KR20040007652A

KR20040007652A - 자동 역률보정시스템

Info

Publication number: KR20040007652A
Application number: KR10-2003-7015890A
Authority: KR
Inventors: 윌리암 디. 맥다니엘; 게일 에이. 맥다니엘; 티모시 제이. 맥다니엘
Original assignee: 윌리암 디. 맥다니엘; 게일 에이. 맥다니엘; 티모시 제이. 맥다니엘
Priority date: 2001-06-05
Filing date: 2002-06-04
Publication date: 2004-01-24
Also published as: US6700358B2; US20020180408A1

Abstract

가변 값의 무효전력을 유도하는 전력설비(3)의 자동 역률보정장치(1)는 부하(5)에 의해 생긴 무효전력값을 표시할 수 있는 전력설비(3)의 부하(5)에서 생기는 전력의 전기인자들을 측정하고, 커패시터들(32)을 전력선(4)에 연결하여 전기인자가 표시하는 무효전력값을 보상한다. 특히, 이 장치(1)는 발생된 전력의 위상각을 측정하고 커패시터(32)를 계산하여 전력선(4)에 연결하여, 측정된 무효전력 값을 보상한다.

Description

자동 역률보정시스템{AUTOMATIC POWER FACTOR CORRECTION SYSTEM}

전력은 극히 다목적이고 편리한 에너지원이다. 그러나, 전기에너지의 생산과 송전에는 비용이 많이 들고, 전력수요가 증가할 때는 그 비용도 증가하게 된다. 이런 이유로, 전력송전 및 이용 효율을 증가시키거나, 반대로 전기에너지의 송전과 사용시 손실율을 줄이려는 시도가 항상 있어왔다.

교류전력은 전류와 전압 사이의 위상관계를 특징으로 한다. 유도부하가 많으면 전압보다 전류가 지연되고, 용량부하가 많으면 전압보다 전류가 앞선다. 동상관계는 저항성 부하로부터 또는 유도부하와 용량부하의 균형으로부터 생긴다. 동상전류로부터 "실제" 저항성 전력이 생기고, 이상전류로부터는 전력회로의 유도성이나 용량성 리액턴스의 영향으로 "겉보기" 무효전력이 생긴다. 전류와 전압 사이의 위상관계 측정에 공통적으로 이용되는 것은 역률로서, 전압과 전류 사이의 위상각의 코사인에 해당한다. 역률은 위상관계가 저항성일 때 단위값에서 최대화되고, 유도성일 때는 양수로서 1 미만이며, 용량성일 때는 음수로서 1 미만이다.

전력선에는 용량성부하보다는 전동기나 변압기와 같은 유도부하가 더 많이연결되는 경향이 있다. 전력회사들은 흔히 부하가 소정 값 이하의 역률을 일으킬 때 산업수용가들에게 할증료를 부과한다. 이를 피하기 위해, 사용자들은 전력선에 역률보정 커패시터들을 연결하여 유도부하로 하여금 역률을 경제값으로 보상유지하도록 한다.

가정용 전력설비에서, 대부분의 전기에너지는 냉장고, 환기장치, 에어컨, 조명기구, 때로는 가열기구에서 소비된다. 비교적 소량의 에너지가 통신, 컴퓨터, 오락기구 등에 사용되기도 한다. 가정용이나 소규모 산업용에 사용되는 전력계는 실제전력과 겉보기전력을 구분하지 못한다. 따라서, 실제로는 고객이 겉보기전력을 소비하지 않았음에도 실제전력과 겉보기전력 양자에 대해 요금이 부과된다.

대형 산업용으로 사용되는 역률보정시스템이 있지만, 가정용이나 소형산업용으로 역률을 보정하는 경제적인 장치는 없었다. 일반적으로, 산업용 역률보정시스템들은 보상하고자 하는 장비와 이런 장비와 같이 작동되는 장치에 관련된다. 과거에는 역률보정장치를 가능한한 각각의 유도부하용으로 설치하는 것은 주거소유자들에게 비실용적이고 비경제적이라고 간주되었었다. 또, 주거지의 유도장치들은 예컨대 서모스탯의 제어하에 임의의 횟수로 작동되도록 되어 있었다.

본 발명은 전력조정회로에 관한 것으로, 구체적으로는 전력시설의 역률을 감시 및 보정하는 개선된 시스템에 관한 것이다.

도 1은 본 발명을 구현하는 자동 역률보정시스템의 주요 요소들을 보여주는 블록도;

도 2는 자동 역률보정시스템의 커패시터뱅크를 보여주는 블록도;

도 3은 자동 역률보정시스템의 메인 전류계 루틴의 처리단계들을 보여주는 순서도;

도 4는 전력설비에서 생긴 전류를 측정하기 위한 본 발명의 루틴의 처리단계들을 보여주는 순서도;

도 5는 본 발명에 따른 역률을 보정하는 전류증가루틴의 처리단계들을 보여주는 순서도;

도 6은 전력설비에서 생긴 전력의 직접 위상측정에 기초한 본 발명의 자동 역률보정시스템의 다른 예를 보여주는 순서도;

도 7은 본 발명의 다른 위상기준 실시예내에서 위상측정 루틴의 단계들을 보여주는 순서도.

본 발명은 주택, 아파트, 소규모 산업 등의 소형 전력설비의 역률을 보정하는 시스템을 제공한다. 본 발명의 시스템은 일반적으로 다수의 리액턴스 요소나 커패시터들을 포함하고, 이들은 전력선과 센서에 선택적으로 연결되어 전력선에 연결된 커패시터가 역률에 좋은 영향을 미치는지 여부를 판단한다.

