KR101643705B1 - 무정전 전원장치의 제어 장치 및 방법 - Google Patents

무정전 전원장치의 제어 장치 및 방법 Download PDF

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이인환
구태근
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성신전기공업(주)
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Abstract

본 기술은 무정전 전원장치의 제어 장치 및 방법이 개시된다. 본 발명의 구체적인 예에 따르면, 교류 전원을 정류부로 전달하는 입력 스위칭부와 연동하여 구동되고 정격 용량의 배터리 전원을 방전하는 배터리 스위칭부를 배터리 출력단에 설치하고 상기 교류 전원을 배터리로 충전하는 충전부를 추가로 구비함에 따라, 기존의 배터리 충방전 기능을 수행하는 DC/DC 컨버터를 제거되어 무정전 전원장치의 제조 공정 및 제조 단가를 낮출 수 있으며 아울러 무정전 전원장치의 경박단소화가 가능하고, 승압된 DC 링크 전압의 과전압 변동 시 승압된 DC 링크 전압을 배터리로 전달하도록 배터리 스위칭부를 스위칭함에 따라 DC 링크 전압을 안정화시킬 수 있다.

Description

무정전 전원장치의 제어 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR CONTROLLING UPS}
본 발명은 무정전 전원장치의 제어 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 교류 전원을 정류부로 전달하는 입력 스위칭부와 연동하여 구동되어 정격 용량의 배터리 전원을 방전하는 배터리 스위칭부를 배터리 출력단에 설치하고 배터리 충전 기능을 수행하는 충전부를 추가로 구성함에 따라 기존의 배터리 충방전 기능을 수행하는 DC/DC 컨버터를 제거할 수 있고 승압된 DC 링크 전압을 제어할 수 있도록 한 기술에 관한 것이다.
무정전 전원장치 (UPS: Uninterruptible Power Supply)와 같은 전력변환장치는 전력전자분야의 수동소자, 반도체 스위칭 소자, 고속 제어기 등의 개발로 꾸준히 발전하고 있다. 하지만 기본적인 회로구성은 용량에 따라 여러 구성이 있으나 일반적으로 중·대용량에서는 Half-bridge 또는 Full-bridge 회로이며 반도체 스위칭소자의 구성에 따른 2레벨, 3레벨로 회로구성을 한다.
잘 알려진 바와 같이 무정전 전원장치는 도1과 같이 정류기, 인버터, DC/DC 컨버터로 구성되며, 정류기는 평상시 교류전원을 직류전원으로 변환하고, 변환한 직류전원을 DC/DC 컨버터를 통해서 배터리에 저장하거나 인버터에 직류전원을 공급하며, 인버터는 변환된 직류전원을 교류전원으로 변환하여 부하에 전원을 공급하도록 한다. 정전이나 입력 교류전원의 이상 발생시에는 배터리에 저장된 전원을 DC/DC 컨버터를 통해서 인버터에 계속 직류전원을 공급하게 함으로써 부하에 안정적으로 교류전원을 공급하게 된다.
통상적으로 무정전 전원장치에서 정류기는 입력역률제어와 인버터 출력전압을 생성하기 위해서 DC링크 전압을 700V ~ 800V로 승압시켜야 한다. 그리고 배터리의 셀 수는 30 ~ 40셀로 공칭전압이 360V ~ 480V로 구성된다. 정전 시 배터리의 낮은 전압을 DC링크 전압으로 제어하기 위한 DC/DC 컨버터 승압 회로구성이 요구된다.
일반적으로 배터리 충전시간은 10시간을 기준으로 하며, 배터리 충전 DC/DC 컨버터는 정류기의 정격용량의 10%정도로 설계를 함으로써 전체시스템에서 배터리 충전부의 비중은 낮다고 할 수 있다. 하지만 배터리 방전을 위한 DC/DC 컨버터는 정격용량과 동일하게 설계하여야 한다. 즉, DC/DC 컨버터는 정류기의 정격 용량의 100%를 기준으로 설계되므로 낮은 인덕턴스로 인해 배터리 충전 전원의 리플이 커지는 문제점이 있었다.
이에 본 발명에서 교류 전원을 정류부로 전달하는 입력 스위칭부와 연동하여 구동되어 정격 용량의 배터리 전원을 방전하는 배터리 스위칭부를 배터리 출력단에 설치하고 교류 전원을 배터리로 충전하는 충전부를 추가로 구비함에 따라, 기존의 배터리 충방전 기능을 수행하는 DC/DC 컨버터를 제거할 수 있고 승압된 DC 링크 전원의 과전압을 제어하는 방안을 제안하고자 한다.
