KR20090033296A - 지능형 정전 감지 회로를 이용한 오프라인 무정전전원공급장치 및 방법 - Google Patents

지능형 정전 감지 회로를 이용한 오프라인 무정전전원공급장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 지능형 정전 감지 회로를 이용하는 오프라인 방식의 무정전 전원공급장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 무정전 전원공급장치는 교류 입력전원과 출력 부하의 사이에 배치되고, a) 상기 교류 입력전원으로부터의 잉여의 에너지를 저장하는 에너지 저장소자와, b) 상기 교류 입력전원으로부터 잉여의 에너지를 직류 에너지로 전환하여 상기 에너지 저장소자로에 저장하는 충전 회로부와, c) 상기 에너지 저장소자에 저장된 직류 에너지를 교류 에너지로 변환하여 상기 출력 부하로 제공하는 방전 회로부와, d) 정상적 작동조건에서 상기 교류 입력전원으로부터의 교류 에너지를 출력 부하에 직송하고, 교류 입력전원의 장애 시에, 상기 에너지 저장소자에 저장된 직류 에너지를, 상기 방전 회로부를 통해, 상기 출력 부하로 공급하도록 절환하는 동기절체 스위치부와, e) 상기 교류 입력전원의 장애 시에, 상기 동기절체 스위치부를 상기 교류 입력전원으로부터 상기 에너지 저장소자로 절환하도록 명령하는 제어신호를 생성하는 제어부와, f) 상기 교류 입력전원의 장애를 감지하는 정전 감지 회로부를 포함하여 이루어지되, 상기 정전 감지 회로부는 i) 상기 교류 입력전원으로부터의 입력 교류 파형을 분석하고 이를 디지털화하는 입력파형 분석회로와, ii) 데이터의 저장을 위한 메모리를 포함하는 기억저장회로와, iii) 정전감지영역의 재설정을 위해, 주기적 또는 사용자의 요청에 의해, 상기 교류 입력전원으로부터 실제로 입력되는 파형을 샘플링하도록 상기 입력파형 분석회로에 명령하는 제어모듈과, iv) 상기 입력파형 분석회로로부터 샘플링 에 의해 얻어진 디지털 데이터에 기초하여 정전감지 영역을 설정하는 정전감지영역 설정회로와, v) 상기 정전감지 영역과, 상기 입력파형 분석회로로부터 실시간으로 얻어지는 교류 입력전원의 입력파형 데이터를 비교하여, 상기 교류 입력전원의 장애를 감지하고, 이를 상기 제어부에 전달하는 정전감지회로를 포함하여 이루어진다. 상기 오프라인 방식의 무정전 전원공급장치는 정전 감지 회로의 정밀도 및 안정성을 현저히 향상시켜 오동작을 최소화시키고 정전감지의 신뢰성을 향상시킨다.

Description

지능형 정전 감지 회로를 이용한 오프라인 무정전 전원공급장치 및 방법{OFF LINE MODE UNINTERRUPTIBLE POWER SUPPLY WITH INTELLIGENT INTERRUPTION SENSING CIRCUIT AND METHOD THEREOF}
도 1은 종래의 온라인 방식의 무정전 전원공급장치의 개락적인 구성도.
도 2는 오프라인 방식의 무정전 전원공급장치의 개략적인 구성도.
도 3은 종래의 오프라인 방식의 무정전 전원공급장치의 구체적 구성도.
도 4는 종래의 오프라인 방식의 무정전 전원공급장치에 따른 정전 감지 회로의 원리를 설명하기 위한 그래프.
도 5는 종래의 오프라인 방식에 따른 정전 감지 회로의 오동작을 설명하기 위한 그래프.
도 6은 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 오프라인 방식의 무정전 전원공급장치 구성도.
도 7은 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 정전 감지 회로의 원리를 설명하기 위한 그래프.
도 8은 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 정전 감지 회로의 정밀도를 설명하기 위한 그래프.
도 9는 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 정전 감지 회로의 정밀도를 설명 하기 위한 그래프.
도 10은 본 발명의 보다 바람직한 구현예에 따른 오프라인 방식의 무정전 전원공급장치의 구성도.
도 11은 본 발명의 보다 바람직한 구현예에 따른 정전 감지 회로의 안정성을 설명하기 위한 그래프: (A) 실시예 1 (B) 실시예 2
도 12는 시험예 1에 따른 순간 정전시 무정전 전원공급장치의 출력 전압 특성을 보여주는 그래프: (A) 실시예 1, (B) 실시예 2
본 발명은 무정전 전원공급장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 지능형 정전 감지 회로를 구비한 오프라인 무정전 전원공급장치에 관한 것이다. 본 발명은 또한 오프라인 무정전 전원공급장치에 사용되는 정전감지방법에 관한 것이다.
무정전 전원공급장치란 정전이나 순간적인 전력의 불안정시 생산 설비 장비에 안정적인 전력을 공급하는 장치로서, 잉여의 에너지를 저장하는 에너지 저장소자와, 상기 에너지 저장소자로의 충전을 제어하는 충전 회로부와, 상기 에너지 저장소자의 방전을 제어하는 방전 회로부와, 이들을 제어하는 제어회로로 구성된다. 상기 무정전 전원공급장치는 평상시 여분의 전기에너지를 에너지 저장소자에 저장하였다가, 정전 혹은 순간적인 전력의 불안정시, 상기 에너지 저장소자에 저장된 전기 에너지를 출력 부하에 전력을 공급한다.
