KR100844290B1 - 전압 자유형 무정전 전원장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 역류 고조파가 발생하지 않는 All IGBT 방식으로 구성하되, 입출력 변압기 없이 직류 승압/강압 컨버터로 축전지 전압을 일정하게 조정할 수 있도록 하고, 입력변동이나 부하변동 또는 부하 전류 불평형 등에 의한 중성점 이동을 방지하며, 정류기와 인버터를 상호 교체하여 사용할 수 있도록 하고, 다양한 전압에서 하드웨어적인 변경없이 소프트웨어 파라메터만 변경하여 사용할 수 있도록 하는 전압 자유형 무정전 전원장치에 관한 것으로서, 정류기와 인버터, 중성점 조정기 및 양방향 컨버터를 구비하는 무정전 전원장치에 있어서, 상기 양방향 컨버터는 서로 직렬로 연결된 2개의 IGBT와 이 2개 IGBT의 접속점에 결합된 리액터를 구비하여, 비정전시 상기 정류기의 출력 직류전압을 강압 변환하여 축전지의 충전전압과 부합되는 전압의 크기로 변환하여 축전지로 출력하고, 정전시 축전지의 충전전압을 승압 변환하여 상기 인버터로 출력하도록 구성되되, 하나의 IGBT와 리액터를 통해 충전 동작이 이루어지고, 리액터와 다른 하나의 IGBT를 통해 방전 동작이 이루이지도록 된 것을 특징으로 한다.

UPS, 중성점, IGBT, 승강압 컨버터, 인버터

Description

전압 자유형 무정전 전원장치{free voltage uninterruptible power supply}

도 1은 종래의 무정전 전원장치의 개략적인 시스템 구성도.

도 2는 종래의 다른 무정전 전원장치의 개략적인 시스템 구성도.

도 3은 본 발명에 따른 전압 자유형 무정전 전원장치의 시스템 구성도.

도 4는 도 3에 도시한 중성점 조정기의 상세 회로도.

도 5a와 도 5b는 도 3에 도시한 전압 자유형 양방향 컨버터의 충전 모드 시 동작 예시도.

도 6a와 도 6b는 도 3에 도시한 전압 자유형 양방향 컨버터의 방전 모드 시 동작 예시도.

도 7은 도 3에 도시한 정류기의 상세 회로도.

도 8은 도 3에 도시한 인버터의 상세 회로도.

* 도면부호의 간단한 설명

10.. 정류기 20.. 인버터

30.. 중성점 조정기 40.. 양방향 컨버터

50.. 배터리

본 발명은 전압 자유형 무정전 전원장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 역류 고조파가 발생하지 않는 All IGBT 방식으로 구성하되, 입출력 변압기 없이 직류 승압/강압 컨버터로 축전지 전압을 일정하게 조정할 수 있도록 하고, 입력변동이나 부하변동 또는 부하 전류 불평형 등에 의한 중성점 이동을 방지하며, 다양한 전압에서 하드웨어적인 변경없이 소프트웨어 파라메터만 변경하여 사용할 수 있도록 하는 전압 자유형 무정전 전원장치에 관한 것이다.

무정전 전원장치(UPS : uninterruptible power supply)는 전기를 필요로 하는 기기에 상용전원이 예고 없이 정전되거나 과도한 전압강하가 일어날 때 정상적인 전원공급을 목적으로 설계된 것이다.

UPS 시스템은 정류부와 충전부, 인버터 등으로 구성되어 상용교류전력을 직류전력으로 변환하여 축전지를 충전시키고, 정전시에는 축전지에 축적된 전력을 인버터를 통해 다시 정전압 정주파의 교류전력으로 변환하여 부하에 공급하는 것이다.

일반적으로 사용되는 무정전 전원장치는 도 1에 도시한 바와 같이 입력변압기와 출력변압기가 구비되어 교류전압을 변환하도록 되어 있다.

이 무정전 전원장치는 직류전압을 특정한 전압으로 먼저 설정하고 정류기 입 력교류 전압이 이에 부합된 크기가 되도록 변압비에 의해 결정되는 방식으로 싸이리스터의 위상을 제어하여 정전압 직류를 축전지에 공급하여 축전지를 충전하고 동시에 인버터로 동일한 전압을 공급하는 방식으로 입출력에 변압기를 사용하는 것이다.

그리고, 전술한 바와 같은 종래의 UPS 시스템은 정류부에서 발생되는 역류 고조파에 의한 전력공해가 발생하게 되는데, 이 역류고조파의 발생을 방지하기 위하여 도 2에 도시한 바와 같이 All IGBT(insulated gate bipolar transistor)형의 UPS 시스템이 개발되어 사용되고 있다.

