KR100451373B1

KR100451373B1 - 다기능 하이브리드 개폐기의 소프트 스타트 제어장치

Info

Publication number: KR100451373B1
Application number: KR10-2002-0031395A
Authority: KR
Inventors: 양천석
Original assignee: 엘지산전 주식회사
Priority date: 2002-06-04
Filing date: 2002-06-04
Publication date: 2004-10-06
Also published as: KR20030094473A

Abstract

본 발명은 다기능 하이브리드 개폐기의 제어장치에 관한 것으로, 기동전류 제한에 의한 최적의 소프트 스타트 제어방법을 구현함으로써, 반도체 스위치의 정격 전류 용량을 줄여서 가격 경쟁력을 확보하고 제품을 경량화하도록 한 것이다. 이를 위하여 본 발명은, 다기능 하이브리드 개폐기에 있어서, 각상의 선간전압을 소정 처리하여 상전압으로 변환하는 상전압변환부와; 상기 상전압변환부에서 출력되는 상전압의 제로 크로싱 시점을 검출하여 그에 따른 영전압을 출력하는 영전압검출부와; 상기 영전압검출부에서 출력되는 영전압 발생시점을 기준으로 톱니파를 발생하는 톱니파발생부와; 각상의 전류와 상기 영전압검출부의 영전압을 소정처리하여 반주기 동안의 전류치를 적산하는 반주기전류적산산출부와; 상기 반주기전력적산산출부에서 출력되는 적산전류값을 소정 처리하여 위상각을 제어하기 위한 소프트 스타트 제어신호를 발생하는 유연기동제어부와; 상기 유연기동제어부에서 출력되는 소프트 스타트 제어신호에 의해, 위상각을 제어하기 위한 제어전압을 출력하는 위상각제어전압발생부와; 상기 위상각제어전압발생부와 상기 톱니파발생부의 출력신호를 비교하고, 그 비교결과에 근거한 비교신호를 출력하는 비교부와; 상기 비교부의 비교신호와 펄스발생부의 펄스신호 및 시컨스 제어신호를 소정 논리연산하여 그에 따른 연산신호를 출력하는 논리연산부와; 상기 논리연산부의 연산신호에 의해, 반도체 스위치를 구동시키는 반도체 스위치구동부와; 소프트 스타트 설정시간이 되면, 반도체 스위치 구동을 차단하기 위한 차단신호를 출력하는 시컨스 제어부를 포함하여 구성한다.

Description

다기능 하이브리드 개폐기의 소프트 스타트 제어장치{SOFT START CONTROL APPARATUS OF MULTI-FUNCTIONAL HYBRID CONTACTOR}

본 발명은 다기능 하이브리드 개폐기에 관한 것으로, 특히 최적의 기동전류 제어에 의한 다기능 하이브리드 개폐기의 소프트 스타트 제어장치에 관한 것이다.

일반적으로 전동기 기동 및 전동기 보호하기 위하여, 전자식 개폐기 (Electromagnetic contactor )와 전자식 모터 보호릴레이 (Electronic Motor Protection Relay: EMPR)가 직렬로 연결되어 전동기를 직접 기동하거나 스타-델타 결선 변경에 의한 소프트 스타터(Soft Starter)등의 방식으로 전동기를 기동한다.

종래에는 전동기를 기동 할 때 전자식 개폐기를 이용하여 전원 전압을 직접 전동기에 연결시키는 직입 기동방식, 혹은 3개의 전자식 개폐기를 사용하여 유도 전동기의 권선을 기동 시에는 스타결선, 운전 중에는 델타결선 형태로 변환하는 방식의 스타-델타 Soft Starter방식 등이 사용되어 왔다.

상기 직입 기동방식은 전동기에 큰 돌입전류를 유발시켜 전동기를 손상 시킬 뿐만 아니라, 또한 개폐기의 접점부도 손상시키게 되는 문제점이 있는 반면에, 스타-델타 Soft Starter방식은 돌입전류 문제는 줄어 들지만 개폐기가 3개나 필요하고 또한 주변에 Timer나 보조 스위치 등을 사용해야 하고, 경우에 따라서는 스타-델타 결선 변경을 지원하지 못하는 전동기도 있기 때문에 모든 경우에 사용 할 수 있는 방법은 못 된다.

즉, 삼상 380V나 440V 전동기의 경우에는 통상 220V 전원에서는 델타결선,380V나 440V전원에서는 스타 결선 형태로 사용되도록 제작되기 때문에 220V전원에서 동작하는 전동기는 스타-델타 기동방식이 가능하나, 380V나 440V 전원에서는 스타결선 자체가 정격전압이 전동기 권선에 인가되는 조건이므로 이때에는 특별하게 제작된 전동기가 필요하게 되는 문제점이 있다.

상술한 문제점을 모두 해결 하는 방법은 Soft Starter라 하여 전동기 인가전압의 크기를 제어 할 수 있는 Solid-State Switched Soft Starter을 사용하거나, VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)을 사용해야 하지만 이러한 장비의 가격이 기존의 스타-델타 기동방식보다 상당히 비싸기 때문에 적용에는 한계가 있다.

또한, 반도체 스위치로만 구성되는 Solid-State Switched Soft Starter는 전류 통전 시 스위치 양단의 손실 때문에 열이 발생하고 이를 위해서 큰 Heat Sink가 필요하게 된다.

한편 전동기의 운전 중에도 역상, 결상, 불평형, 과부하, 과전류 등을 감시하여 전동기에 공급되는 전원의 이상유무를 판단하여 전동기를 보호 해 주는 EMPR이 사용되는데, 통상은 이러한 전동기 기동장치 및 EMPR이 단독으로 쓰이기 보다는 MCC (Motor Control Center)라는 Panel안에 단위 Rack형태로 장착되어서 사용되기 때문에 이러한 장치들을 서로 연결하는 배선 작업이 필요하다.

