KR101804469B1 - 각 상 개별제어 기술을 탑재한 3 레그 3상 4선식 인버터를 구비하는 무정전 전원 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 3 레그 3상 4선식 인버터를 구비하는 무정전 전원 장치를 공개한다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무정전 전원 공급 장치는, 무정전 전원 장치의 출력단을 구성하는 인버터로서 3상 4선식 3-Leg 인버터를 채용하고, 전압 제어를 수행함에 있어서, 3상 통합 제어 방식이 아닌, 3상의 각 상마다 독립적으로 제어를 수행하는 별도의 전압 제어 모듈을 구비하여 각 상마다 전압 제어를 수행함으로써, 각 상의 출력단에 연결된 부하에 의한 부하 불평형, 및 이로 인한 각 상간 전압의 불평형을 해소하여 규정 전압 범위의 안정적인 전원을 공급할 수 있다.

Description

각 상 개별제어 기술을 탑재한 3 레그 3상 4선식 인버터를 구비하는 무정전 전원 장치{UPS having 3 Phase 4 wire inverter with 3-leg}
본 발명은 무정전 전원 장치(UPS:Uninterruptible Power Supply)에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 3 레그 3상 4선식 인버터를 구비하는 무정전 전원 장치에 관한 것이다.
각종 정보통신 기기, 방송통신 설비, 철도/항공 설비 및 각종 플랜트의 제어장치와 같은 컴퓨터 기반의 장비들은 정전을 포함한 전원 장애에 취약하며, 이를 보호하기 위해 주로 무정전 전원 장치(UPS:Uninterruptible Power Supply)가 사용된다.
이러한 무정전 전원 장치들은 다양한 구조의 제품들이 상용화 되어 있으나 대표적인 구조는 도 1과 같이 교류입력 측의 AC를 DC로 바꾸는 정류부와 이를 다시 AC로 바꾸는 인버터가 직렬 연결된 On-Line 2중 변환 방식이다. 여기서 인버터는 도 2에 도시된 바와 같이 3상 3-Leg Full Bridge 구조를 가지며 출력에 Δ-Y 변압기를 통해 3상 4선식 전원을 출력하는 구조와 도 3에 도시된 바와 같이 3-Leg Half Bridge 방식의 인버터 구조등 2가지 방식이 사용되고 있으나 최근 무변압기형(Transformer-less) 구조가 일반화됨에 따라 도 3의 방식이 많이 사용되고 있다.
3상4선식 출력을 공급하는 이 인버터는 DC 측에 중성점(Middle Point)을 만들어 교류출력의 중성점과 연결하고 각 상당 2개의 전력용 스위치, 즉, 6개의 스위치로 구성되며, 각 상에는 필터용 리액터를 통해서 3상 4선식 전원에 연결된다.
한편, 3상 전원을 출력하는 인버터의 출력단에는 3상 부하들도 연결되지만, 최근에는 1상 부하들이 연결되는 경우가 많아, 최종적으로 3상 출력 인버터의 경우 출력 3상 전원의 각 상간의 부하 불평형으로 인한 전압 불평형 문제가 발생한다.
이러한 문제점을 해결하기 위한, 도 3에 도시된 종래 기술에서, 인버터를 제어하는 제어기(미도시 됨)는 인버터의 출력 전압 및 전류와 바이패스 전압을 측정하게 된다. 제어기는 측정된 정보로부터 필요한 제어연산을 수행하고, 그 결과에 따라서 인버터에 포함된 전력용 반도체 스위치를 제어하게 된다. 이러한 기존의 3-Leg 3상 4선식 인버터는 각상의 전압을 검출하더라도 결국 평균치로 제어하는 SVM 제어의 한계로 인해, 각 상간의 전압 불평형이 여전히 보상되지 못하는 단점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상술한 바와 같이, 3상 출력단 각각에 연결된 부하들의 차이로 인하여 발생하는, 각 상간 전압의 불평형을 해결할 수 있는 무정전 전원 공급 장치를 제공하는 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무정전 전원 장치는, 상용 전원으로부터 입력되는 교류 전원을 직류 전원으로 정류하여 출력하는 정류부; 상기 정류부에서 출력되는 직류 전원을 이용하여 전기 에너지를 저장하는 축전지; 상기 정류부에서 출력하는 직류 전원 또는 상기 축전지에서 방전되는 직류 전원을 3상 교류 전원으로 변환하여 출력하는 인버터; 및 상기 인버터에서 출력되는 3상 교류 전원이, 각 상마다 개별적으로 제어되도록 상기 인버터에 포함된 스위칭 소자를 제어하는 제어 신호를 출력하는 인버터 제어기;를 포함한다.
