KR101744375B1

KR101744375B1 - 회전자 변위각의 측정방법

Info

Publication number: KR101744375B1
Application number: KR1020140027043A
Authority: KR
Inventors: 헬무트 니드리스트
Original assignee: 게 옌바허 게엠베하 운트 콤파니 오게
Priority date: 2013-03-08
Filing date: 2014-03-07
Publication date: 2017-06-07
Also published as: JP6075886B2; JP2014176293A; AT514007A1; DK2775267T3; KR20140110780A; CN104038131A; US9594091B2; CN104038131B; EP2775267A1; EP2775267B1; EP2775267B8; AT514007B1; US20140253104A1

Abstract

본 발명은 회전자 변위각의 측정방법에 관한 것으로, 회전자(3)를 가지고 전력공급네트워크(1)에 전기적으로 연결된 동기발전기(2)의 회전자 변위각(δ)을 측정하기 위한 방법으로서, 회전자(3)의 회전중에, 특히 회전자(3)의 매 회전중에 적어도 하나의 회전속도신호(5)를 평가유니트(6)에 전달하는 적어도 하나의 회전속도측정장치(4)가 제공되고, 전력공급네트워크(1)의 전압신호(9)의 매 주기시간(τ)중에 주파수신호(10)를 평가유니트(6)에 전달하는 주파수측정장치(7)가 제공되며, 회전속도신호(5)의 전달과 주파수신호(10)의 전달 사이의 시간(T)이 평가유니트(6)에 의하여 측정되고, 회전자 변위각(δ)이 측정된 시간(T)에 따라 추론되고, 방법의 교정을 위하여 측정시간(T)이 전력공급네트워크(1)를 갖는 동기발전기(2)의 동기화가 이루어진 후 그리고 실질적으로 동기발전기(2)에 대한 부하인가없이 평가유니트(6)에서 무부하시간(T_L)으로서 저장되며, 회전자 변위각(δ)을 측정하기 위하여 차등시간(T_D)이 측정시간(T)에서 무부하시간(T_L)을 뺀 것으로부터 형성되고, 회전자 변위각(δ)이 차등시간(T_D)에 따라 추론된다.

Description

회전자 변위각의 측정방법 {METHOD OF DETERMINING A ROTOR DISPLACEMENT ANGLE}

본 발명은 회전자를 가지고 전력공급네트워크에 전기적으로 연결된 동기발전기의 회전자 변위각을 측정하기 위한 방법에 관한 것으로, 회전자의 회전중에, 특히 회전자의 매 회전중에 적어도 하나의 회전속도신호를 평가유니트에 전달하는 적어도 하나의 회전속도측정장치가 제공되고, 전력공급네트워크의 전압신호의 매 시간중에 주파수신호를 평가유니트에 전달하는 주파수측정장치가 제공되며, 회전속도신호의 전달과 주파수신호의 전달 사이의 시간이 평가유니트에 의하여 측정되고, 회전자 변위각이 측정된 시간에 따라 추론되는 회전자 변위각의 측정방법에 관한 것이다.

전력공급네트워크에 전기적으로 연결된 동기발전기를 이용할 때 종종 동기발전기의 용량성 작동(capacitive operation)이 요구된다. 이와 같은 경우 동기발전기의 산출된 용량성 무효전력은 예를 들어 cos φ < 0.95 cap 의 역률을 얻을 수 있을 정도로 증가하게 된다. 용량성 무효전력의 증가는 동기발전기의 부족여자(underexcitation)에 의하여 달성될 수 있으나, 이와 같은 경우 이는 필연적으로 동기발전기의 안정한계(stability limit)에 근접하게 된다.

이 점에 관하여 동기발전기 작동모드의 안정성에 관한 측정은 회전자 변위각을 측정하는 것으로 알려져 있다. 전력공급네트워크에 연결된 동기발전기의 경우, 회전자 변위각 또는 부하각은 동기발전기의 고정자에서 자극으로부터 동기발전기의 회전자 자극의 이탈을 나타낸다. 이러한 경우에 있어서, 회전자의 자극은 통상적으로 DC-공급형 여자기권선으로 형성되고 동기발전기의 고정자 자극은 전형적으로 3상인 전력공급네트워크의 전압에 의하여 형성되며, 자의 해당이러한 전압은 고정권선에 인가된다. 따라서 페이저 모델(phasor model)에서 회전자 변위각은 고정자 전압과 회전자 전압 사이의 각도로 설명되며, 여기에서 동기발전기 작동모드의 회전자 전압은 고정자 전압을 선도한다. 전력공급네트워크에 의한 상승부하시에, 즉, 동기발전기에 의한 증가된 전원공급시에 이러한 회전자 변위각이 증가한다. 만약 회전자 변위각이 너무 커지게 되면 동기발전기가 불안정하게 된다.

