KR20000036045A - 주 이동기를 가진 비동기식 장치 및 인버터/정류기를 포함하는 격리된 전기 시스템 - Google Patents

주 이동기를 가진 비동기식 장치 및 인버터/정류기를 포함하는 격리된 전기 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 격리에 사용하기 위한 전기 시스템에 관한 것이고, 이러한 시스템은 가스 터빈 또는 디젤 엔진과 같은 주 엔진(14), 제 1 교류 전압(19)을 발생시키도록 주 엔진(14)에 의해 구동되는 발생기(13), 발생기(13)에 의해 발생된 제 1 교류 전압(19)을 DC 버스(18)상에 직류 전압으로 변환하기 위한 제 1 정류기 유니트(12) 및 DC 버스(18)상의 직류 전압을 제 2 교류 전압(20)으로 변환하기 위한 적어도 하나의 인버터 유니트(10, 15)를 포함한다. 제 1 교류 전압(19)을 발생시키도록 주 엔진(14)에 의해 구동되는 발생기(13)는 주 엔진(14)의 샤프트에 직접 결합된 비동기식 장치이고 및 제 1 정류기 유니트(12) 역시 DC 버스(18)의 직류 전압을 비동기식 장치(13)에 대해 조정 가능한 주파수를 가진 교류 전압으로 변환하기 위한 인버터부를 구비한다.

Description

주 이동기를 가진 비동기식 장치 및 인버터/정류기를 포함하는 격리된 전기 시스템 {ISOLATED ELECTRICAL SYSTEM INCLUDING ASYNCHRONOUS MACHINE WITH PRIME MOVER AND INVERTER/RECTIFIER}
상기한 바와 같이, 본 발명은 격리에 사용하기 위한 전기 시스템에 관한 것이고, 이는 예를 들면, 선박 또는 사막에 위치하거나 다른 전기 네트워크로부터 격리된 다른 기지국의 전기 장치에 관한 것이다. 선박을 위한 이상에서 언급된 형태의 전기 장치는 예를 들면, 유럽특허 번호 제 97,185호에 공지되어 있다. 이러한 공개된 특허에서, 주 엔진의 샤프트에 의해 구동되는 샤프트 발생기로서 동기식 발생기를 사용하고, 이러한 동기식 발생기는 두 개의 전이 네트워크에 전력을 공급한다. 다른 네트워크에서, 전압과 주파수는 샤프트 발생기의 전압과 주파수에 의해 결정된다 즉, 이들은 선박의 주 엔진의 회전 속도에 직접적으로 의존한다. 다른 전기 네트워크에서, 전력은 정류기 회로와 인버터 회로를 포함하는 AC 인버터 장치에 의해 공급되고, 이를 통해 일정한 진폭과 주파수를 가진 교류 전압이 발생된다. 두 개의 분리된 네트워크가 모터, 펌프, 콤프레서, 환기 장치 및 냉각 장치 등과 같은 선박의 주 액츄에이터가 동기식 발생기에 의해 피딩(feeding)되는 네트워크로부터 직접 전력을 공급받는데 사용되는 반면에 무선통신 장치, 항법 장치 및 조명에 필요한 전력은 AC 인버터 장치를 통해 공급된다.
이상에 언급된 공지된 시스템은 몇가지 단점을 가진다. 예를 들면, 주 엔진을 시동시키기 위해 분리된 전류 공급 회로와 분리된 전기 모터가 배치되어야 한다. 인버터 장치에 의해 생성된 전기가 높은 값이어야 할 필요가 없을 때, 즉 , 많은 적용에서 위험성을 가진 조화파를 포함할 때 다른 주된 문제점이 발생된다. 또한, 주 엔진 고장의 경우, 이러한 주 엔진 고장의 경우에도 선박의 프로펠러를 구동시킬 수 있는 보조 엔진 또는 장치가 없다면, 이러한 장치 또한 심각한 취약점을 가진다.
