KR20030083705A

KR20030083705A - 슬립 링의 권선형 회전자 유도기기를 사용하는 무정전전력 공급원 및 플라이휠 에너지 저장을 위한 방법

Info

Publication number: KR20030083705A
Application number: KR10-2003-7010156A
Authority: KR
Inventors: 아이젠하우어데이빗비; 커틀리제임스엘주니어; 레스터라반에드워드
Original assignee: 샛콘 테크놀로지 코포레이션
Priority date: 2001-01-31
Filing date: 2002-01-31
Publication date: 2003-10-30
Also published as: AU2002251867A1; CA2437204A1; EP1364439A4; WO2002061910A2; WO2002061910A3; EP1364439A2

Abstract

슬립 링 유도기기 및 플라이휠 결합을 이용하여 매우 신뢰성 있는 출력 전원을 부하에 공급하는 무정전 전원 공급(UPS) 시스템 및 이에 관련된 방법의 여러 실시예가 개시된다. 바람직한 실시예에서, UPS 시스템은 엔진 및 발전기와 같은 백업 전원, 슬립 링 즉 권선형 유도 모터 및 플라이휠 결합을 포함하는데, 이들은 예컨대 일반 상용 전원과 같은 1차 전원에 병렬 연결된다. UPS의 정상 동작 중에, 1차 전원은 교류 전류 및 전압을 부하에 공급하고, UPS는 분리 인덕터 양단의 전압차를 보상한다. 더욱이, 1차 전원은 슬립 링 유도기기 및 플라이휠이 여기된 상태로 유지되도록 한다. 환언하면, 플라이휠과 축을 공유하는 슬립 링 유도기기는 정상 동기 신호 이상으로 여기된다. 1차 전원이 끊어지면, 동기 이상 속도에서 회전하여 운동에너지를 저장하고 있는 플라이휠은 슬립 링 유도 기기의 회전자를 구동하여 발전(發電), 즉 고정자에 전기를 유도한다. 따라서, 플라이휠 및 슬립 링 유도기기 결합은 백업 전원이 구동되어 온라인될 때까지 즉각적인 단기간 전력을 부하에 공급한다.

Description

슬립 링의 권선형 회전자 유도기기를 사용하는 무정전 전력 공급원 및 플라이휠 에너지 저장을 위한 방법{An Uninterruptible Power Supply System Using a Slip-Ring, Wound-Rotor-Type Induction Machine and a Method for Flywheel Energy Storage}

본 출원은 2001년 1월 31일에 출원된 미국 가출원 번호 제60/265,216호에 대한 우선권을 주장한다.

무정전 전력 공급("UPS") 시스템은, 1차 전원의 정전, 딥(dip), 또는 새그(sag) 등이 발생하는 경우, 스탠바이 교류 전력을 공급하기 위한 하나 이상의 수단과 결합되는, 예컨대 일반 상용 전원(utility grid)과 같은 1차 전원을 전형적으로 포함한다. 종래의 UPS 시스템들은 엔진(50) 및 발전기(60) 시스템과 결합되고/되거나 에너지 저장 수단(도시되지 않음)과 결합되는 1차 전원(20)을 전형적으로 포함한다. 도 4를 보라. 그러나, 1차 전원(20)의 정전, 딥 또는 새그, 즉전혀 예상될 수 없는 일이 이러한 구성에서 발생하는 경우, 엔진(50)/발전기(60)를 구동하여 온라인 되도록 하는데는 약간의 유한한 시간이 걸린다. 엔진(50)/발전기(60)를 온라인 되도록 하는데 걸리는 시간은 상대적으로 매우 짧을 수 있지만, 요즘의 컴퓨터 구동 사회에 있어서는, 완전한 전력 손실은 매우 짧은 동안이더라도 매우 큰 피해를 줄 수 있다. 더욱이, 전력의 딥 및 새그는 모터의 원활하지 못한 작동을 초래하여, 제조 프로세스를 혼란스럽게 한다.

백업 전원과 같은 엔진(50)/발전기(60)의 대안은 예컨대 배터리(40)와 같은 에너지 저장 장치를 사용하는 것을 포함한다. 배터리들(40)은 에너지를 저장하고, 상기 에너지로부터 직류(DC) 전류 및 전압을 산출한다. 전형적으로, 배터리들(40)을 이용하는 백업 시스템들은 i) 1차 전원(20)에 의해 공급된 AC 전류(25)를 DC 전류(35)로 정류하기 위한 정류기/컨버터(100) 및 ii) 배터리(40)에 의해 산출된 DC 전류(35) 및 전압을 AC 전류 및 전압 파형으로 다시 변환하기 위한 인버터(30)를 포함한다. 예를 들면, 데번포트(Deavenport)의 미국특허 4,634,888호를 보라.

실제에 있어서, 배터리(40)는 DC 전압(35)을 인버터(30)로 산출(産出)한다. 인버터(30)는 DC 전력을 실질적으로 동일한 주파수 및 크기의 AC 전력으로 변환한다. 배터리들(40)은 즉각적인 반응 시간이라는 장점이 있기 때문에, 1차 전원(20)의 정전, 딥 또는 새그의 경우에, 배터리 시스템이 즉각 사용될 수 있다.

그러나, 이러한 타입의 UPS에도 몇 가지 단점이 있다. 첫째, 배터리들(40)은 유한한 에너지 저장 용량을 가진다. 따라서, 상기 시스템은 배터리(40)의 정격 저장 용량까지만 전력을 공급할 수 있다. 에너지 수요가 배터리(40)의 저장 용량을능가하면, 배터리 저장 용량을 넘는 수요는 충족될 수 없다. 따라서, 더 많은 에너지를 공급하기 위해, 더 큰 에너지 저장 능력을 갖는 배터리(40)가 필요하다. 그러나, 배터리(40) 가격은 필요한 에너지 저장 능력과 비례한다. 따라서, 큰 저장 용량 배터리들(40)은 매우 고가일 수 있다.