따라서 이러한 단위 Rack 제작 시에 배선 작업이 줄어들고 또한 주어진 공간 내에서 가능한 많은 Rack이 장착되면 Panel 제조 비용이 크게 줄어들게 되는 장점이 있기 때문에 MCC 제조업체에게는 큰 잇점으로 작용하게 되므로, 부피가 작으면서 전동기를 부드럽게 기동 할 수 있는 장치가 절실히 요구되고 있다.

이러한 장치에 적합한 것으로써 본 발명에 앞서 '다기능 하이브리드 개폐기(출원번호: P01-002406)'를 출원한 바 있는데, 이를 첨부한 도면을 참조하여 간략히 설명한다.

도1은 종래의 전동기 기동, 정지 및 보호, 감시 기능을 갖는 MCC 용 단위 Rack의 구성을 보인 블록도로서, 이에 도시된 바와같이 삼상 전원(R,S,T)이 회로 차단기 MCCB (11)을 거쳐서 전자식 모터 보호 릴레이인 EMPR (12)에 연결되고, 상기 EMPR(12)을 통과한 전력선은 전원용 개폐기 MCM (13)의 3개 Terminal에 연결되며, MCM(13)의 다른 3개 Terminal은 전동기 (16)의 U,V,W 권선에 연결되고, 상기 전원 개폐기 MCM(13)과 EMPR(12)의 출력이 만난 지점에 운전용 개폐기 MCD(14) 의 3개 Terminal 이 연결되며, 그 MCD(14)의 다른 3개 Terminal은 전동기(16)의 권선 X,Y,Z에 연결되고, 상기 전동기(16)의 권선 X,Y,Z는 기동용 개폐기 MCs(15)에 연결되며, 보조회로(17)와 EMPR(12),3 개의 개폐기(13,14,15)가 서로 연결되어 시컨스 제어를 감당하게 되며, 이와같은 종래 장치의 동작을 설명한다.

먼저, 전동기가 기동시, MCCB(11)가 켜지면 EMPR(12)의 제어회로에 전원이 공급되어, 그 EMPR(12)는 전동기 선로에 공급되는 전류를 계속 감시하기 시작한다.

이때, 보조회로(17)에 연결된 기동 스위치로부터 명령이 전달되면(통상은 Push Button 스위치) 전원용 개폐기 MCM(13)과 기동용 개폐기 MCs(15)가 연결되고, 이에 따라 전동기(16)는 스타 결선(혹은 Y결선) 형태가 되어 회전을 시작한다.

이때, 상기 전동기(16)의 결선에 인가되는 전압은 정격 전압의 배의 정격 전압만 인가되고, 이에 의해 전동기(16)에 인가되는 전압이 낮기 때문에 초기의 돌입전류는 상당히 감소하게 되며, 일정 시간이 경과한 후에 기동용 개폐기 MCs(15)를 오픈(Open) 시키고, 운전용 개폐기 MCD(14)를 클로우즈 (Close)하면 전동기(16)의 결선이 델타 형태로 되어, 정격전압이 전동기(16)에 걸리게 된다.

여기서, 상술한 동작을 수행하기 위하여, 보조회로(17)에는 타이머, 보조 계전기, Push Button 스위치 등이 필요하게 된다.

한편, EMPR(12)은 전동기(16)가 회전을 시작하여 전류가 흐르기 시작하면, 그 전동기(16)에 공급되는 전류를 연속적으로 측정하면서, 동시에 전원 전압의 위상 순서를 점검하여 전원이 역상인지 정상인지 여부를 판단하는데, 전원에 이상이 발견되면 곧바로 전원용 개폐기 MCM (13)을 오픈(Open) 시켜서 전동기(16)에 공급되는 에너지를 차단한다.

또한, 기동 중에도 전동기(16)에 공급되는 전류가 규정 값 이상으로 증가하여 규정된 시간이상 지속되면 전동기 보호를 위해서 전원용 개폐기 MCM(13)을 오픈(Open) 시키게 되고, 또한 모터에 연결된 선로의 이상이나 모터 자체의 권선 이상에 의해서 결상 등이 발생 할 때에도 전원용 개폐기 MCM(13)을 오픈(Open) 시켜 전동기(16)를 보호하는 역할을 수행한다.

아울러, 도1의 스타-델타 기동회로의 제어 시컨스(Sequence)를 바꾸어서 보조 스위치로부터 기동 신호가 들어왔을 때에 전원용 개폐기 MCM(13)과 운전용 개폐기 MCD(14)를 동시에 클로우즈(Close)하고, 기동용 개폐기 MCs(15)를 오픈(Open)시키면 직입 기동 형태로 바뀌게 되는데, 이와 같은 직입 기동을 허용하는 경우에는 EMPR의 동작 특성도 직입 기동의 동작 특성에 맞추어 놓아야 한다.

여기서, 도2는 기존의 기계식 접점만으로 구성된 전자식 개폐기가 켜지거나 꺼지는 순간에 발생하는 접점 부위의 아크를 제거하기 위해서 제안된 하이브리드 (Hybrid) 개폐기(출원번호: P00-0077 63)의 구성 블록도로서, 이에 도시된 바와같이 전원(21)과 부하(24)사이에 개폐기의 주접점(22)이 연결된 기본 구조에, 주접점(22)과 병렬로 반도체 스위치 SCR1과 SCR2가 역병렬로 연결되고, 저항 (Rs)과 커패시터(Cs)가 직렬로 연결된 과전압 방지용 스너버(Snubber)가 반도체 스위치 (SCR1) ,(SCR2)양단에 연결되며, 과전압 억제 소자(ZNR1)도 반도체 스위치 양단(SCR1),(SCR2)에 연결되고, SCR1과 SCR2의 게이트(G1,G2)와 캐소드(K1,K2)에는 게이트 구동회로(26)가 연결된다.

