KR100943437B1

KR100943437B1 - 고압 배전선로용 비접촉식 전원공급 장치 및 그 방법

Info

Publication number: KR100943437B1
Application number: KR1020070112591A
Authority: KR
Inventors: 오휘명; 이재조; 김관호
Original assignee: 한국전기연구원
Priority date: 2007-11-06
Filing date: 2007-11-06
Publication date: 2010-02-19
Also published as: KR20090046439A

Abstract

본 발명은 고압 배전선로용 비접촉식 전원공급 장치 및 그 방법을 제공하기 위한 것으로, 배전선로에 흐르는 1차 전류로부터 전자기 유도 방식으로 2차 전류를 유도하는 변류기와; 상기 변류기에서 유도된 2차 전류를 전달받아 AC 전압을 DC 전압으로 정류하는 정류회로를 포함함과 동시에 과전압 및 과전류 보호를 수행하는 보호회로를 통한 DC 전압을 출력으로 부하측에 공급하는 비접촉 전원부;를 포함하여 구성함으로써, 배전선로에 흐르는 전류로부터 전자기 유도 방식으로 비접촉식에 의해 DC 전원을 생성하여 부하(전력선 통신 모뎀, 리피터, 라우터 등)측에 안정적으로 전원을 공급할 수 있게 되는 것이다.

고압 배전선로, 비접촉, 전원공급, 변류기, SMPS

Description

고압 배전선로용 비접촉식 전원공급 장치 및 그 방법{Apparatus and method for contactless power supply for medium voltage power line}

본 발명은 비접촉식 전원공급에 관한 것으로, 특히 배전선로에 흐르는 전류로부터 비접촉식으로 전자기 유도 방식을 통해 DC 전원을 생성하여 부하(전력선 통신 모뎀, 리피터, 라우터 등)측에 안정적으로 전원을 공급하기에 적당하도록 한 고압 배전선로용 비접촉식 전원공급 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

일반적으로 전력계통은 전력을 발생하는 발전계통, 전력을 안전하게 운송하기 위한 송전계통, 전력을 효율적으로 분배하기 위한 배전계통으로 구성된다. 이 중 배전계통을 구성하는 것은 배전용 변전소, 고압 배전선로, 배전용 변압기(Power Transformer, PT), 저압 배전선로 및 인입선 등이며, 경우에 따라 1차 변전소에서 배전용 변전소까지의 선로도 포함될 수 있다.

배전선로는 발전소, 변전소 또는 송전선에서 다른 발전소 또는 변전소를 지나지 않고 전력수요장소까지 이르는 선로이다. 즉, 일반적으로 2차 변전소에서 수 용가까지 전력을 공급하는 것이 배전이다.

이러한 배전선로는 공급되는 전압에 따라 특별고압 배전선로, 고압 배전선로, 저압 배전선로로 구별할 수 있다.

종래의 배전은 직접 접촉 방식에 의해 고압 배전선로에서 공급되는 전력을 배전용 변압기(PT)에서 적절한 전압으로 변압시킨 후 수용가 및 부하(전력선 통신 모뎀, 리피터, 라우터 등)에 공급하였다.

그러나 종래의 기술은 배전선로의 부하상태에 따른 설치의 편이성 및 안정성을 확보하지 못하는 한계가 있다.

이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 배전선로에 흐르는 전류로부터 비접촉식으로 전자기 유도 방식을 통해 DC 전원을 생성함으로써 부하(전력선 통신 모뎀, 리피터, 라우터 등)측에 안정적으로 전원을 공급할 수 있도록 하는 고압 배전선로용 비접촉식 전원공급 장치 및 그 방법을 제공하는데 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 고압 배전선로용 비접촉식 전원공급 장치의 개념도이다.

이에 도시된 바와 같이, 배전선로에 흐르는 1차 전류로부터 전자기 유도 방식으로 2차 전류를 유도하는 변류기(Current Transformer, CT)(100)와; 상기 변류기(100)에서 유도된 2차 전류를 전달받아 AC(Alternating Current, 교류) 전압을 DC(Direct Current, 직류) 전압으로 정류해주는 정류회로를 포함함과 동시에 과전압 및 과전류 보호를 수행하는 보호회로를 통한 DC 전압을 출력으로 부하(300)측에 공급하는 비접촉 전원부(Switching Mode Power Supply, SMPS)(200);를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

도 2는 도 1에서 변류기의 1차측과 2차측 구성을 보인 개념도이다.

배전선로의 전류는 수용가의 전력 사용량에 따라 선로 전류가 각각 다르고 변전소와 가까운 부분의 선로전류와 말단에 흐르는 선로전류가 각각 다르므로 도시된 바와 같이, 상기 변류기(CT)(100)는 1차측(Primary) 전류에 대해 전자기 유도 방식으로 유도된 2차측(Secondly) 전류를 상기 비접촉 전원부(200)에 공급할 때 2차측 전류의 전류비를 선택할 수 있도록 하여 일정한 값(예, 0.2A)의 2차측 전류가 상기 비접촉 전원부(200)로 공급되도록 하는 전류비 선택단자(S1 ~ S4);를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

도 3은 도 2에서 상기 변류기(100)의 전류비 선택단자에 따른 1차측 전류와 2차측 전류 비율을 나타내는 표이다.

