KR100980063B1 - 3상 라인 동기 발전기의 위상 정렬을 결정하는 방법 - Google Patents

Abstract

라인 동기 발전기는 여자기 및 발전기 스테이지를 가진다. 여자기 스테이지는 여자기 고정자(28)와 여자기 회전자(32)를 포함하고, 발전기 스테이지는 발전기 고정자(26)와 발전기 회전자(34)를 포함한다. 한 실시예에서, 고정자는 AC 전원으로의 연결을 위해 1차 권선으로 감겨지고, 회전자는 2차 권선으로 감겨진다(도 2). 다른 실시예에서, 회전자는 AC 전원으로의 연결을 위해 1차 권선으로 감겨지고, 고정자는 2차 권선으로 감겨진다(도 3). 2차 권선의 적절한 위상각 정렬은 여자기 및 발전기 스테이지의 1차 궈선을 AC 전원에 연결시키고, 여자기 스테이지의 2차 권선을 발전기 스테이지의 1차 권선에 연결시키는 것에 의하여 결정된다. 남아 있는 개방 2차 부하들은 라인 전압의 2배와 동일한 전압을 가지는 두 쌍과, 라인 전압의 √3배와 동일한 전압을 가지는 두 쌍에 대하여 테스트된다. 라인 전압의 2배와 동일한 전압을 가지는 개방 2차 부하들은 함께 연결된다.

라인 동기 발전기, 여자기, 발전기, 위상각정렬, 주파수소거, 상순

Description

3상 라인 동기 발전기의 위상 정렬을 결정하는 방법{METHOD FOR DETERMINING A PHASE ALIGNMENT OF A THREE-PHASE LINE SYNCHRONOUS GENERATOR}

본 발명은 "라인 동기 발전기를 보상하는 방법 및 장치"라는 명칭으로 1997년 2월 7일자로 미국 특허청에 가출원된 (출원번호 60/037.723)에 대하여 미국 특허법 제119(e)에 기초한 우선권을 주장한 것이다.

본 발명은 일반적으로 전기 발전기에 관한 것으로, 특히, AC 전원에 관련된 개선된 유도 발전기에 관한 것이다.

최근에, 화석 연료의 부족과 그 사용의 생태학적 결과(ecological consequence)에 의하여, 다양한 제안들이 국부적으로 생성되는 전력을 공공의 유틸리티 그리드(public utility grid)에 삽입하기 위하여 고안되어 왔다. 갖가지의 재생가능한 연료원이 연구되어 왔다. 이상적인 대체 에너지 연료원은 생태 환경에 불리한 영향을 주지는 않을 것이며, 결과적으로 저가의 높은 등급 연료가 될 것이다. 대체 에너지 연료원의 일반적인 예로는 바람, 수소, 탄화수소 가스 재생, 태양, 지열(geothermal) 및 폐열(waste heat) 재생이 있다. 이러한 연료원 각각은 전력 발전기와 함께 사용될 것이다.

연료 자체의 특성에 의하여 이러한 연료원을 사용하는데 어려움이 있다. 예 를 들면, 풍속(wind velocity)의 변화(variation)에 의해 종래의 동기 또는 유도 발전기에 대하여 안정되고 일정한 연료원으로서 풍력 기계의 유용성이 심하게 제한된다. 이것은 종래의 발전기가 단지 특정 속도 범위 내에서 작동하는 경우에만 이용가능한 전력을 생성(delivery)할 수 있기 때문이다. 그 결과, 풍력 기계는 반드시 이중으로 감겨진 AC 발전기 또는 정교한 프로펠러 피치 제어 및 적절한 발전기 속도를 제공하는 기계적인 구동 시스템을 사용하여야 한다. 그러나, 실용적인 사용을 위해서는 이중 급전 시스템(doubly-fed system)이 적절한 회전자 여자(excitation)를 제공해야 하고, 일정한 고정자 전압을 유지하여야 하며, 이것은 용이하게 달성되지 않는다. 고속 지열 터빈 또는 저속 수차(water wheel)가 사용되는 경우, AC 발전을 위한 적절한 회전 속도를 제공하기 위하여 기계적인 속도 제어, 감소, 또는 스텝-업(step-up) 장치가 사용되어야 한다. 이러한 형태의 기계 변환 장치에 수반되는 효율 손실(efficiency losses)은 장치들의 경제적 실행 가능성을 손상시키고, 일반적으로 그들을 전력원으로는 부적합하게 만들어 버린다.

한편, 국부적으로 생성되는 전력을 공공의 유틸리티 그리드에 삽입하는 것은 정확한 위상 및 주파수 정합을 요구하기 때문에, 이러한 기계 변환 시스템에 의하여 제공되는 보상은 필수적이다. 따라서, 디바이스(device)가 자기 동기(self-synchronous)할 수 있고, 회전 속도를 넓게 변화시키는 것을 허용한다면, 대체 연료원을 전기를 생성하는 수단으로서 사용하는 것이 크게 증대될 것이다. 이러한 자기 동기 회전 장치의 주목할만한 한 예가 Neo Nickoladze에게 등록된 여러개의 특허 특히, US 특허 번호 4,701,691과 4.229.689에서 발견될 수 있다.

