KR20170101044A - 과전압 억제필터의 구성방법 - Google Patents

과전압 억제필터의 구성방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 설치되는 공간이 고려된 형태로 배치되어, 과전압 발생을 효과적으로 억제하는 과전압 억제필터의 구성방법에 관한 것이다. 이러한 과전압 억제필터의 구성방법은 복수 개의 전력변환장치와 부하를 연결하는 전력케이블에 설치되어 부하에 인가되는 전압을 제한값 이하로 유지하는 리액터, 부하, 및 커패시터가 포함된 과전압 억제필터의 구성방법에 있어서, 복수 개의 전력변환장치와 부하 사이의 공간에 대응하여 과전압 억제필터의 토폴로지를 결정하는 (A)단계, 전력케이블의 전압 전파시간(tt) 과 복수 개의 전력변환장치 각각의 전압 상승시간(tr)을 비교하여 과전압 생성 가능성을 판정하는 (B)단계, 과전압 억제필터의 전달함수를 이용하여, 댐핑계수(ζ) 및 자연수파수(ωn)를 계산하는 (C)단계 및 결정된 과전압 억제필터의 토폴로지에 대응하는 리액터, 저항, 및 커패시터 간 관계식과 계산된 댐핑계수 및 자연주파수를 이용하여, 리액터, 저항 및 커패시터의 용량 및 크기를 설정하는 (D) 단계를 포함한다.

Description

과전압 억제필터의 구성방법{Composition method of over-voltage suppressing filter}
본 발명은 과전압 억제필터 구성방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 설치 공간을 고려하여 과전압 발생을 억제하는 필터의 소자를 배치하는 과전압 억제필터의 구성방법에 관한 것이다.
케이블은 멀리 떨어져 있는 전력변환장치와 부하를 연결하여, 전력변환장치로부터 부하로 전원을 전달한다. 케이블은 자체의 특성 임피던스와 부하의 임피던스가 일치하지 않은 경우 전압반사를 일으킨다. 전압반사는 전력변환장치로부터 부하에 인가되는 전압을 증가시킬 수 있다.
이러한 현상은 케이블의 길이가 긴 경우 뚜렷하게 나타날 수 있다. 일 예로, 반사된 전압은 전력변환장치의 입사전압과 합산되어, 부하에 과전압으로 인가된다. 이로 인해, 과전압은 부하의 정격전압의 2배가 될 수 있다.
이러한 과전압은 부하의 절연내력을 초과하여, 부하의 일부 또는 전체를 절연 파괴시켜 안전사고를 일으킬 수 있다. 현재, 이러한 사고의 발생을 방지시키고자, 케이블의 인덕턴스, 리액턴스 및 레지스턴스의 성분 특성을 상쇄시켜 전압반사현상을 억제시키는 필터에 대한 연구 개발이 활발히 진행되고 있다.
그러나, 개발된 대부분의 필터는 전압반사를 효과적으로 억제하고자 하는 특징을 갖고 있으나, 설치공간을 고려하여 적합하게 소자를 배치하기가 쉽지 않은 문제가 있었다.
대한민국 공개특허 제 10-1999-0009548호 (2000.10.16)
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 필터가 설치 되는 공간에 적합한 형태 및 적합한 용량의 구성요소로 배치하여 과전압을 억제하며, 과전압에 의한 부하의 파손 등의 사고를 예방할 수 있는 과전압 억제필터의 구성방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되는 것은 아니며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해 될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 과전압 억제필터 구성방법은 복수 개의 전력변환장치와 부하를 연결하는 전력케이블에 설치되어 부하에 인가되는 전압을 제한값 이하로 유지하는 리액터, 저항, 및 커패시터가 포함된 과전압 억제필터의 구성방법에 있어서,
상기 복수 개의 전력변환장치와 상기 부하 사이의공간에 대응하여 상기 과전압 억제필터의 토폴로지를 결정하는 (A)단계;
상기 전력케이블의 전압 전파시간(tt) 과 상기 복수 개의 전력변환장치 각각의 전압 상승시간(tr)을 비교하여 과전압 생성 가능성을 판정하는 (B)단계;
상기 과전압 억제필터의 전달함수를 이용하여, 상기 과전압 억제필터의 댐핑계수(ζ) 및 자연주파수(ωn)를 계산하는 (C)단계; 및
상기 결정된 과전압 억제필터의 토폴로지에 대응하는 리액터, 저항, 및 커패시터 간 관계식과 상기 계산된 댐핑계수 및 자연주파수를 이용하여, 상기 리액터, 저항 및 커패시터의 용량을 설정하는 (D) 단계를 포함한다.
