KR20180129759A - 눈금식 슬립 동기 기계 - Google Patents

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샘 알. 헌트
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엠에스에스비 모터 테크놀로지, 엘엘씨
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Abstract

본 발명은 전기 시스템에 연결하기 위한 동기 기계에 관한 것으로서, 상기 동기 기계는, 동기 기계의 한 부분으로서 구성된 스테이터, 동기 기계의 한 부분으로서 구성되며 스테이터에 대해 회전될 수 있는 로터; 및 로터가 스테이터에 대해 연속적으로 슬립될 수 있도록 로터를 제어하기 위한 컨트롤 회로를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

눈금식 슬립 동기 기계
본 발명은 전기 기계에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 동기 기계에 관한 것이다.
동기식 전기 모터(synchronous electric motor)는 AC 모터로서, 정상-상태(steady state)에서, 샤프트(shaft)의 회전은 공급 전류의 주파수(frequency)와 동기화되며(synchronized) 회전 주기(rotation period)는 AC 사이클의 정수 개수와 정확하게 똑같다. 동기 모터는 선 전류(line current)의 진동(oscillation)에 맞춰(in time) 회전되는 자기장을 생성하는 모터의 스테이터 상에 다상(multiphase)의 AC 전자석을 포함한다. 영구자석 또는 전자석을 가진 로터는 스텝(step) 형태로 스테이터 필드(field)와 똑같은 속도(rate)로 회전되며, 그 결과, 임의의 AC 모터의 동기화된 제2 회전 자기장을 제공한다. 동기 모터는, 로터와 스테이터 상에 독립적으로 여기된(independently excited) 다상의 AC 전자석이 제공될 때, 2중-공급되는(doubly-fed) 것으로 간주된다.
동기 모터와 유도 모터(induction motor)는 광범위하게 사용되는 타입의 AC 모터이다. 두 타입의 모터 간의 차이는, 동기 모터는 선 주파수(line frequency)와 정확하게 동기화되어 회전된다는 점이다. 동기 모터는 로터의 자기장을 형성하기 위해 전류 유도(current induction)에 따르지 않는다. 그 반대로, 유도 모터는 "슬립(slip)"을 필요로 하며, 로터 와인딩(rotor winding) 내에 전류를 유도하기 위하여 로터는 AC 교류보다 약간 느리게 회전해야 한다. 소형 동기 모터가, 시계 분야, 가령, 동기식 시계(synchronous clock), 가정용 기기의 타이머(timer), 테이프 레코더 및 모터가 정확한 속도로 작동되어야 하는 정밀 서보기계에 사용되며, 속도 정확성은 파워 라인 주파수(power line frequency)의 정확성으로서, 대형의 상호연결 그리드 시스템(interconnected grid system)에서 조심스럽게 제어된다.
동기 모터는 하위-분율의(sub-fractional) 자체-여기식(self-excited) 모터로부터 고-마력의 산업용 모터 분야까지 사용 가능하다. 분율(fractional) 마력 범위에서, 대부분의 동기 모터는 정확하게 일정한 속도가 요구되는 분야에 사용된다. 이러한 기계는 아날로그 전기 시계, 타이머 및 정확한 시간이 요구되는 그 밖의 장치에서 일반적으로 사용된다. 고-마력의 산업용 모터 분야에서, 동기 모터는 두 개의 중요한 기능을 제공한다. 첫 번째 기능은, AC 에너지를 일(work)로 변환시키기 위한 고효율의 수단을 제공하는 점이다. 두 번째로는, 상기 동기 모터는 리딩(leading) 또는 1의(unity) 역률로 작동될 수 있으며, 그에 따라 역률 개선 회로(power factor correction) 기능을 제공한다는 점이다.
상기 동기 모터는 동기 생성기(synchronous generator)를 포함하는 동기 기계의 보다 일반적인 분야에 속한다. 생성기 작동(generator action)은, 필드 극(field pole)이 "원동기(prime mover)"의 포워드 모션(forward motion) 만큼 공극(air-gap) 플럭스(flux) 앞에서 구동되는" 것이 관측될 것이다. 모터 작동(motor action)은 필드 극이 샤프트 하중(shaft load)"의 억제 토크(retarding torque) 만큼 공극 플럭스 뒤에서 끌리는(dragged)" 것이 관측될 것이다.
