KR20070073816A - 변속 모터에 양질의 전력을 공급하는 유도 발전기 - Google Patents

변속 모터에 양질의 전력을 공급하는 유도 발전기 Download PDF

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Abstract

열 회수 시스템 내의 원동기(28)는 유도 발전기(8)를 구동시키며, 유도 발전기는 차단기(10)를 통해 설비 망(9)에 전력을 공급하고, 보조 유도 모터(11, 12)를 포함하는 로드에도 전력을 공급한다. 허용가능한 파형 및 역률을 제공하기 위해, 보조 장비는 3상 다이오드 정류기(16) 대신에 IGBT 스위치 브리지 컨버터(13a)에 의해 발생된 DC 전압(15)을 이용하여 IGBT 스위치 컨버터(13)를 통해 구동된다. 스위치 브리지 컨버터 제어기(14a)는 시스템 프로세스 제어기(23a)에 반응하고, 시스템 프로세스 제어기는 스위치 브리지 제어기(13a)가 발전기 버스(17)의 전압(26) 및 전류(27)에 반응하여 구동되도록 한다. 이는 고조파 필터(18) 및 역률 축전기(20)의 필요성을 배제시킴과 동시에 발생된 전력의 품질을 향상시킨다. 제어기(23a)는 전압, 주파수 또는 역률이 제한 범위로부터 벗어나면 차단기를 작동시킨다.
열 회수 시스템, 원동기, 차단기, 유도 발전기, IGBT 스위치 브리지 컨버터

