KR102109773B1 - 양방향 출력형 브러시리스 직류발전기 및 이를 이용하는 양방향 자속 제어가 가능한 하이브리드형 발전기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 양방향 출력형 브러시리스 직류발전기 및 이를 이용하는 양방향 자속 제어가 가능한 하이브리드형 발전기에 관한 것으로서, 회전자에 영구자석과 계자권선이 형성된 하이브리드 주발전기; 고정계자형 브러시리스 직류발전기로서, 회전자 출력단이 상기 주발전기의 회전계자 권선에 직접 연결되는 여자기; 상기 여자기의 고정계자 권선에 연결되는 바이폴라 전류제어회로; 상기 여자기 회전자 출력이 양 또는 음의 값이 출력되도록, 상기 바이폴라 전류제어회로의 출력 극성을 상기 여자기 회전자에 동기하여 제어하는 스위칭 제어부로; 구성되어 상기 하이브리드 주발전기의 계자권선 자속 방향을 선택적으로 제어시킬 수 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하여 하이브리드 발전기의 계자권선에 양의 방향 자속과 음의 방향 자속을 제어 발생시켜 주발전기 발전 출력을 장상상태값으로 유지시킬 수 있는 양방향 자속 제어가 가능한 하이브리드형 발전기가 제공되는 이점이 있다.

Description

양방향 출력형 브러시리스 직류발전기 및 이를 이용하는 양방향 자속 제어가 가능한 하이브리드형 발전기{Bidirectional direct current generator and Hybrid generator capable of bidirectional magnetic flux control using therof}

본 발명은 양방향 출력형 브러시리스 직류발전기 및 이를 이용하는 양방향 자속 제어가 가능한 하이브리드형 발전기에 관한 것으로서, 더욱 자세하게는 주발전기의 계자자속을 계자권선과 영구자석의 자속을 혼용하여 사용하여 높은 효율을 달성시키는 하이브리드형 발전기의 계자자속을 양방향 출력형 브러시리스 직류발전기를 여자기로 사용함으로써 양방향 제어시켜 더 높은 효율을 달성시키는 하이브리드형 발전기 기술분야에 관한 것이다.

하이브리드형 발전기는 발전기의 계자자속을 계자권선과 영구자석의 자속을 혼용하여 사용하는 발전기로서, 전력전자학회 추계학술대회 논문집 2017 11 24에서 소개되고 있는 공지기술이지만, 최신의 신규 기술에 속하므로 성능과 효율 개선을 위한 관심이 집중되는 기술분야에 속한다.

상기 하이브리드형 발전기는 주 발전기에서 영구자석의 자속과 계자권선의 자속을 같이 활용하여 발전함으로써 높은 효율이 가능한 것을 평가받고 있다.

도 1은 종래기술방식의 권선형 발전기의 구조를 도시한 것으로서, 주발전기(30)는 회전하면서 주계자자속을 발생하는 회전부(32)와 발전전압을 출력하는 고정부(31)로 구성되고, 회전부(32)는 회전계자자속을 발생하는 주발전기의 계자권선(32-1)이 포함되어 구성되어 주발전기의 계자권선(32-1)에 흐르는 계자전류 i_fg(253)의 크기에 따라 계자 자속 Ψ_FG의 크기가 변경되고 이에 따라 발전기의 출력전압 V_gen이 제어 될 수 있다.

주발전기(30)의 출력전압 V_gen을 제어하기 위한 계자전류 i_fg(253)는 여자기(20)와 여자기 회전자(22) 출력단에 부착된 다이오드 정류기(250)에 의해 여자기(20)에서 출력되는 교류전압 V_ex(251)이 직류전압 V_fg(252)으로 변환되어 주발전기(30)의 계자권선(32-1)의 저항과 인덕턴스 및 역기전력 성분에 따라 계자전류 i_fg(253)가 변동됨으로써, 주발전기(30)의 출력전압 V_gen을 조절하게 된다.

이때, 주발전기(30)의 계자전류 i_fg(253)를 변동하기 위해서는 여자기(20)의 출력전압 V_ex(251)을 제어하여야 하며, 이를 위해서 여자기의 계자전류 i_fe(10-1)는 AVR(Automatic Voltage Regulator, 10)에 의해 직류 전류로 제어된다.

도 1에 도시된 바와 같이 기존의 AVR(10)은 외부 전압을 다이오드 정류기(15)를 이용해 직류로 변환하고, 이를 여자기 계자전류i_fe(10-1)로 변환시키는 스위칭 소자(11)와 다이오드(12)를 내장하고 있으며, 여자기 계자전류i_fe(10-1)를 피이드백하기 위한 전류센서(13)를 구비하고 있다.

