KR102498921B1

KR102498921B1 - 회전속도에 따른 최대 효율구간 변경이 가능한 발전기

Info

Publication number: KR102498921B1
Application number: KR1020220137904A
Authority: KR
Inventors: 성상준
Original assignee: (주)루슨트코리아
Priority date: 2021-09-28
Filing date: 2022-10-25
Publication date: 2023-02-13
Also published as: KR20230045329A; KR102524048B1; WO2023054953A1

Abstract

본 발명은 발전기에 있어서, 권선의 각상이 직렬, 병렬과 스타, 델타 결선에 의해 임피던스 변경하여 회전속도 변경에 따른 최대효율 발전을 할 수 있는 발전기를 제공한다.

Description

회전속도에 따른 최대 효율구간 변경이 가능한 발전기 {Generators capable of changing the maximum efficiency interval according to rotational speed}

본 발명은 발전기와 그 제어 방법에 관한 것이다.

일반적으로 발전기는 특정속도에서 최대 효율을 가지게 된다. 제작된 발전기는 속도에 따른 최대 효율 구간 변경이 요구된다. 일반적으로 발전기의 최대효율 구간은 고유의 특성으로써 설계 시 결정되어 진다.

그러나 예를 들어 전기차나 풍력발전의 경우 정지부터 최대 속도구간까지 발전하게 되며 이는 효율이 낮은 부분에서 발전할 수 있으며 효율을 떨어 뜨리고 있다.

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현재의 제작된 발전기의 속도에 따른 최대효율구간 변경이 요구되고 있는 실정이다. 예를 들어 전기차나 풍력발전의 경우 하나의 발전기와 감속기로 구성되어 있다. 전기차의 저속부터 고속까지의 발전은 하나의 발전기 특성에 기반하는 것으로 최대효율은 전기차의 특정 속도에서만 나올 수 있다. 최대효율 이외의 속도에서 발전시 효율은 떨어지고 한정된 배터리를 탑재하는 전기차는 주행거리가 감소할 수 밖에 없는 문제점이 있다.

이외에 다방면으로 발전기가 응용되는 분야에서도 발전기의 운전시 회전속도의 변화가 클 경우 발전 효율을 떨어 뜨리게 된다. 발전기 또한 자동차나 풍력발전에 이용 시 속도가 변하게 되고 발전기의 최대 효율 구간에서 운전할 수 없게 되는 이유가 된다. 또한, 발전된 전압을 일정하게 정전압하여 배터리에 저장하고 이때 스위칭에 의한 전압조절 회로를 사용하는데 발전기의 특성상 PWM의 스위치 OFF시 전력을 차단하지만 발전기의 회전은 계속되어 이때의 전력은 사용할 수 없게 되고 효율을 떨어 뜨리게 된다.

따라서 저속, 중속, 고속등 회전 속도에 따라 최대 효율에 도달하도록 전기적인 별도의 시스템이 필요하다. 발전기에 기계적인 변속기를 장착하여 속도에 따른 변속으로 최대 효율 구간에서 발전 할 수 도 있으나 이는 비용 증가와 고장문제, 부피, 무게 문제가 발생한다.

따라서 본 발명은 발전기에 있어서 전기적인 스위치 조작만으로 속도 변경에 따라 최대 효율 구간에서의 발전을 통하여 효율을 높일 수 있는 방법 및 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 발전기에 있어서, 본발명은 병렬스위치(53), 직렬스위치(54), 스타결선스위치(55)(55‘), 델타결선스위치(56)(56’)에 의해 고정자 권선의 각상이 상호 직렬, 병렬, 스타, 델타 결선되어 속도변경에 따른 효율 구간 변경이 가능하고, 스타결선스위치(55)(55‘), 델타결선스위치(56)(56’)에 의해 각상의 두 개의 권선이 상호 독립적으로 스타결선, 델타결선 되며 스위칭시 시간차를 갖고 순차적으로 스위칭되어 과도전류를 방지하고 중성점을 분리시켜 속도 변경에 따른 효율을 높이는 것을 특징으로 하는 발전기를 제공한다.