현재 무정전 전원공급장치의 종류로는 온라인(On-line) 방식과 오프라인(Off-line) 방식을 들 수 있다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 온라인 방식의 무정전 전원공급장치(21)는 AC/DC 정류부(211), AC/DC 충전부(212), DC/AC 인버터부(213), 동기절체 스위치부(214), 에너지 저장소자(215) 및 제어부(216)로 구성된다. 상기 온라인 무정전 전원공급장치(21)에서, 정상적 작동조건에서, 교류 입력전원(11)으로부터의 교류 에너지는 AC/DC 정류부(211)를 통해 직류 에너지로 변환되고, DC/AC 인버터부(213)에 의해 다시 교류 에너지로 변환된 후, 동기절체 스위치(214)를 통해 출력 부하(31)로 공급된다. AC/DC 정류부(211)로부터의 잉여의 직류 에너지는, 상기 AC/DC 충전부(211)를 통해 에너지 저장소자(215)에 공급된다. 정전 또는 교류 입력전원에서의 이상이 발생한 경우, 상기 에너지 저장소자(215)에 저장된 여분의 전기 에너지가 DC/AC 인버터부(213)로 공급되고, 이곳에서 교류 에너지로 변환되고 출력 부하(31)로 공급된다. 한편 상기 제어부(216)는 DC/AC 인버터부(213)의 고장 감시, 출력 부하의 출력 전력 정보, 입력 전력 정보를 수집 및 분석하여 온라인 시스템의 정상적인 구동이 불가능할 때 동기절체 스위치(214)를 작동시켜 입력교류전원(11)을 출력 부하(31)에 직접적으로 연결하는 기능을 수행한다. 온라인 방식의 무정전 전원공급장치는, 정상적 작동조건에서 입력 교류 전원(11)으로부터의 교류 에너지가 DC/AC 인버터부(213)를 통해 공급되므로, 정전압 및 정주파수 특성을 지닌 양질의 교류 에너지를 출력 부하에 공급할 수 있다는 장점을 갖는다. 또한, 상기 온라인 방식의 무정전 전원공급장치는, 정전발생시 에너지 저장소자(215)에 저장된 직류 에너지가 DC/AC 인버터부(213)에 전기적 연속성을 가지고 출력 부하(31) 에 제공되므로, 전력 공백이 없는 무순단 특성을 가진 정전 보상 성능을 구현한다는 장점을 갖는다. 그러나, 온라인 방식의 무정전 전원공급장치는 구동 원리상 AC/DC 정류부(211)와 DC/AC 인버터부(213)를 연속적으로 사용하기 때문에, 열화에 대비한 충분한 허용 용량의 설계가 필수적으로 요구된다. 그리고, 온라인 방식의 무정전 전원공급장치는, 후술할 오프라인 방식의 무정전 전원공급장치 보다, 부피가 크고 중량이 무거우며 고가이다.
한편, 도 2에 나타낸 바와 같이, 오프라인 방식의 무정전 전원공급장치(22)는 충전 회로부(221), 에너지 저장소자(222), 방전 회로부(223), 동기절체 스위치부(224), 제어부(225) 및 정전 감지 회로부(226)로 구성된다. 상기 충전 회로부(221)는 AC/DC 컨버터를 포함하고, 상기 방전 회로부(223)는 DC/AC 인버터를 포함한다. 정상적 작동조건에서, 상기 오프라인 방식의 무정전 전원공급장치(22)는 입력 교류 전원(12)으로부터의 교류 에너지를 동기절체 스위치부를 통해 출력 부하(32)에 직송으로 제공하고, 이와 동시에, 잉여의 교류 에너지는 상기 충전 회로부(221)에 의해 직류 에너지로 변환되고 에너지 저장소자(224)에 공급된다. 상기 에너지 저장소자(222)는 충전 회로부(221)에서 제공된 직류 전원을 저장하여 여분의 전기에너지를 축적한다. 입력 교류 전원(12)의 중단 또는 불안정한 상황이 발생하면, 상기 정전 감지 회로부(226)는 이를 감지하여 제어부(225)에 제공하며, 상기 제어부(225)는 동기절체 스위치부(224)를 구동시켜 출력 부하(32)에 제공되는 전원을 입력 교류 전원(12)에서 에너지 저장소자(222)로 절환하고, 상기 방전 회로부(223)는 상기 에너지 저장소자(222)로부터 공급되는 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 출력 부하에 공급한다. 오프라인 방식의 장점은 평상시 교류 입력전원으로부터의 교류 에너지가 직송으로 출력 부하에 공급되므로 AC/DC 컨버터 및 DC/AC 인버터의 사용을 최소화할 수 있기 때문에, 열화 가능성이 감소한다. 또한, 시스템의 부피 및 중량이 적어지고, 가격이 저렴하다는 장점을 지닌다. 그러나 오프라인 방식은 구동 원리상 정전 감지 후 제어 신호에 따라 출력 부하에 전원이 공급되는 관계로 정전 반응 시간(동기절체 시간)이 존재하고, 이것은 다소 지연된 전력 공급을 유발할 수 있다. 또한 정전 감지 회로부에 오류가 발생될 경우 시스템의 오동작이 발생될 우려가 있다. 특히, 산업용 전원 같이 정상적인 사인파가 아닌 왜곡된 입력 교류 파형에서는, 정전 감지의 우수한 정밀도를 확보하지 않을 경우, 오동작이 빈번하게 발생되어 신뢰성에 심각한 문제점을 가진다.
