KR101508125B1

KR101508125B1 - 에너지 변환 설비의 전력을 조절하는 방법 및 이러한 방법에 의해 구동된 에너지 변환 설비

Info

Publication number: KR101508125B1
Application number: KR1020147001719A
Authority: KR
Inventors: 길라우메 바쯔
Original assignee: 알스톰 르네와블 테크놀로지즈
Priority date: 2011-06-23
Filing date: 2012-06-22
Publication date: 2015-04-07
Also published as: WO2012175696A1; FR2977094A1; US20140175908A1; FR2977094B1; CL2013003696A1; EP2724459A1; KR20140039060A; AU2012273959A1; CA2840184A1; AR086724A1; AU2012273959B2

Abstract

본 방법은 기계 에너지의 전기 에너지로의 변환을 위한 에너지 변환 설비(100)의 전력을 조절할 수 있다. 상기 설비(100)는 기계(1), 교류 발전기(2), 제 1 변환기(41), 상기 교류 발전기(2)의 단자들을 상기 제 1 변환기(41)에 연결하는 전기 케이블(3), 제 2 변환기(42), 측정 수단(8, 41, 43), 제어 유닛(5)을 포함하고, 상기 제 1 변환기(41)는 상기 제 1 전기 신호(S2)를 주파수 및 전류를 변조시킨다. 본 방법은 무효 전력에 비례하는 제 1 양의 값이 상기 제어 유닛에서 구현되는 제 1 예비 단계 및 상기 제어 유닛(5)이 상기 제 1 변환기(41)의 무효 전력에 의존하며 상기 제 1 전기 신호(S2)의 전류의 측정된 값에 기초하여 결정된, 상기 제 1 양 및 상기 제 1 양에 동종인 제 2 양 사이에서의 차이와 동일한 오류에 기초하여 구동 주파수 및 구동 전류를 결정하는 주요 단계를 포함한다.

Description

에너지 변환 설비의 전력을 조절하는 방법 및 이러한 방법에 의해 구동된 에너지 변환 설비{METHOD OF REGULATING THE POWER OF AN ENERGY CONVERSION INSTALLATION AND ENERGY CONVERSION INSTALLATION DRIVEN BY SUCH A METHOD}

본 발명은 기계 에너지의 전기 에너지로의 변환을 위해 설비의 전력을 조절하기 위한 방법, 뿐만 아니라 이러한 방법에 의해 구동된 설비에 관한 것이다.

본 발명의 문맥에서, 설비는 유압 터빈, 예를 들면, 선박용 터빈, 또는 풍력 터빈이 될 수 있는 기계를 포함한다. 상기 기계는 물 또는 공기의 흐름에 의해 이송되도록 의도된 회전 기계식 수신기를 포함한다. 기계의 유형에 의존하여, 상기 수신기는 일반적으로 용어 "프로펠러" 또는 "휠"로서 나타내어진다. 이후, 상기 수신기는 용어 "프로펠러"에 의해 나타내어진다. 상기 프로펠러는 교류 발전기(alternator)에 연결되는 허브에 고정된 날개들(blades)을 포함한다. 서비스 중일 때, 상기 흐름은 프로펠러를 순환적으로 구동하며 교류 발전기는 프로펠러의 회전에 의해 발생된 기계 동력을 전기 동력으로 변환한다. 따라서, 상기 기계 및 교류 발전기에 의해 형성된 어셈블리는 전기 에너지 발생기를 형성한다.

상기 교류 발전기를 전기 네트워크에 직접 결합할 수 있게 하기 위해, 교류 발전기의 출력에서 사인곡선 전기 신호의 주파수는 전기 네트워크의 주파수, 예를 들면, 유럽에서 50 Hz 또는 미국에서 60 Hz와 동일해야 한다. 이제, 교류 발전기에 의해 전달된 전기 신호의 주파수는 프로펠러의 회전의 속도의 함수에 따라 변하며, 설비가 동작 중일 때, 흐름의 속도 및 압력은 변동을 거듭하여, 그에 의해 프로펠러의 회전 속도가 변하게 한다. 결과적으로, 교류 발전기는 전기 네트워크에 직접 연결될 수 없다.

상기 교류 발전기가 전기 네트워크에 결합될 수 있게 하기 위해, 알려진 기술은 그 입력이 교류 발전기의 출력에 연결되고 그 출력이 전기 네트워크에 연결되도록 의도되는 전기 에너지 변환기를 설비에 갖추는 것이다. 상기 변환기는 교류 발전기에 의해 전달된 전기 신호의 특정 파라미터들을 변조하며 상기 교류 발전기에 의해 전달된 전기 신호의 전기 에너지를 전기 네트워크의 주파수와 동일한 주파수를 가진 전기 신호를 통해 전기 네트워크에 전송한다. 보다 구체적으로, 상기 변환기는 교류 발전기에 의해 전달된 전기 신호의 전압 및 전류 사이에서의 위상 및 전류의 강도를 변조하며, 그에 의해 교류 발전기에 의해 전달된 전기 에너지의 양이 변하게 한다. 이것은 교류 발전기에 의해 전달된 전기 에너지가 교류 발전기에 의해 전달된 전기 신호의 전류의 함수에 따라 변하기 때문이다. 교류 발전기에 의해 전달된 전류가 닐(nil)이면, 교류 발전기에 의해 전달된 어떤 전기 에너지도 없다.

교류 발전기가 최적의 동작 포인트에서 동작하도록, 교류 발전기의 고정자 및 회전자의 전자기장들은 동상에 있어야 한다. 구체적으로, 이들 전자기장들이 역위상이면, 다시 말해서, 이들 전자기 장들 사이에서의 각도(Ψ)가 닐이 아니면, 교류 발전기는 최적의 동작 포인트에서 동작하지 않으며, 그에 의해 설비의 성능 및 효율성을 감소시킨다. 설비의 효율성은 단지 전자기장들 사이에서의 각도(Ψ)에만 의존하지는 않는다.

동작 중에 있을 때, 변환기는 교류 발전기의 회전자에 인가된 전자기 제동 토크의 강도를 제어한다. 프로펠러의 각각의 회전 속도는 유압 기계 또는 풍력 터빈이 흐름으로부터 기계 에너지의 최대치를 추출할 수 있게 하는 최적의 전자기 토크와 연관된다. 전기 신호의 파라미터들이 그 단자들에서 변하게 함으로써, 변환기는 교류 발전기에 의해 전달된 전류의 강도를 변조하며, 결과적으로 또한 전자기 제동 토크를 변조하고, 그에 의해 프로펠러의 회전 속도를 변경한다. 상기 속도는 따라서 변환된 기계 에너지를 최대화하기 위한 값으로 조정될 수 있다. 그러므로 전자기 제동 토크의 제어는 설비의 효율성을 최적화하기 위해 제공한다. 상기 설비의 효율성은 모두 상기 교류 발전기가 최적의 동작 포인트에서 기능함에 따라 더욱 개선된다.

종래에, 설비들은 전자기 제동 토크의 강도가 흐름의 변동들의 함수에 따라 변하게 하고, 그에 의해 상기 프로펠러가 흐름의 운동 에너지로부터 기계 에너지의 최대량을 되찾도록 상기 변환기를 구동하는 제어 유닛을 포함한다. 따라서, 설비의 효율성은 최적화된다.

설비가 최대 효율성으로 동작하게 하는 것을 목표로, 알려진 기술은 교류 발전기가 고정자에 대한 회전자의 각 위치를 검출하는 위치 센서를 갖추는 것이다. 예를 들면, 이것은 교류 발전기의 자기장의 극성의 각각의 변화시 디지털 신호를 전달하는 홀 효과(Hall effect) 센서일 수 있다. 상기 제어 유닛은 센서에 의해 전달된 신호의 함수로서 고정자의 각 위치를 산출하며 회전자 및 고정자 전자기 장들 사이에서의 각도(Ψ)를 소거하기 위해 이러한 정보에 따라 변환기를 구동한다. 상기 센서들은 실패의 원인들이며, 고장날 때, 설비는 더 이상 동작할 수 없다. 결과적으로, 설비의 유지 보수를 규칙적으로 실행할 필요가 있으며, 이것은 값비싸다. 특히, 선박용 터빈들의 경우에, 유지 보수는 개입하기 위해 상기 기계를 물 밖으로 끄집어낼 필요가 있을 수 있기 때문에 복잡하다.

