KR102146496B1

KR102146496B1 - 블루투스 양방향 통신방식의 자기진단 정밀제어 동기발전기

Info

Publication number: KR102146496B1
Application number: KR1020200013712A
Authority: KR
Inventors: 김판준; 이상선
Original assignee: 파워코리아 주식회사
Priority date: 2020-02-05
Filing date: 2020-02-05
Publication date: 2020-08-21

Abstract

본 발명의 브러시리스 동기발전기는 제1 회전자와 제1 고정자를 가진 주 발전기와, 제2 회전자와 제2 고정자를 가지고 제1 회전자에 공급되는 여자전류를 생성하는 여자기와, 제1 회전자 및 제2 회전자와 일체로 형성되고, 수신된 제어 데이터에 응답하여 제1 회전자에 공급되는 여자전류의 크기를 제어하고, 상태 데이터를 생성하여 송신하는 양방향 무선 데이터통신기반 부제어기와, 주 발전기의 출력전압을 피드백하여 생성된 제어 데이터를 부제어기로 송신하고, 부제어기로부터 송신된 상태 데이터를 수신하는 양방향 무선 데이터통신기반 주제어기를 구비한다. 여기서 주제어기 및 부제어기의 양방향 무선 데이터통신 프로토콜은 블루투스 통신 프로토콜로 구성한 것이 바람직하다.

Description

블루투스 양방향 통신방식의 자기진단 정밀제어 동기발전기{Synchronous Generator}

본 발명은 동기발전기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 동기발전기의 회전자 전류를 직접 제어하는 방식에 있어 양방향 무선데이터 통신방식을 도입하여, 동기발전기의 전압제어를 안정적이고 신속하게 제어하고, 동기발전기의 제어상태감시 및 자기진단 정밀제어가 가능한 블루투스 양방향 통신방식의 자기진단 정밀제어 동기발전기에 관한 것이다.

일반적인 동기발전기의 구성요소는 회전자인 계자와 고정자인 전기자를 갖는 주 발전기 부분과 발전기의 계자에 공급되는 여자전류를 생산하는 여자기로 크게 나누어진다. 발전기의 원리는 여자기에서 공급되는 여자전류에 의해 자화된 주 발전기의 계자의 자속과 전기자의 코일이 회전에 의해 쇄교 되어 전기자 코일에 기전력이 유도된다. 이는 패러데이 법칙에 의하여 정의되어 진다.

최근까지 사용되고 있는 선박 및 산업용 동기발전기의 전압제어방식은 자동전압조정기(AVR)를 사용하여 여자기 계자의 자속을 변화시켜 발전기 계자에 인가되는 여자기 전기자의 전류의 크기를 제어하는 방식을 사용하고 있다. 그 과정은 기준 전압값에 대한 자동전압조정기의 제어신호에 따라 여자기 계자권선에 직류인 여자전류를 공급하여 여자기 계자의 자속 변화로 인해 여자기 전기자의 전류량을 제어함으로써 발전기의 출력전압을 제어한다.

종래의 동기발전기의 제어방식은 여자기 전기자에서 발생되는 여자전류를 직접제어하는 방식이 아닌 여자기 계자의 자속을 조정하여 여자기 전기자의 여자전류를 제어하는 간접제어방식이다.

종래의 동기발전기에서 진보된 기술로는 파워서플라이를 이용하여 회전자전류를 제어하는 동기발전기가 있다.

파워서플라이를 이용하여 회전자 전류를 제어하는 동기발전기는 발전기 출력전압제어의 속도를 진보시킨 동기발전기로 종래의 동기발전기와는 달리 파워서플라이를 이용하여 여자기 계자권선에 직류인 여자전류를 일정하게 공급하고, 여자기 전기자에서 생성된 최대치의 전류를 스위칭소자를 사용하여 발전기 계자에 인가함으로써 주발전기의 출력전압을 제어하는 직접제어방식이다

파워서플라이를 이용하여 회전자 전류를 제어하는 동기발전기는 회전자 전류를 직접제어하기 때문에 종래의 동기발전기보다 제어속도가 빠른 진보적인 기술이라 할 수 있다.

이러한 제어방식은 회전자에 인가되는 여자전류를 직접적으로 제어하기 때문에 종래의 동기발전기와는 달리 무선통신으로만 제어가 가능하다.

파워서플라이를 이용하여 회전자 전류를 제어하는 동기발전기는 적외선 통신방식을 채용하여 제어신호를 전달하고 있고, 이러한 통신방식은 단방향통신으로 제어지령만 일방적으로 전송되므로 제어상태에 대한 정보를 알 수 없기 때문에 오류에 따른 문제점을 진단하기 곤란하였다.

또한, 회전부위에 속해있는 부제어기는 주제어기에서 제어지령을 받아 스위칭소자를 제어하기 위해서 동작전원이 필요하다.

