KR100583378B1

KR100583378B1 - 교류전압 주파수 조정장치

Info

Publication number: KR100583378B1
Application number: KR1020040009999A
Authority: KR
Inventors: 주정지
Original assignee: 신우전원기술 주식회사
Priority date: 2004-02-16
Filing date: 2004-02-16
Publication date: 2006-05-29
Also published as: KR20050081654A

Abstract

본 발명은 교류전압 주파수 조정장치를 개시한다.

본 발명에 따르면, 입력 변압기를 통해 제공되는 교류전원의 노이즈를 제거하는 노이즈 필터; 상기 교류전원을 전파정류시키는 정류회로; 부하변화량에 따라 상기 정류회로에서 전파정류되는 교류의 위상을 제어하여 안정적인 전파정류신호를 생성시키는 정류제어부; 상기 전파정류신호에 기초하여 직류전원을 생성하는 평활회로부; 상기 평활회로부의 출력단에 접속되며, 사용자 설정 주파수 및 설정 전압에 대응하여 고전력 스위칭을 수행하는 복수개의 아이지비티(IGBT) 회로부; 상기 각 아이지비티(IGBT) 회로부의 출력단에 접속되어, 상기 고전력 스위칭에 대응하는 주파수의 신호를 유기시키는 인버터 트랜스포머; 상기 인버터 트랜스포머의 출력단에 접속되며, 부하량에 대응하여 제공되는 제어 신호에 따라 출력전원의 출력 상태를 온 상태 또는 오프 상태로 전환하는 에스씨알(SCR)부; 상기 인버터 트랜스포머의 출력단에 접속되어, 출력전원의 주파수 변화, 전류변화에 따른 전압변화를 검출하는 씨티(CT); 및 키패드로부터 입력되는 출력전압, 출력주파수 및 출력시간 중 적어도 하나의 제어 정보를 기초하여 상기 각 아이지비티(IGBT) 회로부로 상기 사용자 설정 주파수의 펄스신호를 제공하며, 상기 씨티로부터 검출되는 출력전원의 변화에 응답하여, 상기 에스씨알부의 출력 상태를 온/오프 상태로 제어하는 상기 제어 신호를 제공하여 상기 출력전원의 부하양을 조정하는 전력제어부로 이루어져, 입력교류신호를 정류 및 평활시킨 직류전원을 토대로, 아이지비티(IGBT) 소자를 이용하여 가변가능한 소정 대역의 주파수를 갖는 출력전원을 생성하되, 출력전원에 대한 주파수 변화 및 전압, 전류를 사용자 설정에 따라 가변시킬 수 있도록 전압/주파수 제어장치를 부가하며, 부하량의 이상변화를 감지하여 출력전원을 보정하도록 함에 따라, 안정적인 출력값을 유지할 뿐만 아니라 부하의 변화에 실시간으로 대응할 수 있는 효과를 제공한다.

전력, 전환, IGBT, PWM, 주파수, 부하량, 보정

Description

교류전압 주파수 조정장치{CONTROLLER FOR AC VOLTAGE AND FREQUENCY}

도 1은 종래 PWM 방식을 이용한 전원공급장치를 설명하기 위한 구성도이다.

도 2는 본 발명에 따른 교류전압 주파수 조정장치를 나타낸 사시도이다.

도 3은 본 발명에 따른 교류전압 주파수 조정장치의 주요 기능을 설명하기 위한 구성도이다.

도 4는 도 3의 전력 변환을 설명하기 위한 회로도이다.

