KR20140135662A - 회로 차단 장치 및 전력 분배 유니트 - Google Patents

Abstract

본 발명은 일반적으로 전력 공급에 있어서의 회로 차단 장치에 관한 것이다. 본 발명은 특히 전기 디바이스에 DC 전력을 공급하는 전력 분배 유니트 분야에서 이점을 가진다. 전기기계식 회로 차단기가 회로 보호를 위하여 일반적으로 사용된다. 그들은 고정된 트리핑 조건이라는 단점을 가지며, 이는 오직 회로 차단기 부품을 변경함으로써 변경 가능하다. 본 발명은 제1 고정 트리핑 조건을 가지는 전기기계식 회로 차단기와, 출력 전류를 모니터링하고 전류가 제2 트리핑 조건을 초과하면 회로 차단기를 기계적으로 트립하는 추가 회로를 가지는 회로 차단 장치를 제공함으로써 이 문제를 해결한다. 이러한 방법으로 전기기계식 회로 차단기의 제1 트리핑 조건 및/또는 제어가능한 제2 트리핑 조건을 사용할 수 있게 된다.

Description

회로 차단 장치 및 전력 분배 유니트{CIRCUIT BREAKER ARRANGEMENT AND POWER DISTRIBUTION UNIT}

본 발명은 일반적으로 전력 공급에 있어서의 회로 차단 장치에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 본 발명은 독립항의 전제부에 개시된 것에 관한 것이다. 본 발명은 예를 들어 전력 공급원과 부하 사이의 전력 분배 유니트에 사용될 수 있다.

스위칭 전력 공급원과 같은 전력 공급원이 이동 통신 시스템(cellular communication system)에서의 기지국과 같은 다양한 전자 디바이스에 직류(DC)를 공급하기 위하여 사용된다. 그러한 전력 공급원은 특정 출력 전류 제한이 있으며, 이를 초과하여서는 안된다. 과부하로 인한 과도한 전류로부터 전력 공급원을 보호하기 위하여 회로 차단기를 사용하는 것은 일반적이다. 회로 차단기는 또한 고에너지 회로에서의 배선을 보호하고 고장 상태일 때 정전을 제한한다. 따라서 한 유니트의 고장이 동일한 전력 공급원의 다른 유니트의 고장을 야기하지 않는다.

회로 차단기의 일반적인 유형은 전기기계식(electromechanical) 회로 차단기이다. 그러한 회로 차단기는 고정된 전류 한계나 고정된 트리핑 곡선(tripping curve)을 가지며, 전류 한계 또는 트립핑 곡선의 초과는 회로 차단기의 트리핑을 초래한다. 회로 차단기는 일반적으로 그 프론트 패널에 회로 차단기를 재설정하기 위한 레버를 갖는다. 전기기계식 회로 차단기는 대량으로 생산되며, 이들은 표준의 신뢰성 있으며 저비용 부품이며, 기관들에 의하여 인가되었다.

그러나, 전기기계식 회로 차단기에 관련된 몇 가지 문제가 존재한다. 트립핑 이후에 그들은 수동으로 재설정될 필요가 있다. 전기 디바이스는 원격지에 설치될 수 있을 것이며, 그러한 장소로 이동하는데 많은 노력과 시간이 요구될 것이다. 전기 디바이스들을 수리할 필요가 없는 이유들에 의하여 회로 차단기의 트립핑이 일어날 수 있을 것이다. 그러한 상황에서도 여전히 회로 차단기를 재설정하기 위해서 설치 장소로 이동할 필요가 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 원격 제어로 회로 차단기를 재설정 하는 장치가 존재한다. 그러한 해결책은 특허 출원 문헌 US6,522,227B1에 개시되어 있다.

전기기계식 회로 차단기의 다른 문제는 고정된 트리핑 전류 한계 또는 고정된 트리핑 곡선에 관련된다. 회로 차단기의 전류 한계가 변경될 필요가 있는 다양한 경우가 존재한다. 전류 한계를 변경하기 위해서는 회로 차단기가 다른 것으로 변경되어야 한다. 회로 차단기를 변경하는 것은 전기 디바이스의 설치 장소에서의 서비스 작업을 요구하게 된다. 또한 원하는 전류 한계를 가지는 회로 차단기를 구할 수 없을 가능성도 존재한다. 그러한 경우, 최적화되지 않은 낮은 전류 한계를 갖는 회로 차단기를 사용해야 할 필요가 있다. 이는 회로 차단기의 불필요한 트리핑을 초래할 것이다.

본 발명의 목적은 다양한 적용이 가능하고, 상술한 종래기술의 단점을 회피하거나 감소시킬 수 있는 회로 차단기를 제공하는 것이다. 따라서 본 발명의 목적은 표준의 승인된 전기기계식 회로 차단기의 이점을 가지는 과부하 보호를 달성하고 바람직하게는 트리핑 조건을 제어/선택하는 것이다.

본 발명의 목적은 제1 고정 트리핑 조건을 가지는 전기기계식 회로 차단기를 가지는 회로 차단 장치를 제공함으로써 달성된다. 제1 트리핑 조건은 회로 차단기의 원래(original) 디폴트(default) 트리핑 곡선에 기초한다. 회로 차단 장치는 또한 출력 전류를 모니터링하고, 전류가 제2 트리핑 조건을 초과하면 회로 차단기를 기계적으로 트립하는 추가 회로를 가진다. 제2 트리핑 조건은 본 발명에 의하여 시행되는 보조 조건이다. 이러한 방법으로, 전기기계식 회로 차단기의 제1 트리핑 조건 및/또는 제어 가능한 제2 트리핑 조건을 사용 가능하게 된다.