로터가 어떻게 자화되는(magnetized) 지에 따라 2개의 주된 타입의 동기 모터가 있는데, 이들은 비-여기식(non-excited) 및 직류-여기식(direct-current excited) 모터이다.
필드-배열 컨트롤(Field-Oriented Control: FOC)로도 지칭되는 벡터 컨트롤(vector control)은 3-상 AC 전기 모터의 스테이터 전류가 2개의 수직 성분(orthogonal component)들이 하나의 벡터로 가시화되는 것으로 식별되는 가변-주파수 드라이브(Variable-Frequency Drive: VFD) 컨트롤 방법이다. 한 성분은 모터의 자기 플럭스(magnetic flux)를 형성하며, 다른 성분은 토크(torque)를 형성한다. 드라이브의 컨트롤 시스템은 드라이브의 속도 제어 및 그에 상응하는 전류 성분 기준(reference)에 의해 제공된 플럭스 및 토크 기준으로부터 계산된다.
벡터 컨트롤에서, AC 유도 또는 동기 모터는 가령, 개별-여기된 DC 모터와 같은 모든 작동 조건 하에서 제어된다. 이는, AC 모터가 DC 모터와 같이 거동하며(behave) 즉 각각의 필드 및 전기자(armature) (또는 토크 성분) 전류에 의해 생성된 필드 플럭스 링크(linkage) 및 전기자 플럭스 링크는 토크가 제어될 때, 필드 플럭스 링크가 영향을 받지 않으며, 그에 따라, 동력학적 토크 응답(dynamic torque response)이 가능해지도록 수직 방향으로 정렬된다(orthogonally aligned) 것을 의미한다.
그에 따라, 벡터 컨트롤은, 3-상 속도 및 시간-종속 시스템과 상기 벡터의 회전 기준-프레임 2-좌표 시간 불변 시스템 사이에서, 앞뒤로 회전 또는 투사(projection)를 통해, 모터의 3-상 모터 스테이터 전류 입력으로부터 나온 복합 전류 벡터를 제어하기 위하여, 복합 전압 벡터(complex voltage vector)로부터 나온 3-상 PWM 모터 전압 출력을 생성한다.
이러한 복합 스테이터 모터 전류 공간 벡터는, 전류의 필드 플럭스 링크 성분이 d축을 따라 정렬되고 전류의 토크 성분은 q축을 따라 정렬되도록, 수직 성분들이 d축(직축(direct axis)) 및 q축(횡축(quadrature axis))을 따르는 (d, q) 좌표계에서 정의될 수 있다. 유도 모터의 (d, q) 좌표계는 모터의 즉각적인 (a, b, c) 3-상 사인곡선 시스템에 중첩될 수 있다(superimposed). (d, q) 시스템 전류 벡터의 성분들은, DC 모터와 함께, 종래의 통상적인 컨트롤, 가령, 비례 및 적분 제어(proportional and integral control) 또는 PI 컨트롤을 가능하게 한다.
본 발명에 따른 동기 기계(synchronous machine)는 제1 와인딩 그룹(first winding group)과 제2 와인딩 그룹(second winding group)을 포함할 수 있다. 제1 와인딩 그룹은 하나 이상의 제1 컨덕터(first conductor)를 포함하고 제2 와인딩 그룹은 하나 이상의 제2 컨덕터(second conductor)를 포함할 수 있다. 제1 컨덕터와 제2 컨덕터는 한 슬롯(slot)으로부터 다른 슬롯으로 계단의 스텝 형태(stair step configuration)로 구성될 수 있다.
계단의 스텝 형태는 제1 슬롯과 제2 슬롯을 포함할 수 있다. 제1 슬롯과 상기 제1 슬롯에 직접 인접하게 위치된 제2 슬롯은 제1 컨덕터와 제2 컨덕터를 포함할 수 있다. 제1 슬롯 내의 제1 컨덕터와 제2 슬롯 내의 제2 슬롯 내의 제1 컨덕터 사이의 수의 차이는 하나의 제1 컨덕터일 수 있다.
제1 슬롯 내의 제2 컨덕터와 제2 슬롯 내의 제2 슬롯 내의 제2 컨덕터 사이의 개수의 차이는 하나의 제2 컨덕터일 수 있다.
컨트롤 회로(control circuit)는 스테이터와 로터 사이의 슬립(slip)의 각도를 결정하기 위한 각도 생성기(angle generator)를 포함할 수 있다.