이에 여자기 전기자의 코일과는 별개로 별도의 보조코일을 감고 이 코일에 유도된 교류를 동작전원으로 사용하였다.

이와 같은 보조코일 방식은 추가적인 코일을 감아야 하는 불필요한 동량의 증가가 있으며 부제어기는 동작전원의 입력 범위를 가지고 있으나 부하량 또는 코일의 감는 횟수에 따라 보조코일의 전압이 변동 되는 문제점이 있다. 보조코일의 전압의 변동은 입력 범위를 초과하게 되면 부제기의 전원소자가 타버리게 된다.

또한, 여자기 계자권선에 직류인 여자전류를 공급하는 별도의 파워서플라이가 있다. 이는 주제어기와 분리되어 있는 구성요소로 배선 소요가 많아지는 문제점이 있으며, 구성요소가 증가함으로써 고장요인을 증폭시키는 문제가 있다.

등록특허 제10-1278728호 등록특허 제10-1278729호 등록특허 제10-0777809호 등록특허 제10-0980063호 공개특허 제10-2011-0024148호 공개특허 제10-1987-0009524호

본 발명의 목적은 회전자 전류를 직접 제어함에 있어서 양방향 무선데이터 통신방식인 블루투스 통신을 적용하여 기존에 단방향 제어방식에서 양방향 통신이 가능하기 때문에 제어지령 및 제어상태를 피드백하여 실시간으로 제어에 따른 상태 및 오류에 따른 진단을 빠르게 함으로써 발전기에 줄 수 있는 피해를 최소화 할 수 있도록 하는 블루투스 양방향 통신방식의 자기진단 정밀제어 동기발전기를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 회전자전류를 직접 제어하는 방식에서 블루투스 양방향 통신을 적용하여 진동문제에 따른 적외선 통신 방식의 통신오류를 해결할 수 있는 블루투스 양방향 통신방식의 자기진단 정밀제어 동기발전기를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 GCU에서 발전기 부하량에 따른 여자전류 및 여자전압의 상태를 통합적으로 관리를 함으로써 여자기 코일량에 따른 최적의 여자전류 및 여자전압의 상태의 관리와 고장요인의 최소화가 가능하며. 여자전압 및 여자전류의 밸런스를 1차적으로 관리함으로써 코일이 받을 수 있는 스트레스를 줄이는 블루투스 양방향 통신방식의 자기진단 정밀제어 동기발전기를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 회전부 부제어기의 동작전원을 생성함에 있어서, 기존의 보조코일을 제거함으로써 전원부의 구성을 간략하게 할 수 있고, 발전기 계자로 인가되는 직류인 여자전류의 일부를 부제어기 전원으로 사용하는 블루투스 양방향 통신방식의 자기진단 정밀 제어 동기발전기를 제공하는 데 있다.

상기 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 블루투스 양방향 통신방식의 자기진단 정밀제어 동기발전기는 제1 회전자와 제1 고정자를 가진 주 발전기와, 제2 회전자와 제2 고정자를 가지고 제1 회전자에 공급되는 여자전류를 생성하는 여자기와, 제1 회전자 및 제2 회전자와 일체로 형성되고, 수신된 제어 데이터에 응답하여 제1 회전자에 공급되는 여자전류의 크기를 제어하고, 상태 데이터를 생성하여 송신하는 양방향 무선 데이터통신기반 부제어기와, 주 발전기의 출력전압을 피드백하여 생성된 제어 데이터를 부제어기로 송신하고, 부제어기로부터 송신된 상태 데이터를 수신하는 양방향 무선 데이터통신기반 주제어기를 구비한다. 여기서 주제어기 및 부제어기의 양방향 무선 데이터통신 프로토콜은 블루투스 통신 프로토콜로 구성한 것이 바람직하다.

본 발명에서 부제어기는 여자기의 제2 회전자의 출력전류를 정류하는 정류부와, 제1 회전자에 여자전류를 공급하기 위하여 정류부의 출력전류를 스위칭하는 스위칭부와, 정류부의 출력전류로부터 동작전압을 얻고, 수신된 제어 데이터에 응답하여 스위칭부의 스위칭 동작을 제어하고, 스위칭 제어상태를 감시한 상태 데이터를 주제어기에 송신하는 제어부를 구비하는 것이 바람직하다.

본 발명에서 주제어기에서 수신받은 상태 데이터를 디스플레이하고, 상태 데이터에 의거한 오류 발생시에 보호기능을 수행하는 발전기 제어 유닛( Generator Control Unit)을 더 포함할 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에서는 고정된 주제어기와 회전되는 부제어기 사이의 통신방식을 양방향 무선데이터 통신방식으로 구성함으로써 제어 데이터의 송신뿐만 아니라 부제어기의 동작상태를 실시간으로 수신할 수 있으므로 제어에 따른 상태 및 오류에 따른 진단을 빠르게 함으로써 발전기에 줄 수 있는 피해를 최소화 할 수 있다. 또한 회전부인 부제어기의 동작전원을 별도의 보조코일 없이 직접 정류부로부터 획득함으로서 부제어기의 회로구성을 간략하게 구성할 수 있다.