회전자 변위각을 측정하기 위하여 예를 들어 동기발전기의 회전자로부터의 회전속도신호의 발생과 전력공급네트워크의 전압신호의 전압제로크로싱(voltage zero crossing)의 발생 사이의 검출된 시간에 의하여 회전자 변위각을 추론하는 것이 특허문헌 DE 10 2010 001 248 A1 으로부터 알려져 있다. 그러나 이러한 방법에 있어서는 복잡하고 번거러운 교정이 필요하다. 이와 같이 전압변동내에서 어떠한 관심지점(relevant points)은 회전자의 목표회전위치에 맞추어져야 하며 추가결과로서 회전속도측정장치의 센서는 회전자에 적절히 구비되어 회전자의 목표회전위치에 도달하였을 때 출력신호를 발생하도록 한다. 환언컨데, 상기의 방법이 수행되도록 각각의 교정작업에서, 회전속도측정장치의 센서는 동기발전기에서 측정되는 위치에 정확히 배치되어야 한다.

본 발명의 목적은 종래기술에 비하여 개선된 회전자 변위각의 측정방법을 제공하는데 있다. 특히, 본 발명은 방법의 교정이 단순화될 수 있도록 하는데 있다.

본 발명에 따라서 이러한 목적은 청구항 제1항의 특징부에 의하여 달성된다. 본 발명의 유리한 구성이 종속청구항에서 설명된다.

따라서 본 발명에 따라 방법의 교정을 위하여 측정시간(determined time duration)이 전력공급네트워크를 갖는 동기발전기의 동기화가 이루어진 후에 그리고 실질적으로 동기발전기에 대한 부하인가없이 평가유니트에서 무부하시간(no-load time duration)으로서 저장되며, 회전자 변위각을 측정하기 위하여 차등시간이 측정시간에서 무부하시간을 뺀 것으로부터 형성되고, 회전자 변위각이 차등시간에 따라 추론된다.

동기발전기에 작용하는 부하가 없는 경우, 즉, 동기발전기의 무부하상태에서, 회전자 변위각은 0°이다. 이와 같이 전력공급네트워크를 갖는 동기발전기의 동기화가 이루어진 후에 회전속도신호의 전달과 주파수신호의 전달 사이의 측정된 시간은 무부하상태에서 동기발전기의 부하하에 회전자 변위각을 측정하는 연속작업을 위한 기준값으로서 사용될 수 있다. 이와 같이 무부하상태하에서 측정된 시간은 무부하시간으로서 평가유니트에 저장된다. 현재의 회전자 변위각을 확인하기 위하여 이러한 기준시간 또는 무부하시간은 측정시간으로부터 각각 공제되어, 제안된 방법은 회전속도측정장치의 센서의 지리적 배치에 독립적이다. 즉, 회전속도측정장치가 요구된 바에 따라 배치될 수 있다. 환언컨데, 제안된 방법의 교정에 있어서, 그 방법이 수행되도록 회전속도측정장치의 센서가 배치되어야 하는 정확한 위치를 측정하는 작업이 배제된다. 회전자 변위각의 측정을 위한 무부하시간을 측정하고 이용함으로써 센서의 배치에 관한 방법의 보정이 이루어지므로 회전속도측정장치의 센서는 요구된 어느 위치에나 배치될 수 있다.

주파수신호는 전압신호의 각 주기시간 또는 좋기로는 각 전압제로크로싱(예를 들어 정전압)에 대한 고정자 전압의 각 최대값일 수 있다. 정확하게 하나의 주파수신호가 전압신호의 매 주기시간마다 평가유니트에 전달되는 것이 바람직하다. 이러한 경우에, 전력공급네트워크의 작동주파수가 50 헤르츠(Hz)일 때에, 주파수신호가 매 20 밀리초(ms) 마다 평가유니트에 보내진다.

