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KR100875530B1 - 초퍼기술을 이용한 트랜스포머레스 전력 변환장치 - Google Patents

초퍼기술을 이용한 트랜스포머레스 전력 변환장치 Download PDF

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KR100875530B1
KR100875530B1 KR1020080025169A KR20080025169A KR100875530B1 KR 100875530 B1 KR100875530 B1 KR 100875530B1 KR 1020080025169 A KR1020080025169 A KR 1020080025169A KR 20080025169 A KR20080025169 A KR 20080025169A KR 100875530 B1 KR100875530 B1 KR 100875530B1
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KR
South Korea
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power
voltage
output
battery
igbts
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KR1020080025169A
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English (en)
Inventor
김성조
백석민
황용하
Original Assignee
국제통신공업 주식회사
(주)에너포스
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Publication date
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Abstract

본 발명은 초퍼기술을 이용한 트랜스포머레스(Transformerless) 전력 변환장치에 관한 것으로서, 특히 상용 교류전원의 전압(208V, 380V, 440V, 480V)에 관계없이 펄스폭변조(PWM)를 통해 입력 측으로 역류되는 고조파 함유량을 감소시켜 상기 교류 전류 파형 및 위상을 축출하는 정류부와, 상기 정류부에 연결하여 상기 교류전원의 전압에 따라 직류 강압 전압으로 변환하거나 직류 승압 전압으로 변환시켜 배터리에 충전 또는 정상 부하 출력을 하는 양방향 컨버터부와, 상기 배터리를 연결하고, 상기 배터리의 충전/방전 전압 및 전류를 제어하는 디씨 링크부와, 출력 회로의 절연 변압기가 없어 발생할 수 있는 중성점 이동 현상에 대하여 상기 중성점이 상시 일정 레벨을 유지할 수 있게 불평형 부하를 인가하여 전류의 절대 값을 추출하는 중성점 조정부와, 고조파의 제거 또는 저감하여 출력 전압의 고속 제어 및 변동 부하의 전원을 안정화하기 위해 출력 파형의 반주기 내의 펄스를 복수개로 분할하여 각각의 펄스폭을 제어하는 인버터부 및 실리콘 제어 정류회로(SCR)를 2개씩 1쌍으로 하여 총 3쌍을 각 라인(=RST선)에 직렬 연결하여 상기 상용 교류전원과 상기 인버터부의 출력 정점에 병렬 연결하고, 상기 상용 교류전원의 과전류 및 고주파를 제거하여 부하 전원을 출력하는 바이패스 회로부로 하는 것을 특징으로 하는 초퍼기술을 이용한 트랜스포머레스 전력 변환장치에 관한 것이다.
전력 변환, SCR, PWM,IGBT

Description

초퍼기술을 이용한 트랜스포머레스 전력 변환장치{TRANSFORMERLESS POWER CONVERSION DEVICE USING CHOPPER}
본 발명은 초퍼기술을 이용한 트랜스포머레스(Transformerless) 전력 변환장치에 관한 것으로서, 특히 상용 교류전원의 전압(208V, 380V, 440V, 480V)에 관계없이 펄스폭변조(PWM)를 통해 입력 측으로 역류되는 고조파 함유량을 감소시켜 상기 교류 전류 파형 및 위상을 축출하고, 상기 교류전원의 전압에 따라 직류 강압 전압으로 변환하거나 직류 승압 전압으로 변환시켜 배터리에 충전 또는 정상 부하 출력을 하며, 상기 배터리를 연결하고, 상기 배터리의 충전/방전 전압 및 전류를 제어하고, 출력 회로의 절연 변압기가 없어 발생할 수 있는 중성점 이동 현상에 대하여 상기 중성점이 상시 일정 레벨을 유지할 수 있게 불평형 부하를 인가하여 전류의 절대 값을 추출하고, 고조파의 제거 또는 저감하여 출력 전압의 고속 제어 및 변동 부하의 전원을 안정화하기 위해 출력 파형의 반주기 내의 펄스를 복수개로 분할하여 각각의 펄스폭을 제어 및 실리콘 제어 정류회로(SCR)를 2개씩 1쌍으로 하여 총 3쌍을 각 라인(=RST선)에 직렬 연결하여 상기 상용 교류전원과 상기 인버터부의 출력 정점에 병렬 연결하고, 상기 상용 교류전원의 과전류 및 고주파를 제거하여 부하 전원을 출력하는 것을 특징으로 하는 초퍼기술을 이용한 트랜스포머레스 전력 변환장치에 관한 것이다.
일반적으로 중대형 정보처리장치의 경우에는 정전사태와 같은 전원공급의 중단시, 전력 변환장치의 전원이 공급되도록 함으로써 정전과 같은 비상시에 작업중인 데이터가 유실되는 문제를 대비하고 있다.
이를 위하여, 대형 컴퓨터와 같이 중요한 작업을 하는 컴퓨터 시스템에서는 전력 변환장치를 설치하여 전력회사로부터의 전원이 공급 중단되는 경우가 발생되어도 컴퓨터에는 계속 전원이 공급될 수 있도록 하고 있다.
한편, 개인용 컴퓨터(PC)에서도 작업 도중 정전으로 인한 불의의 사고에 대처하기 위한 전력 변환장치의 필요성은 동일하지만, 기존의 전력 변환장치는 가격이 비싸고 부피가 커서 별도의 설치 공간이 필요하여 쉽게 사용되지 못하고 있는 실정이다. 하지만, 최근에는 개인용 컴퓨터 등의 급속한 보급으로 인하여 사무실 및 가정에서도 상기한 전력 변환장치의 필요성 및 그 활용도가 높아지고 있는 실정이다.
또한, AVR(Automatic Voltage Regulator)은 입력 전압의 변동에 의해 생기는 불규칙한 전압을 일정하게 출력하는 장치로서, 주로 상기한 전력 변환장치와 함께 사용되어 정전보상기능과 전압조정기능 등을 동시에 활용하게 되므로, 최근에는 이러한 전력 변환장치와 AVR의 기능을 함께 갖는 다양한 제품들이 개발되고 있다.