더욱 구체적으로, 본 발명의 목적은 적어도 하나의 전력 분배선 상의 회로 차단 장치로서, 상기 회로 차단 장치는 상기 전력 분배선에 연결된 전기기계식 회로 차단기를 구비하며, 상기 전기기계식 회로 차단기는 상기 전력 분배선의 전류가 상기 회로 차단기의 제1 트리핑 조건을 초과할 때 상기 전력 분배선의 전류를 차단하는 수단을 가지고, 상기 전기기계식 회로 차단기는 ON 및 OFF 위치를 가지며, 그 ON/OFF 위치를 전환함으로써 상기 전력 분배선의 ON/OFF 전류를 각각 연결하도록 구성된 레버를 구비하며, 상기 회로 차단 장치는,

- 상기 전력 분배선의 전류를 측정하는 센서 수단;

- 제2 트리핑 조건을 설정하는 수단;

- 상기 측정된 전류의 값을 상기 제2 트리핑 조건과 비교하는 제어 수단; 및

- 상기 전기기계식 회로 차단기의 상기 레버를 기계적으로 전환하는 액츄에이터 수단;을 가지는 추가 회로를 더 구비하고,

상기 제어 수단은 상기 제2 트리핑 조건이 충족될 때 상기 전기기계식 회로 차단기의 상기 레버를 전환하도록 상기 액츄에이터 수단을 구동하여 상기 분배선의 전류를 차단하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 회로 차단 장치를 제공함으로써 달성된다.

본 발명은 또한 적어도 하나의 전력 공급원으로부터 적어도 하나의 부하로 전력을 공급하는 전력 분배 유니트에 관한 것으로, 상기 전력 분배 유니트는 본 발명에 따른 회로 차단 장치를 가지며, 상기 회로 차단 장치는 적어도 하나의 전력 분배선에 대하여 적어도 하나의 전기기계식 회로 차단기, 센서 수단 및 액츄에이터 수단을 구비한다.

본 발명의 몇몇 바람직한 실시예가 종속항에 기술되어 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 트리핑 조건은 공칭 전류(nominal current)치를 포함하며, 상기 전력 분배선의 전류치가 상기 공칭 전류를 미리 결정된 양, 예를 들어 공칭 전류의 소정의 퍼센트만큼 초과할 때 트리핑이 발생하도록 구성된다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 트리핑 조건은 전류 레벨치와 상응하는 트립 임계 시간의 값을 구비하는 트리핑 곡선 데이터를 포함한다. 상기 제어 수단은 미리 결정된 시간창(time window) 내에서 각 전류 레벨이 초과된 시간을 모니터링하고 상기 트립 임계 시간의 초과의 발생을 모니터링 하도록 구성된다. 임계 시간의 초과는 상기 트리핑 조건을 충족하는 것을 나타낸다.

본 발명의 일 실시예로서, 상기 제어 수단은 프로그래머블 마이크로 컨트롤러를 구비한다. 상기 제2 트리핑 조건을 설정하는 수단은 상기 제어 수단으로의 입력에 공칭 전류치를 수동으로 선택하는 수단을 구비할 수 있을 것이다. 상기 제2 트리핑 조건을 설정하는 수단은 추가적으로 또는 대안적으로 상기 제어 수단에 상기 제2 트리핑 조건의 데이터를 입력 및/또는 제2 트리핑 곡선을 선택하는 디지털 제어 인터페이스를 구비할 수 있을 것이다. 이러한 설정 수단으로 상기 제1 및/도는 제2 트리핑 조건을 사용할지 여부를 결정하는 것도 가능하다. 상기 제어 수단용 상기 디지털 인터페이스는 또한 과부하 보호 장치의 경고 정보나 상태(status)를 제공하는데 사용될 수 있을 것이다. 상기 제어 수단은 또한 상기 전기기계식 회로 차단기의 ON/OFF를 제어하기 위하여 상기 디지털 제어 인터페이스를 통하여 ON/OFF 제어 지령을 수신할 수 있을 것이다. 상기 회로 차단 장치는 또한 유선 또는 무선 데이터 전송으로 상기 제어 수단과 원격으로 통신하는 수단을 구비할 수 있을 것이다. 이로써 상술한 원격 제어를 수행하는 것이 가능하다.

본 발명의 또 다른 실시 예에 따르면, 상기 액츄에이터 수단은 솔레노이드 및 상기 솔레노이드 내의 강자성(ferromagnetic) 또는 영구(permanent) 자석 코어를 구비하고, 상기 코어는 회로 차단기의 레버를 OFF 위치로 설정하기 위하여 상기 솔레노이드에 전류를 공급함으로써 이동 가능하다. 또 다른 실시예로서, 상기 액츄에이터 수단은 또한 상기 전기기계식 회로 차단기의 레버를 ON 위치로 재설정하는 기능을 가진다.

본 발명의 일 실시예로서, 상기 액츄에이터 수단은 제1 솔레노이드, 제2 솔레노이드, 및 상기 제1 및 제2 솔레노이드 내의 강자성 또는 영구 자석 코어를 구비하고, 상기 코어는, 회로 차단기의 상기 레버를 OFF 위치로 이동시키기 위하여 상기 제1 솔레노이드에 전류를 공급함으로써 제1 방향으로 이동 가능하고, 상기 회로 차단기의 상기 레버를 ON 위치로 이동시키기 위하여 상기 제2 솔레노이드에 혹은 상기 제1 솔레노이드 및 상기 제2 솔레노이드에 연속적으로 전류를 공급함으로써 제2 방향으로 이동 가능하다.

