KR20040063102A - 무접점 반도체 소자를 이용한 잉여 전력 조절 절전 장치및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 효율이 좋은 링형(트로이덜) 코아에 감긴 1차, 2차 여자권선과 연결된 입력/출력 전압, 전류, 역률을 검출하여 검출된 값을 비교, 분석하는 마이컴(20a,20b,20c)이 구성된 마이크로 프로세스부(20)와 제어신호를 보내는 신호출력부(10)가 구성된 컨트롤PCB(A)에 의해 무접점반도체소자(T1,T2,T3,T4,T1',T2',

T3',T4')를 제어하여 주권선(100)과 1차여자권선(200)과 2차여자권선(300) 사이의 접점(1,2,3,4,5,6)을 변환하여 입력전압에 따라 알맞은 전압이 되도록 승압 또는 강압시킴으로 잉여 전력이 절감되는 무접점반도체소자를 이용한 잉여 전력 조절 절전장치 및 방법에 관한 것이다.

Description

무접점 반도체 소자를 이용한 잉여 전력 조절 절전 장치 및 방법{The control power saving equipments and methods for surplus electric power which are used no point of contact-semiconductor elements}

본 발명은 입력/출력 전압, 역률을 검출하여 비교, 분석하는 마이컴 마이크로프로세서부가 구성된 과전압, 저전압, 과전류를 방지하는 기능을 가지는 컨트롤PCB에 의해 제어되는 무접점 반도체 소자를 구성한 절전장치 및 방법에 관한 것으로서,

종래의 국내 표준공급전압은 전기사업법에 따라 아래의 표 1처럼 유지 및 공급하도록 규정되어 있다.

[ 표 1 ]

표준전압	유지범위
110V	110V±6V (104~116V)
220V	220V±13V (207~233V)
380V	380V±38V (342~418V)

상기 공급되는 전압은 한국전력의 변압기 설치 위치에 따라 배선의 길이에 따라 다소 차이가 있으며, 전압강하율도 수용가 마다 다를 수 있다. 즉, 한 개의뱅크의 배전용 변압기에서 각 수용가까지 전기를 급전하는데 배전용 변압기탭을 말단의 수용가의 전압이 220V가 유지되도록 설정하여 공급한다. 그러나 배전용 변압기 부근에 있는 수용가에서는 220V보다 높은 공급전압을 받게 되어 전기기기의 과열 및 오동작, 조명기구의 흑화 현상을 등을 초래하므로 전력 소비의 과다와 전기기기의 수명을 단축하게 된다. 이에 220V와 380V를 사용하는 전기기기의 경우 ±10%인 198~242V와, 342~418V의 전압범위 내에서는 사용상의 이상이 없어야 하며, 규정된 성능이 나올 수 있도록 제작되었기 때문에 규정 범위 내에서의 기기의 정상적인 가동에는 별 문제가 없어야 하는 허용전압 특성을 이용하여 공급되는 전압을 부하의 최소 정격전압으로 낮추어서 소비전력을 줄여 공급하므로 절전효과를 가진다.

상기의 절전 원리를 이용한 종래의 일반적인 단권변압기를 이용한 전압강화 방식의 절전장치를 도1을 참고로 10V 강하하는 방식을 예로 공급전압이 215V이면 절전 장치를 거친 부하측 입력전압은 205V로 전압이 강하되어 상기의 표1의 한전전원 공급 규정에 의한 220V±13V이내인 최저 전압인 207V이하로 되어 공급전압의 유지범위를 벗어나게 됨으로 부하측 전기기기에 이상현상을 초래하게 됩니다.

상기의 문제점을 보완한 종래의 일반적인 탭절환 방식의 단권변압기를 이용한 전압 강압에 의한 절전 장치는 도2의 회로 구성도에서 보는 바와 같이 기계적인 마그네트 접점 및 릴레이 접점을 이용하여 전압 검출부에서 전압을 검출하여 한전전원이 217V 이상일 때는 1차여자권선을 폐쇄하고 2차여자권선을 개방함으로써 10V 전압을 강하하여 최저 전압인 207V를 공급 전압을 유지하고 217V 미만의 전압에서는 1차여자권선과 2차여자권선을 직렬로 폐쇄함으로서 전압을 5V로 전압강하하여 최저전압인 212V까지 제어하여 유지한다. 그러나 한전공급 전압이 211V 이하인 경우에는 출력전압이 20V 이하가 되어서 한전공급규정 유지범위에 벗어나게 되어 부하측 전기기기에 저전압에 의한 부하 소손을 가져오게 되었다. 또한 강하 전압이 10V에서 5V 또는 5V에서 10V로 탭의 전환을 1차여자권선과 2차여자권선에 연결된 마그네트 및 리레이의 기계적인 접점의 개폐에 의하여 이루어진다.

