KR101293416B1 - 극저온 정지 여자기용 장치 - Google Patents

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KR101293416B1
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제임스 윌리암 브래이
루이스 호세 가세스
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제너럴 일렉트릭 캄파니
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Abstract

본 명세서에 개시된 기술은 극저온의 정지 여자기(10)에 관한 것이다. 극저온의 정지 여자기(10)는 계자 권선(12)을 갖는 동기식 전기 기기(11)에 접속된다. 동기식 전기 기기(11)는 냉각기 또는 액체 질소와 같은 극저온의 액체에 의해 냉각된다. 정지 여자기(10)는 계자 권선(12)과 통신하며, 주위 온도에서 동작한다. 정지 여자기(10)의 선택된 영역은 동기식 기기에도 작용할 수 있는 냉각기 또는 극저온 소스에 의해 냉각되고, 이러한 선택적인 냉각은 정지 여자기(10)의 선택된 영역의 동작 온도를 감소시킨다.

Description

극저온 정지 여자기용 장치{CRYOGENIC EXCITER}
도 1은 정지 극저온 여자기의 예시적인 실시예의 블록도,
도 2는 동기식 기기에 사용되는 필드 여자기의 개략도,
도 3은 도 2의 실시예와는 다른 대체 실시예의 개략도,
도 4는 도 2의 실시예와는 다른 제 2의 대체 실시예의 개략도.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10 : 정지 여자기 11 : 동기식 전기 기기
12 : 계자 권선 13 : 극저온 소스
14 : 정지 여자기 15 : 계자 권선
16 : 부스트 컨버터 17 : 벅 컨버터
18 : DC 버스 19 : 인덕터
20 : IGBT 스위치 21 : 캐패시터
22 : 다이오드 23 : IGBT 스위치
24 : IGBT 스위치 25 : 플라이백 다이오드
26 : 플라이백 다이오드 27 : 전력 소스
28 : 제어기 29 : 정지 여자기
30 : DC/DC 컨버터 31 : 저전압 버스
32 : 고전압 버스 33 : 고전압 버스 컨버터
34 : 저전압 버스 컨버터 35 : IGBT 스위치
36 : IGBT 스위치 37 : IGBT 스위치
38 : 캐패시터 39 : 플라이백 다이오드
41 : 다이오드 42 : 다이오드
43 : 다이오드 44 : IGBT 스위치
45 : 정지 여자기 46 : 전력 변압기
47 : 다이오드 48 : 캐패시터
49 : 컨버터 50 : 저역 통과 필터
60 : 제어기 61 : 고전압 DC 버스
62 : 다이오드 정류관 브리지 63 : 냉동 소스
본 발명은 극저온의 정지 여자기(static exciter)에 관한 것이다.
통상적으로, 동기식 기기에 사용되는 여자기는 일반적으로 회전자(rotor) 상에 위치되는 계자 권선(field winding)에 전기적으로 접속된 동기식 기기의 고정자(stator)의 부근에 장착된다. 여자기의 기능은 계자 권선에 전류를 제공하고 그 에 따라 기기 동작에 필요한 자기장을 생성하는 것이다. 이러한 필드 여자기는 상대적으로 높은 전류량과 기기의 출력 전압을 제어하는 역할을 갖는, DC(direct current)가 제어되는 대역폭의 증폭기로 생각될 수 있다. 이러한 증폭기는, 그리드(grid)에 접속된 3-상 변환기로부터 또는 기기 단자로부터 직접 공급받는 사이리스터 브릿지(thyristor bridges)를 사용하여 기기의 여자기 권선에 공급하는 DC 전압을 발생시킨다. 전력 발생기로 사용되는 공급 기기에 사용될 때, 부분적으로 그들의 자기 성분의 무게 때문에 필드 여자기는 일반적으로 크기와 무게가 크다. 예를 들어, 높은 전력을 필요로 하는 성분을 갖는 비행기는 크기, 출력 전력, 전기 발생기의 무게 및 그들의 필드 여자기에 의해 직접적으로 영향을 받는다. 만약 비행기가 계속 높은 전력을 필요로 하는 성분을 갖는다면, 전력을 발생하는 동기식 기기의 크기와 무게는 문제가 될 것이다.