또한, 상기 인버터 제어기는, 상기 인버터에서 출력되는 각 상의 전압의 크기 및 주파수를 제어하는 전압 제어신호를 출력하는 전압 제어부; 및 상기 전압 제어신호를, 상기 인버터에 포함된 3레그의 각 스위칭 소자들의 온/오프를 제어하는 PWM 신호로 변환하는 SVPWM부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 전압 제어부는, 기준 주파수를 각속도로 변환한 후 적분하여 내부 위상각(θ_int)을 생성하는 내부 위상각 생성수단; 상기 인버터에서 출력하는 제 1 상 전압(V_an)과 상기 내부 위상각(θ_int)을 입력받고, 제 1 상 출력 전압을 제어하기 위한 보상기준전압 Va*을 상기 제 1 상 전압을 제어하는 전압 제어신호로서 출력하는 제 1 상 전압 제어 모듈; 상기 인버터에서 출력하는 제 2 상 전압(V_bn)과 상기 내부 위상각(θ_int)을 입력받고, 제 2 상 출력 전압을 제어하기 위한 보상기준전압 Vb*을 상기 제 2 상 전압을 제어하는 전압 제어신호로서 출력하는 제 2 상 전압 제어 모듈; 및 상기 인버터에서 출력하는 제 3 상 전압(V_cn)과 상기 내부 위상각(θ_int)을 입력받고, 제 3 상 출력 전압을 제어하기 위한 보상기준전압 Vc*을 상기 제 3 상 전압을 제어하는 전압 제어신호로서 출력하는 제 3 상 전압 제어 모듈;을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제 1 상 전압 제어 모듈, 상기 제 2 상 전압 제어 모듈, 및 상기 제 3 상 전압 제어 모듈 각각은, 상기 인버터에서 출력되는 해당 상의 출력 전압을 입력받고, 90도 위상이 지연된 상 전압의 α,β 성분을 출력하는 전역통과필터; 상기 전역통과필터로부터 α,β 성분을 입력받고, 상기 내부 위상각 생성수단으로부터 상기 내부 위상각을 입력받아, 회전 동기 좌표계 변환을 수행하여 해당 상의 전압 피크치를 나타내는 q축 전압 성분을 출력하는 회전 동기 좌표계 변환부; 및 해당 상의 q축 전압 성분과 해당 상의 전압기준치의 오차를 이용하여 보상기준전압을 계산하여 전압 제어신호로서 출력하는 전압 제어기를 포함할 수 있다.
또한, 상기 인버터 제어기는, 상기 인버터의 출력 전원을 상기 정류부의 입력단으로 공급하는 회생식 부하 시험 모드에서, 상기 인버터에서 출력되는 전류를 제어하는 전류 제어신호를 출력하는 전류 제어부; 및 상기 무정전 전원 장치의 운전 모드에 따라서 상기 전류 제어부에서 출력되는 상기 전류 제어신호 또는 상기 전압 제어부에서 출력되는 상기 전압 제어신호를 선택적으로 출력하는 절환부를 더 포함하고, 상기 SVPWM부는 상기 전류 제어신호 또는 상기 전압 제어신호를, 상기 인버터에 포함된 3레그의 각 스위칭 소자들의 온/오프를 제어하는 PWM 신호로 변환하여 출력할 수 있다.
또한, 상기 전류 제어부는, 바이패스 회로의 입력단에 연결된 상용 전원의 위상과 동기화된 위상 정보를 출력하는 위상 고정 루프; 상기 위상 고정 루프에서 출력되는 위상각 정보를 이용하여, 상기 인버터의 각 상의 출력전류를 직류성분인 d축 및 q축 전류로 변환하여 출력하는 회전동기 좌표계 변환부; 및 상기 회전 동기 좌표계 변환부로부터 입력된 d축 및 q축 전류를 전류기준신호(I_dqe*)와 비교하고, 연산을 수행하여 각 상의 출력 기준 전압을 제어신호로서 생성하는 전류 제어기;를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무정전 전원 장치는, 바이패스 회로의 입력단과 부하 사이에 설치되어, 스위치 온되면 상용 전원을 바이패스 회로를 통해서 부하로 직접 전달하는 바이패스 스위치; 및 상기 인버터의 출력단과 부하 사이에 설치되어, 스위치 온되면 상기 인버터의 출력단과 부하 사이를 전기적으로 연결시키는 인버터 출력 스위치를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 인버터 제어기는, 정상 운전 모드 또는 축전기 방전 모드에서 동작하던 중에 인버터 고장 또는 과부하가 발생한 경우, 상기 인버터 출력 스위치를 스위치 오프시키고 상기 바이패스 스위치를 스위치 온시켜, 상기 무정전 전원 장치가 바이패스 모드에서 상기 바이패스 회로를 통해서 상용 전원을 부하로 직접 전달하도록 제어할 수 있다.
또한, 상기 인버터 제어기는, 회생식 부하 시험 모드에서, 상기 바이패스 스위치 및 상기 인버터 출력 스위치를 동시에 온 시켜, 상기 인버터의 출력 전력이 상기 바이패스 스위치를 통해서 상기 정류부의 입력단으로 회생되어 공급되도록 할 수 있다.
