KR20150110895A - 무효 전력 감소 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 무효 전력 감소 장치는 폐루프 제어 시스템을 구성하는 제어기의 제어 신호가 설정값을 만족하도록 상기 폐루프 제어 시스템에 마련된 변압기의 권선비를 조절하는 탭 유니트를 포함할 수 있다.

Description

무효 전력 감소 장치{APPARATUS FOR REDUCING REACTIVE POWER}
본 발명은 폐루프 제어 시스템의 무효 전력을 감소시키는 장치에 관한 것이다.
전력을 효율적으로 사용하기 위해서는 무효 전력을 없애는 것이 좋다. 그러나, 현실적으로 전기 시스템에서 무효 전력을 완전히 배제시키는 것은 불가능하다.
특히, 폐루프 제어 시스템에서는 제어 과정에서 많은 무효 전력이 발생할 수 있으며, 이때의 무효 전력을 최대한 줄이는 방안이 필요하다.
한국공개특허공보 제10-2001-0099499호에는 커패시터를 스위칭하는 시점을 전원전압의 파형에 동기시켜 전력 효율을 개선시키는 장치가 개시되고 있으나, 폐루프 제어 시스템에서 발생되는 무효 전력을 감소시키는 방안은 나타나지 않고 있다.
한국공개특허공보 제10-2001-0099499호
본 발명은 폐루프 제어 시스템의 무효 전력을 감소시키는 무효 전력 감소 장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 무효 전력 감소 장치는 폐루프 제어 시스템을 구성하는 제어기의 제어 신호가 설정값을 만족하도록 상기 폐루프 제어 시스템에 마련된 변압기의 권선비를 조절하는 탭 유니트를 포함할 수 있다.
본 발명의 무효 전력 감소 장치는 위상각 전력 제어 시스템에 마련된 변압기와 구동 부하 사이의 전압을 상기 구동 부하의 피드백값에 따라 조절하는 탭 유니트를 포함하고, 상기 위상각 전력 제어 시스템은 상기 피드백값에 따라 상기 변압기의 입력단 전력이 제어되는 시스템이며, 상기 탭 유니트의 전압 조절을 통해 상기 입력단 전력이 일정하게 유지되고, 상기 입력단 전력의 무효 전력 발생이 억제될 수 있다.
본 발명의 무효 전력 감소 장치는 변압기의 권선비를 조절하는 것으로, 폐루프 제어 시스템의 무효 전력 발생을 감소시킬 수 있다.
일예로, 위상각 전력 제어 시스템에서는 도통각을 통한 위상각 제어 방식에 따라 전력 파형의 일부가 잘려진다. 이렇게 잘려진 부분이 그대로 무효 전력이 되므로, 무효 전력의 낭비가 크다. 이때, 위 제어 시스템을 구성하는 변압기와 구동 부하 사이의 전압을 조절함으로써 전력 파형이 잘리지 않게 할 수 있다. 이에 따르면 무효 전력을 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 무효 전력 감소 장치를 나타낸 블럭도이다.
도 2는 폐루프 제어 시스템을 나타낸 블럭도이다.
도 3은 위상각 제어 방식을 나타낸 개략도이다.
도 4는 폐루프 제어 시스템의 제어 상태를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 무효 전력 감소 장치를 구성하는 탭 유니트를 나타낸 개략도이다.
도 6은 변압기의 입력단 전압과 출력단 전압의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명을 구성하는 무효 전력 감소 장치의 제어 유니트를 나타낸 블럭도이다.
도 8은 본 발명의 무효 전력 감소 장치를 구성하는 탭 유니트를 나타낸 개략도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있다. 또한, 본 발명의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 한다.
도 1은 본 발명의 무효 전력 감소 장치를 나타낸 블럭도이다.
도 1에 도시된 무효 전력 감소 장치는 탭 유니트(110)를 포함할 수 있다.
