KR20080077453A

KR20080077453A - 3상 전원의 상 불균형 방지회로

Info

Publication number: KR20080077453A
Application number: KR1020070017003A
Authority: KR
Inventors: 성시풍
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2007-02-20
Filing date: 2007-02-20
Publication date: 2008-08-25
Also published as: CN101252270B; CN101252270A; JP2008206384A; KR101116681B1

Abstract

본 발명은 3상 전원의 상 불균형 방지회로에 관한 것으로, 3상 전원을 이용하여 단상 부하를 구동하는 경우, N상과 어느 한 상으로부터만 전력을 공급받지 않고 R, S, T 3상이 순차적으로 전력을 공급하도록 하여 상 불균형 문제를 해결할 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.

이를 위해 본 발명은, 3상 전원의 각 상의 제로 크로스를 감지하는 제로 크로스 감지부; 감지된 각 상의 제로 크로스 포인트 시점을 기준으로 각 상에 전력의 공급 및 차단을 제어하는 전력제어용 계전기; 및 상기 각 상의 제로 크로스 신호를 입력받아 상기 전력제어용 계전기의 스위칭 동작을 제어하는 제어부;를 포함한다.

Description

3상 전원의 상 불균형 방지회로{A prevention circuit imbalance of phase in three phase power supply}

도 1은 일반적인 3상 4선식 전원의 각 상간 전압을 나타낸 도면,

도 2는 도 1의 3상 4선식 전원을 이용한 시스템 에어컨의 예를 도시한 구성도,

도 3은 도 1의 3상 4선식 전원을 이용하여 단상 부하를 구동하는 경우 발생하는 상 불균형 전류 파형도,

도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 3상 전원의 상 불균형 방지 회로도,

도 5는 본 발명의 제로 크로스 감지부를 통과한 신호 출력 파형도,

도 6은 본 발명의 제로 크로스 신호에 따른 전력제어용 계전기의 제어 타이밍도,

도 7은 본 발명의 단상 부하에 공급되는 최종 전류 파형도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10,12,14 : 제로 크로스 감지부 10a,12a,14a : 포토 커플러

20 : 단상 부하 30,32,34 : 전력제어용 계전기

40 : 제어부

본 발명은 3상 전원을 이용하여 단상 부하를 구동하는 경우 발생하는 상 불균형을 방지하는 3상 전원의 상 불균형 방지회로에 관한 것이다.

최근, 아날로그와 디지털 기술의 비약적인 발전에 따라 첨단기능이 구비된 전기제품이 각 가정과 업무현장에 급속하게 보급되고 있다.

이러한 전기제품의 증가는 전력의 사용을 증가시키는데, 특히 학교나 회사, 그리고 병원과 같이 분리된 공간이 다수 개 존재하는 대형 건물에서 널리 사용되고 있는 시스템 에어컨의 경우 하나 또는 하나 이상의 실외기에 다양한 형태와 용량을 갖는 복수의 실내기를 연결하므로 전력소비량이 크다.

이러한 시스템 에어컨과 같이 전력소비량이 큰 전기제품의 전력 공급을 위해서 3상 전원을 이용하는데, 이는 단상 전원에 비해 3상 전원의 맥동이 적고 더 많은 전력을 공급할 수 있기 때문이다.

3상 전원은 진폭과 주파수가 같은 3개의 정현파 전류가 각각 120°의 위상차를 가지고 3상(R, S, T)에 흐르는 것으로, 3상(R, S, T)의 각 중간 지점을 모아놓은 N상이 접지선이 되는 3상 4선식 결선방식을 도 1에 도시한 바와 같이, 일반적으로 사용하고 있다.

도 1에 도시한 3상 4선식 전원의 경우, 접지선(N상)을 제외한 R-S, S-T, T-R 상간의 전압은 380V이고, 접지선(N상)을 기준으로 R, S, T 3상 중 한 상과 N상 사이 즉, N-R, N-S, N-T 상간의 전압은 220V를 공급하며, 부하도 단상과 3상 부하에 공용으로 사용할 수 있는 결선방식이다.

이러한 3상 4선식 전원을 전기제품(구체적으로, 시스템 에어컨의 실외기)에 연결하여 사용 시 도 2에 도시한 바와 같이, R, S, T 3상은 압축기(1)를 구동하기 위한 전력을 공급하고, N상과 R, S, T 3상 중 한 상은 단상 팬 모터(3)를 구동하기 위한 전력을 공급한다.

이때, R, S, T, N상에 각각 흐르는 전류는

S = T= Ic (압축기 구동전류)

N = If (팬 모터 구동전류)

R = If + Ic (팬 모터 구동전류 + 압축기 구동전류)가 되어 S, T상보다 R상에 많은 전류가 흐르게 된다.

