KR101459336B1 - 단위 변류기 유닛 및 이를 이용한 출력 전력을 선형적으로 조절하기 위한 전자기 유도 방식 전원 공급 장치 - Google Patents

단위 변류기 유닛 및 이를 이용한 출력 전력을 선형적으로 조절하기 위한 전자기 유도 방식 전원 공급 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 단위 변류기 유닛 및 전자기 유도 방식 전원 공급 장치에 관한 것으로, 특정 공진 주파수를 갖도록 구성된 단위 변류기 유닛의 수에 따라 출력 전력을 선형적으로 조절할 수 있는 전자기 유도 방식 전원 공급 장치를 제공한다. 이를 위한 본 발명은 선로에 흐르는 1차 전류로부터 전자기 유도 방식으로 2차 전류를 유도하며, 상기 1차 전류의 주파수보다 2배 이상 큰 공진 주파수를 갖는 변류기; 및 상기 변류기의 출력을 직류 전력으로 변환하는 변환부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기와 같은 구성에 의해 배전 선로에 흐르는 전류에 상관없이 선형적으로 합산이 가능한 동일한 단위 변류기 유닛을 단순히 추가 및 제거함으로써 원하는 출력 전력을 쉽게 설계할 수 있고, 단위 변류기 유닛을 이용하여 단위 변류기 유닛을 단순히 추가 및 제거하여 출력을 선형적으로 증가시킬 수 있으며, 따라서 원하는 출력 전력의 설계를 쉽게 달성할 수 있으며, 별도의 외함을 제작할 필요가 없거나 추가 제작을 최소화할 수 있고, 따라서 제작 비용을 효과적으로 경감할 수 있는 효과가 있다.

Description

단위 변류기 유닛 및 이를 이용한 출력 전력을 선형적으로 조절하기 위한 전자기 유도 방식 전원 공급 장치{Current transformer unit and electromagnetic inductvie power supply apparatus for adjusting linearly output power using the same}
본 발명은 단위 변류기 유닛 및 전자기 유도 방식 전원 공급 장치에 관한 것으로, 특히, 특정 공진 주파수를 갖도록 구성된 단위 변류기 유닛의 수에 따라 출력 전력을 선형적으로 조절할 수 있는 전자기 유도 방식 전원 공급 장치에 관한 것이다.
일반적으로 배전 선로에서 발생하는 자기장을 이용하여 전력을 발생시키는 변류기를 이용하는 방법은 배전 선로의 선로 전류가 실시간으로 일정하지 않고, 더욱이 그 위치에 따라 변화되는 폭이 크기 때문에 설치 장소에 따라 변류기의 특성, 예를 들면, 그 크기 및 용량을 고려하여 별로도 설계하여 제작해야 한다.
더욱이, 원하는 출력 전력량이 증가함에 따라, 변류기의 크기가 커지는 경향이 있었으며, 특히, 분리형 변류기의 경우에는, 변류기의 크기를 증가시킴으로써 출력 전력량을 증가시키는 것이 많은 비용과 노력을 수반하여 왔다.
이러한 분리형 변류기는, 그 설계 및 제작이 가능한 경우에도, 변류기를 수용할 외함을 제작하기 위해 많은 기술적 문제와 비용을 수반하기 때문에, 분리형 변류기를 이용한 전원 공급 장치를 구현하는데 많은 비용과 한계점이 있어 왔다.
특히, 대부분의 변류기는 전력 발생기로서 보다는 센서로서 주로 사용되어 왔기 때문에, 전력 출력량을 증가시키는 것은 대부분 신호 대 잡음비의 개선 관점에서만 연구되어 왔으며, 전원 공급 장치로서 분리형 마그네틱 코어에 대한 연구는 아직까지 미미한 상태이다.
한편, 배전 선로는 설치 환경에 따라 최소 선로 전류가 다양하기 때문에, 변류기를 이용한 전원 공급 장치에 의해 발생할 있는 전력은 한계가 있으며, 이러한 이유로 각 환경에 따른 변류기를 각기 달리 설계해야만 하였다. 또한, 필요로 하는 최소 전력량이 사용되는 시스템에 따라 변류기의 크기가 다르기 때문에, 원하는 전력량을 얻기 위해서는 많은 시간과 비용이 요구되어 왔다.