이러한 후자의 예는 입력 전력에서의 모든 변화가 효과적으로 제거되는(take out) 유도 장치 자체 내에서 전기적 소거(cancellation)에 좌우된다(rely on). 이러한 유도 장치의 실시예가 도 1에 도시되어 있다. 도 1의 유도 발전기는 여자기 스테이지(exciter stage)(10)와 발전기(generator) 스테이지(12)인 두 개의 스테이지를 포함한다. 여자기 스테이지(10)는 AC 전원(16)에 연결된 여자기 고정자(stator)(14)와, 국부 전원(local power source)(19)에 의하여 회전 운동(advancedment)하도록 배치된 여자기 회전자(18)를 포함한다. 발전기 스테이지(12)는 여자기 회전자(18)와 공통 회전하도록 연결된 발전기 회전자(20)와, 발전기 고정자(22)를 포함한다. 여자기 회전자(18)와 발전기 회전자(20)의 권선들은 함께 연결되어 있지만, 반대 방향으로 감겨져 있다. 발전기 고정자(22)는 부하(load)(23)에 연결되어 있다.

동작시에, 여자기 회전자(18)는 여자기 고정자(14)에 의하여 생성된(develoded) 자계(magnetic field) 내에서 국부 전원(19)에 의하여 회전된다. 여자기 회전자(18)의 출력측에서 유도된 신호 주파수는 국부 전원(19)의 각율(angular rate)과 AC 전원(16)의 주파수의 합과 동일하다. 발전기 회전자(20)가 발전기 고정자(22) 내에서 회전함에 따라, 여자기 회전자(14)로의 반대 연결(inverse connection)로 인하여 국부 전원(10)에 의하여 생성된 각율이 공제된다(substract out). 그 결과 발전기 고정자(22)의 출력측에서 유도된 전압이 AC 전원의 주파수의 비율과 동일하게 된다.

전술한 Nickoladze 해결책은 단지 유틸리티 그리드(utility grid)의 라인 주 파수가 생성되는 경우에 이론적인 출력 전압을 제공하고, 실제로, 이러한 다바이스의 제조는 여자기 및 발전기 스테이지 사이의 적절한 위상각 정렬과 권선으로 인하여 3상 전력 응용(application)에 대해서는 어려움이 따르게 된다. 주로, 회전자 및 고정자 요소(element)의 물리적 권선(physical winding)에 의하여, 과거에는 여자기 및 발전기 스테이지 사이의 위상각 정렬이 달성될 수 없었다. 더욱이, 권선의 상순(phase sequence)이 부적합하기 때문에, 몇몇 디바이스들이 수행하는데 대체적으로 실패하였다. 이러한 문제점은 여자기 스테이지 및 발전기 스테이지가 서로 독립적으로 제조되는 경우에 보다 뚜렷하게 나타난다.

따라서, 현재는 3상 전력 응용을 위하여 적절한 위상각 정렬로 생산될 수 있으며, 결과적으로 다양한 축 속도에서 일정한 주파수와 전압 출력을 가지는 3상 위상 라인 동기 발전기가 필요하다. 심지어 반대 방향으로 감겨져 있는 고정자 및 발전기 구성 요소(components)에 대해서도 또는, 키웨이(keyway)와 관련하여 코아 상에서 서로 다른 슬롯에서 시작하는 위상으로도, 위상각 정렬이 용이하게 달성되는 것이 바람직하다.

본 발명의 실시예는 이러한 필요성을 만족하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 그러므로, 바람직한 실시예에 따라 여자기 고정자와 여자기 회전자를 가지는 여자기 스테이지 및 발전기 고정자와 발전기 회전자를 가지는 발전기 스테이지를 가지는 라인 동기 발전기가 제공된다. 한 실시예에서, 고정자는 AC 전원으로의 연결을 위한 1차 권선으로 감겨지고, 회전자는 2차 권선으로 감겨진다. 다른 실시예에서, 회전자는 AC 전원으로의 연결을 위하여 1차 권선으로 감겨지고, 고정자는 2차 권선으로 감겨진다.

여자기 및 발전기 스테이지를 라인 전압 Vm을 가지는 AC 전원에 연결시키고, 여자기 스테이지의 제1의 2차 위상 권선을 발전기 스테이지의 제1의 2차 위상 권선에 연결시키는 것에 의하여, 2차 권선의 제1의, 제2의 및 제3의 위상 권선의 적절한 위상각 정렬이 달성된다. 다음에, 여자기 스테이지의 제2의 2차 위상 권선과 발전기 스테이지의 제2의 2차 위상 권선 사이의 전압이 대략 2Vm가 되는지 확인되고, 여자기 스테이지의 제3의 2차 위상 권선과 발전기 스테이지의 제3의 2차 위상 권선 사이의 전압이 대략 2Vm가 되는지 확인된다. 바람직하게, 여자기 스테이지의 제3의 2차 위상 권선과 발전기 스테이지의 제2의 2차 위상 권선 사이의 전압이 대략 √3Vm가 되는지 확인되고, 여자기 스테이지의 제3의 2차 위상 권선과 발전기 스테이지의 제2의 2차 위상 권선 사이의 전압이 대략 √3Vm가 되는지 확인된다. 이러한 전압들이 확인되면, 여자기 스테이지의 제2의 2차 위상 권선은 발전기 스테이지의 제2의 2차 위상 권선에 연결되고, 여자기 스테이지의 제3의 2차 위상 권선은 발전기 스테이지의 제3의 2차 위상 권선에 연결된다.

