KR20160082070A - 발전기 시스템 - Google Patents

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KR20160082070A
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전자부품연구원
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    • H02P9/00—Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output
    • H02P9/04—Control effected upon non-electric prime mover and dependent upon electric output value of the generator
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output

Abstract

발전기 시스템이 개시된다. 본 발명의 시스템은, 엔진의 회전에 의해 구동되며, N상(N은 3 이상의 홀수)의 전원을 출력하는 발전기; 상기 발전기로부터 출력되는 N상의 전원을 부하에 전달하는 전력변환기; 및 상기 부하의 크기에 따라 상기 엔진의 속도를 제어하고, 상기 부하의 크기에 따라 상기 전력변환기의 동작을 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 전력변환기는, N상의 AC 전원을 DC 전원으로 정류하는 정류부; 및 상기 정류부로부터 수신하는 DC 전원을 소정 주파수의 AC 전원으로 변환하여 상기 부하에 인가하는 인버터부를 포함한다.

Description

발전기 시스템{GENERATOR SYSTEM}
본 발명은 발전기 시스템에 관한 것이다.
최근, 친환경 및 고효율에 대한 요구가 커지면서, 전기자동차, 전기철도 등 다양한 분야에서 사용되는 발전기에 전력변환기가 적용되고 있다.
도 1은 종래의 발전기 시스템을 설명하기 위한 구성도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 종래의 발전기 시스템은, 엔진(100)에 의해 구동되는 발전기(110)의 출력단이 부하(120)와 연결되며, 이때 부하조정을 위한 진상 커패시터(130)가 발전기(110)와 부하(120) 사이에 연결된다.
그러나, 도 1과 같은 시스템은, 부하(120)의 변화에 따라 발전기(110)의 전압변동이 크며, 발전기(110)의 속응성이 느려, 급변하는 부하(120)에 대응하기 어려운 문제점이 있다. 또한, 진상 커패시터(130)의 유지보수가 어려운 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 도 1과 같은 시스템에서 발전기(110)의 출력에 정류 다이오드, 전해 커패시터와 필름 커패시터로 이루어지는 커패시터 및 단상 인버터로 구성되는 전력변환기를 장착하여, 발전기 부하변화 및 속응성에 대응하여 안정적인 전원 공급을 수행한다.
도 2는 전력변환기가 장착된 종래의 발전기 시스템을 설명하기 위한 구성도이다.
도 2의 구성의 발전기 시스템은, 발전기(110)의 출력에 정류 다이오드(210), 커패시터(220) 및 단상 인버터(230)로 구성되는 전력변환기(200)가 연결되며, 전력변환기(200)를 통해 부하(120)에 발전기(110)의 출력이 전달되는 구조이다.
이와 같은 시스템은 부하변화에 안정적이고, 발전기(110) 속응성에 대해서도 안정적으로 전원을 공급할 수 있으나, 3상의 발전기(110)로 인해 회로의 고정이 어렵고, 전해 커패시터(220)로 인해 전력변환기의 크기가 커지므로, 시스템 전체의 크기가 커지는 문제점이 있다. 또한, 전해 커패시터(220)로 인해 시스템 전체의 수명이 짧아지게 되는 문제점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 다상 발전기를 사용하고, 전력변환기에서 전해 커패시터를 제거하여, 시스템을 단순화하는 발전기 시스템을 제공하는 것이다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일실시예의 발전기 시스템은, 엔진의 회전에 의해 구동되며, N상(N은 3 이상의 홀수)의 전원을 출력하는 발전기; 상기 발전기로부터 출력되는 N상의 전원을 부하에 전달하는 전력변환기; 및 상기 부하의 크기에 따라 상기 엔진의 속도를 제어하고, 상기 부하의 크기에 따라 상기 전력변환기의 동작을 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 전력변환기는, N상의 AC 전원을 DC 전원으로 정류하는 정류부; 및 상기 정류부로부터 수신하는 DC 전원을 소정 주파수의 AC 전원으로 변환하여 상기 부하에 인가하는 인버터부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 정류부는, N상의 전원을 DC 전원으로 변환하는 단일모듈의 정류회로로 구성되며, 상기 인버터부는, 단상의 AC 전원을 출력하는 복수의 모듈 또는 삼상의 AC 전원을 출력하는 복수의 모듈로 구성될 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 정류부는, N상의 전원을 DC 전원으로 변환하는 단일모듈의 전력소자로 구성되며, 상기 인버터부는, 단상의 AC 전원을 출력하는 복수의 모듈 또는 삼상의 AC 전원을 출력하는 복수의 모듈로 구성될 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 정류부는, N상의 전원을 각각 DC 전원으로 변환하는 복수의 모듈의 정류회로로 구성되며, 상기 인버터부는, 단상의 AC 전원을 출력하는 단일모듈 또는 삼상의 AC 전원을 출력하는 단일모듈로 구성될 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 정류부는, N상의 전원을 각각 DC 전원으로 변환하는 복수의 모듈의 전력소자로 구성되며, 상기 인버터부는, 단상의 AC 전원을 출력하는 단일모듈 또는 삼상의 AC 전원을 출력하는 단일모듈로 구성될 수 있다.
