KR20140058675A - 초전도 기기 및 그 작동 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 부품으로서 고정자(5) 및 상기 고정자(5)와 관련하여 회전할 수 있는 회전자(2)를 포함하는, 특히 독립형 발전 시스템에서 발전기로서 사용하기 위한 초전도 기기(1)에 관한 것으로, 여기서는 적어도 일측 부품, 특히 회전자(2)에, 2개 이상의 자극을 발생시키기 위한 하나 이상의 초전도 코일(3)이 제공되고, 상기 초전도 코일은 냉각 장치(4)에 의해 냉각되며, - 각각 타측 부품, 특히 고정자(5)에서 전기자 권선 내에 각 위상에 대하여 병렬로 연장되는 2개 이상의 권선 요소(6)가 제공되고, 이들 권선 요소는 하나 이상의 스위칭 수단(7)에 의해 선택적으로 직렬로 또는 병렬로 접속될 수 있다.

Description

초전도 기기 및 그 작동 방법{SUPERCONDUCTING MACHINE AND METHOD FOR THE OPERATION THEREOF}

본 발명은 부품으로서 고정자 및 이 고정자와 관련하여 회전할 수 있는 회전자를 포함하는 초전도 기기, 특히 독립형 발전 시스템에서 발전기로서 사용하기 위한 초전도 기기에 관한 것으로서, 상기 초전도 기기에서는 적어도 일측 부품에, 특히 회전자에, 2개 이상의 자극을 발생시키기 위한 하나 이상의 초전도 코일이 제공되고, 이 초전도 코일은 냉각 장치에 의해 냉각된다. 또한, 본 발명은 이와 같은 초전도 기기의 작동 방법에 관한 것이다.

자극에서 자계를 발생시키기 위해 여자 권선으로서 초전도성을 가진, 특히 고온 초전도체 재료로 형성된 초전도 코일을 포함하는 초전도 기기들이 종래 기술에 이미 공지되어 있다. 이러한 유형의 전기 기기의 경우, 초전도 코일은 특히 하나 이상의 냉각 헤드를 가진 냉각 장치에 의해 능동적으로 냉각되어야 한다. 초전도 코일의 온도가 자신의 작동 온도를 초과하여 상승하면, 초전도 기기의 작동을 위한 정격 여자 전류는 더 이상 달성되지 않는다.

이러한 초전도 기기, 특히 고온 초전도체 동기기는 발전기 모드로 예컨대 선박과 같은 독립형 발전 시스템에서 에너지원으로서 이용된다. 이 경우, 예컨대 냉각 장치의 고장과 같은 오작동 이후에는 기본적으로 어떠한 방법으로 발전 시스템의 작동을 제한적으로 유지하거나 복구할 수 있느냐 하는 점이 문제가 되는데, 이는 특히 초전도 코일의 냉각 장치의 고장 시 여자 권선의 가열이 발생함에 따라 그 작동이 정격 전류로는 더 이상 불가능하기 때문이다.

이런 문제를 해결하기 위해, 실제로 (재)작동이 요구되기 전에 여자 권선으로서 초전도 코일을 냉각하기 위한 보조 장치를 위한 전력을 더 긴 시간에 걸쳐 제공하는 비상 전원, 예컨대 추가 디젤 제너레이터를 제공하는 점이 제안된 바 있다. 그러나 이 경우 추가의 발전기 장치가 필요하며, 이는 비용이 많이 들고, 초전도 기기, 특히 고온 초전도체 동기기를 독립형 발전 시스템에서 에너지를 발생시키기 위한 덜 매력적인 선택이 되게 한다.

그러므로 본 발명의 과제는 작동 안전성을 높이고 예컨대 독립형 발전 시스템에서 발전기로서 이용되는 초전도 기기에서 오작동 처리를 위한 개선 가능성을 제공하는 데 있다.

도입부에 언급한 유형의 초전도 기기의 경우, 상기 과제를 해결하기 위해 본 발명에 따라,

- 각각 타측 부품에서, 특히 고정자에서, 전기자 권선 내 각각의 위상에 대해 2개 이상의 병렬 권선 요소들이 제공되며, 이들 권선 요소는 하나 이상의 스위칭 수단에 의해 선택적으로 직렬 또는 병렬로 스위칭될 수 있다.