또한 제안된 방법은 제안된 교정이 항상 현재의 요인에 대한 보정을 구현하므로 동기발전기의 자극의 수와 회전속도측정장치의 센서의 수에 관계없이 수행된다. 이와 같이 예를 들어 회전속도센서가 동기발전기의 회전자상의 어느 위치에 배치된 2극 동기발전기에 있어서, 회전자 변위각 측정작업은 전압신호의 매 주기시간 마다 수행된다. 회전자에 단 하나의 회전속도센서만을 갖는 4극 동기발전기의 경우, 회전자 변위각 측정작업은 예를 들어 전압신호의 매번 2 주기시간 마다 이루어진다. 만약 예를 들어 4극 동기발전기에서 회전자에 두개의 회전속도센서가 구비되어 있다면, 즉, 180°의 간격을 두고 배치되어 있다면 다시 전압신호의 각 주기시간 마다 회전자 변위각 측정작업이 이루어진다. 이들 모든 변형예에서, 제안된 교정작업은 현재의 요인들에 관련된 자동교정이 이루어질 수 있도록 한다.

특히 우선 실시형태에서, 회전자는 내연기관, 특히 가스 엔진의 엔진 샤프트에 기계적으로 견고하게 연결될 수 있게 되어 있고 적어도 하나의 회전속도측정장치가 적어도 하나의 회전속도신호를 내연기관의 엔진 샤프트 또는 캠샤프트의 매 회전 마다 평가유니트에 전달한다. 이는 내연기관에 통상적으로 이미 존재하는 회전속도측정장치가 회전속도신호를 위한 신호화장치로 사용될 수 있다는 장점을 가진다. 이와 같이 예를 들어 내연기관의 크랭크샤프트 또는 캠샤프트에 배치된 센서가 회전속도신호를 평가유니트에 전달한다. 또한 이와 같은 경우 제안된 교정작업에 의하여 해당 센서를 정확히 정하여진 위치에 배치하는 것이 생략 가능하다.

환언컨데, 적어도 하나의 회전속도측정장치가 센서를 포함할 수 있는 바, 여기에서 센서는 회전자의 주연을 따라 또는 엔진 샤프트의 주연을 따라 요구된 바와 같이 배치될 수 있으며 적어도 하나의 회전속도측정장치가 센서와 협동하는 신호화장치를 포함하는 바, 여기에서 신호화장치는 동기발전기의 고정자 주연을 따라 또는 내연기관의 하우징에 요구된 바와 같이 배치될 수 있다.

아울러 또한 제안된 교정작업으로 회전속도신호를 위한 신호화장치로서 내연기관의 캠샤프트에 센서 또는 픽업을 사용할 수 있다. 전력공급네트워크의 작동주파수가 50 Hz 인 경우 전압신호의 주기시간은 20 ms 이다. 내연기관의 캠샤프트는 예를 들어 750 rpm으로 회전할 수 있다. 따라서 캠샤프트에 배치된 센서는 매 80 ms 마다 회전속도신호를 보낼 것이다. 그러나 이는 오직 회전속도신호의 전달과 주파수신호의 전달 사이의 시간을 측정하기 위한 트리거(trigger)인 전달된 회전속도신호만으로 규정될 수 있으므로 이와 같은 경우 회전자 변위각 측정작업은 전압신호의 매 4회 주기시간 마다 이루어질 수 있을 것이다. 여기에서 다시 교정이 이루어져 회전자 변위각을 측정하기 위한 작업이 다른 기계적인 간섭이나 조절없이 이루어질 수 있다.

일반적으로 다수의 자극 p 를 갖는 동기발전기의 경우에 있어서, 실제의 회전자 변위각을 측정하기 위한 작업은 회전자의 매 회전 마다, 즉, 매 p 시간주기 마다 단 한번씩 이루어진다. 예를 들어, 회전자가 750 rpm 으로 회전할 때 회전속도측정장치는 매 80 ms 마다 신호를 전달할 것이며 50 Hz 네트워크주파수의 경우 매번 네번째 전압제로크로싱 마다 평가될 것이다. 회전자에서 회전속도측정장치 또는 센서의 수를 증가시킴으로써 특히 느리게 작동하는 동기발전기의 경우에 요구된 바에 따라 측정의 정확성이 증가될 수 있다. 회전자에서 다수의 센서(픽업)는 주연에 등간격을 두고 분포되어야 하는 것이 좋으나, 제안한 바에 따라 각각 교정되는 회전속도측정장치의 다른 배치가 채택될 수도 있다.

