KR20040064163A

KR20040064163A - 순간정전보상장치

Info

Publication number: KR20040064163A
Application number: KR1020030001470A
Authority: KR
Inventors: 김동앙
Original assignee: 김동앙
Priority date: 2003-01-09
Filing date: 2003-01-09
Publication date: 2004-07-16
Also published as: KR100505993B1

Abstract

본 발명은 기계기구, 제어기기 등에 공급되는 단상 조작 전원의 순간정전 및 전압강하에 관련된 것으로, 인가되는 교류전원의 전압이 순간전압강하 및 순간정전 시 상용전원과 동일한 주기의 전원을 부하기기에 공급하는, 순간정전 보상장치에 있어서, 인가되는 교류전원의 전압이 강하/정전되는 것을 검출하여 판별하는 전압강하 감지부(10)와, 순간정전 보상 동작 시 상용전원을 분리하는 상용전원으로 변환하는 스위칭부(20)와, 부하에 최초 전원 인가시 발생되는 돌입전류를 제한하여 기기 운전의 연속성 유지와, 과전류로부터 순간정전 보상장치(상용전원 스위치부)를 보호하는 돌입전류 조정기(30)와, 부하에 공급되는 전원의 전류를 검출하는 부하전류검출기(40)와, 부하측에서 합선 또는 급격한 전류의 증가가 있을 경우, 전류의 증가속도를 지연 시키는 합선전류 증가속도 지연부( 50)와, 순간정전 발생시 부하에 상용전원과 동일한 주기와 에너지 준위를 갖는 구형파를 발생시키는 인버터(60)와 에너지 저장용 콘덴서부(90)로부터 공급되는 방전전압은 에너지의 소모에 따라 그 준위가 낮아지는데 이 전압을 일정한 수준의 전압으로 승압 시켜주는 콘덴서 전압 승압부(70)와, 승압된 전압이 에너지 저장용 콘덴서로 역류하는 것을 방지하는 충전용 스위치 변환부(80)와,상기 각 장치들을 구동하는 제어 및 디스플레이부(100)가 포함되어 콘덴서의 에너지 이용 효율을 높이고,에너지 저장장치를 콘덴서를 이용 함으로서 무보수/장수명성을 확보 시킨 것이다.

Description

순간정전보상장치{Dynamic Voltage-Dip Controller}

본 발명은 순간정전 보상장치(Dynamic Voltage-Dip Controller)에 관한 것으로, 외부로부터 인가되는 교류전원의 순간적인 전압저하/정전으로 인한 산업용 전기 기기의 망실을 방지하는 순간정전 보상장치에 관한 것이다

최근 산업현장에서 전력의 신뢰성은 일반적으로 매우 높지만, 그럼에도 불구하고 순시전압저하 및 순간정전이 종종 발생되고 있는 것이 현실이다. 이러한 순간적인 불안정 상태는 전력 계통상의 단락사고, 낙뢰 및 대용량 부하의 스윗칭 등으로 인하여 발생되며, 전력 계통상 이러한 비정상적인 전력 품질 상태의 지속시간은 일반적으로 1초 이하이며, 그 이상의 시간이 지속된다면 영구정전으로 간주하고 기기 들은 정지되어야 한다. 대부분의 산업용 장비는 그 기계적 속성과 전기적 관성으로 인하여 이러한 순간정전을 견딜 수 있다. 그러나 공장의 생산설비 자동 제어시스템을 구성하는 피엘씨(PLC), 전자개폐기(Contactors), 릴레이(Relays), 스타터(Starters), 마이크로콘트롤러(Micro Controllers)등은 수 사이클의 극히 짧은 순간에 발생하는 제어전원의 전압저하 (Voltage-Sag/Dip)에 의해 망실되고 이는 결국 공장 생산설비의 가동을 정지시켜 막대한 경제적 피해를 야기 시키는 원인인 것이다. 이와 같이 종래에는 순간정전으로 인하여 산업체에서 운용중인 다양한 분야의 수많은 설비들이 일시에 정지되어, 공정상 작업중인 제품의 불량, 재 가동에 따르는 작업지연 등으로 막대한 피해를 초래하는 문제가 있었다. 이러한 문제를 위하여 순간정전시간 동안에도 정격 제어전원을 부하에 연속 공급하여 설비가 정상으로 가동 될 수 있게 하기 위하여 순간정전 보상장치가 고안되었다