따라서, 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 교류 전원을 정류부로 전달하는 입력 스위칭부와 연동하여 구동되고 정격 용량의 배터리 전원을 방전하는 배터리 스위칭부를 배터리 출력단에 설치하고 교류 전원을 배터리로 충전하는 충전부를 구비함에 따라, 기존의 배터리 충방전 기능을 수행하는 DC/DC 컨버터가 제거되어 무정전 전원장치의 제조 공정 및 제조 단가를 낮출 수 있으며 아울러 무정전 전원장치의 경박단소화가 가능한 무정전 전원장치의 제어 장치 및 방법을 제공하고자 함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 정전 시 승압된 DC 링크 전압의 과전압 변동 시 승압된 DC 링크 전압을 배터리에 의해 강압함에 따라 DC 링크 전압을 안정화시킬 수 있는 무정전 전원장치의 제어 장치 및 방법을 제공하고자 함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1 관점에 따른 무정전 전원 시스템의 제어 장치는,
제어부로부터 제공받은 제어 신호에 따라 스위칭되어 교류 전원을 통과시키는 입력 스위칭부; 상기 입력 스위칭부를 통과한 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 정류부; 상기 정류부를 링크시키는 DC 링크부; 상기 DC 링크부의 DC 링크 전압을 교류 전원으로 변환하여 부하로 전달하는 인버터; 및 상기 입력 스위칭부, 상기 정류부와 상기 인버터를 제어하기 위한 제어 신호를 생성하여 전달하는 제어부를 포함하고, 상기 입력 스위칭부와 연동하여 스위칭되고 정전 시 배터리의 방전 전압을 승압하고 승압된 DC 링크 전압을 인버터를 경유하여 부하에 전달하도록 스위칭하는 배터리 스위칭부; 및 교류 전원을 전달받아 배터리에 충전하는 충전부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게 상기 입력 스위칭부는 상기 제어부로부터 제공받은 제어 신호에 따라 온 상태로 스위칭되어 정상 동작 시 교류 전원을 통과시켜 상기 정류부로 전달하는 양방향 스위치 소자로 구비될 수 있고, 상기 배터리 스위칭부는 정전 시 배터리의 양극 전원을 상기 DC 링크부 및 정류부를 통해 배터리로 전달하고, DC 링크 과전압 시 배터리의 음극 전원을 상기 정류부를 통해 배터리로 전달하는 양방향 스위칭 소자로 구비될 수 있으며, 상기 양방향 스위칭 소자는 SCR 소자로 구비될 수 있다.
바람직하게 상기 배터리 스위칭부는, 정전 시 상기 입력 스위칭부가 오프 상태로 스위칭된 후 설정된 판단기준시간이 경과한 경우일 때 온 상태로 스위칭하도록 구비될 수 있고, 바람직하게 상기 배터리 스위칭부는, 정전 시 입력 스위칭부가 오프 상태로 스위칭된 후 입력된 교류 전원의 전류가 SCR 소자의 유지 전류 이하일 때 온 상태로 스위칭되도록 구비될 수 있다.
바람직하게 상기 배터리 스위칭부는 리액터 축전 모드에서 배터리의 양극 전원이 정류부를 경유하여 승압된 후 배터리로 전달되도록 스위칭하고, DC 링크 충전 모드에서 배터리의 양극 전원이 DC 링크부 및 정류부를 경유하여 배터리로 전달되어 승압된 DC 링크 전압을 인버터로 전달하도록 스위칭할 수 있다.
바람직하게 상기 배터리 스위칭부는 승압된 DC 링크 전압의 과전압 변동 시 배터리 음극 전원이 정류부를 경유하여 배터리로 전달되어 DC 링크 과전압이 배터리에 의해 강압하도록 구비될 수 있고, 상기 배터리 스위칭부는 강압 모드에서 배터리의 음극 전원이 정류부 및 DC 링크부를 경유하여 배터리로 전달되도록 스위칭하고, 환류 모드에서 배터리의 음극 전원이 정류부를 경유하여 배터리로 전달되도록 스위칭할 수 있다.
한편 전술한 장치를 기반으로 하는 본 발명의 무정전 전원 시스템의 제어 방법은,
입력 스위칭부를 통과한 교류 전원을 정류부 및 인버터를 통과하여 부하로 전달하는 (a) 단계; 정전 시 입력 스위칭부가 차단된 후 기 설정된 판단기준시간이 경과한 경우 및 입력된 교류전원의 전류가 입력 스위칭부의 유지 전류 이하인 경우 중 하나일 때 배터리 스위칭부가 동작되어 배터리의 양극 전원을 정류부에 의해 승압한 후 승압된 DC 링크 전압을 인버터로 전달하는 승압 제어를 실행하는 (b) 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게 상기 (b) 단계 이후에 승압된 DC 링크 전압이 과전압인 경우 DC 링크 전압을 배터리로 인가하여 강압 제어를 실행하는 (c) 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 무정전 전원장치의 제어 장치 및 방법에 의하면, 교류 전원을 정류부로 전달하는 입력 스위칭부와 연동하여 구동되고 정격 용량의 배터리 전원을 방전하는 배터리 스위칭부를 배터리 출력단에 설치하고 상기 교류 전원을 배터리로 충전하는 충전부를 추가로 구비함에 따라, 기존의 배터리 충방전 기능을 수행하는 DC/DC 컨버터를 제거되어 무정전 전원장치의 제조 공정 및 제조 단가를 낮출 수 있으며 아울러 무정전 전원장치의 경박단소화가 가능한 이점을 가진다.
본 발명에 의하면, 승압된 DC 링크 전압의 과전압 변동 시 승압된 DC 링크 전압을 배터리로 전달하도록 배터리 스위칭부를 스위칭함에 따라, DC 링크 전압을 안정화시킬 수 있는 효과를 얻는다.
본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 일반적인 무정전 전원장치의 구성을 보인 도이다
도 2는 본 발명의 무정전 전원장치의 제어장치의 구성을 보인 도이다.