본 발명의 우선 실시형태에서 차등시간은 비례하여 회전자 변위각의 각도로 변환되고, 실질적으로 0 초의 차등시간의 값은 0°의 회전자 변위각에 일치하고 전력공급네트워크의 전압신호의 주기시간에서 실질적으로 그 1/4의 차등시간의 값은 90°의 회전자 변위각에 일치한다. 90°의 회전자 변위각은 이론적인 자극슬리피지한계(pole slippage limit)를 나타낸다. 만약 이러한 한계가 초과되는 경우 동기발전기는 불안정성의 결과를 보이며, 이 경우에 있어서, 회전자에 연결된 엔진 샤프트에 의하여 내연기관에 의해 유도된 기계적인 동력은 더 이상 요구된 바와 같이 전기적인 동력으로 변환될 수 없으며 내연기관은 슬립(slip)되기 시작한다.

전력공급네트워크의 작동주파수가 50 Hz 인 경우 전압신호의 주기시간은 20 ms 이다. 페이저도(phasor diagram)에서 이는 전압벡터의 완전한 1회전 360°에 일치한다. 이러한 네트워크에서 이와 같은 주기시간의 1/4 (90°)은 5 ms 이다. 따라서 5 ms 의 측정된 차등시간은 회전자 변위각 90°에 일치한다.

전력공급네트워크의 작동주파수가 60 Hz 인 경우 전압신호의 주기시간은 16.667 ms 이다. 그 1/4 는 4.167 ms 이다. 따라서 이러한 네트워크에서 4.167 ms 의 측정된 차등시간은 회전자 변위각 90°에 일치한다.

따라서, 전력공급네트워크의 현재 작동주파수에 연관되어 제안된 방법은 차등작동주파수에 관련한 전력공급네트워크와 함께 사용될 수 있다.

특별한 변형예에서는 측정된 회전자 변위각이 5°이상, 좋기로는 7°이상인 경우, 위협적인 슬리피지 상태를 알리기 위하여 경고신호가 평가유니트에 의하여 출력된다. 이와 같이 함으로써 동기발전기와 내연기관에 상당한 위험을 주는 실제의 자극 슬리피지의 발생전에 조기단계에서 양호한 시간에 반응할 수 있으며, 예를 들어 동기발전기가 전력공급네트워크로부터 분리되거나 여자전압이 증가될 수 있다.

동기발전기 제작자에 의하여 자극 슬리피지 한계가 통상적으로 설명되는 로커스 커브(locus curve)가 특정 공칭전압에 대하여서만 적용되고 아울러 알려지지 않은 크기의 리저브(reserves)를 포함하므로, 동기발전기는 제안된 방법에 따라서 실제의 현재 회전자 변위각을 측정함으로써 그 자극 슬리피지에 근접하여 작동시킬 수 있다. 이와 같이 함으로써 동기발전기는 비용이 많이 드는 동기발전기의 대형화 없이 용량성 작동범위에서 양호하게 사용될 수 있다.

전력공급네트워크의 전압신호의 주기시간은 어떠한 파동으로부터 영향을 받을 수 있어 이들 파동을 회전자 변위각의 측정작업에 결합시켜 회전자 변위각을 정확히 측정하는 것이 유리하다. 따라서 본 발명의 이러한 실시형태는 회전속도신호의 전달과 주파수신호의 전달 사이의 시간을 측정하는 작업에 또는 작업중에 전력공급네트워크의 전압신호에 대한 네트워크 주파수 파동을 고려하여 전압신호의 실제 주기시간이 측정되고, 실제 주기시간에 의하여 세분화된 사전에 결정가능한 이론적인 주기시간으로부터 형성된 적어도 하나의 보정계수가 측정되며, 측정된 시간은 적어도 하나의 보정계수로 승산되는 것이 특히 유리하다.

이 점에 관하여 사전에 결정가능한 이론적인 주기시간은 예를 들어 작동주파수가 50 Hz 인 전력공급네트워크의 경우 20 ms 인 반면에, 작동주파수가 60 Hz 인 전력공급네트워크의 경우에는 16.667 ms 이다. 전압신호의 실제 주기시간은 좋기로는 연속하는 두 주파수신호 사이의 시간차이를 측정함으로써 확인될 수 있다.

이 점에 관하여 본 발명의 특별한 변형예는 보정계수가 무부하시간을 측정하는 작업에 또는 작업중에 형성되고 무부하시간은 보정계수로 승산되어 표준화 무부하시간으로서 평가유니트에 저장된다. 아울러, 보정계수가 차등시간을 측정하는 작업에 또는 작업중에 형성될 수 있고, 표준화 시간이 보정계수에 의한 측정시간의 승산으로 형성되며, 회전자 변위각을 측정하기 위하여 표준화 차등시간이 표준화 시간에서 표준화 무부하시간을 뺀 것으로부터 형성되고, 회전자 변위각이 표준화 차등시간에 따라 추론될 수 있다.

