KR102587560B1 - 면진 기능 및 3상 전력 안정화 기능이 구비된 수배전반 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 면진 기능 및 3상 전력 안정화 기능이 구비된 수배전반(전동기 제어반, 분전반 등도 포함)에 관한 것으로, 해결하고자 하는 기술적 과제는 지반의 진동에서 격리하고 수배전반 자체에 큰 힘이 작용하지 않도록 하는 면진 구조 또는 면진 기능을 도입하여 수배전반의 파손을 방지하고 안전하게 그 기능을 유지할 수 있고, 3상의 전력계통으로부터 3상 부하에 인가되는 불균형 전류를 균등하게 제어함으로써 3상의 계통전력소모를 균등하게 하고, 불균형 전류를 균형 있는 회생전력(유효전력과 무효전력)으로 재공급함으로써 역률, 효율 및 왜율을 개선하고, 전력공급 측에서 균형 있는 3상 전력을 공급함으로써 계통 전력을 안정화시킬 수 있는 수배전반을 제공하는 데 있다. 이를 위해 본 발명은 수배전반의 함체를 구성하는 하우징; 지면에 고정되는 사각 형상의 하부 플레이트, 상기 하우징의 하면에 고정되는 사각 형상의 상부 플레이트, 및 상기 상부 플레이트와 상기 하부 플레이트 간을 연결하며 지면으로부터 발생되는 진동을 격리하는 격리 부재를 포함하는 면진 장치; 및 상기 하우징 내부에 설치되고, 3상 전력라인 중 어느 한 상의 부하전류를 기준으로 설정하고, 다른 상에 대한 부하전류 부족분을 각각 계산하고, 3상 전력라인으로부터 부하전류 부족분만큼의 전력을 추출하되, 계산된 부하전류 부족분 및 기준으로 설정된 부하전류를 기반으로 각 상별로 부하전류 부족분에 해당하는 전력 추출량을 제어하며, 추출된 전력을 3상 전력라인으로 회생시키는 3상 전류 균형화 장치를 포함하는 면진 기능 및 3상 전력 안정화 기능이 구비된 수배전반을 제공한다.
Description
본 발명은 면진 기능 및 3상 전력 안정화 기능이 구비된 수배전반(전동기 제어반, 분전반 등도 포함)에 관한 것이다.
일반적으로 전동기 제어반, 분전반, 수배전반(이하, 수배전반이라고 함) 등은 각종 기기들의 상태를 감시하고 이들의 작동을 제어하는 설비로서, 전력 관련 기술분야를 포함한 다양한 기술분야에서 거의 필수적으로 설치되는 설비이다.
이러한 수배전반은 다양한 계측 장비들의 신호를 수집하고 모니터링 하면서 자동 또는 중앙 컨트롤 타워 등의 명령에 따라 각종 기기들의 정상적인 작동 및 정지를 제어할 수 있도록 구성되어 있고, 통상 함체의 내부에 회로장치, 배선, 다양한 전기 부품 및 전기 패널 등의 전기설비를 구비할 수 있다.
그러나, 수배전반에 설치되는 전기 패널 등의 전기설비는 지진 또는 기계적 외력에 의하여 진동 또는 충격이 가해지면 내부의 전력 기기 및 전자 기기들을 상호 연결하는 배선 또는 보호 계전기 등의 전기 부품 등이 손상 또는 파손될 수 있다.
특히, 지진과 같은 큰 에너지를 갖는 진동 또는 충격이 전기 패널에 전달되는 경우, 진동 및 충격에 의하여 전력 공급이 중단되거나 화재가 발생할 수도 있다.
큰 에너지를 가지고 있는 지진을 살펴보면, 전파되는 지진파 중에 진원에서 전파되어 나오는 종파인 P파 (primary wave), P파의 뒤를 이어 두 번째로 도착하는 횡파인 S파(secondary wave), P파 및 S파가 지각과 상호 작용을 하여 지 표면을 따라 전파되는 표면파(surface wave)가 있는데, 표면파 중에는 횡파인 L파 (love wave) 및 타원진동을 하는 레일리파(Rayleigh wave) 등이 있다.
이와 같이, 지진은 다양한 종류의 지진파가 있어, 종방향(수직방 향)뿐 아니라 임의의 횡방향(수평방향)으로도 진동 및 충격이 발생하므로, 지진 등과 같은 큰 외력이 발생하더라도 안정적으로 작동할 수 있는 수배전반이 되기 위해서는 임의의 3차원 방향의 진동 또는 충격이 가해지더라도 이를 차단하거나 저감할 수 있는 내진 기능을 갖추는 것이 요구된다.
여기서, 내진 기능 또는 내진 구조란 지진 외력에 충분히 저항할 수 있도록 수배전반의 부재를 적절히 선택 배치하여 수배전반의 강도, 견고성, 강성을 확보하여 '지진에 견딜 수 있게' 한 구조를 말한다. 즉 수배전반을 튼튼하게 설계하여 지진에 대응하는 수배전반 구조이다. 내진 구조는 수배전반이 더욱 지진 외력에 대응하기 위해 큰 소성 변형을 일으키게 된다. 이때 수배전반이 붕괴하지 않더라도 수배전반이 소성 변형을 일으키기 때문에 수배전반 내부에 들어있는 중요한 구성 요소들이 파괴되며, 수배전반의 피해로 인한 수배전반이 보유하는 수배전반 기능성을 상실할 수 있다.
내진 기능 또는 내진 구조에 대응하는 개념으로서 지진에 대응할 수 있도록 수배전반의 강도나 강성을 증가하는 것이 아니고 면진 장치에 의해 수배전반을 지반의 진동에서 격리하고 수배전반 자체에 큰 힘이 작용하지 않게 하여 '지진으로부터 피한다'라는 개념의 면진 구조를 도입할 수 있다. 지진 시 흔들림을 보면 내진 구조는 강한 흔들림인 것에 비해 면진 구조물은 약한 흔들림을 보이며 구조물의 가속도와 변형이 적은 특징을 가지고 있다. 면진 구조에서는 지진 시 흔들림의 강도를 약하게 함으로써, 수배전반의 파괴와 파손을 방지하여 재산 가치 보호 및 기능성을 확보할 수 있다.
한편, 수배전반은, 소규모 공장, 상가 등은 3상 기기를 사용하기 위하여 배전선로를 통해 3상 형태의 전력을 공급받는다. 수용가는 3상 기기와 함께 단상 기기도 사용하는데, 초기 부하설비에 대한 전력 분배 시 3상이 균형을 갖도록 구성하여 운용하지만, 실제 사용량은 시간별, 계절별로 각 상의 사용량에 대한 차이가 발생할 수밖에 없다.
이러한 차이는 무효전력과 유효전력에 대한 차이는 물론, 각 상의 전압에 대한 차이까지도 유발할 수 있다. 내부적으로는 중성 점이 이동될 수 있는데, 이는 각 상의 왜율 등의 전력품질에도 영향을 끼칠 수 있다.
각 기기의 무효전력 즉 역률 등은 'STATCOM' 등의 무효전력 보상기 등의 보상을 통해 개선할 수 있지만, 부하의 유효전력에 대한 불균형은 공급 측에서 상의 불균형 등에 의해 공급의 손실, 기기의 사용효율 등을 떨어뜨릴 수 있으므로, 이와 같은 3상 간 전류 불균형을 해소하면 수용가뿐만 아니라, 공급 측에도 전력의 손실을 개선할 수 있다.
3상 전력은 부하 측에서 3상 또는 단상으로 사용하기 때문에, 각 상의 전류는 대부분 불균형적으로 사용될 수밖에 없다. 3상 전류는 부하의 종류에 따라 다르고 가동 상태에 따라 다르기 때문에, 3상 전류의 균형을 이루기 위해서는 부하의 균형을 실시간으로 조절할 수밖에 없다.