이 무정전 전원장치는 도 1에 도시한 바와 같은 무정전 전원장치와 같은 원리로 동작하는 것이지만, 정류부를 스위칭 정류기술을 적용한 IGBT로 구성하여 역류 고조파를 크게 개선시켰으나, 변압기에 의하여 전압조정이 이루어지도록 되어 있다.

이러한 종래의 무정전 전원장치들은 입출력변압기의 탑재로 제조 원가가 상승되고, 무게 및 크기가 대형화 되며, 변압기의 동손과 철손에 의한 저효율, 고비용 등의 문제점들이 있었다.

또한, 종래의 무정전 전원장치들은 제품의 한계점인 지정된 전압 외에는 사용할 수 없는 문제점이 있었다.

또한, 종래의 무정전 전원장치들은 정류기와 인버터의 구성이 상이하여 상호 교체가 안 되는 단점이 있었다.

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 역류 고조파가 발생하지 않는 All IGBT 방식으로 구성하되, 입출력 변압기 없이 직류 승압/강압 컨버터로 축전지 전압을 일정하게 조정할 수 있도록 하고, 입력변동이나 부하변동 또는 부하 전류 불평형 등에 의한 중성점 이동을 방지하며, 정류기와 인버터를 상호 교체하여 사용할 수 있도록 하고, 다양한 전압에서 하드웨어적인 변경없이 소프트웨어 파라메터만 변경하여 사용할 수 있도록 하는 전압 자유형 무정전 전원장치를 제공함에 그 목적이 있다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 정류기와 인버터, 중성점 조정기 및 양방향 컨버터를 구비하는 무정전 전원장치에 있어서, 상기 양방향 컨버터는 서로 직렬로 연결된 2개의 IGBT와 이 2개 IGBT의 접속점에 결합된 리액터를 구비하여, 비정전시 상기 정류기의 출력 직류전압을 강압 변환하여 축전지의 충전전압과 부합되는 전압의 크기로 변환하여 축전지로 출력하고, 정전시 축전지의 충전전압을 승압 변환하여 상기 인버터로 출력하도록 구성되되, 하나의 IGBT와 리액터를 통해 충전 동작이 이루어지고, 리액터와 다른 하나의 IGBT를 통해 방전 동작이 이루이지도록 된 것을 특징으로 한다.

상기 정류기의 입력 교류전압은 380V 내지 480V 인 것을 특징으로 한다.

상기 정류기(10)와 인버터(20)는 개별적인 모듈로 이루어지고, 상기 정류 기(10)의 교류 입력부는 상기 인버터(20)의 교류 출력부와 동일한 구조를 가지며, 상기 정류기(10)의 직류 출력부는 상기 인버터(20)의 교류 입력부와 동일한 구조를 가지되, 상기 정류기(10)는 각 AC 입력 라인에 설치되는 마그네틱 스위치(T1)와 이 마그네틱 스위치(T1)와 직렬 연결된 리액터(L5~L10), 상기 마그네틱 스위치(T)와 리액터(L5~L10)의 접속점에 연결되는 캐퍼시터 모듈부(C1~C6) 및 상기 리액터(L5~L10)를 거친 각 상의 AC 전압을 정류하는 다수의 IGBT(Q7~Q8, Q12~Q14)를 구비하여 이루어지고, 상기 인버터(20)는 DC 전압을 AC 전압으로 변환하는 다수의 IGBT(Q7~Q9, Q12~Q14)와 이 IGBT(Q7~Q9, Q12~Q14)와 연결되는 리액터(L5~L10), 이 리액터(L5~L10)와 직렬 연결되는 마그네틱 스위치(T3) 및 이 마그네틱 스위치(T)와 리액터(L5~L10)의 접속점에 연결되는 캐퍼시터 모듈부(C1~C6) 를 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해서 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 전압 자유형 무정전 전원장치의 시스템 구성도이다.

본 발명은 도 3에 도시한 바와 같이 정류기(10)와 인버터(20), 중성점 조정기(30), 양방향 컨버터(40), 배터리(50)를 포함한다.

상기 정류기(10)는 IGBT를 사용한 PWM 정류기로 구성되어 제어가 정확하며, 정류기 입력교류전압(208V, 380V, 440V, 480V)에 관계없이 입력 측으로 역류되는 고조파 함유량을 5% 이내로 저감시킬 수 있도록 설계되었으며, 입력역률을 1에 가깝도록 하여 전원장치의 수전 용량을 저감시킬 수 있도록 구성되어 있다.

상기 정류기(10)는 입력전압과 입력전류의 위상을 동일하게 하고, 동위상의 입력 전압에 대응하는 전류 파형을 만들기 위한 승압 초퍼 원리를 응용한 것이다.

