KR101371703B1 - 직류 무정전 전원 공급 장치 - Google Patents

직류 무정전 전원 공급 장치 Download PDF

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KR101371703B1
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이성희
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재단법인 포항산업과학연구원
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Abstract

직류 무정전 전원 공급 장치가 제공된다. 직류 무정전 전원 공급 장치는, 교류 입력 전압을 직류 전압으로 변환하여 부하에 공급하는 직류 전압 공급부; 및 평상시 직류 전압과 배터리의 전압의 차에 해당하는 차전압을 충전하고, 정전시에는 차전압을 부하에 방전하는 방전부를 포함함으로써, 별도의 승압 회로 없이도 무정전 직류 전원을 공급할 수 있으며, 전압 변동에 민감한 부하의 오동작을 방지할 수 있다.

Description

직류 무정전 전원 공급 장치{DC UNINTERRUPTED POWER SUPPLY}
본 발명은 무정전 전원 공급 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 직류 무정전 전원 공급 장치는, 평상시에는 상용교류전원을 정류기를 통해 직류 전원으로 변환하고, 변환된 직류 전원을 충전기를 통해 배터리에 저장하고, 상용교류전원에 정전이나 전압 변동과 같은 이상이 발생될 경우 배터리에 저장된 직류 전원을 직접 부하에 공급하거나 인버터를 통해 교류 전원으로 변환하여 부하에 공급하는 장치이다.
도 1에 특허 문헌(출원 번호 제2005-0095500호)에 기재된 무정전 전원 공급 장치가 개시되어 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 무정전 전원 공급 장치는 평상시에는 입력전원을 정류기(100)를 통해 직류 전원으로 변환하여 커패시터(110)에 충전하며, 이와 동시에 충전 회로(122)에서는 변환된 직류 전원으로 배터리(124)를 충전시킨다. 이후 입력 전원의 이상이 발생되는 경우에는 승압 회로(126)를 통해 배터리(124)에 저장된 직류 전원을 승압한 후 다이오드(130)를 통해 출력하게 된다. 상술한 과정은 제어 회로(128)의 제어에 의해 이루어진다.
하지만, 도 1과 같은 종래 기술의 경우, 통상 배터리(124)에 저장되는 직류 전압이 정류기(100)를 통해 변환되는 직류 전원보다 낮기 때문에, 배터리(124)의 직류 전압을 승압하기 위한 별도의 승압 회로(126)가 요구된다는 문제점이 있다.
본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 직류 전압의 급격한 변동을 방지하여 전압 변동에 민감한 부하의 오동작을 방지할 수 있으며, 별도의 승압 회로 없이도 수동 소자만으로 무정전 직류 전원을 공급할 수 있는 직류 무정전 전원 공급 장치를 제공한다.
본 발명의 제1 실시 형태에 의하면, 교류 입력 전압을 직류 전압으로 변환하여 부하에 공급하는 직류 전압 공급부; 및 평상시 상기 직류 전압과 배터리의 전압의 차에 해당하는 차전압을 충전하고, 정전시에는 상기 차전압을 상기 부하에 방전하는 방전부를 포함하는 직류 무정전 전원 공급 장치를 제공한다.
본 발명의 실시 형태에 의하면, 상기 직류 전압 공급부는, 복전시 상기 직류 전압을 상기 배터리의 전압을 기점으로 일정한 기울기로 서서히 증가시킬 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 의하면, 상기 직류 무정전 전원 공급 장치는, 상기 차전압의 방전이 완료되면, 상기 부하에 상기 배터리의 전압을 공급하는 스위칭부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 의하면, 상기 스위칭부는, 캐소드가 상기 직류 전압의 (+)에, 애노드가 상기 배터리의 (+)에 연결된 역류 방지용 다이오드를 포함하며, 상기 직류 전압의 (-)는 상기 배터리의 (-)에 연결될 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 의하면, 상기 방전부는, 역방향으로 병렬 연결된 한 쌍의 블록킹 다이오드; 및 상기 한 쌍의 블록킹 다이오드와 직렬 연결된 커패시터를 포함하며, 직렬 연결된 상기 한 쌍의 블록킹 다이오드 및 상기 커패시터는 상기 역류 방지용 다이오드에 병렬 연결될 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 의하면, 상기 직류 무정전 전원 공급 장치는, 상기 직류 전압을 입력받아 상기 배터리를 충전시키는 충전부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 의하면, 상기 한 쌍의 블록킹 다이오드는, 상기 배터리로 흐르는 전류를 제한하기 위한 저항을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 정전시 별도의 방전부에 충전된 전압을 서서히 방전시키도록 하며, 복전시에는 직류 전압을 서서히 증가시키도록 함으로써, 직류 전압의 급격한 변동을 방지하여 전압 변동에 민감한 부하의 오동작을 방지할 수 있다. 또한, 별도의 승압 회로 없이도 수동 소자만으로 무정전 직류 전원을 공급할 수 있다.
