KR20120131177A - 무정전 전원장치에서 사용하기 위한 페로 공진 변압기 - Google Patents

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Abstract

페로 공진 변압기가 코어, 메인 분로, 제1 권선, 제2 권선, 그리고 제3 권선을 포함한다. 상기 메인 분로는 상기 코어와 관련하여 페로 공진 변압기의 일차 측과 이차 측을 만들도록 배치된다. 상기 제1 권선은 페로 공진 변압기의 일차 측에 배치되고 일차 전원에 동작할 수 있도록 연결된다. 상기 제2 권선은 페로 공진 변압기의 이차 측에 배치되고 이차 전원에 동작할 수 있도록 연결된다. 상기 제3 권선은 페로 공진 변압기의 이차 측에 배치되고 상기 공진 콘덴서에 동작할 수 있도록 연결된다. 일차 신호가 제1 권선 상에 존재하는 때, 제1 출력 신호가 제3 권선 일부에 존재하며; 이차 전력이 제2 권선 상에 존재하는 때, 제2 출력 신호가 제3 권선 일부에 존재한다.

Description

무정전 전원장치에서 사용하기 위한 페로 공진 변압기{FERRORESONANT TRANSFORMER FOR USE IN UNINTERRUPTIBLE POWER SUPPLIES}
본 발명은 2010년 7월 7일 출원된 미국특허 출원 제12/803,787호 및 2010년 2월 18일 미국특허 가출원 출원 제61/305,926호를 우선권 주장의 기초로 한다. 상기 관련 출원 내용은 본 명세서에서 참고로 원용된다.
본 발명은 스탠바이 전력 신호 발생과 관련되며, 특히 페로 공진 변압기(ferroresonant transformers)를 사용하는 무정전 전원장치(UPS)에 대한 것이다.
무정전 전원 장치(UPS's)는 전자 장치로의 적어도 일시적인 보조 전력을 제공하기 위해 사용된 지 오래다. 전형적으로, UPS는 부하에 일정한 전력을 유지시키기 위해 필요에 따라 일차 전원과 스탠바이 전원 사이에서 스위치하도록 구성된다.
예를들면, 일차 전원은 유틸리티 전원일 수 있으며, 스탠바이 전원은 배터리 시스템 형태를 취한다. 이 같은 UPS는 라인 모드로 동작되며, 유틸리티 전력 신호가 사전에 정해진 파라미터 범위 내에 있는 때 부하로 보내진다. 이 같은 라인 모드에서, 상기 USP는 대개 배터리 시스템을 충전한다. 유틸리티 전력이 사전에 정해진 파라미터 범위를 벗어나는 때, 상기 UPS는 스탠바이 모드로 스위치되어서, 배터리 시스템에 저장된 에너지를 기반으로하여 AC 신호가 발생된다.
UPS의 한 그룹은 페로 공진 변압기(ferroresonant transformers)를 사용한다. 페로 공진 변압기는 변압기로의 입력이 변하는 때도 거의 일정한 평균 출력을 발생시키기 위해 공진 권선 그리고 콘덴서로 구성된 탱크 회로를 사용하는 포화 변압기(saturating transformer)이다. 페로 공진 변압기를 사용하는 대표적인 UPS는 라인 및 스탠바이 모드 모두에서 페로 공진 변압기의 전압 조절 특성을 이용한다. UPS 관련하여, 따라서 페로 공진 변압기는 서지 억압(surge suppression), 격리, 단락 회로 보호, 그리고 능동 컴포넌트를 사용하지 않는 전압 조절을 제공한다.
UPS 시스템에서 사용하기 위해 구성된 페로 공진 변압기는 코어 그리고 코어와 관련하여 배치된 인덕터를 포함하여; (a) 변압기의 일차 또는 입력 측, 그리고 (b) 변압기의 이차 또는 출력 측을 만들도록 한다. UPS에서 사용된 종래의 페로 공진 변압기는 일차 또는 입력 측에 배치된 입력 권선 및 인버터(공진) 권선 또는 이차 또는 출력 측에 배치된 출력 권선을 더욱 포함한다.
본 발명의 목적은 UPS 시스템에서 사용하기 위한 개선된 페로 공진 변압기를 제공하는 것이다.