본 발명의 다른 실시예로서, 상기 액츄에이터 수단은 솔레노이드 및 상기 솔레노이드 내의 영구 자석 코어를 구비하고, 상기 코어는, 회로 차단기의 상기 레버를 OFF 위치로 이동시키기 위하여 상기 솔레노이드에 제1 전류를 공급함으로써 제1 방향으로 이동 가능하고, 상기 회로 차단기의 상기 레버를 ON 위치로 이동시키기 위하여 상기 솔레노이드에 제2 전류를 공급함으로써 제2 방향으로 이동 가능하며, 상기 제1 및 제2 전류는 상기 솔레노이드에 대하여 반대 방향이다.

본 발명의 바람직한 일 실시예로서, 상기 회로 차단 장치는 대응하는 전력 분배선에 대해서 둘 또는 몇 개의 전기기계식 회로 차단기, 센서 수단 및 액츄에이터 수단을 가진다. 그러한 회로 차단 장치는 각 액츄에이터 수단에 대한 개별적인 제어 수단 및/또는 둘 또는 몇 개의 액츄에이터 수단을 제어하는 공통 제어 수단을 구비할 수 있다. 상기 회로 차단기를 재설정하는 액츄에이터 수단은 개별적일 수 있고, 각 액츄에이터 수단은 하나의 전기기계식 회로 차단기의 레버를 ON 위치로 재설정하도록 구성된다. 상기 회로 차단 장치는 또한 공통 액츄에이터 수단을 포함할 수 있으며, 공통 액츄에이터 수단은 동시에 적어도 두 개의 전기기계식 회로 차단기의 상기 레버를 ON 위치로 재설정하도록 구성된다. 상기 액츄에이터 수단은 여러 개의 회로 차단기를 동시에 재설정하는 하나 또는 몇 개의 모터 및/또는 개별적으로 회로 차단기를 재설정하는 하나 또는 여러 개의 모터를 구비할 수 있을 것이다.

본 발명은 종래 기술의 해결책에 비해 상당한 이점을 갖는다. 디바이스의 회로 차단기를 변경하지 않고도 트리핑 전류 한계를 선택할 수 있게 된다. 또한 트리핑 전류 한계를 변경하거나 전력 분배선 ON/OFF를 원격으로 제어할 수 있게 되며, 이로서 디바이스가 설치된 장소로 이동할 필요가 없게 된다. 트리핑 전류 한계의 값은 요구에 따라서 조정되거나 선택될 수 있으며, 적은 수의 미리 결정된 고정된 값으로부터 트리핑 전류치를 선택할 필요가 없게 된다. 더욱이, 회로 차단기의 자동 또는 원격 재설정 기능을 제공할 수 있게 된다. 이러한 기능은 전류 ON/OFF를 스위칭하는 표준 전기기계식 회로 차단기를 사용함으로써 달성될 수 있으며, 이로써 종래 기술에 따른 이점 또한 획득할 수 있다. 추가로, 어떤 이유로 추가적인 과부하 보호 회로가 동작하지 않는 다면, 전기기계식 회로 차단기는 상기 추가적인 과부하 보호 회로와 독립적으로 자신의 공칭 트리핑 조건에 따라서 트립되기 때문에 백업 과부하 보호를 제공하게 될 것이다.

또한 과부하 조건 없이도 개별 전력 분배선의 원격 ON/OFF 제어를 위하여 상기 회로 차단 장치를 사용할 수 있게 된다. 이는 에너지를 절약할 수 있게 하는데, 급전의 차단에 원격으로 제어되는 ON/OFF 인터페이스를 제공하기 때문에 필요하지 않는 디바이스를 기계적 차단함으로써 에너지를 더욱 아낄 수 있게 된다. 모든 보조 전력들이 유니트로부터 차단될 수도 있으며, 이는 다른 종래 회로 차단 장치에서는 불가능한 것이다.

본 특허 출원에 있어서, “전력 공급원”은 모든 전력원을 의미한다. 이는 바람직하게는 DC 출력을 가지는 스위칭 전력 공급원을 의미할 수 있으나, 또한 태양광 또는 풍력 발전기를 의미하거나 DC 또는 AC 전력의 전력 공급원이나 다른 공급원을 의미할 수도 있다.

본 특허 출원에 있어서, “전력 분배선”이라는 용어는 어느 전력 공급원으로부터 부하로 전력을 공급하는 배선을 의미한다.

본 발명의 상세 설명 및 다른 이점들은 후술되어질 상세한 설명과 첨부된 도면을 참조함으로써 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 예시적 회로 차단 장치 및 예시적 전력 분배 유니트의 블록도를 나타낸다.
도 2는 솔레노이드로 전기기계적 회로 차단기의 레버를 제어하기 위한, 본 발명에 따른 예시적 회로 차단 장치를 나타낸다.
도 3은 모터로 전기기계적 회로 차단기의 레버들을 재설정하기 위한, 본 발명에 따른 예시적 회로 차단 장치를 나타낸다.
도 4는 최대 시간(maximum time lengths)의 전류 레벨 함수로 구성된 트리핑 곡선의 그래프를 나타낸다.
도 5는 본 발명에 따른 예시적 전력 분배 유니트를 구비한 전력 공급 시스템을 나타낸다.

도 1은 예시적 회로 차단 장치와 전력 분배 유니트를 나타내는 블록도이다. 전력 공급원으로부터의 전력선은 전기기계적 회로 차단기(11)(CB)의 입력에 연결된다. 회로 차단기는 고정 공칭 전류(fixed nominal current)를 갖는 표준 회로 차단기이다. 회로 차단기의 트리핑은 공칭 전류가 미리 결정된 양을 초과하는지에 기초하거나, 또는 트리핑은 예를 들어, 고정 전류-시간 곡선에 기초할 수 있다.

