KR101445006B1 - System for controlling superconduction generator for homopolar type - Google Patents

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Abstract

본 발명은 단극형 초전도 발전기 시스템에 관한 것으로, 특히 시스템 내에 구비한 하나의 여자기를 이용하여 발전기의 계자 권선 및 극저온 냉각 장치에 자체 전원 공급이 가능하도록 구현함으로써 전력 분배를 위한 구성 삭제로 시스템을 단순화하고 전력 분배기 설치에 따른 전력 손실을 최소화할 뿐만 아니라, 초전도 발전기의 계자 권선을 이중화하여 실제 제어에 필요한 계자 권선을 병렬 제어함으로써 제어 대상 권선의 인덕턴스를 절반 수준으로 저감시킨 단극형 초전도 발전기 시스템의 구성을 제공한다. The present invention relates to a single-pole superconducting generator system, and in particular, by using a single exciter provided in the system, it is possible to supply power to the field winding of the generator and the cryogenic cooling device, thereby simplifying the system by eliminating the configuration for power distribution And the power loss due to the installation of the power distributor is minimized. In addition, a single-pole superconducting generator system in which the inductance of the control target winding is reduced to half by controlling the field windings necessary for actual control in parallel by doubling the field winding of the superconducting generator .

Description

단극형 초전도 발전기 시스템{SYSTEM FOR CONTROLLING SUPERCONDUCTION GENERATOR FOR HOMOPOLAR TYPE}{SYSTEM FOR CONTROLLING SUPERCONDUCTION GENERATOR FOR HOMOPOLAR TYPE}

본 발명은 단극형 초전도 발전기 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 삼중 전기자 권선을 가지는 고정자를 포함한 여자기와 이중 계자 권선을 포함하는 단극형 초전도 발전기 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a unipolar superconducting generator system, and more particularly, to a unipolar superconducting generator system including an exciter including a stator having a triple armature winding and a double field winding.

일반적으로 단극형 발전기(homopolar generator)는 직류 발전기의 일종으로, 전기자 권선이 축과 절연된 원통형의 도체(이하, 전기자 도체)이고, 계자는 전기자 도체의 바깥쪽에 원통형의 도체와 동심적으로 배치된 원통상의 철심과 이 철심에 감긴 권선으로 이루어진다.In general, a homopolar generator is a type of dc generator in which the armature winding is a cylindrical conductor (hereinafter referred to as an armature conductor) insulated from a shaft and the field is arranged concentrically with the cylindrical conductor on the outside of the armature conductor And consists of a cylindrical iron core and a winding wound around the iron core.

이러한 단극형 발전기는 전기자 도체가 회전하면서 자속이 전 원주에 대해서 모두 동일 방향으로 형성되기 때문에 전기자 도체에는 동일 방향의 기전력을 발생한다. 본질적으로 단극형 발전기는 저전압, 대전류에 적합하다.In this unipolar generator, since the magnetic flux is formed in the same direction with respect to the entire circumference while the armature conductor rotates, an electromotive force in the same direction is generated in the armature conductor. In essence, unipolar generators are suitable for low voltage and large current.

이러한 단극형 발전기의 특성을 이용한 초전도 발전 시스템은 다음과 같이 구성될 수 있다.The superconducting power generation system using the characteristics of such a single-pole generator can be constructed as follows.

일반적으로, 초전도 발전기는 절대온도 0K, 즉 섭씨 영하 273도에서 전기 저항이 소멸하는 초전도 현상을 응용한 발전기이다.Generally, superconducting generators are superconducting generators that use superconducting phenomena in which electrical resistance disappears at an absolute temperature of 0 K, that is, at a temperature of -273 degrees Celsius.

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 가속화되고 있다. Early superconducting generators use wire materials that generate superconducting phenomena in an absolute temperature range of 4K to 20K. Recently, materials showing superconducting phenomena at relatively high absolute temperatures of 30K to 77K have been found, and development of superconducting generators has accelerated .

현재 개발된 대부분의 초전도 발전기는 기존 단극형 발전기에서 계자에 사용되던 구리 권선을 초전도 권선으로 대체한 구조를 갖는다. Most superconducting generators currently developed have a structure in which a superconducting winding replaces a copper winding used in a field in an existing single-pole generator.

이와 같이, 초전도 권선으로 계자를 형성하면, 전기 저항으로 인한 손실 없이 고자장의 회전자계를 만들 수 있다. 이러한 이유로, 초전도 발전기는 기존 단극형 발전기와 대비하여 보다 효율적이고 크기 및 무게가 작다는 장점이 있다. Thus, when a field is formed by a superconducting winding, a magnetic field of high magnetic field can be produced without loss due to electrical resistance. For this reason, superconducting generators have the advantage of being more efficient, smaller in size and smaller in weight compared to conventional single-pole generators.

도 1은 단극형 초전도 발전기 시스템의 구성도이다.1 is a block diagram of a single-pole superconducting generator system.

