KR101021195B1 - 비상용 회전 계자형 동기식 발전기의 다기능 디지털 자동 전압 조정 장치 - Google Patents

비상용 회전 계자형 동기식 발전기의 다기능 디지털 자동 전압 조정 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 비상용 회전 계자형 동기식 발전기의 다기능 디지털 자동 전압 조정 장치에 관한 것으로, 본 발명의 다기능 디지털 자동 전압 조정 장치는, 구비된 여자기의 여자권선 및 코어를 통해 발전기의 동작시에 공급된 DC 출력 전원(R+, R-)에 대응하는 잔류자속을 잔류시키고, 이후 발전기의 재시동 초기에 잔류자속에 대응하는 DC 출력 전원(R+, R-)의 전력을 전류제한용 저항을 통하여 보조계자 입력단(J+, K-)에 전력을 공급하며, 발전기의 출력 전압이 서서히 상승하여 자동전압 조정장치의 제어 전원이 정상적인 레벨로 출력되면 보조계자 입력단(J+, K-)에 공급되는 전력을 차단하는 초기여자부; DC 출력 전원(R+,R-)을 PWM 듀티 조정신호에 의하여 변조하여 보조계자 입력단(J+, K-)에 공급되는 보조계자 전력을 조절하는 PWM 직류 쵸퍼부; 발전기가 시동되어 동작함에 따라 발전기 출력을 입력 받아 자동 전압 조정 장치를 동작시키는데 소요되는 제어용 전원을 생성하는 제어용 전원부; 및 발전기의 출력 전압을 출력 전압 설정 명령에 대응하도록 PWM 직류 쵸퍼부에 입력되는 PWM 듀티 조정신호를 조정해 주는 디지털 제어부;를 포함하여 구성되며, PWM 직류 쵸퍼를 이용하여 발전기의 출력전압에 대한 제어 응답 속도를 높일 수 있고 디지털 제어부를 통해 정확한 실효치 제어가 가능하며, 횡류 검출을 통하여 발전기의 병렬 운전 제어가 가능하고, 회전자의 보조전기자 및 주계자의 상태 정보를 무선으로 수신하여 표시함으로써 발전기 및 회전자의 동작 상태를 확인할 수 있어 이상 확인시 발전기의 동작을 제어함으로써 오류로부터 발전기를 보호할 수 있다.

Description

비상용 회전 계자형 동기식 발전기의 다기능 디지털 자동 전압 조정 장치{Multi-function Digital Automatic Voltage Regulator for Emergency Revolving Field Type Synchronous Generator}
본 발명은 비상용 회전 계자형 동기식 발전기의 자동 전압 조정 장치(Automatic Voltage Regulator: AVR)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 발전기 출력 전압의 제어 응답 속도를 높이고 정확한 실효치 제어가 가능하며 발전기 출력 상태 및 회전자의 상태의 확인이 가능하도록 하여 발전기의 동작 오류로부터 발전기를 보호할 수 있는 비상용 회전 계자형 동기식 발전기의 다기능 디지털 자동 전압 조정 장치에 관한 것이다.
도 1은 종래 기술에 따른 비상용 회전 계자형 동기식 발전기 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도시된 바와 같이, 회전 계자형 동기식 발전기 시스템은 동력을 제공하는 엔진부(100), 발전기(200), 자동 전압 조정기(Automatic Voltage Regulator: AVR)(300), 및 제어반(400)으로 구성된다.
엔진부(100)는 엔진(110), 냉각계통(120), 연료계통(130), 및 엔진제어기(140)와 같은 각종 기계장치로 구성된다. 발전기(200)는 보조계자(210), 보조전기자(220), 주계자(230), 및 주전기자(240)로 구성된다. 제어반(400)은 발전기 제어장치(410), 밧데리(420), 밧데리 충전기(430), 및 차단기(440)와 같은 각종 전기장치로 구성된다.
도 2는 도 1의 발전기(200)의 세부 구성 및 발전기(200)와 자동 전압 조정기(AVR)(300)의 연결 상태를 도시한 도면이다.
도시된 바와 같이, 회전 계자형 동기식 발전기(200)는, 보조계자(210)와 주전기자(240)로 구성되는 고정자와, 보조전기자(220)와 주계자(230)로 구성되는 회전자로 구분된다. 여기서 보조전기자(220)와 주계자(230) 사이에는 브릿지 다이오드(250)가 연결되어 보조전기자(220)로부터 입력되는 3상 교류를 직류로 변환하여 주계자(230)로 입력한다.
