KR20190069862A - 무정전 전원 장치용 변압기의 보호 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 무정전 전원 장치용 변압기의 보호 장치에 관한 것으로, 본 발명에 따르면 부하로 전력을 공급하는 전력 변환 장치가 과전류가 되면 먼저 직송 전원으로 전환하고, 이후에도 전력 변환 장치의 과전류 상태가 해소되지 않는 경우에는 변압기에 레이어 쇼트 등의 내부 고장이 발생했다고 판단하고, 해당 변압기를 전원에서 분리하도록 하고 있어서, 변류기나 차동계전기를 추가 설치해야 할 필요가 없고, 변압기가 손상되는 문제를 해결할 수 있다.

Description

무정전 전원 장치용 변압기의 보호 장치{Protective equipment of transformers for UPS}

본 발명은 무정전 전원 장치용 변압기의 보호 장치에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 UPS 장치의 출력측에 접속하고 있는 변압기의 레이어 쇼트를 검출해 보호하는 기술에 대한 것이다.

도3은 출력 측에 변압기를 구비하고 있는 종래 UPS(uninterruptible power supply, 무정전 전원 장치)의 일반적인 구성을 설명하기 위한 주회로 접속도이다. 도3에 도시된 바와 같이 UPS 장치의 주회로는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 컨버터(2)와, 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 인버터(3)으로 이루어지는 전력 변환 장치(4)가 전원 측 개폐기(5)를 통해 상용 전원(1)에 접속되어 있고, 전력 변환 장치(4)가 출력하는 교류 전력은 변압기(6)에서 원하는 전압으로 변환된 후에 출력 측 개폐기(7)를 통해 부하(8)로 공급된다. 또한 반도체 스위치(12) 및 접점식 스위치(13)와 병렬 접속으로 이루어지는 직송 측 개폐기(14)가 직송 전원(11)과 부하(8) 사이에 삽입되어 있다.

도3에 도시의 UPS 장치에서 직송 측 개폐기(14)는 개방회로로 하고 있고, 전원 측 개폐기(5)와 출력 측 개폐기(7)를 폐로하고 있어서, 전력 변환 장치(4)가 변환하는 교류 전력을 변압기(6)와 출력 측 개폐기(7)를 통해 부하(8)로 공급하고 있는 것이지만, 이 때 전력 변환 장치(4)는 직송 전원(11)과 동기 상태에서 운전하고 있다. 부하(8)가 과부하 상태가 되어 전력 변환 장치(4)의 전류가 정격치를 넘었을 경우에는, 전력 변환 장치(4)를 보호하기 위해 출력 측 개폐기(7)를 개방회로로 하지만, 이것과 동시에 직송 측 개폐기(14)를 폐로함으로써, 부하(8)로의 전력 공급원은 전력 변환 장치(4)에서 직송 전원(11)으로 전환된다. 직송 전원(11)이 전력 공급 중에서도 전력 변환 장치(4)는 무부하로 운전을 계속하고 있어서, 부하(8)로의 전류가 전력 변환 장치(4)의 정격 전류 이하로 저하하면, 직송 측 개폐기(14)를 개방회로로 함과 동시에 출력 측 개폐기(7)를 폐로하고 전력 변환 장치(4)가 다시 부하(8)로 전력을 공급한다.

도4는 도3에 도시의 UPS 장치를 구성하고 있는 변압기의 보호 장치 예시를 나타낸 블록 회로도이다. 여기서 직송 전원(11)과 직송 측 개폐기(14)는 도시를 생략하였다. 도4에 도시의 종래 UPS 장치에서 전력 변환 장치(4)의 출력 전류는 변류기(21)과 전류 검출기(22)에서 검출하고 있지만, 부하(8)가 과부하가 되고 미리 정한 제1 소정값을 넘는 과전류 상태가 소정 시간 지속된 것을 비교기(23)와 타이머(24)가 검출하면, 알람 회로(25)에서 과전류 경보가 발령됨과 동시에, 전환 지령 회로(26)에서는 전환 지령이 발령된다.

이 전환 지령은 출력 측 개폐기(7)로의 개방회로 지령과 직송 측 개폐기(14)로의 폐로 지령이다. 이것에 의해 부하(8)로의 전력은 전력 변환 장치(4)에서 직송 전원(11)으로 전환된다.

