KR100522366B1 - 고전압형 액티브 고조파 필터 - Google Patents

고전압형 액티브 고조파 필터 Download PDF

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Abstract

본 발명의 고전압형 액티브 고조파 필터는, 전원 공급원(1)에서 공급되는 교류전원을 부하(2)측에 전달하는 선로에 병렬로 연결되어 있으며 상기 부하(2)측에서 상기 부하가 갖는 특성에 의하여 발생되는 고조파를 억제하며 이 고조파가 상기 전원 공급원(1)으로 전달되는 것을 방지하기 위해, 상기 고조파에 대응하는 저압의 역상 고조파 신호를 능동형 고조파제거기(100)와, 상기 능동형 고조파제거기(100)를 통하여 입력받아 고압의 역상 고조파 신호로 변환하여 상기 부하(2)측에 인가하는 고조파 변압기(120)와, 상기 고조파 변압기(120)에 저압의 역상 고조파신호를 입력시키는 전력 변환부(125)와, 상기 전원 공급원(1)에서 공급되는 교류전원을 부하(2)측에 전달하는 선로에 병렬로 연결되어 있으며 상기 부하(2)측에서 상기 부하(2)의 특성에 의하여 발생된 고조파가 혼입된 3상 전류를 추출 및 검출하여 출력하는 변류계(130)와, 상기 변류계(130)와 연결되고 불필요한 고차수 고조파 신호를 제거하는 광대역 고조파제거기(140)를 포함하며, 상기 능동형 고조파제거기(100)에서 역상 고조파의 PWM 신호를 상기 전력변환부(125)에 입력하고, 다시 고압의 고조파 역상신호를 고조파 변압기(120)를 통하여 전력선에 공급하는 것을 특징으로 한다.

Description

고전압형 액티브 고조파 필터{HIGH VOLTAGE TYPE ACTIVE HARMONIC FILTER}
본 발명은 고조파 고전압형 액티브 고조파 필터에 관한 것으로, 특히, 전원 공급원으로부터 전원을 공급받는 부하에서 발생되는 임의 고조파를 상쇄시키는 능동필터에 광대역 고조파 제거기를 적용한 고조파 억제용 고전압형 액티브 고조파 필터에 관한 것이다.
일반적으로, 전력전자기기의 이용도가 높아지면서 발생하는 고조파는 교류계통에 비선형 부하가 연결될 때 나타나며, 이 고조파 전류로 인한 계통의 리액턴스의 전압 강하는 결국 교류전압의 왜형이 초래된다. 여기서, 고조파 발생원으로는 전동기 가변속장치, 변압기, 전기로 및 전기 용접기와 같은 기계적 유형의 부하와 정지형 전력변환 장치, 정지형 무효전력 보상기 등의 부하를 들 수 있다.
이들 중 최근 사용이 급증되고 있는 전력전자 변환장치들은 스위칭에 의한 제어성 때문에 교류측에 많은 고조파를 주입시키며 뿐만 아니라 교류측 역률까지 심하게 저하시키는 문제점을 갖고 있으며 해마다 그로 인한 문제점의 보고 사례가 증가하고 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 부하에서 발생된 고조파는 결국 이 영향권내에 있는 제반 디지털 시스템에 영향을 주어 에러동작의 발생요인으로 작용하고 있고, 이러한 시스템에서의 에러동작은 고조파가 부하측으로 공급되는 전원 공급측의 전원공급 파형을 왜곡되게 하기 때문에 발생되는 것이다.
고조파에 대한 대비책으로 고조파를 저감하기 위해 채용되는 L-C 수동필터(passive filter)는 시스템 공진을 유발시켜 고조파 저감특성이 계통의 상태에 따라 달라질 뿐만 아니라 빈번한 계통상태의 변화에도 그 특성이 좋지 않아 저차 고조파를 제거하기가 어려운 단점이 있다.
