[논문]고효율 영구자석 여자기 구조의 발전기 설계와 전압제어

조영준; 이동희

doi:10.5370/kiee.2016.65.11.1827

고효율 영구자석 여자기 구조의 발전기 설계와 전압제어
A Design and Voltage Control of a High Efficiency Generator with PM Exciter 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.65 no.11, 2016년, pp.1827 - 1834

조영준 (Dept. of Mechatronics Engineering, Kyungsung University) , 이동희 (Dept. of Mechatronics Engineering, Kyungsung University)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents a high efficient generator with PM(Permanent Magnet) exciter. The proposed PM exciter for the generator can produce a linear output voltage according to the engine speed. This output voltage is directly used to control the field current of the generator to adjust the generator output voltage. In the proposed generator system, since the field winding current can be supplied by the PM exciter, the generator can self-start without any battery or an external power supply due to the low residential flux. Furthermore, the operating efficiency of the generator is higher than a conventional winding exciter. The main problem of the proposed generator system, the field winding current controller has to be embedded inside the generator, and it rotates according to the generator shaft. In this paper, the proper embedded current controller is designed for the proposed generator system. Due to the embedded controller cannot be connected to the outside the generator controller, the measured instantaneous output voltage of the generator is transferred by the photo isolated communication using shaft aligned infrared transmitter and receiver to keep the constant generator output voltage. In this paper, 10kW, 380V engine generator with PM exciter and the embedded DAVR(Digital Automatic Voltage Regulator) are described. The proposed high efficiency generator is simulated and tested to verify the effectiveness.

주제어

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문제 정의

본 논문에서는 10kW, 380V 출력의 엔진구동 발전기에서 발전기의 계자제어를 위한 영구자석 여자기를 설계하고, 발전기 내부에서 회전체에 부착되어 발전기의 계자전류를 제어하는 EDAVR(Embedded Digital AVR)를 제안하고 있다. 제안된 영구자석 여자기는 10kW~900kW의 발전기에 적용이 가능하도록 코어를 설계하여 다양한 발전기에 적용이 가능하도록 설계하였으며, 본 논문에서는 코일의 턴수를 조절하여 10 kW 발전기의 계자전류 제어에 적합하도록 설계하였다.
본 논문에서는 발전기의 효율개선과 응답특성 개선을 위하여 영구자석 여자기형 발전기를 설계하였으며, 제안된 발전기를 제어하기 위한 EDAVR를 설계하여 그 특성을 시험하였다. 제안된 발전기는 발전기 후단부에 발전기의 계자전류를 제어하기 위한 전원으로 영구자석 여자기를 사용하였으며, 영구자석 여자기는 엔진의 속도에 따라 일정한 발전전압이 발생하여 발전기의 계자전류 제어 전원으로 사용하기 매우 적합하다.
제안된 영구자석 여자기 발전기의 성능을 검증하기 위하여 실험을 수행하였다. 그림 7은 본 논문에서 설계된 발전기의 실험 환경을 나타내고 있다.

