KR20010033548A - 발전기 제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 컨버터 브리지가 할당되어 있고 내연기관에 의해 구동되는 발전기, 특히 클로 폴 발전기의 제어 방법에 관한 것이다. 이 컨버터 브리지는 제어 로직에 의해 제어될 수 있고 설정된 시간들에서 발전기 와인딩에 전류를 제공하여 발전기의 자기 유도를 증가시키는 제어가능한 스위칭 소자를 포함한다. 상기 전류는 설정된 시간들에서 스위칭 소자에 의해 발전기 와인딩과 연결되어 있는 전하 저장 소자에 의해 공급된다.

Description

발전기 제어 방법{Method for controlling a generator}

차량의 온보드 네트워크(automobile on-board network)에 전기 에너지를 공급하는데 클로 폴 발전기가 차량에서 이용되고 있다. 그러한 삼상 교류 발전기는 브리지 정류 회로에 의해 차량의 직류 전압 네트워크에 연결되어 있다. 발전기의 유도 전압(induced voltage)이 네트워크 전압을 초과하면, 그 때부터 발전기는 전력을 공급하기 시작한다. 이 발전기의 전력 공급은 여자 전류의 세기에 의해 제어된다. 이를 위해 제어값으로서 발전기의 네트워크 전압 또는 출력 전압(output voltage)이 사용되는 것이 일반적이다.

연료 소비를 줄이기 위해, 차량이 현대식일수록 엔진의 공회전 속도가 가능한 한 작게 유지된다. 엔진의 이런 작은 속도는 발전기 속도에도 영향을 주는데, 이는 발전기가 엔진에 의해 구동되기 때문이다. 상기 발전기가 엔진의 공회전 시에도 온보드 네트워크에 충분히 전기 에너지를 공급하여 배터리의 재충전(recharging)이 가능해지도록, 발전기의 속도가 작은 경우에도 에너지를 공급할 수 있는 발전기가 요구된다. 또한, 일반적인 속도에서도 상기 발전기가 가능한 한 많은 에너지를 공급할 수 있어야 한다. 그러므로 발전기에 대한 최적의 제어를 통해 한편으로는 일반적인 전력 증가가 다른 한편으로는 시동 속도(starting speed)의 감소, 즉 발전기가 전력을 공급할 수 있는 때의 속도의 감소가 이루어질 수 있다.

종래의 발전기에 비해 출력 전력의 공급을 개선한 차량용 삼상 교류 발전기는 EP 0 762 596 A1에 공지되어 있다. 이 삼상 교류 발전기는 일반적인 정류 브리지(rectifying bridge) 대신에 전파 제어되는(full-wave controlled) 정류 브리지를 가지며, 이 정류 브리지는 제어가능한 6개의 스위치를 포함하고 있다. 예를 들어, 스위칭가능한 6개의 반도체 소자를 포함하는 브리지에서 스위치를 적절하게 제어함으로써, 위상 제어(phase control)가 이루어지고, 이 경우 상기 발전기의 위상 전압(phase voltage)은 상기 상전류(phase current)에 대해 상대적으로 이동될 수 있다. 이것이 가져오는 결과는 부가 전류(additional current)가 고정자 와인딩(stator winding)에서 흐르게 되어 간단한 브리지 다이오드를 가지는 삼상 교류 발전기에 비해 상기 삼상 교류 발전기의 출력 전력을 높일 수 있다는 것이다.

본 발명은 독립항의 전제부에 따른 내연기관에 의해 구동되는 발전기, 특히 클로 폴 발전기(claw pole generator)를 제어하기 위한 방법에 관한 것이다.

본 발명의 실시예는 도 1 내지 도 4에 도시되어 있으며 하기의 상세한 설명에서 상술된다.

특허청구범위 제 1 항의 특징을 가지는 발전기의 제어를 위한 본 발명에 따른 방법이 가지는 장점으로는 상기 발전기가 더 높은 출력 전력을 공급하며, 이것은 특히 속도가 작은 경우에도 더 높은 출력 전력을 공급한다는 것이다. 특히 유리한 점은 발전기의 소위 시동 속도는, 즉 전력 공급이 가능한 속도가 종래의 발전기에 비해 낮아진다는 것이다.

