KR20110121187A - 전력선 통신기능을 가지는 옥내 직류전력 시스템 - Google Patents

전력선 통신기능을 가지는 옥내 직류전력 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 옥내 전력시스템에서 직류로 전력시스템을 구성하여 전력선 통신에 의하여 전원을 제어하는 시스템에 관한 것으로, 이러한 본 발명은, 옥내 인입구에 설치된 적산전력계의 출력단에 AC/DC 전력변환회로부와 역률개선회로와 직류전압제어부를 구성하고, 유무선 통신을 통해 외부로부터 전송된 제어신호를 전력선 통신제어부에 수신하여 직류 전력선을 통하여 제어신호를 전송하고 각 콘센트 단자에 전력선 통신 수신제어부 및 전원스위치를 구성하여 전송된 제어신호에 따라 전원스위치를 제어하는 시스템이다.

Description

전력선 통신기능을 가지는 옥내 직류전력 시스템 {Indoor DC Power System Capable Of Power Line Communication}
본 발명은 옥내전력시스템에서 직류로 전력시스템을 구성하여 외부제어신호를 송수신하여 전기기기를 제어하는 옥내 직류전력시스템에 관한 것이다.
대부분의 전기를 이용하는 전기제품(냉장고, 세탁기, 에어컨, TV, 오디오 등) (130,140)은 도 3과 같이 옥내 교류전압선로로(120)부터 교류입력전압을 공급받아 내부에서 AC/DC변환 전력회로부(135)를 이용하여 직류로 변환하여 사용하고 있다. 교류를 직류로 변환할 때 전류에 고조파 성분이 발생하여 역률이 나빠지는 데, 전력소비가 적은 전기제품들은 역률개선회로를 사용하지 않고 직류로 변환하여 사용하고 있으나, 전력소비가 많은 전기제품들에서는 역률을 개선하는 회로를 장착하여 직류로 변환하여 사용하고 있다(도 2 참조). 전력소비가 많은 전기제품들이 역률개선회로를 사용하는 이유는 역률이 나빠지면 전기를 비효율적으로 소비하게 되므로, 전기요금을 수용가에서 더 많이 부담하도록 하고 있기 때문이다. 특히 가정용 조명을 기존의 교류전원을 이용한 조명기구에서 직류전원을 필요로 하는 LED 조명으로 대체하게 되면서 LED 조명기구에 직류변환회로 및 역률개선회로를 부착하여 사용하게 되었다. 즉 교류를 송전받아 교류전력을 공급하는 현재의 옥내배선 시스템에서 옥내에서 사용하는 전기제품들의 대다수가 직류전원을 필요로 하기 때문에 각각의 모든 전기제품에는 교류전원으로부터 직류전원을 만들기 위한 회로가 중복되어 사용되고 있는 문제점이 있다. 더욱이 역률을 제어하는 회로가 내장된 전기제품의 경우 회로에 흐르는 전류가 일정 크기 이상이 흘러야 효율적인 역률제어가 가능한데, 전기제품이 경부하로 동작되고 있는 경우에는 전류의 양이 적어 효과적인 역률제어를 못하게 되는 문제점이 있다.
본 발명과 관련된 또 다른 배경기술로는 홈 오토메이션 또는 빌딩 오토메이션 시스템을 들 수 있다. 현재 홈오토메이션과 빌딩 오토메이션 시스템은 제어신호의 전달을 위한 별도의 제어 신호선을 추가로 배선하여 사용하고 있다. 최근 별도의 제어신호선을 배선하는 불편함을 극복하기 위하여 전력선 통신 기술을 적용하여 사용하기도 하는 데, 현재 모든 옥내배선 시스템이 교류이므로 전력선 통신을 이용할 때 전력선 통신 송신부에서 교류전력선에 제어신호를 변조하여 보내고 수신부측에서 이를 다시 제어신호만 분리해내는 방식을 사용하고 있다.
