KR101768077B1 - 역률 개선 회로와 배터리를 이용한 전력 보조 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 역률 개선 회로와 배터리를 이용한 전력 보조 장치에 관한 것으로서, 직류 출력단의 로드 증가로 인해 교류 전원으로부터 입력되는 전류 값이 교류 전원의 설비 용량을 넘는 것을 방지하기 위한 전력 보조 장치에 있어서, 스위치 소자를 이용하여 상기 교류 전원의 역률을 개선하며, 직류를 출력하는 역률 개선부; 상기 교류 전원의 입력 전압 및 상기 로드에 기초하여 상기 역률 개선부의 직류 출력을 보조하는 보조 전원부; 및 상기 교류 전원의 입력 전압에 기초하여 상기 보조 전원부의 구동 여부를 제어하는 전력 제어부를 포함하는 전력 보조 장치를 제공한다.

Description

역률 개선 회로와 배터리를 이용한 전력 보조 장치{AUXILIARY POWER APPARATUS USING POWER FACTOR CORRECTION CIRCUIT AND BATTERY}
본 발명은 역률 개선 회로와 배터리를 이용한 전력 보조 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 역률 개선회로와 배터리를 이용하여 로드측 부하의 갑작스런 증가에도 교류 전원에 과부하를 끼치지 않고 안정적으로 전력을 공급할 수 있는 전력 보조 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
최근 개별 장비의 집적화, 모듈화 및 급속 냉난방, 충전기술들이 주목받으면서 가전제품, 의료기기, 전기차 충전기와 같은 상용 전원(90Vac ~ 260Vac) 사용 장비들의 전력 사용량이 높아지고 있다.
이러한 장비의 구동을 위해 높은 전력이 필요한 만큼 입력 전류가 높아지면서, 기존 전력 전송 설비 용량이 부족한 문제가 발생하고 있다. 특히 단상 AC 입력 전압이 90Vac 지역의 경우, 전압 220Vac인 곳에 비해 입력 전류를 2배 이상 요구하므로 전력 사용량이 높은 장비를 이용하기 위해서는 상용 전원의 설비 용량을 증설해야 하는 문제가 발생되고 있다.
대한민국 공개특허 제 10-2014-0055126호 (2014년05월09일 공개)
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 제한된 것으로서, 로드의 전력 수요가 교류 전원의 설비 용량을 초과하는 경우에도 교류 전원에 과부하를 끼치지 않고 안정적으로 전력을 공급할 수 있는 구체적인 방도를 제시한다.
이를 위해 구체적으로 본 발명은 역률개선회로와 배터리 포함의 보조전원부를 포함하여 교류 전원의 입력전압 또는 로드의 전력수요에 따라 보조전원부의 직류 출력을 적절히 제어함으로써 로드에 안정적으로 전력을 공급할 수 있는 전력보조장치 및 방법을 제공한다.
본 발명의 해결과제는 이상에서 언급한 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위해 개시된 기술의 제1 특징은 직류 출력단의 로드 증가로 인해 교류 전원으로부터 입력되는 전류 값이 교류 전원의 설비 용량을 넘는 것을 방지하기 위한 전력 보조 장치에 있어서, 스위치 소자를 이용하여 상기 교류 전원의 역률을 개선하며, 직류를 출력하는 역률 개선부; 상기 교류 전원의 입력 전압 및 상기 로드에 기초하여 상기 역률 개선부의 직류 출력을 보조하는 보조 전원부; 및 상기 교류 전원의 입력 전압에 기초하여 상기 보조 전원부의 구동 여부를 제어하는 전력 제어부를 포함하는 전력 보조 장치를 제공한다.
이때, 상기 전력 제어부는 상기 보조 전원부를 구동하는 TR 스위치; 및 기준 신호와 상기 역률 개선부로부터 출력되는 전력 제한 활성 신호를 비교하여 상기 TR 스위치를 제어하는 연산기를 포함하며, 상기 연산기는 연산 증폭기(OP Amp)로 이루어질 수 있다.
