KR20120139918A - 능동형 영상고조파 필터를 구비한 분전반 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 능동형 영상고조파 필터를 구비한 분전반에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 저압 3상4선식 전력 계통의 분전반에 있어서 중성선에 전류가 흐르는 경우 이를 감지하여 외부에 표시하도록 함으로써 상기 분전반을 점검하거나 수리하는 경우 보다 주의를 기울일 수 있게 하여 감전 등의 안전사고를 미연에 방지할 수 있으며, 저압 3상4선식 전력 계통의 분전반의 부하에 서 발생되어 중성선에 유입되는 영상고조파 전류를 효율적으로 감쇄하고 처리되는 영상고조파 전류의 양을 제어하여 영상고조파 필터에 과부하가 걸리는 것을 최대한 방지함으로써 분전반의 안정성을 높인 능동형 영상고조파 필터를 구비한 분전반에 관한 것이다.

Description

능동형 영상고조파 필터를 구비한 분전반{DISTRIBUTION BOARD WITH ZERO-PHASE HARMONIC ACTIVE FILTER}
본 발명은 능동형 영상고조파 필터를 구비한 분전반에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 저압 3상4선식 전력 계통의 분전반에 있어서 중성선에 전류가 흐르는 경우 이를 감지하여 외부에 표시하도록 함으로써 상기 분전반을 점검하거나 수리하는 경우 보다 주의를 기울일 수 있게 하여 감전 등의 안전사고를 미연에 방지할 수 있으며, 저압 3상4선식 전력 계통의 분전반의 부하에 서 발생되어 중성선에 유입되는 영상고조파 전류를 효율적으로 감쇄하고 처리되는 영상고조파 전류의 양을 제어하여 영상고조파 필터에 과부하가 걸리는 것을 최대한 방지함으로써 분전반의 안정성을 높인 능동형 영상고조파 필터를 구비한 분전반에 관한 것이다.
일반적으로 분전반은 주개폐기, 배선용 차단기, 누전차단기 등이 설치되어 상호 전기적으로 연결된 장치로서, 건물 등의 옥내 배선에 있어서 배전반으로부터 배선된 간선을 옥내의 각 요소로 전력을 분기배선함과 동시에 전력공급을 개폐하기 위해 사용되는 장치이다. 상기 주계폐기는 분전반으로부터 각 요소로 배선되는 모든 전력의 공급을 개시하거나 차단하는 역할을 하고, 상기 배선용 차단기는 기준으로 정해진 정격전류 이상의 과도한 선로전류가 흐르는 경우 전기를 차단하여 과부하로부터 각종 회로를 보호하는 역할을 하며, 상기 누전차단기 역시 감전사고 등이 발생하여 기준으로 정해진 정격누전감도전류 이상의 누전전류가 흐르는 경우 전기를 차단하여 인명을 보호하는 역할을 한다.
한편, 우리나라에서 저압 수용가에 적용되고 있는 3상4선식 전력계통은 단상 및 3상 부하를 동시에 이용할 수 있는 장점이 있지만 단상 부하와 3상 부하가 혼합되어 중성선에 불평형 전류가 발생하게 되어 계통에 나쁜 영향을 미칠 수 있다. 즉, 3상4선식 전력계통에서 중성선에 발생되는 전류는 각 상 전류의 합으로 정의되는데 3상의 부하가 평형 상태일 경우에는 각 상 전류의 위상차에 의해 상쇄되어 중성선에 전류가 흐르지 않게 되지만 부하가 불평형 상태에 있는 경우에는 중성선에 불평형 전류가 흐르게 되는데, 3상 중 하나의 상에만 부하가 있고 나머지 두 개의 상은 무부하 상태에 있는 경우 가장 큰 불평형 전류가 흐르게 된다. 또한, 중성선에는 이와 같은 불평형 전류 이외에도 컴퓨터, 조명장치, 사무기기, 무정전 전원공급장치(Uninterruptible Power Supply : UPS) 등과 같은 비선형 부하로 인하여 고조파 전류가 발생할 수 있는데, 특히 그 중에서 각 상에서 발생한 영상고조파 전류는 최대 3배의 크기로 중첩되어 과도한 크기의 중성선 전류를 발생시킨다. 여기에서 고조파(高調波, Harmonics) 전류란 기본 주파수의 2배, 3배, 4배 등 정수배에 해당하는 주파수 성분을 가지는 전류를 말하며, 특히 여러 차수의 주파수 성분의 고조파 전류 중에서 3차, 6차, 9차 등과 같이 주파수 차수가 3의 배수에 해당하는 주파수 성분을 가지는 전류를 영상고조파 전류라고 한다.