US-A-2003/081434는 교류 발전기의 회전자의 각 위치를 추정함으로써, 기계 에너지의 전기 에너지로의 변환을 위해 설비의 전력을 조절하기 위한 방법을 개시한다. US-A-2003/081434는 흐름에 의해 이송되도록 의도된 회전 기계식 수신기를 포함한 설비들에 관한 것은 아니다.

기계적 센서들의 사용을 요구하지 않는 대안적인 해결책들은 교류 발전기가 최적의 동작 포인트에서 동작하도록 변환기를 구동하기 위해 제공한다. 기계적 센서는 부품의 물리적 위치를 검출하는 센서를 의미하는 것으로 이해된다. 예를 들면, 고정자의 개방-회로 전압, 저항, 및 인덕턴스와 같은 교류 발전기의 공칭 특성들을 사용하는 변환기를 구동하기 위한 방법들이 알려져 있다. 예를 들면, "관찰자(observer)" 또는 "수치 모델"로서 불리우는 방법들이 알려져 있다. 이들 구동 방법들은 프로펠러가 동작하기 위한 방법을 위한 최소 회전 속도에 도달해야 하기 때문에 항상 설비가 시작될 수 있는 것은 아니다. 게다가, 전기 케이블들의 임피던스는 고정자의 저항 및 인덕턴스를 상당히 변경할 수 있다. 이제, 전기 케이블들의 저항은 온도의 함수에 따라 변하며, 이것은 이러한 방법을 고려하는 것이 어렵다. 따라서, 이들 방법들은 또한 온도에서의 큰 변화들을 갖고, 변환기 및 교류 발전기 사이에서의 긴 거리가 있을 수 있기 때문에, 선박용 터빈들에 매우 적합하지 않다. 이러한 이유로, 장-길이 전기 케이블들은 교류 발전기 및 변환기 사이에서 전기 신호를 운반한다.

이는 기계적 센서들 또는 복잡한 수치 모델들의 사용을 요구하지 않거나 또는 가변 파라미터들에 의존하여 기계 에너지의 전기 에너지로의 변환을 위해 설비의 전력을 조절하기 위한 방법을 제안함으로써, 본 발명이 보다 특히 개선하도록 의도한 이들 결함들이다. 본 발명의 방법은 프로그램하기에 단순하며, 상당한 계산 리소스들을 요구하지 않고 중요한 방식으로 온도와 같은 외부 파라미터들에서의 변화들에 민감하지 않다. 본 발명의 또 다른 목표는 터빈이 움직이지 않을 때 설비를 시작하기에 적합한 방법을 제안하는 것이다.

이를 위해, 본 발명의 주제는 청구항 1에 정의된 바와 같이 기계 에너지의 전기 에너지로의 변환을 위해 설비의 전력을 조절하기 위한 방법이다.

본 발명에 의해, 제어 유닛은 교류 발전기 및 제 1 변환기 사이에서 흐르는 전기 신호의 파라미터들의 측정치들에 기초하여 제 1 변환기에 대한 전류 및 구동 주파수를 산출한다. 상기 설비는 교류 발전기의 고정자에 대한 교류 발전기의 회전자의 위치를 검출하기 위해 기계적 센서를 요구하지 않으며, 그에 의해 실패의 위험들을 감소시킨다. 또한, 상기 방법은 설비의 전기 구성요소들의 인덕턴스들과 같은, 파라미터들을 사용하며, 이것은 온도의 변화들에 민감하지 않다. 본 발명의 방법은 설비를 시작하기 위해 제공한다. 제어 유닛에 의해 수행된 상기 산출들은 비교적 간단하다. 결과적으로, 상기 방법은 프로그램하기에 간단하며 상당한 계산 리소스들을 요구하지 않는다.

의무적이지는 않지만, 이러한 방법의 유리한 양상들이 청구항 2 내지 청구항 11에 정의된다.

본 발명은 또한 청구항 12에 정의된 바와 같이, 기계 에너지의 유압 에너지로의 변환을 위한 설비에 관한 것이다.

본 발명은 프로그램하기에 단순하며, 상당한 계산 리소스들을 요구하지 않고 중요한 방식으로 온도와 같은 외부 파라미터들에서의 변화들에 민감하지 않은 방법을 제공한다. 본 발명은 또한 터빈이 움직이지 않을 때 설비를 시작하기에 적합한 방법을 제공한다.

전적으로 예로서 및 첨부한 도면들을 참조하여 고려해볼 때, 발명은 보다 양호하게 이해될 것이며 다른 이점들은 기계 에너지의 전기 에너지로의 변환을 위한 설비 및 상기 설비를 구동하기 위한 방법에 대한 다음의 설명을 고려하여 보다 분명해질 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 에너지 변환 설비를 표현한 다이어그램이다.
도 2는 본 발명에 따른 방법의 구조의 블록도이다.

도 1은 유압 에너지를 전기 에너지로 변환하기 위한 설비(100)를 개략적으로 표현한다. 상기 설비(100)는 선박용 터빈(1), 교류 발전기(2), 변환기(4) 및 제어 유닛(5)을 포함한다.

상기 선박용 터빈(1)은 물 또는 해류들의 흐름의 에너지에 의해 동작하는 수중 터빈이다. 상기 선박용 터빈(1)은 표현되지 않지만, 고정된 슈라우드(shroud)에 대하여 회전 가능하게 이동 가능한 프로펠러(10)를 포함한다. 상기 프로펠러(10)는 허브(12)에 고정되는 날개들(11)을 포함한다. 동작 중에 있을 때, 물(E)의 흐름은 프로펠러(10)를 회전 가능하게 구동한다.

교류 발전기(2)는 회전자(21) 및 고정자(22)를 포함하는 3-상 동기식 전기 기계이다. 상기 회전자(21)는 일정한 자기장(F21)을 생성하는 영구 자석들을 가진 자기 회로를 포함한다. 상기 고정자(22)는 3개의 코일들을 포함한다. 고정자(22)의 단자들은 서로로부터 분리된 3개의 도체들을 포함한 전기 케이블(3)의 제 1 단부에 전기적으로 연결된다.

교류 발전기(2)의 회전자(21)는 선박용 터빈(1)의 허브(12)에 기계적으로 결합되며, 따라서 흐름(E)이 선박용 터빈(1)의 프로펠러(10)를 회전 가능하게 구동할 때, 상기 선박용 터빈(1)의 허브(12)의 회전 움직임은 전체적으로 교류 발전기(2)의 회전자(21)에 송신된다. 회전자(21)가 돌 때, 회전자(21)에 의해 생성된 자기장(F21)은 고정자(22)의 코일들 앞에서 연속적으로 지나가며 고정자(22)의 각각의 코일의 단자들에 걸쳐 전압을 유도한다. 따라서, 교류 발전기(2)는 전기 케이블(3)에 의해 변환기(4)의 입력까지 운반된 주파수(f2)의 3-상 사인곡선 전기 신호(S2)를 발생시킨다. 따라서 상기 교류 발전기(2)는 기계 동력을 전기 동력으로 변환한다.

전기 신호는 전류의 강도, 전압의 레벨, 및 사인곡선 신호와 같은 AC 신호의 경우에, 그 주파수를 포함한 파라미터들에 의해 정의되며, 이것은 전류와 전압, 및 전류 및 전압 사이에서의 위상, 즉 전류 및 전압 사이에서의 위상 차의 각도에 대해 동일하다. 이후, 전류의 강도는 용어 "전류"에 의해 나타내어지며 전압의 레벨은 용어 "전압"에 의해 나타내어진다.

