KR20090085009A

KR20090085009A - 자동탭 조정기능을 갖는 전기절감장치

Info

Publication number: KR20090085009A
Application number: KR1020090061094A
Authority: KR
Inventors: 추상우
Original assignee: 추상우
Priority date: 2009-07-06
Filing date: 2009-07-06
Publication date: 2009-08-06

Abstract

본 발명은 가정용전기절감장치에 관한 것으로 특히 부하측에 필요한 전압을 설정하면 입력전압이 변화하더라도 출력 전압을 일정하게 유지시키는 감압 기능과 정전압기능이 있는 자동탭 조정기능을 갖는 가정용 전가절감장치에 관한 것으로, 전원입력에 위상비교제어기(1)와 전압가변용 단권트랜스(2)와 전압 감압용 상호유도리액터(3)를 설치하되, 단권트랜스(2)에 다단탭을 설치하여 이에 상호유도리액터(3)를 스위치어레이(7)로 연결하고, 전원출력에 전압 및 전류비교기를 설치하고, 출력전압비교기(4)와 전류비교기(5)의 출력과 위상비교제어기(1)의 출력에 논리제어기(6)를 설치하여 논리제어기(6)에 의해 스위치어레이(7)를 작동시켜 단권트랜스(4)의 출력전압을 선택적으로 상호유도리액터(3)에 인가시키므로서, 부하측에 필요한 전압을 설정하면 입력전압이 변화하더라도 출력 전압을 일정하게 유지시키는 감안 기능을 가지는 정전압 제어 장치를 제공하여, 부하측에 가하여지는 전압보다는 10 내지 20％정도 감압된 전압으로도 충분히 또 효과적으로 그 기능을 다하는 전기 제품의 경우 감압된 전압을 안정적으로 공급할 수 있게 하므로서 절전의 기능을 수행할 수 있고,부하측 용량에 비해 1/10정도의 상당히 작은 단권트랜스 포머와 상호유도리액터만으로 대용량의 부하전력을 제어할 수 있고 입력전압변동에 대해 안정된 정전압기능을 발휘하거나 수동으로 출력전압을 가변시킬 수 있는 수단을 갖고 부하측의 사정에 따라서 자동으로 입력전원을 바이패스 시킬수 있고, 상기 기능들을 제어함에 있어서 제어손실을 최소화할 수 있는 리니어 전력제어장치와 구성방법 을 제공하기 위한 것으로써 전원입력에 병렬로 연결된 가변형 단권트랜스로 소전류전압을 상효유도리액터의 일차측에 인가하고, 상호유도리액터의 2차측전류코일 전압만큼 감압된 부하출력을 얻고 상기 2차측전류코일전압을 1차측 전압가변에 의해 가변시킬 수 있는 자동탭 조정기능을 갖는 전가절감장치에 관한 것이다

전기절감장치, 상호유도리엑터, 전압, 전류,

Description

자동탭 조정기능을 갖는 전기절감장치{omitted}

본 발명은 가정용전기절감장치에 관한 것으로 특히 부하측에 필요한 전압을 설정하면 입력 전압이 변화하더라도 출력 전압을 일정하게 유지시키는 감압 기능과 정전압기능이 있는 자동탭 조정기능을 갖는 전가절감장치에 관한 것이다.

식의 전압변환장치가 있고, 스위칭 반도체소자를 이용한 위상(phase)제어나 P.W.M제어에 의한 전력제어장치들이 있으나 일반트랜스방식의 전력제어장치는 부피와 중량이 너무 커서 실용성이 낮고, 전자회로에 의한 스위칭제어방식의 전력제어장치는 내구성, 신뢰성, 경제성이 좋지 않으며, 주변의 전기적 환경을 저해하는 E.M.I 발생들이 문제로 대두되어 왔다.

종래의 리니어 제어방식 중 특히 영국특허(GB2043971A)「정전압제어장치」는 1차측 코일 극성전환스위칭 방식에 의한 것으로서 섬세한 정전압제어가 불가능하고, 1차측 코일 전원을 끊고 1차측을 여자시키지 않을 경우 부하측에 직렬로 연결된 2차측코일은 모두 회로 저항으로 변하여 열손실로 인한 과열을 발생시킬 수 있다.

