KR101654143B1 - 자기 여자 용량을 가변하는 3상 유도 발전기의 출력전압 제어 시스템 - Google Patents

자기 여자 용량을 가변하는 3상 유도 발전기의 출력전압 제어 시스템 Download PDF

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KR101654143B1
KR101654143B1 KR1020150166247A KR20150166247A KR101654143B1 KR 101654143 B1 KR101654143 B1 KR 101654143B1 KR 1020150166247 A KR1020150166247 A KR 1020150166247A KR 20150166247 A KR20150166247 A KR 20150166247A KR 101654143 B1 KR101654143 B1 KR 101654143B1
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염성도
김응석
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Abstract

본 발명은, 3상 유도 발전기의 출력전압 제어 시스템에 관한 것으로, 3상 유도 발전기의 보조 권선에 병렬로 연결된 커패시터; 커패시터와 병렬로 연결되어 전기적으로 공진하는 인덕터, 인덕터에 흐르는 전류를 단속 또는 인덕터에 흐르는 전류의 방향을 가변하는 한 쌍의 반도체 스위치를 구비하여 반도체 스위치의 온오프 주파수로 상기 커패시터의 용량을 가변하는 보조 회로부; 및 3상 유도 발전기의 회전속도 또는 3상 유도 발전기의 발전전압의 크기를 측정하여 반도체 스위치의 스위칭 주파수를 제어하는 제어부를 포함한다.
본 발명에 따르면, 3상 유도 발전기의 회전속도 또는 발전전압의 크기에 따라 자기여자 커패시터의 용량을 가변함에 따라, 발전기의 회전속도가 정격 속도 이하인 경우에도 발전전압의 생성이 가능하고, 발전기의 회전속도가 과도하게 증가되어도 최적의 전압 생성 효율을 유지할 수 있는 이점이 있다.

Description

자기 여자 용량을 가변하는 3상 유도 발전기의 출력전압 제어 시스템{THE OUTPUT VOLTAGE CONTROL SYSTEM OF THREE-PHASE INDUCTION GENERATOR USING THE SELF EXCITATION CAPACITANCE CONTROLLER}
본 발명은 자기 여자 커패시터의 용량을 가변하여 3상 유도 발전기의 출력전압 크기와 역률을 제어하는 3상 유도 발전기의 출력전압 제어 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 유도 발전기는 계통에서 위상이 90도 뒤쳐진 여자 전류를 취하기 때문에 커패시터를 병렬로 접속하여 역률개선을 하게 된다. 이 경우, 기존의 유도 발전기는 자기 여자 커패시터의 용량이 고정된다. 이러한 유도 발전기는 최초에 정해진 커패시터의 용량에 따라 발전개시 회전속도가 정해지게 된다. 대개의 경우, 발전기의 정격 속도에 맞춰서 자기 여자 커패시터의 용량을 고정시키고 있기 때문에 발전기의 회전속도가 정격 속도 이상일 때에만 발전 출력이 발생하게 된다.
즉, 종래의 유도 발전기는 정격 속도 이하의 회전속도에서 발전이 되지 않는 한계가 있다. 또한, 발전개시 이후 발전기의 회전속도가 지나치게 높아지게 되어 정격 속도를 초과하는 경우 컨버터, 인덕터, 정류기 등의 전력변환장치가 갖는 최대 허용 전압범위를 초과하는 발전전압이 출력되어 시스템이 파손되는 문제점이 있다.
따라서, 종래와 같이 유도 발전기의 정격 회전속도에 맞추어 커패시터의 용량을 고정하여 설치하는 경우에는 유도 발전기의 회전속도가 허용범위를 벗어나지 않도록 주의하여 운용해야 한다. 발전기가 허용범위의 회전속도를 초과하여 회전한다면, 발전기의 출력전압이 과전압이 되어 시스템 파손 및 전기화재 등의 대형사고가 야기될 수 있다. 이와는 반대로, 발전기가 허용범위의 회전속도 이하에서 회전하게 된다면 출력전압이 발생하지 않거나 효율이 현저히 저하된다. 이에 따라 종래의 유도 발전기는 오히려 전기를 소비하는 전동기로 작동하게 되는 문제점이 있다.
전술한 문제점에 따라, 종래에는 자기 여자 방식의 유도 발전기 회전속도를 제어하기 위해서 기계적인 기어비를 조절하거나 제동장치를 작동하여 허용범위를 초과하는 회전속도에서는 발전기의 회전축을 정지시켰다. 따라서, 종래에는 시스템의 설치비용, 관리 및 운전 비용 등 전체적인 비용의 상승을 초래하는 문제점이 있으며, 별도의 제동장치는 소용량의 발전시스템 설치 및 보급에 저해되는 요소로 작용되었다.
최근, 상기 문제점에 착안하여 유도 발전기의 자기 여자 용량을 가변함으로써 발전기의 회전속도가 정격 속도 이하인 경우에도 전압을 생성하고, 회전속도가 정격 속도 이상에서도 전압 생성 효율을 유지하는 특허문헌이 개시되었다. (한국등록특허 제10-1506206호)
상기 특허문헌에 개시된 3상 유도 발전기의 자기 여자 용량 제어 시스템은, 보조권선에 연결된 사이리스터의 점호각을 조정함으로써 커패시터의 용량을 조절하는 것을 기술적 특징으로 한다.
한편, 자기 여자 용량을 제어하기 위해선 커패시터의 임피던스 값을 가변시킬 수 있어야 한다. 커패시터의 임피던스는
Figure 112015115534953-pat00001
로 표현될 수 있다. 여기서
Figure 112015115534953-pat00002
는 주파수를 의미하며
Figure 112015115534953-pat00003
는 자기 여자 커패시터 값을 의미한다.
