KR100539384B1 - 3상모터 선전류 평형과 전압보상 콘덴서를 이용한전력절감기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 산업용 3상 모터에 공급하는 불평형 전류를 평형시키고 전압 보상 콘덴서를 이용하여 무효전류를 제거하는 동시에 전압을 보상하여 정격전압에 가까운 전압을 모터에 공급함으로서 불필요한 낭비전력을 제거하는 모터용 전력절감기에 관한 것이다.

본 발명에 적용되는 전력절감기는 전원A상에 L0주권선과 직렬로 연결하는 병렬여자권선 L1, L2, L3와 L1, L2, L3 지로에 Q1, Q2, Q3를 연결하여 접지선에 고정하고 Q1, Q2, Q3의 개폐동작을 AN, BN, CN에 걸리는 전원전압과 CT1, CT2, CT3의 전류센서에서 공급되는 제어량에 의해 마이컴이 내장된 PCB가 목표치를 그룹별로 제어하도록 하고 A상의 주권선 및 여자권선과 120˚ 전기각을 가진 B상, 및 240˚ 위상을 가진 C상에 병렬로 주권선 및 비례전압권선을 설치하여 제1주권선, 제2주권선, 제3주권선 출력부에 콘덴서 C1, C2, C3를 장착한 3상모터 선전류를 제어하도록 구성하여 그룹메모리에서 Q1∼Q9사이 각상별 그룹으로 개폐동작이 수행되도록 함으로서, 부하에 정격전압과 평형 전류를 공급하게 되어 최적의 효율로 운전하게 되도록 하여 낭비 전력을 없게 함으로서 전력을 절감시킬 수 있고 부가적으로 사용자에게 고장시 메시지 및 상시 순시 전력을 전송할 수 있는 모뎀을 통해 최대 수요 관리에도 기여할 수 있다.

R-코어, 비례전압, 전력용반도체스위치, 전압보상

Description

3상모터 선전류 평형과 전압보상 콘덴서를 이용한 전력절감기{power reduction equipment utilize triple motor line current balance and voltage reparation condenser}

도1은 본 발명의 기술이 적용된 3상모터 선전류 평형과 전압보상 콘덴서를 이용한 전력절감기의 회로도.

도2는 도1의 부분 회로도.

<도면의 중요 부분에 사용된 부호의 설명>

L0 : 비례전압 주권선

L1 : L0에 자기 유도전류를 공급시키기 위한 여자코일 NO1

L2 : L0에 자기 유도전류를 공급시키기 위한 여자코일 NO2

L3 : L0에 자기 유도전류를 공급시키기 위한 여자코일 NO3

S4 : 전원 전압이 낮을 경우 바이패스 장치의 스위치

Q1∼ Q9: 여자 전류를 도통하기 위한 전력용 반도체

PCB : 3상4선의 전압 및 전류를 인출하여 반도체스위치를 제어하는 장치

C1, C2, C3 : 반도체스위치가 교차될 경우 전압보상 및 역률개선용 콘덴서

CT1, CT2, CT3 : 전류를 인출하기 위한 전류센서

본 발명은 전력절감기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 산업용 3상 모터에 공급하는 불평형 전류를 평형시키고 전압 보상 콘덴서를 이용하여 무효전류를 제거하는 동시에 전압을 보상하여 정격전압에 가까운 전압을 모터에 공급함으로서 불필요한 낭비전력을 제거하는 모터용 전력절감기에 관한 것이다.

수전 전압이 22900V의 다중 접지로 공급하는 방식에서는 배전 선로의 각 상과 중성선(N선)간에 전등용 변압기가 가지식으로 설치되어 있어 부하 불평형에 의한 전압의 불평형이 발생하게 되고 이 불평형 전압은 자가 수전을 갖춘 수용가의 전압 상간에도 그 영향을 미치게 하여 사용하는 모터의 선전류는 자연히 불평형으로 운전하게 된다. 부하에 사용하는 모터를 가장 합리적인 효율로 사용하려면 모터에 명시된 정격 전압을 인가하여 사용해야 하며 불평형 전류가 발생하게 되면 모터가 비효율적으로 운전이 되어 결국 낭비 전력이 발생하게 되는 것이다.