도시된 회전 계자형 동기식 발전기(200)는, 보조계자(210)와 보조전기자(220)로 구성되는 회전 전기자형의 보조 발전기와, 주계자(230)와 보조전기자(240)로 구성되는 회전 계자형의 주발전기로 구분된다. 이와 같이, 회전 계자형 동기식 발전기(200)는 회전 전기자형의 보조 발전기와 회전 계자형의 주발전기가 결합된 형태로써, 주발전기의 주계자(230)가 회전하는 형태를 갖는다.
이때, 주전기자(240)와 보조계자(210) 사이에는 자동 전압 조정기(AVR)(300)가 연결되어, 주전기자(240)에서 발생되어 출력되는 출력전압의 크기를 제어한다. 즉, 자동 전압 조정기(AVR)(300)는 주전기자(240)로부터 출력되는 전력을 공급받아 동작하고, 입력되는 출력전압 설정명령에 따라 보조계자(210)로 공급되는 전력을 조정함으로써 주전기자(240)로부터 출력되는 출력전압이 출력전압 설정명령에 대응하도록 조절해 준다.
도 3은 도 2에 도시된 종래의 자동 전압 조정기(AVR)(300)의 구성을 도시한 도면이다.
도시된 바와 같이, 자동 전압 조정기(AVR)(300)는 아날로그 제어기(310) 및 위상제어 정류기(320)를 포함하여 구성된다.
아날로그 제어기(310)는 발전기의 조작자에 의해 입력되는 출력전압 설정명령 및 제어게인 조정신호를 입력받고 주전기자(240)로부터 출력되는 발전기의 출력전압을 검출한 후, 위상각 제어신호를 위상제어 정류기(320)로 출력한다. 위상제어 정류기(320)는 아날로그 제어기(310)로부터 입력되는 위상각 제어신호에 따라, 입력되는 AC 전력(P1,P2)의 위상각을 제어하여 보조계자(210)로 출력한다.
이와 같이, 자동 전압 조정기(AVR)(300)는 보조계자(210)에 공급되는 전력을 제어함으로써, 발전기의 출력전압을 제어한다.
여기서, 아날로그 제어기(310)의 제어 알고리즘은 PI(Proportional Integrate; 비례 미분)제어 또는 PID(Proportional Integral Differential; 비례미적분) 제어 알고리즘이 사용된다.
이와 같은 종래 기술에 의하면, 아날로그 회로를 사용하여 주전기자(240)로부터 출력되는 발전기 출력전압을 검출하는 경우, 발전기 출력전압의 실효치를 직접 검출하는 것이 불가능하다. 따라서 발전기 출력전압을 정류한 후, 저역통과 필터를 이용하여 평균치를 도출하고, 이로써 출력전압의 실효치를 추정하는 방식을 주로 이용한다. 이때 발전기의 출력전압이 완전한 정현파가 아니고 고조파가 함유되어 있는 경우, 정확한 실효치를 추정할 수 없기 때문에 발전기 출력전압에 오차가 발생하게 되는 문제점이 있다.
또한 상기한 저역통과 필터의 시간지연은 그대로 출력전압 검출의 시간지연으로 나타나기 때문에, 제어 응답이 그만큼 늦어지게 되는 문제점이 있다.
한편, 전력 변환기로써 단상 위상제어정류기(320)를 주로 사용하기 때문에, 60Hz의 발전기 출력 전압으로 구동되는 경우 약 8.3[msec]라는 매우 늦은 제어주기를 갖게 된다. 이러한 늦은 제어주기로 인하여 부하 급변 시, 발전기 출력 전압 제어 응답성이 현저하게 떨어지게 되는 문제점이 있다.
아울러, 종래의 아날로그방식의 자동 전압 조정장치(AVR)(300)의 경우 가변저항을 이용하여 출력전압과 제어 게인을 설정하기 때문에, 사용하기가 불편하고 외부로부터 노이즈가 입력되는 경우 발전기 출력전압이 변동하게 되는 문제점이 있다.