이에 도시된 바와 같이, 상기 변류기(100)의 1차측 전류가 30A이면 제 1 전류비 선택단자(S1)와 제 2 전류비 선택단자(S2);, 변류기 1차측 전류가 60A이면 제 1 전류비 선택단자(S1)와 제 3 전류비 선택단자(S3);, 변류기 1차측 전류가 90A이면 제 1 전류비 선택단자(S1)와 제 4 전류비 선택단자(S4); 등의 조합으로 변류기 2차측 전류가 0.2A로 일정하게 출력되도록 구성한 것을 특징으로 한다.

도 4는 도 2에서 변류기 1차측 전류에 따른 변류기 2차측 탭 설정 예를 보인 표이다.

이에 도시된 바와 같이, 상기 변류기(100) 1차측 전류의 범위가 46A~76A이면 제 1 전류비 선택단자(S1)와 제 2 전류비 선택단자(S2);, 변류기 1차측 전류의 범위가 62A ~ 99A이면 제 1 전류비 선택단자(S1)와 제 3 전류비 선택단자(S3);, 변류기 1차측 전류의 범위가 96A~119A이면 제 1 전류비 선택단자(S1)와 제 4 전류비 선택단자(S4); 등의 조합으로 변류기 2차측 탭을 설정 할 수 있도록 구성한 것을 특 징으로 한다.

도 5는 도 1에서 비접촉 전원부(SMPS)의 상세블록도이고, 도 6은 도 5에서 비접촉 전원부(SMPS)의 상세회로도이다.

이에 도시된 바와 같이, 상기 비접촉 전원부(200)는, 상기 변류기(100)로부터 AC 입력 및 EMI(Electromagnetic Interference, 전자파 장해) 필터링을 수행하는 AC 입력부(210)와; 상기 AC 입력부(210)에서 입력된 AC 전압을 DC 전압으로 정류시키는 1차 정류부(220)와; 1차 정류부(220)의 동작을 제어하고, AC 전압을 DC 전압으로 변환시키는 동작을 제어하며, 과전류 또는 과전압 발생시 이를 제어하는 제어부(230)와; DC 출력부 각 단(3.3V, 12V)에 필요한 DC 전압을 만들어 내는 2차 정류부(240)와; 상기 제어부(230)의 제어를 받아 1차측 전류와 피드백(Feedback)된 2차측 전류를 비교하여 상기 제어부(230)에서 Duty Cycle을 조절하여 안정된 스위칭(Switching) 및 과전압 보호를 수행하는 피드백부(250)와; 상기 2차 정류부(240)의 DC 전압을 출력시키는 DC 출력부(260);를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

도 7은 도 5 및 도 6에서 AC 입력부의 상세회로도이다.

이에 도시된 바와 같이, 상기 AC 입력부(210)는, 상기 변류기(100)에서 AC 전압을 입력받는 퓨즈(F101)와; 상기 퓨즈(F101)와 연결되고, 온도에 따라 저항이 변하는 서미스터(Thermistor)(TH101)와; 상기 서미스터(TH101)와 연결되고, 노이즈(Noise)가 AC 라인을 타고 들어오고 나가는 것을 감소시키는 X-cap(CX101, CX102)과 라인 필터(LF101)로 구성된 EMI 필터;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 서미스터(TH101)는, 상기 1차 정류부(220) 내의 평활 콘덴서(C101)에서 초기 충전시 돌입 전류를 차단하여 상기 퓨즈(F101) 및 상기 1차 정류부(220) 내의 브릿지 다이오드(BD1 ~ BD4)를 보호하는 것을 특징으로 한다.

도 8은 도 5 및 도 6에서 1차 정류부와 그 주변회로의 상세회로도이다.

이에 도시된 바와 같이, 상기 1차 정류부(220)는, 상기 AC 입력부(210)에서 입력된 AC 전압을 전파 정류하여 DC 전압을 만드는 브릿지 다이오드(BD1 ~ BD4)와; 상기 브릿지 다이오드(BD1 ~ BD4)에서 만들어진 DC 전압을 평활시키는 평활 콘덴서(C101);를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

도 9는 도 5 및 도 6에서 제어부와 그 주변회로의 상세회로도이다.

이에 도시된 바와 같이, 상기 제어부(230)는 안정된 DC 전압을 출력하기 위해 PWM(Pulse Width Modulation, 펄스폭 변조) Control IC(IC101)를 사용하였으며, 주요 핀으로 소프트 시작 및 자동 재시작 (Soft Start & Auto Restart) 제어 기능을 수행하는 1번 핀;, 레귤레이션(Regulation) 정보를 제공하고 Duty Cycle 조절을 위한 전류를 제공하는 2번 핀;, 상기 피드백부(250)에서 피드백된 전류를 감지하여 과전류 검출(Over Current Detection)을 수행하는 3번 핀;, IC 자체에 적용된 FET Drain인 4, 5번 핀;, VCC 단자로서, 초기 기동(Startup)할 때 미리 설정된 전압(예, 16.5V) 보다 전압이 높으면 드라이버(Driver)를 제어하여 과전압보호(Over Voltage Protection)를 수행하는 7번 핀;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

도 10은 도 5 및 도 6에서 2차 정류부와 그 주변회로의 상세회로도이다.