본 발명은 또한 과도전류에 의한 컨트롤러 손상방지 및 셧다운을 막기 위한 스위치의 조작 방법으로, 상기 방법은: 직렬에서 병렬결선으로 변경시 직렬스위치(54)를 먼저 개방하고 병렬스위치 (53)를 단락시키는 단계; 병렬에서 직렬로 변경시에는 병렬스위치(53)을 개방하고 직렬스위치(54)를 단락시키는 단계;

병렬스타 결선시에는 스타결선스위치(55’)를 단락하고 일정 시간 지연후 병 렬스위치(53)와 스타결선스위치(55)를 단락시키는 단계; 병렬델타 결선시에는 델타결선스위치(56‘)을 단락하고 일정 시간 지연후 병 렬스위치(53)와 델타결선스위치(56)을 단락시키는 단계; 병렬스타결선 해제시에는 스타결선스위치(55)와 병렬스위치(53)를 개방하고 일정 시간 지연후 스타결선스위치(55’)를 개방시키는 단계; 병렬델타결선 해제시에는 델타결선스위치(56)와 병렬스위치(53)을 개방하고 일정 시간지연후 델타결선스위치(56‘)를 개방시키는 단계;로 이루어지는 스위치의 조작 방법을 제공한다.

발전기에 있어서 최대효율 구간에서 운전함으로써 속도에 따른 전기적 변속으로 전체적인 발전기의 운전효율을 높일 수 있게 된다.

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일반적으로 전기차의 경우 회생 제동시 발전기는 구동 전동기와 별개로 구비되는데 이는 운전 효율이 낮아서이다. 하지만, 본 발명에 의해 속도에 따른 권선 변경으로 영구자석 회전자 전동기를 최적의 발전기로 구동할 수 있게 됨으로써 별도의 발전기 없이 스위치 전환으로 구동 전동기를 효율좋은 발전기로 사용할 수 있어서 비용 절감 및 무게, 공간 절약의 효과를 가져온다.

도1은 종래의 이중 고정자 전동기의 단면도이다
도2는 본 발명의 한 실시예에 따른 직병렬, 스타델타 변환 전자회로도 이다.
도3은 본 발명의 한 실시예에 따른 프로그램 순서도 이다.

본 발명에서는 발전기의 속도 변화와 그에 따른 효율 구간을 변경하기 위하여 권선의 직렬, 병렬, 델타, 스타결선 조합에 의한 임피던스 변환법을 사용한다.

도1 은 선출원된 (출원번호 1020160031422, 출원번호 1020170147256) 이중고정자 전동기로써 제1 고정자권선(1)과 제2 고정자권선(2)에 의해 회전자(3)를 구동 시키는 전동기 구조이다. 발전기 또한 같은 구조로써 이중고정자와 회전자가 구비되며 회전자에는 영구자석이 부착되어 질 수 있다.

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먼저 이중고정자 발전기를 구동하는 방법으로 제1 고정자 권선(1)과 제2 고정자권선(2) 각 상의 2개의 권선을 직렬,병렬, 스타, 델타 상호 조합하여 임피던스를 변경하여 속도에 따른 최대효율 구간을 변경하는 방법이 있겠다. 이중고정자 발전기 종류는 도시하지는 않았지만 레디얼 플럭스 발전기(Radial flux generator)나 축방향 플럭스 발전기(Axial flux generator) 모두 동일하다.

도 2는 이를 위한 기본적인 전자회로도이며 제1 고정자 권선(1a)과 제2 고정자 권선(2a)이 병렬스위치(53)와 직렬스위치(54)에 의해 직병렬 결선될수 있고 스타결선스위치(55)(55’), 델타결선스위치(56)(56‘)에 의해 스타델타 결선되어 직렬-스타결선, 병렬-스타결선, 직렬-델타결선, 병렬-델타결선되며 회전속도에 따라 4모드 변경이 가능하며 그에 따른 최대효율 발전구간을 변경할 수 있다.

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자세한 작동방법을 도면에 의해 설명하면, 먼저 직렬-스타결선일 경우 병렬스위치(53)은 개방되어 전원과 단선되고 직렬스위치(54)는 단락되어 제1고정자권선(1a)과 제2고정자권선(2a)은 직렬로 연결된다. 이때 스타결선스위치(55’)와 델타결선스위치(56‘)는 개방되어야 하고 스타결선스위치(55)는 중성점단락 되어 스타결선상태로 된다. 상기에서는 A상에 대하여 설명했지만 B상이나 C상 동일하게 작동한다. 이와 같은 스위치 조작으로 제1 고정자권선과 제2 고정자권선은 직렬-스타결선으로 운전될 수 있다.