Description

변속 모터에 양질의 전력을 공급하는 유도 발전기 {QUALITY POWER FROM INDUCTION GENERATOR FEEDING VARIABLE SPEED MOTORS}
본 발명은 유도 발전기로부터 전력 설비 망(utility power grid)에 전력을 제공하는 것에 관한 것으로, 유도 발전기는 열병합 발전 시스템 등과 관련하여 구동하는 변속 모터에도 전력을 제공하며, 설비 망 인터페이스(grid interface)에서 전력의 역률(power factor) 및 고조파 내용(형상)은 바람직하지 않은 고조파 및 역률을 보충 및 보상하는 방식으로 전력을 능동적으로 제어함으로써 설비에 제공된 전력이 요구 조건 내에 존재하도록 제어된다.
전력을 발생시켜 이를 설비 망에 제공함으로써, 세입을 얻거나 사용자의 전기 사용료를 차감하는 전력 설비는 통상 존재한다. 유용 기능의 부산물로서 폐기될 수도 있는 (열과 같은) 에너지의 회수 및 이용은 일반적이다.
일부 전력 발전 시스템에서, 발전기를 작동시킬 에너지를 이용하는 방법은 펌프 및 팬과 같은 보조 장비를 필요로 할 수 있다. 예로서는 미국공개특허공보 제2004/0088985A1호에 개시된 바와 같은 유기 랜킨 사이클 시스템(organic Rankin cycle system)을 이용하여 매립지 또는 식품 처리 공장 등으로부터의 폐열을 회수하는 열병합 발전 시스템이 있다. 이 시스템에서, 압축성 유체에는 널리 공지된 바와 같은 등방성 팽창 및 압축에 따라 일정한 압력에서 열이 가해지고 제거된다. 이 공정은 가공 유체의 상태가 변화하는 유기 공정이거나, 가공 유체의 상태가 변화하지 않는 공정일 수 있다.
경제 효율성 측면에서, 저가의 발전기가 모든 보조 장비에 전력을 제공함과 동시에 전력 설비 망의 인터페이스에 모두 적합한, (고조파 일그러짐(harmonic distortion)이 없는) 형상, 역률 및 주파수를 갖는 전력을 제공하는 것이 바람직하다. 동기식 발전기는 고가이고, 동기식 발전기보다 훨씬 저렴하고 그 단부가 단락된 단순한 전도성 바아로 로터가 구성되는 유도 발전기와 같은 다른 저렴한 발전기와 비교하여 추가 제어를 필요로 한다. 그러나, 유도 발전기는 설비 망에 허용가능한 역률보다 낮은 역률을 본질적으로 가진다.
고조파 일그러짐의 특정 예로서는, 270kW를 생산하고, 차단기(10)에 의해 설비 망(9)에 연결되고, 총 70kW를 소비하는 보조 변속 모터(11, 12)에 연결되는 도1에 도시된 전력 발전기(8)가 있다. 설비 망(9)에 공급 가능한 순 전력은 200kW이다. 변속 모터(11, 12)는 스위치 제어기(14)를 갖는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT) 스위칭 브리지 컨버터(13)에 의해 전력을 공급받고, 이의 DC 입력(15)은 도1에 도시된 바와 같이 3상 다이오드 정류기(16)에 의해 제공된다.
보조 장치(11 내지 16)로 인한 설비 망(9)에서의 통상적인 전류의 고조파 일그러짐은 32% 정도이다. 이는 설비 인터페이스에서 발생되는 200kW 중에 약 8%의 일그러짐을 나타내는 수치이다. 전력 설비의 통상의 요구조건은 5% 이하의 고조파 일그러짐을 포함한다. 전력 버스(17)에 부착된 고조파 필터 트랩(18)이 사용될 수 있지만, 이는 특정 용도에 사용될 것이고, 각각의 경우에 따라, 즉 각각의 용도에 따라 조정을 필요로 한다. 설비 망(9)의 장치는 필터 트랩(18)과 상호 작용할 수 있고, 이에 따라 필터 트랩이 설비 망으로부터의 고조파 에너지를 흡수함으로 인해, 정해진 정도 이상으로 구성 요소에 응력을 가한다. 필터 트랩은 보다 지연되는 역률을 초래할 수 있다. 고조파 필터 트랩은 이용되는 설비에 필요한 공간과 비용도 증가시킨다.
유도 발전기에 의해 구동되는 변속 모터(11, 12)의 사용은 역률의 지연을 야기하며, 즉 설비에 통상 요구되는 역률 (0.85 내지 0.95 사이의 범위)보다 낮다. 이는 역률 교정 축전기(20)에 의해 교정될 수 있으나, 시스템의 비용을 증가시키고 공간을 차지하며 자기여자가 가능한 소스(source)일 수 있기 때문에, 이들 모두는 대부분의 설비에 부적합할 수 있다. 이들 축전기는 축전기에 고조파 전류(harmonic current)를 제한하기 위한 추가의 벌키 시리즈 인덕터(bulky series inductor)를 필요로 할 수 있다.
발생된 전력을 전력 설비 망에 제공하기 위한 다른 요구 조건은 "안티 아이스랜딩(anti-islanding)"으로서, 이는 전압, 주파수 또는 역률이 임의의 제한 범위로부터 벗어나는 경우에 설비 망으로부터 전력 발전기의 연결 해제를 요구한다. 이는 발생된 전력의 상(phase) 또는 전압과 전력 설비 망의 상 또는 전압 사이의 임의의 차이가 충분히 감지될 수 있는 역률을 변경시켜 상호작용하는 차단기를 작동시키기 때문에, 역률을 모니터링함으로써 얻어진다.
본 발명의 태양은 발전기를 이용하여 양질의 전력을 생산하는 단계와, 발전기에 결합되어 전력을 공급받는 보조 변속 모터를 갖는 시스템에서 전력 설비 망에 인가될 수 있는 발생된 전력의 품질을 저하시키지 않으면서 양질의 전력을 생산하는 단계와, 역률 교정 축전기를 사용하지 않고 역률을 교정하는 단계와, 보조 변속 모터에 결합된 저렴한 유동 발전기를 채용하는 시스템에서 고조파 일그러짐이 적은 양호한 형상의 전력을 생산하는 단계와, 열 회수를 향상시키는 단계와, 유기 랜킨 사이클 열 회수 시스템에서 전력의 발생을 향상시키는 단계와, 보조 장비로서 변속 유도 모터를 포함하는 유기 랜킨 사이클 열 회수 시스템에서 고조파 일그러짐이 적고, 역률이 높으며, 적절한 안티 아이스랜딩을 갖는 전력을 발생시키는 단계와, 고조파 일그러짐이 적고, 역률이 높으며, 안티 아이스랜딩 프로텍션(anti-islanding protection)를 갖는 전력의 발생을 향상시키는 단계를 포함한다.
