KR20110004389U - 고속 절체형 무정전 인버터 장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 고속 절체형 무정전 인버터 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 전원 교란을 차단하여 부하를 보호하기 위해 구성된 무정전 인버터 장치에 있어서, 전원이 정상일 때는 인버터가 정지된 상태에서 절체스위치 1을 통해 상용전원을 직접 공급하여 전력손실 없이 정상 운전하고, 입력 전원에 교란이 발생되면 초고속으로 인버터가 기동되고 절체스위 치2를 통해 인버터 출력전원으로 절체되며, 전원 이상 발생 순간부터 4msec 이내에 초고속 절체되어 부하 장비에 안정한 전원을 공급하도록 하여, 저렴한 가격으로 운전 손실이 거의 없이 정밀 부하를 전원 교란으로부터 보호할 수 있는 무정전 전원장치를 제공하는 데 목적이 있다.

무정전, 전원, 인버터, 부하

Description

고속 절체형 무정전 인버터 장치 {High Speed Swithing typed UPS}

본 고안은 고속 절체형 무정전 인버터 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 전원 교란을 차단하여 부하를 보호하기 위해 구성된 무정전 인버터 장치에 관한 것이다.

최근 국내에 공급되는 전력의 품질은 선진국과 비교해 대단히 높은 수준으로 평가된다. 그러나, 송전 중 발생되는 교란(낙뢰, 지락, 변전시설사고 등)과 수용가의 수전 설비에서 발생될 수 있는 정전, 순간정전, Surge, Sag등 예측하지 못한 전원 교란으로 중요 설비에 미치는 영향은 대단히 크기 때문에, 이에 대한 대비로 무정전 전원장치나 순간전압 강하 보상기 등 전원 안정화 장치를 사용하고 있다.

이 경우, 무정전 전원장치는 축전지를 이용하여 전원에 이상이 발생되면 축전지에 저장된 전력으로 안정된 전력을 공급하게 되고, 순간 전압 강하 보상기는 콘덴서에 저장된 전력으로 전압 강하 분을 보상하는 장치이다.

도 1은 일반적인 무정전 전원장치 구성을 도시하고 있다.

먼저 상용 교류전원(50) 정상 시 무정전 전원장치 구성에 대하여 설명하면, 일반적인 무정전 전원장치는 정류/충전기(70), 인버터(20), 스태틱스위치(40), 제 어장치 등으로 구성한다. 여기에서, 상기 정류/충전기(70)는 상용 교류전원(50)을 수전받아 교류를 직류로 변환하여 상기 인버터(20)에 직류 전력을 공급하고 축전지(90)를 부동 충전하게 된다.

그리고, 상기 인버터(20)는 정류기(70)로부터 직류 전력을 공급받아 부하에 정전압 정주파수의 양질의 교류 전력으로 변환하여 부하에 공급하게 된다.

상기 스테틱(static) 스위치(40)는 정류기(70) 또는 인버터(20)의 고장이나 과부하등 이상이 발생 할 경우 부하에 이상 없이 상용교류 전력을 공급하기 위해 동기절체를 준비한다.

상기한 일반적인 무정전 전원장치 구성에 따른 상용 교류전원 정전 등 이상 발생 시 동작에 대하여 설명하면, 정전 등 전원에 이상이 발생하면 정류/충전기(70)는 동작을 멈추고, 축전지(90)에서 직류 전력이 공급되어 상기 인버터(20)에서 교류로 변환되어 부하에 양질의 전력을 순단없이 공급하게 된다.

이때 스테틱(static) 스위치(40)는 상용 전원이 정상 상태가 아니므로 동작되지 않는다.

이어서, 상용 교류전원 정상 회복 시 동작 내용에 대하여 설명하면, 상용 전원이 정상으로 회복되면 정류/충전기(70)는 다시 인버터(20)에 직류 전력을 공급하고 방전된 축전지(90)를 다시 충전하고 정상 시 운전 형태로 돌아간다.

이러한 무정전 전원장치의 운전 형태는 정류/충전기(70), 인버터(20) 등 변환장치가 상시 부하에 전력을 공급하기 때문에 변환 손실에 의해 효율이 낮아지고(효율:85~90%), 고장률이 높게 되며, 수명(통상5~7년)이 짧아지게 되는 문제점이 있었다.

즉, 이러한 장치들은 상시On-line으로 동작하기 때문에 운전 손실(정격 용량의 약10~15% 정도)이 크고 장치 도입 비용이 비싸 특수한 용도 외에는 도입이 어렵다는 문제점이 있었다.

상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 고안의 목적은, 저렴한 가격으로 운전 손실이 거의 없이 정밀 부하를 전원 교란으로부터 보호할 수 있는 무정전 전원장치를 제공하는 데 있다.