단극형 초전도 발전기 시스템은 여자기(Exciter: 1), 전력 분배 회로(2), 냉각 장치(3), 전력 변환 회로(4), 주 발전기(5)로 구성되어, 여자기(1)의 고정자에서 출력되는 전력을 전력 분배 회로(2)를 통해 냉각 장치(3) 및 주 발전기(5)의 계자 권선으로 인가함으로써 단극형 발전기 시스템을 구동한다. The single-pole superconducting generator system is composed of an exciter 1, a power distribution circuit 2, a cooling device 3, a power conversion circuit 4 and a main generator 5, To the field winding of the cooling device (3) and the main generator (5) through the power distribution circuit (2).

이때, 주 발전기(5)는 회전하는 톱니 형상의 철심 회전자와 철심 회전자에 자속을 생성하는 고정된 초전도 계자 권선, 부하에 전력을 공급하는 고정자 전기자 권선과 원통 형태의 고정자 철심 코어로 구성된다. At this time, the main generator 5 is composed of a rotor-shaped iron core rotor having a serrated shape and a fixed superconducting field winding for generating a magnetic flux to the iron core rotor, a stator armature winding for supplying power to the load, and a stator core core .

이처럼 단극형 발전기 시스템은 발전기(5)의 계자 권선과, 공급용 전원을 발생하는 여자기(1)의 전기자 권선이 모두 고정되는 구조로, 여자기(1)의 교류 전원을 직류 전원으로 변환하고 그 크기를 제어하기 위한 전력 변환 회로(4) 역시 고정되어 구조적으로 안정성이 높다. In this unipolar generator system, the field winding of the generator 5 and the armature windings of the exciter 1 generating the supply power are all fixed, and the AC power of the exciter 1 is converted into the DC power And the power conversion circuit 4 for controlling the size thereof is also fixed, so that the structure is highly stable.

그러나, 여자기(1)의 고정자에서 발생한 전원을 전력 분배 회로(2)를 이용하여 냉각 장치(3)와 주 발전기(5)의 계자 권선에 공급하므로 제어 시스템의 구조가 복잡한 문제점이 있다. 또한, 전력 분배 시 손실이 발생하게 되어 전체 시스템의 효율이 저하되는 문제점이 있다. However, since the power generated by the stator of the exciter 1 is supplied to the field winding of the cooling device 3 and the main generator 5 using the power distribution circuit 2, there is a problem in that the structure of the control system is complicated. Also, there is a problem that loss occurs in power distribution and efficiency of the entire system is lowered.

또한, 단극형 초전도 발전기 시스템은 일반적인 초전도 발전기와 마찬가지로, 발전기에 적용되고 있는 초전도 계자 권선이 무저항(zero resistance) 및 높은 인덕턴스(high inductance)의 특성으로 인해 시정수가 매우 커지게 되어, 발전기의 일정 출력 전압을 제어하기가 어렵다. 즉, 부하 변동에 따라 초전도 발전기의 계자 전류를 증가시키거나 감소시켜야 하는데 이의 속응 제어가 어려운 문제점이 있다. In addition, the unipolar superconducting generator system has a very large time constant due to the zero resistance and high inductance characteristics of the superconducting field winding applied to the generator, as in a general superconducting generator, It is difficult to control the voltage. That is, the field current of the superconducting generator must be increased or decreased according to the load variation, which is difficult to control with ease.

문헌 1: 대한민국특허청 등록특허공보 등록번호 제10-0888030호Document 1: Korean Patent Registration No. 10-0888030 문헌 2: 대한민국특허청 등록특허공보 등록번호 제10-0465023호Document 2: Korean Patent Registration No. 10-0465023

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 시스템 내에 구비한 하나의 여자기를 이용하여 발전기의 계자 권선 및 극저온 냉각 장치에 자체 전원 공급이 가능하도록 구현함으로써 전력 분배를 위한 구성 삭제로 시스템을 단순화하고 전력 분배기 설치에 따른 전력 손실을 최소화하여 시스템의 효율을 높일 수 있는 단극형 초전도 발전기 시스템의 구성을 제공하는 데 그 목적이 있다. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and it is an object of the present invention to provide a system and a method for eliminating a configuration for power distribution by realizing power supply to a field winding and a cryogenic cooling apparatus of a generator using a single exciter And to provide a configuration of a single-pole superconducting generator system that can simplify the system and minimize the power loss due to the installation of the power distributor, thereby increasing the efficiency of the system.

본 발명의 다른 목적은 초전도 발전기의 계자 권선을 이중화하여 실제 제어에 필요한 계자 권선을 병렬 제어함으로써 제어 대상 권선의 인덕턴스를 절반 수준으로 저감시킴으로써 제어 시스템의 용량을 대폭 저감하고 부하 변동에도 속응 제어가 가능하도록 하는 데 있다. Another object of the present invention is to reduce the inductance of the control target winding to half level by doubling the field winding of the superconducting generator and controlling the field winding in parallel for the actual control, thereby greatly reducing the capacity of the control system and controlling the load .