도 3은 본 발명의 무정전 전원장치의 제어 장치의 세부적인 구성을 보인 도이다.
도 4는 본 발명의 무정전 전원장치의 제어 장치에 공급되는 제어부의 제어 신호를 보인 파형도이다.
도 5는 본 발명의 무정전 전원장치의 입력 교류 전원의 음의 구간 반주기 및 양의 구간 반주기에서 전류의 흐름을 보인 도들이다.
도 6은 본 발명의 무정전 전원장치의 제어 장치의 배터리 방전 전원 승압 실행 시 각 모드 별 전류의 흐름을 보인 도들이다.
도 7은 본 발명의 무정전 전원장치의 제어 장치의 DC 링크 전압 강압 실행 시 각 모드 별 전류의 흐름을 보인 도들이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 무정전 전원장치가 제어 과정을 보인 흐름도이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 잇점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 도면에 기재된 내용을 참조하여야 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
본 발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
한편, 본 발명에서 제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소들과 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 제1구성요소는 제2구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2구성요소는 제1구성요소로도 명명될 수 있다.
어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다거나 "접속되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다거나 또는 "직접 접촉되어"있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하기 위한 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 인접하는"과 "~에 직접 인접하는"등의 표현도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서 "포함한다" 또는 "가지다"등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 실시 예에서 설명 상의 편의를 위해 3상의 3레벨의 무정전 전원장치를 일례로 설명하고자 하나 이에 국한되지는 아니한다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 무정전 전원장치의 제어 장치의 구성을 보인 도이고, 도 3은 도 2에 도시된 무정전 전원장치의 제어 장치의 세부적인 구성을 보인 도이다. 도 2 및 도 3를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 무정전 전원장치의 제어 장치는, 교류 전원을 정류부로 전달하는 입력 스위칭부와 연동하여 구동되어 정격 용량의 배터리 전원을 방전하는 배터리 스위칭부를 배터리 출력단에 설치하고 교류 전원을 배터리의 충전기능을 가지는 충전부를 구비되고, 이러한 제어 장치(S)는, 입력 스위칭부(100), 정류부(200) 및 충전부(250), DC 링크부(300), 인버터(400), 배터리(500), 배터리 스위칭부(600), 및 제어부(700)를 포함한다.
여기서, 입력 스위칭부(100)는, 일단은 교류 전원(AC)의 출력단에 연결되고 타단은 입력 리액터(L)에 연결되어 교류 전원(AC)을 입력 받는다. 즉, 입력 스위칭부(100)는 정상 모드 시 제어부(700)의 제어 신호에 따라 온상태로 스위칭되어 입력된 교류 전원(AC)을 통과시켜 입력 리액터(L)를 통해 정류부(200)로 전달하도록 구비된다. 이때 입력 스위칭부(100)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 제어부(700)의 제어 신호에 따라 스위칭하는 3 상의 양방향 스위치 소자로 구비되며, SCR 소자(T1, T2, T3)로 마련된다.
한편, 정류부(200)의 일단은 3상의 코일로 구비된 입력 리액터(L1, L2, L3)의 출력단에 일단이 연결되고 타단은, DC 링크부(300)에 연결되어 입력 리액터(L)을 통과한 교류 전원을 입력 받는다. 정류부(200)는 교류 전원을 직류 전원으로 변환시키기 위한 하나 이상의 스위칭 소자(201)와 상기 스위칭 소자(201)의 양단에 마련된 프리 휠링(free wheeling)용 다이오드(202)를 포함할 수 있다.
하나 이상의 스위칭 소자(201)는 DC 링크부(300)의 포지티브 단자와 입력 리액터의 출력단 사이에 연결되는 상단 스위칭 소자(203)와 DC 링크부(300)의 네거티브 단자와 입력 리액터의 출력단 사이에 연결되는 하단 스위칭 소자(205)로 분류할 수 있다. 여기서, 하나 이상의 스위칭 소자(201) 수는 3 개로 구비된다.
아울러, 정류부(200)는, 상단 스위칭 소자(203)과 하단 스위칭 소자(205) 사이에 연결되어 하나 이상의 스위칭 소자(201)의 교류전원을 통과시키는 스위칭 소자(211)와, 상기 스위칭 소자(211)의 양단에 마련된 프리 휠링(free wheeling)용 다이오드(213)를 포함할 수 있다. 하나 이상의 스위칭 소자(211)는 일단이 상단 스위칭 소자(203)의 출력단에 연결되고, 타단이 DC 링크부(300)에 연결되어 하나 이상의 스위칭 소자(201)에 의해 변환된 교류전원을 입력받아 통과시킨다. 즉, 제어부(700)로부터 생성된 제어 신호에 따라 스위칭되는 상단 스위칭 소자(203), 및 하단 스위칭 소자(205), 스위칭 소자(211)에 의해 교류 전원의 일부 파형만을 선택하여 펄스 파형의 직류 전력으로 변환하게 되는데, 이에 따라 교류 전원은 위상 제어에 따라 3 레벨로 세분화된 직류 전원으로 변환된다
한편, DC 링크부(300)는 캐패시터(C1, C2)로 이루어지고 정상 구동 시 정류부(200)의 승압된 직류 전원을 입력 받고 정전 시 배터리(500)의 방전 전원을 입력 받아 인버터(500)로 전달하도록 구비될 수 있으며, 이에 DC 링크부(300)의 DC 링크 전압은 인버터(500)로 전달된다.