또한 수용가에서 일일 부하 곡선으로 접근한다면 380V 3상 4선 주전원이 아침시간에는 정격 전압인 380V, 저녁 시간대는 370V 로 하강 되었다가 새벽이면 400V로 상승하면서 하루에도 전압 변동률은 매우 크게 나타나고 말단 부하 일수록 그 전압 변동 폭은 넓다. 상기와 같은 현실적인 문제를 해결하기 위한 방안으로 고압 수전단에 AVR(자동 전압 조정기)를 설치하여 전압의 변동폭을 최소화하고 있으나 말단 부하의 전압 변동과 전압 불평형에 따른 전류의 불평형의 제거 문제는 아 직도 미제로 남아 있다.

종래에 적용하고 있는 기술은 주파수 변환 인버터 방식, 전원 전압을 강제로 강압시키는 방식, 전자 개폐기로 여자 권선을 제어하여 정격 전압을 얻는 방식 등이 있으나 상기 주파수 변환 인버터 방식은 가격이 너무 고가일 뿐 아니라 고조파가 발생하여 타종의 정밀 기기에 영향을 주거나 오동작을 일으키게 하는 단점이 있으며 강제로 강압시키는 방식에는 각상의 전원 전압을 일괄적으로 강압시킴으로서 어느 시간대에는 정격 전압을 공급할 수 있으나 전원 전압이 저녁 부하 시에는 정격 전압보다 낮은 전압이 인가되어 오히려 모터의 효율을 떨어뜨리고 전류를 상승케 하며 불 평형 전류에 대응할 수 없다.

전자 개폐기로 여자 권선을 제어하여 정격 전압을 얻는 방식은 각상 여자 권선이 쌍으로 동시에 개폐되는 관계로 전류 불 평형을 제거할 수 없고 개폐기 접점의 마모 및 부식, 소음 등으로 인해 불편하고 비합리적이다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 고안은, 모터 분기회로 배선용 차단기 2차 측에서 비례전압 여자권선을 설치하여 전원 전압을 개선하므로서 부하의 불평형을 줄여 낭비되는 전력을 최소화 하고, 전력 계통에 있어서 상간 불 평형이 발생하여도 평형전압을 부하에 공급하므로서 평형전류를 유지하고자 하는데 그 목적이 있다.

도1은 본 발명의 기술이 적용된 3상 모터 선전류 평형과 전압보상 콘덴서를 이용한 전력절감기의 회로 구성도이고, 도2는 코일의 권선 방법을 나타낸 회로 구성도로써 발명의 구성 및 작용을 상세하게 설명하면 다음과 같다.

특히 도1의 R상의 설치된 주권선 및 비례전압 여자권선 그리고 반도체 개폐기의 동작특성과 기술적으로 이루고자 하는 부분을 상세하게 설명한다.

전원 전압은 각 선로에 연결된 부하의 불평형으로 상전압과 중성선 사이에 전압은 각 상별로 차이가 있다. 그러나 우선 공급되는 입력전압이 평형상태에서 변동되는 전압의 한상에 대한 예를 들면 도2와 같다.

1차 변압기에서 공급되는 선간전압이 400V 일 경우 상전압은

으로 230V가 되고 Q1을 ON시키면 상기 전압이 A 와 N사이에 걸리게 된다.

따라서 중심선과 N 사이의 권선수에 비례한 전압이 인가되어 L1에 거리는 전압은

가 되어 R,N 사이 출력되고 이때의 도1의 3상 선간전압은 380V의 정격전압으로 모터에 공급한다.

전원전압이 중부하에서 390V로 입력되면 상전압은

으로 225V 가 되고 Q1은 개방하고 Q2를 ON시키면 L2에 걸리는 전압은

가 된다.

따라서 출력 선간전압은

가 모터에 공급된다.

첨두부하시 전원전압이 385V로 강하되면 Q1,Q2는 개방하고 Q3을 ON하면 상전 압은

가 되어 222V 가 된다.

또한

이 된다.

Q3가 ON되었을때 출력 선간전압은

가 되어 거의 정격전압으로 모터단자에 공급할수 있다.

이와같은 방법으로 여자권선 수량을 여러개 증설하면 전압의 폭을 매우 좁게 제어 할수 있을뿐 아니라 전원 전압의 상하폭에 비해 거의 정격 전압으로 모터에 공급할수 있어 매우 효율적이므로 낭비전력을 최소화 할 수 있다.

