KR101070472B1 - 부하량과 입력전압 및 입력주파수에 따른 동작설정이 가능한 고효율 무정전전원장치 - Google Patents

부하량과 입력전압 및 입력주파수에 따른 동작설정이 가능한 고효율 무정전전원장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 부하량과 입력전압 및 입력주파수에 따른 동작설정이 가능한 고효율 무정전전원장치에 관한 것으로, 사용자에 의해 일반모드와 고효율 모드 설정이 가능하고, 고효율모드 설정시 고효율 동작모드로 진입하는 조건인 부하량 또는 입력전압 및 입력주파수에 따른 설정치를 사용자가 임의로 조정하여, 주변환경과 조건에 따른 동작조건을 설정할 수 있는 무정전전원장치로서 부하조건, 입력전압 그리고 입력주파수에 따른 최적의 전력품질과 최대의 에너지 절감효과를 실현할 수 있다.

Description

부하량과 입력전압 및 입력주파수에 따른 동작설정이 가능한 고효율 무정전전원장치{High efficiency uninterruptible power supply capable of setting operation based on load, input voltage and input frequency}
본 발명은 무정전전원장치(Uninterruptible Power Supply)에 관한 것으로서, 더 상세하게는 부하량이나 입력전압 및 입력주파수에 따라 일반모드와 고효율모드 운전이 가능하고, 운전모드 결정에 기준이 되는 부하량, 입력전압 및 입력주파수 (예, 부하량 설정: 출력정격부하량의 1 ~ 30%, 입력전압: 입력정격전압 ± 10% 이내, 입력주파수: 입력정격주파수 ± 5 % 이내)를 사용자가 자유롭게 설정하는 것이 가능하며, 부하조건과 주변환경 상황에 따른 최적의 운전설정이 가능하여, 장비의 효율을 극대화하고, 에너지 절감효과를 제공할 수 있는 부하량과 입력전압 및 입력주파수에 따른 동작설정이 가능한 고효율 무정전전원장치에 관한 것이다.
한편, 본 발명은 고효율모드 운전과 일반모드 운전 절체시 히스테리시스 기법을 적용하여 동작의 안정성과 신뢰성을 향상시킨 부하량과 입력전압 및 입력주파수에 따른 동작설정이 가능한 고효율 무정전전원장치에 관한 것이다.
당업자에게 잘 알려져 있는 바와 같이, 무정전전원장치는 교류전원을 사용하는 기기(부하)에 예고없이 정전되거나 사고로 인하여 과도한 전압강하가 일어날 때, 사용중인 기기에 항상 정상적인 전원을 공급하기 위해 설치되는 장치이다.
이와 같은 무정전전원장치는 입력전압이 비정상적인 상황(정전, 순간전압강하 등)에만 배터리를 동작시켜 부하에 전원을 공급하는 오프라인(Off-line) 방식과, 정상적인 입력전압 공급시에도 정류기(AC/DC)와 인버터(DC/AC)를 동작하여 정전압과 정주파수(CVCF)의 전압을 부하에 공급하다가 입력전압이 비정상적인 상황(정전, 순간전압강하 등)에는 배터리를 동작시켜 전원을 공급하는 더블컨버젼(Double conversion) 방식으로 구분된다.
상기한 오프라인(Off-line)방식의 무정전전원장치는 도 1에서와 같이 평상시(입력전원의 상태가 정상인 경우)에는 상용전원(계통전원)을 바이패스라인을 통해 부하로 공급하고, 정전시에는 인버터/정류기를 인버터로 동작시켜 배터리에 축적된 에너지를 부하로 공급하는 구조로 구성된다. 이러한 오프라인 방식의 무정전전원장치는 정상동작시에 바이패스라인으로 직접 부하단에 전력을 공급하기 때문에 효율이 우수한 장점을 가지며, 이러한 오프라인(Off-line)동작을 고효율 동작이라고 한다. 그러나 상기 오프라인(Off-line) 방식의 무정전전원장치는 정상운전에서 정전시 배터리운전으로 운전전환에 전환시간이 발생하여, 짧은 시간이지만, 부하단의 순간적인 정전상황을 피할 수 없게 된다. 또한 오프라인(Off-line) 방식의 무정전전원장치는 정상운전시 상용전원이 그대로 부하에 공급되기 때문에 입력전압이 불안정한 경우에 그 전압이 그대로 부하 측에 전달된다. 따라서, 안정된 출력전압과 주파수를 요하는 부하에는 적합하지 못한 방식이다.