이 경우, 하기에서는 더 나은 표현을 위해 종종 일반적인 설계에 따라 초전도 코일을 포함하는 여자 권선이 회전자 안에 수용되는 것으로 가정된다(회전 전기자 기계). 이는 고정자가 전기자 권선을 가진 전기자임을 의미한다. 그러나 본 발명은, 초전도 코일을 포함하는 극, 즉 여자 권선이 고정자 내에 수용되는 반대의 구성에도 적용될 수 있기 때문에, (회전자 내에 놓인) 전기자 권선은 상이한 회로의 관점에서 고려된다(고정 전기자 기계). 회전자는 나아가 내부 회전자로서 또는 외부 회전자로서, 경우에 따라서는 그 중간 형태로서도 형성될 수도 있다. 그 외에도 일반적인 용어들이 사용되며, 권선 스트랜드는 특정 위상에 할당된 권선의 하나 또는 복수의 권선 요소들을 나타내고, 권선 요소는 그 코일들이 영구적으로 서로 연결되어 있는 권선의 부분을 나타낸다. 그 외에도, 전기자 권선이라는 개념은 작동 중에 외부 전력망으로부터 유효 전력 및/또는 무효 전력를 끌어당기거나, 상기 외부 전력망으로 유효 전력 및/또는 무효 전력을 송출하는 권선을 칭한다.

즉, 본 발명에 따라, 독립형 발전 시스템을 위한 에너지가 발생되는 전기자 권선들, 특히 고정자 권선들이 복수의 권선 요소들에서 다중 병렬식으로 구현될 수 있으며, 이들은 스위칭 수단, 즉 특히 스위칭 장치에 의해 병렬로 또는 직렬로 접속될 수 있다. 이는 각각의 위상에 대해 똑같이 실행되며, 이때 일반적으로 3상의 전체 권선이 사용된다. 권선 요소들이 직렬로 접속되면, 여자 전류가 동일할 경우 권선 요소들이 병렬 접속되는 경우에 비해 더 높은 전압과 더 낮은 전류로 전력이 발생한다. 회로 복잡도를 최소화하기 위해, 각각의 위상에 대해 짝수의, 특히 각각 정확히 2개의 병렬 권선 요소가 제공되는 것이 유리하다. 본 실시예에서 권선 요소들의 직렬 접속은 정격 여자 전류에서 두 배의 전압 발생을 가능케 할 수 있다. 그럼으로써, 초전도 코일, 즉 여자 권선의 영역 내 연철 함량에 따라, 정격 여자 전류의 대략 절반에 해당하는 여자 전류에서 이미 일반적인 정격 전압을 발생시킬 수 있다. 그러나 이 경우 기기의 절반의 정격 전력만 발생할 수 있는데, 이는 직렬 접속된 부분 권선 요소들 내로 절반의 전류만 흐를 수 있기 때문이다. 그러므로 본 발명을 통해, 여자 전류의 감소를 달성할 수 있으면서도 독립형 전력 시스템에 계속 에너지를 공급할 수 있게 된다. 특히 훨씬 더 높은 온도에서도 더 낮은 여자 전류가 구현될 수 있다.

일반적으로 이것이 의미하는 바는, 전기자 권선, 특히 고정자에서 상마다 n개의 병렬 권선 요소가 사용될 때, 직렬 접속의 경우 이미 정격 여자의 대략 1/n에서 총 정격 전압이 정격 전력의 1/n의 전력으로 발생할 수 있으며, 이때 권선 요소들 내 전류 역시 정격 전류의 1/n에 불과하다.

전력을 발생시키는 권선들을 구현하기 위해 주로 병렬 권선 요소들이 이용됨에 따라, 병렬로 연장되는 권선 요소들을 갖는 배전압 권선이 상대적으로 적은 비용으로 구현될 수 있다. 간단한 경우에 초전도 기기의 단자 박스 내 단자들에 의해 구현될 수 있는 스위칭 수단이 필요하며, 이 경우 초전도 기기는 수동으로 전환될 수 있다. 그러나 스위칭 수단은 특히 제어 가능한 스위치, 예컨대 계전기에 의해 구현될 수 있다.

