KR101212263B1 - 삼상 입력에 대해 순간 정전을 감지하는 무정전 전원 공급 장치 - Google Patents

Abstract

입력 전압의 피크 값을 실시간으로 감시함으로써 순간 스파이크 전압을 제대로 인지하여 PWM 컨버터의 오동작을 방지하게 하는 무정전 전원 공급 장치가 제공된다.
상기 무정전 전원 공급 장치는 계통 전원 또는 발전기로부터 입력되는 삼상의 순시 전압으로서, Vr=Vm*Sin(wt), Vs=Vm*Sin(wt-2π/3), Vt=Vm*Sin(wt+2π/3)을 입력받는 순시 전압 입력부(단, Vm은 최종적으로 구하게 될 입력 전압의 최대값, w는 상기 순시 전압의 주파수, t는 시간); 상기 삼상의 순시 전압을 하기 식을 통해 Sine과 Cosine을 축으로 하는 2상으로 변환시키는 2상 변환부;

_{(하기 식)}
상기 Vqs에 Sin(wt)를 곱한 값과 상기 Vds에 Cos(wt)를 곱한 값을 더한 값인 Vqe와, 상기 Vqs에 Cos(wt)를 곱한 값에서 상기 Vds에 Sin(wt)를 곱한 값을 뺀 값인 Vde를 구함으로써, 상기 순시 전압과 상기 위상 지연 전압을 동기 좌표계로 변환하는 동기 좌표계 변환부; 상기 Vqe와 상기 Vde를 각각 제곱하여 합한 후 제곱근을 구하여 최종적으로 상기 Vm을 계산하는 입력 전압 최대값 연산부; 및 상기 입력 전압 최대값 연산부에서 계산된 상기 Vm값이 정상 상태보다 1.2배 이상 증가한 값을 갖는 경우 순간적인 전압 상승이 있는 것으로 감지하고, 상기 Vm값이 정상상태보다 0.8배 이하 감소한 값을 갖는 경우 순간적인 전압 강하가 있는 것으로 감지하는 서지 감지부를 포함한다.

Description

삼상 입력에 대해 순간 정전을 감지하는 무정전 전원 공급 장치{Uninterruptible power supply detecting momentary power failure for three phases input}

본 발명은 무정전 전원 공급 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 입력 전압의 피크 값을 실시간으로 감시함으로써 순간 스파이크 전압을 제대로 인지하여 PWM 컨버터의 오동작을 방지하게 하는 무정전 전원 공급 장치에 관한 것이다.

본 발명은 계통 전원에서 발전기 전원으로, 또는 발전기 전원에서 계통 전원으로 절환하는 목적으로 ATS(Automatic transfer switch)를 이용하여 3상 PWM 컨버터 기술을 이용한 무정전 전원 장치에 전원을 공급하는 구조에 대한 것이다.

무정전 전원 공급 장치는 UPS(Uninterruptible power supply)라고도 하며, 상용 전원에서 발생 가능한 전원 장애를 극복하여 양질의 안정된 교류 전력을 공급하기 위한 장치이다. 구체적으로는 일반 전원 또는 예비 전원 등을 사용할 때 전압 변동, 주파수 변동, 순간 정전, 과도 전압 등으로 인한 전원 이상을 방지하고 안정된 전원을 공급하여 주는 장치로서 컴퓨터의 보급 확대와 더불어 그 수요가 급증하고 있다.

최근에는 금융, 방송, 산업 등 신뢰성이 요구되는 시스템이 증가함에 따라 병렬 운전 UPS의 도입이 확산되고 있으며, 정보화 사회로의 급진전으로 모든 시스템이 네트워크화 됨에 따라 UPS도 네트워크 상에서 관리할 필요성이 증대되었으며, 공급자인 UPS 제조업체에서도 원격으로 감시, 제어할 뿐만 아니라 원격 진단, 사후 관리를 함으로써 제품의 고부가 가치화, 신뢰성 제고 및 경비 절감 등을 꾀하고 있다.