또한 1차측 코일회로 스위치를 닫고 폐회로화하여 2차측 코일을 통해 부하전 류를 흐르게 하면 1차측코일에 유도된 전류가 자체손실로 발열하게되고 전력손실이 커진다. 더욱이 이와 같은 제어방법으로는 스위칭 순간 역기전압이 발생하고 과도현상이 발생하여 부하가 전자제품(COMPUTER, AUDIO, T.V등)일 경우 부하측에 상당한 전자기적인 노이즈를 제공하게 되므로 모터나 히터와 같은 전기회로부하외의 다른 부하조건인 전자제품 등에 대해서는 사용상 제약이 따르게 되고 바이패스시 급격한 전력변화로 정전이 되는 경우가 있어 부하에 많은 영향을 끼치고 있다

이에 본 발명의 목적은 상술한 문제점을 해결함에 있어서 전원입력에 위상비교제어기(1)와 전압가변용 단권트랜스(2)와 전압 감압용 상호유도리액터(3)를 설치하되, 단권트랜스(2)에 다단탭을 설치하여 이에 상호유도리액터(3)를 스위치어레이(7)로 연결하고, 전원출력에 전압 및 전류비교기를 설치하고, 출력전압비교기(4)와 전류비교기(5)의 출력과 위상비교제어기(1)의 출력에 논리제어기(6)를 설치하여 논리제어기(6)에 의해 스위치어레이(7)를 작동시켜 단권트랜스(4)의 출력전압을 선택적으로 상호유도리액터(3)에 인가시키므로서, 부하측에 필요한 전압을 설정하면 입력전압이 변화하더라도 출력 전압을 일정하게 유지시키는 감안 기능을 가지는 정전압 제어 장치를 제공하여, 부하측에 가하여지는 전압보다는 10 내지 20％정도 감압된 전압으로도 충분히 또 효과적으로 그 기능을 다하는 전기 제품의 경우 감압된 전압을 안정적으로 공급할 수 있게 하므로서 절전의 기능을 수행할 수 있고,부하측 용량에 비해 1/10정도의 상당히 작은 단권트랜스 포머와 상호유도리액터만으로 대 용량의 부하전력을 제어할 수 있고 입력전압변동에 대해 안정된 정전압기능을 발휘하거나 수동으로 출력전압을 가변시킬 수 있는 자동탭 조정기능을 갖는 전가절감장치를 제공하기 위한 것이다

전원입력에 위상비교제어기(1)와 전압가변용 단권트랜스(2)와 전압 감압용 상호유도리액터(3)를 설치하되, 단권트랜스(2)에 다단탭을 설치하여 이에 상호유도리액터(3)를 스위치어레이(7)로 연결하고, 전원출력에 전압 및 전류비교기를 설치하고, 출력전압비교기(4)와 전류비교기(5)의 출력과 위상비교제어기(1)의 출력에 논리제어기(6)를 설치하여 논리제어기(6)에 의해 스위치어레이(7)를 작동시켜 단권트랜스(4)의 출력전압을 선택적으로 상호유도리액터(3)에 인가시키는 장치를 함

이와같은 본 발명은 리니어 트랜스 포머의 원리를 이용한 부하전력의 1/10정도의 소형 상호유도 리액터를 통해 에너지절약에 필요한 적정 전력을 공급할 수 있을 뿐만 아니라 이중 위상제어 또는 리니어전압제어를 통해 양질의 평균교류 전압을 제공할 수 있고, 스위칭 과도기의 노이즈와 충격 전류를 최소화할 수 있으며, 매우 작은 규격의 단권트랜스와 상호유도리액터와 같은 전자기 전력변환장치를 이용하여 일정한 감압전력을 부하에 공급할 수 있을뿐만 아니라 자동으로 출력전압 조정이 가능하여부하에 일정한 전압을 공급하므로서 부하기기의 안정성을 높일 수 있는 전기절감장치를 제공할 수 있을 것이다.