또한, 종래의 자동 전압 조정장치(AVR)(300)는 발전기의 출력전압을 제어하는 기능 이외의 부가적인 기능은 갖고 있지 못하였다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 발전기 출력 전압의 제어 응답 속도를 높이고 정확한 실효치 제어가 가능하며 발전기 출력 상태 및 회전자의 상태의 확인이 가능하도록 하여 발전기의 동작 오류로부터 발전기를 보호할 수 있는 비상용 회전 계자형 동기식 발전기의 다기능 디지털 자동 전압 조정 장치를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 비상용 회전 계자형 동기식 발전기의 다기능 디지털 자동 전압 조정 장치는, 상기 발전기의 시동 초기에 잔류자속에 의해 생성된 발전기의 출력을 정류하여 직류 전력을 공급하는 DC 출력 전원(R+, R-)의 출력을 전류제한용 저항을 통하여 보조계자 입력단(J+, K-)에 전력을 공급하고, 상기 발전기의 출력 전압이 서서히 상승하여 자동 전압 조정 장치의 제어 전원이 정상적인 레벨로 출력되면 보조계자 입력단(J+, K-)에 공급되는 전력을 차단하는 초기여자부; 상기 DC 출력 전원(R+,R-)을 PWM 듀티 조정신호에 의하여 변조하여 상기 보조계자 입력단(J+, K-)에 공급되는 보조계자 전력을 조절하는 PWM 직류 쵸퍼부; 상기 발전기가 시동되어 동작함에 따라 발전기 출력을 입력 받아 자동 전압 조정 장치를 동작시키는데 소요되는 제어용 전원을 생성하는 제어용 전원부; 및 상기 발전기의 출력 전압을 출력 전압 설정 명령에 대응하도록 상기 PWM 직류 쵸퍼부에 입력되는 PWM 듀티 조정신호를 조정해 주는 디지털 제어부;를 포함하여 구성된다.
바람직하게는, 상기 디지털 제어부는, 출력전압 설정명령과 발전기의 3상 평균 출력 전압에 대응하는 값과의 오차를 구해주는 감산기; 오차를 비례 미분 적분 연산하는 비례미분적분제어기; 및 비례미분적분 제어기의 출력과 발전기로부터 출력된 전력에 대응하는 3상 평균 출력 전력을 가산함으로써 PWM 듀티 조정신호를 생성하여 상기 PWM 직류쵸퍼부로 출력하는 가산기;를 포함하여 구성된다.
본 발명의 실시예에 따른 다기능 디지털 자동 전압 조정 장치는, 상기 발전기의 동작 상태를 표시하는 디스플레이부;를 더 포함하며, 상기 디지털 제어부는 발전기 출력 전압의 반주기마다 출력전압, 출력전류, 유효전력, 실효전력, 역률, 주파수 등을 연산하여 상기 디스플레이부에 표시한다.
본 발명의 실시예에 따른 다기능 디지털 자동 전압 조정 장치는, 상기 발전기의 회전자에 대한 상태정보를 수신하는 무선통신부;를 더 포함하며, 상기 디지털 제어부는 주계자에 입력되는 전압, 전류 및 전력과 보조 전기자 권선의 온도, 주계자 권선의 온도 등의 회전자 상태정보를 상기 디스플레이부에 표시하고 상기 회전자 상태정보에 따라 상기 발전기의 여자 전력을 완전히 차단하여 발전기 운전을 정시 시키거나 출력 전압에 대한 설정치를 변경함으로써 과전압, 과전류, 과온도로부터 회전자를 보호하는 기능을 수행한다.
본 발명의 실시예에 따른 다기능 디지털 자동 전압 조정 장치는, 브릿지 회로로 구성되어 상기 발전기로부터 출력되는 AC 전력(P1,P2)을 DC로 변환하여 상기 초기 여자부 및 상기 PWM 직류 쵸퍼부로 출력하는 다이오드 정류부;를 더 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 다기능 디지털 자동 전압 조정 장치는, 상기 발전기로부터 출력되는 상기 출력 전압 및 출력 전류와 병렬 운전시의 횡류를 검출하여 상기 디지털 제어부로 출력하는 인터페이스 회로부;를 더 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 다기능 디지털 자동 전압 조정 장치는, 다수의 스위치를 이용하여 사용자로부터 입력되는 명령에 따라 상기 출력전압 설정명령 및 제어 게인 조정신호를 상기 디지털 제어부로 출력하는 스위치부;를 더 포함한다.