Figure 112015115534953-pat00004
값은 고정된 상태에서 임피던스의 값을 가변시키는 것이 종래의 선행특허에서 제시된 기술적 특징이나, 사이리스터의 점호각 조정으로는 파형의 형태를 변화시킬 수 있음은 별론으로 하고
Figure 112015115534953-pat00005
인 스위칭 주파수의 변화폭이 작다. 따라서, 사이리스터의 점호각 조정으로는 자기 여자 커패시터의 임피던스 값의 변동폭이 적어서 용량을 제어할 수 있는 범위가 매우 제한적이다. 즉, 커패시터 용량의 가변 범위가 제한적이기 때문에 유도 발전기 출력전압 범위를 원하는 만큼 조절하는 것이 어렵다.
또한, 종래의 자기 여자 용량 제어 시스템은 단상 유도 발전기에 적용되는 것으로서, 보조권선 용량 조절부가 보조권선에 연결되기 때문에 보조권선이 없이 3상의 주권선으로 이루어지는 3상 유도 발전기에 적용될 수 없는 문제점이 있다.
이에 따라, 본 출원인은 사이리스터로는 자기 여자 커패시터의 용량이 충분히 제어되지 않는 상기의 문제점에 착안하여 자기 여자 용량을 원하는 만큼 가변할 수 있는 다른 기술적 해결 수단을 통해 전기적인 방식으로 3상 유도 발전기의 회전속도에 따라 변동하는 출력전압의 크기와 위상을 효율적으로 제어할 수 있는 시스템을 고안하게 되었다.
한국등록특허 제10-1506206호(등록공고. 2015년 03월 26일)
본 발명은 3상 유도 발전기의 회전속도 또는 발전전압의 크기에 따라 자기 여자 커패시터의 용량을 가변시킬 수 있는 3상 유도 발전기의 자기 여자 용량 제어 시스템을 제공하고자 한다. 보다 상세하게, 본 발명은 반도체 스위치를 커패시터와 병렬로 연결하여 스위칭 주파수를 제어함으로써 커패시터의 용량을 가변할 수 있는 유도 발전기의 출력전압 제어 시스템을 제공하고자 한다.
또한 본 발명은, 스위칭 주파수 제어에 의한 커패시터 용량의 조절 범위가 향상되어 3상 유도 발전기의 출력전압을 원하는 크기로 제어할 수 있는 3상 유도 발전기의 출력전압 제어 시스템을 제공하고자 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 3상 유도 발전기의 출력전압 제어 시스템에 관한 것으로, 3상 유도 발전기의 보조 권선에 병렬로 연결된 커패시터; 커패시터와 병렬로 연결되어 전기적으로 공진하는 인덕터, 인덕터에 흐르는 전류를 단속 또는 인덕터에 흐르는 전류의 방향을 가변하는 반도체 스위치를 구비하여 반도체 스위치의 온오프 주파수로 상기 커패시터의 용량을 가변하는 보조 회로부; 및 3상 유도 발전기의 회전속도 또는 3상 유도 발전기의 발전전압의 크기를 측정하여 반도체 스위치의 스위칭 주파수를 제어하는 제어부를 포함한 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 본 발명에 따른 반도체 스위치는 복수개일 수 있다. 이 경우, 제1 반도체 스위치가 인덕터에 흐르는 전류를 정방향으로 바이어스시키고, 제2 반도체 스위치가 인덕터에 흐르는 전류를 역방향으로 바이어스 시킬 수 있다.
바람직하게, 본 발명에 따른 커패시터는 복수개이고, 복수개의 커패시터는 서로 다른 용량을 갖고 보조권선에 각각 병렬로 연결될 수 있다.
바람직하게, 본 발명에 따른 3상 유도 발전기의 출력전압 제어 시스템은 복수개의 커패시터를 보조권선에 선택적으로 접속하여 커패시터의 용량을 선택하는 릴레이 스위치를 더 포함할 수 있다.
바람직하게, 본 발명에 따른 제어부는 3상 유도 발전기의 회전속도가 증가되면 커패시터의 용량을 감소시키고, 3상 유도 발전기의 회전속도가 감소되면 커패시터의 용량을 증가시키도록 제어할 수 있다.
바람직하게, 본 발명에 따른 제어부는 한 쌍의 반도체 스위치 중 어느 하나의 반도체 스위치를 오프한 상태에서 나머지 반도체 스위치를 온오프 제어할 수 있다.
본 발명에 따르면, 3상 유도 발전기의 회전속도 또는 발전전압의 크기에 따라 자기여자 커패시터의 용량을 가변하여, 발전기의 회전속도가 정격 속도 이하인 경우에도 발전전압의 생성이 가능하고, 발전기의 회전속도가 과도하게 증가되어도 최적의 전압 생성 효율을 유지할 수 있는 이점이 있다.
또한 본 발명은, 병렬로 연결된 보조 회로부의 반도체 스위치에 의해서 주파수가 조절됨에 따라 커패시터의 임피던스가 가변된다. 특히, 본 발명은 제어부가 발전기 회전속도에 반비례하여 반도체 스위치의 ON/OFF를 조절함으로써 자기 여자 용량을 손쉽게 원하는 크기만큼 제어할 수 있다.
또한 본 발명은, 스위칭 주파수 제어에 의한 커패시터 용량 조절 범위가 초과될 경우, 릴레이 스위치가 병렬로 연결된 다른 용량의 커패시터를 회로적으로 연결하여 원하는 크기의 출력전압을 제어할 수 있는 이점이 있다.
또한 본 발명은 자기 여자 용량의 제어를 위한 별도의 권선이 요구되지 않고 3상의 주권선에 회로의 구성이 가능하다. 이에 따라 최소한의 소자 및 저렴한 제조 단가로 기계적 제동 장치가 요구되지 않는 발전 설비의 제공이 가능하다.
