KR20190131945A - 인버터용 전원공급장치 및 그 방법 - Google Patents

인버터용 전원공급장치 및 그 방법 Download PDF

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KR20190131945A KR1020180057008A KR20180057008A KR20190131945A KR 20190131945 A KR20190131945 A KR 20190131945A KR 1020180057008 A KR1020180057008 A KR 1020180057008A KR 20180057008 A KR20180057008 A KR 20180057008A KR 20190131945 A KR20190131945 A KR 20190131945A
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황계호
신석재
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주식회사 경동나비엔
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Abstract

본 발명은 인버터용 전원공급장치 및 그 방법에 관한 것으로, SMPS를 구비하지 않고도 계통으로부터의 전원을 안정적으로 인버터에 공급함으로써, 인버터의 열화는 물론 고장을 방지할 수 있는 인버터용 전원공급장치 및 그 방법을 제공하고자 한다.
이를 위하여, 본 발명은 인버터용 전원공급장치에 있어서, 제1 AC 전류를 공급하는 제1 전원공급부; 제2 AC 전류를 공급하는 제2 전원공급부; 및 인버터의 초기 동작 전원으로 제1 AC 전류가 공급되도록 상기 제1 전원공급부를 제어하고, 임계시간이 경과하면 상기 인버터에 제2 AC 전류가 공급되도록 제2 전원공급부를 제어하는 제어기를 포함한다.

Description

인버터용 전원공급장치 및 그 방법{POWER SUPPLYING APPARATUS FOR INVERTER AND METHOD THEREOF}
본 발명은 인버터용 전원공급장치 및 그 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료전지시스템 내 인버터에 계통으로부터의 전원을 안정적으로 공급하는 기술에 관한 것이다.
연료 전지는 연료들(수소, 메탄, 부탄 또는 가솔린 및 디젤)의 산화 시 화학 에너지를 전기 에너지로 전환하는 전기화학 장치이다. 연료 전지들은 기본적으로 네 개의 기능적 요소로서 음극, 전해질, 양극 및 인터커넥트(interconnect)로 이루어진 고정 부품을 포함하는 단순한 장치이다. 고체 산화물형 연료 전지(Solid Oxide Fuel Cells; SOFCs)는 엔진 및 일반적으로 최대 40% 효율을 나타내는 현대적 화력 발전과 비교했을 때 압력이 가해진 시스템에서 70% 이상의 고효율로 다양한 연료들을 전기 에너지로 바꾸는 능력 때문에 매력적이다. 열병합 발전(co-generation)에 대하여 고체 산화물형 연료 전지(SOFCs)의 폐열(waste heat)을 포획하도록 설계된 적용에서 상기 전체 효율은 80%를 차지할 수 있다. 고체 산화물형 연료 전지(SOFCs) 기술은 수소 이외의 연료를 사용하는 능력 및 다른 연료 전지 형태에서 독으로 작용하는 일산화탄소(CO)에 대한 상대적인 둔감도 때문에 경쟁 연료 전지 기술(예를 들어 용융 탄산염(molten carbonate), 고분자 전해질, 인산(phosphoric acid) 및 알칼리)을 넘어서는 뚜렷한 이점을 갖는다.
개념상 고체 산화물형 연료 전지(SOFCs)가 단순해도, 상기 요소에 대한 효과적인 물질의 발견이 막대한 도전으로 남아 있다. 이 물질들은 요구되는 전기적인 특성들을 가지고 있어야 하고 화학적으로 구조적으로 안정되어야 한다. 고체 산화물형 연료 전지(SOFCs)는 충분히 높은 전류 밀도 및 전력을 달성하기 위하여 약 1000℃의 온도에서 작동된다. 따라서 상기 물질들의 열팽창 계수는 갈라짐 및 기계적인 고장을 일으킬 수 있는 열응력(thermal stress)을 최소화하기 위하여 충분히 일치되어야 한다. 또한, 전지의 공기 측은 산화 환경에서 작동되어야 하고, 상기 연료 측은 환원 환경에서 작동되어야 한다.
