KR20200095952A - Voltage regulator of self-excited type permanent magnet synchronous generator - Google Patents

Voltage regulator of self-excited type permanent magnet synchronous generator Download PDF

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KR20200095952A
KR20200095952A KR1020190013977A KR20190013977A KR20200095952A KR 20200095952 A KR20200095952 A KR 20200095952A KR 1020190013977 A KR1020190013977 A KR 1020190013977A KR 20190013977 A KR20190013977 A KR 20190013977A KR 20200095952 A KR20200095952 A KR 20200095952A
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김대기
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주식회사 삼정터빈
주식회사 유니온전기전자
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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P9/00Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output
    • H02P9/48Arrangements for obtaining a constant output value at varying speed of the generator, e.g. on vehicle

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Abstract

According to an embodiment of the present invention, provided is a voltage regulator of a permanent magnet synchronous generator which can supply fixed voltage and fixed frequency power without a constant voltage constant frequency (CVCF). The voltage regulator of a permanent magnet synchronous generator comprises: 1) a voltage regulator consisting of a voltage detection unit which detects a voltage outputted from a three-phase self-excited permanent magnet synchronous generator and a control unit which sends a signal to a voltage controller in accordance with the detected voltage to regulate the output voltage; 2) a voltage controller composed of a power control element connected in parallel to an output terminal and capable of connecting or disconnecting an output of the generator with a capacitor in accordance with the signal commanded by the control unit; and 3) a capacitor connected in parallel with the generator output through the voltage controller.

Description

자여자식 영구자석 동기발전기의 전압조절장치 {VOLTAGE REGULATOR OF SELF-EXCITED TYPE PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS GENERATOR}Voltage regulator of self-excited permanent magnet synchronous generator {VOLTAGE REGULATOR OF SELF-EXCITED TYPE PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS GENERATOR}

본 발명은 자여자식 영구자석 동기발전기의 전압조절장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 영구자석을 계자로 사용하는 3상 동기발전기에 있어, 계자에 권선을 구성하지 않고도 발전기에서 출력되는 전압을 조절할 수 있는 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a voltage regulating device of a self-excited permanent magnet synchronous generator, and more particularly, in a three-phase synchronous generator using a permanent magnet as a field, it is possible to adjust the voltage output from the generator without configuring a winding on the field. It relates to a device that is there.

발전기를 여자방식에 따라 나누면 타여자식 발전기와 자여자식 발전기로 나눌 수 있다. 전자는 계자에 권선을 감아 전류를 흘려 전자석으로 자속을 만드는 방식인데 비하여, 후자는 전자석 대신 영구자석을 이용하여 자속을 만들어 낸다는 차이가 있다. 그런데, 타여자식의 경우, 코일에 인가하는 전압을 조절함으로써 자속밀도를 증감시킬 수 있으나, 영구자석을 이용하는 경우, 자속밀도는 고정되어 있으므로 추가적인 수단 없이 자속밀도를 조절할 수는 없다. 따라서, 타여자식 발전기의 경우, 전압 조절이 가능하므로 발전기를 구동하는 원동기의 속도를 고정으로 유지하여 일정한 주파수를 유지하면서 부하 변동에 따라 계자의 자속밀도를 조절하여 일정한 출력 전압을 유지시키는 발전시스템에 주로 사용한다. 반면에, 자여자식 발전기의 경우, 부하 변동에 따라 전압을 조절할 수 있는 기능이 없으므로, 주로 정전압 정주파수 공급장치(Constant Voltage Constant Frequency, 이하 CVCF)를 적용하여 발전기를 구동하는 원동기의 속도를 고정으로 유지하지 않아도 정전압 정주파수의 전력이 출력될 수 있도록 한다.If the generator is divided according to the excitation method, it can be divided into a self-excitation generator and a self-excitation generator. The former is a method of creating magnetic flux by using an electromagnet by winding a winding around a field, while the latter is different in that it creates a magnetic flux using a permanent magnet instead of an electromagnet. However, in the case of the other excitation type, the magnetic flux density can be increased or decreased by adjusting the voltage applied to the coil. However, in the case of using a permanent magnet, the magnetic flux density is fixed, so the magnetic flux density cannot be adjusted without additional means. Therefore, in the case of the other excitation type generator, since the voltage can be adjusted, a power generation system that maintains a constant output voltage by adjusting the magnetic flux density of the field according to load fluctuations while maintaining a constant frequency by maintaining a fixed speed of the prime mover driving the generator. Mainly used for On the other hand, in the case of a self-excited generator, since there is no function to adjust the voltage according to the load fluctuation, the speed of the prime mover driving the generator is fixed by applying a constant voltage constant frequency supply device (Constant Voltage Constant Frequency, hereinafter referred to as CVCF). Even if it is not maintained, constant voltage and constant frequency power can be output.

