KR101124833B1 - 인버터 접지용 스위칭 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 양극이나 음극 직류전압을 접지단자에 연결하는 안전퓨즈를 이용해 직류전압을 간선주파수의 교류전압으로 변환하는 직류전압원을 갖춘 인버터를 접지하기 위한 스위칭장치에 관한 것이다. 인버터 하우징의 외부에 연결할 3개의 플러그커넥터가 달린 커넥터부에 안전퓨즈를 설치하되 2개의 플러그커넥터 사이에 배치하고, 커넥터부에 대응하는 3개의 접점을 인버터하우징에 마련하되 각각 양극 직류전압, 음극 직류전압 및 접지용으로 마련하며, 양극이나 음극 직류전압을 접지하기 위해 커넥터부를 끼웠다 뺄 수 있도록 구성한다. 이런 플러그커넥터는 전기연결을 위한 소켓에 플러그를 끼우는 것과 같은 방식이다. 3개의 접점은 위아래나 옆으로 나란히 배치할 수 있다. 그 결과, 안전플러그를 쉽게 180도 돌려 끼워서 접지를 양극에서 음극이나 그 반대로 쉽게 바꿀 수 있다. 이는 플러그가 평평할 경우에도 동일한 효과를 볼 수 있다.

Description

인버터 접지용 스위칭 장치{SWITCHING APPARATUS FOR GROUNDING AN INVERTER}

본 발명은 양극이나 음극 직류전압을 접지단자에 연결하는 안전퓨즈를 이용해 직류전압을 간선주파수의 교류전압으로 변환하는 직류전압원을 갖춘 인버터를 접지하기 위한 스위칭장치에 관한 것이다.

태양광 인버터에는 GFDI(Ground Failure Detector and Interrupter) 퓨즈가 구비된 것이 보통이다. 이런 퓨즈에 흐르는 전류를 전류컨버터로 감시할 수 있다. 이런 전류가 제한값을 넘자마자 그리드의 연결을 끊는다. 이 전류가 계속 흐르면 퓨즈를 끊는다. 인버터는 1A 이상의 잘못된 전류가 흐르고 있으며 이 전류가 없어지지 않는 한 그리드에 연결을 하지 않는다는 신호를 낼 수 있고, 이때 퓨즈를 교체한다.

이 회로의 단점은 이미 퓨즈에 의해 접지가 된 쪽에 원치않는 접지가 있을 경우 이를 측정기구로 전문가만이 감지할 수 있다는 것이다. 태양광발전기의 회로에 인버터를 추가하자마자 퓨즈가 끊어지지만 발전기는 원하는 접지와 원치않는 접지를 자동으로 구분할 수 없어서 이런 퓨즈의 단선을 알려줄 수 없다.

GFID 퓨즈와 태양광발전기의 접지에 관한 규제는 대륙이나 국가에 따라 다르다. 양극이나 음극 전압을 접지할 수 있다. 예를 들어 미국에서는 GFDI 안전퓨즈가 필수적이다. 미국에서는 접지단자(PE)의 음극이나 양극측에 퓨즈를 다는 것이 일반적이다.

퓨즈를 인버터 하우징 안에 설치한 다음 플러그를 바꿔 퓨즈를 통해 양극이나 음극 전압을 접지하는 것으로 알려져왔다. 접지를 어떤 전압측에서 해야만 하는지는 점퍼로 표시한다.

접지 형식을 바꾸려면, 하우징 덮개를 열어야만 하는데, 이는 접속과 방수의 관점에서 높은 규격, 구체적으로는 IP65 규격을 태양광 인버터에 부여하기 때문이고, 이때문에 퓨즈를 교체하는 것이 아주 번거로운 일이었다.

양극측이나 음극측에서 또는 양쪽에서 고장을 감지하는 방법으로 절연저항 Riso를 판단하는 방법이 있다. 이 방법에서는 스위치나 분로를 이용해 절연저항을 측정한다.

태양열 발전기를 접지하기 위한 퓨즈가 달린 인버터가 공지되어 있다.

본 발명의 목적은 이상 설명한 종류의 스위칭장치에서 기술자가 거의 비용을 들이지 않고도 IP65 규격의 도구는 닫아둔채 인버터의 양극이나 음극을 접지할 수 있는 스위칭장치를 제공하는데 있다. 인버터는 태양전지의 종류에 따라 양극이나 음극에 접지한다.

또, 사용한 태양광발전기에 따라서는 뒤에 인버터를 접지하도록 하고, 절연저항(Riso)을 측정하여 GFDI 기능을 실행하여 퓨즈의 상태를 확인하도록 한다.

