KR19990000604A - Single-phase small uninterruptible power supply - Google Patents
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Abstract
본 발명은 상용전원이 공급되는 정상상태에서는 전력을 부하로 직접 전달하면서, 배터리를 세류충전하고 입력역률을 개선하며, 정전시에는 상용 주파수의 출력전압을 유지하는 단상소형 무정전 전원장치에 관한 것으로서, 스위치(F1, F2, F3, F4)와 상기 스위치(F1, F2, F3, F4)에 역방향으로 각각 병렬연결된 다이오드(D1, D2, D3, D4)와, 상기 스위치(F1, F2, F3, F4)에 각각 병렬연결된 커패시터(C1, C2, C3, C4)로 구성된 인버터회로(110); 전력을 충전공급하는 배터리(4); 정전시에 제어신호를 인가받는 트라이악(Triac)(5); 상기 배터리(4)에 병렬연결된 커패시터(C); 인덕터(L2)와 커패시터(CP)로 구성되는 평활회로(120); 직류측의 전압과 전류를 검출하는 직류측 전압전류 검출회로(10); 상기 배터리(4)의 충전을 조정하는 조정신호를 출력하는 직류측 제어회로(20); 전원전압 신호를 여파출력하는 전원여파기(70); 상기 여파된 신호의 주파수에 동기된 신호를 출력하는 위상동기회로(PLL)(80); 기준 전압신호를 출력하는 전원전류 제어회로(30); 특정 부하전압과의 차이에 따른 출력전류 기준신호를 생성하는 부하전압 제어회로(40); 상기 스위치(F1, F2, F3, F4)를 개폐시키는 신호를 공급하는 개폐제어회로(50); 상기 스위치(F1, F2, F3, F4)의 게이트를 구동시키는 구동회로(51); 정전을 검출하는 정전검출기(90); 및 정전검출시 기준신호를 교체시키는 제어부(100);를 포함하여 구성되어, 전원의 공급상태에서는 입력역률을 개선시키고 소형으로 제작할 수 있을 뿐만 아니라, 영전압 스위칭을 구현함으로써 전력손실을 보다 절감할 수 있도록 한 매우 유용하고 경제적인 발명이라고 할 수 있다.The present invention relates to a single-phase small uninterruptible power supply (UPS) that directly transfers power to a load in a steady state in which a commercial power is supplied, trims the battery and improves an input power factor, and maintains an output voltage of a commercial frequency during a power failure, Diodes D1, D2, D3 and D4 connected in parallel in the reverse direction to the switches F1, F2, F3 and F4 and the switches F1, F2, F3 and F4, An inverter circuit 110 composed of capacitors C1, C2, C3, C4 connected in parallel to each other; A battery 4 for charging and supplying electric power; A triac 5 for receiving a control signal during a power failure; A capacitor C connected in parallel to the battery 4; A smoothing circuit 120 composed of an inductor L2 and a capacitor C P ; A DC side voltage current detection circuit (10) for detecting a DC side voltage and current; A dc side control circuit (20) for outputting an adjustment signal for adjusting charging of the battery (4); A power filter 70 for filtering the power supply voltage signal; A phase synchronization circuit (PLL) 80 for outputting a signal synchronized with the frequency of the filtered signal; A power supply current control circuit (30) for outputting a reference voltage signal; A load voltage control circuit (40) for generating an output current reference signal according to a difference from a specific load voltage; An open / close control circuit (50) for supplying a signal for opening / closing the switches (F1, F2, F3, F4); A driving circuit 51 for driving the gates of the switches F1, F2, F3 and F4; An electrostatic detector (90) for detecting a blackout; And a control unit 100 for replacing the reference signal during the detection of the power failure. In addition, the power factor can be improved and the power factor can be reduced and the power factor can be reduced, This is a very useful and economical invention.
Description
본 발명은 단상소형 무정전 전원장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 상용전원이 공급되는 정상상태에서는 전력을 부하로 직접 전달하면서 배터리를 세류충전하고, 부하의 무효전력을 공급함으로써 입력역률을 개선하며, 정전시에는 배터리의 충전전력을 부하에 공급하여 상용 주파수의 출력전압을 유지하는 단상소형 무정전 전원장치에 관한 것이다.The present invention relates to a single-phase small uninterruptible power supply, and more particularly, to a single-phase small uninterruptible power supply, more particularly, to a single-phase small uninterruptible power supply apparatus which improves an input power factor by supplying a reactive power of a load, Phase small uninterruptible power supply unit that supplies a charging power of a battery to a load to maintain an output voltage of a commercial frequency when a power failure occurs.
종래의 무정전 전원장치(Uninterruptible Power Supply)는 도 1 에 도시된 바와 같이 상용전원으로부터 직류를 얻는 정류회로(1); 상기 구해진 직류전원을 교류전력으로 변환하여 부하(3)에 공급하는 인버터회로(2); 및 상기 구해진 직류전원으로 부터 충전하는 배터리(4);를 포함하여 구성되어 있었다.A conventional uninterruptible power supply includes a rectifying circuit 1 for obtaining a direct current from a commercial power supply as shown in FIG. 1; An inverter circuit (2) for converting the obtained direct current power into an alternating current power and supplying it to the load (3); And a battery 4 charged from the obtained direct current power source.
상기와 같이 구성되는 종래의 무정전 전원장치는, 상용전원으로 부터 전력이 공급되는 정상상태에서는 전력이 상기 정류회로(1)에 의해 직류로 변환된 후 상기 인버터회로(2)에 의해 다시 교류로 변환되어 상기 부하(3)로 직접 공급되고, 또한, 상기 정류회로(1)에 의해 직류로 변환된 전력은 상기 배터리(4)를 충전하게 되며, 정전상태에서는 상기 인버터회로(2)가 상기 배터리(4)에 충전되어 있는 직류전력을 교류로 변환하여 상기 부하(3)로 공급한다.In the conventional uninterruptible power supply apparatus configured as described above, in the steady state in which power is supplied from the commercial power source, the power is converted into direct current by the rectifying circuit 1 and then converted into alternating current by the inverter circuit 2 The inverter circuit 2 is directly supplied to the load 3 and the electric power converted into the direct current by the rectifying circuit 1 charges the battery 4, 4) into an alternating current and supplies the alternating current to the load (3).
