KR100447452B1 - 다기능 가변부하 시험장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 다기능 가변부하 시험장치는, 임의의 부하 특성의 시뮬레이션과, 직류 링크 전압의 제어 및 전력의 회생을 위한 인버터 시스템부; 인버터 시스템부의 전압 및 전류를 측정하는 한편 인버터 시스템부를 제어하는 제어부; 제어부와 전기적으로 연결되며, 수동 부하로 동작시 임의의 전력 용량과 역률 등을 설정하기 위한 설정부; 제어부와 전기적으로 연결되며, 비선형 및 동적 부하 등을 포함하는 복잡한 부하 시스템의 시뮬레이션을 위한 실시간 시뮬레이션 장치; 제어부와 전기적으로 연결되며, 전체 부하 시스템의 전압, 전류 및 상태를 모니터링하기 위한 모니터링 장치; 및 제어부와 설정부, 시뮬레이션 장치 및 모니터링 장치들과의 통신을 위한 통신-인터페이스부를 포함하여 구성된다.

이와 같은 본 발명에 의하면, 단일 장치에 의해 간단히 다양한 용량과 역률 특성을 가지는 부하의 구현은 물론 다양한 용량과 비선형 특성, 동특성을 가지는 부하를 구현할 수 있다. 따라서, 다양한 특성을 가지는 부하에 대한 새로 개발된 피시험장치의 다양한 전기적 시험을 간단히 수행할 수 있다. 또한, 부하 시스템이 흡수한 에너지를 다시 전력 계통으로 회생시킬 수 있으므로, 에너지 절약에도 기여할 수 있다.

Description

다기능 가변부하 시험장치{Multi-functional apparatus for testing variable load}

본 발명은 다기능 가변부하 시험장치에 관한 것으로서, 더 상세하게는 전력계통에 연계되어 있는 다양한 부하 시스템(수동 소자로 구성되는 정적인 부하 및 비선형 특성이나 동적인 특성을 갖는 복잡한 부하 시스템)에 대하여 단일화된 장치에 의해 전기적으로 각종 특성 시험 및 모의 시험이 가능한 다기능 가변부하 시험장치에 관한 것이다.

일반적으로, 새로 개발된 전력기기나 장치들을 전력계통에 적용하기 위해서는 전력계통에 투입하기 전에 각종 부하조건에서 다양한 전기적인 시험 및 검토가 필수적인 사항이다. 이와 같은 시험은 냉장고, 세탁기 및 전열기 등의 가전 부하를 비롯하여, 각종 전동기 및 전기로 등의 산업용 부하에 이르기까지 다양한 부하에 대하여 필요하다. 그러나, 이러한 시험을 위하여 실제로 가전기기 및 산업용 기기들을 직접 부하로 사용할 경우 매우 번거롭고, 비경제적이며, 비효율적이기 때문에 종래에는 각종 실제 기기에 대응하는 부하용량 등을 정하여 시험을 수행해 왔는바, 따라서 피시험장치에 대한 정확한 시험이 어려웠다. 또한, 용량 및 역률의 설정에 따라 수동 소자들이 조합된 부하장치를 이용하였으나, 이 또한 수동 소자를 사용함에 따라 정적인 특성에 대한 모의 실험은 가능하나 동적인 특성에 대한 모의 실험은 어려우며, 특히 비선형 특성을 모의실험 하고자 할 경우에는 반도체 소자를 부가적으로 추가해야 하는 불편함이 있었다. 그리고, 이러한 경우에도 실제 부하 시스템의 응동 특성을 반영할 수는 없었다. 또한, 실제 부하나 수동 소자를 이용하는 경우에는 전기에너지를 열 등의 다른 에너지로 모두 소모하기 때문에 비경제적이었다.

