KR101034989B1 - 전원품질개선장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전원 선로 상에 설치되어 전원 선로로 유입되는 노이즈를 제거하는 전원품질개선장치에 있어서, 상기 전원 선로의 입력단과 출력단 간에 제 1 코일 및 제 2 코일이 코어에 권취된 리액터가 개재되되, 상기 리액터는 상기 제 1 코일의 제 1 단이 제 1 전원선로의 입력단에, 제 2 단이 제 1 전원선로의 출력단에 연결되고, 제 2 코일의 제 1 단이 제 2 전원선로의 출력단에, 제 2 단이 제 2 전원선로의 입력단에 연결되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 매우 간단한 구조를 갖는 리액터를 이용하여 고주파 노이즈나 서지 성분을 효과적으로 제거함으로써 저비용으로 전원 안정화를 가져올 수 있는 효과가 있다.

Description

전원품질개선장치{Power quality improvement devices}

본 발명은 전원품질개선장치에 관한 것으로서 보다 상세하게는 간단한 리액터 구조를 통해 50 ~ 60Hz의 상용 전원은 손실 없이 통과하고 전원 회로에 포함된 서지성분, 플리커, 노치 성분, 고조파 성분 등의 노이즈성분을 효과적으로 차단할 수 있도록 하여 전원품질을 개선하는 기술에 관한 것이다.

전원선의 안정적인 운용을 목적으로 하는 전원안정화회로에서 노이즈 필터(noise filter)나 진상콘덴서를 이용하여 전원선에 포함된 각종 EMI/EMC수준의 노이즈(noise) 제거나, 고조파 성분제거, 위상에 대한 보정 등의 효과를 얻는 것이 알려져 있다.

본 출원인은 종래 전원 안정화 회로에 사용되는 노이즈 필터의 문제점을 개선하고자, 전원선에는 평소에는 일반적인 노이즈 필터(Noise Filter)와 같이 고주파 노이즈(noise)를 제거하는 기능을 유지하면서 노이즈 필터외의 회로들은 절연이 유지되는 상태에서 운용되다가 전압제한 레벨(level)의 설정한 범위를 초과하는 스위칭 노이즈 및 모터류의 기동 노이즈 등을 포함하는 각종 큰 전력성분을 가진 노이즈는 물론 서지임펄스(surge impulse)의 유입 등에 대하여 리미트부에서 전압을 제한한 후 넘치는 성분만을 축전부에 충전하고 방전부를 통하여 소멸시킴으로써 전원선의 안정화를 이루고자 하는 기술을 출원하여 국내등록특허 제10-882856호로 등록받은 바 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 상기 등록특허에 의한 전원안정화회로는 두 개 이상의 전원선로 및 접지선로와 접속되며, 상기 두 개 이상의 전원선로에서 두 전원선로를 선택하는 모든 조합에 대하여, 한 조합을 이루는 두 전원선로 사이에 구비되는 캐패시터(C1); 상기 두 전원선로 사이에 구비되는 캐패시터 뒷단에 연결되고 상기 두 개 이상의 전원선로와 직렬로 접속되는 리액터(L1), 상기 리액터의 뒷단에 연결되고 두 개 이상의 전원선로에서 각각의 전원선로와 상기 접지선로 사이에 구비된 캐패시터(C2 및 C3), 상기 전원선로와 접지선로 사이에 구비된 캐패시터(C2 및 C3)의 뒷단에 접속되며 상기 두 개 이상의 전원선로와 접지선로와 접속되어 전압을 정류하는 정류부(120), 상기 정류부의 한 출력단자(+)에 직렬로 접속되어 전압을 제한하는 리미트부(130), 상기 리미트부의 출력과 상기 정류부의 한 출력단자(-)를 연결하고 전하를 충전하는 축전부(150) 및 상기 축전부와 병렬로 접속되는 방전부(140)를 선택적으로 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

도 2는 도 1의 리액터(L1 또는 L2, 111 또는 161)의 작용을 설명하기 위한 개념도이다.

도 2에 도시된 바와 같이 상기 등록특허의 리액터(L1 또는 L2, 111 또는 161)는 E자 또는 I자형 코어에 코일을 감은 것으로써 코일에 60HZ의 상용 교류 또는 인버터(inverter)등의 수백 Hz의 스위칭전원(이하 통칭하여 60Hz성분이라 칭함)의 전류가 흐르더라도 코어의 형상에 자속이 흐를 루프(Loop)가 없기 때문에 코일에는 충분한 리액턴스(reactance)성분이 발생하지 않는다.

