KR102109310B1 - 동기식 발전기 제어, 발전기 시스템 및 선박 에너지 시스템 - Google Patents

Abstract

적어도 하나의 고정자 권선(131)을 포함하는 고정자(129) 및 필드 전류(127)에 의해 구동되는 전자석(139)을 갖는 회전자(137)를 가진 동기식 발전기(105)를 제어하기 위한 어레인지먼트(102)가 기술되고, 회전자(137)는 고정자(129)에 관하여 회전 가능하고, 전자석(139)은 고정자 권선(131)에 유도적으로 커플링되고, 어레인지먼트(102)는 적어도 하나의 양(167, 165, 168, 169, 171)을 측정하도록 적응된 측정 시스템; 및 상기 양이 적어도 하나의 오기능과 연관된 적어도 하나의 기준을 충족하면, 필드 전류(127)를 셧 다운하게 하도록 적응된 제어기(103)를 포함한다.

Description

동기식 발전기 제어, 발전기 시스템 및 선박 에너지 시스템{SYNCHRONOUS GENERATOR CONTROL, GENERATOR SYSTEM AND VESSEL ENERGY SYSTEM}

본 발명은 동기식 발전기를 제어하기 위한 어레인지먼트(arrangement), 어레인지먼트를 포함하는 발전기 시스템(system) 및 발전기 시스템을 포함하는 선박 에너지(energy) 시스템에 관한 것이다.

EP 1 012 943 B1은 기전력 소비재들에 전기 에너지를 공급하기 위한 시스템을 개시하고, 여기서 디젤 모터(Diesel motor)는 DC 에너지 스트림(DC energy stream)을 제공하기 위하여, 정류기에 연결된 AC 발전기를 구동한다.

EP 1 614 621 B1은 발전기 및 소비재들을 가진 배들에 대한 전기 전력 공급 시스템을 개시한다.

EP 1 914 162 B1은 해군력 및 추진 시스템들에 이용될 수 있는 DC 전력 분배 시스템을 개시하고, 여기에서 디젤 엔진(Diesel engine)은 전력을 출력 컨버터(converter)에 공급하기 위하여 발전기를 구동한다.

WO 2010/06077 A2는 정류기에 직접 연결된 교류 발전기를 각각 포함하는 복수의 발전기 시스템들을 포함하는 전력 분배 시스템을 개시한다.

종래의 전력 분배 시스템들이 안전하고 신뢰성 있는 방식으로 모든 상황들에서 동작하지 않는 것이 관찰되었었다.

동기식 발전기를 제어하기 위한 어레인지먼트, 발전기 시스템 및 선박 에너지 시스템에 대한 필요가 있을 수 있고, 여기서 특히 시스템의 하나 또는 그 초과의 컴포넌트(component)들 또는 외부 컴포넌트의 고장 또는 오기능의 경우에, 안전하고 신뢰성 있는 방식으로 시스템이 동작하는 것이 보장될 수 있다.

이런 요구는 독립항들에 따른 청구 대상에 의해 충족될 수 있다. 본 발명의 유리한 실시예들은 종속항들에 의해 기술된다.

실시예에 따라, 적어도 하나의 고정자 권선을 포함하는 고정자 및 필드 전류(field current)에 의해 구동되는 전자석을 갖는 회전자를 가진 동기식 발전기를 제어하기 위한 어레인지먼트가 제공되고, 회전자는 고정자에 관하여 회전가능하고, 전자석은 고정자 권선에 유도적으로 커플링되고(coupled), 어레인지먼트는 적어도 하나의 양을 측정하도록 적응된 측정 시스템, 및 양이 적어도 하나의 오기능과 연관된 적어도 하나의 기준을 충족하면, 필드 전류를 셧 다운(shutting down)하게 하도록 적응된 제어기를 포함한다. 적어도 하나의 양은 고정자 권선의 출력 단자에 연결된 정류기 회로의 동작 조건을 나타내는 적어도 하나의 양을 포함할 수 있다.

어레인지먼트는 동기식 발전기를 포함할 필요가 없다. 그러나 어레인지먼트는 동기식 발전기를 제어하도록 적응된다.

동기식 발전기는 고정자에 관하여 회전하는 회전자의 주파수와 동일한 주파수를 가진 AC 에너지 스트림(전압 및/또는 전류)을 출력 단자에서 생성한다. 동기식 발전기는 예를 들어 단일 공급 전기 발전기 또는 이중 공급 전기 발전기일 수 있다. 전기 에너지는 회전자의 회전시 생성되고, 여기서 유도에 의해 전압이 회전자의 전자석의 회전(움직임)으로 인해 고정자 권선에 유도된다. 특히, 동기식 발전기는 영구 자석을 포함하는 것이 아니라, 대신 필드 전류로 인해 자기장을 생성하는 전자석을 포함하고, 자기장은 그 다음 전기 전력 출력 스트림(stream)을 나타내는 전압을 (고정자 권선에) 유도한다.

특히, 동기식 발전기는 고정자의 상이한 원주 포지션(circumferential position)들에 배열된 3개의 고정자 권선들(와이어(wire) 부분들에 의해 형성됨)을 가진 고정자를 포함할 수 있다. 3개의 권선들(위상당 1개)은 성형 방식 또는 삼각형 방식으로 연결될 수 있는 3개의 별개의 와이어들로 구성된다.

회전자의 전자석은 코어(core), 특히 강자성 코어를 포함할 수 있고, 여기서 자기장은 전자석의 코일(coil)을 통한 필드 전류의 흐름 시 생성된다. 필드 전류는 특히 DC-필드 전류일 수 있다. 회전자는 베어링(bearing)을 사용하여 지지될 수 있다.

측정 시스템은 동기식 발전기의 하나 또는 그 초과의 포지션들 또는 추가 또는 외부 컴포넌트들, 이를 테면 발전기 정류기, 부하 등의 하나 또는 그 초과의 포지션들에 배열된 하나 또는 그 초과의 측정 센서(sensor)들을 포함할 수 있다. 양은 특히 전기 양을 포함할 수 있다. 제어기는 특히 양을 수신 시, 추가 회로소자에 공급될 수 있는 제어 신호를 생성할 수 있고, 상기 추가 회로소자는 그 다음 필드 전류를 간접적으로 셧 다운(shut down)한다.

