KR102185655B1 - 탄소나노튜브 전선을 이용한 인덕터를 포함하는 lcl 필터 및 이를 포함하는 전력 변환 시스템 - Google Patents

탄소나노튜브 전선을 이용한 인덕터를 포함하는 lcl 필터 및 이를 포함하는 전력 변환 시스템 Download PDF

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Abstract

탄소나노튜브 전선을 이용한 인덕터를 포함하는 LCL 필터 및 이를 포함하는 전력 변환 시스템이 개시된다.
탄소나노튜브 전선을 이용한 인덕터를 포함하는 LCL 필터는 계통 연계형 인버터의 출력단과 상기 계통 사이에 마련되어 상기 계통 연계형 인버터에서 발생하는 리플을 저감시키는 탄소나노튜브 전선을 이용한 인덕터를 포함하는 LCL 필터에 있어서, 상기 계통 연계형 인버터의 출력단에 연결되며, 직렬 연결된 두 개의 인덕터를 포함하되, 내부 저항값이 LCL 필터에서 발생하는 공진 억제가 가능한 저항값 이상의 특징값을 가질 수 있도록 탄소나노튜브 전선을 자성체에 권선하여 형성되는 인덕터를 적어도 하나 포함하는 인덕터부 및 상기 두 개의 인덕터 사이의 노드와 그라운드 사이에 연결되는 커패시터를 포함한다.

Description

탄소나노튜브 전선을 이용한 인덕터를 포함하는 LCL 필터 및 이를 포함하는 전력 변환 시스템{LCL FILTER INCLUDING CARBON NANOTUBE CABLE USING INDUCTOR AND POWER CONVERSION SYSTEM INCLUDING THE LCL FILTER}
본 발명은 탄소나노튜브 전선을 이용한 인덕터를 포함하는 LCL 필터 및 이를 포함하는 전력 변환 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 탄소나노튜브의 큰 저항 특성을 이용하여 공진을 억제하는 탄소나노튜브 전선을 이용한 인덕터를 포함하는 LCL 필터 및 이를 포함하는 전력 변환 시스템에 관한 것이다.
계통연계형 인버터 시스템은 신재생 에너지원 또는 기타 다른 발전원으로부터 생성된 전압을 계통의 전압과 주파수 레벨에 맞추어서 계통으로 전류를 주입하는 시스템이다. 이와 같은 계통연계형 인버터 시스템은 계통의 일정 전압과 주파수를 맞추어 주기 위하여 PWM(pulse width modulation) 방식의 스위칭 기법을 많이 사용하는데, 이는 계통으로 주입되는 전류에 인버터 스위칭 주파수의 배수에 해당하는 고조파 리플(ripple)을 발생시킨다.
또한 계통과 연계되는 인버터의 출력단에는 계통 주파수의 배수에 해당하는 고조파 성분이 발생하게 된다. 이와같이 PWM 방식을 사용하는 계통연계형 인버터 시스템에는 인버터의 PWM 출력에 의해 발생하는 스위칭 주파수의 고조파 성분과 계통에서 발생하는 계통 주파수의 고조파 성분의 리플이 발생한다. 이러한 고조파 성분은 계통에 영향을 주어 민감한 기기나 부하에 전원 장애를 일으키는 요인이 된다. 이런 요인을 저감하기 위해 인버터 출력단과 계통 사이에 전류의 리플을 저감하는 인덕터와 전압의 리플을 저감하는 커패시터를 채용하여 필터를 구성한다. 이러한 필터에는 대표적으로 L 필터, LC 필터 혹은 LCL 필터방식이 있다.
L 필터의 경우 구성이 단순하고 제어가 용이하지만, 기준을 만족하는 고조파 저감효과를 얻기 위해서는 큰 용량의 인덕터(Inductor)가 필요하다. 이로 인해 필터의 부피와 제작 비용이 증대되고 독립운전이 불가능하며 시스템의 동특성이 나빠지는 단점이 있다.
LC 필터의 경우 필터 인덕터(L)에 필터 커패시터(C)를 추가한 구성으로, L 필터에 비해 고조파 저감 효과가 좋다. 하지만 대용량 시스템에서는 L 필터와 같이 인덕터 정격을 증가시켜야 하고 LC 필터에 의한 공진이 발생하는 문제점이 있다.
LCL 필터의 경우 직렬 연결된 필터 인덕터(L1, L2) 사이의 노드와 그라운드 사이에 필터 커패시터(C)가 연결된 구성으로, 3차 저역통과필터(Low Pass Filter) 특성을 가지고 있어 L 필터 혹은 LC 필터에 비해 낮은 필터 용량으로 더 높은 고조파 감쇄 효과를 나타낸다. 그러나 LCL 필터의 경우, 공진 현상을 억제하는 공진 억제부를 필요로 하는데, 공진 억제부는 일반적으로 필터 커패시터에 제동 저항을 부가하는 구조이다. 따라서 공진 억제부에서 전력 손실을 야기하여 전체 시스템의 효율을 저하시킬 수 있다.