이 목적은 외부에서 접근해 끼울 수 있는 안전퓨즈를 인버터 하우징에 설치해 양극이나 음극 직류전압에 연결해, 이런 양극이나 음극 직류전압을 안전퓨즈를 통해 접지하면 달성된다. 본 발명의 안전퓨즈에 의해 덮개를 닫아둔채 여러가지 접지를 쉽게 실현할 수 있다.

또, 절연저항(Riso)을 측정하여 퓨즈의 상태를 점검할 수 있다. 퓨즈가 없는 경우, 측정분야에 절연고장이 있는지 여부를 찾을 수 있다.

본 발명은 공통적으로 접지라는 관점에서 회로를 구성한다. 모든 회로는 접지전위에 관련되고, 접지전위는 본 발명의 안전퓨즈에 의해 결정된다.

Riso의 측정과 퓨즈 모두 GFDI 감시를 위한 회로의 요소이다.

본 발명의 다른 장점들은 청구범위의 종속항에 기재된 바와 같다.

본 발명에 의하면, 인버터 하우징의 외부에 연결할 3개의 플러그커넥터가 달 린 커넥터부에 안전퓨즈를 설치하되 2개의 플러그커넥터 사이에 배치하고, 커넥터부에 대응하는 3개의 접점을 인버터하우징에 마련하되 각각 양극 직류전압, 음극 직류전압 및 접지용으로 마련하며, 양극이나 음극 직류전압을 접지하기 위해 커넥터부를 끼웠다 뺄 수 있도록 구성한다. 이런 플러그커넥터는 전기연결을 위한 소켓에 플러그를 끼우는 것과 같은 방식이다. 3개의 접점은 위아래나 옆으로 나란히 배치할 수 있다. 그 결과, 안전플러그를 쉽게 180도 돌려 끼워서 접지를 양극에서 음극이나 그 반대로 쉽게 바꿀 수 있다. 이는 플러그가 평평할 경우에도 동일한 효과를 볼 수 있다.

또, 안전퓨즈를 컵에 내장하고, 컵에는 3개의 플러그커넥터가 달려있도록 할 수도 있다. 그 결과 높은 IP 규격, 예컨대 IP65를 쉽게 실현할 수 있다. 컵과 인버터 하우징 사이를 쉽게 밀봉할 수 있으므로, 양극이나 음극 어느쪽에 접지해야 하는지 알기위해 선이 달려있고 접지퓨즈에 연결할 소켓을 인버터 하우징에 설치할 수 있다. 실질적으로는 소켓의 대응 부분을 컵에 배치하고, 이런 컵에는 퓨즈가 들어있으며 2 방향으로 플러그를 끼울 수 있다. 첫번째 플러그는 양극으로, 두번째 플러그는 음극으로 접지한다. 컵은 단면도가 원형인 것이 좋지만, 다른 형상도 가능하다. 또, 이런 컵의 장점은 퓨즈를 쉽게 교체할 수 있다는 것이다.

또, 본 발명에 의하면, 커넥터부에 전기식이나 기계식 플러그선이 달려있다. 이 경우, 잘못된 접지 연결을 피할 수 있다. 기계식 플러그선으로는 예컨대 핀이 있고, 전기식 플러그 선은 퓨즈와 다이오드를 직렬로 연결하고, 다이오드는 컵에 배치할 수 있다. 그 결과, 2개의 접점이 추가로 생긴다. 이들 접점은 다이오드의 전류 방향을 통해 양극과 음극중 어느 쪽이 접지되었는지 알아내는데 사용된다. 이는 원치 않는 접지가 있는지 여부를 아는데 아주 중요하다.

인버터에서, 직류 전류경로에 있는 분로를 갖는 절연저항(Riso)을 측정할 수 있다. 구체적으로는 2개의 분로가 있는데, 첫번째 분로는 양극 전류경로에 있고 두번째 분로는 음극 전류경로에 있으며, 절연저항(Riso)을 결정하기 위한 2가지 측정상태를 설정하기 위한 2개의 스위치를 배치하되, 첫번째 스위치는 양극 직류전압ㄱ고과 접지단자 사이에, 두번째 스위치는 음극 직류전압과 접지단자 사이에 각각 배치한다. 그 결과, 첫번째 스위치는 열리고 두번째 스위치는 닫힌 동안의 첫번째 측정과, 그 반대 상황 동안의 두번째 측정 모두 가능하다. 이런 2가지 측정법은 양극전압과 음극전압을 동시에 향하는 절연고장을 보여준다. 따라서, 실제 절연저항(Riso)을 정확하게 구할 수 있다.