한편, 상기 역률 개선부는 상기 교류 전원의 입력 전압이 제1 전압 값에 해당되고, 상기 역률 개선부로 유입되는 교류 전류의 크기가 제1 전류 값보다 큰 경우 상기 전력 제한 활성 신호를 출력할 수 있다.
이때, 상기 제1 전압 값은 90Vac 이고, 상기 제1 전류 값은 16A.rms 일 수 있다.
한편, 보조 전원부는 배터리 및 상기 배터리를 충방전하는 양방향 컨버터를 포함하되, 상기 전력 제한 활성 신호가 출력되면 상기 배터리가 상기 로드에 전력을 공급하고, 상기 전력 제한 활성 신호가 출력되지 않으면 상기 배터리를 충전하도록 상기 양방향 컨버터를 제어한다.
상기 배터리의 충전은 상기 역률 개선부의 직류 출력 전압을 입력으로 하여 상기 양방향 컨버터가 벅 컨버터(buck converter) 동작을 수행하여 이루어지고,
상기 배터리에 의한 전력 공급은 상기 양방향 컨버터가 부스트 컨버터(boost converter) 동작을 수행하여 이루어질 수 있다.
또한, 상기 배터리는 상기 보조 전원부로부터 물리적으로 착탈 가능하다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위해 개시된 기술의 제2 특징은 직류 출력단의 로드 증가로 인해 교류 전원으로부터 역률 개선부로 유입되는 전류 값이 교류 전원의 설비 용량을 넘는 것을 방지하기 위한 전력 보조 방법에 있어서, (a) 상기 교류 전원의 입력 전압 및 상기 역률 개선부로 유입되는 교류 전류를 측정하는 단계; (b) 상기 입력 전압이 제1 전압 값에 해당되고, 상기 전류가 제1 전류 값보다 큰 경우 전력 제한 활성 신호를 출력하는 단계; (c) 상기 역률 개선부로 유입되는 전류 값을 상기 제1 전류 값으로 제한하는 단계; 및 (d) 보조 전원부를 구동하여 직류 출력을 보조하는 단계를 포함하는 전력 보조 방법을 제공한다.
개시된 기술의 실시예들은 다음의 장점을 포함하는 효과를 가질 수 있다. 다만, 개시된 기술의 실시예들이 이를 전부 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 개시된 기술의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
본 발명에 의한 전력 보조 장치 및 그 방법에 의하면 로드의 전력 수요가 교류 전원의 설비 용량을 초과하는 경우에도 교류 전원에 과부하를 끼치지 않고 안정적으로 전력을 공급할 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 전력 보조 장치는 배터리를 분리할 수 있다. 따라서, 로드의 전력 수요가 교류 전원의 설비 용량보다 충분히 낮을 경우 전력 제한 기능을 비활성 시킬 수 있으므로, 배터리를 분리하여 제조 단가 저감이 가능한 장점을 가진다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 보조 장치의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 보조 장치의 등가 회로도이다.
도 3은 교류 전원의 전압이 220Vac 인 경우 일 실시예에 따른 전력 보조 장치의 동작을 설명하는 등가 회로도이다.
도 4는 교류 전원의 전압이 90Vac 인 경우 일 실시예에 따른 전력 보조 장치의 전력 제한 동작을 설명하는 등가 회로도이다.
도 5는 교류 전원의 전압이 90Vac 인 경우 일 실시예에 따른 전력 보조 장치의 배터리 충전 동작을 설명하는 등가 회로도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 보조 장치의 회로도이다.
도 7는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 보조 장치의 동작 모드에 따른 출력 값을 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 보조 장치가 1.2KW 및 900W로 동작할 때의 출력 값을 나타내는 그래프이다.
도 9는 도 8의 일부 영역을 확대 도시한 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 보조 방법의 순서도이다.
개시된 기술에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 개시된 기술의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 개시된 기술의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 보조 장치의 블록도이다.