컨트롤 회로는 스테이터와 로터 사이의 일정 크기의 슬립을 생성하기 위해 크기 생성기(magnitude generator)를 포함할 수 있다.
컨트롤 회로는 각도 합산 회로(angle summing circuit)를 포함할 수 있다.
컨트롤 회로는 크기 합산 회로(magnitude summing circuit)를 포함할 수 있다.
컨트롤 회로는 로터에 연결하기 위한 제1 멀티플라이어 회로(first multiplier circuit)를 포함할 수 있다.
컨트롤 회로는 로터에 연결하기 위한 제2 멀티플라이어 회로(second multiplier circuit)를 포함할 수 있다.
본 발명은 비슷한 도면부호들이 비슷한 요소들을 가리키는 첨부도면들을 참조하여 하기 기술한 발명의 설명을 읽음으로써 잘 이해될 것이다:
도 1은 본 발명의 눈금식 슬립 동기 기계를 위한 컨트롤 시스템;
도 2는 본 발명의 눈금식 슬립 동기 기계의 제1 슬롯;
도 3은 본 발명의 눈금식 슬립 동기 기계의 제2 슬롯;
도 4는 본 발명의 눈금식 슬립 동기 기계의 제3 슬롯;
도 5는 본 발명의 눈금식 슬립 동기 기계의 제9 슬롯;
도 6은 본 발명의 눈금식 슬립 동기 기계의 로터와 스테이터의 횡단면도.
본 발명의 눈금식 슬립 동기 기계(calibrated slip synchronous mahcine)는, 로터(103) 면(face) 주위로의 기자력(magnetomotive force: mmf)의 크기(magnitude)와 각도를 포지티브 방식으로 조절하기 위해(positively control) 로터(103) 상의 2개의 와인딩(winding) 그룹(203, 207)을 포함할 수 있다. 본 발명의 눈금식 슬립 동기 기계(100)의 스테이터(101)는 통상적인 동기 기계 스테이터와 동일할 수 있다. 구체적으로, 본 발명의 동기 기계(100)는 로터 면 주위에 분포된 2개(또는 2개 이상의) 와인딩(203, 207)을 포함할 수 있다. 각각의 와인딩(201, 205)은 전용 슬립 링(107) 세트에 의해 활성화될 수 있으며(energized), 상기 슬립 링들은 제1 와인딩 그룹(203)과 제2 와인딩 그룹(207)의 전류(current), 보다 구체적으로는, 제1 와인딩(201)과 제2 와인딩(205) 내의 전류를 조절하기 위해 컨트롤 회로(102)에 연결될 수 있다. 각각의 와인딩(201, 205)은 하나의 슬롯 내에 함께 위치되고 복수의 공동 슬롯 내에 계단의 스텝(stair step) 형태로 위치될 수 있는데, 이때, 제1 와인딩 그룹(203)의 와인딩(201)들의 수의 변화, 및 인접한 슬롯에서, 제2 와인딩 그룹(207)의 와인딩(205)들의 수의 변화는, 제1 와인딩 그룹(203)의 하나의 와인딩(201)을 증가(또는 감소)시킬 수 있으며 제2 와인딩 그룹(207)의 하나의 와인딩(205)을 감소(또는 증가)시킬 수 있어서, 하나의 슬롯 내의 와인딩(201, 205)의 총 개수가 똑같도록 유지한다.
본 발명은 로터(103) 상의 슬롯의 개수가 1보다 큰 홀수 정수에 극(pole) 개수의 곱한 값의 두 배가 되게 한다는 점에서 바람직하다. 본 발명의 이점은 각각의 슬롯 내의 턴(turn)의 횟수 또는 턴 세트(turn set)의 횟수가 상기 홀수 정수에 1을 더한 값의 임의의 정수 곱(multiple)이 되게 한다는 점이다. 두 와인딩 그룹(203, 207)은, 로터 면 주위로 한 슬롯에서 다른 슬롯으로 이동될 때, 다른 와인딩 그룹(203, 207)에 대해 와인딩(201, 205)의 수에서 연속적인 계단의 스텝 형태로 구성될 수 있다(continuously stair stepped). 이러한 와인딩 형상(configuration)은, 임의의 주어진 목표 mmf 극 위치 각도에 대해 로터(103) 주위로 근사적 사인 mmf 파(approximate sinusoidal mmf wave)를 분포할 뿐만 아니라(distribute), 본 발명의 형상으로 인해, 로터(103)를 기계적으로 균형 맞추는 것을(mechanically balance) 쉽게 할 수 있다. 로터 아이언(rotor iron)의 단부 라미네이션(end lamination)으로 가는 스트레이 플럭스(stray flux)를 줄이기 위해 로터의 양쪽 단부에 비-강자성 스페이서(non-ferromagnetic spacer)를 장착하는 것이 바람직할 수 있다. 상기 형상에 의해 생성된 사인 형태로 분포된 mmf 파는 대부분 오직 기본적인 자기장 강도(magnetic field intensity)를 공극(air gap)에 걸쳐 전달하며, 따라서, 기본적인 자기장 강도 성분(strength component)의 고조파(harmonics)는 거의 전달하지 않는다. 이러한 형상으로 인해, 공극에 걸쳐 에너지 변환의 최대 전달율(maximum transfer)을 발생될 수 있으며, 종래의 통상적인 기계의 공극에 걸쳐 전달될 수 있는 것보다 열 손실이 더 적다.
