KR20140096356A

KR20140096356A - 회전 전기기계

Info

Publication number: KR20140096356A
Application number: KR1020147015703A
Authority: KR
Inventors: 에이노 실란데르
Original assignee: 에이비비 테크놀로지 아게
Priority date: 2011-11-28
Filing date: 2011-11-28
Publication date: 2014-08-05
Also published as: IN2014CN04721A; EP2786480B1; BR112014012783A8; US9325225B2; EP2786480A1; CN103988418A; WO2013079761A1; BR112014012725A8; BR112014012783B1; US20140266080A1; BR112014012783A2; BR112014012725A2; JP2014533923A

Abstract

본 발명은 회전 전기기계 및 무-브러시형 회전 전기기계의 회전자를 자화하는 방법에 관한 것으로서, 상기 방법은 정지된 자계를 형성하고, 교류 전류를 생성하기 위해 상기 정지된 자계에서 자화 장치의 회전자를 회전시키고, 상기 회전자에 배치되어 있는 제어가능한 브리지로써 교류 전류를 정류하고, 상기 회전자에 대한 제어 명령들을 무선으로 수신하고, 상기 제어 명령들에 기초하여 상기 제어 가능한 브리지로써 전류의 크기를 조절하고, 그리고 회전 전기기계의 자화 권선에 조절된 전류를 공급하는 것을 포함한다.

Description

회전 전기기계{ROTATING ELECTRICAL MACHINE}

본 발명은 회전 전기기계에 관한 것으로서, 특히 회전 전기기계의 여자(excitation)에 관한 것이다.

모터나 발전기와 같은 회전 전기기계의 동작은 그 기계의 고정자(stator)와 회전자(rotor) 사이의 자기적인 상호작용에 기초하고 있다. 일반적으로, 고정자와 회전자의 극(pole)들의 자화(magnetization)는 영구자석 단편들을 이용하여 또는 전류가 흐르는 권선(windings: 와인딩)들을 이용하여 이루어질 수 있다. 대체로, 동기형(synchronous) 기계장치들의 경우에, 고정자는 권선을 포함하고, 그리고 회전자 극들은 영구자석 또는 전류가 흐르는 권선들을 이용하여 자화된다. 동기형 기계장치가 발전기로서 사용될 때, 회전자는 기계적인 동력에 의해 회전하며 그리고 회전하는 자계(magnetic field)가 고정자 권선들에 전압을 유기한다. 동기형 기계장치가 모터로서 사용될 때에는 교류 전류가 고정자에 회전하는 자계를 발생하게 되고 자화된 회전자는 그 자계의 움직임을 따르게 되며, 이것에 의해 자계와 함께 회전하게 된다.

회전자에 있어서 전기적 자화 또는 필드 코일을 이용하는 것은 회전자의 극에 인가되는 전류를 조절함으로써 그 자화가 제어될 수 있다는 이점을 갖는다. 이 전류는 필드 자화 전류, 여자 전류 또는 회전자 전류로서 지칭된다. 이 전류의 목적은 회전하는 회전자에 필요한 자계를 생성하는 것이다.

전통적으로, 필드 자화는 무-브러시형(brushless) 자화 또는 브러시형 자화를 이용하여 생성된다. 브러시형 자화에 있어서, 전류는 브러시를 이용하여 정치형(stationary) 전원으로부터 회전하는 회전자로 공급되는데, 상기 브러시는 정지된 측면으로부터 회전하는 회전자로 전류를 전달한다.

도 1은 무-브러시형 자화(brushless magnetization)에 이용되는 기본적인 구조를 도시하고 있다. 무-브러시형 자화에 있어서는, 주장치의 필드 권선(3)에 자화 전류(I_R)을 생성하기 위하여 자화장치 또는 여자기(exciter)가 이용된다. 자화장치의 회전자 권선(1)은 주장치의 회전자와 함께 회전하며, 반면에 여자기의 고정자 권선(2)은 여자 전류(I_m)에 의해 동력공급된(energized) 상태로 된다. 회전하는 권선에 발생한 전류는 다이오드 브리지로써 정류되고, 그리고 그 정류된 전류, 즉 회전자 전류(I_R)는 필드 권선(3)에 또한 공급된다. 따라서 회전자 전류(I_R)는 여자 전류(Im)를 조절함으로써 간접적으로 제어된다.

