KR101793696B1 - 역률 제어 장치 및 역률 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 위상 제어를 이용하여 역률을 제어하는 역률 제어 장치 및 역률 제어 방법에 관한 것으로, 본 발명은, 하나의 주기 내에서 온 제어와 오프 제어를 순차적으로 수행함으로써, 위상 제어를 통한 역률 제어를 수행할 수 있는 효과가 있다.

Description

역률 제어 장치 및 역률 제어 방법{Apparatus and Method for Controlling Power Factor}
본 발명은 역률 제어 장치 및 역률 제어 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 위상 제어를 이용하여 역률을 제어하는 역률 제어 장치 및 역률 제어 방법에 관한 것이다.
시간에 따라 주기적으로 크기와 방향이 변하는 전류를 교류라고 하며, 시간에 따라 주기적으로 크기와 방향이 변하는 전압을 교류전압이라고 한다.
정현파 형태를 가지는 교류 전원은 다양한 주파수를 가질 수 있으나, 일반적으로는 50Hz 혹은 60Hz의 주파수를 가지는 교류 전원을 사용한다. 현재 주로 사용되고 있는 60Hz의 경우, 반주기의 시간은 8.33ms 이고, 위상각으로는 0°~ 180°에 해당한다.
직류회로에서는 전력 = 전압×전류가 되나, 교류회로에서는 전류의 실효치에 전압의 실효치를 곱한 것이 반드시 전력으로 되지는 않는다. 즉, 교류회로에서는 전압과 전류와의 곱을 피상전력이라 하고, 이에 역률을 곱해야 비로소 전력이 된다. 이때, 역률이란 피상전력에 대한 유효전력의 비율을 의미한다.
일반적으로, 교류 전원의 경우, 회로에 존재하는 캐피시턴스(capacitance) 혹은 인덕턴스(inductance) 성분에 의해 전압과 전류의 위상차(θ)가 발생한다. 이때, 유효전력은 전압×전류×cosθ 로 표현되며, cosθ 값을 역률(Power Factor; PF)이라 하고, sinθ 값을 무효율 이라 한다.
역율이 크다는 것은 유효 전력이 피상 전력에 근접하는 것으로서 전원에서의 전력이 부하에 효율적으로 전달된다는 것을 의미한다. 그러나, 역률이 작다는 것은 전원에서의 전력이 부하에 효율적으로 전달되지 못한다는 것을 의미하므로, 역률이 높아지도록 역률 제어를 수행할 필요가 있다.
본 발명은 역률 제어를 수행함에 있어서, 위상 제어를 이용함으로써, 효율적인 역률 제어를 수행하도록 하는데 그 목적이 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 역률 제어 장치는 전압 파형의 위상을 감지하는 전압 감지부와, 전류 파형의 위상을 감지하는 전류 감지부와, 입력 신호가 부하 쪽으로 출력되거나 차단되도록 스위칭을 수행하는 스위칭부 및 상기 전압 감지부 및 상기 전류 감지부를 통해 획득한 전압 및 전류의 위상 정보를 이용하여 스위칭부의 스위칭 동작을 제어하는 제어부를 포함하여 이루어진다.
또한, 상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 역률 제어 방법은, 전압 파형의 위상을 감지하는 단계와, 전류 파형의 위상을 감지하는 단계와, 상기 전압 파형이 일정한 위상을 가지는 시점에서 입력 파형에 대해 위상 제어를 수행하는 단계 및 상기 전류 파형이 일정한 위상을 가지는 시점에서 출력 파형에 대해 위상 제어를 수행하는 단계를 포함하여 이루어진다.
본 발명은, 하나의 주기 내에서 온 제어와 오프 제어를 순차적으로 수행함으로써, 위상 제어를 통한 역률 제어를 수행할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 역률 제어를 통해 절전 제어를 수행할 수 있도록 하는 효과가 있다.
도 1 은 진상인 경우의 전압과 전류의 파형을 나타낸 것이다.
도 2 는 지상인 경우의 전압과 전류의 파형을 나타낸 것이다.
도 3 은 위상 온 제어에 따른 신호 파형의 일례를 나타낸 것이다.
도 4 는 위상 오프 제어에 따른 신호 파형의 일례를 나타낸 것이다.
도 5 는 진상의 경우 위상 제어를 이용한 역률 제어 방법을 나타낸 일실시예이다.
