WO2019117323A1 - 영전압-영전류 직류 회로 차단기 - Google Patents

영전압-영전류 직류 회로 차단기 Download PDF

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WO2019117323A1
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switch
main
terminal
auxiliary switch
capacitor
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PCT/KR2017/014490
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Inventor
김효성
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공주대학교 산학협력단
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H9/00—Details of switching devices, not covered by groups H01H1/00 - H01H7/00
    • H01H9/54—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the switching device and for which no provision exists elsewhere

Definitions

  • the present invention relates to a zero voltage zero current dc circuit breaker.
  • direct current unlike alternating current, flows constantly, so that no natural current zero point is generated in which the current becomes zero by itself.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and it is an object of the present invention to provide a DC circuit breaker capable of blocking a circuit without generating an arc.
  • the zero voltage-zero current dc circuit breaker includes: an electrical contact type main switch having one terminal connected to a load and the other terminal connected to a cathode of a DC power source; And a capacitor having one terminal connected to the other terminal of the auxiliary switch and the other terminal connected to the cathode of the DC power source.
  • the zero voltage-zero current dc circuit breaker according to the above-described feature may further include a diode connected between the auxiliary switch and the capacitor to prevent back-charging of the capacitor.
  • the zero voltage-zero current dc circuit breaker is an electric contact type main switch having one terminal connected to a load and the other terminal connected to a cathode of a dc power supply, An auxiliary switch having one terminal connected to the cathode terminal of the first diode, a capacitor having one terminal connected to the other terminal of the auxiliary switch, a first terminal connected to the anode terminal of the first diode, A third diode having a cathode terminal connected to a cathode of the first diode and an anode terminal connected to a cathode of the DC power source, An anode terminal is connected to the other terminal of the capacitor, and the electrical contact type main switch And a cathode terminal connected to one terminal of the first diode.
  • the zero voltage-zero current DC circuit breaker according to the above feature may further include a resistor having one terminal connected to the other terminal of the auxiliary switch and the other terminal connected to the other terminal of the capacitor.
  • auxiliary switch is turned on after a predetermined time after the electrical contact type main switch is turned on and the switch is turned off after a predetermined time after the electrical contact type main switch is turned off and the set time is longer than the charging time of the capacitor It is good.
  • the zero voltage-zero current dc circuit breaker according to any one of the preceding claims, wherein the zero voltage-zero current dc circuit breaker is provided between the electrical contact type main switch and the auxiliary switch in order to control the operation of the auxiliary switch after the set time according to the operation of the electrical contact type main switch And an interlock unit having a backlash including a slider that moves in a straight line along the up and down direction.
  • the slider includes a first groove for controlling a contact state of a movable piece of the electrical contact type main switch as the slider moves linearly in a vertical direction with the electrical contact type main switch positioned, And a second groove for controlling the contact state of the movable piece of the auxiliary switch as it moves linearly in the vertical direction, wherein a length in the vertical direction of the first groove and a length in the vertical direction of the second groove are different from each other It is preferable that the on / off timing of the electrical contact type main switch is different from the on / off timing of the auxiliary switch.
  • both ends of the electrical contact type main switch are brought into the zero voltage state at the time of turning off the electrical contact type main switch by the charging operation of the capacitor according to the time constant when the electrical contact type main switch is off, Current state in which the current flow to the capacitor is stopped due to the charged state of the capacitor when the capacitor is off.
  • FIG. 1 is a schematic circuit diagram of a zero voltage-zero current dc circuit breaker in accordance with an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an operation timing diagram of the zero voltage-zero current DC circuit breaker shown in FIG. 1;
  • FIG. 3 is a schematic circuit diagram of a zero voltage-zero current DC circuit breaker in which a mechanical interlock is applied to a zero voltage-zero current DC circuit breaker according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a conceptual view of the mechanical interlock portion of Fig.
  • FIGS. 5A to 5C are diagrams illustrating a process in which the main switch and the auxiliary switch sequentially change from the turn-off state to the turn-on state by the operation of the mechanical interlock portion of FIG.
  • 6A to 6C are diagrams showing a process in which the main switch and the auxiliary switch sequentially change from the turn-on state to the turn-off state by the operation of the mechanical interlock section of FIG.
  • FIG. 7 is a circuit diagram of a zero voltage-zero current dc circuit breaker according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a circuit diagram of a zero voltage-zero current dc circuit breaker according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 a zero voltage-zero current DC circuit breaker according to an embodiment of the present invention will be described in detail.
  • FIG zero voltage according to the one embodiment of the invention shown in Figure 1 - zero-current-direct-current circuit breaker is an anode (+) the resistive load (R Load) coupled in series with the DC power supply (V DC) and an inductor load (L Load)
  • An electric contact type main switch SW Main (hereinafter referred to as a "main switch") in which one terminal is connected to an inductor load L Load and the other terminal is connected between the negative terminals of the DC power source V DC
  • An auxiliary switch SW Aux having one terminal connected to the inductor load L Load and one terminal connected to the other terminal of the auxiliary switch SW Aux and a negative terminal of the DC power source V DC , And a capacitor C1 and a resistor R1 to which the other terminals are connected.
  • the resistive load ( RLoad ) is a resistive load and the inductor load ( LLoad ) is an inductive load.
  • the main switch SW Main is an electrical contact type switch, and the contact state thereof is changed by the user so that the main switch SW Main remains on or off.
  • the auxiliary switch SW Aux of the present embodiment is an electrical contact type switch which is turned on after the main switch SW Main is turned on and then delayed by the set time and is delayed by the set time after the main switch SW Main is turned off (After the charging operation of the capacitor C1 performed after the main switch SW Main is turned off).
  • the main switch (SW Main) auxiliary switch (SW Aux) after a time delay of one time point and to determine the off time of the set time of the main switch (SW Main) with a signal corresponding to the operation state of the whole or
  • the operation of the auxiliary switch SW Aux is controlled by a control device which outputs a control signal for turning off the switch SW Aux .
  • the control device may be a mechanical device or a control unit in which a control program is embedded.
  • the auxiliary switch SW Aux may comprise a semiconductor switch such as an insulated gate bipolar mode transistor (IGBT). Therefore, the auxiliary switch SW Aux is an electrical contact type switch in this example, but it is not limited thereto.
  • control device for controlling the operation of the auxiliary switch SW Aux may be a mechanical interlock portion having a backlash so as to generate a time delay in cooperation with the main switch SW Main .
  • the capacitor C1 discharges the charged charge when the main switch SW Main and the auxiliary switch SW Aux are both in the ON state and thereafter the auxiliary switch SW Aux is turned on
  • the load current i load flowing through the main switch SW Main flows through the auxiliary switch SW Aux when the main switch SW Main is turned off so that the charging operation is performed.
  • the capacitor (C1) is gradually charged according to a predetermined time constant by the value from off-time of the main switch (SW Main) in the fully discharged state capacitor (C1) and a resistive load (R Load) so done, the main switch (SW main), the voltage (Vc) applied to both ends of the capacitor (C1) to the off-time is equal to the voltage (V SW) is applied across the main switch (SW main), and wherein the voltage of (Vc, V SW) Becomes zero (0).
  • state is the off-time of the switch (SW Main) main switch (SW Main) a voltage difference (V SW) at both ends are zero because the zero-voltage state, the main switch ( SW Main ) Arc is prevented from being off.
  • the resistor R1 is connected to both ends of the capacitor C1 to provide the discharge path of the capacitor C1 when the auxiliary switch SW Aux is off, Determine the time constant.
  • the resistance of the resistor (R1) has an auxiliary switch (SW Aux) is good when a value of the degree to which the flow of current into the resistance (R1) does not substantially occur when the whole, therefore, the auxiliary switch (SW Aux) when off Thereby preventing an arc from being generated due to the current flowing through the resistor R1.
  • the set time T DELAY is delayed after the main switch SW Main is turned ON at the time point (2)
  • the auxiliary switch SW Aux is also turned on by the operation of the next control device.
  • the set time (T Delay ) may be about several hundreds of milliseconds.
  • the current i SW flowing through the main switch SW Main drops to '0' (Fig. 2 (e)), thereby gradually charging the capacitor C1 according to the time constant.
  • a part of the load current (i Load ) may flow depending on the resistance value of the resistor R1.