탭 유니트(110)는 폐루프 제어 시스템을 구성하는 제어기(90)의 제어 신호가 설정값을 만족하도록 폐루프 제어 시스템에 마련된 변압기(30)의 권선비를 조절할 수 있다.
폐루프 제어 시스템은 구동 부하(50)의 상태를 피드백 받고, 피드백값에 따라 해당 구동 부하(50)로 공급되는 전력을 제어하는 시스템일 수 있다.
예를 들어, 구동 부하(50)가 전기 보일러인 경우 피드백값은 전기 보일러의 온도 또는 전기 보일러로 가열되는 대상물의 온도일 수 있다. 폐루프 제어 시스템에서는 위 온도를 기존 설정 온도와 비교하고, 설정 온도와 피드백값의 차이가 크면 현재보다 많은 전력을 전기 보일러로 제공할 수 있다. 반대로 설정 온도와 피드백값의 차이가 작으면 현재보다 적은 전력을 전기 보일러로 제공할 수 있다.
참고로, 폐루프 제어 시스템에서 유동되는 전력은 교류 전력일 수 있다. 구동 부하(50)로 공급된 교류 전력은 구동 부하(50) 내에 마련된 정류 회로, 변압 회로 등을 거쳐 적절하게 변환될 수 있다.
이상의 동작을 위해 폐루프 제어 시스템에는 도 2와 같이 센서(70), 제어기(90), 전력 조절기(10), 변압기(30)가 마련될 수 있다.
도 2는 폐루프 제어 시스템을 나타낸 블럭도이다.
센서(70)는 구동 부하(50)의 상태를 감지하고 피드백값을 생성할 수 있다.
제어기(90)는 센서(70)로부터 전달된 피드백값과 설정값을 비교하고, 비교 결과에 따라 적절한 제어 신호를 생성할 수 있다.
전력 조절기(10)는 외부로부터 입력된 전력을 위 제어 신호에 따라 조절해서 구동 부하(50)로 제공할 수 있다.
변압기(30)는 전력 조절기(10)와 구동 부하(50)의 사이에 마련되는 것으로 제어 신호로 제어되는 전력 조절기(10)의 전력인 입력 전압 Vin을 출력 전압 Vout으로 변환할 수 있다. 다시 말해 변압기(30)의 입력단(1차 권선측) 전압은 Vin이고, 출력단(2차 권선측) 전압은 Vout일 수 있다.
폐루프 제어 시스템 역시 일반적인 전기 시스템과 같이 무효 전력이 발생되는데, 폐루프 제어의 특성상 무효 전력의 발생량이 상대적으로 클 수 있다.
일예로, 폐루프 제어 시스템은 피드백값 Tc에 따라 변압기(30)의 입력단 전력이 제어되는 위상각 전력 제어 시스템일 수 있다.
TDVS(Tunable Diode Voltage Control System) 전력 제어 시스템 등의 위상각 전력 제어 시스템에는 사이리스터(thyristor)의 위상각 제어 방식이 적용될 수 있다. 이때, 탭 유니트(110)의 전압 조절을 통해 입력단 전력이 일정하게 유지되고, 입력단 전력의 무효 전력 발생이 억제될 수 있다.
위상각 제어 방식은 사이리스터로 공급되는 게이트 신호 등에 의해 온오프됨으로써 폐루프 제어 시스템으로 입력된 외부 전력의 정현파 입력 파형을 도통각을 따라 잘라내는 방식이다. 이를 통해 전력 조절기(10)의 전력이 조절될 수 있다. 사이리스터는 전력 조절기(10)에 마련되고, 게이트 신호는 제어기(90)에서 생성된 제어 신호일 수 있다.
도 3은 위상각 제어 방식을 나타낸 개략도이다.
페루프 제어 시스템으로 입력된 외부 전력의 전압 Vs가 도 3과 같이 정현파의 파형을 가질 때, 위상각 제어에 따르면 전력 조절기(10)로부터 출력되고 변압기(30)의 입력단으로 입력되는 입력 전압 Vin의 파형은 제어 신호에 따라 다양하게 잘려질 수 있다.
