KR101515878B1 - 전원보호 기능을 갖는 능동 어레스터 - Google Patents

전원보호 기능을 갖는 능동 어레스터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전원보호 기능을 갖는 능동 어레스터에 관한 것이다. 본 발명의 어레스터는 케이스 내부에 설치되며, 전원라인에 직렬로 연결되어 1차적으로 고에너지 서지 및 노이즈를 저감하는 서지MOV와, 전원 라인선-중성선 과전압과 중성선-접지선 오결선을 검출하는 입력보호부와, 과전압 또는 오결선으로 인한 전원이상시 부하장비를 보호하기 위해 전원 공급을 릴레이 차단하는 제어로직부와, 고임피던스 서지 및 노이즈를 흡수하는 블록킹 인덕터, 및 2차적으로 마이크로 노이즈 및 과도전압을 보호하기 위한 션트 업저버로 구성된다. 따라서, 본 발명은 낙뢰 및 과도 스파이크(Lightning & Transient Spike Voltage) 전압과 마이크로 잡음(Electro-Magnetic Interference Noise)을 저감시킬 수 있을 뿐만 아니라 전원 교류 입력 과전압 보호 및 전원선(라인선-중성선, 중성선-접지선) 오결선 보호, 커먼모드(Common mode) 성분의 노이즈 및 서지로부터 부하장비를 확실히 보호할 수 있는 효과를 제공한다.

Description

전원보호 기능을 갖는 능동 어레스터{Active Arrester for Power Protection}
본 발명은 전원보호 기능을 갖는 능동 어레스터에 관한 것으로서, 특히 반복적인 전기적 스파이크, 임펄스, 서지와 그로 인한 과도상태를 그 크기에 따라 능동적인 반응으로 모두 제거하여 완벽한 전원보호 기능을 구현할 수 있는 어레스터에 관한 것이다.
고도의 정보화 사회의 추구로 인하여 전자기기의 디지털화는 더욱 가속화되는 추세에 있으며 각종 기기에 미세한 신호를 다루는 경우가 증가하고 있다. 이와 더불어 불요 전자파(EMI) 및 고주파, 서지, 임펄스 등의 잡음성분이 기기, 전력 설비에 전원을 공급하는 전원선(Power Line)을 통해 각종 전기·전자기기에 전달되고 있는 데 전자기기 및 장비들은 상대적으로 서지(Surge) 및 노이즈(Noise)에 대한 내성이 약화되고 있으며 이로 인하여 피해가 점차 확대되어 가는 추세에 있다.
즉, 잡음에 의한 전원방해(Line Interference) 현상이 심화됨에 따라 안정된 양질의 전원공급에 대한 중요도는 점점 높아지는 추세에 있다.
전원품질의 성능을 저해하는 요소 중 특히 임펄스 잡음과 서지 잡음은 민감한 전자장비나 인버터, PLC와 같은 전자식 제어장치의 오동작을 빈번하게 발생시키며 각종 온도, 압력센서와 같은 센싱 데이터의 값을 흔들어 제어를 방해하는 등의 매우 큰 문제를 발생시키는 주된 잡음으로 알려져 있다. 임펄스 잡음과 서지 잡음은 매우 짧은 순간 발생하는 대신 그 크기가 매우 커서 잡음이 영향을 주는 주파수가 매우 높고 대역이 매우 넓기 때문에 기존의 EMI 필터나 리액터 혹은 일반 잡음 차단장치 등으로 이러한 임펄스 잡음을 차단하는 것은 분명한 한계가 존재하며 그나마 임펄스 방지효과가 높은 서지 저감기는 수명의 한계로 인하여 관리의 어려움이 존재하는 상황이다. 따라서, 자동화공장, 데이터센터와 같은 민감한 기기를 많이 사용하는 곳에서 오동작이 발생하는 원인으로 임펄스 잡음을 인지하여도 임펄스 잡음을 차단하는데 어려움을 겪고 있는 상황이다.