그런데 변압기(6)의 내부에서 권선 간의 절연이 손상되어 단락하는 사고, 이른바 레이어 쇼트가 발생하면, 이 사고에 의해 변압기(6)에 과대한 전류가 유입하고 이 과전류를 비교기(23)가 검출하기 때문에, 앞서 설명한 바와 같이 출력 측 개폐기(7)로의 개방회로 지령과 직송 측 개폐기(14)로의 폐로 지령이 발령되고, 전력 변환 장치(4)는 부하(8)에서 분리된다.

그러나 과전류의 원인은 변압기(6)에 있기 때문에 부하(8)를 분리해도 변압기(6)로의 과전류는 계속 흘러 해당 변압기(6)가 손상될 우려가 있다. 따라서 변압기(6)의 출력 측에도 변류기(27)와 전류 검출기(28)를 설치하여, 전류 검출기(28)를 차동 계전기(29)에 접속한다. 이 차동 계전기(29)는 변압기(6)의 입력 전류와 출력 전류를 비교하고 양 전류의 차이가 일정값 이상이 되면 해당 변압기(6)에 내부 고장이 발생했다고 판단하고 경보를 발함과 동시에 UPS 장치를 정지시킨다.

또는 이러한 변압기(6) 내부에 레이어 쇼트 등의 사고가 발생했을 경우 흐르는 단락 전류가 해당 변압기(6)의 코일 온도를 상승시킨다. 따라서 온도 상승을 검출하여 변압기(6) 내부에 고장이 발생한 것을 알리는 장치도 개발된 바 있다.

설명한 바와 같이 전력 변환 장치(4)의 출력 전류가 과전류가 되면 전력 변환 장치(4)를 부하(8)에서 분리함으로써 전력 변환 장치(4)를 보호하고 있다. 하지만 이 과전류 검출 장치는 부하(8)의 과부하 원인이 과전류인지, 아니면 UPS 장치를 구성하고 있는 변압기(6)의 레이어 쇼트가 원인인지 구별할 수 없기 때문에, 후자의 사고 경우는 부하(8)를 분리하여도 변압기(6)에는 과전류가 계속 흐르게 되며, 이를 방치하면 변압기(6)가 손상될 우려가 크다.

따라서 변압기(6)의 출력 측에도 변류기(27)와 전류 검출기(28)를 설치하여, 차동 계전기(29)에서 해당 변압기(6)의 내부 고장을 검출하고, 보호하도록 하고 있는 것이다. 그러나 이를 실현하기 위해서는 주회로에 변류기(27)를 설치해야 하고, 차동 계전기(29)도 추가해야 해서 여분의 기기를 설치하기 위해 장치가 대형화되고, 구현도 복잡하다는 문제점이 있다. 또한 변압기(6)의 권선에 온도 검출 장치를 설치하는 것은, 그 온도 신호를 취출하기 위한 리드선의 처리가 번거롭고 온도 센서가 권선의 절연에 약점이 되는 단점도 있다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 차동 계전기나 변류기 혹은 온도 센서 등 추가 구성을 설치하지 않더라도 변압기 내부 고장을 검출함과 동시에, 이 변압기를 분리하여 사고 확산을 방지할 수 있도록 하는 기술을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 무정전 전원 장치용 변압기의 보호 장치는, 전원에 전원 측 개폐기를 통해 전력 변환 장치를 접속하고. 상기 전력 변환 장치의 출력 측에 변압기와 출력 측 개폐기를 통해 부하를 접속하며, 직송 전원과 상기 부하를 직송 측 개폐기를 통해 접속하고, 상기 직송 측 개폐기의 개방회로 상태로 상기 전원 측 개폐기와 출력 측 개폐기를 폐로하여 상기 전력 변환 장치가 상기 부하로 교류 전력을 공급하는 UPS 장치에 있어서, 상기 전력 변환 장치의 출력 전류를 검출하는 전류 검출기; 상기 검출 전류가 제1 소정값을 넘은 상태를 소정 시간 계속하면, 상기 출력 측 개폐기에 개방회로 지령을 부여함과 동시에 상기 직송 측 개폐기에 폐로 지령을 부여하는 과전류 검출기; 및 해당 출력 측 개폐기가 개방회로 상태에서 상기 검출 전류가 제2 소정값을 넘은 상태를 기준 시간 이상 계속되면, 상기 전원 측 개폐기에 개방회로 지령을 부여하는 변압기 고장 검출 회로;를 포함한다.

