KR20060105181A - 저속에서의 발전 효율이 개선된 에스알 발전기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 에스알(SR : Switched Reluctance) 발전기에 관한 것이며, 특히 저속에서 발전 성능이 개선된 에스알 발전기에 관한 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 양상에 따른 에스알 발전기는 고정자 권선의 인덕턴스를 저속에서는 크게 하고, 고속에서는 작아지도록 제어하는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 이 같은 양상에 따라 저속에서 인덕턴스의 위상각에대한 변화율이 커지고 이에 따라 저속에서도 출력 에너지가 증가하여 발전 효율이 개선된다. 나아가 고정자 권선을 단산으로 구성하고, 자극의 구조를 개선하여 저속에서의 발전 효율을 개선시킨다.

에스알 발전기, switched reluctance, 위상 권선, 인덕턴스, 발전, 풍력

Description

저속에서의 발전 효율이 개선된 에스알 발전기{A switched reluctance generator with enhanced generating efficiency at low speed}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 에스알 발전기의 전체적인 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.

도 2는 에스알 발전기에서 회전자의 위상각에 대한 위상 인덕턴스 및 발전기 전류와 모터 전류간의 관계를 도시한 그래프이다.

도 3은 단일 위상의 고정자로, 위상 권선(300)이 3 개의 단위 권선으로 구성된 에스알 발전기의 예시적인 고정자의 결선 구조를 도시한다.

도 4a는 도 3에 도시된 결선 구조를 가진 고정자에 대해 저속에서 결선 방식을 도시하며, 도 4b는 고속에서의 결선 방식을 도시한다.

도 5a는 도 3에 도시된 결선 구조를 가진 고정자에 대해 저속에서 인덕턴스 및 발전 전류의 관계를 도시하며, 도 5b는 고속에서의 동일한 관계를 도시한다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 에스알 발전기에서 풍속에 따른 발전 에너지량을 개략적으로 도시한 그래프이다.

<도면의 주요부분에대한 부호의 설명>

10 : 회전자 30 : 고정자

100 : 구동 스위치 300 : 위상 권선

310, 330, 350 : 단위 권선 340, 360 : 권선 스위치

400 : 승압형 DC-AC 인버터 500 : 전력 제어기

510 : 전류 검출부 530 : 속도 검출부

600 : 부하 700 : 결선 제어부

910 : BLDC 모터 등가회로 930 : 전압원

951, 953 : 다이오드 955 : 배터리

본 발명은 에스알(SR : Switched Reluctance) 발전기에 관한 것이며, 특히 저속에서 발전 성능이 개선된 에스알 발전기에 관한 것이다.

에스알 발전기는 전자 스위칭에 의해 일정 범위의 회전자 각도 동안에는 전압원으로부터 하나 이상의 위상을 가진 권선으로 전기 에너지를 인가하고, 그 외의 회전자 각도 동안에는 인가한 것보다 더 많은 에너지를 위상 권선으로부터 끌어 내는 에너지 변환 장치이다. 이 같은 추가 에너지는 회전 방향으로 토크를 가함으로써 발전기 회전자에 부여되는 기계적 에너지이다. 이 같은 에스알 발전기는 출력의 형태가 전류원이므로 저속에서도 발전이 가능한 장점이 있다.

종래 풍력 발전에는 유도형 발전기 또는 동기형 발전기가 주로 사용되었으나, 유도형 발전기의 경우 구조가 간단하고 가격이 저렴한데 반해 발전시 일정 속도를 유지해 주어야 하므로 별도의 기어 박스가 필요하게 되고 발전이 이루어지는 바람의 속도 범위가 제한된다는 단점이 있으며, 동기형 발전기의 경우 구조가 복잡하고 가격이 비싸다는 단점이 있다. 또한 동기형 발전기의 경우에도 낮은 풍속에서는 발전기에서 출력되는 전압이 작아 배터리에 충전이 이루어지지 않아 발전이 이루어지지 않는다. 따라서 한국과 같이 풍속이 낮은 지역에서는 유도형 또는 동기형 발전기로 발전을 하는데는 상당한 문제점이 존재한다. 본 발명자는 저속에서도 효율이 좋은 풍력 발전을 위한 발전기를 개발하는 과정에서 에스알 발전기가 이 같은 응용분야에 적합하도록 개량될 수 있다는 점을 발견하고 본 발명을 창안하게 되었다.

