KR101496715B1

KR101496715B1 - System for super conducting electric power generation

Info

Publication number: KR101496715B1
Application number: KR20130099003A
Authority: KR
Inventors: 고경진; 박진수; 김철희
Original assignee: 두산엔진주식회사
Priority date: 2013-08-21
Filing date: 2013-08-21
Publication date: 2015-03-04
Anticipated expiration: 2033-08-21

Abstract

본 발명의 실시예는 초전도 발전 시스템에 관한 것으로, 본 발명의 실시예에 따른 초전도 발전 시스템은 보빈 플레이트와 상기 보빈 플레이트에 권선된 초전도 코일 그리고 보빈 플레이트의 일측에 배치된 초전도 자석을 포함하는 초전도 계자가 형성된 회전자와, 상기 회전자를 둘러싸며 전기자가 형성된 고정자를 포함하는 초전도 발전기와, 교류 전원을 생성하는 여자기와, 상기 여자기가 발생시킨 교류 전원을 상기 초전도 발전기의 초전도 계자에 공급할 직류 전원으로 변환하는 정류기, 그리고 상기 정류기를 통해 변환된 직류 전원을 상기 초전도 계자를 제어하는 데 필요한 직류 전압의 크기로 변환하는 변환기를 포함한다.A superconducting power generation system according to an embodiment of the present invention includes a bobbin plate, a superconducting coil wound on the bobbin plate, and a superconducting magnet including a superconducting magnet disposed on one side of the bobbin plate. A superconducting power generator including a rotor having a rotor and an armature surrounding the rotor, an exciter for generating an AC power source, and a DC power source for supplying AC power generated by the exciter to the superconducting field of the superconducting generator And a converter for converting the DC power converted through the rectifier to the magnitude of the DC voltage required to control the superconducting field.

Description

SYSTEM FOR SUPER CONDUCTING ELECTRIC POWER GENERATION [0002]

본 발명의 실시예는 초전도 발전 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 초전도 자석을 이용한 초전도 발전 시스템에 관한 것이다.An embodiment of the present invention relates to a superconducting power generation system, and more particularly, to a superconducting power generation system using a superconducting magnet.

일반적으로 초전도 발전기는 절대온도 0K, 즉 섭씨 영하 273도에서 전기 저항이 소멸하는 초전도 현상을 응용한 발전기이다.Generally, superconducting generators are superconducting generators that use superconducting phenomena in which electric resistance disappears at an absolute temperature of 0 K, that is, at -273 degrees Celsius.

초기의 초전도 발전기는 절대온도 4K 내지 20K 범위 내에서 초전도 현상이 발생하는 선재를 사용하다가, 근래에는 상대적으로 높은 절대온도 30K 내지 77K에서 초전도 현상을 나타내는 소재가 발견되면서, 초전도 발전기에 대한 개발이 가속화되고 있다.Early superconducting generators use wire materials that generate superconducting phenomena in an absolute temperature range of 4K to 20K. Recently, materials showing superconducting phenomena at relatively high absolute temperatures of 30K to 77K have been found, and development of superconducting generators has accelerated .

현재 개발된 대부분의 초전도 발전기는 상전도 발전기에서 계자에 사용되던 구리 코일을 초전도 코일로 대체한 구조를 갖는다.Most of the superconducting generators currently developed have a structure in which superconducting coils replace the copper coils used in the field generators in the superconducting generators.

이와 같이, 초전도 코일으로 계자를 형성하면, 전기 저항으로 인한 손실 없이 고자장의 회전자계를 만들 수 있다. 이에, 초전도 발전기는 상전도 발전기와 대비하여 향상된 효율과 감소된 크기 및 무게를 가질 수 있다.Thus, when a field is formed with a superconducting coil, a magnetic field of a high magnetic field can be produced without loss due to electrical resistance. Thus, superconducting generators can have improved efficiency and reduced size and weight as compared to a superconducting generator.

그런데, 초전도 코일은 높은 인덕턴스(high inductance)와 영 위치 저항(zero resistance) 특성으로 인해 큰 시정수를 가지므로, 초전도 발전기의 경우 상전도 발전기와 같은 인가 전압 변환 방식의 제어 방법으로는 일정 출력 전압 제어가 사실상 불가능하다.However, superconducting coils have a large time constant due to their high inductance and zero resistance. Therefore, in the case of a superconducting generator, a control method of an applied voltage conversion method such as a normal- Control is virtually impossible.

그런데, 상전도 발전기의 계자에 사용되는 상전도 코일은 시정수가 현저히 낮기 때문에 자동 전압 조정 장치를 이용하여 발전기의 부하 조건에 따라 변동되는 출력 전압을 일정하게 제어하는 것이 상대적으로 용이하다. 여기서, 출력 전압은 발전기에서 출력되어 계통부로 인가되는 전압을 의미하며 전압 센서를 통해 계측할 수 있다.However, since the phase coils used in the field of the normal-voltage generator have a considerably low time constant, it is relatively easy to control the output voltage that varies according to the load condition of the generator by using the automatic voltage regulator. Here, the output voltage means a voltage that is output from the generator and applied to the system unit, and can be measured through a voltage sensor.