다만, 본 발명의 효과는 상기에서 언급된 효과로 제한되는 것은 아니며, 상기에서 언급되지 않은 다른 효과들은 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명에 의한 블루투스 양방향 통신방식의 자기진단 정밀 제어 동기발전기의 바람직한 일실시예의 구성을 설명하기 위한 도면.
도 2는 도 1에 도시한 블루투스 양방향 통신방식의 자기진단 정밀 제어 동기발전기의 회로블럭구성의 바람직한 일실시예를 나타낸 도면.
도 3은 도 1에 도시한 블루투스 양방향 통신방식의 자기진단 정밀 제어 동기발전기의 바람직한 일실시예의 회로도.
도 4는 본 발명에 의한 블루투스 양방향 통신방식의 자기진단 정밀 제어 동기 발전기의 주제어기의 동작을 설명하기 위한 바람직한 일실시예의 흐름도.
도 5는 본 발명에 의한 블루투스 양방향 통신방식의 자기진단 정밀 제어 동기 발전기의 부제어기의 동작을 설명하기 위한 바람직한 일실시예의 흐름도.
도 6은 종래의 자동전압조정기(AVR)를 사용하여 전압을 제어하는 간접제어방식을 설명하기 위한 회로도.
도 7은 종래의 적외선 통신방식을 이용하여 회전자에 직접 제어명령을 전달하여 전류를 제어하는 직접제어방식을 설명하기 위한 회로도.

본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 구성요소에 대해 사용하였다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

한편, 어떤 실시예가 달리 구현 가능한 경우에 특정 블록 내에 명기된 기능 또는 동작이 순서도에 명기된 순서와 다르게 일어날 수도 있다. 예를 들어, 연속하는 두 블록이 실제로는 실질적으로 동시에 수행될 수도 있고, 관련된 기능 또는 동작에 따라서는 상기 블록들이 거꾸로 수행될 수도 있다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.

본 발명을 이해를 돕기 위하여 종래 기술에 대한 보다 구체적인 설명을 하고자 한다.

도 6은 종래의 자동전압조정기(AVR)를 사용하여 전압을 제어하는 간접제어방식을 설명하기 위한 회로도이다.

도 6을 참조하면, 현재 상용화된 동기발전기의 전압제어방식은 자동전압조정기(AVR)를 사용하여 전압을 제어하는 간접제어방식이다. 자동전압조정기는 여자기 계자의 자속을 변화시켜 발전기 계자에 인가되는 여자기 전기자의 전류의 크기를 제어한다. 이는 발전기의 계자에 직접적으로 여자전류를 공급하는 것이 아닌 여자기 계자에 1차적으로 유기시켜 생성된 여자전류를 발전기의 계자로 인가시키는 방식으로 여자전류를 간접적으로 제어한다. 이러한 제어방식은 모터의 구동전원과 같은 역률을 포함한 큰 전류의 기동성 부하에 전원 공급시에 간접제어에 따른 전압 드롭현상이 나타난다. 이런 현상이 반복적으로 나타나면 자동전압조정기에 손상을 줄 수 있고 정상적인 전압제어능력을 상실할 수 있다. 또한, UPS나 인버터 등 전력변환장치의 전원으로 사용할 경우 고조파 유입에 따른 비선형 파형에 의해 기준 전압값의 측정오류가 발생하여 정상적인 기준전압으로 복귀가 안되는 문제가 발생한다.

자동전압조정기는 여자권선의 계자의 자속값을 변화시켜 궁극적으로 발전기 메인권선의 계자에 자속을 유기시켜 발전기의 계자 자속과 전기자의 코일이 회전에 의해 쇄교 되어 전기자 코일에 기전력이 유도된다. 이는 패러데이 법칙에 의하여 정의되어진다. 이는 발전기 메인권선의 계자에 직접적으로 자속을 유기시키는 방식이 아닌 여자기 계자에 1차적으로 유기시켜 생성된 기전력을 메인권선의 계자로 인가시키는 방식이기 때문에 간접제어방식이라고 한다. 이러한 제어방식은 모터의 구동전원과 같은 큰 전류의 기동부하나 역률부하등 비선형 부하의 발생시에는 현저히 전압제어 능력이 떨어진다. 이러한 문제들은 발전기 출력전압이 안정적이지 못하기 때문에 발전기를 전원으로 사용하는 전력기기들에 심각한 손상을 줄 수 있으며, 발전기 내부의 코일 또한 영향을 받게 되어 심각한 손상이 유발될 수 있다.

