KR101038346B1 - Electronic breaking apparatus using armature reaction of wind power generator - Google Patents

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KR101038346B1 KR1020100059783A KR20100059783A KR101038346B1 KR 101038346 B1 KR101038346 B1 KR 101038346B1 KR 1020100059783 A KR1020100059783 A KR 1020100059783A KR 20100059783 A KR20100059783 A KR 20100059783A KR 101038346 B1 KR101038346 B1 KR 101038346B1
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문채주
박귀열
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(주)해바람에너지
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Abstract

PURPOSE: An electronic brake device using the reaction of the armature of an aerogenerator is provided to reduce the magnitude of unexpected short-circuit current by applying a control technique of pulse width modulation. CONSTITUTION: An electronic brake device using the reaction of the armature of an aerogenerator comprises AC/DC converter(120), a switch element(130), a control unit(150) and a voltage detector(165). The AC/DC converter converts AC power from an aerogenerator(101) to DC power. The aerogenerator produces power with blades(102) rotating by wind. The switch element is connected to the DC output of the AC/DC converter. The switch element is installed to be able to open/shortcircuit the DC output. The switch element is a power transistor. The control unit controls the switch element to shortcircuit the DC output under a condition of forcibly stopping the rotation of the blades.

Description

풍력발전기의 전기자 반작용을 이용한 전자식 제동장치{electronic breaking apparatus using armature reaction of wind power generator}Electronic breaking apparatus using armature reaction of wind power generator

본 발명은 풍력발전기의 전자식 제동장치에 관한 것으로서, 상세하게는 전기자 반작용을 이용한 풍력발전기의 전자식 제동장치에 관한 것이다.The present invention relates to an electronic braking apparatus for a wind turbine, and more particularly, to an electronic braking apparatus for a wind turbine using an armature reaction.

풍력 발전기는 풍력에 의해 발전을 할 수 있도록 된 것으로서, 통상 풍력에 의해 회전되는 날개와 날개의 회전축의 회전에 연동되어 전력을 생성하는 발전기로 되어 있다.Wind power generators are to be generated by the wind power, it is usually a generator that generates power in conjunction with the rotation of the blade and the rotation axis of the blade rotated by the wind.

이러한 풍력발전기는 날개의 회전속도가 설정된 허용 최대 회전속도를 넘지 않도록 조정하거나, 수리작업시 날개의 회전을 차단하기 위한 용도의 제동장치가 대부분 설치되어 있다.These wind generators are installed so that the braking device for the purpose of adjusting the rotational speed of the blade does not exceed the set maximum allowable rotational speed, or to block the rotation of the blade during repair work.

풍력 발전기용 제동장치 중 가장 일반적인 방식이 브레이크 패드에 의해 제동하는 방식이다.The most common type of brake for a wind generator is a method of braking by brake pads.

그런데 이러한 기계적 제동방식의 경우 구조가 복잡하고, 10KW 이하의 소형 풍력 발전기의 경우 보다 구조가 단순한 제동방식이 요구된다.However, such a mechanical braking method is complicated in structure, and in the case of a small wind generator of less than 10KW, a simpler braking method is required.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로서, 발전기의 전기자 반작용을 이용하여 전기적으로 제동할 수 있는 풍력발전기의 전기자 반작용을 이용한 전자식 제동장치를 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been made to improve the above problems, and an object of the present invention is to provide an electronic braking device using the armature reaction of the wind power generator which can be electrically braked using the armature reaction of the generator.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 풍력발전기의 전기자 반작용을 이용한 전자식 제동장치는 풍력에 의해 회전되는 날개에 의해 전력이 생성되는 풍력발전기로부터 출력되는 교류전력을 직류 전력으로 변환하는 AC/DC 컨버터와; 상기 AC/DC 컨버터의 직류 출력단에 접속되어 상기 직류 출력단을 단락 또는 개방시킬 수 있도록 설치된 스위치 소자와; 상기 날개의 회전을 강제적으로 정지되게 하는 제동신호가 수신되거나 제동조건이 되면 상기 직류 출력단이 단락되게 상기 스위치 소자를 제어하는 제어부;를 구비한다.In order to achieve the above object, the electronic brake system using the armature reaction of the wind power generator according to the present invention AC / DC for converting the AC power output from the wind power generator is generated by the blades rotated by the wind power to DC power A converter; A switch element connected to the DC output terminal of the AC / DC converter so as to short-circuit or open the DC output terminal; And a control unit controlling the switch element to short-circuit the DC output terminal when a braking signal for forcibly stopping the rotation of the vane is received or a braking condition is provided.