연료전지에 사용되는 가장 일반적인 전해질 물질 중의 하나는 이트리아-안정화 지르코니아(Yttria-Stabilized Zirconia; YSZ)이다. 이트리아는 저온에서 큐빅 구조내의 지르코니아의 안정화 및 산소 공격자점(vacancy)의 제공의 두 가지 목적을 제공한다. 이트리아-안정화 지르코니아(YSZ)의 대안으로서, 도핑된 산화 세륨 및 도핑된 산화 비스무스는 일부 가능성을 보여줘 왔으나, 어느 쪽도 필요에 따라 기능하기에 충분하지 않다. 산화 비스무스 기반의 전해질은 저온 작동(800℃ 미만)에 대하여 충분한 높은 산소이온 전도성을 갖지만, 충분한 열역학적 안정성에 대하여 높은 PO2 수준이 요구된다. 상기 양극에서의 낮은 PO2는 산화 비스무스의 분해를 촉진하고 상기 고체 산화물형 연료 전지(SOFCs)에 고장을 유발한다. 산화 세륨 기반의 전해질은 공기 중에서 높은 이온 전도성의 이점을 가지며, 저온(700℃ 이하)에서 효과적으로 작동할 수 있다. 그러나 이 전해질들은 상기 양극 상에서 Ce+4에서 Ce+3으로 민감하게 환원하여, 상기 양극 및 음극 사이에서 전자 전도 및 누설 전류를 유발한다. 700℃ 이하의 온도는 상당히 상기 음극, 양극 및 인터커넥트에 사용되는 물질 선택의 폭이 넓고, 현재 사용되고 있는 고체 산화물형 연료 전지(SOFCs)보다 사용시 매우 더 저렴하고, 이용 가능한 물질이 더 많다.
도 1 은 종래의 연료전지시스템에 대한 일예시도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 연료전지시스템은 계통(11), SMPS(Switched Mode power supply, 12), 인버터(13), 및 연료전지(14)를 구비하며, 상기 인버터(13)는 SMPS(12)로부터 공급되는 전원에 의해 동작하여 연료전지(14)로부터의 DC 전원을 AC 전원으로 변환한다.
이러한 종래의 연료전지시스템은 인버터(13)를 구동시키기 위한 전원을 공급하기 위해 SMPS(12)를 별도로 구비해야 했고, 상기 SMPS(12)는 리니어 방식에 비해 효율이 높고 내구성이 강하며 소형/경량화에 유리한 장점이 있지만 가격이 비싸 시스템 구현 비용을 향상시키는 문제점이 있었다.
상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 SMPS를 구비하지 않고도 계통으로부터의 전원을 안정적으로 인버터에 공급함으로써, 인버터의 열화는 물론 고장을 방지할 수 있는 인버터용 전원공급장치 및 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 장치는, 인버터용 전원공급장치에 있어서, 제1 AC 전류를 공급하는 제1 전원공급부; 제2 AC 전류를 공급하는 제2 전원공급부; 및 인버터의 초기 동작 전원으로 제1 AC 전류가 공급되도록 상기 제1 전원공급부를 제어하고, 임계시간이 경과하면 상기 인버터에 제2 AC 전류가 공급되도록 제2 전원공급부를 제어하는 제어기를 포함한다.
여기서, 상기 제어기는 상기 임계시간이 경과하면 제1 AC 전류가 차단되도록 제1 전원공급부를 제어할 수 있다.
또한, 상기 제1 전원공급부는 계통으로부터의 AC 전류를 조절하는 저항; 및 상기 저항을 통해 입력되는 제1 AC 전류를 상기 인버터로 공급하거나 차단하는 제1 릴레이를 포함할 수 있다.
본 발명의 장치는 상기 계통으로부터의 AC 전원을 상기 저항과 상기 제2 전원공급부 및 상기 제어기로 공급하거나 차단하는 전원 스위치를 더 포함할 수도 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 방법은, 인버터용 전원공급방법에 있어서, 인버터의 초기 동작 전원으로 제1 AC 전류를 공급하는 단계; 및 상기 제1 AC 전류를 공급한 후 임계시간이 경과하면 상기 인버터에 상기 제1 AC 전류보다 높은 제2 AC 전류를 공급하는 단계를 포함한다.
이러한 본 발명의 방법은 상기 임계시간이 경과하면 상기 제1 AC 전류의 공급을 차단하는 단계를 더 포함할 수도 있다.
또한, 상기 제1 AC 전류를 공급하는 단계는 계통으로부터의 AC 전원의 전류를 조절하여 제1 AC 전류를 생성하는 단계를 더 포함할 수도 있다.
