시동 발전기 시스템
제1도는 종래 기술의 가변속도가 일정한 주파수 출력 시스템을 도시한 블록 선도. 제2도는 본 발명의 바람직한 실시에 있어서 부분적으로 볼록선도 형태를 도시한 개략도. 제3도는 본 발명에 사용하도록 설계된 발전기 부분에 대한 횡단면도. * 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 10 : 발전기 16 : 정류기 30 : 회전자 32 : 고정자 34 : 원동기 36 : 3상 여자기 전기자 권선 38 :주계자 권선 42 : 분포 교류 여자기 계자 권선 44 : 분포 직류 여자기 계자 권선 46 : 콘버어터 70 : 제어부 76 : 전력원
본 발명은 동기식 다이나모 일렉트릭 머신(dynamoelectric machines)를 구비하는 전력 발생시스템에 관한 것으로서, 구체적으로 말하자면 이러한 머신이 별도의 원동기와 결합해서 시동기 및 발전기로서 동작되게 하는 권선 배열 및 시스템 구성소자에 관한 것이다. 항공 전력 발생 시스템에 있어서 상기 시스템은 시동기와 발전기 기능을 제공하는 단일 시스템을 구비한 것이 바람직하다. 현재 항공기 엔진은 전동기의 시동기나 머신을 제공한 가스 터빈에 의해 보통 시동된다. 비용과 중량을 감소하기 위해 항공기 엔진은 엔진 시동동안 전동기로서 항공기 발전기를 사용한 것이 바람직하여 엔진시동에 제공한 머신를 제거한다. 가변속도 일정 주파수(VSCF) 전력 발생 시스템은 보통 항공기 응용을 위해 사용된다. 상기 시스템에서 항공기 엔진은 가변속도에서 발전기를 구동하고 가변 주파수 발전기 출력을 생성한다. 그후 이런 출력은 일정 주파수 출력으로 변환된다. VSCF 시스템의 한가지 형태에서 가변 속도 발전기의 출력은 한쌍의 직류링크 도선에 직류 전력을 공급하는데 정류된다. 인버어터 회로는 링크 도선으로부터 직류 전력을 받고 일정한 주파수의 교류출력을 생성한다. 직류 VSCF 시스템의 본래 단순함과 신뢰도가 설정되었고 시동기 능력을 제공하기 위해 현존하는 설계를 수정하는 것이 바람직하다. 엔진 시동을 위해 상기 시스템을 사용하는데 변환기(정류기-인버어터 결합)은 지상 전력이나 다론 온 보오드 항공기 전력 시스템이 변환기를 위해 다상 일정 주파수 전력을 공급한다. 그후 상기 변환기를 위해 다상 일정 주파수 전력을 공급한다. 그후 상기 변환기가 요구한 가변 주파수와 전동기로서 발전기를 작동하기 위해 발전기의 주 종단에 다상 전력을 공급하여 변환기에 의해서 바람직한 속도까지 엔진을 구동한다. 엔진이 점화하거나 무부하속도에 도달한후 동기식 머신는 항공기에 전력을 공급하기 위한 발전기로서 재결합하고 작동한다. 발전기 작동에 다른 변환을 갖는 전동기로서 동기식 다이나모 일렉트릭 머신을 작동하는데 머신의 여자에 대해 많은 문제를 유도할 수 있다. 처음 전동기 작동 경우에 머신의 주 회전 계자는 0[rpm]에서 전속을 공급하는데 여기되어야만 한다. 상기 전속은 토오크를 공급하도록 주고정자 권선 전류와 상호 작용을 한다. 통상 항공기 발전기는 회전계자 권선을 갖는다. 전동기로서 작동하기 위한 발전기 경우와 충분한 토오크를 공급하는 것이 0[rpm]으로부터 항공기 엔진을 가동할 수 있으며 회전 계자가 0[rpm] 및 그 이상으로부터 완전히 여기되지 않으면 안된다. 0[rpm]에서 오직 변압기 작용만이 회전 계자에 여자를 공급할 수 있다. 