이하, 도 1 및 도 2를 참조하여 전자기 유도 방식 전원 공급 장치의 출력 설계의 어려움을 살펴본다. 도 1은 배전 선로용 전원 공급 장치의 개념도이고, 도 2는 분리형 마그네틱 코어의 사시도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 배전 선로용 전원 공급 장치는 배선 선로 상에 흐르는 1차 전류(I)에 의해 교류 전류를 유도하는 변류기(Current Transformer)와 변류기(CT)로부터 유도된 교류 전류에 대응하는 유도 전압을 직류 전압으로 변환시키는 정류기로 구성된다. 이때, 출력 전압(Vo)은 변류기의 마그네틱 코어의 크기에 따라 결정될 수 있다.
한편, 변류기는 배선 선로의 설치 및 제거의 용이성을 고려하여 분리형 마그네틱 코어를 사용할 수 있는데, 도 1(b)에 도시된 바와 같이, 동일 또는 유사한 마그네틱 코어를 복수개 사용하는 방법도 있다. 예를 들면, 도 1(c)에는, 내경 44㎜, 외경 75㎜, 길이 90㎜인 분리형 마그네틱 코어가 도시되고, 도 1(d)에는 내경 44㎜, 외경 75㎜, 길이 45㎜인 분리형 마그네틱 코어가 2개 도시되며, 이 둘을 합하면 도 1(c)의 분리형 마그네틱 코어와 동일한 사이즈가 된다.
또한, 요구하는 출력 전력이 증가함에 따라 분류기에 의한 유기 전력을 증가시키기 위해서는 도 1(a) 또는 도 1(c)와 같이 가능하면 크기가 더 큰, 예를 들면, 길이가 더 긴 마그네틱 코어를 사용하는 것이 바람직하지만, 이는 다음과 같은 문제가 발생한다.
먼저, 마그네틱 코어의 일반적인 특성을 살펴보면, 선로 전류에 의해 마그네틱 코어에서 발생하는 자기 인덕턴스(L) 및 이때 변류기의 공진 주파수(f)는 다음의 수학식 1 및 수학식 2와 같다.
Figure 112014021082541-pat00001
Figure 112014021082541-pat00002
여기서, μr은 마그네틱 코어의 비투자율(relative permeability)이며, l은 마그네틱 코어 내의 자계 루프의 길이이고, n은 마그네틱 코어에 감긴 코일의 권선수이며, S는 마그네틱 코어의 단면적이다.
수학식 1 및 수학식 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 마그네틱 코어에 유기되는 자계를 증가시키기 위해서, 코일의 권선수, 마그네틱 코어의 치수, 예를 들면, 단면적, 및 마그네틱 코어의 비투자율을 증가시켜야 한다. 그러나, 이는 자기 인덕턴스와 커패시턴스의 증가를 초래하여 공진 주파수(f)를 감소시킴으로써, 특히 전원 취득시 선로 전류의 주파수인 60㎐(50㎐)에 근접하게 되어, 전원 공급 장치로서의 기능을 상실하게 된다.
또한, 마그네틱 코어를 제작하는 관점에서도 그 크기가 커질수록 제작 단가가 크게 증가하고, 따라서 외함의 설계 비용도 크게 증가한다. 따라서, 공진 주파수를 고려한 도 2(d)의 마그네틱 코어의 크기로 제작하여 도 2(c)와 동일한 효과를 얻는 것이 더욱 경제적이라 할 수 있다. 즉 도 2(d) 크기의 변류기를 단위 크기로 제작하여 전력을 증가시키는 것이 바람직하다. 그러나, 이런 경우에도, 단위 크기의 변류기를 추가함에 따라 출력 전력이 비례적으로 증가하지 않기 때문에, 적절한 출력 크기에 맞는 시스템 설계의 어려움이 있다.
이에 대하여 더 살펴보면, 마그네틱 코어를 감싸고 있는 코일을 여기하는 자속(Magnetic Flux)의 크기(φ)는 수학식 3과 같이 표현된다.
Figure 112014021082541-pat00003
여기서, W는 마그네틱 코어의 폭이며, h는 마그네틱 코어의 높이이고, μr은 마그네틱 코어의 비투자율이며, μ0 = 4π10-7(H/m)인 진공 투자율이다.
이때, 코일의 단자에서 유기되는 전압은 수학식 4와 같이 표현된다.
Figure 112014021082541-pat00004
여기서, N은 코일의 권선수이다.