일반적으로, 본 발명은 전력설비의 부하때문에 생긴 전력의 전기인자들을 측정하는데, 이 전기인자는 부하때문에 생긴 무효전력값을 표시할 수 있고 리액턴스 요소의 조합을 전력선에 연결하여 측정된 전기인자가 표시하는 무효전력값을 보상한다. 본 발명의 첫번째 실시예는 전적으로 측정된 전류값과 이 전류값에 미치는 보상 리액턴스의 영향을 기초로 하고, 두번째 실시예는 전력의 위상각 측정을 기초로 한다.

구체적으로, 본 발명의 첫번째 실시예의 역률보정시스템은 전력설비에서 생기는 전류값을 지속적으로 측정한다. 전류 증가가 검출되면, 부하가 가동되었다고 본다. 커패시터 유니트가 전력선에 연결되고, 역시 전류를 측정한다. 전류가 증가하면, 커패시터 유니트가 역률에 좋은 영향을 주지 않고 커패시터가 분리되었다고 판단한다. 한편, 커패시터 연결로 측정전류가 감소되면, 전력선에 추가 커패시턴스를 연결한다. 전류가 재상승할 때까지 이 과정을 반복하고, 이 때 가장 최근에 연결된 커패시터가 분리된다.

전력설비에서 부하때문에 생긴 전류를 측정하는데 있어서, 본 발명은 여러번의 전류측정값을 시간에 대해 평균내고, 전류차의 변화가 소정 시간간격보다 작게 측정되지 않으면 아무 보상행위를 취하지 않는다. 따라서, 이 방식에서는 생성된 전류의 작은 변동에 비교적 안전한 시스템을 만들어 스위칭 천이들을 감소시킨다. 바람직한 실시예에서, 본 발명은 기본 커패시턴스의 몇배로 증가한 보상 커패시턴스를 기초로 하고, 그 결과 정상적인 전력선 주파수와 전압에서 1A의 전류를 일으키는 리액턴스가 생긴다. 기본 커패시턴스는 22㎌이고, 전력선 주파수는 60㎐이며,전력선 전압은 110V이다.

본 발명은 기본 커패시턴스의 2의 제곱으로 값이 변하는 커패시터 세트를 제공하여 커패시터의 보상조합에 도달하는 속도를 최대화한다. 이들 커패시터 세트는 기본 커패시턴스의 1, 2, 4, 8...128배의 커패시턴스를 갖는다. 이때문에, 측정된 전류값이 증가할 때까지 보상 커패시턴스 값을 2배씩 하여 초기 역률보정을 신속히 한다. 2진 개념에서 보면, 이런 초기 보정은 "최상위 디지트"를 나타낸다. 이 과정은, "하위 디지트"로 채워지는 최적의 조합이 이루어졌다고 판단될 때까지 2배씩 이외의 증가를 이루면서 계속된다.

본 발명의 일반적인 설비는 8개의 보상 커패시터를 한 세트로 포함하되, 그 값은 22㎌의 기본 커패시턴스에 대해 2의 제곱으로 1배 내지 128배의 범위를 갖는다. 이들 보상 커패시터들은 래칭스위치를 통해 전력선에 연결된다. 래칭스위치들은 마이크로프로세서나 마이크로컨트롤러와 같은 제어기의 8비트 출력포트에 인터페이스된다. 이렇게 하여, 제어기는 2진 워드의 비트 컨텐츠가 연결하거나 분리할 커패시터 조합에 대응하는 출력포트에 적당한 2진워드를 기입함으로써 전력선에 대해 256개의 커패시터 조합들중 하나를 연결하거나 분리할 수 있다.

둘째, 본 발명의 위상기준 실시예에서, 전류와 전압 둘다 및 이들 사이의 위상관계를 연속적으로 측정한다. 위상각을 거의 제로까지 감소시키는 보상 커패시턴스 값을 계산한다. 이어서, 보상 커패시턴스 값과 같은 커패시터들의 조합을 전력선에 연결해 감지된 유도부하를 보상한다. 본 발명의 두번째 실시예에서는 첫번째와 같은 커패시터 세트를 이용한다. 따라서, 두번째 실시예에서는 기본 커패시턴스의 수배의 커패시턴스를 갖는 커패시터 세트를 이용하여, 보통의 전력선주파수와 전압에서 1A의 전류를 생성한다. 이 커패시터 세트의 값은 기본 커패시턴스의 2의 제곱배로 변한다.

이하, 첨부 도면들을 참조하여 본 발명에 대해 자세히 설명하면 다음과 같다.

이하, 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하겠지만, 이하의 실시예는 단지 본 발명을 예로 든 것일 뿐이고 다양한 형태로 실현될 수 있다. 따라서, 이하 설명되는 구체적인 구조와 기능들은 그 자체로 한정된 것은 아니고, 특허청구범위를 기준으로 하며, 당업자라면 본 발명을 여러가지 형태로 다양하게 구현할 수 있을 것이다.

도면에서 부호 1, 2는 각각 전력선(4)으로부터 가변 값의 무효전력을 임의의 횟수로 생성하는 전력시설(3)의 역률을 자동으로 보정하는 장치와 방법을 나타낸다. 일반적으로, 본 발명은 전력시설(3)의 부하(5)때문에 생긴 전력의 전기인자들을 측정하되, 부하때문에 생긴 무효전력 값을 표시할 수 있고 전력선(4)에 리액턴스 요소들(6)의 조합체를 연결하여 측정된 전기인자들로 표시된 무효전력값을 실질적으로 보상한다.

