KR102194893B1 - 자기소호 코일의 구동회로 및 이를 구비한 직류차단기 - Google Patents

자기소호 코일의 구동회로 및 이를 구비한 직류차단기 Download PDF

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공주대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 자기소호 코일의 구동회로 및 이를 이용한 직류차단기에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 자기소호 코일의 구동회로는 전기 접점에서의 아크를 자속을 이용해 소호하는 자기소호 코일을 구동시키는 구동회로로서, 직류 전원부; 직류 전원부로부터 공급되는 전원을 충전하는 충전부; 및 직류 전원부의 전원이 충전부에 공급되도록 제1 스위칭하거나, 충전부에 충전된 전원이 자기소호 코일에 제1 방향으로 공급되도록 제2 스위칭하거나, 충전부에 충전된 전원이 자기소호 코일에 제2 방향으로 공급되도록 제3 스위칭하는 스위칭부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

자기소호 코일의 구동회로 및 이를 구비한 직류차단기{Drive circuit for blow-out coil and DC circuit breaker using the same}
본 발명은 자기소호 코일의 구동회로 및 이를 구비한 직류차단기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 아크 소호용으로 사용되는 자기소호 코일에 대해 펄스성 여자 전류를 구동시킬 수 있는 자기소호 코일의 구동회로 및 이를 구비한 직류차단기에 관한 것이다.
도 1은 교류 전원과 직류 전원에서의 시간에 따른 전류의 그래프를 나타내며, 도 2는 기중차단기(air circuit breaker; ACB 또는 ACCB) 등의 직류차단기를 이용한 직류 차단 시 전기 접점에서 발생하는 아크 전류(IARC)를 나타낸다.
도 1을 참고하면, 교류 전원의 경우 매 반주기(half cycle) 마다 전류가 영(0)이 되는 전류 제로점이 발생한다. 이에 따라, 교류 계통에서는 비정상적인 전류(이하, “사고 전류”라 지칭함)가 발생할 때 해당 사고 전류의 차단이 비교적 용이하다.
반면, 직류 전원은 전류가 일정한 크기로 지속적으로 흐르므로 교류 전원과 달리 전류 제로점이 발생하지 않는다. 이에 따라, 직류 계통에서는, 도 2에 도시된 바와 같이, 전류 차단 시 아크 전류(IARC)가 발생하기 쉽고, 강한 아크 전류(IARC)에 의하여 설비의 소손 및 전기화재로 인한 인명 및 재산적 손실이 발생할 가능성이 높다
따라서, 직류 계통에서 사고 전류가 발생하면 해당 사고 전류는 전류 제로점이 발생하지 않으므로, 전류 차단 시 기 접점에서 발생하는 아크 전류(IARC)를 자속(자력선)을 이용해 소호하는 자기적 아크 소호 방식의 직류차단기가 개발되어 사용되고 있다.
도 3은 자기적 아크 소호 방식의 원리를 나타낸다.
도 3(a)를 참조하면, 자기적 아크 소호 방식에서는 자석(M)에서 형성되는 자속의 방향이 전기 접점에서 발생하는 아크 전류(IARC)의 흐름 방향과 직각이 되도록 자석이 배치된다. 그 결과, 도 3(b)에 도시된 바와 같이, 플레밍의 왼손 법칙(Fleming's left-hand rule)에 따라, 아크 전류에는 로렌쯔 힘이 가해지면서 아크가 공간으로 분산되며, 이에 따라 아크 저항 값이 증가하게 되면서 아크 에너지가 빠르게 소모되어 아크가 최종적으로 소호된다.
도 4는 자기적 아크 소호 방식을 이용하는 종래의 자기소호 코일(blow out coil)의 구동회로를 나타낸다.
한편, 자기적 아크 소호 방식 중에는 영구 자석 대신 전자석을 이용한 방식이 존재한다. 이 경우, 부하 전류의 흐름에 따라 전자석에서 발생되는 자속의 방향을 바꾸어줌으로써, 양방향의 부하 전류에 대한 자기적 아크 소호가 가능하다. 이때, 사용되는 전자석을 “자기소호 코일”(BC)이라고 지칭한다.