일반적으로 고전력을 사용하는 부하인 경우에는 전력 균형을 위한 시스템이 적용되어 있어, 전력 균형을 위한 급격한 불균형 현상이 발생하는 비율이 낮지만, 저전력을 사용하는 부하의 경우에는 해당 시스템이 적용되어 있지 않아 전류 불균형 현상이 두드러지게 나타난다.
이러한 발명의 배경이 되는 기술에 개시된 상술한 정보는 본 발명의 배경에 대한 이해도를 향상시키기 위한 것뿐이며, 따라서 종래 기술을 구성하지 않는 정보를 포함할 수도 있다.
본 발명의 해결하고자 하는 과제는 지반의 진동에서 격리하고 수배전반 자체에 큰 힘이 작용하지 않도록 하는 면진 구조 또는 면진 기능을 도입하여 수배전반의 파손을 방지하고 안전하게 그 기능을 유지할 수 있고, 3상의 전력계통으로부터 3상 부하에 인가되는 불균형 전류를 균등하게 제어함으로써 3상의 계통전력소모를 균등하게 하고, 불균형 전류를 균형 있는 회생전력(유효전력과 무효전력)으로 재공급함으로써 역률, 효율 및 왜율을 개선하고, 전력공급 측에서 균형 있는 3상 전력을 공급함으로써 계통 전력을 안정화시킬 수 있는 수배전반을 제공하는데 있다.
본 발명에 따른 면진 기능 및 3상 전력 안정화 기능이 구비된 수배전반은 수배전반의 함체를 구성하는 하우징; 지면에 고정되는 사각 형상의 하부 플레이트, 상기 하우징의 하면에 고정되는 사각 형상의 상부 플레이트, 및 상기 상부 플레이트와 상기 하부 플레이트 간을 연결하며 지면으로부터 발생되는 진동을 격리하는 격리 부재를 포함하는 면진 장치; 및 상기 하우징 내부에 설치되고, 3상 전력라인 중 어느 한 상의 부하전류를 기준으로 설정하고, 다른 상에 대한 부하전류 부족분을 각각 계산하고, 3상 전력라인으로부터 부하전류 부족분만큼의 전력을 추출하되, 계산된 부하전류 부족분 및 기준으로 설정된 부하전류를 기반으로 각 상별로 부하전류 부족분에 해당하는 전력 추출량을 제어하며, 추출된 전력을 3상 전력라인으로 회생시키는 3상 전류 균형화 장치를 포함할 수 있다.
일부 예들에서, 상기 면진 장치의 격리 부재는: 상기 하부 플레이트의 제1대각선 방향으로 설치되는 하부 LM 가이드; 상기 하부 플레이트의 제1대각선 방향에 직교하는 제2대각선 방향으로 설치되는 한쌍의 하부 스프링; 상기 하부 플레이트의 제1대각선 방향에 직교하는 상기 상부 플레이트의 제2대각선 방향으로 설치되는 상부 LM 가이드; 상기 하부 플레이트의 제2대각선 방향에 직교하는 상기 상부 플레이트의 제1대각선 방향으로 설치되는 한쌍의 상부 스프링; 및 상기 하부 LM 가이드, 상기 한쌍의 하부 스프링, 상기 상부 LM 가이드 및 상기 한쌍의 상부 스프링이 결합되는 감쇠 블럭을 포함할 수 있다.
일부 예들에서, 상기 하부 플레이트는 제2대각선 방향의 양단에 각각 설치되어 상기 한쌍의 하부 스프링 일단이 결합되는 한쌍의 하부 스프링 포스트를 더 포함할 수 있고, 상기 상부 플레이트는 제1대각선 방향의 양단에 각각 설치되어 상기 한쌍의 상부 스프링 일단이 결합되는 한쌍의 상부 스프링 포스트를 더 포함할 수 있다.
일부 예들에서, 상기 감쇠 블럭은: 상기 하부 LM 가이드에 결합되어 슬라이딩되는 하부 슬라이더; 상기 하부 슬라이더 상부에 결합되는 하부 슬라이드 플레이트; 상기 상부 LM 가이드에 결합되어 슬라이딩되는 상부 슬라이더; 상기 상부 슬라이더 하부에 결합되는 상부 슬라이드 플레이트; 상기 하부 슬라이드 플레이트와 상기 상부 슬라이드 플레이트의 사이에 제2대각선 방향으로 각각 설치되고 상기 한쌍의 하부 스프링 타단이 각각 결합되는 한쌍의 제2대각선 방향 결합 볼트; 상기 하부 슬라이드 플레이트와 상기 상부 슬라이드 플레이트의 사이에 제1대각선 방향으로 각각 설치되고 상기 한쌍의 상부 스프링 타단이 각각 결합되는 한쌍의 제1대각선 방향 결합 볼트; 및 상기 하부 슬라이드 플레이트와 상기 상부 슬라이드 플레이트의 사이에 결합된 고무 감쇠 부재를 포함할 수 있다.
일부 예들에서, 상기 3상 전류 균형화 장치는: 3상 전력라인 별로 부하전류를 각각 측정하는 전류 센서부; 상기 부하전류 중 어느 한 상의 부하전류를 기준으로 다른 상의 부하전류 부족분을 비율로 각각 계산하는 부하전류 부족분 계산부; 3상 전력라인을 통해 부하로 공급되는 전력을 추출하되, 3상별로 이루어지는 스위칭 동작에 따라 전류 불균형을 갖는 상의 부하전류 부족분만큼을 추출하고, 추출된 전력을 DC로 변환하는 부족전류 추출부; 상기 부하전류 부족분 계산부를 통해 각각 계산된 부하전류 부족분의 비율 및 기준으로 설정된 부하전류의 비율을 기반으로 각 상별로 스위칭 제어신호를 생성하고, 상기 스위칭 제어신호를 이용하여 상기 부족전류 추출부의 3상별로 스위칭 동작을 제어하는 부족전류 회생 제어부; 및 상기 부족전류 추출부를 통해 변환된 DC 전력을 AC 전력으로 변환하고, 변환된 AC 전력을 3상 분배를 통해 3상 전력라인으로 회생시키는 PFC 인버터부를 포함할 수 있다.
일부 예들에서, 상기 부하전류 부족분 계산부는: 상기 전류 센서부를 통해 측정된 부하전류 중 미리 정의된 한 사이클 내에서 최대 값을 갖는 어느 한 상의 부하전류를 기준 부하전류로 설정하고, 나머지 다른 두 상의 부하전류를 불균형 부하전류로 설정하는 부하전류 설정부; 및 하기의 수식에 따라 부하전류 부족분의 비율을 상기 나머지 다른 두 상에 각각 대하여 계산하는 부족전류 비율 계산부를 포함할 수 있고, 상기 수식은 이고, 상기 I dev_phase(%)는 상기 나머지 다른 두 상 각각에 대한 부하전류 부족분의 비율이고, 상기 Iref_phase는 상기 기준 부하전류의 값이고, 상기 I rms_ref_phase는 미리 정의된 한 사이클 내에서 상기 기준 부하전류를 RMS(Root Mean Square)로 계산한 값이고, 상기 I rms_phase는 미리 정의된 한 사이클 내에서 상기 불균형 부하전류를 RMS(Root Mean Square)로 계산한 값일 수 있다.
일부 예들에서, 상기 부하전류 부족분 계산부는: 상기 부족전류 비율 계산부를 통한 계산된 결과데이터를 현재 사이클 바로 다음 사이클에 적용하되, 각 상별로 미리 설정된 계산 시작점을 기준으로 적용할 수 있다.
일부 예들에서, 상기 부족전류 추출부는: 부하 측 3상 전력라인으로부터 각 상별로 전류를 각각 입력받는 전류 입력부; 상기 전류 입력부를 통해 3상별 전류를 각각 입력받아 각 상별로 출력하되, 스위칭 동작에 따라 각 상별로 출력되는 전류량을 각각 조절하는 다수의 전력 반도체 소자를 포함하는 상별 부족전류 출력량 조절부; 및 상기 상별 부족전류 출력량 조절부를 통해 출력되는 전류를 DC로 변환하고, 변환된 DC 전류를 하나로 합류시켜 상기 PFC 인버터부로 공급하는 전류 출력부를 포함할 수 있다.