타여자식 발전기는 여자를 위한 여자기 및 정류기 등이 필요하고 계자에 코일을 감아야 하므로, 계자가 원동기에 연결되어 회전하는 회전계자 방식일 경우에는 코일이 원심력에 의해 변형되어 생기는 회전불균형 문제 등으로 인하여 고속회전이 어렵고 회전자의 제조 역시 어렵다는 단점이 있다. 또한, 영구자석에 코일을 감아 영구자석의 기본 자속에 더하여 전자석에 의해 자속을 조절함으로써 발전 전압을 조절하려는 방식도 있지만, 이는 근본적으로 타여자 방식의 계자에 영구자석을 부가하여 효율을 높이려는 목적이기 때문에 타여자 방식의 특성과 한계를 그대로 가지고 있다.The other excitation type generator needs an exciter and a rectifier for excitation, and the coil must be wound around the field. Therefore, in the case of a rotating field method in which the field is connected to the prime mover and rotates, the coil is deformed by centrifugal force, causing rotational imbalance, etc. Due to this, high-speed rotation is difficult and manufacturing of the rotor is also difficult. In addition, there is a method to control the power generation voltage by winding a coil around a permanent magnet and controlling the magnetic flux by an electromagnet in addition to the basic magnetic flux of the permanent magnet, but this is basically the purpose of increasing the efficiency by adding a permanent magnet to the field of the other excitation method. Because of this, it has the characteristics and limitations of other excitation methods.

한편, 자여자식 영구자석 동기발전기에 CVCF를 연결하여 사용하는 종래기술에 있어서도 발전시 원동기의 최저 회전수 대비 최고 회전수의 비율을 크게 하기 어렵다는 문제가 있다. 이를 설명하기 위해 먼저 일반적인 CVCF의 구성과 작동원리를 간략하게 예시하면 다음과 같다. CVCF는 크게 발전기에서 만들어진 교류를 직류로 변환하기 위해 DIODE 또는 SCR 및 GTO 등의 전력제어소자로 이뤄진 AC-DC 컨버터부, 변환된 직류 전기를 평활하게 저장하기 위한 커패시터부, 다시 직류를 교류로 변환하되, 전력스위칭을 통하여 전압과 주파수를 조절하는 IGBT 등의 전력제어소자로 이뤄진 DC-AC 인버터부로 구성된다. CVCF의 전압조절 방식은 크게 PAM, PWM, PPM 등의 방식으로 나뉘며 세 가지 방식 모두 전력제어소자를 사용해야 한다는 공통점이 있고, 그 때문에 상기 CVCF에 인가될 수 있는 전압은 제한된 범위를 가질 수 밖에 없는데, 이는 CVCF를 구성하는 전력제어소자의 입력 전압의 허용범위가 그리 크지 않기 때문이다.On the other hand, even in the prior art in which a CVCF is connected to a self-excited permanent magnet synchronous generator, there is a problem that it is difficult to increase the ratio of the maximum rotation speed to the minimum rotation speed of the prime mover during power generation. To explain this, a brief example of a general CVCF configuration and operation principle is as follows. CVCF is largely an AC-DC converter unit composed of power control elements such as DIODE or SCR and GTO to convert the alternating current made by the generator into direct current, a capacitor unit to smoothly store the converted direct current electricity, and converts direct current to alternating current again. However, it is composed of a DC-AC inverter unit consisting of power control elements such as IGBTs that control voltage and frequency through power switching. The voltage control method of CVCF is largely divided into methods such as PAM, PWM, and PPM, and all three methods have in common that a power control device must be used, and therefore, the voltage that can be applied to the CVCF must have a limited range. This is because the allowable range of the input voltage of the power control device constituting the CVCF is not so large.

