KR20070103476A

KR20070103476A - 능동형 전류 서지 리미터

Info

Publication number: KR20070103476A
Application number: KR1020077019975A
Authority: KR
Inventors: 디팩 다이반
Original assignee: 조지아 테크 리서치 코오포레이션
Priority date: 2005-01-31
Filing date: 2005-10-24
Publication date: 2007-10-23
Also published as: KR101196050B1; WO2006083739A1; KR20070108210A; US7835128B2; CA2596369C; ES2383137T3; KR20120053056A; EP2587603A2; KR20120053058A; DK1851777T3; EP1847001B1; CA2596369A1; ATE548789T1; EP2587605A2; US20080310069A1; EP1851777A4; PL1851777T3; EP1851777A1; JP2008530963A; EP1847001A1

Abstract

능동형 전류 서지 리미터(active current surge limiter, 100) 및 그 사용법이 개시된다. 그 한 예시로서의 시스템은, 전원(110)과 부하(120) 사이에 접속되도록 구성된 인터페이스를 포함하는 전류 리미터(140); 부하의 동작 중에 외란을 검출하기 위해 전원을 모니터링하도록 구성된 외란 센서(150); 및 외란 센서(150)로부터 제어 신호(215)를 수신하고, 그 제어 신호에 기초하여 전류 리미터(140)를 활성화하도록 구성된 활성화기(160)를 포함한다.

능동형 전류 서지 리미터, 외란 센서, 부하, 과전압, 쇄도전류

Description

능동형 전류 서지 리미터{ACTIVE CURRENT SURGE LIMITERS}

본 발명은 대체로 전류 서지(current surge)를 제한하는 것에 관한 것이다. 더 상세하게, 본 발명의 실시예들은 부하 동작(load operation) 중에 전원 외란(power supply disturbance)에 의해 발생되는 서지 전류를 능동적으로 제한하는 것에 관한 것이다.

전기 장치의 동작에 손상을 주거나 악영향을 줄 수 있는 전력 서지 및 고 에너지 과도현상(transient)으로부터 전기 장치를 보호할 필요성이 있는 많은 응용분야들이 있다. 동작 중에 전기 장치에 대한 손상의 가장 일반적인 원인은, 전압 서지인 것으로 통상 인식된다. 예를 들어 낙뢰에 의해 발생되는 전압 서지는, 동작중인 장치에 대한 손상으로 이어지는 큰 전류 흐름의 원인이 될 수 있다. 정류기 전단부(rectifier front end)와 같은, 전자회로를 이용하는 전기 장치는 특히 손상되기 쉽다. 결과적으로, 과도 전압 서지 억제장치(TVSS; transient voltage surge suppressor)는 전압 레벨을 억제하고 과도현상과 연관된 에너지를 흡수하기 위해 흔히 사용된다. 그러나, 장치가 전압 새그(voltage sag)의 끝에 발생하는 전류 서지에 의해서도 손상될 확률이 꽤 높다는 사실을 분석자료들은 강하게 암시하고 있다. 또한, 산업적 연구들은 전압 새그가 전압 서지보다 더 많이 발생할 것이라고 지적했다. TVSS 디바이스들은, 장치에 가해지는 전압은 제한하지만, 전압 새그 과도현상의 끝에서 전기 장치가 겪게되는 전류 서지를 제한하지는 않는다.

전기 장치의 시동 동안 높은 쇄도 전류(inrush current)도 흔히 경험하게 된다. 전원과 보호된 부하(load) 사이에 접속된 부 온도 계수(NTC; negative temperature coefficient) 서미스터(thermistor) 또는 저항 및 그 NTC 서미스터에 병렬인 바이패스(bypass) 스위치를 포함하는 쇄도 전류 제한 회로들은, 시동중에 부하측에서 전류 서지를 완화하기 위해 종종 사용된다. NTC 서미스터는 온도가 상승함에 따라 감소하는 저항을 가진 부품이다. 시동 중에는, NTC 서미스터의 온도는 낮고 저항은 높다. 동작이 계속됨에 따라, NTC 서미스터의 온도는 상승하고 저항은 감소하여, 정상적인 동작중에 더 많은 전류를 허용한다. 일단 장치가 시동을 완료하거나 프리셋 시간이 경과하면, 바이패스 스위치가 닫혀, 전원과 전기 부하 사이에서 저항을 제거한다. 전류 리미터(limiter) 회로는 장치의 전원이 차단되고 바이패스 스위치가 다시 개방될 때까지 디스에이블 상태를 유지한다. 쇄도 전류 리미터 회로는, 시동중에는 전류 서지를 제한하지만, 이 쇄도 전류 리미터 회로들은 전기 장치의 정상적인 동작중에는 전기적 과도현상으로부터의 보호기능을 제공하지 않는다.