본 발명에서는 또, 안전퓨즈에 잘못된 전류가 흐르는 것, 구체적으로는 원치않는 접지를 감시하는데 모니터를 이용한다. 잘못된 전류는 원하는 접지나 원치않는 접지를 나타낼 수 있다. 퓨즈의 결함을 감지할 수 있다. 이미 접지된 쪽에 잘못이 있을 경우, 발전기가 그리드에 연결되기 전이라도 스위치가 끊어진다. 또, 원하는 접지와 원치않는 접지를 구분할 수 있다.

본 발명에서는 또한, 갈바닉 분리용 변압기가 달린 인버터를 이용할 수 있다. 직류전류측에서는, 이 변압기에 의한 접지를 퓨즈로 유도할 수 있다.

이하, 첨부 도면들을 참조하여 본 발명에 대해 자세히 설명한다.

이와 같이 구성된 본 발명에 의하면, 인버터의 덮개를 열지 않고도 인버터 외부에서 안전퓨즈를 쉽게 교체할 수 있다. 또, 덮개를 닫아둔채에도 여러 방향의 접지를 쉽게 바꿀 수 있다. 또, 절연저항을 측정하여 퓨즈의 상태를 점검할 수 있고, 이를 통해 측정분야에 절연고장이 있는지도 쉽게 알 수 있다.

도 1은 태양광모듈(2)이 달린 태양광발전기(1)의 회로도로, 인버터(3)의 변압기(4)는 DC측과 AC측인 그리드측 사이의 갈바닉 분리를 위한 것이다. 인버터는 스트링 인버터나 개별 인버터로 구성되어 직류전압 +U와 -U를 갖는다.

인버터(3)는 부스트나 버크형 컨버터(5)를 구비할 수 있다. 반도체스위치가 달린 브리지회로(6)는 DC/AC 컨버터 역할을 한다. 인버터(3)는 직류전압 +U/-U를 간선 주파수의 교류전압 UN으로 변환하는바, 예를 들면 110/220/380 V, 50/60 Hz의 전압이다. 인버터(3)는 펄스폭은 물론 MPP를 제어한다.

태양광모듈(2)을 양극측이나 음극측에서 접지할 수 있다.

도 2는 인버터(3)나 모듈(2)을 접지하는 스위칭장치의 회로도이다. 인버터(3)의 하우징은 7로 표시되었다. 양극이나 음극 직류전압 +Uzwk나 -Uzwk를 안전퓨즈(8)를 통해 접지단자 PE에 연결한다.

본 발명의 안전퓨즈(8)는 외부에서 접근해 끼울 수 있는 것으로, 인버터 하우징(7) 표면에 설치된다. 퓨즈(8)는 양극이나 음극 직류전압원에 접속되어 이런 전압원을 접지하도록 할 수 있는바, 이는 PE에 연결된다는 의미이다.

또, 도 2의 회로에는 안전퓨즈에 흐르는 전류의 이상상태, 특히 잘못된 전류 가 흐르는 것을 감시하기 위한 모니터가 있다. 또, 전압을 나누기 위한 분압기(R1,R2)가 접지되어 있다. R2의 전압을 측정하면 예를 들어 퓨즈(8)가 있는지 여부를 알 수 있는데, 퓨즈가 있으면 접지측의 전압이 0으로 된다. 이상전류가 흘러 퓨즈가 끊어지면 PE의 전압이 태양광모듈들 사이의 전압범위까지 상승함을 의미하고, 이는 태양광모듈들 사이에서 전압이 분할된다는 의미이다.

도 3에 의하면, 안전퓨즈(8)를 3개의 플러그 커넥터(11~13)가 달린 커넥터부(9)에 배치하되 2개 커넥터(11,13) 사이에 설치하는 것이 바람직한데, 상기 3개 커넥터(11~13)는 인버터 하우징(7)의 외부에 플러그된다. 인버터 하우징(7) 표면에는 커넥터부(9)에 대응하는 3개의 접점(14~16)이 배치된다. 접점(14~16)은 각각 양극 직류전압(+U), 음극 직류전압(-U) 및 접지단자(PE)에 연결된다. 커넥터부(9)는 퓨즈(8)를 거쳐 양극 직류전압(+U)이나 음극 직류전압(-U)을 접지하도록 구성된다.