  • the charging end time (e.g., several ms) elapses after the auxiliary switch SW Aux is turned on after the main switch SW Main is turned off and the charging operation of the capacitor C1 is started, the charging voltage of the capacitor C1 is The capacitor C1 is charged to the power supply voltage and the charging of the capacitor C1 is completed.
  • a main switch (SW Main) is that the off time capacitor (C1) is, as already described, it maintains the fully discharged state capacitor (C1) a voltage difference (V c) at both ends are to be zero (0), the capacitor (C1 And the voltage V SW applied to both ends of the main switch SW Main connected in parallel with each other are also zero. Therefore, the main switch (SW Main) is due to the OFF operation of the ZVS (zero voltage switching, ZVS) the main switch (SW Main) is the state in which the off time of the arc is not formed.
  • the current (i C) that flows through the capacitor (C1) is zero (0).
  • the auxiliary switch SW Aux is turned off by the operation of the control device. That is, the control device turns off the auxiliary switch SW Aux after the set time T Delay has elapsed after the main switch SW Main has been turned off. At this time, the set time is set to the time when the charging operation of the capacitor C1 is completed It is determined based on the charging time constant of the capacitor C1.
  • the discharging operation of the capacitor C1 through the resistor R1 is performed during the discharging period by the OFF operation of the auxiliary switch SW Aux and the capacitor C1 returns to the initial discharging state.
  • this capacitor C1 By the operation of this capacitor C1 according to the present example, the off-time zero voltage switching operation of the main switch SW Main is performed to interrupt the current flow of the inductor load L Load to prevent arc generation, When the switch (SW Aux ) is off, zero current switching operation is performed to prevent arcing
  • FIG. 3 shows a mechanical interlock as an example of a control device for controlling the operation of the auxiliary switch (SW Aux ), and the zero voltage-zero current DC circuit breaker of the present example to which such a mechanical interlock is applied is shown in FIG.
  • the mechanical interlock portion 30 is provided between the main switch SW Main and the auxiliary switch SW Aux .
  • the mechanical interlock unit 30 includes a main switch SW Main , which is a toggle switch, and a slider, which controls on and off states of the auxiliary switch SW Aux . 31 to implement a mechanical interlock of the main switch SW Main and the auxiliary switch SW Aux .
  • the slider 31 moves linearly along the vertical direction by a physical force applied by an external operation by the user.
  • the main switch SW Main and the auxiliary switch SW Aux are fixed to a frame (not shown).
  • the position of the main switch SW Main is changed according to the vertical movement of the slider 31, And the movable piece (M1, M2) for turning on or off the auxiliary switch (SW Aux ).
  • the slider 31 has a first groove 321 in which the main switch SW Main is located and a second groove 322 in which the auxiliary switch SW Aux is located in order to operate the main switch SW Main and the auxiliary switch SW Aux , And a second groove 322 in which the switch Aux is located.
  • Each of the grooves 321 and 322 has two jaws 3211 and 3212, 3221 and 3222 for turning on / off the main switch SW Main and the auxiliary switch SW Aux .
  • the length H1 in the vertical direction of the first groove 321 for the main switch SW Main and the length H1 in the vertical direction of the groove 322 for the auxiliary switch SW Aux length (H2) is varies, the slider 31 while vertical movement of the main switch (SW main) and the auxiliary switch (SW Aux) to the main switch (SW main) and the auxiliary switch (SW Aux) when turning on or off A difference in operation time occurs.
  • the operating time difference between the main switch SW Main and the auxiliary switch SW Aux occurs by the distance D11 of the back-lash shown in Fig.
  • the length H1 of the first groove 321 is shorter than the length H2 of the second groove 322 as shown in Figure 4 so that the main switch SW Main is positioned before the auxiliary switch SW Aux Is turned on and off.
  • "(X)" indicated on the upper side of the main switch SW Main and the auxiliary switch SW Aux indicates that when the movable pieces M1, M2 face upward, the corresponding switches SW Main , SW Aux indicated on the lower side of the main switch SW Main and the auxiliary switch SW Aux means that the corresponding switch SW Main is turned on when the movable pieces M1 and M2 are directed downward, SW Aux ) is turned on.
  • the slider 31 has a main switch (SW Main) by the upper jaw 3211 of the first groove 321 as shown in Figure 5 when lowered in a downward direction (b), the bottom And the main switch SW Main is turned on.
  • the movable part (M2) of the auxiliary switch (SW Aux) does not come into contact with the upper jaw 3221 of the groove 322 maintains the initial state of the auxiliary switch (SW Aux) is in an OFF state .
  • FIG. 6 shows a procedure for sequentially turning off the main switch SW Main and the auxiliary switch SW Aux , which are all in an ON state, contrary to FIG.
  • SW Aux auxiliary switch
  • SW Main main switch
  • T Delay setup time
  • FIG. 7 a zero voltage-zero current dc circuit breaker according to another embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 7 and 8.
  • FIG. 7 a zero voltage-zero current dc circuit breaker according to another embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 7 and 8.
  • the anode terminal is connected to the other terminal of the auxiliary switch SW Aux , and the cathode terminal is connected to one terminal of the capacitor C1.
  • the diode D1 functions as a reverse charge prevention diode for preventing reverse charging at the time of reverse charging, in which the charging charge of the capacitor C1 flows toward the inductor load (L Load ) when the auxiliary switch SW Aux is turned on.
  • auxiliary switch (SW Aux ) when the auxiliary switch (SW Aux ) is turned on, a transient current is generated at the inductor load (L load ) side at some point due to the inductor load (L Load ) and the resonance of the capacitor (C1) .
  • the diode D1 of the present example When the diode D1 of the present example is not present, the discharge of the capacitor C1 toward the load L load (that is, the reverse charging phenomenon) occurs.
  • the resonance phenomenon occurs due to the diode D1 connected in the forward direction from the load L load to the capacitor C1, the reverse charging phenomenon of the capacitor C1 is prevented.
  • SW Main main switch
  • i Load load current
  • SW Main auxiliary switch
  • SW Aux auxiliary switch
  • SW Main When in this state to cut off the current flow to the load (L Load) main switch (SW Main) is off, and load the load current flowing through the (L Load) (i Load) is the auxiliary switch (SW Aux) for holding the on-state And the capacitor C1 starts charging.
  • a main switch (SW Main) is because when the off capacitor (C1) across the voltage difference (V C) is 0V, the main switch (SW Main) is a zero-voltage state when the off arc from occurring Do not.
  • the zero voltage zero current dc circuit breaker shown in Figs. 1 and 7 is a dc circuit breaker applied when the load current i load flows unidirectionally, whereas Fig. 8 shows a case where the direction of the load current (i Load ) DC circuit breaker.
  • the zero voltage-zero current dc circuit breaker shown in Fig. 8 also has a flexible structure as shown in Fig.
  • a zero voltage of 8-0 current DC circuit breaker is a resistive load connected in series with the DC voltage (V DC) (R Load) and inductive loads (L Load), DC voltage (V DC) and an inductor load (L Load A capacitor C11 and a resistor R11 which are connected in parallel to each other and located between the main switch SW Main and the auxiliary switch SW Aux1 and the auxiliary switch SW Aux1 and the DC voltage V DC , Respectively.
  • the zero voltage-zero current dc circuit breaker of the present example further includes a plurality of diodes D11-D14 connected to a direct current voltage V DC and an inductor load L load to form a bridge circuit have.
  • connection state of the auxiliary switch SW Aux1 , the capacitor C11 and the resistor R11 due to the first to fourth diodes D11 to D14 corresponds to the auxiliary switch SW Aux , the capacitor C1,
  • the auxiliary switch SW Aux1 , the capacitor C11 and the resistor R11 in Fig. 8 are the same as the auxiliary switch SW Aux , the capacitor C1 and the resistor Rl in Fig. Function.
  • the zero voltage-zero current DC circuit breaker of the present embodiment has a first diode D11 having an anode terminal connected to one terminal of the electrical contact type main switch SW Main , a second diode D11 connected to the cathode terminal of the first diode D11, an auxiliary switch which is the contact is closed (SW Aux1), a capacitor which is one terminal connected to the other terminal of the auxiliary switch (SW Aux1) (C11), is the anode terminal connected to the other terminal of the capacitor (C11) and the direct-current power supply ( a) a negative electrode (a) a second diode (D12) with a cathode terminal connected to the first diode is in order (the cathode terminal connected to the cathode terminal of D11) direct-current power supply (V DC) - a cathode (a V DC) A third diode D13 to which an anode terminal is connected and a fourth diode D13 to which an anode terminal is connected to the
  • the voltage V C applied to both ends of the capacitor C11 becomes zero when the main switch SW Main is turned off, and thereby the voltage (voltage) applied across the main switch SW Main V SW ) is also zero and the zero voltage switching operation is performed when the main switch SW Main is in the off-state, so that no arc occurs.