수학식 3 및 수학식 4를 이용하여 유기되는 전압의 RMS(root mean square) 값은 수학식 5와 같이 표현된다.
Figure 112014021082541-pat00005
여기서, f는 유기 전류의 주파수이다.
상기 수학식들은 분리형 마그네틱 코어의 절단면에서 발생하는 공극(Air Gap)에 대한 모델링을 포함하지 않지만, 변류기의 전체 동작을 분석하는 데는 충분하다.
이때, 배선 선로의 선로 전류(I)는 수학식 6과 같이 표현되고, 선로 전류에 의한 마그네틱 코어의 유도 전류는 수학식 7과 같이 표현된다.
Figure 112014021082541-pat00006
Figure 112014021082541-pat00007
여기서, θ는 여기 전압과 전류의 위상차를 의미하며, 이는 코일이 AC 선로 상에서 유도성 및 용량성 부하로 기능하여 여기 전압과 전류가 서로 다른 위상을 갖는 것에 기인한다.
최종적으로 코일에서 유기되는 전력은 아래의 수학식 8과 같이 표현된다.
Figure 112014021082541-pat00008
여기서, 배선 선로의 전류는 사용자들의 사용 정도에 따라 유기 전압 및 전류 최대치(vo, io)는 실시간 변화하고, 이에 따라 μr도 변화하며, 또한 마그네틱 코어에 유기되는 자속의 크기(φ)도 변화하여, 결과적으로 유기되는 전압 및 전류의 크기 및 위상차(θ)도 변화한다. 따라서, 단순히 마그네틱 코어의 출력을 더한다 하더라도, 유기되는 전압 및 전류의 크기 및 위상의 차이 때문에, 출력 전력이 두 배로 증가하지 않게 된다.
도 3은 종래의 직렬 연결된 변류기의 수에 따른 출력 전력을 나타낸 그래프이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 마그네틱 코어를 단순히 직렬로 연결한 경우, 출력 전력량은 배선 선로의 전류가 증가함에 따라 증가하지만, 직렬 연결되는 마그네틱 코어의 수에 비례해서는 증가하지 않음을 나타낸다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 적어도 선로 전류의 크기 변화율에 기인하여 발생하는 유기 전압 및 전류의 최대치가 변하는 것은 제외하더라도, 전압과 전류의 위상차에 기인하여 발생하는 최대 출력의 감소를 방지하여야 한다.
한편, 자기장을 이용한 유기 전력을 사용하는 분리형 마그네틱 코어 방식의 전원 공급 장치는 그 자체로서 전원 공급 장치이며, 일반적으로 출력을 증가시키기 위해서, 마그네틱 코어의 크기를 증가시키거나, 복수의 소형 코어를 직렬로 연결함으로써 가능하다. 그러나, 선행 특허출원 제10-2009-0088179호에 기재된 바와 같이, 마그네틱 코어의 수를 증가시킨다고 해서, 유기 전압과 출력 전력이 비례해서 증가하지 않는다.
따라서, 분리형 마그네틱 코어를 이용하여 전원 공급 장치를 구현하기 위해서는 다음과 같은 요구조건을 만족해야 한다.
(1) 배선 선로의 전류 크기에 따른 출력 전력량에 손쉽게 대처할 수 있어야 한다.
(2) 원하는 출력 전력을 배선 선로의 최소 전류 크기에 상관없이 단지 변류기를 추가하는 것만으로 손쉽게 달성해야 한다.
(3) 원하는 출력량에 상관없이 외함의 설계가 용이해야 하고, 분리형 변류기의 제작이 용이해야 한다.
(4) 분리형 변류기의 크기가 공진 주파수에 영향을 받지 않는 정도의 크기로 결정되어야 한다.
상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 필요에 따라 배전 선로에 추가 및 제거가 용이하여 출력 전력을 선형적으로 조절할 수 있는 단위 변류기 유닛을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 단위 변류기 유닛을 이용하여 출력 전력의 설계가 용이하고, 별도의 외함을 제작할 필요가 없거나 추가 제작을 최소화할 수 있는 출력 전력을 선형적으로 조절하기 위한 전자기 유도 방식 전원 공급 장치를 제공하고자 한다.
