KR101318960B1 - 무정전전원장치 및 이의 제어 방법 - Google Patents

무정전전원장치 및 이의 제어 방법 Download PDF

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이수건
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성신전기공업(주)
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Abstract

본 발명에 따른 무정전전원장치는 계통에서 입력되는 교류전압을 직류전압으로 변환하여, 직류모선(DC Link)단에 공급하는 PWM 정류기, 배터리와 상기 PWM 정류기에서 공급된 직류전압을 교류로 변환하여 부하에 공급하는 인버터, 계통 전원을 상기 부하로 직접 공급하는 경우에 동작하는 바이패스 스위치 및 고효율 모드에서 더블컨버젼 모드로 절체 시 상기 인버터의 출력 전압을 제어하는 컨트롤러를 포함하고, 상기 고효율 모드는 상기 바이패스 스위치를 통해 상기 무정전전원장치를 동작시키는 모드를 의미하고, 상기 더블컨버젼 모드는 상기 인버터를 통해 상기 무정전전원장치를 동작시키는 모드를 의미한다. 따라서, 본 발명은 고효율 모드에서 더블컨버젼 모드로 절체 시에 인버터의 출력 전압을 제어하여 무정전전원장치가 가지는 장점을 극대화하고 고효율 모드 동작에서 더블컨버젼 모드로의 절체 시에 안정적인 동작을 보장한다는 효과가 있다.

Description

무정전전원장치 및 이의 제어 방법{UNINTERRUPTIBLE POWER SUPPLY AND METHOD CONTROLLING THEREOF}
본 발명의 실시예들은 무정전전원장치 및 이의 제어 방법에 관한 것이다.
무정전전원장치는 교류전원을 사용하는 기기(부하)에 예고 없이 정전되거나 사고로 인하여 과도한 전압강하가 일어날 때, 사용중인 기기에 항상 정상적인 전원을 공급하기 위해 설치되는 장치이다.
이와 같은 무정전전원장치는 오프라인 방식(Off-line)의 무정전전원장치 및 더블컨버젼(Double conversion) 방식의 무정전전원장치로 구분된다. 오프라인 방식은 입력전압이 비정상적인 상황(정전, 순간전압강하 등)에만 배터리를 동작시켜 부하에 전원을 공급하는 방식이다. 더블컨버젼 방식은 정상적인 입력전압 공급 시에도 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 방식이다.
하지만, 오프라인 방식의 무정전전원장치는 정상운전시 상용전원이 그대로 부하에 공급되기 때문에 입력 전압이 불안정한 경우에 그 전압이 그대로 부하 측에 전달된다. 따라서, 안정된 출력전압과 주파수를 요하는 부하에는 적합하지 못한 방식이다.
또한, 더블컨버젼 방식의 무정전전원장치는 이중변환과정에서 발생하는 반도체 소자들의 스위칭 손실로 인하여, 상기 오프라인(Off-line) 방식의 무정전전원장치에 비해 효율이 떨어지는 단점을 가진다.
본 발명은 고효율 모드에서 더블컨버젼 모드로 절체 시에 인버터의 출력 전압을 제어하여 무정전전원장치가 가지는 장점을 극대화하고 고효율 모드 동작에서 더블컨버젼 모드로의 절체 시에 안정적인 동작을 보장하는 무정전전원장치 및 이의 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제(들)로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제(들)은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
실시예들 중에서, 무정전전원장치는 계통에서 입력되는 교류전압을 직류전압으로 변환하여, 직류모선(DC Link)단에 공급하는 PWM 정류기, 배터리와 상기 PWM 정류기에서 공급된 직류전압을 교류로 변환하여 부하에 공급하는 인버터, 계통 전원을 상기 부하로 직접 공급하는 경우에 동작하는 바이패스 스위치 및 고효율 모드에서 더블컨버젼 모드로 절체 시 상기 인버터의 출력 전압을 제어하는 컨트롤러를 포함하고, 상기 고효율 모드는 상기 바이패스 스위치를 통해 상기 무정전전원장치를 동작시키는 모드를 의미하고, 상기 더블컨버젼 모드는 상기 인버터를 통해 상기 무정전전원장치를 동작시키는 모드를 의미한다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 첨부 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및/또는 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 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 구성요소를 지칭한다.
