KR200472908Y1 - 전력변환장치의 비상절체회로 제어부의 에러검출장치 - Google Patents

Abstract

외부전원이 정상이고 상기 전력변환장치의 제어부가 고장인 때, 제어부로부터 이상신호를 받는 바이패스부를 활성화하여, 상기 정상인 외부전원을 부하에 공급하도록 하는 전력변환장치의 비상절체회로 제어부의 에러검출 장치에 있어서, 상기 제어부의 에러 검출부가 반전소자(U3D), 제어부의 최소 내부저항(Zmin)과 함께 직렬로 연결된 저항(R11), 그리고 분압을 형성하기 위하여 상기 반전소자(U3D)의 입력과 접지 사이에 연결된 저항(R12)으로 구성되어, 제어부의 내부 임피던스가 하이임피던스 상태가 되었을 때 상기 반전소자(U3D)의 입력에 상기 반전소자(U3D)가 '하이'으 인식하는 전압(Vih) 미만이 공급되도록 함을 특징으로 하는 전력변환장치의 비상절체회로 에러검출장치를 제공한다.

Description

전력변환장치의 비상절체회로 제어부의 에러검출장치{Error detector of Emergency line bypass switching circuit controller of Power converter}

본 고안은 전력변환장치의 비상절체회로에 대한 것이며, 특히 순간정전 보상장치를 포함한 무정전전원장치 또는 자동전압조정기 등의 전력변환장치의 비상절체 기술에 관한 것으로, 전력변환장치의 파손이나 이상 발생시에 정상적인 외부 전원이 부하에 원활히 공급되도록 비상절체회로를 구성하여 전력변환장치의 파손이나 고장 등의 이상 발생으로 인한 산업용 전기전자기기의 손상을 방지하게 한 비상절체회로 제어기의 에러검출 기술에 관한 것이다.

과거와 달리 현대의 산업의 조는 고집적, 고정밀로 대변되는 첨단산업, 첨단 기계장치로 이루어져 있다. 여러 산업분야에서 나노기술이라 표현되는 초정밀 기술을 적용하고 있으며, 모든 산업이 첨단화 되고 있다. 이로 인해 과거의 산업현장에서는 발생하지 않던 여러 가지 문제를 야기 시킨다.

산업의 동력인 전기는 양호한 품질과 높은 신뢰성을 가지지만 여러 종류의 산업체가 밀집되어있고 크고 작은 공장들이 혼재되어 있는 산업현장에서는 각종 부하의 교번과 대용량 부하의 빈번한 스위칭, 부하전력의 비선형화로 인한 전원의 왜곡, 순간전압저하, 순간 정전 등이 자주 발생하고 있으며 유도뢰, 원거리 낙뢰 등으로 인한 전력 계통상의 단락사고 및 순간적인 전력용량의 초과로 인한 저전압, 정전 사고 등이 갈수록 빈번해 지고 있는 것이 현실이다.

굴뚝산업으로 표현되는 과거의 저정밀, 저집적의 산업시대에는 순간 전압강하, 저전압, 순간 정전이나 수분 이내의 비교적 짧은 시간의 정전은 견딜 수 있었으나, 고도화된 현대의 산업현장은 기계장치라고 하더라도 컴퓨터나 PLC(Programmable Logic Controller) 등으로 제어하는 초정밀 기계들이 대부분이고, 계측장비, 통신장비 등 초고집적화된 장비들에 있어서는 수십 ms의 전압저하나 정전에도 치명적 손상을 입거나, 생산제품의 불량 발생, 장비의 가동 중단 등으로 인하여 지대한 손실을 입는 경우가 증가하고 있다.

이를 대비하기 위해 전력변환장치는 꾸준히 발전하여 왔으며 1ms 이내의 선형적 응답특성을 갖는 초고속 자동전압 조정기(AVC), 1초 이내의 정전 또는 입력이상에 대한 보상을 목적으로 하는 순간정전 보상장치라는 새로운 개념의 무정전전원장치도 출현하게 되었다.

도 1은대한민국 특허 제10-1009483호로 등록된 종래기술의 블록도이다. 무정전전원장치(UPS: Uninterrupted Power Supply)의 제어가 정상일 때는, 제어기(10)가 외부전원을 감시하여 외부전원이 정상일 때는 제어기에서 양방향 SCR(20) 스위치의 게이트에 펄스신호를 가하여 양방향 SCR을 도통시킴으로서 외부 전원을 부하에 공급한다. 외부전원이 저전압이나 정전 등의 이상이 발생하면 상기 제어부(10)는 인버터(40)를 작동시켜 콘덴서 또는 배터리로 이루어진 DC 전원소스(30)로부터 에너지를 공급받아 이를 ON/OFF 스위칭하여 교류 펄스를 만들고 이를 트랜스포머(50)로 승압, 또는 감압하여 외부전원의 전압레벨에 맞추어 부하에 공급한다.