즉, 도 4를 참조하면, 종래의 자기소호 코일(BC)의 구동회로(이하, “종래 기술”이라고 지칭함)는 다수의 스위치가 구비된 스위치 박스(SW)에서 여자 전압의 방향을 바꾸어 줌으로써, 블로오 아웃 코일(BC)을 제1 방향(정방향) 또는 제2 방향(역방향)으로 여자시킬 수 있다. 특히, 아크 소호를 효과적으로 수행하기 위해, 자기소호 코일(BC)의 기자력을 증가시킴으로써 아크가 발생되는 전기 점접에서의 유효자속밀도를 증가시킬 필요가 있다. 하지만, 종래의 자기소호 코일의 구동회로는 이러한 요구 사항을 만족시킬 수 없는 문제점이 있었다.
상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 아크 소호용으로 사용되는 자기소호 코일에 대해 펄스성 여자 전류를 구동시켜 자기소호 코일의 기자력을 증가시킴으로써 아크가 발생되는 전기 점접에서의 유효자속밀도를 증가시킬 수 있는 자기소호 코일의 구동회로 및 이를 이용한 직류차단기를 제공하는데 그 목적이 있다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 자기소호 코일의 구동회로는 전기 접점에서의 아크를 자속을 이용해 소호하는 자기소호 코일을 구동하는 구동회로로서, (1) 직류 전원부, (2) 직류 전원부로부터 공급되는 전원을 충전하는 충전부, (3) 직류 전원부의 전원이 충전부에 공급되도록 제1 스위칭하거나, 충전부에 충전된 전원이 자기소호 코일에 제1 방향으로 공급되도록 제2 스위칭하거나, 충전부에 충전된 전원이 자기소호 코일에 제2 방향으로 공급되도록 제3 스위칭하는 스위칭부를 포함한다.
상기 스위칭부는 제1 스위칭을 수행한 후 제2 스위칭 및 제3 스위칭 중 어느 하나를 수행하는 제1 동작과, 제1 스위칭을 수행한 후 제2 스위칭 및 제3 스위칭 중 다른 하나를 수행하는 제2 동작을 수행할 수 있다
상기 스위칭부는 제1 동작과 제2 동작을 교대로 수행할 수 있다.
상기 스위칭부는 제1 스위치 및 제2 스위치를 포함할 수 있다.
상기 제1 스위치는 충전부의 일단에 연결된 C+단자가, 상기 직류 전원부의 양극에 연결된 S+단자, 자기소호 코일의 일단에 연결된 P+단자, 및 자기소호 코일의 타단에 연결된 N+단자 중 어느 하나와 연결되도록 스위칭할 수 있다.
상기 제2 스위치는 충전부의 타단에 연결된 C-단자가, 상기 직류 전원부의 음극에 연결된 S-단자, 자기소호 코일의 타단에 연결된 P-단자, 및 자기소호 코일의 일단에 연결된 N-단자 중 어느 하나와 연결되도록 스위칭할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자기소호 코일의 구동회로는, (1) 상기 P+단자와 상기 자기소호 코일의 일단 사이에 제1 방향으로 전류를 통과시키는 제1 정류 소자, (2) 상기 N+단자와 상기 자기소호 코일의 타단 사이에 제2 방향으로 전류를 통과시키는 제2 정류 소자를 더 포함할 수 있다.
상기 스위칭부는 상기 C+단자가 상기 P+단자에 연결되는 경우에 상기 C-단자가 상기 P-단자에 연결될 수 있고, 상기 C+단자가 상기 N+단자에 연결되는 경우에 상기 C-단자가 상기 N-단자에 연결될 수 있으며, 상기 C+단자가 상기 S+단자에 연결되는 경우에 상기 C-단자가 상기 S-단자에 연결될 수 있다.
상기 직류 전원부의 양극과 상기 S+단자 사이 또는 상기 직류 전원부의 음극과 상기 S-단자 사이에 연결되어, 상기 충전부에 공급되는 전류를 제한하는 저항을 더 포함할 수 있다.
상기 제2 스위칭 및 상기 제3 스위칭 시, 상기 충전부의 커패시턴스(C)와 상기 자기소호 코일의 인덕턴스(L)에 의해 발생하는 공진 현상에 따른 펄스형 여자 전류를 구동시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 직류차단기는 직류 전원과 부하 사이에 연결된 전기 접점과, 전기 접점의 연결 여부를 스위칭하는 차단 스위치와, 전기 접점의 차단 시에 발생하는 전기 접점에서의 아크를 자속을 이용해 소호하는 자기소호 코일과, 자기소호 코일을 구동하는 구동회로를 각각 포함하는 직류차단기이다.