변환기(4)는, 입력부(411)가 전기 케이블(3)의 제 2 단부에 연결되며, 출력부(412)가 상기 정류기(41)에 의해 전달된 DC 전기 신호(S41)를 수송하기 위해 제공된 전기 케이블(9)에 의해 인버터(42)의 입력부(421)에 연결되는 정류기(41)를 포함한다. 따라서 상기 정류기(41)는 사인곡선 전기 신호(S2)를 DC 전기 신호(S41)로 변환한다. 그 후, 상기 인버터(42)는 DC 전기 신호(S41)를 사인곡선 전기 신호(S42)로 변환하며, 이것은 배전 네트워크(R)에 연결되도록 의도된 전기 케이블(6)에 의해 수송된다. 전기 네트워크(R)의 주파수(fR)는 고정된다. 예를 들면, 유럽에서, 주파수(fR)는 50 Hz와 같다. 실제로, 표현되지 않지만, 전자 구성요소들은 인버터(42) 및 정류기(41) 사이에 위치될 수 있다.

정류기(41) 및 인버터(42)는 신호(S2)의 전력을 증가시키기 위해 제공하지 않는 정적 전기 에너지 변환기들이다. 실제로, 이는 전기 신호들(S2, S41, 및 S42)의 파라미터들을 수정하기 위해 온-상태 및 오프-상태 사이에서 스위칭하는 IGBT 트랜지스터 브리지들일 수 있다. 사용된 관례들에 따르면, 정류기(41)는 용어 "인버터"에 의해 나타내어질 수 있으며 인버터(42)는 용어 "정류기"에 의해 나타내어질 수 있다.

인버터(42)는 자체적으로 동작하며 그것이 전달하는 전기 신호(S42)는 고정 주파수(f42)를 보인다. 상기 인버터(42)는 제어 유닛(5)에 의해 구동되지 않는다. 인버터(42)는 주파수(f42)가 전기 네트워크(R)의 주파수(fR)와 동일하도록 구성된다. 예를 들면, 유럽에서, 전기 네트워크(R)에 설비(100)를 연결할 수 있도록, 50 Hz와 같은 주파수(f42)가 선택될 것이다.

신호들(S2, S42)의 주파수들(f2, f42)은 분리된다. 다시 말해서, 주파수들(f2, f42)은 서로 독립적이다.

전기 케이블(7)은 제어 유닛(5)을 마이크로제어기(43)에 연결한다. 제어 유닛(5)은 제어 유닛(5)에 의해 전달되며 전기 케이블(7)에서 흐르는 제어 신호(S5)의 함수로서 정류기(41)를 형성하는 전자 구성요소들의 상태를 조절하는 마이크로제어기(43)를 통해 정류기(41)를 제어한다. 실제로, 마이크로제어기(43)는 정류기(41)의 일부를 형성한다. 상기 정류기(41)는 제어 신호(S5), 특히 전류(I2) 및 신호(S2)의 주파수(f2)의 함수로서 신호들(S2, S41)의 특정 파라미터들을 변경한다.

서비스 중일 때, 제어 유닛(5)은 구동 주파수(fp) 및 구동 전류(Ip)에 관한 정보를 포함하는 제어 신호(S5)를 발생시키며, 이것은 본 발명의 방법에 의해 획득된다. 상기 구동 주파수(fp) 및 상기 구동 전류(Ip)는 상기 신호(S2)의 주파수(f2) 및 전류(I2)의 세트포인트들이다. 마이크로제어기(43)는 신호(S5)를 수신하며 한편으로, 구동 주파수(fp)가 사인곡선 신호(S2)의 주파수(f2)와 동일하며, 다른 한편으로, 사인곡선 신호(S2)의 전류(I2)가 구동 전류(Ip)와 동일한 방식으로 정류기(41)를 구동한다.

본 발명의 방법의 목표는 설비(100)에 의해 발생된 전력이 설비(100)의 효율성을 최적화하기 위해 최대치가 되도록 구동 주파수(fp) 및 구동 전류(Ip)를 결정하는 것이다.

교류 발전기(2)와 같은 동기식 기계에서, 지구 자기장 상에서 스스로를 동조시키는 나침반의 자기화된 바늘과 같이, 회전자 전자기장(F21)은 고정자 전자기장(F22) 상에서 항상 스스로를 동조시키려고 노력한다. 그러나, 지구 자기장은 고정자 전자기장(F22)이 고정자(22)의 단자들에서 전기 신호(S2)의 주파수(f2)에 비례하여 회전 주파수(f(F22))를 갖고 도는 동안 고정된다. 교류 발전기(2)가 동작하기 위해, 전자기장들(F21, F22)이 동일한 회전 주파수에서 도는 제 1 조건(A)을 만족시키는 것이 필요하다.

동기식 기계에서, 회전자(21)의 회전 주파수(f21)는 회전자 전자기장(F21)의 회전 주파수(f(F21))와 동일하다.

교류 발전기(2)의 극들의 쌍들의 수는 p로 나타내어진다. 동기식 기계들의 경우에, 주파수(f21) 및 주파수(f2) 사이에서의 관계는 다음과 같다: f2=p.f21. 따라서, 주파수들(f21, f2)은 비례한다.

서비스 중일 때, 정류기(41)는 교류 발전기(2)의 회전자(21)가 프로펠러(10)의 허브(12)에 인가하는 전자기 제동 토크(T)를 변조하기 위해, 신호(S2)의 파라미터들, 특히 전류(I2)를 변경한다. 제동 토크(T)의 강도를 변하게 함으로써, 정류기(41)는 회전자 전자기장(F21)의 주파수(f(F21))뿐만 아니라 프로펠러(10)의 회전 주파수(f21)를 변하게 한다.

제 2 조건(B)에 따르면, 고정자 전자기장(F21) 및 회전자 전자기장(F22) 사이에서의 각도(Ψ)는 닐이다. 각도(Ψ)가 닐이고 일정하게 유지된 채로 있으며 0과 같을 때, 회전자 장(F21)의 주파수(f(F21))는 고정자 자기장의 주파수(f(F22))에 동일하도록 제한된다. 제 2 조건(B)이 만족된다면, 제 1 조건(A)이 검증된다.

주어진 전류(I2)에 대해, 제 2 조건(B)이 검증될 때, 그 후 전자기 토크(T)의 강도는 최대이며, 그에 의해 설비(100)가 최적의 동작 포인트에서 동작한다는 것을 의미한다. 구체적으로, 토크(T)는 전자기장들(F21, F22) 사이에서의 상호작용으로부터 기인하며, 이는 전자기 토크(T)가 교류 발전기(2)에 의해 전달된 전류(I2)의 강도로 곱해진 각도(Ψ)의 코사인에 비례하기 때문에 전자기장들(F21, F22) 사이에서의 각도(Ψ)가 닐일 때 최대이다. 상기 각도(Ψ)는 회전자 전자기장(F22)에 대하여 고정자 전자기장(F21)의 위상 차이다.

고유의 제 3 조건(C)이 만족될 때, 제 2 조건(B)은 참이다. 제 3 조건(C)은 무효 전력에 관한 것이다.

AC 전기 회로에서, 전력은 조작된 기능들의 주기적인 특징으로 인해 특정한 방식으로 표현된다. 전력들, 즉 유효 전력, 무효 전력 및 피상 전력과 동종인 여러 개의 양들을 결정하는 것이 가능하다.

P로 나타내어지며 와트로 표현된, 구성요소의 유효 전력은 하나의 주기에 걸쳐 구성요소에 의해 현상된 평균 전력에 대응한다. 상기 유효 전력(P)은 작업을 수행하기 위해 이용가능한 전력이다. 3-상 전기 신호의 경우에, 상기 유효 전력(P)은 관계(P=3.V.I.cos

)에 의해 주어진다. V는 3-상 신호의 상 및 중립 사이에서의 전압이다. 각도(

)는 3-상 전기 신호의 전압(V) 및 전류(I) 사이에서의 위상 차에 대응한다.

Q로 나타내어지며, var(volt-ampere reactive)로 표현된, 무효 전력은 3-상 전기 신호의 경우에, 관계(Q=3.V.I.sin

)에 의해 주어진다.

마지막으로, S로 나타내어지며 VA(volt-ampere)로 표현된, 피상 전력은 관계(S²=P²+Q²)에 의해 획득되며 3.V.I와 동일하다.