미국 특허번호 제 4,883,973호와 제 4,330,743호는 각각 자동차와 항공기를 위한 전기 시스템을 개시하고 있다. 두 시스템 모두에서, 동일한 전기 장치가 주 엔진 즉, 자동차 또는 항공기의 모터가 시동될 때 모터로서 사용되고 및 모터가 시동된 이후에 전기 시스템의 전력을 발생시키는 발생기로서 사용된다. 미국 특허번호 제 4,883,973호에서 모터는 이중모드(bimodal) 기어 세트를 통해 자동차 모터에 결합되는 비동기식 장치이다. 기어 세트는 시동 모드에서는 리덕션(reduction) 드라이브로 동작하고 발생 모드에서는 다이렉트(direct) 드라이브로서 동작한다. 자동차 모터가 시동되면, 비동기식 장치의 회전 속도는 회전속도계에 의해 기록되어 비동기식 장치를 피딩하는 컴퓨터-기초한 제어기에 의해 제어되는 인버터 장치내의 피드백 제어에 영향을 주고, 그 결과 출력 전압의 원하는 전압/주파수 비가 유지된다. 미국 특허번호 제 4,330,743호에 게재된 전기 항공기 시스템에서 사용되는 모터는 유압식 토크 컨버터를 포함하는 드라이브 유니트를 통해 항공기 엔진에 결합된다. 항공기 엔진이 시동될 때, 동기식 장치는 모터로서 사용되고, 여기서 동기식 장치를 피딩하는 인버터 유니트는 로우터(rotor)의 위치에 관한 데이터를 필요로 한다. 항공기 엔진이 시동되면, 동기식 장치는 모터로서 동작하고, 속도가 가장 먼저 동작 속도로 상승한다. 이러한 과정 이후에, 유압식 토크 컨버터가 엔진을 시동시키기 위해 원하는 속도까지 항공기 엔진을 점진적으로 가속시키는데 사용된다.
비록 미국 특허번호 제 4,883,973호 및 제 4,330,743호에 주 엔진이 시동될 때 모터로서 사용되고, 주 엔진이 동작하는 동안 발생기로서 하나의 동일한 전기 장치를 사용하는 것에 관해 개시하고 있지만, 두 경우 모두 고가의 다루기 힘든 전자 제어 장치가 모터로서 사용하기 위해 필요하고, 이러한 제어 장치는 회전속도계 또는 로우터 위치 송신기 및 토크 컨버터와 기어 장치를 포함한다. 토크 컨버터와 기어 장치는 이들이 메가와트와 같은 고전력 송신에 적용될 수 없도록 사용된다. 또한, 두 경우 공지된 전기 시스템의 동작은 예를 들면, 전지로부터 제공된 직류전원에 기초한다. 이는 이러한 시스템의 적용을 어느 정도 제한한다.
본 발명은 격리에 사용하기 위한 전기 시스템에 관한 것이고, 이러한 시스템은 가스 터빈 또는 디젤 엔진과 같은 주 엔진, 제 1 교류 전압을 발생시키도록 주 엔진에 의해 구동되는 발생기, 발생기에 의해 발생된 제 1 교류 전압을 DC 버스상에 직류 전압으로 변환하기 위한 제 1 정류기 유니트 및 DC 버스상의 직류 전압을 제 2 교류 전압으로 변환하기 위한 적어도 하나의 인버터 유니트를 포함한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전기 시스템의 일반적인 스위칭 도면을 도시한다.