종래기술에 있어서 발전시 원동기의 최저 회전수 대비 최고 회전수의 비율을 크게 하기 어려운 이유를 살펴보면 다음과 같다. 예를 들어, 차량 엔진에 부착되어 차량의 운전상태, 즉, 정지, 저속주행, 고속주행 등에 상관없이 가동되어야 하는 자여자식 영구자석 동기발전기가 있고, 엔진은 차량이 정지한 상태에서 최저 800RPM, 주행중인 상태에서 최고 4000RPM으로 회전할 수 있으며, 발전기와 CVCF로 구성된 발전시스템은 엔진 최저 회전수에서도 220V의 전압으로 정격전력을 출력해야 한다고 가정해 볼 수 있다. 자여자식 영구자석 동기발전기는 회전수에 따라 전압이 비례하고 CVCF 인버터부 출력 전압은 인버터부 입력 전압보다 높을 수 없다는 점을 고려하면, 일반적인 자여자식 영구자석 동기발전기의 엔진 최저 회전수 800RPM에서의 출력 전압을 대략 200V라고 할 때 최고 회전수인 4000RPM에서는 발전기 구성에 따라 편차가 있긴 하지만 대략 1000V의 고전압을 발전기에서 CVCF로 출력하게 된다.The reason why it is difficult to increase the ratio of the maximum rotational speed to the minimum rotational speed of the prime mover during power generation in the prior art is as follows. For example, there is a self-excited permanent magnet synchronous generator that is attached to a vehicle engine and must be operated regardless of the driving state of the vehicle, i.e., stop, low speed, high speed, etc., and the engine is at least 800 RPM while the vehicle is stopped It can be rotated at a maximum of 4000RPM in the state of being, and it can be assumed that a power generation system composed of a generator and CVCF should output rated power at a voltage of 220V even at the lowest engine speed. Considering that the voltage of the self-excited permanent magnet synchronous generator is proportional to the number of revolutions, and the CVCF inverter output voltage cannot be higher than the inverter input voltage, the output at the minimum engine speed of 800 RPM of a general self-excited permanent magnet synchronous generator Assuming that the voltage is approximately 200V, the maximum rotational speed of 4000RPM varies depending on the generator configuration, but a high voltage of approximately 1000V is output from the generator to the CVCF.

또한, 발전기에서 출력된 교류는 3상일 경우 AC-DC 컨버터를 통과하면서 루트2배로 전압이 상승하기 때문에 엔진 최고 속도에서 DC-AC 인버터로 인가되는 전압은 약 1400V에 이른다. 이에 더하여, CVCF 내부 전력스위칭 과정에서 순간적으로 발생할 수 있는 역기전력에 의해 전압은 추가적으로 1.5배 이상까지도 상승할 수 있으므로 전력제어소자는 안전율을 감안하여 최소 2100V까지의 내전압을 가지고 있어야 한다. 결과적으로, 비교적 저압인 220V를 엔진 회전수에 상관없이 안정적으로 출력하기 위해 전력제어소자는 약 2100V 내전압을 가진 소자로 선정되어야 한다.In addition, in the case of 3-phase AC output from the generator, the voltage increases by twice the root while passing through the AC-DC converter, so the voltage applied to the DC-AC inverter at the highest engine speed reaches about 1400V. In addition, since the voltage can be increased up to 1.5 times or more due to the back electromotive force that can occur instantaneously during the CVCF internal power switching process, the power control device must have a withstand voltage of at least 2100V in consideration of the safety factor. As a result, in order to stably output 220V, which is a relatively low voltage, regardless of the engine rotation speed, the power control device should be selected as a device with about 2100V withstand voltage.