본 발명이 해결하려는 과제는, 입력 전압의 피크 값을 실시간으로 감시함으로써 순간 스파이크 전압을 제대로 인지하여 PWM 컨버터의 오동작을 방지하게 하는 무정전 전원 공급 장치를 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하려는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 무정전 전원 공급 장치의 일 태양은 계통 전원 또는 발전기로부터 입력되는 삼상의 순시 전압으로서, Vr=Vm*Sin(wt), Vs=Vm*Sin(wt-2π/3), Vt=Vm*Sin(wt+2π/3)을 입력받는 순시 전압 입력부(단, Vm은 최종적으로 구하게 될 입력 전압의 최대값, w는 상기 순시 전압의 주파수, t는 시간); 상기 삼상의 순시 전압을 하기 식을 통해 Sine과 Cosine을 축으로 하는 2상으로 변환시키는 2상 변환부;

_{( 하기 식 )}

상기 Vqs에 Sin(wt)를 곱한 값과 상기 Vds에 Cos(wt)를 곱한 값을 더한 값인 Vqe와, 상기 Vqs에 Cos(wt)를 곱한 값에서 상기 Vds에 Sin(wt)를 곱한 값을 뺀 값인 Vde를 구함으로써, 상기 Vqs와 상기 Vds를 동기 좌표계로 변환하는 동기 좌표계 변환부; 상기 Vqe와 상기 Vde를 각각 제곱하여 합한 후 제곱근을 구하여 최종적으로 상기 Vm을 계산하는 입력 전압 최대값 연산부; 및 상기 입력 전압 최대값 연산부에서 계산된 상기 Vm값이 정상 상태보다 1.2배 이상 증가한 값을 갖는 경우 순간적인 전압 상승이 있는 것으로 감지하고, 상기 Vm값이 정상상태보다 0.8배 이하 감소한 값을 갖는 경우 순간적인 전압 강하가 있는 것으로 감지하는 서지 감지부를 포함할 수 있다.

또한, 여기에서 상기 서지 감지부는, 상기 순간적인 전압 상승 및 강하를 실시간으로 감지하며, 상기 무전원 공급장치는 상기 순간적인 전압 상승 및 강하가 발생한 경우 정전으로 인식하여 충전기를 정지한 후 상기 순시 전압이 상기 정상 상태로 돌아오면 상기 충전기를 재가동할 수 있다.

본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.

본 발명의 실시예들에 따른 무전원 공급 장치에 따르면, ATS를 이용하여 정전이 아닌 상태에서도 무정전 전원 장치의 입력 전원을 자유로이 절환하더라도 아무런 오동작 없이 절환이 가능하다.

또한, 본 발명의 실시예들에 따른 무전원 공급 장치에 따르면 외부의 순간 전압 상승 및 하강 등의 서지 전압으로 인한 UPS 시스템의 오동작을 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무정전 전원 공급 장치가 적용되는 전력 계통에 대한 전반적인 구조를 보여주는 개념도이다.
도 2는 종래의 방법에서 사용하는 순간 서지 전압의 인지 방식을 보여주기 위한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 무정전 전원 공급 장치의 블록도이다.
도 4는 크기가 310[V], 주파수는 60[Hz]인 3상 입력 전압에 두 개의 상인 Vr과 Vs상에 피크 300[V], 100[usec]의 서지가 유입되었을 경우의 파형을 나타내는 그래프이다.
도 5는 종래의 방식을 적용할 경우 rms 연산한 결과 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 무정전 전원 공급 장치를 적용했을 경우의 결과 그래프이다.
도 7는 크기가 310[V], 주파수는 60[Hz]인 3상 입력 전압의 한 상인 Vr상에 피크 300[V], 100[usec]의 서지가 유입되었을 경우의 파형을 나타내는 그래프이다.
도 8는 종래의 방식을 적용할 경우 rms 연산한 결과 그래프이다.
도 9은 본 발명의 일 실시예에 따른 무정전 전원 공급 장치를 적용했을 경우의 결과 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 게시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 게시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무정전 전원 공급 장치가 적용되는 전력 계통에 대한 전반적인 구조를 보여주는 개념도이며, 도 2는 종래의 방법에서 사용하는 순간 서지 전압의 인지 방식을 보여주기 위한 그래프이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 무정전 전원 공급 장치의 블록도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예들에 따른 무정전 전원 공급 장치는 순시 전압 입력부(100), 2상 변환부(200), 동기 좌표계 변환부(300), 입력 전압 최대값 연산부(400), 서지 감지부(500)를 포함한다.

