KR102527119B1 - 릴레이장치부 및 이를 구비하는 배전반 - Google Patents

Abstract

본 발명은 릴레이장치부 및 이를 구비하는 배전반에 관한 것이다.
본 발명에서는 인쇄회로기판 하부에 다른 홀과는 전기적으로 절연상태를 유지하면서 제1접속단자홀에만 전기적으로 연결되는 제1독립패턴부와, 다른 홀과는 전기적으로 절연상태를 유지하면서 입력핀홀에만 전기적으로 연결되는 제2독립패턴부 및 제2접속단자홀 및 출력핀홀을 전기적으로 연결하는 연결패턴부을 포함하고, 제1독립패턴부 및 제2독립패턴부에 각각 입력핀 및 출력핀이 접속되며 릴레이소자에 흐르는 상용전류를 시간에 따라 변하는 전압 형태로 전압출력단자(Vout1)를 통해 출력하는 전류전압변환기를 인쇄회로기판 하면에 포함하는 것을 특징으로 하는 릴레이장치부가 개시된다.
본 발명에 따른 릴레이장치부 및 이를 구비하는 배전반을 이용하면 실제 소비 전력을 시간별, 계절별 및 날씨별 등으로 세부적인 분류기준에 따라 측정할 수 있으므로 각 릴레이소자에 연결된 부하의 전원을 효율적으로 제어할 수 있게 되었다.

Description

릴레이장치부 및 이를 구비하는 배전반{RELAY APPARATUS AND POWER SWITCHBOARD WITH THE SAME}

본 발명은 릴레이장치부 및 이를 구비하는 배전반에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 각 릴레이소자와 연결된 부하가 소비하는 전류량을 측정할 수 있는 릴레이장치부 및 이를 구비하는 배전반에 관한 것이다.

외부에서 공급되는 상용전원을 빌딩 내부의 각 층 또는 가정집에 배치된 전기기기에 분배하기 위해 배전반이 사용되고 있다.

도 1은 누설 및 과부하 전류차단 기능만 제공하는 종래 배전반의 구성도이다. 누설 차단 기능만 제공하는 종래 배전반(301)은 메인차단기 및 N개 분기차단기로 구성된다. 메인차단기는 외부에서 공급되는 상용전원(제1상용전원선, 제2상용전원선)을 입력받고 복수 개 분기차단기에 공급하는 전기적인 경로상에 설치되며, 허용치 이상의 전류가 흐를 경우 제1상용전원선 또는 제2상용전원선을 차단시키는 차단기가 구비되는 전기장치이다. 각 분기차단기는 메인차단기로부터 공급되는 상용전원을 각각에 대응되는(연결되는) 부하에 공급하는 경로상에 설치되며, 허용치 이상의 전류가 흐를 경우 제1상용전원선 또는 제2상용전원선을 차단시키는 차단기가 구비되는 전기장치이다.

작은 크기의 가정집에 설치되는 배전반에는 메인차단기만 구비될 수 있다. 빌딩의 경우는 각 층마다 도 1에 제시된 바와 같은 배전반이 설치되는 것이 일반적이며, 이 경우 제1부하로는 해당 층에 설치된 모든 전등소자(램프)가 연결되고, 제2부하로는 해당 층에 설치된 에어컨들이 연결되고, 제3부하로는 해당 층에 설치된 전열기구들이 연결되도록 설치할 수 있음은 물론이다.

도 1에 제시된 종래 배전반은 누설전류 차단 기능만 제공한다. 이보다 개량된 배전반은 각 분기차단기와 각 부하사이에 릴레이소자를 설치하고, 릴레이소자를 제어하여 해당되는 분기차단기와 연결된 모든 부하에 공급되는 전원을 한꺼번에 온/오프 제어할 수 있는 기능을 제공한다.

도 2는 온/오프 제어 기능이 부가된 종래 배전반을 포함한 전력제어 시스템 구성도이며, 도 3은 도 2에 제시된 릴레이장치부(100)의 세부 구성도이다. 도 2에 제시된 온/오프 제어 기능이 부가된 종래 배전반(303)을 도 1에 제시된 종래 배전반(301)과 비교하여 추가된 구성 및 기능에 대해 간략히 설명하기로 한다. 각 분기차단기와 대응되는 부하 사이에 릴레이소자를 갖는 릴레이장치부(100)를 부가하고, 복수 개 릴레이소자를 제어하는 중앙제어기 및 제어컴퓨터를 추가로 구비한다. 릴레이장치부(100)에는 릴레이소자(제1릴레소자, ..., 제N릴레소자)가 구비되고, 각 릴레이소자(제1릴레이소자, ..., 제N릴레이소자)에는 대응하는 부하(제1부하, ..., 제N부하)가 연결된다. 제어 컴퓨터는 사용자에게 조작이 간편한 GUI(Graphic User Interface)를 제공하고, 해당 UI를 이용하여 사용자가 조작하면 해당 조작신호를 유무선 통신망을 통해 중앙제어기에 제어신호로 송부하는 장치이다. 제어 컴퓨터는 통신 기능이 구비된 개인용 컴퓨터 또는 모바일 폰 등으로 구현될 수 있다. 중앙제어기는 제어 컴퓨터로부터 수신되는 제어신호에 따라 복수 개 릴레이소자를 온/오프 제어하는 신호를 발생시키는 장치이다. 도 2에서는 중앙제어기에 하나의 릴레이장치부(100)가 연결된 구성이 도시되었으나 실제 빌딩에서는 각 층마다 배전반(303)가 설치되는 것이 일반적이므로 하나의 중앙제어기에 복수 개 릴레이장치부(100)가 연결되는 것으로 이해되어져야 한다. 도 3에 도시된 바와 같이 릴레이장치부(100)는 릴레이제어보드(110) 및 릴레이소자보드(130)로 구성된 두 개의 보드(board)로 구성되는 것이 일반적이다. 릴레이소자보드(130)에는 복수 개 릴레이소자가 실장되고, 릴레이제어보드(110)에는 복수 개 릴레이소자를 온/오프 제어하기 위한 온/오프 회로소자 및 통신소자가 실장된다.