그러나, 상기와 같이 동작하는 종래의 무정전 전원장치에서는, 상기 정류회로(1)를 단순정류회로로 구성하여 상용전원을 직류로 변환시킬 수 있으나, 이 경우에는 입력측 역률이 나빠지게 되며, 별도의 충전기를 갖추어야 하는 문제점이 발생한다. 또한 상기 정류회로(1)를 능동소자로 구성하는 경우에는 충전기능과 역률개선을 동시에 달성할 수 있지만 장치의 부피가 커지게 되는 문제점이 있었다.However, in the conventional uninterruptible power supply apparatus that operates as described above, the rectifier circuit 1 may be configured as a simple rectifier circuit to convert the commercial power source to DC, but in this case, the input side power factor is deteriorated, There arises a problem that it is required to provide Further, when the rectifying circuit 1 is constituted by an active element, the charging function and the power factor improvement can be achieved at the same time, but the apparatus becomes bulky.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점일 해소시키기 위해서 장착된 것으로서, 별도의 정류기를 사용하지 않음으로써 소형의 구성이 가능하고, 상용전원이 공급되는 정상상태에서는 배터리를 충전하면서 입력전류의 고조파를 제거하여 입력역률을 개선하면서 배터리를 충전하고, 정전시에는 배터리에 충전되어 있는 전력을 공급하는 단상소형 무정전 전원장치를 제공하는 것이다.Therefore, in order to solve the above-described problems, the present invention provides a small-sized configuration by not using a separate rectifier, and in a normal state in which the commercial power is supplied, Phase small uninterruptible power supply unit that charges a battery while improving an input power factor and supplies power to the battery when a power failure occurs.
도 1 은 종래의 무정전 전원장치의 개괄적인 구성을 도시한 것이고,Fig. 1 shows a general configuration of a conventional uninterruptible power supply,
도 2 는 본 발명에 따른 단상소형 무정전 전원장치의 구성을 도시한 것이고,Fig. 2 shows a configuration of a single-phase small uninterruptible power supply according to the present invention,
도 3 의 (가)는 본 발명에 따른 단상소형 무정전 전원장치의 인버터회로가 요구된 전류를 공급하는 파형을 도시한 것이고,3 (a) shows a waveform for supplying the required current to the inverter circuit of the single-phase small uninterruptible power supply according to the present invention,
(나)는 인버터회로가 영전압 스위칭을 이루게 되는 파형을 도시한 것이고,(B) shows a waveform in which the inverter circuit achieves zero voltage switching,
도 4 는 정상상태에서의 입력 전류전압 및 부하 전류전압의 페이저도이고,4 is a payload diagram of the input current voltage and the load current voltage in the steady state,
도 5 는 도 2 의 무정전 전원장치의 각 구성별 회로도로서,Fig. 5 is a circuit diagram of each configuration of the uninterruptible power supply apparatus of Fig. 2,
(가)는 동기신호용 전원여파기의 회로도이고,(A) is a circuit diagram of a power filter for a synchronizing signal,
(나)는 위상동기회로를 중심으로 한 기준신호 발생회로의 회로도이고,(B) is a circuit diagram of a reference signal generating circuit centering on a phase synchronizing circuit,
(다)는 절환논리회로의 회로도이고,(C) is a circuit diagram of the switching logic circuit,
(라)는 직류측 제어회로의 회로도이고,(D) is a circuit diagram of the dc side control circuit,
(마)는 전원전류 제어회로의 회로도이고,(E) is a circuit diagram of the power supply current control circuit,
(바)는 정현파 부하전압을 얻기 위한 제어회로의 회로도이고,(Bar) is a circuit diagram of a control circuit for obtaining a sinusoidal load voltage,
(사)는 인버터 전류지령 변환회로의 회로도이고,(G) is a circuit diagram of the inverter current command conversion circuit,
도 6 은 도 2 의 무정전 전원장치의 정전시와 회복시의 전환과정에 대한 파형도이고,FIG. 6 is a waveform diagram of the uninterruptible power supply apparatus of FIG. 2 during a power interruption and recovery process,
도 7 은 부하시의 모드별 파형을 도시한 것으로서,FIG. 7 is a waveform diagram for each mode at the time of load,
(가)는 백업모드의 동작파형이고,(A) is the operation waveform in the backup mode,
(나)는 바이패스모드의 동작파형이고,(B) is the operation waveform of the bypass mode,
도 8 은 도 2 의 인버터회로의 스위칭 동작시의 전압과 전류의 파형을 나타낸 것이다.FIG. 8 shows waveforms of voltage and current during the switching operation of the inverter circuit of FIG. 2. FIG.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*Description of the Related Art [0002]
1 : 정류회로2, 110 : 인버터회로1: rectification circuit 2, 110: inverter circuit
3 : 부하4 : 배터리3: Load 4: Battery
5 : 트라이악(Triac)10 : 직류측 전압전류 검출회로5: Triac 10: DC side voltage current detection circuit
20 : 직류측 제어회로30 : 전원전류 제어회로20: DC side control circuit 30: Power supply current control circuit
40 : 부하전압 제어회로50 : 개폐제어회로40: load voltage control circuit 50: open / close control circuit
51 : 구동회로70 : 전원여파기51: drive circuit 70: power filter
80 : 위상동기회로(Phase-Locked Loop)90 : 정전검출기80: phase-locked loop 90: electrostatic detector
100 : 제어부120 : 평활회로100: control unit 120: smoothing circuit
301 : 곱셈기(multiplier)401 : 절환스위치301: multiplier 401: switch
501 : 비교부801 : 전압제어발진기501: comparator 801: voltage-controlled oscillator
901 : 정전검출기의 상단회로902 : 구간(window)비교기901: Upper circuit of the electrostatic detector 902: Window comparator
903 : 비교기903: comparator
C, CP, C1, C2, C3, C4 : 커패시터D1, D2, D3, D4 : 4다이오드C, C P , C1, C2, C3, C4: Capacitors D1, D2, D3, D4:
F1, F2, F3, F4 : 스위치F1, F2, F3, F4: Switch
