KR101670609B1 - 발전 또는 회생제동 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 유도발전기와, 상기 유도발전기와 회전력을 전달하도록 연결되면서 상기 유도발전기와 병렬연결되는 동기발전기를 포함하고, 상기 유도발전기의 극수는 상기 동기발전기의 극수보다 많거나 또는 적고, 상기 유도발전기의 슬립은 운전상태에서 음수인 발전 또는 회생제동 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 발전 또는 회생제동 장치는 외부에서 무효전력을 공급받을 필요가 없어서 독립적인 발전 또는 회생제동이 가능하다.

Description

발전 또는 회생제동 장치 {ELECTRICITY GENERATING OR REGENERATIVE BRAKING APPARATUS}
본 발명은 유도발전기와 동기발전기를 연결시킨 발전 또는 회생제동 장치에 관한 것이다.
발전 장치에서 발전과 회생제동은 동시에 일어나는 연결된 현상이다. 회전에너지를 전기에너지로 변환하는 과정을 출력 측면에서 보면 발전이지만, 입력 측면에서 보면 회전에너지가 줄어드는 회생제동이 된다. 따라서 발전 장치를 회생제동 장치라고 칭하여도 문제될 것이 없다. 통상적으로는 장치에 외력이 가해지는 상태를 발전이라 하고, 외력이 없이 관성에 의하여 발전이 일어나는 경우를 회생제동이라 한다.
발전기는 출력형태에 따라 직류발전기와 교류발전기로 나눈다. 교류발전기는 그 원리에 따라 동기발전기와 비동기식인 유도발전기로 구분된다. 원리적으로 자기장의 속도를 의미하는 동기속도와 회전자의 회전속도가 같으면 동기식이라 하고, 다르면 비동기식이라 한다. 비동기식 발전기는 유도발전기뿐이어서 비동기식 발전기와 유도발전기는 같은 의미로 사용된다.
동기발전기는 구조적으로는 고정자와 회전자를 주요 구성요소로 하고, 기능적으로는 자기장을 만드는 계자와 전압을 유기하는 전기자를 주요 구성요소로 한다. 회전자는 계자일 수도 있고 전기자일 수도 있어서, 회전자의 기능에 따라 회전계자형과 회전전기자형으로 구분한다. 계자는 여자형식에 따라서 영구자석형과 전기여자형으로 구분한다. 영구자석형은 계자에 영구자석을 배치하여 자기장을 만드는 형식이다. 전기여자형은 계자에 권선을 배치하고, 이 계자권선에 계자전류를 공급하여 자기장을 만드는 형식이다. 계자권선에 계자전류를 공급하려면 여자기가 필요하다. 여자기에는 직류형과 교류형 및 정지형 등의 다양한 형식이 공지되어 있다. 전기여자형을 채택할 경우에는 통상 계자전류의 조정은 가능하게 되나, 구조가 복잡해진다.
유도발전기는 구조적으로 고정자권선을 가진 고정자와 회전자권선을 가진 회전자를 주요 구성요소로 한다. 유도발전기는 고정자와 회전자 모두 계자의 기능을 가지고 있어서, 계자와 전기자라는 기능적 구성요소로 구분하지는 않는다. 회전자는 권선의 형식에 따라 농형과 권선형으로 구분한다. 유도발전기는 상대적으로 저가이고, 구조가 단순하며, 내구성이 뛰어난 장점이 있다. 그러나 회전자의 자화에 필요한 무효전력을 고정자권선을 통하여 외부에서 공급받아야 하기 때문에 주로 외부의 교류 전원에 연결하는 방식으로 이용되어 왔다. 일부 소형의 유도발전기에서는 고정자권선에 커패시터를 병렬로 연결하고 철심의 잔류자속 등을 이용하여 무효전력을 공급하는 방식을 채택하였으나, 출력의 변동이 심한 문제가 있다. 또한, 유도발전기는 동기속도 이상의 회전속도에서만 발전이 되는 문제가 있다.
한편으로 전동기를 채용하여 구동하는 차량에는 회생제동이 가능한 인버터구동형 유도전동기/발전기가 구동장치로 많이 채택되고 있다. 인버터는 배터리 등의 직류전원을 교류전원으로 변환하는 장치인데, 출력전압과 출력주파수의 조정이 가능하다. 회전 중이던 유도전동기에 인버터를 통하여 공급되던 교류 전원의 주파수를 낮추어서 공급하면 유도전동기는 유도발전기로 작동한다. 이때 발생하는 회생전력을 충전부로 보내어 충전을 시키거나, 제동저항을 통하여 열로 소비하면 이에 상응하는 제동력이 발생한다. 이 과정을 회생제동이라 한다. 이런 회생제동을 적용하면 관련된 회로가 복잡해지고, 신뢰성과 응답속도를 올려야 하는 등의 기술적 과제가 있다.
또, 한편으로 풍력발전에는 유도발전기나 영구자석형 동기발전기가 채택되고 있다. 유도발전기는 발전 가능한 속도영역이 좁고, 무효전력을 외부에서 공급해야 하는 문제가 있다. 영구자석형 동기발전기는 코깅 토크가 커서 기동이 어렵고, 기어박스를 이용한 증속이 곤란하기 때문에 발전기가 커지는 문제가 있다.
선행기술문헌에 따르면 대한민국 등록특허공보 10-0668118처럼 유도발전기와 동기발전기의 연결을 시도한 사례가 있으나, 연결의 매개수단으로 인버터 등의 전력변환장치를 사용하여서 장치가 비싸지고 복잡해지는 문제가 있다. 본 발명은 유도발전기와 동기발전기의 연결에 전력변환장치를 배제한다는 점에서 상기 선행기술과는 그 기술적 사상에서부터 큰 차이가 있다.
대한민국 등록특허공보 10-0668118 (공고일자: 2007년 01월 05일)
본 발명의 과제는 유도발전기에 동기발전기를 주파수 변환없이 병렬연결하여 병렬운전이 가능한 발전 또는 회생제동 장치를 구현하는 것이다.
상기의 과제를 달성하기 위하여 본 발명에서 제공하는 발전 또는 회생제동 장치는 유도발전기와 상기 유도발전기와 회전력을 전달하도록 연결되면서 상기 유도발전기와 병렬연결되는 동기발전기를 포함하고, 상기 유도발전기의 극수는 상기 동기발전기의 극수보다 많거나 또는 적고, 상기 유도발전기의 슬립(s)은 운전상태에서 음수이다. 또한, 상기 유도발전기의 출력주파수는 상기 동기발전기의 출력주파수와 같을 수 있다. 또한, 상기 유도발전기의 극수가 상기 동기발전기의 극수보다 많고, 상기 유도발전기는 상기 동기발전기와 회전력을 전달하도록 회전축을 결속하는 커플러 또는 유니버셜 조인트 또는 스플라인 샤프트 또는 클러치를 통하여 연결될 수 있다. 또한, 상기 유도발전기의 극수가 상기 동기발전기의 극수보다 많고, 상기 유도발전기의 회전축은 상기 동기발전기의 회전축과 일체로 형성될 수 있다. 또한, 상기 유도발전기의 프레임은 상기 동기발전기의 프레임과 일체로 형성될 수 있다. 또한, 상기 유도발전기의 극수가 상기 동기발전기의 극수보다 적고, 상기 유도발전기는 상기 동기발전기와 회전력을 전달하도록 기어 또는 기어박스 또는 기어가 포함된 변속기를 통하여 연결될 수 있다. 또한, 상기 유도발전기의 극수가 상기 동기발전기의 극수보다 적고, 상기 유도발전기는 상기 동기발전기와 회전력을 전달하도록 체인 또는 벨트를 통하여 연결될 수 있다. 또한, 상기 유도발전기는 회전자가 농형일 수 있다. 또한, 상기 동기발전기는 계자에 영구자석이 구비된 영구자석형일 수 있다. 또한, 상기 유도발전기와 상기 동기발전기를 병렬연결하는 출력선의 중간에 스위치가 구비될 수 있다. 또한, 상기 스위치는 제어부에서 보내는 신호에 따라 온/오프 동작을 하는 릴레이 또는 SCR 또는 FET 또는 IGBT 일 수 있다. 또한, 상기 동기발전기는 계자에 계자권선과 여자기가 구비되어서 계자전류의 조정이 가능한 전기여자형일 수 있다. 또한, 상기 유도발전기와 상기 동기발전기를 병렬연결하는 출력선의 중간에 출력전압을 조정하는 가변저항 또는 가변트랜스포머가 구비될 수 있다. 또한, 상기 유도발전기와 상기 동기발전기에 대하여 병렬연결되는 커패시터 또는 커패시터뱅크가 구비될 수 있다. 또한, 상기 커패시터 또는 커패시터뱅크는 용량 조정이 가능한 가변형일 수 있다.
