KR101883326B1 - 유도전압 제어를 이용한 절전형 전압 조정기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 유도전압 제어를 이용한 절전형 전압 조정기에 관한 것으로, 서로 여자되게 코어에 감겨진 제1 권선 및 제2 권선을 포함하여, 제1 권선은 전원 입력측의 어느 하나의 전원 도선에 일단이 입력단이 되고 타단이 출력단이 되도록 연결된 변압기; 상기 변압기의 상기 제2 권선에 연결되어 상기 변압기의 상기 제1 권선측으로부터 상기 제2 권선에 유도되는 교류전압을 가공함으로써 상기 제1 권선측의 출력 전압을 조절하는 전압조절부; 상기 전압조절부에 의해 상기 제2 권선측에 유도된 교류전압을 가공할 때 발생하는 잉여 전력을 전원 입력측으로 피드백하는 전력관리부; 및 상기 전압조절부에 의한 전압 조절을 제어하는 제어부를 포함하여, 변압기의 유도전압제어를 이용하여 사용자가 자신이 원하는 레벨로 출력전압을 조절할 수 있으며, 원하는 레벨로 조절된 전압은 입력전압의 변동에 관계없이 항상 일정하고 정밀하게 유지되도록 할 수 있는 효과가 있다.

Description

유도전압 제어를 이용한 절전형 전압 조정기{PRECISE CONTROL POWER SAVER USING INDUCTIVE VOLTAGE CONTROL}
본 발명은 절전기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 출력전압이 입력전압의 변동에 관계없이 항상 일정하고 정밀하게 강압 유지될 수 있는 유도전압 제어를 이용한 절전형 전압 조정기에 관한 것이다.
일반적으로, 절전기와 같은 전압 조정기는 변압기의 원리를 기초로 입력 전압을 보상하여 원하는 전압으로 강압하여 소비전력을 감소시키는 등에 주로 이용되어 왔다.
도 1은 단권 변압기를 이용한 종래 절전기의 개략적인 회로 연결을 도시하고 있다.
도 1을 참조하면, 종래의 절전기는 전압이 인입되는 입력단(I), 최종적으로 전압이 출력되는 출력단(O), 및 기준 전위 단인 N의 3개 단자를 중심으로 주권선(10)과 이에 여자되는 여자권선(20)이 직렬 연결되어 있고, 여자권선(20)에 3개의 탭(a,b,c)이 마련되어 구성된다.
스위칭 제어에 의해 3개의 탭(a,b,c) 중 어느 탭이 출력단(O)에 연결되는가에 따라 출력단(O)으로 출력되는 전압이 달라진다. 따라서, 사용자는 스위칭 제어하여 적정한 탭을 출력단(O)에 선택적으로 연결함으로써 원하는 전압 크기를 출력할 수 있는 것이다.
상기와 같이 종래의 절전기는 주권선(10)에 여자되는 여자권선(20)에 복수의 탭(a,b,c)을 두어 다양한 레벨의 전압을 출력할 수 있다. 만약, 220V의 전압이 입력될 때, 주권선(10)의 양단에 190V 전압이 인가되고, 여자권선(20)의 각각의 탭이 10V씩 강압하도록 설계되었다면, 제1 탭(a)으로부터 190V, 제2 탭(b)으로부터 200V, 제3 탭(c)으로부터는 210V의 전압을 출력단(O)으로 출력할 수 있다.
이와 같이, 종래의 절전기는 출력전압이 입력전압에 대해 이산적으로 제어 즉, 예컨대 전술한 예에서는 10V의 편차를 갖는 190V, 200V, 210V의 출력전압들 중에서 선택적으로 출력하도록 되어 있어 사용자가 원하는 정밀한 전압을 제공하지 못할 뿐만 아니라, 입력전압의 변동에 따라 출력전압이 변동되므로 출력전압을 일정하게 유지하지 못하는 단점이 있다.
뿐만 아니라, 예를 들어 전압강하를 통한 디밍기능으로 방전등의 에너지를 절약하기 위하여 방전등이 꺼지지 않는 최소 전압 190V를 유지하기 위하여 제1 탭(a)으로부터 190V의 출력전압을 유지하고자 할 때, 입력전압이 220V인 경우에는 제1 탭(a)을 통하여 190V를 출력할 수 있으나, 주변지역의 전력수요 증가로 입력전압이 218V로 강압이 된다면 제1 탭(a)을 통하여 출력되는 전압은 188V가 되어 방전등이 꺼지게 되거나 전압부족으로 깜빡임을 반복하게 되어 방전등의 수명이 단축되는 단점이 있다. 또한 이를 보완하기 위하여 제2 탭(b)을 통하여 전압을 10V 더 올려 출력하게 되면 출력전압은 198V가 되어 사용자가 원하는 전압 즉, 190V 보다 8V가 더 높은 전압이 출력되어 약 4％의 에너지를 더 소비하게 되는 단점이 있다.
