KR20050070113A - 고효율 전력 공급 장치 - Google Patents

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KR20050070113A
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Abstract

본 발명의 시스템은 23-48VDC 통신, 데이터 센터 및 산업 생산업에 주로 사용된다. 상기 시스템은 화학적 저장 배터리들을 구매, 설치, 유지 및 대체하는 현재의 필요조건을 효과적으로 대체할 것이다. 상기 해결책은 부분적으로 또는 전체로서 적용될 수 있는데, 빌딩 내부, 주위를 둘러싼 콘테이너들 내의 빌딩 외부, 또는 이동 형태로서 가능하다. 게다가, 배전 전압 애플리케이션은 중요한 장비의 냉각을 더 적게 필요로 하는 환경을 만들어 낼 뿐만 아니라 전력 배전 배선의 규모 축소를 허용할 것이다. 이는 동일한 양의 프로세싱에 대해 더 적은 수의 하부조직 공간 및 장비, 즉 UPS, 공조 유닛들, 정적 스위치 유닛들, 발전기들 및 냉각기들을 필요로 하고, 전체 시스템 신뢰성을 상당히 높인다. 상기 시스템은 교류 전력을 일정하게 하여, 무정전할 수 있는 것으로 간주되고 사실상 고효율인 직류 전력을 생산한다.

Description

고효율 전력 공급 장치{APPARATUS FOR PROVIDING HIGH QUALITY POWER}
본 발명은 고효율 전력(power)의 공급 및 냉각 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 통신, 데이터 처리 및 산업 장비를 위한 무정전 직류 전력(uninterrupted DC power)을 공급하는 개선된 시스템에 관한 것이다.
통상적으로, 상용 교류 전력(AC commercial power)은 컴퓨터들, 데이터 처리장치, 전화 회선 및 다른 솔리드 스테이트 테크놀러지 장치들(solid state technology devices)과 같은 다양한 애플리케이션들(applications)의 주요 전력원(power source)로서 사용되어 왔다. 그러나, 이러한 교류 전력 사용의 확대에도 불구하고, 여러 가지 문제점들이 공지되어 있다. 예컨대, 미국특허 제4,277,692호, 제5,126,585호 및 제5,483,463호는 교류 전력 장치들의 성능을 개선하기 위한 방법들을 개시하고 있다. 이러한 개선책에도 불구하고, 교류 전력에 대한 많은 단점들은 여전히 극복되지 못하고 있다. 특히, 대부분의 솔리드 스테이트 장치들의 소비를 위하여, 교류 전력(AC power)은 여전히 직류 전력(DC power)으로 변환되어져야만 한다. 많은 교류 전력 시스템들은 배터리 백업(battery backup)과 제2 100% 정격의 여분 급송장치들(second 100% rated redundant feeds)을 필요로 하고, 필요 전력과 여분(redundancy)을 공급하는 측면에서 여전히 비효율적이다. 더욱이, 교류 전력 배전(distribution)의 안전상의 위험성, 크기 및 비용에 대해서는 잘 알려져 있다.
많은 사람들은 항상 직류가 더 효율적이고 신뢰성이 있는 것으로 간주하여 왔다. 하지만, 직류 전력을 생산하고, 생산된 전력을 분배하기 위해 일정크기로 조절하는 종래의 기술에는 여전히 극복하여야 할 장애물이 있다. 일반적으로, 화학적 배터리들과 정류기들은 중요한 직류 전력을 생산, 배전 및 백업하는데 사용된다. 이러한 애플리케이션들에서의 배터리들은 많은 한계점을 갖고 있다. 배터리들이 노후화되면, 교체가 필요한 정도로까지 그 용량이 감소하고, 이는 폐기처리 문제를 일으킨다. 더욱이, 직류 배터리 시스템으로부터 대량의 전력을 생산하여 끌어오는 능력은 배터리들의 양과 크기에 좌우되고, 직류 전압 강하를 위한 직류 배전 시스템들은 큰 사이즈를 갖기 때문에 대형 배전 시스템들을 필요로 한다. 더 높은 동작레벨에 도달하기 위해 더 높은 집중도의 직류 전력을 요구하는 현대 기술은 더 많은 전력을 필요로 한다.
이러한 단점들 및 기타 단점들에도 불구하고, 화학적 배터리들은, 통신 센터에서 48V 직류 전력의 생산 및 저장에 이용되고, 데이터 센터들이 정전인 동안에 교류 전압 시스템들을 위한 대체 백업 소스를 제공하는데 폭넓게 사용되고 있다. 예컨대, 보드리(Bobry)의 미국특허 제5,010,469호는, 배터리를 사용하고 있으며, 이는 본 발명의 내용과 상충되지 않는 한도에서 참조를 위해 본 명세서에 첨부되어 있다. 더욱이, 소스들(sources) 사이의 스위칭은 공지된 문제점이고, 필요한 전력의 공급 중에 순간적인 실효들(lapses)을 종종 일으킨다. 예컨대, 참조를 위해, 해먼드(Hammond) 등의 미국특허 제5,057,697호가 본 발명의 내용과 상충되지 않는 한도에서 본 명세서에 첨부되어 있다.
종래의 기술은, 양쪽 센터에서의 사용을 위한 고신뢰성 고용량의 직류 전력을 경제적으로 생산하여 배전할 수 없다. 양질의 직류 전력을 사용하게 되면 더욱 신뢰성이 있고 저렴하며, 전력소비의 상당한 절감을 가져올 것이고, 따라서 일정 크기로 조절할 수 있는 직류 전력을 광범하게 사용하는 것은 매우 바람직할 것이다. 하지만, 배전을 위해 교류 변압기만큼 유사하게 직류 전력을 일정 비율로 만들 수 없기 때문에, 직류 전력에서부터 접근을 시작하는 기술은 침체되어 왔다. 따라서, 화학적 저장 배터리들의 사용 없이, 교류 및 직류 컴포넌트들을 사용하여 매우 신뢰성이 있고, 크기조절이 가능하며, 경제적인 직류 전압을 생산하는 시스템이 요청된다.