환언컨데, 제안된 방법의 초기 교정시에 전력공급네트워크의 전압신호의 주기시간에서 파동을 고려하여, 전압신호의 실제의 현재 주기시간이 검출되고, 회전속도신호의 전달과 주파수신호의 전달 사이의 측정된 시간이 사전에 결정가능한 이론적인 주기시간에 대하여 보정계수에 의하여 표준화되어 표준화 무부하시간으로서 평가유니트에 저장될 수 있다. 그리고, 각 회전자 변위각을 측정하기 위하여, 시간을 측정하는 연속작업에서, 전압신호의 각 실제의 현재 주기시간도 측정될 수 있고 각 측정된 시간이 보정계수에 의하여 사전에 결정가능한 이론적인 주기시간에 대하여 표준화될 수 있다. 표준화된 시간과 표준화된 무부하시간 사이의 차이는 사전에 결정가능한 이론적인 주기시간에 대하여 표준화된 차등시간을 제공하고, 이로부터 회전자 변위각이 추론될 수 있다.

본 발명을 첨부도면에 의거하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 내연기관에 연결된 동기발전기와 회전자 변위각을 측정하기 위한 평가유니트를 보인 설명도.
도 2는 동기발전기와 회전자 변위각을 측정하기 위한 평가유니트를 보인 설명도.
도 3의 a) 내지 e)는 동기발전기의 여러 작동모드에서의 전압신호, 주파수신호 및 회전속도신호의 시간에 대한 변화를 보인 설명도.
도 4a는 회전속도측정장치가 무부하상태에서 요구된 바에 따라 배치된 동기발전기의 페이저도.
도 4b는 부하조건의 동기발전기를 보인 도 4a에서 보인 바와 같은 페이저도.

도 1은 고정자(15)와 이러한 고정자(15)에 대하여 회전가능한 회전자(3)를 포함하는 동기발전기(2)를 개략적으로 보인 것이다. 3개의 고정자권선(16)이 잘 알려진 바와 같이 고정자(15)상에 배치되고 3상의 전력공급네트워크(1)의 3상(17)에 연결된다. 이 예에서 회전자(3)는 2극형이고 예를 들어 고정형 가스엔진의 형태일 수 있는 내연기관(12)의 엔진 샤프트(11)에 견고하게 또는 회전되지 않게 연결된다. 엔진 샤프트(12)는 회전속도 n 으로 회전한다. 회전속도측정장치(4)가 내연기관(12)에 배치된다. 회전속도측정장치(4)는 종래기술에서 잘 알려져 있고 엔진 샤프트(11)에 배치된 센서 또는 픽업(4a)과 내연기관(12)의 하우징에 위치상 안정되게 배치된 신호화장치(4b)를 포함하며 엔진 샤프트(11)의 매 회전시 마다 제1 신호라인(18)에 의하여 평가유니트(6)에 회전속도신호(5)를 보내는 회전속도센서의 형태이다. 마찬가지로, 제2 신호라인(19)을 통하여 주파수신호(10)가 해당 상(17)의 전압신호(9)의 매 주기시간(τ)마다 전력공급네트워크(1)의 상(17)에 연결된 주파수측정장치(7)에 의하여 평가유니트(6)로 보내진다.

이제 회전자 변위각(δ)을 측정하기 위하여, 먼저 교정을 위해 전력공급네트워크(1)를 갖는 동기발전기(2)의 동기화 후에 그리고 동기발전기(2)의 무부하상태에서 회전속도신호(5)의 전달과 주파수신호(10)의 전달 사이의 시간(T)이 평가유니트(6)에 의하여 측정되고 무부하시간(T_L)으로서 평가유니트(6)에 저장된다. 이러한 교정작업을 위하여 동기발전기(2)는 무부하상태, 즉, 실질적으로 부하가 없는 무부하상태인 것이 중요하다. 교정이 이루어진 후에, 회전자 변위각(δ)을 측정하기 위하여, 차등시간(T_D)이 회전속도신호(5)의 전달과 주파수신호(10)의 전달 사이의 측정된 시간(T)에서 저장된 무부하시간(T_L)을 뺀 것으로부터 형성될 수 있으며, 이 경우에 있어서, 차등시간(T_D)에 따라 회전자 변위각(δ)을 추론할 수 있다.

