KR101540954B1 - 발전기용 초전도 계자 코일 - Google Patents

Abstract

낮은 전압 변동율을 구현하는 데 적합한 초전도 발전기용 계자 코일이 개시된다. 본 발명은 폐루프를 형성하며, 영구 전류 모드로 동작하는 초전도 주 코일; 및 상기 주 코일에 인접하여 전원 인가 모드로 동작하며, 상기 주 코일의 자장을 증감하기 위한 유도 전류의 인가하기 위한 보조 코일을 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 발전기용 계자 코일을 제공한다. 본 발명에 따르면, 부하 변동에 따라 주 코일에 비해 인덕턴스가 낮은 보조 코일측을 제어하여 계자측 기전력을 제어할 수 있으므로 전압변동률을 감소시키고 발전기 효율을 증가시킬 수 있게 된다. 또한, 본 발명에 따르면 계자측 기전력 제어시 초전도 선재의 ?치(Quench) 발생을 억제할 수 있게 된다.

Description

발전기용 초전도 계자 코일{Superconducting Field Magnet Coil for Electrical Generator}

본 발명은 초전도 발전기용 계자 코일에 관한 것으로 보다 상세하게는 낮은 전압 변동율을 구현하는 데 적합한 초전도 발전기용 계자 코일에 관한 것이다.

이상적인 발전기는 부하의 변동에 관계없이 일정한 전압을 제공하는 안정성을 제공한다. 즉 전압변동률이 낮으면 발전기 특성이 우수하다고 볼 수 있다.

전압 변동률은 발전기의 특성을 표시하는 파라미터로서 발전기가 사용부하의 변동에 대하여 얼마나 일정한 전압을 유지, 공급하는가에 대한 지표로 사용된다.

(여기서, η_V는 전압 변동률, V_NL은 무부하 전압, V_L은 전부하 전압)

즉 전압 변동률은 무부하와 전부하시에 전압이 얼마나 변하는가에 대한 정보를 제공한다. 무부하시와 전부하시의 전압차이가 없을 때 전압변동률은 0 이 된다.

초전도 발전기는 계자측 코일을 초전도 선재로 사용하는데, 초전도 선재의 강성은 대체로 일반 구리 선재 보다 약하고 온도와 자장, 전류에 따라 출력 특성이 달라져서, 부하변동이 클 경우 초전도 선재에 입력되는 전류의 변동 또한 짧은 시간에 변화되기 때문에 안정도 측면에서는 나쁜 특성을 나타낼 수밖에 없다.

따라서, 초전도 발전기는 전압변동률을 최소화하여 하여 안정성을 높이는 것이 바람직하다.

종래, 기존 초전도 발전기의 계자 코일은 통상 테잎(Tape)형태의 선재를 레이스 트랙(Racetrack)형태로 권선한 것이 사용되고 이 레이스 트랙형 전자석은 전원 구동 방식으로 운전된다.

하지만 기존 초전도 발전기의 전압 변동률을 제어할 때에는 몇 가지 문제점이 발생한다.

먼저, 전원 구동 모드로 운전되는 계자 코일의 제어는 전류의 제어로 수행되는데, 코일의 특성상 권선 수가 많아질수록 인덕턴스가 높고 시정수가 크기 때문에, 그 반응 속도가 상당히 느리게 된다. 또한 반응 속도가 느리기 때문에 전류를 급상승시킬 수 없고, 만약 급상승시켜 인가한다면 초전도 선재에 열이 발생하고 임계온도 이상으로 올라가게 되면 선재에 ?치(Quench)가 발생할 가능성이 크다.

또한, 전원 구동 모드로 운전되는 경우 전류 리드를 설치해야하는데 이 과정에서 초전도 접합이 완벽하게 이루어지지 않는 이상, 리드와의 접합부위에 저항이 생기게 되고, 그렇게 되면 열이 발생하게 되어 이 또한 ?치의 원인이 될 수 있다.
(특허문헌 1) KR10-0764867 B
(특허문헌 2) KR10-1142537 B

상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은, 우수한 전압변동률 특성을 나타내는 초전도 발전기용 계자 코일을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 부하 변동에 따라 계자측 기전력을 제어하여 전압변동률을 감소시키고 발전기 효율을 증가시킬 수 있는 초전도 발전기용 계자 코일을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 계자측 기전력 제어시 초전도 선재의 ?치(Quench) 발생을 억제할 수 있는 초전도 발전기용 계자 코일을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은 폐루프를 형성하며, 영구 전류 모드로 동작하는 초전도 주 코일; 및 상기 주 코일에 인접하여 전원 인가 모드로 동작하며, 상기 주 코일의 자장을 증감하기 위한 유도 전류의 인가하기 위한 보조 코일을 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 발전기용 계자 코일을 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 보조 코일의 양단에 접속되며 상기 보조 코일에 전류를 인가함으로써 상기 보조 코일에 의해 유도되는 자장에 의해 상기 주 코일의 자장을 증감시키기 위한 전원부를 포함한다.