일반적으로 시판되는 전력제어소자 중 IGBT의 경우, 최고 내전압이 예를 들어, 최대 내전압 기준 600V급, 1200V급, 1700V급, 3300V급으로 구분되어 판매되고 있으며 내전압이 높아질수록 가격은 급격히 상승한다. 만약, 원동기의 최저 회전수 대비 최고 회전수의 비율이 작다면 CVCF에서 220V의 전력을 안정적으로 출력하기 위해서 600V급의 IGBT도 적용할 수 있지만, 상기 예시와 같이 원동기의 최저 회전수 대비 최고 회전수의 비율이 큰 경우, 220V 출력을 위해서는 1700V급 내지는 3300V급의 IGBT를 사용해야 하며, 안전율을 고려하지 않고 1700V급의 IGBT를 사용한다 하더라도, 실사용에 있어 엔진 회전수가 낮은 영역에서 주로 사용한다면 저전압 전기를 고전압용의 소자를 이용하여 스위칭을 해야 하므로 전력변환효율이 떨어질 뿐만 아니라 CVCF 구성품중 가장 큰 원가비중을 차지하는 IGBT를 고가의 고전압용으로 사용해야 함으로써 원가가 크게 상승한다는 문제점이 있다.In the case of IGBTs among power control devices on the market, for example, the highest withstand voltage is divided into 600V class, 1200V class, 1700V class, and 3300V class based on the maximum withstand voltage, and the price increases sharply as the withstand voltage increases. If the ratio of the maximum rotational speed to the minimum rotational speed of the prime mover is small, a 600V class IGBT can also be applied to stably output 220V power from the CVCF, but as in the example above, the maximum rotational speed compared to the minimum rotational speed of the prime mover When the ratio of is large, for 220V output, 1700V or 3300V class IGBT should be used.Even if the 1700V class IGBT is used without considering the safety factor, low voltage electricity is mainly used in the low engine speed range for actual use. Because switching must be performed using a high-voltage device, the power conversion efficiency is lowered, and there is a problem in that the cost is greatly increased because the IGBT, which occupies the largest cost share among CVCF components, must be used for expensive high voltage.

본 발명은 간단한 방법으로 자여자식 영구자석 동기발전기에서 출력되는 전압을 일정 범위 이내 또는 일정하게 조절할 수 있는 전압조절장치를 제공하고자 한다.An object of the present invention is to provide a voltage regulating device capable of controlling the voltage output from a self-excited permanent magnet synchronous generator within a certain range or constant by a simple method.

본 발명의 실시예에 따른 영구자석 동기발전기의 전압조절장치는, 1) 3상 자여자식 영구자석 동기발전기에서 출력되는 전압을 검출하는 전압검출부와, 검출된 전압에 따라 전압제어기로 신호를 보내 출력 전압을 조절하는 제어부로 이뤄진 전압조정기, 2) 출력단에 병렬로 연결되어 상기 제어부에서 지령된 신호에 따라 발전기의 출력을 커패시터로 연결하거나 단절시킬 수 있는 전력제어소자로 구성된 전압제어기, 3) 상기 전압제어기를 통해 발전기 출력과 병렬로 연결되는 커패시터를 포함한다.A voltage regulating device for a permanent magnet synchronous generator according to an embodiment of the present invention includes: 1) a voltage detector that detects a voltage output from a three-phase self-excited permanent magnet synchronous generator, and sends a signal to a voltage controller according to the detected voltage to output A voltage regulator consisting of a control unit that regulates voltage, 2) a voltage controller consisting of a power control element connected in parallel to the output terminal and capable of connecting or disconnecting the output of the generator with a capacitor according to a signal commanded by the control unit, 3) the voltage It includes a capacitor connected in parallel with the generator output through the controller.