회전자 1차 기계(rotor primary machine)의 바람직한 실시예에서, 라인 동기 발전기는 외부 전원에 의하여 회전 운동하도록 배치된 여자기 회전자로 구성된다. 여자기 회전자는 AC 전원에 교차하여 연결하기 위한 권선을 각각 가지는 한 쌍의 극(pole)을 포함한다. 여자기 고정자의 내부(interior portion) 상에서 회전하도록 설치된 여자기 고정자는 각각 권선을 가지는 한 쌍의 극을 가진다. 여자기 회 전자와 공통 회전하도록 설치된 발전기 회전자는 AC 전원에 교차하여 연결하기 위한 권선을 각각 가지는 한 쌍의 극을 가진다. 발전기 고정자는 발전기 회전자가 회전가능하게 설치된 내부를 가진다. 발전기 고정자는 여자기 및 발전기 회전자의 회전에 의하여 유도된 전기적 주파수를 소거하는 여자기 극쌍에 대하여 해당 권선에 반대로 연결된 권선을 각각 가지는 한 쌍의 극을 가진다.

바람직한 실시예의 현저한 특징은 라인 동기 발전기가 축 속도의 변화에도 불구하고 자기 동기를 유지한다는 것이다. 또한, 서로 반대 방향인 권선으로 제조된 여자기 및 발전기 구성 요소에 대해서도 또는, 키웨이에 관련된 코아 상의 서로 다른 슬롯에서 시작하는 위상으로도, 적절한 위상각 정렬이 신속하게 달성될 수 있다. 대체 전원에 대한 경제적으로 실행 가능한 이 해결책은 최소의 역생태적 결과(adverse ecological consequences)를 가지면서 현재의 에너지 결핍을 해소하는데 중요한 잠재력(potential)을 가진다.

본 발명의 다른 실시예는 다음의 상세한 설명으로부터 당업자에게 명백하게 될 것이며, 여기서 발명을 구현하는데 예측되는 가장 최적 모드의 예시로서 본 발명의 실시예가 보여지고 기술되었다.

실현됨에 따라, 발명은 본 발명의 특징 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예가 가능하고, 다양한 측면에서의 변경이 가능하다. 따라서, 도면과 기술되는 설명은 그대로 예시로 간주되며, 이것에 한정되지 않는다.

이러한 본 발명의 목적 및 추가 목적, 특징 및 장점은 다음에 기술되는 설 명, 청구 범위 및 도면에서 보다 명백하게 이해될 것이다.

도 1은 US 4,701,691과 US 4,229,689에 기술된 유도 발전기의 간단한 개략 예시도이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 3상 고정자 1차 라인 동기 발전기의 간단한 개략 예시도이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 3상 회전자 1차 라인 동기 발전기의 간단한 개략 예시도이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 여분의(redundant) 라인 동기 발전기의 간단한 개략 예시도이다.

도 5a-5c는 본 발명의 실시예에 따른 라인 동기 발전기의 2차 권선간의 적합한 위상 관계를 예시하는 벡터 다이어그램이다.

도 6a-6f는 본 발명의 실시예에 따른 라인 동기 발전기의 2차 권선간의 부적합한 위상 관계를 예시하는 벡터 다이어그램이다.

도 7a는 본 발명의 실시예에 따른 라인 동기 발전기의 2차 권선을 나타내는 개략 예시도이다.

도 7b는 번호가 적절하게 다시 매겨진 단자와 연결된 경우에, 본 발명의 실시예에 따른 라인 동기 발전기의 2차 권선을 나타내는 개략 예시도이다.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 2차 권선 사이에 연결된 보상 회로를 나타내는 개략 예시도이다.

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 회전자의 각회전(angular rotation) 함수로 서 다양한 보상 회로에 대한 출력 전력을 나타내는 그래프이다.

도 10은 본 발명의 실시예에 따른 회전자의 각회전 함수로서 여자기 스테이지 및 발전기 스테이지 사이의 위상각에 대한 출력 전력을 나타내는 그래프이다.

도 11은 본 발명의 실시예에 따른 15°위상각 오차를 가지는 라인 동기 발전기의 2차 권선 사이의 적절한 위상 관계를 나타내는 벡터 다이어그램이다.

본 발명의 바람직한 실시예가 도 2에 도시되어 있다. 3상 라인 동기 발전기는 여자기 스테이지(24)와 발전기 스테이지(26)인 두 개의 스테이지를 포함한다. 여자기 스테이지(24)는 3개의 전자극쌍(electromagnetic pole pair)을 가지는 여자기 고정자(28)를 포함한다. 각 극쌍은 AC 전원(30)의 서로 다른 위상에 교차하여 연결된 1차 권선을 가진다. 여자기 고정자(28)의 내부에 회전하도록 설치된 여자기 회전자(32)는 각각 2차 권선으로 감겨진 3개의 전자극쌍을 포함한다. 여자기 회전자(32)는 국부 전원(33)에 의하여 회전 운동(advncement)하도록 배치된다.

발전기 스테이지(26)는 발전기 고정자(38)의 내부의 안쪽에 여자기 회전자(32)와 공통 회전하도록 연결된 발전기 회전자(34)를 포함한다. 또한, 발전기 회전자(34)는 각각 2차 권선으로 감겨진 3개의 전자극쌍을 포함한다. 발전기 회전자의 2차 권선은 여자기 회전자(32)의 2차 권선에 반대로 연결되어 국부 전원의 각 회전에 의하여 유도되는 주파수가 전기적으로 소거(cancellation)되도록 한다. 발전기 고정자(38)는 AC 전원(30)에 연결된다.