본 발명에서 상기 전원부는 상기 보조 코일에 인가되는 전류의 방향을 제어하기 위한 스위치들을 포함할 수 있다.

본 발명에서 상기 보조 코일은 초전도 선일 수 있다.

본 발명에서 상기 보조 코일의 인덕턴스는 상기 주 코일의 인덕턴스보다 작은 것이 바람직하다. 보다 구체적으로 상기 보조 코일의 인덕턴스는 상기 주 코일의 인덕턴스의 5~20% 인 것이 바람직하다.

본 발명은 상기 발전기의 부하 변동이 큰 과도 상태에서 상기 주 코일의 자장을 제어하기 위하여 상기 보조 코일의 전류를 제어하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 부하 변동에 따라 주 코일에 비해 인덕턴스가 낮은 보조 코일측을 제어하여 계자측 기전력을 제어할 수 있게 되며, 이에 따라 전압변동률을 감소시키고 발전기 효율을 증가시킬 수 있게 된다.

또한, 본 발명은 계자측 기전력 제어시 초전도 선재의 ?치(Quench) 발생을 억제할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 초전도 계자 코일에 사용 가능한 초전도 전자석으로 레이스 트랙형 초전도 전자석을 모식적으로 도시한 도면이다.
도 2는 및 도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 초전도 계자 코일을 개념적으로 도시한 사시도 및 정면도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 계자 코일의 구동 회로를 개략적으로 도시한 회로도이다.

이하 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상술한다.

도 1은 본 발명의 초전도 계자 코일에 사용 가능한 초전도 전자석으로 레이스 트랙형 초전도 전자석을 모식적으로 도시한 도면이다.

도시된 레이스 트랙형 초전도 전자석은 테이프 형태의 복수의 초전도 서브 코일이 적층된 구조를 가질 수 있다. 상기 서브 코일은 애초에 초전도 권선장치로 보빈에 직접 권선되거나, 소정의 권선틀로 권선한 후에 코일만을 분리하여 보빈에 적층될 수도 있다. 또한, 상기 레이스 트랙형 초전도 전자석은 복수의 적층 구조를 위한 세부 구조를 가질 수 있지만 본 발명에서는 초전도 전자석의 제조 방법에 주안점을 둔 것이 아니므로, 여기서는 설명을 생략한다. 도시한 레이스 트랙형 초전도 전자석 뿐만 아니라 임의의 구조를 갖는 초전도 전자석이 본 발명에 사용 가능함은 당업자라면 누구나 알 수 있을 것이다.

초전도 전자석은 적은 소비전력으로 고자장을 발생시킬 수 있는 장점이 있다. 영구 자석형 초전도 전자석은 초전도 코일로 폐회로를 형성한 구조를 갖는데, 이상적으로는 저항(R)이 0(Zero)이기 때문에 외부 자장으로 인해 생성된 유도 전류, 그리고 이로 인해 생긴 기전력은 소멸되지 않는다. 이를 영구 전류 모드라고 한다.

여기서, R과 L은 회로의 총 저항과 인덕턴스이다. 상전도체에서는 저항에 의해 유기된 전류가 소멸되지만 초전도 회로에서는 순환전류로 계속 흐르게 된다.

R=0일 때,

이처럼 영구 전류 모드는 이상적으로는 전류의 소멸이 없어 한번 생성된 코일의 자장은 영구적으로 유지가 된다. 그리고 페회로를 형성하기 때문에 전류 리드 등에 의한 저항이 생기지 않는다.

도 2 및 도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 초전도 계자 코일을 개념적으로 도시한 사시도 및 정면도이다.

