WO2015190707A1 - 계자 방전 저항 없는 발전기의 출력 전압 제어 장치 - Google Patents

계자 방전 저항 없는 발전기의 출력 전압 제어 장치 Download PDF

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output voltage
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류호선
이의택
이주현
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Korea Electric Power Corp
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P9/00—Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output
    • H02P9/14—Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output by variation of field
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02P9/00—Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output
    • H02P9/14—Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output by variation of field
    • H02P9/26—Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output by variation of field using discharge tubes or semiconductor devices

Definitions

  • the present application relates to the control of the output voltage of the generator.
  • the output voltage control device of the generator is an essential facility along with the speed control device.
  • the input AC power (AC power) can be varied in size by the transformer 10, the transformer 10
  • the AC power whose size is changed by the rectifier 20 may be converted into DC power Vdc. Thereafter, energy based on the DC power source Vdc may be stored in the DC link terminal 40.
  • the charging control unit 30, the current limiting resistor (R1) and the connection breaker (SW4) is connected in parallel to operate to prevent the sudden energy storage of the DC link terminal (40).
  • the generator voltage controller 80 turns the switching element Q1 on and off by a pulse width modulation (PWM) signal, and is stored in the DC link terminal 40 during the turn-on period of the switching element Q1.
  • PWM pulse width modulation
  • the field current If flowing through the field winding 60 increases due to energy, and the field current If flowing through the field winding 60 decreases during the turn-off period of the switching element Q1. That is, since the field current If is in proportion to the output voltage of the generator, the magnitude of the output voltage of the generator can be controlled by controlling the average value of the field current If flowing through the field winding 60. .
  • the battery 70 is connected in parallel to the DC link terminal 40, the energy is stored by the input AC power (AC power), and when an abnormality or shortage of the AC power (AC power) occurs AC power ( AC power) may be replaced or supplemented to supply energy to the field winding 60.
  • the field discharge resistor (R1) is configured to be connected in parallel with the field winding 60, the field breaker 50 is operated during the abnormal operation of the generator (three poles) (SW1 is connected, SW2 to SW3 are open), so that the energy stored in the field winding 60 of the generator is discharged through the field discharge resistor R2.
  • the present application provides a device for controlling the output voltage of a generator that can reduce the volume due to the field discharge resistance and can be configured at a low cost.
  • the rectifying unit for rectifying the AC power source to the DC power source;
  • a direct current link stage for storing energy based on the direct current power source rectified by the rectifier;
  • a main control unit controlling a magnitude of a field current flowing through a field winding of a generator using energy stored in the DC link terminal according to a pulse width modulation signal;
  • an auxiliary control unit for freewheeling the energy stored in the field winding to the DC link stage when the circuit breaker operation signal is applied.
  • the main control unit may include: a first freewheeling diode configured to freewheel the energy stored in the field winding to the field winding; And transmitting energy stored in the DC link terminal to the field winding at turn-on, and freewheeling the energy stored in the field winding at the turn-off to the field winding through the first freewheeling diode, thereby increasing the magnitude of the field current. It may include a switching element for controlling.
  • the auxiliary control unit may include: a second freewheeling diode configured to freewheel the energy stored in the field winding to the DC link terminal; And a field breaker configured to freewheel the energy stored in the field winding through the second freewheeling diode to the DC link terminal when the breaker operation signal is applied.
  • the output voltage control device of the generator further includes a current limiting resistor and a connection circuit breaker connected in parallel to prevent sudden energy storage of the DC link stage, wherein the connection circuit breaker and the field circuit breaker May be configured as a two-pole breaker.
  • the switching element may have a redundant structure in which two switching elements are connected in parallel.
  • the rectifying unit for rectifying the AC power source to the DC power source;
  • a direct current link stage for storing energy based on the direct current power source rectified by the rectifier;
  • a first freewheeling diode for freewheeling the energy stored in the field winding to the field winding;
  • a second freewheeling diode for freewheeling the energy stored in the field winding to the DC link stage; Transmitting energy stored in the DC link terminal to the field winding when turned on according to a pulse width modulation signal, and freewheeling the energy stored in the field winding to the field winding through the first freewheeling diode when turned off;
  • a switching element for controlling the magnitude of the field current;
  • a field breaker for freewheeling the energy stored in the field winding to the DC link terminal through the second freewheeling diode when the breaker operation signal is applied.
  • the output voltage control device when a breaker operation signal is applied, the energy stored in the field winding is freewheeled to the DC link stage, thereby reducing the volume due to the field discharge resistance, and the connection breaker and the field breaker 2
  • the output voltage control device can be configured at low cost.
  • FIG. 1 is a view showing an output voltage control device of a conventional generator.