바람직하게는 상기 스위치 소자는 전력용 트랜지스터이고, 상기 제어부는 상기 제동신호가 수신되거나 제동조건이 되면 상기 전력용 트랜지스터가 온/오프를 반복하도록 설정된 듀티로 펄스신호를 상기 전력용 트랜지스터의 제어단자로 출력한다.Preferably, the switch element is a power transistor, and the control unit transmits a pulse signal to a control terminal of the power transistor with a duty set so that the power transistor repeats on / off when the braking signal is received or a braking condition is reached. Output

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 AC/DC 컨버터의 직류 출력단을 통해 출력되는 전압을 검출하는 직류 전압 검출기;를 더 구비하고, 상기 제어부는 상기 직류 전압 검출기로부터 제공되는 전압이 설정된 기준 전압 이상이 되면, 제동조건에 해당하는 것으로 판단하여 스위치 소자가 단락되게 제어한다.According to an aspect of the invention, the DC voltage detector for detecting a voltage output through the DC output terminal of the AC / DC converter; further comprising, wherein the control unit is provided that the voltage provided from the DC voltage detector is equal to or greater than the set reference voltage If so, it is determined that the braking condition corresponds and the switch element is controlled to be shorted.

본 발명에 따른 풍력발전기의 전기자 반작용을 이용한 전자식 제동장치에 의하면, 구조가 단순하면서도 펄스폭 변조 제어방식을 적용하는 경우 돌발 단락전류의 크기를 저감할 수 있는 장점을 제공한다.The electronic braking apparatus using the armature reaction of the wind power generator according to the present invention provides a simple structure while reducing the magnitude of the abrupt short circuit current when the pulse width modulation control method is applied.

도 1은 본 발명에 따른 풍력발전기의 전기자 반작용을 이용한 전자식 제동장치를 개략적으로 나타내 보인 블록도이고,
도 2 및 도 3은 도 1의 발전기의 3상 교류 출력단에 대한 개방단과 단락시에 대한 등가회로를 나타내 보인 도면이고,
도 4는 도 3의 회로에서 한 상에 대한 등가회로를 나타내 보인 도면이고,
도 5는 도 3의 교류출력단의 단락시의 단락전류의 파형을 나타내 보인 파형도이고,
도 6 및 도 7은 제동장치의 제동실험시 스위치 소자를 연속적으로 단락시켰을 때 측정된 전압과 전류를 나타내 보인 그래프이고,
도 8 및 도 9은 제동장치의 제동실험시 스위치 소자를 50%듀티로 220Hz의 스위칭 주파수로 펄스 구동시켰을 때 측정된 전압과 전류를 나타내 보인 그래프이다.1 is a block diagram schematically showing an electronic braking apparatus using the armature reaction of the wind power generator according to the present invention,
2 and 3 are views showing an equivalent circuit for the open end and the short circuit for the three-phase AC output stage of the generator of FIG.
4 is a view showing an equivalent circuit of one phase in the circuit of FIG.
5 is a waveform diagram showing a waveform of a short circuit current at the time of a short circuit of the AC output terminal of FIG.
6 and 7 are graphs showing voltages and currents measured when the switch element is continuously shorted during the braking test of the braking device.
8 and 9 are graphs showing voltages and currents measured when a switch element is pulsed at a switching frequency of 220 Hz with a 50% duty during a braking test of the braking device.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 풍력발전기의 전기자 반작용을 이용한 전자식 제동장치를 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in more detail an electronic braking device using the armature reaction of the wind power generator according to an embodiment of the present invention.

도 1은 본 발명에 따른 풍력발전기의 전기자 반작용을 이용한 전자식 제동장치를 개략적으로 나타내 보인 블록도이다.1 is a block diagram schematically showing an electronic braking apparatus using the armature reaction of the wind power generator according to the present invention.

도 1을 참조하면, 전자식 제동장치(100)는 AC/DC컨버터(120)와, 스위치소자(130) 및 제어부(150)를 구비한다.Referring to FIG. 1, the electronic brake device 100 includes an AC / DC converter 120, a switch element 130, and a controller 150.

