KR20000060551A - 하이브리드 병렬형 능동 전력 필터 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 하이브리드 병렬형 능동 전력 필터에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 능동 필터의 전류 용량을 줄임으로써 큰 부하 시스템에서도 작은 용량의 능동 필터를 사용할 수 있도록 된 하이브리드 병렬형 능동 전력 필터에 관한 것이다.
이를 위하여 본 발명은 비선형 부하에서 발생되는 고조파 성분을 수동 필터 및 능동 필터를 사용하여 제거하는 하이브리드 병렬형 능동 전력 필터에 있어서,
비선형 부하와 입력 전원간에 병렬로 연결되어 비선형 부하에서 발생되는 고조파 성분을 1차 필터링하도록 캐패시터 및 리액터로 구성되는 수동 필터와, 상기 수동 필터와 병렬로 비선형 부하에 접속되어 비선형 부하의 고조파 성분을 2차 필터링하는 능동 필터와, 상기 수동 필터의 캐패시터 및 리액터의 중간단에 일차측이 연결되고 2차측은 능동 필터에 연결되어 수동 필터와 능동 필터간의 임피던스 정합을 수행하는 매칭 트랜스를 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

하이브리드 병렬형 능동 전력 필터{PARALLEL HYBRID ACTIVE FILTER}
본 발명은 하이브리드 병렬형 능동 전력 필터에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 능동 필터의 전류 용량을 줄임으로써 큰 부하 시스템에서도 작은 용량의 능동 필터를 사용할 수 있도록 된 하이브리드 병렬형 능동 전력 필터에 관한 것이다.
일반적으로 필터는 능동 필터 및 수동 필터로 대별될 수 있으며, 능동 필터는 능동 부품 또는 디바이스 등과 같은 하나의 기능체인 저항, 캐패시터와 트랜지스터, 연산 증폭기 등의 능동 소자를 사용하여 구성된 필터를 말하며, 이러한 능동 필터는 인덕터를 사용하지 않고도 LC 필터와 동일한 특성을 실현할 수 있기 때문에 소형화가 가능한 이점이 있다. 한편, 수동 필터는 에너지원으로 작용하지 않아 그것만으로는 증폭, 변환, 스위칭등의 작용을 하지 않는 개별 부품 즉, 수동 소자로 이루어진 필터를 의미한다.
이러한 수동 필터 또는 능동 필터를 사용하여 전력 필터를 구현하는 경우에 있어서, 비선형 부하에서 발생되는 고조파 성분은 수동 필터를 통해서 필터링이 되나 수동 필터가 기본적으로 가지고 있는 문제점인 정확한 튜닝의 어려움과 기존의 유틸리티 시스템 즉 부하나, 소스측과 공진을 일으킬 수 있는 문제점이 있다. 이에 이런 수동 필터에서의 문제점을 해결하기 위하여 병렬형 수동 필터에 직렬로 능동 필터를 연결하여 구성된 하이브리드 병렬형 능동 전력 필터 구조가 제안되게 되었다.
도 1은 이러한 종래의 하이브리드 병렬형 능동 전력 필터의 구성을 보인 회로도를 도시한 것이고, 도 2는 종래 하이브리드 병렬형 능동 전력 필터의 등가 회로도를 도시한 것이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 하이브리드 능동 전력 필터 시스템은 3상의 교류 입력 전원(10)과, 상기 교류 입력 전원(10)을 입력받아 동작되는 비선형 부하(20)와, 상기 부하(20)와 상기 교류 입력 전원(10)간에 병렬로 연결되어 비선형 부하(20)에서 발생되는 고조파 성분을 1차 필터링하도록 캐패시터(CF5) 및 리액터(LF5)(reactor)로 구성된 수동 필터(30)와, 상기 수동 필터(30)와 직렬로 연결되어 비선형 부하(20)의 고조파 성분을 2차 필터링하는 능동 필터(50)를 구비하여 이루어진다.
이러한 종래의 하이브리드 병렬형 능동 전력 필터는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 능동 전력 필터만 사용하는 경우의 10% 미만의 용량으로도 충분히 수동 필터에서 제거하지 못한 고조파 성분을 처리할 수 있다. 그러나, 수동 필터(30)로 흐르는 기본파 전류 성분과 고조파 전류 성분이 모두 능동 필터(50)로 흐르게 되어 전류 용량이 커지게 되는 문제점이 있다.