<주요도면에 대한 부호의 설명>

200 : 교류전압주파수 조정장치 201 : 하우징

203 : 표시패널 205 : 키패드

207 : 모드 선택키 209 : 주파수 설정키

211 : 통신포트 301 : 노이즈 필터

303 : 에스씨알 브릿지 정류회로 305 : 평활회로

307, 315 : 아이지비티(IGBT) 회로 309 : 인버터 트랜스포머

317 : 아이지비티(IGBT) 드라이버 319 : 출력제어 스위치부

321 : 통신회로 323 : 전압/주파수 제어부

본 발명은 전력 스위치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 아이지비티(IGBT)에 의한 순시전압제어 방식과 정현파 펄스폭 변조방식 및 각상별로 이루어지는 위상제어방식을 혼합하여 위상차에 의한 돌입전류의 방지 및 출력전원의 안정성을 극대화할 수 있는 교류전압 주파수 조정장치에 관한 것이다.

일반적으로, 스위칭모드 전원 공급기(Switching Mode Power Supply; SMPS)에서 스위칭 주파수(fs)를 최대한 높여 트랜스포머의 크기를 축소시키고 아울러 코일의 턴수를 줄임으로써 코일의 저항에 의한 에너지 손실을 줄이는 시도가 있으나, 종래의 회로 구성에 의하면 스위칭 주파수가 100KHz 이상만 되어도 발진이 발생하게 된다. 그러한 발진 잡음에 의하여 스위칭 파형이 왜곡되어 일정한 전압의 출력을 얻을 수 없는 문제점이 있었다.

이를 극복하기 위해, PWM 방식의 스위칭을 이용한 전원공급장치가 선보이고 있으며, 상기의 전원공급장치는 도 1에서와 같이 교류전원이 입력정류기(101)로 입력되면 직류전원을 발생하여 스위칭회로(103)로 출력한다. 스위칭회로(103)는 소정의 주파수로 동작하여 입력 직류전압을 고주파수의 구평파로 쵸핑(chopping)한다. 이 구형파신호는 전력 트랜스포머(105)로 인가되어 코일 권선비에 따라 소정의 값으로 강압된 다음 출력정류기(107)에서 정류 및 필터링되어 요구되는 직류전압이 출력된다. 출력정류기(107)의 출력신호가 검출되어 스위칭회로(103)로 궤환되며, 스위칭회로(103)는 이 출력신호의 전압을 기준전압과 비교하여 그 오차신호에 따라 스위칭회로(103)의 온/오프 타임을 PWM 제어방식에 따라 제어한다.

여기서, 교류입력전압신호는 입력정류기(101)에 의하여 직류전압신호로 변환되어, 스위칭회로(103)로 인가되고, 출력정류기(107)는 고주파 구형파를 정류시키는 콘버터(변환기)로서 동작한다. 또한 상기의 입력정류기(101)는 교류입력단으로 접속되는 배리스터 및 커패시터와 인덕터로 구성된 저역통과필터를 구성하여, 입력전원으로 상용 교류전원이 입력되면 스파크나 고주파 잡음을 소거시킨다. 따라서, 잡음에 의한 열손실을 방지하도록 하고 있다.

이와 같이 구성된 종래의 전원공급장치는 PWM방식을 이용하여 트랜스포머의 입력 주파수를 제어하고, 이로부터 트랜스포머의 2차측 전압을 가변시키는 구조를 포함하여, 별도의 저역통과 필터링을 수행하도록 함에 따라, 교류전원을 직류전원으로 변환하는데 필요한 구성적 요소만을 갖고 있다는 평가를 얻고 있다. 이와 같은 평가는 양질의 출력전압을 얻기 위한 입력전원의 안정성이 결여되어 있을 뿐만 아니라, 출력정류기에서 정류 및 필터링 기능만을 구현하고 있어 부하에 대한 적절한 대응이 이루어지지 못하기 때문이다. 따라서 계산된 입력전원의 공급과 출력신호의 가변폭을 증대시켜 부하량에 대한 대응을 충분히 소화할 수 있는 시스템이 요구되고 있다.