제안 방법

발전기의 내부 제어기는 발전기의 계자전류를 제어하기 위해, 여자기의 출력전압을 직류 링크단 전압으로 변경하기 위해 다이오드 정류기와 커패시터로 구성하고, 계자전류를 제어하는 전력변환부는 2개의 IGBT로 병렬 제어하도록 구성하였다. 10[kW] 발전기의 경우에는 계자전류가 낮아서 하나의 IGBT로 제어가 가능하지만, 대용량의 발전기에 대응하기 위해서 계자전류 제어 범위가 100[A]까지 가능하도록 설계하였다. 주 제어기는 TI(Texas Instrument)사의 TMS320F28052로 구성하였는데, 이는 외부 제어기에서 수신하는 지령전류와, 내부 데이터의 모니터링을 위해 별도의 무선 통신부를 구성하기 위해, SCI(Serial Communication Interface) 채널이 많은 프로세서로 설계하였다.
계자전류를 제어하기 위한 지령전압은 PI 제어기로 구성하였으며, 지령전압은 외부 제어기로부터 수신된 지령전류 I_fg^*와 발전기 내부에서 검출된 계자전류 I_fg와의 오차로부터 다음과 같이 계산된다.
무선 통신의 경우에는 양방향 통신이 가능하지만, 무선통신 데이터 전송의 프로토콜에 따라서 통신 시간지연이 발생하므로, 발전기 제어의 응답성 개선의 장점을 기대하기 어렵고, 제어기의 시스템 구성이 매우 복잡해지는 단점이 있다. 따라서, 일반적으로 구현할 수 있는 적외선 통신으로 2바이트의 지령 전류만을 송신함으로써, 내부의 EDAVR(Embedded Digital AVR)에서 발전기의 계자전류를 직접 제어하는 방식을 적용하였다. 적용된 방식은 발전기 내부의 데이터를 외부로 전송하지 못하는 단방향 방식이지만, 구현이 간단하고 시간지연이 거의 발생하지 않는 장점이 있다.
제안된 시스템에서 외부 제어기와 발전기의 회전체에 설치된 EDAVR 사이에 적외선 통신은 매우 중요하므로, 적외선 통신의 안정성을 위하여 높은 출력의 적외선 송신이 가능하도록 하였으며, 계자전류 지령치의 전송에서 오류 검출 비트를 포함하여 내부 제어기에서 수신된 계자전류 지령치에 오류가 발생하지 않도록 설계하였다. 또한, 순간적인 데이터의 오류 발생에서 발전기의 출력전압이 변동하지 않도록, 계자전류 제어 주파수보다, 빠른 데이터 통신을 사용함으로써 1~2회의 데이터 통신 오류에도 안정적인 발전기의 전압 제어가 가능하도록 설계하였다.
발전기의 계자전류는 Alegromicrosystmes사의 ACS758로 제어기상에서 0~100[A]의 전류를 직접 검출하도록 하였으며, 여자기의 출력전압은 제어기에서 검출하여 계자전류를 제어하는 계자전압을 발생하기 위해 PWM(Pulse Width Modulation) 방식으로 발전기의 계자전류를 제어하도록 구성하였다.
외부제어기는 발전기의 모델에 따라, 무부하 계자전류와 최대 계자전류와의 범위내에서 발전기의 전압을 제어하기 위한 지령전류 #를 안티와인드업 PI 제어기로 구성하였다. 발전기의 내부 제어기는 발전기의 계자전류를 제어하기 위해, 여자기의 출력전압을 직류 링크단 전압으로 변경하기 위해 다이오드 정류기와 커패시터로 구성하고, 계자전류를 제어하는 전력변환부는 2개의 IGBT로 병렬 제어하도록 구성하였다. 10[kW] 발전기의 경우에는 계자전류가 낮아서 하나의 IGBT로 제어가 가능하지만, 대용량의 발전기에 대응하기 위해서 계자전류 제어 범위가 100[A]까지 가능하도록 설계하였다.
