KR20160091275A - 회전 구동 기계를 갖는 장치 및 작동 방법 - Google Patents

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프란시스코 로페스
헤르베르트 샤움베르거
니콜라우스 스피라
요한 히르칭게르-운테라이너
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게 옌바허 게엠베하 운트 콤파니 오게
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Abstract

회전 구동 기계(2)를 포함하는 장치를 작동하는 방법이며, 장치(1)의 파워 출력의 변화의 값 특성이 적어도 하나의 파라미터의 측정 및/또는 계산에 의해 제공되고,
- 회전 구동 기계(2)는 장치의 파워 출력의 변화의 값 특성에 의존하여 개루프 및/또는 폐루프 제어되고, 및/또는
- 회전 구동 기계(2)의 부하가 장치의 파워 출력의 변화의 값 특성에 의존하여 변화되어 장치의 파워 출력의 변화가 실질적으로 보상된다.

Description

회전 구동 기계를 갖는 장치 및 작동 방법{ARRANGEMENT WITH ROTATING DRIVE MACHINE AND OPERATING METHOD}
본 발명은 회전 구동 기계를 포함하는 장치를 작동하기 위한 방법 및 회전 구동 기계와 장치를 제어 및/또는 조정하기 위한 제어 유닛을 포함하는 장치에 관한 것이다.
WO 2010/134994 A1에서, 연소 엔진과 그에 의해 구동되는 발전기로 이루어진 장치가 개시되어 있다. 이에 관하여, 연소 엔진 및 발전기 상의 다양한 센서의 신호가 제어 유닛에 공급된다.
여기서 장치에 의한 파워 출력의 변화가 발생하는 경우, 이는 초기에 연소 엔진의 회전 속도의 변화를 초래하고, 이는 후속하여 발전기 상의 위상(phase) 및 주파수 변화(shift)를 초래할 수 있다. 이 장치에 의해 급전되는 전기 수요처(electrical consumer)는 이를 보상할 수 있어야 한다. 따라서, 발전기의 로터의 회전이 가능한 일정한 회전 속도를 나타내도록 이 장치가 개루프 및/또는 폐루프 제어되는 것이 일반적이다.
WO 2010/134994 A1에 제안된 장치에서 이런 파워 취득의 변화가 발생하는 경우, 장치의 변화된 상태가 검출된다. 결과적으로, 제어 유닛은 장치 내에 존재하는 파라미터의 실제 값이 다시 장치의 지속적인 작동을 위해 적합한 목표값에 대응하도록 조정 또는 제어를 변경한다.
아쉽게도, 제어 유닛 및 장치의 응답은 전체적으로 비교적 느린 것으로 판명되었으며, 그래서, 급전되는 수요처는 이미 언급한 주파수 및 위상 변화와 대응되어야한다.
자연적으로, 이 문제는 파워 감소의 변화가 더 커질수록 증가한다. 장치의 구매자가 공중 전기망이 아니라 순수히 예로서, 다수의 펌프에 의해 공급받는 경우, 펌프 중 일부의 가동중단은 공칭 파워의 50%를 초과하는 파워 변화를 유발할 수 있다. 이러한 크기의 부하 차단(load shedding)은 장치의 완전한 가동중단이나 주파수 또는 위상의 허용불가하게 큰 변화가 발생하지 않아야만 하도록 요건이 규정되어 있는 경우 종래 기술의 공지된 장치에 큰 어려움을 제기하고 있음이 명백하다.
따라서, 본 발명의 목적은 큰 부하 차단의 경우에도 장치의 안정적인 작동을 가능하게 하는 방법을 제공하는 것이다. 이러한 유형의 방법을 수행하기 위한 기기도 제공된다. 방법에 있어서, 이러한 목적은 청구항 1의 특징에 의해 달성된다. 기기에 있어서, 이러한 목적은 청구항 13의 특징에 의해 달성된다.
이는 장치의 파워 출력의 변화의 값 특성이 적어도 하나의 파라미터를 측정 및/또는 계산함으로써 제공되고,
- 회전 구동 기계(2)가 장치의 파워 출력의 변화의 값 특성에 의존하여 개루프 및/또는 폐루프 제어되고, 및/또는
- 장치의 파워 출력의 변화가 실질적으로 보상되도록 회전 구동 기계(2)의 부하가 장치의 파워 출력의 변화의 값 특성에 의존하여 변화되는 것에 의해 이루어진다.