또 고조파에 대한 대비책으로 능동필터는 수동필터에 비해 계통 주파수의 변동에도 효과적으로 교류측 고주파 전류를 제거할 수 있고, 또 신호 조작만으로 제거하고자 하는 고조파의 양이나 차수를 임의로 변경 가능하므로, 400V 이하 부하의 전력라인에 취부하여 사용되고 있다.
그 일례로서 도 1을 참조하여 설명한다.
도 1은 통상의 저압에서 사용되는 디지털 방식의 능동형 고조파제거기의 회로 블록도이다.
도 1을 참조하면, 도시 안된 전력 공급원으로부터 전력라인에 흐르는 전압을 전압센서(12)를 통하여 검출하여 A/D 콘버터(14)에 전달한다. 상기 전압센서(12) 및A/D 콘버터(14)는 기본파의 역률(Power factor)을 보상하기 위하여 구비된다.
반면, 전류라인은 변류계에 흐르는 전류를 생성하여 전류센서(21)에 전송하고, 이 전류 센서(21)에서는 전류파형을 생성하여 A/D 콘버터(18)에서 디지털 데이터 성분으로 변환한다. 또 A/D 콘버터(14) 및 A/D 콘버터(18)에서 출력된 디지털 데이터 성분은 기본 주파수로서 위상 비교기(20)에 입력된다. 입력된 기본 주파수인 디지털 데이터 성분은 기본 주파수 보정전류 발생기(24)를 통하여 PWM(Pulse width module)(28)에 입력된다.
한편, A/D 콘버터(18)에서 출력된 또다른 디지털 데이터 성분은 3~ 15차 고조파 분석기(22)에 전송되어 각 차수별 성분으로 분석되어 3~ 15차의 역고조파를 발생하는 역파형발생기(26)를 통하여 PWM(30)에 입력된다.
여기에서, PWM(28) 및 PWM(30)는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transister)모듈(32)에서 스위칭 온/오프를 행하여 증폭하고, 유도코일(34)을 통해 역고조파 성분 데이터가 전력선에 투입되어 결국 전력선 부하에서 발생된 고조파 성분인 고조파 전류는 PWM(28) 및 PWM(30)에 의해 상쇄되어 제거되는 것이다.
그러나, 상기한 능동형 필터는 고압단에 설치하면 그만큼 큰 용량의 능동형 고조파 필터가 설치되어야 하고, 또한 전류형 능동 필터의 경우 라인 인덕턴스 및 변압기 인덕턴스에 의한 일정 리액터 전류를 직접 PWM 전류로 변환, 주입하므로 고조파 억제효과 및 속응성이 좋은 장점이 있으나, 변압기에 의한 고차수 주파수의 임피던스 상승 및 PWM 신호의 정형을 위한 전력변환부(125, 도 2 참조)에서의 임피던스 상승으로 고차수 고조파 제거 효율이 낮아지는 단점이 있다. 그러나 이 능동형 필터의 단점을 보완하기 위하여 고차수 고조파를 미소하게나마 제거하기 위하여 광대역 필터를 설치하면 이때 광대역 필터의 콘덴서 성분에 의한 역률이 변화하며, 경우에 따라서는 전류가 전압보다 앞서가는 진상효과가 생기며, 전력선상에 전압을 상승시키고, 따라서 전력시스템에 불안요인을 초래한다는 문제가 발생한다.
상기와 같은 능동필터의 문제점을 해소하기 위한 본 발명의 목적은 고조파 변압기 사용시 변압기에서의 임피던스를 최소화하고, 능동형 고조파제거기의 용량이 광대역 고조파 제거기의 용량의 2배이상이 되도록 설치하여 광대역 필터가 갖게되는 콘덴서 용량으로 인한 역률보상을 능동형 필터가 실시간으로 수행하는 고전압의 능동형 고조파 필터를 제공하는데 있다.
