KR101701877B1 - 유한 전력 배분 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 우선권(Seed)이 있는 부하에 공급할 전력(LP)이 있다면 우선적으로 이 부하에서 필요한 전력(PI)을 배분하고 이후 남은 전력을 공급할 수 있는 최대 전력(MP) 이내에서 나머지 부하에 순차적으로 배분하는 동작을 제어 주기(CP) 내에서 영점제어 신호마다 반복하여, 우선권(Seed)을 영점제어 신호마다 정해진 순서에 따라 순차적으로 변경하고 제어주기(CP)를 반복할 때 마다 각 부하의 동작조건(LP)을 갱신하고, 또한 특정 부하에 특별우선권(Super Seed)을 부여하여 전력 배분 과정에서 제외시킴으로써 특별우선권을 갖는 부하는 자신의 최대 소비전력까지 다른 부하 또는 제한된 전력에 구애되지 않고 항상 정상적으로 동작할 수 있도록 하며, 또한 각 부하의 우선권(Seed)에 가중치(Weight)를 부여함으로써 전력량이 제한된 유한전력을 다수의 부하에 서로 다른 비율로 전력을 배분하는 유한전력배분방법을 제공한다. 함으로써 할 수 있는 것을 특징으로 한다.

Description

유한 전력 배분 방법{Method for sharing power to multiple loads on power-limited system}

본 발명은 전력 배분 방법에 관한 것으로서, 특히 공급할 수 있는 최대 전력보다 부하들의 소비전력 합이 더 큰 다수의 부하를 갖는 시스템에서 영점제어 방식으로 전력을 배분할 시, 동시에 동작하는 부하 전력의 합이 제한된 전력을 초과하지 않도록 각 부하의 용량에 따라 동작 시간을 제어할 수 있는 유한 전력 배분 방법에 관한 것이다.

도 1은 종래기술에 따른 영점제어 방식의 전력제어 방법을 설명하기 위한 블록구성도로서, 일반적인 영점제어 방식의 전력제어 장치는 AC 전원과 부하(40) 사이의 스위치(10), AC 전원의 영점을 검출하여 영점신호를 출력하는 영점검출기(20) 그리고 영점신호와 외부 제어입력을 받아 스위치(10)를 제어하여 부하(40)로 전달되는 에너지를 조절하는 전력제어기(30)로 구성된다.

도 1에서 AC 전원의 영점에 동기하여 스위치(10)를 동작시키는 영점제어를 할 때 릴레이 등의 마그네틱 부품은 응답(동작)속도가 느리고 기계적 스위칭 횟수(수명)에 제한이 있으므로 보통 반도체 스위치 소자를 사용한다.

이에 따라 스위치(10)는 양방향 반도체 스위치 소자인 트라이악(TRIAC: TRIod for Alternating Current) 을 한 개 사용하거나 단방향 소자인 사이리스터(Thyristor or SCR: Sillicon Controlled Rectifier), 전력 트랜지스터 (POWER BJT), 파워 MOSFET, IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 등을 서로 반대 방향으로 두 개 병렬 연결하여 사용한다.

영점검출기(20)는 가장 단순하게 저항 1개와 다이오드 또는 광결합소자(포토커플러)로 구성하거나 광결합소자와 트랜지스터, 연산증폭기 등을 이용해 구성할 수 있는데, 이와 관련된 회로기술은 이미 잘 알려져 있다.

전력제어기(30)는 보통 메모리와 주변 제어회로가 중앙처리장치와 하나로 집적된 마이크로컨트롤유닛(Micro Control Unit, MCU) 또는 디지털신호처리기(Digital Signal Processor, DSP)와 같은 디지털제어기를 사용하는데, 간혹 비용 등의 이유로 제한된 범위의 제어에 사용하도록 트랜지스터와 저항, 콘덴서 등을 사용해 아날로그 회로로 구성하기도 한다. 그러나 영점제어의 경우에는 통상적으로 디지털제어기를 전력제어기(30)로 사용하며, 이에 따라 외부 제어입력은 디지털 입력이거나 MCU에 내장된 아날로그-디지털 변환회로(ADC)의 입력이 되는 MCU 전원전압 수준 이내의 아날로그 전압을 모두 사용할 수 있다.

AC 전원에 직접 연결된 부하에 공급하는 전력량을 조절하는데 있어서, 전원과 부하 사이에 스위치 하나만 연결하여 부하로 전달되는 에너지를 직접 제어하는 방법이 가장 효율이 높고 경제적이다. 이는 전력제어를 위해 추가되는 부품이 하나의 스위치밖에 없어 가장 이상적인 방법으로 제어하기 때문이다. 이러한 제어방법에는 크게 위상제어와 영점제어(또한, 주기 제어, 제로 크로싱 제어, 이하 “영점제어”라 함)가 있는데, 위상제어는 동작 원리에 따라 제어주기가 짧아 제어 품질이 우수한 장점이 있지만, 높은 전원전압에서 스위칭 동작이 발생하고 이로인해 고조파 노이즈 발생, 역률 저하, 스위치를 포함한 부품의 내구성 및 신뢰성등 여러 가지 문제로 인해 현재는 전등의 밝기를 조절하는 조광기나 낮은 용량의 AC 유도 전동기 속도제어 등의 용도로 국한하여 사용하고 있다.

반면에, 영점제어는 AC 전원의 영점에 맞춰 스위치를 켜거나 켜지 않는 방식으로 동작하므로 위상제어의 단점인 고조파 노이즈, 부품의 내구성 및 신뢰성 등에서 기본적으로 문제가 없어 부하의 용량이나 성격에 제한이 없이 사용할 수 있으므로 상대적으로 용량이 큰 히터계열의 제어에 주로 사용하고 있다.

그러나 일정한 소비전력을 갖는 다수의 부하를 사용할 때 부하들의 최대 소모 전력 합이 공급할 수 있는 전력량 보다 큰 경우, 영점제어 방식으로 제한된 전력량 이내에서 각 부하에 고르게 전력을 배분하는 것이 쉽지 않다. 영점제어 방식으로 제한된 전력량 이내에서 각 부하에 고르게 전력을 배분하는 것이 어려운 가장 큰 이유는 AC 전원과 부하 사이에 스위치만 연결되어 있기 때문이다. 즉, AC 전원과 부하 사이의 스위치를 켜서 부하를 동작시키면 항상 그 부하의 최대 전력량이 소모된다. 예를 들어, 1000W 용량의 부하가 있을 때 다른 부하와의 전력 배분을 위해 어느 시점에 이 부하에 70%에 해당하는 700W의 전력만 공급하려 해도 전원과 부하 사이의 스위치를 연결하면 부하에서는 1000W의 전력을 소모하기 때문에 영점제어 방식으로는 이 부하에 700W로 전력을 직접 낮춰서 공급할 수 없다.

상술한 종래의 영점제어 방식을 적용하여 하나 이상의 부하를 동시에 제어할 때, 부하들의 최대 소모전력의 합이 제한된 전력량보다 클 경우, 제한된 전력량 이내에서 각 부하에 전력을 배분하는 방법으로서, 다수의 발열체를 갖는 전기레인지 등의 전력을 제어하기 위한 여러 가지 방법이 제안되어 왔다.

전기 발열체를 이용한 전기레인지는 일반 가정에서 사용하는 주 조리기구인 가스레인지를 대신하여 사용할 경우 보통 3개 화구나 4개 화구(화구=발열체=부하, 이하 동일한 의미로 사용됨)인 제품을 사용하는데, 이들 제품은 다른 가전제품에 대비하여 소모전력이 매우 높으므로 다수의 발열체에 전력을 계속 공급하면 소모전력이 허용치를 초과하여 차단기가 떨어지거나 콘센트 또는 전원선의 발열로 인해 화재가 발생할 수도 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해 대한민국 등록특허 제10-0917902호에서는 다수의 발열체들이 동시에 동작하여 그 최대 소모전력의 합이 허용치 이상인 경우 일정한 주기 내에서의 각 발열체들의 동작 구간을 제어하는 방식으로 전기레인지의 소모전력 합을 허용치 이내로 제한하는 방법을 제안하였다. 즉 제1발열체가 동작하고 있을 때, 제2발열체가 동작을 시작할 경우, 두 발열체의 소비전력 합을 계산하여 이 값이 허용치를 초과하면 제1발열체의 동작 구간을 감소시켜 제1발열체가 동작하지 않는 구간을 만든 뒤, 그 구간에서 제2발열체를 동작시키는 방식으로 제한된 전력을 공유하는 방법이다.