따라서, 종래의 전력전자 계통에서 사용되는 정밀 전압조정이 가능한 절전기는 주변압기, 여자변압기, 검출변압기, 고감도 실효치 검출 회로, 고속 A/D 변환회로, 트라이악 스위칭 회로 등 복잡한 여러 단계의 구성을 필요로 한다. 그런데, 이러한 장치는 고가의 실험장비 등 특수한 경우에만 적용될 만큼 고가여서 일반인들이 접근할 수 있는 시장성을 갖추지 못하고 있다. 또한 이러한 복잡한 장치들은 계통 전압의 주파수 및 레벨이 상이한 환경에서 정상적으로 동작할 수 없기 때문에, 전력 환경을 고려하여 제품 제작을 별도로 진행해야하는 어려움이 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 변압기의 유도전압제어를 이용하여 사용자가 자신이 원하는 레벨로 출력전압을 강압할 수 있으며, 원하는 레벨로 강압된 전압은 입력전압의 변동에 관계없이 항상 일정하고 정밀하게 유지되도록 할 수 있는, 유도전압 제어를 이용한 절전형 전압 조정기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 외부 입력전원을 사용함이 없이 변압기의 유도전압제어를 이용하여 강압이 이루어지도록 함으로써 회로 구성을 단순화할 수 있는 유도전압 제어를 이용한 절전형 전압 조정기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 변압기의 권선방식에 큰 제한을 가하지 않으면서도, 펄스폭변조(PWM) 방식 등을 이용하여 정밀한 출력전압을 강압할 수 있는 유도전압 제어를 이용한 절전형 전압 조정기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 측면에 따른 유도전압 제어를 이용한 절전형 전압 조정기는, 서로 여자되게 코어에 감겨진 제1 권선 및 제2 권선을 포함하여, 제1 권선은 전원 입력측의 어느 하나의 전원 도선에 일단이 입력단이 되고 타단이 출력단이 되도록 연결된 변압기; 상기 변압기의 상기 제2 권선에 연결되어 상기 변압기의 상기 제1 권선측으로부터 상기 제2 권선에 유도되는 교류전압을 가공함으로써 상기 제1 권선측의 출력 전압을 조절하는 전압조절부; 상기 전압조절부에 의해 상기 제2 권선측에 유도된 교류전압을 가공할 때 발생하는 잉여 전력을 전원 입력측으로 피드백하는 전력관리부; 및 상기 전압조절부에 의한 전압 조절을 제어하는 제어부를 포함한다.
여기서, 전원 측의 전압을 측정하는 전압 측정부를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 전압 측정부와 연결되고 기 설정된 기준설정전압을 상기 전압 측정부의 측정 전압과 비교하여 그 결과에 따라 상기 전압조절부의 전압 조절을 제어하되, 상기 전압 측정부는 전원 출력측에 연결되어 출력 전압을 측정하는 출력 전압 측정부로 구성된다.
여기서, 상기 전압조절부는, 상기 제어부로부터 출력된 제어신호에 따라 펄스폭변조(PWM) 방식을 사용하여 상기 제2 권선측에 유도되는 교류전압을 가공하는 PWM 작동부를 포함한다. 또한, 상기 전압조절부는, 상기 PWM 작동부에서 PWM 가공된 교류전압을 평활하기 위한 전압평활부를 포함한다.
바람직하게, 상기 PWM 작동부는, 스위칭 소자(S1)와 복수개의 다이오드(D11, D12, D13, D14)로 이루어지되, 상기 스위칭 소자(S1)의 전류 입력단에 양 방향으로 전류가 입력될 수 있도록 연결된 다이오드(D11) 및 다이오드(D12)와, 전류 출력단에 양 방향으로 전류가 출력될 수 있도록 연결된 다이오드(D13) 및 다이오드(D14)를 포함하며, 상기 제2 권선의 일단과 타단에 각각 연결된 제1 노드(a1)와 제2 노드(a2) 사이에 스위칭 소자(S1)로 전류를 입력시키는 다이오드(D11) 및 다이오드(D12)가 서로 역방향으로 연결되고, 상기 제2 권선의 일단과 제1 노드(a1) 사이에 위치하는 제3 노드(a3)와 제2 권선(120)의 타단과 제2 노드(a2) 사이에 위치하는 제4 노드(a4) 사이에 스위칭 소자(S1)에서 출력된 전류가 흐르는 다이오드(D13) 및 다이오드(D14)가 서로 역방향으로 연결될 수 있다.
바람직하게, 상기 전압평활부는, 제1 및 제2 인덕터(L1 및 L2)와 커패시터(C)로 이루어지되, 상기 커패시터(C)는 상기 제2 권선에 병렬로 연결되며, 상기 제1 인덕터(L1)는 상기 커패시터(C)의 일단에 연결되고, 상기 제2 인덕터(L2)는 상기 커패시터(C)의 타단에 연결되고, 교류전류의 위상에 따라, 상기 제1 인덕터(L1)와 상기 커패시터(C)가 LC 필터로서 기능하거나 상기 제2 인덕터(L2)와 상기 커패시터(C)가 LC 필터로서 기능한다. 이를 위해, 상기 제1 인덕터(L1)는 상기 제2 권선의 일단에 연결된 제1 노드(a1)와 제3 노드(a3) 사이에 위치하고, 상기 제2 인덕터(L2)는 상기 제2 권선의 타단에 연결된 제2 노드(a2)와 제4 노드(a4) 사이에 위치될 수 있다.
바람직하게, 상기 PWM 작동부는 상기 제1 권선에 의해 상기 제2 권선으로 유도된 교류전압의 위상에 따라 상기 제2 권선에 서로 반대되는 방향으로 전류가 흐르도록 전류 통로를 형성함과 아울러 상기 제어부의 PWM 제어신호에 의해 상기 전류 통로를 펄스폭변조(PWM) 방식으로 단속하는 스위칭 소자를 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 전압조절부에 펄스폭변조(PWM) 방식을 사용하여 상기 제2 권선측에 유도된 교류전압을 가공할 때, 상기 펄스폭변조(PWM) 제어시 발생하는 잉여 전력을 전원 입력측으로 피드백하는 전력관리부를 더 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 전력관리부는, 상기 전압조절부에서 발생한 잉여전력의 위상이 '+' 일 때는 '+' 위상을 가진 입력측 전력 선로에, 상기 전압조절부에서 발생한 잉여전력의 위상이 '-' 일 때는 '-' 위상을 가진 입력측 전력 선로에 잉여 전력을 피드백할 수 있다.
