KR20030020269A - 범용 주파수 전기적 발생기 - Google Patents

Abstract

회전자의 기계적 회전속도와 출력 주파수가 전기적 제어부(80)를 통하여 서로 대체로 독립적으로 변경이 이루어지는 전력 발생기는, 발생기의 출력과 프라이머리 작동체(70)의 속도와 부하 형태 사이에 우수한 매치를 초래한다.

Description

범용 주파수 전기적 발생기{UNIVERSAL FREQUENCY ELECTRICAL GENERATOR}

전기적 발생기(electric generator)는 일세기가 넘게 사용되어져 왔으며, 패러데이 및 푸케로 거슬러 올라가는 원리는 간단히 다음과 같이 말할 수 있다. 자기장에 있는 도선이 (전자기력 보다 큰)기계적 힘에 의해 전계에 상대적으로 움직여진다면, 도선에 있는 전류 또는 도선을 가로지르는 전압이 발생되고 그러므로 기계적 행동은 전기력으로 변환된다. 에너지 발생 표준의 다양한 요구조건을 만족시키기 위한, 다양한 형태의 발전기 시스템이 고안되어져 있다. 이후에 보다 정확히렌쯔에 의해 기술되는 모든것이 패러데이의 기전 원리를 따른다고 말할 수 있다.

비록 직류 발생기가 임의적인 적용물에 사용된다 하더라도, 유효한 타입의 전력 발생기(power generator)는 교류 발생기이다. 다양한 구조의 교류 발생기가 있지만, 전력을 공급하는 코일이 안정적이며 거기서 전류를 유도하는 자기장이 회전하는 발생기가 가장 일반적인 것이다. 전형적인 동기 교류 발생기의 주 구성요소는 고정자 및 회전자이다. 회전자는 전형적으로 교번하는 극성의 짝수의 극을 가진다. 각 극은 계자 코일을 가지며, 계자 코일들은 계자 권선을 형성하도록 전기적으로 연결된다. 여자기는 계자 권선에 직류 전류를 공급하며, 결과적인 mmf(기자력)는 필요한 회전 자기장을 생성한다. 여자기는 회전기와 같은 원동기(예를 들어, 유체터빈, 또는 증기 또는 가스 터빈)에 의해 구동되는 직류 발생기일 수 있다. 직류 전류는 브러쉬 및 슬립 링을 경유하여 회전자 계자 권선내로 흐른다. "무-브러쉬" 여자기에서, 회전자상에 위치되며 교류 전류를 정류하는 정류기 회로를 통하여, 주 회전자에 직접 연결되어진 분리된 회전자상에 위치된 개별적 교류 권선으로부터 직류 전류가 얻어질 수 있다.

원하는 기전력이 생성되는 고정자 또는 전기자 권선은 전형적으로 고정자의 내부 또는 외부 표면에 있는 규칙적으로 배열된 슬롯에 위치된다. 고정자 권선은 코일 측면이 이격된 하나의 극 분할이 되도록 배열된 코일을 포함한다. 예를 들어, 4극 회전자로 사용하기 위하여 90°이격된다. 원동기가 회전자를 회전시킬 때, 회전자상의 계자 권선이 발생하는 자속은 원하는 기전력을 포함하여 전기자 권선을 제거한다. 4극 회전자를 가지고, 풀-사이클(full-cycle)의 기전력은 회전자가 180 기계적 각도를 통하여 돌 때 얻어지며, 이는 360 전기적 각도에 해당한다. n RPM에서 기계적으로 회전되는 p극 발생기의 보다 일반적인 경우에(여기서 p는 양의 정수), 전기적 주파수(Hz)는 극수 p 및 기계적 회전 속도 n(RPM)과 f=pn/120으로 연관된다. 역으로는, n=120f/p.

단상 교류 발생기는 고정자에 단일 전기자 권선을 가지나, 이는 기계적 진동 또는 전력 파동과 같은 요소들 때문에 전형적으로 저전력 응용에만 사용된다. 고전력에 대한 가장 일반적인 정렬은 (네번째, 중성 단자에 대하여)동일한 rms값, 그러나 120°이격된 위상을 가지는 세개의 단자에서 세개의 전압을 생성하는 3상 시스템이다.

동기 발생기는 전형적으로 전력 격자에 (종종 승압 변압기를 통하여) 입력시키나 수개의 조건들이 만족될 때에만 격자에 연결될 수 있다. 즉,(a)격자 및 발생기 기전력의 주파수가 동일(예를 들어, 60Hz 격자에 대하여, 발생기의 회전자는 2극 회전자에 대하여 3600RPM, 4극 회전자에 대하여 1800RPM 등으로 회전한다); (b)발생기와 격자의 위상 열이 동일; (c)발생기의 기전력이 격자 전압과 동일; (d)발생기의 기전력과 격자 전압간의 위상차가 없음. 모든 4개의 조건이 만족될 때만, 발생기가 전력을 입력시키기 위하여 격자에 안전하게 연결될 수 있거나, 연결되어 유지될 수 있다.

교류 동기화된 발생기가 전형적으로 그 기계적 회전 속도를 선 주파수에 연관시키기 때문에, 2극 60Hz 발생기는 3600RPM으로, 2극 50Hz 발생기는 3000RPM으로 회전할 것이며, 원동기의 효율적인 동작을 얻는 것, 또는 하나의 출력 주파수에서다른 것으로 변경하는 것, 또는 부하 변경에 효과적이고 효율적으로 응답하는 방법으로 원동기를 동작하는 것이 어려울 수 있다.