도 1과 도 2는 종래기술에 의한 전력 변환장치 또는 UPS/AVR 복합전원장치의 블록도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래기술에 의한 전력 변환장치 또는 UPS/AVR 복합전원장치는, 상용교류전원을 직류로 변환하는 A/D컨버터(4)와, 상기 직류전원을 교류전력으로 변환하여 부하에 공급하는 D/A인버터(7)와, 상기 상용전원을 직류로 변환하여 배터리(BATT)를 충전시키는 충전기(5)와, 정전압을 유지하기 위한 DC-DC컨버터(6)와, 상기 D/A인버터(7)의 이상시 또는 과부하시에 대비하여 상용교류전원 또는 D/A인버터(7)의 교류전원을 출력교류전원으로 하여 선택적으로 외부 시스템으로 인가하는 동기절체 스위치부(8) 및 입력전원을 감시하여 상기 동기절체 스위치부(8)의 동작을 제어하는 CPU(1)으로 구성된다. 도면에서 미설명부호 2는 배터리(BATT)의 충전상태와 전원공급상태 등을 표시하기 위한 전면 패널, 3 및 9는 노이즈 필터, 그리고 D는 다이오드이다.
이하, 상기와 같은 종래 전력 변환장치 또는 UPS/AVR 복합전원장치의 동작을 설명한다.
먼저, 입력단자를 거쳐 입력된 상용교류전원은 정상동작시에 A/D컨버터(4)에서 직류전원으로 변환되고, 이는 충전기(5)에 구비된 다수의 배터리(BATT)를 충전한다. 또한, 상기 A/D컨버터(4)의 직류전원은 다시 D/A인버터(7)에서 교류전원으로 변환되어 동기절체 스위치부(8) 및 복수의 출력단자를 통해 외부의 시스템에 인가된다. 이때, DC-DC컨버터(6)는 단계적으로 저전압과 과전압을 조정하여 입력 전압의 변동에 의해 생기는 불규칙한 전압을 일정하게 하여 출력한다.
상기와 같은 상태에서 상용교류전원이 정전되면 상기 소정의 전압을 충전한 배터리(BATT)의 직류전원이 DC-DC컨버터(6) 및 다이오드(D)를 거친 후, D/A인버 터(7)에서 교류전원으로 변환되고, 동기절체 스위치부(8)를 통해 외부의 시스템으로 인가됨으로써, 그 외부의 시스템은 정전에도 불구하고 안정된 동작을 할 수 있게 된다.
이와 같은 동작중에 다시 상용 교류전원이 인가되면, 충전기(5)는 다시 배터리(BATT)를 충전하게 된다.
또한, 상기 D/A인버터(7)에 이상이 발생한 경우에는 CPU(1)에서 이를 감지하여 동기절체 스위치부(8)의 절체 동작에 의해 상용 교류전원을 직접 외부의 시스템에 바이패스(bypass)시켜 인가하게 되며, 이때는 전면 패널(2)에 축전지상태를 보아 사용자가 이상이 발생함을 인식할 수 있다.
상기한 구성을 갖는 종래기술에 의하면, 컴퓨터 한대의 시스템에서도 컴퓨터 본체와 모니터, 프린터, 디지타이저, 허브, 플로터, 외장형 모뎀 등이 있는데, 이중에는 정전시에 전원 보상을 필요로 하는 것과 필요로 하지 않는 것이 있는 한편, 전원이 불규칙한 것에는 약한 장비가 있기 때문에 전력 변환장치 또는 UPS와 AVR 기능이 함께 사용함으로써, 전력 변환장치 또는 UPS와 AVR을 따로 구입하지 않아 비싼 비용을 치르지 않아도 되는 장점이 있다.
그러나, 종래의 무정전 전원장치에서는, 상용라인 측면에서 보면 무정전 전원장치로 말미암아 상용라인의 효율저하, 고조파 노이즈 발생, 역률왜곡등 도리어 전원라인의 신뢰성을 떨어뜨리는 일이 많이 발생하고 있다. 특히 최근 발생하는 용량성 부하 증가로 말미암아 고조파 전류로 인한 발전소에 장애가 나타나고 있으며, 피크 전력의 문제가 심각해져 무정전 전원장치 자체로 말미암은 문제에 대한 대책 이 매우 필요한 상황이다.
또한, 부하측면에서 보면, 비선형 부하시 무정전 전원장치의 출력왜율로 말미암아 인접기기에 나쁜 영향을 주어 고품질의 사용전원 공급을 방해하는 면이 있어 이를 근본적으로 개선할 필요성이 증대하고 있다.
이러한 문제점을 개선하기 위하여 출력 전압의 단전을 방지하고 전기적인 외부 환경에 강한 전력 변환장치가 개시되었는데, 이하 도 2를 참조하여 기존의 또 다른 전력 변환장치 장치를 설명한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 종래 기술에 의한 전력 변환장치 또는 UPS/AVR 복합전원장치는, 입력스위치(511)를 통해 입력된 입력전원을 1차 코일을 통해서 부하측으로 출력하되, 입력에 대해 출력을 제어하여 부하측으로 출력하는 제1트랜스포머(513)와, 상기 제1트랜스포머(513)의 2차측 코일의 전압/전류를 제어하여 상기 제1트랜스포머(513)의 입력에 대한 부하측 출력을 제어하기 위한 필터회로(514)와, 상기 필터회로(514)의 전압 및 전류를 제어하기 위한 제1 인버터(515)와, 무정전 전원을 공급하기 위한 배터리(516)와, 정전시 상기 배터리(516) 전원을 교류전원으로 변환시켜 부하측에 출력하거나, 정상시에 부하측으로부터 상기 입력전원을 입력받아 직류전원으로 변환하여 상기 배터리(516)에 충전시키기 위한 제2 인버터(517)와, 상기 제2 인버터(517)와 상기 제1 트랜스포머(513)의 출력 부하측 사이에 연결되어 정상전원시 부하측 출력전원을 상기 제2 인버터(517) 측으로, 정전시 상기 제2 인버터(517)의 출력을 상기 부하측 전원으로 출력하는 제2 트랜스포머(518)와, 상기 입력스위치(511) 후단에서 입력전압(Vi)과 입력전류(iS)를, 상기 부하측 연결 단에서 출력전압(VO)과 출력전류(iP)를, 상기 배터리(516)에서 직류전압(Vd)을 각각 검출하되, CT 및 PT를 이용해 검출된 신호를 저항회로에 의해 지연시간 없이 고속으로 검출하기 위한 고속 검출부(80)와, 상기 고속검출부(80)에 의해 검출되는 입/출력 전압 및 전류와 직류 전압을 입력받고, 키입력에 의해 각종 기능을 설정하여 무정전 제어와 자동전압제어(AVR)기능 및 각종 감시 및 표시와 보호 기능등을 제어하기 위한 마이크로프로세서(90)와, 상기 마이크로프로세서(90)의 PWM제어신호에 의거하여 상기 제1 인버터(515)와 상기 제2 인버터(517)의 PWM제어를 신호를 출력하는 게이트 드라이버(70)와, 각종 기능설정 및 모니터링 제어와 설정치 제어등을 위해 운전자가 조작할 수 있도록 하는 키패드(100)와, 각종 상태 표시와 아울러 기능 설정시의 메뉴표시와 설정치 표시등을 위한 LCD(110)를 포함하여 구성된다.