순수 용량성 또는 순수 유도형의 쌍극자들은 닐의 유효 전력(P) 및 그 피상 전력(S)과 동일한 무효 전력(Q)을 가진다. 따라서, 상기 무효 전력(Q)은 AC 전기 회로의 용량성 및 유도성 수신기들의 유의성을 평가하기 위해 사용될 수 있다.

유효, 무효, 및 피상 전력을 산출하기 위한 다른 방식들이 있다. 변형예로서, 이들 전력들은 3-상 전기 신호의 3개의 위상들에 대응하는 3-차원 기준(a, b, c)으로부터, 2-차원 기준(d, q 0)으로 스위칭하기 위해 제공하는 기준의 변화를 수행함으로써 산출된다. 파크 변환(Park transformation) 또는 클라크 변환(Clarke transformation)과 같은 변환들은 이러한 기준의 변화를 수행하기 위해 제공한다. 예를 들면, 파크 변환의 경우에, 기준(d, q, 0)은 회전하며 3-상 신호의 주파수와 동일한 회전 주파수에서 돈다. 따라서, 기준(d, q, 0)에서, 3-상 전기 신호의 전압의 레벨 및 전류의 강도는 일정하다. 이들 변환들은 각도(θ)가 특징으로 삼는 (3, 3) 차원 매트릭스를 사용한다. 파크 변환의 경우에, d 축은 교류 발전기(2)의 회전자(21)의 자석들에 의해 정의될 수 있으며 q 축은 교류 발전기(2)의 개방-회로 전압(E2)에 의해 정의될 수 있고, 상기 전압(E2)은 회전자(21)의 영구 자석들에 대하여 π/2만큼 역위상이다. 각도(θ)는 구동 주파수(fp)를 적분함으로써 획득될 수 있다. 파크 변환의 경우에, 무효 전력(Q)은 다음과 같이 표현될 수 있으며,

,

여기에서 Vd 및 Vq는 d 및 q 축들 상에서의 전압 레벨이고 Id 및 Iq는 d 및 q 축들 상에서의 전류의 강도이다.

고정자 전자기장(F21) 및 회전자 전자기장(F22) 사이에서의 각도(Ψ)에 의해, 특히 각도(Ψ)의 사인(sine)에 의해 유효, 무효, 및 피상 전력들을 산출하는 것이 또한 가능하다.

제 3 조건(C)에 따르면, 교류 발전기(2)에 의해 공급된 전자기 무효 전력(Q2em)의 세트포인트 값(Q2em.c)은 닐이다. 상기 전자기 무효 전력(Q2em)은 교류 발전기(2)의 자화 작업에 대응한다.

임의의 변수의 "순시"로서 불리우는 값들은 이러한 변수의 측정들로부터 획득되며 시간에 걸쳐 변할 수 있다. 상기 순시 값은 측정이 실행되는 인스턴트에 대응하는 주어진 인스턴트에서 변수를 특징으로 한다. 변수의 "세트포인트"로서 불리우는 값들은 이러한 변수에 제공하는 것이 바람직한 이론적인 값들이다.

본 발명의 방법은 특정 변수들의 순시 값들이 이들 변수들의 세트포인트 값들과 동일하도록, 제 3 조건(C)에 부여하기 위해 정류기(41)를 구동하는데 주된 특징이 있다. 그러나, 전자기 무효 전력(Q2em)의 순시 값(Q2em.i)은 직접 액세스 가능하지 않고, 측정 가능하지 않지만, 산출들에 의해, 측정치들에 기초하여 결정될 수 있으며, 그 원리는 이하에 설명된다.

본 발명에 의해, 정류기(41)는 교류 발전기(2)에 의해 소비되거나 또는 공급된 전자기 무효 전력(Q2em)의 순시 값(Q2em.i)을 소거하며 0에서 유지한다.

교류 발전기(2), 케이블(3) 및 정류기(41)로 구성된 서브시스템(101)에서, 생성되거나 또는 소비된 무효 전력들의 합(Q101)은 상기 서브시스템(101) 밖에서 무효 전력의 교환이 없을 수 있기 때문에 닐이다. 구체적으로, 교류 발전기(2)는 선박용 터빈(1)이 전기 아이템이 아니기 때문에 선박용 터빈(1)과 무효 전력을 교환할 수 없으며, 정류기(41)는 무효 전력이 DC 환경에서 어떤 의미도 갖지 않기 때문에, DC 신호(S41)를 수송하는 전기 케이블(9)과 무효 전력을 교환할 수 없다.

서브시스템(101)에 적용된 부셰로 정리(Boucherot theorem)에 따르면, 서브시스템(101)의 총 무효 전력(Q101)은 관계(R1)를 고려해볼 때, 서브시스템(101)의 각각의 전기 구성요소의 무효 전력들의 합과 같다:

,

여기에서 Q2em은 교류 발전기(2)에 의해 공급되거나 또는 소비된 전자기 무효 전력이고, Q2는 교류 발전기(2)의 고정자(22)의 코일들에 의해 소비된 무효 전력이고, Q3은 전기 케이블(3)의 라인 인덕턴스들에 의해 소비된 무효 전력이며 Q41은 정류기(41)에 의해 공급되거나 또는 소비된 무효 전력이다.

상기 관계(R1)는 유도성 케이블(3)을 고려한다. 동일한 식이, 상기 케이블이 특징이 용량성이라면, 케이블의 정전 용량들에 의해 생성된 무효 전력을 고려함으로써 수립될 수 있다.

Q101이 정의에 의해 항상 닐임을 고려해볼 때, 상기 관계(R1)는 관계(R2)가 된다:

.

이하에 보다 상세히 설명되는 바와 같이, 관계(R2)는 측정들로부터 획득된 무효 전력들(Q41, Q2, 및 Q3)의 순시 값들(Q41.i, Q2.i 및 Q3.i)로부터, 무효 전력(Q2em)의 순시 값(Q2em.i)을 결정하기 위해 제공한다.

제어 유닛(5)은 그 후 Q2em.i의 순시 값 및 무효 전력(Q2em)의 세트포인트 값(Q2em.c) 사이에서의 차이의 함수로서 정류기(41)의 구동 주파수(fp)의 구동 전류(Ip)의 값을 산출한다. 따라서, 제어 유닛(5)은 제 3 조건(C)이 만족되도록 정류기(41)를 구동하며, 그에 의해 최대 효율성을 달성하도록 설비(100)의 동작을 변경하기 위해 제공한다.

본 발명의 방법은 알고리즘에 의해 동작하며, 그 주요 목적은 세트포인트를 형성하는 제어 신호(S5)에 대하여 설비(100)의 반응을 안정화시키고 개선하는 것이다. 이러한 방식으로, 상기 설비(100)가 제어된다.

본 발명의 방법에 속하며 이하에 설명되는 산출 단계들은 연속적이며, 그것들은 교대로 발생하며 설비(100)가 동작 중일 때 하나의 루프에서 반복된다.

제어 유닛(5)은 관계(R2)에 의해, 교류 발전기(2)에 의해 공급되거나 또는 소비된 전자기 무효 전력(Q2em)의 순시 값(Q2em.i)을 결정한다:

.

이를 달성하기 위해, 제 1 단계(2001)에서, 제어 유닛은 교류 발전기(2)의 및 전기 케이블(3)의 무효 전력들(Q2, Q3)의 순시 값들(Q2.i, Q3.i)을 결정한다. 예를 들면, 제어 유닛(5)은 무효 전력의 정의(Q=3.V.I.sin

)를 사용할 수 있다. 교류 발전기(2)의 코일들에서의 전압 강하는 교류 발전기(2)를 통과하는 전류로 곱해진 교류 발전기(2)의 임피던스와 동일하다. 이제, 교류 발전기(2)의 임피던스는 본래 주로 유도성이며 교류 발전기(2)의 단자들에서의 사인곡선 전기 신호의 각도 주파수로, H로 표현된, 교류 발전기(2)의 라인 인덕턴스(L2)를 곱함으로써 획득된다.

