KR100276397B1 - 주파수체배를 이용하여 결상보호동작을 신속화한 디지털계전기 - Google Patents

주파수체배를 이용하여 결상보호동작을 신속화한 디지털계전기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전파정류기(Current Transformer)에서 출력되는 3상 정현파를 n체배하고 이를 정류하여 결상의 여부를 판단함으로써 결상이 발생하였을 때 보다 신속한 모터보호동작을 수행하게 하여 계전기시스템의 안전성을 확보하는 주파수체배를 이용하여 결상보호동작을 신속화한 디지털계전기에 관한 것으로, 본 장치는 3상 정현파를 n체배하여 결상의 여부를 판단함으로써 결상이 발생하였을 때 신속한 대처동작을 수행할 수 있으므로 보다 신속한 모터보호동작이 이루어져 계전기시스템의 안전성을 확보할 수 있다.

Description

주파수체배를 이용하여 결상보호동작을 신속화한 디지털계전기
본 발명은 과부하, 과열등의 비정상적인 상태로 인한 손상 및 고장으로부터 모터를 보호하기 위한 디지털계전기에 관한 것으로, 특히 전파정류기(Current Transformer)에서 출력되는 3상 정현파를 n체배하고 이를 정류하여 결상의 여부를 판단함으로써 결상이 발생하였을 때 보다 신속한 모터보호동작을 수행하게 하여 계전기시스템의 안전성을 확보하는 주파수체배를 이용하여 결상보호동작을 신속화한 디지털계전기에 관한 것이다.
일반적으로, 3상AC유도모터는 산업현장에서 매우 널리 사용되어 있으며, 중요한 역할을 담당하고 있다. 이 유도모터는 신뢰성이 있는 기기이지만, 비정상적인 운전이나 운전자의 오조작등에 의해 많은 고장을 유발하기도 한다. 모터의 대부분의 고장은 과열로 인한 모터권선의 파괴인 데, 그 원인으로는 정격부하이상의 상태로 연속운전하거나, 조강이나 빈번한 시동에 기인하는 과부하등이 대표적이다. 게다가, 부적절한 유지보수로 인한 쿨링핀의 배기불량이나 베어링의 마모에 의해서도 모터과열의 원인이 되기도 한다.
또한, 수분에 의한 지락이 자주 발생되는 분야에서는 지락문제가 큰 문제로 대두된다. 이 뿐만아니라, 전원계통의 불량에 의해 세 상중에서 한 상이 빠지는 결상상태도 커다란 한 요인으로 작용한다.
이상과 같은 비정상적인 상태에서 모터를 보호하기 위한 장치로 보호계전기가 사용되고 있다. 일반적으로 보호계전기는 전력계통의 이상을 감시하여 사고를 미연에 예방함에 의해 공장설비의 신뢰성을 확보하기 위한 중요한 역할을 담당하는 장치이다. 최근에는 공장설비가 복잡화, 다양화됨에 따라 설비의 설치, 유지, 보수의 용이성을 위해 배선을 줄이고 있으며, 다양한 목적으로 사용가능한 디지털계전기가 개발되었다. 특히, 공장의 동력원으로 사용하는 모터보호용 디지털계전기는 기본적으로 감시기능, 보호기능, 계측기능을 제공하고 있으며, 위와 같은 보호계전기가 가져야 할 감시 및 보호기능으로는 과부하보호기능, 순시과전류기능, 지락기능, 부족전압보호기능 및, 결상보호기능들이 있다.
모터보호계전기로 종전에는 각 보호기능이 분리된 정지형 계전기를 서로 연계하여 모터컨트롤센터를 구성하였고, 최근에 들어서면서 모터보호기능을 갖는 마이크로프로세서를 사용한 디지털계전기가 널리 사용되고 있는 실정이다.
이러한 모터보호용 디지털계전기는 3상의 전원에 각각 흐르는 전류를 CT(Current Transformer)를 사용하여 전원으로 변환하고, 전원으로 변환된 이 신호를 3상 전파정류한다. 그리고, 이 3상 전파정류된 신호의 직류값을 비교기의 입력으로 하여 비교기의 다른 입력인 기준입력(Reference)과 비교한다. 이때, 비교된 값이 설정값 이하이면 3상 중 1상 혹은 2상에 이상이 있는 것으로 이상신호를 출력함으로써 결상의 여부를 판단하게 된다. 좀 더 구체적으로 도 1를 참조하여 설명하면, 도 1은 모터의 3상에서 출력되는 신호파형도로, (a)는 모터 3상에 균등한 전류가 흐르는 경우, 즉 정상시에 출력되는 원신호이고, (b)는 3상 전파정류된 정상시의 파형이며, (c)는 외부배선상의 문제로 모터에 인입되는 전원중 1상이 빠지거나, 모터의 내부이상에 의해 모터전류가 일측에 편중되는 경우, 즉 결상시에 출력되는 3상 전파정류된 신호를 나타내고 있다. 이러한 디지털계전기에서는 3상 중 1상의 결상여부는 도 1의 (b)와 (c)를 대비해 보면 알 수 있듯이 결상시는 정상시와 전기각 60。마다 다른 파형을 나타냄을 확인할 수 있다. 이와 같이 이 시스템으로는 60。마다 결상의 판단이 가능하므로 결상대처속도가 느린 단점이 있었다.
또한, 다른 시스템으로는 각상의 전류를 각각 A/D로 읽어들이고, 이 값을 마이크로프로세서에서 연산함에 의해 각상의 이상여부를 판단하였는 데, 이때에는 결상여부의 신속한 판단은 가능하였으나, 각종 보호 및 계측기능의 수행이 마이크로프로세서에 집중되므로 마이크로프로세서에 과도한 부담을 주어 연산수행능력이 떨어질 뿐아니라, 과부하로 고장의 우려도 높았다.
따라서, 본 발명의 목적은 상기에서와 같은 종래의 결점을 해소하기 위해서 안출한 것으로서, 전파정류기(Current Transformer)에서 출력되는 3상 정현파를 n체배하고 이를 정류하여 결상의 여부를 판단함으로써 결상이 발생하였을 때 보다 신속한 모터보호동작을 수행하게 하여 계전기시스템의 안전성을 확보하는 주파수체배를 이용하여 결상보호동작을 신속화한 디지털계전기를 제공함에 있다.
도 1의 (a),(b),(c)는 일반적인 3상전파정류기를 통해 결상시와 정상시에 출력되는 파형도들,
도 2는 본 발명에 따른 주파수체배를 이용하여 결상보호동작을 신속화한 디지털계전기의 구성도.
*도면의 주요부분에 대한 부호설명
10 : 전파정류기 20 : 제 1로패스필터
21 : 신호처리부 22 : A/D변환기