이에 도시된 바와 같이, 상기 2차 정류부(240)는, 상기 1차 정류부(220)의 전압을 유기시키는 트랜스포머(Transformer)(T101)와; 상기 트랜스포머(T101)를 통해 유기된 전압을 반파 정류시키는 다이오드(D201, D202)와; 상기 다이오드에서 반파 정류된 전압을 평활시키는 전해콘덴서(C202, C205)와; 상기 전해콘덴서(C202, C205)에서 평활된 전압에서 리플(Ripple)과 노이즈 성분을 감소시켜 상기 DC 출력부(260)로 공급하는 필터(L201, L202, C203, C206);를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

도 11은 도 5 및 도 6에서 2차 정류부의 스너버 회로의 상세회로도이다.

이에 도시된 바와 같이, 상기 2차 정류부(240)는, 상기 제어부(220)에 인가되는 고전압이 지속적이거나 순간적인 충격이 가해지는 것을 방지하도록 상기 제어부(220)의 Control IC의 MOSFET이 오프(Off)하는 순간 드레인-소스(Drain-Source) 간에 높은 역 전압이 걸리면 정류시키는 다이오드(D101)와; 상기 다이오드(D101)에서 정류된 역 전압을 충전 평활시키는 콘덴서(C102);를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

도 12는 도 5 및 도 6에서 피드백부에서 과전압 보호회로와 그 주변회로의 상세회로도이다.

이에 도시된 바와 같이, 상기 피드백부(250)는, 상기 제어부(220)의 제어를 받고, AC 입력과 전압 발생시 트랜지스터(Q101)의 베이스(BASE)를 도통시켜 피드백(FEED BACK)을 제어하여 과전압 보호(PROTECTION)가 수행되도록 하는 과전압 보호부(251);를 더욱 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

도 13은 도 5 및 도 6에서 피드백부에서 피드백 회로와 그 주변회로의 상세 회로도이다.

이에 도시된 바와 같이, 피드백부(250)는, 상기 제어부(220)의 1차측 전류를 피드백시키는 1차측 피드백 저항(R111)(252)과; 상기 2차 정류부(240)의 2차측 전류를 피드백시키는 2차측 피드백 저항(R208)(253);을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

또한 상기 DC 출력부(260)는, 3.3V 또는 12V의 전압을 상기 부하(300)측으로 출력시키는 것을 특징으로 한다.

도 14는 본 발명의 일 실시예에 의한 고압 배전선로용 비접촉식 전원공급 방법을 보인 흐름도이다.

이에 도시된 바와 같이, 변류기(CT)(100)에서는 고압 배전선로에 흐르는 1차 전류를 전자기 유도 방식에 의해 전류원으로 변환시키는 제 1 단계(ST1)와; 상기 제 1 단계 후 비접촉 전원부(SMPS)(200)는 변류기에서 입력되는 AC 전압을 DC 전압으로 변환시켜 부하(300)측으로 출력시키는 제 2 단계(ST2);를 포함하여 수행하는 것을 특징으로 한다.

상기 제 2 단계(ST2)는, 상기 비접촉 전원부(200)에서 입력되는 AC 전압에 대해 EMI 필터링 처리, 1차 정류, 스위칭, 2차 정류, 피드백 처리, 과전압 장치 처리를 수행하여 상기 부하(300)측으로 DC 전압을 출력시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 고압 배전선로용 비접촉식 전원공급 장치 및 그 방법은 배전 선로에 흐르는 전류로부터 비접촉식으로 전자기 유도 방식을 통해 DC 전원을 생성하여 부하(전력선 통신 모뎀, 리피터, 라우터 등)측에 안정적으로 전원을 공급할 수 있는 효과가 있게 된다.

또한 본 발명은 배전선로의 부하상태에 따른 설치의 편이성을 증대시킬 수 있는 효과도 있다.

이와 같이 구성된 본 발명에 의한 고압 배전선로용 비접촉식 전원공급 장치 및 그 방법의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 판례 등에 따라 달라질 수 있으며, 이에 따라 각 용어의 의미는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 해석되어야 할 것이다.

먼저 본 발명은 배전선로에 흐르는 전류로부터 비접촉식으로 전자기 유도 방식을 통해 DC 전원을 생성하여 부하(전력선 통신 모뎀, 리피터, 라우터 등)측에 안정적으로 전원을 공급하고자 한 것이다.

본 발명에 의한 고압 배전선로용 비접촉식 전원공급 장치는 배전선로에 흐르는 전류로부터 변류기 방식을 이용하여 DC 전원을 생성하여 전력선 통신 모뎀, 리 피터 및 라우터 등에 전원을 공급한다. 이러한 본 발명의 비접촉식 전원장치는 배전선의 1차 전류로부터 전자기 유도 방식으로 2차 전류를 유도하는 변류기(Current Transformer, CT)와 과전압 및 과전류에 대한 보호회로를 포함하는 전원장치(Switching Mode Power Supply, SMPS)로 구성된다. 배전선로로부터 전류를 얻기 위한 변류기(CT)는 활선 상태에서 전원장치를 설치할 수 있도록 분리형 변류기로 제작하였고, 전력선 모뎀 등에 전원을 공급하는 전원장치(SMPS)는 다양한 부하전류에 따른 변류기의 출력에 효과적으로 동작할 수 있도록 넓은 범위의 동작 특성을 가지도록 설계하였으며, 과전류 및 과전압에 따른 보호회로 및 선로 부하전류에 따른 변류기 변류기의 2차측 전류에서도 안정적으로 모뎀에 전원을 공급하기 위한 회로로 구성하였다.