본 발명은 무정전 전원 장치의 출력단을 구성하는 인버터로서 3상 4선식 3-Leg 인버터를 채용하고, 전압 제어를 수행함에 있어서, 3상 통합 제어 방식이 아닌, 3상의 각 상마다 독립적으로 제어를 수행하는 별도의 전압 제어 모듈을 구비하여 각 상마다 전압 제어를 수행함으로써, 각 상의 출력단에 연결된 부하에 의한 부하 불평형, 및 이로 인한 각 상간 전압의 불평형을 해소하여 규정 전압 범위의 안정적인 전원을 공급할 수 있다.
도 1은 무정전 전원장치(UPS) 구동 방식 중 대표적인 On-line 2중 변환 방식의 구성 예를 도시하는 도면이다.
도 2는 종래 기술에 따른 출력의 Δ-Y 변압기를 통해 3상 4선식 출력을 제공하는 3상 3-Leg 구조 인버터의 구성을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 제어기법을 적용하기 위한 3상 3-Leg 인버터의 전력 회로 구성을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무정전 전원 장치의 전체 구성의 일 예를 도시하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라서 3상 3-Leg 인버터의 각 상을 개별 제어 방식으로 제어하는 인버터 제어기의 세부 구성의 일 예를 도시하는 도면이다.
도 6 내지 도 8은 발명의 바람직한 실시예에 따른 무정전 전원 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무정전 전원 장치의 전체 구성의 일 예를 도시하는 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 3상 4선식 3 레그 인버터를 내장하는 무정전 전원 장치(UPS)는, 입력단에 연결된 상용 전원 또는 디젤 발전기 등(이하 "상용 전원"으로 통칭함)으로부터 입력되는 교류 전원을 직류로 변환하는 정류부(105), 배터리(축전지)와 DC Link를 연결하는 배터리 컨버터(106), 직류단에서 DC Middle Point를 만들어 교류입력 측 및 교류 출력 측의 중성점과 연결되는 직류 평활 콘덴서부(107), DC Link와 연결되어 인버터 제어기(203)의 제어에 따라서 정류부(105)로부터 출력되는 직류 전원 또는 축전지로부터 출력되는 직류 전원을 교류로 변환하여 출력하는 인버터(108), 인버터(108)의 출력단에 배치되는 필터부(110,111), 인버터(108)와 필터부(110,111) 사이에 배치되어 인버터(108)에서 출력하는 각 상의 전류를 측정하는 전류 측정부(109, 229), 필터부(110,111)의 출력단에 배치되어 인버터(108)에서 출력하는 각 상의 전압을 측정하는 인버터 전압 측정부(228), 바이패스 모드에서 상용 전원과 연결되는 바이패스 입력단에 설치되어 상용 전원의 각 상의 전압을 측정하는 바이패스 전압 측정부(227), 정류부 제어기(200) 및 인버터 제어기(203)를 포함하여 구성된다.
또한, 본 발명의 무정전 전원 장치의 출력단과 인버터의 출력단 사이에 정지형 동기 절체 스위치(STS:Static Transfer Switch)인 인버터 출력 스위치(112)가 설치되고, 본 발명의 무정전 전원 장치의 출력단과 바이패스 입력단 사이에도 역시 정지형 동기 절체 스위치인 바이패스 스위치(116)가 설치된다. 정지형 동기 절체 스위치들(112,116)의 온/오프는 인버터(108)의 상태에 따라서 인버터 제어기(203)가 제어한다.
정류부 제어기(200)는 무정전 전원 장치의 입력단에 연결된 상용 전원의 각 상의 전압(220)을 입력받고, 전류 센서(103)에서 측정한 정류부(105)로 입력되는 각 상의 전류를 입력받는다(221).
또한, 정류부 제어기(200)는 DC 링크 전압값(224), 축전지 전류 센서(119)에서 측정된 축전지 전류값(222) 및 축전지 전압값(223)을 입력받는다.
정류부 제어기(200)는 입력된 측정값들에 따라서 정류부(105)에 포함된 6개의 전력 반도체 스위치들(Q1~Q3) 및 배터리 컨버터(106)에 포함되는 전력 반도체 스위치들(Q4)을 제어하는 제어신호(238,239,240,241)를 생성하여 정류부(105) 및 배터리 컨버터(106)로 출력하여 제어한다. 다만, 도 4에 도시된 정류부 제어기(200)의 기능은 일반적인 무정전 전원 장치에서 이용되는 정류부 제어기들의 기능과 유사하므로 구체적인 설명은 생략한다.
한편, 인버터 제어기(203)는 출력 전류 측정부(113, 230)로부터 무정전 전원 장치의 최종 출력단에서 부하로 출력되는 각 상의 출력 전류값을 입력받고, 인버터 전압 측정부(228)로부터 인버터(108)에서 출력되는 각 상의 출력 전압값을 입력받으며, 바이패스 전압 측정부(227)로부터 입력되는 바이패스 입력단에 연결된 상용 전원의 각 상의 전압값을 입력받는다.