본 발명에 따르면, 고효율 모드에서 더블컨버젼 모드로 절체 시에 인버터의 출력 전압을 제어하여 무정전전원장치가 가지는 장점을 극대화하고 고효율 모드 동작에서 더블컨버젼 모드로의 절체 시에 안정적인 동작을 보장한다는 효과가 있다.
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 4는 도 3의 무정전전원장치를 상세히 설명하기 위한 구성도이다.
도 5는 도 3 및 도 4에 있는 인터버의 컨트롤러를 상세히 설명하기 위한 구성도이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
본 명세서에서 사용된 용어 중 “고효율 모드”는 바이패스 스위치를 통해 무정전전원장치를 동작시키는 모드를 의미하고, “더블컨버젼 모드”는 인버터를 통해 무정전전원장치를 동작시키는 모드를 의미한다. 즉, “더블컨버젼 모드”는 평상 시 인버터를 통해 무정전전원장치를 동작시키다가 정전 시 배터리 전력을 공급받은 인버터를 통해 무정전전원장치를 동작시키는 모드를 의미한다.
도 1은 종래의 오프라인(Off-line) 방식의 무정전전원장치를 나타내는 구성도이다.
도 1을 참조하면, 오프라인 방식의 무정전전원장치(100)는 계통(10) 입력단과 부하(15)단 사이에 바이패스 스위치(12), 배터리(13) 및 인버터/인버터(14)를 포함한다.
오프라인 방식의 무정전전원장치(100)는 평상시 상용전원(계통전원)을 바이패스 스위치(12)를 동작시켜 바이패스라인을 통해 부하(15)단에 공급한다. 한편, 오프라인 방식의 무정전전원장치(100)는 정전 시에는 인버터/정류기(14)를 인버터로 동작시켜 배터리에 축적된 에너지를 부하(15)단에 공급하는 구조로 구성된다.
이러한 오프라인 방식의 무정전전원장치(100)는 정상동작 시에 바이패스 스위치(12)를 동작시켜 바이패스라인으로 직접 부하(15)단에 전력을 공급하기 때문에 효율이 우수한 장점을 가지며, 이러한 오프라인 동작을 고효율 동작이라고 한다.
그러나 오프라인 방식의 무정전전원장치(100)는 정상운전에서 정전 시 배터리(13)운전으로 운전전환에 전환시간이 발생하여, 짧은 시간이지만, 부하(15)단의 순간적인 정전상황을 피할 수 없게 된다.
또한 오프라인 방식의 무정전전원장치(100)는 정상운전 시 상용전원이 그대로 부하(15)단에 공급되기 때문에 입력 전압이 불안정한 경우에 그 전압이 그대로 부하(15)단에 전달된다. 따라서, 안정된 출력전압과 주파수를 요하는 부하에는 적합하지 않은 방식이다.
도 2는 종래의 더블컨버젼(Double conversion) 방식의 무정전전원장치를 나타내는 구성도이다.
도 2를 참조하면, 더블컨버젼 방식의 무정전전원장치(200)는 계통(20) 입력단과 부하(25)단 사이에 PWM 정류기(21), 배터리 충-방전기(22), 배터리(23) 및 인버터(24)를 포함한다.
더블컨버젼 방식의 무정전전원장치(200)는 평상시 상용전원을 PWM 정류기(21)를 통해 직류전압으로 변환하고, 이 전압을 다시 인버터(24)를 통해 교류전압으로 변환하여, 이중변환된 전력을 부하(25)단으로 공급한다.
한편, 더블컨버젼 방식의 무정전전원장치(200)는 정전시 배터리(23)전력을 인버터(24)를 통해 부하(25)단에 공급하는 구조로 되어 정전시 부하(25)단으로 전력의 무순단 절체가 가능하고, 정상운전시 상용전원을 이중변환하여 부하(25)단으로 공급하기 때문에 항상 정전압, 정주파수의 양질의 전원을 부하(25)단에 공급하는 것이 가능하다.
더블컨버젼 방식의 무정전전원장치(200)는 이중변환과정에서 발생하는 반도체 소자들의 스위칭 손실로 인하여, 도 1의 오프라인 방식의 무정전전원장치(100)에 비해 효율이 떨어지는 단점을 가진다. 이와 같이, 더블컨버젼 방식의 무정전전원장치(200)의 단점을 극복하기 위해, 일부 제품에서는 부하량과 입력전압에 따라서 고효율 운전이 가능하도록 하고 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 무정전전원장치의 구성도이다.