본 발명은 페로 공진 변압기로서 실시되며, 상기 페로 공진 변압기가 코어, 메인 분로, 제1 권선, 제2 권선, 그리고 제3 권선을 포함한다. 상기 메인 분로는 상기 코어와 관련하여 페로 공진 변압기의 일차 측과 이차 측을 만들도록 배치된다. 상기 제1 권선은 페로 공진 변압기의 일차 측에 배치되고 일차 전원에 동작할 수 있도록 연결된다. 상기 제2 권선은 페로 공진 변압기의 이차 측에 배치되고 이차 전원에 동작할 수 있도록 연결된다. 상기 제3 권선은 페로 공진 변압기의 이차 측에 배치되고 상기 공진 콘덴서에 동작할 수 있도록 연결된다. 일차 신호가 제1 권선 상에 존재하는 때, 제1 출력 신호가 제3 권선 일부에 존재하며; 이차 전력이 제2 권선 상에 존재하는 때, 제2 출력 신호가 제3 권선 일부에 존재한다.
본 발명은 또한 무정전 전원장치로서 실시 될 수 있기도 한데, 이때의 무정전 전원장치는 변압기, 공진형 콘덴서, 일차 전원, 그리고 이차 전원을 포함하여, 한 부하로 전력을 공급하도록 한다. 상기 변압기는 코어,변압기의 일차 측 그리고 이차 측을 만들도록 코어와 관련하여 배치된 메인 분로, 변압기 일차 측에 배치된 제1 권선, 변압기의 이차 측에 배치된 제2 권선, 그리고 변압기의 이차 측에 배치된 제3 권선을 포함한다. 공진형 콘덴서는 상기 제3 권선에 동작할 수 있도록 연결다. 일차 전원은 상기 제1 권선에 동작할 수 있도록 연결다. 이차 전원은 상기 제2 권선에 동작할 수 있도록 연결된다. 상기 부하는 제3 권선 적어도 일부에 연결된다. 라인 모드에서, 일차 전원이 제1 권선 상에 존재하도록 하여, 제1 출력 신호가 일차 신호를 기초로 하여 상기 부하로 공급되도록 한다. 스탠바이 모드에서, 이차 전원이 이차 신호가 제2 권선 상에 존재하도록 하여 제2 출력 신호가 상기 이차 신호를 기초로 하여 상기 부하로 공급되도록 한다.
본 발명은 또한 다음 단계들을 포함하여, 한 부하로 무정전 전력을 공급하는 방법으로 실시 된다. 메이 분로가 변압기의 일차 측 그리고 이차 측을 만들도록 코어와 관련하여 배치된다. 제1 권선이 변압기 일차 측에 배치되며, 제2 권선 및 제3 권선이 변압기의 이차 측에 배치된다. 공진형 콘덴서가 상기 제3 권선에 동작할 수 있도록 연결된다. 일차 전원이 상기 제1 권선에 동작할 수 있도록 연결된다. 이차 전원이 상기 제2 권선에 동작할 수 있도록 연결된다. 상기 부하가 상기 제3 권선 일부에 동작할 수 있도록 연결된다. 라인 모드로 동작하는 때, 일차 전원이 일차 신호가 제1 권선 상에 존재하게 하여 제1 출력 신호가 상기 부하로 공급되도록 한다. 스탠바이 모드로 동작하는 때, 이차 전원이 일차 신호가 제2 권선 상에 존재하게 하여 제2 출력 신호가 상기 부하로 공급되도록 한다.
도 1은 본 발명의 원리에 따라 구성된 페로 공진 변압기 시스템을 사용하는 무정전전원장치 제1 실시 예 블록도.
도 2는 도 1에서 도시된 UPS 시스템 일부를 형성하는 페로 공진 변압기를 개략적으로 도시한 도면.
도 3은 도2에서 도시된 페로 공진 변압기 사시 도면.
도 4는 도 2 및 3에서 도시된 페로 공진 변압기의 측면도.
도 5는 도 4의 5-5선 단면도.
도 1에서는 본 발명의 원리에 따라 구성된 무정전 전원장치(UPS) 시스템(20) 제1 실시 예가 도시된다.
이 같은 실시 예의 UPS 시스템(20)은 AC 전력 라인(24)(라인 모드) 또는 배터리 팩(26)에 의해 발생된 이차 전력 신호(스탠바이 모드)를 기반으로 하여 부하(22)로 전력을 공급한다. 이 같은 이차 전력 신호는 본 발명 실시 예의 UPS 시스템(20)에서 배터리 팩에 의해 발생 되며, 발전기, 연료 전지, 솔라 전지, 등등과 같은 교류 전원이 이차 전원으로 사용된다.
본 발명 실시 예의 UPS 시스템(20)은 입력 섹션(30), 출력 섹션(32), 인버터 섹션(34), 케이블 어셈블리(36), 그리고 페로 공진 변압기(38)를 포함한다.