상기 간략히 설명된 바와 같이, 본 발명의 실시예들은 능동형 전류 서지 리미터 및 그 사용 방법을 포함한다. 한 예시로서의 시스템은, 전원과 부하 사이에 접속되도록 구성된 인터페이스를 포함하는 전류 리미터; 부하의 동작중에 외란을 검출하기 위해 전원을 모니터링하도록 구성된 외란 센서; 및 외란 센서로부터 제어 신호를 수신하고, 그 수신 제어 신호에 기초하여 전류 리미터를 활성화하도록 구성된 활성화기(activator)를 포함한다.

다른 예로서의 시스템은, 전원으로부터 부하에 공급되는 전류를 제한하기 위한 수단; 부하의 동작중에 전원에 대한 외란을 감지하기 위한 수단; 및 외란이 감지되었을 때 부하로의 전류를 제한하기 위한 수단을 활성화하는 수단을 포함한다.

사용 방법도 역시 제공된다. 한 예시로서의 방법은 전원에 접속된 부하의 동작 중에 전원의 상태를 모니터링하는 단계; 전원의 상태가 허용가능한 한계치 밖으로 벗어나는지를 판단하는 단계; 및 모니터링된 상태가 허용가능한 한계치에서 벗어났을 때, 전류 제한 디바이스를 활성화하는 단계를 포함한다.

기타의 구조들, 시스템들, 방법들, 특징들, 및 잇점들은, 후속되는 도면과 상세한 설명을 검토함으로써 당업자들에게는 명백해질 것이다. 모든 이와 같은 추가 구조들, 시스템들, 방법들, 특징들, 및 잇점들이 본 명세서에 포함되고, 본 발명의 범위 내에 있으며, 첨부된 청구항들에 의해 보호되어야 한다는 사실이 의도되었다.

본 발명의 많은 면들이 후속되는 도면들을 참조하면 더욱 잘 이해될 수 있다. 도면 내의 구성요소들은 반드시 일정한 축적 비율로 도시된 것은 아니고, 본 발명의 원리를 명확히 설명하기 위해 강조된 부분도 있다. 또한, 도면들 전체에 걸쳐, 유사한 참조 번호는 일부 도면 전체에 걸쳐 대응하는 부분들을 나타낸다.

도 1은 능동형 전류 서지 리미터를 도시한 도면.

도 2는 마이크로컨트롤러 및 반도체 스위치를 이용하는 능동형 전류 서지 리미터에 대한 대안으로서의 실시예.

도 3은 마이크로컨트롤러 및 전기기계식 계전기(relay)를 이용하는 능동형 전류 서지 리미터에 대한 대안으로서의 실시예.

도 4는 전압 검출기 및 전기기계식 계전기를 이용하는 능동형 전류 서지 리미터에 대한 대안으로서의 실시예.

도 5는 광커플러(optocoupler) 및 전기기계식 계전기를 이용하는 능동형 전류 서지 리미터에 대한 대안으로서의 실시예.

도 6은 능동형 전류 서지 리미터를 위한 고속 검출 알고리즘의 실시예를 도시한 순서도.

전압 새그(sag)는, 산업 설비들에서 꽤 자주 발생하는 것으로 나타났다. 전압 새그가 전압 서지보다 100 내지 1000배 더 발생한다고 연구 결과들은 지적하고 있다. 동작 장치가 전압 새그의 끝에서 발생하는 전류 서지에 의해 손상될 수 있는 확률이 높다는 것을 데이터 및 분석 자료들이 강하게 암시하고 있다. 쇄도 전류 제한 회로가 통상적으로 디스에이블 상태일 때, 전형적인 장치에 대한 가장 큰 취약점은 단기간 새그의 끝이다. 정상적인 쇄도 제한 회로(NTC 서미스터 또는 저항 + 바이패스 스위치)가 디스에이블되어 있기 때문에, 전류 서지는 과도하게 높은 I²T 정격(ratings)을 가질 수 있다. 전류 서지는, 장치의 손상 뿐만 아니라 부품의 열화를 야기하여, 장치의 수명 단축 및 장치의 조기 고장을 초래한다. 그러한 문제에 영향받기 쉬운 산업적, 상업적, 및 가정용 장치로는, PC, 서버, TV, 스테레오 증폭기, 마이크로웨이브 오븐, PLC, 로봇, 기계 장치, 의료 장비 등이 포함되지만, 이들로만 한정되는 것은 아니다.

