KR20000038850A - 직병렬 무정전 전원 장치(ups)의 백업 배터리 충전 제어 장치와 제어방법. - Google Patents

직병렬 무정전 전원 장치(ups)의 백업 배터리 충전 제어 장치와 제어방법. Download PDF

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Abstract

본 발명은 무정전 전원장치(UPS ; Uninterruptible Power Supply)에 관한 것으로, 특히 전단의 컨버터는 직렬로 연결구성하고, 주 인버터(main inverter)는 병렬로 연결구성한 직병렬 무정전 전원장치에 관한 것으로,
바이패스 모드로 동작할때에는 전단 컨버터(1)와 주 인버터(2)의 협조 동작으로 백업 배터리(3)의 충전이 가능하므로 별도의 충전장치가 필요없게 되는 데, 이때 백업 배터리(3)의 전압이 전원전압 피크(peak)치의 2n/(2n+1)배 보다 작으면 바이패스 모드가 정상적으로 수행될 수 없게 된다.
따라서, 본 발명에서는 배터리의 전압을 감지하여, 감지된 전압 레벨이 기준 레벨이하로 떨어질 경우 전단 컨버터와 주 인버터를 모두 정지시키고, 백업 모드시 전원 전압과 주 인버터간을 오픈 시키기 위해 구성된 AC 스위치를 위상 제어하여 배터리를 일정 레벨값이상으로 충전시킬 수 있도록 하므로써, 정상적인 시스템 동작이 가능하도록 하는 것이다.

Description

직병렬 무정전 전원 장치(ＵＰＳ)의 백업 배터리 충전 제어 장치와 제어방법.
본 발명은 특히 전단의 컨버터는 직렬로 연결구성하고, 주 인버터(main inverter)는 병렬로 연결구성한 직병렬 무정전 전원장치(UPS ; Uninterruptible Power Supply)에 관한 것으로, 바이패스 모드(bypass mode)시 배터리의 전압 강하로 정상적인 동작이 이루어질 수 없음을 방지할 수 있도록 한 직병렬 무정전 전원 장치의 백업 배터리(backup battery) 충전 제어 장치와 방법에 관한 것이다.
가정에서 컴퓨터를 조작할 때 데이타등이 순간적으로 사라지거나 TV 화면이 찌그러지고 오디오의 음질이 달라지는 경우가 있는 바, 이러한 현상들은 기기자체의 문제에서 비롯될 수도 있지만 공급되는 전압이 안정되지 못하거나 주변의 기기에 의한 전원교란때문에 발생된다.
이와 같은 문제는 기기에 심각한 문제를 야기시키게 되는 바, 이러한 문제점을 해결하고자 전압 자동 안정기(AVR ; Automatic Voltage Regulator)를 사용하는 데, 전압 자동 안정기는 전압변동에 상관없이 연결될 컴퓨터, 오디오와 같은 기기에 안정된 전압을 공급해준다.
그렇지만, 상기한 바와 같은 전압 자동 안정기도 정전이 되면 충전기능이 없어 동시에 전원이 끊어지며, 외부에서 발생하는 노이즈를 그대로 기기에 전달해주는 단점이 있다.
이와 같은 문제점을 해결하고자 하는 것이, 무정전 전원장치(UPS)인 바, 이와 같은 무정전 전원장치는 자체에 충전 기능을 갖고 있어 정전시에 일정시간동안 전원을 기기에 공급해주며, 또한 기기에 무리가 가지 않도록 저전압이나 고전압등의 전압 변동을 막아주고 수백에서 수천볼트 스파크성 충격이나 노이즈등을 일차적으로 걸러주는 기능을 갖고 있다.
본 발명에서는 이와 같은 무정전 전원장치에 관한 것으로, 직렬 전단 컨버터와 병렬 주 인버터구조를 갖는 직병렬 무정전 전원 장치의 백업 배터리의 충전 제어 장치와 방법을 제안하고자 하는 것이다.
