KR100824042B1

KR100824042B1 - 병렬공진이 검출되는 전자식 무효전력 보상장치

Info

Publication number: KR100824042B1
Application number: KR1020080001613A
Authority: KR
Inventors: 강춘식; 박청
Original assignee: 강춘식; 파워메카(주)
Priority date: 2008-01-07
Filing date: 2008-01-07
Publication date: 2008-04-21

Abstract

본 발명은 단상 또는 3상의 부하에 의해 발생한 무효전력을 보상하는 무효전력 보상 장치에 있어서,

전력계통에 대해 1/4 주기에 응답하여 2/3 주기 이내에 영전위에서 무효전력을 실시간으로 보상하고, 전력 계통내에서 병렬공진 발생시에 공진 시점을 감지하여 LC 뱅크를 순간적으로 해제시키는 제어기와, 콘덴서부를 투입 및 해제시 과도 돌입 전류 없이 상기 LC 뱅크를 전력계통과 스위칭시키는 스위칭 모듈과, 상기 전력계통에서 단락 발생시에 상기 전력계통에 자기보호 및 전력계통의 안정성 확보 측면에서 사용하는 파워휴즈와, 상기 전력계통 내의 무효전력을 보상함과 아울러 병렬 공진을 방지하기 위해 아이언 코아 철심리액터와 콘덴서부를 구비한 LC 뱅크와, 상기 제어기는 연산부에서 분석된 전력계통의 파라메타를 디스플레이하며, 경보 출력과 RS422를 통한 외부와의 통신기능을 할 수 있는 파라메타 지시부와, 상기 파라메타 지시부에 디스플레이되도록 하며 부하에서 순간적으로 발생되는 고조파가 유입될 경우 전류를 감지하여 병렬공진 발생시 상기 LC 뱅크를 순간적으로 해제시킴과 동시에 상기 제어기에 에러 메세지를 지시하고, 전력계통으로 보상되는 LC 뱅크의 용량을 실시간 감시하는 부하측 CT를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자식 실시간 무효전력 보상 장치에 관한 것이다.

무효전력, 보상, 제어기, 스위칭 모듈

Description

병렬공진이 검출되는 전자식 무효전력 보상장치{Electronic reactive power compensation apparatus detecting parallel resonance}

본 발명은 날로 발전하는 부하단의 기기(용접기, 엘리베이터, 인버터, 컨버터 등)에서 발생하는 고조파 부하에서 병렬공진 발생 시 LC뱅크를 해제하여 안전성을 확보할 수 있도록 하는 병렬공진이 검출되는 전자식 무효전력 보상장치에 관한 것이다.

현재 산업현장에서는 부하기기(인버터, 정류기, DC AC 드라이브 등)의 급속한 발전으로 전력품질(고조파)에 대하여 큰 문제로 대두 되고 있는 실정이다.

특히 극심한 부하변동 부하와 고조파 발생원인 부하에서는 무효전력보상설비가 기능을 발휘하지 못하고 있는 실정이다.

기존의 APFC의 경우, 부하변동이 심하거나 고조파 발생이 심한 부하에서는 무효전력 보상이 불가능하므로 인입단(고압)에 고정식으로 LC뱅크을 설치한다.

따라서 부하가 줄어들 때는 역률이 진상으로 운전되어 전압 상승의 용인이 되며 특히 심야에는 주변 변전소에는 대용량 리액터 투입이 필요할 것으로 판단된다.

또한, 종래에는 기계적인 제어방식으로 순간적인 부하변동이 심한 곳에서는 적용이 불가능하여 주로 고압측에(3.3kV) 고정식으로 설치하는 경우가 대다수라고 볼 수 있다.

그러나 상기 종래기술은 기계적인 방식이므로 부하변동과 고조파 발생이 심한 부하에는 설치가 불가능하다. 그러므로 고압부하에 고정식으로 무효전력보상을 하므로, 수전단 역률만 개선되며 수용가 측에서는 전압변동에 따른 해결방안이 어렵다.