그러나 회로에 강력한 스위칭 노이즈가 유입되어 리미트부(120)를 구성하는 전압제한소자(도 5의 Z)가 작동하고 축전부(150)를 구성하는 캐패시터(도 5의 C4)에 큰 충전 전류가 흐른다면 리액터(도 3의 L1, 111) 코일에는 축전부(150)의 캐패시터(도 5의 C4)에 충전되는 강한 돌입전류에 의거하여 수백 내지 수천 암페어의 전류가 돌입된다.

출원인은 리액터(L1 또는 L2, 111 또는 161))의 설계용량이 60Hz 상용교류 10A수준인 경우 10A 이내의 전류가 흐르는 평상시에는 코어에서 자로가 연결되지 아니한 본 발명의 리액터 구조로 인하여 자속은 흐름이 없어, 리액터로서의 역할과 트랜스포머로서의 역할을 하지 못하고, 설계용량을 초과하는 전류 즉 수십 내지 수백 A에 달하는 강한 전류가 흐른다면 회절루프(loop)에 의한 자속의 흐름을 통하여 강력한 자속과 이로 인한 리액턴스가 발생하면서 리액터의 역할을 하는 것으로 판단하였다.

그러나, 출원 이후 계속된 실험결과 적은 전류에서도 고주파 성분이 포함된 경우 회전자계가 용이하게 발생하는 것을 발견하였다.

도 3 및 도 4는 종래 전원 안정화 회로의 리액터의 문제점을 설명하기 위한 회로도이다.

도 3을 참조하면, 전원 라인(L1, L2) 간에 연결된 리액터의 경우 2개의 코일이 입력단과 출력단이 각각 일치하도록 권취되는데, 이러한 경우 60Hz의 저주파수에서는 리액터로서 기능을 하지 못하므로 전원라인의 신호를 손실없이 출력하게 되며, 특히, 대지와 전원라인 간의 전위차에 의해 L2라인과 대지간에 대지전류(I_A)가 발생하는 경우 L1라인측의 권선에서 역방향의 전류(I_B)가 생성되어 양 전류가 상쇄되므로 전원라인과 대지 간에 발생하는 노이즈를 차단할 수 있게 된다.

그러나, 도 4를 참조하면, 전원라인에 고주파 신호가 유입되는 경우 L2라인에 역방향의 전류가 발생하고 이에 따라, L1, 부하, L2 간에 전류 루프가 형성되어 전원라인으로 유입된 고주파 신호가 부하에 모두 인가되어 노이즈 필터로서의 기능을 못하게 된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 저주파의 상용 전원에서는 기능을 하지 않고 서지성분, 플리커, 노치 성분, 고조파 성분을 포함하는 노이즈 신호에서는 리액터로서 동작하여 노이즈성분을 효과적으로 제거할 수 있는 전원품질개선장치를 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 일 측면에 따르면, 전원 선로 상에 설치되어 전원 선로로 유입되는 상기한 노이즈성분을 제거하는 전원품질개선장치에 있어서, 상기 전원 선로의 입력단과 출력단 간에 제 1 코일 및 제 2 코일이 코어에 권취된 리액터가 개재되되, 상기 리액터는 상기 제 1 코일의 제 1 단이 제 1 전원선로의 입력단에, 제 2 단이 제 1 전원선로의 출력단에 연결되고, 제 2 코일의 제 1 단이 제 2 전원선로의 출력단에, 제 2 단이 제 2 전원선로의 입력단에 연결되는 것을 특징으로 하는 전원품질개선장치가 제공된다.

여기서, 상기 전원선로와 상기 리액터 간에 서지 보호소자(Z1, Z2, Z3)가 연결되는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 코어는 공심형, -자형 철심, E자형 개로 철심, EI자 갭형 개로 철심 중 어느 하나인 것이 가능하다.

그리고, 상기 전원 선로는 3상 선로인 경우, 상기 리액터는 3개의 코어에 제 1 및 제 2 코어가 각각 권취되는 형태로서, 상기 각 제 1 코일의 제 1 단이 각각 R,S,T 상의 입력단에, 제 2 단이 각각 R,S,T상의 출력단에 연결되고, 제 2 코일의 각 제 1 단이 N상의 출력단에, 제 2 단이 N상의 입력단에 연결된다.

