KR100198692B1 - 개선된 하이브리드 능동필터 - Google Patents

개선된 하이브리드 능동필터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 개선된 하이브리드 능동필터에 관한 것으로, 수동필터와 능동필터를 직렬로 결합하여 수동필터부의 기본파 주파수에 대한 임피던스는 증가되고, 고조파 성분에 대한 임피던스는 감소시킴으로써 그 성능을 향상시키고 능동필터부의 정격을 더욱 감소시켜 능동필터 사용에 의한 비용상승을 절감하며 제어회로의 구성이 간단하여 기본파 성분에 대한 능동필터부의 영향을 최소화할 수 있다.

Description

개선된 하이브리드 능동필터
제1도는 본 발명의 전체 회로도.
제2도는 수동필터의 구성도.
(a)는 종래의 수동필터부의 구성도.
(b)는 본 발명의 수동필터부의 구성도.
제3도는 하이브리드 능동필터의 간이화된 등가회로도.
제4도는 주파수 대 임피던스의 특성도.
(a)는 종래의 경우.
(b)는 본 발명의 경우.
제5도는 하이브리드 능동필터가 동작하지 않는 경우의 입력전압과 전류 및 고조파 분석도(위로부터 500V/div, 1A/div, 100V/div, 0.3A/div).
제6도는 하이브리드 능동필터가 동작하는 경우의 부하전류, 보상전류, 입력전류 및 입력전류의 고조파 분석도(위로부터 1A/div, 1A/div, 1A/div, 0.3A/div).
제7도는 C, L1병렬회로에 인가되는 전압과 L2에 인가되는 전압 및 각각의 고조파 분석도(위로부터 20V/div, 5V/div, 10V/div, 1V/div).
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 수동필터부 2 : 능동필터부
3 : 비선형부하 4 : 노치(notch)필터
5 : OP 앰프 6 : 저역필터 피드백 회로
7 : PWM 신호발생기 8 : 구동기
9 : 곱셈기
본 발명은 개선된 하이브리드 능동필터에 관한 것으로, 특히 수동필터와 능동필터를 직렬로 연결하여 수동필터부의 기본파 주파수에 대한 임피던스는 증가되고, 고조파 성분에 대한 임피던스는 감소시킴으로써 그 성능을 향상시키고 능동필터부의 정격을 더욱 감소시켜 능동필터 사용에 의한 비용상승을 절감하며 제어회로의 구성이 간단하여 기본파 성분에 대한 능동필터부의 영향을 최소화 할 수 있는 개선된 하이브리드 능동필터에 관한 것이다.
산업기기의 고도화에 따른 전력변환기 사용의 증가가 급속히 진전되고 있다. 이러한 전력변환기기 대부분은 전단부에 상용주파수의 교류 전원을 인가받아 다시 직류로 변환하는 정류과정을 거치므로 전력계통에서 보면 심한 비선형부하로 동작되어 전력계통 자체 내에 심각한 전압, 전류 고조파 문제를 야기하게 된다. 이에 대한 대비책으로는 L, C를 이용한 수동필터와 근래에 도입되기 시작한 능동필터를 들 수 있는데 전자는 전원측 또는 부하측의 회로특성에 따라 공진을 유발할 수 있으며, 후자는 저차 고조파 성분과 고차 고조파 성분을 동시에 보상할 경우에는 고가의 비용 문제가 뒤따른다.
종래에 있어서, 하이브리드 능동필터는 주로 여러개의 병렬로 연결된 수동필터에 의하여 구성되었다. 상기의 하이브리드 능동필터는 전원측 주파수변화(±3%)와 수동필터의 파라미터 변화에 따라서 해당 차수의 고조파를 효과적으로 제거하기 힘든 문제가 발생한다. 이 문제를 해결하기 위하여 수동필터의 주파수 변화에 따른 임피던스 감도(sensitivity)를 감소시키면 전원측 주파수에 대한 임피던스가 감소하므로 결국은 시스템의 성능을 떨어뜨리게 된다.