본 발명 실시 예 입력 섹션(30)은 메인 스위치(40) 그리고 제1 및 제2 선택 스위치(42, 44)를 포함한다. 본 발명 실시 예의 출력 섹션(32)은 출력 또는 공진 콘덴서(50) 그리고 선택적으로 선택 스위치(52) 그리고 필터 콘덴서(54)를 포함한다.
선택 스위치(52)가 닫혀지는때, 출력 콘덴서(50)가 하기에서 더욱 상세히 설명되는 바와 같이, 변압기(38)와 함께 공진 또는 탱크 회로를 형성한다. 선택 스위치(52)가 개방되는 때, 출력 콘덴서(50)는 출력 섹션(32)에 의해 형성된 회로로부터 제거되며, 변압기(38) 그리고 필터 콘덴서(54)가 이 같은 회로의 출력을 필터한다.
인버터 섹션(34)은 인버터 회로(60)를 포함한다. 상기 인버터 회로(60)는 H-브리지 회로이거나, 배터리 팩(26)으로부터 얻어진 DC 파워 신호를 기반으로 하여 적절한 AC 파워 신호를 발생시킬 수 있는 어떤 다른 회로 일 수 있다. 특히, 인버터 회로(60)는 펄스 폭 변조이고, 인버터 섹션(34)은 UPS 시스템이 스탠바이 모드로 동작하는 때 스위치 모드 전원으로 작용한다. 상기 인버터 섹션(34) 그리고 인버터 회로(60)는 통상적인 것이며 본 명세서에서는 상세히 설명되지 않는다.
제어기(62)가 선택적으로 상기 인버터 섹션(34)내에 포함될 수 있다. 만약 사용된다면, 제어기(62)가 스위치(40, 52)를 동작시키며, 인버터 회로(60)를 제어한다. 제어기(62)는 또한 UPS 시스템(20)이 온도, 전압 및/또는 배터리 팩(26)에 연결된 전류 신호에 기초하여 라인 모드로 동작하는 때 배터리 팩(26) 충전을 더욱 제어한다.
페로 공진 변압기(38)는 코어(70), 입력 권선(72), 인덕터(74), 인버터 권선(76), 그리고 출력 권션(78)을 포함한다. 상기 코어(70)는 통상의 박판 구조 일 수 있다. 도 2에서 도시된 바와같이, 인덕터(74)는 변압기의 일차 측(80) 그리고 이차 측(82)을 만든다. 본 실시 예 변압기(38)에서는, 입력 권선(72) 만이 변압기(38)의 일차 측에 있다. 인버터 권선(76) 그리고 출력 권선(78)은 변압기(38)의 이차 측(82)에 있다. 특히, 출력 권선(78)은 상기 인버터 권선(76)과 인덕터(74) 사이에 배치되며, 인덕터(74)는 출력 권선(78)과 입력 권선(72) 사이에 배치된다.
도 3 및 5에서 가잘 잘 도시된 바와 같이, 도 1 및 2에서 도시된 변압기(38)는 권선 그리고 분로(shunt)에 대한 다음과 같은 배치를 만든다: 입력 권선(72), 인덕터(74)에 의해 형성된 메인 분로, 출력 권선(78), 그리고 인버터 권선(76). 도 3 및 5는 또한 본 실시 예에서, 변압기(38), 작은 (또는 마이너) 분로(90)가 출력 권선(78)과 인버터 권선(76) 사이에 배치된다. 상기 작은 분로(90)는 전체 UPS 시스템(20)과 관련하여 변압기 전자기 특성에 심각한 영향을 미치지 않지만, 본 실시 예 변압기(38)에서 사용되어, 변압기(38)가 UPS 시스템(20)과 관련하여 설명되는 바와 같이 동작할 수 있도록 한다.
라인 모드에서, AC 파워 라인(24)은 일차 신호가 입력 권선(72)에 존재하도록 하는 일차 전원을 형성한다. 입력 권선(72)은 전자기적으로 출력 권선(78)에 결합되어, 상기 UPS 시스템(20)이 라인 모드로 동작하는 때 부하(22a, 22b) 중 어느 하나 또는 둘 모두로 공급되도록 한다.
스탠바이 모드에서, 배터리 팩(26) 그리고 인버터 섹션(34)은 이차 신호가 인버터 권선(76)에서 존재하도록 하는 이차 전원을 형성시킨다. 상기 인버터 권선(76)은 전자기적으로 출력 권선(78)에 결합되어, UPS 시스템(20)이 스탠바이 모드로 동작하는 때 이차 출력 신호가 부하(22a, 22b) 가운데 어느 하나 또는 둘 모두로 공급되도록 한다.