본 발명의 일측면은 높은 저항 특성을 갖는 탄소나노튜브 전선을 자성체에 권선하여 내부 저항값이 LCL 필터에서 발생하는 공진 억제가 가능한 저항값 이상의 특징값을 가질 수 있도록 형성되는 인덕터를 이용하여 자체적으로 공진을 억제할 수 있는 탄소나노튜브 전선을 이용한 인덕터를 포함하는 LCL 필터 및 이를 포함하는 전력 변환 시스템을 제공한다.
본 발명의 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 탄소나노튜브 전선을 이용한 인덕터를 포함하는 LCL 필터는, 계통 연계형 인버터의 출력단과 상기 계통 사이에 마련되어 상기 계통 연계형 인버터에서 발생하는 리플을 저감시키는 탄소나노튜브 전선을 이용한 인덕터를 포함하는 LCL 필터에 있어서, 상기 계통 연계형 인버터의 출력단에 연결되며, 직렬 연결된 두 개의 인덕터를 포함하되, 내부 저항값이 LCL 필터에서 발생하는 공진 억제가 가능한 저항값 이상의 특징값을 가질 수 있도록 탄소나노튜브 전선을 자성체에 권선하여 형성되는 인덕터를 적어도 하나 포함하는 인덕터부 및 상기 두 개의 인덕터 사이의 노드와 그라운드 사이에 연결되는 커패시터를 포함한다.
한편, 상기 인덕터부는, 적어도 하나의 탄소나노튜브 가닥을 포함하는 전선 가닥이 서로 꼬인(braided) 구조를 갖는 상기 탄소나노튜브 전선을 상기 자성체에 권선하여 형성되는 인덕터를 적어도 하나 포함할 수 있다.
또한, 상기 인덕터부는, 내심 전선 및 상기 내심 전선과 동축을 가지며 상기 내심 전선을 감싸는 형태로 구성되는 외심 전선을 포함하는 상기 탄소나노튜브 전선을 상기 자성체에 권선하여 형성되는 인덕터를 적어도 하나 포함할 수 있다.
또한, 상기 인덕터부는, 상기 내심 전선 및 상기 외심 전선 중 적어도 하나가 복수의 탄소나노튜브 가닥으로 구성되는 상기 탄소나노튜브 전선을 상기 자성체에 권선하여 형성되는 인덕터를 적어도 하나 포함할 수 있다.
또한, 상기 인덕터부는, 상기 내심 전선 및 상기 외심 전선 중 적어도 하나가 복수의 탄소나노튜브 가닥이 서로 꼬인 구조를 갖는 상기 탄소나노튜브 전선을 상기 자성체에 권선하여 형성되는 인덕터를 적어도 하나 포함할 수 있다.
또한, 상기 인덕터부는, 상기 내심 전선 및 상기 외심 전선 중 적어도 하나가 복수의 탄소나노튜브 가닥을 장방향으로 연결시킨 구조를 갖는 상기 탄소나노튜브 전선을 상기 자성체에 권선하여 형성되는 인덕터를 적어도 하나 포함할 수 있다.
또한, 상기 인덕터부는, 상기 계통 연계형 인버터의 출력단에 연결되며, 탄소나노튜브 전선을 자성체에 권선하여 형성되는 제1 인덕터 및 상기 제1 인덕터 및 상기 계통 사이에 연결되며, 상기 탄소나노튜브 전선을 자성체에 권선하여 형성되는 제2 인덕터를 포함할 수 있다.
또한, 상기 인덕터부는, 상기 계통 연계형 인버터의 출력단에 연결되며, 탄소나노튜브 전선을 자성체에 권선하여 형성되는 제1 인덕터 및 상기 제1 인덕터 및 상기 계통 사이에 연결되며, 구리 전선을 자성체에 권선하여 형성되는 제2 인덕터를 포함할 수 있다.
또한, 상기 인덕터부는, 상기 계통 연계형 인버터의 출력단에 연결되며, 구리 전선을 자성체에 권선하여 형성되는 제1 인덕터 및 상기 제1 인덕터 및 상기 계통 사이에 연결되며, 탄소나노튜브 전선을 자성체에 권선하여 형성되는 제2 인덕터를 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 전력 변환 시스템은 계통, 다수의 스위칭 소자를 포함하여, 상기 다수의 스위칭 소자의 스위칭 동작에 의해 외부 소스원으로부터 전원을 인가 받아 상기 계통으로 전원을 제공하는 계통 연계형 인버터 및 상기 계통 및 상기 계통 연계형 인버터 사이에 마련되며, 상기 계통 연계형 인버터의 출력단에 연결되는 직렬 연결된 두 개의 인버터를 포함하되, 내부 저항값이 LCL 필터에서 발생하는 공진 억제가 가능한 저항값 이상의 특징값을 가질 수 있도록 탄소나노튜브 전선을 자성체에 권선하여 형성되는 인덕터를 적어도 하나 포함하는 인덕터부 및 상기 두 개의 인덕터 사이의 노드와 그라운드 사이에 연결되는 커패시터를 포함하여 상기 계통 연계형 인버터의 출력단으로부터 상기 계통으로 전원을 인가할 때 발생하는 리플을 저감시키는 탄소나노튜브 전선을 이용한 인덕터를 포함한다.