[ 표 2 ]

	동작기간(msec)	주기
	코일ON-주접점ON	코일OFF-주접점OFF	계
마그네트	10~75	9~65	19~140	1.5~8.4
릴레이	20~30	20~25	40~55	2.3~3.2

상기의 표2에서 보는 바와 같이 동작 및 개폐 시간에 의하여 여자코일이 순간적으로 개방되면 주권선의 권선수에 비례하여 공급전압의 4~10배의 과전압이 발생된다. 아래의 그림1에서 1차 및 2차 여자권선에 연결된 접점이 개폐되는 시점이 ①일 때는 아무런 문제점이 발생되지 않으며 ②일 때는 작은 문제점이 발생되며 ③일 때는 여자전류 및 전압이 최대치이므로 기계적인 접점에 스파크를 일으킴으로서, 회로에 서어지 및 고조파를 발생시키며 절전장치의 기계적인 수명이 단축되어 빈번한 여자권선의 개폐시 접점이 파열되어 단권변압기의 여자권선이 개방되면서 주권선이 부하측과 직렬부하로 되어서 주권선에 공급전압이 모두 걸려 주권선의 과대전류에 의한 코일의 과열 발생으로 화재가 발생되어 부하측 및 절전장치에 치명적인 손상을 가하며 이러한 과전압 방지를 위하여 소수가 선택하는 순간적으로 1차여자권선을 폐쇄와 동시에 2차여자권선을 폐쇄하고 1차 여자권선을 개방하는 순간단락방식은 2차여자권선의 단락에 의하여 단락전류가 발생하여 심각한 피해가 발생할 수 있다.

[ 그림 1 ]

이상 살펴본 바와 같이 상기의 방법으로는 여자권선을 기계적인 탭 절환 방식으로는 안정적으로 전기기기를 운영 할 수가 없다. 이에 안전하고 신뢰성 있는 방법으로는 무접점 반도체 소자에 제어되는 개폐 방식의 전력 절전 장치가 절실히 요구되고 있는 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 탭 절환시에 발생되는 이상현상의 문제점을 보완하기 위해, 효율이 좋은 동일한 링형 코아에 주권선(100)과 병렬로 1차여자권선(200)과 2차여자권선(300)의 각각의 시작과 끝 부분에서 컨트롤PCB 인입부(접점 : 1,2,3,4,5,6)로 인출하는 탭을 가지는 링형 코아 형태와 입력측과 출력측에 정밀도가 높은 전압, 전류를 검출하는 전압검출용 PT(20c)와 미소전류 검출용 CT(20b)를 사용하여 이를 비교, 분석하는 마이컴을 내장한마이크로프로세스부(20)와 전압, 전류의 사인파형에서 제로점에서 무접점 반도체 소자(T1,T2,T3,T4,T1',T2',T3',T4')에 개폐 신호를 보내는 신호출력부를 가진 컨트롤PCB(A)와 더불어 실시간 LCD 표시 기능을 수행 할 수 있도록 하고, 기존의 기계적인 접점을 이용한 절전장치방식에 있어 여자권선의 탭 절환시 기계적인 접점이 개방 및 폐쇄되는 수십~수백msec의 시간에 의한 순간 과전압, 과전류가 발생하여 부하측 전기기기에 충격을 주어 전기기기를 손상하게 하는 문제점을 무접점 반도체 소자를 이용하여 전압과 전류의 주기적으로 진행하는 사인파에서 파형의 제로점에서 Omsec에 탭을 전자식으로 절환 시켜 순간 전압변동, 주파수 변동, 과도 전압 및 전기적인 이상현상을 제거함으로써 양질의 전원을 공급할 수 있는 고신뢰성, 고성능 무소음의 잉여 전력 조절 절전장치를 제공하는 것에 그 기술적 과제로서 창안하였다.