본 발명의 장점은, 이러한 방식으로 기기가 여자 전류의 감소 시 이미 총 정격 전압에 이를 수 있고, 이 경우 초전도 코일의 온도가 훨씬 더 높은 경우에도 여자 전류가 그와 같이 감소될 수 있다는 데 있다. 즉, 이는 예컨대 냉각 장치의 고장 시에도 초전도 기기는 비상 작동 모드에서 더 긴 시간 동안 여자 전류가 감소하여도 계속 작동될 수 있고, 정격 전압을 독립형 발전 시스템의 공급 전압으로서 제공할 수 있으며, 예컨대 2개의 권선 요소가 직렬로 접속된 경우 비상 작동 모드에서 항상 절반의 정격 전력이 제공되며, 이 정격 전력은 이상적인 경우 초전도 기기를 위한 보조 장치들뿐만 아니라 더 나아가 독립형 전력 시스템의 더 많은 부분들에도 공급될 수 있다. 이를 구현하기 위한 회로 복잡도는 낮다.

본 발명의 개선예에서 특별한 장점으로서, 초전도 기기는 2개의 작동 모드를 구현하는 제어 장치를 가질 수 있으며, 이 제어 장치는 정상 작동 모드를 위한 권선 요소들의 병렬 접속을 위해 스위칭 수단을 제어하고, 권선 요소들의 직렬 접속을 위해 스위칭 수단을 제어하고, 특히 냉각 장치의 고장 시 비상 작동 모드를 위해 여자 전류를 감소시키도록 초전도 코일용 여자 장치를 제어하는 방식으로 형성된다.

즉, 상기 제어 장치를 통해 정상 작동 모드와 비상 작동 모드가 제공되며, 상기 제어 장치가 목적에 맞게 초전도 코일을 위한 여자 전류를 감소시키도록 형성됨에 따라, 정상 작동 모드에서는 정격 전압에서 일반 정격 전력이 제공되지만, 비상 작동 모드에서는 전력이 감소할 수 있다. 상응하는 여자 장치의 제어를 통해 실시될 수 있는 정격 여자 전류로부터의 여자 전류의 감소는, (언급한 것처럼 감소한 전력에 상응하는) 정격 전압이 유지되도록 실시되며, 그럼으로써 독립형 전력 시스템은 초전도 기기에 의해 계속 구동될 수 있다. 특히, 제어 장치는 비상 작동 모드에서 정격 여자 전류의, 스위칭 가능한 권선 요소들의 수에 상응하는 양으로 초전도 코일을 위한 여자 전류를 감소시키도록 형성될 수 있다. 즉, 바람직한 구성에서는 위상 당 2개의 권선 요소가 제공될 경우, 여자 전류가 이등분될 수 있으므로, 동일한 정격 전압이 달성되고 전력은 이등분된다.

그 외에도, 제어 장치는 냉각 장치의 고장 시, 그리고/또는 초전도 권선을 위한 여자 장치의 전력이 너무 낮을 때, 그리고/또는 그 밖의 결합 발생 시 비상 작동 모드를 활성화하도록 형성될 수 있다. 이러한 결함들은 예컨대 적절한 검출 수단, 예컨대 온도 측정기, 전압 측정기 및 전류 측정기와 같은 센서들을 통해서도 확인될 수 있으며. 이 경우, 결함 발생 시에도 완전자동으로 비상 작동 모드로 전환될 수 있으며, 이 비상 작동 모드는 더 높은 온도에서도 초전도 기기가 독립형 발전 시스템 내 발전기로서 제한적으로 추가로 작동될 수 있게 한다.