그리고,구동코일 전압제어기(27)는 개폐기 외부에서 구동코일에 인가하는 단자(V_input)와 구동코일에 전압을 출력하는 단자(V_Coil)가 있으며, 이와는 별도로 제어신호(Vx)와 전원(Vdd)에 의해 상기 반도체 스위치(SCR1, SCR2)를 구동하는 스위칭 소자(Qc)와 다이오우드(Dc) 및 저항(Ra,Rb,Rc )으로 구성된 SCR 게이트 구동회로로 구성된다.

도3은 상기 구동 코일 전압 제어기(27)에 대한 상세 제어 블록도로서, 이에 도시한 바와같이 외부전압 입력단자(V_input)에 인가된 구동코일 구동전압은 교류나 직류 중 어느 형태가 인가되어도 상관없도록 입력전압(V_input)은 정류부(41)에 의해서 직류로 변환되고, 이 변환된 직류는 최종적으로 반도체 스위치(Qm)와 다이오우드(Dm)로 구성된 구동회로에 의해서 구동전압 출력 단자 (V_Coil)에 인가되며, 또한 상기 정류부(41)의 출력은 정전압 발생부(44)에 연결되어 제어 전원(Vcc)과 SCR 구동전원(Vdd)을 생성하고, 또한 상기 정류부(41)의 출력은 분압부(42)에 연결되어 분압되며, 그 분압부(42)의 출력은 전압 검출부(43)에 연결되어 그 전압 검출부(43) 출력이 일정치 이상이 되면 'H'신호를, 일정치 이하이면 'L'신호를 발생하고, 이 전압 검출부(43)의 출력은 펄스발생장치(45,46,47)에 연결되어 각각 정해진 펄스폭의 단펄스( Tp, Ta, Te )로 발생되며, 상기 펄스 발생장치(45)의 출력은 OR 게이트(51)에 입력되어 펄스폭 변조 신호(S_PWM)와 합성되어 최종적으로 AND 게이트(53)에 입력되어, 전압 검출기(43)의 출력이 'H'이면 AND 게이트(53)의 출력이 나타나고, 'L'이면 차단되는 특성을 가지며, 전압 검출부(43)의 출력단 신호가 'L'에서 'H'로 바뀌는 순간에 펄스 발생기(45)는 Tp 시간만큼의 단펄스를 발생시키고, 펄스 발생기(46)는 Ta 시간만큼의 단펄스를 발생시키며, 상기 전압 검출부(43)의 출력단 신호가 'H'에서 'L'로 바뀌는 순간에 펄스 발생기(47)는 Te 시간만큼의 단펄스를 발생시키고, 펄스 발생기(46)의 출력이 'H'에서 'L'로 바뀌는 순간에 펄스 발생기(48)는 Td 시간 만큼의 단펄스를 발생시키며, 상기 펄스 발생기(48)와 펄스 발생기(47)의 출력은 OR 게이트(52)의 입력단에 인가되고, 상기 OR 게이트(52)의 출력과 비교기(50)의 출력은 AND 게이트(54)의 입력에 연결되며, AND 게이트 (54)의 출력신호 Vx는 상기 도2의 SCR1과 SCR2를 구동한다.

또한, 구동 입력전압(V_input)의 크기나 동작온도, 구동 코일에 흐르는 전류량에 따라서 최적의 코일 구동전압 (V_Coil)이 나타나도록 펄스폭 제어기(49)에서결정된 직류값과 톱니파 발진기(55)의 두신호가 비교기(50)에 입력되어 펄스폭 변조파형(S_PWM)이 발생되고, 그 펄스폭 변조파형(S_PWM)이 OR 게이트 (51)의 입력에 연결된 구조를 하고 있다.

여기서, 도4는 도2 및 도3의 하이브리드(Hybrid) 개폐기의 동작 원리 및 타이밍도(Timing Diagram)이다.

상기 도4를 참조하여 하이브리드(Hybrid) 개폐기의 동작을 설명하면, 우선 시점 t=t0에서 구동코일 전압제어기(28)의 구동전압 입력단자(V_input)에, 도4의 (a)와 같은 파형의 전압이 인가되면 이 신호는, 도3의 정류부(41),분압부(42),전압 검출부(43)를 거쳐, 도4의 (b)와 같은 파형처럼 t=t1시점에서 전압 검출부(43)의 출력신호 V_Com이 'L'에서 'H'로 변하게 된다.

상기 V_Com을 입력 신호로 받은 펄스발생기(45)는 도4의 (c)와 같이 펄스폭이 Tp인 단펄스를 발생시켜서 코일구동 전압(V_Coil)을 발생시킨다.

이와 동시에, 상기 펄스발생기(46)는 신호 V_Com을 받아서 도4의 (d)와 같이 펄스폭이 Ta인 단펄스를 발생시키는데, 구간 t=t1에서 t=t2 동안에는 도2의 개폐기 주접점(22)은 아직 닫힌 상태가 아니고 가동접점부가 이동중인 상태이다.

이때, 통상의 개폐기 주 접점이 닫힐 때 까지 걸리는 시간은, 도4의 (e)에 도시된 바와 같이, Tb (통상 20 ~ 50ms 소요) 만큼 걸리게 되므로 구동 코일에 전압을 인가하고, 곧바로 개폐기의 주접점과 병렬로 연결된 반도체 스위치(SCR1, SCR2)의 게이트에 신호를 인가해도 되지만(이 경우 도4의 Ta=0이고, 도3의 펄스발생기(46)는 불필요함), 반도체 스위치(SCR1,SCR2)에서 발생되는 발열을 최소로 하기 위해서 시간 Ta (권장치 20ms 정도) 만큼 반도체 스위치(SCR1,SCR2)의 턴온 동작을 지연시킨 다음에, 펄스발생기(46)의 출력이 'H'에서 'L'로 변하는 순간에, 그 펄스발생기(48)에 의해서 펄스폭이 Td인 단펄스를 도4의 (f)와 같이 발생시킨다.

