KR100449190B1 - 절전형 자동 역률 조정 장치 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 절전형 자동 역률 조정 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 보다 자세하게는 절전기에 자동 역률 조정 장치를 추가함으로써 항상 95% 역률을 유지시킴으로써 전력손실을 방지하고 무효전력을 배제하고 유효전력만을 흐르게 하는 절전형 자동 역률 조정 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

본 발명의 절전형 자동 역률 조정 장치는 3상의 입력전원으로부터 전류를 변환하기 위한 변류기; 상기 변류기의 출력신호에 의해 역률을 검출하기 위한 역률 검출기; 상기 역률 검출기에 의해 검출된 신호를 스위치 ON/OFF 하는 스위칭부, 상기 스위칭부에 의한 출력 신호의 고조파 제거 및 파형을 개선하기 위한 노이즈 제거를 하는 직렬 리액터부, 진상 무효전력을 공급하여 부하에 역률을 개선하는 콘덴서부, 상기 콘덴서부의 잔류 전류를 방전시키는 방전 코일부를 포함하여 자동으로 역률을 보정하는 복수개의 자동 조정기; 및 상기 입력전원에 연결되고, 각 상의 권수비가 1:2:1로 이루어져 서로 교차되는 전력라인, 각 상의 권수비가 1:1:1:1로 이루어져 서로 교차되는 전압유도 권선부 및 전압편차를 조정하기 위한 복수개의 마그네틱 콘텍터를 포함하며 Y결선되는 절전기를 포함하여 이루어짐에 기술적 특징이 있으며, 본 발명의 절전형 자동 역률 조정 방법은 입력전원으로부터 변류기에 의해 전류를 변환하는 단계; 상기 변환되어진 전류를 통해 역률을 검출하는 단계; 상기 검출한 역률로부터 상기 역률 검출기에 셋팅된 값으로 스위칭부를 자동으로 ON/OFF 하는 단계; 상기 스위칭부에 의한 ON/OFF 신호의 고조파 제거 및 파형 개선을 위한 노이즈 제거 단계; 상기 노이즈가 제거된 신호를 통해 진상 무효전력을 공급하여 부하의 역률을 개선하는 단계; 콘덴서의 잔류 전하를 방전하는 단계; 및 절전기에서 마그네틱 콘택터에 의해 1차와 2차의 전압 편차를 조정하는 단계를 포함하여 이루어짐에 기술적 특징이 있다.

따라서, 본 발명의 절전형 자동 역률 조정 장치 및 그 방법은 유효전력의 감소 및 고조파와 노이즈의 개선이 잘되었지만 역률개선이 부족했던 절전기와 역률 개선 부분만으로는 절전의 효과를 크게 보지 못했던 자동 역률 조정 장치의 최대 장점을 조합함으로써 최대의 절전 및 전력개선 효과를 볼 수 있으며, 절전기의 내부함 안에 자동 역률 조정 장치를 조합하게 되므로 따로 외부에 콘덴서 설치를 할 필요가 없으므로 공간적 효과를 볼 수 있고, 절전기와 역률개선을 위한 콘덴서 설치를 위해 두 번의 작업을 해야 되는 시간 및 비용 부분을 절감하는 효과가 있다.

Description

절전형 자동 역률 조정 장치 및 그 방법{Apparatus and method for automatic power factor modulation of power reducing type}

본 발명은 절전형 자동 역률 조정 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 보다 자세하게는 절전기에 자동 역률 조정 장치를 추가함으로써 항상 95% 역률을 유지시킴으로써 전력손실을 방지하고 무효전력을 배제하고 유효전력만을 흐르게 하는 절전형 자동 역률 조정 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