전력 보조 장치(100)는 직류 출력단에 연결된 로드(300)의 부하 증가로 인해 교류 전원으로부터 입력되는 전류 값이 교류 전원의 설비 용량을 넘는 것을 방지하기 위한 것으로서, 전력 보조 장치(100)는 전력 제어부(110), 역률 개선부(120) 및 보조 전원부(130)를 포함한다.
역률 개선부(120)는 스위치 소자를 이용하여 교류 전원의 역률을 개선하며, 직류를 출력한다.
보조 전원부(130)는 교류 전원의 입력 전압 및 직류 출력단의 로드에 기초하여 역률 개선부(120)에서의 직류 출력을 보조한다. 보조 전원부(130)는 배터리를 포함한다. 이때, 배터리는 통상의 2차 전지는 물론 일명 슈퍼 캐패시터(Super capacitor)라 불리는 초고용량 캐패시터(super capacitor)를 포함, 충방전이 가능한 모든 종류가 사용 가능하고, 바람직하게는 물리적으로 착탈될 수 있다.
전력 제어부(110)는 교류 전원의 입력 전압에 기초하여 보조 전원부(130)의 구동 여부를 제어한다.
실시예에 따라 전력 보조 장치(100)의 교류 입력단에는 낙뢰 대비를 위한 EMI(electromagnetic interference) 필터 및 낙뢰 보호회로(200)가 포함될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 보조 장치(100)의 등가 회로도이다.
도시된 바에 의하면 전력 제어부(110)는 TR 스위치(112) 및 연산기(111)를 포함한다.
TR 스위치(112)는 보조 전원부(130)를 구동하기 위한 스위치로서 연산기(111)에 의해 그 구동이 제어된다. TR 스위치(112)와 역률 개선부(120) 간에는 전압 클램핑(Voltage Clamping)을 위한 제너(Zener) 다이오드가 도 2에 도시된 바와 같이 연결되어 출력 전압 확인부(121)의 출력값에 대하여 전압 클램핑 동작을 수행하게 된다.
연산기(111)는 기준 신호와 역률 개선부(120)로부터 출력되는 전력 제한 활성신호를 비교하여 TR 스위치(112)의 구동을 제어한다. 실시예에 의하면 연산기(111)는 연산 증폭기(OP Amp)로 구성될 수 있다.
역률 개선부(120)는 게이트 드라이버(123), 입력 전류 확인부(122), 출력 전압 확인부(121) 및 콘트롤러(124)를 포함한다.
게이트 드라이버(123)는 정류 회로를 제어하여 직류 출력에 따른 역률을 개선한다. 입력 전류 확인부(122)는 역률 개선부(120)로 입력되는 전류를 확인하여 콘트롤러(124)로 전달한다. 출력 전압 확인부(121)는 로드(300)로 출력되는 직류 전압을 확인하여 콘트롤러(124)로 전달한다.
콘트롤러(124)는 입력 전류 확인부(122)로부터 교류 전원의 입력 전류가 설정 값에 해당되고, 입력되는 교류 전원의 전류 값 또는 로드(300)로 출력되는 전력 값이 미리 정해진 값 보다 큰 경우 전력 제한 활성신호를 발생 시킨다.
실시예에 따르면, 역률 개선부(120)는 교류 전원의 입력 전압이 90Vac이고 입력 되는 교류 전원의 전류 값이 16A.rms을 초과하는 경우 전력 제한 활성신호를 발생시킬 수 있다.
즉, 상용 전원의 종류가 90Vac이고, 로드(300)에서 사용하는 전력에 따라 전력 보조 장치(100)가 상용 전원의 설비 용량 이상의 전류를 요구하게 되는 경우, 역률 개선부(120)는 전력 제한 활성신호를 발생하여 보조 전원부(130)부로 하여금 상용 전원의 전력 공급을 보조 하도록 한다.
따라서 로드(300)가 교류 전원의 설비 용량보다 많은 전력을 필요로 하는 경우에도 상용 전원에 과부하가 걸리는 것을 방지할 수 있다.
