[논문]소형 풍력 발전용 스위치드 릴럭턴스 발전기의 설계

신혜웅; 이교범

doi:10.5370/kiee.2015.64.3.405

소형 풍력 발전용 스위치드 릴럭턴스 발전기의 설계
Design of a Switched Reluctance Generator for Small Wind Power Systems 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.64 no.3, 2015년, pp.405 - 410

신혜웅 (Dept. of Electrical and Computer Engineering, Ajou University) , 이교범 (Dept. of Electrical and Computer Engineering, Ajou University)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper deals with the design method of 1kW-Switched Reluctance Generator (SRG) for wind power applications. The coefficient of the output equation is determined according to the purpose specification for design of SRG. Detailed design is carried out, after selecting the outer diameter of the rotor on the basis of the output equation. The generation characteristic of designed generator is verified by using Finite Element Method (FEM).

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 1kW급 소형 풍력 발전 시스템을 위한 4상 스위치드 릴럭턴스 발전기의 설계에 대하여 다룬다. 스위치드 릴럭턴스 발전기의 회전자 외경과 적층 길이는 출력계수와 D²L법을이용하여 결정한다.
본 논문은 풍력 발전용 1kW급 4상 소형 스위치드 릴럭턴스 발전기의 설계를 제안하였다. 출력 방정식은 D²L법을 적용하여 계산되었으며, 자세한 치수는 회전자의 외경이 결정된 뒤 설계되었다.

제안 방법

는 자속 밀도이다. 기본 설계는 위에서 설명한 절차를 거쳐 수행하며, 설계결과는 유한요소 해석법을 이용하여 설계 목표사양에 맞는 특성이 도출되는지 확인한다.
그림 8은 동특성 해석 시 정격부하에서의 출력 전압특성 및 출력 전류 특성을 나타낸다. 동특성 해석은 스위치의 턴-온, 턴오프 각을 설정하고, 정격 속도에서 확인한다. 이때에 DC 전원공급기를 사용한다는 조건하에 35V의 여자전압이 인가되어 출력 전압이 형성된다.
그림 2는 설계한 4상 스위치드 릴럭턴스 발전기의 동특성 해석 수행을 위한 비대칭 브릿지 컨버터를 나타낸다. 설계 결과는 유한요소 해석법을 이용해 정격속도에서 발전특성을 확인하고, 상전류와 토크는 정격 부하에서 DC 전압을 인가 후 확인한다.
정격 부하에서 1kW를 출력하기 위해서 정격속도에서 여자 전류를 인가했을 때 회전자와 고정자 코어가 포화되지 않도록 설계를 수행한다. 이러한 과정을 거쳐 설계한 스위치드 릴럭턴스 발전기는 유한요소 해석법을 이용하여 그 특성을 해석하고, 이를 통해 실험결과와 비교하여 설계한 스위치드 릴럭턴스 발전기의 타당성을 검증한다.
스위치드 릴럭턴스 발전기의 회전자 외경과 적층 길이는 출력계수와 D²L법을이용하여 결정한다. 적층 길이, 고정자 외경, 그리고 극호길이에 따라 슬롯 면적을 결정하여 고정자 코일의 직경 및 턴 수를 선정한다. 정격 부하에서 1kW를 출력하기 위해서 정격속도에서 여자 전류를 인가했을 때 회전자와 고정자 코어가 포화되지 않도록 설계를 수행한다.
전기적 입력과 기계적 입력은 정격용량인 1kW에 맞는 6.15Ω과 여자전압 35V를 설정하여 확인하였다.
인덕턴스는 낮은 전류가 인가될수록 인덕턴스 기울기가 크게 형성되고, 토크는 높은 전류가 인가될수록 큰 토크가 발생된다. 전류 및 토크의 크기는 이러한 상관관계를 고려하여 목표사양에 맞게 설계한다. 각 전류에 따른 토크의 크기는 0.
적층 길이, 고정자 외경, 그리고 극호길이에 따라 슬롯 면적을 결정하여 고정자 코일의 직경 및 턴 수를 선정한다. 정격 부하에서 1kW를 출력하기 위해서 정격속도에서 여자 전류를 인가했을 때 회전자와 고정자 코어가 포화되지 않도록 설계를 수행한다. 이러한 과정을 거쳐 설계한 스위치드 릴럭턴스 발전기는 유한요소 해석법을 이용하여 그 특성을 해석하고, 이를 통해 실험결과와 비교하여 설계한 스위치드 릴럭턴스 발전기의 타당성을 검증한다.

