KR20000040412A - 충전부와 인버터부 일체형 무정전 전원장치 - Google Patents

충전부와 인버터부 일체형 무정전 전원장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 충전부와 인버터부 일체형 무정전 전원장치(UPS)에 관한 것으로서, 충전용 밧데리(BT)에 직류 필터용 캐패시터(C1)를 병렬로 연결하여 밧데리부(3)를 구성하고, 상기 밧데리부(3)에 충전 및 인버터부(11)를 연결하여 충전 및 인버터부(11)를 전기기기에 연결함과 더불어 전원을 싸이리스터 스위치(S1),(S2)를 통해 상기 전기기기를 연결한 구성으로 종래 무정전 전원장치(UPS)와 같은 역할을 수행하면서도 회로의 구성 소자수가 적어 구조가 단순하고, 충전부의 직류승압이 용이하며, 전파정류 충전기의 작동시 발생되는 고조파가 감소되는 등의 효과가 있다. 뿐만 아니라 종래 제품에 비해 생산 단가가 낮고 소형화가 용이하여 경제적인 장점이 있는 것이다.

Description

충전부와 인버터부 일체형 무정전 전원장치
본 발명은 충전부와 인버터부 일체형 무정전 전원장치(UPS)에 관한 것으로서, 인버터부가 정류부와 충전부의 기능을 함께 갖도록 오프라인(off-line)방식의 무정전 전원장치를 구성함으로써 소요되는 전력소자의 수가 감소되고, 구조가 단순해지며, 인버터부가 가지는 전압강하분을 쉽게 보상할수 있고, 충전시 발생하는 고조파(harmonics)의 발생량이 낮으며, 부피와 무게를 줄일 수 있을뿐만 아니라 제작 단가를 낮출수 있는 충전부와 인버터부 일체형 무정전 전원장치에 관한 것이다.
무정전 전원장치(UPS)는 기본적으로 정전시 동작하여 전기기기의 동작을 안정화 시켜주는 장치인데, 기능상 순시정전이나, 순시저전압, 고전압, 주파수 변동등의 상황에서 작동하여 총체적인 전원 안정화 장치로 사용된다. 더욱이 산업사회의 고도화 정보화에 따른 보다 나은 품질좋은 전원이 요구되고 있는 시점에서 컴퓨터등 사무용 전기기기는 물론 산업용 생산기기를 포함한 모든 전기기기에 무정전 전원장치(UPS)의 이용분야는 무궁무진하다고 할 수 있다. 그런데, 기존 종래의 무정전 전원장치는 성능은 우수하나 가격이 높고, 비교적 넓은 설치 공간을 필요로 하는 문제점이 있었다.
이와 같은 종래의 무정전 전원장치는 도 1에 도시한 바와 같이 구성되어 있다. 즉, 인버터부(4)에 직류(DC)전원을 공급하기 위한 정류부(1)와 상시 밧데리부(3)를 충전하기 위한 충전부(2) 및 상용 교류(AC)전원을 발생시키기 위한 인버터부(4), 그리고 무정전 전원장치 작동 억제시 전원 바이패스(by-pass)를 위한 정적 스위치(S1 ; static switch)와 상시와 정전시에 밧데리부(3)의 충전 및 방전을 선택해주는 절환스위치(S2)로 구성된다.
무정전 전원장치는 크게 나누어 온라인(on-line)방식과 오프라인(off-line) 방식으로 분류되는데 도 1에 도시한 무정전 전원장치는 온라인(on-line)방식 무정전 전원장치로서 상시에는 스위치(S1)가 열려있고, 절환스위치(S2)는 단자(A)에 접속되어 있어서 정류부(1)와 충전부(2) 및 인버터부(4)가 항상 작동한다. 그런데 정전시에는 전원이 없는 상태가 되므로 정류부(1)와 충전부(2)가 작동하지 않게 되고, 절환스위치(S2)는 단자(B)로 접속되는 상태로 절환되며, 그에따라 밧데리부(3)의 충전 전원에 의하여 인버터부(4)가 작동하게 되고, 그에따라 인버터부(4)가 교류(AC)전원을 발생시게 된다. 또한 스위치(S1)는 무정전 전원장치 정비시에 닫힌 상태로 유지시켜 전기기기의 동작이 중단됨이 없이 연속적으로 전기기기를 동작시킬 수 있다.