전력은 극히 다목적이고 편리한 에너지원이다. 그러나, 전기에너지의 생산과 송전에는 비용이 많이 들고, 전력수요가 증가할 때는 그 비용도 증가하게 된다. 이런 이유로, 전력송전 및 이용 효율을 증가시키거나, 반대로 전기에너지의 송전과 사용시 손실율을 줄이려는 시도가 항상 있어왔다. 교류전력은 전류와 전압 사이의 위상관계를 특징으로 한다. 유도부하가 많으면 전압보다 전류가 지연되고, 용량부하가 많으면 전압보다 전류가 앞선다. 동상관계는 저항성 부하로부터 또는 유도부하와 용량부하의 균형으로부터 생긴다. 동상전류로부터 '실제' 저항성 전력이 생기고, 이상전류로부터는 전력회로의 유도성이나 용량성 리액턴스의 영향으로 '겉보기' 무효전력이 생긴다. 전류와 전압 사이의 위상관계 측정에 공통적으로 이용되는 것은 역률로서, 전압과 전류 사이의 위상각의 코사인에 해당한다. 역률은 위상관계가 저항성일 때 단위값에서 최대화되고, 유도성일 때는 양수로서 1 미만이며, 용량성일 때는 음수로서 1 미만이다. 전력선에는 용량성부하보다는 전동기나 변압기와 같은 유도부하가 더 많이 연결되는 경향이 있다. 전력회사들은 흔히 부하가 소정 값 이하의 역률을 일으킬 때 산업수용가들에게 할증료를 부과한다. 이를 피하기 위해, 사용자들은 전력선에 역률보정 커패시터들을 연결하여 유도부하로 하여금 역률을 경제값으로 보상유지하도록 한다. 가정용 전력설비에서, 대부분의 전기에너지는 냉장고, 환기장치, 에어컨, 조명기구, 때로는 가열기구에서 소비된다.

비교적 소량의 에너지가 통신, 컴퓨터, 오락기구 등에 사용되기도 한다. 가정용이나 소규모 산업용에 사용되는 전력계는 실제전력과 겉보기전력을 구분하지 못한다. 따라서, 실제로는 고객이 겉보기전력을 소비하지 않았음에도 실제전력과 겉보기전력 양자에 대해 요금이 부과된다. 대형 산업용으로 사용되는 역률보정시스템이 있지만, 가정용이나 소형산업용으로 역률을 보정하는 경제적인 장치는 없었다. 일반적으로, 산업용 역률보정시스템들은 보상하고자 하는 장비와 이런 장비와 같이 작동되는 장치에 관련된다. 과거에는 역률보정장치를 가능한한 각각의 유도부하용으로 설치하는 것은 주거소유자들에게 비실용적이고 비경제적이라고 간주되었었다.

종래의 대한민국 등록특허 제0138481호는 3상의 전압들과 전류들 사이의 불균형을 제거할 수 있기 때문에 자동변압기에 연결된 전기장치들의 효율을 개선하며 균형 기능을 갖는 3상 자동 변압기에 관한 것이다.

종래의 대한민국 공개특허 제10-2004-0007652호는 발생된 전력의 위상각을 측정하고 커패시터를 계산하여 전력선에 연결하여 측정된 무효전력 값을 보상하는 자동 역률보정시스템에 관한 것이다.

도 1을 참조하여 상기 공개 특허를 살펴보면, 가변 값의 무효전력을 유도하는 전력설비의 자동 역률보정장치는 부하에 의해 생긴 무효전력값을 표시할 수 있는 전력설비의 부하에서 생기는 전력의 전기 인자들을 측정하고, 커패시터들을 전력선에 연결하여 전기 인자가 표시하는 무효전력값을 보상하며 특히, 자동 역률보정장치는 발생된 전력의 위상각을 측정하고 커패시터를 계산하여 전력선에 연결하여, 측정된 무효전력 값을 보상하는 것이다.

그러나 상기와 같은 종래의 기술인 3상 자동 변압기는 각 상의 전압과 전류의 불균형을 제거하는 효과와 자동 역률보정시스템은 역률을 개선하는 효과를 가지고 있지만 이 두가지 효과를 동시에 만족시키는 고조파 및 노이즈를 차단하고 역률을 개선하는 등의 최대의 절전 및 전력개선 효과는 크게 보지 못하는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 제반 단점과 문제점을 해결하기 위한 것으로, 절전기에 자동 역률 조정 장치를 추가함으로써 항상 95% 역률을 유지 시킴으로써 전력손실을 방지하고 무효전력을 배제하고 유효전력만을 흐르게 하며 콘덴서 투입, 개방을 수동에서 자동으로 개폐시키며 변압기의 철손, 동손을 감소하고 사용기기의 수명을 연장시킬 뿐만 아니라 고장율도 없어지게 하는 절전형 자동 역률 조정 장치 및 그 방법을 제공함에 본 발명의 목적이 있다.