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로 본 발명의 목적은 브릿지 정류회로를 이용한 고속스위칭으로부터 입력전원의 위상을 제어하고, 양극화된 아이지비티(IGBT) 소자에 의한 고속스위칭을 통해 안정적인 직류전원을 공급하며, 출력전원의 위상검출을 통해 부하량에 대응하는 출력전원의 변화가 없도록 하여 고효율 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 교류전압 주파수 조정장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 관점에 따른 교류전압 주파수 조정장치는, 입력 변압기를 통해 제공되는 교류전원의 노이즈를 제거하는 노이즈 필터; 상기 교류전원을 전파정류시키는 정류회로; 부하변화량에 따라 상기 정류회로에서 전파정류되는 교류의 위상을 제어하여 안정적인 전파정류신호를 생성시키는 정류제어부; 상기 전파정류신호에 기초하여 직류전원을 생성하는 평활회로부; 상기 평활회로부의 출력단에 접속되며, 사용자 설정 주파수 및 설정 전압에 대응하여 고전력 스위칭을 수행하는 복수개의 아이지비티(IGBT) 회로부; 상기 각 아이지비티(IGBT) 회로부의 출력단에 접속되어, 상기 고전력 스위칭에 대응하는 주파수의 신호를 유기시키는 인버터 트랜스포머; 상기 인버터 트랜스포머의 출력단에 접속되며, 부하량에 대응하여 제공되는 제어 신호에 따라 출력전원의 출력 상태를 온 상태 또는 오프 상태로 전환하는 에스씨알(SCR)부; 상기 인버터 트랜스포머의 출력단에 접속되어, 출력전원의 주파수 변화, 전류변화에 따른 전압변화를 검출하는 씨티(CT); 및 키패드로부터 입력되는 출력전압, 출력주파수 및 출력시간 중 적어도 하나의 제어 정보를 기초하여 상기 각 아이지비티(IGBT) 회로부로 상기 사용자 설정 주파수의 펄스신호를 제공하며, 상기 씨티로부터 검출되는 출력전원의 변화에 응답하여, 상기 에스씨알부의 출력 상태를 온/오프 상태로 제어하는 상기 제어 신호를 제공하여 상기 출력전원의 부하양을 조정하는 전력제어부를 포함한다.

본 발명에 따른 상기 전력제어부는, 상기 씨티를 통해 검출되는 변화량에 이상이 발생할 경우, 상기 에스씨알부를 각 에스씨알 소자를 턴오프시켜 출력전력의 부하량을 제어하는 출력제어 스위치부를 포함한다.

본 발명에 따른 에스씨알부는, 각 단자의 극성이 반전되도록 상호 병렬접속된 복수개의 에스씨알 소자로 구성된다.

본 발명에 따른 상기 전력제어부는, 관리자의 개인용 컴퓨터와 연동되어 출력전력을 원격제어하기 위한 통신회로를 포함한다.

이와 같은 특징을 갖는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 예시도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명에 따른 교류전압주파수 조정장치의 사시도이다. 도시된 바와 같이, 교류전압주파수 조정장치(200)는 소정 형상의 하우징(201)과, 상기 하우징(201)의 전면으로 표시패널(203) 및 키패드(205)를 구비하고 있다. 또한, 상기 하우징(201)의 측면으로 원격제어를 위한 통신포트(211)가 장착된다. 상기 표시패널(203)은 엘씨디(LCD)에 의한 시스템의 메뉴를 디스플레이하며, 상기 키패드(205)는 모드 선택을 위한 모드선택키(207) 및 출력 주파수 설정을 위한 주파수 설정키(209)로 구성되어 교류전압주파수 조정장치(200)의 출력전압, 주파수 및 출력전류를 제어한다. 필요에 따라 출력전원의 시간제어가 가능하다.

상기 교류전압주파수 조정장치(200)의 배면으로 입력 교류전원을 제공받는 입력코드와, 출력 직류전원을 제공하기 위한 전원출력포트 및 하우징(201)의 내부 과열을 방지하기 위한 환풍팬이 장착되며, 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.