무정전전원장치 또는 순간정전 보상장치의 소손(fire damages)이나 고장 등으로 제어가 비정상 또는 불능일 경우에는 양방향 SCR(20) 스위치 및 인버터(40)를 제어하지 못함으로 양방향 SCR(20) 스위치는 OPEN되고 인버터(40)는 작동하지 못하여 부하로의 전원공급이 중단된다.이때, 별도의 펄스회로(60)를 작동하여 양방향 SCR(20) 스위치를 도통시켜 외부전원을 부하에 공급하도록 구성되어 있다.

도 2는 도 1의 양방향 SCR(20) 스위치의 상세도이다.

도 3은 펄스회로(60)의 상세도이다. 도3에 의하면 펄스회로(60)는 양방향 SCR 스위치(20)와 별도의 펄스발생회로를 구동하기 위하여 주전원으로부터 15V를 입력받아 12V 전원을 만들기 위한 정전압 발생 회로(61)와, 제어기로부터 인버터 제어신호를 받아 제어기가 이상이면 발진하는 별도의 펄스생성회로(62a)와, 상기 별도의 펄스생성회로로부터 발생한 펄스로 펄스트랜스(T2)의 1차측 코일에 전압을 유기시키기 위한 FET(Q2)와 상기 펄스트랜스 2차측 코일에 유기된 펄스를 상기 SCR 스위치에 전달하기 위한 출력부로 이루어진 펄스출력회로(62b)로 이루어져 있다.

다시 말하면 종래의 비상절체 기술은 정전압 발생 회로(61)와, 별도의 펄스생성회로(62a)와, 펄스트랜스를 포함하는 펄스출력회로62b)로 이루어져 있다.

도 3에서 제어기의 정상, 비정상임을 출력하는 제어기의 신호는 제어기가 정상일 경우에는 정확한 '하이' 신호(구동전압이 5V이면 5V가 '하이' 레벨, 0V가 '로우'레벨, 구동전압이 12V이면 12V가 '하이'레벨, 0V가 '로우'레벨이 되며 논리적으로는 '하이'레벨은 1로 '로우'레벨은 0으로 표기한다.)를 출력하여 상기 펄스생성회로(62a)의 출력을 '로우(0V)' 로 하여 오동작을 방지할 수 있으나, 제어기에 장애가 발생하거나 제어기 내부의 국지적인 발열로 소손이 있을 시에는 정확한 '로우'신호가 출력되어야 하는 제어기가 하이임피던스 상태(하이임피던스 상태; 제어기가 정상 상태인 때 '하이' 신호가 출력되는 것과 달리, 제어기가 비정상 상태 인 때, 즉 제어기가 고장인 때는 제어기로부터의 신호가 명확하지 않은 상태) 가 되어 출력전압이 정확한 '로우'신호가 출력되지 않고 0볼트 ~ '하이'신호 레벨의 전압 사이에서 특정되지 않은 전압이 출력되게 되며 상기 펄스생성회로(62a)의 INV 신호 검출기능을 가진 TR(Q1)에는 하이임피던스 상태의 부정확한 레벨의 INV신호를 정확한 '로우' 신호로 만들어줄 분압회로가 없으므로 직렬저항(R1)을 통하여 상기의 하이임피던스 상태의 전압이 가감없이 전달되고 상기 TR(Q1)의 베이스 입력단자에 '하이'로 인식되는 전압인 Vih(트랜지스터에서는 Vbe라는 기호를 사용한다.) 이상의 전압만 유기되어도 Iih(트랜지스터에서는 Ibe라는 기호를 사용하며 트랜지스터에 Vbe가 인가 되었을 때 베이스에 흐르는 전류를 의미한다.)가 공급되어 '하이' 신호로 인식하여 클럭을 정상적으로 발진하지 못하므로 비상바이패스 회로가 정확하게 동작하지 않아 외부전원이 정상임에도 부하로의 공급이 중단되는 치명적인 결함이 있다.

상기 하이임피던스 상태와 관련하여 더욱 구체적으로 밝히면, 도3에서 상기 펄스생성회로(62a)가 동작을 하기 위해서는 상기 제어기(10)의 정상, 비정상임을 출력하는 상기 제어기(10)의 신호가 상기 펄스회로(60)의 INV 입력단자에 '로우' 신호로 입력되어야 한다. 상기 제어기(10)가 정상일 경우에는 정확한 '하이'신호를 출력하여 에러 검출부(65)의 출력이 '로우'이 되어 상기 펄스생성회로(62a)의 펄스 생성 기능을 정지함으로써 비상절체 회로인 상기 펄스회로(60)의 오동작을 방지할 수 있다.

그런데, 제어기(10)가 고장이면 '로우' 신호가 입력단자에 입력되어야 하는데, 이 같은 경우는 상기 제어기(10)의 상태를 외부로 전달하기 위하여 구비된 출력단자가 단선이 될 경우나 제어기내부에서 출력단자까지 신호를 전달하는 경로의 내부 배선이 단선되는 경우에 한하는 것이며, 실제로는 제어기가 고장이나 소손이 발생하는 이유가 외부전원의 불안정, 서지전압의 침투, 과부하 등으로 인한 제어기내부의 국지과열이므로 제어기가 고장이 난다면 제어기내부의 국지발열로 인하여 미세 배선들이 녹거나 약해져서 단선 및 쇼트가 뒤엉켜 모든 신호가 0 볼트와 '하이' 신호의 중간 전압 레벨을 출력하게 되는데, 이와 같이 '하이' 또는 '로우'으 정확히 정의되지 않는 상태를 '하이임피던스' 상태라 하는 것이다.