상기 정류기(10)는 정류부를 PWM 컨버터화하여 PWM 제어를 함으로써 원하는 교류 전류 파형 및 위상을 얻을 수 있다. PWM 컨버터의 경우 주 전류의 흐름 경로는 IGBT의 콜렉터-이미터 및 IGBT 내부에 부착되어 있는 FWDi(free-wheeling diode)이다. PWM 컨버터에서 IGBT와 FWDi에는 같은 양의 전류가 흐른다.

상기 인버터(20)는 전압 제어를 위한 주회로의 부수적인 소자가 불필요함으로써 소형화 및 저가격화에 유리하고, 저차 고조파의 제거 또는 저감이 가능하며, 출력전압의 고속 제어가 가능하여 순시 변동 부하의 전원 안정화가 가능하다.

상기 중성점 조정기(30)는 출력 절연 변압기가 없는 전원장치에서 각 상에 불평형 부하가 인가되어 중성점 이동이 발생되지 않도록 상시 조정을 하는 것이다. 이는 전류 불평형에 의해 중성점이 이동하게 되면 접지전류가 과대하게 흐르게 되고, 심한 경우 인버터의 주 제어소자가 파손되게 되므로 이를 방지하기 위하여 필수적인 구성요소이다.

상기 중성점 조정기(30)는 도 4에 도시한 바와 같이 다수의 IGBT와 리액터를 구비하여 이루어지는데, 이 리액터의 전류를 검출하여 +전류와 -전류의 절대값을 비교한 후 리액터의 양단에 구비되는 2개 IGBT의 펄스폭을 조정하여 항시 그 크기가 일정하도록 제어하여 중성점이 항상 중심에 있도록 조정하게 된다.

즉, 상용전원이 불안정하게 되어 저전압과 고전압으로 변동될 경우 이를 조정하여 정상수준의 전압으로 안정화시켜 출력하여 주게 된다.

상기 양방향 컨버터(40)는 정류기(10)의 다양한 입력 교류전압(예컨대, 380V, 400V, 415V, 460V, 480V)에 따라 결정되는 정류출력 직류전압(예컨대, 591V, 684V, 710V, 715V, 747V)을 축전지의 충전전압(예컨대, 540V)과 부합되는 전압의 크기로 변환시키는 것이다. 이는 간단한 소프트웨어 파라미터 변경으로 최적의 동작 조건이 가능하도록 구성되게 된다.

도 5a와 도 5b는 도 3에 도시한 양방향 컨버터의 충전 모드 시 동작 예시도이고, 도 6a와 도 6b는 도 3에 도시한 전압 자유형 양방향 컨버터의 방전 모드 시 동작 예시도이다.

상기 양방향 컨버터(40)는 충전 시 강압 초퍼 동작을 하는 것으로서, 도 5a에 도시한 바와 같이 정류기(10)의 정류 출력전압은 하나의 IGBT(Q1)가 도통되고, 리액터(l)를 거쳐 축전지에 충전되게 된다. 이러한 충전 모드 시 작용 관계는 도 5b에 도시한 바와 같이 이루어지게 된다.

상기 양방향 컨버터(40)는 방전 시 승압 초퍼 동작을 한다. 즉 양방향 컨버터(40)는 방전모드 시 하나의 IGBT(Q1)는 오프되고, 다른 하나의 IGBT(Q2)가 온/오프 동작을 반복하게 되는데, IGBT(Q2)가 온 될 때 축전지의 전류에 의해 리액터(L)에 에너지가 축적되고, IGBT(Q2)가 오프될 때 리액터(L)에 축적된 에너지는 IGBT(Q1)의 내부 다이오드(D1)를 통해 방전되게 된다.

따라서 본 발명에 따른 양방향 컨버터(40)는 정류기(10)의 다양한 정류 출력 전압에도 축전지에 대한 축전 동작이 이루어지게 된다.

한편, 도 7은 도 3에 도시한 정류기(10)의 상세 회로도이고, 도 8은 도 3에 도시한 인버터(20)의 상세 회로도이다.

상기 정류기(10)는 도 7에 도시한 바와 같이, 콘트롤러(미도시)의 제어하에 고속 스위칭 동작을 수행하는 다수의 IGBT가 구비되고, 이 외에 직류 커패시터, 교류 커패시터, 리액터 등이 구비된다.

상기 인버터(20)는 도 8에 도시한 바와 같이, 콘트롤러(미도시)의 제어하에 고속 스위칭 동작을 수행하는 다수의 IGBT가 구비되고, 이 외에 직류 커패시터, 교류 커패시터, 리액터 등이 구비된다.

상기 정류기(10)와 인버터(20)는 각각 독립적인 모듈로 이루어지는데, 그 세부 구성은 상호 대칭적인 구성을 가지고 있다. 즉, 정류기(10)의 입력부는 인버터(20)의 출력부와 동일하고, 정류기(10)의 출력부는 인버터(20)의 입력부와 동일하다. 또한, 중간에 구비되는 다수의 IGBT와 직류 커패시터, 교류 커패시터 등이 동일한 방식으로 결합되게 된다.