전형적으로 알려진 발생기는 오.아이.엘저드 등,전력 공학, 제2판, 채프먼 & 홀, 국제 톰슨 출판, 1998판에서 논의되며, 이는 본원에 참고로 인용되며, 그 제목으로 이하에 인용된다.

본 출원은 1998년 9월 22일 출원되고 2000년 4월 4일 미국특허 6,047,104호로 특허된 모출원 일련번호 09/158,464호의 일부 연속출원으로, 그 전체 내용은 이 특허 명세서를 참조하여 여기에 인용된다.

본 발명은 발전기와 같은 전기기기의 분야에 관련된 것이며, 구체적으로는 원동기의 기계적 회전 속도 및 서로 실질적으로 독립적인 발전기 출력주파수의 일측 또는 양측을 변화시키는 능력, 및 높은 RPM 원동기가 더 낮은 출력 주파수 발생기를 구동할 때와 같이, 기계적 회전 속도와 출력 주파수가 매치하기 어려운 정렬을 사용할 때 토크 기어 박스에 대한 필요성을 제거시킨 전기적 발생기에 관한 것이다.

도1a, 1b 및 1c는 전형적인 기계적 탄소 브러쉬 정류 시스템 및 브러쉬가 한 정류자 바아에서 다른 것으로 이동할 때 생성되는 전기자 코일에서의 전류를 나타낸 도면.

도2는 정류 바아의 전류 스위칭 궤적을 나타낸 도면.

도3, 3a 및 3b는 브러쉬 또는 슬립 링을 필요로 하지 않고, 전력을 정류자 바아와 그에 따르는 계자 권선에 공급하는 것에 사용되는 전자 회로를 개략적으로 나타낸 회로도.

도4는 회전자 기계적 회전 속도에 실질적으로 독립된 속도로 회전자 자계를 회전시키기 위한 정류자 바아에 전력을 공급하기 위한 전형적인 제어 회로를 나타낸 블럭다이어그램.

도4a는 계자 권선 전류를 제어하는 램프 전압을 설명하는 것에 사용되는 시간 다이어그램.

도5는 주파수, 위상, 기전력 및 위상 열의 용어로 발생기를 전력 격자 또는 어떤 다른 참조와 동기화시키기 위한 위상동기 회로를 설명하는 도면.

도6은 회전자의 기계적 회전 속도에 실질적으로 독립되게 회전자의 자계의 회전을 전기적으로 제어하기 위한 전형적인 배열로 나타낸 도면.

도7은 전형적인 무-브러쉬 가변 속도 동기화된 발생기를 설명하는 도면.

이하에 기재된 바람직한 실시예는 원하는 또 다른 출력 주파수를 생성하는 반면 편리한 기계적 속도로 발생기를 구동하는 능력을 제공함으로써 공지된 선행 기술의 이러한 그리고 다른 단점을 극복한다. 달리 말해서, 회전자가 생성하는 자기장은 회전자의 기계적 회전 속도에 실질적으로 독립된 속도로 회전할 수 있다. 결과적으로, 원동기는 그렇지 않다면 원하는 출력 전기 주파수에 의해 지시될 속도와 실질적으로 다른 속도에서 회전자를 회전시킬 수 있는데, 가령, 고속 터빈은 그 자신의 속도에서 회전자 축을 구동할 수 있으며 여전히 60Hz 또는 50Hz 전력 격자를 입력시킬 수 있다. 또 다른 예로, 동일한 발생기가 60Hz 또는 50Hz의 어느 쪽을 공급하기 위하여 사용될 수 있으며, 회전자의 기계적 회전 속도를 변경할 필요 없이, 그 차이는 회전자가 생성하는 자기장의 회전 속도를 설정하고 유지하는 전기적 제어의 세팅에만 존재한다. 또한 또 다른 예로써, 고정된 주파수의 전력 선을 공급하지 않는 발생기는 원동기 RPM을 변경할 필요 없이 수많은 출력 주파수 중 어느 하나에서 효율적으로 작동될 수 있다. 게다가, 부하 조건은 상이한 방법으로 전기적 주파수 상수를 유지하거나 변경하는 동안 전류 부하에 부합하는 원동기 속도를 변경함으로써 설명될 수 있다. 이런 방법으로, 원동기는 전류 부하에 대해 효율적인 속도에서 작동될 수 있으나, 발생기의 출력 주파수는 동일하게 유지되거나, 원하는 방법으로 변경될 수 있다.

모특허에서 기재된 것 처럼, 그러한 이점은 주로 기계적 또는 전기적 제어에 의해서 얻어질 수 있다. 주로 기계적 실행에 있어서, 전력을 계자 권선에 공급하는 브러쉬를 구동하기 위하여 요구되는 미분 속도는 구동 속도 및 원하는 출력 주파수가 선택된 후에 결정된다. 주로 전기적 수행은 더 많은 설계 자유 및 컴퓨터 수명을 허용하며, 전자공학 및 원리는 바람직한 결과를 위해 자동 동기화를 가능하게 한다. 전류 동기화와 함께 사용되는, 과도 안정화 케이지를 제거하는 것은 중요한 발전적 단계이다. 안정화 케이지는 유도 모터 회전자 시스템에 대하여 설계되어서, 계자 권선 및 전기자 사이의 슬립 주파수는 회전자가 오프-동기화(off-synchronize) 속도로 회전한다면 강한 후방 기전력을 생성한다; 이는, 차례로, 비동기화된 행동에 대하여 상쇄 토크(bucking torque)를 생성한다.