그런데 온/오프 제어 기능이 부가된 종래 배전반은 각 릴레이소자에 연결된 부하의 전력 사용량을 체크하지 못하는 상태에서 사용자 선택에 따라 복수 개 부하와 연결된 릴레이소자를 개별적으로 온/오프 제어하는 기능만을 제공하므로 효율적인 전력제어를 수행하지 못하는 문제점을 지니고 있었다.

특허문헌1: 한국 등록실용신안 제20-0343367호 (2004.02.18)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 하는 것으로서, 각 릴레이소자에 연결된 부하의 전류 사용량을 측정하는 소자를 구비하는 릴레이장치부 및 이를 구비하는 배전반을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 상기 목적은 외부에서 공급되는 상용전원을 차단기를 통해 입력받은 후 복수 개 릴레이소자를 이용하여 온/오프 제어하여 각각의 릴레이소자에 접속된 부하에 온/오프 제어하면서 상용전원을 공급하는 릴레이장치부에 있어서, 인쇄회로기판과, 인쇄회로기판 상부 전방 영역에 실장되는 연결대와, 연결대의 후방 영역의 인쇄회로기판 상부에 실장되는 복수 개 릴레이소자와, - 연결대에는 차단기로부터 입력되는 상용전원선과 연결되는 제1접속단자부 및 부하로 공급되는 상용전원선과 연결되는 제2접속단자부가 상기 각 릴레이소자마다 구비됨 -, - 상기 각 릴레이소자에는 입력핀, 출력핀 및 복수 개 제어핀이 구비됨 - 인쇄회로기판에는 상기 연결대의 상기 제1접속단자부 중 적어도 일부를 삽입하기 위한 제1접속단자홀, 상기 제2접속단자부 중 적어도 일부를 삽입하기 위한 제2접속단자홀, 상기 릴레이소자의 입력핀, 출력핀 및 제어핀을 각각 삽입하기 위한 입력핀홀, 출력핀홀 및 제어핀홀을 포함하고, 인쇄회로 하부에는 다른 홀과는 전기적으로 절연상태를 유지하면서 제1접속단자홀 및 제2접속단자홀 중에서 선택된 어느 하나의 접속단자홀에만 전기적으로 연결되는 제1독립패턴부와, 다른 홀과는 전기적으로 절연상태를 유지하면서 입력핀홀 및 출력핀홀 중에서 선택된 어느 하나의 핀홀에만 전기적으로 연결되는 제2독립패턴부 및 나머지 접속단자홀과 입력핀홀 및 출력핀홀 중에서 선택되지 않은 나머지 핀홀을 전기적으로 연결하는 연결패턴부을 포함하고, - 제1독립패턴부가 상기 제1접속단자홀에 접속되도록 형성될 경우에는 제2독립패턴부는 상기 입력핀홀과 접속되도록 형성되며, 제1독립패턴부가 제2접속단자홀에 접속되도록 형성될 경우에는 제2독립패턴부는 출력핀홀과 접속되도록 형성됨 -, 제1독립패턴부 및 상기 제2독립패턴부 중 선택된 어느 하나의 독립패턴부에 입력핀이 연결되고 나머지 하나의 독립패턴부에는 출력핀이 연결되며 상기 릴레이소자에 흐르는 상용전류를 시간에 따라 변하는 전압 형태로 전압출력단자(Vout1)를 통해 출력하는 전류전압변환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 릴레이장치부에 의해 달성 가능하다.

바람직하게는 연결대는 제1접속단자부 및 제2접속단자부를 각각 수용하는 수용공간을 갖는 부도체의 프레임을 더 포함하고, - 각 수용공간 하부에는 통과홀이 형성됨 -, 제1접속단자부 또는 제2접속단자부는 일측 외면에 노출 형성되는 상용전원선 체결부를 구비하고 상용전원선 체결부와 연동되도록 일체로 형성되며 하부에는 상기 통과홀을 관통하여 외부로 돌출 형성되는 접속삽입핀을 갖는 도전체로 형성되는 것이 좋다.

바람직하게는 연결대는 상기 제1접속단자부 및 상기 제2접속단자부를 각각 수용하는 수용공간을 갖는 부도체의 프레임을 더 포함하고, 제1접속단자부는 상부에는 나사결합홀을 구비하고 하부에는 상기 통과홀을 관통하여 외부로 돌출 형성되는 접속삽입핀을 갖는 연결전극부, 나사결합홀에 나사 결합되는 결합나사 및 결합나사에 끼워지는 결합판을 포함하는 것이 좋다.

바람직하게는 일정한 샘플링 주기별로 전류전압변환기의 출력을 디지털 전압값으로 변환하는 AD 변환부와, AD 변환부로부터 입력되는 디지털 전압값을 이용하여 제1주기 동안의 평균 전류값을 산출하는 신호처리부와, 전류전압변환기의 입력 전류값 대비 출력 전압값에 관한 특성을 저장하는 메모리를 포함하고, AD 변환부, 신호처리부 및 메모리는 인쇄회로기판 하면에 실장되는 것이 좋다.

바람직하게는 샘플링 주기를 결정하는 샘플링 주파수는 1.2KHz 이상인 것이 좋으며, 더욱 바람직하게는 샘플링 주파수는 2.4KHz 이상인 것이 좋다.

