KR100495378B1

KR100495378B1 - 대용량커패시터뱅크충전장치

Info

Publication number: KR100495378B1
Application number: KR1019970081246A
Authority: KR
Inventors: 조희철
Original assignee: 두산인프라코어 주식회사
Priority date: 1997-12-31
Filing date: 1997-12-31
Publication date: 2005-09-30
Also published as: KR19990060992A

Abstract

본 발명은 충전전류와 충전전압을 피드백 받아 히스테리시스(hysteresis) 제어함으로써 커패시터 뱅크가 항상 일정한 충전상태를 유지하도록 하는 대용량 커패시터 뱅크 충전장치에 관한 것으로서, 복수개의 커패시터가 병렬 결합된 커패시터 뱅크(60)와; 충전전류를 감지하기 위한 전류 감지센서(50)와; 충전전류를 개폐하는 스위칭 소자(40)와; 상기 커패시터 뱅크(60)의 충전전압과 상기 충전전류를 항상 일정하게 유지하기 위하여 상기 스위칭 소자(40)의 작동을 히스테리시스 제어하는 충전 제어장치(10)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

따라서, 본 발명은 대용량 커패시터 뱅크의 충전전류와 충전전압이 항상 일정한 값을 유지하도록 히스테리시스 제어함으로써 커패시터 뱅크의 안정적인 충, 방전 제어를 달성한다.

Description

대용량 커패시터 뱅크 충전장치.

본 발명은 에너지 저장용 커패시터 뱅크(capacitor bank)의 충전장치에 관한 것으로서, 특히 충전전류와 충전전압을 피드백 받아 히스테리시스(hysteresis) 제어함으로써 커패시터 뱅크가 항상 일정한 충전상태를 유지하도록 하는 대용량 커패시터 뱅크 충전장치에 관한 것이다.

커패시터 뱅크라는 것은 복수개의 커패시터가 병렬 연결된 집합체를 의미하는 것으로서 대용량의 에너지를 저장하기 위한 것이다. 커패시터 뱅크에 전하를 축적하는 것을 충전이라 하고 꺼내는 것을 방전이라고 한다. 따라서, 이러한 커패시터의 원리를 이용하여 커패시터내에 정전 에너지를 저장한 후 이를 방전시켜 사용하는 것이 산업상 많이 이용되고 있다. 따라서, 커패시터 뱅크에 있어서는 항상 일정한 충전전압을 유지시키는 것이 대단히 중요하다. 그러나 종래에는 이러한 대용량 커패시터 뱅크의 충전전압과 충전전류를 제어하기 위한 제어장치가 존재 않아 커패시터 뱅크의 충전상태를 일정하게 유지하는 것이 곤란하였다.

따라서, 본 발명은 상술한 바와같은 종래의 기술적 요청을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 본 발명의 목적은 대용량 커패시터 뱅크의 충전상태를 항상 일정하게 유지시킬 수 있는 대용량 커패시터 뱅크의 충전장치를 제공함에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 복수개의 커패시터가 병렬 결합된 커패시터 뱅크(60)와; 충전전류를 감지하기 위한 전류 감지센서(50)와; 충전전류를 개폐하는 스위칭 소자(40)와; 상기 커패시터 뱅크(60)의 충전전압과 상기 충전전류를 항상 일정하게 유지하기 위하여 상기 스위칭 소자(40)의 작동을 히스테리시스 제어하는 충전 제어장치(10)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 충전 제어장치(10)는 충전명령에 따라 상기 스위칭 소자를 작동시킴으로써 커패시터 뱅크(60)를 충전시키는 충전명령 실행회로와, 상기 전류 감지센서(50)로 부터 충전전류를 센싱하고, 이 센싱값에 근거하여 상기 충전전류가 일정한 전류폭을 유지하도록 상기 스위칭 소자를 히스테리시스 제어하는 충전전류 제어회로 및 상기 커패시터 뱅크(60)의 충전전압이 일정한 전압폭을 유지하도록 상기 스위칭 소자를 히스테리시스 제어하는 충전전압 제어회로를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 본 발명의 실시에 의해 알게될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 첨부된 특허청구범위에 나타낸 수단 및 조합에 의해서 실현될수 있다.