일부 예들에서, 상기 부족전류 회생 제어부는, 각각의 상별로 상기 부하전류 부족분 계산부를 통해 각각 계산된 부하전류 부족분의 비율(100%) 및 기준으로 설정된 부하전류의 비율(I dev_phase(%) < 100%)을 각각 입력받고, 입력 값에 대한 비례적분제어를 수행하여 각 상별로 PWM 제어신호를 각각 생성하는 PI 루프 제어기를 포함할 수 있고, 상기 부족전류 추출부는, 상기 PWM 제어신호를 통해 각 상별 스위칭 온 시간이 조절되어 각 상별 부하로 공급되는 계통전력의 총 부하량을 조절할 수 있다.
본 발명은 지반의 진동에서 격리하고 수배전반 자체에 큰 힘이 작용하지 않도록 하는 면진 구조 또는 면진 기능을 도입하여 수배전반의 파손을 방지하고 안전하게 그 기능을 유지할 수 있고, 3상의 전력계통으로부터 3상 부하에 인가되는 불균형 전류를 균등하게 제어함으로써 3상의 계통전력소모를 균등하게 하고, 불균형 전류를 균형 있는 회생전력(유효전력과 무효전력)으로 재공급함으로써 역률, 효율 및 왜율을 개선하고, 전력공급 측에서 균형 있는 3상 전력을 공급함으로써 계통 전력을 안정화시킬 수 있는 수배전반을 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 면진 기능 및 3상 전력 안정화 기능이 구비된 수배전반의 구성을 나타낸 개략도이다.
도 2a는 및 도 2b는 본 발명에 따른 수배전반중 면진 장치의 구성을 도시한 정면도 및 측면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 수배전반중 면진 장치의 구성을 도시한 분해도이다.
도 4는 본 발명에 따른 수배전반중 면진 장치의 주요 구성을 도시한 사시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 수배전반의 면진 장치중 고감쇠 블럭을 확대 도시한 사시도이다.
도 6은 본 발명에 따른 3상 전류 균형화 장치의 전체 구성을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 부하전류 부족분 계산부의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 8은 본 발명에 따른 부족전류를 포함하는 3상별 파형을 예시한 도면이다.
도 9는 본 발명에 따라 한 사이클 내에서 계산된 부하전류 부족분에 대한 결과데이터를 다음 사이클에 적용하는 방식을 설명하기 위해 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명에 따른 부족전류 추출부의 구성을 설명하기 위해 나타낸 회로도이다.
도 11은 본 발명에 따른 부족전류 회생 제어부의 구성을 설명하기 위해 나타낸 회로도이다.
도 12는 본 발명에 따른 무효전력 소비량 감소를 통한 3상 기기의 에너지 효율 증가 및 전력품질 향상을 설명하기 위해 나타낸 그래프이다.
도 13은 일반적인 3상 전력부하에서의 역률을 나타낸 도면이다.
도 14는 본 발명에 따른 PFC 인버터부(STATCOM)을 설치한 경우 3상 전력부하에서의 역률 개선 효과를 나타낸 도면이다.
도 15는 본 발명에 따른 3상 전류 균형화 장치를 통해 3상 전력부 하에서의 상불균형, 역률, 효율 개선 효과를 나타낸 도면이다.
도 2a는 및 도 2b는 본 발명에 따른 수배전반중 면진 장치의 구성을 도시한 정면도 및 측면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 수배전반중 면진 장치의 구성을 도시한 분해도이다.
도 4는 본 발명에 따른 수배전반중 면진 장치의 주요 구성을 도시한 사시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 수배전반의 면진 장치중 고감쇠 블럭을 확대 도시한 사시도이다.
도 6은 본 발명에 따른 3상 전류 균형화 장치의 전체 구성을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 부하전류 부족분 계산부의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 8은 본 발명에 따른 부족전류를 포함하는 3상별 파형을 예시한 도면이다.
도 9는 본 발명에 따라 한 사이클 내에서 계산된 부하전류 부족분에 대한 결과데이터를 다음 사이클에 적용하는 방식을 설명하기 위해 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명에 따른 부족전류 추출부의 구성을 설명하기 위해 나타낸 회로도이다.
도 11은 본 발명에 따른 부족전류 회생 제어부의 구성을 설명하기 위해 나타낸 회로도이다.
도 12는 본 발명에 따른 무효전력 소비량 감소를 통한 3상 기기의 에너지 효율 증가 및 전력품질 향상을 설명하기 위해 나타낸 그래프이다.
도 13은 일반적인 3상 전력부하에서의 역률을 나타낸 도면이다.
도 14는 본 발명에 따른 PFC 인버터부(STATCOM)을 설치한 경우 3상 전력부하에서의 역률 개선 효과를 나타낸 도면이다.
도 15는 본 발명에 따른 3상 전류 균형화 장치를 통해 3상 전력부 하에서의 상불균형, 역률, 효율 개선 효과를 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
또한, 이하의 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 또한, 본 명세서에서 "연결된다"라는 의미는 A 부재와 B 부재가 직접 연결되는 경우뿐만 아니라, A 부재와 B 부재의 사이에 C 부재가 개재되어 A 부재와 B 부재가 간접 연결되는 경우도 의미한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise, include)" 및/또는 "포함하는(comprising, including)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및 /또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안 됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제1부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제2부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.
"하부(beneath)", "아래(below)", "낮은(lower)", "상부(above)", "위(upper)"와 같은 공간에 관련된 용어가 도면에 도시된 한 요소 또는 특징과 다른 요소 또는 특징의 용이한 이해를 위해 이용될 수 있다. 이러한 공간에 관련된 용어는 본 발명의 다양한 공정 상태 또는 사용 상태에 따라 본 발명의 용이한 이해를 위한 것이며, 본 발명을 한정하기 위한 것은 아니다. 예를 들어, 도면의 요소 또는 특징이 뒤집어지면, "하부" 또는 "아래"로 설명된 요소 또는 특징은 "상부" 또는 "위에"로 된다. 따라서, "아래"는 "상부" 또는 "아래"를 포괄하는 개념이다.
도 1은 본 발명에 따른 면진 기능 및 3상 전력 안정화 기능이 구비된 수배전반(10)의 구성을 나타낸 개략도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 면진 기능 및 3상 전력 안정화 기능이 구비된 수배전반(10)은 하우징(1000), 면진 장치(2000) 및 3상 전류 균형화 장치(3000) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
하우징(1000)은 수배전반(10)의 금속 패널로 이루어진 함체를 구성하고, 대략 직육면체 형상으로 이루어질 수 있으며, 하부에 면진 장치(2000)가 설치되고, 내부에 3상 전류 균형화 장치(3000)가 설치될 수 있다.
하우징(1000)은 함체와 함체의 내부에는 3상 전류 균형화 장치(3000)뿐만 아니라 각종 회로장치, 배선, 다양한 전기 부품 및 전기 패널 등을 포함하고 있을 수 있다.
하우징(1000)은, 외부 구조물에 해당하는 구성이며, 외력이 작용할 때 비틀어짐 등의 변형을 방지하기 위하여 다양한 구조적 보강을 하는 것도 가능하다.
한편, 하우징(1000)이 설치되는 지면은 일반적인 지면일 수도 있고, 종래기술에 나타난 바와 같은 콘크리트 구조물 등과 같은 지진에 대비한 구조물이 설치되어 있는 지면일 수도 있다.
면진 장치(2000)는, 지면에 고정된 하부 플레이트, 하우징(1000)의 하면에 결합된 상부 플레이트, 및 상부 플레이트와 하부 플레이트 간을 연결하며, 지면으로부터 발생되는 진동(ex. 지진)이 하우징에 전달되지 않도록 하는 격리 부재를 갖도록 구성될 수 있다.