동기발전기(2)에 부하가 걸릴 때 동기발전기(2)의 발전기 작동모드에서 내연기관(12)이 자극 휠 부재 또는 회전자(3)를 엔진 샤프트(11)의 회전방향으로 강제로 앞서게 함으로써 회전자 변위각(δ)은 이론적으로 90°(이론적인 슬리피지한계)로 증가한다. 이와 같은 경우에 있어서 회전속도신호(5)는 주파수신호(10)에 비하여 점점 더 빨리 발생되고, 이로써 회전속도신호(5)의 전달과 주파수신호(10)의 전달 사이의 시간(T)이 보다 특히 조절된 회전자 변위각(δ)에 실질적으로 비례하여 증가한다.

따라서 작동주파수가 50 Hz 이고 이론적인 최대 회전자 변위각(δ)가 90°인 전력공급네트워크(1)에서 시간(T)은 무부하시간(T_L)에 5 ms 를 합한 시간이 될 것이다. 따라서 일반적으로 차등시간(T_D)은 측정된 시간(T)에서 무부하시간(T_L)을 뺀 것으로부터 형성되고 회전자 변위각(δ)은 차등시간(T_D)과 회전자 변위각(δ) 사이의 비례원칙에 의하여 측정될 수 있다. 만약 시간(T)을 측정하는 작업이 충분한 레벨의 해상도와 정밀성, 예를 들어 약 0.1 ms 의 해상도로 수행되는 경우, 회전자 변위각(δ)은 실질적으로 1°의 정밀성을 가지고 측정될 수 있다. 작동주파수가 50 Hz 인 전력공급네트워크(1)의 경우 5 ms 의 차등시간(T_D)[전압신호(9)의 주기시간(τ)의 1/4]은 90°의 회전자 변위각(δ)과 일치한다. 따라서 1°의 회전자 변위각(δ)은 0.055 ms 의 차등시간(T_D)과 일치한다.

측정된 회전자 변위각(δ)은 평가유니트(6)에 의하여 예를 들어 고수준의 제어 또는 조절시스템으로 출력될 수 있다. 자극 슬리피지의 위험을 알리기 위하여, 경고신호(14)는 측정된 회전자 변위각(δ)이 약 8°일 때에 평가유니트(6)에 의하여 출력된다.

일반적으로 회전속도측정장치(4)가 또한 기계적인 회전주파수를 나타내는 내연기관(12)의 타측부분 또는 동기발전기(2)에 배치될 수 있다. 이와 같이 예를 들어 회전속도측정장치(4)는 내연기관(12)의 크랭크샤프트 또는 캠샤프트에 배치될 수도 있다.

도 2는 도 1에서 보인 바와 같은 동기발전기(2)를 보인 것으로, 이러한 예에서 차이는 회전속도측정장치(4)는 도 1의 경우와 같이 내연기관(12) 대신에 동기발전기(2)에 배치되는 것이다. 이러한 예에서 회전속도측정장치(4)는 회전자(3)에 배치되는 센서 또는 픽업(4a)과, 고정자(15)에 배치되는 신호화장치(4b)를 포함한다. 회전자(3)는 회전속도 n 으로 회전한다. 픽업(4a)이 신호화장치(4b)를 통과할 때마다 회전속도신호(5)가 평가유니트(6)로 보내진다.

도 3의 a)는 예를 들어 전력공급네트워크(1)의 한 상의 전압신호(9)에서 전압변화를 보인 것이다. 상(17)에 연결된 주파수측정장치(7)(도 1 참조)가 전압신호(9)의 각 포지티브의 제로크로싱에서 주파수신호(10)를 발생하여 평가유니트(6)에 전달한다. 따라서 도 3의 b)에서 보인 바와 같이 주파수신호(10)는 전압신호(9)의 각 주기시간(τ)에서 평가유니트(6)에 전달된다.

도 3의 c)는 동기발전기(2)의 무부하상태에서 도 1 또는 도 2에서 보인 회전속도측정장치(4)에 의하여 평가유니트(6)에 전달되는 신호(5)의 시간에 대한 변화를 보이고 있다. 무부하상태에서, 회전속도측정장치(4)의 각 지리적인 배치에 따라서, 회전속도신호(5)의 전달과 주파수신호(10)의 전달 사이에 무부하시간(T_L)이 정하여진다. 이러한 무부하시간(T_L)은 평가유니트(6)에 저장되고 동기발전기(2)가 부하하에 놓여 있을 때 회전자 변위각(δ)을 측정하기 위하여 사용될 수 있다.

