KR101105894B1

KR101105894B1 - 상 권선의 설정가능한 연결을 갖는 영구자석 발전기를 위한 전압 조정기

Info

Publication number: KR101105894B1
Application number: KR1020080066367A
Authority: KR
Inventors: 지아니 레가찌; 피에르뤼기 칼라브리; 알레산드로 드 안젤리스
Original assignee: 듀카티 에너지아 에스.피.에이.
Priority date: 2007-07-17
Filing date: 2008-07-09
Publication date: 2012-01-17
Also published as: EP2017941A2; EP2017941A3; US7948218B2; ITMI20071432A1; US20090021224A1; EP2017941B1; CA2635577A1; CA2635577C; CN101350534A; CN101350534B; TW200922112A; KR20090008129A; TWI404327B

Abstract

전압 조정기가 설정가능한 연결의 상 권선을 갖는 영구자석 발전기로부터 A.C.로 전력을 수신하여, 배터리로 D.C.로 전력을 공급한다. 전압 조정기는 영구자석 발전기의 상 권선의 단자와 배터리 전력 공급 단자 사이로 연결되는 다수의 반-브리지 정류기를 포함한다. 또한 영구자석 발전기의 상 주파수의 임계값이 초과되면, 배터리의 충전 전압에 따라서, 상 권선의 연결을 2가지 서로 다른 구성(예를 들어, 성형과 델타형) 간에서 변경하도록 설계된 제어 회로를 포함한다.

Description

상 권선의 설정가능한 연결을 갖는 영구자석 발전기를 위한 전압 조정기{VOLTAGE REGULATOR FOR MAGNETOGENERATORS WITH CONFIGURABLE CONNECTION OF THE PHASE WINDINGS}

본 발명은 가변 권선 구성을 갖는 영구자석 발전기를 위한 전압 조정기(voltage regulator)에 관한 것으로서, 일반적으로 전기 로드(electrical load)에 전력을 공급하기 위해 배터리를 충전할 때 사용되며, 이때, 배터리가 연결되어 있는 전기 로드에 의해 요구되는 전력에 상관없이, 배터리의 전압을 일정한 정격 값으로 유지하기 위해, 낮은 자석발전기 회전수와 높은 자석발전기 회전수 모두에서 충분한 양의 에너지가 요구된다.

낮은 회전수와 높은 회전수 모두에서 동작하도록 설계된 영구자석 발전기의 다양한 적용예에서, 예를 들어, 소형 내연 엔진, 또는 소형 보트용 외장 엔진, 또는 여러 다른 회전 속도에서의 여러 다른 전류 값이 요구되는 그 밖의 다른 곳에 전력을 공급하기 위한 점화 회로(ignition circuit), 또는 배터리로 전기 전력을 공급하기 위한 적용예에서, 발전기 자체의 전기적 및 기계적 크기를 조절함으로써, 이러한 요구사항을 만족시키는 것이 가능하다. 이는 큰 크기의 영구자석 발전기에 대하여 가능하게 만들어지는 것이 일반적이지만, 공간에 대한 이용가능성을 필요로 하고, 임의의 경우에서, 상당한 중량과 비교적 높은 비용을 갖는 발전기를 필요로 한다. 덧붙이자면, 발전기의 숙고된 적용예 및 동작 상태에 관련하여, 임의의 과잉의 전력을 분산시킴에 있어 특정 종류의 문제가 발생할 수 있다.

공간, 또는 비용의 문제 때문에, 또는 그 밖의 다른 이유로, 더 큰 크기의 영구자석 발전기를 사용하는 것이 가능하지 않다. 다양한 사용 요구사항을 만족시키고, 발전기의 전체 크기 및 중량을 비교적 작게 유지하기 위한, 적정한 전기적 솔루션을 선택하는 것이 필수이다.

영구자석 발전기의 전력을 충전하기 위해, 일반적으로, 계자 권선(field winding)의 회선 수를 변화시키는 것, 즉, 사용자가 출력 전류를 관리할 의도를 갖는가의 여부와, 낮은 동작 속도, 또는 높은 동작 속도에서의 성능에 따라서, 회선 수를 증가시키거나, 감소시키는 것이 필요하다. 이러한 목적을 위해, 과거에는, 중량과 전체 크기를 비교적 작게 유지하면서, 높은 출력 전력을 공급할 수 있는 다수의 권선이 제공되는 영구자석 발전기가 사용되었다.

이미 제안된 솔루션에 따르면, 마이크로프로세서에 의해 제어되는 다수의 다이오드와 전자 스위치를 포함하는 제어 회로로 기능적으로 연결되는 계자 권선을 갖는 발전기가 사용되었다. 상기 마이크로프로세서는 회전 속도의 변화에 따라서, 상 권선(phase winding)의 구성, 또는 연결을, 낮은 회전수에서의 “직렬 구성”과 그 보다 높은 회전수에서의 “병렬 구성”으로 변화시키도록 프로그래밍된다. 이러한 종류의 솔루션은 US 7,026,794에서 예로서 설명되어 있다.

