KR100638486B1

KR100638486B1 - 전자파 차단기능을 갖는 절전 제어시스템

Info

Publication number: KR100638486B1
Application number: KR1020050067539A
Authority: KR
Inventors: 서순종
Original assignee: 서순종
Priority date: 2005-07-25
Filing date: 2005-07-25
Publication date: 2006-10-27
Also published as: KR20060097527A

Abstract

본 발명은 전자파 차단기능을 갖는 절전 제어시스템에 관한 것으로, 특히 전압가변용 트랜스포머와 전류 트랜스포머를 설치하여 전압제어에 의한 절전과 동시에 전자파를 차단하는 제어시스템에 관한 것이다.

본 발명의 전자파 차단기능을 갖는 절전 제어시스템은 스위칭 소자의 스위칭에 의해 탭이 변경되어 입력전압을 가변하는 전압 가변용 트랜스포머; 상기 전압 가변용 트랜스포머에 의해 가변된 입력전압으로 인하여 흐르는 전류를 일정한 전류비에 의해 낮추는 전류 트랜스포머; 상기 전류 트랜스포머에 의해 낮추어진 전류가 정상전류일 때, 온되는 제1스위치; 상기 전류 트랜스포머에 의해 낮추어진 전류가 과전류일 때, 온되는 제2스위치; 및 상기 제1스위치 또는 제2스위치의 온에 의해 흐르는 전류를 부하에 전달하고, 상기 전류의 양을 판독 가능하게 하는 CT(계기용 변류기);를 포함하는 것을 특징으로 한다.

전자파 차단, 절전 제어

Description

전자파 차단기능을 갖는 절전 제어시스템{The power saving control system intercepting a electromagnetic wave}

도 1은 본 발명의 전자파 차단기능을 갖는 절전 제어시스템의 구성을 블럭도로 나타낸 것이다.

도 2는 본 발명의 전자파 차단기능을 갖는 절전 제어시스템의 제어원리를 나타낸 것이다.

도 3은 본 발명의 전자파 차단기능을 갖는 절전 제어시스템에 사용된 TRIAC를 나타낸 것이다.

일반적으로, 전동기나 방전등 및 형광등과 같이 전기를 동력이나 조명으로 이용하는 기기는 효율이 극대화될 수 있도록 해야한다. 이들을 초기에 스타트시킬때에는 비교적 높은 전압을 필요로 하고, 부하가 작동된 후에는 부하의 효율범위 또는 입력전압의 허용범위 내에서 전압을 가감하여 전력을 효율적으로 이용해야 한다. 초기 점등시에는 고전압이나 저전압이 입력되어 기기의 효율이 저하되고, 부하의 수명이 단축되는 문제점이 대두되었다.

상기 문제점을 해결하기 위한 전력제어장치로서 대한민국 특허(출원번호 1997-0015239)가 있다. 이는 부하에 공급되는 전류를 제어하는 전류코일의 입력전압에 따라 복수 개의 트리거(trigger) 신호를 발생하여 전류코일의 자속을 감지시키기 위하여 결합된 자속쇄교코일의 권선수를 스위칭하는 복수 개의 TRIAC의 게이트에 공급하여 부하에 공급되는 전압을 제어한다.

또한 대한민국 특허(출원번호 1996-0061136)에도 실내의 조명을 위한 전원의 효율 및 역률을 개선하고, 입력전압의 변동에 관계없이 출력전압을 일정하게 출력함으로써 조명기구의 수명을 연장시키는 절전제어장치 및 절전제어방법을 제시하고 있다.

그러나, 상기와 같은 종래의 제어장치들은 본 발명과 같이 전자파 간섭현상을 차단하는 기능과 CPU에 절전기능을 메모리화하여 정밀제어하는 기능이 없는 문제점이 있다.