도 1은 또한 회전 요소들을 점선 친 부분(5)으로서 나타내고 그리고 자화 전류를 제어하기 위해 이용되는 장치(6)를 도시한다. 이 장치(6)는 일반적으로 자동전압조절기(Automatic Voltage Regulator: AVR)로서 지칭된다. 상기한 AVR는 복수의 입력들(미도시)을 입력하도록 구성되며, 그 입력된 신호들에 따라서 상기 장치의 자화를 제어한다. 도 1은 또한 주장치의 고정자 권선(7)을 도시하고 있는데, 이것으로부터 당해 기계장치가 발전기일 경우에 3상 전압(U, V, W)이 획득 가능하다.

전술한 무-브러시형 여자와 연관된 불리한 점들 중의 하나는 상기 기계장치의 구조가 자화전류 조절 때문에 상당히 복잡해진다는 것이다. AVR는 수십 암페어 범위의 전류를 발생할 수 있는 전원장치(power stage)를 구비하고 있다. 이 전원장치는 일정 양의 손실을 갖게 되며, 전체 AVR 시스템은 대형이다. 게다가, AVR 시스템은 개별적인 전원공급기(power supply), 예를 들면, 트랜스포머, 파일럿 여자기(pilot exciter) 등을 필요로 하므로 그 시스템에 의해 공간이 더 요구되고 복잡성이 증가된다.

본 발명의 목적은 전술한 불리한 점들을 경감하도록 하는 방법 및 그 방법을 구현하기 위한 기계장치를 제공하는 것이다. 본 발명의 목적들은 후술하는 특허청구범위의 독립항들에 기술된 것을 특징으로 하는 방법 및 기계장치에 의해 달성된다. 본 발명의 바람직한 실시예들은 종속항들에 개시되어 있다.

본 발명은 회전자 전류가 직접 제어되도록 기계장치의 회전자에 제어형 브리지(controlled bridge)를 사용한다는 개념에 기초하고 있다. 상기한 제어형 브리지는 회전하는 회전자에 배치된 제어장치로써 제어되며, AVR과 같은 정치형 장치로부터 무선으로 제어정보를 수신한다.

본 발명의 방법 및 장치에 있어서의 장점은 어떤 개별적인 여자 전류(excitation current)도 필요치 않다는 것과 그리고 AVR 장치에 있어서 전원장치(power stage)에 대한 필요성을 회피할 수 있다는 점이다. 이것은 AVR 장치의 크기와 전력 정격을 크게 줄일 수 있도록 해준다.

어떠한 제어형 여자 전류도 사용되지 않기 때문에, 여자기(exciter)는 그 여자기의 고정자에서 영구자석을 사용하여 자화될 수가 있다. 영구자석들의 크기와 양은 정확하게 산출이 가능할 것이다.

일 실시예에 따르면, 회전자 제어장치와 AVR 장치 사이의 데이터 전송은 양방향성(bidirectional)이며, 즉 회전자 제어장치는 또한 정치형 AVR 장치에 무선으로 통신이 가능하다. 이것은 회전하는 회전자로부터 측정정보가 직접 수신되는 것을 가능하게 만들며, 이것은 종전에는 불가능하였다.

이하에서 본 발명은 첨부한 도면들을 참조하여 바람직한 실시예들을 통해서 더 상세히 기술될 것이다.
도 1은 전기 기계장치의 회전자를 자화하기 위한 공지의 시스템을 도시한다; 그리고
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 자화 시스템의 기본적인 구성을 도시하는 도면이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 자화 시스템의 주요 회로 구성을 도시하고 있다. 회전 전기기계에는 무-브러시 여자(brushless excitation)가 제공된다. 즉, 상기한 전기기계는 회전자 전류가 그것을 통해 정치형 전류원으로부터 공급되는 어떠한 슬립-링(slip-ring)들도 갖지 않는다. 본 발명의 개시에 있어서 주장치의 자화는 여자장치의 회전자 권선(21)에 의해서 또는 주 전기장치의 회전자와 함께 회전하는 여자기에 의해 생성된다. 회전하는 요소들과 함께 회전자는 도 2에서 점선 친 부분(31)으로서 도시되어 있다.

여자장치 또는 여자기의 회전자 권선으로부터의 전류는 정류되어, 직류 전류, 즉 필드 자화전류가 회전자 권선, 즉 주장치의 필드 권선으로 공급되도록 한다. 본 개시에 있어서, 정류는 싸이리스터들(T1-T6)로 이루어진 제어형 정류 브리지(22)를 이용하여 수행된다. 본 실시예에 있어서, 보조장치의 회전자(21)는 3상을 가지며, 따라서 정류 브리지는 세 쌍의 정류 소자들을 갖는다.