3상 전류 균형화 장치(3000)는, 하우징(1000) 내부에 설치되고, 3상 전력라인 중 어느 한 상의 부하전류를 기준으로 설정하고, 다른 상에 대한 부하전류 부족분을 각각 계산하고, 3상 전력라인으로부터 부하전류 부족분만큼의 전력을 추출하되, 계산된 부하전류 부족분 및 기준으로 설정된 부하전류를 기반으로 각 상별로 부하전류 부족분에 해당하는 전력 추출량을 제어하며, 추출된 전력을 3상 전력라인으로 회생시킬 수 있다.
도 2a는 및 도 2b는 본 발명에 따른 수배전반(10)중 면진 장치(2000)의 구성을 도시한 정면도 및 측면도이고, 도 3은 본 발명에 따른 수배전반(10)중 면진 장치(2000)의 구성을 도시한 분해도이며, 도 4는 본 발명에 따른 수배전반(10)중 면진 장치(2000)의 주요 구성을 도시한 사시도이다.
상술한 바와 같이, 면진 장치(2000)는 지면상에 고정되는 하부 플레이트(2100), 하우징(1000)의 하면에 결합되는 상부 플레이트(2200), 및 상부 플레이트(2200)와 하부 플레이트(2100) 간을 연결하며, 지면으로부터 발생되는 진동이 하우징(1000)에 전달되지 않도록 하는 격리 부재(2300)를 포함할 수 있다.
하부 플레이트(2100)는 지면에 고정되며 대략 사각 평판 형상일 수 있다. 일부 예들에서, 하부 플레이트(2100)는 금속, 플라스틱, 세라믹 등으로 제조될 수 있다. 일부 예들에서, 하부 플레이트(2100)는 무게를 줄이기 위해 다수의 관통 개구를 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 하부 플레이트(2100)는 드릴링, 밀링, 터닝, 그라인딩 등과 같은 절삭 가공, 또는 압출, 주조, 절단, 열간 성형 등과 같은 성형 가공 등을 통해 가공될 수 있다.
상부 플레이트(2200)는 하우징에 고정되며 대략 사각 평판 형상일 수 있다. 일부 예들에서, 상부 플레이트(2200)는 금속, 플라스틱, 세라믹 등으로 제조될 수 있다. 일부 예들에서, 상부 플레이트(2200)는 무게를 줄이기 위해 다수의 관통 개구를 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 상부 플레이트(2200)는 드릴링, 밀링, 터닝, 그라인딩 등과 같은 절삭 가공, 또는 압출, 주조, 절단, 열간 성형 등과 같은 성형 가공 등을 통해 가공될 수 있다.
일부 예들에서, 하부 플레이트(2100)와 상부 플레이트(2200)는 대체로 동일하거나 또는 유사한 형태로 제공될 수 있으며, 이에 따라 제조 비용이 절감될 수 있다.
격리 부재(2300)는 상부 플레이트(2200)와 하부 플레이트(2100) 상호 간을 연결하며 지면으로부터 발생되는 진동을 격리할 수 있다. 즉, 격리 부재(2300)는 하부 플레이트(2100)의 수평 방향 또는 횡 방향 진동이 상부 플레이트(2200)에 전달되지 않도록 한다. 이를 위해, 격리 부재(2300)는 하부 LM 가이드(2310), 한쌍의 하부 스프링(2320), 상부 LM 가이드(2330), 한쌍의 상부 스프링(2340), 및 감쇠 블럭(2350)을 포함할 수 있다.
하부 LM 가이드(2310)는 하부 플레이트(2100)의 대략 제1대각선 방향으로 하부 플레이트(2100)에 설치될 수 있다. 하부 LM 가이드(2310)는 감쇠 블럭(2350)의 직동 안내 역할을 수행하며, 또한 감쇠 블럭(2350)을 레일 방향으로 매끄럽게 운동시키는 역할을 수행할 수 있다. 일부 예들에서, 하부 LM 가이드(2310)는 하부 리니어 가이드로 지칭될 수도 있다.
한쌍의 하부 스프링(2320)은 하부 플레이트(2100)의 제1대각선 방향에 직교하는 대략 제2대각선 방향으로 하부 플레이트(2100)에 설치될 수 있다. 한쌍의 하부 스프링(2320)은 감쇠 블럭(2350)이 제1대각선 방향으로 움직일 때 제2대각선 방향에서 감쇠 블럭(2350)을 잡아 당김으로써 결국, 감쇠 블럭(2350)이 하부 LM 가이드(2310)의 대략 중앙으로 위치되도록 할 수 있다. 일부 예들에서, 한쌍의 하부 스프링(2320)은 한쌍의 코일형 인장 스프링으로 지칭될 수도 있다.
상부 LM 가이드(2330)는 하부 플레이트(2100)의 제1대각선 방향에 직교하는 상부 플레이트(2200)의 대략 제2대각선 방향으로 상부 플레이트(2200)에 설치될 수 있다. 상부 LM 가이드(2330)는 감쇠 블럭(2350)의 직동 안내 역할을 수행하며, 또한 감쇠 블럭(2350)을 레일 방향으로 매끄럽게 운동시키는 역할을 수행할 수 있다. 일부 예들에서, 상부 LM 가이드(2330)는 상부 리니어 가이드로 지칭될 수도 있다.
한쌍의 상부 스프링(2340)은 하부 플레이트(2100)의 제2대각선 방향에 직교하는 상부 플레이트(2200)의 제1대각선 방향으로 상부 플레이트(2200)에 설치될 수 있다. 한쌍의 상부 스프링(2340)은 감쇠 블럭(2350)이 제2대각선 방향으로 움직일 때 제1대각선 방향에서 감쇠 블럭(2350)을 잡아 당김으로써 결국, 감쇠 블럭(2350)이 상부 LM 가이드(2330)의 대략 중앙으로 위치되도록 할 수 있다. 일부 예들에서, 한쌍의 상부 스프링(2340)은 한쌍의 코일형 인장 스프링으로 지칭될 수도 있다.
일부 예들에서, 하부 LM 가이드(2310)와 상부 LM 가이드(2330)는 상호간 직교하는 방향으로 설치될 수 있고, 또한 한쌍의 하부 스프링(2320) 및 한쌍의 상부 스프링(2340) 역시 상호간 직교하는 방향으로 설치될 수 있다.
감쇠 블럭(2350)은 하부 LM 가이드(2310), 한쌍의 하부 스프링(2320), 상부 LM 가이드(2330) 및 한쌍의 상부 스프링(2340)에 결합될 수 있다. 따라서, 지진 발생 시, 감쇠 블럭(2350)은 하부 LM 가이드(2310)를 따라 움직이며 한쌍의 하부 스프링(2320)에 위해 하부 LM 가이드(2310)의 중앙으로 움직이려 하고, 또한 상부 LM 가이드(2330)를 따라 움직이며 한쌍의 상부 스프링(2340)에 의해 상부 LM 가이드(2330)의 중앙으로 움직이려 한다. 따라서, 지진 발생 시 지면으로부터의 진동이 최종적으로 하우징(1000)에 전달되지 않고 격리될 수 있다.
일부 예들에서, 하부 플레이트(2100)는 제2대각선 방향의 양단에 각각 설치되어 한 쌍의 하부 스프링(2320)의 일단이 결합되는 한쌍의 하부 스프링 포스트(2110)를 더 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 하부 스프링(2320)의 타단은 감쇠 블럭(2350)에 결합될 수 있다.
일부 예들에서, 상부 플레이트(2200)는 제1대각선 방향의 양단에 각각 설치되어 한쌍의 상부 스프링(2340)의 일단이 결합되는 한쌍의 상부 스프링 포스트(2210)를 더 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 상부 스프링의 타단은 감쇠 블럭(2350)에 결합될 수 있다.
