1.1 연구의 배경

일반적으로, 대형 건물이나 공장 및 병원 등에서는 한국 전력과 같은 전력공급원으로부터 상용 전력을 공급받아 사용하고, 정전과 같이 상용 전력 공급에 이상이 발생하였을 때에는 건물 내에 구비된 발전 설비 등을 이용하여 비상 전력을 생성하여 사용한다. 이러한 대형 건물이나 공장 및 병원 등에서는, 평상시에는 상용전원 (Normal Power Supply; NP)과 부하 측을 연결하여 부하 측에 전력을 공급(Load Power; LP)하고, 상용 전력 공급원에 이상이 발생할 때 비상 전원(Emergency Power Supply; EP)을 부하 측에 연결하여 비상 전력을 부하 측으로 제공하는 자동 전환스위치가 포함된 자동전원 전환장치가 구비된 수,배전반이 설치되어 있다^[1-4].

이와 같이 상용전원과 비상전원 각각 2개의 서로 다른 전원을 택일적으로 부하측에 접속하기 위한 전원 전환장치는 그 용량이나 용도에 따라 다양한 형태가 개발되어 사용되고 있다^[1-3].

예를 들어 대용량의 전원을 공급받아 사용하는 대형 건물이나 공장 등에는 전원 공급처로부터 공급되는 상용전원이나 상용전원의 이상 시 대체되는 비상전원을 선택적으로 부하 측에 접속하기 위한 전원 전환장치가 구비되어 있다. 이를 구체적으로 설명하면 먼저, Fig. 1(a)은 기존의 배전반의 전원 자동전환장치 회로 구성도이다. Fig. 1에 도시된 바와 같이, 배전반의 자동전환스위치를 포함하여 전원을 전환하는 회로의 구성을 살펴보면, 평상시 한국 전력에서 공급되는 상용전원 (Normal Power, NP)과 비상 시 발전기로부터 공급되는 비상전원(Emergency Power, EP)이 구비되어 있고, 상용전원 (NP) 또는 비상전원(EP)으로부터 전원을 부하 (Load Power, LP)에 공급하기 위한 자동전환스위치 (Automatic Transfer Switch ; ATS,)가 설치되어 있다. 여기에서, 자동전환스위치 (ATS)는 평상시 상용전원 (NP)에 부하(LP)에 전원을 공급하고, 상용전원 (NP)이 차단되면 비상전원 (EP)에 절체되어 부하(LP)측에 전원을 공급한다^[2-5].

따라서, 이와 같은 구성은 상용전원 (NP)과 비상전원 (EP) 및 부하(LP) 사이에 하나의 자동전환스위치 (4)가 설치된 형태를 가지고 있어, 상용전원 (1)의 공급 차단 시, 비상전원 (2)을 공급하기 위한 자동전환스위치 (4)의 단자절환이 수행된다. 이는 상기 자동전환스위치 (4)에서 입력되는 상용전원 (1)의 공급상태를 인지하고 있는 상태로서, 입력되는 상용전원 (1)의 차단은 자동전환스위치 (4)의 동작을 유도하게 된다. Fig. 1(b)는 기존의 자동전환스위치 (4)의 일반적인 형태를 나타내고 있다. Fig. 1(b)에서 알 수 있듯이 상용전원 단자 (6)과 비상전원 단자 (7)의 연결을 위한 각각의 단자가 구성되어 있으며 상용전원 (1)이 차단되면 비상전원 (2)으로 절체되어 부하 (3) 측에 전원을 공급하고 상용전원이 복전이 이루어지게 되면 비상전원(2)에서 상용전원 (1)로 절체하기 위한 가동자 (5)를 포함하여 부하 (3)에 전원을 공급하기 위한 부하 단자 (8)을 포함하여 구성된다. 또한, 상용전원에서 비상전원으로 또는 비상전원에서 상용전원으로 절체 시 단자에서 순간 아크가 발생하게 되고 이를 소거하기 위한 소거 공간으로써 아크 챔버 (9)를 포함하고 있다^{[3, 4]}.