사용자는 시스템으로 전원을 공급하기 위한 스위칭을 수행하면, 소정의 경보음이 발생되며, 상기 키패드(205)의 런스위치(RUN)를 동작시켜 표시패널(203)로 초기메뉴를 디스플레이시킨다. 표시패널(203)은 출력전압, 출력주파수, 출력전류를 설정할 수 있도록 메뉴얼 모드를 제공하며, 상기 키패드(205)의 모드선택키(207)를 통해 메뉴얼 모드의 각 파라메터를 설정한다. 설정이 완료되면, 상기 표시패널(203)은 온/오프 설정모드로 진입하며, 사용자는 상기 모드선택키(207)를 통해 출력신호의 시간제어를 수행한다. 이는 온 타임과 오프 타임을 설정할 수 있으며, 온/오프 타임동안의 출력 전압, 주파수 및 전류를 설정한다.

이외에 특정의 전압, 주파수, 전류를 특정 시간동안 동작시킬 수 있는 스텝모드가 설정될 수 있으며, 앞서 설명된 바와 같이 상기 키패드(205)의 모드선택키(207) 또는 주파수 설정키(209)를 통해 이루어진다. 한편, 이와 같은 메뉴얼 모드는 상기 통신포트(211)에 의한 원격제어가 가능하며, 이 때의 통신방식은 RS-232C 통신을 사용한다. 그리고, 원격제어를 위한 원격제어용 소프트웨어가 제공됨은 당연할 것이다.

도 3은 본 발명에 따른 교류전압주파수 조정장치의 주요 기능을 설명하기 위한 구성도이다. 도 4는 본 발명에 따른 전력전환을 설명하기 위한 회로도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명의 전력구동부는 노이즈 필터(301), 에스씨알 브릿지 정류회로(303), 평활회로(305), 정류제어부(313), 제 1 및 제 2 아이지비티 회로(IGBT:307,315), 인버터 트랜스포머(TR:309), 인버터 트랜스포머(TR:309)의 출 력단으로 접속되는 에스씨알(SCR:311) 및 씨티(CT:324)로 구성된다. 상기 정류제어부(313)는 에스씨알 브릿지 정류회로(303)의 에스씨알(SCR)의 위상제어를 수행하며, 위상제어를 통해 인버터입력 직류전원을 제어한다.

한편, 전력제어부는 아이지비티 드라이버(317), 출력제어 스위치부(319), 전압/주파수 제어부(323)로 구성된다. 상기 전압/주파수 제어부(323)의 입력포트에는 사용자로부터 출력전압과 출력주파수 및 시간 제어를 수행할 수 있도록 키패드(205)가 접속되며, 상기 전압/주파수 제어부(323)의 출력포트에는 전압/주파수 제어부(323)의 동작을 디스플레이하기 위한 엘씨디(203)가 접속된다. 상기 엘씨디(203)는 엘씨디 구동회로 또는 엘씨디 드라이버를 포함한다. 또한, 상기 전압/주파수 제어부(323)의 통신포트에는 RS-232C 통신을 위한 통신회로(321)를 포함하며, 통신회로(321)를 통해 제공되는 제어신호는 상기 전압/주파수 제어부(323)의 원격 제어를 위한 것으로, 소정의 개인용 컴퓨터와 접속되며, 개인용 컴퓨터로 탑재되는 제어 어플리케이션을 통해 원격관리 제어를 수행한다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 교류전압 주파수 조정장치의 동작을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 상기 노이즈 필터(301)는 입력 변압기를 통해 제공되는 교류전원의 노이즈를 제거하며, 상기 에스씨알 브릿지 정류회로(303)를 거쳐 입력교류 전원을 전파정류시킨다. 상기 전파정류를 위한 브릿지 회로는 다이오드 소자 및 에스씨알(SCR)를 이용한다. 즉, 도 4에 도시된 바와 같이, 다이오드 쌍과 에스씨알(SCR:401) 쌍으로 구성된 브릿지회로를 통해 입력 교류신호를 전파정류하 여 120Hz의 출력교류 신호를 생성한다. 상기 에스씨알(SCR)은 정류제어부(313)와 접속되며, 정류제어부(313)는 에스씨알(SCR)을 온/오프 제어하여 입력변압기(T1)를 통해 제공되는 교류신호의 출력위상을 제어한다. 즉, 에스씨알(401)의 게이트 단자로 공급되는 정류제어부(313)의 위상에 따라 출력신호의 전력을 가변시켜 부하 변화량에 즉각적으로 대응하도록 한다.