그리고, 인버터(400)는 정류부(200)의 직류 전력이 인가되는 DC 링크부(300)에 연결되어 다수의 스위칭 소자(S7-S12, S7'-S12') 및 프리 휠링용 다이오드로 구비되며, 3 레벨의 PWM 제어 신호로 DC 링크 전압을 제공받아 교류 전력으로 변환하여 부하로 전달하는 기능을 수행하는 바, 본 발명의 실시 예에 따른 3 레벨의 인버터의 동작 과정은 통상적인 3 레벨의 인버터의 일련의 과정과 동일 또는 유사하다
한편, 배터리 스위칭부(600)는 배터리(500)와 입력 스위칭부(100) 사이에 접속되며, SCR의 양방향 스위칭 소자(T4, T5, T6)(T4', T5', T6')로 구비된다.
배터리 스위칭부(600)는 입력 스위칭부(100)와 연동되어 스위칭되며, 정상 동작 시 입력 스위칭부(100)가 턴온 상태로 스위칭될 때 배터리 스위칭부(600)는 턴오프 상태로 스위칭되고, 입력 스위칭부(100)가 턴오프 상태로 스위칭될 때 기 정해진 판단 기준시간(8.33ms)이 경과 후 턴온 상태로 스위칭된다.
이하에서 도 4 및 도 5를 참조하여 상기 입력 스위칭부(100)가 차단되고 배터리 스위칭부(600)의 동작되는 일련의 과정을 구체적으로 설명한다.
도 4는 입력 스위칭부(100) 및 배터리 스위칭부(600)에 공급되는 제어부(700)로부터 생성된 제어 신호를 도시한 도로서, 도 4를 참조하면, c시점에서 a, b, c상 입력 스위칭부(100)의 제어 신호가 중지되었을 때 a상 입력 스위칭부(100)에 역전압이 걸리는 시점은 d 시점이 되고, b상 입력 스위칭부(100)에 역전압이 걸리는 시점은 f가 되고, c상 입력 스위칭부(100)에 역전압이 걸리는 시점은 h가 된다.
한편, 각 상의 입력 스위칭부(100)에 공급되는 제어 신호가 중지되고 실제 입력 스위칭부(100)의 SCR 소자가 차단되기까지 걸리는 최대시간은 제어 신호의 교류입력전압의 반주기이며 60Hz 교류 전원이 입력되는 경우 판단 기준시간은 약 8.33ms이고, 50Hz 교류 전원이 입력되는 경우 10ms가 된다.
도 5의 (a)는 입력 스위칭부(100)와 배터리 스위칭부(600)가 동시에 동작될 때 흐르는 단락 전류를 보인 도면으로서, 예를 들어 입력 스위칭부(100)가 동작하는 상태에서 정전이 발생하고 반주기가 경과되지 않은 시점에서 배터리 스위칭부(600)의 양방향 스위칭 소자(T4)이 차단상태이고 양방향 스위칭 소자(T4')가 동작되는 경우 입력교류(AC)은 입력 스위칭부(100)의 양방향 스위칭 소자(T1)과 배터리 스위칭부(600)의 양방향 스위칭 소자(T4')가 동시에 도통하는 기간이 발생하며 기간 동안 Va +Vbat - Vc1만큼의 단락 전압에 의해 단락전류가 발생됨을 알 수 있다.
이때 입력 스위칭부(100)가 턴오프 상태로 스위칭되어 교류 전원의 공급 차단된 후 판단 기준 시간 동안 정류부(200)는 아무런 에너지원이 접속되지 않게 되므로 DC링크부(300)의 캐패시터(C1, C2)만이 유일한 에너지원이 부하에 의하여 방전되며, 방전 시간은 다음 식 1 및 2로부터 도출된다.
Figure 112015088630195-pat00001
.. 식 1
Figure 112015088630195-pat00002
...식 2
여기서 100kVA용량의 무정전 전원장치에서 DC 링크부(300)에 설치되는 캐패시터(C1,C2)의 용량은
Figure 112015088630195-pat00003
정도이며, 정격 용량이 증가 할수록 캐패시터의 용량 또한 비례적으로 증가한다. 100kVA용량에 대해 역률 0.8, 효율 95%를 적용하면 약84kW가 되며, 이때 등가부하저항은 약
Figure 112015088630195-pat00004
정도로 산출된다.
이에 식 1에 상기 캐패시터 용량과 등가부하저항을 대입하면 입력 스위칭부(100)가 오프된 후 판단 기준시간(8.33ms)이 경과되는 시점까지 DC 링크 전압은 약 719V이고, 식 2에 상기 캐패시터 용량과 등가부하저항을 대입하면 인버터가 정상적인 교류출력전압을 발생시키기 위해 필요한 최소전압인 650V까지 경과되는 방전 시간은 29ms이다.
따라서, 도출된 방전 시간(29 ms)에 의해 DC 링크부(300)의 캐패시터 전압이 판단 기준 시간(8.33ms)동안 방전하여도 부하에 전력이 공급하기에 충분함을 알 수 있다.
즉, 따라서 입력 스위칭부(100)가 꺼진 후 판단 기준 시간(8.33ms)가 경과된 후 배터리 스위칭부(600)가 약 20ms의 여유가 있으며, 약 20 ms동안 배터리 방전 전압을 부하의 에너지로 재 공급하기 충분한 시간 임을 알 수 있다.