도 1은 종래의 자동 역률보정시스템의 주요 요소들을 보여주는 블럭도.

도 2는 본 발명에 따른 절전기의 회로도.

도 3은 본 발명에 따른 무효전력 제어방식의 동작도.

도 4는 본 발명에 따른 절전형 자동 역률 조정 장치의 회로도.

도 5는 본 발명에 따른 역률 검출기의 1상 및 3상 결선도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100. 변류기 110. 역률 검출기

120. 스위칭부 130. 직렬 리액터부

140. 방전 코일부 150. 콘덴서부

160. 자동 조정기 170. 차단기

180. 절전기 190. 자동 절체 개폐기(A.T.S)

본 발명의 상기 목적은 3상의 입력전원으로부터 전류를 변환하기 위한 변류기; 상기 변류기의 출력신호에 의해 역률을 검출하기 위한 역률 검출기; 상기 역률 검출기에 의해 검출된 신호를 스위치 ON/OFF 하는 스위칭부, 상기 스위칭부에 의한 출력 신호의 고조파 제거 및 파형을 개선하기 위한 노이즈 제거를 하는 직렬 리액터부, 진상 무효전력을 공급하여 부하에 역률을 개선하는 콘덴서부, 상기 콘덴서부의 잔류 전류를 방전시키는 방전 코일부를 포함하여 자동으로 역률을 보정하는 복수개의 자동 조정기; 및 상기 입력전원에 연결되고, 각 상의 권수비가 1:2:1로 이루어져 서로 교차되는 전력라인, 각 상의 권수비가 1:1:1:1로 이루어져 서로 교차되는 전압유도 권선부 및 전압편차를 조정하기 위한 복수개의 마그네틱 콘텍터를 포함하며 Y결선되는 절전기를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 절전형 자동 역률 조정 장치에 의해 달성된다.

본 발명의 상기 목적은 입력전원으로부터 변류기에 의해 전류를 변환하는 단계; 상기 변환되어진 전류를 통해 역률을 검출하는 단계; 상기 검출한 역률로부터 상기 역률 검출기에 셋팅된 값으로 스위칭부를 자동으로 ON/OFF 하는 단계; 상기 스위칭부에 의한 ON/OFF 신호의 고조파 제거 및 파형 개선을 위한 노이즈 제거 단계; 상기 노이즈가 제거된 신호를 통해 진상 무효전력을 공급하여 부하의 역률을 개선하는 단계; 콘덴서의 잔류 전하를 방전하는 단계; 및 절전기에서 마그네틱 콘택터에 의해 1차와 2차의 전압 편차를 조정하는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 절전형 자동 역률 조정 방법에 의해서도 달성된다.

본 발명의 상기 목적과 기술적 구성 및 그에 따른 작용효과에 관한 자세한 사항은 본 발명의 바람직한 실시예를 도시하고 있는 도면을 참조한 이하 상세한 설명에 의해 보다 명확하게 이해될 것이다.

먼저, 도 2는 본 발명에 따른 절전기의 회로도이다.

상기 절전기는 입력(R, S, T)과 출력(u, v, w)을 가지는 전력라인(10), 전력을 유지하기 위해 결정되어 있는 전압유도 권선부(20)와 상기 전압유도 권선부의 끝부분에 연결된 2개의 마그네틱 콘택터(Magnetic Contactor)(30, 40)로 구성되어있다. 상기의 전력라인(10)에서 각 상의 권수비는 1:2:1로 이루어지며, 전력을 사용하게 되면, 부하측이 다소 불평형하더라도 자속의 상호상쇄로 인하여 전단의 전원부측의 전류는 각 상이 평형을 유지하게 된다. 이 때, 쇄교하는 자속의 상호상쇄로 인하여 형성되는 기전력의 형태는 일반적인 전압유도 조절장치의 것과는 달리 노이즈와 고조파 등을 필터링(Filtering)하는 특성을 지니므로 사용전력 증강을 가져오며, 역률개선효과도 가져오게 된다.