본 발명에 따르면 다음과 같은 효과가 있다. 즉, 변압기를 구비하고 있는 UPS 장치에서는 변압기의 내부 고장에 의한 과전류와, 부하가 과대하게 되어 발생하는 과전류를 구별할 수 없기 때문에, 단지 부하로의 전력을 전력 변환 장치에서 직송 전원으로 전환하는 것으로는 해당 변압기의 손상을 방지할 수가 없다. 이를 위해 주회로에 변류기를 추가하여 차동 계전기를 설치하거나 권선에 온도 센서를 설치하는 등, 추가 구성을 구비하곤 하였다. 하지만 본 발명에서는 부하로 전력을 공급하는 전력 변환 장치가 과전류가 되면 먼저 직송 전원으로 전환하고, 이후에도 전력 변환 장치의 과전류 상태가 해소되지 않는 경우에는 변압기에 레이어 쇼트 등의 내부 고장이 발생했다고 판단하고, 해당 변압기를 전원에서 분리하도록 하고 있어서, 변류기나 차동계전기를 추가 설치해야 할 필요가 없고, 변압기가 손상되는 문제도 해결할 수가 있다.

도1은 본 발명의 제1실시예에 따른 무정전 전원 장치용 변압기의 보호 장치를 설명하기 위한 블록 회로도.
도2는 본 발명의 제2실시예에 따른 무정전 전원 장치용 변압기의 보호 장치를 설명하기 위한 블록 회로도.
도3은 출력 측에 변압기를 구비하고 있는 UPS 장치의 일반적인 구성을 설명하기 위한 주회로 접속도.
도4는 도3에 도시된 종래 UPS 장치에서 변압기의 보호 장치 예시를 설명하기 위한 블록 회로도.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 다만 발명의 요지와 무관한 일부 구성은 생략 또는 압축할 것이나, 생략된 구성이라고 하여 반드시 본 발명에서 필요가 없는 구성은 아니며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 결합되어 사용될 수 있다.

도1은 본 발명의 제1실시예에 따른 무정전 전원 장치용 변압기의 보호 장치를 설명하기 위한 블록 회로도이다. 도1에서 전력 변환 장치(4), 전원 측 개폐기(5), 변압기(6), 출력 측 개폐기(7), 부하(8), 변류기(21), 전류 검출기(22), 비교기(23), 타이머(24), 알람 회로(25) 및 전환 지령 회로(26)는 도4를 통한 종래 기술 설명을 통해 자세하게 다룬 바 있으며, 중복되는 설명은 피하도록 한다.

도1에 도시된 회로에서 변압기 고장 검출 회로는 비교기(31), 논리곱 소자(32), 타이머(33), 알람 회로(34), 개방회로 지령 회로(35) 및 열림 신호 접점(37)을 포함한다. 즉 전류 검출기(22)에서의 검출 전류가 제2 소정값을 넘으면 비교기(31)가 동작한다. 출력 측 개폐기(7)의 보조 접점으로 구성하고 있는 열림 신호 접점(37)으로부터 개방회로 신호와 비교기(31)의 동작과의 논리곱이 논리곱 소자(32)에서 연산되고, 이것이 일정시간 계속했을 때 타이머(33)가 동작함으로써 알람 회로(34)가 경보를 발하고, 전력 변환 장치(4)의 출력 전류가 과전류가 되어 출력 측 개폐기(7)를 개방 회로로 했음에도 불구하고, 여전히 과전류 상태가 소정 시간 계속할 경우에는 변압기(6)에 레이어 쇼트 등의 내부 고장이 발생한 것을 알릴 수 있다. 알람 회로(34)로부터 경보가 발생하면 개방회로 지령 회로(35)는 전원 측 개폐기(5)로 개방회로를 지령해 전력 변환 장치(4)의 전원을 차단한다. 따라서 변압기(6)로의 입력 전류가 차단된다.