본 발명의 비상용 회전 계자형 동기식 발전기의 다기능 디지털 자동 전압 조정 장치에 따르면, PWM 직류 쵸퍼를 이용함으로써 발전기의 출력 전압에 대한 제어 응답 속도를 높일 수 있고, 디지털 제어를 통해 정확한 실효치 제어가 가능하며, 횡류 검출을 통하여 발전기의 병렬 운전 제어가 가능하고, 발전기의 출력 상태를 표시하며, 회전자의 보조전기자 및 주계자의 상태 정보를 무선으로 수신하여 표시함으로써 발전기 및 회전자의 동작 상태를 확인할 수 있고, 발전기 및 회전자의 동작 상태 정보를 확인하여 이상시 발전기의 동작을 제어함으로써 발전기의 오류로부터 발전기를 보호할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 비상용 회전 계자형 동기식 발전기 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 발전기(200)의 세부 구성 및 발전기(200)와 자동 전압 조정기(AVR)(300)의 연결 상태를 도시한 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 종래의 자동 전압 조정기(AVR)(300)의 구성을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 비상용 회전 계자형 동기식 발전기의 다기능 디지털 자동 전압 조정 장치를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 도 4의 PWM 직류쵸퍼부(520)의 상세 구성을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 도 4의 초기 여자부(530)의 상세 구성을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 도 2의 회전자의 상태를 모니터링하기 위한 회전자 상태 검출기의 구성을 상세하게 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 도 4의 디지털 제어부(570)에 의한 발전기의 출력 상태 연산 및 제어 흐름도이다.
도 9는 도 7의 회전자 상태 검출기로부터 전송된 데이터에 대한 디지털 제어부(570)의 회전자 보호를 위한 동작 제어 과정을 도시한 흐름도이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 도 4의 디지털 제어부(570)의 S170 단계에서 계자 제어 알고리즘을 처리하기 위한 구성 예를 도시한 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예들을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 또한 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 비상용 회전 계자형 동기식 발전기의 다기능 디지털 자동 전압 조정 장치를 도시한 도면이다.
도시된 바와 같이, 다기능 디지털 자동 전압 조정 장치(500)는 다이오드 정류부(510), PWM 직류쵸퍼부(520), 초기 여자부(530), 제어용 전원부(540), 인터페이스 회로부(550), 스위치부(560), 디지털 제어부(570), 디스플레이부(580), 및 무선통신부(590)를 포함하여 구성된다.
다이오드 정류부(510)는 브릿지 회로로 구성되어 주전기자(240)로부터 출력되는 AC 전력(P1,P2)을 DC로 변환하여 출력한다.
PWM 직류쵸퍼부(520)는 다이오드 정류부(510)에서 DC로 변환되어 출력되는 출력 전원(R+,R-)을 디지털 제어부(570)의 PWM 듀티 조정신호에 의하여 변조함으로써 보조계자(210) 입력단(J+,K-)에 공급되는 전력을 제어한다.
초기 여자부(530)는 구비된 여자기의 여자권선에 다이오드 정류부(510)로부터 출력된 DC 출력 전원(R+,R-)이 인가됨에 따라 N-S의 자속이 발생되고, 발생된 자속은 여자기의 코어를 통하여 발전기의 보조계자(210)에 전달한다. 결국 여자기는 발전기 내부에서 회전하는 직류 전자석과 같은 기능을 한다. 이러한 여자기가 일정시간 전자석으로 운전되고 나면, 발전기의 운전이 정지된 후에도 여자기의 코어에는 자석의 성질이 잔류하게 된다. 이는 코어에 잔류되어 있는 자속으로서, 잔류자속이라 한다. 이 잔류자속이 0이 아닌 이상 외부의 자동전압조정기가 없어도 발전기 출력전압에는 수 V의 전압이 유기된다. 즉, 한 번이라도 시동되어 동작된 경력이 있는 발전기는, 초기 여자부(530)의 여자기에 잔류자속이 수개월 동안 존재하게 된다. 이러한 여자기의 특성은 전자기 분야에서 일반적인 특징으로서, 본 발명에서는 이러한 여자기의 특성을 발전기의 초기 시동에 이용한다. 본 발명의 실시예에서 초기 여자부(530)는 디지털 자동 전압 조정기(AVR)(500)가 동작하기 이전에, 여자기의 잔류자속을 이용하여 발전기(200)의 시동 초기에 보조계자(210)에 전력을 공급한다. 이를 위해, 초기 여자부(530)는 잔류자속에 대응하는 DC 출력 전원(R+,R-)의 전력을, 전류제한용 저항을 통하여 보조계자 입력단(J+, K-)에 전력을 공급한다. 또한, 초기 여자부(530)는 발전기의 출력 전압이 서서히 상승하여 정상적인 레벨로 출력되면, 잔류자속에 대응하여 보조계자 입력단(J+, K-)에 공급되는 전력을 차단한다.