종래의 순간정전 보상장치는 대표적인 것으로 유피에스(UPS)를 들을 수 있겠으나, 분산되어 있는 수많은 전기 제어 기기 등을 위하여서는, 유피에스(UPS)는 실제 필요한 용량에 비하여, 그 부피가 크고 , 전기 제어 기기 등을 가동시킬 때 발생되는 돌입전류에 대하여 효과적이지 못하여 기기 자체가 정지되는 사례가 빈번하고, 순간정전과 영구정전의 구별 없이 과도한 시간 동안 부하에 제어전원을 공급하여 2차적인 문제를 야기 할 수 있는 가능성이 많다. 또한 에너지 저장 장치로 축전지를 사용하여 축전지의 수명에 따른 주기적인 점검이 필요하여, 과도한 유지비용이 들어 비경제적으로 실제로 많은 산업 현장에서는 외면 당하고 있는 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 제반 문제점들을 감안하여 고안한 것으로, 돌입전류에 대하여 돌입전류를 조정 할 수 있도록 하였고, 순간정전 시 보상 시간을 제한 할 수 있도록 하였으며, 에너지 저장 장치로 전해콘덴서를 사용하여 무보수/장수명화 하였다. 또한 용량에 비하여 순간정전 보상장치의 크기를 최소화하여 공간 확보를 용이하게 하였다

[도 1]은 일반적인 순간정전의 파형 및 순간정전 시 순간정전 보상장치로부터 부하로 공급되는 전원의 파형을 측정한 그래프

[도 2]는 본 발명에 따른 순간정전보상 장치의 블록도

[도 3]은 전압강하 감지부

[도 4]는 상용전원 스위치부와 돌입전류 조정기

[도 5]는 부하전류 검출부와 합선전류 증가속도 지연부

[도 6]은 인버터부와, 충전용 스위치부와, 콘덴서 전압 승압 장치부

[도 7]은 콘덴서 전압의 변화와 순간정전시 순간정전보상장치 의 승압된 출력 그래프

본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위하여, 순간정전보상장치에 있어서, 교류전원의 전압이 강하되는 것을 검출하는 전압강하 감지장치부와, 인가된 교류전원을 직류전원으로 변환하여 충전용 스위치를 통하여 전해콘덴서에 에너지를 저장하고, 전압강하 시 직류전원을 교류전원으로 변환하는 인버터부와, 전압강하 시 인버터 동작하여 부하에 출력 보상 시 상용전원을 차단하는 상용전원 스위치와, 콘덴서전압을 승압하여 일정한 전압을 인버터에 공급하는 콘덴서 전압 승압장치부와, 부하기기의 최초 전원 인가 시 발생하는 돌입전류를 제한 조정하는 돌입전류조정기와, 부하의 합선 또는 과전류 발생시 본 기기를 보호하는 부하전류검출부와, 합선전류 증가속도지연장치부와, 상기의 각 장치부를 제어하고 표시하는 제어 및 디스플레이부가 포함되어 이루어진 것이 특징이다.

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 구성을 살펴보면 다음과 같다.