상기 전압유도 권선부(20)에서 각 상의 권수비는 1:1:1:1로 이루어지며, 정방향 권선과 역방향 권선을 반복하는 과정에서 각 상의 상전압의 불평형을 평형이 되도록 하는데, 이런 결과는 결국 각 상간의 상호쇄교 상호상쇄가 될 수 있도록 자로를 공통으로 사용하기 때문이다.

각 상의 전압은 사용전력의 전압특성이나 전력성질(고조파 발생 정도, 사용 장비로 인한 장애) 등에 따라 1차와 2차의 전압이 달라지게 된다. 이 때, 각 상의 전압 편차를 다르게 하는 복수개의 마그네틱 콘택터 중에 전압 편차가 작은 마그네틱 콘택터를 선택하여 1차나 2차중에 편차가 적은 각 상의 전압을 선택할 수 있다.

도 3은 본 발명에 따른 무효전력 제어방식의 동작도이다.

상기 도 3에서 가로축은 유효전력 세로축은 무효전력이며 편의상 부하변동을 나타내는 LF를 직선으로 가정한다. 최초에 OL에 해당하는 피상전력의 부하가 증가하여 Oa와 같이 투입선과 교차하면 콘덴서의 뱅크 C₁이 투입된다. 따라서 전력은 Oa′로 되고 aa′의 길이는 콘덴서의 1 Bank의 용량에 해당한다. 다시 부하가 증가하면 LF와 평행한 a′b선에 따라 변화하고 b점에 오면 콘덴서 뱅크 C₂가 투입되어 b′점으로 이동한다.

이와 같이 부하의 증가시 차례로 콘덴서 뱅크가 투입되어 최대 부하시에 역률 0.95가 되도록 콘덴서 전용량이 설정되어 있으면 도 3의 역률 0.95선과 일치한다. 반면 부하가 감소하는 경우 f′d′선에 따라 변화시 차단설정치와 교차하는 e점에서 콘덴서 1 Bank를 개방하면 부하전력의 벡터는 Oe가 되며 부하 감소에 따라 e′f f′ g g′ 을 거치면서 콘덴서 용량에만 의존하는 것이 특징이다. 따라서 설정 폭을 필요에 따라 최소한으로 할 수 있어 극히 섬세한 제어가 가능하다.

도 4는 본 발명에 따른 절전형 자동 역률 조정 장치의 회로도이다.

전력선인 K선과 L선은 역률 검출기(110)의 변류기(100)의 전원선이며 R선과 N선은 역률 검출기(110)의 전원선이다. 스위칭부(120)는 역률 검출기(110)에 의해 검출된 신호를 스위치 ON/OFF 하기 위한 마그네틱 스위치를 이용하였으며 직렬 리액터부(130)는 스위칭부(120)에 의한 출력 신호의 고조파 제거 및 파형을 개선하기 위한 노이즈 제거를 하게 된다. 그리고 방전 코일부(140)는 콘덴서부(150)의 잔류 전류를 방전시키며 상기 콘덴서부(150)는 진상 무효전력을 공급하여 부하에 역률을 개선하는 콘덴서로 이루어진다. 이렇게 해서 개선된 역률값으로 전력을 지속적으로 공급하게 되는 것이다. 자동 조정기(160)는 스위칭부, 직렬 리액터부, 방전 코일부, 콘덴서부를 포함하며 상기 자동 조정기(160)는 복수개로 구성되어 역률을 자동으로 보정하게 된다.

절전기(180)의 내부의 차단기(170)에 의해 절전기(180)는 보호되며 자동 절체 스위치(A.T.S: Automatic Transfer Switches)(190)에 의해 우측으로 동작되면 절전모드가 되고 좌측으로 동작하면 한전모드가 되어 바이패스(bypass) 기능의 동작을 하게 된다. 그래서 역률 검출기(110)의 설치 위치는 한전일 때든 절전시스템일 때든 언제든지 사용할 수 있게 절전기(180) 1차측에 설치하게 된다.

