KR101105936B1 - 부하 고조파전류 저감장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 부하 고조파전류 저감장치에 관한 것으로서, 특히 부하측 전원선에 LC필터를 설치하여 3상4선식 또는 단상 결선을 갖는 부하계통에서 발생되는 영상분 고조파전류가 전원 측으로 순환되는 것을 저감하는 부하 고조파전류 저감장치에 관한 것이다.
이를 위하여, 본 발명은 부하에 전원을 공급하기 위한 3상4선식 또는 단상 결선을 가지는 전원계통; 및 코일과 커패시터의 조합으로 구성되어 영상임피던스를 높여서 영상분 고조파전류가 흐르는 것을 차단하는 LC필터를 포함하여 구성되며, 상기 LC필터는 전원계통 3상의 또는 단상의 부하측 각 전원선에 영상분 고조파전류와 전원선의 전류용량에 부합하도록 직렬로 1개 이상 설치되어 전원계통에 영상분 고조파전류가 흐르는 것을 차단하는 것을 특징으로 하는 부하 고조파전류 저감장치를 제공한다.

Description

부하 고조파전류 저감장치{Load Harmonic Filter}

본 발명은 부하 고조파전류 저감장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 부하측 전원선에 LC필터를 설치하여 3상4선식 또는 단상 결선을 갖는 부하계통에서 발생되는 영상분 고조파전류가 전원 측으로 순환되는 것을 저감하는 부하 고조파전류 저감장치에 관한 것이다.

일반적으로 고조파전류가 없는 평형상태에서는 각 상(정상 또는 역상)에 흐르는 전류가 각각 120°의 위상차를 가지고 있어서 그 중성선에는 전류가 흐르지 않지만, 만약 부하측에서 고조파전류가 발생되면 각 상에 흐르는 영상분 고조파전류는 위상이 서로 같기 때문에 그 중성선에는 각 상에 흐르는 영상분 고조파전류의 합에 해당되는 크기의 고조파전류가 부하에서 전원측으로 순환이 되어 흐르므로 전력설비를 과열시키는 등의 문제를 일으킨다.

이러한 영상분 고조파전류는 전원계통인 변압기의 열화를 촉진시키고 중성선 케이블을 과열 및 손상시키며, 중성선과 대지와의 전위를 상승시켜 부하에 연결되어 있는 각종 전자기기의 소손을 초래하고 역률을 저하시켜 에너지 손실을 증가시키는 원인이 된다.

도 3은 선형 및 비선형 부하에서 중성선 고조파전류의 크기를 비교한 도면으로, 과거 백열전등과 같은 선형부하에서는 고조파전류가 발생되지 않으므로, 그 중성선에서 고조파전류가 발생되지 않기 때문에 그로 인한 문제가 발생되지 않지만, 최근 첨단 건축물에서는 OA기기나 컴퓨터 UPS 등의 전력기기를 많이 사용하면서 전원계통에서 영상분 고조파전류의 발생이 크게 증가되어 그 중성선에 큰 영상분 고조파전류가 순환되어 전력설비에 많은 문제를 일으키고 있다.

이와 같이 각종 문제를 일으키는 영상분 고조파전류를 차단(필터링)하기 위한 기존 기술로서 코일의 권선방식을 지그재그로한 지그-재그 변압기(리액터), 중성선과 각 상에 코일과 커패시터가 연결되는 수동필터, 싸이리스터를 이용한 능동필터 등이 사용되었다.

도 4는 지그-재그 변압기(리액터)를 사용하여 중성선에서 영상분 고조파전류를 저감하는 종래 기술을 나타내는 도면으로, 전력계통의 임피던스가 지그-재그 변압기(리액터)의 임피던스 보다 작으면 영상분 고조파전류의 저감효과가 떨어지고, 또한 지그-재그 변압기(리액터)는 전원 측으로 순환하는 영상 고조파를 저감할 수는 있지만 부하 측으로 순환하는 영상 고조파를 저감할 수 없는 단점이 있다.