본 발명은 저속에서 발전이 가능한 발전기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

나아가 본 발명은 구조가 간단하고 내구성이 좋은 발전기를 제공하는 것을 또다른 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 양상에 따른 에스알 발전기는 고정자 권선의 인덕턴스를 저속에서는 크게 하고, 고속에서는 작아지도록 제어하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 이 같은 양상에 따라 저속에서 인덕턴스의 위상각에대한 변화율이 커지고 이에 따라 저속에서도 출력 에너지가 증가하여 발전 효율이 개선된다.

본 발명의 또다른 양상에 따르면, 고정자의 위상 권선은 단상으로 구성된다. 이에 따라 발전기는 필요한 스위치의 개수가 줄어들어 더욱 저렴하고 간단하게 구 성된다.

전술한, 그리고 추가적인 본 발명의 양상들은 첨부된 도면을 참조하여 기술되는 바람직한 실시예들을 통해 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있을 정도로 상세히 설명된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 에스알 발전기의 전체적인 구성을 개략적으로 도시한 도면이다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 에스알 발전기는 회전자(10)와, 위상 권선(300)이 감긴 고정자(30)와, 상기 위상 권선(300) 내 전류를 제어하는 구동 스위치(100)와, 상기 구동 스위치(100)의 스위칭을 제어하는 전력 제어기(500)를 포함하며, 위상 권선(300)의 인덕턴스가 저속에서는 크고, 고속에서는 작아지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 특징적인 양상에 따라 일 실시예에 따른 에스알 발전기는, 위상 권선(300)이 복수의 단위 권선(310, 330, 350)과, 이 단위 권선들간의 연결을 단속하는 적어도 하나의 권선 스위치(340, 360)를 포함하고, 또한 회전자의 회전 속도를 검출하는 속도 검출부(530)와, 이 속도 검출부(530)에서 검출된 속도에 따라 저속에서는 인덕턴스를 크게 하고, 고속에서는 인덕턴스가 적어지도록 상기 권선 스위치(340, 360)의 스위칭을 제어하는 결선 제어부(700)를 포함한다.

단상 에스알 발전기의 경우 초기 여자 전류를 공급해야 하는데, 독립형 발전 시스템에서는 이를 위해 발전기와 병렬로 소형 동기 모터를 구동하여 필요한 전원을 공급한다. 도 1에서 전류원(910) 및 커패시터(930)는 이 같은 초기 여자 전류 시스템을 회로적으로 표현한 것이다. 일 실시예에 있어서, 고정자의 위상 권선 (300)은 단상으로 도시되었다. 단상 에스알 발전기의 경우 에너지 변환을 위한 스위치의 개수가 적어 저렴한 가격으로 구현이 가능하다. 그러나 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다.

위상 권선(300)은 구동 스위치(100)의 전자적인 스위칭에 의해 일정 범위의 회전자 각도 동안에는 전압원(930)으로부터 전기 에너지를 인가받고, 그 외의 회전자 각도 동안에는 인가한 것보다 더 많은 에너지를 배터리(955)로 공급한다. 구동 스위치(100)의 전자적인 스위칭을 제어하는 전력 제어기(500)는 속도 검출부(530)에서 검출된 회전자의 위치에 따라 이 같은 스위칭을 제어하는 펄스폭 변조 신호를 출력한다. 또한 속도 검출부(530)는 전류 검출부(510)를 통해 발전기의 출력 전류를 검출하여 과전류를 방지하도록 펄스폭 변조 신호를 조정한다. 이 같은 전력 제어기(500)의 구성은 다양한 형태가 공지되어 있다. 주지된 바와 같이 속도 검출부(530)는 홀센서나 전류 검출 방식 등 다양한 형태가 공지되어 있으며, 예를 들면 변위를 검출하여 이를 미분하거나, 또다른 등가적인 예로 일정 시간 동안 엔코더에서 출력되는 펄스열을 카운터함에 의해 속도를 검출할 수 있다.