본 발명의 일 양태는 장치의 파워 출력의 변화의 값 특성을 제공하는 것에 의해 변화된 파워 취득에 대한 더 신속한 응답이 가능하다는 점으로 구성된다. 특히, 부하 차단에 따른 파워 감소에 대응하도록 더 신속하게 장치의 제어 및 조정을 위한 목표값을 설정하는 것이 가능하다. 이는 회전 구동 장치의 단순한 상태함수로서의 목표값의 단계식 추적보다 명백히 더 신속한 응답을 가능하게 한다.
그러나, 또한, 파워 출력의 변화가 보상되도록 회전 구동 기계의 부하를 변화시키는 것도 가능하다. 이를 달성하기 위해, 제동 저항기, 기계적 브레이크 또는 저장 구조가 예로서 사용될 수 있고, 이들은 발전기의 전기 측부에서 또는 피동 샤프트에서 직접적으로 에너지를 제거한다.
본 발명에 따른 장치는 (공중) 에너지 공급망을 위한 전기 에너지를 제공하기 위해서 뿐만 아니라, 폐쇄 환경(소위 "아일랜드 작동(island operation)")에서의 소수의 수요처에 급전하기 위해서도 사용될 수 있다.
개루프 및/또는 폐루프 제어는 부하 변화의 경우에, 예로서 크랭크샤프트의 상당한 비틀림(굴곡)이 발생하며, 그에 의해, 에너지가 시스템 내에 잠시 저장되었다가 그후 다시 방출된다는 점을 고려할 수 있다. 이는 최초에 예로서 회전 속도 센서의 측정값의 미소하게 지연된 응답이 도달하기 때문에 부하 변화 값의 양이 부족추산되게 할 수 있다.
본 발명의 더 유리한 실시예가 종속 청구항에 규정되어 있다.
회전 구동 기계의 다양한 요소는 장치의 파워 출력의 변화의 값 특성에 의존하여, 그리고, 상호 독립적 및 조합적 모두의 방식으로 개루프 및/또는 폐루프 제어될 수 있다. 예로서 연료 밸브 및/또는 스로틀 밸브이다. 점화 시간도 장치의 파워 출력의 변화의 값 특성의 함수로서 변화될 수 있다. 또한, 장치의 파워 출력의 변화의 값 특성의 함수로서 적어도, 회전 구동 기계의 하나의 실린더의 점화를 보류시키는 것도 가능하다. 언급된 다양한 조치는 다양한 장점 및 단점을 갖는다.
예로서, 점화의 보류는 사실 매우 신속한 효과를 나타내지만, 이는 미연소 연료가 배기 도관 내에 들어갈 수 있기 때문에 배기 도관 내에서의 제어되지 않은 연소(폭연 및 유사현상)를 초래할 수 있다. 다른 한편, 연료 밸브의 제어 또는 조정은 다소 긴 시간규모를 필요로 하지만, 이는 회전 구동 기계의 파워 출력을 새로운 수준으로 안정화하는데 더 불리한 효과를 나타낸다.
액츄에이터로서 스로틀 밸브를 사용하는 것은 제어 또는 조정에 대한 지연된 응답을 특징으로 하며, 이는 이미 분배 챔버 내에 있는 가스의 양에 의해 유발된다. 그러나, 이러한 지연 이후, 스로틀 밸브는 매우 강한 개루프 및/또는 폐루프 제어 효과를 제공한다. 유사하게, 이는 터보차저나 웨이스트 게이트(waste gate) 상에 존재할 수 있는 바이패스 밸브(또한: 바이패스)에 적용된다(각 경우, 압축기 또는 터빈을 우회).
그러나, 점화의 변화는 연소 효율을 변화시킴으로써 거의 순시적인 효과를 갖는다. 그러나, 조정 효과는 비교적 작고 그래서 특히 큰 부하 차단의 경우에 점화 시간을 변화시키는 것만으로는 충분하지 않다.
장치의 파워 출력의 변화의 값 특성을 위해 부하 변화 값이 사용되는 것이 특히 바람직할 수 있다. 여기서, 모터 조정의 목표값을 특히 신속하게 설정하는 것이 가능하며, 이로 인해, 이들은 새로운 파워 수준을 달성 또는 유지하기에 매우 적합하다. 특히, 이는 장치의 다수의 파라미터가 사전제어될 수 있게 한다.