더욱이, 종래의 시스템들은 교류 전압 소스를 부하와 전기적으로 연결하기 위한 다량의 전선(wiring) 및 공조장비(conditioning equipment)를 필요로 하여왔다. 일반적으로, 전기적 배선들은 매우 부피가 크고, 다량의 구리가 필요하다. 데이터 센터 및 통신 애플리케이션에 있어서, 서버들 상의 스위치 모드 전력 공급기(switch mode power supply)(SMPS)는 교류 입력을 받지만, 전력 공급은 직류로만 하는 특성을 갖고 있다. 이들 교류 구동형 SMPS는 열을 발생하고, 상당한 전력을 끌어오며, 매우 비효율적이다. 높은 발열과 적은 양의 냉각 용량의 결과로, 데이터 처리 장비는 적절한 냉각이 용이하도록 펼쳐져 있어야만 하고, 따라서 데이터 센터들은 처리 장비를 위한 공간을 더 적게 가지며, 전반적으로 낮은 냉각 부하 효율을 갖는다. 따라서, 필요한 전력을 제공하고, 비교적 적은 배선들로 연결될 수 있으며, 상기 데이터 센터의 효율을 높이기 위해 SMPS 없이 동작할 수 있는 시스템이 요청된다.
개시된 시스템과 관련된 분야의 통상적인 지식을 가진 자는, 상기 장치를 만들고 사용하는 방법을 용이하게 이해할 것이고, 도면들을 참조로 할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따라 제조된 정적 모듈(stationary module)의 개략도.
도 2는 본 발명에 따라 제조된 이동 모듈(mobile module)의 개략도.
도 3은 본 발명에 따라 제조된 제3 모듈의 개략도.
도 4는 본 발명에 따른 직류 전력과 냉각을 제공하기 위한 엔클로저(enclosure)의 사시도.
도 5는 본 발명에 따른 도 4의 커넥티드 직류 변환 유닛(connected DC conversion unit)의 개략도.
도 6은 본 발명에 따라 제조된 다이오드 브릿지(diode bridge)의 개략도.
본 발명 개시의 목적은 데이터 센터 또는 이와 유사한 시설의 전역에 공급하기 위한 23-48VDC 출력 전압 및 전류를 생산하기 위해, 교류 3상 전력을 갖는 208-480 입력 전압 중 하나를 활용하기 위한 것이다.
본 발명 개시의 다른 목적은, 유틸리티 전력 정전의 경우에, 상기 시스템을 신뢰성 있게 만드는 메인 입력 및 비상 급송장치로서, 1개의 교류 유틸리티(utility) 및 비상 전력원, 바람직하게는 발전기를 활용하기 위한 것이다.
일 실시예에서는, 상기 시스템은 선택적인 유틸리티로의 중첩 천이(overlap transition)를 이루는 트랜스퍼 스위치(transfer switch)를 통하여 순환(cycle)한다. 상기 트랜스퍼 스위치는 1개의 비상(emergency)과 1개의 유틸리티(utility)를 가질 것이고, 수동적으로 초기화되거나 유틸리티 전력의 손실이 발생하였을 때 상기 2개 사이에서 스위칭할 것이다. 상기 발전기는 480/3/60 입력과 500-600VDC 출력을 사용하여 브릿지 다이오드 정류기, 가정 부하들(house loads) 및 공조(air conditioning)에 전력을 공급하도록 크기지워진 배전 패널에 급송할 것이다. 상기 정류기는 직류 리플(DC ripple)을 감소시키도록 설계된 리액터(reactor)를 활용하여 직류 리플을 저감하도록 설계되어질 것이다. 다른 실시예에서는, 상기 시스템은, 500-600VDC를 발생시켜서 상기 정류기의 출력으로 하기 위해, 메인(main) 정류기의 출력에 병렬인 플라이휠 무배터리(battery-less) 직류 전력 공급원을 사용할 것이다. 상기 시스템은, 상기 플라이휠을 충전하기 위해, 상기 정류기로부터의 직류 출력 전력을 활용할 것이다. 상기 메인 정류기에 교류 전력이 입력되지 않을 때, 비상 발전기가 시동하여 중요한 부하(critical load)를 인계받을 때까지 상기 플라이휠은 동적 저장(kinetic storage)을 상기 정류기의 부하측으로 방전할 것이다. 상기 비상 발전기가 라인(line) 상에 있을 때, 전력을 부하에 공급할 것이고 또한 상기 시스템이 결과적으로 유틸리티로서 복귀(return)하는 것을 준비하는 상기 플라이휠 장치를 100%로 재충전할 것이다. 정해진 기간 동안에 유틸리티 전력을 일정하게 회복하거나 안정화 되면, 상기 트랜스퍼 스위치는 시스템 부하를 상기 유틸리티로 재전송(retransfer)할 것이다. 이러한 전송 동안에, 상기 플라이휠 소스에 의해, 상기 시스템 전력의 차단(break)은 반대 방향으로 다시 한번 브릿지될 것이다.
바람직하게는, 상기 메인 정류기의 600VDC 출력은, 전선 크기를 줄여주고, 전력 변환 장치(power converter unit; PCU)를 가동하는데 필요한 전류를 줄여주는 시설 전역에 배전되며, 상기 PCU는 고전압을, 48V 직류를 사용하도록 설계된 전력 설비들 또는 컴퓨터들에서 사용할 수 있도록, 48VDC로 낮추는 기능을 한다. 이로써, 통상적인 스위치 모드 전력 공급기 없이 상기 컴퓨터들을 공급받으므로, 30%까지 에너지를 절감하고 배선 순환 밀(wiring circular mill)을 줄여 SMPS의 비효율을 낮추고, 냉각 요건을 줄이고, 화학적 저장 배터리들을 제거하고, 공간이 필요한 장비 하부구조(infrastructure)를 줄이고, 전력 신뢰성을 상당히 높일 수 있다. 이러한 특성은 더 많은 중요한 실내 영역을, 비즈니스를 증진하는데 필요한 전기장치들에 사용하는 것을 허용할 것이다.