하지만, 초전도 발전기의 계자에 사용되는 초전도 코일은 높은 인덕턴스(high inductance)와 영 위치 저항(zero resistance) 특성으로 인해 시정수가 매우 커 계자 전류 제어의 속응성이 현저히 낮다. 즉, 부하 변동에 따라 초전도 발전기의 계자 전류를 증가시키거나 감소시킬 때 실시간으로 제어하기가 용이하지 않은 문제점이 있다.However, the superconducting coils used in the field of superconducting generators have high inductance and zero resistance characteristics, and therefore, the time constant is very large, and the fast current control of the field current is remarkably low. That is, there is a problem in that it is not easy to control in real time when the field current of the superconducting generator is increased or decreased according to the load variation.

또한, 초전도 발전기에 사용되는 초전도 코일의 높은 시정수를 낮추기 위해선 대용량의 저항이 요구되는데, 단순히 시정수를 낮추기 위해 대용량의 저항을 추가할 경우, 저항의 용량만큼 손실이 발생되어 초전도 발전기의 전체적인 효율이 저하된다.Also, in order to lower the high time constant of the superconducting coils used in the superconducting generators, a large-capacity resistance is required. If a large-capacity resistor is simply added to lower the time constant, .

이하, 도 1을 참조하여 종래의 상전도 발전 시스템(801)을 구체적으로 살펴보면, 상전도 발전 시스템은 발전기(830)의 회전자에 형성된 계자(831)에 공급할 전원을 발생하는 여자기(810), 여자기(810)로부터 출력되는 교류(AC) 전원을 직류(DC) 전원으로 변환하는 정류기(820), 직류 전원을 공급받은 계자(831)가 회전하면서 고정자에 형성된 전기자와의 사이에서 발생된 자기장에 의해 발전하는 발전기(830), 발전기의 출력 전압을 계측하는 전압 센서(840), 그리고 자동 전압 조정 장치(auto voltage regulator: AVR)(860)를 포함한다.1, the conventional electric power generation system 801 includes an exciter 810 for generating electric power to be supplied to a field 831 formed in a rotor of a generator 830, A rectifier 820 for converting an alternating current (AC) power source output from the exciter 810 into a direct current (DC) power source and a rectifier 820 for generating a field current 831 generated between the field current source 831 and the armature A generator 830 that is generated by a magnetic field, a voltage sensor 840 that measures the output voltage of the generator, and an auto voltage regulator (AVR) 860.

상전도 발전 시스템(801)은 초전도 발전 시스템과 비교하여 계자에 사용되는 상전도 권선의 시정수가 현저히 낮기 때문에 자동 전압 조정 장치(860)를 이용하여 발전기(830)의 부하 조건에 따라 변동되는 출력 전압을 일정하게 제어하는 것이 용이하다. 출력 전압은 발전기(830)로부터 출력되어 계통부로 인가되는 전압을 의미하며 전압 센서(840)를 통해 계측할 수 있다.Since the time constant of the normal-phase winding used in the field is significantly lower than that of the superconducting power generation system, the normal-phase power generation system 801 uses the automatic voltage regulator 860 to control the output voltage It is easy to control it constantly. The output voltage is a voltage that is output from the generator 830 and applied to the system unit, and can be measured through the voltage sensor 840.

이와 같은, 종래의 상전도 발전 시스템(801)의 제어 방법으로는 초전도 발전 시스템에서 일정 전압을 출력하도록 제어하는 것이 사실상 불가능하다.In such a conventional control method of the normal-phase power generation system 801, it is virtually impossible to control the superconducting power generation system to output a constant voltage.

이하, 도 2를 참조하여 종래의 초전도 발전 시스템(901)을 구체적으로 살펴보면, 종래의 초전도 발전 시스템(901)은 여자기(910)와 AD-DC 정류기(920), 변환기(930), 저항기(940), 초전도 발전기(950), 자동 전압 조정 장치(960)를 포함한다. 2, a conventional superconducting power generation system 901 includes an exciter 910, an AD-DC rectifier 920, a converter 930, a resistor (not shown) 940, a superconducting generator 950, and an automatic voltage regulator 960.

이러한 종래의 초전도 발전 시스템(901)은, 상전도 발전 시스템(801)과 달리, 수 백 KW급의 DC-DC 변환기(930)와 시정수 저하용 저항기(940)를 계자의 초전도 코일 입력단에 적용하고 있다.This conventional superconducting power generation system 901 differs from the normal conduction power generation system 801 in that a DC-DC converter 930 of several hundreds of kW class and a time constant water reducing resistor 940 are applied to the field superconducting coil input terminal .

자동 전압 조정 장치(960)는 외부에 고정된 자동 전압 조정 장치(960)를 포함한 제어부가 초전도 발전기(950)의 출력 전압을 계측하고 무선으로 제어 신호를 변환기(930)로 송신하여 필요한 전압을 발생시키도록 제어한다.The automatic voltage regulator 960 controls the output voltage of the superconducting generator 950 and transmits a control signal to the converter 930 by radio waves to generate a required voltage .

그런데, 종래의 초전도 발전기 시스템(901)은 초전도 발전기(950)의 계자에 사용되는 초전도 코일이 무저항(zero resistance) 및 높은 인덕턴스(high inductance)의 특성으로 인해 시정수가 매우 커지므로 계자 전류 제어의 속응성이 현저히 낮아지게 되는 문제점이 있다. 즉, 부하 변동에 따라 초전도 발전기(950)의 계자 전류를 증가시키거나 감소시킬 때 실시간으로 제어하기 어려운 문제점이 있다. In the conventional superconducting generator system 901, since the superconducting coil used in the field of the superconducting generator 950 has a very large time constant due to characteristics of zero resistance and high inductance, There is a problem that the cohesion is remarkably lowered. That is, there is a problem that it is difficult to control in real time when the field current of the superconducting generator 950 is increased or decreased according to the load variation.