본 발명의 또 다른 목적은 지금까지 설명한 릴레이장치부 및 누설 전류를 차단하고 상기 릴레이장치부에 상용전원을 공급하는 적어도 하나의 차단기를 포함하는 배전판에 의해서 달성 가능하다.

본 발명에 따른 릴레이장치부 및 이를 구비하는 배전반에 의하면 각 릴레이소자에 연결된 부하가 소비하는 전류량을 일정한 샘플링 주기로 측정하고 이를 누적함으로써 각 릴레이소자와 연결된 부하가 소비하는 실제 소비 전력을 계산할 수 있게 되었다.

특히, 본 발명에 따른 릴레이장치부에서는 하나의 통합 보드 상에 복수 개 릴레이소자와 이를 제어하는 제어회로소자를 모두 실장하고, 통합 보드 배면의 회로 배선을 적절히 변경하고, 변경된 회로 배선에 전류측정소자를 실장함으로써 소형화할 수 있게 되었다. 이로 인해 종래 배전반의 구성을 크게 변경함이 없이도 본 발명에 따른 릴레이장치부를 적용할 수 있게 되었다.

본 발명에 따른 릴레이장치부 및 이를 구비하는 배전반을 이용하면 실제 소비 전력을 시간별, 계절별 및 날씨별 등으로 세부적인 분류기준에 따라 측정할 수 있으므로 각 릴레이소자에 연결된 부하의 전원을 효율적으로 제어할 수 있게 되었다.

도 1은 누설 차단 기능만 제공하는 종래 배전반의 구성도.
도 2는 온/오프 제어 기능이 부가된 종래 배전반을 포함한 전력제어 시스템 구성도.
도 3은 도 2에 제시된 릴레이장치부(100)의 세부 구성도.
도 4는 본 발명에 따른 일 실시예의 릴레이장치부의 사시도.
도 5는 연결대의 정면도.
도 6은 도 5의 A-A 방향 절단면도.
도 7은 릴레이소자의 정면도 및 배면도.
도 8은 본 발명에 따른 릴레이장치부를 구성하는 인쇄회로기판 평면도.
도 9는 본 발명에 따른 릴레이장치부를 구성하는 인쇄회로기판 배면도.
도 10은 본 발명에 따른 일 실시예의 전류전압변환기 입력 파형 및 출력 파형도.
도 11은 상용전원의 입력 전류 파형을 정규화(최대 피크값을 '1'로 정규화함)하여 반 주기(T/2)만큼만 도시한 파형도.

본 발명에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로 본 발명을 한정하려는 의도가 있는 것은 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명확하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서 “포함하다” 또는 “가지다” 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들 이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

또한, 본 명세서에서, “~ 상에 또는 ~ 상부에” 라 함은 대상 부분의 위 또는 아래에 위치함을 의미하는 것이며 반드시 중력 방향을 기준으로 상 측에 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다. 또한, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 “상에 또는 상부에” 있다고 할 때, 이는 다른 부분 “바로 상에 또는 상부에” 접촉하여 있거나 간격을 두고 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함된다.

또한, 본 명세서에서, 일 구성요소가 다른 구성요소와 “연결된다” 거나 “접속된다” 등으로 언급된 때에는, 상기 일 구성요소가 상기 다른 구성요소와 직접 연결 되거나 또는 직접 접속될 수도 있지만, 특별히 반대되는 기재가 존재하지 않는 이상, 중간에 또 다른 구성요소를 매개하여 연결되거나 또는 접속될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

또한, 본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다.

상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

이하, 도면을 이용하여 본 발명에 대해 보다 구체적으로 설명하기로 한다. 본 발명에 따른 전력제어 시스템 구성은 릴레이장치부(100)를 제외한 나머지 구성은 도 2에 제시된 전력제어 시스템과 실질적으로 동일하다. 릴레이장치부(100)의 입력단에는 각각의 분기차단기를 통해서 220V 상용전원이 공급되는 제1상용전원선 및 제2상용전원선 중 하나의 상용전원선이 연결되고, 릴레이소자를 출력단에는 대응하는 부하가 연결된다. 따라서 본 발명에 따른 릴레이장치부(100)는 부하에 흐르는 전류를 전압으로 샘플링 출력하고, 이를 이용하여 부하별 소비 전류량을 측정하고, 사용자 및/또는 시스템적인 제어를 통해서 대응되는 부하에 공급되는 220V 상용전원을 공급 및 차단하게 된다.

분기차단기에서 출력되는 제1상용전원선 및 제2상용전원선 중 하나의 상용전원선이 릴레이소자의 입력단자에 인가되고(도 2에서는 제2상용전원선이 릴레이소자에 입력됨), 입력단자에 인가되지 않은 나머지 상용전원선은 릴레이소자를 거치지 않고 분기차단기에서 직접 해당 부하로 연결된다.

도 4는 본 발명에 따른 일 실시예의 릴레이장치부의 사시도이며, 도 5는 연결대의 정면도이며, 도 6은 도 5의 A-A 방향 절단면도이다. 도 4에서는 인쇄회로기판에 네 개의 릴레이소자가 실장되는 것으로 도시하였으나 릴레이소자의 갯수는 필요에 따라 변경할 수 있음은 물론이다.

본 발명에 따른 릴레이장치부(100)는 인쇄회로기판(310), 연결대(330), 릴레이소자(320), 딥스위치(340), 전원 및 통신단자(343, 345), 발광소자(347), AD 변환기, 전류전압변환기, 마이크로 프로세서, 통신부 및 전압공급부로 구성된다. 연결대(330), 릴레이소자(320), 딥스위치(340), 전원 및 통신단자(343, 345) 및 발광소자(347)는 인쇄회로기판(310) 상부에 배치되고 나머지 구성은 인쇄회로기판(310) 하부에 배치하였다. 본 발명에 따른 배전반은 종래 배전반과 달리 하나의 인쇄회로기판(310)에 릴레이 소자와 이를 제어하는 회로소자가 구비된다.