장치의 파워 출력의 변화의 값 특성은 다양한 방식으로 제공될 수 있다. 일 특히 양호한 실시예에서, 회전 구동 기계에 의해 구동되는 샤프트의 회전의 파라미터 특성이 측정될 수 있으며, 장치의 파워 출력의 변화의 값 특성이 이 측정된 파라미터로부터 계산될 수 있다. 회전 구동 기계에 의해 구동되는 샤프트의 회전의 파라미터 특성은 예로서 피구동 샤프트의 회전 속도 및/또는 각속도일 수 있다. 그후 부하 변화 값이 다음의 공식에 의해 계산될 수 있고,
Figure pat00001
여기서, ω는 피구동 샤프트의 각속도를 나타낸다. J는 추가적 가동부(로드, 피스톤 등)의 저항을 통해 발생하는 관성 모멘트를 포함하는 장치의 모든 회전 질량(rotating mass)의 관성 모멘트를 나타낸다.
회전 구동 기계에 의해 구동되는 샤프트의 회전의 파라미터 특성은 다양한 지점에서 측정될 수 있다. 특히 양호한 일 실시예에서, 이는 회전 구동 기계의 크랭크샤프트에서 이루어지고, 물론 예로서 발전기에서 이 파라미터를 측정하는 것도 가능하다.
또한, 회전 구동 기계에 의해 구동되는 샤프트의 회전의 파라미터 특성을 측정하여 얻어진 측정 신호가 바람직하게는 대역통과 필터(bandpass filter)에 의해 필터링되는 것이 특히 바람직할 수 있다. 예로서, 진동에 의해 생성된 센서의 소음이 여기서 필터링 제거될 수 있고, 이는 장치의 파워 출력 변화의 값 특성의 더 정확한 측정을 가능하게 한다.
전기 발전기는 회전 구동 기계에 의해 구동되는 것이 제공될 수 있다.
회전 구동 기계는 연소 엔진, 특히, (바람직하게는 혼합-충전식) 가스 엔진으로 설계되는 것이 특히 바람직할 수 있다. 그러나, 본 발명은 또한 예로서 증기 터빈 및 유사장치의 경우에 즉시 사용될 수도 있다.
본 발명의 다른 장점 및 세부사항은 도면과 이와 관련된 설명에 의해 명확해진다. 이에 관하여, 도면은 다음을 도시하고 있다.
도 1은 본 발명에 따른 장치의 개략도.
도 2는 본 발명에 따른 방법의 흐름도.
도 3은 연료 밸브를 조정 또는 제어하기 위한 두 개의 도표.
도 1에 도시된 본 발명에 따른 장치(1)는 본 경우에는 가스 엔진인 연소 엔진(2)을 포함하고, 이는 발전기(7)를 구동한다. 이러한 구성에서, 장치는 젠셋(Genset)을 나타낸다.
연소 엔진(2)은 복수의 실린더(5)를 갖는다. 이러한 예시적 실시예에서, 구체적으로 8개의 실린더(5)가 도시되어 있으며, 여기서, 실린더의 정확한 수는 본 발명에서 중요하지 않다. 이는 특히 8 내지 24개의 실린더 수에 대해 사용될 수 있다.
연소 엔진(2)은 연료 소스(T) 및 연료 밸브(3)를 갖는다. 연료(T) 및 공기(L)는 이 밸브를 통해 혼합 장치(14)에 공급된다. 생성된 혼합물은 스로틀 밸브(4)를 통해 실린더(5)에 공급된다. 실린더(5)에 의해 구동되는 크랭크샤프트(6)는 결과적으로 발전기(7)의 로터를 구동한다. 발전기(7)에 제공되는 전기 에너지는 하나 또는 복수의 수요처(15)에 공급된다.
센서(11)가 회전 유닛 상에 또는 크랭크샤프트(6) 상에 위치되며, 이는 본 예시적 실시예에서, 회전 속도(N)를 측정한다. 측정 신호는 초기에 입력 인터페이스(10)를 통해 제어 유닛(9)에 공급된다. 측정 신호는 초기에 본 실시예에서 대역통과 필터인 필터(8)에 의해 필터링되고, 계산 유닛(12)에 공급된다. 계산 유닛(12)은 이하의 공식에 따라 부하 변화 값(ΔP)을 계산하고,
Figure pat00002
여기서, ω는 필터링된 측정 신호(N_filt)로부터 계산된 각속도이고, J는 모든 회전 또는 가동 질량의 유효 관성 모멘트를 나타낸다(
Figure pat00003
는 물론 시간 도함수를 나타낸다).
장치가 단 하나의 질량 시스템으로 표현될 수 없는 경우, 이는 복수의 관성 모멘트와 각속도의 조합을 통한 확장으로 계산되어야 한다.
부하 변화 값이 개루프 및/또는 폐루프 제어 유닛(13)에 공급되고, 이는 부하 변화 값(ΔP)의 함수로서 다양한 조치를 취한다. 이를 위해, 개루프 및/또는 폐루프 제어 유닛(13)은 연료 밸브(3), 스로틀 밸브(4) 및 선택적으로 발전기(7)의 하류에 위치한 제동 저항기(14)(로드 뱅크)와 연결된다.