도 1은 종래 특허문헌에 기재된 무정전 전원 공급 장치의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 직류 무정전 전원 공급 장치의 회로도이다.
도 3은 정전 및 복전시 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 직류 무정전 전원 공급 장치의 중요 부분의 전압 파형을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 직류 무정전 전원 공급 장치의 회로도이다.
도 5는 정전 및 복전시 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 직류 무정전 전원 공급 장치의 중요 부분의 전압 파형을 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나 본 발명의 실시형태는 여러 가지의 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로만 한정되는 것은 아니다. 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 직류 무정전 전원 공급 장치의 회로도이며, 도 3은 정전 및 복전시 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 직류 무정전 전원 공급 장치의 중요 부분의 전압 파형을 도시한 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 직류 무정전 전원 공급 장치는, 배터리(208), 부하(211 내지 213)에 직류 전압을 공급하는 직류 전압 공급부(204)와, 직류 전압을 입력받아 배터리(208)를 충전시키는 충전부(207)와, 직류 전압이 배터리(208)의 전압보다 작을 경우 도통되어 부하(211 내지 213)에 배터리(208)의 전압을 공급하는 스위칭부(210)를 포함할 수 있다.
이하, 도 2 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 직류 무정전 전원 공급 장치를 상세하게 설명한다.
도 2를 참조하면, 우선 계통 교류 전압(201)은 변압기(203)의 턴수비에 따라 적절한 크기의 교류 전압으로 변환되며, 변환된 교류 전압은 직류 전압 공급부(204)에 의해 직류 전압으로 변환된 후, 부하(211 내지 213)로 공급될 수 있다.
실시 형태에 따라서는 계통 교류 전압(201)과 변압기(203) 사이에 제1 차단기(202), 직류 전압 공급부(204)의 후단에 역류 방지를 위한 다이오드(205) 및 제2 차단기(206)가 추가될 수 있다.
충전부(207)는 직류 전압 공급부(204)가 정상적으로 동작하는 경우에는 직류 전압 공급부(204)로부터 공급되는 직류 전압으로 배터리(208)를 충전시킬 수 있다.
한편, 배터리(208)는 스위칭부(210)를 통해 직류 전압에 병렬 연결되며, 스위칭부(210)는, 직류 전압 공급부(204)로부터 공급되는 직류 전압이 배터리(208)의 전압보다 작을 경우 도통되어 부하(211 내지 213)에 배터리(208)의 전압을 공급할 수 있다. 상술한 스위칭부(210)는 애노드가 배터리(208)의 (+) 단자에, 캐소드는 직류 전압의 (+) 단자에 연결된 역류 방지용 다이오드를 포함할 수 있다.
또한, 실시 형태에 따라서는 역류 방지용 다이오드(210)와 배터리(208)의 (+) 단자 사이에는 과전류 방지를 위한 퓨즈(209)를 더 포함할 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 직류 무정전 전원 공급 장치의 동작 원리를 설명한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 직류 전압 공급부(204)가 정상적으로 동작하는 경우에는 충전부(207)는 직류 전압 공급부(204)로부터 공급되는 직류 전압을 입력받아 배터리(208)를 충전시킬 수 있다.
이후 직류 전압 공급부(204)(또는 상위 장치인 계통 교류 전압(201) 내지 변압기(203) 포함)의 이상으로 인해 직류 전압의 정전이 생긴 경우에는 직류 전압의 크기는 배터리(208)의 전압보다 작아지게 된다.
이로 인해, 스위칭부(210)가 도통되며, 배터리(208)에 충전된 전압은 스위칭부(210)를 통해 부하(211 내지 213)에 공급될 수 있다.