이와 같이 하여 본 발명에 따른 면진 기능을 갖는 수배전반(10)은 하부 플레이트(2100)와 상부 플레이트(2200)의 사이에 설치된 격리 부재(2300)에 의해 지면의 진동이 하우징에 전달되지 않고 격리됨으로써, 수배전반(10)의 자체에 큰 힘이 작용하지 않고, 이에 따라 수배전반(10)의 파손 현상이 방지되고 고유 기능이 안전하게 보존된다.
도 5는 본 발명에 따른 수배전반(10)의 면진 장치(2000)중 고감쇠 블럭(2350)을 확대 도시한 사시도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 고감쇠 블럭(2350)은 하부 슬라이더(2351), 하부 슬라이드 플레이트(2352), 상부 슬라이더(2353), 상부 슬라이드 플레이트(2354), 한쌍의 제2대각선 방향 결합 볼트(2355), 한쌍의 제1대각선 방향 결합 볼트(2356), 및 고무 감쇠 부재(2357)를 포함할 수 있다.
하부 슬라이더(2351)는 하부 LM 가이드(2310)에 결합되어 하부 LM 가이드(2310)의 길이 방향(예를 들면, 제1대각선 방향)을 따라 직선 운동할 수 있다. 일부 예들에서, 하부 슬라이더(2351)와 하부 LM 가이드(2310)의 사이에는 다수의 강철볼이 실링된 채 결합될 수 있다.
하부 슬라이드 플레이트(2352)는 대략 사각 평판 형상이며, 이는 하부 슬라이더(2351)의 상부에 결합될 수 있다. 따라서, 하부 슬라이드 플레이트(2352)는 하부 슬라이더(2351)와 일체로 움직일 수 있다.
상부 슬라이더(2353)는 상부 LM 가이드(2330)에 결합되어 상부 LM 가이드(2330)의 길이 방향(예를 들면, 제2대각선 방향)을 따라 직선 운동할 수 있다. 일부 예들에서, 상부 슬라이더(2353)와 상부 LM 가이드(2330)의 사이에는 다수의 강철볼이 실링된 채 결합될 수 있다.
상부 슬라이드 플레이트(2354)는 대략 사각 평판 형상이며, 이는 상부 슬라이더(2353)의 하부에 결합될 수 있다. 따라서, 상부 슬라이드 플레이트(2354)는 상부 슬라이더(2353)와 일체로 움직일 수 있다.
한쌍의 제2대각선 방향 결합 볼트(2355)는 상호간 이격된 하부 슬라이드 플레이트(2352)와 상부 슬라이드 플레이트(2354)의 사이에 제2대각선 방향으로 각각 설치될 수 있다. 일부 예들에서, 한쌍의 하부 스프링(2320)의 타단이 한쌍의 제2대각선 방향 결합 볼트(2355)에 각각 결합될 수 있다.
한쌍의 제1대각선 방향 결합 볼트(2356)는 상호간 이격된 하부 슬라이드 플레이트(2352)와 상부 슬라이드 플레이트(2354)의 사이에 제1대각선 방향으로 각각 설치될 수 있다. 일부 예들에서, 한쌍의 상부 스프링(2340)의 타단이 한쌍의 제1대각선 방향 결합 볼트(2356)에 각각 결합될 수 있다.
고무 감쇠 부재(2357)는 하부 슬라이드 플레이트(2352)와 상부 슬라이드 플레이트(2354)의 사이에 결합될 수 있다. 일부 예들에서, 한쌍의 제2대각선 방향 결합 볼트(2355) 및 한쌍의 제1대각선 방향 결합 볼트(2356)가 이루는 하부 슬라이드 플레이트(2352)와 상부 슬라이드 플레이트(2354)의 사이에 고무 감쇠 부재(2357)가 개재될 수 있다. 일부 예들에서, 고무 감쇠 부재(2357)는 NR(천연고무), SBR(스티렌부타디엔고무), 및/또는 BR(부타디엔고무) 등을 포함할 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 3상 전류 균형화 장치(3000)의 전체 구성을 나타낸 도면이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 3상 전류 균형화 장치(3000)는 전류 센서부(3100), 부하전류 부족분 계산부(3200), 부족전류 추출부(3300), 부족 전류 회생 제어부(3400) 및 PFC 인버터부(3500) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
전류 센서부(3100)는 3상 전력라인에 설치되어 3상별로 AC의 부하전류를 각각 측정할 수 있다. 3상별로 AC의 부하전류를 측정하기 위한 수단으로는 CT 센서(Current Transformer Sensor)를 적용할 수 있으며, 이러한 경우 R상 부하전류 측정용 CT 센서, S상 부하전류 측정용 CT 센서, T상 부하전류 측정용 CT 센서를 포함할 수 있으며, 각 CT 센서에서 감지된 데이터는 부하전류 부족분 계산부(3200)로 제공될 수 있다.
부하전류 부족분 계산부(3200)는, 부하전류 중 어느 한 상의 부하전류를 기준으로 다른 상의 부하전류 부족분을 비율로 각각 계산할 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 부하전류 부족분 계산부(3200)의 구성을 나타낸 블록도이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 부하전류 부족분 계산부(3200)는 부하전류 설정부(3210) 및 부하전류 비율 계산부(3220) 중 적어도 하나를 포함 할 수 있다.
부하전류 설정부(3210)는, 전류 센서부(3100)를 통해 측정된 부하전류(R, S, T 부하전류) 중 미리 정의된 한 사이클 내에서 최대 값을 갖는 어느 한 상의 부하전류를 기준 부하전류로 설정하고, 나머지 다른 두 상의 부하전류를 불균형 부하전류로 설정할 수 있다.
도 8은 본 발명에 따른 부족전류를 포함하는 3상별 파형을 예시한 도면이다. 일부 예들에서, 전류 센서부(3100)를 통해 R상 부하전류(Isr), S상 부하 전류(Iss), T상 부하전류(Ist)가 각각 측정된 경우, 도 8에 도시된 바와 같이 R상 부하전류(Isr)가 미리 설정된 한 사이클 내에서 최대 값을 갖는 경우 R상 부하전류 (Isr)를 기준 부하전류로 설정하고, S상 부하전류(Iss)과 T상 부하전류(Ist)는 R상 부하전류(Isr)을 기준으로 불균형 부하전류로 각각 설정할 수 있다.
도 9는 본 발명에 따라 한 사이클 내에서 계산된 부하전류 부족분에 대한 결과데이터를 다음 사이클에 적용하는 방식을 설명하기 위해 나타낸 도면이다. 일부 예들에서, 부하전류 비율 계산부(3220)는, 도 9에 도시된 바와 같이, 기준 부하전류를 기준으로 불균형 부하전류 각각에 대한 부족분 비율을 계산하는데, 계산 방법은 하기의 수식에 따라 실시할 수 있다.
[수식]
상기 수식에서 Idev_phase(%)는 나머지 다른 두 상(ex S, T 상)에 대한 부하전류 부족분의 비율을 의미하고, Iref_phase는 기준 부하전류(Isr)의 값을 의미하고, Irms_ref_phase는 미리 정의된 한 사이클 내에서 기준 부하전류(Isr)를 RMS(Root Mean Square)로 계산한 값을 의미하며, Irms_phase는 미리 정의된 한 사이클 내에서 불균형 부하전류를 RMS(Root Mean Square)로 계산한 값을 의미한다.
일부 예들에서, Idev_s(%) = I_r * (Irms_r - Irms_s) / Irms_r에서 Irms_r = 100이고, Irms_s = 80 이라고 한다면 Idev_s(%) = I_r * 02 = 20%가 된다. 즉, Irms_r = 100이고, Irms_s = 80 이면 S상 라인에서 20%에 상응하는 전류 부족분을 추출해야 하는 것이다.
I_sr을 본래의 정상전류가 가정할 때, I_ss에 대한 부족전류의 비율 (Idev_s)은 이지만, 현재 각도(위상)는 역률에 따라 다르기 때문에 이러한 방식으로 계산하게 되면 파형의 왜곡이 발생될 수 있다.