또한, 대한민국 등록특허 제10-1263415호에서는 발열체들의 동시 동작 구간이 분산되도록 각각의 동작 개시 타이밍을 제어하는 방법을 제안하였다. 즉, 하나 이상의 발열체가 동시에 동작을 할 때 동시 동작 구간 내에서 발열체들의 소모전력 합이 허용값을 초과하면 각 발열체의 동작 주기 중 동시에 동작하는 구간이 최소가 되도록 각 발열체들의 동작 개시 타이밍을 조정하는 방법이다.

대한민국 등록특허 제10-1222772호에서는 각 발열체의 소비전력 용량에 따라 비례적으로 할당된 고정 저항과 이 저항에 직렬 연결된 가변저항으로 구성하여 사용자가 이 가변 저항을 조작하여 특정 발열체의 전력량을 결정하면 이들 두 저항의 비에 따라 전력 제어 IC의 구동 입력 전압이 바뀌는 형태로 제어하는 방법이다. 이 방법에서 실제적인 전력제어는 전력제어IC에서 주기제어 방식으로 수행한다.

한편, 전력제어IC를 이용한 다른 특허인 대한민국 등록특허 제10-845976호는 주기제어가 아닌 변형된 위상제어 방식의 기술이므로, 주기제어 방식의 전력 배분을 실제로 하는지 여부가 명확하지 않지만, 제한된 전력을 다수의 부하가 공유할 때, 모든 부하에서 최대 출력을 요구하면 최대 허용 전력을 부하 전체의 최대 소비 전력으로 나눈 값이 부하에 공급할 수 있는 최대 값이 된다.

예를 들어, 공급할 수 있는 최대 허용 전력이 3300W이고 부하 전체의 소비전력 합이 4300W라 하면 3300/4300=0.767이 되어 각각의 부하에 공급할 수 있는 이론적인 최대 전력은 개별 부하가 소비하는 최대 전력의 76.7% 이다.

그러나 영점제어 방법으로 전력을 공급한다면 매 순간 각 부하에 용량의 76.7% 에 해당하는 전력을 공급하는 것이 아니므로, 이 76.7% 전력은 각 부하에서 소비하는 RMS(Root Mean Square; 실효값)전력이 된다.

부하의 소비전력이 1000W 인 경우, 어느 시점이든 영점제어 방법으로 전원과 부하 사이의 스위치가 닫히면 부하에서는 1000W의 전력이 소비되기 때문에, 부하에서 소비되는 76.7% RMS 전력은 예를 들어, 전력을 공급하는 전체 시간을 100%으로 하였을 때, 또는 반복되는 어떤 패턴 형태로 전력을 공급할 경우 하나의 기본 패턴 주기를 100%으로 하였을 때, 76.7%에 해당하는 시간은 1000W를 공급하고 나머지 23.3% 시간은 전력을 공급하지 않는 방식으로 동작시켜 전력을 공급한 전체 시간 관점에서 76.7% 전력을 공급하는 것이지, 매 순간 부하에서 부하 최대 용량의 76.7% 전력만 소비한다는 것을 의미하지 않는다.

전술한 영점제어 방식으로 전력을 공급하는 경우와 대비하여, 위상제어 방식으로 전력을 공급하는 경우에는 실제로 부하에 76.7%만큼의 전력만 줄여서 공급할 수도 있다. 그러나 본 발명은 영점제어 방식으로 유한한 전력을 다수의 부하에 배분하는 방법에 관한 것이므로, 위상제어 방식의 전력 공급은 더 이상 고려하지 않는다.

전술한 일례에서 제시한 최대 허용 전력이 3300W이고 부하 전체의 소비전력 합이 4300W인 시스템에 예를 들어 4개의 부하가 있을 경우, 이들을 모두 최대 출력으로 설정하여 구동시키면, 각각의 부하는 자신의 최대 소비전력의 76.7% 수준으로 동작하므로 만일 이 시스템이 전기레인지와 같이 조리를 목적으로 하는 제품이면, 열량이 부족하여 음식이 제대로 조리되지 않는 문제가 발생할 수 있다.

전술한 바와 같이, 종래기술들은 주로 균등하게 전력을 배분하는 방법에 관한 것으로서, 전력 배분을 하지 않고 항상 정상인 동작을 보장하는 부하를 사용하는 과정에서 사용자가 임으로 부하에 전력공급을 설정 또는 해제 하거나 부하에 따라 서로 다른 가중치로 전력이 공급되도록 동적으로 제어하기는 어렵다는 문제점이 있다.

대한민국 등록특허공보 제10-0917902호(2009. 09. 16. 공고) 대한민국 등록특허공보 제10-1263415호(2013. 05. 10. 공고) 대한민국 등록특허공보 제10-1222772호(2013. 01. 15. 공고) 대한민국 등록특허공보 제10-845976호(2008. 07. 11. 공고)

이에 본 발명자는 상술한 제반 사항을 종합적으로 고려하고 문제점의 해결에 역점을 두어, 특정 발열체는 전력 배분 동작에 무관하게 항상 100% 출력을 보장하도록 사용자가 동작 중에 임으로 설정하거나 또는 특정 발열체에 좀 더 많은 전력이 배분되도록 부단히 노력을 기울여 연구하던 중, 전력 배분 과정에서 발열체에 따라 가중치를 부여할 수 있다면 이러한 균등 분배로 인한 문제점을 해소할 수 있을 것이라는데 착안하여 그 결과로서 본 발명을 창안하게 되었다.

따라서 상술한 문제를 해결하기 위한 본 발명의 기술적 해결 과제 및 목적은, 영점제어 방식의 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로 공급할 수 있는 전력량이 제한된 유한한 전력을 다수의 부하에 영점제어 방식으로 분배하도록 전력을 제어하는 유한전력 배분방법을 제공하는데 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 유한전력배분방법은, 전원, 복수의 부하, 상기 전원과 부하 사이에 각각 연결된 복수의 스위치, 상기 전원의 영점을 검출하여 영점신호를 출력하는 영점검출기 및 상기 영점신호와 외부 제어입력을 받아 상기 스위치를 제어하여 상기 부하로 전달되는 전력량을 조절하는 전력제어기로 구성되는 전력제어시스템에서, 상기 부하에 공급할 수 있는 최대 전력보다 상기 부하의 소비 전력의 합이 더 큰 복수의 부하에 대하여 전력을 배분하는 방법에 있어서, 전력배분우선권(Seed), 한 번에 공급할 수 있는 최대전력(MP: Max Power), 부하의 소비전력 지수(PI: Power Index), 부하에 공급할 전력량(LP: Load Power), 제어 기본 주기(CP: Control Period)를 정의하고; 상기 영점신호 및 상기 전력제어기가 생성하는 동작기준신호 중 적어도 어느 하나의 신호가 발생할 때마다 상기 복수의 부하 각각에 순차적으로 상기 전력배분우선권을 부여하고; 상기 전력배분우선권이 부여된 부하(이하 “우선권 부하”라 함)에 공급할 전력량(LP)이 있으면, 상기 우선권부하에 필요한 전력(PI)를 배분하고, 남은 전력을 공급할 수 있는 최대 전력(MP) 이내에서 나머지 부하에게 순차적으로 배분하는 동작을 제어 기본 주기(CP) 내에서 상기 영점신호마다 반복하며; 상기 영점신호마다 상기 전력배분우선권을 기 설정된 순서에 따라 나머지 부하에 순차적으로 변경하고; 상기 제어 기본 주기(CP)마다 부하에 공급할 전력량(LP)을 갱신하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 유한전력배분방법은, 특별우선권(Super Seed)을 정의하고; 상기 복수의 부하 중 상기 전력 배분 과정에서 제외시키고자 하는 특정 부하에 상기 특별우선권을 부여하여; 상기 특별우선권이 부여된 부하에게 최대 소비 전력까지 공급하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 유한전력배분방법은, 상기 복수의 부하 각각에 대하여 전력배분비율을 나타내는 가중치(Weight) 변수를 할당하는 것을 특징으로 한다.