필드 전류를 셧 다운하는 것은, 필드 전류가 전자석을 통해 흐를 때, 전자석에 의해 생성된 자기장을 셧 다운하거나 적어도 감소시킬 수 있다. 따라서, 필드 전류를 셧 다운하는 것은 자기장의 감소를 초래할 수 있고 심지어 필드 전류를 셧 다운 한 후 0.5 s 내지 3 s 같은 짧은 시간에 자기장 소멸을 유도할 수 있다. 그러나, 자기장은 필드 전류를 셧 다운 후에도 전자석의 잔류자기로 인해 잠시 유지될 수 있다. 그러나, 잔류자기는 고정자 권선에 큰 전압을 유도할 수 없는 비교적 작은 자기장만을 유도할 수 있다.

이에 의해, 필드 전류를 셧 다운 시, 출력 단자 또는 특히 3 개의 출력 단자들에서 동기식 발전기에 의해 출력된 에너지 스트림은 작은 값, 특히 0으로 감소될 수 있다. 이에 의해, (어레인지먼트 또는 어레인지먼트와 간접적으로 또는 직접적으로 연결된 임의의 외부 컴포넌트의) 오기능의 경우, 특히 출력 전류는, 어레인지먼트 또는 어레인지먼트와 직접적으로 또는 간접적으로 연결된 임의의 외부 컴포넌트를 보호하기 위한 보호 기능을 제공하기 위하여, 중단 또는 셧 오프(shut off)될 수 있다. 이에 의해, 동기식 발전기의 안전하고 신뢰성 있는 동작은 보장될 수 있다.

특히, 동기식 발전기는 디젤(Diesel) 발전기 같은 연소 기관에 기계적으로 연결되거나 커플링될 수 있다. 특히, 동기식 발전기는 DC 분배 시스템 셋업(setting up)을 가능하게 하기 위하여, 자신의 출력 에너지 스트림을 정류기에 제공할 수 있다. DC 에너지 분배 시스템을 셋업 또는 제공하는 것은 가변 속도로 발전기를 운행할 장점을 제공할 수 있고, 이는 감소된 연료 소비 및 오염을 초래할 수 있고; 디젤 엔진들에 요구되는 시스템의 비용들 감소 및 유지보수 노력들 감소를 초래할 수 있다.

특히, 동기식 발전기의 출력 단자가 정류기에 연결될 때, 발전기 자화부, 즉 회전자의 전자석에 자기장 공급을 셧 오프(shutting off) 또는 정지시킴으로써 보호 기능이 실현된다.

실시예에서, 양은 고정자 권선의 출력 단자에 연결된 정류기 회로의 온도를 나타내고, 여기서 적어도 하나의 기준은, 온도가 온도 임계치보다 큰 것을 포함한다.

정류기 회로 동작 조건에 관한 양은 부가적으로 또는 대안적으로 정류기 회로의 DC 출력 단자들 사이의 DC 전압을 나타내는 양을 포함할 수 있다. 적어도 하나의 기준은, 예를 들어 정류기 회로의 DC 출력 단자들에 전기적으로 커플링된 컴포넌트의 고장, 예를 들어 정류기 회로의 DC 출력 단자들에 커플링된 DC 버스(bus) 또는 컴포넌트에 대한 고장의 발생 시 발생할 수 있는, DC 전압이 전압 임계치 미만으로 떨어지는 것을 포함할 수 있다.

실시예에서, 적어도 하나의 양은 자화 회로의 동작 조건을 나타내는 양, 특히 자화 회로 전류 및/또는 자화 회로 전압을 더 포함할 수 있다.

추가 실시예에서, 적어도 하나의 양은 고정자 권선에 대한 차동 보호를 제공하기 위한 전류 차를 얻기 위하여, 고정자 권선에 대해 측정된 출력 전류 및 고정자 전류를 더 포함할 수 있다.

실시예에서, 측정 시스템은 정류기 회로 동작 조건에 관련된 양, 자화 회로의 동작 조건을 나타내는 양 및 고정자 전류 및 출력 전류를 포함하는 적어도 하나의 양을 측정하도록 적응된다. 발전기 및 발전기에 커플링된 정류기 회로의 종합적인 보호는 따라서 달성될 수 있다.

정류기의 온도를 모니터링(monitoring) 또는 측정하는 것은 정류기가 허용 가능한 동작 조건 내에 있는지의 적당한 표시를 제공할 수 있다. 특히, 결함 또는 오기능은 온도 임계치를 대체하는 온도에 의해 나타내 질 수 있다.

본 발명의 실시예에 따라, 양은 고정자 권선 전류를 나타내고 및/또는 양은 고정자 권선의 AC-출력 단자에서의 출력 전류를 나타내고, 여기서 적어도 하나의 기준은, 고정자 전류가 고정자 전류 임계치 위에 있다는 것 및/또는 출력 전류가 출력 전류 임계치 위에 있다는 것을 포함하고, 여기서 오기능은 출력 단자에 연결된 부하 또는 네트워크(network)의 단락 상태이다.

고정자 권선은, 각각이 3개의 고정자 권선들 중 개별 하나와 연관된 3개의 고정자 권선 전류 부분들을 포함할 수 있다. 추가로, 출력 전류는 각각이 3개의 출력 위상들에 대응하는 3개의 출력 단자들 중 하나와 연관된 3개의 출력 전류 부분들에 의해 표현될 수 있다. 온전한 동기식 발전기에서 고정자 권선 전류는 출력 전류와 적어도 대략 동일할 수 있다. 그러나, 만약 동기식 발전기, 특히 고정자 권선 또는 고정자 권선들에 일부 문제들이 있다면, 고정자 권선 전류는 출력 전류와 상이할 수 있다. 고정자 권선 전류는 고정자 권선의 하나 또는 그 초과의 포지션(position)들에서 측정될 수 있고 및/또는 출력 전류는 출력 단자 근처 또는 출력 단자의 하나 또는 그 초과의 포지션들에서 측정될 수 있다.