한편 오프라인(off-line)방식의 무정전 전원장치는 도 1에서 정류부(1)가 없는 형태의 구성이며, 이러한 오프라인(off-line)방식의 무정전 전원장치는 상시에는 스위치(S1)가 닫혀 있어서 전원이 곧바로 전기기기쪽으로 연결되고, 절환스위치(S2)는 단자(A)에 접속되어 있는 상태에서 충전부(2)가 밧데리부(3)를 충전시키고, 인버터부(4)는 동작을 하지 않는다. 그런데 정전시에는 스위치(S1)가 열리고 절환스위치(S2)는 단자(B)쪽으로 절환되어 밧데리부(3)의 전원에 의해 인버터부(4)가 동작하게 되어 교류(AC)전원을 발생시킨다.
정류부(1) 및 충전부(2)에 의해 교류전압이 직류전압으로 바뀌면 교류전압 실효값의 21/2배 직류전압이 얻어지는데, 인버터부(4)에 의해 직류전압이 교류전압으로 바뀌는 경우에는 직류 전압값의 2-1/2배 교류전압의 실효값이 얻어지지 못한다. 이는 펄스폭변조(PWM ; Pulse Width Modulation)의 영향에 기인하는 것인데 대부분 직류전압값의 2-1/2배의 90%에도 미치지 못하는 교류전압의 실효값이 얻어지게 되므로 정류부(1) 및 충전부(2)는 출력 직류전압을 교류전압 실효값의 21/2배보다 훨씬 높은 전압값으로 승압시키는 구조로 되어야 한다. 따라서 220VAC전원에 사용되는 무정전 전원장치의 경우 정류부(1)의 출력전압, 충전부(2)의 출력전압 및 밧데리부(3)의 출력전압 220VAC를 전파정류 하여 얻을 수 있는 최대 직류전압인 약 300VDC보다 훨씬 높은 약 400VDC정도의 교류전압 실효값을 얻을 수 있도록 무정전 전원장치를 설계한다.
본 발명은 상기한 실정을 감안하여 발명한 것으로서, 인버터부가 충전과 인버터 기능을 함께 가지도록 하여 전력소자의 수를 줄이고, 단순하게 구성하여 충전부 출력 전압을 쉽게 높일 수 있고, 충전시 전원 고조파 증가 문제를 쉽게 해결할 수 있는 충전부와 인버터부 일체형 무정전 전원장치를 제공함에 그 목적이 있다.
도 1은 종래 무정전 전원장치(UPS)의 개략적인 블록구성도,
도 2는 본 발명 무정전 전원장치(UPS)의 개략적인 블록구성도,
도 3은 본 발명 무정전 전원장치(UPS)의 상세회로도,
도 4는 본 발명에 따른 밧데리(BT)충전시의 등가회로도,
도 5는 본 발명에 따른 정전시의 등가회로도이다.
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉
1 : 정류부 2 : 충전부
3 : 밧데리부 4 : 인버터부
11 : 충전 및 인버터부 SW1, SW2 : 싸이리스터 스위치
S1 : 정적스위치, 라인스위치 L1, L2 : 인덕터
S2 : 절환스위치 C1, C2 :캐패시터
BT : 밧데리 D1∼D5 : 다이오드
Q1∼Q6 : 절연게이트형 바이폴라트랜지스터
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명 충전부와 인버터부 일체형 무정전 전원장치는 충전용 밧데리(BT)에 직류 필터용 커패시터(C1)를 병렬로 연결하여 밧데리부(3)를 구성하고, 상기 밧데리부(3)에 충전 및 인버터부(11)를 연결하여 충전 및 인버터부(11)를 전기기기에 연결함과 더불어 전원을 싸이리스터 스위치(S1),(S2)를 통해 상기 전기기기를 연결하여서 구성됨을 특징으로 한다.