전력을 발생하는 동기식 기기의 크기와 무게에 대한 문제를 해결하려는 시도는 일부 측면에서는 성공하였지만 일부 측면에서는 실패하였다. 상대적으로 최근의 아이디어는 필드 여자기를 포함하는 동기식 기기의 일부와 초전도성으로 제조될 수 있는 부분을 극저온으로 냉각시키는 것이다. 약 100K(Kelvin) 이하의 극저온 냉각이 일반적으로 적용된다. 저온에서, DC에서 0 저항을 얻는 초전도를 사용하여 전류 제어 능력과 다수의 반도체 디바이스의 스위칭 속도가 향상되고 코일과 컨덕터의 저항이 감소되며, 따라서 이러한 성분들의 크기 및 무게가 감소된다. 이러한 성분의 크기와 무게를 감소시키고 성능을 향상시키기 위한 접근에도 불구하고, 냉각시키는 것은 일부 소자의 크기 및 무게를 감소시키는 데에 큰 영향을 미치지 못 하거나 또는 냉각시키는 것이 너무 비싸기 때문에 비경제적이다.
본 명세서에 개시된 기술은 극저온의 정지 여자기에 관한 것이다. 극저온의 정지 여자기는 동기식 전기 기기의 계자 권선에 접속된다. 동기식 전기 기기는 한제(cryogen) 또는 냉동을 통해 극저온으로 온도를 낮출 수 있다. 정지 여자기는 계자 권선에 전기적으로 접속되며 그것의 일부는 주위 온도에서 동작될 수도 있다. 정지인 여자기의 선택된 영역은 냉장기 또는 극저온의 동기식 기기와 정지 여자기의 동작 온도를 선택적으로 감소시키는 냉각을 제공할 수 있는 한제 소스로부터 냉각된다.
전술된 특성들과 다른 특성들이 첨부된 도면과 상세한 설명으로부터 예시된다.
첨부된 도면이 참조될 수 있으며 동일한 소자에 대해 동일한 참조 번호가 적용된다.
본 명세서에 개시된 기술은 동기식 전기 기기(11)에 사용되는, 도 1의 냉각된 정지 여자기(10)에 관한 것이다. 만약 필요하다면, 전기 기기(11)는 권선형-필드(wound field) 또는 동극의 회전자(homopolar rotor)를 가질 수 있으며, 즉 계자 권선(12)이 회전자 상에 또는 전기 기기(11)의 고정자 상에 구축될 수 있다. 만약 필요하다면, 전기 기기(11)는 일부분이 100K(kelvin) 이하의 온도로 냉각된 극저온일 수 있다. 예를 들어 전기 기기(11)는 액체 한제 내에서 계자 권선을 둘러쌈으로써 77K까지 냉각된다. 액체 한제의 예로는 액체 질소가 있다. 만약 필요하다면, 전기 기기(11)의 고정자 권선과 계자 권선은 구리, 알루미늄 또는 초전도성 재료로 제조될 수 있다.
도 1의 정지 여자기(10)는 전기 기기(10)에 매우 근접하게 위치된다. 정지 여자기(10)는 상대적으로 고전류량의 DC 제어되는 증폭기이다. 이러한 증폭기는 그리드에 접속된 3-상 변환기로부터 직접 공급받는 사이리스터 브릿지(thyristor bridges)를 사용하여 전기 기기(11)의 계자 권선에 공급하는 DC 전압을 발생시킨다. 전기 기기(11)가 전력 발생에 사용될 때, 그들은 일반적으로 그들의 전자기 및 구조적 성분의 무게 때문에 크기가 크고 무게가 많이 나간다. 전기 기기(11)의 크기 및 무게를 감소시키기 위해, 극저온 소스(13)에 의해 극저온으로 냉각될 수 있다.