Fig. 1. The conventional switchboard circuit and ATS circuit

한편, 기존의 자동전환스위치는 3상인 경우 복수개 (RST상)의 자동전환스위치를 동시에 제어하기 위한 솔레노이드 코일을 자동전환스위치의 외부에 형성하고 있으며, 이러한 외부에 형성된 솔레노이드코일의 부피는 복수개의 자동전환스위치의 제어를 돕기 위해 부피가 큰 형태의 솔레노이드코일에 의해 제어부에서 발생된 제어신호의 제어에 의해 이루어진다.

이로 인하여 자동전환스위치 교체 시 개별적으로 이루어지는 것이 아닌 자동전환스위치 전체가 하나의 부품처럼 교체가 이루어지는 문제점을 가지고 있다. 또한, 기존의 자동전환스위치가 상용전원의 정전 또는 복전에 따라 그 단자가 변경되어야 함에도 불구하고 정전 또는 복전 시 그 접점이 변경될 때 다시 원래의 단자쪽으로 복귀하는 등의 심각한 문제점이 발생되고 있는 실정이다.

Fig. 2. The back EMF generation mechanism by power conversion

Fig. 2(a)는 일반적인 자동전환스위치가 상용전원에서 비상전원으로 또는 비상전원에서 상용전원으로 전환되는 것을 나타내고 Fig. 2(b)는 전원 전환 시 각 전원간의 위상차에 따른 역기전력이 발생하게 되는 메카니즘을 나타내고 있다. Fig. 2(a)에 나타난 바와 같이 비상전원에서 상용전원으로 전환 시, Fig. 2(b)에 나타난 바와 같이 두 전원간 위상차가 발생하게 되고 최대전압과 최소전압으로 위상차가 발생되는 경우를 가정하면 부하 (LP)에는 최대전압의 2배 또는 2배 이상에 해당 되는 역 기전력이 전달되게 된다. 이러한 역기전력이 부하 (LP)에 공급되는 경우, 부하의 안정성과 전체 시스템의 신뢰성에 심각한 영향을 미치게 되는 아주 심각한 문제점이 발생하게 된다.

1.2 연구의 목적 및 방법

본 논문은 위에서 기술한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서 상용전원 (NP) 또는 비상전원 (EP)중 어느 하나의 전원으로 전환되어야 할 경우, 자동전환스위치 (ATS) 내부에 더블유 (W) 형상의 캠 (Cam)축과 이를 지지하기 위한 스프링을 포함한 가동자부를 포함하여 구성되고 더블유(W) 형상의 캠 (Cam)축의 구동을 돕기 위해 자동전환 스위치 (ATS)와 그 내부에 솔레노이드 코일을 포함하여 구성되는 새로운 자동전환 스위치 (ATS) 및 이를 구동하기 위한 구동회로를 제안하고자 한다.

2.1 제안된 자동전환스위치 (ATS)

Fig. 3은 본 논문에서 제안된 새로운 자동전환스위치 (10)와 구동 회로부를 포함한 전체적인 시스템 구성도를 나타내고 있다. 자동전환스위치 (10)의 일측에는 자동전환스위치 (10)의 각종 구성부들이 설치될 수 있는 부착판 (11)이 구비되고, 부착판 (11)의 대략 중심에는 축공 (도시되지 않음)이 형성되어 있다. 본 논문의 자동전환스위치 (10)의 내부는 크게 세가지의 구성요소구분 되어 구성되며 외부의 제어신호를 발생시키기 위한 제어부 (90) 및 이에 구동되는 구동회로부를 더 포함하여 구성된다.