고정자 전류 임계치는 특히 출력 단자들에 연결된 컴포넌트들의 전기 특성들에 기초하여 결정될 수 있다. 또한, 출력 전류 임계치는 출력 단자들에 연결된 하나 또는 그 초과의 컴포넌트들의 전기 특성들에 기초하여 결정될 수 있다. 특히, 전류 임계치는 출력 단자들에 연결된 하나 또는 그 초과의 컴포넌트들의 전류 제한들에 기초하여 결정될 수 있다. 이에 의해, 출력 단자들에 연결된 컴포넌트들은 단락 상태의 경우의 손상으로부터 보호될 수 있다. 특히, 단락 상태는 동기식 발전기의 출력 단자에 연결된 분배 시스템, 특히 DC 에너지 분배 시스템의 몇몇 오기능 또는 고장으로 인할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따라 제어기는 적분 값을 얻기 위하여 특정 시간 범위에 걸쳐 고정자 권선 전류 및/또는 출력 전류의 제곱을 적분하도록 적응되고, 여기서 적어도 하나의 기준은, 적분 값이 적분 임계치보다 큰 것을 포함하고, 여기서 오기능은 출력 단자에 연결된 부하의 과부하 상태이다.

특히, 적분 임계치는 출력 단자들에 연결된 하나 또는 그 초과의 컴포넌트들의 전기 특성들, 특히 전기 제한들에 기초할 수 있다. 이에 의해, 출력 단자에 (간접적으로 또는 직접적으로) 연결된 부하의 과부하는 회피될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따라 제어기는 전류 차를 얻기 위하여 고정자 권선 전류와 출력 전류 사이의 차를 결정하도록 적응되고, 여기서 적어도 하나의 기준은, 전류 차가 전류 차 임계치보다 큰 것을 포함하고, 여기서 오기능은 발전기의 오기능을 포함한다.

고정자 권선 전류와 출력 전류의 차이는 온전한 고정자 권선에 대해 0 또는 적어도 대략 0일 수 있지만, 올바른 방식으로 동작하지 않는 고정자 권선에 대해 0으로부터 벗어날 수 있다. 이에 의해, 발전기의 오기능 또는 결함은 차를 결정함으로써 검출될 수 있고 동기식 발전기는, 손상으로부터 다른 컴포넌트들 또는 동기식 발전기 자체를 보호하기 위하여, 특히 자신의 전력 출력에 관해 셧 오프할 수 있다. 대안적으로, 상이한 위상들에 대해 상이한 전류들을 검출하기 위한 전류 불균형 검출은 구현될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따라, 양은 고정자 권선의 출력 단자에 연결된 정류기 회로, 특히 다이오드(diode)의 온도를 나타내고, 여기서 적어도 하나의 기준은, 온도가 온도 임계치보다 크거나 온도 변화가 그 온도 변화 임계치보다 큰 것을 포함한다.

특히 두 개의 다이오드들을 포함하는 정류기 회로가 출력 단자들의 위상당 직렬로 연결될 때(여기서 각각의 위상은 직렬로 연결된 두 개의 다이오드들 사이에 연결됨), 동기식 발전기는 전기 에너지를 DC 에너지 분배 시스템에 제공할 수 있다. 특히, 정류기는, 발전기 출력 전류를 정지시키기 위하여, 필드 전류를 셧 다운하기에 충분할 수 있도록 역방향 전류를 차단할 수 있다.

특히, 고정자 전류 임계치 및/또는 출력 전류 임계치 및/또는 적분 임계치 및/또는 출력 전압 상한 임계치 및/또는 출력 전압 전력 임계치 및/또는 온도는 다이오드의 전기 특성들, 특히 다이오드의 전기 제한 값들에 기초할 수 있다.

정류기의 온도를 모니터링 또는 측정하는 것은, 정류기가 허용 가능한 동작 조건 내에 있다는 적당한 표시를 제공할 수 있다. 특히, 결함 또는 오기능은 온도 임계치를 대체하는 온도에 의해 나타내질 수 있다.

본 발명의 실시예에 따라, 양은 고정자 권선의 AC-출력 단자에서의 출력 전압을 나타내고, 여기서 적어도 하나의 기준은, 출력 전압이 출력 전압 상한 임계치보다 큰 것을 포함하고, 여기서 오기능은 출력 단자에서 과전압 조건이다.

과전압은 출력 단자들에 연결된 하나 또는 그 초과의 컴포넌트들을 또한 악화 또는 손상시킬 수 있고 동기식 발전기의 출력을 셧 다운함으로써 이들 컴포넌트들은 보호될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따라 양은 고정자 권선의 AC-출력 단자에서의 출력 전압을 나타내고, 여기서 적어도 하나의 기준은 출력 전압이 출력 전압 하한 임계치보다 작은 것을 포함하고, 오기능은 출력 단자에서의 부족전압 조건이다.

부족전압은 동기식 발전기의 출력 단자들과 직접적으로 또는 간접적으로 연결된 에너지 분배 시스템의 기능을 악화시킬 수 있다. 부족전압을 검출함으로써 DC 에너지 분배 시스템의 악화는 회피 또는 적어도 감소될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따라, 양은 고정자 권선의 AC-출력 단자에서의 출력 전압 또는 출력 전류의 출력 주파수를 나타내고, 여기서 적어도 하나의 기준은, 출력 주파수가 타겟(target) 주파수로부터 주파수 편차 임계치보다 많이 벗어나는 것을 포함하고, 여기서 오기능은 출력 단자에서 오류 주파수이다.

