KR100951445B1 - 전원 자동절체 시스템 및 절체 제어방법 - Google Patents

전원 자동절체 시스템 및 절체 제어방법 Download PDF

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    • H02J3/007Arrangements for selectively connecting the load or loads to one or several among a plurality of power lines or power sources

Abstract

본 발명은 전원 자동절체 시스템 및 절체 제어방법에 관한 것이다.
본 발명의 전원 자동절체 시스템은 주전원선이 연결된 주전원 공급단자와, 예비전원선이 연결된 예비전원 공급단자와, 부하선으로 연결된 모터연결단자와, 상기 모터연결단자에 일측이 연결되고, 타측은 상기 주전원 공급단자 또는 예비전원 공급단자에 선택적으로 연결되는 스위칭부와, 상기 스위칭부의 동작을 제어하기 위한 제어부를 포함하는 전원 자동절체 시스템에 있어서, 상기 제어부는 주전원선, 예비전원선 및 부하선의 위상을 각각 측정하기 위한 제1 위상 측정부 내지 제3 위상 측정부를 포함하고, 상기 제어부는 상기 주전원이 단전되었을 경우, 모터 연결단자가 예비전원공급단자로 연결되도록 스위칭 부를 제어하되, 상기 예비 전원선의 위상 및 부하선의 위상이 절체순간 인페이스(In-phase) 상태가 되도록 절체 신호를 출력하는 것을 특징으로 한다.

Description

전원 자동절체 시스템 및 절체 제어방법{AUTOMATIC POWER SWITCHING SYSTEM AND CONTROL METHOD THEREOF}
본 발명은 전원 자동절체 시스템 및 절체 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로, 전원 절체시스템은 주전원에서 예비전원 또는 예비전원에서 주전원으로 절환시키는 장치이다.
전원의 절체란 전기 설비에 공급되는 전원 소스를 변경하는 것으로서, 예를 들어 주 전원으로부터 전원을 공급받다가 주 전원이 상실되면, 예비 전원을 공급받도록 전원 공급원을 절환하는 것을 말한다.
이때의 예비전원으로는 송전선로를 별개로 구성하여 상시 대기하고 있는 예비전원을 사용하는 방식 또는 별도의 발전설비를 가동하는 방식이 있을 수 있다.
수동식 전원절체장치는 주 전원의 상실이 감지되면, 릴레이 또는 기계식 절체기를 수동으로 작동시켜 예비전원으로 전환하는 것이고, 자동식 전원절체시스템은 주 전원의 상실시 이를 자동으로 감지하여 예비전원으로 전환시키는 작동을 자동으로 수행하는 것이다.
이러한 전원절체 시스템의 구성은 주 전원선과 연결된 주전원 공급단자와, 예비전원선과 연결된 예비전원 공급단자, 평상시에는 주 전원과 연결되며 상기 주 전원이 상실될 경우 예비전원 공급단자와 연결되어 부하측으로 예비전원을 공급하는 스위칭 수단을 포함한다.
이와 같이 구성되는 전원절체 시스템은 주 전원이 상실될 경우 상기 스위칭 수단을 제어하여 예비 전원이 부하측으로 공급되도록 자동 절체를 수행한다. 상기 부하가 일반 조명과 같은 부하일 경우에는 주 전원에서 예비 전원으로 별다른 제약없이 절체하여 지속적으로 구동될 수 있으나, 모터와 같은 부하일 경우 주 전원이 상실되는 순간 모터의 관성 회전과 잔류자기에 의해 잔류전압이 유기된다. 상기와 같은 잔류전압은 예비전원이 투입될 때 잔류전압의 위상과 예비전원의 위상차에 의해 정격전류의 수십배에 달하는 큰 전류가 흐르게 되며, 이는 대형사고로 이어지는 문제가 있다.
