KR100696978B1 - 위상 제어에 의해 전력을 제어하여 고조파를 저감하기 위한 장치 - Google Patents

Abstract

4 KHz 범위, 바람직하게는 제3 고조파 범위 내에서 위상 제어에 의해 가전 장치(14)에 공급되는 AC 전압을 제어하고 상기 위상 제어에 의해 야기된 고조파를 저감하기 위한 장치로서, 상기 가전 장치와 직렬 연결되며 위상 제어를 수행하는 제어 유닛(20)에 의해서 구동되는 제1 스위칭 소자(12)를 포함하는 장치에 관한 것으로서, 상기 장치는 저항 소자(32)와 직렬 연결된 제2 스위칭 소자를 더 포함하며, 상기 직렬 연결은 상기 제1 스위칭 소자(12)와 병렬로 제공되며, 상기 제어 유닛(20)은 제1 스위칭 소자 바로 전에 상기 제2 스위칭 소자(34)를 구동하고 단기간 동안 상기 제2 스위칭 소자를 도전 상태로 전환하도록 채용된다.

Description

위상 제어에 의해 전력을 제어하여 고조파를 저감하기 위한 장치{DEVICE FOR CONTROLLING POWER BY PHASE CONTROL, AND REDUCING HARMONIC WAVES}

본 발명은 위상을 제어하여 가전 장치에 공급되는 AC 전압의 전력을 제어하기 위한 장치 및 상기 위상 제어에 의해 야기된 고조파를 저감하기 위한 장치에 관한 것으로서, 특히 본 발명은 상기 가전 장치와 직렬로 접속되며 위상 제어를 수행하는 제어 장치에 의해서 구동되는 제1 스위칭 소자를 포함하며, 4 KHz 범위, 바람직하게는 제3 고조파 범위내에서 위상 제어가 양호하게 수행된다.

위상 제어 및 위상 조정에 의하여 전력을 제어하기 위한 장치 및 방법은 예컨대 본 출원인의 독일 특허 출원 198 50 905 A1호에 공지되어 있다. 위상 제어 장치는 스위칭 소자에 의해 가전 장치를 주기적으로 온, 오프함으로써 가전 장치에 공급된 전력을 제어하는 기능을 한다. 통상 가전 장치에 직렬 연결되고 제어 유닛을 통해 점호되는 스위칭 소자로서 트라이악이 사용되고 있다.

제어 유닛은 저항 및 점호 캐패시터의 직렬 접속으로 이루어지며, 직렬 접속 은 트라이악에 병렬로 연결된다. 점호 신호는 저항과 점호 캐패시터 사이에서 탭 오프되며 다이악의 형태로 저항과 점호 소자의 직렬 접속을 통해 트라이악의 제어 입력(게이트)에 공급된다. 이러한 아날로그 설계 제어 장치 이외에 최근에는 이러한 구동 기능을 수행하는 집적 회로가 이용 가능하다.

가전 장치에 공급된 AC 전압의 위상 제어를 통한 전력 제어는 원하지 않는 고조파를 야기하며 이러한 고조파를 조절하는 유럽 표준 방식이 있다. 이 표준 방식은 과거에 제안된 고조파를 저감하기 위한 전력 제어 장치에 의해서 충족되어야 한다.

고조파 저감 시, 특히 제3 고조파는 특별한 역할을 담당하며, 따라서 이전 방법은 제3 고조파를 저감하는 것에 집중되어 있다. 제3 고조파를 저감하기 위한 일례는 본 출원인의 유럽 특허 0 859 452 B1호에 개시되어 있다. 상기 특허에 개시된 솔루션에 있어서, 위상각 및 점호각은 연속 전파(full wave)의 소정값 부근에서 제어 장치에 의해 변경된다. 이러한 점호각의 비대칭에 의해 우수 고조파는 점진적으로 증가되고 기수 고조파는 크게 저감된다.

비록 이러한 방법이 실용상 성공적이라고 입증되었고 기존 표준 방식에 부합 가능할지라도 좀더 저렴한 솔루션을 찾기 위한 요구는 추가로 존재한다. 더욱이 언급한 특허에서 개시하고 있는 장치와 비교하여 25 MHz 범위에서 험(hum) 잡음이 다소 감소하는 장치가 바람직하다.

상기 사정을 감안하여 본 발명의 목적은 합리적인 가격에서 제조 가능하며 개선된 성능의 험 잡음 성능을 가진 위상 제어에 의해 전력을 제어하는 장치를 제공하는 것이다.

이 목적은 저항 소자와 직렬 접속된 제2 스위칭 소자를 마련하고 제1 스위칭 소자 바로 직전에 제2 스위칭 소자를 구동하고 단기간 동안 제2 스위칭 소자를 그의 도전 상태로 전환하도록 제어 장치를 채용한 상기 장치에 의해 해결되며, 상기 직렬 접속은 제1 스위칭 소자와 병렬로 연결된다.