상기와 같은 본 발명은, SMPS를 구비하지 않고도 계통으로부터의 전원을 안정적으로 인버터에 공급할 수 있게 하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 SMPS를 구비하지 않고도 계통으로부터의 전원을 안정적으로 인버터에 공급함으로써, 인버터의 열화는 물론 고장을 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 SMPS를 구비하지 않고도 계통으로부터의 전원을 안정적으로 인버터에 공급함으로써, 시스템의 구현 복잡도를 낮출 수 있는 효과가 있다.
도 1 은 종래의 연료전지시스템에 대한 일예시도,
도 2 는 본 발명에 따른 인버터용 전원공급장치에 대한 일실시예 구성도,
도 3 은 본 발명에 따른 인버터용 전원공급방법에 대한 일실시예 흐름도이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 또한, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 2 는 본 발명에 따른 인버터용 전원공급장치에 대한 일실시예 구성도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 인버터용 전원공급장치(22)는 전원 스위치(221), 저항(222), 제1 릴레이(223), 제2 릴레이(224), 및 제어기(225)를 포함할 수 있다. 본 발명을 실시하는 방식에 따라서 각 구성요소는 서로 결합되어 하나로 구비될 수 있으며, 발명을 실시하는 방식에 따라서 일부의 구성요소가 생략될 수도 있다.
상기 각 구성요소들에 대해 살펴보면, 먼저 전원 스위치(221)는 일례로 누전 차단기로 구현될 수 있으며, 사용자에 의해 원격으로 또는 직접 조작되어 계통으로부터의 AC 전원을 공급하거나 차단하는 기능을 수행한다.
이러한 전원 스위치(221)는 외부 전원으로부터 인가되는 과전압으로부터 부하를 보호하는 기능을 더 수행하며, 일례로 외부 전원과 부하 간의 전기적인 연결을 개폐하는 스위치부와, 스위치부와 부하 사이에 연결되고 외부 전원으로부터 인가되는 전압에 따라 저항값이 변화하는 바리스타와, 바리스타에 흐르는 전류를 설정된 전류와 비교하여 인가되는 전압이 과전압인 지의 여부를 판단하고 판단 결과에 따라 스위치부를 제어하는 제어부와, 외부 전원과 스위치부 사이에 연결되는 입력단과 출력단을 갖고 외부 전원으로부터 공급되는 전압이 과전압인지의 여부를 판단하고 상기 공급되는 전압이 과전압이면 알람을 제공하는 과전압 테스트부를 포함할 수 있다.
저항(222)은 전원 스위치(221)를 통해 공급되는 AC 전원에 따른 AC 전류를 조절하는 역할을 수행한다. 즉, 저항(222)은 AC 전원에 따른 AC 전류를 낮추는 역할을 수행한다.
제1 릴레이(223)는 제어기(225)의 제어하에 저항(222)을 통해 입력되는 AC 전류(이하, 제1 AC 전류)를 인버터(23)로 공급하거나 차단하는 역할을 수행한다. 상기 저항(222)과 제1 릴레이(223)를 통칭하여 제1 전원공급부라 한다.
제2 릴레이(224)는 제2 전원공급부로서 제어기(225)의 제어하에 전원 스위치(221)를 통해 입력되는 AC 전류(이하, 제2 AC 전류)를 인버터(23)로 공급하거나 차단하는 역할을 수행한다.
제어기(225)는 상기 각 구성요소들이 제 기능을 정상적으로 수행할 수 있도록 전반적인 제어를 수행한다. 이러한 제어기(225)는 하드웨어 또는 소프트웨어의 형태로 구현될 수 있으며, 하드웨어 및 소프트웨어가 결합된 형태로도 존재할 수 있다. 바람직하게는, 제어기(225)는 아날로그 타이머로 구현될 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
제어기(225)는 전원 스위치(221)를 통해 공급되는 AC 전원에 의해 동작하고, 동작하는 즉시 제1 릴레이(223)를 온 한다. 즉, 제어기(225)는 동작시점에 저항(222)을 통해 입력되는 제1 AC 전류를 인버터(23)로 공급하도록 제1 릴레이(223)를 제어한다. 이때, 동작시점에 제1 릴레이(223)가 온 상태라면 제1 릴레이(223)를 온 하는 기능은 수행하지 않을 수도 있다.