회로 차단 장치는 전기기계적 회로 차단기(11)와 부하 사이에 전류 센서(41)를 구비한다. 전류 센서의 출력 신호는 신호 증폭기(47)로 증폭되고, 증폭된 신호는 마이크로컨트롤러 유니트(51)(MCU)로 인가된다. 전력선의 전류값은 MCU에서 모니터링되어 저장된 트리핑 데이터(즉, 전류-시간 곡선의 저장된 값 및/또는 전류 제한)와 비교된다. MCU의 메모리 또는 예시적 메모리에 저장된 트리핑 곡선을 선택하는 수동 전류 선택기(58)가 존재할 수도 있다. 전력 분배 유니트는 바람직하게는 또한 MCU의 메모리에 트리핑 곡선 데이터를 입력하거나, 및/또는 그 메모리에 이미 저장된 트리핑 곡선을 선택하기 위한 디지털 인터페이스(55)를 구비할 수 있다. 이러한 디지털 인터페이스는 전력 분배 유니트의 경보 또는 상태 정보를 수신하는 것과 같은, 다른 목적을 위해 사용될 수도 있고, 전기기계적 회로 차단기의 ON/OFF를 제어하기 위해서 사용될 수도 있다. 디지털 인터페이스는 또한 유선 또는 무선 데이터 전송을 사용함으로써 원격으로 사용될 수도 있다. 이 방식은 설치 위치로 이동할 필요없이, 전력 분배 유니트의 동작을 원격으로 제어하고 모니터링할 수 있다. 또한 보통 조건(normal condition)일 때(과부하 또는 고장이 발생하지 않았을 때) 조차도, 전력 분배선들의 ON/OFF를 국지적(locally) 또는 원격적으로 제어할 수 있다. OFF 제어는, 예를 들어, 부하에 대한 에너지 절약 또는 사용에 기인하는 보통 조건에서 사용될 수 있다. ON 제어는, 과부하 후에 복구하거나 부하를 단순히 턴온시키기 위하여 사용될 수 있다.

회로 차단 장치는 회로 차단기의 레버 위치를 재설정/설정하기 위하여 가동(movable) 강자성 또는 영구 자석 코어(24)를 갖는 솔레노이드(21)를 구비한다. MCU는 솔레노이드에 전류를 출력하는 드라이버(27)를 제어한다. 솔레노이드의 전류가 자계(magnetic field)를 형성하면, 코어와 레버가 이동된다. 이 예시에서는, 솔레노이드가 전기기계적 회로 차단기를 OFF 상태로 트리핑하기 위해 사용된다. 또한, 솔레노이드를 회로 차단기를 ON 상태로 재설정하기 위해서 사용할 수 있다. 이 기능은 하나는 회로 차단기를 트리핑하고, 다른 하나는 회로 차단기를 재설정하는, 2개의 솔레노이드를 사용함으로써 구현될 수 있다. 대안적으로, 단일 솔레노이드의 영구 자석 코어와 바이폴라 구동 전류가 사용될 수 있다. 또한, 회로 차단기에 개별적으로 및/또는 몇 개의 회로 차단기에 공통적으로, 모터를 사용할 수 있다. 이러한 대안적 구현예들은 후술하는 도 2와 도 3의 상세 설명에서 보다 자세하게 설명된다.

도 1은 트레이(34)를 이동시키는 모터(31)를 나타낸다. 트레이는 하나 또는 몇 개의 회로 차단기의 레버에 연결될 수 있다. 모터는 예를 들어, 전력 분배 유니트의 모든 회로 차단기를 동시에 재설정하도록 제어될 수 있다. 회로 차단기를 재설정한 후, 트레이는, 트리핑 조건들이 충족한다면 회로 차단기들이 트립할 수 있도록 하기 위해 원래의 위치로 이동되어 진다. 모터는 MCU(51)에 의해 제어되는 드라이버(37)에 의해 구동된다.

전력 분배 유니트는 일반적으로 몇 개의 부하 출력들을 상응하는 과부하 보호와 함께 가지고 있지만, 또한 전력 분배 유니트는 단지 하나 또는 2개의 출력을 갖을 수도 있다. 입력 전력은 하나의 공통 전력 공급원 또는 몇 개의 전력 공급원으로부터 수신될 수 있다. 전력 분배 유니트는 모든 과부하 보호 회로를 위한 그것의 드라이버(37)를 갖는 공통 모터(31)와 그것의 인터페이스를 갖는 공통 MCU를 구비할 수 있다. 파선(70)은 각 부하 출력에 대해 개별적인 전력 분배 유니트의 부분들을 나타내고 있다.

도 2는 솔레노이드로 레버를 전환(turn)시키는 기계적인 구조의 예를 나타내는 도면이다. 전기기계적 회로 차단기(11)는 ON과 OFF 위치를 갖는 레버(14)를 구비한다. 도 2는 OFF 위치에 있는 레버를 나타낸다. 도 2의 회로 차단기는 레버가 그것의 상부 위치에 있을 때, ON이고, 레버가 그것의 하부 위치에 있을 때, OFF이다. 가동 코어(24)는 이어진 관절(articulating joint)로 레버에 장착되어 있다. 코어는 바람직하게, 비-강자성 커버의 내측에 내장된 예컨대, 강철과 같은 강자성 물질을 포함한다. 코어는 2개의 코일(21, 22)로 구성되는 솔레노이드를 통전시킴으로써 이동된다. 솔레노이드가 통전되었을 때, 강자성 코어는 솔레노이드 내부의 중간 위치를 향해 이동하려는 경향이 있다. 따라서 도 2에서, 코어의 강자성 부분(241)이 전체 코어보다 짧고, 코어의 나머지 부분(242)은 비-강자성 물질로 이루어진다. 코일(21)은 레버를 ON 위치에서 OFF 위치로 이동시키기 위해 사용된다. 제어 장치가 회로 차단기를 재설정하는데 사용되지 않으면, 코일(22)을 포함할 필요는 없다. 코일(22)이 레버를 OFF 위치에서 ON 위치로 재설정하는데 사용된다. 2개의 코일은 또한 레버를 재설정하기 위한 2 단계(phase)에서 사용될 수 있다. 이는 제1 단계에서 코일(21)이 통전되고, 코어를 조금 이동시킨다. 이는 2 단계에서는 코일(22)만이 통전되고, 코어(24)와 레버(14)가 그것의 종단 위치까지 이동되게끔 한다. 일반적으로 레버를 OFF 위치로 설정할 때보다 레버를 ON 위치로 재설정하기 위해 더 큰 힘이 요구되기 때문에, 레버를 재설정하기 위해 2개의 코일을 연속적으로 활성화시키는 것이 필요할 수 있다. 레버의 트리핑과 재설정 모두를 위해 하나의 코일만을 사용할 수도 있다. 이 실시예에서는, 영구 자석이 코어 내에 사용되고, 그 코어 이동의 방향은 코일에 인가되는 전류의 방향에 의해 결정된다. 영구 자석은 코어의 일부 또는 전체 길이를 커버할 수 있다.