본 발명은 첨부된 도면 제1도에 도시된 바와 같이, 전원 입력에 위상비교제어기(1)와 전압 가변용 단권트랜스(2)와 전압 감압용 상호유도리액터(3)를 설치하고, 전원출력에 전압비교기(4)와 전류비교기(5)를 설치하며, 출력전압비교기(4) 및 전류비교기(5)와 위상비교제어기(1)의 출력에 논리제어기(6)를 설치하여, 논리제어기(6)에 의해 스위치어레이(7)를 작동시켜, 단권트랜스(2)를 거친 변형된 출력 전압을 선택적으로 상호유도리액터(3)에 인가시키므로서, 상호유도리액터(3)의 출력 전압을 조절할 수 있고,상호유도리액터(3)의 2차측 전류코일(32)은 권선이 시작하는 일측을 전원에 연결하고, 권선이 끝나는 다른 일측을 부하(8)와 직렬로 연결한다. 이것은 상호유도리액터(3)의 1차측 전압코일(31)과 2차측 전류코일(32)은 서로 동상으로 연결함을 뜻한다. 전압 가변수단은 이를 가변탭(41)으로 구성시킬 수도 있다.

이와같이 구성된 상호유도리액터(3)는 전류코일권선(32)이 전압코일(31)에 대해 동상으로 감겨있기 때문에 전원 전압의 10％정도를 감압해서 부하(8)측에 공급하고자 할 경우 출력전압(V₂) = 전원전압(Vs) - 전류코일전압(Vx)이므로 전류코일(32)전압(V_x)는 전원 전압(Vs)의 10％에 해당되는 코일을 권선 하기만하면 되고, 상호유도리액터(3)의 용량은, 부하에 흐르는 전류(I_L)×전류코일전압(Vx)으로 결정되므로, 부하(8)에 공급해야할 전력용량의 1/10정도로 족하게 된다. 즉, 전류코일전압(Vx)은 1차측 전압코일(31)의 권선(n)과 전류코일권선(n₂)의 비율 그리고 1차측 전압코일(31)의 전압에 의해 결정되므로 1차측전압코일(31)에 전압이 인가되면 입 력전원전압(Vs)은 전류코일전압(Vx)만큼 감쇄되어 부하(8)에 인가된다.

그러나 부하의 종류나 필요에 따라서 부하에 공급되는 전압을 가변시킬 필요가 있을 경우 2차측 전류코일권선(n₂)에 탭을 내서 조정하게되면 부하 전류량(IL)이 너무 커서 스위칭장치의 규격이 커지고 전류량(I_L)이 커질수록 더욱 곤란해진다. 그리고 1차측 전압코일권선(n₁)에 탭을 내어서 조정하면 전류량이 적으므로 스위칭장치의 실용성은 높아지지만 2차측전류코일전압(Vx)을 50％ 감소시키는데 1차측 전압코일(n₁)의 권선은 2배를 더 감아야하고, 다시 50％를 더 감소시키는데는 1차측전압코일(n₁)을 4배나 더 감아야 하므로 권선량이 너무 증대하게되고 2차전류코일(n₂)에 유도되는 전류량도 코일 권선비율에 비례하여 감소하므로 부하전류를 제어하지 못할 뿐만아니라 정상적인 상호유도리액터의 기능을 발휘하지 못한다. 또한 2차측 전류코일전압(Vx)을 증가시킬 경우 1차측전압코일(n₁)의 권선을 감소시켜야 하는데 이때는 1차측전압코일(n₁)에 전류가 크게 증가하고 효율도 떨어지며 자속포화상태가 일어나기쉽다. 이와 같은 종래의 제어방법 대신 본 발명에서는 대전류가 흐르는 2차측전류코일(32)을 부하(8)에직렬로 고정연결하고, 1차측전압코일(31)에 가변전압을 인가함으로써 2차측전류코일(32)의 전압(Vx)을 가변시킬수 있게하는 것이다. 즉 1차측전압코일(n₁)에는 2차측전류코일(n₂) 전류보다 매우작은 전류가 흐르므로 1차측전압코일(n₁)에 연결할 가변전압탭이 있는 단권트랜스(2)의 용량이 상호유도리액 터(3)와 마찬가지로 부하전류용량의 1/10정도면 되는 것이다.