도 3의 d)는 동기발전기(2)가 부하하에 놓여 있을 때 도 3의 c)에서 보인 바와 같은 회전속도신호(5)의 시간에 대한 변화를 보인 것이다. 부하하에서 회전자 변위각(δ)은 회전속도신호(5)에 의하여 표현되고 이는 무부하상태에 비교하여 조기에 전달된다. 이로써 회전속도신호(5)의 전달과 주파수신호(10)의 전달 사이에 무부하상태에 대하여서 변화되는 시간(T)이 정하여진다. 회전자 변위각(δ)을 측정하기 위하여 무부하시간(T_L)이 측정된 시간(T)으로부터 공제되어 회전자 변위각(δ)에 일치하는 차등시간(T_D)이 정하여진다.

도 3의 e)는 90°의 회전자 변위각에 일치하는 슬리피지한계에서, 도 3의 c)에서 보인 회전속도신호(5)의 시간에 대한 변화를 보인 것이다. 이러한 90°의 회전자 변위각은 결과적으로 전압신호(9)의 주기시간(τ)의 1/4 인 차등시간(T_D)에 일치한다.

도 3의 a) 내지 e)에서 시간에 대한 변화는 제안된 방법의 구성에 관련하는 것으로, 여기에서 회전속도신호(5)의 전달로부터 주파수신호(10)의 전달까지의 시간(T)이 측정된다. 또한 제안된 방법은 주파수신호(10)의 전달로부터 회전속도신호(5)의 전달까지의 시간(T)가 측정될 수 있도록 구성됨을 알 수 있을 것이다.

도 4a는 픽업(4a)이 동기발전기(2)에 배치된 회전속도측정장치(4)의 동기발전기(2)의 자극 휠 부재 또는 회전자(3)를 개략적으로 보인 것으로, 무부하상태에서 전력공급네트워크(1)에서 상(17)의 전압신호(9)의 벡터도를 중첩하여 보인 것이다. 화살표(f)는 페이저도의 회전방향을 보이고 있다. 무부하상태에서 회전자 변위각(δ)은 알려진 바와 같이 실질적으로 0°이다. 회전속도신호(5)의 전달과 주파수신호(10)의 전달 사이에서 회전속도측정장치(4) 또는 그 픽업(4a)과 펄스전달장치(4b)의 각 지리적인 배치에 따라서, 무부하시간(T_L)은 평가유니트(6)에 저장될 수 있다.

도 4b는 도 4a의 동기발전기(2)가 부하상에 있는 것을 개략적으로 보인 것이다. 이 경우에 있어서, 잘 알려진 바와 같이, 동기발전기(2)의 자극 휠 부재 또는 회전자(3)가 페이저도에서 전압신호(9)의 벡터에 대하여 벡터회전방향(f)으로 강제로 앞서게 된다. 이로써 회전속도신호(5)의 전달과 주파수신호(10)의 전달 사이에서 무부하상태에 대하여 증가되는 시간(T)이 정하여진다. 측정된 시간(T)으로부터 무부하시간(T_L)을 공제함으로써 회전자 변위각(δ)에 일치하는 차등시간(T_D)이 정하여진다.

1: 전력공급네트워크, 2: 동기발전기, 3: 회전자, 4: 회전속도측정장치, 4a: 센서 또는 픽업, 4b: 신호화장치, 5: 회전속도신호, 6: 평가유니트, 7: 주파수측정장치, 9: 전압신호, 10: 주파수신호, 11: 엔진 샤프트, 12: 내연기관, 14: 경고신호, 15: 고정자, 16: 3상 고정자권선, 17: 3상, 18: 제1신호라인, 19: 제2 신호라인.