본 발명에 따르면, 일반적인 구리 전선을 권선한 인덕터 대신 탄소나노튜브 전선을 권선한 인덕터를 이용하여 LCL 필터를 설계함으로써, 탄소나노튜브 전선의 높은 저항 특성으로 인해 LCL 필터에서 발생하는 공진을 자연스럽게 억제할 수 있다.
아울러 구리 전선을 대신하여 탄소나노튜브 전선을 이용함으로써, 그 크기, 무게 및 생산비용 등을 절감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 시스템을 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄소나노튜브 전선을 이용한 인덕터를 포함하는 LCL 필터를 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 탄소나노튜브 전선을 이용한 인덕터를 포함하는 LCL 필터를 보여주는 도면이다.
도 4는 도 1 내지 도 3에 도시된 탄소나노튜브 전선을 자성체에 권선하여 형성한 인덕터를 보여주는 도면이다.
도 5는 도 4에 도시된 탄소나노튜브 전선의 일 예를 보여주는 도면이다.
도 6은 도 4에 도시된 탄소나노튜브 전선의 다른 예를 보여주는 도면이다.
도 7은 도 4에 도시된 탄소나노튜브 전선의 또 다른 예를 보여주는 도면이다.
도 8은 도 4에 도시된 탄소나노튜브 전선의 또 다른 예를 보여주는 도면이다.
도 9는 도 4에 도시된 탄소나노튜브 전선의 또 다른 예를 보여주는 도면이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예와 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 시스템을 보여주는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 시스템은 계통 연계형 인버터(10), LCL 필터(101) 및 계통(30)을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 시스템은 외부 소스원으로부터 공급 되는 전원을 변환하여 계통(30)으로 공급할 수 있다. 일예로, 외부 소스원은 신재생 에너지원 또는 기타 다른 발전원에 해당한다.
계통 연계형 인버터(10)는 소스원으로부터 생성된 전압을 계통(30)의 전압과 주파수 레벨에 맞추어서 계통(30)으로 전류를 주입할 수 있다. 일예로, 계통 연계형 인버터(10)는 계통(30)의 일정 전압과 주파수를 맞추어 주기 위하여 복수의 스위칭 소자를 포함하여 PWM(Pulse Width Modulation) 방식의 스위칭 기법을 채택할 수 있다.
한편, 계통 연계형 인버터(10)의 출력단의 전류를 계통(30)으로 인가할 때, 인버터 스위칭 주파수의 배수에 해당하는 고조파 리플(ripple)이 발생하게 된다. 이러한 고조파 성분은 계통(30)에 영향을 주어 민감한 기기나 부하에 전원 장애를 일으키는 요인이 된다.
LCL 필터(101)는 계통 연계형 인버터(10)의 출력단과 계통(30) 사이에 마련되어 계통 연계형 인버터(10)의 출력단과 계통(30) 사이의 리플을 저감할 수 있다.
LCL 필터(101)는 인덕터-커패시터-인덕터 구조의 3차 저역 통과 필터(Low Pass Filter)로, 일반적으로 계통 연계형 인버터(10)의 출력단에 연결되어 PWM 전압에서 발생하는 스위칭 주파수의 배수에 해당하는 고조파 성분의 리플을 저감시키는 역할을 하는 인버터 출력단의 인덕터(110a), 인버터 출력 전류의 스위칭 주파수의 해당하는 고조파 성분의 리플을 저감시키는 역할을 하는 필터 커패시터(150) 및 계통(30)으로 인가되는 전류의 기본 주파수의 배수에 해당하는 고조파 성분의 리플을 저감시키는 역할을 하는 계통측 인덕터(110b)로 구성된다.
한편 이와 같은 인덕터-커패시터-인덕터 구조의 LCL 필터(101)는 인덕터(110a, 110b) 및 커패시터(150) 간에 발생하는 공진 현상을 억제하기 위한 별도의 공진 억제부가 요구된다. 일예로, 공진 억제부는 제동 저항을 커패시터(150)에 직렬로 연결한 구조로 구성되거나, 제동 저항과 인덕터의 병렬 조합회로를 커패시터(150)에 직렬로 연결한 구조로 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 시스템은 탄소나노튜브 전선을 이용한 인덕터를 적어도 하나 포함하는 LCL 필터(101)를 포함하여, 공진을 자연스럽게 억제할 수 있다.
예를 들면, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 전선을 이용한 인덕터를 포함하는 LCL 필터(101)는 도 1에 도시된 바와 같이 인덕터-커패시터-인덕터 구조를 이루는 두 개의 인덕터(110a, 110b)를 내부 저항값이 LCL 필터에서 발생하는 공진 억제가 가능한 저항값 이상의 특징값을 갖도록 구성하여 별도의 제동 저항의 연결이 생략되더라도 공진 억제가 가능하다.