한 편으로는 이 솔루션이 앞서 언급된 문제의 일부분을 해결하는 것에 기여를 하지만, 다른 한 편으로는, 단상 교류기(single-phase alternator)에 대한 낮은 효율도와, 로터의 자석과 스테이터의 자성 구조물 간의 상호 작용으로 인한 이른바 “코깅(Cogging)”이라 일컬어지는, 특히 낮은 회전수에서의 토크 조정(torque regularity) 문제와 같은 한계와 단점을 여전히 발생시킨다. 덧붙이자면, 프로세서에 의해 제어되는 전압 조정기(voltage regulator)를 사용하는 것뿐 아니라, 추가적인 공간을 필요로 하는 것이 필수적으로 전체 시스템에 대하여 더 높은 비용을 포함한다.

따라서 종래의 시스템에 내재되어 있는 문제점과 단점을 제거하지는 않을 지라도, 감소시킴으로써, 앞서 언급된 요구사항을 충족시킬 수 있는 새로운 솔루션을 찾을 필요가 있다.

본 발명의 첫 번째 목적은 계자 권선의 설정가능한 연결을 갖는 타입의 영구자석 발전기를 위한 전압 조정기를 제공하는 것이다. 상기 조정기는 상당히 단순화된 전자소자를 사용하고, 프로세서 또는 로직 제어 유닛이 사용될 필요가 없도록 해주며, 이로 인해서, 전체 크기가 작아지고, 전압 조정기와 전체 발전 시스템을 비교적 낮은 비용으로 유지할 수 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 배터리를 충전하기 위한 영구자석 발전기와 전압 조정기의 조립체를 제공하는 것이며, 이로 인해서, 영구자석 발전기의 낮은 회전수와 높은 회전수 모두에서 배터리에게 필요한 전기 전력을 제공하는 것이 가능해지고, 이는 배터리의 충전 전압의 변화와 영구자석 발전기의 회전수(상 주파수)의 변화에 따른 토크의 적은 변화와, 계자 권선의 연결 구성을 자동으로 제어할 수 있는 능력을 특징으로 한다.

또 다른 목적은 계자 권선의 연결의 구성을 자동으로 변경시킬 수 있는 영구자석 발전기와 전압 조정기 조립체를 제공하는 것이며, 이로 인해서, 열 분산에 관련된 문제가 덜 치명적이 된다.

앞서 언급된 바는 청구범위 제 1 항에 따르는 상 권선의 설정가능한 연결을 갖는 영구자석 발전기를 위한 전압 조정기와, 제 2 항을 따르는 배터리의 충전 전압을 제어하기 위한 전자 제어 회로를 포함하는 전압 조정기에 의해 성취될 수 있다.

일반적으로, 본 발명의 첫 번째 양태에 따라서, 영구자석 발전기로부터 A.C. 전력을 수신하고, 배터리로 D.C. 전력을 공급하기에 적합한 전압 조정기가 제공되며, 여기서, 영구자석 발전기는 각각 제 1 및 제 2 연결 단자를 갖는 다수의 상 권선을 포함하고, 전압 조정기는 배터리에 대한 충전 전압, 또는 영구자석 발전기의 주파수에 관련하여, 상 권선의 구성을 제 1 구성과 제 2 구성 간에서 변경한다.

전압 조정기는

- 다수의 반-브리지 정류기의 쌍으로서, 각각의 쌍은, 영구자석 발전기의 각각의 상 권선의 해당 단자와 배터리를 위한 전력 공급 단자 사이에서, 반대 상으로 연결되는 제 1 및 제 2 반-브리지를 포함하는 상기 다수의 반-브리지 정류기의 쌍,

- 상 권선의 연결 구성을 변화시키기 위한 제어 스위치 회로로서, 상기 제어 회로는 2개의 인접하는 스위칭 장치 간의 연결이 차례로 각각의 상 권선의 단자로 연결되는 하나의 루프 회로(looped circuit)에서 역-병렬(anti-parallel) 연결되는 제 1 및 제 2 전자 스위치로 구성되는 다수의 스위칭 장치를 포함하는 상기 제어 스위치 회로,

- 상기 제어 회로의 스위칭 장치를 제어하기 위한 파일럿 회로(pilot circuit)로서, 상기 파일럿 회로는, 상기 스위칭 장치의 제어 전극으로 연결되는 제 1 트랜지스터를 포함하며, 상기 제 1 트랜지스터는 배터리의 전압을 측정하기 위한 제 1 전압 검출 회로와, 영구자석 발전기의 권선의 제 2 상-주파수 검출 회로로 연결되는 상기 파일럿 회로,

- 상기 파일럿 회로(10)를 활성화시키고, 상기 주파수 검출 회로(9)에 의해 검출되는 전압 주파수의 지정된 임계값에서 권선(3A, 3B, 3C)의 연결 구성을 선택적으로 변경하는 상 주파수 검출 회로

를 포함한다.