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 단상소형 무정전 전원장치는, 상용전원 및 부하의 연결점과 배터리 간의 단속(斷續)적 전력경로를 형성하는 인버터회로; 상기 인버터회로와 상기 부하 사이에 연결된 평활회로; 상용전원의 정전유무를 감지하는 감지수단; 상기 감지수단의 정전 감지시에 상용전력 공급경로를 차단시키는 전류제어소자; 상기 감지수단의 정전감지 유무에 따라 상이한 기준신호를 생성하는 기준신호 발생수단; 및 자체 생성하는 일정주파수의 출력전류 제어신호를 상기 기준신호와 비교하고 그에 따라 상기 인버터회로의 전력경로를 단속하는 제어수단;을 포함하여 구성되는 것에 특징이 있는 것이다.According to an aspect of the present invention, there is provided a single-phase small uninterruptible power supply apparatus comprising: an inverter circuit for forming an intermittent power path between a connection point of a commercial power supply and a load and a battery; A smoothing circuit connected between the inverter circuit and the load; Detecting means for detecting presence / absence of power failure of the commercial power supply; A current control element for disconnecting the commercial power supply path when the detection means senses a power failure; A reference signal generating means for generating a different reference signal according to whether or not the sensing means senses a power failure; And control means for comparing an output current control signal of a self-generated constant frequency with the reference signal and for interrupting the power path of the inverter circuit accordingly.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 단상소형 무전전 전원장치에서는, 먼저 상기 감지수단이 상용전원의 정전유무를 감지하게 되고, 상기 전류제어소자는 상기 감지수단이 정전을 감지하게 되면 상용전력 공급경로를 차단하게 된다. 상기 기준신호 발생수단은 상기 감지수단의 정전유무 감지에 따라 각기 상이한 기준신호를 발생시키게 되는데, 상용전원 공급시에 발생되는 기준신호는 부하전류에서 발생되는 무효전류와 고조파성분에 상응하는 신호이고, 정전시에 발생되는 신호는 상용주파수의 정현파신호이다. 상기 제어수단은 상기 발생되는 기준신호와 자체 생성하는 일정주파수의 상기 인버터의 출력전류를 제어하는 신호를 비교하여, 증가와 감소를 반복하는 상기 인버터 전류의 포락선이 상기 기준신호와 동일하게 되도록 상기 인버터회로를 개폐시켜 상기 배터리와 부하간의 전력경로를 단속하게 된다.In the single-phase small-sized electroless-ago power supply apparatus according to the present invention, the sensing means senses whether or not the commercial power source is out of power, and when the sensing means senses a power failure, . The reference signal generating means generates a different reference signal according to the detection of the power failure of the sensing means. The reference signal generated when the commercial power is supplied is a signal corresponding to the ineffective current and the harmonic component generated in the load current, The signal generated at the time of power failure is a sinusoidal signal of a commercial frequency. Wherein the control means compares the generated reference signal with a signal for controlling the output current of the inverter of a constant frequency generated by itself so that the envelope of the inverter current repeating the increase and decrease is equal to the reference signal, So that the power path between the battery and the load is interrupted.
상기와 같은 동작에 의해, 상기 인버터회로의 전류는 정상상태에서는 부하의 무효전력과 고조파전력을 보상하게 되고 정전시에는 상기 배터리로 부터 부하에 전력을 공급하게 된다. 또한, 정상상태에서 상기 기준신호 발생수단이 발생시키는 기준신호는 상기 인버터회로에 유효전력이 흐르도록 조정되고, 이에 따라 상용전원으로 부터 부하에서 필요한 전류보다 더 큰 전류가 유입되어 그 차분의 전류가 상기 배터리를 세류충전하게 된다.According to the above operation, the current of the inverter circuit compensates for the reactive power and harmonic power of the load in a steady state, and supplies power to the load from the battery at the time of a power failure. In addition, the reference signal generated by the reference signal generating means in the steady state is adjusted so that the active power flows through the inverter circuit, so that a current larger than the current required in the load from the commercial power source flows into the inverter circuit, The battery is trickle charged.
이하, 본 발명에 따른 단상소형 무정전 전원장치의 바람직한 실시예의 구성 및 동작에 대해 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명한다.Hereinafter, the configuration and operation of a preferred embodiment of the single-phase small uninterruptible power supply according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 2 는 본 발명에 다른 단상소형 무정전 전원장치의 바람직한 실시예의 구성을 도시한 것으로서, 전계효과트랜지스터(FET : Field Effect Transistor)가 풀 브릿지 형태로 연결구성되어 전력전달을 개폐하는 제 1, 제 2, 제 3, 제 4 스위치(F1, F2, F3, F4)와, 상기 스위치(F1, F2, F3, F4)에 역방으로 각각 병렬연결된 제 1, 제 2, 제 3, 제 4 다이오드(D1, D2, D3, D4)와, 상기 스위치(F1, F2, F3, F4)에 각각 병렬연결된 제 1, 제 2, 제 3, 제 4 커패시터(C1, C2, C3, C4)로 구성된 인버터회로(110); 전력을 충전공급하는 배터리(4); 1 개의 제어전극(게이트)과 2개의 주전극으로 구성되어 정전시에 제어신호를 인가받는 트라이악(Triac)(5); 상기 배터리(4)에 병렬연결된 커패시터(C); 상기 인버터회로(110)의 출력전력을 평활시키는 인덕터(L2)와 커패시터(Cp)로 구성되는 평활회로(120); 직류측의 전압과 전류를 검출하는 직류측 전압전류 검출회로(10); 상기 검출된 직류전압과 전류로 부터 상기 배터리(4)의 충전을 조정하는 조정신호를 출력하는 직류측 제어회로(20); 전원전압 신호를 여파출력하는 전원여파기(70); 상기 여파된 신호의 주파수에 동기된 신호를 출력하는 위상동기회로(PLL)(80); 상기 동기된 신호와 상기 조정신호를 기준으로 하여 입력전류의 위상 및 크기를 제어하기 위한 기준 전압신호를 출력하는 전원전류 제어회로(30); 정전유무에 따라 상기 기준 전압신호를 달리 선택하여 특정 부하전압과의 차이에 따른 출력전류 기준신호를 생성하는 부하전압 제어회로(40); 상기 출력전류 기준신호를 자체 생성하는 일정주파수의 삼각파신호와 비교하여 상기 스위치(F1, F2, F3, F4)를 개폐시키는 신호를 공급하는 개폐제어회로(50); 상기 개폐신호를 전력증폭하여 상기 스위치(F1, F2, F3, F4)의 게이트를 구동시키는 구동회로(51); 기준전압과 입력전압의 차를 정류하여 그 크기로 정전을 검출하는 정전검출기(90); 및 상기 정전검출기(90)의 정전상태 검출에 따라 상기 트라이악(5)의 게이트신호 제거와 기준신호를 교체하도록 각 구성요소를 제어하는 제어부(100);를 포함하여 구성되어 있다.FIG. 2 shows a configuration of a preferred embodiment of a single-phase small uninterruptible power supply apparatus according to the present invention, in which a field effect transistor (FET) is connected in