또 다른 실시예에서는, 부하와 거리에 좌우되는 소정의 구간 영역들에 집적 바이폴라 트랜지스터(integrate bi-polar transistor)(이하 'IGBT' 라고 함) 기술을 사용한, 특수 설계된 직류-직류 변환기 또는 전력 변환 장치(PCU), 여분의 전력장치들 또는 30KW 드로워(drawer) 및 IGBT를 감지(sense)하고 파이어(fire)하는 5-20KHz 직류 콘트롤러가 배치될 것이다. 상기 PCU는 매우 신뢰성이 있는 정전 방지를 제공하는, 전체적으로 독립적인 2개까지의 전력 시스템들에 의해 급송받을 수 있다. 덧붙여, 상기 PCU는 장애들(faults)에 매우 저항적이고, 또 다시 고효율 전력 출력을 부가한다. 상기 IGBT는, 1차측의 직류 고전압을 2차측의 저전압으로 효율적으로 변환할 것이며, 포텐셜 전압이 1차측에서 300VDC로 떨어지는 동안 효율성 및 엄격한 제어가 유지될 것이다. 상기 PCU는 직류-직류 변압기와 매우 유사하다. IGBT 장치의 출력으로부터, 전압과 전류는, SMPS에 의해 만들어지는 전압 강하와 과도한 열의 발생 없이 48V 직류를 사용하는 로컬 또는 인접 장치들에 배전될 것이다. 상기 변환기로부터 가장 멀리 이격된 장치에 센서를 원격 배치함으로써, 상기 전압을 제어할 수 있다.
상기 고효율 전력 시스템에 대한 또다른 매우 중요한 개념은, 상기 PCU가 통신 및 데이터 처리 부하들에 전력을 효율적으로 전송함에 의해 생성되는 열의 여지(space)를 제거하기 위한 정교한 냉각 시스템의 활용이다. 상기 PCU는 기술장치가 존재하는 랙(rack)들에 전력을 전송할 것이다. 사실상, 상기 전송된 전력 모두는, 전자적 부하들에 의해 소비될 것이다. 이들 부하들은 상기 전력을 완전히 열로 전환할 것이다. 오늘날의 기술은 가능한 한 작은 공간에 많은 장치들을 밀집시키려고 하고 있다. 이러한 조건을 대비하기 위해, 공기를 효율적으로 계량하고 20KW까지의 랙의 컴퓨터들을 냉각할 다양한 속도의 팬들(variable speed fans)뿐만 아니라, 랙의 아래에 배치된 평판 핀 열 교환기(plate pin heat exchanger)를 수냉시킬 수 있는, 전력 냉각 랙(power cooling rack)(PCR)이 제공된다. 오늘날 사용되고 있는 최적의 장치는 5-7KW의 여지(space)를 제거할 수 있다. 이들 랙들은, 신뢰성을 증가시키는 상기 전원들 중 하나의 정전에 대한 보호를 위해 2중 급송 48V 직류 배전이 구비될 것이다.
본 발명은 공정, 장치, 시스템, 장치 또는 방법을 포함하는 여러 가지 방식으로 구현될 수 있으며, 다만 이에 한정되는 것은 아니다. 여기에 언급된 시스템의 특징 및 다른 특징은 이하의 설명과 첨부된 도면들로부터 더욱 명백해질 것이다.
본 발명은 전력장치들에 관련된 종래의 많은 문제점들을 극복한다. 여기에 개시된 시스템의 장점 및 다른 특징들은 본 발명의 대표적인 실시예들을 나타낸 도면들과 함께 이하의 바람직한 실시예들의 상세한 설명으로부터 당 분야의 통상적인 지식을 가진 자에는 용이하게 이해될 것이다. 동일한 참조 부호들은 동일한 구조의 요소들임을 나타낸다.
도 1을 참조하면, 엔클로저(110)는 컴포넌트 부분(component pieces)이 적절히 기능하는데 필요한 적절한 내부 환경의 제공뿐만 아니라, 상기 요소들(elements)로부터 시스템(100)을 보호하기 위해 활용된다. 상기 내부 환경은 바람직하게는, 40-104 ℉, 비응축(non-condensing) 상태이다. 상기 시스템(100)은 정적이거나 고정상태가 되도록 설계된다. 정적 엔클로저(110)는 직류 변환기들을 제외하고 모든 컴포넌트들을 수용(house)할 것이다. 이러한 시스템(100)은 전형적으로, 600VDC 배전이 시설(미도시)에 전송되어, 전압을 600VDC에서 23-48VDC로 낮추는 국부적인(localized) 직류 변환기들에 전력을 공급하는 대형 전력 애플리케이션 분야에서 활용된다. 상기 시스템(100)은 상기 시설 내의 공조장치들(air conditioning units)에 교류 3상 전력을 공급할 교류 전력 공급장치(AC power feed))를 제공할 것이고, 따라서, 상기 엔클로저(110)는 상기 시설을 위한 자기 포함된(self-contained) 총체적 중요 전력 해결책으로서 고려될 것이다.