이에 따라, 여자기 계자전류i_fe(10-1)는 외부 전압을 직류로 변환시켜 제어시킨 값이 된다.

도 2는 도 1에서 여자기의 전압 및 전류의 파형을 나타내고 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, AVR(10)은 외부 전압을 받아서 직류로 변환한 V_dc를 스위칭 소자(11)로 스위칭 함으로써, 도 2에 도시된 바와 같이 여자기 계자전류 i_fe(10-1)가 제어되고, 이에 따라, 여자기의 교류 출력전압(V_exA, V_exB, V_exC)의 크기가 발전기 회전속도와 여자기 계자전류 i_fe(10-1)에 의해 변동되고, 이 전압은 다시 발전기의 다이오드 정류기(250)에 의해 직류전압 V_fg로 변경되어 주발전기(30)의 계자전류 i_fg(253)가 직류로 제어된다.

따라서, 도 1의 종래기술방식에서 주발전기의 계자자속 Ψ_FG은 항상 양의 방향으로 제어되는 특성이 있다.

도 3은 종래기술방식의 하이브리드형 발전기의 주발전기 구조를 나타내고 있다.

하이브리드형 발전기는 상기 도 1의 권선형 발전기 구조에서 주발전기(30)를 도 3에 도시된 하이브리드 주발전기(300')로 변경시킨 것이다.

도 3의 하이브리드 주발전기(300')가 도 1의 권선형 주발전기(30)와 다른 점은 회전부(320')에 영구자석(325')이 포함되어, 하이브리드 주발전기(300')의 계자자속 이 영구자석(325)의 자속 Ψ_PM(315')과 계자권선(321')에 의한 자속 Ψ_FG(316')의 합성으로 되는 것이며, 이에 의한 하이브리드 주발전기(300')의 내부 발전 전압은 수학식 1과 같다.

따라서, 하이브리드 주발전기(300')는 영구자석(325')을 사용함으로써, 계자권선의 전류량을 줄일 수 있으므로, 높은 효율을 기대할 수 있다.

하지만, 영구자석(325')의 자속 Ψ_PM(315')는 계자권선의 자속 Ψ_FG(316')에 의해 일정하게 유지되지 않고, 변동하는 특성이 발생하게 되므로, 실제 발전기의 내부 발생전압은 다음과 같다.

단, Ψ_VAR는 영구자석의 변동 자속 성분

이와 같이 종래기술방식의 하이브리드형 발전기의 경우, 영구자석의 변동 자속 성분 Ψ_VAR을 상쇄조절하기 위해서는 계자권선의 자속이 양의 방향 및 음의 방향으로 제어 가능해야 하지만, 종래기술방식의 하이브리드형 발전기 여자기 구조에서는 도 1에서 보여지는 바와 같이 단방향 직류 계자전류만 출력되므로, 양의 방향과 음의 방향으로 자속을 교번 제어할 수 없는 문제점이 있다.

이와 같은 문제점에 더하여 종래기술방식의 하이브리드형 발전기는, 풍력발전기와 같이 발전 출력이 불규칙한 분야에 하이브리드 발전기를 사용하는 경우, 바람이 세게 불면 과다 발전으로 장치를 보호하기 위하여 발전을 정지해야 하는 모순을 발생시키므로 시급한 개선 과제라 할 수 있다.

[특허문헌 0001] 대한민국등록특허 10-1417363 차량의 발전기 제어방법 [특허문헌 0002] 대한민국등록특허 10-0453666 차량용 교류발전기의 전압제어장치 [특허문헌 0003] 대한민국특허출원 10-1993-0015294 교류발전기제어장치 [특허문헌 0004] 대한민국등록특허 10-1845432 고효율 영구자석 여자기 발전기 [특허문헌 0004] 대한민국등록특허 10-0947975 직접적이고 순시적인 발전기의 여자기 제어시스템 및 방법

[비특허문헌 0001] 전력전자학회 추계학술대회 논문집 2017 11 24 고효율 하이브리드 영구자석 발전기의 설계 및 제어 (조영준, 박준휘, 김승준, 이동희) 경성대학교 메카트로닉스공학과