유사하게, 전기 케이블(3)의 임피던스는 유도성인 것으로 고려되며 전기 케이블(3)에 흐르는 사인곡선 전기 신호의 각도 주파수로 전기 케이블(3)의 라인 인덕턴스(L3)를 곱함으로써 획득된다.

교류 발전기(2) 및 전기 케이블(3)의 임피던스들은 순수 유도성이기 때문에, 그것들은 온도에서의 변화들에 민감하지 않다.

알려진 방식으로, 이러한 임피던스를 통과하는 전기 신호의 전압(V) 및 전류(I) 사이에서의 위상 차에 대응하는, 순수 유도성 임피던스의 인수(

)는 π/2와 같다. 게다가, 각도 주파수는 2π로 곱해진, 신호의 주파수와 같다.

따라서,

.

순시 값들(Q2.i 및 Q3.i)을 결정하기 위해, 주파수(f2) 및 전류(I2)의 순시 값들(f2.i 및 I2.i)을 갖는 것이 필요하다.

이들 순시 값들(I2.i, f2.i)은 많은 대안적인 방식들로 획득될 수 있다. 첫 번째로, 신호(S2)의 전류(I2)를 측정하는 센서(8)를 사용하며 상기 센서(8)를 제어 유닛(5)에 연결하는 전기 케이블(13)에서 흐르는 신호(S8)에 의해 제어 유닛(5)에 이러한 정보를 송신하는 것이 가능하다. 상기 제어 유닛(5)은 전류(I2)의 순시 값(I2.i)으로부터 신호(S2)의 주파수(f2)의 순시 값(f2.i)을 추론한다. 대안으로서, 순시 값들(I2.i, f2.i)은 내부적으로 전류(I2) 및 주파수(f2)를 측정하는 정류기(41)에 의해 획득된다.

종래에, 교류 발전기(2)의 및 전기 케이블(3)의 라인 인덕턴스들(L2, L3)은 제조사에 의해 주어지거나 또는 수치 모델들로부터 산출된다. 상기 라인 인덕턴스들(L2, L3)은 온도와 같은 외부 파라미터들에서의 변화들에 의해 상당히 영향을 받지 않는다. 예를 들면 테스트 단계 동안, 상기 인덕턴스들(L2, L3)을 단지 한 번 결정하는 것이 충분하다.

제 2 단계(2002)에서, 제어 유닛(5)은 정류기(41)의 무효 전력(Q41)의 순시 값(Q41.i)을 결정한다. 알려진 방식으로, 상기 무효 전력(Q41)은 관계(Q41=3.V2.I2.sin(

2))에 의해 주어진다. 상기 전류(I2)의 순시 값(I2.i)은 상기 설명된 대안들에 따라 결정된다. 전압(V2)의 순시 값(V2.i)을 획득하기 위한 여러 개의 방식들이 있다.

제 1 대안에서, 전압(V2)은 마이크로제어기(43)가 정류기(41)의 입력부(411)에서 AC 전압(V2)의 값을 설정하기 때문에 마이크로제어기(43)에 의해 알려져 있다. 따라서, 상기 마이크로제어기(43)는 이러한 전압(V2)에 관한 내부 데이터 아이템을 소유한다. 상기 정류기(41)가 전압(V2)을 전달할 때 오류를 생성하지 않는다고 고려함으로써, 전압(V2)의 순시 값(V2.i)의 추정치가 획득된다. 결과적으로, 전압(V2)을 측정하는 것이 항상 필요한 것은 아니다. 대안으로서, 정류기(41)는 전압 센서를 사용하여 이러한 전압(V2)을 내부적으로 측정할 수 있다.

제 2 대안에서, 상기 센서(8)는 전압(V2)의 순시 값(V2.i)을 측정한다.

상기 위상 차(

2)의 순시 값(

2.i)은 전류(I2)의 및 전압(V2)의 측정들로부터 직접 추론된다.

따라서, 제 2 단계(2002)의 끝에서, 정류기(41)에 의해 공급되거나 또는 소비된 무효 전력(Q41)의 순시 값(Q41.i)은 알려져 있다.

다른 접근법들은 무효 전력(41)의 순시 값(Q41.i)을 결정하기 위해 사용될 수 있다.

제 3 단계(2003)에서, 제어 유닛(5)은 단계들(2001, 2002)에 의해 결정된 무효 전력들로부터, 관계(R2)(Q2em.i=-Q2.i-Q3.i-Q41.i)에 의해, 전자기 무효 전력(Q2em)의 순시 값(Q2em.i)을 결정한다.

제 3 조건(C)이 만족되도록, 전자기 무효 전력(Q2em)의 순시 값(Q2em.i)은 닐이어야 한다. 게다가, Q101=0임을 고려해볼 때, Q2em=0일 때, 관계(R1)는 관계(R3)(Q41=-(Q2+Q3))와 같다. 따라서, 정류기(41)는 Q41 및 -(Q2+Q3) 사이에서 동일성을 재-수립하도록 무효 전력(Q41)을 Q2em.i만큼 증가시키거나 또는 감소시켜야 한다. 변환기(4)의 무효 전력(Q41)의 변화는 전류(I2) 및 전압(V2) 사이에서의 위상 차(

2)의 각도의 변화 및 전자기 장들(F21, F22) 사이에서의 각도(Ψ)의 변화 양쪽 모두에 대응한다.

제 4 단계(2004)에서, 제어 유닛(5)은 예를 들면 관계(S2.i=3.V2.i.I2.i)에 의해 주어진, 교류 발전기(2)의 순시 피상 전력(S2.i)으로, 제 3 단계(2003) 동안 결정된, 전자기 무효 전력(Q2em)의 순시 값(Q2em.i)을 나눈다. 상기 전압(V2) 및 상기 전류(I2)의 순시 값들(V2.i, I2.i)은 상기 설명된 바와 같이 결정된다. 이러한 나눗셈의 결과는 단위가 없는(unitless) 순시 오류(ε.i)를 제공하며, 그에 의해 조절기의 산출들 및 조정을 용이하게 하기 위해 제공한다. 구체적으로, 순시 오류(ε.i)는 0과 1 사이에서 변한다. 상기 순시 오류(ε.i)가 닐일 때, 설비(100)는 최대 효율성에서 동작하며, 전자기장들(F21, F22)은 동위상이다. 순시 오류(ε.i)가 1과 같을 때, 전자기 장들(F21, F22) 사이에서의 각도(Ψ)는 π/2와 같으며 설비(100)는 전기 에너지를 생성하지 않는다.

따라서, 순시 오류(ε.i)는 용어의 수학적인 의미에서, 전자기 무효 전력(Q2em)의 순시 값(Q2em.i)에 비례한다. 게다가, 관계(Q2em.i=-Q2.i-Q3.i-Q41.i)(R2)에 따르면, 상기 전자기 무효 전력(Q2em)의 순시 값(Q2em.i)은 교류 발전기(2)의 무효 전력(Q2), 전기 케이블(3)의 무효 전력(Q3) 및 제 1 변환기(41)의 무효 전력(Q41)의 측정된 값들(Q2.i, Q3.i, 및 Q41.i)의 합계의 역과 동일하다.

결과적으로, 순시 오류(ε.i)는 제 1 변환기(41)의 무효 전력(Q41)의 함수로서 결정된다. 특히, 순시 오류(ε.i) 및 무효 전력(Q41)은 다음의 관계식을 통해 관련된다:

다른 한편, 순시 오류(ε.i)는 전류(I2)의 측정된 값(I2.i)이 교류 발전기(2)의 무효 전력(Q2), 전기 케이블(3)의 무효 전력(Q3), 및 제 1 변환기(41)의 무효 전력(Q41)의 측정된 값들(Q2.i, Q3.i, 및 Q41.i)의 산출시 특징을 이루기 때문에, 전기 신호(S2)의 전류(I2)의 측정된 값(I2.i)으로부터 결정된다.