또한, 도면에 도시하지는 않았으나, 초전도 발전기(950)에 사용되는 초전도 코일의 무저항 특성을 위해 초전도 코일을 극저온으로 냉각시키는 극저온 냉각 시스템이 추가로 요구된다. 이러한 극저온 냉각 시스템은 별도의 전원 공급이 필요하고 이로 인해 외부 전원을 이용하게 되면 전체 초전도 발전 시스템(901)의 용량이 상대적으로 커지게 되며 비상용 발전기로 적용이 불가능한 문제점이 있다.Further, although not shown in the drawing, a cryogenic cooling system for cooling the superconducting coil to a cryogenic temperature is further required for the non-resistance characteristic of the superconducting coil used in the superconducting power generator 950. The cryogenic cooling system requires a separate power source, and when the external power source is used, the capacity of the entire superconducting power generation system 901 becomes relatively large and it is impossible to apply it to an emergency generator.

본 발명의 실시예는 간소한 구조를 통해 초전도 코일의 높은 시정수에 의한 속응성 저하를 개선한 초전도 발전 시스템을 제공한다.Embodiments of the present invention provide a superconducting power generation system that improves the decline in susceptibility due to a high time constant of a superconducting coil through a simple structure.

본 발명의 실시예에 따르면, 초전도 발전 시스템은 보빈 플레이트와 상기 보빈 플레이트에 권선된 초전도 코일 그리고 보빈 플레이트의 일측에 배치된 초전도 자석을 포함하는 초전도 계자가 형성된 회전자와, 상기 회전자를 둘러싸며 전기자가 형성된 고정자를 포함하는 초전도 발전기와, 교류 전원을 생성하는 여자기와, 상기 여자기가 발생시킨 교류 전원을 상기 초전도 발전기의 초전도 계자에 공급할 직류 전원으로 변환하는 정류기, 그리고 상기 정류기를 통해 변환된 직류 전원을 상기 초전도 계자를 제어하는 데 필요한 직류 전압의 크기로 변환하는 변환기를 포함한다.According to an embodiment of the present invention, a superconducting power generation system includes a rotor having a bobbin plate, a superconducting coil wound on the bobbin plate, and a superconducting field magnet disposed on one side of the bobbin plate, A rectifier for converting an AC power generated by the exciter to a DC power to be supplied to a superconducting field of the superconducting generator, and a rectifier for converting DC power generated by the rectifier into AC power, And a converter for converting power to a magnitude of a DC voltage required to control the superconducting field.

상기 초전도 계자는 상기 초전도 자석을 포함하는 제1 계자부와 상기 초전도 코일을 포함하는 제2 계자부를 포함할 수 있다.The superconducting field may include a first field unit including the superconducting magnet and a second field unit including the superconducting coil.

상기 초전도 발전기는 무부하 상태와 가변 부하 상태로 구분 동작할 수 있다. 그리고 상기 초전도 계자의 상기 제1 계자부는 상기 무부하 상태에서 필요한 무부하 전압을 생성하고, 상기 제2 계자부는 상기 가변 부하 상태에서 가변 부하에 따른 전압을 생성하거나 상기 제1 계자부의 상기 초전도 자석의 초기 자화에 사용될 수 있다.The superconducting generator can be divided into a no-load state and a variable load state. The first field unit of the superconducting field generates a required no-load voltage in the no-load state, and the second field unit generates a voltage in accordance with the variable load in the variable load state, Lt; / RTI >

상기한 초전도 발전 시스템은, 상기 초전도 발전기의 전기자로부터 부하로 출력되는 출력 전압을 검출하는 전압 센서와, 상기 초전도 발전기의 초전도 계자로 입력되는 입력 전류를 검출하는 전류 센서, 그리고 상기 전압 센서 및 상기 전류 센서가 각각 검출한 상기 출력 전압 및 상기 입력 전류와 참조값을 비교하여 상기 변환기를 제어하는 자동 전압 조정 장치(AVR)를 더 포함할 수 있다.The superconducting power generation system includes a voltage sensor for detecting an output voltage output from the armature of the superconducting generator to a load, a current sensor for detecting an input current input to the superconducting field of the superconducting generator, And an automatic voltage regulator (AVR) for controlling the converter by comparing the output voltage and the input current detected by the sensor with a reference value.

상기 변환기와 상기 초전도 발전기 사이에 배치되어 상기 초전도 발전기의 상기 초전도 코일의 시정수를 저감시키는 저항기를 더 포함할 수 있다.And a resistor disposed between the transducer and the superconducting generator to reduce the time constant of the superconducting coil of the superconducting generator.

상기한 초전도 발전 시스템은 상기 초전도 계자를 냉각시키기 위한 극저온 냉각 장치를 더 포함하며, 상기 여자기는 상기 극저온 냉각 장치에 교류 전원을 공급할 수 있다.The superconducting power generation system may further include a cryogenic cooling device for cooling the superconducting field, and the exciter may supply AC power to the cryogenic cooling device.