본 발명에서 상기 초전도 계자 코일은 영구 모드로 동작하는 주 코일(100)과 전원 구동 모드로 동작하는 보조 코일(200)을 포함하여 구성된다. 여기서, 영구 모드로 동작하는 주 코일(100)로는 도 1과 관련하여 설명한 레이스 트랙형 초전도 전자석이 사용될 수 있다.

한편, 본 발명의 초전도 계자 코일에는 상기 주 코일(100)에 인접한 위치에 상기 초전도 전자석에 전원 구동 모드로 운전되는 보조 코일(200)이 배치되어 있다. 상기 보조 코일(200)은 상기 주 코일과 적절한 거리로 이격될 수 있으며, 상기 이격 거리는 후술하는 보조 코일(200)의 동작을 참고하여 당업자가 적절히 설계할 수 있다.

본 발명에서 상기 보조 코일(200)은 입력전류의 방향에 따라 계자측 기자력을 증가시키거나 감소시키도록 동작한다 이를 위해 상기 보조 코일(200)은 전원부와의 접속을 위한 한 쌍의 전원 접속부(210)를 구비하고 있다.

또한, 본 발명에서 상기 보조 코일(200)은 권선 수가 주 코일 보다 작게 설계되는 것이 바람직하다. 예컨대, 상기 보조 코일(200)은 주코일(100)이 갖는 인덕턴스의 5~20%가 되도록 설계될 수 있다. 이와 같은 낮은 권선 수를 갖는 보조 코일은 인덕턴스가 낮아 제어 반응 속도가 빠르다는 장점을 갖는다.

본 발명에서 상기 보조 코일로는 초전도 전자석이 사용될 수 있다. 물론, 본 발명은 이에 한정되지 않는다.

일반적으로, 발전기의 전압변동률을 줄이기 위해서는 전기자측의 누설 자속을 최소화하고 계자측 기자력을 크게 하면 전기자 반작용이 작아져서 누설 저항에 의한 동기 임피던스가 줄어들게 되고 전압 변동률이 줄게 된다. 이를 '단락비를 크게 한다’라고 한다.

여기서, 단락비(κ_s)는 아래 수식에 의해 정의된다.

(여기서 I_f1은 정격속도에서 무부하 정격전압을 발생시키는데 필요한 계자전류이고, I_f2는 3상 단락상태에서 정격전류를 흘리는데 필요한 계자전류(단락전류)이다.)

단락비는 발전기 단락시의 특성을 나타내기 위해 사용되는데 이를 바탕으로 발전기 사이즈, 손실, 여자방식, 전압변동률, 안정도 등을 파악할 수 있다.

단락비가 크다는 것은 위 식에서도 알 수 있듯이 단락전류가 작거나, 무부하 정격 계자 전류가 커야 되는데 이 둘 다 발전기 재원에 따라 결정된다. 단락비는 동기임피던스 즉 누설저항과 반비례의 관계에 있는데, 전기자의 누설자속이 커질수록 단락비는 감소한다.

초전도 발전기의 경우 단락비가 크다는 것은 계자측 초전도 권선 수가 증가시켜야 함을 뜻한다. 그러나, 전압 변동률을 줄이기 위해(단락비를 크게 하기 위해) 계자 코일의 턴 수를 증가시킬 경우(즉 계자측 기전력 증가) 고가인 초전도 선재의 양이 늘어나기 때문에 가격 측면에서는 상당히 비효율적이다.

다시 도 2를 참조하면, 도시된 본 발명의 계자 코일 구조는 전압 변동률이 높은 시점인 과도 상태시(즉 부하 변동이 클 때) 계자측 기전력을 일시적으로 크게 하여 전압 변동률을 줄일 수 있다. 또한, 이와 반대로 정상 상태시(부하 변동률이 적을 때) 계자측 기전력을 감소시킴으로써 철손(기계손)을 줄일 수 있어 발전기 효율을 증가할 수 있게 된다. 따라서, 본 발명의 계자 코일 구조에 따르면, 계자 코일의 부담 없이 전압변동률을 적절히 제어할 수 있게 된다.

도 4는 본 발명의 계자 코일의 구동 회로를 개략적으로 도시한 회로도이다.

도시된 바와 같이, 주 코일(100)은 폐회로를 형성하여 영구 자석 모드로 동작한다. 반면, 보조 코일(200)은 전원부에 접속되어 전원 공급 모드로 동작한다.

먼저 주 코일의 초기 여자 및 영구 동작 모드를 설명한다.