30 : 주파수체배 및 정류부 31 : 제 2로패스필터
32 : 지연부 33 : 비교기
40 : 마이크로프로세서 50 : 모터제어부
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 주파수체배를 이용하여 결상보호동작을 신속화한 디지털계전기는 모터의 3상을 전파정류하는 전파정류기를 구비한 모터보호용 디지털계전기에 있어서, 상기 전파정류기로부터 출력된 신호에서 고주파 및 고조파성분을 제거하는 제 1로패스필터(LPF); 상기 제 1로패스필터의 신호를 인가받아 피크홀딩 및 증폭하여 출력하는 신호처리부; 상기 신호처리부에서 출력되는 신호를 A/D변환하여 디지털값으로 변환출력하는 A/D변환기; 상기 전파정류기에서 출력된 3상의 정현파신호를 n체배하고 3상 전파정류하는 주파수체배 및 정류부; 상기 주파수체배 및 정류부의 신호에서 고주파성분을 제거하는 제 2로패스필터; 상기 고주파성분이 제거된 신호를 일정시간 지연시켜 내보내는 지연부; 상기 지연부로부터 인가되는 신호를 기준값으로 하고, 상기 지연부와 제 2로패스필터에서 온 신호들을 비교하여 기준레벨 이하이면 로우(Low)신호를 출력하고, 기준레벨 이상이면 하이(High)신호를 출력하는 비교기; 상기 A/D변환기에서 온 신호로 모터보호용 알고리즘에 필요한 연산을 수행하고, 상기 비교기에서 출력된 신호로 결상여부를 판단하는 마이크로프로세서; 및 상기 마이크로프로세서의 출력을 인가받아 상기 모터를 구동제어하여 결상시 모터의 보호동작을 수행하게 하는 모터제어부를 포함한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들에 의거 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 주파수체배를 이용하여 결상보호동작을 신속화한 디지털계전기의 구성도이다.
도시한 바와 같이, 본 발명은 모터의 3상을 전파정류하는 전파정류기(10)로부터 출력된 신호에서 고주파 및 고조파성분을 제거하는 제 1로패스필터(LPF)(20)를 구비하고 있다. 이 제 1로패스필터(20)는 A/D변환시 Anti-aliasing을 제거하기 위해 대역을 제한하기 위한 것이다. 제 1로패스필터(20)의 출력은 신호처리부(21)로 인가되는 데, 신호처리부(21)는 순시과전류를 위한 피크홀더회로와, 부족전류를 위한 증폭회로 및, 순시동작을 감시하기 위한 이득(Gain)회로가 1인 회로를 이루고 있다. 각각에 대해 보다 상세히 부연설명하면, 피크홀더회로는 각각의 상에 순간적인 과전류가 흘렀을 경우 대응하기 위한 회로이고, 증폭회로는 미세전류가 흘렀을 때 A/D의 다이내믹 레인지를 넓히기 위한 회로이다. 신호처리부(21)의 각 회로에서 출력되는 신호는 A/D변환기(22)로 입력되어 디지털값으로 변환출력된다.
한편, 전파정류기(10)에서 출력된 3상의 정현파신호는 주파수체배 및 정류부(30)로도 인가된다. 주파수체배 및 정류부(30)는 이 신호를 n체배하고 3상 전파정류한다. 그리고, 제 2로패스필터(31)로 입력하여 고주파성분을 제거하게 된다. 고주파성분이 제거된 신호는 지연부(32)를 거쳐 일정시간 지연되어 비교기(33)로 입력되는 동시에, 직접 비교기(33)로도 입력된다. 이때, 지연부(32)에 의해 출력된 신호는 비교기(33)의 기준값으로 인가된다. 비교기(33)는 지연부(32)와 제 2로패스필터(31)에서 온 신호들을 비교하여 기준레벨 이하이면 로우(Low)신호를 출력하고, 기준레벨 이상이면 하이(High)신호를 출력한다.
마이크로프로세서(40)는 전술한 A/D변환기(22)에서 온 신호로 모터보호용 알고리즘에 필요한 연산을 수행하고, 비교기(33)에서 출력된 신호로 결상여부를 판단하게 된다. 마이크로프로세서(40)의 출력은 모터의 보호에 필요한 기동동작을 제어하는 출력으로 모터제어부(50)에 인가되어 모터를 구동제어하여 결상시 모터의 보호동작을 수행하게 한다.
이하부터는 주파수체배를 3으로 설정하고 본 발명의 작용효과에 대해 상세히 설명한다.
전파정류기(10)에서 출력된 신호가 제 1로패스필터(20)를 거쳐 고주파 및 고조파성분이 제거되고, 신호처리부(21)를 경유하여 증폭 및 피크홀딩되어 A/D변환기(22)를 통해 디지털값으로 변환되어 마이크로프로세서(40)에 입력된다. 한편, 전파정류기(10)에서 출력된 신호는 주파수체배 및 정류부(30)로도 인가되어 주파수체배 및 정류부(30)에서 3체배되고 정류된 후, 제 2로패스필터(31)에 의해 고주파성분이 제거되어 지연부(32)를 거쳐 비교기(33)에 입력되거나 직접 비교기(33)로 입력된다. 비교기(33)에서는 이 두 신호를 비교하여 기준레벨 이상이면 하이신호를 기준레벨 이하이면 로우신호를 마이크로프로세서(40)로 출력한다.
마이크로프로세서(40)는 비교기(33)에서 입력된 신호로 결상을 판정하고, A/D변환기(22)로부터 입력된 신호로 모터보호용 알고리즘에 필요한 연산을 수행하여 모터제어부(50)를 제어하여 모터의 보호동작을 구현하게 된다. 특히, 결상이 발생하면 3체배된 전파정류신호는 전기각 15。마다 결상을 판단할 수 있는 로우신호가 된다. 이와 같이 본 시스템에서는 15。마다 결상의 여부를 판별할 수 있으므로 기존의 전기각 60。마다에 비해 3배이상의 신속한 모터보호동작을 수행할 수 있게 된다.
이상 서술한 바와 같이, 본 발명의 주파수체배를 이용하여 결상보호동작을 신속화한 디지털계전기는 전파정류기에서 출력되는 3상 정현파를 n체배하고 이를 정류하여 결상의 여부를 판단함으로써 결상이 발생하였을 때 신속한 대처동작을 수행할 수 있게 한 특징을 갖는다. 따라서, 보다 신속한 모터보호동작이 이루어져 계전기시스템의 안전성을 확보할 수 있는 효과가 있다.