아울러, 인버터 제어기(203)는 입력된 측정값들을 이용하여 인버터(108)에 포함된 3개의 IGBT 팩(Q5~Q7) 내에 있는 6개의 스위치의 온/오프를 제어하는 제어신호(PWM 신호)를 생성하여 인버터(108)로 출력한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 3상 4선식 3레그 인버터(108)에서, 직류입력 측에는 커패시터 뱅크(107)와 축전지 및 정류부(105)의 출력이 연결된다.
본 발명의 인버터(108)는 3개의 레그를 포함하는 일반적인 3상 인버터와 동일한 물리적 방식으로 구현될 수 있다. 이렇게, 인버터(108)를 3상 4선식 3레그로 구현하여도, 인버터 제어기(203)에서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제어 알고리즘을 적용하여, 3상의 각 상마다 개별 제어를 수행하면, 3상 전압의 중성점을 조절할 수 있고, 이에 따라서 불평형 부하조건에서도 각 상간 전압의 불평형 문제를 해소할 수 있게 된다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 인버터 제어기(203)의 세부 구성을 도시하는 블록도이다. 도 5를 더 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 인버터 제어기의 동작을 설명한다.
본 발명의 인버터 제어기(203)는 전압 제어부(360), 전류 제어부(370), 절환 로직(351,352) 및 SVPWM부(353)를 포함한다.
각 구성요소들의 기능을 설명하면, 먼저, 전압 제어부(360)는 인버터 운전에 있어 직류 전원을 교류로 변환하여 부하에 안정적으로 공급할 때 동작하는 것으로서, 제 1 상 전압 제어 모듈(300), 제 2 상 전압 제어 모듈(310), 제 3 상 전압 제어 모듈(320), 및 내부 위상각 생성부(331,332)를 포함하여 구성된다.
여기서, 제 1 상 전압 제어 모듈(300)은 인버터(108)에서 출력하는 제 1 상 전압(V_an)과 후술하는 내부 위상각(θ_int)을 입력받아서 제 1 상 출력 전압을 제어하기 위한 보상기준전압 Va* (307)을 제 1 상 전압 제어신호로서 출력한다.
제 2 상 전압 제어 모듈(310)은 인버터(108)에서 출력하는 제 2 상 전압(V_bn)과 내부 위상각(θ_int)을 입력받아서 제 2 상 출력 전압을 제어하기 위한 보상기준전압 Vb* (317)을 제 2 상 전압 제어신호로서 출력한다.
마찬가지로, 제 3 상 전압 제어 모듈(320)은 인버터(108)에서 출력하는 제 3 상 전압(V_cn)과 내부 위상각(θ_int)을 입력받아서 제 3 상 출력 전압을 제어하기 위한 보상기준전압 Vc*(327)을 제 3 상 전압 제어신호로서 출력한다.
본 발명의 전압 제어부(360)는 종래 기술과 달리, 3상 전압의 통합값이 아닌, 3상 각각의 전압값을 각각에 대응되는 전압 제어 모듈(300,310,320)로 각각 입력하여, 각 상의 전압 제어를 위한 보상기준전압을 각각 출력함으로써, 각 상에서 발생하는 불평형 상태를 효과적으로 제어할 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 제 1 상 전압 제어 모듈(300), 제 2 상 전압 제어 모듈(310) 및 제 3 상 전압 제어 모듈(320)은 서로 독립적으로 각각 대응되는 상의 전압을 입력받아, 서로 독립적으로 α-β 변환을 수행하고, 회전동기 좌표계 변환을 수행한 후, q축 전압 성분과 대응되는 상의 전압기준치의 오차를 이용하여 보상기준전압을 계산하여 출력한다는 점에서 서로 구별된다. 다만, 각 전압 제어 모듈(300,310,320)의 세부 구성은 서로 동일하므로, 이하에서는 각 상의 전압 제어 모듈(300,310,320)의 기능을 각 모듈별로 구별하지 않고 설명한다.
먼저, 전압 제어부(360)는 기준 주파수(330)를 각속도로 변환(331)하고 이를 적분(332)하여 내부 위상각(θ_int)(333)을 생성하고, 생성된 내부 위상각(θ_int)(333)을 각 상의 전압 제어 모듈(300,310,320)로 출력한다.
한편, 인버터(108)에서 출력되고 인버터 전압 측정부(228)에서 측정된 각상의 출력 전압값(V_an, V_bn, V_cn)은 전역통과필터(301, 311, 321)에 입력되고, 전역통과필터(301, 311, 321)에서 위상이 90도 지연된 각 신호가 얻어지며, 이로부터 각상 전압의
Figure 112017064485009-pat00001
성분(302, 312, 322)이 회전 동기 좌표계 변환부(303, 313, 323)로 입력된다.
각 상의 회전 동기 좌표계 변환부(303, 313, 323)에서는 내부 위상각(θ_int)(333)을 이용하여 d-q 변환을 수행함으로써, 각 상에 대해서 d축, q축, o축 성분을 연산하게 된다. 전압 제어부(360)에서는 각 상의 전압 피크치를 나타내는 q축 전압 성분(304, 314, 324)만을 이용한다.