상기와 같은 문제를 해결하기 위한 본 발명은 모터를 부하로 하는 자동절체 시스템에서 주전원의 상실로 인한 예비전원으로 절체시 모터에 의한 잔류전압의 위상과 예비전원의 위상을 비교하여 인 페이스 상태에서 절체가 이루어지 도록 하는 자동 절체시스템 및 그 제어방법을 제공하는데 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전원 자동절체 시스템은 주전원선이 연결된 주전원 공급단자와, 예비전원선이 연결된 예비전원 공급단자와, 부하선으로 연결된 모터연결단자와, 상기 모터연결단자에 일측이 연결되고, 타측은 상기 주전원 공급단자 또는 예비전원 공급단자에 선택적으로 연결되는 스위칭부와, 상기 스위칭부의 동작을 제어하기 위한 제어부를 포함하는 전원 자동절체 시스템에 있어서, 상기 제어부는 주전원선, 예비전원선 및 부하선의 위상을 각각 측정하기 위한 제1 위상 측정부 내지 제3 위상 측정부를 포함하고, 상기 제어부는 상기 주전원이 단전되었을 경우, 모터 연결단자가 예비전원공급단자로 연결되도록 스위칭 부를 제어하되, 상기 예비 전원선의 위상 및 부하선의 위상이 절체순간 인페이스(In-phase) 상태가 되도록 절체 신호를 출력하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 전원 자동절체 시스템에서 상기 제어부는, 상기 모터의 관성회전에 의한 잔류전압의 위상차 변화 및 스위칭부의 지연시간을 저장하고 있으며, 모터의 동작 중 주전원의 상실이 감지되면 상기 제2 및 제3 위상 측정부를 통해 측정된 위상차를 초기값으로 하고 상기 지연시간을 적용하여 연산된 잔류전압 위상차가 인 페이스 상태가 될 때, 상기 스위칭 부에 동작 제어신호를 출력하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 전원 자동절체 시스템에서 상기 인페이스 상태는, 모터의 잔류전압과 예비전원선의 절체순간 위상차가 120°이내 인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 전원 자동절체 시스템에서 상기 제1 위상 측정부 내지 제3 위상 측정부는 각각 주전원선, 예비전원선, 부하선에 계기용 변압기를 통하여 연결된 것을 특징으로 한다.
한편, 모터를 부하로 하는 전원 자동절체 시스템의 절체 제어방법으로서, 동작중인 모터에 전원을 차단하여 모터의 잔류전압 및 차단된 전원선과의 위상차 변화 데이터를 기록하는 데이터 기록단계와, 상기 데이터 기록단계에서 기록된 위상차 변화 데이터에서 인페이스의 시간 범위를 연산하는 안전 절체범위 연산단계와, 모터에 주 전원을 투입하고, 전원공급 상실여부를 감시하는 전원 감시단계와, 상기 전원 감시단계에서 주 전원이 상실 될 경우, 모터의 전류전압의 위상값과 예비 전원의 위상값을 입력받아 초기 위상차값을 연산하는 초기값 연산단계와, 상기 초기값 연산단계에서 연산된 초기 위상차 값을 상기 데이터 기록단계의 위상차 변화 데이터와 매칭시키는 위상차 예측단계와, 상기 예측된 위상차 값이 인페이스 범위에 속하는 경우 예비 전원으로 절체신호를 출력하는 예비전원 절체단계를 포함한다.
또한, 본 발명의 전원 자동절체 시스템의 절체 제어방법에서, 상기 위상차 예측 단계는, 절체 스위칭 수단의 기계적 지연시간을 고려하여, 절체완료 예상시각의 위상차값을 연산 하도록 된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 전원 자동절체 시스템의 절체 제어방법에서 상기 인페이스 범위는, 모터의 잔류전압과 예비전원선의 절체순간 위상차가 120°이내 인 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명은 주 전원의 상실시 예비전원으로 절체하는 경우, 부하 모터의 잔류전압의 위상과 예비전원의 위상을 상호 비교하여 그 차가 인페이스 상태에서 절체가 이루어지도록 함으로서 위상차에 의한 과전류 발생을 방지한다. 따라서, 과전류에 의한 전원계통의 고장 및 부하모터의 소손 등이 예방되는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전원 자동절체 시스템을 보이는 블럭도
도 2는 예비전압과 모터의 잔류전압과의 위상차를 설명하기 위한 개념도
도 3은 본 실시예에 따른 절체 안전범위를 설명하기 위한 도면
도 4의 (a)는 주전원 또는 예비전원과 모터의 잔류전압과의 위상차를 보이는 그래프이고, (b)는 상기 (a)에 도시된 그래프를 180°스케일로 정리한 그래프
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이제 본 발명의 실시 예에 따른 전원자동절체 시스템 및 그 제어방법에 대하여 도면을 참고하여 상세하게 설명하고, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기도 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전원 자동절체 시스템을 보이는 블럭도이고, 도 2는 예비전압과 모터의 잔류전압과의 위상차를 설명하기 위한 개념도이며, 도 3은 본 실시예에 따른 절체 안전범위를 설명하기 위한 도면이고, 도 4의 (a)는 주전원 또는 예비전원과 모터의 잔류전압과의 위상차를 보이는 그래프이고, (b)는 상기 (a)에 도시된 그래프를 180°스케일로 정리한 그래프이다.