도 1은 본 발명이 적용되어질 직병렬 무정전 전원 장치의 구성을 나타낸 회로도로서, 도 1을 참조하여 직병렬 무정전 전원 장치의 구성을 설명하면 다음과 같다.
전원부에 직렬 연결된 전단 컨버터(front converter)(1)와, 전단 컨버터(1)에 병렬 연결된 주 인버터(main inverter)(2)로 구성되며, 상기 전단 컨버터(1)와 주 인버터(2)는 콘덴서(CDC)와 백업 배터리(backup battery)(3)로 구성된 공통된 연계 직류 전압(VDC)을 갖는다.
그리고, 상기 전기적인 절연을 위하여 1차측과 2차측 권선비(1:n)을 갖는 변압 트랜스(T1)와, 전원(V1)으로 부터 쇄도 전류를 방지하기 위하여 변압 트랜스(T1)의 전단에 AC 스위치(TRC1)가 구성된다.
미 설명되는 부호 Ls, Lp는 코일(inductor), Cp는 콘덴서, 4는 부하(Load)이다.
이와 같은 구성을 포함하는 직병렬 무정전 전원장치는 크게, 전원이 정상으로 동작하는 경우의 바이패스(bypass) 모드와 전원이 정전이 되었을 경우의 백업(backup) 모드의 2개의 모드(mode)로 이루어진다.
상기 바이패스 모드에서 전단 컨버터(1)는 고역률을 위해 선전류가 전원전압과 동상(역률=1)인 사인(sin)파의 형태를 갖도록 제어되고, 그 크기로 DC 링크 전압(VDC)이 일정하도록 제어하게 되며, 동시에 백업 배터리(3)를 충전시킨다.
또한, 주 인버터(2)는 출력전압이 사인파로서 일정한 실효값을 갖으며, 전원전압과 동상의 정현파가 되도록 제어된다.
이와 같은 바이 패스 모드에서는 부하에 필요한 대부분의 전력은 전원에서 부하(4)로 공급되고, 일부가 입출력 전압의 차에 따라 상기 전단 컨버터(1)와 주 인버터(2)를 통하여 흐른다.
한편, 상기 백업 모드에서 전단 컨버터(1)는 전원으로 부터 분리되어 차단되므로 선전류를 제어하지 않으며, 단지 주 인버터(2)만이 바이패스 모드 때와 동일하게 출력전압이 일정한 크기를 갖도록 제어한다.
이때의 전력은 백업 배터리(3)로 부터 공급을 받아 주 인버터(2)가 동작하여 부하(4)로 전력을 공급한다.
이와 같은 동작모드의 전환은 단지 전원상태에 따라 전단 컨버터(1)를 동작 또는 정지(on 또는 off)시키므로써, 이루어지고, 주 인버터(2)의 동작은 동작모드와는 관계없이 항상 동일하게 동작하여 출력전압이 안정되도록 연속적으로 제어를 한다.
또한, 백업 배터리(3)는 정류기(1)와 주 인버터(2)간의 상호 동작으로 충전되기 때문에, 백업 배터리(3)의 충전은 어떠한 별개의 충전회로 없이도, 바이패스 모드에서 전원 전류를 제어하여 이루어진다.
그러나, 백업 배터리(3)의 전압이 일정 전압이하로 떨어지게 되면, 바이패스 모드가 정상적으로 수행될 수 없게 된다.
따라서, 본 발명에서는 배터리의 전압 레벨을 감지하고, 감지된 전압 레벨을 일정기준 레벨값과 비교하여 일정 전압이하로 전압강하가 발생되면, 백업 모드시 전원과 병렬 인버터간을 오픈(open)시키기 위하여 전단 컨버터단에 구성된 AC 스위치를 위상 제어하여 배터리를 충전제어할 수 있도록 하므로써, 시스템의 오류없이 정상적인 바이패스 모드의 실행이 가능하도록 하므로써, 안정된 시스템의 운용이 가능하도록 한 것이다.