건물 등 옥내에 설치된 분전반은 상기에서 언급하였듯이 전력 계통의 배선에서 중요한 역할을 하기 때문에 정기적으로 점검을 하여야 하고, 문제가 발생하였을 때에는 즉시 점검을 하고 수리하여 건물 등 옥내의 전력 분배에 차질이 없도록 하여야 한다. 그런데 이와 같이 분전반을 정기적으로 혹은 문제가 발생하여 점검하고 수리하는 경우에 부주의나 실수에 의해서 감전 등 각종 안전사고가 발생하기도 하는데, 특히 거의 균형적인 부하로 배전되는 통상적인 분전반의 구동 조건에서 중성선에는 원칙적으로 전류가 흐르지 않거나 기본 상전류 크기의 최대 20%를 초과하여 흐르지 않기 때문에 더욱 부주의하기 쉽고 상기에서 언급하였듯이 과도한 불평형 전류나 영상고조파 전류가 흐르고 있는 경우에 점검자나 사용자가 그 사실을 감지할 수가 없어서 감전 등의 피해를 입는 경우가 많았다.
또한, 상기와 같이 분전반의 중성선에 과다한 영상고조파 전류가 흐르게 되면 인적 피해 외에 과전류에 의한 중성선의 과열 및 소손, 차단기의 잦은 오작동 유발, 부하의 전압 왜형률 증가, 통신선 잡음, 중성선을 공유하고 있는 부하와의 간섭현상으로 인한 전기 전자 장비의 오작동 유발 등과 같은 물리적으로 여러 가지 다른 문제를 일으키게 된다. 이와 같이 중성선에 유입된 영상고조파 전류를 감쇄하기 위해서 여러 가지 장치들이 제안되고 있는데 그 중에서 지그재그(Zig Zag) 결선 변압기를 3개의 위상선과 중성선에 연결하여 영상고조파 전류를 지그재그 결선 변압기 측으로 흡수시킴으로써 영상고조파 전류를 감쇄시키는 장치가 대표적인데, 이와 같은 지그재그 결선 변압기를 이용한 영상고조파 필터는 발생량이 가장 많은 저차수인 3차 고조파 전류를 효율적으로 감쇄시킬 수 있다.
그러나 이와 같은 지그재그 결선 변압기를 이용한 영상고조파 필터는 영상고조파 전류가 다량으로 발생하여 처리량이 많아져서 영상고조파 필터의 용량 한계를 넘어서는 경우 과열, 소손 등의 자체 전기 사고와 이로 인한 화재 등의 2차 사고가 발생할 위험이 존재하여 별도로 보호 계전장치를 부착하여야 했고, 이로 인해 장치가 대형화되어 분전반 외부의 공간에 따로 설치하여야 하는 문제점이 있었고, 이와 같이 별도의 분전반 외부 공간에 설치하게 되면 영상고조파 전류가 발생하는 계통 측에서 멀리 떨어지게 되어 영상고조파 필터의 효율도 낮아지질 수밖에 없었다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 영상고조파 필터와 분전반을 연결되는 도선 상에 차단스위치를 구비하고 영상고조파 필터 내부의 온도를 측정할 수 있게 구성하여 영상고조파 필터가 과열되어 일정 온도 이상으로 상승하면 분전반과 연결되는 차단스위치가 개방되어 영상고조파 필터를 분전반에서 분리시키고 적정 온도 이하로 하강하면 다시 차단스위치를 연결하여 영상고조파 필터가 다시 동작되도록 하는 장치가 제안되었다. 그러나 이러한 종래의 영상고조파 필터는 과부하가 걸려 분전반에서 영상고조파 필터가 분리되어 동작을 정지하는 동안에는 부하에서 발생하는 영상고조파 전류를 처리하지 못하고, 이로 인해 영상고조파 전류가 분전반의 중성선을 통해 그대로 부하 측으로 흐르게 되어 상기에서 기술한 영상고조파 전류에 의한 문제점이 발생하게 되었다.
또한 영상고조파 전류가 다량으로 발생하여 영상고조파 필터에 과부하가 걸리거나 영상고조파 필터가 분전반에서 분리되어 영상고조파 필터가 동작하지 않고 있음에도 분전반 외부에서 이러한 상황을 알 수 있는 방법이 없어 영상고조파 필터의 용량을 증설하는 등의 대책을 강구해야 함에도 불구하고 방치할 수밖에 없었고 그에 따라 각종 사고의 위험성에 노출되는 문제점도 있었다.