풍력 발전기(101)는 풍력에 의해 회전되는 날개(102)와, 날개(102)의 회전에 연동되어 교류전력을 생성하는 발전기(105)로 되어 있다. 도시된 예에서 발전기(105)는 3상 교류전력을 출력하는 3상 동기 발전기가 적용되었다.The wind generator 101 includes a blade 102 that is rotated by wind power and a generator 105 that generates AC power in association with the rotation of the blade 102. In the illustrated example, the generator 105 is a three-phase synchronous generator that outputs three-phase AC power.

3상 동기 발전기(105)는 날개(102)의 회전축에 연동되어 회전되는 회전자에 영구 자석이 설치되고, 회전자 주위의 고정자에 3조의 권선이 설치되어 R, S, T 단자를 통해 3상 교류전력을 출력하도록 되어 있고, 이러한 구조는 공지되어 있어 상세한 설명은 생략한다.The three-phase synchronous generator 105 is a permanent magnet is installed on the rotor that is rotated in conjunction with the rotation axis of the blade 102, three sets of windings are installed on the stator around the rotor, three-phase through the R, S, T terminals The AC power is output, and such a structure is known, and detailed description thereof will be omitted.

참조부호 161은 발전기(105)의 출력 전류를 검출하여 제어부(150)에 제공하는 발전 전류 검출기이고, 참조부호 163은 발전기(105)의 출력전압을 검출하여 제어부(150)에 제공하는 발전 전압 검출기이다.Reference numeral 161 denotes a generation current detector that detects an output current of the generator 105 and provides it to the controller 150. Reference numeral 163 denotes a generation voltage detector that detects an output voltage of the generator 105 and provides it to the controller 150. to be.

한편, 풍력발전기(101)의 구조는 도시된 구조 이외에도 다양하게 알려져 있고, 도시된 구조로 한정하지 않음은 물론이다.On the other hand, the structure of the wind power generator 101 is variously known in addition to the structure shown, and of course not limited to the structure shown.

AC/DC 컨버터(120)는 발전기(105)로부터 출력되는 교류전력을 직류 전력으로 변환한다.The AC / DC converter 120 converts AC power output from the generator 105 into DC power.

AC/DC 컨버터(120)의 직류 변환방식은 3상 교류를 3상 전파정류하는 방식 등 공지된 다양한 방식을 적용할 수 있다.The DC conversion method of the AC / DC converter 120 may apply various known methods such as a three-phase full-wave rectification method.

참조부호 165는 AC/DC 컨버터(120)를 통해 출력되는 직류전류를 검출하여 제어부(150)에 제공하는 직류 전류 검출기이고, 참조부호 167은 AC/DC 컨버터(120)를 통해 출력되는 직류 전압을 검출하여 제어부(150)에 제공하는 직류 전압 검출기이다.Reference numeral 165 denotes a DC current detector which detects a DC current output through the AC / DC converter 120 and provides it to the controller 150. Reference numeral 167 denotes a DC voltage output through the AC / DC converter 120. The DC voltage detector detects and provides the control unit 150.

스위치 소자(130)는 AC/DC 컨버터(120)의 직류 출력단(122)(124)에 접속되어 직류 출력단(122)(124)을 단락 또는 개방시킬 수 있도록 설치되어 있다.The switch element 130 is connected to the DC output terminals 122 and 124 of the AC / DC converter 120 so as to short-circuit or open the DC output terminals 122 and 124.

도시된 예에서 스위치 소자(130)는 전력용 트랜지스터가 적용되었다.In the illustrated example, a power transistor is applied to the switch element 130.

참조부호 137은 스위치 소자(130)의 단락시 충전부에 충전된 전력이 역방향으로 흐르는 것을 방지하기 위해 설치된 다이오드이다.Reference numeral 137 denotes a diode provided to prevent the power charged in the charging unit from flowing in the reverse direction when the switch element 130 is shorted.

풍속검출기(141)는 풍력발전기(101)가 설치된 환경의 풍속을 검출하여 제어부(150)에 출력한다. 풍속검출기(141)는 생략될 수 있다.The wind speed detector 141 detects the wind speed of the environment in which the wind power generator 101 is installed and outputs the wind speed to the controller 150. The wind speed detector 141 may be omitted.

조작부(145)는 사용자의 조작에 의해 날개(102)의 회전을 강제적으로 정지되게 하는 제동신호를 제어부(150)에 출력하도록 되어 있다.The operation unit 145 is configured to output a braking signal to the control unit 150 to forcibly stop the rotation of the blade 102 by a user's operation.