딥스위치(340)는 타 릴레이장치부(100)와 구분하기 위한 식별자로 사용되는 스위치이다. 고층 건물을 예를 들어 설명하면, 층별로 적어도 하나의 릴레이장치부(100)가 설치되므로 하나의 건물에는 복수 개 릴레이장치부(100)가 설치된다. 따라서 각각의 릴레이장치부(100)를 특정할 필요가 있으며 이를 딥스위치(340)에 의해 설정된 주소로 특정하는 것이다. 전원 및 통신단자(343, 345)는 네 개의 접속핀을 갖는데 이중 두 개 접속핀은 외부에서 DC 전원을 입력받기 위한 것이고, 나머지 두 개 접속핀은 통신을 위한 것이다. 전원 및 통신단자(343, 345)가 인쇄회로기판 좌우에 구비되는 것은 접속 환경에 편리한 전원 및 통신단자(343, 345)를 선택적으로 사용할 수 있도록 하기 위함이다. 발광소자(347)는 릴레이장치(100)의 고장 여부를 포함한 상태 표시를 사용자에게 시각적으로 표시하기 위한 소자이다.

도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이 연결대(330)는 분기차단기로부터 제공되는 상용전원선 및 부하와 연결되는 상용전원선이 단단히 연결되도록 고정하고 상용전원선으로부터 공급되는 전원을 인쇄회로기판 하부까지 전달하는 접속단자부를 구비하고 접속단자부 및 이를 수용하는 프레임으로 구성된다.

구체적으로 연결대(330)는 각각의 접속단자부를 수용하는 복수 개 수용공간을 가지며 각 수용공간 하부에는 통과홀을 구비하는 부도체로 형성되는 프레임(335) 및 연결된 상용전원선으로부터 공급되는 전원을 인쇄회로기판 하부로 전달하는 도전체로 이루어진 접속전극부로 구성된다. 접속전극부는 분기차단기를 통해서 제공되는 상용전원선과 연결되는 제1접속단자부(330a) 및 부하와 연결되는 상용전원선과 연결되는 제2접속단자부(330b)로 구성된다. 각 릴레이소자마다 제1접속단자부(330a) 및 제2접속단자부(330b)가 한 쌍씩 제공된다.

도 6에 도시한 바와 같이 프레임은 각 접속단자부(330a, 330b)를 수용하는 수용공간을 가지며, 각 수용공간 하부에는 통과홀을 구비한다. 각각의 수용공간에는 접속단자부(330a, 330b)가 삽입 설치된다.

접속단자부(330a, 330b)는 상부에는 나사결합홀을 구비하고 하부에는 프레임의 수용공간 통과홀을 관통하여 외부로 돌출 형성되는 접속삽입핀(337a)을 갖는 연결전극부(337), 나사결합홀에 나사 결합되는 결합나사(331) 및 결합나사(331)에 끼워지는 결합판(333)으로 구성된다. 연결전극부(337)는 나사결합홀부터 접속삽입핀을 연이어 연결 형성하는 일체형 전극으로 구성된다. 접속삽입핀(337a)은 인쇄회로기판에 형성되는 관통홀에 끼워져서 나사결합홀에 연결되는 상용전원선으로부터 공급되는 상용전원을 인쇄회로기판에 전달하게 된다. 분기차단기를 통해서 제공되는 상용전원선 또는 부하와 연결되는 상용전원선은 결합나사(331)의 조임에 의해 결합판(333)과 연결전극부(337)의 나사결합홀 주위 상부 영역 사이에서 단단히 고정 체결된다.

상용전원선을 연결전극부에 체결하는 방식은 지금까지 설명한 나사결합 방식 외에도 종래 알려진 다양한 방식으로 체결 가능하다. 예를 들어, 상용전원선을 꽂아서 연결하는 꽂음형 전원커넥터 또는 상용전원선 끝에 압착단자를 설치하여 체결하는 방식 등이 가능함은 물론이다. 따라서 결합나사(331), 결합판(333) 및 나사결합홀은 상용전원선을 연결전극부에 체결하는 구성들이므로 통칭하여 상용전원선 체결부라 부를 수도 있다. 접속단자부(330a, 330b)는 일측 외면에 노출 형성되는 상용전원선 체결부를 구비하고 상용전원선 체결부와 연동되도록 일체로 형성되며 하부에는 프레임의 수용공간 통과홀을 관통하여 외부로 돌출 형성되는 접속삽입핀(337a)을 갖는 도전체라고도 정의할 수 있다.

두 개의 접속단자부(330a, 330b)를 각각 구분하여 설명할 필요가 있을 경우에는 제1접속단자부(330a)를 구성하는 구성을 제1결합나사, 제1결합판, 제1나사결합홈, 제1연결전극부 및 제1접속삽입핀(337a)이라 부르고, 제2접속단자부(330b)를 구성하는 구성을 제2결합나사, 제2결합판, 제2나사결합홈, 제2연결전극부 및 제2접속삽입핀이라 부르기로 한다. 각 프레임(335)은 각 접속삽입핀을 안정적으로 고정시키는 절연부재로 이루어진 고정부재로서 기능한다.