바람직하게, 상기 전력관리부는, 두 개의 스위칭 소자(S2 및 S3)와 복수의 다이오드(D21, D22, D31, D32)로 이루어지되, 상기 스위칭 소자(S2)는 전류 입력단이 N상 전원선에 연결되고 제어단이 P상 전원선에 연결되는 데, 제어단과 P상 전원선 사이에는 P상이 '+' 위상일 때, 상기 스위칭 소자(S2)가 온(ON)되도록 다이오드(D21)가 연결되며, 상기 스위칭 소자(S3)는 전류 입력단이 P상 전원선에 연결되고 제어단이 N상에 연결되는 데, 제어단과 N상 전원선 사이에는 N상이 '+' 위상일 때, 상기 스위칭 소자(S3)가 온(ON)되도록 다이오드(D31)가 연결되고, 상기 스위칭 소자(S2 및 S3)의 전류 출력단의 공통점은 상기 전압조절부에 연결되며, 상기 다이오드(D22)의 일단은 N상 전원선에 연결됨과 아울러 그 타단은 상기 제2 권선의 타단에 연결된 제2 노드(a2)와 연결되고, 상기 다이오드(D32)의 일단은 P상 전원선에 연결됨과 아울러 상기 제2 권선의 일단에 연결된 제1 노드(a1)와 연결될 수 있다.
또한, 상기 전력관리부는 두 개의 스위칭 소자(S2 및 S3)와 복수의 다이오드를 포함하되, 스위칭 소자(S2)는 전류 입력단이 N상 전원선에 연결되고 제어단이 P상 전원선에 연결되고, 스위칭 소자(S3)는 전류 입력단이 P상 전원선에 연결되고 제어단이 N상에 연결되되, 상기 스위칭 소자(S2, S3)는 상기 제어부에 연결되어, 상기 제어부가 P상 및 N상 전원선에 흐르는 교류파형의 위상을 판별하여 제공하는 제어신호에 의해 스위칭 동작하며, 상기 스위칭 소자(S2 및 S3)의 전류 출력단의 공통점은 상기 전압조절부에 연결되고, 상기 복수의 다이오드는, 일단은 N상 전원선에 연결됨과 아울러 그 타단은 상기 제2 권선의 타단에 연결된 제2 노드(a2)와 연결된 다이오드(D22)와, 일단은 P상 전원선에 연결됨과 아울러 상기 제2 권선의 일단에 연결된 제1 노드(a1)와 연결되는 다이오드(D32)를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 전력관리부는, P상 전원선 및 N상 전원선에 각각 연결된 다이오드(D21)와 다이오드(D31)를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 다이오드들(D21, D31)로부터 입력되는 신호에 의해 P상 및 N상 전원선에 흐르는 교류파형의 위상을 판별한다.
바람직하게, 상기 변압기는 토로이달 변압기로 이루어질 수 있다.
바람직하게, 상기 제어부에 기준설정전압을 설정하는 설정부를 더 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 제어부의 제어신호에 따라, 상기 출력전원 측정부로부터 측정된 출력전원 및 상기 제어부의 설정값을 시각적으로 디스플레이하기 위한 표시부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 유도전압 제어를 이용한 절전형 전압 조정기에 따르면, 변압기의 유도전압제어를 이용하여, 사용자가 원하는 레벨의 전압으로 강압되어 입력전압의 변동에 관계없이 사용자가 원하는 일정한 전압을 정밀하게 유지할 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 외부 입력 전원을 사용함이 없이 강압이 이루어지므로 회로 구성을 단순화할 수 있고 사용 에너지 및 에너지 손실을 절감할 수 있는 이점이 있다.
또한 본 발명에 의하면, 토로이달 변압기의 권선방식에 큰 제한을 가하지 않으면서도, 펄스폭변조(PWM) 방식 등을 이용하여 정밀한 출력전압을 강압하여 제공할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 단권 변압기를 이용한 종래 절전기의 개략적인 회로도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유도전압 제어를 이용한 절전형 전압 조정기를 설명하기 위한 개략적인 블록 구성도이다.
도 3은 도 2에 도시된 유도전압 제어를 이용한 절전형 전압 조정기를 개략적으로 도시한 부분 회로도이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되어지는 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유도전압 제어를 이용한 절전형 전압 조정기를 설명하기 위한 블록 구성도이고, 도 3은 도 2에 도시된 유도전압 제어를 이용한 절전형 전압 조정기를 설명하기 위한 회로도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 실시예에 따른 유도전압 제어를 이용한 절전형 전압 조정기는, 크게 변압기(Transformer), 출력전원 측정부(200), 전압조절부(300), 제어부(400), 전력관리부(500), 설정부(600), 표시부(700) 등을 포함한다.
여기서, 본 발명의 일 실시예에 적용된 변압기는 토로이달 변압기(100)를 포함하며, 아래에서는 토로이달 변압기(100)를 사용한 예를 실시예로 하여 설명한다.
토로이달 변압기(100)는 서로 여자되게 토로이달 코어에 감겨진 제1 권선(110)과 제2 권선(120)을 포함한다. 제1 권선(110)은 전원 입력측의 어느 하나의 도선, 예컨대 P상 전원 도선에 일단은 입력단이 되고 타단은 출력단이 되도록 연결되며, 제2 권선(120)의 양단은 전압조절부(300)에 연결된다.
토로이달 변압기(100)는 토로이달 코어(자성체)에 제1 권선(110) 및 제2 권선(120)을 이루도록 도선(통상 동선을 사용한다)을 감은 코일로, 주위물체의 영향을 받지 않고 누설 자속이 적으며, 효율이 좋은 장점이 있다. 또한, 코일 조립체의 길이가 짧아져 사용되는 재료의 실질적인 절감을 얻어 제작가격이 저렴하게 되고, 부피가 작기 때문에 절전형 전압 조정기의 전체 크기를 작게 하여 설치가 용이하고 취급을 간편하게 하는 장점이 있다.
