KR100720431B1 - 입력 제한기가 있는 ｐｉ 제어부를 적용한 단극 발전기 및제어 게인 설정 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 입력 제한기가 있는 PI 제어부를 적용한 단극 발전기 및 제어 게인 설정 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 입력 제한기가 있는 PI 제어부를 적용한 단극 발전기는 기전력을 발생시키는 발전부, 상기 발전부에서 발생된 3상 교류 기전력을 직류 전원으로 정류하는 정류부, 상기 정류부에서 정류된 파형에 실려 있는 리플 전압을 제거하는 필터부, 상기 발전부를 통해 흐르는 자속의 양을 제어함으로써, 부하 및 RPM 에 따라 변화하는 출력 전압을 제어하는 제어부를 포함하며, 본 발명에 따른 입력 제한기가 있는 PI 제어부를 적용한 단극 발전기의 제어 게인 설정 방법은 단극 발전기를 모델링하는 단계, 시스템 파라미터를 획득하는 단계, 컴퓨터 시뮬레이션 모델상에서 제어 게인을 변경 적용하면서 시뮬레이션을 수행하는 단계, 상기 시뮬레이션의 결과 분석을 통해 제어 게인을 설정하는 단계, 상기 단극 발전기 시스템에 설정된 제어 게인을 적용하여 시험으로 확인하는 단계를 포함하며, 제어부 이득 조정을 통해 과도 특성의 개선을 확인할 수 있으며, 이를 통해 발전기 시스템의 안정적 운용을 기할 수 있는 효과가 있다.

단극 발전기, 전압 조정기, 제어 게인 설정 방법

Description

입력 제한기가 있는 ＰＩ 제어부를 적용한 단극 발전기 및 제어 게인 설정 방법{A HOMOPOLAR GENERATOR AND A METHOD FOR SETTING A CONTROL GAIN TO WHICH PI CONTROL PART WITH AN INPUT LIMITER IS APPLIED}

도 1은 본 발명의 단극 발전기의 구성을 나타낸 블록도.

도 2는 본 발명의 단극 발전기의 등가 모델을 도시한 블록도.

도 3은 본 발명의 단극 발전기의 제어 블록도.

도 4는 본 발명의 단극 발전기의 개루프 특성을 도시한 그래프.

도 5는 본 발명에 따른 과도 응답 하강 특성(등가 인덕턴스)을 도시한 그래프.

도 6은 본 발명에 따른 단극 발전기의 부하 특성(등가 저항)을 도시한 그래프.

도 7은 본 발명에 따른 단극 발전기의 모의 분석 모델을 도시한 도면.

도 8(a)와 도 8(b)는 본 발명에 따른 모델 검증을 도시한 도면.

도 9(a)와 도 9(b)는 본 발명에 따른 입력 제한기에 따른 응답 특성의 변화를 도시한 도면.

도 10(a)는 본 발명에 따른 부분 연속인 불연속 함수를 도시한 그래프.

도 10(b)는 본 발명에 따른 불연속 영역의 등가 이득을 도시한 그래프.

도 11은 본 발명에 따른 단극 발전기의 모의 분석을 도시한 도면으로,

(a)는 개루프 보데 응답을 도시한 그래프.

(b)는 폐루프 계단 응답을 도시한 그래프.

도 12는 본 발명에 따른 과도 응답 비교 상태를 도시한 그래프.

도 13은 본 발명에 따른 단극 발전기용 전압 조정기 조립체를 도시한 도면.

도 14는 본 발명에 따른 입력 제한기가 있는 PI 제어부를 적용한 단극 발전기의 제어 게인 설정 방법의 흐름을 도시한 순서도.

본 발명은 입력 제한기가 있는 PI 제어부를 적용한 단극 발전기 및 제어 게인 설정 방법에 관한 것으로, 특히 단극 발전기의 주요 파라미터를 도출하여, 이 도출된 파라미터들을 적용한 컴퓨터 모델을 이용하여 입력 제한기가 있는 PI 제어부를 적용한 단극 발전기 및 제어 게인 설정 방법에 관한 것이다.

종래의 단극 발전기는 본 발명에 따른 입력 제한기가 있는 PI 제어부를 적용한 단극 발전기는 기전력을 발생시키는 발전부, 상기 발전부에서 발생된 3상 교류 기전력을 직류 전원으로 정류하는 정류부, 상기 정류부에서 정류된 파형에 실려 있는 리플 전압을 제거하는 필터부, 상기 발전부를 통해 흐르는 자속의 양을 제어하 는 제어부를 포함한다.