본 논문에서 설계된 여자기는 10kW에서 900kW의 발전기에 공용으로 대응할 수 있도록 고정자와 회전자 코어를 설계하여, 고정자의 코어와 회전자의 코어는 공용으로 사용하고, 고정자의 영구자석은 용량에 따라 영구자석의 병렬개수를 스택의 길이에 맞추어 변경할 수 있도록 하였으며, 회전자의 턴-수는 발전기의 용량에 따라 수정 할 수 있도록 설계하였다. 이는 발전기의 용량에 따라 모든 여자기를 별도로 설계하여 적용하는 것이 성능과 효율측면에서는 유리하나, 설계 후 적용단계에서 양산성이 매우 떨어지기 때문에 가장 수요가 많은 중대형(250~750 kW)를 기준으로 여자기의 코어를 설계하여 적용하기 때문이다.
표 1은 발전기와 여자기의 설계 사양을 나타내고 있으며, 발전기의 프레임은 기존에 사용하고 있는 소형 발전기의 고정자 및 회전자 프레임을 사용하여 설계하였고, 여자기는 발전기의 계자전류를 공급하기 위해 정격속도의 65%에서 제어가 가능하도록 사양을 구성하였다. 여자기의 출력은 엔진의 정격속도 1800[rpm]에서 135[V]의 출력전압이 발생하도록 설계하였다. 발전기 내부의 제어기는 85[V] 이상의 입력전압에 대하여 동작하게 되므로, 발전기가 정격속도의 약 63% 이상에서 구동하게 된다.
제안된 EDAVR의 제어기는 TI(Texas Instruments)사의 TMS320F28052를 사용하였고, 0~100[A]의 전류 검출이 가능한 전류센서와 2개의 IGBT를 병렬회로로 구성한 발전기 계자전류 제어기로 설계하였다. 여자기의 출력전압은 직류로 변환하였을 때, 리플이 크기 않기 때문에 직류링크단 커패시터는 330[㎌] 커패시터를 사용하여 설계하였다.
그림 6에서 발전기의 제어기는 발전기의 전압을 검출하여 발전기 계자전류 지령을 발생하는 외부제어기와 여자기의 출력전압을 직류로 변환하여 발전기의 내부에서 계자전류를 직접제어하는 내부제어기(EDAVR)로 구성되어 있으며, 두 제어기 간에는 단방향으로 적외선 통신에 의해 지령이 전송된다. 외부제어기는 발전기의 모델에 따라, 무부하 계자전류와 최대 계자전류와의 범위내에서 발전기의 전압을 제어하기 위한 지령전류 #를 안티와인드업 PI 제어기로 구성하였다. 발전기의 내부 제어기는 발전기의 계자전류를 제어하기 위해, 여자기의 출력전압을 직류 링크단 전압으로 변경하기 위해 다이오드 정류기와 커패시터로 구성하고, 계자전류를 제어하는 전력변환부는 2개의 IGBT로 병렬 제어하도록 구성하였다.
이때, 내부 제어기의 회전 중심축에는 적외선 수신부가 구성되어 발전기의 고정자 중심부에 설치된 적외선 송신부에서 발전기 외부에서 검출된 발전전압과 제어량을 적외선 송신부를 통해서 송신하면, 중심축에 일치된 수신부에서 수신하여 내부 제어기에서 발전기의 계자전류를 제어하게 된다. 적외선 통신이 실패하게 되면, 발전기의 출력에 따른 지령 정보가 전달되지 않기 때문에, 발전기의 보호를 위해서, 최소 전류를 제어하도록 하였으며, 적외선 통신이 원활하게 이루어 질 수 있도록 기구적으로 적외선의 방사각과 수신각을 고려하여 설계하였다.