도시된 실시예에 있어서, 에스알 발전기는 고정자의 위상 권선(300)에서 출력되는 전류를 충전하는 배터리(955)와,상기 배터리(955)의 출력 전압을 승압시키는 승압형 직류-교류 인버터(400)를 더 포함한다. 인버터(400)의 출력은 부하(600)로 공급된다. 도면에서 다이오드(951, 953)는 배터리에 충전된 전력이 위상 권선으로 역류하는 것을 방지하는 다이오드이다.

이하에서는 본 발명의 특징적인 양상에 따른 결선 제어부(700)의 동작을 도 면을 참조하여 설명한다. 결선 제어부(700)는 속도 검출부(530)에서 검출된 속도에 따라 위상 권선(300) 내의 권선 스위치(340, 460)의 스위칭을 제어하여 단위 권선(310, 330, 350)의 결선방식을 변경시킨다.

에스알 발전기에 있어서 전압 방정식은

……(1)

여기서,

……(2)

이므로, 에너지 흐름은

……(3)

여기서 첫번째 항은 동손(銅損)이고, 두번째 항은 {철손+자기 에너지}이며, 세번째 항은 기계적인 출력으로 발전 전력을 나타낸다. dL/dθ > 0 인 구간에서는 기계적인 출력이 양(+)의 값을 가지므로 모터로 동작하는 구간이고, dL/dθ < 0 인 구간에서는 기계적인 출력이 음(-)의 값을 가지므로 발전기로 동작하는 구간이다. 도 2는 에스알 발전기에서 회전자의 위상각에 대한 위상 인덕턴스 및 발전기 전류와 모터 전류간의 관계를 도시한 그래프이다. 도시된 바와 같이 θ = θmax 에서 인덕턴스는 최대값 Lmax를 갖고, θ = θmin 에서 인덕턴스는 최대값 Lmin 을 갖는다.

본 발명의 특징적인 양상에 따라, 일 실시예에 따른 결선 제어부(700)는 각 단위 권선들의 연결을 저속에서는 직렬로, 고속에서는 병렬로 연결되도록 제어한다. 도 1은 단일 위상으로 이루어진 위상 권선(300)이 3 개의 단위 권선(310,330,350)과, 이들의 결선을 제어하는 2 개의 권선 스위치들(340, 360)로 구성된 실시예를 도식적으로 도시한다. 도 3은 이 같은 에스알 발전기의 예시적인 고정자의 결선 구조를 도시한다. 도시된 실시예에 있어서, 상기 각각의 단위 권선들은 방사상으로 배치된 고정자 자극(magnetic pole)들을 균분하여 인접한 자극들로 구성된 그룹들마다 할당되며, 각 그룹 내에서는 인접한 자극들끼리 교호하는 극성을 갖도록 권취된다. 즉, 각각의 자극들은 인접한 자극들과 반대 극성을 가지며, 전체적으로 3 개의 단위 권선들이 자극을 3개의 그룹으로 나누어 한 개의 그룹마다 하나의 단위 권선이 권취되어 있다. 도면에서 O,×는 권선의 권취 방향을 나타낸다. 단상의 극수를 높게 설계하고 권선의 결선 방식을 개선함에 의해, 저속에서 더욱 높은 에너지 효율을 달성할 수 있다.

도 4a는 도 3에 도시된 결선 구조를 가진 고정자에 대해 저속에서 결선 방식을 도시하며, 도 4b는 고속에서의 결선 방식을 도시한다. 또한 도 5a는 도 3에 도시된 결선 구조를 가진 고정자에 대해 저속에서 인덕턴스 및 발전 전류의 관계를 도시하며, 도 5b는 고속에서의 동일한 관계를 도시한다.