한편, 이러한 문제점을 해결하기 위한 한 방법으로 매칭 트랜스(matching transformer)(40)를 써서 수동 필터(30) 후단의 전압을 승압시켜 능동 필터(50)측에 인가함으로써 전류 용량을 줄이면서 전압 용량을 커지게 하였다. 그러나, 대용량 시스템에서는 매칭 트랜스(40)의 전압 용량이 증가됨에 따라 전압 절연(insulation)이 곤란한 다른 문제가 발생하기 때문에 능동 필터의 전류 용량을 줄이기 위해 전압 용량을 증가시키는 것에 한계가 있는 문제가 있다.
따라서, 상기한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명에 따른 하이브리드 병렬형 능동 전력 필터는 능동 필터의 전류 용량을 낮추어 용량이 큰 부하 시스템에서도 작은 용량의 능동 필터를 사용할 수 있도록 된 하이브리드 병렬형 능동 전력 필터를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
도 1은 종래 능동 전력 필터의 구성을 보인 회로도이다.
도 2는 종래 능동 전력 필터의 등가 회로도이다.
도 3은 본 발명에 따른 하이브리드 병렬형 능동 전력 필터의 구성을 보인 회로도이다.
도 4는 본 발명에 따른 하이브리드 병렬형 능동 전력 필터의 등가회로도이다.
도 5(a) 및 도 5(b)는 각각 종래 및 본 발명에 따른 능동 전력 필터의 입출력신호의 파형도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10...입력 전원 20...비선형 부하
30...수동 필터, 40,40a...매칭 트랜스
50,50a...능동 필터.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 하이브리드 병렬형 능동 전력 필터는 비선형 부하에서 발생되는 고조파 성분을 수동 필터 및 능동 필터를 사용하여 제거하는 하이브리드 병렬형 능동 전력 필터에 있어서,
비선형 부하와 입력 전원간에 병렬로 연결되어 비선형 부하에서 발생되는 고조파 성분을 1차 필터링하도록 캐패시터 및 리액터로 구성되는 수동 필터와, 상기 수동 필터와 병렬로 비선형 부하에 접속되어 비선형 부하의 고조파 성분을 2차 필터링하는 능동 필터와, 상기 수동 필터의 캐패시터 및 리액터의 중간단에 일차측이 연결되고 2차측은 능동 필터에 연결되어 수동 필터와 능동 필터간의 임피던스 정합을 수행하는 매칭 트랜스를 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이하에는 본 발명의 하이브리드 병렬형 능동 전력 필터의 양호한 실시예에 따른 구성 및 작용 효과를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명에 따른 하이브리드 병렬형 능동 전력 필터의 구성을 보인 회로도이고, 도 4는 본 발명에 따른 하이브리드 병렬형 능동 전력 필터의 등가 회로도를 도시한 것이다. 도 3 및 도 4 에 도시된 바와 같이, 본 발명의 하이브리드 병렬형 능동 전력 필터는 3상의 교류 입력 전원(10)과, 상기 교류 입력 전원(10)을 입력받아 동작되는 비선형 부하(20)와, 상기 부하(20)와 상기 교류 입력 전원(10)간에병렬로 연결되어 비선형 부하(20)에서 발생되는 고조파 성분을 1차 필터링하도록 캐패시터(CF5)(capacitor) 및 리액터(LF5)(reactor)로 구성되는 수동 필터(30)와, 상기 수동 필터(30)의 캐패시터(CF5) 및 리액터(LF5)의 중간단에 접속되어 수동 필터(30)및 능동 필터(50a)간의 임피던스 정합을 수행하는 매칭 트랜스(40a)와, 상기 매칭 트랜스(40a)를 통해 상기 수동 필터(30)에 병렬로 연결되어 비선형 부하(20)의 고조파 성분을 2차 필터링하는 능동 필터(50a)를 구비하여 이루어진다.