하지만, 상기한 구성을 갖는 복합전원장치에서는, 상기 입력스위치(511)와 부하선에 1개의 SCR(512)을 사이에 연결하여 과전류를 제어하였다.
이에 따라서, 상기 SCR(512)이 단선 및 기능 불능으로 인해 전력 변환장치에 과전류 및 이상 발생을 제어하지 못하는 단점이 있었으며 정상시에도 전력 변환장치에 흐르는 과전류를 검출할 수 없는 단점이 있었다.
상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 배터리에 충진시 양방향 컨버터부가 강압초퍼로 동작하며 배터리에 적합한 정전압으로 변환하여 충진을 하고, 입력 정전시 배터리가 방전할 때는 원래의 정류전압과 동일한 크기로 승압하기 위해 승압초퍼로 동작하여 인버터에 직류전압을 공급하는 스위칭 전력 변환기술로 직류전력의 크기를 변환하는 것을 특징으로 하는 초퍼기술을 이용한 트랜스포머레스 전력 변환장치를 제공하는 데 있다.
본 발명에 의한 초퍼기술을 이용한 트랜스포머레스 전력 변환장치는,
상용 교류전원의 전압(208V, 380V, 440V, 480V)에 관계없이 펄스폭변조(PWM)를 통해 입력 측으로 역류되는 고조파 함유량을 감소시켜 교류 전류 파형 및 위상을 축출하는 정류부와;
상기 정류부에 연결하여 상기 교류전원의 전압에 따라 직류 승압 전압으로 변환하거나 직류 강압 전압으로 변환시켜 배터리에 충전 또는 정상 부하 출력을 하는 양방향 컨버터부와;
상기 배터리를 연결하고, 상기 배터리의 충전/방전 전압 및 전류를 제어하는 디씨 링크부와;
출력 회로의 절연 변압기가 없어 발생할 수 있는 중성점 이동 현상에 대하여 상기 중성점이 상시 일정 레벨을 유지 할 수 있게 불평형 부하를 인가하여 전류의 절대 값을 추출하는 중성점 조정부와;
고조파의 제거 또는 저감하여 출력 전압의 고속 제어 및 변동 부하의 전원을 안정화하기 위해 출력 파형의 반주기 내의 펄스를 복수개로 분할하여 각각의 펄스폭을 제어하는 인버터부; 및
실리콘 제어 정류회로(SCR)를 2개씩 1쌍으로 하여 총 3쌍을 각 라인(=RST선)에 직렬 연결하여 상기 상용 교류전원과 상기 인버터부의 출력 정점에 병렬 연결하고, 상기 상용 교류전원의 과전류 및 고주파를 제거하여 부하 전원을 출력하는 바이패스 회로부;로 하는 것을 특징으로 한다.
상기 정류부는, 2개의 아이지비티(IGBT)를 1쌍의 아이지비티(IGBT)로 하여 총 3쌍의 아이지비티(IGBT)를 병렬 연결하고, 리액터와 커패시터를 각 1개씩 연결한 일단 정점과 타단 정점을 각각 상기 1쌍의 아이지비티(IGBT) 사이 정점과 중성선(=N)을 연결한 것을 특징으로 한다.
상기 양방향 컨버터부는, 2개의 아이지비티(IGBT)를 상기 정류부에 병렬로 연결하고, 상기 2개의 아이지비티(IGBT) 중, 리액터와 커패시터를 각 1개씩 연결하여 어느 1개의 아이지비티(IGBT)에 일단 정점과 중성선(=N)에 타단 정점을 연결하므로서, 강압 초퍼 또는 승압 초퍼하는 것을 특징으로 한다.
상기 디씨 링크부는, 2개의 커패시터를 1쌍으로 하여 총 2쌍의 커패시터를 병렬 연결하고, 상기 양방향 컨버터부와 상기 2쌍의 커패시터에 동시 병렬 연결하여 배터리로 직류 충전 입력하거나 또는 상기 배터리에서 직류 안정화 출력을 하는 것을 특징으로 한다.
상기 중성점 조정부는, 2개의 아이지비티(IGBT)를 상기 디씨 링크부에 병렬 연결하고, 상기 2개의 아이지비티(IGBT) 사이 정점과 중성선(=N)을 1개의 리액터로 연결한 것을 특징으로 한다.
상기 일정 레벨을 유지는, 리액터의 전류를 검출하여 +,- 전류의 절대 값을 비교하여 펄스 폭을 조정하여 항상 중성점이 중심 정점이 되게 하는 것을 특징으로 한다.
상기 인버터부는, 2개의 아이지비티(IGBT)를 1쌍의 아이지비티(IGBT)으로 하여 총 3쌍의 아이지비티(IGBT)를 상기 중성점 조정부에 병렬 연결하고, 리액터와 커패시터를 각 1개씩 연결한 일단 정점과 타단 정점을 각각 상기 1쌍의 아이지비티(IGBT) 사이 정점과 중성선(=N)을 연결한 것을 특징으로 한다.
