KR20160066426A - 스마트 고조파 필터링 장치 - Google Patents

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KR20160066426A
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harmonic filter
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임종부
김영진
김태근
이대성
황진호
강우정
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Abstract

스마트 고조파 필터링 장치가 개시된다. 이 스마트 고조파 필터링 장치는 리액터와 콘덴서의 조합으로 이루어져 BLDC(brushless DC) 모터를 포함하는 팬 필터 유닛으로 인가되는 3상 전원의 고조파를 필터링하는 고조파 필터, 및 고조파 필터가 포화 상태일 경우 고조파 필터로의 3상 전원 인가를 차단하는 고조파 전류 포화 검출부를 포함한다.

Description

스마트 고조파 필터링 장치{Smart harmonic filtering apparatus}
본 발명은 반도체/디스플레이 공장의 클린룸 공조시설에 관련된 것으로, 특히 클린룸 내 사용되고 있는 팬 필터 유닛(Fan Filter Unit, FFU) 시스템에 관한 것이다.
반도체/디스플레이 공장의 대형 클린룸의 경우, 미세먼지까지 제거하기 위해 365일 상시 팬이 가동되어야 한다. 그리고 매우 많은 수의 FFU를 동시에 가동하기 때문에 실질적으로 클린룸의 공조 에너지는 전체 설비가 사용하는 전기에너지의 약 40% 정도를 차지할 정도로 많은 에너지를 사용하고 있어 국가 전체적으로 볼 때도 클린룸 공조시설의 고 효율화는 매우 중요한 문제라고 볼 수 있다. 따라서 에너지 절약형 클린룸 설비에 대한 수요는 지속적으로 증가하고 있다. 이처럼 클린룸 운영주체에서는 다소비 에너지를 줄이기 위해 여러 가지 방안을 검토 및 적용중에 있으며, 그 중 한 방안이 클린룸 내에서 사용되고 있는 FFU 시스템을 고 효율화시키는 것이다.
FFU 내부의 팬모터는 과거에는 견고하면서도 저렴한 비용으로 생산할 수 있는 AC 유도 모터가 주로 사용되어 왔다. 그러나 영구자석을 사용하는 모터에 비해 효율이 떨어져, 정부의 지속적인 에너지 절약 정책의 요구와 국가 경쟁력 강화를 위한 원가절감의 필요성 등 클린룸 전체의 운영효율 향상 및 비용절감을 위해 영구자석을 이용한 BLDC(brushless DC) 모터로 대체되고 있는 추세이다. 그러나 다중의 BLDC 모터를 구동하기 위한 필수적인 구동 컨트롤러인 인버터의 적용과 정류소자 등으로 FFU 계통전원에 다량의 고조파 전류를 발생시키는 또 다른 문제가 발생하게 되었다. 이러한 고조파 전류는 동일 전원계통상의 장비들의 오동작을 유발시키며, 수전 변압기의 발열을 초래하여 정격용량의 출력을 사용하지 못하는 결과가 나타나게 되어 전체 FFU 전원계통의 전력품질 효율을 감소시키는 원인을 제공한다.
고조파 전류를 저감시키기 위해 AC 리액터(reactor)를 사용하는 방법이 알려져 있다. 그러나 고조파 전류 저감율이 낮고 성능면에서 떨어져 에너지 다소비 산업인 대형 클린룸 FFU 공조설비에는 부적합하다. 다른 방법으로는 부하 변동에 순시적으로 대응하여 적절한 고조파 상쇄 전류를 공급시키는 액티브 필터를 사용하는 방법이 있다. 그러나 고가의 가격과 제품 크기 및 공진 발생 등의 이유로 클린룸 FFU 공조설비에 적용하기에는 역시 부적합하다.
국내등록특허공보 제10-1307152호 (2013년 9월 3일 등록)
본 발명은 FFU 전원계통의 전력품질을 향상시키는 기술적 방안을 제공하는 것을 목적으로 한다.
일 양상에 따른 스마트 고조파 필터링 장치는 리액터와 콘덴서의 조합으로 이루어져 BLDC(brushless DC) 모터를 포함하는 팬 필터 유닛으로 인가되는 3상 전원의 고조파를 필터링하는 고조파 필터, 및 고조파 필터가 포화 상태일 경우 고조파 필터로의 3상 전원 인가를 차단하는 고조파 전류 포화 검출부를 포함한다.
일 양상에 따르면, 고조파 전류 포화 검출부는 3상의 전류를 감지하는 전류 감지부, 및 감지된 3상 전류 값에 근거하여 고조파 필터의 리액터가 포화 상태인지를 판단하며, 포화 상태일 경우 고조파 필터로의 3상 전원 인가를 차단하는 제어부를 포함할 수 있다.
일 양상에 따르면, 제어부는 감지된 3상 전류 값을 푸리에 변환하는 푸리에 변환부, 및 푸리에 변환으로 얻어진 고조파 성분의 특성비에 근거하여 고조파 필터의 리액터가 포화 상태인 것으로 판단하는 포화 판단부를 포함할 수 있다.
일 양상에 따르면, 포화 판단부는 3차 고조파 성분의 특성비가 기본파에 대해 미리 정해진 기준 이상일 경우 고조파 필터의 리액터가 포화 상태인 것으로 판단할 수 있다.
일 양상에 따르면, 제어부는 포화 상태일 경우 관리 시스템으로 포화 상태를 보고하는 상태 보고부를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 고조파 필터를 이용하면 계통의 전력을 효과적으로 확보할 수 있다. 또한 공진 등의 문제가 발생하지 않고, 일반 리액터만 사용하는 경우에 비해 고조파 저감 성능이 매우 우수하다. 또한 액티브 필터에 비해 상대적으로 저렴하며, 부피가 적어 설치공간을 적게 차지한다.
나아가, 본 발명은 고조파 포화가 검출될 시에 자동으로 전원 공급을 차단함으로써 클린룸 계통전원의 건전성을 유지할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 고조파 필터를 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 고조파 필터를 FFU 전원 분배함에 설치한 경우와 미설치한 경우의 구성도를 나타낸다.
도 3은 일 실시예에 따른 스마트 고조파 필터 장치의 블록도이다.
