KR20040037525A - 선박발전기용 자동전압조정기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 자동전압조정기(AVR)와 전류 부스터 장치를 일체로 구성함으로써 설치 및 운전이 용이하도록 한 선박발전기용 자동전압조정기에 관한 것이다.
본 발명에 따른 선박발전기용 자동전압조정기는, 교류발전기의 정상 동작시 발전기의 계자권선에 전류를 공급하는 AVR 전력부와, 상기 AVR 전력부의 정상 동작시 양방향 사이리스터(Thyristor)를 통해 단락상태를 유지하다가 발전기 출력단의 과부하 또는 이상으로 인한 과전류 공급을 필요로 하는 경우 사이리스터를 통한 단락을 해지하고 발전기의 계자권선에 전류를 공급하는 전류 부스터 전력부가 구비된다.

Description

선박발전기용 자동전압조정기{Automatic voltage regulator for ship generator}
본 발명은 선박발전기용 자동전압조정기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 자동전압조정기와 전류 부스터 장치를 일체로 구성함으로써 설치 및 운전이 용이하도록 한 선박발전기용 자동전압조정기에 관한 것이다.
일반적으로 발전기는 자속 내부를 그 자속과 교차되도록 코일을 움직여 기전력을 발생함으로써 기계적인 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 장치이다. 발전기에 있어서 자동전압의 조정은 자동전압조정기(Automatic Voltage Regulator: AVR)에 의해 발생된 전원을 발전기의 계자권선에 직접 인가하거나, 또는 여자기의 계자권선에 인가하여 제어한다.
이러한 방법은 발전기의 정상 동작에서는 만족스럽지만, 발전기 출력단의 과부하 상태나 사고시와 같은 과도한 전류를 필요로 하는 경우에는 전류 부스터 장치(Current Boost System: CBS)를 추가로 설치하여 이를 통하여 이상시의 전류를 공급하여야 한다.
이러한 발전기 출력단의 과부하 상태나 사고시와 같은 과도한 전류를 필요로 하는 경우, 이를 해결하기 위해 출원된 미국특허 제 4,264,856 호 'System for maintaining excitation of an alternating current generator during excessive output current conditions'는 센트타입 여자기를 가지는 발전기에서 출력단이 단락상태 등으로 인해 과도한 발전기 전류를 필요로 하는 경우 전류를 공급하기 위한 전류 부스터 장치를 제공한다. 그러나, 이는 전류 부스터 장치 만의 하드웨어에 대한 특허로 발전기의 출력전압을 아날로그 소자로 감지하고, 출력전압이 발전기 단락 등의 이유로 아날로그 볼륨으로 설정한 전압보다 저하하는 경우 하드웨어에 의해 자동적으로 SCR을 턴-오프하도록 한다.
또한, 미국특허 제 5,294,879 호로 출원된 'Microprocessor-controlled Regulator'는 발전기의 출력전압에 대한 일정한 제어를 위한 마이크로프로세서에의한 여자 제어 장치의 제어 알고리즘에 의해 발전기의 전류를 제어한다. 그러나, 이는 여자 제어 장치인 자동전압조정기 만의 제어 알고리즘에 관한 것이다.
상기 발전기에 있어서, 출력단의 과부하 상태나 사고시와 같은 과도한 전류를 필요로 하는 경우에 필요한 전류 부스터 장치는 선박발전기 등과 같은 응용에서는 반드시 필요로 하는 것으로 자동전압조정기와 함께 설치된다.
도 1은 일반적인 선박발전기의 회로 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 일반적인 선박용 발전기는 백업(Back-Up) 전원 용량이 적기 때문에 발전기의 사고는 곧 정전으로 이어지고, 장시간의 발전기 사고는 정상적인 선박의 운항에 큰 지장을 주기 때문에 발전기 출력단의 과부하 상태나 사고시와 같은 과도한 전류를 필요로 하는 경우 자동전압조정기(10)가 발전기 계자에 전류를 흘려줄 수 없기 때문에 전류 부스터 장치(20)가 반드시 추가로 설치되어야 한다. 따라서, 자동전압조정기(10)와 직렬로 전류 부스터 장치(20)가 연결된다.
도 2는 도 1의 선박발전기용 자동전압조정기의 전력회로 구성도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 자동전압조정기(10)는 발전기의 출력전압 Va, Vb, Vc로부터 전원을 입력받아 다이오드 모듈(Diode Module) DM1에 의해 교류전원에서 직류전원으로 정류하고 커패시터 모듈(Capacitor Module) CM1에 저장한다. 커패시터 모듈 CM1에 저장된 에너지는 자동전압조정기(10)에 의해 발전기 출력전압을 원하는 전압으로 제어시킬 수 있도록 IGBT Q1의 게이트 신호를 펄스폭 변조(Pulse Width Modulation)한다.