그 외에도, 자기장 강도의 조화 성분(harmonic component)이 줄어들면, 스테이터 와인딩의 분율 피치(fractional pitch)의 필요성이 불필요하게 될 수 있다. 로터(103)로부터 기계 프레임으로의 열전달이 종종 단열 공정(adiabatic process)으로서 모델링되기 때문에, 이러한 형상은 로터(103)가 종래의 통상적으로 구성된 공극보다 더 작은 공극으로도 냉각될 수 있게 한다. 이러한 형상은 눈금식 슬립 동기 기계의 토크-속도 특성을 향상시켜, 종래의 기계 디자인보다 더 작은 로터와 스테이터 스틸/사이즈로도, 더 많은 에너지가 전달될 수 있게 한다. 토크-속도 특성이 향상되면, 로터를 비스듬하게 움직이는(skew) 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 4-극 기계를 위해, 홀수 정수가 9로 선택되면, 슬롯의 수는 72개가 될 것이며 각각의 슬롯을 통과하는 와인딩(201, 205)의 턴의 수는 10이 될 수 있다.
컨덕터/와인딩(201, 205)의 시퀀스(sequence)는, 와인딩 그룹 1(203)로부터 하나의 제1 컨덕터(201)와 와인딩 그룹 2(207)로부터 9개의 제2 컨덕터(205)로부터 시작하여, 와인딩 그룹 1(203)로부터 하나의 제1 컨덕터(201)를 더하고 와인딩 그룹 2(207)로부터 하나의 컨덕터(205)를 줄여서 인접한 슬롯으로 이동하되, 그룹 2(207)로부터 하나의 컨덕터(205)와 그룹 1로부터 9개의 컨덕터(201)가 될 때까지 수행된다. 72개의 슬롯 로터에 대해서는, 도 2에 예시된 것과 같이, 슬롯 1(209)은 와인딩 그룹 1(203)로부터 슬롯(209) 내에 위치된 하나의 제1 컨덕터(201)와 와인딩 그룹 2로부터 슬롯(209) 내에 위치된 9개의 제2 컨덕터(205)를 가질 수 있다. 슬롯 2(211)는 와인딩 그룹 1(203)로부터 슬롯(211) 내에 위치된 2개의 제1 컨덕터(201)와 와인딩 그룹 2(207)로부터 슬롯(211) 내에 위치된 8개의 제2 컨덕터(205)를 가질 수 있다. 슬롯 3(213)은 와인딩 그룹 1(203)로부터 슬롯(213) 내에 위치된 3개의 제1 컨덕터(201)와 와인딩 그룹 2(207)로부터 슬롯(213) 내에 위치된 7개의 제2 컨덕터(205)를 가질 수 있다. 이 시퀀스는 계속되어, 슬롯 9(215)는 와인딩 그룹 1(203)로부터 슬롯(215) 내에 위치된 9개의 제1 컨덕터(201)와 와인딩 그룹 2(207)로부터 슬롯(215) 내에 위치된 하나의 제2 컨덕터(205)를 가질 수 있다. 그 다음 9개의 슬롯을 위한 시퀀스는, 위에 기술한 것과 반대로 수행되는데, 즉 그룹 1(203)로부터 9개의 컨덕터(201)와 그룹 2(207)로부터 하나의 컨덕터(205)로부터 시작하여, 그룹 1(203)로부터 하나의 컨덕터(201)를 줄이고 그룹 2(207)로부터 하나의 컨덕터(205)를 더하되, 그룹 2(207)로부터 9개의 컨덕터(205)와 그룹 1(203)로부터 하나의 컨덕터(201)가 될 때까지 수행된다. 슬롯 10은 전류가 와인딩 그룹 2(207)과 반대 방향으로 흐르고 와인딩 그룹 1(203)과는 동일한 방향으로 흐르는 슬롯 9와 똑같이 감겨질 것이다(wound).