도 1의 역률보정장치(1)는 전류센서(10)를 포함하고, 회로(10)의 출력은 전류계수회로(11)에 의해 처리되어 전류 ADC(analog to digital converter; 12)로 입력된다. 전류센서(10)는 AC 전도체 세트에 전자기적으로 연결되어 전류를 측정하는 기존의 전류센서일 수 있다. 전류계수회로(11)는 측정된 값을 전류 ADC(12)에 입력하기에 편리한 범위로 낮추는 전압이나 전류 디바이더망일 수 있다. 전류 ADC(12)는 전력선(4)을 흐르는 전류의 측정값에 비례하는 이진값을 갖는 디지탈 워드이다.

도시된 장치(1)는 전압센서(14), 전압계수회로(15) 및 전압 ADC(16)를 더 포함한다. 전압센서(14)는 바람직하게 전력선(4)에 직결되고, 전압디바이더망과 같이 전압 ADC(16)가 처리하기에 적당한 값으로 감지된 전압을 계수하는 계수회로(15)를포함한다. 전류센서(10)와 전압센서(14)의 연결방식은 전력선(4)에 흐르는 전력의 위상을 측정하는 기본을 이룬다. 전류센서(10)는 전력선(4)에 전자기적으로 연결되고, 따라서 그 값을 읽으면 전력선(4)에 흐르는 전류값을 추적할 수 있다. 한편, 전압센서(14)는 전력선(4)에 도전 연결되므로, 전력선의 전압의 영향을 받는다. 이들 전압감지요소(14,15,16)는 장치(1)의 첫번째 실시예에는 있을 필요가 없다. 클램프타입 전류센서(10)는 자연적으로 유도되므로 그 자체의 위상편이가 작아, 위상판단에 오차를 생기게 할 수 있다. 그러나, 이런 위상천이는 일정하고 측정계수 단계별로 가려질 수 있는데, 이에 대해서는 후술한다. 한편, 유도결합을 필요로 하지 않는 다른 타입의 전류감지요소들로서 홀효과 전류센서 등을 채택할 수도 있다. 전류센서(10)와 전압센서(14)는 반파정류기를 구비하는 것이 바람직할 수도 있다.

전류 ADC(12)와 전압 ADC(16)는 제어기(20)의 포트에 인터페이스되고, 제어기의 예로는 마이크로프로세서나 마이크로컨트롤러 등이 있다. 예시된 제어기(20)는 프로그램과 고정 데이타를 저장하는 플래시 프로그래머블 ROM(22)과, 임시 데이타를 저장하는 RAM(read/write memory; 24)를 포함한다. 제어기(20)는 여러가지 알려진 타입의 매립형 마이크로프로세서나 마이크로컨트롤러 등을 구비할 수도 있다. 제어기(20)의 예로는 Microchip Technology사(www.microchip.com)에서 제작하는 PIC16F87X 시리즈가 있다. 제어기(20)의 병렬포트(26)는 일련의 드라이버(28)와 고체상태 릴레이인 래칭스위치(30)를 통해 커패시터뱅크(6)의 다수의 커패시터(32)에 인터페이스된다.

도 2에는 커패시터뱅크(6)의 커패시터들(32)을 제어기(20)의 포트(26)에 인터페이스하는 방식과 뱅크(6)가 자세히 도시되어 있다. 포트(26)는 8개 비트(36)를 갖고 P0 내지 P7로 표시되어 있다. 각 비트(36)는 래칭스위치(30)를 통해 특정 커패시터(32)에 연결된다. 커패시터(32)의 값은 2배씩 변하여 1xC 내지 128xC이다. "C"는 정상 주파수와 전압의 전력선(4)에서 약 1A의 전류를 생성하는 용량성 리액턴스를 형성하는 커패시턴스 값중에서 선택된다. "C" 값은 60㎐의 전력선주파수와 110V의 정상 AC 전력선전압에 대해 22㎌이다. 한편, "C" 값은 원하는 보정해상도에 따라 1/2 A, 1/4 A 등 다른 전류값을 생성하도록 결정될 수도 있다. 이 경우, 커패시터(32)의 편리한 이진 스위칭제어를 위해 커패시터뱅크(6)의 커패시터(32)의 값을 2배로 변화시키는 것이 바람직할 것이다.

이런 일련의 커패시터(32)를 이용하면, 장치(1)의 보상 해상도의 보정값은 1A이다. 커패시터뱅크(6)에 있고 도 2와 같이 작동되는 이들 커패시터(32)의 커패시턴스 값은 0에서 "C"의 255배까지 변한다. 제어기(20)는 포트(26)에 2진 워드를 쓰기만하고, 워드의 2진 컨텐츠는 전력선(4)에 연결할 필요가 있다고 결정된 커패시터(32)에 대응한다. 드라이버(28)는 triac, SCR 등의 고체상태 릴레이인 스위치(30)를 작동시키기 위한 절연/구동 전류를 제공한다. 이들 스위치(30)나 드라이버(28)는 포트(26)에 기입된 가장 최근의 작동상태가 제어기(20)로부터의 새로운 워드에 의해 변할 때까지 유지되도록 하는 래칭성능을 갖는 것이 바람직하다. 이 장치(1)는 논리 1이 스위치(30)를 작동시키는 양의 논리값이나, 논리 0이 스위치(30)를 작동시키는 음의 논리값을 사용하도록 셋업될 수도 있다.

커패시터(32)와 래칭스위치(30)의 각각의 세트는 전력선(4)에 연결된다. 도시된 커패시터뱅크(6)에서는, 래칭스위치(30)와 커패시터(32) 세트가 전력설비(3)의 편리한 출력부, 바람직하게는 설비(3)의 배관함(도시안됨) 가까이에 병렬로 연결되고 플러그된다. 도 2의 부하(5)는 각각의 부하스위치(38)를 통해 전력선(4)에 연결된다.