즉, 제2 스위칭 소자를 도전 상태로 이전 전환함으로써 야기되며, 제2 스위칭 소자의 점호 후 제1 스위칭 소자가 취득하게 되는 전류가 흐른다. 저항 소자에 의해서 야기된 제2 스위칭 소자에 흐르는 전류는 제1 스위칭 소자에 흐르는 전류 보다 작다. 요컨대 제2 스위칭 소자에 의하여 전체적으로 전류가 부드럽게 증가함으로써 그에 따라 야기된 고조파가 감소된다. 특히 제2 스위칭 소자를 스위칭 온 하면 제2 스위칭 소자의 점호 시 부분적으로 고조파를 소멸하는 고조파를 발생한다.

본 발명에 따른 전력 제어용 장치를 위해 필요한 구성요소가 추가되지 않아 고조파의 저감과 관련하여 품질의 열화없이 제조 비용의 절감이 가능하다.

일반적으로, 본 발명은 실제 점호 절차 전과 트라이악의 스위칭 온 전에 일정 전류량이 흐르게 하는 아이디어에 기초하며, 그 전류량은 제1 스위칭 소자에 흐르는 실제 전류 보다 작다. 그로 인해 전술한 바와 같이 추가 고조파가 사전에 형성되어 고조파가 실제 위상 제어 중에 야기된 고조파를 부분적으로 소멸한다.

트라이악은 스위칭 소자로서 사용되는 것이 좋다. 따라서 저항 소자는 단순한 오옴성 저항으로서 제공되는 것이 좋다. 물론 유도성 저항 또는 용량성 저항과 같은 다른 저항 소자도 사용 가능하다. 그러나 오옴성 저항이 그의 규격 및 단가 비추어 아주 적합함이 입증되었다.

본 발명의 기저 목적은 또한 위상 제어를 수행하는 전력 제어에 있어서 4 KHz 범위의 고조파, 바람직하게는 제3 고조파를 저감하기 위한 방법에 의해 해결되며, 상기 방법은,

위상 제어 방법을 수행하기 위해 소정의 제1 제어 점호각에 의거하여 제1 스위칭 소자를 구동하는 단계와,

상기 제1 스위칭 소자를 점호하기 전에 접속부를 도전 상태로 바로 전환하는 단계를 포함하며, 상기 접속부는 저항성 접속부이며 상기 제1 스위칭 소자를 브릿지 연결한다.

전술한 바와 같이, 트라이악은 제1 스위칭 소자와 병렬 연결된 오옴성 저항과 직렬 연결된 저항을 가진 스위칭 가능한 접속부로서 사용된다.

전술한 특징 및 이후 설명될 특징은 단지 일례이며 본 발명의 범위가 이에 제한되지는 않는다.

이후, 본 발명의 보다 상세한 설명을 위해 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해서 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 전력 제어 장치의 개략 블록도이다.

도 2는 전압-전류의 타이밍 챠트를 도시하는 도면이다.

도 1에 있어서, 동 도면에는 전력 제어 장치(10)가 도시되고 있다. 전력 제어는 일반적으로 알려져 있는 위상 제어 방법에 의해서 수행되며 이에 대해서는 여기서 다시 설명하지 않기로 한다.

위상 제어를 수행하기 위해 전력 제어 장치(10)는 제어될 가전 장치(14)와 직렬 연결된 트라이악(12)을 포함하고 있다. 트라이악(12)과 가전 장치(14)의 직렬 접속 양단에는 AC전압원 U_netz이 인가되며, 두 단자는 L과 N으로 표시되고 있다.

이 실시예에서 가전 장치(14)는 유도성 부하로서 나타내는 모터(15)로서 제공된다.

트라이악(12)은 그의 제어 유닛(게이트)(16)을 통해 제어 유닛(20)과 연결되며, 제어 유닛(20)은 원하는 전력에 대응하는 개개의 점호 펄스를 발생하여 이 펄스를 제어 단자(16)에 공급한다.

이 제어 유닛(20)은 이산(discrete) 회로로서 제공될 수 있고 일례로 점호 펄스를 발생하는 점호 캐패시터(a firing capacitor)로 구성 가능하다. 물론, 제어 장치는 또한 집적 회로로서 제공 가능하다.

점호 펄스에 의해 트라이악(12)은 도전 상태로 전환하여 가전 장치(14)에는 전력이 공급되게 된다. 트라이악(12)은 공급 전압의 반파의 끝 부분까지 도전 상태를 유지한 다음 비도전 상태로 전환한다. 공급 전압의 반파 내에서 개개의 점호 시간을 선택함으로써, 전력 제어가 가능하다.

이러한 종류의 전력 제어에 의해 고조파가 생성되어 다시 AC 전압 공급 회로망으로 작용하게 된다. 유럽의 표준으로 인해 이러한 고조파는 소정값을 초과할 수 없다. 따라서 이러한 고조파를 저감하기 위한 대책을 취하는 것이 필요하다.