한편, 상기 더블컨버젼(Double conversion) 방식의 무정전전원장치는 도 2에서와 같이 평상시에는 상용전원을 정류기를 통해 직류전압으로 변환하고, 이 전압을 다시 인버터를 통해 교류전압으로 변환하여, 이중변환된 전력을 부하로 공급하고, 정전시에는 배터리전력을 인버터를 통해 부하단에 공급하는 구조로 되어 정전시 부하단으로 전력의 무순단 절체가 가능하고, 정상운전시 상용전원을 이중변환하여 부하단으로 공급하기 때문에 항상 정전압, 정주파수의 양질의 전원을 부하단에 공급하는 것이 가능하다. 그러나 더블컨버젼(Double conversion) 방식의 무정전전원장치는 이중변환과정에서 발생하는 반도체 소자들의 스위칭 손실로 인하여, 상기 오프라인(Off-line) 방식의 무정전전원장치에 비해 효율이 떨어지는 단점을 가진다.
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 입력전압과 입력주파수의 상태에 따라, 상기 고효율(오프라인) 동작과 상기 더블컨버젼 동작을 결정하는 에코우(Echo)모드와 부하량에 따라 상기 고효율동작과 상기 더블컨버젼 동작을 결정하는 에너지 절약(Energy Saving) 모드 동작을 선택하여 운용함으로써 더블컨버젼 방식과 오프라인 방식의 장점을 모두 부각시킬 수 있는 고효율 무정전전원장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 무정전전원장치는, 계통에서 입력되는 교류전압을 직류전압으로 변환하여, 직류모선(DC Link)단에 공급하는 PWM 정류기와; 충전시에는 직류모선 전압을 감압하여 배터리에 공급하고, 방전시에는 배터리의 전압을 승압하여 이를 상기 직류모선으로 공급하는 배터리 충-방전기; 상기 배터리와 상기 PWM 정류기에서 공급된 직류전압을 교류로 변환하여 부하에 공급하는 인버터; 계통 전원을 상기 부하로 직접 공급하는 경우에 동작하는 바이패스 스위치; 입력전압, 입력주파수 및 부하량을 입력받아 상기 바이패스 스위치 및 인버터의 동작을 제어하기 위한 컨트롤러를 포함하고, 상기 컨트롤러는 상기 입력전압, 입력주파수 및 부하량에 따라 상기 무정전전원장치를 정상모드 또는 고효율 모드로서 에코우 모드 또는 에너지절약모드로 선택하여 운전하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 컨트롤러는 상기 입력전압, 상기 입력주파수 및 상기 부하량을 측정하기 위한 측정부와; 상기 정상모드, 에코우 모드 또는 에너지 절약모드를 설정하며, 상기 고효율 모드로서 에코우 모드 또는 에너지절약모드 설정시 상기 부하량과 입력전압과 입력주파수의 동작범위를 설정하기 위한 설정부; 상기 각 모드에 따라 인버터와 상기 바이패스 스위치를 제어하기 위한 제어부를 포함하여 이루어진다.
바람직하게는, 상기 컨트롤러는 상기 에코우모드 동작시, 상기 측정부에 의해 측정된 입력전압과 입력주파수가 상기 설정부에서 입력된 설정치 입력전압과 입력주파수 이내일 때, 상기 인버터를 오프(Off)시키고, 상기 바이패스 스위치를 온(On)시킨다.
바람직하게는, 상기 컨트롤러는 상기 에코우모드 동작시, 상기 측정부에 의해 측정된 입력전압 또는 입력주파수가 상기 설정부에서 입력된 설정치 입력전압 또는 입력주파수를 초과하면, 상기 인버터를 온(On)시키고, 상기 바이패스 스위치를 오프(Off)시켜, 상기 무정전전원장치가 더블컨버젼(Double conversion) 동작을 수행하도록 한다.
바람직하게는, 상기 컨트롤러는 상기 에너지 절약모드(Energy Saving mode) 동작시, 상기 측정부에 의해 측정된 상기 부하량이 상기 설정부에 의해 설정된 에너지 절약모드 동작을 위한 부하량 설정치보다 작으면, 상기 인버터를 오프(Off)시키고, 상기 바이패스 스위치를 온(On)시킨다.
바람직하게는, 상기 컨트롤러는 상기 에너지 절약모드(Energy Saving mode) 동작시, 상기 측정부에 의해 측정된 상기 부하량이 상기 설정부에 의해 설정된 에너지 절약모드 동작을 위한 부하량 설정치를 초과하면, 상기 인버터를 온(On)시키고, 상기 바이패스 스위치를 오프(Off)시켜 상기 무정전전원장치가 더블컨버젼 동작을 수행하도록 한다.