하나의 와인딩 그룹마다 4개의 로터 영역(rotor area)이 있는데, 이들은 상기 4개의 극 기계 예에서, 극 면(pole face)의 중앙에 위치되고 동일한 거리에 배열된다. 상기 4개 극 예에서, 와인딩 그룹 1의 4개의 로터 스틸 극 중앙 영역들은 와인딩 그룹 2의 4개의 로터 스틸 극 중앙 영역들에 대해 90°의 전기 각도(electrical degree)만큼 이동된다(shifted). 슬롯 9과 슬롯 10 사이, 슬롯 27과 슬롯 28 사이, 슬롯 45와 슬롯 46 사이, 그리고, 슬롯 63과 슬롯 64 사이의 로터 영역들은 와인딩 그룹 2의 4개의 극 면의 중심들이다. 슬롯 72와 슬롯 1 사이, 슬롯 18과 슬롯 19 사이, 슬롯 36과 슬롯 37 사이, 그리고, 슬롯 54와 슬롯 55 사이의 로터 스틸 영역(rotor steel area)들은 와인딩 그룹 1의 4개의 극 면의 중심들이다. 와인딩 그룹 1이 슬립 링을 통해 전류의 특정 단위량(X)과 목표 mmf 벡터 각도(k)의 코사인(cosine)의 곱으로 활성화되고, 와인딩 그룹 2가 슬립 링을 통해 거의 똑같은 전류의 특정 단위량(Y)과 목표 mmf 벡터 각도(k)의 사인(sine)의 곱으로 활성화되면, 자기 플럭스 패턴(magnetic flux pattern)은 0°(zero degree) 위치로부터, 거의, 사전결정된 mmf 벡터 각도(k)만큼 전방으로 이동된다(shift forward). 두 컨트롤 루프(control loop)는, 로터 샤프트 속도와 위치(한 입력), 기계 말단 전압 또는 반응력(또 다른 입력), 및 로터의 슬립의 눈금을 매기고(calibrate) 포지티브 방식으로 조절하기 위해 두 세트의 슬립 링에 연결된 두 전류 공급원(두 출력) 사이에서 달성된다(established). 이러한 형상으로 인해, 스테이터 mmf 파에 대한 로터의 위치가 변경될 수 있게 할 뿐만 아니라, 로터가 스테이터의 mmf 파 속도에 대한 특정 속도에서 작동될 수 있게 한다.
눈금식 슬립 동기 기계는 통상 유도기(induction machine) 분야에서 사용될 수 있지만, 눈금식 슬립 동기 기계의 로터 와인딩은 기계 작동 한계(machine operating limit) 내에 있는 임의의 목표 역률(power factor)에서 기계를 작동시키도록 여기될 수 있다(excited). 공장(factory)이 불량한 역률로 인해 전기 제공자(electricity provider)에 의해 처벌을 받으면(penalized), 공장은 전체 공장의 전기 부하(electrical load)를 역률(power factor) 1(unity)로 가게 하는 한 로터 여기 상태(rotor excitation)에서 상기 눈금식 슬립 동기 기계를 작동시킬 수 있다. 이에 따라, 전기 제공자와 공장 둘 모두에 발생되는 전기 손실(electrical loss)이 감소될 것이다. 군사 기지(military installations)가 피더(feeder)의 끝부분(end)에서 전압 지지(voltage support)를 필요로 하면, 이러한 눈금식 슬립 동기 기계는 유도기를 대체할 수 있으며, 위에 기술된 것과 같이, 적절한 버스 전압(bus voltage)과 시스템 안정성을 구현하기 위하여, 한 로터 여기 상태에서 작동될 수 있다. 추가로, 눈금식 슬립 동기 기계는 운영자가 목표로 하는 정확한 로터 속도에서 작동될 수 있다. 이러한 유연성은 운영자가 눈금식 슬립 동기 기계를 저속의 높은 토크(torque) 상황에서 작동할 수 있게 하며, 유도기 및 통상적인 동기 기계 기술에서, 일반적으로 높은 전류의 유입을 감소시키도록 사용될 수 있다. 상기 형상은, 기다란 피더(long feeder)의 끝부분에서 전압을 잘 유지하면서도 모터에 높은 토크와 가변 속도(variable speed)가 요구되는 광산업과 가스 및 오일 산업에서 유용할 수 있다. 기계적 에너지로부터 전기 에너지로 변환되는 분야에서 사용될 때에는, 본 발명의 눈금식 슬립 동기 기계 로터는, 스테이터-로터 공극에 걸쳐 두 에너지 공급원을 결합하기 위하여, 원동기(prime mover) 속도와 위치를 스테이터 mmf 파 속도와 위치에 정확하게 일치시키도록 구성되고 작동될 수 있다. 이는, 파워 시스템 안전성이 요구되며 풍력 발전 지역(wind farm) 주인이 자신의 지역을 블랙 스타트 유닛(black start unit)으로 분류하고 이 상태에서 전송 그리드 업체(transmission grid entity)로부터 납입을 수령하고자 하는, 풍력 에너지 산업 분야에서 매우 유용할 수 있다.