제 4 단계(2004)는 선택적이다. 상기 경우에, 순시 오류(ε.i)는 교류 발전기(2)의 무효 전력(Q2em)의 측정된 값(Q2em.i)과 동일하다. 결과적으로, 순시 오류(ε.i)는 그 후 제 1 변환기(41)의 무효 전력(Q41)과 동종이며, 이는 이들 두 개의 양들이 동일한 단위를 갖기 때문이다: 이것들은 볼트-암페어(VA)로 표현된, 무효 전력들이다.

변형예로서, 순시 오류(ε.i)는 수학적 함수, 특히 아크사인 또는 역 사인 함수를 통해, 무효 전력(Q41)의 측정된 값(Q41.i)에 비례하거나 또는 무효 전력(Q41)의 측정된 값(Q41.i)의 이미지에 비례한다.

제 1 예비 단계(1001)에서, 세트포인트 오류(ε.c)는 제어 유닛(5)에서 구현된다. 상기 세트포인트 오류(ε.c)는 교류 발전기(2)의 최대 피상 전력(S2)으로 나뉜, 전자기 무효 전력(Q2em)의 세트포인트 값(Q2em.c)과 같다. 따라서, 상기 세트포인트 오류(ε.c)는 전자기 무효 전력(Q2em)의 세트포인트 값(Q2em.c)에 비례한다.

상기 방법은 제어 유닛(5)이 구동 주파수(fp) 및 구동 전류(Ip)를 결정하는 주요 단계(3000)를 포함한다. 상기 주요 단계(3000)의 제 1 서브단계(2005) 동안, 상기 제어 유닛(5)은 세트포인트 오류(ε.c) 및 순시 오류(ε.i) 사이에서의 차이와 같은 최종 오류(ε)를 결정한다. 세트포인트 오류(ε.c)는 순시 오류(ε.i)에 제공되는 것을 원하는 이론상의 값이다.

상기 세트포인트 값(Q2em.c)은 제 3 조건(C)에 따라, 닐 값으로 고정된다. 결과적으로, 상기 최종 오류(ε)는 순시 오류(ε.i)와 동일하다.

최종 오류(ε)는 미리 결정된 비례-적분 조절기 유형의 교정기를 위한 입력 데이터이다.

상기 주요 단계(3000)의 제 2 서브단계(2006)에서, 상기 제어 유닛(5)은 최종 오류(ε)의 함수로서 주파수 차이(△f)를 결정한다. 본 발명의 방법은 사용자가 비례-적분 조절기의 상수들(Kp, Ki)을 정의하는 제 2 예비 단계(1002)를 포함한다. 최종 오류(ε)를 적분함으로써, 상기 비례-적분 조절기는 신호(S2)의 순시 주파수(f2.i) 및 조건(C)이 검증되기 위해 신호(S2)가 가져야 하는 이론적 주파수 사이에서의 차이에 대응하는 주파수 차이(△f)를 출력으로서 전달한다.

주요 단계(3000)의 제 3 서브단계(2007)에서, 상기 제어 유닛(5)은 설비(100)의 동작 상태에 의존하여, 주파수 램프(fr) 또는 고정 주파수(fe)를 주파수 차이(△f)에 부가함으로써 구동 주파수(fp)를 산출한다. 상기 주파수 램프(fr)는 제어 유닛(5)으로 들어가지며 설비(100)의 이상적인 시동, 즉 선박용 터빈(1)의 프로펠러(10)의 회전 주파수(f21)가 단지 동시성의 손실을 위태롭게 하지 않도록 너무 빠르지 않게만, 고속 시동을 획득하기 위해 증가하는 시동에 가깝도록 제 3 예비 단계(1003)에서 결정된다. 고정 주파수(fe)는 또한 제 3 예비 단계(1003) 동안 결정되며 설비(100)가 표준 상태들 하에서, 예를 들면, 생산 사이클의 시작에서, 정상 상태로 동작할 때 신호(S2)의 평균 주파수에 대응한다.

설비(100)의 시동 단계들 동안, 정류기(41)는 주파수 램프(fr)에 따라, 프로펠러(10)의 회전 주파수(f21)를 설정한다. 따라서, 상기 프로펠러(10)는 "발생" 주파수로서 불리우는 주파수에 빠르게 도달하며, 그로부터 상기 설비(100)는 전기 에너지를 생성하기 시작한다. 이후로, 주파수 램프(fr)는 고정 주파수(fe)로 대체된다. 제 3 서브단계(2007)는 선택적이며, 그것이 제거될 때, 구동 주파수(fp)는 주파수 차이(△f) 및 순시 주파수(f.i)를 부가함으로써 결정된다.

주요 단계(3000)의 제 4 서브단계(2008)에서, 제어 유닛(5)은 선박용 터빈(1)이 최적의 동작 포인트에서 동작하기 위해, 신호(S2)의 주파수(f2)의 함수로서 신호(S2)의 강도(I2)를 표시하는 미리 결정된 데이터(D)의 테이블의 도움으로 구동 강도(Ip)를 결정한다. 상기 최적의 동작 포인트는 선박용 터빈(1)으로 하여금 흐름(E)의 파라미터들에 기초하여 기계 에너지의 최대치를 회수할 수 있게 한다. 이러한 데이터(D)는 선박용 터빈(1)의 유압 특성들 및 교류 발전기(2)의 특성들에 따라 제 4 예비 단계(1004) 동안 제어 유닛(5)으로 들어가진다. 상기 데이터(D)는 프로펠러(10)의 허브(12)의 회전 주파수(f21)의 함수로서 프로펠러(10)의 최대 토크를 표시한 값들의 또 다른 테이블로부터 추론될 수 있다. 상기 신호(S2)의 강도(I2)는 전자기 토크(T)에 비례하며, 프로펠러(10)의 회전 주파수(f21)는 신호(S2)의 주파수(f2)에 비례한다.

구동 단계(4000)에서, 제어 유닛(5)은 구동 주파수(fp)에 관한 및 구동 전류(Ip)에 관한 신호(S5)를, 신호(S2)의 주파수(f2)가 구동 주파수(fp)와 같도록 및 신호(S2)의 전류(I2)가 구동 전류(Ip)와 같도록 정류기(41)를 구동하는 마이크로제어기(43)에 송신한다.

제어 유닛(5)은 설비(100)의 동작 동안 상술된 단계들을 하나의 루프에서 반복한다. 예를 들면, 상기 제어 유닛(5)은 자동 제어 사이클 시간, 예를 들면, 2 ms에 대응하는 주파수를 갖고 상기 단계들을 반복할 수 있다.

본 발명의 구동 방법은 도 2에 표현된 위상-잠금 루프(phase-lock loop; PLL) 구조(200)를 주로 보여준다.

알려진 방식으로, 상기 위상-잠금 루프(200)는 가변 주파수를 가진 입력 신호(201), 위상-잠금 루프(200)의 입력 신호(S201) 및 출력 신호(S204) 사이에서의 위상 차이에 비례하는 오류 신호(S202)를 발생시키는 위상 검출기(202), 저역-통과 필터(203) 및 그 주파수가 오류 신호(S202)에 의존하는 신호(S204)를 전달하는 전압-제어 발진기 또는 VCO(204)를 포함한다.

상기 위상-잠금 루프(200)는 입력(S201) 및 출력(S204) 신호들 사이에서의 주파수 및 위상의 동일성을 보존하기 위해 제공한다.

본 발명에 따르면, 신호(S2)는 입력 신호(S201)에 대응한다. 상기 주파수(f2)는 프로펠러(10)의 회전 주파수(f21)에 의존한다. 무효 전력의 측정치는 위상 검출기(202)의 기능을 제공한다. 상기 저역-통과 필터(203)는 비례-적분 조절기에 의해 형성되며 상기 변환기(4)는 전압-제어 발진기(204)의 기능을 제공한다.

입력 신호(S201)의 주파수가 출력 신호(S204)의 주파수에 독립적인 종래의 위상-잠금 루프와 달리, 본 발명의 방법을 위해 사용된 구조는 출력 신호(S204)를 위상 검출기(202)에 송신하는 피드백 루프(205)를 가진다. 이러한 피드백 루프(205)는 프로펠러(10)의 회전 주파수(f21) 및 신호(S2)의 주파수(f2) 사이에서의 직접적인 물리적 링크를 표현한다.