구체적으로는, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 전선을 이용한 인덕터를 포함하는 LCL 필터(101)는 직렬 연결된 제1 인덕터(110a) 및 제2 인덕터(110b)를 포함하는 인덕터부와 제1 인덕터(110a) 및 제2 인덕터(110b) 사이의 노드와 그라운드 사이에 연결되는 커패시터(150)를 포함할 수 있다.
제1 인덕터(110a)는 계통 연계형 인버터(10)의 출력단에 연결되며, 제2 인덕터(110b)는 제1 인덕터(110a)와 계통(30) 사이에 연결될 수 있다.
커패시터(150)는 제1 인덕터(110a) 및 제2 인덕터(110b) 사이의 노드와 그라운드 사이에 연결될 수 있다.
제1 인덕터(110a), 제2 인덕터(110b) 및 커패시터(150)의 역할은 상술한 바와 같이 3차 저역 통과 필터를 구성하는 인덕터-커패시터-인덕터의 역할과 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.
다만, 제1 인덕터(110a) 및 제2 인덕터(110b)는 내부 저항값이 LCL 필터에서 발생하는 공진 억제가 가능한 저항값 이상의 특징값을 가질 수 있도록 탄소나노튜브 전선을 자성체에 권선하여 형성될 수 있다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 전선을 이용한 인덕터를 포함하는 LCL 필터(101)를 전기적으로 표현한 등가 회로로, 도 1에 도시된 저항은 실제 저항 소자로 구성되는 것이 아니라 제1 인덕터(110a) 및 제2 인덕터(110b)가 내부 저항값을 가짐을 나타낼 뿐이다. 예컨대, 제1 인덕터(110a) 및 제2 인덕터(110b)는 자성체에 권선된 탄소나노튜브 전선만을 포함할 뿐, 탄소나노튜브 전선에 연결되는 저항 소자를 포함하지는 않는다. 탄소나노튜브 전선의 형태에 대해서는 도 4를 참조하여 후술한다.
일반적으로 인덕터는 구리 전선을 자성체에 권선하여 형성될 수 있다. 탄소나노튜브 전선은 구리 전선보다 상대적으로 큰 저항 특성을 갖는다. 아울러 탄소나노튜브는 구리와 비교하였을 때, 전기전도도가 1000배 높고, 무게가 1/8로 가벼우며, 인공적으로 생산이 가능하여 생산 비용 절감이 가능함은 물론 생산 과정에서 미세먼지가 발생하지 않는다는 장점이 있다. 또한 탄소나노튜브의 열 전도도는 6000W/m.k로, 이는 구리 및 알루미늄과 비교하였을 때 약 17배 내지 24배에 해당한다.
이에 따라 탄소나노튜브 전선을 자성체에 권선하여 형성되는 인덕터는 구리 전선을 자성체에 권선하여 형성되는 인덕터에 비해 큰 저항 값을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 전선을 이용한 인덕터를 포함하는 LCL 필터(101)는 이러한 탄소나노튜브 전선을 자성체에 권선하여 형성되는 제1 인덕터(110a) 및 제2 인덕터(110b)를 포함하여 공진 억제를 위한 별도의 저항이 부가되지 않더라도 제1 인덕터(110a) 및 제2 인덕터(110b)의 자체 저항값에 의한 공진 억제가 가능하다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄소나노튜브 전선을 이용한 인덕터를 포함하는 LCL 필터를 보여주는 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄소나노튜브 전선을 이용한 인덕터를 포함하는 LCL 필터(102)는 직렬 연결된 제1 인덕터(110) 및 제2 인덕터(130)를 포함하는 인덕터부와 제1 인덕터(110) 및 제2 인덕터(130) 사이의 노드와 그라운드 사이에 연결되는 커패시터(150)를 포함할 수 있다.
제1 인덕터(110)는 계통 연계형 인버터(10)의 출력단에 연결되며, 제2 인덕터(130)는 제1 인덕터(110)와 계통(30) 사이에 연결될 수 있다.
커패시터(150)는 제1 인덕터(110) 및 제2 인덕터(130) 사이의 노드와 그라운드 사이에 연결될 수 있다.
제1 인덕터(110), 제2 인덕터(130) 및 커패시터(150)의 역할은 상술한 바와 같이 3차 저역 통과 필터를 구성하는 인덕터-커패시터-인덕터의 역할과 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.