상기의 예시는 1차 전원전압이 평형을 이루면서 부하로 공급 될 때의 실례를 제시한 것으로서 실제 현장의 전원전압은 상간에도 서로 다르게 부하에 공급 될 수 있다.

즉 도1에서 AN전압이 230V 이고 BN 225V CN 225V로 공급된다면 Q1, Q5, Q8이 ON되고 나머지는 OFF되어 부하에 공급하는 전원전압을 정격에 가깝게 인가하여 전류 불평형을 최소화 한다.

따라서, AN, BN, CN의 전원전압과 CT1, CT2, CT3의 각상전류 신호를 인출하여 PCB제어기판 마이컴의 연산 비교동작에 의해 Q1, Q2, Q3중 한 개를 선택하고 Q4, Q5, Q6중 한 개를 Q7, Q8, Q9중 한 개를 각각 선택하여 3개씩 그룹으로ON시킴으로 정격 전압을 유지하고 전류 평형을 꽤하여 낭비전력을 최소화 한다.

상기 기술에서 반도체 스위치가 서로 교체되는 매우 짧은 시간에 C1, C2, C3의 전력용 콘덴서의 충 방전으로 전압을 보상하고 스위치의 교체 시간은 공히 전압 파형의 0(제로)점에서 ON, OFF를 수행하도록 하는 특징을 가지며 시스템의 고장의 경우와 입력전압이 380V이하로 공급 될 때 반드시 Q1∼Q9를 개방하고 S4를 투입하여 전원전압을 바이패스 한다.

배전용 변압기의 부하 불균형으로 인한 전압의 불평형은 그대로 수용가의 변압기에 영향을 미치게 되고 수용가 전력용 변압기 2차 측에 사용하는 전등용의 부하에 불평형이 발생하여 전압 불균형이 발생한다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 도1과 같이 구성하여 유입되는 전력을 효율적으로 사용하여 불필요한 낭비전력을 최소화 하고자 한다.

회전하고 있는 전동기

로 생각할 수 있으며 여기서 N = 전동기 회전수, τ= 전동기의 토오크(회전력), P₀ = 기계적 동력 이다.

상기 式에서 일정한 토오크를 요구하며 회전하는 전동기에 정격전압 이상으로 운전하거나 3선의 전류중 불평형 전류가 걸리게 되면 토오크에는 큰 변동을 주지 못하나 불필요한 낭비전력이 발생하게 되고 이러한 낭비전력에 의해 변압기 뱅크의 용량을 초과하여 사용하는 경우 변압기에 과열이 발생하고 부차적인 에너지 손실이 따른다. 전동기의 가장 효율적인 운전 방법은 제작회사에서 제시하는 정격 전압을 공급하면서 선 전류의 불평형을 없애야 한다.

이것에 따른 전기절감방안으로 도1과 같이 구성한 회로도를 구성하고 그 작 동 되는 원리를 상세히 설명한다.

먼저 도1의 3상 4선의 A상에 주권선과 여자권선을 최대 자속 밀도를 가지는 철심위에 주 권선에는 부하전류가 충분히 흘러 갈 수 있는 굵기의 코일을 감고 그것과 직렬로 비례전압여자권선 L1, L2, L3의 권선을 병렬로 연결하고 병렬 권선 끝 부분에 반도체 개폐기를 각각 연결하여 접지 측에 접속하고 반도체 개폐기는 PCB제어기판에 지령에 따라 작동되며 각각의 독립된 제어에 의해 동작하도록 구성한다.

상기 도1의 B상 전원 측 구성에도 상기와 같이 Q4, Q5, Q6 의 반도체 개폐기는 독립적으로 작동하도록 구성하고 이하 C상의 전원부에도 동일하게 구성한다.

상기 도1의 반도체 개폐기의 구동을 제어하기위해 마이크로 프로세스와 주변회로를 장착, 제어기판을 사용하고 제어량을 공급하는 센서는 각상의 A, B, C 와 N 간의 전압신호원과 CT1, CT2, CT3의 전류 신호원에서 공급한다.

Q1 ~ Q9의 반도체 개폐기는 성형으로 결선된 중성점에서 결합하여 접지측으로 여자전류가 흐르도록 그 통로를 제공하는 역할을 하며 입력 전원전압이 평형으로 입력되면 중성선에는 접지측으로 전류가 흐르지 않아 가장 효율적으로 모터를 운전 할 수 있다.