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 하이브리드 발전기의 계자권선에 양의 방향 자속과 음의 방향 자속을 제어 발생시켜 주발전기 발전 출력을 정상상태값으로 유지시킬 수 있는 양방향 출력형 브러시리스 직류발전기 및 이를 이용하는 양방향 자속 제어가 가능한 하이브리드형 발전기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 여자기와 하이브리드 주발전기로 구성되는 하이브리드형 발전기에서 상기 여자기로 기능 수행하는 고정계자형 브러시리스 직류발전기로서, 여자기 계자권선에 연결되며 스위칭 소자를 H 브릿지 회로로 형성시켜 구성되는 바이폴라 전류제어회로와; 여자기 회전자의 회전자 권선 출력이 양의 방향 또는 음의 방향 출력전압 V_fg와 출력전류 i_fg이 형성되도록 상기 바이폴라 전류제어회로의 출력 극성을 여자기 회전자에 회전각에 동기하여 제어하는 스위칭 제어부를; 포함하여 구성되며, 상기 스위칭 제어부는 상기 바이폴라 전류제어회로에서, 상기 여자기 회전자가 0 ~ π 구간에서 회전할 때, 상기 여자기 계자권선에 양의 계자전류 i_fe가 흐르게 제어하여 상기 회전자 권선의 출력전압 V_fg을 양의 방향으로 형성시키고, 상기 여자기 회전자가 π~2π 구간에서 회전할 때는 상기 여자기 계자권선에 음의 계자전류 i_fe가 흐르게 제어하여 상기 회전자 권선의 출력전압 V_fg이 양의 방향으로 유지되게 하거나, 상기 여자기 회전자가 0 ~ π 구간에서 회전할 때, 상기 여자기 계자권선에 음의 계자전류 i_fe가 흐르게 제어하여 상기 회전자 권선의 출력전압 V_fg을 음의 방향으로 형성시키고, 상기 여자기 회전자가 π~2π 구간에서 회전할 때는 상기 여자기 계자권선에 양의 계자전류 i_fe가 흐르게 제어하여 상기 회전자 권선의 출력전압 V_fg이 음의 방향으로 유지되게 하여 여자기와 하이브리드 주발전기 사이에 브러쉬 또는 다이오드 정류기 없이 양방향 직류 출력제어가 가능한 것을 특징으로 하는 양방향 출력형 브러시리스 직류발전기를 기술적 요지로 한다.

본 발명은 또한, 주회전자에 영구자석과 주계자권선이 형성된 하이브리드 주발전기; 상기 양방향 출력형 브러시리스 직류발전기를 사용한 것으로서, 회전자 권선이 상기 주발전기의 주계자권선에 직접 연결되는 여자기;로 구성되며, 상기 여자기의 스위칭 제어부는 상기 하이브리드 주발전기의 출력전압 단자가 피드백 연결되어, 상기 하이브리드 주발전기의 출력전압 V_gen이 정상상태값에 대하여 과대하거나 과소한 경우, 상기 여자기 회전자 출력을 양 또는 음의 값으로 선택적 출력시켜 상기 하이브리드 주발전기의 출력전압 V_gen이 정상상태값이 되도록 피드백 제어시켜, 상기 하이브리드 주발전기의 주계자권선 자속 방향을 상기 여자기의 스위칭 제어부 출력에 따라 선택적으로 제어시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 양방향 자속 제어가 가능한 하이브리드형 발전기로 되는 것이 바람직하다.

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상기한 본 발명에 의하여 하이브리드 발전기의 계자권선에 양의 방향 자속과 음의 방향 자속을 제어 발생시켜 주발전기 발전 출력을 정상상태값으로 유지시킬 수 있는 양방향 출력형 브러시리스 직류발전기 및 이를 이용하는 양방향 자속 제어가 가능한 하이브리드형 발전기가 제공되는 이점이 있다.

도 1은 종래기술방식의 권선형 발전기의 구조도
도 2는 도 1의 발전기에서 여자기의 전압, 전류특성 그래프
도 3은 종래기술방식에서의 하이브리드형 주발전기 구조도
도 4는 본 발명의 양방향 출력형 브러시리스 직류발전기 구조도
도 5 내지 도 7은 본 발명의 양방향 출력형 브러시리스 직류발전기의 출력을 일정하게 유지하기 위해 전기자 회전 위치에 따른 합성 자속 Ψ_g의 특성 그래프
도 8은 본 발명의 양방향 출력형 브러시리스 직류발전기의 전기자 출력을 일정하게 유지시키기 위한 계자전류 i_fe 특성 그래프
도 9는 도 8의 계자전류 i_fe 따른 본 발명의 양방향 출력형 브러시리스 직류발전기의 양의 방향 전기자 출력 V_fg 특성 그래프
도 10은 본 발명의 계자전류 i_fe 따른 본 발명의 양방향 출력형 브러시리스 직류발전기의 음의 방향 전기자 출력 V_fg 특성 그래프
도 11은 본 발명의 양방향 자속 제어가 가능한 하이브리드형 발전기 구조도
도 12는 본 발명에서의 하이브리드형 주발전기 계자자속 상태롤 보여주는 구조도

이하 도면을 참조하여 본 발명에 관하여 살펴보기로 하며, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.