그리고, R, S, T와 N상으로 구성되는 3상전원의 상기 제 2 코일의 1단이 접속된 N상의 출력단(N')에 선택적으로 대지접지(E, Earth)를 더 구비할 수 있다.

그리고, 상기 전원선로의 출력단(L1'-L2')간에 캐패시턴스(C1)를 더 구비할 수 있으며, 3상의 경우 상기 R, S, T상의 출력단(R', S', T')의 각 상간 또는 출력단(R', S', T')의 각각의 상과 N상의 출력단(N')간에 캐패시턴스를 더 구비하여 접속할 수 있다.

본 발명에 따르면, 매우 간단한 구조를 갖는 리액터를 이용하여 서지성분, 플리커, 노치 성분, 고조파 성분 등의 고주파 노이즈성분을 효과적으로 제거함으로써 저비용으로 전원품질개선의 효과를 기대 할 수 있는 것이다.

도 1은 종래기술에 따른 노이즈필터가 구비된 전원 안정화 회로의 회로도이다.
도 2는 도 1의 리액터(L1 또는 L2, 111 또는 161)의 작용을 설명하기 위한 개념도이다.
도 3 및 도 4는 종래 전원 안정화 회로의 리액터의 문제점을 설명하기 위한 회로도이다.
도 5는 본 발명에 따른 노이즈 제거 장치의 회로도이다.
도 6은 본 발명에 따른 리액터의 노이즈 제거 원리를 설명하기 위한 회로.
도 7a 내지 도 7d는 본 발명에 따른 리액터의 철심 구조를 예시적으로 나타낸 것들이다.
도 8a 내지 도 8c는 3상 타입에서의 철심 구조 및 권선 구조를 예시적으로 나타낸 것들이다.
도 9는 도 5에 따른 본 발명의 노이즈 제거능력에 대한 실측파형이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 상세하게 설명하기로 한다. 이하의 설명에서 노이즈라 함은 상용 전원이 흐르는 전원 회로에 포함된 각종 EMI/EMC수준의 노이즈(noise)는 물론, 서지 성분, 플리커 성분, 노치 성분, 고조파 성분 및 인버터 출력의 PWM파형에 포함된 광범위한 Noise 등을 의미하고, 개로 철심이라 함은 자계 폐루프를 형성하지 않는 형상의 철심을 의미한다.

도 5는 본 발명에 따른 전원품질개선장치의 회로도이다.

도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 전원품질개선장치는 전원 선로와 부하 간에 개재되는 리액터(10)와 전원 선로와 대지 간에 연결되는 서지 보호소자(Z1 ~ Z3)를 포함하여 구성된다.

리액터(10)는 코어(13)에 2개의 코일(11, 12)이 동시에 권취된 형태의 콤먼모드(common mode) 리액터가 사용되며, 여기서 코어(13)는 상용 전원용 리액터에 주로 사용되는 규소강판 적층 코어가 사용될 수 있다. 코어(13)의 형태는 추후 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명의 리액터(10)는 제 1 코일(11)의 제 1 단(도면 상에서 코일의 상측 부분)이 제 1 전원선로의 입력단(L1)에, 제 2 단이 제 1 전원선로의 출력단(L1')에 연결되고, 제 2 코일(12)의 제 1 단이 제 2 전원선로의 출력단(L2')에, 제 2 단이 제 2 전원선로의 입력단(L2)에 연결되는 것, 즉, 2개의 코일의 극성이 반대가 되도록 권취하는 것이 주된 특징이다.

도 6은 본 발명에 따른 리액터의 노이즈성분 제거 원리를 설명하기 위한 회로도이다.

도 6의 설명에 앞서, 본 발명에 의한 노이즈성분 제거를 위한 전제 조건에 대하여 먼저 설명하기로 한다.

1. 전원 선로의 입력단에 서지 보호소자(Z1 ~ Z3)를 사용하므로 대지와 선로 간에 작용하는 힘이 크지 않다. 즉, 대지와 전원 선로 간의 커패시턴스에 의한 대지전류가 거의 발생하지 않는다.