식(3)에서 본 바와 같이, 에스알 발전기에서 발전되는 에너지는

……(4)

로 나타내어진다. 도 5a에 도시된 바와 같이, 인덕턴스 프로파일을 볼 때 저속에서는 단위 권선들이 직렬로 연결되어 인덕턴스가 커지므로 Lmax 및 Lmin이 모두 커져서 dL/dθ가 커지므로 저속에서의 발전 효율이 좋아진다. 나아가 여자 전류를 보아도 저속에서 Lmax 가 크지만 저속이므로 여자에 충분한 시간이 확보되어 충분한 여자 전류를 얻을 수 있다. 따라서 저속에서 발전 에너지는 각속도 w가 작지만 dL/dθ가 커서 충분한 발전이 이루어진다.

한편, 고속에서는 단위 권선들이 병렬로 연결되어 인덕턴스가 줄어들므로 Lmax 및 Lmin이 모두 작아져서 dL/dθ가 작아지지만, 각속도 w가 커서 충분한 발전이 이루어진다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 에스알 발전기에서 풍속에 따른 발전 에너지량을 개략적으로 도시한 그래프이다. 도면에서 점선 영역에서 저속 부분의 발전 효율이 개선되었음을 알 수 있다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 에스알 발전기는 고정자 권선의 인덕턴스를 저속에서는 크게 하고, 고속에서는 작아지도록 제어함에 따라, 저속에서 인덕턴스의 위상각에대한 변화율이 커지고 이에 따라 저속에서도 출력 에너지가 증가하여 발전 효율이 개선된다.

나아가 본 발명에 따른 에스알 발전기는 고정자의 위상 권선을 단상으로 구성하여, 필요한 스위치의 개수가 줄어들어 더욱 가격이 저렴해지는 작용효과가 있 다.

본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 기술되는 바람직한 실시예를 중심으로 설명되었으나 이에 한정되는 것은 아니며, 당업자라면 누구나 도출할 수 있는 자명한 변형예들을 포괄하도록 의도된 특허청구범위에 의해 해석되어야 한다.

Claims (6)

1. 회전자와; 위상 권선이 감긴 고정자와; 상기 위상 권선 내 전류를 제어하는 구동 스위치와; 상기 구동 스위치의 스위칭을 제어하는 전력 제어기;를 포함하는 에스알 발전기에 있어서,

   상기 위상 권선의 인덕턴스가 저속에서는 크고, 고속에서는 작아지는 것을 특징으로 하는 에스알 발전기.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 위상 권선이 복수의 단위 권선과, 상기 단위 권선들간의 연결을 단속하는 적어도 하나의 권선 스위치를 포함하고,

   상기 에스알 발전기가 :

   회전자의 회전 속도를 검출하는 속도 검출부와;

   상기 속도 검출부에서 검출된 속도에 따라 저속에서는 인덕턴스를 크게 하고, 고속에서는 인덕턴스가 적어지도록 상기 권선 스위치의 스위칭을 제어하는 결선 제어부;

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 에스알 발전기.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 결선 제어부가 각 단위 권선들의 연결을 저속에서는 직렬로, 고속에서는 병렬로 연결되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 에스알 발전기.
4. 제 2 항에 있어서, 상기 고정자의 위상 권선은 단상인 것을 특징으로 하는 에스알 발전기.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 각각의 단위 권선들은 방사상으로 배치된 고정자 자극(magnetic pole)들을 균분하여 인접한 자극들로 구성된 그룹들마다 할당되며, 각 그룹 내에서는 인접한 자극들끼리 교호하는 극성을 갖도록 권취되는 것을 특징으로 하는 에스알 발전기.
6. 제 2 항에 있어서, 상기 에스알 발전기가 :

   고정자 권선에서 출력되는 전류를 충전하는 배터리와,

   상기 배터리의 출력 전압을 승압시키는 승압형 직류-교류 인버터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에스알 발전기.

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