상기 펄스생성회로(62a)의 입력부인 Q1, R1, R2, C5로 구성된 에러검출부(65)에 제어기의 이상신호가 '하이' 도 아니고 '로우'도 아닌 신호가 입력되면 상기 에러 검출부(65)는 정확한 '하이' 신호를 U2-B, U2-C, U2-D로 구성된 상기 펄스생성회로(62a)의 클럭발진부에 공급하지 못하여 상기 펄스생성회로(62a)의 동작이 정상적으로 동작하는 것이 불가능해져서 상기 인버터(40)의 구동도 상기 양방향 SCR 스위치(20)의 구동도 정확히 동작하지 않게 된다. 결과적으로 제어기가 상기 펄스생성회로(62a)를 구동하기 위한 신호를 정확히 '하이' 또는 '로우' 신호로 출력하지 못함으로 상기 펄스생성회로(62a)가 펄스를 정상적으로 발진할 수 없게 되는 것이다. 그로 인해 비상바이패스 회로가 정확히 동작하지 않으면 외부입력은 부하로 공급이 불가능하여 부하인 전기전자기기는 동작을 멈추거나 손상될 수 있는 문제를 발생 시킨다.

본 고안은 종래 기술에서는 제어기의 소손이나 열에 의한 고장시 제어부의 내부 임피던스가 하이임피던스 상태가 되었을 때 외부 전원이 정상임에도 비상 절체가 되지 않는 치명적 결함을 해소하고 정확히 제어기의 이상 여부를 판단하여 제어기의 상태에 합당한 신호를 클럭 발진회로에 공급하여 비상 절체 회로를 정확히 동작시켜 외부전원이 정상이면 제어부에 어떠한 이상이 발생하여도 외부전원이 부하에 공급되도록 함으로서 산업용전기전자 기기의 손상을 방지하는 무정전 전원장치 또는 전력변환장치의 비상절체회로에 있어서 제어부의 이상에 대한 완벽한 에러검출장치를 제공하도록 하는 것이다.

본 고안의 한 특징에 따라, 외부전원이 정상이고 상기 전력변환장치의 제어부가 고장인 때, 제어부로부터 이상신호를 받는 바이패스부를 활성화하여, 상기 정상인 외부전원을 부하에 공급하도록 하는 전력변환장치의 비상절체회로 제어부의 에러검출 장치에 있어서, 상기 제어부의 에러 검출부가 반전소자(U3D), 제어부의 최소 내부저항(Zmin)과 함께 직렬로 연결된 저항(R11), 그리고 분압을 형성하기 위하여 상기 반전소자(U3D)의 입력과 접지 사이에 연결된 저항(R12)으로 구성되어, 제어부의 내부 임피던스가 하이임피던스 상태가 되었을 때 상기 반전소자(U3D)의 입력에 상기 반전소자(U3D)가 '하이'으 인식하는 전압(Vih) 미만이 공급되도록 함을 특징으로 하는 전력변환장치의 비상절체회로 에러검출장치를 제공한다.

본 고안의 다른 한 특징에 따라, 상기 제어부의 최대 출력전류 Imax 와 구동전압 VCC의 조건에서 상기 저항 R11, R12와 상기 반전소자(U3D)의 입력전류 Iih와 사이의 관계식은 Imax ≥ VCC ÷ (R11 + R12) + Iih 와 같이 정해짐을 특징으로 하는 에러검출 장치를 제공한다.

본 고안의 다른 한 특징에 따라, 제어부가 정상인 경우의 상기 제어부의 내부 임피던스는 무시되지만, 소손으로 인한 하이 임피던스 상태의 제어부는 상기 저항 R11과 직렬로 연결되는 내부 임피던스가 존재하며, 이때 상기 제어부의 내부 임피던스는 Zmin ≥ VCC ÷ Imax 와 같이 정해짐을 특징으로 하는 에러검출 장치를 제공한다.

또한 본 고안의 다른 한 특징에 따라, 상기 제어부의 구동전압 VCC와 반전소자(U3D)의 '하이' 인식전압 Vih의 조건에서, 상기 저항 R11, R12와의 관계식은 R11 < [(VCC Vih) ÷ Vih] x R12 와 같이 정해짐을 특징으로 하는 에러검출 장치를 제공한다.