이하에서 본 발명의 바람직한 일 실시 예를 첨부된 도면에 의거 상세히 설명하기로 한다.

도 1에 도시된 바와같이, 본 발명의 커패시터 뱅크 충전장치는 다음과 같은 구성을 갖는다. 즉, 복수개의 커패시터가 상호 병렬 결합된 커패시터 뱅크(60)의 양단에 리드선을 연결하여 이를 충전 제어장치(10)의 충전 전압단자(250VDC 및 0/250V)에 접속한다. 또한, 상기 커패시터 뱅크(60)를 충전시키기 위한 AC 전원이 입력되는 입력단자(AC INPUT)에는 4개의 다이오드(D1, D2, D3, D4)가 브리지 결합된 전파 정류회로(20)를 결합한다. 또한, 전파정류된 직류전압의 리플(ripple)을 제거하여 평활화 시키기 위한 평활용 LC 필터(30)가 상기 전파 정류회로(20)의 출력단에 결합된다.

상기 LC 필터(30)에는 MOS-FET(40)가 결합되는바, 상기 MOS-FET(40)의 드레인(drain) 전극이 상기 LC 필터(30)에 연결되고 게이트(gate)와 소스(source)전극은 상기 충전 제어장치(10)의 GATE, SOURCE 단자에 결합된다.

따라서, 상기 MOS-FET(40)는 게이트-소스 간에 순방향 전압을 인가하므로써 능동상태가 된다. 즉, 게이트-소스간을 구동한 상태를 온(on)상태라 한다. 또, 게이트-소스 간에 역전압을 걸어 게이트-소스 간에 누설 전류 이외에는 흐르지 않는 상태를 오프(off) 상태로 하여 MOS-FET(40)를 드레인측의 구동에 의해 온에서 오프로 오프에서 온으로 전환하는 동작을 하는 스위칭 소자로 활용한다.

스위칭 소자로서 실리콘 제어 정류기(SCR), 파워 트랜지스터 등이 사용될수 있으나 본 실시예에서와 같이 MOS-FET를 사용하는 것이 소형화에 유리하다.

상기 MOS-FET(40)의 소스 전극에는 완충용 인덕터(L2)가 결합되는데 이는 스위칭 소자를 통해 통전된 충전전류가 급격히 상승하는 것을 방지하기 위한 것이다. 상기 완충용 인덕터(L2)와 결합되는 전류 감지센서(50)는 충전전류를 감지하여 상기 충전 제어장치(10)의 LEM1 단자에 이를 전달한다. 상기 전류 감지센서(50)에는 도너츠 모양의 자심을 사용하여 1차 및 2차 코일을 자심에 감아 2차 전류를 측정함으로써 1차 전류를 검지하는 변류기 방식과 전류에 의하여 생기는 자계속에 홀 소자를 설치하여 홀 전압을 측정함으로써 자계의 강도, 즉 전류의 강약을 검지하는 홀 소자방식, 전류의 대소로 용단하는 시간이 다른 퓨즈방식등이 있다. 본 실시예에 있어서는 LEM 소자를 사용하였다.

전류 감지센서(50), 커패시터 뱅크(60) 및 스위칭 소자(40)와 결합되어 충전전류와 충전전압을 제어하는 상기 충전 제어장치(10)는 도 2에 도시된 바와같은 상세 회로 구성을 갖는다.

즉, 커패시터 뱅크(60)로 부터 감지한 충전전압을 제어전원 수준으로 낮추기 위한 전압 분배회로(11)가 상기 커패시커 뱅크의 충전 전압단자(250VDC, 0/250V)와 연결된다. 상기 전압 분배회로(11)는 도 2에 도시된 것과 같이 여러개의 저항소자(R1, R2, R3, R4)로 구성된다. 상기 전압 분배회로(11)에는 전압신호를 주파수로 변환하는 전압-주파수 변환기(V/F 변환기)(12)가 결합되고, 상기 전압-주파수 변환기(12)의 출력측에는 포토 커플러(photocoupler)(PC1)가 연결된다.