도 3은 본 발명의 역률보정방법(2)의 일 실시예(44)를 기초로 한 현재의 메인 루틴이다. 현재 방법(44)은 전력설비(3)의 부하(5)에서 생긴 무효전력을 보상하는 방식이다. 일반적으로, 전류를 측정하여 이전에 측정한 전류값과 비교한다. 차이가 크면, 전류가 증가할 때까지 커패시터(32)가 가동된다. 이때, 이 방법(44)에서는 전류 증가를 일으키는 값 직전의 커패시턴스 값으로 돌아간다. 이 방법(44)은, 전력선(4)에 걸린 소정량의 커패시턴스가 부하(5)때문에 생긴 유도전력을 보상하여 총 전류를 낮춘다는 사실을 기초로 한다. 최적 커패시턴스 값을 초과하면, 위상각이 용량성으로 되어, 전류를 상승시킨다. 따라서, 이 방법(44)에서는 최적 커패시턴스 값으로 되돌아간다.

도 3의 48 단계에서 모든 변수가 초기화되고, 50 단계에서 이전에 측정된 하이/로우 전류값(H,L)을 원하는대로 계수한다. 예컨대, 50 단계에서, 이전의 로우/하이 값들이 최소로 증가하도록 설정될 수 있다. 그 결과 평균전류값(ADC)을 54 단계에서 이전의 로우(L) 값과 비교한다. ADC가 계수된 이전 로우값보다 낮으면, 55 단계에서 이전 로우값(L)을 현재 평균값 ADC로 설정하고, 과정이 되돌아가 50, 52, 54 단계들을 반복한다. 56 단계에서 평균 ADC가 이전 하이값(H)을 넘으면, 58 단계에서 지연이 이루어지며, 60 단계에서 전류 ADC(12)가 다시 샘플된다. 62 단계에서어떤 커패시터(32)가 현재 작동되고 있다고 판단되면, 포트(26)에 제로워드(00000000)를 기입함으로써 이 커패시터(32)는 64 단계에서 꺼지고, 커패시터들(32)은 측정전류가 증가할 때까지 최소전류발견 단계(66)에서 전력선(4)과 병렬로 다시 연속적으로 스위칭된다.

도 4에는 샘플 ADC 루틴(52/60)이 도시되어 있다. 부하(5)에 의해 전력선(4)을 통해 생긴 전류에 비례하는 전류값을 70 단계에서 소정 횟수 샘플한다. 이 전류는 제어기(20)의 속도와 과정(44)의 전체적인 처리조건에 따라 샘플된다. 피크값은 전력선(4)에 흐르는 전류의 사인파의 피크값을 말한다. 또, 샘플 세트의 평균값을 74 단계에서 계산하여 "ADC"로 저장한다. 이 루틴(52/60)을 76 단계에서 H, L, ADC 변수에 대해 과정(44)으로 복귀시킨다. 이어서, "ADC 샘플"로 표시된 모든 단계들이 루틴(52/60)의 단계들을 기준으로 설명된 방식으로 기능한다.

도 5는 부하(5)때문에 생긴 전류의 영향하에 전력선(4)의 역률을 실제로 보정하는 루틴(66)을 보여준다. 이 루틴(66)의 변수들을 80 단계에서 초기화한 다음, 초기전류 최소화루프(82)를 따른다. 84 단계에서, 모든 커패시터(32)가 시도되었는지를 판단한다. 도 2에 도시된 것과 같은 값을 갖는 커패시터들(32) 전체가 순환되지 않았다고 하자. 뱅크(6)내의 최고값의 커패시터(32)는 22㎌의 128배의 값을 갖고, 이는 128A의 무효전류 보정을 나타낸다. 대부분의 주거용 전력설비는 100A를 넘지 않는다. 84 단계에서 루프 카운트가 초과되지 않았으면, 86 단계에서 지연되고, 이어서 52/60 단계에서 자세히 설명한 것처럼 88 단계에서 "ADC 샘플"이 진행된다. 90 단계에서는 측정전류가 감소했는지를 판단한다. 루프(82)중의 92 단계에서 최저값(C의 1배)이 전력선(4)에 연결되어야 함에 주의한다.

90 단계에서 전류가 감소되지 않고 증가했으면, 96 단계에서 첫번째 커패시터 증가(C의 1배)가 시도되었는지를 판단한다. 그렇다면, 이 커패시턴스 값(1xC)이 98 단계에서 분리되고, 100 단계에서는 전류 ADC(12)가 샘플되며, 102 단계에서 루틴(66)은 44 과정으로 복귀한다. (1xC) 이외의 값을 갖는 커패시터(32)가 연결되었으면, 그 값은 106 단계에서 절반으로 되어, 90 단계에서 전류가 증가하고 (절반으로 되기 전의 커패시턴스 값과 같은) C1 값이 저장되기 전의 이전 커패시턴스 값으로 복귀하며, 최종 전류 최소화 루프(108)로 진입한다.

루프(108)를 돌 때마다, 112 단계에서 현재 커패시턴스 값이 루프(82)의 커패시턴스 값보다 작은지를 판단한다. 작다면, 설정지연단계(114)로 진입하고, 116 단계에서 전류 ADC(12)를 샘플링하며, 118 단계에서 전류감소를 판단한다. 측정전류가 118 단계에서 감소되면, 커패시턴스 값은 120 단계에서 "C" 값만큼 증가된다. 118 단계에서 전류가 증가되지 않았으면, 커패시턴스 값이 122 단계에서 감소되고, 124 단계에서 전류값을 샘플링한 다음, 126 단계에서 루틴(66)은 과정(44)으로 복귀한다. 112 단계의 결과가 N일 때까지 루프(108)가 반복되어도, 루틴(66)은 126 단계에서 복귀하는데, 이는 보상 커패시턴스의 최대값이 측정전류의 증가 없이 루프(108)를 통해 실현되었기 때문이다.