둘째, 배터리들(40)은 제한된 시간량 동안에만, 환언하면 배터리(40)가 고갈될 때까지, 또는, 더욱 실용적으로는 전달되는 전력이 딥 또는 새그 현상을 보여서 모터의 원활하지 못한 동작 등을 초래할 때까지 전력을 공급할 수 있다. 따라서, 배터리(40)의 수명을 넘는 긴 기간 동안 전력을 제공하기 위해서는 또 다른 전원 예컨대, AC 발전기 및 상기 발전기를 구동할 엔진이 필요할 것이다. 마지막으로, 배터리들(40)의 저장, 유지 및 수명에 대한 문제가 언제나 발생할 수 있다.

배터리 기반 시스템의 대안은, 현재 메사추세츠 윌밍턴(Massachusetts Wilmington)의 비컨 전력(주)(Beacon Power Corporation)이 현재 시판하고 있는 것과 같은 에너지 저장 회전자 즉 플라이휠 기반 에너지 저장 시스템이다. 플라이휠 기반 에너지 저장 장치들은 용이하게 운동 에너지를 저장하고 복원하기 위한 상대적으로 단순한 장치들을 포함한다. 플라이휠은 전기 모터/발전기와 연계되어 사용된다. 개념적으로는, 기계적 에너지가 플라이휠 조립체 내에서 모터의 회전자에 의해 가해짐에 따라, 회전자와 강하게 억지 끼워맞춤(interference fit)되어있는 플라이휠은 회전하여, 기계적 운동 에너지를 저장한다.

플라이휠의 운동에너지의 대부분은 회전하는 플라이휠의 최외각부분 즉 림(rim)에 저장된다. 플라이휠 조립체 내에 저장되는 운동에너지의 양은 관성과 플라이휠의 회전속도의 제곱에 정비례한다. 따라서, 본 공지기술의 추력(thrust)은 고속, 고용량 플라이휠을 산출한다. 플라이휠이 회전함에 따라, AC 전류 및 이에 따른 전력은 전력 발생의 목적으로 모터/발전기의 고정자 상에 구성되어 배치된 와이어들 내에서 유도된다. 그러나, 플라이휠 조립체들은, 배터리들과 같이, 일정 기간동안만, 환언하면 플라이휠의 운동에너지가 부하를 동작시키기에 충분한 전류를 더 이상 제공하지 않을 때까지만 동작할 수 있다.

따라서, 에너지 저장 장치들은 또한 무정전 전력 공급을 완전히는 보장할 수 없다. 그러나, 본 발명은, 플라이휠 조립체와 결합되는 유도형 기기들을 사용하여 긴급의 단기간 저장에너지를 제공함으로써, 갭, 즉 1차 전원의 정전 또는 단락, 딥 및/또는 새그와, 백업 전원의 기동 및 온라인되기 사이의 전이시간을 메우는 UPS 시스템을 공개한다.

본 발명은 전력 공급 시스템들에 관한 것으로, 특히 슬립 링의 권선 회전자형 유도 기기 및 플라이휠 조립체의 결합을 사용하여 매우 신뢰성 있는 출력 전력(동력)을 부하에 제공하는 무정전 전력 공급 시스템들과, 상기 시스템을 이용하여 무정전 전력 공급을 제공하는 방법에 관한 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 UPS의 대안적 실시예를 설명하는 예이다.

도 2는 본 발명에 따른 디젤 엔진 및 클러치 시스템을 사용한 UPS의 바람직한 실시예를 설명하는 예이다.

도 3은 본 발명에 따른 동기 모터를 사용한 UPS의 대안적 실시예를 설명하는 예이다.

도 4는 종래 기술의 무정전 전원 공급 시스템을 설명하는 예이다.

도 5는 본 발명에 따른 동기 모터 및 디젤 엔진 및 클러치 시스템을 이용한대안적 실시예를 설명하는 예이다.

도 6은 권선형 회전자 유도 기기를 설명하는 도면 예이다.

본 발명은 플라이휠 조립체와 연계되는 이중 공급(doubly-fed) 유도기기를 사용하여 에너지 저장 및 전력 변환을 결합하는 것이 가능하도록 한다. 이러한 결합은 즉각적이고 단기간적인 긴급 AC 전력을 공급하여 전이시간 동안에 정전, 딥, 및/또는 새그를 방지하고, 백업 엔진/발전기가 동작되어 온라인되도록 한다.

본 발명의 일 실시예는 신뢰성 있는 무정전 전력을 부하에 공급하기 위한 시스템을 제공하는데, 상기 시스템은:

부하에 전력을 공급하기 위한 1차 전원;

기동 시간(start-up time)을 가지고, 상기 1차 전원이 전력을 공급할 수 없으면 상기 기동 시간 이후에 1차 전원을 대신하는 보조 전원;

회전축을 갖는 회전자, 회전자 권선들, 고정자 및 고정자 권선들을 포함하는 권선형 회전자 유도기기(wound-rotor induction machine); 및

회전 에너지를 운동 에너지로서 저장하는, 상기 회전자 축 상에 배치되는 플라이휠 조립체(flywheel assembly)를 포함하고,

상기 권선형 회전자 유도기기 및 상기 플라이휠 조립체는 상기 1차 전원에 병렬 연결되어, 상기 기동 시간 동안에 상기 부하에 즉각적인 단기간(短期間) 전력을 공급한다.