또한, 제어기(225)는 제1 릴레이(223)를 온 한 후 임계시간(일례로 2초)이 초과하면 제1 릴레이(223)를 오프 하고 제2 릴레이(224)를 온 한다. 즉, 제어기(225)는 전원 스위치(221)를 통해 입력되는 제2 AC 전류를 인버터(23)로 공급하도록 제2 릴레이(224)를 제어한다.
이렇게 제어기(225)가 소정의 시간차를 두고 제1 릴레이(223)와 제2 릴레이(224)를 제어하는 이유는, 계통(21)으로부터의 AC 전류가 그대로 인버터(23)로 입력되면 순간적으로 인버터(23)에 전기적 충격을 줄 수 있고 이는 인버터(23)의 열화를 유발하는 것은 물론 고장을 일으킬 수 있기 때문이다.
따라서 종래의 기술에서 SMPS(12)를 제거한 후 계통(11)으로부터의 AC 전원을 단순히 인버터(13)에 공급하는 방식은 SMPS(12)의 부재로 인하여 인버터(13)에 고장을 일으킬 수 있기 때문에 또 다른 문제를 유발한다.
본 발명은 이러한 문제까지도 고려하여 제안된 기술로서 상술한 제어기(225)의 동작을 통해 상기 문제를 완벽히 해결할 수 있다.
이하, 계통(21), 인버터(23), 및 연료전지(24)에 대해 살펴보기로 한다.
계통(21)은 한국전력에서 제공하는 전력계통을 의미하는 것으로서, 본 발명에서는 인버터(23)의 구동용 전원(전압, 전류, 전력 등)을 공급하는 역할을 수행한다.
연료전지(24)는 수소 등의 활성을 갖는 물질, 예를 들어 LNG, LPG, 메탄올 등의 연료를 공급하는 연료공급원(241)과, 공급되는 연료를 화학 반응시켜 수소(H2)를 발생시키는 리포머(242), 및 리포머(242)에서 발생하는 수소를 공급받아 전기에너지를 생성시켜 축적하는 스택(243)을 포함할 수 있다.
일례로, 리포머(242)는 연료 및 산화제가 공급되는 리포머 버너(미도시)와, 연료 펌프가 배치된 버너 촉매(미도시)를 더 포함할 수 있다. 리포머 버너와 리포머 촉매 사이에는 애노드 폐가스를 리포머 버너의 배연 가스에 공급할 수 있는 공급수단이 위치할 수 있다. 부가적으로 개질유 및/또는 애프터 버너로부터의 폐가스를 연소 가스에 공급하는 것도 고려할 수 있다. 이 경우에, 공급수단은 벤츄리 원리에 따라 작동하는 인젝터에 의해 구현될 수 있다. 이러한 인젝터는 애노드 폐가스 및/또는 개질유 및/또는 애프터 버너 폐가스의 공급량을 변화시킬 수 있다. 이때, 상이한 가스가 인젝터를 통해 도입되는 경우, 각각의 가스 공급량을 조절 가능하게 하는 하나 이상의 밸브 장치 또는 팬을 더 구비할 수도 있다. 한편, 공급되는 애노드 폐가스의 양을 변화시키는 것은 리포머에서의 C/O 비에 영향을 줄 수 있다. 따라서 촉매 포어 버너가 인젝터와 리포머 촉매 사이에 위치시켜 공급되는 가스를 정화(abreaction)시킬 수도 있다. 이는 더 낮은 비율의 산소가 리포머 촉매의 혼합물 형성 영역 내에 존재하게 하고, 이로 인해 리포머 촉매 내의 열점(hot spot) 형성을 막을 수 있다. 수소의 산화 중에 형성되는 높은 비율의 수분은 연료의 증발을 방지할 수 있다.
인버터(23)는 제1 릴레이(223)를 통해 입력되는 제1 AC 전원을 DC 전원으로 변환하거나 제2 릴레이(224)를 통해 입력되는 제2 AC 전원을 DC 전원으로 변환하는 컨버터부(231), 컨버터부(231)에서 정류된 DC 전원의 리플을 제거하는 평활회로부(232), 연료전지(24)로부터의 DC 전원을 AC 전원으로 변환하는 인버터부(233)를 포함할 수 있다. 이때, 인버터부(223)에 의해 변환된 AC 전원은 계통(21)으로 공급되거나 자체 동작전원으로 사용될 수도 있다.