  • the capacitor C11 performs a discharging operation through the resistor R11 and the diode D12.
  • the main switch (SW Main) is when turned on, the main switch, the flow of (SW Main) load current (i Load) through comprises, a main switch (SW Main) is the auxiliary switch (SW Aux1) from ondoen state
  • the flow path of the load current (i Load ) flows through the main switch SW Main unchanged.
  • the load current i Load is supplied to the third diode D13-on main switch SW Aux1 -the capacitor C11- (L Load , R Load ) through the capacitor D14 to start the charging operation of the capacitor C11.
  • the main switch SW Main since the voltage across the main switch SW Main becomes zero at the time when the main switch SW Main is turned off and the zero voltage switching operation is performed, the main switch SW Main is in the off state The arc does not occur.
  • the off operation of the auxiliary switch SW Aux1 causes the capacitor C11 to perform the discharging operation through the resistor R11.
  • the auxiliary switch SW Aux 1 is turned on after the set time after the main switch SW Main is turned on by using a mechanical device or a control unit using the interlock unit 30 or the like ,
  • the main switch is turned off after the set time after the main switch SW Main is turned off, and the set time is set longer than the charging time of the capacitor C11.
  • FIG. 9 and FIG. 11 show experimental waveforms of the zero voltage-zero current DC circuit breaker shown in FIG.
  • the waveform G1 is a waveform for a voltage V SW applied to both ends of the main switch SW Main and the waveform G2 is a waveform for a current i SW flowing through the main switch SW Main , G3 'is a waveform for the current (i C ) flowing through the capacitor C1.
  • the current flowing through the main switch SW Main is cut off as shown in FIG. 11 when the main switch SW Main is turned off (3) in the state where the auxiliary switch SW Aux is turned on, SW i) is dropped to 0 (waveform G2), it flows through the load current (i load) through a second switch (SW Aux) in the on state since the charging operation of the capacitor (C1) is started.
  • the capacitor (C1) is the current (i C) is reduced to zero (0) for the time (about 40ms) it is after completion of the charging operation to the capacitor (C1) hereinafter Able to know. Therefore, it can be seen that the zero current switching operation is performed when the auxiliary switch SW Aux is turned off after the charging of the capacitor C1 is completed (time 4).

Landscapes

  • Driving Mechanisms And Operating Circuits Of Arc-Extinguishing High-Tension Switches (AREA)

Abstract

본 발명은 영전압-영전류 직류 회로 차단기에 관한 것으로, 상기 영전압-영전류 직류 회로 차단기는 부하에 일측 단자가 연결되어 있고 직류 전원의 음극에 타측 단자가 연결되어 있는 전기접점형 주 스위치, 상기 전기접점형 주 스위치의 일측 단자에 일측 단자가 연결되어 있는 보조 스위치, 그리고 상기 보조 스위치의 타측 단자에 일측 단자가 연결되어 있고 직류 전원의 음극에 타측 단자가 연결되어 있는 커패시터를 포함한다.

Description

영전압-영전류 직류 회로 차단기
본 발명은 영전압-영전류 직류 회로 차단기에 관한 것이다.
최근 들어, 디지털 제품의 급증으로 인해, 직류(DC)를 사용하는 부하가 증가하고 있고, 또한 신재생 에너지를 이용한 발전 등과 같이 직류 형태의 분산 발전 기술이 확대됨에 따라 직류 배전망에 대한 관심이 높아지고 있다.
하지만, 직류는, 교류와 달리, 전류가 일정하게 흐르므로 전류가 스스로 영(zero)이 되는 자연적 전류 영점이 발생하지 않는다.
따라서, 전기접점형 스위치를 사용한 전기접접형 회로 차단기(circuit breaker)를 이용하여 부하 전류를 차단하는 경우 지속적인 차단 아크로 인해 전기화재의 위험성이 존재한다.
따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 직류 회로 차단기에서 아크 발생 없이 회로 차단이 이루어질 수 있도록 하는 것이다.
본 발명의 한 특징에 따른 영전압-영전류 직류 회로 차단기는 부하에 일측 단자가 연결되어 있고 직류 전원의 음극에 타측 단자가 연결되어 있는 전기접점형 주 스위치, 상기 전기접점형 주 스위치의 일측 단자에 일측 단자가 연결되어 있는 보조 스위치, 그리고 상기 보조 스위치의 타측 단자에 일측 단자가 연결되어 있고 직류 전원의 음극에 타측 단자가 연결되어 있는 커패시터를 포함한다.
상기 특징에 따른 영전압-영전류 직류 회로 차단기는 상기 보조 스위치와 상기 커패시터 사이에 연결되어 상기 커패시터의 역충전을 방지하는 다이오드를 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 특징에 따른 영전압-영전류 직류 회로 차단기는 부하에 일측 단자가 연결되어 있고 직류 전원의 음극에 타측 단자가 연결되어 있는 전기접점형 주 스위치, 전기접점형 주 스위치의 일측 단자에 애노드 단자가 연결되어 있는 제1 다이오드, 상기 제1 다이오드의 캐소드 단자에 일측 단자가 연결되어 있는 보조 스위치, 상기 보조 스위치의 타측 단자에 일측 단자가 연결되어 있는 커패시터, 상기 커패시터의 타측 단자에 애노드 단자가 연결되어 있고 직류 전원의 음극에 캐소드 단자가 연결되어 있는 제2 다이오드, 상기 제1 다이오드의 캐소드 단자에 캐소드 단자가 연결되어 있고 직류 전원의 음극에 애노드 단자가 연결되어 있는 제3 다이오드, 그리고 상기 커패시터의 타측 단자에 애노드 단자가 연결되어 있고 상기 전기접점형 주 스위치의 일측 단자에 캐소드 단자가 연결되어 있는 제4 다이오드를 포함한다.
상기 특징에 따른 영전압-영전류 직류 회로 차단기는 상기 보조 스위치의 타측 단자에 일측 단자가 연결되어 있고 상기 커패시터의 타측 단자에 타측 단자가 연결되어 있는 저항을 더 포함하는 것이 좋다.
상기 보조 스위치는 상기 전기접점형 주 스위치가 온 된 후 설정 시간 이후 온되며, 상기 스위치는 상기 전기접점형 주 스위치가 오프된 후 설정 시간 이후 오프되며, 상기 설정 시간은 상기 커패시터의 충전 시간보다 긴 것이 좋다.
상기 특징에 따른 영전압-영전류 직류 회로 차단기는 상기 전기접점형 주 스위치의 동작에 따라 상기 설정 시간 이후에 상기 보조 스위치의 동작을 제어하기 위해, 상기 전기접점형 주 스위치와 상기 보조 스위치 사이에 위치하고 상하 방향을 따라 직선으로 이동하는 슬라이더를 포함하는 백래쉬를 갖는 인터록부를 더 포함할 수 있다.
상기 슬라이더는 상기 전기접점형 주 스위치가 위치하여 상기 슬라이더가 상하 방향으로 직선 이동함에 따라 상기 전기접점형 주 스위치의 가동편의 접점 상태를 제어하는 제1 홈, 그리고 상기 보조 스위치가 위치하여 상기 슬라이더가 상하 방향으로 직선 이동함에 따라 상기 보조 스위치의 가동편의 접점 상태를 제어하는 제2 홈을 구비하고, 상기 제1 홈의 상하 방향으로의 길이와 상기 제2 홈의 상하 방향으로의 길이는 서로 상이하여 상기 전기접점형 주 스위치의 온 또는 오프 시기는 상기 보조 스위치의 온 또는 오프 시기가 상이한 것이 바람직하다.
이러한 특징에 따르면, 전기접점형 주 스위치가 오프 시 시정수에 따른 커패시터의 충전 동작에 의해 전기접점형 주 스위치의 오프 시점에서 전기접점형 주 스위치의 양단 전압이 영전압 상태가 되고, 보조 스위치의 오프 시 커패시터의 충전 완료 상태로 인해 커패시터로의 전류 흐름이 중지되는 영전류 상태가 된다.