본 발명은 상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여 안출된 것으로써, 본 발명의 목적은 3상4선식 전력계통의 분전반의 중성선에 흐르는 전류의 소통 여부를 감지하고 표시하여 줌으로써 분전반 점검자나 수리공이 주의를 기할 수 있게 하여 안전사고를 예방할 수 있는 능동형 영상고조파 필터를 구비한 분전반을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 3상4선식 전력계통의 분전반 내부에 능동형 영상고조파 필터를 장착하여 중성선에 과도한 영상고조파 전류가 흐르는 것을 효율적으로 방지함으로써 부하 측에 안정적인 전력을 공급할 수 있는 능동형 영상고조파 필터를 구비한 분전반을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 3상4선식 전력계통의 분전반 내부에 설치된 영상고조파 필터의 온도를 측정하여 일정 온도 이상으로 상승하지 않도록 유입되는 영상고조파 전류를 제어함으로써 영상고조파 필터에 과부하가 걸리는 것을 방지하여 분전반에서 탈락 없이 연속적으로 영상고조파 감쇄 기능을 수행할 수 있는 능동형 영상고조파 필터를 구비한 분전반을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 다량의 영상고조파 전류가 발생하여 3상4선식 전력계통의 분전반 내부의 영상고조파 필터에 과부하가 걸림으로 인해 영상고조파 필터의 용량을 초과하거나 초과할 위험이 존재하는 경우 미리 대책을 마련할 수 있도록 외부에서 인지할 수 있는 표시를 해줌으로써 분전반을 효율적으로 보호할 수 있는 능동형 영상고조파 필터를 구비한 분전반을 제공하는 것이다.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위한 능동형 영상고조파 필터를 구비한 분전반은, 3상4선식 전력계통이 사용되는 저압 수용가의 분전반에 있어서 상기 분전반의 중성선에 흐르는 전류를 감지하는 중성선 전류 감지장치와; 상기 분전반의 중성선으로 유입되는 영상고조파 전류를 저감하는 능동형 영상고조파 필터; 및 상기 능동형 영상고조파 필터의 온도 정보를 검출하는 검출부와, 상기 검출부에서 측정된 온도 정보를 수신하여 분석하고 펄스폭변조(Pulse Width Modulation, 이하 PWM 이라 함) 신호를 생성하는 제어부, 및 상기 제어부로부터 수신한 PWM 신호에 따라 상기 능동형 영사고조파 필터와 3상의 각 위상선과의 연결단을 반복적으로 개폐 동작하는 개폐장치로 구성되는 과부하 보호장치를 포함하여 구성되어, 상기 능동형 영상고조파 필터가 분전반 계통에서 탈락됨이 없이 과부하로부터 보호되는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 중성선 전류 감지장치는 상기 분전반의 중성선에 흐르는 전류를 측정하는 전류측정기와 상기 분전반의 중성선에 전류의 흐름이 감지되는 경우 외부에 그 상태를 현출하는 표시장치로 구성된다.
또한, 상기 능동형 영상고조파 필터는 상기 분전반의 각 위상선과 중성선에 연결되도록 구성되는 지그재그 결선 변압기를 이용하여 중성선으로 유입되는 영상고조파 전류를 흡수하도록 구성한다.
이때, 상기 제어부는 상기 검출부에서 측정된 온도 정보를 수신하여 디지털신호로 변환하는 AD 변환장치와, 상기 AD 변환장치로부터 디지털신호를 수신하여 처리하는 중앙처리장치와, 상기 중앙처리장치로부터 명령을 받아 PWM 신호를 생성하는 PWM 발생장치로 구성하여 상기 능동형 영상고조파 필터가 온도에 따라 작동비가 변동하는 PWM 신호에 의해 제어되도록 한다.
또한, 상기 개폐장치는 PWM 발생장치에서 생성된 PWM 신호에 따라 개폐동작을 하는 무접점 반도체 스위칭 소자로 구성하여 효율적이면서도 상기 능동형 영상고조파 필터의 크기를 최소화할 수 있도록 한다.
한편, 상기 검출부에서 측정된 상기 능동형 영상고조파 필터의 온도가 70℃ 미만인 경우에는 상기 PWM 발생장치에서 작동비가 1인 PWM 신호를 생성하여 상기 개폐장치가 항상 연결되어 있도록 하여 상기 능동형 영상고조파 필터가 유입되는 모든 영상고조파 전류를 처리하도록 하고, 상기 검출부에서 측정된 온도가 70℃ 이상 85℃ 미만인 경우에는 상기 검출부에서 측정된 온도에 따라 상기 중앙처리장치에서 계산된 0 이상 1 미만의 작동비를 가지는 PWM 신호를 생성하여 상기 개폐장치가 상기 작동비에 따라 연결과 개방을 반복하여 연결 시에만 상기 능동형 영상고조파 필터가 유입되는 영상고조파 전류를 처리하도록 하여 과열되는 것을 방지하도록 한다.
또한, 영상고조파 전류가 다량으로 발생하여 상기 영상고조파 필터가 과열되어 이에 따라 상기 중앙처리장치에서 계산된 PWM 신호의 작동비가 0 이상 0.3 미만이어서 상기 능동형 영상고조파 필터에서 처리되는 영상고조파 전류의 양이 미약한 경우에 상기 중앙처리장치로부터 신호를 수신하여 상기 분전반에 다량의 영상고조파 전류가 유입됨을 상기 분전반 외부로 현출하는 위험표시부를 더 구성하여 분전반과 전력계통을 보호하도록 한다.