첨부된 도면의 본 발명의 일 실시예는 변압기의 바람직한 실시예로서, 토로이달 변압기(100)를 예시하고 있으나, 이에 제한하지 않으며, 코어에 제1 권선(110)과 제2 권선(120)을 감아 형성한 일반적인 변압기를 사용할 수 있다.
본 발명에 의하면, 토로이달 변압기(100)의 제1 권선(110) 및 제2 권선(120)의 권선 방향은 임의로 결정될 수 있다. 종래의 강압 보상 방식의 절전기의 경우 제1 권선(110) 및 제2 권선(120)에서의 권선 방향 및 이에 따른 전류 방향이 강압 여부를 결정하는 요소가 되지만, 본 발명은 외부 입력 전원 없는 유도전압제어를 이용하므로 제1 및 제2 권선(110 및 120)의 권선 방향에 관계없이 강압이 이루어진다. 따라서 회로 구성이 단순화되고 조립이 용이하다.
출력전원 측정부(200)는 부하에 연결된 전원 출력측에 연결되어 출력되는 출력전압(Vo)의 크기를 측정하는 기능을 수행한다.
출력전원 측정부(200)는 전원 출력측의 양 전원선 즉, P상 전원선 및 N상 전원선에 양단이 연결된 제1 권선(212)과 제1 권선(212)에 여자되게 설치된 제2 권선(214)을 포함하는 전원측정용 변압기(210)와, 제2 권선(214)의 일단에 직렬 연결된 저항(R201)과, 제2 권선(214)에 순차적으로 병렬 연결된 저항(R202), 다이오드 (D203) 및 커패시터(C204)를 포함한다.
따라서, 제1 권선(212)과 제2 권선(214) 간의 권선비에 따라 전압이 유도되면, 저항(R201), 저항(R202)에 의해 분압된 전압이 저항(R202), 다이오드(D203), 커패시터(C204)의 양단에 걸리며, 다이오드(D203)에 의해 반파 정류되고, 커패시터(C204)에 노이즈 성분이 제거되어 제어부(400)로 입력된다. 제어부(400)는 이를 통해 출력전압을 측정할 수 있다. 출력전압 측정부(200)는 공지의 다른 전압 측정 회로가 사용될 수 있다.
출력전원 측정부(200)는 출력전압(Vo)의 첨두치 또는 실효값을 측정하거나, 이들에 대해 일정 시간 단위로 평균치를 구하는 방식으로 출력전압(Vo)의 크기를 결정할 수 있으며, 전원 출력측으로 출력되는 출력전압(Vo)이외에 출력전류 및 출력전력도 측정할 수도 있다.
전압조절부(300)는 제어부(400)로부터 출력된 제어신호를 제공받아, 토로이달 변압기(100)의 제1 권선(110)에 흐르는 전류의 상호유도작용에 의해 제2 권선(120)측에 생성되는 유도전압을 제어함으로써 제1 권선(110)을 통하여 출력되는 출력전압의 크기를 조절한다.
본 발명에 따르면, 전압조절부(300)는 전압평활부(310)와, PWM 작동부(320)를 포함한다.
PWM 작동부(320)는 제1 권선(110)에 의해 제2 권선(120)으로 유도된 교류전압의 위상에 따라 제2 권선(120)에 서로 반대되는 방향으로 전류가 흐르도록 전류 통로를 형성함과 아울러 제어부(400)의 PWM 제어신호에 의해 상기 전류 통로를 펄스폭변조(PWM) 방식으로 단속하는 스위칭 소자를 포함하여 구성된다.
구체적으로, PWM 작동부(320)는 제1 스위칭 소자(S1)와 복수개의 제1 내지 제4 다이오드(D11, D12, D13, D14)를 포함한다.
PWM 작동부(320)는 제1 권선(110)에 흐르는 전류의 상호유도작용에 의하여 제2 권선(120)에 유도된 전압의 P상의 반주기 위상이 '+' 혹은 '-' 상태에 따라 제1 다이오드(D11) 또는 제2 다이오드(D12)를 통하여 제1 스위칭 소자(S1)에 전류가 입력될 수 있도록 연결되고, 제1 스위칭 소자(S1)의 출력단을 거쳐 제4 다이오드(D14) 또는 제3 다이오드(D13)를 통하여 제2 권선(120)으로 흐를 수 있도록 구성된다.
PWM 작동부(320)는 전압평활부(310)를 통해 제2 권선(120)에 연결되는 데, 제2 권선(120)에 병렬로 연결되고 전압평활부(310)의 일부를 이루는 커패시터(C)의 양단에 연결된 제3 노드(a3)와 제4 노드(a4) 사이에 제1 스위칭 소자(S1)에서 출력된 교류파의 위상(+/-)에 따라 전류가 각각 다른 방향으로 흐르도록 제3 다이오드(D13)와 제4 다이오드(D14)가 연결되고, 제3 노드(a3)와 제1 노드(a1) 사이에 전압평활부(310)를 이루는 제1 인덕터(L1)가 연결되고, 제4 노드(a4)와 제2 노드(a2) 사이에 전압평활부(310)를 이루는 제2 인덕터(L2)가 연결되도록 구성된다.
그리고, 제2 권선(120)에 유도된 교류전압의 위상(+/-)에 따라 제1 인덕터(L1) 또는 제2 인덕터(L2)를 통하여 제1 스위칭 소자(S1)로 전류를 입력시키도록 하는 제1 노드(a1)에 연결된 제1 다이오드(D11)와 제2 노드(a2)에 연결된 제2 다이오드(D12)가 서로 역방향으로 연결된다.