도 1은 종래의 단권변압기를 이용한 절전장치

도 2는 종래의 기계적인 접점을 이용한 탭절환 방식의 단권변압기 절전장치

도 3은 본 발명에 의한 전력 조절장치를 나타낸 회로도

도 4는 본 발명의 각 접점부와 무접점 반도체 소자의 연결 회로도

도 5는 본 발명에 의한 10V를 전압 강하하는 회로도

도 6은 본 발명에 의한 5V를 전압 강하하는 회로도

도 7은 본 발명에 의한 10V를 전압 상승시키는 회로도

도 8은 본 발명에 의한 5V를 전압 상승시키는 회로도

도 9는 본 발명의 전력절감 방법을 보여주는 구성도

■ 도면의 주요 부분에 사용된 부호의 설명 ■

A : 컨트롤PCB 20a : 역률분석 마이컴

20b : 입출력전류비교마이컴 20c : 입출력전압비교마이컴

40 : 전압검출용PT 50 : 미소전류검출용CT

60 : A/D변환부 70 : 콘덴서

20 : 마이크로프로세스부 10 : 신호출력부

1,2,3,4,5,6 : 접점

T1,T2,T3,T4,T1',T2',T3',T4' : 무접점릴레이소자

도 1은 종래의 단권변압기를 이용한 절전장치이고, 도 2는 종래의 기계적인 접점을 이용한 탭절환 방식의 단권변압기 절전장치이며, 도 3은 본 발명에 의한 전력 조절장치를 나타낸 회로도이며, 도 4는 본 발명의 각 접점부와 무접점 반도체 소자의 연결 회로도이며, 도 5는 본 발명에 의한 10V를 전압 강하하는 회로도이며, 도 6은 본 발명에 의한 5V를 전압 강하하는 회로도이며, 도 7은 본 발명에 의한 10V를 전압 상승시키는 회로도이며, 도 8은 본 발명에 의한 5V를 전압 상승시키는 회로도이며 도 9는 본 발명의 전력절감 방법을 보여주는 구성도로서 본 발명의 무접점 반도체 소자를 이용한 잉여 전력 조절 절전장치 및 방법 및 작용을 상세히 설명하면,

우선, 도3을 참고로 하여 무접점 반도체 소자를 이용한 잉여 전력 조절 절전장치의 제어방법을 살펴보면,

㉠전기가 공급되고 입력측과 출력측에 정밀도가 높은 전압, 전류를 검출하는 전압검출용PT(40)와 미소전류 검출용 CT(50)를 통하여 입력 및 출력값이 검출된다.

㉡검출된 값을 증폭하는 통상의 증폭기를 통하여 증폭된 적정량의 아날로그 신호를 A/D 변환부(60)를 통하여 디지털 신호 바꾼다. 상기 A/D 변환부(60)의 디지털 신호를 각각의 값을 연산하는 마이컴(20a,20b,20c)을 통하여 서로의 값을 비교 분석한다.

㉢분석값에 따라 전압, 전류의 사인파형의 제로점에서 무접점반도체소자(T1,T2,T3,T4,T1',T2',T3',T4')를 개방 및 폐쇄하기 위한 신호를 신호출력부에서 인출하여 접점(1,2,3,4,5,6)을 제어하게 되는 것이다.

상기와 같은 구성으로 작동 상태 실시 예를 들어 설명하면,

1)도5를 참고로 하여 입력측의 공급전압이 217V 이상일 때,

:마이크로프로세부(20)의 신호출력부(10)로 무접점 반도체 소자 T1, T2, T3을 폐쇄시키고 나머지는 모두 개방시켜서, 단권변압기의 전기회로 구성은 주권선(100)과 1차여자권선(200)이 직렬로 구성되어 출력전압을 10V 전압강하를 시키게 되는 것이다.

2)도6을 참고로 하여 입력측의 공급전압이 216~212V일 때

:마이크로프로세부(20)의 신호출력부(10)로 무접점 반도체 소자 T1, T2, T4를 폐쇄시키고 나머지는 모두 개방시켜서, 단권변압기의 전기회로 구성은 주권선(100)과 1차여자권선(200)과 2차여자권선(300)이 직렬로 구성되어 출력전압 5V 전압강하를 시키는 것이다.

3)도7을 참고로 하여 입력측의 공급전압이 201V이하 일 때,

: 마이크로프로세부(20)의 신호출력부(10)로 무접점 반도체 소자 T1', T2', T3'를 폐쇄시키고 나머지는 모두 개방시켜서, 단권변압기의 전기회로 구성은 주권선(100)과 1차여자권선(200)이 직렬로 구성되지만, 상기 1)의 여자전류의 흐름방향과는 반대의 방향으로 여자전류가 흐르게 함으로 출력전압을 10V 전압을 승압시키는 것이다.

4)도8을 참고로 하여 입력측 의 공급전압이 211~202V 일 때,

: 마이크로프로세부(20)에 의해 무접점 반도체 소자 T1', T2', T4'를 폐쇄시키고 나머지는 모두 개방시켜서, 단권변압기의 전기회로 구성은 주권선(100)과 1차여자권선(200)과 2차여자권선(300)이 직렬로 구성되지만, 상기 2)의 여자전류의 흐름방향과는 반대의 방향으로 여자전류가 흐르게 함으로 출력전압을 10V 전압을 승압시키는 것이다.

본 발명을 통한 입력전압에 따른 출력전압의 변동은 아래의 표3에 도시된 바와 같다.