전압 제어기(306, 316, 326)는 q축 전압 성분(304, 314, 324)과 각상 전압기준치(305, 315, 325)의 오차를 이용하여 보상기준전압(307, 317, 327)을 계산하여 출력한다. 이 3개의 각 상의 전압 제어기(306,316,326)의 출력(328)은 SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation)부(353)에서 인버터(108)의 3 레그에 포함된 각 스위치의 스위칭 신호(PWM 신호)(354)로 변환된 후, 인버터(108)의 각 레그에 포함된 스위칭 소자로 출력된다.
이렇게, 본 발명의 전압 제어부(360)는 3상 전압의 통합값이 아닌, 3상 각각의 전압값을 대응되는 전압 제어 모듈(300,310,320)로 각각 입력하여, 각 상의 전압 제어를 위한 보상기준전압을 각각 출력함으로써, 각 상에서 발생하는 불평형 상태를 효과적으로 제어할 수 있다.
한편, 전류 제어부(370)는, 본 발명 바람직한 실시예에 따른 무정전 전원 장치가 회생식 부하 시험 모드에서 동작하는 경우에 인버터의 출력을 바이패스 회로를 통해 전원 측으로 회생시켜 부하시험을 하는 경우에 동작한다.
전류제어를 위해서는 바이패스 입력단에 연결된 상용 전원과 인버터(108)에서 출력되는 전원간의 위상동기가 필요하게 되는데, 이를 위해서 위상고정루프(345)가 사용된다. 바이패스 입력 전압 측정부(227)에서 측정된, 바이패스 입력단에 연결된 상용 전원의 각 상의 전압값(340)이 회전 동기 좌표계 변환부(341)로 입력되고, 위상고정루프(345)는 회전 동기 좌표계 변환부(341)의 출력인 d축 전압(V_de)(342)을 이용하여, 바이패스 입력 전압 측정부(227)에서 측정된 전압과 동기화된 위상정보(θ_ut)(344)를 생성하여 회전 동기 좌표계 변환부(341,346)로 출력한다.
한편, 회전 동기 좌표계 변환부(341)는 바이패스 입력 전압 측정부(227)에서 측정된 전압의 각상 전압(340)과 위상고정루프(345)의 출력인 위상정보(θ_ut)(344)를 이용하여 d축 전압을 위상고정루프(345)로 출력한다(342).
회전 동기 좌표계 변환부(346)는 위상정보(344)를 이용하여 전류 측정부(109)로부터 입력된 인버터(108)의 각상 출력전류(Ia,Ib,Ic)(343)를 직류성분인 d축 및 q축 전류(347)로 변환하여 전류 제어기(348)로 출력하고, 전류 제어기(348)는 입력된 d축 및 q축 전류(347)를 전류기준신호(I_dqe*)와 비교하고, 연산을 수행하여 각 상의 출력기준전압(350)을 생성한다.
전류 제어기(348)에서 출력되는 각 상의 출력 기준 전압(350)은 SVPWM부(353)에서 인버터(108)의 3 레그에 포함된 각 스위치의 스위칭 신호(PWM 신호)로 변환된 후, 인버터(108)의 각 레그에 포함된 스위칭 소자로 출력된다.
절환로직(351, 352)은 무정전 전원 장치의 동작 모드에 따라서 전류 제어부(370)와 전압 제어부(360)의 출력을 선택하는 것으로서, 사용자가 회생식 부하 시험 모드를 수동으로 선택함으로서 절환이 가능하다. 즉, 절환로직(351, 352)은 평상시에는 전압 제어부(360)의 출력(328)이 SVPWM부(353)로 입력되도록 하다가, 사용자가 회생식 부하 시험 기능을 선택하면, 전압 제어부(360)의 출력(328) 대신에 전류 제어부(370)의 출력(350)이 SVPWM부(353)로 입력되도록 한다.
다시 도 4를 참조하면, 상용 전원에서 직접 부하로 전원을 공급하는 바이패스 모드에서, 정지형 동기 절체 스위치들(112,116)이 모두 스위치 온(ON) 상태이고 인버터(108)가 동작하지 않는 Active Standby 상태에서 대기 중 상용 전원이 정전되어 축전지 방전 모드로의 전환하는 과정에 있어서, 인버터 제어기(203)는 바이패스 전압 측정부(227)에서 바이패스 입력단에 연결된 상용 전원의 전압을 측정함으로써 상용 전원의 정전 여부를 검출하고, 정전이 검출되면 전압, 주파수, 위상의 이상 정보를 이용하여 인버터(108)를 급속 기동시키고, 바이패스 스위치(116)를 오프하여 바이패스 출력 대신에 인버터(108) 출력이 부하로 공급되도록 제어한다. 이러한 운전모드와 정지형 스위치의 절체를 통해서 부하에는 순간 전압 강하나 정전이 없는 전력 공급이 가능해진다.
한편, 인버터(108)의 출력단에는 리액터(110)와 캐패시터(111)로 구성된 필터부가 설치된다.