또한 냉각된 전기 기기(11)가 정지 여자기(10)가 냉각시키거나 또는 여자기(10)가 극저온 소스(13) 및/또는 냉동 소스(63)으로부터 직접 냉각될 수 있다. 정지 여자기(10)는 정지 여자기(10)의 전자 회로를 선택적으로 직접 냉각(13) 및/또는 냉각(63)할 수 있다. 냉각(13) 및/또는 냉각(63)의 선택적인 응용은 정지 여자기(10)가 신중하고 경제적인 면에서 여자기의 크기 및 무게를 감소시키는 것을 가능케 한다. 정지 여자기(10)의 일부 영역을 냉각하는 것은 다른 영역을 냉각하는 것 보다 경제적일 수 있다. 냉각될 영역은 반도체, 전기 컨덕터, 필터, 캐패시 터, 인덕터 또는 전력 변압기를 포함할 수 있다.
반도체 디바이스: 저온에서 동작할 때, 전력 MOSFETs 및 IGBT(insulated gate bipolar transistors)와 같은 반도체 스위치에 대해 온-저항(on-resistance)이 획득될 수 있으므로 손실이 명백하게 감소한다는 것이 알려져 있다. 필드 여기에서 요구되는 상대적으로 높은 전류로부터의 저항 손실 감소에 의해 이득을 얻을 수 있다. 디바이스들은 또한 냉각되었을 때 높은 속도에서 전환될 수 있으며, 스위칭 손실의 감소로부터 속도가 증가되고 보다 단순한 회로가 획득될 수 있다.
전기 컨덕터: 정지 여자기(10)에서 요구되는 배선은 많은 량의 전류를 운반해야 하며 전체 시스템의 전력 손실 및 무게에 있어서 배선이 차지하는 부분은 상당하다. 고온의 초전도 재료로부터 배선을 제조하는 것은 배선의 손실 및 크기/무게를 감소시킨다. 그러나, 만약 고온의 초전도체 재료의 사용이 실용적이지 않다면, 종래의 구리 또는 알루미늄 배선을 냉각시키는 것이 그들의 전도성과 성능을 향상시킬 것이다.
필터: 높은 전류와 그것의 제어는 높은 주파수에서의 반도체 스위칭의 사용을 필요로 한다. 케이블링(cabling), 변압기 또는 다른 성분에 의해 방출되는 다량의 전자기적 간섭을 감소시키기 위해, 이러한 디바이스들의 출력은 차폐될 뿐만 아니라 고온의 초전도 권선 또는 냉각된 종래의 컨덕터를 사용하여 구축된 인덕터를 사용하여 필터링됨으로써 그들의 손실, 무게 및 크기를 감소시켜야 한다. 또한 전자기적 간섭 차폐 재료가 고온의 초전도체 또는 냉각된 컨덕터로부터 제조되어 크기를 감소시키고 전도성을 증가시킴으로써 차폐 기능을 향상시킬 수 있다. 또한 필터들은 여자기의 DC 출력을 부드럽게 하는 데에 사용될 수 있다. 필터들은 일반적으로 냉각으로부터 이득을 얻을 수 있는 캐패시터와 다이오드를 포함한다.
전력 변압기: 제어 대역폭과 함께 전기 기기(11)의 타이트한 전압 조절에 요구되는 계자 권선(15) 인덕턴스의 높은 값은 고전압 출력(~1kV까지)과 전류 증폭기의 사용을 필요로 한다. 이러한 전압 레벨은 고전압에서 나타날 수 있는 코로나 현상 때문에 항공기와 같은 일부 응용에서 낮은 값(최대 270V)으로 제한될 수 있다. 이러한 전압은 크기, 무게 및 전력 손실을 감소시키기 위한 고전압 초전도체 또는 냉각된 종래의 권선의 사용으로부터 이익을 얻을 수 있는 전력 변압기의 사용을 필요로 한다.
정지 여자기(14)의 한 예가 도 2에 도시된다. 정지 여자기(14)는 전기 기기, 즉 모터 또는 발전기의 계자 권선 코일(15)로의 전류를 제어한다. 정지 여자기(14)는 선택된 수만큼의 전술된 냉각 후보 성분을 포함한다. 정지 여자기(14)의 냉각은, 약 340K의 주위 온도에서 동작하는 정지 여자기(14)를, 선택된 성분들에 대해 극저온 냉각에서 100K 이하로, 냉동 냉각에서 100K 이상으로 냉각시킴으로써 수행된다. 정지 여자기(14)는 부스트 컨버터(boost converter)(16) 및 벅 컨버터(buck converter)(17)를 포함한다. 부스트 컨버터(16)는 저 DC 전압을 고 DC 전압으로 변환하도록 구성된다. 저전압의 DC 전력은 저전압 DC 버스(18)에 공급되는 반면, 고전압의 DC 전력은 고전압 DC 버스(61)에서 출력된다.