이로 인해, 전기접접형 스위치인 주 스위치와 보조 스위치가 오프될 때 아크가 발생하지 않는다.
또한, 커패시터와 보조 스위치 사이에 위치한 다이오드로 인해, 커패시터의 역충전의 발생이 방지된다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 영전압-영전류 직류 회로 차단기의 개략적인 회로도이다.
도 2는 도 1에 도시한 영전압-영전류 직류 회로 차단기의 동작 타이밍도이다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 영전압-영전류 직류 회로 차단기에 기계적 인터록부가 적용된 경우의 영전압-영전류 직류 회로 차단기의 개략적인 회로도이다.
도 4는 도 3의 기계적 인터록부의 개념도이다.
도 5의 (a) 내지 (c)는 도 4의 기계적 인터록부의 동작에 의해 주 스위치와 보조 스위치가 순차적으로 턴오프 상태에서 턴온 상태로 변하는 과정을 도시한 도면이다.
도 6의 (a) 내지 (c)는 도 4의 기계적 인터록부의 동작에 의해 주 스위치와 보조 스위치가 순차적으로 턴온 상태에서 턴오프 상태로 변하는 과정을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 영전압-영전류 직류 회로 차단기의 회로도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 영전압-영전류 직류 회로 차단기의 회로도이다.
도 9 내지 11은 도 1에 도시한 도시한 영전압-영전류 직류 회로 차단기에 대한 실험 파형도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "접속되어" 있다거나 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 접속되어 있거나 연결되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 한다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 접속되어" 있다거나 "직접 연결되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 한 실시예에 따른 영전압-영전류 직류 회로 차단기에 대하여 설명한다.
먼저, 도 1을 참고로 하여 본 발명의 한 실시예에 따른 영전압-영전류 직류 회로 차단기에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1에 도시한 본 발명의 한 실시예에 따른 영전압-영전류 직류 회로 차단기는 직류 전원(VDC)의 양극(+)에 직렬로 연결된 저항 부하(RLoad)와 인덕터 부하(LLoad), 인덕터 부하(LLoad)에 일측 단자가 연결되어 있고 직류 전원(VDC)의 음극(-) 사이에 타측 단자가 연결되어 있는 전기접점형 주 스위치(SWMain)(이하, '주 스위치'라 함), 인덕터 부하(LLoad)에 일측 단자가 연결되어 있는 보조 스위치(SWAux), 보조 스위치(SWAux)의 타측 단자에 일측 단자가 연결되어 있고 직류 전원(VDC)의 음극(-)에 타측 단자가 각각 연결되어 있는 커패시터(C1)와 저항(R1)을 구비한다.
본 예에서, 저항 부하(RLoad)는 저항성 부하이고, 인덕터 부하(LLoad)는 유도성 부하이다.
주 스위치(SWMain)는 전기접점형 스위치로서 사용자에 의해 접점 상태가 변하여 온(on) 또는 오프(off) 상태를 유지한다.
본 예의 보조 스위치(SWAux)는 전기접점형 스위치로서, 주 스위치(SWMain)가 온된 후 설정 시간만큼 지연된 다음 온되고, 주 스위치(SWMain)가 오프된 후 설정 시간만큼 지연된 다음[즉, 주 스위치(SWMain)가 오프된 후부터 행해진 커패시터(C1)의 충전 동작이 완료된 이후] 오프된다.
본 예에서, 주 스위치(SWMain)의 동작 상태에 해당하는 신호를 이용하여 주 스위치(SWMain)의 온 시점과 오프 시점을 판정하여 설정 시간만큼 시간 지연 후 보조 스위치(SWAux)를 온 또는 오프시키기 위한 제어 신호를 출력하는 제어 장치에 의해 보조 스위치(SWAux)의 동작이 제어된다.
이때, 제어 장치는 기계적인 장치일 수 있거나 제어 프로그램이 내장된 제어 유닛으로 이루어질 수 있다. 따라서, 대안적인 예에서, 보조 스위치(SWAux)는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT, insulated gate bipolar mode transistor)와 같은 반도체 스위치로 이루어질 수 있다. 따라서, 보조 스위치(SWAux)는 본 예의 경우 전기접점형 스위치지만, 이에 한정되지 않는다.
이처럼, 보조 스위치(SWAux)의 동작을 제어하는 제어 장치의 한 예는 주 스위치(SWMain)와 연동하여 시간 지연을 발생하도록 백래쉬(backlash)를 갖는 기계적 인터록부일 수 있다.
커패시터(C1)는 주 스위치(SWMain)와 보조 스위치(SWAux)가 모두 온 상태일 때 자신 속에 충전된 전하가 존재할 경우 충전된 전하를 방전시킨 후, 보조 스위치(SWAux)가 온 된 상태에서 주 스위치(SWMain)가 오프되면 주 스위치(SWMain)를 통해 흐르던 부하 전류(iLoad)가 보조 스위치(SWAux)를 통해 흐르므로 비로소 충전 동작을 실시한다.
또한, 주 스위치(SWMain)가 오프된 상태에서 보조 스위치(SWAux)가 오프되면 커패시터(C1)는 저항(R1)을 통해 방전 동작을 실시한다.
이로 인해, 커패시터(C1)는 완전 방전 상태에서 주 스위치(SWMain)의 오프 시점에서부터 커패시터(C1)와 저항 부하(RLoad)의 값에 의해 정해진 시정수에 따라 서서히 충전이 이루어지므로, 주 스위치(SWMain)가 오프된 시점에 커패시터(C1)의 양단에 인가되는 전압(Vc)은 주 스위치(SWMain) 양단에 인가되는 전압(VSW)과 동일하며 이때의 전압(Vc, VSW)은 영(0)이 된다.
이러한 커패시터(C1)의 동작에 의해, 주 스위치(SWMain)의 오프 시점에 주 스위치(SWMain) 양단의 전압차(VSW)가 영(0)이 되어 영전압 상태가 되므로, 주 스위치(SWMain) 오프시 아크 발생이 방지된다.
또한, 커패시터(C1)가 충전 완료된 상태일 때, 커패시터(C1)로의 전류 흐름은 종료되므로 영전류 상태가 된다. 이와 같이 커패시터(C1)의 상태가 영전류 상태일 때 보조 스위치(SWAux)가 오프되므로, 보조 스위치(SWAux) 오프 시 아크 발생 역시 방지된다.
저항(R1)은 도시한 것처럼, 커패시터(C1)의 양단에 연결되어 있어 보조 스위치(SWAux)가 오프 상태일 때 커패시터(C1)의 방전 경로를 제공하고, 커패시터(C1)와 함께 방전 시의 시정수를 결정한다.
따라서, 커패시터(C1)가 충전된 상태에서 보조 스위치(SWAux)가 오프되면, 커패시터(C1)에 충전되어 있는 전류는 저항(R1)을 거쳐 방전이 이루어진다.
이때, 저항(R1)의 저항값은 보조 스위치(SWAux)가 온 될 때 저항(R1) 쪽으로의 전류 흐름이 거의 발생하지 않을 정도의 큰 값이면 좋고, 따라서, 보조 스위치(SWAux) 오프 시 저항(R1)을 통해 흐르는 전류로 인한 아크 발생이 이루어지지 않도록 한다.
다음, 도 2를 참고로 하여, 이러한 구조를 갖는 본 예의 영전압-영전류 직류 회로 차단기의 동작을 설명한다.
먼저, (1) 시점에서 주 스위치(SWMain)가 사용자에 의해 온되어 도통되면[도 2의 (a)], 도 2의 (c)와 같이 주 스위치(SWMain)의 양단 전압은 영(0)으로 떨어지고 부하(RLOAD, LLoad)를 흐르는 부하 전류(iLoad)는 도 2의 (d)와 같이, 온된 주 스위치(SWMain)를 통해 흐르게 되어 부하 전류(iLoad)와 주 스위치(SWMain)를 통해 흐르는 전류(iSW)는 실질적으로 동일하다[도 2의 (e)].
*이와 같이, 주 스위치(SWMain)가 온 상태를 유지하는 중에, (2) 시점에, 도 2의 (b)와 같이, 주 스위치(SWMain)가 온된 후 설정 시간(TDelay)이 지연된 다음 제어 장치의 동작에 의해 보조 스위치(SWAux)도 온 된다. 이때, 설정 시간(TDelay)은 약 수백 ㎳일 수 있다.