상기 충전 및 인버터부(11)는 절연게이터형 바이폴라트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor ; Q1)에 절연게이터형 바이폴라트랜지스터(Q2)와 인덕터(L1)를 연결함과 더불어 상기 절연게이터 바이폴라트랜지스터(Q1)에 역방향으로 다이오드(D1)를 병렬연결하고, 역방향으로 다이오드(D2∼D5) 각각이 연결된 절연게이터형 바이폴라트랜지스터(Q3∼Q6)을 브릿지형으로 연결하여 상기 바이폴라트랜지스터(Q1),(Q2)에 연결하며, 상기 절연게이터형 바이폴라트랜지스터(Q3∼Q6)에다 교류필터용 인덕터(L2)와 캐패시터(C2)를 연결하여 구성된다.
이하 첨부도면을 참조하여 본 발명 충전부와 인버터부 일체형 무정전 전원장치의 작용을 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명 충전부와 인버터부 일체형 무정전 전원장치의 개략적인 블록구성도, 도 3은 본 발명 충전부와 인버터부 일체형 무정전 전원장치의 상세회로도로서, 도 2를 도 1과 비교해 보면 본 발명은 충전부와 인버터부가 하나의 충전 및 인버터부(11)로 구성되어 있으며, 도 1에 있는 절환스위치(S2)가 없다. 따라서 상시에는 스위치(S1)가 닫힌 상태를 유지하며, 일체형 충전 및 인버터부(11)가 충전부로 동작하여 밧데리부(3)를 충전시킨다. 한편 정전시에는 스위치(S1)가 열린 상태로 바뀌며 일체형 충전 및 인버터부(11)가 인버터로 동작하여 밧데리부(3)의 전원으로 부하인 전기기기에 교류전원을 공급한다. 즉, 도 3에 도시한 바와 같이 교류라인 스위치(S1)는 한 쌍의 싸이리스터(thyristor) 소자(SW1,SW2 ; 이하 싸이리스터 스위치라 한다.)로 구성되고, 일체형 충전 및 인버터부(11)는 여섯 개의 절연게이터형 바이폴라트랜지스터(Q1∼Q6), 절연게이터형 바이폴라트랜지스터(Q1, Q3∼Q6) 각각에 역방향으로 병렬 연결되는 다섯 개의 다이오우드(D1∼D5) 및 하나의 인덕터(L1)로 구성되며, 인덕터(L2) 및 캐패시터(C2)는 교류필터로 작용하고, 캐패시터(C1)는 직류필터로 작용한다.
그러므로 평상시 즉, 밧데리부(3)에 있는 충전용 밧데리(BT)의 충전시에는 절연게이터형 바이폴라트랜지스터(Q2∼Q6)의 게이트로 인가되는 제어신호에 의해 절연게이터형 바이폴라트랜지스터(Q2∼Q6)가 오프되므로 도 4에 도시한 바와 같이 작동한다. 교류라인 스위치(S1)는 온 상태이고, 절연게이터형 바이폴라트랜지스터(Q3∼Q6)는 오프되어 작동하지 않으며 절연게이터형 바이폴라트랜지스터(Q1)만 온/오프 상태를 반복하게 된다. 따라서 다이오우드(D2∼D5)는 전기기기로 연결되는 전원을 전파정류하는 역할을 수행하게 된다. 이 때 직류전압은 교류전압의 21/2배가 되며, 절연게이터형 바이폴라트랜지스터(Q1)의 온/오프 듀티(duty)비에 의해 밧데리부(3)의 밧데리(BT) 충전전압을 전파정류 직류전압보다 훨씬 높혀줄 수 있다. 절연게이터형 바이폴라트랜지스터(Q1)가 오프된 상태에서는 다이오우드(D2∼D5)에 의해 전파정류 되는 직류전압이 인덕터(L1)를 충전시키는 역할을 하고 절연게이터형 바이폴라트랜지스터(Q1)가 온 상태가 되면 다이오우드(D2∼D5)에 의한 전파정류 전압과 인덕터(L1)의 충전 전압이 더해져서 밧데리(BT)를 충전시킨다. 이것은 직류 승압기(booster converter)의 원리인데, 다이오우드의 전파정류에 의한 밧데리 충전시 발생하는 고조파의 문제를 해결할 수 있다. 캐패시터(C1)는 스위칭에 의한 전압 변동을 완화시키는 역할 즉, 직류필터로 작용한다.