위와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명은 선로에 흐르는 1차 전류로부터 전자기 유도 방식으로 2차 전류를 유도하며, 상기 1차 전류의 주파수보다 2배 이상 큰 공진 주파수를 갖는 변류기; 및 상기 변류기의 출력을 직류 전력으로 변환하는 변환부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 변류기는 상기 공진 주파수를 만족하는 마그네틱 코어의 단면적, 길이, 및 비투자율, 및 루프의 권수를 가질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 변류기는 상기 공진 주파수를 만족하는 최소 크기를 가질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 변류기는 상기 선로 상에 탈부착이 가능한 분리형 변류기일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 변환부는, 상기 변류기의 유도 전류를 직류 전압으로 변환하는 1차 전압 정류부; 상기 1차 전압 정류부의 출력 전압을 전류로 변환하는 전류 변환부; 상기 전류 변환부의 출력 전류를 직류 전류로 변환하는 제 2 전류 정류부를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 전류 변환부는 펄스 폭 변조에 의해 제어될 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 따른 출력 전력을 선형적으로 조절하기 위한 전자기 유도 방식 전원 공급 장치는 복수의 상기 단위 변류기 유닛; 및 상기 복수의 단위 변류기 유닛에서 출력되는 직류 전력을 합산하여 출력하는 합산부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 합산부의 출력은 상기 단위 변류기 유닛의 수에 선형적으로 비례할 수 있다.
일 실시예에서, 본 발명은 상기 합산부의 출력을 교류 전력으로 변환하는 직류/교류 변환부를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 단위 변류기 유닛은 배전 선로에 흐르는 전류에 상관없이 선형적으로 합산이 가능한 동일한 단위 변류기 유닛을 단순히 추가 및 제거함으로써 원하는 출력 전력을 쉽게 설계할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 배선 선로에 탈부착 가능하여 선로 상에서 원하는 출력 조건에 따라 단위 변류기 유닛의 추가 및 제거가 용이하여 설치 및 유지 보수의 편의성을 향상시키고, 그에 따른 관리유지비를 경감시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 출력 전력을 선형적으로 조절하기 위한 전자기 유도 방식 전원 공급 장치는 단위 변류기 유닛을 이용하여 단위 변류기 유닛을 단순히 추가 및 제거하여 출력을 선형적으로 증가시킬 수 있고, 따라서 원하는 출력 전력의 설계를 쉽게 달성할 수 있다.
또한, 본 발명은 최소 크기 단위 유닛으로 구성된 변류기 유닛을 이용하여 별도의 외함을 제작할 필요가 없거나 추가 제작을 최소화할 수 있고, 따라서 제작 비용을 효과적으로 경감할 수 있다.
도 1은 배전 선로용 전원 공급 장치의 개념도이다.
도 2는 분리형 마그네틱 코어의 사시도이다.
도 3은 종래의 직렬 연결된 변류기의 수에 따른 출력 전력을 나타낸 그래프이다.
도 4는 마그네틱 코어를 단순 결합을 설명하기 위한 구조 모델링의 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 출력 전력을 선형적으로 조절하기 위한 전자기 유도 방식 전원 공급 장치의 블록도이다.
도 6은 도 5의 변환기의 세부 블록도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 변류기 유닛의 수에 따른 출력 전력을 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예와 종래예를 비교한 그래프이다.
이하, 본 발명을 바람직한 실시예와 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
본 발명은 전원 공급 장치의 구성 부분으로서, 임의로 변화하는 배선 선로의 전류에 따라 원하는 분리형 변류기의 최소 출력량을 얻을 수 있도록 구성하는 방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명에 의한 고압 배전 선로로부터 분리형 마그네틱 코어의 유도 전압 및 전류를 이용한 전원 공급 장치에 관한 것으로서, 배전 선로에 흐르는 전류에 상관없이 동일한 단위 변류기 유닛을 단순히 추가 및 제거를 함으로써 필요한 전원을 확보할 수 있는 전원 공급 장치에 관한 것이다.
본 발명은 종래의 문제점을 해결하기 위해 분리형 마그네틱 코어를 단위화하고 이에 변환부도 함께 결합하여 단위 유닛으로 설계를 함으로써, 단위 유닛을 추가 또는 제거함으로써, 배전 선로의 변화되는 최소 전류에서 얻을 수 있는 최소 전력량을 임의로 조정할 수 있고, 또한 외함의 설계도 추가적으로 요구도지 않게 함으로써, 그 비용을 획기적으로 낮출 수 있다. 이는 전원 공급 장치의 설치 및 유지 보수의 편이성도 증가시키기 때문에 전체적인 유지 관리비도 경감할 수 있다.