제어용 전원부(540)는 초기 여자부(530), 인터페이스 회로부(550), 스위치부(560), 디지털 제어부(570), 디스플레이부(580), 및 무선 통신부(590)에 제어용 전원(Vcc)을 공급한다. 이를 위해 제어용 전원부(540)는 주전기자(240)로부터 출력되는 수십 내지 수백 볼트(V)의 출력전압을 입력받아, 직류 제어 전원으로 변환하여 출력한다.
인터페이스 회로부(550)는 디지털 제어부(570)에서 A/D(Analog to Digital) 변환하기에 적합하도록 연산증폭기 등을 사용하여 주전기자(240)로부터 출력되는 발전기(200)의 출력 전압 및 출력 전류와 병렬 운전시의 횡류를 검출하여 디지털 제어부(570)로 출력한다.
스위치부(560)는 다수의 스위치를 이용하여 사용자로부터 입력되는 명령에 따라 출력전압 설정명령 및 제어 게인 조정신호를 디지털 제어부(570)로 출력한다.
디지털 제어부(570)는 인터페이스 회로부(550)로부터 입력되는 발전기(200)의 출력 전압을 A/D 변환하고, A/D 변환된 전압이 스위치부(560)로부터 입력되는 출력전압 설정 명령에 대응하는 전압 레벨을 갖도록 디지털 신호처리 알고리즘을 통해 PWM 듀티 조정 신호를 생성하여 PWM 직류 쵸퍼부(520)로 출력한다.
디스플레이부(580)는 디지털 제어부(570)의 제어에 따라 발전기(200)의 상태 및 발전기(200)의 회전자에 대한 동작 상태를 표시한다.
무선통신부(590)는 발전기(200)의 회전자에 내장된 무선통신부 혹은 발전기 주제어 장치에 내장된 무선통신부 혹은 병렬 운전시 타 발전기의 자동 전압 조정기(AVR)에 내장된 무선 통신부와 무선 통신을 수행하여, 발전기(200)의 회전자와 발전기 주제어 장치 및 타 발전기의 동작 상태 정보를 수신하여 디지털 제어부(570)로 출력한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 도 4의 PWM 직류 쵸퍼부(520)의 상세 구성을 도시한 도면이다.
도시된 바와 같이, PWM 직류 쵸퍼부(520)는 절연부(521), 구동 전원부(522), 구동 IC(집적회로)(523), 및 FET를 포함하여 구성된다.
절연부(521)는 포토 커플러를 이용하여 디지털 제어부(570)와 PWM 직류 쵸퍼부(520)를 절연시킨다. 구동 전원부(522)는 구동 IC(523)의 동작시키기 위한 전원을 생성하여 구동 IC(523)에 공급한다. 구동 IC(집적회로)(523)는 구동 전원부(522)로부터 제공되는 구동전원을 이용하여 동작되어 디지털 제어부(570)로부터 입력되는 PWM듀티 조정 신호를 증폭시켜 FET로 출력한다.
FET는 구동 IC(523)로부터 제공된 PWM 구동전류가 게이트저항(Rg)을 거쳐 흐르게 되어 FET가 구동된다. 다이오드 정류부(510)로부터 공급되어 보조계자(210)로 공급되는 전력(J+,K-)은, FET의 PWM 듀티에 따라 가변된다. FET의 턴오프시에는 FET의 게이트-소스간의 기생 커패시터 성분에 충전된 전하가 방전저항(Rd)을 통하여 방전되어 빠른 턴오프가 이루어진다.
이러한 구성을 갖는 PWM 직류 쵸퍼부(520)는 기존의 위상제어 정류기(도 3의 320)에 비해 제어에 대한 응답속도가 매우 빠른 특징을 갖는다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 도 4의 초기 여자부(530)의 상세 구성을 도시한 도면이다.
도시된 바와 같이, 초기 여자부(530)는 포토 커플러(532), 포토 커플러 1차측 전류 제한 저항(Ri), 여자 전류 제한 저항(Re), 바이어스저항(Rb), 제너다이오드(ZD), 및 FET를 포함하여 구성된다.