전술한, 그리고 추가적인 본 발명의 양상들은 첨부된 도면을 참조하여 설명되는 바람직한 실시예들을 통하여 더욱 명백해질 것이다. 이하에서는 본 발명을 이러한 실시예를 통해 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 일 실시예에 따른 고조파 필터를 나타낸 도면이다. 고조파 필터는 수동형(passive) 필터 방식으로 설계된 고조파 필터로서, 로우 패스 필터(low pass filter)의 형태로 구성될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 고조파 필터는 리액터와 콘덴서의 조합으로 이루어지며, 리액터는 메인 리액터(main reactor)와 보조 리액터(aux reactor)로 구성될 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 고조파 필터를 FFU 전원 분배함에 설치한 경우와 미설치한 경우의 구성도를 나타낸다. 팬 필터 유닛(FFU)은 BLDC 모터를 팬 모터로 사용한다. 그리고 현장은 FFU 전원 분전함의 분기(sub) 차단기에 팬 필터 유닛이 각각 20개씩 연결되어 운전된다. 이 수량은 현장 환경에 따라 달라질 수 있다. 기존의 FFU 전원 계통의 경우, FFU 전원 분배함에 고조파 전류에 대한 대책이 전혀 강구되어 있지 있다. 따라서, 다중의 BLDC FFU를 구동함에 있어 연계되는 다량의 인버터 운영 등으로 계통전원에 다량의 고조파 전류가 함유되어 있어 전체 전원계통 시스템의 효율을 떨어뜨리게 되며, 결과적으로 이는 공조설비 에너지의 손실을 더욱 증가시키는 요인이 된다. 따라서, 도 1에 도시된 고조파 필터를 도 2에 도시된 바와 같이 FFU 전원 분전함에 설치시, 고조파 함유율이 적은 전류가 계통에 흐르게 되어 365일 상시 운전하는 대형 클린룸 공조설비의 경우 궁극적으로 전체 에너지를 절약할 수 있게 된다.
도 3은 일 실시예에 따른 스마트 고조파 필터 장치의 블록도이다. 도시된 바와 같이, 스마트 고조파 필터 장치(10)는 고조파 필터(100)와 고조파 전류 포화 검출부(200)를 포함한다. 또한 도시된 바와 같이, 복수의 전류 센서(300)들과 전자 브레커(400)를 더 포함할 수 있다. 고조파 필터(100)는 도 1에 도시된 바와 같으며, 3상의 입력 전원에 대해 고조파 필터링한 후 팬 필터 유닛(FFU)(20)으로 인가한다. 여기서 팬 필터 유닛(20)은 BLDC 모터를 팬 모터로 사용하는 유닛이다.
고조파 전류 포화 검출부(200)는 고조파 필터(100)가 포화 상태인지 아닌지를 판단하여 포화 상태일 경우에는 고조파 필터(100)로의 3상 전원 인가를 차단한다. 고조파 필터(100)의 구성품 중 하나인 리액터가 포화된 상태에서 계속하여 전류를 흘려주게 되면, 리액터가 열화되고 성능이 저하되게 되어 제대로 된 고조파의 필터링 성능을 기대할 수 없다. 따라서 고조파 전류 포화 검출부(200)는 고조파 필터(100)의 리액터가 포화 상태일 경우에는 3상 전원이 인가되지 않도록 제어하는 것이다.
일 양상에 따르면, 고조파 전류 포화 검출부(200)는 전류 감지부(210)와 제어부(220)를 포함한다. 일 실시예에 있어서, 전류 감지부(210)는 3상 전원 라인에 구비된 전류 센서(300)들을 통해 3상 전류를 감지한다. 제어부(220)는 전류 감지부(210)를 통해 감지된 전류 값에 근거하여 고조파 필터(100)의 리액터가 포화 상태인지를 판단하며, 포화 상태일 경우에는 고조파 필터(100)로의 3상 전원 공급을 차단한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 제어부(220)는 푸리에 변환부(221)와 포화 판단부(222) 및 전원 차단부(223)를 더 포함할 수 있다. 푸리에 변환부(221)는 전류 감지부(210)를 통해 감지된 3상 전류 값을 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform, FFT)한다. 그리고 포화 판단부(222)는 FFT로 얻어진 고조파 성분의 특성비에 근거하여 고조파 필터(100)의 리액터가 포화 상태인 것으로 판단한다. 전원 차단부(223)는 고조파 필터(100)가 포화 상태일 경우에 고조파 필터(100)로의 3상 전원 인가를 차단한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 3상 전원 라인에 전자 브레커(400)가 구성될 수 있으며, 전원 차단부(223)는 전자 브레커(400)로 Trip 신호를 전달하여 전원을 차단할 수 있다.
부가적으로, 제어부(220)는 상태 보고부(224)를 더 포함할 수 있다. 상태 보고부(224)는 고조파 필터(100)가 포화 상태일 경우 관리 시스템인 상위 시스템으로 PLC 접점 또는 통신으로 상태 정보를 보고한다. 이에 작업자는 이를 확인하여 해당되는 고조파 필터의 점검과 교체를 통해 상시 운전하는 클린룸 계통 전원의 건전성을 유지할 수 있게 된다.
한편, 일 양상에 따르면, 포화 판단부(222)는 FFT로 얻어진 고조파 성분의 특성비가 기본파에 대해 미리 정해진 기준치 이상일 경우 고조파 필터(100)가 포화 상태인 것으로 판단한다. 이에 대해 부연 설명하면 다음과 같다. 고조파 필터(100)가 포화되지 않고 정상적인 경우에는 전류 파형이 기본파의 형태로 고조파 성분이 거의 없다. 그러나 고조파 필터(100)가 포화 영역에 진입하게 된 비정상적인 경우, 전류 파형은 왜곡이 발생하게 되는데 이때 특징적인 것은 기본파에 대한 3차 고조파 성분처럼 보이는 왜곡성분이 가장 크게 나타난다. 즉, 기본파의 피크에서 전류의 왜곡이 가장 심해지므로, 3차 고조파 성분이 커질 때 고조파 필터(100)가 포화점에 도달한 것으로 판단할 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 고조파 필터 200 : 고조파 전류 포화 검출부
210 : 전류 감지부 220 : 제어부
221 : 푸리에 변환부 222 : 포화 판단부
223 : 전원 차단부 224 : 상태 보고부