실제로, 긴급의 단기간 AC 전력은 권선형 회전자 즉 슬립-링 유도기기와 플라이휠 조립체에 의해 공급될 수 있는데, 상기 유도기기는 본 기술분야에서 이중 공급 기기(doubly-fed machine)라고 호칭되고, 상기 플라이휠 조립체는 이중 공급 기기의 회전축을 공유한다. 1차 전원의 정상 동작 중에, 2차 변동 주파수 AC 전력이 슬립 링 유도기기의 회전자에 공급되어, 슬립 링 기기 및 플라이휠 조립체가 예컨대 동기 이상(同期以上)(super-synchronous) 속도에서 동작하도록 한다. 따라서, 슬립 링 기기는 여기된 상태가 되는데, 이것은 슬립 링 기기 및 플라이휠 조립체의 결합이 즉각적으로 긴급 AC 전력을 산출할 수 있다는 것을 의미한다. 더욱이, 초기에 예컨대 동기 이상 속도에서 회전하고 있는 플라이휠 조립체의 플라이휠은 기계적 동력을 다시 슬립 링 기기로 공급할 수 있다. 그러면, 슬립 링 기기는 전기적 AC 전력을 부하에 공급할 수 있다. 일단 백업 전원이 기동되어 온라인 되면, 슬립 링 기기 및 플라이휠 조립체의 결합은 백업 전원에 의해 산출되는 전력을 사용하여 동기 이상 속도로 돌아올 수 있다.

본 발명의 좀 더 실용적인 제 2 실시예는, 슬립 링 기기 및 플라이휠 조립체에 공통으로 이미 사용되고 있는 회전자 축에 예컨대 디젤 엔진과 같은 백업 전원을 연결하는 단계를 포함한다. 제 2 실시예는 백업 전원이 기동되어 온라인 되는 방법으로 인해 전술한 제 1 실시예와 구별된다. 상기 실시예로써, 슬립 링 유도 기기는 이제 엔진을 위한 발전기 또한 될 수 있다. 유도 기기 "발전기" 및 플라이휠 조립체는 이미 온라인 되어 있고, 디젤엔진이 동작 속도에 되었을 때 디젤엔진에 클러치 연결될 수 있다. 이것은 별도 발전기의 가격 및 전력 위상 동기에 필요한 관련 제어기술을 절약할 수 있다.

전술한 바와 같이, 이중 공급 유도 모터 및 플라이휠 조립체 결합은 1차 전원 고장을 유발할 수 있는 터미널 장애, 즉 단락과 같은 상황에서는 나쁜 전력 품질을 보일 수 있다. 상기 고장은 결합 시스템의 전압을 하강시킬 수 있다. 이러한 문제점을 피하기 위해, 또 다른 실시예에서는, 일반 상용 전원에 의해 구동되어 운전되는 동기 모터(synchronous motor)가 본 시스템에 부가될 수 있다. 동기 모터는 이중 공급 유도 기기 및 플라이휠 조립체의 공통 회전자 축을 공유한다. 일반 상용 전원이 끊어지면, 초기 동기 회전 플라이휠은 기계적 에너지를 유도기기의 회전자로 공급하면서 속도가 떨어진다. 그러면, 유도 기기는 발전기가 되고, 전력을 부하에 공급한다. 본 발명의 축 라인업(lineup)은 모터/발전기 세트의 특성을 가지고, 실질적으로 라인 측(line side)과 부하 측(load side)을 분리한다.

또 다른 실시예에서, 본 발명은 신뢰성 있는 무정전 전력을 부하에 공급하는방법을 제공하는데, 본 발명은

1차 전원으로써 부하에 전원을 공급하는 단계;

기동 시간을 갖고, 상기 1차 전원을 대신하는 보조 전원에 의해, 상기 1차 전원이 전력을 공급할 수 없는 경우 상기 기동 시간 이후에 상기 부하에 전력을 공급하는 단계;

회전자를 갖는 권선형 회전자 유도기기, 및 상기 회전자의 상기 축 상에 배치되는 에너지 저장 플라이휠 조립체에 의해 상기 기동 시간 동안에 상기 부하에 즉각적인 단기간 전력을 공급하는 단계를 포함한다.

따라서, 많은 실시예에서의 본 발명은, 예컨대 일반 상용 전기의 고장과, 엔진 발전기의 기동 및 온라인 되기 사이의 전이 시간을 메우기 위해 결합되는 권선형 회전자 유도모터 및 플라이휠 조립체, 및 1차 및 백업 전원들을 포함하는 높은 신뢰성 있는 무정전 전력 공급 시스템을 제공할 수 있다.

본 발명은 후술되는 더욱 상세한 설명 및 첨부된 도면을 참조하면 더욱 잘 이해될 것이다. 도면에서 동일한 도면부호는 동일한 구성요소를 나타낸다.

본 발명에 따른 UPS 시스템(200)의 제 1 실시예가 도 1에 도시되어 있다. 구현된 시스템(200)은 3개의 주요 구성요소들을 포함한다: 설명 목적만을 위해서 엔진(50) 및 발전기(60)로서 도시되는 백업 전원(130); 슬립 링, 즉 권선형 회전자 유도기기(10) 및 플라이휠 조립체(80)의 결합, 및 일반 상용 전원과 같은 1차 전원(20). 도시된 바와 같이, 시스템(20)의 3개의 구성요소들은 병렬 연결된다. 1차 전원(20)은 교류("AC") 전류 및 전압(전력)을 정상작동 동안 부하(120)에 공급한다. 본 명세서에서는, "정상동작"은, 예컨대, 모터가 원활히 동작하지 못하거나 컴퓨터가 다운되게 할 만큼 크기의 임의의 새그 또는 딥 없이 1차 전원(20)이 부하에 전력을 공급하는 작동 기간을 언급하는 것으로 정의된다.

1차 전원(20)이 끊어지면, 환언하면 전력 레벨이 정상 작동 레벨 이하의 딥 또는 새그를 보이면, 슬립 링 기기(10) 및 플라이휠 조립체(80) 결합은 백업 전원(130)이 구동되어 온라인 될 때까지 즉각적인 단기간 전력을 부하(120)에 공급한다. 플라이휠 조립체(80)는 플라이휠 회전자가 슬립 링 기기(10)의 회전자 축(15) 상에 배치되도록 구성되고 배열될 수 있다. 슬립 링 기기(10)는, 백업 전원(130)의 백업 발전기(60)가 온라인 될 수 있을 때까지 전력을 부하(120)에 공급하기 위한 준비 상태로 유지될 수 있다.