본 발명은 상기와 같은 제반 문제점을 개선하기 위하여 창출된 것으로, 수동필터와 능동필터를 직렬로 결합하여 수동필터부의 기본파 주파수에 대한 임피던스는 증가되고, 고조파 성분에 대한 임피던스는 감소시킴으로써 그 성능을 향상시키고 능동필터부의 정격을 더욱 감소시켜 능동필터 사용에 의한 비용상승을 절감하며 제어회로의 구성이 간단하여 기본파 성분에 대한 능동필터부의 영향을 최소화할 수 있는 개선된 하이브리드 능동필터를 제공함을 그 목적으로 한다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 회로구성 및 작용을 알아보면, 제3도는 하이브리드 능동필터의 간이화된 등가회로도로서, VS, VC, IS, IL, ZS, ZF는 각각 전원전압, 능동필터 전압, 전원전류, 부하전류, 소스임피던스, 수동필터 임피던스를 나타낸다. 필터의 전원 전류 특성을 분석해 보면 식(1)과 같다.
부하전류가 k 차수의 고조파 성분만 가지고 있다고 가정할 경우, 전원 전류에서 이 성분을 제외하려면 능동필터 전압은 식(2)과 같다.
식(1)과 식(2)로부터 부하전류의 k 차수 고조파를 효율적으로 제거하려면 수동필터의 임피던스 ZF(kω0)가 작을수록 좋으며, 결과적으로 식(2)에 의해서 입력 전원 전압의 임피던스가 ZF(kω0)보다 아주 크다고 가정할 경우 능동필터의 정격을 무한대로 줄일 수 있고, 필터의 효율을 증가시키려면 ZF(ω0)가 높을수록 좋다는 것이다.
본 발명은 제2도의 (b)와 같이 구성된 능동필터와 직렬로 연결하여 구성된 것으로, 회로에 대한 임피던스를 구해보면 식(3)과 같다.
이 때, n은 제거하고자 하는 고조파 차수이다.
본 발명의 수동필터부는 기본파 주파수에 대해서는 높은 임피던스를 가지며, 제거하고자 하는 두 개의 저차 고조파 성분의 중간 주파수 성분에 대해 임피던스를 최소로 하여 그 양쪽의 홀수 고조파 성분을 최소화한다. 즉, 제2도의 (B)에서 L1및 C는 전원주파수에 대한 임피던스를 최대화하는 성분이며 L2및 C는 제거하고자 하는 홀수 고조파들의 중간 고조파 성분에 대하여 임피던스가 최소로 되도록 하는 성분이다.
제1도는 본 발명에 대한 전체회로도로, 본 발명은 캐패시터 C, 인덕터 L1병렬회로에 인덕터 L2가 직렬로 연결된 수동필터부(1)와 상기 수동필터부(1)와 직렬로 능동필터부(2)가 연결되어 이루어진 필터부와; 신호입력측으로부터 순서대로 60Hz 노치필터(4)와, 곱셈기(9)와, OP 앰프(5)와, PWM 신호발생기(7) 및 구동기(8)가 직렬 연결된 제어구동부로 이루어지되, 상용 220V 교류전원의 저주파 출력선간에 각각 상기 수동필터부(1)와 노치필터(4)의 입력측이, 상용 220V 교류전원의 고주파 출력선간에 능동필터부(2)의 입력측이 연결되며, 상용 220V 교류전원 저주파 출력선간과 수동필터부(1)의 입력측간의 연결선을 분기시켜 곱셈기(9)에 연결하고, 상기 OP 앰프(5)와 병렬로 저역필터 피드백회로(6)를 연결하여 이루어진다.
