KR102235963B1 - 입력 및 출력 변압기가 없는 절연형 무정전전원장치 - Google Patents

Abstract

계통전원으로부터 교류 전력을 공급받아 교류 전압으로 변환하여 축전지에 맞는 직류 전압을 갖도록 하는 3상 또는 단상 정류부;
정류부를 제어 할 수 있는 정류 제어부;
직류 전원을 저장 또는 공급 할 수 있는 축전지;
직류 전원을 승압시켜 인버터에 전달하며 입력 회로와 출력 회로를 절연하는 DC-DC 컨버터부;,
직류 전원을 3상 또는 단상 교류 전원으로 변환하는 인버터부;
인버터부를 제어 할 수 있는 인버터 제어부;를 포함하는 입출력 변압기가 없는 절연형 무정전전원장치

Description

입력 및 출력 변압기가 없는 절연형 무정전전원장치{Isolated Uninterruptible Power Supply without Input and Output Transformer}

본 발명은 입력 및 출력 변압기가 없는 무정전전원장치(UPS)에 관한 것으로, 특히 입력과 출력을 절연할 수 있는 무정전전원장치(UPS)에 관한 것이다

무변압기형 무정전전원장치(UPS)는 우수한 효율, 작은 크기와 무게 등 장점이 많고, 기존의 무정전전원장치(UPS)와 동일한 성능 및 기능을 보유하고 있다.

그러나 무변압기형 무정전전원장치(UPS)를 사용함에 있어 입력과 출력측에 절연이 되어 있지 않아 회로의 단락으로 인해 폭발 등 기기의 결함이 야기된다.

이러한 결함은 부하 장비에 안정적인 전원을 공급할 수 없어 신뢰성이 현저히 떨어지는 것뿐만 아니라 사용자에게 위협이 되고 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 무변압기형 무정전전원장치(UPS)의 출력단에 출력 변압기를 추가하여 절연하는 방법이 사용되고 있다.

그러나 출력 변압기를 추가함으로써 입력과 출력 회로의 절연 효과를 얻을 수 있지만 효율 저하, 크기 증가, 무게 증가 등 무변압기형 무정전전원장치(UPS)의 장점이 없어진다.

등록특허공보 제10-1887092호(2018. 8. 3) 등록특허공보 제10-1425141호(2014. 7. 24) 등록특허공보 제10-1476099호(2014. 12. 17)

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 기존의 무변압기형 무정전전원장치(UPS)의 장점을 포함하고 입력과 출력 회로를 절연하여 부하 장비에 안정적인 전원을 공급하고, 안정적이고 안전하게 사용할 수 있는 무변압기형 절연 무정전전원장치를 공급하는 것이다.

이러한 목적 달성을 위하여 본 발명은 입력 및 출력 변압기가 없는 절연형 무정전전원장치를 제안한다. 이 무정전전원장치는 계통전원으로부터 교류 전력을 공급받아 직류 전압으로 변환하여 축전지에 맞는 직류 전압을 갖도록 하는 비엔나 정류기로 구성된 무변압기형 3상 또는 단상 정류부, 정류부를 제어 할 수 있는 정류 제어부 직류 전원을 저장 또는 공급 할 수 있는 축전지, 직류 전원을 승압시켜 인버터에 전달하며 입력 회로와 출력 회로를 절연시킬 수있는 DC-DC 컨버터부, 직류 전원을 3상 또는 단상 교류 전원으로 변환하는 무변압기형 인버터부, 인버터부를 제어 할 수 있는 인버터 제어부로 구성 함을 특징으로 한다.

본 발명은 고주파 변압기의 체적과 무게를 줄이고, 직류 자기 플럭스 편향이 일어나지 않아 직류 블록 캐패시터를 추가하지 않아도 되며, 또한 고주파 변압기의 추가로 입력 회로와 출력 회로 사이에 절연이 가능하도록 한 것이다.