본 발명에 따른 발전 또는 회생제동 장치는 외부에서 무효전력을 공급받을 필요가 없어서 독립적인 발전 또는 회생제동이 가능하다. 또한, 유도발전기의 극수를 동기발전기의 극수보다 많게 하여 기어 등의 기계적 변속장치를 없앨 수 있다. 또한, 유도발전기의 극수를 동기발전기의 극수보다 적게하여 코깅토크의 영향을 줄일 수 있다.
도 1a는 동기발전기의 회전속도-출력주파수 특성곡선이다.
도 1b는 동기발전기의 회전속도-출력전압 특성곡선이다.
도 2a는 유도전동기의 회전속도-토크 특성곡선이다.
도 2b는 유도전동기/발전기의 회전속도-토크 특성곡선이다.
도 3a는 유도발전기의 극수에 대한 개념도이다.
도 3b는 동기발전기의 극수에 대한 개념도이다.
도 3c는 발전기의 상수에 대한 개념도이다.
도 4a는 본 발명에 따른 병렬연결의 제 1 실시예이다.
도 4b는 본 발명에 따른 병렬연결의 제 2 실시예이다.
도 4c는 본 발명에 따른 병렬연결의 제 3 실시예이다.
도 4d는 본 발명에 따른 병렬연결이 아닌 실시예이다.
도 5a는 본 발명의 따른 병렬연결에 커패시터가 추가된 회로도이다.
도 5b는 도 4a에서의 전류별 위상도이다.
도 5c는 도 5a에서의 전류별 위상도이다.
도 6a는 본 발명에 따른 장치의 구성에 관한 제 1 실시예이다.
도 6b는 본 발명에 따른 장치의 구성에 관한 제 2 실시예이다.
도 6c는 본 발명에 따른 장치의 구성에 관한 제 3 실시예이다.
도 6d는 본 발명에 따른 장치의 구성에 관한 제 4 실시예이다.
도 7은 본 발명을 이용한 풍력발전시스템의 구성도이다.
도 8a는 본 발명을 이용한 차량의 구동에 관한 구성도이다.
도 8b는 본 발명을 이용한 차량의 제동에 관한 구성도이다.
도 8c는 본 발명을 이용한 차량의 구동/제동장치 회로도이다.
도 9a는 본 발명에 따른 장치의 전압조정 회로도의 제 1 실시예이다.
도 9b는 본 발명에 따른 장치의 전압조정 회로도의 제 2 실시예이다.
도 9c는 본 발명에 따른 장치의 전압조정 회로도의 제 3 실시예이다.
도 10a는 본 발명에 따른 장치의 회전속도-토크 특성곡선의 제 1 예이다.
도 10b는 본 발명에 따른 장치의 회전속도-토크 특성곡선의 제 2 예이다.
도 10c는 본 발명에 따른 장치의 회전속도-토크 특성곡선의 제 3 예이다.
도 10d는 본 발명에 따른 장치의 회전속도-토크 특성곡선의 제 4 예이다.
본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용은 몇 가지 공통적인 전제를 두고 시작한다.
본 발명의 실시 예들은 하나의 실시 형태를 보여줄 뿐, 발명을 제한적으로 해석하기 위한 것은 아니다. 특히, 첨부된 도면 중에는 여러 형태의 특성곡선이 있다. 이러한 특성곡선은 실무에서 필요에 따라 여러 가지 요소들의 선택을 통하여 매우 다양하게 설계될 수 있다. 예시된 특성곡선은 본 발명의 기술적 사상을 이해하기 쉽도록 선택된 하나의 예이다. 그러므로 본 발명의 범위는 도면상의 특성곡선에 의하여 제한받지 않는다.
용어와 관련하여, 유도발전기(IG)는 조건에 따라 유도전동기(IM)로 작동하기도 하므로 본 출원서에서는 문맥에 따라 유도전동기(IM)나 유도발전기(IG) 또는 유도전동기/발전기(IM/IG)로 달리 표기하나, 모두 동일한 구성요소를 지칭하는 것이다.
용어와 관련하여, 일부에서는 제동시에 생산되는 전력을 재생 가능한 형태로 저장하는 경우에는 회생제동이라 하고, 저항에서 열로 소비하는 경우에는 발전제동이라고 구분하기도 하나, 본 출원서에서는 그러한 구분없이 두 가지 경우 모두 회생제동으로 칭한다. 그러나 역상제동은 회생제동과 구분한다.
용어와 관련하여, 본 출원서에서의 회전속도는 모두 회전자의 회전속도를 지칭하며, 자기장의 속도를 지칭하는 동기속도와 구분한다.
발전기는 출력형태에 따라 직류발전기와 교류발전기로 나눈다. 교류발전기는 그 원리에 따라 동기발전기와 비동기식인 유도발전기로 구분된다. 원리적으로 자기장의 속도를 의미하는 동기속도와 회전자의 회전속도가 같으면 동기식이라 하고, 다르면 비동기식이라 한다. 비동기식 발전기는 유도발전기뿐이어서 비동기식 발전기와 유도발전기는 같은 의미로 사용된다. 본 발명은 동기발전기와 유도발전기의 원리적 차이를 이용하여 동기발전기가 유도발전기의 여자기로 작동하도록 고안되었다. 따라서 교류발전기 중에서 원리적으로 동기발전기 또는 유도발전기로 구분 가능한 발전기는 모두 본 발명의 구성요소로서의 대상이 된다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 기술적 사상과 바람직한 실시 예를 살펴본다.
도 1a는 동기발전기의 회전속도-출력주파수 특성곡선이고, 도 1b는 동기발전기의 회전속도-출력전압 특성곡선이다.
도 1a에서, 동기발전기의 출력주파수(f)는 동기발전기의 회전속도(n)에 비례하는 특징이 있고, 아래의 수학식 1에 따른다.
Figure 112015088366573-pat00001
수학식 1의 f는 동기발전기의 출력주파수이고, Nms는 동기발전기 회전자의 회전속도이며, Ps는 동기발전기의 극수를 나타낸다. 주파수의 단위는 Hz이고, 회전속도의 단위는 rpm이다.
도 1b에서, 동기발전기의 출력전압(Vac)은 회전속도(n)에 대략 비례하면서도 변동될 수 있는 요인도 가지고 있다. 동기발전기의 출력전압(Vac)을 변동시키는 요인은 계자전류의 변동, 부하전류의 증감 그리고 철심의 자기포화 등이다. 동기발전기의 출력전압(Vac)이 변동되는 특징을 이용하면 발전량 또는 제동력의 조정이 가능하다.
도 2a는 유도전동기의 회전속도-토크 특성곡선이고, 도 2b는 유도전동기/발전기의 회전속도-토크 특성곡선이다.
도 2a에는, 미국전기제조자협회(NEMA)규격의 설계등급(A,B,C,D)에 따른 유도전동기의 회전속도(n)-토크(T) 특성곡선이 있다. 유도전동기는 요구되는 설계방침에 따라 다양한 특성곡선을 만들 수 있다는 것을 보여준다.
도 2b에서, 가로축은 슬립(s)을 나타내고 세로축은 토크(T)를 표시하였다. 양의 토크는 전동 토크이고, 음의 토크는 발전 또는 회생제동 토크를 의미한다. 전동 토크곡선의 형상과 발전 또는 회생제동 토크곡선의 형상은 유사하다. s = 0 인 지점은 동기속도이고, s < 0 인 구간은 발전 또는 회생제동 영역이고, 1 > s > 0 인 구간은 전동 영역이고, s > 1 인 구간은 역상제동 영역이다.
유도발전기에서의 동기속도(Ns)는 아래의 수학식 2에 따른다.
Figure 112015088366573-pat00002
수학식 2의 Ns는 유도발전기의 동기속도이고, f는 유도발전기의 입력주파수이고, Pi는 유도발전기의 극수이다. 주파수의 단위는 Hz이고, 동기속도의 단위는 rpm 이다.
본 발명에 의한 장치에서 유도발전기와 동기발전기는 주파수 변환없이 병렬연결된다. 이에 따라 유도발전기의 입력주파수(f)는 동기발전기의 출력주파수(f)와 같아지고, 유도발전기의 입력주파수(f)와 유도발전기의 출력주파수(f)는 같다.
유도발전기에서의 슬립(s)은 아래의 수학식 3에 따른다.