현재 사용하고 있는 교류전압선로를 이용한 전력선 통신은 도 7과 같이 60Hz의 교류전압(일부 국가에서는 50Hz)에 수 내지 수십 KHz의 제어신호를 변복조하여 전송하고 수신하는 방식을 사용하고 있다. 이 과정에서 도 6과 같이 60Hz의 교류전압에 수 내지 수십 KHz의 제어신호를 변복조하는 회로와 AC 커플링 회로를 사용하고 있다.
AC 커플링 회로는 콘덴서를 이용하여 높은 주파수의 교류성분만을 추출하는 역할을 하며, 이를 변압기를 거쳐서 변복조 회로와 연결한다. 변압기의 인덕턴스 성분 L을 고려하여, AC 커플링회로를 통과하는 교류신호에 대한 입력전압과 출력전압의 크기의 비를 구하면 다음 식과 같다.
[수학식 1]
Figure pat00001
AC 커플링 회로에서 주파수 f가 높은 경우에는 입력된 신호가 감쇄가 적게 출력으로 나오게 되며, 주파수가 낮은 경우에는 출력으로 통과하는 신호가 크게 감쇄된다. 교류전력선을 이용한 전력선 통신회로에서는 이러한 AC 커플링 회로를 이용하여, 전력선에 실린 교류전압과 제어신호가 변복조된 파형으로부터 교류전압의 60Hz 교류성분을 많이 감쇄시키고, 통신으로 보내기 위한 정보를 담은 수 내지 수십 KHz의 주파수 값을 가진 제어신호는 적게 감쇄하여 추출하여 낸다. 이 때 제어신호를 적게 감쇄시키기 위하여 L, C 값을 선정할 경우에는 60Hz의 교류전압도 감쇄되는 정도가 적어져 전력손실을 가져오게 된다. 반대로 전력손실을 줄이려 60Hz의 교류전압을 많이 감쇄시켜 없애버리려고 L, C값을 선정하면, 제어신호의 크기도 함께 감쇄되어 줄어들게 되는 문제점을 가지고 있다.
상기 기술된 문제점들을 해결하기 위하여, 수용가 측의 적산전력계 출력단(또는 교류전압 입력단)에 정류회로와 역률개선회로 그리고 직류전압제어부를 구성하여 옥내배선을 직류전력시스템으로 구성하여, 여러 장비에서 소비되는 전류를 모아서 전류의 량이 많아진 상태에서 역률제어를 하여, 직류전압선로에 부착된 일부의 전기제품이 경부하가 되더라도 여러 전기제품에 소비되는 전류를 모아서 역률제어를 하므로 역률개선을 언제나 효과적으로 수행할 수 있는 옥내 직류전력시스템을 제공하는 것이 본 발명의 과제 중 하나이다.
또한 상기 기술된 교류전력선을 이용한 경우의 문제점을 직류전력선을 이용한 전력선 통신을 사용하여, 직류전압에 수 내지 수십 KHz의 제어신호를 변복조하여 사용하면, AC 커플링 회로를 구성할 때 직류전압은 기존 60Hz의 교류전압에 비하여 확실하게 감쇄시킬 수 있어서, 전력손실을 줄이면서도 제어신호를 적게 감쇄시키며 추출해낼 수 있는 전력선 통신이 가능한 옥내 직류전력시스템을 제공하는 것이 본 발명의 또 다른 과제이다.
상기와 같은 기술적 과제들을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전력선 통신기능을 가지는 옥내 직류전력 시스템은 입력되는 교류전원을 직류전원으로 만들고, 역률개선회로를 거쳐 직류전압 제어기를 통하여 일정한 크기의 직류전압을 가지는 옥내 직류전력선로와 외부로부터 발신되는 제어신호를 수신하는 수신부가 제어신호를 인식하고, 옥내 직류전력선을 통하여 제어신호를 전력과 함께 전송하기 위한 전력선 통신 제어부와 직류전력선로에서 제어신호를 분리하는 각 콘센트에 부착된 전력선 통신 수신부 및 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 전력선 통신 수신부 및 제어부는 콘센트의 개폐 및 간단한 제어회로를 구동할 수 있도록 구성할 수 있다.