위와 같은 고주파 임펄스, 서지 잡음을 차단함으로서 전력품질을 개선하기 위하여 전력수요처들은 EMI 노이즈 필터(EMI Filter), 서지보호기(Surge Protector), 노이즈 컷 트랜스포머(Noise Cut Transformer) 등과 같은 제품을 적용하고 있으나 고주파에 무작위적이고 반복적인 임펄스 잡음에 대한 완벽한 차단이 어려워 임펄스 차단 제품으로서는 한계가 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 전술한 점을 감안하여 안출된 것으로, 보다 빠른 응답특성 구현으로 위험한 과도 임펄스 및 서지를 능동적으로 억제할 수 있는 전원보호 기능을 갖는 능동 어레스터를 제공함에 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전원보호 기능을 갖는 능동 어레스터는, 전원보호 기능을 갖는 능동 어레스터에 있어서, 외형을 형성하는 케이스와, 상기 케이스의 내부에 설치되며, 전원 라인과 중성선 사이의 과전압 및 전원 중성선과 접지선 사이의 오결선을 검출하는 입력보호부와, 상기 입력보호부의 과전압 또는 오결선 검출 여부에 따라 부하로의 전원 공급 또는 차단을 제어하는 제어로직부와, 전원라인에 직렬로 연결되어 고임피던스 서지 및 노이즈를 흡수하는 블록킹 인덕터, 및 부하에 바이패스되는 순시적인 서지 및 마이크로 노이즈를 차단하는 션트업저버를 포함한다.
본 발명의 전원보호 기능을 갖는 능동 어레스터는, 다음과 같은 효과를 갖는다.
첫째, 고주파 광대역 잡음을 주로 제거하는 노이즈 필터링의 효과가 있다.
둘째, 정격 클램핑 전압 이상의 피크치만 제거하고, 정격 클램핑 이하의 미세 서지 전압제거는 정확한 트래킹 필터링 기능을 수행하는 서지 트래킹 필터링의 효과가 있다.
셋째, 상전원 및 중성선 오결선 방지, 중성선 및 접지선 오결선 방지, 그리고 입력 순시 과전압 보호의 입력전원 보호기능의 효과가 있다.
따라서, 본 발명은 100㎱ 내에서 순간적으로 응답하여 능동적으로 위험한 과도 임펄스 및 서지를 억제함으로써 설비 보호뿐만 아니라 모터와 팬, 기타 기기들이 기동 정지될 때 생기는 과도전압을 감쇠하는 역할을 빈틈없이 수행하며, 빈번하지는 않지만 재해 잠재력이 큰 수천 볼트의 고에너지 과도 전압에 대하여 완벽히 동작할 수 있다. 또한, 항상 청정하고 안전하며 신뢰성 있는 전원, 즉, 기기를 손상시키거나 귀중한 데이터와 운용상 오류를 유발하지 않는 전원공급을 달성할 수 있도록 한다.
본 발명은 또한, 서지로 인한 정보통신 및 기타 전기 설비 사고율 감소, 안정적인 전력 공급, 서지 피해 등을 사전 예방함으로써 유지 보수에 따른 비용절감 및 전기·통신 설비의 효율성 증대와 같은 효율적인 관리를 할 수 있다.
도 1a-1b는 본 발명에 따른 전원보호 기능을 갖는 능동 어레스터를 나타내는 내·외관 실시도,
도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 전원보호 기능을 갖는 능동 어레스터를 나타내는 블록도 및 그에 대응하는 상세 회로도,
도 4a-4c는 본 발명에 따른 전원보호 기능을 갖는 능동 어레스터의 동작을 설명하기 위한 파형도.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 기술하기로 한다.
도 1a-1b는 본 발명에 따른 전원보호 기능을 갖는 능동 어레스터의 내·외관 실시도를 나타낸다.
도 1a-1b에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 어레스터는 케이스(100) 내부에 입력전원 보호를 위한 입력보호부(110), 제어로직부(120), 고임피던스 서지 및 노이즈를 흡수할 수 있는 블록킹 인덕터(130)가 설치되며, 서지 전압 인가시 충격받는 에너지를 최소화하기 위하여 블록킹 인덕터(130)의 출력단에 션트 업저버(140)가 설치된다.
도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 전원보호 기능을 갖는 능동 어레스터의 블록도 및 그에 대응하는 상세 회로도를 각각 나타낸다.
주로 사용하는 상용교류(AC) 전원은 일반적으로 라인선(HOT-LINE)과 중성선(NEUTRAL-LINE), 접지선(GROUND)으로 구분되는데, 본 발명인 어레스터는 도 2에 도시된 바와 같이, 전원선과 직렬구조로 구성된다. 따라서, 설치 작업이 매우 용이하다.
입력보호부(110)는 전원입력측에 위치하여 두가지 역할을 수행한다.