상기 구동회로는, (1) 직류 전원부, (2) 직류 전원부로부터 공급되는 전원을 충전하는 충전부, (3) 직류 전원부의 전원이 충전부에 공급되도록 제1 스위칭하거나, 충전부에 충전된 전원이 자기소호 코일에 제1 방향으로 공급되도록 제2 스위칭하거나, 충전부에 충전된 전원이 자기소호 코일에 제2 방향으로 공급되도록 제3 스위칭하는 스위칭부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 직류차단기는, (1) 상기 자기소호 코일의 내부에 삽입된 코어, (2) 상기 코어에 연결되어 자기소호 코일에서 발생한 자속이 전기 접점을 향해 작용하도록 구비된 자극 편을 더 포함할 수 있다.
상기 자극 편은 판 형상으로 형성될 수 있다.
상기와 같이 구성되는 본 발명은 아크 소호용으로 사용되는 자기소호 코일에 대해 펄스성 여자 전류를 구동시킬 수 있어, 자기소호 코일의 기자력을 증가시킴으로써 아크가 발생되는 전기 점접에서의 유효자속밀도를 증가시킬 수 있을 뿐 아니라, 블로 아웃 코일 구동 시 발생하는 전력 손실을 줄이면서 동시에 자기 소호력을 증대시킬 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 교류 전원과 직류 전원에서의 시간에 따른 전류의 그래프를 나타낸다.
도 2는 기중차단기(air circuit breaker; ACB 또는 ACCB) 등의 직류차단기를 이용한 직류 차단 시 전기 접점에서 발생하는 아크 전류(IARC)를 나타낸다.
도 3은 자기적 아크 소호 방식의 원리를 나타낸다.
도 4는 자기적 아크 소호 방식을 이용하는 종래의 자기소호 코일(blow out coil)의 구동회로를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 직류차단기(1000)의 개략 구성도를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 구동회로(400)의 구성도를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 구동회로(400)의 스위칭부(430)에서 수행된 다양한 스위칭 동작을 나타낸다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 구동회로(400)와 종래 기술의 여자 방식에 따라 발생한 여자 전류(Icoil)의 결과를 비교한 그래프를 나타낸다.
본 발명의 상기 목적과 수단 및 그에 따른 효과는 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 경우에 따라 복수형도 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다", “구비하다”, “마련하다” 또는 “가지다” 등의 용어는 언급된 구성요소 외의 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본 명세서에서, “또는”, “적어도 하나” 등의 용어는 함께 나열된 단어들 중 하나를 나타내거나, 또는 둘 이상의 조합을 나타낼 수 있다. 예를 들어, “또는 B”“및 B 중 적어도 하나”는 A 또는 B 중 하나만을 포함할 수 있고, A와 B를 모두 포함할 수도 있다.
본 명세서에서, “예를 들어” 등에 따르는 설명은 인용된 특성, 변수, 또는 값과 같이 제시한 정보들이 정확하게 일치하지 않을 수 있고, 허용 오차, 측정 오차, 측정 정확도의 한계와 통상적으로 알려진 기타 요인을 비롯한 변형과 같은 효과로 본 발명의 다양한 실시 예에 따른 발명의 실시 형태를 한정하지 않아야 할 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결되어’ 있다거나 '접속되어' 있다고 기재된 경우, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성 요소에 '직접 연결되어' 있다거나 '직접 접속되어' 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해될 수 있어야 할 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소의 '상에' 있다거나 '접하여' 있다고 기재된 경우, 다른 구성요소에 상에 직접 맞닿아 있거나 또는 연결되어 있을 수 있지만, 중간에 또 다른 구성요소가 존재할 수 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면, 어떤 구성요소가 다른 구성요소의 '바로 위에' 있다거나 '직접 접하여' 있다고 기재된 경우에는, 중간에 또 다른 구성요소가 존재하지 않은 것으로 이해될 수 있다. 구성요소간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 예를 들면, '～사이에'와 '직접 ～사이에' 등도 마찬가지로 해석될 수 있다.
본 명세서에서, '제1', '제2' 등의 용어는 다양한 구성요소를 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소는 위 용어에 의해 한정되어서는 안 된다. 또한, 위 용어는 각 구성요소의 순서를 한정하기 위한 것으로 해석되어서는 안되며, 하나의 구성요소와 다른 구성요소를 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, '제1구성요소'는 '제2구성요소'로 명명될 수 있고, 유사하게 '제2구성요소'도 '제1구성요소'로 명명될 수 있다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또한, 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일 실시예를 상세히 설명하도록 한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 직류차단기(1000)의 개략 구성도를 나타낸다.