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 고정된 이중 계자 권선을 발전기의 권선으로 사용한 철심 회전자와 단일 전기자 권선을 가지는 고정자를 포함하는 단극형 초전도 발전기; 상기 이중 계자 권선을 냉각시키기 위해 냉매를 공급하는 극저온 냉각 장치; 상기 초전도 발전기의 이중 계자 권선 및 상기 극저온 냉각 장치에 공급한 교류 전원을 각각 발생하는 여자기; 및 상기 초전도 발전기로부터 부하로 출력되는 출력 전압을 검출하고 검출한 출력 전압과 참조값을 비교하여 상기 출력 전압이 참조값을 추종하도록 그 편차에 해당하는 변동량을 상기 이중 계자 권선 중 어느 하나로 피드백하여 상기 피드백한 계자 권선의 전류를 조정하게 하는 자동 전압 조정 장치(AVR)를 포함하는 것을 특징으로 한다. In order to accomplish the above object, there is provided a single-pole superconducting generator including a stator having an iron core rotor and a single armature winding, wherein the fixed double field winding of the present invention is used as a winding of a generator. A cryogenic cooling device for supplying a refrigerant to cool the double field winding; An exciter for generating an AC power supplied to the double field winding of the superconducting generator and the cryogenic cooling apparatus, respectively; And a control unit that detects an output voltage output from the superconducting power generator and compares the detected output voltage with a reference value and feeds back a variation corresponding to the deviation to one of the double field windings so that the output voltage follows the reference value, And an automatic voltage regulating device (AVR) for regulating the current of the field winding.

이때, 상기 초전도 발전기의 이중 계자 권선은, 무부하 전압을 발생하기 위한 자속을 형성하는 제1 계자 권선과, 가변 부하에 따른 전압을 발생하기 위한 자속을 형성하는 제2 계자 권선인 것을 특징으로 한다. Here, the double field winding of the superconducting generator may be a first field winding forming a magnetic flux for generating a no-load voltage, and a second field winding forming a magnetic flux for generating a voltage according to the variable load.

또한, 본 발명의 단극형 초전도 발전기 시스템에서 상기 여자기는, 고정자에 상기 제1 계자 권선에 자속 형성을 위한 전원을 공급하는 제1 전기자 권선과, 상기 제2 계자 권선에 자속 형성을 위한 전원을 공급하는 제2 전기자 권선, 및 상기 극저온 냉각 장치에 전원을 공급하는 제3 전기자 권선을 포함하는 것을 특징으로 한다. Further, in the unipolar superconducting generator system of the present invention, the exciter includes a first armature winding for supplying power to the stator for forming the magnetic flux to the first field winding, and a power supply for forming the magnetic flux to the second field winding And a third armature winding for supplying power to the cryogenic cooling apparatus.

또한, 본 발명의 단극형 초전도 발전기 시스템은, 상기 여자기를 통해 발생한 교류(AC) 전원을 이중 계자 권선에 필요한 직류(DC) 전원으로 변환하는 제1 및 제2 정류기; 및 상기 제1 및 제2 정류기를 통해 변환된 각 직류 전원을 상기 초전도 발전기의 이중 계자 권선을 제어하는 데 필요한 직류 전압의 크기로 변환하는 제1 및 제2 변환기를 더 포함할 수 있다.In addition, the single-pole superconducting generator system of the present invention includes: first and second rectifiers for converting an alternating current (AC) power generated through the exciter to a direct current (DC) power required for a double field winding; And first and second converters converting the DC power converted through the first and second rectifiers into a magnitude of a DC voltage required to control the double field winding of the superconducting generator.

본 발명에 따르면, 이중 계자 권선을 갖는 초전도 발전기에 적용하여 무부하 전압 및 가변 부하에 따른 전압 발생을 각각 구분하여 제어함으로써 초전도 계자 코일의 무저항, 높은 인덕턴스 특성으로 인해 높은 시정수를 갖게 되어도 속응적으로 발전기의 출력 전압을 일정하게 제어할 수 있는 효과가 있다. According to the present invention, when applied to a superconducting generator having a double field winding, the voltage generation according to the no-load voltage and the variable load is separately controlled, thereby realizing a fast response even if the superconducting field coil has high in- There is an effect that the output voltage of the generator can be controlled uniformly.

특히, 제어 대상 권선의 인덕턴스를 절반 수준으로 저감시킴으로써 제어 시스템의 용량을 대폭 저감하여 시스템 손실을 최소화할 수 있는 효과가 있다. Particularly, by reducing the inductance of the control target winding to half, the capacity of the control system can be greatly reduced and the system loss can be minimized.

또한, 하나의 여자기를 통해 발전기의 이중 계자 권선에 필요한 두 전원과 극저온 냉각 장치의 전원을 각각 발생하여 공급함으로써 자체 전력 공급으로 전체 발전기 시스템의 사이즈를 축소하고, 전력 분배로 인한 전력 손실을 최소화할 수 있는 효과가 있다. 게다가, 비상시에도 자가 발전이 가능한 효과가 있다. In addition, through the use of a single exciter, it is possible to generate and supply two power supplies and a cryogenic cooling power source necessary for the dual field windings of the generator, thereby reducing the size of the entire generator system by its own power supply and minimizing the power loss due to power distribution There is an effect that can be. In addition, there is an effect that self-generation can be made even in an emergency.

