KR102545731B1 - 파형 발생 장치 - Google Patents

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Abstract

파형발생장치가 개시된다. 파형발생장치는 전원 공급부, DC/DC 컨버터부, 커패시터 뱅크부, 및 제어부를 포함한다. 전원 공급부는 직류 전력을 공급하고, DC/DC 컨버터부는 공급된 직류의 전압을 서로 다른 복수의 전압 중 선택된 전압으로 변환하고, 커패시터 뱅크부는 변환된 직류 전력을 선택적으로 공급받는 서로 다른 용량을 가지는 복수의 커패시터를 포함하는 커패시터부와 선택된 커패시터와 시험 대상물 사이에 연결된 스위칭 다이오드를 포함하는 전류 차단부를 포함하며, 제어부는 전원 공급부, 컨버터, 및 커패시터 뱅크를 제어한다. 이와 같은 구성에 의하면, 자동 DC 충전장치를 이용하여 가변 커패시터(C)를 자동으로 충전하고 이를 자동 방전하여 리액턴스 성분(L)을 가진 회로에서 LC 공진 전류를 발생시키고 그것을 스위칭 다이오드가 차단함으로써, 정확하고 신뢰도 높은 과도회복전압의 파형을 보다 용이하게 발생시킬 수 있게 된다.

Description

파형 발생 장치 {APPARATUS FOR GENERATING WAVEFORM}
본 발명은 파형발생장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전기회로에 있어서 전력용 차단기와 같은 전력용 기기의 투입이나 차단에 수반되는 현상을 분석하기 위한 파형을 발생시키는 장치에 관한 것이다.
일반적으로 전력용 차단기 등과 같은 스위치류에 대하여 실제 사용 상태에서 각 전력기기에 인가되는 절연 스트레스를 실제 사용 전에 파악하여 전력기기의 절연 성능을 확인하기 위해서는 전력기기의 과도회복전압을 측정하는 것이 중요하다.
그런데, 과도회복전압 자체를 정확하게 측정하는 것은 용이하지 않기 때문에, 종래에는 그 대안으로 아크저항이 포함된 상태에서 고유 과도회복전압을 측정하거나, 비대칭 전류일지라도 직류분이 크지 않을 경우 전류를 차단하여 얻은 과도회복전압을 고유 과도회복전압으로 간주하여 사용해 오고 있었다.
하지만, 종래의 고유 과도회복전압의 측정방법은, 차단기가 전류를 차단할 때 아크저항에 의한 회로 역률 변화에 기인한 과도회복전압 피크의 감소 현상, 및 투입 스위치의 투입 위상에 따른 비대칭전류 투입과 차단 시에 전압ㆍ전류의 위상각 변화에 따른 과도회복전압 피크의 감소 등으로 인한 필연적인 오차로 인하여 정확한 고유 과도회복전압을 측정하기에 어려운 점이 있었다.
KR 101145497 B1
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 보다 이상적이고 정확한 고유 과도회복전압을 얻기 위하여 비대칭 전류 차단시 전압ㆍ전류 위상각 변화에 의한 고유 과도회복전압의 크기 변화와, 아크저항에 의한 회로의 역률 변화에 의한 고유 과도회복전압의 크기 변화를 시스템적으로 배제하여, 정확하고 신뢰도 높은 고유 과도회복전압을 얻을 수 있는 파형발생장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 파형발생장치는 전원 공급부, DC/DC 컨버터부, 커패시터 뱅크부, 및 제어부를 포함한다. 전원 공급부는 직류 전력을 공급하고, DC/DC 컨버터부는 공급된 직류의 전압을 서로 다른 복수의 전압 중 선택된 전압으로 변환하고, 커패시터 뱅크부는 변환된 직류 전력을 선택적으로 공급받는 서로 다른 용량을 가지는 복수의 커패시터를 포함하는 커패시터부와 선택된 커패시터와 시험 대상물 사이에 연결된 스위칭 다이오드를 포함하는 전류 차단부를 포함하며, 제어부는 전원 공급부, DC/DC 컨버터부, 및 커패시터 뱅크부를 제어한다.