도 6 은 진상인 경우에, 위상 제어를 이용한 역률 제어를 수행한 후의 파형을 나타낸 것이다.
도 7 은 지상의 경우 위상 제어를 이용한 역률 제어 방법을 나타낸 일실시예이다.
도 8 은 지상인 경우에, 위상 제어를 이용한 역률 제어를 수행한 후의 파형을 나타낸 것이다.
도 9 는 본 발명의 일실시예에 따른 역률 제어 장치를 나타낸 것이다.
상술한 목적, 특징들 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이다. 이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 1 은 진상(leading phase)인 경우의 전압과 전류 파형을 나타낸 것이다.
도 1 에 도시된 바와 같이, 진상의 경우에는 전류의 위상이 전압의 위상보다 앞서게 된다.
도 2 는 지상(lagging phase)인 경우의 전압과 전류의 파형을 나타낸 것이다.
도 2 에 도시된 바와 같이, 지상의 경우에는 전압의 위상이 전류의 위상보다 앞서게 된다.
본 발명에 따른 역률 제어 방법은 전류파형 및 전압파형에 대해 위상 온 제어 또는 위상 오프 제어를 수행함으로써, 유효구간 내에서 역률이 1이 되도록 제어하는 것이다.
일반적으로, 위상 제어란 교류전압에 대하여 반주기를 기준으로 전체 정현파 형태의 입력 중에서 일부만이 출력되도록 제어하는 것을 말한다. 이와 같은 위상 제어의 방법으로는 위상 온 제어(Phase On Control) 방법과 위상 오프 제어(Phase Off Control) 방법이 있다.
위상 온 제어 방법은 제로크로싱 시점으로부터 일정한 시간동안 전압(혹은 전류)신호를 출력하지 않다가, 특정 시점에 이르렀을 때 비로소 전압(혹은 전류)을 출력하도록 제어하는 것이다. 즉, 제로크로싱 시점으로부터 일정한 시간동안 출력 신호가 없다가 특정 시점에 출력이 개시되므로 이를 위상 온 제어라고 한다.
한편, 위상 오프 제어 방법은 제로크로싱 시점으로부터 일정한 시간동안 전압(혹은 전류)신호를 출력하다가, 특정 시점에 이르렀을 때 비로소 전압(혹은 전류)이 출력되지 않도록 제어하는 것이다. 즉, 제로크로싱 시점으로부터 지속적으로 신호를 출력하다가 특정 시점에 이르면 출력이 차단되므로 이를 위상 오프 제어라고 한다.
도 3 은 위상 온 제어에 따른 신호 파형의 일례를 나타낸 것이다.
도 3 을 참고하면, 제1제로크로싱 시점(T11)으로부터 온 제어 시점(T12)까지는 교류전압이 차단된다. 한편, 온 제어 시점(T12)이 되는 순간 교류전압 신호가 출력되기 시작하여, 제2제로크로싱 시점(위상각 180°)(T13)까지 교류전압의 출력이 지속된다. 그리고, 제2제로크로싱 시점(위상각 180°)(T13)으로부터 교류전압의 출력이 차단된다. 교류전압은 온 제어 시점(T14)이 되는 순간부터 다시 출력되고, 제3제로크로싱 시점(T15)(위상각 360°)까지 교류전압의 출력이 지속된다.
도 4 는 위상 오프 제어에 따른 신호 파형의 일례를 나타낸 것이다.
도 4 를 참고하면, 제1제로크로싱 시점(T21)으로부터 오프 제어 시점(T22)까지 교류전압이 출력된다. 그리고, 오프 제어 시점(T22)부터 교류전압이 차단되기 시작하여, 제2제로크로싱 시점(위상각 180°)(T23)에 이르기까지 교류전압이 차단된다. 그리고, 제2제로크로싱 시점(T23)으로부터 교류전압 출력이 시작되어 오프 제어 시점(T24)까지 지속된다. 그리고, 오프 제어 시점(T24)으로부터 제3제로크로싱 시점(T25)이 되는 순간(위상각 360°)까지 교류전압의 출력이 차단된다.
도 5 는 진상의 경우 위상 제어를 이용한 역률 제어 방법을 나타낸 일실시예이다.