상기 여자기는 상기 초전도 계자의 상기 제2 계자부가 자속 형성을 위한 전원을 공급하는 제1 전기자 권선과, 상기 극저온 냉각 장치에 전원을 공급하는 제2 전기자 권선을 포함할 수 있다.The exciter may include a first armature winding for supplying power for forming the second field-addition magnetic flux of the superconducting field, and a second armature winding for supplying power to the cryogenic cooling apparatus.

본 발명의 실시예에 따르면, 초전도 발전 시스템은 간소한 구조를 통해 초전도 코일의 높은 시정수에 의한 속응성 저하를 개선할 수 있다.According to the embodiment of the present invention, the superconducting power generation system can improve the deceleration due to the high time constant of the superconducting coil through the simple structure.

도 1은 종래의 상전도 발전 시스템의 구성도이다.
도 2는 종래의 초전도 발전 시스템의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 발전기 시스템의 구성도이다.
도 4는 도 3의 초전도 발전기가 갖는 초전도 계자의 요부를 확대 도시한 도면이다.
도 5는 도 3의 여자기를 확대 도시한 도면이다.Fig. 1 is a configuration diagram of a conventional three-phase power generation system.
2 is a configuration diagram of a conventional superconducting power generation system.
3 is a block diagram of a superconducting generator system according to an embodiment of the present invention.
Fig. 4 is an enlarged view of a main part of a superconducting field magnet of the superconducting generator shown in Fig. 3;
5 is an enlarged view of the exciter of Fig.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, which will be readily apparent to those skilled in the art to which the present invention pertains. The present invention may be embodied in many different forms and is not limited to the embodiments described herein.

도면들은 개략적이고 축적에 맞게 도시되지 않았다는 것을 일러둔다. 도면에 있는 부분들의 상대적인 치수 및 비율은 도면에서의 명확성 및 편의를 위해 그 크기에 있어 과장되거나 감소되어 도시되었으며 임의의 치수는 단지 예시적인 것이지 한정적인 것은 아니다. 그리고 둘 이상의 도면에 나타나는 동일한 구조물, 요소 또는 부품에는 동일한 참조 부호가 유사한 특징을 나타내기 위해 사용된다.The drawings are schematic and illustrate that they are not drawn to scale. The relative dimensions and ratios of the parts in the figures are shown exaggerated or reduced in size for clarity and convenience in the figures, and any dimensions are merely illustrative and not restrictive. And to the same structure, element or component appearing in more than one drawing, the same reference numerals are used to denote similar features.

본 발명의 실시예는 본 발명의 이상적인 실시예를 구체적으로 나타낸다. 그 결과, 도해의 다양한 변형이 예상된다. 따라서 실시예는 도시한 영역의 특정 형태에 국한되지 않으며, 예를 들면 제조에 의한 형태의 변형도 포함한다.The embodiments of the present invention specifically illustrate ideal embodiments of the present invention. As a result, various variations of the illustration are expected. Thus, the embodiment is not limited to any particular form of the depicted area, but includes modifications of the form, for example, by manufacture.

이하, 도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 발전 시스템(101)을 설명한다.Hereinafter, a superconducting power generation system 101 according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 발전 시스템(101)은 초전도 발전기(700), 여자기(200), 정류기(310), 그리고 변환기(350)를 포함한다.1, a superconducting power generation system 101 according to an embodiment of the present invention includes a superconducting generator 700, an exciter 200, a rectifier 310, and a converter 350.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 발전 시스템(101)은 전압 센서(420), 전류 센서(410), 자동 전압 조정 장치(auto voltage regulator; AVR)(400), 저항기(370), 및 극저온 냉각 장치(520)를 더 포함할 수 있다.The superconducting power generation system 101 according to an embodiment of the present invention includes a voltage sensor 420, a current sensor 410, an auto voltage regulator (AVR) 400, a resistor 370, And may further include a cryogenic cooling apparatus 520.

본 발명의 일 실시예에서, 초전도 발전기(700)는 초전도 코일을 사용하는 반경자속 회전 계자형(revolving field type)일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the superconducting generator 700 may be a revolving field type using a superconducting coil.

구체적으로, 초전도 발전기(700)는 초전도 계자(715)를 갖는 회전자(710)와, 회전자(710)의 외주면과 공극을 두고 회전자(710)를 둘러싸며 초전도 계자(715)와 대향하는 전기자(725)를 갖는 고정자(720)를 포함한다. 그리고 회전자(710)가 회전축(711)을 중심으로 회전하면서 고정자(720)의 전기자(725)와 회전자(710)의 초전도 계자(715) 사이에 발생하는 자기장에 의해 초전도 발전기(700)는 전기를 발생시킨다.Specifically, the superconducting generator 700 includes a rotor 710 having a superconducting field 715 and a rotor 710 surrounding the rotor 710 with an air gap between the rotor 710 and the superconducting field 715, And a stator 720 having an armature 725. The superconducting generator 700 is rotated by the magnetic field generated between the armature 725 of the stator 720 and the superconducting field 715 of the rotor 710 while the rotor 710 rotates about the rotary shaft 711 Electricity is generated.