비접촉식 전원장치의 정격용량은 10W급으로써 전력선 통신 모뎀이 소비하는 약 5W의 소비전력에 비하여 큰 정격용량으로 설계하여 모뎀 및 리피터등이 안정적으로 동작할 수 있도록 하였다.

그래서 변류기(CT)(100)는 배전선로에 흐르는 1차 전류로부터 전자기 유도 방식으로 2차 전류를 유도한다.

또한 비접촉 전원부(200)는 변류기(100)에서 유도된 2차 전류를 전달받아 AC(Alternating Current, 교류) 전압을 DC(Direct Current, 직류) 전압으로 정류해주는 정류회로와 과전압 및 과전류 보호를 수행하는 보호회로를 통한 DC 전압을 출 력으로 부하(300)측에 공급한다.

여기서 변류기(CT)(100)는 배전선로에 흐르는 전류를 이용하여 전원장치를 구성하기 위하여 분리형 변류기를 사용하였다. 이와 같이 분리형 변류기를 사용함으로써 활선상태에서 전원장치의 설치 및 유지 보수가 가능하도록 하였다. 변류기의 내부 직경은 CN/CV(Concentric Neutral Type Crosslinked Polyethylene Insulation Vinyl Sheathed, 가교폴리에틸렌절연 비닐외장 케이블) 접지용 케이블의 크기가 약 60φ 정도이므로 여기에 적합하도록 65φ로 설계할 수 있다.

배전선로의 전류는 수용가의 전력 사용량에 따라 선로전류가 각각 다르고 또한 변전소와 가까운 부분의 선로전류와 말단에 흐르는 선로전류가 각각 다르다. 이와 같은 선로전류의 환경에 전원장치의 설치가 용이하도록 하기 위하여 변류기의 2차측 단자대를 도 2에서와 같이, 복수개(예, 30A, 60A, 90A)의 정격전류에 대한 출력 3개로 구성하였다.

그래서 전류비 선택단자(S1 ~ S4)는 1차측(Primary) 전류에 대해 전자기 유도 방식으로 유도된 2차측(Secondly) 전류를 비접촉 전원부(200)에 공급할 때 2차측 전류의 전류비를 선택할 수 있도록 하여 일정한 값(예, 0.2A)의 2차측 전류가 비접촉 전원부(200)로 공급되도록 한다.

여기서 P는 Primary의 약자로써 변류기 1차측이고, S는 Secondly의 약자로써 변류기 2차측이며, S1, S2, S3, S4는 전류비 선택단자이다.

도 3은 도 2에서 변류기의 단자대에 따른 1차측 전류와 2차측 전류의 설정예 를 보인 표이다.

이로부터 변류기(100)의 전류비 선택단자(S1 ~ S4)는 4개로 구성할 수 있다.

비접촉 전원부(200)에 2차측 전류를 0.2A로 일정하게 공급하려 할 경우, 변류기 1차측 전류가 30A이면 단자대에서 S1과 S2를, 변류기 1차측 전류가 60A이면 단자대에서 S1과 S3를, 변류기 1차측 전류가 90A이면 단자대에서 S1과 S4를 각각 연결함으로써 일정한 전류비를 얻을 수 있다.

이와 같이 변류기 2차측 전류를 모두 0.2A가 출력되도록 설계하여 광범위한 부하전류에서도 전원장치의 입력 전류는 균일하게 공급된다. 즉, 부하전류에 따라 적당한 변류기 2차 탭을 선택하여 전원장치에 연결함으로써 배전선로 부하상태에 따른 설치의 편이성을 증대하였다.

도 4는 도 2에서 변류기 1차측 전류에 따른 변류기 2차측 탭 설정예를 보인 표이다.

변류기 1차측 전류가 46A ~ 76A이면 변류기 2차측 탭은 S1과 S2를 선정하고, 62A ~ 99A이면 S1과 S3을 선정하며, 96A ~ 119A이면 S1과 S4를 선정할 수 있다.

AC 입력부(210)는 변류기(100)로부터 AC 입력 및 EMI 필터링을 수행한다.

또한 1차 정류부(220)는 AC 입력부(210)에서 입력된 AC 전압을 DC 전압으로 정류시킨다.

또한 제어부(230)는 1차 정류부(220)의 동작을 제어하고, AC 전압을 DC 전압 으로 변환시키는 동작을 제어하며, 과전류 또는 과전압 발생시 이를 제어한다.

또한 2차 정류부(240)는 제어부(230)의 제어를 받고, DC 출력부 각 단(3.3V, 12V)에 필요한 DC 전압을 발생시킨다.

또한 피드백부(250)는 제어부(230)의 제어를 받아 1차측 전류와 피드백(Feedback)된 2차측 전류를 비교하여 상기 제어부(230)에서 Duty Cycle을 조절하여 안정된 스위칭(Switching) 및 과전압 보호를 수행한다.

또한 DC 출력부(260)는 2차 정류부(240)의 DC 전압을 부하(300)측으로 출력시킨다.

도 7은 도 5 및 도 6에서 AC 입력부의 상세회로도이다.

AC 입력부(210)는 퓨즈(F101), 라인 필터(LF101), X-cap(CX101, CX102), 서미스터(TH101) 등을 포함하여 구성할 수 있다.

그래서 퓨즈(F101)는 변류기(100)에서 AC 전압을 입력받는다.