도 7은 릴레이소자의 정면도 및 배면도이다. 릴레이소자에는 분기차단기에서 공급되는 상용전원선과 연결하는 입력핀(321), 부하와 연결되는 출력핀(323) 및 세 개의 제어핀(325, 327, 329)이 구비된다. 세 개의 제어핀(325, 327, 329)은 입력핀(321)과 출력핀(323) 사이의 전기적인 접속을 온/오프 제어하기 위한 제어핀으로서, 공통제어핀(327), 오픈제어핀(325) 및 단락제어핀(329)으로 구성된다. 릴레이소자의 입력핀(321)과 출력핀(323) 사이의 전기적인 접속은 공통제어핀(327)과 단락제어핀(329)을 이용하여 단락시키고, 공통제어핀(327)과 오픈제어핀(325)을 이용하여 오픈시킨다. 다양한 형태의 릴레이소자가 상용화되어 있다. 예를 들어, 도 7에 제시된 릴레이소자는 세 개의 제어핀을 구비하는 형태이나 한 개 또는 두 개의 제어핀을 구비하는 릴레이소자도 있으며, 도 7에서는 설명의 편의상 입력핀과 출력핀을 구분하여 설명하였으나 이는 기능상 구분하여 설명한 것이다. 릴레이소자의 기본적인 기능은 입력핀에서 공급되는 전원을 출력핀으로 연결하거나 차단하는 것이므로 입력핀 및 출력핀으로 부르는 대신 제1핀 및 제2핀으로 불러도 무방하다. 본 발명은 도 7에 제시된 릴레이소자뿐만 아니라 상용화된 다양한 형태의 릴레이소자에도 적용할 수 있는 것으로 해석되어져야 한다.

도 8은 본 발명에 따른 릴레이장치부를 구성하는 인쇄회로기판 평면도이며, 도 9는 본 발명에 따른 릴레이장치부를 구성하는 인쇄회로기판 배면도이다. 설명의 편의상 도 8에서는 네 개의 릴레이소자를 구비하는 인쇄회로기판의 경우에 대해 설명하기로 한다. 도 8에 도시된 바와 같이 인쇄회로기판(310) 상부에는 연결대(330), 릴레이소자(320), 딥스위치(340), 전원 및 통신단자(343, 345) 및 발광소자(347)를 삽입하기 위한 천공홀이 구비된다. 구체적으로는 연결대(330)를 위한 여덟 개 천공홀, 각 릴레이소자(320)를 실장하기 위한 다섯 개 천공홀, 딥스위치(40)를 위한 복수 개(10개) 천공홀, 각각의 전원 및 통신단자를 삽입하기 위한 네 개 천공홀 및 발광소자를 위한 두 개의 천공홀이 구비된다. 이러한 천공홀을 통해 연결대(330), 릴레이소자(320), 딥스위치(340), 전원 및 통신단자(343, 345) 및 발광소자(347)가 인쇄회로기판(310)에 실장된 후 배면에 형성된 인쇄회로배선 및 회로소자와 연결된다.

구체적인 설명을 위해 한 개의 릴레이소자(320) 및 이와 연결되는 연결대(330)에만 별도의 천공홀 번호를 부여하기로 한다. 릴레이소자(320)의 입력핀, 출력핀 및 제어핀을 삽입하기 위한 천공홀을 각각 입력핀홀(321h), 출력핀홀(323h), 및 제어핀홀(325h, 327h, 329h)이라 부르기로 한다. 유사하게 해당 릴레이소자와 대응되는 연결대(330)의 제1접속단자부(330a) 및 제2접속단자부(330b)에 구비되는 접속삽입핀(337a)이 각각 삽입되는 인쇄회로기판(310) 상의 천공홀을 각각 제1접속단자홀(330ah) 및 제2접속단자홀(330bh)이라 부르기로 한다.

도 9를 이용하여 인쇄회로기판 배면 구성에 대해 설명하기로 한다. 인쇄회로기판 배면에는 전류전압변환기(390), AD 변환기(350), 마이크로 프로세서(360), 통신부(370) 및 전압공급부(380)를 포함한 회로소자가 구비된다.

제1접속단자홀(330ah) 주위에는 독립적인 도전 패턴부인 제1독립패턴부(312)가 형성되고, 유사하게 입력핀홀(321h) 주위에도 독립적인 도전 패턴부인 제2독립패턴부(314)가 형성된다. 여기서 독립적인 도전 패턴부(312, 314)는 타 천공홀과는 도통되지 않은 상태로 하나의 천공홀에만 전기적으로 연결되는 도전 패턴부를 의미한다. 제2접속단자홀(330bh)과 출력핀홀(323h)을 서로 전기적으로 연결하는 연결패턴부(315)가 형성된다.

각 연결대(330)의 두 개의 접속삽입핀은 인쇄회로기판(310)의 제1접속단자홀(330ah) 및 제2접속단자홀(330bh)에 각각 삽입된 후 용접된다. 유사하게 각 릴레이소자의 입력핀, 출력핀 및 제어핀은 각각 인쇄회로기판(310)의 입력핀홀(321h), 출력핀홀(323h) 및 제어핀홀(325h, 327h, 329h)에 각각 삽입된 후 용접된다.

제1독립패턴부(312) 및 제2독립패턴부(314) 사이에는 전류전압변환기(390)를 설치한다. 전류전압변환기(390)는 입력전류단자(390a), 출력전류단자(390b), 구동전원입력단자(Vs, GND) 및 전압출력단자(Vout1)를 구비하고, 입력되는 상용 전류의 크기에 따라 시간에 따라 변하는 전압을 출력하는 소자이다. 구체적으로 전류전압변환기(390)의 입력전류단자(390a)는 제1독립패턴부(312)와 접속시키고, 출력전류단자(390b)는 제2독립패턴부(314)와 접속시킨다. 이와 같은 접속 형태에 의해서 제1접속단자부(330a)를 통해 분기차단기로부터 공급되는 상용전원은 제1독립패턴부(312)를 거쳐 입력전류단자(390a)를 통해 전류전압변환기(390)로 입력된 후, 흐르는 전류량을 측정한 후 출력전류단자(390b)를 통해 제2독립패턴부(314)를 통해 릴레이소자(320)의 입력핀으로 인가된다. 연결패턴부(315)에 의해서 릴레이소자(320)의 출력핀은 제2접속단자홀(330bh)에 삽입 설치되는 연결대(330)의 제2접속단자를 통해서 부하(load)와 연결된다.