안전퓨즈(8)는 컵모양의 부위인 컵(17) 안에 내장되고, 이 컵(17)에 3개의 커넥터(11~13)를 배치한다. 이들 커넥터는 하우징(7)의 소켓에 맞물리도록 구성된다. 컵(17)은 원통형이면서 일부분은 원추형이다. 컵의 바닥(18)은 막혀있고, 덮개(20)는 착탈형으로 플러그커넥터(11~13)를 안내한다. 물론, 컵(17)을 사각형으로 하는 것도 가능하다. 컵(17)에 퓨즈(8)용 하우징(22)이 있는데, 이 하우징은 IP 규격인 IP-65를만족한다. 덮개(20)나 바닥(18)을 통해 퓨즈에 접근할 수 있다.

커넥터부(9)에서, 첫번째 플러그커넥터(11)가 첫번째 접점(14)이나 세번째 접점(16)에 결합되도록 할 수 있다. 이를 위해서는 커넥터부를 돌리기만 하면 된다. 따라서, 인버터(3)의 뚜껑을 열지 않고도 양극전압이나 음극전압 접지를 마음 대로 선택할 수 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 커넥터부(9)에는 기계식 플러그선인 핀(23)이나 접점(25,26)을 통과하는 전선이 있다. 전선에는 접지가 양극인지 음극인지 검색하기 위한 다이오드(24)가 달려있다. 이를 위해, 컵에 전선이 통과하는 접점(25,26)을 마련한다. 이들 접점을 통해, 다이오드의 전류방향을 추측하고, 이로부터 접지된 부분이 모듈의 양극측인지 음극측인지 알 수 있다. 기계식 플러그선인 핀(23)의 경우 하우징(7)에 이에 대응하는 구멍이 뚫려있고, 커넥터부(9)를 2개 위치로만 끼울 수 있다.

도 5는 변형례로서, 절연저항을 정확히 측정하고 모듈(2)의 접지를 검출하기 위한 것이다. 2개의 분로(Sh1,Sh2)중 첫번째 분로(Sh1)는 양극 전류경로에, 두번째 분로(Sh2)는 음극 전류경로에 있다. 이런 분로는 퓨즈 전류를 간접적으로 측정하는 역할을 한다. 분로(Sh1,Sh2)를 흐르는 전류로 인해 전압이 V1이나 V2까지 상승한다. 스위치(S1,S2)는 절연저항(Riso)을 정확히 측정하기 위한 것이다. 첫번째 스위치(S1)는 양극전압 +Uzwk와 접지단자(PE) 사이에 있고, 두번째 스위치(S2)는 음극전압 -Uzwk와 접지단자(PE) 사이에 있다. 첫번째 측정단계에서는 스위치(S1)가 열리고 스위치(S2)는 닫히며, 두번째 측정단계에서는 스위치(S2)가 열리고 스위치(S1)가 닫힌다. 이들 스위치는 릴레이처럼 조절이 가능하다.

도 6에 의하면, 변압기(27)에 교류전압이 걸린다. 전류는 다이오드(D1,D2)에서 나누어져, 각각의 다이오드가 서로 다른 반파를 반송한다. 교류전압은 그리드전 압(U_N)이다. 교류전압은 릴레이(R)와 같은 제어스위치에 흐르는 전류에 더해진다. 도 2와 같은 분압기가 있어서, 퓨즈(8)를 전류로 감시할 수 있다.

도 6은 세번째 변형회로도로서, 원하는 접지와 원치않는 접지를 구분할 수 있다. 여기서는 퓨즈를 항상 감시할 수 있다. 기 접지측에 고장, 즉 이상전류의 흐름이 있을 경우, 침입에 앞서 퓨즈가 끊어진다. 이 회로에는 도 5의 분로(Sh1,Sh2)와 도 2의 분압기가 포함되어 있다.

도 7의 회로도는 도 5~6의 회로도를 합친 것이다.

도 8은 도 2 및 5~7의 회로의 변수들의 특징들을 요약한 것으로 각각 Var 1~4로 표시했다.

본 발명에 의하면 태양광 인버터(3)에 GFDI 안전퓨즈를 설치할 수 있다. 퓨즈를 흐르는 전류는 전류 컨버터로 감시한다. 전류가 제한값을 넘자마자 그리드에 대한 인버터(3)의 연결이 끊어진다. 전류가 계속 흐르면, 퓨즈(8)가 끊어져 전류 경로가 단절된다. 이렇게 되면 인버터(3)에서는 예를 들어 1A 이상의 오전류가 흐른다는 신호를 보내고, 이런 오전류가 해소되지 않고 퓨즈를 교체하지 않는 한 그리드에 연결하지 않는다.