결국 판단 기준시간(8.33ms)가 경과된 후 배터리 스위칭부(600)가 동작되어도 입력교류전원(AC)과 배터리(500) 간 순환 전류가 발생하지 않으며, 인버터(400)가 부하에 전력을 공급하는데 필요한 에너지가 DC 링크 전압으로 충분히 확보하고 있음을 알 수 있다.
또한, 도 5의 (b)는 입력전압이 음의 구간 반주기내에서 배터리 스위칭부(600)의 양방향 스위칭 소자(T4)가 차단된 상태이므로, 음의 구간에서는 전술한 단락 전압 및 전류가 발생되지 아니함을 알 수 있다.
도 5의 (a)에 도시된 바와 같이, 입력 교류 전압이 양의 반주기 내에서 입력 스위칭부(T1)과 배터리 스위치(T4')가 동시에 도통되는 시간 동안의 단락 전류로 인해 무정전 전원장치의 손상되지 않도록 입력 스위칭부(100)가 턴오프 상태로 스위칭된 후 기 정해진 판단 기준 시간(8.33ms)을 경과하여 배터리 스위칭부(600)의 양방향 스위칭 소자(T4')가 턴온 상태로 스위칭 제어되어야 한다. 한편, 제어부(700)는 게이트 드라이버 또는 마이크로 컨트롤 유닛(MCU)으로 이루어질 수 있으며, 입력 스위칭부(100), 정류부(200), 및 인버터(400)를 제어할 수 있다.
본 발명의 실시 예에서 제어부(700)는 설명 상의 편리를 위해, 판단 기준 시간을 기 정해진 시간(8.33ms)으로 설정되는 것을 일 례로 설명하고 있으나, SCR 소자 양단 유지 전류를 토대로 배터리 스위칭부(600)가 턴오프 상태로 스위칭될 수 있다. 즉, 또한, 입력 스위칭부(100)가 턴오프 상태로 스위칭된 후 입력된 교류 전원의 전류가 SCR 소자의 유지 전류 이하일 때 배터리 스위칭부(600)의 양방향 스위칭 소자(T4')가 턴온 상태로 스위칭 제어된다.
이하에서 도 6은 도 2에 도시된 무정전 전원공급장치에서 정전 시 배터리 방전 전원이 인버터로 공급되는 전류의 흐름을 보인 도들로서, 도 6의 (a)(b)는 DC 링크의 포지티브 단자에 배터리 양극 전원이 연결된 상태의 승압 과정을 보인 도이고, (c)(d)는 DC 링크의 네거티브 단자에 배터리 음극 전원이 연결된 무정전 전원장치의 승압 과정을 보인 도이다.
즉, 도 6의 (a)(b)에 도시된 바와 같이, 리액터 축전 모드에서 배터리의 양극 전원이 정류부(200) 및 배터리 스위칭부(600)를 통과하여 배터리(500)로 전달되도록 입력 스위칭부(100)의 양방향 스위칭소자(T1, T2, T3) 및 배터리 스위칭부(600)의 양방향 스위칭 소자(T4, T5, T6)는 차단되고 배터리 스위칭부(600)의 양방향 스위칭 소자(T4', T5', T6')는 동작되도록 구비되고, DC 링크 충전 모드 시 배터리(500)의 양극 전원이 DC 링크부(300) 및 정류부(200)를 통과한 후 배터리 스위칭부(600)를 통해 배터리로 전달되도록 구비된다.
여기서, 리액터 축전 모드는 정전 시 배터리가 정류부(200)에 의해 승압되는 상태를 의미하고, DC 링크 충전 모드는 승압된 정류부(200)의 리액터 축전 전원과 배터리 전원이 DC 링크부에 충전하는 상태를 의미한다.
즉, (a)를 참조하면, 리액터 축전 모드에서 배터리(500)의 양극(+) 전원은 정류부(200)의 상단 스위칭 소자(203) 및 배터리 스위칭부(600)의 양방향 스위칭 소자(T4', T5', T6')를 통과하여 배터리(500)로 전달된다. 이때 상단 스위칭 소자(203)는 온이되고 하단 스위칭 소자(205)는 오프가 되며, 배터리 스위칭부(600)의 양방향 스위칭 소자(T4, T5, T6)는 차단된다. 이때 상단 스위칭 소자(203)는 온(on) 되고 하단 스위칭 소자(205)는 오프(off)된다.
또한 (b)를 참조하면, DC 링크 충전 모드에서 배터리(500)의 양극(+) 전원은 DC 링크부(300) 및 정류부(200)의 하단 스위칭소자(205)를 경유한 후 배터리 스위칭부(600)의 양방향 스위칭 소자(T4', T5', T6')를 통과하여 배터리로 전달됨에 따라 승압된 배터리(500)의 양극 전원은 DC 링크부(300)에 충전된다. 이때 상단 스위칭 소자(203)는 오프(off) 되고 하단 스위칭 소자(205)는 프리 휠링용 다이오드가 도통 된다.