본 발명의 일 실시예에 따른 직류차단기(1000)는 사고 전류 등의 발생 시에 직류 계통에 공급되는 직류 전원(VDC)을 차단하는 장치이다. 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 직류차단기(1000)는, 직류 전원(VDC)으로부터 전원을 공급받는 전기 접점(100)과, 전기 접점(100)의 연결 여부를 스위칭(switching)하는 차단 스위치(200)와, 전기 접점(100)의 차단 시에 발생하는 전기 접점(100)에서의 아크(arc)를 자속(자력선)을 이용해 소호하는 자기소호 코일(blow out coil)(300)과, 자기소호 코일(300)을 구동하는 구동회로(400) 등을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 직류차단기(1000)는 자기소호 코일(300)의 내부에 삽입된 코어(core)(500)와, 코어(500)에 연결되어 자기소호 코일(300)에서 발생한 자속이 전기 접점(100) 또는 그 주변에 작용하되 아크 전류의 방향에 대해 직각으로 작용하도록 배치된 자극 편(pole face)(600)을 더 포함할 수 있다.
이때, 코어(500) 및 자극 편(600)은 금속 재질로 이루어질 수 있으며, 2쌍이 구비될 수 있다. 이 경우, 각 자극 편(600)은 판 형상으로 형성되어, 서로 이격되어 마주 보도록 배치될 수 있다. 이에 따라, 코어(500)는 자기소호 코일(300)에서 발생하는 자속을 더욱 강화시킬 수 있으며, 각 자극 편(600)은 발생한 자속을 그 이격 공간에 배치된 전기 접점(100) 또는 그 주변에 작용시킴으로써 전기 접점(100)에서의 아크에 대한 자기적 소호를 수행할 수 있다.
다만, 도 5에서 한 쌍의 코어(500) 및 자극 편(600)만이 자기소호 코일(300)에 베치된 것으로 도시되었으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 다른 쌍의 코어(500) 및 자극 편(600)에도 자기소호 코일(300) 및 그 구동회로(400)가 배치될 수 있다.
자기소호 코일(300)은 자기적 아크 소호를 위한 코일 형태의 전자석으로서, 전류가 공급되면 자속을 형성하되 공급된 전류의 방향에 따라 자속 방향을 다르게 형성한다. 즉, 자기소호 코일(300)은 암페어의 오른손방향 나사 법칙(Ampere's right hand screw rule)에 따르는 방향의 자속을 형성한다. 특히, 자기적 아크 소호 방식의 적용을 위해, 자기소호 코일(300)은 그 자속의 방향이 전기 접점(100)에서 발생하는 아크 전류의 흐름 방향과 직각이 되도록 전기 접점(100) 주변에 배치될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 구동회로(400)의 구성도를 나타내며, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 구동회로(400)의 스위칭부(430)에서 수행된 다양한 스위칭 동작을 나타낸다.
본 발명의 일 실시예에 따른 구동회로(400)는 자기소호 코일(3000을 구동하는 회로로서, 도 6에 도시된 바와 같이, 직류 전원부(410), 충전부(420), 스위칭부(430) 및 스위칭 제어부(440)을 포함할 수 있다.
직류 전원부(410)는 직류 전원(Vsupply)을 공급하는 구성이다. 예를 들어, 직류 전원부(410)는 1,500[V] 등의 고압 직류를 공급할 수 있다.
충전부(420)는 직류 전원부(420)로부터 공급되는 직류 전류(Icharge)에 따른 전원(Vsuuply)을 충전하는 구성이다. 예를 들어, 충전부(420)는 하나 이상의 커패시터 또는 커패시터 뱅크를 포함할 수 있다.
스위칭부(430)는 2극 3로의 스위칭이 가능한 구성이다. 도 7을 참조하면, 스위칭부(430)는 직류 전원부(410)의 전원에 따른 직류 전류(Icharge)가 충전부(420)에 공급되도록 스위칭(이하, “제1 스위칭”이라 지칭함)(도 7(a) 참고)하거나, 충전부(410)에 충전된 전원에 따른 전류(Icoil1)가 자기소호 코일(300)에 제1 방향(정방향)으로 공급되도록 스위칭(이하, “제2 스위칭”이라 지칭함)(도 7(b) 참고)하거나, 충전부(420)에 충전된 전원에 따른 전류(Icoil2)가 자기소호 코일(300)에 제2 방향(역방향)으로 공급되도록 스위칭(이하, “제3 스위칭”이라 지칭함)(도 7(c) 참고)할 수 있다.