상기 평활회로(305)는 상기 정류회로를 거쳐 제공되는 전파정류 신호를 직류신호로 변환함과 더불어, 전파정류 신호의 노이즈 성분을 감쇄시키는 역할을 수행한다. 이를 위해 코일(L) 및 캐패시터(C)가 병렬접속되고 있다. 따라서, 상기 평활회로(305)를 거쳐 공급되는 전원은 직류전원으로써, 제 1 아이지비티 회로(307) 및 제 2 아이지비티 회로(315)를 통해 인버터 트랜스포머(309)로 공급된다.

상기 제 1 아이지비티 회로(307) 및 제 2 아이지비티 회로(315)(도 4의 참조번호 405)는 아이지비티 드라이버(317)는 상기 전압/주파수 제어부(323)의 출력단과 연결된다. 전압/주파수 제어부(323)는 상기 키패드(205)로부터 설정되는 출력전압, 출력주파수 및 출력시간의 제어정보를 입력받아, 입력정보에 대응하는 제어신호를 상기 아이지비티 드라이버(317)로 전송한다. 즉, 키패드(205)로 입력되는 제어정보는 사용자로부터 설정된 출력전압, 출력주파수 및 출력시간에 대응하는 제어신호를 생성하고, 이를 상기 아이지비티 드라이버(317)로 전송한다. 아이지비티 드라이버(317)는 제어신호에 응답하여 상기 제 1 아이지비티 회로(307) 및 제 2 아이지비티 회로(315)를 턴온시키기 위한 소정 주파수의 신호를 제공한다. 상기 제 1 아이지비티 회로(307) 및 제 2 아이지비티 회로(315)는 각각의 게이트 단자로 제공되는 소정 주파수의 신호에 따라 상기 인버터 트랜스포머(309)로 제공되는 직류신호를 스위칭하여, 인버터 트랜스포머(309)의 2차 권선에서 해당 주파수의 교류신호가 출력되도록 한다.

상기 인버터 트랜스포머(309)는 1차측으로 상기 제 1 아이지비티 회로(307) 및 제 2 아이지비티 회로(315)의 출력단과 접속되고, 2차측은 에스씨알(311) 및 씨티(324)를 거쳐 부하로 연결된다. 따라서, 인버터 트랜스포머(309)의 출력전압은 에스씨알(311)을 거쳐 출력제어 스위치부(319)의 제어와 연동됨과 동시에, 인버터 트랜스포머(309)의 출력 전류, 주파수는 씨티(324)로부터 감지되어 상기 전압/주파수 제어부(323)의 입력단으로 제공된다.

상기 에스씨알(311)은 두 개의 에스씨알(SCR)이 반전 극성을 갖도록 상호 병렬접속되며, 상기 씨티(324)는 인버터 트랜스포머(309)의 출력라인에 권취되어 전압, 전류 및 주파수의 변화를 감지한다. 상기 출력제어 스위치부(319)는 출력 온타입(ON TYPE)과 출력 오프타입(OFF TYPE)의 전원공급용 스위치로 사용된다.

상기 통신회로(321)는 관리자의 개인용 컴퓨터(미도시함)과 연동되도록 하기 위한 것으로, RS-232C를 통해 개인용 컴퓨터로부터 출력전력에 대한 제어신호를 입력받는다. 또한 엘씨디(203)는 상기 전압/주파수 제어부(323)의 제어동작 상태 또는 제어모드 상태를 관리자가 식별할 수 있도록 하기 위한 표시장치이다.