본 발명의 실시예에 따르면, 발전기를 구동하는 원동기의 최저 회전수 대비 최고 회전수의 비율이 커서 기존에는 자여자식 영구자석 발전기를 작용하기 어려웠던 원동기, 이를테면 차량엔진과 같은 원동기에 자여자식 영구자석 발전기를 적용하여 사용할 수 있고, 함께 적용되는 CVCF의 내전압을 상대적으로 낮게 유지할 수 있어 CVCF의 안전성을 확보할 수 있으며, 또한, CVCF의 구성품인 전력제어소자를 내전압이 상대적으로 낮은 것을 사용함으로써 CVCF 제조원가를 낮출 수 있다. 추가적으로 원동기의 회전수가 고정되어 운전되는 발전기의 경우에도 부하측의 전력이 일정한 범위 내에서 사용된다면 CVCF 없이도 고정압 고정주파수의 전원을 공급할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, since the ratio of the maximum rotational speed to the minimum rotational speed of the prime mover driving the generator is large, it is difficult to operate a self-excited permanent magnet generator in the past, such as a self-excited permanent magnet generator in a prime mover such as a vehicle engine. CVCF can be used by applying and the withstand voltage of CVCF applied together can be kept relatively low, so the safety of CVCF can be secured. In addition, CVCF manufacturing cost is reduced by using a power control device that is a component of CVCF with a relatively low withstand voltage. Can be lowered. In addition, even in the case of a generator operated with a fixed rotational speed of the prime mover, if the power on the load side is used within a certain range, it can supply a fixed-voltage, fixed-frequency power without CVCF.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 영구자석 동기발전기의 전압조절장치 구성도이다.
도 2은 본 발명의 실시예에 따른 영구자석 동기발전기의 전압조절장치 구성도이다.
1 is a block diagram of a voltage regulating device of a permanent magnet synchronous generator according to an embodiment of the present invention.
2 is a block diagram of a voltage regulating device of a permanent magnet synchronous generator according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art to which the present invention pertains can easily practice. The present invention may be implemented in various different forms and is not limited to the embodiments described herein.

먼저, 자여자식 영구자석 동기발전기 구성과 특성에 대해서 간략히 설명하면 다음과 같다. 자여자식 영구자석 동기발전기는 크게 영구자석이 회전자에 구성되어 계자의 역할을 하고, 적층 전기강판에 코일을 감아 구성된 고정자가 전기자 역할을 하는 회전계자형 자여자식 영구자석 동기발전기와, 고정계자 및 회전전기자로 구성된 회전전기자형 자여자식 영구자석 동기발전기로 나뉘는데, 본 발명에서는 일반적으로 널리 사용되는 회전계저형 자여자식 영구자석 동기발전기를 기준으로 설명하며, 그 원리는 동일하게 적용될 수 있다.First, a brief description of the configuration and characteristics of a self-excited permanent magnet synchronous generator is as follows. Magnet-excited permanent magnet synchronous generators are largely composed of permanent magnets in the rotor to act as a field, and a stator formed by winding a coil on a laminated electrical steel sheet acts as an armature, and a fixed field and rotating It is divided into a rotating armature type self-excited permanent magnet synchronous generator composed of armatures. In the present invention, the description is based on a generally widely used rotating system type self-excited permanent magnet synchronous generator, and the principle can be applied in the same manner.

상기 발전기의 전압과 전류의 특성을 살펴보자면, 발전기가 만들어내는 전압곡선은 계자 자극의 위치 변화에 상응하고 전류곡선은 출력단에 걸리는 부하의 크기에 따라 결정되며 부하의 종류에 따라 전류의 위상이 변하게 된다. 이러한 부하의 종류는 크게 저항부하, 유도성부하, 용량성부하 등으로 나뉠 수 있으며, 각각 동상, 지상, 진상의 전류 위상차를 일으키는 요인이 된다. 한편, 출력단에 걸리는 부하가 증가하면 전기자 권선에 부하 전류가 증가하게 되고, 전기자 권선에 전류가 흐르면 전기자 전류에 의하여 생긴 자속이 영구자석 계자에서 나오는 주자속에 영향을 주는 전기자 반작용 현상이 나타나며, 이는 공극자속밀도의 변화로 이어져 결과적으로 유기기전력이 증가하거나 감소하게 되어 발전기 출력 전압 및 전류의 증감을 가져오게 된다. 즉, 동기발전기의 출력 전압은 전기자와 계자 사이에 위치한 공극 내의 전체 자속밀도에 따라 결정되며, 부하시 공극 내의 자속밀도는 계자의 기자력 뿐만 아니라 전기자의 기자력을 포함하여 결정된다고 할 수 있다.Looking at the characteristics of the voltage and current of the generator, the voltage curve produced by the generator corresponds to the change in the position of the field pole, and the current curve is determined according to the size of the load applied to the output terminal, and the phase of the current changes according to the type of load. do. These types of loads can be largely divided into resistive loads, inductive loads, capacitive loads, etc., and each causes phase difference in phase, ground, and phase currents. On the other hand, when the load applied to the output terminal increases, the load current in the armature winding increases, and when a current flows in the armature winding, the magnetic flux generated by the armature current affects the main magnetic flux emitted from the permanent magnet field. It leads to a change in the magnetic flux density, and as a result, the organic electromotive force increases or decreases, leading to an increase or decrease in the generator output voltage and current. That is, the output voltage of the synchronous generator is determined according to the total magnetic flux density in the air gap located between the armature and the field, and the magnetic flux density in the air gap when loaded is determined including the magnetic force of the armature as well as the magnetic force of the field.