다음으로는 종래의 자동전압기 전압제어방식의 문제점을 개선한 회전자 전류를 직접제어하는 방식인 특허 제 10-1278729호 파워서플라이를 이용하여 회전자 전류를 제어하는 동기발전기가 있다.

도 7은 적외선 통신방식을 이용하여 회전자에 직접 제어명령을 전달하여 전류를 제어하는 직접제어방식을 설명하기 위한 회로도이다.

파워서플라이를 이용하여 여자기 계자권선에 직류인 여자전류를 일정하게 공급하고, 여자기 전기자에서 생성된 최대치의 전류를 스위칭소자를 사용하여 발전기 계자에 인가함으로써 주발전기의 출력전압을 직접적으로 제어한다. 이는 스위칭 소자에 게이트 신호에 따른 펄스폭을 조절하면서 제어하는 방식으로 PWM제어방식이라고 한다. 다음과 같은 제어방식은 여자전류를 직접적으로 제어함으로써 제어속도의 향상과 우수한 전압복원력을 향상시키기 위한 제어방식으로 부하의 종류에 상관없이 안정적인 제어를 하는게 특징이다. 다만, 제어를 하는 과정에서 회전자의 전류를 직접제어해야하기 때문에 신호전달의 매체를 무선통신으로 구성해야만 한다.

종래의 회전자 전류제어방식에서는 적외선 통신을 적용하였고, 이는 단방향 통신으로 제어지령만을 전달 할 뿐이며, 제어신호에 따른 실제 여자전류 및 여자전압의 상태정보 및 제어전원의 상태 확인이 어렵다. 여자전압 및 여자전류는 여자기 계자에 인가되어지는 직류값에 의해 결정되는 것으로 파워서플라이의 직류전압의 크기에 따라 여자전압의 크기가 결정된다. 다시말해, 파워서플라이에서 공급하는 직류전압의 크기에 따라 여자기 전기자의 전압과 보조코일의 전압이 변동한다는 것이다.

이는 기준 부하량에 도달하기 위해선 충분한 여자전류를 공급해야 하기 때문에 파워서플라이에서 공급하는 직류전압을 크게하면 좋지만 보조코일의 전압상승이 동반되기 때문에 부제어기 구동전원의 허용범위를 넘어서 전원소자가 타버리는 문제가 발생 할 수 있다.

이러한 문제는 보조코일을 구동전원으로 사용함으로써 정상적인 구동을 위해 구동전원의 적정한 전압범위와 부하량에 따른 여자전류의 최소량간의 서로 상충하는 문제로 파워서플라이에서 공급하는 직류전압의 적정값을 설정하는데 어려움이 있다.

더욱이 파워서플라이에서 공급하는 직류전압에 따른 여자전압 및 여자전류량의 측정이 불가능하기 때문에 정확한 셋팅치를 산정하기 어렵다.

이를 해결하고자 본 개발에서는 안정적인 제어 및 제어속도를 향상시키기위해 회전자 전류제어방식을 적용하고 또한, 블루투스 양방향 통신방식을 도입하여 여자전류 및 여자전압, 부제어기 구동전원을 실시간 감시하게 함으로써 최적의 여자전류 및 여자전압을 발전기 계자로 인가하기 위함이며, 상태에 따른 오류등을 발생할 수 있는 부분을 1차적으로 차단하게 함으로써 자기진단 및 정밀제어가 가능하도록 하기 위함이다.

두 번째로는 보조코일을 부제어기 구동전원으로 사용함으로써 오는 문제들을 해결하고자 보조코일을 사용하지 않고 여자기 전기자에서 생성된 여자전압을 정류기를 통해 발전기 계자로 인가하기전 정류기를 거친 직류전압을 부제어기에 포함된 레귤레이터에 의해 어떤 값이던 일정한 전압으로변환한뒤 부제어기의 공급전원으로 사용하게 함으로써 부제어기의 구동전원을 안정화 하고자 한다.

세 번째로는 기존의 회전자 전류제어방식에 있어서 여자기 계자에 일정한 직류값을 공급하는 별도의 파워서플라이를 분리시키지 않고 주제어기에 포함하여 그 기능을 구현함으로써 구성요소의 단순화가 가능하고, 주제어기의 구동전원 또한 직류값을 받아 구동하도록 하여 비선형 파형의 부하 유입에 따른 동작 오류문제를 해결하고자 한다.

마지막으로 본 개발의 또 다른 목적은 GCU(발전기제어유닛)에 최종적으로 여자전류 및 여자전압, 부제어기 구동전원의 상태를 디스플레이하고자 하며, 보호회로를 장착하여 제어상태의 오류 발생시 1차적으로 그 기능을 차단하여 문제발생시 발전기 내부코일을 보호하기 위함이며, 전체적인 시스템의 통합적인 관리를 유기적으로 하고자 한다.