또한 서미스터(TH101)는 퓨즈(F101)와 연결되고, 또한 서미스터(TH101)는 1차 정류부(220) 내의 평활 콘덴서(C101)에서 초기 충전시 돌입 전류를 차단하여 퓨즈(F101) 및 1차 정류부(220) 내의 브릿지 다이오드(BD1 ~ BD4)를 보호한다.

라인 필터(LF101)와 X-cap(CX101, CX102)은 EMI Filter 부문으로써 노이즈가 AC 라인을 타고 들어오고 나가는 것을 감소시킨다.

1차 정류부(220)는 AC Inlet을 거친 후 입력된 AC 전압을 브릿지 다이오드(BD1 ~ BD4)로 전파 정류하여 DC 전압을 만든 후 평활 콘덴서 C101로 전압을 평 활하여 준다.

기동회로 부문인 저항 R102, 103은 Start 저항으로써 정류된 DC 전압을 Control IC인 IC101의 VCC 단에 공급하여 준다.

PWM Control IC 인 ICE265의 각 핀별 기능을 살펴보면 다음과 같다.

① PIN No. 1(Soft S) : Soft Start & Auto Restart Control 기능

② PIN No. 2(Feedback) : Regulation 정보를 제공하고 또한 Duty Cycle 조절을 위한 전류 제공

③ PIN No. 3(Isense) : Current Sense GND 단과 연결된 저항 R111에 의해 전압을 감지한다. Isense가 Current Limit Comparator의 문턱값(Vcsth 1V)에 도달했을 때 Driver의 출력은 불가능하게 한다. 이러한 방식으로 과전류 검출(Over Current Detection)이 이루어진다. 또한 PWM-Comparator에 의해 제공된 전류에 대한 정보는 Current Mode를 실현할 수 있도록 한다.

④ PIN No. 4,5(Gate) : IC 자체에 적용된 FET Drain

⑤ PIN No.7(VCC) : VCC 전원 공급이다. 동작 범위는 8.5V에서 21V이다. 과전압보호(Over Voltage Protection)는 초기 기동(Startup)할 때 16.5V 보다 전압이 높으면 Driver가 불가능 하도록 한다.

2차 정류부(240)는 각 단에 필요한 DC 전압을 만들어 내는 회로 부문이다.

그래서 Transformer(T101)를 통해 유기된 전압은 다이오드(D201, D202)를 통 하여 반파 정류되고 이후 전해콘덴서(C202, C205)를 통해 평활 되어 DC전압이 만들어지고 L, C 필터(L201, L202, C203, C206)를 거치면서 리플(Ripple)과 노이즈(Noise) 성분을 최대한 감소 시켜서 원하는 OUTPUT 단에 적정의 전압을 공급한다.

스너버 회로(241)는 Control IC(IC101)의 MOSFET이 ON/OFF 동작을 하면서 Transformer(T101)에 남아 있던 잔류 자속에 의하여 MOSFET에 인가되는 고전압이 지속적이거나 순간적인 충격이 가해지는 것을 막기 위한 회로이다.

그래서 MOSFET(IC101)이 OFF하는 순간 Drain-Source간에 높은 역 전압이 걸리기 때문에 D101로 정류하여 C102로 충전 평활 하고 FB101로 소모한다.

과전압 보호부(251)는 AC 입력과 전압 발생시 트랜지스터 Q101의 BASE를 도통시켜 피드백(FEED BACK)을 제어하여 보호(PROTECTION)가 수행되도록 한다(AUTO RESTART).

도 13은 도 5 및 도 6에서 피드백부에서 피드백 회로와 그 주변회로의 상세회로도이다.

AC 입력 전압이 높고, 부하전류가 작아질수록(Photo Coupler의 전류는 커지는) MOSFET의 On time은 짧아진다. 2차측 OUTPUT Line의 부하전류가 작아지는 경우 OUTPUT Line 전압은 상승하려 할 것이고, 2차측 피드백 저항(253)인 R208을 통하여 흐르는 Photo coupler 전류는 커지고 MOSFET의 ON time을 줄여서 전압을 내리는 동작을 한다.

1차측 전류는 1차측 피드백 저항(252)인 R111에 의해 감지되어, 내부 PWM-OP를 통하여 증폭된 Current가 Feedback되는 전류량 보다 많으면 PWM-latch가 Reset되고 MOSFET의 ON time은 종료된다. 즉, 이는 IC101의 내부 PWM Comparator에 의하여 1차측 입력에 의하여 Drain-Source로 흐르는 전류와 PC201에 흐르는 2차측 Feedback 전류를 비교하여 MOSFET의 On Duty를 조정하여 안정된 스위칭을 하도록 한다.

또한 DC 출력부(260)는 3.3V 또는 12V의 전압을 부하(300)측으로 출력시킨다.

그래서 변류기(CT)(100)에서는 22.9kV 고압 배전선로에 흐르는 1차 전류(부하전류)를 전자기 유도 방식에 의해 전류원으로 변환시켜 비접촉 전원장치(200)로 공급되도록 한다(ST1).