여기서, 콘트롤러(124)가 전력 제한 활성신호를 발생시키는 조건인 교류 전원의 전압 90Vac 및 교류 전원의 입력 전류 16A.rms는 일반적인 90Vac 상용 전원의 설비 용량을 기준으로 한 것이므로, 상용 전원의 설비 용량에 따라 전력 제한 활성신호가 발생되는 전압 및 전류는 변형 실시 가능하다.
도 3은 교류 전원의 전압이 220Vac 인 경우 일 실시예에 따른 전력 보조 장치의 동작을 설명하는 등가 회로도이다. 도시된 실시예는 교류 전원의 설비용량이 로드(300)의 요구에 따라 충분한 전력을 공급할 수 있는 경우를 설명하기 위한 것으로, 교류 전원의 전압 220Vac 는 일례에 지나지 않는다.
본 실시예에서 전력 보조 장치(100)는 로드(300)의 요구에 따라 충분한 교류 전원으로부터 충분한 전류를 공급받을 수 있으므로, 콘트롤러(124)는 전력 제한 활성신호를 발생시키지 않는다. 따라서 역률 개선부(110) 및 보조 전원부(130)는 동작하지 않으므로 등가 회로에는 도시되지 않는다.
도 4는 교류 전원의 전압이 90Vac 인 경우 일 실시예에 따른 전력 보조 장치의 전력 제한 동작을 설명하는 등가 회로도이다.
본 실시예에서 역률 개선부(120)는 교류 전원의 입력 전압이 90Vac이고 입력 되는 교류 전원의 전류 값이 16A.rms을 초과하는 경우 전력 제한 활성신호를 발생시킨다. 즉, 로드(300)에서 사용하는 전력에 따라 전력 보조 장치(100)가 상용 전원의 설비 용량 이상의 전류를 요구하게 되는 경우, 역률 개선부(120)는 전력 제한 활성신호를 발생하여 보조 전원부(130)로 하여금 상용 전원의 전력 공급을 보조 하게한다.
실시예에 의하면, 보조 전원부(130)는 배터리와 배터리를 충방전하는 양방향 컨버터를 포함한다.
이때, 양방향 컨버터는 TR 스위치(112)의 동작에 따라 제어되며, TR 스위치(112)가 'on'이 되면 양방향 컨버터는 부스트 컨버터(boost converter)동작을 수행하여 로드(300) 측으로 전력을 공급한다. 따라서 역률 개선부(120)로 입력되는 교류 전원의 전류를 교류 전원의 설비 값 보다 낮출 수 있다.
도 5는 AC 교류 전원의 전압이 90Vac 인 경우 일 실시예에 따른 전력 보조 장치의 배터리 충전 동작을 설명하는 등가 회로도이다.
역률 개선부(120)는 교류 전원의 입력 전압이 90Vac이더라도 로드(300)가 큰 전력을 요구하지 않아 입력 되는 교류 전원의 전류 값이 16A.rms 미만인 경우 전력 제한 활성신호를 발생시키지 않는다. 즉, TR 스위치(112)는 'off' 상태를 유지한다.
이때, 양방향 컨버터는 역률 개선부(120)의 직류 출력을 입력 전압으로 하여 벅 컨버터(buck converter) 동작을 수행하여 배터리를 충전한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 보조 장치의 회로도이다.
도 7는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 보조 장치의 동작 모드에 따른 출력 값을 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 보조 장치가 1.2KW 및 900W로 동작할 때의 출력 값을 나타내는 그래프이다.
도 9는 도 8의 일부 영역을 확대 도시한 그래프이다.
도 7 내지 도 9를 참조하면 본 발명에 따른 전력 보조 장치는 로드의 전력 수요가 교류 전원의 설비 용량을 초과하는 경우에도 교류 전원에 과부하를 끼치지 않고 안정적으로 전력을 공급할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 보조 방법의 순서도이다.
도 10은 도 1의 전력 보조 장치(100)를 시 계열적으로 구현한 경우에도 본 실시예에 해당하므로, 전력 제어부(110), 역률 개선부(120) 및 보조 전원부(130)에 대하여 설명된 부분은 본 실시예에서도 그대로 적용된다.