a full- Second, third, and fourth diodes D1, D2, and D4 connected in parallel to the switches F1, F2, F3, and F4, Second, third and fourth capacitors C1, C2, C3 and C4 connected in parallel to the switches F1, F2, F3 and F4, respectively, ); A battery 4 for charging and supplying electric power; A triac 5 composed of one control electrode (gate) and two main electrodes, and receiving a control signal during a power failure; A capacitor C connected in parallel to the battery 4; A smoothing circuit 120 composed of an inductor L2 and a capacitor C p for smoothing the output power of the inverter circuit 110; A DC side voltage current detection circuit (10) for detecting a DC side voltage and current; A dc side control circuit (20) for outputting an adjustment signal for adjusting the charging of the battery (4) from the detected dc voltage and current; A power filter 70 for filtering the power supply voltage signal; A phase synchronization circuit (PLL) 80 for outputting a signal synchronized with the frequency of the filtered signal; A power supply current control circuit (30) for outputting a reference voltage signal for controlling the phase and magnitude of an input current based on the synchronized signal and the adjustment signal; A load voltage control circuit (40) for selecting the reference voltage signal according to the presence or absence of a power failure to generate an output current reference signal corresponding to a difference from a specific load voltage; An open / close control circuit (50) for supplying a signal for opening / closing the switches (F1, F2, F3, F4) compared with a triangular wave signal of a constant frequency generating the output current reference signal by itself; A driving circuit 51 for power-amplifying the switching signal to drive the gates of the switches F1, F2, F3 and F4; An electrostatic detector (90) for rectifying the difference between the reference voltage and the input voltage and detecting the electrostatic charge in the magnitude; And a control unit (100) for controlling the respective components to replace the gate signal of the triac (5) and the reference signal in accordance with the detection of the electrostatic condition of the electrostatic detector (90).
상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 단상소형 무정전 전원장치의 전체적인 동작을 먼저 설명하면, 본 장치는 크게 바이패스(by-pass)모드와 백업(backup)모드의 두가지 동작모드를 갖게 되는데, 바이패스 모드에서는 상기 트라이악(5)은 온(ON) 상태에 있고 전력은 전원에서 부하(3)로 거의 직접 전달되고, 본 장치는 이후에 상세히 설명되는 전원전류 파형 개선과 상기 배터리(4)의 충전을 하게 되며 이 모드에서의 출력전압(V2)은 전원전압(V1)에 의해 결정된다. 그러나, 백업모드에서는 상기 트라이악(5)은 오프(OFF) 상태에 있게 되고 본 장치는 상기 배터리(4)로 부터 직류전력을 공급받아 부하(3)에 교류전력을 공급하게 되고 이때의 출력전압은 일정주파수의 일정전압을 유지하게 된다.The overall operation of the single-phase small uninterruptible power supply according to the present invention will now be described. First, the apparatus has two operation modes, a by-pass mode and a backup mode. The triac 5 is in the ON state and the power is almost directly transferred from the power supply 3 to the load 3 and the apparatus is capable of improving the power supply current waveform and charging the battery 4 And the output voltage V 2 in this mode is determined by the power supply voltage V 1 . However, in the backup mode, the triac 5 is in the OFF state, and the present apparatus receives the DC power from the battery 4 and supplies the AC power to the load 3, Is maintained at a constant voltage of a certain frequency.
전력이 공급되고 있는 바이패스모드에서는 도 2 의 단상소형 무정전 전원장치가 전원측에 흐르는 전류(i1)가 전압(V1)과 동상이며 정현파가 되도록 제어하게 되는데, 기본파분만을 고려하여 도시한 도 4 의 페이저선도를 참조하여 그 원리를 설명하면 다음과 같다.In the bypass mode in which power is supplied, the single-phase small uninterruptible power supply apparatus of Fig. 2 controls the current (i 1 ) flowing in the power supply side to be in phase with the voltage (V 1 ) and to be sinusoidal. Referring to the phaser diagram of FIG. 4, the principle will be described as follows.
상기 배터리(4)가 미세충전(trickle charge) 상태에 있고, 이 미세충전 전류는 상대적으로 작아서 무시하게 되면 전원측에서 유입된 전력은 모두 부하(3)측에 전달되므로 입력전류(i1)는 다음식과 같은 크기를 갖게 된다.When the battery 4 is in a trickle charge state and this fine charge current is relatively small and is neglected, all the power input from the power source side is transmitted to the load 3 side, so that the input current i 1 is It has the same size as the expression.
식(1) Equation (1)
전원측에는 무효전력이 흐르지 않도록 하기 위해서 도 4 의 페이저도에 도시된 바와 같이, 부하(3)의 무효전류성분(I2sin θ)과 인턱터(L1)에 필요한 무효전류성분(I2sinφ)의 합에서 커패시터(Cp)에 흐르는 전류의 차 전류가 상기 인버터회로(110)에 흐르도록 상기 부하전압 제어회로(40)에서 출력전류 기준신호를 생성하게 된다.Power supply side is a, as shown in I Fig page 4 in order to prevent the reactive power flow through the load (3) reactive current component (I 2 sin θ) and invalid current component (I 2 sinφ) required for the inductor (L1) of The output current reference signal is generated in the load voltage control circuit 40 so that the differential current of the current flowing from the sum to the capacitor C p flows into the inverter circuit 110.