제어부(150)는 날개(102)의 회전을 강제적으로 정지되게 하는 제동신호가 수신되거나 날개(102)의 회전을 강제적으로 줄이기 위한 제동조건에 해당한다고 판단되면 직류 출력단(122)(124)이 단락되게 스위치 소자(130)를 제어한다.The control unit 150 receives a braking signal for forcibly stopping the rotation of the blade 102 or if it is determined that the braking condition is forcibly reducing the rotation of the blade 102, the DC output terminals 122 and 124 are short-circuited. To control the switch element 130.

여기서 제동조건은 풍속의 증가에 의해 풍속 발전기(101)에 무리를 줄 수 있거나, 후속 전력생성 계통을 구성하고 있는 소자들에 무리를 주거나 손상시킬 수 있어 날개의 회전수 또는 발전량을 일정 범위 이하로 낮추기 위해 설정된 것으로 바람직하게는 AC/DC 컨버터(120)의 직류 출력단(122)(124)을 통해 출력되는 전압을 검출하는 직류 전압 검출기(165)의 출력전압이 설정된 기준전압 이상이 되면 제동조건에 해당하는 것으로 설정될 수 있다.Here, the braking condition may impede the wind speed generator 101 by increasing the wind speed, or may damage or damage the elements constituting the subsequent power generation system, thereby reducing the rotational speed or the amount of generation of the blade below a certain range. The output voltage of the DC voltage detector 165, which detects the voltage output through the DC output terminals 122 and 124 of the AC / DC converter 120, is higher than the set reference voltage. It may be set as corresponding.

또 다르게는 AC/DC 컨버터(120)의 직류 출력단(122)(124)을 통해 출력되는 전류를 검출하는 직류 전류 검출기(167)의 출력 전류가 설정된 기준 전류 이상이 되면 제동조건에 해당하는 것으로 설정될 수 있다.Alternatively, when the output current of the DC current detector 167 detecting the current output through the DC output stages 122 and 124 of the AC / DC converter 120 is greater than or equal to the set reference current, the braking condition is set to correspond to the braking condition. Can be.

바람직하게는 제어부(150)는 제동시 스위치 소자(130)가 턴온/턴오프를 반복하도록 설정된 듀티로 펄스신호를 스위치 소자(130)의 제어단자(132)로 출력한다.Preferably, the controller 150 outputs a pulse signal to the control terminal 132 of the switch element 130 with a duty set so that the switch element 130 repeatedly turns on and off during braking.

여기서 듀티는 설정된 주기 동안 턴온되는 펄스 유지폭에 해당하는 시간에 대한 비율을 말한다.In this case, the duty refers to a ratio of time corresponding to a pulse sustain width that is turned on for a set period.

바람직하게는 제어부(150)는 제동상태에 따라 듀티를 가변되게 적용하도록 구축할 수 있음은 물론이다.Preferably, the controller 150 may be constructed to vary the duty according to the braking state.

제어부(150)는 직류전압검출기(165)로부터 제공되는 전압이 설정된 기준 전압값 이상이 되면, 제동조건에 해당하는 것으로 판단하여 스위치 소자(130)가 단락되게 제어한다.If the voltage provided from the DC voltage detector 165 becomes equal to or greater than the set reference voltage value, the controller 150 determines that the braking condition corresponds to the braking condition, and controls the short circuiting of the switch element 130.

참조부호 170은 제어부(150)에 제어되어 부하(180)로의 전력공급을 선택적으로 차단할 수 있도록 된 전력 공급 차단용 보조 스위치소자(170)이다.Reference numeral 170 is an auxiliary switch element 170 for controlling power supply to be controlled by the controller 150 to selectively cut off the power supply to the load 180.

제어부(150)는 제동시에는 부하(180)로의 전력공급이 차단되게 보조 스위치소자(170)를 오프되게 제어하는 것이 바람직하다.The controller 150 may control the auxiliary switch device 170 to be turned off when the power supply to the load 180 is cut off during braking.