  • 4B is a waveform diagram illustrating an operation during a turn-off period of a switching element of an output voltage control device of a generator according to one embodiment of the present invention.
  • 5B is a waveform diagram illustrating an operation when a circuit breaker operation signal is applied to a field circuit breaker of an output voltage control device of a generator according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a flowchart illustrating a method of controlling the output voltage of a generator according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a configuration diagram of an output voltage control device of a generator according to an embodiment of the present invention, which includes an AC power supply (AC power supply), a transformer 10, a rectifier 20, a charge control unit 30, and a DC link terminal 40. And a main control unit 210 and an auxiliary control unit 220, the main control unit 210 includes a switching element Q1 and a first freewheeling diode D1, and the auxiliary control unit 220 includes a field breaker SW5. ) And a second freewheeling diode D2.
  • FIGS. 4A to 4B illustrate one embodiment of the present invention. Is a view for explaining the operation during the turn-off period of the switching element of the output voltage control device of the generator according to Figure 5a to 5b is a circuit breaker in the field circuit breaker of the output voltage control device of the generator according to an embodiment of the present invention It is a figure for explaining the operation
  • the transformer 10 converts an input AC power (AC power) into an AC power having an appropriate size according to the turns ratio, and the converted AC power is converted into a rectifier 20 including a plurality of diodes. It may be rectified to a direct current power source (Vdc). Thereafter, energy based on the DC power supply Vdc may be stored in the DC link terminal 40 in which two capacitors C1 and C2 are connected in series.
  • AC power AC power
  • Vdc direct current power source
  • the charging control unit 30, the current limiting resistor (R1) and the connection breaker (SW6) is connected in parallel to operate to prevent the sudden energy storage of the DC link terminal 40, the connection breaker (SW6) and the field breaker ( SW5) may be a two-pole breaker (ie, connection breaker SW6 and field breaker SW5 one of the two poles of the two-pole breaker) operating simultaneously according to one CBO signal.
  • the battery 70 is connected to the DC link terminal 40 in parallel, and the energy is stored by the input AC power (AC power), and when an abnormality or shortage of the AC power (AC power) occurs, the AC power ( AC power) may be replaced or supplemented to supply energy to the field winding 60.
  • the main controller 210 determines the magnitude of the field current If flowing through the field winding 60 of the generator using energy stored in the DC link terminal 40 according to the pulse width modulation signal Vg (Q1). Can be controlled.
  • the main controller 210 described above is provided between the cathode of the first freewheeling diode D1 and the first freewheeling diode D1 connected in parallel to the field winding 60 and the positive terminal of the DC link terminal 40. It may include a connected switching element (Q1).
  • the switching element Q1 may include an insulated gate bipolar transistor (IGBT), a field-effect transistor (FET), a gate turn-off thyristor (GTO), and a junction. It may be any one of a semiconductor switch including a bipolar junction transistor (BJT).
  • IGBT insulated gate bipolar transistor
  • FET field-effect transistor
  • GTO gate turn-off thyristor
  • BJT bipolar junction transistor
  • FIG. 2 two switching elements may have a redundant structure connected in parallel. In this case, two switching elements connected in parallel according to the pulse width modulation signal Vg (Q1) may be used. The devices can operate simultaneously. Thus, by using the switching element in a redundant structure, there is an advantage that can increase the reliability.
  • the switching element Q1 when the switching element Q1 is turned on, the energy stored in the DC link terminal 40 during the turn-on period (see Ton in FIG. 3B) is as shown in the path P1. , May be transmitted to the field winding 60 through the switching element Q1 (the field breakers SW5 and SW6 are connected).
  • Vdc may be a DC voltage of the DC link terminal
  • Lf may be an inductor of the field winding, if may be a field current
  • Rf may be an internal resistance of the field winding.
  • the energy stored in the field circle 60 during the turn-off period (see Toff in FIG. 4B) is as shown in the path P2. It may be freewheeled by the field winding 60 (in this case, the field breakers SW5 and SW6 are connected).
  • the voltage Vo between both ends of the field winding 60 is zero voltage during the turn-off period Toff by the pulse width modulation signal Vg (Q1), and the field winding 60 Due to the internal resistance, the field current If decreases to satisfy Equation 2 below.
  • Lf may be an inductor of the field winding, if may be a field current, and Rf may be an internal resistance of the field winding.
  • the magnitude of the field current If may be controlled by adjusting the duty of the pulse width modulated signal Vg (Q1) applied to the gate of the switching element Q1.
  • Equation 3 since the magnitude of the field current If is proportional to the output voltage Vt of the generator, the magnitude of the field current If flowing through the field winding 60 is controlled. By doing this, the magnitude of the output voltage of the generator can be controlled.