전술한 바와 같이, 본 발명은 유한한 전력을 다수의 부하에 공급하는 경우 전력제어를 동적으로 수행함으로써 음식이 조리되는데 필요한 소비전력을 제공하면서도 유한한 전력을 다수의 부하에 효율적으로 배분할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 영점신호 또는 기준신호가 발생할 때마다 복수의 부하 각각에 순차적으로 전력배분우선권을 부여함으로써 어느 경우에나 같은 방식으로 전력을 배분하므로 종래의 방법처럼 동작 과정에서 부하의 전체 전력량을 평가하지 않아도 되는 이점이 있다.

도 1은 종래기술에 따른 영점제어 방식의 전력제어 방법을 설명하기 위한 블록구성도,
도 2는 본 발명의 유한전력배분방법에 따른 영점제어 방식으로 다수의 부하에 대한 전력을 제어하는 방법을 설명하기 위한 블록구성도,
도 3은 본 발명의 유한전력배분방법에 따라 우선권을 적용한 전력배분 제어흐름도,
도 4는 본 발명의 유한전력배분방법의 다른 실시 예에 따른 우선권을 적용한 전력배분 제어흐름도,
도 5는 본 발명의 유한전력배분방법에 따라 특별우선권을 부여한 전력배분 제어흐름도,
도 6은 본 발명의 유한전력배분방법에 따른 최대전력 점검을 위한 제어흐름도.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예들의 상세한 설명이 첨부된 도면들을 참조하여 설명될 것이다. 도면들 중 동일한 구성들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들을 나타내고 있음을 유의하여야 한다. 하기 설명에서 구체적인 특정 사항들이 나타나고 있는데, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해 제공된 것일뿐, 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

상세한 설명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

첨부된 블록도의 각 블록과 흐름도의 각 단계의 조합들은 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들에 의해 수행될 수도 있다. 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 범용 컴퓨터, 특수용 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서에 탑재될 수 있으므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서를 통해 수행되는 그 인스트럭션들이 블록도의 각 블록 또는 흐름도의 각 단계에서 설명된 기능들을 수행하는 수단을 생성하게 된다.

이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 특정 방식으로 기능을 구현하기 위해 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 지향할 수 있는 컴퓨터 이용 가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장되는 것도 가능하므로, 그 컴퓨터 이용가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장된 인스트럭션들은 블록도의 각 블록 또는 흐름도 각 단계에서 설명된 기능을 수행하는 인스트럭션 수단을 내포하는 제조 품목을 생산하는 것도 가능하다.

컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에 탑재되는 것도 가능하므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에서 일련의 동작 단계들이 수행되어 컴퓨터로 실행되는 프로세스를 생성해서 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 수행하는 인스트럭션들은 블록도의 각 블록 및 흐름도의 각 단계에서 설명된 기능들을 실행하기 위한 단계들을 제공하는 것도 가능하다.

또한, 각 블록 또는 각 단계는 특정된 논리적 기능(들)을 실행하기 위한 하나 이상의 실행 가능한 인스트럭션들을 포함하는 모듈, 세그먼트 또는 코드의 일부를 나타낼 수 있다. 또, 몇 가지 대체 실시 예들에서는 블록들 또는 단계들에서 언급된 기능들이 순서를 벗어나서 발생하는 것도 가능함을 주목해야 한다. 예컨대, 잇달아 도시되어 있는 두 개의 블록들 또는 단계들은 사실 실질적으로 동시에 수행되는 것도 가능하고 또는 그 블록들 또는 단계들이 때때로 해당하는 기능에 따라 역순으로 수행되는 것도 가능하다.

먼저, 도 2는 본 발명의 유한전력배분방법에 따른 영점제어 방식으로 다수의 부하에 대한 전력을 제어하는 방법을 설명하기 위한 블록구성도로서, 다수의 부하를 영점제어 방식의 전력제어 장치는 AC 전원과 각 부하(141, 143) 사이의 스위치(111, 113), AC 전원의 영점을 검출하여 영점신호를 출력하는 영점검출기(120) 그리고 영점신호와 외부 제어입력을 받아 스위치(111, 113)를 제어하여 부하(141, 143)로 전달되는 에너지를 조절하는 전력제어기(130)로 구성된다.

도 2를 참조하면, 공급할 수 있는 최대 전력보다 부하들의 소비전력 합이 더 큰 시스템에서 영점제어 방식으로 전력을 배분하려면 동시에 동작하는 부하 전력의 합이 제한된 전력을 초과지 않도록 각 부하의 용량에 따라 동작 시간을 제어해야 한다.

이를 위해, 본 발명에서는 전력배분우선권(Seed), 한 번에 공급할 수 있는 최대전력(MP: Max Power), 부하의 소비전력 지수(PI: Power Index), 부하에 공급할 전력량(LP: Load Power), 제어 기본 주기(CP: Control Period)를 정의하고 영점 또는 동작의 기준이 발생할 때 마다 각각의 부하에 순차적으로 우선권(Seed)을 부여하는 간단한 규칙을 적용하여 제한된 전력을 각각의 부하에 배분한다.

전력 배분 동작은 영점신호가 발생할 때 마다 이를 기준으로하여 진행하지만, 용량이 큰 발열체와 같이, 예를 들어 1초 또는 2초 등으로 기본 동작 시간을 길게 제어하는 경우 이 시간을 동작 기준으로 적용할 수도 있다. 이러한 경우는 기본 동작 시간이 길어 제어 스위치로 트라이악과 같은 반도체 소자 뿐만 아니라 릴레이 등과 같은 마그네틱 기반의 부품을 사용할 수도 있다.

한편, 본 발명에서는 영점 신호를 동작의 기준으로 설명하지만, 제어 시스템에 따라 동작 기준을 다르게 설정할 수 있으므로 본 발명의 제어 방법은 영점제어가 아니더라도 규칙적인 동작 기준이 발생하는 시스템에는 모두 적용할 수 있다.

먼저, 본 발명의 동작에 필요한 Seed, MP, PI, LP, CP는 다음과 같이 정의한다.

Seed는 전력배분 우선권으로 시스템을 구성하고 있는 각각의 부하를 의미하며, 가장 먼저 전력을 분배 받을 수 있는 권리를 갖는 부하를 나타낸다. 하나 이상의 부하를 동시에 제어하는 시스템에서 각 부하에 전력을 배분하는 순서를 미리 정하고 이 순서에 따라 영점신호가 발생할 때 마다 제한된 전력을 순차적으로 배분하는데, seed로 설정된 부하부터 우선적으로 전력을 공급한다. 영점신호가 발생할 때 마다 seed는 정해진 순서에 따라 다음 부하로 순차적으로 바뀐다. 예를 들어 3개의 부하 A, B, C가 있을 때 전력 배분 순서를 A→B→C로 정의했다면 첫 번째 영점신호에서는 부하 A, 그 다음 영점 신호에서는 부하 B 그리고 그 다음 영점신호에서는 부하 C가 seed 역할을 한다. 그 다음 영점신호에서는 다시 부하 A가 seed 역할을 하며 이후 계속 규칙적으로 발생하는 영점신호에 따라 Seed는 B, C, A, B, C, A, …… 와 같이 계속 순차적으로 반복하여 설정된다.

MP는 최대전력량(Max Power)을 의미하며, 시스템에서 전체 부하에 공급할 수 있는 최대 전력인 유한한 전력량을 나타낸다. 부하 전체의 소비전력 합이 MP 보다 작으면 각각의 부하에 전력을 배분하지 않아도 되지만, 본 발명은 어느 경우에나 같은 방식으로 전력을 배분하므로 종래의 방법처럼 동작 과정에서 부하의 전체 전력량을 평가하지 않아도 되는 간편함이 있다.

PI는 부하의 소비전력 지수(Power Index)를 의미하며, 시스템을 구성하고 있는 각각의 부하에서 최대로 소비할 수 있는 소비전력을 나타낸다.

따라서 각 부하의 PI 합은 부하들의 최대 소모전력의 합이 되고 이 값이 MP 보다 크면 전력을 배분해야 한다.

LP는 부하에 공급할 전력량(Load Power)을 의미하며, 선택된 부하에 공급해야 하는 전력량 비율을 나타낸다. 하나의 부하에 대한 PI는 그 부하가 최대로 소비하는 전력량을 나타내고 LP는 전력제어기의 제어입력에 따라 실제적으로 그 부하에서 소비하는 전력량을 PI의 비율로 표현한 것이다. 예를 들어, 임의의 부하에서 소비하는 전력량을 10 단계로 제어하기 위해 제어단계를 1부터 10까지 1의 단위로 설정하면 LP는 1과 10 사이에 있는 하나의 숫자가 되며, LP가 최대값인 10일 때 부하에서 소비하는 전력량은 PI의 100% 즉, 최대 소비전력량이 되고, 만일 LP가 5 이면 부하에서 소비하는 전력량은 PI의 50%가 된다. 따라서 실제 부하에서 소비되는 전력량의 실효값(RMS)은 부하의 최대 전력량(PI)에 LP값의 비율을 곱한 것 이므로, 부하의 PI가 1000W이고 LP가 7이면 부하에서 소비하는 실효 전력은 700W가 된다.