상기 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위한 본 고안에 따른 고속 절체형 무정전 인버터 장치는, 전원 교란을 차단하여 부하를 보호하기 위해 구성된 무정전 인버터 장치에 있어서, 전원이 정상일 때는 인버터가 정지된 상태에서 절체스위치1을 통해 상용전원을 직접 공급하여 전력손실 없이 정상 운전하고, 입력 전원에 교란이 발생되면 초고속으로 인버터가 기동되고 절체 스위치2를 통해 인버터 출력전원으로 절체되며, 전원 이상 발생 순간부터 4msec이내에 초고속 절체되어 부하 장비에 안정한 전원을 공급하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 비상용 직류 전원은 장시간 정전을 대비할 경우에는 축전지를 사용하고 단시간 정전에 대비할 경우에는 청정 에너지원이 되는 Flywheel이나 Supper Condenser를 사용하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 인버터에 공급되는 직류 전력은 이미 설치되어 있는 무정전 전원 장치용 축전지와 공동으로 사용 가능하게 하고, 별도의 축전지 1조를 설치하여 무정전 전원장치 다수 대에 분산 공급할 수 있도록 한 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 충전기는 직접부하에 전력을 공급 하지 않고 충전용으로만 사용되도록 하여 부하 량의 1/10 용량으로 충전이 가능하도록 한 것을 특징으로 한다.

이상에서와 같이, 본 고안에 따른 고속 절체형 무정전 전원장치 구성 시에는 저렴한 가격으로 운전 손실이 거의 없이 정밀 부하를 전원 교란으로부터 보호할 수 있는 효과를 가지게 된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 고안에 따른 고속 절체형 무정전 인버터에 대하여 상세하게 설명한다.

도 2는 본 고안에 따른 무정전 전원장치 구성도, 도 3은 본 고안에 따른 고속 절체 무정전 인버터의 다수대 설치계획도, 도 4는 본 고안에 따른 무정전 전원장치의 실제 구성도이다.

도시된 바와 같이, 본 고안에 따른 무정전 인버터 장치는 상용 교류전원(500) 으로서의 절체스위치 1(410), 비상용 직류 전원(550)으로서의 인버터(200) 및 절체스위치 2(420)로 구성하고 있다.

먼저, 본 고안에 따른 본 고안의 고속 절체형 무정전 인버터에 따른 상용 교류전원(500) 정상 시 동작 내용을 살펴보면, 상기 인버터(200)와 2개의 고속 절체 스위치(410, 420), 제어장치(810, 820)로 구성하고, 상용전원 정상 시에는 전력 손실이 거의 없는 절체스위치 1(410)이 동작되도록 하며 이 경우에는 부하(600)에 상용 교류전원(500)을 공급하고, 상기 인버터(200)와 절체스위치 2(420)는 정지 상태로 전원 이상시를 대비하게 하므로 전력 손실이 없게 된다.

그리고, 이 경우 극소량의 전력을 필요로 하는 제어장치는 상시 동작되어 상용 교류전원(500)의 이상 유무를 감시하게 한다.

이어서, 본 고안에 따른 상용 교류전원 정전 등 이상 발생 시 동작에 대하여 설명하면, 상용 교류전원(500)에 정전, 순간정전, Surge, Sag등 교란이 발생되면 상용 교류전원(500)을 상시 감시하고 있는 제어장치가 상기 인버터(200)와 절체스위치 2(420)를0N 하여 비상용 직류전원(550)을 제공하고 절체스위치 1(410)은 OFF시키게 된다. 이 때 소요되는 시간은 4msec이내이며 이 시간은 아무리 정밀한 부하라도 문제가 되지 않는 시간이다.

이어서, 본 고안에 따른 상용 교류전원(500) 정상 회복 시 동작에 대하여 설명하면, 상용 교류전원(500)이 정상으로 회복되면 절체스위치 2(420)와 인버터(200)는 다시 OFF되고 상기 절체스위치 1(410)이 ON되어 다시 상용 교류전원(500)이 부하에 공급되게 되어 정상 상태로 돌아가게 된다.

이 경우, 상기 인버터(200)에 공급되는 비상용 직류 전력은 축전지, Flywheel, Supper Condenser등의 저장 에너지를 이용한다. 그리고, 장시간 정전을 대비할 경우에는 축전지를 사용하고 단시간 정전에 대비할 경우에는 청정 에너지원이 되는 Flywheel이나 Supper Condenser를 적용 할 수 있을 것이다.

현재 국내 전력 사정은 대단히 양호하기 때문에 단시간(수 초 정도) 정전에 대비 할 수 있도록 구성하는 것이 바람직하며, 이를 위하여 본 고안에서는 수 초 이상 정전이 발생될 경우에 대비하여 제어장치에 부하를 안전하게 정지시킬 수 있는 기능도 탑재하였다.

한편, 상기 인버터(200)에 공급되는 직류 전력은 이미 설치되어 있는 무정전 전원장치용 축전지와 공동으로 사용도 가능하고 도 3과 같이 별도의 축전지 1조를 설치하여 본 무정전 전원장치 다수 대에 분산 공급도 할 수 있다. 또한, 축전지 등의 충전기(700)는 직접부하에 전력을 공급하지 않고 충전용으로만 사용하므로 부하(600) 량의 1/10 용량으로 충전이 가능하여 설치 비용을 크게 절감시킬 수 있게 된다.