상기 배터리(4)를 충전상태에 두기 위해서는 부하(3)에 사용되는 전력보다 공급전력이 더 커야 하므로, 즉 V1I1= V2I2cosφ + 충전전력이므로 이때 공급되는 전원전류는 식(1) 보다 커야 하며 그 값은 다음과 같이 주어진다.In order to place the battery 4 in the charged state, the power supplied to the load 3 must be greater than the power used for the load 3. That is, V 1 I 1 = V 2 I 2 cos φ + 1) and its value is given by
식(2) Equation (2)
따라서, 도 2 의 단상소형 무정전 전원장치는 별도의 충전기가 없어도 입력전류(i1)의 크기를 제어하여 상기 배터리(4)의 충전전류를 조절하게 되는데, 이는 상기 직류측 제어회로(20)에 의한 조정신호를 반영한 상기 전원전류 제어회로(30)의 기준 전압신호의 변동에 의해 입력전류의 크기가 제어됨으로써 달성된다.Therefore, the single-phase small uninterruptible power supply apparatus of FIG. 2 controls the charge current of the battery 4 by controlling the magnitude of the input current i 1 without a separate charger, And the magnitude of the input current is controlled by the variation of the reference voltage signal of the power supply current control circuit 30 that reflects the adjustment signal by the control signal.
상기와 같은 제어가 정상적으로 이루어지면 입력측 전류(i1)는 정현파가 되며 부하(3)측의 고조파중 차수가 낮은 것은 상기 인버터회로(110)에서 공급되고 높은 고조파 전류는 상기 병렬 커패시터(CP)에서 공급되며, 상기 인버터회로(110)의 스위칭 동작중 발생하는 고조파 전류도 상기 커패시터(CP)로 흐르게 됨으로써 능동전력여파기(Active Power Filter)로 동작하여 고조파성분을 제거하게 된다.When the above control is normally performed, the input side current i 1 becomes a sinusoidal wave, and the low harmonic of the load 3 side is supplied from the inverter circuit 110, and a high harmonic current flows through the parallel capacitor C p , And the harmonic current generated during the switching operation of the inverter circuit 110 also flows to the capacitor C P to operate as an active power filter to remove harmonic components.
이하에서는 도 2 의 단상소형 무정전 전원장치의 동작을 구성별 회로도를 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, the operation of the single-phase small uninterruptible power supply of FIG. 2 will be described in detail with reference to a circuit diagram of each constitution.
먼저, 상기 전원여파기(70)는 도 5 의 (가)와 같이 구성되어 전원에서 유입되는 잡음을 제거하여 후단의 상기 위상동기회로(80)에 전원동기신호를 제공하게 되는데, 여파과정이 수행됨으로써, 보통 전원의 영전압점을 검출하여 사용하게 되는 동기신호의 검출오류를 방지한다. 도 5 (가)의 전원여파기(70)에서 전단의 저항-커패시터회로와 차동증폭기는 입력신호를 각각 45[deg] 지연시키게 되고 상기에서 구해진 동기신호(SYNCH)는 상기 도 5 (나)의 위상동기회로(80)에 인가되는데, 상기 위상동기회로(80) 내의 전압제어발진기(VCO : Voltage Controlled Ocillator)(801)는 상기 인가된 동기신호(SYNCH)에 동기된 신호를 출력한다.First, the power filter 70 is constructed as shown in FIG. 5 (a) to remove noise introduced from a power source and provide a power synchronization signal to the phase synchronization circuit 80 in the subsequent stage. , It is possible to detect an erroneous detection point of a synchronous signal to be used by detecting a power point of a normal power source. In the power supply filter 70 shown in Fig. 5 (A), the resistive-capacitor circuit and the differential amplifier in the preceding stage delay the input signal by 45 [deg], respectively, and the synchronous signal SYNCH obtained in the above- The voltage controlled oscillator (VCO) 801 in the phase synchronization circuit 80 outputs a signal synchronized with the applied synchronization signal SYNCH.
상기 전압제어발진기(801)의 출력신호는 직류성분을 포함하고 있으므로 교류결합증폭기를 거쳐 직류분이 제거되고, 다시 저역여파기를 거쳐 잡음이 제거되면서 45[deg] 위상지연되어 기준신호(Sine)로서 출력된다. 상기 기준신호(Sine)는 백업모드에서의 전압지령을 위하여 다시 45[deg] 지연됨으로써 전원과 총 180°의 위상지연이 생기게 되어 전원에 동기된 신호로서 사용되고, 바이패스모드에서의 전원전류 지령을 위해서는 이후에 설명되는 곱셈기(multiplier)를 통한 후 45[deg] 지연되어 전원과 동기된 신호로서 사용된다.Since the output signal of the voltage-controlled oscillator 801 includes a direct current component, the direct current component is removed through the AC coupling amplifier, the noise is removed through the low-pass filter, and the output signal is output as a reference signal Sine by 45 [deg] do. The reference signal Sine is delayed by 45 [deg] again for the voltage command in the backup mode, so that a phase delay of 180 [deg.] Is generated with the power source and is used as a signal synchronized with the power source. It is delayed by 45 [deg] after the multiplier described later and is used as a signal synchronized with the power supply.
상기 전원여파기(70)에서 여파된 신호와 상기 위상동기회로(80)의 출력신호는 상기 도 5 의 (다)에서와 같이 회로 연결된 정전검출기(90)에 입력되어 공급전원의 정전여부를 판별하는데도 사용되는데, 상단의 회로(901)는 기준전압과 입력전압의 차를 정류하여 그 크기로 정전을 판정하게 된다. 상기 두 전압의 차를 구할 때는 순시치를 사용하므로 위상이 벗어나 있을 때에도 정전으로 판정되는데, 이는 정전후 복귀시 상기 위상동기회로(80)가 완전히 동기에 들어간 후에 정상적인 회복절차를 수행하도록 하기 위해서이다. 상기 회로(901)는 전압의 차가 규정전압의 15%를 벗어나면 정전으로 판정되도록 회로 소자값이 설정되어 있으며, 하단의 구간(window)비교기(902)는, 전압의 제로크로싱(zero crossing) 부근에서는 그 값이 작아 판정에 오류가 있을 수 있으므로 제로크로싱 부근을 배제하여 판정구간을 설정하여 상기 제어부(100)에 인가된다. 또한, 상기 정전검출기(90) 내의 비교기(903)는 상기 제어부(100)의 절환이 기준신호(Vref2)의 제로크로싱 때 동기되어 일어나도록 제로크로싱에 동기된 동기클럭을 상기 제어부(100)에 제공하게 된다.The signal filtered by the power filter 70 and the output signal of the phase synchronizing circuit 80 are inputted to the electrostatic detector 90 connected to the circuit as shown in FIG. 5 (c) The upper circuit 901 rectifies the difference between the reference voltage and the input voltage and judges the power failure by the magnitude thereof. In order to obtain the difference between the two voltages, an instantaneous value is used. Therefore, even when the phase is out of order, a power failure is determined so that the phase synchronization circuit 80 performs a normal recovery procedure after the phase synchronization circuit 80 completes synchronization. The circuit comparator 902 of the lower circuit sets the value of the circuit element so that the circuit 901 is judged to be a blackout if the voltage difference is out of 15% The value is small, and there may be an error in the determination. Therefore, the determination section is set excluding the vicinity of the zero crossing, and the determination section is applied to the control section 100. The comparator 903 in the electrostatic detector 90 outputs a synchronous clock synchronized with the zero crossing to the controller 100 so that the switching of the controller 100 synchronizes with the zero crossing of the reference signal V ref2 .