Claims (2)

  1. 모터의 3상을 전파정류하는 전파정류기를 구비한 모터보호용 디지털계전기에 있어서,
    상기 전파정류기로부터 출력된 신호에서 고주파 및 고조파성분을 제거하는 제 1로패스필터(LPF);
    상기 제 1로패스필터의 신호를 인가받아 피크홀딩 및 증폭하여 출력하는 신호처리부;
    상기 신호처리부에서 출력되는 신호를 A/D변환하여 디지털값으로 변환출력하는 A/D변환기;
    상기 전파정류기에서 출력된 3상의 정현파신호를 n체배하고 3상 전파정류하는 주파수체배 및 정류부;
    상기 주파수체배 및 정류부의 신호에서 고주파성분을 제거하는 제 2로패스필터;
    상기 고주파성분이 제거된 신호를 일정시간 지연시켜 내보내는 지연부;
    상기 지연부로부터 인가되는 신호를 기준값으로 하고, 상기 지연부와 제 2로패스필터에서 온 신호들을 비교하여 기준레벨 이하이면 로우(Low)신호를 출력하고, 기준레벨 이상이면 하이(High)신호를 출력하는 비교기;
    상기 A/D변환기에서 온 신호로 모터보호용 알고리즘에 필요한 연산을 수행하고, 상기 비교기에서 출력된 신호로 결상여부를 판단하는 마이크로프로세서; 및
    상기 마이크로프로세서의 출력을 인가받아 상기 모터를 구동제어하여 결상시 모터의 보호동작을 수행하게 하는 모터제어부를 포함하는 주파수체배를 이용하여 결상보호동작을 신속화한 디지털계전기.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 신호처리부는 순간적인 과전류에 대응하기 위한 피크홀더회로와, 미세전류가 흘렀을 때 상기 A/D변환기의 다이내믹 레인지를 넓히기 위한 증폭회로를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 주파수체배를 이용하여 결상보호동작을 신속화한 디지털계전기.
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