첫째, 입력 전원 정상여부 판단기능을 수행한다. 즉, 입력 60㎐, 220V 정상동작시에만 제어로직부(120)에 의하여 부하단에 전원이 공급되게 된다. 예를 들어, 입력전압이 순시적으로 300V 이상 인가시에는 제어로직부(120)에 의하여 부하로의 전원을 차단하여 부하장비로부터 과전압을 차단한다.
둘째, 전원선의 결선방식이 정상연결된 경우 부하에 전원을 공급한다. 예를 들어, 전원 라인선-중성선 오결선시 인체접촉시 전기 감전의 위험이 있게 되어 전원 라인선-중성선을 정확히 구분하여 연결하여야 한다.
또한, 중성선-접지선 정상 검출 상태에 따라서 제어로직부(120)로 판단하여 부하에 전원을 공급하는 역할을 수행한다. 예를 들어, 중성선-접지선 오결선 상태에서 제품 동작시 접지선으로 중성선 전류가 발생하게 되어 누전차단기 오동작 및 접지 전류로 인한 전기 감전사고의 위험이 있게 된다.
또한, 자동화기기 및 고정밀 계측기기의 접지전원 상승으로 인한 제품 오동작의 가능성이 현저히 높아지게 된다.
따라서, 본 발명의 어레스터에서는 입력 과전압 및 오결선 동작을 정확히 수행함에 따라서 근본적으로 상기 문제점을 해결할 수 있는 장점이 있게 된다.
제어로직부(120)는 부하단에 전원을 공급 내지 차단하는 판단을 수행하는 역할을 하게 된다.
블록킹 인덕터(130)는 고임피던스 서지 및 노이즈를 저감한다.
션트 업저버(140)는 블록킹 인덕터(130)의 출력단과 부하단 사이에 연결되어 임펄스 노이즈 성분을 차단한다.
상기 각 구성의 상세 회로는 도 3을 통해 설명하기로 한다.
도 3을 보면, 입력보호부(110) 전단에는 1차적으로 서지 저감을 위하여 복수개의 금속산화물배리스터(Meral Oxide Varistor; MOV)(MOV1,MOV2)가 전원 라인선-중성선, 중성선-접지선 각각에 연결되어 전원 입력단에 인가되는 고에너지 서지 전류를 클램핑한다.
입력보호부(110)는 전원 라인선-중성선 사이에 다이오드(D1)가 위치하여 교류(AC) 입력전원을 직류(DC)로 정류한다. 정류된 직류(DC)신호는 저항(R1,R2)에 의해 분압되어 분압저항(R1,R2) 사이에 베이스가 연결되는 트랜지스터(TR1)를 "온(ON)/오프(OFF)" 제어한다. 트랜지스터(TR1)는 과전압 인가시 "턴-온" 상태가 되어 제어로직부(120)를 동작시켜 부하로의 전원 공급이 차단되도록 한다. 즉, 과전압 보호회로의 역할을 수행한다.
한편, 입력보호부(110)는 전원 라인선-접지선 사이에 다이오드(D2)가 위치하여 접지 전위를 센싱하게 된다. 이때, 센싱된 전위값을 통해 전원선의 결선을 판단하게 된다. 일반적으로, 정상결선시에는 전원 라인선-중성선 220V, 접지선-중성선 0V, 전원 라인선-접지선 220V가 생성된다. 만약, 전원 중성선-접지선이 오결선된 경우 제어로직부(120)를 동작시켜 부하로의 전원 공급이 차단되도록 한다. 즉, 오결선에 의해 제품 오동작 및 감전 사고의 위험으로부터 보호하는 역할을 수행한다.
제어로직부(120)는 주로 릴레이, 반도체 능동 소자에 의하여 "온(ON)/오프(OFF)" 기능을 수행한다.
제어로직부(120)는 트랜지스터(TR1)와 다이오드(D2) 사이에에 게이트가 연결되고, 전원 중성선에 애노드가 연결되며, 전원 라인선에 캐소드가 연결되어 트랜지스터(TR1)의 "온(ON)/오프(OFF)" 상태 및 다이오드(D2)에 의해 센싱된 접지 전위값에 따라 "온(ON)/오프(OFF)"되는 반도체소자인 사이리스터(SCR)와, 전원 라인선과 중선선 각각에 위치하여 스위치 역할을 하는 릴레이(RY1,RY2)로 구성된다.