이와 같은 구성에 의하면, 자동 DC 충전장치를 이용하여 가변 커패시터(C)를 자동으로 충전하고 이를 자동 방전하여 리액턴스 성분(L)을 가진 회로에서 LC 공진 전류를 발생시키고 그것을 스위칭 다이오드가 차단함으로써, 정확하고 신뢰도 높은 과도회복전압의 파형을 보다 용이하게 발생시킬 수 있게 된다.
이때, 전원 공급부는 서로 다른 복수의 교류 전력을 선택적으로 직류로 변환하는 직류 변환부를 포함할 수 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 교류 입력 범위의 다양화로 입력전원의 호환성이 확대된다.
또한, 전원 공급부는 배터리로부터 공급된 직류 전류를 공급하는 배터리 전력 공급부를 더 포함할 수 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 배터리 모드는 외부전원이 필요없으므로, 배터리를 이용하여 장치의 휴대성을 강화할 수 있다.
또한, 전류 차단부는 스위칭 다이오드와 직렬 연결된 반도체 스위치를 더 포함할 수 있으며, 이때, 반도체 스위치는 SCR일 수 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 모드 전환을 위한 스위치가 필요없어지고, 보다 정확한 과도 회복전압 파형을 발생시킬 수 있게 된다.
또한, 전류 차단부의 일 단자는 커패시터부 및 DC/DC 컨버터부의 일 단자와 연결될 수 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 커패시터뱅크가 충전회로와 상시 연결됨으로써 커패시터부의 DC 전압을 유지할 수 있게 된다.
또한, 제어부와 통신하기 위한 사용자 입력 및 출력을 수행하는 사용자 입출력부를 더 포함할 수 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 충전값 설정, 충방전 자동 설정, 자동 횟수 조정 등을 용이하게 수행할 수 있게 되어 사용 편의성이 증가한다.
또한, 커패시터부와 병렬 연결되며, 저항과 릴레이가 직렬 연결된 덤핑 회로부를 더 포함할 수 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 파형발생장치의 안전성을 향상시킬 수 있게 된다.
또한, DC/DC 컨버터는 플라이백 DC/DC 컨버터일 수 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 플라이백 DC/DC 컨버터의 사용으로 절연 강화 및 DC 제어 향상을 구현할 수 있게 된다.
또한, 전류 차단부와 직렬 연결된 전류 측정부를 더 포함할 수 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 발생된 파형을 직접 측정할 수 있게 된다.
본 발명에 의하면, 자동 DC 충전장치를 이용하여 가변 커패시터(C)를 자동으로 충전하고 이를 자동 방전하여 리액턴스 성분(L)을 가진 회로에서 LC 공진 전류를 발생시키고 그것을 스위칭 다이오드가 차단함으로써, 정확하고 신뢰도 높은 과도회복전압의 파형을 보다 용이하게 발생시킬 수 있게 된다.
또한, 교류 입력 범위의 다양화로 입력전원의 호환성이 확대된다.
또한, 배터리 모드는 외부전원이 필요없으므로, 배터리를 이용하여 장치의 휴대성을 강화할 수 있다.
또한, 모드 전환을 위한 스위치가 필요없어지고, 보다 정확한 과도 회복전압 파형을 발생시킬 수 있게 된다.
또한, 커패시터뱅크가 충전회로와 상시 연결됨으로써 커패시터부의 DC 전압을 유지할 수 있게 된다.
또한, 충전값 설정, 충방전 자동 설정, 자동 횟수 조정 등을 용이하게 수행할 수 있게 되어 사용 편의성이 증가한다.
또한, 파형발생장치의 안전성을 향상시킬 수 있게 된다.
또한, 절연 강화 및 DC 제어 향상을 구현할 수 있게 된다.