여기서 개시된 시스템 및 방법의 한 목적은 영의 기계적 속도에서 시작하는 전력선과 동기화할 수 있는 전자 정류 회로를 제공하는 것이다. 다른 목적은 유도 모터 케이지 없이 발생기를 안정화시키는 것이다. 추가적 목적은 무-브러쉬 동기화된 발생기를 무-브러쉬 일반 발생기로 쉽게 변환하는 것이다. 또 다른 목적은 공지의 발생기, 예를 들면, 단상 및 3상 발생기와 같은 공지의 교류 발생기에 존재하는 회전자 및 계자 권선, 고정자 및 전기자 권선, 및 정류자 바아의 대부분의 기본적 구성 및 배열을 계속하여 사용할 수 있는 반면, 발생기의 작동을 향상시키는것이다. 부가적 목적은 이하 설명된 상세한 개시로부터 명백해질 것이다.

도1a는 교류 발생기의 고정자에 있는 전기자 코일의 일 세트의 전류 흐름 방향을 정상적 진행에 있어서 또는 브러쉬 및 정류자 바아 사이의 상대적 회전에 있어서 양으로부터 음의 방향으로 변환시키는 스위치로써 기능하는 전형적인 기계 브러쉬 시스템의 일부를 도시한다. 이는 또한 인접한 전기자 코일을 음에서 양으로 변환한다. 도1a에서 보는 것 처럼, 양의 전위에 있는 브러쉬(10)는 종래의 정류자 바아(12)의 일부인 정류자 바아 세그먼트와 전기적 접촉을 한다. 이 전기적 접촉의 결과로써, 전류(I_a)는 도1에서 지시된 방향으로 코일(14) 둘레를 움직이며, 도시되고 동일한 전기자 권선의 일부인 다른 코일에 있어서 지시된 방향으로 움직인다. 간단히 나타내기 위하여 단상 발생기를 도시하였으나, 그 원리는 3상 발생기에도 적용되는 것이다. 도1b에서 볼 수 있는 것 처럼, 동일한 브러쉬(10) 및 정류자 바아(12) 사이의 상대적 행동이 브러쉬(10)를 정류자 바아 세그먼트(b)와 전기적으로 접촉하게 하고 세그먼트(a)와 전기적으로 접촉하게 하지 않을 때, 동일한 전기자 코일(14)에서 전류(I_b)의 방향은 전류(I_a)가 가진 방향과 반대이며, 세그먼트(b)의 접촉에 기인한 다른 코일에 있어서 전류의 방향은 도1c에 도시된 것과 같다. 도1c는 (브러쉬와 정류자 바아 사이의 상대적 행동 동안 다른 시간에서 가정된)정류자 바아(12)에 대해 2개의 다른 위치에서의 동일한 브러쉬(10)와 세그먼트(a)와의 전기적 접촉과 세그먼트(b)와의 전기적 접촉에 기인한 전류방향을 도시한 도면이다.

도2는 정류 바아(12)의 하나의 세그먼트의 스위칭 동안 전류(I)의 시간 이력을 도시한 것이다. 브러쉬(10) 및 정류자 바아 사이의 접촉 표면은 브러쉬의 상대적으로 높은 저항률을 통과하는 전류의 흐름을 발생시킨다. 도2에서 지시된 정류 시간에서 선형 시간 전류 궤적은 전기자 코일(14)의 나머지에 대하여 상수 전류 흐름을 유지하기 위하여 바람직하다.

도3은 도1a-1c와 연결하여 논의된 형태의 부쉬(bush) 배열을 대체할 수 있는 32-세그먼트 정류자에 대한 전자 스위칭 회로의 상세한 회로 개략도이며, 도3a는 하나의 정류자 바아 세그먼트에 대한 구동기의 확대도이다. 임의적인 적당한 저손실 트랜지스터 시스템이 사용될 수 있다. 즉, 도3에 도시된 회로는 각 정류자 바아 세그먼트에 대하여 1쌍의 N-형 및 P-형 전계 효과 트랜지스터(F.E.T.)를 사용한다. 전형적인 정류 바아 스위칭 회로를 사용하여, 기능적 주-스위칭 컴퓨터로부터의 입력 신호가 열에서 사용되도록 정류 바아의 세그먼트를 결정하는 것이 도3에 보여진다. 특정 세그먼트가 선택된다면, 전환되는 것을 필요로 하는 전류 방향에 의존하여, N-채널 또는 P-채널 F.E.T. 중 하나는 바이어스 게이트 신호에서 램프 신호를 수신한다.

도3a는 도3에서 보여진 회로의 정류자 세그먼트 구동기들 중 하나를 도시한다. 제어 신호(1_P)에 응답하여, P-채널 트랜지스터(Q41)는 "1_정류 바아"로 이름붙은 출력 단자에 전원(30)을 연결하기 위하여 켜지며, 출력단자는 각 정류자 바아 세그먼트에 전기적으로 연결된다. 반대로, 제어 신호(1_N)에 응답하여, N-채널 트랜지스터(Q53)는 동일한 출력 단자 "1_정류 바아"를 접지에 연결하기 위하여 켜진다. 커패시터(C61 및 C85)는 저장된 자기 에너지를 픽업하기 위하여 F.E.T.(Q41및 Q53)를 교차하여 연결된다[C61은 P-채널(Q41)을 교차하고 C85는 N-채널(Q53)을 교차한다]. F.E.T. 커패시터(C73)는 추가로 과도 전압을 흡수하는 안정화 커패시터이다. 저항기(R41 및 R53)는 바이어스 및 게이트 제어 회로의 일부이다. 전원(30)은 계자 권선에 직류 전압을 공급하기 위한 공지된 형태의 여자기 회로일 수 있다.