본 발명에 따라서 계자 권선의 설정가능한 연결을 갖는 타입의 영구자석 발전기를 위한 전압 조정기가 제공된다. 상기 조정기는 상당히 단순화된 전자소자를 사용하고, 프로세서, 또는 로직 제어 유닛이 사용될 필요가 없도록 해주며, 이로 인해서, 전체 크기가 작아지고, 전압 조정기와 전체 전압 발전 시스템이 비교적 낮은 비용으로 유지될 수 있다.

도 1 및 2는 본 발명에 따르는 전자 전압 조정기의 다이어그램을 나타낸다. 상기 전자 전압 조정기에 의해, A.C 전력을 배터리로 공급되는 D.C 전력으로 변환하며, 이와 동시에, 영구자석 발전기(magnetogenerator)의 회전수의 변화에 따라 상기 배터리의 전압을 충분히 일정한 정격 값(rated value)으로 유지하기 위해, 영구자석 발전기의 상 권선(phase winding)의 여러 다른 연결 구성을 자동으로 제어하는 것이 가능하다.

설명을 위해서, 동일한 블록에 대하여 동일한 도면부호가 사용되었다.

도 1 및 2의 예에서, 전압 조정기가 A.C. 영구자석 발전기(1)로 연결되며, 상기 영구자석 발전기(1)는 예를 들어, 영구자석 타입의 3상 교류기(three-phase alternator)를 포함한다. 영구자석 발전기(1)는 로터(2)와, 3상 권선(3A, 3B 및 3C)을 갖는 스테이터를 포함하며, 이때 스테이터는, 로터(2)의 회전수와, 영구자석 발전기(1)에 의해 전력이 공급되는 배터리(5)의 충전 전압(VB)에 관련하여 성형 구성(star configuration)과 델타형 구성(delta configuration) 간에서 자동으로 변경될 수 있는 연결을 갖는다.

전압 조정기는 각각 영구자석 발전기(1)의 상 권선(phase winding, 3A, 3B 및 3C)의 단자와, 접지와, 배터리(5)의 제 1 전력 공급 단자(예를 들어, 양의 단자) 사이에서 연결되는 다이오드(D1, D2)를 갖는 다수의 반-브리지 정류기(semi-bridge rectifier, 4)의 쌍을 포함한다. 특히, 각각의 상 권선(3A, 3B 및 3C)의 단자는, 상 전압의 양(+)의 반파(half wave)와 음(-)의 반파(half wave) 동안 반대 상(phase)으로 교대로 전도 상태가 되기 위해, 제 1 반-브리지 정류기(4.1)와 제 2 반-브리지 정류기(4.2)를 포함하는 반-브리지 정류기의 쌍에 의해, 배터리(5)의 양의 단자로 연결된다.

배터리(5)의 정격 충전 전압을 제어하기 위해서, 각각의 상 권선(phase winding, 3A, 3B 및 3C)의 2개의 단자 중 하나(이하 제 1 단자라고 일컬어짐)가, 예를 들어, 사이리스터(6)로 구성된 전자 단락 스위치(electronic short circuiting switch)에 의해, 차례로 접지로 연결될 수 있으며, 이는 추후 더 설명된다.

또한 전압 조정기(1)가 영구자석 발전기의 상 권선(3A, 3B 및 3C)의 연결 구성을 변경시킬 수 있는 제어 스위치 회로를 포함한다. 도 1의 3상 발전기의 경우, 권선 구성을 위한 제어 회로는, 각각 역-병렬(anti-parallel)로 연결되는 2개의 전자 스위치(예를 들어, 사이리스터의 쌍(T1 및 T2), (T3 및 T4), (T5 및 T6))를 포함하는 3개의 스위칭 장치(8)를 포함하며, 루프 구조에 따라서, 각각의 회로의 스위칭 장치(8)는 서로 연결되어 있다. 이러한 방식으로, 2개의 인접한 스위칭 장치(8)가 공유하는 연결(P)이 영구자석 발전기(1)의 각각의 상 권선(3A, 3B 및 3C)의 제 2 단자로 연결된다.

전압 조정기는 또한 상 전압의 주파수를 검출하기 위한 상 주파수 검출 회로(phase frequency detecting circuit, 9)와, 스위칭 장치(8)를 제어하기 위한 파일럿 회로(pilot circuit, 10)를 포함한다(도 2 참조). 주파수 검출 회로(9)는 영구자석 발전기(1)의 상 권선(예를 들면, 권선(3C))과, 파일럿 회로(10)로 연결되며, 상기 파일럿 회로(10)는, 전압의 주파수의 미리 지정된 임계값을 통과하면, 성형 구성과 델타형 구성 간의 권선(3A, 3B 및 3C)의 연결을 변화시키기 위해, 상기 주파수를 검출하기 위해, 회로(9)에 의해 활성화된다. 이는 추후 상세히 더 설명될 것이다.