CP는 제어 기본 주기(Control Period)를 의미하며, 반복되는 기본적인 제어 주기를 나타낸다.

영점제어는 예를 들어, 1000W 부하가 있을 때 전원과 부하 사이에 위치한 스위치를 켜면 부하에서는 항상 1000W의 전력을 소비하기 때문에, 이 부하에 700W만 공급해야 하는 경우 부하 전력을 700W로 줄여서 공급할 수 있는 방법이 없다. 따라서 영점제어에서는 먼저 일정한 시간 길이를 정의한 후 전력이 공급되는 시간과 차단되는 시간 길이를 조절하여 부하에서 소비하는 전력량을 제어하는데, 이러한 시간의 기준이 되는 길이를 CP로 정의하였다. 본 발명에서 CP는 시간 길이가 아니라 영점신호 개수로 정의하므로 기준 제어 시간의 실제 길이는 CP값에 전력배분의 기본 단위인 영점신호 사이의 시간 길이를 곱하여 구해진다.

전력 배분 동작을 적용하는데 필요한 MP와 PI는 기본적으로 시스템 및 해당 부하의 전력량을 의미하지만, 전력량 숫자를 그대로 사용할 필요는 없다. 예를 들어 MP와 부하들의 PI가 100W 단위로 구분된다면 공급할 수 있는 최대 전력량과 각 부하의 전력량을 100W로 나눈 몫을 MP와 PI로 사용해도 되며, 가장 큰 숫자를 기준으로 올림 또는 내림을 적용한 한 자리 정수를 사용해도 된다. 예를 들어, 부하 A=1100W, B=1000W, C=1000W, D=1200W 이고 최대 허용 전력이 3300W라 가정하면, MP와 각 부하의 PI(PIA~PID)를 제어 시스템과 환경에 따라 하기의 표 1과 같이 다양한 방법으로 정의할 수 있다.

시스템에서 부하에게 공급할 수 있는 전체 전력량인 MP값은 전력제어기(130)에 저장해 놓는 것이 기본이지만, 동작 과정에서 제어기에 값을 직접 입력하거나 유/무선 통신 등의 방법을 사용하여 새로운 값으로 재 설정할 수 있으며, 동작 중에 주변 환경이 변화하거나 어떤 조건이 변경될 때 시스템이 동적으로 반응하도록 제어기가 설계된 경우 상황에 맞게 시스템에서 자동으로 변경할 수도 있다.

또한, 각 부하의 최대 소비전력을 정의하는 PI도 각각의 부하에 대해 전력제어기(130)에 값을 저장해 놓는 것이 기본적인 방법이지만, 제어 시스템에 부하로 흐르는 전력을 측정할 수 있는 수단을 추가하여 시스템이 처음 시작할 때 또는 동작 중 주기적으로 값을 측정하여 갱신할 수도 있다.

제어의 기본 주기인 CP는 LP의 최대값의 정수배일 때 원활하게 동작을 제어할 수 있다. 예를 들어 각 부하의 전력량을 10단계로 제어하기 위해 LP를 1부터 10까지 1의 단위로 정했다면 CP는 10, 20, …… 등과 같이 10의 배수로 정의하는데, 특별한 이유가 없다면 가장 작은 정수, 즉 이 경우 10으로 하면 된다.

마찬가지로, 10단계 제어이지만 LP를 10, 20, …, 90, 100과 같이 10의 단위로 최대 100까지 정하였다면 CP는 10의 배수인 100으로 정의한다. CP의 반복 주기가 완료된 후 제어입력을 조사하여 LP를 갱신한다면 정의한 CP주기로 반복하지만, CP주기 내에서 제어입력을 조사하고 변경이 있을 때 마다 LP값을 갱신한 후 반복지수를 초기화하면 CP주기가 일정하지 않을 수 있다. 따라서 CP자체는 고정된 값으로 정의되지만 실제 동작에서 항상 고정된 주기로 반복되는 것은 아니다.

도 3은 본 발명의 유한전력배분방법에 따라 우선권을 적용한 전력배분 제어흐름도로서, 이하 도 3을 참조하여 본 발명에 따른 전력 배분 동작을 상세하게 설명한다. 이하의 설명에서는 본 발명에 따른 유한전력배분방법의 모든 동작을 영점신호에 맞춰 진행하는 것으로 설명하는데, 이는 선택된 부하에 연결된 스위치를 켜면 하나의 영점주기 동안 시스템에서 그 부하로 전력을 공급하는 것을 의미한다.

그러나 본 발명에서 동작의 기준이 반드시 영점신호일 필요는 없기 때문에, 만일 모든 동작의 기준이 영점신호가 아닌 예를 들어, 임의의 초 단위인 경우, 기준이 영점신호일 때와 마찬가지로 선택한 부하 스위치를 켜면 하나의 동작 기준시간 동안 부하에 전력을 공급하는 것으로 정의한다.

도 3에 도시된 바와 같이, 전력제어기(130)가 동작을 시작하면 301단계에서 먼저 제어주기(CP), 각 부하의 소비전력 지수(PI), 시스템에서 공급할 수 있는 최대전력(MP), 각 부하의 전력배분 순서 및 첫 번째 우선권(seed)을 갖는 부하, 제어입력을 반영한 각 부하의 공급전력비율(LP)을 설정하고 영점신호를 누적하는 변수를 초기화한다. 301단계의 초기화 동작은 시스템을 처음 시작할 때 한 번만 하는 것이 일반적이지만, 동작 중에 MP값을 수동 또는 자동으로 변경하는 기능, PI를 주기적으로 갱신하는 기능 등이 추가된다면 이들 값에 변동이 있을 때 마다 초기화 동작을 반복할 수도 있다.

301단계의 초기화 동작이 끝나면 303단계 내지 322단계에서 CP단위로 반복하는 동작을 수행하는데, CP단위의 반복동작에는 영점신호 단위로 CP만큼 반복하는 동작이 포함되어 있다. 이들 반복동작은 (1)CP 반복 점검→(2)영점신호점검→(3)전력배분→(4)Seed 재설정의 순서로 수행되며, 각 단계의 동작을 도 3 내지 도 6을 참조하여 하기에서 상세하게 설명한다.

<(1) CP반복 점검>

도 3을 참조하면, CP반복 점검은 303단계 내지 305단계에서 수행되는 제어동작으로서, 먼저 303단계에서 영점신호 누적 변수 값이 CP보다 큰지 판단한다. 상기 303단계의 판단에서 영점신호 누적 변수 값이 CP보다 크면 CP의 시간 길이만큼 반복한 것이므로, 305단계로 진행하여 CP 단위의 반복 동작에서 필요한 값들을 초기화 한다. 또한, 하나 또는 그 이상의 부하에 대한 제어입력이 변동되면 부하에 공급할 전력량이 변경되므로 제어입력 상태를 반영하여 각 부하의 LP를 설정 한다. 이때, 제어입력에 변화가 없다면 각 부하의 LP값은 바로 이전 CP 단위의 반복에서 설정한 값과 같다.

한편, 305단계에서 각 부하의 LP값이 0보다 큰 값을 가질 수 있는데, 이것은 직전의 CP단위 반복에서 LP에 저장된 값의 비율만큼 해당 부하에 전력 공급을 하지 못했음을 나타낸다. 그러나 CP단위의 새로운 반복을 시작하므로, 각 부하의 LP를 다시 설정하고 CP 단위 동작 내부의 반복 회수를 저장하는 영점신호누적 변수를 초기화 한다. 동작 중에 MP 또는 PI 등을 변경할 수 있는 시스템은 305단계에서 해당 변수들의 값을 갱신한다.

한편, 상기 303단계의 판단에서 영점신호누적이 CP보다 작다면 CP단위의 반복이 진행 중이므로 초기화 동작 없이 영점신호를 점검하는 307단계로 진행한다.