바람직하게는, 비상 발전기 유닛(112)은 인접한, 환경적으로 설계된 콘테이너(114) 내에서 상기 엔클로저(110)의 외부에 장착될 것이다. 상기 콘테이너(114)는 상기 메인 엔클로저(110)의 저면으로부터 돌출한 연장 레일들 상에 장착될 것이다. 상기 발전기(112)는 서브 베이스 연료(sub-base fuel) 공급장치(116)를 포함하고, 상기 메인 엔클로저(110) 내에 배치된 자동 트랜스퍼 스위치(Auto Transfer Switch)(118)로부터의 신호 상에서 시동한다. 일반적으로, 상기 비상 발전기(112)는 애플리케이션에 의해 요구된 바와 같이 250KW 이상 규모의 연료 전지(fuel cell) 또는 터빈 유닛을 사용하고 208-480VAC 이상의 3상을 공급한다. 상기 발전기는 출력 차단기(output braker)(미도시)를 갖고 있고, 상기 연료 공급장치(116) 내에 12시간 이상의 연료를 저장할 것이다. 또한, 자동 보충을 제공하기 위해, 상기 연료 공급장치(116)에는 천연가스가 공급될 수 있다. 상기 시스템(100)은 상기 시설에 저렴한 청정 전력을 생산하는 프라임 에너지 모드에서 가동하도록 설계될 수 있다. 프라임 에너지 모드에 의해, 상기 시스템(100)은 전력을 발생시키고, 상기 시스템(100)을 냉각시키는 냉각장치들(chillers)에 전력을 공급하기 위해, 열 부산물(heat by-product)을 활용한다. 상기 시스템(100)은 단독으로 또는 추가적인 성능 및/또는 신뢰성을 제공하기 위해 병렬형태로 짝지어서 사용될 수 있다.
자동 트랜스퍼 스위치(ATS)(118)는 바람직하게는, VAC 3상 3선을 위한 400 내지 1200 암페어(amps)의 규모이다. 적합한 ATS(118)는 미국특허 제4,761,563호 및 제5,646,833호에 개시되어 있고, 이들의 각각은 여기에 참조로 전부 포함되어 있으며, 다만 이에 한정되지는 않는다. 상기 ATS(118)는 바람직하게는, 특성상 기계적이고, 2개의 분리된 전원으로부터 급송 받는다. 상기 ATS(118)에 대한 1개의 전력원은 빌딩 유틸리티 급송장치이고, 다른 하나는 상기 발전기(112)로부터 급송된다. 상기 유틸리티 또는 통상적인 급송장치(normal feed)는 바람직하게는, 트위트스록(twistlock) 또는 러그 구성(lug configuration)(120)을 통하여 연결되고, 상기 ATS(118)의 통상 측단(normal side)에서 종결된다. 상기 발전기(112)는 상기 스위치(118)의 비상측단(emergency side)에 급송한다.
정전 때에, 상기 ATS(118)은 상기 발전기(112)에 개시 신호(startup signal)를 전송하고, 정해진 전압(set voltage)에 도달하자마자 상기 유틸리티 급송장치를 기계적으로 차단하고 비상 소스 전력장치를 배전 패널(122)에 연결한다. 상기 애플리케이션(100)에는, 필요하면, 중첩 전송(overlap transfer)이 제공될 수 있고, 유틸리티가 회복(return)될 때, 동일한 절차를 역으로 수행한다. 상기 시스템은 원격 개시 또는 정지 신호를 수신할 수 있고, 프라임 또는 대기(standby) 모드들 중 어느 하나에서 사용될 수 있다.
상기 배전 패널(122)은 208-480, 3상 3선 교류 전력을 상기 컴포넌트 장치들 모두에 배전한다. 상기 배전 패널(122)은 메인 차단기와 소형 배전 차단기들, 바람직하게는 성형된 케이스(molded case)를 포함하고, 상기 ATS(118)에 유사한 사이즈이고 상기 ATS(118)에 퓨즈가 연결되어 있다. 20-40KVA 변압기(124)는 가정용 전력 즉, 조명, 난방, 냉방 등에 사용된다.
메인 다이오드 기반의 정류기(126)는 208-내지 중간전압 3상 급송장치를 구비하고, 500-600VDC의 출력전압을 만들어낸다. 사이즈 범위는 바람직하게는, 150KW 내지 500KW 또는 요구 값이다. 리플(ripple) 전류는 리액터들(reactors)의 사용에 의해 최소화된다.
직류 플라이휠(DC flywheel) 시스템(128)은, 직류 출력 버스가 메인 정류기 전압 아래로 떨어질 때까지 직류 전력 또는 교류 전력을 이용하여 동적(kinetic) 플라이휠을 회전시키고, 에너지를 저장할 수 있다. 세트 지점에서, 상기 직류 플라이휠 시스템(112)은 상기 저장된 에너지를 직류 전압 및 직류 전류 형태로 방전하는데, 이는 상기 발전기(112)가 속도를 따라잡고 상기 유틸리티 급송장치를 추월하는데 충분한 시간을 제공하는 직류 변환기들(130)에 일정한 전력을 공급하기 위한 것이다.
일단 상기 유틸리티 전력 소스가 다시 가동상태가 되면, 상기 직류 플라이휠(128)은 상기 트랜스퍼를 동일한 방식으로 유틸리티에 브릿지(bridge)할 것이다. 상기 발전기(112) 또는 상기 유틸리티 급송장치가 회복되고 부하에 전력을 공급한 후, 상기 직류 플라이휠 시스템(128)은 상기 동적 플라이휠을, 다음의 정전을 브릿지하기 용이한 플라이휠 속도의 형태로 재충전한다. 상기 플라이휠 시스템은 바람직하게는 밀폐된(enclosed) 시스템이다. 대형 애플리케이션들에서는, 상기 직류 플라이휠 시스템(128)은 매설되어 있고 메가와트 범위의 규모이다. 상기 직류 플라이휠 시스템(128)은, 직류 플라이휠 시스템의 형성을 위해 병렬로 연결된 복수개의 동적 플라이휠들로 구성될 수 있음은 당업자에게 쉽게 이해될 것이다.
직류 단절기들(DC disconnects)(132)은 상기 직류 변환기들(130)에 퓨즈 연결된다. 상기 직류 단절기들 또는 차단기들(132)은 상기 플라이휠에 의해 출력된 전압이 권장된 변수들 보다 낮아지는 경우에 전압 강하를 허용하도록 크기지워진다. 예컨대, 상기 발전기(112)가 잘못 시동하였다면, 용인될 수 없는 플라이휠 전압 강하가 발생할 수 있는데, 계속 시동하려고 시도하여 라인 전압(line voltage)까지 증가하여야만 한다. 상기 동적 플라이휠이 감속함에 따라, 출력 전압은 감소한다. 상기 플라이휠 전압이 감소함에 따라, 전력 출력을 일정한 수준으로 유지하기 위해 전류는 증가한다.