또한, 부하에 설치했다 하여도 부하변동이 심한 부하에서는 LC 뱅크의 투입/해제시에 순간적인 돌입전류가 발생하여 접촉기 및 콘덴서 뱅크에 영향이 발생하여 빈번한 교체 또는 화재사고의 원인이 된다.

따라서 많은 산업 현장에서 적당한 양의 무효전력 보상장치를 고정식으로 사용하므로 부하가 감소시에는 정상 운전되어 전압 상승효과가 발생하므로 계통에 불안전한 요소가 항시 내포되는 문제점이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명은 전압 변동이 심한 부하(크레인/기중기/프레스/용접기/엘리베이터 등)에서 안정적인 전원공급을 위하여 실시간 부하로 무효전력을 보상하여 전력손실과 무효전력 보상시에 발생하는 돌입전류에 의하여 전력기기 및 전력계통의 안정성 확보 및 병렬공진을 감지 계측하여 시스템의 개방으로 병렬공진으로부터 전력계통을 보호하는 목적이 있다.

또한, 본 발명은 순간적으로 부하 변동이 심한 부하에서 실시간으로 LC 뱅크 제어가 가능하며 제어시에 발생 되는 돌입전류 제거와 특정 고조파의 발생을 흡수하므로 수동 고조파 필터 기능과 병렬공진 발생시에 순간적으로 상기 LC 뱅크를 개방하며 공진 해제시 정상운전 되도록 하는 목적이 있다.

또한, 영전위에서 상기 LC 뱅크가 투입/해제되므로 무효전력 보상으로 역률개선 및 전압의 안정화로 기기의 수명 연장과 계통에서의 에너지 손실 절감과 설비의 여유율을 확보할 수 있는 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 해결하기 위한 수단으로, 본 발명은 단상 또는 3상의 부하에 의해 발생한 무효전력을 보상하는 무효전력 보상 장치에 있어서,

전력계통에 대해 1/4 주기에 응답하여 2/3 주기 이내에 영전위에서 무효전력을 실시간으로 보상하고, 전력 계통내에서 병렬공진 발생시에 공진 시점을 감지하여 LC 뱅크(40)를 순간적으로 해제시키는 제어기(10);

콘덴서부(42)를 투입 및 해제시 과도 돌입 전류 없이 상기 LC 뱅크(40)를 전력계통과 스위칭시키는 스위칭 모듈(20);

상기 전력계통에서 단락 발생시에 상기 전력계통에 자기보호 및 전력계통의 안정성 확보 측면에서 사용하는 파워휴즈(30);

상기 전력계통 내의 무효전력을 보상함과 아울러 병렬 공진을 방지하기 위해 아이언 코아 철심리액터(41)와 콘덴서부(42)를 구비한 LC 뱅크(40);

상기 제어기(10)는 연산부(13)에서 분석된 전력계통의 파라메타를 디스플레이하며, 경보 출력과 RS422를 통한 외부와의 통신기능을 할 수 있는 파라메타 지시부(50);

상기 파라메타 지시부(50)에 디스플레이되도록 하며 부하에서 순간적으로 발생되는 고조파가 유입될 경우 전류를 감지하여 병렬공진 발생시 상기 LC 뱅크(40)를 순간적으로 해제시킴과 동시에 상기 제어기(10)에 에러 메세지를 지시하고, 전력계통으로 보상되는 LC 뱅크(40)의 용량을 실시간 감시하는 부하측 CT(60);를 포함하고,

상기 제어기(10)는,

3상 메인 전원(1), 3상 메인 CT신호(2), 3상 부하측 CT신호(3)를 입력받는 입력부(11);

상기 입력부(11)로부터 입력된 3상 전압 및 전류 신호를 1주기당 128 샘플링하고 디지털 신호로 변환하는 S/H(Sample/Hold) 및 A/D(Analog/Digital) 변환부(12);

상기 S/H(Sample/Hold) 및 A/D(Analog/Digital) 변환부(12)부터의 신호를 통해 전력계통의 고조파 및 파라미터를 분석하고 계산하는 연산부(13);