하지만, 보조 스위치(SWAux)가 온 되는 경우에도 부하 전류(iLoad)는 실질적으로 접점 저항값이 거의 영(0)인 주 스위치(SWMain)를 통해 흐르게 되며[도 2의 (d) 와 (e)], 주 스위치(SWMain)의 양단 전압(VSW)은 여전히 영(0) 상태를 유지한다([도 2의 (c)].
따라서, 주 스위치(SWMain)와 보조 스위치SWAux)의 온 동작에 의해 커패시터(C1)의 양단에 인가되는 전압(Vc)도 영(0)이 되므로, 커패시터(C1)의 충전 동작은 이루어지지 않아 커패시터(C1)에 충전된 전하는 존재하지 않는다[도 2의 (g)].
또한, 만약에 보조 스위치(SWAux)가 오프된 상태에서 커패시터(C1)에 충전 전하가 존재한다 하더라도 저항(R1)을 통해 커패시터(C1)의 충전 전압이 모두 소진되므로, 주 스위치(SWMain)와 보조 스위치(SWAux)가 모두 온 상태를 유지할 때 커패시터(C1)에는 충전 전하가 존재하지 않는 완전 방전 상태가 된다.
이런 상태에서 사용자에 의해 (3) 시점에서 주 스위치(SWMain)가 오프 상태로 전환되면[도 2의 (a)], 주 스위치(SWMain)를 통해 흐르던 전류(iLoad)는 온 상태를 유지하는 보조 스위치(SWAux) 쪽으로 흐르게 된다.
따라서, 주 스위치(SWMain)를 흐르는 전류(iSW)는 '0'으로 떨어지고[도 2의 (e)], 이로 인해, 커패시터(C1)는 시정수에 따라 서서히 충전 동작이 이루어진다. 이때, 저항(R1)의 저항값에 따라 부하 전류(iLoad)의 일부가 흐를 수도 있다.
주 스위치(SWMain)가 오프된 후 보조 스위치(SWAux)가 온되어 커패시터(C1)의 충전 동작이 시작된 다음부터 충전종료 시간(예, 수 ㎳)이 경과하면 커패시터(C1)의 충전 전압은 전원 전압까지 충전되어 커패시터(C1)의 충전이 완료된다.
이처럼, 커패시터(C1)의 충전이 완료되면, 커패시터(C1)를 흐르는 전류의 크기는 영(0)이 되고, 이때, 부하 전류(iLoad)의 크기 역시 영(0)이된다.
따라서, 보조 스위치(SWAux)가 온 된 상태에서 주 스위치(SWMain)의 오프 동작에 의한 커패시터(C1)의 충전 기간 동안, 커패시터(C1)의 충전 상태에 따라 주 스위치(SWMain) 양단에 인가되는 전압, 즉 주 스위치(SWMain) 양단의 전압차(VSW)는 영(0)에서부터 서서히 증가하게 되고[도 2의 (c)], 보조 스위치(SWAux) 쪽으로 흐르는 부하 전류(iLoad)의 크기는 서서히 감소한다[도 2의 (d)].
또한, 커패시터(C1)의 충전 상태에 따라, 커패시터(C1)를 흐르는 전류(iC)는 최고값에서 서서히 감소하여 영(0)으로 떨어지고[도 2의 (f)], 커패시터(C1) 양단의 전압(Vc)은 반대로 서서히 증가하여 최고값에 도달하게 된다[도 2의 (g)].
주 스위치(SWMain)가 오프되는 순간 커패시터(C1)는, 이미 기재한 것처럼, 완전 방전 상태를 유지하므로 커패시터(C1) 양단의 전압차(Vc)는 영(0)이 되고, 커패시터(C1)와 병렬로 연결되어 있는 주 스위치(SWMain)의 양단에 인가되는 전압(VSW) 역시 영(0)이 된다. 이로 인해, 주 스위치(SWMain)가 오프되는 시점에 영전압 스위칭(zero voltage switching, ZVS) 상태가 되어 주 스위치(SWMain)의 오프 동작으로 인한 아크는 발생하지 않는다.
또한, 부하 전류(iLoad)의 흐름에 따라 커패시터(C1)의 충전 동작이 완료되면, 커패시터(C1)를 통해 흐르는 전류(iC)는 영(0)이 된다.
이와 같이, 커패시터(C1)의 충전이 완료된 후 보조 스위치(SWAux)는 제어 장치의 동작에 의해 오프된다. 즉, 제어 장치는 주 스위치(SWMain)가 오프 된 후 설정 시간(TDelay)이 경과한 후 보조 스위치(SWAux)를 오프 제어하고, 이때, 설정 시간은 커패시터(C1)의 충전 동작이 완료된 이후로 정해지므로 커패시터(C1)의 충전 시정수를 기초로 하여 정해진다.
이처럼, 커패시터(C1)의 충전이 완료된 이후에 (4) 시점에서 제어 장치의 동작에 의해 보조 스위치(SWAux)가 오프되면, 이미 기술한 것처럼, 커패시터(C1)를 통한 전류 흐름이 없는 영전류(iC=0) 상태이다. 따라서, 보조 스위치(SWAux) 오프 시점에서 영전류 스위칭(Zero current switching, ZCS) 동작이 이루어져 아크 발생이 방지된다.
이미 설명한 것처럼, 보조 스위치(SWAux) 오프 시 저항(R1)을 통해 전류 흐름이 발생할 수 있지만, 저항(R1)을 통해 흐르는 전류의 양이 매우 적으므로 보조 스위치(SWAux) 오프 시 아크 발생은 유발되지 않는다.
보조 스위치(SWAux)의 오프 동작에 의해 방전 기간 동안 저항(R1)을 통한 커패시터(C1)의 방전 동작이 이루어져 커패시터(C1)는 초기 상태인 완전 방전 상태로 되돌아간다.
본 예에 따른 이러한 커패시터(C1)의 동작에 의해, 인덕터 부하(LLoad)의 전류 흐름을 차단하기 위해 주 스위치(SWMain)의 오프 시 영전압 스위칭 동작이 이루어져 아크 발생이 방지되며, 또한 보조 스위치(SWAux) 오프 시는 영전류 스위칭 동작이 이루어져 아크 발생이 방지된다
보조 스위치(SWAux)의 동작을 제어하는 제어 장치의 한 예로서 기계적 인터록부를 도시하고, 이러한 기계적 인터록부가 적용된 본 예의 영전압-영전류 직류 회로 차단기를 도 3에 도시한다.
도 3에 도시한 것처럼, 기계적 인터록부(30)는 주 스위치(SWMain)와 보조 스위치(SWAux) 사이에 설치된다.
이러한 기계적 인터록부(30)의 한 예는 도 4에 개략적으로 도시된다.
도 4에 도시한 것처럼, 기계적 인터록부(30)는 토글형(Toggle) 스위치로 이루어진 주 스위치(SWMain)와 보조 스위치(SWAux)의 온 또는 오프 상태를 제어하는 하나의 슬라이더(Slider)(31)를 구비하여, 주 스위치(SWMain) 및 보조 스위치(SWAux)의 기계적 인터록(interlock)을 구현한다.
슬라이더(31)는 사용자에 의한 외부의 조작에 의해 인가되는 물리적인 힘에 의해 상하 방향을 따라 직선으로 이동한다.
반면, 주 스위치(SWMain)와 보조 스위치(SWAux)는 도시하지 않은 프레임(frame)에 고정되어 있고, 슬라이더(31)의 상하 방향으로의 이동에 따라 위치가 변하여 해당 주 스위치(SWMain)와 보조 스위치(SWAux)를 온 또는 오프 시키는 가동편(M1, M2)을 구비한다.
슬라이더(31)는 상하 이동에 따른 주 스위치(SWMain)와 보조 스위치(SWAux)의 온 또는 오프 상태로 동작시키기 위해, 주 스위치(SWMain)가 위치하는 제1 홈(321)과 보조 스위치(SWAux)가 위치하는 제2 홈(322)을 구비한다.
각 홈(321, 322)은 주 스위치(SWMain)와 보조 스위치(SWAux)를 온 또는 오프 시키기 위하여 두 개의 턱(3211 및 3212, 3221 및 3222)을 갖는다.
이때, 도 4에 도시한 것처럼, 주 스위치(SWMain)를 위한 제1 홈(321)의 상하 방향으로의 길이(H1)와 보조 스위치(SWAux)를 위한 홈(322)의 상하 방향으로의 길이(H2)가 다르므로, 슬라이더(31)를 상하운동 시키면서 해당 주 스위치(SWMain)과 보조 스위치(SWAux)를 온 또는 오프 시킬 때 주 스위치(SWMain)와 보조 스위치(SWAux)의 동작 시간 차이가 발생한다.
