KR20140040286A - 전기 머신용 여기 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 목적은 전기적으로 여기되고 대체할 수 있는 이차 부분들을 가진 전기 머신의 여기 손실들을 최소화하는 것이다. 본 발명에 따라, 에너지의 양방향 유도 전송은 회전하는 유도성 전송 장치(5)에 의해 수행되어, 전력 및/또는 에너지의 양방향 전송을 위한 연관된 전자 시스템(20)은 제공된다. 바람직하게, 유도적으로 초전도성부(10)는 제공되고 흐름은 도입된다. 고정자에 에너지를 공급하고 또한 바이폴라 전압을 인가함으로써 여기하고 회전자(10) 상에서 전력을 열로 전환하지 않고 에너지를 제거함으로써 여기 해제하는 것은 가능하다.

Description

전기 머신용 여기 장치{EXCITATION DEVICE FOR AN ELECTRIC MACHINE}
본 발명은 특허 청구항 제 1 항의 전제부에 따른 전기 머신용 여기 장치에 관한 것이다. 특히, 전기 머신은 배타적이지 않고 바람직하게 필드 권선으로서 초전도성 인덕턴스를 사용하는 동기 머신이다.
특히 동기 머신들(SM)의 경우 전기적으로 여기되고 이동되는 이차부(회전자)를 가진 전기 머신들에서, 여기 손실들은 고온 초전도성(HTS) 권선으로서 여기자 권선을 구현함으로써 바람직하게 최소로 감소될 수 있다. 그러나, 이런 목적을 위하여, 80K 미만의 온도, 즉 적어도 액체 질소 온도 범위로 초전도체를 냉각하는 것이 필요하다.
초전도체들을 사용하는 설계의 경우, 기계적 접촉부들을 통한 임의의 열의 입력은 가능한 한 방지되어야 한다. 집전 고리들 또는 등등 같은 기계적 접촉부들은 요구되는 유지 관리 때문에 포함되고 게다가 마모되기 쉽다. 이런 이유로, 여기 전력, 모니터링 및 조절 정보는 바람직하게 비접촉 방식, 즉 유도적으로 회전자에 전송된다. 머신의 동작 동안, 머신의 전계 권선이 자기 소거될 때 여기 해제(de-excitation) 에너지를 열로 전환하는 것이 필요하다.
초전도성 권선을 위한 공지된 여기 장치들은 바람직하게 비접촉 에너지 전송 경로, 고정 제어 및 조절 유니트에 대한 비접촉 제어 또는 조절 신호 전송 경로, 및 전압 및 프리휠링 회로에 전압을 인가하기 위한 작동기를 포함한다. 이 경우, 트랜스포머는 특히 유도적으로 기능한다.
EP 1 247, 324 B1은 단일 방향 유도성 에너지 전송을 제안하고, 링 권선들 및 축 플러스 유도부를 가진 두 개의 포트 타입(pot-type) 코어들을 포함하는 "회전하는 트랜스포머"는 유도성 동작 수단으로서 제공된다. 이 경우, 포트 타입 코어들은 공통 축을 중심으로 서로를 향하여 움직일 수 있다.
유도적으로 기능하는 동작 수단은 논문 : Albert Esser: "Beruehrungslose, kombinierte Energie- und Informationsuebertragung fuer bewegliche Systeme"[모바일 시스템들을 위한 비접촉 결합 에너지 및 정보 전송] ISBN 3-86073-046-0; ISEA, RWTH Aachen 1992에 상세히 기술된다. 상기 논문은 로봇 접합부들에서 비접촉 양방향 에너지 및 데이터 전송을 목적으로 한다.
DE 41 33 001 A1은 에너지 및 데이터 양쪽의 전송을 위하여 "광전기 전송"을 추가로 개시하였다. 에너지 전송이 결함이 있는 전력 밀도를 가지는 동안, 데이터는 결함들에 대해 영향을 받지 않고 잠재성이 없는 방식으로 전송될 수 있다. 상기 시스템들은 상업적으로 이용할 수 있다. 초전도성 권선을 여기하기 위한 단일 방향 에너지 전송은 여기 해제를 위한 냉각된 회전자 상에 패시브 저항기를 요구하고, 상기 저항기는 여기 에너지를 열로 전환하고, 그 다음 방산될 필요가 있다. 열의 입력 및 패시브적으로 기하급수적으로 감소하는 여기 모두는 이 경우 바람직하지 않다.