본 발명의 목적은 격리에 사용하기 위해 설계되고 상기 언급된 바와 같은 공지된 시스템이 가진 단점과 문제점을 해결하는 전기 시스템을 제공하는 것이다. 이는 본 발명에 따른 전기 시스템을 통해 구현될 수 있는데, 이러한 시스템은 제 1 교류 전압을 발생시키도록 주 엔진에 의해 구동되는 발생기가 주 엔진의 샤프트에 직접 결합된 비동기식 장치라는 점 및 제 1 정류기 유니트 역시 DC 버스의 직류 전압을 상기 비동기식 장치에 대해 조정 가능한 주파수를 가진 교류 전압으로 변환하기 위한 인버터부를 포함하여 이러한 장치를 모터로서 사용한다는 점을 특징으로 한다. 시스템의 나머지 구조에 따라, 모터로서 상기 비동기식 장치를 사용하는 몇몇 선택이 가능하다. 예를 들면, 장치가 모터로서 사용될 때, 주 엔진으로서 사용되는 가스 터빈이 시동될 수 있거나 또는 주 엔진이 가스 터빈인지 또는 디젤 엔진인지에 관계없이 주 엔진 고장의 경우 선박의 프로펠러 샤프트가 "테이크-미-홈(take-me-home)" 모터로서 구동될 수 있다.
비동기식 장치가 주 엔진의 샤프트에 결합된 샤프트 발생기로서 사용될 때, 주 엔진으로서 사용되는 가스 터빈을 시동시키는 모터로서 사용되고 및 주 엔진의 샤프트로부터 전력을 발생시키는 모터로서 하나의 동일한 장치가 사용되는 상황이 발생한다. 이는 시스템을 간결하게 하고, 필요한 부품의 수를 감소시킨다. 게다가, 다람쥐통형 인덕션(induction) 모터와 같은 비동기식 장치는 동기식 모터보다 훨씬 저렴하고, 실질적으로 더 적은 정기 점검을 필요로 한다.
본 발명의 전기 시스템은 AC 버스상에 제 3 교류 전압을 발생시키기 위한 디젤 엔진/동기식 발생기 조합 및 제 3 교류 전압을 DC 버스상에 직류 전압으로 변환한 후, 장치가 모터로서 사용될 때 제 1 정류기 유니트의 인버터부내에서 교류 전압으로 변환시켜 상기 비동기식 장치에 교류 전압을 제공하는 제 2 정류기 유니트를 더 포함할 수 있다. 본 발명의 시스템에서, 예를 들면, 주 엔진을 시동시키기 위해 필요한 보조 전기는 디젤 엔진/동기식 발생기 조합에 의해 발생될 수 있다. 게다가, 필요하다면 예를 들면, 주 엔진 고장의 경우, 시스템은 선박의 다른 전기 네트워크와 이상에서 언급된 장치에 의해 주 엔진의 샤프트에 결합된 전기 모터에 공급되는 전력을 발생시켜, 그 결과 비록 매우 낮은 회전 속도지만 선박의 프로펠러 또한 이러한 방법으로 구동될 수 있도록 한다. 하지만, 이러한 결과는 "테이크-미-홈" 장치이다.
본 발명의 전기 시스템은 동기 발생기의 샤프트와 함께 동작하도록 기계적으로 배치된 전기 모터를 더 포함하도록 설계될 수 있고, 이러한 전기 모터는 인버터 유니트에 의해 발생되는 제 2 교류 전압을 수신하고 동기식 발생기를 구동하도록 배치되어 AC 버스상에 상기 제 3 교류 전압을 발생시키도록 하고 및 동기식 발생기의 로드가 디젤 엔진으로부터 전기 모터에 전달된 이후에 디젤 엔진으로부터 동기식 발생기를 격리시키기 위해 디젤 엔진/동기식 발생기 조합 사이의 샤프트상에 배치된 스위치를 더 포함할 수 있다.
디젤 엔진 의해 주로 구동되는 동기식 발생기가 전기 모터에 의해 구동되도록 배치되는 유사 장치는 예외적으로 주 엔진이 사용되지 않을 때 보조 엔진으로서만 사용되는 디젤 엔진의 사용을 가능케 한다. 이러한 형태의 장치에 따른 다른 결과는 AC 버스상에 제공된 전압이 분리된 동기식 발생기에 의해 발생되고 인버터 장치에 의해 발생된 전기가 아니라는 것이고, 이는 예를 들면, 어떠한 조화파도 없다.