다시 말해, 도 4에 도시한 백래쉬(Back-lash)의 거리(D11)만큼 주 스위치(SWMain)와 보조 스위치(SWAux)의 동작 시간 차이가 발생한다.
도 4에 도시한 것처럼, 제1 홈(321)의 길이가(H1)가 제2 홈(322)의 길이(H2)보다 짧으므로, 주 스위치(SWMain)는 보조 스위치(SWAux)보다 먼저 온되고 오프된다.
이러한 구조를 갖는 기계적 인터록부(30)의 동작을 도 5 및 도 6을 참고로 하여 설명한다.
먼저, 도 5를 참고로 하여, 인터록부(30)의 동작에 의해 주 스위치(SWMain)와 보조 스위치(SWAux)가 오프 상태에서 온 상태로 전환되는 과정을 설명한다.
도 5의 (a)에 도시한 것처럼, 초기 상태 시 주 스위치(SWMain)와 보조 스위치(SWAux)는 모두 오프 상태이다(SWMain=OFF, SWAux=OFF).
도 5 및 도 6에서, 주 스위치(SWMain)와 보조 스위치(SWAux)의 위쪽에 표시한 "(X)"는 해당 가동편(M1, M2)이 위쪽을 향하면 해당 스위치(SWMain, SWAux)가 오프 된다는 의미이고, 주 스위치(SWMain)와 보조 스위치(SWAux)의 아래쪽에 표시한 "(О)"는 해당 가동편(M1, M2)이 아래쪽을 향하면 해당 스위치(SWMain, SWAux)가 온 된다는 의미이다.
이런 초기 상태에서 슬라이더(31)가 아래쪽 방향으로 하강하면 도 5의 (b)와 같이 제1 홈(321)의 상부 턱(3211)에 의해 주 스위치(SWMain)의 가동편(M1)이 아래쪽으로 이동하여 주 스위치(SWMain)는 온된다. 하지만, 이 상태일 때, 보조 스위치(SWAux)의 가동편(M2)은 해당 홈(322)의 상부 턱(3221)과 접하지 않으므로 초기 상태를 유지하므로 보조 스위치(SWAux)는 오프 상태를 유지한다.
도 5의 (c)처럼, 슬라이더(31)가 더욱 하강하여 최종 하강 위치까지 하강하게 되면, 보조 스위치(SWAux)의 가동편(M2)은 해당 홈(322)의 상부 턱(3221)과 접한 후 아래 방향으로 가동편(M2)을 밀어 보조 스위치(SWAux)를 오프 상태에서 온 상태로 전환시킨다. 따라서, 이 단계에서는 주 스위치(SWMain)와 보조 스위치(SWAux)는 모두 온된다 (SWMain=ON, SWAux=ON).
도 6은 도 5와는 반대로 모두 온 상태인 주 스위치(SWMain)와 보조 스위치(SWAux)를 순차적으로 오프 시키기 위한 과정을 도시한다.
따라서, 주 스위치(SWMain)와 보조 스위치(SWAux)를 온 시키기 위해, 사용자는 도 5의 (c)와 같이 최종 하강 위치에 위치한 슬라이더(31)를 위쪽 방향으로 상승시키게 된다.
이러한 슬라이더(31)의 상승 동작에 의해 도 6의 (a)에 도시한 것처럼, 주 스위치(SWMain)가 해당 홈인 제1 홈(321)의 하부 턱(3212)에 접하더라고 해당 가동편(M1)의 상태는 변화가 없으므로 주 스위치(SWMain)와 보조 스위치(SWAux)는 모두 온 상태인 이전 상태(SWMain=ON, SWAux=ON)를 유지한다.
이후, 도 6의 (b)와 같이 슬라이더(31)가 위쪽 방향으로 더 상승하면 제1 홈(321)의 하부 턱(3212)에 의해 주 스위치(SWMain)의 가동편(M1)이 위쪽으로 이동하여 주 스위치(SWMain)는 오프되고, 보조 스위치(SWAux)의 가동편(M2)은 해당 홈(322)의 하부 턱(3222)과 접하지 않으므로 보조 스위치(SWAux)는 이전 상태인 온 상태를 유지한다.
다음, 도 6의 (c)처럼, 슬라이더(31)가 더 상승하여 최종 상승 위치에 이르면, 보조 스위치(SWAux)의 가동편(M2)은 해당 홈(322)의 하부 턱(3222)과 접한 후 위쪽 방향으로 가동편(M2)이 이동하므로 보조 스위치(SWAux)는 온 상태에서 오프 상태로 된다. 따라서, 이 단계에서는 주 스위치(SWMaim)와 보조 스위치(SWAux) 모두 오프된다 (SWMain=OFF, SWAux=OFF).
이로 인해, 보조 스위치(SWAux)는 주 스위치(SWMain)가 온 된 후 설정 시간(TDelay) 후에 온되고, 주 스위치(SWMain)가 오프 된 후 설정 시간(TDelay) 후에 오프된다.
다음, 도 7 및 도 8을 참고로 하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 영전압-영전류 직류 회로 차단기에 대하여 설명한다.
도 1과 비교하여 동일한 기능을 수행하는 구성요소에 대해서는 같은 도면 부호를 부여하였고, 그에 대한 자세한 설명은 생략한다.
먼저, 도 7에 도시한 영전압-영전류 직류 회로 차단기는, 도 1에 도시한 영전압-영전류 직류 회로 차단기와 비교할 때, 보조 스위치(SWAux)와 커패시터(C1) 사이에 위치한 다이오드(D1)를 추가로 구비하고 있다는 것을 제외하면 도 1에 도시한 영전압-영전류 직류 회로 차단기와 동일하다.
즉, 다이오드(D1)는 보조 스위치(SWAux)의 타측 단자에 애노드 단자가 연결되어 있고 커패시터(C1)의 일측 단자에 캐소드 단자가 연결되어 있다.
이때, 다이오드(D1)는 보조 스위치(SWAux)가 온 될 때 커패시터(C1)의 충전 전하가 인덕터 부하(LLoad) 쪽으로 흐르는 역충전 시 역충전을 방지하는 역충전 저지 다이오드로서 기능한다.
예를 들어, 보조 스위치(SWAux)가 온 됨에 따라 직렬 연결을 이루는 인덕터 부하(LLoad)와 커패시터(C1)의 공진 현상으로 인해 어느 시점에 인덕터 부하(LLoad) 쪽에서 과도성 전류가 발생할 경우, 본 예의 다이오드(D1)가 존재하지 않을 경우, 커패시터(C1)는 부하(LLoad) 쪽으로의 방전 현상(즉, 역충전 현상)이 발생하게 된다. 하지만, 본 예의 경우, 부하(LLoad)로부터 커패시터(C1) 쪽으로 순방향으로 연결된 다이오드(D1)로 인해, 공진 현상이 발생한 경우에는 커패시터(C1)의 역충전 현상이 방지된다.
이러한, 본 예의 영전압-영전류 직류 회로 차단기의 동작은 다음과 같다.
이미 도 1을 참고로 하여 설명한 것처럼, 주 스위치(SWMain)가 온 되어 부하 전류(iLoad)가 온된 주 스위치(SWMain)를 흐르는 상태에서 보조 스위치(SWAux)가 온되고, 이때, 커패시터(C1)는 완전 방전 상태를 유지한다.
이런 상태에서 부하(LLoad)에 흐르는 전류를 차단하기 위해 주 스위치(SWMain)가 오프되면, 부하(LLoad)에 흐르는 부하 전류(iLoad)는 온 상태를 유지하는 보조 스위치(SWAux) 쪽으로 흘러 커패시터(C1)는 충전을 시작한다. 이때, 이미 기술한 것처럼, 주 스위치(SWMain)가 오프 될 때 커패시터(C1) 양단의 전압 차(VC)는 0V이므로, 주 스위치(SWMain) 오프 시 영전압 상태가 되어 아크는 발생하지 않는다.
커패시터(C1)의 충전이 완료되면, 충전 완료 상태의 커패시터(C1)로 인해 커패시터(C1)로의 전류 흐름이 중지되고(iC=0), 이 상태에서, 즉 커패시터(C1)가 충전이 완료된 상태에서 보조 스위치(SWAux)가 오프되면 영전류 스위칭 상태가 되므로 보조 스위치(SWAux) 오프 시점에서의 아크 역시 발생하지 않는다.