상기 종래 기술의 배경에 대하여, 본 발명의 목적은 전기 머신들에 사용될 수 있는 권선용 개선된 여기 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적은 본 발명에 따라 청구항 제 1 항의 특징부들에 의해 달성된다. 바람직한 개선들은 종속항들의 주제이다.
본 발명은 특히 초전도성 필드 권선을 가진 동기 머신에 관한 것이다. 그러나, 본 발명은 비초전도성 권선에 적당하다.
본 발명에서, 회전하는 유도성 트랜스포머를 통한 양방향 에너지 전송은 특히 구현된다. 이 경우 유도성 트랜스포머는 바람직하게 포트 타입 코어들 및 회전자 상 적당한 전압 작동기를 포함한다.
본 발명에 따른 여기 장치에서, 특히 초전도성 인덕턴스는 직접 공급될 수 있다. 바람직하게, 이 경우 바이폴라 전압은 초전도성 인덕턴스에 인가될 수 있다. 만약 이 전압이 일정한 절대값을 가지면, 초전도성 인덕턴스는 대응하는 방식으로 선형적으로 여기되거나 여기 해제될 수 있다.
본 발명의 환경에서, 제어 전자장치들 및 가능하면 다른 전기 장치들에 전력 제공은 동기 시스템 전압 결함을 가진 피드백의 경우에 초전도성 인덕턴스로부터 일시적으로 가능하다. 그러므로 독립된 중단없는 전력 공급부(UPS)는 바람직하게 필수적이지 않다. 게다가, 자기소거 동안 냉각 시스템에서 바람직하지 않은 열의 입력은 여기 에너지의 피드백에 의해 방지될 수 있다.
본 발명에서, 회전하는 트랜스포머는 감소된 용량의 사용으로 인해 필수적으로 별 모양 접속 방식으로 동작될 필요가 없다. 특정 환경들의 중간 주파수, 만약 가능하다면 공진 주파수에서의 전송은 유도성 트랜스포머의 우수한 전력 밀도를 위하여 추천되고, 그 결과 구성요소들은 작다.
그러므로 전체적으로, 본 발명은 전기 동기 머신을 위한 초전도성 필드 코일들에서 액티브 여기 및 여기 소거를 가능하게 한다. 이 경우, 냉각 시스템 쪽으로 열의 입력은 증가되지 않는다. 게다가, 시스템 전압 결함의 경우 UPS 기능은 발생한다.
본 발명의 추가 상세한 설명들 및 장점들은 특허 청구항들과 관련하여 도면을 참조한 예시적인 실시예에 관련하여 하기 도면의 설명으로부터 알 수 있다.
도 1은 전압 소스로서 시스템 단자(1), 접속된 인버터(3)를 가진 정류기를 포함하는 하류쪽 컨버터(2) 및 연결된 전자 부품들을 포함하고, 비접촉 트랜스포머로서 등가 회로도가 확대된 도면(A)으로 도시된 유도성 트랜스포머(5)가 제공된 회로를 도시한다.
이차측에서, 인덕턴스를 위한 전압 입력 또는 설정을 가진 여기 회로(6)는 트랜스포머(5)에 접속된다. 인덕턴스는 초전도성 재료, 특히 비교적 높은 임계 온도를 가진 고온 초전도성(HTS) 재료로 만들어진 코일로 형성된다.
도면에서, 인덕턴스 값(LSC)을 가진 초전도성 코일은 전체적으로 10으로 표시된다. 프리휠링 회로(11)는 초전도성 코일(10)과 병렬로 접속된다.
프리휠링 회로(11)는 초전도성 권선(10) 바로 근처에 배열되고, 사양에 따라 낮은 저항 값을 가진다. 유니폴라 필드 전류의 경우 초전도성 권선(10)에 바이폴라 전압을 제공하기 위한 외부 작동기(7)는 여기 필드의 동적 동작에 필수적이다. 자기 소거 동안, 만약 전력 결함이 여기 장치의 일차측에서 발생하면, HTS 권선(10)은 여기 전력이 일차측으로 방산될 필요가 없기 때문에 프리휠링 회로(11)에 접속될 필요가 있다. 그렇지 않으면, 머신의 고정자상 전기 전력은 열로 전환될 필요가 있다.