본 발명의 다른 실시예에서, 여자기 및 발전기 스테이지의 회전자는 AC 전원 에 연결되고, 여자기 및 발전기의 고정자의 3상 권선은 전기적 소거를 위해 연결된다. 도 3을 참조하면, 국부 전원(53)에 의하여 회전 운동하도록 배치된 여자기 회전자(52)는 AC 전원(54)의 서로 다른 위상에 교차하여 연결되는 1차 권선을 각각 가지는 3개의 전자극쌍을 가진다. 또한, 여자기 스테이지(56)는 2차 권선으로 감겨진 3개의 전자극쌍을 가지는 여자기 고정자(72)를 포함한다.

마찬가지로, 발전기 스테이지(64)는 2차 권선으로 감겨진 3개의 전자극쌍을 가지는 발전기 고정자(74)를 포함한다. 여자기 고정자(72)의 2차 권선은 발전기 고정자(74)의 2차 권선에 반대로 연결되어 국부 전원의 각회전에 의하여 유도되는 주파수가 전기적으로 소거되도록 한다. 여자기 회전자(52)와 공통 회전하도록 연결된 발전기 회전자(75)는 AC 전원(54)에 연결된다. 단지 설명만을 위하여, 본 발명의 실시예는 고정자 1차 기계 예를 들면, AC 전원에 연결된 고정자로 구성된 3상 라인 동기 발전기에 대하여 기술될 것이다. 그러나, 당업자라면 본 발명이 고정자 1차 기계에 한정되지 않고 기술된 모든 실시예와 테스트 절차(procedure)들이 회전자 1차 기계 예를 들면, AC 전원에 연결된 회전자에도 동일하게 적용가능하다는 것을 알 수 있을 것이다.

도 4에 도시되어 있듯이, 라인 동기 발전기는 여분의 구성 요소를 포함하도록 확장될 수 있다. 특히, 공통 축(80) 상의 회전자(78)와 고정자(76)를 포함하는 제3의 여분 스테이지는 연결되지 않은체 남겨질 수 있다. 여자기 또는 발전기 스테이지가 고장난 경우에, 단자(T001, T002, T003)들은 단자(T1,T2,T3) 또는 단자(T01,T02,T03) 대신에 연결될 수 있다.

도 2를 참조하여 발전기의 동작을 기술한다. 고정자 1차 기계에서, 여자기 고정자(28)는 AC 전원(30)의 주파수와 동일한 각율에서 회전 자계(revolving magnetic field)를 생성하는(create) AC 전원(30)에 의하여 여자된다. 여자기 회전자(32)는 여자기 고정자(28)에 의하여 발생된(develope) 회전 자계 내에서 국부 전원(33)에 의하여 회전된다. 여자기 회전자(32)의 출력측에서 유도된 신호 주파수는 국부 전원(33)의 각율과 AC 전원(30)의 주파수의 합과 동일하다. 발전기 회전자(34)가 발전기 고장자(38) 내에서 회전됨에 따라, 여자기 회전자(32)로의 반대 연결에 의하여 국부 전원(33)에 의하여 생성된 각율이 공제된다. 그 결과 발전기 고정자(38)의 출력측에서 유도된 전압이 AC 전원의 주파수의 비율과 동일하게 된다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 다중극(multi-pole) 발전기의 동기 속도 이상의 임의 각율에서, 전압 출력은 출력 전압이 연결되는 소스(source)와 동일한 주파수를 가지게 될 것이다. 동기 속도 이하에서, 전력은 생성되기보다는 소모될 것이다.

이러한 이론적 해결책이 3상 라인 동기 발전기의 출력 주파수에 대한 축 속도 변화의 영향을 해결하며, 최적의 출력 성능이 단지 여자기 및 발전기 스테이지(24,26) 사이의 적절한 위상 정렬에 의해서만 달성될 수 있다. 이 연결은 초기에 여자기 스테이지의 1차 권선이 발전기 스테이지의 1차 권선과 동일한 상순을 가지는 것을 보장하고, 다음에 여자기 및 발전기 스테이지의 2차 권선을 반대로 연결함으로써 달성될 수 있다.

여자기 및 발전기 스테이지가 서로 독립적으로 제조됨에 따라, 라인 동기 발 전기의 각 스테이지가 동일한 상순을 가지는 것을 보장하기 위하여, 1차 권선간의 적절한 연결을 결정하는 것이 중요하다. 이 결정은 다양한 방법으로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 고정자 1차 기계에서, 작은 3상 모터는 회전자 권선에 적용되는 전력으로 고정자 권선으로부터 구동된다. 모터가 여자기 고정자 권선과 발전기 고정자 권선으로부터 동일한 회전 방향으로 회전되는 경우, 고정자 권선의 적절한 상 순이 발생된다. 적절한 상순을 얻기 위한 다른 방법은 위상 회전 미터(meter) 또는 두 개의 램프와 당업계에 알려진 테스트 기술에 따라 와이(wye)에 연결된 AC 캐패시터를 사용하는 것이다.

적절한 상순이 확립되면(establish), 고정자 권선은 AC 전원의 해당 위상에 연결된다. 다음에 회전자 권선간의 적절한 위상각은 상호연결 프로세스(interconnection process)에 의하여 확립된다. 회전자 축의 각율에 의하여 유도된 주파수의 전기적 소거를 얻기 위하여, 각각의 여자기 회전자 권선에서 각회전에 의하여 유도된 전압이 연결된 발전기 회전자 권선에서 유도된 전압과 동일하지만 반대 극성을 가지도록 회전자 권선들이 연결되어야 한다.