또한, 발생된 파형을 직접 측정할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 파형발생장치의 개략적인 블록도.
도 2는 도 1의 실제 구현 예를 도시한 블록도.
도 3은 도 2의 블록도를 구현한 회로도.
도 4는 발생된 결과 파형을 도시한 도면.
도 5는 도 2의 파형 발생 장치를 실제 구현한 제품의 사진.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 파형발생장치의 개략적인 블록도이다.
도 1에서, 파형발생장치(100)는 전원 공급부(110), DC/DC 컨버터부(120), 커패시터 뱅크부(130), 제어부(140), 사용자 입출력부(150), 덤핑 회로부(160), 및 전류 측정부(170)를 포함한다.
전원 공급부(110)는 다시 직류 변환부(112) 및 배터리 전력 공급부(114)를 포함하고, 커패시터 뱅크부(130)는 커패시터부(132)와 전류 차단부(134)를 포함하며, 전류 차단부(134)는 다시 스위칭 다이오드(134-1)와 직렬 연결된 반도체 스위치(134-2)를 포함한다.
전원 공급부(110)는 직류 전력을 공급한다. 직류 변환부(112)는 서로 다른 복수의 교류 전력을 선택적으로 직류로 변환한다. 이와 같은 구성에 의하면, 교류 입력 범위의 다양화로 입력전원의 호환성이 확대된다.
배터리 전력 공급부(114)는 배터리로부터 공급된 직류 전류를 공급한다. 이와 같은 구성에 의하면, 배터리 모드는 외부전원이 필요없어 장치의 휴대가 가능하므로, 배터리를 이용하여 장치의 휴대성을 강화할 수 있다.
즉, 전원 공급부(110)는 입력으로 교류와 직류 배터리를 사용할 수 있으며, AC입력은 90 ~ 260V, 50/60Hz로 구현될 수 있다.
DC/DC 컨버터부(120)는 공급된 직류의 전압을 서로 다른 복수의 전압 중 선택된 전압으로 변환한다. 이때, DC/DC 컨버터는 플라이백 DC/DC 컨버터일 수 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 플라이백 DC/DC 컨버터의 사용으로 절연 강화 및 DC 제어 향상을 구현할 수 있게 된다.
커패시터부(132)는 변환된 직류 전력을 선택적으로 공급받는 서로 다른 용량을 가지는 복수의 커패시터를 포함하고, 스위칭 다이오드(134-1)는 선택된 커패시터와 시험 대상물 사이에 연결된다. 이와 같은 구성에 의하면, 다양한 용량의 커패시터를 선택 또는 조합하여 제한 없는 다양한 공진 주파수를 발생시킬 수 있게 된다.
이때, 스위칭 다이오드(134-1)는 스위칭타임이 15ns 이하로 구현될 수 있다. 이와 같이, 다이오드 성능의 향상으로 보다 정확한 과도 회복전압 파형의 발생이 가능해 진다.
반도체 스위치(134-2)는 스위칭 다이오드(134-1)와 직렬 연결되며, SCR로 구현될 수 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 모드 전환을 위한 스위치가 필요없어지고, 보다 정확한 과도 회복전압 파형을 발생시킬 수 있게 된다.
또한, 전류 차단부(134)의 일 단자는 커패시터부(132) 및 DC/DC 컨버터부(120)의 일 단자와 연결될 수 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 커패시터 뱅크부(130)가 충전회로(120)와 상시 연결됨으로써 커패시터부(132)의 DC 전압을 유지할 수 있게 된다.
제어부(140)는 전원 공급부(110), DC/DC 컨버터부(120), 및 커패시터 뱅크(130)를 제어한다.
사용자 입출력부(150)는 제어부(140)와 통신하기 위한 사용자 입력 및 출력을 수행한다. 이와 같은 구성에 의하면, 충전값 설정, 충방전 자동 설정, 자동 횟수 조정 등을 용이하게 수행할 수 있게 되어 사용 편의성이 증가한다.