앞서 언급된 바와 같이, 권선의 구성을 변경시키기 위해, 각각의 상 권선(3A, 3B 및 3C)의 제 2 단자, 즉, 단락 스위치(6)로 연결되지 않는 단자가 2개의 스위칭 장치(8)로 연결된다. 이는 T2, T4 및 T6의 애노드가 T1, T3 및 T5의 캐소드로 연결되는 것처럼, T1, T3 및 T5의 애노드가 각각 T2, T4 및 T6의 캐소드와 연결됨을 의미한다. 따라서 전자 스위칭 장치(8)의 3개의 쌍은, 스위치(8)의 하나의 쌍이 2개의 서로 다른 상 권선의 제 2 단자들 간에 역-병렬(anti-parallel)로 연결되는 방식으로 배열된다.

도 1 및 2로부터, 각각의 스위칭 장치(8)의 2개의 사이리스터(T1 및 T2), (T3 및 T4), (T5 및 T6)는, 각각의 저항(R10.1, R10.2)을 이용하여, 자신의 제어 전극의 전류가 파일럿 회로(10)의 단일 PNP 트랜지스터(Q4)에 의해 조종(pilot)되게 한다. 영구자석 발전기(1)에 의해 부가되는 애노드와 캐소드 간의 전압 차이에 따라서, 사이리스터(T1-T6) 각각은 스위치 온(switch on)되어, 3개의 상 권선(3A, 3B 및 3C)의 성형 연결(star connection)을 결정한다.

동일한 스위칭 장치(8)에 속하는 2개의 사이리스터(T1 및 T2), (T3 및 T4), (T5 및 T6)는 결코 동시에 전도 상태가 되지 않으며, 교대로(alternately) 전도 상태가 된다.

특히, 도 6에서 나타나는 바와 같이, 그리고 다음에서 더 상세히 설명될 바와 같이, Q4가 전도 상태일 때, 권선 구성을 변경시키기 위한 회로의 사이리스터(T1 - T6)로 구성되는 각각의 전자 스위치는 상 전압의 사이클의 2분의 1 동안 스위치-온(ON)으로 유지되며, 그 동안 하나의 사이클의 6분의 1 동안 하나의 스위치 쌍은 자신의 상태를 변경시킨다.

반대로 말하자면, Q4가 비활성된 상태인 경우, 스위칭 장치(8)의 스위치(T1 - T6)가 더 이상 조종되지 않고, 스위치가 오프(OFF)되며, 결과적으로, 3개의 상 권선(3A, 3B 및 3C)이 서로에 대하여 격리된다. 그러나 반-브리지(4.1, 4.2)는 항상 배터리(5)처럼 접지로 연결되어 있기 때문에, 이 상태는 영구자석 발전기(1)의 상 권선의 델타형 연결과 등가를 이룬다.

Q4의 베이스와 전압 조정기의 접지 사이에 각각 연결되는 컬렉터와 에미터 단자를 갖는 2개의 NPN 트랜지스터(Q5 및 Q6)는 전압 디바이더(R11, R12)를 이용하여, 파일럿 회로(10)의 트랜지스터(Q4)를 제어한다. 2개의 트랜지스터(Q5 및 Q6) 중 하나가 전도 상태인 경우, 그 후, Q4가 스위치 온된다. 그렇지 않는 경우, 트랜지스터(Q5 및 Q6) 모두 스위치 오프되며, Q4는 또한 스위치 오프될 것이다.

파일럿 회로(10)의 트랜지스터(Q5)는 전압 디바이더(R13, R14)로 연결되는 베어를 가지며, 이때 상기 베어는 영구자석 발전기의 상들 중 하나의 전압 주파수를 검출하기 위한 회로(9)에 의해 조종된다. 반면에, 다른 트랜지스터(Q6)는 배터리(5)의 충전 전압을 검출하고 측정하기 위한 회로(7)로 연결되는 전압 디바이더(R22, R23)를 통해 회로(9)에 의해 조종된다.

상기 회로(9)는 유입 측에서 영구자석 발전기(1)의 상들 중 임의의 하나의 주파수, 예를 들어, 상 권선(3C)의 주파수를 수신하고, 이에 따라, 전압 디바이더(R15, R16)(도 2)가 동일한 상 주파수에서 NPN 트랜지스터(Q7)의 스위칭을 발생시킨다. 그 동안, 음(-)의 반파는 다이오드(D3)에 의해 보호된다.

또한 마찬가지로, NPN 트랜지스터(Q8)를 스위칭한다. 상기 NPN 트랜지스터(Q8)의 베이스는 저항(R17)과 Q7의 컬렉터 사이로 연결되어, 신호의 올바른 타이밍을 복구한다.

결과적으로, Q8이 영구자석 발전기의 상(3c)의 주파수와 등가의 주파수를 갖고, 저항(R18)에서 커패시터(C2)로 흐르는 전류를 접지로 단락시키며, 이로 인해서, Q8의 컬렉터 상에서 사각 전압 파가 생성되고, 상기 사각 전압 파를 통해, 커패시터(C2)는 다이오드(D4 및 D5)가, 배터리 전압이 R19를 통해 전력을 공급한 커패시터(C3)를 방전시키게 할 수 있다.