제어 신호가 100% 출력을 의도하는 경우 전력 조절기(10)는 외부 전력 Vs를 그대로 출력할 수 있다. 이 경우 Vs의 파형과 Vin의 파형은 동일하다.
제어 신호가 75% 출력을 의도하는 경우 전력 조절기(10)는 도 3에서 빗금친 면적이 전체 면적의 75%가 되는 각도(가로축)에서 파형을 자르게 된다.
제어 신호가 50%, 25%, 0%를 의도하는 경우에도 전력 조절기(10)는 전압 파형을 자르게 되는데, 우측 그래프의 파형에서 빗금 부분을 제외한 공백 부분은 그대로 무효 전력을 증가시키는 원인이 된다. 그래프의 추이를 살펴보면 제어 신호가 의도하는 출력이 낮아질수록 무효 성분이 증가하는 것을 알 수 있다. 결과적으로 제어 신호가 의도하는 출력이 낮아질수록 역률이 나빠지게 된다.
일예로, 구동 부하(50)가 전기 보일러의 경우를 설명한다.
도 4는 폐루프 제어 시스템의 제어 상태를 나타낸 그래프이다. 도 4에서 세로축은 구동 부하(50) 또는 구동 부하(50)에 의해 가열되는 대상물의 온도 T이고, 가로축은 시간 t일 수 있다.
희망 온도가 설정되면 구동 부하(50)가 동작하고 이에 따라 온도 T가 상승한다. 이렇게 온도가 상승하는 시간 구간이 t1일 수 있다. 온도가 상승하여 희망 온도를 만족한 후 희망 온도를 유지하는 시간 구간이 t2일 수 있다.
t1는 전기 보일러의 가동이 최고로 요구되는 구간이므로, t1에는 많은 전력이 전기 보일러로 공급되어야 한다. 그 전력량은 폐루프 제어 시스템에서 제공 가능한 최대 전력의 90% 이상의 전력이 구동 부하(50)로 제공될 수 있다. 이를 위해 제어기(90)에서는 출력 90% 이상을 의도하는 제어 신호가 생성될 수 있다.
이와 달리 t2에는 최대 전력의 60%의 이하 전력이 구동 부하(50)로 제공될 수 있다. 이때에는 제어기(90)에서 출력 60% 이하를 의도하는 제어 신호가 생성될 수 있다.
제어 신호의 제어 출력값이 90%인 경우 실제 측정값은 아래와 같을 수 있다.
유효 전력: 114.9Kw(공급 전력의 85%)
무효 성분: 48.2Kvar(공급 전력의 15%)
공급 전력: 124.6Kva
제어 신호의 제어 출력값이 40%인 경우 실제 측정값은 아래와 같을 수 있다.
유효 전력: 32.1Kw(공급 전력의 47%)
무효 성분: 34.3Kvar(공급 전력의 53%)
공급 전력: 46.9Kva
살펴보면, 제어 출력값이 90%인 경우 무효 성분이 공급 전력의 15%인 반면, 제어 출력값이 40%인 경우 무효 성분이 공급 전력의 53%인 것을 알 수 있다. 이는 곧 제어 신호의 제어 출력값이 높을수록 효율이 높은 것을 의미한다. 이 실험 결과를 통해 도 3의 이론과 실제 환경이 일치하는 것을 알 수 있다.
도 3의 이론 및 도 4의 실험 결과에 의하면 제어 신호의 제어 출력값이 높을수록 공급 전력 대비 무효 전력의 비율을 낮출 수 있음을 알 수 있다. 그러나 도 2에 도시된 폐루프 제어 시스템에서는 제어 출력값을 항상 높게 유지하기 어렵다. 제어 신호의 제어 출력값이 피드백값에 따라 변하기 때문이다.
피드백값의 변동에도 불구하고 제어 신호의 제어 출력값이 90% 등의 설정값를 만족하도록 도 1의 탭 유니트(110)가 이용될 수 있다.