이와 같이, 3상 전원을 이용하여 단상 부하(구체적으로, 팬 모터)를 구동하는 경우 각 상에 흐르는 전류의 파형이 도 3에 도시한 바와 같이, 왜곡되어 각 상에 불균형 전력이 공급되고, 상 불균형이 발생하면 동일 전류를 소모하더라도 균형시보다 소비전력이 더 크게 된다.

예를 들어, 아래의 2가지 경우에 발생하는 전력 손실을 비교해 보자.

①번 회로는 R, S, T 각 상의 전류가 25A, 50A, 75A로 상 불균형이 발생한 경우의 3상 전류 합이 150A라고 가정하고, ②번 회로는 R, S, T 각 상의 전류가 50A로 상 불균형이 발생하지 않은 경우의 3상 전류 합이 150A라고 가정했을 때, 전체 총 사용전류는 같지만 전력 손실(PL=I² ×R)은 다르게 된다.

①, ②번 회로에서 전선의 굵기가 같다면 전선의 저항(R)은 동일하므로, ①번 회로의 전력 손실(PL1)은 PL1=25²+50²+75²=8750[W]이고, ②번 회로의 전력 손실(PL2)은 PL2=50²+50²+50²=7500[W]로 상 불균형의 경우 전력 손실이 약 16% 더 발생함을 알 수 있다.

또한, 압축기(1)나 팬 모터(3) 등 3상 부하를 사용하는 시스템에서 상 불균형이 생기면 3상 회전 자계가 불평형이 되어 소음 또는 베어링 마모의 원인이 된다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 3상 전원을 이용하여 단상 부하를 구동하는 경우, N상과 어느 한 상으로부터만 전력을 공급받지 않고 R, S, T 3상이 순차적으로 전력을 공급하도록 하여 상 불균형 문제를 해결할 수 있는 3상 전원의 상 불균형 방지회로를 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 3상 전원의 각 상의 제로 크로스를 감지하는 제로 크로스 감지부; 감지된 각 상의 제로 크로스 포인트 시점을 기준으로 각 상에 전력의 공급 및 차단을 제어하는 전력제어용 계전기; 및 상기 각 상의 제로 크로스 신호를 입력받아 상기 전력제어용 계전기의 스위칭 동작을 제어하는 제어부;를 포함한다.

또한, 상기 3상 전원은 3상 4선식 380V 전원인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 3상 전원의 상 불균형 방지회로는 3상 4선식 전원에 3상 및 단상 부하를 연결하여 구동하는 시스템에 마련된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제로 크로스 감지부는 상기 3상 전원의 R, S, T 각 상의 제로 크로스를 감지하기 위해 3개의 제로 크로스 감지회로를 포함한다.

또한, 상기 제로 크로스 감지회로는 R, S, T 각 상에 애노드 단자가 연결되고 캐소드 단자가 N상에 연결되어 상기 R, S, T 각 상에 흐르는 전류에 따라 동작하는 발광 다이오드와, 상기 발광 다이오드의 동작에 따라 온/오프되어 상기 제어부에 각 상의 제로 크로스 신호를 입력하는 포토 트랜지스터로 구성된 포토 커플러를 포함한다.

또한, 상기 전력제어용 계전기는 상기 3개의 제로 크로스 감지회로에서 감지된 각 상의 제로 크로스 포인트 시점을 기준으로 R, S, T 각 상의 전력을 단상 부하에 공급 및 차단하는 3개의 SSR을 포함한다.

또한, 상기 3개의 SSR은 상기 각 상의 제로 크로스 포인트 시점에서 순차적으로 온/오프되어 상기 단상 부하에 R, S, T 각 상의 전력을 순차적으로 공급하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제어부는 상기 3개의 제로 크로스 감지회로에서 감지된 각 상의 제로 크로스 신호에 따라 R, S, T 각 상의 전력을 상기 단상 부하에 순차적으로 공급하도록 상기 3개의 SSR을 순차적으로 온/오프 제어하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 일실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 3상 전원의 상 불균형 방지 회로도로서, R, S, T 3상의 제로 크로스를 각각 감지하는 3개의 제로 크로스 감지부(10,12,14)와, 상기 3개의 제로 크로스 감지부(10,12,14)에서 감지된 각 상의 제로 크로스 포인트 시점을 기준으로 R, S, T 각 상의 전력을 단상 부하(20)에 공급 및 차단하는 3개의 전력제어용 계전기(30,32,34)와, 상기 3개의 제로 크로스 감지부(10,12,14)에서 감지된 각 상의 제로 크로스 신호를 입력받아 상기 3개의 전력제어용 계전기(30,32,34)를 순차적으로 온/오프시키기 위한 제어부(40)를 포함하여 구성된다.