도2는 본 발명의 제2실시예에 따른 무정전 전원 장치용 변압기의 보호 장치를 설명하기 위한 블록 회로도이다. 제2 실시예에서의 회로는 비교기(23)에서 설정하는 제1 소정값에 따라 전환 지령 회로(26)를 동작시키기 위해, 개방회로 지령 회로(35)를 동작시킬 수 있도록 공통으로 이용하고 있는 제1 실시예의 회로와는 다르다. 변압기(6)에 레이어 쇼트 등의 내부 고장이 발생했을 경우에 발생하는 과전류의 크기는 부하(8)의 유무에 거의 영향을 받지 않는다. 비교기(23)를 공통으로 사용하는 것을 제외한 나머지의 부분은 모두 도1에서 기술한 제1 실시예 회로와 같으므로 제2 실시예 회로의 동작 설명은 생략토록 한다.

이상에서 상세히 설명 한 바와 같이, 변압기를 구비하고 있는 UPS 장치에서는 변압기의 내부 고장에 의한 과전류와, 부하가 과대하게 되어 발생하는 과전류를 구별할 수 없기 때문에, 단지 부하로의 전력을 전력 변환 장치에서 직송 전원으로 전환하는 것으로는 해당 변압기의 손상을 방지할 수가 없다. 이를 위해 주회로에 변류기를 추가하여 차동 계전기를 설치하거나 권선에 온도 센서를 설치하는 등, 추가 구성을 구비하곤 하였다. 하지만 본 발명에서는 부하로 전력을 공급하는 전력 변환 장치가 과전류가 되면 먼저 직송 전원으로 전환하고, 이후에도 전력 변환 장치의 과전류 상태가 해소되지 않는 경우에는 변압기에 레이어 쇼트 등의 내부 고장이 발생했다고 판단하고, 해당 변압기를 전원에서 분리하도록 하고 있어서, 변류기나 차동계전기를 추가 설치해야 할 필요가 없고, 변압기가 손상되는 문제도 해결할 수가 있다.

상기한 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대해 통상의 지식을 가진 당업자라면, 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경 및 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 본 발명의 특허청구 범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

1 : 상용 전원
2 : 컨버터
3 : 인버터
4 : 전력 변환 장치
5 : 전원 측 개폐기
6 : 변압기
7 : 출력 측 개폐기
8 : 부하
11 : 직송 전원
12 : 반도체 스위치
13 : 접점식 스위치
14 : 직송 측 개폐기
21, 27 : 변류기
22, 28 : 전류 검출기
23, 31 : 비교기
24, 33 : 타이머
25, 34 : 알람 회로
26 : 전환 지령 회로
29 : 차동 계전기
32 : 논리곱 소자
35 : 개방회로 지령 회로
37 : 열림 신호 접점

Claims (1)

1. 전원에 전원 측 개폐기를 통해 전력 변환 장치를 접속하고. 상기 전력 변환 장치의 출력 측에 변압기와 출력 측 개폐기를 통해 부하를 접속하며, 직송 전원과 상기 부하를 직송 측 개폐기를 통해 접속하고, 상기 직송 측 개폐기의 개방회로 상태로 상기 전원 측 개폐기와 출력 측 개폐기를 폐로하여 상기 전력 변환 장치가 상기 부하로 교류 전력을 공급하는 UPS 장치에 있어서,
   상기 전력 변환 장치의 출력 전류를 검출하는 전류 검출기;
   상기 검출 전류가 제1 소정값을 넘은 상태를 소정 시간 계속하면, 상기 출력 측 개폐기에 개방회로 지령을 부여함과 동시에 상기 직송 측 개폐기에 폐로 지령을 부여하는 과전류 검출기; 및
   해당 출력 측 개폐기가 개방회로 상태에서 상기 검출 전류가 제2 소정값을 넘은 상태를 기준 시간 이상 계속되면, 상기 전원 측 개폐기에 개방회로 지령을 부여하는 변압기 고장 검출 회로;를 포함하는 것을 특징으로 하는 무정전 전원 장치용 변압기의 보호 장치.

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