먼저, 첫번째는 상용전원 (NP) 단자 (20)및 비상전원 (EP) 단자 (30)중 어느 하나를 선택하여 연결하기 위한 가동부스바 (41) 단자의 구성이다. 둘째는 가동부스바 (41)와 연결하고 전류를 흘리기 위한 케이블 (81)과 부하에 전원을 공급하기 위한 단자 (80), 더블유캠 (42)을 포함한 가동자부 (40)의 구성이다. 그리고 셋째는 솔가동자 복원스프링 (49), 솔가동자연결대 (50), 솔레노이드코일 (60)로 크게 구분하여 설계된다. 이중에서 가동자부 (40)의 축공에는 실질적으로 전환을 담담하는 가동자 몸체 (43)의 메인축 (44)이 삽입 관통되어 있고, 일단에는 축공에 대응되는 각형으로 이루어져 결합되고, 메인축 (44)에는 상용전원과 비상전원 중 어느 하나가 부하에 연결되도록 하는 가동부스바 (41)가 설치되어 있어 가동자 몸체 (43)의 메인축(44) 이 회전되면 전원을 연결하는 가동부스바 (41)의 접점이 전환되어지도록 설계되어 있다. 가동부스바 (41) 전환 시 발생되는 전기적인 아크를 소호하기 위한 아크챔버 (70)를 더 포함하여 구성된다.

Fig. 3. Overall system configuration

Fig. 4는 가동부스바 (41)의 접점의 수을 용이하게 변경하여 자동전환스위치 (10)의 전류용량은 용이하게 증가시키고 가동부스바 (41)의 크기를 감소시키기 위한 수단을 나타내고 있다. Fig. 4(a)는 더블유 (W) 캠을 포함한 가동자부, 솔가동자연결대 (50)만을 나타내고 있는 것으로 두개의 가동부스바 (41a, 41b)를 나타내고 있다. Fig. 4(b)는 두개의 가동부스바 (41a, 41b)가 포함되어 있는 자동전환스위치 (10)의 전체 구성을 나타내고 있다. Fig. 4에서 알 수 있듯이 가동부스바 (41)를 두 개 (41a, 41b)로 나누어 설치하여 전류용량 증가 및 가동부스바 (41)의 크기를 감소시킬 수 있는 장점이 있도록 구성을 하였다.

Fig. 4. The variable number of contacts of the movable bus bar

또한, Fig. 3에서 알 수 있듯이 가동자부 (40)는 가동자스프링셋 (45)과 가동자몸체 (43), 밀대스프링(46), 가동자중점가이드 (47), 알파벳 더블유(W) 형태의 더블유 (W)캠 이동스프링 (48) 및 더블유캠 (42)을 포함하여 구성된다. 이중에서 가동자스프링셋 (45)은 가동자의 접점을 유지하는 보조 역할을 수행하는 것으로 전원의 단자에 지속적으로 유지되도록 도움을 주기 위한 구성이다. 먼저, 가동자부 (40)중에서 가동자부몸체 (43)는 가동자가 움직여 입력측의 전원을 전환하기 위해 상용전원과 비상전원으로 전환하도록 하고 입력전원을 로드하는 중간자 역할을 수행하기 위한 구성이다. 밀대스프링 (46)은 가동자부 (40)의 중점을 잡아 가동자부의 중점이 무너질 때 가동부스바 (41)의 단자를 상용전원과 비상전원으로 전환시키며 동시에 가동부스바 (41)의 단자가 전환이 이루어진 후 확실하게 유지되도록 도움을 주기 위한 역할을 수행하게 된다. 가동자 중점가이드 (47)는 가동부스바 (41)의 위치가 변화하면 두 개가 서로 왕복하며 가동자가 상용전원과 비상전원으로 원할하게 움직이도록 도움을 주기위한 역할을 수행하게 된다. 더블유캠이동스프링 (48)은 더블유캠 (42)이 원할하게 동작하도록 더블유캠 (42) 내부 몸체의 위치를 설정해주는 역할을 수행하기 위한 구성이다. 본 논문의 주요 구성중 하나 인 더블유(W)캠 (42) (또는 하트캠 이라고 칭함.)는 상용전원 단자 연결 상태에서 가동부스바 (41)의 단자가 접속되어 있는 경우 비상전원의 접속 상태로 전환되거나 또는 비상전원 단자 연결 상태에서 상용전원의 접속 상태로 전환되도록 가동자부 (40)의 전체적인 중심을 이동시키도록 작동하게 된다.