전압계 전환 개폐기(210)를 통해 전압계(220)에서 전압을 측정하고 전류계 전환 개폐기(230)를 통해 전류계(240)에서 전류를 측정하며 상기 전압계 전환 개폐기(210)과 전류계 전환 개폐기(230) 사이의 전력량계(200)를 통해 전력을 측정하게 된다.

도 5는 본 발명에 따른 역률 검출기의 1상 및 3상 결선도이며 (a)는 3상 결선도이고 (b)는 1상 결선도이다. K-L은 역률 검출기의 변류기의 전원선이며 k-l은 역률 검출기의 입력 신호가 된다.

본 발명에 따른 절전형 자동 역률 조정 방법을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 입력전원으로부터 변류기(100)에 의해 전류를 변환하여 역률 검출기(110)로부터 역률을 검출하여 상기 역률 검출기(110)에 셋팅된 값으로 스위칭부(120)를 자동으로 ON/OFF한다. 상기 ON/OFF 되어진 신호는 직렬 리액터부(130)를 거쳐 고조파 및 노이즈가 제거되어 신호 파형이 개선되고 상기 개선된 신호는 콘덴서부(150)에 의해 진상 무효전력을 공급하여 부하에 역률을 개선하게 된다. 그리고 방전 코일부(140)는 스위치를 개방할 때 콘덴서의 잔류 전하를 방전하게 된다.

본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

따라서, 본 발명의 절전형 자동 역률 조정 장치 및 그 방법은 유효전력의 감소 및 고조파와 노이즈의 개선이 잘되었지만 역률개선이 부족했던 절전기와 역률 개선 부분만으로는 절전의 효과를 크게 보지 못했던 자동 역률 조정 장치의 최대 장점을 조합함으로써 최대의 절전 및 전력개선 효과를 볼 수 있으며, 절전기의 내부함 안에 자동 역률 조정 장치를 조합하게 되므로 따로 외부에 콘덴서 설치를 할 필요가 없으므로 공간적 효과를 볼 수 있고, 절전기와 역률개선을 위한 콘덴서 설치를 위해 두 번의 작업을 해야 되는 시간 및 비용 부분을 절감하는 효과가 있다.

Claims (7)

1. 3상의 입력전원으로부터 전류를 변환하기 위한 변류기;

   상기 변류기의 출력신호에 의해 역률을 검출하기 위한 역률 검출기;

   상기 역률 검출기에 의해 검출된 신호를 스위치 ON/OFF 하는 스위칭부, 상기 스위칭부에 의한 출력 신호의 고조파 제거 및 파형을 개선하기 위한 노이즈 제거를 하는 직렬 리액터부, 진상 무효전력을 공급하여 부하에 역률을 개선하는 콘덴서부, 상기 콘덴서부의 잔류 전류를 방전시키는 방전 코일부를 포함하여 자동으로 역률을 보정하는 복수개의 자동 조정기; 및

   상기 입력전원에 연결되고, 각 상의 권수비가 1:2:1로 이루어져 서로 교차되는 전력라인, 각 상의 권수비가 1:1:1:1로 이루어져 서로 교차되는 전압유도 권선부 및 전압편차를 조정하기 위한 복수개의 마그네틱 콘텍터를 포함하며 Y결선되는 절전기

   를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 절전형 자동 역률 조정 장치.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 입력전원으로부터 변류기에 의해 전류를 변환하는 단계;

   상기 변환되어진 전류를 통해 역률을 검출하는 단계;

   상기 검출한 역률로부터 상기 역률 검출기에 셋팅된 값으로 스위칭부를 자동으로 ON/OFF 하는 단계;

   상기 스위칭부에 의한 ON/OFF 신호의 고조파 제거 및 파형 개선을 위한 노이즈 제거 단계;

   상기 노이즈가 제거된 신호를 통해 진상 무효전력을 공급하여 부하의 역률을 개선하는 단계;

   콘덴서의 잔류 전하를 방전하는 단계; 및

   절전기에서 마그네틱 콘택터에 의해 1차와 2차의 전압 편차를 조정하는 단계

   를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 절전형 자동 역률 조정 방법.