따라서, 제1 권선(110)에 의해 제2 권선(120)에 유도된 교류전압의 위상(+/-)에 따라 즉, 제3 노드(a3)에 '+'위상이 걸릴 때에는 제1 권선(110)에 의해 유도된 제2 권선(120)의 유도전류는 제3 노드(a3) -> 제1 인덕터(L1) -> 제1 노드(a1) -> 제1 다이오드(D11) -> 제1 스위칭소자(S1) -> 제4 다이오드(D14) -> 제4 노드(a4)를 거쳐 제2 권선(120)으로 흐르고, 제1 권선(110)에 의해 제2 권선(120)에 유도된 교류전압의 '+' 위상이 제4 노드(a4)에 걸릴 때에는 제1 권선(110)에 의하여 발생된 제2 권선(120)의 유도전류는 제4 노드(a4) -> 제2 인덕터(L2) -> 제2 노드(a2) -> 제2 다이오드(D12) -> 제1 스위칭소자(S1) -> 제3 다이오드(D13) -> 제3 노드(a3)를 거쳐 제2 권선(120)으로 번갈아 흐르게 된다.
즉, 제2 권선(120)에 유도되는 유도 교류전압의 위상에 따라 제2 권선(120)에 서로 반대되는 방향으로 전류가 번갈이 흐르는 전류 통로가 형성된다. 그리고, 전류 통로는 제1 스위칭 소자(S1)에 의해 단속되며, 제1 스위칭 소자(S1)의 단속에 의해 PWM(Pulse Width Modulation, 펄스폭변조) 가공된 유도전압이 전압평활부(310)에 의해 평활되어 제2 권선(120)으로 흐르게 된다.
본 발명의 실시예에서 제1 스위칭 소자(S1)은 하나의 단방향 스위칭 소자로 예시되어 있으나, 병렬로 연결된 복수개의 스위칭 소자를 포함할 수도 있다.
PWM 작동부(320)의 다른 실시예로서, 주기적으로 변경되는 전류의 방향에 따라 복수개의 스위칭 소자를 전류의 방향에 따라 각각 배치하는 방법, 양 방향으로 전류를 소통할 수 있는 스위칭 소자를 이용하여 전류의 방향에 관계없이 구성하는 방법 등이 사용될 수 있다.
그러나 상술된 PWM 작동부(320)는 회로의 구성을 단순화면서도 고가의 스위칭 소자의 사용을 최소화할 수 있다는 점에서 유리하다.
제1 스위칭 소자(S1)는 예컨대, BJT, Power MOSFET, IGBT 등의 전력제어 트랜지스터가 사용되며, 포토커플러(Photo Coupler, PC)(미도시) 등과 같이 전기적으로 절연된 소자를 이용하여 제어부(400)로부터 전기적으로 절연된 신호를 받을 수도 있게 연결된다.
PWM 작동부(320)는 제어부(400)로부터 출력된 제어신호를 받아 펄스폭변조(Pulse Width Modulation, PWM) 방식으로, 제1 권선(110)의 전류에 의하여 제2 권선(120)측에 생성되는 유도전압을 제어하게 되며, 이에 의해 제1 권선(110)의 출력전압이 강압되도록 한다. 즉, 제1 권선(110)측 전류의 상호유도작용에 의하여 제2 권선(120)측에 유도전압이 발생하게 되고, 제2 권선(120)측에 발생한 유도전압을 PWM 등의 방식을 이용하여 단속(short/open)을 되풀이하는 과정에서 제1 권선(110) 측의 출력전압이 변동되도록 하는 것이다.
제1 권선(110)을 통하여 출력되는 출력전압이 강압되는 크기는 제어부(400)의 신호에 의한 제1 스위칭 소자(S1)의 단속 즉, PWM 신호의 온/오프(ON/OFF) 폭의 변화에 따라 결정된다. PWM 신호의 온(ON) 상태가 제2 권선(120)측 유도전압 회로의 양단을 단락(short)시키는 상태를 가정할 때, PWM 신호의 온(ON) 상태의 폭이 넓을수록 제1 권선(110)에서의 전압 강하는 작아지며, 반대로 PWM 신호의 온(ON) 상태의 폭이 좁아질수록 전압 강하는 크게 일어난다.
전압평활부(310)는 PWM 작동부(320)에서 만들어진 PWM 전압을 평활하여 제2 권선(120)측에 평활된 교류전압이 형성되도록 한다.
전압평활부(310)는 제1 및 제2 인덕터(Inductor)(L1 및 L2)와 커패시터(Capacitor)(C)를 포함하며, 커패시터(C)는 제2 권선(120)에 병렬로 연결되고, 제2 권선(120)에 병렬로 연결된 커패시터(C)와, 커패시터(C)의 일단으로 제1 인덕터(L1)의 일단이 연결되고, 커패시터(C)의 타단으로 제2 인덕터(L2)의 일단이 연결된다. 제1 인덕터(L1)는 제1 노드(a1)와 제3 노드(a3) 사이에 위치하고, 제2 인덕터(L2)는 제2 노드(a2)와 제4 노드(a4) 사이에 위치한다. 따라서, 교류전류의 위상에 따라 제1 인덕터(L1)-커패시터(C) 또는 제2 인덕터(L2)-커패시터(C)가 LC필터로서 기능을 한다.
제어부(400)는 예컨대, ATmega, PIC 등과 같은 마이크로 프로세서로 구성되며, 출력전원 측정부(200)로부터 측정된 출력전압(Vo)을 사용자가 기설정한 기준설정전압(Vref)과 비교하여 그 결과에 따라 전압조절부(300)에 의한 전압 강하를 제어하는 기능을 한다.
여기서, 기준설정전압(Vref)은 사용자가 원하는 출력전압으로, 제어부(400) 자체에 내장된 메모리에 미리 저장해 두거나, 별도의 설정부(600)를 통하여 설정하여 제어부(400)에 입력될 수 있도록 할 수 있다.
