KR20030060468A

KR20030060468A - 플라이휠을 이용한 비상발전시스템

Info

Publication number: KR20030060468A
Application number: KR1020020001187A
Authority: KR
Inventors: 남광희; 김성완
Original assignee: 학교법인 포항공과대학교
Priority date: 2002-01-09
Filing date: 2002-01-09
Publication date: 2003-07-16
Also published as: KR100429914B1

Abstract

본 발명은 플라이휠을 이용한 비상발전시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 평상시에는 계통전원에 의해 부하 및 플라이휠이 구동되며, 계통전원에 이상이 발생하는 경우에는 최초 소정시간동안은 플라이휠의 회전관성을 이용하여 부하에 양질의 전원을 공급하며, 계통전원의 이상이 지속되는 경우에는 모터/발전기부를 구동하여 부하에 전원을 공급하는 플라이휠을 이용한 비상발전시스템에 관한 것이다.

이를 위하여 본 발명은 모터/발전기부와, 상기 모터/발전기부의 기계적 에너지원으로 사용하기 위한 엔진과, 상기 엔진과 상기 모터/발전기부를 체결하기 위한 체결수단과, 상기 모터/발전기부에 계자전류를 공급하기 위한 계자권선전류 공급장치와, 상기 모터/발전기부, 상기 엔진 및 상기 체결수단을 제어하기 위한 제어장치와 비상발전시스템의 최초 기동시에 계통전원과 상기 모터/발전기부를 차단하기 위한 회로차단기 및 상기 계통전원 이상시 소정시간동안 상기 계통전원의 전압을 유지시키기 위해 상기 모터/발전기부에 체결된 플라이휠을 포함하고, 상기 제어장치는 상기 회로차단기도 제어하는 것을 특징으로 한다.

Description

플라이휠을 이용한 비상발전시스템{Emergency generating system using flywheel}

최근 인터넷 사용등의 폭증으로 인하여 양질의 전력 공급이 요구되고 있다. 그러나, 주 전력공급 시스템과 같은 송/배전 설비만으로는 정전이나 순간적인 저전압 등과 같은 계통사고에 효율적으로 대처할 수 없으며, 현실적으로 이러한 계통사고를 완전히 제거하기는 불가능하다. 따라서, 정전 또는 순간적인 저전압 등의 계통전원에 이상이 발생하는 경우에 이를 대처하기 위해 비상발전기 또는UPS(Uninterruptible Power Supply) 장비를 사용하고 있다. 도 1은 일반적인 UPS 장비의 구성도로서 도시된 바와 같이, 전원 전압에 혼입된 잡음을 제거하는 필터(1)와, 상기 필터(1)의 출력 전압을 필터링하여 직류 전압을 출력하는 정류기(2)와, 상기 정류기(2)의 출력 전류를 제한하여 안정시킴에 의해 배터리(BATT)를 부동 충전시키는 쵸퍼(3)와, 상기 쵸퍼의 출력 전압을 구형파로 변환하는 인버터(4)와, 상기 인버터(4)의 출력을 절연시키는 절연 트랜스포머(5)와, 상기 절연 트랜스포머(5)의 출력 전압을 직류 전압으로 정류하는 정류기(6)와, 상기 정류기(6)의 출력에 혼입된 잡음을 제거하는 필터(7)와, 상기 필터의 출력 전압을 스위칭하여 고조파가 혼입된 교류전압을 출력하는 인버터(8)와, 상기 인버터의 출력 전압을 필터링하여 고조파를 제거함으로써 정현파를 출력하는 필터(9)로 구성되어 있다.