이에 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로써, 전압가변용 트랜스포머와 전류 트랜스포머를 설치하여 전압제어에 의한 절전과 동시에 전자파를 차단하는 제어시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

이하, 본 발명의 실시예에 대한 구성 및 그 작용을 첨부한 도면을 참조하면서 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 전자파 차단기능을 갖는 절전 제어시스템의 구성을 블럭도로 나타낸 것이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 전자파 차단기능을 갖는 절전 제어시스템은 입력되는 전압을 소정의 전압으로 변동시키는 전압 변동부(21), 상기 전압 변동부(21)의 변동하는 전압을 입력받아 소정의 전압으로 일정하게 출력하는 정전압 처리부(24), 상기 정전압 처리부(24)로부터 전압을 입력받아 부하(26a, 26b)에 공급 또는 차단시켜 주는 출력 제어부(25), 상기 정전압 처리부(24)의 출력단에 과부하가 걸릴 때에 출력을 부하(26a, 26b)로부터 분리시켜 주는 바이패스(bypass) 처리부(41), 입력전압과 출력전압 및 전류의 크기를 감지하는 감지수단(3), 상기 감지수단(3)을 통하여 입력되는 전압과 출력되는 전압 및 전류를 파악하여 상기 전압 변동부(21)의 전압 변동율을 제어하고, 부하(26a, 26b)에 전기공급을 제어하는 제어부(1) 및 상기 제어부(1)에 연결되어 동작상태를 디스플레이해 주는 디스플레이(15)로 이루어진다.

상기 정전압 처리부(24)는 다수의 탭으로 이루어진 전압 트랜스포머의 출력 전압을 입력받아 일정한 전압으로 유지시켜 출력시키는 것으로서 보통 트랜스포머를 이용하여 구성한다.

상기 감지수단(3)은 다수의 센서들로 이루어지는데, 상기 전압 변동부(21)의 입력단에 연결되어 입력되는 전압을 측정하는 입력전압 센서(31), 상기 정전압 처리부의 출력단에 연결되어 출력되는 전류의 크기를 측정하는 출력전류 센서(32), 상기 정전압 처리부(24)의 출력단에 연결되어 출력되는 전압을 측정하는 출력전압 센서(33), 상기한 다수의 센서(31∼33)들의 출력을 증폭해 출력하는 다수의 앰프(34∼36), 측정하고자 하는 신호를 선택하여 상기한 제어부로 입력해 주는 셀렉터(37) 및 상기 셀렉터(37)의 출력을 입력받아 소정의 디지털 신호로 변환시켜 주는 아날로그-디지털 컨버터(ADC, 38) 등으로 이루어진다.

한편, 상기 바이패스 처리부(41)와 출력 제어부(25)는 제어부(1)의 제어를 받아 작동하는 릴레이 드라이버(42, 43)에 의하여 연결 또는 차단되는 제어를 받게 된다.

전원 공급부(10)는 상기한 구성 요소들의 작동에 필요한 전원을 생산하여 공 급해 준다.

도 2는 본 발명의 전자파 차단기능을 갖는 절전 제어시스템의 제어원리를 나타낸 것이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 전자파 차단기능을 갖는 절전 제어시스템의 제어원리는 전압 가변용 트랜스포머(100), 전류 트랜스포머(200), 제1스위치(300), 제2스위치(400) 및 CT(500)에 의해 설명될 수 있는데, 이들 각각에 대하여 살펴보기로 한다.

전압 가변용 트랜스포머(100)는 스위칭 소자의 스위칭에 의해 탭이 변경되어 입력전압을 가변한다. 상기 탭은 다수의 탭으로 이루어지는데, 5개의 탭(100a, 100b, 100c, 100d, 100e)으로 이루어질 경우에는 220V, 176V, 132V, 88V 및 44V와 같이 5단계로 구성되어 220V보다 낮은 입력전압의 단계에서도 무부하시에는 스위칭 소자의 스위칭에 의해 220V로 복귀한다. 상기 스위칭 소자로는 양방향 스위칭 소자가 사용되는데, 대표적으로 TRIAC(600)이 사용된다. 이에 대해서는 도 3에서 살펴보기로 한다.

전압 가변용 트랜스포머(100)를 사용하여 전압을 가변하는 이유는 조명등과 같은 부하를 점등시킬 경우에 점등 후 일정시간(수 초~수 분) 동안은 220V로 전압을 공급하고, 그 이후는 이보다 낮은 전압을 공급하여 절전을 하기 위한 것이다.