상기한 과제 해결 수단을 구비하는 본 발명은, 초퍼기술을 이용한 트랜스포머레스 전력 변환장치로서, 전력 변환장치의 입, 출력 변압기가 필요치 않아 설치면적 및 중량을 획기적으로 줄이고 효율을 크게 향상시켜 전력비 절감, 원가절감, 고조파 절감시키는 이점이 있다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조해서 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명에 의한 실시예를 보인 초퍼기술을 이용한 트랜스포머레스 전력 변환장치 구성도이고, 도 4는 도 1의 마이크로 프로세서의 내부 기능 블록도이 고, 도 5는 본 발명에 의한 초퍼기술을 이용한 트랜스포머레스 전력 변환장치의 무정전 전원 공급 시스템의 간략 회로도이고, 도 6은 본 발명에 의한 전력 변환장치의 키패드 및 LCD의 콘트롤판넬 예시도이다.
도 3 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 초퍼기술을 이용한 트랜스포머레스 전력 변환장치는, 정류부(51,251), 양방향 컨버터부(52,252), 디씨 링크부(53,253), 중성점 조정부(54,254), 인버터부(55,255), 바이패스 회로부(61,261), 게이트 드라이브(91), 펄스폭변조(PWM) 발생부(92), 마이크로 프로세서(93), 입/출력 제어부(94), 키패드(96), LCD(95), 고속 검출부(97) 온도 센서 및 경보기로 3상 라인을 구성한다. 상기 정류부(51,251)의 입력 라인과 별개 라인으로 형성하기 위해 바이패스 회로부(61,261)를 실리콘 제어 정류회로(SCR)를 2개씩 1쌍으로 하여 총 3쌍을 각 라인(=RST선)에 직렬 연결하여 상기 상용 교류전원과 상기 인버터부의 출력 정점에 병렬 연결하고, 상기 상용 교류전원의 과전류 및 고주파를 제거하여 부하 전원을 형성 출력한다. 즉, 3상(R,S,T)를 통해 정상 전원이 부하 측으로 출력되며, 3상(R,S,T) 라인을 2곳으로 형성하고, 상기 2곳을 병렬 연결하여 1곳은 바이패스 라인을, 다른 1곳은 충전하며 정상 부하 출력을 한다. 상기 정류부(51,251), 상기 중성점 조정부(54,254) 및 상기 인버터부(55,255)에 연결된 각 소자인 커패시터 또는 리액터의 일 정점을 접지한 중성선(=N,도 5 참조)을 형성하여 변압기기 없이 중성점을 유지할 수 있게 한다.
여기서, 상기 정류부(51,251)는, 상용 교류전원의 전압(208V, 380V, 440V, 480V)에 관계없이 펄스폭변조(PWM)를 통해 입력 측으로 역류되는 고조파 함유량을 감소시켜 상기 교류 전류 파형 및 위상을 축출한다.
여기서, 상기 정류부(51,251)는, 2개의 아이지비티(IGBT)를 1쌍의 아이지비티(IGBT)로 하여 총 3쌍의 아이지비티(IGBT)를 병렬 연결하고, 리액터와 커패시터를 각 1개씩 연결한 일단 정점과 타단 정점을 각각 상기 1쌍의 아이지비티(IGBT) 사이 정점과 중성선(=N)을 연결한다. 이때, 상기 리액터와 상기 커패시터의 연결한 회로는 평활회로인 것이다.
여기서, 상기 정류부(51,251)는, 상기 인버터부(55)의 정현파 전압을 제어하기 위해 사용되며, 리플 전압이 2배 줄일 수 있는 유니폴라(unipolar) PWM방식을 사용한다. 상기 PWM방식의 신호를 상기 마이크로프로세서(93)의 내부 프로그램상에서 탑재된 상기 PWM발생부(92)에서 발생하여 제어되는 것이다. 상기 인버터부5,255)에서 출력되는 정현파 주파수는 상기 키패드(96)에 의해서 설정될 수 있으며, 라인 주파수와는 다르게 운전될 수도 있다. 즉, 고속 검출부(97)에서 입력 전압(Vin)을 검출할 때 전압의 제로크로싱(Zero-Crossing)에 의해 주파수를 감지하고, 입력주파수와 출력주파수가 다른 경우 설정된 출력 주파수에 맞게 PWM을 제어하여 자동으로 출력주파수를 설정된 주파수로 맞출 수 있게 된다.
여기서, 상기 양방향 컨버터부(52,252)는, 상기 정류부(51,251)에 연결하여 상기 교류전원의 전압에 따라 직류 강압 전압으로 변환하거나 직류 승압 전압으로 변환시켜 배터리에 충전 또는 정상 부하 출력을 한다. 즉 예를 들면, 정상 전원 동작할 경우, 상기 양방향 컨버터부(52,252)에서 800V 전압의 정상 부하 출력하고, 상기 전압 중 일부를 충전 전압인 400V 전압으로 강압하여 충전 출력한다. 정전 전 원 동작할 경우는, 상기 양방향 컨버터부(52,252)로 800V 전압의 정상 부하 출력을 하기 위해 상기 디씨 링크부(53,253)의 400V 출력 전압을 상기 양방향 컨버터부(52,252)를 통해 800V 전압으로 승압 출력시킨다.
여기서, 상기 양방향 컨버터부(52,252)는, 2개의 아이지비티(IGBT)를 상기 정류부에 병렬로 연결하고, 상기 2개의 아이지비티(IGBT) 중, 리액터와 커패시터를 각 1개씩 연결하여 어느 1개의 아이지비티(IGBT)에 일단 정점과 중성선(=N)에 타단 정점을 연결하므로서, 강압 초퍼 또는 승압 초퍼한다. 이때, 상기 리액터와 상기 커패시터의 상기 일단 정점과 중성선(=N)을 연결하여 정상 전원 동작시 상기 강압 초퍼, 정전 전원 동작시 상기 승압 초퍼로 작동한다.
여기서, 디씨 링크부(53,253)는, 상기 배터리를 연결하고, 상기 배터리의 충전/방전 전압 및 전류를 제어한다.