Claims

회전자(3)를 가지고 전력공급네트워크(1)에 전기적으로 연결된 동기발전기(2)의 회전자 변위각(δ)을 측정하기 위한 방법으로서, 회전자(3)의 회전중에 적어도 하나의 회전속도신호(5)를 평가유니트(6)에 전달하는 적어도 하나의 회전속도측정장치(4)가 제공되고, 전력공급네트워크(1)의 전압신호(9)의 매 주기시간(τ)중에 주파수신호(10)를 평가유니트(6)에 전달하는 주파수측정장치(7)가 제공되며, 회전속도신호(5)의 전달과 주파수신호(10)의 전달 사이의 시간(T)이 평가유니트(6)에 의하여 측정되고, 회전자 변위각(δ)이 측정된 시간(T)에 따라 추론되는 회전자 변위각의 측정방법에 있어서, 방법의 교정을 위하여 측정시간(T)이 전력공급네트워크(1)를 갖는 동기발전기(2)의 동기화가 이루어진 후에 그리고 실질적으로 동기발전기(2)에 대한 부하인가없이 평가유니(6)트에서 무부하시간(T_L)으로서 저장되며, 회전자 변위각(δ)을 측정하기 위하여 차등시간(T_D)이 측정시간(T)에서 무부하시간(T_L)을 뺀 것으로부터 형성되고, 회전자 변위각(δ)이 차등시간(T_D)에 따라 추론됨을 특징으로 하는 회전자 변위각의 측정방법.
제1항에 있어서, 회전자(3)가 내연기관(12)의 엔진 샤프트(11)에 기계적으로 견고하게 연결되고, 적어도 하나의 회전속도측정장치(4)가 내연기관(12)의 엔진 샤프트(11) 또는 캠샤프트의 매 회전시 마다 적어도 하나의 회전속도신호(5)를 평가유니트(6)에 전달함을 특징으로 하는 회전자 변위각의 측정방법.
제1항에 있어서, 적어도 하나의 회전속도측정장치(4)가 센서(4a)를 포함하고, 이 센서(4a)가 요구된 바와 같이 회전자(3)의 주연을 따라 또는 엔진 샤프트(11)의 주연을 따라 배치될 수 있음을 특징으로 하는 회전자 변위각의 측정방법.
제3항에 있어서, 적어도 하나의 회전속도측정장치(4)가 센서(4a)와 협동하는 신호화장치(4b)를 포함하고, 이 신호화장치(4b)가 요구된 바와 같이 동기발전기(2)의 고정자(15)의 주연을 따라 또는 내연기관(12)의 하우징에 배치될 수 있음을 특징으로 하는 회전자 변위각의 측정방법.
제1항에 있어서, 차등시간(T_D)이 비례하여 회전자 변위각(δ)의 각도로 변환되고, 실질적으로 0 초의 차등시간(T_D)의 값은 0°의 회전자 변위각(δ)에 일치하고 전력공급네트워크(1)의 전압신호(9)의 주기시간(2)에서 실질적으로 그 1/4의 차등시간(T_D)의 값은 90°의 회전자 변위각(δ)에 일치함을 특징으로 하는 회전자 변위각의 측정방법.
제1항에 있어서, 측정된 회전자 변위각(δ)이 5°이상, 좋기로는 7°이상인 경우, 위협적인 자극 슬리피지 상태를 알리기 위하여 경고신호(14)가 평가유니트(6)에 의하여 출력됨을 특징으로 하는 회전자 변위각의 측정방법.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 회전속도신호(5)의 전달과 주파수신호(10)의 전달 사이의 시간(T)을 측정하는 작업에 또는 작업중에 전력공급네트워크(1)의 전압신호(9)에 대한 네트워크 주파수 파동을 고려하여 전압신호(9)의 실제 주기시간이 측정되고, 실제 주기시간에 의하여 세분화된 사전에 결정가능한 이론적인 주기시간으로부터 형성된 적어도 하나의 보정계수가 측정되며, 측정된 시간(T)은 적어도 하나의 보정계수로 승산됨을 특징으로 하는 회전자 변위각의 측정방법.
제7항에 있어서, 전압신호(9)의 실제 주기시간이 두 연속하는 주파수신호(10) 사이의 시간차이의 측정에 의하여 측정됨을 특징으로 하는 회전자 변위각의 측정방법.
제7항에 있어서, 보정계수가 무부하시간(T_L)을 측정하는 작업에 또는 작업중에 형성되고 무부하시간(T_L)이 보정계수로 승산되어 표준화 무부하시간으로서 평가유니트(6)에 저장됨을 특징으로 하는 회전자 변위각의 측정방법.
제7항에 있어서, 보정계수가 차등시간(T_D)을 측정하는 작업에 또는 작업중에 형성되고, 표준화 시간이 보정계수에 의한 측정시간(T)의 승산으로 형성되며, 회전자 변위각(δ)을 측정하기 위하여 표준화 차등시간이 표준화 시간에서 표준화 무부하시간을 뺀 것으로부터 형성되고, 회전자 변위각(δ)이 표준화 차등시간에 따라 추론됨을 특징으로 하는 회전자 변위각의 측정방법.
제1항에 있어서, 적어도 하나의 회전속도측정장치(4)는 회전자(3)의 매 회전중에 적어도 하나의 회전속도신호(5)를 평가유니트(6)에 전달하는 것을 특징으로 하는 회전자 변위각의 측정방법.
제2항에 있어서, 내연기관(12)은 가스엔진인 것을 특징으로 하는 회전자 변위각의 측정방법.