본 발명은 이상과 같은 사항을 감안하여 창출된 것으로서, 다양한 특성을 가지는 부하 시스템에 대하여 단일화된 시험장치에 의해 모든 특성을 구현할 수 있도록 함으로써, 새로 개발된 전력기기 및 장치들에 대한 안정성 및 신뢰성 등의 시험에 적용될 수 있을 뿐만이 아니라, 부하 특성 시험에 사용된 전기적인 에너지를 전력계통으로 회생시켜 에너지 절약까지 도모할 수 있는 다기능 가변부하 시험장치를 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 다기능 가변부하 시험장치의 개략적인 시스템 구성도.

도 2는 도 1에 도시된 다기능 가변부하 시험장치의 3상 시스템 적용시의 인버터 시스템부의 세부 회로 구성도.

도 3은 도 1에 도시된 다기능 가변부하 시험장치의 단상 시스템 적용시의 인버터 시스템부의 세부 회로 구성도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100...(본 발명)다기능 가변부하 시험장치 101...인버터 시스템부

101a...제1 인버터 시스템 101b...제2 인버터 시스템

101c...직류 링크부 102...제어부

103...설정부 104...실시간 시뮬레이션 장치

105...모니터링 장치 106...통신-인터페이스부

201,301...제1 인버터 202,302...제1 L-C 필터

203,303...제1 변압기 204,304...제1 스위치

205,305...제2 스위치 206,306...제2 변압기

207,307...제2 L-C 필터 208,308...제2 인버터

210,310...(외부) 전원 220,320...피시험장치

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 다기능 가변부하 시험장치는,

임의의 부하 특성의 시뮬레이션과, 직류 링크 전압의 제어 및 전력의 회생을 위한 것으로, 임의의 부하 특성을 시뮬레이션하기 위한 제1 인버터 시스템과, 직류 링크 전압을 제어하고 전력을 회생시키기 위한 제2 인버터 시스템과, 상기 제1,제2 인버터 시스템에 공통으로 접속되어 두 인버터 시스템의 직류 에너지원이 되는 직류 링크부를 포함하여 구성되되,상기 제1 인버터 시스템은 복수의 전력용 반도체 소자의 직/병렬 조합으로 이루어지며, 상기 직류 링크부를 거쳐 입력되는 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 출력하는 제1 인버터; 상기 제1 인버터에서 출력된 스위칭 파형의 출력 전압을 정현파 교류 전압으로 만들어주기 위해 고조파 성분을 제거하는 제1 L-C 필터; 및 상기 제1 L-C 필터를 거친 교류 전압을 피시험장치에 적절한 크기의 전압으로 변환하여 인가해주는 제1 변압기로 구성되고,상기 제2 인버터 시스템은 복수의 전력용 반도체 소자의 직/병렬 조합으로 구성되며, 상기 직류 링크부의 직류 전압으로부터 교류 전압 발생을 위한 제2 인버터; 상기 제2 인버터에서 출력된 스위칭 파형의 출력 전압을 교류 전압으로 만들어주기 위해 고조파 성분을 차단하는 제2 L-C 필터; 및 상기 제2 L-C 필터를 거친 교류 전압을 외부 전원에 적절하게 조화되는 전압으로 변환하여 출력하는 제2 변압기로 구성된 인버터 시스템부;

상기 인버터 시스템부의 전압 및 전류를 측정하는 한편 인버터 시스템부를 제어하는 제어부;

상기 제어부와 전기적으로 연결되며, 수동 부하로 동작시 임의의 전력 용량과 역률 등을 설정하기 위한 설정부;

상기 제어부와 전기적으로 연결되며, 비선형 및 동적 부하 등을 포함하는 복잡한 부하 시스템의 시뮬레이션을 위한 실시간 시뮬레이션 장치;

상기 제어부와 전기적으로 연결되며, 전체 부하 시스템의 전압, 전류 및 상태를 모니터링하기 위한 모니터링 장치; 및

상기 제어부와 설정부, 시뮬레이션 장치 및 모니터링 장치들과의 통신을 위한 통신-인터페이스부를 포함하여 구성된 점에 그 특징이 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 다기능 가변부하 시험장치의 개략적인 시스템 구성도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 다기능 가변부하 시험장치(100)는 인버터 시스템부(101), 제어부(102), 설정부(103), 실시간 시뮬레이션 장치(104), 모니터링 장치(105) 및 통신-인터페이스부(106)를 포함하여 구성된다.