또한, 콘덴서 성분에 의한 역률보상을 위해 기본파 역률보상 알고리즘을 추가한 고전압의 능동형 고조파 필터를 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 고전압형 액티브 고조파 필터는, 전원 공급원(1)에서 공급되는 교류전원을 부하(2)측에 전달하는 선로에 병렬로 연결되어 있으며 상기 부하(2)측에서 상기 부하가 갖는 특성에 의하여 발생되는 고조파를 억제하며 이 고조파가 상기 전원 공급원(1)으로 전달되는 것을 방지하기 위해, 상기 고조파에 대응하는 저압의 역상 고조파 신호를 능동형 고조파제거기(100)와, 상기 능동형 고조파제거기(100)를 통하여 입력받아 고압의 역상 고조파 신호로 변환하여 상기 부하(2)측에 인가하는 고조파 변압기(120)와, 상기 고조파 변압기(120)에 저압의 역상 고조파신호를 입력시키는 전력 변환부(125)와, 상기 전원 공급원(1)에서 공급되는 교류전원을 부하(2)측에 전달하는 선로에 병렬로 연결되어 있으며 상기 부하(2)측에서 상기 부하(2)의 특성에 의하여 발생된 고조파가 혼입된 3상 전류를 추출 및 검출하여 출력하는 변류계(130)와, 상기 변류계(130)와 연결되고 불필요한 고차수 고조파 신호를 제거하는 광대역 고조파제거기(140)를 포함하며, 상기 능동형 고조파제거기(100)에서 역상 고조파의 PWM 신호를 상기 전력변환부(125)에 입력하고, 다시 고압의 고조파 역상신호를 고조파 변압기(120)를 통하여 전력선에 공급하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 고전압형 액티브 고조파 필터에 있어서,
다수의 권선으로 형성된 고조파 변압기(220)의 저압부에 저압의(400 ~ 690 V) 역상 고조파신호를 입력시키는 전력 변환부(225)와,
상기 전원 공급원(1)에서 공급되는 교류전원을 부하(2)측에 전달하는 선로에 병렬로 연결되어 있으며 상기 부하(2)측에서 상기 교류전원에 의하여 발생되는 고조파에 혼입된 3상 전류를 추출 및 검출하여 출력하는 변류계(230)와,
상기 고조파 변압기(220)를 사이에 두고 상기 고조파 변압기(220)의 고압권선인 3.3 내지 6.6 KV 로 불필요한 고차수 고조파 신호를 제거하는 광대역 고조파제거기(240)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 설명한다.
우선, 본 발명에 따른 능동필터가 고조파를 제거하는 원리를 설명하면, 전원공급원(1)에서는 전원 전류를 발생하여 고조파 발생원으로 구성된 비선형 부하(2)로 공급하고, 능동형 고조파제거기(100)에서는 보상전류를 발생하여 상기 전원공급원(1)과 비선형 부하(2) 사이의 전원 공급선로 상에 제공한다. 따라서, 부하(2)에서 발생된 고조파 성분인 고조파 전류는 보상 전류의 제공에 의해 상쇄되어 제거되는 것이다.
다음은 상기 보상전류를 생성하는 고조파 억제용 능동형 필터의 구성을 첨부한 도 2를 참조하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 능동형 필터의 전기결선도를 도시하고 있다.
도 2에서, 본 발명에 의한 고전압형 액티브 고조파 필터에서 상기 능동형 고조파제거기(100)는 부하(2)측에 인가하는 고조파 변압기(120)와, 고조파 변류계(130)와, 상기 변압기(120)에서의 초기 전압공급시 출력을 조정할 수 있는 전력변환부(125)와, 상기 고조파 변압기(120)을 통해서 부하(2)측으로 입력하는 고압의 역상 고조파 신호 중 불필요한 고차 고조파 신호를 제거하는 광대역 고조파제거기(140)를 구비한다.
고전압형 액티브 고조파 필터에서 상기 능동형 고조파제거기(100)는 고조파 변류계(130)의 전류신호를 입력받고, 이어서 역상의 고조파신호를 형성하여 전력변환부(125)에 입력시킨다. 이에 의하여 전력변환부(125)에서 정형된 고조파 역상신호는 다시 고조파 변압기(120)를 통하여 고압의 고조파 역상신호로 부하측에 입력시킨다.