이에 따라, 각 상의 부족분에 대한 비율은 상술한 바와 같이 RMS(Root Mean Square)를 이용하여 계산하는 것이 바람직하며, RMS 전류를 이용하여 부족전류 비율을 계산함으로써 파형의 왜곡을 방지하는 것이 바람직하다.
이와 같이 RMS 방식을 적용하는 이유는, μsec 단위의 시간을 갖는 각 사이클 내에서 전류를 계산할 경우, 전력의 왜율과 역률이 훼손되어 전력에 대한 품질을 변화시킬 수 있기 때문이다. 이에 따라, 한 사이클 내에서 전류를 평균제곱근(RMS)으로 계산(즉 한 사이클 내의 부족전류에 대한 RMS 값을 계산)하고, 이를 이용해 한 사이클 단위에서의 불균형 부하전류에 대한 부족분 비율을 계산함으로써 특정 위상 값을 배제할 수 있게 되어 왜율이나 역률 등에 대한 영향을 받지 않을 수 있다.
한편, 부하전류 부족분 계산부(3200)는, 부족전류 비율 계산부(3220)를 통한 계산된 결과데이터를 현재 사이클 바로 다음 사이클에 적용하되, 각상별로 미리 설정된 계산 시작점을 기준으로 적용할 수 있다.
일부 예들에서, 도 9에 도시된 바와 같이 전류 부족분에 대하여 n cycle에서 점검하고, 그 점검 결과를 그 다음 사이클인 n+1 cycle에 적용하고, n+1 cycle에 점검한 데이터를 다음 사이클인 n+2 cycle에서 적용하는 방식으로 진행할 수 있다.
일부 예들에서, 본 발명에서는 다음 사이클에 적용 시 연속성을 유지하기 위해 각 상별로 동기점부터 시작하도록 함으로써 전류의 시작점이 달라지는 것을 방지할 수 있다. 여기서, 동기점은 특정한 상에 대한 계산을 시작하는 지점을 의미하거나, 360도를 기준으로 하는 특정 지점을 의미할 수 있다, 또한, 동기점은 발전기 간의 동기를 이루거나 인버터의 주파수 감지 기준점을 의미하기도 한다.
일부 예들에서, 본 발명에서는 소프트 증감을 통해 직선 가감을 피할 수 있도록 'S-Curve'형을 사용할 수 있다. 사이클 간의 편차가 존재하는 경우 그 결과의 출력에 대한 가감이 발생될 수 있는데, 이때 출력 시 일정한 감속 혹은 가속으로 변화시키는 직선 가감 방식을 적용하는 것이 아니라, 가감속 시 관성 등의 영향이 있을 경우 'S-curve'형 가감속 방식을 적용하면 좀 더 부드럽게 가감속을 조절(처음과 끝의 가감속 양을 작게 하는 방식)할 수 있어 오버 슛(Over-Shoot)를 줄일 수 있다.
부족전류 추출부(3300)는, 3상 전력라인을 통해 부하로 공급되는 전력을 추출하되, 3상별로 이루어지는 스위칭 동작에 따라 전류 불균형을 갖는 상의 부하전류 부족분만큼을 추출하고, 추출된 전력을 DC로 변환 할 수 있다.
이를 위해 부족전류 추출부(3300)는 도 10에 도시된 바와 같이, 전류 입력부(3310), 상별 부족전류 출력량 조절부(3320) 및 전류 출력부(3330) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
전류 입력부(3310)는 부하 측 3상 전력라인으로부터 각 상별(R, S, T)로 전류(Idr, Ids, Idt)를 각각 입력받을 수 있다.
상별 부족전류 출력량 조절부(3320)는, 전류 입력부(3310)를 통해 3상별 전류(Idr, Ids, Idt)를 각각 입력받아 각 상별(R, S, T)로 출력하되, 스위칭 동작에 따라 각 상별로 출력되는 전류량을 각각 조절하는 다수의 전력 반도체 소자를 포함할 수 있다.
일부 예들에서, 다수의 전력 반도체 소자는, 제1 내지 제3 전력 반도체 소자(3321, 322, 323)을 포함할 수 있다. 여기서, 제1 전력 반도체 소자(3321)는 R상의 전력라인과 연결되어 R상의 부하 측으로 공급되는 전류를 입력받고, 제2 전력반도체 소자(3322)는 S상의 전력라인과 연결되어 S상의 부하 측으로 공급되는 전류를 입력받으며, 제3 전력 반도체 소자(3323)는 T상의 전력라인과 연결되어 T상의 부하 측으로 공급되는 전류를 입력받을 수 있다. 이러한 제1 내지 제3 전력 반도체 소자(3321, 3322, 3323)는 'Triac' 또는 'IGBT'를 적용할 수 있다.
전류 출력부(3330)는, 제1 내지 제3 전력 반도체 소자(3321,3322, 3323)의 출력단 각각 연결되어 제1 내지 제3 전력 반도체 소자(3321, 3322,3323)로부터 출력되는 AC 전류를 DC 전류로 변환하고, 변환된 DC 전류를 하나로 합류시켜 PFC 인버터부(3500)로 피드백할 수 있다.
부족전류 추출부(3300)는 상술한 바와 같이, 상별로 전류 부족분을 추출하는 역할을 수행하는데, 예를 들어, Idev_s(%) = I_r * (Irms_r -Irms_s) / Irms_r에서 Irms_r = 100이고, Irms_s = 80 이라고 한다면 Idev_s(%) =I_r * 02 = 20%가 된다. 즉, Irms_r = 100이고, Irms_s = 80 이면 S상 라인에서 20%에 상응하는 전류 부족분을 추출해야 하는 것이다.
일부 예들에서, S상 전력라인에서 20%에 상응하는 전류 부족분을 추출하기 위해서는 20%만큼에 해당하는 부하가 필요한데, DC 전력으로 변환하는 과정에서 해당 정류기의 각 전력 반도체 소자에 대한 스위치 량을 조절(PWM 제어)함으로써, AC를 DC로 정류 때 R, S, T상 각각의 정류량을 조절할 수 있게 된다. 각 상에 대하여 정류된 DC 전류는 한 곳에 합쳐지게 되는데, 이렇게 합쳐진 DC 전류는 그리드에서 각상에 대한 부하로 작용할 수 있다(즉 R부하=0, S부하=20, T부하=0과 같이 부하로 작용)
이와 같이 S상 라인에서 20%에 상응하는 전류 부족분을 추출하기 위해서는 20%만큼에 해당하는 부하가 필요한데, 부족전류 추출부(3300)를 통해 DC 전력을 형성하는 과정에서 각 상별로 PWM 제어를 통해 전력 반도체 소자(Triac 또는 IGBT) 각각에 대한 스위칭 량을 조절함으로써, AC 전력을 DC 전력으로 정류할 때 R, S, T 각 상에 대한 유입량을 조절할 수 있다. 각 상별로 정류된 DC 전류는 한 곳으로 합쳐지는데, 이러한 DC 전류는 그리드(Grid) 상에서 보면 각 상의 부하로 작용하게 된다(예를 들어, R부하=0, S부하=20, T부하=0과 같은 부하로 작용). 이와 같이, 부족전류 추출부(3300)는, 부족전류 회생 제어부(3400)에서 생성된 PWM 제어신호(또는 스위칭 제어신호)를 입력받고, 그에 따라 각 상별로 마련된 전력 반도체 소자(Triac 또는 IGBT)의 스위칭 온 시간을 조절함으로써 각 상별 부하로 공급되는 전력량을 조절할 수 있다.
부족전류 회생 제어부(3400)는, 부하전류 부족분 계산부(3200)를 통해 각각 계산된 부하전류 부족분의 비율 및 기준으로 설정된 부하전류의 비율을 기반으로 각 상별로 스위칭 제어신호(PWM 제어신호)를 생성하고, 생성된 스위칭 제어신호를 이용하여 부족전류 추출부(3300)의 스위칭 동작을 각각 제어함으로써 R, S, T 각 상에 대한 정류량을 조절할 수 있다.