본 고안의 또 다른 한 특징에 따라, 외부전원이 정상이고 전력변환장치의 제어부가 고장인 때, 제어부로부터 이상신호를 받는 바이패스부를 활성화하여, 상기 정상인 외부전원을 부하에 공급하도록 하는 전력변환장치의 비상절체회로 제어부의 에러검출 장치에 있어서, 상기 제어부의 에러 검출부의 반전소자가 로직 인버터 IC, TR(Transistor), FET(Field-Effect Transistor), Solid State 스위치 중의 하나로 구성되며, 제어부의 최소 내부저항(Zmin)과 함께 직렬로 연결된 저항(R11), 그리고 분압을 형성하기 위하여 상기 반전소자의 입력단자와 접지 사이에 연결된 저항(R12)로 구성되어, 제어부의 내부 임피던스가 하이임피던스 상태가 되었을 때 반전소자의 입력에 Vih 전압 미만이 공급되도록 하며, 상기 제어부의 최대 출력전류 Imax 와 구동전압 VCC 및 반전소자의 '하이' 인식전압 Vih 의 조건에서 Zmin, R11, R12, Iih와의 관계식은 R11 < [(VCC Vih) ÷ Vih] x R12, Imax ≥ VCC ÷ (R11 + R12) + Iih, 그리고 Zmin≥ VCC ÷ Imax 에 의해 정해짐을 특징으로 하는 에러검출 장치를 제공한다.

본 고안은 종래 기술이 가지고 있는 제어부의 내부 소손 또는 국지적 파손 시 비상바이패스 회로가 정확히 동작하지 않는 치명적 결함을 해소하고 외부전원이 정상이면 제어부에 어떠한 종류의 이상이 발생하여도 외부전원이 부하에 공급되도록 하는 완벽한 비상절체회로를 제공하도록 함으로서 부하장치를 보호하고 부하로의 전원공급을 원활히 하여 산업용 전기전자기기의 작동을 보장하고 초정밀 전기전자산업의 생산성을 획기적으로 제고한다.

도 1은 종래기술의 무정전 전원장치의 구성을 보인 블록도.
도 2는 도 1에 도시된 양방향 SCR 스위치의 상세도.
도 3는 도 1에 도시된 종래 기술의 펄스 회로의 상세도.
도 4는 본 고안을적용한무정전 전원장치 구성을 보인 블록도.
도 5는 본 고안의 실시 예에 따른 바이패스 제어부의 상세도.
도 6는 본 고안의 다른 실시 예에 따른 바이패스 제어부의 상세도.
도 7은본 고안을적용한무정전 전원장치 구성을 보인 블록도.
도 8은 종래의 자동전압조정기의 블럭도.
도 9은 본 고안을 적용한 자동전압조정기의 구성을 보인 블럭도.
도 10는 본 고안을 적용한인버터 시스템의 구성을 보인 블럭도.
도 11은 종래기술의 ON Line 무정전 전원장치의 구성을 보인 블록도.
도 12은 본 고안을 적용한 온라인 무정전 전원장치의 구성을 보인 블록도.

본 고안은 순간정전 보상장치를 포함한 무정전전원장치, 인버터 또는 자동전압 조정기등의 전력변환장치에 적용하는 것이다. 하기에서는 적용 예로서 무정전전원장치, 인버터 또는 자동전압조정기 등의 전력변환장치에 의 비상 바이패스 기술과 관련하여 설명하며, 그러나 그 같은 특정 기술에 한정하여 본 고안이 적용되는 것은 아니다.

하기에서는 첨부도면을 참고로 본 고안을 상세히 설명한다.

도4 및 도7은 본 고안의 무정전전원장치의 기본회로구성으로서, 무정전전원장치의 제어가 정상일 때는, 제어부(130,430)가 외부전원을 감시하여 외부전원이 정상일 때는 제어부에서 바이패스부(100,400)의 바이패스 제어부(120,420)에 '로우' 신호를 공급하며 상기 바이패스 제어부(120,420)는 양방향 SCR스위치(110,410) 의 게이트에 펄스신호를 가하여 상기 양방향 SCR 스위치(110,410)를ON 시킴으로써 외부전원을 부하에 공급한다.

외부전원이 저전압이나 정전 등으로 인하여 이상이 발생하면 제어부(130,430)는 바이패스부(100,400)의 바이패스 제어부(120,420)에 '하이' 신호를 공급하며 상기 바이패스 제어부(120,420)는 양방향 SCR스위치(110,410) 의 게이트에 펄스신호를 공급하지 않으므로서 상기 양방향 SCR 스위치(110,410)를 OFF시키고 인버터(150,450)를 작동시켜 콘덴서 또는 배터리로 이루어진 DC 전원소스(160,460)로부터 에너지를 공급받아 이를 ON/OFF 스위칭하여 교류펄스를 만들고 이를 트랜스포머(140) 또는 정현파 필터(440)를 통하여 외부전원의 전압레벨에 맞추어 부하에 공급한다.

도 5 및 도6은 본원 고안의 실시 예에 따른 바이패스 제어부(220, 320)의 구성을 보인 상세도이며 에러검출부(222, 322)가 반전 소자(U3D, Q1)와 상기 반전 소자(U3D, Q1) 와 BPS 신호 입력단자 사이의 신호선에 직렬로 삽입된 저항(R11)과 BPS 신호의 단선 또는 하이 임피던스 상태의 BPS 신호의 이상을 분압의 방법으로 검출하기 위하여 상기 반전 소자(U3D, Q1)의 입력단자와 접지 사이에 연결된 저항(R12)으로 구성된다.