본 실시예에 따른 전원 자동절체 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이 주 전원 선이 연결된 주 전원 공급단자(11)와, 예비 전원선이 연결된 예비전원 공급단자(22)와, 부하선으로 연결된 모터연결단자(51)와, 상기 모터 연결단자(51)에 일측이 연결되고 타측은 상기 주전원 공급단자(11) 또는 예비전원 공급단자(22)에 선택적으로 연결되는 스위칭부(30)를 포함한다. 본 실시예에서는 주 전원(10) 및 예비전원(20)이 별개의 송전선로를 통해 공급받는 것을 일예로 하여 설명하나 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 스위칭부(30)에 제어신호를 출력하여 스위칭부(30)의 선택동작을 제어하는 제어부(60)를 포함한다.
상기 제어부(60)에는 각각의 주전원(10)과 예비전원(20) 및 모터(50)의 관성 모멘트 및 잔류자기에 의한 잔류전압의 위상을 측정하기 위한 제1 위상 측정부(61) 내지 제3 위상 측정부(63)와, 상기 각각의 위상 측정부(61~63)로부터 위상 값을 입력받아 주 전원(10)의 상실시 모터(50)의 잔류전압 위상과 예비전원(20) 위상의 차를 연산하고, 상기 스위칭부(30)의 기계적 지연시간을 고려하여 절체 순간에 모터(50)의 잔류전압 위상과 예비전원(20)위상의 차가 인페이스(In-Phase) 상태가 되도록 제어신호를 출력하는 메인 컨트롤러(64) 및 모터(50)의 잔류전압의 위상차 변화 데이터 및 스위칭 부(30)의 기계적 지연시간이 저장된 메모리(65)를 포함한다.
상기 각각의 위상 측정부(61~63)는 계기용 변압기(41~43)를 통해 연결되어 있다.
상기 주 전원(10)과 예비전원(20)은 통상 한국전력의 송전라인을 통해 공급받는 것으로, 대형 플랜트 특히 모터를 부하로 하는 플랜트등에서는 단전시를 고려하여 별도의 예비전원(20)을 대기하는 시스템을 갖는다. 상기와 같은 주 전원(10)과 예비전원(20)은 서로 동일한 위상을 갖도록 함이 가장 바람직 하나, 현실적으로 송배전 설비 및 수변전 설비에 따라 차가 발생하므로, 최대 30°이내의 위상차를 유지하도록 한전에서는 관리하고 있다.
주전원 또는 예비전원과 모터에 의한 잔류전압과의 위상차를 개념적으로 살펴보면, 도 2와 같은 그래프로 표시된다. 실제적으로 모터에 의한 잔류전압은 그 크기가 줄어들며 싸이클이 길어지게 되나 도 2에서는 개념을 설명하기 위한 도면으로 이는 무시한다. 또한, 도 2에서는 예비전원과 비교를 예로 하나 주전원과 비교예도 동일하다.
예비전원(20)과 모터(50)의 잔류전압의 위상차가 도 2의 (a)부터 (c)까지 60°, 90°, 180°순으로 도시되어 있다. 실제적으로 위상차에 의한 전위차는 도 2의 (c)에 도시된 바와 같이 180°의 위상차를 갖을 때 가장 크고, 0°즉 위상차가 없을 때 가장 바람직한 절체시기를 갖는 것이다.