상기 장점들은 제 1 항에 제공된 방법을 이용해 달성된다. 이 방법을 이용할 수 있는 것은, 종래의 다이오드 대신에 스위칭 소자를 가지는 컨버터 브리지가 발전기에 할당되어 있기 때문이다. 이러한 스위칭 소자를 정확하게 제어함으로써 브리지 다이오드의 자연적인 점화 시점(natural ignition time point)에 무관하게 발전기 단자를 배터리의 양극 또는 음극에 연결할 수 있다. 상기 스위칭 소자에 대한 제어를 적절히 행함으로써 부가 전류가 발전기 단자에 공급되고 발전기에 공급되는 전력이 커질 수 있다. 이러한 부가 전류는 먼저는 배터리로부터 또는 상황에 따라서는 중간 회로 콘덴서(intermidiate circuit condenser)로부터 인가되고 스위칭 소자에 의해 발전기에 공급된다. 발전기 와인딩에 전력이 공급되는 시점은, 그것이 다이오드 동작 동안 상전류가 작거나 또는 사라지는(무전류의) 영역들에 있도록 선택된다. 직류의 펄스화(pulsing)을 통한 발전기의 전력 증가는 공급 전류의 리플(ripple) 상승과 관계가 있다. 이런 리플은 발전기 공급 전류와 전류 펄스의 인출분(draw)으로 이루어진다. 그러나 부가의 콘덴서를 이용해 다시 평활이 이루어질 수 있다는 것이 장점이 된다.

도 1에는 컨버터 브리지(11) 및 부하(12)를 가지는 발전기, 예를 들어 클로 폴 발전기(10)의 본 발명의 핵심적 요소들이 도시되어 있다. 상기 클로 폴 발전기(10) 중에서 3개의 고정자 와인딩(13), 계자 와인딩(14 : field winding) 및 여자 전류(Ierr)가 개략적으로 도시되어 있다. 이 컨버터 브리지(11)가 포함하고 있는 스위칭 소자(15 내지 20)는 일반적으로 브리지 다이오드에서처럼 상기 클로 폴 발전기(10)의 고정자 와인딩(13)과 연결되어 있다. 상기 스위칭 소자(15 내지 20)는 콘덴서(21)와 연결되어 있으며 이 콘덴서로부터 네트워크 전압(Unetz)이 인출되어 부하(12)에 제공된다. 배터리로서 예를 들어 온보드 네트워크 배터리(21a : on-board network battery)가 콘덴서를 대신할 수 있다. 상기 부하(12) 중에서 가변 저항(22)과 스위치(23)만이 개략적으로 도시되어 있다.

도 1에 도시된 회로에 있어서 발전기를 제어하기 위한 방법이 실시될 수 있다. 상기 스위칭 소자(15 내지 20)의 적절한 제어를 통해 상기 발전기 단자(15 내지 20)에 부가의 전류가 공급될 수 있다. 상기 스위칭 소자(15 내지 20)는 전류 밸브(current valve)로서 작용하며 하기에서는 밸브로도 표기된다. 그 외에 아이들 인터벌(idle interval) 동안에 전류 펄스가 부가적으로 공급될 수 있다. 이 전류 펄스는 자기 에너지에 의해 발전기 인덕턴스의 충전을 야기한다. 직류 펄스를 공급함으로써 상기 발전기에 유도적 무효 전력(inductive reactive power)이 부가적으로 제공되며, 이는 부가적인 자화 전류에 일치한다.