예를 들면, 원하는 출력량에 맞는 크기의 분리형 변류기를 구성하거나, 다수의 변류기를 직접 서로 연결하여 그 출력 전력을 얻는 기존의 방법 대신에 배선 선로의 크기에 맞는 최소 크기의 변류기를 구성하여 각 최소 단위의 변류기의 출력을 전력 변환부를 통하여 필요한 크기의 DC 전압 및 전류로 변환 시킨 후에 그 출력을 서로 합산함으로써, 단위 변류기 유닛의 수에 비례하여 출력 전력량을 증가시킬 수 있다.
또한 본 발명은 일반적으로 센서 용도나 데이터 커플러 용도로 사용되는 분리형 변류기를 전원 공급 장치로서 사용하는데 필요한 기술로서, 그 출력 신호를 배선 선로의 환경 및 원하는 출력 전력량을 손쉽게 만족시킬 수 있도록 하는 단위 변류기 유닛을 이용한 전원 공급 장치에 관한 것이며, 사용 환경에 따른 별도의 변류기 및 관련 전력 인버터의 재설계 및 제작 없이 손쉽게 단위 변류기 유닛을 추가 및 제거를 함으로써, 그 최소한의 단위 변류기 유닛의 출력 전력량을 임의로 조정 가능한 방법에 관한 것이다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 단위 변류기 유닛 및 이를 이용한 전원 공급 장치는 다음의 요건을 만족하도록 고려하였다.
(1) 배전 선로의 위치에 따라 선로 전류의 변화 폭이 다른 점을 극복하기 위해 추가 및 제거할 수 있는 분리형 단위 변류기 유닛을 제작하고, 이것의 내경, 외경 및 두께는 사용되는 배선 선로의 크기 및 제작 방법을 고려하여 유닛화하여, 필요시 배전 선로에 추가 및 제거가 용이하여야 한다.
(2) 분리형 변류기를 추가 및 제거함으로써 선로 환경에 상관없이 원하는 전원 출력을 자유로이 조정할 수 있어야 한다.
(3) 추가되는 단위 변류기 유닛에 따른 별도의 외함을 제작할 필요가 없어야 하며, 필요하더라도 최소한으로 하여야 한다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 단위 변류기 유닛에 의해 출력을 선형적으로 조정할 수 있는 전원 공급 장치의 구성 원리를 설명한다.
먼저, 선로 상에 마그네틱 코어를 단순 결합하는 경우를 단순화 모델을 이용하여 분석한다. 도 4는 마그네틱 코어를 단순 결합을 설명하기 위한 구조 모델링의 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 각 배선 선로에 설치되는 2개의 마그네틱 코어는 각각이 전류 소스와 전원 소스를 갖는 노드(Node)로 모델링할 수 있고, 이러한 모델링에 대한 각 노드의 전압 및 전류는 아래 수학식 9로 표현할 수 있다.
Figure 112014021082541-pat00009
각 노드에서, 마그네틱 코어의 특성상 전압과 전류의 위상차(θ1,θ2)가 존재한다. 2개의 노드에서 발생하는 각 전력(P1, P2)은 아래의 수학식 10과 같다.
Figure 112014021082541-pat00010
배선 선로의 주파수는 상용 주파수이기 때문에 u = v로 가정할 수 있으며, 2개의 마그네틱 코어의 전체 출력(P3 = P1 + P2)은 아래의 수학식 11과 같다.
Figure 112014021082541-pat00011
마그네틱 코어가 균일하다고 가정하면, θ1 = θ2일 수 있다. 즉 마그네틱 코어는 균일한 특성을 가져야 한다. 수학식 11로부터 알 수 있는 바와 같이, 마그네틱 코어를 직렬 연결하는 것만으로는 전체 출력 전력이 2 배로 증가하지 않으며, 전압과 전류의 위상차에 의한 소량의 증가만이 있을 뿐이다.
이를 해결하기 위해, 마그네틱 코어를 직접 연결하는 대신에 전압은 전압끼리, 전류는 전류끼리 서로 별도로 처리한 후 전력을 합산하는 방식으로 전력을 도출할 수 있다. 여기서, 앞서와 동일하게, u = v, θ1 = θ2로 가정하면, 전체 전압 및 전류는 수학식 12와 같다.