상기 장치의 회전자는 브리지 구성의 스위칭 소자들을 제어하는 회전자 제어장치(24)를 더 포함한다. 회전자 제어장치는 여자기의 상들(phases)에 연결되고, 그로부터 상기 제어장치는 그의 동작 전압을 입력한다. 선택적으로는, 상기 제어장치는 보조 코일에 의해 동력공급된다. 상기 기계장치의 동작이 개시될 때, 회전자 제어장치는 전력이 걸리지 않는다. 상기 기계장치의 회전자가 일단 회전을 시작하면, 여자기는 전압을 생성하고 이 전압은 회전자 제어장치의 동작 전압으로서 사용된다.

상기 회전자 제어장치가 회전자 내에 배치될 때, AVR로부터 회전자 제어장치로의 제어명령은 무선송신을 이용하여 전송된다. 회전자 양의 실제적인 값들, 예컨대 회전자 전압(U_R) 및 전류(I_R)은 AVR로 다시 무선으로 전송된다. 회전자 제어장치는 전류 측정수단(25)에 의해 회전자 전류를 측정하며, 이것은 예를 들면 분로(shunt) 측정 또는 홀-요소(Hall-element) 또는 그와 유사한 것일 수도 있다.

상기한 전류(I_R)는 싸이리스터들(T1-T6)을 통해서 조절되는데, 이것들은 AVR 장치(26)로부터 전송된 신호들에 따라서 회전자 제어장치에 의해 조절된다.

AVR 장치(26)와 그의 기능은 본 발명에서 사용된 AVR 장치가 실제의 여자 전류를 발생하기 위한 어떠한 전원장치도 갖지 않는다는 것을 제외하고는 공지의 구조와 유사하다. 도 2는 AVR 장치에 접속되는 송신장치(27)를 도시하고 있다. 이 송신장치(27)로부터의 신호들은 회전자 제어장치(24)에 의해 수신된다. 회전자 제어장치는 상기 신호들을 수신하기 위한 적절한 수단을 포함한다. 무선 송신은 임의의 공지된 무선 송신 방법 및 장치들을 이용하여 수행되어도 좋다. 적용 가능한 송신기술 유형은, 예를 들면, 블루투스 무선기술, 적외선 기술, RF 기술 등과 같은 포함할 수도 있다. 정보의 전송은 또한 예를 들어 여자기의 극에 감긴 코일들을 이용하는 것을 포함하여 완전히 특정 구조형 장치를 사용하여 수행될 수도 있다.

본 개시에 있어서, 여자 응답 및 정확도는 전통적인 무-브러시형 여자보다 더 양호하다. 이것은 회전자 전류가 여자 전류(Im)를 조절하지 않고 직접 조절되기 때문이다. 여자 응답은 발생한 전력이 전보다 훨씬 정확하게 안정화될 수 있는 범위까지 향상된다. 이러한 특징은 또한 소위 전력 안정화 시스템(power stability system: PSS)에서 활용될 수도 있다.

여자기의 고정자(23)는 바람직하게는 영구자석을 이용하여 자화될 것이다. 필요한 영구자석들의 양은 실험장에서 실험적으로 정의되거나 계산될 수가 있다. 더욱이, 고정자의 디자인은 영구자석으로써 간편하게 이루어질 수가 있다. 자화 권선(winding)에 공급되는 필요한 회전자 전류는 공지되어 있고, 따라서 자화장치는 이러한 전류를 공급하도록 설계가 가능하다. 영구자석들의 양은 필요한 단락회로(short-circuit) 전류가 획득될 수 있도록 설정이 가능하다.

대형의 특정형 전압 트랜스포머가 필요하지 않기 때문에 영구자석의 사용이 바람직하다. 전류 트랜스포머에 의해서 또는 파일럿 여자기에 의해서 완성되는 전압 트랜스포머들은 AVR 장치에 전력을 공급하기 위한 전통적인 무-브러시형 여자에서 필요하다.

또 다른 해결방식은 전기적으로 자화된 고정자를 이용함으로써 여자기를 자화하는 것이다. 여자기의 고정자 코일들에 공급되는 전류는 회전자 전류가 회전자 회로에서 조절되기 때문에 일정하게 될 수 있다. 그러한 일정한 전류는 기존의 시스템에서와 같은 제어형 여자 전류를 이용하는 것보다 자화 회로의 설계를 더욱 단순하게 해준다.