1쌍의 직류 변환기들 또는 피씨유(PCU)(130)는 상기 정류기(126)로부터 전력을 수신한다. 상기 직류 변환기들은, 부하, 즉 솔리드 스테이트 기술 장치들을 가동시키는 소정의 전압을 출력하기 위해, 정류기(126)에 의해 고전압 출력을 낮춘다. 도시된 50KW 급과 같은 소형 애플리케이션들에서는, 상기 직류 변환기들(130)은 상기 엔클로저(10) 내에 수용된다. 150KW와 같은 대형 애플리케이션들의 경우, 직류 변환기들(130)은 빌딩 내에서 가능한 한 부하에 근접하여 배치될 수 있다. 바람직하게는, 상기 직류 변환기들(130)은 이중 급송될 수 있고 다수의 출력을 구비할 수 있다. 상기 직류 변환기들(130)은 N+1 개의 제어와 전력 구성을 갖고 있다. 바람직한 실시예에서, 상기 직류 변환기들(130)은 525-600VDC를 사용가능한 전압인 23-48VDC로 변환한다. 상기 직류 변환기들(130)은 그 내부에 IGBT들의 파이어링(firing)을 제어하기 위한 고주파 센싱 및 제어 회로를 갖는다. 이러한 방식으로 상기 IGBT들을 제어함에 있어서, 상기 직류 변환기의 물리적 크기는 매우 축소되고, 효율은 상당히 높아진다. 예를 들면, 미국특허 제5,646,833호를 참조하면 알 수 있다.
상기 엔클로저(110)는 실외에 저장될 수 있는 것으로 구성할 수 있다. 실외 애플리케이션에서는, 상기 직류 변환기들(130)에 의해 출력된 48VDC는 트위스트록 퀵 연결점들(134)을 통하여 빌딩에 연결된다. 상기 직류 변환기(130)의 출력은 또한, 2+N 구성을 만들도록 상기 빌딩 내부 또는 상기 엔클로저(110) 외부의 공통 급송점(common feed point)에 연결될 수 있다. 바람직하게는, 가장 먼 이용 지점의 48VDC 출력을 유지하도록 상기 시스템(100)에 입력을 제공하는 원격 센서들(미도시)은 가장 먼 부하 지점에 배치된다. 상기 시스템(100)은 또한, 다른 애플리케이션들을 위한 가정용 전력에 접근을 허용하기 위한 범용 패널(138)을 포함한다.
도 2를 참조하면, 당 분야의 통상의 지식을 가진 자가 이해할 수 있는 바와 같이, 이동 시스템(200)은 상기 시스템(100)과 동일한 원리를 활용한다. 따라서, "1" 대신에 "2"에 의해 앞세워진 동일한 참조부호들은 동일한 요소들을 나타내는데 사용된다. 상기 이동 시스템(200)은 하나의 영역에서 다른 영역으로 쉽게 이동할 수 있고, 그 결과 고효율 전력을 필요로 하는 영역에 신속하게 접근할 수 있다. 상기 이동 시스템(200)은 모든 컴포넌트들을 수용하고, 출력 전압은 상기 엔클로저(210)로부터 상기 시설로 전송된다. 일반적으로, 상기 이동 시스템(200)은 1000-1500 암페어(AMPS) VDC의 소형 주문형 애플리케이션에 사용된다.
도 3을 참조하면, 당 분야의 통상의 지식을 가진 자가 이해할 수 있는 바와 같이, 확장 시스템(300)은 상기한 시스템들(100),(200)과 동일한 원리를 활용한다. 상기 시스템(300)은 신뢰성이 있는 전력 전송을 보장하기 위해 교차 급송 고립형(cross-feeding stand-alone) 변환기들을 사용한다. 따라서, "1" 또는 "2" 대신에 "3"에 의해 앞세워진 동일한 참조부호들은 가능한 한 동일한 요소들을 나타내는 사용된다. 상기 시스템(300)은 데이터 센터(미도시)에 전력을 공급할 수 있도록 개조되고 구성된다. 일반적으로, 데이터 센터들은 무정전 전력장치들(uninterruptible power supplies)(이하, "UPS"이라 함), 배터리들 또는 발전기들에 의해 조절 및 백업될 수 있는 전력을 필요로 한다. 전력 배전 유닛들(power distribution units)(이하 "PDU")은 일반적으로 480V 3상 전력을 배전한다. 사용을 위해, 상기 전력은 사용가능한 120/208V 전력으로 변압될 수 있다. 상기 시스템(300)은 데이터 센터의 요구를 충족시키는 확장 애플리케이션이다.
상기 시스템(300)은 리던던시(redundancy)를 위한 1쌍의 전력 모듈(301)을 포함한다. 상기 전력 모듈은, 또한 하나 이상의 연료 전지들 또는 터빈일 수 있는, 프라임 또는 대기 모드의 발전기(312)를 포함한다. 전기적 전력의 생산을 위해 상기 발전기(312) 또는 유틸리티 소스가 천연가스를 사용하는 에너지 절감 모드에서, 부산물 발전열은, 뒤이어 데이터 센터 또는 PCU의 냉각에 사용되는 흡수 냉각기들에게 전력을 공급하는데 사용된다. 바람직하게는, 상기 PCU는 냉각 매체, 예컨대 부하 감소(load curtailment)로서 냉각수를 받아들인다.