  • Vt K ⁇ ⁇ ⁇ N
  • Vt is the output voltage of the generator
  • K is a constant
  • ⁇ is a magnetic flux is a value proportional to the field current (If)
  • N is the rotational speed of the generator.
  • the auxiliary control unit 220 may freewheel the energy stored in the field winding (60) to the DC link terminal 40.
  • the breaker operation signal (CBO) may be an operation signal that can be input manually by the operator when the main control unit 210 failure.
  • the auxiliary control unit 220 includes a field breaker SW5 connected between the anode of the first freewheeling diode D1 and the field winding 60, and the anode of the first freewheeling diode D1 and the field winding of the first freewheeling diode D1.
  • the cathode connected to the connection terminal 60 may include a second freewheeling diode D2 connected to the positive terminal of the DC link terminal 40.
  • the field breaker SW5 when the breaker operation signal CBO is applied, the field breaker SW5 is connected, and the energy stored in the field winding 60 is shown in the path P3. As described above, the field breaker SW5 may be freewheeled to the DC link terminal 40 through the second freewheeling diode D2. Accordingly, the field current If may be reduced to satisfy Equation 4 below.
  • Vdc may be a DC voltage of the DC link terminal
  • Lf may be an inductor of the field winding, if may be a field current
  • Rf may be an internal resistance of the field winding.
  • the output voltage control device when the breaker operation signal is applied, by freewheeling the energy stored in the field winding to the DC link terminal, it is possible to reduce the volume due to the field discharge resistance, the connection breaker By configuring the field circuit breaker with one 2-pole circuit breaker, the output voltage control device can be configured at low cost.
  • FIG. 6 is a flowchart for explaining an output voltage control method of a generator according to one embodiment of the present invention.
  • the rectifier 20 may rectify an AC power source (AC power source) into a DC power source (Vdc) (S601). DC power (Vdc) rectified by the rectifier 20 may be transmitted to the DC link terminal 40.
  • AC power source AC power source
  • Vdc DC power source
  • the DC link stage 40 may store energy based on the DC power supply Vdc rectified by the rectifying unit 20 (S602).
  • the main controller 210 determines the magnitude of the field current If flowing through the field winding 60 of the generator using energy stored in the DC link terminal 40 according to the pulse width modulation signal Vg (Q1). It can be controlled (S603).
  • the main controller 210 described above is provided between the cathode of the first freewheeling diode D1 and the first freewheeling diode D1 connected in parallel to the field winding 60 and the positive terminal of the DC link terminal 40. It may include a connected switching element (Q1).
  • the auxiliary controller 220 may freewheel the energy stored in the field winding 60 to the DC link terminal 40 (S604).
  • the breaker operation signal (CBO) may be an operation signal that can be input manually by the operator when the main control unit 210 is broken, the auxiliary control unit 220, the anode of the first freewheeling diode (D1) and (+) Terminal of the DC link terminal 40 where an anode cathode is connected to the field breaker SW5 connected between the field winding 60 and the anode of the first freewheeling diode D1 and the field winding 60. It may include a second freewheeling diode (D2) connected to.
  • the output voltage control device when the breaker operation signal is applied, by freewheeling the energy stored in the field winding to the DC link terminal, it is possible to reduce the volume due to the field discharge resistance, the connection breaker By configuring the field circuit breaker with one 2-pole circuit breaker, the output voltage control device can be configured at low cost.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Control Of Eletrric Generators (AREA)

Abstract

계자 방전 저항 없는 발전기의 출력 전압 제어 장치가 제공된다. 발전기의 출력 전압 제어 장치는, 교류 전원을 직류 전원으로 정류하는 정류부와, 정류부에 의해 정류된 직류 전원에 기초한 에너지를 저장하는 직류 링크단과, 펄스폭 변조 신호에 따라 직류 링크단에 저장된 에너지를 이용하여 발전기의 계자 권선을 흐르는 계자 전류의 크기를 제어하는 주 제어부와, 차단기 동작 신호가 인가되면, 계자 권선에 저장된 에너지를 직류 링크단으로 프리휠링 시키는 보조 제어부를 포함됨으로써, 계자 방전 저항으로 인한 부피를 줄일 수 있으며, 연결 차단기와 계자 차단기를 2극 차단기 하나로 구성함으로써, 적은 비용으로 출력 전압 제어 장치를 구성할 수 있다.

Description

계자 방전 저항 없는 발전기의 출력 전압 제어 장치
본 출원은, 발전기의 출력 전압 제어에 관한 것이다.