도 5는 본 발명의 무효 전력 감소 장치를 구성하는 탭 유니트(110)를 나타낸 개략도이다.
탭 유니트(110)는 폐루프 제어 시스템에 마련된 변압기(30)의 권선비를 조절하도록 구성될 수 있다. 이때의 권선비는 제어 신호를 변경시키는 피드백값에 따라 결정될 수 있다.
변압기(30)는 제어기(90)의 제어 신호로 제어되는 전력 조절기(10)와 전력 조절기(10)의 전력으로 구동되는 구동 부하(50)의 사이에 마련될 수 있다. 이때, 탭 유니트(110)에는 전력 조절기(10)와 변압기(30)의 입력단을 연결하거나, 변압기(30)의 출력단과 구동 부하(50)를 연결하는 복수의 스위치(111)가 마련될 수 있다.
도 5에는 전력 조절기(10)와 변압기(30)의 입력단(1차 권선)의 사이에 스위치(111)가 마련된 경우가 개시된다. 이때, 각 스위치(111)의 일단은 1차 권선에서 서로 다른 권선수 위치에 연결될 수 있다. 그리고, 각 스위치(111)의 타단은 전력 조절기(10)의 출력단 중 하나에 병렬로 연결될 수 있다.
n개의 스위치(111)가 마련될 때, 스위치 S0의 일단은 권선수 N0 위치에 연결될 수 있다. 스위치 S1의 일단은 권선수 N1 위치에 연결될 수 있다. 스위치 S2의 일단은 권선수 N2 위치에 연결될 수 있다. 스위치 S3의 일단은 권선수 N3 위치에 연결될 수 있다. 그리고, 스위치 Sn의 일단은 권선수 Nn 위치에 연결될 수 있다.
위치 N0, N1, N2, N3,...Nn의 순서대로 권선수가 증가하고, 일시점에서 복수의 스위치(111) 중 1개의 특정 스위치만 온되는 경우 온된 스위치에 걸리는 전압은 권선수 위치와 상관없이 Vin으로 동일하다.
2차 권선의 권선수가 Nk일 때, 스위치 S0가 온되고 나머지 스위치가 오프되면 변압기(30) 공식에 따라 2차 권선의 전압 Vout은 Vout=Vin×Nk/N0이다. 이때의 Vout은 1차 권선의 권선수가 N1, N2, N3,...Nn의 순서대로 증가함에 따라 감소한다. 즉, Vout은 탭 유니트(110)에 마련된 어떤 스위치가 온되느냐에 따라 결정될 수 있다. 이때의 변압기(30) 입력단의 전압과 출력단의 전압을 도 6과 같은 파형을 나타낼 수 있다.
변압기(30)의 권선수를 조절하는 탭 유니트(110)에 따르면 변압기(30)로부터 출력되고 구동 부하(50)로 제공되는 전력의 전압 Vout이 조절될 수 있다. 따라서, 도 3의 50%일 때의 면적과 동일한 면적을 갖도록 전압 파형의 진폭을 조절하면 도 3의 50%일 때와 같은 전력을 구동 부하(50)로 제공할 수 있다. 그리고, 위상각 제어를 통해 잘려지는 파형이 감소되므로 무효 성분을 최대한 억제할 수 있다. 극단적인 예를 들자면 제어 신호의 제어 출력값을 100%로 계속 유지하고, 탭 유니트(110)의 스위치(111) 조절을 통해 구동 부하(50)로 제공되는 전력을 조절할 수 있다. 이에 따르면 전압 파형에서 잘려지는 부분이 없으므로 무효 전력을 최대한 줄일 수 있다. 물론 이에 따르면 위상각 전력 제어 시스템이 도입된 의미가 없어지므로, 제어 신호가 만족할 설정값은 100% 미만인 것이 바람직하다. 일예로 도 4의 경우 설정값은 90%일 수 있다. 이때, 위상각 제어는 90%~100% 범위 내에서 적용될 수 있다.