이후, 직류 전압 공급부(204)(또는 상위 장치인 계통 교류 전압(201) 내지 변압기(203) 포함)가 복구되어 직류 전압이 복전되는 경우, 복전된 직류 전압(V1)은 배터리(208)의 전압보다 커지게 되므로 스위칭부(210)인 역류 방지용 다이오드는 오프되고, 직류 전압 공급부(204)에 의해 부하(211 내지 213)에 직류 전압(V2)이 공급될 수 있다.
도 3은 정전 및 복전시 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 직류 무정전 전원 공급 장치의 중요 부분의 전압 파형을 도시한 도면으로, 정상 구간(301) - 정전 구간(302) - 정상 구간(303)에서 직류 전압 공급부(204)의 출력 전압(V1), 직류 전압 공급부(204)와 부하(211 내지 213) 사이의 직류 링크단의 직류 전압(V2) 및 배터리 전압(V3)의 파형을 도시한 것이다.
도 3에 도시된 바와 같이, T1 시점에서 정전이 발생된 경우 직류 전압 공급부(204)의 출력단 전압(V1)은 급격히 0으로 떨어지며, 이에 따라 직류 링크단의 직류 전압(V2) 역시 급격하게 하강할 수 있다. 직류 전압(V2)이 급격히 하강함에 따라 스위칭부(210)인 역류 방지용 다이오드가 도통되어 배터리(208)의 전압(V3)이 부하(211 내지 213)에 공급되므로 배터리(208)의 전압(V3)은 서서히 감소하게 된다(도 3의 구간 301 참조).
이후, T2 시점에서 복전되는 경우 직류 전압 공급부(204)의 출력단 전압(V1)은 급격히 상승하게 되며, 이에 따라 직류 링크단의 직류 전압(V2) 역시 급격하게 상승할 수 있다. 이후 충전부(207)는 배터리(208)를 충전시킴에 따라 배터리(208)의 전압(V3)은 서서히 상승하게 된다(도 3의 구간 302 참조). 이후 T3 시점에서는 정상 구간(303)으로 복귀될 수 있다.
하지만, 상술한 본 발명의 제1 실시 형태에 의하면, 직류 링크단의 직류 전압(V2)은 정전 또는 복전시 직류 전압 공급부(204)의 출력단 전압(V1)을 추종하게 되어 부하(211 내지 213)에 급격한 전압 변동을 초래하므로, 전압 변동에 민감한 부하(211 내지 213)의 경우 오동작을 유발할 수 있다.
따라서, 상술한 문제점을 해결하기 위해 본 발명의 제2 실시 형태에 의하면, 정전시 직류 전압의 급격한 변동을 방지하기 위한 방전부(도 4의 401 내지 404 참조)와, 복전시 직류 전압을 배터리(208)의 전압을 기점으로 일정한 기울기로 서서히 증가시키는 직류 전압 공급부(204)를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 직류 무정전 전원 공급 장치는 배터리(208), 부하(211 내지 213)에 직류 전압을 공급하는 직류 전압 공급부(206), 정전시 직류 전압과 배터리(208)의 전압의 차에 해당하는 차전압을 부하(211 내지 213)에 방전함으로써, 부하(211 내지 213)에 공급되는 직류 전압의 급격한 변동을 방지하기 위한 방전부(401 내지 404), 차전압의 방전이 완료되면, 부하(211 내지 213)에 배터리(208)의 전압을 공급하는 스위칭부(210), 직류 전압을 입력받아 배터리(208)를 충전시키는 충전부(207)를 포함할 수 있다.
이하, 도 4 및 도 5를 참조하여 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 직류 무정전 전원 공급 장치를 상세하게 설명한다. 다만, 발명의 간명화를 위해 도 2에서 추가되는 방전부(401 내지 404) 및 직류 전압 공급부(206)의 동작을 중심으로 설명한다.
우선, 도 4에 도시된 바와 같이, 정전시에는 방전부(401 내지 404)가 동작한다. 즉, 방전부(401 내지 404)는 직류 전압 공급부(204)에 이상이 없는 경우(정상 동작시)에는 직류 링크단의 직류 전압(V2)과 배터리(208)의 전압의 차에 해당하는 차전압이 충전되어 있다. 하지만, 정전이 발생한 경우에는, 직류 링크단의 직류 전압(V2)과 배터리(208)의 전압의 차에 해당하는 차전압을 부하(211 내지 213)에 서서히 방전함으로써, 직류 링크단의 직류 전압(V2)의 급격한 전압 강하를 방지할 수 있다.