[ 표 3 ]

공급전압	동작 상태	출력 전압
217V 이상	T1, T2, T3	-10V	207V 이상
216~212V	T1, T2, T4	-5V	211~207V
211~202V	T1', T2', T4'	+5V	216~207V
201V이하	T1', T2', T3'	+10V	211V 이하

이상과 같이 본 발명을 통하여 다양한 입력 전압의 변동에 따라 마이크로프로세스부(20)의 마이컴(20a,20b,20c)의 검출값이 달라지고 이에 따라 신호출력부(10)를 통하여 각 권선(100,200,300) 사이의 접점(1,2,3,4,5,6)을 무접점반도체소자(T1,T2,T3,T4,T1',T2',T3',T4')로 제어하여 안정되면서도 절전이 가능한 본 발명이 이루어지는 것이다. 또한 무접점반도체소자를 이용하여 기존의 기계식에서 발생하는 접점의 개방 및 폐쇄 시 초래하는 이상현상을 미연에 방지할 수 있다.

본 발명은 입력/출력측 전압, 전류를 검출하는 검출부로 구성하여, 전류 및 전압을 검출하여 마이컴에 의해 연산된 값을 비교 분석하는 마이컴부와 마이컴에 의해 제어신호를 출력하는 신호 출력부, 신호출력부에 의해 제어되는 무접점 반도체 소자를 이용하여 전압, 전류의 주기적인 사인파형의 제로점에서 여자권선의 접점을 개폐함으로 접점에 손상이 가지 않으므로 지속적으로 양질의 전기를 공급할 수 있고, 다양한 전력공급 전압에 대하여 대응하여 전압을 안정되게 유지함으로 전기기기의 수명 및 전력 절감에 큰 효과를 가진다. 따라서 본 도안을 도입하여 각종 전기기기 마다 설치하면 전력절전에 큰 도움이 되어 석유 수입에 따른 외화를 절약하며, 제품의 국내시장 점유율 석권과 세계시장의 절전기의 생산이 가능하여 엄청난 경제적 효과가 기대되는 발명이다.

Claims (4)

1. 링형 철심(CORE)을 이용한 단권코일형 변압기에 있어서,

   원형권철심(K)에 부하전류가 통과하는 주권선(100)과, 직렬로 여자전류가 통과하는 2개의 여자권선(200,300)과,

   전원 입력측에 상기 주권선(100)과 여자권선(200,300) 사이의 조합과 결선을 위한 다수의 무접점반도체소자(T1, T2, T3, T4, T1', T2', T3', T4')와,

   상기 무접점반도체소자를 제어하는 컨트롤PCB(A)와,

   입력측과 출력측에서 전압, 전류를 검출하는 전압검출용 PT(20c)와 미소전류 검출용 CT(20b)와,

   출력단에 병렬로 설치되어 출력 전원의 고조파를 제거하고, 역율을 보상하는 콘덴서(70)로 구성되는 것을 포함하는 무접점 반도체 소자를 이용한 잉여 전력 조절 절전장치
2. 제1항에 있어서,

   컨트롤PCB(A)는 검출된 아날로그 신호를 디지털신호화 하는 A/D변환부(60), 입력/출력 전압, 전류, 역률을 검출하여 검출된 값을 비교, 분석하는 마이컴(20a,20b,20c)으로 구성된 마이크로프로세스부(20), 무접점반도체소자에 제어신호를 보내는 신호출력부(10)로 구성되는 것을 포함하는 무접점 반도체 소자를이용한 잉여 전력 조절 절전장치
3. 각기 다른 입력전압에 따라 적정전압을 조절하여 안정되게 전기를 공급하기 위한 절전 방법에 있어서,

   전기의 입력측과 출력측에 정밀도가 높은 전압, 전류를 검출하는 전압검출용PT(40)와 미소전류 검출용 CT(50)를 통하여 입력 및 출력값을 검출하는 검출단계와,

   검출된 값을 A/D 변환부(60)를 통하여 디지털 신호로 바꾸어 각각의 값을 연산하는 마이컴(20a,20b,20c)을 통하여 서로의 값을 비교 분석하는 분석단계와,

   분석값에 따라 신호출력부(10)를 통한 제어신호로 권선들 사이의 접점(1,2,3,4,5,6)을 무접점반도체소자(T1,T2,T3,T4,T1',T2',T3',T4')로 제어하여 개방 및 폐쇄하는 제어단계로 구성되어 적정전압을 조절하여 안정되게 전기를 공급하는 것을 포함한 무접점 반도체 소자를 이용한 잉여 전력 조절 절전방법
4. 제 3항에 있어서,

   제어단계는 감지된 입력/출력 전압, 전류의 주기적인 사인파형의 제로점에서 무접점반도체소자(T1,T2,T3,T4,T1',T2',T3',T4')를 제어하는 것을 포함하는 무접점 반도체 소자를 이용한 잉여 전력 조절 절전방법