이하 본 발명에 의한 최선의 발명 형태를 상세하게 설명하고자 한다.

도 1은 본 발명에 의한 블루투스 양방향 통신방식의 자기진단 정밀제어 동기발전기의 구성을 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 본 발명에 의한 블루투스 양방향 통신방식의 자기진단 정밀제어 동기발전기의 블럭구성을 나타낸 도면이고, 도 3은 본 발명에 의한 블루투스 양방향 통신방식의 자기진단 정밀제어 동기발전기의 바람직한 일실시예의 회로도를 나타낸다.

도면을 참조하면, 본 발명에 의한 블루투스 양방향 통신방식의 자기진단 정밀제어 동기발전기는 본체(1)에는 주발전기(10)와 여자기(20)가 설치된다.

주발전기(10)는 제1 고정자(11) 및 제1 회전자(13)를 포함한다. 제1 회전자(13)는 본체(1)에 회전 가능하게 설치된 회전축(3)에 고정되어 본체(1)에 고정된 제1 고정자(11)와 자기적으로 결합된다. 제1 고정자(11)로부터 3상 교류출력선들(RSTN)이 외부로 연장된다.

여자기(20)는 제2 고정자(21)와 제2 회전자(23)를 포함한다. 제2 회전자(23)는 회전축(3)에 고정되어 본체(1)에 고정된 제2 고정자(21)와 자기적으로 결합된다.

따라서 제1 회전자(13)와 제2 회전자(23)는 회전축(3)에 고정되어 본체(1)에 회전 가능하게 설치되게 된다. 여기서 도 4에 도시한 바와 같이 주발전기(10)의 고정자(11)와 여자기(20)의 로터(23)가 삼상 Y결선으로 도시되어 있으나, 삼상 델타결선일 수도 있다.

회전축(3)의 후단부에는 부제어기(30)가 고정되고, 부제어기(30)는 제2 회전자(23)로부터 생성된 전류가 제1 회전자(13)의 여자전류로 공급되도록 제어한다. 따라서 부제어기(30)는 회전축(3)에 고정되어 회전축과 함께 회전되므로 본체(1) 외부에 설치된 주제어기(40)와 와이어리스 방식으로 교신하도록 구성되어야 한다.

본 발명에서는 기존의 적외선 단방향 통신방식 대신에 양방향 무선데이터 통신방식, 예컨대 불루투스 통신 프로토콜을 채택함으로써 부제어기(30)의 제어명령 뿐만 아니라 부제어부를 포함하는 회전부의 감시상태 데이터를 주제어기(40)에서 수신하여 보다 적응적이고 정밀한 감시가 가능하도록 구성하고자 하는 것이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 부제어기(30)는 정류부(31), 제2전원부(32), 부제어부(33) 및 스위칭부(34)를 포함한다. 부제어부(33)는 제2무선통신부(33a)와 제어부(33b)를 포함한다. 주제어기(40)는 제1전원부(31), 검출부(42), 제1무선통신부(43), 제어부(44) 및 통신부(45)를 포함한다.

제1전원부(31)는 주발전기(10)의 3상 4선 교류 출력전압을 정류하여 직류전원을 생성한다, 생성된 직류전원은 여자기(20)의 고정자(21) 구동전원으로 공급된다. 이와 같은 여자기 구동전원 공급방식은 그러므로 본 발명에서는 별도의 파워서플라이의 구성 없이 여자기의 계자에 안정된 자속을 유기시킬 수 있게 된다. 그래서 여자기 전기자에 생성된 여자기 전기자 기전력의 최대치를 주발전기 메인 계자에 상황에 따라 양을 조절해가며 제어하는 방식이기 때문에 반응속도가 현저히 차이가 난다고 할 수 있다.

여기서 제1 및 제2 무선통신부들(33a)(43)은 본 발명의 양방향 무선 데이터 통신(50)의 구성으로 예컨대 바람직하기로는 블루투스 통신 프로토콜로 구성될 수 있다. 따라서 본 발명에서는 양방향 무선 데이터 통신(50)을 통하여 주제어기(40)의 제어데이터를 부제어기(30)에 전송하고, 부제어기(30)의 상태데이터를 주제어기(40)에 전송할 수 있다.

그리고 주제어기에서는 모든 선간전압 및 상간전압 R,S,T,N을 모두 센싱하여 제어하기 때문에 불평형 부하에 따른 오류를 최소화 할 수 있다.

GCU(60)는 발전기 제어용 컨트롤러로써 엔진에 대한 상태정보 및 설정값을 벗어났을때 고장요인을 차단하는 역할과 발전기 상태정보 또한 설정값을 벗어났을 때 고장요인을 차단하는 역할을 한다. 그러나 현재 상용화 되어 있는 GCU(60)는 최종적으로 출력되는 발전기 출력전압에 대하여만 판단하며 여자전압 및 여자전류의 제어값에 따른 오류를 판단할 수 없다. 즉 종래의발전기 전압제어 방식은 양방향 통신이 불가능하기 때문에 제어에 따른 상태값을 피드백할 수 없다.