솔레노이드 및 코어의 설계에는 다양한 대안예들이 존재한다. 솔레노이드를 통해 구동되는 전류의 순서뿐만 아니라, 솔레노이드 대 코어(24)의 개수와 위치, 코어(24)의 길이, 코일의 강자성/영구 자석 부분(241)의 길이 및 코어(24) 내에서의 그것의 위치, 솔레노이드(들) 전류의 방향 및 크기가, 상기 전류들에 응답하여 차단기를 트립하거나 또는 재설정하기에, 충분한 크기와 감지(하향 또는 상향)로 코일(24)에 기계적 힘을 가하는 방식으로 설계된다.

도 3은 전기기계적 회로 차단기를 재설정하기 위한 다른 솔루션을 나타내고 있다. 동 도면은 2개의 회로 차단기(11a 및 11b)를 나타내고 있지만, 회로 차단기의 개수는 당연히 2개와 다를 수 있다. 도 3의 회로 차단기들은 레버들이 상부 위치에 있을 때 ON이고, 그 회로 차단기들은 레버들이 하부 위치에 있을 때 OFF이다. 회로 차단기의 재설정은 일반적으로 트리핑보다 휠씬 더 큰 힘을 요구하며, 이러한 힘을 솔레노이드와 코어로 제공하는 것이 어려울 수 있다. 도 3의 장치에서는, 모터(31)가 재설정을 위해 사용된다. 모터의 회전이 선형(기계적 변환 구조체(32)에 의한 샤프트(34a, 34b)의 이동)으로 변환된다. 이러한 기계적 변환기를 구현할 수 있는 다양한 알려진 대안예들이 존재한다.

샤프트(34a,34b)는 회로 차단기(11a, 11b)의 레버(14a, 14b)를 전환시키기 위한 트레이(35)에 장착된다. 이 예시에서는, 트리핑 기능은 상응하는 솔레노이드에 의해 이동되는 코어(24a, 24b)로 구현된다. 재설정 기능은 트레이(35)로 구현되며, 회로 차단 장치의 모든 회로 차단기의 레버들을 동시에 재설정시킨다. 모터(31)가 통전되면, 샤프트(34a, 34b)는 트레이(35)를 도면의 상향으로 들어올리며, 트레이는 회로 차단기들의 레버를 재설정한다. 재설정 후에, 모터가 반대 방향으로 구동되어, 트레이를 공칭(nominal) 저위(lower position)로 복귀시켜, 레버들이 자유롭게 트립할 수 있게 한다. 하나 또는 몇 개의 회로 차단기들이 OFF 상태로 남아 있어야 한다면, 재설정 후에 관련된 솔레노이드(들)를 통전시킴으로써 그 회로 차단기(들)를 OFF 상태로 설정할 수 있다.

도 4는 트리핑 조건을 결정하는데 사용될 수 있는 트리핑 곡선의 예를 나타낸다. 예시적인 그래프(61)는 최대 시간의 전류값 함수를 나타낸다. 가로축은 시간을 나타내고, 세로축은 전력 공급원의 정격 공칭 전류값(rated nominal current value)과 순간 전류값(instantaneous current value) 간의 비율을 나타낸다. 도 4의 그래프는 ETSI(European Telecommunications Standards Institute) 표준 EN 300 132-2에 의해 정해진 것이다. 이 그래프는 공칭 전압에서 전기 통신 장비를 위한 최대 돌입 전류(inrush current)와 최대 부하를 나타낸다. 그래프의 값을 초과하지 않도록 하기 위해, 트립 임계를 위한 시간값은 그래프에 도시된 것보다 짧은 시간값을 사용하는 것이 바람직하다. 그래프의 시간값과 과부하 보호 디바이스의 트립 임계치 간의 차이는, 과부하 보호 장치의 전류 측정 정확도, 시간 해상도(timing resolution) 등에 의존한다.

다음으로, 과부하 보호 장치의 트리핑 조건이 트리핑 곡선에 기초할 때, 예시적 과부하 보호 장치의 동작이 설명된다. 먼저, 전류 스텝(current step)들이 모니터링되고 있는지, 트리핑 임계로서 사용되는 시간이 무엇인지가 판단된다. 이 데이터는 마이크로컨트롤러 유니트의 메모리에 저장된다. 이어서, 스위칭 소자의 전류가 장치의 회로 센서에 의해 측정된다.

전류가 전류 스텝을 초과하면, 예를 들어, 특정 시간창(time window) 내에서 얼마나 오랜 시간 전류 스텝의 초과가 일어났는지가 모니터링된다. 다음으로, 상기 시간이 모니터링된 전류 스텝에 대해 정의된 시간 임계(time threshold)를 초과하는지를 체크한다. 시간 임계가 초과하지 않았으면, 전류 측정과 시간 측정을 계속한다. 시간 임계가 초과되면, 전기기계적 회로 차단기가 OFF로 스위치되는데, 이는 과부하 보호 장치가 트립되었다는 것을 의미한다.