또한 본 발명은, 커패시터의 용량을 가변하는 보조 회로부의 구성이 간단하여 시스템의 중량이 가벼워짐으로써 휴대가 용이해진다. 이에 따라, 최소한의 소자 및 저렴한 제조 단가로 기계적 제동 장치가 요구되지 않는 발전 설비의 제공이 가능하다. 고가의 영구자석 동기발전기의 경우, 시간의 흐름에 따라 영구자석이 열화되어 성능이 저하되나 본 발명에 따른 자기 여자 용량 제어 시스템이 구비된 발전 설비는 유지보수가 현저히 용이하고, 동기발전기를 대신하여 저렴한 3상 유도 발전기의 사용을 가능하게 하여 전체 발전기 시스템의 가격을 낮추고 소형화 및 보급 확산에 기여할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 3상 유도 발전기의 출력전압 제어 시스템의 블록 구성도를 나타낸다.
도 2는 유도 발전기의 자기여자 정전용량 대비 속도의 관계도를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 보조 회로부를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 스위치(
Figure 112015115534953-pat00006
)의 ON/OFF상태에 의한 주파수 변환과 보조 회로부의 전류 흐름도를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 3상 유도 발전기의 출력전압 제어 방법을 나타낸다.
이하, 첨부된 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 다만, 본 발명이 예시적 실시 예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일 참조부호는 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 부재를 나타낸다.
본 발명의 목적 및 효과는 하기의 설명에 의해서 자연스럽게 이해되거나 보다 분명해 질 수 있으며, 하기의 기재만으로 본 발명의 목적 및 효과가 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 3상 유도 발전기의 출력전압 제어 시스템(1)의 블록 구성도를 나타낸다. 도 1을 참조하면, 3상 유도 발전기의 출력전압 제어 시스템(1)은 유도 발전기(10), AC-DC 컨버터(13), DC-AC 컨버터(15), 커패시터(20), 보조 회로부(30) 및 제어부(40)를 포함할 수 있다.
유도 발전기(10)는 터빈(11)과 연결될 수 있고, 회전자와 회전자의 인근에 배치되어 전압을 유도하는 3상의 주권선(18)이 구비될 수 있다. 터빈(11)은 풍력, 수차, 등 각종 발전기의 터빈으로 회전자를 회전시키는 원동기를 의미한다. 터빈(11)은 풍력, 수차, 등 각종 발전기의 터빈으로 회전자를 회전시키는 원동기를 의미한다. 회전자의 회전으로 3상의 주권선에는 각 상별로 전압이 유도된다.
3상 유도 발전기는 계통(17)에서 위상이 90° 뒤쳐진 여자 전류를 취하기 때문에 커패시터(20)를 병렬로 접속하여 역률을 개선하는 것이 보통이다. 커패시터(20)의 용량은 일반적으로 고정되어 사용되어 왔다.
도 2는 3상 유도 발전기(10)의 자기여자 정전용량 대비 속도의 관계도를 나타낸다. 도 2의 그래프는 3상 유도 발전기(10)의 매 실험속도 구간마다 정전 용량이 각각 다른 커패시터를 결속하여 실험함에 따라 도출된 결과이다.
도 2를 참조하면, 커패시터(20)의 용량은 유도 발전기(10)의 회전속도와 반비례하는 특성이 존재한다. 이에 따라, 도 2의 그래프에서 자기 여자 정전용량의 변화에 따른 유도 발전기(10)의 발전 개시 속도를 확인할 수 있다. 커패시터(20)의 자기여자 정전용량이 증가함에 따라 발전개시 속도는 낮아진다. 이 경우, 유도 발전기(10)의 출력전압(발전전압)도 낮아지게 된다. 즉, 유도 발전기(10)의 발전전압의 크기와 위상을 제어하기 위해서는 자기 여자를 위한 커패시터(20)의 용량이 유도 발전기(10)의 회전속도에 반비례하여 가변될 수 있어야 한다.
본 실시예에 따른 자기 여자 용량 제어 시스템(1)은, 유도 발전기의 출력단인 (a, b), (b, c), (a, c)의 단자별로 연결된 자기 여자 커패시터의 용량을 조절하는 것을 기술적 특징으로 한다
커패시터(20)는 유도 발전기(10)의 3상 권선에 3상으로 연결될 수 있다. 커패시터(20)는 (b, c)단자에 연결된 제1 커패시터(201), (a, c)단자에 연결된 제2 커패시터(203), (a, b)단자에 연결된 제3 커패시터(205)로 표현될 수 있다. 이하 3상 중 어느 한 상을 기준으로 그 동작원리를 설명한다. 본 명세서에서는 각 상에 연결된 커패시터(201, 203, 205) 중 한 상을 기준으로 설명함에 따라 커패시터(20)가 제1 커패시터(201) 또는 제2 커패시터(203) 또는 제3 커패시터(205)를 의미할 수 있다. 커패시터(20)에는 유도 발전기(10) 출력 단자의 상간 전압이 인가된다.
커패시터(20)의 용량은 유도 발전기(10)의 발전 개시 최저속도에 맞춰진 최대 용량으로 설정됨이 바람직하다. 다만, 현실적으로 유도 발전기(10)의 발전 개시 최저속도에 따른 최대 용량의 정확한 계산은 발전기의 구동없이 알아내기 어려운 문제점이 있다.
이에 따라, 초기 커패시터(20)의 용량을 잘못 설정하게 되면 과전압으로 시스템의 손상 또는 전기화재가 발생될 수 있다. 본 실시예에서는 초기 커패시터(20)의 용량을 적절하게 설정할 수 있도록, 3상의 각 권선에 연결된 커패시터(20 : 201 또는 203 또는 205)를 하나 이상(
Figure 112015115534953-pat00007
, 도 3)으로 제공하여 구현한다.