대안적으로 또는 추가적으로, 예로서, 부하 압력을 개루프 및/또는 폐루프 제어하기 위해 다양한 액츄에이터가 사용될 수 있다. 예는 바이패스 밸브 또는 소위 웨이스트 게이트이다. 바이패스 밸브는 부분적 공기 유동이 터보 차저의 압축기를 우회할 수 있게 한다. 웨이스트 게이트는 터보 차저의 터빈과 유사하게 기능한다.
도 2는 본 발명에 따른 방법의 예시적 실시예의 흐름도를 도시한다. 장치의 파워 출력의 변화에 후속하여, 회전 구동 기계는 회전 속도의 변화에 따라 작용한다. 이것이 측정 및 필터링된다. 필터링된 측정 신호로부터 회전 속도의 변화의 구배가 계산될 수 있다. 또한 이 측정 신호로부터, 부하 변화 값이 결정될 수 있다. 이는 응답 로직에 공급되고, 이 응답 로직은 부하 변화 값의 함수로서 다양한 조치를 취한다. 조치의 예는 스로틀 밸브 및/또는 (주) 연료 밸브의 개루프 및/또는 폐루프 제어이다. 대안적으로 또는 추가적으로, 점화 시스템의 작용이 변화될 수 있고 및/또는 추가적 조치가 취해질 수 있다.
고도의 파워 감소(부하 차단)의 경우에, 연료 밸브는 즉시 폐쇄될 수 있거나 파워 변화, 회전 파워 또는 다른 작동 파라미터(예를 들어, 회전 속도 곡선)의 정도에 따라 일정 시간(100 ms 내지 5 s)동안 폐쇄되어 유지될 수 있다.
부하 압력에 영향을 주기 위한 조정 요소(도 2에서, "액츄에이터"라 축약기재됨)는 또한 개루프 및/또는 폐루프 제어를 위해 사용될 수 있다. 예로서, 이들은 이미 언급한 스로틀 밸브, 바이패스 밸브 또는 웨이스트 게이트이다. 스로틀 밸브는 예로서 부하 변화 이후 존재하는 새로운 파워 수준에 대응하는 위치로 설정될 수 있다.
도 3에서, 종래 기술의 방법과 본 발명에 따른 방법 사이의 비교가 최종적으로 두 개의 도표에 의해 제공된다. 도 3의 상부 도표에서, 회전 구동 기계의 회전 속도가 도시되어 있고, 하부 도표에서, 연료 밸브의 목표값이 도시되어 있다. 두 값은 각 경우에 시간에 대하여 그려져 있다. 시간(tL)에서, 본 경우에는 감소된 파워 출력인, 장치의 파워 출력의 변화가 발생한다. 회전 구동 기계의 회전 속도가 그에 의해 증가된다.
본 예에서, 혼합물 조성이 일정하게 유지되며, 그에 의해, 증가된 회전 속도 및 그에 의해 증가된 혼합물 양에 기인하여, 연료 양의 단기 증가가 발생할 수 있는 것으로 가정된다.
비교적 신속한 응답 시간을 통해, 응답 시간(tR)은 부하 출력의 변화(본 예시적 실시예에서 약 100 내지 300 ms)의 시간(tL)과 비교적 근접한다. 비교적 큰 부하 차단의 경우에, 도면의 하부 도면에서 볼 수 있는 바와 같이 연료 공급은 즉시 폐쇄될 수 있다. 가동중단 기간은 본 특정 예에서 약 2 s이다.
이는 도 3에서 곡선(B)에 의해 예시된, 본 발명에 따른 접근법을 위한 상황이다.
종래 기술에 따른 접근법에 대하여(도 3의 곡선(A)), 한계값(NL)이 사전결정된다. 회전 속도가 이 한계값에 도달하자 마자, 다양한 조치가 취해질 수 있다(본 예에서, 기계의 안전 관련 가동중단). 회전 구동 기계의 공급 시스템에 여전히 존재하는 잔류 연료에 기인하여, 회전 속도는 여전히 단시간 동안 증가하지만, 그후, 다시 하강한다. 회전 속도가 다시 원하는 회전 속도에 근접하자 마자, 연료 공급이 다시 재개될 수 있다.
도면으로부터 볼 수 있는 바와 같이, 이 한계값(NL)은 그에 따라 본 발명에서 응답이 취해질 수 있는 회전 속도(NR)보다 회전 속도를 위한 목표값으로부터 더 멀다. 따라서, 회전 구동 기계의 더 견고한 작동이 제공된다.