우선 도 1을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 무전원 공급장치가 적용되는 전력 계통의 구조를 설명한다. 3상 발전기 시스템(2) 전원에서 계통 전원(1)으로, 또는 계통 전원(1)에서 3상 발전기 시스템(2) 전원으로 ATS(3)를 이용하여 절환할 경우 ATS 절환 시 두 전압 간의 차로 인해 스파이크 전압이 발생하게 된다. 본 발명의 실시예들에 따른 무정전 전원 공급 장치(10)는 이 스파이크 전압을 감지하여 순간 정전으로 인지하여 무정전 전원 장치의 충전기를 순간 정지했다가 이 상황이 해소가 되면 다시 충전기를 재 가동함으로써 3상 PWM 컨버터의 오동작을 방지하게 한다.

이를 위해서는 빠른 순간 정전 감지가 가능해야 한다. 그러나, 종래의 방식은 이러한 빠른 순간 정전 감지가 불가능한 방식을 사용하고 있었다. 즉, 종래의 방식은 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이 매 샘플링 때마다 전압의 크기를 읽어, 수학식 1과 같이 제곱한 값의 한 주기 또는 1/2 주기의 평균값을 구하고 이를 루트 제곱근으로 구하여 입력 전압의 실효값을 구하여 감지하는 방식의 알고리즘을 사용하고 있었다.

[수학식 1]

만약 이 방식에서 주파수가 60Hz라고 가정한다면, 입력 전압의 실효값을 구하는데 있어서 최소 1/2 주기인 약 8.333[msec]의 시간이 소요되는데, 이렇게 되면 시간 지연이 발생하여 순간적인 대응을 할 수 없을 뿐만 아니라 순간 서지 전압을 제대로 인지할 수 없게 된다.

이렇게 되면 계통 전원(1)에서 3상 발전기 시스템(2) 전원으로, 3상 발전기 시스템(2) 전원에서 계통 전원(1)으로 ATS(3)를 이용하여 PWM 컨버터 기술을 이용한 무정전 전원 장치에 전원을 공급하는 시스템에 있어서, ATS 절환 순간을 순간 정전으로 인식하지 못하게 되기 때문에 계통 전원(1)과 3상 발전기 시스템(2) 전원 간의 전압의 크기 및 위상 차로 인해 3상 PWM 컨버터의 입력 전압 위상을 PLL(Phase locked loop)하는데 심각한 과도기 상태가 발생하게 되고 입력 위상 정보가 정확하지 않게 때문에 입력 전류 제어기에 문제를 발생시켜 입력으로 과도한 전류가 유입되어 UPS 시스템에 큰 문제를 야기할 수 있다.

이에 따라 본 발명의 실시예들에서는 순간 서지(surge) 전압 또는 순간 전압 드롭(drop) 상태를 정전 상태로 감지하여 삼상 PWM 컨버터를 순간 정리하게 함으로써 PWM 컨버터의 오동작을 방지하는 무정전 전원 공급장치(10)를 제공한다.

순시 전압 입력부(100)는 계통 전원 또는 발전기로부터 입력되는 3상의 순시 전압을 입력받는다. 이 3상의 입력 전압을 각각 Vr, Vs, Vt라고 할 때, 이는 아래 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.

[수학식 2]

한편, 수학식 2에서 Vmag은 이후 최종적으로 구하게 될 입력 전압의 최대값이고, w는 상기 순시 전압의 주파수이며, t는 시간을 의미한다.

2상 변환부(200)는 이 순시 수학식 3과 같다.

[수학식 3]

삭제

동기 좌표계 변환부(300)는 2상으로 변환된 수학식 3의 각 전압(Vqs, Vds)을 동기 좌표계로 변환한다.

구체적으로, 수학식 3에서 Vqs에 Sin(wt)를 곱한 값과, Vds에 Cos(wt)를 곱한 값을 더한 값인 Vqe를 수학식 4와 같이 구한다.

[수학식 4]

또한, 식 3에서 Vqs에 Cos(wt)를 곱한 값에서, Vds에 Sin(wt)를 곱한 값을 뺀 값인 Vde를 수학식 5와 같이 구한다.