도 6은 본 발명의 역률보정방법의 다른 실시예(130)를 보여준다. 이 방법(130)은 전력설비(3)의 랜덤 동작 부하(5)로 인한 전력선(4)의 가변 위상편이 값을 측정할 수 있고, 커패시턴스(32)의 조합을 결정하여 전력의 무효 위상관계를보상하며, 이 커패시턴스 조합을 전력선(4)에 연결하여 전력선(4)의 위상관계를 거의 저항 또는 적어도 최소화된 위상각으로 복귀시킨다.

이 방법(130)은 일반적으로 전압파형과 전류파형의 제로 교차점들 사이의 시퀀스를 검출하고 그 시간간격을 측정하여 위상을 측정한다. 이 방법은 알려진 위상측정법으로서, 당업자라면 이런 제로교차 검출기(도시 안됨)의 다양한 회로구성에 익숙할 것이다. 이런 제로교차 검출기는 전류/전압 감지회로(10-16)와 함께 장치(1)에 사용될 수 있다(도 1 참조). 그러나, 이 방법(130)은 전류/전압 감지회로(10-16)만으로도 실시될 수 있다.

위상기준 역률보정방법(130)은 이전 방법(44)과 마찬가지로 134 단계의 초기화로 시작하고, 136 단계에서 이전에 결정된 H/L 전류측정치들을 계수하며, 138 단계에서 전류 ADC(12)를 샘플링한다. 138 단계는 이전 방법(44)에서 ADC를 샘플링하는 단계(52)와 비슷하다. 140, 142 단계는 방법(44)의 54, 56 단계와 비슷하고, 현재 측정한 전류가 이전에 측정한 전류와 상당히 다른지를 판단한다. 140 단계에서 현재 전류가 이전의 최저값(L)보다 작으면, 141 단계에서 L 값을 새로운 ADC 전류값으로 대체하고, 136, 138 단계가 반복된다. 142 단계에서 ADC 값이 이전에 측정된 최고값(H) 보다 크지 않으면, 136, 138 단계가 반복된다. 이 방법(130)의 140, 142 단계에서 측정된 전류값의 변화가 검출되지 않으면, 역률을 보정하려는 어떤 시도도 이루어지지 않는다.

142 단계가 Y라면, 144 단계에서 지연이 이루어진 뒤, 146 단계에서 전류 ADC(12)가 샘플링되고 "위상검색" 루틴(150)으로 진입하는데, 이에 대해서는 도 7을 참조하여 후술한다. 위상검색 루틴(150)으로 들어가 154 단계에서 위상이 용량성임이 결정되면, 이 방법(130)의 156 단계에서는 커패시터(32)의 조합을 계산하여 측정된 위상각을 최소화하고, 158 단계에서는 위상을 보정하는데 필요한만큼 커패시터들을 오프시키되, 전력설비(3)는 커패시터뱅크(6)에 의해 과보정된대로 둔다. 루틴(150)의 160 단계에서 위상이 유도성이라고 판단되면, 162 단계에서는 위상을 보정하는데 필요한 커패시터(32) 조합을 계산하고, 164 단계에서는 162 단계에서 판단된 커패시터(32) 조합을 온시킨다.

도 7에 따르면, 위상발견 루틴(150)은 170 단계에서 센서(14,10)가 측정한 전압과 전류가 제로가 될때까지 기다린 다음, 172 단계에서 ADC(16,12)를 이용해 전압과 전류를 둘다 샘플링한다. 174 단계에서는 전압과 전류가 동시에 제로인지를, 176 단계에서는 전압이 먼저 제로인지를, 그리고 178 단계에서는 전류가 먼저 제로인지를 판단한다. 전압과 전류가 거의 동시에 제로이면, 소정 시간내에서, 전력선(4)의 위상관계가 저항성이라고 판단하고, 182 단계에서 154, 160 단계로 복귀한다.

176 단계에서 전압이 먼저 제로로 되면, 186 단계에서 위상관계가 유도성이라고 판단하고 위상타이머가 개시된다. 위상타이밍 루프(188)동안, 190 단계에서 전류 ADC(12)를 통해 전류가 반복적으로 샘플되고, 192 단계에서 전류가 제로인지를 판단한다. 194 단계에서 위상타이머 값을 얻어 위상인자에 계수한다. 위상인자는 필요한 위상보정이 유도성 보정인지 용량성 보정인지를 표시한다. 196 단계에서 계수된대로, 위상인자는 필요한 보정값에 비례한다. 이후, 이 루틴(150)은 198 단계에서 130 방법으로 복귀한다.

마찬가지로, 178 단계에서 전류가 먼저 제로라고 판단하면, 200 단계에서 위상관계가 용량성이라고 판단하고 위상타이머가 개시된다. 위상타이머 루프(202)의 204 단계에서는 전압 ADC(16)를 통해 전압을 반복 샘플하고, 206 단계에서 전압이 제로인지를 판단한다. 208 단계에서, 최종 타이머 값을 위상인자에 계수하고, 196 단계에서 보정 커패시턴스 값에 계수된다. 이 루틴(150)은 198 단계에서 130 방법으로 복귀한다.