Q1 ~ Q9 사이의 개폐기는 하나의 그룹으로 형성되어 마이컴 내부의 프로그램밍에 의해 작동하게 되는데 전력용 변압기 측에서 평형전압이 인가되고 모터로 흘러가는 선 전류가 평형을 이루고 있으면 반드시 Q1, Q4, Q7, Q2, Q5, Q8, Q3, Q6, Q9가 각각의 그룹이 되어 입력측 전압의 크기에 의해 동시에 개방 또는 투입의 동작이 이루어진다.

반도체 개폐기의 절체 동작속도는 실험에 의한 타이밍을 주어 Q1, Q4, Q7이 반드시 OFF 되어야만 Q2, Q5, Q8또는 Q3, Q6, Q9가 동작 되도록 하여 권선의 충돌을 완전히 차단하였으며 반드시 절체 시점은 전압 파형의 0(제로)점을 찾아 투입과 개방이 이루어지도록 한다.

반도체 개폐기의 절체시 순간적으로 강압되는 전압을 보상하고 절체시 제로점을 찾기위해 전압전류의 위상 동기를 맞추는 작용으로 C1, C2, C3를 삽입하였으며 부가적으로 주권선1, 주권선2, 주권선3의 권선에 흘러가는 무효전류를 최소화 하였다.

강압기 형태의 구조로 권선된 주권선 및 여자권선은 출력측 R, S, T상의 전압을 정격전압에 가깝게 운전하기위해 전압에 비례하여 권회수를 늘리는 방향으로 도 2와 같이 제작하였다.

A, B, C단자에 불평형 전압이 입력되면 반도체 개폐기의 각 군별로 불평형으로 투입, 또는 개방 되어 부하측의 전류를 평형 시킨다.

즉 그룹별 메모리 의해 Q1, Q5, Q7, Q2, Q4, Q8, Q3, Q5, Q9등 ABC상의 전압신호 및 전류 신호에 따라 작동하게 되고 시스템의 문제가 발생되면 반드시 S4를 동작시켜 전원전압이 바이패스 되어 공급되면서 사용자에게 유,무선으로 고장 신호를 전송한다.

상기 도1 및 도2를 좀더 부연하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

강압기 형태의 주권선1에 병렬로 다수개의 여자권선 L1, L2, L3가 단독으로 권선되어 그 권선 시작점은 주권선1에 공동으로 연결 되었고 여자 권선의 권 횟수 는 전압에 비례되도록 감아 끝부분에 AC 도통용 반도체 스위치 Q1, Q2, Q3를 각각 직렬로 연결하고 접지 측에 공동으로 결선 되도록 하여 이 것을 각 상별로 독립적인 권선 3개를 조합, 전기각도 120˚의 위상을 가지도록 설치한다.

Q1에서 Q9사이의 AC전자 스위치는 PCB 제어 기판에 의해 독립적으로 ON, OFF가 되도록 하고 A, B, C상의 전원전압과 CT1, CT2, CT3에서 전류의 크기를 인출하여 PCB제어 기판의 신호원으로 공급하고 C1, C2, C3 는 각 스위치가 교차 될 때 전압보상 콘덴서로 작용하도록 한다. 또한 S4스위치는 시스템의 고장시 또는 전원 전압이 정격전압보다 낮게 입력될 때 주 권선을 단락하는 바이패스 기능을 갖도록 한다.

이와 같이 연결한 다음 A,B,C 단자에 전원 전압보다 높은 전압이 인가되거나 불평형 전압이 MCCB를 경유하여 3상 모터에 공급되는 경우 PCB 제어기판은 전압신호 및 전류 신호를 인출 받아 PCB내부 마이컴의 연산 및 비교, 제어동작에 의하여 부하전류가 평형이 되도록 Q1∼Q9 중에 각 상별 한 개씩 스위치를 선택하여 닫히게 함으로서 부하에 정격전압과 평형 전류를 공급하게 되어 최적의 효율로 운전하게 되도록 하여 낭비 전력을 없게 함으로서 전력을 절감시킬 수 있는 시스템이고 부가적으로 사용자에게 고장시 메시지 및 상시 순시 전력을 전송할 수 있는 모뎀을 통해 최대 수요 관리에도 기여할 수 있는 시스템이다.