상기 인버터 시스템부(101)는 임의의 부하에 대한 특성을 시뮬레이션하고, 직류 링크 전압(Vdc)을 제어하며, 전력을 회생시키는 역할을 한다. 이와 같은 인버터 시스템부(101)는 임의의 부하 특성을 시뮬레이션하기 위한 제1 인버터 시스템 (101a)과, 직류 링크 전압을 제어하고, 전력을 회생시키기 위한 제2 인버터 시스템 (101b)과, 제1,제2 인버터 시스템(101a)(101b)에 공통으로 접속되어 두 인버터 시스템(101a)(101b)의 직류 에너지원이 되는 직류 링크부(101c)와, 제1 인버터 시스템(101a)과 피시험장치(220)와의 단속을 위한 제1 스위치(204) 및 전원(210)과 제2 인버터 시스템(101b)과의 단속을 위한 제2 스위치(205)로 구성된다.

여기서, 상기 제1 인버터 시스템(101a)은 피시험장치(220)의 출력전압을 기준으로 부하 특성을 나타낼 수 있는 전류가 흐르도록 전압을 발생시키며, 각 상의 전압이 독립적으로 제어될 수 있도록 직류 링크부(101c)와 기준 전위를 공유한다. 이와 같은 제1 인버터 시스템(101a)은 도 2에 도시된 바와 같이, 6개의 전력용 반도체 소자의 직/병렬 조합으로 이루어지며, 상기 직류 링크부 (101c)를 거쳐 입력되는 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 출력하는 제1 인버터 (201)와; 제1 인버터(201)에서 출력된 스위칭 파형의 출력 전압을 정현파 교류 전압으로 만들어주기 위해 고조파 성분을 제거하는 제1 L-C 필터(202)와; 제1 L-C 필터(202)를 거친 교류 전압을 피시험장치(220)에 적절한 크기의 전압으로 변환하여 인가해주는 제1 변압기(203)로 구성된다. 여기서, 상기 제1 변압기(203)에는 바람직하게는 이와 같은 변압기(203)를 필요로 하지 않을 때, 변압기(203)를 바이패스(bypass) 할 수 있는 바이패스 스위치가 변압기(203)와 병렬로 더 접속된다.

상기 제2 인버터 시스템(101b)은 상기 제1 인버터 시스템(101a)이 원활한 전압 및 전류제어 기능을 할 수 있도록 직류 링크 전압을 일정하게 유지하며, 제1 인버터 시스템(101a)으로부터 흡수되는 전기 에너지를 전원(210)을 통해 계통으로 회생시키는 역할을 한다. 이와 같은 제2 인버터 시스템(101b)은 6개의 전력용 반도체 소자의 직/병렬 조합으로 구성되며, 직류 링크부(101c)의 직류 전압으로부터 교류 전압 발생을 위한 제2 인버터(208)와; 제2 인버터(208)에서 출력된 스위칭 파형의 출력 전압을 교류 전압으로 만들어주기 위해 고조파 성분을 차단하는 제2 L-C 필터(207)와; 제2 L-C 필터(207)를 거친 교류 전압을 전원(210)에 적절하게 조화되는 전압으로 변환하여 출력하는 제2 변압기(206)로 구성된다.