여기서 종래기술의 배전용 변압기(PT)와는 달리, 본 발명에서는 변류기(CT)(100)를 사용하여 전자기 유도방식을 이용한다. 그래서 변류기(CT)(100)에 의해 고압선로와 절연 능력이 뛰어나며 전원장치에 문제가 발생하여도 고압선로에 아무런 영향을 미치지 않게 된다. 또한 비접촉 전원부(200)에서 모뎀 등과 같은 부하(300)측에 소비전력 이상의 전력을 공급하는 능력은 CT에서의 부담이 이를 결정 한다. 변류기(CT)(100)의 부담(전력 공급 능력)이 작을 경우에는 두 개 또는 세 개 등의 CT를 병렬로 사용하여 모뎀 등의 부하(300)측의 소비전력에 해당하는 전력을 생성할 수도 있고, 변류기(CT)(100)의 부담(전력 공급 능력)이 클 경우에는 1개의 CT를 사용하여 부하(300)측의 소비전력에 해당하는 전력을 생성하여 공급할 수 있다.

그리고 비접촉 전원부(200)는 입력되는 AC 전압에 대해 EMI 필터링 처리, 1차 정류, 스위칭, 2차 정류, 피드백 처리, 과전압 장치 처리를 수행하여 부하(300)측으로 DC 전압을 출력시킨다(ST2).

도 15는 본 발명에 의한 고압 배전선로용 비접촉식 전원공급 장치의 시험을 위한 구성을 보인 개념도이다.

비접촉 전원장치의 성능을 시험하기 위하여 도 15와 같이 구성하였다.

변류기 1차측 전류는 허부하 시험기를 이용하여 조정하고 전원장치(Switching Mode Power Supply)의 부하를 조정하기 위하여 Electronic DC Loader를 사용하였다. 배전선로에 흐르는 부하전류를 모의하기 위한 허부하 시험기는 변류기 1차측 전류를 0A ~ 1000A까지 0.1A 단위로 조정할 수 있다.

Electronic DC Loader는 0A ~ 1.1A 범위로 부하전류를 가변 할 수 있고 출력 전압을 동시에 계측하여 표시함으로써 부하 변동에 따른 전원장치 출력 전원의 안정성을 동시에 시험할 수 있다. 전원장치가 공급할 수 있는 소비전력을 시험하기 위해서는 전원장치 출력단에 그에 상응하는 저항 부하를 장착하여 시험 할 수 있지만 이와 같은 방법으로는 부하의 용량을 바꾸는데 어려움이 많다. Electronic DC Load는 부하의 용량을 다이얼식 스위치를 이용하여 가변할 수 있다. 이를 이용하여 본 발명에서 개발한 전원장치의 소비전력 공급 용량을 시험한다.

본 발명에 의해 개발한 비접촉 전원장치의 성능을 시험하기 위하여 Electronic DC Loader를 이용하여 전원장치의 소비 전력을 가변하고 전원장치가 정상적인 전압을 출력할 때까지 허부하 시험기를 이용하여 변류기 1차측 전류를 가변하였다.

CT를 배전선로에 설치하여 모의하기 어려우므로 흔히 이를 모의하기 위하여 허부하 시험기를 사용한다. 허부하 시험기는 1~수백A까지 전류를 생성할 수 있고, 이를 CT 1차측에 인가한다. 즉 허부하 시험기를 이용하여 CT 1차측에 인가하는 전류를 바꾸어가며 시험한다.

도 16은 도 15의 시험 구성에 의한 시험 결과를 보인 표이다.

도 16의 표에서 소비전력 합계는 3.3V와 12V단자에서 소비되는 전력의 합을 의미하며, 1차측 전류는 소비전력 합계만큼 전력을 소비하도록 Electronic DC Loader를 설정한 상태에서 허부하 시험기의 전류를 0A부터 가변시키면서 정상적인 출력이 발생할 때의 전류값을 표시한 것이다.

도 17은 본 발명에 의한 고압 배전선로용 비접촉식 전원공급 장치의 사양을 보인 표이다.

그래서 1개의 변류기를 사용하여 전원장치를 구성할 수 있도록 하기 위하여 전원장치의 효율을 개선하였고 스너버 회로 등을 추가함으로써 안전성을 증대시켰다.

도 18은 본 발명에 의한 고압 배전선로용 비접촉식 전원공급 장치의 효율을 보인 표이다.

그래서 본 발명에 의한 고압 배전선로용 비접촉식 전원공급 장치는 약 70%의 효율 특성을 나타낸 것을 알 수 있다.

본 발명에서 개발한 비접촉 전원장치는 배전선로에 흐르는 광범위한 전류에서도 정상적인 전원을 공급할 수 있도록 하였고 활선 상태에서도 적용하기 용이한 구조로 설계하였다. 비접촉 전원장치는 최대 10W의 전력을 공급할 수 있지만 최대 전력을 공급하기 위해서는 변류기 1차 전류의 크기가 76A 이상 흘러야만 가능하다. 76A보다 낮은 전류에서 10W의 전력을 공급하기 위해서는 전원장치(Switching Mode Power Supply)의 효율을 더욱 높이거나 변류기의 비율을 조정함으로써 가능할 수 있다. 그러나 만약 변류기 비율을 30:0.3으로 조정하면 76A보다 낮은 전류에서도 10W의 전력을 공급할 수 있지만 이는 변류기의 크기 및 중량이 동시에 늘어나고 전원장치의 효율은 일반적으로 70%~75% 이내로 설계가 가능한 실정이다.

전력선 모뎀의 소비전력은 약 4W정도이었고 이 데이터를 기준으로 6W를 실제 사용되는 소비전력의 기준으로 정하였다. S1-S2 단자대에 전원장치를 연결할 경우 6W의 전력을 공급하기 위해서는 최소 50A의 전류가 선로에 흐르면 된다. 6W의 소비 전력시험을 위하여 3.3V에서 소비되는 전력을 3.742W, 12V에서 소비되는 전력을 2.256W 되도록 Electronic DC Loader를 설정하여 시험을 하였지만, 3.3V의 소비전력은 증가하고 12V의 소비전력은 감소하도록 Electronic DC Loader를 설정하더라도 변류기 1차측의 전류에 대한 오차는 매우 작다.