다음으로 직렬-델타결선에 대해 설명하면 병렬스위치(53)은 개방되고 직렬스위치(54)는 단락되어 직렬결선되고 스타결선스위치(55)(55’)와 델타결선스위치(56‘)는 개방되고 델타결선스위치(56)는 단락되어 A상은 C상의 전원과 연결되고 B상은 A상의 전원과 연결되며, C상은 B상의 전원과 연결되어 델타결선된다.

다음으로 병렬-스타결선에 대해 설명하면 병렬스위치(53)는 각상의 전원과 단락되고 직렬스위치(54)는 개방되어 권선이 병렬로 연결되고 스타결선스위치(55‘)도 단락되어 제 2고정자권선(2a)의 각상이 중성점으로 단락 결선되고 스타 결선스위치(55)도 단락되어 제 1고정자권선(1a)의 각상도 중성점 스타결선된다. 여기서 스타결선스위치(55’)는 제1 고정자권선과 제2 고정자권선의 중성점을 상호 분리 시킴으로써 중성점 전위차에 의한 전류의 흐름을 막기 위해 독립적으로 동작하게 한 것이다. 이는 현실적으로 각상의 3상 평형이 이루어지도록 권선할 수 없으며 이에 따라 미세하게 전위차가 발생하고 전류가 흐르게 되는데 이는 효율을 저하시키는 문제점이므로, 이를 보완하기 위함이다.

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따라서 상기와 같은 스위치 조작에 의해 제1 고정자권선과 제2 고정자권선이 병렬-스타결선으로 운전될수 있다.

다음으로 병렬-델타결선에 대해 설명하면 제1 고정자권선과 제2 고정자권선은 병렬스위치(53)가 단락되고 직렬스위치(54)는 개방되어 병렬로 연결되고 스타결선스위치(55)(55‘)는 개방되고 델타결선스위치(56)(56’)은 단락되어 이에 의해 A상은 C상의 전원과 연결되고 B상은 A상의 전원과 연결되며, C상은 B상의 전원과 연결되어 델타결선된다. 따라서 전동기는 병렬-델타결선으로 연결되어 운전된다. 이때 델타결선스위치(56‘)는 제1 고정자권선과 제2 고정자권선을 상호 독립적 순차적으로 단락시켜 과전류를 방지하고 반도체 소자를 보호한다.

상기와 같은 스위치 조작순서에 있어서 과도전류에 의한 컨트롤러 손상방지 및 셧다운을 막기 위하여 먼저 권선이 직렬에서 병렬결선으로 변경시 직렬스위치를 먼저 개방하고 병렬스위치(53)을 단락시켜야 한다. 반대로 병렬에서 직렬로 변경시에는 병렬스위치(53)을 개방하고 직렬스위치(54)를 단락시킨다.

병렬스타결선에서 병렬델타결선으로 전환시에는 스타결선스위치(55)(55’)를 먼저 개방후 델타결선스위치(56)를 단락시키고 델타결선스위치(56‘)를 단락시킨다. 병렬델타결선에서 병렬스타결선으로 변환시에는 델타결선스위치(56’)을 개방하고 델타결선스위치(56)을 개방한후 스타결선스위치(55)을 단락시키고 스타결선스위치(55‘)를 단락시킨다. 병렬연결에서 스타결선스위치(55)(56’)와 델타결선스위치(56)(56‘)의 조작은 시차를 두고 한 개씩 단락시켜야 과전류를 방지할 수 있다. 또한 스위치 조작시 각상의 센서에 의해 각상의 전류가 0이 될 때 조작하고 중간에 일정시간 지연을 두어 전류가 안정화되면 조작하는 것이 바람직하다.

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여기서 별도로 권선의 병렬 연결시 델타결선스위치(56’)나 스타결선스위치(55’)을 개방할 수 도 있는데 제1 고정자권선(1a)에만 전원을 인가하고 제2 고정자권선(2a)은 단선 시킨다. 따라서 한 개의 고정자로만 운전되게 되는데 이는 병렬운전과 비슷한 고속의 회전속도에서 부하토크를 줄임으로써 같은 속도에서 병렬-델타 결선에 비해 경제적인 운전이 가능하다. 따라서 고속회전을 하면서도 발전부하를 줄임으로써 경제적인 운전방법이 된다. 발전기의 경우 고속회전 저토크 부하일 때 적합한 운전 결선방법이다.