Figure 112014021082541-pat00012
각각이 처리된 전압 및 전류의 전력은 전압과 전류의 곱으로 나타남으로 전체 출력(P4)은 아래의 수학식 13과 같다.
Figure 112014021082541-pat00013
상기 수학식 13으로부터 알 수 있는 바와 같이, 전압과 전류를 별도로 합산 처리한 후 전력을 구하면, 이론적 전력의 최대치는 2배 이상으로 나타나며, 전압과 전류의 위상차에 따라 약간의 변동만 있다.
기본적으로 변류기로 통칭되는 분리형 마그네틱 코어는 자장에 의해 마그네틱 코어에 권선되어 있는 선로에 권선수에 따른 전압 및 전류가 유기되며, 그 크기는 배선 선로의 자기장에 따라 크기가 변화하게 된다.
상기 수학식들에서와 같이, 전압과 전류를 별도로 처리하기 위해서, 두 가지 방법이 가능하다. 하나는 변류기를 병렬로 연결하는 방법이나, 이는 선로 전류에 의한 AC 유도 전압과 유도 전류에 대한 변류기 사이의 간섭을 피할 수 없고, 또한 이를 위한 외함의 설계도 별도로 이루어져야 하기 때문에 근본적인 문제를 해결하지는 않는다. 두 번째 방법은 전압은 일정한 레벨로 조정하면서, 출력을 전류원으로 변화시키고, 이를 서로 합산하는 방식으로 구현할 수 있다.
본 발명은 상기 2번째 방법으로 구현될 것으로, 이를 위해 선로의 전류로부터 유기 전류를 생성하는 변류기와 이를 직류 전력으로 변환하는 변환부를 하나의 단위 유닛으로 구성하였다. 한편, 단위 유닛을 통하여 다양한 출력을 구현하기 위해서는 최소 크기로 구성하는 것이 바람직하며, 이 경우, 위의 수학식 1 및 수학식 2에서 살펴보면 바와 같이, 변류기, 특히, 마그네틱 코어의 공진 주파수가 선로의 1차 전류의 주파수와 일정한 관계를 만족해야 한다. 따라서, 본 발명은 이런 조건을 만족하는 변류기와 정전류를 출력하는 변환부를 단위 유닛으로 구성한 것이다.
이하, 도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 유도 방식 전원 공급 장치를 설명한다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 출력 전력을 선형적으로 조절하기 위한 전자기 유도 방식 전원 공급 장치의 블록도이다.
전자기 유도 방식 전원 공급 장치(10)는 선로로부터 전력을 유기하는 복수의 단위 변류기 유닛(100), 각 단위 변류기 유닛(100)의 직류 출력을 합산하는 합산부(200), 및 합산부(200)의 직류 출력을 교류로 변환하는 직류/교류 변환부(300)를 포함한다.
단위 변류기 유닛(100)은 선로에 흐르는 1차 전류로부터 전자기 유도 방식으로 2차 전류를 유도하는 변류기(110), 및 변류기(110)의 출력을 직류 전력으로 변환하는 변환부(120)를 포함한다. 이러한 단위 변류기 유닛(100)은 전자기 유도 방식 전원 공급 장치(10)의 출력을 선형적으로 조정하기 위한 기본 단위이다.
변류기(110)는 1차 전류의 주파수보다 2배 이상 큰 공진 주파수를 갖는 것이 바람직하다. 예를 들면, 변류기(110)는 이러한 조건의 공진 주파수를 만족하는 마그네틱 코어의 단면적, 길이, 및 비투자율, 및 루프의 권수를 가질 수 있다. 특히, 변류기(110)는 이러한 공진 주파수를 만족하는 최소 크기로 구성되는 것이 바람직하다. 이와 같이, 변류기(110)는 공진 주파수를 제한함으로써, 예를 들면, 상용 전원의 2배인 120㎐ 이상의 공진 주파수로 제한함으로써, 전자기 유도 방식 전원 공급 장치(10)의 최종 출력이 단위 변류기 유닛(100)의 수에 따라 선형적으로 조정될 수 있다. 또한, 변류기는 배선 선로(400) 상에 탈부착이 가능한 분리형 변류기인 것이 바람직하다.
변환부(120)는 일정한 전압원을 전류원으로 변환하는 것으로, 예를 들면, 도 6에 도시된 바와 같은 Buck 변환기일 수 있지만 이에 한정되지 않는다.
도 6은 도 5의 변환기의 세부 블록도이다.