그런데, 상기한 바와 같이 자여자식 영구자석 동기발전기의 가장 큰 단점은 계자의 자속밀도를 조절할 수 없다는 데 있으며, 또한 발전기 출력 전압을 CVCF에서 받아들이는 데에도 전력제어소자의 적용에 한계가 존재한다. 본 발명에서는 이러한 문제를 해결하기 위하여 커패시터와, 커패시터로 흐르는 전력을 제어하기 위한 전압제어기를 적용하여 발전기에서 출력되는 전압을 조절하는데, 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.However, as described above, the biggest disadvantage of the self-excited permanent magnet synchronous generator is that the magnetic flux density of the field cannot be adjusted, and there is a limit to the application of the power control element even when the generator output voltage is accepted by the CVCF. In the present invention, in order to solve this problem, a capacitor and a voltage controller for controlling power flowing through the capacitor are applied to adjust the voltage output from the generator, which will be described in more detail as follows.

여자기 전압 조정에 의해 계자의 기자력을 증가시킬 수 있는 타여자 발전기에 비해, 자여자식 영구자석 발전기는 영구자석의 기자력이 최대치로 착자된 상태에서 고정되어 있다. 따라서, 동기발전기의 출력 전압을 조절할 수 있는 요소 중 계자의 기자력이 최대치로 고정되어 있으므로 출력 전압을 조절하기 위해서는 전기자의 기자력을 조절할 수 밖에 없다. 상기한 바와 같이, 전기자의 기자력은 전기자 코일에 흐르는 전류에 의해 발생하고, 이 전류에 의해 발생되는 전류의 위상차를 조절함으로써 공극 속의 자속밀도를 증가 또는 감소시킬 수 있다.Compared to other excitation generators that can increase the magnetic force of the field by adjusting the exciter voltage, the self-excited permanent magnet generator is fixed while the magnetic force of the permanent magnet is magnetized to the maximum value. Therefore, since the magnetic force of the field among the elements that can control the output voltage of the synchronous generator is fixed at the maximum value, the magnetic force of the armature must be adjusted to control the output voltage. As described above, the magnetomagnetic force of the armature is generated by the current flowing through the armature coil, and the magnetic flux density in the air gap can be increased or decreased by adjusting the phase difference of the current generated by the current.

전기자에 흐르는 전류의 위상차를 조절하기 위해서, 발전기의 전력을 사용하는 부하요소 중에서 전력을 소비하지 않는 용량성부하인 커패시터를 이용한다. 상기한 바와 같이, 용량성부하를 늘릴수록 발전기 전기자에 흐르는 전류는 진상전류가 되어 위상이 빨라지게 된다. 한편, 발전기의 출력단에 연결된 부하는 여러 종류의 부하가 섞여 있을 수 있고, 전력소비행태에 따라 사용하는 부하의 종류별 비중 역시 변화할 수 있다. 만약, 발전기의 출력단에 용량성부하인 커패시터를 병렬로 연결하고, 전압을 연결하거나 단절함으로써 조절한다면 발전기 전기자에 흐르는 전류의 위상에 영향을 주어 전기자 반작용에 의해 공극자속밀도의 증감이 발생하고 이는 발전기 출력전압의 증감으로 이어질 수 있다.In order to adjust the phase difference of the current flowing through the armature, a capacitor, which is a capacitive load that does not consume power, is used among load elements that use the power of the generator. As described above, as the capacitive load is increased, the current flowing through the generator armature becomes a leading current and the phase increases. On the other hand, the load connected to the output terminal of the generator may contain several types of loads, and the specific gravity of each type of load used may also change according to the power consumption behavior. If the capacitor, which is a capacitive load, is connected in parallel to the output terminal of the generator and adjusted by connecting or disconnecting the voltage, it affects the phase of the current flowing through the generator armature and increases or decreases the pore magnetic flux density due to the armature reaction. It can lead to an increase or decrease in voltage.