제안된 고효율 발전기 제어 시스템의 유효성을 검증하기 위하여, FEM 해석과 컴퓨터 시뮬레이션 및 발전기 구동 실험을 수행하였다.
간단한 무선통신을 위해서 회전축의 중심에서 일치하는 적외선 송신부와 수신부에 의해 발전기 출력전압을 제어하기 위한 계자지령전류를 전송하고, EDAVR은 회전하면서, 송신된 계자 지령 전류를 수신하여, 내부에서 발전기의 계자전류를 제어하게 된다. 제안된 시스템에서 외부 제어기와 발전기의 회전체에 설치된 EDAVR 사이에 적외선 통신은 매우 중요하므로, 적외선 통신의 안정성을 위하여 높은 출력의 적외선 송신이 가능하도록 하였으며, 계자전류 지령치의 전송에서 오류 검출 비트를 포함하여 내부 제어기에서 수신된 계자전류 지령치에 오류가 발생하지 않도록 설계하였다. 또한, 순간적인 데이터의 오류 발생에서 발전기의 출력전압이 변동하지 않도록, 계자전류 제어 주파수보다, 빠른 데이터 통신을 사용함으로써 1~2회의 데이터 통신 오류에도 안정적인 발전기의 전압 제어가 가능하도록 설계하였다.
본 논문에서는 10kW, 380V 출력의 엔진구동 발전기에서 발전기의 계자제어를 위한 영구자석 여자기를 설계하고, 발전기 내부에서 회전체에 부착되어 발전기의 계자전류를 제어하는 EDAVR(Embedded Digital AVR)를 제안하고 있다. 제안된 영구자석 여자기는 10kW~900kW의 발전기에 적용이 가능하도록 코어를 설계하여 다양한 발전기에 적용이 가능하도록 설계하였으며, 본 논문에서는 코일의 턴수를 조절하여 10 kW 발전기의 계자전류 제어에 적합하도록 설계하였다. 여자기의 출력전압은 설계된 EDAVR 제어기에서 직류전압으로 변환되어, 발전기의 계자권선에 흐르는 계자전류를 직접 제어하게 된다.
제어기의 제어전원은 여자기의 출력으로부터 생성되며, 이를 위해 SMPS가 적용되었는데, 내부 제어기가 정상적으로 기동하기 위해서는 85[V] 이상의 여자기 출력이 요구되며, 초기 기동상태에서는 내부 제어기가 동작하지 않고, SMPS 출력이 전력변환부의 게이트 구동전압 이상이 되고, 여자기 출력에 의한 직류 링크단 전압이 120[V] 이상이 되었을 때, 제어상태로 변환되어 발전기의 계자전류를 제어하도록 설계하였다.
표 1은 발전기와 여자기의 설계 사양을 나타내고 있으며, 발전기의 프레임은 기존에 사용하고 있는 소형 발전기의 고정자 및 회전자 프레임을 사용하여 설계하였고, 여자기는 발전기의 계자전류를 공급하기 위해 정격속도의 65%에서 제어가 가능하도록 사양을 구성하였다. 여자기의 출력은 엔진의 정격속도 1800[rpm]에서 135[V]의 출력전압이 발생하도록 설계하였다.
여자기의 출력전압은 설계된 EDAVR 제어기에서 직류전압으로 변환되어, 발전기의 계자권선에 흐르는 계자전류를 직접 제어하게 된다. 회전체에 부착된 EDAVR의 신뢰성을 위하여 회전체에 원형 가이드를 설계하여 적용하였다. 또한, 발전기의 외부에서 검출된 전압에 의한 계자전류 제어 지령은 무선통신에 의해 내부 제어기로 전달된다.