보다 상세하게, 3상의 각 권선에는 초기 과전압을 방지하기 위하여, 사용자가 설정할 수 있도록 서로 다른 용량을 갖는 커패시터가 연결된 것이 바람직하다. 즉, 실시예로서 도 1에는 (b, c)단자에 연결된 제1 커패시터(201)가 한 개로 도시되었으나, 도 3의 실시예와 같이 제1 커패시터(201)는 서로 다른 용량을 갖는 복수개의 커패시터(
Figure 112015115534953-pat00008
, 도 3, m=1,2,3 각 상을 표시)로 제공될 수 있다. 이 경우, 복수개의 커패시터(
Figure 112015115534953-pat00009
, 도 3, m=1,2,3 각 상을 표시)는 모두 병렬로 연결된 것이 바람직하다.
보조 회로부(30)는 커패시터(20)의 용량을 가변시킬 수 있다. 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 보조 회로부(30)를 나타낸다. 도 3을 참조하면, 보조 회로부(30)는 인덕터(301), 한 쌍의 다이오드 및 반도체 스위치(303)를 포함할 수 있다. 보조 회로부(30)는 커패시터(201)와 병렬로 연결될 수 있다.
커패시터(20)는 전술한 바와 같이 초기 용량의 설정을 위해서 서로 다른 용량을 갖는 복수개(n개)의 커패시터(
Figure 112015115534953-pat00010
)가 병렬로 연결됨이 바람직하다. 이 경우, 각 상의 출력 단자에 연결되어 커패시터(
Figure 112015115534953-pat00011
, 도 3)의 용량을 선택하기 위한 릴레이 스위치(
Figure 112015115534953-pat00012
, 305)가 더 포함될 수 있다.
릴레이 스위치(305)는 초기 커패시터(20) 용량을 적절히 설정하여 발전개시시 시스템의 손상을 방지할 뿐만 아니라 선택된 커패시터(201)의 용량 조절 범위가 초과될 경우, 병렬로 연결된 다른 커패시터(
Figure 112015115534953-pat00013
)를 회로적으로 연결하거나 끊어줌으로써 원하는 크기의 출력전압을 제어할 수 있다.
인덕터(301)는 자기 여자 커패시터(201)와 전기적으로 공진할 수 있다. 인덕터(301)는 커패시터(201)와 LC 공진 현상에 따라 자기 여자 발전을 가능하게 한다. 이때, LC 공진을 발생시키기 위한 커패시터(201)의 용량은 발전기의 회전속도에 따라 달라진다.
반도체 스위치(303)는 인덕터(301)와 직렬로 연결될 수 있다. 반도체 스위치(303)는 복수개 제공될 수 있다. 본 실시예로 반도체 스위치(303)는 한 쌍(
Figure 112015115534953-pat00014
,
Figure 112015115534953-pat00015
)으로 제공될 수 있다. 반도체 스위치(303)는 인덕터(301)에 흐르는 류를 단속할 수 있다. 또한, 반도체 스위치(303)는 인덕터(301)에 흐르는 전류의 방향을 가변시킬 수 있다. 보조 회로부(30)는 반도체 스위치(303)의 온오프(ON/OFF) 주파수로 커패시터(201)의 용량을 가변할 수 있다. 이와 관련, 도 4를 통해 후술한다.
본 실시예로 반도체 스위치(303)로는 IGBT가 사용될 수 있으며, 하기의 [그림]과 같이 보조 회로부(30)는 두 개 이상의 단방향 반도체 스위치를 직렬 또는 병렬로 연결하여 구성될 수 있다.
[그림]
Figure 112015115534953-pat00016
본 실시예에서는 3상 유도 발전기의 출력전압 제어 시스템(1)을 한 쌍의 반도체 스위치(303)로 구현하였고, 제1 반도체 스위치(
Figure 112015115534953-pat00017
)와 제2 반도체 스위치(
Figure 112015115534953-pat00018
)가 병렬로 연결된 d)형태를 도시하였다. 단방향의 반도체 스위치를 사용할 경우, 제1 반도체 스위치(
Figure 112015115534953-pat00019
)와 제2 반도체 스위치(
Figure 112015115534953-pat00020
)의 바이어스 방향이 대칭되도록 결선되어야 한다. 이 경우, 보조 회로부(30)는 반도체 스위치(
Figure 112015115534953-pat00021
,
Figure 112015115534953-pat00022
)와 각각 동일한 바이어스 방향으로 직렬 연결된 다이오드가 포함될 수 있다.
한 쌍의 반도체 스위치(303)는 제1 반도체 스위치(
Figure 112015115534953-pat00023
)가 인덕터(301)에 흐르는 전류를 정방향으로 바이어스시키고, 제2 반도체 스위치(
Figure 112015115534953-pat00024
)가 인덕터(301)에 흐르는 전류를 역방향으로 바이어스 시키도록 연결될 수 있다. 여기서, 정방향과 역방향은 서로 다른 전류의 방향을 구분하기 위한 용어적 표현이며 전류의 방향을 한정하는 것은 아니다.
보조 회로부(30)는 반도체 스위치(303)의 온오프(On/OFF) 주파수로 커패시터(20)의 용량을 가변할 수 있다. 보조 회로부(30)는 반도체 스위치(303)의 스위칭 주파수( w=
Figure 112015115534953-pat00025
)를 변화함으로써 커패시터(20)와 인덕터(301)의 임피던스 값을 제어한다.
커패시터(20)의 자기여자 용량의 임피던스는
Figure 112015115534953-pat00026
로 표현될 수 있다. 여기서
Figure 112015115534953-pat00027
는 주파수를 의미하며
Figure 112015115534953-pat00028
는 자기여자 커패시터 값을 의미한다. 임피던스를 변화시키기 위해서는
Figure 112015115534953-pat00029
가 변화되어야 한다. 본 실시예에서는 반도체 스위치(303)의 온오프 동작에 의해서
Figure 112015115534953-pat00030
가 가변됨에 따라 자기여자 용량의 임피던스가 제어될 수 있다.