본 고안의 에러 검출부(222, 322)는 제어부의 이상을 검출하기 위하여 반전소자의 입력단자에 인가되는 하이임피던스 상태의 BPS 신호의 전압레벨을 상기 반전소자의 '하이' 인식 전압(Vih) 미만으로 분압하기 위한 회로 구성을 함으로서 BPS 신호의 단선에 의한 제어부의 이상검출은 물론, 제어부 이상발생의 대부분을 차지하지만 종래기술의 에러검출부가 검출 할 수 없었던 제어부의 하이임피던스 상태의 에러를 검출할 수 있도록 함으로서 제어부의 모든 종류의 이상에 대한 에러 검출이 가능하도록 한다.

정상상태에서의 상기 제어부에서 출력되는 최대 정격 출력전류(일반적으로 20~30mA(밀리 암페어)범위임)는 종류에 따라 다르지만 연속으로 사용되는 적정 출력전류는 제어부의 수명과 신뢰성을 고려하여 출력전류의 50% 이내에서 회로 구동에 필요한 적정의 전류만을 사용하게 된다. 제어부의 소손으로 인하여 제어부의 내부가 하이임피던스 상태가 되면 제어부의 내부 임피던스는 수 kΩ(1000 Ω) ~ 수 MΩ(1MΩ: 1,000,000Ω)이 되는데, 이 경우, 종래 기술의 에러검출부(65)는 하이임피던스에 의한 제어부의 출력전압이 저항(R1)을 통하여 트랜지스터(Q1)의 베이스 단자에 직접 공급되는 구성이어서 상기 제어부의 출력전압이 정확한 논리 '하이'이 아니라고 하더라도 Vbe 이상이기만 하면 상기 에러검출부(65)는 상기 제어부가 정상이라고 판단하게 되므로 상기 에러검출부(65)는 하이임피던스에 의한 제어부의 고장을 검출할 수 있는 구조로 되어있지 않다. 따라서, 제어부가 소손으로 인하여 하이임피던스 상태가 되어도 종래 기술에서의 에러검출부(65)는 제어부가 정상이라고 판단하고 펄스생성회로(62a)를 활성화 시키지 않으므로 펄스회로(60)는 동작을 하지 않게 된다.

본 고안의 도 5를 다시 보면, 디지털 로직 IC인 낸드게이트를 에러검출부(322)의 반전소자로 사용하고 있다. 상기 반전소자 (U3D)가 '하이'으 인식하는 입력 전압은 제조사와 VCC에 따라 다르다. 상기 반전소자 가 '하이'으 인식하는 전압을 Vih라 하고, 상기 제어부의 출력전압이 상기 하이임피던스 상태인 제어부의 최소 내부저항(Zmin)과 함께 직렬로 연결된 저항 R11의 합과 저항 R12에 의하여 분압되어 상기 반전소자 (U3D)의 입력에 Vih 미만이 공급되도록 하기 위하여 입력 BPS 입력단자와 상기 반전소자 (U3D)의 입력단자 사이의 신호선에 직렬로 삽입된 R11과 상기 반전소자 (U3D)의 입력단자와 접지 사이에 연결된 R12의 저항 값의 크기의 비율을 구하면 다음과 같다.

(Zmin + R11 + R12): R12 = VCC: Vih 이므로

Zmin + R11 = [(VCC-Vih) ÷ Vih] x R12 (식 1)

이때,

Zmin[Ω]: 하이임피던스 상태의 제어부 내부저항으로 R11과 직렬로 연결되는 값을 의미한다;

R11[Ω]: Zmin과 함께 BPS 신호선에 직렬로 연결되어있는 외부저항;

R12[Ω]: 반전소자 (U3D)의 입력단자와 접지 사이에 설치된 저항;

VCC[V]: 구동전압, 제조사에 의해 정해진다;

Vih[V]: 반전소자(U3D)의 논리'하이' 인식전압, 제조사에 의해 정해진다.

동시에 상기 저항 R11 + R12는 제어부의 Imax(제어부에서 최대로 출력가능한 전류) 이내에서 동작하도록 설계되어야만 한다. 이는 저항값이 제어부의 최대 출력전류를 넘어서면 제어부는 과출력으로 인하여 소손이나 고장이 발생하는 원인이 되기 때문이며 실제로 통상의 기술자라면 제어부 출력전류의 50% 이하로 설계하는 것이 일반적이다.

상기 제어부의 최대 출력전류 Imax 와 VCC의 조건으로 상기 저항 R11, R12와 상기 반전소자 (U3D)의 입력전류 Iih와 사이의 관계식은 다음과 같다.

Imax ≥ VCC ÷ (R11 + R12) + Iih

이때,

Imax[A]: 정상인 제어부의 최대 출력전류, 제조사에 의해 정해진다;

Iih [A]: 반전소자 (U3D)의 입력에 '하이'이 인가되었을 때 흐르는 전류이다.

여기서 상기 반전소자 (U3D)의 입력전류는 공학적으로 0A(실제로는 수uA 이하, 1uA 는 1백만분의 1A)로 간주하므로 무시하게 되며, 이때 R11 + R12의 범위는 다음과 같다.