상기 직류 변환기들(330)은, 상기 데이터 센터 내부에서 가능한 한 48VDC 부하에 근접하여 배치된다. 이는 원격지 데이터 센터 외부의 배전을 위해, 교류 전력을 직류 전력으로 정류하는 것을 허용함으로써 값비싼 데이터 센터 공간을 절약할 것이다. 변압기들 및 관련 교류 장치는 더 이상 사용할 필요가 없고, 따라서, 상기 데이터 센터는 전자적으로 덜 조밀한 상태가 된다. 또다른 실시예에서는, 상기 서버들 상에서 SMPS의 필요성이 없어질 수 있고, 상기 서버들은 상기 시스템(300)에 의해 중앙 버스 구성(central bus scenario) 내에서 공급되는 직류 전압으로 가동된다. SMPS의 제거는 전체 열과 전력을 상당히 줄이고, 이러한 감소에 의해 전력과 냉각 공간은 더 여유가 있거나, 또는 평방 피트 면적당 더 많은 장비를 수용하도록 더 조밀하게 설계될 수 있다. 직류 변환기들(330)은 2+N 구성에서 응용될 수 있고, 본 문단의 3 내지 5 번째 줄에서 진술된 바와 같은 유용성 요구들에 부합하거나 초과하여 충족시키는 점에서, 신뢰할 만한 전력을 가진 컴퓨터를, 간단하고도 효과적으로 제공할 수 있다. 요컨대, 상기 데이터 센터는, 교류 싸인파의 재구성, 동기화 및 병렬 전자(paralleling electronics)의 복잡성 및 비용을 제거할 뿐만 아니라, AC-DC 변환을 상기 UPS의 교류 토폴로지(topology)로 대체하기 때문에 전기적으로 덜 집약적이다. PCR 또는 시스템(410)과 함께 시스템(300)은 설치비, 냉각 가동비 및 모든 필수적인 교류 전력 장비에 필요한 하부구조 공간을 줄인다.
바람직한 실시예에서, 상기 시스템(300)은 데이터 센터의 외부로부터 600VDC의 배전 직류 전압을 만들어낸다. 일반적으로, 상기 시스템(300)의 사이즈는 600 내지 2000MW가 될 수 있다. 600VDC는 상술한 바와 같은 백업 발전기(312)로의 천이를 제공하는 플라이휠 시스템(328)이 구비된 정류기 시스템(326)에 의해 생성된다. 600-48VDC의 데이터 센터 애플리케이션을 위한 변환은, 대략 150KW 규모의 직류 변환기들(330)을 사용하여 구현되는 것으로 구성할 수 있다.
각 직류 변환기(331)는 2개의 리던던시 시스템(301)으로부터 두개의 600VDC을 수신할 수 있는데, 이는, 만약 단일 전력 모듈(301)이 오동작하면 상기 시스템(331)의 48VDC 출력이 유지되도록 하기 위함이다. 배전 패널(333)은 직류 변환기들(331)과 전력 모듈들(301) 사이에 배치된다. 상기 배전 패널(333)은 상기 장치(331)의 입력들을 보호하는데 활용되는 직류 차단기들 또는 퓨즈들(335)을 가진다.
바람직한 실시예에서, 상기 직류 변환기들(330)은 냉각 래킹 시스템(410)(도 4 참조) 내에 설치되는데, 상기 시스템(410)은 국부적인 냉각수 공급장치와 냉각수 회수관(미도시)을 활용함으로써, 시스템(331) 또는 상기 시스템(410)내에 설치되는 컴퓨터에서 발생되는 열을 제거할 것이다. 시스템(410)은 상기 시스템(410) 내의 자유 입식 랙들에 설치된 컴퓨터 기술을 위한 냉각 랙들뿐만 아니라, 시스템(331) 컴포넌트들을 위한 수용 및 냉각 장치로서의 2중적 지위를 가진다. 상기 시스템(410)은 랙들(racks)의 배열(lineup)을 가지는데, 상기 랙들은 전력, 냉각 및 그 내부의 컴퓨터 시스템들을 위한 구조적 필수사항을 제공한다. 상기 랙들은 상기 직류 변환기들(331)을 수냉함으로써, 데이터 또는 통신 프로세싱 영역의 컴퓨터들을 지지하는데 필요한 바닥 공간(floor space)을 더욱 줄이는 개별 공조 유닛(separate air conditioning unit)들을 필요로 하지 않게 되어, 상기 공간에 더 많은 기술장비들을 허용한다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따라 상업 빌딩에 직류 전력을 제공하기 위한 엔클로저(410)가 도시되어 있다. 상기 엔클로저(410)는 그 내부로의 접근을 제공하는 2개의 도어(402a),(402b)를 가진다. 도어(402a)의 후측에는 상기 엔클로저(410)가 복수개의 직류 변환 유닛들(431)을 수용하고, 도어(402b)의 후측에는 부하(미도시)를 수용한다. 또한 각 랙의 내부에 포함된 것은, 냉각수 냉각 코일(미도시) 및 3개의 가변 주파수 구동 팬들(433)인데, 상기 구동 팬들(433)은, 상기 전력 또는 컴퓨터 장치들의 열이 상기 냉각수에 유입되지 않도록 상기 엔클로저(410)의 내부 공기를 냉각시킨다. 도시된 바람직한 실시예에서, 상기 엔클로저(410)는 각 30KW 용량의 6개 직류 변환 유닛들(431)을 갖고 있다. 따라서, 상기 엔클로저(410)는 여분의 150KW 직류 전력 소스로서의 역할을 담당할 수 있다.