2. 일반적인 상용 전원의 주파수인 50 ~ 60Hz는 규소 강판 적층 코어(13)의 자로가 개방된 상태에서는 리액터에 영향을 주지 않는다. 즉, 후술하는 바와 같은 -자형 철심, E자형 개로 철심, EI자 갭형 개로 철심과 같이 자로가 개방되어 자화회로를 형성하지 않는 철심에서는 저주파 성분은 회전 자계를 형성하지 못하므로 리액터(10)는 쇼트와 같은 상태가 된다.

3. 50 ~ 60Hz의 상용 전력을 공급하는 전원 선로에서 50 ~ 60Hz 성분이 아닌 것은 노이즈로서 제거 대상이며, 통상적인 제거 대상 성분은 주파수가 높다.

도 6을 참조하면, 2개의 코일의 극성이 반대이므로 제 1 코일(11)에 화살표와 같은 방향의 고주파 성분의 1차 전류가 유입되면 제 2 코일(12)에는 1차 전류에 의해 유기되는 2차 전류의 방향이 1차 전류의 흐름을 방해하는 방향으로 발생되므로 전류가 흐르지 못하게 된다.

보다 상술하면, 개로형 규소 강판 철심의 경우 직류나 50 ~ 60 Hz에서는 1차 전류가 흘러도 유기되는 2차 전류의 크기가 미비하여 1차 전류가 부하로 정상적으로 흐르게 된다.

그에 반해, 상술한 바와 같이, 고주파성분을 갖는 노이즈의 경우 개로형 규소 강판 철심에서도 용이하게 회전자계가 발생하므로 1차 전류에 의해 2차 전류가 유도되고 양 전류의 방향이 반대이므로 고주파 노이즈성분은 부하로 흐르지 못하게 되고, 이에 따라 노이즈를 효과적으로 제거할 수 있게 된다.

도 7a 내지 도 7d는 본 발명에 따른 리액터의 철심 구조를 예시적으로 나타낸 것들이다.

도 7a는 -자 형태의 규소 강판 코어(13)에 제 1 및 제 2 코일(11, 12)이 반대 극성을 갖도록 권취된 것을 나타낸 것으로서, 제 1 코일(11)의 제 1 단(도면 상에서 코일의 좌측 부분)이 제 1 전원선로의 입력단(L1)에, 제 2 단이 제 1 전원선로의 출력단(L1')에 연결되고, 제 2 코일(12)의 제 1 단이 제 2 전원선로의 출력단(L2')에, 제 2 단이 제 2 전원선로의 입력단(L2)에 연결되는 것을 알 수 있다.

코어 구조의 경우, 도 7b와 같이 철심이 없는 형태의 공심형, 도 7c와 같은 E자 개로 철심, 도 7d와 같은 EI자 갭형 개로 철심 등 자계 폐루프를 형성하지 않는 형상의 다양한 형태의 철심이 사용될 수 있다.

그리고, 코일의 권선 방법에 있어서 1) 2선을 동시에 감는 방법, 2) 제 1 코일(11)를 먼저 감은 후, 후단에 제 2 코일(12)을 감는 나누어 감기 방법, 3) 여러 개의 가는 선을 나누어 감는 방법 등이 있다.

1)번 방식의 경우 두 선의 임피던스가 동일한 장점이 있고, 2)번 방식의 경우 두 전선 간의 절연 내력이 우수한 장점이 있으며, 3)번 방식의 경우 여러 개의 세선이 모여 하나의 코일을 이루도록 한 후, 2)번 방식과 같이 권선하는 방식으로서 도선의 표피 효과가 감소하고 가공성이 좋은 장점이 있다.

도 8a 내지 도 8c는 3상 타입에서의 철심 구조 및 권선 구조를 예시적으로 나타낸 것들이다.

도 8a 내지 도 8c는 3상 전원 선로에 적용되는 리액터의 권선구조로서, 리액터는 3개의 코어에 제 1 및 제 2 코어가 각각 권취되는 형태로서, 각 제 1 코일(11)의 제 1 단(도면상에서 상측)이 각각 R,S,T 상의 입력단(R,S,T)에, 제 2 단이 각각 R,S,T상의 출력단(R',S',T')에 연결되고, 상기 제 2 코일의 1단이 접속된 N상의 출력단에 접지를 더 구비하는 것을, 제 2 단이 N상의 입력단에 연결되도록 권취된다.