저항(R19)이 C3에 걸리는 전압을 NPN 트랜지스터(Q9)의 베이스와 에미터 간의 전압(Vbe-on)보다 더 높게 유지하는 한, Q9는 전도 상태가 되고, 이때, Q10의 베이스로 연결되는 전압 디바이더(R20, R21)가 Q10을 스위치 온(switch on)하여, Q5를 전도 상태가 되게 한다.

최종 결과는 회로(9)가 영구자석 발전기의 상 주파수의 주어진 임계값에서 Q5의 전도를 활성화, 또는 비활성화시킬 수 있다는 것이며, 상기 주어진 임계값을 초과함에 따라, 상 권선(3A, 3B, 3C) 사이에서 성형 연결을 델타형 연결로 스위칭하는 것, 또는 그 반대로 스위칭하는 것이 발생할 것이다.

커패시터(C3)의 단자에서 Q9의 Vbe-on 보다 낮은 전압이 존재하는 방식으로 R19를 선택함으로써, Q5가 전도 상태가 되는, 또는 전도 차단 상태가 되는 주파수 임계값이 얻어진다.

반대로, 앞서 언급된 바와 같이, 저항(R22 및 R23)을 통과하는 NPN 트랜지스터(Q6)와 제너 다이오드(Z3)가, 배터리(5)의 충전 전압을 측정하기 위한 회로(7)에 의해 조종된다. 전압 측정 회로(7)는 각각 저항(R3)에 의해 배터리(5)로, 그리고 제너 다이오드(Z3)로 연결되는 컬렉터와 에미터를 갖는 PNP 트랜지스터(Q1)를 포함한다. 또한 Q1의 베이스는 제너 다이오드(Z1)에 의해 접지로 연결되는 전압 디바이더(R1, R2)에 의해 바이어스된다.

배터리(5)의 전압 측정 회로(7)로부터 분로된, 커패시터(C1)와 저항(R4)으로 구성된 병렬 회로 상에 존재하는 전압이 제너 다이오드(Z3)에 의해 부가되는 전압 값을 초과할 때, 전류가 전압 디바이더(R22 및 R23)에 걸쳐 흐르고, 결과적으로 Q6가 전도 상태가 되며, Q4가 스위칭 온(ON)된다.

앞서 언급된 바와 같이, 각각의 상 권선(3A, 3B, 3C)의 2개의 단자 중 하나는 전자 스위치(6)의 애노드로 연결되며, 이때 전자 스위치(6)는 예를 들어, 회로(7)에 의해 검출되는 배터리(5)의 전압이 미리 지정된 정격 값(VN)을 초과할 때, 각각의 상 권선을 접지로 단락시키는 기능을 갖는, 접지로 연결되는 캐소드를 갖는 분로 사이리스터(shunt thyristor)이다.

배터리(5)가 값(VR)에 도달하자마자, 발전기의 전류가 단락된다. 이는 각각의 상 권선으로 연결되는 에미터를 갖는 PNP 트랜지스터(Q3)의 컬렉터로 연결되는 제어 전극을 갖는 각각의 상 권선의 단락 스위치(6)가, 권선의 단락 전자 스위치(6)의 ON 및 OFF 상태를 제어하기 위한 제어 회로(11)의 일부분을 형성함으로써, 이뤄진다.

Q3의 베이스는, 접지로 연결되는 컬렉터를 갖는 NPN 트랜지스터(Q2)의 컬렉터/에미터 회로로 연결되는 전압 디바이더(R7 및 R8)에 의해 바이어스되며, 이는 권선의 단락 제어 회로(11)를 활성화/비활성화하기 위한 메인 제어 회로(12)의 일부분을 형성한다.

Q2의 베이스는 제너 다이오드(Z2)에 의해 배터리(5)의 전압을 검출하고 측정하기 위한 회로(7)로 연결되는 전압 디바이더(R5, R6)에 의해 바이어스된다.

앞서 언급된 내용으로부터, 배터리(5)의 전압(VB)이 제너 다이오드(Z1)의 브레이크다운 전압 값보다 낮은 한, 전류는 전압 디바이더(R1 및 R2)를 순환하지 않고, 따라서 트랜지스터(Q1)가 비활성 상태로 유지된다. 반대로, 배터리의 전압(VB)이 미리 지정된 값(VR)을 초과하는 경우, Q1이 전도 상태로 스위치 온(ON)되어, 저항(R3)에 의해 전류 컬렉터에게 배터리 전압에 비례하여 공급된다. 병렬 회로(R4) 상의 전압 C4는 제너 다이오드(Z2)의 브레이크다운 전압을 초과할 때까지 선형으로 증가할 것이다. 이러한 것이 발생하자마자, 트랜지스터(Q2)는 바이어스되어, 전압 디바이더(R5, R6)에 의해 전도 상태가 되며, 이러한 방식으로 개별 회로(11)의 트랜지스터(Q3)가 각각의 저항(R7 및 R8)에 의해 바이어스된다. 따라서 저항(R9)에 전류가 흘러서, 전압 영구자석 발전기(1)의 3개의 상 권선(3A, 3B 및 3C) 중 각각의 하나를 접지시킬 각각의 단락 스위치(6)를 스위치 온할 수 있다. 결과적으로 정격 값(VR)을 결코 초과하지 않는 값으로 제한되는 배터리 전압(VB)이 도출될 것이다.

