[논문]교류 발전기용 하이브리드 자동 전압 조정기 개발

양근호

교류 발전기용 하이브리드 자동 전압 조정기 개발
Development of Hybrid AVR for Alternator 원문보기

信號處理·시스템學會論文誌 = Journal of the institute of signal processing and systems, v.16 no.4, 2015년, pp.182 - 188

초록
AI-Helper

아날로그 AVR은 부하의 변동에 따라 전압이 비정상상태가 되었다가 다시 정상상태로 돌아가는데 걸리는 시간이 빠른 장점이 있다. 하지만 아날로그 AVR은 부하 변동에 따른 전압변동이 크다는 문제가 있다. 디지털 AVR의 전압변동률은 매우 안정적이지만, 불안정상태에서 안정한 정상상태로 회복하는데 걸리는 시간인 시정수가 아날로그 AVR에 비해 매우 길다. 따라서 부하변동이 매우 큰 상황에서 불안정한 출력성능을 나타낸다. 본 논문에서는 두 AVR의 혼합된 형태를 가지며 빠른 시정수와 안정된 전압조정 능력을 갖는 하이브리드 AVR을 제안한다. 개발된 하이브리드 AVR의 경우 부하에 따른 전압 변동이 1[%] 이내로 안정적이며, 전압 안정률도 개선되었다. 또한 아날로그 AVR 수준의 빠른 시정수를 나타내었다. 따라서 본 연구를 통해서 개발된 하이브리드 AVR은 산업현장에서 다양한 용도의 전원공급장치로 활용될 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

An analog AVR has an advantage of short time constant, time to revert again from the abnormal state to a stable one depending on the voltage fluctuations of the load. But the Analog AVR has a disadvantage of large voltage variation according to the load fluctuation. Voltage regulation for digital AVR is very stable, but the time constant is very long compared to that of an analog AVR. Therefore, it indicates that the digital AVR shows unstable output performance in a very large load variations. In this paper, a mixed form of an analog AVR and a digital AVR is proposed. An implemented hybrid AVR has fast time constant and stable voltage regulation capability. Hybrid AVR voltage variations in the load is stable within 1[%] and the voltage stability is also improved. It also showed fast time constant to the level of the analog AVR. Thus hybrid AVR developed in this paper can be used as a power supply for a variety of uses in industry.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

따라서 디지털 AVR이 장착된 발전기를 산업용 전원 공급 장치로 이용할 경우에는 이러한 임펄스와 같은 급격한 전압변동을 고려해야 한다. 따라서 본 논문에서는 부하 변동 시 이를 보완하는 하이브리드 AVR을 개발한다. 아날로그 AVR의 전압변동률이 산업용 전원변동률의 범위 내에 있으며, 시정수가 짧은 장점과 부하의 변동에 전압강하가 발생하는 단점을 보완하는 기능을 가지도록 하였다.
본 논문은 동기식 발전기의 출력 전압을 제어하는 하이브리드 자동전압조정기(AVR)을 제안하였다. 아날로그 AVR은 전압조정 시간은 짧으나 전압변동률이 큰 단점이 있으며, 디지털 AVR의 경우에는 제어 응답이 늦은 위상제어 정류기를 사용하기 때문에 출력전압 제어 성능이 저하되는 단점이 있었다.
소형 휴대용 발전기 시장에서 판매량의 대부분을 차지하고 있는 AVR 타입의 교류발전기에 대한 것으로써 내연기관에 의해 발생된 기계적인 동력을 전기에너지로 변환하는 핵심부품인 교류발전기와 AVR의 성능을 개선하기 위한 하이브리드 자동전압조정기를 개발한다.
아날로그 AVR의 단점이 부하에 따른 부하전압의 강하로 야기되는 단점을 보완하고, 디지털 AVR에서 발생하는 부하의 급변에 대한 늦은 시정수의 문제점을 개선하기 위해서 하이브리드형의 AVR을 개발하고 이의 성능을 평가하였다. 성능평가를 위해서 동체는 이미 개발하여 사용하고 있는 교류발전기로 한정하며, 아날로그 AVR과 하이브리드 AVR의 성능을 비교․평가하며, 성능 평가지표로는 전압변동률과 고조파비 그리고 시정수를 이용한다.