상기 제어부(100)는, 상기 동기클럭이 입력되는 순간 상기 정전검출기(90)의 상단회로(901)의 판정값에 따라 정전으로 판정되면, 상기 트라이악(5)의 게이트신호를 즉시 제거하고 출력전압을 정전압 정주파수로 유지하도록 상기 부하전압 제어회로(40)의 기준전압을 절환시키게 되고, 정전에서 회복되면 상기 트라이악(5)의 게이트신호를 동기 투입하고 입력전압을 제어하도록 상기 부하전압 제어회로(40)의 기준전압을 동기 재 절환시키게 된다.The control unit 100 immediately removes the gate signal of the triac 5 and outputs the gate signal of the triac 5 when the synchronous clock signal is input to the control unit 100 in accordance with the determination value of the upper circuit 901 of the electrostatic detector 90. [ The load voltage control circuit 40 switches the reference voltage of the load voltage control circuit 40 so as to maintain the voltage at a constant voltage and constant frequency, The reference voltage of the circuit 40 is synchronously switched.
한편, 상기 직류측 전압전류 검출회로(10)는 상기 배터리(4)의 전압(Eb)을 저항분압기를 이용하여 구하고, 전류는 저항에 의한 전압강하를 이용하여 검출한 다음 이를 상기 전원전류 제어회로(30)에 인가하게 된다. 도 5 의 (라)와 같이 구성되는 상기 전원전류 제어회로(30)는 궤환되는 직류전압(Vfb)과 전류(Ifb)에 의한 전압을 합산하여 다이오드(D6)에 의해 조정된 기준전압과 비교하여 그에 따른 조정신호(I*)를 출력함으로써, 궤환전압(Vfb)에 의한 상기 배터리(4)의 충전과 궤환 직류전류(Ifb)에 의한 세류충전(Floating Charge)의 기능을 동시에 수행할 수 있도록 상기 전원전류 제어회로(30)에 지시하게 된다.On the other hand, the DC voltage-current detection circuit 10 detects the voltage (E b ) of the battery 4 using a resistive voltage divider, detects a current using a voltage drop by a resistor, To the circuit (30). The power supply current control circuit 30 configured as shown in FIG. 5 (D) compares the reference voltage adjusted by the diode D6 with the sum of the voltage by the feedback DC voltage V fb and the current I fb And the adjustment signal I * according to the comparison is output to simultaneously perform the function of charging the battery 4 by the feedback voltage V fb and the function of floating charge by the feedback DC current I fb To the power supply current control circuit 30 so that the power supply current can be controlled.
도 5 의 (마)와 같이 구성되는 전원전류 제어회로(30)는 두 개의 기준전압(Vref, Vref2)을 출력하게 되는데, 하나의 신호는 상기 위상동기회로(80)에서 정전시에 일정주파수로 자유발진하는 신호를, 신호의 위상동기를 위해 45° 지연시켜 출력하는 신호(Vref2)이고, 다른 하나의 신호는, 배터리(4)의 충전을 위해 식(2)에 따라 조정되는 조정신호(I*)에, 상기 위상동기회로(80)의 출력신호(Sine)가 곱셈기(301)에 의해 곱해진 다음, 전원과 위상동기를 위해 상기 위상동기회로(80)의 설명에서 언급한 바와 같이 다시 45°지연된 신호(Vref)이다.The power supply current control circuit 30 configured as shown in FIG. 5 (e) outputs two reference voltages V ref and V ref2 . One signal is a constant current (2) for charging the battery 4, and the other signal is a signal V ref2 for outputting a signal that freely oscillates in frequency with a delay of 45 [ The output signal Sine of the phase synchronizing circuit 80 is multiplied by the signal I * by the multiplier 301 and then the output signal Sine of the phase synchronizing circuit 80 as described in the description of the phase synchronizing circuit 80 Likewise, it is a 45 ° delayed signal (V ref ).
상기 두 개의 신호(Vref, Vref2)는 각각 상기 부하전압 제어회로(40)에 인가되고, 상기 제어부(100)의 정전유무에 따른 제어신호에 의해 선택되어, 기준전압으로써 사용되게 된다.The two signals V ref and V ref2 are applied to the load voltage control circuit 40 and selected by a control signal according to the presence or absence of a power failure of the control unit 100 and used as a reference voltage.
상기 두 개의 기준전압은(Vref, Vref2)은 상기 부하전압 제어회로(40)에 인가되어 각각 상이한 검출전압의 목표치로 작용하게 되는데, 도 5 의 (바)에 도시된 바와 같이 무정전시의 기준전압으로 사용되는 전압(Vref)은 전원전류가 흐르는 인덕터(L1)의 양단전압(Vser)과 비교되고, 정전시의 기준전압으로 사용되는 전압(Vref2)은 평활용 커패시터(CP)의 양단전압(Vser2)과 비교된다.The two reference voltages V ref and V ref2 are applied to the load voltage control circuit 40 to act as target values of the different detection voltages, respectively. As shown in (bar) of FIG. 5, The voltage V ref used as the reference voltage is compared with the voltage V ser across both ends of the inductor L1 through which the power supply current flows and the voltage V ref2 used as the reference voltage during the power failure is compared with the voltage applied to the smoothing capacitor C p (V ser2 ).