[수학식 5]

입력 전압 최대값 연산부(400)는 식 6과 같이 Vqe와 Vde를 각각 제곱하여 합한 후 제곱근을 구하여 최종적으로 상기 Vm을 계산한다.

[수학식 6]

입력 전압이 정상일 경우에는 수학식 6과 같이 입력 전압이 피크 값을 실시간으로 감시할 수 있게 된다. 이처럼, 입력 전압의 피크 값을 실시간으로 감시가 가능하게 되므로, 순간 전압 드롭 및 서지 유입 시를 정확하게 판단할 수 있게 된다.

서지 감지부(500)는 입력 전압 최대값 계산부에서 계산된 상기 Vmag값이 정상 상태보다 1.2배 이상 증가한 값을 갖는 경우 순간적인 전압 상승(서지)이 있는 것으로 감지하고, 상기 Vmag값이 정상상태보다 0.8배 이하 감소한 값을 갖는 경우 순간적인 전압 강하(드롭)가 있는 것으로 감지한다.

이에 따라 무정전 전원 공급 장치(10)는 상기 순간적인 전압 상승 및 강하가 발생한 경우 정전으로 인식하여 충전기를 정지한 후 상기 순시 전압이 상기 정상 상태로 돌아오면 상기 충전기를 재가동할 수 있게 되는데, 종래의 방식과는 달리 시간 지연이 없이 실시간으로 감지가 가능하고, 서지 및 드롭 전압 역시 정확한 수치로 감지가 가능하게 하게 된다.

지금까지 도 1의 각 구성요소는 소프트웨어(software) 또는, FPGA(field-programmable gate array)나 ASIC(application-specific integrated circuit)과 같은 하드웨어(hardware)를 의미할 수 있다. 그렇지만 상기 구성요소들은 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니며, 어드레싱(addressing)할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 실행시키도록 구성될 수도 있다. 상기 구성요소들 안에서 제공되는 기능은 더 세분화된 구성요소에 의하여 구현될 수 있으며, 복수의 구성요소들을 합하여 특정한 기능을 수행하는 하나의 구성요소로 구현할 수도 있다.

이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 무정전 전원 공급 장치를 적용했을 경우를 종래의 방식을 적용했을 경우와 비교하기 위해 다양한 종류의 서지 또는 드롭 전압을 인가하여 실험한 결과에 대해 설명함으로서 본 발명의 실시예에 따른 무정전 전원 공급 장치가 종래의 방식에 비해 개선된 효과를 제공함을 설명한다.

도 4는 크기가 310[V], 주파수는 60[Hz]인 3상 입력 전압에 두 개의 상인 Vr과 Vs상에 피크 300[V], 100[usec]의 서지가 유입되었을 경우의 파형을 나타내는 그래프이다.

도 5는 도 4에서 도시된 서지 전압에 대해, 종래의 방식을 적용할 경우 rms 연산한 결과 그래프이며, 참고로 피크 연산을 위해 rms 연산 결과에 1.4114를 곱하였다.

도 5를 참고하면, 서지가 없는 정상의 경우는 310[V]를 유지하고 있지만, 서지 전압이 유입되면 약 8.333[msec] 정도의 지연이 있은 이후 312.5[V]로 전압이 상승했다고 일정 시간 경과 후 다시 310[V]인 정상으로 되돌아오고 있음을 확인할 수 있다. 그러나, 이 312.5[V]의 수치로는 서지 전압의 유입이 있었는지 여부를 판단하기에는 곤란한 수치로서, 종래의 방식을 사용하는 경우에는 서지 입력 전압이 존재함에도 불구하고 이러한 입력 전압의 이상을 인식함에 있어서 오류 가능성이 존재하는 것이다.

UPS 표준 사양 상 기준 정격 전압 대비 10~15[%] 이상 또는 이하기 되어야만 입력 전압에 이상이 존재하는 것으로 판단하게 되어 있기 때문이다.

이에, 반해, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 무정전 전원 공급 장치를 적용했을 경우의 결과 그래프이다.

정상일 경우에는 310[V]의 전압을 유지하고 있지만 서지 전압이 유입되면, 지연 시간 없이 170[V]로 하강했다가 바로 310][V]로 바뀌는 것을 확인할 수 있다. 즉 정상 전압과 140[V]의 차이가 나기 때문에 입력 서지 전압의 유입이 있음을 판단할 수 있게 된다.