영구자석 발전기의 회전수가 지정된 임계값(RPM')보다 높을 때, 상 권선(3A, 3B 및 3C)은 델타형 구성을 가지며, 배터리(5)가 정격 값에 도달하자마자, 발전기의 전류가 접지로 스위칭된다. 앞서 언급된 바와 같이, 이는 영구자석 발전기(1)에 의한, 그리고 단락 스위치(6)에 의한 접지로의 더 큰 전력 분산을 야기한다. 따라서 이 전류를 최소한으로 감소시키는 것이 중요하다. 이러한 목적을 위해, 조정(regulation) 바로 전에 델타형 구성에서 성형 구성으로 변화되어, 이러한 변화가 상당히 감소된 전류를 갖고 발생될 수 있도록, Z3의 전압 값을 Z2의 전압 값보다 약간 낮게 선택하는 것, 통상적으로는 0.6볼트로 선택하는 것이 바람직하다.

도면 중 도 3은 성형 연결(star connection)의 경우와 델타형 연결(delta connection)의 경우 모두에서, 영구자석 발전기(1)의 로터(2)의 분당 회전수(RPM)의 변화에 따르는 배터리의 전류 I의 2개의 일반적인 그래프를 도시한다. 특히, 그래프 ST가 성형 연결의 경우에서의 전류 I의 흐름을 나타내고, 그래프 TR이 델타형 연결의 경우에서의 전류 I의 흐름을 나타낸다. 임계 값(RPM') 이하의 낮은 회전수에서의 전류 I는, 상 권선이 성형 연결(ST)일 경우에 비교할 때, 델타형 연결(TR)일 때 더 낮은 값이라고 추정된다. RPM'보다 높은 회전수에서는 반대의 경우가 발생한다.

도 3은 또한 임계값(RPM')에 대응되는 회전수에 관련되는 포인트 P1을 보여준다. 이 포인트 P1에 대하여 영구자석 발전기(1)는, 상 권선의 연결의 종류에 상관없이 배터리(5)에 전력을 공급하기 위한 전류(I')를 공급한다. 포인트 P는 델타형 연결과 성형 연결 간(또는 그 반대)의 변경을 발생시키는 시점이다.

도 4는 로터(2)의 회전수 RPM이 도 3의 RPM'보다 낮은 경우의, 시간에 대한 배터리(5)의 전압(VB)의 그래프를 도시하며, 도 5는 회전수 RPM이 RPM'보다 높은 경우의, 시간 t에 걸친 전압(VB)의 그래프를 도시한다.

특히, 도 4로부터, 명목 전압 VN이 초과되는 매 시점에서의 곡선의 기울기가 정격 값(VR)까지로 충분히 일정하다. 역으로, 도 5로부터, 정격 전압 VN이 초과되는 매 시점에서 곡선의 기울기는 변하고, 감소된다.

마지막으로 도 6은, 전압 조정기에 의해, 영구자석 발전기(1)의 상 권선(3A, 3B, 3C)의 선택적 성형/델타형 연결을 가능하게 하는 전자 스위치(T1-T6)가 전도(ON), 또는 전도차단(OFF)으로 조종되는 절차를 도시한다.

특히, 도 6으로부터, 영구자석 발전기(1)의 각각의 3개의 상(A, B 및 C)의 각각의 2분의 1 주기(HP)에 대하여, 연결 구성을 변경시키기 위한 스위칭 회로(8)의 각각에서 사이리스터(T1-T6) 중 단지 하나만 전도 상태(ON)임을 알 수 있으며, 동시에, 도 6으로부터, 3상 발전기의 경우, 각각의 사이클의 6분의 1(P/6) 동안, 사이리스터(T1-T6)의 하나의 쌍이 상태를 변경한다.

이하에서 도 1 및 2의 전압 조정기의 동작 방법이 간략하게 설명된다.

일반적으로, 본 발명의 다양한 가능한 경우에서, 연결되는 전기적 부하에 의해 요구되는 전류에 관계없이, 영구자석 발전기(1)의 낮은 회전 속도와 높은 회전 속도 모두에서, 충분한 양의 전기력, 또는 전류가, 배터리(5)를 일정한 충전 전압(VB)으로 유지하기 위해 이용가능하다.

앞서 언급된 바와 같이, 영구자석 발전기(1)의 각각의 3개의 권선(3A, 3B 및 3C)의 단자가, 한 쌍의 반-브리지 정류기(4.1, 4.2)에 의해, 배터리(5)의 양의 단자로 연결되고, 전자 제어 회로(11)에 의해 제어되는 단락 스위치(6)에 의해 접지로 선택적으로 연결될 수 있다.