또한, 상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일실시예의 발전기 시스템은, 엔진의 회전에 의해 구동되며, N상(N은 3 이상의 홀수)의 전원을 출력하는 발전기; 상기 발전기로부터 출력되는 N상의 전원을 부하에 전달하는 전력변환기; 및 상기 부하의 크기에 따라 상기 엔진의 속도를 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 전력변환기는, N상의 AC 전원을 DC 전원으로 정류하며, 단일모듈 또는 복수의 모듈로 구성되는 정류부; 및 상기 정류부로부터 수신하는 DC 전원을 소정 주파수의 AC 전원으로 변환하여 상기 부하에 인가하며, 복수의 모듈 또는 단일모듈로 구성되는 인버터부를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 인버터부의 동작과 상기 부하의 크기에 따라 상기 전력변환기의 동작을 제어할 수 있다.
상기와 같은 본 발명은, 다상의 발전기를 적용하여, 전해 커패시터를 전력변환기에서 제거하게 하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은, 다상 발전기로부터 전원을 수신하는 복수의 정류부 또는 복수의 인버터부를 모듈로 구성함으로써, 다양한 용량의 부하에 대응이 가능하게 하는 효과가 있다.
도 1은 종래의 발전기 시스템을 설명하기 위한 구성도이다.
도 2는 전력변환기가 장착된 종래의 발전기 시스템을 설명하기 위한 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예의 발전기 시스템을 설명하기 위한 일예시도이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 제1실시예의 전력변환기 구성을 설명하기 위한 일예시도이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 제2실시예의 전력변환기 구성을 설명하기 위한 일예시도이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 제3실시예의 전력변환기 구성을 설명하기 위한 일예시도이다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 제4실시예의 전력변환기 구성을 설명하기 위한 일예시도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 일실시예의 발전기 시스템을 설명하기 위한 일예시도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예의 발전기 시스템은, 엔진(10), 다상 발전기(20), 전력변환기(30) 및 제어부(50)를 포함할 수 있으며, 다상의 발전기(20)로부터 출력되는 전원이 전력변환기(30)를 통해 부하(40)에 제공될 수 있다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 발전기 시스템에서는, 엔진(10)의 회전에 의해 발전기(20)가 전원을 생성하며, 본 발명의 일실시예에서는, 다상(N상)의 발전기(20)가 사용될 수 있고, 이에 따라 전력변환기(30)가 전해 커패시터가 사용되지 않을 수 있다. 이하에서는, 다상으로서 'N상'이라고 표시하기로 하며, 이때 N은 3 이상의 자연수를 나타낼 수 있다.
본 발명의 발전기(20)는, N상의 발전기로서, 따라서, 발전기의 권선당 구성되는 전력변환기(30)를 병렬로 구성할 수 있으므로, 다양한 모듈의 부하(40)와 조합될 수 있어, 용량 가변성이 우수하다. 또한, 출력전원의 리플이 감소하여, 전력변환기(30)의 전해 커패시터의 제거가 가능하다.
또한, 본 발명의 전력변환기(30)는 정류부(31)와 인버터부(32)를 포함할 수 있다.
이때, 정류부(31)는, N상의 교류(AC) 전원을 수신하여 DC 전원으로 정류할 수 있으며, 소자의 구성에 따라 전파정류회로 방식 또는 절연 게이트 쌍극성 트랜지스터(insulated gate bipolar mode transistor; IGBT) 또는 전계효과 트랜지스터(field effect transistor, FET)를 이용한 펄스폭변조(pulse width modulation, PWM) 컨버터 회로방식으로 구성될 수 있다.
또한, 인버터부(32)는, 정류부(31)로부터 입력되는 DC 전원을 원하는 주파수 및 크기의 AC 전원으로 변경할 수 있으며, 6개의 전력소자(IGBT 또는 FET 등)를 사용하는 3상 인버터 방식과 4개의 전력소자를 사용하는 단상 인버터 방식으로 구성될 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 제1실시예의 전력변환기 구성을 설명하기 위한 일예시도로서, 정류부(31)가 단일모듈의 전파정류회로로 구성되는 경우 인버터부(32)의 구성을 나타내는 것이다.
도면에 도시된 바와 같이, 정류부(31)는, 다이오드로 구성되는 전파정류회로(31A, 31B)로 구성될 수 있으며, 이 경우, 단상을 출력하는 복수의 인버터부(32A)로 구성될 수도 있고(도 4a), 삼상을 출력하는 복수의 인버터부(32B)로 구성될 수도 있다(도 4b).
즉, 복수의 단상의 부하(40)와 연결되는 경우 도 4a와 같이 구성되는 전력변환기(30)를 사용할 수 있으며, 복수의 삼상의 부하(40)와 연결되는 경우 도 4b와 같이 구성되는 전력변환기(30)를 사용할 수 있을 것이다. 도 4a의 인버터부(32A)는 4개의 전력소자로 구성되어 단상의 AC 전원을 각각 출력할 수 있으며, 도 4b의 인버터부(32B)는 6개의 전력소자로 구성되어 삼상의 AC 전원을 각각 출력할 수 있다. 상세한 동작에 대해서는 이미 본 발명이 속하는 기술분야에서 널리 알려진 바와 같으므로, 상세한 설명은 생략하기로 한다.