Figure 112015088366573-pat00003
수학식 3의 s는 슬립이고, Ns는 유도발전기의 동기속도이며, Nmi는 유도발전기 회전자의 회전속도이다. 동기속도와 회전속도의 단위는 rpm이다.
유도발전기에서 발전 또는 회생제동은 회전자의 회전속도(Nmi)가 동기속도(Ns)보다 빠를 때 일어난다. 외력을 인가하여 회전자의 회전속도(Nmi)를 동기속도(Ns) 이상으로 올리거나, 고정자에 인가되는 전원의 주파수(f)를 낮추어 동기속도(Ns)를 줄이면 발전 또는 회생제동 상태가 된다.
역상제동은 유도전동기 회전자의 회전방향과 회전자계의 회전방향이 반대일 때 발생한다. 역상제동은 유효전력을 소비하면서 제동되어서 회생제동에 비하여 비효율적이다.
도 3a는 유도발전기의 극수에 대한 개념도이고, 도 3b는 동기발전기의 극수에 대한 개념도이고, 도 3c는 발전기의 상수에 대한 개념도이다.
도 3a에서, 유도발전기의 고정자(11)에는 단상으로 4개(a,b,c,d)의 권선(12)이 4극으로 배치되어있다. 운전상태의 특정 시점에서 보면, 권선(12) 중 a와 c의 자속(Ф)은 안쪽으로 향하고 b, d의 자속(Ф)은 바깥쪽을 향하고 있다. 통상 현장에서는 상기 4개(a,b,c,d)의 권선(12)을 직렬 또는 병렬의 형태로 연결하여 단상 출력단(15)은 2개가 된다.
유도발전기의 극수는 고정자(11)에 배치된 권선(12)의 극수에 따라 결정된다. 만약에 권선(12)에 흐르는 전류의 방향이나 권선(12)의 감긴 방향이 달라지면 자속(Ф)의 방향이 바뀌면서 극수도 달라질 수 있다.
도 3b에서, 동기발전기의 계자(13)에는 4개의 영구자석(14)이 4극으로서 N극-S극-N극-S극의 순서로 배치되어 있다. 동기발전기의 극수는 계자(13)의 극수에 따라 결정된다. 상기의 영구자석(14)은 외부에서 전기를 공급받는 계자권선으로 대체할 수 있다. 만약에 영구자석이나 계자권선의 극성을 바꾸면 극수도 바뀔 수 있다.
도 3c에는, 부하(21)에 대하여 병렬연결된 3상의 유도발전기(30)와 3상의 동기발전기(40)가 있다. 3상의 유도발전기(30)는 Y형으로 결선되어 있고, 3상의 동기발전기(40)는 △형으로 결선되어 있다.
유도발전기(30)에서 3상은 도 3a에서 도시한 단상의 권선(12)을 고정자(11)에서 각도 차이를 두면서 두 번 더 배치하면 된다. 본 발명의 기술적 관점에서 보면, 2상은 단상을 두 번 반복한 것이고, 3상은 단상을 세 번 반복한 것에 불과하다. 이런 기술적 관점에 따라 대응하는 상을 구별하여 병렬연결하면 되기때문에, 본 발명은 단상뿐만 아니라 2상 이상의 상에 대하여도 적용에 제한이 없다.
다만, 시장에서 통상적으로 단상 유도전동기라고 칭하는 기기는 단상 전원을 사용한다는 의미에서 단상이라고 칭하나, 실제로는 주권선과 보조권선이 각도차를 두고 배치되어 있는 2상이 대부분인 점을 유의하여야 한다.
동기발전기(40)의 상수는 계자(13)가 아닌 전기자에 배치된 권선에 따라 결정된다. 유도발전기(30)에서처럼 동기발전기(40)의 3상도 단상의 권선을 각도 차이를 두면서 두 번 더 배치하면 된다. 본 발명의 기술적 관점에서 보면, 2상은 단상을 두 번 반복한 것이고, 3상은 단상을 세 번 반복한 것에 불과하다. 이런 기술적 관점에 따라 대응하는 상을 구별하여 병렬연결하면 되기 때문에, 본 발명은 단상뿐만 아니라 2상 이상의 상에 대하여도 적용에 제한이 없다.
3상 발전기는 내부 결선 방식에 따라 3선 또는 4선 또는 6선을 인출할 수 있는데, 잘 알려진 것처럼 Y 또는 △ 형태로 결선하면 출력선은 Y결선에서 3선(31a,31b,31c) 그리고 △ 결선에서 3선(41a,41b,41c)이 인출된다. 3상 발전기 간의 병렬연결은 상응하는 상을 연결하면 된다. 다만, 결선시에 통상적으로 3상을 지칭하는 U-V-W 나 R-S-T 같은 상의 명칭에 구속될 필요는 없지만, 요구되는 회전방향에 맞출 수 있도록 결선이 되어야 한다.
도 4a는 본 발명에 따른 병렬연결의 제 1 실시예이고, 도 4b는 본 발명에 따른 병렬연결의 제 2 실시예이고, 도 4c는 본 발명에 따른 병렬연결의 제 3 실시예이고, 도 4d는 본 발명에 따른 병렬연결이 아닌 실시예이다.
본 발명의 기술적 사상은 병렬연결을 통하여 주파수 변환없이 동기발전기의 출력주파수가 유도발전기의 입력주파수가 되도록 하여, 유도발전기의 자화에 필요한 무효전력을 공급하는 것이다.
본 발명에서, 발전기가 병렬연결된다는 것은 유도발전기의 출력과 동기발전기의 출력이 적절히 동기화되어서 합쳐진다는 의미가 있다. 여기서 동기화란 교류의 출력이 합쳐질 수 있도록 주파수, 크기 및 위상이 비슷해진다는 의미이다.
본 발명에서, 발전기의 병렬연결은 장치의 전체 동작과정 중에서 부분적 또는 일시적으로만 일어날 수 있다. 특히 회생제동을 할 경우에는 짧은 주기의 병렬연결이 반복될 수 있다.
병렬연결은 전기분야에서 많이 사용되어 온 용어이긴 하지만, 병렬연결된 회로의 중간에 구성요소가 추가될 시에 병렬연결의 의미가 유지되는지 애매한 경우가 있을 수 있다. 이에 본 발명에서는 구성요소가 추가되어도 주파수 변환이 없다면 병렬연결된 것으로 보고, 추가된 구성요소로 인하여 주파수 변환이 발생하면 병렬연결이 아닌 것으로 정의한다. 도 4a 내지 도 4d에서 실시예로서 상세하게 구분한다.
도 4a에서, 유도발전기(30)는 동기발전기(40)와 병렬연결되어 있다. 유도발전기(30)와 동기발전기(40)가 무부하 상태에서 병렬운전하게 되면, 동기발전기 전류(Is)와 유도발전기 전류(Ii)가 흐르게 되는데, Is + Ii = 0 이다. 유도발전기(30)의 출력은 동기발전기(40)의 출력에 동기화되어 출력단(15)에 출력전압(Vac)을 만들게 된다.
도 4b에는, 도 4a의 병렬연결에 저항(22)과 인덕터(23) 및 커패시터(24)가 추가로 배치되어 있다. 상기 소자(22, 23, 24)의 성분(R,L,C)은 통상의 회로에도 무시할 만큼 작을 수는 있지만 자연적으로 포함되어 있다. 상기 소자(22. 23. 24)들은 전압의 크기나 전류의 위상을 변화시키기는 하나, 주파수를 바꾸지는 않는다. 유도발전기(30)의 출력은 동기발전기(40)의 출력에 동기화되어 출력단(15)에 출력전압(Vac)을 만들게 된다. 따라서 유도발전기(30)와 동기발전기(40)의 사이에 저항(22) 또는 인덕터(23) 또는 커패시터(24)가 추가되어도 주파수 변환없이 병렬연결된 것이다.
도 4c에는, 도 4a의 병렬연결에 변압기(26)가 추가되어 있다. 변압기는 전압을 바꾸기는 하나, 주파수를 바꾸지는 않는다. 유도발전기(30)의 출력은 동기발전기(40)의 출력에 동기화되어 출력단(15)에 출력전압(Vac)을 만들게 된다. 변압기에는 단권방식, 복권방식 또는 전압을 조정하는 가변전압방식 등이 있다. 복권방식의 경우에 전기적으로는 분리되나, 자기적으로 연결되어 있다. 따라서 유도발전기(30)와 동기발전기(40) 사이에 변압기(26)가 추가되어도 주파수 변환없이 병렬연결된 것이다.