최근 도시 지역이나 대형 빌딩 등에 디젤 발전기를 전원용으로 많이 사용하고 있다. 디젤 발전 시스템을 구축함에 있어서 발전기의 출력 전압 제어 장치는 속도 제어 장치와 함께 필수적인 설비이다.
이러한 발전기의 출력 전압 제어 장치를 설명하면, 도 1에 예시적으로 도시된 바와 같이, 입력된 교류 전원(AC 전원)은 변압기(10)에 의해 그 크기가 가변될 수 있으며, 변압기(10)에 의해 크기가 가변된 교류 전원은 정류부(20)에 의해 직류 전원(Vdc)으로 변환될 수 있다. 이후 직류 전원(Vdc)에 기초한 에너지는 직류 링크단(40)에 저장될 수 있다.
한편, 충전 제어부(30)는, 전류 제한 저항(R1) 및 연결 차단기(SW4)가 병렬 연결되어 직류 링크단(40)의 급격한 에너지 저장을 방지하도록 동작한다.
그리고, 발전기 전압 제어기(80)는, 펄스폭 변조(Pulse Width Modulation, PWM) 신호에 의해 스위칭 소자(Q1)를 온 오프시키며, 스위칭 소자(Q1)의 턴온 구간 동안 직류 링크단(40)에 저장된 에너지에 의해 계자 권선(60)을 흐르는 계자 전류(If)가 증가하며, 스위칭 소자(Q1)의 턴 오프 구간 동안에는 계자 권선(60)을 흐르는 계자 전류(If)는 감소하게 된다. 즉, 계자 전류(If)는 발전기의 출력 전압과 비례하는 관계에 있기 때문에, 계자 권선(60)을 흐르는 계자 전류(If)의 평균값을 제어함으로써, 발전기의 출력 전압의 크기를 제어할 수 있는 것이다.
한편, 배터리(70)는, 직류 링크단(40)에 병렬 연결되며, 입력된 교류 전원(AC 전원)에 의해 에너지가 저장되며, 교류 전원(AC 전원)의 이상 또는 부족분이 생길 경우 교류 전원(AC 전원)을 대체 또는 보충하여 계자 권선(60)에 에너지를 공급할 수 있다.
한편, 도 1에 도시된 바와 같이, 계자 권선(60)과 병렬 연결되도록 계자 방전 저항(R1)이 구성되며, 발전기의 이상 동작시 (3극) 계자 차단기(50)가 동작(SW1는 연결, SW2 내지 SW3은 개방) 함으로써, 발전기의 계자 권선(60)에 저장된 에너지는 계자 방전 저항(R2)을 통해 방전되도록 구성되어 있다.
상술한 종래의 출력 전압 제어 장치에 사용되는 계자 방전 저항(R1)의 경우 발전기의 용량이 커짐에 따라 공간적으로 많은 부피를 차지하는 단점이 있다. 또한, 연결 차단기(SW4)와 계자 차단기(50)가 별도로 구성되어 있기 때문에 다수의 차단기 사용으로 인해 비용이 증가하는 문제점이 있다.
관련 특허로는 한국공개특허 제2009-0032528(공개일: 2009년 4월 1일)
본 출원은, 계자 방전 저항으로 인한 부피를 줄일 수 있으며, 적은 비용으로도 구성 가능한 발전기의 출력 전압 제어 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 교류 전원을 직류 전원으로 정류하는 정류부; 상기 정류부에 의해 정류된 직류 전원에 기초한 에너지를 저장하는 직류 링크단; 펄스폭 변조 신호에 따라 상기 직류 링크단에 저장된 에너지를 이용하여 발전기의 계자 권선을 흐르는 계자 전류의 크기를 제어하는 주 제어부; 및 차단기 동작 신호가 인가되면, 상기 계자 권선에 저장된 에너지를 상기 직류 링크단으로 프리휠링 시키는 보조 제어부를 포함하는 발전기의 출력 전압 제어 장치를 제공한다.
본 발명의 실시 형태에 의하면, 상기 주 제어부는, 상기 계자 권선에 저장된 에너지를 상기 계자 권선으로 프리휠링 시키는 제1 프리휠링 다이오드; 및 턴온시 상기 직류 링크단에 저장된 에너지를 상기 계자 권선에 전달하며, 턴오프시 상기 계자 권선에 저장된 에너지를 상기 제1 프리휠링 다이오드를 통해 상기 계자 권선으로 프리휠링 시킴으로써, 상기 계자 전류의 크기를 제어하는 스위칭 소자를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 의하면, 상기 보조 제어부는, 상기 계자 권선에 저장된 에너지를 상기 직류 링크단으로 프리휠링 시키는 제2 프리휠링 다이오드; 및 차단기 동작 신호가 인가되면, 상기 제2 프리휠링 다이오드를 통해 상기 계자 권선에 저장된 에너지를 상기 직류 링크단으로 프리휠링 시키는 계자 차단기를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 의하면, 상기 발전기의 출력 전압 제어 장치는, 상기 직류 링크단의 급격한 에너지 저장을 방지하기 위한, 병렬 연결된 전류 제한 저항 및 연결 차단기를 더 포함하며, 상기 연결 차단기 및 상기 계자 차단기는, 2극 차단기로 구성될 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 의하면, 상기 스위칭 소자는, 2개의 스위칭 소자가 병렬 연결된 이중화 구조를 가질 수 있다.