대상 데이터

공극은 회전자 외경과 적층길이로부터 결정되며, 작으면 작을수록 누설자속이 적어 성능이 우수해지지만, 제작 시 작은 공극을 일정하게 유지하는 것이 어려운 작업이므로 너무 작은 공극은 선정될 수 없다. 따라서 공극은 회전자 외경과 적층길이를 고려하여 0.2 mm로 선정하였다. 또한 고정자 직경과 극에 따라 경험적으로 고정자의 극호각이 결정된다.

데이터처리

출력 방정식은 D²L법을 적용하여 계산되었으며, 자세한 치수는 회전자의 외경이 결정된 뒤 설계되었다. 설계된 스위치드 릴럭턴스 발전기의 정특성 및 동특성 해석은 유한요소 해석법을 이용하여 수행되었으며, 설계한 스위치드 릴럭턴스 발전기의 타당성은 실험을 통해 확인하여 검증하였다.
제안한 스위치드 릴럭턴스 발전기가 원하는 목표사양에 만족하는 결과를 얻었는지 확인하기 위해, 특성 해석 및 검증은 유한요소 해석법을 이용하여 수행한다. 그림 5는 설계한 스위치드 릴럭턴스 발전기의 형상과 설계 시 주요 파라미터를 나타낸다.

이론/모형

본 논문에서는 1kW급 소형 풍력 발전 시스템을 위한 4상 스위치드 릴럭턴스 발전기의 설계에 대하여 다룬다. 스위치드 릴럭턴스 발전기의 회전자 외경과 적층 길이는 출력계수와 D²L법을이용하여 결정한다. 적층 길이, 고정자 외경, 그리고 극호길이에 따라 슬롯 면적을 결정하여 고정자 코일의 직경 및 턴 수를 선정한다.
본 논문은 풍력 발전용 1kW급 4상 소형 스위치드 릴럭턴스 발전기의 설계를 제안하였다. 출력 방정식은 D²L법을 적용하여 계산되었으며, 자세한 치수는 회전자의 외경이 결정된 뒤 설계되었다. 설계된 스위치드 릴럭턴스 발전기의 정특성 및 동특성 해석은 유한요소 해석법을 이용하여 수행되었으며, 설계한 스위치드 릴럭턴스 발전기의 타당성은 실험을 통해 확인하여 검증하였다.