도 1은 단극형 발전기 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 단극형 초전도 발전기 시스템의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 단극형 초전도 발전기 시스템을 구현하기 위한 여자기의 구성을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 단극형 초전도 발전기 시스템에서 초전도 발전기의 구성을 나타낸 도면이다. 1 is a configuration diagram of a single-pole generator system.
2 is a block diagram of a single-pole superconducting generator system according to an embodiment of the present invention.
3 is a view illustrating the configuration of an exciter for implementing a single-pole superconducting generator system according to an embodiment of the present invention.
4 is a diagram illustrating the configuration of a superconducting generator in a single-pole superconducting generator system according to an embodiment of the present invention.

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.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The configuration of the present invention and the operation and effect thereof will be clearly understood through the following detailed description. Before describing the present invention in detail, the same components are denoted by the same reference symbols as possible even if they are displayed on different drawings. In the case where it is judged that the gist of the present invention may be blurred to a known configuration, do.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 단극형 초전도 발전기 시스템의 구성도이다.2 is a block diagram of a single-pole superconducting generator system according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 실시 예에 따른 단극형 초전도 발전기 시스템(100)은 여자기(Exciter: 110), 제1 및 제2 정류기(120, 130), 제1 및 제2 변환기(140, 150), 시정수 저감용 저항(160), 초전도 발전기(170), 극저온 냉각 장치(180), 자동 전압 조정 장치(Auto Voltage Regulator: AVR)(190)을 포함한다. The single-pole superconducting generator system 100 according to an embodiment of the present invention includes an exciter 110, first and second rectifiers 120 and 130, first and second converters 140 and 150, Reduction resistor 160, a superconducting generator 170, a cryogenic cooling apparatus 180, and an automatic voltage regulator (AVR)

여기서, 제1 정류기(120) 및 제1 변환기(140)는 초전도 발전기(170)의 제1 계자 권선(170a)에 필요한 직류 전압을 인가하기 위한 제어 구성이고, 제2 정류기(130) 및 제2 변환기(150)는 초전도 발전기(170)의 제2 계자 권선(170b)으로 직류 전압을 인가하기 위한 제어 구성이다. Here, the first rectifier 120 and the first converter 140 are control structures for applying the DC voltage required for the first field winding 170a of the superconducting generator 170, and the second rectifier 130 and the second The converter 150 is a control structure for applying a DC voltage to the second field winding 170b of the superconducting generator 170. [

본 발명에서 여자기(110)는 초전도 발전기(160)의 발전에 필요한 전원과, 극저온 냉각 장치(180)에 필요한 전원을 발생한다. 이때, 여자기(110)를 통해 발생하는 전원은 교류(AC) 전원이며, 각 발생 전원을 전력 분배 회로를 거치지 않고 제1 정류기(120)와 제2 정류기(130), 및 극저온 냉각 장치(180)로 인가한다. In the present invention, the exciter 110 generates a power source necessary for power generation of the superconducting power generator 160 and a power source necessary for the cryogenic cooling apparatus 180. At this time, the power source generated through the exciter 110 is an AC power source, and the generated power is supplied to the first rectifier 120, the second rectifier 130, and the cryogenic cooling apparatus 180 ).

특히, 본 발명의 실시 예에 따른 여자기(110)는 외부로 출력하는 전기자 권선이 고정되는 고정 전기자형으로 이루어진다. 즉, 여자기 계자인 영구자석이 회전축에 장착되어 회전할 수 있는 회전자로 구비되고, 이 회전자의 회전축 방향으로 고정자인 전기자 권선이 회전자와 공극을 두고 대향 배치된다. In particular, the exciter 110 according to the embodiment of the present invention is of a fixed arm type in which an armature winding to be outputted to the outside is fixed. That is, a permanent magnet, which is an exciter, is provided as a rotatable rotor mounted on a rotary shaft, and an armature winding, which is a stator, is arranged opposite to the rotor with a gap in the direction of the rotation axis of the rotor.

고정자는 초전도 발전기(170)의 제1 계자 권선(170a) 및 제2 계자 권선(170b)에 전원을 공급하는 전기자 권선과, 극저온 냉각 장치(180)에 전원을 공급하는 전기자 권선을 포함할 수 있다. The stator may include an armature winding that supplies power to the first field winding 170a and the second field winding 170b of the superconducting generator 170 and an armature winding that supplies power to the cryogenic cooling apparatus 180 .

이때, 여자기(110)는 초전도 발전기(170)의 제1 계자 권선(170a) 및 제2 계자 권선(170b)에 공급할 전원에 따라 고정자를 이중 또는 삼중 권선으로 포함할 수 있다. 이를 테면, 여자기(110)가 초전도 발전기(170)의 제1 계자 권선(170a) 및 제2 계자 권선(170b)에 동일한 교류 전원을 인가하는 경우 하나의 전기자 권선으로도 구현이 가능하지만, 상호 다른 레벨의 교류 전원을 인가하는 경우 이중 전기자 권선으로 구현할 수 있다. 이 경우, 여자기(110)의 고정자는 극저온 냉각 장치(190)로 전원을 공급하는 전기자 권선까지 포함하여 삼중 전기자 권선을 갖는다. At this time, the exciter 110 may include a stator as a double or triple winding depending on a power source to be supplied to the first field winding 170a and the second field winding 170b of the superconducting generator 170. [ For example, when the exciter 110 applies the same AC power to the first field winding 170a and the second field winding 170b of the superconducting power generator 170, it can be realized as one armature winding, When a different level of AC power is applied, it can be implemented as a double armature winding. In this case, the stator of exciter 110 has a triple armature winding, including an armature winding that supplies power to the cryogenic cooling apparatus 190.