본 발명의 일 실시예에서, 초전도 계자(715)는, 도 4에 도시한 바와 같이, 보빈(bobbin) 플레이트(7155)와, 보빈 플레이트(7155)에 권선된 초전도 코일(7151), 그리고 보빈 플레이트(7155)의 일측에 배치된 초전도 자석(7152)을 포함한다. 또한, 보빈 플레이트(7155)는, 도시하지는 않았으나, 초전도 코일(7151) 및 초전도 자석(7152)을 초전도 상태로 냉각시키기 위한 냉매가 이동하는 냉매관과 연결될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the superconducting field 715 includes a bobbin plate 7155, a superconducting coil 7151 wound on the bobbin plate 7155, And a superconducting magnet 7152 disposed on one side of the superconducting magnet 7155. Although not shown, the bobbin plate 7155 can be connected to a refrigerant pipe through which the refrigerant for cooling the superconducting coil 7151 and the superconducting magnet 7152 in a superconducting state moves.

구체적으로, 초전도 자석(7152)은 보빈 플레이트(7155)의 고정자(720) 방향 일측에 수용될 수 있다. 그리고 초전도 계자(715)는 보빈 플레이트(7155)에 수용된 초전도 자석(7152)을 커버하는 보빈 커버(7156)를 더 포함할 수 있다. 보빈 커버(7156)와 보빈 플레이트(7155)는 볼트(7158)와 같이 해당 기술 분야의 종사자에게 공지된 다양한 결합 방법을 통해 결합될 수 있다.Specifically, the superconducting magnet 7152 can be received on one side of the bobbin plate 7155 in the direction of the stator 720. The superconducting field 715 may further include a bobbin cover 7156 covering the superconducting magnet 7152 housed in the bobbin plate 7155. The bobbin cover 7156 and the bobbin plate 7155 may be combined via various bonding methods known to those skilled in the art, such as bolts 7158. [

앞서 도 3에서 도시한 바와 같이, 초전도 발전기(700)의 회전자(710)는 초전도 계자(715)에 회전력 전달을 위한 토크 디스크(Torque Disk: 712)를 더 포함할 수 있다.3, the rotor 710 of the superconducting generator 700 may further include a torque disk 712 for transmitting torque to the superconducting field 715. [

또한, 초전도 발전기(700)의 고정자(720)는 부하에 전력을 공급하는 3상의 고정자용 전기자 코일(725)과, 고정자용 전기자 코일(725)을 고정시키기 위한 공심형 코어(air core: 726), 그리고 원통 형태의 자기 차폐 쉴드(727)를 더 포함할 수 있다.The stator 720 of the superconducting generator 700 includes a three-phase stator coil 725 for supplying power to the load, an air core 726 for fixing the stator coil 725, And a magnetic shielding shield 727 in the form of a cylinder.

공심형 코어(726)는 유리 섬유 강화 플라스틱(GFRP; Glass Fiber Reinforced Plastic)으로 형성될 수 있다. 유리 섬유 강화 플라스틱으로 형성된 공심형 코어(726)는 공기와 같은 특성을 가지고 있어 자기포화 없이 초전도 계자(715)에서 발생된 고자장을 고정자 전기자(725)로 전달할 수 있다. 유리 섬유 강화 플라스틱으로 형성된 공심형 코어(726)는 상전도 발전기에 일반적으로 사용되는 철심과 대비하여 가벼우면서도 우수한 기계적 강도를 갖는다.The air core 726 may be formed of glass fiber reinforced plastic (GFRP). The air core 726 made of glass fiber reinforced plastic has air-like characteristics and can transfer the high magnetic field generated in the superconducting field 715 to the stator armature 725 without magnetic saturation. The air core core 726 formed of glass fiber reinforced plastic has a light weight and excellent mechanical strength as compared with an iron core generally used in a normal-phase power generator.

자기 차폐 쉴드(727)는 규소 강판으로 형성될 수 있으며, 보빈 플레이트(7155)는 알루미늄 포함한 소재로 형성될 수 있다.The magnetic shielding shield 727 may be formed of a silicon steel plate, and the bobbin plate 7155 may be formed of a material containing aluminum.

또한, 본 발명의 일 실시예에서, 초전도 계자(715)는 제1 계자부와 제2 계자부로 구분되는데, 제1 계자부는 초전도 자석(7152)을 포함하고, 제2 계자부는 초전도 코일(7151)을 포함한다.In addition, in one embodiment of the present invention, the superconducting field 715 is divided into a first field portion and a second field portion, where the first field portion includes a superconducting magnet 7152, .

그리고 본 발명의 일 실시예에서, 초전도 발전기(700)는 무부하 상태와 가변 부하 상태로 구분 동작할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the superconducting generator 700 can be operated in a no-load state and a variable load state.

초전도 자석(7152)을 포함하는 제1 계자부는 무부하 상태일 때 요구되는 무부하 전압을 생성하기 위한 자속을 형성한다. 즉, 제1 계자부는 부하 변동과 관계없이 항상 무부하 전압을 일정하게 발생시키기 위한 자속을 유도한다.The first field portion including the superconducting magnet 7152 forms a magnetic flux for generating a no-load voltage required when the actuator is in a no-load state. That is, the first field portion induces a magnetic flux for constantly generating the no-load voltage regardless of the load variation.

초전도 코일(7151)을 포함하는 제2 계자부는 가변 부하 상태일 때 요구되는 가변 부하에 따른 전압을 생성하기 위한 자속을 형성한다. 즉, 제2 계자부는 가변 부하에 따른 전압을 발생시키기 위한 자속을 유도한다. 또한, 제2 계자부의 초전도 코일(7151)은 제1 계자부의 초전도 자석(7152)의 초기 자화에도 사용될 수 있다.The second field portion including the superconducting coil 7151 forms a magnetic flux for generating a voltage according to the variable load required when the variable load is in the variable load state. That is, the second field portion induces a magnetic flux for generating a voltage in accordance with the variable load. The superconducting coil 7151 of the second field portion can also be used for initial magnetization of the superconducting magnet 7152 of the first field portion.