도 4d에는, 도 4a의 병렬연결에 전력변환장치(62)가 추가되어 있다. 전력변환장치(62)에는 교류를 직류로 변환하는 컨버터(75)와 직류를 교류로 변환하는 인버터(74)가 포함되어 있다. 전력변환장치(62)의 출력주파수는 PWM제어부(63)와 같은 별도의 장치에서 지시되는 신호에 따라 결정되기 때문에 동기발전기(40)의 출력주파수와는 연계되지 않는다. 두 발전기(30,40)가 병렬운전을 하려면 유도발전기(30)의 운전정보에 따라 전력변환장치(62)를 제어하여야 한다. 따라서 유도발전기(30)와 동기발전기(40)의 병렬연결 사이에 컨버터(75)가 포함된 전력변환장치(62)가 있다면, 유도발전기(30)와 동기발전기(40)는 주파수 변환없이 병렬연결된 것이 아니다.
도 5a는 본 발명의 따른 병렬연결에 커패시터가 추가된 회로도이고, 도 5b는 도 4a에서의 전류별 위상도이고, 도 5c는 도 5a에서의 전류별 위상도이다.
도 5a에는, 도 4a의 유도발전기(30) 및 동기발전기(40)에 대하여 병렬연결된 커패시터(24)가 구비되어 있다. 유도발전기(30)와 동기발전기(40)가 부하(21)와 분리된 무부하 상태로 병렬운전을 하게 되면, 동기발전기 전류(Is)와 유도발전기 전류(Ii) 및 커패시터 전류(Ic)가 흐르게 되는데, Is + Ii + Ic = 0 이다. 유도발전기(30)의 출력은 동기발전기(40)의 출력에 동기화되어 출력단(15)에 출력전압(Vac)을 만들게 된다.
도 5b에는, 도 4a에 표시된 각 전류의 위상과 크기를 일례로 표시하였다. 가로축은 저항 성분(R)이고, 세로축은 유도성 리액턴스(Xl)와 용량성 리액턴스(Xc)이다. 동기발전기(40)의 출력전압(Vac)을 기준으로 유도발전기(30)는 저항성분이 포함된 유도성 부하여서 각각의 전류 Is, Ii를 도 5b처럼 표시할 수 있다.
도 5c에는, 도 5a에 표시된 각 전류의 위상과 크기를 일례로 표시하였다. 가로축은 저항 성분(R)이고, 세로축은 유도성 리액턴스(Xl)와 용량성 리액턴스(Xc)이다. 동기발전기(40)의 출력전압(Vac)을 기준으로 유도발전기(30)는 저항성분이 포함된 유도성 부하이고, 커패시터(24)는 용량성 부하이므로 각각의 전류 Is, Ii, Ic를 도 5c처럼 표시할 수 있다.
도 5a 내지 도 5c에서, 리액턴스는 주파수에 따라 변동된다는 점을 감안하면서 적절한 용량의 커패시터(24)를 선정하여 병렬연결하면, 동기발전기 전류(Is)의 크기를 줄일 수 있다는 것을 알 수 있다. 이는 유도발전기(30)의 용량에 대비하여 동기발전기(40)의 용량을 줄일 수 있다는 것을 의미한다.
도 6a는 본 발명에 따른 장치의 구성에 관한 제 1 실시예이고, 도 6b는 본 발명에 따른 장치의 구성에 관한 제 2 실시예이고, 도 6c는 본 발명에 따른 장치의 구성에 관한 제 3 실시예이고, 도 6d는 본 발명에 따른 장치의 구성에 관한 제 4 실시예이다.
도 6a 내지 도 6d에는, 유도발전기(30)와, 상기 유도발전기(30)와 회전력을 전달하도록 연결되면서 상기 유도발전기(30)와 주파수 변환없이 병렬연결되는 동기발전기(40)를 포함하는 발전 또는 회생제동 장치가 있다.
상기의 병렬연결에 의하여, 상기 유도발전기(30)의 입력주파수는 상기 동기발전기(40)의 출력주파수와 같아진다. 상기 유도발전기(30)의 입력주파수와 출력주파수는 같아서, 상기 유도발전기(30)의 출력과 상기 동기발전기(40)의 출력은 출력단(15)에서 동기화된다.
종래의 기술에서는, 유도발전기와 동기발전기의 병렬연결을 통한 병렬운전은 개별적이고 독립적으로 회전속도를 제어하여 출력을 동기화시키거나, 또는 유도발전기와 동기발전기가 회전력을 전달하도록 연결되어 운전하되 전력변환장치를 설치하여 출력을 동기화시키는 방식을 사용하였다.
반면에 본 발명에 의하면, 유도발전기는 동기발전기와 회전력을 전달하도록 연결되면서도 전력변환장치 없이 병렬연결을 가능하게 한다. 이를 가능하게 하는 것은 본 발명에서 설명하는 극수비와 회전속도비라는 두 가지 요소의 조합이다. 여기서 극수비란 유도발전기의 극수와 동기발전기의 극수 간의 비율을 말하고, 회전속도비란 유도발전기의 회전속도와 동기발전기의 회전속도 간의 비율을 말한다.
본 발명에서, 회전력을 전달하도록 연결된다는 것은 유도발전기와 동기발전기 중에서 어느 일방의 회전자에만 외력을 가하여 돌렸을 때, 다른 일방의 회전자도 돌아가는 모든 경우를 포함하는 표현이다. 이는 연결의 구조나 방식이 어떠하든, 연결되어 회전력을 전달한다는 것만으로 본 발명의 기술적 사상을 구현하기에 충분한 조건이 된다는 의미이다.
본 발명에서, 회전력을 전달하도록 연결되는 유도발전기와 동기발전기 간에는 회전속도의 차이가 있을 수 있다. 또, 회전력을 전달하도록 연결된 상태가 장치의 전체 동작과정 중에서 부분적 또는 일시적으로만 일어날 수 있는데, 그 순간도 본 발명에 따른 연결이다.
도 6a에는, 유도발전기(30)와, 상기 유도발전기(30)와 회전력을 전달하도록 회전축(32,42)을 결속하는 커플러(52)를 통하여 연결되면서 상기 유도발전기(30)와 주파수 변환없이 출력선(31a,31b,41a,41b)을 통하여 병렬연결되는 동기발전기(40)를 포함하는 발전 또는 회생제동 장치가 있다. 또, 상기 유도발전기(30)와 상기 동기발전기(40)에 대하여 병렬연결되는 커패시터(24)가 구비되어 있는데 선택적 요소이다. 상기 커플러(52,coupler)는 유니버셜 조인트(universal joint) 또는 스플라인 샤프트(spline shaft) 또는 클러치(clutch) 등으로 대체 가능하다.
도 6b에는, 유도발전기(30)와, 상기 유도발전기(30)와 회전력을 전달하도록 일체로 형성된 회전축(32,42)을 통하여 연결되면서 상기 유도발전기(30)와 주파수 변환없이 출력선(31a,31b,41a,41b)을 통하여 병렬연결되는 동기발전기(40)를 포함하는 발전 또는 회생제동 장치가 있다. 상기 유도발전기의 회전축(32)은 상기 동기발전기의 회전축(42)과 일체로 형성되어 있다. 유도발전기의 회전자(33)와 동기발전기의 회전자(43)는 상기 일체로 형성된 회전축(32,42)에 고착되어 있다. 유도발전기의 고정자(34)와 동기발전기의 고정자(44)는 프레임(56)에 고착되어 있다. 상기 유도발전기의 프레임(56)과 상기 동기발전기의 프레임(56)은 일체로 형성되어 있다. 또, 상기 유도발전기(30)와 상기 동기발전기(40)에 대하여 병렬연결되는 커패시터(24)가 구비되어 있는데 선택적 요소이다.
유도발전기와 동기발전기의 회전자가 도 6a 또는 도 6b에서처럼 직결되어 있으면 회전속도는 같다. 여기에 유도발전기와 동기발전기의 극수도 같다면 유도발전기는 동기속도(Ns)로 회전하는 상태여서 발전이 일어나지 않는다.
반면에 본 발명에 따른 일례로서, 2극 동기발전기와 4극 유도발전기를 가정하면 발전이 된다. 회전속도가 3,600 rpm인 지점에서 2극 동기발전기의 출력주파수는 60Hz가 된다. 동기발전기의 60Hz 출력주파수는 4극 유도발전기에 인가되면서 입력주파수가 됨에 따라 유도발전기의 동기속도(Ns)는 1,800 rpm이 된다. 반면에 동기발전기와 직결된 유도발전기의 회전속도는 동기속도(Ns)보다 빠른 3,600 rpm이므로 발전이 일어나게 된다. 즉, 도 6a 또는 도 6b처럼 회전자가 직결된 경우에 유도발전기의 극수가 동기발전기의 극수보다 많으면 기어 등의 기계적 장치가 없어도 유도발전기의 슬립을 음수로 만들 수 있다.