이러한 제동장치에서 제어부(150)는 직류 출력단(122)(124)를 통해 출력되는 출력전압이 기준 전압 미만인 경우 발생된 전력을 충전부에 저장하는 동시에 부하에 공급한다. 또한, 제어부(150)는 직류 출력단(122)(124)를 통해 출력되는 출력전압이 기준 전압 이상이면 직류 출력단(122)(124)의 +측과 -측이 단락되게 스위치소자(130)를 턴온시킨다. 또한, 스위치 소자(130)의 단락시 발생하는 단락전류를 줄이기 위해 앞서 설명된 바와 같이 설정된 듀티로 트리거용 펄스를 발생시킨다.In such a braking device, the controller 150 stores the generated power in the charging unit and supplies the load to the load when the output voltage output through the DC output terminals 122 and 124 is less than the reference voltage. In addition, the controller 150 turns on the switch element 130 such that the + and − sides of the DC output terminals 122 and 124 are short-circuited when the output voltage output through the DC output terminals 122 and 124 is equal to or greater than the reference voltage. Let's do it. In addition, in order to reduce the short-circuit current generated when the switch element 130 is short-circuited, a trigger pulse is generated with a duty set as described above.

이러한 과정에서 단락시 발생하는 고정자 권선의 전기자 반작용과 발전기(105)의 영구자석의 인력으로 발전기는 정지 또는 감속한다. In this process, the generator stops or slows down due to the armature reaction of the stator windings and the attraction of the permanent magnets of the generator 105 generated during a short circuit.

이하에서는 이러한 전자제동방식에 대한 제동 작용을 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the braking action of the electronic braking method will be described in more detail.

먼저, 3상 동기 발전기(105)를 단락시킬 경우 발전기(105)의 임피던스는 최소가 되며 이 때 권선을 통해 흐르는 전기자 전류는 최대가 된다. 또한, 발전기(105)에서의 단락은 돌발단락전류에 의해 강한 전기자 반작용이 발생한다. 이러한 전기자 반작용은 전기자 자속과 계자 자속의 강한 인력을 발생시켜 제동력을 발생시킨다.First, when the three-phase synchronous generator 105 is shorted, the impedance of the generator 105 is minimum, and the armature current flowing through the winding is maximum. In addition, in the short circuit in the generator 105, a strong armature reaction occurs due to an unexpected short circuit current. This armature reaction generates a braking force by generating strong attraction force between the armature flux and the field flux.

또한, 전기자 반작용에 의해 감자작용이 발생하고 유기기전력이 감소한다. 즉 단락시 전기자 반작용은 유기기전력을 감소시키고 단락전류 역시 감소시킨다.In addition, potato action occurs due to the armature reaction and the organic electromotive force decreases. In other words, the armature reaction in the short circuit reduces the organic electromotive force and also the short circuit current.

이때 영구자석의 자속 즉, 계자자속과 권선의 자속 즉 전기자 자속 사이에 발생하는 인력이 날개(102)의 회전력보다 클 경우 발전기(105)는 정지하게 되며, 회전력이 더 클 경우 저속으로 회전하며 지속적인 단락전류가 발생한다.At this time, if the magnetic force generated between the magnetic flux of the permanent magnet, that is, the magnetic flux of the field and the magnetic flux of the winding is greater than the rotational force of the blade 102, the generator 105 is stopped, and if the rotational force is greater, it rotates at a low speed and continues Short circuit current occurs.

단락시 발생하는 단락전류가 클 경우 발전기(105)의 전기자 권선 및 슬립링에 소손이 발생할 가능성이 있고, 이러한 단락전류를 제한하기 위해 앞서 설명된 바와 같이 스위치 소자(130)가 온/오프를 반복하도록 설정된 듀티로 펄스신호를 출력하는 방식에 의해 제동하면 된다.If the short circuit current generated during a short circuit is large, there is a possibility that burnout of the armature winding and slip ring of the generator 105 may occur, and the switch element 130 repeats the on / off as described above to limit the short circuit current. The braking may be performed by outputting a pulse signal with a duty set to be.

이하에서는 이러한 전자제동방식의 제동원리를 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the braking principle of the electronic braking method will be described in more detail.

먼저, 발전기(105)가 최대 풍속으로 회전할 때 개방단 전압을 도 2에 도시된 바와 같이 Voc,line 이라 하고, 도 3에서와 같이 R, S, T 선을 모두 단락시키고 발전기(105)는 최대속도로 바람에너지에 의하여 회전될 때 얻어진 선전류의 평균치를 Isc,line라 한다.First, when the generator 105 rotates at the maximum wind speed, the open end voltage is referred to as Voc, line as shown in FIG. 2, and as shown in FIG. 3, the R, S, and T lines are shorted and the generator 105 is shorted. The average value of line current obtained when rotated by wind energy at maximum speed is called Isc, line.