한편, (c)를 참조하면, 리액터 축전 모드에서 배터리의 양극 전원이 배터리 스위칭부(600) 및 정류부(200)의 하단 스위칭 소자(205)를 통과하여 배터리(500)로 전달되도록 입력 스위칭부(100)의 양방향 스위칭소자(T1, T2, T3) 및 배터리 스위칭부(600)의 양방향 스위칭 소자(T4, T5, T6)는 차단되고 배터리 스위칭부(600)의 양방향 스위칭 소자(T4', T5', T6')는 동작된다. 이때 상단 스위칭 소자(203)는 오프(off) 되고, 하단 스위칭 소자(205)는 온(on) 된다.
(d)를 참조하면, DC 링크 충전 모드 시 배터리(500)의 양극 전원이 배터리 스위칭부(600)와 정류부(200)의 상단 스위칭 소자(203)를 경유한 후 DC 링크부(300)로 전달되도록 배터리 스위칭부(600)의 양방향 스위칭 소자(T4', T5', T6')가 동작된다. 이때 하단 스위칭 소자(205)는 오프(off) 되고 상단 스위칭 소자(203)는 프리 휠링용 다이오드가 도통 된다.
이에 따라 입력교류전원(AC)은 정전 시 입력 스위칭부(100)와 배터리 스위칭부(600)의 양방향 스위칭 소자(T4, T5, T6)은 오프되고 배터리 스위칭부(600)의 양방향 스위칭 소자(T4', T5', T6')가 동작되므로, 입력교류전원(AC)이 정상 동작 시에 입력역률제어와 DC링크전압제어로 운전하던 정류부(200)의 하나 이상의 스위칭 소자(201)는 모두 오프 상태로 유지한 후 기 설정된 판단 기준 시간 경과되면 상단 스위칭 소자(203) 및 배터리 스위칭부(600)의 양방향 스위칭 소자(T4', T5', T6')에 의해 승압 모드를 활성화되고 배터리 전압을 승압하여 DC 링크부(300)의 캐패시터(C1, C2)에 충전된다.
본 발명의 실시 예에 의하면, 교류 전원을 정류부로 전달하는 입력 스위칭부와 연동하여 구동되어 정격 용량의 배터리 전원을 방전하는 배터리 스위칭부를 배터리 출력단에 설치하고 교류 전원을 충전하는 충전부를 추가로 구성함에 따라 기존의 배터리 충방전 기능을 수행하는 DC/DC 컨버터를 제거함에 따라 무정전 전원장치의 제조 공정 및 제조 단가를 낮출 수 있다.
이하에서 도 7을 참조하여, DC 링크 전압이 과전압 변동 시 DC 링크 전압을 안정화하는 일련의 과정을 설명한다.
즉, 정전 시 정류부(200)가 배터리 승압된 DC 링크 전압으로 부하의 운전 중 부하의 급감으로 인해서 일시적으로 DC링크 전압이 상승되면, DC 링크 전압에 의해 구동되는 DC 링크부(300)의 캐패시터 및 인버터(400)의 하나 이상의 스위칭 소자가 손상되므로, DC 링크 전압은 일정전압 이하로 제어되어야 한다.
도 7은 정전 시 부하의 급감으로 인해 상승된 DC 링크 전압을 제어하기 위한 강압 모드의 실행 시 전류의 흐름을 보인 도들로서, 도 7의 (a)(b)는 DC 링크의 포지티브 단자에 배터리 양극 전원이 연결된 무정전 전원장치의 강압을 실행하는 전류 흐름을 보인 도이고, (c)(d)는 DC 링크부의 네거티브 단자에 배터리 음극 전원이 연결된 무정전 전원장치의 강압을 실행하는 전류 흐름을 보인 도이다.
여기서, 강압 모드는 정전 중 DC 링크 전압을 제어하기 위해 DC 링크 전압을 배터리로 강압하는 상태를 의미하고, 강압 제어 시 환류 모드는 리액터에 축적된 전압의 환류 상태를 의미한다.
즉, (a)의 강압 모드에서 배터리의 음극 전원이 배터리 스위칭부(600) 및 정류부(200)의 하단 스위칭 소자(203)를 경유한 후 DC 링크부(300)에 의해 배터리(500)로 전달되도록 배터리 스위칭부(600)의 양방향 스위칭 소자(T4, T5, T6)는 동작되고, (b)의 환류 모드에서 배터리 음극 전원이 배터리 스위칭부(600) 및 정류부(200)의 상단 스위칭 소자(205)를 경유한 후 배터리(500)로 전달되도록 배터리 스위칭부(600)의 양방향 스위칭 소자(T4, T5, T6)는 동작되도록 구비된다. 이때 입력 스위칭부(100) 및 배터리 스위칭부(600)의 양방향 스위칭 소자(T4', T5', T6')은 차단된다.
이에 따라, (a)를 참조하면, 강압 모드에서 배터리의 음극 전원이 배터리 스위칭부(600) 및 정류부(200)를 경유한 후 DC 링크부(300)에 의해 배터리(500)로 전달되므로, 과전압의 DC 링크 전압은 배터리(500)에 의해 강압된다.
또한, (b)를 참조하면, 환류 모드에서 배터리 음극 전원이 배터리 스위칭부(600) 및 정류부(200)를 경유한 후 배터리(500)로 전달된다. 이에 따라 DC 링크 전압은 일정 전압으로 안정화된다.