벡터 다이어그램은 2차 권선간의 상호 연결이 어떻게 확인될 수 있는지를 설명하는 유용한 메카니즘을 제공한다. 도 5 및 도 6에 도시되어 있듯이, 단지 회전자 권선간의 3개의 가능한 상호 연결이 도 5a-5c에 도시된 바와 같이 각각의 2차 권선 연결 사이에 180°위상 시프트로 나타나고, 각각의 여자기 회전자 권선이 해당하는 발전기 회전자 권선에 대하여 180°시프트된다. 예를 들어 도 5b를 고려하면, 다음과 같이 연결된 단자 사이의 위상각이 용이하게 확인된다.

T03 = 0° 및 T3 = 180°;△180°

T01 = 120° 및 T1 = 300°;△180°; 및

T02 = 240° 및 T2 = 60°;△180°

동일한 위상 관계가 도 5a 및 도 5c의 벡터 다이어그램에 의하여 도시된 2차 권선 연결에 대해서도 적용된다.

대조적으로, 회전자의 각회전에 의하여 유도되는 주파수가 전기적으로 소거되도록 하지 못하는 6개의 다른 가능한 상호 연결이 있다. 이러한 6개의 부적절한 상호 연결은 도 6a-6f의 벡터 다이어그램에 의하여 도시된다. 이러한 각각의 다이어그램에 도시되어 있듯이, 여자기 회전자와 발전기 회전자 사이의 각 연결쌍에서의 전압은 동일한 전압을 가질 뿐만 아니라 동일한 위상을 가진다. 도 6a를 참조하면, 이 관계가 용이하게 나타난다.

T01 = 300° 및 T1 = 300°;△0°

T02 = 60° 및 T2 = 60°;△0°; 및

T03 = 180° 및 T3 = 180°;△0°

또한, 이러한 벡터 다이어그램은 제조 프로세스 동안 회전자 권선 사이의 적절한 상호 연결을 결정하는 테스트 파라메터를 확립하는데 유용하다. 하나의 발전기 회전자 권선에 연결된 3상 권선의 하나의 여자기 회전자 권선을 가지는 도 5a-5c의 각각의 벡터 다이어그램에 대하여 공통적으로, 남아 있는 개방 권선(opening winding) 사이의 전압이 라인 전압의 2배(2Vm)인 두 쌍과 라인 전압의 √3배(√3Vm)인 두 쌍으로 이루어질 것이며, 이것은 위상 사이의 기하학적 관계(geometric relationship)에 의하여 증명된다. 예를 들면, 도 5b의 개방 권선에서 유도된 전압은 다음과 같다.

T2 - T02 = 2Vm

T3 - T03 = 2Vm

T2 - T03 = √3Vm

T3 - T02 = √3Vm

벡터는 공간상에서 지정된 길이와 방향을 가지기 때문에, 이러한 결과는 통상의 규칙(ordinary ruler)에 의하여 증명될 수 있다.

벡터 다이어그램은 수학적으로 확인될 수 있다. 전형적인(classic) 전기 이론은 전압이 유도 발전기의 1차 권선에 적용되는 경우에, 전압이 개방 회로 2차 권선으로 유도될 것이라는 것을 주장하고 있다. 와이형으로 연결된 3상 권선은 각각 120°만큼 떨어진 위상을 가진다. 개방 회로 2차 단자에서 유도된 전압은 평형화(balance)될 것이다. 위상 테스트시에, 점퍼 와이어(jumper wire)는 각각의 2차 권선간에 하나의 단자를 서로 연결한다. 도 5b에서, 단자 T1과 단자 T01이 연결된다. 1차 권선에 인가되는 전압으로, 남아 있는 개방 회로 2차 전압이 측정된다. 도 5a에 대하여 이것은 다음과 같을 것이다.

T2 - T02

T3 - T03

T2 - T03

T3 - T02

도 5a로부터 쉽게 알 수 있는 바와 같이, T2-T01 사이의 2차 전압은 라인 전압이다. 또한, T1-T02 사이의 전압은 라인 전압이다. 그러므로, T2-T02 사이의 전압은 라인 전압의 2배이다. T3-T03에 대해서도 동일하게 적용된다.

T2-T03에 걸친 전압은 T1-T03, T01-T2 및 T2-T03 측에 의하여 정의된 빗각 삼각형(obliqe triangle)의 합성력(resultant)이다. 적절하게 정렬되는 경우, 전형적인 3상 전기 이론은 도 5b 상에 보여진 바와 같이 각도(angular)를 식별한다( identify). T2-T03 사이의 합성 전압은 다음과 같다.

적절한 정렬로 인하여 T2-T03 사이의 합성 전압은 다음과 같다.

= ({V}_{2-03})(1.73)

T3-T02 사이의 전압에 대해서도 동일하게 적용된다. 그러므로, 적절한 정렬로, 전압은 두배 라인 전압인 하나의 단자쌍과 √3배 라인 전압인 하나의 단자쌍일 것이다.