다만 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄소나노튜브 전선을 이용한 인덕터를 포함하는 LCL 필터(102)는 도 1에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 전선을 이용한 인덕터를 포함하는 LCL 필터(101)와는 달리 두 개의 인덕터(110, 130) 중 하나의 인덕터(110) 만을 탄소나노튜브 전선을 자성체에 권선하여 형성한 것으로 채택할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 탄소나노튜브 전선을 이용한 인덕터를 포함하는 LCL 필터(102)는 도 2에 도시된 것처럼 계통 연계형 인버터(10)의 출력단에 연결되는 제1 인덕터(110)를 내부 저항값이 LCL 필터에서 발생하는 공진 억제가 가능한 저항값 이상의 특징값을 가질 수 있도록 탄소나노튜브 전선을 자성체에 권선하여 형성할 수 있다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 전선을 이용한 인덕터를 포함하는 LCL 필터(102)를 전기적으로 표현한 등가 회로로, 도 2에 도시된 저항은 실제 저항 소자로 구성되는 것이 아니라 제1 인덕터(110)가 내부 저항값을 가짐을 나타낼 뿐이다. 예컨대, 제1 인덕터(110)는 자성체에 권선된 탄소나노튜브 전선만을 포함할 뿐, 탄소나노튜브 전선에 연결되는 저항 소자를 포함하지는 않는다.
또한 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄소나노튜브 전선을 이용한 인덕터를 포함하는 LCL 필터(102)는 도 2에 도시된 것처럼 계통(30)에 연결되는 제2 인덕터(130)를 구리 전선을 자성체에 권선하여 형성할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 탄소나노튜브 전선을 이용한 인덕터를 포함하는 LCL 필터(102)는 이러한 탄소나노튜브 전선을 자성체에 권선하여 형성되는 제1 인덕터(110)를 포함하여 공진 억제를 위한 별도의 저항이 부가되지 않더라도 제1 인덕터(110)의 자체 저항값에 의한 공진 억제가 가능하다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 탄소나노튜브 전선을 이용한 인덕터를 포함하는 LCL 필터를 보여주는 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 탄소나노튜브 전선을 이용한 인덕터를 포함하는 LCL 필터(103)는 직렬 연결된 제1 인덕터(130) 및 제2 인덕터(110)를 포함하는 인덕터부와 제1 인덕터(130) 및 제2 인덕터(110) 사이의 노드와 그라운드 사이에 연결되는 커패시터(150)를 포함할 수 있다.
제1 인덕터(130)는 계통 연계형 인버터(10)의 출력단에 연결되며, 제2 인덕터(110)는 제1 인덕터(130)와 계통(30) 사이에 연결될 수 있다.
커패시터(150)는 제1 인덕터(130) 및 제2 인덕터(110) 사이의 노드와 그라운드 사이에 연결될 수 있다.
제1 인덕터(130), 제2 인덕터(110) 및 커패시터(150)의 역할은 상술한 바와 같이 3차 저역 통과 필터를 구성하는 인덕터-커패시터-인덕터의 역할과 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.
다만 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 탄소나노튜브 전선을 이용한 인덕터를 포함하는 LCL 필터(103)는 도 1에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 전선을 이용한 인덕터를 포함하는 LCL 필터(101)와는 달리 두 개의 인덕터(130, 110) 중 하나의 인덕터(110) 만을 탄소나노튜브 전선을 자성체에 권선하여 형성한 것으로 채택할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 탄소나노튜브 전선을 이용한 인덕터를 포함하는 LCL 필터(103)는 도 3에 도시된 것처럼 계통 연계형 인버터(10)의 출력단에 연결되는 제1 인덕터(130)를 구리 전선을 자성체에 권선하여 형성할 수 있다.
또한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 탄소나노튜브 전선을 이용한 인덕터를 포함하는 LCL 필터(103)는 도 3에 도시된 것처럼 계통(30)에 연결되는 제2 인덕터(110)를 내부 저항값이 LCL 필터에서 발생하는 공진 억제가 가능한 저항값 이상의 특징값을 가질 수 있도록 탄소나노튜브 전선을 자성체에 권선하여 형성할 수 있다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 전선을 이용한 인덕터를 포함하는 LCL 필터(103)를 전기적으로 표현한 등가 회로로, 도 3에 도시된 저항은 실제 저항 소자로 구성되는 것이 아니라 제2 인덕터(110) 가 내부 저항값을 가짐을 나타낼 뿐이다. 예컨대, 제2 인덕터(110)는 자성체에 권선된 탄소나노튜브 전선만을 포함할 뿐, 탄소나노튜브 전선에 연결되는 저항 소자를 포함하지는 않는다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 탄소나노튜브 전선을 이용한 인덕터를 포함하는 LCL 필터(103)는 이러한 탄소나노튜브 전선을 자성체에 권선하여 형성되는 제2 인덕터(110)를 포함하여 공진 억제를 위한 별도의 저항이 부가되지 않더라도 제2 인덕터(110)의 자체 저항값에 의한 공진 억제가 가능하다.
도 4는 도 1 내지 도 3에 도시된 탄소나노튜브 전선을 자성체에 권선하여 형성한 인덕터를 보여주는 도면이다.
도 4를 참조하면, 탄소나노튜브 전선을 자성체에 권선하여 형성한 인덕터(110)는 자성체(111) 및 자성체(111)에 감긴 탄소나노튜브 전선(112)을 포함한다.