여기서, 디씨 링크부(53,253)는, 2개의 커패시터를 1쌍의 커패시터로 하여 총 2쌍의 커패시터를 병렬 연결하고, 상기 양방향 컨버터부(52,252)와 상기 2쌍의 커패시터에 동시 병렬 연결하여 배터리로 직류 충전 입력하거나 또는 상기 배터리에서 직류 안정화 출력한다.
여기서, 상기 중성점 조정부(54,254)는, 출력 회로의 절연 변압기가 없어 발생할 수 있는 중성점 이동 현상에 대하여 상기 중성점이 상시 일정 레벨을 유지할 수 있게 불평형 부하를 인가하여 전류의 절대 값을 추출한다. 상기 일정 레벨을 유지하는 방법은, 리액터의 전류를 검출하여 +,- 전류의 절대 값을 비교하여 펄스 폭을 조정하여 항상 중성점이 중심 정점이 되게 한다.
여기서, 상기 중성점 조정부(54,254)는, 상기 디씨 링크부(53,253)에 병렬 연결한 2개의 아이지비티(IGBT)를 직렬 연결하고 상기 2개의 아이지비티(IGBT) 사이 정점과 상기 중성선(=N)을 1개의 리액터로 연결한다.
여기서, 상기 인버터부(55,255)는, 고조파의 제거 또는 저감하여 출력 전압의 고속 제어 및 변동 부하의 전원을 안정화하기 위해 출력 파형의 반주기 내의 펄스를 복수개로 분할하여 각각의 펄스폭을 제어한다.
여기서, 상기 인버터부(55,255)는, 2개의 아이지비티(IGBT)를 1쌍의 아이지비티(IGBT)으로 하여 총 3쌍의 아이지비티(IGBT)를 상기 중성점 조정부(54,254)에 병렬 연결하고, 리액터와 커패시터를 각 1개씩 연결한 일단 정점과 타단 정점을 각각 상기 1쌍의 아이지비티(IGBT) 사이 정점과 상기 중성선(=N)을 연결한다.
여기서, 상기 바이패스 회로부(61,261)는, 실리콘 제어 정류회로(SCR)를 2개씩 1쌍으로 하여 총 3쌍을 각 라인(=RST선)에 직렬 연결하여 상기 상용 교류전원과 상기 인버터부(55,255)의 출력 정점에 병렬 연결하고, 상기 상용 교류전원의 과전류 및 고주파를 제거하여 부하 전원을 출력한다.
여기서, 상기 마이크로프로세서(93)는, 출력전압 제어부(931), 배터리 충전 제어부(932), 라인전압 모니터링부(933), 모드별 설정부(934) 및 주 제어부(935)로 구성된다.
여기서, 상기 출력전압 제어부(931)는, 자동전압제어(AVR) 기능을 위하여 상기 제1 인버터를 제어하여 필터회로를 통해 제1 아이지비티(IGBT)의 2차 측을 제어하여 출력전압을 제어한다.
여기서, 상기 배터리 충전 제어부(932)는, 상기 배터리의 충전 전압 및 충전 전류를 제어한다.
여기서, 상기 라인 전압 모니터링부(933)는, 입력 및 출력 전압을 모니터링하여 이에 대한 표시제어와 아울러 경보제어 등을 한다.
여기서, 상기 모드별 설정부(934)는, 각종 모드별 설정값을 저장하여 관리한다.
여기서, 상기 주 제어부(935)는, 상기 마이크로 프로세스(93) 각부의 제어와 아울러 시스템 운전 조건의 선택과 경보제어, 각종 보호기능 및 바이패스등을 제어한다.
여기서, 상기 펄스폭변조(PWM) 발생부(92)는, 상기 마이크로 프로세스(93) 각부의 제어기능에 따라 상기 주제어부의 제어에 의해 상기 양방향 컨버터부(52,252)와 상기 인버터부(55,255)의 게이트 제어를 위한 펄스폭변조(PWM)신호를 발생시켜 상기 게이트 드라이버로 출력한다.
또한, 키입력 처리와 표시제어 기능을 분담하는 8-bit 마이크로 콘트롤러를 입력제어기 및 출력제어기로서 사용하여 상기 마이크로 프로세서와 통신하게 하여 상기 키패드(96)와 디스플레이(LCD,95)를 독립적인 콘트롤러로 사용한다.
도 3 및 도 5의 초퍼기술을 이용한 트랜스포머레스 전력 변환장치 구성 및 회로을 참조해서 기본 흐름을 설명하면, 먼저 입력전원(Vin)은 상용 전원의 입력을 통해서 입력되어 바이패스 회로부(61,261)를 통해서 부하측에 출력된다. 이때, 상기 정류부(51,251)의 상기 리액터와 커패시터 회로의 전압 및 전류가 제어되어 출 력전압(Vout)의 제어가 이루어져 AVR기능을 수행한다. 이때, 상기 정류부(51,251)는, 상용 교류전원의 전압(208V, 380V, 440V, 480V)에 관계없이 펄스폭변조(PWM)를 통해 입력 측으로 역류되는 고조파 함유량을 감소시켜 상기 교류 전류 파형 및 위상을 축출한다.
이어서, 양방향 컨버터부(52,252)에 의해 상기 교류전원의 전압에 따라 직류 강압 전압으로 변환하거나 직류 승압 전압으로 변환시켜 배터리에 충전 또는 정상 부하 출력을 한다. 이때, 상기 정류부(51,251)에 의해 전압, 전류 및 주파수를 제어하며, 과부하, 단락, 지락 등의 이상 발생으로부터 회로 보호 및 부하변동에 따른 고주파 스위칭 방식으로 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 펄스폭변조(PWM)를 제어한다.
이어서, 디씨 링크부(53,253)에 의해 상기 배터리의 충전/방전 전압 및 전류를 제어한다.
이어서, 조성점 조정부(54,254)에 의해 출력 회로의 절연 변압기가 없어 발생할 수 있는 중성점 이동 현상에 대하여 상기 중성점이 상시 일정 레벨을 유지할 수 있게 불평형 부하를 인가하여 전류의 절대 값을 추출한다.