백업 전원(130)은 회로 차단기(70), 회로들, 제어수단들, 및 회로 차단기(70)를 제어하기 위한 소프트웨어를 포함하는데, 상기 소프트웨어는 일단 발전기(60)가 기동되면 발전기(60) 및 부하(120)의 위상을 자동적으로 결정한다. 일단 발전기(60)가 부하(120)와 동위상이 되면, 회로 차단기(70)는 발전기(60)를 온라인 되도록 하여 전력을 부하(120)에 공급할 수 있도록 한다.

바람직하게는, 본 발명의 플라이휠 조립체(80)는 고속 타입으로, 본 기술분야에서 잘 알려진 제품이다. 예를 들면, 메사추세츠 윌밍턴의 비컨 전력 주식회사는 약 25,000 분당회전수("RPM")에서 동작할 수 있는 고속의 흑연 합성 플라이휠을 생산할 수 있는데, 이것은 약 6킬로와트의 에너지를 생성할 수 있다. 그러나, 본 발명은 약 1,800 RPM에서 동작할 수 있는 저속의 스틸 휠 타입의 플라이휠 조립체(80)를 사용하여 실행될 수도 있다.

더욱 바람직하게는, 고속의 합성 플라이휠 조립체들(80)이 사용되면, 기어 하강기(gear reducer)(도시되지 않음)가 회전 플라이휠의 속도와 유도 모터 회전자(11)의 속도를 동기시키기 위해 또한 사용된다. 기어 하강기는 유도 기기(10) 및 플라이휠 조립체(80) 사이에 배치될 수 있다.

본 발명의 슬립 링 유도기기(10) 및 플라이휠 조립체(80) 결합을 자세히 논의하기 전에, 유도기기에 대한 일반적 논의가 이하 서술된다. 도 6을 참조하면, 유도기기(10)는 복수의 권선들(12)을 포함하는 회전자(11), 및 역시 복수의 권선들(14)을 포함하는 고정자(13)를 포함한다. 유도기기(10)가 전기적 에너지를기계적 에너지로 변환할 때, 기기(10)는 모터라고 호칭된다. 선택적으로, 유도기기(10)가 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환할 때, 기기(10)는 발전기라고 호칭된다.

예컨대, 권선형 회전자 즉 농형(籠形)(squirrel-cage) 타입의 유도 모터들(10)은 고정자 권선들(14)에 대해 회전 자기장을 발생시킴으로써 기계적 동력을 발생시킬 수 있다. 자기장은 회전자 권선들(12) 내에서 전류 흐름을 유도한다. 전류와 자기장의 상호작용은 회전자(11)가 토크를 발생하여 회전하도록 하고, 결국 회전하는 자기장의 속도와 거의 동일한 속도로 회전하도록 한다. 회전하는 회전자(11)의 축(15)은 기계적 동력을 제공한다. 고정자 권선들(14)에 공급되는 전류 및 주파수들은 회전자(11)의 기계적 토크 및 속도를 제어 또는 조절하기 위해 사용될 수 있다. 유도 발전기는 이와 정확히 반대의 방법으로 동작한다. 회전자(11)가 회전함에 따라, 회전자 권선들(12)은 고정자 권선들(14) 내에서 AC 전류를 유도하고, 이로써 전류(전력)가 부하(120)에 출력될 수 있다.

슬립 링 기기(10)는 이중 공급 기기(doubly-fed machine)라고 호칭될 수도 있다. 왜냐하면, 전기가 2세트의 종래 전기적 권선들, 즉 회전자 권선들(12) 및 고정자 권선들(14)로 공급되거나 상기 2세트의 권선들 내에서 유도될 수 있기 때문이다. 각 세트의 권선들(12 및 14)은 그들의 전기적 주파수에 비례하는 만큼이 아니라면 기계적 동력에 비례하는 만큼의 전력을 취급한다. 고정자 권선들(14) 및 회전자 권선들(12)은 유사할 수 있다. 실제, 양 권선 타입들(12 및 14)은 다상(多相)(multi-phase)일 수 있고, 양자 모두 평형(balanced)일 수 있다. 그러나, 회전자 권선들(12) 및 고정자 권선들(14)의 전압 주파수들은 동기 속도에 대한 기기(10)의 회전 속도에 따라 다르다. 환언하면, 권선들(12 및 14)에서 보여지는 주파수들은 기기(10)의 회전에 따라 증감된다. 따라서, 전압(및 전력)은 각 권선(12 및 14)의 전기적 주파수에 비례한다.

회전자(11)의 속도가 감소하는 비율은 회전자(11)에 저장되는 운동 에너지의 양에 대한 공급되는 부하 전력에 의해 결정된다. 플라이휠들(도시되지 않음)은 회전 에너지를 운동 에너지로서 저장하므로, 유도기기(10)의 회전 축(15)에 플라이휠 조립체(80)의 플라이휠을 부착하면 시스템(20)을 효과적으로 할 수 있다.

본 발명의 여러 실시예에 따라서, 플라이휠 조립체(80)는 공통 회전자 축(15)을 공유하도록 유도기기(10)에 대해 구성된다. 따라서, 정상의 동작 중에, 플라이휠 조립체(80)의 플라이휠은 유도기기(10)의 회전자 축(15)에 의해 예컨대 동기 이상(同期以上)(super-synchronous) 속도에서 구동될 수 있다. 비상상황에서, 즉 1차 전원(20)이 끊겼을 때, 플라이휠 조립체(80)의 플라이휠에 저장된 운동에너지가 회전자(11)를 구동하기 위해 사용될 수 있는데, 상기 회전자(11)는 고정자(13) 내에 전류를 유도하고, 상기 전류는 부하(120)에 사용가능한 전력이 된다.