본 발명에서는 회전력을 전달하도록 연결된 방식에 따라 유도발전기와 동기발전기 간에는 회전속도에서 차이가 생길 수 있는데, 이런 발전기 간의 회전속도 차이를 회전속도비(G)라고 정의하며, 아래의 수학식 4에 따른다.
Figure 112015088366573-pat00004
수학식 4의 G는 회전속도비(G)이고, Nmi는 유도발전기 회전자의 회전속도이며, Nms는 동기발전기 회전자의 회전속도이다.
유도발전기의 회전자와 동기발전기의 회전자가 직결된 도 6a 또는 도 6b와 같은 경우에, 아래 표 1과 같은 극수 조합으로 유도발전기의 발전이 일어나게 할 수 있다.

동기발전기
회전
속도비
(G)
유도발전기
회전속도
(Nms)		 극수
(Ps)		 출력주파수
(f)		 회전속도
(Nmi)		 극수
(Pi)		 입력주파수
(f)		 동기속도
(Ns)		 슬립
(s)
1800 2 30 1 1800 4 30 900 -1.00
1800 4 60 1 1800 6 60 1200 -0.50
1800 6 90 1 1800 8 90 1350 -0.33
1800 8 120 1 1800 10 120 1440 -0.25
1800 10 150 1 1800 12 150 1500 -0.20
1800 12 180 1 1800 14 180 1543 -0.17
1800 14 210 1 1800 16 210 1575 -0.14
1800 16 240 1 1800 18 240 1600 -0.13
1800 18 270 1 1800 20 270 1620 -0.11
1800 20 300 1 1800 22 300 1636 -0.10
* 주
1. 회전속도/동기속도의 단위는 rpm이고, 주파수의 단위는 Hz이다.
2. 일부 계산 결과치에는 반올림이 적용되었다.
표 1에서, 유도발전기 회전자의 회전속도는 동기발전기 회전자의 회전속도와 같으므로 회전속도비(G)는 1이다. 임의의 회전속도인 1,800 rpm을 가정하였고, 동기발전기의 극수(Ps)보다 유도발전기의 극수(Pi)가 많은 경우를 조합하였다. 동기발전기의 출력주파수(f)는 유도발전기 입력주파수(f)가 된다. 그리고 수학식 1, 2, 3을 이용하여 출력주파수(f)와 동기속도(Ns) 및 슬립(s)을 계산하였다. 수학식 3의 슬립(s)은 표 1의 경우에 수학식 5로 바꾸어 표시할 수 있다.
Figure 112015088366573-pat00005
수학식 5의 s는 슬립이고, Pi는 유도발전기의 극수이며, Ps는 동기발전기의 극수이다.
수학식 5를 해석한다면, 유도발전기와, 상기 유도발전기와 회전력을 전달하도록 연결되면서 상기 유도발전기와 주파수 변환없이 병렬연결되는 동기발전기를 포함하는 발전 또는 회생제동 장치에서, 상기 유도발전기의 극수가 상기 동기발전기의 극수보다 많으면 상기 유도발전기의 슬립(s)을 음수(s < 0)로 만들 수 있다. 상기 유도발전기의 슬립(s)이 음수(s < 0)이면, 상기 유도발전기는 정지상태를 제외한 모든 회전속도에서 발전 또는 회생제동 상태가 된다.
도 6c에는, 유도발전기(30)와, 상기 유도발전기(30)와 회전력을 전달하도록 기어(53)를 통하여 연결되면서 상기 유도발전기(30)와 주파수 변환없이 출력선(31a,31b,31c,41a,41b,41c)을 통하여 병렬연결되는 동기발전기(40)를 포함하는 발전 또는 회생제동 장치가 있다. 또, 상기 유도발전기(30)와 상기 동기발전기(40)에 대하여 병렬연결되는 커패시터뱅크(25)가 구비되어 있는데 선택적 요소이다. 상기 기어(53)는 회전축(32,42)과 연결되어 유도발전기(30)와 동기발전기(40)간에 회전력을 전달하면서 회전속도의 차이를 만드는 역할을 하는데, 기어박스 또는 기어가 포함된 변속기를 비롯하여 체인이나 벨트로도 대체 가능하다.
도 6d에는, 유도발전기(30)와, 상기 유도발전기(30)와 회전력을 전달하도록 기어박스(54)를 통하여 연결되면서 상기 유도발전기(30)와 주파수 변환없이 출력선(31a,31b,31c,41a,41b,41c)을 통하여 병렬연결되는 동기발전기(40)를 포함하는 발전 또는 회생제동 장치가 있다. 유도발전기의 회전자(33)는 유도발전기의 회전축(32)에 고착되어 있고, 동기발전기의 회전자(43)는 동기발전기의 회전축(42)에 고착되어 있다. 유도발전기의 회전축(32)과 동기발전기의 회전축(42)은 기어박스(54)를 통하여 회전력을 전달하도록 되어 있다. 유도발전기의 고정자(34)와 동기발전기의 고정자(44)는 프레임(56)에 고착되어 있다. 상기 유도발전기의 프레임(56)은 상기 동기발전기의 프레임(56)과 일체로 형성되어 있다. 또, 상기 유도발전기(30)와 상기 동기발전기(40)에 대하여 병렬연결되는 커패시터뱅크(25)가 구비되어 있는데 선택적 요소이다.
유도발전기와 동기발전기는 도 6c 또는 도 6d에서처럼 기어나 기어박스를 통하여 회전력을 전달하도록 연결되어 있으면 회전속도를 다르게 할 수 있다. 만약 유도발전기의 극수와 동기발전기의 극수가 같은 상태에서 동기발전기의 회전속도보다 유도발전기의 회전속도가 빠르다면, 유도발전기는 동기속도보다 빠르게 회전하는 상태여서 발전이 일어난다. 표 2는 유도발전기와 동기발전기의 극수는 같으나, 기어 등을 이용하여 회전속도비(G)를 조정한 조합의 슬립(s)에 관한 것이다.

동기발전기
회전
속도비
(G)
유도발전기
회전속도
(Nms)		 극수
(Ps)		 출력주파수
(f)		 회전속도
(Nmi)		 극수
(Pi)		 입력주파수
(f)		 동기속도
(Ns)		 슬립
(s)
1800 4 60 1.05 1890 4 60 1800 -0.05
1800 4 60 1.10 1980 4 60 1800 -0.10
1800 4 60 1.15 2070 4 60 1800 -0.15
1800 4 60 1.20 2160 4 60 1800 -0.20
1000 6 50 1.05 1050 6 50 1000 -0.05
1000 6 50 1.10 1100 6 50 1000 -0.10
1000 6 50 1.15 1150 6 50 1000 -0.15
1000 6 50 1.20 1200 6 50 1000 -0.20
* 주
1. 회전속도/동기속도의 단위는 rpm이고, 주파수의 단위는 Hz이다.
표 2에서, 유도발전기와 동기발전기는 기어 등을 통하여 연결되어 있어서 회전속도에 차이가 있다. 회전속도비(G)는 임의의 값으로 선정하였다. 동기발전기의 회전속도(Nms)는 임의의 값인 1,800/1,000 rpm을 선정하였고, 유도발전기의 극수(Pi)와 동기발전기의 극수(Ps)는 같은 경우로 조합하였다. 동기발전기의 출력주파수(f)는 유도발전기의 입력주파수(f)가 된다. 그리고 수학식 1, 2, 3을 이용하여 동기발전기의 출력주파수(f)와 유도발전기의 동기속도(Ns) 및 슬립(s)을 계산하였다. 수학식 3의 슬립(s)은 표 2와 같은 경우에 수학식 6으로 바꾸어 표시할 수 있다.
Figure 112015088366573-pat00006
수학식 6의 s는 슬립이고, G는 수학식 4의 회전속도비이다.
수학식 6을 해석한다면, 유도발전기와, 상기 유도발전기와 회전력을 전달하도록 연결되면서 상기 유도발전기와 주파수 변환없이 병렬연결되는 동기발전기를 포함하는 발전 또는 회생제동 장치에서, 상기 유도발전기 회전자의 회전속도(Nmi)가 상기 동기발전기 회전자의 회전속도(Nms)보다 빠르면 상기 유도발전기의 슬립(s)을 음수(s < 0)로 만들 수 있다. 상기 유도발전기의 슬립(s)이 음수(s < 0)이면, 상기 유도발전기는 정지상태를 제외한 모든 회전속도에서 발전 또는 회생제동 상태가 된다.