한편, (c)는 강압 모드에서 배터리의 음극 전원이 DC 링크부(300)와 정류부(200)의 상단 스위칭 소자(203)를 경유한 후 배터리 스위칭부(600)에 의해 배터리(500)로 전달되도록 배터리 스위칭부(600)의 양방향 스위칭 소자(T4, T5, T6)는 동작되고, (d)의 환류 모드에서 배터리 음극 전원이 배터리 스위칭부(600) 및 정류부(200)의 하단 스위칭 소자(205)를 경유한 후 배터리(500)로 전달되도록 배터리 스위칭부(600)의 양방향 스위칭 소자(T4, T5, T6)는 동작되도록 구비된다. 이때 입력 스위칭부(100) 및 배터리 스위칭부(600)의 양방향 스위칭 소자(T4', T5', T6')은 차단된다.
이에 따라, (c)를 참조하면, 강압 모드에서 배터리의 음극 전원이 배터리 스위칭부(600) 및 정류부(200)를 경유한 후 DC 링크부(300)에 의해 배터리(500)로 전달되므로, 과전압의 DC 링크 전압은 배터리(500)에 의해 강압된다.
또한, (d)를 참조하면, 환류 모드에서 배터리 음극 전원이 배터리 스위칭부(600) 및 정류부(200)를 경유한 후 배터리(500)로 전달된다. 이에 따라 DC 링크 전압은 일정 전압으로 안정화된다.
즉, DC 링크 전압의 과전압 변동 시 배터리 스위칭부(600)의 양방향 스위칭 소자(T4, T5, T6)는 동작되고, 양방향 스위칭 소자(T4', T5', T6')은 차단되므로, DC 링크부(300)가 강압모드로 활성화되어 DC링크의 과전압은 배터리(500)로 흡수됨을 알 수 있다.
이에 따라, 정전 시 승압된 DC 링크 전압이 과전압 변동 시 승압된 DC 링크 전압을 배터리로 전달함에 따라 DC 링크 전압의 과전압 변동 시 DC 링크 전압을 안정화시킬 수 있게 된다.
한편, 교류 전원을 정류부로 전달하는 입력 스위칭부와 연동하여 구동되어 정격 용량의 배터리 전원을 방전하는 과정과 DC 링크 전압의 과전압을 제어하는 일련의 과정은 도 8을 참조하여 설명한다.
도 8은 도 2에 도시된 무정전 전원장치의 제어 장치의 동작 과정을 보인 흐름도로서, 도 8을 참조하여 본 발명의 다른 실시 예에 따른 무정전 전원장치의 제어 과정을 설명한다.
제어부(700)의 제어 하에서 외부로부터 입력된 교류 전원(AC)은 온 상태의 입력 스위칭부(100), 정류부(200), DC 링크부(300), 및 인버터(400)를 경유하여 부하로 전달되어 교류 전원에 의해 부하가 구동된다(S1, S2, S3).
제어부(700)는 부하의 정상 운전 중 정전 발생 시 입력 스위칭부(100)는 오프 상태로 스위칭하고 기 정해진 판단 기준 시간이 경과한 경우 배터리 스위칭부(600)를 온 상태로 스위칭한다(S4-S7).
한편 제어부(700)는 단계(S6)의 판단 결과 기 정해진 판단 기준 시간이 경과되지 아니하고 입력교류전원의 전류값이 입력 스위칭부(100)의 유지 전류 이하로 감소하였는 지를 판단하고 판단 결과 입력교류전원의 전류값이 입력 스위칭부(100)의 유지 전류 이하로 감소한 경우 배터리 스위칭부(600)를 온 상태로 스위칭하는 단계(S7)로 전달된다(S8). 단계(S8)에서 입력 스위칭부(100)의 유지 전류 이하로 감소하지 아니한 경우 단계(S5)로 진행한다.
이에 따라 상기 배터리의 방전 전원은 정류부(200)에 의해 승압되고 승압된 DC 링크 전압은 인버터(400)를 통해 부하로 전달된다(S9)
이에 따라 교류 전원을 충전부에 의해 배터리로 충전하고 교류 전원을 정류부로 전달하는 입력 스위칭부와 연동하여 배터리 스위칭부를 스위칭함에 따라 정전 시 배터리의 방전 전원이 정류부에 의해 승압되고 승압된 DC 링크 전압이 부하로 제공됨에 따라 기존의 충방전 기능을 수행하는 DC/DC 컨버터를 제거되어 무정전 전원장치의 제조 공정 및 제조 단가를 낮출 수 있으며 아울러 무정전 전원장치의 경박단소화가 가능하다.
한편, 제어부(700)는 단계(S8)의 실행 중 DC 링크 전압이 과전압인 경우 배터리의 음극 전원은 온 상태로 스위칭된 배터리 스위칭부(600)를 경유하여 정류부(200)에 전달되므로 DC 링크 전압은 강압된다(S10, S11).
이 후 제어부(700)는 교류 전원이 복원되었는 지를 판단하고 교류 전원이 복원된 경우 단계(S2)로 진행하고, 복원되지 아니한 경우 단계(S9)로 진행한다.
이에 따라 정전 시 승압된 DC 링크 전압이 과전압 변동 시 승압된 DC 링크 전압을 배터리로 전달함에 따라 DC 링크 전압의 과전압 변동 시 DC 링크 전압을 안정화시킬 수 있다.
지금까지 본 발명을 바람직한 실시 예를 참조하여 상세히 설명하였지만, 본 발명이 상기한 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 또는 수정이 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 사상이 미친다 할 것이다.