일 실시예에 따른 전력 보조 방법은, 전압 및 전류 측정 단계(S110), 전력 제한 활성신호 출력 단계(S120), 유입 전류 제한 단계(S130) 및 직류 출력 보조 단계(S140)를 포함한다.
S110 단계에서, 전력 보조 장치는 교류 전원의 입력 전압 및 상기 역률 개선부로 유입되는 교류 전원의 전류를 측정한다.
S120 단계에서, 전력 보조 장치는 입력 전압이 제1 전압 값에 해당되고, 상기 전류가 제1 전류 값보다 큰 경우 전력 제한 활성 신호를 출력한다. 실시예에 따르면 제1 전압은 90Vac이고 제1 전류 값은 16A.rms 일 수 있다.
S130 단계에서, 전력 보조 장치는 전력 제한 활성 신호에 따라 역률 개선부로 유입되는 전류 값을 상기 제1 전류 값으로 제한한다.
S140 단계에서, 보조 전원부를 구동하여 직류 출력을 보조한다. 실시예에 따르면 보조 전원부는 배터리 및 배터리를 충방전하는 양방향 컨버터를 포함한다.
보조 전원부의 구동은 도 4 및 도 5에서 설명되었으므로 상세한 설명은 생략하도록 한다.
이러한 개시된 기술인 방법 및 장치는 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 개시된 기술의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
100 : 전력 보조 장치
110 : 전력 제어부
120 : 역률 개선부
130 : 보조 전원부
200 : EMI 필터
300 : 로드

Claims (9)

  1. 직류 출력단의 로드 증가로 인해 교류 전원으로부터 입력되는 전류 값이 교류 전원의 설비 용량을 넘는 것을 방지하기 위한 전력 보조 장치에 있어서,
    스위치 소자를 이용하여 입력된 상기 교류 전원의 역률을 개선하며, 직류를 로드로 출력하는 역률 개선부;
    상기 교류 전원의 입력 전압 및 상기 로드에 기초하여 상기 역률 개선부의 직류 출력을 보조하는 보조 전원부; 및
    상기 보조 전원부 및 상기 역률 개선부를 제어하는 전력 제어부를 포함하고,
    상기 전력 제어부는,
    상기 보조 전원부를 구동하는 스위치;
    상기 스위치와 상기 역률 개선부 간에 연결되어 상기 역률 개선부로 입력되는 직류에 대응한 전압 클램핑 동작을 수행하는 전압 클램핑부; 및
    기준 신호와 상기 역률 개선부로부터 출력되는 전력 제한 활성 신호를 비교하여 상기 스위치를 제어하는 연산기를 포함하는 전력 보조 장치.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 역률 개선부는 상기 교류 전원의 입력 전압이 제1 전압 값에 해당되고,
    상기 역률 개선부로 유입되는 교류 전원의 전류의 크기가 제1 전류 값보다 큰 경우 상기 전력 제한 활성 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 전력 보조 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 보조 전원부는
    배터리 및 상기 배터리를 충방전하는 양방향 컨버터를 포함하되,
    상기 전력 제한 활성 신호가 출력되면 상기 배터리가 상기 로드에 전력을 공급하고,
    상기 전력 제한 활성 신호가 출력되지 않으면 상기 배터리를 충전하도록 상기 양방향 컨버터를 제어하는 것을 특징으로 하는 전력 보조 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 배터리의 충전은 상기 역률 개선부의 직류 출력 전압을 입력으로 하여 상기 양방향 컨버터가 벅 컨버터(buck converter) 동작을 수행하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전력 보조 장치.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 배터리에 의한 전력 공급은 상기 양방향 컨버터가 부스트 컨버터(boost converter) 동작을 수행하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전력 보조 장치.
  7. 청구항 4에 있어서,
    상기 배터리는 상기 보조 전원부로부터 물리적으로 착탈되는 것을 특징으로 하는 전력 보조 장치.
  8. 삭제
  9. 삭제
KR1020150082611A 2014-06-11 2015-06-11 역률 개선 회로와 배터리를 이용한 전력 보조 장치 KR101768077B1 (ko)

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