상기 제어부(100)의 정전 판별신호에 의해, 회로 내의 절환스위치(401)가 비교대상의 쌍(Vser, Vref또는 Vser2, Vref2)을 결정하게 되고, 비교대상의 쌍이 결정되면 후단의 회로는 검출전압(인덕터(L1) 양단전압 또는 커패시터(CP) 양단전압)이 기준전압(Vref, Vref2)에 근접되도록 하기 위해 인버터회로(110)에서 제공해야 할 출력전류 기준신호(Iref)를 생성하여 개폐제어회로(50)에 인가하게 된다.The pair (V ser , V ref or V ser2 , V ref2 ) to be compared is determined by the switch 401 in the circuit by the electrostatic discrimination signal of the controller 100. When the pair to be compared is determined, circuit detection voltage (an inductor (L1) the voltage across or the capacitor (C P), the voltage across) the reference voltage (V ref, V ref2), the output current reference signal to be provided by the inverter circuit 110 to ensure close proximity to (I ref ) to be applied to the open / close control circuit 50.
상기 출력전류 기준신호(Iref)가 도 5 의 (사)와 같이 구성된 개폐제어회로(50)에 입력되면 다이오드(D1, D2)에 의해 양과 음의 일정전압으로 클램프된 후, 양(+) 전압이 존재하는 구간에서는 양 전압신호가 상위 제한신호(U_limit)로 출력되고 음의 일정전압은 하위 제한신호(L_limit)로 출력되며, 음 전압이 존재하는 구간에서는 양의 일정전압이 상위 제한신호로 출력되고 음 전압 신호가 하위 제한신호로 출력된다. 도 3 의 (가)는 상기의 회로 동작에 따른 상위 제한신호와 하위 제한신호가 출력되는 예를 도시한 것이다.When the output current reference signal I ref is input to the open / close control circuit 50 configured as shown in FIG. 5 (D), the output current reference signal I ref is clamped to positive and negative voltages by the diodes D1 and D2, In the section where the voltage exists, the positive voltage signal is outputted as the upper limit signal (U_limit) and the negative certain voltage is outputted as the lower limit signal (L_limit). In the section where the negative voltage exists, And a negative voltage signal is output as a lower limit signal. 3 (A) shows an example in which an upper limit signal and a lower limit signal according to the circuit operation are outputted.
상기와 같이 구해지는 상위 제한신호(U_limit) 및 하위 제한신호(L_limit)가 회로 내의 비교부(501)에 입력되면 상기 비교부(501)는, 원하는 스위칭주파수와 동일한 주파수를 갖는, 자체 생성되는 삼각파신호(Ri)와 상기 제한신호(U_limit, L_limit)와의 비교결과에 따라 상기 인버터회로(110) 내의 스위치(F1, F2, F3, F4)를 개폐하기 위한 개폐신호를 출력하고, 상기 개폐신호는 상기 구동회로(51)에 의해 전력증폭되어 상기 스위치(F1, F2, F3, F4)의 게이트에 인가되게 된다. 상기의 개폐동작은 영전압 스위칭을 이루게 되는데, 이하에서는 영전압 스위칭 과정을 상세히 설명한다.When the upper limit signal U_limit and the lower limit signal L_limit obtained as described above are input to the comparator 501 in the circuit, the comparator 501 compares the frequency of the self-generated triangle wave Outputs an open / close signal for opening / closing the switches F1, F2, F3, and F4 in the inverter circuit 110 according to a result of comparison between the signal R i and the limit signals U_limit and L_limit, Is amplified by the driving circuit 51 and applied to the gates of the switches F1, F2, F3 and F4. The opening and closing operation of the above-described switching device performs the zero voltage switching. Hereinafter, the zero voltage switching process will be described in detail.
먼저, 상기 스위치(F1, F2, F3, F4) 중 제 1 및 제 4 스위치(F1, F4)가 턴온(Turn-On)되어 있는 상태라고 가정한다. 이 상태에서는 전술한 동작에 의해 상기 인버터회로(110)는 부하(3)에 무효전력과 고조파를 공급하거나 상용주파수의 상기 일정전력을 상기 배터리(4)로 부터 부하(3)에 공급하게 된다. 상기 제 1 및 제 4 스위치(F1, F4)가 턴온상태에서는 자체 생성되는 삼각파신호(Ri)가 증가하는 구간인데, 이때 상기 인버터회로(110)의 출력전류(i3)도 증가하게 된다. 상기 증가하는 삼각파신호(Ri)의 크기가 전술한 상위 제한신호(U_limit)를 초과하게 되면 상기 삼각파신호(Ri)는 그 즉시 감소하게 되고, 상기 비교부(501)는 상기 제 1 스위치(F1)와 제 4 스위치(F4)의 게이트신호를 제거하여 해당 스위치를 턴오프(Turn-Off)시킨다(t1). 상기 제 1 스위치(F1)와 제 4 스위치(F4)의 양단에는 각각 제 1 커패시터(C10와 제 4 커패시터(C4)가 연결되어 있으므로 전압은 급격히 변하지 않게 되어 상기 제 1 스위치(F1)와 제 4 스위치(F4)는 영전압에서 턴오프된다.First, it is assumed that the first and fourth switches F1 and F4 of the switches F1, F2, F3 and F4 are turned on. In this state, the inverter circuit 110 supplies reactive power and harmonics to the load 3 or supplies the constant power of the commercial frequency from the battery 4 to the load 3 by the above-described operation. The output current i 3 of the inverter circuit 110 also increases when the first and fourth switches F1 and F4 are turned on and the self-generated triangular wave signal R i increases. When the magnitude of the increasing triangular wave signal R i exceeds the upper limit signal U_limit described above, the triangular wave signal R i is immediately reduced, and the comparator 501 compares the triangular wave signal R i with the first switch F1) and the fourth switch F4 to turn off the corresponding switch (t1). Since the first capacitor C10 and the fourth capacitor C4 are connected to both ends of the first switch F1 and the fourth switch F4 respectively, the voltage does not change abruptly and the first switch F1 and the fourth switch The switch F4 is turned off at zero voltage.