상기 연산부(13)로부터 출력된 제어 신호에 의거하여 상기 LC 뱅크의 투입 또는 해제시에 돌입전류가 발생하지 않도록 영전위에서 게이트 출력신호를 상기 스위칭 모듈(20)로 전달하는 스위칭 제어 회로부(14);를 구비하고,

상기 스위칭 모듈(20)은

상기 제어기(10)와 파이어링 카드(firing card)에 의해 신호가 입력되고, 상기 스위칭 제어 회로부(14)의 영전위 제어 신호에 의거하여 SCR-SCR 소자를 통해 상기 LC뱅크와 스위칭되며,

상기 아이언 코아 철심리액터(41)는

상기 스위칭 모듈(20) 및 콘덴서부(42)와 직렬로 연결되고, H class의 절연 특성을 가지고,

상기 콘덴서부(42)는

저손실 MKP(Metallized Polypropylene Film)의 알루미늄 원통 케이스 형태로 자체 회복이 가능하며 설계압력을 초과하는 경우 용단 되도록 고압 차단 퓨즈를 구비하여 과전류를 억제하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 연산부(13)는 매 주기별 FFT(Fast Fourier Transgorm)알고리즘에 의해 상기 콘덴서부(42)의 투입시점을 계산하고, 63차 고조파까지 스펙트럼을 분석하며, 상기 3상 메인 전원(1), 3상 메인 CT신호(2), 3상 부하측 CT신호(3)의 파형을 분석하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 스위칭 제어 회로부(14)는 FIFO(First In First Out) 방식과 아울러 영전위 교차점 투입법 및 시간 균등 분할 투입법으로 상기 콘덴서부(42)를 투입 및 해제시키며, 상기 스위칭 모듈(20)은 자체 FAN이 내장되어 설정온도에 따라 자동 냉각시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 종래의 기술에 한 단계 진보된 것으로 즉 병렬공진에 대한 대책을 해결함으로써 부하기기에서 발생 되어 계통의 불안전 요소를 100% 해결하므로 콘덴서 폭발로 인한 화재예방 및 전력계통의 안전성 확보가 가능한 효과가 있다.

또한, 부하의 변동이 심한 부하와 부하측으로부터 고조파 발생이 심한 부하 에서도 실시간 무효전력 보상이 가능하므로 현재까지 무효전력 보상이 불가능한 (용접/크레인/엘리베이터/프레스 등)부하에도 완벽한 역률개선이 가능하며 계통에서 발생 되는 병렬공진에 따른 문제점이 해결될 수 있는 효과가 있다.

또한, 영전위에서 상기 LC 뱅크가 투입/해제되므로 무효전력 보상으로 역률개선 및 전압의 안정화로 기기의 수명 연장과 계통에서의 에너지 손실 절감과 설비의 여유율을 확보할 수 있는 효과가 있다.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면의 참조와 함께 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설 명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명에 따른 병렬공진이 검출되는 전자식 무효전력 보상장치에 관한 구성도이며, 도 2는 상기 도 1의 내부 구성의 흐름 적용도이다.

도 3은 본 발명의 따른 병렬공진이 검출되는 전자식 무효전력 보상장치에 관하여 전력계통에 적용한 실시예이다.

상기 도 2에 도시된 바와 같이 입력신호를 3상 메인 전원(1), 3상 메인 CT신호(2), 3상 부하측 CT신호(3)를 제어기(10)에서 입력받는다.(총 9개의 입력채널)

