KR102036027B1 - 고전압 레벨 변환기 - Google Patents

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KR102036027B1
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이호재
김영원
이성호
이상선
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한국생산기술연구원
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Abstract

본 발명은, 발전기에서 생성된 전기 신호가 입력되는 입력단과 접지와 연결되는 제1 접지단을 포함하는 입력부와, 입력단 및 제1 접지단과 각각 연결되는 1차 코일과, 1차 코일과 자기적으로 결합되며 1차 코일로부터 전기 신호를 전달받는 2차 코일과, 입력단에 입력된 전기 신호의 전류값을 검출하는 전류 센서와, 1차 코일과 병렬로 연결되는 부하와, 2차 코일과 병렬로 연결되며 전기 신호가 출력되는 출력단과 접지와 연결되되 제1 접지단과 분리되는 제2 접지단을 포함하는 출력부를 포함하는 고전압 레벨 변환기를 제공한다.

Description

고전압 레벨 변환기{High Voltage Level Converting Apparatus}
본 발명은 고전압 레벨 변환기에 관한 것으로 특히, 코일을 이용하여 입력부와 출력부의 접지단을 분리함으로써 신호 왜곡 및 회로 손상을 방지할 수 있는 고전압 레벨 변환기에 관한 것이다.
일반적으로 전력 계통 운용에 유용한 지표가 되는 유효 전력, 무효 전력, 전압, 전류 및 주파수를 이용하여 전력 계통 상태를 평가한다.
전력 계통 상태에 관한 정보는 전력 품질, 안정도 및 신뢰도를 보장하면서 전력 계통을 최적으로 운전하고 운용 계획을 효과적으로 수립하게 하는 기본적인 정보라는 점에서 상시 감시할 필요가 있다.
특히, 전력 부하와 발전 설비의 대용량화에 따라 심각하게 대두되는 전력 동요(Swing)와 같은 장주기외란(Long-term Disturbance)의 발생 우려가 있는 전력 계통에서는 더욱더 그러하다.
이와 같이 전력 계통 상태를 평가하기 위해 전력 분석기를 비롯한 다양한 형태의 계측 장치가 사용된다.
한편, 전력 계통에서 생성되는 전기 신호는 고전압(예컨대, 100V 이상), 고전류(예컨대, 3A 이상) 및 고주파(예컨대, 60Hz 이상)의 신호 특성을 갖고 있어서 그 취급에 매우 유의하여야 한다.
이에 따라, 전력 분석기는 일반적으로 전력 계통에서 생성된 고전압 전기 신호를 취급이 용이한 수준의 전압 레벨로 변환시키는 고전압 레벨 변환기를 구비하고 있다.
도 1은 종래의 고전압 레벨 변환기의 회로도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 종래의 고전압 레벨 변환기는, 입력부(10), 전압 분배부(20), 전류 센서(40) 및 출력부(60)를 포함하여 구성될 수 있다.
구체적으로, 입력부(10)는 발전기(1)에서 생성된 전기 신호가 입력되는 입력단(Vin)과 접지(Ground)와 연결되는 접지단(G)을 포함한다.
출력부(60)는 전압 레벨이 낮춰진 전기 신호가 출력되는 출력단(Vout)과 접지와 연결되는 접지단(G)을 포함한다.
전류 센서(40)는 입력단(Vin)에 입력된 전기 신호의 전류값을 검출한다.
전압 분배부(20)는 입력단(Vin)과 접지(Ground)와 각각 연결되며, 직렬로 연결된 2개의 저항(R1, R2)으로 이루어지거나 직렬로 연결된 2개의 커패시터(C1, C2)로 이루어질 수 있다.
종래의 고전압 레벨 변환기는 입력단(10)에 입력된 발전기(1)의 고전압 전기 신호를 전압 분배부(20)를 통해 취급이 용이한 수준의 전압 레벨로 변환시킨다.
즉, 전압 분배부(20)는 출력단(Vout)이 2개의 저항 사이 또는 2개의 커패시터 사이에 연결됨으로써 전압 분배에 의해 전기 신호의 전압 레벨을 낮추고 있다.