본 발명에서 개발한 비접촉 전원장치는 50A 이상의 전류가 선로에 흐르는 조건에서 6W의 소비전력을 소모하는 모뎀이 정상적으로 동작할 수 있도록 최적화 하였다.

이처럼 본 발명은 배전선로에 흐르는 전류로부터 비접촉식으로 전자기 유도 방식을 통해 DC 전원을 생성하여 부하(전력선 통신 모뎀, 리피터, 라우터 등)측에 안정적으로 전원을 공급하게 되는 것이다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 한정하여 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 다양한 변화와 변경 및 균등물을 사용할 수 있다. 따라서 본 발명은 상기 실시예를 적절히 변형하여 응용할 수 있고, 이러한 응용도 하기 특허청구범위에 기재된 기술적 사상을 바탕으로 하는 한 본 발명의 권리범위에 속하게 됨은 당연하다 할 것이다.

도 3은 도 2에서 변류기의 단자대에 따른 1차측 전류와 2차측 전류의 설정예를 보인 표이다.

도 5는 도 1에서 비접촉 전원부(SMPS)의 상세블록도이다.

도 6은 도 5에서 비접촉 전원부(SMPS)의 상세회로도이다.

도 7은 도 5 및 도 6에서 AC 입력부의 상세회로도이다.

도 14는 본 발명의 일 실시예에 의한 고압 배전선로용 비접촉식 전원공급 방 법을 보인 흐름도이다.

도 16은 도 15의 시험 구성에 의한 시험 결과를 보인 표이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

100 : 변류기

200 : 비접촉 전원부(SMPS)

210 : AC 입력부(AC 입력 및 EMI 필터 회로)

220 : 1차 정류부(1차 정류회로)

230 : 제어부(스위칭 및 컨트롤 회로)

240 : 2차 정류부(2차 정류 및 스너버 회로)

250 : 피드백부(피드백 회로 및 과전압 방지 회로)

260 : DC 출력부(DC 출력(3.3V, 12V))

300 : 부하(LOAD; 모뎀, 리피터, 라우터 등)

Claims

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배전선로에 흐르는 1차 전류로부터 전자기 유도 방식으로 2차 전류를 유도하는 변류기와;

상기 변류기에서 유도된 2차 전류를 전달받아 AC 전압을 DC 전압으로 정류하는 정류회로와 과전압 및 과전류 보호를 수행하는 보호회로를 통한 DC 전압을 출력으로 부하측에 공급하는 비접촉 전원부;

를 포함하여 구성되고,

상기 변류기는,

1차측 전류에 대해 전자기 유도 방식으로 유도된 2차측 전류를 상기 비접촉 전원부에 공급할 때 2차측 전류의 전류비를 선택할 수 있도록 하여 일정한 값의 2차측 전류가 상기 비접촉 전원부로 공급되도록 하는 전류비 선택단자;

를 포함하여 구성되고,

상기 비접촉 전원부는,

상기 변류기로부터 AC 입력 및 EMI 필터링을 수행하는 AC 입력부와;

AC 입력부에서 입력된 AC 전압을 DC 전압으로 정류시키는 1차 정류부와;

상기 1차 정류부의 동작을 제어하고, AC 전압을 DC 전압으로 변환시키는 동작을 제어하며, 과전류 또는 과전압 발생시 이를 제어하는 제어부와;

상기 제어부의 제어를 받아 DC 출력부 각 단(3.3V, 12V)에 필요한 DC 전압을 만들어 내는 2차 정류부;

상기 제어부의 제어를 받아 1차측 전류와 피드백(Feedback)된 2차측 전류를 비교하여 상기 제어부에서 Duty Cycle을 조절하여 안정된 스위칭(Switching) 및 과전압 보호를 수행하는 피드백부와;

상기 2차 정류부의 DC 전압을 부하측으로 출력시키는 DC 출력부;

를 포함하여 구성되고,

상기 AC 입력부는,

상기 변류기에서 AC 전압을 입력받는 퓨즈와;

상기 퓨즈와 연결되고, 온도에 따라 저항이 변하는 서미스터와;

상기 서미스터와 연결되고, 노이즈가 AC 라인을 타고 들어오고 나가는 것을 감소시키는 EMI 필터;

를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 고압 배전선로용 비접촉식 전원공급 장치.
삭제
청구항 3에 있어서,

상기 서미스터는,

상기 1차 정류부 내의 평활 콘덴서에서 초기 충전시 돌입 전류를 차단하여 상기 퓨즈 및 상기 1차 정류부 내의 브릿지 다이오드를 보호하는 것을 특징으로 하는 고압 배전선로용 비접촉식 전원공급 장치.
청구항 3에 있어서,

상기 1차 정류부는,

상기 AC 입력부에서 입력된 AC 전압을 전파 정류하여 DC 전압을 만드는 브릿지 다이오드와;

상기 브릿지 다이오드에서 만들어진 DC 전압을 평활시키는 평활 콘덴서;

를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 고압 배전선로용 비접촉식 전원공급 장치.
청구항 3에 있어서,