따라서, 발전기에 연결된 원동기의 최고 회전속도를 기준으로 커패시터로의 연결이 단절된 상태에서 출력되는 전압이 부하측에서 요구되는 최대 전압을 초과하지 않고, 원동기의 최저 회전속도를 기준으로 커패시터로의 연결을 최대로 하였을 때 발전기에서 출력되는 전압이 부하측에서 요구되는 최저 전압을 상회할 수 있도록 발전기를 설계하되, 커패시터의 용량은 발전기 부하측에 걸릴 수 있는 여러 종류의 부하의 용량을 고려해서 설정해 두고, 발전기와 커패시터 사이에 전력제어소자를 설치하여 전력의 흐름을 제어하면, 발전기 출력 전압을 제어할 수 있게 된다.Therefore, based on the maximum rotational speed of the prime mover connected to the generator, the voltage output when the connection to the capacitor is disconnected does not exceed the maximum voltage required from the load side, and the connection to the capacitor is maximized based on the minimum rotational speed of the prime mover. The generator is designed so that the voltage output from the generator exceeds the minimum voltage required on the load side, but the capacity of the capacitor is set in consideration of the capacity of various types of loads that can be applied to the generator load side. If a power control element is installed between the flow of power to be controlled, the generator output voltage can be controlled.

도 1을 참고하여, 본 발명의 제1 실시예에 따른 자여자식 영구자석 동기발전기의 전압조절장치의 구성과 작동을 설명하면 다음과 같다. 도시되지는 않았지만, 회전속도가 가변하는 원동기에 연결된 3상 자여자식 영구자석 동기발전기에서 전력을 생산하면, 발전기 출력단에 연결된 전압조정기의 전압검출부에서 출력되는 전압을 측정한다. 측정된 전압이 출력단에 연결된 CVCF에서 요구하는 최저 전압보다 낮으면, 전압조정기의 제어부는 발전기 출력단에 병렬로 연결된 전압제어기가 발전기 출력 전압이 커패시터로 연결되도록 지령하고, 전압제어기 내부에 구성된 전력제어소자가 발전기의 전압을 커패시터로 연결한다. 이 때, 전력제어소자는 SCR, TRAIC, GOT 등 교류 전력 제어에 사용될 수 있는 소자를 적용할 수 있다. 커패시터로 연결된 전압에 의하여 발전기의 전기자에 흐르는 전류는 위상이 빨라지고 이로 인하여 공극자속밀도가 증가하며, 상응하여 유기기전력이 증가하면 발전기에서 출력되는 전압이 상승한다. 전압조정기 전압검출부에서 측정한 전압이 CVCF에서 요구하는 최저 전압을 넘고, 미리 설정된 로직에 따라 일정 수준의 전압 여유율을 확보하면 전압조정기의 제어부는 발전기와 커패시터를 단절시키도록 전압제어기에 지령함으로써 발전기에서 출력되는 전압은 일정 범위 내에서 유지된다. CVCF에는 미리 설정한 범위 내에서 유지되는 전압이 연결되므로 고전압용 전력제어소자를 적용할 필요가 없고, 출력전압에 비례하여 큰 편차가 나지 않는 적정한 내전압을 가진 전력제어소자를 적용할 수 있다.Referring to FIG. 1, a configuration and operation of a voltage regulating device of a self-excited permanent magnet synchronous generator according to a first embodiment of the present invention will be described as follows. Although not shown, when power is produced in a three-phase self-excited permanent magnet synchronous generator connected to a prime mover having a variable rotational speed, a voltage output from a voltage detector of a voltage regulator connected to the generator output terminal is measured. If the measured voltage is lower than the minimum voltage required by the CVCF connected to the output terminal, the control unit of the voltage regulator instructs the voltage controller connected in parallel to the generator output terminal to connect the generator output voltage to the capacitor, and the power control element configured inside the voltage controller Connect the voltage of the generator to the capacitor. At this time, the power control device may be a device that can be used for AC power control such as SCR, TRAIC, GOT. The phase of the current flowing through the armature of the generator by the voltage connected by the capacitor increases, thereby increasing the pore magnetic flux density, and when the organic electromotive force increases accordingly, the voltage output from the generator increases. When the voltage measured by the voltage regulator voltage detector exceeds the minimum voltage required by CVCF and a certain level of voltage margin is secured according to the preset logic, the control unit of the voltage regulator instructs the voltage controller to disconnect the generator and the capacitor. The output voltage is maintained within a certain range. Since the voltage maintained within the preset range is connected to the CVCF, it is not necessary to apply a power control device for high voltage, and a power control device with an appropriate withstand voltage that does not cause a large deviation in proportion to the output voltage can be applied.