또한, 초전도 코일(7151) 및 초전도 자석(7152)은 극저온, 즉 절대온도 4K 내지 100K 범위 내에서 초전도 현상이 발생하는 초전도 소재로 만들어진다. 초전도(superconductor) 소재는 해당 기술 분야의 종사자에게 공지되어 있다.Also, the superconducting coil 7151 and the superconducting magnet 7152 are made of a superconducting material in which a superconducting phenomenon occurs at a cryogenic temperature, that is, within an absolute temperature range of 4K to 100K. Superconductor materials are known to those skilled in the art.

특히, 초전도 코일(7151)에 저항이 극히 낮은 상태에서 전류가 흐르면 고자장이 발생된다. 그리고 초전도 코일(7151)의 높은 운전 전류를 생성하기 위해서는, 초전도 코일(7151)이 임계온도 이하의 극저온 상태로 유지되어야 한다.Particularly, when a current flows through the superconducting coil 7151 in a state where the resistance is extremely low, a magnetic field is generated. In order to generate a high operation current of the superconducting coil 7151, the superconducting coil 7151 must be maintained at a cryogenic temperature below the critical temperature.

극저온 냉각 장치(520)는 초전도 발전기(700)의 회전자(710)에 극저온의 냉매를 공급하여 초전도 코일과 초전도 자석을 냉각시킨다.The cryogenic cooling apparatus 520 supplies cryogenic coolant to the rotor 710 of the superconducting generator 700 to cool the superconducting coil and the superconducting magnet.

본 발명의 일 실시예에서, 극저온 냉각 장치(520)는 해당 기술 분야의 종사자에게 공지된 다양한 구조를 가질 수 있다.In one embodiment of the present invention, the cryogenic cooling apparatus 520 may have a variety of structures known to those skilled in the art.

또한, 본 발명의 일 실시예에서, 여자기(200)는 초전도 계자(715)의 초전도 코일(7151)에 공급할 전원과 극저온 냉각 장치(520)에 공급할 전원을 함께 생성한다.Also, in an embodiment of the present invention, the exciter 200 generates a power source to be supplied to the superconducting coil 7151 of the superconducting field 715 and a power source to be supplied to the cryogenic cooling apparatus 520 together.

여자기(200)를 통해 발생하는 전원은 교류(AC) 전원이며, 발생 전원을 정류기 및 극저온 냉각 장치(520)로 인가한다. 또한, 초전도 발전 시스템(101)은 여자기(200)의 전원을 극저온 냉각 장치(520)에 전달하기 위한 브러시(brush, 560)를 더 포함할 수 있다. The power source generated through the exciter 200 is an alternating current (AC) power source, and the generated power source is applied to the rectifier and the cryogenic cooling apparatus 520. The superconducting power generation system 101 may further include a brush 560 for transmitting the power of the exciter 200 to the cryogenic cooling apparatus 520.

여자기(200)는, 도 5에 도시한 바와 같이, 2중으로 상전도 코일이 권선된 여자기용 전기자(215)을 포함하는 회전자(210)와, 회전자(210)를 둘러싸며 영구 자석으로 형성된 여자기용 계자를 포함하는 고정자(220)를 가질 수 있다. 즉, 여자기(200)의 회전자(210)는 제1 전기자 코일(2151) 및 제2 전기자 코일(2152)을 포함할 수 있다.As shown in Fig. 5, the exciter 200 includes a rotor 210 including an exciter 215 having an exciter coil 215 wound with two phases, a rotor 210 surrounding the rotor 210, And may have a stator 220 including an exciter field formed therein. That is, the rotor 210 of the exciter 200 may include a first armature coil 2151 and a second armature coil 2152.

여자기(200)의 제1 전기자 코일(2151)은 초전도 발전기(700)의 초전도 계자(715)의 초전도 코일(7151)에 전원을 공급하고, 여자기(200)의 제2 전기자 코일(2152)은 극저온 냉각 장치(520)에 전원을 공급할 수 있다.The first armature coil 2151 of the exciter 200 supplies power to the superconducting coil 7151 of the superconducting field 715 of the superconducting generator 700 and supplies the power to the second armature coil 2152 of the exciter 200, Can supply power to the cryogenic cooling apparatus 520. [

즉, 여자기(200)의 제1 전기자 코일(2151)은 초전도 발전기(700)의 초전도 코일(7151)과 전기적으로 연결되고, 여자기(200)의 제2 전기자 코일(2152)은 극저온 냉각 장치(520)와 전기적으로 연결된다.That is, the first armature coil 2151 of the exciter 200 is electrically connected to the superconducting coil 7151 of the superconducting generator 700, and the second armature coil 2152 of the exciter 200 is connected to the cryogenic cooling device (Not shown).

또한, 여자기(200)의 회전자(210)는 제1 전기자 코일(2151) 및 제2 전기자 코일(2152)을 지지하고 자속을 집속하기 위한 철심 코어(214)와, 제1 전기자 코일(2151) 및 제2 전기자 코일(2152)의 이탈을 방지하는 웨지(wedge, 218)를 더 포함할 수 있다.The rotor 210 of the exciter 200 includes an iron core 214 for supporting the first armature coil 2151 and the second armature coil 2152 and for focusing magnetic fluxes and a second armature coil 2151 And a wedge 218 to prevent the second armature coil 2152 from being released.