여기서, 사이리스터(SCR)는 과부하 인가로 트랜지스터(TR1)가 "온(ON)" 상태가 되거나 오결선으로 접지 전위가 "0V"가 아니면 "오프(OFF)"되어 릴레이(RY1,RY2)를 "오프(OFF)" 동작시켜 부하로의 전원을 차단시킨다. 반대로, 사이리스터(SCR)는 전원 정상 입력으로 트랜지스터(TR1)가 "오프(OFF)" 상태가 되거나 정상결선으로 접지 전위가 "0V"이면 "온(ON)"되어 릴레이(RY1,RY2)를 "온(ON)" 동작시켜 부하단에 전원이 공급되게 한다.
이때, 순간적인 서지 및 마이크로 노이즈는 매우 높은 주파수(수십 ㎑) 이상의 성분을 갖게 되어 릴레이(RY1,RY2) 후단으로 그대로 바이패스되게 된다. 이러한 유해성분들은 블록킹 인덕터(130)와 션트 업저버(140)에 의하여 유효 적절히 흡수 및 클램핑되게 된다.
블록킹 인덕터(130)는 전원 라인선과 중성선 각각에 위치한 릴레이(RY1,RY2) 후단에 위치하며, 내부 자체의 고주파 임피던스 특성에 의하여 성능이 결정된다. 즉, 100㎑∼1㎒ 주파수 대역에서 적절한 임피던스를 가지고 있어야 하며, 높은 포화특성을 갖고 있어야 한다.
또한, 블록킹 인덕터(130)는 차동모드 성분의 서지 저감을 수행하며, 일종의 차동변압기 역할을 수행하게 된다.
블록킹 인덕터(130)에 의하여 저감된 고에너지 서지 성분은 후단의 션트 업저버(140)에 의하여 2차적으로 완벽히 차단되게 된다. 여기서, 션트 업저버(140)는 금속산화물배리스터(MOV3∼MOV5)와, 펄스 캐패시터(C)로 구성된다.
펄스 캐패시터(C)는 부하 전원선-중성선 사이에 위치하여 마이크로 고주파 노이즈 성분을 흡수하게 된다.
한편, 전원 접지선-부하 접지선 사이에 발생되는 커먼모드 서지 및 노이즈 성분을 저감하기 위하여 접지필터(150)가 장착된다. 접지필터(150)의 임피던스 성분은 높은 투자율을 갖는 고주파대역에 고임피던스 성분을 재질로 제작된다.
이에 따라 커먼모드 성분의 서지 침입시 접지를 분리하여 수행하게 되어 저주파 60㎐에서는 단락상태가 되어 동일한 임피던스가 되고, 고주파영역에서는 임피던스에 의하여 접지간 전기적으로 절연되는 일종의 절연(isolating) 인덕터 기능을 수행한다.
도 4a-4c는 본 발명에 따른 전원보호 기능을 갖는 능동 어레스터의 동작을 설명하기 위한 파형도로, 도 4a는 노이즈 및 서지가 포함된 입력 전원이고, 도 4b 및 도 4c는 도 4a의 입력 전원에 대하 기존 서지프로텍터 및 본 발명 어레스터를 통과한 출력 파형을 나타낸다.
도 4a와 같이, 전원 라인 과도 서지 성분 발생시 부하장비의 보호를 위하여 억제 및 필터링되어야 한다.
하지만, 도 4a에 대해, 서지 프로텍터 내지 노이즈 컷 트랜스포머 등 기존의 서지저감장치에서는 도 4b에 예시한 바와 같이 단순히 클램핑(clamping)하여 서지를 일정레벨 이하로 저감할 뿐 여전히 서지 성분이 존재하게 된다. 따라서, 전원품질에 민감한 장비에 완벽한 보호를 수행하고 있다고 보기 어렵다.
이에 반하여, 본 발명의 어레스터는 도 4c에 나타낸 바와 같이 서지 전압 발생시 교류(AC) 220V 포락선을 따라서 능동적으로 트래킹 필터링해주는 것을 알 수 있다.
본 발명은 기존의 서지 프로텍터나 서지 어래스터가 차단 서지전압의 레벨을 고정시켜야 함으로서 그 이하의 레벨로 발생하는 서지를 차단할 수 없다는 결정적 단점을 극복할 수 있는 기술로서, 발생하는 임펄스 혹은 서지 전압의 크기에 따라 능동적으로 반응하여 발생하는 임펄스 및 서지전압의 크기에 관계없이 모두 제거가 가능하여 획기적으로 전원품질을 개선할 수 있다.