본 발명의 다른 실시 형태에 의하면, 교류 전원을 직류 전원으로 정류하는 정류부; 상기 정류부에 의해 정류된 직류 전원에 기초한 에너지를 저장하는 직류 링크단; 상기 계자 권선에 저장된 에너지를 상기 계자 권선으로 프리휠링 시키는 제1 프리휠링 다이오드; 상기 계자 권선에 저장된 에너지를 상기 직류 링크단으로 프리휠링 시키는 제2 프리휠링 다이오드; 펄스폭 변조 신호에 따라 턴온시 상기 직류 링크단에 저장된 에너지를 상기 계자 권선에 전달하며, 턴오프시 상기 계자 권선에 저장된 에너지를 상기 제1 프리휠링 다이오드를 통해 상기 계자 권선으로 프리휠링 시킴으로써, 상기 계자 전류의 크기를 제어하는 스위칭 소자; 및 차단기 동작 신호가 인가되면, 상기 제2 프리휠링 다이오드를 통해 상기 계자 권선에 저장된 에너지를 상기 직류 링크단으로 프리휠링 시키는 계자 차단기를 포함하는 발전기의 출력 전압 제어 장치가 제공된다.
본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 차단기 동작 신호가 인가되면, 계자 권선에 저장된 에너지를 직류 링크단으로 프리휠링 시키도록 함으로써, 계자 방전 저항으로 인한 부피를 줄일 수 있으며, 연결 차단기와 계자 차단기를 2극 차단기 하나로 구성함으로써, 적은 비용으로 출력 전압 제어 장치를 구성할 수 있다.
도 1은 종래 발전기의 출력 전압 제어 장치를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 의한 발전기의 출력 전압 제어 장치의 구성도이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시 형태에 의한 발전기의 출력 전압 제어 장치의 스위칭 소자의 턴온 구간시의 동작을 설명하는 흐름도이다.
도 3b는 본 발명의 일 실시 형태에 의한 발전기의 출력 전압 제어 장치의 스위칭 소자의 턴온 구간시의 동작을 설명하는 파형도이다.
도 4a는 본 발명의 일 실시 형태에 의한 발전기의 출력 전압 제어 장치의 스위칭 소자의 턴오프 구간시의 동작을 설명하는 흐름도이다.
도 4b는 본 발명의 일 실시 형태에 의한 발전기의 출력 전압 제어 장치의 스위칭 소자의 턴오프 구간시의 동작을 설명하는 파형도이다.
도 5a는 본 발명의 일 실시 형태에 의한 발전기의 출력 전압 제어 장치의 계자 차단기에 차단기 동작 신호가 인가되는 경우의 동작을 설명하는 흐름도이다.
도 5b는 본 발명의 일 실시 형태에 의한 발전기의 출력 전압 제어 장치의 계자 차단기에 차단기 동작 신호가 인가되는 경우의 동작을 설명하는 파형도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 형태에 의한 발전기의 출력 전압 제어 방법을 설명하는 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나 본 발명의 실시형태는 여러 가지의 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로만 한정되는 것은 아니다. 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 의한 발전기의 출력 전압 제어 장치의 구성도로, 교류 전원(AC 전원), 변압기(10), 정류부(20), 충전 제어부(30), 직류 링크단(40), 주 제어부(210) 및 보조 제어부(220)를 포함하여 구성되며, 주 제어부(210)는 스위칭 소자(Q1) 및 제1 프리휠링 다이오드(D1)를, 보조 제어부(220)는 계자 차단기(SW5) 및 제2 프리휠링 다이오드(D2)를 포함할 수 있다.