일 실시예에 따르면, 회전자 제어장치(24) 및 정치형 AVR 장치(26)는 무선으로 양방향성으로 연결된다. 이것은 양 장치들이 서로 정보를 송수신하도록 구성된다는 것을 의미한다. 전술한 바와 같이, 회전자 제어장치는, 예를 들면, 필드 자화 전류 또는 회전자 전류(I_R)의 측정 값을 AVR에 전송한다. 이러한 피드백은 전통적인 AVR 시스템들과 비교하여, AVR에 있어서 부가적인 제어 가능성, 예를 들면, 시간 종속형 최대 제한치를 회전자 전류로 설정하는 것을 제공한다. 더욱이, 전류(I_R)의 값은 AVR로부터 직접 독출이 가능하다. 예컨대, 테스트 필드에서 어떠한 슬립-링들을 측정하는 것도 필요하지 않다.

양방향성 정보 전송은 많은 다른 용도를 갖는다. 종래기술의 시스템에 있어서, 회전자 회로에서의 전류 및 전압의 실제의 값들은 알려져 있지 않았다. 정보의 전송은 회전자 전류 및 전압의 측정치들이 회전자로부터 정치형 AVR 장치로 전송되는 것을 가능하게 해준다. 공지의 시스템에 있어서 대형 발전기들의 형식 테스트는 발전기를 테스트할 목적만을 위해 회전자에 슬립-링들을 배치함으로써 수행되었다. 따라서, 양방향성의 데이터 전송은 기계장치의 실질적인 사용 전에도 유용하다.

정치형 장치(26)에 전송되는 측정치들은 권선으로부터 또는 브리지로부터 측정된 상이한 온도값들과 자화 권선에 대해 걸리는 전압을 포함할 수도 있는데, 여기서 회전자 전류는 측정수단(25)으로써 측정되며, 이 전압은 예를 들면, 간단한 전압 분배기를 이용하여 측정될 수가 있다. 다른 전송되는 신호들은 예를 들면, 지락 고장 신호(earth fault signal) 및 싸이리스터 또는 다른 반도체 소자들에서 고장을 나타내는 신호들일 수도 있다.

기계장치의 안전을 도모하기 위하여, AVR 장치는 장치들 간의 통신 경로가 양호한 상태에 있다는 것을 보증하기 위하여 회전자 제어장치에 반복적으로 접촉할 수도 있다. 이것은 회전자 제어장치가 응답하는 폴(poll) 신호를 반복적으로 전송하거나 회전자 제어장치에 기준 값들을, 그것이 일정하게 유지되고 있을지라도, 반복적으로 전송함으로써 수행될 수가 있다. 상기 회전자 제어장치는 상기 기계장치가 소정 시간간격이 지나서도 AVR 장치로부터 전송신호가 수신되지 않는다면 차단(shutdown) 되는 기능을 갖도록 할 수도 있다. 더욱이, 회전자 제어장치가 수신된 명령들을 감독하도록 하는 보호기능이 수행되어도 좋다. 만일 그 명령들이 소정의 기준에 부합하지 않는다면, 회전자 제어장치는 제어형 브리지를 차단한다.

일 실시예에 따르면, 회전자 회로는 주 전기장치의 회전자 권선의 자화를 감소시키기 위한 제어 가능한 회로를 더 포함할 수도 있다. 도 2는 자화 권선과 병렬로 접속된 저항(R1) 및 다이오드(D1)의 직렬 연결부와, 그리고 그 직렬 연결부와 병렬로 접속된 제어형 반도체 소자(T7)를 도시하고 있다. 싸이리스터(T7)와 같은 제어형 소자는 회전자 제어장치에 의해 제어된다. 자화 권선(28)의 자화가 신속하게 감소 되어야 할 때에는 상기 회전자 제어장치(24)는 싸이리스터(T7)를 차단 상태(blocking state)로 설정한다. 따라서 권선의 자계는 그 권선으로부터의 회전자 전류가 저항(R1)과 다이오드(D1)의 직렬 접속을 통해 인가될 때 빠르게 감소 된다.

도 2는 또한 주 전기기계의 고정자 권선을 도시하고 있다. 상기 전기기계가 발전기일 경우, 전압은 권선으로 유기되며 이 전압은 U, V, W의 위상을 갖는 3상 전압을 형성한다. AVR(26)을 위한 전류 측정부(29)는 고정자 권선과 접속하도록 배열된다. 도 2는 또한 저항성 전압 분배기들을 이용하여 상기한 위상들의 전압들을 측정하는 전압 센서들(30)을 도시하고 있다. 전류 및 전압 정보는 원하는 방식으로 상기 기계장치를 더 제어하기 위하여 AVR(26)에서 활용된다.

무-브러시형으로 여자된 기계장치들은 통상적으로 중간 또는 고전압 망으로 공급되는 3상 전압을 발생하기 위한 고전력용 발전기로서 이용된다. 그러나, 여기에 기술된 기계장치의 전력 정격은 어떤 특정한 전력에만 한정되는 것은 아니다.