상기 제1 내지 제3제로 크로스 감지부(10,12,14)는 R, S, T 각 상의 제로 크로스 포인트 시점을 감지하기 위한 포토 커플러(10a,12a,14a)와, 전류제한저항(R1,R2),(R3,R4),(R5,R6) 및 풀업저항(R7),(R8),(R9)으로 구성되어 있다.

상기 포토 커플러(10a,12a,14a)는 전류제한저항(R1,R2), (R3,R4), (R5,R6)을 매개로 애노드 단자가 R, S, T 각 상에 각각 연결되고, 캐소드 단자가 N상에 각각 연결되어 발광하는 발광 다이오드(10b,12b,14b)와, 상기 발광 다이오드(10b,12b,14b)의 동작에 따라 온/오프되어 제어부(40)의 R, S, T상 입력포트(P1,P2,P3)에 각 상의 제로 크로스 포인트 시점(영전위점)을 입력하는 포토 트랜지스터(10c,12c,14c)로 구성되어 있다.

상기 전력제어용 계전기(30,32,34)는 각 상의 제로 크로스 포인트 시점을 기준으로 순차적으로 온/오프 동작하는 SSR(Solid State Relay)로, 상기 제어부(40)의 R, S, T상 출력포트(O1,O2,O3)에서 각 상의 제로 크로스 포인트 시점을 기준으로 순차적으로 출력되는 각 상의 전력공급신호를 입력받아 상기 단상 부하(20)에 R, S, T상 전원이 순차적으로 공급 또는 차단되도록 제어한다.

또한, 상기 전력제어용 계전기(30,32,34)에는 정전원(Vcc;5V)과 연결되는 풀업저항(R10),(R11),(R12)이 접속되어 있다.

상기 제어부(40)는 상기 3개의 제로 크로스 감지부(10,12,14)에서 감지된 각 상의 제로 크로스 신호를 입력받아 상기 단상 부하(20)에 R, S, T 각 상의 전력을 순차적으로 공급하는 마이컴으로써, 각 상의 제로 크로스 포인트 시점을 기준으로 상기 3개의 전력제어용 계전기(30,32,34)를 순차적으로 온/오프시키도록 상기 전력제어용 계전기(30,32,34)에 전력공급신호를 출력한다.

이하, 상기와 같이 구성된 3상 전원의 상 불균형 방지회로의 동작과정 및 작용효과를 설명한다.

초기에 R, S, T 각 상에 연결된 전력제어용 계전기(30,32,34)는 오프상태에 있어 R, S, T 각 상에는 전류가 공급되지 않는다. 동시에 각 상에 연결된 3개의 제로 크로스 감지부(10,12,14)에는 120ㅀ의 위상차를 갖는 정현파가 입력된다.

이때, 각 상에 입력된 정현파가 상기 3개의 제로 크로스 감지부(10,12,14)를 통과하면, 상기 제로 크로스 감지부(10,12,14)에서는 각 상에 입력되는 정현파의 전류성분을 전류제한저항(R1,R2),(R3,R4),(R5,R6)을 통해 제한하여 포토 커플러(10a,12a,14a)의 발광 다이오드(10b,12b,14b)에 인가한다.

상기 발광 다이오드(10b,12b,14b)에 전류가 인가되면, 발광 다이오드(10b,12b,14b)는 빛을 방사하고, 방사된 빛은 포토 트랜지스터(10c,12c,14c)를 턴온시켜 포토 트랜지스터(10c,12c,14c)의 컬렉터 단자에서 에미터 단자로 전류가 흐르게 된다. 상기 포토 트랜지스터(10c,12c,14c)가 턴온되면 각 포토 트랜지스 터(10c,12c,14c)의 컬렉터 단자들은 그라운드와 연결되므로 전압이 0V(즉, 로우 레벨)가 되어 제어부(40)의 R, S, T상 입력포트(P1,P2,P3)에는 로우 레벨의 신호가 입력된다.

반대로, 상기 발광 다이오드(10b,12b,14b)에 전류가 인가되지 않으면 발광 다이오드(10b,12b,14b)는 빛을 방사하지 않고, 포토 트랜지스터(10c,12c,14c)는 턴오프 상태를 유지하므로 포토 트랜지스터(10c,12c,14c)의 컬렉터 단자는 정전원(Vcc)과 연결되므로 전압이 5V(즉, 하이 레벨)가 되어 제어부(40)의 R, S, T상 입력포트(P1,P2,P3)에는 하이 레벨의 신호가 입력된다.