자성체(111)는 코어로서, 자성 재료로 형성될 수 있다.
예를 들면, 자성체(111)는 좌측 부위에 전후 방향으로 관통되게 좌측 관통 홀이 형성되고, 우측 부위에 전호 방향으로 관통되게 우측 관통 홀이 형성될 수 있다. 자성체(111)는 좌, 우측 관통홀의 배열 방향을 따라 좌, 우측 관통홀을 가로질러 양분된 구조로 이루어져 조립 또는 분해될 수 있다. 이와 같은 경우, 자성체(111)는 좌, 우측 관통홀의 일부분을 이루는 좌, 우측 홈이 형성된 두 개의 코어부를 포함할 수 있다. 이때 각 코어부는 E 형상으로 이루어질 수 있다. 자성체(111)는 이러한 각 코어부에 형성된 좌, 우측 홈이 연결되도록 각 코어부를 한정한 상태에서 각 코어부를 접착제나 고정 밴드 등에 의해 서로 고정하여 이루어질 수 있다.
자성체(111)의 형상은 예시된 바에 한정되지 않고 다양한 형상으로 이루어질 수도 있음은 물론이다.
탄소나노튜브 전선(112)은 탄소나노튜브 가닥으로 형성되는 전선으로, 자성체(111)에 코일 형태로 감겨질 수 있다. 탄소나노튜브 전선은 구리 전선보다 상대적으로 큰 저항 특성을 갖는다. 예컨대, 탄소나노튜브 전선은 구리 전선보다 약 1.68배의 저항을 갖는다. 아울러 탄소나노튜브 전선은 구리 전선의 약 40%로 가벼우며, 구리 전선은 탄소나노튜브 전선 가격의 약 3.3배이므로, 탄소나노튜브 전선은 구리 전선 보다 저렴하다는 장점을 갖는다.
이에 따라 탄소나노튜브 전선을 자성체에 권선하여 형성한 인덕터(110)는 내부의 저항성을 가져 LCL 필터에 적용되는 경우, 자체적으로 공진 억제가 가능할 것이다.
탄소나노튜브 전선(112)은 선(線) 상체로 성장한 탄소나노튜브 한 가닥으로 구성될 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니며 탄소나노튜브 전선(112)의 형상과 관련한 다양한 실시예는 도 5 이하를 참조하여 후술한다.
도 5는 도 4에 도시된 탄소나노튜브 전선의 일 예를 보여주는 도면이다.
도 5를 참조하면, 탄소나노튜브 전선(112)은 복수의 탄소나노튜브 가닥(12)이 서로 꼬인(braided) 구조를 가질 수 있다.
예를 들면, 탄소나노튜브 전선(112)은 선(線) 상체로 성장한 복수의 탄소나노튜브 가닥(12) 다발에 브레이딩 공정을 적용하여 도 5와 같은 브레이디드 구조로 형성될 수 있다.
이와 같은 탄소나노튜브 전선(112)은 탄소나노튜브 단일 가닥으로 구성되는 전선에 비해 견고한 구조를 가져 자성체(111)에 권선되는 경우, 다양한 외부 조건 하에서도 저항성을 가질 수 있을 것이다.
도 6은 도 4에 도시된 탄소나노튜브 전선의 다른 예를 보여주는 도면이다.
도 6을 참조하면, 탄소나노튜브 전선(112)은 복수의 탄소나노튜브 가닥(12) 및 복수의 구리 가닥(15)이 서로 꼬인 구조를 가질 수 있다.
예를 들면, 탄소나노튜브 전선(112)은 선(線) 상체로 성장한 복수의 탄소나노튜브 가닥(12) 다발 및 복수의 구리 가닥(15)에 브레이딩 공정을 적용하여 도 6과 은 브레이디드 구조로 형성될 수 있다.
이와 같이 탄소나노튜브 전선(112)은 필요에 따라 구리 가닥(15)과 혼합하여 제조될 수도 있음은 물론이다.
도 7은 도 4에 도시된 탄소나노튜브 전선의 또 다른 예를 보여주는 도면이다.
도 7을 참조하면, 탄소나노튜브 전선(112)은 내심 전선(112b) 및 외심 전선(112a)을 포함하는 동축 전선 구조를 가질 수 있다.
내심 전선(112b) 및 외심 전선(112a)은 복수의 탄소나노튜브 가닥(12)으로 구성될 수 있다. 예를 들면, 내심 전선(112b)은 및 외심 전선(112a)은 도 5와 같이 복수의 탄소나노튜브 가닥(12)이 서로 꼬인 구조를 가질 수 있다.
내심 전선(112b)은 탄소나노튜브 전선(112)의 중심에 구비될 수 있다.
외심 전선(112a)은 내심 전선(112b)과 동축을 가지며 내심 전선(112b)을 감싸는 형태로 구성될 수 있다.