변환부(120)는 변류기(110)의 출력을 필터링하는 필터부(122), 변류기(110)의 유도 전류를 직류 전압으로 변환하는 1차 전압 정류부(124), 1차 전압 정류부(124)의 출력 전압을 전류로 변환하는 전류 변환부(126), 전류 변환부(126)의 출력 전류를 직류 전류로 변환하는 2차 전류 정류부(128), 및 입력되는 과전압으로부터 보호하기 위한 피드백 회로부(129)를 포함한다.
필터부(122)는 2차 전류를 제공하는 변류기(110)에서 출력되는 유도 전류에 대한 필터링을 수행하기 위한 것으로, EMI(ElectroMagnetic Interference)나 기타 노이즈를 제거하기 위한 필터이다.
1차 전압 정류부(124)는 변류기(110)로부터 입력되는 필터링된 전류를 직류 전압으로 변환할 수 있다. 예를 들면, 1차 전압 정류부(124)는 브리지 다이오드와 평활 커패시터로 구현될 수 있다.
전류 변환부(126)는 정전류를 출력하기 위하여 1차 전압 정류부(124)에서 출력되는 직류 전압을 전류로 변환하며, 예를 들면, 펄스 폭 변조(PWM) 방식으로 그 내부에 포함된 스위칭 소자인 듀티를 조정하여 전류를 제공할 수 있다. 이러한 전류 변환부(126)는 스위치 소자(예를 들면, MOSFET)를 내부에 포함하는 PWM 제어 IC로 구현될 수 있다.
2차 전류 정류부(128)는 전류 변환부(126)의 출력을 전류를 직류 전류로 변환하며, 예를 들면, 1차측 권선에 입력되는 전류에 의해 2차측 권선에 유기되는 전류를 출력하는 트랜스포머와 트랜스포머의 출력을 평활하는 다이오드를 포함할 수 있다.
피드백 회로부(129)는 변류기(110)로부터 입력되는 전압이 과전압이 발생하는 경우 전류 변환부(126)의 스위칭 동작을 리셋하는 보호동작을 수행할 수 있다. 또한, 피드백 회로부(129)는 2차 전류 정류부(128)에서 합산부(200)로 출력되는 전류의 크기를 검출하여 출력을 일정하게 유지할 수 있도록 전류 변환부(126)의 듀티를 조정할 수 있다.
다시 도 1을 참조하여, 합산부(200)는 복수의 단위 변류기 유닛(100)에서 출력되는 직류 전력을 합산하여 출력하며, 그 출력은 단위 변류기 유닛(100)의 수에 선형적으로 비례할 수 있다.
선택적으로, 본 발명의 일 실시예에서, 합산부(200)의 출력을 교류 전력으로 변환하는 직류/교류 변환부(300)를 더 포함할 수 있다. 전력을 요구하는 부하에 대응하는 장치가 교류 전원을 필요로 하는 경우, 본 발명의 일 실시예는 직류/교류 변환부(300)를 선택적으로 포함함으로써 부하에서 요구되는 적절한 형태의 전원을 제공할 수 있다.
이와 같이 구성된, 전자기 유도 방식 전원 공급 장치(10)의 실험 결과는 도 7과 같다. 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 변류기 유닛의 수에 따른 출력 전력을 나타낸 그래프이다.
도 7로부터 알 수 있는 바와 같이, 전자기 유도 방식 전원 공급 장치(10)는 단위 변류기 유닛(100)의 수에 따라 선형적으로 비례하여 증가함을 알 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예와 종래예를 비교한 그래프이다.
도 8로부터 알 수 있는 바와 같이, 전력원인 분리형 마그네틱 코어를 직접 서로 연결하여 전력을 생산하는 경우에는 마그네틱 코어를 2개 혹은 복수개 연결하여도, 수학식 11에서 나타난 바와 같이, 그 출력이 크게 증가하지 않음을 알 수 있다. 반면, 본 발명의 일 실시예에 다른 단위 변류기 유닛(100)의 출력을 서로 합산한 경우에는, 전자기 유도 방식 전원 공급 장치(10)의 출력이 단위 변류기 유닛(100)의 수에 비례하여 증가하는 것을 알 수 있다.
따라서, 추가되는 마그네틱 코어의 수만큼 출력을 선형적으로 증가시키기 위해서는 마그네틱 코어의 변류기(110)와 변환부(120)를 하나의 유닛으로 조합하여 구성하고 이를 추가하는 것만으로, 전압과 전류를 각기 처리한 후에 전력을 구한 수학식 13과 같게 된다.