(R11 + R12) ≥ VCC ÷ Imax (식2)

제어부가 정상인 경우의 상기 제어부의 내부 임피던스는 최대 출력 전류 범위 이내에서는 무시되지만 소손으로 인한 하이 임피던스 상태의 제어부는 상기 저항 R11과 직렬로 연결되는 내부 임피던스가 존재하며 상기 하이 임피던스 상태의 제어부 내부의 최소 임피던스 값 Zmin을 통하여 공급되는 전류는 제어부의 최대 출력전류를 초과 할 수 없으므로 Zmin은 다음 식과 같이 표기된다.

Zmin≥ VCC ÷ Imax (식 3)

위의식1, 2, 3을 이용하여 VCC는 12V, Imax는 20mA, Vih는 9.0V인 경우에R11과 R12 의 값을 구하면 다음과 같다.

Zmin + R11 = [(VCC-Vih) ÷Vih] x R12 (식 4)

(R11 + R12) ≥ VCC ÷ Imax (식 5)

Zmin≥ VCC ÷ Imax (식 6)

식6에서

Zmin≥ 12 ÷ 0.02 = 600 [Ω]

Zmin≥ 600 [Ω] (식 7)

식5에서

(R11 + R12) ≥ 12 ÷ 0.02 = 600 [Ω]

(R11 + R12) ≥ 600 [Ω] (식 8)

위 식 7과 식 8을식4에대입하면

Zmin + R11 = [(VCC-Vih) ÷Vih] x R12

600 + R11 = [(12 9.0) ÷ 9.0] x R12

R11 = [3.0 ÷ 9.0] x R12 - 600

= 0.33 x R12 600 (식 9)

상기 식 7에서 Zmin은 600 Ω 이상이므로R11이 양의 값이 되기 위해서는 식 9에서

0.33 x R12 ≥600 [Ω] 의 조건을 만족하여야 하므로

R12 ≥600 ÷ 0.33 1818[Ω] (식 10)

위 식1은 정상인 제어부의 내부 저항이 무시되는 경우에도 만족하여햐 하므로 위 식1에서 제어부의 최소 임피던스인 Zmin을 제거한 상태를 적용하면 다음과 같다.

R11 <[(VCC-Vih) ÷ Vih] x R12 (식 1-1)

이때, R12가 1818[Ω] 이상이므로

R11 <[(12-9) ÷ 9] x 1818 = 0.33 x 1818

R11 < 599 [Ω]

이상의 내용을 식으로 정리하면 R11 과 R12의 비율과 크기는 다음과 같다.

R11 < [(VCC Vih) ÷ Vih] x R12 (식 11)

(R11 + R12) ≥ VCC ÷ Imax (식 12)

결론적으로 에러검출부(322)의 입력부 저항 R11, R12의 값은 하이임피던스 상태인 제어부의 내부저항과 관계없이 상기 식 11와 식 12를 만족하는 것으로 확인 되었다.

또한 위 식 11과 식 12는 반전소자의 종류와 관계 없이 로직IC, TR(Transistor), FET(Field-Effect Transistor), Solid State 스위치 등의 '하이'인식전압(Vih : Threshold Voltage)를 가지는 모든 반도체 스위치소자에 적용된다.

도 7은 본원 고안의 실시 예에 따른 다른 종류의 무정전 전원장치 구성을 보인 블록도이며 도 4의 트랜스포머(140) 대신에 정현파 필터(440)를 적용한 형태의 무정전전원장치이며 무정전 전원장치의 기능 구현을 위한 구성만을 달리할 뿐,바이패스제어부(420) 및 양방향 SCR 스위치(410)를 포함한 바이패스부(400)의 동작 및 기능은 도 4의 바이패스부(100)와 동일하다.

도8은 종래기술의 자동전압조정기의 기본 회로 구성으로서 제어가 정상일 때는, 제어부(530)가 외부전원을 감시하여 외부전원이 부하가 요구하는 출력전압의 정도를 만족하도록 자동전압 조정부(590)를 조정하여 외부전원의 전압이 미리 설정된 출력전압보다 높을 때는 감압하여, 외부전원의 전압이 미리 설정된 출력전압보다 낮을 때는 승압하여 부하에 공급한다.

도9는 본 고안을 종래 기술의 자동전압 조정기에 적용한 사례이다.

앞에서 설명한 바와 같이 자동전압 조정기의 제어부(630)가 정상일 때는 논리'하이' 또는 펄스인 BPS 신호를 바이패스 제어부(620)에 출력하여 상기 양방향 SCR 스위치(610)를 OFF하여 외부 전원으로의 역류를 방지하고 자동전압 조정부(690)에서 미리 설정된 값으로 조정된 전압을 부하에 공급한다.

상기 제어부(630)가 파손 또는 소손 등으로 인해 이상이 발생하면논리'하이'또는 펄스인 BPS 신호를 출력할 수 없게 된다.

상기 제어부(630)에 이상이 발생하면 자동전압조정부(690)를 정상적으로 제어하지 못하므로 상기 자동전압조정부(690)가 정상적인 기능을 수행하지 못하여 외부 전원을 자동으로 전압을 조정하여 부하에 정상적으로 공급하지 못한다.