도 2의 부스트 컨버터(16)는 인덕터(19) 및 IGBT 스위치(20)를 포함한다. 후술될 바와 같이, IGBT 스위치(20)는 DC 버스를 가로질러 연결되고 예를 들어 조 정된 방식의 펄스 폭에서 스위칭되어 전기 전력을 저전압 버스(18)로부터 고전압 DC 버스(61)에 인가되는 고전압으로 변환시킬 수 있다. 캐패시터(21)는 IGBT 스위치(20)에 전기적으로 병렬 연결되며 고전압을 저장한다. 다이오드(22)는 고전압 DC 버스(61)로부터 부스트 컨버터(16)으로의 역전류 흐름을 방지한다.
도 2의 벅 컨버터(17)는 제 1 벅 컨버터 IGBT 스위치(23), 제 2 벅 컨버터 IGBT 스위치(24) 및 IGBT 스위치(23, 24)와 원형으로 연결된 한 쌍의 플라이백 다이오드(flyback diode)(25, 26)를 포함한다. 코일은 제 1 및 제 2 벅 컨버터 IGBT 스위치(23, 24)에 따라 충전 또는 방전된다. 당업자가 이해하는 바와 같이, 도시된 실시예에서 벅 컨버터는 두 개의 4분된 컨버터(a two quadrant converter)이며 이것은 제 1 및 제 2 벅 컨버터 스위치들이 역전류는 없지만 극이 반전된 상태에서 스위칭됨을 의미한다.
일반적인 동작 동안, 도 2의 부스트 컨버터(16)는 DC 전력 소스(27)에 연결된다. DC 전력 소스(27)는 도면에서 배터리로서 도시되지만, 어떠한 저전압 소스도 가능하다. 도시된 바와 같이, 제어기(28)는 부스트 컨버터(16)의 IGBT 스위치(20)의 게이트에 접속되어 제어 신호를 제공하며 벅 컨버터(17)의 IGBT 스위치(23, 24)에 접속되어 계자 권선 코일(15)을 여기시키는 데에 필요한 전압을 제공한다. 특히, 제어기(28)에 의한 부스트 IGBT 스위치(20)의 PWM(pulse width modulation)은 고전압 DC 버스(61)를 위해 캐패시터(21)에서 요구되는 고전압을 증대시킨다. 계자 권선 코일(15)이 충전할 때, 캐패시터(21)는 방전하여 벅 컨버터(17)에 전압을 공급한다.
도 2의 부스트 컨버터(16)와 벅 컨버터(17)는, 만약 필요하다면, 전반적으로 냉각될 수 있다. 캐패시터(21)도 냉각될 수 있지만 제한된 이득이 획득될 수 있다. 부스트 컨버터(16)와 벅 컨버터(17)를 냉각시키는 것의 경제적 비용은 중요할 수 있다. 냉각 비용에 따라, 부스트 컨버터(16)와 벅 컨버터(17)의 전부가 아닌 선택된 수만큼의 성분만이 냉각될 수 있다. 예를 들면, 부스트 컨버터(16)와 벅 컨버터(17)의 모든 성분들을 냉각하는 대신 IGBT 스위치(20, 23, 24, 26)가 냉각될 수 있다. 350K에서 77K로 냉각되었을 때, IGBT 스위치(20, 23, 24, 26)의 전류 제어 특성은 두 배 이상이 된다. 냉각함으로써 IGBT 스위치(20, 23, 24, 26)는 정지 여자기(14)의 대부분의 임의의 비-코일 성분에 이익을 준다.