구체적으로, 스위칭부(430)는 3로 중 하나, 즉 3개 단자 중 하나를 각각 C+단자 또는 C-단자에 연결되도록 각각 스위칭하는 제1 스위치(431) 및 제2 스위치(432)를 포함할 수 있다.
즉, 제1 스위치(431)는 충전부(420)의 일단에 연결된 C+단자가, S+단자, P+단자 및 N+단자 중 어느 하나와 연결되도록 스위칭한다. 이때, S+단자는 직류 전원부(410)의 양극에 연결될 수 있고, P+단자는 자기소호 코일(300)의 일단에 연결될 수 있으며, N+단자는 자기소호 코일(300)의 타단에 연결될 수 있다.
또한, 제2 스위치(432)는 충전부(4200의 타단에 연결된 C-단자가, S-단자, P-단자 및 N-단자 중 어느 하나와 연결되도록 스위칭한다. 이때, S-단자는 직류 전원부(410)의 음극에 연결될 수 있고, P-단자는 자기소호 코일(300)의 타단에 연결될 수 있으며, N-단자는 자기소호 코일(300)의 일단에 연결될 수 있다.
S+단자 및 S-단자는 제1 스위칭을 위해 배치된 단자로서, 제1 스위칭 시 S+단자가 C+단자에, S-단자가 C-단자에 각각 연결된다. P+단자 및 P-단자는 제2 스위칭을 위해 배치된 단자로서, 제2 스위칭 시 P+단자가 C+단자에, P-단자가 C-단자에 각각 연결된다. 또한, N+단자 및 N-단자는 제3 스위칭을 위해 배치된 단자로서, 제3 스위칭 시 N+단자가 C+단자에, N-단자가 C-단자에 각각 연결된다.
즉, 스위칭부(430)에서, 스위칭부(430)는 C+단자 및 S+단자가 연결되도록 제1 스위치(431)가 동작하는 경우에 C-단자 및 S-단자가 연결되도록 제2 스위치(432)가 동작함으로써 제1 스위칭이 수행될 수 있다. 또한, C+단자 및 P+단자가 연결되도록 제1 스위치(431)가 동작하는 경우에 C-단자 및 P-단자가 연결되도록 제2 스위치(432)가 동작함으로써 제2 스위칭이 수행될 수 있다. 마찬가지로, C+단자 및 N+단자에 연결되도록 제1 스위치(431)가 동작하는 경우에 C-단자 및 N-단자가 연결되도록 제2 스위치(432)가 동작함으로써 제3 스위칭이 수행될 수 있다.
한편, 스위칭부(400)는 제1 스위칭을 수행한 후 제2 스위칭 및 제3 스위칭 중 어느 하나를 수행하는 제1 동작과, 제1 스위칭을 수행한 후 제2 스위칭 및 제3 스위칭 중 다른 하나를 수행하는 제2 동작을 수행할 수 있다. 특히, 스위칭부(400)는 제1 동작과 제2 동작을 교대로 수행할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 구동회로(400)는 제2 스위칭 및 제3 스위칭 시에 반대 방향의 전류를 차단하는 제1 정류 소자(450) 및 제2 정류 소자(460)를 더 포함할 수 있다. 즉, 제1 정류 소자(450)는 P+단자와 자기소호 코일(300)의 일단 사이에 제1 방향의 전류(Icoil1)를 통과시키되 제2 방향의 전류(Icoil2)는 차단한다. 마찬가지로, 제2 정류 소자(460)는 N+단자와 자기소호 코일(300)의 타단 사이에 제2 방향의 전류(Icoil2)를 통과시키되 제1 방향의 전류(Icoil1)는 차단한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 구동회로(400)는 충전부(420)에 공급되는 전류(Icharge)를 제한하는 저항(470)을 더 포함할 수 있다. 즉, 저항(470)은 충전부(420)의 용량에 맞도록 전류(Icharge)의 크기를 조절할 수 있다. 즉, 충전부(420)에 흐르는 충전 전류(Icharge)는 저항(470)에 의하여 제한되어 흐른다. 이때, 저항(470)은 직류 전원부(410)의 양극과 S+단자 사이 또는 직류 전원부(410)의 음극과 S-단자 사이에 직렬 연결될 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 구동회로(400)와 종래 기술의 여자 방식에 따라 발생한 여자 전류(Icoil)의 결과를 비교한 그래프를 나타낸다.