표 3에서는 표 1의 극수비와 표 2의 회전속도비를 결합한 경우인데, 표 1에서는 유도발전기의 극수가 동기발전기의 극수보다 많은 경우에만 발전 또는 회생제동이 가능하였으나, 표 3에서는 유도발전기의 극수가 동기발전기의 극수보다 많거나 또는 적은 경우에도 발전 또는 회생제동이 가능함을 보여준다.

동기발전기
회전
속도비
(G)
유도발전기
회전속도
(Nms)		 극수
(Ps)		 출력주파수
(f)		 회전속도
(Nmi)		 극수
(Pi)		 입력주파수
(f)		 동기속도
(Ns)		 슬립
(s)
3600 2 60 0.55 1980 4 60 1800 -0.10
1800 4 60 1.10 1980 4 60 1800 -0.10
1200 6 60 1.65 1980 4 60 1800 -0.10
900 8 60 2.20 1980 4 60 1800 -0.10
720 10 60 2.75 1980 4 60 1800 -0.10
600 12 60 3.30 1980 4 60 1800 -0.10
450 16 60 4.40 1980 4 60 1800 -0.10
360 20 60 5.50 1980 4 60 1800 -0.10
300 24 60 6.60 1980 4 60 1800 -0.10
240 30 60 8.25 1980 4 60 1800 -0.10
* 주
1. 회전속도/동기속도의 단위는 rpm이고, 주파수의 단위는 Hz이다.
표 3에서는 4극의 유도발전기가 -0.10의 슬립(s)으로 작동하기 위한 동기발전기의 극수와 회전속도비(G)의 조합을 찾아보았다. 동기발전기의 회전속도(Nms)와 극수(Ps)를 임의로 선정한 후에 수학식 1, 2, 3을 이용하여 동기발전기의 출력주파수(f)와 유도발전기의 동기속도(Ns) 및 슬립(s)을 계산하였다. 동기발전기의 출력주파수(f)는 유도발전기의 입력주파수(f)가 된다. 표 1에서는 동기발전기의 극수(Ps)보다 유도발전기의 극수(Pi)가 큰 경우에만 슬립(s)이 음수 값을 보였지만, 표 3에서는 두 발전기의 모든 극수 조합에서 음수 값을 가진 슬립(s)을 만들 수 있다. 수학식 3의 슬립(s)은 표 1의 경우와 표 2의 경우와 표 3의 경우를 모두 포함하여 수학식 7로 바꾸어 표시할 수 있다.
Figure 112015088366573-pat00007
수학식 7에서 s는 슬립이고, G는 수학식 4의 회전속도비이고, Pi는 유도발전기의 극수이며, Ps는 동기발전기의 극수이다.
운전상태에서 수학식 7로 계산하여 슬립(s)이 음수라는 것은 표 1처럼 회전속도비(G)가 1인 경우에는 극수비(Pi/Ps)가 1보다 커야 하고, 표 3처럼 회전속도비(G)가 1이 아닌 경우에는 회전속도비(G)가 역극수비(Ps/Pi)보다 커야 한다는 의미가 포함되어 있다. 수학식 7을 이용하면, 유도발전기와 상기 유도발전기와 회전력을 전달하도록 연결되면서 상기 유도발전기와 주파수 변환없이 병렬연결되는 동기발전기를 포함하는 발전 또는 회생제동 장치에서, 상기 유도발전기의 극수가 상기 동기발전기의 극수보다 많거나 또는 적은 경우에도 상기 유도발전기의 슬립(s)을 음수로 만들 수 있다. 상기 유도발전기의 슬립(s)이 음수이면, 상기 유도발전기는 정지상태를 제외한 모든 회전속도에서 발전 또는 회생제동 상태가 된다.
도 7은 본 발명을 이용한 풍력발전시스템의 구성도이다.
도 7에는, 유도발전기(30)와, 상기 유도발전기(30)와 회전력을 전달하도록 기어박스(54)를 통하여 연결되면서 상기 유도발전기(30)와 주파수 변환없이 병렬연결되는 동기발전기(40)를 포함하는 발전 또는 회생제동 장치가 있다. 블레이드(61)는 동력축(55)을 통하여 기어박스(54)에 연결되어 있다. 상기 유도발전기(30)와 상기 동기발전기(40)에 대하여 병렬연결되는 커패시터뱅크(25)가 구비되어 있는데 선택적 요소이다. 상기 유도발전기(30)와 상기 동기발전기(40)의 출력은 전력변환장치(62)와 변압기(26)을 거쳐서 부하(21)에 전달되는데, 계통으로부터 무효전력을 공급받을 필요가 없으므로 독립적인 운전이 가능하다.
상기 유도발전기(30)는 회전자가 농형인 것이 구조가 단순하여 유리하다.
또, 상기 동기발전기(40)는 계자가 영구자석형인 것이 내구성에서 유리하다.
종래의 기술을 살펴보면, 풍력발전기는 용량이 커질수록 블레이드의 회전속도는 낮아진다. 반면에 발전기는 용량대비 회전속도가 낮을수록 그 크기가 커진다. 발전기를 소형화하려면 기어박스를 이용하여 발전기의 회전속도를 올려야 할 필요성이 생긴다. 그러나 영구자석형 동기발전기는 기어박스를 이용하여 속도를 올리면 코깅 토크도 커져서 기동이 어려워지고, 맥동성인 코깅 토크로 인하여 기계적 신뢰성을 확보하기 어려운 문제가 생긴다. 반면에 유도발전기는 코깅 토크로 인한 문제는 적으나, 발전 가능한 속도영역이 좁고, 무효전력을 외부에서 공급받아야 하는 문제가 있다.
상기한 종래 기술의 문제는 본 발명을 이용하여 개선 방안을 도출할 수 있다. 즉, 농형 유도발전기(30)를 주발전기로 하여 기어박스(54)의 고속단에 연결하면 회전속도를 올려서 농형 유도발전기(30)를 작게 할 수 있고, 영구자석형 동기발전기(40)는 여자기능을 하는 보조발전기로 기어박스(54)의 저속단에 연결하여 저속으로 회전하게 하면 코깅 토크의 영향을 줄일 수 있다. 또, 농형 유도발전기(30)와 영구자석형 동기발전기(40) 간의 극수비와 회전속도비는 표 3의 방식을 이용하여 적절히 선정한다. 이때 영구자석형 동기발전기(40)는 농형 유도발전기(30)에서 필요로 하는 여자전류를 공급할 정도의 용량을 갖추어야 하는데, 커패시터 뱅크(25)를 활용하면 농형 유도발전기(30)에서 필요로 하는 여자전류를 공급하면서 영구자석형 동기발전기(40)의 크기를 줄일 수 있다.
도 8a는 본 발명을 이용한 차량의 구동에 관한 구성도이고, 도 8b는 본 발명을 이용한 차량의 제동에 관한 구성도이고, 도 8c는 본 발명을 이용한 차량의 구동/제동장치 회로도이다.
도 8a에서, 배터리(71)의 직류전원은 인버터(74)를 거쳐 교류전원으로 변환되고, 전력(Pe)이 유도전동기(30)에 인가되면 구동력(Pm)이 생기고, 회전축(32)에 연결된 기어박스(54)를 거쳐서 동력축(55)으로 전달되면서 차량이 구동하게 된다.
도 8b에서, 주행중이던 차량이 가진 관성력(Pn)은 제동시에 동력축(55), 기어박스(54) 및 회전축(32,42)을 거쳐서 유도발전기(30)과 동기발전기(40)에 전달되어서 회생제동 상태가 된다. 이때 발전된 전력(Pe)은 컨버터(75)를 거쳐서 배터리(71) 또는 슈퍼커패시터(72)에 충전되거나, 제동저항(73)에서 열로 소비된다.
도 8a 및 도 8b에서, 구동중이던 유도전동기(30)는 제동시에 유도발전기(30)로 작동하는데, 구동과 제동 간에는 이를 제어할 스위치가 필요하고 이를 도 8c에서 설명한다.
도 8c에는, 유도전동기/발전기(30)와, 상기 유도전동기/발전기(30)와 회전축(32,42)을 거쳐서 회전력을 전달하도록 기어박스(54)를 통하여 연결되면서 상기 유도전동기/발전기(30)와 주파수 변환없이 병렬연결되는 동기발전기(40)를 포함하는 발전 또는 회생제동 장치가 있다. 상기 유도발전기(30)와 상기 동기발전기(40)를 병렬연결하는 출력선의 중간에 제 2 스위치(SW2)가 구비되어 있다. 또, 인버터(74)와 유도전동기/발전기(30) 사이에 제 1 스위치(SW1), 동기발전기(40)와 부하(21) 사이에 제 3 스위치(SW3)가 각각 배치되어 있다. 부하(21)의 종류는 전력을 충전하는 배터리 또는 슈퍼커패시터이거나 전력을 열로 소비하는 저항 등이 될 수 있다.