그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 발명을 설명하는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

이하의 도 1은 종래기술방식의 권선형 발전기의 구조도이며, 도 2는 도 1의 발전기에서 여자기의 전압, 전류특성 그래프이며, 도 3은 종래기술방식에서의 하이브리드형 주발전기 계자자속 상태롤 보여주는 구조도이며, 도 4는 본 발명의 양방향 출력형 브러시리스 직류발전기 구조도이며, 도 5 내지 도 7은 본 발명의 양방향 출력형 브러시리스 직류발전기의 출력을 일정하게 유지하기 위해 전기자 회전 위치에 따른 합성 자속 Ψ_g의 특성 그래프이며, 도 8은 본 발명의 양방향 출력형 브러시리스 직류발전기의 전기자 출력을 일정하게 유지시키기 위한 계자전류 i_fe 특성 그래프이며, 도 9는 도 8의 계자전류 i_fe 따른 본 발명의 양방향 출력형 브러시리스 직류발전기의 양의 방향 전기자 출력 V_fg 특성 그래프이며, 도 10은 본 발명의 계자전류 i_fe 따른 본 발명의 양방향 출력형 브러시리스 직류발전기의 음의 방향 전기자 출력 V_fg 특성 그래프이며, 도 11은 본 발명의 양방향 자속 제어가 가능한 하이브리드형 발전기 구조도이며, 도 12는 본 발명에서의 하이브리드형 주발전기 계자자속 상태롤 보여주는 구조도이다.

본 발명은 양방향 출력형 브러시리스 직류발전기 및 이를 이용하는 양방향 자속 제어가 가능한 하이브리드형 발전기에 관한 것이다.
상기 양방향 자속 제어가 가능한 하이브리드형 발전기는 크게 하이브리드 주발전기(300); 여자기(500); 바이폴라 전류제어회로(100); 스위칭 제어부(400)로; 구성되며, 상기 여자기(500)는 본 발명의 양방향 출력형 브러시리스 직류발전기가 된다.

이하, 본 발명의 설명을 위하여 도 4와 도 11에 도시된 본 발명의 각 구성요소를 이하와 같이 용어 정의한다.

도 11에 도시된 바와 같이 하이브리드형 발전기는 여자기(500)와 하이브리드 주발전기(300)로 구성되는 동기 발전기로서, 상기 하이브리드 주발전기(300)는 주고정자(310)와 주회전자(320)로 구성되고, 상기 주회전자(320)는 회전계자로서, 주계자권선(321)과 영구자석(325)을 포함하여 형성된다.

본 발명은 여자기(500)와 하이브리드 주발전기(300)로 구성되는 하이브리드형 발전기에서 상기 여자기(500)로 기능 수행하는 고정계자형 브러시리스 직류발전기로서, 여자기 고정자(510)와 여자기 회전자(520)로 구성되고, 상기 여자기 고정자(510)에는 여자기 계자권선(511)이 형성된다.

상기 하이브리드 주발전기(300)는 발전기의 계자자속을 영구자석(325)의 자속 Ψ_PM(315)과 계자권선(321)의 자속 Ψ_FG(316)을 혼용하여 사용하는 발전기로서, 전력전자학회 추계학술대회 논문집 2017 11 24 등에서 소개되고 있다.

본 발명에서의 하이브리드 주발전기(300) 역시 도 11과 도 12에 도시된 바와 같이 발전기의 계자자속을 영구자석(325)의 자속 Ψ_PM(315)과 계자권선(321)의 자속 Ψ_FG(316)을 혼용하여 사용하는 발전기인 점에서 동일하다.

상기한 바와 같이 본 발명은 양방향 자속 제어가 가능한 하이브리드형 발전기에 적용되는 여자기(500)를 양방향 출력형 브러시리스 직류발전기로 사용하는 것이므로, 이하 상기 여자기(500)의 설명으로 본 발명의 양방향 출력형 브러시리스 직류발전기의 설명을 갈음하기로 한다

본 발명의 여자기(500)는 고정계자형 브러시리스 직류발전기로서, 도 11에 도시된 바와 같이 여자기 회전자(520)에 형성된 발전 출력단이 상기 하이브리드 주발전기(300)의 주계자권선(321)에 직접 연결되는 특징이 있다.