도 6~7의 회로의 장점은, 퓨즈에 의해 이미 접지가 되었던 측에서 원치않는 접지연결이 있어도 다른 측정기구로 더이상 이를 측정할 필요가 없다는 것이다. 태양광발전기의 회로에 인버터를 추가하자마자 퓨즈가 끊어지고 발전기는 퓨즈의 단선을 감지하지 못하는 사태가 더이상 일어나지 않는다. 따라서, 원하는 접지와 원 치않는 접지를 언제든지 자동으로 구분할 수 있다.

본 발명에 의하면, 특히 미국의 규제를 만족할 수 있다. 태양광 발전기에는 GFDI 안전퓨즈와 접지가 필요하다. 양극은 물론 음극 전압도 접지할 수 있다.

본 발명은 이상의 설명에 한정되지 않고, 전술한 컵 부분 이외의 다른 방식으로 외부에서 퓨즈에 접근할 수도 있다.

또, 이상 설명한 모든 특징을 다른 특징과 결합하는 것도 가능하다.

도 1은 태양광 인버터의 간략회로도;

도 2는 본 발명의 장치의 제1 변형례의 회로도;

도 3은 퓨즈의 플러그부의 확대회로도;

도 4는 도 3의 컵의 확대사시도;

도 5는 본 발명의 장치의 제2 변형례의 회로도;

도 6은 본 발명의 장치의 제3 변형례의 회로도;

도 7은 본 발명의 장치의 제4 변형례의 회로도;

도 8은 본 발명의 장치의 특징을 요약한 표.

Claims (10)

1. 직류전압을 간선 주파수의 교류전압으로 전환하는 인버터(3)를 하우징(7)과 안전퓨즈(8)로 접지하되, 안전퓨즈는 양극이나 음극 직류전압을 접지단자에 연결하는 스위칭장치에 있어서:

   외부에서 접근해 끼울 수 있는 안전퓨즈(8)를 상기 인버터 하우징(7)에 설치해 양극이나 음극 직류전압에 연결해, 이런 양극이나 음극 직류전압을 안전퓨즈(8)를 통해 접지하고;

   인버터 하우징(7)의 외부에 연결할 3개의 플러그커넥터(11~13)가 달린 커넥터부(9)에 안전퓨즈(8)를 설치하되 2개의 플러그커넥터 사이에 배치하고, 커넥터부(9)에 대응하는 3개의 접점(14~16)을 인버터하우징(7)에 마련하되 각각 양극 직류전압, 음극 직류전압 및 접지용으로 마련하며, 양극이나 음극 직류전압을 접지하기 위해 상기 커넥터부(9)를 끼웠다 뺄 수 있도록 구성하는 것을 특징으로 하는 스위칭장치.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 상기 안전퓨즈(8)를 컵(17)에 내장하고, 컵(17)에는 3개의 플러그커넥터(11~13)가 달려있는 것을 특징으로 하는 스위칭장치.
4. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 커넥터부에 전기식이나 기계식 플러그선(23,25)이 달려있는 것을 특징으로 하는 스위칭장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 인버터(3)에 안전퓨즈(8)에 흐르는 전류를 직접적으로나 간접적으로 측정하기 위한 회로배열이 있는 것을 특징으로 하는 스위칭장치.
6. 제5항에 있어서, 상기 회로배열이 2개의 분로(Sh1,Sh2)이고, 첫번째 분로(Sh1)는 양극 전류경로에 있고 두번째 분로(Sh2)는 음극 전류경로에 있는 것을 특징으로 하는 스위칭장치.
7. 제5항에 있어서, 절연저항(Riso)을 결정하기 위한 2가지 측정상태를 설정하기 위한 2개의 스위치(S1,S2)를 배치하되, 첫번째 스위치(S1)는 양극 직류전압(+Uzwk)과 접지단자(PE) 사이에, 두번째 스위치(S2)는 음극 직류전압(-Uzwk)과 접지단자(PE) 사이에 각각 배치하는 것을 특징으로 하는 스위칭장치.
8. 제1항에 있어서, 안전퓨즈(8)에 잘못된 전류가 흐르는 것, 구체적으로는 원치않는 접지를 감시하는 모니터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭장치.
9. 제1항에 있어서, 상기 인버터(3)가 갈바닉 분리용 변압기(4)를 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭장치.
10. 제1항에 따른 스위칭장치로 태양광모듈의 태양광 전류를 변환하는 것을 특징으로 하는 방법.

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