도 2을 참고하여, 본 발명의 제2 실시예에 따른 영구자석 동기발전기의 전압조절장치는, 발전기를 구동하는 원동기의 회전수가 가변이 아닌 고정으로 유지되어 발전기의 출력 주파수가 일정하며, 제1 실시예와 같은 방식에 의해 출력 전압의 조절을 할 수 있도록 구성되어, CVCF를 통하지 않고도 정전압 정주파수의 전원을 공급할 수 있다는 점에서 제1 실시예와 차이가 있다.Referring to FIG. 2, in the voltage regulating device of the permanent magnet synchronous generator according to the second embodiment of the present invention, the number of revolutions of the prime mover driving the generator is kept fixed rather than variable, so that the output frequency of the generator is constant. It differs from the first embodiment in that it is configured to be able to adjust the output voltage in the same manner as in the embodiment, so that power of a constant voltage and constant frequency can be supplied without passing through the CVCF.

원동기의 회전수가 일정하게 유지될 수 있으면, 타여자 발전기와 마찬가지로 별도의 장치 없이도 정주파수의 전력을 출력할 수 있다. 원동기가 발전기의 회전수를 일정하게 유지해주고 있다면, 전압은 부하에 따라 변동하는데, 부하가 증가하면 전압이 떨어지고 부하가 감소하면 전압이 높아지게 된다. 따라서, 이 경우에도 역시 제1 실시예에서와 마찬가지의 방식으로 커패시터를 이용하여 전류의 위상을 조절하고 그로써 전압을 증감시킬 수 있다. 단, 부하에 걸리는 출력의 최저치는 제한될 수 있다.If the number of revolutions of the prime mover can be kept constant, like other excitation generators, it is possible to output constant frequency power without a separate device. If the prime mover keeps the rotational speed of the generator constant, the voltage fluctuates according to the load. As the load increases, the voltage decreases, and when the load decreases, the voltage increases. Therefore, also in this case, it is possible to adjust the phase of the current using the capacitor in the same manner as in the first embodiment, thereby increasing or decreasing the voltage. However, the minimum value of the output applied to the load may be limited.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.Although the preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited thereto, and it is possible to carry out various modifications within the scope of the claims and detailed description of the invention and the accompanying drawings. It is natural to fall within the scope of.

Claims (1)

3상 자여자식 영구자석 동기발전기에서 출력되는 전압을 검출하는 전압검출부와, 검출된 전압에 따라 전압제어기로 신호를 보내 출력 전압을 조절하는 제어부를 포함하는 전압조정기;
출력단에 병렬로 연결되어 상기 제어부에서 지령된 신호에 따라 발전기의 출력을 커패시터로 연결하거나 단절시킬 수 있는 전력제어소자를 포함하는 전압제어기; 및
상기 전압제어기를 통해 발전기 출력과 병렬로 연결되는 커패시터를 포함하는 자여자식 영구자석 동기발전기의 전압조절장치.
A voltage regulator including a voltage detector for detecting a voltage output from the three-phase self-excited permanent magnet synchronous generator, and a controller for controlling the output voltage by sending a signal to the voltage controller according to the detected voltage;
A voltage controller connected in parallel to the output terminal and including a power control element capable of connecting or disconnecting the output of the generator with a capacitor according to a signal commanded by the controller; And
A voltage regulating device of a self-excited permanent magnet synchronous generator comprising a capacitor connected in parallel with the generator output through the voltage controller.
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