<(2) 영점신호 점검>

영점신호 점검은 307단계와 같이, 영점신호 또는 동작기준신호가 발생할 때까지 계속하여 대기함으로써 이루어진다.

한편, 307단계와 같이 영점신호 또는 동작기준신호의 발생을 단순하게 기다리는 것과 달리, 도 4에 도시한 바와 같이 408단계에서 제어입력의 변동을 점검하는 동작을 병행하며 대기할 수도 있다. 도 4의 408단계와 같이, 제어입력의 변동을 병행하여 점검할 경우, 제어입력이 바뀌면 405단계로 진행하여 그 결과를 바로 각 부하의 LP에 반영하고 영점신호누적을 초기화하여 그 시점부터 새로운 CP단위의 반복을 시작한다. 도 4는 본 발명의 유한전력배분방법의 다른 실시 예에 따른 우선권을 적용한 전력배분 제어흐름도로서, 도 4의 나머지 제어단계는 도 3과 동일하므로 추가로 설명하지 않고 생략한다.

도 4에 도시한 바와 같이 제어입력의 변동을 점검하여 그 결과를 반영하면, 사용자 또는 시스템에서 제어입력을 바꿀 경우 하나의 영점신호 또는 기준신호 시간 길이 이내에서 변동상태를 즉시 반영할 수 있는 장점이 있다.

반면, 도 3에 도시된 바와 같이 영점신호 또는 동작기준신호의 발생을 단순하게 기다리는 경우에는 제어입력이 바뀌었을 때, 변경된 제어입력이 시스템에 반영되는 시점이 최악의 경우 하나의 CP단위 시간 길이만큼 늦어질 수 있다. 그러나 예를 들어 CP가 100이고 전원이 AC 60Hz인 경우에 영점신호의 시간 길이가 8.3ms정도 이므로 하나의 CP단위 길이는 대략 0.83초이다. 따라서 이 정도의 시간 지연이 상대적으로 민감하지 않은 히터와 같은 부하를 제어하는 경우에는 제어입력의 반응시간에 미치는 영향이 미미하므로, 도 4의 제어방법에 비해 상대적으로 단순한 도 3의 제어방법이 경우에 따라 효율적일 수 있다.

<(3) 전력 배분>

전력배분은 315단계 및 317단계를 제외한 309단계 내지 322단계에서 수행되는 제어동작으로서, 이는 다시 (a)초기동작→(b)MP 점검→(c)LP 점검→(d)MP와 PI 비교→(e)부하 점검 동작으로 구성되는데, (b) 내지 (e)의 제어동작은 하나의 영점신호 구간에서 시스템에 포함된 부하 개수만큼 반복한다.

도 3을 참조하면, (a)의 초기동작은 영점신호가 발생하면 309단계와 같이 MP를 초기화하고, 311단계에서 Seed로 설정된 부하를 전력 배분을 위한 현재부하로 선택한다. MP 값은 부하에 전력을 배분할 때마다 그 부하의 PI 만큼 줄어들므로, 영점신호가 발생하여 전력 배분을 새로 시작하기 전에 시스템에서 공급할 수 있는 최대 전력량으로 다시 설정해야 한다. 현재부하는 시스템에 포함된 다수의 부하 중 전력 배분을 위해 현재 선택한 부하를 나타내며, 영점신호가 발생하면 Seed로 설정된 부하에서 시작하여 정의된 전력 배분 순서에 따라 부하들을 차례로 선택한다.

(b)의 MP점검 동작은 313단계와 같이 현재 선택된 부하에 배분할 전력이 남아 있는지 점검한다. MP점검 동작에서는 316단계와 같이 가장 작은 PI 보다 MP 값이 더 작으면 현재 영점신호 단계에서는 배분할 전력이 더 이상 없으므로 전력 배분을 위한 반복 동작을 종료한다. 그러나 Seed로 설정된 부하부터 전력 배분을 시작하므로, 이 부하가 현재의 영점신호 단계에서 전력 배분이 필요하다면 확실하게 전력을 공급받을 수 있고 Seed로 설정된 부하를 기준으로 하여 전력 배분 순서가 뒤쪽에 있는 부하일수록 현재의 영점신호 단계에서 전력을 공급받을 가능성이 줄어든다.

(c)의 LP점검 동작은 313단계의 판단에서 배분할 전력이 남아 있으면 314단계에서 현재 선택된 부하의 LP를 점검한다. LP가 0이면 현재 선택된 부하에 전력을 공급할 필요가 없으므로 부하에 전력을 공급하는 단계를 생략한다. LP가 0인 경우는 사용자 또는 시스템에서 현재 선택된 부하를 사용하지 않거나(부하의 제어입력을 0으로 하여 동작하지 않도록 끔) 영점신호에 따른 반복 동작의 결과 현재 선택한 부하가 요구한 전력량을 다 공급한 경우이다. 예를 들어 사용자 또는 시스템에서 현재 선택한 부하의 제어단계를 전체 10단계 중 3단계로 설정했는데 이 부하에서 요구하는 30% 전력을 바로 앞의 영점신호 반복에서 다 공급했다면, 현재 시점에서 이 부하의 LP는 0이 된다.

만일 모든 부하의 LP가 0이라면, 현재의 영점신호 구간에서 더 이상 MP 점검을 할 필요가 없으므로, 313단계와 314단계 사이에 도 6과 같이 모든 부하의 LP가 0인지 점검하는 단계를 추가하여 불필요한 MP 점검 단계를 없앨 수도 있다. 도 6은 본 발명의 유한전력배분방법에 따른 최대전력 점검을 위한 제어흐름도이다.

(d) MP와 PI 비교 동작은 314단계를 진행한 후에 수행되기 때문에 현재 단계까지 진행했으면 선택된 현재부하의 LP가 0보다 크고 시스템에 할당할 수 있는 전력인 MP가 남아있는 것이지만, 남아있는 MP가 현재부하가 요구하는 전력량보다 작을 수 있으므로 316단계에서 MP와 현재부하의 PI를 비교한다. 모든 부하의 PI가 동일하고 MP가 이 PI의 정수배인 경우는 MP가 남아있으면 적어도 하나의 부하에는 전력을 배분할 수 있어 이 비교 단계를 생략해도 되지만, 이러한 제한된 조건에 맞지 않는 대부분의 경우에는 MP와 PI를 비교하여 조건이 맞지 않으면 현재부하에 대한 전력 배분 과정을 생략해야 한다. 그러나 현재부하의 다음 순서에 있는 부하들 중에는 남아있는 MP를 받을 수 있는 부하가 있을 수 있기 때문에 다음 부하에 대한 전력 배분 반복은 계속 진행해야 한다.

316단계에서 현재부하의 PI가 MP보다 작으면 318단계에서 현재부하에 연결된 스위치를 켜서 하나의 영점신호 구간 동안 부하에 전력을 공급한다. 부하에 전력을 공급했으므로, 현재부하의 LP를 하나 줄이고 시스템에서 공급할 수 있는 전력량, 즉 MP를 현재부하의 PI만큼 줄여 현재부하에 대한 전력 배분 동작을 완료한다.

(e) 부하점검 동작은 318단계에서 현재부하에 대한 동작이 완료되면 320단계로 진행하여 전력 배분 순서에 따라 바로 다음 부하를 현재부하로 설정한다.

이어, 322단계에서 만일 새로 설정한 부하가 Seed로 설정된 부하이면 시스템에 포함된 전체 부하를 모두 점검한 것이 된다. 영점신호가 발생하여 각 부하에 대한 전력을 배분할 때 Seed로 설정된 부하부터 시작하여 배분 순서에 따라 차례로 부하들을 점검했으므로 모든 부하를 순차적으로 다 점검한 경우에만 다시 Seed로 설정된 부하가 선택되기 때문이다. 이러한 경우는 MP에 값이 남아 있어도 더 이상 전력을 공급받을 부하가 없으므로 전력 배분 반복을 종료한다.

반면에, 현재부하로 설정한 부하가 Seed로 설정된 부하가 아니면 MP에 저장된 값을 점검하는 313단계의 MP점검 동작으로 돌아가 현재 선택된 부하에 대한 전력 배분 동작을 반복한다.

전력배분을 위한 반복은 전력을 공급받아야 하는 부하가 남았는데 MP가 가장 작은 PI보다 작게 남았거나 MP 에는 공급할 전력이 남아 있는데 더 이상 전력을 공급받을 부하가 없을 경우 종료된다. 현재 전력 배분을 진행하는 영점신호 구간에서 부하의 전체 소비 전력량이 MP보다 크면 MP가 부족하여 반복을 종료하는데, 하나 이상의 부하가 필요한 전력을 공급받지 못할 수 있다.