능동형 전류 서지 리미터의 실시예가 아래에 기술된다. 기술된 실시예들은, 단지 가능한 구현예들일 뿐이고, 본 발명의 원리를 명확하게 이해시키기 위해 기술된 것이므로 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것이 아님을 강조한다.

도 1은 능동형 전류 서지 리미터를 도시하고 있다. 능동형 전류 서지 리미터(100)는 전원(110)과 부하(120) 사이의 인터페이스에 접속된다. 전원은 AC 및/또는 DC 소스를 포함한다. 논의된 원리들이 일반적으로 1000볼트까지의 응용에 적용되지만, 이것이 더 높은 전압 레벨에서의 응용에 그 원리들이 이용되지 못하게 하는 것은 아니다. 이러한 외란에 민감한 부하들로는, DC 전원으로 동작하는 전자 부품들을 포함하는 산업적, 상업적, 및 가정용 장치들이 포함되지만, 이들로만 한정되는 것은 아니다. 입력측 상에 접속된 과도 전압 서지 억제장치(TVSS; Transient Voltage Surge Suppressor)(130)는, 전압 서지 억제장치 디바이스의 부가된 기능성을 제공할 수 있다. 능동형 전류 서지 리미터(100)는 접속된 부하(120)에 공급되는 전류를 제한하기 위한 전류 리미터(140), 전원(110)의 상태를 모니터링하기 위한 외란 센서(150), 및 외란 센서가 전원 상의 외란을 검출할 때 전류 리미터(140)를 활성화하기 위한 활성화기(160)를 포함한다.

전원의 외란은 전압, 전류, 및 이들의 조합과 같은 전원 특성에서의 변화들을 포함할 수 있지만, 꼭 이들로만 한정되는 것은 아니다. 전원 외란의 존재는, 감지된 특성들이 설정된 동작 한계치를 벗어났을 때, 표시된다. 동작 한계치는, 한정하는 것은 아니지만, 산업 표준 및 알려진 부하 및 전원 특성들과 같은 변수들에 기초하여 미리 결정된다. 그러나, 전원과 부하 특성들은 전형적으로 알려지지 않으므로, 허용 전류 한계치의 설정은 추가 분석을 요구할 수 있다. 다른 대안은, 선택된 전원 특성의 지속적인 모니터링에 기초하여 외란 센서(150)가 한계치들을 설정하도록 허용하는 것이다.

도 2는 마이크로컨트롤러 및 전력 반도체 스위치를 이용하는 능동형 전류 서지 리미터에 대한 대안으로서의 실시예이다. 능동 서지 전류 리미터(100)에 대한 이 비제한적 실시예에서, 외란 센서(150)는, 허용 전류 한계치를 설정하고, 전원 특성들을 지속적으로 모니터링하며[즉, 전압(205) 및 전류(210)를 감지하는 것], 전원에 외란이 존재하는 것을 가리키는 제어 신호(215)를 활성화기(160)에 전송하기 위해 마이크로프로세서 또는 마이크로컨트롤러(200)를 사용한다. 상기 기술된 제어 방법은 능동형 전류 서지 리미터(100)가 전원 인가 및 부하 변화를 문제없이 처리하도록 한다.

허용 전류 한계치를 설정하기 위해, 도 2의 회로는, 구동시의 피크 전류를 포함하여 부하(120)가 이끌어낸 전류(210)를, 전류 변압기(transformer)(220)를 통해 감지하고 측정한다. 구동시의 피크 전류는, 전류 변압기와 결합된 커패시터 및 다이오드를 포함하는 피크-정류기 회로(도시되어 있지 않음)에 저장되고, 마이크로 컨트롤러(200)에 병합된 A/D 변환기(converter)에 의해 측정된다. 당업자는 다른 측정 회로도 역시 전원 특성을 측정하기 위해 이용될 수 있다는 것을 깨달을 것이다. 구동 전류는 마이크로컨트롤러(200)에 의해 피크 쇄도 전류로서 기록되고 저장된다. 부하(120)의 동작 중, 마이크로컨트롤러(200)는 부하 전류(210)를 지속적으로 모니터링하고 임의의 감지된 피크 전류들을 지속적으로 기록한다.