본 발명에 따르면, 인입되는 교류전압을 수용가 측에서 직류전압으로 변환하여 역률개선회로와 직류전압제어부를 거친 직류전압선로를 구성함으로써, 대다수 전기제품들에서 교류를 직류전압으로 변환하는 회로의 중복되는 사용을 줄일 수 있으며, 각 전기제품마다 역률개선회로를 중복되게 사용하는 것을 줄일 수 있다. 역률개선회로는 각 전기제품에서 전류가 적게 흐르는 경부하로 사용할 때에는 역률개선 효과가 떨어지는 문제점이 있으나, 본 발명의 구성에 의하면, 일부의 전기제품이 경부하 일지라도 여러 전기제품에 흐르는 전류를 합한 전류가 역률개선회로를 통과하게 되므로 역률개선효과가 떨어지지 않는 장점을 가지게 되고, 이는 전력소비를 효율적으로 할 수 있게 하여 에너지를 절감할 수 있다.
본 발명의 또 다른 효과로는 직류전압에 수 내지 수십 KHz의 제어신호를 변복조하는 직류전력선 통신방식을 사용하면, AC 커플링 회로를 구성할 때 직류전압성분을 많이 감쇄시킬 수 있으므로 기존의 교류전력선 통신회로에서 발생하는 전력손실을 줄이면서도 제어신호를 적게 감쇄시키며 추출해낼 수 있다. 따라서 기존의 전력선 통신회로에서 다른 회로를 추가하지 않아도 전력소비를 줄일 수 있는 장점이 있다.
도 1은 기존 옥내 전력 시스템이다.
도 2는 기존의 전기제품 내의 AC/DC 변환 전력회로부 구성 예이다.
도 3은 기존의 전기제품 내의 AC/DC 변환 전력회로부 또 다른 구성 예이다.
도 4는 본 발명의 옥내 전력시스템이다.
도 5는 기존의 전력선 통신 구성 예이다.
도 6은 기존의 전력선 통신에서 AC 커플링 회로 구성 예이다.
도 7은 기존의 전력선 통신에서 변복조된 전압 파형이다.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예의 구성을 보인 것으로서, 크게 직류전력 선로 시스템(220, 230)과 전력선 통신부(240, 260)로 대별된다.
직류전력선로 시스템은 입력되는 교류전압(200)을 통합정류회로(221)를 이용하여 소정의 직류전압으로 만들고, 통합역률개선회로(222)를 구성하여 역률을 개선한 후 일정한 크기의 직류전압을 만드는 통합직류전압제어부(223)로 이루어진 AC/DC 변환 전력회로부(220)와 이 AC/DC 변환 전력회로부의 출력을 옥내의 각 콘센트 및 전기공급 단자에 배선하는 옥내 직류전압 선로(230)로 구성된다.
상기에 서술한 구성은 다음의 기능을 가진다. 수용가로 송전되는 일정크기의 교류전압(200)은 통합정류회로(221)을 거치며 일정크기의 직류전압으로 변화되나, 교류전압을 직류전압으로 변환하는 과정에서 전류파형이 왜곡되어 고조파 성분을 가지게 되어 역률을 저하시키게 된다. 이러한 역률저하를 방지하기 위하여 통합정류회로(221) 출력단에 구성한 통합역률개선회로(222)는 전류의 흐름을 정현파 형태를 갖추도록 제어하는 기능을 가진다. 이렇게 교류전압을 역률을 개선한 상태의 직류전압 형태로 변환한 후 다시 옥내 직류전압선로의 직류전압 크기를 일정 크기로 조정하는 역할을 통합직류전압 제어부(223)에서 수행하게 된다.
옥내전압선로의 직류전압을 제어하는 이유를 더욱 상세하게 예를 들어 설명하면 다음과 같다. 현재 국내의 각 가정을 수용가로 보고 예를 들면, 입력전압 교류 220[V]가 입력되면 이를 정류회로를 거치면
Figure pat00002
220 [V]정도의 크기를 가지는 직류전압으로 변환된다.
Figure pat00003
220 [V]의 직류전압은 전기적 부하의 변동에 따라 전압이 저하될 수 있기도 하고, 또 높은 직류전압은 감전의 위험성도 있어
Figure pat00004
220 [V] 보다 적은 크기의 직류전압으로 일정하게 조정하는 직류전압제어부가 사용된다.