본 발명에서는 주제어기와 GCU(60)의 시리얼 통신연결을 통해 발전기 전압제어시 여자전류 및 여자전압, 부제어기의 구동전원등 상태의 표시가 가능하며, 오류에 따른 보호기능을 추가하여 발전기 전압제어시 일정값 이탈시에 1차적으로 차단이 가능하여 발전기의 내부 코일의 보호가 가능하다.

부제어기(30)는 여자기(20)의 제2 회전자(23)에서 생성 출력되는 교류 전원을 직류 전원으로 변환한 여자전류를 주발전기(10)의 제1 회전자(13)에 공급하고, 주발전기(10) 제1 고정자(11)의 생성 전압이 설정한 크기로 일정하게 유지되어 출력되도록 주발전기(10)의 제1 회전자(13)에 공급하는 여자전류를 제어한다. 부제어부(33)에서는 전류센서(S1)를 통해 주발전기(10)의 제1 회전자(13)에 공급되는 여자전류를 피드백하여, 주발전기(10)의 제1 고정자(11)에서 생성 출력되는 전압을 입력받는 자가진단 기능을 가져 자체적으로 주발전기(10)의 제1 회전자(13)에 안정적인 여자전류가 인가되도록 하고 제1 고정자(11)에서 안정적인 전압이 생성 출력되도록 한다.

부제어기(30)는 도 3에 도시한 바와 같이 여자기(20)의 제1 회전자(23)에서 생성 출력되는 3상 교류를 정류하여 직류전원으로 변환하는 정류부(31)와, 정류부(31)에서 출력되는 전류를 스위칭하는 스위칭부(34)를 구성하는 스위칭소자(Q)와, 스위칭소자(Q)의 스위칭을 제어하는 부제어부(33)와, 스위칭소자(Q)에서 스위칭되어 출력되는 여자전류를 감지하여 부제어부(33)로 전송하는 전류센서(S1)를 포함한다. 부제어부(33)는 양방향 무선데이터 통신 구성을 하는 제2무선통신부(33a)와 제어부(33b)를 포함한다. 제2무선통신부(33a)는 주제어기(40)의 제1무선통신부(43)으로부터 전송된 제어데이터(전류지령치)를 수신하고, 수신된 제어데이터에 응답하여 스위칭소자(Q1)를 PWM 방식으로 스위칭 제어한다. 여기서, 스위칭소자(Q)는 고전압 대전류에 강하고, 스위칭속도가 빠른 IGBT를 사용할 수 있다. 부제어기(30)는 정류부(31)에서 정류된 출력전류로부터 동작직류전압을 얻기 위한 제2전원부(32)를 포함한다.

본 발명에서 제2전원부(32)는 별도의 보조코일을 사용하지 않고 정류부(31)에서 정류된 전류를 직접 입력받아 부제어기(30)의 구동에 필요한 전원, 예컨대 제2무선통신부(33a) 및 제어부(33b)의 동작전압, 예컨대 DC 5V와 PWM 제어 및 상태감시를 위한 센서동작전압, 예컨대 DC 12V 등을 생성하기 위하여 평활용 커패시터 및 전압분배용 저항들 및 커패시터들로 간단히 구성될 수 있다.

제어부(33b)는 스위칭소자(Q1)의 동작상태, 발생된 여자전류의 크기, 정류부(31)의 상태 등을 감지하고 감지된 상태 데이터가 설정된 기준값과 비교하여 이상값으로 체크될 경우에는 제2무선통신부(33a)를 통하여여 주제어기(40)에 송신하여 오류발생을 알리거나 감지된 상태데이터를 실시간으로 전송할 수 있다. 이와 같은 감지상태구성은 예컨대 등록특허 제10-12787929호에 기재된 구성과 동일하게 구성될 수있으므로 구체적인 설명은 생략한다.

주제어기(40)는 주발전기(10)의 제1 고정자(11)에서 생성 출력되는 전압을 검출하고 동기발전기의 설정출력전압(즉, 전압지령치)과 비교하여, 검출된 전압과 설정된 전압과의 차이에 따른 전류지령치 신호를 생성하여 부제어기(30)로 전송하고, 검출된 검압에 따라 제1전원부(41)를 제어하여 전원부(41)가 여자기(20)의 스테이터(21)에 공급하는 여자전류도 제어한다.