외국 및 국내의 전기공급 규정에 의하면, 전기 사용의 효율성을 고려하여 정격전압에서 ±6%의 전압 허용범위를 정하여 전압을 공급한다. 220V의 경우에 207~233V 범위의 전압을 각 수용가에 공급을 하고 있으며, 이는 전압강하를 고려한 송전방식으로 전선에서 손실되는 선로저항을 고려하여 220V보다 높은 전압을 송전 할 수 밖에 없는 것이 현실이다. 이 점에 착안하여 본 발명에서는 각 수용가에 공급되는 전압을 최상의 조건으로 하여 자동 조절하여 과전압을 제어하여 효과적인 절전이 실행되도록 한다. 그리고, 절전기의 특성 중에서 가장 중요시되는 전압과 전류를 제어하는 트랜스포머 코어를 고투자율의 자성재료를 사용해 고조파를 저감시켜 열 발생을 억제시키고, 자체 손실을 최소화하며, 효율을 극대화시키며, 제품의 중량 및 원가를 줄일 수 있는 고효율의 트랜스포머를 사용하였다.

외국 및 국내의 경우에 전력난 해소를 위하여 전기 전자제품에 대한 대기전력의 규제가 점차 강화되는 현실에서 절전기 자체의 소비전력의 주원인인 트랜스포머 자체의 소비전력의 최소화가 요구되었다. 트랜스포머 철심으로 사용되는 코어에는 교류전기장과 자기장이 계속 가해져서 이런 용도로 사용하기 위한 재료는 자기이력과 와전류 손실의 최소화에 기초하여야 한다. 교류 자기장에 의해 와전류가 흐르게되면 저항열에 의한 전력손실은

으로 나타낼 수 있으므로, 트랜스포머의 철심의 저항을 최대로 하여 와전류 손실을 최소화하였다. 자기이력 손실을 최소화하기 위해서는 트랜스포머의 코어를 고투자율 연자성 재료를 사용함으로써 절전장치에 무부하 손실을 최소화하고, 고조파로 인한 전력손실을 방지하는 고효율의 트랜스포머를 사용한다.

절전제어 시스템의 주요원리는 전력회사에서 각 수용가에 공급하는 전압을 정격전압 207~233V의 범위에서 자동조절하여 절전을 실행하는 방식이다. 절전기는 대전력을 제어하기 때문에 제품의 안전이 최우선적으로 고려되어야 하므로, 이를 해결하기 위하여 전압을 가변하는 전압 가변용 트랜스포머를 사용하여 입력전압 변동시 신속하게 과전압을 제어할 수 있도록 CPU에 의한 고속신호처리를 하여 안정적인 전압조절이 가능하도록 하고, 연속적인 탭 변경으로 인한 고장을 방지할 수 있는 어브서버(absorber) 회로를 내장하였다.

또한, 과전압으로 인한 전기제품의 고장 및 수명보호를 위한 방법으로 입력전압의 변동에 따른 출력전압을 일정하게 공급하는 정전압과의 ±3V 허용범위를 갖는 기능을 내장하였으며, 이는 전압변동없이 일정하게 전압을 공급함으로써 조명 및 동력부하에 역률을 증대시켜 양질의 전압을 부하에 공급함에 있다.

절전기의 구성을 살펴보면, 제품 내부의 트랜스포머로 인하여 전자파(자기장)가 매우 강하게 발생된다. 이것을 HI3604 측정기로 확인해보면 150mG~550mG까지의 전자파 자기장이 발생되며, 전자파의 자기장은 전류에 비례하여 발생하므로 이를 차단하여 절전기 내부에 장착된 PCB 전자회로의 오동작을 방지하고, 절전기 설치로 인한 자기장의 발생으로 인한 주변 정밀기기 및 모니터 화면 떨림 현상을 유발시키지 않도록 트랜스포머를 투자율과 자속밀도, 보자력이 각각 다른 2~3종류의 자성재료를 사용하여 외부에서 씌우는 방식으로 적용하여 트랜스포머에서 발생하는 자기장을 차단하여 기존 절전기의 단점인 EMI(Electromagnectic Interference) 현상을 차단하여 절전기 설치로 인한 주변 기기의 장해를 해결하기 위한 것이다.