전류전압변환기(390)는 입력되는 교류 전류(20A 이상의 상용 전류가 될 수 있음)를 시간에 따라 변하는 전압 형태로 출력하는 소자이다. 따라서, 전류전압변환기(390)의 입력전류단자(390a)는 제2독립패턴부(314)와 접속시키고, 출력전류단자(390b)는 제1독립패턴부(312)와 접속시켜도 이상없이 동작한다.

이와 같은 배치(layout)에 의해서, 릴레이소자(320)마다 하나의 전류전압변환기(390)가 설치되며, 각 전류전압변환기(390)는 Hall effect를 활용하여 릴레이소자(320)에 흐르는 전류 크기에 따른 아날로그 형태의 전압을 출력한다. 도 10은 본 발명에 따른 일 실시예의 전류전압변환기 입력 파형 및 출력 파형을 도시한 것이다. 전류전압변환기는 도 10(a)에 도시된 바와 같이 에 0[A]를 기준으로 교류 형태의 전류 파형이 입력되면 도 10(b)에 도시된 바와 같이 2.5V를 기준으로 0 ~ 5V 사이에서 변하는 출력파형을 출력한다. 도 10에서 'T'는 상용전원의 주기(60Hz)를 표시한다. 가정 내 흐르는 전류의 경우도 A 단위이므로 각 릴레이소자에는 20A 이상이 흐를 수 있으며, 이에 따라 본 발명에서는 20A 이상 고용량 전류를 측정하기 위한 전류전압변환기를 사용하고 이에 적합한 설계 기술을 적용하여야 한다.

도 9에서는 제1접속단자홀(330ah) 하부에 제1독립패턴부(312)를 형성하고 입력핀홀(321h) 하부에 제2독립패턴부(314)를 형성하고 제2접속단자홀(330bh)과 출력핀홀(323h)을 서로 연결하는 연결패턴부(315)를 형성하였다. 독립패턴부와 연결패턴부의 형성 위치는 서로 변경하여도 무방하다. 구체적으로는 제1접속단자홀(330ah)와 입력핀홀(321h)을 서로 연결하는 연결패턴부(315)를 형성하고, 제2접속단자홀(330bh) 하부에 제1독립패턴부(312)를 형성하고 출력핀홀(323h) 하부에 제2독립패턴부(314)를 형성하여도 무방하다.

전술한 바와 같이 도 9에서는 네 개의 릴레이소자가 설치되는 실시예를 도시하였으며, 각 릴레이소자(320)에 설치된 전류전압변환기(390)에서 출력되는 아날로그 전압을 구분하기 위하여 편의상 각각 Vout1, Vout2, Vout3 및 Vout4라 부르기로 한다.

AD 변환부(350)는 각 전류전압변환기(390)로부터 입력되는 네 개의 아날로그 전압값(Vout1, Vout2, Vout3, Vout4)을 먹스(MUX)를 통해 시분할로 입력받은 후 디지털값으로 변환 출력하는 소자이다. 상용전원은 60Hz의 주파수를 가지므로 정확한 전류 소비량을 측정하기 위해서는 AD 변환부(350)의 샘플링 주파수가 높으면 높을수록 좋다.

AD 변환부(350)에 의해 샘플링 방식으로 측정되고 디지털로 변환된 전압값은 약속된 프로토콜에 의한 통신에 의해 마이크로 프로세서(360)의 신호처리부로 입력된다. 마이크로 프로세서(360)는 제어부, 신호처리부, 메모리 및 시리얼 버퍼 등을 구비한다.

본 발명에서 마이크로 프로세서(360)의 신호처리부에서 각 릴레이소자에 연결된 부하가 소비하는 전류량 계산 방식에 대해 간략하게 설명하기로 한다.

상용전원은 1초 동안 60개의 전류 파형을 가지므로 전류전압변환기로부터 1초에 60개의 전압 파형이 출력된다. 신호처리부는 1/60초마다 Vpp(Peak to Peak Voltage)를 저장하고, 1초 후 저장된 60개 Vpp로부터 초당 평균 Vpp를 산출한다. 유사한 방식으로 특정 주기 단위(예를 들어, '1분'을 들 수 있으며, 이하, '제1주기'라 한다) 동안 동일한 방식으로 초당 평균 Vpp를 복수 개 구한 후, 축적된 초당 평균 Vpp를 이용하여 제1주기 동안 평균 Vpp를 구한다. 구해진 제1주기 동안 평균 Vpp로부터 해당 부하에 흐르는 제1주기 동안 평균 전류값을 계산한다. 결과적으로 부하에 인가되는 상용전압은 알려진 값이므로 제1주기 동안 부하의 사용 전력량을 계산할 수 있다.

전류전압변환기는 입력 전류값 대비 출력 전압값에 관한 특성을 가지므로 이를 특성표(또는 특성 그래프)로 표현할 수 있다. 이러한 특성표(또는 특성 그래프)를 이용하여 신호처리부에서 특정 주기 단위 동안 평균 전류값을 계산할 수 있다. 참고적으로 전류전압변환기의 입력 전류값 대비 출력 전압값에 관한 특성표는 마이크로 프로세서(360)의 메모리에 저장될 수 있다.