이러한 동작을 통해 제로 크로스 감지부(10,12,14)에서는 도 5에 도시한 제로 크로스 신호 파형과 같은 출력을 얻게 되는데, 이 제로 크로스 신호를 제어부(40)의 R, S, T상 입력포트(P1,P2,P3)에서 입력받아 도 6에 도시한 순서대로 각 상에 연결된 전력제어용 계전기(30.32.34)에 전력공급신호를 순차적으로 출력하여 전력제어용 계전기(30.32.34)를 순차적으로 온/오프시킨다.

상기 전력제어용 계전기(30,32,34)가 순차적으로 온/오프되면, R, S, T 3상이 교대로 돌아가면서 전력을 공급하게 되어 단상 부하(20)에 상 불균형이 없는 전력을 공급함으로써 상기 단상 부하(20)에는 최종적으로 도 7에 도시한 바와 같이, 상 불균형이 없는 전류가 공급되어 종래 N상과 어느 특정 한 상으로부터만 전력을 공급받아 단상 부하(20)를 구동할 경우 발생하는 상 불균형의 문제를 해결하여 부가적인 소비전력의 증가를 억제할 수 있으면서도 제품의 신뢰성 향상을 도모할 수 있게 된다.

상기의 설명에서와 같이, 본 발명의 3상 전원의 상 불균형 방지회로에 의하면, 3상 4선식 380V 전원에 단상 220V 부하를 연결하여 구동하는 경우, N상과 어느 한 상으로부터 고정되어 전력을 공급받지 않고 R, S, T 3상이 순차적으로 전력을 공급하도록 하여 상 불균형 문제를 해결할 수 있다는 효과가 있다.

Claims

3상 전원의 각 상의 제로 크로스를 감지하는 제로 크로스 감지부;

감지된 각 상의 제로 크로스 포인트 시점을 기준으로 각 상에 전력의 공급 및 차단을 제어하는 전력제어용 계전기; 및

상기 각 상의 제로 크로스 신호를 입력받아 상기 전력제어용 계전기의 스위칭 동작을 제어하는 제어부;를

포함하는 3상 전원의 상 불균형 방지회로.
제 1항에 있어서,

상기 3상 전원은 3상 4선식 380V 전원인 것을 특징으로 하는 3상 전원의 상 불균형 방지회로.
제 1항에 있어서,

상기 3상 전원의 상 불균형 방지회로는 3상 4선식 전원에 3상 및 단상 부하를 연결하여 구동하는 시스템에 마련된 것을 특징으로 하는 3상 전원의 상 불균형 방지회로.
제 1항에 있어서,

상기 제로 크로스 감지부는 상기 3상 전원의 R, S, T 각 상의 제로 크로스를 감지하기 위해 3개의 제로 크로스 감지회로를 포함하는 3상 전원의 상 불균형 방지회로.
제 4항에 있어서,

상기 제로 크로스 감지회로는 R, S, T 각 상에 애노드 단자가 연결되고 캐소드 단자가 N상에 연결되어 상기 R, S, T 각 상에 흐르는 전류에 따라 동작하는 발광 다이오드와, 상기 발광 다이오드의 동작에 따라 온/오프되어 상기 제어부에 각 상의 제로 크로스 신호를 입력하는 포토 트랜지스터로 구성된 포토 커플러를 포함하는 3상 전원의 상 불균형 방지회로.
제 4항에 있어서,

상기 전력제어용 계전기는 상기 3개의 제로 크로스 감지회로에서 감지된 각 상의 제로 크로스 포인트 시점을 기준으로 R, S, T 각 상의 전력을 단상 부하에 공급 및 차단하는 3개의 SSR을 포함하는 3상 전원의 상 불균형 방지회로.
제 6항에 있어서,

상기 3개의 SSR은 상기 각 상의 제로 크로스 포인트 시점에서 순차적으로 온/오프되어 상기 단상 부하에 R, S, T 각 상의 전력을 순차적으로 공급하는 것을 특징으로 하는 3상 전원의 상 불균형 방지회로.
제 6항에 있어서,

상기 제어부는 상기 3개의 제로 크로스 감지회로에서 감지된 각 상의 제로 크로스 신호에 따라 R, S, T 각 상의 전력을 상기 단상 부하에 순차적으로 공급하도록 상기 3개의 SSR을 순차적으로 온/오프 제어하는 것을 특징으로 하는 3상 전원의 상 불균형 방지회로.