이상의 설명에서와 같이, 본 발명에 따른 무정전 전원 전환장치는 입력교류신호를 정류 및 평활시킨 직류전원을 토대로, 아이지비티(IGBT) 소자를 이용하여 가변가능한 소정 대역의 주파수를 갖는 출력전원을 생성하되, 출력전원에 대한 주파수 변화 및 전압, 전류를 사용자 설정에 따라 가변시킬 수 있도록 전압/주파수 제어장치를 부가하며, 부하량의 이상변화를 감지하여 출력전원을 보정하도록 함에 따라, 안정적인 출력값을 유지할 뿐만 아니라 부하의 변화에 실시간으로 대응할 수 있는 효과를 제공한다.

Claims

입력 변압기를 통해 제공되는 교류전원의 노이즈를 제거하는 노이즈 필터;

상기 교류전원을 전파정류시키는 정류회로;

부하변화량에 따라 상기 정류회로에서 전파정류되는 교류의 위상을 제어하여 안정적인 전파정류신호를 생성시키는 정류제어부;

상기 전파정류신호에 기초하여 직류전원을 생성하는 평활회로부;

상기 평활회로부의 출력단에 접속되며, 사용자 설정 주파수 및 설정 전압에 대응하여 고전력 스위칭을 수행하는 복수개의 아이지비티(IGBT) 회로부;

상기 각 아이지비티(IGBT) 회로부의 출력단에 접속되어, 상기 고전력 스위칭에 대응하는 주파수의 신호를 유기시키는 인버터 트랜스포머;

상기 인버터 트랜스포머의 출력단에 접속되며, 부하량에 대응하여 제공되는 제어 신호에 따라 출력전원의 출력 상태를 온 상태 또는 오프 상태로 전환하는 에스씨알(SCR)부;

상기 인버터 트랜스포머의 출력단에 접속되어, 출력전원의 주파수 변화, 전류변화에 따른 전압변화를 검출하는 씨티(CT); 및

키패드로부터 입력되는 출력전압, 출력주파수 및 출력시간 중 적어도 하나의 제어 정보를 기초하여 상기 각 아이지비티(IGBT) 회로부로 상기 사용자 설정 주파수의 펄스신호를 제공하며, 상기 씨티로부터 검출되는 출력전원의 변화에 응답하여, 상기 에스씨알부의 출력 상태를 온/오프 상태로 제어하는 상기 제어 신호를 제공하여 상기 출력전원의 부하양을 조정하는 전력제어부로 이루어진 것을 특징으로 하는 교류전압 주파수 조정장치.
제 1 항에 있어서, 상기 정류제어부는,

상기 정류 회로에 다이오드 및 에스씨알 소자로 구성되는 브릿지 정류 회로의 상기 에스씨알 소자 게이트 단자를 트리거하여 120Hz로 고속 스위칭을 제어하는 것을 특징으로 하는 교류전압 주파수 조정장치.
제 1 항에 있어서, 상기 전력제어부는,

상기 씨티를 통해 검출되는 변화량에 이상이 발생할 경우, 상기 에스씨알부를 각 에스씨알 소자를 턴오프시켜 출력전력의 부하량을 제어하는 출력제어 스위치부를 포함하는 것을 특징으로 하는 교류전압 주파수 조정장치.
제 1 항에 있어서, 상기 에스씨알부는,

각 단자의 극성이 반전되도록 상호 병렬접속된 복수개의 에스씨알 소자로 구성되는 것을 특징으로 하는 교류전압 주파수 조정장치.
제 1 항에 있어서, 상기 전력제어부는,

관리자의 개인용 컴퓨터와 연동되어 출력전력을 원격제어하기 위한 통신회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 교류전압 주파수 조정장치.
제 5 항에 있어서, 상기 통신회로는,

RS-232C 통신을 수행하는 것을 특징으로 하는 교류전압 주파수 조정장치.