구체적으로, 방전부(401 내지 404)는, 역방향으로 병렬 연결된 한 쌍의 블록킹 다이오드(401, 404)와, 한 쌍의 블록킹 다이오드(401, 404)와 직렬 연결된 커패시터(403)를 포함하며, 직렬 연결된 상기 한 쌍의 블록킹 다이오드(401, 404)와 커패시터(403)는 역류 방지용 다이오드(210)에 병렬 연결될 수 있다. 또한, 블록킹 다이오드(401)에는 배터리(208)로 흐르는 전류를 제한하기 위한 저항(402)이 더 연결될 수 있다.
상술한 커패시터(403)의 정격 용량(C)은 하기의 수학식 1에 따라 결정될 수 있다.
[수학식 1]
C = 0.004 / Zeq
여기서, C는 커패시터(403)의 정격 용량, Zeq는 등가 부하 임피던스로 커패시터(403)의 정격 전압 / 정격 부하 전류이며, 정격 전압은 직류 전압 공급부(204)의 최대 전압(Vmax) - 배터리의 최소 전압(Vmin) × 2일 수 있다.
한편, 저항(402)의 정격 저항값은 1 / 커패시터(403)의 정격 용량으로 구할 수 있다.
또한, 저항(402)의 전력 용량(W)은 하기의 수학식 2에 따라 구할 수 있다.
[수학식 2]
W = ( Vmax - Vmin )2 / (4 × R)
여기서, W는 저항(402)의 전력 용량, Vmax는 직류 전압 공급부(204)의 최대 전압, R은 저항(402)의 저항값, Vmin은 배터리(208)의 최소 전압일 수 있다.
한편, 다이오드(401, 404)의 전류 용량은 다이오드(210)과 동일하게 정격 부하 전류의 1.5배 정격을 가지도록 설계할 수 있다.
또한, 복전시에 직류 전압 공급부(204)는 직류 전압(V1)을 배터리(208)의 전압(V3)을 기점으로 일정한 기울기로 서서히 증가시킴으로써, 직류 링크단의 직류 전압(V2)의 급격한 전압 상승을 방지할 수 있다.
이하에서는 도 4 및 도 5를 참조하여, 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 직류 무정전 전원 공급 장치의 동작 원리를 구간별로 상세하게 설명한다.
1. 제1 구간 (501) - 정상 구간(0 ~ T1 )
직류 전압 공급부(204)가 정상적으로 동작하는 경우(평상시) 충전부(207)에 의해 배터리(208)의 전압(V3)은 만충전 상태이며, 직류 전압 공급부(204)에서 공급되는 직류 전압(V1)과 직류 링크단의 직류 전압(V2)도 일정한 전압을 유지하고 있다. 또한, 커패시터(403)의 전압(V4) 역시 만충전 상태이다. 도 5에서 직류 링크단의 직류 전압(V2)은 직류 전압 공급부(204)에서 공급되는 직류 전압(V1)보다 약간 낮게 표시되어 있는데, 이는 선로의 저항에 의한 전압 강하분이 고려된 것이다(도 3도 마찬가지임). 한편, 커패시터(403)에는 직류 링크단의 직류 전압(V2)과 배터리(208)의 전압(V3)의 차에 해당하는 차전압(V4)이 충전되어 있다.
2. 제2 구간(502) - 제1 정전 구간( T1 ~ T2 )
T1 시점에서 정전이 발생된 경우 직류 전압 공급부(204)의 직류 전압(V1)은 급격히 0으로 떨어질 수 있다. 하지만, 방전부(401 내지 404)는 직류 전압(V2)과 배터리(208)의 전압의 차에 해당하는 차전압(V4)을 부하(211 내지 213)에 방전하기 때문에, 직류 링크단의 직류 전압(V2)은 커패시터(403)의 방전 곡선을 따라 함께 서서히 감소하게 된다. 제2 구간에서 다이오드(210)와 블록킹 다이오드(401)은 턴오프 상태이며, 블록킹 다이오드(404)는 턴온 상태이다.
3. 제3 구간(503) - 제2 정전 구간( T2 ~ T3 )
커패시터(403)에 충전된 차전압(V4)이 완전히 방전되는 T2 시점에서는 배터리(208)의 전압이 방전을 시작하게 된다. 이에 따라 직류 링크단의 직류 전압(V2)은 배터리(208)의 방전 곡선을 따라 함께 서서히 감소하게 된다. 제3 구간에서 다이오드(210)와 블록킹 다이오드(404)는 턴온 상태이며, 블록킹 다이오드(401)는 턴오프 상태이다.