시동기와 발전기처럼 다이나모 일렉트릭 머신을 사용하는 수많은 시스템은 설계되었고 그러한 시스템의 예는 미합중국 특허 제3,809,914호, 제3,908,130호, 제3,908,161호, 제3 ,937,974호, 제4.093,869호, 제4,330,743호 및 4,481,459호에 기재되어 있다. 본 발명의 목적은 동기식 다이나모 일렉트릭 머신이 현존하는 VSCF 시스템 하드웨어의 오직 미소한 수정과 함께 직류 링크 VSCF 전력 시스템과 결합해서 시동기와 발전기로서 작동하게끔 특별한 여자기 고정자 권선 배치를 포함하는 동기식 다이나모 일렉트릭 머신에 시동 발전기 시스템을 제공한 것이다. 상기 목적을 달성하기 위해서 본 발명은 고정자와 상기 고정자에 대해 회전하기 위해 설치되는 회전자를 갖는 다이나모 일렉트릭 머신, 주계자 권선, 여자기 전기자 권선 및 상기 여자기 전기자 권선에서 상기 주계자 권선을 위해 직류 여자를 제공하는데까지 출력을 정류하기 위한 다수의 정류기를 구비하며, 상기 주계자 권선, 여자기 전기자 권선 및 상기 회전자를 갖고 정류기가 회전하기 위해 설치되며 주 전기자 권선이 상기 고정자에 설치되고 동시에 상기 주계자 권선에 자기적으로 결합하며 가변 전압 및 가변주파수 전력 변환기는 입력과 출력을 갖으며 상기 가변전압과 상기 다이나모 일렉트릭 머신이 전동기로서 작동할때 가변 주파수 전력 변환기의 출력을 상기 주 전기가 권선에 교호적으로 연결하고 상기 가변 전압과 상기 다이나모 일렉� �릭 머신이 발전기로서 작동할때 가변 주파수 전력 변환기의 입력에 상기 주 전기자 권선을 연결하기 위한 제 1스위칭 수단을 구비하는 시동 발전기 시스템에 있어서, 상기 고정자상에 설치한 분포 교류 여자기계자 권선과 상기 고정자상에 설치한 분포 직류 여자기 계자 권선을 구비하여 상기 여자기 전기자 권선에 상기 교류 및 직류 여자기 계자 권선이 자기적으로 결합되고 상기 가변전압 및 상기 다이나모 일렉트릭 머신 전동기로서 작동할때 가변 주파수 전력 변환기의 입력에 전력을 교호적으로 공급하는 상기 제 1스위칭 수단, 상기 다이나모 일렉트릭 머신이 전동기로서 작동할때 상기 교류 여자기 계자 권선에 외부 교류 전력을 공급하기 위한 제 2스위칭 수단 및 상기 다이나모 일렉트릭 머신이 발전기로서 작동할때 상기 직류 여자기 계자 권선 에 외부 직류 전력을 공급하기 위한 제 3스위칭 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 시동 발전기 시스템에 제공하는 것이다. 상기 발명에서 발전기가 0[rpm]에서 고정자 전동기로서 작동할때 상기 주 회전 계자 여자는 여자기 계자 고정자 권선 및 여자기 전기자 권선사이 변압기 작동으로 공급된다. 상기 주 교류 고정자 권선이 전동기 작동을 위해 가변 전방 및 가변 주파수 전력 변환기에 의해 구동된다. 전동기 작동동안 여자기 계자에 전달하게 되는 상기 여자 [VA]가 발전기 작동을 위해 여자기 계자에 전달하게 되는 여자보다 크다. 상기 머신이 전동기처럼 작동될때 외부 전력원이 가변 전압과 가변 주파수 전력 변환기의 입력에 연결된다. 그후 상기 변환기로부터 출력이 상기 머신의 주 전기가 권선에 가변 전압과 가변 주파수 전력을 공급한다. 