즉, 본 발명의 여자기(500) 발전출력은 종래기술방식과 달리 정류회로의 개입없이 상기 하이브리드 주발전기(300)의 주계자권선(321)에 직접 연결되고 있다.

이하, 본 발명의 양방향 출력형 브러시리스 직류발전기의 구조에 대하여 상기 여자기(500)로 기능을 수행하는 것으로 설명하면서 도 4와 함께 살펴보기로 한다.

상기 바이폴라 전류제어회로(100)는 상기 여자기(500)의 여자기 계자권선(511)에 연결되는 전원입력회로로서, 도 4에 도시된 바와 같이 스위칭 소자(111)를 H 브리지 회로로 형성한 것이다.

상기 H 브리지 회로는 출력부 극성이 스위칭 소자(111)의 제어에 의해 양 또는 음의 값으로 변환되는 회로부로서, 공지의 회로에 속하므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.

본 발명의 스위칭 제어부(400)는 상기 여자기(500)가 양 또는 음의 값으로 선택적 출력값을 가지도록, 상기 바이폴라 전류제어회로(100)의 출력단 극성을 상기 여자기 회전자(520)의 회전각에 동기하여 제어시키는 회로부이다.

이하, 이에 관해 상세히 살펴보기로 한다.

도 5 내지 도 7은 본 발명의 여자기(500)에서 여자기 회전자(520) 위치에 따른 자속 제어 방법을 나타내고 있다.

도 5를 참고하여 살펴보면 본 발명의 여자기(500)에서는 여자기 고정자(510)에 형성된 여자기 고정자의 치구조(510A, 510B)에 여자기 계자권선(511A, 511B)이 권선된다.
상기 여자기 고정자의 치구조(510A, 510B)에 권선된 계자권선(511A, 511B)에 계자전류 i_fe(100-1)이 흐르면 계자자속 Ψ_fe가 결정되어 여자기 회전자(520)로 흐르게 된다.

상기 여자기 회전자(520)에는 외부로 발전된 전압을 발생시키는 회전자 권선(521A, 521B)이 일정하게 배치된다.

도 5의 상태를 기준으로 볼 때, 여자기(500)에서는 절반의 회전자 권선(521A)은 양의 전압이 발생하는 권선이고, 나머지 절반의 회전자 권선(521B)은 음의 전압이 발생하는 권선으로서, 도 11에 도시된 바와 같이 외부 부하인 주발전기의 계자권선(321)에 양쪽 끝단이 서로 연결된다.

여자기의 두 회전자 권선(521A, 521B)의 출력전압 V_fg(552)는 두 회전자 권선(521A, 521B)에서 발생하는 전압의 차이로 결정되며, 이때, 두 회전자 권선(521A, 521B)에 발생하는 전압 e_w(535)는 여자기의 고정자 계자권선(511A, 511B)의 계자전류 i_fe에 의해 발생되는 계자자속 Ψ_fe(515)와 회전자 권선(521A, 521B)에서 발생하는 자속의 합성자속으로 공극 자속 Ψ_g(531)에 해당한다.

이때, 공극자속에 의해 발생되는 회전자 권선의 발전 전압은 수학식 3과 같다.

도 5에서 회전자 권선(521A, 521B)의 위치는 여자기 고정자의 치구조(510A)를 기준으로 각도가 0인 상태에 해당된다.

이때, 합성된 공극자속 Ψ_g(531)은, 전체 여자기 회전자 권선을 회전 방향에 따라 양과 음의 방향으로 구분할 때, 양의 방향 회전자 권선(521A)에서는 양의 전압 e_w(535)을 발생시키며, 음의 방향 회전자 권선(521B)에서 음의 전압 e_w(535)을 발생시킨다.
이때, 도 5에서 전체 출력전압 V_fg(552)와 출력전류 i_fg(553)의 방향을 양의 방향으로 정의한다.
도 5에서 합성된 공극자속 Ψ_g(531A)은 계자자속 Ψ_fe(515)에 의해서만 제어되므로, 전체 출력전압 V_fg(552)와 출력전류 i_fg(553)의 방향은 브러쉬와 다이오드 정류기 없이 정의되었다.

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도 6은 도 5의 위치에서 여자기 회전자가 양의 방향으로 회전한 것으로서, 각 여자기 회전자 권선(521A, 521B)의 배치는 여자기 고정자 치구조(510A)를 기준으로 이동하게 된다.