상기 펄스발생기(48)에서 출력되는 단펄스는, 도3의 비교기(50)의 출력과 도3의 AND 게이트(54)를 통해서, 도4의 (g)와 같이 펄스열(Pulse Train) 형태로 신호 Vx를 발생시키고, 도2의 SCR 게이트 구동회로(26)를 통해서 도2의 반도체 스위치(SCR1, SCR2)를 턴온 시키게 된다.

만약, 시간t=t3에서 개폐기의 주접점이 닫힌다고 가정하면, 반도체 스위치 (SCR1, SCR2)는 t=t2시점에서 턴온되어 부하전류를, 도4의 (h)와 같은 파형으로 공급하다가 개폐기의 주접점이 닫히게 되면 SCR 양단의 전압이 영전압이 되고, SCR을 턴온 시키기 위한 최소전압이 확보 되지 못하므로 SCR은 꺼지게 된다.

만약에 개폐기의 주 접점이 t=t3에서 완벽하게 연결되지 않고 채터링 (Chattering)하게 되면 주접점(22)과 병렬로 연결된 SCR의 게이트에는 도4의 (g)와 같이, 계속 게이트 구동 펄스열이 t=t4까지 인가되므로 SCR이 다시 켜지게 되는 과정을 반복하게 되고, 이에 의해 SCR의 턴온 때에 개폐기 주접점(22)에는 아크 발생이 억제되게 된다.

상기 개폐기의 턴온 동작이 종료되면 구동 코일에는 높은 전압이 불필요하고 오히려 코일의 손상이나 강한 잔류 자석 성분을 유발시키므로, 도4의 (c)와 같이, 펄스폭이 변조된 신호를 인가하게 되는데, 통상 턴온 구간의 펄스폭은 수μsec정도로 짧아도 충분한다.

또한, 반복 주파수는 가청 소음을 줄이기 위해서 20kHz정도를 사용하기 위해서, 도3의 발진기 및 톱니파 발생기(55),펄스폭제어기(49),비교기(50)을 통해서 OR 게이트(51) 및 AND 게이트 (53)에 입력되어서, 전압 검출부(43)의 출력이 'H'인 구간 동안에는 도4의 (c)와 같이, 펄스열을 구동코일에 인가하게 된다.

한편, 도4의 t=t5 순간에 구동전압 입력단자(V_input)에, 도4의 (a)와 같은 전압이 인가되면 이 신호는 개폐기 턴온때와 마찬가지로, 도3의 정류부 (41),분압부 (42),전압 검출부(43)를 거치게 되어, 도4의 (b) 파형과 같이 t=t5시점에서 전압 검출부(43)의 출력신호(V_Com)가 'H'에서 'L'로 변하게 된다.

상기 전압검출부(43)의 출력신호(V_Com)를 입력 신호로 받은 펄스발생기(47)는, 도4의 (f)와 같이 펄스폭이 Te인 단펄스를 발생시키고, 그 단펄스는 OR 게이트(52)에 입력된후, 그 OR 게이트(52)의 출력과 비교기(50)의 출력은 도3의 AND 게이트 (54)를 통해서 도4의 (g)와 같이 펄스열(Pulse Train) 형태로 신호 Vx를 발생시키며, 그 신호(Vx)는 도2의 SCR 게이트 구동회로(26)를 통해서, 반도체 스위치 (SCR1, SCR2)에 게이트 신호를 인가하게 된다.

그러나, 실제로 주접점이 개방되는 순간까지는 도4의 (e)와 같이, Tc만큼 지연 동작되므로 t=t5에서 t=t6구간 까지는 주접점과 병렬로 연결된 반도체 스위치(SCR1, SCR2)는 켜지지 않고 있다가, 주 접점이 개방되는 순간부터 부하전류를 감당하게 된다.

만약, t=t7에서 SCR의 게이트 신호를 차단하게 되면 턴온된 SCR에 흐르는 전류의 극성이 반전 될때까지 SCR이 게속 켜져있다가 t=t7시점에서 꺼지게 되는데,이때 SCR 양단에 발생되는 전압 스파이크(Spike)를 일정치 이하로 억제하기 위해서, 도2에서 저항(Rs)과 커패시터(Cs) 및 ZNR(ZNR1)로 구성된 스너버 (Snubber)를 사용한다.

한편, 도4의 (i)는 최종적으로 부하에 공급되는 전류의 통전 구간을 보여 주는것으로, SCR이 켜진 시점( t=t2)부터 꺼진 시점(t=t8) 까지임을 보여주고 있으며, 도4의 (h)는 하이브리드(Hybrid)개폐기의 1회 턴온 턴오프시, SCR에 흐르는 전류 구간을 보여주고 있으며, SCR에서의 발열을 최소로 하기위해서 Tf와 Tg의 길이가 최소가 되도록 설계해야 한다.

상술한 바와 같이 도1과 같은 종래 기술은, 전동기를 기동 시킬 때에 돌입전류를 상당하게 줄일 수 있지만 완전한 소프트 스타트(Soft Start) 특성을 갖지 못하며, 또한 소프트 스타트 특성을 갖도록 하기 위하여 3개의 개폐기와 1개의 타이머 및 1개의 보조 계전기가 필요하기 때문에 이들이 차지하는 공간도 상당히 크고, 또한 이들을 연결하는 선도 상당히 복잡하기 때문에 MCC반에 장착 시킬 때에는 매우 불리한 조건을 갖게 되는 문제점이 있다.

또한, 전동기 개폐가 빈번한 경우에는 개폐기 접점에서 발생하는 아크 때문에 개폐기의 접점이 크게 손상되는데, 이를 방지하기 위하여 Solid State Switch로 구성되어 있는 Soft Starter (이하 SS라 칭함)를 사용하므로, Soft Starter 자체의 가격이 인버터나 VVVF보다는 저렴 (1/3 정도의 가격)하지만 여전히 개폐기로 구성된 스타-델타 기동방식에 비해서는 비싼 편이다.