트립 임계(trip threshold)를 초과하는 것은 과부하 상황이 발생한 것을 의미하고, 전력 공급이 계속된다면, 전력 공급원을 손상시킬 수 있다. 따라서 스위칭 소자가 자동적으로 다시 ON으로 스위치되지 않는다. 예를 들어, 사용자가 과부하 조건을 인지하고, 트리핑 후에 다시 부하로의 전력을 스위치 ON 하도록 제어 수단을 활성화시킬 필요성이 있을 수 있다.

트립 모니터링을 구현하기 위해 몇 가지 가능예들이 존재한다는 것에 주목해야 한다. 전류 스텝들의 개수는 예컨대, 6일 수 있지만, 대안적으로 이것보다 더 낮거나 더 높을 수 있다. 전류 측정을 위한 샘플링 시간은 예컨대, 1ms이지만, 대안적으로 더 낮거나 더 높을 수 있다. 이러한 파라미터들은 프로그램할 수 있다.

트립 모니터링을 위한 측정 시간창(measurement time window)을 적용하는 것이 바람직하다. 이러한 시간창은 예를 들어, 1초의 시간을 가질 수 있다. 시간창 동안 모니터링된 전류 레벨의 초과가 이어서 기록되고, 누적된다. 시간창 내에서, 임의의 전류 레벨에 대한 시간 임계가 초과되면, 스위칭 소자가 OFF로 스위치(즉, 트립)된다. 시간 원도우가 끝난 후에, 초과한 전류 레벨에 대해 기록된 시간값들이 재설정되어, 새로운 시간창은 초과된 전류 레벨의 누적된 시간값들을 0으로 시작되게 할 수 있다. 새로운 시간창은 전류 레벨이 다음으로 초과되었을 때 시작할 수 있다. 또한 시간창은 자동적으로 반복될 수도 있다.

대안으로서, 슬라이딩 시간창을 적용할 수 있다. 이 경우, 초과한 시간 레벨에 대해 기록된 시간들은 최신 시간창 내에 기록된 데이터로부터 누적될 수 있다. 이 절차가 보다 정확하지만, 이것은 더 효율적인 데이터 처리를 요구한다.

도 5는 전력 분배 유니트 PDU를 통해 전력을 4개의 전력 공급원(71-74)으로부터 8개의 부하로 공급하는 예시적 시스템을 나타낸다. 부하(91)와 부하(93-97)는 하나의 전력 입력을 갖고, 부하(92)는 2개의 전력 입력을 가지며, 부하(98)는 3개의 전력 입력을 갖는다. 시스템은 3개의 출력 V1, V2, V3을 가지는 제1 전력 공급원(71)을 구비한다. 제1 전력 공급원은 부하(91, 92)에 전력을 공급한다. 제2 전력 공급원(72)은 2개의 출력 V4 및 V5를 가진다. 제2 전력 공급원은 부하(93, 94)에 전력을 공급한다. 제3 전력 공급원(73)은 3개의 부하(95, 96 및 97)에 전력을 제공하는 하나의 전력 출력(V6)을 가진다. 제4 전력 공급원(74)은 단일 부하(98)의 3개의 전력 입력에 전력을 제공하는 하나의 출력을 갖는다.

전력 분배 유니트는, 이 예에서는 전기기계적 회로 차단기를 포함하는 보호 회로(701-709)와, 각 회로 차단기를 위해 개별적으로 마련되는 액츄에이터 수단을 포함한다. 보호 회로는 도 1에 도시된 회로(70)에 상응한다. 전력 분배 유니트는 또한 마이크로 컨트롤러, 메모리 및 I/O 인터페이스를 포함할 수 있는 제어 수단(80)을 가지고 있다. 제어 유니트는 액추에이터 수단을 제어하고, 출력 전류에 상응하는 신호를 수신한다. 부하(91 ~ 95)의 6개의 전력 커넥션 각각은, 개별 보호 회로(701-706)를 가진다. 부하(96, 97)는 공통 보호 회로(707)를 가진다. 부하(98)는 2개의 전력 입력을 위한 하나의 보호 회로(708)와 3개의 전력 입력을 위한 또 다른 보호 회로(709)를 가진다.

전력 분배 유니트에서의 전력 공급원, 과부하 보호 회로 또는 부하의 개수는 어떤 방식으로도 언급되어진 개수로 제한되지 않는 점에 주목해야 한다. 전력 분배 유니트는 따라서 하나 또는 몇 개의 전력 공급원을 위한 입력들을 가질 수도 있고, 전력 공급원은 하나 또는 몇 개의 전력 출력을 가질 수도 있다. 하나의 과부하 보호 회로는 하나 또는 몇 개의 부하에 전력을 제공할 수도 있고, 부하는 하나 또는 몇 개의 전력 입력을 가질 수도 있다. 이에 더하여, 하나의 부하는 하나 또는 몇 개의 과부하 보호 유니트로부터 전력을 수신할 수 있다. 과부하 보호 회로의 입력 및 출력은 공통 접지(common ground)를 갖는 것이 바람직하다.

과부하 보호 회로들은 예컨대, 마이크로컨트롤러 유니트의 직렬 또는 병렬 제어 인터페이스(55)로 프로그램될 수 있다. 과부하 보호 회로들은 개별적 제어를 위해 개별적 어드레스를 가질 수 있다. 또한 유선 또는 무선 데이터 전송이 과부하 보호 회로의 원격 제어를 위해 처리될 수 있다. 제어 출력 데이터는 예컨대, 과부하 보호 회로의 동작에 관련된 상태, 경보(alert), 및 이력 정보(history information)를 포함할 수 있다. 또한 예를 들어, 디바이스 ON/OFF를 전환하는 원력 제어를 사용할 수 있다.