특히, 상기 수동필터는 전원계통과의 공진현상 문제가 있고, 상기 능동필터는 매우 고가이고 전원계통에 설치하는 것이 쉽지 않은 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 전원계통의 2차측(부하측) 전원선에 직렬로 간단히 설치 가능하고, 구성부품을 단순화하여 제조원가가 저렴하며, 고조파전류(특히, 제3고조파전류)의 저감률을 높여서 부하 측과 전원 측으로 순환하는 고조파전류를 동시에 감쇄하여 전력기기에 입력되는 전기 에너지 절감에 기여하는 부하 고조파전류 저감장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 부하 고조파전류 저감장치는 부하에 전원을 공급하기 위한 3상4선식 또는 단상 결선을 가지는 전원계통; 및 코일과 커패시터의 조합으로 구성되어 영상임피던스를 높여서 영상분 고조파전류가 흐르는 것을 차단하는 LC필터를 포함하여 구성되며, 상기 LC필터는 전원계통 3상의 또는 단상의 부하측 각 전원선에 영상분 고조파전류와 전원선의 전류용량에 부합하도록 직렬로 1개 이상 설치되어 전원계통에 영상분 고조파전류가 흐르는 것을 차단하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 LC필터에 병렬, 전원선에 직렬로 연결되어 전원선에 흐르는 전류를 바이패스시키는 바이패스 컨택터; 상기 전원선에 흐르는 전류를 감지하는 전류감지기; 및 상기 전류감지기에서 감지된 전류가 설정된 기준치 이상이면 상기 바이패스 컨택터를 구동시키는 제어부를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 제어부는 상기 전원선에 흐르는 고조파전류를 증폭시키는 제1증폭부; 상기 전원선에 흐르는 불평형전류를 증폭시키는 제2증폭부; 상기 제1증폭부를 통해 증폭된 고조파전류를 설정된 기준치와 비교하는 제1비교기; 상기 제2증폭부를 통해 증폭된 불평형전류를 설정된 기준치와 비교하는 제2비교기; 및 상기 제1비교기와 제2비교기로부터 설정된 기준치를 초과하는 신호를 받는 경우 상기 바이패스 컨택터를 구동시키는 구동 릴레이를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

이와 같이 구성된 본 발명의 부하 고조파전류 저감장치는 첫째, 전원선에 흐르는 영상분 고조파를 90% 이상 저감시켜 고조파로 인해 발생되는 각종 문제를 해결하고, 둘째 LC필터(수동 및 자동 바이패스 컨택터 포함)를 전원선에 직렬로 설치하고 전원선의 전류용량에 따라 LC필터를 1대 이상 병렬로 추가 연결하는 방식에 의해 설치가 간단하고 용량의 증설 또한 간단하게 수행되며, 셋째 구성부품이 간단하여 설치비가 저렴하고 수동 및 자동 바이패스 컨택트를 구비하여 LC필터가 과전류로부터 손상되는 것을 방지하는 유용한 효과를 발휘한다.

도 1은 본 발명에 따른 부하 고조파전류 저감장치(3상)를 나타내는 구성도;
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 부하 고조파전류 저감장치(단상)를 나타내는 구성도;
도 3은 선형 및 비선형 부하에서 중성선 고조파전류의 크기를 비교한 도면;
도 4는 종래 지그-재그 변압기(리액터)를 사용하여 중성선에서 영상분 고조파전류를 저감하는 기술을 나타내는 도면이다.

이하, 본 발명의 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 실시예를 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 부하 고조파전류 저감장치(3상)를 나타내는 구성도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 부하 고조파전류 저감장치(3상)는 도 1에 도시된 바와 같이, 전원계통(T) 및 LC필터(10)를 포함하여 구성되며, 전원계통(T)은 부하에 전원을 공급하기 위한 3상4선식 결선을 가지고, LC필터(10)는 코일(L1)과 커패시터(C1)의 조합으로 구성되어 영상임피던스를 높여서 전원계통(T)에 영상분 고조파전류가 흐르는 것을 차단한다.

여기서, 상기 LC필터(10)는 전원계통(T) 3상의 부하측 각 전원선(R,S,T)에 영상분 고조파전류와 전원선의 전류용량에 충족하도록 직렬로 1개 이상 설치되어 전원계통(T)에 영상분 고조파전류가 흐르는 것을 차단한다.

구체적으로, 상기 전원계통(T)은 상용전원이 입력되는 1차측 ㅿ결선과, 부하가 연결되는 2차측 Y결선으로 이루어진 3상 변압기로서, 정격전압은 AC 380~220V, 정격주파수는 60Hz, 전압 변동범위는 10% 이내인 특성을 갖는다.

그리고, 상기 LC필터(10)는 상기 전원계통(T)의 2차측(즉, 부하측) 각 전원선(R,S,T)에 직렬로 연결되고 코일(L1)과 커패시터(C1)의 조합으로 구성된다.

이때, 상기 LC필터(10)는 전원계통(T)의 영상 임피던스를 높여서 전원계통(T)에 고조파전류가 흐르는 것을 최소화하는데, 보다 구체적으로 부하(1) 측에서 발생된 고조파가 전원계통(T)으로 순환하지 않도록 하여 전원계통(T)에 고조파전류가 흐르는 것을 최소화한다. 특히 제3고조파는 90% 이상 저감된다.