한편 정전시에는 절연게이터형 바이폴라트랜지스터(Q1, Q2)의 게이트로 인가되는 제어신호에 의해 절연게이터형 바이폴라트랜지스터(Q1)는 온되고, 절연게이터형 바이폴라트랜지스터(Q2)가 오프되므로 도 5에 도시한 바와 같이 작동한다. 교류라인 스위치(S1)는 오프 상태로 바뀌고 절연게이터형 바이폴라트랜지스터(Q3∼Q6)의 게이트로 인가되는 제어신호에 의해 절연게이터형 바이폴라트랜지스터(Q3∼Q6)이 서로 조합, 작동하여 온/오프되므로 교류전원을 발생시킨다. 이때 다이오드( D2∼D5)는 백투백(back-to-back) 다이오드로서 펄스폭변조(PWM)시 발생될수 있는 역전류를 회생시키는 역할을 하게된다.
정전상태에서 종료되어 복전이 되면, 즉각적으로 라인 스위치(S1)가 온되고, 충전 및 인버터부(11)의 인버터동작은 종료하고, 방전된 밧데리(BT)를 충전시키는 충전부로서 동작을 시작하게 된다.
본 발명은 종래 무정전 전원장치(UPS)와 같은 역할을 수행하면서도 회로의 구성 소자수가 적어 구조가 단순하고, 충전부의 직류승압이 용이하며, 전파정류 충전기의 작동시 발생되는 고조파가 감소되는 등의 효과가 있다. 뿐만 아니라 종래 제품에 비해 생산 단가가 낮고 소형화가 용이하여 경제적인 장점이 있다.

Claims (2)

  1. 충전용 밧데리(BT)에 직류 필터용 캐패시터(C1)를 병렬로 연결하여 밧데리부(3)를 구성하고, 상기 밧데리부(3)에 충전 및 인버터부(11)를 연결하여 충전 및 인버터부(11)를 전기기기에 연결함과 더불어 전원을 싸이리스터 스위치(S1),(S2)를 통해 상기 전기기기를 연결하여서 구성됨을 특징으로 하는 충전부와 인버터부 일체형 무정전 전원장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 충전 및 인버터부(11)가 절연게이터형 바이폴라트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor ; Q1)에 절연게이터형 바이폴라트랜지스터(Q2)와 인덕터(L1)를 연결함과 더불어 상기 절연게이터 바이폴라트랜지스터(Q1)에 역방향으로 다이오드(D1)를 병렬연결하고, 역방향으로 다이오드(D2∼D5) 각각이 연결된 절연게이터형 바이폴라트랜지스터(Q3∼Q6)을 브릿지형으로 연결하여 상기 바이폴라트랜지스터(Q1),(Q2)에 연결하며, 상기 절연게이터형 바이폴라트랜지스터(Q3∼Q6)에다 교류필터용 인덕터(L2)와 캐패시터(C2)를 연결하여 구성된 것을 특징으로 하는 충전부와 인버터부 일체형 무정전 전원장치.
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