변압기(38) 구조 세부사항은 본 발명 원리에서 중요하지 않으며, 변압기(38)가 동작하도록 디자인된 UPS 시스템(20) 특정 실시에 따라 정해진다. 이 같은 실시 예 변압기(38)는 다음과 같은 특징을 갖는다;
Figure pct00001
실시 예 케이블 어셈플리(36)가 출력 섹션(32)을 일차 및 이차 실시 예 부하(22a, 22b) 가운데 한 부하로 연결시킨다. 특히, 케이블 어셈블리(36)는 출력 권선(78)의 제1 엔드(124)에 동작할 수 있도록 연결된 일차 및 제2 권선 커넥터(120, 122)을 포함한다. 출력 권선(78)의 제2 엔드(126)는 출력 콘덴서(50)에 연결된다. 케이블 어셈블리(36)는 출력 권선(78)의 제1 및 제2 중간 포인트(134, 136)에 각각 동작할 수 있도록 연결된 제1 및 제2 탭 커넥터(130, 132)를 더욱 포함한다. 상기 실시 예 케이블 어셈블리(36)는 추가로 선택 커넥터(42) 그리고 제1 및 제2 출력 커넥터(144, 146)로 구성된 선택 케이블(140)을 포함한다. 상기 제1 부하(22a)는 제1 및 제2 부하 커넥터(150, 152)를 포함하며, 제2 부하(22b)는 제3 및 제4 부하 커넥터(154, 156)를 포함한다.
상기 실시 예 케이블 어셈블리(36)를 사용하여, 상기 선택 커넥터(142)가 상기 부하(22a, 22b)의 전압 요구(필요)에 따라 제1 탭 커넥터(130) 또는 제2 탭 커넥터(132) 어느 하나에 연결된다. 제1 및 제3 부하 커넥터(150, 154)는 제1 및 제2 권선 커넥터(120, 122)에 연결되며, 제2 및 제4 권선 커넥터(152, 156)는 제1 및 제2 출력 커넥터(144, 146)에 각각 연결된다. 따라서 상기 케이블 어셈블리(36)는 부하(22a, 22b) 가운데 하나 또는 둘 모두가 출력 섹션(32) 및 출력 권선(78)에 연결될 수 있도록 하며, 특히 제1 및 제2 탭 커넥터(130, 132)에 의해 결정된 출력 권선의 적당한 한 부분에 연결될 수 있도록 한다. 상기 적당한 탭 커넥터(130 또는 132)의 선택은 상기 부하(22a, 22b)에 대한 전압 요구(필요)에 따라 결정된다.
앞선 설명으로부터, 본원 발명은 본 명세서에서 설명한 실시 예 이외의 형태로 실시 될 수 있음을 이해하여야 한다. 따라서 본 발명의 범위는 첨부한 청구범위에 의해 결정되며 명세서 상세한 설명에 의해 제한되는 것이 아니다.

Claims (14)

  1. 공진형 콘덴서(resonant capacitor), 일차 전력 신호를 발생시키는 일차 전원, 그리고 이차 전력 신호를 발생시키는 이차 전원에 연결되는 페로 공진 변압기로서,
    코어;
    페로 공진 변압기의 일차 측 그리고 이차 측을 만들도록 코어와 관련하여 배치된 메인 분로; 페로 공진 변압기 일차 측에 배치된 제1 권선으로서 상기 제1 권선이 일차 전원에 동작할 수 있도록 연결되는 바의 제1 권선;
    페로 공진 변압기 이차 측에 배치된 제2 권선으로서 상기 제2 권선이 이차 전원에 동작할 수 있도록 연결되는 바의 제2 권선; 그리고 페로 공진 변압기 이차 측에 배치된 제3 권선으로서 상기 제3 권선이 공진형 콘덴서에 동작할 수 있도록 연결되는 바의 제3 권선; 이에 의해 상기 일차 신호가 제1 권선 상에 존재하는 때, 제1 출력 신호가 제3 권선의 일부에 존재하며; 그리고
    제2 전력이 제2 권선 상에 존재하는 때, 제1 출력 신호가 제3 권선의 일부에 존재함을 특징으로 하는 페로 공진 변압기.
  2. 제1항에 있어서, 메인 분로가 인덕터에 의해 형성됨을 특징으로 하는 페로 공진 변압기.