상기 고정자 와인딩들에 자화 전류가 부가적으로 제공되도록, 상기 발전기의 전력 공급은 순수한(pure) 다이오드 동작에 대하여 상승된다. 상기 컨버터 브리지(11)의 스위칭 소자(15 내지 20)가 도전 상태에 있는 동안의 위상이 전체적으로 이동된다. 이 경우 발전기 전압과 발전기 전류 사이에 위상 이동이 이루어진다. 이 경우 이 기계는 무효 전력을 소비한다. 이것이 의미하는 바는 상기 고정자 와인딩들 중 어느 하나에서 상전류가 영교차(zero crossing)를 가지고 다이오드 동작에서 정류가 이루어지면 이러한 정류 작용이 상기 스위칭 소자(들)의 적절한 제어를 통해 지연된다는 것이다. 이 때 스위칭 소자는 닫혀지고 배터리와의 또 다른 접속(further connection)을 담당한다. 스위칭 소자 또는 스위치의 상기 스위치 온 시점과 최장의 스위치 온 인터벌이 밸브 릴리즈를 위한 로직 회로(logic)를 통해 정해진다. 상기 시간은 위상의 그 밖의 무전류 시간 영역에 일치한다.

발전기의 전력 공급을 위해 스위치 오프 시점, 즉 정류점(commutating point)의 제어가 중요하다. 전류와 전압 사이의 상기 이동은 다양한 방법에 따라 조정된다. 특히 제어에 대한 간단한 개연성(possibilities)을 제공하는 이 방법들 중 몇몇은 도 2 내지 도 4에 제공된 실시예들에 도시되어 있다. 상기 스위칭 소자가 전류의 소위 삽입 위상(insertion phase)에서만 제어되고 상기 측정된 전류가 허용값을 초과하면 컷오프하게 되도록, 하기에서 설명되는 제어가 실시된다.

상기 발전기의 출력 전압의 크기의 제어는 전압 제어기를 이용해 이루어지는 것이 일반적이며, 이것은 예를 들어 도 1에서 참조번호 10으로 표시된 클로 폴 발전기의 구성요소가 되어 여자 전류를 제어함으로써 설정된 전압 크기가 얻어진다.

1. 스위치 전류의 제어

도 2에는 스위치 또는 스위칭 소자(밸브)에 대한 제어 회로가 도시되어 있으며, 이것을 이용한 스위치 전류의 제어가 상술된다. 이 제어를 위해 상기 전류는 스위칭 소자를 통해 검출되어 제어에 이용된다. 예를 들어 상기 전류(I)는 상기 스위칭 소자(15)를 통해 적절한 전류 검출부(24)를 이용해 검출되고 전류 목표값(Iist)으로서 비교기(25)에 제공된다. 그 외에도 전류 최대값(Imax)이 상기 비교기(25)에 제공된다. 도 2에 따른 제어 회로는 AND-게이트(26) 및 밸브 릴리즈를 위한 로직 회로(27)를 포함하며, 상기 AND-게이트(26), 상기 비교기(25)의 출력들 및 상기 밸브 릴리즈를 위한 로직 회로가 서로 연결되어 있다. 재 스위치 온(re-switch on)에 대한 로킹 기능을 가지는 밸브를 위한 제어부(28)가 상기 AND-게이트(26)의 출력에 의존하여 예를 들어, 밸브(15)를 제어한다.

도 2에 도시된 제어 회로를 이용해 발전기의 상위의 전압 제어 또는 전력 제어가 실시되고, 스위치 전류에 대한 최대값이 릴리즈된다. 해당 스위치의 실제 전류가 설정값을 초과하면, 상기 밸브는 컷오프된다. 이 때 상기 전류는 브리지 브랜치(bridge branch)의 보조 다이오드(complementary diode) 안에서 정류된다.

문제없는 기능에 대해 컷오프된 밸브에 대한 로킹이 필요한데, 이는 밸브의 컷오프 후에 밸브 전류가 0(zero)이 되기 때문이고, 순수한 전류 비교(pure current comparison)를 통해 상기 밸브에서 새로 전류가 통하게 된다. 이런 기능은 도 2에 도시된 로직 회로를 통해 실현된다.

2. 상전류의 제어

이는 직류의 최대값이 상전류의 최대값에 일치하기 때문에, 발전기 전력의 제어를 위한 다른 방법은 상전류에 의존하여 스위치를 개폐하는데 있다. 이를 위해 상기 스위치 전류 대신에 상기 전류는 발전기의 위상 와인딩(U, V 및 W : phase winding)을 통해 측정되어 제어 회로에 제공된다. 그러한 제어 회로에 대한 예는 도 3에 도시되어 있다.