기본적으로 본 발명에서는, 권선 요소들이 2개 이상의 짝수개일 때 각각의 위상에서 스위칭 수단이 권선 요소들의 부분 병렬 회로 및 부분 직렬 회로를 위해서도 형성되므로, 항상 동일한 병렬 회로들이 직렬로 또는 항상 동일한 직렬 회로들이 병렬로 접속된다. 즉, 권선 요소들의 일부만 직렬로 접속되고 다른 일부는 병렬로 접속되는 상이한 회로 상태들이 구현될 수 있는 점도 고려될 수 있으며, 이때 각 서브 스위칭 유닛은 정확한 전압을 갖는 점에 유의한다. 따라서 감소한 여자 전류는, 그럼에도 계속해서 정격 전압에 도달되는 방식으로 결정될 수 있다. 그럼으로써 예컨대, 동일한 정격 전압에서 상이하게 감소한 전력이 제공되는 복수의 비상 작동 모드가 고려될 있다.

초전도 기기는 동기기로서 형성될 수 있으며, 그리고/또는 초전도 권선은 고온 초전도체 재료로 형성될 수 있다. 고온 초전도체 동기기는 특히 독립형 발전 시스템에서 발전기로서 작동되기에 적합하다.

그 외에도, 본 발명에 따라 상이한 위상의 권선 스트랜드들이 성형 접속(star connection) 또는 델타 접속 형태로 접속될 수 있다. 상기 두 가능성 모두 일반적으로 통용되며, 본 발명에서도 고려될 수 있다.

초전도 기기 외에도, 본 발명은 본 발명에 따른 초전도 기기의 작동 방법에 관한 것으로서, 상기 방법의 경우 정상 작동 모드에서는 정격 전력을 발생시키기 위해 권선 요소들이 병렬로 접속되고, 비상 작동 모드에서는, 특히 냉각 장치의 고장 시, 정격 전력보다 더 작은 전력을 발생시키기 위해 권선 요소들이 직렬로 접속된다. 초전도 기기와 관련한 모든 실시예가 본 발명에 따른 방법에도 유사하게 적용될 수 있으므로, 상기 방법은 정상 작동 모드와 비상 작동 모드 그리고 본 발명의 장점들을 구현할 수 있다.

이 경우, 특히 초전도 기기의 정격 전압이 비상 작동 모드에서도 발생되도록, 비상 작동 모드 동안 초전도 코일이 정격 전류보다 더 작은 여자 전류로 작동된다. 즉, 예컨대 상마다 2개의 권선 요소가 사용될 경우, 정격 전압을 발생시키기 위해 여자 전류가 예컨대 이등분될 수 있다. 또한, 비상 작동 모드는 냉각 장치의 고장 또는 오작동 시, 그리고/또는 초전도 코일을 위한 여자 장치의 전력이 너무 작을 때 활성화될 수 있다. 이는 제어 장치에 의해서도 실시될 수 있으며, 상기 제어 장치를 통해 본 발명에 따른 전체 프로세스 역시 자동으로 구현될 수 있다.

그러므로 본 발명에 따른 방법을 통해, 더 높은 작동 온도에서도 비상 작동 모드가 구현될 수 있고, 초전도 기기가 감소된 전력으로 계속 작동될 수 있음으로써, 독립형 발전 시스템에서 발전기 모드로 구동되는 초전도 기기가 더욱 고장 안전적으로 구성될 수도 있다.

본 발명의 그 밖의 장점들 및 세부 내용들은 하기에서 설명하는 실시예들과 도면을 참조한다.

도 1은 본 발명에 따른 기기의 개략도이다.
도 2는 권선 요소들의 접속에 관한 개략도이다.
도 3은 정상 작동 모드에서 접속의 기호도이다.
도 4는 비상 작동 모드에서 접속의 기호도이다.

도 1에는 본 발명에 따른, 여기에는 동기기로서 형성된 초전도 기기(1)를 상당히 단순화한 개략도가 도시되어 있다. 이 초전도 기기는 회전자(2)를 포함하며, 이 회전자는 보다 간략한 표현을 위해 2극으로 도시되어 있다. 상기 극들에 자속을 발생시키기 위해, 회전자는 초전도체 재료, 특히 고온 초전도체 재료로 이루어진 도체를 갖는 초전도 코일(3)을 여자 권선으로서 포함한다. 초전도 코일(3)을 위한 냉각 장치는 일부분만 도면부호 "4"로 표시되어 있다. 이와 같은 냉각 장치들의 구현은 종래 기술에 널리 공지되어 있으므로 여기에서는 자세히 설명할 필요가 없을 것이다.