도 5 에 도시된 바와 같이, 진상의 경우, 전압 파형을 기준으로 한 특정 시점에서 위상 온 제어를 수행하고 난 후, 전류 파형을 기준으로 한 특정 시점에서 위상 오프 제어를 수행함으로써 역률 제어를 수행할 수 있다. 이때, 상기 전압 파형을 기준으로 한 특정 시점은 전압의 제로크로싱 시점인 것이 바람직하다. 한편, 상기 전류 파형을 기준으로 한 특정 시점은 전류의 제로크로싱 시점인 것이 바람직하다.
도 6 은 진상인 경우에, 위상 제어를 이용한 역률 제어를 수행한 후의 파형을 나타낸 것이다. 즉, 유효구간의 시점(T31)에서 위상 온 제어를 수행하고, 유효구간의 종점(T32)에서 위상 오프 제어를 수행한 파형을 나타낸 것이다.
도 6 에 도시된 바와 같이, 진상의 경우, 전압의 제로크로싱 시점(T31)에서 위상 온 제어를 수행하고, 전류의 제로크로싱 시점(T32)에서 위상 오프 제어를 수행하게 되면, 유효구간 내에서는 무효전력이 없어지므로 역률이 1 이 되도록 할 수 있다.
도 7 은 지상의 경우 위상 제어를 이용한 역률 제어 방법을 나타낸 일실시예이다.
도 7 에 도시된 바와 같이, 지상의 경우, 전류 파형을 기준으로 한 특정 시점에서 위상 온 제어를 수행하고 난 후, 전압 파형을 기준으로 한 특정 시점에서 위상 오프 제어를 수행함으로써 역률 제어를 수행할 수 있다. 이때, 상기 전류 파형을 기준으로 한 특정 시점은 전류의 제로크로싱 시점인 것이 바람직하다. 한편, 상기 전압 파형을 기준으로 한 특정 시점은 전압의 제로크로싱 시점인 것이 바람직하다.
도 8 은 지상인 경우에, 위상 제어를 이용한 역률 제어를 수행한 후의 파형을 나타낸 것이다. 즉, 유효구간의 시점(T41)에서 위상 온 제어를 수행하고, 유효구간의 종점(T42)에서 위상 오프 제어를 수행한 파형을 나타낸 것이다.
도 8 에 도시된 바와 같이, 지상의 경우, 전류의 제로크로싱 시점(T41)에서 위상 온 제어를 수행하고, 전압의 제로크로싱 시점(T42)에서 위상 오프 제어를 수행하게 되면, 유효구간 내에서는 무효전력이 없어지므로 역률이 1 이 되도록 할 수 있다.
도 9 는 본 발명의 일실시예에 따른 역률 제어 장치를 나타낸 것이다.
도 9 에 도시된 역률 제어 장치(90)를 이용하여 도 6 에 도시된 역률 제어를 수행하는 방법을 설명하면 다음과 같다.
스위칭부(92)는 전압의 제로크로싱 시점(T31)에 온 동작을 수행하고, 전류의 제로크로싱 시점(T32)에 스위칭 오프 동작을 수행한다. 즉, 제어부(94)가 전압감지부(91)를 통해 전압의 제로크로싱 시점(T31)을 감지하면, 스위칭부(92)가 전압의 제로크로싱 시점(T31)에서 스위칭 온 동작을 수행하도록 제어한다. 또한, 제어부(94)가 전류감지부(97)를 통해 전류의 제로크로싱 시점(T32)를 감지하면, 스위칭부(92)가 전류의 제로크로싱 시점(T32)에서 스위칭 오프 동작을 수행하도록 제어한다.
한편, 도 9 에 도시된 역률 제어 장치(90)를 이용하여 도 8 에 도시된 역률 제어를 수행하는 방법을 설명하면 다음과 같다.
스위칭부(92)는 전류의 제로크로싱 시점(T41)에 온 동작을 수행하고, 전압의 제로크로싱 시점(T42)에 스위칭 오프 동작을 수행한다. 즉, 제어부(94)가 전류감지부(97)를 통해 전류의 제로크로싱 시점(T41)을 감지하면, 스위칭부(92)가 전류의 제로크로싱 시점(T41)에서 스위칭 온 동작을 수행하도록 제어한다. 또한, 제어부(94)가 전압감지부(91)를 통해 전압의 제로크로싱 시점(T42)를 감지하면, 스위칭부(92)가 전압의 제로크로싱 시점(T42)에서 스위칭 오프 동작을 수행하도록 제어한다.