상 권선의 연결 구성을 성형에서 델타형으로(또는 그 역으로) 변화시키기 위해, 앞서 언급된 바와 같이, 전압 조정기는, 서로 역-병렬(anti-parallel)로 연결되며, 2개의 다른 상 권선의 접지로 단락될 수 없는 단자로 연결되는 애노드와 캐소드를 갖는 제 1 사이리스터와 제 2 사이리스터(T)를 각각 포함하는 3개의 스위칭 장치(8)를 포함한다. 영구자석 발전기(1)의 하나의 상의 전압 주파수, 예를 들어, 상 권선(3.6)의 주파수의 측정과, 연결 구성의 변경을 수행하는 전자 회로(9, 10)에 의해, 3개의 스위칭 장치(8)의 사이리스터(T)의 제어 전극은 개별적으로 조종된다.

상 주파수와 로터(2)의 분당 회전수(RPM) 간에 비례 관계가 존재하기 때문에, 분당 회전수가 전기 주파수와 로터의 극 결합의 횟수 간의 비와 동일함(일정하다)에 따라서, 상 주파수가 영구자석 발전기(1)의 회전수 RPM의 측정치에 대응하는 결과를 도출할 것이다.

도 3을 참조하여 앞서 언급된 바와 같이, 영구자석 발전기의 낮은 회전수에서, 배터리(5)로 공급되는 전류(I)는 상 권선이 델타형 연결된 경우와 비교하여 성형 연결되어 있는 경우에서 더 크다. 높은 회전수에 대하여 반대의 경우가 발생된다.

결과적으로, 로터(2)가 전기 측정 회로(9)를 구동하기 시작하고, 제어 회로(10)에 의해 3개의 스위칭 장치(8)가 전도 상태가 되자마자, 상 권선(3A, 3B 및 3C)의 성형 연결이 발생된다. 이러한 동작 절차는, 영구자석 발전기(1)가 발전기에 의해 공급되는 전류(I')의 값이 상 권선의 성형이나 델타형 타입의 연결과 관련이 없음이 도시되는 도 3의 포인트(P)에 대응되는 미리 지정된 값의 회전수(임계값(RPM'))에 도달할 때까지, 유지된다.

이러한 조건 하에서, 회전 속도를 측정하고, 스위칭 장치(8)를 제어하기 위한 회로(9, 10)는 더 이상, 전류가 0으로 강하하자마자 스위치 OFF하도록 사이리스터(T)를 조종하지 않는다. 따라서 상 권선은 델타형 연결이도록 변경되며, 전기력에 대한 더 큰 요청을 이행하도록 회전수(RPM)의 증가에 따라서 그렇게 유지된다.

그러나 상 권선 연결의 이들 모드 모두에서, 배터리 정격 값(VR)을 초과하자마자, 상 권선의 접지로의 단락을 위한 스위치(6)가 활성화된다. 덧붙이자면, 발전기의 상 권선과 스위칭 장치(8)에 흐르는 전류를 감소시키기 위해, 상 권선이 델타형 연결될 때, 단락 스위치(6)가 전도 상태를 띄지 않고, 제어 회로(10)가 성형 연 결이 된 후에만 전도 상태를 띈다.

따라서 배터리 전압의 정격 값(VR)에 가까운 영구자석 발전기의 높은 회전수에서, 전지로 단락되는 전류를 감소시키고, 성형 연결로 복귀하고, 그 즉시 단락 스위치(6)를 활성화시키는 것이 바람직하다.

첨부된 도면을 통해서, 필요한 전력에 관계없이, 배터리를 충전하기 위한 전압(VB)을 일정하게 유지하기 위해 필요한 최대 전류를 공급하여, 배터리 조정 전압(VR)에 도달하면, 과도 전류가 영구자석 발전기(1)의 상 권선과 연결 구성을 변경시키기 위한 스위칭 장치(8)에서 흐르는 것을 방지하기 위해, 2가지 서로 다른 조건으로 선택 구성될 수 있는 권선 연결을 갖는 영구 자석 발전기를 위한 전압 조정기가 제공됨을 명백히 알 수 있을 것이다.

도 1은 전압 조정기의 전기 회로의 다이어그램을 도시한다.

도 2는 상-주파수 검출 회로 및 상 권선의 연결 구성을 변경하기 위해 스위칭 회로를 제어하기 위한 파일럿 회로의 상세한 전자 다이어그램이다.

도 3은 상 권선의 성형 연결 및 델타형 연결 모두에 대한, 영구자석 발전기의 회전수에 따르는 각각의 반-브리지 정류기의 전류 그래프이다.

도 4는 발전기의 회전수가 전압 주파수의 임계 값 아래일 때의 시간에 따른 배터리 전압의 그래프를 도시한다.

도 5는 발전기의 회전수가 전압 주파수의 임계 값 이상일 때의 시간에 따른 배터리 전압의 그래프를 도시한다.

도 6은 상 권선의 연결 구성을 변경시키기 위한 회로의 전자 스위치에 대한 ON-OFF 절차를 보여주는 그래프이다.