동시에 상기 여자기 계자 권선이 외부 전력원, 보통 일정한 주파수 및 일정한 전압에 의해 공급된다. 상기 머신이 발전기 작동을 위해 연결될때 상기 주 전기가 권선이 가변 전압과 가변 주파수 출력 변환기의 입력에 연결되고 동시에 직류 전력은 직류 여자기 계자 권선에 공급된다. 그후 가변 전압과 가변 주파수 전력 변환기가 그자체 출력에서 일정한 전압과 일정한 주파수 출력을 공급한다. 이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하고자 합니다. 도면을 참조하면 제1도는 발전기(10)가 원동력 즉 예를들면 축(12)를 경유해서 항공기 엔진에 의해 추진된 것을 포함하는 종래 기술 VSCF의 블록선도이다. 상기 발전기는 라인(18)상에 직류 전압을 생산하기 위해 정류기(16)에 의해 정류된 라인(1 4)상에 가변 주파수 출력을 생성한다. 다수 인버어터 스위치(20)은 라인(24)상에 일정한 주파수 출력을 발생하기 위해 드라이브 회로(22)에 의해 가동된다. 제어회로는 마이크로 프로세스 제어(26)을 구비하고 조절기(28)은 라인(24)상에 일정한 주파수 출력을 모니터하며 인버어터 스위치의 스위칭 패턴을 제어한다. 상기 조절기는 라인(24)상에 교류 출력을 조절하기 위해 발전기 여자기 권선의 여자를 제어한다. 제2도는 본 발명의 한가지 실시에서 부분적으로 블록 선도 형태를 도시한 개략 선도이다. 다이나모 일렉트릭 머신은 회전자(30) 및 여자 단면(32a)과 주단면(32b)을 갖는 고정자로 구성한다. 상기 회전자는 고정자에 대해서 회전하기 위해 설치되고 원동기(34) 즉 예를들면 항공기 엔진으로부터 축(33)을 경유해서 가동된다. 상기 회전자는 3상 여자기 전기가 권선(36)과 주 계자 권선(38) 및 직류 여자를 주 계자 권선(38)에 공급하기 위해 여자 전기자 권선(36)의 출력을 정류하기 위한 수단으로서 제공하는 다이오드 브리지(40)를 지지한다. 여자 고정자 단면(32a)은 여자 전기자 권선(36)에 자기적으로 결합한 2개 여자 계자 권선을 운송한다. 제 1여자 계자 권선(42)은 다이나모 일렉트릭 머신이 전동기로서 작동할때 사용되어진 다상 교류 여자 계자 권선이다. 제 2여자 계자 권선(44)은 직류 여자 계자 권선이고 다이나모 일렉트릭 머신이 발전기로서 작동할때 사용되어진다. 가변 전압 및 가변 주파수 전력 콘버어터(46)은 제1도의(16,20,22,26,28)을 포함한다. 전력 콘버어터(46)은 다수입력라인(48,50,52)과 다수 출력라인(54,56,58)을 연결한다. 스위치(60)은 다이나모 일렉트릭 머신의 주 전기자권선 (62)과 교류 전력 버스(64)을 전력 콘버어터(46)에 교호적으로 연결한다. 스위치(68)은 전력 콘버어터(46)의 입력을 교류 전력 버스(64)나 주 전기자 권선(62)에 선택해서 연결한다. 전동기 작동중에 교류 전력 버스(64)은 지상전력 장치이나 다른 온 보오드 항공기 전기 시스템에 의해서 공급되고 스위치(66)을 경유해서 다상 여자기 전기자 권선(42)에 공급하며 또한 전력이 스위치(68)을 경유해서 전력 콘버어터(46)의 입력에 공급한다. 전력 콘버어터(46)은 참조한 미합중국 특허 제4,574,340호에서 기재한 것처럼 일정한 전압을 주파수율 출력에 제시하기 위해 설계되었다. 