인버터(108)와 필터부(110,111) 사이에 설치된 전류 측정부(109)는 인버터(108)가 출력하는 각 상의 출력 전류를 측정하여 인버터 제어기(203)로 전달하고(229), 필터부(110,111)와 정지형 동기 절체 스위치인 인버터 출력 스위치(112) 사이에 설치된 인버터 전압 측정부(228)는 인버터(108)가 출력하는 각 상의 출력 전압을 측정하여 인버터 제어기(203)로 출력한다.
바이패스 전압 측정부(227)는 상용 전원의 전압을 측정하여 인버터 제어기(203)로 출력하고, 상용 전원의 정전시 이를 급속히 감지하여 인버터(108)를 급속 기동시키게 된다.
인버터 제어기(203)는 인버터(108)의 출력 전압과 출력 전류, 바이패스 전압 측정부(227)에서 측정된 전압을 입력받아 내부의 연산을 통해 평상시에는 전압 제어부(360)를 동작시켜 독립운전(전압 및 주파수 제어) 모드로 운전하고, 회생식 부하 시험 운전 중에는 전류 제어부(370)를 동작시켜 계통연계 운전(전류제어 및 전력제어)을 선택하여 스위칭 제어 신호(PWM 제어 신호)(237)를 인버터(108)로 출력하여 스위칭을 제어한다.
도 6은 일반적인 On-Line 방식 무정전 전원 장치의 동작모드를 나타내는 도면이다.
도 6을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무정전 전원 장치의 동작을 설명하면, 1. 정상 운전 모드에서는, 상용 전원 또는 발전기로부터 입력된 교류 전원이 정류부(105)를 거쳐 직류로 변환된 후 DC Link에 공급되며 여기에 축전지가 병렬로 연결되어 평상시 충전 및 정전시 방전을 하게 된다. 인버터(108)는 DC Link로부터 직류전력을 공급받아 교류로 변환한 후 출력하게 되며 이 과정에서 상용 전원측 교류입력의 전압, 주파수 변동, 노이즈 및 파형이 개선된 안정된 새로운 교류 출력 전압을 생성하게 된다.
이 때, 본 발명의 인버터(108)는 일반적인 3상 인버터와 같은 3개의 레그로 구성되는 3레그 형태로 구현되고, 인버터 제어기(203)는 3상의 각상을 개별로 제어하는 알고리즘에 따라서 동작함은 상술한 바와 같다.
이렇게, 인버터(108)를 3상 4선식 3레그로 구현하여도 인버터 제어기(203)에 각상 개별 제어 알고리즘을 이용하여 제어를 수행함으로써 3상 전압의 중성점을 조절할 수 있고, 이에 따라서 불평형 부하조건에서도 각 상간 전압의 불평형 문제를 해소할 수 있게 된다.
한편, 무정전 전원 장치가 정상 운전 모드에서 동작 중에, 정류부(105)로 교류 전원을 출력하던 상용 전원의 정전이 감지되면 2. 축전지 방전 모드로 진행하고, 정류부(105)는 동작을 멈추게 되고 축전지가 방전하게 되며, 이 과정에서는 어떠한 절체 동작도 없이, 정류부(105)로부터 무정전 전원 장치 출력단으로의 전류의 흐름이, 축전지로부터 무정전 전원 장치 출력단으로 변경된다.
이 후, 상용 전원이 회복되면, 원래의 정상 운전 모드로 회복되면서 정류부(105)에서 출력되는 직류 전원은 인버터(108)로 제공되는 동시에 방전된 축전지를 재충전하는 3. 축전지 재충전 모드에서 동작한다.
한편, 정상 운전 모드에서 동작중에 무정전 전원 장치 내부에 이상이 발생한 경우(예컨대, 인버터(108)가 고장난 경우 등) 또는 과부하가 발생한 경우, 무정전 전원 장치는 부하측을 보호하기 위해서 4. 바이패스 운전 모드로 진행하여, 인버터 제어기(203)가 인버터 출력 스위치(112)를 스위치 오프시키고 바이패스 스위치(116)를 스위치 온시켜, 인버터(108)를 통해서 부하측으로 제공하던 전원을 상용 전원으로부터 바이패스 회로를 통해서 부하측으로 직접 제공하도록 절체시킨다. 절체 과정은 무순단으로 이루어진다. 이를 위해 인버터(108)는 평상시 바이패스 입력단에 연결된 상용 전원(또는 발전기)과 동기 운전을 하게 되며, 무순단 절체는 인버터 출력 스위치(112)와 바이패스 스위치(116)를 짧은 구간 동안 Overwrap시켜 절체를 시킴으로서 구현한다.(도 7 참조)
한편, 도 4를 다시 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 인버터(108)의 동작을 살펴보면, 먼저, 바이패스 모드에서 상용 전원이 정상적으로 공급되는 경우, 바이패스 스위치(116)는 온 상태에 있고 상용 전원으로부터 바이패스 회로를 통해서 출력단에 전력을 공급하는 상태에서 인버터 출력 스위치(112)는 오프 상태에 있다.
