KR920009549B1

KR920009549B1 - 영구자석형 자동차 발전기용 전압 안정화 방식

Info

Publication number: KR920009549B1
Application number: KR1019890017863A
Authority: KR
Inventors: 조규형; 김인동; 정동열
Original assignee: 한국과학기술원; 이상수
Priority date: 1989-12-04
Filing date: 1989-12-04
Publication date: 1992-10-19
Also published as: KR910013672A

Abstract

내용 없음.

Description

영구자석형 자동차 발전기용 전압 안정화 방식

제1도는 일반 자동차에서 사용되는 전력 공급도(발전기 및 전압 안정화 시스템).

제2도는 기존의 자동차용 발전기 및 전압안정화 시스템으로서, 제2a도는 발전기 및 전력회로도, 제2b도는 전압제어도.

제3도는 본 발명의 새로운 영구자석형 자동차 발전기 및 전압안정화 시스템으로서, 제3a도는 발전기 및 전력회로도, 제3b도는 전압제어도, 제3c도는 위상각 α의 변화에 대한 위상제어정류기 출력전압 파형, 제3d도는 위상각 α에 대한 위상제어정류기 출력전압 평균치의 변화, 제3e도는 전압제어도 제3b도에서 적분제어개념을 지닌 인너루푸의 각 부분의 파형.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

V_batt.ref: 축전지 단자전압의 기준치 V_batt.: 축전지 단자전압

V_refhref: 위상제어정류기의 출력전압의 기준치

V_refh: 위상제어정류기의 출력전압

l_f: 필터용 인덕터 R_f: 필터용 인덕터의 누설저항

R_b: 축전지의 내부저항 V_Int: 적분기(1/5)의 출력전압

V_zd: 제로디텍터(Zero Detector)의 출력파형

B : 축전지 L : 부하

본 발명은 영구자석형 자동차 발전기용 전압 제어 시스템에 관한 것으로, 내구성이 강하고, 가용전류를 증가시킬 수 있는 고효율의 전압제어시스템을 제공함에 그 목적이 있다.

자동차의 점등장치, 기동장치, 점화장치 및 기타 전기 장치(부하)에 필요한 전원으로서 발전기(Alternator), 축전지(Battery)가 있다. (제1도) 자동차의 시동시에는 축전지에서 기동모터와 점화장치에 전력을 공급하게 되며, 이때에 기동 모터는 매우 큰 전류를 축전지(B)에서 빼내간다. 그래서 자동차가 운전중일 때에는 발전기가 모든 부하에 전력을 공급하면서 축전지(B)를 충진시키게 된다. 또한 축전지(B)는 기관(engine)이 운전하고 있을 때에도 발전기의 출력부족이나 전압변동을 보상하여 전력공급을 안정되게한다.

자동차가 운전중일때 축전지를 충전시키기 위해 발전기가 일정한 출력전압을 유지해야 하는데 이를 위해 전압안정기(voltage regulator) 가 필요하다. 기존의 전압안정화 방식(제2도)은 발전기의 회전자(rotor)에 자화 전류(field current)를 적적히 공급하여 고정자(stator)에서 안정된 전압을 얻었다. 그러나 기존의 방식에서는 발전기의 회전자에 전류를 흘리기위해 브러쉬(brush)가 필요하며, 브러쉬의 마모로 말미암아 기계적 내구성이 우수하지 못하고, 회전자에 자화전류를 흘림에 따라 발전기의 온도가 상승하며, 손실이 증가하여 전체적으로 효율(efficiency)이 감소하는 단점을 지니고 있다. 또한 기존의 전압 안정화 방식은 자화전류를 발전기의 출력전류에서 얻으므로 부하(L)와 축전지(B)의 가용전류를 결국 감소시키는 단점을 갖고 있다.

이러한 단점을 해결하기 위해 영구자석형 발전기의 개발이 국내외에서 추진되고 있는데 본 발명에서는 이러한 영구자석형 자동화 발전기를 위한 전압 안정화 시스템(제3도)을 개발하였다. 이 안정화시스템은 발전기로 영구자석형 발전기와, 전력회로로 위상제어 정류기와, 위상제어 정류기의 제어 방식으로 적분 제어(Integral Control)방식으로 구성되어 있다.