또한, 도 4a 및 도 4b에서는, 정류부(31A, 31B)가 하나의 정류 다이오드로 구성되는 것으로 도시되어 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 복수의 정류 다이오드에 의해 다양한 회로의 구성이 가능하다 할 것이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 제2실시예의 전력변환기 구성을 설명하기 위한 일예시도로서, 정류부(31)가 단일모듈의 전력소자로 구성되는 경우 인버터부(32)의 구성을 나타내는 것이다.
도면에 도시된 바와 같이, 정류부(31)는 IGBT 또는 FET와 같은 전력소자(31C, 31D)로 구성될 수 있으며, 이 경우, 단상을 출력하는 복수의 인버터부(32C)로 구성될 수도 있고(도 5a), 삼상을 출력하는 복수의 인버터부(32D)로 구성될 수도 있다(도 5b).
즉, 복수의 단상의 부하(40)와 연결되는 경우 도 5a와 같이 구성되는 전력변환기(30)를 사용할 수 있으며, 복수의 삼상의 부하(40)와 연결되는 경우 도 5b와 같이 구성되는 전력변환기(30)를 사용할 수 있을 것이다. 도 5a의 인버터부(32C)는 4개의 전력소자로 구성되어 단상의 AC 전원을 각각 출력할 수 있으며, 도 5b의 인버터부(32D)는 6개의 전력소자로 구성되어 삼상의 AC 전원을 각각 출력할 수 있다.
도 4 및 도 5의 경우, 예를 들어, 각 모듈별 인버터부(32)를 1kW 용량과 3kW 용량으로 구성하여 조합하면, 1kW, 2kW, 3kW, 4kW 및 6kW 용량의 부하에 대응하도록 구성할 수 있다. 이와 같이 인버터부(32)의 용량을 다양하게 구성하고 복수의 인버터부(32)를 구성함에 따라, 더욱 다양한 조합으로 부하에 대응할 수 있을 것이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 제3실시예의 전력변환기 구성을 설명하기 위한 일예시도로서, 정류부(31)가 복수모듈의 전파정류회로로 구성되는 경우 인버터부(32)의 구성을 나타내는 것이다.
도면에 도시된 바와 같이, 정류부(31)는 하나의 모듈이 정류 다이오드로 구성되는 복수의 모듈(31E, 31F)로 구성될 수 있으며, 이 경우, 단상을 출력하는 인버터부(32E)와 연결될 수도 있고(도 6a), 삼상을 출력하는 인버터부(32F)와 연결될 수도 있다(도 6b).
즉, N상의 전원을 복수의 모듈의 정류부(31E)가 수신하여 각각 DC 전원으로 변환하고, 그 중 어느 하나가 단상의 인버터부(32E)와 연결될 수 있으며, N상의 전원을 복수의 모듈의 정류부(31F)가 수신하여 각각 DC 전원으로 변환하고, 그 중 어느 하나의 모듈이 삼상의 인버터부(32F)와 연결될 수도 있을 것이다.
이때, 도 6a의 인버터부(32E)는 4개의 전력소자로 구성되어 단상의 AC 전원을 출력할 수 있으며, 도 6b의 인버터부(32F)는 6개의 전력소자로 구성되어 삼상의 AC 전원을 출력할 수 있다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 제4실시예의 전력변환기 구성을 설명하기 위한 일예시도로서, 정류부(31)가 복수모듈의 전력소자로 구성되는 경우 인버터부(32)의 구성을 나타내는 것이다.
도면에 도시된 바와 같이, 정류부(31)는 하나의 모듈이 IGBT 또는 FET와 같은 전력소자로 구성되는 복수의 모듈(31G, 31H)로 구성될 수 있으며, 이 경우, 단상을 출력하는 인버터부(32G)로 구성될 수도 있고(도 7a), 삼상을 출력하는 인버터부(32H)로 구성될 수도 있다(도 7b).
즉, N상의 전원을 복수의 모듈의 정류부(31G)가 수신하여 각각 DC 전원으로 변환하고, 그 중 어느 하나가 단상의 인버터부(32G)와 연결될 수 있으며, N상의 전원을 복수의 모듈의 정류부(31H)가 수신하여 각각 DC 전원으로 변환하고, 그 중 어느 하나의 모듈이 삼상의 인버터부(32H)와 연결될 수도 있을 것이다.
이때, 도 7a의 인버터부(32G)는 4개의 전력소자로 구성되어 단상의 AC 전원을 출력할 수 있으며, 도 7b의 인버터부(32H)는 6개의 전력소자로 구성되어 삼상의 AC 전원을 출력할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 정류부(31)를 통해 출력되는 정류전압의 파형은 아래 수학식과 같다.
Figure pat00001
이때, N이 짝수인 경우,
Figure pat00002
구간에서의 파형은 다음 수학식과 같다.
Figure pat00003
즉, N이 짝수인 경우, 위상이 반전된 정현파의 쌍이 존재하므로, 리플이 상대적으로 커지게 된다.
한편, N이 홀수인 경우,
Figure pat00004
구간에서의 파형은 다음과 같다.
Figure pat00005
즉, 위와 같이 위상이 반전된 정현파 쌍이 존재하지 않으므로, 리플이 작아지게 되며, N이 클수록 리플이 작아지게 됨을 확인할 수 있다.
이와 같은 본 발명의 일실시예의 전력변환기(30)는, N상의 발전기(20)에 의해 종래 정류부(31)와 인버터부(32) 사이에 사용되던 전해 커패시터가 제거됨으로써, 시스템의 크기를 줄일 수 있다.
제어부(50)는, 부하(40)의 크기에 따라 엔진의 가버너(governer)를 제어함으로써, 엔진(10)의 속도를 제어할 수 있다. 또한, 제어부(50)는, 인버터부(32)의 동작과 부하(40)의 크기에 따라, 고효율 운전점에서 전력변환기(30)가 동작하도록 제어할 수 있다.
이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
10: 엔진 20: N상 발전기
30: 전력변환기 40: 부하
50: 제어부