그러나, 상기와 같은 일반적인 UPS 장비는 배터리를 사용함으로써, 충전 및 방전 과정에서 폭발성 가스가 발생할 가능성이 있을 뿐 아니라, 설치시에도 많은 공간을 필요로 한다는 문제점이 있다. 또한, UPS 장비는 고가임으로 경제적인 부담을 주게 되고, 시스템을 구현하려는 경우에도 시스템이 복잡하여 대용량화가 어려울 뿐 아니라 용량제한으로 고압화가 어려우므로 실용화하기 곤란한 문제점이 있다. 또한, 별도의 전력 공급원을 통하여 필요한 순간에 전력을 공급하는 비상발전기의 경우는 정전대비용으로 사용되므로 순간적인 저전압 상황에는 효율적으로 대응할 수 없으며, 계통전원과는 병렬운전이 불가능하다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 전기적 에너지 저장장치가 아닌 기계적 에너지 저장장치인 플라이휠을 사용함으로써 순간전압의 강하, 정전 등의 계통전원의 불안정한 상태에 보다 효율적으로 대처할 수 있는 비상발전시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 기존의 UPS 장비에 비해 설치공간을 최소화 할 수 있으며, 비용을 절감시킬 수 있는 비상발전시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 엔진과 모터/발전기부 세트를 통하여 정전에 대비한 비상발전이 가능하고, 정전이 되지 않은 상태에서도 전력수요가 폭주하는 경우 과도한 전력수요를 계통전원과 분담함으로써 전기요금을 절약할 수 있는 비상발전시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 일반적인 UPS 장비의 구성도이고,

도 2는 본 발명에 따른 플라이휠을 이용한 비상발전시스템의 구성도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 엔진

20 : 클러치

30 : 모터/발전기부

31 : 계자권선 전류공급장치

40 : 플라이휠

50 : 회로차단기

60 : 제어장치

61 : 통신모듈

62 : 회로차단기 제어장치

63 : 엔진조속기

64 : 클러치 제어장치

65 : 계통전원 전압/위상 측정부

66 : 모터/발전기부출력 전압/위상 측정부

67 : 모터/발전기부 회전속도 측정부

70 : 부하

80 : 계통전원

90 : 외부기기

100 : 엔진-모터/발전기부 세트

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 모터/발전기부와, 상기 모터/발전기부의 기계적 에너지원으로 사용하기 위한 엔진과, 상기 엔진과 상기 모터/발전기부를 체결하기 위한 체결수단과, 상기 모터/발전기부에 계자전류를 공급하기 위한 계자권선전류 공급장치와, 상기 모터/발전기부, 상기 엔진 및 상기 체결수단을 제어하기 위한 제어장치와 비상발전시스템의 최초 기동시에 계통전원과 상기 모터/발전기부를 차단하기 위한 회로차단기 및 상기 계통전원 이상시 소정시간동안 상기 계통전원의 전압을 유지시키기 위해 상기 모터/발전기부에 체결된 플라이휠을 포함하고, 상기 제어장치는 상기 회로차단기도 제어하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 체결수단은 전기적 신호에 의해 체결이 되는 클러치인것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 모터/발전기부는 정상운전시는 모터로 동작하고, 계통전원 이상시에는 발전기로 동작하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 플라이휠은 상기 계통전원 이상 발생시부터 상기 체결수단이 닫혀 상기 엔진에 의한 동력공급이 시작될 때까지 소정의 회전속도 이하로 감소되지 않도록 소정의 회전관성을 가진 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 제어장치는 무정전 전원공급시스템의 최초 기동시에 상기 계통전원과 상기 모터/발전기부를 차단하기 위한 회로차단기 제어장치와, 상기 계통전원의 이상시 상기 엔진을 기동시키기 위한 엔진조속기와, 상기 엔진의 동력을 상기 모터/발전기부로 전달하기 위한 상기 체결수단을 제어하기 위한 체결수단 제어장치와, 상기 계통전원의 전압 및 위상을 측정하는 계통전원 전압 및 위상 측정부와, 상기 모터/발전기부의 출력전압 및 위상을 측정하는 모터/발전기부 출력 전압 및 위상 측정부 및 상기 모터/발전기부의 회전속도를 측정하기 위한 모터/발전기부 회전속도 측정부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 외부에서 원격 제어 및 감시를 위한 외부기기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 제어장치는 상기 외부기기와의 통신을 위한 통신모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해서 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 2에 본 발명에 따른 플라이휠을 이용한 비상발전시스템 시스템의 구성도가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 본 발명은 엔진-모터/발전기부 세트, 제어장치, 회로차단기 및 외부기기로 이루어진다. 이중 상기 엔진-모터/발전기부 세트는 엔진, 체결수단의 일 예인 클러치, 모터/발전기부 및 플라이휠로 이루어지며, 상기 제어장치는 통신모듈, 회로차단기 제어장치, 엔진조속기, 체결수단 제어장치의 일 예인 클러치 제어장치, 계통전원 전압/위상측정부, 모터/발전기부 출력전압/위상측정부, 모터/발전기부 회전속도 측정부로 이루어진다.

