 회로 구성도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 교류 발전기 101 : 고정자

102 : 회전자 103 : 코일(회전자에 형성)

104 : 전자석 105 : 코일(고정자의 전자석에 형성)

106 : 영구자석 20 : 충전 제동기

30 : 배터리 40 : 인버터

50 : 극성반전 스위칭회로 501 : 스위칭 장치

502 : 제어기

Claims

코어에 권선된 제1코일, 전자석 및 전자석에 권선된 제2코일을 형성시킨 고정자와, 영구자석을 형성시킨 회전자로 구성되어 외부 전원 또는 인버터로부터 전원을 공급받아 전력을 발생시킴과 아울러, 제2코일의 극성반전을 통해 상기 회전자의 회전속도를 증가시키는 교류 발전기;

상기 제1코일로부터 출력된 교류 전원을 직류 전원으로 변환시키는 충전 제동기;

상기 제2코일과 접속되며, 상기 직류 전원을 공급받아 전자석의 극성반전을 위한 스위칭을 수행하는 극성반전 스위칭회로;

상기 직류 전원을 충전시키는 배터리; 및

상기 배터리에 충전된 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 상기 교류 발전기로 공급하는 인버터를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 회생 효율 증강 시스템.
제1항에 있어서, 상기 코어는 시트를 적층하여 형성된 것을 특징으로 하는 전력 회생 효율 증강 시스템.
제2항에 있어서, 상기 시트는 경사지게 적층된 것을 특징으로 하는 전력 회생 효율 증강 시스템.
제3항에 있어서, 상기 시트의 치형부 말단에 전자석을 배치하고, 상기 전자석은 영구자석의 개수에 대응하거나 상기 치형부의 개수에 대응하게 형성된 것을 특징으로 하는 전력 회생 효율 증강 시스템.
제1항 또는 제4항에 있어서, 상기 전자석과 영구자석의 대향면은 일정 각도를 갖고 형성된 것을 특징으로 하는 전력 회생 효율 증강 시스템.
제5항에 있어서, 상기 전자석이 회전자의 회전축에 대해 일정 각도를 갖는 것을 특징으로 하는 전력 회생 효율 증강 시스템.
제1항에 있어서, 상기 충전 제동기는,

상기 교류 전원을 상기 직류 전원보다 높은 전압의 제1 출력 직류 전원으로 변환하는 정류기;

상기 제1 출력 직류 전원보다 높은 전압의 제2 출력 직류 전원으로 변환하는 레귤레이터; 및

상기 제2 출력 직류 전원으로부터 필요 전원으로 전압을 강하시키는 DC-DC 변환기로 이루어진 것을 특징으로 하는 전력 회생 효율 증강 시스템.
제7항에 있어서, 상기 레귤레이터는,

턴오프 손실을 갖는 제1 전력 스위치;

상기 턴오프 동안 상기 제1 전력 스위치를 통해 전압 변동폭을 제한하는 제1 캐패시터와, 상기 제1 캐패시터가 다음의 턴오프 시간까지 방전하는 제1 인덕터, 제2 전력 스위치 및 제1 다이오드로 이루어진 부스터; 및

상기 제2 전력 스위치에 연결된 제2 다이오드 및 제2 캐패시터와, 상기 제2 다이오드와 제2 캐패시터 사이의 접점과 제3 전력 스위치 사이에 연결된 제2 인덕터와, 상기 제3 전력 스위치와 제 2 인덕터 사이에 연결된 제3 다이오드로 이루어진 스위칭 손실 감소 회로로 이루어진 것을 특징으로 하는 전력 회생 효율 증강 시스템.
제1항에 있어서, 상기 극성반전 스위칭회로는,

상기 전자석에 복선으로 권선된 제2코일;

상기 복선 각각에 대한 스위칭을 통해 전류방향을 바꾸는 스위칭 장치; 및

상기 회전자의 회전속도에 대응하여 상기 스위칭 장치로 스위치 제어신호를 출력시키는 제어기로 이루어진 것을 특징으로 하는 전력 회생 효율 증강 시스템.
제9항에 있어서, 상기 제어기에는 영구자석의 위치에 대응하는 회전자의 위치를 감지하는 위치 감지 센서가 더 접속되는 것을 특징으로 하는 전력 회생 효율 증강 시스템.