반대로, 현재의 영점신호 구간에서 부하의 전체 소비 전력량이 MP보다 작으면 마지막 순서의 부하까지 점검한 다음 MP에 값이 있지만 전력배분 반복을 종료한다. 이러한 경우는 제한된 전력량을 초과하지 않는 범위 내에서 하나 또는 두 개 정도의 부하만 동작시키거나 다수의 부하를 동시에 동작시켰지만 각 부하의 제어단계가 가장 높은 수준과 중간 또는 낮은 수준이 섞여 있을 때 발생할 수 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 전력 배분은 몇 개의 부하를 동시에 사용하는지 그리고 사용중인 각 부하의 제어단계가 어떻게 되는지를 따로 고려하지 않아도 하나의 전력 배분 규칙에 따라 모든 경우에 대하여 일관성 있게 동작하는 것을 특징으로 한다.

<(4) Seed 재설정>

전력배분을 위한 반복 동작이 종료되면 현재의 영점신호 구간에서의 동작이 완료되었으므로, 315단계에서 영점신호누적을 하나 증가시키고 317단계에서 Seed를 다시 설정한다. 정의된 전력 배분 순서에 따라, 현재 Seed로 사용한 부하의 다음 순서에 있는 부하를 새로운 Seed로 설정하고 CP반복 점검 시점인 303단계로 되돌아간다. Seed는 영점신호가 발생할 때 마다 순서에 따라 차례로 바뀌므로 영점신호에 따라 규칙적으로 각각의 부하에 공평하게 전력 배분의 우선권을 부여한다.

한편, CP단위에 도달하여 LP를 재설정하고 영점신호누적을 초기화할 때 Seed를 배분 순서의 맨 처음에 있는 부하로 초기화하여 CP단위가 반복할 때 마다 각 부하의 전력 배분 우선권을 일정하게 만들 수도 있다.

전술한 바와 같이, 도 3 및 도 4는 본 발명의 유한전력배분방법에 따라 우선권을 적용한 전력배분 제어흐름도로서, 전력 배분 우선권(Seed)을 전체 부하에 대해 영점신호가 발생할 때 마다 순차적으로 부여하여 균등하게 전력을 배분하는 방법이다.

한편, 사용 중에 특정 부하의 동작이 전력 배분 없이 그 부하를 하나만 사용할 때에도 정상적으로 작동하도록 하기 위하여 본 발명에서는 특별우선권(Super Seed)을 부여한다. 도 5는 본 발명의 유한전력배분방법에 따라 특별우선권을 부여한 전력배분 제어흐름도를 나타낸 것으로, 도 3의 309단계와 311단계의 사이에 추가되어, 영점신호가 발생 했을 때 Seed를 현재부하로 설정하여 전력배분을 진행하기 이전에 항상 특별우선권을 부여 받은 부하에 먼저 전력을 공급하도록 한다.

도 5에 도시된 바와 같이, 어떤 부하에 특별우선권이 설정되었어도 그 부하를 사용하지 않거나 부하에서 필요한 전력량이 충족된 경우 그 부하의 LP가 0이 되므로, MP는 초기값을 유지한 상태로 Seed로 설정된 부하부터 전력배분을 하기 때문에 이러한 경우에는 특별우선권이 설정되지 않은 것처럼 작동한다. 즉, 어떤 부하에 특별우선권이 설정되었을 때 항상 그 부하의 PI만큼 MP가 줄어드는 것이 아니므로, 특별우선권이 설정된 부하의 동작 상태에 따라 나머지 부하들이 공유하는 전체 전력량이 결정되는 방법이다. 특별우선권이 설정된 부하의 경우 영점신호가 발생한 후 가장 먼저 전력을 할당 받기 때문에, 도 3의 316단계의 MP와 PI의 비교는 하지 않아도 되므로 도 5에서는 이 단계가 제외된다.

특별우선권은 시스템을 제조하는 과정에서 특정 부하에 항상 고정되게 설정할 수 있고, 보다 일반적으로는 시스템이 작동하는 과정에서 각 부하의 제어단계를 조절하는 것과 같이 사용자 또는 시스템에서 동적으로 특정 부하에 설정할 수 있다. 시스템 제조 과정에서 특정 부하로 고정하는 경우 도 3의 301단계의 시스템 초기화 과정에서 특별우선권이 설정된 부하를 점검하면 된다. 특별우선권이 동작 중에 동적으로 설정되는 시스템에서는 동작 과정에서 특별우선권을 부여 받는 부하를 여러 번 바꿀 수 있으므로 도 3과 도 4의 CP반복 점검 과정의 제어입력에 따른 LP 설정을 조정할 때 함께 점검하여 특별우선권을 부여 받은 부하를 설정하면 된다. 시스템에서 특별우선권 기능을 사용한다면, 영점신호가 발생할 때마다 순차적으로 반복하는 Seed 재설정 동작에서 특별우선권이 설정된 부하는 제외시켜야 한다.

한편, 본 발명은 유한한 전력을 다수의 부하에 균등하게 배분하는 것뿐만 아니라 부하마다 서로 다른 가중치(Weight)를 부여하여 균등하지 않게 전력을 배분할 수 있다. 각 부하에 가중치를 부여할 경우 가중치의 총 합은 100%가 되어야 하며, 가중치를 부여하지 않은 부하는 가장 낮은 가중치에 해당하는 최소의 기본 전력만 배분받을 수 있다.

가중치는 시스템을 구성할 때 정적으로 부여할 수 있지만, 제품이 동작할 때 항상 해당 부하가 부여 받은 가중치만큼만 전력을 소비한다면, 가중치 만큼 줄어든 전력 소비량이 최대 전력 소비인 용량이 낮은 부하로 바꾸는 것과 차이가 없으므로 현실적으로는 사용 가능성이 낮다. 따라서 시스템이 동작하고 있는 도중에 사용자 또는 시스템에서 동적으로 가중치를 부여하는 것이 바람직한데, 이 경우 도 3의 303단계 및 305단계에서 영점신호누적이 CP를 초과하여 CP 단위의 반복을 초기화 할 때 점검하여 각 부하의 가중치를 설정한다.

각 부하에 서로 다른 비율로 전력을 배분하기 위해 가중치를 사용하려면 각 부하마다 가중치 변수를 추가해야 한다.

가중치의 최대값, 즉 100% 가중치 값은 CP로 정의한 영점신호 개수와 같으므로, 각 부하에 가중치를 비율로 부여한 경우 이를 CP 값을 기준으로 한 영점신호 개수로 변환하여 각 부하의 가중치 변수에 저장한다. 따라서 각 부하의 가중치 변수에 저장된 값을 모두 더하면 CP에 저장된 영점신호 개수가 된다. 예를 들어 세 개의 부하 A, B, C에 대해 각각 50%, 30%, 20%씩 전력 배분 가중치를 부여하고, 영점신호 10개를 기본 주기로 하여 제어 동작을 반복한다면 CP는 10이고 부하 A, B, C의 가중치 변수 값은 CP에 가중치를 곱하여 각각 5, 3, 2가 된다.

각 부하에 대한 가중치 변수는 CP 단위의 반복을 초기화할 때 설정하므로 하나의 CP 단위 반복 동안 유효하며, 부하가 Seed로 설정되면 그 부하의 가중치 변수 값을 영점신호가 발생할 때 마다 하나씩 줄인다. 즉, 어떤 부하가 Seed로 설정되었을 때, 가중치 기능을 사용하지 않으면 영점신호가 발생하여 전력 배분 동작이 완료되었을 때 정의된 순서에 따라 다음 부하를 Seed로 설정하지만, 가중치 기능을 사용하면 현재 Seed로 선택된 부하의 가중치 변수 값이 0이 될 때까지 현재 부하가 Seed를 유지하는 것이다. 앞에서 예시한 세 개 부하 A, B, C의 가중치 변수 값이 각각 5, 3, 2 이므로, 세 부하의 전력 배분 순서가 B→A→C라고 한다면 제일 먼저 부하 B가 Seed로 설정되었을 때 연속적인 3개의 영점신호 구간 동안 부하 B가 Seed를 유지하고 그 다음 5회의 영점신호 구간에서는 부하 A가 Seed로 설정 상태를 지속하며, 마지막으로 2회의 영점신호 구간에서 부하 C가 Seed로 설정되어 각각의 부하에 서로 다른 가중치로 전력을 배분한다.