이때, 도 2의 TNR1, TNR2, TNR3는 입력전원의 서지전압(Surge Voltage)을 제거하기 위한 서지 옵서버이고, R1은 커패시터 모듈 CM1의 방전저항이며, 다이오드 D1은 여자회로 F+ 및 F-의 프리휠링(Free Wheeling) 다이오드이다.
도 3은 도 1의 선박발전기용 전류 부스터 장치의 전력회로 구성도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 전류 부스터 장치(20)는 CT(Current Transformer), PT(Potential Transformer), 필터콘덴서 C1∼C3, 정류용 다이오드 모듈 DM1, 다이오드 BR1, 사이리스터 Q1으로 구성된 전력회로와, VR1, VR2, 출력전류 제한회로(Output Limit Circuit) 및 LED 모니터 등을 포함한다.
발전기가 정상적으로 동작되는 상황에서는 CT에 의해 공급된 교류전력은 정류용 다이오드 모듈 DM1을 거쳐 직류로 변환되고, PT에 의해 검지된 버스전압이 VR1에 의해 설정된 동작점 보다 높아 사이리스터 Q1을 도통시키게끔 하여 다이오드 모듈 DM1에 의해 정류된 전압출력을 바이패스한다. 그러나, 발전기 출력단 단락 등의 비정상적으로 동작되는 상황에서는 버스전압이 하강하여 PT에 의해 검지된 버스전압이 VR1의 설정치 보다 낮아져 사이리스터 Q1을 턴-오프(Turn-Off)시킨다. 사이리스터 Q1의 턴-온(Turn-On)/턴-오프(Turn-Off) 시비율은 VR2로 주어지는 출력전압 설정치에 의해 조정된다. 즉, VR1은 PT에 의해 검지된 발전기 출력전압에 대해 이상시 전압 강하에 따라 전류 부스터 장치(20)의 동작여부를 결정하는 전압을 설정하기 위한 것이며, VR2는 전류 부스터 장치가 동작할 때 전류 부스터 장치의 출력전압을 조정하기 위한 것이다.
그러나, 상술한 바와 같은 종래의 발전기들은 자동전압조정기 및 전류 부스터 장치가 각각 개별로 제작되어 부착됨으로 부피가 크고, 결선이 복잡해 지는 문제점이 있다. 즉, 자동전압조정기 및 전류 부스터 장치는 각기 개별로 독립되어 운전됨으로 양쪽 모두 발전기 출력단 전압을 검지할 필요가 있어 출력전압의 감지회로가 이중으로 필요하다.
또한, 종래의 전류 부스터 장치는 사이리스터의 위상제어를 실시하지 않고 반주기 마다 턴-온/턴-오프의 시비율을 조정하는 평균치 제어를 실시함으로 출력전압의 조정이 미세하지 못한 단점이 있다.
이에, 본 발명의 목적은 자동전압조정기(AVR)와 전류 부스터 장치를 일체로 구성함으로써 설치 및 운전이 용이하도록 한 선박발전기용 자동전압조정기를 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 선박발전기용 자동전압조정기는, 교류발전기의 정상 동작시 발전기의 계자권선에 전류를 공급하는 AVR 전력부와, 상기 AVR 전력부의 정상 동작시 양방향 사이리스터(Thyristor)를 통해 단락상태를 유지하다가 발전기 출력단의 과부하 또는 이상으로 인한 과전류 공급을 필요로 하는 경우 사이리스터를 통한 단락을 해지하고 발전기의 계자권선에 전류를 공급하는 전류 부스터 전력부가 구비된다.
도 1은 일반적인 선박발전기의 회로 구성도.
도 2는 도 1의 선박발전기용 자동전압조정기의 전력회로 구성도.
도 3은 도 1의 선박발전기용 전류 부스터 장치의 전력회로 구성도.
도 4는 본 발명에 따른 선박발전기용 자동전압조정기의 전력회로 구성도.
도 5a 및 도 5b는 전류 부스터 전력부에서의 출력전압의 평균치 및 순시치 제어를 설명하기 위한 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
100 : AVR 전력부 120 : 정류부
140 : 출력부 200 : 전류 부스터 전력부
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명하고자 한다.