상기 과전압 억제필터의 토폴로지는 상기 복수 개의 전력변환장치 출력단 각각에 연결된 상기 리액터들 중 동일한 위상의 전류를 통과시키는 리액터들을 연결한 연결단에 상기 저항 및 커패시터가 연결되는 제1토폴로지와 상기 복수 개의 전력변환장치 출력단 각각에 연결된 리액터에 상기 저항 및 상기 커패시터가 연결되는 제2토폴로지를 포함할 수 있다.
상기 과전압 생성 가능성 판정은 상기 전압 상승시간(tr)이 상기 전력케이블의 전압 전파시간(tt)의 3배 이상인지 여부를 기준으로 판단하고 상기 전압 전파시간(tt)은 상기 전력케이블의 길이와 전압전파속도의 곱으로 계산될 수 있다.
상기 댐핑계수는 ln(0.2)/√(π2+(ln(0.2)2) 이하가 되고, 상기 자연주파수(ωn)는 상기 단위계단응답으로 구해진
Figure pat00001
의 함수로부터 계산될 수 있다.
상기 리액터의 용량(Lf)은 상기 댐핑계수(ζ) 와 상기 자연주파수 (ωn)가 Lf=Rf/2*ζ* ωn 의 함수로부터 계산되고,, 상기 커패시터의 용량(Cf)은, 상기 리액터의 용량 및 자연주파수가 Cf=1 / Lf*ωn 2 의 함수로부터 계산될 수 있다.
상기 리액터와 상기 커패시터의 용량을 반비례로 조정하여, 상기 과전압억제필터의 크기를 조절할 수 있다.
본 발명에 따른 과전압 억제필터의 구성방법은 전력변환장치가 설치되는 공간의 조건 등을 고려해 구성요소를 배치하고, 구성요소의 크기를 적절하게 조정하여 과전압 발생을 효과적으로 억제시킬 수 있다. 이를 통해, 과전압 발생을 억제하여 과전압에 의해 부하가 파손되는 사고를 예방할 수 있다.
도 1은 본 발명의 과전압 억제필터가 설치된 회로도이다.
도 2 는 도 1의 과전압 억제필터가 제1토폴로지로 형성되어, 전력변환장치에 연결된 회로도이다.
도 3은 도 1의 과전압 억제필터가 제2토폴로지로 형성되어, 전력변환장치에 연결된 회로도이다.
도 4는 도 1의 과전압 억제필터를 전달함수로 나타낸 블록선도이다.
도 5는 과전압 억제필터에 의해 과전압이 억제되는 단상의 전압상태를 나타내는 도면이다.
도 6은 도 1의 과전압 억제필터의 구성방법의 순서도이다.
본 발명의 이점과 특징 그리고 그것들을 달성하는 방법들은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예를 참조하면 명확해질 수 있다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 단지 청구항에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 과전압 억제필터가 설치된 회로도이다. 이하, 도 1을 참조하여 설명한다. 본 발명의 과전압 억제필터(10)는 리액터(L), 저항(R) 및 커패시터(C)를 구성요소로 포함하여, 전력변환장치(20)로부터 입력되는 전압의 전압 상승률(dv/dt)을 감소시켜 부하(30)에 인가한다. 여기서, 구성요소는 부하(30)에 인가되는 전압을 제한값 이하로 제한할 수 있으며, 필터 설치공간(S1)의 형상 및 환기 조건 등에 따라 제1토폴로지(10-1) 또는 제2토폴로지(10-2)로 배치된다.
배치된 구성요소의 용량은 전력변환장치(20)의 전압 상승시간(tr)이 전력케이블(15)의 전압 전파시간(tt)보다 3배 이상이 되어, 과전압이 부하(30)에 인가되는 경우, 설치되는 환경에 맞게 과전압을 효과적으로 억제할 수 있는 값으로 설정될 수 있다. 이와 같은 과전압 억제필터(10)의 구성요소의 저항값은 전력케이블의 길이, 단면적 및 전력케이블을 구성하는 도선의 고유특성 등으로부터 계산된다. 그리고, 리액터의 용량 및 커패시터의 용량은 전달함수를 통한 단위 계단응답, 및 라플라스 역변환을 통해 계산된 댐핑계수(ζ) 및 자연주파수(ωn)로부터 계산된다. 또한, 전력케이블(15)의 전압 전파시간(tt)은 전력케이블의 누설인덕턴스, 커플링 커패시턴스 및 전력케이블의 길이를 통해 계산될 수 있다.