포토 커플러 1차측 전류 제한 저항(Ri)은 제어용 전원부(540)로부터 포터 커플러 1차측에 공급되는 전류를 제한함으로써 과전류로부터 포터 커플러 1차측을 보호한다.
포토 커플러(532)는 발광 다이오드와 포토 트랜지스터로 구성되어, 전류 제한 저항(Ri)을 거쳐 입력되는 전류에 따라 빛을 발광시켜 포토 트랜지스터가 동작하게 된다.
여자 전류 제한 저항(Re)은 발전기 시동 초기 보조계자(210)로 흐르는 전류를 제한 한다.
바이어스저항(Rb)은 여자 전류 제한 저항(Re)을 거쳐 인가되는 전류로부터 FET의 구동 전압을 얻기 위한 기능을 갖는다.
제너다이오드(ZD)는 FET의 게이트를 과전압으로부터 파손되는 것을 방지하기 위한 기능을 갖는다.
FET(280)는 다이오드 정류기(510)로부터 전원(R+,R-)이 발생하면 초기에 스위치 온(ON)된 상태에서 보조계자(210)에 전원(J+,J-)을 공급하고, 제어용 전원부(540)로부터 일정 전압(Vcc)이 발생하여 포토 커플러(532)가 동작하면 스위치 오프(OFF)되어 전원(J+,J-)의 공급이 차단된다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 도 2의 회전자의 상태를 모니터링하기 위한 회전자 상태 검출기의 구성을 상세하게 도시한 도면이다.
회전자 상태 검출기는 상태 검출부(610), 디지털신호 처리부(630), 및 무선 통신부(650)를 포함하여 구성된다.
상태 검출부(610)는 보조 전기자(220) 및 주계자(230)로부터 권선의 온도를 검출하고, 주계자(230)의 입력단으로부터 입력 전압 및 입력 전류를 검출한다.
디지털신호 처리부(630)는 검출한 보조 전기자(220) 및 주계자(230) 권선의 온도, 및 주계자(230)의 입력 전압과 입력 전류를 디지털 변환한다.
무선 통신부(650)는 디지털 변환된 보조 전기자(220) 및 주계자(230) 권선의 온도, 및 주계자(230)의 입력 전압과 입력 전류를, 디지털 자동 전압 조정기(500)의 무선 통신부(590)로 전송한다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 도 4의 디지털 제어부(570)에 의한 발전기의 출력 상태 연산 및 제어 흐름도이다.
먼저, 디지털 제어부(570)는 인터페이스 회로부(550)로부터 입력되는 출력전압의 반주기마다 카운터를 증가시킨다(S110). 디지털 제어부(570)는 인터페이스 회로부(550)에서 입력되는 3상 출력전압, 출력전류, 및 횡류를 A/D 변환한다(S120). 디지털 제어부(570)는 A/D 변환된 3상 출력전압, 출력전류, 및 횡류를 저역통과 필터 알고리즘 처리를 수행한다(S130).
디지털 제어부(570)는 저역 통과 필터 처리된 3상 출력전압 및 출력전류로부터 3상 순시 전력 및 순시 전력의 합을 연산한다(S140). 디지털 제어부(570)는 3상 출력전압, 출력전류 및 횡류에 대한 순시치의 제곱 연산을 수행한다(S150). 디지털 제어부(570)는 3상 출력전압, 출력전류 및 횡류의 순시치에 대한 제곱의 합 연산을 수행한다(S160). 디지털 제어부(570)는 계자 제어 알고리즘을 처리하고(S170), 직류 쵸퍼 PWM 듀티를 변화시킨다(S180). 이를 통해 발전기의 출력 전압을 제어한다.
디지털 제어부(570)는 입력되는 출력전압의 극성이 변화되었는지를 판단하고(S190), 극성이 변화되지 않았으면 S100 단계 내지 S180 단계를 계속 반복하여 수행한다. 극성이 변화되었으면, 디지털 제어부(570)는 순시 전력의 평균 연산에 의한 3상 유효전력을 연산한다(S210). 디지털 제어부(570)는 3상 출력전압, 출력전류 및 횡류에 대해 제곱의 평균을 연산한다(S220). 디지털 제어부(570)는 3상 출력전압, 출력전류 및 횡류의 실효치를 연산한다(S230). 디지털 제어부(570)는 3상 출력전압의 실효치의 평균을 연산한다(S240). 디지털 제어부(570)는 3상 평균 유효 전력을 연산한다(S250). 디지털 제어부(570)는 3상 평균 실효 전력을 연산한다(S260). 디지털 제어부(570)는 3상 평균 역률을 연산한다(S270). 디지털 제어부(570)는 주파수를 연산한다(S280).