도 4는 본 발명에 따른 선박발전기용 자동전압조정기의 전력회로 구성도이다. 또한, 도 5a 및 도 5b는 전류 부스터 전력부에서의 출력전압의 평균치 및 순시치 제어를 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하여 설명하면, 본 발명에 따른 선박발전기용 자동전압조정기는, 교류발전기의 정상 동작시 발전기의 계자권선에 전류를 공급하는 AVR 전력부(100)와, 상기 AVR 전력부(100)의 정상 동작시 양방향 사이리스터(Thyristor) Q2를 통해 단락상태를 유지하다가 발전기 출력단의 과부하 또는 이상으로 인한 과전류 공급을 필요로 하는 경우 사이리스터 Q2를 통한 단락을 해지하고 발전기의 계자권선에 전류를 공급하는 전류 부스터 전력부(200)로 구성된다.
상기 AVR 전력부(100)는 도 4에 도시된 바와 같이 교류발전기의 출력으로부터 PT(Potential Transformer)1을 거쳐 절연된 교류전력을 입력받도록 구성되고, 과전류 보호용 고속휴즈 FS1∼FS3와, 정류부(120)와, 출력부(140)로 구분된다.
상기 과전류 보호용 고속휴즈 FS1∼FS3는 교류발전기의 출력으로부터 PT1을 거쳐 절연된 교류전력을 입력받는 과정에서 과전류 입력시 AVR 전력부(100)의 회로를 보호하는 기능을 수행한다.
상기 정류부(120)는 DM1, C1, C2, C3, C4, R1으로 구성된다. 상기 DM1은 교류발전기 출력으로부터 PT1을 거쳐 절연된 교류입력으로부터 여자기 계자권선에 직류전원을 인가하기 위한 직류 변환용 다이오드 브릿지이고, 상기 C2는 DM1에서 변환된 직류전원을 필터링하는 콘덴서이다. 또한, 상기 C1은 C2로의 초기 전원인가시 돌입전류를 방지하기 위한 NTC 서미스터이고, 상기 C3 및 C4는 입력되는 서지전압(Surge Voltage)을 방지하기 위한 서지 옵서버이며, 상기 R1은 C2의 방전을 위한 저항이다.
상기 출력부(140)는 R2, R3, R4, R5, C5, C6, D1, D2, Q1으로 구성된다. 상기 Q1은 정류부(120)로부터의 직류전원을 펄스폭 변조(Pulse Width Modulation) 형태로 쵸핑(Chopping)하여 계자권선의 전류를 적절한 값으로 조정하기 위한 주 스위치 IGBT이고, 상기 D1은 여자기 권선의 프리휠링(Free Wheeling)용 다이오드이다. 또한, 상기 R2 및 R3는 계자권선의 직류전류를 센싱하기 위한 저항이고, 상기 R5, C6, D2 및 R4, C5는 입력되는 서지전압을 방지하기 위한 스너버(Snubber) 회로이다.
따라서, 상기 AVR 전력부(100)는 교류발전기의 정상동작시 교류발전기 출력으로부터 PT1을 거쳐 절연된 교류전력을 입력받아 직류 변환용 다이오드 브릿지 DM1을 통해 정류하고, 필터링 콘덴서 C2를 통해 직류전원으로 필터링한다. 그리고, 상기 필터링 콘덴서 C2를 통해 평활화된 직류전원을 주 스위치 Q1을 통해 계자권선에 적절한 전류값으로 조정되도록 펄스폭 변조 형태로 쵸핑하여 여자기 계자권선에 인가한다.
한편, 상기 전류 부스터 전력부(200)는 도 4에 도시된 바와 같이, 교류발전기의 출력으로부터 CT(Current Transformer)1 및 CT2를 거쳐 전력을 입력받도록 구성되고, Q2, R6, C7, DM2, C8으로 이루어진다. 상기 Q2는 AVR 전력부(100)의 정상 동작시 턴-온(Turn-On)되어 단락 상태를 유지하는 양방향 사이리스터이고, 상기 R6 및 C7은 Q2에 입력되는 서지전압을 방지하기 위한 스너버 회로이다. 또한, 상기 DM2 및 C8은 발전기의 과부하 및 이상 동작시 과도한 출력전류를 공급하기 위한 교류-직류 정류회로 및 직류 필터링 콘덴서이다.