이러한 부족전류 회생 제어부(3400)는 도 11에 도시된 바와 같이, 각각의 상별로 부하전류 부족분 계산부(3200)를 통해 각각 계산된 부하전류 부족분의 비율(Idev_phase(%) < 100%) 및 기준으로 설정된 부하전류의 비율(100% Calculate d)을 각각 입력받고, 입력 값에 대한 비례적분제어(Proportional Integral Control)를 수행하여 각 상별로 PWM 제어신호를 각각 생성하는 PI 루프 제어기를 포함할 수 있다.
일부 예들에서, '100% Calculated'란 부족전류를 각 상의 부하를 대상으로 정류했을 경우 각 상에서 소모되는 최대전류의 비율(100%)로서 각 상(R/S/T)에 대해서는 동일하게 적용된다.
PI 루프 제어기에서 출력되는 PWM 제어신호(PWM out)는 'PWMout = K(E+Edt)'의 수식에 따라 계산될 수 있다. 여기서, K는 전체 게인(gain)을 의미하나, 경우에 따라서 P 게인(gain)을 의미할 수 있다. E는 Error 값으로 'Set point - Present value'로 정의되며 t는 0 ~ 무한(Δ)의 값을 갖는다. 본 발명에 따른 PWM 출력을 계산하는 수식에서 'Differential' 항을 넣을 경우 오히려 불연속에 따른 불안정 특성을 나타나게 되므로, 미분 항은 사용하지 않는 것이 바람직하다.
본 발명에서는, 일반 인버터와 달리 3상이 각각 3개 PI 루프 제어기와 연결되어 각상이 다르게 제어되기 때문에 각기 다른 전류를 공급할 수 있다. DC 전원을 형성하기 위해서는 'Pr, Ps, Pt'라는 3가지 전원이 있고, 3가지 전원이 DC 전원으로 유입되고 이를 소모하기 위한 부하 'Pdc'가 있다고 가정하면 'Pr+Ps+Pt = Pdc'가 될 것이며, DC 전원의 소모는 'Pdc'가 결정하게 되며, 전류 불균형에 의해 부족한 'Pdc'를 보충하기 위해 'Pr, Ps, Pt'는 각각을 보충하도록 제어될 수 있다.
일부 예들에서, 'Pr, Ps, Pt'가 일반 하나의 루프(one-loop)로 이루어진 경우, 각각에 대하여 동일한 전력을 균형 있게 공급하겠지만, 각각의 루프로 각기 다른 시간만큼 같은 양의 전력이 공급된다면, 최종적으로 공급되는 전력량은 다를 수 밖에 없다. 따라서, 부족전류 추출부(3300)를 통한 정류 시에 부족전류 추출부(3300)의 'Triac' 또는 'IGBT'를 이용하여 μsec 단위의 정류시간을 조절함으로써 공급되는 전력량을 조절하여 각 상에 대한 부하(그리드 상에서 볼 때)의 균형을 만 들 수 있다(단, Pdc가 소모되지 않을 경우 제어 량이 0이 될 수밖에 없음).
PFC 인버터부(Power Factor Control invertor)(3500)는, STATCOM(Static Compensator)과 역률을 조절할 수 있는 기능을 겸비한 인버터를 포함하며, 이러한 구성을 통해 부족전류 추출부를 통해 변환된 DC 전력을 AC 전력으로 변환하고, 변환된 AC 전력에 대한 3상 균등분배를 통해 3상 전력라인으로 동등한 AC 전류를 공급시킬 수 있다. 즉, 전류 출력부(3300)의 정류기(AD-DC Converter)를 통해 변환된 DC 전류는 PFC 인버터부(3500)의 3상 전력 반드체 소자(ex Triac 또는 IGBT)를 이용해 각 상에 동등하게 분배 회생됨으로써 3상 전력라인의 전류 불균형을 해소할 수 있다.
도 12는 본 발명에 따른 무효전력 소비량 감소를 통한 3상 기기의 에너지 효율 증가 및 전력품질 향상을 설명하기 위해 나타낸 그래프이고, 도 13은 일반적인 3상 전력부하에서의 역률을 나타낸 도면이고, 도 14는 본 발명에 따른 PFC 인버터부(STATCOM)을 설치한 경우 3상 전력부하에서의 역률 개선 효과를 나타낸 도면이며, 도 15는 본 발명에 따른 3상 전류 균형화 장치(3000)을 통해 3상 전력부하에서의 상 불균형, 역률, 효율 개선 효과를 나타낸 도면이다.
본 발명에 따른 부족전류 회생 제어부(3400)의 계산 결과(PWMout)에 따라 PFC 인버터부(3500)의 역률 제어는, 추출된 에너지, 즉 도 12에 도시된 바와 같이 'Edc = k * (Vdc - Vset)에 의해 유효전력과 무효전력을 발생시켜 계통라인에 인가함으로써 결과적으로 무효전력의 소비량을 감소시켜 에너지 효율을 증가시키고 전력품질의 향상에 기여할 수 있다. 또한, 계통부하전력의 상 간 불균형 양을 측정하여 계통전력의 상 불균형을 해소할 수 있는 전력량만큼을 추출하여 그 회생전력을 이용해 계통전력의 무효전력을 보상할 수 있다.
도 13 내지 도 15에 도시된 바와 같이 3상 전류 균형화 장치(3000)는 3상의 전력 부하에서 역률 개선 및 효율 개선 효과가 있으며, 이때 전력은 3상 전력 부하에서 전류 불균형 양을 회생하여 역률 개선 및 효율 개선으로 사용됨으로써 상 불균형 개선, 역률 개선 및 효율 개선이 가능하다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 예시적 @을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
10; 수배전반
1000; 하우징
2000; 면진 장치
2100; 하부 플레이트
2110; 하부 스프링 포스트
2200; 상부 플레이트
2210; 상부 스프링 포스트
2300; 격리 부재
2310; 하부 LM 가이드
2320; 한쌍의 하부 스프링
2330; 상부 LM 가이드
2340; 한쌍의 상부 스프링
2350; 감쇠 블럭
2351; 하부 슬라이더
2352; 하부 슬라이드 플레이트
2353; 상부 슬라이더
2354; 상부 슬라이드 플레이트
2355; 한쌍의 제2대각선 방향 결합 볼트
2356; 한쌍의 제1대각선 방향 결합 볼트
2357; 고무 감쇠 부재
3000; 3상 전류 균형화 장치
1000; 하우징
2000; 면진 장치
2100; 하부 플레이트
2110; 하부 스프링 포스트
2200; 상부 플레이트
2210; 상부 스프링 포스트
2300; 격리 부재
2310; 하부 LM 가이드
2320; 한쌍의 하부 스프링
2330; 상부 LM 가이드
2340; 한쌍의 상부 스프링
2350; 감쇠 블럭
2351; 하부 슬라이더
2352; 하부 슬라이드 플레이트
2353; 상부 슬라이더
2354; 상부 슬라이드 플레이트
2355; 한쌍의 제2대각선 방향 결합 볼트
2356; 한쌍의 제1대각선 방향 결합 볼트
2357; 고무 감쇠 부재
3000; 3상 전류 균형화 장치
Claims (9)
- 수배전반의 함체를 구성하는 하우징;
지면에 고정되는 사각 형상의 하부 플레이트, 상기 하우징의 하면에 고정되는 사각 형상의 상부 플레이트, 및 상기 상부 플레이트와 상기 하부 플레이트 간을 연결하며 지면으로부터 발생되는 진동을 격리하는 격리 부재를 포함하는 면진 장치; 및
상기 하우징 내부에 설치되고, 3상 전력라인 중 어느 한 상의 부하전류를 기준으로 설정하고, 다른 상에 대한 부하전류 부족분을 각각 계산하고, 3상 전력라인으로부터 부하전류 부족분만큼의 전력을 추출하되, 계산된 부하전류 부족분 및 기준으로 설정된 부하전류를 기반으로 각 상별로 부하전류 부족분에 해당하는 전력 추출량을 제어하며, 추출된 전력을 3상 전력라인으로 회생시키는 3상 전류 균형화 장치를 포함하고,