본 발명은 3상4선식 전력계통의 분전반에 불평형 부하나 비선형 부하에 의한 중성선 전류가 발생하여 흐르는 경우에 그것을 감지하고 표시하여 분전반의 점검자나 수리공이 주의를 기울일 수 있도록 함으로써 감전 등의 안전사고를 미연에 방지할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 반도체 스위칭소자 등을 이용하여 소형화한 능동형 영상고조파 필터를 3상4선식 전력계통의 분전반 내부에 장착하여 영상고조파 전류가 발생되는 부하 측과 가까운 곳에 위치시킴으로써 효율적으로 영상고조파 감쇄 기능을 수행할 수 있는 다른 장점이 있다
또한, 본 발명은 능동형 영상고조파 필터의 온도를 측정하고 PWM 발생장치를 이용하여 능동형 영상고조파 필터의 온도에 따라 영상고조파 전류의 처리량을 제어함으로써 능동형 영상고조파 필터에 과부하가 걸려 과열되는 것을 방지하여 계통에서의 탈락 없이 연속적으로 영상고조파 감쇄 기능을 수행할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 영상고조파 전류가 다량으로 발생하여 3상4선식 전력계통의 분전반으로 유입되어 능동형 영상고조파 필터의 용량을 초과하거나 초과할 위험이 존재하는 경우 분전반 외부에 그 상황을 표시함으로써 그 위험을 인지하여 전력계통과 분전반을 보호하고 영상고조파 필터의 용량을 증설하는 등의 대책을 강구할 수 있어 분전반을 안정적으로 운영할 수 있는 또 다른 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 능동형 영상고조파 필터를 구비한 분전반의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 중성선 전류 감지장치의 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 지그재그 결선 변압기의 회로도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 개폐장치의 회로도이다.
도 5는 일반적인 구형파의 파형도이다.
도 6은 톱니파와 정현파를 이용하여 생성한 펄스 폭 변조 신호의 파형도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 제어 동작의 순서도이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 온도에 대한 PWM 신호의 작동비의 변화도이다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 능동형 영상고조파 필터를 구비한 분전반의 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 중성선 전류 감지장치의 회로도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 지그재그 결선 변압기의 회로도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 개폐장치의 회로도이다.
도 1, 도 2, 도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 능동형 영상고조파 필터를 구비한 분전반은 3상4선식 전력계통의 분전반에 전류측정기(110)와 표시장치(120)로 이루어진 중성선 전류 감지장치(100)와, 지그재그 결선 변압기(210)와 과부하 보호장치(220)로 이루어진 능동형 영상고조파 필터(200)를 포함하여 구성된다.
상기 중성선 전류 감지장치(100)는 전류가 흐르지 않아야 하거나 아주 미세한 전류만 흘러야 하는 중성선에 불평형 전류나 영상고조파 전류가 흐르는 경우에 그 상태를 외부에 표시하여 상기 분전반을 점검하거나 수리하는 자가 부주의에 의해서 감전 등 안전사고를 당하지 않도록 하는 역할을 한다.
상기 전류측정기(110)는 교류 전류를 측정할 수 있는 전류계나 검류계로 구성되는데 상기 분전반의 중성선에 전류계나 검류계만을 연결하고 표시장치(120)를 생략할 수도 있지만, 보다 확실하게 중성선에 전류가 흐르고 있음을 알리기 위해서는 표시장치(120)를 별도로 구성하는 것이 바람직하다.
상기 표시장치(120)는 중성선에 전류가 흐르는 경우 그것을 탐지하여 일정 방법으로 외부로 표시하는 기능을 하는데 중성선 전류를 탐지하기 위하여 변류계 등을 이용한 전류 센서를 사용할 수도 있지만 장치의 소형화를 위해서는 홀 센서(122) 소자를 이용하는 것이 바람직하다. 도 2를 참조하면, 상기 표시장치(120)는 중성선 선로에 설치된 코어(121)와, 상기 코어(121) 사이에 삽입된 홀 센서(122)와, 상기 홀 센서(122)에 연결된 제1 포토커플러(123)와, 상기 제1 포토커플러(123)의 포토트랜지스터에 연결된 구동 전원 및 발광다이오드를 포함하여 구성된다. 중성선에 교류 전류가 흐르는 경우 전자기 유도에 의해 코어(121)에 자기장이 유도되고 유도된 자기장에 홀 센서(122)가 반응하여 전류가 발생하게 된다. 이렇게 발생된 전류가 제1 포토커플러(123)를 동작시켜 포토트랜지스터가 턴온되고 이에 따라 발광다이오드에 구동 전원이 인가되어 상기 발광다이오드가 작동하게 된다. 이렇게 동작함으로써 중성선에 전류가 흐르는 경우 발광다이오드의 점등으로 인해 분전반의 점검자나 수리공이 그 사실을 가시적으로 알 수 있게 되고 상기 전류계를 통하여 구체적으로 어느 정도의 전류가 흐르는지를 확인할 수 있게 된다.