또는 상기 도 3에 도시된 바와 같이 전력계통에 적용한 실시예로서, 전력계통의 입력신호는 3상 메인 전원(1)과 3상 메인 CT신호(2)와 3상 부하측 CT신호(3)를 상기 제어기(10)에서의 입력부(11)로 입력받은 신호를 1주기에 128 샘플링하고 디지털 신호로 변환하는 S/H 및 A/D변환부(12)에서(일명: 샘플/홀드 및 아날로그/디지털 변환부라고 한다.) 데이터를 변환하여 전력계통의 고조파 및 파라메타를 분석하고 계산하는 연산부(13)를 통해 출력된 제어신호에 의거하여 상기 LC뱅크(40)의 투입 또는 해제시에 돌입전류가 발생하지 않도록 스위칭 제어 회로부(14)로 전달하여 상기 스위칭 모듈(20)로 게이트 출력한다. 여기서 상기 연산부(13)는 매 주기별 FFT(Fast Fourier Transgorm)알고리즘에 의해 콘덴서부(42)의 투입시점을 계산하고, 63차 고조파까지 스펙트럼을 분석하며, 상기 3상 메인 전원(1), 3상 메인 CT신호(2), 3상 부하측 CT신호(3)의 파형을 분석하는 것을 특징으로 한다.

이어서 도 1내지 도 3을 참조하여 설명하면 상기 제어기(10)는 상기 3상 메인 전원(1), 3상 메인 CT신호(2), 3상 부하측 CT신호(3)를 1주기에 128 샘플링하여 영전위에서 부하에서 필요로 하는 무효전력량에 따라 1주기 이내에 LC뱅크(40)를 제어한다.

이때 출력신호는 파이어링 카드(firing card: 점호 카드)에 의해 과도 돌입 전류 없이 상기 LC뱅크(40)를 전력계통과 스위칭시키는 스위칭 모듈(20)로 게이트 신호를 출력하여 상기 스위칭 제어 신호부(14)의 영전위 제어신호에 의거하여 SCR-SCR 반도체 소자를 통해 상기 LC뱅크(40)를 투입 및 해제한다. 상기 스위칭 모듈(20)은 상기 콘덴서부(42)와 스위칭되므로 스위치 과정에 생기는 소자의 마모가 전혀 발생하지 않는다. 또한 상기 파이어링 카드에 의하여 신호 입력되므로 별도의 케이블 작업이 필요 없으며, 상기 스위칭 모듈(20)은 전류 소모량, 전격전압 및 콘덴서 그룹의 개수에 따라 결정한다 .

여기서 상기 스위칭 제어 회로부(14)는 FIFO(First In First Out) 방식과 아울러 투입 및 해제가 0인 시점에서 이루어지는 영전위 교차점 투입법 및 시간 균등 분할 투입법으로 상기 콘덴서부(42)를 투입 및 해제시킴으로써 상기 콘덴서부(42)에 과도현상 부담을 완전히 해소하고 본 발명에 따른 병렬공진이 검출되는 전자식 무효전력 보상장치의 수명을 연장할 수 있다.

이어서 1주기에 128 샘플링한 상기 3상 메인 전원(1), 3상 메인 CT신호(2), 3상 부하측 CT신호(3)의 데이터를 상기 연산부(13)에서 분석된 전력계통의 파라메타를 디스플레이하며, 경보출력과 RS422를 통한 외부와의 통신기능을 할 수 있는 파라메타 지시부[50(도 3에서 미도시)]로 모든 데이터를 실시간으로 지시하며 고조파 분석은 63차까지 분석 지시가 가능하다. 상기 스위칭 모듈(20)은 자체 FAN이 내장되어 설정온도에 따라 자동 냉각시키는 것을 특징으로 한다. FAN은 외부돌출형식으로 주변 공기를 이용하므로 별도의 냉각설비가 필요하지 않다.

또한, 전력계통에서 단락 또는 기타 사고시(일반적인 장애를 말하는 것으로 정전, 누전, 단락, 접지 등)에 상기 전력계통에 자기보호 및 전력계통의 안정성 확보 측면에서 사용하는 안전장치로는 상기 3상 메인전원(1) 후단에 파워휴즈(30)가 설치되어 순간적인 지락 사고시에 절체 될 수 있도록 설계된다. 또한 상기 스위칭 모듈(20)과 LC뱅크(40)의 아이언 코아 철심리액터(41)에 온도센서가 부착되어 50℃ 이상일 때 경보출력과 80℃ 이상일 때에는 상기 제어기(10)에서 해당 LC뱅크(40)의 제어를 중단하고 알람 표시를 한다. 여기서 상기 아이언 코아 철심 리액터(41)는 상기 스위칭 모듈(20) 및 콘덴서부(42)와 직렬로 연결되고 라미네이트 코팅되며 히스테리시스(Hysterisis) 손실이 적은 강판에 구리선을 권취시킨 것으로서, H class(180℃)의 절연특성을 가진다. 적용가능한 리액터의 종류로는 돌입전류 제한용, 공진 방지용, 고조파 흡수용 중 어느 하나 이상에 적용할 수 있다.

