KR101417317B1 - 듀얼 여자기를 이용한 초전도 발전 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 극저온 냉각 시스템을 구비한 초전도 발전 시스템에 관한 것으로, 초전도 발전기의 여자기를 듀얼로 구비하여 내부적으로 초전도 발전기의 계자권선 및 극저온 냉각 시스템에 필요한 전원을 각각 생성하여 공급함으로써 외부 전원 없이도 극저온 냉각 시스템뿐만 아니라 초전도 발전기의 구동이 가능한 초전도 발전 시스템의 구성을 제공한다.

Description

듀얼 여자기를 이용한 초전도 발전 시스템{SUPER CONDUCTING ELECREIC POWER GENERATION SYSTEM USING DUAL EXCITER}

본 발명은 극저온 냉각 시스템을 구비한 초전도 발전 시스템에 관한 것으로, 초전도 발전기의 여자기를 듀얼로 구비하여 초전도 발전기의 계자권선에 인가할 전압을 생성하는 동시에 극저온 냉각 시스템에 필요한 전원을 각각 생성하여 공급함으로써 자체 전력 공급이 가능한 초전도 발전 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 초전도 발전기는 절대온도 0K, 즉 섭씨 영하 273도에서 전기 저항이 소멸하는 초전도 현상을 응용한 발전기이다.

초기의 초전도 발전기는 절대온도 4K 내지 20K 범위 내에서 초전도 현상이 발생하는 선재를 사용하다가, 근래에는 상대적으로 높은 절대온도 30K 내지 77K에서 초전도 현상을 나타내는 소재가 발견되면서, 초전도 발전기에 대한 개발이 가속되고 있다.

현재 개발된 대부분의 초전도 발전기는 상전도 발전기에서 계자에 사용되던 구리 권선을 초전도 권선으로 대체한 구조를 갖는다.

이와 같이, 초전도 권선으로 계자를 형성하면, 전기 저항으로 인한 손실 없이 고자장의 회전자계를 만들 수 있다. 이러한 이유로, 초전도 발전기는 기존 상전도 발전기와 대비하여 보다 효율적이고 크기 및 무게가 작다는 장점이 있다.

그런데, 초전도 발전기는 계자 권선이 초전도 선재로 구비되기 때문에 많은 전류를 저항 없이 흘릴 수 있어도 높은 전압을 인가할 수 없다. 초전도 선재의 무저항 특성을 위해서는 초전도 선재로 이루어지는 계자 권선을 극저온으로 냉각시키는 극저온 냉각 시스템이 추가로 요구된다.

하지만, 극저온 냉각 시스템은 외부 전원을 사용하여 냉각 시스템의 냉동기 및 압축기 등을 구동하기 때문에, 외부 전원 공급에 문제가 발생하면 극저온 냉각 시스템의 가동이 중단되고 나아가 초전도 발전기의 동작도 중지된다.

특히, 선박용 발전 시스템과 같이 외부 전력이 단절된 상태에서 극저온 냉각 시스템으로 인가되는 전원이 정전되거나 부족하게 되면 초전도 발전 시스템도 운전이 불가능해지는 문제점이 있다.

또한, 초전도 발전기를 장시간 사용하지 않을 경우, 초전도 발전기의 계자에 여자 전원을 공급하는 여자기의 계자에 잔류 자기가 소멸하여 재가동이 곤란해지는 문제점이 있다.

대한민국 공개특허공보 제10-2003-0039945호 (공개일: 2003.05.22) 대한민국 등록특허공보 제10-0678492호 (등록일: 2007.02.02) 대한민국 공개특허공보 제10-2012-0076426호 (공개일: 2012.07.09)

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 극저온 냉각 시스템을 구비한 초전도 발전기 시스템에 듀얼 여자기를 형성하여 초전도 발전기의 계자권선 및 극저온 냉각 시스템에 각각 전원을 공급함으로써 외부 전원 없이도 극저온 냉각 시스템뿐만 아니라 초전도 발전기의 구동이 가능한 듀얼 여자기를 이용한 초전도 발전 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 듀얼 여자기를 이용하여 자체 전력이 공급이 가능함으로써 비상시에도 자가 발전이 가능하고 선박용 디젤 발전기와 같이 외부 전력 계통과 단절된 시스템에 유용하게 사용할 있도록 제공하는 데 있다.