상기 포토 커플러(PC1)는 수광부와 발광부로 구성된 광전변환소자로서 전기적 절연을 위한 것이다. 상기 포토 커플러(PC1)의 출력단에는 주파수를 전압신호로 변환하기 위한 주파수-전압 변환기(F/V 변환기)(13)가 결합되고 상기 주파수-전압 변환기(13)의 출력측에는 저역통과필터(Low Pass Filter)(14)가 연결되어 변환된 전압신호중에 포함된 잡음을 제거한다. 잡음이 제거된 전압신호는 상기 저역통과필터(14)의 출력측에 연결된 히스테리시스 회로(15)에 연결되어 충전전압이 250V를 초과하면 그 출력단에 논리 하이를 표시하고 충전전압이 240V 이하가 되면 그 출력단에 논리 로우를 나타낸다.

상기 히스테리시스 회로(15)와 연결된 OR 게이트의 일측 입력단은 상기 히스테리시스 회로(15)의 출력단과 연결되고 타측 입력단은 충전명령 단자(T1, T2)와 결합하는 AND 게이트의 출력과 연결된다.

따라서, 상기 충전명령 단자(T1, T2)에 충전명령(T1=high, T2=low)이 입력된 상태에서는 AND 게이트의 출력이 항상 논리 로우를 나타내기 때문에 상기 OR 게이트의 출력단에는 히스테리시스 회로(15)와 동일한 논리값이 나타난다.

또한, 상기 OR 게이트의 출력측은 도 2의 하단에 있는 스위칭 드라이버(18)에 연결되어 OR 게이트의 출력이 논리 로우를 표시하면 MOS-FET(40)를 온시키고, OR 게이트의 출력이 논리 하이를 표시하면 MOS-FET(40)를 오프시킨다.

따라서, 충전 제어장치(10)는 항상 커패시터 뱅크(60)의 충전전압을 감지하여 그 값이 250V 이상을 초과하면 MOS-FET(40)를 오프시켜 충전전류의 유입을 중지시키고 충전전압이 240V 이하로 내려가면 MOS-FET(40)를 온시켜 커패시터 뱅크(60)를 충전 시킨다.

즉, 상기 충전 제어장치(10)는 커패시터 뱅크(60)의 충전전압을 감지하여 그 충전전압이 항상 일정한 설정 전압폭(예를들어, 240 - 250V) 이내에 포함되도록 히스테리시스 제어하는 것이다.

첨부도면 도 2의 왼쪽 하단에는 센싱된 충전전류가 입력되는 LEM1 단자와 충전명령이 입력되는 충전명령 단자(T1, T2)가 위치된다. 따라서, 상기 충전명령 단자를 통해 커패시터 뱅크(60)를 충전하라는 충전명령(T1=high, T2=low)이 입력되면 이 충전명령은 인버터, AND 게이트 및 OP 앰프를 거쳐 전압신호로 바뀐후 LEM1 단자를 통해 입력된 충전전류(초기상태에서는 항상 0이다)와 가산회로(16)에서 가산된다. 상기 가산회로(16)의 출력전압이 가산회로(16)와 연결된 히스테리시스 회로(17)의 설정 전압폭을 벗어나면 스위칭 드라이버(18)가 구동되어 상기 MOS-FET(40)를 온시킴으로써 커패시터 뱅크(60)가 충전된다.

이와는 반대로 상기 충전명령 단자(T1, T2)에 방전명령(T1=low, T2=low)이 입력되면 상기 히스테리시스 회로(15)와 연결된 OR 게이트에 논리 하이가 인가되어 OR 게이트의 출력단이 논리하이가 됨으로써 상기 스위칭 드라이버(18)가 구동되지 않아 상기 MOS-FET(40)는 오프된다.