주제어기(40)는 주발전기(10)의 제1 고정자(11)에서 생성 출력되는 전원을 구동전원으로 이용하고, 동기발전기 여러 대를 병렬 연결시 발생되는 무효전류를 최소화하기 위해 제1 고정자(11)에 연결되어 무효전류를 검출하는 무효전류검출부와 다른 동기발전기의 주제어기(40)와 동기화를 위한 신호를 송수신하는 시그널단자를 가질 수 있다. 제1 전원부(41)는 여자기(20)의 제2 고정자(21)에 여자전류를 공급하여 제2 고정자(21)를 여자시킨다. 제1 전원부(41)는 주제어기(40)로부터 구동전원을 공급받고, 주제어기(40)의 제어에 의해 여자기(20)의 제2 고정자(21)로 공급하는 여자전류를 조절한다.

그리고 제2 전원부(41)는 여자기(20) 제2 고정자(21)의 발열을 감지하는 온도센서로부터 전송되는 온도 신호에 따라 여자기(20)의 제2 고정자(21)로 공급하는 여자전류를 조절하여, 제2 고정자(21)의 과열에 의해 공급되는 여자전류가 드롭되지 않도록 한다.

제어부(44)는 주제어기(40)를 전체적으로 제어하는 IC칩으로서, 제어부(44)의 기능과 역할은 이하에서 다른 구성요소를 설명하면서 함께 설명한다.

검출부(42)는 주발전기(10)의 제1 고정자(11)에서 생성 출력되는 전압의 세기를 검출한다. 검출부(42)는 제1 고정자(11)에서 출력되는 전압을 강압하는 트랜스와, 트랜스의 출력전압을 필터링하여 노이즈를 제거하는 제1 오피앰프와, 필터링된 아날로그 전압을 옵셋시켜서 디지털 전압으로 변환하여 제어부(44)로 전송하는 제2 오피앰프를 포함하여 이루어진다.

제어부(44)는 검출부(42)가 검출한 출력전압을 연산 처리하여 평균값을 추출하고, 추출된 출력전압과 기설정된 전압 지령치와 비교하고, 비교결과에 따른 검출 전압과 설정 전압 지령치의 차에 따른 전류 지령치를 제어 데이터로 생성하여 제1 무선통신부(43)를 통해서 부제어기(30)의 제2 무선통신부(33a)으로 송신한다.

또한 검출부(42)는 주발전기(10)의 제1 고정자(11)에서 출력되는 전압의 주파수를 검출한다. 주파수검출은 비교기로 구성되어 출력되는 교류 전압에 대응하는 구형파를 발생하여 제어부(44)에 제공한다.

제어부(44)는 입력되는 구형파의 상승 에지마다 외부인터럽트를 발생시키고 카운트하여 주파수를 검출하고, 검출된 주파수가 기준치를 벗어나는 때, 즉, 제1 회전자(13)가 허용범위를 벗어나 고속도 또는 저속도를 회전할 때는 제1 전원부(41)를 제어하여 제1 회전자(13)의 회전속도를 조절하거나 제1 회전자(13)의 회전이 멈추도록 하여 보호한다.

제어부(44)는 제1무선통신부(43)을 통하여 부제어기(30)로부터 상태 데이터가 수신되면 수신된 상태 데이터에 따라 응답하여 통신부(45)를 통하여 GCU(60)에 상태 데이터를 디스플레이하거나 오류발생 등과 같은 이상상태 발생시에는 대응하는 알람 제어를 실행한다.

그러므로 제어지령 및 제어상태를 피드백하여 실시간으로 제어에 따른 상태 및 오류에 따른 진단을 빠르게 함으로써 발전기에 줄 수 있는 피해를 최소화 할 수 있다.

도 4는 본 발명에 의한 브러시리스 동기 발전기의 주제어기의 동작을 설명하기 위한 바람직한 일실시예의 흐름도이고, 도 5는 본 발명에 의한 브러시리스 동기 발전기의 부제어기의 동작을 설명하기 위한 바람직한 일실시예의 흐름도이다.

도면을 참조하면, 주제어기(40)는 검출부(42)를 통해 출력전압의 크기 및 주파수를 검출되면(S10) 검출된 전압 및 주파수를 제어부(44)에서 분석하여 그에 상응하는 제어데이터를 생성한다(S12). 생성된 제어 데이터는 제1 무선통신부(43)을 통하여 부제어기(30)로 송신된다(S16). 한편 제어부(44)에서는 S10단계에서 데이터 수신이 검출되면(S20) 수신된 상태 데이터를 분석하고(S22), 분석된 결과에 상응하는 상태 디스플레이 정보를 생성하여 통신부(45)를 통해서 GCU(60)에 송신하여 분석된 상태를 디스플레이 제어한다(S24). S12 및 S22단계에서 이상 징후가 검출될 경우에는 시스템 동작을 즉시 중지시키고(S18) 종료한다.