[도 2]는 본 발명에 따른 순간정전 보상장치의 블록도 이고,

[도 3]은 전압강하 감지부 이고,

[도 4]는 상용전원 스위치부와 돌입전류 조정기이고,

[도 5]는 부하전류 검출부와 합선전류 증가속도 지연부 이고,

[도 6] 은 인버터부와, 충전용 스위치부와, 콘덴서 전압 승압 장치부

[도 3] 전압강하 감지부(10)는 본 장치로 인가되는 교류전원(AC100∼230V)의 전압이 순간적으로 강하되는 것을 감지하는 것으로 인가된 AC전원은 T1에 의하여 낮은 전압으로 변환되고, 변환된 낮은 전압의 사인파형의 제로 준위는 VR1(기준전압)에 의하여 바이어스 된다. 바이어스된 사인파는 RV1의 조절로 그 진폭을 조절하게 된다. RV1의 조절은 전압강하 판별 전압 범위를 결정하게 되는데 오퍼레이션 앰프U1을 통하여 제어 및 디스플레이부(100)의 마이크로 콘트롤러에 신호가 전달되고, 마이크로 콘트롤러에 입력된 기준 전압과 비교하여 전압강하 여부를 판단하게 된다. 마이크로 콘트롤러에서는 입력되는 사인파 한 사이클을 6도/5도(60Hz/50Hz)단위로 분할하여 기준 값과 비교(사인파의 위상분할은 각 위상 값에 대응하는 시간 분할 방식을 적용 하였다.

60헤르츠(Hz) 기준 하여 한 사이클은16.666/1,000초(mSec.)이며 사인6도의 시간 간격은 약 278/1,000,000초(uSec.)이다. 따라서 바이어스된 사인파의 VR1( 0 ) 전위를 기점으로 하여 약 278/1,000,000초 주기로 입력되는 사인파의 전위와 마이크로 콘트롤러에 저장된 기준 전위와 비교한다) 하는데, 몇 개의 비교 값이 연속으로 전압강하로 판별될 때 입력전원을 전압강하로 판정하고 상용전원 스위치부(20)를 차단하고 부하에 인버터 출력을 공급한다.

[도 4] 상용전원스위치(20)는 전원이 인가되고, 과전류, 과전압, 전압강하에 의한 인버터 구동 시 를 제외하고 항상 온 되어 있는 상태이다. ACin으로 인가된 상용전원은 DB1과 Q1을 통하여 ACout로 흐르게 되며 여기서 상용전원 스위치의 제어는 Q1의 V3DRV를 제어함으로써 온/오프 할 수 있다.

돌입전류 조정기(30)는 Q2로서 부하에 급격한 과전류(돌입전류/합선전류) 검출(10uSec.이내) 될 때, 상용전원스위치 Q1을 오프 하고 돌입전류 조정기 Q2를 온 시키므로서 DB1과 저항 Rin, Q2를 통하여 전류가 흐르므로 부하에 공급되는 과전류(돌입전류/합선전류)를 제한 할 수 있다. 이 때 반 주기의 사인파의 전원 공급 후 VR1( 0 ) 전위를 기점으로하여 Q2를 오프하고 Q1을 온 시키고, 다시 과전류 검출시 Q1 오프 , Q2 온 을 2∼3주기 동안 반복하면, 돌입전류는 소멸되고, 합선전류일시는 과전류가 반복 검출이 되므로 일정 횟수 이상 검출시는 Q1을 오프 시키고 제어 및 디스플레이부(100)에 에러메세지를 표시한다.

이때 Q2는 Q1 온 이고 과전류 검출 시에만 온 되어 돌입전류 조정역할을 한다.

[도 5] 부하전류 검출부(40)는 CT를 통하여 VR1(기준전압)으로 바이어스 되어서 비교기 U2와 RV2에 의하여 변환된 전류의 전압준위가 AMP로 제어 및 디스플레이부(100)의 마이크로 콘트롤러에 전달되고, 기 지정된 전류값과 AMP 100/1000초(mSec.) 누적 평균값과 비교하여 AMP의 값이 초과될 때는 [도 4]의 Q1을 오프 시키고 제어 및 디스플레이부(100)에 에러메세지를 표시한다.

한편 AMP로부터 U3에 전달되는 전류값 신호는 RV3에 의하여 조정된 합선전류 준위에 의하여 SHORT 신호의 준위가 변하게 되고, SHORT 신호는 아날로그 회로에 의하여 즉시 [도 4] 설명의 돌입전류 조정기능을 수행한다.