상기 스위치(SW1,SW2,SW3)들은 제어부(64)에서 보내는 신호(65)에 따라 온/오프(on/off) 동작을 하는 릴레이와 같은 기계식 스위치나, SCR 또는 FET 또는 IGBT 같은 반도체 스위치을 사용할 수 있다.
상기 스위치(SW1,SW2,SW3)들의 온/오프(ON/OFF) 조합에 따라 표 4와 같은 구동 또는 회생제동 모드를 만들 수 있다.

모드
NO		 스위치 상태 장치 상태

차량 상태

SW1
SW2
SW3
유도전동기/발전기
동기발전기
전동기 발전기
1 OFF OFF OFF X X X 정지 또는 관성주행
2 ON OFF OFF O X X 주행
3 ON OFF ON O X O 주행 및 회생제동
4 OFF OFF ON X X O 회생제동
5 OFF ON ON X O O 회생제동
표 4에서 모드 1은 정지 또는 관성 주행하는 상태이다. 모드 2는 교류전원에 의하여 유도전동기가 구동되는 주행 상태이다. 모드 3은 유도전동기가 구동되는 주행 상태이면서 동시에 동기발전기가 작동하여 약한 회생제동이 걸린 상태이다. 모드 4는 동기발전기만 작동하는 약한 회생제동 상태이다. 모드 5는 유도발전기와 동기발전기가 동시에 작동하는 강한 회생제동 상태이다.
표 4의 5가지 모드는 본 발명에 따른 장치를 채용한 차량에서 선택적으로 채택되어서 가속 페달 또는 브레이크 페달의 동작과 연계시킬 수 있다. 또, 도 9a 내지 도 9c에서 설명하는 장치의 전압조정 회로도와 결합시키면, 세밀하게 조정되는 회생제동 장치의 구현이 가능해진다.
도 9a는 본 발명에 따른 장치의 전압조정 회로도의 제 1 실시예이고, 도 9b는 본 발명에 따른 장치의 전압조정 회로도의 제 2 실시예이고, 도 9c는 본 발명에 따른 장치의 전압조정 회로도의 제 3 실시예이다.
도 9a에는, 유도발전기(30)와, 상기 유도발전기(30)와 회전력을 전달하도록 연결되면서 상기 유도발전기(30)와 주파수 변환없이 병렬연결되는 동기발전기(40)를 포함하는 발전 또는 회생제동 장치가 있다. 상기 동기발전기(40)는 계자에 계자권선(81)과 여자기(82)가 구비되어서 계자전류(If)의 조정이 가능한 전기여자형이다. 계자전류 지령(84)을 처리하는 계자전류제어부(83)는 여자기(82)를 거쳐 계자권선(81)에 공급되는 계자전류(If)를 조정한다. 상기 유도발전기(30)와 상기 동기발전기(40)에 대하여 병렬연결되는 커패시터뱅크(25)가 구비되어 있는데 선택적 요소이다. 부하(21)의 종류는 전력을 충전하는 배터리 또는 슈퍼커패시터이거나 전력을 열로 소비하는 저항 등이 될 수 있다.
조정에 의하여 계자전류(If)가 커지면, 전기여자형 동기발전기(40)의 출력전압이 올라가고, 유도발전기(30)의 출력전압도 따라서 올라가면서, 부하(21)에 인가되는 전압이 상승하게 된다. 부하(21)에 인가되는 전압이 상승하면 부하(21)에서 소비하는 전력도 커지게 되면서 발전기(30,40) 측에 걸리는 발전량 또는 제동력도 커지게 된다. 즉, 본 발명에 따른 장치에서 전기여자형 동기발전기(40)의 계자전류(If)를 조정하면 발전량 또는 제동량의 조정이 가능해진다.
도 9b에는, 유도발전기(30)와, 상기 유도발전기(30)와 회전력을 전달하도록 연결되면서 상기 유도발전기(30)와 주파수 변환없이 병렬연결되는 동기발전기(40)를 포함하는 발전 또는 회생제동 장치가 있다. 상기 동기발전기(40)는 계자에 영구자석(14)이 구비된 영구자석형이다. 상기 유도발전기(30)와 상기 동기발전기(40)를 병렬연결하는 출력선의 중간에 출력전압을 조정하는 가변저항(85)이 구비되어 있다. 가변저항(85)은 가변트랜스포머로 대체가 가능하다. 저항지령(87)을 처리하는 가변저항제어부(86)에서 가변저항(85)의 저항값을 조정한다. 상기 유도발전기(30)와 상기 동기발전기(40)에 대하여 병렬연결되는 커패시터뱅크(25)가 구비되어 있는데 선택적 요소이다. 부하(21)의 종류는 전력을 충전하는 배터리 또는 슈퍼커패시터이거나 전력을 열로 소비하는 저항 등이 될 수 있다.
조정에 의하여 가변저항(85)의 저항값이 줄어들면, 유도발전기(30)에 인가되는 전압이 올라가고, 유도발전기(30)의 출력전압도 따라서 올라가면서, 부하(21)에 인가되는 전압이 상승하게 된다. 부하(21)에 인가되는 전압이 상승하면 부하(21)에서 소비하는 전력도 커지게 되면서 발전기(30,40) 측에 걸리는 발전량 또는 제동력도 커지게 된다. 즉, 본 발명에 따른 장치에서 영구자석형 동기발전기(40)에 연결된 가변저항(85)을 조정하면 발전량 또는 제동량의 조정이 가능해진다. 영구자석형 동기발전기는 전기여자형 동기발전기로의 대체도 가능하다.
도 9c에는, 유도발전기(30)와, 상기 유도발전기(30)와 회전력을 전달하도록 연결되면서 상기 유도발전기(30)와 주파수 변환없이 병렬연결되는 동기발전기(40)를 포함하는 발전 또는 회생제동 장치가 있다. 상기 유도발전기(30)와 상기 동기발전기(40)에 대하여 병렬연결되는 가변형 커패시터뱅크(88)가 구비되어 있다. 상기 가변형 커패시터뱅크(88)는 용량 조정이 가능하다. 커패시터지령(90)을 처리하는 가변커패시터제어부(89)에서는 가변커패시터(88)의 값을 조정한다. 부하(21)의 종류는 전력을 충전하는 배터리 또는 슈퍼커패시터이거나 전력을 열로 소비하는 저항 등이 될 수 있다.
조정에 의하여 가변커패시터(88)의 값이 변하면, 동기발전기(40)에서 공급하는 전류의 크기에 변화가 생기고, 동기발전기(40)의 출력전압도 따라서 변동되면서 부하(21)에 인가되는 전압이 변하게 된다. 부하(21)에 인가되는 전압이 변하면 부하(21)에서 소비하는 전력도 변하게 되면서 발전기(30,40) 측에 걸리는 발전량 또는 제동력도 변하게 된다. 즉, 본 발명에 따른 장치에서 병렬연결된 가변커패시터(88)를 조정하면 발전량 또는 제동량의 조정이 가능해진다.
도 10a는 본 발명에 따른 장치의 회전속도-토크 특성곡선의 제 1 예이고, 도 10b는 본 발명에 따른 장치의 회전속도-토크 특성곡선의 제 2 예이고, 도 10c는 본 발명에 따른 장치의 회전속도-토크 특성곡선의 제 3 예이고, 도 10d는 본 발명에 따른 장치의 회전속도-토크 특성곡선의 제 4 예이다.
도 10a에서, 가로축은 회전속도(n)이고 세로축은 토크(T)이다. 양의 토크는 전동 토크이고, 음의 토크는 발전 또는 회생제동 토크이다. 그리고 단독으로 운전하는 유도발전기에 인가되는 전압과 주파수를 동시에 올리면, 각각 동기속도 Nsa, Nsb, Nsc를 가진 특성곡선인 Ta, Tb, Tc가 만들어진다.
유도발전기에서 최대토크(Tmax)가 발생되는 슬립(s)의 절대값은 대략 주파수에 반비례한다. 이를 특성곡선인 Ta, Tb, Tc에 비추어 표현하면, 동기속도(Nsa,Nsb,Nsc)가 클수록 최대토크(Tmax)가 발생하는 회전지점은 동기속도에 가까워진다.