이상 개시된 전기기계는 회전자 회로에서 상이한 유형의 반도체 소자들을 이용할 수도 있다는 것은 당해 전문가에게 자명할 것이다. 도 2에서는 싸이리스터로서 그러한 소자들을 도시하고 있지만, 그 유형은 어떤 지정된 특정 유형에만 제한되는 것은 아니다. 마찬가지로, 회전하는 회전자 제어장치와 정치형 AVR 사이의 정보의 무선 전송은 전술한 예들에만 한정되는 것은 아니다. 그러한 전송은 본 시스템에서 사용하기에 적절한 어떤 무선방식과 프로토콜을 이용하여 구현될 수도 있다.

기술의 진보에 따라서 본 발명의 개념은 여러 가지의 방식으로 구현될 수도 있다는 것은 당해 기술분야의 전문가에게는 명백할 것이다. 본 발명 및 그 실시예들은 전술한 예들에만 한정되는 것이 아니라, 후술하는 특허청구범위 내에서 변형될 수도 있을 것이다.

Claims

주 전기기계와,
회전자(21)가 상기 주 전기기계의 회전자와 함께 회전하도록 구성되고 상기 주 전기기계에 자화 전력을 생성하는 여자 장치와, 그리고
상기 여자 장치에 전기적으로 연결되어, 상기 주 전기기계의 회전자 권선(28)에 필드 자화 전류(I_R)를 공급하기 위한 회전하는 정류기 브리지(22)를 포함하는 무-브러시형 여자(brushless excitation)를 갖는 회전 전기기계에 있어서,
상기 회전하는 정류기 브리지(22)는 필드 자화 전류(I_R)를 제어하기 위한 제어 가능한 반도체 소자들(T1-T6)을 포함하는 제어형 정류기 브리지이고,
상기 회전 전기기계는 상기 회전하는 정류기 브리지에 접속된 회전자 제어장치(24)를 더 포함하고,
상기 회전자 제어장치는 제어 가능한 반도체 소자들을 제어하도록 구성되고,
상기 회전자 제어장치는 제어 명령들을 무선으로 수신하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 회전 전기기계.
제1항에 있어서, 상기 여자 장치는 상기 주 전기기계에 자화 전력을 발생하기 위한 정지된 자계에서 회전하도록 구성된 회전 권선들을 포함하는 것을 특징으로 하는 회전 전기기계.
제2항에 있어서, 상기 정지된 자계는 영구자석들에 의해 생성되는 것을 특징으로 하는 회전 전기기계.
제2항에 있어서, 상기 정지된 자계는 직류 전류로 자화된 코일들로써 생성되는 것을 특징으로 하는 회전 전기기계.
제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 회전 전기기계는 상기 주 전기기계의 회전자 권선의 자화를 감소시키도록 구성된 제어 가능한 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 회전 전기기계.
제5항에 있어서, 상기 제어 가능한 회로는 상기 주 전기기계의 회전자 권선과 병렬로 접속된 저항 및 다이오드의 직렬 연결부와, 그리고 상기 직렬 연결부와 병렬로 접속된 제어 가능한 반도체 소자(T7)를 포함하며, 상기 회전자 제어장치는 상기 제어 가능한 반도체 소자를 제어하도록 구성된 것을 특징으로 하는 회전 전기기계.
제1항 내지 제6항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 회전자 제어장치는 무선 전송신호를 송신 및 수신하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 회전 전기기계.
제1항 내지 제7항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 회전자 제어장치는 회전자 회로의 하나 또는 다수의 수량들을 측정하되, 상기 수량들은 필드 자화 권선의 전압, 필드 자화 전류, 및 다양한 온도들을 포함하는 것을 특징으로 하는 회전 전기기계.
제8항에 있어서, 상기 회전자 제어장치는 상기 측정된 하나 또는 다수의 수량들을 무선으로 자동전압조절기(AVR)에 전송하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 회전 전기기계.
무-브러시형 회전 전기기계의 회전자를 자화하는 방법에 있어서,
정지된 자계를 형성하고,
교류 전류를 생성하기 위해 상기 정지된 자계에서 자화 장치의 회전자를 회전시키고,
상기 회전자에 배치되어 있는 제어 가능한 브리지로써 교류 전류를 정류하고,
상기 회전자로 제어 명령들을 무선으로 수신하고,
상기 제어 명령들에 기초하여 상기 제어 가능한 브리지로써 전류의 크기를 조절하고, 그리고
상기 회전 전기기계의 자화 권선으로 조절된 전류를 공급하는 것을 포함하는, 무-브러시형 회전 전기기계의 회전자를 자화하는 방법.