동기식 발전기의 출력 단자에서의 전압 및/또는 전류의 주파수는 고정자에 관하여 회전하는 회전자의 회전 주파수에 대응하거나 (적어도 대략) 동일할 수 있다. 그러나, 회전 주파수가 너무 낮거나 너무 높으면, 구동 중인 연소 기관, 이를 테면 디젤 엔진은 최적 작동 조건에서 동작하지 않을 수 있다. 타겟 주파수로부터 주파수의 편차가 검출되는 경우, 동기식 발전기를 기계적으로 구동하는 연소 기관은 타겟 주파수를 재설정하기 위하여 제어될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따라, 이전 실시예들 중 하나에 따른 어레인지먼트를 포함하는 발전기 ― 동기식 발전기는 적어도 하나의 고정자 권선을 포함하는 고정자 및 필드 전류에 의해 구동되는 전자석을 가진 회전자를 가지며, 회전자는 고정자에 관하여 회전 가능하고, 전자석은 고정자 권선에 유도적으로 커플링됨 ―; 및 필드 전류를 제공하기 위한 시스템 ― 제어기는 필드 전류를 제공하기 위한 시스템에 제어 신호를 공급함으로써 필드 전류를 셧 다운하게 하도록 적응됨 ―이 제공된다.

필드 전류를 제공하기 위한 시스템은 상이한 방식들로 구성될 수 있다. 특히, 필드 전류는 에너지 소스(source)와 전자석의 코일 사이의 직접적인 전기 콘택(contact)에 의해 전자석에 제공될 수 있거나 유도 커플링(coupling)에 의해 회전자의 전자석에 제공될 수 있어서, 회전 부분들과 고정 부분들 사이의 기계적 콘택들이 회피된다. 제어기는 광학, 전기 방식으로 필드 전류를 제공하거나 무선 주파수 통신을 사용하기 위해 시스템에 통신 가능하게 연결될 수 있다.

필드 전류를 제공하기 위한 시스템에는 동기식 발전기의 출력 단자로부터 또한 전기 에너지가 공급될 수 있다. 이에 의해, 별개의 에너지 공급은 일시 중단될 수 있다. 발전기 시스템은 특히 DC 에너지 분배 시스템에 대한 전기 에너지를 제공할 수 있다.

발전기 시스템이 동기식 발전기를 제어하기 위한 어레인지먼트를 포함하기 때문에, 동기식 발전기의 컴포넌트들 및 동기식 발전기의 출력 단자들에 연결된 컴포넌트들은 상기 설명된 바와 같이 손상으로부터 보호될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따라, 필드 전류를 제공하기 위한 시스템은 회전자에 기계적으로 커플링되고 전자석에 전기적으로 커플링된 슬립 링(slip ring) 및 슬립 링에 콘택하는(contacting) 브러시(brush)를 포함하고, 여기서 필드 전류를 셧 다운하는 것은 브러시에 공급된 전류 흐름을 중단하는 것을 포함한다.

브러시 또는 브러시들은 슬립 링에 전기적으로 콘택할 수 있다. 이에 의해, 브러시와 슬립 링 사이의 기계적 연결은 설정될 수 있다. 따라서, 브러시가 슬립 링에 전기적으로 콘택할 때 브러시에 제공된 전류는 슬립 링 및 회전자의 전자석을 통해 흐를 수 있고, 그 때문에 자기장은 생성되고, 그 다음 차례로 고정자의 고정자 권선들에 전기 전압을 유도한다.

본 발명의 실시예에 따라 필드 전류를 제공하기 위한 시스템은 (슬립 링과 브러시 대신) 회전자에 기계적으로 커플링된 회전가능 코일; 회전자에 기계적으로 커플링되고 회전가능 코일에 전기적으로 커플링되고 회전자의 전자석에 필드 전류를 제공하는 회전가능 정류기; 회전가능 코일에 유도적으로 커플링된 고정자 전자석; 및 고정자 전자석에 여기(exciting) 전압을 공급하기 위한 고정자 전자석 공급 시스템을 포함하고, 여기서 필드 전류를 셧 다운하는 것은 고정자 전자석으로의 여기 전압을 중단하는 것을 포함한다.

(회전자에 연결된) 회전가능 코일의 회전시, 고정자 전자석은 회전가능 코일에 전압을 유도하고, 이에 의해 AC-신호가 설정되고, 상기 AC-신호는 회전가능 정류기를 사용하여 정류되고 그 다음 회전자의 전자석에 DC-필드 전류로서 공급된다.

고정자 전자석은 고정자 전자석 공급 시스템에 의해 구동된다. 고정자 전자석으로의 여기 전압 중단은 필드 전류를 셧 다운시키게 할 수 있는데, 그 이유는 고정자 전자석은, 여기 전압이 중단될 때 임의의 자기장을 생성하지 않을 것이기 때문이다. 이에 의해, 동기식 발전기의 출력 전류는 발전기의 출력 단자에서 특정 스위치(switch)를 요구하지 않고 간단하고 신뢰성 있는 방식으로 셧 다운될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따라, 고정자 전자석 공급 시스템은 게이트 구동기 회로(gate driver circuit)에 의해 구동되는, 적어도 하나의 제어 가능 스위치, 특히 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(isolated gate bipolar transistor(IGBT))를 포함하고, 여기서 필드 전류를 셧 다운하는 것은 셧-다운(shut-down) 신호를 게이트 구동기에 공급하는 것을 포함한다. 고정자 전자석 공급 시스템은 특히 4개의 제어가능 스위치들을 포함할 수 있고, 여기서 직렬로 연결된 제어가능 스위치들의 두 개의 쌍들은 두 개의 DC-바아(DC-bar)들 사이에 연결되고 고정자 전자석으로의 여기 전압은 각각의 쌍에서 두 개의 제어가능 스위치들 사이의 연결에서 탭핑된다(tapped).

셧-다운 신호는 제어가능 스위치들이 비-전도 상태에 적응하도록 하게 할 수 있다. 이에 의해, 발전기 출력 전류는 쉽게 스위치 오프될(switched off) 수 있다.

본 발명의 실시예에 따라, 발전기 시스템은 적어도 하나의 제어가능 스위치 및 고정자 전자석 사이에 비상 정지 스위치를 더 포함한다. 비상 정지 스위치는 또한 동기식 발전기를 제어하기 위한 어레인지먼트의 제어기에 의해 제어될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따라, 발전기 시스템은 AC-출력 단자, 특히 3개의 AC-출력 단자들에 연결된 발전기 정류기를 더 포함하고, 정류기는 특히 다이오드 및 다이오드의 온도를 측정하기 위한 온도 센서를 포함하고, 여기서 특히 정류기는 발전기의 출력 단자에 연결된 유일한 부하이다.