도 1 은 본 발명의 전체를 보여주는 대표도면이다.
도 2 및 3은 본 발명에 따른 비엔나 정류기의 구성을 보여주는 도면이다.
도 4 는 도 2 및 도 3의 등가회로이다.
도 5 는 본 발명에 따른 정류 제어부의 계통도이다.
도 6 은 본 발명에 따른 (a) SPWM 스위치 및 (b) SVPWM 스위치 실시예이다.
도 7 은 본 발명에 따른 DC-DC 컨버터이다.
도 8은 본 발명에 따른 인버터 제어부이다.
도 9 내지 도 12는 본 발명에 따른 무정전전원장치(UPS)의 전체 동작 상태도이다.

본 발명에 적용된 입출력 변압기가 없는 절연형 무정전전원장치는 도 1 내지 도 12 에 도시된 바와 같이 구성되는 것이다.

하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.

그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 설정된 용어들로서 이는 생산자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1에 개시된 본 발명 입력 및 출력 변압기가 없는 절연형 무정전전원장치를 설명한다.

본 발명은 계통전원으로부터 교류 전력을 공급받아 직류 전압으로 변환하여 축전지에 맞는 직류 전압을 갖도록 하는 비엔나 정류기로 구성된 무변압기형 3상 또는 단상 정류부(100), 정류부를 제어 할 수 있는 정류 제어부(도면 미도시), 직류 전원을 저장 또는 공급 할 수 있는 축전지(200), 직류 전원을 승압시켜 인버터에 전달하며 입력 회로와 출력 회로를 절연시킬 수 있는 DC-DC 컨버터부(300), 직류 전원을 3상 또는 단상 교류 전원으로 변환하는 무변압기형 인버터부(400), 인버터부를 제어 할 수 있는 인버터 제어부(도면 미도시)로 구성된다.

정류부(100)는 비엔나 정류기(Vienna Rectifier)로 구성되어 있으며 3상 또는 단상의 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 역할을 한다. 이때 비엔나 정류기는 다이오드Diode)의 구성에 따라 2-레벨(도면 2) 또는 3-레벨(도면 3)로 구성할 수 있다.

도면 2와 도면 3의 두 회로는 도면 4와 같이 등가회로로 나타낼 수 있다.

E_a, E_b, E_c는 계통전압이며 i_a, i_b, i_c는 각 저항에 흐르는 전류이다. 또한 V_MN은 등가회로에서 회로 양단의 총 전압이며 V_sa, V_sb, V_sc는 3상 직류 전압이다. 또한 S_ij(i=a, b, c, j=n, p)는 스위칭 함수이다. 스위치의 ON, OFF 상태에 따라 1 또는 0으로 정의된다. 각 캐패시터에 인가되는 전압은 다음과 같다.

비엔나 정류기를 통해 변환된 직류 전압의 크기는 인덕터 값(Inductance)으로 조정할 수 있으며 다음과 같이 구할 수 있다. 또한 인덕터는 입력 전류를 감소시키고 입력 전압의 리플을 감소시키는 역할을 한다.

정류부(100)를 제어하기 위한 정류 제어부의 계통도는 도면 5와 같다.

출력 직류 전압(V_DC)과 직류 전압 지령치(V_{DC_ref})의 차를 PI 제어기(Controller)에 입력하여 출력된 PWM(Pulse Width Modulation) 기준 값(PWM_REF)에 의하여 사용자가 원하는 전압으로 조정하는 직류 전압 조정부(DC Voltage Control);

DQ 변환된 입력 3상 또는 단상의 전원(E_a, E_b, E_c)으로부터 위상각 θ와 각속도 ω를 출력하는 PLL(Phase Lock Loop);

출력 직류 전류(I_batt)와 직류 전류 지령치(I_{batt_Lim})의 차를 PI 제어기(Controller)에 통과시켜 출력된 값에 의하여 충전하는 충전 전류값 조정부(Charge Current Control);