한편, 도 3a 내지 도 3b는 본 발명의 일 실시 형태에 의한 발전기의 출력 전압 제어 장치의 스위칭 소자의 턴온 구간시의 동작을 설명하기 위한 도면이며, 도 4a내지 도 4b는 본 발명의 일 실시 형태에 의한 발전기의 출력 전압 제어 장치의 스위칭 소자의 턴오프 구간시의 동작을 설명하기 위한 도면이며, 도 5a 내지 도 5b는 본 발명의 일 실시 형태에 의한 발전기의 출력 전압 제어 장치의 계자 차단기에 차단기 동작 신호가 인가되는 경우의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 도 2 내지 도 5b를 참조하여 본 발명의 일 실시 형태에 따른 발전기의 출력 전압 제어 장치를 상세하게 설명한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 변압기(10)는 입력된 교류 전원(AC 전원)을 권선비에 따라 적절한 크기의 교류 전원으로 변환하며, 변환된 교류 전원은 다수의 다이오드들로 이루어진 정류부(20)에서 직류 전원(Vdc)으로 정류될 수 있다. 이후 직류 전원(Vdc)에 기초한 에너지는 2개의 커패시터(C1, C2)가 직렬 연결된 직류 링크단(40)에 저장될 수 있다.
한편, 충전 제어부(30)는, 전류 제한 저항(R1) 및 연결 차단기(SW6)가 병렬 연결되어 직류 링크단(40)의 급격한 에너지 저장을 방지하도록 동작하며, 연결 차단기(SW6) 및 계자 차단기(SW5)는 하나의 CBO 신호에 따라 동시에 동작하는 2극 차단기(즉, 연결 차단기(SW6) 및 계자 차단기(SW5)는 2극 차단기의 2개의 극들 중 하나)일 수 있다.
그리고, 배터리(70)는, 직류 링크단(40)에 병렬 연결되며, 입력된 교류 전원(AC 전원)에 의해 에너지가 저장되며, 교류 전원(AC 전원)의 이상 또는 부족분이 생길 경우 교류 전원(AC 전원)을 대체 또는 보충하여 계자 권선(60)에 에너지를 공급할 수 있다.
한편, 주 제어부(210)는, 펄스폭 변조 신호(Vg(Q1))에 따라 직류 링크단(40)에 저장된 에너지를 이용하여 발전기의 계자 권선(60)을 흐르는 계자 전류(If)의 크기를 제어할 수 있다. 상술한 주 제어부(210)는, 계자 권선(60)에 병렬 연결된 제1 프리휠링 다이오드(D1)와 제1 프리휠링 다이오드(D1)의 캐소드와 직류 링크단(40)의 (+) 단자 사이에 연결된 스위칭 소자(Q1)를 포함할 수 있다.
여기서, 상술한 스위칭 소자(Q1)는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(Insulated gate bipolar transistor, IGBT), 전계 효과 트랜지스터 (Field-effect transistor, FET), 게이트 턴 오프 사이리스터(Gate turn-off thyristor, GTO) 및 접합형 트랜지스터(Bipolar junction transistor, BJT)를 포함하는 반도체 스위치 중 어느 하나일 수 있다. 또한, 도 2에서는 하나의 스위칭 소자(Q1)를 도시하고 있으나, 2개의 스위칭 소자가 병렬 연결된 이중화 구조를 가질 수 있으며, 이 경우 펄스폭 변조 신호(Vg(Q1))에 따라 병렬 연결된 2개의 스위칭 소자는 동시에 동작할 수 있다. 이와 같이 스위칭 소자를 이중화 구조로 사용함으로써, 신뢰도를 높일 수 있는 이점이 있다.
우선, 스위칭 소자(Q1)가 턴온되면, 직류 링크단(40)에 저장된 에너지를 계자 권선(60)에 전달할 수 있다.
구체적으로, 도 3a에 도시된 바와 같이, 스위칭 소자(Q1)가 턴온되면, 턴온 구간(도 3b의 Ton 참조) 동안 직류 링크단(40)에 저장된 에너지는, 경로(P1)에 도시된 바와 같이, 스위칭 소자(Q1)를 통해 계자 권선(60)으로 전달될 수 있다(이때 계자 차단기(SW5, SW6)는 연결된 상태임).
즉, 도 3b에 도시된 바와 같이, 펄스폭 변조 신호(Vg(Q1))에 의한 턴온 구간(Ton) 동안 계자 권선(60)의 양단 전압(Vo)은 직류 링크단(40)의 직류 전압(Vdc)과 같으며, 이 직류 전압(Vdc)에 의해 계자 권선(60)을 흐르는 전류는, 하기의 수학식 1을 만족하도록 증가하게 된다. 한편, 미설명된 부호 If_ref는 계자 권선(60)을 흐르는 계자 전류가 추종하여야 할 레퍼런스 값일 수 있다.
[수학식 1]
Figure PCTKR2015004706-appb-I000001
여기서, Vdc는 직류 링크단의 직류 전압, Lf는 계자 권선의 인덕터, if는 계자 전류, Rf는 계자 권선의 내부 저항일 수 있다.