본 발명은 종래의 오프라인 무정전 전원공급장치의 문제점을 해결하기 위한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 왜곡된 입력 교류 파형에서 초래되는 정전 감지오류를 최소화하고, 향상된 신뢰성을 갖는 무정전 전원공급장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 교류 입력전원과 출력 부하의 사이에 배치되고, a) 상기 교류 입력전원으로부터의 잉여의 에너지를 저장하는 에너지 저장소자와, b) 상기 교류 입력전원으로부터 잉여의 에너지를 직류 에너지로 전환하여 상기 에너지 저장소자로에 저장하는 충전 회로부와, c) 상기 에너지 저장소자에 저장된 직류 에너지를 교류 에너지로 변환하여 상기 출력 부하로 제공하는 방전 회 로부와, d) 정상적 작동조건에서 상기 교류 입력전원으로부터의 교류 에너지를 출력 부하에 직송하고, 교류 입력전원의 장애시에, 상기 에너지 저장소자에 저장된 직류 에너지를, 상기 방전 회로부를 통해, 상기 출력 부하로 공급하도록 절환하는 동기절체 스위치부와, e) 상기 교류 입력전원의 장애시에, 상기 동기절체 스위치부를 상기 교류 입력전원으로부터 상기 에너지 저장소자로 절환하도록 명령하는 제어신호를 생성하는 제어부와, f) 상기 교류 입력전원의 장애를 감지하는 정전 감지 회로부를 포함하여 이루어지되, 상기 정전 감지 회로부는 i) 상기 교류 입력전원으로부터의 입력 교류 파형을 분석하고 이를 디지털화하는 입력파형 분석회로와, ii) 데이터의 저장을 위한 메모리를 포함하는 기억저장회로와, iii) 정전감지영역의 재설정을 위해, 주기적 또는 사용자의 요청에 의해, 상기 교류 입력전원으로부터 실제로 입력되는 파형을 샘플링하도록 상기 입력파형 분석회로에 명령하는 제어모듈과, iv) 상기 입력파형 분석회로로부터 샘플링에 의해 얻어진 디지털 데이터에 기초하여 정전감지 영역을 설정하는 정전감지영역 설정회로와, v) 상기 정전감지 영역과, 상기 입력파형 분석회로로부터 실시간으로 얻어지는 교류 입력전원의 입력파형 데이터를 비교하여, 상기 교류 입력전원의 장애를 감지하고, 이를 상기 제어부에 전달하는 정전감지회로를 포함하여 이루어진, 오프라인 무정전 전원공급장치가 제공된다.
본 발명의 보다 바람직한 구현예에 따르면, 상기 정전 감지 회로부는 입력파형 분석회로로부터 얻어진 입력 파형에 대한 디지털 데이터를 절대치로 변환하는 교류전원 실효치 분석회로를 추가로 포함하는, 무정전 전원공급장치가 제공된다.
본 발명의 다른 바람직한 구현예에 따르면, a) 교류 입력전원으로부터 교류 에너지가 정상적 작동조건인지 비정상적 작동조건인지의 여부를 정전감지 회로부를 통해 감지하는 단계, b) 단계 a)에서의 판단결과, 교류 입력전원으로부터 교류 에너지가 정상적 작동조건인 경우, 상기 교류 입력전원으로부터의 교류 에너지를 동기절체 스위치부를 통해 출력 부하에 직송하고, 잉여의 교류 에너지를 충전회로부를 통해 에너지 저장소자에 저장하는 단계, c) 단계 a)에서의 판단결과, 교류 입력전원으로부터 교류 에너지가 정상적 작동조건인 경우, 상기 에너지 저장소자에 저장된 직류 에너지를, 상기 방전 회로부를 통해, 상기 출력 부하로 공급하는 단계를 포함하여 이루어지되, 여기서, 상기 단계 a)가 a-1) 교류 입력전원으로부터의 입력 교류 파형을 분석하고 이를 디지털화하는 단계, a-2) 상기 입력 교류 파형을 주기적으로 샘플링하고, 샘플링된 입력 교류 파형에 기초하여 정전감지영역을 주기적으로 재설정하고 이를 메모리를 포함하는 기억저장회로에 저장하는 단계, a-3) 교류 입력전원으로부터 교류 에너지가 정상적 작동조건인지 비정상적 작동조건인지의 여부를 확인하기 위해, 상기 메모리에 저장된 정전감지영역과 상기 교류 입력전원의 실시간 입력 교류 파형을 비교하는 단계를 포함하여 이루어진, 무정전 전원공급장치의 정전감지방법이 제공된다.