제어부(400)는 기설정된 기준설정전압(Vref)과 출력전원 측정부(200)에 의해 측정된 출력전압(Vo)을 비교하여 PWM 작동부(320)에서 작동될 PWM 제어 폭을 결정하고, 이에 대응되는 PWM 제어신호로 PWM 작동부(320)의 제1 스위칭 소자(S1)를 제어한다. PWM 신호의 온(ON) 상태가 제2 권선(120)측 유도전압 회로의 양단을 단락(short)시키는 상태일 때, PWM 신호의 온(ON) 상태의 폭이 넓을수록 제1 권선(110)에서의 전압 강하는 작아지며, 반대로 PWM 신호의 온(ON) 상태의 폭이 좁아질수록 전압 강하는 크게 일어난다.
제어부(400)는 출력전압(Vo)이 기준설정전압(Vref)과 일치될 때까지 PWM 신호의 온/오프(ON/OFF) 펄스폭의 증가 또는 감소를 반복하면서 출력전압(Vo)이 기준설정전압(Vref)과 일치되도록 한다.
즉, 제어부(400)는 PWM 작동부(320)의 제1 스위칭 소자(S1)를 통하여 토로이달 변압기(100)의 제2 권선(120)측에 유도된 전압을 PWM 방식으로 단속하며, PWM 제어된 전압은 전압평활부(310)에 의해 평활됨으로써, 제1 권선(110)측에 원하는 전압강하가 발생토록 한다.
또한, 제어부(400)는 자체 내장된 시계를 갖거나 외부에 미도시된 별도의 RTC(Real Time Clock)를 통하여 정확한 시간정보를 알 수 있는 시계의 기능을 가지며, 이를 통한 시간정보와 설정부(600)의 설정정보를 통하여 예약된 시간에 예약된 기능을 수행한다. 즉, 제어부(400)는 내장된 시계나 미도시된 별도의 RTC의 시간을 토대로 설정된 예약시간에 맞춰 전원 출력측과 부하단 사이에 연결되어 있는 릴레이(Relay) 또는 SSR(Solid State Relay)를 제어함으로서 부하단으로 출력되는 전원을 온/오프(ON/OFF)하거나, 설정부(600)를 통하여 설정된 시간에 설정된 레벨의 전압을 출력할 수 있도록 전압조절부(300)의 동작을 제어함으로서 예약된 시간에 예약된 기능을 수행할 수 있다.
또한, 제어부(400)는 시간의 정확성을 위하여 GPS 수신기(미도시)를 구비하여 위성으로부터 정보를 실시간으로 수신 받아 이를 토대로 예약된 시간에 예약된 기능을 수행할 수 있다.
또한, 제어부(400)는 메모리에 저장되어 있거나 설정부(600)를 통하여 수신한 설정값과, 작동 중인 절전상태 등에 관한 정보가 표시부(700)를 통해 표시되도록 표시부(700)를 제어한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유도전압 제어를 이용한 절전형 전압 조정기는 전력관리부(500)를 포함한다.
전력관리부(500)는 전압조절부(300)에 연결되어 전압조절부(300)에서 펄스폭변조(PWM) 방식을 사용하여 토로이달 변압기(100)의 제2 권선(120)측에 유도되는 교류전압을 단속할 때 발생하는 불필요한 잉여전력이나 역기전력과 같은 전기적 충격을 전원 입력(Vi)측으로 피드백(feedback)하는 기능을 수행한다.
전력관리부(500)는 제2 및 제3 스위칭 소자(S2 및 S3)와, 제5 내지 제8 다이오드(D21, D22, D31, D32)를 포함하여 구성된다. 제2 스위칭 소자(S2)는 전류 입력단이 N상 전원선에 연결되고 제어단이 P상 전원선에 연결되는 데, 제어단과 P상 전원선 사이에는 P상이 '+' 위상일 때, 제2 스위칭 소자(S2)가 온(ON)되도록 제5 다이오드(D21)가 연결되며, 제3 스위칭 소자(S3)는 전류 입력단이 P상 전원선에 연결되고 제어단이 N상 전원선에 연결되는 데, 제어단과 N상 전원선 사이에는 N상이 '+' 위상일 때, 제3 스위칭 소자(S3)가 온(ON)되도록 제7 다이오드(D31)가 연결된다.
제2 및 제3 스위칭 소자(S2 및 S3)의 전류 출력단의 공통점은 제3 및 제4 다이오드(D13 및 D14) 사이에 연결된다. 또한, 제6 다이오드(D22)가 제2 노드(a2)와 연결되고, 제8 다이오드(D32)가 제1 노드(a1)와 연결된다. 이러한 연결에 의해 P상 전원이 '+' 일 때 제2 스위칭 소자(S2)가 온(ON)되어 제6 다이오드(D22)와 전류 회로를 형성하고, N상 전원이 '+' 일 때 제3 스위칭 소자(S3)가 온(ON)되어 제8 다이오드(D32)와 전류 회로를 형성한다.
따라서, 입력전원 P상의 위상이 '+' 일 경우에는 제5 다이오드(D21)가 온(ON)되면서 제2 스위칭 소자(S2)가 온(ON)되고, 이때 잉여전력의 위상은 '-'이므로 잉여전력은 제2 스위칭 소자(S2)에 연결된 제6 다이오드(D22)를 통하여 N상으로 피드백 되며, 반대로 입력전원 N상의 위상이 '+' 일 경우에는 제7 다이오드(D31)가 온(ON)되면서 제3 스위칭 소자(S3)가 온(ON)되고, 이때 잉여전력의 위상은 '+'이므로 잉여전력은 제3 스위칭 소자(S3)에 연결된 제8 다이오드(D32)를 통하여 P상으로 피드백된다.