이러한 방식으로 옥내전력시스템을 구성하게 되면, 각각의 전기제품마다 별도로 직류전압을 만들기 위하여 사용되는 정류회로부와 역률제어부를 사용하지 않아도 되므로 부품의 절감을 가져오며, 또한 각각의 전기제품에서 역률개선회로가 동작하는 데 있어서 부하전류가 적게 흐를 때에는 역률개선효과가 떨어지는 문제를 부하전류를 모아서 역률제어를 하게 되므로 역률개선 효과를 항상 높게 유지할 수 있다.
직류전압제어부의 출력단 직류전압은 옥내 직류전압선로(230)를 통하여 옥내의 각 콘센트 및 전기 공급 단자에 직류전압을 공급하게 되는데, 이 직류전압선로는 현재 사용하고 있는 가정용 또는 빌딩용 옥내배선을 큰 변화 없이 그대로 활용할 수 있다. 즉 교류공급을 위한 2선으로 구성된 교류공급 선로를 그대로 직류전력선로로 사용할 수 있다.
본 발명 구성의 전력선 통신부는 외부의 제어신호 송신부(250)에서 전송한 제어신호를 송수신하는 외부제어신호송수신부(241)와 송수신된 제어신호를 전력선 통신을 위한 변복조 및 AC 커플링회로를 포함한 통합전력선통신제어부(242)를 포함하며, 옥내 직류전압선로를 통하여 전송된 전력선통신 제어신호를 직류전압과 분리해내는 개별전력선통신제어부(260)를 포함한다.
전력선 통신부의 동작설명은 다음과 같다. 제어신호 송신부(250)는 옥내 전력선을 통하여 각 전기제품들을 제어할 수 있는 제어신호를 리모컨과 같은 유무선 통신방식을 포함한 다양한 방식으로 구성할 수 있다. 제어신호 송신부(250)에서 발신된 제어신호는 전력선 통신을 구현하기 위한 외부제어신호송수신부(241)에서 수신하여 이 신호를 변복조하고 AC 커플링회로를 포함한 통합전력선통신제어부(242)에 전달한다. 통합전력선통신제어부는 도 5의 기존의 전력선 통신과 동일한 방식으로 큰 변화 없이 구성할 수 있다. 도 5의 기존의 전력선 통신 구성 예를 보면 송신기(300)에서 변복조 회로(310)을 거쳐 제어신호를 발생하는 데 이때의 신호는 도 7에 표시된 제어신호 파형이다. 이 신호를 도 7의 교류전압 파형에 합성하기 위하여 AC커플링회로(320)를 거치면 도 7의 변복조된 파형이 발생하게 된다. 이 변복조된 파형은 옥내 교류 전압선로(360)을 통하여 각 콘센트 및 전기공급 단자에 전달된다. 전력선 통신 수신부는 변복조된 파형에서 제어신호만 추출해내는 역과정으로 역시 AC커플링 회로(350)를 거쳐서 도 7의 제어신호만 추출하게 된다.
본 발명에서는 예시된 기존과 동일한 구성으로 전력선 통신 제어부와 전력선 통신 수신 및 제어부를 구성할 수 있고, 기타 다양한 방법으로 이를 변형하여 구성할 수 있다. 단 기존의 전력선 통신시스템에서는 교류전압을 이용하였으나, 본 발명에서는 이를 직류전력선로를 이용하는 것으로 다음과 같은 장점을 가진다.
교류전력선로를 사용할 경우보다 본 발명의 구성에 의한 직류전력선로를 사용할 경우 AC 커플링 회로에서 발생하는 전력소비를 줄이면서도 제어신호가 감쇄되는 문제를 해결할 수 있다.
이러한 문제점의 발생요인을 다음에 기술한 내용에서 상세하게 설명한다.
전력선 통신에서 사용하는 AC커플링 회로는 도 6에서 보면, 변압기(351)를 교류전력선로(360)에 콘덴서 C(353)를 통하여 연결한 것으로 구성할 수 있다. 여기서 큰 값의 저항 R(352)을 콘덴서 C(352)와 병렬로 사용하기도 한다.