내부 회전자로서 형성된 회전자(2)는 고정자(5)와 관련하여 회전할 수 있게 지지되며, 상기 고정자는 간락하게 표시된 복수의 고정자 권선(U, V, W)(전기자 권선)을 가지며, 이들 고정자 권선 각각은 3개 위상 중 하나에 할당된다. 고정자 권선들(U, V, W)은 각각 2개의 병렬 권선 요소들(6)을 갖는다. 권선들의 구체적인 경로, 고정자 티쓰(stator teeth)의 수 등은 종래 기술에 기본적으로 공지되어 있는 다양한 유형으로 고려될 수 있으므로, 여기서는 상세히 설명하지 않는다.

도 2에는 고정자 권선들(U, V, W), 구체적으로는 권선 요소들(6)의 구체적인 배선이 또 다른 개략도로 도시되어 있다. 각각의 위상의 권선 요소들(6)에 대해 각각 제어 가능한 스위칭 수단(7)이 제공되고, 이 스위칭 수단에 의해 권선 요소들(6)이 병렬로 또는 직렬로 접속될 수 있다는 점을 알 수 있다. 이러한 유형의 스위칭 수단을 설계할 수 있는 방법들은 종래 기술에 널리 공지되어 있으므로 자세히 설명하지는 않는다.

상기 기기(1)는, 초전도 코일(3)을 위한 여자 전류를 발생시키기 위한 여자 장치(9) 및 스위칭 수단(7)을 제어하도록 형성된 제어 장치(8)를 포함한다.

여기에 자세히 도시되지 않은 관련 검출 수단 및/또는 수동식 입력을 통해 제어 장치(8)에 오작동 발생 정보가 제공되면, 즉 예컨대 냉각 장치(4)가 고장이 나고, 그리고/또는 여자 장치(9)가 전출력으로 작동할 수 없는 경우, 권선 요소들(6)이 병렬로 접속되고 여자 장치(9)가 정격 여자 전류를 제공하도록 스위칭 수단(7)이 스위칭되는 정상 작동 모드로부터, 권선 요소들(6)이 직렬로 접속되고 여자 장치(9)가 연철 함량에 따라 정격 여자 전류의 대략 절반만 초전도 코일(3)을 위한 여자 전류로서 제공하도록 스위칭 수단(7)이 스위칭되는 비상 작동 모드로 제어 장치(8)가 전환된다.

이러한 두 가지 작동 상태는 도 3 및 도 4를 통해 개략적으로 도시되어 있다. 도 3에는, 권선 요소들(6)이 병렬로 접속됨으로써 중성점(neutral point, 10)에 병렬로 연결되어 있는 정상 작동 모드가 도시되어 있다. 도 4에는, 권선 요소들(6)이 직렬로 접속됨으로써 하나의 기다란 전체 권선으로서 중성점(10)에 연결되는 비상 작동 모드가 도시되어 있다.

비상 작동 모드에서 초전도 코일(3)의 일반적인 작동 온도보다 더 높은 온도에서도 구현될 수 있는 절반의 정격 여자 전류가 이용됨에 따라, 권선 요소들(6)의 직렬 접속을 통해 절반의 최대 전력에서도 동일한 정격 전압이 도출되는 데, 이는 부분 권선 요소들(6)에서 발생하는 최대 전류가 절반 크기에 불과하기 때문이다.

그러므로 초전도 기기(1)가 독립형 발전 시스템에서 발전기로서 구동되면, 상기 초전도 기기(1)는 이미 대략 절반의 여자 전류로 총 정격 전압에 도달할 수 있다. 이러한 여자 전류의 감소는 초전도 코일(3)의 온도가 훨씬 더 높은 경우에도, 따라서 냉각 장치(4)의 고장 시에도 허용될 수 있다. 그럼에도, 절반의 전력으로 여전히 매우 높은 전력이 제공되며, 이는 비상 작동을 위해 이용될 수 있다.