도3b는 농형 전기자 형태에 대한 등가 회로이며, 무브러쉬 구성 발생기와 연결하여 매우 상세하게 논의된다.

도4는 블록 다이어그램 형태로 완전한 디지털 정류 스위칭 회로를 도시한다.

도4에서, 용어 "짝수 정류 바아" 및 "홀수 정류 바아"는 교번하는 정류 바아 세그먼트를 나타낸다. 짝수 및 홀수 세그먼트는, 하나의 정류자 바아 세그먼트(즉 홀수의 것)가 경사진 게이트 신호에 의해 켜지고 있을 때, 이전의 짝수 정류자 바아 세그먼트가 동일한 정류자 바아 시간 슬롯 동안 반대 위상의 램프 신호에 의해 꺼지고 있기 때문에, 다른 신호에 의해 구동된다. 부가적으로 180°떨어진 쌍의 P-채널 및 N-채널 구동기는 동일한 시간에 켜지고 꺼진다; 그러나, 이러한 트랜지스터의 보상 성질 때문에, 게이트는 전원 전압 및 접지 각각에 참조되는 반대 위상 램프를 필요로 한다.

32 정류자 바아가 있는 도3의 예에서, 제1정류자 바아 세그먼트상의 N-채널 F.E.T.(Q53)는 21번째 세그먼트상의 P-채널 F.E.T.(41)와 같은 시간에 켜질 것이다. 이 같은 시간 주기동안에, 네번째 세그먼트상의 N-채널 및 20번째 세그먼트상의 P-채널은 꺼질 것이다. 정류자 바아 세그먼트의 수가 4로 나누어질 수 없다면,홀수 및 짝수 N 및 P 채널 장치는 짝지워지지 않는다. 예를 들면, 22 세그먼트 정류자 바아에서, 5번째 세그먼트상의 N-채널은 16번째 세그먼트상의 P-채널과 같은 시간에 켜질 것이다.

용어 정류자 바아 세그먼트는 교류 발생기의 전형적 소자이기 때문에 사용자라는 것이 명백해야 한다. 동일한 구조가 여기서 개시된 실시예에서 사용될 수 있지만, 관련된 특징은 세그먼트가 전기자 권선에 있는 특정 점에 전기적으로 연결된다는 것이다. 어떠한 브러쉬 또는 슬립 링도 개시된 실시예에서 사용될 필요가 없기 때문에, 정류자 바아 세그먼트는 간단히 출력 단자 "1_정류 바아"와 같은 구동기 출력이 영구적일 수 있는(그러나 필요로되지는 않는) 연결을 통하여 전기적으로 연결될 수 있는 단자일 수 있다.

도4에 도시된 제어회로는 전압-제어 발진기(VCO;16)에 의해서 주파수를 발생시킨다. 만약 전력 발생기가 격자에 동기화될 필요가 없다면, VCO(16)의 출력 주파수는 수동, 예를 들면, 가변 저항 배열(16a)로 제어될 수 있다. VCO(16)의 출력은 업/다운 카운터(18)를 제어하는데, 카운터는 256단계를 통하여 VCO(16)로부터 하나의 펄스에 대하여 카운트하며, 그 방향은 업/다운 제어(20)로부터의 신호에 의해 도치되어, 이 시컨스가 반복되면서 256단계를 카운트다운한다. 만약 전력 격자(또는 어떤 다른 표준)에 동기화된 전력 발생기를 동작시키고 싶다면, 업/다운 카운터(18)는 도5에 도시되고 이하에 논의되는 구성요소로부터의 신호에 의해 제어될 수 있고, 여기서 VCO(16)는 사용될 필요가 없고 도4로부터 생략될 수 있다. 카운터(18)(256단계 업 또는 256단계 다운)의 디지털 출력은 A/D 변환기(21)에서 아날로그 업-램프 또는 다운-램프 신호로 변환되며, 아날로그 램프에 대한 진폭 제어는 수동으로 제어될 수 있거나, 변환기(21)로부터 램프에 대한 원하는 진폭 수준을 유지하는 궤환 루프를 통해 제어될 수 있는 가변 저항기 배열(21a)에 의해 제공된다. 변환기로부터의 아날로그 램프는 보상 증폭기(21b 및 21c)를 통하여 통과하며 각각 양의 램프(램프 +) 및 음의 램프(램프 -)로써 나타난다. 두 램프는 각각의 거울 상이며, 위상이 180°차이난다. 증폭기(21b)의 출력은 톱니 파형이고, 증폭기(21c)의 출력은 또 다른 톱니 파형이며, 하나가 양의 정점을 가지며 거기서 다른 하나는 음의 정점을 가진다. 이러한 램프는 차분 증폭기(29a 내지 29d)에 공급되며, 차분 증폭기는 또한 가변 옵셋 제어(28a)를 통하여 DC/DC 변환기(28)와 같은 전원으로부터 입력을 수신한다. 도4에 V로 이름 붙여지고 V_cc전원으로 작용하는 전압원은 전자에 동력을 준다. 제어(28)에 기인한 옵셋의 기능은 도4a와 연결하여 이하에 기술된다. 증폭기(29a 내지 29b)의 출력은 "짝수 P" 및 "짝수 N"으로 이름 붙은 신호로써 멀티플렉서(22)에 공급되며, 증폭기(29c 내지 29d)의 출력은 "홀수 P" 및 "홀수 N"으로 이름 붙은 신호로써 유사한 멀티플렉서(24)에 공급된다. 멀티플렉서는 세그먼트 카운터(26)의 제어하에서 그 출력을 각 램프에 대한 연속적인 정류자 바아 세그먼트로 전환하도록 동작한다.