인버터 기동명령이 입력되면, 상용 전원으로부터 바이패스 회로를 통해서 공급되던 3상 전원은 정류부(105)를 통해서 인버터(108)의 입력단까지 제공되고, 인버터(108)가 정상기동하면 인버터 출력 스위치(112)가 온 되면서 바이패스 스위치(116)가 오프 되어 절체가 이루어지며 이 과정에서 약간의 Overwrap을 주어 무순단으로 절체하게 된다.(도 7 참조)
이 때, 인버터 제어기(203)는 바이패스 전압 측정부(227)로부터 입력되는 전압값을 이용하여 바이패스 회로의 입력단에 연결된 상용 전원이 정상적으로 전원을 공급하고 있는지 여부를 확인하고, 인버터(108)가 동기 추적 운전을 하도록 제어신호를 생성하여 인버터(108)로 출력한다.
한편, 인버터 출력전압 측정부(228)로부터 입력되는 전압값 및 인버터 출력 전류 측정부(109, 229)로부터 입력되는 전류값에 비정상적인 상태(전원 공급 중단, 전압 강하, 과전류 등)가 있음이 감지되면, 인버터(108)에 대한 스위칭은 급속히 차단되고, 인버터 출력 스위치(112)는 오프되고 바이패스 스위치(116)는 온되도록 제어함으로써, 인버터(108)로부터 부하측으로 전원이 공급되는 것을 차단하고, 바이패스 회로를 통해서 상용 전원이 부하측으로 전원을 공급하도록 하고, 이 절체과정에서 부하에 무정전으로 전원이 공급되도록 한다.
한편, 바이패스 스위치(116)가 온 된 상태(바이패스 모드)에서 회생식 부하 시험 모드가 선택되면, 인버터 제어기(203)는 바이패스 스위치(118) 및 인버터 출력 스위치(112)를 동시에 온 시켜, 인버터(108)가 상용 전원과 계통 연계형 운전 모드로 동작하도록 제어하여 필요한 만큼 인버터(108)에 전력을 흘려 줄 수 있으며, 이 전력은 바이패스 회로를 거쳐 입력단으로 회생되어 다시 정류부(105) 입력에 공급됨으로써, 저항 부하에 의한 에너지 손실 없이 인버터(108)에 대한 회생식 부하 시험이 가능하다.
이러한 회생식 부하 시험 기능은 중요한 부하를 안전하게 지키기 위해 무정전 전원 장치(UPS)의 성능을 평가할 때 대단히 유용하게 이용할 수 있다. 본 발명에 따른 이러한 방식은 종래 기술에 따른 모의부하로 시험하는 방법보다, UPS 출력에 모의 부하를 설치하고 연결할 필요 없이 부하 시험을 수행함으로써 시간을 절감할 수 있고, 별도의 Load Bank 연결이 필요 없어 비용을 절감할 수 있으며, Load Bank 연결하여 실험하는 경우에 비하여 전력 소모가 크게 절감되고, 안정성 및 신뢰성이 증대되는 장점이 있다.(도 8 참조)
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 입력 차단기 101 : 입력 MC
102 : 입력 리엑터 103 : 전류 센서
104 : 입력 커패시터 105 : 정류부
106 : 배터리 컨버터 107 : 평활 콘덴서부
108 : 인버터 109 : 전류 측정부
110 : 인버터 리엑터 111 : 출력 커패시터
112 : 인버터 출력 스위치 113 : 출력 전류 측정부
114 : 차단기 115 : 바이패스 차단기
116 : 바이패스 스위치 117 : 축전지 차단기
118 : 축전지 휴즈 119 : 축전지 전류 측정부
120 : BUCK-BOOST 리엑터 121 : 로직전원 입력 변압기(출력)
122 : 로직전원 입력 변압기(바이패스)
200 : 정류부 제어기 201 : BUCK-BOOST 스위칭소자 드라이버
202 : 정류부 스위칭소자 드라이버 203 : 인버터 제어기
204 : 인버터 스위칭소자 드라이버 205 : 로직전원 공급기
206 : UPS 콘트롤부

Claims (9)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 상용 전원으로부터 입력되는 교류 전원을 직류 전원으로 정류하여 출력하는 정류부;
    상기 정류부에서 출력되는 직류 전원을 이용하여 전기 에너지를 저장하는 축전지;
    상기 정류부에서 출력하는 직류 전원 또는 상기 축전지에서 방전되는 직류 전원을 3상 교류 전원으로 변환하여 출력하는 인버터; 및
    상기 인버터에서 출력되는 3상 교류 전원이, 각 상마다 개별적으로 제어되도록 상기 인버터에 포함된 스위칭 소자를 제어하는 제어 신호를 출력하는 인버터 제어기;를 포함하고,

    상기 인버터 제어기는
    상기 인버터에서 출력되는 각 상의 전압의 크기 및 주파수를 제어하는 전압 제어신호를 출력하는 전압 제어부; 및
    상기 전압 제어신호를, 상기 인버터에 포함된 3레그의 각 스위칭 소자들의 온/오프를 제어하는 PWM 신호로 변환하는 SVPWM부를 포함하며,

    상기 전압 제어부는
    기준 주파수를 각속도로 변환한 후 적분하여 내부 위상각(θ_int)을 생성하는 내부 위상각 생성수단;