이 경우 단락시 얻은 상전류에 대한 개방시 얻은 상전압의 비율을 계산하면 한 상에 대한 동기임피턴스(Zs)를 아래의 수학식 1에 의해 구할 수 있다.In this case, by calculating the ratio of the phase voltage obtained at opening to the phase current obtained at short-circuit, the synchronous impedance Zs for one phase can be obtained by Equation 1 below.

Figure 112010040499977-pat00001
Figure 112010040499977-pat00001

또한, 발전기(105)의 한 상의 저항(Ra)을 구하고 수학식1에서 Zs를 구하여 직렬임피던스 수식에 넣으면 동기리액턴스를 구할 수 있다. 따라서 도 4의 등가회로로부터 동기발전기(105) 전기자 한 상에서의 동기리액턴스는 아래의 수학식 2로 표현할 수 있다. In addition, the synchronous reactance can be obtained by obtaining the resistance Ra of one phase of the generator 105 and obtaining Zs from Equation 1 into the series impedance equation. Accordingly, the synchronous reactance on the armature of the synchronous generator 105 from the equivalent circuit of FIG. 4 may be expressed by Equation 2 below.

Figure 112010040499977-pat00002
Figure 112010040499977-pat00002

또한, 등가회로의 전압 평형 방정식은 아래의 수학식 3으로 표현할 수 있다.In addition, the voltage balance equation of the equivalent circuit can be expressed by Equation 3 below.

Figure 112010040499977-pat00003
Figure 112010040499977-pat00003

여기서 단락직전의 전류의 초기조건은 부하전류를 무시하여 Zero로 하고 양변을 라플라스(Laplace) 변환하면 아래의 수학식 4 및 5를 얻을 수 있다.Here, the initial condition of the current immediately before the short circuit is set to zero by ignoring the load current, and Laplace-converted both sides can be obtained by Equations 4 and 5 below.

Figure 112010040499977-pat00004
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Figure 112010040499977-pat00005
Figure 112010040499977-pat00005

이것을 헤비시드(Heaviside)의 부분분수 전개를 하여 아래의 수학식 6으로부터 각 항의 계수를 구하면 아래의 수학식 7 내지 9로 표현할 수 있다.The partial fraction expansion of the heavy seed (Heaviside) to obtain the coefficient of each term from the following equation (6) can be expressed by the following equations (7) to (9).

Figure 112010040499977-pat00006
Figure 112010040499977-pat00006

Figure 112010040499977-pat00007
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Figure 112010040499977-pat00008
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Figure 112010040499977-pat00009
Figure 112010040499977-pat00009

위 수학식 7 내지 9를 통해 구한 각 계수 A, B, C를 부분분수로 전개해 놓은 원래의 식에 대입하고 라플라스(Laplace) 역 변환을 통해 최종적으로 Is를 구하면 아래의 수학식 10 및 11과 같다.Substituting the coefficients A, B, and C obtained from the equations 7 to 9 into the original equations as partial fractions, and finally obtaining Is through Laplace inverse transformation, same.

Figure 112010040499977-pat00010
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Figure 112010040499977-pat00011
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수학식 11의 제1항이 직류성분을, 제2항이 교류성분을 나타내며 이 직류성분이 포함됨에 따라 도 5에 도시된 바와 같이 초기 과도 단락전류가 비대칭 정현파로 발생되며, 이 둘을 합성한 것으로 단락 직전의 전압을 나눈 값이 바로 초기 과도 리액턴스가 되며 시간이 경과함에 따라 점차 대칭 정현파로 안정해 간다.As shown in FIG. 5, the first term of Equation 11 represents a direct current component, and the second term represents an alternating current component, and as shown in FIG. 5, an initial transient short-circuit current is generated as an asymmetric sinusoid. The voltage divided by the previous voltage becomes the initial transient reactance, and gradually becomes stable as a symmetric sinusoid with time.

한편, 직류성분은 아래의 수학식 12로 표현할 수 있다.On the other hand, the DC component can be expressed by the following equation (12).

Figure 112010040499977-pat00012
Figure 112010040499977-pat00012

따라서, 직류성분의 크기는 비대칭(Asymmetrical) 교류성분의 크기를 결정하는 요소이며 단락회로의 R:X의 비율(R:X Ratio=X/R) 및 전원전압의 최대치인 Vm에 의해 결정됨을 알 수 있다. Therefore, the magnitude of the DC component is a factor that determines the magnitude of the asymmetrical AC component and is determined by the ratio R: X of the short circuit (R: X Ratio = X / R) and Vm, which is the maximum value of the power supply voltage. Can be.