한편, 상기 능동형 영상고조파 필터(200)는 분전반의 중성선에 유입된 영상고조파 전류를 감쇄하여 분전반을 보호하는 역할을 하는데, 본 실시예에서는 지그재그 결선 변압기(210)를 이용한 능동형 영상고조파 필터(200)가 개시되어 있다.
도 3을 참조하여 지그재그 결선 변압기(210)를 이용한 능동형 영상고조파 필터(200)를 살펴보면, 상기 지그재그 결선 변압기(210)는 동일 철심에 2개의 권선을 반대방향으로 감은 것으로서 철심 a의 1번 권선은 직렬로 철심 c의 6번 권선에 연결되어 있고, 철심 b의 3번 권선은 직렬로 2번 권선에 연결되어 있으며, 철심 c의 5번 권선은 4번 권선에 연결되어 있는 구조이다. 이런 구성으로 첫 번째 권선은 자기적으로 두 번째 권선과 결합되고, 세 번째 권선은 자기적으로 네 번째 권선과 결합되며 다섯 번째 권선은 자기적으로 여섯 번째 권선과 결합되어 있다.
상기 지그재그 결선 변압기(210)를 이용한 능동형 영상고조파 필터(200)의 기본 원리를 전압 관계식으로 나타내보면, 상기 지그재그 결선 변압기(210)에서 각 권선은 일반적으로 동일한 권선수를 가지므로 각 권선의 전압은 다음 수학식 1과 같다.
Figure pat00001
여기서 VA1, VB3, VC5는 각 3상의 1차측 권선 전압이며 VA2, VB4, VC6는 2차측 권선 전압을 나타내며, Vm1에서 Vm은 기본파 전압의 크기이고 첨자 1은 차수를 표시한다.
따라서 중성선에 대한 각 상의 전압을 구하면 다음 수학식 2와 같다.
Figure pat00002
위의 수학식 2에서 알 수 있듯이 각 상의 영상고조파 성분의 전압 Vm3는 상쇄되어 제거되었다. 즉, 부하에서 발생되는 영상고조파 전류는 상기 지그재그 결선 변압기(210)에 흡수되어 제거되고, 상기 지그재그 결선 변압기(210)는 이론적으로 영상 임피던스가 0이 되는 것과 같은 역할을 하게 되는 것이다.
이때, 부하에서 다량의 영상고조파 전류가 발생하여 분전반의 중성선으로 유입되면 상기 지그재그 결선 변압기(210)의 처리량이 증가하여 과열이 일어나게 되는데 이를 방지하기 위하여 과부하 보호장치(220)를 부가하여 설치한다.
상기 과부하 보호장치(220)는 상기 지그재그 결선 변압기(210)의 온도 정보를 수집하는 검출부와, 상기 검출부로부터 온도정보를 전달받아 PWM 신호를 생성하는 제어부(240)와, 상기 제어부(240)로부터 수신된 PWM 신호에 따라 상기 지그재그 결선 변압기(210)와 분전반의 각 상의 연결단을 반복적으로 개방하고 연결하는 개폐장치(250)를 포함하여 구성된다.
상기 검출부는 상기 지그재그 결선 변압기(210)의 온도, 바람직하게는 지그재그 결선 변압기(210)의 철심이나 권선의 온도를 측정함으로써 상기 지그재그 결선 변압기(210)에 어느 정도의 영상고조파 전류의 부하가 걸려 있는지 검출하게 된다. 이와 같이 온도를 측정하여 상기 지그재그 결선 변압기(210)의 상태를 간접적으로 검출함으로써 직접적으로 각 상의 영상고조파 전류의 발생량을 측정하는 것보다 소형으로 상기 과부하 보호장치(220)를 구성할 수 있어 분전반 내부에 상기 능동형 영상고조파 필터(200)를 장착할 수 있다.
한편, 상기 제어부(240)는 상기 검출부로부터 상기 지그재그 결선 변압기(210)의 온도 정보를 수신하여 디지털 신호로 변환하는 AD 변환장치(241)와, 상기 AD 변환장치(241)로부터 디지털 신호로 변환된 상기 지그재그 결선 변압기(210)의 온도 정보를 입력받아 처리하여 각종 명령을 전달하는 중앙처리장치(242)와, 상기 중앙처리장치(242)로부터 명령을 받아 PWM 신호를 생성하여 상기 개폐장치(250)로 출력하는 PWM 발생장치(243)를 포함하여 구성된다.