이를 위하여, 본 발명의 제1 측면에 따른 초전도 발전 시스템은, 초전도 코일을 발전기의 권선으로 사용한 발전기용 회전자와 회전하지 않는 발전기용 고정자를 포함하는 초전도 발전기; 상기 초전도 발전기의 발전기용 회전자로 냉매를 공급하는 극저온 냉각 시스템; 상기 초전도 발전기의 발전기용 회전자 및 상기 극저온 냉각 시스템에 공급할 교류 전압을 각각 생성하는 듀얼 여자기; 및 상기 듀얼 여자기에서 상기 초전도 발전기의 발전기용 회전자로 공급하는 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 전력 변환 회로를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또, 상기 듀얼 여자기는 영구 자석과 전기자 권선을 포함하는 제1 여자기 및 제2 여자기를 포함하고, 상기 제1 여자기의 영구 자석과 상기 제2 여자기의 전기자 권선은 회전체에 서로 대면하게 구비되며, 상기 제1 여자기의 전기자 권선과 상기 제2 여자기의 영구자석은 상기 제1 여자기의 영구 자석과 상기 제2 여자기의 전기자 권선 사이에서 회전하지 않는 고정대에 각각 구비되어 상기 제1 여자기의 영구 자석 및 상기 제2 여자기의 전기자 권선에 각각 대응되게 위치하는 것을 특징으로 한다.

또, 상기 듀얼 여자기는 상기 제1 여자기의 전기자 권선과 상기 제2 여자기의 영구 자석 사이에 둘 간의 발생하는 자속을 차폐시키기 위한 차폐막을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 차폐막은 일정 두께로 형성되는 상부 및 하부 금속막과, 상기 상부 및 하부 금속막 사이에 유리 강화섬유 플라스틱(Glass Fiber Reinforced Plastics: GFRP)으로 이루어진 코어를 포함하여 3중 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 초전도 발전 시스템은, 상기 초전도 발전기가 정격 출력을 유지하도록 상기 초전도 발전기의 출력 전압을 감지하고, 감지한 출력 전압과 참조값을 비교하여 그 편차를 감소시키기 위한 보정 전압을 상기 전력 변환 회로로 전달하여 상기 초전도 발전기의 발전기용 회전자에 입력되어야 할 전압을 조정하도록 제어하는 자동 전압 변환 회로(Auto Voltage Regulator)를 더 포함할 수 있다.

이 경우, 상기 전력 변환 회로는 상기 초전도 발전기의 발전기용 회전자로 인가할 전압을 상기 자동 전압 변환 회로로부터 전달받은 보정 전압에 맞추도록 변환하여 출력하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 초전도 발전 시스템에 필수적인 극저온 냉각 시스템이 외부 전원 없이 자가 발전이 가능하므로 초전도 발전기 운전의 신뢰성이 높아지며, 외부 전력 계통과 연결할 수 없는 발전기 시스템에 사용이 가능한 효과가 있다.

또한, 영구 자석을 이용한 2개의 듀얼 여자기를 구비함으로써 극저온 냉각 시스템과 발전기용 회전자에 필요한 전원을 공급할 수 있고, 이때 듀얼 여자기와 초전도 발전기의 발전기용 회전자에 전력 변환 회로를 통해 연결되기 때문에 기존에 초전도 발전기용 회전자에 전원을 인가하기 위해 구비하였던 기존 브러시(brush)의 구성이 불필요한 효과가 있다.

또한, 기존에 극저온 냉각 시스템을 가동하기 위해 외부에서 공급하는 별도의 전원 장치가 필요 없으므로 시스템의 구조를 단순화할 수 있는 효과가 있다.

또한, 고정자와 영구 자석으로 결합된 듀얼 여자기에 차폐막을 구성하여 영구 자석에 의해 발생하는 자속을 효과적으로 차폐시킴으로써 듀얼 여자기 에서 발생하는 전류를 원활하게 공급하게 하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 듀얼 여자기를 이용한 초전도 발전 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 듀얼 여자기에 구비한 차폐막의 내부 구성을 나타낸 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시 예를 상세하게 설명한다. 본 발명의 구성 및 그에 따른 작용 효과는 이하의 상세한 설명을 통해 명확하게 이해될 것이다. 본 발명의 상세한 설명에 앞서, 동일한 구성요소에 대해서는 다른 도면 상에 표시되더라도 가능한 동일한 부호로 표시하며, 공지된 구성에 대해서는 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 구체적인 설명은 생략하기로 함에 유의한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 듀얼 여자기를 이용한 초전도 발전 시스템의 구성도이고, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 듀얼 여자기에 구비한 차폐막의 내부 구성을 나타낸 도면이다.

먼저 도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 초전도 발전 시스템은 초전도 발전기(10), 극저온 냉각 시스템(20), 전력 변환 회로(30), 듀얼 여자기(40) 등을 포함한다.