제안 방법

이것은 아날로그 AVR의 제어 방법과 동일하다. 그러나 부하량의 증가에 따라 부하전압이 감소하는 단점을 보완하기 위해서 보상용 Tr을 이용하여 부하가 증가함에 따라 부하전압이 감소하는 것을 보상하도록 제어한다. 이때 보상하는 방법은 다음과 같이 수행한다.
센서권선에서 전압을 전파정류하고 이를 필터를 통해서 리플을 제거하여 고조파가 제거된 전압으로 변환한다. 그리고 제너 다이오드를 이용하여 센서 전압을 클리핑(clipping) 하여 스위칭 펄스를 생성하여 계자권선에 전류를 인가한다. 이의 예를 그림 2에 나타내었다.
발생된 왜곡으로 인해서 부하가 증가함에 따라 센서전압의 진폭에 변화가 발생하여 정격부하에 적응하는 파워 FET의 정확한 구동이 어려워지는 문제가 발생하며, 부하의 실효값이 감소한다. 따라서 본 논문에서는 센서 전압을 A/D 변환하여 제어기에서 실효값을 계산하도록 하였으며, 식 (1)에 나타낸 실효값이 220 V보다 낮거나 높을 경우에 보상용 Tr을 이용하여 센서신호 전압을 증감하고, 이로 인해서 계자권선에 인가되는 펄스폭을 가변하여 부하의 변동에도 일정 전압이 공급되도록 한다.
또 센서권선에서 출력되는 신호전압을 전파정류하여 부하의 변동을 감지하는 전압 클리퍼를 이용하여 파워 스위칭 소자를 구동하도록 한다. 이것은 아날로그 AVR의 제어 방법과 동일하다.
그림 6은 엔진을 사용한 발전기 실험장치 구성도이다. 먼저 교류발전기와 AVR을 결합하여 부하에 따른 AVR 특성 실험을 하였다. 부하별 전압, 전류 그리고 고조파 등을 측정하기 위하여 전력분석계 등 각종 측정장치를 부하단에 연결하였으며, 이들로부터 측정된 데이터를 컴퓨터에 저장하도록 하였다.
발전기에 정격 또는 최대출력부하가 인가되었을 때의 전압 변동률, 주파수 변동률 및 고조파 등의 변화과정을 시뮬레이션과 데이터분석뿐만 아니라 시제품을 제작하여 실험한 결과와 함께 비교, 분석한다.
먼저 교류발전기와 AVR을 결합하여 부하에 따른 AVR 특성 실험을 하였다. 부하별 전압, 전류 그리고 고조파 등을 측정하기 위하여 전력분석계 등 각종 측정장치를 부하단에 연결하였으며, 이들로부터 측정된 데이터를 컴퓨터에 저장하도록 하였다. 컴퓨터에 저장된 데이터 실험결과를 분석하는데 활용하며, 그림 7은 가솔린 발전기를 사용한 실험장면을 보인 것이다.
아날로그 AVR의 단점이 부하에 따른 부하전압의 강하로 야기되는 단점을 보완하고, 디지털 AVR에서 발생하는 부하의 급변에 대한 늦은 시정수의 문제점을 개선하기 위해서 하이브리드형의 AVR을 개발하고 이의 성능을 평가하였다. 성능평가를 위해서 동체는 이미 개발하여 사용하고 있는 교류발전기로 한정하며, 아날로그 AVR과 하이브리드 AVR의 성능을 비교․평가하며, 성능 평가지표로는 전압변동률과 고조파비 그리고 시정수를 이용한다. 여기서 시정수는 부하가 급변할 때에 정상전압에 도달하는 시간을 의미한다.
따라서 본 논문에서는 부하 변동 시 이를 보완하는 하이브리드 AVR을 개발한다. 아날로그 AVR의 전압변동률이 산업용 전원변동률의 범위 내에 있으며, 시정수가 짧은 장점과 부하의 변동에 전압강하가 발생하는 단점을 보완하는 기능을 가지도록 하였다.
지금까지 아날로그 AVR과 본 연구에서 제안한 하이브리드 형의 AVR을 교류발전기에 결합하여 시정수와 전압 변동률, 그리고 고조파 비를 성능 평가 지표로 평가했다. 실험 결과 아날로그 AVR의 장점인 시정수가 빠르다는 점, 그러나 부하가 증가할 때에 부하에 따른 출력 전압이 강하하는 단점, 그리고 디지털 AVR의 단점인 시정수가 늦다는 점을 보완한 하이브리드 AVR의 실험결과, 아날로그 AVR의 장점과 디지털 AVR의 장점을 모두 갖추는 특성을 보인 것으로 판단된다.
그림 5에 보인 것처럼 계자권선에 전류를 공급하기 위한 여자용 전압은 교류발전기 내의 여자권선에서 출력되는 전압을 전파정류하고, 이를 평활회로를 거쳐서 직류로 변환된다. 직류 여자전압을 스위칭 소자인 파워 Tr를 이용하여 제어기에서 센서전압의 실효값에 따라 계자권선의 전류를 제어하여 부하의 변동에 관계없이 일정한 부하가 공급되도록 제어한다.

이론/모형

보상을 위한 방법으로는 PID(Proportional Integral Differential) 제어를 활용하였다[7-10]. 디지털 AVR에서 외부부하에 적응하는 제어 방법으로 일반적으로 PID제어를 이용한다.