본 발명에 따른 무정전전원장치는 주변의 사용환경(입력전압, 입력주파수 또는 부하량)에 따라 설정이 가능한 설정치를 사용자가 조작하여, 최적의 조건에서 운전이 가능한 고효율 무정전전원장치를 구성함으로써, 입력전압, 입력주파수 또는 부하량에 따라 더블컨버젼 방식의 무정전전원장치의 장점인 정전압정주파수(CVCF) 기능과 무순단 전력공급기능과 오프라인(Off-line) 방식의 장점인 고효율 기능을 수행함으로써 운전에 대한 사용자의 선택의 폭을 넓히고, 무정전전원장치가 가지는 장점을 극대화하는 이점을 제공한다.
도 1은 종래의 오프라인(Off-line) 방식의 무정전전원장치를 나타내는 구성도이다.
도 2는 종래의 더블컨버젼(Double conversion) 방식의 무정전전원장치를 나타내는 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 무정전전원장치의 구성도이다.
도 4a 내지 도 4b는 본 발명의 동작의 일실시예로서,
도 4a는 에코우모드시 입력전압과 입력주파수가 에코우모드 설정치 전압과 주파수 이내일 경우의 전력흐름도이고,
도 4b는 입력전압과 입력주파수가 에코우모드 설정치 전압과 주파수를 초과했을 때의 전력흐름도이다.
도 5a 내지 도 5b는 본 발명의 동작의 일실시예로서,
도 5a는 에너지절약모드시 부하량이 에너지절약모드 설정부하량 이내일 경우의 전력흐름도이고,
도 5b는 부하량이 에너지절약모드 설정부하량을 초과했을 때의 전력흐름도이다.
도 6은 본 발명에 따른 무정전전원장치에서 에너지절약모드시 부하량에 따른 동작전환시 히스테리시스 동작을 적용한 동작 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 무정전전원장치의 동작에 대한 플로우차트(Flowchart)이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 무정전전원장치의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 무정전전원장치는 계통(30) 입력단과 부하(36)단 사이에 PWM 정류기(31), 배터리(33), 배터리 충-방전기(32), 인버터(35), 바이패스 스위치(34) 및 컨트롤러(37)가 도시한 바와 같이 접속되어 이루어진다. 상기 PWM 정류기(31)는 계통에서 입력되는 교류전압을 직류전압으로 변환하여, 직류모선(DC Link)단에 공급하는 역할을 한다. 배터리 충-방전기(32)는 충전시에는 직류모선전압을 감압하여, 배터리(33)에 공급하고, 방전시에는 배터리 전압을 승압하여, 직류모선(DC Link)으로 공급하는 역할을 한다. 인버터(35)는 배터리(33)와 PWM 정류기(31)에서 공급된 DC 전압을 교류로 변환하여, 부하(36)에 공급하는 역할을 수행한다. 바이패스 스위치(34)는 계통(30) 전원을 부하(36)로 직접 공급하는 경우에 동작하는 역할을 수행한다. 컨트롤러(37)는 입력전압 및 입력주파수, 부하량을 입력받아 바이패스 스위치(34), 인버터(35)를 제어하는 역할을 수행한다.
바람직하게는 상기 PWM 정류기(31)는 PWM 제어방식으로, 단위역율 제어가 가능한 역률보상(Power Factor Correction) 컨버터로 동작하여, 계통의 교류전압을 직류전력으로 변환하여, 직류모선으로 공급하는 역할을 수행한다.
본 발명에 있어서, 컨트롤러(37)는 고효율 모드 동작시 이를 제어하는 역할을 하며, 이를 위해 도 3에 도시한 바와 같이 입력전압, 입력주파수 또는 부하량을 측정하는 측정부(40), 고효율 모드(에코우 모드, 에너지절약모드) 설정시 부하량과 입력전압과 입력주파수의 동작범위를 설정하는 설정부(38), 인버터(35)와 바이패스 스위치(Bypass switch)(34)를 제어하는 제어부(39)를 포함하여 이루어진다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 무정전전원장치의 작용을 도 3 내지 도 7을 참조하여 설명한다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일실시예에 따른 무정전전원장치의 동작 중 에코우모드(Echo mode) 동작에 대한 전력흐름도를 나타낸다.