부가적으로, 본 발명의 실시 예에 따른 초전도 발전 시스템은 밸런싱 웨이트(Balancing Weight)(50), 자동 전압 조절 장치(Auto Voltage Regulator: AVR)(60), 전압 탭(voltage meter)(70) 등을 더 포함할 수 있다.

이때, 본 발명의 실시 예에 따른 초전도 발전 시스템은 극저온 냉각 시스템(20)을 제외한 초전도 발전기(10), 전력 변환 회로(30), 듀얼 여자기(40), 밸런싱 웨이터(50), 자동 전압 조절 장치(60), 전압 탭(40) 등은 하나의 하우징(housing)에 패키징하여 구현할 수 있다.

초전도 발전기(10)는 초전도 계자권선(14)을 포함한 회전부 조립체인 발전기용 회전자(11)와, 발전기의 회전하지 않는 부분에 전기자 권선을 포함한 고정부 조립체인 발전기용 고정자(13)로 구성되어, 발전기용 회전자(11)와 발전기용 고정자(13)에 의해 전력을 발생한다.

여기서, 초전도 계자권선(14)은 발전기용 회전자(11)의 핵심 부분으로, 외부로부터 전기를 받아서 강력한 자석을 만드는 초전도 코일을 말한다.

즉, 본 발명에서의 초전도 발전기(10)는 초전도 코일을 발전기의 권선으로 이용하고, 회전 계자형(revolving field type)으로 형성된다.

극저온 냉각 시스템(20)은 초전도 발전기(10)의 발전기용 회전자(11)로 극저온의 냉매를 공급하여 초전도 계자권선(14)을 냉각시키는 역할을 한다.

이러한 극저온 냉각 시스템(20)은 냉매를 냉각시키는 냉동기(21)와, 냉동기(21)와 초전도 발전기(10)의 발전기용 회전자(11) 사이에서 냉매를 순환시키는 냉매 순환부(23) 등을 포함한다.

또한, 도시하지는 않았으나, 극저온 냉각 시스템(20)은 압축기 및 펌프 등과 같이 냉매를 냉각 및 순환시키기 위한 추가적인 구성을 더 포함할 수 있다. 이처럼, 극저온 냉각 시스템(20)은 해당 기술분야의 종사자가 용이하게 변경 실시할 수 있는 범위 내에서 다양한 구조를 가질 수 있다.

듀얼 여자기(40)는 초전도 발전기(10)와 극저온 냉각 시스템(20)에 필요한 전원을 자체적으로 생성하여 공급한다.

구체적으로, 듀얼 여자기(40)는 듀얼 형태로 여자기를 두 개 구비하여 하나의 여자기는 초전도 발전기(10)의 초전도 계자권선(14)에 인가할 전원을 생성하고, 다른 하나의 여자기는 극저온 냉각 시스템(20)에 필요한 전원을 생성한다.

이를 위한 듀얼 여자기는 두 개의 영구 자석(41a, 43a)과 두 개의 전기자 권선(41b, 43b)으로 구성된다.

즉, 제1 여자기(41)는 회전체(44)에 장착되어 회전하는 영구 자석(41a)과 고정대(45)에 고정되어 있는 전기자 권선(41b)으로 구성되고, 제2 여자기(43)는 회전체(15a)에 장착되어 회전하는 전기자 권선(43b)과 고정대(45)에 고정되어 있는 영구 자석(43a)으로 구성된다.

따라서, 제1 여자기(41)의 영구 자석(41a)과 제2 여자기(43)의 전기자 권선(43b)은 샤프트(shaft: 15)와 연결된 회전체(15a, 44)에 의해 서로 대면하게 구비되고, 제1 여자기(41)의 전기자 권선(41b) 및 제2 여자기(43)의 영구 자석(43a)은 서로 대면하는 제1 여자기(41)의 영구 자석(41a)과 제2 여자기(43)의 전기자 권선(43b) 사이에서 회전하지 않는 고정대(45)에 각각 장착된다. 그리고, 제1 여자기(41)의 전기자 권선(41b)은 제1 여자기(41)의 영구 자석(41a)과 대응되게 위치하고, 제2 여자기(43)의 영구 자석(43a)은 제2 여자기(43)의 전기자 권선(43b)과 대응되게 위치한다.

이렇게 구성되는 제1 여자기(41)는 극저온 냉각 시스템(20)에 필요한 교류 전압을 생성하여 브러쉬(brush) 없이 극저온 냉각 시스템(20)으로 공급한다.