도4a를 참조하면, "짝수P", "홀수P", "짝수N", 및 "홀수N"에 대하여 도4에서와 동일한 기호를 사용하여, 증폭기(29a 내지 29d)로부터의 램프가 도시된다. 도4a에서 보는 것 처럼, 각각의 램프 신호는 180°위상차이가 나며, 예를 들면 도4에 있는 28a와 같은 옵셋 회로를 통하여, 도3a에 있는 Q41 및 Q53과 같은 트랜지스터의 임계 전압을 책임지기 위하여 옵셋된다. 도4a에서의 라벨은 하나의 정류자 바아 (세그먼트) 주기의 지속기간을 식별하며, 이는 하나의 업 램프 또는 하나의 다운 램프의 지속기간에 해당한다. 도4a는 또한 2개의 인접한 정류자 바아 세그먼트에 대한 (도3의 구동기 같은) 2개의 구동기가 동시에 켜지고, 그러므로 국부 코일이 단락되는 시간 주기를 식별한다.

도4를 참조하면, 멀티플렉서(22,24) 각각은 (32-세그먼트 정류자 바아를 사용하는 경우에)32개의 출력을 가지며, 각각 세그먼트 구동기(22a,22b; 24a,24b)로 간다. 멀티플렉서(22)는 짝수 정류자 바아 세그먼트에 대한 구동기에 입력되며, 멀티플렉서(24)는 홀수 정류자 바아 세그먼트에 대한 구동기에 입력된다. 구동기(22a 및 22b)는 사실 도3a의 구동기와 같은 회로이다. "짝수 P 구동기"라고 이름붙은 박스로 가는 멀티플렉서(22)로부터의 출력은 사실 도3a에서의 "1_P"로 이름붙은 단자와 같은 입력 단자로 가며, 도4에서 "짝수 N 구동기"라고 이름붙은 박스로 가는 출력은 사실 도3a에서의 "1_N"으로 이름붙은 단자와 같은 입력 단자로 간다. 도4에서 "짝수 정류자 바아"라고 이름붙은 출력은 사실 도3a에서의 "1_정류 바아"로 이름붙은 출력과 같다. 물론, 32-세그먼트 발생기의 경우에, 각각의 16 짝수 정류자 바아 세그먼트에 대하여, 각각의 구동기 회로, 및 각각의 입력 및 출력 신호가 존재한다. 멀티플렉서(24) 및 소자(24a,24b)의 구조 및 동작은, 도3a 및 4에서의 라벨 및 홀수의 16 정류자 바아 세그먼트가 관련된다는 사실을 고려하면, 유사하다.

도5는 자기 동기화에 대한 위상 동기 회로, 순수 기계 시스템에서 이용가능하지 않거나 완전히 실용적이지는 않은 설비를 도시한다. 이 회로는 발생기(31)는 발생기(31)가 어떠한 축 속도에서도 전력선(32)에서의 선전압(line voltage)의 위상과 동기화하도록 허용한다. 예를 들어, 도5에서 선전압의 위상은 광 결합기(34)를 경유하여 샘플링될 수 있다. 발생기(31)에서의 회전자가 회전하고 있으며 발생기가 개방 회로 전압을 출력할 때, 광 결합기(36)는 위상 검출기(38)에서 선전압 신호와의 위상 비교를 위하여 자기 발생 전압을 검출하기 위하여 사용된다. 전자 스위치(39)를 통하여 위상 검출기(38)에 의해 제어되는 전압 제어 발진기(40)의 출력은 도4에서의 VCO의 출력의 사용을 대체하며, 광 결합기(42)를 통하여, 도4에서 업/다운 카운터(18)로 입력된다.

동작에 있어서, 스위치(39)가 도시된 위치에 있으며 위상 검출기(38)가 발생기(31) 및 전력선(32)(그러나, 소스 32a로부터는 아님)의 출력으로부터 입력을 수신할 때, 위상 검출기(38)는, 실질적으로 허용가능한 위상 오차의 창을 허용하는 로크 오차 소스(38a)로부터의 신호에 의해 변경됨으로써, 두 신호사이의 어떤 위상 차이에 관련된 신호를 생성한다. 위상 검출기(38)의 출력은 허용가능한 주파수의 고유한 상한 및 하한치를 가지는 VCO(40)의 주파수를 제어한다. 위상 검출기(38)로부터의 신호에 종속하는 적절한 방향으로 VCO(40)의 주파수를 변경하여, 도5의 제어회로는 전력선 격자(32)와 발생기(31)의 출력 위상과의 사이에, 허용 오차 창 내에서, 집합점을 향하는 방향으로 발생기(31)에 회전자의 자기장의 회전을 가속 또는 감속 한다. 회로(44)는 위상 로크(phase lock)가 달성될 때를 검출하고, LED인디케이터(44)는 이러한 사실을 나타내도록 점등되어서, 파워 스위치(도시 않음)가 닫혀져 상기 목적에 적합한 다른 상태를 안정적으로 제공하는(기전력, 위상 열 및, 주파수) 전력 격자로 발생기(31)의 출력부를 접속한다.