상기 제어부는,

소프트 시작 및 자동 재시작 제어 기능을 수행하고, 레귤레이션 정보를 제공하고 듀티 사이클 조절을 위한 전류를 제공하며, 상기 피드백부에서 피드백된 전압을 감지하여 과전류 보호를 수행하고, 초기 기동할 때 미리 설정된 전압 보다 전압이 높으면 드라이버를 제어하여 과전압보호를 수행하는 것을 특징으로 하는 고압 배전선로용 비접촉식 전원공급 장치.
청구항 3에 있어서,

상기 2차 정류부는,

상기 1차 정류부의 전압을 유기시키는 트랜스포머와;

상기 트랜스포머를 통해 유기된 전압을 반파 정류시키는 다이오드와;

상기 다이오드에서 반파 정류된 전압을 평활시키는 전해콘덴서와;

상기 전해콘덴서에서 평활된 전압에서 리플과 노이즈 성분을 감소시켜 상기 DC 출력부로 공급하는 필터;

를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 고압 배전선로용 비접촉식 전원공급 장치.
청구항 3에 있어서,

상기 2차 정류부는,

상기 제어부에 인가되는 고전압이 지속적이거나 순간적인 충격이 가해지는 것을 방지하도록 상기 제어부의 MOSFET이 오프하는 순간 드레인-소스 간에 높은 역 전압이 걸리면 정류시키는 다이오드와;

상기 다이오드에서 정류된 역 전압을 충전 평활시키는 콘덴서;

를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 고압 배전선로용 비접촉식 전원공급 장치.
청구항 3에 있어서,

상기 피드백부는,

상기 제어부의 제어를 받고, AC 입력과 전압 발생시 트랜지스터의 베이스를 도통시켜 피드백을 제어하여 과전압 보호가 수행되도록 하는 과전압 보호부;

를 더욱 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 고압 배전선로용 비접촉식 전원공급 장치.
청구항 3에 있어서,

상기 피드백부는,

상기 제어부의 1차측 전류를 피드백시키는 1차측 피드백 저항과;

상기 2차 정류부의 2차측 전류를 피드백시키는 2차측 피드백 저항;

을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 고압 배전선로용 비접촉식 전원공급 장치.
청구항 3에 있어서,

상기 DC 출력부는,

3.3V 또는 12V의 전압을 상기 부하측으로 출력시키는 것을 특징으로 하는 고압 배전선로용 비접촉식 전원공급 장치.
배전선로에 흐르는 1차 전류로부터 전자기 유도 방식으로 2차 전류를 유도하는 변류기와; 상기 변류기에서 유도된 2차 전류를 전달받아 AC 전압을 DC 전압으로 정류하는 정류회로와 과전압 및 과전류 보호를 수행하는 보호회로를 통한 DC 전압을 출력으로 부하측에 공급하는 비접촉 전원부;를 포함하여 구성되고,

상기 변류기는, 1차측 전류에 대해 전자기 유도 방식으로 유도된 2차측 전류를 상기 비접촉 전원부에 공급할 때 2차측 전류의 전류비를 선택할 수 있도록 하여 일정한 값의 2차측 전류가 상기 비접촉 전원부로 공급되도록 하는 전류비 선택단자;를 포함하여 구성되고,

상기 비접촉 전원부는, 상기 변류기로부터 AC 입력 및 EMI 필터링을 수행하는 AC 입력부와; AC 입력부에서 입력된 AC 전압을 DC 전압으로 정류시키는 1차 정류부와; 상기 1차 정류부의 동작을 제어하고, AC 전압을 DC 전압으로 변환시키는 동작을 제어하며, 과전류 또는 과전압 발생시 이를 제어하는 제어부와; 상기 제어부의 제어를 받아 DC 출력부 각 단(3.3V, 12V)에 필요한 DC 전압을 만들어 내는 2차 정류부; 상기 제어부의 제어를 받아 1차측 전류와 피드백(Feedback)된 2차측 전류를 비교하여 상기 제어부에서 Duty Cycle을 조절하여 안정된 스위칭(Switching) 및 과전압 보호를 수행하는 피드백부와; 상기 2차 정류부의 DC 전압을 부하측으로 출력시키는 DC 출력부;를 포함하여 구성되고,

상기 AC 입력부는, 상기 변류기에서 AC 전압을 입력받는 퓨즈와; 상기 퓨즈와 연결되고, 온도에 따라 저항이 변하는 서미스터와; 상기 서미스터와 연결되고, 노이즈가 AC 라인을 타고 들어오고 나가는 것을 감소시키는 EMI 필터;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 고압 배전선로용 비접촉식 전원공급 장치에 있어서,

상기 변류기에서는 고압 배전선로에 흐르는 1차 전류를 전자기 유도 방식에 의해 전류원으로 변환시키는 제 1 단계와;

상기 제 1 단계 후 상기 비접촉 전원부는 상기 변류기에서 입력되는 AC 전압을 DC 전압으로 변환시켜 부하측으로 출력시키는 제 2 단계;

를 포함하여 수행하고,

상기 제 2 단계는,

상기 비접촉 전원부에서 입력되는 AC 전압에 대해 EMI 필터링 처리, 1차 정류, 스위칭, 2차 정류, 피드백 처리, 과전압 장치 처리를 수행하여 상기 부하측으로 DC 전압을 출력시키는 것을 특징으로 하는 고압 배전선로용 비접촉식 전원공급 방법.
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