솔레노이드코일부는 솔레노이드코일 (60), 솔가동자복원스프링 (49) 및 솔가동자연결대 (50)를 포함하여 구성된다. 이중에서 솔레노이드코일부는 외부의 제어부 (90) 및 구동회로 (100)에 따라 솔레노이드코일에 전류가 흐르게 되고 전류(iL)와 솔레노이드 코일 내부의 쇄교 자속(B)과에 따른 힘(F)이 발생하게 된다. 이 발생된 힘에 의해 솔가동자연결대 (50)를 하단부로 당기게 되고 당겨진 힘에 의해 솔가동연결대 (50)이 작동하게 된다. 그리고 솔레노이드코일에 전류가 흐르지 않게 되는 경우 솔가동자 복원스프링 (49)과 더블유캠이동스프링 (47)의 작용에 의해 솔가동연결대는 최초의 위치로 되돌아오게 된다. 이때 솔가동자연결대 (50)는 솔레노이드코일 (60)과 솔가동자 복원스프링(49)에 의해 직선운동을 회전운동으로 운동원리를 변경해 주는 역할을 수행하게 된다.

또한, 본 논문의 자동전환스위치 (10)의 중요한 구성요소중 하나인 솔레노이드코일 (60) 자동전환스위치 (10)의 내부에 일체형으로 위치하게 되어 자동전환스위치 (10)의 부피를 감소시키는 역할을 수행하게 되는 것 뿐만 아니라 더불유(W)캠 (42)를 포함하여 구성됨으로써 입력측의 상용전원에서 비상전원으로 비상전원에서 상용전원으로의 전환 시 가동부스바 (41) 접점의 이동이 빠르고 정확하게 이루어질 수 있도록 작동하게 되는 특징이 있다.

Fig. 5는 본 논문의 중요 구성 요소인 더블유(W)캠 (42)의 작동원리를 나타내기 위한 것으로 비상전원 (EP)에서 상용전원 (NP)으로 전환 되는 경우를 나타내고 있다. 먼저, Fig. 5(a)는 외부 구동회로에서 제어신호가 인가되지 않은 것으로 더블유캠 (42)의 중심축이 비상전원의 방향으로 향하게 된다. Fig. 5(b)는 외부 구동회로에 제어신호가 인가되는 경우로써, 솔레노이드코일 (60)에 전류가 흐르게 되고 솔레노이드코일 (60)의 쇄교자속과의 작용에 따른 아랫방향으로의 힘이 발생하게 된다. 이 발생된 힘에 의해 솔가동자연결대 (50)는 아랫방향으로 당겨지게 되고

Fig. 5. Working principle of W cam (42)

이때 아래방향으로 잡아당기는 솔가동자연결대 (50)에 의해 더블유캠 (42)의 비대칭성에 의해 중심축이 이동하게 된다. Fig. 5(c)는 외부 구동회로부가 턴-오프 되고 솔가동자 복원스프링 (49)에 의해 솔가동자연결대 (50)는 최초의 위치로 밀려서 복원되도록 작동하게 된다. 이로써 본 논문의 더블유(W)캠 (42)의 동작에 의해 자동전환스위치 (10)의 단자 접속의 전환이 이루어지게 됨을 알 수 있다. 상용전원에서 비상전원으로 전환은 Fig. 5와 반대로 동작하게 된다.