위와 같이 계산된 부하의 사용 전류량은 마이크로 프로세서(360)의 시리얼버퍼에 입력된 후 통신부(370)에서 정해진 프로토콜로 전원 및 통신단자(343, 345)를 통해 직렬통신으로 중앙 제어기로 전송된다. 중앙 제어기는 유무선 통신망으로 통해 측정된 데이터를 제어 컴퓨터로 전송한다. 전압공급부(380)는 전원 및 통신단자(343, 345)를 통해 외부 DC 전원을 입력받은 후 각 회로소자를 구동시키기 위한 다양한 레벨의 DC 전압으로 변환한 후 각 회로소자(마이크로 프로세서 등)에 전원 공급하는 소자이다.

종래 배전반의 경우 릴레이소자마다 접속된 부하의 사용 전력량을 측정할 수 없었으므로 제어 컴퓨터의 제어에 따라 각 릴레이소자를 온/오프 제어만 가능했었다. 이에 비해 본 발명에서는 릴레이소자마다 접속된 부하에서 일정한 주기 별로 실제 사용하는 전류량을 계산할 수 있다. 각 릴레이소자에 접속된 부하의 사용 전류량을 1일/1주/1개월/계절별 단위로 측정하여 최저 전류가 얼마인지 확인하고 심야시간이나 휴일의 특성을 감안하여 대기 전력값을 측정할 수 있다. 이러한 각 릴레이소자별로 해당 부하의 대기 전력값이 파악이 되면, 향후 부하의 사용 전류량이 대기 전력값 이하로 떨어질 경우 시스템적으로 해당 릴레이소자를 오프 상태로 전환 제어신호를 생성하고, 해당 전환 제어신호는 마이크로 프로세서의 제어부를 통해 해당 릴레이소자에 전달되어 대기 상태로 전환시킬 수 있다.

이와 같이 본 발명에 따른 릴레이 장치부를 사용하는 전력제어 시스템은 각 랄레이소자에 접속된 부하의 계절별/시간별/이벤트별/날씨별 등의 평균 사용량, 최대 및 최저 사용량 및 대기전력 등을 구하고 이를 데이터베이스로 구축할 수 있으므로 효율적으로 전력을 관리할 수 있다. 예를 들어, 특정시간에 특정 릴레이소자에 갑자기 최대 사용량을 넘는 전류가 감지되면 누전 감시가 필요하다는 경보를 보낼 수도 있고, 전류를 특별히 많이 사용하는 층 또는 사무실을 파악하고 해당 원인을 파악할 수도 있는 것이다.

이하, AD 변환기의 바람직한 샘플링 주기에 대해 설명하기로 한다. 도 11은 상용전원의 입력 전류 파형을 정규화(최대 피크값을 '1'로 정규화함)하여 반 주기(T/2)만큼만 도시한 것이다. 샘플링 주기를 아주 작게 가져갈 경우에는 입력 전류의 피크값을 에러없이 파악할 수 있다. 하지만 샘플링 주기를 작게 설정할수록 신호처리기를 더 빠른 것으로 사용하여야 하므로 시스템 구축 비용이 상승하게 되므로 적절한 타협이 필요하다.

샘플링에 의한 손실율을 0.3%보다 작게 유지하기 위한 샘플링 주기를 계산하는 방식에 대해 설명하기로 한다. 샘플링에 의한 손실율을 0.3%보다 작게 유지하기 위해서는 도 11에서 정규환된 전류값이 0.997(I₁의 값) 이상인 영역 내에서 적어도 한 번의 샘플링이 수행되어야 한다. 먼저 수학식 1의 관계식을 이용하여 'θ1'을 계산하면, 'θ1'은 약 '85.5°'로 계산된다.

도 11에서 'θ2'는 90°를 기준으로 서로 동일한 각도만큼 이격되므로 "θ2 - θ1 = 9°"로 계산된다. 즉, 샘플링에 의한 손실율을 0.3%보다 작게 유지하기 위해서는 적어도 "9°"마다 한 번의 샘플링이 수행되어야 하므로 샘플링 주파수는 60Hz보다 40배(=360/9) 짧게 가져가야 하는 것이므로 하나의 릴레이소자를 이용한 샘플링 주기는 2.4KHz(= 60Hz * 40)의 주파수에 의해 설정되어야 하는 것이다.

유사한 방식으로 샘플링에 의한 손실율을 1.0%보다 작게 유지하기 위한 샘플링 주기를 결정하는 샘플링 주파수를 계산하면 대략 1.2KHz(= 60Hz * 20)로 설정하면 되며, 샘플링에 의한 손실률이 1% 이상이 되면 측정 오차가 상당하므로 1% 이하로 유지하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 0.3% 이하로 유지하는 것이 좋다.

상기에서 본 발명의 바람직한 실시예가 특정 용어들을 사용하여 설명 및 도시되었지만 그러한 용어는 오로지 본 발명을 명확히 설명하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명의 실시예 및 기술된 용어는 다음의 청구범위의 기술적 사상 및 범위로부터 이탈되지 않고서 여러가지 변경 및 변화가 가해질 수 있는 것은 자명한 일이다. 이와 같이 변형된 실시예들은 본 발명의 사상 및 범위로부터 개별적으로 이해되어져서는 안되며, 본 발명의 청구범위 안에 속한다고 해야 할 것이다.