상기 콘덴서부(42)는 저손실 MKP(Metallized Polypropylene Film)의 알루미늄 원통 케이스 형태로 자체 회복이 가능하며 압력 스위치가 내장되어 설계압력을 초과하는 경우 용단 되도록 고압 차단 퓨즈를 구비하여 과전류를 억제하고, 내부에 질소가스가 내장되어 폭발시 화염을 억제한다.

이어서 부하측 CT[60(도 2에서 미도시)]는 상기 3상 부하측 CT신호(3)를 통 해 계통으로 공급되는 무효전력을 상시 감시하여 상기 LC뱅크(40)의 용량 변화를 파라메타 지시부(50)를 통해 감시할 수 있다.

즉, 부하측 CT(60)는 상기 파라메타 지시부(50)에 디스플레이되도록 하며 부하에서 순간적으로 발생되는 고조파가 유입될 경우 전류를 감지하여 병렬공진 발생시 상기 LC 뱅크(40)를 순간적으로 해제시킴과 동시에 상기 제어기(10)에 에러 메세지를 지시하고, 전력계통으로 보상되는 LC 뱅크(40)의 용량을 실시간 감시한다. 또한, 상기 부하측 CT(60)는 상기 3상 부하측 CT신호(3)가 계통에서 순간적으로 발생되어 유입되는 고조파 전류를 감시하며 상기 LC뱅크(40)의 정격전류 이상으로 유입시에 병렬공진으로 간주하며 상기 LC뱅크(40)의 제어를 순간적으로 해제한다. 이때 몇차의 고조파 전류가 유입되었는지 감지하여 상기 파라메타 지시부(50)에 기록하여 계통이 안정적으로 되었을 경우에는 정상적으로 상기 LC뱅크(40)를 제어한다.

이상으로 본 발명은 부하에서 많은 고조파가 발생한다 하여도 실시간(1주기 이내)으로 무효전력을 보상할 수 있으며 병렬공진 발생시에도 상기 LC뱅크(40)가 폭발하여 계통에 영향을 주지 않도록 설계되었다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 설명하였지만, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누 구든 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 병렬공진이 검출되는 전자식 무효전력 보상장치에 관한 구성도.

도 2는 본 발명에 따른 병렬공진이 검출되는 전자식 무효전력 보상장치에 관한 내부 구성의 흐름 적용도.

도 3은 본 발명의 따른 병렬공진이 검출되는 전자식 무효전력 보상장치에 관하여 전력계통에 적용한 실시예.

**도면의 주요명칭**

10: 제어기 11: 입력부

12: S/H 및 A/D변환부 13: 연산부

14: 스위칭 제어 회로부 20: 스위칭 모듈

30: 파워휴즈 40: LC뱅크

41: 아이언 코아 철심리액터 42: 콘덴서부

50: 파라메타 지시부 60: 부하측 CT

Claims

단상 또는 3상의 부하에 의해 발생한 무효전력을 보상하는 무효전력 보상 장치에 있어서,

전력계통에 대해 1/4 주기에 응답하여 2/3 주기 이내에 영전위에서 무효전력을 실시간으로 보상하고, 전력 계통내에서 병렬공진 발생시에 공진 시점을 감지하여 LC 뱅크(40)를 순간적으로 해제시키는 제어기(10);

콘덴서부(42)를 투입 및 해제시 과도 돌입 전류 없이 상기 LC 뱅크(40)를 전력계통과 스위칭시키는 스위칭 모듈(20);