마이크로컨트롤러(200)는 인입되는 ac 라인 전압(205)도 모니터링한다. 감지된 전압(205)에 대한 한계치는, 마이크로컨트롤러(200)에 의해 프리셋되거나 설정될 수 있다. 전압 새그는, 전원 전압이 1/2 사이클 또는 그 이상의 짧은 주기 동안에 정격 전압의 90% (이것으로만 제한되는 것은 아님)와 같은 소정의 레벨 이하로 떨어질 때, 발생한다. 모니터링된 라인 전압(205)에서의 새그가 마이크로컨트롤러(200)에 의해 검출될 때, 피크 전류 한계치 기준(I_max)이 그때까지 기록된 최대 피크 전류 값으로 설정된다. 전압 새그 또는 일시 중단(momentary interruption) 동안, 부하가 이끌어낸 전류는 감소할 것이다. 전압 새그의 끝에서, 전압은 신속하게 정상 상태로 되돌아올 수 있고, 이는 감지된 회로(210)의 서지의 원인이 된다. 서지 전류의 크기는, 외란의 크기 및 지속기간, 라인 임피던스, 라인 전압의 리턴 프로필, 및 변압기 위치와 같은 전원 요소들뿐만 아니라 타입, 조건, 및 근접성과 같은 부하 요소들에 의해 영향받는다. 전류 서지의 영향에 취약한 산업적, 상업적, 및 가정용 장치로는, PC, 서버, TV, 스테레오 증폭기, 마이크로웨이브 오븐, PLC, 로봇, 기계 드라이브, 및 의료 장비가 포함되지만, 이들로만 한정되는 것은 아니 다. 또한, 정류기/커패시터 회로를 이용하는 임의의 장치는, 커패시터가 전압 새그 동안 충분히 방전되었을 때, 서지 전류 효과를 증폭한다.

일단 마이크로컨트롤러(200)가 I_max문턱값을 초과하는 전류 레벨을 검출하면, 외란의 존재를 가리키는 제어 신호(215)가 활성화기(160)에 보내진다. 이 비제한적 실시예에서, 전류 리미터(140)는 게이트 드라이브(230)를 통해 반도체 스위치(225)를 차단함으로써 활성화된다. 전류 리미터(140)의 활성화는, 비제한적 예로서의 배리스터(varistor)와 같은, ac 전압 클램핑 디바이스(clamping device)(235)를 통해 부하 전류가 흐르도록 한다. 부하(120) 양단의 전압은 감소되어, 부하에 공급되는 전류를 제한한다. 그 다음, 스위치(225)는, PWM 회로에서 관습적으로 행해진 바와 같은 고 주파수 듀티(duty) 사이클 제어 방식 하에서 다음 사이클, 영교차점(zero crossing point), 및 미리결정된 스위칭 횟수로 켜질 수 있지만, 이들로만 한정되는 것은 아니다. 만일 감지된 전류(210)가, 한정하는 것은 아니지만, 1 내지 2초와 같이 프리셋 기간보다 긴 기간 동안 하이(high) 상태에 머문다면, 마이크로컨트롤러(200)에 의해 트립 신호(200)가 활성화되어, 과부하 스위치 또는 회로 차단기(245)를 개방하고, 리셋이 이루어질 때까지, 예를 들어, 리셋 버튼이 눌러질 때까지, 시스템을 셧다운한다. 전압 클램핑 디바이스(250)의 병합은, 접속된 부하(120)에 대해 추가적인 전압 서지 보호를 제공한다.

게이트 턴-오프(turn-off) 디바이스(225)의 사용은, 고장 조건하에서 발생하는 급상승 전류 프런트의 존재 하에서뿐만 아니라 심지어 정상적인 전압 조건 하에 서도 턴오프 및 과전류 보호를 허용한다. 성공적 동작을 위해, 라인 인덕턴스 및 부하 인덕턴스에 트랩핑된 에너지(trapped energy)를 처리하기 위해 부품들의 크기가 조절된다. 또한, 지속적인 동작 동안의 전력 소비는 선택하는 동안에 고려되어야만 한다.

도 3은, 마이크로컨트롤러 및 전기기계식 계전기를 이용하는 능동형 전류 서지 리미터에 대한 대안으로서의 실시예이다. 이 비제한적 실시예는, 전압(205) 및 전류(210)를 감지하기 위해 도 2에 도시된 바와 동일한 외란 센서(150)를 이용한다. 정상적인 동작 중, 전류 리미터(140)는 전기기계식 계전기, 컨택터(contactor), 또는 스위치를 사용하여 바이패스될 수 있다. 이 도면에서, 마이크로컨트롤러(200)에 의해 전송된 제어 신호(215)는, 정상적으로 개방된 계전기(355)가 전류 리미터(140)를 닫고 비활성화시키도록 한다. 전원은 도 2에 도시된 바와 같이 지속적으로 모니터링된다.