이들 두가지 방법(44,130)은 지원 루틴(52,66,150)과 함께 전력선(4)의 전류 또는 전류와 위상 관계를 지속적으로 측정하는 방법으로서, 커패시터(32) 조합을 전력선(4)에 연결하여 검출된 모든 비저항성 역률을 채택된 소프트웨어와 하드웨어의 분석내에서 보상한다. 이들 방법(44,130)은 자체적으로 시작하고, 장치(1)가 다운되거나 방해되어도 초기설정값을 입력할 필요가 없다. 장치(1)는 백업 배터리가 불필요하고, 전원(도시 안됨)을 이용해 전력선(4)에서 작동전력을 유도할 수 있다. 고체상태 릴레이인 래칭스위치(30)의 구성은, 동작전력이 중단될 경우 스위치(30)가 개방되어, 장치(1)의 나머지에 공급된 전력으로도 장치(1)를 작동시킬 수 있을 때만 올바른 커패시터(32)가 연결되도록 한다. 따라서, 이 장치(1)는 기본적으로 고장안전장치이다.

지금까지 설명한 실시예는 단지 본 발명을 예로 든 것일 뿐이고, 본 발명을 제한하는 것은 아니다.

Claims

무효전력 값이 변할 수 있는 AC 전력을 생성하는 부하에 전력선이 연결되어 있는 전기설비를 역률보정하기 위한 역률보정장치에 있어서:

(a) 상기 전력선에 연결되고, 부하때문에 생긴 전력의 무효전력값을 표시할 수 있는 전기인자를 측정하도록 기능하는 전력센서;

(b) 다수의 리액턴스 요소들;

(c) 상기 전력선에 대한 상기 리액턴스 요소들의 연결을 개별적으로나 조합적으로 제어할 수 있는 스위칭회로; 및

(d) 상기 센서와 스위칭회로에 인터페이스되고, 상기 전기인자로 표시된 무효전력 값에 응답하여 스위칭회로를 통해 적당한 리액턴스 요소 조합체를 전력선에 연결함으로써, 전기인자로 표시된 무효전력값을 보상하는 제어기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항에 있어서, 상기 전기인자가 부하때문에 생긴 전류값에 비례하는 값을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항에 있어서, 상기 전기인자가 부하때문에 생긴 전력의 위상각에 비례하는 값을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항에 있어서, 상기 리액턴스 요소가 다수의 커패시터들을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항에 있어서, 상기 리액턴스 요소는 커패시턴스 값이 최소값에서 최대값까지 2의 제곱으로 변하는 일련의 커패시터들을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항에 있어서,

(a) 상기 리액턴스 요소는 각각의 커패시터가 기본 커패시턴스 값의 몇배의 커패시턴스 값을 갖는 다수의 커패시터들을 포함하고;

(b) 상기 기본 커패시턴스 값은 상기 전력선의 정상적인 전력선주파수와 전력선전압에서 약 1A를 생성하는 리액턴스를 일으키는 커패시턴스 값인 것을 특징으로 하는 장치.
제1항에 있어서,

(a) 상기 제어기는 다수의 포트단자로 이루어진 디지탈 포트를 포함하고;

(b) 상기 스위칭회로는 상기 포트단자들에 리액턴스 요소들을 각각 연결하는 래칭요소들을 포함하며;

(c) 상기 제어기는 리액턴스 요소들중 선택된 것에 대응하는 비트 컨텐츠를 갖는 다비트 2진 워드를 상기 포트에 기입함으로써 상기 선택된 리액턴스 요소들을전력선에 연결하는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항에 있어서,

(a) 상기 전기인자가 부하때문에 생긴 전류값을 포함하고;

(b) 상기 리액턴스 요소는 다수의 커패시터들을 포함하며, 각각의 커패시터의 커패시턴스 값은 기본 커패시턴스 값의 몇배이고;

(c) 상기 기본 커패시턴스 값은 상기 전력선의 소정 전력선주파수와 전력선전압에서 약 1A를 생성하는 리액턴스를 일으키는 커패시턴스 값이며;

(d) 상기 다수의 커패시터들의 커패시턴스 값은 기본값에서 최대값까지 2의 제곱으로 변하는 것을 특징으로 하는 장치.
제8항에 있어서, 상기 전기인자가 부하때문에 생긴 전력의 위상각에 비례하는 두번째 값을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제8항에 있어서,

(a) 상기 제어기가 다수의 포트단자들로 이루어진 디지탈 포트를 포함하고;

(b) 상기 스위칭회로는 상기 포트단자들에 커패시터들을 각각 연결하는 래칭요소들을 포함하며;

(c) 상기 제어기는 커패시터들중 선택된 것들에 대응하는 비트 컨텐츠를 갖는 다비트 2진 워드를 상기 포트에 기입함으로서 선택된 커패시터들을 전력선에 연결시키는 것을 특징으로 하는 장치.
무효전력 값이 변할 수 있는 AC 전력을 생성하는 부하에 전력선이 연결되어 있는 전기설비를 역률보정하고, 리액턴스 요소들을 채택하는 방법에 있어서:

(a) 부하때문에 생긴 전력의 무효전력 값을 표시할 수 있는 전기인자를 자동으로 측정하는 단계; 및

(b) 적절한 리액턴스 요소 조합을 전력선에 자동으로 연결하여, 상기 전기인자로 표시된 무효전력 값을 보상하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제11항에 있어서, 상기 전기인자 측정단계가 부하때문에 생긴 전류값에 비례하는 값을 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제11항에 있어서,

(a) 상기 부하때문에 생긴 전류값에 비례하는 값을 측정하는 단계;

(b) 리액턴스 요소를 전력선에 연결하는 단계;