이하, 구체적인 실시 예를 들어 본 발명에 따른 유한전력배분방법을 상세히 설명한다. 이하의 설명에서는 본 발명을 설명하기 위한 구체적인 실시 예로서 네 개의 발열체(부하)로 구성된 전기레인지에 대해 설명한다.

구체적인 실시 예에 따른 전기레인지는 매 순간 부하 전체에 공급할 수 있는 최대 전력이 3300W로 제한된다고 가정한다. 네 개 발열체의 최대 소비전력이 각각 1100W, 1000W, 1000W, 1200W라 하면, 네 개 부하 전체의 소비전력 합은 4300W이므로 동작하는 부하의 종류와 개수 그리고 부하에서 요구하는 전력량(전력제어기로 입력되는 제어입력, 즉 사용자가 정의하는 부하의 소비전력)에 따라 공급 가능한 최대 전력량 범위 내에서 각각의 부하에 전력을 적절하게 배분해야 한다.

설명의 편의를 위해 먼저 네 개의 부하를 A=1100W, B=1000W, C=1000W, D=1200W로 정의하고 전력 배분 순서를 A→B→C→D로 배정한다. 각 부하의 특성(PI)과 시스템의 전력 공급 능력(MP)에 덧붙여 각 부하에 전력량을 공급하는 단계, 즉 제어단계(LP)에서 본 발명에 따른 유한전력배분방법을 동작시킬 수 있는데, 각 부하의 제어단계는 설명하기 쉽도록 10단계로 한다.

각 부하의 최대 소비전력량과 시스템에서 공급할 수 있는 최대 전력량을 보면 모두 100으로 나눌 수 있으므로, MP=33, PI A=11, PI B=10, PI C=10, PI D=12와 같이 각각의 정보를 손실 없이 보존할 수 있는 가장 작은 단위로 MP와 PI를 정의한다. 제어단계를 10으로 정했으므로 CP 역시 10으로 설정한다. 각 부하의 제어단계가 A는 5단계, B는 10단계, C는 2단계, D는 0단계로 설정되었다고 하면, 부하의 LP는 각각 LP A=5, LP B=10, LP C=2, LP D=0이 된다.

맨 처음 Seed는 A이므로 이러한 설정으로 전술한 도 3 내지 도 6의 영점신호 반복 구간 동작을 순서대로 진행하면 하기와 같다.

1. 첫 번째 영점신호 구간

(a) Seed=A이므로 현재부하를 A로 설정

(b) 1차 MP 점검: MP=33, LP A=5, PI A=11 이므로 전력배분 조건을 만족

- 부하 A를 켜고 전력배분을 완료하면 MP=22(33-PI A = 33-11 = 22), LP A=4(5-1 = 4)

- 다음 순서는 부하 B 이므로 현재부하를 B로 설정, B는 Seed가 아니므로 MP 점검 반복

(c) 2차 MP점검: MP=22, LP B=10, PI B=10 이므로 전력배분 조건을 만족

- 부하 B를 켜고 전력배분을 완료하면 MP= 12(22-PI B= 22-10 = 12), LP B= 9(10-1 = 9)

- 다음 순서는 부하 C 이므로 현재부하를 C로 설정, C는 Seed가 아니므로 MP 점검 반복

(d) 3차 MP점검: MP=12, LP C=2, PI C=10 이므로 전력배분 조건을 만족

- 부하 C를 켜고 전력배분을 완료하면 MP= 2(12-PI C= 12-10 = 2), LP C= 1(2-1 = 1)

- 다음 순서는 부하 D 이므로 현재부하를 D로 설정, D는 Seed가 아니므로 MP 점검 반복

(e) 4차 MP점검: LP D=0 이므로 현재부하를 A로 설정, A는 Seed 이므로 MP 반복을 종료

(f) MP 반복이 끝났으므로, 영점신호누적=2로 하고 Seed를 다음 순서인 부하 B로 설정

2. 두 번째 영점신호 구간

(a) Seed=B 이므로 현재부하=B 로 설정

(b) 1차 MP 점검: MP=33, LP B=9, PI B=10 이므로 전력배분 후 MP=23, LP B=8, 현재부하=C 로 설정

(c) 2차 MP 점검: MP=23, LP C=1, PI C=10 이므로 전력배분 후 MP=13, LP C=0, 현재부하=D 로 설정

(d) 3차 MP 점검: LPD=0 이므로 현재부하=A 로 설정, A는 Seed가 아니므로 MP 점검 반복

(e) 4차 MP 점검: MP=13, LP A=4, PI A=11 이므로 전력배분 후 MP=2, LP A=3, 현재부하=B 로 설정

현재부하 B는 Seed 이므로 MP 반복 종료

(f) MP 반복이 끝났으므로, 영점신호누적=3으로 하고 Seed를 다음 순서인 부하 C로 설정

3. 세 번째 영점신호 구간

(a) Seed=C 이므로 현재부하=C 로 설정

(b) LP C=0, LP D=0 이므로 1차와 2차 MP 점검은 현재부하만 바꿈. 2차 MP 점검 후 현재부하=A 로 설정

(c) 3차 MP 점검: MP=33, LP A=3, PI A=11 이므로 전력배분 동작 후 MP=22, LP A=2, 현재부하=B로 설정

(d) 4차 MP 점검: MP=22, LP B=8, PI B=10 이므로 전력배분 동작 후 MP=12, LP B=7, 현재부하=C 로 설정, 현재부하 C는 seed 이므로 MP 반복 종료

(e) MP 반복이 끝났으므로, 영점신호누적=4로 하고 Seed를 다음 순서인 부하 D로 설정

4. 네 번째 영점신호 구간

(a) Seed=D 이므로 현재부하=D 로 설정

(b) 1차 MP 점검: LP D=0 이므로 현재부하=A 로 설정, A는 Seed가 아니므로 MP 점검 반복

(c) 2차 MP 점검: MP=33, LP A=2, PI A=11 이므로 전력배분 동작 후 MP=22, LP A=1, 현재부하=B로 설정

(d) 3차 MP 점검: MP=22, LP B=7, PI B=10 이므로 전력배분 동작 후 MP=12, LP B=6, 현재부하=C 로 설정

(e) 4차 MP 점검: LP C=0 이므로 현재부하=D 로 설정, D는 seed 이므로 MP 반복 종료

(f) MP 반복이 끝났으므로, 영점신호누적=5로 하고 Seed를 다음 순서인 부하 A로 설정

5. 다섯 번째 영점신호 구간 이후는 Seed 설정 및 전력배분 동작에 대해 첫 번째 내지 네 번째 영점신호 구간을 반복

- 다섯 번째 영점신호 구간이 끝나면 LP A=0이 되므로 여섯 번째 영점구간 이후는 부하 A도 부하 C, D와 같이 전력배분 동작을 하지 않음

- 열 번째 영점신호 구간이 끝나면 영점신호누적=11이 되어 CP 반복구간에서 영점신호누적과 각 부하의 LP값을 초기화하고 다시 영점신호 구간을 반복

6. 영점신호누적이 CP 보다 크면 LP A, LP B, LP C, LP D 값과 영점신호누적을 초기화하고 영점신호 구간을 반복

상술한 구체적인 실시 예인 MP=33, PI A=11, PI B=10, PI C=10, PI D=12, CP=10, LP A=5, LP B=10, LP C=2, LP D=0에 대하여, 각 영점신호 구간 동작 완료를 기준으로 요약하면 하기의 표 2와 같다. 각 스위치 항목에서 ON은 해당 영점구간에서 그 부하의 스위치가 켜져 부하에 전력이 공급되는 것이고, off는 스위치가 꺼진 것이다. 하기의 표 2는 부하 A, B, C, D의 제어단계가 5, 10, 2, 0일 때 각 영점신호 구간의 동작 결과를 요약한 것이다.

표 2를 참조하면, 영점신호누적이 10회를 초과하면 새로운 CP 반복이 시작되어 각 부하의 LP가 초기화되는데, Seed는 CP 반복에서 초기화되지 않는 것으로 하였다. 부하 A, B, C의 제어입력은 각각 5단계, 10단계, 2단계인데 하나의 CP 반복 구간에서 스위치 A, 스위치 B, 스위치 C의 ON 회수가 5, 10, 2 이므로 각 부하가 요구하는 전력을 100% 공급했음을 알 수 있다.