본 발명은 눈금식 슬립 동기 기계에 관한 것이다. 유도기 기술에서, 종래의 기계가 동기 속도(synchronous speed)에서 구동되는 유일한 시간은 모터로부터 발전 모드(generating mode)로 전환시키거나 그 반대인 경우 또는 종래의 기계가 상기 임계값(threshold)에서 작동되는 시간이다. 화살표는 기계의 모터와 스테이터 사이의 MMF 마그네토 모터 힘 패턴(magneto motor force pattern)을 보여준다. 동기 기계에서, 마그네토 모터 힘 패턴을 움직이지 않으면, 종래의 동기 기계는, 전기 유틸리티(electric utility) 혹은 또 다른 유틸리티 버스이든지 간에, 어떤 공급원에 연결되든지 간에, 정확히 같은 방식(lockstep)에 유지될 것이다. 종래의 동기 기계는 정확히 같은 방식(lockstep)으로 구동되어야 하거나 동기 기계가 기계에 대해 매우 좋지 못한 환경에 있는 슬리핑 극(slipping pole)이 아닌 한, 구동되지 않아야 한다(제로 회전이어야 한다).
본 발명은 로터 주위로 극을 이동시켜서, 눈금식 슬립 동기 기계가 구동되는 동안에 로터를 재-자화시키기(re-magnetizing) 위한 눈금식 슬립 동기 기계를 제공한다. 본 발명은 로터 주위의 MMF 패턴을 변경시키고, 상기 변환(transition) 동안 눈금식 슬립 동기 기계를 가속 또는 감속 상태가 되게 한다.
본 발명은, 2개의 와인딩 그룹을 제어함으로써, 가변 속도를 가진 비동기 기계 특성(asynchronous machine characteristic)을 구현한다. 오직 하나의 와인딩 그룹을 활성화하고 나머지 와인딩 그룹은 활성화하지 않는 실시예도, 본 발명의 범위 내에 있지만, 최적 작동(optimal operation)의 결과보다 못할 것이다.
로터의 슬리핑은, 스테이터의 각각의 슬롯 내에 제1 와인딩과 제2 와인딩의 위치를 계단의 스텝 형태로 구성하고 제1 와인딩 그룹과 제2 와인딩 그룹의 여기 상태를 변경하여 위에서 기술한 것과 같이 조정함으로써 구현될 수 있다. 로터의 슬리핑은, mmf 파를 로터 면 주위로 예측 가능하게 이동시켜, 눈금식 슬립 동기 기계가, 각각, 제1 와인딩 그룹과 제2 와인딩 그룹 내에서, 전류의 크기(magnitude)를 변경시킴에 따라 더 느리게 또는 더 빠르게 구동될 수 있도록 조절될 수 있다.
광업 분야에서, 피더, 예를 들어, 전기 피더(electric feeder), 가령, 3-상(phase) 피더의 긴 라인(line)의 끝부분에서 커다란 모터 하중(motor load)이 있다. 본 발명은 본 발명의 눈금식 슬립 동기 기계에 연결할 수 있으며 와인딩 그룹들(즉 와인딩 그룹 1, 와인딩 그룹 2)을 조절하여, 이러한 긴 피더의 끝부분에서, 전압을 역률이 1(unity)인 100%로 복원(back up)되게 할 수 있거나 혹은 VARS를 다시 공급원으로 보내서, 반응력(reactive power)을 변경시켜 라인의 끝부분에서 파워 전달(power transfer)을 최대값 가까이로(near maximum) 변경시킬 수 있다. 위에서 언급한 이점들 외에도, 본 발명은 MMF 패턴이 스테이터 주위에 형성되는 터빈을 포함하는 풍력 발전 지역(wind farm) 분야에 사용될 수 있다.