따라서, 절체 실험을 통하여 위상차가 약 90°이내 일때 안정적인 절체가 이루어지고, 그때 전위차에 의한 전류의 발생이 무시할 만한 수치가 되는 것을 알 수 있었다. 그리하여, 절체 순간에 위상차가 90°~ -90°범위내에 존재하도록 함이 가장 바람직하나, 주 전원(10)과 예비전원(20)이 송전라인 상에서 최대 30°의 위상차를 갖고 있으므로, 상기 30°를 더 포함한 120°~ -120°내에서 절체가 이루어지도록 함이 바람직 하다. 도 3에 상기와 같은 범위가 도시되어 있는바, 120°~ -120°의 범위를 인페이스(In-Phase)라고 하며, 그외의 범위를 아웃 페이스(Out-Phase)라 한다.
실제적으로 주 전원(10)에 의해 모터(50)가 동작하는 도중, 주 전원(10)을 인위적으로 차단하고, 그 순간에 모터(50)에서 유기되는 잔류전압의 위상과 주 전원(10)의 위상차를 위상 측정부를 통해 측정하면, 위상차는 거의 발생하지 않는다. 그리고, 시간이 지남에 따라 모터(50)에 의한 잔류전압은 그 크기가 줄어들고 싸이클 또한 느려지게 되는바, 이는 도 4의 (a)에 도시된 바와 같은 모터의 잔류전압 위상과 주전원 또는 예비전원 위상의 차 그래프를 갖는 것이다.
도 4의 (a)는 실험에 의해 출력된 값을 그래프로 표시한 것으로서, 주전원(10) 또는 예비전원(20)을 공급받은 모터(50)에 상기 스위칭부(30)를 조작하여 전원공급을 차단한 후 주전원(10) 또는 예비전원(20)의 위상과 모터(50)에 의해 발생하는 잔류전압의 위상차의 변화를 보이기 위한 것이다.
상기와 같이 최초 전원이 차단될 때에는 위상차가 없는 상태에서 시간이 지남에 따라 위상의 차는 수직적으로 증가됨을 알 수 있다.
따라서, 도 4의 (a)의 그래프를 180°스케일로 정리하면 도 4의 (b)와 같이 도시되는데, 시간이 지날 수록 그 간격이 좁아지며 변화의 상승 및 하락이 첨예해 지는 것을 알 수 있다.
상기 도 3에 도시된 인페이스 영역과 아웃 페이스 영역을 도 4의 (b)에 적용하면 120°의 기준선에 의해 그래프의 첨예한 부분이 아웃 페이스 영역이 되며 이하 나머지 부분이 인페이스 영역이 됨을 알 수 있다. 상기와 같은 도 4의 (b)와 같은 데이터가 제어부(60)의 메모리(65)에 기록되어 있는 것이다.
한편, 상기 스위칭부(30)는 기계적인 결함에 의한 지연시간을 갖는데, 이는 통상의 스위칭부(30) 제조사들이 스위칭부(30)의 스펙(Specification)상에 지연시간을 표시한다. 상기와 같은 지연시간 또는 메모리(65)에 기록되어 있다.
따라서, 메인 컨트롤러(64)는 제1 계기용 변압기(41)를 통해 주 전원(10)의 상실을 모니터링 하고 있으며, 주 전원(10)의 상실, 즉 단전이 감지되면 제1 위상 감지부(61) 및 제2 위상 감지부(62)를 통해 예비 전원(20)과 모터(50)에 의한 잔류전압의 위상을 입력받고, 초기 위상차 값을 산출하게 되고, 산출된 초기 위상차값을 상기 메모리(65)에 기록된 위상차 변화 데이터 및 지연시간에 적용하여 절체 시점을 판단하게 된다.
일예를 들어 초기 위상차 값이 '0'인 경우, 즉 주전원(10)과 예비전원(20)이 위상차가 없는 경우 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이 지연시간(Dt1)을 감안하여도 P1 순간에 절체가 이루어지므로 인페이스 상태에서 절체가 이루어지게 되므로, 메인 컨트롤러(64)는 스위칭부(30)에 절체신호를 출력한다. 그러나, 초기 위상차 값이 P2에서 도출되는 경우 지연시간(Dt2)에 의해 실제적인 절체 순간은 P2'가 되므로 아웃 페이스 상태에서 절체가 이루어지게 되므로, 메인 컨트롤러(64)는 P3 시점에서 절체신호를 출력한다. P3 시점은 아웃 페이스 상태이나 지연시간(Dt3)에 의해 실제적인 절체는 P3' 시점에 이루어 지는 것이다. 도 4의 (b)에 도시된 Dt4의 시점은 모터(50)에 의한 잔류전압의 크기가 무시할 만한 크기로 작아지는 시점으로 이후의 위상차는 무시한다.