그러므로 단권트랜스(2)의 연속 가변전압이나 몇 단계의 탭전압을 상호유도리액터(3)의 1차측 전압코일에 인가함으로써 그에 비례한 부하(8)전압을 제어할 수 있고 불연속적인 과도현상을 최소화할 수 있으며, 상호유도리액터(3)의 효율저하나 손실 그리고 과열을 최소화할 수 있는 것이다.

그리고 상호유도 리액터(3)의 2차측 전류코일(32)은 권선의 일측 시작점을 전원에 연결하고 권선이 끝나는 다른 일측을 부하(8)와 연결한다. 2차측 전류코일(32)의 굵기는 부하(8)의 정격전류를 충분히 흘릴수 있도록 설계하고, 2차측 전류코일(32)의 권선전압(Vx)은 입력 정격 전압의 20％ 이하로 한다. 상호유도 리액터(3)의 1차측에 결합하는 단권트랜스(2)의 전압가변 수단은 가변탭으로 구성시켜 단권트랜스(2)의 시작권선부터 중간까지 수개의 고정탭(S0,S1,S2,S3,Sn)을 만들고, 각각의 고정탭에 선택적으로 연결되는 스위치어레이(7)를 설치하고, 스위치어레이(7)의 공통 탭을 상호유도 리액터(3)의 1차측 전압코일(31)의 일측에 연결하고, 1차측 전압코일(31)의 다른 일측은 전원의 접지 공통라인에 연결하며, 단권트랜스(2)의 권선 끝 하단부(SD)에 별도의 독립된 스위치(71)를 연결하고 스위치(71)의 출력단자를 스위치어레이(7)의 공동단자에 연결하여 구성시키는 것이 바람직하다. 각 스위치는 릴레이 또는 트라이액 등과 같은 소자로 구성시킬 수 있다. 상호유도 리액터(3)의 2차측 전류 코일(32)은 부하(8)와 직렬로 연결한다.

출력전압(V2)=전원전압(Vs)-전류코일 전압(Vx)이므로, 상호유도리액터(3)의 이차전류코일(32)은 전원 전압(Vs)의 10％에 해당되는 코일을 1차 전압코일(7)에 대해 동상으로 감아 형성시키므로서, 전원 전압의 10％정도를 감압해서 부하(8)측에 공급하게 한다. 이와 같이, 전류코일(32)은 전원 전압(Vs)의 10％에 해당되는 코일을 권선하면 되고, 상호유도 리액터(3)의 용량은 부하(8)의 전류(IL) X 전류코일(32)의 전압(Vx)으로 결정되므로, 상호유도리액터(3)의 용량은 부하(8) 용량의 1/10 정도의 소형으로 충분하다. 이차전류코일(32)의 전압(Vx)은 1차측 전압코일(31)의 권선과 이차전류코일(32)의 권선의 비율, 그리고 1차측 전압코일(31)의 전압에 의해 결정되므로, 일차측 전압코일(31)에 인가되는 전압에 따라 입력전원 전압(Vs)은 전류코일 전압(Vx) 만큼 감소되어 부하(8)에 공급되고, 따라서, Vx X IL만큼의 전력을 감소시킬수 있다.