이러한 벡터 다이어그램으로부터 수집된 지식으로, 회전자 권선을 상호 연결 하는 방법론(methodology)이 현저하게 제조 비용을 감소시키고 수율(porduct yield)을 증가시키는 것으로 확인될 수 있다. 특히, 고정자 1차 기계에서 적절한 상호 연결을 결정하는 방법은 한 쌍의 회전자 권선의 연결을 요구하고, 그리고 회전자 권선 사이에서 실질적으로 동일한 전압을 가지는 두 개의 나머지 쌍을 찾는 것을 요구한다.

도 7a를 참조하면, 테스트 준비가 된 2차 권선이 도시되어 있다. 여자기 및 발전기 고정자는 AC 전원에 연결된다. 두 세트의 회전자 권선이 감긴 횟수(turns), 피치(pitch), 와이어 사이즈, 연결 등이 서로 같다면 유도된 라인 전압들은 동일하다. 이 예에서, 상간 전압(interphase voltage)은 90V이다. 연결은 도시된 바와 같이 와이형(별형) 또는 델타형이거나 또는 그 중의 하나일 수 있다. 테스트 해석(reading)을 얻기 위하여, 각각의 회전자 권선으로부터 단자가 연결 점퍼에 의하여 접합된다.

1차 권선 또는 2차 권선 중의 하나가 회전자 또는 고정자일 수 있지만, 이들은 반드시 동일한 부품(part)이어야 한다. 따라서, 동기 발전기의 반이 회전자 1차 기계로 구성된다면, 동기 발전기의 나머지 반은 회전자 1차 기계로 구성되어야 한다.

도 5 및 6의 벡터 다이어그램에 의하여 정의된 바와 같이, 실질적으로 동일한 전압을 가지는 두 쌍이 찾아져야 한다. 테스트 동안에 90V의 라인 전압으로 다음과 같은 값들이 얻어진다.

2(90) = 하나의 전압 쌍에 대하여 180 V; 및

√3(90) = 나머지 전압 쌍에 대하여 156V

이 테스트를 수행하기 위하여, 점퍼 와이어는 각각의 회전자 권선의 단자에 교차하여 위치된다. 이 예에서, 점퍼 와이어는 먼저 T1 및 T01에 교차하여 위치되고, 테스트에 의하여 다음 전압이 얻어진다.

T2-T02 = 156V

T2-T03 = 90V

T3-T02 = 180V

T3-T03 = 156V

이러한 측정된 전압은 회전자 권선의 부적합한 상호 연결을 나타내는 도 6a-6f와 일치한다.

다음에 점퍼 와이어는 제거되고, 다른 단자쌍에 교차하여 위치된다. 이 예에서, 점퍼 와이어는 다음에 T2 및 T01에 교차하여 위치되고, 테스트에 의하여 다음 전압이 얻어진다.

T1-T02 = 156V

T1-T03 = 180V

T3-T02 = 180V

T3-T03 = 156V

이 결과는 도 5a-5c와 일치하며, 회전자 권선의 적절한 상호 연결을 확인한다. 도 5a-5c의 벡터 다이어그램으로부터 2Vm 또는 180V의 전압을 가지는 회전자 권선은 함께 연결된다는 것을 알 수 있다. 회전자 권선의 적절한 상호 연결이 T1 이 T03에 연결되고 T3이 T02에 연결된 도 7b에 도시되어 있다. 단자들은 다시 번호가 매겨지는 것이 바람직하다.

회전자 권선 사이에 적절한 위상각이 확립되면, 전기적 보상이 3상 권선의 각 쌍에 삽입될 수 있다. 특히, 여자기 및 발전기 스테이지 사이에 계속적으로 위상각을 조절할 필요없이 디바이스의 다이내믹(dynamic) 동작 범위를 확장시키기 위하여, 저항기(resistor)와 캐패시터가 각각의 권선 사이에 삽입될 수 있다. 또한, 전기적 보상이 고정자의 1차 권선에 삽입될 수 있다.

도 8을 참조하면, 회전자 권선 사이에 삽입된 보상 저항의 영향으로 인하여 보다 빠른 동작 속도를 허용하는 확장된 동작 범위가 얻어진다. 이 예에서, 보상 네트워크(76,78)는 위에 기술된 권선 상호 연결이 이루어지도록 한다. 네트워크(76)는 캐패시터(84)와 병렬로 연결된 저항기(82)를 포함하고, 네트워크(78)는 캐패시터(90)와 병렬로 연결된 저항기(88)를 포함하고, 네트워크(80)는 캐패시터(96)와 병렬로 연결된 저항기(94)를 포함한다. 저항기(82,88,94)의 저항을 대략 0Ω에서 약 5.8Ω으로 증가시킴에 따라, 역률(power factor)과 효율(efficiency)의 비로 표현되는 다이내믹 범위가 실질적으로 증가됨을 알 수 있었다.

도 9는 설정된 응용(tailored application)에 대하여 요구되는 결과를 달성하기 위하여 활용되는 저항기를 이용하는 디바이스의 확장된 범위를 나타낸다. 15kW, 4극, 60Hz 3상 라인 동기 발전기에 대한 출력 곡선(curve)이 도시되어 있다.