도 1는 직병렬 무정전 전원장치를 나타낸 회로도.
도 2는 본 발명이 적용된 직병렬 무정전 전원 장치를 블록으로 나타낸 도면.
도 3은 본 발명에 있어서, 도 1에 대한 AC 스위치를 위상제어하여 백업 배터리를 충전할 때의 등가회로도.(전원전압이 +인 경우)
도 4는 할프 브리지 구조를 갖는 전단 컨버터를 포함하는 직병렬 무정전 전원장치를 나타낸 회로도.
도 2는 앞서 설명한 도 1의 도면을 간략하게 블록화하여 나타낸 본 발명 직병렬 무정전 전원장치의 백업 배터리 충전 제어 장치를 나타낸 블록도이다.
본 발명의 백업 배터리의 충전 제어 장치를 첨부된 도면 도 2를 참조하여 이와 같은 장치의 구성을 살펴보면,
전원부에 직렬 연결된 전단 컨버터(1)와, 전단 컨버터(1)에 병렬 연결된 주 인버터(2)와, 백업 배터리(3)와, 백업 모드시 주 인버터(2)와 전원전압을 오픈시키기 위한 AC 스위치(TRC1)를 포함하여 구성되어 별도의 충전회로 없이도 상기 전단 컨버터(1)와 주 인버터(2)의 상호 동작으로 백업 배터리(3)를 충전시키도록 하는 직병렬 무정전 전원장치에 있어서,
상기 백업 배터리(3)의 전압을 감지하는 배터리전압감지수단(5)과, 감지된 백업 배터리(3)의 전압과 기준 전압과 비교하는 비교수단(6)과, 비교수단(6)의 비교결과로 부터 기준전압이하로 백업 배터리(3)의 전압레벨이 떨어짐을 판단하여 전단 컨버터(1)의 전원부측 전단부에 구성된 AC 스위치(TRC1)를 위상 제어하여 백업 배터리(3)의 충전 전류(ich)를 제어하는 제어수단(7)을 포함하여 이루어진다.
이와 같은 본 발명 장치의 백업 배터리 충전 제어 방법의 제어수순은 다음과 같다.
백업 배터리(3)의 전압을 감지하는 단계와, 감지된 백업 배터리(3)의 전압과 기준 전압을 비교하는 단계와, 비교결과 백업 배터리(3)의 전압 레벨이 기준전압 이하로 떨어졌다고 판단되면 전단 컨버터(1) 및 주 인버터(2)를 모두 턴 오프시키는 단계와, AC 스위치(TRC1)를 위상 제어하여 백업 배터리(3)를 충전시키는 단계와, 백업 배터리(3)의 충전단계를 진행하면서, 상기 백업 배터리(3)의 전압을 계속 기준전압과 비교하여 기준전압이상 상승되면, AC 스위치(TRC1)의 위상제어에 의한 백업 배터리(3)의 충전단계를 종료하고, 상기 단계를 반복진행하는 단계의 실행수순으로 이루어진다.
그리고, 상기 단계에서 기준 전압은 전원 전압(V1) 피크(peak)치의 n/(n+1)배로 설정되며, 여기서 n은 전원 전압의 변압비를 나타냄을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명 직병렬 무정전 전원장치의 배터리 충전 제어 장치와 방법의 작용을 상기 종래기술에서 설명한 첨부된 도면 제 1도 및 첨부된 도면 도 2를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
상기에서 설명한 바와 같이, 무정전 전원장치는 전원이 정상으로 동작하는 경우의 바이패스 모드와 전원이 정전이 되었을 경우의 백업 모드의 2개의 모드로 동작하게 되는 바,
본 발명에서는 이와 같은 동작모드에 있어서, 백업 배터리(3)의 전압이 일정값이하로 떨어지게 됨에 따라 정상적인 바이패스 모드가 진행될 수 없음을 방지하기 위한 것으로,
제어수단(7)은 전원 입력유무를 판별하여 정상상태와 정전상태를 판별하여 전단 컨버터(1)와 주 인버터(2)를 스위칭 동작 제어하여 상기 바이패스 모드와 백업 모드를 실행시킨다.