성능/효과

또한 그림 10(c)는 하이브리드 AVR의 무부하에서 부하를 인가할 때의 시정수와 전압변동폭을 보인 것이며, (d)은 6[kw] 부하 인가상태에서 부하를 차단했을 때의 변화를 보인 것이다. 그림 10(c)는 (a)에 비하여 전압 변동폭이 적고, 목표전압에 빠르고 안정적으로 수렴하며, 목표전압에 수렴하는 지연시간, 즉 시정수가 아날로그 AVR에 비하여 하이브리드 AVR이 적게 나타남을 보여주고 있다. 또한 그림 10(d)는 (b)에 비하여 전압의 변동폭이 적고 목표전압에 안정적으로 수렴되고 있음을 보여주고 있다.
실험 결과 아날로그 AVR의 장점인 시정수가 빠르다는 점, 그러나 부하가 증가할 때에 부하에 따른 출력 전압이 강하하는 단점, 그리고 디지털 AVR의 단점인 시정수가 늦다는 점을 보완한 하이브리드 AVR의 실험결과, 아날로그 AVR의 장점과 디지털 AVR의 장점을 모두 갖추는 특성을 보인 것으로 판단된다. 따라서 개발된 하이브리드 형의 AVR을 교류발전기에 연결하여 산업용 전원발생장치로 활용하는데 적합하다.
또한 그림 10(d)는 (b)에 비하여 전압의 변동폭이 적고 목표전압에 안정적으로 수렴되고 있음을 보여주고 있다. 따라서 아날로그 AVR에 비하여 제안한 하이브리드 AVR은 그림 10에서 보인 바와 같이 부하의 변화에 대하여 전압변동폭이 적고 빠른 시간 내에 안정적으로 목표전압에 수렴하고 있음을 확인할 수 있었다. 특히 부하 인가상태에서 부하를 차단하였을 때 아날로그 AVR은 그림 10(b)와 같이 목표전압으로 수렴하지 않고 목표전압보다 상승된 결과 전압을 출력하고 있다.
지금까지 아날로그 AVR과 본 연구에서 제안한 하이브리드 형의 AVR을 교류발전기에 결합하여 시정수와 전압 변동률, 그리고 고조파 비를 성능 평가 지표로 평가했다. 실험 결과 아날로그 AVR의 장점인 시정수가 빠르다는 점, 그러나 부하가 증가할 때에 부하에 따른 출력 전압이 강하하는 단점, 그리고 디지털 AVR의 단점인 시정수가 늦다는 점을 보완한 하이브리드 AVR의 실험결과, 아날로그 AVR의 장점과 디지털 AVR의 장점을 모두 갖추는 특성을 보인 것으로 판단된다. 따라서 개발된 하이브리드 형의 AVR을 교류발전기에 연결하여 산업용 전원발생장치로 활용하는데 적합하다.
아날로그 AVR은 전압조정 시간은 짧으나 전압변동률이 큰 단점이 있으며, 디지털 AVR의 경우에는 제어 응답이 늦은 위상제어 정류기를 사용하기 때문에 출력전압 제어 성능이 저하되는 단점이 있었다. 제안된 하이브리드 AVR은 아날로그 AVR의 응답특성이 빠른 장점과 디지털 AVR의 안정된 출력전압의 장점을 모두 갖추는 특성을 보였으며, 산업용으로 적용이 가능하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	아날로그 AVR의 장점은?	아날로그 AVR은 부하의 변동에 따라 전압이 비정상상태가 되었다가 다시 정상상태로 돌아가는데 걸리는 시간이 빠른 장점이 있다. 하지만 아날로그 AVR은 부하 변동에 따른 전압변동이 크다는 문제가 있다.
	디지털 AVR이 부하변동이 매우 큰 상황에서 불안정한 출력성능을 나타내는 이유는 무엇인가?	하지만 아날로그 AVR은 부하 변동에 따른 전압변동이 크다는 문제가 있다. 디지털 AVR의 전압변동률은 매우 안정적이지만, 불안정상태에서 안정한 정상상태로 회복하는데 걸리는 시간인 시정수가 아날로그 AVR에 비해 매우 길다. 따라서 부하변동이 매우 큰 상황에서 불안정한 출력성능을 나타낸다.
	센서전압은 부하가 증가함에 따라 고조파에 의해 왜곡이 발생하는데, 발생된 왜곡으로 인해 발생하는 문제점은?	센서전압은 부하가 증가함에 따라 고조파에 의해 왜곡이 발생한다. 발생된 왜곡으로 인해서 부하가 증가함에 따라 센서전압의 진폭에 변화가 발생하여 정격부하에 적응하는 파워 FET의 정확한 구동이 어려워지는 문제가 발생하며, 부하의 실효값이 감소한다. 따라서 본 논문에서는 센서 전압을 A/D 변환하여 제어기에서 실효값을 계산하도록 하였으며, 식 (1)에 나타낸 실효값이 220 V보다 낮거나 높을 경우에 보상용 Tr을 이용하여 센서신호 전압을 증감하고, 이로 인해서 계자권선에 인가되는 펄스폭을 가변하여 부하의 변동에도 일정 전압이 공급되도록 한다.

참고문헌 (10)

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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