따라서, 상기 전류 부스터 전력부(200)는 AVR 전력부(100)의 정상동작시에는 양방향 사이리스터 Q2를 통해 전류 부스터 전력부(200)를 단락시키고, 단락 상태를 유지하다가 교류발전기 출력단의 과부하 또는 이상으로 인한 과전류 공급을 필요로 하는 경우 사이리스터 Q2를 통한 단락을 해지하고 발전기의 계자권선에 전류를 공급한다.
이때, 상기 전류 부스터 전력부(200)는 사이리스터 Q2의 위상 제어에 의한 출력전압의 순시치를 제어함으로써 발전기의 성능을 개선하도록 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이 사이리스터 Q2의 점호각을 조절한 순시전압 제어를 실행한다.
따라서, 본 발명에 따른 선박발전기용 자동전압조정기는 교류발전기의 정상 동작시에 발전기의 계자권선에 전류를 공급하는 AVR 전력부(100)와, 교류발전기 출력단의 과부하 또는 이상으로 인한 과전류 공급을 필요로 하는 경우에 발전기의 계자권선에 전류를 공급하는 전류 부스터 전력부(200)를 일체로 구성함으로써 자동전압조정기와 함께 전류 부스터 장치가 반드시 필요한 선박발전기 등의 응용에 적합하도록 한다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 선박발전기용 자동전압조정기에 대한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 선박발전기용 전압자동조정기는다음과 같은 효과가 있다.
첫째, AVR 전력부와 전류 부스터 전력부를 일체로 구성하여 선박발전기의 전체 부피를 감소시키고, 결선을 단순화함으로써 설치 및 운전이 용이하도록 하는 효과가 있다.
둘째, 전류 부스터 전력부에서 사이리스터의 위상 제어에 의한 출력전압의 순시치를 제어함으로써 발전기의 성능을 개선할 수 있는 잇점이 있다.

Claims (3)

  1. 교류발전기의 정상 동작시 발전기의 계자권선에 전류를 공급하는 AVR 전력부; 및
    상기 AVR 전력부의 정상 동작시 양방향 사이리스터(Thyristor)를 통해 단락상태를 유지하다가 발전기 출력단의 과부하 또는 이상으로 인한 과전류 공급을 필요로 하는 경우 사이리스터를 통한 단락을 해지하고 발전기의 계자권선에 전류를 공급하는 전류 부스터 전력부가 구비됨을 특징으로 하는 선박발전기용 전압자동조정기.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 AVR 전력부는,
    상기 교류발전기로부터 과전류 입력시 회로를 보호하기 위한 과전류 보호용 고속휴즈 FS1∼FS3;
    상기 교류발전기 출력으로부터 PT1(Potential Transformer 1)을 거쳐 절연된 교류입력으로부터 여자기 계자권선에 직류전원을 인가하기 위한 직류 변환용 다이오드 브릿지 DM1과, 상기 다이오드 브릿지 DM1에서 변환된 직류전원을 필터링하는 콘덴서 C2와, 상기 콘덴서 C2로의 초기 전원인가시 돌입전류를 방지하기 위한 NTC 서미스터 C1과, 입력되는 서지전압(Surge Voltage)을 방지하기 위한 서지 옵서버 C3 및 C4와, 상기 콘덴서 C2의 방전을 위한 저항 R1으로 이루어진 정류부; 및
    상기 정류부로부터의 직류전원을 펄스폭 변조(Pulse Width Modulation) 형태로 쵸핑(Chopping)하여 계자권선의 전류를 적절한 값으로 조정하기 위한 주스위치 IGBT Q1과, 여자기 권선의 프리휠링(Free Wheeling)용 다이오드 D1과, 상기 계자권선의 직류전류를 센싱하기 위한 저항 R2 및 R3와, 입력되는 서지전압을 방지하기 위한 스너버(Snubber) 회로 R5, C6, D2 및 R4, C5로 이루어진 출력부가 구비됨을 특징으로 하는 선박발전기용 전압자동조정기.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 전류 부스터 전력부는,
    상기 AVR 전력부의 정상 동작시 턴-온(Turn-On)되어 단락 상태를 유지하고 위상 제어에 의한 출력전압의 순시치를 제어하여 발전기 성능을 향상시키는 양방향 사이리스터 Q2와, 상기 사이리스터 Q2에 입력되는 서지전압을 방지하기 위한 스너버 회로인 R6 및 C7과, 상기 발전기의 과부하 및 이상 동작시 과도한 출력전류를 공급하기 위한 교류-직류 정류회로 DM2 및 직류 필터링 콘덴서 C8이 구비됨을 특징으로 하는 선박발전기용 전압자동조정기.
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