이때, 도 5에서의 합성자속 Ψ_g(531A)로는 각 회전자 권선에 같은 방향의 전 압을 발생하지 못하게 되며, 이를 위해서 여자기 계자권선(510A, 510B)의 계자전류 i_fe에 의해 발생되는 계자자속 Ψ_fe(515)은 도 6의 합성자속 Ψ_g(531B)의 모양과 방향을 형성시키도록 변경되어야 하며, 이를 통해서 도 6과 같이 회전된 여자기 회전자 권선(521A, 521B)의 위치에 도 5에서와 동일한 방향의 전압 e_w을 발생시킬 수 있다.

도 7에서 여자기(500)의 회전자 위치가 이동하여 여자기 고정자 치구조(510A)를 기준으로 전기적으로 180도 이동한 경우에는 도 5의 합성자속 Ψ_g(531A)에 의해서는 오히려 음의 전압이 발생하게 된다.

따라서, 이때의 합성자속 Ψ_g(531C)의 방향은 도 5에서의 합성자속 Ψ_g(531A)에 대해 방향이 완전히 반대가 되어야 한다.

이를 위해서 여자기 계자권선(510A, 510B)의 계자전류 i_fe에 의해 발생되는 계자자속 Ψ_fe(515)은 도 7의 합성자속 Ψ_g(531C)의 모양과 방향을 형성시키도록 변경되어야 하며, 이를 통해서 도 7과 같이 회전된 여자기 회전자 권선(521A, 521B)의 위치에 도 5에서와 동일한 방향의 전압 e_w을 발생시킬 수 있다.

이와 같이 본 발명의 여자기(500)는 단상 출력으로 출력전압 V_fg(552)을 일정하게 제어하기 위해서 여자기 계자권선(511A, 511B)의 계자전류 i_fe에 의해 합성자속 Ψ_g이 여자기의 여자기 회전자(520) 위치에 따라 제어되어야 한다.

따라서, 본 발명의 여자기 계자전류 i_fe(100-1)는 여자기의 회전자 위치에 연동하여 도 8에 도시된 바와 같이 교류 형태로 제어되어야 한다.

도 8은 양의 전압 제어를 위한 여자기 계자권선(511)의 전류 형상의 예를 나타내고 있다.

도 8에서 여자기 계자권선(511)의 계자전류 i_fe 형상은 회전자 권선의 구조와 배치에 따라, 삼각파형(527A) 또는 사다리꼴 형(527B) 및 사인파형(527C)로 회전자 위치(0 ~ 2π)에 따라, 크기와 모양이 제어된다.

음의 전압을 발전하기 위해서는 반대 방향의 전류 모양으로 제어함으로써, 출력전압의 방향을 조절할 수 있다.

이상 설명한 바에 따르면, 본 발명의 여자기 출력전압 V_fg(552)은 사용자의 요구에 따라, 상기 여자기 계자전류 i_fe(100-1)의 제어에 의하여 방향과 크기가 제어되는 특징이 있다.

이러한 특징은 종래기술방식의 여자기가 단 방향의 자속과 브러쉬 및 정류자편에 의해 직류전압이 발생하는 것과 크게 다른 점으로서, 기존의 여자기의 경우 반대 방향의 출력전압 V_fg(552)를 형성시키기 위해서는 회전 방향이 반대방향으로 변환되어야 하였으나. 본 발명의 여자기는 회전자의 동일 회전 방향에 대하여, 합성자속의 위치와 크기를 여자기 계자전류 i_fe(100-1)로 직접 제어함으로써, 동일한 회전방향에 대해서도 양의 출력전압 및 음의 출력전압을 모두 출력시키는 구조가 된다.

즉, 본 발명의 여자기(500) 출력전압 V_fg(552)이 양 또는 음의 값으로 출력되게 제어하기 위해서는, 도 8에 도시된 바와 같이 여자기 회전자(520)의 회전속도와 각도(0 ~ 2π)에 따라, 여자기(500)의 계자전류 i_fe를 + 또는 -로 회전각도에 동기하여 제어시켜야 한다.

이에 의하면, 도 8에 도시된 바와 같이 상기 여자기 회전자(520)가 0 ~ π 구간에서 회전할 때는 상기 여자기 계자권선(511)에 흐르는 양의 계자전류 i_fe(100-1)가 상기 여자기(500)의 출력전압 V_fg(552)을 양의 방향으로 형성시키고, 상기 여자기 회전자(520)가 π~2π 구간에서 회전할 때는 상기 여자기 계자권선(511)에 음의 계자전류 i_fe(100-1)가 흘러야 상기 여자기(500)의 출력전압 V_fg(552)이 양의 방향으로 생성 유지된다.