상기 구성에서 알수 있듯이, 종래의 단극 발전기의 제어부는 본 발명의 단극 발전기의 제어부의 기능상의 주요 특징인 과도 특성 개선 및 안정적 운용 특성의 확보에 어려움이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기 문제점을 해소하기 위해 도출된 것으로, 발전기 시스템의 과도 특성 개선 및 안정성을 향상시킨 입력 제한기가 있는 PI 제어부를 적용한 단극 발전기를 제공함에 그 목적이 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 입력 제한기가 있는 PI 제어부를 적용한 단극 발전기의 제어 게인 설정 방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 단극 발전기는

기전력을 발생시키는 발전부,

상기 발전부에서 발생된 3상 교류 기전력을 직류 전원으로 정류하는 정류부,

상기 정류부에서 정류된 파형에 실려 있는 리플 전압을 제거하는 필터부,

상기 발전부를 통해 흐르는 자속의 양을 제어함으로써, 부하 및 RPM 에 따라 변화하는 출력 전압을 제어하는 제어부를 포함한다.

그리고, 상기 발전부는

상기 단극 발전기의 운용시 고속 회전을 하는 회전자,

동심원 형태로 회전자와 분리되어, 고정자 후방에 위치하며, 중심축이 상기 단극 발전기의 회전자 축과 일치되도록 구성되어, 자속을 발생하는 계자코일,

계자코일에서 발생된 자속이 상기 회전자를 통해 진행하면서 상기 돌극형 회전자에 따른 자기저항의 변화가 자속의 변화를 야기시켜, 파라데이 법칙에 따른 기전력을 발생시키는 전기자 코일을 포함한다.

또한, 상기 필터부는 인덕터와 커패시터로 구성되어진 LC 평활 필터이다.

본 발명의 입력 제한기가 있는 PI 제어부를 적용한 단극 발전기용 전압 조정기의 제어 게인 설정 방법은

단극 발전기를 모델링하는 단계,

시스템 파라미터를 획득하는 단계,

컴퓨터 시뮬레이션 모델상에서 제어 게인을 변경 적용하면서 시뮬레이션을 수행하는 단계,

상기 시뮬레이션의 결과 분석을 통해 제어 게인을 설정하는 단계,

상기 단극 발전기 시스템에 설정된 제어 게인을 적용하여 시험으로 확인하는 단계를 포함한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면들을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 사용되는 단극 발전기의 구성을 나타내는 블록도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 단극 발전기는 기전력을 발생시키는 발 전부(200), 상기 발전부(200)에서 발생된 3상 교류 기전력을 직류 전원으로 정류하는 정류부(230), 상기 정류부(230)에서 정류된 파형에 실려 있는 리플 전압을 제거하는 필터부(260), 상기 발전부(200)를 통해 흐르는 자속의 양을 제어함으로써, 부하 및 RPM 에 따라 변화하는 출력 전압을 제어하는 제어부(250)를 포함한다.

그리고, 상기 발전부(200)는 상기 단극 발전기의 운용시 고속 회전을 하는 회전자(210), 동심원 형태를 유지하며, 중심축이 상기 단극 발전기의 상기 회전자(210)의 축과 일치하도록 구성되어, 자속을 발생하는 계자코일(220), 상기 회전자(210)의 축에 일치하도록 결합된 상기 계자코일(220)에서 발생된 자속이 상기 회전자(210)를 통해 진행하면서 상기 회전자(210)에 따른 자기 저항의 변화가 자속의 변화를 야기시켜, 파라데이 법칙에 따른 기전력을 발생시키는 전기자 코일(240)을 포함한다.

부연 설명하자면 다음과 같다.

상기 회전자(210)는 발전기의 운용시 고속 회전을 위하여 내구성을 갖도록 설계제작되며, 철손을 방지하기 위해 단단한 철편단조로 구성된다.

상기 계자코일(220)은 동심원 형태로 회전자(210)와 분리되어, 중심축이 단극 발전기의 회전자(210)의 축과 일치하도록 구성된다.