이하, 도 2 및 도 3을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 과전압 억제필터의 구성방법에 대해 상세히 설명한다.
도 2는 도 1의 과전압 억제필터가 제1토폴로지로 형성되어, 전력변환장치에 연결된 회로도이고, 도 3은 도 1의 과전압 억제필터가 제2토폴로지로 형성되어, 전력변환장치의 연결된 회도로이다.
제1토폴로지는(10-1)는 제1리액터(L1-1), 제2리액터(L2-1) 및 제N리액터(LN-1)를 연결한 전력케이블(15)에 저항(R) 및 커패시터(C)로 구성된 RC회로가 병렬로 배치된 구조이다.
여기서, 제1리액터(L1-1), 제2리액터(L2-1) 및 제N리액터(LN-1)는 전력변환장치(20)의 각 출력단에 연결된 복수 개의 리액터(L)들 가운데 동일한 위상의 전류를 통과시킨다. 이러한, 제1리액터(L1-1) 내지 제N리액터(LN-1)는 동일한 인덕턴스를 가진다. 그리고 병렬로 연결된다. 이러한 리액터를 RC회로의 측면에서 바라보면 리액터의 용량 (Lf)은 Lf/N이 된다. 따라서, 제1토폴로지(10-1)는 리액터와 연계되어 전압을 공진시키는 커패시터의 용량(Cf)을 리액터의 용량(Lf)과 반비례 되도록 증가시키고, 저항의 용량을 리액터의 용량(Lf)과 비례 되도록 감소시킨다.
이를 통해, 하나의 저항에서 전류가 많이 손실되어, 저항값에 반비례하여 리액터 및 커패시터의 크기는 줄어들게 될 수 있다. 그리고, 리액터(L) 및 커패시터(C)의 크기 감소에 따라, 과전압 억제필터(10)의 전체적인 크기는 작아지게 된다.
한편, 제2토폴로지(10-2)는 전력변환장치(20)의 출력단에 연결된 각각의 리액터(L)에 저항(R) 및 커패시터(C)로 형성된 RC회로가 병렬로 배치된 구조이다. 따라서, 제2토폴로지(10-2)의 RC회로에서 각각 바라본 리액터의 용량(Lf)은 각각 Lf가 된다. 여기서, 제2토폴로지(10-2)는 커패시터의 용량(Cf)을 리액터의 용량(Lf)과 반비례되게 감소시켜, 각 저항의 용량을 리액터의 용량(Lf)과 비례 되게 증가시킨다.
이를 통해, 각 저항에서 전류는 적게 손실되어, 저항값에 반비례하여 리액터(L) 및 커패시터(C)의 크기는 커지게 된다. 그리고, 리액터(L) 및 커패시터(C)의 크기 증가에 따라 과전압 억제필터(10)의 전체적인 부피는 전체적으로 커지게 된다.
이와 같은 제2토폴로지(10-2)는 설치공간(S1)이 넓고 저항 및 커패시터의 개수가 충분한 환경조건에 적합하게 적용될 수 있다. 반면, 제1토폴로지(10-1)는 제2토폴로지(10-2)보다 상대적으로 설치공간(S1)이 좁고, 한번에 많은 열을 배출할 수 있는 환경 즉, 환기설비가 갖추어진 환경에서 유용하게 적용될 수 있다.
이와 같은 제1토폴로지(10-1) 와 제2토폴로지(10-2)는 각 토폴로지의 저항(R)에서 손실되는 전체 전력이 동일하게 설계되나, 설치되는 공간의 크기 및 환기조건에 맞게 과전압억제 필터(10)를 구성하는 구성요소의 용량 및 크기는 상이하게 조절되어 설치된다. 이하, 도 4를 참조하여, 과전압 억제필터(10)의 용량을 설정하는 방법에 대해 구체적으로 설명하도록 한다.
도 4는 도 1의 과전압 억제필터를 전달함수로 나타낸 블록선도이다.
과전압 억제필터(10)의 전달함수는 도 4의 도시된 바와 같은 방법으로, 라플라스 변환 되어,
Figure pat00002
로 표현된다. 전달함수는 주파수와 전압의 변동을 변수로 하는
Figure pat00003
의 2차계 전달함수로 전환되며, 2차 전달함수는 자연주파수에 따른 전압의 변동의 특성을 파악할 수 있게
Figure pat00004
단위 계단응답으로 변환된다. 그리고, 이러한 단위 계단응답은 라플라스 역변환되어, 시간 변화에 따른 전압의 변동의 특성을 용이하게 파악할 수 있게,
Figure pat00005
로 변환된다.