도 1 및 도 7에 도시한 영전압-영전류 직류 회로 차단기는 부하 전류(iLoad)가 단방향으로 흐르는 경우에 적용되는 직류 회로 차단기인 반면, 도 8은 부하 전류(iLoad)의 방향이 양방향인 경우에 적용되는 직류 회로 차단기이다.
따라서, 도 8에 도시한 영전압-영전류 직류 회로 차단기 역시 도 1과 유시한 구조를 갖고 있다.
즉, 도 8의 영전압-영전류 직류 회로 차단기는 직류 전압(VDC)에 직렬로 연결된 저항 부하(RLoad)와 인덕터 부하(LLoad), 직류 전압(VDC)와 인덕터 부하(LLoad) 사이에 연결된 주 스위치(SWMain) 및 보조 스위치(SWAux1), 보조 스위치(SWAux1)와 직류 전압(VDC) 사이에 위치하고 서로 병렬로 연결되어 있는 커패시터(C11)와 저항(R11)을 구비한다.
하지만, 도 1과 달리, 본 예의 영전압-영전류 직류 회로 차단기는 직류 전압(VDC)과 인덕터 부하(LLoad)에 연결되어 브리지 회로를 이루는 복수의 다이오드(D11-D14)를 더 구비하고 있다.
이러한 제1 내지 제4 다이오드(D11-D14)로 인해 보조 스위치(SWAux1), 커패시터(C11) 및 저항(R11)의 연결 상태는 도 1의 보조 스위치(SWAux), 커패시터(C1) 및 저항(R1)과 각각 상이하지만, 도 8의 보조 스위치(SWAux1), 커패시터(C11) 및 저항(R11)은 도 1의 보조 스위치(SWAux), 커패시터(C1) 및 저항(R1)과 각각 동일한 기능을 수행한다.
따라서, 본 예의 영전압-영전류 직류 회로 차단기는 전기접점형 주 스위치(SWMain)의 일측 단자에 애노드 단자가 연결되어 있는 제1 다이오드(D11), 제1 다이오드(D11)의 캐소드 단자에 일측 단자가 연결되어 있는 보조 스위치(SWAux1), 보조 스위치(SWAux1)의 타측 단자에 일측 단자가 연결되어 있는 커패시터(C11), 커패시터(C11)의 타측 단자에 애노드 단자가 연결되어 있고 직류 전원(VDC)의 음극(-)에 캐소드 단자가 연결되어 있는 제2 다이오드(D12), 제1 다이오드(D11)의 캐소드 단자에 캐소드 단자가 연결되어 있고 직류 전원(VDC)의 음극(-)에 애노드 단자가 연결되어 있는 제3 다이오드(D13), 그리고 커패시터(C11)의 타측 단자에 애노드 단자가 연결되어 있고 전기접점형 주 스위치(SWMain)의 일측 단자에 캐소드 단자가 연결되어 있는 제4 다이오드(D14)를 구비한다.
이러한 영전압-영전류 직류 회로 차단기의 동작은 다음과 같다.
먼저, 직류 전원(VDC)의 양극(+)에서 음극(-) 방향으로 전류가 흐르는 정방향으로 부하 전류(iLoad)의 흐름이 발생한 경우, 영전압-영전류 직류 회로 차단기의 동작에 대해서 설명한다.
이미 도 1를 참고로 하여 설명한 것처럼, 주 스위치(SWMain)가 온되어 부하 전류(iLoad)가 주 스위치(SWMain)를 통해 흐르는 상태에서 제어 장치의 동작에 의해 보조 스위치(SWAux1)가 온된다.
이처럼, 주 스위치(SWMain)와 보조 스위치(SWAux1)가 모두 온 된 상태에서 부하(RLoad, LLoad)의 동작을 중지하기 위해 주 스위치(SWMain)가 오프되면 온된 보조 스위치(SWAux1)를 통해 다이오드(D11)와 다이오드(D12)를 거쳐 부하 전류(iLoad)는 커패시터(C11)를 통해 흐르므로 커패시터(C11)의 충전 동작이 시작된다.
이미 설명한 것처럼, 주 스위치(SWMain)가 오프되는 순간 커패시터(C11) 양단에 인가되는 전압(VC)은 영(0)이 되고, 이로 인해, 주 스위치(SWMain) 양단에 인가되는 전압(VSW)의 크기 역시 영(0)이 되어 주 스위치(SWMain)가 오프 시점 일 때 영전압 스위칭 동작이 이루어져 아크는 발생하지 않는다.
이런 상태에서 커패시터(C11)의 충전 동작이 완료되면 커패시터(C11)를 흐르는 전류 흐름이 없게 되고 커패시터(C11)의 전류(iC)는 영(0)이 된다. 이 상태에서 보조 스위치(SWAux1)가 오프되면 오프 시점에서도 커패시터(C11)로의 전류는 영전류인 영전류 스위칭 동작이 이루어지는 상태가 되므로 보조 스위치(SWAux1)의 상태가 온 상태에 오프 상태로 스위칭될 때 아크 발생은 이루어지지 않는다.
이와 같이, 보조 스위치(SWAux1)가 오프되면, 커패시터(C11)는 저항(R11)과 다이오드(D12)를 통해 방전 동작이 이루어진다.
하지만, 정방향과는 반대로 직류 전원(VDC)의 음극(-)에서 양극(+) 방향으로 부하 전류(iLoad)가 흐를 경우, 영전압-영전류 직류 회로 차단기의 동작은 제1 및 제2 다이오드(D11, D12)를 통하여 커패시터(C11)의 전류 흐름이 발생하는 대신 제3 및 제4 다이오드(D13, D14)를 통하여 커패시터(C11)의 전류 흐름이 발생하는 것을 제외하면 정방향일 때의 동작과 동일하다.
따라서, 주 스위치(SWMain)가 온되면, 주 스위치(SWMain)를 통한 부하 전류(iLoad)의 흐름이 이루어지고, 주 스위치(SWMain)가 온된 상태에서 보조 스위치(SWAux1)가 온되어도 부하 전류(iLoad)의 흐름 경로는 변경되지 않고 주 스위치(SWMain)를 통해 흐른다.
보조 스위치(SWAux1)가 온된 상태에서 주 스위치(SWMain)가 오프되면, 부하 전류(iLoad)는 제3 다이오드(D13)-온된 주 스위치(SWAux1)-커패시터(C11)-제4 다이오드(D14)를 통해 부하(LLoad, RLoad) 쪽으로 흐르게 되어, 커패시터(C11)의 충전 동작이 시작된다.
이미 설명한 것처럼, 주 스위치(SWMain)가 오프되는 시점에 주 스위치(SWMain) 양단 전압은 영(0)이 되어 영전압 스위칭 동작이 이루어지므로, 주 스위치(SWMain)가 온 상태에서 오프 상태로 전환될 때 아크는 발생하지 않는다.
커패시터(C11)의 충전 동작이 완료되어 커패시터(C11)를 흐르는 전류가 영전류 상태인 경우, 보조 스위치(SWAux1)가 오프되면 영전류 스위칭 동작이 되어 보조 스위치(SWAux1)가 온 상태에서 오프 상태로 전환될 때 아크는 발생하지 않는다.
보조 스위치(SWAux1)의 오프 동작에 의해 커패시터(C11)는 저항(R11)을 통한 방전 동작을 실시하게 된다.
본 예의 경우에도, 이미 기술하였지만, 보조 스위치(SWAux1)는, 인터록부(30) 등을 이용한 기계적인 장치나 제어 유닛을 이용하여, 주 스위치가(SWMain)가 온 된후 설정 시간 이후 온 되고, 주 스위치가(SWMain)가 오프된 후 설정 시간 이후에 오프되며, 설정 시간은 커패시터(C11)의 충전 시간보다 길게 정해진다.
다음, 도 9 및 도 11에 도 1에 도시한 영전압-영전류 직류 회로 차단기의 실험 파형을 도시한다.
본 실험에서 주 스위치(SWMain)와 보조 스위치(SWAux)의 동작은 수동으로 행해졌고, 주 스위치(SWMain)와 보조 스위치(SWAux) 간은 동작 지연 시간은 약 300㎳이었다.