본 발명에 따른 작동단계는 시스템 최초기동모드, 정상운전모드, 저전압 UPS 모드, 엔진 기동모드, 정상상태로의 회복모드로 구성되어 있으며, 각각의 단계를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

시스템 최초기동모드에서는 본 발명인 플라이휠을 이용한 무정전 전원공급시스템을 최초 기동시키는 경우에 작동이 된다. 구체적으로 살펴보면, 체결수단(20)이 닫히고 회로차단기(50)는 열린 상태에서 엔진(10) 또는 인버터(미도시)에 의해 모터/발전기부(30)가 기동되고, 모터/발전기부에서는 3상 전압이 출력된다. 이 때 제어장치(60)의 전압 및 위상측정부는 모터/발전기부(30)와 계통전원(80)의 위상 및 전압을 측정하게 된다. 엔진 회전수의 증가에 따라 모터/발전기부의 출력전압이 증가하게 되고, 모터/발전기부(30)의 출력전압 및 위상과 계통전원(80)의 전압 및 위상과 일치되면 회로차단기(50)를 닫고, 체결수단은 열어 둠으로써, 모터/발전기부(30)는 계통전원(80)과 연결이 된다. 계통전원(80)과 연결된 후에는 상기 모터/발전기부와 부하는 계통전원으로부터 전력을 공급받는 정상운전모드로 된다.

정상운전모드에서는 계통전원(80)에 저전압 혹은 정전 등의 이상이 없는 상태에서의 작동되는 단계로, 상기 정상운전모드에서는 모터/발전기부(30)는 모터로서 작동하며 플라이휠(40)을 일정속력으로 계속 돌리고 있다. 이 때 필요한 동력은 계통전원(80)에서 공급받으며 체결수단의 일 예인 클러치(20)는 열려있는 상태이므로 엔진(10)과 모터/발전기부(30)는 분리되어 있다. 상기 정상운전모드에서 제어장치(60)에 의해 계통전원의 전압상태가 감지되고 있다.

저전압 UPS모드는 저전압 또는 정전 등 계통전원(80)에 이상이 발생한 단계이다. 부하(70)의 측면에서 본다면 상기 정상운전모드에서 일정한 속도로 회전하고 있던 플라이휠(40)의 기계에너지가 전기에너지로 변환되어 부하(70)에 공급되므로 순간적인 계통전원이상에도 불구하고 부하에 공급되는 전력에는 영향이 없다. 상기 계통전압 감지단계에서 엔진(10)과 쳬결수단의 일 예인 클러치(20)는 전혀 작동하지 않는다.

엔진기동모드에서는 부하에 엔진에 의한 전력이 공급된다. 즉, 계통전원(80)의 이상상태가 지속되면(예컨대 1초 이상) 엔진(10)이 기동된다. 엔진(10)이 기동되기 전까지는 상기 저전압 UPS모드에서 기술한 바와 같이 플라이휠(40)관성에 의한 기계적 에너지가 모터/발전기부(30)를 돌리는 동력원이 되며, 모터/발전기부(30)에서 생성된 전압이 부하(70)에 인가된다. 시간이 지남에 따라 플라이휠(40)의 회전속도는 점차 감소된다. 엔진(10)의 회전속도가 모터/발전기부(30)의 회전속도에 다다르면 클러치(20)가 닫혀 엔진동력으로 모터/발전기부를 가속시켜 정상속력에 이르게 하며, 모터/발전기부(30)의 구동력은엔진(10)으로부터 공급받는다. 계통전원(80)에 저전압 또는 정전이 발생한 순간부터 클러치(20)가 닫혀 엔진(10)에 의한 동력공급이 시작될 때까지는 플라이휠(40)에 의해 부하(70)에 전력이 공급되어야 하므로, 플라이휠(40)의 회전속도가 적정한 속도 이하로 감소되지 않도록 플라이휠의 회전관성은 적절히 크게 설계되어야 한다.