제어 수단은 처음 제조시에 프로그램될 수 있고, 및/또는 설치 및 유지보수시 국지적으로 프로그램될 수 있으며, 및/또는 예를 들어, 중앙 제어 시설로부터 원격으로 프로그램될 수 있다. 프로그래밍은 마이크로컨트롤러를 위한 프로그램을 설치 및 업데이트하고, 및/또는 예를 들어 트립 곡선들을 위한 데이터를 저장하는 것을 말한다. 제어 수단은 이력, 상태, 경보 및 측정 정보를 예컨대 원격 제어 센터로 전송할 수 있다. 또한 과부하 보호 회로들은 자신의 상태, 경보(alert) 및 다른 가능한 정보를 자신에게 연결되어 있는 전력 공급원의 프로세서에 전송할 수 있다. 이 방법으로 예를 들어, 자신의 출력에서 회로 차단기가 트립되면, 전력 공급원은 스위치를 OFF할 수 있게 된다.

본 특허 명세서에서는, 장치의 구조와 부품들은 상술되어진 설명과 당업자의 일반적인 지식을 사용하여 구현될 수 있기 때문에, 보다 자세하게 설명되지는 않았다.

과부하 보호 회로의 제어 기능은 예컨대, ASIC 회로와 같은 아날로그 회로로 구현될 수 있으며, 이로써 간단한 구현이 실현될 수 있다. 이러한 구현예에서, 트리핑 조건들은 예컨대, 아닐로그 필터에 의해 결정될 수 있다. 그러나 보다 향상된 기능을 실현하기 위해서는, 디지털 구현이 바람직하다. 마이크로컨트롤러/프로세서가 사용될 때, 회로는 디바이스에서 실행되는 적절한 프로세서 프로그램을 필요로 한다. 기존의 디바이스 또는 시스템을 본 발명에 따른 장비로 변환하기 위해서는, 하드웨어 변경 외에, 마이크로프로세서(들)이 상술되어진 기능들을 수행할 수 있게 하는 기계-판독가능 명령어들의 세트를 메모리 수단에 저장할 필요가 있다. 본 특허 출원의 교시 내용과 조합될 때, 이러한 명령어들을 메모리에 구성하거나 저장하는 것은, 당업자의 능력 범위 내에서 알려져 있는 기술을 포함한다.

상기에서는, 본 발명에 따른 솔루션의 단지 일부 실시예만이 설명되었다. 본 발명에 따른 원리는 당연히 예를 들어, 구현예의 상세 내용 및 사용 범위의 변형에 의해, 특허 청구 범위에 의해 정의되는 범위의 틀 내에서 변경될 수 있다.

본 발명의 특징은 다양한 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 이하의 조합이 가능하다.

- 재설정 매카니즘없이 회로 차단기를 트리핑하기 위해 하나의 솔레노이드와 하나의 가동 코어를 사용하는 것

- 트래핑 및 재설정 기능을 모두 제공하기 위하여, 2개의 솔레노이드와 가동 코어를 사용하는 것

- 트래핑 및 재설정 기능을 모두 제공하기 위하여, 가동 영구 자석을 구비한 하나의 솔레노이드를 사용하는 것

- 솔레노이드와, 회로 차단기를 트리핑하기 위한 가동 코어와, 회로 차단기를 재설정하기 위한 모터를 사용하는 것

또한, 본 발명에 따른 전력 분배 유니트는 솔레노이드에 의해 트립되지는 않지만, 솔레노이드 또는 모터로 재설정될 수 있는 회로 차단기들을 구비할 수 있다.

"제2 트리핑 조건"은 선택 가능한 몇 가지 대안적 트리핑 조건을 포함할 수 있다는 것에 주목한다. 트리핑 조건들은 각 회로 차단기에 개별적일 수 있지만, 또한 회로 차단기들의 그룹에 대해 공통적일 수도 있다.

본 발명은 DC 전류가 공급되는 실시예로 설명되었지만, 본 발명에 따른 과부하 보호 회로는 또한 AC 전류원으로 부하에 적용 가능하다는 것은 명백하다.

본 발명은 예컨대, 전기 통신 시스템, 전기 자동차 애플리케이션, 태양 전지판 등과 같은, 다양한 목적용 DC 및 AC 전력 분배에 적용될 수 있다.

Claims (15)