상술한 실시 예에서 모든 부하의 제어입력이 10인 경우, 즉 모든 부하가 다 동작하여 부하의 소비전력 합이 4300W일 때 각 영점신호 구간 동작 완료를 기준으로 요약하면 하기의 표 3과 같다. 하기의 표 3은 부하 A, B, C, D의 제어단계가 모두 10일 때 각 영점신호 구간의 동작 결과를 요약한 것이다. 이러한 동작의 조건은 MP=33, PI A=11, PI B=10, PI C=10, PI D=12, CP=10, LP A=10, LP B=10, LP C=10, LP D=10 이다.

표 3을 참조하면, 부하 A를 Seed로 시작하는 첫 번째 CP 반복 주기 내에서 각 부하의 ON 개수를 보면 A=7, B=8, C=8, D=7 이지만, 부하 C를 Seed로 시작하는 두 번째 CP 주기에서 ON 개수는 A=8, B=7, C=7, D=8이 되어 두 개의 CP 반복 주기에 대해 각 부하는 15번씩 스위치를 켠다. 부하 A는 두 개의 CP 주기 단위로 시작할 때 Seed로 설정되므로 각 부하에서 모두 100%의 전력을 요구하면 (15/20)x100% = 75%의 전력을 공평하게 공급받는다. 부하 전체의 소비전력 합이 4300W이고 시스템에서 공급할 수 있는 최대 전력이 3300W일 때 각 부하에 동시에 공급할 수 있는 이론적인 값이 최대 소비전력의 76.7% 수준이므로, 네 개의 부하에 모두 이론적으로 예측하는 최대 값에 근접한 전력을 배분하고 있음을 알 수 있다.

한편, 특정 부하에 특별우선권을 부여하면, 특별우선권이 있는 부하는 그 부하가 요구하는 전력량을 100% 공급받을 수 있지만, 나머지 부하들이 공유하는 평균 전력량은 그에 비례하여 낮아진다. 하기의 표 4는 부하 A에 특별우선권이 부여되었고, 모든 부하의 제어입력이 10인 경우에 대한 실시 예이다. 이 동작의 조건은 MP=33, PI A=11, PI B=10, PI C=10, PI D=12, CP=10, LP A=10, LP B=10, LP C=10, LP D=10, Super Seed=A 이다.

하나의 CP 반복 주기 내에서 각 부하의 ON 개수를 보면 A=10, B=7, C=7, D=6으로, 특별우선권이 부여된 A는 요구한 전력량을 100% 공급받은 것을 알 수 있다. 나머지 부하의 경우, B=7, C=7, D=6 이지만, Seed를 C부터 시작하는 두 번째 CP 반복주기 결과는 B=6, C=7, D=7 이고 Seed를 D부터 시작하는 세 번째 CP 반복주기 결과는 B=7, C=6, D=7이 되므로 각 부하는 세 개의 CP 반복주기에 걸쳐 모두 6+7+7=20번씩 스위치를 켠다. 네 번째 CP 반복주기는 다시 Seed를 B 부터 시작하므로, A를 제외한 나머지 부하에는 (20/30)x100% = 66.7%의 전력이 공평하게 공급된다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 유한전력배분방법은 영점제어 방식의 문제점을 해결하여, 공급할 수 있는 전력량이 제한된 유한한 전력을 다수의 부하에 영점제어 방식으로 분배하도록 전력을 제어하는 유한전력 배분방법을 제공한다.

한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해서 정해져야 한다.

Claims (4)

1. 전원, 복수의 부하, 상기 전원과 부하 사이에 각각 연결된 복수의 스위치, 상기 전원의 영점을 검출하여 영점신호를 출력하는 영점검출기 및 상기 영점신호와 외부 제어입력을 받아 상기 스위치를 제어하여 상기 부하로 전달되는 전력량을 조절하는 전력제어기로 구성되는 전력제어시스템에서, 상기 부하에 공급할 수 있는 최대 전력보다 상기 부하의 소비 전력의 합이 더 큰 복수의 부하에 대하여 전력을 배분하는 방법에 있어서,
   전력배분우선권(Seed, 시드), 상기 전력제어시스템에서 전체 부하에 한 번에 공급할 수 있는 최대전력(MP: Max Power), 상기 전력제어시스템을 구성하고 있는 각각의 부하가 최대로 소비하는 전력량을 나타내는 부하의 소비전력 지수(PI: Power Index), 상기 전력제어기의 제어입력에 따라 각 부하의 전력량을 단계적으로 제어하기 위하여, 선택된 부하에 공급되는 전력량을 상기 PI의 비율로 나타낸 부하의 공급전력비율(LP: Load Power), 상기 LP의 최대값의 정수배로 제어 기본 주기(CP: Control Period)를 설정하고, 영점신호를 누적하는 변수(영점신호누적변수)를 초기화하는 초기화 과정;
   영점신호누적변수가 상기 CP를 초과하는지 판단하는 단계 및 상기 영점신호누적변수가 상기 CP보다 크면 상기 영점신호누적변수를 초기화하는 단계로 이루어지는 CP반복 점검과정;
   상기 영점신호누적변수가 상기 CP보다 작으면 영점신호가 발생할 때까지 대기하는 과정;
   상기 영점신호가 발생하면, 상기 MP를 공급할 수 있는 최대전력으로 초기화하는 단계 및 상기 시드로 설정된 부하를 전력배분을 위한 현재부하로 설정하는 단계로 이루어지는 전력배분 초기과정;
   MP가 가장 작은 PI보다 더 작으면 영점신호누적변수를 하나 증가시키고, 현재 시드의 다음 순서 부하를 새로운 시드로 설정하는 MP 점검과정;
   상기 MP가 가장 작은 PI보다 크거나 같으면 상기 현재부하의 LP가 0인지 판단하고, 상기 현재부하의 LP가 0이면 다음 순서 부하를 현재부하로 설정하는 LP 점검과정;
   상기 현재부하의 LP가 0이 아니면 상기 MP가 상기 현재부하의 PI보다 큰지 판단하여, 상기 MP가 상기 현재부하의 PI보다 크면 상기 현재부하에 대해 스위치를 온(On)하여 영점신호 구간 동안 상기 현재부하에 전력을 공급하고, 상기 현재부하의 LP를 하나 감소시키며, 상기 MP를 상기 현재부하의 PI만큼 감소시키고, 상기 MP가 상기 현재부하의 PI보다 작으면 다음 순서 부하를 현재부하로 설정하는 MP 및 PI 비교과정; 및
   다음 부하를 현재부하로 설정하고, 설정된 현재부하가 시드로 설정된 부하이면 영점신호누적변수를 하나 증가시키고, 현재 시드의 다음 순서 부하를 새로운 시드로 설정하며, 시드로 설정된 부하가 아니면 상기 MP 점검과정을 진행하는 부하 점점과정;으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 유한전력배분방법.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 전력배분 초기과정에서,
   특별우선권(Super Seed)을 부여받은 부하가 있는지 판단하고, 특별우선권 부여 부하가 있으면, 상기 특별우선권 부여 부하의 LP가 0보다 큰지 판단하여, 상기 특별우선권 부여 부하의 LP가 0보다 크면, 상기 특별우선권 부여 부하에 대해 스위치를 온(On)하여 영점신호 구간 동안 전력을 공급하고, 상기 LP를 하나 감소시키며, MP를 상기 특별우선권 부여 부하의 PI만큼 감소시키는 특별우선권과정;을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 유한전력배분방법.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 CP반복 점검과정에서,
   상기 영점신호누적변수가 상기 CP보다 크면 상기 영점신호누적변수를 초기화할 시, 상기 복수의 부하 각각에 대하여 전력배분비율을 나타내는 가중치(Weight) 변수를 할당하고, 현재 시드로 선택된 부하의 가중치 변수 값이 0이 될 때까지 현재부하가 시드를 유지하는 것을 특징으로 하는 유한전력배분방법.
   
4. 제 1항에 있어서,
   상기 영점신호가 발생할 때까지 대기하는 과정에서,
   상기 전력제어기로부터의 제어입력이 변경되면, 변경된 제어입력을 반영하여 상기 LP를 재설정하고, 영점신호누적변수를 초기화하는 단계를 더 수행하는 것을 특징으로 하는 유한전력배분방법.

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