회복모드는 정전이나 저전압 상태 등의 계통전원(80) 이상상태가 회복되고, 계통전원(80)의 전압이 정상상태로 회복된다면, 클러치(20)가 열리고 엔진(10)은 동작을 멈춘다. 이때부터는 상기의 정상운전모드로 회복된다.

이상의 설명은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것으로서, 본 발명은 이에 한정되지 않고 다양하게 변형될 수 있다. 예를 들어, 상기 모터/발전기부(30)의 회전자 관성을 크게 함으로써 플라이휠(40)을 별도로 달지 않고도 상기 무정전 전원 공급시스템의 기능을 충분히 성취할 수가 있다.

이와 같이 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

상술한 바와 같이, 전기적 에너지 저장장치가 아닌 기계적 에너지 저장장치인 플라이휠을 사용함으로써 순간전압의 강하, 정전 등의 불안정한 상태에 보다 효율적으로 대처할 수 있으며, 기존의 UPS에 비해 설치공간을 최소화할 수 있고, 비용을 절감시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 엔진-모터/발전기부세트를 통하여 정전에 대비한 비상발전이 가능하고, 정전이 되지 않은 상태에서도 전력수요가 폭주하는 경우 과도한 전력수요를 계통의 전력과 분담함으로써 전기요금을 절약할 수 있는 효과가 있다.

Claims

모터/발전기부;

상기 모터/발전기부의 기계적 에너지원으로 사용하기 위한 엔진;

상기 엔진과 상기 모터/발전기부를 체결하기 위한 체결수단;

상기 모터/발전기부에 계자전류를 공급하기 위한 계자권선전류 공급장치;

상기 모터/발전기부, 상기 엔진 및 상기 체결수단을 제어하기 위한 제어장치;

비상발전시스템의 최초 기동시에 계통전원과 상기 모터/발전기부를 차단하기 위한 회로차단기; 및

상기 계통전원 이상시 소정시간동안 상기 계통전원의 전압을 유지시키기 위해 상기 모터/발전기부에 체결된 플라이휠을 포함하고, 상기 제어장치는 상기 회로차단기도 제어하는 것을 특징으로 하는 플라이휠을 이용한 비상발전시스템.
제1항에 있어서, 상기 체결수단은 전기적 신호에 의해 체결이 되는 클러치인 것을 특징으로 하는 플라이휠을 이용한 비상발전시스템.
제1항에 있어서, 상기 모터/발전기부는 정상운전시는 모터로 동작하고, 계통전원 이상시에는 발전기로 동작하는 것을 특징으로 하는 플라이휠을 이용한 비상발전시스템.
제1항에 있어서, 상기 플라이휠은 상기 계통전원 이상 발생시부터 상기 체결수단이 닫혀 상기 엔진에 의한 동력공급이 시작될 때까지 소정의 회전속도 이하로 감소되지 않도록 소정의 회전관성을 가진 것을 특징으로 하는 플라이휠을 이용한 비상발전시스템.
제1항에 있어서, 상기 제어장치는 무정전 전원공급시스템의 최초 기동시에 상기 계통전원과 상기 모터/발전기부를 차단하기 위한 회로차단기 제어장치;

상기 계통전원의 이상시 상기 엔진을 기동시키기 위한 엔진조속기;

상기 엔진의 동력을 상기 모터/발전기부로 전달하기 위한 상기 체결수단을 제어하기 위한 체결수단 제어장치;

상기 계통전원의 전압 및 위상을 측정하는 계통전원 전압 및 위상 측정부;

상기 모터/발전기부의 출력전압 및 위상을 측정하는 모터/발전기부 출력 전압 및 위상 측정부; 및

상기 모터/발전기부의 회전속도를 측정하기 위한 모터/발전기부 회전속도 측정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라이휠을 이용한 비상발전시스템.
제1항에 있어서, 외부에서 원격 제어 및 감시를 위한 외부기기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라이휠을 이용한 비상발전시스템.
제5항 내지 제6항중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어장치는 상기 외부기기와의 통신을 위한 통신모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라이휠을 이용한 비상발전시스템 .