발전기 정류기는 6 개의 다이오드들을 포함할 수 있고, 여기서 다이오드들의 3개의 쌍들은 병렬로 배열되고 여기서 각각의 쌍의 두 개의 다이오드들 사이에는 고정자 권선의 하나의 출력 단자가 연결된다. 이에 의해, 발전기 시스템은 DC 에너지 분배 시스템을 셋업(setup)하거나 설정할 수 있다. 발전기 정류기는 유리하게 역방향 전류를 차단한다.

본 발명의 실시예에 따라, 발전기는 별개의 권선 세트(set)들을 포함할 수 있고 별개의 권선 세트들의 각각에 연결된 개별 정류기를 가질 수 있다.

추가로 특히, 발전기 정류기는 다이오드들의 하류에 절연 스위치를 포함할 수 있다. 다이오드들로 인해, 발전기의 DC-출력 단자로부터 동기식 발전기로 역으로 전류가 흐르지 않을 수 있다.

본 발명의 실시예에 따라, 기계적 에너지를 제공하기 위한 연소 기관을 포함하는 에너지 시스템, 특히 선박 에너지 시스템 또는 자립형(자립식) 전기 시스템, 드릴링(drilling) 시스템, 또는 산업 그리드(industry grid); 상기 설명된 실시예들 중 하나에 따르고 기계적 에너지를 전기 에너지로 전환하기 위해 배열된 발전기 시스템; 및 전기 에너지를 특히 적어도 하나의 추진 모터(propulsion motor)에 분배하기 위한 발전기 정류기의 DC-출력 단자에 커플링된 DC-분배 시스템이 제공된다.

연소 기관은 특히 디젤 엔진을 포함할 수 있다. 발전기 시스템은 발전기 정류기를 포함하고 따라서 연소 기관에 의해 제공된 기계적 에너지를 DC 에너지 스트림으로 전환한다. DC-분배 시스템은 DC-에너지 스트림의 형태의 전기 에너지를 하나 또는 그 초과의 추진 모터들을 구동하기 위한 하나 또는 그 초과의 가변 속도 구동부들에 제공할 수 있다. 선박은 예를 들어 배, 플랫폼(platform), 특히 오일 플랫폼(oil platform)일 수 있다.

본 발명의 상기 정의된 양상들 및 추가 양상들은 이후 설명될 실시예의 예들로부터 명백하고 실시예의 예들을 참조하여 설명된다. 본 발명은 실시예의 예들을 참조하여 이후 상세히 설명될 것이지만, 본 발명이 이들로 제한되지 않는다.

본 발명의 다음 특정 실시예들은 첨부 도면들을 참조하여 설명된다.

본 발명은 도시되거나 설명되거나 기술된 실시예들로 제한되지 않는다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 선박 에너지 시스템을 개략적으로 도시하고, 여기에서 선박 에너지 시스템은 본 발명의 실시예에 따른 발전기 시스템을 포함한다.
도 2는 도 1에 도시된 선박 에너지 시스템에 포함된, 본 발명의 실시예에 따른 발전기 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 동기식 발전기를 제어하기 위한 어레인지먼트의 기능성을 설명하는 그래프(graph)를 도시한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 동기식 발전기(105)를 제어하기 위한 어레인지먼트(103)를 포함하는 본 발명의 실시예에 따른 발전기 시스템(101)을 포함하는 본 발명의 실시예에 따른 선박 에너지 시스템(100)을 개략적으로 도시한다.

선박 에너지 시스템(100)은 발전기 시스템(101), 특히 발전기 시스템(101)에 포함된 동기식 발전기(105)에 기계적으로 연결된 디젤 엔진(107)을 포함한다. 발전기 시스템(101)은 발전기(105)의 AC-출력 단자(111)에서 제공된 AC-에너지 스트림(119)으로부터 발전기 큐비클(cubicle)의 출력 단자(113)에서 DC 에너지 스트림(121)을 생성하기 위하여 AC-에너지 스트림(119)을 제공하는 발전기(105)의 출력 단자(111)에 연결된 발전기 큐비클(109)을 더 포함한다. 특히, 도시되지 않지만, 발전기(105)는 서로에 관하여 120°만큼 시프트된(shifted) 3 상들을 제공하는 3개의 출력 단자들(111)을 포함한다.

발전기 큐비클(109)은 동기식 발전기(105)를 제어하기 위한 어레인지먼트(103), 정류기 회로(또한 발전기 정류기로서 지칭됨)(115) 및 절연 스위치(117)를 포함한다. 발전기 정류기(115)는 발전기(105)에 의해 제공된 AC 에너지 스트림(119)으로부터 DC 에너지 분배 시스템(123)에 제공되는 DC 에너지 스트림(121)을 생성한다.

DC 에너지 분배 시스템(123)은 예를 들어 선박, 배 또는 바다에서의 플랫폼(platform) 상의 하나 또는 그 초과의 추진 모터들에 전기 에너지를 제공할 수 있다.

도 2는 도 1에 도시된 발전기 시스템(101)을 일부 보다 상세히 개략적으로 도시한다.

발전기 시스템(101)은 발전기(105), 정류기 회로(115), 필드 전류(127)를 제공하기 위한 시스템(125) 및 동기식 발전기(105)를 제어하기 위한 어레인지먼트 또는 제어기(103)를 포함한다.

발전기(105)는 적어도 하나의 고정자 권선(131)을 포함하는 고정자(129)를 가지며, 특정 경우에서 3개의 고정자 권선들(131)은 3개의 전기 위상들을 위한 발전기(105)의 3개의 출력 단자들(133)을 제공하도록 도시된다. 고정자 권선들(131)은 개별 와이어들(135)에 의해 설정된다. 발전기(105)는 필드 전류(127)에 의해 구동되는 전자석(139)을 갖는 회전자(137)를 갖는다. 이에 의해, 회전자(137)는 고정자(129)에 관하여 회전 가능하다.