본 발명의 무정전 전원공급장치 및 방법에 따르면, 입력교류 파형을 디지털화하여 저장하고, 저장된 데이터를 바탕으로 정전 감지 영역을 설정하고, 이를 주기적으로 반복하여 정전감지 영역을 재설정하여 정전을 감시한다. 이것은 다양한 종류의 교류 입력 파형 및 시간에 따른 교류 파형의 변화에도 대응되는 우수한 정 밀도를 제공한다. 더 나아가, 교류 전압 실효치 분석 회로를 포함하여 정전감지회로부를 구성할 경우, 입력 교류 전원의 전압 변동에 대응되는 우수한 안정성을 가진 정전 감지 영역의 설정이 가능하였다.
이하, 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
종래 기술에서 언급한 바와 같이, 종래의 오프라인 방식의 무정전 전원공급장치는 입력 파형 왜곡이 심한 산업용 전원에서는 정전 감지 회로의 정밀도 한계로 인해 오동작이 빈번히 발생하는 문제점을 지닌다. 도 3은 종래의 오프라인 방식의 정전 감지 회로에서 초래되는 문제점을 구체적으로 예시한다. 도 3에 제시되어 있듯이, 종래 기술에 따른 정전 감지 영역의 설정은 통상적으로 입력파형 분석회로(2261)와 정전 분석 회로(2262)로 구성되어 있다. 상기 입력파형 분석회로(2261)는 입력 전원에서 제공되는 교류 파형을 분석하여 시간에 따른 교류 파형의 특성을 디지털화하여 입력 전원 상태를 정전 분석 회로(2262)에 제공하며, 상기 정전 분석 회로(2262)는 입력파형 분석회로(2261)에서 제공된 교류 파형의 데이터를 바탕으로 내부에 미리 설정된 정전 감지 영역과 비교하여 정전 유무를 감시한다. 만일 제공된 입력 파형의 데이터가 정전 감지 영역에 도달할 경우, 정전 발생 신호를 제어부에 송출하게 된다. 제어부의 제어하에, 에너지 저장소자에 저장된 에너지에 의한 전원 백업이 유도된다. 이러한 파형 분석 및 신호 처리 과정을 도 4에 나타내었다. 도 4(A)에 제시되어 있는 바와 같이, 입력 파형에서 얻어진 데이터(●)가 미리 설정된 정전 감지 영역(○로 표시됨)을 충족시킬 경우, 정상적 교류 입력으로 인식한 다. 이에 반해, 입력 파형에서 얻어진 데이터(●)가 미리 설정된 정전 감지 영역(○로 표시됨)을 충족시키지 못할 경우, 정전 감지에 의해 전원 백업이 개시된다. 그러나, 정전 감지 영역을 내부적으로 미리 설정할 경우 입력 교류 파형과의 일치성이 떨어져서 다양한 교류 입력전원에 대한 정밀한 분석이 어려워진다. 예를 들면, 도 5에 도시된 바와 같이, 입력 교류전원의 왜곡이 발생한 경우, 정상적 작동 조건임에도 불구하고 정전이 감지된다. 따라서, 미리 설정된 정전 감지 영역은 다양한 입력 파형의 형태와 시간에 따른 파형의 변화에 능동적으로 대처하지 못하고, 정전 감지에 대한 오동작을 야기한다.
본 발명자들은 오프라인 방식의 무정전 전원공급장치에 있어서 정전 감지 회로를 구성하는데 있어 메모리를 이용하여 입력 교류 파형의 특성을 디지털화하여 저장하고, 저장된 데이터를 바탕으로 정전 감지 영역을 설정하고, 이를 주기적으로 반복하여 정전 감지 영역을 재설정하여 정전을 감시할 경우 다양한 종류의 교류 입력 파형 및 시간에 따른 교류 파형의 변화에도 대응되는 우수한 정밀도를 얻을 수 있었고, 또한 교류 전압 실효치 분석 회로를 포함하여 정전 감지 회로를 구성할 경우 입력 교류 전원의 전압 변동에 대응되는 우수한 안정성을 가진 정전 감지 영역의 설정이 가능함을 발견하였다.
도 6은 본 발명에 따른 오프라인 방식의 무정전 전원공급장치의 바람직한 구현예를 보여주는 블록도이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 오프라인 무정전 전원공급장치(10)는 교류 입력전원(20)과 출력 부하(30)의 사이에 배치되며, 에너지 저장소자(110)와, 충전 회로부(120)와, 방전 회로부(130)와, 동기절체 스위치부(140)와, 제어부(150)와, 정전 감지 회로부(160)를 포함하여 이루어진다.
상기 에너지 저장소자(102)와, 충전 회로부(101)와, 방전 회로부(103)와, 동기절체 스위치부(104)와, 제어부(105)는 종래의 오프라인 무정전 전원공급장치에서의 역할과 동일하다.
구체적으로, 상기 에너지 저장소자(110)는 상기 교류 입력전원(20)의 잉여의 에너지를 저장한다. 에너지 저장소자(110)의 예로는, 리튬이차전지, 납축전지, 연축전지, 니켈 수소 전지, 전기 화학 캐패시터 및 이들의 둘 이상의 조합을 들 수 있다.