그러나, 종래의 고전압 레벨 변환기는 입력부(10)와 출력부(60)의 접지단(G)을 공통으로 사용하기 때문에 신호 왜곡 및 회로 손상이 발생되고, 고전류의 전기 신호로 인해 발열이 발생하고, 전력 분석 장치의 제작상 어려움이 발생하는 문제점이 있었다.
등록특허공보 제10-1385282호
본 발명은, 입력단에 입력된 전기 신호의 전압 레벨을 취급이 용이한 수준으로 낮출 수 있고, 코일을 이용하여 입력부와 출력부의 접지단을 분리함으로써 신호 왜곡 및 회로 손상을 방지할 수 있는 고전압 레벨 변환기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명에 따르면, 고전압 전기 신호로 인해 발생되는 발열 문제를 해결할 수 있고, 전류 분석기를 용이하게 제작할 수 있는 고전압 레벨 변환기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이러한 과제를 해결하기 위해, 본 발명은, 발전기에서 생성된 전기 신호가 입력되는 입력단과 접지와 연결되는 제1 접지단을 포함하는 입력부와, 입력단 및 제1 접지단과 각각 연결되는 1차 코일과, 1차 코일과 자기적으로 결합되며 1차 코일로부터 전기 신호를 전달받는 2차 코일과, 입력단에 입력된 전기 신호의 전류값을 검출하는 전류 센서와, 1차 코일과 병렬로 연결되는 부하와, 2차 코일과 병렬로 연결되며 전기 신호가 출력되는 출력단과 접지와 연결되되 제1 접지단과 분리되는 제2 접지단을 포함하는 출력부를 포함하는 고전압 레벨 변환기를 제공한다.
여기서, 1차 코일은 권선수가 상기 2차 코일과 동일하거나 많을 수 있다.
또한, 2차 코일과 병렬로 연결되며 전기 신호의 전압 레벨을 조절하는 전압 레벨 조절부를 더 포함할 수 있다.
또한, 전류 센서에 의해 검출된 전류값을 입력 받아 이를 디지털 전류값으로 변환하고, 2차 코일에 전달된 전기 신호를 입력 받아 이를 디지털 전압값으로 변환하는 아날로그 디지털 컨버터를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 입력단에 입력된 전기 신호의 전압 레벨을 취급이 용이한 수준으로 낮출 수 있고, 코일을 이용하여 입력부와 출력부의 접지단을 분리함으로써 신호 왜곡 및 회로 손상을 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 고전압 전기 신호로 인해 발생되는 발열 문제를 해결할 수 있고, 전류 분석기를 용이하게 제작할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래의 고전압 레벨 변환기의 회로도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 고전압 레벨 변환기의 회로도로서 단상 교류 발전기에 적용되는 회로도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 고전압 레벨 변환기의 회로도로서 3상 교류 발전기에 적용되는 회로도이다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 고전압 레벨 변환기의 회로도로서 단상 교류 발전기에 적용되는 회로도이다.
도 2에 도시한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 고전압 레벨 변환기는, 발전기(101)에서 생성되는 전기 신호를 분석하기 위한 전력 분석기에 구비되는 장치로서, 입력부(110), 1차 코일(120), 2차 코일(130), 전류 센서(140), 부하(150) 및 출력부(160)를 포함하여 구성될 수 있다.
일반적으로 발전기(101)에서 생성되는 전기 신호는 고전압(예컨대, 100V 이상), 고전류(예컨대, 3A 이상) 및 고주파(예컨대, 60Hz 이상)의 신호 특성을 갖고 있어서 그 취급에 매우 유의하여야 한다.
이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 고전압 레벨 변환기는 입력단(110)에 입력된 발전기(101)의 고전압 전기 신호를 취급이 용이한 수준의 전압 레벨로 변환시킨다.
구체적으로, 입력부(110)는 발전기(101)에서 생성된 전기 신호가 입력되는 입력단(Vin)과 접지(Ground)와 연결되는 제1 접지단(Gin)을 포함한다. 여기서, 발전기(101)는 단상 교류 발전기이다.
출력부(160)는, 2차 코일(130)과 병렬로 연결되며, 후술할 1차 코일(120) 및 2차 코일(130)에 의해 전압 레벨이 낮춰진 전기 신호가 출력되는 출력단(Vout)과 접지와 연결되되 입력부(110)의 제1 접지단(Gin)과 분리되는 제2 접지단(Gout)을 포함한다.