유도기기(10) 및 플라이휠 조립체(80) 결합에 있어서, 에너지 변환, 즉 기계적 동력의 전기적 동력(전력)으로의 변환, 또는 그 역, 및 동력(전기적 또는 기계적) 흐름 사이에는 일정 관계가 존재한다. 기기(10)가 정상 동작 속도보다 높은 주파수 또는 속도, 즉 동기 이상에서 작동하면, 환언하면 기기의 회전자(11)의 속도가 기기의 고정자(13)로 인한 회전 자기장의 동기 속도를 초월하면, 기기(10)는,전력 전자모듈(30)로부터의 특정 주파수의 전력을 회전자(11)로 능동적으로 주입함으로써, 전기적 동력을 기계적 동력으로 변환하는 모터로서 작동할 수 있다. 동일한 동기 이상 주파수에 대해, 기기(10)는 회전자(11)로부터 전력을 능동적으로 뽑음으로써 발전기 역할을 할 수 있다.

한편, 기기(10)가 정상 동작 속도보다 낮은 주파수 또는 속도, 즉 동기 이하에서 작동하면, 환언하면 회전 고정자(13) 자기장의 동기 속도가 기기(10)의 회전자(11)의 속도를 초월하면, 기기(10)는 전력 전자 모듈(30)로부터의 특정 주파수의 전력을 회전자(11)에 주입함으로써 발전기 역할을 할 수 있다. 동일한 동기 이하 주파수에 대해, 기기(10)의 회전자(11)는 회전자로부터 특정 주파수의 전력을 능동적으로 뽑음으로써 모터 역할을 할 수 있다.

동작에 있어서, 바람직하게는, 회전자(11)는 상대적으로 낮은 주파수에서 여기될 수 있고, 더욱 바람직하게는, 슬립 링 기기(10)의 회전자(11)에 공급될 DC 전력이 인버터(30)를 이용함으로써 사용될 수 있다. 인버터(30), 즉 전력전자장치는 AC 전류를 회전자 권선(12)에 공급하기 위한 것으로, 소프트웨어로써 제어될 수 있고, 더욱이, 인버터(30)로부터의 소망의 출력 전압(전력) 및 주파수가 정확하다는 것을 보장하도록 프로그래밍될 수 있다. 전력전자장치(30)에 대해 최소의 정격(定格)(rating)을 만들기 위해, 슬립 링 기기(10)는 대략 동기 속도보다 높은 속도와 동기 속도보다 동일하게 낮은 동기 이하 속도 사이의 속도에서 동작된다.

결과적으로, 동기 이상 발전기 모드에 있어서, 전력전자장치 즉 인버터(30)는 초기에 회전자(11)로부터 전력을 뽑을 수 있다. 그러나, 속도가 정상 동기 속도에 접근함에 따라, 상기 전력은 시간이 흐르면서 줄어들고 결국 제로(영)가 된다. 이 시점에서, 전력장비(30)는 회전자(11)에 외부 전력을 공급할 수 있다. 회전자로 들어가고 나오는 상기 전력은 AC 시스템을 통해 순환될 수 있다. 그러나, 다른 실시예에 있어서, 인버터(30)의 DC 링크(35)를 지지하기 위한 예컨대 배터리 또는 커패시터(도시되지 않음)와 같은 에너지 저장장치를 갖는다는 것은 제어의 용이함의 면에서 더욱 유리하다.

유도기기(10)가 플라이휠 조립체(80)와 연계되어 사용될 때, 정상 동기 속도에 대한 회전자(11) 속도의 편차는 상당할 수 있다. 실제, 회전자(11) 속도 편차는 회전자(11) 운동 에너지의 회복 동안에 약 20% 수준일 수 있다. 회전자 권선들(12), 및 권선들(12)을 구동하는 전력 변환 전자장치(30)의 정격을 줄여서 가격을 최적화하기 위해, 2개의 대안이 가능하다. 첫째, 회전자(11)가 정상 모터링 슬립(motoring slip) 이상에서 동기 속도에서 구동되고, 이로 인해 인-모터링-모드(in-motoring-mode) 기기(10)가 발전기 모드로 됨에 따라, 전력은 외부 전자장치(30)에서 회전자(11) 회로로만 즉 단방향으로 흐른다. 결과적으로, 20% 속도 편차는 단일 단방향 인버터(30)를 위한 약 20%의 전달 전력에 대응된다. 그러나, 회전자(11)는 20%의 전력 정격을 가져야 한다.

둘째, 회전자(11)는 정상 동기 속도 이상에서 일정 전력에서 필요한 에너지를 회복하기 위해 필요한 속도 변화의 1/2의 값에서 구동됨에 따라, 에너지 회복은 높은 회전자 속도에서 시작하여 회전자(11) 속도가 감쇠함에 따라 회전자 속도가 정상 모터링 슬립 값 아래의 필요한 속도 변화의 약 1/2가 될 때까지 계속된다. 더욱이, 발전기 모드에서 동기 속도 이상에서 동작하는 동안, 전력은 기기(10)에서 뽑혀진다. 뽑혀진 전력은 일정히 제로(영)로 감쇠되는데, 이는 정상 동기 신호에서 일어난다.

발전기 모드의 정상 동기 속도 아래에서, 인버터(3)로부터의 전력은 회전자(11)로 주입된다. 따라서, 주입된 전력은 정상 동기 속도에서의 제로에서 최저 속도에서의 더 높은 값으로 증가된다. 이 경우에 있어서, 회전자(11) 및 회전자(11)를 구동하는 전력전자장치(30)에서의 전력 흐름은 2개의 컨버터를 필요로 하는 쌍방향성이다. 더욱이, 최대값은 상기 단방향성 전력 흐름 방법에서의 값의 약 1/2이고, 환언하면 20% 속도 편차는 각 컨버터(100)/인버터(30)를 위해 전달된 전력의 약 10% 즉 이전 해결책의 약 1/2가 되고, 더욱이, 회전자(11)는 각 방향에서 10% 정격 전력만을 본다.