다음으로, 인버터부(55,255)에 의해 상기 정류부(51,251)에서 출력되는 교류 전원을 그대로 부하측으로 공급하며, 이때, 충전하기 위해 상기 교류 전원을 직류 전원으로 변환하여 배터리로 출력한다. 이 경우, 상기 변환된 직류 전원만 상기 인버터부(55,255)와 디씨 링크부(53,253)을 통과시켜 배터리에 충전하게 된다. 또한, 정전시나 상용 전원의 입력 전원이 없을 때, 상기 배터리에서 출력되는 직류 전원을 디씨 링크부(53,253)와 상기 인버터부(55,255)를 통과시켜 교류 전원으로 변환하여 부하측으로 공급한다. 즉, 입력전원이 정전되는 경우, 마이크로프로세서(93)의 제어에 의해 상기 인버터부(55,255)가 제어되어 상기 배터리의 직류전원이 상기 디씨 링크부(53,253)와 중성점 조정부(54,254) 및 인버터부(55,255)를 통해 교류전원으로 변환되며 출력 전원을 부하측에 공급되어 무정전 전원장치로서 동작하게 되는 것이다. 여기서, 상기 양방향 컨버터부(52,252)에서는 상기 교류전원의 전압에 따라 직류 강압 전압으로 변환하거나 직류 승압 전압으로 변환시켜 배터리에 충전 또는 정상 부하 출력을 한다.
상기 고속 검출부(97)를 통해서 입력전압 및 입력전류와, 출력전압 및 출력전류를 검출하여 설정된 출력전압 및 출력전류를 일치시키도록 연산처리하여 상기 정류부(51,251)를 PWM 제어하게 된다.
배터리 충전 제어부(932)는, 일반적인 부동충전전압(float charging voltage)까지 충전시키는 부동충전과, 처음 설치시나 배터리 저전압까지 방전된 후의 충전시 최대 충전전압까지 충전하는 균등충전을 수행하며, 충전 전류는 최대 충전전류로 제한된다. 균등충전시 충전전류가 최대 충전전류 값의 10% 이하에 도달하면 부동충전으로 들어가게 된다.
충전전류의 제어는 입력전류와 출력전류의 차에 의해 실효치 전류를 계산하여 배터리 충전 전류를 검출하며, 최대 충전전류 값으로 제한하여 충전하고 만충전시에 도달할때는 정전압 제어기능으로 충전전류가 감소되고, 충전전류 응답성은 충전 제어 이득으로 결정한다. 균등충전 전압의 온도보상에 있어서 기온이 상온보다 떨어지면 충전전압을 올리며, 상온보다 올라가면 충전전압을 내린다. 상온보다 높은 기온에서의 온도 보상은 양온도보상을 사용하며, 낮은 기온에서의 보상은 음온도 보상을 사용한다.
라인전압 모니터링부(933)에서는, 라인전압의 정상과 비정상 유무를 정상적인 전압과의 전압차이로 결정하며, 이 값이 지정된 값보다 크면 인버터를 동작시킨다. 이는 입력전압을 감시하여 제어하는 것이며, 라인 전압 검출시 라인 전압 강하의 경계치에서 히스테리시스 전압을 통하여 라인 운전과 인버터 운전과의 빈번한 변화를 제거할 수 있는 것이다.
라인 전압이 비정상적인지를 검출하는데 있어서 라인 전압의 검출 시정수를 사용하여 라인 전압의 감도를 둔감시킬 수 있고, 라인 전압의 주파수가 지정된 값에서 변화 허용치 이상 벗어나게 되면 라인으로 운전하지 않고 인버터만 동작시켜 배터리 전압으로 출력을 보내게 된다.
즉, 전압 감시는 계통 히스테리시스 전압을 적용하고, 계통전압 시정수를 사용하여 빈번한 변화를 줄이며, 계통이상 주파수 또는 계통이상 전압 밖으로 벗어나는 경우 라인 전압으로 운전하지 않고 인버터만 동작시킨다. 라인 전압으로 운전하지 않고 인버터만 동작시키는 것은, 마이크로프로세서(93)의 제어에 의해 바이패스 회로부(61,261)을 차단함으로써 라인전압 즉 입력전압이 출력 부하로 출력되는 것을 차단하고, 상기 인버터부(55,255)를 작동시켜 배터리의 충전전원을 교류전원으로 변환시켜 부하측 출력전압(Vout)으로 출력하는 것을 의미한다.
모드별 설정부(96)는 각종 설정치를 설정하기 위한 것으로서, 키패드(100)의 메뉴 선택에 의해 각종 설정치를 설정하여 저장시켜둔다. 그리고, 선택기능으로서, 시스템의 운전주파수가 60Hz인지 50Hz인지를 선택하게 하고, 인버터 운전에 의하여 배터리 전부가 방전되었다가 라인 전압이 들어오게 되면 시스템을 자동으로 운전할 것인지를 선택하며, 제어보드의 릴레이 접전 단자(a 접점 및 b접점) 운전 방식을 선택한다. 또한, 파인 케리브레이션(Fine calibration)을 위하여 아날로그 데이터로부터 수치를 받아들이거나 출력할 때 변환이득이 정확하게 되어 있지 않으면 프로세서에서 오차가 생기므로 변환이득을 재조정할 필요가 있다.
이는 파인 켈이브레이션 파라메타에서 조정할 수 있으며, 배터리 전압이득은 배터리 전압의 측정이득을, 출력 전압 이득은 출력전압의 측정이득을, 출력전류 이득은 출력전류의 측정이득을, 충전 전류 이득은 충전전류의 측정이득을, 입력 전압이득은 입력전압의 측정이득을 조절한다. 이러한 변수들은 정격 출력전류를 이용하여 LCD(95)에 나타낸다. 출력전압이득이 증가되면 라인 모드에서는 LCD(95)에 나타나는 값은 증가하며 인버터 모드의 정전압 제어에서는 감소된다.
주 제어부(93)는, 상기 각부를 제어함과 아울러 각부의 제어기능에 따라 PWM발생부(91)를 제어하여 실제 전력 변환장치의 주 제어를 실행하게 된다.
경보기능은, 정상적인 라인전압에서는 부저가 울리지 않으며, 비정상적인 라인 전압에서 인버터가 동작될 경우 부저가 울리게 된다. 부저의 울림은 인버터 운전, 보호기능에 의한 이상발생, 배터리 로우 상태 등을 구별하여 서로 다르게 울리도록 한다.