먼저 요즈음 널리 사용되고 있는 기존의 자동차용 발전기 및 전압 안정화시스템(제2도)를 설명하면, 제2a도는 발전기 및 전력회로도를 나타내고 있으며, 제2b도는 콘트롤루프를 포함한 전압제어도를 나타낸다. 제2a도에서 보는 것처럼 발전기는 3상전압을 발생시키는 고정자 권선(stator winding)과 고정자 권선에 생성되는 전압의 크기를 제어하기 위해 일정한 직류 전류를 흘리는 회전자 권선(rotor winding)으로 구성되어 있다. 고정자 권선에 생성된 3상전압은 다이오드로 구성된 3상전파정류기에 의해 직류전압으로 바꾸어지며, 이 직류 전압에 의해 부하(L)에 전류를 공급하며 축전지(B)를 충전시킨다. 제2b도에서 보는 것처럼 부하(L)에 걸리는 전압은 항상 일정한 전압으로 제어되어야 하는데 이를 위해 전압제어 루우프가 필요하다. 이 제어루우프는 기준전압과 부하전압의 차를 구하는 비교기 (comparator), 시스템의 성능을 위한 제어기, 회전자 권선에 제어된 일정한 전압을 가하는 초퍼(chopper), 발전기, 전파 정류기, 축전지, 부하로 구성되어 있다.

이와 같은 기존방식을 참조로 본 발명의 영구자석형 자동차 발전기용 전압제어 시스템(제3도)를 설명하면 다음과 같다. 제3a도는 발전기(alternator), 전압안정기(voltage regulator), 축전지, 부하등으로 구성되어 있다. 발전기는 영구자석으로 되어 있는 회전자와 기관(engine)의 속도에 비례하는 주파수와 크기를 갖는 교류 전압을 발생시키는 고정자 권선으로 되어 있다. 기관의 속도에 따라 변하는 고정자 전업을 일정한 직류전압을 제어하는 전압안정기의 전력회로는 3개의 다이리스터(thyristor)(T₁)(T₂)(T₃)와 3개의 다이오드(D₁)(D₂)(D₃)로 된 위상제어정류기와 필터용 인덕터(inducotor : L_f)로 되어있다. 여기에 사용되는 다이리스터와 다이오드의 정격전류는 I_o.max/3이며, 정격전압은 2V_1-1.rms이다. 또한 필터용 인덕터(L_f)는 적어도 제어정류기 출력전류를 연속으로 유지하기 위한 크기를 지녀야하며, 위상제어정류기는 전원과 동기된 적당한 위상각(phase angle) α에서 다이리스터(T₁-T₃)를 순차적으로 온-오프하며(제3c도), 위상각α와 출력전압의 평균치와의 관계는 제3d도에 도시된 바와같다. 여기서 출력전압은 정류기 입력전원의 주파수에 무관하며 크기에 비례하는 특성을 지닌다. 위상각 α를 계산하기 위해 흔히 사용하는 방법은 코사인 파 크로싱 방법(cosine wave crossing method)이다. 코사인 파 크로싱 방법은 전원을 측정하여, 전원과 동기를 시켜 적당한 위상파 α에서 다이리스터를 턴-온 시키는 것이다. 그러나 신호원 인덕턴스(source inductance)에서의 전압 강하에 의해 측정한 전압의 파형이 심하게 왜곡되므로 정확한 α각을 계산하는 것은 대단히 어렵다.

또한 자동차발전기의 경우 출력전압의 주파수와 크기가 기관의 속도에 거의 비례하게 변화하므로 출력전압을 일정한 각도로 위상편이(phase shifting)하여 α각을 계산하는 것은 더욱 더 어렵다. 그러므로 본 발명에서는 AC/AC변환기 (cycloconventor)에서 사용하는 적분제어(Integral Control)개념을 적용하여 α값을 계산하는 문제를 해결하였다. 인너루프(Inner loop)로 적분제어개념(Integral Control Concept)을 포함한 전체 제어블럭다이어그램은 제3b도와 같다. 적분제어는 정류기 출력전압의 리플(ripple)이 α값에 관계없이 일정한 패턴으로 반복하는 성질을 이용한다.

이 반복하는 패턴을 사용하여 다이리스터(T₁-T₃)의 점화각 α를 계산하므로 전원 인덕턴스에 의한 발전기 출력 전압의 왜곡에 관계없이 α각을 계산할 수 있으며, 폐루프내에 적분기를 포함하므로 노이즈에 강한 특성을 지닌다.

제3b도의 작동을 제3e도와 비교하면서 설명한다. 제3b도의 제어루프를 보면 인너루프와 아웃더루프로 구성되어 있다. 인너루프는 주파수와 크기가 변하는 전원전압으로부터 직류 혹은 교류전원을 얻기 위한 적분제어 루프이다.