*도면부호

1 - 영구자석 발전기

2 - 로터

3 - 상 권선

4 - 반-브리지 정류기

5 - 배터리

6 - 단락 스위치

7 - 배터리 전압 측정 회로

8 - 권선 구성 스위칭 장치

9 - 주파수 검출 회로

10 - 파일럿 회로

11 - 단락 제어 회로

12 - 메인 제어 회로

Claims

영구자석 발전기(1)의 A.C. 전력을 배터리(5)로 공급되는 D.C. 전력으로 변경하기 위한 전압 조정기(voltage regulator)에 있어서, 상기 영구자석 발전기(1)는 로터(rotor, 2)와 복수의 상 권선(3A, 3B, 3C)을 포함하고, 상기 복수의 상 권선 각각은 제 1 및 제 2 연결 단자를 가지며, 상기 전압 조정기는 배터리(5)의 정격 전압(VR)과, 영구자석 발전기(1)의 전압 주파수에 따라서, 상 권선(3A, 3B, 3C)의 연결을 제 1 구성과 제 2 구성 간에서 변경시키며, 상기 전압 조정기는

영구자석 발전기(1)의 각각의 상 권선(3A, 3B, 3C)의 해당하는 단자와 배터리(5) 사이에서, 서로에 대해 반대 상으로 연결되는 제 1 및 제 2 반-브리지 정류기(semi-bridge rectifier)(4.1; 4.2),

상 권선(3A, 3B, 3C)의 연결을 변경시키기 위한 권선 구성 제어 회로로서, 상기 권선 구성 제어 회로는 복수의 스위칭 장치(8)를 포함하고, 상기 복수의 스위칭 장치(8) 각각은 하나의 루프 회로(looped circuit)에서 역-병렬(anti-parallel)로 연결된 제 1 및 제 2 전자 스위치(T1, T2)로 구성되며, 여기서, 2개의 인접한 스위칭 장치(8) 간의 연결 포인트(P)가 각각의 상 권선(3A, 3B, 3C)의 하나의 단자로 차례로 연결되는 특징의, 상기 권선 구성 제어 회로,

상기 권선 구성 제어 회로를 위한 파일럿 회로(pilot circuit, 10)로서, 배터리에 대한 전압 측정 회로와 상 주파수 검출 회로로 연결되어 있는 스위칭 장치(8)의 상기 제 1 및 제 2 전자 스위치(T1, T2)의 제어 전극으로 연결되는 특징의, 상기 파일럿 회로(10),

상기 파일럿 회로(10)를 활성화시키고, 상기 주파수 검출 회로(9)에 의해 검출되는 전압 주파수의 지정된 임계값에서 권선(3A, 3B, 3C)의 연결 구성을 선택적으로 변경하는 상 주파수 검출 회로

를 포함하는 것을 특징으로 하는 전압 조정기.
제 1 항에 있어서,

각각의 상 권선(3A, 3B, 3C)과 전압 조정기의 접지 사이에 위치하는 전자 단락 스위치(6),

각각의 전자 단락 스위치(6)의 제어 전극으로 각각 연결되는 단락 제어 회로(11), 그리고

배터리 전압의 정격 값을 초과하면, 영구자석 발전기(1)의 권선(3A, 3B, 3C)을 접지로 단락시키기 위한, 단락 제어 회로(11)와 전압 측정 회로 사이에 연결되는 메인 제어 회로(12)

를 포함하는 것을 특징으로 하는 전압 조정기.
제 1 항에 있어서, 영구자석 발전기(1)의 제 1, 제 2 및 제 3 상 권선(3A, 3B, 3C)의 구성을 성형 구성(star configuration)과 델타형 구성(delta configuration) 간에서 변경시키기 위해, 스위칭 장치(8)는 서로, 그리고 상 권선(3A, 3B, 3C)으로 연결되는 것을 특징으로 하는 전압 조정기.
제 1 항에 있어서, 단락 스위치(6)에 의해, 각각의 상 권선(3A, 3B, 3C)의 제 1 단자가 접지로 연결되며, 각각의 상 권선(3A, 3B, 3C)의 나머지 단자는 스위칭 장치(8)들 사이의 연결 포인트(P)로 연결되는 것을 특징으로 하는 전압 조정기.
제 1 항에 있어서, 상기 파일럿 회로(10)는 영구자석 발전기(1)의 전압-주파수 검출 회로로 연결되는 것을 특징으로 하는 전압 조정기.
제 1 항에 있어서, 각각의 스위칭 장치(8)는 역-병렬(anti-parallel)로 연결되는 제 1 및 제 2 사이리스터(T)로 구성되는 것을 특징으로 하는 전압 조정기.
제 2 항에 있어서, 메인 제어 회로(12)와 파일럿 회로(10)는 각각의 제너 다이오드(Z2; Z3)에 의해 전압 측정 회로(7)로 연결되는 것을 특징으로 하는 전압 조정기.
제 7 항에 있어서, 파일럿 회로(10)의 제너 다이오드(Z3)는, 메인 제어 회로(12)의 제너 다이오드(Z2)의 브레이크다운 전압 값보다 낮은 브레이크다운 전압 값을 갖는 것을 특징으로 하는 전압 조정기.