전원에 병렬로 연결한 위상비교 제어기(1)의 출력을 OR 논리제어기(6)의 일측에 연결하고, 부하(8)측의 전류를 비교하는 출력 전류비교기(5)의 출력을 OR 논리제어기(6)의 다른 일측에 연결한다. OR 논리제어기(6)의 출력을 스위치(71)의 제어입력(S)에 연결하고, 또 스위치 어레이(7)를 모두 OFF시키는 제어입력(C)에 연결한다. 한편 부하측에 공급되는 출력전압(V2)을 비교하는 출력전압 비교기(4)를 상호유도 리액터(3) 출력과 병렬로 연결하고, 출력 전압 비교기(4)의 출력을 스위치어레이(7)의 스위치선택제어입력(S)에 연결한다. 또한 위상비교 제어기(1)의 입력에는 위상 비교 기준 전압을 설명할 수 있는 가변저항이 연결되어 있다.

그리하여, 전원이 인가되면 위상비교 제어기(1)는 기준전압(CV)에 의해 비교된 신호를 H 또는 L상태로 출력한다. 이 신호는, OR 논리제어기(6)를 통해, 위상비교 제어기(1)의 기준 전압보다 낮은 입력 전압에서는 바이패스 스위치(71)가 ON되 고 스위치어레이(7)는 모두 OFF되어 입력전원이 출력에 직결되며, 한편 위상비교 제어기(1)의 기준전압보다 높은 입력 전압에서는 바이패스 스위치(71)가 OFF되고 스위치 어레이(7)는 어느 하나가 ON된 상태가 되어 상호유도 리액터(3)의 1차측 코일(31)이 여자되고 일정전압(Vx)이 감압된 출력전압(V2)이 부하에 공급된다.

이와같은 위상비교 제어기(1)의 작동과 기준전압(CV)에 의해 제2-b도와 같은 교류의 위상 제어 출력파형을 얻을 수 있다. 이러한 위상제어 출력의 평균 전압은 바이패스직결(D) ON시간과 감안절전(S) 시간의 비율로 조절된다. 또한 입력전압(Vs)이 출력 전압비교기(4)에 의해 설정된 기준전압보다 올라가면 출력전압 비교기(4)의 출력신호에 의해 스위치 어레이(7)의 스위치 연결탭이 상향 선택되어 상호유도 리액터(3)의 2차 전류코일 전압(Vx)를 높여 출력전압을 일정하게 한다. 이와같은 선형제어 출력 파형을 제2-a도에 도시하였다.

또한 상호유도 리액터(3)의 1차측 전압코일(31)의 권선시작점이 단권트랜스(2)의 상단측(21)에 연결되면 2차측 전류코일(8)의 전압(Vx)는 최대가 되고 절전량도 최대가 된다. 단권트랜스(2)의 중간탭(예컨대 S3)에 상호유도리액터(3)의 1차측 전압콩리(31)이 연결되어, 상호유도리액터(3)의 1차측 전압(V1)이 감소되면 2차측 전류코일(32)의 전압(Vx)도 감소되고 절전량도 감소된다. 따라서 입력전압(Vs)가 높아지면 중간탭(S3)은 전압이 높은(21)쪽으로 연결하여 출력전압(V2)을 일정하게 유지시킬 수 있다. 또한 모터기동이나, 방전램프 등을 점등시킬때에 있어서와 같이, 부하측에 높은 전압을 공급할 필요가 있을 경우에는, 1차측 전압코일(31)의 권선시작점을 단권트랜스(2)의 다른 하단측(22)에 연결하여 상호유도리액터(3)의 1차 코일이 단락회로를 구성하게 하므로서, 상호유도 리액터(3)의 자속이 상쇄되고 2차측의 전류코일(32)이 도체로 변하게 하여 대전류를 흘릴 수 있게 하여 별도의 바이패스 스위치를 사용하지 않고서도 부하(8)에 입력전원을 직접 공급할 수 있게 된다. 즉, 상호유도 리액터(3)의 2차측 전류코일(32)의 양단에 별도의 대용량 전류스위치를 연결하지 않아도 되며 1차측코일(31)의 선형전압 가변이나 탭절환 스위칭을 하여도 단권트랜스(2)의 병렬회로에 의해 폐회로가 형성되므로 고압 써지와 같은 과도기 형상을 최소화 할 수 있다.