이와 동시에 배터리전압감지수단(5)에서는 백업 배터리(3)의 전압을 감지하고, 비교수단(6)에서 이의 감지결과를 입력받아 일정 기준전압과 비교하여 그결과를 제어수단(7)으로 알려준다.
여기서, 직병렬 무정전 전원 장치에서는 백업 배터리(3)의 전압이 전원전압(V1) 피크(peak)치의 n/(n+1)배 보다 작으면 바이패스 모드가 정상적으로 수행될 수 없게 되므로, 상기 비교수단(6)의 기준전압설정은 전원 전압(V1)에 대한 변압비(n)즉, 변압 트랜스(T1)의 1차측대 2차측 권선비에 따른 상기 전원전압(V1) 피크치의 n/(n+1)배로서 설정된다.
제어수단(6)에서는 비교수단(5)으로 부터의 신호를 입력받아 백업 배터리(3)의 전압이 전원전압(V1)의 피크치의 n/(n+1)배보다 낮아짐을 판단하게 되면, 상기 전단 컨버터(1)와 주 인버터(2)를 모두 오프 스위칭시킨다.
이후, AC 스위치(TRC1)를 위상제어하여 백업 배터리(3)를 충전시키게 되는 바, 상기 전단 컨버터(1)와 주 인버터(2)의 모든 스위칭수단이 오프되면, 각 스위칭수단의 다이오드들을 통해 백업 배터리(3)는 충전된다.
도 3은 AC 스위치(TRC1)를 위상 제어하여 배터리(3)를 충전할때의 등가회로도(전원전압이 +인 경우)이다.
이때, 직렬부 변압트랜스(T1)의 1차측에서 보면, 도 3에서와 같이, E/n의 전압과 LS/n2의 임피던스로 나타나며, 병렬부는 E의 전압이 나타나게 된다.
이러한 배터리(3)의 충전 동작은 다음의 수학식 1과 같은 관계가 성립하여,
다이오드가 턴온된 상태를 유지할 때까지 계속되며, 이때, 백업 배터리(3)가 충전되는 최대 배터리 충전전압(Emax)은 다음의 수학식 2와 같은 관계가 성립한다.
이때, 상기 수학식 2에 나타낸 최대 배터리 충전전압이상으로 배터리(3)가 충전되면, 다이오드들은 역바이어스가 걸려 더 이상 백업 배터리(3)를 충전하지 못하게 된다.
즉, 백업 배터리(3)의 충전 전압이 전원 전압(V1) 피크치의 n/(n+1)배가 되면, 더 이상 백업 배터리(3)의 충전동작은 이루어지지 않는 것이다.
따라서, 제어수단(7)에서는 상기 AC 스위치(TRC1)를 온 시키고, 또한 전단 컨버터(1)와 주 인버터(2)를 제어하여 정상적인 동작제어를 수행하도록 하여, 정상적인 바이패스 모드를 진행하게 되는 것이다.
한편, 도 4는 무정전 전원 장치의 대용량화를 위해 전단 컨버터(1')를 할프 브리지(half bridge) 구조를 갖도록 하고, 주 인버터(2)는 풀 브리지(full bridge) 구조를 갖도록 하는 할프 브리지 구조를 갖는 전단 컨버터와 풀 브리지 구조의 직병렬 무정전 장치를 나타낸 것으로,
도 4에서와 같이, 할프 브리지 구조의 전단 컨버터(1')를 구성요소로 포함하는 직병렬 무정전 전원 장치에도 본 발명의 제어 방법을 적용가능하다.