본 발명에 따르면, 전력 설비 망에 전력을 제공할 뿐만 아니라 적어도 하나의 관련 보조 변속 모터에 전력을 제공하는 전력 발전기는, 변속 모터를 구동시키는 적어도 하나의 IGBT SBC에 DC 전력 입력을 제공하기 위해 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT) 스위치 브리지 컨버터(SBC)를 채용한다.
본 발명의 다른 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면에 나타난 바와 같이 본 명세서의 예시적인 실시예들에 대한 상세한 설명으로부터 명료질 것이다.
도1은 본 종래기술에 공지된 전력 설비 망(power utility grid)에 전력을 제공할 뿐만 아니라, 다이오드 브리지 컨버터로부터의 DC 전력으로 변속 모터에 전력 을 공급하는, 원동기에 의해 구동되는 예시적인 전력 발전 시스템을 단순화한 개략적인 블록 다이어그램이다.
도2는 다이오드 브리지 컨버터 대신에 IGBT 스위치 브리지 컨버터로부터 DC 전력으로 모터의 IGBT 스위치 브리지 컨버터에 제공하는, 본 발명의 일 예를 단순화한 개략적인 블록 다이어그램이다.
도1을 참조하면, 공지된 하나의 시스템은 인풋(input)에서 IGBT 컨버터(13)에 DC 전압(15)을 제공하기 위해 3상 다이오드 정류기(16)를 사용한다. 컨버터 제어기(14)는 시스템 프로세스 제어기(23)로부터의 신호(21, 22)에 반응한다. 제어기(23)는 역률 및 전력의 크기를 포함하여 전력 발전기(8)에 의해 발생된 전력을 나타내는 전류 및 전압 신호(26, 27)에 반응한다. 또한, 제어기(23)는 원동기(28)로부터의 신호(29)에 반응하고, 원동기에 제어 신호(30)를 제공한다. 즉, 원동기는 유기 랜킨 사이클 열 회수 장치와 같은 열 회수 장치일 수 있다.
다이오드 정류기는 상당히 일그러진 준 사인 곡선(semi-sine wave)과 동등한 대향하는 상의 분리 펄스로 버스(17)로부터 전류를 얻는다. 인덕터(19)는 정류기(16)에 의해 얻은 전류를 사인형에 보다 가깝게 되도록 하지만, 설비 망(9)에 공급되는 전력으로서 버스(17)에 허용가능한 파형을 제공하기에는 충분치 않다.
도2를 참조하면, 본 발명은 IGBT 스위치 브리지 컨버터(SBC)(13a)에 의해 고조파 일그러짐, 역률, 및 안티 아이스랜딩과 관련한 전술된 모든 관심들을 수용하며, 이의 절환은 SBC 제어기(14a)에 의해 제어된다. SBC(13a)는 전류를 제어하여 DC 링크(15a)에 부스트(boost) 기능을 제공하기 위해 요구되는 라인 인덕터(35)를 포함한다. 도2에서, 시스템 프로세스 제어기(23a)는 버스(17)의 전류를 나타내는 신호(27)와, 버스(17)의 전압을 나타내는 신호(26)에 반응한다. 본 발명에서는 발전기(8)를 구동시키는 임의의 적절한 원동기가 사용될 수 있다.
일반적인 알고리즘은 공지되어 있고, 널리 공개되어 있다. 본 발명에 따르면, 이들 알고리즘은 본 발명을 채용할 때 구체적으로 원하는 결과를 얻도록 공지된 방식으로 맞춰질 수 있다.
시스템 프로세스 제어기(23a)는 특정 장비의 성질, 고객 등에 따라 명령 전력 설정치(commanded power setpoint)를 발생시킬 것이다. 또한, 시스템 프로세스 제어기는 버스(17)의 전력의 전압 및 전류에 의해 나타내는 역률에 대해, 설비 망(9)에 인가되는 전력에 필요한 역률에 따라 명령 역률 교정을 발생시킬 것이다. 또한, 명령 역률 교정은 설비 망에 인가된 실제 역률이 예컨대 0.90 내지 0.95 사이에 있도록 디더(dither)를 포함할 수 있다. 신호(26, 27)에 의해 나타나는 전압, 주파수 또는 역률이 설정 제한 범위 이상이거나 이하이면, 본 발명의 발전 시스템이 아이스랜딩임을 나타내는 것이다. 즉, 이는 종래 방식으로 차단기(10)의 작동을 발생시킬 것이다.
안티-아이스랜딩을 억제하기 위한 다른 방법은 기생(내부) 로드에 의해 사용된 실제 전력을 변화시키는 것이다. 예를 들면, (모터(11, 12)와 같은) 시스템 내의 로드 중 하나는 제어기로부터 전력을 공급받는 팬(20)의 서브 서브-시스템(sub sub-system)일 수 있다. 팬에 의해 사용된 실제 전력은 수분의 일 초 또는 수 초 마다, 바람직하게는 매 2초 마다 5KW씩 역동적으로 변경될 수 있다. 이는 시스템으로부터 실제 및 반응 전력이 임의의 외부 로드와 결코 정합될 수 없기 때문에 유도 발전기를 기초로 한 시스템이 외부 로드에 따라 변경되는 것을 방지한다. 따라서, 설비 망이 정지하는 경우, 시스템은 "아이스랜드(island)"하지 않을 것이다.
라인(37)을 따른 제어기(23a)로부터의 명령은 DC 전압(15a)이 설비 망(9)과 동조하는 버스(17)에 적절하고 양호한 형상의 싸인 곡선을 제공하면서 전개되도록 하는 방식으로 전개된다. 시스템 프로세스 제어기는 작동되는 전력과 역률을 SBC 제어기에 명령하고, SBC 제어기는 SBC를 진행시킨다. 차단기(10)는 시스템에 문제가 발생하거나, 역률의 디더링이 전압, 주파수 또는 역률을 임의의 범위로부터 벗어나게 하면 개방될 것이다. 유도 발전기 고정자의 여기는 도2의 시스템 내에 볼트/암페어 반응 전력원 또는 설비 망으로부터 볼트/암페어 반응 전력 공급부를 필요로 한다.