따라서 본 발명은 공급되는 전원 전압을 마이컴에 내장된 콘트롤러에 의해 강압기를 사용하여 강압형태로 제어함으로서 부하에 공급하는 전류를 평형시키고 인가 전원 전압이 시간대 별로 상하의 차이가 있더라도 최적의 정격 전압을 모터에 공급하도록 고안된 기술이다.

본 발명은 상기에서 서술한 바와 같이 전력용 모터를 구동하는 과정에서 가장 효율적으로 사용하기 위한 고안으로서 각 선로에 흐르는 전류를 평형 시키고 정격 전압 보다 높은 전압을 정격 전압에 근접하여 3상 모터를 구동함으로서 낭비전력을 최소화하여 전력 절감, 모터의 수명 연장, 온도 상승에 대한 억제 효과 등, 여러 가지의 경제적 효과에 기여 할 뿐 아니라 최대수요전력관리에 크게 영향을 가진다.

전압 불평형 및 전압 변동을 막기 위한 수단으로 자동 전압 조절기를 사용하게 되면 가격이 고가일 뿐 아니라 효율이 떨어져 조절기 내부의 전력 변환 과정에서 손실 전력이 많고 부피가 크게 되는 단점이 있어 자속 밀도가 가장 큰 R-코어를 사용하게 되면 강압기 형태의 모드로 될 때 자체 전력 손실이 매우 낮고 부피가 작아 저렴한 가격으로 제작이 가능하며 제작 공정이 간편하다.

특히 본 기술을 회전기 이외 정지 기기에도 적용할 수 있어 산업체 등에 필요한 업체에 기술을 이전하여 용이하게 사용할 수 있도록 한다면 에너지 절감차원에서 그 효과를 매우 크게 파급시킬 수 있다.

본 기술은 모터의 전력 절감에 거치지 않고 단위 수용가의 최대 수용 전력 까지 관리할 수 있는 통신 신호 및 고장시 사용자에게 음성 메시지로 전달할 수 있는 장치가 부가되어 있으며 시스템의 데이터를 전송받아 전산화하여 단위 지역의 최대 수요전력 관리를 가능케 함으로서 한전의 최대피크용량을 줄일 수 있는 다양한 효과를 내장하고 있으며 사용 순시전력을 모뎀으로 전송받아 일 부하율을 PC에서 한 눈에 파악할 수 있는 특징적인 효과가 있다.

Claims (3)

1. 전원A상에 L0주권선과 직렬로 연결하는 병렬여자권선 L1, L2, L3와 L1, L2, L3 지로에 Q1, Q2, Q3를 연결하여 접지선에 고정하고 Q1, Q2, Q3의 개폐동작을 AN, BN, CN에 걸리는 전원전압과 CT1, CT2, CT3의 전류센서에서 공급되는 제어량에 의해 마이컴이 내장된 PCB가 목표치를 그룹별로 제어하도록 하고 A상의 주권선 및 여자권선과 120˚전기각을 가진 B상, 및 240˚위상을 가진 C상에 병렬로 주권선 및 비례전압권선을 설치하여 제1주권선, 제2주권선, 제3주권선 출력부에 콘덴서 C1, C2, C3를 장착한 3상모터 선전류를 제어하도록 구성하여 그룹메모리에서 Q1∼Q9사이 각상별 그룹으로 개폐동작이 수행되도록 하는 것을 특징으로 하는 3상모터 선전류 평형과 전압보상콘덴서를 이용한 전력절감기.
2. 제 1항에 있어서, Q1∼Q9를 제어 하기위한 AN, BN, CN에서 전압제어 량을 인출하고 CT1, CT2, CT3에서 전류신호를 받아 각 그룹별 중에서 개별로 제어하도록 구현한 PCB 기판을 장착한 것을 특징으로 하는 3상모터 선전류 평형과 전압보상콘덴서를 이용한 전력절감기.
3. 제 1항에 있어서, 마이컴이 장착된 PCB에서 음성메시지를 송출하고 최대수요 전력의 데이터를 모뎀을 통해 출력되는 것을 특징으로 하는 3상모터 선전류 평형과 전압보상콘덴서를 이용한 전력절감기.

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