구체적으로, 상기 신호(S2)의 주파수(f2) 및 그러므로 또한 프로펠러(10)의 회전 주파수(f21)는 변환기(4)에 의해 전달된 전자기 토크(T)에 물리적으로 의존한다. 상기 토크(T)가 감소한다면, 주파수들(f2, f21)이 또한 감소하며, 그 역 또한 마찬가지이다.

피드백 루프(205)에 의해, 상기 설비(100)가 제어된다. 상기 방법은 부적 피드백에 의해 설비(100)를 제어한다.

변형예로서, 상기 설비(100)는 풍력 에너지를 전기 에너지로 변환하기 위한 설비이다. 상기 경우에, 풍력 터빈은 상기 선박용 터빈(1)을 대신한다.

또 다른 변형예에서, 상기 선박용 터빈(1)은 유압 터빈으로 대체될 수 있다.

표현되지는 않지만, 변형예로서, 센서(8)가 제거된다. 이것은 전류(I2) 및 전압 레벨(V2)의 강도가 정류기(41)의 내부 센서들에 의해 직접 측정되기 때문이다. 상기 경우에, 상기 마이크로제어기(43)는 이러한 데이터를 제어 유닛(5)에 송신한다.

변형예로서, 제 2 조건(B)은 각도(Ψ)가 일정하며 닐이 아닐 때 검증된다. 각도(Ψ)가 0이 아닐 때, 제 3 조건(C)은 교류 발전기(2)의 전자기 무효 전력(Q2em)이 닐이 아닐 때 만족되며, 이것은 상기 설비(100)의 전기 구성요소들이 소자될 수 있음을 의미한다. 따라서, 상기 설비(100)의 효율성은 개선된다. 이 변형예에서, 제 1 예비 단계(1001) 동안, 사용자는 교류 발전기(2)의 0이 아닌 전자기 전력(Q2em)에 대응하는 세트포인트 오류(ε.c)를 정의한다. 실제로, -60°및 +60°사이, 바람직하게는 -30°및 +30°사이에서의 세트포인트 각도(Ψc)가 선택될 것이다. 구체적으로, 상기 각도(Ψ)가 너무 크다면, 상기 교류 발전기(2)는 최적의 동작 포인트에서 동작하지 않으며 설비(100)의 효율성은 저하된다.

또 다른 실시예에서, 주요 단계(3000) 동안, 제어 유닛(5)은 최종 오류(ε)의 상이한 변수의 함수로서 및 전류(I2)의 강도의 측정으로부터 획득된 구동 전류(Ip) 및 구동 주파수(fp)를 산출한다. 최종 오류(ε)를 대신하는 이러한 변수는 무효 전력에 비례하거나 또는 그것과 동종이며 비례-적분 조절기의 입력에 대응한다. 예를 들면, 상기 변수는 고정자 전자기장(F21) 및 회전자 전자기장(F22) 사이에서의 각도(Ψ), 상기 각도(Ψ)와 동종이거나 또는 이것에 비례하는 변수, 상기 각도(Ψ)의 사인 또는 상기 각도(Ψ)의 사인과 동종이거나 또는 이것에 비례하는 변수일 수 있다. 그러나, 상기 무효 전력은 상기 각도(Ψ)와 상이한 각도의 함수로서 표현될 수 있다. 예를 들면, 대안으로서, 상기 변수는 신호(S2)의 전압(V2) 및 전류(I2) 사이에서의 위상 차이의 각도(

2), 각도(

2)에 비례하거나 또는 그것과 동종인 변수, 상기 각도(

2)의 사인 또는 상기 각도(

2)의 사인과 동종이거나 또는 그것에 비례하는 변수일 수 있다. 상기 무효 전력은 상기 각도(Ψ)의 함수로서 표현되며 그러므로 상기 각도(Ψ)의 부호를 알기 위해 제공하며, 이것은 반드시 다른 양들에 대한 경우는 아니다. 상기 각도(Ψ)의 부호는 제 3 조건(C)이 만족되기 위해 정류기(41)가 무효 전력을 공급해야 하는지 또는 소비해야 하는지 여부를 결정한다. 변형예로서, 교류 발전기(2)는 비동기식 기계이다.

표현되지는 않지만, 변형예로서, 상기 설비(100)는 교류 발전기(2) 및 변환기(4) 사이에 삽입된, 특히 교류 발전기(2)에 의해 전달된 신호(S2)의 전압의 레벨을 변환기(4)에 의해 부여된 전압 제약들에 적응시키기 위해 제공한, 적어도 하나의 변압기를 포함한다. 교류 발전기(2) 및 변환기(4) 사이에 2개의 변압기들을 위치시키는 것이 가능하다. 제 1 변압기는 신호(S2)의 전압(V2)의 레벨을 증가시키며 신호(S2)의 전류(I2)의 강도를 낮춘다. 결과적으로, 전기 케이블(3)에서의 줄 효과(Joule effect)를 통한 손실들은 감소된다. 그 후, 정류기(41)의 입력부(411) 및 전기 케이블(3) 사이에 위치된 제 2 변압기는 신호(S2)를 재-수립하기 위해 전압(V2)의 레벨을 감소시키며 전류(I2)의 강도를 증가시킨다.

변형예로서, 상기 비례-적분 교정기는 또 다른 유형의 요소가 무효 전력과 동종이거나 또는 그것에 비례하는 세트포인트 신호의 함수로서 주파수 차이를 결정하기 위해 제공하는 한에 있어서는, 이러한 요소로 대체된다.

본 설명에 주어진 수학적 표현들은 설비에 존재하는 전기 구성요소들에 의존하여 변경될 수 있다.

부가적으로, 본 발명의 문맥에서, 상기 설명된 다양한 실시예들 및 변형예들은 서로, 완전히 또는 부분적으로 조합될 수 있다.

1: 선박용 터빈 2: 교류 발전기
3: 전기 케이블 4: 변환기
5: 제어 유닛 6, 7: 전기 케이블
8: 센서 9: 전기 케이블
10: 프로펠러 11: 날개
12: 허브 21: 회전자
22: 고정자 41: 정류기
42: 인버터 43: 마이크로제어기
100: 설비 101: 서브시스템
200: 위상-잠금 루프 202: 위상 검출기
203: 저역-통과 필터 204: 전압-제어 발진기
205: 피드백 루프