상기 제 1 스위치(F1)와 제 4 스위치(F4)가 턴오프된 이후에도 평활용 인덕터(L2)를 흐르는 인버터전류(i3)는 제 1 및 제 4 커패시터(C1, C4)를 서서히 충전시키면서 흐르게 되고, 이때 제 2 및 제 3 스위치(F2, F3)의 병렬 커패시터(C2, C3)의 양단전압은 동일비율로 감소하게 된다. 상기 제 2 및 제 3 커패시터(C2, C3)가 완전히 방전하여 양단전압이 0 이 되면 상기 인덕터(L2)를 흐르던 전류는 상기 제 2 및 제 3 스위치(F2, F3)에 역방향으로 연결된 상기 제 2 및 제 3 다이오드(D2, D3)를 도통시켜 흐르게 되어(t2) 상기 제 2 및 제 3 스위치(F2, F3)의 양단전압을 0 으로 만들게 된다. 상기 제 2 및 제 3 다이오드(D2, D3)가 도통된 후에는 인버터전류(ia)가 급히 감소하게 되는데, 상기 제 2 및 제 3 다이오드(D2, D3)의 도통 후부터 감소하는 전류가 극성을 바꾸는 시점까지의 기간(Ta) 내에 상기 제 2 및 제 3 스위치(F2, F3)의 게이트에 턴온전압을 인가하게 되고 이에 따라 상기 제 2 및 제 3 스위치(F2, F3)는 영전압에서 턴온하게 된다.It said first switch (F1) and the fourth switch drive current (i 3) (F4) that flows through the turn is off after the smoothing inductor (L2) is to flow, while charging the first and the fourth capacitor (C1, C4) gradually At this time, the voltages at both ends of the parallel capacitors C2 and C3 of the second and third switches F2 and F3 decrease at the same ratio. When the voltage across both ends of the second and third capacitors C2 and C3 is completely discharged, the current flowing through the inductor L2 flows through the second and third switches F2 and F3, And the third diodes D2 and D3 to make the voltage between both ends of the second and third switches F2 and F3 zero. After the second and third diodes (D2, D3) the conduction is the there is the drive current (i a) is urgently reduced, the current decreases after the conduction of the second and third diodes (D2, D3) polarized A turn-on voltage is applied to the gates of the second and third switches F2 and F3 within a period Ta from when the first and second switches F2 and F3 turn on at zero voltage do.
한편, 상기 인버터전류(ia)가 감소하고 있는 동안 상기 삼각파신호(Ri)도 일정비율의 감소를 유지하다가 그 극성을 바꾸어 상기 하위 제한신호(L_limit)에 이르게 되면 상기 제 2 및 제 3 스위치(F2, F3)를 다시 턴오프시키게 되고, 상기 삼각파신호(Ri)는 그 즉시 증가하게 되며, 이와 같은 동작이 반복되면서 상기 인버터 회로(110)는 영전압 스위칭을 이루면서 출력전류(ia)의 포락선을 상기 부하전압 제어회로(40)에서 요구하는 출력전류 기준신호(Iref)형태로 출력하게 되는 것이다.Meanwhile, while the inverter current i a is decreasing, the triangular wave signal R i is maintained at a constant rate, and when the polarity of the triangular wave signal R i is changed to reach the lower limit signal L_limit, And the triangular wave signal R i is immediately increased. As the operation is repeated, the inverter circuit 110 performs the zero voltage switching and outputs the output current i a , In the form of an output current reference signal I ref required by the load voltage control circuit 40. [
도 6 내지 도 8 은 본 발명에 따른 단상소형 무정전 전원장치에 대한 실험결과 파형으로서, 단순 정류회로를 부하로서 사용하여 구한 것이다. 도 6 은 본 발명의 단상소형 무정전 전원장치의 정전시와 회복시의 전환과정을 보여주기 위한 파형도로서, 출력전압의 위상이 변화되지 않으면서 모드간 동작전환이 이루어지고 있음을 보여주고 있으며, 도 7 은 부하시의 모드별 파형을 측정한 것으로서, 백업 모드인 경우는 부하전류를 모두 인버터회로에서 제공하고 있는 것을 보여주며, 바이패스모드인 경우에는 부하전류의 무효성분과 고조파성분을 인버터회로에서 제공함으로써 전원전류는 깨끗한 정현파임을 보여 주고 있다.6 to 8 are waveforms of experimental results of the single-phase small uninterruptible power supply according to the present invention, which are obtained by using a simple rectifying circuit as a load. FIG. 6 is a waveform diagram for illustrating a switching process of the single-phase small uninterruptible power supply apparatus of the present invention during power failure and recovery, showing switching between modes without changing the phase of the output voltage. FIG. 7 is a graph showing waveforms of respective modes at the time of load. In the backup mode, all the load currents are provided by the inverter circuit. In the bypass mode, the ineffective and harmonic components of the load current are supplied to the inverter circuit To show that the supply current is a clean sinusoidal wave.
또한, 도 8 은, 최상단의 스위치(F2) 양단전압이 게이트신호가 제거된 후 2 초동안 서서히 감소하고, 다른 스위치(F1)에는 양단전압이 0 이 된 후 게이트신호가 인가됨으로써 인버터회로의 스위칭동작이 영전압에서 이루어지고 있음을 보여주고 있다.8 shows that the voltage across the uppermost stage of the switch F2 gradually decreases for two seconds after the gate signal is removed and the gate signal is applied to the other switch F1 after the voltage across both ends thereof becomes zero, It shows that the operation is done at zero voltage.
따라서, 상기와 같이 구성되어 동작하는 본 발명에 따른 단상소형 무정전 전원장치는, 전원의 공급상태에서는 부하전류의 무효성분과 고조파성분을 공급함으로써 입력역률을 개선시키고, 별도의 정류기, 충전기와 변압기를 사용하지 않으므로 소형으로 제작할 수 있을 뿐만 아니라, 스위칭 손실을 줄이는 영전압 스위칭을 구현함으로써 전력손실을 보다 절감할 수 있도록 한 매우 유용하고 경제적인 발명이라고 할 수 있다.Accordingly, in the single-phase small uninterruptible power supply apparatus according to the present invention configured as described above, the input power factor is improved by supplying the ineffective component and the harmonic component of the load current in the supply state of the power source, and a separate rectifier, a charger and a transformer It is a very useful and cost-effective invention that not only can be manufactured in a small size because it is not used, but also can reduce power loss by implementing zero voltage switching that reduces switching loss.
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KR100384054B1 (en) * | 2000-12-23 | 2003-05-14 | 서덕만 | Automatic power source switching circuit |
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- 1997-06-04 KR KR1019970023616A patent/KR100225769B1/en not_active IP Right Cessation
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