한편, 제2 및 제3 스위칭 소자(S2 및 S3)는 제5 및 제7 다이오드(D21 및 D31)의 신호를 받아 온/오프(ON/OFF)하는 방법 외에도, 제5 및 제7 다이오드(D21 및 D31)에서 발생하는 반주기 '+' 신호를 토대로 제어부(400)에서 P상/N상에 흐르는 교류파형의 '+/-' 위상을 판별하여, 제어부(400)에서 제2 및 제3 스위칭 소자(S2 및 S3)의 온/오프(ON/OFF) 작동을 더 정밀하게 제어할 수도 있다. 이를 위해 제어부(400)는 제5 및 제7 다이오드(D21 및 D31)의 출력신호 즉, 반주기 '+'신호를 받을 수 있도록 연결되며, 이때 제2 및 제3 스위칭 소자(S2 및 S3)는 제어부(400)에 의해 스위칭 동작이 제어되도록 연결된다.
전력관리부(500)는 전압조절부(300)로부터 나오는 잉여전력을 전원 입력측으로 즉, 제1 권선(110)의 입력측 전원으로 피드백하므로 전력 절감 효과가 발생한다. 입력 전원과 피드백 해주는 잉여전력은 모두 교류파이므로, 전력관리부(500)는 전압조절부(300)로부터 나오는 잉여전력의 위상(+/-)과 제1 권선(110) 입력측 전원의 위상(+/-)이 일치되는 방향 즉, 잉여전력의 위상이 '+' 일 때는 '+' 위상을 가진 입력측 전력 선로에, 잉여전력의 위상이 '-' 일 때는 '-' 위상을 가진 입력측 전력 선로에 각각 연결될 수 있도록 구성함으로써 잉여전력을 주선로에 더해주어 전력을 절감하고, 또한 역기전력과 같은 전기적 충격을 입력측 전력 선로에 피드백함으로써 불필요한 전기적 특성을 감소시킬 수 있다.
설정부(600)는 사용자가 제1 권선(110)의 출력단으로 출력을 원하는 전압값 즉, 기준설정전압(Vref)을 설정하거나 현재시간, 시간대에 따라 출력전압을 달리 설정할 경우 해당 시간과 해당 시간의 전압값 등을 설정할 수 있게 한다. 설정부(600)는 각종 설정값을 입력 키나 스위치류, 가변저항 등의 장치를 이용하여 직접 입력하거나, 외부로부터 유/무선 통신(예컨대, RS485, RS232C, WiFi, CDMA 통신 등) 수단을 통하여 원격으로 입력받을 수 있도록 구성되며, 이를 통하여 입력된 설정값을 제어부(400)로 송출한다.
표시부(700)는 제어부(400)의 제어신호에 따라 출력전원 측정부(200)로부터 측정된 출력전원을 비롯하여, 입력 전원, 현재 시각, 설정값, 절전상황 등에 관한 정보를 시각적으로 디스플레이하는 기능을 수행한다.
표시부(700)는, 입력된 영상 신호를 디스플레이할 수 있는 액정 표시소자(LCD, Liquid Crystal Display), 발광 다이오드(LED, Light Emitting Diode), 유기 발광 다이오드(OLED, Organic Light Emitting Diode) 또는 플라즈마 디스플레이(PDP, Plasma Display Panel) 등의 영상 표시모듈로 구성될 수 있다.
전술한 본 발명에 따른 유도전압 제어를 이용한 절전형 전압 조정기에 대한 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명에 속한다.
100 : 토로이달 변압기, 200 : 출력전원 측정부,
300 : 전압조절부, 310: 전압평활부,
320 : PWM 작동부, 400 : 제어부,
500 : 전력관리부, 600 : 설정부,
700 : 표시부

Claims (12)

  1. 서로 여자되게 코어에 감겨진 제1 권선 및 제2 권선을 포함하여, 제1 권선은 전원 입력측의 어느 하나의 전원 도선에 일단이 입력단이 되고 타단이 출력단이 되도록 연결된 변압기;
    상기 변압기의 상기 제2 권선에 연결되어 상기 변압기의 상기 제1 권선측으로부터 상기 제2 권선에 유도되는 교류전압을 가공함으로써 상기 제1 권선측의 출력 전압을 조절하는 전압조절부;
    상기 전압조절부에 의해 상기 제2 권선측에 유도된 교류전압을 가공할 때 발생하는 잉여 전력을 전원 입력측으로 피드백하는 전력관리부; 및
    상기 전압조절부에 의한 전압 조절을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 유도전압 제어를 이용한 절전형 전압 조정기.
  2. 제1항에 있어서,
    전원 측의 전압을 측정하는 전압 측정부를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 전압 측정부와 연결되고 기 설정된 기준설정전압을 상기 전압 측정부의 측정 전압과 비교하여 그 결과에 따라 상기 전압조절부의 전압 조절을 제어하는 것을 특징으로 하는 유도전압 제어를 이용한 절전형 전압 조정기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전압 측정부는 전원 출력측에 연결되어 출력 전압을 측정하는 출력 전압 측정부인 것을 특징으로 하는 유도전압 제어를 이용한 절전형 전압 조정기.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 전압조절부는, 상기 제어부로부터 출력된 제어신호에 따라 펄스폭변조(PWM) 방식을 사용하여 상기 제2 권선측에 유도되는 교류전압을 가공하는 PWM 작동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 유도전압 제어를 이용한 절전형 전압 조정기.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 전압조절부는, 상기 PWM 작동부에서 PWM 가공된 교류전압을 평활하기 위한 전압평활부를 포함하는 것을 특징으로 하는 유도전압 제어를 이용한 절전형 전압 조정기.