절전기의 기능을 CPU에 메모리화하여 입력전압 표시, 출력전압 표시, 정전압 출력전류, 표시 과부하 차단전류 설정, 무부하 손실 차단복귀 및 고장표시 기능을 내장하여 정밀제어가 가능하게 하여 고장 및 A/S를 발생하지 않도록 함으로써 사용 이 편리하도록 설계된 절전제어 시스템이다.

부하의 배전계통에서 UPS(무정전공급전원장치), 모터, 정류기, 인버터 및 조명등에서 필연적으로 발생되는 고조파로 인하여 변압기의 과열 및 정상적인 전류의 흐름을 방해하여 전기기기의 효율을 감소시키고 운전에 지장을 초래하므로 TVSS 회로에 의한 과도 써지 전압제어 및 능동적인 고정밀 노이즈 필터를 입력 및 출력부에 장착하여 고조파를 제거하여 전기사용의 효율을 개선하여 전기제품 고장방지 및 수명을 보호하도록 내장함으로써 근본적으로 EMI 현상을 제거하였다.

전류 트랜스포머(200)는 상기 전압 가변용 트랜스포머에 의해 가변된 입력전압으로 인하여 흐르는 전류를 일정한 전류비에 의해 낮춘다.

제1스위치(300)는 상기 전류 트랜스포머에 의해 낮추어진 전류가 정상전류일 때, 온된다. 즉, 평상시에 온되는 스위치이다. 이때, 제2스위치는 오프되어 있다.

제2스위치(400)는 상기 전류 트랜스포머에 의해 낮추어진 전류가 과전류일 때, 온된다. 즉, 입력전압의 불균형 등으로 인하여 과전류가 흐를 경우에 온되는 스위치로서 전류를 바이패스하여 흐르게 한다. 이때, 제1스위치는 오프되어 있다.

제1스위치(300)와 제2스위치(400)는 서로 반대로 온/오프되어 어떤 순간에 하나의 스위치만이 온되도록 되어 있다.

CT(500)는 상기 제1스위치(300) 또는 제2스위치(400)의 온에 의해 흐르는 전류를 일정한 전류비로 낮추어 부하에 전달한다. 입력전압의 불균형으로 인한 과전류 발생시 CT 전류를 이용하여 메모리 기능에 의한 초고속 전자 바이패스로 전환하여 절전기와 부하를 동시에 보호하며 과부하 해제시 메모리 기능에 의해 자동으로 절전상태로 복귀하는 기능이 내장되어 있다.

기존의 절전장치는 전기공급원의 주메인에 설치되어 사용된다. 절전 실행상태에서 사용자의 대부분이 업무종료 후, 부하측의 조명부하를 비롯하여 동력 전기제품의 스위치를 직접 오프함으로써 전압 트랜스포머에서 제어된 상태의 전압이 전류용 트랜스포머에 공급되어 제품 자체의 소비전력이 2~3배로 증가한 상태에서 1일 평균 12시간을 절전기가 무부하 상태로 운전되고 있다. 이는 전력절감을 방해하는 주원인임을 알 수 있다.

상기와 같은 기존 절전기 제품의 최대 단점을 개선하기 위하여 CT 전류를 감지하여 절전상태의 전압 트랜스포머의 스위칭 구간을 최초의 정격입력전압 스위칭 구간으로 자동전환시켜 전류용 트랜스포머에 전압이 인가되지 않도록 하여 무부하 운전시 발생되는 제품자체의 손실이 현저히 감소되도록 하는 기능이며, 사용자가 부하 스위치를 온시에도 이를 감지하여 자동으로 절전상태로 복귀시키는 기능이다.

도 3은 본 발명의 전자파 차단기능을 갖는 절전 제어시스템에 사용된 TRIAC를 나타낸 것이다. 도 3에 도시된 바와 같이, TRIAC는 역병렬로 접속된 2개의 SCR(실리콘 제어정류기)과 거의 같은 기능을 갖는 3단자 교류 스위치이다.