1. 적어도 하나의 전력 분배선(power distribution line) 상의 회로 차단 장치(circuit breaker arrangement)로서,
   상기 회로 차단 장치는 상기 전력 분배선에 연결된 전기기계식 회로 차단기(electromechanical circuit breaker)(11)를 구비하며, 상기 전기기계식 회로 차단기는 상기 전력 분배선의 전류가 상기 회로 차단기의 제1 트리핑 조건(tripping condition)을 초과할 때 상기 전력 분배선의 전류를 차단하는 수단을 가지고, 상기 전기기계식 회로 차단기는 ON 및 OFF 위치를 가지며, 그 ON/OFF 위치를 전환(turn)함으로써 상기 전력 분배선 ON/OFF의 전류를 각각 연결/차단하도록 구성된 레버(14, 14a, 14b)를 구비하며,
   상기 회로 차단 장치는,
   상기 전력 분배선의 전류를 측정하는 센서 수단(41, 47);
   제2 트리핑 조건을 설정하는 수단(51-58);
   상기 측정된 전류의 값을 상기 제2 트리핑 조건과 비교하는 제어 수단(51); 및
   상기 전기기계식 회로 차단기의 상기 레버를 기계적으로 전환하는 액츄에이터 수단(21, 22, 24);을 가지는 추가 회로를 더 구비하고,
   상기 제어 수단은 상기 제2 트리핑 조건이 충족될 때 상기 전기기계식 회로 차단기의 상기 레버를 전환하도록 상기 액츄에이터 수단을 구동하여 상기 분배선의 전류를 차단하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 회로 차단 장치.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 트리핑 조건은 공칭 전류(nominal current)치를 포함하며, 상기 전력 분배선의 전류치가 상기 공칭 전류를 미리 결정된 양만큼 초과할 때 트리핑이 발생하도록 구성된 것을 특징으로 하는 회로 차단 장치.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 트리핑 조건은 전류 레벨치와 상응하는 트립 임계 시간(trip threshold time lengths)의 값을 구비하는 트리핑 곡선 데이터(tripping curves data)를 포함하고, 상기 제어 수단은 미리 결정된 시간창(time window) 내에서 각 전류 레벨이 초과된 시간을 모니터링하고 상기 트립 임계 시간의 초과의 발생을 모니터링 하도록 구성되며, 임계 시간의 초과는 상기 트리핑 조건을 충족하는 것을 나타내는 것을 특징으로 하는 회로 차단 장치.
4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제2 트리핑 조건을 설정하는 수단은 상기 제2 트리핑 조건을 수동으로 선택하는 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 회로 차단 장치.
5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제2 트리핑 조건을 설정하는 수단은 상기 제어 수단에 상기 제2 트리핑 조건의 데이터를 입력 및/또는 상기 제2 트리핑 조건을 선택하는 디지털 제어 인터페이스를 구비하는 것을 특징으로 하는 회로 차단 장치.
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 제어 수단은 상태 정보를 제공하고 및/또는 상기 디지털 제어 인터페이스를 통하여 ON/OFF 제어 지령을 수신하도록 구성된 것을 특징으로 하는 회로 차단 장치.
7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 회로 차단 장치는 유선 또는 무선 데이터 전송으로 상기 제어 수단과 원격으로 통신하는 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 회로 차단 장치.
8. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 액츄에이터 수단은 또한 상기 전기기계식 회로 차단기의 레버를 ON 위치로 재설정하는 기능을 가지는 것을 특징으로 하는 회로 차단 장치.
9. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 액츄에이터 수단은 솔레노이드 및 상기 솔레노이드 내의 강자성(ferromagnetic) 또는 영구(permanent) 자석 코어를 구비하고, 상기 코어는 회로 차단기의 상기 레버를 OFF 위치로 이동시키기 위하여 상기 솔레노이드에 전류를 공급함으로써 가동 것을 특징으로 하는 회로 차단 장치.
10. 청구항 9에 있어서,
    상기 액츄에이터 수단은 제1 솔레노이드, 제2 솔레노이드, 및 상기 제1 및 제2 솔레노이드 내의 강자성 또는 영구 자석 코어를 구비하고, 상기 코어는, 회로 차단기의 상기 레버를 OFF 위치로 이동시키기 위하여 상기 제1 솔레노이드에 전류를 공급함으로써 제1 방향으로 이동 가능하고, 상기 회로 차단기의 상기 레버를 ON 위치로 이동시키기 위하여 적어도 상기 제2 솔레노이드에 전류를 공급함으로써 제2 방향으로 가동 것을 특징으로 하는 회로 차단 장치.
11. 청구항 8에 있어서,
    상기 액츄에이터 수단은 솔레노이드 및 상기 솔레노이드 내의 영구 자석 코어를 구비하고, 상기 코어는, 회로 차단기의 상기 레버를 OFF 위치로 이동시키기 위하여 상기 솔레노이드에 제1 전류를 공급함으로써 제1 방향으로 이동 가능하고, 상기 회로 차단기의 상기 레버를 ON 위치로 이동시키기 위하여 상기 솔레노이드에 제2 전류를 공급함으로써 제2 방향으로 이동 가능하며, 상기 제1 및 제2 전류는 상기 솔레노이드에 대하여 반대 방향인 것을 특징으로 하는 회로 차단 장치.
12. 청구항 1 내지 청구항 11 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 액츄에이터 수단은 하나 또는 몇 개의 전기기계식 회로 차단기의 레버를 ON 위치로 재설정하는 적어도 하나의 모터를 구비하는 것을 특징으로 하는 회로 차단 장치.
13. 청구항 1 내지 청구항 12 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 회로 차단 장치는 적어도 두 개의 전력 분배선에 대응하는 적어도 두 개의 전기기계식 회로 차단기, 센서 수단 및 액츄에이터 수단을 구비하고, 상기 액츄에이터 수단은 회로 차단기의 상기 레버를 ON 위치로 개별적으로 재설정하도록 구성되며, 및/또는 상기 액츄에이터 수단은 적어도 두 개의 회로 차단기의 상기 레버들을 ON 위치로 동시에 재설정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 회로 차단 장치.
14. 청구항 1 내지 청구항 13 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 회로 차단 장치는 적어도 두 개의 전력 분배선에 대한 적어도 두 개의 전기기계식 회로 차단기, 센서 수단 및 액츄에이터 수단을 구비하고, 상기 회로 차단 장치는 적어도 두 개의 액츄에이터 수단을 제어하는 공통 제어 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 회로 차단 장치.
15. 적어도 하나의 전력 공급원으로부터 적어도 하나의 부하로 전력을 공급하는 전력 분배 유니트로서,
    상기 전력 분배 유니트는 청구항 1 내지 청구항 14 중 어느 한 항에 따른 과부하 보호용 회로 차단 장치(circuit breaker arrangement for overload protection)를 구비하는 것을 특징으로 하는 전력 분배 유니트.

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