인버터 동작시 부저가 울리게 되며, 키패드(96)의 알람 무음 스위치를 누르 게 되면 부저가 울리지 않고 이 스위치를 다시 누르면 부저는 울리게 된다.
이상 상태인 경우는 부저가 지속적으로 울리게 되며, 이상 상태가 아닌 순간적인 과부하시 부저가 지속적으로 울리고 과부하가 해제되면 부저는 울리지 않는다. 또한 전력 변환장치가 정지되어 있을 상태에서 부저가 울린다.
보호기능은, 배터리 저전압 상태와, 과전류, 과부하, 배터리 이상, 바이패스 과전류 등을 보호기능로서 제어하게 된다.
배터리 저전압은 배터리 전압이 정격전압의 85%까지 방전되면서 출력전압을 허용치까지 유지시키지 못하면, 배터리 저전압 신호를 발생시킨다. 이때 인버터의 운전은 최대 30초이며 배터리 저전압에서 라인 전압이 복구되면 정상적인 운전으로 회복된다.
과전류는, 인버터 운전에서 출력전류가 부하상태의 이상으로 과전류가 300% 이상 지속적으로 발생하게 되면, 인버터를 보호하기 위하여 시스템이 정지한다.
과부하는, 인버터를 과부하로부터 보호하기 위한 것으로 출력전류가 정격전류 이상 운전 시 설정된 과부하로 1분까지의 누적된 양보다 크면 과부하로 인식한다.
배터리 이상은, 인버터 운전에서 배터리 전압이 정격전압의 85%까지 방전되면 이상신호를 발생시키며 인버터를 정지시킨다. 입력전원이 인가되었을 경우 배터리가 개방되어 있을 때에도 배터리 이상을 경보하며 이 경우에는 인버터를 계속 운전하며 배터리가 연결되면 정상상태로 회복된다.
바이패스 과전류는, 라인 전압으로 동작하고 있을 때 출력단락 혹은 이상이 발생하여 바이패스 스위치를 보호하기 위하여 바이패스 스위치를 오프시킨다. 이상 전류의 기준치는 과전류 값이다.
초기화 기능은, 고장(fault) 초기화, 파라메타 초기화, 시스템 초기화가 있으며, 고장 초기화는 과거 발생된 고장 기록들을 제거하여 준비상태를 만드는 것이며, 파라메타 초기화는 모든 변수나 선택기능을 디폴트 값으로 정한다. 시스템 초기화에서는 시스템을 재시작한다.
한편, 키패드(96)와 LCD(95)를 독립적인 콘트롤러로 구성하는 경우, 도 3에 도시된 바와 같이 마이크로프로세서(93)와 통신하는 8-비트 마이크로 콘트롤러인 입/출력 제어기(94)를 더 사용하여 구성할 수 있으며, 독립적으로 구성되는 키패드(96) 및 LCD(95)에 의한 콘트롤 판넬은 도 6에 도시된 바와 같이 상단에 시스템의 흐름을 나타내는 상태도와 2개의 LED를 구비하여 입력전원의 정상을 나타내는 "Line"과, 인버터로 운전되고 있음을 나타내는 "Inverter"와, 입력전원이 출력으로 공급되는 "Bypass", 시스템 비정상임을 나타내는 "Fault", "Overload"를 구비하여 구성된다.
상기 LCD(95) 구성에서는, 첫째줄은 전력 변환장치의 전체적인 상황을 나타내며, 둘째줄은 전력 변환장치의 각종 내부 변수를 나타낸다. 배터리 전압용량, 배터리 전압, 배터리 전류, 출력전압, 출력전류, 입력전압, 입력전류, 출력주파수, 온도, 상태 표시 및 정전횟수, 날짜 및 시간 등을 표시하며, 표시 선택은 키패드(96)의 상하키를 이용하여 값을 읽을 수 있도록 한다.
상기 키패드(96)의 "Mode"는 메뉴에 들어가거나 나오게 되고 변수의 자리이 동을 제어하며, 상하 이동키는 변수 수치의 증/감 메뉴의 종류 및 디스플레이 변수를 바꾸는 역할을 하며, 알람은 알람의 온/오프 상태를 바꾸고, "O", "I"는 메뉴가 선택되거나 변수가 설정되며, 시스템을 정지 및 운전하고, 고장시 시스템을 다시 시작한다.
상기와 같은 기능들을 수행하는 마이크로프로세서(93)에 의해 작동되는 본 발명의 전력 변환장치에서는, 상용 전원 운전 및 배터리 전원 운전 제어를 하게 되는데, 그 상태를 살펴보면 다음과 같다.
정상 동작은, 상용 전원 운전 모드로서, 상기 입력 전원의 과전류 및 고주파를 제거하고, 부하측에서 원하는 전원으로 제어하여 출력되되, 정류부(51,251)에 의해 고주파 스위칭 방식으로 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 펄스폭변조(PWM)를 제어할 수 있게 리액터와 커패시터로 형성된 초퍼 회로를 통해 자동전압조절(AVR) 기능만을 제어하며, 아울러 출력으로부터 피드백되는 전원이 상기 인버터부(55,255)와 디씨 링크부(53,253)를 통해 배터리에 충전모드로 동작되어 정상운전으로 복귀된다.
정전 동작은, 입력 전원의 정전이 감지되면 상기 인버터부(55,255)와 디씨 링크부(53,253)를 제어하여 배터리의 전원이 부하측으로 출력되는 배터리 전원 운전 모드로서 운전된다.
정전 복귀는, 입력 전원이 상기 바이패스 회로부(61,261)를 통해 부하측에 출력되고, 출력으로부터 피드백되는 전원이 상기 인버터부(55,255)와 디씨 링크부(53,253)를 통해 배터리에 충전 동작하며 정상 운전으로 복귀된다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 초퍼기술을 이용한 트랜스포머레스 전력 변환 장치는 정류기에서 정류된 직류 고전압을 배터리 충전시 양방향 컨버터부가 강압초퍼로 동작하고 배터리에 적합한 정전압으로 변환하여 충전을 하고 입력 정전시 배터리가 방전할 때는 원래의 정류전압 과 동일한 크기로 승압하기 위해 승압초퍼로 동작하여 인버터에 직류전압을 공급하는 스위칭 전력 변환기술로 직류전력의 크기를 변환하며, 전력 변환장치의 입, 출력 변압기가 필요치 않아 설치면적 및 중량을 획기적으로 줄이고 효율을 크게 향상시켜 전력비 절감, 원가절감, 고조파 절감할 수 있다.