필요 시에는, 발생기(31)가 위상 신호의 다른 소스(32a)와 유사한 방식으로 위상-동기화 되며, 이러한 경우에, 위상 입력은 전력선(32)으로부터 사용되어질 수 없다.

위상 동기화가 필요하지 않거나 소망되지 않는 경우에는, 스위치(39)가 도시된 반대편의 위치에서 사용되어, VCD(40)로부터 위상 검출기(38)를 연결해제하여, 가변성 레지스터를 구비하는 배열(45)로부터의 신호에 의해 VCD(40)의 출력 주파수를 수동적으로 또는 다르게 제어한다.

시동은 적절한 출력 주파수와 기전력과 적절한 위상 열(다중-위상 발생기가 사용되는 경우)에 발생기를 전하는데 여자기와 피드백 회로를 사용하며, 상기 발생기에 현재 사용되는 과정과 다른방식으로 유사하게 된다. 시동 시에 부가 토오크는 축 속도를 변경하지만 위상-로크 회로는 동기화된 상태가 지켜지도록 속도를 조정한다. 임의적인 기계적 또는 전기적 원동기가 될 수 있는 구동은 요망 토오크와 RPM에 변화를 검출하여 적절한 기계적 에너지를 제공한다.

도6은 상술된 정류자 제어 회로가 축과 같이 회전하도록 축을 발생기(31)에 장착하는 일반적 타입의 기계적 배열을 설명하는 도면이다. 회로용 파워는 정류기를 통하여 슬립 링 또는 자체 여자기 시스템의 어느 하나로부터 온다. 기계저 배열은 일반적인 전기적 유리섬유 회로보드를 구비하는 일련의 디스크(60)를 포함한다. 상기 디스크(60)는 각각의 세그먼트용의 도3에 설명된 바와 같은 회로와 같은 세그먼트 구동기를 구비한다. 부가 디스크(62)는 전압 조정자와 구동기 로직 및 감광 검출기(66)와 같은 구동기용 로직 회로도를 구비한다. 디스크는 회전자 축과 같이 회전한다. 상술된 VCO(40)는 회전동작 부품이 장착될 필요가 없으며, 감광 검출기(66)에 의해 검출되어 광 절연부를 제공하는 출력부를 가진 변조 레이저(68)를 통하여 회전 부품에 주파수 정보를 공급한다. VCO(16)는 도6에 VCO(40)를 대체하거나 파워 격자 전압이 위상-로크 회로가 광 신호를 경유하여 시스템에 공급되는 기준 신호로서 역활을 한다. 만일, 자체 여자기(도7을 참고)가 계자 권선을 구동하는데 필요한 파워를 제공하여 전자에 파워가 주어진다면, 이것은 장비를 무-부러쉬로 만들 수 있다.

도7은 일반적인 무-부러쉬 가변형 속도 동기화 발생기를 설명하는 도면이다. 기계적 축(70)은 주 발생기 계자 권선(도7에 "전기자"로 명명)과 여자기 전기자(74)에 부착된다. 계자 권선(72)에 공급된 전압은 외부 제어회로로부터의 신호를 수신하는 여자기 코일(76)에 의해 제어된다. 발생된 AC파워가 먼저 정류기 회로(78)를 통해 공급되어 전자 통신 시스템(80)에 전해진다. 이제, 전자 통신 시스템(80)이 계자 권선(76)에 개별 코일의 스위칭을 제어한다. 이러한 사실은 고정자에 있는 일반적인 전기자와 상호작용하는 회전자 전계를 발생한다. 즉, 고정자 코일이 파워를 발생한다. 본원에 개시된 바에 따르는 일반적인 무-부러쉬 구조는 세로로 일렬로 작업하는 DC부러쉬-타입 정류 전기자와 보통의 동기화된 발생기의 자체-여자기 파워 소스를 포함한다. 상기 시스템은 기계적 전기 변환기로서 작업하며; 전계를 사용하여 기계적 에너지를 전기적 에너지로 확대하며, 상당히 높은 발생기 출력 레벨로 상승시킨다. 또한, 기계적 에너지도 여자기에 공급되며; 이것은 주 전기자 시스템에 의한 증폭용 신호로서 판독된다. 통상의 피드백 제어가 이러한 배열에 사용될 수 있더라도, 여자기 시스템의 전계는 DC소스를 일반적으로 사용한다. 본원에 개시된 DC 또는 회전동작 AC소스의 어느 하나가 작동성인 것이다. AC여자는 회전동작 또는 비회전동작 전계의 어느 하나와 작업을 하지만, 일반적으론, 만일 회전동작 AC전계가 사용되면, 전계가 기계적 축의 대향방향으로 회전하는 것이 바람직하다. 이것은 보다 빠른 속도로 발생기용의 소망 에너지를 증폭시킨다. 전술된 바와 같이 그리고 백 기전력으로 인하여, 발생기의 피드백 제어는 통상의 동기화된 발생기의 것과는 차이가 있다. 피드백 제어가 토오크/RPM 관계를 포함하므로, 사용되는 특정 원동기 타입에 따라 개별적으로 프로그램 된다.