또한, 상기 충전명령 단자(T1, T2)에 충전명령이 입력된 상태에서 상기 LEM1 단자로 입력되는 센싱 충전전류가 기준값(예를들어, 20A) 이상인 경우에는 상기 가산회로(16)의 출력전압이 히스테리시스 회로(17)의 전압폭 이내에 포함되기 때문에 스위칭 드라이버(18)가 구동되지 않아 상기 MOS-FET(40)는 오프된다.

상기 충전 제어장치(10)는 충전명령 단자(T1, T2)에 입력되는 충전 또는 방전명령 신호에 따라 상기 MOS-FET(40)를 온, 오프시킬 뿐만 아니라 충전명령 단자에 충전명령이 입력되는 상태라 하더라도 전류 감지센서(50)를 통해 감지된 충전전류값이 기준전류값(예를들어, 20A)을 초과하는 경우에는 MOS-FET(40)를 오프시켜 과도한 충전을 방지하고 MOS-FET(40)가 오프된 상태에서 감지된 충전전류가 기준전류값(예를들어, 10A) 이하가 되는 경우에는 MOS-FET(40)를 온시켜 재충전 시킨다.

즉, 상기 충전 제어장치(10)는 인가되는 충전전류가 항상 일정한 전류폭(예를들어, 10A - 20A)을 유지할수 있도록 히스테리시스 제어를 수행하는 것이다.

도면의 미설명 부호 D5, D6는 역류 방지용 다이오드이고, PC2는 포토 커플러이며, Q1, Q2는 트랜지스터를 나타낸다.

상술한 실시예에 본 발명이 한정되는 것은 아니며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 갖는자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 대용량 커패시터 뱅크의 충전전류와 충전전압이 항상 일정한 값을 유지하도록 히스테리시스 제어함으로써 커패시터 뱅크의 안정적인 충, 방전 제어를 달성한다.

도 1은 본 발명에 따른 대용량 커패시터 뱅크 충전장치의 구성을 도시한 것이다.

도 2는 본 발명에 적용되는 충전 제어장치의 상세 회로 구성을 도시한 것이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10: 충전 제어장치 20: 전파 정류회로

30: LC 필터 40: 스위칭 소자

50: 전류 감지센서 60: 대용량 커패시터 뱅크

L₂: 완충용 인덕터 11: 전압 분배회로

12: V/F 변환기 13: F/V 변환기

14: 저역통과필터 15, 17: 히스테리시스 제어회로

16: 가산회로 18: 스위칭 드라이버

PC₁, PC₂: 포트 커플러

Claims

복수개의 커패시터가 병렬 결합된 커패시터 뱅크(60)와;

충전전류를 감지하기 위한 전류 감지센서(50)와;

충전전류를 개폐하는 스위칭 소자와;

상기 커패시터 뱅크(60)의 충전전압과 상기 충전전류를 항상 일정하게 유지하기 위하여 상기 스위칭 소자의 작동을 히스테리시스 제어하는 충전 제어장치(10)를 포함하고;

상기 충전 제어장치(10)는,

충전명령에 따라 상기 스위칭 소자를 작동시킴으로써 커패시터 뱅크(60)를 충전시키는 충전명령 실행회로와;

상기 전류감지센서(50)로부터 충전전류를 센싱하고, 이 센싱값에 근거하여 상기 충전전류가 일정한 전류폭을 유지하도록 상기 스위칭 소자를 히스테리시스 제어하는 충전전류 제어회로 및;

상기 커패시터 뱅크(60)의 충전전압이 일정한 전압폭을 유지하도록 상기 스위칭 소자를 히스테리시스 제어하는 충전전압 제어회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 대용량 커패시터 뱅크 충전장치.
제 1 항에 있어서,

상기 스위칭 소자가 MOS-FET인 것을 특징으로 하는 대용량 커패시터 뱅크 충전장치.
제 1 항에 있어서,

상기 충전 제어장치(10)가 스위칭 소자를 구동 제어하는 스위칭 드라이버를 포함하는 것을 특징으로 하는 대용량 커패시터 뱅크 충전장치.