따라서 상기 자동전압조정기는 전력변환장치의 고유 기능을 수행할 수 없게 되며, 상기BPS 신호를 '하이'으 출력하지 못하고 하이임피던스 상태의 신호를 BPS 입력단자에 공급하게 되며, 상기 바이패스 제어부(620)의 에러 검출부는 이를 정형하여 정확한 '하이' 신호를 출력 함으로서 상기 바이패스 제어부(620)를 활성화 하고 상기 양방향 SCR 스위치(610)를 ON하여 정상인 외부전원을 부하에 공급한다.

상기 바이패스부(600)의 동작에 대한 설명은 상기의 바이패스부(100)의 동작 설명과 같다.

도10은 본 고안을 종래 기술의 인버터 시스템에 적용한 사례이다.

인버터시스템은 통상의 경우에는 인버터 제어부(730)가 인버터(750)를 제어하여 DC 전원 소스(760)의 직류 전원을 스위칭하여 교류를 만들고 이를 트랜스포머(740) 또는 정현파 필터로 미리 설정된 값으로 조정하여 부하에 공급한다.

본 고안에 의하면 상기 인버터 제어부(730)는 인버터(750)가 정상이고 DC 전원 소스(760)의 충전량이 일정 수준 이상일 경우에는 논리 '하이' 를 바이패스부(700)를 제어하는 바이패스 제어부(720)의 BPS 신호로 출력하여 상기 양방향 SCR 스위치(710)를 OFF하여 외부 전원으로의 역류를 방지하고 인버터 제어부(730)에서 미리 설정된 값으로 조정된 교류 전압을 생성하여 부하에 공급한다.

상기 인버터 제어부(730)에 파손 또는 소손 등으로 인해 이상이 발생하면 상기 인버터(750)를 정상적으로 제어하지 못하므로 상기 인버터(750)가 정상적인 기능을 수행하지 못하여 상기 DC 전원 소스(760)의 직류 전원을 교류로 부하에 공급하지 못하며, 논리'하이'의 BPS 신호를 출력할 수 없게 된다.

상기BPS 신호를 '하이'또는 펄스로 출력하지 못하고 하이임피던스 상태의 신호를 상기 바이패스 제어부(720)의 BPS 입력단자에 공급하게 되며,상기 바이패스 제어부(720)의 에러 검출부는 이를 정형하여 정확한 '하이' 신호를 출력 함으로서 상기 바이패스 제어부(720)를 활성화 하고 상기 양방향 SCR 스위치(710)를 ON하여 정상인 외부전원을 부하에 공급한다.

상기 바이패스부(700)의 동작에 대한 설명은 상기의 바이패스부(100)의 동작 설명과 같다.

도11은 종래기술의 온라인 무정전 전원장치의 기본 회로 구성으로서 제어가 정상일 때는, 제어부(830)가 컨버터(851)를 제어하여 외부전원을 정류하여 DC소스(860)에 충전하고 인버터(850)를 제어하여 상기 DC소스(860)에 충전된 직류 전원을 미리 설정된 값으로 교류로 전환하여 부하에 공급한다.

도 12는 본 고안을 종래 기술의 상기 온라인 무정전 전원장치에 적용한 사례이다.

상기 온라인 무정전 전원장치의 제어부(930)가 정상일 경우, 상기 온라인 무정전 전원장치의 바이패스부(900)의 바이패스제어부(920)에 논리 '하이' 신호를 출력하고, 상기 바이패스부(900)는 앞에서 설명한 무정전 전원장치의 바이패스부(100)의 동작과 같이 동작하여 양방향 SCR 스위치(910)를 OFF하여 외부 전원으로의 역류를 방지하고 인버터(850)를 제어하여 상기 DC소스(860)에 충전된 직류 전원을 미리 설정된 값으로 교류로 전환하여 부하에 공급한다.

상기 제어부(930)가 파손 또는 소손 등으로 인해 이상이 발생하면 논리 '하이' 인 BPS 신호를 출력할 수 없게 된다.

상기 제어부(930)에 이상이 발생하면 인버터(950)를 정상적으로 제어하지 못하므로 상기 인버터(950)가 정상적인 기능을 수행하지 못하여 부하에 정상적인 교류전원을 공급하지 못한다. 따라서 상기 온라인 무정전 전원장치는 고유 기능을 수행할 수 없게 되며, 상기BPS 신호를 '하이'으 출력하지 못하고 하이임피던스 상태의 신호를 상기 바이패스 제어부(920)의 BPS 입력단자에 공급하게 되며, 상기 바이패스 제어부(920)의 에러 검출부는 이를 정형하여 정확한 '하이' 신호를 출력 함으로서 상기 바이패스 제어부(920)를 활성화 하고 상기 양방향 SCR 스위치(910)를 ON하여 정상인 외부전원을 부하에 공급한다.

상기 바이패스부(900)의 동작에 대한 설명은 상기의 바이패스부(100)의 동작 설명과 같다.