상기 면진 장치의 격리 부재는: 상기 하부 플레이트의 제1대각선 방향으로 설치되는 하부 LM 가이드; 상기 하부 플레이트의 제1대각선 방향에 직교하는 제2대각선 방향으로 설치되는 한쌍의 하부 스프링; 상기 하부 플레이트의 제1대각선 방향에 직교하는 상기 상부 플레이트의 제2대각선 방향으로 설치되는 상부 LM 가이드; 상기 하부 플레이트의 제2대각선 방향에 직교하는 상기 상부 플레이트의 제1대각선 방향으로 설치되는 한쌍의 상부 스프링; 및 상기 하부 LM 가이드, 상기 한쌍의 하부 스프링, 상기 상부 LM 가이드 및 상기 한쌍의 상부 스프링이 결합되는 감쇠 블럭을 포함하며,
상기 하부 플레이트는 제2대각선 방향의 양단에 각각 설치되어 상기 한쌍의 하부 스프링 일단이 결합되는 한쌍의 하부 스프링 포스트를 더 포함하고, 상기 상부 플레이트는 제1대각선 방향의 양단에 각각 설치되어 상기 한쌍의 상부 스프링 일단이 결합되는 한쌍의 상부 스프링 포스트를 더 포함하고,
상기 감쇠 블럭은: 상기 하부 LM 가이드에 결합되어 슬라이딩되는 하부 슬라이더; 상기 하부 슬라이더 상부에 결합되는 하부 슬라이드 플레이트; 상기 상부 LM 가이드에 결합되어 슬라이딩되는 상부 슬라이더; 상기 상부 슬라이더 하부에 결합되는 상부 슬라이드 플레이트; 상기 하부 슬라이드 플레이트와 상기 상부 슬라이드 플레이트의 사이에 제2대각선 방향으로 각각 설치되고 상기 한쌍의 하부 스프링 타단이 각각 결합되는 한쌍의 제2대각선 방향 결합 볼트; 상기 하부 슬라이드 플레이트와 상기 상부 슬라이드 플레이트의 사이에 제1대각선 방향으로 각각 설치되고 상기 한쌍의 상부 스프링 타단이 각각 결합되는 한쌍의 제1대각선 방향 결합 볼트; 및 상기 하부 슬라이드 플레이트와 상기 상부 슬라이드 플레이트의 사이에 결합된 고무 감쇠 부재를 포함하는, 면진 기능 및 3상 전력 안정화 기능이 구비된 수배전반. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 3상 전류 균형화 장치는,
3상 전력라인 별로 부하전류를 각각 측정하는 전류 센서부;
상기 부하전류 중 어느 한 상의 부하전류를 기준으로 다른 상의 부하전류 부족분을 비율로 각각 계산하는 부하전류 부족분 계산부;
3상 전력라인을 통해 부하로 공급되는 전력을 추출하되, 3상별로 이루어지는 스위칭 동작에 따라 전류 불균형을 갖는 상의 부하전류 부족분만큼을 추출하고, 추출된 전력을 DC로 변환하는 부족전류 추출부;
상기 부하전류 부족분 계산부를 통해 각각 계산된 부하전류 부족분의 비율 및 기준으로 설정된 부하전류의 비율을 기반으로 각 상별로 스위칭 제어신호를 생성하고, 상기 스위칭 제어신호를 이용하여 상기 부족전류 추출부의 3상별로 스위칭 동작을 제어하는 부족전류 회생 제어부; 및
상기 부족전류 추출부를 통해 변환된 DC 전력을 AC 전력으로 변환하고, 변환된 AC 전력을 3상 분배를 통해 3상 전력라인으로 회생시키는 PFC 인버터부를 포함하는, 면진 기능 및 3상 전력 안정화 기능이 구비된 수배전반. - 제5항에 있어서,
상기 부하전류 부족분 계산부는,
상기 전류 센서부를 통해 측정된 부하전류 중 미리 정의된 한 사이클 내에서 최대 값을 갖는 어느 한 상의 부하전류를 기준 부하전류로 설정하고, 나머지 다른 두 상의 부하전류를 불균형 부하전류로 설정하는 부하전류 설정부; 및
하기의 수식에 따라 부하전류 부족분의 비율을 상기 나머지 다른 두 상에 각각 대하여 계산하는 부족전류 비율 계산부를 포함하고,
상기 수식은
이고,
상기 I dev_phase(%)는 상기 나머지 다른 두 상 각각에 대한 부하전류 부족분의 비율이고, 상기 Iref_phase는 상기 기준 부하전류의 값이고,
상기 I rms_ref_phase는 미리 정의된 한 사이클 내에서 상기 기준 부하전류를 RMS(Root Mean Square)로 계산한 값이고,
상기 I rms_phase는 미리 정의된 한 사이클 내에서 상기 불균형 부하전류를 RMS(Root Mean Square)로 계산한 값인, 면진 기능 및 3상 전력 안정화 기능이 구비된 수배전반. - 제6항에 있어서,
상기 부하전류 부족분 계산부는,
상기 부족전류 비율 계산부를 통한 계산된 결과데이터를 현재 사이클 바로 다음 사이클에 적용하되, 각 상별로 미리 설정된 계산 시작점을 기준으로 적용하는, 면진 기능 및 3상 전력 안정화 기능이 구비된 수배전반. - 제6항에 있어서,
상기 부족전류 추출부는,
부하 측 3상 전력라인으로부터 각 상별로 전류를 각각 입력받는 전류 입력부;
상기 전류 입력부를 통해 3상별 전류를 각각 입력받아 각 상별로 출력하되, 스위칭 동작에 따라 각 상별로 출력되는 전류량을 각각 조절하는 다수의 전력 반도체 소자를 포함하는 상별 부족전류 출력량 조절부; 및
상기 상별 부족전류 출력량 조절부를 통해 출력되는 전류를 DC로 변환하고, 변환된 DC 전류를 하나로 합류시켜 상기 PFC 인버터부로 공급하는 전류 출력부를 포함하는, 면진 기능 및 3상 전력 안정화 기능이 구비된 수배전반. - 제5항에 있어서,
상기 부족전류 회생 제어부는,
각각의 상별로 상기 부하전류 부족분 계산부를 통해 각각 계산된 부하전류 부족분의 비율(100%) 및 기준으로 설정된 부하전류의 비율(I dev_phase(%) < 100%)을 각각 입력받고, 입력 값에 대한 비례적분제어를 수행하여 각 상별로 PWM 제어신호를 각각 생성하는 PI 루프 제어기를 포함하고,
상기 부족전류 추출부는,
상기 PWM 제어신호를 통해 각 상별 스위칭 온 시간이 조절되어 각 상별 부하 로 공급되는 계통전력의 총 부하량을 조절하는, 면진 기능 및 3 상 전력 안정화 기능이 구비된 수배전반.
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|---|---|---|---|
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Applications Claiming Priority (1)
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| KR1020230104545A KR102587560B1 (ko) | 2023-08-10 | 2023-08-10 | 면진 기능 및 3상 전력 안정화 기능이 구비된 수배전반 |
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Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101178264B1 (ko) * | 2012-06-19 | 2012-08-30 | 탑정보통신(주) | 내진 기능을 갖는 수배전반 |
| KR101888094B1 (ko) * | 2018-02-09 | 2018-08-14 | 손성민 | 수배전반 내진용 면진 장치 |
| KR20210120482A (ko) * | 2020-03-27 | 2021-10-07 | (주)세명이앤씨 | 면진 기능을 구비한 슬라이딩 수배전반 |
| KR102557010B1 (ko) * | 2023-03-10 | 2023-07-19 | 주식회사 풍성인더스 | 3상 불균형 부하전류의 회생을 이용한 전류 불균형 해소 및 역률 개선 시스템 |
-
2023
- 2023-08-10 KR KR1020230104545A patent/KR102587560B1/ko active IP Right Grant
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