한편, 위상제어시 발생할 수 있는 THD(Total Harmonic Distortion) 문제는 사용 전력의 고조파 및 부하 전류의 왜곡에 따른 고주파로 발생되는 무효전력이므로, 저역통과 필터(Low Pass Filter)를 사용하여 해결할 수 있을 것이다.
도 9 는 단상인 경우의 실시예이나, 본 발명은 단상 뿐 아니라 다상의 경우에도 적용이 가능하다.
90 : 역률제어장치 91 : 전압 감지부
92 : 스위칭부 94 : 제어부
96 : 부하 97 : 전류감지부

Claims (10)

  1. 전압 파형의 위상을 감지하는 전압 감지부;
    전류 파형의 위상을 감지하는 전류 감지부;
    입력 신호가 부하 쪽으로 출력되거나 차단되도록 스위칭을 수행하는 스위칭부; 및
    상기 전압 감지부 및 상기 전류 감지부를 통해 획득한 전압 및 전류의 위상정보를 이용하여 상기 스위칭부의 스위칭 동작을 제어하되,
    전압의 위상정보를 기준으로 스위칭 온 동작을 수행하는 경우에는 전류의 위상정보를 기준으로 스위칭 오프 동작을 수행하고,
    전류의 위상정보를 기준으로 스위칭 온 동작을 수행하는 경우에는 전압의 위상정보를 기준으로 스위칭 오프 동작을 수행하도록 제어하며,
    상기 스위칭부의 스위칭 온 동작과 스위칭 오프 동작이 번갈아가며 수행되도록 제어함으로써, 유효구간 내의 전압 및 전류가 부하에 입력되도록 하는 제어부
    를 포함하여 이루어지는 역률 제어 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전압 및 상기 전류의 위상 정보는 전압 및 전류의 제로크로싱 시점에 관한 정보인 것을 특징으로 하는 역률 제어 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제어부는 전압의 제로크로싱 시점에 상기 스위칭부가 스위칭 온 동작을 수행하도록 제어하고, 전류의 제로크로싱 시점에 상기 스위칭부가 스위칭 오프 동작을 수행하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 역률 제어 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 전류의 위상이 상기 전압의 위상을 앞서는 것(leading phase)을 특징으로 하는 역률 제어 장치
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 제어부는 전류의 제로크로싱 시점에 상기 스위칭부가 스위칭 온 동작을 수행하도록 제어하고, 전압의 제로크로싱 시점에 상기 스위칭부가 스위칭 오프 동작을 수행하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 역률 제어 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 전류의 위상이 상기 전압의 위상에 뒤지는 것(lagging phase)을 특징으로 하는 역률 제어 장치.
  7. 전압 파형의 위상을 감지하는 단계;
    전류 파형의 위상을 감지하는 단계; 및
    상기 전압 파형이 일정한 위상을 가지는 시점에서 입력 신호에 대한 스위칭 온 제어를 수행하고, 상기 전류 파형이 일정한 위상을 가지는 시점에서 입력 신호에 대한 스위칭 오프 제어를 수행하거나,
    상기 전류 파형이 일정한 위상을 가지는 시점에서 입력 신호에 대한 스위칭 온 제어를 수행하고, 상기 전압 파형이 일정한 위상을 가지는 시점에서 입력 신호에 대한 스위칭 오프 제어를 수행하는 단계
    를 포함하여 이루어지되,
    상기 위상 온 제어와 상기 위상 오프 제어는 번갈아가며 수행되어 유효구간 내의 전압 및 전류가 부하에 입력되도록 하는 것을 특징으로 하는 역률 제어 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 일정한 위상을 가지는 시점은 제로크로싱 시점인 것을 특징으로 하는 역률 제어 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 전류의 위상이 상기 전압의 위상을 앞서는(leading phase) 경우, 상기 전압 파형이 일정한 위상을 가지는 시점에서 입력 신호에 대한 스위칭 온 제어를 수행하고, 상기 전류 파형이 일정한 위상을 가지는 시점에서 입력 신호에 대한 스위칭 오프 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 역률 제어 방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 전류의 위상이 상기 전압의 위상에 뒤지는(lagging phase) 경우, 상기 전류 파형이 일정한 위상을 가지는 시점에서 입력 신호에 대한 스위칭 온 제어를 수행하고, 상기 전압 파형이 일정한 위상을 가지는 시점에서 입력 신호에 대한 스위칭 오프 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 역률 제어 방법.
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