먼저, 본 발명의 무정전전원장치에 있어서, 에코우모드(Echo mode) 동작은 무정전전원장치의 입력전압과 입력주파수에 따라 동작이 구분된다. 사용자가 에코우모드 동작 설정전압 및 설정주파수을 설정부(38)에서 입력하면, 측정부(40)에 의해 측정된 입력전압과 입력주파수가 상기 설정부(38)에서 입력된 설정치 이내일 때, 인버터(35)는 제어부(39)의 제어에 의해 오프(Off)되고, 동시에 바이패스 스위치(Bypass switch)는 제어부(39)의 제어에 의해 온(On)되면서, 도 4a와 같이 고효율모드로 동작을 수행한다. 상기 측정부(40)에 의해 측정된 입력전압이나 입력주파수가 상기 설정치를 초과하게 되면, 인버터(35)는 제어부(39)의 제어에 의해 온(On)되고, 동시에 바이패스 스위치(Bypass switch)는 제어부(39)의 제어에 의해 오프(Off)되면서, 도 4b와 같이 더블컨버젼(Double conversion)동작을 수행한다. 이와 같은 동작은 측정부(40)에 의해 측정되는 입력전압과 입력주파수의 변화가 설정부(38)에서 설정된 설청치 이내의 양질의 전력이 공급될 경우에는 입력전원을 바이패스 스위치(34)를 통해 직접 부하단으로 공급하여, 부하단에는 고효율, 고품질의 전력을 제공하는 효과가 발생된다.
상기에서 측정부(40)에 의해 측정되는 입력전압과 입력주파수는 계통전원단 또는 부하단에서 공지된 기술을 통해 설계적인 측면을 고려하여 가장 효율적인 방법으로 측정할 수 있다는 것은 당업자에게 자명할 것이다.
또한, 본 발명에서 정상(Nornal)모드와 고효율모드의 선택은 사용자가 설정부(38)를 통해 할 수 있으며, 이러한 모드의 선택 기술은 당업자가 공지 기술을 통해 용이하게 할 수 있음은 당업자에게 자명할 것이다. 경우에 따라서, 본 발명의 무정전전원장치는 디폴트(default)로 고효율모드로 동작하게 하고, 사용자의 선택이 있을 경우에만 정상모드로 동작하도록 할 수 있다.
도 5a와 도 5b는 본 발명의 일실시예에 따른 고효율 무정전전원장치의 동작 중 에너지 절약모드(Energy Saving mode) 동작에 대한 전력흐름도를 나타낸다. 에너지 절약모드(Energy Saving mode) 동작은 측정부(40)에 의해 측정된 무정전전원장치의 부하량이 설정부(38)에 의해 설정된 에너지 절약모드 동작을 위한 부하량 설정치보다 작으면, 인버터(35)는 제어부(39)의 제어에 의해 오프(Off)되고, 동시에 바이패스 스위치(Bypass switch)는 제어부(39)의 제어에 의해 온(On)되면서, 도 5a와 같이 고효율모드 동작을 수행한다. 여기서, 상기 에너지 절약모드 동작을 위한 부하량 설정은 무정전전원장치의 정격 용량을 기준으로 할 수 있음은 당업자에게 자명할 것이다.
한편, 고효율모드 동작 중 부하량이 서서히 증가하여, 측정부(40)에 의해 측정된 무정전전원장치의 부하량이 예를 들어 상기 부하량 설정치의 1.5배의 값보다 크게 되면, 인버터(35)는 제어부(39)의 제어에 의해 온(On)되고, 동시에 바이패스 스위치(Bypass switch)는 제어부(39)의 제어에 의해 오프(Off)되면서, 도 5b와 같이 더블컨버젼 동작으로 전환되어 수행한다. 이처럼 동작의 전환시 부하량의 변화에 따른 동작의 신뢰성을 확보하기 위하여, 본 발명에서는 히스테리시스 구간을 설정하여, 제품동작의 신뢰성을 향상시켰다.
도 6은 에너지 절약모드시 부하량의 변화에 따른 히스테리시스 동작에 따른 설명을 나타낸다.
도 7은 전술한 본 발명에 따른 무정전전원장치의 동작을 일목요연하게 흐름도로서 도시한 것이다.
이로써, 본 발명은 사용자에 의해 일반모드와 고효율 모드 설정이 가능하고, 고효율모드 설정시 고효율 동작모드로 진입하는 조건인 부하량, 입력전압 및 입력주파수에 따른 설정치를 사용자가 임의로 조정하여, 주변환경과 조건에 따른 동작조건을 설정할 수 있는 무정전전원장치로서 부하조건, 입력전압 그리고 입력주파수에 따른 최적의 전력품질과 최대의 에너지 절감효과를 실현할 수 있게 한다.