도 8을 참조하면, 도 4에 따른 종래 기술은 직류 형태(DC excitation)이되 비교적 크기가 작은 여자 전류(Icoil)를 발생시킨다. 반면, 본 발명의 일 실시예에 따른 구동회로(400)는 제2 스위칭 및 제3 스위칭 시, 충전부(420)의 커패시턴스(C)와 자기소호 코일(300)의 인덕턴스(L)에 의해 발생하는 LC 공진 현상에 따라 펄스 형태(Pluse excitation)이되 비교적 크기가 큰 여자 전류(Icoil)를 짧은 시간(예를 들어, 100[㎳] 이하) 동안 구동시킬 수 있다. 이에 따라, 본 발명은 자기소호 코일(300)의 기자력을 증가시킬 수 있어, 아크가 발생되는 전기 점접(100)에서의 유효자속밀도를 증가시킬 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 구동회로(400)는 지속적으로 여자 전류를 구동하는 대신, 공진에 의한 펄스성 여자 전류를 짧은 시간 동안 구동함으로써 종래 기술 보다 수십 배 큰 여자 전류의 구동이 가능하며, 이에 따라, 자극 편(600)에 보다 큰 자속을 발생시킬 수 있다. 그 결과, 본 발명의 일 실시예에 따른 구동회로(400)는 동일한 전원을 공급하더라도 종래 기술 보다 큰 자속을 생성하므로, 블로 아웃 코일(300) 구동 시 발생하는 전력 손실을 줄이면서 동시에 자기 소호력을 증대시킬 수 있다.
한편, 스위칭 제어부(440)는 스위칭부(430)의 스위칭 동작을 제어하는 구성이다. 예를 들어, 스위칭 제어부(440)는 제어용 릴레이 등으로 구성될 수 있다.
스위칭 제어부(440)는 평상 시에 제1 스위칭하도록 스위칭부(430)를 제어하여 충전부(420)를 충전한다. 이후, 사고 전류 등에 따라 차단 명령이 발생하면, 스위칭 제어부(440)는 부하 전류의 흐르는 방향에 따라 제2 스위칭 또는 제3 스위칭하도록 스위칭부(430)를 제어한다.
즉, 차단 명령이 발생하는 순간에 부하 전류가 제1 방향인 경우, 스위칭 제어부(440)는 스위칭부(430)가 제2 스위칭하도록 제어함으로써 자기소호 코일(300)에 제1 방향에 따른 반주기 펄스형 여자 전류를 가해준다. 반주기 후, LC 공진에 따라 역방향 전류가 흐르려고 하면 제1 정류 소자(450)에 의하여 여자 전류는 저지되어 더 이상 흐르지 않고 자기소호 코일(300)의 여자는 종료된다. 차단이 완료되면, 스위칭 제어부(440)는 제1 스위칭하도록 스위칭부(430)를 제어하여 충전부(420)를 재충전한다.
반면, 차단 명령이 발생하는 순간에 부하 전류가 제2 방향인 경우, 스위칭 제어부(440)는 스위칭부(430)가 제3 스위칭하도록 제어함으로써 자기소호 코일(300)에 제2 방향에 따른 반주기 펄스형 여자 전류를 가해준다. 반주기 후, LC 공진에 따라 역방향 전류가 흐르려고 하면 제2 정류 소자(460)에 의하여 여자 전류는 저지되어 더 이상 흐르지 않고 자기소호 코일(300)의 여자는 종료된다. 차단이 완료되면, 스위칭 제어부(440)는 제1 스위칭하도록 스위칭부(430)를 제어하여 충전부(420)를 재충전한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 구동회로(400)를 설계하는 구체적인 예는 다음과 같다.
먼저, 여자 전류를 충분히 크게 확보하기 위하여 비교적 큰 1,500[V]의 주 전압(Vsupply)을 사용한다. 스위칭 제어부(440)의 동작 지연 시간(Tdelay)을 5[㎳]로 가정하면, 여자 목표는 다음과 같이 설정할 수 있다.