다른 예는 DC/DC 컨버터(30)를 사용하여 저전압을 고전압으로 변환하는, 도 3에 도시된 멀티레벨 정지 여자기(multilevel static exciter)(29)이다. DC/DC 컨버터(30)는 저전압 버스(31)와 고전압 버스(32)의 사이에 연결된다. 적층된 브리지는 각각 한 쌍의 IGBT 스위치(35, 36)와 IGBT 스위치(44, 37)를 갖는 고전압 버스 컨버터(33) 및 저전압 버스 컨버터(34)인 벅 컨버터이다. 스위치의 게이트는 제어기(60)에 접속된다. 제어기(60)를 게이트에 접속시키는 라인은 명확성을 위해 생략되었다. 전술된 바와 같이, 스위치들은 제어기(60)에 의해 스위치되어 계자 권선 코일(15)에 필요한 전압을 공급하는 PWM이다. 예를 들어, 고전압 버스로부터 계자 권선 코일(15)에 최고전압을 공급하기 위해 제어기(60)는 모든 IGBT 스위치를 전도 상태에 위치시킨다. 캐패시터(38)로 방전하기 위해, 제어기(60)는 제 1 고전압 버스 IGBT 스위치(36) 및 제 2 고전압 버스 IGBT 스위치(35) 모두를 비전도 상 태에 위치시키는 반면, 제 1 저전압 버스 IGBT 스위치(44)와 제 2 저전압 버스 IGBT 스위치(37)는 전도 상태에 위치시킨다. 전류는 계자 권선 코일(15)로부터 두 개의 저전압 버스 컨버터 스위치와, 저전압 버스 플라이백 다이오드(43) 및 제 1 고전압 버스 플라이백 다이오드(39)를 통해 DC-링크 캐패시터(38)로 흐른다.
이러한 구성은 전술된 회로와 동일한 다수의 장점을 제공한다. 예를 들면, 만약 DC/DC 컨버터(30)가 양방향성(bi-directional)이라면, 이것은 시스템 버스를 재생시키는 데에 사용될 수 있다. 또한, 고전압은 저전압 소스/버스로부터 획득될 수 있으며 일련의 전압이 당시의 필요에 따라 코일로 제공될 수 있다.
도 3의 벅 컨버터(33, 34)는, 만약 필요하다면, 전반적으로 냉각될 수 있다. 캐패시터(38)와 다이오드(39, 41, 42, 43)도 냉각될 수 있지만 냉각에 의해 제한된 이득이 획득될 수 있다. 전술된 바와 같이, 벅 컨버터(33, 34)를 냉각시키는 것이 가능하지만, 멀티레벨 정지 여자기(29)의 선택된 영역만을 냉각시키는 것이 경제적으로 보다 바람직할 수 있다. 예를 들어, DC/DC 컨버터(30)는 냉각을 함으로써 직접적인 이익을 받는 전력 변압기이다. 만약 DC/DC 컨버터(30)의 온도가 350K에서 77K으로 감소되면, 즉, 1/5이 되면, DC/DC 컨버터(30)의 저항도 약 1/5로 감소된다.
다른 예는 도 4의 정지 여자기(45)이다. 정지 여자기(45)는 캐패시터(48)에 접속된 3-상 다이오드 정류기 브리지(62)를 제공하는 전력 변압기(46)를 갖는다. 회로의 이러한 부분은 AC 전압을 DC 전압으로 변환한 다음 DC/DC 컨버터(49)에 공급하고 이것은 저역 통과 필터(50)에 의해 필터링된다. 필터(50)는 예를 들어 모 터 또는 발전기와 같은 전기 기기의 계자 권선 코일(15)에 접속된다. 고전류를 전송하는 모선(bus bars)을 통해 회로의 성분들 사이의 접속이 이루어진다. 이러한 유형의 냉각으로부터 우선적으로 이득을 얻는 정지 여자기의 성분은 필터(50)의 코일, 전력 변압기(46) 및 그들 사이의 접속 모선이다. 전술된 바와 같이, 전력 변압기, 필터 코일 및 모선들은 냉각을 함으로써 직접적인 이득을 얻는다. 만약 이러한 성분들의 온도가 350K에서 77K으로 감소되면, 즉, 1/5이 되면, 이러한 성분들의 저항도 약 1/5로 감소된다. 이러한 성분들은 정지 여자기(45)의 크기와 무게에 있어서 가장 큰 비율을 차지한다. 따라서, 전력 변압기, 필터 코일 및 모선들이 냉각을 함으로써 크기 및 무게의 감소에 있어서 가장 큰 이득을 얻는다.