본 발명에 따른 제 2의 더욱 실용적인 실시예는 슬립 링 기기(10) 및 플라이휠 조립체(80)에 공통인 회전자 축(15) 상에 백업 예컨대 디젤 엔진(50)을 구성하여 배열하는 단계 및, 더욱이 엔진(50)을 연결 및 해제하기 위한 클러치(90)를 제공하는 단계를 포함한다. 도 2를 보라. 본 실시예를 구성하는 구성요소의 대부분은 이미 전술되었고, 이들이 공통 회전자 축(15) 상에서 백업 엔진(50)에 영향을 주거나 백업 엔진과 상호 작용하는 것을 제외하고는 다시 설명하지 않겠다.

정상 동작 중에, 1차 전원(20)은 이 기술분야에서 잘 알려진 타입의 직렬 분리 인덕터(series isolation inductor)(140)를 통해 부하(120)에, 그리고 또한 고정자(13)에, 그리고, 정류기(100)/인버터(30) 구성을 통해 슬립 링 기기(10)의 회전자(11)에 AC 전력을 공급한다. 백업 엔진(50)으로의 클러치(90)는 정상 동작 중에는 연결되지 않는다. 이전 실시예에서와 같이, 회전자(11) 및 플라이휠 조립체(80)의 공통 축(15)은 동기 이상 속도로 유지될 수 있다. 따라서, 비상 상태에서, 슬립 링 기기(10)는 이미 여기 상태로 있을 수 있다. 플라이휠 조립체(80)로부터 저장된 운동 에너지는 고정자(13)에서 부하(120)로 출력 전력을 발생시키기 위해 사용될 수 있다.

바람직하게는, 본 실시예에서, 클러치(90)는 엔진(50)이 완전히 동작할 때 공통 회전자축(15)에 엔진(50)을 연결한다. 본 실시예는 더욱 실용적이다. 왜냐하면, 유도 기기 출력이 이미 동기되어 있어서 발전기(60)의 위상과 부하(120)의 위상을 동기시키기에 필요한 별도의 발전기(60) 및 제어기들(70)이 필요 없기 때문이다. 플라이휠 조립체(80)의 플라이휠에 실질적인 관성이 있으면, 정확한 클러치 동작은 어렵지 않다. 실제, 운동 에너지의 실질적으로 저장된 양을 갖는 플라이휠 조립체(80)는, 배터리가 고갈된 표준 트랜스미션 자동차에서 행해지는 것처럼 클러치(90)를 연결 또는 "팝핑(popping)" 함으로써 엔진(50)을 기동시키기 위해 사용될 수 있다. 이와 대응하여, 회전자(11)의 속도에 있어서의 이에 따른 변화는 전류를 회전자(11)로 공급하는 인버터(30)로부터의 주파수 변화에 의해 자동적으로 보상될 수 있다.

이전의 두 실시예에서 설명된 시스템들(200)은 터미널 장애 즉 단전이 1차 전원(20)의 고장을 유발할 때와 같은 임의의 상황에서 나쁜 전력 품질을 보여줄 수 있다. 예를 들면, 단락이 충분히 심하면, 이는 슬립 링 기기(10)가 부하(120)에 공급하는 전압 (및 전력)을 끌어내릴 수 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해, 또다른 실시예에서, 슬립 링 유도기기(10)의 회전자(11)는, 플라이휠 조립체(80), 및 플라이휠 조립체(80) 및 유도기기(10)에 공통인 회전자 축(15) 상에 배치되어 구성되는 별도의 동기 모터(110)에 의해 구동될 수 있다. 도 3을 보라. 여기 구현된 시스템은 부하 측(120)과 라인 측(20)을 실질적으로 분리한다.

본 실시예에 따르면, 긴급 상황에서, 즉 1차 전원이 끊겨지는 경우, 슬립 링 유도기기(10)는 이미 여기 상태에 있을 수 있다. 더욱이, 동기 모터(110) 및 플라이휠 조립체(80)는 정상 동기 속도 이하의 공통 회전자(11) 축 상에서 회전한다. 플라이휠 조립체(80) 및 모터(110)는 기계적 동력을 슬립 링 유도 기기(10)의 회전자(11)에 제공할 수 있고, 상기 회전자는 고정자를 통해 부하(120)에 전력을 공급할 수 있다. 인버터(30)에서 슬립 링 기기(10)로 주입된 전력은 60㎐ 출력을 유지하기 위해 슬립 주파수를 보상할 수 있다.

본 실시예에 있어서의 모터(110)는 예컨대 동기 기기 또는 농형 유도기기일 수 있다. 모터(110)는 동기되거나 동기 바로 이하에서 동작하므로, 모터(110) 및 플라이휠 조립체(80)는 앞의 두 실시예의 경우와 같은 동기 이상 속도 대신에 정상동기 속도에서 초기에 동작한다. 여기서 구현된 시스템(200)은 매우 높은 품질의 전력을 제공하지만, 동기 모터(110)의 부가적 비용으로 인해 전술한 두 실시예보다 더욱 고비용이다.

본 발명의 또다른 실시예에 있어서, 도 2 및 3에서 도시된 것처럼, 축 라인 에서, 동기 모터(110), 플라이휠 조립체(80), 슬립 링 유도기기(10) 및 클러치(90)에 의해 축(15) 라인에 결합될 수 있는 엔진(50)을 포함하는 특징들을 결합하는 것이 가능하다. 도 5를 보라. 본 발명의 본 실시예에 따르면, 서술된 마지막 실시예와 같이, 1차 전원(20)이 끊기는 경우, 슬립 링 유도기기(10)는 여기 상태에 있을 수 있으나, 플라이휠 조립체(80) 및 동기 모터(50)는 정상 동기 속도 이하에서 회전한다. 인버터(30)에서 슬립 링 기기(10)로 주입되는 전력은 주파수 차이를 보상하여 60㎐ 출력을 유지할 수 있다.