(c) 상기 측정단계와 연결단계를 반복하여, 상기 전류값이 증가할 때까지 리액턴스 증가값을 전력선에 연결하는 단계; 및

(d) 이후, 상기 전류값이 증가하기 직전에 전력선에 연결된 리액턴스 값으로 복귀시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제11항에 있어서, 상기 연결단계가 하나 이상의 커패시터를 전력선에 연결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제11항에 있어서, 상기 연결단계가 하나 이상의 커패시터 세트를 전력선에 연결하는 단계를 포함하고; 상기 커패시터 세트의 커패시턴스 값은 최소값부터 최대값까지 2의 제곱으로 변하는 것을 특징으로 하는 방법.
제11항에 있어서, 상기 연결단계가, 커패시턴스 값이 기본 커패시턴스 값의 수배이고, 상기 기본 커패시턴스 값은 상기 전력선의 정상적인 전력선주파수와 전력선전압에서 약 1A를 생성하는 리액턴스를 일으키는 커패시턴스 값인 커패시터 세트를 전력선에 연결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제11항에 있어서,

다수의 포트단자들로 이루어진 디지탈 포트를 갖는 제어기와, 리액턴스 요소들을 포트단자들에 각각 연결하는 래칭요소를 갖는 스위칭회로를 제공하는 단계를 포함하고;

상기 제어기는 적당한 리액턴스 요소들의 조합에 대응하는 비트컨텐츠를 갖는 다비트 2진워드를 상기 포트에 기입함으로써 상기 리액턴스 요소 조합을 전력선에 연결하는 것을 특징으로 하는 방법.
제11항에 있어서, 상기 전기인자 측정단계가 부하때문에 생긴 전력의 위상각에 비례하는 값을 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제11항에 있어서,

(a) 부하때문에 생긴 전력의 위상각에 비례하는 값을 측정하는 단계;

(b) 보상 리액턴스값을 자동으로 계산하여 상기 전력의 위상각을 최소화하는 단계; 및

(c) 상기 보상 리액턴스값에 비교되는 상기 리액턴스 요소 조합의 전력선에 대한 연결을 자동으로 제어하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
무효전력 값이 변할 수 있는 AC 전력을 생성하는 부하에 전력선이 연결되어 있는 전기설비를 역률보정하는 방법에 있어서:

(a) 부하때문에 생긴 전류값에 비례하는 전류값을 자동으로 측정하는 단계;

(b) 소정 커패시턴스를 갖는 커패시터를 전력선에 연결하는 단계;

(c) 상기 측정단계와 연결단계를 반복함으로써, 전류값이 증가할 때까지 커패시턴스 증가값을 전력선에 연결하는 단계; 및

(d) 이후, 상기 전류값이 증가하기 직전에 전력선에 연결된 커패시턴스 값으로 복귀시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제20항에 있어서, 상기 연결단계가 하나 이상의 커패시터 세트를 전력선에연결하는 단계를 포함하고; 상기 커패시터 세트의 커패시턴스 값은 최소값부터 최대값까지 2의 제곱으로 변하는 것을 특징으로 하는 방법.
제20항에 있어서, 상기 연결단계가, 커패시턴스 값이 기본 커패시턴스 값의 수배이고, 상기 기본 커패시턴스 값은 상기 전력선의 정상적인 전력선주파수와 전력선전압에서 약 1A를 생성하는 리액턴스를 일으키는 커패시턴스 값인 커패시터 세트를 전력선에 연결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
무효전력 값이 변할 수 있는 AC 전력을 생성하는 부하에 전력선이 연결되어 있는 전기설비를 역률보정하는 방법에 있어서:

(a) 부하때문에 생긴 전력의 위상각에 비례하는 위상값을 측정하는 단계;

(b) 보상 리액턴스 값을 자동으로 계산하여 상기 전력의 위상각을 최소화하는 단계; 및

(c) 상기 보상 리액턴스 값에 비교되는 리액턴스 값을 일으키는 커패시터 조합의 전력선에 대한 연결을 자동으로 제어하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제23항에 있어서, 상기 연결단계가 하나 이상의 커패시터 세트를 전력선에 연결하는 단계를 포함하고; 상기 커패시터 세트의 커패시턴스 값은 최소값부터 최대값까지 2의 제곱으로 변하는 것을 특징으로 하는 방법.
제23항에 있어서, 상기 연결단계가, 커패시턴스 값이 기본 커패시턴스 값의 수배이고, 상기 기본 커패시턴스 값은 상기 전력선의 정상적인 전력선주파수와 전력선전압에서 약 1A를 생성하는 리액턴스를 일으키는 커패시턴스 값인 커패시터 세트를 전력선에 연결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
무효전력 값이 변할 수 있는 AC 전력을 생성하는 부하에 전력선이 연결되어 있는 전기설비를 역률보정하기 위한 역률보정장치에 있어서:

(a) 상기 전력선에 연결되고, 부하때문에 생긴 전력중 전압과 전류의 위상관계를 표시하는 전기인자를 측정하도록 기능하는 전력센서;

(b) 다수의 리액턴스 요소들;

(c) 상기 전력선에 대한 상기 리액턴스 요소들의 연결을 개별적으로나 조합적으로 제어할 수 있는 스위칭회로; 및

(d) 상기 센서와 스위칭회로에 인터페이스되고, 상기 전기인자로 표시된 위상관계에 응답하여 스위칭회로를 통해 적당한 리액턴스 요소 조합체를 전력선에 연결함으로써, 전기인자로 표시된 위상관계를 최소화하는 제어기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제26항에 있어서,

(a) 상기 전력센서는 전압과 전류의 각각의 제로 교차점들을 검출하고;