도 4에, 냉각을 함으로써 이득을 얻는 다른 성분들이 존재한다. 그들은 다이오드(47), 컨버터(49) 내의 반도체 스위치와 다이오드 및 캐패시터(48)이지만, 경제적인 이익은 제한될 수 있으며, 예를 들어 이들을 냉각함으로써 얻을 수 있는 경제적 이익은 전력 변압기, 코일 및 모선들을 냉각함으로써 얻는 이익만큼 크지 않을 수 있다. 100K 이상으로 냉각을 하는 것이 선택된 성분들을 냉각함으로써 얻는 이익을 최대화할 수 있다. 경제적인 문제는 특정 온도로의 냉각의 이득과 냉각의 비용을 최적화하는 것이다. 100K 이상으로 냉각하는 것은, 만약 필요하다면, 냉동 소스(63)에 의해 성취될 수 있으며, 이것에 의한 보다 낮은 온도로의 냉각도 가능하다. 예를 들어, 냉동 소스(63)에 의해 다이오드(47)와 캐패시터(48)를 170K으로 냉각하는 것은 경제적 이득을 최대화하며 추가의 냉각에 대한 추가적인 비용이 발생하지 않는다. 만약 필요하다면, 여러 냉각 온도의 조합이 동일한 정지 여 자기에 사용될 수 있다. 예를 들면, 정지 여자기(45)는 전력 변압기, 코일 및 모선을 냉각하는 데에 보다 낮은 온도를 적용하고 다이오드, 스위치 및 캐패시터를 냉각하는 데에 보다 높은 온도를 적용할 수 있다.
본 발명이 예시적인 실시예를 참조로 하여 기술되었지만, 당업자는 개시된 기술의 범위로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화가 가능하며 본 명세서에서의 소자를 그의 균등물이 대체할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 또한, 본 발명의 본질적인 범위로부터 벗어나지 않는 한 개시된 기술에서의 특정한 상황 또는 재료를 적용하는 데에 다양한 변경이 가능하다. 따라서, 개시된 기술이 본 발명을 실행하는 데에 가장 바람직한 모드로서 개시된 특정한 실시예로 제한되는 것은 아니며, 본 발명은 첨부된 특허청구범위의 범위에 드는 모든 실시예들을 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 필드 여기에서 요구되는 상대적으로 높은 전류로부터의 저항 손실 감소에 의해 이득을 얻을 수 있다. 디바이스들은 또한 냉각되었을 때 높은 속도에서 전환될 수 있으며, 스위치 손실의 감소로부터 속도가 증가되고 보다 단순한 회로가 획득될 수 있다.

Claims (7)

  1. 동기식 전기 기기(11)의 계자 권선에 연결된 극저온 정지 여자기(10)로서,
    상기 극저온 정지 여자기(10)는 상기 계자 권선(12)과 통신하며,
    상기 극저온 정지 여자기(10)는 반도체, 전기 컨덕터, 필터, 캐패시터, 인덕터 및 전력 변압기 중 적어도 하나를 포함하는 영역을 포함하는 선택된 영역에서 극저온으로 냉각되고,
    상기 냉각은 상기 극저온 정지 여자기(10)의 선택적으로 냉각되는 영역의 동작 온도를 감소시키는
    극저온 정지 여자기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 계자 권선(12)은 정지형(static)인
    극저온 정지 여자기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 계자 권선(12)은 회전형(rotating)인
    극저온 정지 여자기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각은 액체 냉동제에 의한 것인
    극저온 정지 여자기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각은 냉동에 의한 것인
    극저온 정지 여자기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 여자기의 선택된 구성 요소의 동작 온도는 340K인
    극저온 정지 여자기.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 동기식 전기 기기(11)가 냉각되는
    극저온 정지 여자기.
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