상기 전력계통에서 단락 발생시에 상기 전력계통에 자기보호 및 전력계통의 안정성 확보 측면에서 사용하는 파워휴즈(30);

상기 전력계통 내의 무효전력을 보상함과 아울러 병렬 공진을 방지하기 위해 아이언 코아 철심리액터(41)와 콘덴서부(42)를 구비한 LC 뱅크(40);

상기 제어기(10)는 연산부(13)에서 분석된 전력계통의 파라메타를 디스플레이하며, 경보 출력과 RS422를 통한 외부와의 통신기능을 할 수 있는 파라메타 지시부(50);

상기 파라메타 지시부(50)에 디스플레이되도록 하며 부하에서 순간적으로 발생되는 고조파가 유입될 경우 전류를 감지하여 병렬공진 발생시 상기 LC 뱅크(40)를 순간적으로 해제시킴과 동시에 상기 제어기(10)에 에러 메세지를 지시하고, 전력계통으로 보상되는 LC 뱅크(40)의 용량을 실시간 감시하는 부하측 CT(60);를 포함하고,

상기 제어기(10)는,

3상 메인 전원(1), 3상 메인 CT신호(2), 3상 부하측 CT신호(3)를 입력받는 입력부(11);

상기 입력부(11)로부터 입력된 3상 전압 및 전류 신호를 1주기당 128 샘플링하고 디지털 신호로 변환하는 S/H(Sample/Hold) 및 A/D(Analog/Digital) 변환부(12);

S/H(Sample/Hold) 및 A/D(Analog/Digital) 변환부(12)로부터의 신호를 통해 전력계통의 고조파 및 파라미터를 분석하고 계산하는 연산부(13);

상기 연산부(13)로부터 출력된 제어 신호에 의거하여 상기 LC 뱅크의 투입 또는 해제시에 돌입전류가 발생하지 않도록 영전위에서 게이트 출력신호를 상기 스위칭 모듈(20)로 전달하는 스위칭 제어 회로부(14);를 구비하고,

상기 스위칭 모듈(20)은

상기 제어기(10)와 파이어링 카드(firing card)에 의해 신호가 입력되고, 상기 스위칭 제어 회로부(14)의 영전위 제어 신호에 의거하여 SCR-SCR 소자를 통해 상기 LC뱅크와 스위칭되며,

상기 아이언 코아 철심리액터(41)는

상기 스위칭 모듈(20) 및 콘덴서부(42)와 직렬로 연결되고, H class의 절연 특성을 가지며,

상기 콘덴서부(42)는

저손실 MKP(Metallized Polypropylene Film)의 알루미늄 원통 케이스 형태로 자체 회복이 가능하며 설계압력을 초과하는 경우 용단 되도록 고압 차단 퓨즈를 구비하여 과전류를 억제하는 것을 특징으로 하는 병렬공진이 검출되는 전자식 무효전력 보상장치.
제 1항에 있어서,

상기 연산부(13)는 매 주기별 FFT(Fast Fourier Transgorm)알고리즘에 의해 상기 콘덴서부(42)의 투입시점을 계산하고, 63차 고조파까지 스펙트럼을 분석하며, 상기 3상 메인 전원(1), 3상 메인 CT신호(2), 3상 부하측 CT신호(3)의 파형을 분석하는 것을 특징으로 하는 병렬공진이 검출되는 전자식 무효전력 보상장치.
제 1항에 있어서,

상기 스위칭 제어 회로부(14)는 FIFO(First In First Out) 방식과 아울러 영전위 교차점 투입법 및 시간 균등 분할 투입법으로 상기 콘덴서부(42)를 투입 및 해제시키는 것을 특징으로 하는 병렬공진이 검출되는 전자식 무효전력 보상장치.
제 1항에 있어서,

상기 스위칭 모듈(20)은 자체 FAN이 내장되어 설정온도에 따라 자동 냉각시 키는 것을 특징으로 하는 병렬공진이 검출되는 전자식 무효전력 보상장치.