필드 전류(127)를 제공하기 위한 시스템(125)은 회전자(137)에 기계적으로 커플링된 회전가능 코일(141), 회전자(137)에 기계적으로 커플링되고 회전가능 코일(141)에 전기적으로 커플링되며 회전자(137)의 전자석(139)에 필드 전류(127)를 제공하는 회전가능 정류기(143)를 포함한다. 게다가, 필드 전류(127)를 제공하기 위한 시스템(125)은 회전가능 코일(141)에 유도적으로 커플링된 고정자 전자석(145)을 포함한다. 게다가, 필드 전류(127)를 제공하기 위한 시스템(125)은 고정자 전자석 공급 시스템(147)의 출력 단자(149)로부터의 여기 전압을 고정자 전자석(145)에 공급하기 위한 고정자 전자석 공급 시스템(147)을 포함한다. 이에 의해, 고정자 전자석 공급 시스템(147)은 변압기(153)를 통해 발전기(105)의 3개의 출력 단자들(133)에 연결되는 입력 단자들(151)을 통해 전기 에너지를 공급받는다.

고정자 전자석 공급 시스템(147)은 동기식 발전기(105)를 제어하기 위한 어레인지먼트 또는 제어기(103)로부터 신호 라인(line)들(159)을 통해 제어 신호들을 수신하는 게이트 구동 회로(157)에 의해 구동되는 4개의 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터들(155)을 포함한다.

발전기 시스템(101)은 공급 전압을 셧 오프(shutting off)하기 위한, 고정자 전자석 공급 시스템(147)의 출력 단자들(149)과 고정자 전자석(145) 사이에 비상 정지 스위치(161)를 더 포함한다.

발전기 정류기 회로(115)는 발전기 시스템(101)의 2개의 DC 출력 단자들(180) 사이에 3개의 쌍들의 직렬 연결된 다이오드들로서 배열된 6개의 다이오드들(163)을 포함한다. 동기식 발전기(105)의 3 위상 출력 단자들(133)은 발전기 정류기 회로(115)의 다이오드들의 각각의 쌍의 두 개의 다이오드들(163) 사이에 연결된다.

발전기 시스템(101)은 예를 들어 DC 출력 단자들(180)에 연결된 일부 결함 부하에 의해 유발된 특히 단락 이벤트(event)의 경우의 손상으로부터 다이오드들(163)을 보호하도록 구성 및 배열된다.

그러므로, 어레인지먼트(103)는 발전기(105)의 출력에 관련된 고정자 전류(167), 출력 전류(165) 및/또는 출력 전압(168) 같은 적어도 하나의 양을 도시되지 않은 측정 시스템을 사용하여 획득한다. 추가로, 어레인지먼트(103)는 발전기 정류기 회로(115)의 다이오드들(163) 중 하나 또는 그 초과의 온도를 나타내는 온도 신호(169)(온도 센서(170)로부터)를 수신할 수 있다. 게다가, 어레인지먼트(103)는 DC 출력 단자들(180) 사이의 DC 전압을 나타내는 측정 값들(171)을 수신한다. 게다가, 어레인지먼트(103)는 신호들(173) 같은 다른 제어기들로부터의 하나 또는 그 초과의 제어 신호들을 수신한다. 게다가, 어레인지먼트(103)는 인간 인터페이스(human interface)(175)에 의해 제어될 수 있다.

특히, 어레인지먼트(103)(발전기 제어 모듈, 프로피넷 통신 인터페이스(profinet communication interface), 가정 제어 30 Hz 내지 120 Hz 전압, 전류 및 주파수 측정들로서 또한 지칭될 수 있음)는 발전기 또는 발전기(105)의 출력 단자들(133)에 직접 또는 간접적으로 연결된 임의의 컴포넌트의 오기능의 경우에 필드 전류(127)를 셧 다운하도록 적응된다.

그러므로, 제어기(103), 또는 전류 측정 신호를 제공하기 위한 측정 시스템 및 제어기(103)를 포함하는 어레인지먼트는, 수신된 양들 중 적어도 하나가 적어도 하나의 오기능과 연관된 적어도 하나의 기준을 충족하면, 필드 전류(127)를 셧 다운하게 하도록 적응된다.

특히, 도 3은 도 2에 도시된 발전기 시스템(101)에 포함된 제어기(103)의 하나의 보호 기능을 설명하는 그래프를 도시한다. 가로좌표(301) 상에는 초 단위의 시간이 나타나는 반면, 세로 좌표(302) 상에는 발전기 정류기 회로(115)의 다이오드(163)를 통해 흐르는 다이오드 전류(177)가 암페어(Ampere) 단위로 나타난다.

곡선(303)은 다이오드들(163)의 다이오드 전류 한계를 나타낸다. 곡선(305)은 DC 버스(180) 상에서의 단락 후 및 단락이 발생한 후 제어기(103)가 필드 전류(127)를 셧 다운하게 한 후 30 ms에서 다이오드(163)를 통해 흐르는 실제 다이오드 전류(177)를 도시한다. 단락이 발생하기 전에, 발전기(105)는 62.5 Hz의 주파수 및 공칭 조건들에서 동작하였다. 도 3으로부터 알 수 있는 바와 같이 실제 전류(곡선 305)는, 발전기 정류기(115)의 다이오드들(163)이 손상으로부터 보호되도록 전류 한계(곡선 303) 완전히 아래에 놓인다.

특히, 제어기(103)는 고정자와 관련된 측정 값들을 획득할 수 있는데, 이를 테면 3 상 전류 측정, 3 상 전압 측정, 3 상 공동 포인트(point) 전류 측정 및 출력 주파수 측정을 획득할 수 있다.

게다가, 제어기(103)는 정류기 회로(115)에 관련된 값들, 이를 테면 DC 측정 값들, 다이오드 브리지(bridge) 온도들, 이를 테면 신호들(169 및 171)을 획득할 수 있다.