즉, 기존의 하이브리드(Hybrid) 개폐기는 기계식 접점이 Close상태에 이르기이전에 병렬로 연결된 반도체 스위칭 소자가 항상 먼저 턴온 되기 때문에 반도체 스위칭 소자가 초기에 부담해야 할 전류가 돌입 전류가 큰 부하, 즉 전동기의 직입 기동과 같은 조건 (제5도의 AC3급 혹은 AC4급 시험조건) 에서는 정격 전류의 6배~10배 정도의 전류가 흐르게 된다.

이때, 도4에서 처럼 t=t2부터 t=t3구간 동안 (도통 시간 Tf) 항상 반도체 스위칭 소자가 이 돌입 전류를 감당하게 되는데, 이 구간의 길이는 기계적 접점의 스위칭 속도와 관계되기 때문에 항상 일정한 것이 아니고 상당한 설계 Margin을 두어서 제어 (통상은 60Hz의 2~3 주기 동안) 하게 되고, 이 구간의 길이와 돌입전류의 크기에 따라 반도체 스위칭 소자의 용량을 결정하게 된다.

통상적으로, Solid-State Contactor의 경우에는 10배 정도의 돌입전류가 0.5초(60Hz 3주기 정도)흐르는 것을 허용하기 때문에 정격 전류 용량보다 2~3배 큰 정격전류 용량을 갖는 반도체 스위칭 소자가 요구되므로, 제품 가격이 비싸지게 되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 기동전류 제한에 의한 최적의 소프트 스타트 제어방법을 구현함으로써, 반도체 스위치의 정격 전류 용량을 줄여서 가격 경쟁력을 확보하고 제품을 경량화하도록 한 다기능 하이브리드 개폐기의 소프트 스타트 제어장치를 제공함에 그 목적이 있다.

또한, 기동시간을 외부에서 설정하고 제어함으로써 전동기 부하의 경중에 따른 최적의 기동성능을 구현하도록 한 다기능 하이브리드 개폐기의 소프트 스타트제어장치를 제공함에 그 목적이 있다.

도1은 종래 MCC반의 단위 RACK 구성도.

도2는 종래 하이브리드 개폐기의 구성을 보인 블록도.

도3은 도2에 있어서, 구동코일 전압발생기의 구성을 보인 블록도.

도4는 구동코일 전압발생기의 각 부분에 대한 타이밍도.

도5는 전자식 개폐기의 전동기 부하패턴을 보인도.

도6은 본 발명 다기능 하이브리드 개폐기의 소프트 스타트 제어장치가 적용되는 장치의 구성을 보인 블록도.

도7은 본 발명 다기능 하이브리드 개폐기의 소프트 스타트 제어장치에 대한 구성을 보인 블록도.

도8은 도7에 있어서, 소프트 스타트 기동시의 각 부분에 대한 타이밍도.

도9는 도7에 있어서, 소프트 스타트 구형을 위한 α각 제어를 보인 파형도.

도10은 도7에 있어서, 반도체 스위치 α각 전압지령 프로파일 및 전동기 기동전류 파형도.

*****도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*****

100:전류검출부 101:선간전압검출부

102:반도체 구동부 103,108:앤드게이트

104:상전압변환부 105:영전압검출부

106:톱니파발생부 107:비교부

109:반주기전류적산산출부 110:유연기동제어부

111:위상각제어전압발생부 112:펄스발생부

114:시컨스제어부

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 다기능 하이브리드 개폐기에 있어서, 각상의 선간전압을 소정 처리하여 상전압으로 변환하는 상전압변환부와; 상기 상전압변환부에서 출력되는 상전압의 제로 크로싱 시점을 검출하여 그에 따른 영전압을 출력하는 영전압검출부와; 상기 영전압검출부에서 출력되는 영전압 발생시점을 기준으로 톱니파를 발생하는 톱니파발생부와; 각상의 전류와 상기 영전압검출부의 영전압을 소정처리하여 반주기 동안의 전류치를 적산하는 반주기전류적산산출부와; 상기 반주기전력적산산출부에서 출력되는 적산전류값을 소정 처리하여 위상각을 제어하기 위한 소프트 스타트 제어신호를 발생하는 유연기동제어부와; 상기 유연기동제어부에서 출력되는 소프트 스타트 제어신호에 의해, 위상각을 제어하기 위한 제어전압을 출력하는 위상각제어전압발생부와; 상기 위상각제어전압발생부와 상기 톱니파발생부의 출력신호를 비교하고, 그 비교결과에 근거한 비교신호를 출력하는 비교부와; 상기 비교부의 비교신호와 펄스발생부의 펄스신호 및 시컨스 제어신호를 소정 논리연산하여 그에 따른 연산신호를 출력하는 논리연산부와; 상기 논리연산부의 연산신호에 의해, 반도체 스위치를 구동시키는 반도체 스위치구동부와; 소프트 스타트 설정시간이 되면, 반도체 스위치 구동을 차단하기 위한 차단신호를 출력하는 시컨스 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 의한 다기능 하이브리드 개폐기의 소프트 스타트 제어장치에 대한 실시예의 작용 및 효과를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도6은 본 발명 다기능 하이브리드 개폐기의 소프트 스타트 제어장치가 적용되는 다기능 하이브리드 개페기의 구성을 보인 블록도이다.