상기 에너지 저장소자(110)로의 잉여 에너지의 저장은 충전 회로부(120)에 의해 제어되며, 상기 충전 회로부(120)는 교류 입력전원(20)으로부터 잉여의 교류 에너지를 직류 에너지로 전환하기 위해, AC/DC 컨버터를 포함하여 이루어진다. 추가적으로, 정류 등의 과정이 수행될 수 있다.
상기 에너지 저장소자(110)에 저장된 직류 에너지는 상기 방전 회로부(130)에 의해 교류 에너지로 변환되고, 출력 부하(30)에 전달된다. 이를 위해, 상기 방전 회로부(130)는 DC/AC 인버터를 포함하여 이루어진다. 추가적으로, 통상의 업컨버팅 등의 과정이 추가로 수행될 수 있다.
정상적 작동조건에서, 상기 교류 입력전원(20)으로부터의 교류 에너지는 상기 동기절체 스위치부(140)를 통해 출력 부하(30)에 직송된다. 그리고, 상기 교류 입력전원(20)으로부터의 잉여의 에너지는, 상기 충전 회로부(120)에 의해, 에너지 저장소자(110)에 저장된다. 교류 입력전원(20)의 장애시에, 동기절체 스위치 부(140)는 상기 에너지 저장소자(110)에 저장된 직류 에너지를 출력 부하(30)로 공급하도록 절환된다. 이러한 절환의 제어는 상기 제어부(150)에 의해 수행되고, 정전 감지를 위해 정전 감지 회로부(160)가 구비된다.
본 발명에 따르면, 상기 정전 감지 회로부(160)는 i) 상기 교류 입력전원으로부터의 입력 파형을 디지털화하는 입력파형 분석회로(161)와, ii) 데이터의 저장을 위한 메모리를 포함하는 기억저장회로(162)와, iii) 정전감지영역의 재설정을 위해, 주기적 또는 사용자의 요청에 의해, 상기 교류 입력전원으로부터 실제로 입력되는 파형을 샘플링하도록 상기 입력파형 분석회로에 명령하는 제어모듈(163)과, iv) 상기 샘플링에 의해 얻어진 입력파형 분석회로로부터의 디지털 데이터에 기초하여 정전감지 데이터를 설정하는 정전감지영역 설정회로(164)과, v) 상기 정전감지 데이터와 상기 입력파형 분석회로로부터 얻어진 교류 입력전원으로부터의 입력파형 데이터를 비교하여, 상기 교류 입력전원의 장애를 감지하고, 이를 상기 제어부에 전달하는 정전감지회로(165)를 포함하여 이루어진다.
본 발명에 따른 가장 중요한 특징들 중 하나는 정전 감지영역의 설정이 입력파형에 기초하여 설정되고, 이러한 설정은 주기적으로 반복될 수 있다는 것이다. 예를 들면, 정전 감지 영역은 하루에 한번씩, 또는 일주일에 한번씩 주기적으로 재설정될 수 있다. 필요할 경우, 사용자의 요청에 의해 재설정될 수 있다. 이 때, 정전 감지 영역의 설정은 교류 입력전원(20)으로부터 실제적으로 입력되는 입력 파형에 기초하여 재설정된다. 이것을 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
우선, 입력파형 분석회로(161)는 상기 교류 입력전원(20)으로부터의 입력 파 형을 검출하고 이를 디지털화한다. 본 발명에 따르면, 정전감지영역의 주기적 재설정을 위해, 상기 제어모듈(163)은, 지정된 시간에 또는 사용자의 요청에 대한 응답으로, 상기 교류 입력전원(20)으로부터 실제로 입력되는 파형을 샘플링하도록 상기 입력파형 분석회로(161)에 명령한다. 상기 제어모듈(163)은 제어부(150)에 통합되어 운영될 수 있다. 상기 제어모듈(163)의 명령에 의해, 입력파형 분석회로(161)는 상기 교류 입력전원(20)으로부터의 입력 교류 파형에 대한 디지털 데이터를 샘플링하고, 이를 상기 메모리를 포함하는 기억저장회로(162)에 저장한다. 입력파형 분석회로(161)로부터 샘플링에 의해 얻어진 디지털 데이터에 기초하여 정전감지 영역이 설정된다. 이것은 정전감지영역 설정회로(164)에 의해 수행된다. 그 후, 상기 입력파형 분석회로(161)로부터 얻어지는 교류 입력전원(20)으로부터의 입력 파형은 정전감지 영역과 비교되고, 이것에 의해 상기 교류 입력전원(20)의 장애가 감지된다. 정전감지는 정전감지회로(165)에 의해 수행된다. 정전감지 신호는 제어부(150)에 전달되고, 상기 제어부(150)의 제어 하에, 상기 동기절체 스위치부(140)는 상기 에너지 저장소자(110)로부터 방전되는 에너지를 이용하도록 절환된다. 이 때, 정전감지 영역의 설정은 주기적으로 반복해서 수행된다. 필요할 경우, 사용자의 요청에 의해, 정전감지 영역의 설정이 추가로 수행될 수 있다. 이를 위해, 제어모듈(163)은, 상기 정전감지 영역의 설정을 위한 입력 교류 파형의 샘플링하도록 명령하는 제어신호를 주기적으로 생성하도록 프로그램된다. 예를 들면, 매일 오전 06:00에 제어신호가 생성되고, 입력 교류 파형의 샘플링이 수행될 수 있다. 상기 제어모듈(163)은, 사용자의 요청이 있을 경우, 추가적으로 제어신호를 생성하도록 프로그 램될 수 있다.