게다가, 제어기(103)는 자화 회로(145, 147)에 관련된 측정 값들, 특히 외부 자화 회로 전류, 외부 자화 회로 전압, 이를 테면 신호들(177)을 획득할 수 있다.

발전기 시스템(101)은 단락, 과전압, 부족전압, 불균형 부하 보호, 차동 전류 보호, 과여기, 부족여기 및 반한시 과전류(과부하 조건)를 보호하도록 적응된다. 게다가, 발전기 시스템(101)은 주파수, 과속, 온도 및 결함 히스토리(history)를 모니터링하도록 적응된다.

용어 "포함하는"이 다른 엘리먼트(element)들 또는 단계들을 배제하지 않고 "단수"가 복수를 배제하지 않는 것이 주의되어야 한다. 또한 상이한 실시예들과 관련하여 설명된 엘리먼트들은 조합될 수 있다. 또한 청구항들의 참조 부호들이 청구항들의 범위를 제한하는 것으로서 이해되지 않아야 한다는 것이 주의된다.

Claims (22)

1. 적어도 하나의 고정자 권선(131)을 포함하는 고정자(129) 및 필드 전류(field current)(127)에 의해 구동되는 전자석(139)을 갖는 회전자(137)를 가진 동기식 발전기(105)를 제어하기 위한 어레인지먼트(arrangement)(103)로서,
   상기 회전자(137)는 상기 고정자(129)에 관하여 회전 가능하고, 상기 전자석(139)은 상기 적어도 하나의 고정자 권선(131)에 유도적으로 커플링되고(coupled), 정류기 회로(115)는 상기 적어도 하나의 고정자 권선의 출력 단자(133)에 연결되고, 상기 정류기 회로는 2개의 절연 스위치(switch)들 및 다이오드 브리지(bridge)를 포함하고, 상기 다이오드 브리지는 2개의 DC 출력 단자들 사이에 직렬 연결된 다이오드들의 쌍(pair)들로 배치된 4개 이상의 다이오드들을 포함하고,
   상기 어레인지먼트(103)는,
   적어도 하나의 양(167, 165, 168, 169, 171)을 측정하도록 적응된 측정 시스템(system);
   만약 상기 양이 적어도 하나의 오기능과 연관된 적어도 하나의 기준을 충족하면, 상기 필드 전류(127)를 셧 다운(shutting down)하게 하도록 적응된 제어기
   를 포함하고,
   상기 적어도 하나의 양(167, 165, 168, 169, 171)은 상기 적어도 하나의 고정자 권선(131)의 출력 단자(133)에 연결된 상기 정류기 회로(115)의 상기 다이오드 브리지의 4개 이상의 다이오드들 중 하나 이상의 다이오드들(163)의 동작 조건을 나타내는 적어도 하나의 양(169, 171)을 포함하고,
   상기 적어도 하나의 양(167, 165, 168, 169, 171)은 상기 고정자 권선(131)에 대한 차동 전류 보호를 제공하기 위한 전류 차를 얻도록 상기 고정자 권선(131)에 대해 측정된 출력 전류(165) 및 고정자 전류(167)를 더 포함하며, 그리고
   상기 2개의 절연 스위치들의 각각의 절연 스위치는 상기 다이오드 브리지와 각각의 DC 출력 단자 사이에 배치되는,
   어레인지먼트.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 양은 상기 고정자 권선(131)의 상기 출력 단자(133)에 연결된 상기 정류기 회로(115)의 온도(169)를 나타내고,
   상기 적어도 하나의 기준은, 상기 온도가 온도 임계치보다 큰 것을 포함하거나, 또는
   상기 양은 상기 정류기 회로(115)의 DC 출력 단자들(180) 사이의 DC 전압(171)을 나타내는,
   어레인지먼트.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 적어도 하나의 양(167, 165, 168, 169, 171)은 자화 회로(145, 147)의 동작 조건을 나타내는 양을 더 포함하는,
   어레인지먼트.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 자화 회로(145, 147)의 동작 조건을 나타내는 양은 자화 회로 전류 및/또는 자화 회로 전압을 포함하는,
   어레인지먼트.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 양은 고정자 권선 전류(167)를 나타내고 및/또는 상기 양은 상기 고정자 권선(131)의 AC-출력 단자(133)에서의 출력 전류(165)를 나타내고,
   상기 적어도 하나의 기준은 상기 고정자 전류가 고정자 전류 임계치 위에 있고 그리고/또는 상기 출력 전류(165)가 출력 전류 임계치(303) 위에 있는 것을 포함하고,
   상기 오기능은 상기 출력 단자에 연결된 부하의 단락 상태인,
   어레인지먼트.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 제어기는 적분 값을 얻기 위하여 특정 시간 범위에 걸쳐 상기 고정자 권선 전류 및/또는 상기 출력 전류(165)의 제곱을 적분하도록 적응되고,
   상기 적어도 하나의 기준은 상기 적분 값이 적분 임계치보다 큰 것을 포함하고,
   상기 오기능은 상기 출력 단자에 연결된 부하의 과부하 상태인,
   어레인지먼트.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 제어기는,
   전류 차를 얻기 위해 상기 고정자 권선 전류(167) 및 상기 출력 전류(165) 사이의 차 ― 상기 적어도 하나의 기준은 상기 전류 차가 전류 차 임계치보다 큰 것을 포함하고, 상기 오기능은 상기 발전기의 오기능을 포함함 ― 및/또는
   위상 관련 전류 차를 얻기 위하여 상기 고정자 권선 전류 및/또는 상기 출력 전류의 상이한 위상들의 전류 흐름 사이의 차 또는 차들 ― 상기 적어도 하나의 기준은 상기 위상 관련 전류 차가 위상 관련 전류 차 임계치보다 큰 것을 포함하고, 상기 오기능은 상기 발전기의 오기능을 포함함 ―
   을 결정하도록 적응된,
   어레인지먼트.
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 제어기는 전류 차를 획득하기 위해 상기 고정자 권선 전류(167) 및 출력 전류(165) 사이의 차이를 결정하도록 적응되고, 상기 고정자 권선 전류는 상기 고정자 권선에서 하나 이상의 위치들에서 측정되고 그리고/또는 상기 출력 전류는 상기 출력 단자에서 또는 상기 출력 단자에 근접한 하나 이상의 위치들에서 측정되는,