앞서 도 3에 도시한 바와 같이, 정류기(310)는 여자기(200)로부터 출력되는 교류(AC) 전원을 인가 받아 직류(DC) 전원으로 변환한다.As shown in FIG. 3, the rectifier 310 receives AC power from the exciter 200 and converts the AC power into a DC power.

구체적으로, 정류기(310)는 여자기(200)의 제1 전기자 코일(2151)에서 발생한 교류 전원을 초전도 발전기(700)의 초전도 계자의 초전도 코일(7151)에 필요한 직류 전원으로 변환한다.More specifically, the rectifier 310 converts the AC power generated in the first armature coil 2151 of the exciter 200 into a DC power required for the superconducting coil 7151 of the superconducting field of the superconducting generator 700.

변환기(350)는 정류기(310)를 통해 변환된 직류 전원을 초전도 발전기(700)에서 초전도 계자(715)의 제어를 위해 필요한 직류 전압 크기로 변환한다. 따라서, 초전도 계자의 초전도 코일(7151)은 변환기(350)를 통해 변환된 직류 전압에 의해 자기장을 발생한다.The converter 350 converts the DC power converted through the rectifier 310 into a DC voltage magnitude required for controlling the superconducting field 715 in the superconducting generator 700. Therefore, the superconducting coil 7151 of the superconducting field generates a magnetic field by the DC voltage converted through the converter 350.

전류 센서(410)는 초전도 발전기(700)의 초전도 계자(715)로 입력되는 입력 전류를 검출한다. 그리고 전압 센서(420)는 초전도 발전기(700)의 전기자(725)로부터 계통부로 출력되는 출력 전압을 검출한다.The current sensor 410 detects the input current input to the superconducting field 715 of the superconducting generator 700. The voltage sensor 420 detects an output voltage output from the armature 725 of the superconducting generator 700 to the system section.

자동 전압 조정 장치(400)는 초전도 발전기(700)에서 계통부로 출력되는 출력 전압이 정격 전압을 유지하도록 조절하는 장치이다. 즉, 자동 전압 조정 장치(400)는 전압 센서(420) 및 전류 센서(410)가 각각 검출한 출력 전압 및 입력 전류와 참조값을 비교하여 초전도 발전기(700)의 초전도 계자(715)의 초전도 코일(7151)에 전류를 공급하는 변환기(350)를 제어한다. 여기서, 참조값은 계통부에 공급할 목표 정격 전압을 의미한다.The automatic voltage regulator 400 controls the output voltage of the superconducting generator 700 to be maintained at a rated voltage. That is, the automatic voltage regulator 400 compares the output voltage and the input current detected by the voltage sensor 420 and the current sensor 410 with the reference value and outputs the reference voltage to the superconducting coil 715 of the superconducting field 715 of the superconducting generator 700 7151). &Lt; / RTI > Here, the reference value means the target rated voltage to be supplied to the system section.

이와 같이 구성에 의하여, 초전도 발전기(700)는 회전축(711)이 일정 속도, 일례로, 720RPM으로 회전하면 초전도 발전기(700)의 초전도 코일(7151) 및 초전도 자석(7152)을 포함한 회전자(710)가 회전하면서 초전도 자석(7152)에 의해 자기장을 발생시켜, 초전도 발전기(700)의 설비 용량에 따라 발전한다. 초전도 발전기(700)의 설비 용량이, 일례로, 2MW 이라면 초전도 자석(7152)에 의한 출력 전압은 부하의 변동량과 관계없이 발전 설비 용량만큼의 전압 즉, 6600V를 일정하게 출력하고, 초전도 코일(7151)에 의한 출력 전압은 자동 전압 조정 장치(400)를 통해 1초 내지 2초 이내에 부하 변동량에 따라 전압을 조절하여 출력할 수 있다.When the rotary shaft 711 rotates at a predetermined speed, for example, 720 RPM, the superconducting generator 700 and the rotor 710 including the superconducting magnet 7152 of the superconducting generator 700 are rotated Generates a magnetic field by the superconducting magnet 7152 and develops in accordance with the facility capacity of the superconducting generator 700. [ If the facility capacity of the superconducting power generator 700 is, for example, 2MW, the output voltage of the superconducting magnet 7152 constantly outputs a voltage of 6600V corresponding to the capacity of the power generation facility regardless of the variation of the load, Can adjust the voltage according to the load variation within 1 second to 2 seconds through the automatic voltage regulator 400 and output the output voltage.

즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 발전 시스템(101)에서는 초전도 발전기(700)가 회전자(710)에 무부하 전압을 발생하는 초전도 자석을 포함하는 제1 계자부와, 가변 부하에 따른 전압을 발생하는 초전도 코일(7151)을 포함하는 제2 계자부로 구분하여 이중 발전함으로써, 발전 용량을 높이는 것은 물론 부하 변동에 따라 실시간 속응 제어가 가능하다.That is, in the superconducting power generation system 101 according to an embodiment of the present invention, the superconducting power generator 700 includes a first element section including a superconducting magnet generating a no-load voltage to the rotor 710, And the second field portion including the superconducting coil 7151 that generates the superconducting coils 7151 and the superconducting coils 7151. Thus, it is possible to increase the power generation capacity as well as to perform real-time,

이와 같이, 본 발명의 일 실시예에서는, 초전도 계자(715)를 초전도 자석(7152)을 포함하는 제1 계자부와 초전도 코일(7151)을 포함하는 제2 계자부로 구성하고, 제2 계자부의 초전도 코일(7151)에 흐르는 전류를 제어하여 무부하 상태와 가변 부하 상태에 따른 부하 변동을 실시간으로 제어할 수 있다.As described above, in one embodiment of the present invention, the superconducting field 715 is composed of the first field portion including the superconducting magnet 7152 and the second field portion including the superconducting coil 7151, The currents flowing in the coil 7151 can be controlled to control the load variation according to the no-load state and the variable load state in real time.