도 3을 참조하면, 무정전전원장치(300)는 계통(30) 입력단과 부하(37)단 사이에 PWM 정류기(31), 배터리 충-방전기(32), 배터리(33), 바이패스 스위치(34) 및 인버터(35)를 포함한다. 도 3 및 도 4에 도시된 무정전전원장치(100)는 배터리 충-방전기(32)를 포함하는 것으로 되어 있지만, 실시예에 따라서 배터리 충-방전기(32) 없는 형태도 가능할 수 있음은 당업자에게 자명할 것이다.
PWM 정류기(31)는 계통(30)에서 입력되는 교류전압을 직류전압으로 변환하여, 직류모선(DC Link)(DL)단에 공급한다.
배터리 충-방전기(32)는 충전시에는 직류모선(DL)의 전압을 감압하여, 배터리(33)에 공급하고, 방전시에는 배터리 전압을 승압하여, 직류모선(DL)으로 공급한다.
바이패스 스위치(34)는 계통(30) 전원을 부하(37)단에 직접 공급하는 경우에 동작하는 역할을 수행한다.
인버터(35)는 배터리(33)와 PWM 정류기(31)에서 공급된 직류전압을 교류로 변환하여, 부하(37)단에 공급한다.
일 실시예에서, 인버터(35)는 바이패스 스위치(34)를 통해 무정전전원장치(300)를 동작시키는 고효율 모드에서 인버터를 통해 무정전전원장치(300)를 동작시키는 더블컨버젼 모드로 절체 시 인버터(35)의 출력 전압을 제어하는 컨트롤러(미도시됨)를 포함한다. 이하에서는, 도 4 및 도 5를 참조하여 인터버(35)의 출력 전압을 제어하는 컨트롤러에 대해서 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
도 4는 도 3의 무정전전원장치를 상세히 설명하기 위한 구성도이다. 도 5는 도 3 및 도 4에 있는 인터버의 컨트롤러를 상세히 설명하기 위한 구성도이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 인버터(35)는 고효율 모드 더블컨버젼 모드로 절체 시 인버터(35)의 출력 전압을 제어하는 컨트롤러를 포함한다.
일반적으로, 고효율 모드 더블컨버젼 모드로 절체 시 부하에 공급되는 전원이 과도상태가 발생하게 되면서, 인버터(35)의 변압 모듈(51) 내부에 필터용으로 삽입된 리액터에는 순간적인 전압강하가 발생하고, 콘덴서(52)에서는 순간적인 돌입전류가 발생하게 되어, 부하전압의 왜곡을 발생시키는 원인이 된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 컨트롤러는 이러한 문제점을 해결하기 위한 설계되었다.
컨트롤러는 도 5(a)의 제1 제어기(50), 도 5(b)제2 제어기(51) 및 제3 제어기(52) 그리고 도 5(c)의 제4 제어기(53)를 포함할 수 있다.
제1 제어기(50)는 더블컨버젼 모드로 실행되는 무정전전원장치에서 사용되는 전압 비례 적분 제어기 (Voltage PI Controller) 형태로 정전압-정주파수(CVCF)를 유지하도록 제어하는 제어기의 형태를 나타내고 있다.
제1 제어기(50)는 고효율 모드에서 더블컨버젼 모드로 절체 시 부하 전압 및 인버터(35)에 입력되는 입력 전압을 이용하여 인버터가 정전압-정주파수를 유지하도록 제어한다. 예를 들어, 제1 제어기(50)는 도 5(a)와 같이 부하 전압 Vout 및 인버터 기준 출력 전압 Vout *을 입력 받아 부하 전압 Vout 이 인버터 기준 출력 전압 Vout *을 유지하도록 제어하여 인버터의 출력 제어할 수 있다.
제2 제어기(51)는 인버터(35)의 출력 전압에 대한 왜곡을 최소화 하고 빠른 시간에 기준전압에 도달하기 위한 전압비례 제어기(Voltage P Controller)이다.
제2 제어기(51)는 고효율 모드에서 더블컨버젼 모드로 절체 시 부하 전압 및 인버터(35)의 기준 출력 전압을 이용하여 인버터(35)에 있는 DC/AC 인버터 모듈(50)의 전압이 기준 전압에 도달하도록 제어한다. 예를 들어, 제2 제어기(51)는 도 5(b)와 같이 부하 전압 Vout 및 인버터 기준 출력 전압 Vout *을 입력 받아 부하 전압 Vout 이 인버터 기준 출력 전압 Vout *에 도달하도록 제어하여 인버터의 출력 제어할 수 있다.