한편 입력전압(Vs)이 내려가면 단권트랜스(2)의 권선 상단측(21)쪽의 중간탭을 향해 이동시키므로서 전압 하강을 보상시키고, 나아가 입력전압이 출력전압 비교기(4)에 설정된 일정 기준 전압 이하로 내려가면 중간탭이 권선 상단측(21)에 연결되어 전압코일(31)과 전류코일(32)이 병렬로 연결되고 자속이 상쇄되어 부하(8)에 전원전압을 100％ 공급할 수 있게 한다.

이와 같은 본 발명의 기본 원리와 구성에 의해 자동전압조정기능(정전압)을 상세히 설명한다.

전원(100)과 병렬로 단권트랜스(2)를 연결하고, 전압가변수단으로서 단권트랜스의 중간에 수개의 선택적 고정탭을 만들고, 각각의 고정탭에 스위치(S₁∼S_n)을 각각 직렬로 인결하고, 스위치의 다른 일측들을 공통으로하여 상호유도리액터(3)의 1차측전압코일(31)의 일측에 연결하고, 1차측전압코일(31)의 다른 일측은 전원접지공통라인(44)에 연결한다. 각 스위치는 릴레이 또는 트라이액 등과 같은 소자를 사 용할 수 있으며, 각 스위치의 제어입력들을 전압레벨선택기(43)의 출력단(0∼n)에 연결한다. 전압레벨선택기(43)는 D/A변환장치를 내장하고 있고 출력전압비교기(4)로 부터 입력되는 전압비교신호레벨에 따라 각 스위치단(0∼n)을 선택한다. 그리하여 단권트랜스(2)에 설치한 수개의 고정탭을 선택이 가능한 선택적 고정탭으로 구성시킨다.

도 1은 본 발명에 따른 전력제어장치의 구성도

도 2 -a는 본 발명의 전력제어 출력 파형 설명도로써 제2-a도는 선형제어 출력 파형도이고

도 2-b는 위상제어 출력 파형도임.

＜도면의 주요부분에 대한 설명＞

1 : 위상비교 제어기 2 : 단권트랜스 8 : 부하 21 : 상단측 22 : 하단측 3 : 상호유도리액터 31 : 전압코일 32 : 전류코일 4 : 전압 비교기 41:전압가변탭 42: 입력전압비교검출기 43: 전압레벨선택기 5 : 전류비교기 6 : 논리제어기 7 : 스위치어레이 71 : 스위치 100: 전원

Claims

전원입력에 위상비교제어기(1)와 전압가변용 단권트랜스(2)와 전압 감압용 상호유도 리액터(3)를 설치하되, 단권트랜스(2)에 다단탭을 설치하여 이에 상호유도리액터(3)를 스위치어레이(7)로 연결하고, 전원출력에 전압 및 전류비교기를 설치하고, 출력전압비교기(4)의 출력은 스위치어레이 콘트롤 입력(S)에 연결하고, 전류비교기(5)의 출력과 위상비교제어기(1)의 출력에 논리제어기(6)를 설치하여 논리제어기(6)에 의해 스위치어레이(7)를 작동시켜 단권트랜스(2)의 출력 전압을 선택적으로 상호유도리액터(3)에 인가시키며,단권트랜스(2)의 권선 상단측(21)과 하단측(22) 사이에 설치한 다수개의 탭을 스위치어레이(7) 또는 스위치(71)를 통하여 상호유도 리액터(3)의 1차측 권선의 시작탭에 연결하고, 상호유도 리액터(3)의 2차 권선을 전원(100)과 부하(8)사이에 직렬로 연결하고, 논리제어기(6)의 출력을 스위치(71)의 제어입력(S)과 스위치어레이(7)의 해제입력에(C) 연결하고, 출력전압비교기(4)의 출력을 스위치어레이(7)의 제어입력(S)에 연결하고,출력전압비교기(4)의 입력을 부하 출력과 병렬로 연결하고 출력전압비교기(4)의 출력을 전압레벨선택기(43)의 A/D입력에 연결 된 것을 특징으로 하는 자동탭 조정기능을 갖는 전가절감장치