설정값이 90%라면 도 3의 50%와 같은 전압 파형이 전력 조절기(10)로부터 출력될 상황에서도 90% 전압 파형이 출력된다. 그리고 90% 전압 파형은 탭 유니트(110) 및 변압기(30)를 거치면서 50% 전압 파형과 동일한 면적의 전압이 된다. 이 과정에서 파형이 잘리는 부분이 줄어들게 된다. 따라서, 제어 신호가 설정값을 만족하면 제어 신호에 의해 전력 조절기(10)의 무효 전력이 감소될 수 있다.
한편, 무효 전력 감소 장치에는 탭 유니트(110)를 제어하는 제어 유니트(130)가 마련될 수 있다.
이때, 제어 유니트(130)는 구동 부하(50)의 피드백값에 따라 특정 스위치를 선택할 수 있으며, 특정 스위치의 구동으로 변압기(30)의 권선비가 조절될 수 있다.
도 7은 본 발명을 구성하는 무효 전력 감소 장치의 제어 유니트(130)를 나타낸 블럭도이다.
도 7에 도시된 제어 유니트(130)에는 설정부(131), 비교부(133), 처리부(135)가 마련될 수 있다.
설정부(131)는 구동 부하(50)의 상태값을 설정할 수 있다. 일예로, 상태값은 최소값 min과 최대값 max 2개로 설정될 수 있다. min으로 92도가 설정되고 max로 97도가 설정될 수 있다.
비교부(133)는 구동 부하(50)의 피드백값과 상태값을 비교할 수 있다. 상태값이 복수로 마련된 경우 비교부(133)는 각 상태값과 피드백값을 비교할 수 있다. 도면에서는 min값을 피드백값과 먼저 비교하고, 다음으로 max값을 피드백값과 비교하고 있다.
처리부(135)는 비교부(133)의 비교 결과를 처리할 수 있다. 처리부(135)는 피드백값이 min값보다 작으면 권선비를 한단계 증가시킬 수 있다(Si=Si+step). 도면에서 'step'은 권선비의 한 단계를 의미할 수 있다. 처리부(135)는 피드백값이 max값보다 크면 권선비를 한단계 감소시킬 수 있다(Si=Si-step). 만약, 피드백값이 min값과 max값의 사이이면 현재의 권선비를 그대로 유지할 수 있다(Si=Si). 이때, 전력 조절기(10)는 각 step 사이의 전력을 제어할 수 있다.
도 8은 본 발명의 무효 전력 감소 장치를 구성하는 탭 유니트(110)를 나타낸 개략도이다.
도 8에 도시된 탭 유니트(110)에는 버스바(119), 스위치(111), 방열판(115), 통신부(113)가 마련될 수 있다.
버스바(119)는 전력 조절기(10)에 전기적으로 연결될 수 있다. 그리고, 바 형태로 이루어져 각 스위치(111)의 일단이 용이하게 연결되도록 할 수 있다.
스위치(111)는 복수로 마련되며, 일단이 버스바(119)에 연결될 수 있다. 그리고 타단은 변압기(30)의 1차 권선 또는 2차 권선에 설정된 권선비 위치에 연결될 수 있다.
방열판(115)에는 스위치(111)가 설치될 수 있다. 그리고, 방열판(115)은 스위치(111)의 열을 방열시킬 수 있다. 스위치(111)는 SSR(Solid State Relay)일 수 있다. SSR에는 자체 소손을 인지하는 수단, 자체 온도를 측정하는 온도 측정 수단이 마련될 수 있다. SSR의 특성상 자체적으로 열이 발생되는데 이때의 열로 인해 스위치(111) 동작이 지연되거나 하면 구동 부하(50)측에 막대한 피해가 발생할 수 있으므로 SSR의 열은 반드시 해소되어야 한다. 이를 위해 스위치(111) 전체를 열을 방열할 수 있는 방열판(115)에 설치하는 것이 좋다. 스위치(111)의 보호를 위해 스위치(111)는 외부로부터 폐쇄되는 케이스의 내부에 마련될 수 있다. 이때, 케이스로 인한 열의 상승을 해소하기 위해 케이스의 내부에는 스위치(111)의 냉각시키는 냉각 팬(117)이 추가로 설비될 수 있다.