교류 전원을 정류부로 전달하는 입력 스위칭부와 연동하여 구동되고 정격 용량의 배터리 전원을 방전하는 배터리 스위칭부를 배터리 출력단에 설치하고 상기 교류 전원을 배터리로 충전하는 충전부를 추가로 구비함에 따라, 기존의 배터리 충방전 기능을 수행하는 DC/DC 컨버터를 제거되어 무정전 전원장치의 제조 공정 및 제조 단가를 낮출 수 있으며 아울러 무정전 전원장치의 경박단소화가 가능하고, 승압된 DC 링크 전압의 과전압 변동 시 승압된 DC 링크 전압을 배터리로 전달하도록 배터리 스위칭부를 스위칭함에 따라 DC 링크 전압을 안정화시킬 수 있는 무정전 전원장치의 제어 장치 및 방법에 대한 운용의 정확성 및 신뢰도 측면, 더 나아가 성능 효율 면에 매우 큰 진보를 가져올 수 있으며, 무정전 전원장치의 시판 또는 영업의 가능성이 충분할 뿐만 아니라 현실적으로 명백하게 실시할 수 있는 정도이므로 산업상 이용가능성이 있는 발명이다.

Claims (11)

  1. 제어부로부터 제공받은 제어 신호에 따라 스위칭되어 교류 전원을 통과시키는 입력 스위칭부;
    상기 입력 스위칭부를 통과한 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 정류부;
    상기 정류부를 링크시키는 DC 링크부;
    상기 DC 링크부의 DC 링크 전압을 교류 전력으로 변환하여 부하로 전달하는 인버터; 및
    상기 입력 스위칭부, 상기 정류부와 상기 인버터를 제어하기 위한 제어 신호를 생성하여 전달하는 제어부를 포함하고,
    상기 입력 스위칭부와 연동하여 스위칭되고 정전 시 배터리의 방전 전압을 승압하고 승압된 DC 링크 전압을 인버터를 경유하여 부하에 전달하도록 스위칭하는 배터리 스위칭부; 및
    교류 전원을 전달받아 배터리에 충전하는 충전부를 더 포함하며.
    상기 배터리 스위칭부는
    부하의 운전 중 부하의 급감으로 인해서 일시적으로 DC 링크 과전압 시 배터리의 음극 전원을 상기 정류부를 통해 배터리로 전달하는 양방향 스위칭 소자로 구비되며,
    배터리의 음극 전원이 배터리 스위칭부 및 정류부의 하단 스위칭 소자를 경유한 후 DC 링크부에 의해 배터리로 전달되도록 상기 양방향 스위칭 소자가 동작되어 승압된 DC 링크 전압의 과전압 변동 시 배터리 음극 전원이 정류부를 경유하여 배터리로 전달되어 DC 링크 과전압이 배터리에 의해 강압하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 무정전 전원장치의 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 입력 스위칭부는
    상기 제어부로부터 제공받은 제어 신호에 따라 온 상태로 스위칭되어 정상 동작 시 교류 전원을 통과시켜 상기 정류부로 전달하는 양방향 스위치 소자로 구비 하는 것을 특징으로 하는 무정전 전원장치의 제어 장치.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 상기 배터리 스위칭부는,
    정전 시 상기 입력 스위칭부가 오프 상태로 스위칭된 후 설정된 판단기준시간이 경과한 경우 온 상태로 스위칭하도록 구비 하는 것을 특징으로 하는 무정전 전원장치의 제어 장치.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서, 상기 배터리 스위칭부는
    정전 시 승압된 DC 링크 전압을 인버터로 제공하기 위해 리액터 축전 모드에서 배터리의 양극 전원이 정류부를 경유하여 승압된 후 배터리로 전달되도록 스위칭하고,
    DC 링크 충전 모드에서 배터리의 양극 전원이 DC 링크부 및 정류부를 경유하여 배터리로 전달되도록 스위칭하는 것을 특징으로 하는 무정전 전원장치의 제어 장치.
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서, 상기 배터리 스위칭부는,
    강압 모드에서 배터리의 음극 전원이 정류부 및 DC 링크부를 경유하여 배터리로 전달되도록 스위칭하고, 환류 모드에서 강압된 배터리의 음극 전원이 정류부를 경유하여 배터리로 전달되도록 스위칭하는 것을 특징으로 하는 무정전 전원장치의 제어 장치.
  10. 입력 스위칭부를 통과한 교류 전원을 정류부 및 인버터를 통과하여 부하로 전달하는 (a) 단계;
    정전 시 입력 스위칭부가 차단된 후 기 설정된 판단기준시간이 경과한 경우 및 입력된 교류 전원의 전류가 입력 스위칭부의 유지 전류 이하인 경우 중 하나일 때 배터리 스위칭부가 동작되어 배터리의 양극 전원을 정류부에 의해 승압한 후 승압된 DC 링크 전압을 인버터로 전달하는 승압 제어를 실행하는 (b) 단계를 포함하고,
    상기 (b) 단계 이후에
    부하의 운전 중 부하의 급감으로 인해서 일시적으로 승압된 DC 링크 전압이 과전압인 경우 DC 링크 전압을 배터리로 인가하여 강압 제어를 실행하는 (c) 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무정전 전원장치의 제어 방법.
  11. 삭제
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