여기서, 컨버터부(231)는 정류용 다이오드를 사용하여 AC 전원을 DC 전원으로 변환할 수 있다. 또한, 컨버터부(231)는 DC-DC 변환 기능을 더 수행할 수도 있다. 평활회로(232)는 커패시터(미도시)를 포함할 수 있다. 인버터(23)는 양방향 인버터(Bidirectinal Inverter)일 수 있다.
한편, 제어기(225)는 임계시간을 시정수(time constant)보다 길게 설정하는 것이 바람직하다.
참고로, 시정수(τ)는 하기의 [수학식 1]에 기초하여 산출할 수 있다.
[수학식 1]
τ= R × C
여기서, R은 저항(222)의 값을 의미하며, C는 평활회로부(232) 내 커패시터의 전압을 의미한다.
다른 실시예로서, 제1 릴레이(223)를 제거하여 저항(222)을 통해 입력되는 제1 AC 전류가 항상 인버터(23)로 공급되도록 하고, 제어기(225)를 아날로그 타이머로 구현하여 전원 스위치(221)를 통해 AC 전원이 공급되면 동작하여 임계시간이 경과하면 제2 릴레이(224)를 온 하도록 구현할 수도 있다.
도 3 은 본 발명에 따른 인버터용 전원공급방법에 대한 일실시예 흐름도이다.
먼저, 사용자에 의해 전원 스위치(221)가 온 되면 제어기(225)는 계통(21)으로부터 동작전원을 공급받아 동작하며, 동작하자마자 인버터(23)의 초기 동작 전원으로 제1 AC 전류를 공급하도록 제1 전원공급부를 제어한다(301).
이후, 제어기(225)는 시간을 카운팅하여 임계시간이 경과했는지 판단한다(302).
상기 판단결과(302), 임계시간이 경과하지 않았으면 제어기(225)는 현 상태를 유지하고, 임계시간이 경과했으면 인버터(23)에 상기 제1 AC 전류보다 높은 제2 AC 전류를 공급하도록 제2 전원공급부(제2 릴레이)를 제어한다(303).
이러한 과정을 통해 SMPS를 구비하지 않고도 계통(21)으로부터의 전원을 안정적으로 인버터(23)에 공급할 수 있게 한다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.
따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
21 : 계통
22 : 전원공급장치
23 : 인버터
24 : 연료전지

Claims (7)

  1. 제1 AC 전류를 공급하는 제1 전원공급부;
    제2 AC 전류를 공급하는 제2 전원공급부; 및
    인버터의 초기 동작 전원으로 제1 AC 전류가 공급되도록 상기 제1 전원공급부를 제어하고, 임계시간이 경과하면 상기 인버터에 제2 AC 전류가 공급되도록 제2 전원공급부를 제어하는 제어기
    를 포함하는 인버터용 전원공급장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 임계시간이 경과하면 제1 AC 전류가 차단되도록 제1 전원공급부를 제어하는 것을 특징으로 하는 인버터용 전원공급장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 전원공급부는,
    계통으로부터의 AC 전류를 조절하는 저항; 및
    상기 저항을 통해 입력되는 제1 AC 전류를 상기 인버터로 공급하거나 차단하는 제1 릴레이
    를 포함하는 인버터용 전원공급장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 계통으로부터의 AC 전원을 상기 저항과 상기 제2 전원공급부 및 상기 제어기로 공급하거나 차단하는 전원 스위치
    를 더 포함하는 인버터용 전원공급장치.
  5. 인버터의 초기 동작 전원으로 제1 AC 전류를 공급하는 단계; 및
    상기 제1 AC 전류를 공급한 후 임계시간이 경과하면 상기 인버터에 상기 제1 AC 전류보다 높은 제2 AC 전류를 공급하는 단계
    를 포함하는 인버터용 전원공급방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 임계시간이 경과하면 상기 제1 AC 전류의 공급을 차단하는 단계
    를 더 포함하는 인버터용 전원공급방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 제1 AC 전류를 공급하는 단계는,
    계통으로부터의 AC 전원의 전류를 조절하여 제1 AC 전류를 생성하는 단계
    를 더 포함하는 인버터용 전원공급방법.
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