바람직한 실시예를 통해 본 발명을 상세히 기술하였지만, 본 발명이 상기 공개한 실시예들로 제한되는 것은 아니며, 이들 실시예로부터 당업자에 의해 본 발명의 보호 범위 내에서 다른 변형예들이 도출될 수 있다.

Claims (10)

1. 부품으로서 고정자(5) 및 이 고정자(5)와 관련하여 회전할 수 있는 회전자(2)를 포함하는, 특히 독립형 발전 시스템에서 발전기로서 이용하기 위한 초전도 기기(1)이며,
   - 적어도 일측 부품, 특히 회전자(2)에, 2개 이상의 자극을 발생시키기 위한 하나 이상의 초전도 코일(3)이 제공되고, 상기 초전도 코일은 냉각 장치(4)에 의해 냉각되며,
   - 각각 타측 부품, 특히 고정자(5)에, 전기자 권선 내에 각각의 위상을 위해 병렬로 연장되는 2개 이상의 권선 요소(6)가 제공되고, 이들 권선 요소는 하나 이상의 스위칭 수단(7)에 의해 선택적으로 직렬로 또는 병렬로 접속될 수 있는, 초전도 기기(1).
2. 제1항에 있어서, 각각의 위상을 위해 짝수의, 특히 각각 2개의 병렬 권선 요소(6)가 제공되는 것을 특징으로 하는, 초전도 기기.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 초전도 기기는 2개의 작동 모드를 구현하는 제어 장치(8)를 더 포함하며, 이 제어 장치는, 정상 작동 모드를 위한 권선 요소들(6)의 병렬 접속을 위해 스위칭 수단(7)을 제어하고, 권선 요소들(6)의 직렬 접속을 위해 스위칭 수단(7)을 제어하며, 특히 냉각 장치의 고장 시 비상 작동 모드를 위해 여자 전류를 감소시키도록 초전도 코일(3)용 여자 장치(9)를 제어하는 방식으로 형성되는 것을 특징으로 하는, 초전도 기기.
4. 제3항에 있어서, 제어 장치(8)는 냉각 장치(4)의 고장 시, 그리고/또는 초전도 코일(3)을 위한 여자 장치(9)의 전력이 너무 낮을 때, 그리고/또는 비상 작동 모드에서 초전도 코일(3)을 위한 여자 전류를 스위치-오버된 권선 요소들(6)의 수에 상응하는 정격 여자 전류의 양으로 감소시키기 위해, 비상 작동 모드를 활성화하도록 형성되는 것을 특징으로 하는, 초전도 기기.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 초전도 기기는 동기기로서 형성되고, 그리고/또는 초전도 코일(3)의 도체는 고온 초전도 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는, 초전도 기기.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상이한 위상의 권선 스트랜드들이 성형 접속 방식으로 또는 델타 접속 방식으로 접속되는 것을 특징으로 하는, 초전도 기기.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 초전도 기기의 작동 방법이며,
   정상 작동 모드에서는 정격 전력의 발생을 위해 권선 요소들(6)이 병렬로 접속되고, 비상 작동 모드에서는 정격 전력보다 더 작은 전력의 발생을 위해 권선 요소들(6)이 직렬로 접속되는, 초전도 기기의 작동 방법.
8. 제7항에 있어서, 비상 작동 모드에서 초전도 코일(3)은, 특히 비상 작동 모드에서도 초전도 기기(1)의 정격 전압이 발생하도록, 정격 전류보다 더 작은 여자 전류로 작동되는 것을 특징으로 하는, 초전도 기기의 작동 방법.
9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 비상 작동 모드는 냉각 장치(4)의 고장 또는 오작동 시, 그리고/또는 초전도 코일(3)을 위한 여자 장치(9)의 전력이 너무 낮을 때 활성화되는 것을 특징으로 하는, 초전도 기기의 작동 방법.
10. 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 초전도 기기(1)는 독립형 발전 시스템에서 발전기 모드로 작동되는 것을 특징으로 하는, 초전도 기기의 작동 방법.

Images