디지털 제어부(570)는 발전기의 출력전압, 출력전류 및 횡류를 통한 출력전압과 출력전류의 실효치, 유효전력 평균치, 역률, 및 주파수를 포함하는 발전기의 출력 상태를 디스플레이부(580)에 표시한다(S290). 디지털 제어부(570)는 각 제곱의 합 및 반주기 카운터 값을 초기화한다(S310). 이후 디지털 제어부(570)는 S110 단계 내지 S310 단계를 반복하여 수행한다.
도 9는 도 7의 회전자 상태 검출기로부터 전송된 데이터에 대한 디지털 제어부(570)의 회전자 보호를 위한 동작 제어 과정을 도시한 흐름도이다.
먼저, 디지털 제어부(570)는 무선 통신부(590)에 수신된 데이터가 있는지를 판단하고(S410), 수신된 데이터가 있으면 수신된 데이터의 패킷을 분석한다(S420). 이에 따라, 디지털 제어부(570)는 수신된 데이터 패킷에 오류가 없는지를 판단하고(S430), 오류가 없으면 발전기의 주제어장치로부터 수신된 병렬 운전에 관한 정보인지를 판별한다(S440).
수신된 데이터 패킷이 병렬 운전에 관한 정보이면, 디지털 제어부(570)는 병렬 제어 알고리즘을 처리하여(S460) 출력 전압의 설정치를 변경한다(S460).
한편, S440 단계에서 수신된 데이터 패킷이 병렬 운전에 관한 정보가 아닌 것으로 판단되면, 디지털 제어부(570)는 수신된 데이터 패킷이 회전자 상태에 관한 정보인지를 판별한다(S450). 여기서, 회전자의 상태 정보는 보조 전기자(220)의 권선온도, 주계자(230)의 입력 전압, 입력 전류 및 권선 온도에 대한 정보를 포함한다.
수신된 데이터 패킷이 회전자 상태에 관한 정보이면, 디지털 제어부(570)는 수신한 회전자의 상태 정보를 디스플레이부(580)에 표시한다(S480). 이때, 디지털 제어부(570)는 수신된 회전자 상태 정보를 통해 회전자의 상태가 정상인지를 판별한다(S490). 회전자의 상태가 정상이면, 디지털 제어부(570)는 S410 단계 내지 S480 단계를 다시 반복하여 수행한다.
회전자의 상태가 정상이 아니면, 디지털 제어부(570)는 회전자의 보호 알고리즘을 처리하여(S510) 회전자에 대한 운전정지가 필요한지를 판별한다(S520). 운전 정지가 필요하면, 디지털 제어부(570)는 회전자의 운전 정지명령을 무선통신부(590)를 통해 회전자의 무선통신부(650)로 전송한다(S530). 운전 정지가 필요하지 않은 경우, 디지털 제어부(570)는 출력 전압의 설정치를 변경한다(S540). 이에 따라 발전기의 회전자는 과전압, 과전류, 과온도로부터 보호된다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 도 4의 디지털 제어부(570)의 S170 단계에서 계자 제어 알고리즘을 처리하기 위한 구성 예를 도시한 도면이다.
먼저, 디지털 제어부(570)는 감산기(571)를 이용하여 스위치부(560)로부터 입력된 출력전압 설정치와 인터페이스 회로부(550)로부터 입력된 3상 평균 출력전압을 뺄셈 연산하여 차이 값에 따라 발생한 오차값을 비례미분적분기제어기(573)에 입력시키고 가산기(575)를 이용하여 비례미분적분제어기의 출력과 인터페이스 회로부(550)로부터 입력된 3상 평균 출력전력을 덧셈 연산하여 PWM 직류쵸퍼부(520)로 출력하기 위한 계자전력 제어신호인 PWM 듀티 조정 신호를 생성한다.