(b) 상기 제어기는 상기 제로 교차점들의 순서를 검출하고 그 사이의 시간간격을 측정함으로써, 상기 위상관계를 판단하는 것을 특징으로 하는 장치.
제26항에 있어서, 상기 리액턴스 요소가 다수의 커패시터들을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제26항에 있어서, 상기 리액턴스 요소는 커패시턴스 값이 최소값에서 최대값까지 2의 제곱으로 변하는 일련의 커패시터들을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제26항에 있어서,

(a) 상기 리액턴스 요소가 각각의 커패시터가 기본 커패시턴스 값의 몇배의 커패시턴스 값을 갖는 다수의 커패시터들을 포함하고;

(b) 상기 기본 커패시턴스 값은 상기 전력선의 정상적인 전력선주파수와 전력선전압에서 약 1A를 생성하는 리액턴스를 일으키는 커패시턴스 값인 것을 특징으로 하는 장치.
제26항에 있어서,

(a) 상기 제어기는 다수의 포트단자로 이루어진 디지탈 포트를 포함하고;

(b) 상기 스위칭회로는 상기 포트단자들에 리액턴스 요소들을 각각 연결하는래칭요소들을 포함하며;

(c) 상기 제어기는 리액턴스 요소들중 선택된 것에 대응하는 비트 컨텐츠를 갖는 다비트 2진 워드를 상기 포트에 기입함으로써 상기 선택된 리액턴스 요소들을 전력선에 연결하는 것을 특징으로 하는 장치.
무효전력 값이 변할 수 있는 AC 전력을 생성하는 부하에 전력선이 연결되어 있는 전기설비를 역률보정하는 방법에 있어서:

(a) 부하때문에 생긴 전력의 전압과 전류의 제로 교차점들의 순서를 검출하고, 이들 제로 교차점들 사이의 시간간격을 측정하며, 상기 시간간격을 전류와 전압 사이의 위상각에 계수함으로써 상기 위상각에 비례하는 값을 측정하는 단계;

(b) 보상 리액턴스 값을 자동으로 계산하여 상기 전력의 위상각을 최소화하는 단계; 및

(c) 상기 보상 리액턴스 값에 비교되는 리액턴스 값을 일으키도록 전력선에 대한 커패시터 조합의 연결을 자동으로 제어하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제32항에 있어서, 상기 연결단계가 하나 이상의 커패시터 세트를 전력선에 연결하는 단계를 포함하고; 상기 커패시터 세트의 커패시턴스 값은 최소값부터 최대값까지 2의 제곱으로 변하는 것을 특징으로 하는 방법.
제32항에 있어서, 상기 연결단계가, 커패시턴스 값이 기본 커패시턴스 값의 수배이고, 상기 기본 커패시턴스 값은 상기 전력선의 정상적인 전력선주파수와 전력선전압에서 약 1A를 생성하는 리액턴스를 일으키는 커패시턴스 값인 커패시터 세트를 전력선에 연결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제32항에 있어서, 다수의 포트단자들로 이루어진 디지탈 포트를 갖는 제어기와, 상기 커패시터들을 포트단자들에 각각 연결하는 래칭요소를 갖는 스위칭회로를 제공하는 단계를 포함하고;

상기 제어기는 적당한 커패시터 조합에 대응하는 비트컨텐츠를 갖는 다비트 2진워드를 상기 포트에 기입함으로써 상기 커패시터 조합을 전력선에 연결하는 것을 특징으로 하는 방법.
무효전력 값이 변할 수 있는 AC 전력을 생성하는 부하에 전력선이 연결되어 있는 전기설비를 역률보정하는 방법에 있어서:

(a) 아래 (1)-(3) 하위단계들을 통해 부하때문에 생긴 전력의 전압과 전류 사이의 위상각에 비례하는 위상값을 측정하는 단계;

(1) 상기 전압과 전류의 제로 교차점들의 순서를 검출하는 단계;

(2) 상기 제로 교차점들 사이의 시간간격을 측정하는 단계; 및

(3) 상기 시간간격을 위상각에 계수하는 단계;

(b) 보상 리액턴스값을 자동으로 계산하여 상기 전력의 위상각을 최소화하는단계;

(c) 다수의 커패시터들을 제공하는 단계; 및

(d) 다수의 포트단자들로 이루어진 디지탈 포트를 갖는 제어기와, 상기 커패시터들을 포트단자들에 각각 연결하는 래칭요소를 갖는 스위칭회로를 제공하는 단계를 포함하고;

(e) 상기 제어기는 적당한 커패시터 조합에 대응하는 비트컨텐츠를 갖는 다비트 2진워드를 상기 포트에 기입함으로써 상기 보상 리액턴스값에 비교되는 리액턴스값을 일으키도록 상기 커패시터 조합을 전력선에 연결하는 것을 특징으로 하는 방법.
제36항에 있어서, 상기 연결단계가 하나 이상의 커패시터 세트를 전력선에 연결하는 단계를 포함하고; 상기 커패시터 세트의 커패시턴스 값은 최소값부터 최대값까지 2의 제곱으로 변하는 것을 특징으로 하는 방법.
제36항에 있어서, 상기 연결단계가, 커패시턴스 값이 기본 커패시턴스 값의 수배이고, 상기 기본 커패시턴스 값은 상기 전력선의 정상적인 전력선주파수와 전력선전압에서 단위 전류를 생성하는 리액턴스를 일으키는 커패시턴스 값인 커패시터 세트를 전력선에 연결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제36항에 있어서, 상기 연결단계가, 커패시턴스 값이 기본 커패시턴스 값의수배이고, 상기 기본 커패시턴스 값은 상기 전력선의 정상적인 전력선주파수와 전력선전압에서 1A를 생성하는 리액턴스를 일으키는 커패시턴스 값인 커패시터 세트를 전력선에 연결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.