여기서 기술된 여기 장치의 특정 설계는 도면에 도시된 바와 같이 표준 디자인들로 제공되고 특정 참조가 이루어진 각각의 구성요소들의 결합에 의해 제공된다. 따라서, 양방향 전력 및 에너지 전송을 위한 유니트 및 코일(10)의 초전도성 인덕턴스상에 가해지는 바이폴라 전압은 정의된다.
삼상 정상 상태 시스템 단자는 표준 정류기에 의해 중간 회로 캐패시턴스(C1) 상 DC 전압을 이용하게 한다. 미리 결정할 수 있는 양방향 전력 흐름은 초전도성 인덕턴스로부터 다시 공급될 수 있는 에너지를 전환하기 위하여 브레이킹 쵸퍼를 가진 간단한 선 정류 다이오드 브리지 또는 자기 정류 전압 인가 정류기를 요구한다. 첫째, 시스템 단자로부터 초전도성 인덕턴스로 전력 흐름은 도시된다(좌측에서 우측으로).
인버터(3) 및 전송 경로는 전압 인가 컨버터들이다. 인버터(예를들어 IGBT들 S1x, D1x)는 DC 전압을 중간 주파수(fS)를 가진 방형파 전압으로 전환한다. 정류기(S2x 이 경우 고유 프리휠링 다이오드들을 가진 MOSFET들)는 DC 전압 캐피시터(C2) 상에서 기능한다. 이차측 상에 MOSFET들의 사용은 바람직하게 비교적 낮은 전압(U2)의 경우 적당하다.
도 1에 도시된 실시예에서, 다음 공진 캐패시턴스들(C1r 및 C2r)은 제공된다:
Figure pat00001
(1)
Figure pat00002
(2)
AC 중간 회로의 사인파 전류는 발생하고, 표유 인덕턴스들(Lσx) 양단 유도성 전압 강하는 보상된다. 공진 캐패시턴스는 또한 한쪽 측면에만 인가될 수 있고, 그 결과 다음은 방정식(1)에 대해 참이다:
Figure pat00003
(1a)
트랜스포머 권선들 양단 및 전력 반도체들상 IR 강하들을 가진 C2 양단 전압
Figure pat00004
은 이차측상 변환 비율을 사용하여 계산된 전압(UC1)보다 훨씬 적지 않다. 그러나 발생한 손실들은 캐패시턴스(C2) 상에서 갑작스러운 로드 변화들이 발생하는 경우 시스템을 감쇠하기 위하여 사용된다.
올바른 감쇠 측면에서 적당한 캐패시턴스(C2)의 선택은 시작부에서 인용된 논문에 설명된다. 각각의 정류기는 항상 패시브이고, 대응하는 전력 스위치들(IGBT들 또는 다이오드들)은 추후 제어기에 의해 대응하여 턴 오프된다.
정류기에서, 다이오드들은 전류를 도통시키고 자연적으로 정류된다. 인버터는 IGBT들을 영의 전류로 스위칭하고 하드 오프(hard off) 한다. 그러나, 단지 낮은 델타 파 자화 전류는 다이오드들로 전환될 필요가 있다.
역방향의 전력 흐름에 의해, 정류기들 및 인버터들은 임무들을 교환한다. 상위 정상 상태 시퀀스 제어기는 ULSC를 제어하기 위하여 필드 전류 및 회전하는 전압 작동기의 여기 또는 여기 해제 또는 프리휠링을 제어한다.
다이오드들(Dr1)을 가진 S5-S7 및 S7의 바디 다이오드(Dfr)는 전압 작동기로서 작동한다. 만약 S5 및 S6가 스위치 온 상태에 있고 S7이 스위치 오프 상태에 있으면, HTS 권선은 전압(-UC2)에 의해 여기된다. 만약 S5가 스위치 오프되면, 다이오드(Dfr)은 프리휠링 전류를 취한다. 순방향 전압은 제어 특성의 제 3 사분면에서 스위칭 온되는 MOSFET(S7)에 의해 감소되고 그러므로 실질적으로 프리휠링 전류를 취한다. 만약 S6가 스위치 오프되면, 전압(-UC2)은 LSC에서 제공된다. 그러므로 HTS 권선(10)은 여기 해제된다.