제3 제어기(52)는 고효율 모드에서 더블컨버젼 모드로 절체 시에 인버터(35)의 출력 전압의 왜곡 이외에도 변압 모듈(51)의 자화 전류나 콘덴서(52)에서 발생되는 돌입전류를 최소화 하도록 제어하기 위한 전류비례 제어기(Voltage P Controller)이다.
제3 제어기(52)는 고효율 모드에서 상기 더블컨버젼 모드로 절체 시 인버터(35)의 전류가 기준 전류에 도달하도록 제어한다.
일 실시예에서, 제3 제어기(52)는 인버터(35)에 있는 변압 모듈(51)의 여자 전류를 제한하여 인버터(35)의 전류를 제어할 수 있다. 다른 일 실시예에서, 제3 제어기(52)는 인버터(35)에 있는 콘덴서(52)에 의한 돌입전류를 제한하여 인버터(35)의 전류를 제어할 수 있다. 예를 들어, 제3 제어기(52)는 도 5(b)와 같이 목표 전류치 IC* 및 인버터(35) 전류 linv-lout을 입력 받아 인버터(35) 전류가 linv-lout가 목표 전류치 IC*에 도달하도록 제어할 수 있다.
이와 같이, 제2 제어기(52)는 변압 모듈(51)의 여자 전류 및 콘덴서(52)에 의한 돌입전류를 제한함으로써, 인버터(35)의 출력 전압의 감소와 인버터(35)의 과전류로 인해 인버터가 정지되는 현상을 막을 수 있다.
제4 제어기(53)는 고효율 모드에서 더블컨버젼 모드로 절체 시에 바이패스로 흐르던 전류가 인버터(35)로 흐르게 되면서 변압 모듈(51) 내부 및 변압 모듈(51)의 내부에 필터용으로 삽입된 리액터로부터 발생되는 전압 강하를 제어하기 위해 사용된다. 특히, 제4 제어기(53)는 고효율 모드에서 더블컨버젼 모드로 절체 시에 변압 모듈(51)의 내부에 필터용으로 삽입된 리액터에서 발생되는 전압 강하로 인해 인버터(35)의 출력 전압의 왜곡을 초래하기 때문에 필수적으로 설계되어야 하는 제어기이다.
즉, 제4 제어기(53)는 인버터(35)에 있는 변압 모듈(51)의 내부에 필터용으로 삽입된 리액터의 전압 강하 성분을 제어하여 인버터의 전압을 제어할 수 있다. 여기에서, 제4 제어기(53)는 인버터(35)에 있는 변압 모듈(51)의 내부에 필터용으로 삽입된 리액터로 인한 인버터(35)의 출력 전압의 감소분을 출력 전류로 검출하고, 출력 전류의 순시치에 리액터의 인덕턴스를 적용하여 구성될 수 있다.
제4 제어기(53)는 도 5(c)와 같이 유효 성분 연산 모듈(53a), 무효 성분 연산 모듈(53b) 및 PLL(53C)을 포함하여 구성된다. 이하에서는, 도 5(c)를 참조하여 제4 제어기(53)의 구성에 대해서 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
유효 성분 연산 모듈(53a)은 인버터(35)의 출력 전류의 순시치에 바이패스 전압 Vbypass를 인가받은 PLL(53C)로부터 수신한 sinωt를 곱하여 계산한 후 삼각함수 덧셈정리와 반각공식을 사용하여 인버터(35)의 출력 전류의 유효 성분을 계산한다.
무효 성분 연산 모듈(53b)은 인버터(35)의 출력 전류의 순시치에 바이패스 전압 Vbypass를 PLL(53C)로부터 수신한 cosωt 를 곱하여 계산한 후 삼각함수 덧셈정리와 반각공식을 사용하여 인버터(35)의 출력 전류의 무효 성분을 계산한다.