- 여자 시간(Texcite): 50[㎳]
- 여자 피크 전류(Ipeak): 100[A]
LC 공진 이론에 따라, 충전부(420)의 커패시턴스(C)와 자기소호 코일(300)의 인덕턴스(Lcoil) 사이에는 다음의 조건이 성립된다.
Figure 112019062205054-pat00001
(1)
Figure 112019062205054-pat00002
(2)
따라서, 충전부(420)의 커패시턴스(C)와 자기소호 코일(300)의 인덕턴스(Lcoil)는 다음과 같이 계산될 수 있다.
Figure 112019062205054-pat00003
(3)
Figure 112019062205054-pat00004
(4)
Figure 112019062205054-pat00005
(5)
본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관하여 설명하였으나 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되지 않으며, 후술되는 청구범위 및 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100: 전기 접점 200: 차단 스위치
300, BC: 자기소호 코일 400: 구동회로
410: 직류 전원부 420: 충전부
430: 스위칭부 431: 제1 스위치
432: 제2 스위치 440: 스위칭 제어부
450: 제1 정류 소자 460: 제2 정류 소자
500, CO: 코어 600, MP: 자극 편
1000: 직류차단기 SW: 스위치 박스

Claims (11)

  1. 직류 전원과 부하 사이에 연결된 전기 접점의 차단 시에 발생하는 아크를 자속을 이용해 소호하는 자기소호 코일을 구동하는 구동회로로서,
    직류 전원부;
    직류 전원부로부터 공급되는 전원을 충전하는 커패시터를 포함하는 충전부; 및
    직류 전원부의 전원이 충전부에 공급되도록 제1 스위칭하거나, 충전부에 충전된 전원이 자기소호 코일에 제1 방향으로 공급되도록 제2 스위칭하거나, 충전부에 충전된 전원이 자기소호 코일에 제2 방향으로 공급되도록 제3 스위칭하는 스위칭부;를 포함하며,
    상기 스위칭부는,
    충전부의 일단에 연결된 C+단자가, 상기 직류 전원부의 양극에 연결된 S+단자, 자기소호 코일의 일단에 연결된 P+단자, 및 자기소호 코일의 타단에 연결된 N+단자 중 어느 하나와 연결되도록 스위칭하는 제1 스위치; 및
    충전부의 타단에 연결된 C-단자가, 상기 직류 전원부의 음극에 연결된 S-단자, 자기소호 코일의 타단에 연결된 P-단자, 및 자기소호 코일의 일단에 연결된 N-단자 중 어느 하나와 연결되도록 스위칭하는 제2 스위치;를 각각 포함하고,
    제1 스위칭을 수행한 후 제2 스위칭 및 제3 스위칭 중 어느 하나를 수행하는 제1 동작과, 제1 스위칭을 수행한 후 제2 스위칭 및 제3 스위칭 중 다른 하나를 수행하는 제2 동작을 수행하며,
    평상 시 상기 제1 스위칭을 수행하여, 상기 C+단자 및 상기 S+단자가 연결되도록 상기 제1 스위치가 동작하고 상기 C-단자 및 상기 S-단자가 연결되도록 상기 제2 스위치가 동작하며,
    차단 명령 발생 시 부하 전류가 제1 방향인 경우, 상기 제2 스위칭을 수행하여, 상기 C+단자 및 상기 P+단자가 연결되도록 상기 제1 스위치가 동작하고 상기 C-단자 및 상기 P-단자가 연결되도록 상기 제2 스위치가 동작하며,
    차단 명령 발생 시 부하 전류가 제2 방향인 경우, 상기 제3 스위칭을 수행하여, 상기 C+단자 및 상기 N+ 단자에 연결되도록 상기 제1 스위치가 동작하고 상기 C-단자 및 상기 N-단자가 연결되도록 상기 제2 스위치가 동작하며,
    차단 명령 발생에 따른 상기 제2 스위칭 및 상기 제3 스위칭 시, 상기 커패시터의 커패시턴스(C)와 상기 자기소호 코일의 인덕턴스(L)에 의해 발생하는 LC 공진에 따른 펄스형 여자 전류를 반주기 동안 구동시키며, 반주기 후 LC 공진의 역방향 여자 전류를 정류 소자를 이용해 저지시키는 것을 특징으로 하는 자기소호 코일의 구동회로.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭부는 제1 동작과 제2 동작을 교대로 수행하는 것을 특징으로 하는 자기소호 코일의 구동회로.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 P+단자와 상기 자기소호 코일의 일단 사이에 제1 방향으로 전류를 통과시키는 제1 정류 소자; 및
    상기 N+단자와 상기 자기소호 코일의 타단 사이에 제2 방향으로 전류를 통과시키는 제2 정류 소자;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기소호 코일의 구동회로.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 직류 전원부의 양극과 상기 S+단자 사이 또는 상기 직류 전원부의 음극과 상기 S-단자 사이에 연결되어, 상기 충전부에 공급되는 전류를 제한하는 저항을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기소호 코일의 구동회로.