입력 교류 전원이 정상일 경우 정전 감지 회로부(160)는 상기 입력파형 분석회로(161)로부터 샘플링된 입력 교류 파형을 분석하여 디지털화하여 메모리를 포함하는 기억저장회로(162)에 주기성을 가지고 반복적으로 저장한다. 상기 메모리를 포함하는 기억저장회로(162)에 저장된 데이터에 기초하여, 상기 정전감지영역 설정회로(164)는 저장된 데이터를 바탕으로 정전 감지 영역을 설정하고, 상기 정전감지회로(165)는 입력파형 분석회로(161)에서 실시간으로 제공되는 입력교류 파형의 디지털 데이터를 상기 정전감지 영역과 비교하여 입력 교류전원(20)을 감시한다. 만일 입력 교류전원(20)이 장애가 발생한 경우, 상기 정전감지회로(165)는 정전감지영역 설정회로(164)에서 제공된 데이터를 기준으로 하여 입력파형 분석회로(161)에서 제공되는 데이터를 실시간으로 비교하여 정전을 감지하고, 이를 제어부(150)에 전달하게 된다.
본 발명에 따른 정전 감지 회로의 구동 원리는 다양한 입력 파형에 대해 정밀도를 향상시키는 효과를 얻을 수 있는데, 이것을 도 7 및 도 8에 나타내었다. 도 7 및 도 8에 나타나 있듯이, 본 발명에 따른 정전감지 회로부(160)는 실제 교류 입력 파형에서 얻은 데이터를 바탕으로 하여 정전 감지 영역을 설정하기 때문에 왜곡된 형태를 가진 입력 파형에 대해서도 정전 감지 영역의 파형 일치성을 확보할 수 있고, 이는 종래 정전감지 회로부의 문제점인 파형 일치성을 해결하는 것으로, 정전 감지 영역에 대한 우수한 정밀성을 확보할 수 있다는 것을 의미한다.
또한 본 발명에 따른 정전감지 회로부(160)는 시간에 따른 교류 입력 파형의 변화에도 우수한 정밀도를 유지할 수 있는 특성을 확보할 수 있고, 이를 도 9에 나타내었다. 도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 정전 감지 회로는 주기성을 가지고 반복적으로 입력 전원에 대한 분석 및 저장이 이루어지기 때문에 시간에 따른 입력 파형 변화에 대해 정전 감지 영역 회로의 반복적인 재설정이 가능하고, 이는 교류 입력 파형 변화에 대해 자동적으로 정전 감지 영역의 유연성과 내성을 확보한다는 의미이다.
본 발명의 보다 바람직한 오프라인 방식의 무정전 전원공급장치에 따르면, 상기 정전 감지 회로부(160)는 입력파형 분석회로(161)로부터 샘플링된 입력 교류 파형의 디지털 데이터를 절대치 값으로 정량화하는 교류 전압 실효치 분석 회로를 추가로 포함한다. 도 10은 교류 전압 실효치 분석 회로(166)를 추가적으로 포함하는 본 발명의 보다 바람직한 구현예에 따른 오프라인 방식의 무정전 전원공급장치를 보여주는 블록도이다. 상기한 구성은 입력파형 분석회로(161)에서 제공된 입력 교류 파형의 디지털 데이터를 절대치 값으로 정량화하여 메모리를 포함하는 기억저장회로(162)에 저장한다. 상기한 구성은 정전 감지 영역 설정 시 입력 전압 변동에 대한 정밀도를 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 정전 반응 시간을 향상시키는 효과를 제공한다.
도 11은 본 발명의 보다 바람직한 구현예에 따른 교류 전압 변화에 따른 정전 감지 영역의 안정도 효과를 나타내는 그래프이다. 도 11(A)에서 도시된 바와 같이, 교류 전압 실효치 분석 회로를 활용할 경우 입력파형 분석회로에서 제공된 데이터를 절대치로의 변환이 가능하여 일정한 값을 가진 정전 영역 설정이 가능하 게 되어 입력 교류 전압이 변동되어도 일정한 값을 유지하는 특성을 나타낸다. 반면 도 11(B)에서 도시된 바와 같이, 입력파형 분석회로에서 제공된 데이터만을 활용할 경우 정전 감지 영역 설정이 상대치 값으로 설정되게 되어 입력 전압 변동에 대해 정전 감지 영역이 이동하는 특성을 나타낸다. 이것은, 교류 전압 실효치 분석 회로(166)를 포함하여 입력 교류 파형을 분석 및 저장을 수행할 경우, 교류 입력 전압 변화에 대한 정전 감지 영역의 안정도를 확보할 수 있다는 것을 의미한다.