삼상 전원 (R,S,T) 는 MCCB(61)의 한쪽 편에 연결되고, MCCB(61)의 다른 편에는 점선으로 표시된 다기능 하이브리드(Hybrid) 개폐기 (82)의 3단자 (90,91,92)에 연결되고, 이들 전력선은 각각 전류 측정소자 CT (62,63,64)의 1차측에 연결 된 후에 다기능 하이브리드(Hybrid) 개폐기 (86)의 출력단자 X,Y,Z (83,84,85) 를 통해서 외부에 연결되는 기계식 전자 개폐기 SM(68)에 연결되고, SM(68)의 출력단은 전동기(82)의 3단자 U, V, W에 연결되며, 다기능 하이브리드(Hybrid) 개폐기 (86)의 내부 단자 83,84,85는 각각 양방향 반도체 스위칭 소자부 (67,66,65)에 연결되고, 양방향 반도체 스위칭 소자부 (65,66,67)의 다른 한편에는 전동기U,V,W가 연결됨 으로써 외부에 연결되는 기계식 전자 개폐기 SM(68)는 반도체 스위칭 소자(65,66,67)과 병렬로 연결된 구조를 하고 있다.

한편 다기능 하이브리드(Hybrid) 개폐기 (86)내부의 CT(62,63,64) 출력단 3개와 전력선(83,84,85) 3단자가 제어 전원장치 및 전압, 전류 측정부(69)에 연결되어 다기능 하이브리드(Hybrid) 개폐기 (86) 내부의 모든 제어기에서 사용되는 제어전원을 만들고 또한 선로전압을 제어 전압 수준으로 낮춘 다음에 다기능 하이브리드(Hybrid) 개폐기 (86)의 제어부 (70)에 연결되는 구조를 하고 있으며, 한편 제어부에서는 EMPR 기능을 수행 할 때 필요한 정격전류 설정값 (72), 전동기를 직입 기동 할 때 필요한 초기 EMPR 동작 지연 시간 설정값(73), 전동기를 Soft Start모드로 동작 시킬 때에 기동 시간을 얼마로 할 것인지를 정해주는 SS_Time 설정값(74), 전동기 기동을 할 것인지 정지 시킬 것인지 여부를 알려주는 Run/Stop Switch (76), 다기능 하이브리드(Hybrid) 개폐기 (86)의 기능을 시험해 보는 Test핀(75), 전동기 기동방식을 직입 기동 혹은 Soft Starter방식 중 선택 할 수 있게 해주는 입력 핀(93)등은, 본 발명 다기능 하이브리드 개폐기(86)의 소프트 스타트 제어장치에 연결되는 구조를 하고 있으며, 이 이외에도 표시 및 설정부(71)를 통해서 다기능 하이브리드 개폐기(86) 외부에 있는 MMI(87)에 연결되어 여러가지 정보를 표시하거나 설정에 필요한 정보를 받아 들일 수 있도록 되어 있으며, 다기능 하이브리드(Hybrid) 개폐기(86)의 제어 출력으로는 외부에 연결된 전자 개폐기(68)를 Open 혹은 Close할 때 사용되는 릴레이 접점 출력핀 (77,78)과, 다기능 하이브리드 개폐기 (86)의 점점 상태를 다른 상위 제어기에 알려주는 릴레이 접점 출력핀(79,80), 양방향 반도체 스위칭 소자부 (65,66,67)를 On/Off 하는데 이용하는 제어신호 핀(81) 등이 본 발명 다기능 하이브리드 개폐기의 소프트 스타트 제어장치에 연결된 구조를 하고 있다.

도7은 본 발명의 다기능 하이브리드 개폐기에 대한 소프트 스타트 제어장치의 구성을 보인 블록도로서, 소프트 스타트 제어를 구현하기 위하여 R상에 대한 제어 구성도 이며, 나머지 S 및 T상 또한 동일 구조로 되어있고 각각 위상차(Phase difference)가 2/3 씩 차이가 나도록 톱니파가 발생하므로, 최종 제어 신호 역시 동일 위상차이로 각 상에 인가 되도록 되어있다.

이에 대하여 설명하면 다음과 같다. MCCB(61), 전류센서(62), 양방향 반도체스위치(65) 및 기계식 전자 개폐기 SM(68)의 결선구성은 앞서 설명한 바와 같으며, 포인트(85)는 선간전압 검출부(101)에 연결되고 선간전압 검출부(101) 출력은 상전압변환부(104)에 입력되며, 이 출력은 다시 영전압검출부(105)에 입력되고 영전압검출부(105)의 출력은 톱니파 발생부(106) 입력되며, 톱니파 발생부(106) 출력은 비교부(107)의 한 입력이 된다.

또한 전류센서(62) 출력은 전류검출부(100)에 입력되고, 전류 검출부(100) 출력은 반주기 전류적산 산출부(109)에 입력되며, 이 출력은 다시 유연기동제어부 (110)에 입력되고 유연기동제어부(110)의 출력은 위상각 제어전압 발생부(111)에 입력되며, 위상각 제어전압 발생부(111) 출력은 비교부(107)의 다른 한 입력이 된다.

한편 영전압 검출부(105)의 출력은 톱니파 발생부(106)의 입력이면서 동시에 반주기 전류적산 산출부(109)의 한 입력으로 연결된다.

이때, 논리연산부(200)는, 상기 비교부(107)의 비교신호와 펄스발생부(112)의 펄스신호 및 시컨스 제어신호를 소정 논리연산하여 그에 따른 연산신호를 반도체 스위치 구동부(102)에 인가한다.

즉, 제1 앤드게이트(108)는 비교부(107)의 출력과 펄스 발생부(112)의 출력이 각각 두 입력으로 연결되고, 제2 앤드게이트(103)에는 상기 제1 앤드게이트 (108)의 출력과 시퀀스 제어부(114)의 차단신호(SCR_BLOCK) 신호가 두 입력으로 연결되며, 제2 앤드게이트(103)의 출력은 반도체 스위치 구동부(102)에 인가된다.

여기서, 상기 반도체 스위치 구동부(102)의 출력은 반도체 스위치(65)의 게이트 단자에 연결된다.