Claims (6)

  1. 엔진의 회전에 의해 구동되며, N상(N은 3 이상의 홀수)의 전원을 출력하는 발전기;
    상기 발전기로부터 출력되는 N상의 전원을 부하에 전달하는 전력변환기; 및
    상기 부하의 크기에 따라 상기 엔진의 속도를 제어하고, 상기 부하의 크기에 따라 상기 전력변환기의 동작을 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 전력변환기는,
    N상의 AC 전원을 DC 전원으로 정류하는 정류부; 및
    상기 정류부로부터 수신하는 DC 전원을 소정 주파수의 AC 전원으로 변환하여 상기 부하에 인가하는 인버터부를 포함하는 발전기 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 정류부는, N상의 전원을 DC 전원으로 변환하는 단일모듈의 정류회로로 구성되며,
    상기 인버터부는, 단상의 AC 전원을 출력하는 복수의 모듈 또는 삼상의 AC 전원을 출력하는 복수의 모듈로 구성되는 발전기 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 정류부는, N상의 전원을 DC 전원으로 변환하는 단일모듈의 전력소자로 구성되며,
    상기 인버터부는, 단상의 AC 전원을 출력하는 복수의 모듈 또는 삼상의 AC 전원을 출력하는 복수의 모듈로 구성되는 발전기 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 정류부는, N상의 전원을 각각 DC 전원으로 변환하는 복수의 모듈의 정류회로로 구성되며,
    상기 인버터부는, 단상의 AC 전원을 출력하는 단일모듈 또는 삼상의 AC 전원을 출력하는 단일모듈로 구성되는 발전기 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 정류부는, N상의 전원을 각각 DC 전원으로 변환하는 복수의 모듈의 전력소자로 구성되며,
    상기 인버터부는, 단상의 AC 전원을 출력하는 단일모듈 또는 삼상의 AC 전원을 출력하는 단일모듈로 구성되는 발전기 시스템.
  6. 엔진의 회전에 의해 구동되며, N상(N은 3 이상의 홀수)의 전원을 출력하는 발전기;
    상기 발전기로부터 출력되는 N상의 전원을 부하에 전달하는 전력변환기; 및
    상기 부하의 크기에 따라 상기 엔진의 속도를 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 전력변환기는,
    N상의 AC 전원을 DC 전원으로 정류하며, 단일모듈 또는 복수의 모듈로 구성되는 정류부; 및
    상기 정류부로부터 수신하는 DC 전원을 소정 주파수의 AC 전원으로 변환하여 상기 부하에 인가하며, 복수의 모듈 또는 단일모듈로 구성되는 인버터부를 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 인버터부의 동작과 상기 부하의 크기에 따라 상기 전력변환기의 동작을 제어하는 발전기 시스템.
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