이하, 실시예를 들어 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하지만 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
실시예 1
상기 도 6에 도시된 오프라인 방식의 무정전 전원공급장치를 구성하였다. 충전 회로부로서, 변압기, 브릿지 다이오드, FET(field effect transistor), 정류 캐패시터 등의 조합으로 구성하였으며, 방전 회로부로서, 최소 구동 전압이 약 167V인 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 반도체 소자, 교류 캐패시터, 변압기 등의 조합으로 구성하였다. 동기절체 스위치부는 릴레이와 SCR(Semiconductor Controlled Rectifier)의 조합으로 구성하였다. 에너지 저장 소자는 납축전지를 사용하였고, 충전 전압은 216V로 설정하였다. 한편 정전감지 회로부로서, 트랜스, A/D 컨버터(Analog/Digital converter), Op-AMP의 조합으로 입력파형 분석회로를 구현하고, 메모리로서 RAM(Random Access Memory)를 사용하였고, 제어부, 제어모듈, 정전 감지영역 설정회로 및 정전감지 회로는 중앙처리장치(CPU)와 소프트웨어적 조합으로 구현하였다. 정전감지 영역설정의 경우, 설정된 정전 감지 영역을 기 준으로 입력 전압의 주파수 특성을 활용하여 1일에 한번씩 주기적으로 정전 감지 영역을 재설정하도록 프로그램을 설계하고, 이와 더불어 사용자에 의한 외부제어 신호를 통해 제어가 가능하도록 프로그램하였다. 또한, 정전감지모듈의 경우 설정된 정전감지영역과 실시간으로 입력되는 입력파형 분석과의 비교를 통해 정전 여부를 판단하도록 프로그램을 설계하였다.
실시예 2
도 12에 도시된 바와 같은 오프라인 무정전 전원공급장치를 구성하였다. 정전감지 회로부 내에 RMS 검출 소자로 구성된 교류 전압 실효치 분석 회로를 추가하는 것을 제외하고는, 모든 회로 구성을 실시예 1과 동일하게 하였다.
시험예 1: 오프라인 방식의 무정전 전원공급장치의 정전 시험
상기 실시예 1과 2에 따른 오프라인 무정전 전원공급장치의 정전시 전원 공급 특성을 비교하기 위해, 입력 교류 전원으로 단상 208V, 60Hz와 출력 부하로써 정격 전력 5KW, 18Ω 저항을 사용하였고, 정전감지영역은 정격 전압의 10% 전압으로 설정되었으며, 입력 교류 전원으로부터의 전력 공급이 중단될 때, 실시예 1과 2에 따른 오프라인 무정전 전원공급장치의 출력 전압 특성을 측정하였고, 그 결과를 도 12에 나타내었다.
도 12는 입력 교류 전원의 전압 변동을 보여주는 그래프로서, 순간정전 또는 장시간 정전이 임의로 유발되었다. 도 12에서 알 수 있듯이, 실시예 1과 2의 오프라인 무정전 전원공급장치는 순간 정전에 의해 입력 교류 전원으로 부터의 전력 공급이 중단되더라도, 출력 부하에 안정적인 전원을 공급하였다. 이것은 본 발명에서 제공하는 오프라인 무정전 전원공급장치가, 입력 전원의 불안정시에도 출력 부하를 정상적으로 동작시키는데 필요한 전원을 안정적으로 공급할 수 있음을 의미한다.
시험예 2: 오프라인 무정전 전원공급장치의 입력 전압 변동 시험
상기 실시예 1과 2에 따른 오프라인 무정전 전원공급장치의 입력 전압 변동 시 정전 출력 특성을 살펴보기 위해, 입력 교류 전원으로 가변 변압기를 사용하여 단상 60Hz 전원에 대해 167∼228V로 변화시켰으며, 출력 부하로써 정격 전력 5KW, 18Ω 저항을 사용하였고, 정전 감지 영역은 입력 전압의 208V를 기준으로 10% 전압으로 설정되었으며, 입력 교류 전원으로부터의 전력 공급이 중단은 자체 제작한 정전 발생 장치를 이용하여 정격 전압의 50%를 감소시키고 입력 교류 파형이 최대치 일 때 발생시켜, 실시예 1과 2에 따른 오프라인 무정전 전원공급장치의 출력 특성을 측정하였고, 그 결과를 표 1에 나타내었다.
표 1에서 알 수 있듯이, 입력 전압 변동에 대해 실시예 1과 2의 오프라인 무정전 전원공급장치는 정전 감지 전압에서 서로 다른 특성을 나타내며, 교류 실효치 분석 회로를 장착하지 않은 실시예 1의 경우 정전 감지 전압이 정격 입력 교류 전압 대비해서 정전 감지 전압이 변동되는 것을 알 수 있다. 하지만 교류 실효치 분석 회로를 장착한 실시예 2의 경우 정격 입력 교류 전압 변동에 무관하게 일정한 정전 감지 전압 특성을 나타낸다. 이러한 결과는 본 발명의 보다 바람직한 구현예에서 제공하는 무정전 전원공급장치가, 보다 안정적인 정전 감지 영역을 구현할 수 있음을 의미한다.
Figure 112007070333951-PAT00001
상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 오프라인 방식의 무정전 전원공급장치는 다음의 효과를 제공한다.
(1) 정전 감지 영역의 정밀도를 향상시켜 정전 감지의 오동작을 최소화한다.