한편, 무부하의 경우 발전기의 자속은 계자기자력만으로 만들어지고 유기 기전력식도 이것에 의해 결정된다.On the other hand, in the case of no load, the magnetic flux of the generator is made of only the magnetic field magnetic force, and the organic electromotive force equation is also determined by this.

그런데 전기자에 전류가 흐르면 전기자 전류에 의한 기자력이 계자기자력에 겹쳐서 작용하게 되므로 자속분포는 무부하의 경우와는 다르게 된다. 그러기 때문에 유기전압도 무부하의 경우의 전압보다 감소한다. However, when the current flows in the armature, the magnetic force distribution by the armature current is superimposed on the field magnetic force, the magnetic flux distribution is different from the no-load case. Therefore, the induced voltage is also lower than that at no load.

이와 같이 전기자전류에 의한 자속 중에서 공극을 지나 자극에 들어가 계자 자속에 영향을 미치는 것을 전기자 반작용(armature reaction)이라 한다. 이 반작용은 전류의 크기가 같아도 역률에 따라서 그 작용이 다르게 된다.In this way, the magnetic flux that enters the magnetic pole through the pores in the magnetic flux caused by the armature current and affects the magnetic field flux is called an armature reaction. This reaction is different depending on the power factor even if the current is the same magnitude.

전기자에 역률 0인 지상전류, 즉 기전력보다 90˚만큼 위상이 뒤진 무효전류가 흐를 경우, 자극이 전기각 90˚만큼 이동해서 유기기전력이 0이 되고 곧 방향이 반대로 되려고 하는 순간에 전류는 최대가 된다.When the armature has a ground current of zero power factor, that is, a reactive current that is 90 ° out of phase with the electromotive force, the stimulus moves by 90 ° of the electric angle, and the organic electromotive force becomes zero, and the current is maximum when the direction is about to be reversed. do.

이 경우의 전기자전류에 의한 반작용 기자력은 계자의 작용축과 일치하여 직축방향으로 작용하므로 직축 반작용(direct reaction)이라 하며, 계자 자속을 감소시키므로 감자작용(demagnetiza- tion)이라고도 한다.In this case, the reaction magnetic force due to the armature current is called a direct reaction because it acts in the direction of the axis coinciding with the axis of action of the field, and it is also called demagnetization because it reduces the field flux.

전기자반작용은 감자기자력에 의한 주자속과 출력을 감소시키고 편자작용을 발생시킨다.Electromagnetism reduces runner flux and output by potato magnetic force and generates horseshoe action.

본 제동장치는 이상에서 설명된 바와 같이 스위치 소자(130) 단락시 돌발단락전류에 의한 강한 전기자 반작용이 발생하고, 이러한 전기자 반작용에 의해 전기자 자속과 계자자속의 강한 인력을 발생시켜 제동력과 감자작용이 발생하고 유기기전력을 감소시킨다. As described above, the braking device generates a strong armature reaction due to a sudden short-circuit current when the switch element 130 is short-circuited, and generates a strong attraction force between the armature magnetic flux and the field magnetic flux by the armature reaction, thereby providing braking force and potato action. Generate and reduce organic electromotive force.

< 실험 ><Experiment>

도 1과 같은 형태로 제작된 풍력 발전기에 대해 풍속이 7m/s 이상일 경우 날개(102) 보호를 위해 보조 스위치 소자(170)를 오프 시켜 부하와 개방시키고, 제동장치가 작동하도록 하였다. When the wind speed is 7m / s or more for the wind generator manufactured in the form as shown in Figure 1 to switch off the auxiliary switch element 170 to protect the blade 102 to open the load, the braking device was to operate.

제동장치 작동시 스위치 소자(130)를 연속적으로 오프시켰을 때 단락점인 직류 단자(122)(124) 사이의 전압 및 전류가 도 6 및 도 7에 도시되어 있다.6 and 7 show voltages and currents between DC terminals 122 and 124, which are short-circuits when the switch element 130 is continuously turned off during braking operation.

제동시 단락전류의 최대값은 15.9A, 최소값은 -15.6A로 측정되었고, 단락점 전압의 최대값은 단락 직전의 개방전압인 13.6V, 최소값은 0V였다.The maximum value of the short-circuit current during braking was 15.9A, and the minimum value was -15.6A. The maximum value of the short-circuit point voltage was 13.6V, the minimum voltage of 0V.