또한, 상기 LC필터(10)를 구성하는 코일(L1)과 커패시터(C1)의 용량은 저감시키고자 하는 고조파의 주파수와 전원선(R,S,T)의 허용전류 용량에 부합하도록 설정하는 것이 바람직하며, 만약 전류의 용량이 클 경우 3상 전원선(R,S,T)의 각 상에 모듈식의 상기 LC필터(10)를 추가할 수 있으므로, 발생되는 고조파의 특성과 전원선의 전류용량에 부합하도록 부하 고조파전류 저감장치(100)의 용량(영상 임피던스)을 조절할 수 있게 되는 것이다.

이에 더하여, 본 발명의 부하 고조파전류 저감장치는 수동 내지 자동 바이패스 컨택터(20,50), 전류감지기(CT)(30) 및 제어부(40)를 포함하여 구성된다.

수동 내지 자동 바이패스 컨택터(20,50)는 상기 LC필터(10)에 병렬로 연결됨과 아울러 전원선(R,S,T)에 직렬로 연결되어 전원선에 흐르는 전류를 바이패스시키고, 전류감지기(CT)(30)는 상기 전원선에 흐르는 전류를 감지하며, 제어부(40)는 상기 전류감지기(CT)(30)에서 감지된 전류가 설정된 기준치 이상이면 상기 자동 바이패스 컨택터(50)를 구동시킨다.

한편, 상기 제어부(40)는 제1증폭부(41), 제2증폭부(42), 제1비교기(43), 제2비교기(44) 및 구동 릴레이(45)를 포함하여 구성되며, 기타 전류계(46), 테스트 스위치(47), 리셋 스위치(48)가 더 구성될 수 있다.

제1증폭부(41)는 상기 전원선(R,S,T)에 흐르는 고조파전류를 증폭시키고, 제2증폭부(42)는 상기 전원선(R,S,T)에 흐르는 불평형전류를 증폭시키며, 제1비교기(43)는 상기 제1증폭부(41)를 통해 증폭된 고조파전류를 설정된 기준치와 비교하고, 제2비교기(44)는 상기 제2증폭부(42)를 통해 증폭된 불평형전류를 설정된 기준치와 비교하며, 구동 릴레이(45)는 상기 제1비교기(43)와 제2비교기(44)로부터 설정된 기준치를 초과하는 신호를 받는 경우 상기 자동 바이패스 컨택터(50)를 구동시킨다.

상기 수동 바이패스 컨택터(20)와 자동 바이패스 컨택터(50)는 전원선(R,S,T)에 기준치 이상의 과전류(불평형전류 또는 고조파전류)가 과다하게 흘러 상기 LC필터(10)가 손상되는 것을 방지하기 위한 것으로, 수동 바이패스 컨택터(20)는 사용자에 의해 수동으로 구동되고 자동 바이패스 컨택터(50)는 상기 제어부(40)에 의해 자동으로 구동된다.

상기 수동 내지 자동 바이패스 컨택터(20,50)는 전원선(R,S,T)에 직렬로 연결되고 상기 LC필터(10)에 병렬로 연결되어 전원선(R,S,T)에 흐르는 전류가 LC필터(10)로 유입되지 않고 직접 부하로 흘러가도록 바이패스시킨다. 본 발명의 일 실시예로 상기 수동 내지 자동 바이패스 컨택터(20,50)는 마그넷 릴레이가 사용될 수 있다.

여기서, 제어부(40)는 상기 전원선(R,S,T)의 입력 측에 연결되어 있는 전류감지기(CT)(30)가 감지한 전원선(R,S,T)에 흐르는 전류를 검출하여 입력받아서 상기 자동 바이패스 컨택트(50)를 구동시킨다.

즉, 상기 전류감지기(CT)(30)는 전원선(R,S,T)에 흐르는 영상분 고조파전류와 정상분 및 역상분의 불평형전류를 감지하여 상기 제어부(40)로 전송하는 것이다.

구체적으로, 상기 전류감지기(CT)(30)에서 전송된 고조파전류는 제1증폭부(41)에 의해 증폭이 된 후 제1비교기(43)로 전송이 되고, 불평형 전류는 제2증폭부(42)에 의해 증폭이 된 후 제2비교기(44)로 전송이 된다.

상기 제1비교기(43)는 제1증폭부(41)에서 증폭된 고조파전류를 기 설정된 기준치와 비교하여 기준치 보다 큰 경우에는 신호를 상기 구동 릴레이(45)로 전송하고, 신호를 받은 구동 릴레이(45)는 자동 바이패스 컨택터(50)를 구동시켜 전원선(R,S,T)에 흐르는 전류를 바이패스시킨다.