즉 합선시는 마이크로 콘트롤러의 연산에 의한 차단 시간 보다, 전류 증가 속도가 수십배 빨라서 [도 4]의 Q1을 파손시키기 때문이다.

합선전류 증가속도 지연 장치(50)는 L1으로서 전류의 증가속도를 지연시켜, U2, U3를 통하여 변환되는 SHORT 신호가 [도 4]의 Q1을 오프 시키는 시간보다 전류의 증가속도가 빨라 [도 4]의 Q1이 파손되는 것을 방지해준다.

[도 6] 인버터부(60)는 전압강하 감지부(10)에 의하여 감지된 전압강하신호에 의하여 제어 및 디스플레이부(100)의 마이크로 콘트롤러로부터 제어되어 인버팅 전원을 부하에 공급한다.(ACout, Cold Line) 인버팅은 Q6,Q7 / Q8,Q5 의 쌍으로 온 되며, Q8, Q8은 상용전원의 RMS 값과 동일한 에너지 값을 부하에 줄 수 있는 시간 동안만 일정하게 온 된다. 인버팅은 전압 강하기간 이내이고, 정해진 시간이내이며, 인버팅 전압이 저장에너지(C7)의 소모로 인하여 낮아지지 않는 범위 이내 이다.

인버터부(60) Q6,Q7,Q8,Q5에 병렬로 연결된 D5,D6,D7,D8의 다이오드는 브릿지 회로를 구성하여, ACout, Cold로 연결된 AC전원을 정류하여 충전용 스위치(80) Q3, R16을 통하여 에너지 저장용 전해콘덴서(90) C7을 충전하게 된다.

충전용 스위치(80) Q3은 [도 4]의 Q1 온 시 온 되고 오프 시에는 같이 오프 된다.

콘덴서전압 승압장치부(70)는 L2 ,Q4,D3,C9으로 구성 되며, 인버터부(60)의 인버팅에 따라, 평활용 콘덴서 C9의 전압이 낮아지면, Q4를 수십 KHz로 온 / 오프 시켜

에너지 저장용 콘덴서부(90) C7으로부터, L2에 축적된 에너지를 소거, 충전하는 과정에서 Q4(FET)의 드레인 에 유기되는 승압된 전압은 D3를 통하여 콘덴서 C9에 충전되고, 인버팅과 승압을 반복하게 되며, 에너지 저장용 콘덴서 C7의 전압 준위가 정상 준위의 45∼50％가 될 때 까지, 에너지를 사용 할 수 있다.

이상에 상술한 바와 같이, 본 발명의 순간정전 보상장치는 순간적인 정전에 의하여 발생되는 전기 기기나 제어 기기 등의 운전정지에 대비하여, 전압 강하 감지부, 상용전원 스위치부, 돌입전류 조정기, 부하전류 검출부, 합선전류 증가속도 지연부, 인버터부, 충전용 스위치부, 콘덴서 전압 승압 장치부, 제어 및 디스플레이부로 구성되어 순간정전 시 부하에 안정적인 전력을 정하여진 시간 동안 연속 공급하여, 기기의 정상운전을 도모하고, 에너지 저장장치를 축전지 대신 콘덴서를 사용하여, 무보수 장 수명을 기대 할 수 있게 하였으며, 콘덴서의 전압을 승압 시켜일정한 준위의 전압을 부하에 공급하고, 또한 콘덴서 에너지를 승압 시키지 않는 방법보다 30％ 이상의 에너지 이용 효율을 향상시켜 보다 경제적이며, 부하 기기 전원 투입 시 발생되는 돌입전류를 조절하여, 기기를 보호하고 부하 기기의 운전능력을 향상시켰으며, 전원에러 발생 시 디스플레이로서 그 상태를 표시하여 사용상의 편의를 향상 시켰다.