이하에서 본 발명의 전기 시스템과 이에 따른 장점이 첨부된 도면을 참조로 하여 상세히 설명될 것이고, 도면은 예시를 위해 본 발명의 전기 시스템의 실시예의 일반적인 스위칭 도면을 도시한다.
이하에서 도면에 도시된 본 발명에 따른 전기 시스템은 동작하지 않는 상태를 예시한다 즉, 주 엔진(14)이 아직 시동되지 않는 것을 예시한다. 시동 상태에서, 디젤 엔진(1, 8)중 적어도 하나가 가장 먼저 시동된다. 디젤 엔진은 각각 동기식 발생기(2, 7)를 구동시키고, 이에 의해 교류 전기가 주 패널에 또는 AC 버스상에 발생된다. 선박에 관련할 때, 디젤 엔진/동기식 발생기 조합에 의해 발생된 전기는 또한 주 공급원으로 대체될 수 있고, 이는 도면에서 참조부호 4로 표시되어 있다. 디젤 엔진/동기식 발생기 조합(8, 7 및 1, 2)은 각각 스위치(5,3)를 통해 AC 버스(17)에 결합된다.
주 엔진(14)이 시동될 때, AC 버스(17)의 전압을 정류기 유니트(11)에 접속시키는 스위치(6)가 폐쇄되고, 정류기 유니트는 AC 버스(17)의 교류 전압을 DC 버스(18)상에 직류 전압으로 변환시킨다. 도면은 DC 버스(18)에 접속된 몇몇 인버터 유니트(10, 15)를 도시하고, 인버터 유니트는 여러 다른 목적으로 원하는 주파수의 교류 전압을 발생시키는데 사용된다. 이는 이하에서 상세히 설명될 것이다. DC 버스(18)에 조정 가능한 주파수를 가진 교류 전압(19)을 발생시키도록 스위치(24)를 통해 인버터 유니트(12) 또한 접속되고, 이러한 교류 전압은 비동기식 장치(13)에 공급되고, 여기서 비동기식 장치는 전기 모터로서의 역할을 한다. 전기 모터(13)의 샤프트는 주 전력 장치(14)의 샤프트를 회전시키기 위해 기계적으로 접속된다. 이러한 접속은 직렬접속이다 즉, 다른 연동기 또는 스위치를 포함하지 않는다. 주 엔진(14)은 예를 들면, 가스 터빈 또는 대형 디젤 엔진이다.
주 엔진(14)으로서 사용되는 가스 터빈의 샤프트가 전기 모터(13)에 의해 구동됨에 따라, 가스 터빈이 시동된다. 구동과 관련하여, 인버터 유니트(12)에 의해 발생된 교류 전압의 주파수는 적합한 램프(ramp)에 따라 상승하도록 제어되고, 그 결과 전기 모터(13)가 주파수에 관계없이 적합한 슬립을 가지고 사용될 수 있다. 주 엔진이 디젤 엔진일 때, 이는 예를 들면, 압축된 공기를 사용하는 일반적인 방법으로 시동된다. 주 엔진(14)이 동작하고 모터(13)의 회전 주파수가 인버터 유니트(12)에 의해 발생된 교류 전압의 주파수 이상으로 상승할 때, 비동기식 장치(13)는 발생기로서의 역할을 하고 인버터 유니트(12)를 통해 DC 버스에 전력을 재공급하고, 이러한 인버터는 정류기로서 동작하도록 제어된다. 발생기(13)에 의해 발생된 교류 전압은 슬립을 변화시킴으로써 인버터 유니트(12)에 의해 조정된다. 발생기(13)에 의해 발생된 교류 전압은 슬립을 변화시킴으로써 인버터 유니트(12)에 의해 조정된다. 다음으로 발생기(13)의 회전 속도는 DC 버스(18)상의 인버터 유니트(12)에 의해 정류된 직류 전압값에 영향을 주지 않으면서 매우 광범위하게 변한다. 다음으로 DC 버스(18)가 AC 버스(17) 및 발생기(13)로부터 전력을 공급받는다.