도 10a에서, 상기의 유도발전기를 본 발명에 따라 동기발전기와 연결시켜서 슬립(s)이 일정한 음수의 값을 가지도록 하면, 상기 유도발전기는 각각의 동기속도 Nsa, Nsb, Nsc를 가진 특성곡선 Ta, Tb, Tc 상에서 각각 일정한 음수의 슬립(s)을 가지는 회전지점 Nra, Nrb, Nrc에서 운전하게 된다. 이런 회전지점들에서 나오는 토크를 연결하면, 본 발명에 따른 유도발전기의 회전속도-토크 특성곡선인 Ti가 나오게 된다.
도 10b에서는, 도 10a에서 슬립(s)을 크게 한 경우의 특성곡선을 나타낸다. 동기발전기와 연결된 유도발전기는 각각의 동기속도 Nsa, Nsb, Nsc를 가진 특성곡선 Ta, Tb, Tc 상에서 각각 일정한 음수의 슬립(s)을 가지는 회전지점 Nrd, Nre, Nrf에서 운전하게 된다. 이런 회전지점들에서 나오는 토크를 연결하면, 본 발명에 따른 유도발전기의 회전속도-토크 특성곡선인 Ti가 나오게 된다.
도 10c에서는, 도 10b에서 슬립(s)을 크게 한 경우의 특성곡선을 나타낸다. 동기발전기와 연결된 유도발전기는 각각의 동기속도 Nsa, Nsb, Nsc를 가진 특성곡선 Ta, Tb, Tc 상에서 각각 일정한 음수의 슬립(s)을 가지는 회전지점 Nrg, Nrh, Nri에서 운전하게 된다. 이런 회전지점들에서 나오는 토크를 연결하면, 본 발명에 따른 유도발전기의 회전속도-토크 특성곡선인 Ti가 나오게 된다.
도 10d에서, 가로축은 회전속도(n)이고 세로축은 토크(T)이다. 양의 토크는 전동 토크이고, 음의 토크는 발전 또는 회생제동 토크이다. 단독으로 운전하는 유도발전기에 인가되는 전원의 주파수는 고정한 상태에서 전압을 올려가면 특정한 동기속도인 Ns를 가진 특성곡선 Td, Te, Tf가 나온다. 상기 유도발전기를 본 발명에 따라 동기발전기와 연결시켜서 슬립(s)이 음수의 값을 가지도록 하면, 상기의 유도발전기는 특정한 동기속도 Ns를 가지면서 특정한 회전지점 Nr에서 운전하게 된다. 도 10b에서의 특성곡선을 염두에 두고, 각각의 회전지점에서의 토크 값을 연결하면, 본 발명에 따른 상기 유도발전기의 전압별 회전속도-토크 특성곡선인 Tid, Tie, Tif가 나오게 된다.
이상으로 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 이와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 적용에만 국한되는 것이 아니며, 기술적 사상의 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대해 다수의 변경과 수정이 가능하다는 것을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 한다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
11 : 고정자
12 : 권선
13 : 계자
14 : 영구자석
15 : 출력단
21 : 부하
22 : 저항
23 : 인덕터
24 : 커패시터
25 : 커패시터 뱅크
26 : 변압기
30 : 유도발전기 (IG)
31a, 31b, 31c : 유도발전기의 출력선
32 : 유도발전기의 회전축
33 : 유도발전기의 회전자
34 : 유도발전기의 고정자
40 : 동기발전기 (SG)
41a, 41b, 41c : 동기발전기의 출력선
42 : 동기발전기의 회전축
43 : 동기발전기의 회전자
44 : 동기발전기의 고정자
52 : 커플러
53 : 기어
54 : 기어박스
55 : 동력축
56 : 프레임
61 : 블레이드
62 : 전력변환장치
63 : PWM 제어부
64 : 제어부
65 : 신호
71 : 배터리
72 : 슈퍼커패시터
73 : 제동저항
74 : 인버터
75 : 컨버터
81 : 계자권선
82 : 여자기
83 : 계자전류제어부
84 : 계자전류지령
85 : 가변저항
86 : 가변저항제어부
87 : 저항지령
88 : 가변커패시터
89 : 가변커패시터제어부
90 : 커패시터지령
f : 주파수
Is : 동기발전기 전류
Ii : 유도발전기 전류
Ic : 커패시터 전류
If : 계자전류
n : 회전속도
Nr, Nra ~ Nri : 유도발전기의 회전지점
Ns, Nsa, Nsb, Nsc: 유도발전기의 동기속도
Pe : 전력
Pm : 구동력
Pn : 관성력
R : 저항
s : 슬립
SW1, SW2, SW3 : 스위치
T : 토크
Ta, Tb, Tc, Td, Te, Tf: 단독운전시 유도발전기 회전속도-토크 특성곡선
Ti, Tia, Tib, Tic : 연결운전시 유도발전기 회전속도-토크 특성곡선
Tmax : 최대토크
Vac : 출력전압
Xl : 유도성 리액턴스
Xc : 용량성 리액턴스
Ф : 자속

Claims (20)

  1. 유도발전기와;
    상기 유도발전기와 회전력을 전달하도록 연결되면서 상기 유도발전기와 병렬연결되는 동기발전기;를 포함하고,
    상기 유도발전기의 극수는 상기 동기발전기의 극수보다 많거나 또는 적고,
    상기 유도발전기의 슬립(s)은 운전상태에서 하기 수학식으로 계산하여 음수인 발전 또는 회생제동 장치.
    Figure 112016082651834-pat00039

    상기 수학식에서 s는 슬립이고, Pi는 유도발전기의 극수이고, Ps는 동기발전기의 극수이며, G는 회전속도비인데 하기 수학식으로 계산 됨.
    Figure 112016082651834-pat00040

    상기 수학식에서 Nmi는 유도발전기 회전자의 회전속도이며, Nms는 동기발전기 회전자의 회전속도 임.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 유도발전기의 출력주파수는 상기 동기발전기의 출력주파수와 같은 발전 또는 회생제동 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 유도발전기의 극수가 상기 동기발전기의 극수보다 많고,
    상기 유도발전기는 상기 동기발전기와 회전력을 전달하도록 회전축을 결속하는 커플러 또는 유니버셜 조인트 또는 스플라인 샤프트 또는 클러치를 통하여 연결되는 발전 또는 회생제동 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 유도발전기의 극수가 상기 동기발전기의 극수보다 많고,
    상기 유도발전기의 회전축은 상기 동기발전기의 회전축과 일체로 형성된 발전 또는 회생제동 장치.
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 유도발전기의 프레임은 상기 동기발전기의 프레임과 일체로 형성된 발전 또는 회생제동 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 유도발전기의 극수가 상기 동기발전기의 극수보다 적고,
    상기 유도발전기는 상기 동기발전기와 회전력을 전달하도록 기어 또는 기어박스 또는 기어가 포함된 변속기를 통하여 연결되는 발전 또는 회생제동 장치.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 유도발전기의 극수가 상기 동기발전기의 극수보다 적고,
    상기 유도발전기는 상기 동기발전기와 회전력을 전달하도록 체인 또는 벨트를 통하여 연결되는 발전 또는 회생제동 장치.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 유도발전기는 회전자가 농형인 발전 또는 회생제동 장치.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 동기발전기는 계자에 영구자석이 구비된 영구자석형인 발전 또는 회생제동 장치.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 유도발전기와 상기 동기발전기를 병렬연결하는 출력선의 중간에 스위치가 구비되는 발전 또는 회생제동 장치.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 스위치는 제어부에서 보내는 신호에 따라 온/오프 동작을 하는 릴레이 또는 SCR 또는 FET 또는 IGBT 인 발전 또는 회생제동 장치.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 동기발전기는 계자에 계자권선과 여자기가 구비되어서 계자전류의 조정이 가능한 전기여자형인 발전 또는 회생제동 장치.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 유도발전기와 상기 동기발전기를 병렬연결하는 출력선의 중간에 출력전압을 조정하는 가변저항 또는 가변트랜스포머가 구비되는 발전 또는 회생제동 장치.
  19. 제 1 항에 있어서,
    상기 유도발전기와 상기 동기발전기에 대하여 병렬연결되는 커패시터 또는 커패시터뱅크가 구비되는 발전 또는 회생제동 장치.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 커패시터 또는 커패시터뱅크는 용량 조정이 가능한 가변형인 발전 또는 회생제동 장치.
KR1020150128680A 2015-09-11 2015-09-11 발전 또는 회생제동 장치 KR101670609B1 (ko)

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