Claims (16)

  1. 회전 구동 기계(2)를 포함하는 장치를 작동하는 방법이며,
    장치(1)의 파워 출력의 변화의 값 특성이 적어도 하나의 파라미터의 측정 및/또는 계산에 의해 제공되고,
    - 회전 구동 기계(2)는 장치의 파워 출력의 변화의 값 특성에 의존하여 개루프 및/또는 폐루프 제어되고, 및/또는
    - 회전 구동 기계(2)의 부하가 장치의 파워 출력의 변화의 값 특성에 의존하여 변화되어 장치의 파워 출력의 변화가 실질적으로 보상되는, 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 장치(1)의 파워 출력의 변화의 값 특성에 의존하여 연료 밸브(3)가 개루프 및/또는 폐루프 제어되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 장치(1)의 파워 출력의 변화의 값 특성에 의존하여 부하 압력 조정을 위한 조정 요소, 바람직하게는, 스로틀 밸브(4), 바이패스 또는 웨이스트 게이트가 개루프 및/또는 폐루프 제어되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 장치(1)의 파워 출력의 변화의 값 특성에 의존하여, 적어도 하나의 점화 시간이 변화되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 장치(1)의 파워 출력의 변화의 값 특성에 의존하여 회전 구동 기계(2)의 적어도 하나의 실린더(5)의 점화가 보류되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 장치(1)의 파워 출력의 변화의 값 특성을 위해 부하 변화 값(ΔP)이 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 회전 구동 기계(2)에 의해 구동되는 샤프트(6)의 회전의 파라미터 특성이 측정되고, 장치(1)의 파워 출력의 변화의 값 특성이 측정된 파라미터로부터 계산되는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 피구동 샤프트의 회전 속도(N) 및/또는 각속도(W)가 회전 구동 기계(2)에 의해 구동되는 샤프트(6)의 회전의 파라미터 특성으로서 측정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 장치(1)의 파워 출력의 변화의 값 특성을 위해 부하 변화 값(ΔP)이 사용되고, 이는 이하의 공식에 의해 계산되며,
    Figure pat00004

    여기서, J는 모든 이동된 질량의 입력으로부터의 유효 관성 모멘트를 나타내고, ω는 피구동 샤프트의 각속도를 나타내는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 7 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 회전 구동 기계(2)에 의해 구동되는 샤프트(6)의 회전의 파라미터 특성은 회전 구동 기계(2)의 크랭크샤프트에서 측정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 7 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 측정 신호는 회전 구동 기계(2)에 의해 구동되는 샤프트(6)의 회전의 파라미터 특성의 측정으로부터 바람직하게는 저역 통과 필터(8)에 의해 필터링되는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 회전 구동 기계(2)에 의해 전기 발전기가 구동되는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 회전 구동 기계(2)와, 장치(1)를 개루프 및/또는 폐루프 제어하기 위한 제어 유닛(9)을 포함하는 장치이며, 특히 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 따라 작동되는 장치에 있어서,
    제어 유닛(9)은 입력 인터페이스(10)를 구비하고, 제어 유닛(9)에 의해 장치(1)의 파워 출력의 변화의 값 특성 및/또는 적어도 하나의 파라미터가 전송될 수 있고, 장치(1)의 파워 출력의 값 특성은 적어도 하나의 파라미터로부터 결정될 수 있으며,
    제어 유닛(9)은
    - 장치(1)의 파워 출력의 값 특성에 의존하여 회전 구동 기계(2)를 개루프 및/또는 폐루프 제어하고, 및/또는
    - 장치(1)의 파워 출력의 변화의 값 특성에 의존하여 회전 구동 기계(2)의 부하를 변화시켜 장치(1)의 파워 출력의 변화가 실질적으로 보상되도록
    설계되는 것을 특징으로 하는 장치.
  14. 제 13 항에 있어서, 회전 구동 기계(2)에 의해 구동되는 샤프트(6)의 회전의 파라미터 특성을 측정하기 위해 제어 유닛(9)에 연결된 센서(11)가 제공되고, 제어 유닛(9)은 센서(11)에 의해 측정된 피구동 샤프트(6)의 회전의 파라미터 특성의 시간 변화로부터 장치(1)의 파워 출력의 변화의 값 특성을 계산하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 장치.
  15. 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서, 회전 구동 기계(2)에 의해 구동되는 발전기가 제공되는 것을 특징으로 하는 장치.
  16. 제 13 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서, 회전 구동 기계(2)는 연소 엔진, 특히, 가스 엔진인 것을 특징으로 하는 장치.
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