상기 고조파 변압기(120)는 전원 공급원(1)에서 공급되는 교류전원을 부하(2)측에 전달하는 선로에 병렬로 연결되어 있으며 상기 부하(2)측에서 상기 교류전원에 의하여 발생되는 고조파를 억제하기 위해 상기 고조파에 대응하는 저압의 역상 고조파 신호를 입력받아 고압의 역상 고조파 신호로 변환하여 상기 부하(2)측에 인가한다.
상기 전력변환부(125)는 역상 고조파신호로 변환시킬 수 있다.
상기 변류계(130)는 전원 공급원(1)에서 공급되는 교류전원을 부하(2)측에 전달하는 선로에 병렬로 연결되어 있으며 상기 부하(2)측에서 상기 교류전원에 의하여 발생되는 고조파에 혼입된 3상 전류를 추출 및 검출하여 출력한다.
상기 광대역 고조파제거기(140)는 고조파 변압기(120)와 선로의 접속점과 접지단에 연결되어 있다.
도 3은 도 2의 고조파 변압기(120) 및 광대역 고조파 제거기(140)의 내부 구성을 상세히 설명한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 상기 고조파 변압기(120)는 기본파 변압기(122)과, 상기 기본파 변압기(122)에서 출력되는 상기 고조파 성분을 내장된 메모리(도시 안됨)에 기억되어 있는 역률 보상 알고리즘에 따라 디지털 신호에 대응하는 역상의 고조파 성분을 발생하기 위한 펄스폭 변조용 패턴신호를 출력하는 신호처리부(124)를 포함한다.
또한, 광대역 고조파 제거기(140)는 리액터(142)의 부하(2)측에서 발생되는 저항(144)과 콘덴서 브릿지(146)를 포함한다. 상기 리액터(142)와 저항(144)과 콘덴서 브릿지(146)의 조합으로 고차수 광대역고조파 필터링을 행한다.
도 3에 추가되는 역률 보상 알고리즘은 저항(144)에 의해서 발생되는 진상성분을 신호처리부(124)에서 기본 주파수의 역률보상을 행한다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 능동형 필터의 전기결선도를 도시하고 있다.
도 4의 실시예에 의한 고전압형 액티브 고조파 필터는 광대역 고조파제거기
(240)를 3.3 내지 6.6 KV 의 고조파변압기(220)에 직렬로 연결하고, 전력 변환부
(225)가 다수의 권선으로 형성된 고조파 변압기(220)의 저압부에 저압의(400 ~ 690 V) 역상 고조파신호를 입력시키는 것을 제외하면 도 3에 도시한 바와 같으므로 그 상세한 설명은 생략한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 광대역 고조파 제거기의 주파수별 임피던스도이다.
도 5에서 가로축은 고조파 주파수의 일정한 차수의 증가를 나타내고, 세로축은 그에 따른 임피던스의 변화를 나타낸다. 또한, 본 발명의 능동형 고조파 제거기(100)는 그의 용량을 그 광대역 고조파 제거기의 용량의 2배 이상이 되도록 설치하여 광대역 필터(140)가 갖게되는 콘덴서 용량으로 인한 역률보상을 실시간으로 수행한다. 그리고, 능동형 고조파 제거기(100)는 고조파 발생원으로부터 발생되는 3차 내지 14차수의 고조파에 대해서는 역상의 고조파를 발생시켜 제거하고, 15차 이상의 고조파 주파수에 대해서는 광대역 고조파필터(140)로 상기 고조파를 상쇄시키는 것을 주목할 수 있다.