풍력 발전용 터빈(wind turbine)에 사용되는 종래의 동기 기계의 분야에서, 상기 종래의 동기 기계는 한 속도로만 고정된다(locked). 이 경우, 종래의 동기 기계가, 원동기(prime mover)의 토크 속도 특성(torque speed characteristic)을 최적화시키는 것은 어려울 것이다.
본 발명에 따른 눈금식 슬립 동기 기계를 위에서 언급한 상황 및 다른 상황에 적용시키면, 토크 속도 특성은 최대한 파워 그리드(power grid)에 최대 파워 전달(maximum power delivery)을 얻도록 조절될 수 있다. 본 발명은 다상(polyphase) 분야 뿐만 아니라 단상(single phase) 분야에도 사용될 수 있다.
72개의 로터 슬롯의 4개의 극 기계 예는 극 세트(pole set) 마다 36개의 슬롯을 가진다. MMF 극 분포 및 패턴은 4개의 극 면 주위의 모든 방향에서 거의 사인 형태(sinusoidal)이다.
컨트롤 회로(102)는 와인딩 전류(winding current)를 제어하도록 사용된다.
극 면(pole face)은, 직축(direct axis)과 횡축(quadrature axis)이 로터에 배열될 때, 그 중요성을 가진다. 직축과 횡축의 특성은 공극에 걸쳐 파워 전달을 보호하고 제어하며 계산하는 것이다. 4개의 극 기계 예를 위하여, 와인딩 1(203)에 대해 2개의 직축(601)과 2개의 횡축(603)이 있으며, 와인딩 2(207)에 대해서는, 2개의 직축(603)과 2개의 횡축(601)이 있다. 동력학적 제어(dynamic control) 하에서, 가상의(virtual) 한 세트의 직축 및 횡축을 로터(103) 면 주위로 이동시키면, 예측한 것처럼 가상적인 이동이 되고, 측정할 때에는 실제 이동(real movement)이 된다.
도 1은 본 발명의 눈금식 슬립 동기 기계(101)를 위한 컨트롤 회로(102)를 포함하는 컨트롤 시스템을 예시하며, 회전할 수 있는 샤프트(105)와 협력할 수 있는(cooperate) 로터(103) 주위로 연장될 수 있는 스테이터(101)를 예시한다. 눈금식 슬립 동기 기계(100)는 생성기(generator)로서 작동될 수 있거나 본 발명에 따른 모터로서 작동될 수 있다. 샤프트(105)는 눈금식 슬립 동기 기계(100)의 슬립을 표시해 주고 샤프트의 회전 위치와 같은 위치를 표시해 주기 위한 광학 휠(optical wheel)일 수 있는 위치 센서(121)에 연결될 수 있다. 또한, 도 1은 로터(103) 내에 위치될 수 있는, 각각, 제1 와인딩 그룹과 제2 와인딩 그룹에 연결하기 위하여, 샤프트(105)에 위치될 수 있는 슬립 링(107)에 연결될 수 있는 제1 멀티플라이어 회로(117)와 제2 멀티플라이어 회로(119)를 추가로 예시한다. 로터(103)의 슬립과 실제 위치를 제공하는 슬립 회로(123)와 위치로부터 출력과 로터(103)의 목표 위치와 슬립은 두 입력 사이의 차이를 계산할 수 있는 합산 회로(summing circuit)(113)에 대한 입력일 수 있다. 대안으로, 두 입력 중 오직 하나가 목표 값에 대해 참조되고(referenced), 다른 입력은 작동 대역폭(operational bandwidth)(경계값 세트)을 구현할 수 있다. 슬립 양(quantity)은 위치 양(quantity)의 시간 도함수(time derivative)이며 계산된다. 합산 회로(113)의 출력은 목표 위치 및 목표 슬립에 따라 각도를 생성하기 위해 각도 생성기(109)로의 입력이다. 목표 여기 상태(desired excitation)의 크기는 크기 합산 회로(115)로의 입력이며, Q 또는 V는 크기 합산 회로(115)로의 추가적인 입력으로서, 여기서, 기호(Q)는 반응력(reactive power)을 위한 기호이고 기호(V)는 전압을 위한 기호이다. 크기 합산 회로(115)의 출력은 제1 멀티플라이어 회로(117)와 제2 멀티플라이어 회로(119)의 크기를 생성하기 위한 크기 생성 회로(111)로의 입력이며, 각도 생성기(109)의 출력은 제1 멀티플라이어 회로(117)와 제2 멀티플라이어 회로(119)로의 입력이다. 제1 멀티플라이어 회로(117)는 각도의 코사인에 크기를 곱한 값이며 제2 멀티플라이어 회로(119)는 각도의 사인에 크기를 곱한 값이다. 제2 멀티플라이어 회로(119)와 제1 멀티플라이어 회로(117)의 출력은 로터(103)의 제2 와인딩 그룹과 제1 와인딩 그룹으로의 입력이다.