또한, 제2 여자기(43)는 초전도 계자권선(14)에 자속을 형성하는 데 필요한 교류 전압을 생성하여 초전도 발전기(10)의 발전기용 회전자(11) 측으로 공급한다.

또한, 듀얼 여자기(40)는 제1 여자기(41)와 제2 여자기(43) 사이에 차폐막(42)과 차폐막(42)을 보호하는 차폐막용 하우징(42a)을 더 포함할 수 있다.

차폐막(42)은 제1 여자기(41)의 전기자 권선(41b)과 제2 여자기(43)의 영구 자석(43a) 사이에 구비되어 이들간 발생하는 자속을 차폐시킨다.

도 2는 차폐막(42)의 구성을 세부적으로 나타낸 것으로, 본 발명의 실시 예에 따른 차폐막(42)은 3중 구조로 이루어진다.

즉, 금속 재질(iron)로 일정 두께를 갖는 상부 금속막(421)과 하부 금속막(423), 상부 금속막(421)과 하부 금속막(423) 사이에 유리 강화섬유 플라스틱(Glass Fiber Reinforced Plastics: GFRP)으로 이루어진 코어(core: 422)를 포함한다.

코어(422)는 유리 강화섬유 플라스틱의 재질상 자속의 측면에서 공기와 같은 특성을 가지고 있으므로 공기벽(air barrier)을 형성한다. 이러한 코어(422)는 가벼우면서도 우수한 기계적 강도를 갖기 때문에, 양쪽에 배치되는 제1 여자기(41)의 전기자 권선(41b)과 제2 여자기(43)의 영구 자석(43a)간 발생하는 자속을 차단하여 차폐하는 역할을 한다.

다시 도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 전력 변환 회로(30)는 제2 여자기(43)의 전기자 권선(43b)에서 생성된 3상 교류 전압을 초전도 발전기(10)의 초전도 계자권선(14)에 사용될 직류 전원으로 변환하여 출력한다.

이러한 전력 변환 회로(30)의 구성으로 인해 본 발명의 실시 예에서는 듀얼 여자기(40)에서 생성한 전압을 초전도 발전기(10)로 공급할 때 브러쉬(brush)를 통하지 않고서도 전달할 수 있게 된다.

또한, 전력 변환 회로(30)는 제2 여자기(43)의 전기자 권선(43b)에서 생성된 3상 교류 전압을 직류 전압으로 변환할 때 자동 전압 조절 장치(Auto Voltage Regulator: AVR)(60)로부터 전달받은 보정 전압에 맞추도록 변환함으로써 초전도 발전기(10)에서 후단의 전력 계통으로 공급하는 전압이 일정하게 유지되도록 제어한다.

자동 전압 조절 장치(60)는 초전도 발전기(10)가 정격 출력을 유지하도록 전력 변환 회로(30)를 제어한다.

즉, 자동 전압 조절 장치(60)는 초전도 발전기(10)의 출력 전압을 측정하고, 측정한 출력 전압과 참조값을 비교하여 그 편차를 감소시키기 위한 보정 전압을 산출한다. 그리고, 산출한 보정 전압을 전력 변환 회로(30)로 전달하여 초전도 발전기(10)의 발전기용 회전자(11)로 입력해야 할 전압을 조정하도록 제어한다. 전달 방법은 유선 통신을 통해서도 가능하지만, 무선(wireless) 통신을 통해서도 가능하다.

밸런싱 웨이터(Balancing Weight: 50)는 회전체의 회전시 편심을 보완하는 기구적인 구성으로, 전력 변환 회로(30)를 포함하는 단자함(도시하지 않음)이 장착될 때 이로 인한 편중 현상을 볼트 등의 무게추를 추가하는 것으로 밸런스를 보완할 수 있다.

단자함(미도시)은 전력 변환 회로(30)뿐만 아니라, 초전도 계자권선용 DC 전압 포트, 자동 전압 조절 장치(60)와의 통신 포트 및 전압 탭간 입력 포트 등의 다수의 입출력 포트를 포함한다. 이러한 단자함은 밸런싱 웨이터(50)에 장착되는 구조를 갖는다.

전압 탭(70)은 초전도 계자권선(14)의 전압을 검출하여 전력 변환 회로(30)로 전달하기 위한 전압 센서를 포함한다. 전압 탭(70)은 검출한 초전도 계자권선(14)의 전압값에 따라 전력 변환 회로(30)에서 코일로 분류되는 전압 크기를 제어한다.