즉, 상기 정류기(10)는 각 AC 입력 라인에 설치되는 마그네틱 스위치(T1)와 이 마그네틱 스위치(T1)와 직렬 연결된 리액터(L5~L10), 상기 마그네틱 스위치(T1)와 리액터(L5~L10)의 접속점에 연결되는 캐퍼시터 모듈부(C1~C6) 및 상기 리액터(L5~L10)를 거친 각 상의 AC 전압을 정류하는 다수의 IGBT(Q7~Q8, Q12~Q14)를 구비하여 이루어진다.

그리고, 상기 인버터(20)는 DC 전압을 AC 전압으로 변환하는 다수의 IGBT(Q7~Q9, Q12~Q14)와 이 IGBT(Q7~Q9, Q12~Q14)와 연결되는 리액터(L5~L10), 이 리액터(L5~L10)와 직렬 연결되는 마그네틱 스위치(T3) 및 이 마그네틱 스위치(T3)와 리액터(L5~L10)의 접속점에 연결되는 캐퍼시터 모듈부(C1~C6) 를 구비하여 이루어진다.

따라서, 본 발명에 따른 무정전 전원장치에서 정류기(10)와 인버터(20)는 상호 대칭적인 구성을 가지므로 정류기(10)의 일측은 인버터(20)의 타측과 동일하게 구성되고, 정류기(10)의 타측은 인버터(20)의 일측과 동일하게 구성된다.

전술한 바와 같은 본 발명은 정류기 모듈과 인버터 모듈의 구조를 동일하게 구성하여 상호 교체하여 장착할 수 있고, 나아가 생산성과 유지 보수의 편의를 도모한다.

또한, 본 발명은 다양한 전압에서 하드웨어적인 변경없이 소프트웨어 파라메터만 변경하여 사용할 수 있도록 한다.

또한, 본 발명은 UPS의 설치면적 및 중량을 획기적으로 줄이고 효율을 크게 향상시켜 전력비 절감, 원가 절감, 고조파 절감을 실현하게 된다.

또한 본 발명은 모든 제어회로가 디지털회로로 구성되어 신뢰성이 극대화되게 되고, 다양한 기능이 탑재되어 운용에 편의를 확대하게 되는 것이다.

본 발명은 상술한 바와 같은 특정 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통 상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

Claims (3)

1. 정류기와 인버터 및 컨버터를 구비하는 무정전 전원장치에 있어서,

   상기 정류기(10)와 인버터(20)는 개별적인 모듈로 이루어지고, 상기 정류기(10)의 교류 입력부는 상기 인버터(20)의 교류 출력부와 동일한 구조를 가지며, 상기 정류기(10)의 직류 출력부는 상기 인버터(20)의 교류 입력부와 동일한 구조를 가지되,

   상기 정류기(10)는 각 AC 입력 라인에 설치되는 마그네틱 스위치(T1)와 이 마그네틱 스위치(T1)와 직렬 연결된 리액터(L5~L10), 상기 마그네틱 스위치(T1)와 리액터(L5~L10)의 접속점에 연결되는 캐퍼시터 모듈부(C1~C6) 및 상기 리액터(L5~L10)를 거친 각 상의 AC 전압을 정류하는 다수의 IGBT(Q7~Q8, Q12~Q14)를 구비하여 이루어지고,

   상기 인버터(20)는 DC 전압을 AC 전압으로 변환하는 다수의 IGBT(Q7~Q9, Q12~Q14)와 이 IGBT(Q7~Q9, Q12~Q14)와 연결되는 리액터(L5~L10), 이 리액터(L5~L10)와 직렬 연결되는 마그네틱 스위치(T3) 및 이 마그네틱 스위치(T3)와 리액터(L5~L10)의 접속점에 연결되는 캐퍼시터 모듈부(C1~C6) 를 구비하여 이루어지며,

   상기 컨버터는 서로 직렬로 연결된 2개의 IGBT와 이 2개 IGBT의 접속점에 결합된 리액터를 구비하여, 비정전시 상기 정류기의 출력 직류전압을 강압 변환하여 축전지의 충전전압과 부합되는 전압의 크기로 변환하여 축전지로 출력하고, 정전시 축전지의 충전전압을 승압 변환하여 상기 인버터로 출력하도록 구성되되,

   비정전시 제1 IGBT와 리액터를 통해 충전 동작이 이루어지고, 정전시 제2 IGBT와 리액터 및 상기 제1 IGBT의 내부 다이오드를 통해 방전 동작이 이루어지도록 된 것을 특징으로 하는 전압 자유형 무정전 전원장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 정류기의 입력 교류전압은 380V 내지 480V 인 것을 특징으로 하는 전압 자유형 무정전 전원장치.
3. 삭제

Images