여기서, 상기 제2 변압기(206)의 경우에도 상기 제1 변압기(203)의 경우와 마찬가지로 변압기(206)를 바이패스 할 수 있는 바이패스 스위치가 변압기(206)와 병렬로 더 접속된다. 또한, 이상과 같은 제2 인버터 시스템(101b)은 전술한 바와 같이 제1 인버터 시스템(101a)으로부터 흡수되는 전기 에너지를 전원(210)을 통해 계통으로 회생시키는 역할도 하지만, 피시험장치(220)에 대한 시험을 위해 전원 (210)으로부터 피시험장치(220)로 필요한 전원을 초기에 공급할 시, 전원(210)으로부터 입력받은 전압을 시험에 필요한 전압으로 적절히 변환하여 제1 인버터 시스템 (101a) 측으로 인계해주는 역할도 한다. 즉, 이 제2 인버터 시스템(101b)은 양방향 기능을 갖는 것이다.

상기 직류 링크부(101c)는 2개의 콘덴서의 직렬 연결 구조로 구성된다.

상기 제어부(102)는 상기 인버터 시스템부(101)의 전압 및 전류를 측정하는 한편 인버터 시스템부(101)의 동작을 제어한다.

상기 설정부(103)는 상기 제어부(102)와 전기적으로 연결되며, 수동 부하로동작시 임의의 전력 용량과 역률 등을 설정한다.

상기 실시간 시뮬레이션 장치(104)는 상기 제어부(102)와 전기적으로 연결되며, 비선형 및 동적 부하 등을 포함하는 복잡한 부하 시스템의 시뮬레이션을 수행한다.

상기 모니터링 장치(105)는 상기 제어부(102)와 전기적으로 연결되며, 전체 부하 시스템의 전압, 전류 및 상태를 모니터링한다.

상기 통신-인터페이스부(106)는 상기 제어부(102)와 설정부(103), 실시간 시뮬레이션 장치(104) 및 모니터링 장치(105)들과의 통신을 가능하게 한다.

도 2에서 제1 인버터 시스템(101a)의 제1 L-C 필터(202)의 콘덴서 및 제1 변압기(203)의 단부, 그리고, 직류 링크부(101c)의 중간점에 각각 도시되어 있는 백색(무색) 역삼각형 표시들은 함께 접속되어 공통 그라운딩 됨을 나타내는 것이고, 제2 인버터 시스템(101b)의 제2 L-C 필터(207)의 콘덴서 및 제2 변압기(206)의 단부에 각각 도시되어 있는 흑색 역삼각형 표시는 그와는 달리 각각 개별 그라운딩 됨을 나타내는 것이다.

한편, 도 3은 본 발명에 따른 다기능 가변부하 시험장치의 제1,제2 인버터 시스템의 다른 실시예를 보여주는 도면이다.

도 3을 참조하면, 이는 본 발명에 따른 다기능 가변부하 시험장치가 단상 시스템에 적용될 시의 내부 회로 구성을 보여주는 것으로서, 상기 도 2의 경우가 3상 시스템 적용 시의 회로 구성이라면, 본 도 3의 경우는 단상 시스템 적용시의 회로 구성인 것이다.

도 2와 도 3의 두 회로는 3상 시스템과 단상 시스템 적용시 세부 회로 구성만의 차이를 가지며, 전체적인 구성 및 그 기능은 동일하다. 따라서, 도 3에 있어서의 각 구성요소에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다. 도 3에서 참조 부호 301은 제1 인버터, 302는 제1 L-C 필터, 303은 제1 변압기, 304는 제1 스위치, 305는 제2 스위치, 306은 제2 변압기, 307은 제2 L-C 필터, 308은 제2 인버터, 310은 전원, 320은 피시험장치를 각각 나타낸다.

그러면, 이상과 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 다기능 가변부하 시험장치의 동작에 대해 설명해 보기로 한다.

본 발명의 다기능 가변부하 시험장치의 동작은 크게 수동 부하 모드와 복합 부하 모드의 두 가지 모드로 나누어 설명할 수 있다. 먼저, 수동 부하 모드의 경우는 두 가지 기능을 가지며, 이는 본 발명의 장치가 단순한 수동 소자의 조합으로 이루어지는 부하, 즉 일정한 임피던스를 가지도록 동작하는 기능과, 일정한 용량 및 역률을 가지도록 동작하는 기능을 가짐을 의미한다.