일단 엔진(50)이 동작하면, 클러치(90)는 예컨대 디젤 엔진(50)을 회전자 축(15)에 자동적으로 연결할 수 있다. 플라이휠 조립체(80)의 플라이휠에 관성이 있으면, 정확한 상기의 클러치 동작은 어렵지 않다. 이와 대응하여, 회전자(11)의 속도에 있어서의 이에 따른 임의의 순간 변화는 전류를 회전자(11)로 공급하는 인버터(30)로부터의 주파수에 있어서의 증가에 의해 매칭된다.

이상에서는 무정전 전력을 부하에 공급하는 시스템(200)의 여러 실시예에 대해 서술하였다. 이제, 신뢰성 있는 무정전 전력을 부하에 공급하는 방법의 실시예에 대해 설명하겠다. 본 발명은 예컨대 일반 상용 전원과 같은 1차 전원을 이용하여 부하에 전력을 제공하는 단계; 상기 1차 전원과 병렬 연결되는 보조 전원을 이용하여, 1차 전원이 더 이상 충분한 전력을 부하에 공급할 수 없을 때, 부하에 백업 전력을 제공하는 단계; 및 1차 전원의 정전 및 2차 전원의 기동 사이의 천이상태 동안에 즉각적인 단기간 전력을 부하에 제공하는 단계를 포함한다. 더욱 바람직하게는, 상기 방법은, 권선형 회전자 유도기기의 회전자 축 상에 배치된 전술한 타입의 에너지 저장 플라이휠 조립체와 연계된, 전술한 타입의 권선형 회전자 유도기기를 사용하여 즉각적인 단기간 전력을 부하에 공급하는 단계를 포함한다.

본 방법의 바람직한 실시예에 따르면, 단기간 전력은, 예컨대 동기 이상 속도에서 회전하는 플라이휠 조립체 내에 저장된 운동에너지를 사용하여 부하에 공급될 수 있다. 실제, 바람직한 본 방법은 동기 이상 주파수 및 동기 이하 주파수 사이의 주파수에서 권선형 회전자 유도기기를 동작하는 단계를 포함하는데, 상기 동기 이하 주파수는 상기 동기 이상 주파수가 동기 신호를 넘는 양과 동일한 양만큼 상기 동기 신호의 이하이다.

또다른 실시예에서, 즉각적인 단기간 전력을 공급하는 단계는, 전기적으로 권선형 회전자 유도기기를 구동하기 위해 1차 전원을 사용하는 하부 단계, 또는 권선형 회전자 유도기기를 기계적으로 구동하기 위해 예컨대 동기 모터와 같은 오프라인 동력원을 사용하는 하부단계를 포함한다.

본 발명은 바람직한 실시예를 참조하여 자세히 설명되었으나, 형식 및 세부사항에 있어서 변경 또는 수정이 본 발명의 범주 및 사상을 벗어나지 않고 행해질 수 있음이 본 기술분야의 당업자에게는 용이하게 명백할 것이다.

예를 들면, 별도의 진공 펌프(도시되지 않음)가 플라이휠 조립체(80)에 대해 구성되고 배치되어, 공기 드래그(air drag)로 인한 플라이휠의 마찰 손실을 더욱 줄이기 위해 플라이휠 조립체(80) 내부를 진공으로 할 수 있다.

또한, 구현된 본 시스템(200)은 전기 출력보다 기계적 출력을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 따라서, 이중 공급 기기(10)의 축(15)은 수력 모터, 펌프 따위, 산업 기계 장비 , 및/또는 건설 중장비에 대해 구성되어 배치될 수 있다.

본 명세서의 내용에 포함되어 있음.

Claims

부하에 전력을 공급하기 위한 1차 전원;

기동 시간(start-up time)을 가지고, 상기 1차 전원과 병렬 연결되며, 상기 1차 전원이 전력을 공급할 수 없으면 상기 기동 시간 이후에 상기 부하에 전력을 공급하기 위한 보조 전원;

회전축을 갖는 회전자, 회전자 권선들, 고정자 및 고정자 권선들을 포함하는 권선형 회전자 유도기기(wound-rotor induction machine); 및

회전 에너지를 운동 에너지로서 저장하는, 상기 회전자 축 상에 배치되는 플라이휠 조립체(flywheel assembly)를 포함하고,

상기 권선형 회전자 유도기기 및 상기 플라이휠 조립체는 상기 1차 전원에 병렬 연결되어, 상기 기동 시간 동안에 상기 부하에 즉각적인 단기간(短期間) 전력을 공급하는, 부하에 신뢰성 있는 무정전(無停電) 전력을 공급하는 시스템.
제 1 항에 있어서,

1차 전원은 일반 상용 전원(utility grid)인 것을 특징으로 하는 신뢰성 있는 무정전 전력을 공급하는 시스템.
제 1 항에 있어서,

보조 전원은 제 1 위상을 갖는 발전기 및 엔진을 포함하고, 상기 엔진은 상기 발전기를 구동하고, 상기 발전기는 교류 전력을 제 2 위상을 갖는 부하에 공급하는 것을 특징으로 하는 신뢰성 있는 무정전 전력을 공급하는 시스템.
제 3 항에 있어서,

보조 전원은 제 1 및 제 2 위상들을 결정하기 위한 수단을 더욱 포함하는 것을 특징을 하는 신뢰성 있는 무정전 전력을 공급하는 시스템.
제 4 항에 있어서,

보조 전원은 발전기와 부하가 동위상인 경우 전력을 부하에 공급하기 위해 발전기를 온라인 되도록 하기 위한 수단을 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 신뢰성 있는 무정전 전력을 공급하는 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 부하로의 즉각적인 단기간 전력은 플라이휠 조립체 내에 저장되는, 고정자 내에 전류를 유도하는 회전자를 구동하기 위한 운동에너지에 의해 공급되는 것을 특징으로 하는 신뢰성 있는 무정전 전력을 공급하는 시스템.
제 1 항에 있어서,

회전자 권선들은 제 1 주파수를 가지고 고정자 권선들은 제 2 주파수를 가지며, 상기 주파수들은 권선형 회전자 유도 기기의 회전자의 회전 속도와 관련되어증감되는 것을 특징으로 하는 신뢰성 있는 무정전 전력을 공급하는 시스템.
제 7 항에 있어서,