1차 코일(120)은 입력단(Vin) 및 제1 접지단(Gin)과 각각 연결되고, 2차 코일(130)은 1차 코일(120)에 대향하여 배치되며 1차 코일(120)과 자기적으로 결합된다. 그리고, 출력단(Vout) 및 제2 접지단(Gout)과 각각 연결된다.
한편, 부하(150)는 1차 코일(120)과 병렬로 연결될 수 있다.
2차 코일(130)은 발전기(101)에 의해 생성된 전기 신호를 1차 코일(120)로부터 전달 받는다.
여기서, 1차 코일(120)은 권선수가 2차 코일(130) 보다 많을 수 있다. 이 경우, 1차 코일(120) 및 2차 코일(130)의 권선수의 차이에 따라 입력단(Vin)에 입력된 고전압 전기 신호의 전압 레벨을 낮출 수 있다.
예를 들어, 1차 코일(120)의 권선수를 2차 코일(130)의 권선수 보다 10배 많게 감으면, 입력단(Vin)에 입력된 100V의 전기 신호는 취급이 용이한 수준의 10V의 전기 신호로 변환된다.
이와 달리, 1차 코일(120)은 권선수가 2차 코일(130)과 동일할 수 있다. 이 경우, 입력단(Vin)에 입력된 고전압 전기 신호와 동일한 전압 레벨의 전기 신호가 2차 코일(130)에 전달될 수 있다.
여기서, 2차 코일(130)에 전달된 전기 신호는 여전히 고전압 레벨이기 때문에 후술할 전압 레벨 조절부(170)에 의해 취급이 용이한 전압 레벨로 변환될 수 있다.
전류 센서(140)는 입력단(Vin)에 입력된 전기 신호의 전류값을 검출한다. 여기서, 전류 센서(140)가 전류를 감지하는 방법으로 도넛 모양의 자심과 자심에 감긴 코일을 이용하여 전류를 감지하는 변류기(Current Transformer; CT) 방식과, 전류에 의하여 생기는 자계 속에 홀 소자를 설치하여 홀 전압을 측정함으로써 자계의 강도 즉, 전류의 강약을 감지하는 홀 소자 방식 등 다양한 방식이 채용될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 고전압 레벨 변환기는 전압 레벨 조절부(170) 및 아날로그 디지털 컨버터(180)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
전압 레벨 조절부(170)는 2차 코일(130)과 병렬로 연결되며 2차 코일(130)에 전달된 전기 신호의 전압 레벨을 조절할 수 있다.
구체적으로, 전압 레벨 조절부(170)는 2개의 저항 또는 2개의 커패시터를 구비하고 전압 분배 방식에 의해 2차 코일(130)에 의해 전압 레벨이 낮춰진 전기 신호를 더욱더 낮출 수 있다.
또한, 전압 레벨 조절부(170)는, 입력단(Vin)에 입력된 고전압 전기 신호와 동일한 전압 레벨의 전기 신호가 2차 코일(130)에 전달된 경우, 고전압 레벨의 전기 신호를 취급이 용이한 전압 레벨로 변환할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 고전압 레벨 변환기는 입력단(Vin)에 입력된 전기 신호의 전압 레벨을 취급이 용이한 수준으로 낮출 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 고전압 레벨 변환기는 1차 코일(120) 및 2차 코일(130)을 이용하여 입력부(110)와 출력부(160)의 접지단(Gin, Gout)을 분리함으로써, 종래의 고전압 레벨 변환기에서 입력부(10)와 출력부(60)의 접지(G)가 공통으로 사용됨에 따라 발생되는 신호 왜곡 및 회로 손상을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 고전압 레벨 변환기는 고전압 전기 신호로 인해 발생되는 발열 문제를 해결할 수 있고, 전류 분석기를 용이하게 제작할 수 있는 장점이 있다.
아날로그 디지털 컨버터(180)는, 전류 센서(140)에 의해 검출된 아날로그 전류값을 입력 받아 이를 디지털 전류값으로 변환하고, 1차 코일(120) 및 2차 코일(130)에 의해 전압 레벨이 낮춰진 전기 신호를 각각 입력 받아 이를 디지털 전압값으로 변환한다.