Claims (5)

  1. 리액터와 콘덴서의 조합으로 이루어져 BLDC(brushless DC) 모터를 포함하는 팬 필터 유닛으로 인가되는 3상 전원의 고조파를 필터링하는 고조파 필터; 및
    고조파 필터가 포화 상태일 경우 고조파 필터로의 3상 전원 인가를 차단하는 고조파 전류 포화 검출부;
    를 포함하는 스마트 고조파 필터링 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 고조파 전류 포화 검출부는 :
    3상의 전류를 감지하는 전류 감지부; 및
    감지된 3상 전류 값에 근거하여 고조파 필터의 리액터가 포화 상태인지를 판단하며, 포화 상태일 경우 고조파 필터로의 3상 전원 인가를 차단하는 제어부;
    를 포함하는 스마트 고조파 필터링 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 제어부는 :
    감지된 3상 전류 값을 푸리에 변환하는 푸리에 변환부; 및
    푸리에 변환으로 얻어진 고조파 성분의 특성비에 근거하여 고조파 필터의 리액터가 포화 상태인 것으로 판단하는 포화 판단부;
    를 포함하는 스마트 고조파 필터링 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    포화 판단부는 3차 고조파 성분의 특성비가 기본파에 대해 미리 정해진 기준 이상일 경우 고조파 필터의 리액터가 포화 상태인 것으로 판단하는 스마트 고조파 필터링 장치.
  5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서, 제어부는 :
    포화 상태일 경우 관리 시스템으로 포화 상태를 보고하는 상태 보고부;
    를 더 포함하는 스마트 고조파 필터링 장치.
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