도 5를 참조하면, 2중 전력 소스들에 연결된 바람직한 직류 변환 유닛(431)의 개략도가 나타나 있다. 도시된 바와 같이, 고전압 직류(예를 들면, 525VDC)는 비교적 용이하게 배전되고 효율적이지만, 소비지 근처 또는 소비지에서 상기 전압 수준은 사용가능한 수준(예를 들면, 48VDC)으로 낮아진다. 4개의 급송장치들(403a-403d)은 상기 직류 변환 유닛(431)에 입력 전력을 공급한다. 상기 급송장치들(403a),(403d)은 동일한 전력 모듈들(401)에 연결된다. 상기 전력 모듈들(401)은 시스템(100),(200),(300)들과 동일한 원리들을 사용한다. 따라서, 설명의 간단함을 위해, 이론 및 동작의 상세한 설명은 또다시 반복되지 않는다. 상기 전력 모듈들(401) 각각은 중간 모드(interim mode) 동안에 전력의 이용가능한 지속시간 및 부하 용량을 높이기 위해 2중 플라이휠 시스템들(428)을 포함한다. 상기 급송장치들(403b),(403c)은 대체 전력 소스들(407)에 연결된다. 상기 대체 전력 소스들(407)은 바람직하게는, 통상적인 유틸리티들이다. 다른 실시예들에서, 상기 대체 전력 소스들(407)은 연료 전지들, 배터리들, UPS, 다른 발전기들, 부가 시스템들(401) 및 이들의 조합이다.
도 5를 참조하면, 상기 직류 변환 유닛(431)은 2개의 입/출력 보드들(440a),(440b)을 포함한다. 상기 입/출력 보드들(440a),(440b)은 상기 입력 전력을 인접한 직류 변환기 모듈들(442a),(442b)에 보내는 작용을 한다. 입/출력 보드(440a)는 전력 급송장치들(403a),(403b)을 수신한다. 입/출력 보드(440b)는 전력 급송장치들(403c),(403d)을 수신한다. 각 입/출력 보드(440a),(440b)는 다이오드 브릿지 수단(450)(도 6 참조)을 통하여 각각의 2개의 입력 전력 급송장치들을 발송(route)한다. 상기 다이오드 브릿지 수단(450)은, 상기 다이오드 브릿지 입력들의 극성이 어떻게 변화하는지에 상관없이 일정한 출력(452)을 유지하기 위한 것이다. 따라서, 예컨대, 급송장치(403a)가 오동작하면(그리고 그 사항에 관한 급송장치(403b),(403c)), 적절한 양의 전력을 여전히 이용할 수 있고, 이로써 직류 변환기 모듈(442a)이 상기 부하를 가동하기에 충분한 전력을 생산하는 것이 허용된다. 2중 전력원(440a-440b),(440c-440d)로부터 각각 급송받는 2개의 직류 변환 모듈들(442a),(442b)의 리던던시는, 매우 강인하고 신뢰성이 있는 시스템을 가져오는데, 여기서 각 급송장치(440a-440d)는 상이한 전원으로부터 유래된 것이다.
각 직류 변환 모듈(442a),(442b)은 상기 부하를 가동하는데 충분한 전력을 만들어낸다. 이어, 상기 직류 변환 모듈들(442a),(442b)의 출력은 복수개의 전력 냉각 랙들(power cooling racks)(PCR)(444)을 통하여 발송된다. 상기 PCR(444)은 단일 기능의 직류 변환 모듈(442a),(442b)이 상기 부하에 충분히 전력을 공급하는 것을 허용하기 위해 또다른 다이오드 브릿지 수단(미도시)을 통하여 상기 직류 변환 모듈들(442a),(442b)의 각 출력들에 연결된다. 상기 PCR(444)은 또한 상기 부하, 즉 상기 엔클로저(410) 내의 기술적 장치들 또는 컴퓨터들에 전력을 배전한다. 상기 전력은 전력 급송장치들(405a),(405b)을 거쳐 상기 PCR(444)에 입력된다. 상기한 바와 같이, 상기 PCR(444) 내의 다이오드 브릿지(도 6 참조)는 전력 급송장치(405a),(405b)들을 수신하는데, 이는 시스템에 전력을 공급하는데 있어 상기 전력 급송장치들(405a),(405b) 중 단지 하나만 작동될 필요가 있도록 하기 위함이다.
상기 직류 변환 모듈들(431)의 각각은 상당한 열을 발생시키는데, 이는 적절한 동작을 보장하기 위해 상기 엔클로저(410)로부터 제거되어야 할 필요가 있다. 상기 엔클로저(410)는 상기 PCR(444)을 통하여 수냉되지만, 본 발명의 관찰에 따라 당업계에서 통상의 지식을 가진 자가 이해할 수 있는 다른 냉각 방법 역시 가능하다. 바람직한 실시예에서, 상기 엔클로저(110)는 캘리포니아 95124, 산요세, 노드 제1 스트리트 2700의 Sanmina-SCI 주식회사로부터 입수할 수 있는 ECOBAYTM 엔클로저일 수 있다. 공지된 방식에서, 각 변환 유닛(431)은, 특정 애플리케이션에 적합하도록 상기 엔클로저(410)의 용량 및 성능의 변화를 허용하게끔 대체되거나 재구성될 수 있다.
본 발명은 바람직한 실시예들에 관하여 설명하였을지라도, 당분야에 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 사상과 영역으로부터 벗어남 없이 본 발명에 대해 다양한 변경들 및/또는 수정들을 할 수 있음을 용이하게 이해할 것이다.