상기 전기자 코일(240)은 상기 회전자(210) 축에 일치하도록 결합된 계자 코일(220)에서 발생된 자속이 상기 돌극형 회전자(210)를 통해 상기 전기자 코일(240)단으로 진행하면서 상기 돌극형 회전자(210)의 회전에 따른 자기 저항의 변화가 자속의 변화를 가져와, 이로부터 파라데이 법칙에 따른 기전력이 상기 전기자 코일(240)에 발생되도록 구성된다.

상기 정류부(230)는 상기 전기자 코일(240)에서 발생된 3상 교류 기전력을 직류 전원으로 정류하도록 구성된다.

상기 필터부(260)는 상기 정류부에서 정류된 파형에 실려 있는 리플 전압을 제거하는 역할을 하며, 구성은 인덕터와 커패시터로 이루어진 LC 평활 필터이다.

상기 제어부(250)는 상기 회전자(210)의 축에 일치하도록 결합된 상기 계자코일(220)의 전류를 제어함으로써, 상기 회전자(210)를 통해 흐르는 자속의 양을 제어함으로써, 부하 및 RPM에 따른 출력 전압의 변화를 제어하여 일정 전압을 출력하게 한다.

상기 구성에 따른 상호 연관된 동작 설명은 다음과 같다.

상기 계자코일(220)이 상기 회전자(210)의 중심축에 일치하도록 결합이 되고, 상기 돌극형 회전자(210)가 회전하면서 자기 저항의 변화를 가져와, 이로부터 흐르는 자속이 변화하게 되고, 이는 파라데이 법칙에 따라 상기 전기자 코일(240)단에 기전력을 발생시키게 된다.

그리고, 상기 제어부(250)를 통해 부하 및 회전수에 따른 발전기 출력전압 변화를 감지하여, 계자코일(220)로 흐르는 전류 조절을 통해 회전자(210)에서 전기자 코일(240)로 흐르는 자속을 제어함으로써, 일정 전압을 얻는 동작이 수행된다.

상기 회전자(210)의 회전에 따라 상기 전기자 코일(240)에 3상 교류 기전력이 발생되며, 연결된 상기 정류부(230)에 의해 직류 기전력으로 정류된다.

이후, 상기 필터부(260)에서 3상 전파 정류된 리플 전압이 제거되어 완성된 직류 출력 전압을 얻게 된다.

도 14는 본 발명에 따른 입력 제한기가 있는 PI 제어부를 적용한 단극 발전기의 제어 게인 설정 방법의 흐름을 도시한 순서도이다.

도 14에 도시된 바대로, 본 발명에 따른 입력 제한기가 있는 PI 제어부를 적용한 단극 발전기용 전압 조정기의 제어 게인 설정 방법은 단극 발전기(일명, 호모 폴라 발전기, homopolar generator)를 모델링하는 단계(S10), 시스템 파라미터를 획득하는 단계(S20), 컴퓨터 시뮬레이션 모델상에서 제어 게인을 변경, 적용하면서 시뮬레이션을 수행하는 단계(S30), 상기 시뮬레이션의 결과 분석을 통해 제어 게인을 설정하는 단계(S40), 상기 단극 발전기 시스템에 설정된 제어 게인을 적용하여 시험으로 확인하는 단계(S50)를 포함한다.

단극 발전기의 등가모델 (도 2)에서, 발전기의 고정자 (stator) 권선에 유기된 전압

는 회전속도

과 계자 (field)에 의해 형성된 자속 Φ 의 함수이다.

자속 (Flux)은 계자 전류 (Field Current)와 계자 코일의 권선 (turn)수, 그리고 자속 경로(path)상에 재료 및 구조에 따른 자기 저항에 관계된다. 이 관계는 자속 통로(path) 상 사용 재료의 포화점에 도달할 때 까지는 선형 관계로 볼 수 있으므로 다음과 같이 표시할 수 있다.

식 (1)과 (2)에서 다음 식 (3)을 얻는다.

도 6에서 계자전압

와 계자전류

의 관계식은 다음과 같다.

식 (3)과 식(4)에서 계자전류 항을 소거하여 다음 식 (5)를 얻는다.

제어대상 플랜트 전체의 전달함수

를 구하려면, 발전기 출력단에 연결된 실제 부하 특성을 알아야 하나, 여기서는 단순화를 위해 부하를 1Ω (

)으로 하고, LC 필터회로를 배제한 전달함수

를 구하면, 식 (6)과 같게 된다.