    상기 인버터에서 출력하는 제 1 상 전압(V_an)과 상기 내부 위상각(θ_int)을 입력받고, 제 1 상 출력 전압을 제어하기 위한 보상기준전압 Va*을 상기 제 1 상 전압을 제어하는 전압 제어신호로서 출력하는 제 1 상 전압 제어 모듈;
    상기 인버터에서 출력하는 제 2 상 전압(V_bn)과 상기 내부 위상각(θ_int)을 입력받고, 제 2 상 출력 전압을 제어하기 위한 보상기준전압 Vb*을 상기 제 2 상 전압을 제어하는 전압 제어신호로서 출력하는 제 2 상 전압 제어 모듈; 및
    상기 인버터에서 출력하는 제 3 상 전압(V_cn)과 상기 내부 위상각(θ_int)을 입력받고, 제 3 상 출력 전압을 제어하기 위한 보상기준전압 Vc*을 상기 제 3 상 전압을 제어하는 전압 제어신호로서 출력하는 제 3 상 전압 제어 모듈;을 포함하고,
    상기 제 1 상 전압 제어 모듈, 상기 제 2 상 전압 제어 모듈, 및 상기 제 3 상 전압 제어 모듈 각각은
    상기 인버터에서 출력되는 해당 상의 출력 전압을 입력받고, 90도 위상이 지연된 상 전압의 α,β 성분을 출력하는 전역통과필터;
    상기 전역통과필터로부터 α,β 성분을 입력받고, 상기 내부 위상각 생성수단으로부터 상기 내부 위상각을 입력받아, 회전 동기 좌표계 변환을 수행하여 해당 상의 전압 피크치를 나타내는 q축 전압 성분을 출력하는 회전 동기 좌표계 변환부; 및
    해당 상의 q축 전압 성분과 해당 상의 전압기준치의 오차를 이용하여 보상기준전압을 계산하여 전압 제어신호로서 출력하는 전압 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 무정전 전원 장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 인버터 제어기는
    상기 인버터의 출력 전원을 상기 정류부의 입력단으로 공급하는 회생식 부하 시험 모드에서, 상기 인버터에서 출력되는 전류를 제어하는 전류 제어신호를 출력하는 전류 제어부; 및
    상기 무정전 전원 장치의 운전 모드에 따라서 상기 전류 제어부에서 출력되는 상기 전류 제어신호 또는 상기 전압 제어부에서 출력되는 상기 전압 제어신호를 선택적으로 출력하는 절환부를 더 포함하고,
    상기 SVPWM부는 상기 전류 제어신호 또는 상기 전압 제어신호를, 상기 인버터에 포함된 3레그의 각 스위칭 소자들의 온/오프를 제어하는 PWM 신호로 변환하여 출력하는 것을 특징으로 하는 무정전 전원 장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 전류 제어부는
    바이패스 회로의 입력단에 연결된 상용 전원의 위상과 동기화된 위상 정보를 출력하는 위상 고정 루프;
    상기 위상 고정 루프에서 출력되는 위상각 정보를 이용하여, 상기 인버터의 각 상의 출력전류를 직류성분인 d축 및 q축 전류로 변환하여 출력하는 회전동기 좌표계 변환부; 및
    상기 회전 동기 좌표계 변환부로부터 입력된 d축 및 q축 전류를 전류기준신호(I_dqe*)와 비교하고, 연산을 수행하여 각 상의 출력 기준 전압을 제어신호로서 생성하는 전류 제어기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 무정전 전원 장치.
  7. 제 4 항에 있어서,
    바이패스 회로의 입력단과 부하 사이에 설치되어, 스위치 온되면 상용 전원을 바이패스 회로를 통해서 부하로 직접 전달하는 바이패스 스위치; 및
    상기 인버터의 출력단과 부하 사이에 설치되어, 스위치 온되면 상기 인버터의 출력단과 부하 사이를 전기적으로 연결시키는 인버터 출력 스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무정전 전원 장치.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 인버터 제어기는
    정상 운전 모드 또는 축전기 방전 모드에서 동작하던 중에 인버터 고장 또는 과부하가 발생한 경우, 상기 인버터 출력 스위치를 스위치 오프시키고 상기 바이패스 스위치를 스위치 온시켜, 상기 무정전 전원 장치가 바이패스 모드에서 상기 바이패스 회로를 통해서 상용 전원을 부하로 직접 전달하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 무정전 전원 장치.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 인버터 제어기는
    회생식 부하 시험 모드에서, 상기 바이패스 스위치 및 상기 인버터 출력 스위치를 동시에 온 시켜, 상기 인버터의 출력 전력이 상기 바이패스 스위치를 통해서 상기 정류부의 입력단으로 회생되어 공급되도록 하는 것을 특징으로 하는 무정전 전원 장치.
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