여기에서 펄스 폭 변조란 도 5에 도시된 것과 같은 고레벨 상태와 저레벨 상태가 시간에 따라 주기적으로 반복되는 구형파에서 한 주기의 경과시간은 동일하게 유지하면서 고레벨 상태와 저레벨 상태의 비율에 변화를 가하여 결과적으로 구형파의 평균값의 변화를 가져오게 하는 것이다. 이와 같은 펄스 폭 변조에서는 구형파의 평균값에 영향을 끼치는 고레벨 상태와 저레벨 상태의 비율이 중요한데, 한 주기(T) 동안 구형파의 고레벨 상태가 유지되는 시간(DT)의 비(D)를 작동비(Duty Ratio)라 한다. 즉, 구형파의 작동비가 클수록 고레벨 상태가 유지되는 시간이 길어지므로 구형파의 평균값은 증가하게 되며, 역으로 구형파의 작동비가 작아질수록 고레벨 상태가 유지되는 시간이 짧아지므로 구형파의 평균값은 감소하게 된다.
이와 같은 PWM 신호를 생성하는 간단한 방법은 도 6에 도시한 바와 같이 톱니파와 기준파를 이용하는 것이다. 콤퍼레이터 회로로 톱니파와 기준파를 입력하고 두 파를 비교하여 기준파가 톱니파보다 큰 값을 가지는 경우에는 콤퍼레이터 회로에서 고레벨 상태의 파를 출력하고, 기준파가 톱니파보다 작은 값을 가지는 경우에는 콤퍼레이터 회로에서 저레벨 상태의 파를 출력하여 PWM 신호를 생성하게 된다. 도 6에서는 정현파를 기준파로 입력하여 생성된 PWM 신호의 작동비가 계속 변화하지만, 기준파로 직선파를 이용하면 일정한 작동비를 가지는 PWM 신호를 생성할 수 있고 입력되는 직선파의 값을 변화시킴으로써 PWM 신호의 작동비를 임의로 조절할 수 있게 된다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 PWM 발생장치(243)는 기준파로 직선파를 이용하여 일정한 작동비를 가지는 PWM 신호를 생성하게 되는데, 상기 중앙처리장치(242)로 전달된 상기 지그재그 결선 변압기(210)의 온도 정보에 따른 PWM 신호의 작동비를 상기 중앙처리장치(242)에서 계산하여 상기 PWM 발생장치(243)로 전달하고 상기 PWM 발생장치(243)는 결정된 작동비를 가지는 PWM 신호를 생성하게 한다.
이와 같이 상기 PWM 발생장치(243)에서 생성된 PWM 신호는 상기 개폐장치(250)로 입력되는데, PWM 신호가 고레벨 상태에 있으면 상기 개폐장치(250)는 연결 상태를 유지하고 PWM 신호가 저레벨 상태에 있으면 개방 상태를 유지한다. 즉 PWM 신호가 고레벨 상태이면 상기 지그재그 결선 변압기(210)와 각 상의 연결단이 연결되어 영상고조파 필터가 작동하게 되고, PWM 신호가 저레벨 상태이면 상기 지그재그 결선 변압기(210)와 각 상의 연결단이 개방되어 영상고조파 필터가 작동하지 않게 된다.
상기 개폐장치(250)는 스위칭소자와 구동 회로로 구성되는데, MOSFET이나 BJT 등과 같은 반도체를 이용한 무접점 반도체 스위칭소자를 이용하여 구성하는 것이 상기 능동형 영상고조파 필터(200)를 소형화하여 분전반 내부에 장착할 수 있도록 하는 데 도움이 된다. 도 4에는 현재 스위칭소자로 많이 사용되는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor, 절연 게이트 양극성 트랜지스터)를 이용한 개폐장치(250)의 일 실시예가 도시되어 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 개폐장치(250)는 제2 포토커플러(252)와, 두 개의 트랜지스터로 이루어진 버퍼단(253), 바이어스 전원 및 게이트 저항과 IGBT(251)를 포함하여 구성된다. 상기 제2 포토커플러(252)에는 상기 PWM 발생장치(243)에서 생성된 PWM 신호가 입력되는데, PWM 신호가 고레벨 상태에 있으면 상기 제2 포토커플러(252)가 턴온되며 저레벨 상태에 있으면 턴오프된다. 상기 제2 포토커플러(252)가 턴온 상태에 있으면 상기 바이어스 전원으로 인해 상기 버퍼단(253)의 트랜지스터의 게이트로 전압이 인가되어 상기 트랜지스터가 턴온되며, 상기 버퍼단(253)의 트랜지스터가 턴온되면 다시 상기 바이어스 전원으로 인해 상기 IGBT(251)의 게이트로 전압이 인가되어 상기 IGBT(251)가 턴온되어 상하 연결단을 연결하게 된다. 그러나 상기 제2 포토커플러(252)가 턴오프 상태에 있으면 상기 버퍼단(253)의 트랜지스터도 턴오프되며 따라서 상기 IGBT(251)도 턴오프되어 상하 연결단이 개방되게 된다.