이러한 구성에 따른 본 발명의 하이브리드 병렬형 능동 필터에서는 능동 필터(50a)를 수동 필터(30) 다음 단에 매칭 트랜스(40a)를 직렬로 연결하는 것에 의해 구현하지 않고, 수동 필터(30)의 캐패시터(CF5)와 리액터(LF5)의 중간단에 매칭 트랜스(40a)의 일차측을 연결하여 능동 필터(50)를 수동 필터(30)와 병렬로 접속시킨다. 그리고, 매칭 트랜스(40a)의 이차측에 능동 필터(50a)를 접속하여 수동 필터(30)와 병렬 접속시킨다.
따라서, 능동 필터(50a)단의 리액터 성분(Lc')과 수동 필터(30)단의 리액터 성분(LF5)의 임피던스비로 수동 필터(30)의 리액터와 능동 필터(50a)로 전류 성분이 나누어져 흐르게 되어 능동 필터(50a)의 전류 용량이 줄어들게 된다.
도 5(a)및 도 5(b)는 각각 종래의 하이브리드 병렬형 능동 전력 필터 및 본 발명에 따른 하이브리드 병렬형 능동 전력 필터의 시뮬레이션 결과를 보인 각 부의 동작 파형도로써, iLa는 부하 전류 파형이고, iSa는 소스 전류 파형, iFca는 수동 필터(30)의 캐패시터(CF5)에 흐르는 전류, iCa는 능동 필터(50a)에 흐르는 전류 신호를 나타내고, VFca는 수동 필터(30)의 캐패시터(CF5)에 걸리는 전압파형을 나타낸다. 이때, 440V 라인 전압에 수동 필터는 5차 필터를 사용하였고, 수동 필터의 리액터와 능동 필터의 리액터의 임피던스비는 일예로 약 1:3정도이다.
도 5(a)에 도시된 종래의 능동 전력 필터의 경우에 있어서는 수동 필터(30)에 흐르는 전류인 iFa만큼의 전류가 능동 필터(50)에도 동일한 용량의 전류(iCa)가 흐른다. 그러나, 본 발명에 따른 능동 전력 필터의 경우에는 도 5(b)에 도시된 바와 같이, 수동 필터(30)에는 iFca의 전류가 흐르고, 능동 필터(50a)에는 수동 필터(30)의 전류인 iFca의 전류보다 약 1/10정도 용량의 전류(iCa)가 흐르게 되어 능동 필터(50a)의 전류 용량을 줄일 수 있다. 또한, 이때 능동 필터단의 리액터(Lc')의 값을 적정하게 변경함에 따라서 종래의 능동 전력 필터의 경우에 비해 약 20%정도의 용량만으로도 충분한 필터링을 수행할 수 있다.
본 발명에 따른 하이브리드 병렬형 능동 전력 필터는 전술한 실시예에 국한되지 않고 본 발명의 기술 사상이 허용하는 범위내에서 다양하게 변형하여 실시될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 하이브리드 병렬형 능동 전력 필터는 능동 필터를 매칭 트랜스를 통해 수동 필터의 리액터 및 캐패시터의 중간단에 병렬로 접속함으로써, 수동 필터에 인가된 전류 성분이 능동 필터측에 수동 필터 및 능동 필터의 임피던스비에 의해 나누어져 감소되어 흐르게 되어 능동 필터의 전류 용량을 감소시킬 수 있는 효과를 제공하게 된다. 즉, 대용량 시스템에서도 작은 용량의 능동 필터를 사용하여 고조파 성분을 효과적으로 제거할 수 있으므로 필터 설계시 비용부담을 줄일 수 있는 이점을 제공하게 된다.

Claims (1)

  1. 비선형 부하에서 발생되는 고조파 성분을 수동 필터 및 능동 필터를 사용하여 제거하는 하이브리드 병렬형 능동 전력 필터에 있어서,
    비선형 부하와 입력 전원간에 병렬로 연결되어 비선형 부하에서 발생되는 고조파 성분을 1차 필터링하도록 캐패시터 및 리액터로 구성되는 수동 필터와,
    상기 수동 필터와 병렬로 비선형 부하에 접속되어 비선형 부하의 고조파 성분을 2차 필터링하는 능동 필터와,
    상기 수동 필터의 캐패시터 및 리액터의 중간단에 일차측이 연결되고 2차측은 능동 필터에 연결되어 수동 필터와 능동 필터간의 임피던스 정합을 수행하는 매칭 트랜스를 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 하이브리드 병렬형 능동 전력 필터.
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