4. 제4 구간(504) - 복전 구간( T3 - T4 )
T3 시점에서 복전된 경우, 직류 전압 공급부(204)는 직류 전압(V1)을 배터리(208)의 전압(V3)을 기점으로 일정한 기울기로 서서히 증가시킬 수 있다. 이에 따라 직류 링크단의 직류 전압(V2) 역시 서서히 상승하게 된다. 한편, 블록킹 다이오드(401)가 턴온되므로, 커패시터(403)가 충전되기 시작하여 커패시터(403)의 전압(V4)은 T4 시점에서 만충전될 수 있다. 충전부(207)가 배터리(208)를 충전하기 시작함에 따라 배터리(208)의 전압(V3)도 서서히 증가하게 된다. 제4 구간에서 다이오드(210)와 블록킹 다이오드(404)은 턴오프 상태이며, 블록킹 다이오드(401)는 턴온 상태이다.
5. 제5 구간(505) - 정상 구간( T4 - T5 )
T4 시점에서는 충전부(207)에 의해 배터리(208)가 계속 충전될 수 있으며, T5 시점에서 배터리(208)의 전압(V3)은 만충전될 수 있다. 한편, 제5 구간에서는, 다이오드(210)와 블록킹 다이오드(404)은 턴오프 상태이며, 블록킹 다이오드(401)는 턴온 상태이다.
본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 정전시 별도의 방전부에 충전된 전압을 서서히 방전시키도록 하며, 복전시에는 직류 전압을 서서히 증가시키도록 함으로써, 직류 전압의 급격한 변동을 방지하여 전압 변동에 민감한 부하의 오동작을 방지할 수 있다. 또한, 별도의 승압 회로 없이도 수동 소자만으로 무정전 직류 전원을 공급할 수 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되지 아니한다. 첨부된 청구범위에 의해 권리범위를 한정하고자 하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
100: 정류기 110: 커패시터
122: 충전 회로 124: 배터리
126: 승압 회로 130: 다이오드
128: 제어 회로 201: 계통 교류 전압
202, 206: 제1 차단기 203: 변압기
204: 직류 전압 공급부 205: 다이오드
207: 충전부 208: 배터리
209: 퓨즈 210: 스위칭부 - 다이오드
211 내지 213: 부하 401 내지 404: 방전부
401, 404: 블록킹 다이오드 402: 저항
403: 커패시터

Claims (7)

  1. 교류 입력 전압을 직류 전압으로 변환하여 부하에 공급하는 직류 전압 공급부; 및
    평상시 상기 직류 전압과 배터리의 전압의 차에 해당하는 차전압을 충전하고, 정전시에는 상기 차전압을 상기 부하에 방전하는 방전부를 포함하는 직류 무정전 전원 공급 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 직류 전압 공급부는,
    복전시 상기 직류 전압을 상기 배터리의 전압을 기점으로 일정한 기울기로 서서히 증가시키는 직류 무정전 전원 공급 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 직류 무정전 전원 공급 장치는,
    상기 차전압의 방전이 완료되면, 상기 부하에 상기 배터리의 전압을 공급하는 스위칭부를 더 포함하는 직류 무정전 전원 공급 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 스위칭부는,
    캐소드가 상기 직류 전압의 (+)에, 애노드가 상기 배터리의 (+)에 연결된 역류 방지용 다이오드를 포함하며,
    상기 직류 전압의 (-)는 상기 배터리의 (-)에 연결되는 직류 무정전 전원 공급 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 방전부는,
    역방향으로 병렬 연결된 한 쌍의 블록킹 다이오드; 및
    상기 한 쌍의 블록킹 다이오드와 직렬 연결된 커패시터를 포함하며,
    직렬 연결된 상기 한 쌍의 블록킹 다이오드 및 상기 커패시터는 상기 역류 방지용 다이오드에 병렬 연결되는 직류 무정전 전원 공급 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 직류 무정전 전원 공급 장치는,
    상기 직류 전압을 입력받아 상기 배터리를 충전시키는 충전부를 더 포함하는 직류 무정전 전원 공급 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 한 쌍의 블록킹 다이오드는,
    상기 배터리로 흐르는 전류를 제한하기 위한 저항을 더 포함하는 직류 무정전 전원 공급 장치.
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