이러한 여자기(110)에 대한 구체적 구성은 하기의 도 3에서 자세히 설명한다. A detailed configuration of the exciter 110 will be described in detail with reference to FIG.

제1 및 제2 정류기(120, 130)는 여자기(110)로부터 출력되는 교류(AC) 전원을 인가받아 직류(DC) 전원으로 변환한다.The first and second rectifiers 120 and 130 receive the alternating current (AC) power outputted from the exciter 110 and convert them into a direct current (DC) power.

특히, 제1 정류기(120)는 여자기(110)에서 발생한 교류 전원을 초전도 발전기(170)의 제1 계자 권선(170a)에 필요한 직류 전원으로 변환한다.In particular, the first rectifier 120 converts the AC power generated by the exciter 110 into a DC power required for the first field winding 170a of the superconducting power generator 170.

제2 정류기(130)는 여자기(110)에서 발생한 교류 전원을 초전도 발전기(170)의 제2 계자 권선(170b)에 필요한 직류 전원으로 변환한다. The second rectifier 130 converts the AC power generated by the exciter 110 into the DC power required for the second field winding 170b of the superconducting power generator 170. [

제1 변환기(140)는 제1 정류기(120)를 통해 변환된 직류 전원을 초전도 발전기(170)에서 제1 계자 권선(170a)의 제어를 위해 필요한 직류 전압 크기로 변환한다. The first converter 140 converts the DC power converted through the first rectifier 120 into a DC voltage magnitude required for controlling the first field winding 170a in the superconducting power generator 170. [

제2 변환기(150)는 제2 정류기(130)를 통해 변환된 직류 전원을 초전도 발전기(170)에서 제2 계자 권선(170b)의 제어를 위해 필요한 직류 전압 크기로 변환한다. The second converter 150 converts the DC power converted through the second rectifier 130 into the DC voltage magnitude required for controlling the second field winding 170b in the superconducting power generator 170. [

시정수 저감용 저항(160)은 초전도 발전기(170)의 제2 계자 권선(170b)의 시정수를 제어한다. The time constant reduction resistor 160 controls the time constant of the second field winding 170b of the superconducting generator 170. [

극저온 냉각 장치(180)는 초전도 발전기(170)의 발전기용 고정자로 극저온의 냉매를 공급하여 초전도 계자 권선 즉, 제1 계자 권선(170a)과 제2 계자 권선(170b)을 냉각시키는 역할을 한다. The cryogenic cooling apparatus 180 serves to cool superconducting field windings, that is, the first field winding 170a and the second field winding 170b, by supplying cryogenic coolant to the stator for the generator of the superconducting generator 170. [

이러한 극저온 냉각 장치(180)는 초전도 발전기(170)의 계자 권선이 고정되어 있으므로 냉각 챔버 역시 고정된다. This cryogenic cooling apparatus 180 is also fixed in the cooling chamber since the field winding of the superconducting generator 170 is fixed.

초전도 발전기(170)는 톱니 형상의 철심 회전자와, 철심 회전자에 자속을 생성하기 위해 단일 전기자 권선을 가지는 고정자를 포함하는 고정 전기자형으로 형성된다. The superconducting generator 170 is formed as a fixed armature including a sawtooth-shaped iron core rotor and a stator having a single armature winding for generating magnetic flux in the iron core rotor.

특히, 본 발명의 실시 예에서는 철심 회전자를 이중으로 즉, 두 개의 계자 권선으로 구분하여 구비한다.Particularly, in the embodiment of the present invention, the iron core rotor is divided into two, that is, divided into two field windings.

제1 계자 권선(170a)은 부하 변동과 관계없이 항상 무부하 전압을 발생시키기 위한 자속을 형성한다. The first field winding 170a forms a magnetic flux for generating a no-load voltage at all times irrespective of load variations.

제2 계자 권선(170b)는 가변 부하에 따른 전압을 발생시키기 위한 자속을 형성한다. The second field winding 170b forms a magnetic flux for generating a voltage in accordance with the variable load.

이때, 제1 계자 권선(170a)은 제1 변환기(140)를 통해 변환된 직류 전압에 의해 자기장을 발생하며, 제2 계자 권선(170b)은 제2 변환기(150)를 통해 변환된 직류 전압에 의해 자기장을 발생한다.At this time, the first field winding 170a generates a magnetic field by the DC voltage converted through the first converter 140, and the second field winding 170b generates a magnetic field by the DC voltage converted through the second converter 150 Thereby generating a magnetic field.