  8. 삭제
  9. 직류 전원과 부하 사이에 연결된 전기 접점과, 전기 접점의 연결 여부를 스위칭하는 차단 스위치와, 전기 접점의 차단 시에 발생하는 전기 접점에서의 아크를 자속을 이용해 소호하는 자기소호 코일과, 자기소호 코일을 구동하는 구동회로를 각각 포함하는 직류차단기로서,
    상기 구동회로는,
    직류 전원부;
    직류 전원부로부터 공급되는 전원을 충전하는 커패시터를 포함하는 충전부; 및
    직류 전원부의 전원이 충전부에 공급되도록 제1 스위칭하거나, 충전부에 충전된 전원이 자기소호 코일에 제1 방향으로 공급되도록 제2 스위칭하거나, 충전부에 충전된 전원이 자기소호 코일에 제2 방향으로 공급되도록 제3 스위칭하는 스위칭부;를 포함하며,
    상기 스위칭부는,
    충전부의 일단에 연결된 C+단자가, 상기 직류 전원부의 양극에 연결된 S+단자, 자기소호 코일의 일단에 연결된 P+단자, 및 자기소호 코일의 타단에 연결된 N+단자 중 어느 하나와 연결되도록 스위칭하는 제1 스위치; 및
    충전부의 타단에 연결된 C-단자가, 상기 직류 전원부의 음극에 연결된 S-단자, 자기소호 코일의 타단에 연결된 P-단자, 및 자기소호 코일의 일단에 연결된 N-단자 중 어느 하나와 연결되도록 스위칭하는 제2 스위치;를 각각 포함하고,
    제1 스위칭을 수행한 후 제2 스위칭 및 제3 스위칭 중 어느 하나를 수행하는 제1 동작과, 제1 스위칭을 수행한 후 제2 스위칭 및 제3 스위칭 중 다른 하나를 수행하는 제2 동작을 수행하며,
    평상 시 상기 제1 스위칭을 수행하여, 상기 C+단자 및 상기 S+단자가 연결되도록 상기 제1 스위치가 동작하고 상기 C-단자 및 상기 S-단자가 연결되도록 상기 제2 스위치가 동작하며,
    차단 명령 발생 시 부하 전류가 제1 방향인 경우, 상기 제2 스위칭을 수행하여, 상기 C+단자 및 상기 P+단자가 연결되도록 상기 제1 스위치가 동작하고 상기 C-단자 및 상기 P-단자가 연결되도록 상기 제2 스위치가 동작하며,
    차단 명령 발생 시 부하 전류가 제2 방향인 경우, 상기 제3 스위칭을 수행하여, 상기 C+단자 및 상기 N+ 단자에 연결되도록 상기 제1 스위치가 동작하고 상기 C-단자 및 상기 N-단자가 연결되도록 상기 제2 스위치가 동작하며,
    차단 명령 발생에 따른 상기 제2 스위칭 및 상기 제3 스위칭 시, 상기 커패시터의 커패시턴스(C)와 상기 자기소호 코일의 인덕턴스(L)에 의해 발생하는 LC 공진에 따른 펄스형 여자 전류를 반주기 동안 구동시키며, 반주기 후 LC 공진의 역방향 여자 전류를 정류 소자를 이용해 저지시키는 것을 특징으로 하는 직류차단기.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 자기소호 코일의 내부에 삽입된 코어; 및
    상기 코어에 연결되어 자기소호 코일에서 발생한 자속이 전기 접점을 향해 작용하도록 구비된 자극 편;
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 직류차단기.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 자극 편은 판 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 직류차단기.
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KR20010052449A (ko) * 1999-03-31 2001-06-25 아에게 니더스판눙스테크니크 게엠바하 운트 코 카게 소호 보조물
JP2010177164A (ja) * 2009-02-02 2010-08-12 Toyota Motor Corp 消弧装置
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