사용자 입출력부(150)는 그래픽 유저 인터페이스(GUI)를 사용하여, 충전값, 원터치 자동 충전 및 방전, 자동 횟수 조정 등을 설정할 수 있으며, 제어부(140)를 통해 자동화된 시퀀스의 충전/방전 지령을 수행할 수 있다.
덤핑 회로부(160)는 커패시터부(132)와 병렬 연결되며, 저항과 릴레이가 직렬 연결된다. 이와 같은 구성에 의하면, 덤핑 회로 및 비상 스위치를 사용하여 파형발생장치의 안전성을 향상시킬 수 있게 된다.
전류 측정부(170)는 전류 차단부(134)와 직렬 연결된다. 이와 같은 구성에 의하면, 내부 전류 측정 기기를 설치함으로써 발생된 파형을 직접 측정할 수 있게 된다. 이때, 전압/전류 BNC 단자를 채용할 수 있으며, 이 경우 측정기기의 호환성이 향상된다.
도 2는 도 1의 실제 구현 예를 도시한 블록도이고, 도 3은 도 2의 블록도를 구현한 회로도이다. 도 2와 도 3에서, 전원 공급부(110)는 SMPS(112)와 배터리(114)로, DC/DC 컨버터부(120)와 제어부(140)는 FLYBACK DC/DC 컨버터&컨트롤 보드로, 덤핑 회로부(160)는 DUMPING 보드로, 커패시터 뱅크부(130)는 CAPACITOR BANK 보드로, 사용자 입출력부(150)는 GUI BOARD로 각각 구현되어 있다.
GUI 보드(150)는 사용자에게 그래픽 유저 인터페이스로 원하는 DC 충전 값의 설정 및 자동화된 시퀀스의 충전/방전의 지령을 수행할 수 있도록 해준다. SMPS(112)는 상용전원을 DC 12V로 장치를 구동시키는 전원 공급 역할을 하며, 배터리(114)와 전환 사용이 가능하다.
플라이백 DC/DC컨버터&컨트롤 보드(120, 140)는 지령값(최대 DC 3kV)까지 커패시터에 충전을 수행하며, GUI 모듈, 덤핑과 커패시터 뱅크 모듈에 릴레이와 SCR 컨트롤을 지시한다. DUMPIG 보드(160)는 안전을 위해 동작을 위해 저항접지를 수행하며, 커패시터 뱅크(130)의 충전/방전시에는 동작하지 않는다.
CAPACITOR BANK(130)는 5, 10, 20 40uF의 커패시터를 가변 선택 및 조합하여 사용가능하며, 방전 SCR이 있어서 지령을 받아 충전된 DC 에너지를 출력단자로 보낸다. 출력단자 전단에 Diode가 있어 출력부에 리액턴스(L)가 연결되어 있으면, LC 공진전류가 흐르고 이 전류를 다이오드가 차단하며, 차단 후 과도회복전압이 장치에 인가된다.
도 4는 발생된 결과 파형을 도시한 도면이고, 도 5는 도 2의 파형 발생 장치를 실제 구현한 제품의 사진이다. 도 4에서 전류의 파형은 노란색으로, 전압의 파형은 빨간색으로 출력되어 있는 것을 확인할 수 있다.
본 발명의 특징을 정리하자면, 본 발명에서는 자동 DC 충전장치를 이용하여, 가변 커패시터(C)를 자동으로 충전하고 SCR을 사용하여 자동 방전하여, 리액턴스 성분(L)을 가진 회로에서 LC 공진 전류를 발생시키고, 그것을 다이오드가 차단하여 과도회복전압의 파형을 만든다. 이를 통해 적절한 측정장치를 사용하여 그 회로의 고유 과도회복전압을 분석할 수 있게 한다.