이에 반해, 제동장치 작동시 스위치 소자(130)를 듀티 50%로 220Hz의 스위칭 주파수로 펄스구동시켰을 때 측정된 전압 및 전류가 도 8 및 도 9에 도시되어 있다.In contrast, voltages and currents measured when the switch element 130 is pulsed at a switching frequency of 220 Hz with a duty of 50% when the braking device is operated are shown in FIGS. 8 and 9.

제동시 단락전류의 최대값은 7.0A, 최소값은 -6.9A로 측정되었고, 단락점 전압의 최대값은 단락 직전의 개방전압인 15.0V, 최소값은 0V였다.The maximum value of the short-circuit current during braking was 7.0A and the minimum value was -6.9A. The maximum value of the short-circuit point voltage was 15.0V, the minimum open voltage just before short-circuit, and the minimum value was 0V.

도 6 내지 도 9를 상호 비교해 보면 알 수 있는 바와 같이 온/오프를 반복하는 펄스 구동 제동방식이 연속적으로 단락하는 방식보다 단락 전류의 크기가 월등하게 감소됨을 알 수 있다.As can be seen in comparison with FIGS. 6 to 9, it can be seen that the pulse driving braking method of repeating on / off is significantly reduced in magnitude of the short-circuit current than the method of continuously shorting.

이상에서 설명된 전자식 제동방식은 단락전류의 크기가 풍력발전기의 정격전류 이하를 유지 할 수 있으므로 전기자 권선과 슬립링에 영향을 미치지 않는 한도 내에서 제동 가능하여 구조가 간단한 장점을 제공한다.The electronic braking method described above can provide the advantage that the structure can be braked within the limit that does not affect the armature winding and the slip ring since the magnitude of the short circuit current can be maintained below the rated current of the wind turbine.

101: 풍력 발전기 102: 날개
105: 발전기 120: AC/DC 컨버터
130: 스위치 소자 150: 제어부101: wind generator 102: wing
105: generator 120: AC / DC converter
130: switch element 150: control unit

Claims (3)

삭제delete 풍력에 의해 회전되는 날개에 의해 전력이 생성되는 풍력발전기로부터 출력되는 교류전력을 직류 전력으로 변환하는 AC/DC 컨버터와;
상기 AC/DC 컨버터의 직류 출력단에 접속되어 상기 직류 출력단을 단락 또는 개방시킬 수 있도록 설치된 스위치 소자와;
상기 날개의 회전을 강제적으로 정지되게 하는 제동신호가 수신되거나 제동조건이 되면 상기 직류 출력단이 단락되게 상기 스위치 소자를 제어하는 제어부;를 구비하고,
상기 스위치 소자는 전력용 트랜지스터이고,
상기 제어부는
상기 제동신호가 수신되거나 제동조건이 되면 상기 전력용 트랜지스터가 온/오프를 반복하도록 설정된 듀티로 펄스신호를 상기 전력용 트랜지스터의 제어단자로 출력하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 전기자 반작용을 이용한 전자식 제동장치.An AC / DC converter for converting AC power output from the wind power generator generated by the blades rotated by the wind into direct current power;
A switch element connected to the DC output terminal of the AC / DC converter so as to short-circuit or open the DC output terminal;
And a controller for controlling the switch element to short-circuit the DC output terminal when a braking signal for forcibly stopping the rotation of the blade is received or a braking condition is provided.
The switch element is a power transistor,
The control unit
When the braking signal is received or a braking condition is received, the power transistor outputs a pulse signal to a control terminal of the power transistor with a duty set to repeat on / off. Device. 제2항에 있어서, 상기 AC/DC 컨버터의 직류 출력단을 통해 출력되는 전압을 검출하는 직류 전압 검출기;를 더 구비하고,
상기 제어부는 상기 직류 전압 검출기로부터 제공되는 전압이 설정된 기준 전압 이상이 되면, 상기 제동조건에 해당하는 것으로 판단하여 상기 스위치 소자가 단락되게 제어하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 전기자 반작용을 이용한 전자식 제동장치.The apparatus of claim 2, further comprising a DC voltage detector configured to detect a voltage output through the DC output terminal of the AC / DC converter.
The controller determines that the braking condition corresponds to the braking condition when the voltage provided from the DC voltage detector is equal to or greater than the set reference voltage, and controls the switch element to be short-circuited. .
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