3상 라인 동기 발전기의 성능을 최적화하는 다른 중요 파라메터는 발전기 및 여자기 스테이지 사이의 위상각이다. 본 발명의 실시예에서, 여자기 고정자, 여자기 발전기, 발전기 회전자 또는 발전기 고정자의 각위치(angular position)는 성능을 최적화하기 위하여 앞서거나(advance) 뒤쳐질(retard) 수 있다. 최적의 로딩(loading)은 여자기 위상각과 회전자 rpm의 함수이다. RPM이 실질적으로 "동기 속도" 이상으로 증가함에 따라, 최대 발전기 부하를 달성하는데 필요한 위상각 범위가 현저하게 좁아진다. 따라서, 발전기 스테이지에 대한 여자기 스테이지의 위상각의 조작을 통하여 로딩에 대한 완벽한 제어가 달성된다. 가변 속도 프라임 이동자(variable speed prim mover)가 사용되는 경우에 위상각 최적화를 충분하게 제공하기 위하여 응답성이 좋고(responsive) 정밀한 디바이스가 사용되어야 한다.

도 10은 서로 다른 위상각에서 75 마력 DC 가변 속도 모터에 결합된 6극, 25kW, 480V, 60Hz 고정자 1차 기계의 출력 전력을 예시한다.

실시예에서, 발전기 고정자 필드는 탭(tap)되고 제어 메카니즘에 의하여 AC 주파수와 비교되어 서보 모터로 위상 오차 신호를 제공한다. 이 서보 모터는 발전기 로딩, 축속도에서의 변화로부터 초래된 위상 차이의 함수를 최적화하기 위하여 여자기 고정자를 배치한다. 서보 모터의 정밀성 및 응답성과 그 제어 메카니즘은 발전기 로딩을 최적화하는데 결정적이다. 서보 모터 제어 기술은 충분하게 개선되었기 때문에, 정확한 여자기 유도 보상은 모든 전기 발전 응용에 실제적으로 제공될 수 있다.

또한, 위상각은 회전자 권선의 상호 연결 프로세스 동안에 세팅될 수 있다. 도 11를 참조하면, 전기적 소거가 이루어지도록 하기 위하여 적절한 상호 연결을 가지지만, 여자기 및 발전기 스테이지 사이에 15°위상각 오정렬(misalignment)을 가지는 회전자 권선의 위상 관계를 나타내는 벡터 다이어그램이 도시되어 있다. 도 10에 도시된 테스트는 T01에 T1을 연결하여 수행된다. 데스트 결과는 다음과 같이 얻어진다.

T2 - T02 = 178V

T2 - T03 = 143V

T3 - T02 = 166V

T3 - T03 = 178V

단자 T2-T02 및 T3-T03 사이의 전압은 각각 요구되는 쌍 중의 하나를 만족하기 위하여 180V까지 충분하게 근접된 178V이다. 그러나 남아 있는 단자 사이의 전압은 두 번째 요구되는 쌍을 만족하도록 156V 까지 충분하게 근접되지 않는다. 그러나, 전압들의 평균을 구하면, 155V로서 요구되는 전압에 근접하게 된다. 이것은 여자기 스테이지와 발전기 스테이지 사이의 부적합한 위상각을 나타난다. 이 경우에, T2 및 T03 사이의 전압 및 T3와 T02 사이의 전압이 각각 155V로 읽혀질 때까지, 여자기 고정자, 여자기 회전자, 발전기 고정자 또는 발전기 회전자 중의 어느 하나가 축에 대하여 물리적으로(physically) 회전될 수 있다. 이 경우에, 도 8의 벡터 다이어그램으로부터, 15°전기적 위상 시프트에 의하여 최적 성능이 성취됨을 알 수 있다.

또한, 위상각 보정(correction)은 여자기 회전자, 여자기 고정자, 발전기 회 전자 또는 발전기 고정자 중의 어느 하나의 권선을 변경하여 수행될 수 있다. 즉, 회전자 또는 고정자를 물리적으로 시프트시키지 않고 그들을 오프셋(offset)으로 감음으로써 최적의 위상각이 달성될 수 있다. 발전기 부분(portion) 상의 슬롯이 1 내지 36으로 번호가 매겨지면, 예를 들어, 슬롯 1에서 발전기 그룹을 시작하고, 여자기 그룹이 슬롯 2 또는 3에서 시작되어 요구되는 위상각이 얻어진다.

물리적인 각 변위(angular displacement)는 극의 수에 따라 결정된다. 특히, 각 변위는 다음과 같다.

4 극 3상 시스템에 대하여 이 각은 다음과 같다.

그러므로, 20°의 각 변위가 요구된다. 이것은 단지 슬롯 카운트가 필수 각(requiste angle)이 달성되도록 허용한다면, 두 개의 고정된 코아의 권선을 바꾸는 것에 의하여 달성될 수 있다. 예를 들면, 두 개의 슬롯 변위를 가지는 36 슬롯 코아는 20°로 될 수 있고, 4 극의 3상 시스템에 적용가능하다. 그러나 48 슬롯 코아는 20°의 어떠한 조합도 될 수 없으므로, 위상각 정렬은 코아 변위에 의하여 얻어질 수 없다.

기술된 실시예는 자기 동기를 유지하는 동안 회전 속도가 통상의 기계적 한 계를 실질적으로 변화시키도록 허용하는 중요한 해결책을 제공한다. 능동적 제어는 목적들을 만족하는데 필수적인 것으로 단순화된다. 기계 속도 최대 한계는 수동 소자(passive device)의 간단한 능동적 제어로 향상될 수 있다. 이것은 발명자의 다재로움(versatility) 및 간단한 수동 소자의 첨가에 의하여 확장될 수 있는 본질적으로 적용 가능한 속도 범위임을 보여준다. 따라서, 최대 속도를 허용하고 소자의 기생 손실을 초과하는 임의 국부 전원은 유틸리티 그리드(utility grid)을 공급하는데 효과적으로 사용될 수 있다. 그러한 국부 대체 전원의 적응은 최소의 역 상태적 결과를 가지면서 현재의 에너지 부족을 해결하는데 중요한 잠재력을 가진다.