HTS 인덕턴스의 여기 및 여기 해제 동안 비접촉 에너지 전송이 똑같이 대응 전력 흐름을 허용하는 것은 필수적이고, 상기 대응 전력 흐름은 전력 전자 부품들을 가진 시퀀스 제어기에 의해 보장된다. 만약 필드 전류가 특정 목표된 값에 도달하면, 프리휠링 회로로 스위칭은 상기 값이 특정 제한치 아래로 떨어지고 재충전이 여기 상태에서 다시 발생할 필요가 있을 때까지 발생한다.
기술된 장치는 특히 큰 회전하는 HTS 인덕턴스에 전력을 공급하는데 적당하고, 상기 인덕턴스의 자화 전류는 낮은 조절/제어력에 의해 정상 상태 방식으로 제어된다. 특히, 시퀀스 제어기는 전력 흐름 방향을 알고 있고, 그 결과 인버터 및 정류기의 동기화는 처음에 언급된 종래 기술에서처럼 요구되지 않는다. 각각의 정류기는 항상 패시브이고, 대응 전력 스위치들(IGBT들 또는 다이오드들)은 시퀀스 제어기에 의해 대응하여 턴오프된다.
만약 시스템 전압이 여기 해제 과정 동안 공급되지 못하면, 전력이 브레이킹 쵸퍼들 없이 출력될 수 없고 시스템측 컨버터상 중간 회로 전압이 위험하게 높은 값들을 가질 수 있기 때문에, 프리휠링 회로로 변환할 필요가 있다. 대응하여 시스템 결함의 경우 시퀀스 제어기는 작동하지 않아야 한다. 필요할 수 있는 HTS 권선으로부터의 전압(UC1)의 재충전은 충분한 공급 전압을 보장한다. HTS 권선의 에너지 내용에 따라, 다른 성분들은 시스템 결함(UPS)의 경우 제어된 방식으로 이들 성분들을 분리하기 위하여 UC1으로부터 공급될 수 있다.
광학, 유도성 또는 용량성 시스템들은 이차 컨버터들의 필드 전류 측정 값 및 제어 정보의 비접촉 데이터 전송을 위하여 사용될 수 있다. 목표된 회로의 특정 장점은 여기 및 여기 해제가 기술된 회로들에서 제어된 방식으로 발생한다는 사실이다. 그러므로 독립된 에너지 소스는 여기 해제를 위하여 요구되지 않는다.

Claims (9)

  1. 고정자 및 필드 권선을 가진 회전자를 포함하는 전기 머신용 여기 장치로서,
    권선(10)에 대한 유도성 에너지 전송은 유도성 트랜스포머(5)를 통하여 발생하고, 연관된 전자 장치들(20)은 에너지 전력의 양방향 전송을 위하여 설계되도록 제공되는,
    전기 머신용 여기 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 유도성 트랜스포머(5)는 두 개의 포트 타입 코어들 및 회전자상 권선(10)을 위한 전압 작동기(7)를 포함하는,
    전기 머신용 여기 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 회전자상 필드 권선은 초전도성 인덕턴스(10)인,
    전기 머신용 여기 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 초전도성 인덕턴스(10)는 고온 초전도성(HTS) 재료로 만들어진 권선을 포함하는,
    전기 머신용 여기 장치.
  5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 전압 작동기(7)는 초전도성 인덕턴스(10)를 직접 공급하는,
    전기 머신용 여기 장치.
  6. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서, 바이폴라 전압(ULSC)은 초전도성 인덕턴스(10) 상에 인가되는,
    전기 머신용 여기 장치.
  7. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 전력 전자장치들은 피드백 및 동시 시스템 전압 결함의 경우 초전도성 인덕턴스(10)로부터 공급되는,
    전기 머신용 여기 장치.
  8. 제 7 항에 있어서, 추가의 전기 장치들은 초전도성 인덕턴스(10)로부터 공급될 수 있는,
    전기 머신용 여기 장치.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전송은 유도성 트랜스포머(5)의 우수한 전력 밀도를 위하여 중간 주파수, 바람직하게 공진 조절로 발생하는,
    전기 머신용 여기 장치.
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