이와 같이 구성되는 초전도 발전기(170)는 발전기의 회전축(171)이 일정 속도로 회전하면 초전도 발전기(170)의 회전자가 회전하면서 제1 계자 권선(170a)과 제2 계자 권선(170b)에 의해 자기장이 발생하면서 발전한다. 예컨대, 발전기의 설비 용량이 2MW 이라면 제1 계자 권선(170a)에 의한 출력 전압은 부하의 변동량과 관계없이 발전 설비 용량만큼의 전압 즉, 6600V를 일정하게 출력하고, 제2 계자 권선(170b)에 의한 출력 전압은 자동 전압 조정 장치(190)를 통해 1~2초 이내에 부하 변동량에 따라 전압을 조절하여 출력한다.When the rotary shaft 171 of the generator is rotated at a constant speed, the superconducting generator 170 is rotated by the first field winding 170a and the second field winding 170b while the rotor of the superconducting generator 170 rotates, . For example, when the facility capacity of the generator is 2MW, the output voltage of the first field winding 170a is constantly outputted as the power generation facility capacity, that is, 6600V, irrespective of the variation of the load, The output voltage is adjusted by the automatic voltage regulator 190 to adjust the voltage according to the load variation within 1 to 2 seconds.

자동 전압 조정 장치(190)는 초전도 발전기(170)에서 계통부로 출력되는 출력 전압이 정격 전압을 유지하도록 조절하는 장치이다. The automatic voltage regulator 190 adjusts the output voltage of the superconducting generator 170 to be maintained at a rated voltage.

이러한 자동 전압 조정 장치(190)는 계통부(부하)에 공급되는 출력 전압을 검출하고 검출한 출력 전압과 참조값을 비교한다. 그리고, 검출한 출력 전압이 참조값을 추종하도록 그 편차에 해당하는 변동량을 제2 변환기(150)로 피드백하여 제2 계자 권선(170b)의 전류를 조절하도록 제어한다. 참조값은 계통부에 공급할 정격 전압을 의미한다. The automatic voltage regulator 190 detects an output voltage supplied to the system unit (load) and compares the detected output voltage with a reference value. Then, the controller controls the current of the second field winding 170b to be adjusted by feeding back the variation corresponding to the deviation to the second converter 150 so that the detected output voltage follows the reference value. The reference value means the rated voltage to be supplied to the system section.

따라서, 본 발명의 실시 예에 따른 초전도 발전기 시스템(100)은 하나의 고정자에 무부하 전압을 발생하는 제1 계자 권선(170a)과 가변 부하에 따른 전압을 발생하는 제2 계자 권선(170b)을 구분하여 병렬 발전함으로써 발전 용량을 높이는 것은 물론, 부하 변동에 따라 실시간 속응 제어가 가능하므로 하나의 계자 권선을 이용한 초전도 발전기의 문제점을 해소할 수 있다. Therefore, in the superconducting generator system 100 according to the embodiment of the present invention, the first field winding 170a generating a no-load voltage and the second field winding 170b generating a voltage according to the variable load are distinguished from each other in one stator So that it is possible to increase the power generation capacity by parallel power generation and real-time control in accordance with the load variation. Therefore, the problem of the superconducting power generator using one field winding can be solved.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 단극형 초전도 발전기 시스템을 구현하기 위한 여자기의 구성을 나타낸 도면이다. 3 is a view illustrating the configuration of an exciter for implementing a single-pole superconducting generator system according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 실시 예에 따른 여자기(110)는 초전도 발전기의 계자 권선에 필요한 전원과, 극저온 냉각 장치에 필요한 전원을 발생한다. 이를 구현하기 위한 여자기(110)는 삼중 전기자 권선을 갖는 고정 전기자형으로 구현할 수 있다. The exciter 110 according to the embodiment of the present invention generates a power source necessary for the field winding of the superconducting generator and a power source necessary for the cryogenic cooling apparatus. The exciter 110 for realizing this can be implemented as a fixed armature type having a triple armature winding.

도 3에 도시한 바와 같이, 여자기 계자인 영구자석이 회전축에 장착되어 회전할 수 있는 회전자로 구비되고, 이 회전자의 회전축 방향으로 고정자인 전기자 권선이 회전자와 공극을 두고 대향 배치되는 구조를 갖는다. As shown in Fig. 3, permanent magnets, which are exciting machines, are provided as rotors mounted on a rotating shaft, and armature windings, which are stators in the direction of the rotational axis of the rotor, Structure.

그리고, 고정자는 초전도 발전기의 제1 계자 권선에 전원을 공급하는 제1 전기자 권선(112), 초전도 발전기의 제2 계자 권선에 전원을 공급하는 제2 전기자 권선(113), 극저온 냉각 장치에 전원을 공급하는 제3 전기자 권선(111)을 포함한다. The stator includes a first armature winding 112 for supplying power to the first field winding of the superconducting generator, a second armature winding 113 for supplying power to the second field winding of the superconducting generator, And a third armature winding (111) for supplying the third armature winding (111).