   어레인지먼트.
9. 제 1 항에 있어서,
   상기 양은 상기 정류기 회로(115)의 다이오드(163)의 온도(169)를 나타내고,
   상기 적어도 하나의 기준은 상기 온도의 변화가 온도 변화 임계치보다 큰 것을 포함하는,
   어레인지먼트.
10. 제 1 항에 있어서,
    상기 양은 상기 고정자 권선(131)의 AC-출력 단자에서의 출력 전압(168)을 나타내고,
    상기 적어도 하나의 기준은 상기 출력 전압이 출력 전압 상한 임계치보다 큰 것을 포함하고, 상기 오기능은 상기 출력 단자에서의 과전압 조건인,
    어레인지먼트.
11. 제 1 항에 있어서,
    상기 양은 상기 고정자 권선(131)의 AC-출력 단자(133)에서의 출력 전압(168)을 나타내고,
    상기 적어도 하나의 기준은 상기 출력 전압이 출력 전압 하한 임계치보다 작은 것을 포함하고, 상기 오기능은 상기 출력 단자에서의 부족전압 조건인,
    어레인지먼트.
12. 제 1 항에 있어서,
    상기 양은 상기 고정자 권선의 AC-출력 단자에서의 출력 전압 또는 출력 전류의 출력 주파수(168)를 나타내고,
    상기 적어도 하나의 기준은 상기 출력 주파수가 타겟(target) 주파수로부터 주파수 편차 임계치보다 많이 벗어나는 것을 포함하고,
    상기 오기능은 상기 출력 단자에서의 오류 주파수인,
    어레인지먼트.
13. 발전기 시스템(101)으로서,
    상기 발전기 시스템(101)은 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 따른 어레인지먼트(103)를 포함하고,
    상기 동기식 발전기(105)는 적어도 하나의 고정자 권선(131)을 포함하는 고정자(129) 및 필드 전류(127)에 의해 구동되는 전자석(139)을 가진 회전자(137)를 가지며, 상기 회전자는 상기 고정자에 관하여 회전 가능하고, 상기 전자석(139)은 상기 고정자 권선(131)에 유도적으로 커플링되고,
    상기 발전기 시스템(101)은 상기 필드 전류(127)를 제공하기 위한 시스템(125)을 포함하고, 상기 제어기는 필드 전류를 제공하기 위한 시스템(125)에 제어 신호(159)를 공급함으로써 상기 필드 전류(127)를 셧 다운하게 하도록 적응되는,
    발전기 시스템.
14. 제 13 항에 있어서,
    상기 필드 전류를 제공하기 위한 상기 시스템(125)은 상기 회전자에 기계적으로 커플링되고 상기 전자석에 전기적으로 커플링되는 슬립 링(slip ring) 및 상기 슬립 링과 콘택하는(contacting) 브러시(brush)를 포함하고, 상기 필드 전류를 셧 다운하는 것은 상기 브러시에 공급되는 전류 흐름을 중단시키는 것을 포함하는,
    발전기 시스템.
15. 제 13 항에 있어서,
    상기 필드 전류(127)를 제공하기 위한 상기 시스템(125)은,
    상기 회전자(137)에 기계적으로 커플링된 회전가능 코일(coil)(141);
    상기 회전자(137)에 기계적으로 커플링되고 상기 회전가능 코일(141)에 전기적으로 커플링되며 상기 회전자(137)의 상기 전자석(139)에 상기 필드 전류(127)를 제공하는 회전가능 정류기(143);
    상기 회전가능 코일(141)에 유도적으로 커플링된 고정자 전자석(145); 및
    상기 고정자 전자석(145)에 여기(exciting) 전압을 공급하기 위한 고정자 전자석 공급 시스템(147)
    을 포함하고,
    상기 필드 전류(127)를 셧 다운하는 것은 상기 고정자 전자석으로의 상기 여기 전압을 중단하는 것을 포함하는,
    발전기 시스템.
16. 제 15 항에 있어서,
    상기 고정자 전자석 공급 시스템(147)은 게이트(gate) 구동기 회로(157)에 의해 구동되는 적어도 하나의 제어가능 스위치(switch)(155)를 포함하고,
    상기 필드 전류(127)를 셧 다운하는 것은 셧-다운 신호(159)를 상기 게이트 구동기 회로(157)에 공급하는 것을 포함하는,
    발전기 시스템.
17. 제 16 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제어가능 스위치(155)는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(isolated gate bipolar transistor)를 포함하는,
    발전기 시스템.
18. 제 16 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제어가능 스위치(155) 및 상기 고정자 전자석(145) 사이에 비상 정지 스위치(161)를 더 포함하는,
    발전기 시스템.
19. 제 13 항에 있어서,
    AC-출력 단자(133)에 연결된 발전기 정류기(115) 및 다이오드(163)의 온도(169)를 측정하기 위한 온도 센서(sensor)(170)를 더 포함하고,
    상기 정류기는 상기 발전기(105)의 상기 출력 단자(133)에 연결된 유일한 부하인,
    발전기 시스템.
20. 제 19 항에 있어서,
    상기 AC-출력 단자(133)는 3개의 AC-출력 단자들을 포함하는,
    발전기 시스템.
21. 에너지(energy) 시스템으로서,
    연소 기관(107)에 의해 제공된 기계적 에너지를 전기 에너지로 전환하기 위하여 배열된 제 13 항에 따른 발전기 시스템(101);
    상기 전기 에너지를 적어도 하나의 추진 모터(propulsion motor)에 분배하기 위한 정류기 회로(115)의 DC-출력 단자(180)에 커플링된 DC-분배 시스템(123)
    을 포함하는,
    에너지 시스템.
22. 제 21 항에 있어서,
    상기 에너지 시스템은 선박 에너지 시스템(100)을 포함하는,
    에너지 시스템.

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