2.2 제안된 자동전환스위치의 구동회로

2.2.1 구동회로

Fig. 6은 제어부가 포함된 전체 구동회로를 나타내고 있다. Fig. 6(a)는 솔레노이드 코일이 내장된 새로운 자동전환스위치를 포함한 구동회로를 나타내고 있으며 Fig. 6(b)는 솔레노이드 코일을 저항(R)과 인덕터 (L)로 등가화한 전체 회로를 나타내고 있다. 구동회로의 구성은 솔레노이드 코일을 구동하기 위한 풀-브릿지 (Full-Bridge) 형태로 구성된 4개의 스위치와 이를 구동하기 위한 제어부로 구성되어 있다.

Fig. 6. The overall drive circuit including the new ATS

Fig. 7은 본 논문에서 제안된 자동전환스위치를 구동하기 위한 구동회로의 동작모드를 나타내고 있다. 구동회로의 동작모드는 크게 3가지의 동작모드로 구성된다. 먼저 Fig. 7(a)는 상용전원 투입에 따른 제어부의 게이트 턴-온 신호 S1과 S2 에 의해 솔레노이드 코일에 전류가 흐르게 되어 여자되는 과정을 나타내고 있으며 Fig. 7(c)는 비상전원 투입에 따른 제어부의 게이트 턴-온 신호 S3과 S4 에 의해 솔레노이드 코일에 전류가 흐르게 되어 여자되는 과정을 나타내고 있다. 따라서 스위치 S1과 S2 또는 S3와 S4의 턴-온에 의해 솔레노이드 코일에 전류 (iL)가 흐르게 되고 식 (1)은 스위치 S1 및 S2 또는 S3와 S4의 턴-온에 의해 솔레노이드 코일에 흐르는 전류 (iL,t-on)의 관계식을 나타내고 있다.

(1)

$i_{L}(t_{-on})=A.\cos(\tan^{-1}\dfrac{\omega L}{R})e^{-\dfrac{R}{L}t}+A.\cos(\omega t+\tan^{-1}\dfrac{\omega L}{R})$[A]

여기서, $A=\dfrac{V_{m}}{\sqrt{R^{2}+(\omega L)^{2}}}$, Vm=입력전압, R, wL: 솔레노이드 코일의 등가저항 및 인덕터

따라서, 식(1)로부터 솔레노이드 코일의 최대 전류 (iL,max)가 흐르기 위한 스위치의 최소 턴-온(ton,min) 시간은 식 (2)와 같이 구할 수 있다.

(2)

$t_{on,\: \min}=\dfrac{V_{m}.\omega R}{R^{2}+(\omega L)^{2}}\tan^{-1}\dfrac{\omega L}{R}-\dfrac{V_{m}.\omega^{2}L}{R^{2}+(\omega L)^{2}}$

한편, Fig. 7(b)는 스위치 S1과 S2 또는 S3와 S4가 턴-오프 됨에 따라 솔레노이드 코일에 축적된 자기 에너지를 소호하기 위해 솔레노이드 코일의 병렬에 프리휠링 다이오드 (D)를 추가하여 솔레노이드 코일의 내부저항 (R)에 의해 소호되는 동작모드의 과정을 나타내고 있다. 이러한 프리휠링 다이오드 (D)를 통하여 솔레노이드 코일의 등가 인덕터 (L)에 의해 발생되는 과도한 과전압은 현저히 감소하게 된다. Fig. 7(b)에서 스위치들의 턴-오프 시 솔레노이드 코일에 전류 (iL(t-off))는 식 (3)과 같다.

(3)

$i_{L(t-off)}=i_{L,\: \max}e^{-\dfrac{R}{L}(t-t_{on})}[A]$

여기서, $i_{L,\: \max}$= 스위치 on 시 흐르는 최대전류

따라서, 솔레노이드 코일의 전류 (iL) 완전응답은 식 (1)과 (3)의 합으로부터 쉽게 같이 구할 수 있다.

Fig. 7. The operating mode of the driving circuit

Fig. 8은 솔레노이드 코일에 공급되는 전압과 흐르는 전류 (iL)의 파형을 나타내고 있다. Fig. 8을 통하여 알 수 있듯이 스위치의 제어시점부터 솔레노이드 코일에 전류가 흐르게 되고 이때 흐르는 전류가 식 (3)과 같이 흐름을 알 수 있으며 안정적으로 구동됨을 확인할 수 있다.