(예, 도 6에서 도시된 바와 같은) 고속 검출 알고리즘은 1/4 내지 1/2 사이클 내에서 전원 외란의 검출을 허용한다. 고속 검출 알고리즘이, 소프트웨어, 하드웨어, 및/또는 개개의 구성 요소들로 구현될 수 있지만, 이들로만 한정되는 것은 아니다. DC 커패시터가 전압 새그 동안 다이오드 브릿지를 역바이어스할 때, 부하가 이끌어 낸 라인 전류는 전형적으로 급격히 떨어지기 때문에, 쇄도 전류를 야기하는 전압 새그가 용이하게 검출될 수 있다. 전압 새그의 시작이 검출되면, 제어 신호(215)는 계전기(355)로하여금 전류 리미터(140)를 개방하여 활성화시키도록 한다.

이 실시예에서의 전류 리미터(140)는, 2개의 저항(360 및 365), 및 제2 저항(365)에 병렬로 접속된 사이리스터(thyristor) 쌍 또는 트라이액(triac)(370)을 포함한다. 선택적인 조합이 또한 활용될 수 있다. I_max 초과시에, 저항(360 및 365)은 부착된 부하에 대한 전류를 제한하기 위해 높은 저항을 제공한다. 충분한 시간 지연 후에 또는 감지된 전류(210)가 허용 레벨 이하라는 판정 후에, 트라이액(375)이 턴온되어 더 높은 전류 레벨을 허용한다. 트라이액(370)의 제어는, 마이크로컨트롤러(200)에 의해 트라이액(370)용의 게이트 드라이버(330)에 전송된 신호(375)에 의해 제공된다. 일단 감지된 전류(210)가 감소하거나 충분한 시간이 경과하고 나면, 계전기(355)는 다시 닫혀, 정상적인 부하 동작이 재개되는 것을 허용한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 그 감지된 전류(210)가 미리결정된 기간 동안 하이 상태를 유지하는 경우, 마이크로컨트롤러(200)에 의해 트립 신호(240)가 활성화되어, 과부하 스위치 또는 회로 차단기(245)를 개방하고 시스템을 셧다운한다.

다단계 전류 리미터(140)를 사용하면, 부하에 대한 영향을 최소화하도록 성능을 현저히 향상시키는 것이 가능하다. 시스템에 흐르는 서지 전류의 레벨은, 전압 새그의 깊이와 지속 기간, 부하 정격(load rating), 부하 지점에서 이용가능한 단락 회로(short circuit) 전류, 및 부하 정류기의 커패시턴스 양을 포함한 많은 파라미터들에 의존하지만, 이들로만 한정되는 것은 아니다. I_max의 모니터링은, 정상적인 동작을 위해 필요한 부하 특성 및 최대 전류의 표시를 제공한다. 저항(360 및 365)을 통해 흐르는 전류는 다이오드를 순방향으로 바이어스하고, 부하의 실효 DC 버스 전압(V_dc)의 표시를 제공한다. 트라이액(370)이 각도α에서 턴온되면, 라인 전압과 DC 버스 전압(V_dc) 사이의 차이(V_line-V_dc)는 저항(360) 양단에 인가되고, 부하(120)에 흐르는 전류의 증가를 허용한다. 라인 인덕턴스 및 부하 인덕턴스를 무시하면, 라인 전압은, 각도 β에서 라인 전압이 V_dc와 같아지는 0에 도달할때까지, 감소한다. 트라이액(370)의 턴온을 제어함으로써, 부하 커패시턴스에 공급되는 평균 전류을 제어하고 복구 시간을 최소화하는 것이 가능하다. V_dc는 커패시터가 충전됨에 따라 증가하므로, 각 α는, 라인 전류를 제한하고 제어상태에 있도록 자동적으로 변경된다. 일단 부하가 이끌어낸 전류가 허용 한계치 내로 다시 돌아오면, 계전기(355)는 다시 닫히어, 정상 동작이 재개될 수 있도록 허용한다.

이러한 접근법은, I_max로 표시되는 부하로의 허용 쇄도 전류 특성과, 부하가 이끌어 내는 평균 전류를, 게이트 턴-오프 디바이스(225)의 사용을 요구하지 않고, 정합시키도록 허용해 준다. 또한, 트라이액(370)의 사용은 게이팅(gating) 및 제어 요구를 간소화하여, 비용과 복잡도를 감소시킨다. 또한, 트라이액(370)과 저항(360 및 365)은 통상 계전기(355)에 의해 비활성화되고 과도현상 동안에만 동작하므로, 전력 소비 요건이 최소화되어, 더 컴팩트한 형태의 패키징을 허용한다. 전류 흐름을 제어하기 위해, 비제한적 예로서의 트라이액과 같은, 스위칭 요소들과 저항의 다른 조합이 사용될 수 있다.