정류기 출력전압(제3e도의 (b))과 기준치(제3e도의 (a))의 차는 제3e도의 (c)의 파형이다. 이 파형을 적분기로 적분하면 제3e도의 (d)의 파형을 얻게되며, 제3도 (마)의 (d)의 파형을 제로크로싱하여 얻는 파형(제3도 (마)의 (e))은 순차적으로 다이리스터(T₁)(T₂)(T₃)를 점화하기 위해 링카운터에 의해 분배된다.

아웃터루프는 최종적으로 제어할려는 축전지 전압을 제어하기 위한 제어 루프이다. 인덕터 L_f의 ESR(실효직렬저항; Effectiive Series Resistance)이 충분히 작으면 축전지 전압을 제어하기 위해 인너루프로 충분하지만 출력전압에 비해 출력전류의 크기가 커다란 출력전압 안정기에서는 아웃터 루프가 필요하다.

상기와 같이 동작하는 본 발명의 영구 자석형 자동차 발전기용 전압 안정화 시스템은 다음과 같은 특성을 지닌다.

첫째; 기존의 방식이 회전자 권선에 전류를 공급하기 위해 브러쉬를 필요로 하는데 반해, 본 발명은 영구자석을 사용하므로 브러쉬가 필요 없으며, 둘째; 회전자 권선에 전류를 공급하지 않으므로 인해 기존의 것에 비해 발전기의 온도가 작게 올라가며, 손실이 줄어들어 전체적인 효율이 증가한다. 셋째; 회전자 권선 전류가 필요 없으므로 인해 축전지와 부하에서 사용할 수 있는 가용 전류가 증가한다. 네째; 발전기의 출력전류를 정류하기 위한 전력 반도체 소자의 수는 기존의 것과 같다. 다섯째; 출력전압 안정기(Voltage regulator)로서 전파정류 +DC/DC변환기 타입 대신 위상 제어 정류기를 사용함에 따라 자연전류(natural commutation)를 하므로 신뢰도가 좋다. 여섯째; 설치가 용이하며, 히트싱크(heat sink)는 기존의 방식보다 작은 장점을 지닌 획기적인 발명인 것이다.

Claims

발전기에 필요한 자속을 영구자석을 이용하여 얻는 영구자석형 자동차 발전기용 전압 안정화 장치에 있어서, 상기 안정화 장치는 영구자석을 회전자로 사용하고 기관의 속도에 비례하는 주파수와 크기를 갖는 교류전압을 발생시키는 고정자 권선으로 구성된 영구자석형 발전기와, 기관의 속도에 따라 변하는 고정자 권선의 전압을 일정한 직류전압으로 제어하기 위하여 3개의 다이리스터(T₁)(T₂)(T₃)와 3개의 다이오드 (D₁)(D₂)(D₃)로 구성된 위상제어 정류기와, 상기 위상제어 정류기의 출력전류를 연속적인 크기로 유지하기 위한 필터용 인덕터로 구성된 전압안정기와, 상기 위상제어 정류기의 출력전압에 함유된 리플이 위상각 α값에 무관하게 반복하는 패턴을 이용하여 다이리스터의 점화각 α를 계산하여 전원 인덕턴스에 의한 발전기 출력전압의 왜곡에 무관한 α각을 계산할 수 있도록 한 위상제어 정류기의 적분제어 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 영구자석형 자동차 발전기용 전압 안정화 장치.
제1항에 있어서, 상기 위상제어 정류기의 적분제어 시스템은 내부 폐루우프와 외부 폐루우프로 되는 제어 루우프를 가지며, 내부 폐루우프는 주파수와 크기가 변하는 전원전압으로부터 직류 혹은 교류전압을 얻기 위한 적분제어 루우프로서, 위상제어 정류기에서 출력되는 기준전압을 전압센서가 감지하여 비교기를 거쳐 요구되는 전압으로 적분을 하는 적분기(1/S)와, 적분된 전압을 제로 크로싱하여 구형파 전압으로 변환하는 제로 디텍터와, 위상제어 정류기의 다이리스터(T₁)(T₂)(T₃)의 게이트에 순차적으로 점화하기 위해 분배되는 펄스분류기 및 드라이버인 링카운터로 구성되고; 외부 폐루우프는 최종적으로 제어하려는 축전지 전압을 제어하기 위한 제어 루우프로서, 위상제어 정류기의 출력전류를 연속적인 크기로 유지하기 위한 필터용 인덕터와, 정류된 일정한 직류전압을 전압센서가 감지하여 비교기를 거쳐 출력전압에 비해 출력전류의 크기가 큰 전압 안정기를 제어하기 위한 콘트롤러로 구성되는 것을 특징으로 하는 영구자석형 자동차 발전기용 전압 안정화 장치.