Fig. 8. The current waveform flowing through the solenoid coil.

2.2.2 제안된 구동회로의 제어방법

Fig. 9는 본 논문의 새로운 자동전환스위치 (ATS)의 구동회로를 제어하기 위한 제어부 (90)의 제어블록도를 나타내고 있다. Fig. 9에서 알 수 있듯이 제어부 (90)는 크게 검출부 (910), 타이머설정부 (920), 신호생성부 (930) 및 전원공급부 (940)로 구분되어 본 논문의 새로운 자동전환스위치를 제어하게 된다. 먼저, 검출부 (910)의 전압측정부 (911)에서는 상용전원의 전원공급여부를 확인하기 위한 것으로 상용전원이 정전이 되면 그 값이 설정값 이하로 되어 정전인지 또는 복전인지 여부를 검증하기 위한 역할을 수행하게 된다.

Fig. 9. The control block diagram

Fig. 10은 제로크로싱검출 (912)부의 제로크로싱검출 방법을 나타내고 있다. 상용전원의 전압을 검출하여 영전압이하로 감소하는 경우 펄스를 발생하여 상용전원의 주파수를 검출하기 위한 것으로 상용전원의 정격주파수의 공급여부를 검출하게된다. 단자검출부 (913)는 가동부수바가 상용전원 또는 비상전원 중 어느 단자에 연결되어 부하에 전원을 공급하는지 여부를 검출하게 된다. 타이머설정부 (920)에서는 검출부 (910)에서 검출된 신호에 따라 가동부스바가 상용전원과 비상전원과의 전환 시 소정의 시간을 설정하여 전환 시 상시 소정의 시간동안은 어느 단자에도 연결되지 않도록 유지하기 위한 시간을 설정하는 역할을 수행하게 된다. 본 논문에서는 타이머 설정시간은 2초 내지 2분 이내의 시간으로 설정가능하며 사용자의 요구에 따라 그 시간은 변경되어 설정 가능하도록 제어된다. 신호생성부 (930)는 타이머설정부 (920)에서 생성된 신호를 생성하게되고 전원공급부 (940)에 신호를 전달하여 솔레노이드코일에 제어신호를 전달하게 된다.

Fig. 10. The zero-crossing detection method

Fig. 11은 본 논문의 지연절체형 전환모드 방법을 나타내고 있다. Fig. 11에서 알 수 있듯이 제어부에서 최종적으로 인가된 제어신호에 따라 솔레노이드코일 및 더블유캠의 작동에 의해 상용전원 (A)에서 비상전원 (B)으로 전환 또는 비상전원 (B)에서 상용전원 (A)으로의 전환 시 소정의 시간동안 C의 위치에 위치하게 되고 상기 소정의 시간이 경과한 후에 이전 단자에서 타 단자로의 전환 (즉 A→B로 또는 B→A)이 이루어지는 과정을 나타내고 있다. 이로 인해 부하에 공급되는 전원은 전원간의 상이한 위상에 따른 역기전력의 인가를 방지하게 되고 부하 시스템의 안정성 및 신뢰성을 확보하게 된다.

Fig. 12는 본 논문의 지연절체에 따른 전원공급의 형태를 나타내고 있다. Fig. 9, 10에서 진술한 바와 같이 소정의 시간지연기간 부하에 어느 전원도 연결되지 않고 소정의 시간경과 후 부하에 전원이 공급되는 과정을 나타내고 있다. Fig. 12는 비상전원에서 상용전원으로 전환을 나타내고 있다. 비상전원으로 부하에 공급을 수행하고 있던 중 상용전원이 공급되는 경우 소정의 시간경과 후 상용전원을 부하에 공급하는 형태를 나타내고 있다.

Fig. 11. The switching mode method of delayed transfer type

Fig. 12. The type of power supply according to delayed transfer