원동기 엔진이 점화하거나 무부하속도에 도달할때 제어부(70)은 회전자속도에 응하기 쉽고 위치감지기(72)은 주 전기자 권선(62)이 전력 콘버어터(46)의 입력 라인에 연결되게끔 선택적인 위치에 개구 스위치(66) 및 이동스위치(60,68)을 수동으로 작동한다. 동시에 스위치(74)은 직류 여자기 계자 권선(44)이 직류 전력원(76)으로부터 직류 전력을 받기 위해서 폐쇄된다. 이런 직류 전력원은 예를들면 다이나모 일렉트릭 머신과 분리 직류 전력원을 구비하는데 설치되는 완전한 영구 자기 발전기이다. 3상 전력은 엔진을 가동하는 동안 3상 주 전기가 권선을 응용하는 장치이다. 이것은 전속으로 주파수나 주 전기자 권선(62)의 다수 전극을 응용해서 의존하는 속도에서 고정자에 대해 회전하도록 한다. 동시에 여자기 전기자 권선(36)의 교류 출력은 심지어 0[rpm]에서 여자를 회전 주 계자 권선(38)에 공급하기 위해 정상방법에서 회전 정류기에 의해 직류 여자기 계자 권선(42)의 직류 여자가 정류되므로써 유도된다. 본 발명의 바람직한 실시에서 일정한 주파수(항공기 시스템을 위해 항상 400[㎐])와 일정한 전압 여자가 교류 여자기 계자 권선(42)을 공급한다. 이러한 교류 여자는 전진하거나 축회전에 관한 역상 시퀀스를 가질 수 있다. 장점과 단점은 시퀀스 선택으로부터 발생한다. 그러므로 만약 전지 시퀀스가 선택한다면 회전 계자 권선에 대한 여자는 축속도가 증가함으로써 감소하며 그러나 여자기에서 개선한 전동기 토오크는 주 머신에 의해 개선된 토오크를 보조한다. 마찬가지로 만약 반대 시퀀스 여자가 여자기 계자 권선(42)에 공급된다면 회전 계자 권선(38)을 위한 여자가 축속도를 갖으며 증가하고 여자기 토오크는 반대 주 머신 토오크이다. 그러므로 권선을 위해서 여자기 여자상 시퀀스의 선택은 임의대로 한다. 특별한 시퀀스는 제시한 출원에서 특별한 머신 설계를 위해 가장 좋은 장점을 발견한다 . 마찬가지로 다수의 여자기 전극은 임의로 선택하여 머신의 엔진 가동 특성에 영향을 미친다. 전극의 보통 선택은 2개 혹은 4개로 여겨진다. 정상적인 발전기 작동을 할 경우에 직류 여자는 항공기 무브터쉬 발전기에서 사용한 정상 여자기처럼 분리 직류 여자기 고정자 권선(44)을 공급한다. 그러나 항공기 무브러쉬 발전기에서 보통 볼수 있는 것처럼 철극구조대신 본 발명의 직류 권선(44) 분포 권선을 형상하기 위해 여자기 고정자 구조속에 감긴다. 이것은 본 발명에 따라서 제조된 다이나모 일렉트릭 머신의 여자기 단면에서 부분적인 횡단면적을 도시한 제3도를 예시했다. 여자기 고정자는 다수 동일하게 배치한 슬롯(78)이 구비된 것을 볼 수 있다. 각각 상기 슬롯은 다수 상 여자기 계자 권선(42)과 직류 여자기 계자 권선(44)의 도체를 포함한다. 그러나 몇가지 설계에서 직류 여자기 계자 권선은 모든 슬롯을 채우지 못한다. 75[KVa] 다이나모 일렉트릭 머신의 개략도는 개선된 본 발명에 따라 조립되어진다. 이런 설계는 3상, 120[V], 400[㎐] 전력이 다상 교류 여자기 계자 권선을 여자하기 위해 이용한다고 여겨지며 그러한 여자기가 단위당 2회 과부하 정상 발전기 작동을 위해 요구한 것처럼 0[rpm]에서 회전 계자에 동일한 전력을 받아야 하며 이런 경우에 4,800[W]이다. 