본 발명이 다양한 변형예 및 대안예 형태로도 기술될 수 있으며, 그 중에서 특정 실시예들이 본 명세서 및 도면에서 예로서 상세하게 예시된다. 하지만, 본 발명의 특정 실시예들이 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니라는 것은 쉽게 이해할 수 있을 것이다.

Claims (10)

  1. 전기 시스템에 연결하기 위한 동기 기계에 있어서, 상기 동기 기계는:
    동기 기계의 한 부분으로서 구성된 스테이터;
    동기 기계의 한 부분으로서 구성되며 스테이터에 대해 회전될 수 있는 로터; 및
    로터가 스테이터에 대해 연속적으로 슬립될 수 있도록 로터를 제어하기 위한 컨트롤 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는, 전기 시스템에 연결하기 위한 동기 기계.
  2. 제1항에 있어서, 동기 기계는 제1 와인딩 그룹과 제2 와인딩 그룹을 포함하되, 제1 와인딩 그룹은 하나 이상의 제1 컨덕터를 포함하고 제2 와인딩 그룹은 하나 이상의 제2 컨덕터를 포함하며, 제1 컨덕터와 제2 컨덕터는 한 슬롯으로부터 다른 슬롯으로 계단의 스텝 형태로 구성되는 것을 특징으로 하는, 전기 시스템에 연결하기 위한 동기 기계.
  3. 제2항에 있어서, 계단의 스텝 형태는 제1 슬롯과 제2 슬롯을 포함하되, 제1 슬롯과 상기 제1 슬롯에 직접 인접하게 위치된 제2 슬롯은 제1 컨덕터와 제2 컨덕터를 포함하며, 제1 슬롯 내의 제1 컨덕터와 제2 슬롯 내의 제2 슬롯 내의 제1 컨덕터 사이의 수의 차이는 하나의 제1 컨덕터인 것을 특징으로 하는, 전기 시스템에 연결하기 위한 동기 기계.
  4. 제2항에 있어서, 제1 슬롯 내의 제2 컨덕터와 제2 슬롯 내의 제2 슬롯 내의 제2 컨덕터 사이의 개수의 차이는 하나의 제2 컨덕터인 것을 특징으로 하는, 전기 시스템에 연결하기 위한 동기 기계.
  5. 제1항에 있어서, 컨트롤 회로는 스테이터와 로터 사이의 슬립의 각도를 결정하기 위한 각도 생성기를 포함하는 것을 특징으로 하는, 전기 시스템에 연결하기 위한 동기 기계.
  6. 제1항에 있어서, 컨트롤 회로는 스테이터와 로터 사이의 슬립의 크기를 생성하기 위한 크기 생성기를 포함하는 것을 특징으로 하는, 전기 시스템에 연결하기 위한 동기 기계.
  7. 제1항에 있어서, 컨트롤 회로는 각도 합산 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는, 전기 시스템에 연결하기 위한 동기 기계.
  8. 제1항에 있어서, 컨트롤 회로는 크기 합산 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는, 전기 시스템에 연결하기 위한 동기 기계.
  9. 제1항에 있어서, 컨트롤 회로는 로터에 연결하기 위한 제1 멀티플라이어 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는, 전기 시스템에 연결하기 위한 동기 기계.
  10. 제1항에 있어서, 컨트롤 회로는 로터에 연결하기 위한 제2 멀티플라이어 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는, 전기 시스템에 연결하기 위한 동기 기계.
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