[예] 입력전원 / 보상출력 AC 220V를 기준 하여 에너지 효율을 산정 하면

콘덴서에 저장되는 에너지는 J=1/2CV₁ ²(Joule)이므로

가). 콘덴서 전압을 승압 하지 않고 인버팅 할 때 사용 가능한 에너지

J1= 1/2C(V₁ ²- V₂ ²) =1/2C[(220x1.414-5)₁ ²-( 220)₂ ²] =22618C

나). 콘덴서 전압을 승압 하여 인버팅 할 때 사용 가능한 에너지

([도 6]의 콘덴서전압 승압장치부(70)의 Q4에서 소모되는 에너지는 사용가능 에너지의 5％정도임)

J2= 1/2C(V₁ ²- V₂ ²) =1/2C[(220x1.414-5)₁ ²-(150)₂ ²]x0.95=33789C다). 가)와 나) 의 비교

J1/J2=0.67=67％

예시와 같이 콘덴서 전압을 승압하여 사용하는 방법이 콘덴서 저장 에너지의 이용 효율을 높일 수 있다.

Claims

순간적인 정전시 전원을 공급하는 순간정전 보상장치에 있어서

인가되는 교류전원의 전압강하를 감지하는 전압강하 감지부와,

상기 교류전원을 직류전원으로 변환하여 충전용 스위치를 통하여 에너지를 저장하는 전해콘덴서와,

상기 전압강하 감지부에서 전압강하를 인지할 시 직류전원을 교류전원으로 변환하는 인버터와,

상기 인버터를 동작하여 부하에 출력 보상 시 상용전원을 차단하는 상용전원 스위치와,

상기 저장된 전해콘덴서의 에너지를 효율적으로 이용하여 일정한 전압을 인버터에 공급하는 콘덴서 전압 승압부와,

상기 전압강하 감지부에서 감지된 전압을 기준으로 부하기기 기동시 발생되는 돌입전류를 제한하는 돌입전류 조정기와,

상기 부하전류를 검출하여 부하측의 과전류, 합선으로부터 기기(순간정전 보상장치와 부하기기)를 보호하는 부하전류 검출기와,

상기 부하측의 과전류나 합선에 의하여 발생되는 합선전류 증가속도를 지연시키는 합선전류 증가속도 지연부와,

상기의 각 시스템을 제어하고 표시하는 시스템 제어부 및 디스플레이부를 포함함을 특징으로 하는 순간정전 보상장치.
제1항에 있어서

돌입 전류 조정기는 부하기기 기동 시 발생되는 돌입전류를 제한하기 위하여 별도의 스위치를 사용하는 것을 특징으로 하는 순간정전 보상장치.
순간적인 정전시 전원을 공급하는 순간정전 보상방법에 있어서

인가되는 교류전원의 전압강하를 감지하는 전압강하 감지 단계와,

상기 감지된 교류전원을 직류전원으로 변환하여 충전용 스위치를 통하여 전해콘덴서에 에너지를 저장하는 단계와,

상기 전압강하 감지부에서 전압강하를 인지할 시 인버터를 사용하여 직류전원을 교류전원으로 변환하는 단계와,

상기 인버터를 동작하여 부하에 출력 보상 시 상용전원 스위치를 사용하여 상용전원을 차단하는 단계와,

상기 저장된 전해콘덴서의 에너지를 효율적으로 이용하기 위하여 콘덴서 전압 승압하여 일정한 전압을 인버터에 공급하는 단계와,

상기 전압강하 감지부에서 감지된 전압을 기준으로 부하기기 기동시 발생되는 돌입전류를 돌입전류조정기를 사용하여 돌입전류를 제한하는 단계와,

상기 부하전류를 검출하여를 사용하여 부하측의 과전류, 합선으로부터 기기(순간정전 보상장치와 부하기기)를 보호하는 단계와,

상기 부하측의 과전류나 합선에 의하여 발생되는 합선전류 증가속도를 합선전류 증가속도 지연부를 사용하여 지연시키는 단계와,

상기의 각 시스템 제어부 및 디스플레이부를 이용하여 시스템을 제어하고 표시하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 순간정전 보상방법.