무부러쉬 구성

현대의 동기화 발생기는 무부러쉬로 되는 경향이다. AC여자기의 전계 코일은 외측 소스에 의해 공급되거나 발생기의 출력부에 링크 된다. 여자기용 교류 전력원은 Variac 이다. 여자기 전기자는 발생기의 회전자 권선을 공급하도록 DC전력으로 변환되는 가변 주파수 AC전력을 발생한다. AC여자기가 발생기의 회전자와 동일한 축에 있으므로, 브러쉬 타입 발생기가 요망하는 슬립 링(slip ring)의 필요가 없어졌으며, 무-부러쉬 발생기를 만든다. 동일한 일반적 타입의 무부러쉬 배열이 본원에 개시로 사용될 수 있을 지라도, 외측부 제어 시스템으로부터의 전자적 신호는 광 결합기로부터 공급된다. 부가로, AC여자기 전계는 축이 회전하지 않는 동안에 전력 발생을 도울 수 있다. 따라서, 여자기 전계의 회전방향은 축이 결국적으로 동작을 시작할 때에 보다 높은 전압이 발생될 수 있도록 축의 회전방향과 반대되는 방향이어야 한다. 이러한 사실은 주파수가 주 전기자를 공급하도록 보다 높은 전력의 발생을 초래하며, 어느 정도의 축 속도에서는 제로로 감소하지 않는다.

양호한 가변 주파수 발생기의 구조는 무부러쉬 구조 이다. 무부러쉬 동기 발생기의 전기자는 주 전기자 전계가 정류동작 바아(commutating bars)가 없지만 정류자 접속부는 DC전기자로 구조 되도록 재권취 된다. 전자 정류 시스템은 차분 정류속도를 제공하도록 발생기의 실질 축 RPM과 라인 주파수 사이에 정류 속도 차와 통신한다. 동일한 축상에 AC여자기는 발생기의 전기자용 전력을 공급한다. 이것은 DC전력원으로 변환되어, 무부러쉬 구조를 나타낸다. 발생기의 전계세기는 여자기 전계의 세기에 의해 제어되며, 여자기 전계는 DC소스 또는 AC소스의 어느 하나로 제어된다. 만일 AC소스가 여자기 전계를 제어하면, 양호하게 이러한 소스는 여자기용 회전동작 전계를 제공할 것이다. 상기 회전은 기계적 축의 회전과 반대되는 방향으로 회전하여야 한다. 기계적 축 RPM과 라인 주파수용 전자적 정류자로의 입력은 광 결합기에 의해 링크 되는 위상-로크 RPM을 창출하여야 한다. 실질 기계적 구조는 전자 정류가, 여자기 전기자, 정류기, 볼 베어링, 및 기계적 구동기에 주 전계 전기자를 포함하는 전체 전기자 축의 극단부에 위치되도록 행해진다. 기계적 RPM 속도는, 가스 터어빈, 증기 터빈, 유체 터빈, 윈드 터빈, 또는 내연기관과 같은 기계적 원동기에 의해 토크 커브에 링크 된다. 이러한 링크는 원동기용의 특정한 경제적인 조작을 제공할 수 있다. 예를 들면, 부하상태를 무시하고3600RPM으로 회전하는 단축 가스 터빈의 효율을 고려한다. 만일 가스 터빈이 전통적인 동기화된 발생기를 구동한다면, 그 효율은 부분적 부하 상태 하에서 매우 급하게 하용될 것이다. 가스 터빈이 아직은 3600RPM에서 운영하여야 할 것이므로, 동일한 공기량을 처리한다. 사용되는 제어 방법은 차례로 열적 동적 효율(thermal dynamic efficiecy)을 저하하는 작업온도를 감소한다. 그런데, 만일 가스 터빈이 본원에 개시된 타입의 가변성 속도 발생기를 사용한다면, 3600RPM 밑에 속도로 부분적 부하 상태 하에서 보다 생산적으로 동작할 수 있을 것이다. 이러한 사실은 엔진 스펙을 고려하여 가능한 높은 작동 온도를 유지하고 극소량의 작업유체(공기)로 처리될 것이다. 따라서, 가스 터빈의 부분적 부하 효율이 본원에 개시된 발생기 시스템의 사용을 통해 증가된다.

다른 예로서, 만일 디젤 엔진이 발생기용 원동기이면, 상기 엔진은 그 RPM이 토크 부하로 변경될 때에 최상으로 동작하는 것으로 알려져 있다. 그런데, 통상의 종래 기술의 시스템은 디젤 발전기 세트로서 구조됨으로, 디젤 엔진은 그 부하상태를 고려하지 않은 동기화된 속도로 동작하여야 한다. 이러한 동작은 자연적인 디젤 엔진 동작 특성과 매치하지 않는다. 결과적으로, 디젤 엔진은 제한된 부하 범위에서만 동작하고, 이러한 사실은 상당량의 열 효율을 희생하여야 하며 높은 연료소비를 요망하는 것이다. 그런데, 본원에 개시된 실시예에서는 디젤 엔진의 RPM을 부하 변화로 변경할 수 있다.

여기서의 중요한 설계 규범은 도3, 도3a 및 도3b에서 볼 수 있는 바와 같은 억지 과도수단과 같은 트랜지스터 모두를 횡단하는 분로(分路) 커패시터의 사용이다. 전기자 설계는, 발생기가 피스톤 엔진에 의한 구동 시에 바아를 링킹하는 커패시터에 의한 것과 같이 맥동 토크 상태 하에 사용용의 고유한 안정 특성을 가진다. 커패시터는 또한, 전기자 코일의 개시부로부터 인덕티브 에너지를 저장하고 그리고 그 전류의 방향을 스위칭하는 이중 기능을 한다. 탄소 브러쉬 시스템과는 다르게, 이러한 시스템은 인덕티브 에너지가 열에 저항적으로 산개되도록 한다. 만능 전달 라인에 링킹하지 않고 고립된 파워 서플라이로서의 동작을 제공하여, 발생기는 소망 주파수에서 동작하도록 선 전압 주파수를 대신하는 기준으로 발진기 회로를 사용한다. 도3b에서 볼 수 있는 바와 같이, 정류동작 바아를 링킹하는 커패시터는 맥동 토크를 안정적으로 하고; 높은 임펄스 상태에서, 이러한 회로는 농형 인덕션 모터 전기자를 작용한다.