이 실시예는, 내장된 시동 보호가 없는 장치를 위해 소프트 시작 프로세스도 제공할 수 있다. 전원 인가시에, 2단계 소프트 시작 프로세스가 개시된다. 첫째로, 저항(360 및 365)은 쇄도 전류를 제한하기 위해 높은 저항을 제공한다. 감지된 전류(210)가 허용 레벨까지 감소한 후 또는 프리셋 시간의 경과 후, 트라이액(370)은 더 높은 전류 레벨을 허용하기 위해 턴온된다. 마지막으로, 일단 전류 레벨이 다시 감소하거나 충분한 시간이 경과하고 나면, 계전기(355)가 닫혀, 정상적인 부하 동작이 시작되는 것을 허용한다.

도 4는 전압 검출기 및 전기기계식 계전기를 이용하는 능동형 전류 서지 리미터에 대한 대안으로서의 실시예이다. 이 비제한적 실시예에서, 정상적으로 개방된 계전기(455)는 전류 리미터(140)를 활성화하기 위해 사용된다. 이 전류 리미터(140)는 저항 또는 부 온도 계수(NTC) 서미스터(435)를 포함한다. NTC 서미스터(435)는 저온일 때 높은 저항값을 갖는다. NTC 서미스터(435)가 종종 10배 이상으로 가열됨에 따라, 저항은 극적으로 떨어진다. NTC 서미스터(435)가 냉각됨에 따라 높은 저항은 원래대로 되돌아온다. 제조자는 전형적으로 60초 또는 그 이상에 이르는 냉각시간을 지정한다.

시동시, 계전기(455)는 오프 상태(개방 상태)로 유지되고 NTC 서미스터(435)는 흐르는 쇄도 전류를 제한한다. 전류가 흐름에 따라, NTC 서미스터(435)의 저항은 감소되어 더 적은 전류 한계치를 제공한다. 프리셋 시간 지연 후, 계전기(455)는, NTC 서미스터(435)를 바이패스함으로써 전류 리미터(140)의 전원을 끊기 위해, 턴온된다. 이는 NTC 서미스터(435)가 냉각되어 높은 저항 모드로 복귀하도록 한다.

전압 새그가 발생할 때를 식별하고, 전류 리미터(140)를 활성화하기 위해 제 어 신호(415)를 전송하는 검출기 회로(400)가 구현된다. 검출기 회로(400)의 많은 가능한 구현들 중 하나는, 라인 전압(405)을 감지하고 측정하기 위해 A/D 변환기를 구비한 마이크로프로세서를 이용한다. 이 마이크로프로세서는, 프리셋 한계치에 의해 정의된 공칭 허용 한계치 밖으로 전압이 벗어나는 때를 식별한다. 외란이 검출될 때, 검출기 회로(400)는 제어 신호(415)를 타이머 회로(480)에 전송한다. 타이머 회로(480)는 계전기(455)로 하여금 전류 리미터(140)를 닫고 활성화하도록 한다. 상기 기술한 바와 같이, NTC 서미스터(435)의 저항은, 전압이 정상 조건으로 되돌아올 때까지 서지 전류를 제한한다. 그 후에, NTC 서미스터(435)는 프리셋 시간 후 바이패스될 수 있다. 그 시점에서, 타이머 회로(480)는 NTC 서미스터(435)를 바이패스하는 계전기(455)의 전원을 차단한다. 전압 클램핑 디바이스(450)의 병합은, 접속된 부하(120) 및 능동형 전류 서지 리미터(100) 양자 모두에 대해 추가의 전압 서지 보호를 제공한다.

도 5는 광커플러(optocoupler) 및 전기기계식 계전기를 이용하는 능동형 전류 서지 리미터에 대한 대안으로서의 실시예이다. 이 비제한적 실시예는, 외란 센서의 DC 전원의 동작을 시뮬레이션하기 위한 회로를 사용한다. 다이오드 브릿지(501) 및 커패시터(502)는, 부하(120)에서 사용될 수 있는 전형적인 정류기/커패시터 회로를 나타낸다. 인덕턴스(503)와 저항(504)은 효율적인 라인 임피던스를 시뮬레이션한다. 부하 저항(506) 및 커패시터(502)의 시상수(time constant)는 정류기/커패시터 회로에서 발견된 시상수와 유사하도록 선택된다. 이 회로는 저 비용으로 고전력 정류기/커패시터 회로의 동작을 시뮬레이션한다. 커패시터(502)는, 시뮬 레이션된 부하처럼, 감지된 라인 전압(505)이 피크일 때 라인으로부터 충전된다. 광커플러(507)는, 라인 전압이 피크일 때의 충전 전류 펄스를 검출하고 제어 신호(515)를 활성화기(160)에 전송하기 위해 사용된다.