입력전원 측에 비선형부하(3)가 인가되었을 경우, 이 비선형부하(3)에 의해 발생된 고조파가 저주파 영역이면 수동필터부(1)의 인덕터 L1및 캐패시터 C는 전원주파수에 대한 임피던스를 최대화하고, 인덕터 L2및 캐패시터 C는 제거하고자 하는 홀수 고조파들의 중간 고조파 성분에 대하여 임피던스가 최소로 되도록 하여 능동필터부(2)를 통해 출력하므로써 저주파 영역을 필터링하며, 비선형부하(3)에 의해 발생된 고조파가 고주파 영역일 경우 수동필터부(1)를 통해 능동필터부(2)에 입력된 신호는 능동필터부(2)의 고유의 동작에 의해 고주파 영역이 필터링되므로써, 본원 발명이 수동필터부(1)와 능동필터부(2)가 직렬연결된 필터부는 저주파 영역부터 고주파 영역까지의 전 주파수 대역에서 필터링 동작하게 된다.
한편, 수동필터부(1) 및 능동필터부(2)를 통해 출력되는 출력전압 VO의 펄스폭변조(PWM : Phase Width Modulated)파형은 비선형모드로 동작하여 비선형부하(3)의 고주파 전류 보상기능이 감소되므로 이를 보상하기 위해 다음과 같이 기본파 보상신호를 공급해 주어야 한다.
전류지령치 iref는 입력전류로부터 60Hz 노치필터(Notch filter)(4)를 통해 얻어지며, 이 지령치는 보상전류 ic와 곱셈기(9)에서 연산되어져 오차신호를 발생한다. 그러나 보상전류 ic에는 기본파 성분이 완전히 없어지지 않는 문제 때문에 전류지령치 iref와 보상전류 ic의 오차신호에도 기본파성분이 포함되게 되고 이로 인하여 제어루프상에서 이 오차를 감소시키기 위하여 능동필터부(2)의 출력에 기본파가 발생되게 한다. 즉, 부하전류와 보상전류의 합으로 구성된 입력전류가 정현파만을 포함하고 C, L1회로에 인가되는 전압은 거의 기본파 성분으로 이루어지며 L2에 인가되는 전압은 낮은 정격을 가지게 되어, 전 고조파 성분에 대하여 필터링하고 있으나 주파수 증가에 따른 임피던스 성분의 증가로 인하여 전 구간에 걸쳐 미소의 고조파 성분이 나타나게 된다. 이때, 출력전압 VO은 전원전압 VS전압보다 훨씬 적고 수동필터 임피던스 ZF(ω0)는 크기 때문에 결과적인 펄스폭변조(PWM : Phase Width Modulated)파형은 비선형모드로 동작하여 부하의 고주파 전류 보상기능이 감소되므로 종래의 시스템에서는 정밀한 방식으로 기본파 보상신호를 공급해 주어야 했으나, 본 발명에서는 저역필터(Low pass filter) 피드백(feedback)회로(6)를 추가함으로써 이러한 문제점을 해결하였다.
제4도는 주파수대 임피던스의 특성도로서, 제2도의 (a)에서, C1과 C2의 값을 368uF, L1값을 0.76mH, L2값을 0.39mH로 하고 (b)에서 C 값을 368uF, L1값을 19mH, L2값을 0.55mH로 하여 비교한 것이다. 도면 제4도에서 볼 수 있는 바와 같이 기본파 성분에 대한 임피던스는 본 발명의 경우 종래보다 매우 크게 나타남을 알 수 있으며, 제거하고자 하는 고조파 성분의 임피던스의 감도(sensitivity)의 영향에 훨씬 안정화되어 있음을 알 수 있다. 그러므로 종래보다 능동필터부의 정격을 아주 낮은 수준으로 할 수 있다.
입력 AC 220V의 정격 500W 하이브리드 능동필터를 구성하여 그 결과를 검토해 보면, 제5도는 하이브리드 능동필터가 동작하지 않은 경우의 입력 전압과 전류 및 고조파 분석도, 제6도는 하이브리드 능동필터가 동작하는 경우의 부하전류, 보상전류, 입력전류 및 입력전류의 고조파 분석도, 제7도는 C, L1병렬회로에 인가되는 전압과 L2에 인가되는 전압 및 각각의 고조파 분석도로서, 제6도에 도시한 바와 같이 부하전류와 보상전류의 합으로 입력전류가 구성되어 있고 입력전류는 정현파만을 포함하고 있음을 알 수 있다. 제7도의 C, L 병렬회로에 인가되는 전압은 거의 기본파 성분으로 이루어지며 L2에 인가되는 전압은 낮은 정격을 가지며 전 고조파 성분에 대하여 필터링하고 있으나 주파수 증가에 따른 임피던스 성분의 증가로 인하여 전 구간에 걸쳐 미소의 고조파 성분이 나타남을 알 수 있다.