본 발명의 실시예에 따른 전력 분석 장치는 아날로그 디지털 컨버터(180)에 의해 변환된 디지털 전류값 및 디지털 전압값을 분석하여 계통 상태를 감시함으로써, 전력 품질, 안정도 및 신뢰도를 보장하면서 전력 계통을 최적으로 운전하고 운용 계획을 효과적으로 수립할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 고전압 레벨 변환기의 회로도로서 3상 교류 발전기에 적용되는 회로도이다.
이하, 도 2 및 도 3을 참조하여, 3상 교류 발전기에 적용되는 고전압 레벨 변환기를 설명하도록 하겠다.
도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이, 발전기(101)는 3상 교류 발전기이고, 입력부(110)는 3상 교류 발전기가 생성한 3상 전기 신호가 각각 입력되는 A상, B상 및 C상 입력단(Vin_A, Vin_B, Vin_C)과 제1 접지단(Gin)으로 이루어질 수 있다.
출력부(160)는 후술할 1차 코일(120) 및 2차 코일(130)에 의해 전압 레벨이 낮춰진 전기 신호가 출력되는 A상, B상 및 C상 출력단(Vout_A, Vout_B, Vout_C)과 접지와 연결되되 제1 접지단(Gin)과 분리되는 제2 접지단(Gout)으로 이루어질 수 있다.
1차 코일(120)은, A상 입력단(Vin_A) 및 제1 접지단(Gin) 사이, A상 입력단(Vin_B) 및 제1 접지단(Gin) 사이 및 C상 입력단(Vin_C) 및 제1 접지단(Gin) 사이에 각각 연결되고, 2차 코일(130)은 1차 코일(120)과 대향하여 각각 배치되며, 각 1차 코일(120)과 자기적으로 각각 결합된다.
한편, 부하(150)는 1차 코일(120)과 병렬로 각각 연결된다.
또한, 2차 코일(130)은 A상 출력단(Vout_A) 및 제2 접지단(Gout) 사이, B상 출력단(Vout_B) 및 제2 접지단(Gout) 사이 및 C상 출력단(Vout_C) 및 제2 접지단(Gout) 사이에 각각 연결된다.
여기서, 1차 코일(120)은 권선수가 2차 코일(130) 보다 많을 수 있다. 이 경우, 1차 코일(120) 및 2차 코일(130)의 권선수의 차이에 따라 A상, B상 및 C상 입력단(Vin_A, Vin_B, Vin_C)에 입력된 고전압 전기 신호의 전압 레벨을 낮출 수 있다.
이와 달리, 1차 코일(120)은 권선수가 2차 코일(130)와 동일할 수 있다. 이 경우, A상, B상 및 c상 입력단(Vin_A, Vin_B, Vin_C)에 입력된 고전압 전기 신호와 동일한 전압 레벨의 전기 신호가 2차 코일(130)에 각각 전달될 수 있다. 여기서, 2차 코일(130)에 전달된 전기 신호는 여전히 고전압 레벨이기 때문에 후술할 전압 레벨 조절부(170)에 의해 취급이 용이한 전압 레벨로 변환될 수 있다.
전류 센서(140)는 A상, B상 및 C상 입력단(Vin_A, Vin_B, Vin_C)에 각각 입력된 전기 신호의 전류값을 검출한다.
본 발명의 실시예에 따른 고전압 레벨 변환기는 전압 레벨 조절부(170) 및 아날로그 디지털 컨버터(180)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
전압 레벨 조절부(170)는 2차 코일(130)과 병렬로 각각 연결되며 전기 신호의 전압 레벨을 조절할 수 있다.
구체적으로, 전압 레벨 조절부(170)는 2개의 저항 또는 2개의 커패시터를 구비하고 전압 분배 방식에 의해 2차 코일(130)에 의해 전압 레벨이 낮춰진 전기 신호를 더욱더 낮출 수 있다.