초기에 보조 코일에 인가된 전류에 의해 시변 자장이 발생하며, 발생된 시변 자장은 주 코일의 외부 자장으로 동작하여 주 코일에 유도 전류를 발생한다. 주 코일이 갖는 초전도 특성으로 인해 상기 주 코일에는 영구 전류가 생성되며, 이로 인해 상기 주 코일은 자장이 발생하게 된다.

이어서, 본 발명에서 발전기의 부하 변동시 주 코일의 자장을 증감하는 방법은 다음과 같다.

도시된 바와 같이, 보조 코일(200)과 전원 사이에는 보조 코일(200)에 인가되는 전류의 방향을 제어하기 위한 스위치들이 구비된다. 본 발명에서 상기 일련의 스위치들은 상기 보조 코일에 순방향 또는 역방향의 전류를 형성하도록 한다.

예를 들어, 상기 스위치 중 스위치 S1과 스위치 S4가 온(on) 되고 스위치 S2 및 S3가 오프되는 경우, 보조 코일에 인가된 전류는 상기 주 코일의 자장에 대해 순방향의 자장을 형성하여 상기 주 코일의 자장을 증가시키며 이에 따라 발전기의 단락비는 상승하게 된다.

반면, 스위치 S2와 S3가 온 되고 스위치 S1 및 S4가 오프 되는 경우, 보조 코일에 인가된 전류는 상기 주 코일에 대해 역방향의 자장을 형성하여 주 코일의 자장을 감소시킨다.

이에 따라, 전압 변동률이 높은 시점인 과도 상태에서 계자측 기전력을 일시적으로 크게 하여 전압 변동률을 감소시킬 수 있고, 반대로 정상 상태에서는 계자측 기전력을 감소시킴으로써 철손(기계손)을 줄일 수 이어 발전기 효율을 증가시킬 수 있게 된다.

한편, 본 발명은 전원 구동 모드로 운전되는 종래의 초전도 계자 코일이 갖는 ?치(Quench) 현상을 억제할 수 있다. 즉 상술한 본 발명의 초전도 계자 코일은 주 코일이 영구 자석 모드로 동작하며, 낮은 인덕턴스를 갖는 보조 코일이 전원 구동 모드로 동작한다. 이에 따라 보조 코일에 의해 주 코일의 자장을 제어함으로써 종래 전원 구동 모드의 초전도 계자 코일이 갖는 문제점을 해결할 수 있게 된다.

이상 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였지만 이는 본 발명을 예시하는 것이며 본 발명을 제한하는 것은 아니다. 본 발명이 속한 기술 분야의 당업자라면, 상술한 본 발명의 기술적 사상을 토대로 본 발명에서 예시하는 실시예를 일부 변형하거나 대체할 수 있으며, 이러한 변형 및 변경이 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한 본 발명의 범위에 속한다는 것을 알 수 있을 것이다.

100 주 코일
200 보조 코일
210 전원 접속부

Claims (7)

1. 폐루프를 형성하며, 영구 전류 모드로 동작하는 초전도 주 코일;
   상기 주 코일과 이격되어 배치되고 전원 인가 모드로 동작하며, 상기 주 코일의 자장을 증감하기 위한 유도 전류를 인가하기 위한 보조 코일; 및
   상기 보조 코일에 전류를 인가하기 위한 전원부를 포함하고,
   상기 보조 코일은 상기 주 코일에 비해 낮은 인덕턴스를 가지며, 상기 보조 코일의 인덕턴스는 상기 주 코일의 인덕턴스의 5~20% 이고,
   상기 전원부는 부하 변동시 상기 보조 코일의 전류를 증가 또는 감소시킴으로써 상기 주 코일에 유도되는 자장을 증감시키는 것을 특징으로 하는 초전도 발전기용 계자 코일.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 전원부는 상기 보조 코일에 인가되는 전류의 방향을 제어하기 위한 스위치들을 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 발전기용 계자 코일.
4. 제1항에 있어서,
   상기 보조 코일은 초전도선인 것을 특징으로 하는 초전도 발전기용 계자 코일.
5. 삭제
6. 삭제
7. 제1항에 있어서,
   상기 발전기의 부하 변동이 큰 과도 상태에서 상기 주 코일의 자장을 제어하기 위하여 상기 보조 코일의 전류를 제어하는 것을 특징으로 하는 초전도 발전기용 계자 코일.

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