또한, 상기 여자기(500)의 출력전압 V_fg(552)을 음의 방향으로 형성시키려면, 상기 여자기 회전자(520)가 0 ~ π 구간에서 회전할 때는 상기 여자기 계자권선(511)에 음의 계자전류 i_fe(100-1)가 흐르게 하고, 상기 여자기 회전자(520)가 π~2π 구간에서 회전할 때는 상기 여자기 계자권선(511)에 양의 계자전류 i_fe(100-1)가 흐르게 해야 한다.

상기 스위칭 제어부(400)는 이와 같이 상기 여자기 회전자(520)의 위치에 동기하여 도 9와 도 10에 도시된 바와 같이 상기 여자기 계자권선(511)의 전류 방향을 양의 방향 또는 음의 방향으로 제어시켜 상기 여자기(500)의 출력전압 V_fg(552)을 양 또는 음의 값이 되도록 제어시킨다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명의 여자기(500)는 그 자체로 하나의 독립적인 직류 발전기로서, 브러쉬나 출력단에 다이오드 정류기를 부착하지 않아도 양 또는 음의 전압을 출력시키는 '양방향 출력형 브러시리스 직류발전기'가 되는 특징이 있다.

본 발명은 도 11에 도시된 바와 같이 상기 '양방향 출력형 브러시리스 직류발전기'를 여자기(500)로 사용하여 '양방향 자속 제어가 가능한 하이브리드형 발전기'를 형성시킨다.

도 11에 의하면 본 발명은 상기 스위칭 제어부(400)의 제어에 의하여 상기 여자기(500)의 출력전압 V_fg을 양의 방향 또는 음의 방향으로 선택적 제어할 수 있으므로, 이를 통해서 도 12에 도시된 바와 같이 하이브리드 주발전기(300)의 주계자권선(321)의 자속 Ψ_FG(316A, 316B)을 양방향으로 선택적 제어할 수 있게 된다.

즉, 본 발명에 의하면, 상기 여자기 계자전류 i_fe(100-1)를 도 9 또는 도 10과 같이 제어하는 방향에 따라, 도 12에서 보여지는 바와 같이 하이브리드 주발전기(300)의 주계자권선(321)의 자속이 증가하는 방향의 Ψ_FG(+) (316A)과 감소하는 방향의 Ψ_FG(-)(316B)로 제어될 수 있으므로, 이를 통해서 주회전자(320)에 형성된 영구자석(325)의 자속 Ψ_PM의 변화에 연동하여 자속을 가변 형성시킬 수 있다.

이에 더하여 본 발명은 상기 스위칭 제어부(400)에 상기 하이브리드 주발전기(300)의 출력전압 단자를 피드백 연결시킨다.

이에 따라, 상기 스위칭 제어부(400)는 상기 하이브리드 주발전기(300)의 출력전압 V_gen(114)이 정상상태값에 대하여 증가 또는 감소되는 경우 상기 여자기 계자전류 i_fe의 방향을 양 또는 음의 값으로 선택적 제어하여 상기 하이브리드 주발전기(300)의 출력전압 V_gen(114)이 정상상태값을 가지도록 제어시킨다.

자세하게는 도 11에 도시된 바와 같이 상기 하이브리드 주발전기(300)의 출력이 정상상태값에 부족하게 나타나는 경우에는 상기 하이브리드 주발전기(300)의 주계자권선(321)의 자속이 양의 방향으로 형성되게 상기 여자기 계자전류 i_fe를 제어시켜 영구자석의 자속 Ψ_PM에 주계자권선의 자속 Ψ_FG이 더해지게 함으로써, 상기 하이브리드 주발전기(300)의 출력이 보상되게 한다.

또한, 상기 하이브리드 주발전기(300)의 출력이 정상상태값에 과다하게 나타나는 경우에는 상기 하이브리드 주발전기(300)의 주계자권선(321)의 자속이 음의 방향으로 형성되게 상기 여자기 계자전류 i_fe를 제어시켜 영구자석의 자속 Ψ_PM이 주계자권선의 자속 Ψ_FG에 의해 감쇄되게 함으로써, 상기 하이브리드 주발전기의 출력전압 V_gen(114)이 정상상태값으로 보정되게 한다.

이상 본 발명의 설명을 위하여 도시된 도면은 본 발명이 구체화되는 하나의 실시예로서 도면에 도시된 바와 같이 본 발명의 요지가 실현되기 위하여 다양한 형태의 조합이 가능함을 알 수 있다.