또 다르게 여겨진 설계 조건은 직류 여자기 계자 권선의 여자가 직류 8[A]와 직류 80[V]을 초과하지 못한 것이다. 이런 가설상에 기존 발전기 설계가 여자기 고정자 철극계자 구조를 이동하거나 제3도에서 제시한 것처럼 분포여자기 계자 권선과 3상 교류 여자기 계자 권선을 받기 위해서 다수의 동일한 공간 길이방향 슬롯을 형성하기 위해 배치된 다수 차단을 포함하는 많은 슬룻 천공과 함께 대체함으로써 수정될 수 있다. 이런 수정은 5.44에서 6.156인치까지 증가한 모든 직경을 초래한다. 상기 고정자 큰 두께는 0.73에서 0.9까지 증가하고 본래 8개 전극을 갖는 여자기는 4개 전극으로 변한다. 총머신 중량은 약 16%차로 증가한다. 과부하 동안 발전기 작동을 위해서 최대 직류 여자기 계자 여자는 450[W]가 되게 계산한다. 전동기 가동을 위해서 직류 여자기 계자 여자는 0[rpm]에서 9.14[KVa]이다. 상기 계산했던 도면의 여자기 부분 명세서는 45개 슬롯을 갖는 전기자(회전자)를 포함한다. 단일 통로, 0.057 인치 전선의 3상층 권선이 60°상 벨트와 45개 슬롯을 통해 감는다. 히퍼코(50)철 회전자 천공은 3.88인치의 외경과 2.25인치의 내경 및 0.9인치의 적폭을 갖는다. 허퍼코는 팬실베니아 리딩에 소재하는 카펜터 테크노리지 코오포레이숀의 등록상표이다. 고정자는 6.156인치의. 외부직경, 0.9인치의 적폭 및 36개 슬롯을 갖는다. 고정자에 회전자 단일 공기 캡이 0.018인치이다. 엔진 시동 권선은 3상이고 12개 도체당 슬롯과 9개 슬롯을 가진 0.051인치 권선의 교류 권선을 연결한 Y자형이다. 발전기 작동을 위한 직류 권선은 64개 도체당 슬롯과 2, 3, 4, 6, 8, 11, 12등 슬롯에서 감는 0.0285인치 전선의 분포 및 집중권선이다. 본 도면에서 직류 권선이 없다면 그리고 정상 발전기 작동이라면 주의해야 한다. 직류 권선은 직류 전류(어떤 권선 결합에서 예를들면 오직 상 A만이, 상 A는 상 B와 직렬로, 상 A가 평행 상태에서 상 B 혹은 상 C와 직렬로)를 갖는 교류를 여자하기 위해 시도하는데 교류 직류 여자 전류는 과잉상태이다. 마찬가지로 3상 교류 권선이 없다면 그리고 엔진 시동동안이라면 120[V] 혹은 208[V], 400[㎐], 단상을 갖는 직류 권선을 여자하기 위해 시도하며 전동기 작동을 위해 요구한 계자를 제공하는데 불완전한 여자이다. 그러므로 2개 여자기 고정자 권선은 엔진 가동과 정상 발전기 작동 방식을 위해 여자 조건을 접한다. 상기 여자 계자 권선은 직류 여자기 계자 권선과 일련 결합에서 사용된다. 엔진 시동동안 상대적으로 높은 교류 전압은(예를들면 상기 도면에서 가능한 825[V])직류 여자가 계자권선 내에서 발생한다. 상기 전압은 총 권선의 단부 사이에서 볼 수 있다. 상기 권선은 2개 전극 권선이 다른 두개 전극 권선에 대하여 파괴하거나 재결합된다. 상기 경우에 임의의 2점 사이에서 발견된 최대 전압은 예를 든 직류 여자기 계자 권선이 413[V]이다. 본 발명은 바람직한 실시라고 믿는 견지에서 기술되었고 또한 본 발명은 여러 변화가 발명의 범위를 벗어남이 없도록 상기 기술에서 능숙하다. 첨부한 특허청구범위는 그러한 변화를 포함하고자 한다. |