본 발명은 회로의 고유한 과도회복전압 분석을 위한 파형 발생장치로서, 상용전원(AC 90~260V) 혹은 배터리 전압을 입력받아 최대 직류 3kV까지 출력이 가능한 플라이백 방식의 DC/DC 컨버터를 이용하여, 선택 가능한 값(5, 10, 20, 40uF 혹은 병렬조합)의 커패시터에 원하는 DC 값을 충전한다.
이후, 방전하여 LC 공진을 만들어 전압과 전류를 DC에서 AC로 전환시키고, 이 전류를 Reverse recovery time(trr) 15ns 이하의 Fast recovery diode가 이를 차단하여 과도회복전압을 발생시킨다.
원하는 커패시터의 직렬값 선택 및 구동이 GUI를 이용한 원터치 형태로 되어 있으며, 구동 회로에 이용되는 충전과 방전, 안전스위치(Dumping)에 사용되는 전기적 스위치의 시퀀스가 자동으로 제어된다.
발생되는 전류는 내부에 장착된 전류 측정기기(피어슨 CT)를 이용하여, BMC 단자 형태, 전압도 마찬가지로 BNC 단자 형태로 측정기기에 직접 연결하여 전압 형태로 측정이 가능하다.
배터리를 이용하여 외부전원 없이도 구동이 가능하며, 휴대할 수 있다. 또한, Emergency 버튼을 이용하여 비상정지를 시킬수 있다.
본 발명이 비록 일부 바람직한 실시예에 의해 설명되었지만, 본 발명의 범위는 이에 의해 제한되어서는 아니 되고, 특허청구범위에 의해 뒷받침되는 상기 실시예의 변형이나 개량에도 미쳐야할 것이다.
100: 파형발생장치
110: 전원 공급부
112: 직류 변환부
114: 배터리 전력 공급부
120: DC/DC 컨버터부
130: 커패시터 뱅크부
132: 커패시터부
134: 전류 차단부
134-1: 스위칭 다이오드
134-2: 반도체 스위치(SCR)
140: 제어부
150: 사용자 입출력부
160: 덤핑 회로부
170: 전류 측정부

Claims (10)

  1. 직류 전압을 공급하는 전원 공급부;
    상기 공급된 직류의 전압을 서로 다른 복수의 전압 중 선택된 전압으로 변환하는 DC/DC 컨버터부;
    상기 변환된 직류 전압을 선택적으로 공급받는 서로 다른 용량을 가지는 복수의 커패시터를 포함하는 커패시터부와, 선택된 상기 커패시터와 시험 대상물 사이에 연결된 스위칭 다이오드를 포함하는 전류 차단부를 포함하는 커패시터 뱅크부; 및
    상기 전원 공급부, DC/DC 컨버터부, 및 커패시터 뱅크부를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 파형 발생 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 전원 공급부는 서로 다른 복수의 교류 전력을 선택적으로 직류로 변환하는 직류 변환부를 포함하는 것을 특징으로 하는 파형 발생 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 전원 공급부는 배터리로부터 공급된 직류 전류를 공급하는 배터리 전력 공급부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 파형 발생 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 전류 차단부는 상기 스위칭 다이오드와 직렬 연결된 반도체 스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 파형 발생 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 반도체 스위치는 실리콘 제어 정류소자(Silicon Controlled Rectifier; SCR)인 것을 특징으로 하는 파형 발생 장치.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 전류 차단부의 일 단자는 상기 커패시터부 및 상기 DC/DC 컨버터부의 일 단자와 연결되는 것을 특징으로 하는 파형 발생 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부와 통신하기 위한 사용자 입력 및 출력을 수행하는 사용자 입출력부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 파형 발생 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 커패시터부와 병렬 연결되며, 저항과 릴레이가 직렬 연결된 덤핑 회로부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 파형 발생 장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 전류 차단부와 직렬 연결된 전류 측정부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 파형 발생 장치.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 DC/DC 컨버터부는 플라이백 DC/DC 컨버터인 것을 특징으로 하는 파형 발생 장치.
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