따라서, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 초전도 발전 시스템은 듀얼 형태의 영구 자석과 전기자 권선을 이용하여 자체적으로 전압을 생성하게 됨으로써, 특히, 초전도 발전기의 계자권선이 자속을 형성하는 데 필요한 전압과 극저온 냉각 시스템의 구동에 필요한 전압을 각각 생성하여 공급함으로써 외부 전원 없이도 초전도 발전기 및 극저온 냉각 시스템에 안정적인 전원을 공급할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 초전도 발전 시스템은 외부 전원 없이 자가 발전이 가능하므로 초전도 발전기에 대한 신뢰성을 높일 수 있고, 외부 전력 계통 없이 단독 계통으로 운전되는 섬 혹은 선박의 발전기용으로 적용이 가능할 것이다.

이상의 설명은 본 발명을 예시적으로 설명한 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명의 명세서에 개시된 실시 예들은 본 발명을 한정하는 것이 아니다. 본 발명의 범위는 아래의 특허청구범위에 의해 해석되어야 하며, 그와 균등한 범위 내에 있는 모든 기술도 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석해야 할 것이다.

10: 초전도 발전기 11: 발전기용 회전자
13: 발전기용 고정자 14: 초전도 계자권선
15: 샤프트 15a, 44: 회전체
20: 극저온 냉각 시스템 21: 냉동기
23: 냉매 순환부 30: 전력 변환 회로
40: 듀얼 여자기 41, 43: 제1 및 제2 여자기
41a, 43a: 영구 자석 41b, 43b: 전기자 권선
42: 차폐막 42a: 차폐막용 하우징
45: 고정대 50: 밸런싱 웨이터
60: 자동 전압 조절 장치 421, 423: 상부 및 하부 금속막
422: 코어

Claims (7)

1. 초전도 코일을 발전기의 권선으로 사용한 발전기용 회전자와 회전하지 않는 발전기용 고정자를 포함하는 초전도 발전기;
   상기 초전도 발전기의 발전기용 회전자로 냉매를 공급하는 극저온 냉각 시스템;
   영구 자석과 전기자 권선을 포함하는 제1 여자기 및 제2 여자기를 포함하고,상기 초전도 발전기의 발전기용 회전자 및 상기 극저온 냉각 시스템에 공급할 교류 전압을 각각 생성하는 듀얼 여자기; 및
   상기 듀얼 여자기에서 상기 초전도 발전기의 발전기용 회전자로 공급하는 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 전력 변환 회로;
   를 포함하되,
   상기 제1 여자기의 영구 자석과 상기 제2 여자기의 전기자 권선은 회전체에 서로 대면하게 구비되며, 상기 제1 여자기의 전기자 권선과 상기 제2 여자기의 영구자석은 상기 제1 여자기의 영구 자석과 상기 제2 여자기의 전기자 권선 사이에서 회전하지 않는 고정대에 각각 구비되어 상기 제1 여자기의 영구 자석 및 상기 제2 여자기의 전기자 권선에 각각 대응되게 위치하는 것을 특징으로 하는 초전도 발전 시스템.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 듀얼 여자기는
   상기 제1 여자기의 전기자 권선과 상기 제2 여자기의 영구 자석 사이에 둘 간의 발생하는 자속을 차폐시키기 위한 차폐막
   을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 발전 시스템.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 차폐막은
   일정 두께로 형성되는 상부 및 하부 금속막과,
   상기 상부 및 하부 금속막 사이에 유리 강화섬유 플라스틱(Glass Fiber Reinforced Plastics: GFRP)으로 이루어진 코어
   를 포함하여 3중 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 초전도 발전 시스템.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 초전도 발전기가 정격 출력을 유지하도록 상기 초전도 발전기의 출력 전압을 감지하고, 감지한 출력 전압과 참조값을 비교하여 그 편차를 감소시키기 위한 보정 전압을 상기 전력 변환 회로로 전달하여 상기 초전도 발전기의 발전기용 회전자에 입력되어야 할 전압을 조정하도록 제어하는 자동 전압 변환 회로(Auto Voltage Regulator)
   를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 발전 시스템.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 전력 변환 회로는
   상기 초전도 발전기의 발전기용 회전자로 인가할 전압을 상기 자동 전압 변환 회로로부터 전달받은 보정 전압에 맞추도록 변환하여 출력하는 것을 특징으로 하는 초전도 발전 시스템.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 극저온 냉각 시스템은,
   냉매를 냉각시키는 냉동기와, 상기 냉동기와 상기 초전도 발전기의 발전기용 회전자 사이에서 상기 냉매를 순환시키는 냉매 순환부를 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 발전 시스템.
   

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