대상 데이터

그림 8은 본 논문에서 설계된 EDAVR을 나타내고 있다. 제안된 EDAVR의 제어기는 TI(Texas Instruments)사의 TMS320F28052를 사용하였고, 0~100[A]의 전류 검출이 가능한 전류센서와 2개의 IGBT를 병렬회로로 구성한 발전기 계자전류 제어기로 설계하였다. 여자기의 출력전압은 직류로 변환하였을 때, 리플이 크기 않기 때문에 직류링크단 커패시터는 330[㎌] 커패시터를 사용하여 설계하였다.

성능/효과

그림 12는 제안된 발전기 시스템의 부하에 따른 실측효율 및 출력전압 변동률을 나타내고 있다. 실험에서 출력전압은 부하 변동에도 380[V]를 유지하고 있으며, 여자기를 포함한 전체효율은 85.2%로 기존의 권선형 여자기 시스템에 비해 약 2~5% 정도로 높게 나타나고 있다.
본 논문에서는 발전기의 효율개선과 응답특성 개선을 위하여 영구자석 여자기형 발전기를 설계하였으며, 제안된 발전기를 제어하기 위한 EDAVR를 설계하여 그 특성을 시험하였다. 제안된 발전기는 발전기 후단부에 발전기의 계자전류를 제어하기 위한 전원으로 영구자석 여자기를 사용하였으며, 영구자석 여자기는 엔진의 속도에 따라 일정한 발전전압이 발생하여 발전기의 계자전류 제어 전원으로 사용하기 매우 적합하다. 또한, 발전기의 초기 기동을 위한 별도의 전원이나 배터리가 필요하지 않으며, 권선형 여자기의 효율보다 매우 높아 전체 발전기의 효율이 개선되는 장점이 있다.
또한, 발전기의 초기 기동을 위한 별도의 전원이나 배터리가 필요하지 않으며, 권선형 여자기의 효율보다 매우 높아 전체 발전기의 효율이 개선되는 장점이 있다. 제안된 발전기의 실험에서 발전기의 여자기는 96%의 효율이고, 여자기를 포함한 전체 발전기 시스템의 효율은 85.2%로 동작하였으며, 75%의 급속 부하 변동에 대하여 45[ms] 이내의 과도시간과 7%이내의 순간 전압 변동률로 매우 높은 안정성을 나타내었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	영구자석 여자기를 사용하는 경우에 장점은 무엇인가?	이에 비하여, 영구자석 여자기를 사용하는 경우에는 여자기의 계자권선에서 발생하는 손실이 없고, 여자기의 출력전압은 발전기의 운전 속도에 따라 일정하게 발생하게 되므로, 초기 기동에서 엔진의 구동에 따라, 여자기의 출력 전압을 직접적으로 발전기의 계자전류원으로 사용할 수 있으므로, 발전기의 낮은 잔류자속으로 인한 초기 기동에서의 실패가 없고, 이로 인하여 별도의 배터리 등에 의한 기동 전원이 불필요한 장점이 있다. 또한, 발전기의 출력전압 제어를 위한 발전기 계자 전류의 제어가 여자기의 출력전압의 PWM(Pulse Width Modulation) 제어를 통해 직접 이루어지므로, 발전기의 출력전압 응답이 매우 빠르고 이로 인하여 부하 변동에 대한 응답성이 개선되는 장점이 있다. 하지만, 영구자석 여자기를 사용하게 되면, 발전기의 전압 제어를 위한 계자전류 제어부가 발전기 내부에 설치되어야 하고, 이로 인하여 계자전류 제어부가 발전기와 같이 회전하게 되므로, 발전기의 전압을 측정하여, 계자전류 제어를 수행하는 제어기의 설계가 매우 어려워지는 단점이 있다.
	발전기의 출력전압은 무엇에 의해 결정되는가?	발전기의 출력전압은 발전기의 계자전류에 의한 계자자속과 회전속도 및 발전기의 출력 부하에 의해 결정되는데, 발전기의 회전속도는 출력전압의 주파수와 직접적인 연관이 있기 때문에 엔진의 회전수를 제어하기 위한 조속기(Governor)를 통해서 엔진의 속도를 제어하게 된다[1-4]. 기존의 발전기는 발전기의 계자전류를 제어하기 위해서, 권선형 여자기로 발전된 전압을 발전기의 계자권선으로 공급하는 구조를 적용하여 초기 발전기의 기동에서 발전기의 잔류자속이 낮아서 자기동이 되지 않는 경우에는 외부에 연결된 배터리로부터 권선형 여자기를 구동하여 이를 통해 발전기를 자기동 시키게 된다.
	권선형 여자기를 사용하는 시스템에서는 자기동을 위해서는 비상용 배터리를 같이 사용하게 되고, 배터리의 관리와 유지보수 문제가 항상 발생할 수 있는 이유는?	발전기의 출력전압은 발전기의 계자전류에 의한 계자자속과 회전속도 및 발전기의 출력 부하에 의해 결정되는데, 발전기의 회전속도는 출력전압의 주파수와 직접적인 연관이 있기 때문에 엔진의 회전수를 제어하기 위한 조속기(Governor)를 통해서 엔진의 속도를 제어하게 된다[1-4]. 기존의 발전기는 발전기의 계자전류를 제어하기 위해서, 권선형 여자기로 발전된 전압을 발전기의 계자권선으로 공급하는 구조를 적용하여 초기 발전기의 기동에서 발전기의 잔류자속이 낮아서 자기동이 되지 않는 경우에는 외부에 연결된 배터리로부터 권선형 여자기를 구동하여 이를 통해 발전기를 자기동 시키게 된다. 따라서, 권선형 여자기를 사용하는 시스템에서는 자기동을 위해서는 비상용 배터리를 같이 사용하게 되고, 배터리의 관리와 유지보수 문제가 항상 발생할 수 있다.

참고문헌 (7)

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상세보기
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상세보기
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용어 설명 출처 목록 (6)

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