왜냐하면 이런 제어에서 언제나 컨버터 브랜치의 상기 양 스위치(예를 들어 15와 18)가 하나의 위상을 제어하기 때문에, 그의 제어부 역시 제어 장치 안에 구성될 수 있다. 상기 밸브 제어부 역시 도 3에서 참조번호 28a와 28b로 표기되어 있다. 전류가 흐른 밸브의 컷오프 시점은, 해당 상전류가 설정 최대값을 초과하자마자, 도달된다.

3. 직류 제어

도 4에는 스위칭 소자 또는 밸브에 대한 다른 제어 회로가 도시되어 있으며, 이것을 이용해 직류(IG)에 대한 제어가 실시될 수 있다. 상기 발전기의 직류, 즉 공급 전류가 제어를 위해 이용되면, 비교기에 제공되어 목표값과 비교되는 값의 측정만이 필요하게 된다. 도 4에 도시된 제어 회로는 도 2에 따른 회로에 일치하지만, 밸브 전류(I)가 제어에 이용되는 것이 아니라 직류(IG)가 제어에 이용된다.

직류에 대한 제어와 스위치 전류에 대한 제어를 결합하는 것 역시 실현될 수 있다. 전류 측정 수를 줄이기 위해, 상기 밸브 전류는 측정된 직류로부터도 유도(derive)될 수 있다.

Claims (9)

1. 제어 장치에 의해 제어되는 제어 가능한 스위칭 소자를 가지는 컨버터 브리지가 할당되어 있는 발전기, 특히 내연기관에 의해 구동되는 클로 폴 발전기의 제어 방법에 있어서,

   부가 전류가 발전기 단자에 공급되고 자기 에너지로 발전기 인덕턴스가 충전되도록 상기 스위칭 소자가 제어되고, 상기 에너지가 콘덴서 또는 배터리로부터 인출되는 것을 특징으로 하는 클로 폴 발전기 제어 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 공급되는 전류는 일정 수의 전류 펄스로 이루어지고 해당 상전류가 설정가능한 최소 크기를 가지도록 발전기 와인딩으로의 전류 공급 시점이 선택되는 것을 특징으로 하는 클로 폴 발전기 제어 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 컨버터 브리지의 스위칭 소자의 스위치 온 시점 및 최장의 스위칭 온 인터벌은 밸브 릴리즈를 위한 로직 회로를 이용해 결정되는 것을 특징으로 하는 클로 폴 발전기 제어 방법.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스위칭 소자의 제어는 비교기에서 검출되는 비교 결과에 의존하여 이루어지고, 상기 비교기는 전류의 실제값과 설정된 최대값을 비교하는 것을 특징으로 하는 클로 폴 발전기 제어 방법.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 실제값은 측정 장치(24)를 이용해 측정되는 스위칭 소자를 지나는 전류인 것을 특징으로 하는 클로 폴 발전기 제어 방법.
6. 제 4 항에 있어서, 상기 실제값은 측정 장치를 이용해 측정되는 발전기의 하나 이상의 위상 와인딩(U, V, W)을 통해 흐르는 전류인 것을 특징으로 하는 클로 폴 발전기 제어 방법.
7. 제 4 항에 있어서, 상기 실제값은 측정 장치를 이용해 측정되는 발전기의 분배 전류인 것을 특징으로 하는 클로 폴 발전기 제어 방법.
8. 실제값으로서 발전기로부터 공급되는 전류와 하나 이상의 스위치를 지나는 전류의 결합 전류(combination)가 이용되는 것을 특징으로 하는 클로 폴 발전기 제어 방법.
9. 발전기의 출력 전압이 설정값으로 조정되도록 여자 전류가 전압 제어기를 이용해 부가적으로 제어되는 것을 특징으로 하는 클로 폴 발전기 제어 방법.