따라서 본 실시예에 따르면, 자기여자 용량성 임피던스(
Figure 112015115534953-pat00031
)를 조절하기 위한 요소 중 반도체 스위치(303)의 온오프 동작으로 스위칭 펄스 개수를 조절함으로써 주파수를 인가하는 전원의 극성과 무관하게 ON/OFF 제어할 수 있다. 따라서, 스위칭 주파수 의 크기 및 스위칭 펄스의 개수 n을 조절하는 방법과 커패시터(20)에 충방전되는 전류량을 조절하는 방법을 모두 적용할 수 있으므로 자기여자 임피던스의 용량을 조절할 수 있는 범위가 현저히 커지게 된다. 또한, 스위칭 펄스의 크기도 조절이 가능하므로 충방전을 반복하기 위한 커패시터(20)의 물리적인 크기가 작더라도 충전과 방전이 명확하게 발생될 수 있도록 제어할 수 있다.
제어부(40)는 3상 유도 발전기(10)의 회전속도 또는 3상 유도 발전기(10)의 발전전압의 크기를 측정하여 반도체 스위치(303)의 스위칭 주파수를 제어할 수 있다. 제어부(40)는 3상 유도 발전기(10)의 회전속도 또는 3상 유도 발전기(10) 출력전압의 크기를 측정하여 반도체 스위치(303)의 스위칭 주파수를 제어하기 위한 기준값으로 사용할 수 있다.
제어부(40)는 유도 발전기(10)의 회전속도, 발전 교류 전압, 발전 교류 전류, 정류기 출력전압, 정류기 출력 전류, AC-DC 컨버터 출력전압, AC-DC 컨버터 출력 전류, 위상 등의 정보를 전달 받을 수 있다. 또한, 제어부(40)는 계통(17)으로부터 계통 전류 및 전압을 전달 받아 모니터링할 수 있다. 제어부(40)는 유도 발전기(10) 및 계통(17)의 전압 전류를 모니터링하여 보조 회로부(30), AC-DC 컨버터(13) 및 DC-AC 컨버터(15)를 제어할 수 있다.
제어부(40)는 유도 발전기(10)의 회전속도가 증가하는 경우, 커패시터(20)의 용량을 감소시키고, 유도 발전기(10)의 회전속도가 감소되는 경우, 커패시터(20)의 용량을 증가시킬 수 있다.
이 경우, 제어부(40)는 한 쌍의 반도체 스위치(303) 중 어느 하나의 반도체 스위치(
Figure 112015115534953-pat00032
or
Figure 112015115534953-pat00033
)를 오프한 상태에서 나머지 반도체 스위치(
Figure 112015115534953-pat00034
or
Figure 112015115534953-pat00035
)를 On/Off 제어할 수 있다. 상세한 동작 과정은 도 4를 통해 후술한다.
제어부(40)는 유도 발전기(10)의 발전 개시가 가능한 가장 낮은 회전속도에서 커패시터(20) 용량을 최대값으로 제어할 수 있다. 또한, 제어부(40)는 유도 발전기(10)의 발전전압이 사용자가 설정해놓은 허용범위를 벗어나려는 경우 커패시터(20)의 용량을 최소값으로 제어할 수 있다. 이와 같은 경우, 유도 발전기(10)의 회전속도가 허용범위를 벗어나더라도 발전 출력전압의 범위는 허용범위 내에서 유지되면서, 유도 발전기(10)의 회전속도가 허용범위 이하일 지라도 발전전압의 생성이 가능하다.
즉, 제어부(40)는 도 2의 그래프에서 유도 발전기(10)의 회전속도를 측정하여 발전기가 Stable region 영역에 해당하도록 자기 여자 용량을 제어한다.
종래에는 유도 발전기의 회전속도를 제어하기 위해 기계적인 기어비를 조절하거나 별도의 제동장치를 작동하여 회전속도를 허용범위 내에 들어가도록 제어하였다. 제동장치는 기어비의 조절에도 회전속도가 허용범위를 벗어날 경우 시스템 파손을 방지하기 위하여 발전기를 정지시키도록 작동하였다. 종래와 같이 기계적인 제어로는 한계가 있으며 설치비용의 과다, 관리 및 운전 비용 상승등의 문제점이 발생함에 따라, 본 실시예에서는 제어가 용이하고 설치 및 제조단가가 저렴한 반도체 스위치(303)를 커패시터(20)와 병렬 구성함으로써 전기적인 방식으로 발전기의 회전속도가 아닌 커패시터(20)의 용량을 조절한다.
제어부(40)는 유도 발전기(10)의 회전속도를 모니터링하여 커패시터(20)의 용량을 조절함으로써 발전전압의 크기 및 위상을 제어한다. 이에 따라, 유도 발전기(10)의 회전속도의 변화에도 안정적인 운용이 가능하다.
도 4는 자기 여자 커패시터(20)의 충방전 모드에 따른 보조 회로부(30)의 전류 흐름도를 나타낸다. 도 4a는 정현파 형태의 3상 유도기 출력전압이 (+) 상태인 경우에 제어부(40)가
Figure 112015115534953-pat00036
를 OFF 시키고,
Figure 112015115534953-pat00037
를 특정한 주파수로 ON/OFF를 반복하는 경우에 있어서,
Figure 112015115534953-pat00038
가 ON 상태일 때의 커패시터(20)의 전류 흐름을 나타낸다.