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이와 같은 직병렬, 스타델타결선에 의하여 발전기의 회전속도가 현저히 차이가 나게 되고 효율구간 또한 속도에 따라 변화 시킬 수 있다. 실제 시험에서 직렬스타, 직렬델타, 병렬스타, 병렬델타 결선 순으로 회전속도가 빨라졌으며 최대 효율구간 또한 이에 따라 변화하는 것을 확인할 수 있었다.

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발전기로 동작시에는 속도에 따라 직병렬, 스타델타 결선이 전동기와 동일하며 충전스위치(59)의 동작으로 축전지가 충전하게 된다.

상기와 같은 결선방식을 고정자가 2개인 이중 고정자 방식의 발전기로 설명하였는데 고정자가 1개인 단일 고정자 발전기에서도 각상의 슬롯권선을 상기와 같이 1/2로 나누어 직렬병렬과 스타델타결선을 조합함으로써 발전할 수 있겠다. 이때 고정자의 각상을 2쌍으로 나누게 되는데 2배수 티에 따라 나누거나, 각상의 권선을 티에 2배수로 감아서 나누어 사용할 수 있다.

또한 2대의 발전기를 상기와 같이 직병렬, 스타델타 결선함으로써 발전기 2대의 병렬운전법으로 활용도를 높일 수 있다. 예를 들어 전기자동차의 경우 좌우 바퀴에 발전기 2대를 사용하는 경우 각 발전기에서 3상 6개의 권선을 인출하여 권선을 직병렬 조합함으로써 속도에 따라 효율구간을 변경할 수 있다.

도3은 전자회로부를 구동할 수 있는 프로그램 플로우 챠트이다. 속도에 따라 직렬, 병렬, 스타, 델타 조합 결선하여 속도를 변경하고 그에 따른 최대 효율구간을 변경할 수 있게 된다.

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Claims

발전기에 있어서, 병렬스위치(53), 직렬스위치(54), 스타결선스위치(55)(55‘), 델타결선스위치(56)(56’)에 의해 고정자 권선의 각상이 상호 직렬, 병렬, 스타, 델타 결선되어 회전속도에 따라 최대효율 구간 변경이 가능하고, 스타결선스위치(55)(55‘), 델타결선스위치(56)(56’)에 의해 각상의 두 개의 권선이 상호 독립적으로 스타결선, 델타결선 되며 스위칭시 시간차를 갖고 순차적으로 스위칭되어 과도전류를 방지하고 중성점을 분리시켜 속도 변경에 따른 최대효율을 높이는 것을 특징으로 하는 발전기.
병렬스위치(53), 직렬스위치(54), 스타결선스위치(55)(55'), 델타결선스위 치(56)(56')에 의해 고정자 권선의 각상이 상호 직렬, 병렬, 스타, 델타 결선되며, 스타결선스위치(55)(55'), 델타결선스위치(56)(56')에 의해 각상의 두 개의 권선이 상호 독립적으로 스타결선, 델타결선 되며 스위칭 시 시간차를 갖고 순차적으로 스위칭되는 발전기의 스위치의 조작 방법으로서, 상기 방법은
직렬에서 병렬결선으로 변경시 직렬스위치(54)를 먼저 개방하고 병렬스위치 (53)를 단락시키는 단계;
병렬에서 직렬로 변경시에는 병렬스위치(53)를 개방하고 직렬스위치(54)를 단락시키는 단계;
병렬스타 결선시에는 스타결선스위치(55')를 단락하고 일정 시간 지연후 병 렬스위치(53)와 스타결선스위치(55)를 단락시키는 단계;
병렬델타 결선시에는 델타결선스위치(56')을 단락하고 일정 시간 지연후 병 렬스위치(53)와 델타결선스위치(56)을 단락시키는 단계;
병렬스타결선 해제시에는 스타결선스위치(55)와 병렬스위치(53)를 개방하고 일정 시간 지연후 스타결선스위치(55')를 개방시키는 단계; 및
병렬델타결선 해제시에는 델타결선스위치(56)와 병렬스위치(53)을 개방하고 일정 시간지연후 델타결선스위치(56')를 개방시키는 단계;
로 이루어지는 스위치의 조작 방법.