부제어기(30)는 센서를 통해 상태신호가 입력되면(S30) 제어부(33b)에서는 대응하는 상태 데이터를 생성하고(S32), 생성된 상태 데이터는 제2 무선통신부(33a)을 통하여 주제어기(40)로 송신된다(S34). 한편 제어부(33b)에서는 S30단계에서 데이터 수신이 검출되면(S38) 수신된 제어 데이터의 지령을 실행한다(S40). 제어부(33b)에서는 S30 및 S40단계에서 이상 징후가 검출되거나 중지 지령이 수신되면 시스템 동작을 즉시 중지시키고(S36) 종료한다.

참고로, 본 발명은 발전기를 주대상으로 하고 있지만, 발전기와 유사한 구조를 갖는 전동기(예;모터)에도 본 발명에 따른 기술사상이 그대로 적용될 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 기술사상이 그대로 적용된 전동기도 본 발명의 권리범위에 포함된다고 할 것이다.

1 ; 본체 3 ; 회전축
10 ; 주발전기 11 ; 제1 고정자
13 ; 제1 회전자 20 ; 여자기
21 ; 제2 고정자 23 ; 제2 회전자
30 ; 부제어기 31 ; 정류부
32 ; 제2 전원부 33 ; 부제어부
33a ; 제2무선통신부 33b ; 제어부
34 ; 스위칭부 40 ; 주제어기
41 ; 제1 전원부 42 ; 검출부
43 ; 제1무선통신부 44 ; 제어부
45 ; 통신부 50 ; 양방향 무선데이터 통신
60 ; GCU

Claims

제1 회전자(13)와 제1 고정자(11)를 가진 주 발전기(10)와, 제2 회전자와 제2 고정자를 가지고 상기 제1 회전자에 공급되는 여자전류를 생성하는 여자기(20)와, 상기 제1 회전자(13) 및 제2 회전자(23)와 일체로 형성되고, 수신된 제어 데이터에 응답하여 상기 제1 회전자(13)에 공급되는 여자전류의 크기를 제어하고, 상태 데이터를 생성하여 송신하는 양방향 무선 데이터통신기반 부제어기(30)와, 상기 주 발전기(10)의 모든 출력전압들을 입력하고, 입력된 주 발전기(10)의 전압으로부터 직류전원을 생성하여 상기 제2고정자(21)의 구동전원으로 공급하고, 생성된 제어 데이터를 상기 부제어기(30)로 송신하고, 상기 부제어기(30)로부터 송신된 상태 데이터를 수신하는 양방향 무선 데이터통신기반 주제어기(40)와, 상기 주제어기(40)에서 수신받은 상태 데이터를 디스플레이하고, 상태 데이터에 의거한 오류 발생시에 보호기능을 수행하는 발전기 제어 유닛(60)를 구비하고,
상기 부제어기(30)는
상기 여자기(20)의 제2 회전자(23)의 출력전류를 정류하는 정류부(31);
상기 제1 회전자(13)에 여자전류를 공급하기 위하여 상기 정류부(31)의 출력전류를 스위칭하는 스위칭부(34);
제어 데이터를 수신하고 상태 데이터를 송신하는 제2 무선통신부(33a); 및
상기 정류부(31)의 출력전류로부터 동작전압을 얻고, 상기 수신된 제어 데이터에 응답하여 상기 스위칭부(34)의 스위칭 동작을 제어하고, 상기 스위칭 제어상태를 감시한 상태 데이터를 상기 주제어기(40)에 송신하는 제어부(33)를 구비하고,
상기 주제어기(40)는 제1전원부(41);
제1고정자(11)에서 출력되는 전압의 세기 및 주파수를 검출하는 검출부(42);
상기 제2무선통신부(33a)에 제어 데이터를 송신하고 상기 제2무선통신부(33a)로부터 상태 데이터를 수신하는 제1무선통신부(43);
상기 제1무선통신부를 통해 수신된 상태 데이터를 송신하는 통신부(45); 및
검출된 주파수가 기준치를 벗어나는 때, 즉, 제1 회전자(13)가 허용범위를 벗어나 고속도 또는 저속도를 회전할 때는 상기 제1 전원부(41)를 제어하여 제1 회전자(13)의 회전속도를 조절하거나 제1 회전자(13)의 회전이 멈추도록 하여 제어하고, 통신부(45)를 통하여 발전기 제어유닛(60)에 상태 데이터를 디스플레이하거나 오류발생 등과 같은 이상상태 발생시에는 대응하는 알람 제어를 실행하는 제어부(44)를 구비한 블루투스 양방향 통신방식의 자기진단 정밀제어 동기 발전기.
제1항에 있어서, 상기 주제어기 및 부제어기의 양방향 무선 데이터통신 프로토콜은 블루투스 통신 프로토콜인 블루투스 양방향 통신방식의 자기진단 정밀제어 동기 발전기.
제1항에 있어서, 상기 주제어기는 별도의 파워서플라이 없이 상기 여자기의 제2고정자에 직류전원을 입력하는 블루투스 양방향 통신방식의 자기진단 정밀제어 동기 발전기.
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