통신부(113)는 외부로부터 수신된 구동 신호를 각 스위치(111)로 전달할 수 있다. 구동 신호는 제어 유니트(130)로부터 수신될 수 있다.
이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
10...전력 조절기 30...변압기
50...구동 부하 90...제어기
110...탭 유니트 111...스위치
113...통신부 115...방열판
117...냉각 팬 130...제어 유니트
131...설정부 133...비교부
135...처리부

Claims (7)

  1. 폐루프 제어 시스템을 구성하는 제어기의 제어 신호가 설정값을 만족하도록 상기 폐루프 제어 시스템에 마련된 변압기의 권선비를 조절하는 탭 유니트;
    를 포함하는 무효 전력 감소 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 권선비는 상기 제어 신호를 변경시키는 피드백값에 따라 결정되는 무효 전력 감소 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 변압기에는 상기 제어 신호로 제어되는 전력 조절기의 전력이 인가되고,
    상기 전력 조절기에는 상기 제어 신호로 온오프되고 상기 전력을 조절하는 사이리스터(tyristor)가 마련되며,
    상기 설정값을 만족하는 상기 제어 신호에 의해 상기 전력 조절기의 무효 전력이 감소되는 무효 전력 감소 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 탭 유니트를 제어하는 제어 유니트;를 포함하고,
    상기 변압기는 상기 제어 신호로 제어되는 전력 조절기와 상기 전력 조절기의 전력으로 구동되는 구동 부하의 사이에 마련되며,
    상기 탭 유니트에는 상기 전력 조절기와 상기 변압기의 입력단을 연결하거나, 상기 변압기의 출력단과 상기 구동 부하를 연결하는 복수의 스위치가 마련되고,
    상기 제어 유니트는 상기 구동 부하의 피드백값에 따라 특정 스위치를 선택하며,
    상기 특정 스위치의 구동으로 상기 변압기의 권선비가 조절되는 무효 전력 감소 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 탭 유니트를 제어하는 제어 유니트;를 포함하고,
    상기 제어 유니트에는 구동 부하의 상태값을 설정하는 설정부, 상기 구동 부하의 피드백값과 상기 상태값을 비교하는 비교부, 상기 비교부의 비교 결과를 처리하는 처리부가 마련되며,
    상기 처리부는 상기 피드백값이 상기 상태값보다 작으면 상기 권선비를 증가시키고, 상기 피드백값이 상기 상태값보다 크면 상기 권선비를 감소시키는 무효 전력 감소 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 폐루프 제어 시스템에는 상기 제어 신호로 구동되는 전력 조절기가 마련되고,
    상기 탭 유니트에는 상기 전력 조절기에 전기적으로 연결된 버스바, 상기 버스바에 일단이 연결되는 복수의 스위치, 상기 스위치가 설치되고 상기 스위치의 열을 방열시키는 방열판, 외부로부터 수신된 구동 신호를 상기 각 스위치로 전달하는 통신부가 마련된 무효 전력 감소 장치.
  7. 위상각 전력 제어 시스템에 마련된 변압기와 구동 부하 사이의 전압을 상기 구동 부하의 피드백값에 따라 조절하는 탭 유니트;를 포함하고,
    상기 위상각 전력 제어 시스템은 상기 피드백값에 따라 상기 변압기의 입력단 전력이 제어되는 시스템이며,
    상기 탭 유니트의 전압 조절을 통해 상기 입력단 전력이 일정하게 유지되고, 상기 입력단 전력의 무효 전력 발생이 억제되는 무효 전력 감소 장치.
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