만일 기계적 축이 지속적으로 정지하여 있다면, 전자 브러쉬의 회전동작 RPM은 발생기의 발생동작 주파수에 근접하며, 이러한 행위의 발생 시에, 가변 주파수 자체-동기 발생기는 에너지 변환기가 된다. 다음, 밧데리 뱅크 또는 연료 셀의 DC에너지 소스의 변환이나 파워 시스템용 차분 소망 주파수를 생성하도록 에너지 변환기로 공급되는 주파수를 사용하는 것과 같은 목적에 사용된다. 이러한 운영 방법은 본원에 개시된 가변 주파수 동기 발생기 설계 때문에 가능한 것이다. 특정한 적용을 위해서는, 발생기 권선의 여자기 측이 발생기 에너지 필요의 요망과 적절히 매치하도록 설계된다. AD변환기를 고려하면, 여자기가 더이상 요망되지 않고; 오직 DC소스만이 선 전압 동기를 위한 기준으로 국부 발진기를 가진 전자 정류자에 공급된다.

관련문제

자동-동기화된 위상-로크 회로를 가진 전자 정류 시스템은, 기계적 기어 박스가 전체적으로 제거될 수 있기 때문에, 동기화된 발생기를 운영하는데 상당히 용이한 방식을 제공한다. 위상-로크 회로는 발생기의 동기 동작을 가속시킨다. 이러한 사실은 작동 안정성을 제공하고, 필요한 성분을 물리적으로 감소하여서, 제작 및 유지비를 저하 시킨다. 대부분의 발생기 시스템이 모터 시스템과 역방식으로 동작할 수 있기 때문에, 본원에 기재된 원리는 전기 모터 설계에 양호하게 적용할 수 있는 것이다.

모터 구동에서, 오늘날의 가변 속도 구동회로는 일반적으로 DC소스로 AC소스를 변환하고 다음, 가변 주파수로 AC뱅크를 변환한다. 이러한 사실은 고가의 비효율적인 시스템을 만들 수 있다. 본원에 개시된 제어는 가변 속도 구동기의 구 시스템을 대체할 수 있으며, 그리고 발생기 주파수 변환기와 가변 속도 구동기와의 조합이 산업적용용 전기 에너지의 사용으로 상당한 개량을 이룰 수 있다. 펌프, 팬, 가변속도 구동 페이퍼 머신, 및 텍스타일 오퍼레이션과 같은 적용물은 상술된 제어 원리를 사용하여 모두 이득을 얻을 수 있으며, 그리고 상기 원리의 가장 중요한 적용물로는 전기 자동차를 들 수 있다. 본원에 개시된 내용을 사용하여 전기 자동차를 저렴하게 제작할 수 있으며, 전기 자동차의 대중적 사용을 보다 앞당길 수 있는 것이다. 전기 모터에 적용할 시에 본원에 개시된 가변 속도 구동기는 고속기차와 전기 보트 추진 시스템용 파워 변속 시스템을 변경할 수 있다. 차등 속도가 광섬유 결합기를 통해 전달됨으로, 시스템은 제어 적용물의 후(後) 증가용 플라이-바이-와이어 제어 시스템으로서의 컴퓨터 제어 시스템에 링크된 단섬유 광 와이어를 사용하여 제어될 수 있다.

Claims (4)

1. 전력 발생 방법은:

   제1주파수로 전기적 발생기의 축을 회전하는 단계와;

   제2주파수로 발생기로부터 AC전력을 출력하는 단계와;

   그들 사이에 변경 차를 선택하여 확립하도록 서로 독립적으로 상기 주파수를 변경하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 발생 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 변경 단계는, 발생기의 전기자에 AC전력의 공급을 전기적으로 제어하는 단계를 포함하며, 상기 전기자에 공급되는 AC전력의 주파수는 발생기로부터 출력된 AC전력의 주파수와 다른 것을 특징으로 하는 전력 발생 방법.
3. 전력 발생 방법은:

   정류동작 바아 세그먼트와 그와 같이 회전하는 전계 코일을 가진 전기적 발생기를 제공하는 단계와;

   정류자 바아와 같이 회전하는 전자 회로로부터 정류동작 바아 세그먼트에 전류를 공급하여, 상기 전류를 선택된 시켄스에서 전계 코일로의 방향으로 공급하는 단계 및;

   발생기의 출력 주파수를 선택적으로 유지 또는 변경하도록 전류를 정류동작 바아 세그먼트와 다르게 공급하는 주파수를 선택적으로 변경하는 단계를 포함하는것을 특징으로 하는 전력 발생 방법.
4. 선 전압과 발생기의 출력을 위상 동기로 하는 방법은:

   발생기 출력의 위상과 선 전압의 위상을 검출하는 단계와;

   그들 사이에 위상 차를 검출하도록 서로 검출된 위상을 대비하는 단계 및;

   선 전압과 발생기 출력과의 사이에 위상 동기를 달성하도록, 위상 차이에 상관된 주파수로 발생기에 계자 권선 코일에 파워를 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 발생 방법.