이때, 제1 전기자 권선(112)은 제1 계자 권선(도 2의 170a)과 대응하는 제1 정류기(도 2의 120)와 전기적으로 연결되고, 제2 전기자 권선(113)은 제2 계자 권선(도 2의 170b)과 대응되는 제2 정류기(도 2의 130)와 전기적으로 연결되며, 제3 전기자 권선(111)은 극저온 냉각 장치(도 3의 180)와 전기적으로 연결된다. At this time, the first armature winding 112 is electrically connected to the first rectifier (120 in Fig. 2) corresponding to the first field winding (170a in Fig. 2), and the second armature winding 113 is electrically connected to the second field winding (130 in FIG. 2) corresponding to the first rectifier winding (170b in FIG. 2) and the third armature winding 111 is electrically connected to the cryogenic cooling apparatus (180 in FIG. 3).

또한, 여자기(110)는 삼중 전기자 권선(111, 112, 113)의 고정 및 자속의 집속을 위한 철심 코어(116)와 웨지(Wedge: 114) 등을 포함할 수 있다.The exciter 110 may include an iron core 116 and a wedge 114 for fixing the triple armature windings 111, 112 and 113 and focusing the magnetic flux.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 단극형 초전도 발전기 시스템에서 초전도 발전기의 구성을 나타낸 도면이다.4 is a diagram illustrating the configuration of a superconducting generator in a single-pole superconducting generator system according to an embodiment of the present invention.

도 4에 도시한 바와 같이, 초전도 발전기(170)는 철심 회전자(172, 173)와 철심 회전자에 자속을 생성하는 고정된 계자 권선(170a, 170b), 고정된 전기자 권선(174)를 포함하는 고정 전기자로 형성된다.4, the superconducting generator 170 includes the iron core rotors 172 and 173 and fixed field windings 170a and 170b for generating magnetic fluxes to the iron core rotor, and fixed armature windings 174 As shown in Fig.

이때, 고정된 이중 계자 권선(177)은 두 개의 계자 권선으로서, 무부하 전압을 생성하기 위한 제1 계자 권선(Superconducting Field Winding for No Load: SFWNL)(170a)과, 가변 부하에 따른 전압을 생성하기 위한 제2 계자 권선(Superconducting Field Winding for Variable Load: SFWVL)(170b)을 포함한다. At this time, the fixed double field winding 177 includes two field windings, a first field winding (SFWNL) 170a for generating a no-load voltage, and a second field winding for generating a voltage according to the variable load (Superconducting Field Winding for Variable Load) 170b.

도면 상의 고정된 이중 계자 권선(177)은 철심 회전자(172, 173)와 공극을 두고 이격되어, 철심 회전자(172, 173)만 회전하고 고정된 이중 계자 권선(177)은 회전을 하지 않는 구조이다. The fixed double field winding 177 on the drawing is separated from the iron core rotors 172 and 173 by a gap so that only the iron core rotors 172 and 173 are rotated and fixed and the fixed double field winding 177 is rotated Structure.

그리고, 부하에 전력을 공급하는 3상 고정자 전기자 권선(174)과, 고정자 전기자 권선(174)을 고정시키기 위한 유리섬유 강화 플라스틱(Glass Fiber Reinforced Plastic: GFRP) 재질의 공심 코어(air core: 175), 원통 형태의 규소 강판 재질의 자기 차폐 실드(176), 제1 및 제2 계자 권선(170a, 170b)의 고정 및 전도 냉각을 위한 알루미늄 재질의 보빈 및 냉각조(177), 톱니 바퀴 형태의 규소 강판 회전체(172)를 포함한다. A three-phase stator armature winding 174 for supplying power to the load and an air core 175 made of glass fiber reinforced plastic (GFRP) for fixing the stator armature winding 174 are provided. A magnetic shielding plate 176 made of a silicon steel sheet in the shape of a cylinder, an aluminum bobbin and a cooling bath 177 for fixing and conducting cooling of the first and second field windings 170a and 170b, And a steel plate rotating body 172.

이와 같은 구성에 의하여, 초전도 발전기(170)는 여자기로부터 초전도 계자 권선이 자속을 형성하는 데 필요한 전압을 인가받게 되면 제1 계자 권선(173a)에 의한 고정자는 무부하 전압을 발생하기 위한 자속을 형성하고 제2 계자 권선(173b)에 의한 고정자는 부하 변동에 따른 전압을 발생하기 위한 자속을 형성하여 발전한다. 따라서, 초전도 계자 코일의 무저항, 높은 인덕턴스 특성으로 인해 높은 시정수를 갖게 되어도 속응적으로 발전기의 출력 전압을 일정하게 제어할 수 있다. With this configuration, when the superconducting field winding from the exciter receives the voltage required for forming the magnetic flux, the superconducting generator 170 forms the magnetic flux for generating the no-load voltage by the first field winding 173a And the stator by the second field winding 173b generates a magnetic flux for generating a voltage in accordance with the load variation and generates electric power. Therefore, even if the superconducting field coil has a high time constant due to the non-resistance and high inductance characteristics, the output voltage of the generator can be constantly controlled.

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. The foregoing description is merely illustrative of the present invention, and various modifications may be made by those skilled in the art without departing from the spirit of the present invention. Accordingly, the embodiments disclosed in the specification of the present invention are not intended to limit the present invention. The scope of the present invention should be construed according to the following claims, and all the techniques within the scope of equivalents should be construed as being included in the scope of the present invention.