도 4b는 정현파 형태의 3상 유도기 출력전압이 (+) 상태인 경우에 제어부(40)가
Figure 112015115534953-pat00039
를 OFF 시키고,
Figure 112015115534953-pat00040
를 특정한 주파수로 ON/OFF를 반복하는 경우에 있어서,
Figure 112015115534953-pat00041
가 ON 상태일 때의 커패시터(20)의 전류 흐름도를 나타낸다.
도 4c는 정현파 형태의 3상 유도기 출력전압이 (+) 상태인 경우에 제어부(40)가
Figure 112015115534953-pat00042
를 OFF 시키고,
Figure 112015115534953-pat00043
를 특정한 주파수로 ON/OFF를 반복하는 경우에 있어서,
Figure 112015115534953-pat00044
가 OFF 상태일 때의 커패시터(20)의 전류 흐름도를 나타낸다. 이 때, 3상 유도 발전기(10)는 충전모드로 작동하게 되며 커패시터
Figure 112015115534953-pat00045
에 충전된 전압이 입력전압보다 작은 경우에 부하에 공급되는 전류는 자기여자 커패시터(20)에 충전되는 전류의 크기 만큼 저감되어 공급될 수 있다.
도 4d는 정현파 형태의 3상 유도기 출력전압이 (+) 상태인 경우에 제어부(40)가
Figure 112015115534953-pat00046
를 OFF 시키고,
Figure 112015115534953-pat00047
를 특정한 주파수로 ON/OFF를 반복하는 경우에 있어서,
Figure 112015115534953-pat00048
가 OFF 상태일 때의 커패시터(20)의 전류 흐름도를 나타내고 있다. 이 때, 방전모드로 작동하게 되며 커패시터
Figure 112015115534953-pat00049
에 충전된 전압이 입력전압보다 큰 경우에 부하에 공급되는 전류는 자기여자 커패시터(20)에서 방출되는 전류의 크기 만큼 증가되어 공급된다.
도 4e는 정현파 형태의 3상 유도기 출력전압이 (-) 상태인 경우에 제어부(40)가
Figure 112015115534953-pat00050
를 OFF 시키고
Figure 112015115534953-pat00051
를 특정한 주파수로 ON/OFF를 반복하는 경우에 있어서,
Figure 112015115534953-pat00052
가 ON 상태일 때의 커패시터(20)의 전류 흐름도를 나타낸다.
도 4f는 정현파 형태의 3상 유도기 출력전압이 (-) 상태인 경우에 제어부(40)가
Figure 112015115534953-pat00053
를 OFF 시키고
Figure 112015115534953-pat00054
를 특정한 주파수로 ON/OFF를 반복하는 경우에 있어서,
Figure 112015115534953-pat00055
가 OFF 상태일 때의 커패시터(20)의 전류 흐름도를 나타낸다. 이 때, 3상 유도 발전기(1)는 충전모드로 작동하게 되며 커패시터
Figure 112015115534953-pat00056
에 충전된 전압이 입력전압보다 작은 경우에 부하측에 공급되는 전류는 커패시터(20)에 충전되는 전류의 크기 만큼 저감되어 공급된다.
도 4g는 정현파 형태의 3상 유도기 출력전압이 (-) 상태인 경우에 제어부(40)가
Figure 112015115534953-pat00057
를 OFF 시키고,
Figure 112015115534953-pat00058
를 특정한 주파수로 ON/OFF를 반복하는 경우에 있어서,
Figure 112015115534953-pat00059
가 OFF 상태일 때의 커패시터(20)의 전류 흐름도를 나타낸다. 이 때, 3상 유도 발전기(10)는 방전모드로 작동하게 되며 커패시터
Figure 112015115534953-pat00060
에 충전된 전압이 입력전압보다 큰 경우로서 부하측에 공급되는 전류는 커패시터(20)로부터 방출되는 전류의 크기 만큼 증가되어 공급된다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 3상 유도 발전기(10)의 출력전압 제어 방법을 나타낸다. 도 5를 참조하면, 유도 3상 발전기(10)의 자기 여자 용량 제어 방법은 유도 발전기(10)의 회전속도 또는 발전전압을 입력 받는 제1 단계(S10), 유도 발전기의 회전속도 또는 발전전압에 부합하는 커패시터(20) 용량 및 이에 부합하는 임피던스를 계산하는 제2 단계(S30), 제2 단계(S30)에서 계산된 임피던스 값을 기준으로 반도체 스위치(303)의 스위칭 주파수 값을 환산하는 제3 단계(S50) 및 커패시터(20)의 자기 여자 용량을 제어하는 제4 단계(S70)를 포함할 수 있다.
제1 단계(S10)에서는 제어부(40)가 3상 유도 발전기(10)의 회전속도 또는 발전전압을 제어기의 ADC로 입력받을 수 있다.
제2 단계(S30)에서는 제어부(40)가 제1 단계(S10)에서 입력받은 회전속도 또는 발전전압에 부합하는 커패시터(20)의 자기 여자 용량을 계산하여 임피던스 값을 산출할 수 있다. 3상 유도 발전기의 회전속도로 임피던스가 산출되는 과정을 살펴보면 다음과 같다.
Figure 112015115534953-pat00061
상기의 식1)은 유도기의 회전주파수와 동기속도를 나타내고 있다. 이때 유도기의 회전자의 실제 회전 속도에 대해 발전 교류 전압의 주파수 간에는 약간의 시간지연이 발생하게 되면 슬립(식2)의 's')이 발생하게 된다.
회전각속도(
Figure 112015115534953-pat00062
)와 자기여자 커패시터의 용량성 리액턴스(
Figure 112015115534953-pat00063
)의 상관 관계는 서로 반비례 관계가 있다. 즉,
Figure 112015115534953-pat00064
이 성립한다.
제3 단계(S50)에서는 제어부(40)가 제2 단계(S30)에서 산출된 임피던스의 수식
Figure 112015115534953-pat00065
로부터 반도체 스위칭 주파수 값
Figure 112015115534953-pat00066
(rad/s)을 환산할 수 있다.