이러한 제4 제어기(53)는 유효 성분 연산 모듈(53a)에 의해 계산된 인버터(35)의 출력 전류의 순시치에 cosωt를 곱하고, 무효 성분 연산 모듈(53b)에 의해 계산된 인버터(35)의 출력 전류의 순시치에 -sinωt를 곱하여 출력 전류의 순시치를 미분한 것과 같이 구성되며, 최종적으로 변압 모듈(51)의 내부에 필터용으로 삽입된 리액터의 인덕턴스 ω*L Value를 곱하게 되면, 리액터의 전압성분을 고려하여 구성된다.
제4 제어기(53)는 하기의 [수학식 1]의 리액터 전압 성분을 제어기로 구성한다.
Figure 112013057122016-pat00001
Vinv: 인버터의 출력 전압,
Figure 112013057122016-pat00002
: 리액터의 전압 성분
Vout: 부하 전압
Figure 112013057122016-pat00003
iout: 인버터의 출력 전류
인터버의 출력 전류의 순시치를 유효성분과 무효성분의 합으로 나타내기 위해, [수학식 2]와 같이 출력 전류의 순시치에 각각 sinωt 와 cosωt를 곱하여 계산한 후 삼각함수 덧셈정리와 반각공식을 사용하여 출력 전류의 유효성분과 무효성분을 연산한다.
이와 같이, 출력 전류의 순시치에 cosωt 와 -sinωt를 곱함으로써 출력 전류의 순시치를 미분한 것과 같이 구성한 후에 리액터의 인덕턴스를 곱하게 되면, 리액터의 전압성분을 고려한 제4 제어기(53)가 구성된다. 제4 제어기(52)를 이와 같이 구성함으로써 인덕턴스로 인하여 발생될 수 있는 전압저감분의 영향을 최소화하여 양질의 전압을 부하에 공급하는 역할을 수행하게 된다.
결론적으로, 컨트롤러는 도 5(a) 내지 도 5(c)를 통해 정상적인 인버터의 출력 전압 Vinv를 출력할 수 있다.
지금까지 본 발명에 따른 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허 청구의 범위뿐 아니라 이 특허 청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100, 200, 300: 무정전전원장치
10, 20, 30: 계통
12, 34: 바이패스 스위치
22, 32: 배터리 충-방전기
13, 23, 33: 배터리
15, 25: 부하
21, 31: PWM 정류기
35: 인버터

Claims (7)

  1. 무정전전원장치에 있어서,
    계통에서 입력되는 교류전압을 직류전압으로 변환하여, 직류모선(DC Link)단에 공급하는 PWM 정류기;
    배터리와 상기 PWM 정류기에서 공급된 직류전압을 교류로 변환하여 부하에 공급하는 인버터;
    계통 전원을 상기 부하로 직접 공급하는 경우에 동작하는 바이패스 스위치; 및
    고효율 모드에서 더블컨버젼 모드로 절체 시 상기 인버터의 출력 전압을 제어하고, 상기 인버터의 변압 모듈의 내부에 필터용으로 삽입된 리액터의 전압 강하 성분을 제어하여 상기 인버터의 전압을 제어하고, 상기 리액터로 인한 상기 인버터의 출력 전압의 감소분을 출력 전류로 검출하고, 상기 출력 전류의 순시치에 상기 리액터의 인덕턴스를 적용하여 상기 리액터의 전압 강하 성분을 제어하는 컨트롤러를 포함하고,
    상기 고효율 모드는 상기 바이패스 스위치를 통해 상기 무정전전원장치를 동작시키는 모드를 의미하고, 상기 더블컨버젼 모드는 상기 인버터를 통해 상기 무정전전원장치를 동작시키는 모드를 의미하는
    무정전전원장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 컨트롤러는
    상기 부하의 전압 및 상기 인버터에 입력되는 입력 전압을 이용하여 상기 인버터가 정전압-정주파수를 유지하도록 제어하는 제1 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는
    무정전전원장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 컨트롤러는
    상기 부하의 전압 및 상기 인버터의 기준 출력 전압을 이용하여 상기 부하의 전압이 상기 인버터의 기준 출력 전압에 도달하도록 제어하는 제2 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는
    무정전전원장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 컨트롤러는
    상기 인버터의 전류가 기준 전류에 도달하도록 제어하는 제3 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는
    무정전전원장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제3 제어기는
    상기 인버터의 변압 모듈의 여자 전류 및 상기 인버터의 콘덴서의 돌입 전류를 제한하여 상기 인버터의 전류를 제어하는 것을 특징으로 하는
    무정전전원장치.
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