또한, 마이크로 서지 전압 및 뇌서지 전압 등의 고주파(100㎑∼10㎒) 대역의 성분들을 필터링함으로써 서지의 유입 여부, 경로 및 크기를 정확히 제거할 수 있으며, 이를 통하여 고주파 노이즈 및 서지에 대한 능동적인 대처가 가능하다.
이상에서, 출원인은 본 발명의 다양한 실시예들을 설명하였지만, 이와 같은 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 구현하는 일 실시예일 뿐이며, 본 발명의 기술적 사상을 구현하는 한 어떠한 변경예 또는 수정예도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 케이스 110 : 입력보호부
120 : 제어로직부 130 : 블록킹 인덕터
140 : 션트 업저버 150 : 접지필터
MOV1∼MOV5 : 금속산화물배리스터 D1,D2 : 다이오드
R1,R2 : 저항 TR : 트랜지스터
SCR : 사이리스터 RY1,RY2 : 릴레이
C : 펄스 캐패시터

Claims (7)

  1. 전원보호 기능을 갖는 능동 어레스터에 있어서,
    외형을 형성하는 케이스;
    상기 케이스의 내부에 설치되며, 전원라인과 중성선 사이에 연결되어 교류(AC) 입력전원을 직류(DC)로 정류하는 다이오드와, 상기 다이오드에 의해 정류된 직류(DC) 전압에 따라 "온(ON)/오프(OFF)"되어 과전압 여부를 검출하는 트랜지스터, 및 전원라인과 접지선 사이에 연결되어 접지전위를 센싱하여 오결선 여부를 검출하는 다이오드를 구비하여, 전원 라인과 중성선 사이의 과전압 및 전원 중성선과 접지선 사이의 오결선을 검출하는 입력보호부;
    상기 입력보호부의 과전압 또는 오결선 검출 여부에 따라 부하로의 전원 공급 또는 차단을 제어하는 제어로직부;
    전원라인에 직렬로 연결되어 고임피던스 서지 및 노이즈를 흡수하는 블록킹 인덕터; 및
    부하에 바이패스되는 순시적인 서지 및 마이크로 노이즈를 차단하는 션트업저버를 포함하는 전원보호 기능을 갖는 능동 어레스터.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 입력보호부 전단에는 1차적으로 서지 저감을 위해 입력전원에 발생되는 고에너지 서지전류를 클래핑하는 복수의 서지 MOV가 전원라인과 중성선 사이 및 중성선과 접지선 사이에 각각 연결됨을 특징으로 전원보호 기능을 갖는 능동 어레스터.
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서, 상기 제어로직부는
    상기 트랜지스터의 "온(ON)/오프(OFF)" 동작에 따라 "온(ON)/오프(OFF)" 상태가 되는 사이리스터; 및
    전원라인과 중성선에 각각 연결되며, 상기 사이리스터의 "온(ON)/오프(OFF)" 동작에 따라 구동되어 입력전원을 부하에 공급하거나 차단시키는 복수의 릴레이를 구비함을 특징으로 하는 전원보호 기능을 갖는 능동 어레스터.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 블록킹 인덕터는 전원라인과 중성선 사이에 연결되어 차동모드 성분의 서지 저감을 수행함을 특징으로 하는 전원보호 기능을 갖는 능동 어레스터.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 션트업저버는
    상기 블록킹 인덕터에 의해 저감된 고에너지 서지성분을 클램핑하여 차단하는 서지 MOV; 및
    부하 전원선에 연결되어 마이크로 노이즈 성분을 흡수하는 펄스 캐패시터로 구성됨을 특징으로 하는 전원보호 기능을 갖는 능동 어레스터.
  7. 제 1항에 있어서, 전원 접지선과 부하 접지선 사이에 발생되는 커먼모드 고주파 서지 및 노이즈 성분을 저감 및 분리하기 위한 접지 필터를 더 포함하는 전원보호 기능을 갖는 능동 어레스터.
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KR101013244B1 (ko) 2008-12-23 2011-02-09 이준일 비접지 계통의 서지방지시스템
KR101209059B1 (ko) 2012-09-19 2012-12-06 주식회사 비티전자 조명기구 보호회로 내장형 엘이디 조명장치

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