상기 제2비교기(44) 역시 제2증폭부(42)에서 증폭된 불평형전류를 기 설정된 기준치와 비교하고 신호를 구동 릴레이(45)로 전송하여 전원선(R,S,T)에 흐르는 불평형전류를 바이패스시킨다.

그리고, 상기 제어부(40)에는 자동 바이패스 컨택트(50)에 이상이 발생되어 정상 작동되지 않는 경우를 대비하여 상기 전원선(R,S,T)에 예비로 수동 바이패스 컨택트(20)가 LC필터(10)에 병렬로 연결된 상태로 설치되어 작업자가 수동으로 LC필터(10)를 바이패스시킬 수 있도록 구성된다.

또한, 상기 제어부(40)에는 제1비교기(43) 또는 제2비교기(44)에 입력된 전류가 설정된 기준치를 초과하는지를 표시하는 램프들이나 상기 자동 바이패스 컨택트(50) 또는 수동 바이패스 컨택트(20)가 구동되는지 여부를 표시하는 램프들과 같은 다수의 표시램프가 구비되는 것이 바람직하다.

더욱 바람직하게는, 상기 제어부(40)에는 전류감지기(CT)(30)에서 감지되는 전류를 표시하는 전류계(46)가 구비되고, 본 발명의 부하 고조파전류 저감장치를 구성하는 각 구성요소들의 정상상태 여부를 테스트하기 위한 테스트 스위치(47), 제어부(40)를 리셋하기 위한 리셋스위치(48) 및 수동 구동 릴레이(45)를 작동시키기 위한 수동 바이패스 컨택트(49) 스위치가 추가로 구비될 수 있다.

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 부하 고조파전류 저감장치(단상)를 나타내는 구성도로, 단상 전원선에 LC필터(10)를 1개 이상 설치한 단상 부하용 고조파전류 저감장치이다.

이와 같이 구성된 본 발명의 부하 고조파전류 저감장치에 의하면, 종래 중선선에 LC필터를 설치하는 것에 비해 전원선에 LC필터를 직렬로 설치하고 전원선의 전류용량에 따라 LC필터를 1대 이상 병렬로 추가 연결할 수 있기 때문에 용량의 증설 내지 변경이 편리하다는 점에서 현저한 차이점이 있다.

이와 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화될 수 있다는 사실은 해당 기술분야에 있어 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다.

그러므로, 상술된 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하며, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수 있다.

T: 전원계통 1: 분전반
10: LC필터 20: 수동 바이패스 컨택트
30: 전류감지기(CT) 40: 제어부
41: 제1증폭부 42: 제2증폭부
43: 제1비교기 44: 제2비교기
45: 구동 릴레이 46: 전류계
47: 테스트 스위치(TS) 48: 리셋 스위치(RS)
49: 수동 바이패스 컨택트 스위치(M)
50: 자동 바이패스 컨택트 스위치

Claims (3)

1. 부하에 전원을 공급하기 위한 3상4선식 또는 단상 결선을 가지는 전원계통 및 코일과 커패시터의 조합으로 구성되어 영상임피던스를 높여서 영상분 고조파전류가 흐르는 것을 차단하는 LC필터를 포함하여 구성되는 부하 고조파전류 저감장치에 있어서,
   상기 LC필터는 전원계통 3상의 또는 단상의 부하측 각 전원선에 영상분 고조파전류와 전원선의 전류용량에 부합하도록 직렬로 1개 이상 설치되어 전원계통에 영상분 고조파전류가 흐르는 것을 차단하는 것을 특징으로 하는 부하 고조파전류 저감장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 LC필터에 병렬, 전원선에 직렬로 연결되어 전원선에 흐르는 전류를 바이패스시키는 바이패스 컨택터; 상기 전원선에 흐르는 전류를 감지하는 전류감지기; 및 상기 전류감지기에서 감지된 전류가 설정된 기준치 이상이면 상기 바이패스 컨택터를 구동시키는 제어부를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 부하 고조파전류 저감장치.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 제어부는 상기 전원선에 흐르는 고조파전류를 증폭시키는 제1증폭부; 상기 전원선에 흐르는 불평형전류를 증폭시키는 제2증폭부; 상기 제1증폭부를 통해 증폭된 고조파전류를 설정된 기준치와 비교하는 제1비교기; 상기 제2증폭부를 통해 증폭된 불평형전류를 설정된 기준치와 비교하는 제2비교기; 및 상기 제1비교기와 제2비교기로부터 설정된 기준치를 초과하는 신호를 받는 경우 상기 바이패스 컨택터를 구동시키는 구동 릴레이를 포함하여 구성되는 특징으로 하는 부하 고조파전류 저감장치.

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