이와 같은 탄소나노튜브 전선(112)은 자성체(111)에 권선되는 경우, 동축 전선 구조에 의해 표피가 벗겨지더라도 자체 저항성 특성을 유지할 수 있을 것이다. 아울러 탄소나노튜브 전선(112)은 구리의 높은 전기전도도 특성을 확보함은 물론 탄소나노튜브에 의한 높은 저항성을 가질 수 있다.
도 8은 도 4에 도시된 탄소나노튜브 전선의 또 다른 예를 보여주는 도면이다.
도 8을 참조하면, 탄소나노튜브 전선(112)은 내심 전선(112b) 및 외심 전선(112a)을 포함하는 동축 전선 구조를 가질 수 있다.
탄소나노튜브 전선(112)은 내심 전선(112b) 및 외심 전선(112a)이 모두 복수의 탄소나노튜브 가닥(12) 만으로 이루어진 도 7의 실시예와는 달리, 내심 전선(112b) 및 외심 전선(112a)이 복수의 탄소나노튜브 가닥(12) 및 구리 가닥(15)을 혼합하여 구성될 수 있다.
예를 들면, 도 8과 같이 내심 전선(112b)은 복수의 구리 가닥(15)이 서로 꼬인 구조를 가지고, 외심 전선(112a)은 복수의 탄소나노튜브 가닥(12)이 서로 꼬인 구조를 가질 수 있다.
이와 반대로 내심 전선(112b)은 복수의 탄소나노튜브 가닥(12)이 서로 꼬인 구조를 가지고, 외심 전선(112a)은 복수의 구리 가닥(15)이 서로 꼬인 구조를 가질 수도 있다.
또한, 내심 전선(112b) 및 외심 전선(112a) 중 적어도 하나가 도 6에 도시된 바와 같이 복수의 탄소나노튜브 가닥(12) 및 복수의 구리 가닥(15)이 서로 꼬인 구조를 가지고, 내심 전선(112b) 및 외심 전선(112a) 중 도 6에 도시된 바와 같은 구조를 갖지 않는 전선은 복수의 구리 가닥(15)이 서로 꼬인 구조를 갖거나, 복수의 탄소나노튜브 가닥(12)이 서로 꼬인 구조를 가질 수도 있음은 물론이다.
도 9는 도 4에 도시된 탄소나노튜브 전선의 또 다른 예를 보여주는 도면이다.
도 9를 참조하면, 탄소나노튜브 전선(112)은 도 7과 같이 내심 전선(112b) 및 외심 전선(112a)을 포함하는 동축 전선 구조를 가질 수 있다.
내심 전선(112b)은 도 7과 같이 복수의 탄소나노튜브 가닥(12)이 서로 꼬인 구조를 가질 수 있다. 또는 내심 전선(112b)은 도 6에 도시된 바와 같이 복수의 탄소나노튜브 가닥(12) 및 복수의 구리 가닥(15)이 서로 꼬인 구조를 가질 수도 있다. 또는 내심 전선(112b)은 도 8에 도시된 바와 같이 복수의 구리 가닥(15)이 서로 꼬인 구조를 가질 수도 있다.
외심 전선(112a)은 복수의 탄소나노튜브 가닥(12)이 서로 장방향으로 연결된 구조를 가질 수 있다. 즉, 외심 전선(112a)은 선(線) 상체로 성장한 복수의 탄소나노튜브 가닥을 장방향으로 연결시킨 구조를 가질 수 있다. 또는 외심 전선(112a)은 복수의 탄소나노튜브 가닥(12) 및 복수의 구리 가닥(15)이 서로 장방향으로 연결된 구조를 가질 수도 있다.
이와 반대로 내심 전선(112b)은 복수의 탄소나노튜브 가닥(12)이 서로 장방향으로 연결된 구조를 갖고, 외심 전선(112a)은 복수의 탄소나노튜브 가닥(12)이 서로 꼬인 구조를 가질 수도 있음은 물론이다.