이와 같이 구성된 본 발명의 일 실시예에 따른 능동형 영상고조파 필터(200)의 작동을 도 7을 참조하여 살펴보면 3상4선식 전력계통의 분전반의 부하에 영상고조파 전류가 발생하여 중성선으로 유입되면 계통보다 영상 임피던스가 낮은 상기 지그재그 결선 변압기(210)로 영상 고조파전류가 흡수되어 처리되게 된다. 중성선에 적은 양의 영상고조파 전류가 유입되는 경우에는 상기 지그재그 결선 변압기(210)에서 처리되는 용량이 적으므로 상기 검출장치(260)에서 측정되는 상기 지그재그 결선 변압기(210)의 온도는 낮게 나타날 것이다. 상기 검출장치(260)에서 측정된 온도 정보는 상기 AD 변환장치(241)를 통해 상기 중앙처리장치(242)로 전달되어 분석되는데, 측정된 상기 지그재그 결선 변압기(210)의 온도가 일정 온도, 바람직하게는 70℃ 미만일 경우에는 상기 중앙처리장치(242)는 상기 PWM 발생장치(243)로 작동비가 1인 PWM 신호를 생성하도록 명령한다. 이와 같이 작동비가 1인 PWM 신호는 항상 고레벨 상태를 갖는 구형파이므로 직선파와 마찬가지이다. 따라서 상기 PWM 발생장치(243)로부터 작동비가 1인 PWM 신호를 전달받은 상기 개폐장치(250)는 계속하여 연결 상태를 유지하게 되어 중성선으로 유입되는 모든 영상고조파 전류를 상기 지그재그 결선 변압기(210)가 처리할 수 있게 된다.
한편, 부하에서 다량의 영상고조파 전류가 발생하여 중성선으로 유입되어 상기 지그재그 결선 변압기(210)에서 처리되는 양이 증가하게 되면 상기 지그재그 결선 변압기(210)의 온도가 상승할 것이고, 계속 상승하여 상기 검출장치(260)에서 측정되는 온도가 70℃ 이상 85℃ 미만인 경우에 상기 중앙처리장치(242)는 상기 PWM 발생장치(243)로 작동비가 0 이상 1 미만인 PWM 신호를 생성하도록 명령한다. 작동비가 1보다 작은 PWM 신호는 작동비에 따라 고레벨 상태와 저레벨 상태가 주기적으로 반복되는 구형파를 형성하므로 이와 같은 PWM 신호를 입력받은 개폐장치(250)는 고레벨 상태에서는 상기 지그재그 결선 변압기(210)와 각 상의 연결단을 연결하여 상기 지그재그 결선 변압기(210)로 영상고조파 전류가 유입되어 처리되고, 저레벨 상태에서는 상기 지그재그 결선 변압기(210)와 각 상의 연결단이 개방되어 상기 지그재그 결선 변압기(210)로 영상고조파 전류가 유입되지 않게 된다. 이와 같이 PWM 신호에 따라 상기 개폐장치(250)가 연결과 개방을 반복함으로써 상기 지그재그 결선 변압기(210)에서 처리되는 영상고조파 전류를 제어하여 상기 지그재그 결선 변압기(210)의 온도를 낮출 수 있게 된다.
상기 지그재그 결선 변압기(210)에서 처리되는 영상고조파 전류를 제어함으로써 상기 검출장치(260)에서 측정되는 온도가 70℃ 미만으로 하강하게 되면 상기 중앙처리장치(242)는 다시 작동비가 1인 PWM 신호를 생성하도록 PWM 발생장치(243)로 명령을 하지만, 여전히 온도가 70℃ 이상을 유지하고 있는 경우 전 단계에서 측정한 온도보다 상승하였는지 하강하였는지를 판단하여 상승한 경우에는 더 낮아진 작동비를 가지는 PWM 신호를 생성하도록 하여 상기 지그재그 결선 변압기(210)에서 처리되는 영상고조파 전류의 양이 더욱 감소되도록 하고, 하강한 경우에는 작동비를 계속적으로 유지하거나 조금씩 상승시켜 상기 지그재그 결선 변압기(210)의 온도가 안정적으로 유지되도록 한다. 이와 같이 상기 지그재그 결선 변압기(210)의 온도가 상승하면 PWM 신호의 작동비는 작아지게 되고 온도가 하강하면 작동비는 커지게 되는데 이와 같은 상기 지그재그 결선 변압기(210)의 온도와 PWM 신호의 작동비의 관계는 도 8에 잘 나타나 있다.