도 4를 참조하여 본 고안에 따른 무정전 인버터 장치의 실제 구성에 대하여 살펴보면, 상용 교류전원(500)은 s/sw 구동회로(720)를 거쳐 절체스위치 1(410)을 통하여 부하에 무순단 교류 출력이 가능하게 한다.

한편, 비상용 직류 전원(550)은 인버터(200) 및 s/sw 구동회로(720), 절체스위치(420)를 통하여 부하에 일시적인 전력을 공급하게 된다. 이 경우, 상기 인버터(200)는 IGBT 구동회로(710)에 의하여 구동되며 상기 IGBT 구동회로(710)는 인버터 제어회로(730)에 따라 구동된다. 그리고, 상기 인버터 제어회로(730)는 상태표시 제어장치(810) 및 원격감시 제어장치(820)와 연결하며, 상기 제어장치(810, 820)와 인버터 제어회로(730)는 무선 통신 포트를 통하여 부하안전 정지 지령을 내리게 한다.

한편 상기 인버터 제어회로(730) 에서는 교류 입력, 직류 입력, 인버터 출력, 교류 출력을 검출한다. 교류 입력 검출을 위하여는 주파수동기, 전압 및 전류를 검출하고, 직류 입력 검출을 위하여는 전압 및 전류를 검출한다. 그리고, 인버터 출력 검출을 위하여는 전압, 전류 및 위상동기를 검출하며, 교류 출력 검출을 위하여는 전압, 전류 및 주파수를 검출한다.

현재 사용되고 있는 무정전 전원장치는 정류/충전기, 인버터 등 변환장치가 상시 부하에 전력을 공급하기 때문에 변환 손실에 의해 효율이 낮아지고(효율:85~90%), 고장률이 높고, 상시 부하에 전력을 공급하는 방식으로 운영하기 때문에 수명 (통상5~7년)이 짧고 가격이 높아진다는 단점을 내재하고 있다.

본 고안은 이러한 단점을 개선한 장치로서 평상시에는 전력손실이 거의 없고 전원에 교란이 발생할 때만 인버터가 가동하기 때문에 그 손실은 현재 사용되고 있는 무정전 전원장치에 비해 무시할 수 있고 장비수명 측면에서 볼 때 전체가동 시간대비 실제가동 시간은 대단히 짧은 시간이므로 거의 영구적으로 사용할 수 있으며 주회로 구성이 간단하여 가격은 반값 이하로 낮출 수 있다.

본 명세서와 도면에는 본 고안의 바람직한 실시 예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 고안의 기술 내용을 쉽게 설명하기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 고안의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.

즉, 여기에 개시된 실시 예 외에도 본 고안의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 고안이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다.

도 1은 종래의 일반적인 무정전 전원장치 구성도

도 2는 본 고안에 따른 무정전 전원장치 구성도

도 3은 본 고안에 따른 고속 절체 무정전 인버터의 다수대 설치계획도

도 4는 본 고안에 따른 무정전 전원장치의 실제 구성도

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

200: 인버터 410: 절체스위치 1

420: 절체스위치 2 500: 상용교류전원

550: 비상용직류전원 600: 부하

710: IGBT구동회로 720:s/sw 구동회로

730: 인버터제어회로 810, 820: 제어장치

Claims (4)

1. 전원 교란을 차단하여 부하를 보호하기 위하여 구성된 무정전 인버터 장치에 있어서,

   전원이 정상일 때는 인버터가 정지된 상태에서 절체스위치 1을 통해 상용 교류 전원을 직접 공급하여 전력손실 없이 정상 운전하고, 입력 전원에 교란이 발생되면 초고속으로 인버터가 기동되고 절체스위치 2를 통해 비상용 직류 전원이 인버터 출력전원으로 절체되며, 전원 이상 발생 순간부터 4msec 이내에 초고속 절체되어 부하 장비에 안정한 전원을 공급하는 고속 절체형 무정전 인버터 장치
2. 제 1항에 있어서,

   상기 비상용 직류 전원은 장시간 정전을 대비할 경우에는 축전지를 사용하고, 단시간 정전에 대비할 경우에는 청정 에너지원이 되는 Flywheel 또는 Supper Condenser를 사용하는 것을 특징으로 하는 고속 절체형 무정전 인버터 장치
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 인버터에 공급되는 직류 전력은 이미 설치되어 있는 무정전 전원 장치용 축전지와 공동으로 사용 가능하게 하고, 별도의 축전지 1조를 설치하여 무정전 전원장치 다수 대에 분산 공급할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 고속 절체형 무정전 인버터 장치
4. 제 3항에 있어서,

   상기 무정전 전원 장치용 축전지 및 별도의 축전지 1조는 직접부하에 전력을 공급하지 않고 충전용으로만 사용되도록 하여 부하량의 1/10 용량으로 충전이 가능하도록 한 것을 특징으로 하는 고속 절체형 무정전 인버터 장치

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