발전기 전압을 피드백(feedback)하여 일정 전압을 얻는 전압 제어회로는 PI 제어부로서, 제어부의 전달함수는 다음 식 (7)로 나타낼 수 있으며, 발전기의 제어 블록도를 도 3에 나타냈다.

도 3에서, A(s)는 PI 제어부의 전달함수 (식7)를 나타내며, G(s)는 발전기 시스템의 전달함수 (식6)이고, Kd는 피드백 이득값으로 출력전압과 기준전압과의 비가 된다.

발전기 상수 (

)는 필드 전류 1A 에서의 무부하시의 출력전압 (도 4)을 기준으로 하며, 필드 코일 인덕턴스값 (

)은 발전기 개루프 (open loop) 실험값 (도 4)에서의 시정수 관계식 식 (8)에서 도출하고, 필드 코일 저항값은 계측값을 적용한다.

발전기 출력단의 주 파라미터인 고정자 권선의 인덕턴스는 과도 상태 하강 응답에서 전류 변화에 대한 출력단 캐패시터의 전압 상승 특성에서 획득한다.

도 5에 부하 전류 50A에서 10A로 변화할 때의 응답 특성을 나타냈으며, 이때의 변위 전압 5.5V를 식 (9)에 대입하여 발전기 출력단 인덕턴스 값을 획득한다. 식 (9)은 발전기 출력단의 고정자 권선 인덕터에 저장된 에너지가 필터단의 커패시터에서 소모되어지는 관계식이다.

발전기의 출력단 저항값 (

)은 개루프 필드전류 1A 인가 상태에서 부하 변동에 따른 출력 전압 강하 특성 (도 6)으로부터 오옴의 법칙인 식 (10)를 적용하여 획득하며, 이때, 부하 전류에 따른 고정자 권선에서 발생되는 역방향 자속이 포함되어 등가의 출력 저항값을 얻게 된다.

시뮬레이션 모델을 도 7에 나타냈으며, 발전기 주요 파라미터들이 적용된 컴퓨터 모델의 입증은 과도응답 (10A→80A)에 대한 시험결과 및 모의분석 결과를 통해 확인된다 (도 8 참조).

그리고, 입력 제한기 특성은 도 9에 나타냈으며, 이 특성은 다음의 방법으로 시뮬레이션에 반영하여 보데 응답 및 계단 응답을 얻게 된다.

도 9의 (a)에서 E_out의 최대값인 25를 식 (11)에 적용하여 선형화 등가이득 (도 10 참조) 값

를 구한 후, 모델내 제어부 출력단의 “OP 앰프 포화 (amp saturation) ±5V"를 선형화 이득값

로 대체시킨다.

발전기 제어부의 게인 분석을 표 1에 나타낸 바와 같이 모의 분석을 통해 수행한다. 제어부를 포함한 발전기 시스템의 각 이득에 따른 개루프 보데 응답 및 폐루프 계단 응답을 도 11에 나타냈다.

응답 속도는 입력 제한기 특성에 따라 제한되기 때문에, 제어부 이득값 설정시 응답의 오버 슈트 (overshoot)가 적고, 위상 마진이 상대적으로 큰 비례이득 60에 적분이득 150을 적용함으로써, 기존 비례이득 12, 적분이득 920 에 비해, 발전기의 위상 마진을 키우고, 대역폭을 넓혀 발전기 특성을 개선하게 된다.

제어부 게인 튜닝 결과를 확인하기 위해 과도 특성 시험 결과를 도 10에 나타냈으며, 최적 PI 이득값이 적용된 단극 발전기용 전압 조정기를 도 12에 나타냈다.

상기한 바와 같이 구성된 본 발명은 제어부 이득 조정을 통해 과도 특성의 개선을 확인할 수 있으며, 이를 통해 발전기 시스템의 안정적 운용을 기할 수 있는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 단극 발전기를 모델링하는 단계,

   시스템 파라미터를 획득하는 단계,

   컴퓨터 시뮬레이션 모델상에서 제어 게인을 변경 적용하면서 시뮬레이션을 수행하는 단계,

   상기 시뮬레이션의 결과 분석을 통해 제어 게인을 설정하는 단계,

   상기 단극 발전기 시스템에 설정된 제어 게인을 적용하여 시험으로 확인하는 단계를 포함하는 입력 제한기가 있는 PI 제어부를 적용한 단극 발전기의 제어 게인 설정 방법.

Images