100: 릴레이장치부 301, 303: 배전반
310: 인쇄회로기판 312: 제1독립패턴부
314: 제2독립패턴부 315: 연결패턴부
320: 릴레이소자 321: 입력핀
321h: 입력핀홀 323: 출력핀
323h: 출력핀홀 325, 327, 329: 제어핀
325: 오픈제어핀 327: 공통제어핀
329: 단락제어핀 325h, 327h, 329h: 제어핀홀
330: 연결대 330a: 제1접속단자부
330ah: 제1접속단자홀
330b: 제2접속단자부 330bh: 제2접속단자홀
331: 결합나사 333: 결합판
335: 프레임 337: 연결전극부
337a: 접속삽입핀 340: 딥스위치
343, 345: 전원 및 통신단자 347: 발광소자
350: AD 변환기 360: 마이크로 프로세서
370: 통신부 380: 전압공급부
390: 전류측정부 390a: 입력전류단자
390b: 출력전류단자

Claims (7)

1. 외부에서 공급되는 상용전원을 차단기를 통해 입력받은 후 복수 개 릴레이소자를 이용하여 온/오프 제어하여 각각의 릴레이소자에 접속된 부하에 온/오프 제어된 상용전원을 공급하는 릴레이장치부에 있어서,
   인쇄회로기판과,
   상기 인쇄회로기판 상부 전방 영역에 실장되는 연결대와,
   상기 연결대의 후방 영역의 상기 인쇄회로기판 상부에 실장되는 복수 개 릴레이소자와,
   - 상기 연결대에는 상기 차단기로부터 입력되는 상용전원선과 연결되는 제1접속단자부 및 상기 부하로 공급되는 상용전원선과 연결되는 제2접속단자부가 상기 각 릴레이소자마다 구비됨 -
   - 상기 각 릴레이소자에는 입력핀, 출력핀 및 제어핀이 구비됨 -
   상기 인쇄회로기판에는 상기 연결대의 상기 제1접속단자부 중 적어도 일부를 삽입하기 위한 제1접속단자홀, 상기 제2접속단자부 중 적어도 일부를 삽입하기 위한 제2접속단자홀, 상기 릴레이소자의 입력핀, 출력핀 및 제어핀을 각각 삽입하기 위한 입력핀홀, 출력핀홀 및 제어핀홀을 포함하고,
   상기 인쇄회로기판 하부에는 다른 홀과는 전기적으로 절연상태를 유지하면서 제1접속단자홀 및 제2접속단자홀 중에서 선택된 어느 하나의 접속단자홀에만 전기적으로 연결되는 제1독립패턴부와, 다른 홀과는 전기적으로 절연상태를 유지하면서 입력핀홀 및 출력핀홀 중에서 선택된 어느 하나의 핀홀에만 전기적으로 연결되는 제2독립패턴부 및 나머지 접속단자홀과 입력핀홀 및 출력핀홀 중에서 선택되지 않은 나머지 핀홀을 전기적으로 연결하는 연결패턴부를 포함하고,
   - 상기 제1독립패턴부가 상기 제1접속단자홀에 접속되도록 형성될 경우에는 제2독립패턴부는 상기 입력핀홀과 접속되도록 형성되며, 상기 제1독립패턴부가 제2접속단자홀에 접속되도록 형성될 경우에는 제2독립패턴부는 상기 출력핀홀과 접속되도록 형성됨 -
   상기 제1독립패턴부 및 상기 제2독립패턴부 중 선택된 어느 하나의 독립패턴부에 입력핀이 연결되고 나머지 하나의 독립패턴부에는 출력핀이 연결되며 상기 릴레이소자에 흐르는 상용전류를 시간에 따라 변하는 전압 형태로 전압출력단자(Vout1)를 통해 출력하는 전류전압변환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 릴레이장치부.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 연결대는 상기 제1접속단자부 및 상기 제2접속단자부를 각각 수용하는 수용공간을 갖는 부도체의 프레임을 더 포함하고,
   - 상기 각 수용공간 하부에는 통과홀이 형성됨 -
   상기 제1접속단자부 또는 상기 제2접속단자부는 일측 외면에 노출 형성되는 상용전원선 체결부를 구비하고 상기 상용전원선 체결부와 연동되도록 일체로 형성되며 하부에는 상기 통과홀을 관통하여 외부로 돌출 형성되는 접속삽입핀을 갖는 도전체로 형성되는 것을 특징으로 하는 릴레이장치부.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 연결대는 상기 제1접속단자부 및 상기 제2접속단자부를 각각 수용하는 수용공간을 갖는 부도체의 프레임을 더 포함하고,
   - 상기 각 수용공간 하부에는 통과홀이 형성됨 -
   상기 제1접속단자부는
   상부에는 나사결합홀을 구비하고 하부에는 상기 통과홀을 관통하여 외부로 돌출 형성되는 접속삽입핀을 갖는 연결전극부와,
   상기 나사결합홀에 나사 결합되는 결합나사 및
   상기 결합나사에 끼워지는 결합판
   을 포함하는 것을 특징으로 하는 릴레이장치부.
   
4. 제2항에 있어서,
   일정한 샘플링 주기별로 상기 전류전압변환기의 출력을 디지털 전압값으로 변환하는 AD 변환부와,
   상기 AD 변환부로부터 입력되는 디지털 전압값을 이용하여 제1주기 동안의 평균 전류값을 산출하는 신호처리부와,
   상기 전류전압변환기의 입력 전류값 대비 출력 전압값에 관한 특성을 저장하는 메모리를 포함하고,
   상기 AD 변환부, 상기 신호처리부 및 상기 메모리는 상기 인쇄회로기판 하면에 실장되는 것을 특징으로 하는 릴레이장치부.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 샘플링 주기를 결정하는 샘플링 주파수는 1.2KHz 이상인 것을 특징으로 하는 릴레이장치부.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 샘플링 주기를 결정하는 상기 샘플링 주파수는 2.4KHz 이상인 것을 특징으로 하는 릴레이장치부.
   
7. 제1항 내지 제6항 중에서 선택된 어느 한 항의 릴레이장치부 및
   누설 전류를 차단하고 상기 릴레이장치부에 상용전원을 공급하는 적어도 하나의 차단기
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 배전반.

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