이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10: 계통 연계형 인버터
30: 계통
101: 탄소나노튜브 전선을 이용한 인덕터를 포함하는 LCL 필터
110a, 110b: 인덕터
150: 커패시터

Claims (10)

  1. 계통 연계형 인버터의 출력단과 계통 사이에 마련되어 상기 계통 연계형 인버터에서 발생하는 리플을 저감시키는 탄소나노튜브 전선을 이용한 인덕터를 포함하는 LCL 필터에 있어서,
    상기 계통 연계형 인버터의 출력단에 연결되며, 직렬 연결된 두 개의 인덕터를 포함하되, 내부 저항값이 LCL 필터에서 발생하는 공진 억제가 가능한 저항값 이상의 특징값을 가질 수 있도록 탄소나노튜브 전선을 자성체에 권선하여 형성되는 인덕터를 적어도 하나 포함하는 인덕터부; 및
    상기 두 개의 인덕터 사이의 노드와 그라운드 사이에 연결되는 커패시터를 포함하며,
    상기 내부 저항값이 LCL 필터에서 발생하는 공진 억제가 가능한 저항값 이상의 특징값을 가질 수 있도록 탄소나노튜브 전선을 자성체에 권선하여 형성된 적어도 하나의 인덕터만으로 공진 억제가 가능한, 탄소나노튜브 전선을 이용한 인덕터를 포함하는 LCL 필터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 인덕터부는,
    적어도 하나의 탄소나노튜브 가닥을 포함하는 전선 가닥이 서로 꼬인(braided) 구조를 갖는 상기 탄소나노튜브 전선을 상기 자성체에 권선하여 형성되는 인덕터를 적어도 하나 포함하는, 탄소나노튜브 전선을 이용한 인덕터를 포함하는 LCL 필터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 인덕터부는,
    내심 전선 및 상기 내심 전선과 동축을 가지며 상기 내심 전선을 감싸는 형태로 구성되는 외심 전선을 포함하는 상기 탄소나노튜브 전선을 상기 자성체에 권선하여 형성되는 인덕터를 적어도 하나 포함하는, 탄소나노튜브 전선을 이용한 인덕터를 포함하는 LCL 필터.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 인덕터부는,
    상기 내심 전선 및 상기 외심 전선 중 적어도 하나가 복수의 탄소나노튜브 가닥으로 구성되는 상기 탄소나노튜브 전선을 상기 자성체에 권선하여 형성되는 인덕터를 적어도 하나 포함하는, 탄소나노튜브 전선을 이용한 인덕터를 포함하는 LCL 필터.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 인덕터부는,
    상기 내심 전선 및 상기 외심 전선 중 적어도 하나가 복수의 탄소나노튜브 가닥이 서로 꼬인 구조를 갖는 상기 탄소나노튜브 전선을 상기 자성체에 권선하여 형성되는 인덕터를 적어도 하나 포함하는, 탄소나노튜브 전선을 이용한 인덕터를 포함하는 LCL 필터.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 인덕터부는,
    상기 내심 전선 및 상기 외심 전선 중 적어도 하나가 복수의 탄소나노튜브 가닥을 장방향으로 연결시킨 구조를 갖는 상기 탄소나노튜브 전선을 상기 자성체에 권선하여 형성되는 인덕터를 적어도 하나 포함하는, 탄소나노튜브 전선을 이용한 인덕터를 포함하는 LCL 필터.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 인덕터부는,
    상기 계통 연계형 인버터의 출력단에 연결되며, 탄소나노튜브 전선을 자성체에 권선하여 형성되는 제1 인덕터; 및
    상기 제1 인덕터 및 상기 계통 사이에 연결되며, 상기 탄소나노튜브 전선을 자성체에 권선하여 형성되는 제2 인덕터를 포함하는, 탄소나노튜브 전선을 이용한 인덕터를 포함하는 LCL 필터.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 인덕터부는,
    상기 계통 연계형 인버터의 출력단에 연결되며, 탄소나노튜브 전선을 자성체에 권선하여 형성되는 제1 인덕터; 및
    상기 제1 인덕터 및 상기 계통 사이에 연결되며, 구리 전선을 자성체에 권선하여 형성되는 제2 인덕터를 포함하는, 탄소나노튜브 전선을 이용한 인덕터를 포함하는 LCL 필터.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 인덕터부는,
    상기 계통 연계형 인버터의 출력단에 연결되며, 구리 전선을 자성체에 권선하여 형성되는 제1 인덕터; 및
    상기 제1 인덕터 및 상기 계통 사이에 연결되며, 탄소나노튜브 전선을 자성체에 권선하여 형성되는 제2 인덕터를 포함하는, 탄소나노튜브 전선을 이용한 인덕터를 포함하는 LCL 필터.
  10. 계통;
    다수의 스위칭 소자를 포함하여, 상기 다수의 스위칭 소자의 스위칭 동작에 의해 외부 소스원으로부터 전원을 인가 받아 상기 계통으로 전원을 제공하는 계통 연계형 인버터; 및
    상기 계통 및 상기 계통 연계형 인버터 사이에 마련되며, 상기 계통 연계형 인버터의 출력단에 연결되는 직렬 연결된 두 개의 인버터를 포함하되, 내부 저항값이 LCL 필터에서 발생하는 공진 억제가 가능한 저항값 이상의 특징값을 가질 수 있도록 탄소나노튜브 전선을 자성체에 권선하여 형성되는 인덕터를 적어도 하나 포함하는 인덕터부 및 상기 두 개의 인덕터 사이의 노드와 그라운드 사이에 연결되는 커패시터를 포함하여 상기 계통 연계형 인버터의 출력단으로부터 상기 계통으로 전원을 인가할 때 발생하는 리플을 저감시키는 탄소나노튜브 전선을 이용한 인덕터를 포함하는 LCL 필터를 포함하며,
    상기 LCL 필터는, 상기 내부 저항값이 LCL 필터에서 발생하는 공진 억제가 가능한 저항값 이상의 특징값을 가질 수 있도록 탄소나노튜브 전선을 자성체에 권선하여 형성된 적어도 하나의 인덕터만으로 공진 억제가 가능한, 전력 변환 시스템.
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