한편, 스위칭 소자(Q1)가 턴오프되면, 계자 권선(60)에 저장된 에너지를 제1 프리휠링 다이오드(D1)를 통해 계자 권선(60)으로 프리휠링 시킬 수 있다.
구체적으로, 도 4a에 도시된 바와 같이, 스위칭 소자(Q1)가 턴오프되면, 턴오프 구간(도 4b의 Toff 참조) 동안 계자 원선(60)에 저장된 에너지는 경로(P2)에 도시된 바와 같이, 계자 권선(60)으로 프리휠링될 수 있다(이때 계자 차단기(SW5, SW6)은 연결된 상태임).
즉, 도 4b에 도시된 바와 같이, 펄스폭 변조 신호(Vg(Q1))에 의한 턴오프 구간(Toff) 동안 계자 권선(60)의 양단 전압(Vo)은 영 전압이며, 계자 권선(60) 내부 저항으로 인해 계자 전류(If)는 하기의 수학식 2를 만족하도록 감소하게 된다.
[수학식 2]
Figure PCTKR2015004706-appb-I000002
여기서, Lf는 계자 권선의 인덕터, if는 계자 전류, Rf는 계자 권선의 내부 저항일 수 있다.
이와 같이, 스위칭 소자(Q1)의 게이트에 인가되는 펄스폭 변조 신호(Vg(Q1))의 듀티를 조절함에 의해 계자 전류(If)의 크기를 제어할 수 있다.
즉, 하기의 수학식 3에서 설명된 바와 같이, 계자 전류(If)의 크기는 발전기의 출력 전압(Vt)과 비례 관계에 있으므로, 계자 권선(60)을 흐르는 계자 전류(If)의 크기를 제어함으로써, 발전기의 출력 전압의 크기를 제어할 수 있다.
[수학식 3]
Vt = K ×φ×N
여기서, Vt는 발전기의 출력 전압이며, K는 상수, φ는 자속으로 계자 전류(If)에 비례하는 값이며, N은 발전기의 회전 속도를 의미한다.
한편, 보조 제어부(220)는, 차단기 동작 신호(Circuit Breaker Operatiom CBO)가 인가되면, 계자 권선(60)에 저장된 에너지를 직류 링크단(40)으로 프리휠링 시킬 수 있다. 여기서, 차단기 동작 신호(CBO)는 주 제어부(210)의 고장시 운전원이 수동으로 입력할 수 있는 동작 신호일 수 있다.
상술한 보조 제어부(220)는, 제1 프리휠링 다이오드(D1)의 애노드와 계자 권선(60) 사이에 연결된 계자 차단기(SW5)와, 애노드가 제1 프리휠링 다이오드(D1)의 애노드와 계자 권선(60)의 연결단에 연결되며 캐소드는 직류 링크단(40)의 (+) 단자에 연결된 제2 프리휠링 다이오드(D2)를 포함할 수 있다.
구체적으로, 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 차단기 동작 신호(CBO)가 인가되면, 계자 차단기(SW5)가 연결되며, 계자 권선(60)에 저장된 에너지는, 경로(P3)에 도시된 바와 같이, 계자 차단기(SW5) - 제2 프리휠링 다이오드(D2)를 통해 직류 링크단(40)으로 프리휠링될 수 있다. 이에 따라 계자 전류(If)는 하기의 수학식 4를 만족하도록 감소할 수 있다.
[수학식 4]
Figure PCTKR2015004706-appb-I000003
여기서, Vdc는 직류 링크단의 직류 전압, Lf는 계자 권선의 인덕터, if는 계자 전류, Rf는 계자 권선의 내부 저항일 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 차단기 동작 신호가 인가되면, 계자 권선에 저장된 에너지를 직류 링크단으로 프리휠링 시키도록 함으로써, 계자 방전 저항으로 인한 부피를 줄일 수 있으며, 연결 차단기와 계자 차단기를 2극 차단기 하나로 구성함으로써, 적은 비용으로 출력 전압 제어 장치를 구성할 수 있다.
한편, 도 6은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 발전기의 출력 전압 제어 방법을 설명하는 흐름도이다.
이하에서는 도 2 내지 도 6을 참조하여 발전기의 출력 전압 제어 방법을 설명한다. 다만, 발명의 간명화를 위해 도 2와 관련하여 중복된 부분에 대한 설명은 생략하기로 한다.
도 2 내지 도 6을 참조하면, 우선 정류부(20)는 교류 전원(AC 전원)을 직류 전원(Vdc)으로 정류할 수 있다(S601). 정류부(20)에 의해 정류된 직류 전원(Vdc)은 직류 링크단(40)으로 전달될 수 있다.