변압기의 L성분과 콘덴서 C를 이용한 AC 커플링회로를 통과하는 교류신호에 대한 입력전압과 출력전압의 크기의 비를 구하면 다음 식과 같다.
[수학식 2]
Figure pat00005
AC 커플링 회로에서 주파수 f가 높은 경우에는 입력된 신호가 매우 적게 감쇄가 된 상태로 출력으로 나오게 되며, 주파수가 낮은 경우에는 출력으로 통과하는 신호가 크게 감쇄된다. 교류전력선을 이용한 전력선 통신회로에서는 이러한 AC 커플링 회로를 이용하여, 전력선에 실린 교류전압과 제어신호가 변복조된 파형으로부터 교류전압의 60Hz 교류성분을 많이 감쇄시키고, 통신으로 보내기 위한 정보를 담은 수 내지 수십 KHz의 주파수 값을 가진 제어신호는 적게 감쇄하여 추출하여 낸다. 이 때 제어신호를 적게 감쇄시키기 위하여 L, C 값을 선정할 경우에는 60Hz의 교류전압도 감쇄되는 정도가 적어져 전력손실을 가져오게 된다. 반대로 전력손실을 줄이려 60Hz의 교류전압을 많이 감쇄시켜 없애버리려고 L, C값을 선정하면, 제어신호의 크기도 함께 감쇄되어 줄어들게 되는 문제점을 가지고 있다.
본 발명에서의 구성에서와 같이 직류전력선을 이용한 전력선 통신을 할 경우, 직류전압에 수 내지 수십 KHz의 제어신호를 변복조하여 사용하면, AC 커플링 회로를 구성할 때 식에서 볼 수 있듯이 직류전압성분은 확실하게 감쇄시킬 수 있는 장점을 가지게 된다. 따라서 교류전력선 통신에서 사용한 동일한 AC 커플링 회로를 사용할 경우 본 발명에 속한 직류전력선통신방식은 전력손실을 줄이면서도 제어신호를 적게 감쇄시키며 추출해낼 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시 예에 대해 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 기술적 범위 내에 포함된다 할 수 있다.

Claims (3)

  1. 교류 전압 선로로부터 배선되는 전력 시스템에 있어서,
    교류 전압 선로로부터 일정구역에 입력된 교류(AC)전압을 직류(DC)전압으로 변환하는 통합 정류 회로부;
    상기 통합 정류회로부 출력에 연결되어 부하 전체의 역률을 통합하여 개선하는 통합 역률 개선 회로부;
    역률개선회로부로부터 각 전기 콘센트 및 전기 인출단자로 배선되는 직류전압선로;
    직류전압선로를 이용하여 직류 전력선통신을 수행하는 통합 전력선 통신시스템으로
    구성되는 것을 특징으로 하는 전력선통신 기능을 가지는 옥내 직류전력시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 통합 전력선 통신시스템은,
    외부와 유무선으로 통신할 수 있는 외부제어신호 송수신부;
    외부제어신호 송수신부와 연결되어 직류전압선로에 연결된 전기기기들의 제어신호 또는 상태정보를 송신 또는 수신 또는 송수신하기 위한 통합 전력선 통신(PLC) 제어부;
    직류전압선로의 전기콘센트 또는 전기인출단자에 연결되어 각각의 전기기기들의 제어신호 또는 상태정보를 송신 또는 수신 또는 송수신하기 위한 개별 전력선 통신(PLC) 제어부;
    사용자의 명령를 송수신하는 제어신호 송수신기;
    로 구성되는 것을 특징으로 하는 전력선통신 기능을 가지는 옥내 직류전력시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 통합 정류 회로부와 역률 개선 회로부를 거쳐 변환된 직류 전압을 제어하는 통합 직류전압 제어부를 더 포함하고, 직류전압제어부 출력으로부터 각 전기 콘센트 및 전기 인출단자로 배선되는 직류전압선로를 포함하는 전력선통신 기능을 가지는 옥내 직류전력시스템.
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