특성을 살펴보면 TRIAC는 SSS와 같지만 게이트가 있고, (+)이든(-)이든 어떤 극성의 게이트 신호라도 트리거(trigger)된다는 특성을 가지고 있으므로, 제어회로가 간단하고 부품수도 적게드는 이점이 있다. 이런 이유로, 교류 전력제어에 적합한 소자라고 할 수가 있다. 전류가 T2에서 T1으로 흐를 때에는 화살표가 700을 나타내는 pnpn 스위치로 전류가 흐르고, 전류가 T1에서 T2로 흐를 때에는 화살표가 800을 나타내는 pnpn 스위치로 전류가 흐른다. 게이트 영역은 약간 복잡하나, 어떠한 게이트 바이어스에서도 트리거되도록 한다.

이상에서 설명한 내용을 통해 본 업에 종사하는 당업자라면 본 발명의 기술사상을 이탈하지 아니하는 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용만으로 한정되는 것이 아니라 실용신안등록청구범위에 의하여 정해져야 한다.

이상에서와 같이 본 발명에 의한 전자파 차단기능을 갖는 절전 제어시스템은 다음과 같은 효과를 갖는다.

(1) 고효율 트랜스포머를 사용함으로써 제품 자체의 손실을 최소화할 수 있다.

(2) 전압을 가변하는 전압 트랜스포머를 사용하여 전압제어에 의한 절전이 가능하다.

(3) 절전기에 정전압 기능을 내장하여 전압의 변동없이 일정하게 전압을 공급할 수 있다.

(4) CT 전류를 이용하여 무부하시 제품 자체의 대기전력의 손실을 방지할 수 있다.

(5) 트랜스포머에서 발생하는 자기장을 차단하여 전자파 간섭현상을 차단할 수 있다.

(6) CPU에 절전기의 기능을 메모리화하여 정밀제어가 가능하게 한다.

(7) TVSS 회로를 사용하여 과도 서지전압을 제어하고, 능동적인 고정밀 노이즈 필터를 사용하여 고조파를 제거함으로써 전기사용의 효율을 개선할 수 있다.

Claims

스위칭 소자의 스위칭에 의해 탭이 변경되어 입력전압을 가변하는 전압 가변용 트랜스포머;

상기 전압 가변용 트랜스포머에 의해 가변된 입력전압으로 인하여 흐르는 전류를 일정한 전류비에 의해 낮추는 전류 트랜스포머;

상기 전류 트랜스포머에 의해 낮추어진 전류가 정상전류일 때, 온되는 제1스위치;

상기 전류 트랜스포머에 의해 낮추어진 전류가 과전류일 때, 온되는 제2스위치; 및

상기 제1스위치 또는 제2스위치의 온에 의해 흐르는 전류를 부하에 전달하고, 상기 전류의 양을 판독 가능하게 하는 CT(계기용 변류기);

를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자파 차단기능을 갖는 절전 제어시스템.
청구항 1에 있어서,

상기 스위칭 소자는 양방향 스위칭 소자인 것을 특징으로 하는 전자파 차단기능을 갖는 절전 제어시스템.
청구항 2에 있어서,

상기 양방향 스위칭 소자는 TRIAC인 것을 특징으로 하는 전자파 차단기능을 갖는 절전 제어시스템.
청구항 1에 있어서,

상기 전압 가변용 트랜스포머와 전류 트랜스포머의 코어는 고투자율의 자성재료를 사용하는 것을 특징으로 하는 전자파 차단기능을 갖는 절전 제어시스템.
청구항 1에 있어서,

상기 전압 가변용 트랜스포머는 CPU에 의해 고속으로 신호가 처리되는 것을 특징으로 하는 전자파 차단기능을 갖는 절전 제어시스템.
청구항 1에 있어서,

상기 전압 가변용 트랜스포머는 어브서버(absorber)회로를 내장하는 것을 특징으로 하는 전자파 차단기능을 갖는 절전 제어시스템.