다음, 직류 링크단(40)은, 정류부(20)에 의해 정류된 직류 전원(Vdc)에 기초한 에너지를 저장할 수 있다(S602).
다음, 주 제어부(210)는, 펄스폭 변조 신호(Vg(Q1))에 따라 직류 링크단(40)에 저장된 에너지를 이용하여 발전기의 계자 권선(60)을 흐르는 계자 전류(If)의 크기를 제어할 수 있다(S603). 상술한 주 제어부(210)는, 계자 권선(60)에 병렬 연결된 제1 프리휠링 다이오드(D1)와 제1 프리휠링 다이오드(D1)의 캐소드와 직류 링크단(40)의 (+) 단자 사이에 연결된 스위칭 소자(Q1)를 포함할 수 있다.
마지막으로, 보조 제어부(220)는, 차단기 동작 신호(CBO)가 인가되면, 계자 권선(60)에 저장된 에너지를 직류 링크단(40)으로 프리휠링시킬 수 있다(S604). 여기서, 차단기 동작 신호(CBO)는 주 제어부(210)의 고장시 운전원이 수동으로 입력할 수 있는 동작 신호일 수 있으며, 상술한 보조 제어부(220)는, 제1 프리휠링 다이오드(D1)의 애노드와 계자 권선(60) 사이에 연결된 계자 차단기(SW5)와, 제1 프리휠링 다이오드(D1)의 애노드와 계자 권선(60)의 연결단에 애노드가 캐소드는 직류 링크단(40)의 (+) 단자에 연결된 제2 프리휠링 다이오드(D2)를 포함할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 차단기 동작 신호가 인가되면, 계자 권선에 저장된 에너지를 직류 링크단으로 프리휠링 시키도록 함으로써, 계자 방전 저항으로 인한 부피를 줄일 수 있으며, 연결 차단기와 계자 차단기를 2극 차단기 하나로 구성함으로써, 적은 비용으로 출력 전압 제어 장치를 구성할 수 있다.
본 출원은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되지 아니한다. 첨부된 청구범위에 의해 권리범위를 한정하고자 하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술 적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.

Claims (4)

  1. 교류 전원을 직류 전원으로 정류하는 정류부;
    상기 정류부에 의해 정류된 직류 전원에 기초한 에너지를 저장하는 직류 링크단;
    펄스폭 변조 신호에 따라 상기 직류 링크단에 저장된 에너지를 이용하여 발전기의 계자 권선을 흐르는 계자 전류의 크기를 제어하는 주 제어부; 및
    차단기 동작 신호가 인가되면, 상기 계자 권선에 저장된 에너지를 상기 직류 링크단으로 프리휠링 시키는 보조 제어부를 포함하고,
    상기 주 제어부는,
    차단기 동작 신호가 인가되지 않으면 상기 계자 권선에 저장된 에너지를 상기 계자 권선으로 프리휠링 시키고, 차단기 동작 신호가 인가되면 상기 계자 권선에 저장된 에너지를 상기 직류 링크단으로 프리휠링 시키는 제1 프리휠링 다이오드를 포함하고,
    상기 보조 제어부는,
    상기 계자 권선에 저장된 에너지를 상기 직류 링크단으로 프리휠링 시키는 제2 프리휠링 다이오드; 및
    차단기 동작 신호가 인가되면, 상기 제1 프리휠링 다이오드 및 상기 제2 프리휠링 다이오드를 통해 상기 계자 권선에 저장된 에너지를 상기 직류 링크단으로 프리휠링 시키는 하나의 계자 차단기를 포함하는 발전기의 출력 전압 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 주 제어부는,
    턴온시 상기 직류 링크단에 저장된 에너지를 상기 계자 권선에 전달하며, 턴오프시 상기 계자 권선에 저장된 에너지를 상기 제1 프리휠링 다이오드를 통해 상기 계자 권선으로 프리휠링 시킴으로써, 상기 계자 전류의 크기를 제어하는 스위칭 소자를 더 포함하는 발전기의 출력 전압 제어 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 발전기의 출력 전압 제어 장치는,
    상기 직류 링크단의 급격한 에너지 저장을 방지하기 위한, 병렬 연결된 전류 제한 저항 및 연결 차단기를 더 포함하며,
    상기 연결 차단기 및 상기 계자 차단기는, 2극 차단기로 구성되는 발전기의 출력 전압 제어 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 스위칭 소자는,
    2개의 스위칭 소자가 병렬 연결된 이중화 구조를 가지는 발전기의 출력 전압 제어 장치.
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