제4 단계(S70)에서는 제어부(40)가 3상 유도 발전기(10)의 회전속도 또는 발전전압을 최대 기준치 또는 최소 기준치와 비교하여 환산된 주파수 값을 가변함에 따라 커패시터(20)의 자기 여자 용량을 제어하게 된다. 여기서, 회전속도의 최대 기준치란 3상 유도 발전기(10)의 회전속도가 정격속도를 넘어서는 경우를 의미한다. 회전속도의 최소 기준치란 3상 유도 발전기(10)의 회전속도가 정격속도 이하인 경우를 의미한다.
제4 단계(S70)에서는 3상 유도 발전기(10)의 회전속도가 최대 기준치보다 빠를 경우, 반도체 스위치(303)의 스위칭 주파수를 커패시터(20)의 임피던스가 감소하는 방향으로 조절할 수 있다.
이와는 반대로, 제4 단계(S70)에서는 3상 유도 발전기(10)의 회전속도가 최소 기준치보다 느릴 경우, 반도체 스위치(303)의 스위칭 주파수를 커패시터(20)의 임피던스가 증가하는 방향으로 조절할 수 있다.
제4 단계(S70)는 전술한 과정을 수행한 후 조절된 주파수 값을 기준으로 반도체 스위치(303)의 On/Off 펄스 시간을 제어하여 출력할 수 있다. 제4 단계(S70)의 제어 과정은 도 4에서 전술한 바와 같다. 제어부(40)의 제어과장을 간략히요약하면 다음과 같다. 유도기 회전자의 회전속도가 증가할수록 발전개시가 가능한 자기여자 커패시터의 용량성 리액턴스의 크기는 작아도 되며, 반대로 유도기 회전자의 속도가 감소할수록 발전개시가 가능한 자기여자 커패시터 용량성 리액턴스의 크기는 커져야 한다.
이러한 기본 원칙에 입각하여, 유도기의 회전각속도(
Figure 112015115534953-pat00067
)의 증감에 따라 자기여자 커패시터의 용량성 리액턴스(
Figure 112015115534953-pat00068
)의 스위칭 주파수(
Figure 112015115534953-pat00069
)의 크기를 조절함으로써 용량성 리액턴스의 크기를 조절할 수 있다. 즉, 유도기 회전각속도(
Figure 112015115534953-pat00070
)가 증가하면 용량성 리액턴스(
Figure 112015115534953-pat00071
)를 감소시킨다. 이를 위해서는 스위칭 주파수(
Figure 112015115534953-pat00072
)를 증가시키면 된다. 또한, 유도기 회전각속도(
Figure 112015115534953-pat00073
)가 감소하면 용량성 리액턴스(
Figure 112015115534953-pat00074
)를 증가시키기 위해서 스위칭 주파수(
Figure 112015115534953-pat00075
)를 감소시키면 된다.
제어부(40)가 조절한 스위칭 주파수에 따라 커패시터(20)의 용량은 가변되며, 이에 따라 3상 유도 발전기(10)는 정격속도 이상 또는 정격속도 이하에서도 높은 효율의 발전전압을 출력할 수 있다.
이상에서와 같이 설명한 자기 여자 용량 제어 시스템은 사이리스터를 이용하여 여자 용량을 제어하는 방법보다 효과가 현저하다. 종래기술로서, 사이리스터를 이용한 점호각 제어로 커패시터의 자기 여자 용량을 제어하는 기술을 배경기술에서 전술한 바 있다. 본 실시예에 따른 반도체 스위치(303)는 사이리스터와 소자의 특성 및 기능이 상이하다. 상기의 차이점을 보다 상세히 살펴 종래기술과의 차이점을 정리하면 하기와 같다.
a. 사이리스터와 반도체 스위치의 작동 방법 및 기능상 차이점
[그림 1]
Figure 112015115534953-pat00076
[그림 1]은 사이리스터 회로의 기본 동작을 나타낸다. [그림 1]을 참조하면, 사이리스터는 게이트에 ON 펄스를 인가하면 그 순간 도통이 되어 부하전류가 흐르게 되며, 이는 전원전압의 극성(+,-)이 바뀔때까지 지속되는 특성이 있다. 결국, 사이리스터 회로의 경우 사이리스터를 ON시키는 점화각(firing angle) 제어만 가능하다. 즉, OFF시키기 위한 별도의 제어동작은 없으며 입력파형의 극성(polarity)이 바뀌어야 OFF가 되는 성질을 갖는다.
[그림 2]
Figure 112015115534953-pat00077
[그림 2]는 사이리스터를 이용한 여자 용량 제어 회로와 본원 제1항 발명을 실제 구현한 회로도면을 나타낸다. [그림 2]와 같이 양자를 실제 회로도면으로 구현하여 각각 제어에 따른 결과파형을 출력하면 [그림 3]과 같다.