또한, 전압 레벨 조절부(170)는, A상, B상 및 C상 입력단(Vin_A, Vin_B, Vin_C)에 입력된 고전압 전기 신호와 동일한 전압 레벨의 전기 신호가 2차 코일(130)에 전달된 경우, 고전압 레벨의 전기 신호를 취급이 용이한 전압 레벨로 변환할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 고전압 레벨 변환기는 입력단(Vin)에 입력된 전기 신호의 전압 레벨을 취급이 용이한 수준으로 낮출 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 고전압 레벨 변환기는 1차 코일(120) 및 2차 코일(130)을 이용하여 입력부(110)와 출력부(160)의 접지단(Gin, Gout)을 분리함으로써, 종래의 고전압 레벨 변환기에서 입력부(10)와 출력부(60)의 접지가 공통으로 사용됨에 따라 발생되는 신호 왜곡 및 회로 손상을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 고전압 레벨 변환기는 고전압 전기 신호로 인해 발생되는 발열 문제를 해결할 수 있고, 전류 분석기를 용이하게 제작할 수 있는 장점이 있다.
아날로그 디지털 컨버터(180)는, 전류 센서(140)에 의해 각각 검출된 아날로그 전류값을 입력 받아 이를 디지털 전류값으로 변환하고, 1차 코일(120) 및 2차 코일(130)에 의해 전압 레벨이 낮춰진 전기 신호를 각각 입력 받아 이를 디지털 전압값으로 변환한다.
본 발명의 실시예에 따른 전력 분석 장치는 아날로그 디지털 컨버터(180)에 의해 변환된 디지털 전류값 및 디지털 전압값을 분석하여 계통 상태를 감시함으로써, 전력 품질, 안정도 및 신뢰도를 보장하면서 전력 계통을 최적으로 운전하고 운용 계획을 효과적으로 수립할 수 있다.
이상의 상세한 설명은 본 발명을 예시하는 것이다. 또한 전술한 내용은 본 발명의 바람직한 실시 형태를 나타내고 설명하는 것에 불과하며, 본 발명은 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 즉, 본 명세서에 개시된 발명의 개념의 범위, 저술한 개시 내용과 균등한 범위 및/또는 당업계의 기술 또는 지식의 범위 내에서 변경 또는 수정이 가능하다. 전술한 실시예들은 본 발명을 실시하는데 있어 최선의 상태를 설명하기 위한 것이며, 본 발명과 같은 다른 발명을 이용하는데 당업계에 알려진 다른 상태로의 실시, 그리고 발명의 구체적인 적용 분야 및 용도에서 요구되는 다양한 변경도 가능하다. 따라서 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 또한 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
110: 입력부
120: 1차 코일
130: 2차 코일
140: 전류 센서
150: 부하
160: 출력부
170: 전압 레벨 조절부
180: 아날로그 디지털 컨버터

Claims (4)

  1. 발전기에서 생성된 전기 신호가 입력되는 입력단과 접지와 연결되는 제1 접지단을 포함하는 입력부;
    상기 입력단 및 상기 제1 접지단과 각각 연결되는 1차 코일;
    상기 1차 코일과 자기적으로 결합되며 상기 1차 코일로부터 상기 전기 신호를 전달받는 2차 코일;
    상기 입력단에 입력된 상기 전기 신호의 전류값을 검출하는 전류 센서;
    상기 1차 코일과 병렬로 연결되는 부하; 및
    상기 2차 코일과 병렬로 연결되며 상기 전기 신호가 출력되는 출력단과 접지와 연결되되 상기 제1 접지단과 분리되는 제2 접지단을 포함하는 출력부
    를 포함하는 고전압 레벨 변환기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 1차 코일은
    권선수가 상기 2차 코일과 동일하거나 많은
    고전압 레벨 변환기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 2차 코일과 병렬로 연결되며 상기 전기 신호의 전압 레벨을 조절하는 전압 레벨 조절부
    를 더 포함하는 고전압 레벨 변환기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 전류 센서에 의해 검출된 전류값을 입력 받아 이를 디지털 전류값으로 변환하고, 상기 2차 코일에 전달된 상기 전기 신호를 입력 받아 이를 디지털 전압값으로 변환하는 아날로그 디지털 컨버터
    를 더 포함하는 고전압 레벨 변환기.
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