본 발명이 가변 축 속도에서 일정한 주파수와 출력 전압을 가지는 적절한 위상으로 3상 라인 동기 발전기에 대한 직접적 필요를 만족한다는 것이 위에 기술된 것으로부터 명백해진다. 이 3상 라인 동기 발전기는 다른 특정 형태로 실시될 수 있으며, 본 발명의 필수적 특징을 벗어나지 않고 풍차(windmile), 풍력 터빈(wind turbine), 수차(water wheel), 수력 터빈, 내부 연소 엔진, 태양열 엔진, 증기터빈 등의 다양한 연료원을 가지고 사용될 수 있다. 그러므로, 위에 기술된 실시예는 예로 설명된 것이고 이에 한정되지 않으며, 위에 기술된 설명보다는 첨부되는 청구 범위를 참조하여 모든 면에 대하여 기술된 실시예가 고려되는 것이 바람직하다.

Claims (9)

1. 여자기 고정자와 여자기 회전자를 가지고, 상기 여자기 고정자와 여자기 회전자 중의 하나가 1차 권선을 가지고, 상기 여자기 고정자와 여자기 회전자 중의 나머지 하나가 제1, 제2 및 제3의 2차 위상 권선을 가지는 여자기 스테이지(stage); 및 발전기 회전자와 발전기 고정자를 가지고, 상기 발전기 고정자와 발전기 회전자 중의 하나는 1차 권선을 가지고, 상기 발전기 고정자와 발전기 회전자 중의 나머지 하나는 제1, 제2 및 제3의 2차 위상 권선을 가지는 발전기 스테이지를 포함하는 3상 라인 동기 발전기에서의 적절한 위상 정렬을 결정하는 방법으로서,

   상기 여자기 및 발전기 스테이지의 1차 권선을 라인 전압이 Vm인 3상 AC 전원에 연결시키는 단계;

   상기 여자기 스테이지의 제1의 2차 위상 권선을 상기 발전기 스테이지의 제1의 2차 위상 권선에 연결시키는 단계;

   상기 여자기 스테이지의 제2의 2차 위상 권선과 상기 발전기 스테이지의 제2의 2차 위상 권선의 사이의 전압이 대략 2Vm인 것을 확인하는(confirm) 단계;

   상기 여자기 스테이지의 제3의 2차 위상 권선과 상기 발전기 스테이지의 제3의 2차 위상 권선 사이의 전압이 대략 2Vm인 것을 확인하는 단계;

   상기 여자기 스테이지의 제2의 2차 위상 권선을 상기 발전기 스테이지의 제2의 2차 위상 권선에 연결시키는 단계; 및

   상기 여자기 스테이지의 제3의 2차 위상 권선을 상기 발전기 스테이지의 제3의 2차 위상 권선에 연결시키는 단계

   를 포함하는 3상 라인 동기 발전기의 적절한 위상 정렬(alignment)을 결정하는 방법.
2. 제1항에서,

   상기 여자기 스테이지의 제2의 2차 위상 권선과 상기 발전기 스테이지의 제3의 2차 위상 권선 사이의 전압이 대략 √3Vm 인 것을 확인하는 단계; 및

   상기 여자기 스테이지의 제3의 2차 위상 권선과 상기 발전기 스테이지의 제2의 2차 위상 권선 사이의 전압이 대략 √3Vm인 것을 확인하는 단계

   를 추가로 포함하는 3상 라인 동기 발전기의 적절한 위상 정렬을 결정하는 방법.
3. 제1항에서,

   상기 여자기 스테이지의 2차 권선은 상기 여자기 회전자 상에 감겨져 있고, 상기 발전기 스테이지의 2차 권선은 상기 발전기 회전자 상에 감져겨 있는 3상 라인 동기 발전기의 적절한 위상 정렬을 결정하는 방법.
4. 제1항에서,

   상기 여자기 스테이지의 2차 권선은 상기 여자기 고정자 상에 감겨져 있고, 상기 발전기 스테이지의 2차 권선은 상기 발전기 고정자 상에 감겨져 있는 3상 라인 동기 발전기의 적절한 위상 정렬을 결정하는 방법.
5. 제1항에서,

   상기 여자기 스테이지의 제2의 2차 위상 권선과 상기 발전기 스테이지의 제2의 2차 위상 권선 사이의 전압을 확인하고, 상기 여자기 스테이지의 제3의 2차 위상 권선과 상기 발전기 스테이지의 제3의 2차 위상 권선 사이의 전압을 확인하기 전에, 자체 축에 대하여 상기 여자기 고정자, 여자기 회전자, 발전기 고정자 및 발전기 회전자 중의 하나를 회전시키는 단계를 추가로 포함하는 3상 라인 동기 발전기의 적절한 위상 정렬을 결정하는 방법.
6. 제1항에서,

   상기 여자기 및 발전기 스테이지의 1차 권선 내에서 동일한 상순(phase sequence)을 확인하는 단계를 추가로 포함하는 3상 라인 동기 발전기의 적절한 위상 정렬을 결정하는 방법.
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