따라서 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.

권선형 발전기
10 : AVR 30 : 주발전기
10-1 : 여자기의 계자전류 i_fe 31 : 고정부
32 : 회전부 32-1 : 주발전기의 계자권선
20 : 여자기 21 : 여자기의 고정자
21-1 : 여자기의 계자권선 22 : 여자기 회전자
250 : 다이오드 정류기 251 : 여자기의 출력전압 V_ex
253 : 주발전기의 계자전류 i_fg
하이브리드형 발전기
100 : 바이폴라 전류제어회로 100-1 : 여자기 계자전류 i_fe
300 : 하이브리드 주발전기 310 : 주고정자
320 : 주회전자 321 : 주계자권선
325 : 영구자석
315 : 영구자석의 자속 Ψ_PM
316 : 계자권선에 의한 자속 Ψ_FG
400 : 스위칭 제어부 500 : 여자기
510 : 여자기 고정자 511 : 여자기 계자권선
520 : 여자기 회전자 521 : 회전자 권선
552 : 여자기의 출력전압 V_fg

Claims (5)

1. 여자기(500)와 하이브리드 주발전기(300)로 구성되는 하이브리드형 발전기에서 상기 여자기(500)로 기능 수행하는 고정계자형 브러시리스 직류발전기로서,
   여자기 계자권선(511)에 연결되며 스위칭 소자(111)를 H 브릿지 회로로 형성시켜 구성되는 바이폴라 전류제어회로(100)와;
   여자기 회전자(520)의 회전자 권선(521) 출력이 양의 방향 또는 음의 방향 출력전압 V_fg(552)와 출력전류 i_fg(553)이 형성되도록 상기 바이폴라 전류제어회로(100)의 출력 극성을 여자기 회전자(520)에 회전각에 동기하여 제어하는 스위칭 제어부(400)를;
   포함하여 구성되며
   상기 스위칭 제어부(400)는 상기 바이폴라 전류제어회로(100)에서,
   상기 여자기 회전자(520)가 0 ~ π 구간에서 회전할 때, 상기 여자기 계자권선(511)에 양의 계자전류 i_fe(100-1)가 흐르게 제어하여 상기 회전자 권선(521)의 출력전압 V_fg(552)을 양의 방향으로 형성시키고, 상기 여자기 회전자(520)가 π~2π 구간에서 회전할 때는 상기 여자기 계자권선(511)에 음의 계자전류 i_fe(100-1)가 흐르게 제어하여 상기 회전자 권선(521)의 출력전압 V_fg(552)이 양의 방향으로 유지되게 하거나,
   상기 여자기 회전자(520)가 0 ~ π 구간에서 회전할 때, 상기 여자기 계자권선(511)에 음의 계자전류 i_fe(100-1)가 흐르게 제어하여 상기 회전자 권선(521)의 출력전압 V_fg(552)을 음의 방향으로 형성시키고, 상기 여자기 회전자(520)가 π~2π 구간에서 회전할 때는 상기 여자기 계자권선(511)에 양의 계자전류 i_fe(100-1)가 흐르게 제어하여 상기 회전자 권선(521)의 출력전압 V_fg(552)이 음의 방향으로 유지되게 하여
   여자기(500)와 하이브리드 주발전기(300) 사이에 브러쉬 또는 다이오드 정류기 없이 양방향 직류 출력제어가 가능한 것을 특징으로 하는 양방향 출력형 브러시리스 직류발전기.
   
2. 주회전자(320)에 영구자석(325)과 주계자권선(321)이 형성된 하이브리드 주발전기(300);
   제1항의 양방향 출력형 브러시리스 직류발전기로서, 회전자 권선(521)이 상기 주발전기(300)의 주계자권선(321)에 직접 연결되는 여자기(500);
   로 구성되며
   상기 여자기(500)의 스위칭 제어부(400)는
   상기 하이브리드 주발전기(300)의 출력전압 단자가 피드백 연결되어, 상기 하이브리드 주발전기(300)의 출력전압 V_gen이 정상상태값에 대하여 과대하거나 과소한 경우, 상기 여자기 회전자(520) 출력을 양 또는 음의 값으로 선택적 출력시켜 상기 하이브리드 주발전기(300)의 출력전압 V_gen이 정상상태값이 되도록 피드백 제어시켜,
   상기 하이브리드 주발전기(300)의 주계자권선(321) 자속 방향을 상기 여자기(500)의 스위칭 제어부(400) 출력에 따라 선택적으로 제어시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 양방향 자속 제어가 가능한 하이브리드형 발전기.
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