여기서, R, S, T와 N상으로 구성되는 3상전원의 N상은 전원을 공급하는 트랜스포머의 중성선에 접속되어져 있고, 전기설비기술기준에 의하면 전원공급계통에서 N상의 특정부분에 리액턴스를 추가하는 것은 사고전류가 발생할 때 귀로를 차단하여 기준에 위배되는 바, 상기 제 2 코일의 1단이 접속된 N상의 출력단(N')에 선택적으로 대지접지(E)를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.

단상 전원의 경우 상기한 R, S, T중 한상과 N상을 활용하여 두 전원선로(L1, L2)를 구비하므로 별도의 추가설명은 생략한다.

또, 상기 전원선로의 출력단(L1'-L2')간에 캐패시턴스(C1)를 더 구비할 수 있으며, 3상의 경우 상기 R, S, T상의 출력단(R', S', T')의 각 상간 또는 출력단(R', S', T')의 각각의 상과 N상의 출력단(N')간에 캐패시턴스를 더 구비하는 것을 특징으로 한다. 이 때 캐패시턴스의 구성은 교류용 콘덴서이든 상기한 종래발명에서 브릿지 다이오드와 조합한 직류용 콘덴서라도 관계없다.

3상 전원 선로에서의 리액터의 동작은 상기 실시예와 동일하므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.

3상 타입의 리액터의 철심 구조 또한 도 8a와 같이 -자형 철심형, 도 8b와 같은 E자 개로 철심, 도 8c와 같은 EI자 갭형 개로 철심 등 자계 폐루프를 형성하지 않는 형상의 다양한 형태의 철심이 사용될 수 있다.

도 9는 도 5의 본 발명에 따른 전원품질개선장치를 활용한 인버터 출력의 PWM파형에 포함된 광범위한 노이즈 성분(1)을 제거하여 완전한 사인파(2)로 변환을 시도한 사례를 측정한 실측파형으로서, 도 5와 같이 매우 간단한 회로로서, 개로형 철심을 사용하여 상용주파수인 60Hz 성분에 대하여 미미한 손실로서 노이즈성분에 대하여 우수한 제거능력을 보여 줌으로서, 상술한 바와 같이 본 발명이 새롭고 진일보한 면을 보여 주는 것이다.

10 : 리액터 11 : 제 1 코일
12 : 제 2 코일 13 : 코어
Z1 ~ Z3 : 서지 보호소자

Claims (7)

1. 전원 선로 상에 설치되어 전원 선로로 유입되는 노이즈성분을 제거하는 전원품질개선장치에 있어서,
   상기 전원 선로의 입력단과 출력단 간에 제 1 코일 및 제 2 코일이 코어에 권취된 리액터가 개재되고 상기 전원선로와 상기 리액터 간에 서지 보호소자가 연결되되,
   상기 리액터는 상기 제 1 코일의 제 1 단이 제 1 전원선로의 입력단에, 제 2 단이 제 1 전원선로의 출력단에 연결되고, 제 2 코일의 제 1 단이 제 2 전원선로의 출력단에, 제 2 단이 제 2 전원선로의 입력단에 연결되며, 상기 코어는 개로 철심인 것을 특징으로 하는 전원품질개선장치.
   
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 전원 선로는 3상 선로로서, 상기 리액터는 3개의 코어에 제 1 및 제 2 코일이 각각 권취되는 형태로서,
   상기 각 제 1 코일의 제 1 단이 각각 R,S,T 상의 입력단에, 제 2 단이 각각 R,S,T상의 출력단에 연결되고, 제 2 코일의 각 제 1 단이 N상의 출력단에, 제 2 단이 N상의 입력단에 연결되는 것을 특징으로 하는 전원품질개선장치.
   
4. 삭제
5. 제 3항에 있어서,
   상기 제 2 코일의 1단이 접속된 N상의 출력단(N')에 선택적으로 대지접지(E)를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 전원품질개선장치.
   
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 전원선로의 출력단(L1'-L2')간에 캐패시턴스를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 전원품질개선장치.
   
7. 제 3 항에 있어서,
   R, S, T상의 출력단(R', S', T')의 각 상간 또는 출력단(R', S', T')의 각각의 상과 N상의 출력단(N')간에 캐패시턴스를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 전원품질개선장치.

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