상기 충전 전류값 조정부(Charge Current Control)로 입력되는 값과 입력 전류(I_a, I_b, I_c)를 DQ 변환 한 값의 차이 값을 PI 제어기를 통해 과도상태 및 노이즈를 제어하고, 상기 PLL(Phase Lock Loop)에서 출력된 위상각과 각속도를 이용하여 DQ 역변환하고, DQ 역변환된 값과 PWM(Pulse Width Modulation) 기준 값(PWM_REF)을 이용하여 생성된 SPWM(Sinusoidal Pulse Width Modulation) 또는 SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation) 출력부;

상기 SPWM(Sinusoidal Pulse Width Modulation) 또는 SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation) 출력부, 상기 직류 전압 조정부(DC Voltage Control) 및 상기 충전 전류값 조정부(Charge Current Control)로부터의 출력 신호에 의해 비엔나 정류기의 직류 전압과 직류 전류를 제어한다.

도면 6은 (a) SPWM 회로와 (b) SVPWM 회로의 스위치 구성의 실시예를 보여준다.

실시예 (a)의 SPWM 스위치는 다이오드와 트랜지스터의 역병렬 접속, (b)의 SVPWM 스위치는 다이오드와 트랜지스터의 역병렬 접속체 2개가 직렬로 접속되어 있다.

PWM(Pulse Width Modulation) 제어로 조정된 직류 전압과 직류 전류로 축전지(200)에 전원을 저장할 수 있다.

무정전전원장치(UPS)의 인버터부에 전압을 공급하여 교류 전원을 얻기 위해서는 도 7의 DC-DC 컨버터를 이용하여 직류 전원을 승압해야 한다. 또한 입력 회로와 출력 회로의 절연을 위해 고주파 변압기(700)를 추가한다.

변압기(700)의 코어는 나노 크리스탈라인(Nano-Crystalline)을 사용한다. 이러한 코어를 사용하여 고주파 변압기를 제작함으로써 체적과 무게를 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 직류 자기 플럭스 편향이 발생하지 않아 직류 블록 캐패시터를 추가하지 않아도 된다.

또한 고주파 변압기(700)를 추가함으로써 입력 회로와 출력 회로 사이에 절연이 가능하다.

또한 고주파 변압기(700)는 변환 효율이 좋기 때문에 무정전전원장치 전체 시스템의 효율 상승 효과를 볼 수 있다. 도 7의 DC-DC 컨버터를 통해 승압된 직류 전원은 인버터부를 통해 교류 전원 출력을 갖게 된다.

도 8은 인버터 제어부의 블록 다이아그램이다.

입력 전원(E_a, E_b, E_c)과 출력 전원(V_a, V_b, V_c)에 대해 각각 DQ 변환 후에 PI 제어기(Controller)를 통과시키고 PLL에 의해 위상각 θ, 각속도 ω를 출력한다.

이때 계통전원이 정상이면 계통전원의 위상각 θ, 각속도 ω와 동기화하여 SPWM 또는 SVPWM을 만들어 인버터 제어기(Inverter Controller)에 출력한다.

계통전원이 비정상이면 출력 전원의 PLL은 프리 러닝(Free Running)하며, SPWM 또는 SVPWM 신호를 인버터 제어기(Inverter Controller)에 출력한다.

본 발명에 따른 무정전전원장치(UPS)의 전체 동작 상태는 도 9 내지 12와 같다.

계통 전원이 정상일 때 도 9와 같이 정류기는 축전지와 인버터에 직류 전원을 공급하며 인버터를 통해 교류 전원을 부하에 공급한다.

계통 전원이 비정상일 때 도 10과 같이 축전지에서 교류 전원을 공급받아 인버터를 통해 교류 전원을 부하에 공급한다.

계통 전원이 정상이고 정류기가 고장일 때 도 11과 같이 인버터는 축전지로부터 직류 전원을 공급받아 부하에 교류 전원을 공급한다.

계통 전원이 정상이고 인버터가 고장일 때 도 12와 같이 바이패스를 통해 부하에 전원을 공급한다.