본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
도 1은 종래기술에 의한 전력 변환장치 또는 UPS/AVR 복합전원장치의 블록도.
도 2는 또 다른 종래기술에 의한 전력 변환장치 또는 UPS/AVR 복합전원장치의 간략 회로도.
도 3은 본 발명에 의한 실시예를 보인 초퍼기술을 이용한 트랜스포머레스 전력 변환장치 구성도.
도 4는 도 1의 마이크로 프로세서의 내부 기능 블록도.
도 5는 본 발명에 의한 초퍼기술을 이용한 트랜스포머레스 전력 변환장치의 무정전 전원 공급 시스템의 간략 회로도.
도 6은 본 발명에 의한 전력 변환장치의 키패드 및 LCD의 콘트롤판넬 예시도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
51,251 : 정류부 52,252 : 양방향 컨버터부
53,253 : 디씨 링크부 54,254 : 중성점 조정부
55,255 : 인버터부 61,261 : 바이패스 회로부
91 : 게이트 드라이브 92 : 펄스폭변조(PWM) 발생부
93 : 마이크로 프로세서 94 : 입/출력 제어기
95 : LCD 96 : 키패드
931 : 출력전압 제어부 932 : 배터리충전 제어부
933 : 라인전압 모니터링부 934 : 모드별 설정부
935 : 주 제어부

Claims (7)

  1. 상용 교류전원의 전압(208V, 380V, 440V, 480V)에 관계없이 펄스폭변조(PWM)를 통해 입력 측으로 역류되는 고조파 함유량을 감소시켜 교류 전류 파형 및 위상을 축출하는 정류부와;
    상기 정류부에 연결하여 상기 교류전원의 전압에 따라 직류 승압 전압으로 변환하거나 직류 강압 전압으로 변환시켜 배터리에 충전 또는 정상 부하 출력을 하는 양방향 컨버터부와;
    상기 배터리를 연결하고, 상기 배터리의 충전/방전 전압 및 전류를 제어하는 디씨 링크부와;
    출력 회로의 절연 변압기가 없어 발생할 수 있는 중성점 이동 현상에 대하여 상기 중성점이 상시 일정 레벨을 유지 할 수 있게 불평형 부하를 인가하여 전류의 절대 값을 추출하는 중성점 조정부와;
    고조파의 제거 또는 저감하여 출력 전압의 고속 제어 및 변동 부하의 전원을 안정화하기 위해 출력 파형의 반주기 내의 펄스를 복수개로 분할하여 각각의 펄스폭을 제어하는 인버터부; 및
    실리콘 제어 정류회로(SCR)를 2개씩 1쌍으로 하여 총 3쌍을 각 라인(=RST선)에 직렬 연결하여 상기 상용 교류전원과 상기 인버터부의 출력 정점에 병렬 연결하고, 상기 상용 교류전원의 과전류 및 고주파를 제거하여 부하 전원을 출력하는 바이패스 회로부;로 하는 것을 특징으로 하는 초퍼기술을 이용한 트랜스포머레스 전력 변환장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 정류부는,
    2개의 아이지비티(IGBT)를 1쌍의 아이지비티(IGBT)로 하여 총 3쌍의 아이지비티(IGBT)를 병렬 연결하고, 리액터와 커패시터를 각 1개씩 연결한 일단 정점과 타단 정점을 각각 상기 1쌍의 아이지비티(IGBT) 사이 정점과 중성선(=N)을 연결한 것을 특징으로 하는 초퍼기술을 이용한 트랜스포머레스 전력 변환장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 양방향 컨버터부는,
    2개의 아이지비티(IGBT)를 상기 정류부에 병렬로 연결하고, 상기 2개의 아이지비티(IGBT) 중, 리액터와 커패시터를 각 1개씩 연결하여 어느 1개의 아이지비티(IGBT)에 일단 정점과 중성선(=N)에 타단 정점을 연결하므로서, 강압 초퍼 또는 승압 초퍼하는 것을 특징으로 하는 초퍼기술을 이용한 트랜스포머레스 전력 변환장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 디씨 링크부는,
    2개의 커패시터를 1쌍으로 하여 총 2쌍의 커패시터를 병렬 연결하고, 상기 양방향 컨버터부와 상기 2쌍의 커패시터에 동시 병렬 연결하여 배터리로 직류 충전 입력하거나 또는 상기 배터리에서 직류 안정화 출력을 하는 것을 특징으로 하는 초퍼기술을 이용한 트랜스포머레스 전력 변환장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 중성점 조정부는,
    2개의 아이지비티(IGBT)를 상기 디씨 링크부에 병렬 연결하고, 상기 2개의 아이지비티(IGBT) 사이 정점과 중성선(=N)을 1개의 리액터로 연결한 것을 특징으로 하는 초퍼기술을 이용한 트랜스포머레스 전력 변환장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 일정 레벨을 유지는,
    리액터의 전류를 검출하여 +,- 전류의 절대 값을 비교하여 펄스 폭을 조정하여 항상 중성점이 중심 정점이 되게 하는 것을 특징으로 하는 초퍼기술을 이용한 트랜스포머레스 전력 변환장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 인버터부는,
    2개의 아이지비티(IGBT)를 1쌍의 아이지비티(IGBT)으로 하여 총 3쌍의 아이지비티(IGBT)를 상기 중성점 조정부에 병렬 연결하고, 리액터와 커패시터를 각 1개씩 연결한 일단 정점과 타단 정점을 각각 상기 1쌍의 아이지비티(IGBT) 사이 정점과 중성선(=N)을 연결한 것을 특징으로 하는 초퍼기술을 이용한 트랜스포머레스 전력 변환장치.
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