본 실시예에서는 위상차의 절체 안전범위를 120° ~ -120°를 일예로 하여 설명하였으나 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 송전압의 크기 및 송배전 설비 또는 수변전 설비의 전기적 특성에 따라 상기 절체 안전범위를 가변할 수 있는 것이다.
앞에서 설명된 본 발명의 일실시예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 아니된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서, 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.
10 : 주 전원 20 : 예비 전원
30 : 스위칭부 41 ~ 43 : 계측용 변압기
50 : 부하모터 60 : 제어부

Claims (7)

  1. 주전원선이 연결된 주전원 공급단자와, 예비전원선이 연결된 예비전원 공급단자와, 모터가 부하선으로 연결된 모터연결단자와, 상기 모터연결단자에 일측이 연결되고, 타측은 상기 주전원 공급단자 또는 예비전원 공급단자에 선택적으로 연결되는 스위칭부와, 상기 스위칭부의 동작을 제어하기 위한 제어부를 포함하는 전원 자동절체 시스템에 있어서,
    상기 제어부는 주전원선, 예비전원선 및 부하선의 위상을 각각 측정하기 위한 제1 위상 측정부 내지 제3 위상 측정부를 포함하고,
    상기 제어부는 상기 주전원선에 전력공급이 상실되었을 경우, 모터 연결단자가 예비전원공급단자로 연결되도록 스위칭 부를 제어하되, 상기 예비 전원선의 위상 및 부하선의 위상이 절체순간 인페이스(In-phase) 상태가 되도록 절체 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 전원 자동절체 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 모터의 관성회전에 의한 잔류전압과 주전원 또는 예비전원 중 어느 하나와의 위상차 변화, 그리고 스위칭부의 지연시간을 저장하고 있으며,
    모터의 동작 중 주전원선에 전력공급의 상실이 감지되면 상기 제2 및 제3 위상 측정부를 통해 측정된 위상차를 초기값으로 하고 상기 지연시간을 적용하여 연산된 잔류전압 위상차가 인 페이스 상태가 될 때, 상기 스위칭 부에 동작 제어신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 전원 자동절체 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 인페이스 상태는,
    모터의 잔류전압과 예비전원선의 절체순간 위상차가 120°이내 인 것을 특징으로 하는 전원 자동절체 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 위상 측정부 내지 제3 위상 측정부는 각각 주전원선, 예비전원선, 부하선에 계기용 변압기를 통하여 연결된 것을 특징으로 하는 전원 자동절체 시스템.
  5. 모터를 부하로 하는 전원 자동절체 시스템의 절체 제어방법으로서,
    동작중인 모터에 전원을 차단하여 모터의 잔류전압 및 차단된 전원선과의 위상차 변화 데이터를 기록하는 데이터 기록단계와,
    상기 데이터 기록단계에서 기록된 위상차 변화 데이터에서 인페이스의 시간 범위를 연산하는 안전 절체범위 연산단계와,
    모터에 주 전원을 투입하고, 전원공급 상실여부를 감시하는 전원 감시단계와,
    상기 전원 감시단계에서 주 전원이 상실 될 경우, 모터의 전류전압의 위상값과 예비 전원의 위상값을 입력받아 초기 위상차값을 연산하는 초기값 연산단계와,
    상기 초기값 연산단계에서 연산된 초기 위상차 값을 상기 데이터 기록단계의 위상차 변화 데이터와 매칭시키는 위상차 예측단계와,
    상기 예측된 위상차 값이 인페이스 범위에 속하는 경우 예비 전원으로 절체신호를 출력하는 예비전원 절체단계를 포함하는 전원 자동절체 시스템의 절체 제어방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 위상차 예측 단계는,
    절체 스위칭 수단의 기계적 지연시간을 고려하여, 절체완료 예상시각에 위상차값을 연산 하도록 된 것을 특징으로 하는 전원 자동절체 시스템의 절체 제어방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 인페이스 범위는,
    모터의 잔류전압과 예비전원선의 절체순간 위상차가 120°이내 인 것을 특징으로 하는 전원 자동절체 시스템의 절체 제어방법.
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