상기와 같은 회로 구성 및 작용을 하는 본 발명은 수동필터부의 기본파 주파수에 대한 임피던스는 증가되고, 고조파 성분에 대한 임피던스는 감소하게 되며 능동필터부의 정격을 더욱 감소시킬 수 있고 제어회로의 구성에 있어 간단한 방식으로 기본파 성분에 대한 능동필터부의 영향을 최소화할 수 있는 효과가 있다.

Claims (5)

  1. 캐패시터 C, 인덕터 L1, 병렬회로에 인덕터 L2가 직렬로 연결된 수동필터부(1)와 상기 수동필터부(1)와 직렬로 능동필터부(2)가 연결되어 이루어진 필터부와; 신호입력측으로부터 순서대로 60Hz 노치필터(4)와, 곱셈기(9)와, OP 앰프(5)와, PWM 신호발생기(7) 및 구동기(8)가 직렬 연결된 제어구동부로 이루어지되, 상용 교류전원의 저주파 출력선간에 각각 상기 수동필터부(1)와 노치필터(4)의 입력측이, 상용 교류전원의 고주파 출력선간에 능동필터부(2)의 입력측이 연결되며, 상용 교류전원 저주파 출력선간과 수동필터부(1)의 입력측간의 연결선을 분기시켜 곱셈기(9)에 연결하고, 상기 OP 앰프(5)와 병렬로 저역필터 피드백회로(6)를 연결하여 이루어진 것을 특징으로 하는 개선된 하이브리드(Hybrid) 능동필터.
  2. 제1항에 있어서, 수동필터부(1)의 인덕터 L1및 캐패시터 C에 의해 전원주파수에 대한 임피던스는 최대화되며, 인덕터 L2및 캐패시터 C에 의해 제거하고자 하는 홀수 고조파들의 중간 고조파 성분에 대하여 임피던스가 최소로 되므로써 전원측 전압의 주파수 변화와 수동필터의 파라미터 변화에 대해서도 전원측 주파수에 대한 임피던스의 변화가 거의 없으므로 시스템의 성능에 영향을 미치지 않는 것을 특징으로 하는 개선된 하이브리드(Hybrid) 능동필터.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 수동필터부(1)의 임피던스 크기는 기본파 주파수에 대해서는 높은 임피던스를 가지며, 제거하고자 하는 두 개의 저차 고조파 성분의 중간 주파수 성분에 대해서는 낮은 임피던스를 가지므로써, 임피던스가 인덕터 L1, 캐패시터 C, 인덕터 L2의 변화에 대해 그 감도(sensitivity)가 훨씬 안정화됨을 특징으로 하는 개선된 하이브리드(Hybrid) 능동필터.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 부하전류와 보상전류의 합으로 이루어진 입력전류가 정현파만을 포함하고, C, L1회로에 인가되는 전압은 거의 기본파 성분으로 이루어지며, L2에 인가되는 전압은 낮은 정격을 가지게 되어, 전 고조파 성분에 대하여 필터링하고 있으나 주파수 증가에 따른 임피던스 성분의 증가로 인하여 전 구간에 걸쳐 미소의 고조파 성분이 나타남을 특징으로 하는 개선된 하이브리드(Hybrid) 능동필터.
  5. 제1항에 있어서, 비선형부하(3) 대신 선형부하일 경우에도 부하전류와 보상전류의 합으로 입력전류가 구성되고 입력전류는 정현파만을 포함하는 것을 특징으로 하는 개선된 하이브리드(Hybrid) 능동필터.
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