성능/효과

그 후에 45°인 θoff위치에서 스위치를 턴-오프시켜, 생성된 자속과 역기전력이 더해져 최대 발전 전류가 생성되도록 하였고, 이로 인해 정격 전압이 형성되는 것을 확인하였다.
56Nm로 확인되었다. 따라서 정특성 해석 결과로 기계적 입력은 1000.61W가 되므로, 설계한 스위치드 릴럭턴스 발전기의 정격출력은 1kW가 될 것으로 예상된다.
그림 11(b)는 A상과 B상의 상전류 특성을 나타낸다. 상에 인가되는 전류와 발전되는 전류에 따라서 출력 전압 80.4V와 출력 전류 12.8A가 나타나는 것을 확인하였다. 실험 결과 시뮬레이션과 SRG 특성이 유사하게 나타나는 것을 확인 하였다.
총 입력에 따라 발전되는 출력을 확인하였을 때, 발전기가 1kW로 동작하는 것을 확인하였다. 시뮬레이션 효율은 81.98%로 나타났고, 실험을 수행했을 때의 효율은 81%로 유사한 결과가 나타나, 4상 1kW급 스위치드 릴럭턴스 발전기가 목표사양에 만족하도록 설계되었다.
8A가 나타나는 것을 확인하였다. 실험 결과 시뮬레이션과 SRG 특성이 유사하게 나타나는 것을 확인 하였다.
그림 7(b)는 빨간 선 부분을 지나는 자속밀도를 확인한 결과이다. 이 결과 자속 밀도가 최대 1.2T로 나타났으며, 스위치드 릴럭턴스 발전기는 자속이 포화되지 않는 범위에서 안정적으로 동작한다는 것을 알 수 있다.
2Nm의 차이를 보이고 있다. 제안한 스위치드 릴럭턴스 발전기의 정격 전류는 13A이며, 이때에 인덕턴스는 35.94mH이고, 토크는 9.56Nm로 확인되었다. 따라서 정특성 해석 결과로 기계적 입력은 1000.
15Ω과 여자전압 35V를 설정하여 확인하였다. 총 입력에 따라 발전되는 출력을 확인하였을 때, 발전기가 1kW로 동작하는 것을 확인하였다. 시뮬레이션 효율은 81.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	유도 발전기의 특징은 무엇인가?	풍력 발전 시스템에서 기계 에너지를 전기 에너지로 변환해주는 발전기는 대부분 1MW 이상의 대용량이며, 이중여자 권선형 유도 발전기와 영구자석형 발전기가 주로 사용되고 있다[5]. 유도 발전기는 효율이 비교적 낮으며, 영구자석형 발전기는 회전자를 구성하는 희토류의 종류에 따라서 그 성능과 가격이 결정된다. 이러한 단점을 보완하기 위해 희토류가 사용되지 않고 회전자의 형상으로 발생하는 토크를 활용하는 스위치드 릴럭턴스 발전기가 연구되고 있다[6].
	스위치드 릴럭턴스 발전기의 장점은 무엇인가?	스위치드 릴럭턴스 발전기는 최근 전력용 반도체를 이용한 드라이브의 응용성이 커졌고, 높은 효율성, 빠른 응답성, 낮은 회전자손실, 내열성, 견고성, 낮은 제작비 등의 장점들을 지닌다. 또한 전력변환시스템에 사용되는 소자수가 적고, 넓은 범위의 가변속 운전이 가능한 장점이 있어서 많은 연구가 진행되고 있다[7-8].
	대도시를 중심으로 소·중 용량(20kW정도) 풍력 발전기의 수요가 증가하고 있는 이유는 무엇인가?	최근 대도시를 중심으로 증가하고 있는 초고층 건물에 적용하기 위한 단독 발전 또는 배터리 시스템용 소·중 용량(20kW정도) 풍력 발전기의 수요가 증가하고 있다. 일반 건물에 비하여 에너지 소비량과 온실가스 배출량이 많다는 문제점이 있는 초고층 건물의 경우, 고밀도의 풍력에너지를 활용할 수 있기 때문에 선진국을 중심으로 소형 풍력 발전 시스템을 적용하려는 연구가 꾸준히 진행되고 있다[3]. 또한 소형 풍력 발전 시스템은 전력 계통으로부터 분리된 외딴 섬과 산촌에서 그 필요성 또한 부각되고 있으며 이를 활용하기 위한 시도가 진행되고 있다[4].

참고문헌 (9)

H. G. Jeong and K. B. Lee, “Power Electronics Technique in Wind Power Systems,” Hantee Media, 2014.
I. J. Kim and J. Y. Choi, "Design and Analysis of Direct-Coupled, Small-Scaled Permanent Magnet Generator for Wind Power Application," Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, Vol. 28, No. 5 pp. 39~51, 2014.

원문보기 상세보기
Y. H. Park, J. H. Park, J. C. Park, and E. K. Rhee, "A Study on the Application of Small Wind Turbine System in Super High-rise Building," Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering, Vol. 25, No. 4, pp.187-193, 2013.

원문보기 상세보기
J. Chen, C. V. Nayar, and L. Xu, “Design and Finite-Element Analysis of an Outer-Rotor Permanent-Magnet Generator for Directly Coupled Wind Turbines,” IEEE Transactions on Magnetics. Vol. 36, No. 5, pp.3802-3809, Sept. 2000.

상세보기
N. Yamamura, M. Ishida, and T. Hori, “A Simple Wind Power Generating System with Permanent Magnet Type Synchronous Generator,” IEEE PEDS'99, pp. 849-854, Jul. 1999.
M. A. Mueller, "Design of low speed switched reluctance machines for wind energy converters," In Ninth International Conference on Electrical Machines and Drives. pp. 60-64, 1999.
V. Nasirian, S. Kaboli, and A. Davoudi, “Output Power Maximization and Optimal Symmetric Freewheeling Excitation for Switched Reluctance Generators,” IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 49, No. 3, May/June 2013.

상세보기
R. Cardenas, R. Pena, M. Perez, J. Clare, G. Asher, and P. Wheeler, “Control of a Switched Reluctance Generator for Variable-Speed Wind Energy Applications,” IEEE Transactions on Energy Conversion, Vol. 20, No. 4, Dec. 2005.

상세보기
R. Krishnan, "Switched Reluctance Motor Drives", Modeling, Simulation, Analysis, Design, and Applications, 2001.

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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