1/2 사이클(8.33 mS)보다 큰 출력 펄스를 갖는 리트리거가능 단안정 멀티-바이브레이터(retriggerable monostable multi-vibrator)(590)는, 광커플러(507)로부터의 제어 신호(515)에 의해 트리거된다. 충전 전류 펄스가 매 1/2 사이클마다 발생하는 한, 단안정 멀티-바이브레이터(590)는 트리거된 상태를 유지한다. 단안정 멀티-바이브레이터(590)의 출력은, 비제한적 예로서의 트랜지스터와 같은, 반도체 스위치(595)를 통해 계전기(555)를 닫기 위해 사용된다. 라인 전압이 지정된 한계치 내에 있는 동안, 비제한적 예로서의 NTC 서미스터, 트라이액, 및 저항과 같은, 전류 제한 디바이스(535)를 바이패스함으로써, 계전기(555)는 닫힌 상태로 유지되어, 전류 리미터(140)의 전원을 차단한다. 타이밍 기능 및 제어 기능은 마이크로프로세서 또는 마이크로컨트롤러에 의해 수행될 수 있다는 사실은 당업자에게 명백할 것이다. 이러한 구현은 전류 센서 없이 전류 서지 제한을 허용한다.

만일 감지된 전압(505)이 시뮬레이션된 DC 버스 전압 이하의 진폭으로 감소한다면, 충전 전류 펄스가 정지하여, 광커플러(507)가 제어 신호(515)로서의 트리거링 펄스를 전송하는 것을 멈추게 한다. 트리거링 펄스가 정지하면, 단안정 멀티-바이브레이터(590) 출력은 타이밍 주기의 끝에서 상태 변화하여, 스위치(595)가 선택가능한 지연 후에 계전기를 끄도록 한다. 그 다음, 이것은 전류 제한 디바이스(535)를 회로에 다시 삽입한다. 전압이 정상으로 되돌아오면, 전류 제한 디바이 스(535)는 부하(120)로의 쇄도 전류를 제한한다. AC 라인 전압이 정상으로 되돌아오면, 충전 전류 펄스는 다시 시작되고 단안정 멀티-바이브레이터(590)는 다시 한번 리트리거된다. 프리셋 시간 동안 대기한 후, 계전기(555)는 다시 한번 닫혀, 전류 리미터(140)의 전원을 차단하거나 그것을 바이패스한다.

도 6은 능동형 전류 서지 리미터를 위한 고속 검출 알고리즘(600)의 실시예를 도시한 순서도이다. 고속 검출 알고리즘(600)은, 상기 기술한 도 2 내지 도 5의 실시예들에서 도시된 바와 같이, 소프트웨어, 하드웨어 및/또는 개개의 콤포넌트들에서 구현될 수 있지만, 이들로만 한정되는 것은 아니다. 고속 검출 알고리즘(600)의 이러한 비제한적 실시예에서, 능동형 전류 서지 리미터(100)는, 접속된 부하(120)의 시동시에 전원 공급된다(610). 능동형 전류 서지 리미터(100)는 전원 상태를 감지하기 시작한다(620). 이 상태는 전압, 전류, 및 이들의 조합들을 포함할 수 있지만, 이들로만 한정되는 것은 아니다. 그 다음, 감지된 상태는 외란이 존재하는지를 판정하기 위해 평가된다(630). 만일 어떠한 외란도 존재하지 않는 것으로 판정되면, 능동형 전류 서지 리미터(100)는 계속해서 전원 상태를 감지하고(620) 평가한다(630). 만일 외란이 존재한다면, 전류 리미터(140)가 활성화된다(640).

일단 전류 리미터(140)가 활성화되면, 능동형 전류 서지 리미터(100)는 전원 상태를 감지하는 단계로 되돌아온다(650). 그 다음, 감지된 상태는, 외란의 종료 여부를 판정하기 위해 평가된다(660). 만일 외란이 여전히 존재하는 것으로 판정된다면, 능동형 전류 서지 리미터(100)는 계속하여 전원 상태를 감지하고(650) 평가한다(660). 만일 외란이 더 이상 존재하지 않는다면, 전류 리미터(140)는 비활성화 된다(670). 이 프로세스는, 능동형 전류 서지 리미터(100)와 그 부하(120)의 전원이 차단될 때까지 반복된다. 시스템 동작 및 보호를 최적화하기 위해, 상기 기술한 바와 같이, 적당한 시간 지연이 병합될 수 있다.