전자의 경우, 즉 단순 수동 소자의 집합인 경우는 설정부(103)에 설정되어 있는 부하의 임피던스 설정치와 피시험장치(220)로부터 본 발명의 다기능 가변부하 시험장치로 인가되는 순시 전압 정보를 이용하여 제1 인버터 시스템(101a)에 흘러야 하는 순시 전류 제어 기준치를 제어부(102)에서 연산하고, 그 연산된 결과로부터 전류 제어 알고리즘을 통해 제1 인버터 시스템(101a)에 적절한 스위칭 제어 신호를 인가하여 설정된 순시 전류가 흐를 수 있도록 동작시키는 것이다.

후자의 경우, 즉 일정 용량과 역률을 가지는 부하로 동작시킬 경우는 설정부(103)에 설정되어 있는 부하의 용량과 역률 설정치와 피시험장치(220)로부터 본 발명의 다기능 가변부하 시험장치로 인가되는 순시 전압 정보를 이용하여 제1 인버터 시스템(101a)에 흘러야 하는 순시 전류 제어 기준치를 제어부(102)에서 연산하고, 그 연산된 결과로부터 전류 제어 알고리즘을 통해 제1 인버터 시스템(101a)에 적절한 스위칭 제어 신호를 인가하여 설정된 순시 전류가 흐를 수 있도록 동작시키는 것이다.

한편, 복합 모드의 경우는 복잡한 비선형 특성이나 동적 응답 특성을 시뮬레이션 할 경우에 사용되는 동작 모드이다. 이와 같은 복합 모드의 경우는 실시간 시뮬레이션 장치(104)에 시뮬레이션할 부하 특성을 소프트웨어적으로 모델링한 후, 통신-인터페이스부(106)를 통해 피시험장치(220)로부터 본 발명의 다기능 가변부하 시험장치로 인가되는 순시 전압 정보를 읽어들이고, 읽어들인 정보로부터 모델링된 부하 특성이 반영되는 순시 전류 제어 기준치를 연산하고, 연산된 결과를 통신-인터페이스부(106)를 통해 제어부(102)로 전달하여 전류 제어 알고리즘을 통해 제1 인버터 시스템(101a)에 적절한 스위칭 제어 신호를 인가하여 설정된 순시 전류가 흐를 수 있도록 동작시키는 것이다.

이상을 종합적으로 다시 설명해 보면, 상기 설정부(103)를 통해 임의의 전력 용량 및 역률을 설정하고 운전을 실행하면, 제어부(102)는 상기 인버터 시스템부 (101)의 전압 및 전류를 감지하여 상기 설정된 전력 용량 및 역률에 상응하는 용량의 부하 전류가 흐르도록 인버터 시스템부(101)를 제어하게 되며, 그에 따라 다양한 용량과 역률 특성을 가지는 부하를 가변 구현할 수 있게 된다. 또한, 상기 실시간 시뮬레이션 장치(104)를 통해 임의의 전력 용량 및 응답 특성을 가지는 부하를 모델링하고, 그에 따른 소프트웨어를 구성하여 운전을 실행하면, 상기 제어부(102)는 인버터 시스템부(101)의 전압 및 전류를 감지하여 상기 설정된 전력 용량 및 역률에 상응하는 용량의 부하 전류가 흐르도록 인버터 시스템부(101)를 제어하게 되며, 그에 따라 다양한 용량과 비선형 특성, 동특성을 가지는 부하를 구현할 수 있게 된다. 따라서, 다양한 특성을 가지는 부하에 대한 새로 개발된 피시험장치의 다양한 전기적 시험을 본 발명에 따른 단일 장치만을 가지고 수행할 수 있게 된다. 또한, 상기 제어부(102)는 인버터 시스템부(101)의 전압 및 전류를 감지하여 직류 링크 전압을 일정하게 유지하도록 인버터 시스템부(101)를 제어하게 되며, 제1 인버터 시스템(101a)으로부터 흡수되는 전기적인 에너지를 계통으로 회생시킬 수 있도록 하여 에너지 절약을 도모할 수 있게 된다.