상기 시퀀스 제어부(114)에는 볼륨저항 SS_TIME값(74)과 EMPR제어부(115)의 출력과 VTEST신호(75)와 VRUN신호(76)와 V_TYPE신호(93)가 입력되고, 기계식 전자 개폐기 SM(68)의 구동코일 신호(77,78)와 차단신호(SCR_BLOCK)가 출력된다.

EMPR제어부(115)에는 볼륨저항 D_TIME값(73)과 볼륨저항 RC값(72)과 ISUM_FB 값이 입력되며 EMPR제어부(115)의 출력은 시퀀스 제어부(114)에 입력된다.

여기서, 기본적으로 MCCB가 연결되어 있고 다기능 하이브리드(Hybrid) 개폐기에 제어 전원이 확보되어 있는 상황에서 동작 설명을 시작 하기로 한다.

먼저 도6의 VRUN(76) 핀 입력이 t=t1에서 "L" 에서 "H" 로 상태가 바뀌게 되면 전원선 (R,S,T) 전압과 선전류(IR IS IT)를 제6도의 전압,전류 측정부(69)로 측정된 신호를 제어부(70)에 전달한다.

도7에서, 전류검출부(100) 및 선간전압검출부(101)는 도6의 전압,전류 측정부(69)에 해당하고, 상기 제어부(70)는 본 발명 다기능 하이브리드 개폐기의 소프트 스타트 제어장치에 해당된다.

도7과 도9를 참조하여, 본 발명 다기능 하이브리드 개폐기의 소프트 스타트 제어장치를 설명한다.

우선, 선간전압 검출부(101)의 출력(VRS, VST, VTR)은 상전압변환부(104)에 입력되어, π/6 늦은 상전압(VR, VS, VT)으로 변환되고, 이 상전압으로부터 영전압검출부(105)에 의해 영전압 Crossing시점을 검출한다.

상기 영전압검출부(105)의 출력은 톱니파 발생부(106) 입력되어, 영전압시점을 기준으로한 톱니파(VRSAW, VSSAW, VTSAW)를 발생하고, 이 톱니파는 비교부(107)의 한 입력이 된다

이와 같이 각상의 상전압에 대하여 영전압 Crossing 시점을 기준으로 한 톱니파를 만들어 주는 이유는, 전류제어에 의한 출력 전압과 비교하여 양방향 반도체 스위치의 R-S-T 3상에 대한 위상각 제어를 하기 위함이다.

한편 제7도에서 전류센서(62) 출력은 전류검출부(100)에 입력되고, 전류 검출부 (100) 출력과 영전압 검출부(105)의 출력은 반주기 전류적산 산출부(109)에 입력되어, 반주기 동안의 전류치를 적산한다.

상기 적산전류값에 의하여 SCR 및 TRIAC등의 양방향 반도체 스위치에 의한 전동기의 Soft Start를 위하여, 유연기동제어부(110)는 다음과 같은 관계식(1) 및 (2)에 의해 각 제어를 위한 제어를 실시하고, 위상각 제어전압 발생부(111)을 통해 전압지령치 V(t)를 비교부(107)의 한 입력으로 출력한다.

V(t)=V(t-1)+△V ------(식1)

△V=(Idcref-Idc)×K -----(식2)

여기서, V(t): 현재 값을 위한 전압지령치

V(t-1): 직전 값을 위한 전압지령치

V: 전류기준치와 실제 전류치 차이에 의한 값 보상치

Idcref : 전류기준치 (전류제한 Limit치)

Idc: 실제전류

K:V를 위한 보상치 게인

여기서, Soft Start를 위한 전류Limit 제어의 원리는 다음과 같다.

최초에 V(0) = 0 이고, +V에 의하여 그 다음 V(t)는 임의의 각으로 반도체 스위치를 구동하기 시작한다.

상기 반주기 전류적산 산출부(109)에 의한 계측전류의 적산치 Idc가 Idcref 보다 작은 동안은 V(t)는 계속 증가하다가, 만약 Idc가 Idcref 보다 커지면 -V에 의하여 V(t)는 더 이상 증가하지 않음으로써 결과적으로 Idcref치로 전동기 부하전류를 제한한다.

여기서 Idcref는 해당 전동기 정격전류의 수백[%]에 해당하는 값으로 직입전류보다 크게 작은 값으로 제한함으로 전원에 과부하가 걸리지 않도록 함과 동시에 유연한 전동기 기동이 가능한 값이 되도록 한다.

그리고, 모터 특성상 정격속도 부근으로 속도가 증가하면 부하전류는 급격히 떨어지므로 Idc는 Idcref보다 작아지고, 이때 +V 작용하므로 결국 정상속도에서는 최대각으로 동작하여 소프트 스타트(Soft Start) 동작을 완료하게 된다.

도10은 본 발명의 파워 반도체 각 전압지령Profile즉, V(t)값의 시간에 따른 변화와 전동기 기동전류 파형을 나타낸다.

여기서, 제어된 V(t)값(제10도, 위)에 따라 기동전류는 서서히 증가하여(제10도, 아래) 설정된 제한치로 제어되고 서서히 전동기의 슬립이 즐어들어 정격속도 부근에 이르면 정격전류로 부드럽게 감소하여 유지되는 것을 알 수 있다.

이상의 동작에서 도9의 비교부(107) 출력전압은 VRGATE, VSGATE, VTGATE가된다. 도7과 도9에서, 제1 앤드게이트(108)에는 비교부(107)의 출력 VRGATE 와 펄스 발생부(112)의 출력이 각각 두 입력으로 연결되어, VRGATE의 ON Duty기간동안 펄스가 실리는 신호가 되어, 제2 앤드게이트(103)에 인가된다.