또한, 초전도 자석(7152)을 이용하여 무부하 상태에 대응하는 기본적인 자기장을 확보함으로써, 초전도 코일(7151)에 전류를 흘려 발생시키는 자기장을 최소화할 수 있다.Further, by using the superconducting magnet 7152 to secure a basic magnetic field corresponding to the no-load state, it is possible to minimize a magnetic field generated by flowing a current through the superconducting coil 7151. [

또한, 초전도 발전기(700)에 사용되는 초전도 코일(7151)의 높은 시정수를 낮추기 위해선 대용량의 저항이 요구되는데, 본 발명의 일 실시예에서는 초전도 코일(7151)의 사용을 상대적으로 최소화할 수 있으므로, 시정수를 저감시키기 위해 사용되는 저항기(370)의 저항 용량도 낮출 수 있다. 이에, 저항기(370)의 저항 용량에 의한 손실을 줄일 수 있어 초전도 발전기(700)의 전체적인 효율을 향상시킬 수 있다.Also, in order to lower the high time constant of the superconducting coil 7151 used in the superconducting generator 700, a large-capacity resistance is required. In an embodiment of the present invention, the use of the superconducting coil 7151 can be relatively minimized , And the resistance capacity of the resistor 370 used for reducing the time constant can be lowered. Thus, the loss due to the resistance capacity of the resistor 370 can be reduced, and the overall efficiency of the superconducting generator 700 can be improved.

이와 같은 구성에 의하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 발전 시스템(101)은 간소한 구조를 통해 초전도 코일(7151)의 높은 시정수에 의한 속응성 저하를 개선할 수 있다.With such a structure, the superconducting power generation system 101 according to the embodiment of the present invention can improve the decline in the susceptibility due to the high time constant of the superconducting coil 7151 through the simple structure.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is evident that many alternatives, modifications and variations will be apparent to those skilled in the art. will be.

그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명은 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.It is therefore to be understood that the embodiments described above are to be considered in all respects only as illustrative and not restrictive, the scope of the invention being indicated by the appended claims, It is intended that all changes and modifications derived from the equivalent concept be included within the scope of the present invention.

101: 초전도 발전 시스템 200: 여자기
310: 정류기 350: 변환기
370: 저항기 400: 자동 전압 조정 장치
410: 전류 센서 420: 전압 센서
520: 극저온 냉각 장치 560: 브러시
700: 초전도 발전기 710: 회전자
711: 회전축 712: 토크 디스크
715: 초전도 계자 720: 고정자
725: 전기자 726: 공심형 코어
727: 자기 차폐 쉴드101: Superconducting power generation system 200: Exciter
310: Rectifier 350: Converter
370: Resistor 400: Automatic voltage regulator
410: current sensor 420: voltage sensor
520: Cryogenic cooling device 560: Brush
700: superconducting generator 710: rotor
711: rotating shaft 712: torque disk
715: superconducting field 720: stator
725: armature 726: air core core
727: Magnetic shielding shield

Claims

A superconducting generator comprising: a superconducting field generator including a bobbin plate, a superconducting coil wound on the bobbin plate, and a superconducting magnet disposed on one side of the bobbin plate; and a stator having an armature surrounding the rotor;
An exciter generating AC power;
A rectifier for converting the AC power generated by the exciter to a DC power to be supplied to the superconducting field of the superconducting generator; And
A converter for converting the DC power converted through the rectifier to the magnitude of the DC voltage necessary for controlling the superconducting field;
/ RTI >
Wherein the superconducting field includes a first field portion including the superconducting magnet and a second field portion including the superconducting coil,
The superconducting generator is divided into a no-load state and a variable load state,
Wherein the first field portion of the superconducting field generates a required no-load voltage in the no-load state, the second field portion generates a voltage in accordance with the variable load in the variable load state, The superconducting power generation system used.

delete

The method of claim 1,
A voltage sensor for detecting an output voltage output from an armature of the superconducting generator to a load;
A current sensor for detecting an input current input to the superconducting field of the superconducting generator; And
(AVR) for controlling the converter by comparing the output voltage and the input current detected by the voltage sensor and the current sensor with a reference value,
The superconducting power generation system further comprising:

The method of claim 1,
Further comprising a resistor disposed between said transducer and said superconducting generator to reduce the time constant of said superconducting coil of said superconducting generator.

The method according to any one of claims 1, 4, or 5,
Further comprising a cryogenic cooling apparatus for cooling the superconducting field,
And the exciter supplies AC power to the cryogenic cooling apparatus.

The method of claim 6,
In the exciter,
A first armature winding for supplying power for forming the second field-addition magnetic flux of the superconducting field;
A second armature winding for supplying power to the cryogenic cooling apparatus
And the superconducting power generation system.