도 9에서, (1) 시점은 주 스위치(SWMain)의 온 시점이고, (2)는 보조 스위치(SWAux)의 온 시점이며, (3) 시점은 주 스위치(SWMain)의 오프 시점이며 (4)는 보조 스위치(SWAux)의 오프 시점이다.
파형 'G1'은 주 스위치(SWMain)의 양단에 인가되는 전압(VSW)에 대한 파형이고, 파형 'G2'은 주 스위치(SWMain)를 흐르는 전류(iSW)에 대한 파형이며, 'G3'은 커패시터(C1)를 흐르는 전류(iC)에 대한 파형이다.
(1) 시점, 즉 주 스위치(SWMain)만이 온된 시점을 확대한 도 10을 참고로 하면, 주 스위치(SWMain)가 온 되면, 전원 전압(VDC)이 인가되었던 주 스위치(SWMain)의 양단 전압(VSW)은 약 30㎲(=28㎲)의 시정수(τ)를 갖고 급격히 영(0)으로 떨어지며, 반대로 부하 전류(iLoad=iSW)는 34㎲의 시정수(τ)를 갖고 급격히 상승함으로 주 스위치(SWMain)는 온 상태가 됨을 알 수 있었다.
이 시점(1)에서는 보조 스위치(SWAux)가 오프 상태이므로 커패시터(C1)로의 전류 흐름은 발생하지 않아 커패시터 전류(iC)는 0을 유지한다.
보조 스위치(SWAux)가 온되는 상태에서 주 스위치(SWMain)만 오프되는 (3) 시점일 때, 도 11에 도시한 것처럼, 주 스위치(SWMain)를 통해 흐르는 전류가 차단되어 해당 전류(iSW)는 0으로 떨어지고(파형 G2), 온 상태의 보조 스위치(SWAux)를 통해 부하 전류(iLoad)가 흐르게 되므로 커패시터(C1)의 충전 동작이 시작된다.
이러한 커패시터(C1)의 충전 동작으로 인해, 커패시터(C1)의 전류(iC)는 급격히 증가하고(파형 G3 참고), 주 스위치(SWMain)의 양단 전압(VSW)는 영(0)에서부터 서서히 증가하게 된다(파형 G1 참고).
따라서, 커패시터(C1)의 충전이 시작될 때 커패시터(C1)의 초기 전압은 영(0)이 되어 주 스위치(SWMain) 오프 시 영전압 스위칭 동작이 이루어졌다.
파형 G3을 참고로 하면, 충전 동작이 시작된 후, 커패시터(C1)는 해당 시간(약 40㎳)이후 충전 동작이 완료되어 커패시터(C1)의 전류(iC)가 영(0)으로 감소함을 알 수 있다. 따라서, 커패시터(C1)의 충전이 완료된 후 보조 스위치(SWAux)가 오프되는 때[시점 (4)]는 영전류 스위칭 동작이 이루어졌음을 알 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (9)

  1. 부하에 일측 단자가 연결되어 있고 직류 전원의 음극에 타측 단자가 연결되어 있는 전기접점형 주 스위치,
    상기 전기접점형 주 스위치의 일측 단자에 일측 단자가 연결되어 있는 보조 스위치, 그리고
    상기 보조 스위치의 타측 단자에 일측 단자가 연결되어 있고 직류 전원의 음극에 타측 단자가 연결되어 있는 커패시터
    를 포함하는 영전압-영전류 직류 회로 차단기.
  2. 제1항에서,
    상기 보조 스위치의 타측 단자에 일측 단자가 연결되어 있고 직류 전원의 음극에 타측 단자가 연결되어 있는 저항을 더 포함하는 영전압-영전류 직류 회로 차단기.
  3. 제1항에서,
    상기 보조 스위치와 상기 커패시터 사이에 연결되어 상기 커패시터의 역충전을 방지하는 다이오드를 더 포함하는 영전압-영전류 직류 회로 차단기.
  4. 제1항에서,
    상기 보조 스위치는 상기 전기접점형 주 스위치가 온 된 후 설정 시간 이후 온되며, 상기 보조 스위치는 상기 전기접점형 주 스위치가 오프된 후 설정 시간 이후 오프되며, 상기 설정 시간은 상기 커패시터의 충전 시간보다 긴 영전압-영전류 직류 회로 차단기.
  5. 제4항에서,
    상기 전기접점형 주 스위치의 동작에 따라 상기 설정 시간 이후에 상기 보조 스위치의 동작을 제어하기 위해, 상기 전기접점형 주 스위치와 상기 보조 스위치 사이에 위치한 백래쉬를 갖는 인터록부를 더 포함하고,
    상기 인터록부는,
    상하 방향을 따라 직선으로 이동하는 슬라이더를 포함하고,
    상기 슬라이더는 상기 전기접점형 주 스위치가 위치하여 상기 슬라이더가 상하 방향으로 직선 이동함에 따라 상기 전기접점형 주 스위치의 가동편의 접점 상태를 제어하는 제1 홈, 그리고 상기 보조 스위치가 위치하여 상기 슬라이더가 상하 방향으로 직선 이동함에 따라 상기 보조 스위치의 가동편의 접점 상태를 제어하는 제2 홈
    을 구비하고,
    상기 제1 홈의 상하 방향으로의 길이와 상기 제2 홈의 상하 방향으로의 길이는 서로 상이하여 상기 전기접점형 주 스위치의 온 또는 오프 시기는 상기 보조 스위치의 온 또는 오프 시기가 상이한
    영전압-영전류 직류 회로 차단기.
  6. 부하에 일측 단자가 연결되어 있고 직류 전원의 음극에 타측 단자가 연결되어 있는 전기접점형 주 스위치,
    전기접점형 주 스위치의 일측 단자에 애노드 단자가 연결되어 있는 제1 다이오드,
    상기 제1 다이오드의 캐소드 단자에 일측 단자가 연결되어 있는 보조 스위치,
    상기 보조 스위치의 타측 단자에 일측 단자가 연결되어 있는 커패시터,
    상기 커패시터의 타측 단자에 애노드 단자가 연결되어 있고 직류 전원의 음극에 캐소드 단자가 연결되어 있는 제2 다이오드,
    상기 제1 다이오드의 캐소드 단자에 캐소드 단자가 연결되어 있고 직류 전원의 음극에 애노드 단자가 연결되어 있는 제3 다이오드, 그리고
    상기 커패시터의 타측 단자에 애노드 단자가 연결되어 있고 상기 전기접점형 주 스위치의 일측 단자에 캐소드 단자가 연결되어 있는 제4 다이오드
    를 포함하는 영전압-영전류 직류 회로 차단기.
  7. 제6항에서,
    상기 보조 스위치의 타측 단자에 일측 단자가 연결되어 있고 상기 커패시터의 타측 단자에 타측 단자가 연결되어 있는 저항을 더 포함하는 영전압-영전류 직류 회로 차단기.
  8. 제6항에서,
    상기 보조 스위치는 상기 전기접점형 주 스위치가 온 된 후 설정 시간 이후 온되며, 상기 보조 스위치는 상기 전기접점형 주 스위치가 오프된 후 설정 시간 이후 오프되며, 상기 설정 시간은 상기 커패시터의 충전 시간보다 긴 영전압-영전류 직류 회로 차단기.
  9. 제8항에서,
    상기 전기접점형 주 스위치의 동작에 따라 상기 설정 시간 이후에 상기 보조 스위치의 동작을 제어하기 위해, 상기 전기접점형 주 스위치와 상기 보조 스위치 사이에 위치한 백래쉬를 갖는 인터록부를 더 포함하고,
    상기 인터록부는,
    상하 방향을 따라 직선으로 이동하는 슬라이더를 포함하고,
    상기 슬라이더는 상기 전기접점형 주 스위치가 위치하여 상기 슬라이더가 상하 방향으로 직선 이동함에 따라 상기 전기접점형 주 스위치의 가동편의 접점 상태를 제어하는 제1 홈, 그리고 상기 보조 스위치가 위치하여 상기 슬라이더가 상하 방향으로 직선 이동함에 따라 상기 보조 스위치의 가동편의 접점 상태를 제어하는 제2 홈
    을 구비하고,
    상기 제1 홈의 상하 방향으로의 길이와 상기 제2 홈의 상하 방향으로의 길이는 서로 상이하여 상기 전기접점형 주 스위치의 온 또는 오프 시기는 상기 보조 스위치의 온 또는 오프 시기가 상이한
    영전압-영전류 직류 회로 차단기.
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