  6. 제4 항에 있어서,
    상기 PWM 작동부는, 스위칭 소자(S1)와 복수개의 다이오드(D11, D12, D13, D14)로 이루어지되,
    상기 스위칭 소자(S1)의 전류 입력단에 양 방향으로 전류가 입력될 수 있도록 연결된 다이오드(D11) 및 다이오드(D12)와, 전류 출력단에 양 방향으로 전류가 출력될 수 있도록 연결된 다이오드(D13) 및 다이오드(D14)를 포함하며,
    상기 제2 권선의 일단과 타단에 각각 연결된 제1 노드(a1)와 제2 노드(a2) 사이에 스위칭 소자(S1)로 전류를 입력시키는 다이오드(D11) 및 다이오드(D12)가 서로 역방향으로 연결되고, 상기 제2 권선의 일단과 제1 노드(a1) 사이에 위치하는 제3 노드(a3)와 제2 권선(120)의 타단과 제2 노드(a2) 사이에 위치하는 제4 노드(a4) 사이에 스위칭 소자(S1)에서 출력된 전류가 흐르는 다이오드(D13) 및 다이오드(D14)가 서로 역방향으로 연결되는 것을 특징으로 하는 유도전압 제어를 이용한 절전형 전압 조정기.
  7. 제5 항에 있어서,
    상기 전압평활부는, 제1 및 제2 인덕터(L1 및 L2)와 커패시터(C)로 구성되되,
    상기 커패시터(C)는 상기 제2 권선에 병렬로 연결되며, 상기 제1 인덕터(L1)는 상기 커패시터(C)의 일단에 연결되고, 상기 제2 인덕터(L2)는 상기 커패시터(C)의 타단에 연결되고,
    교류전류의 위상에 따라, 상기 제1 인덕터(L1)와 상기 커패시터(C)가 LC 필터로서 기능하거나 상기 제2 인턱터(L2)와 상기 커패시터(C)가 LC 필터로서 기능하는 것을 특징으로 하는 유도전압 제어를 이용한 절전형 전압 조정기.
  8. 제4 항에 있어서,
    상기 PWM 작동부는 상기 제1 권선에 의해 상기 제2 권선으로 유도된 교류전압의 위상에 따라 상기 제2 권선에 유도 전류가 흐르도록 전류 통로를 형성함과 아울러 상기 제어부의 PWM 제어신호에 의해 상기 전류 통로를 펄스폭변조(PWM) 방식으로 단속하는 스위칭 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 유도전압 제어를 이용한 절전형 전압 조정기.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 전력관리부는, 상기 전압조절부에서 발생한 잉여전력의 위상이 '+' 일 때는 '+' 위상을 가진 입력측 전력 선로에, 상기 전압조절부에서 발생한 잉여전력의 위상이 '-' 일 때는 '-' 위상을 가진 입력측 전력 선로에 잉여 전력을 피드백하는 것을 특징으로 하는 유도전압 제어를 이용한 절전형 전압 조정기.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 전력관리부는, 두 개의 스위칭 소자(S2 및 S3)와 복수의 다이오드(D21, D22, D31, D32)로 이루어지되,
    상기 스위칭 소자(S2)는 전류 입력단이 N상 전원선에 연결되고 제어단이 P상 전원선에 연결되는 데, 제어단과 P상 전원선 사이에는 P상이 '+' 위상일 때, 상기 스위칭 소자(S2)가 온(ON)되도록 다이오드(D21)가 연결되며, 상기 스위칭 소자(S3)는 전류 입력단이 P상 전원선에 연결되고 제어단이 N상에 연결되는 데, 제어단과 N상 전원선 사이에는 N상이 '+' 위상일 때, 상기 스위칭 소자(S3)가 온(ON)되도록 다이오드(D31)가 연결되고,
    상기 스위칭 소자(S2 및 S3)의 전류 출력단의 공통점은 상기 전압조절부에 연결되며,
    상기 다이오드(D22)의 일단은 N상 전원선에 연결됨과 아울러 그 타단은 상기 제2 권선의 타단에 연결된 제2 노드(a2)와 연결되고, 상기 다이오드(D32)의 일단은 P상 전원선에 연결됨과 아울러 상기 제2 권선의 일단에 연결된 제1 노드(a1)와 연결되는 것을 특징으로 하는 유도전압 제어를 이용한 절전형 전압 조정기.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 전력관리부는 두 개의 스위칭 소자(S2 및 S3)와 복수의 다이오드를 포함하되,
    스위칭 소자(S2)는 전류 입력단이 N상 전원선에 연결되고 제어단이 P상 전원선에 연결되고, 스위칭 소자(S3)는 전류 입력단이 P상 전원선에 연결되고 제어단이 N상에 연결되되, 상기 스위칭 소자(S2, S3)는 상기 제어부에 연결되어, 상기 제어부가 P상 및 N상 전원선에 흐르는 교류파형의 위상을 판별하여 제공하는 제어신호에 의해 스위칭 동작하며,
    상기 스위칭 소자(S2 및 S3)의 전류 출력단의 공통점은 상기 전압조절부에 연결되고,
    상기 복수의 다이오드는, 일단은 N상 전원선에 연결됨과 아울러 그 타단은 상기 제2 권선의 타단에 연결된 제2 노드(a2)와 연결된 다이오드(D22)와, 일단은 P상 전원선에 연결됨과 아울러 상기 제2 권선의 일단에 연결된 제1 노드(a1)와 연결되는 다이오드(D32)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 유도전압 제어를 이용한 절전형 전압 조정기.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 전력관리부는, P상 전원선 및 N상 전원선에 각각 연결된 다이오드(D21)와 다이오드(D31)를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 다이오드들(D21, D31)로부터 입력되는 신호에 의해 P상 및 N상 전원선에 흐르는 교류파형의 위상을 판별하는 것을 특징으로 하는 유도전압 제어를 이용한 절전형 전압 조정기.
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