다음 단계는 인버터 유니트(10)를 통해 DC 버스(18)에 결합된 전기 엔진(9)을 시동시키는 것이고, 전기 모터는 디젤 엔진/동기식 발생기 조합(8,7)의 동기식 발생기(7)의 샤프트와 함께 회전하도록 기계적으로 접속된다. 다음으로 발생기(7)의 로드가 디젤 엔진(8)으로부터 전기 모터(9)에 전달되고, 이에 의해 디젤 엔진(8)과 동기식 발생기(7) 사이의 샤프트상에 배치된 스위치(22)가 개방될 수 있다. 전기 모터(9)에 의해 구동되는 동기식 발생기(7)가 다음으로 AC 버스(17)상에 교류 전압을 발생시킨다. 디젤 엔진(8)이 스위치(22)에 의해 동기식 발생기(7)로부터 절단되면, 엔진이 정지될 수 있다. 이에 의해 구동되는 디젤 엔진(1)과 동기식 발생기(2) 또한 정지될 수 있고 스위치(3)에 의해 AC 버스(17)로부터 절단된다. 디젤 엔진/동기식 발생기 조합(1, 2)은 시스템에 접속되어 주로 리던던시를 발생시킨다; 본 발명에 따른 시스템의 가장 본질적인 동작을 제공하는 반드시 필요한 것은 아니다. 당연히, 주 엔진 고장의 경우 심지어 디젤 엔진(8) 고장의 경우, 선박의 전기 시스템은 동작 상태를 유지할 수 있고 전기 모터(13)가 디젤 엔진/동기식 발생기 조합(1, 2)에 의해 공급받을 수 있고, 따라서 이상에서 언급된 "테이크-미-홈" 장치가 이러한 방법으로 실현될 수 있다.
스위치(3)가 개방된 이상에서 언급된 상황으로 다시 돌아가서, 시동 모드동안 AC 버스(17)로부터 DC 버스(18)로 전력을 공급하는 스위치(6) 또한 개방될 수 있다. 연속적인 일반적인 사용에서, 시스템-시스템이 선박용이든지 또는 예를 들면, 사막 기지국이든지-의 전체 전력은 여기서 주 엔진(14)에 의해 구동된 발생기(13)로부터 얻어지고, 다른 어떠한 디젤 조합이 사용될 필요가 없다. 하지만, 만일 인버터 시스템(12) 또는 발생기(13)가 오동작한다면, 디젤 엔진(1, 8)이 디젤을 시동시키는데 필요한 시간 이후에 AC 및 DC 버스에 의해 요구되는 전력을 공급할 준비를 할 것이다. 동일한 설비에 접속된 다른 소비자가 예를 들면, 스위치(16)를 통해 AC 버스에 접속될 수 있고, 예를 들면, 스위치(23)에 접속된 인버터 유니트(15)를 통해 DC 버스(18)에 결합될 수 있다. "대형" 엔진은 인버터 유니트(15)에 의해 자신들의 공칭 전류에서 시동될 수 있다.