Claims (5)

1. 계통전원으로부터 교류 전력을 공급받아 직류 전압으로 변환하여 축전지에 맞는 직류 전압을 갖도록 하는 비엔나 정류기로 구성된 무변압기형 3상 또는 단상 정류부;
   정류부를 제어 할 수 있는 정류 제어부;
   직류 전원을 저장 또는 공급 할 수 있는 축전지;
   직류 전원을 승압시켜 인버터에 전달하며 입력 회로와 출력 회로를 절연하는 DC-DC 컨버터부;,
   직류 전원을 3상 또는 단상 교류 전원으로 변환하는 무변압기형 인버터부;
   인버터부를 제어 할 수 있는 인버터 제어부;를 포함하며,
   상기 정류 제어부는
   출력 직류 전압(V_DC)과 직류 전압 지령치(V_{DC_ref})의 차를 PI 제어기(Controller)에 입력하여 출력된 PWM(Pulse Width Modulation) 기준 값(PWM_REF)에 의하여 사용자가 원하는 전압으로 조정하는 직류 전압 조정부(DC Voltage Control);
   DQ 변환된 입력 3상 또는 단상의 전원(E_a, E_b, E_c)으로부터 위상각 θ와 각속도 ω를 출력하는 PLL(Phase Lock Loop);
   출력 직류 전류(I_batt)와 직류 전류 지령치(I_{batt_Lim})의 차를 PI 제어기(Controller)에 통과시켜 출력된 값에 의하여 충전하는 충전 전류값 조정부(Charge Current Control);
   상기 충전 전류값 조정부(Charge Current Control)로 입력되는 값과 입력 전류(I_a, I_b, I_c)를 DQ 변환 한 값의 차이 값을 PI 제어기를 통해 과도상태 및 노이즈를 제어하고, 상기 PLL(Phase Lock Loop)에서 출력된 위상각과 각속도를 이용하여 DQ 역변환하고, DQ 역변환된 값과 PWM(Pulse Width Modulation) 기준 값(PWM_REF)을 이용하여 생성된 SPWM(Sinusoidal Pulse Width Modulation) 또는 SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation) 출력부를 포함하며,
   상기 SPWM(Sinusoidal Pulse Width Modulation) 또는 SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation) 출력부, 상기 직류 전압 조정부(DC Voltage Control) 및 상기 충전 전류값 조정부(Charge Current Control)로부터의 출력 신호에 의해 비엔나 정류기의 직류 전압과 직류 전류를 제어하는 것을 특징으로 하는 입출력 변압기가 없는 절연형 무정전전원장치
   
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 SPWM 출력부의 스위치는 다이오드와 트랜지스터의 역병렬 접속, 상기 SVPWM 출력부의 스위치는 다이오드와 트랜지스터의 역병렬 접속체 2개가 직렬로 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 입출력 변압기가 없는 절연형 무정전전원장치
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 DC-DC 컨버터부는 입력 회로와 출력 회로의 절연을 위해 고주파 변압기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 입출력 변압기가 없는 절연형 무정전전원장치
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 인버터 제어부는
   (1) 입력 전원(E_a, E_b, E_c)과 출력 전원(V_a, V_b, V_c)에 대해 각각 DQ 변환 후에 PI 제어기(Controller)를 통과시키고 PLL에 의해 위상각 θ, 각속도 ω를 출력하는 단계
   (2) 계통전원이 정상이면 계통전원의 위상각 θ, 각속도 ω와 동기화하여 SPWM 또는 SVPWM을 만들어 인버터 제어기(Inverter Controller)에 출력하는 단계;
   (3) 계통전원이 비정상이면 출력 전원의 PLL은 프리 러닝(Free Running)하며, SPWM 또는 SVPWM 신호를 인버터 제어기(Inverter Controller)에 출력하는 단계;로 작동하는 것을 특징으로 하는 입출력 변압기가 없는 절연형 무정전전원장치
   

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