이상의 설명에서와 같이 본 발명에 따른 다기능 가변부하 시험장치는 단일 장치에 의해 간단히 다양한 용량과 역률 특성을 가지는 부하의 구현은 물론 다양한 용량과 비선형 특성, 동특성을 가지는 부하를 구현할 수 있다. 따라서, 다양한 특성을 가지는 부하에 대한 새로 개발된 피시험장치의 다양한 전기적 시험을 간단히수행할 수 있는 장점이 있다. 또한, 부하 시스템이 흡수한 에너지를 다시 전력 계통으로 회생시킬 수 있으므로, 에너지 절약에도 기여할 수 있는 장점이 있다.

Claims (6)

1. 임의의 부하 특성의 시뮬레이션과, 직류 링크 전압의 제어 및 전력의 회생을 위한 것으로, 임의의 부하 특성을 시뮬레이션하기 위한 제1 인버터 시스템과, 직류 링크 전압을 제어하고 전력을 회생시키기 위한 제2 인버터 시스템과, 상기 제1,제2 인버터 시스템에 공통으로 접속되어 두 인버터 시스템의 직류 에너지원이 되는 직류 링크부를 포함하여 구성되되,

   상기 제1 인버터 시스템은 복수의 전력용 반도체 소자의 직/병렬 조합으로 이루어지며, 상기 직류 링크부를 거쳐 입력되는 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 출력하는 제1 인버터; 상기 제1 인버터에서 출력된 스위칭 파형의 출력 전압을 정현파 교류 전압으로 만들어주기 위해 고조파 성분을 제거하는 제1 L-C 필터; 및 상기 제1 L-C 필터를 거친 교류 전압을 피시험장치에 적절한 크기의 전압으로 변환하여 인가해주는 제1 변압기로 구성되고,

   상기 제2 인버터 시스템은 복수의 전력용 반도체 소자의 직/병렬 조합으로 구성되며, 상기 직류 링크부의 직류 전압으로부터 교류 전압 발생을 위한 제2 인버터; 상기 제2 인버터에서 출력된 스위칭 파형의 출력 전압을 교류 전압으로 만들어주기 위해 고조파 성분을 차단하는 제2 L-C 필터; 및 상기 제2 L-C 필터를 거친 교류 전압을 외부 전원에 적절하게 조화되는 전압으로 변환하여 출력하는 제2 변압기로 구성된 인버터 시스템부;

   상기 인버터 시스템부의 전압 및 전류를 측정하는 한편 인버터 시스템부를 제어하는 제어부;

   상기 제어부와 전기적으로 연결되며, 수동 부하로 동작시 임의의 전력 용량과 역률 등을 설정하기 위한 설정부;

   상기 제어부와 전기적으로 연결되며, 비선형 및 동적 부하 등을 포함하는 복잡한 부하 시스템의 시뮬레이션을 위한 실시간 시뮬레이션 장치;

   상기 제어부와 전기적으로 연결되며, 전체 부하 시스템의 전압, 전류 및 상태를 모니터링하기 위한 모니터링 장치; 및

   상기 제어부와 설정부, 시뮬레이션 장치 및 모니터링 장치들과의 통신을 위한 통신-인터페이스부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 다기능 가변부하 시험장치.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1항에 있어서,

   상기 제1 변압기에는 제1 변압기를 바이패스 할 수 있는 바이패스 스위치가 제1 변압기와 병렬로 더 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 다기능 가변부하 시험장치.
5. 삭제
6. 제 1항에 있어서,

   상기 제2 변압기에는 제2 변압기를 바이패스 할 수 있는 바이패스 스위치가 제2 변압기와 병렬로 더 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 다기능 가변부하 시험장치.