Claims (19)

  1. 중첩 전송을 사용함으로써 부하에 고효율 전력을 공급하는 장치에 있어서,
    실외 사용을 위한 엔클로저;
    에너지를 직류 전압으로서 저장하거나 방전하기 위한, 상기 엔클로저 내의 플라이휠; 및
    상기 플라이휠에 가동적으로 연결되고, 유틸리티 소스와 발전기 소스로부터 급송받는 스위치를 포함하되,
    상기 스위치는 3개의 모드, 즉 상기 유틸리티 소스가 상기 부하에 전력을 공급하는 노말 모드, 상기 플라이휠이 상기 부하에 전력을 공급하는 중간 모드 및 상기 발전기 소스가 상기 부하에 전력을 공급하는 백업 모드에서 동작하고,
    상기 스위치는, 세트 지점 아래로 전력 출력이 강하할 때 개시 신호를 상기 발전기 소스에 전송하고, 상기 발전기 소스가 상기 부하에 전력을 공급할 수 있을 때까지 상기 플라이휠이 그 내부에 저장된 에너지를 방전하는 상기 중간 모드에 진입하며, 상기 발전기 소스가 전력을 공급할 수 있을 때, 상기 스위치는 상기 백업 모드에 진입하고 상기 발전기 소스는 상기 플라이휠을 재충전시키기 위해 상기 플라이휠에 전력을 공급하는 것을 특징으로 하는, 고효율 전력 공급 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 직류 전압의 직류 리플을 감소시키기 위해 상기 플라이휠에 의해 직류 전압 출력에 가동적으로 연결되는 정류기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 고효율 전력 공급 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 전력 공급 장치를 퓨즈하기 위해 상기 엔클로저 내에 배치되어 상기 발전기 소스로부터 급송받는 배전 패널을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 고효율 전력 공급 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 세트 지점은 직류 출력을 정류기 전압에 비교함으로써 결정되는 것을 특징으로 하는, 고효율 전력 공급 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 중간 모드에서 상기 유틸리티 소스는 상기 플라이휠과 공동하여 상기 부하에 전력을 공급하는 것을 특징으로 하는, 고효율 전력 공급 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 발전기 소스는 연료전지, 터빈 및 발전기로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 고효율 전력 공급 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 발전기 소스는 상기 엔클로저 내에 배치되는 것을 특징으로 하는, 고효율 전력 공급 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 엔클로저의 열을 제거하기 위해 상기 엔클로저 내에 수냉 시스템을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 고효율 전력 공급 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 플라이휠은, 상기 스위치가 상기 백업모드로부터 상기 노말모드로 전환할 때, 상기 부하에 전력을 공급하는 것을 특징으로 하는, 고효율 전력 공급 장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 발전기 소스에 공급하기 위한 천연가스 연료를 더 포함하되, 상기 천연가스 연료의 소비에 의해 발생된 부산물 열은, 뒤이어 영역을 냉각시키는 흡수 냉각기의 전력공급에 활용되는 것을 특징으로 하는, 고효율 전력 공급 장치.
  11. 제1항에 있어서, 교류 전압을 직류 전압으로 변환하기 위해 상기 유틸리티 소스에 연결되는 정류기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 고효율 전력 공급 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 교류 전압은 480VAC이고, 상기 직류 전압은 600VDC인 것을 특징으로 하는, 고효율 전력 공급 장치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 600VDC를 상기 부하에서의 48VDC로 낮추는 변환기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 고효율 전력 공급 장치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 부하는 스위칭 모드 전력 공급기를 가지지 않는 컴퓨터인 것을 특징으로 하는, 고효율 전력 공급 장치.
  15. 유틸리티 교류 전력을 입력으로서 수신하여 솔리드 스테이트 기술을 위한 직류 전력을 신뢰성 있게 공급하는 시스템에 있어서,
    a) 신뢰성이 있는 전력을 공급하는 2 이상의 전력 모듈; 및
    b) 전력 변환 모듈을 포함하되,
    각각의 전력 모듈은,
    선택적으로 활성화된 백업 전력 소스;
    유틸리티 전력 소스를 수신하여 상기 유틸리티 전력 소스와 백업 전력 소스가 충분할 때를 결정하는 제1 수단;
    상기 유틸리티 전력 소스가 충분하지 않을 때 중간 전력을 공급하는 플라이휠 시스템; 및
    상기 유틸리티 전력 소스가 충분하지 않은 것으로 결정될 때 상기 플라이휠 시스템을 사용하는 것으로 전환하고 상기 백업 전력 소스를 활성화시키며, 상기 백업 전력 소스가 충분한 것으로 결정된 후 상기 백업 전력 소스를 사용하는 것으로 전환하는 스위칭 메커니즘을 포함하고,
    상기 전력 변환 모듈은
    엔클로저; 및
    상기 엔클로저 내에 장착된 복수개의 샤시들로서, 상기 샤시들의 각각은 대체 전력 소스와 상기 전력 모듈들 중 하나의 교류 출력을 수신하기 위한 제1 입/출력 보드, 상기 대체 전력 소스와 상기 전력 모듈 중 하나 이상이 충분한 동안에 일정한 전압을 출력하는 상기 제1 입/출력 보드 상의 다이오드 브릿지, 및 상기 다이오드 브릿지의 출력을 수신하여 상기 엔클로저 내의 부하에 소정의 직류 전압을 출력하는 변환기를 포함하는 것을 특징으로 하는, 유틸리티 교류 전력 입력 시스템.
  16. 제15항에 있어서, 상기 복수개의 샤시의 소정의 직류 전압의 전력의 합은, 리던던시를 제공하기 위해, 부하에 요구되는 값의 2배인 것을 특징으로 하는, 유틸리티 교류 전력 입력 시스템.
  17. 제15항에 있어서, 상기 대체 전력 소스는 복수개의 전력 모듈인 것을 특징으로 하는, 유틸리티 교류 전력 입력 시스템.
  18. 복수개의 솔리드 스테이트 기술 장치들에 전력을 효율적으로 전송하는 시스템에 있어서,
    교류 전압을 수신하고 상기 교류 전압을 고 직류 전압으로 변환하는 하나 이상의 정류기;
    상기 고 직류 전압을 부하로 보내기 위해 하나 이상의 정류기에 가동적으로 연결되는 케이블들; 및
    상기 고 직류 전압을 상기 부하에 전력을 공급하는데 필요한 전압 값으로 낮추기 위해, 상기 케이블들과 부하 사이에 가동적으로 연결되는 하나 이상의 변환기를 포함하는 것을 특징으로 하는, 전력 전송 시스템.
  19. 제18항에 있어서, 상기 시스템의 리던던시를 제공하기 위해, 교류 전압을 수신하여 상기 교류 전압을 제2 고 직류 전압으로 변환하는 제2 정류기와, 상기 고 직류 전압과 상기 제2 고 직류 전압을 수신하는 다이오드 브릿지를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 전력 전송 시스템.
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