[그림 3]
Figure 112015115534953-pat00078
[그림 3]을 참조하면, 사이리스터 회로의 파형에서, 인가된 전원의 극성이 바뀌고 사이리스터를 재점화시켰더라도 전류파형의 주파수가 변하지 않는 것을 볼 수 있다. 반면 본원 발명의 회로 구성은 스위칭 펄스가 인가되는 것에 비례하여 스위칭 전류가 바뀌는 것을 확인할 수 있다. 본원 발명과 같이 IGBT 또는 MOSFET 종류의 반도체 스위칭 소자를 사용할 경우, 이는 사이리스터와 달리 인가되는 전원 파형의 극성과 무관하게 ON/OFF 시간 간격을 제어할 수 있다. 이러한 특성은 스위칭 펄스의 ON 시간동안 커패시터가 충전을 하고, 스위칭 펄스의 OFF 시간동안 커패시터가 방전을 한다는 점을 생각하면, 커패시터의 충방전 간격을 짧게 할 수 있으므로 커패시터 용량 조절 범위를 사이리스터에 비해 현저히 크게 조절할 수 있는 것으로 이해될 수 있다.
b. 사이리스터와 반도체 스위치의 효과상 차이점
사이리스터로는 용량성 리액턴스(
Figure 112015115534953-pat00079
)를 조절하기위한 요소 중 스위칭 주파수
Figure 112015115534953-pat00080
를 변경하는 것이 거의 불가능하다. 이는 전술한 바와 같이 사이리스터의 특성항 한번 점화각 신호를 인가하여 사이리스터가 ON되면 인가 전원의 극성이 바뀔때까지는 OFF시키는 것이 불가능하기 때문이다. 따라서, 점화각 제어를 통해서는 커패시터에 충방전되는 전류량의 조절만으로 리액턴스의 용량을 제어해야 한다. 결국, 그 조절 범위가 극히 제한적이게 된다.
만일 회전 주파수가 낮은 지점에서 유도기의 발전개시를 얻기를 원한다면, 커패시터의 용량이 상대적으로 커야하는데, 커패시터의 용량이 크면 충전과 방전에 소요되는 물리적인 시간이 절대적으로 커져야 한다. 결국 사이리스터는 커패시터의 전기적인 용량을 제어하기 위해 충방전 시간 간격을 조절할 수 없는 한계가 있다.
반면, 본원 제1항 발명의 경우, 용량성 리액턴스(
Figure 112015115534953-pat00081
)를 조절하기 위한 요소 중 스위칭 펄스 개수를 조절함으로써 주파수
Figure 112015115534953-pat00082
를 인가되는 전원의 극성과 무관하게 ON/OFF 제어할 수 있다. 따라서, 스위칭 주파수
Figure 112015115534953-pat00083
의 크기 및 스위칭 펄스의 개수 n(
Figure 112015115534953-pat00084
)을 조절하는 방법과 커패시터에 충방전되는 전류량을 조절하는 방법을 모두 적용할 수 있으므로 리액턴스의 용량을 조절할 수 있는 범위가 현저히 커지게 된다. 또한, 스위칭 펄스의 크기도 조절이 가능하므로 충방전을 반복하기 위한 커패시터의 물리적인 크기가 작더라도 충전과 방전이 명확하게 발생될 수 있도록 제어할 수 있다.
이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리 범위는 설명한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태에 의하여 정해져야 한다.
1: 3상 유도 발전기의 출력전압 제어 시스템
10: 유도 발전기
11: 원동력 터빈
13: AC-DC 컨버터
15: DC-AC 컨버터
17: 계통
18: 주권선
19: 보조권선
20: 커패시터
30: 보조 회로부
301: 인덕터
303: 반도체 스위치
40: 제어부
305: 릴레이 스위치

Claims (6)

  1. 3상 유도 발전기의 3상 권선에 각각 병렬로 연결된 커패시터;
    상기 커패시터의 회로 연결을 제어하는 회로 온-오프(ON-OFF)용 릴레이 스위치, 상기 커패시터와 병렬로 연결되어 전기적으로 공진하는 인덕터, 상기 인덕터에 흐르는 전류를 단속 또는 상기 인덕터에 흐르는 전류의 방향을 가변하는 반도체 스위치를 구비하여 상기 반도체 스위치의 온오프 주파수로 상기 커패시터의 용량을 가변하는 보조 회로부; 및
    상기 3상 유도 발전기의 회전속도 또는 상기 3상 유도 발전기의 발전전압의 크기를 측정하여 상기 반도체 스위치의 스위칭 주파수를 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 3상 유도 발전기의 회전속도 또는 발전전압에 부합하는 상기 커패시터의 용량과 임피던스를 계산하여 계산된 임피던스 값을 기준으로 상기 반도체 스위치의 스위칭 주파수 값을 환산하여 상기 릴레이 스위치 또는 상기 반도체 스위치를 제어하는 것을 특징으로 하는 3상 유도 발전기의 출력전압 제어 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체 스위치는 복수개이고,
    제1 반도체 스위치가 상기 인덕터에 흐르는 전류를 정방향으로 바이어스시키고, 제2 반도체 스위치가 상기 인덕터에 흐르는 전류를 역방향으로 바이어스 시키는 것을 특징으로 하는 3상 유도 발전기의 출력전압 제어 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    3상의 각 권선에 연결된 상기 커패시터는 복수개이고,
    복수개의 커패시터는 서로 다른 용량을 갖고 병렬로 연결되었고, 각각의 커패시터는 하나 이상의 온오프용 릴레이스위치와 연결된 것을 특징으로 하는 3상 유도 발전기의 출력전압 제어 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 복수개의 커패시터를 상기 3상의 각 권선에 접속하여 상기 커패시터의 용량을 선택하는 릴레이 스위치를 더 포함한 것을 특징으로 하는 3상 유도 발전기의 출력전압 제어 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 3상 유도 발전기의 회전속도가 증가되면 상기 커패시터의 용량을 감소시키고, 상기 3상 유도 발전기의 회전속도가 감소되면 상기 커패시터의 용량을 증가시키는 것을 특징으로 하는 유도 발전기의 출력전압 제어 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체 스위치는 복수개이고,
    상기 제어부는,
    상기 반도체 스위치 중 어느 하나의 반도체 스위치를 오프한 상태에서 나머지 반도체 스위치를 온오프 제어하는 것을 특징으로 하는 3상 유도 발전기의 출력전압 제어 시스템.
KR1020150166247A 2015-07-20 2015-11-26 자기 여자 용량을 가변하는 3상 유도 발전기의 출력전압 제어 시스템 KR101654143B1 (ko)

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