즉, 마그네틱 코어가 센서 용도가 아닌 전력원으로 사용되는 경우에는 복수의 마그네틱 코어의 구현이 필요한 경우 반드시 마그네틱 코어와 변환부를 포함하는 단위 유닛 구조로 설계함으로써, 필요로 하는 전력량을 손쉽게 구현할 수 있으며, 단순 전압 변환 기능을 가지는 선형 조절 장치(Regulator) 등으로는 이를 구현할 수 없다. 이는 또한 외함의 설계도 단위 변류기 유닛에 대한 설계만으로 가능하기 때문에, 비용적인 면에서도 훨씬 저렴하며, 사용면에서도 간편하게 구현할 수 있다.
이와 같은 구성에 의해, 배전 선로에 흐르는 전류에 상관없이 선형적으로 합산이 가능한 동일한 단위 변류기 유닛을 단순히 추가 및 제거함으로써 원하는 출력 전력을 쉽게 설계할 수 있고, 배선 선로에 탈부착 가능하여 선로 상에서 원하는 출력 조건에 따라 단위 변류기 유닛의 추가 및 제거가 용이하여 설치 및 유지 보수의 편의성을 향상시키고, 그에 따른 관리유지비를 경감시킬 수 있다.
또한, 단위 변류기 유닛을 이용하여 단위 변류기 유닛을 단순히 추가 및 제거하여 출력을 선형적으로 증가시킬 수 있고, 따라서 원하는 출력 전력의 설계를 쉽게 달성할 수 있으며, 최소 크기 단위 유닛으로 구성된 변류기 유닛을 이용하여 별도의 외함을 제작할 필요가 없거나 추가 제작을 최소화할 수 있고, 따라서 제작 비용을 효과적으로 경감할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 본 발명의 기술 사상 범위 내에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 첨부된 특허 청구 범위에 속하는 것은 당연하다.
10 : 전자기 유도 방식 전원 공급 장치 100 : 단위 변류기 유닛
110 : 변류기 120 : 변환부
122 : 필터부 124 : 1차 전압 정류부
126 : 전류 변환부 128 : 2차 전류 정류부
129 : 피드백 회로부 200 : 합산부
300 : 직류/교류 변환부 400 : 배선 선로

Claims (9)

  1. 선로에 흐르는 1차 전류로부터 전자기 유도 방식으로 2차 전류를 유도하며, 상기 1차 전류의 주파수보다 2배 이상 큰 공진 주파수를 갖는 변류기; 및
    상기 변류기의 출력을 직류 전력으로 변환하는 변환부를 포함하는, 단위 변류기 유닛.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 변류기는 상기 공진 주파수를 만족하는 마그네틱 코어의 단면적, 길이, 및 비투자율, 및 루프의 권수를 갖는, 단위 변류기 유닛.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 변류기는 상기 공진 주파수를 만족하는 최소 크기를 갖는, 단위 변류기 유닛.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 변류기는 상기 선로 상에 탈부착이 가능한 분리형 변류기인, 단위 변류기 유닛.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 변환부는,
    상기 변류기의 유도 전류를 직류 전압으로 변환하는 1차 전압 정류부;
    상기 1차 전압 정류부의 출력 전압을 전류로 변환하는 전류 변환부;
    상기 전류 변환부의 출력 전류를 직류 전류로 변환하는 제 2 전류 정류부를 포함하는, 단위 변류기 유닛.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 전류 변환부는 펄스 폭 변조에 의해 제어되는, 단위 변류기 유닛.
  7. 복수의 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항의 단위 변류기 유닛; 및
    상기 복수의 단위 변류기 유닛에서 출력되는 직류 전력을 합산하여 출력하는 합산부를 포함하는, 출력 전력을 선형적으로 조절하기 위한 전자기 유도 방식 전원 공급 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 합산부의 출력은 상기 단위 변류기 유닛의 수에 선형적으로 비례하는, 출력 전력을 선형적으로 조절하기 위한 전자기 유도 방식 전원 공급 장치.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 합산부의 출력을 교류 전력으로 변환하는 직류/교류 변환부를 더 포함하는, 출력 전력을 선형적으로 조절하기 위한 전자기 유도 방식 전원 공급 장치.
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