상기 제2 앤드게이트(103)는 제1 앤드게이트(108)의 출력과 시퀀스 제어부(114)의 차단신호(SCR_BLOCK)를 입력받아, 그 차단신호(SCR_BLOCK)가 논리 'high'면 제1 앤드게이트(108)의 출력을 그대로 반도체 스위치 구동부(102)에 출력하여 각 제어를 실시하고, 상기 차단신호(SCR_BLOCK)가 논리 'low'면 제1 앤드게이트(108)의 출력을 차단하여 반도체 스위치 구동을 정지하게 한다.

상기 차단신호(SCR_BLOCK)는, 도7에서, 시퀀스 제어부(114)의 입력인 SS_TIME(74)치와 EMPR제어부(115) 및 VRUN(76) 신호에 의하여 발생한다.

즉, SS_TIME(74) 설정치가 되었을 때, EMPR제어부(115)로부터 모터 정지 신호가 발생하고, 그리고 Soft Start 중에 VRUN(76) 신호가 off되면 차단신호(SCR_BLOCK)는 논리 'low'가 된다.

여기서 특히, SS_TIME(74) 설정치는 상기 Soft Start 제어를 실시하는 총시간이 된다.

즉 SS_TIME(74) 설정시간이 되면, 전동기의 기동완료여부와 상관없이 기계적 스위치SM(68)을 동작시켜 반도체 스위치 구동을 차단하게 하여, 만약 기동이 완료되었다면 정상전류를 기계적 스위치SM(68)를 통하여 흘리게 하고, 기동이 완료되지 못했다면 기계적 스위치SM(68)를 통하여 기동을 완료하게 한다.

그 외에 나머지 다기능 하이브리드(Hybrid) 개폐기동작은 제8도와 같고 이에대한 설명은 기 출원한 '다기능 하이브리드 개폐기'에 서술 되었으므로 여기서는 생략한다.

상기 본 발명의 상세한 설명에서 행해진 구체적인 실시 양태 또는 실시예는 어디까지나 본 발명의 기술 내용을 명확하게 하기 위한 것으로 이러한 구체적 실시예에 한정해서 협의로 해석해서는 안되며, 본 발명의 정신과 다음에 기재된 특허 청구의 범위내에서 여러가지 변경 실시가 가능한 것이다.

이상에서 상세히 설명한 바와같이 본 발명은, 기동전류 제한에 의한 최적의 소프트 스타트(Soft Start) 제어방법을 구현함으로써, 다기능 하이브리드 개폐기의 가격 구성요소 중에서 가장 큰 부분인 파워 반도체 스위치의 정격 전류 용량을 줄여서 가격 경쟁력을 확보하고 제품을 경량화하고, 아울러 기동시간을 외부에서 설정하고 제어함으로써 전동기 부하의 경중에 따른 최적 기동 성능 획득이 가능한 효과가 있다.

Claims

다기능 하이브리드 개폐기에 있어서,

각상의 선간전압을 소정 처리하여 상전압으로 변환하는 상전압변환부와;

상기 상전압변환부에서 출력되는 상전압의 제로 크로싱 시점을 검출하여 그에 따른 영전압을 출력하는 영전압검출부와;

상기 영전압검출부에서 출력되는 영전압 발생시점을 기준으로 톱니파를 발생하는 톱니파발생부와;

각상의 전류와 상기 영전압검출부의 영전압을 소정처리하여 반주기 동안의 전류치를 적산하는 반주기전류적산산출부와;

상기 반주기전력적산산출부에서 출력되는 적산전류값을 소정 처리하여 위상각을 제어하기 위한 소프트 스타트 제어신호를 발생하는 유연기동제어부와;

상기 유연기동제어부에서 출력되는 소프트 스타트 제어신호에 의해, 위상각을 제어하기 위한 제어전압을 출력하는 위상각제어전압발생부와;

상기 위상각제어전압발생부와 상기 톱니파발생부의 출력신호를 비교하고, 그 비교결과에 근거한 비교신호를 출력하는 비교부와;

상기 비교부의 비교신호와 펄스발생부의 펄스신호 및 시컨스 제어신호를 소정 논리연산하여 그에 따른 연산신호를 출력하는 논리연산부와;

상기 논리연산부의 연산신호에 의해, 반도체 스위치를 구동시키는 반도체 스위치구동부와;

소프트 스타트 설정시간이 되면, 반도체 스위치 구동을 차단하기 위한 차단신호를 출력하는 시컨스 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 다기능 하이브리드 개폐기의 소프트 스타트 제어장치.
제1 항에 있어서, 유연기동 제어부는, 하기의 수학식으로 소프트 스타트 제어신호를 발생하는 것을 특징으로 하는 다기능 하이브리드 개폐기의 소프트 스타트 제어장치.

[수학식]

V(t)=V(t-1)+△V

△V=(Idcref-Idc)×K

여기서,V(t):현재 α값을 위한 전압지령치

V(t-1):직전 α값을 위한 전압지령치

△V:전류기준치와 실제 전류치 차이에 의한 α값 보상치

Idcref:전류기준치

Idc:실제전류

K:△V를 위한 보상치 게인
제1 항에 있어서, 논리연산부는,

펄스발생부의 펄스신호와 비교부의 비교신호를 앤드연산하는 제1 앤드게이트와;

상기 제1 앤드게이트의 출력신호와 시컨스제어부의 차단신호를 앤드연산하는 제2 앤드게이트로 이루어진 것을 특징으로 하는 다기능 하이브리드 개폐기의 소프트 스타트 제어장치.
제1 항에 있어서, 반도체 스위치는,

TRAIC,SCR,GTO,IGCT,IGBT등 모든 형태의 반도체 소자로 대체되는 것을 특징으로 하는 다기능 하이브리드 개폐기의 소프트 스타트 제어장치.
제1 항에 있어서, 소프트 스타트 설정시간은,

전동기 부하의 경중에 따라, 사용자에 의해 외부에서 설정되는 것을 특징으로 하는 다기능 하이브리드 개폐기의 소프트 스타트 제어장치.