100: 단극형 초전도 발전기 시스템 110: 여자기
120, 130: 제1 및 제2 정류기 140, 150: 제1 및 제2 변환기
160: 시정수 저감용 저항 170: 초전도 발전기
170a, 170b: 제1 및 제2 계자 권선
180: 극저온 냉각 장치 190: 자동 전압 조정 장치100: Single-pole superconducting generator system 110: Exciter
120, 130: first and second rectifiers 140, 150: first and second converters
160: Time constant reduction resistor 170: Superconducting generator
170a, 170b: first and second field windings
180: Cryogenic cooling device 190: Automatic voltage regulator

Claims (6)

고정된 이중 계자 권선을 발전기의 권선으로 사용한 철심 회전자와 단일 전기자 권선을 가지는 고정자를 포함하는 단극형 초전도 발전기;
상기 이중 계자 권선을 냉각시키기 위해 냉매를 공급하는 극저온 냉각 장치;
상기 초전도 발전기의 이중 계자 권선 및 상기 극저온 냉각 장치에 공급한 교류 전원을 각각 발생하는 여자기; 및
상기 초전도 발전기로부터 부하로 출력되는 출력 전압을 검출하고 검출한 출력 전압과 참조값을 비교하여 상기 출력 전압이 참조값을 추종하도록 그 편차에 해당하는 변동량을 상기 이중 계자 권선 중 어느 하나로 피드백하여 상기 피드백한 계자 권선의 전류를 조정하게 하는 자동 전압 조정 장치(AVR)
를 포함하는 단극형 초전도 발전기 시스템.A single-pole superconducting generator including a stator having a core rotor and a single armature winding using a fixed double field winding as a winding of the generator;
A cryogenic cooling device for supplying a refrigerant to cool the double field winding;
An exciter for generating an AC power supplied to the double field winding of the superconducting generator and the cryogenic cooling apparatus, respectively; And
Wherein the control unit detects an output voltage output from the superconducting power generator and compares the detected output voltage with a reference value and feeds back a variation corresponding to the deviation to any one of the double field windings so that the output voltage follows the reference value, An automatic voltage regulator (AVR) that adjusts the winding current
The superconducting generator system comprising: 제 1 항에 있어서,
상기 초전도 발전기의 이중 계자 권선은,
무부하 전압을 발생하기 위한 자속을 형성하는 제1 계자 권선과,
가변 부하에 따른 전압을 발생하기 위한 자속을 형성하는 제2 계자 권선인 것을 특징으로 하는 단극형 초전도 발전기 시스템. The method according to claim 1,
Wherein the double field winding of the superconducting generator comprises:
A first field winding for forming a magnetic flux for generating a no-load voltage,
Wherein the second field winding is a second field winding that forms a magnetic flux for generating a voltage in accordance with the variable load. 제 2 항에 있어서,
상기 여자기는,
상기 제1 계자 권선에 자속 형성을 위한 전원을 공급하는 제1 전기자 권선과,
상기 제2 계자 권선에 자속 형성을 위한 전원을 공급하는 제2 전기자 권선, 및
상기 극저온 냉각 장치에 전원을 공급하는 제3 전기자 권선
을 고정자에 포함하는 단극형 초전도 발전기 시스템. 3. The method of claim 2,
In the exciter,
A first armature winding for supplying a power for forming a magnetic flux to the first field winding,
A second armature winding for supplying power to the second field winding for forming a magnetic flux, and
A third armature winding for supplying power to the cryogenic cooling apparatus
To the stator. 제 1 항에 있어서,
상기 여자기를 통해 발생한 교류(AC) 전원을 이중 계자 권선에 필요한 직류(DC) 전원으로 변환하는 제1 및 제2 정류기; 및
상기 제1 및 제2 정류기를 통해 변환된 각 직류 전원을 상기 초전도 발전기의 이중 계자 권선을 제어하는 데 필요한 직류 전압의 크기로 변환하는 제1 및 제2 변환기
를 더 포함하는 단극형 초전도 발전기 시스템. The method according to claim 1,
First and second rectifiers for converting an alternating current (AC) power generated through the exciter to a direct current (DC) power required for a double field winding; And
The first and second converters converting the respective direct-current power supplied through the first and second rectifiers to the magnitude of the direct-current voltage required to control the double field winding of the superconducting generator,
Wherein the superconducting superconducting generator system further comprises: 제 4 항에 있어서,
상기 제2 변환기는 상기 자동 전압 조정 장치로부터 출력 전압과 참조값간 편차에 해당하는 변동량을 피드백받아, 상기 제2 계자 권선의 전류를 조정하는 것을 특징으로 하는 단극형 초전도 발전기 시스템.5. The method of claim 4,
Wherein the second converter receives the variation amount corresponding to the deviation between the output voltage and the reference value from the automatic voltage adjusting device and adjusts the current of the second field winding. 제 5 항에 있어서,
상기 제2 변환기의 후단에 상기 초전도 발전기의 이중 계자 권선의 시정수를 저감하는 시정수 저감용 저항을 더 포함하는 단극형 초전도 발전기 시스템. 6. The method of claim 5,
Further comprising a time constant reducing resistance for reducing the time constant of the double field winding of the superconducting generator at the rear end of the second converter.
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