도 7는 크기가 310[V], 주파수는 60[Hz]인 3상 입력 전압의 한 상인 Vr상에 피크 300[V], 100[usec]의 서지가 유입되었을 경우의 파형을 나타내는 그래프이고, 도 8는 종래의 방식을 적용할 경우 rms 연산한 결과 그래프이며, 도 9은 본 발명의 일 실시예에 따른 무정전 전원 공급 장치를 적용했을 경우의 결과 그래프이다.

도 4 내지 도 6과 비교하면, 삼상의 입력 전압 중 어느 한 상인 Vr에만 피크가 발생한 경우에 대한 실험 결과들이다.

도 8에서 볼 수 있는 바와 같이 종래의 방식을 적용할 경우에는 300[V] 서지 전압의 유입에 대해 약 8.333[msec]의 시간 지연 이후 전압이 310[V]에서 312.5[V]로 상승했으나, 마찬가지로 이는 서지 유입이 있다고 판단하기 어려운 수치로서, 종래의 방식을 사용하는 경우에는 서지 입력 전압이 존재함에도 불구하고 이러한 입력 전압의 이상을 인식함에 있어서 오류 가능성이 존재하는 것이다.

이에 반해 도 9에서 볼 수 있는 것처럼, 본 발명의 실시예들에 따른 무정전 전원 공급 장치를 적용했을 경우에는 정상일 경우에는 310[V]의 전압을 유지하고 있지만 서지 전압이 유입되면, 지연 시간 없이 375[V]로 상승했음을 확인할 수 있다. 또한, 이는 정상 전압과 65[V]의 차이가 나기 때문에 입력 서지 전압의 유입이 있음을 판단할 수 있게 된다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

1: 계통 전원
2: 3상 발전기 시스템
3: ATS
10: 무정전 전원 공급 장치
100: 순시 전압 입력부
200: 2상 변환부
300: 동기 좌표계 변환부
400: 입력 전압 최대값 연산부
500: 서지 감지부

Claims (3)

1. 계통 전원 또는 발전기로부터 입력되는 삼상의 순시 전압으로서, Vr=Vm*Sin(wt), Vs=Vm*Sin(wt-2π/3), Vt=Vm*Sin(wt+2π/3)을 입력받는 순시 전압 입력부(단, Vm은 최종적으로 구하게 될 입력 전압의 최대값, w는 상기 순시 전압의 주파수, t는 시간);
   상기 삼상의 순시 전압을 식
   

   

   
   을 통해 Sine과 Cosine을 축으로 하는 2상으로 변환시키는 2상 변환부;
   상기 Vqs에 Sin(wt)를 곱한 값과 상기 Vds에 Cos(wt)를 곱한 값을 더한 값인 Vqe와, 상기 Vqs에 Cos(wt)를 곱한 값에서 상기 Vds에 Sin(wt)를 곱한 값을 뺀 값인 Vde를 구함으로써, 상기 Vqs와 상기 Vds를 동기 좌표계로 변환하는 동기 좌표계 변환부;
   상기 Vqe와 상기 Vde를 각각 제곱하여 합한 후 제곱근을 구하여 최종적으로 상기 Vm을 계산하는 입력 전압 최대값 연산부; 및
   상기 입력 전압 최대값 연산부에서 계산된 상기 Vm값이 정상 상태보다 1.2배 이상 증가한 값을 갖는 경우 순간적인 전압 상승이 있는 것으로 감지하고, 상기 Vm값이 정상상태보다 0.8배 이하 감소한 값을 갖는 경우 순간적인 전압 강하가 있는 것으로 감지하는 서지 감지부를 포함하되,
   상기 계통 전원과 상기 발전기 간의 절환 시, 두 전압 간의 차로 인해 발생하는 순간적인 전압 상승 및 강하를 순간 정전으로 인식하여 충전기를 정지한 후 상기 순시 전압이 상기 정상 상태로 돌아오면 상기 충전기를 재가동하며,
   상기 서지 감지부는, 상기 순간적인 전압 상승 및 강하를 실시간으로 감지하는 무정전 전원 공급 장치.
   
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