상기한 본 발명의 구성에 따르면, 보상전류가 다시 전원공급원(1)과 부하(2) 사이의 전원 공급라인으로 제공되면, 상기 전원공급라인으로 흐르는 고조파 전류는 이와 크기가 동일하고 역상인 상기 보상 전류에 의해 상쇄된다. 즉, 고전압의 능동형 고조파 필터는 고차 주파수 전달특성이 양호하고 임피던스가 낮은 고조파 변압기를 사용하여 변압기에서의 전압강하를 최소하고, 광대역 필터가 갖게 되는 콘덴서 용량으로 인한 역률보상을 실시간으로 수행하여, 고주파 발생원으로부터 발생되는 임의 고조파에 대하여 역상의 고조파를 발생시켜서 상기 고조파 전류를 상쇄시키므로 전원측 전력파형의 찌그러짐을 개선시켜 고조파 성분을 제거한다.
또한, 콘덴서 성분에 의한 역률보상을 위해 기본파 역률보상 알고리즘을 추가하여 상기 고조파를 상쇄시킨다.
도 1은 통상의 저압에서 사용되는 디지털 방식의 능동형 고조파제거기의 회로 블록도이다.
도 2는 본 발명의 능동형 필터의 전기결선을 나타낸 블록도,
도 3은 도 2의 능동형 필터의 회로도,
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 능동형 필터의 전기결선도,
도 5는 본 발명의 광대역 고조파 제거기의 주파수별 임피던스도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
1: 전원 공급원 2: 부하
100: 고조파 제거기
120, 220: 고조파변압기
125, 225: 전력변환부
130, 230: 변류기
140, 240: 광대역 고조파 제거기

Claims (9)

  1. 고전압형 액티브 고조파 필터에 있어서,
    전원 공급원(1)에서 공급되는 교류전원을 부하(2)측에 전달하는 선로에 병렬로 연결되어 있으며 상기 부하(2)측에서 상기 부하가 갖는 특성에 의하여 발생되는 고조파를 억제하며 이 고조파가 상기 전원 공급원(1)으로 전달되는 것을 방지하기 위해,
    상기 고조파에 대응하는 저압의 역상 고조파 신호를 능동형 고조파제거기(100)와 상기 능동형 고조파제거기(100)를 통하여 입력받아 고압의 역상 고조파 신호로 변환하여 상기 부하(2)측에 인가하는 고조파 변압기(120)와,
    상기 고조파 변압기(120)에 저압의 역상 고조파신호를 입력시키는 전력 변환부(125)와,
    상기 전원 공급원(1)에서 공급되는 교류전원을 부하(2)측에 전달하는 선로에 병렬로 연결되어 있으며, 상기 부하(2)측에서 상기 부하(2)의 특성에 의하여 발생된 고조파가 혼입된 3상 전류를 추출 및 검출하여 출력하는 변류계(130)와,
    상기 변류계(130)와 연결되고 불필요한 고차수 고조파 신호를 제거하는 광대역 고조파제거기(140)를 포함하며, 상기 능동형 고조파제거기(100)에서 역상 고조파의 PWM 신호를 상기 전력변환부(125)에 입력하고, 다시 고압의 고조파 역상신호를 고조파 변압기(120)를 통하여 전력선에 공급하는 것을 특징으로 하는 고전압형 액티브 고조파 필터.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 고전압형 액티브 고조파 필터에 있어서,
    다수의 권선으로 형성된 고조파 변압기(220)의 저압부에 저압의 역상 고조파신호를 입력시키는 전력 변환부(225)와,
    상기 전원 공급원(1)에서 공급되는 교류전원을 부하(2)측에 전달하는 선로에 병렬로 연결되어 있으며 상기 부하(2)측에서 상기 교류전원에 의하여 발생되는 고조파에 혼입된 3상 전류를 추출 및 검출하여 출력하는 변류계(230)와,
    상기 고조파 변압기(220)를 사이에 두고 상기 고조파 변압기(220)의 고압권선인 3.3 내지 6.6 KV로 고차수 고조파 신호를 제거하는 광대역 고조파제거기(240)를 포함하는 것을 특징으로 하는 고전압형 액티브 고조파 필터.
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