Claims

기계 에너지의 전기 에너지로의 변환을 위해 설비(100)의 전력을 조절하기 위한 방법으로서,
상기 설비(100)가:
- 흐름(E; flow)에 의해 선회하도록(traverse) 의도된 회전 기계식 수신기(10)를 포함한 기계(1),
- 회전자(21)가 상기 회전 기계식 수신기(10)의 허브(12)에 연결되는 교류 발전기(2),
- 상기 교류 발전기(2)에 의해 전달된 제 1의 3상 전기 신호(S2)를 제 2의, DC, 전기 신호(S41)로 변환하는 제 1 변환기(41),
- 상기 교류 발전기(2)의 고정자(22)의 단자들을 상기 제 1 변환기(41)의 입력부(411)에 연결하는 전기 케이블(3),
- 입력부(421)가 상기 제 1 변환기(41)의 출력부(412)에 전기적으로 연결되며 출력부(422)가 배전 네트워크(R)에 연결되도록 의도되는 제 2 변환기(42)로서, 상기 제 2 전기 신호(S41)를 고정 주파수(f42)를 가진 제 3의, AC, 전기 신호(S42)로 변환하는, 상기 제 2 변환기(42),
- 상기 제 1 전기 신호(S2)의 전류(I2)를 측정하기 위한 수단(8, 41, 43),
- 구동 주파수(fp) 및 구동 전류(Ip)를 제어 유닛에 송신함으로써 상기 제 1 변환기(41)를 제어하도록 프로그램된 제어 유닛(5)으로서, 상기 제 1 변환기(41)는 상기 구동 전류(fp)가 상기 제 1 전기 신호(S2)의 주파수(f2)와 동일하도록, 그리고 상기 제 1 전기 신호(S2)의 전류(I2)가 상기 구동 전류(Ip)와 동일하도록 상기 제 1 전기 신호(S2)의 상기 주파수(f2) 및 상기 전류(I2)를 변조하는, 상기 제어 유닛(5)을 포함하며, 상기 방법은:
- 무효 전력에 비례하는 세트포인트 양(ε.c)의 값이 상기 제어 유닛에서 구현되는 제 1 예비 단계(1001);
- 상기 제어 유닛(5)이, 상기 제 1 변환기(41)의 무효 전력(Q41)에 의존하며 상기 제 1 전기 신호(S2)의 전류(I2)의 측정된 값(I2.i)으로부터 결정된, 상기 세트포인트 양(ε.c) 및 동시에 상기 세트포인트 양(ε.c)과 동종인 순시 양(ε.i) 사이에서의 차이와 동일한 오류(ε)로부터 상기 구동 주파수(fp) 및 상기 구동 전류(Ip)를 결정하는 주요 단계(3000)를 포함하는, 전력을 조절하기 위한 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 변환기(41)의 순시 양(ε.i) 및 상기 무효 전력(Q41)은 관계식
의 관계에 있는 것을 특징으로 하며, 여기서
- Q2.i는 상기 교류 발전기(2)의 무효 전력(Q2)의 측정된 값이고,
- Q3.i는 상기 전기 케이블(3)의 무효 전력(Q3)의 측정된 값이고,
- Q41.i는 상기 제 1 변환기(41)의 무효 전력(Q41)의 측정된 값이며,
- S2.i는 상기 교류 발전기(2)의 피상 전력(S2)의 측정된 값인, 전력을 조절하기 위한 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 순시 양(ε.i)은 상기 제 1 변환기(41)의 무효 전력(Q41)에 비례하거나 또는 그것과 동종인 것을 특징으로 하는, 전력을 조절하기 위한 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 오류(ε)는 상기 교류 발전기(2)의 회전자 전자기장(F21) 및 상기 교류 발전기(2)의 고정자 전자기장(F22) 사이에서의 제 1 각도(Ψ)에 비례하거나 또는 상기 제 1 각도(Ψ)의 사인에 비례하는 것을 특징으로 하는, 전력을 조절하기 위한 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 오류(ε)는 상기 제 1 전기 신호(S2)의 전류(I2) 및 상기 제 1 전기 신호(S2)의 전압(V2) 사이에서의 위상 차(
2)의 각도에 비례하거나, 또는 위상 차(
2)의 각도의 사인에 비례하는 것을 특징으로 하는, 전력을 조절하기 위한 방법.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 주요 단계(3000) 이전에, 제 1 단계(2001)를 부가적으로 포함하며, 상기 제어 유닛(5)은:
- 상기 교류 발전기(2)의 인덕턴스(L2)로부터, 상기 교류 발전기(2)의 무효 전력(Q2)의 측정된 값(Q2.i);
- 상기 전기 케이블(3)의 인덕턴스(L3)로부터, 상기 전기 케이블(3)의 무효 전력(Q3)의 측정된 값(Q3.i)을 결정하는 것을 특징으로 하는, 전력을 조절하기 위한 방법.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 주요 단계(3000) 이전에, 제 2 단계(2002)를 부가적으로 포함하며,
상기 제어 유닛(5)은 상기 제 1 전기 신호(S2)의 전류(I2)의 측정된 값(I2.i)으로부터 상기 제 1 변환기(41)의 무효 전력(Q41)의 측정된 값(Q41.i)을 결정하는 것을 특징으로 하는, 전력을 조절하기 위한 방법.
제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
상기 제어 유닛(5)이, 상기 제 1 변환기(41)의 무효 전력(Q41)의 측정된 값(Q41.i)으로부터, 상기 교류 발전기(2)의 무효 전력(Q2)의 측정된 값(Q2.i)으로부터, 및 상기 전기 케이블(3)의 무효 전력(Q3)의 측정된 값(Q3.i)으로부터, 상기 교류 발전기(2)의 전자기 무효 전력(Q2em)의 측정된 값(Q2em.i)을 결정하는 제 3 단계(2003)를 부가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는, 전력을 조절하기 위한 방법.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
출력이 주파수 차이(△f)이며 입력이 상기 오류(ε)인, 교정기의 적어도 하나의 상수(Kp, Ki)가 정의되는 제 2 예비 단계(1002)를 포함하는 것, 상기 주요 단계(3000)가 상기 제어 유닛(5)이 상기 교정기에 의해 상기 오류(ε)의 함수로서 상기 주파수 차이(△f)를 결정하는 제 1 서브단계(2006)를 포함하는 것 및 상기 주요 단계(3000) 동안, 상기 구동 주파수(fp)가 상기 주파수 차이(△f)로부터 산출되는 것을 특징으로 하는, 전력을 조절하기 위한 방법.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
사용자가 주파수 램프(fr) 또는 고정 주파수(fe)를 상기 제어 유닛(5)에 입력하는 제 3 예비 단계(1003)를 부가적으로 포함하는 것 및 상기 주요 단계(3000)가 상기 제어 유닛(5)이 상기 주파수 차이(△f) 및 상기 주파수 램프(fr) 또는 상기 고정 주파수(fe)를 부가함으로써 상기 제 1 변환기(41)의 구동 주파수(fp)를 결정하는 제 2 서브단계(2007)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 전력을 조절하기 위한 방법.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
사용자가 미리 정의된 데이터로부터 상기 구동 주파수(fp)의 함수로서 상기 구동 전류(Ip)를 결정하는 상기 기계(1)의 최적의 효율성에 대응하는 상기 미리 정의된 데이터(D)를 상기 제어 유닛(5)에 입력하는 제 4 예비 단계(1004)를 포함하는 것 및 상기 주요 단계(3000)가 상기 제어 유닛(5)이 상기 미리 정의된 데이터(D) 및 상기 구동 주파수(fp)의 함수로서 상기 구동 전류(Ip)를 결정하는 제 3 서브단계(2008)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 전력을 조절하기 위한 방법.
기계 에너지의 유압 에너지로의 변환을 위한 설비(100)에 있어서,
- 흐름(E)에 의해 선회하도록 의도된 회전 기계식 수신기(10)를 포함한 유압 기계(1) 또는 풍력 터빈,
- 회전자(21)가 상기 회전 기계식 수신기(10)의 허브(12)에 연결되는 교류 발전기(2),
- 상기 교류 발전기(2)에 의해 전달된 제 1의 3상 전기 신호(S2)를 제 2의, DC, 전기 신호(S41)로 변환하는 제 1 변환기(41),
- 상기 교류 발전기(2)의 고정자(22)의 단자들을 상기 제 1 변환기(41)의 입력부(411)에 연결하는 전기 케이블(3),
- 입력부(421)가 상기 제 1 변환기(41)의 출력부(412)에 전기적으로 연결되며 출력부(422)가 전기 네트워크(R)에 연결되도록 의도되는 제 2 변환기(42)로서, 상기 제 2 전기 신호(S41)를 고정 주파수(f42)를 가진 제 3의, AC, 전기 신호(S42)로 변환하는, 상기 제 2 변환기(42),
- 상기 제 1 전기 신호(S2)의 전류(I2)를 측정하기 위한 수단(8, 41, 43),
- 구동 주파수(fp) 및 구동 전류(Ip)를 제어 유닛에 송신함으로써 상기 제 1 변환기(41)를 제어하는 제어 유닛(5)으로서, 상기 제 1 변환기(41)는, 상기 구동 주파수(fp)가 상기 제 1 전기 신호(S2)의 주파수(f2)와 동일하도록, 그리고 상기 제 1 전기 신호(S2)의 전류(I2)가 상기 구동 전류(Ip)와 동일하도록 상기 제 1 전기 신호(S2)의 상기 주파수(f2) 및 상기 전류(I2)를 변조하는, 상기 제어 유닛(5)을 포함하며,
상기 설비(100)의 전력은 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의해 조절되는 것을 특징으로 하는, 기계 에너지의 유압 에너지로의 변환을 위한 설비.