Claims (6)

  1. 원동기(28)와,
    상기 원동기에 의해 회전되고, 3상 버스(17)에 전력을 제공하는 3상 유도 발전기(8)와,
    적어도 하나의 유도 모터에 3상 전력을 제공하는 적어도 하나의 제1 절연 게이트 양극성 트랜지스터 스위치 브리지 컨버터(13, 14)를 포함하고,
    상기 3상 버스는 로드(35, 13a, 14a, 11 내지 14)를 가지고, 3상 회로 차단기(10)에 의해 3상의 설비 망(9)에 연결될 수도 있고, 상기 로드는 적어도 하나의 유도 모터(11, 12)를 포함하는 전력 발생 및 이용 시스템에 있어서,
    상기 버스에 연결되고(35) 적어도 하나의 제1 스위치 브리지 컨버터에 DC 전력(15a)을 제공하도록 제어되는 적어도 하나의 제2 절연 게이트 양극성 트랜지스터 스위치 브리지 컨버터(13a, 14a)와,
    상기 버스에서 전력의 역률을 증가시키고 상기 버스에서 전력 파형을 일그러트리지 않으면서, 상기 적어도 하나의 제1 스위치 브리지 컨버터에 DC 전압을 제공하기 위해 상기 적어도 하나의 제2 스위치 브리지 컨버터를 제어하도록 상기 버스의 전압(26) 및 전류(27)에 반응하는 제어기(23a)를 특징으로 하는 전력 발생 및 이용 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제어기(23a)는 제한 범위 내에서 상기 버스(17)의 전 력의 역률을 디더(dither)하도록 상기 적어도 하나의 제2 스위치 브리지 컨버터(13a, 14a)를 제어하고, 상기 제어기는 상기 버스에서 상기 전압(26) 및 전류(27)에 반응하여 실제 역률을 결정하여, 결정된 전압, 주파수 또는 역률이 상기 역률에 의해 지시된 바와 같은 상기 제한 범위 내에 있지 않으면 상기 회로 차단기(10)를 작동시키는 전력 발생 및 이용 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 로드(35, 13a, 14a, 11 내지 14)는 수분의 일 초 또는 수 초 사이의 매 간격마다 수 킬로와트씩 소비되는 실제 전력을 변경시키도록 제어되는 전력 발생 및 이용 시스템.
  4. 원동기(28)와, 상기 원동기에 의해 회전되고 3상 버스(17)에 전력을 제공하는 3상 유도 발전기(8)와, 적어도 하나의 유도 모터에 3상 전력을 제공하는 적어도 하나의 제1 절연 게이트 양극성 트랜지스터 스위치 브리지 컨버터(13, 14)를 포함하며, 상기 3상 버스는 로드(35, 13a, 14a, 11 내지 14)를 가지고 3상 회로 차단기(10)에 의해 3상 설비 망(9)에 연결될 수도 있고, 상기 로드는 적어도 하나의 유도 모터(11, 12)를 포함하는 시스템의 전력 발생 및 이용 방법에 있어서,
    상기 버스에 연결된(35) 적어도 하나의 제2 절연 게이트 양극성 트랜지스터 스위치 브리지 컨버터(13a, 14a)로부터 상기 적어도 하나의 제1 스위치 브리지 컨버터에 DC 전력(15a)을 제공하는 단계와,
    상기 버스에서 전력의 역률을 증가시키고 상기 버스에서 전력 파형을 일그러 트리지 않으면서, 상기 적어도 하나의 제1 스위치 브리지 컨버터에 DC 전압을 제공하기 위해 상기 버스의 전압(26) 및 전류(27)에 반응하여 적어도 하나의 제2 스위치 브리지 컨버터를 제어하는 단계를 특징으로 하는 시스템의 전력 발생 및 이용 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 버스에서 상기 전압(26) 및 전류(27)에 반응하여 실제 역률을 결정하여, 결정된 전압, 주파수 또는 역률이 상기 역률에 의해 지시된 바와 같은 상기 제한 범위 내에 있지 않으면 상기 회로 차단기(10)를 작동시킴으로써, 제한 범위 내에서 상기 버스(17)의 전력의 역률을 디더하도록 상기 적어도 하나의 제2 스위치 브리지 컨버터(13a, 14a)를 제어하는 단계 더 포함하는 시스템의 전력 발생 및 이용 방법.
  6. 제4항에 있어서, 수분의 일 초 또는 수 초 사이의 매 간격마다 수 킬로와트씩 소비되는 실제 전력을 변경시키도록 상기 로드(13a, 14a, 11 내지 14)를 제어하는 단계를 더 포함하는 시스템의 전력 발생 및 이용 방법.
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