(2) 정전 감지 영역 설정의 주기성을 부여하여 교류 입력 파형 변화에 대한 유연성이 확보하여 시간 변화에 따른 정전 감지의 오동작을 최소화 한다.
(3) 교류 전압 실효치 분석 회로를 통해 정전 감지 영역의 안정성을 확보하여 입력 교류 전압의 변경에도 오동작을 최소화한다.

Claims (5)

  1. 교류 입력전원과 출력 부하의 사이에 배치된 오프라인 무정전 전원공급장치에 있어서, 상기 장치가,
    a) 상기 교류 입력전원으로부터의 잉여의 에너지를 저장하는 에너지 저장소자와,
    b) 상기 교류 입력전원으로부터 잉여의 에너지를 직류 에너지로 전환하여 상기 에너지 저장소자로에 저장하는 충전 회로부와,
    c) 상기 에너지 저장소자에 저장된 직류 에너지를 교류 에너지로 변환하여 상기 출력 부하로 제공하는 방전 회로부와,
    d) 정상적 작동조건에서 상기 교류 입력전원으로부터의 교류 에너지를 출력 부하에 직송하고, 교류 입력전원의 장애시에, 상기 에너지 저장소자에 저장된 직류 에너지를, 상기 방전 회로부를 통해, 상기 출력 부하로 공급하도록 절환하는 동기절체 스위치부와,
    e) 상기 교류 입력전원의 장애시에, 상기 동기절체 스위치부를 상기 교류 입력전원으로부터 상기 에너지 저장소자로 절환하도록 명령하는 제어신호를 생성하는 제어부와,
    f) 상기 교류 입력전원의 장애를 감지하는 정전 감지 회로부를 포함하여 이루어지되, 상기 정전 감지 회로부는 i) 상기 교류 입력전원으로부터의 입력 교류 파형을 분석하고 이를 디지털화하는 입력파형 분석회로와, ii) 데이터의 저장을 위 한 메모리를 포함하는 기억저장회로와, iii) 정전감지영역의 재설정을 위해, 주기적 또는 사용자의 요청에 의해, 상기 교류 입력전원으로부터 실제로 입력되는 파형을 샘플링하도록 상기 입력파형 분석회로에 명령하는 제어모듈과, iv) 상기 입력파형 분석회로로부터 샘플링에 의해 얻어진 디지털 데이터에 기초하여 정전감지 영역을 설정하는 정전감지영역 설정회로과, v) 상기 정전감지 영역과, 상기 입력파형 분석회로로부터 실시간으로 얻어지는 교류 입력전원의 입력파형 데이터를 비교하여, 상기 교류 입력전원의 장애를 감지하고, 이를 상기 제어부에 전달하는 정전감지회로을 포함하여 이루어지는, 지능형 정전 감지 회로를 이용한 오프라인 무정전 전원공급장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 정전 감지 회로부는 입력파형 분석회로로부터 얻어진 입력 파형에 대한 디지털 데이터를 절대치로 변환하는 교류전원 실효치 분석회로를 추가로 포함하는, 지능형 정전 감지 회로를 이용한 오프라인 무정전 전원공급장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 메모리는 RAM(Random Access Memory)인, 지능형 정전 감지 회로를 이용한 오프라인 무정전 전원공급장치.
  4. a) 교류 입력전원으로부터 교류 에너지가 정상적 작동조건인지 비정상적 작동조건인지의 여부를 정전감지 회로부를 통해 감지하는 단계,
    b) 단계 a)에서의 판단결과, 교류 입력전원으로부터 교류 에너지가 정상적 작동조건인 경우, 상기 교류 입력전원으로부터의 교류 에너지를 동기절체 스위치부를 통해 출력 부하에 직송하고, 잉여의 교류 에너지를 충전회로부를 통해 에너지 저장소자에 저장하는 단계,
    b) 단계 a)에서의 판단결과, 교류 입력전원으로부터 교류 에너지가 정상적 작동조건인 경우, 상기 에너지 저장소자에 저장된 직류 에너지를, 상기 방전 회로부를 통해, 상기 출력 부하로 공급하는 단계를 포함하여 이루어지되,
    여기서, 상기 단계 a)가 a-1) 교류 입력전원으로부터의 입력 교류 파형을 분석하고 이를 디지털화하는 단계, a-2) 상기 입력 교류 파형을 주기적으로 샘플링하고, 샘플링된 입력 교류 파형에 기초하여 정전감지영역을 주기적으로 재설정하고 이를 메모리를 포함하는 기억저장회로에 저장하는 단계, a-3) 교류 입력전원으로부터 교류 에너지가 정상적 작동조건인지 비정상적 작동조건인지의 여부를 확인하기 위해, 상기 메모리에 저장된 정전감지영역과 상기 교류 입력전원의 실시간 입력 교류 파형을 비교하는 단계를 포함하여 이루어진, 오프라인 방식의 무정전 전원공급장치의 정전감지방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 a-2) 단계에서, 상기 샘플링된 입력 교류 파형을 절대치로 변환하는 단계를 추가적으로 포함하는, 오프라인 방식의 무정전 전원공급장치의 정전감지방법.
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