한편, PWM 신호의 작동비를 조절하여 상기 지그재그 결선 변압기(210)의 처리량을제어하는 도중 극히 다량의 영상고조파 전류가 발생하여 작동비가 계속 하강하여 0 이상 0.3 미만의 값을 가지게 되면 상기 지그재그 결선 변압기(210)에서 처리되는 영상고조파 전류는 전체 발생되는 영상고조파 전류의 30% 미만이 되므로 상기 지그재그 결선 변압기(210)의 처리 용량의 한계에 도달한 것으로 판단할 수 있다. 이와 같은 위험상황을 방치하게 되면 상기 분전반뿐만 아니라 계통 전체의 안전에 나쁜 영향을 미칠 수 있으므로 이 같은 상황을 상기 분전반의 관리자 기타 사용자가 알 필요가 있다. 이를 위하여 상기 능동형 영상고조파 필터(200)에 위험표시부(230)를 더 부가하여 구성함으로써 PWM 신호의 작동비가 0 이상 0.3 미만인 경우 상기 중앙처리장치(242)에서 상기 위험표시부(230)로 신호를 보내어 상기 분전반의 외부에 가시적으로 인식할 수 있는 표시를 하도록 하여 위험상황을 알리도록 한다.
이상에서는 본 발명에 대한 기술사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 이라면 누구나 본 발명의 기술적 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.
100 - 중성선 전류 감지장치 110 - 전류측정기
120 - 표시장치 121 - 코어
122 - 홀 센서 123 - 제1 포토커플러
200 - 능동형 영상고조파 필터 210 - 지그재그 결선 변압기
220 - 과부하 보호장치 230 - 위험표시부
240 - 제어부 241 - AD 변환장치
242 - 중앙처리장치 243 - PWM 발생장치
250 - 개폐장치 251 - IGBT
252 - 제2 포토커플러 253 - 버퍼단
260 - 검출장치

Claims (7)

  1. 3상4선식 전력계통이 사용되는 저압 수용가의 분전반에 있어서,
    분전반의 중성선으로 유입되는 영상고조파 전류를 저감하는 능동형 영상고조파 필터; 및
    상기 능동형 영상고조파 필터의 온도 정보를 검출하는 검출부와, 상기 검출부에서 측정된 온도 정보를 수신하여 분석하고 PWM 신호를 생성하는 제어부, 및 상기 제어부로부터 수신한 PWM 신호에 따라 상기 능동형 영상고조파 필터와 3상의 각 위상선과의 연결단을 반복적으로 개폐 동작하는 개폐장치로 구성되는 과부하 보호장치를 포함하여 구성되어,
    상기 능동형 영상고조파 필터가 분전반 계통에서 탈락됨이 없이 과부하로부터 보호되는 것을 특징으로 하는 능동형 영상고조파 필터를 구비한 분전반.
  2. 제1항에 있어서, 상기 분전반은,
    분전반의 중성선에 흐르는 전류를 감지하는 중성선 전류 감지장치를 추가로 포함하며,
    상기 중성선 전류 감지장치는 상기 분전반의 중성선에 흐르는 전류를 측정하는 전류측정기와, 상기 분전반의 중성선에 전류의 흐름이 감지되는 경우 외부에 그 상태를 현출하는 표시장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 능동형 영상고조파 필터를 구비한 분전반.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 능동형 영상고조파 필터는 상기 분전반의 각 위상선과 중성선에 연결되도록 구성되는 지그재그 결선 변압기인 것을 특징으로 하는 능동형 영상고조파 필터를 구비한 분전반.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 검출부에서 측정된 온도 정보를 수신하여 디지털신호로 변환하는 AD 변환장치와, 상기 AD 변환장치로부터 디지털신호를 수신하여 처리하는 중앙처리장치와, 상기 중앙처리장치로부터 명령을 받아 PWM 신호를 생성하는 PWM 발생장치를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 능동형 영상고조파 필터를 구비한 분전반.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 개폐장치는 PWM 발생장치에서 생성된 PWM 신호에 따라 개폐동작을 하는 무접점 반도체 스위칭 소자로 구성되는 것을 특징으로 하는 능동형 영상고조파 필터를 구비한 분전반.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 검출부에서 측정된 온도가 70℃ 미만인 경우에는 상기 PWM 발생장치에서 작동비가 1인 PWM 신호를 생성하고, 상기 검출부에서 측정된 온도가 70℃ 이상 85℃ 미만인 경우에는 상기 검출부에서 측정된 온도에 따라 상기 중앙처리장치에서 계산된 0 이상 1 미만의 작동비를 가지는 PWM 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 중성선 전류 감지장치 및 능동형 영상고조파 필터를 구비한 분전반.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 중앙처리장치에서 계산된 PWM 신호의 작동비가 0 이상 0.3 미만인 경우에 상기 중앙처리장치로부터 명령을 수신하여 상기 분전반에 다량의 영상고조파 전류가 유입됨을 상기 분전반 외부로 현출하는 위험표시부를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 능동형 영상고조파 필터를 구비한 분전반.


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