여기서, 댐핑계수(ζ)는 NEMA(National Electrical Manufactures Association)의 규정에 따라, ln(0.2)/√(π2+(ln(0.2)2) 이하가 되며,
Figure pat00006
는 약 0.2 이하가 될 수 있다. 여기서, 자연주파수(ωn)는 전압 상승시간(tr)이 전력케이블(15)의 전압 전파시간(tt)보다 3배 미만이 되는 하나의 값으로 설정되고, 댐핑계수가 0.456로 설정되어 계산되어 질 수 있다. 아울러, 계산된 댐핑계수와 자연주파수를 Lf=Rf/2*ζ* ωn 의 함수로부터 리액터의 용량(Lf)을 계산하고, 계산된 리액터의 용량(Lf) 및 자연주파수(ωn)를 Cf=1 / Lf*ωn 2 의 함수로부터 커패시터의 용량(Cf)을 계산한다. 리액터의 용량(Lf)과 커패시터의 용량(Cf)은 설계된 필터의 부피와 전압공진이 고려되어 반비례로 설정된다. 리액터 및 커패시터는 필터 설치공간(S1)에 적합한 크기로 형성되어, 저항과 함께 과전압을 억제 시킬 수 있게 된다. 일 예로, 필터 설치공간(S1)의 공간이 넓은 경우, 감쇠 진동을 발생시키는 저항값을 고정한 후, 리액터의 크기를 고려하여, 과전압을 충분히 억제할 수 있도록 전압 공진이 일어날 수 있게 리액터의 용량을 크게 조정한다. 그리고, 커패시터의 용량 및 각 저항에서 손실량을 작게 조정하여 저항 손실과 리액터의 크기를 고려해 설치공간에 적합한 과전압 억제필터(10)를 설계한다. 반대로, 적용환경의 공간이 좁은 경우, 저항값을 고정한 후, 충분히 전압 공진이 일어날 수 있는 범위 내에서, 리액터의 용량을 작게 하고, 저항에서의 손실량 및 커패시터의 용량을 크게 하여 환기가 잘되도록 한다.
이하, 도 5를 참조하여, 이와 같이 설계된 과전압 억제필터(10)에 의해 과전압이 억제되는 상태에 대해 설명하도록 한다.
다만, 본 명세서의 전력변환장치(20)에서 출력되는 3상의 전압은 모두 동일한 크기의 과전압으로 형성될 수 있어, 설명의 편의를 위해, 3상의 전압 가운데 하나의 상만을 설명하도록 한다.
도 5는 과전압 억제필터(10)에 의해 과전압이 억제되는 단상의 전압상태를 나타내는 도면이다.
이와 같이, 설계된 과전압 억제필터(10)는 필터 설치공간(S1)의 공간에 적합하게, 저항값을 기준으로 리액터의 용량(Lf) 및 커패시터의 용량(Cf)의 크기가 반비례로 설정되어, 전력케이블(15)에서 출력되는 과전압을 억제할 수 있다. 일 예로, 도 5에 도시된 바와 같이 과전압 억제필터(10)는 전력케이블(15)을 통해 출력되는 스파이크성 전압의 입력전압(V1)을 리액터와 커패시터로 억제하여, 매끄러운 사각파(V2)로 만든다. 사각파(V2)는 전력변환장치(20)로부터 출력된 위상이 다른 사각파(V2)와 함께 부하(30)에 인가된다.
더욱이, 이와 같은 사각파(V2)는 부하(30)를 파손 및 소손 시키지 않는 전원이 될 수 있다.
이하, 도 6을 참조하여, 본 발명의 과전압 억제필터의 구성방법에 대해 설명하도록 한다.
도 6은 도 1의 과전압 억제필터의 구성방법의 순서도이다.