따라서 전력 제어 장치(10)에 스위칭 유닛(30)이 제공된다. 이 스위칭 유닛(30)은 실제 점호 순간 전에 가전 장치(14)에 일정 전류가 흐르게 하는 기능을 가지며, 일정 전류는 실제 공칭 전류 보다 작다. 도 2에서 이 전류는 참조 부호(41)로 표시되고 있다. 이 전류(41)는 참조 부호(43)로 표시되는 트라이악을 점호한 후 실제 전류가 흐르기 전에 전류(41)가 흐르기 시작함을 명확히 보여주고 있다. 작은 전류(41)의 순간 t1과 공칭 전류(43)의 순간 t2 사이의 시간차는 약 1-2 ms 이며, 이는 점호각에 따라 가변할 수 있다. 특히, 그 시간차는 스위칭 유닛(30)이 비유효 상태를 유지하는 결과를 갖는 매우 큰 점호각 또는 매우 작은 점호각에 따라 0으로 설정 가능하다.

실제의 공칭 전류(43) 이전에 흐르는 작은 전류(41)에 의하여, 가전 장치(14)에 흐르는 총 전류가 생성되며 그 상승은 현저하게 평탄하다. 이러한 평탄화는 전류(41)와 공칭 전류(43)에 할당되는 고조파의 파괴적인 간섭에 의해 고조파의 생성이 감소되는 효과를 가진다.

이러한 제어 유형은 낮은 고조파, 여기서는 제3 고조파를 저감할 수 있다.

스위칭 유닛(30)의 기능은 저항(32)과 트라이악(34)의 직렬 접속에 의해서 본 실시예에서 달성되며, 직렬 접속은 트라이악(12)과 병렬로 정렬된다. 따라서 가전 장치(14), 저항(32), 트라이악(34)을 통한 공급 전압의 단자와 제2 단자 N 사이 의 전류 경로는 트라이악(34)이 도전 상태에 있을 때 형성된다. 이 경우, 트라이악(12)은 바이패스된다.

트라이악(34)은 또한 제어 유닛(20)에 의해서 구동되며, 제어 유닛은 트라이악(34)의 제어 입력(36)(게이트)에 점호 펄스를 공급한다. 전술한 바와 같이, 이 점호 펄스는 순간 t1에서 생성되며 순간 t1은 트라이악(12)에 공급된 실제 점호 펄스의 순간 t2 이전에 놓여있다. 각각의 시간차 t2-t1은 고정값이거나 트라이악(12)에서의 점호 펄스의 점호각에 따라 제어 유닛(20)에 의해서 조정될 수가 있다.

스위칭 유닛(30)에 공급된 저항(32)은 오옴성 저항이 바람직하며 전류(41)를 공칭 전류(43) 이하로 유지하는 기능을 한다. 예컨대 10 오옴 범위의 저항을 가진 저항이 특히 적합함이 입증되었다. 그러나, 전류(41)의 제한은 다른 구성요소로 상이하게 달성 가능하다.

전술한 바와 같이, 트라이악(12)은 스위칭 유닛(30)을 통해 그의 점호 바로 전에 바이패스됨으로써 일정 전류가 가전 장치(14)를 통과할 수 있다. 이러한 절차는 공급 전압의 매 반파 마다 주기적으로 반복된다.

고조파의 저감이 아주 간단하고 비용 효율적인 스위칭 유닛(30)으로 가능하며 기존의 표준과 부합함을 알 수 있다. 더욱이 고조파를 저감하는 종래의 스위칭 유닛에서 발생하는 험 잡음이 실질적으로 저감 가능하다.

본 발명의 고조파 저감 장치 및 고조파 저감 방법은 위상 제어를 수행하는 제어 장치에 의해서 구동되는 스위칭 소자를 구비하여 위상을 제어하여 가전 장치 에 공급되는 AC 전압의 전력을 제어하기 위한 분야에 적용 가능하다.

Claims (4)

1. 4 KHz 범위, 바람직하게는 제3 고조파 범위 내에서 위상 제어에 의해 가전 장치(14)에 공급되는 AC 전압을 제어하고 상기 위상 제어에 의해 야기된 고조파를 저감하기 위한 장치로서, 상기 가전 장치와 직렬 연결되며, 위상 제어를 수행하는 제어 유닛(20)에 의해서 구동되는 제1 스위칭 소자(12)를 포함하는 상기 고조파 저감 장치에 있어서,

   저항 소자(32)와 직렬 연결된 제2 스위칭 소자(34)를 더 포함하며, 상기 직렬 연결은 상기 제1 스위칭 소자(12)와 병렬로 제공되며, 상기 제어 유닛(20)은 제1 스위칭 소자 바로 전에 상기 제2 스위칭 소자(34)를 구동하고 단기간 동안 상기 제2 스위칭 소자(34)를 도전 상태로 전환하도록 사용되는 것을 특징으로 하는 고조파 저감 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 제2 스위칭 소자(34)는 트라이악인 것을 특징으로 하는 고조파 저감 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 저항 소자(32)는 오옴성 저항인 것을 특징으로 하는 고조파 저감 장치.
4. 삭제

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