할프 또는 풀 브리지에 관계없이 직병렬 구조에서는 AC 스위치(TRC1)를 이용한 위상 제어를 통해 백업 배터리(3)에 순식간의 큰 쇄도 전류가 흐르는 것을 방지할 수 있는 바,
단, 할프 브리지일 경우에는 기준 설정 전압이 전원 전압(V1) 피크치의 2n/(2n+1)배가 되며, 따라서, 상기 수학식 2에서의 최대 배터리 충전전압(Emax)은 다음의 수학식 3과 같이 나타나게 된다.
이와 같이, 본 발명 배터리 충전 제어 방법은 할프 브리지 또는 풀 브리지와는 상관없이 적용가능하며, 일반적인 무정전 전원 장치에서는 백업 배터리의 충전을 위한 별도의 충전기가 있어 이와 같은 AC 스위치(TRC1)를 이용한 위상 제어가 불필요하다.
원래, 상기 AC 스위치(TRC1)는 백업 모드시 전원과 병렬 주 인버터(2)간을 오픈(open)시키기 위한 것으로서, 이와 같이 위상제어를 실행하므로서, 백업 배터리(3)의 충전시 쇄도전류를 억제할 수 있게 되는 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 백업 배터리(3)의 전압을 감지하여 백업 배터리(3)의 전압이 일정 전압이하로 떨어질 경우 이를 감지하여 백업 모드시 전원 전압과 주 인버터(2)간을 오픈 시키기 위해 구성된 AC 스위치(TRC1)를 위상 제어하여 백업 배터리(3)를 충전시키도록 하므로써, 정상적인 시스템의 동작이 가능하도록 하여 무정전 전원장치의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 상기와 같이 위상 제어를 통해 AC 스위치(TRC1)를 스위칭 동작 제어하므로써, 백업 배터리(3)의 충전시 쇄도 전류를 억제할 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

  1. 전원부에 직렬 연결된 전단 컨버터와, 전단 컨버터에 병렬 연결된 주 인버터와, 백업 배터리와, 백업 모드시 주 인버터와 전원전압을 오픈시키기 위한 AC 스위치를 포함하여 구성되어 별도의 충전회로 없이도 상기 전단 컨버터와 주 인버터의 상호 동작으로 백업 배터리를 충전시키도록 하는 직병렬 무정전 전원장치에 있어서,
    상기 백업 배터리의 전압을 감지하는 배터리전압감지수단과, 감지된 백업 배터리의 전압과 기준 전압과 비교하는 비교수단과, 비교수단의 비교결과로 부터 기준전압이하로 백업 배터리의 전압레벨이 떨어짐을 판단하여 전단 컨버터의 전원부측 전단부에 구성된 AC 스위치를 위상 제어하여 백업 배터리의 충전 전류를 제어하는 제어수단을 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 직병렬 무정전 전원 장치(UPS)의 백업 배터리 충전 제어 장치.
  2. 백업 배터리의 전압을 감지하는 단계와, 감지된 백업 배터리의 전압과 기준 전압을 비교하는 단계와, 비교결과 백업 배터리의 전압 레벨이 기준전압 레벨이하로 떨어졌다고 판단되면 전단 컨버터 및 주 인버터를 모두 턴 오프시키는 단계와, AC 스위칭 수단을 위상 제어하여 백업 배터리를 충전시키는 단계와, 백업 배터리의 충전단계를 진행하면서, 상기 백업 배터리의 전압을 계속 기준전압과 비교하여 기준전압이상 상승되면, AC 스위칭수단의 위상제어에 의한 백업 배터리의 충전단계를 종료하고, 상기 단계를 반복진행하는 단계의 실행수순으로 이루어짐을 특징으로 하는 직병렬 무정전 전원 장치(UPS)의 백업 배터리 충전 제어 방법.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 단계에서 기준 전압은 전단 컨버터의 전원 전압에 대한 변압비에 따른 전원 전압 피크(peak)치의 n/(n+1)배로 설정됨을 특징으로 하는 직병렬 무정전 전원 장치(UPS)의 백업 배터리 충전 제어 방법.
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