본 발명의 전기 시스템에 의해 제공되는 주된 장점은 시스템 전력을 공급하는 발생기와 가스 터빈 주 엔진을 시동시키는 모터가 하나의 동일한 비동기식 장치, 전형적으로 일반적인 다람쥐통형 인덕션 모터라는 것이고, 이로써 비용-효과를 가지며 단순한 구조, 작은 크기 및 긴 수명을 가진다는 것이다. 비동기식 장치는 주 엔진의 샤프트에 직접 결합되어, 어떠한 기어 또는 스위치 장치도 필요로 하지 않는다. 임의의 조정 즉, 비동기식 장치가 모터로서 역할을 할 때의 공급 전압의 주파수 조정 및 비동기식 장치가 발생기로서의 역할을 할 때의 정류기의 전압 조정은 인버터 유니트(12)를 사용하여 전기적으로 수행될 수 있다는 것이 이를 위한 기초이다. 상술한 바와 같이, 비동기식 장치(13) 또한 "테이크-미-홈" 모터로서 동작할 수 있고 또는 다른 경우 이는 주 엔진 기능의 적어도 일부의 역할을 할 수 있다. 전기 시스템이 일반적으로 사용될 때, 보조 디젤 엔진은 전혀 구동될 필요가 없고, 따라서 전체 시스템의 효율이 개선되고 더 적은 정기점검이 필요하다. 전기 시스템의 동작은 자동적으로 제어될 수 있다; 운영자는 어떠한 조치도 취할 필요가 없다. 게다가, AC 버스 전압은 일반적인 사용에서 조화파가 없는데, 이는 모터(9)에 의해 구동된 동기식 발생기(7)에 의해 전력이 공급되기 때문이다.
본 발명의 전기 시스템이 이상에서 예시를 위해 하나의 실시예에 대해서만 설명되었지만, 첨부된 청구항의 범위에서 벗어나지 않는 여러 방법으로 확장 및 변형될 수 있다.

Claims (3)

  1. 가스 터빈 또는 디젤 엔진과 같은 주 엔진(14), 제 1 교류 전압(19)을 발생시키도록 상기 주 엔진(14)에 의해 구동되는 발생기(13), 상기 발생기(13)에 의해 발생된 상기 제 1 교류 전압(19)을 DC 버스(18)상에 직류 전압으로 변환하기 위한 제 1 정류기 유니트(12) 및 상기 DC 버스(18)상의 상기 직류 전압을 제 2 교류 전압(20)으로 변환하기 위한 적어도 하나의 인버터 유니트(10, 15)를 포함하는 격리에 사용하는 전기 시스템에 있어서,
    상기 제 1 교류 전압(19)을 발생시키도록 상기 주 엔진(14)에 의해 구동되는 상기 발생기(13)는 상기 주 엔진(14)의 샤프트에 직접 결합된 비동기식 장치이고 및 상기 제 1 정류기 유니트(12) 역시 상기 DC 버스(18)의 상기 직류 전압을 상기 비동기식 장치(13)에 대해 조정 가능한 주파수를 가진 교류 전압으로 변환하기 위한 인버터부를 구비하는 것을 특징으로 전기 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, AC 버스(17)상에 제 3 교류 전압(21)을 발생시키기 위한 디젤 엔진/동기식 발생기 조합(8, 7) 및 상기 제 3 교류 전압(21)을 상기 DC 버스(18)상에 직류 전압으로 변환하여, 상기 장치(13)가 모터로서 사용될 때 상기 제 1 정류기 유니트(12)의 상기 인버터부내에서 교류 전압으로 변환시켜 상기 비동기식 장치(13)에 교류 전압을 제공하는 제 2 정류기 유니트(11)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 동기 발생기(7)의 샤프트와 함께 동작하도록 기계적으로 배치된 전기 모터(9)를 더 포함하는데, 상기 전기 모터는 상기 인버터 유니트(10)에 의해 발생되는 상기 제 2 교류 전압(20)을 수신하고 상기 동기식 발생기(7)를 구동하도록 배치되어 상기 AC 버스(17)상에 상기 제 3 교류 전압(21)을 발생시키고 및 상기 동기식 발생기(7)의 로드가 상기 디젤 엔진(8)으로부터 상기 전기 모터(13)에 전달된 이후에 상기 디젤 엔진(8)으로부터 상기 동기식 발생기(7)를 격리시키기 위해 상기 디젤 엔진/동기식 발생기 조합(8, 7) 사이의 상기 샤프트상에 배치된 스위치(22)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 시스템.
KR1019997002037A 1996-09-11 1997-09-09 원동기를 가진 비동기식 장치 및 인버터/정류기를 포함하는 격리된 전기 시스템 KR100638432B1 (ko)

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