  3. 제1항에 있어서, 제2 권선과 제3 권선 사이에 배치된 마이너 분로를 더욱 포함함을 특징으로 하는 페로 공진 변압기.
  4. 변압기가
    코어,
    변압기의 일차 측 그리고 이차 측을 만들도록 코어와 관련하여 배치된 메인 분로,
    변압기 일차 측에 배치된 제1 권선,
    변압기의 이차 측에 배치된 제2 권선, 그리고
    변압기의 이차 측에 배치된 제3 권선,
    상기 제3 권선에 동작할 수 있도록 연결된 공진형 콘덴서;
    상기 제1 권선에 동작할 수 있도록 연결된 일차 전원; 그리고
    상기 제2 권선에 동작할 수 있도록 연결된 이차 전원을 포함하며;
    상기 부하가 제3 권선 일부에 연결되며; 라인 모드에서, 일차 전원이 제1 권선 상에 존재하도록 하여, 제1 출력 신호가 일차 신호를 기초로 하여 상기 부하로 공급되도록 하고; 그리고 스탠바이 모드에서, 이차 전원이 이차 신호가 제2 권선 상에 존재하도록 하여 제2 출력 신호가 상기 이차 신호를 기초로 하여 상기 부하로 공급되도록 함을 특징으로 하는 부하에 전력을 공급하기 위한 무정전 전원장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 메인 분로가 인덕터에 의해 형성됨을 특징으로 하는 부하에 전력을 공급하기 위한 무정전 전원장치.
  6. 제4항에 있어서, 상기 변압기가 제2 권선과 제3 권선 사이에 배치된 마이너 분로를 더욱 포함함을 특징으로 하는 전원장치.
  7. 제4항에 있어서, 제2 전원이 배터리 팩 그리고 인버터를 포함함을 특징으로 하는 부하에 전력을 공급하기 위한 무정전 전원장치.
  8. 제4항에 있어서, 이차 전원이 스위치 모드 전원임을 특징으로 하는 부하에 전력을 공급하기 위한 무정전 전원장치.
  9. 제7항에 있어서, 상기 인버터 회로가 H-브리지를 포함함을 특징으로 하는 부하에 전력을 공급하기 위한 무정전 전원장치.
  10. 코어를 제공하고;
    변압기의 일차 측 그리고 이차 측을 만들도록 코어와 관련하여 메인 분로를 배치하며;
    변압기 일차 측에 제1 권선을 배치하고;
    변압기의 이차 측에 제2 권선을 배치하며;
    변압기의 이차 측에 제3 권선을 배치하고;
    상기 제3 권선에 동작할 수 있도록 공진형 콘덴서를 연결하며;
    상기 제1 권선에 동작할 수 있도록 일차 전원을 연결하고;
    상기 제2 권선에 동작할 수 있도록 이차 전원을 연결하며;
    상기 제3 권선 일부에 동작할 수 있도록 부하를 연결하고;
    라인 모드 또는 스탠바이 모드 가운데 한 모드로 동작시키는 단계들을 포함하고,
    라인 모드로 동작하는 때, 일차 전원이 일차 신호가 제1 권선 상에 존재하게 하여 제1 출력 신호가 상기 부하로 공급되도록 하며; 그리고
    스탠바이 모드로 동작하는 때, 이차 전원이 이차 신호가 제2 권선 상에 존재하게 하여 제2 출력 신호가 상기 부하로 공급되도록 함을 특징으로 하는 부하에 무정전 전력을 공급하기 위한 방법.
  11. 제10항에 있어서, 코어와 관련하여 제2 권선과 제3 권선 사이에 마이너 분로를 배치시키는 단계를 더욱 포함함을 특징으로 하는 부하에 무정전 전력을 공급하기 위한 방법.
  12. 제10항에 있어서, 이차 전원을 제2 권선에 동작할 수 있도록 연결하는 단계가 배터리 팩을 제공하고 인버터를 제공함을 더욱 포함함을 특징으로 하는 부하에 무정전 전력을 공급하기 위한 방법.
  13. 제10항에 있어서, 이차 전원을 제2 권선에 동작할 수 있도록 연결시키는 단계가 스위치 모드 전원을 제공하는 단계를 더욱 포함함을 특징으로 하는 부하에 무정전 전력을 공급하기 위한 방법.
  14. 제10항에 있어서, 인버터를 제공하는 단계가 H-브리지를 제공하는 단계를 더욱 포함함을 특징으로 하는 부하에 무정전 전력을 공급하기 위한 방법.
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