권선형 회전자 유도기기는 동기(同期) 이상(以上) 주파수와 동기 이하(以下) 주파수 사이의 주파수에서 동작하고, 상기 동기 이하 주파수는 상기 동기 이상 주파수가 동기 신호를 넘는 양과 동일한 양만큼 상기 동기 신호의 이하인 것을 특징으로 하는 신뢰성 있는 무정전 전력을 공급하는 시스템.
제 8 항에 있어서,

동기 이상 주파수에서 동작하는 권선형 회전자 유도기기는 전력을 회전자로 주입하는 적어도 하나의 모터와 전력을 회전자에서 추출하는 발전기를 포함하는 것을 특징으로 하는 신뢰성 있는 무정전 전력을 공급하는 시스템.
제 8 항에 있어서,

동기 이하 주파수에서 동작하는 권선형 회전자 유도기기는 전력을 회전자에서 추출하는 적어도 하나의 모터와 전력을 회전자에 주입하는 발전기를 포함하는 것을 특징으로 하는 신뢰성 있는 무정전 전력을 공급하는 시스템.
제 1 항에 있어서,

전력을 회전자에 주입하기 위한 에너지 저장 수단을 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 신뢰성 있는 무정전 전력을 공급하는 시스템.
제 1 항에 있어서,

연결 및 해제 수단을 가지는 보조 전원은 유도 기기의 회전 축 상에 배치되고, 또한 기동 시간 동안에 플라이휠 조립체로부터의 운동에너지가 회전 축을 충분히 회전시켜 상기 보조 전원을 기동시키도록 구성되고 배치되는 것을 특징으로 하는 신뢰성 있는 무정전 전력을 공급하는 시스템.
제 12 항에 있어서,

보조 전원은 디젤 엔진이고, 연결 및 해제 수단은 클러치 조립체인 것을 특징으로 하는 신뢰성 있는 무정전 전력을 공급하는 시스템.
제 1 항에 있어서,

권선형 회전자 유도 모터는 1차 전원에 의해 전기적으로 구동되는 것을 특징으로 하는 신뢰성 있는 무정전 전력을 공급하는 시스템.
제 1 항에 있어서,

권선형 회전자 유도 모터는 오프 라인 동력원에 의해 기계적으로 구동되는 것을 특징으로 하는 신뢰성 있는 무정전 전력을 공급하는 시스템.
제 15 항에 있어서,

오프 라인 동력원은 권선형 회전자 유도 모터의 회전자 축 상에 배치되는 동기 모터를 포함하는 것을 특징으로 하는 신뢰성 있는 무정전 전력을 공급하는 시스템.
제 1 항에 있어서,

플라이휠 조립체는 약 25,000 분당회전수(RPM)로 동작하는 고속의 흑연 합성 플라이휠인 것을 특징으로 하는 신뢰성 있는 무정전 전력을 공급하는 시스템.
1차 전원을 이용하여 부하에 전원을 공급하는 단계;

기동 시간을 갖고 상기 1차 전원을 대신하는 보조 전원을 사용하여, 상기 1차 전원이 전력을 공급할 수 없는 경우 상기 기동 시간 이후에 상기 부하에 전력을 공급하는 단계;

상기 회전자의 상기 축 상에 배치되는 에너지 저장 플라이휠 조립체와 결합되는, 회전자를 갖는 권선형 회전자 유도기기를 사용하여 상기 기동 시간 동안에 상기 부하에 즉각적인 단기간 전력을 공급하는 단계;

를 포함하는 부하에 신뢰성 있는 무정전 전력을 공급하는 방법.
제 18 항에 있어서,

상기 부하로의 즉각적인 단기간 전력은, 회전자를 구동하는, 플라이휠 조립체 내에 저장된 운동 에너지에 의해 공급되는 것을 특징으로 하는 신뢰성 있는 무정전 전력을 공급하는 방법.
제 18 항에 있어서,

즉각적인 단기간 전력을 공급하는 단계는, 동기(同期) 이상(以上) 주파수와 동기 이하(以下) 주파수 사이의 주파수에서 권선형 회전자 유도기기를 동작시키는 단계를 포함하고, 상기 동기 이하 주파수는 상기 동기 이상 주파수가 동기 신호를 넘는 양과 동일한 양만큼 상기 동기 신호의 이하인 것을 특징으로 하는 신뢰성 있는 무정전 전력을 공급하는 방법.
제 18 항에 있어서,

즉각적인 단기간 전력을 공급하는 단계는 1차 전원에 의해 전기적으로 권선형 회전자 유도기기를 구동하는 하부 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 신뢰성 있는 무정전 전력을 공급하는 방법.
제 18 항에 있어서,

즉각적인 단기간 전력을 공급하는 단계는 오프라인 전원에 의해 기계적으로 권선형 회전자 유도기기를 구동하는 하부 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 신뢰성 있는 무정전 전력을 공급하는 방법.
회전축을 갖는 회전자, 회전자 권선들, 고정자 및 고정자 권선들을 포함하는 권선형 회전자 유도기기(wound-rotor induction machine);

상기 유도기기에 전력을 공급하기 위한 1차 전원;

기동 시간(start-up time)을 가지고, 상기 1차 전원이 전력을 공급할 수 없으면 상기 기동 시간 이후에 상기 유도기기에 전력을 공급하기 위한 보조 전원; 및

회전 에너지를 운동 에너지로서 저장하는, 상기 회전자 축 상에 배치되는 플라이휠 조립체(flywheel assembly)를 포함하고,

상기 플라이휠 조립체는 상기 기동 시간 동안에 즉각적인 단기간 기계적 전력을 상기 유도기기에 공급하는, 부하에 기계적 출력을 공급하는 시스템.
제 23 항에 있어서,

상기 부하는 수력 모터, 수력 펌프, 건설 장비, 및 산업 기계 장비를 포함하는 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 기계적 출력을 공급하는 시스템.