지금까지, 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
31 : PWM 정류기 32 : 배터리 충-방전기
33 : 배터리 34 : 바이패스 스위치
35 : 인버터 37 : 컨트롤러
38 : 설정부 39 : 제어부
40 : 측정부

Claims (8)

  1. 무정전전원장치에 있어서,
    계통에서 입력되는 교류전압을 직류전압으로 변환하여, 직류모선(DC Link)단에 공급하는 PWM 정류기;
    충전시에는 직류모선 전압을 감압하여 배터리에 공급하고, 방전시에는 배터리의 전압을 승압하여 이를 상기 직류모선으로 공급하는 배터리 충-방전기;
    상기 배터리와 상기 PWM 정류기에서 공급된 직류전압을 교류로 변환하여 부하에 공급하는 인버터;
    계통 전원을 상기 부하로 직접 공급하는 경우에 동작하는 바이패스 스위치;
    입력전압, 입력주파수 및 부하량을 입력받아 상기 바이패스 스위치 및 인버터의 동작을 제어하기 위한 컨트롤러를 포함하고,
    상기 컨트롤러는 상기 입력전압과 입력주파수가 설정치 이내이면 상기 무정전전원장치를 고효율 모드로서 에코우 모드로 선택하여 운전하고, 상기 부하량이 설정치 이내이면 상기 무정전전원장치를 고효율 모드로서 에너지 절약모드로 선택하여 운전하는 것을 특징으로 하는 무정전전원장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 컨트롤러는
    상기 입력전압, 상기 입력주파수 및 상기 부하량을 측정하기 위한 측정부;
    정상모드, 에코우 모드 또는 에너지 절약모드를 설정하며, 상기 고효율 모드로서 에코우 모드 또는 에너지절약모드 설정시 상기 부하량과 입력전압과 입력주파수의 동작범위를 설정하기 위한 설정부;
    상기 각 모드에 따라 인버터와 상기 바이패스 스위치를 제어하기 위한 제어부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 무정전전원장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 컨트롤러는
    히스테리시스 동작 기능을 수행하여, 상기 부하량의 변화에 따른 동작의 신뢰성을 향상시킨 것을 특징으로 하는 무정전전원장치.
  4. 제2항에 있어서, 상기 컨트롤러는
    상기 에코우모드 동작시, 상기 측정부에 의해 측정된 입력전압과 입력주파수가 상기 설정부에서 입력된 설정치 입력전압과 입력주파수 이내일 때, 상기 인버터를 오프(Off)시키고, 상기 바이패스 스위치를 온(On)시키는 것을 특징으로 하는 무정전전원장치.
  5. 제2항에 있어서, 상기 컨트롤러는
    상기 에코우모드 동작시, 상기 측정부에 의해 측정된 입력전압 또는 입력주파수가 상기 설정부에서 입력된 설정치 입력전압 또는 입력주파수를 초과하면, 상기 인버터를 온(On)시키고, 상기 바이패스 스위치를 오프(Off)시켜, 상기 무정전전원장치가 더블컨버젼(Double conversion) 동작을 수행하도록 하는 것을 특징으로 하는 무정전전원장치.
  6. 제2항에 있어서, 상기 컨트롤러는
    상기 에너지 절약모드(Energy Saving mode) 동작시, 상기 측정부에 의해 측정된 상기 부하량이 상기 설정부에 의해 설정된 에너지 절약모드 동작을 위한 부하량 설정치보다 작으면, 상기 인버터를 오프(Off)시키고, 상기 바이패스 스위치를 온(On)시키는 것을 특징으로 하는 무정전전원장치.
  7. 제2항에 있어서, 상기 컨트롤러는
    상기 에너지 절약모드(Energy Saving mode) 동작시, 상기 측정부에 의해 측정된 상기 부하량이 상기 설정부에 의해 설정된 에너지 절약모드 동작을 위한 부하량 설정치를 초과하면, 상기 인버터를 온(On)시키고, 상기 바이패스 스위치를 오프(Off)시켜 상기 무정전전원장치가 더블컨버젼 동작을 수행하도록 하는 것을 특징으로 하는 무정전전원장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 무정전전원장치의 더블컨버젼 동작은 상기 측정부에 의해 측정된 상기 부하량이 상기 설정부에 의해 설정된 부하량 설정치 보다 1.5배 이상인 경우인 것을 특징으로 하는 무정전전원장치.
KR1020110017317A 2011-02-25 2011-02-25 부하량과 입력전압 및 입력주파수에 따른 동작설정이 가능한 고효율 무정전전원장치 KR101070472B1 (ko)

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