100,400,600,700,900: 바이패스부
110,210,310,410,610,710,910: SCR 스위치
120,220,320,420,620,720,920: 바이패스 제어부
130,430,530,630,730,930: 제어부
140,740: 트랜스포머
150,450,750: 인버터/컨버터
160,460,760,860,960:DC 전원소스(콘덴서)
221,321: 바이패스 제어부 전원
222,322: 에러검출부
223,323: 클럭발진부
224,324: 펄스 생성부
440: 정현파필터부
590,690: 자동전압 조정부
850,950: 인버터
851,951: 컨버터

Claims (5)

1. 외부전원이 정상이고 전력변환장치의 제어부가 고장인 때, 제어부로부터 이상신호를 받는 바이패스부를 활성화하여, 상기 정상인 외부전원을 부하에 공급하도록 하는 전력변환장치의 비상절체회로 제어부의 에러검출 장치에 있어서,
   상기 제어부의 에러 검출부가 반전소자(U3D), 제어부의 최소 내부저항(Zmin)과 함께 직렬로 연결된 저항(R11), 그리고 분압을 형성하기 위하여 상기 반전소자(U3D)의 입력과 접지 사이에 연결된 저항(R12)으로 구성되어, 제어부의 내부 임피던스가 하이임피던스 상태가 되었을 때 상기 반전소자(U3D)의 입력에 상기 반전소자(U3D)가 '하이'로 인식하는 전압(Vih) 미만이 공급되도록 하며,
   상기 제어부의 최대 출력전류 Imax 와 구동전압 VCC의 조건에서 상기 저항 R11, R12와 상기 반전소자(U3D)의 입력전류 Iih와 사이의 관계식은
   다음 식으로 정해짐을 특징으로 하는 전력변환장치의 비상절체회로 제어부의 에러검출 장치.
   
   Imax ≥ VCC ÷ (R11 + R12) + Iih
   
   (여기서; Imax[A]: 정상인 제어부의 최대 출력전류, VCC[V]: 구동전압, R11[Ω]: Zmin과 함께 BPS 신호선에 직렬로 연결되어있는 외부저항,
   R12[Ω]: 반전소자 (U3D)의 입력단자와 접지 사이에 설치된 저항, Iih [A] : 반전소자(U3D)의 입력에 '하이'이 인가되었을 때 흐르는 전류)
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서, 제어부가 정상인 경우의 상기 제어부의 내부 임피던스는 무시되지만, 소손으로 인한 하이 임피던스 상태의 제어부는 상기 저항 R11과 직렬로 연결되는 내부 임피던스가 존재하며, 이때 상기 제어부의 내부 임피던스는 다음 식으로 정해짐을 특징으로 하는 에러검출 장치.
   
   Zmin≥ VCC ÷ Imax
   
   (여기서; Zmin[Ω]: 하이임피던스 상태의 제어부 내부저항으로 R11과 직렬로 연결되는 값을 의미한다.)
   
4. 제 1항에 있어서, 상기 제어부의 구동전압 VCC와 반전소자(U3D)의 '하이' 인식전압 Vih의 조건에서, 상기 저항 R11, R12와의 관계식은 다음 식으로 정해짐을 특징으로 하는 에러검출 장치.
   
   R11 < [(VCC Vih) ÷ Vih] x R12
   (여기서; Vih [V] : 반전소자(U3D)가 '하이'을 인식하는 최소 전압)
   
5. 외부전원이 정상이고 전력변환장치의 제어부가 고장인 때, 제어부로부터 이상신호를 받는 바이패스부를 활성화하여, 상기 정상인 외부전원을 부하에 공급하도록 하는 전력변환장치의 비상절체회로 제어부의 에러검출 장치에 있어서,
   상기 제어부의 에러 검출부의 반전소자가 로직 인버터 IC, TR(Transistor), FET(Field-Effect Transistor), Solid State 스위치 중의 하나로 구성되며, 제어부의 최소 내부저항(Zmin)과 함께 직렬로 연결된 저항(R11), 그리고 분압을 형성하기 위하여 상기 반전소자의 입력단자와 접지 사이에 연결된 저항(R12)로 구성되어, 제어부의 내부 임피던스가 하이임피던스 상태가 되었을 때 반전소자의 입력에 Vih 전압 미만이 공급되도록 하며, 상기 제어부의 최대 출력전류 Imax 와 구동전압 VCC 및 반전소자의 '하이' 인식전압 Vih 의 조건에서 Zmin, R11, R12, Iih와의 관계식은 다음 3개의 식으로 정해짐을 특징으로 하는 전력변환장치의 비상절체회로 제어부의 에러검출 장치.
   R11 < [(VCC Vih) ÷ Vih] x R12
   Imax ≥ VCC ÷ (R11 + R12) + Iih
   Zmin≥ VCC ÷ Imax
   (여기서; Imax[A]: 정상인 제어부의 최대 출력전류, VCC[V]: 구동전압, Vih [V] : 반전소자(U3D)가 '하이'을 인식하는 최소 전압, R11[Ω] :Zmin과 함께 TR의 베이스에 직렬로 연결되어있는 외부저항,
   R12[Ω]: 반전소자와 접지 사이에 설치된 저항,
   Iih [A]: 반전소자의 입력단자에 Vih 가 인가 되었을 때 흐르는 전류
   Zmin[Ω]: 하이임피던스 상태의 제어부 내부저항으로 R11과직렬로 연결되는 값을 의미한다.)

Images