본 발명의 상기-기술된 실시예들은 다만 가능한 구현예일 뿐이고, 본 발명의 원리에 대한 명확한 이해를 위해 제시된 것이라는 사실이 강조되어야 한다. 단상 또는 다상 시스템에서의 사용을 위해 상기 기술한 실시예들에 많은 변형 및 수정이 행해질 수 있다. 예를 들어, 수동적 전류 제한의 능동성을 제공하기 위해 복수의 디바이스들이 전류 리미터에 포함될 수 있다. 또한, 전류 리미터의 외란 감지 및 활성화를 제공하기 위해 집적 회로 또는 개별 부품들을 이용하는 복수의 회로들이 구현될 수 있다. 또한, 전압 및 전류 한계치를 결정하기 위한 기타의 자동화된 방법들이 능동형 전류 서지 리미터들 내에 병합될 수 있다. 모든 이와 같은 수정 및 변형들이 본 발명의 범위 내에 포함되고 이하의 청구항들에 의해 보호되도록 의도되었다.

Claims

시스템이 있어서,

전원(power supply)과 부하(load) 사이에 접속되도록 구성된 인터페이스를 포함하는 전류 리미터(limiter);

상기 부하의 동작 중에 외란을 검출하기 위해 전원을 모니터링하도록 구성된 외란 센서(disturbance sensor); 및

상기 외란 센서로부터 제어 신호를 수신하고, 상기 제어 신호에 기초하여 전류 리미터를 활성화하도록 구성된 활성화기(activator)

를 포함하는 시스템.
제1항에 있어서, 상기 전원은 교류(AC) 전원인 것인, 시스템.
제1항에 있어서, 상기 외란이 프리셋 기간을 넘어 지속될 때, 부하의 전원을 차단하기 위해 회로 차단기가 시동되는 것인, 시스템.
제1항에 있어서, 상기 전류 리미터는, 저항, NTC 서미스터, 및 배리스터(varistor)로 구성된 그룹 중 적어도 하나를 포함하는 것인, 시스템.
제1항에 있어서, 상기 외란 센서는, 전압, 전류, 및 이들의 조합으로 구성된 그룹 중 적어도 하나를 모니터링하는 것인, 시스템.
제1항에 있어서, 상기 외란은 전압 새그(voltage sag)인 것인, 시스템.
제1항에 있어서, 상기 외란은 전압 새그의 검출에 후속되는 전류 서지(current surge)인 것인, 시스템.
제7항에 있어서, 상기 전류 한계치는 프리셋되는 것인, 시스템.
제7항에 있어서, 상기 전류 한계치는 상기 외란 센서에 의해 결정되는 것인 시스템.
제9항에 있어서, 상기 전류 한계치는 상기 부하의 시작 전류(starting current)에 기초하는 것인, 시스템.
제1항에 있어서, 상기 활성화기는 바이패스(bypass) 회로를 포함하는 것인 시스템.
제11항에 있어서, 상기 바이패스 회로는, 전기기계식 계전기(relay), 반도체 스위치, 트라이액(triac), 사이리스터(thyristor)로 구성된 그룹 중 적어도 하나를 포함하는 것인, 시스템.
제1항에 있어서, 상기 전류 리미터는 상기 외란이 검출되는 동안 활성화되는 것인, 시스템.
시스템에 있어서,

전원으로부터 부하에 공급되는 전류를 제한하기 위한 수단;

상기 부하의 동작 중에 전원 상의 외란을 감지하기 위한 수단; 및

외란이 감지되었을 때, 상기 부하로의 전류를 제한하기 위한 수단을 활성화하는 수단

을 포함하는 시스템.
제14항에 있어서, 상기 시스템은 외란이 프리셋 기간을 초과할 때 상기 부하의 전원을 차단하기 위한 수단을 더 포함하는 것인, 시스템.
방법에 있어서,

전원에 접속된 부하의 동작 중에 상기 전원의 상태를 모니터링하는 단계;

상기 전원의 상태가 허용 한계치 밖으로 벗어나는지를 판정하는 단계; 및

모니터링된 상태가 허용 한계치 밖으로 벗어날 때, 전류 제한 디바이스를 활성화하는 단계

를 포함하는 방법.
제16항에 있어서, 상기 모니터링된 상태는 전압, 전류, 및 이들의 조합을 포함하는 것인, 방법.
제16항에 있어서, 상기 허용 한계치는, 상기 부하의 동작 중에 상기 모니터링된 상태의 변화량(variation)에 기초하여 결정되는 것인, 방법.
제16항에 있어서, 상기 전류 제한 디바이스는, 상기 모니터링된 상태가 허용 한계치 내에 있을 때 비활성화되는 것인, 방법.
제16항에 있어서, 상기 전류 제한 디바이스는 프리셋 기간 후 비활성화되는 것인, 방법.