이상에서는 본 발명에서 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 또한 설명하였다. 그러나, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허 청구의 범위에서 첨부하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 및 균등한 타 실시가 가능할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부한 특허 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
100: 엔진부 200: 발전기
210: 보조계자 220: 보조전기자
230: 주계자 240: 주전기자
300: AVR 400 제어반
500: 디지털 AVR 510: 다이오드 정류부
520: PWM 직류 쵸퍼부 530: 초기 여자부
540: 제어용 전원부 550: 인터페이스 회로부
560: 스위치부 570: 디지털 제어부
580: 디스플레이부 590: 무선 통신부

Claims (8)

  1. 비상용 회전 계자형 동기식 발전기의 다기능 디지털 자동 전압 조정 장치에 있어서,
    구비된 여자기의 여자권선 및 코어를 통해 상기 발전기의 동작시에 공급된 DC 출력 전원(R+, R-)에 대응하는 잔류자속을 잔류시키고, 이후 상기 발전기의 재시동 초기에 상기 잔류자속에 대응하는 상기 DC 출력 전원(R+, R-)의 전력을 전류제한용 저항을 통하여 보조계자 입력단(J+, K-)에 공급하며, 상기 발전기의 출력 전압이 서서히 상승하여 정상 레벨로 출력되면 상기 보조계자 입력단(J+, K-)에 공급되는 전력을 차단하는 초기여자부;
    상기 DC 출력 전원(R+,R-)을 PWM 듀티 조정신호에 의하여 변조하여 상기 보조계자 입력단(J+, K-)에 공급되는 보조계자 전력을 조절하는 PWM 직류 쵸퍼부;
    상기 발전기가 시동되어 동작함에 따라 상기 발전기의 출력을 입력 받아 동작시키는데 소요되는 제어용 전원을 생성하는 제어용 전원부; 및
    상기 발전기의 출력 전압을 출력전압 설정명령에 대응하도록 상기 PWM 직류 쵸퍼부에 입력되는 PWM 듀티 조정신호를 조정해 주는 디지털 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 다기능 디지털 자동 전압 조정 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 디지털 제어부는,
    상기 출력전압 설정명령과 발전기의 3상 평균 출력 전압에 대응하는 값과의 오차를 구해주는 감산기;
    오차를 비례 미분 적분 연산하는 비례미분적분 제어기; 및
    상기 비례미분적분 제어기의 출력과 상기 발전기로부터 출력된 전력에 대응하는 3상 평균 출력 전력을 가산함으로써 상기 PWM 듀티 조정신호를 생성하여 상기 PWM 직류쵸퍼부로 출력하는 가산기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 다기능 디지털 자동 전압 조정 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 발전기의 동작 상태를 표시하는 디스플레이부;를 더 포함하며,
    상기 디지털 제어부는 상기 발전기의 동작에 의해 출력되는 전압의 반주기마다 상기 전압에 대한 유효전력, 실효전력, 역률, 및 주파수를 연산하여 상기 디스플레이부에 표시하는 것을 특징으로 하는 다기능 디지털 자동 전압 조정 장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 발전기의 회전자에 대한 상태정보를 상기 회전자로부터 수신하는 무선통신부;를 더 포함하며,
    상기 디지털 제어부는 상기 회전자 상태정보를 상기 디스플레이부에 표시하고 상기 회전자 상태 정보에 따라 상기 발전기의 동작 제어 및 상기 발전기의 출력 전압에 대한 설정치를 변경하여 상기 PWM 듀티 조정 신호를 조정하는 것을 특징으로 하는 다기능 디지털 자동 전압 조정 장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 회전자의 상태 정보는, 상기 회전자의 보조 전기자의 권선 온도, 상기 회전자의 주계자의 권선 온도와 입력 전압 및 입력 전류 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 다기능 디지털 자동 전압 조정 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    브릿지 회로로 구성되어 상기 발전기로부터 출력되는 AC 전력(P1,P2)을 DC로 변환하여 상기 초기 여자부 및 상기 PWM 직류 쵸퍼부로 출력하는 다이오드 정류부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다기능 디지털 자동 전압 조정 장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 발전기로부터 출력되는 상기 출력 전압 및 출력 전류와 병렬 운전시의 횡류를 검출하여 상기 디지털 제어부로 출력하는 인터페이스 회로부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다기능 디지털 자동 전압 조정 장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    다수의 스위치를 이용하여 사용자로부터 입력되는 명령에 따라 상기 출력전압 설정명령 및 제어게인 조정신호를 상기 디지털 제어부로 출력하는 스위치부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다기능 디지털 자동 전압 조정 장치.
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