과전압 억제필터의 구성방법은 복수 개의 전력변환장치(20)와 부하(30) 사이에 확보된 필터 설치공간(S1)에 대응하여 과전압 억제필터(10)의 토폴로지를 결정하는 (A)단계로 시작한다. 이후, 전력케이블의 전압 전파시간(tt) 과 복수 개의 전력변환장치 각각의 전압 상승시간(tr)을 비교하여 과전압 여부를 판정하는 (B)단계로 진행된다. 이때, 부하(30)로 인가되는 전압이 과전압으로 판정되면, 과전압 억제필터의 출력전압/전력변환장치의 입/출력비에 해당하는 전달함수를 단위계단응답으로 계산한다. 그리고, 계산된 단위계단응답을 다시 라플라스 역변환으로 변환하여 댐핑계수(ζ) 및 자연주파수(ωn)를 계산하는 (C)단계로 진행된다. 그리고, 결정된 과전압 억제필터의 토폴로지에 대응하는 리액터, 및 커패시터 간 관계식에 댐핑계수(ζ) 및 자연주파수(ωn)를 대입하여, 리액터, 저항 및 커패시터의 용량을 설정하는 (D) 단계를 진행한다. 이때, 리액터의 용량, 커패시터의 용량 및 저항값은 필터 설치공간(S1)의 환경에 적합하게 조정된다. 리액터의 용량, 커패시터의 용량 및 저항값이 결정되면, 결정된 리액터, 커패시터 및 저항으로 과전압 억제필터(10)를 설계하여 부하(30)에 입력되는 과전압을 억제시켜, 부하(30)가 과전압에 의해 파손되지 않도록 한다.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서도 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
10: 과전압 억제필터 10-1: 제1토폴로지
10-2: 제2토폴로지 15: 전력케이블
20: 전력변환장치 30: 부하
R: 저항 L: 리액터
C: 커패시터

Claims (6)

  1. 복수 개의 전력변환장치와 부하를 연결하는 전력케이블에 설치되어 부하에 인가되는 전압을 제한값 이하로 유지하는 리액터, 저항, 및 커패시터가 포함된 과전압 억제필터의 구성방법에 있어서,
    상기 복수 개의 전력변환장치와 상기 부하 사이의 공간에 대응하여 상기 과전압 억제필터의 토폴로지를 결정하는 (A)단계;
    상기 전력케이블의 전압 전파시간(tt)과 상기 복수 개의 전력변환장치 각각의 전압 상승시간(tr)을 비교하여 과전압 생성 가능성을 판정하는 (B)단계;
    상기 과전압 억제필터의 전달함수를 이용하여, 상기 과전압 억제필터의 댐핑계수(ζ) 및 자연주파수(ωn)를 계산하는 (C)단계; 및
    상기 결정된 과전압 억제필터의 토폴로지에 대응하는 리액터, 저항, 및 커패시터 간 관계식과 상기 계산된 댐핑계수 및 자연주파수를 이용하여, 상기 리액터, 저항 및 커패시터의 용량을 설정하는 (D) 단계를 포함하는 과전압 억제필터의 구성방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 과전압 억제필터의 토폴로지는 상기 복수 개의 전력변환장치 출력단 각각에 연결된 상기 리액터들 중 동일한 위상의 전류를 통과시키는 리액터들을 연결한 연결단에 상기 저항 및 커패시터가 연결되는 제1토폴로지와 상기 복수 개의 전력변환장치 출력단 각각에 연결된 리액터에 상기 저항 및 커패시터가 연결되는 제2토폴로지를 포함하는 과전압 억제필터의 구성방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 과전압 생성 가능성 판정은 상기 전압 상승시간(tr)이 상기 전력케이블의 전압 전파시간(tt)의 3배 이상인지 여부를 기준으로 판단하고, 상기 전압 전파시간(tt)은 상기 전력케이블의 길이와 전압전파속도의 곱으로 계산되는 과전압 억제필터의 구성방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 댐핑계수는 ln(0.2)/√(π2+(ln(0.2)2) 이하가 되고, 상기 자연주파수(ωn)는 상기 단위계단응답으로 구해진
    Figure pat00007
    의 함수로부터 계산되는 과전압 억제필터의 구성방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 리액터의 용량(Lf)은 상기 댐핑계수(ζ) 와 상기 자연주파수 (ωn)가 Lf=Rf/2*ζ* ωn 의 함수로부터 계산되고, 상기 커패시터의 용량(Cf)은, 상기 리액터의 용량 및 자연주파수가 Cf=1 / Lf*ωn 2 의 함수로부터 계산되는 과전압 억제필터의 구성방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 리액터와 상기 커패시터의 용량을 반비례로 조정하여 상기 과전압억제필터의 크기를 조절하는 과전압 억제필터의 구성방법.
KR1020160023716A 2016-02-26 2016-02-26 과전압 억제필터의 구성방법 KR101784944B1 (ko)

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