KR910000874B1 - 액티브 필터 장치 - Google Patents

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Abstract

내용 없음.

Description

액티브 필터 장치
제1도는 본 발명의 1실시예에 의한 액티브 필터 장치를 도시하는 회로 구성도.
제2도는 제1도의 동작을 설명하기 위한 등가 회로도.
제3도는 제1도의 액티브 필터 장치의 제어회로 동작도.
제4도는 본 발명의 액티브 필터 장치의 제어회로의 다른 실시예를 도시하는 제어회로 동작도.
제5도는 종래의 액티브 필터를 도시하는 회로도.
제6도는 종래의 액티브 필터의 동작을 설명하기 위한 등가 회로도.
본 발명은 송배전 계통의 고조파 대책으로써 사용되는 고조파 전류 보상용 액티브 필터 장치에 관한 것이다.
제5도는 예를들면 소화 60년 전기정보 관련 학회 연합대회, 전력용 액티브 필터의 동향중 "액티브 필터의 보상원리"의 논문에 기재된 종래의 액티브 필터 장치를 도시하는 회로도이다.
동일 도면에 있어서, (1)은 교류 전원, (2)는 상기 교류 전원(1)의 고조파 전류 발생부하, (3)은 변압기, (4a)∼(4d)는 변압기(3)의 2차측에 접속된 단상 브리지 인버터를 구성하는 트랜지스터 스위치, (5)는 콘덴서, (6)은 상기 변압기(3), 트랜지스터 스위치(4a)∼(4d) 및 콘덴서(5)로 구성되는 액티브 필터이다.
다음에 동작에 대하여 설명한다. 먼저 트랜지스터 스위치(4a)∼(4d)는 도시하고 있지 않은 게이트 제어회로에서 PWM(펄스폭 변조) 제어되어, 콘덴서(5)에 충전되어 있는 직류 전압 Ed를 교류 출력 전압 EI로 파형 성형한 후, 변압기(3)의 2차측에 인가한다. 이 경우의 등가회로를 제6도에 도시한다.
제6도에 있어서, (7)은 액티브 필터(6)에 의한 액티브 필터 가상 전압원이고, (8)은 변압기(3)의 임피던스를 표시한다. 동일 도면에 있어서 교류 전원(1)의 기본파 전압을 EAC로 하고, 액티브 필터의 교류 출력 전압을 EI로 하면 다음의 식이 성립하다.
Figure kpo00001
단, IAF는 액티브 필터의 출력 전류, L은 변압기(3)의 임피던스이다. 지금 고조파 전류 발생부하(2)로 흐르는 고조파 전류를 IH로 하고,
Figure kpo00002
로 하면 액티브 필터의 출력 전류 IAF를 IAF=IH로 되도록 제어하는 것에 의해 교류 전원(1)측에서 흐르는 전류 IS에는 고조파 전류를 포함하지 않도록 할 수 있다.
이 경우에는 (1)식과 (2)식에서,
Figure kpo00003
으로 되고, 액티브 필터의 교류 출력 전압 EI는,
Figure kpo00004
를 출력하는 것이 필요하게 된다.
따라서 액티브 필터의 출력 용량 VA는 다음식에 표시하는 값이 필요하게 된다.
Figure kpo00005
(5)식에 있어서, 우변의 제1항은 기본파 용량을 표시하고 우변의 제2항은 고조파 용량을 표시한다. 통상의 용도에서 기본파 용량은 고조파 용량보다 크게 된다.
종래의 액티브 필터 장치는 이상과 같이 구성되어 있으므로 액티브 필터의 제어로써는 기본파 용량과 고조파 용량의 양쪽을 제어할 필요가 있고, 특히 고차의 고조파 전류까지 보상할 경우 트랜지스터 스위치(4a)∼(4d)를 고주파 PWM 제어로 할 필요가 있기 때문에, 기본파나 저차의 고조파 전류도 불필요하게 높은 주파수로 PWM 제어되게 되어서 스위칭 손실이 크게 될 뿐만 아니라, 고주파 스위칭이 가능한 트랜지스터는 용량이 큰 것의 제작이 곤란하기 때문에 대용량의 액티브 필터의 제작이 곤란하다는 등의 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위하여 이루어진 것으로, 기본파 용량 및 저차 고주파 용량을 분담하는 저주파 PWM 제어 액티브 필터와 고차 고조파 용량을 분담하는 고주파 PWM 제어 액티브 필터를 직렬로 접속하는 것에 의해서 스위칭 손실이 적고, 또한 대용량화가 가능한 액티브 필터 장치를 얻는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 관한 액티브 필터 장치는 기본파 용량 및 저차의 고조파 용량을 제어하는 제1의 액티브 필터(저주파 PWM 제어 액티브 필터)와 고차의 고조파 용량을 제어하는 제2의 액티브 필터(고주파 PWM 제어 액티브 필터)로 분할하고, 상기 제1의 액티브 필터 및 제2의 액티브 필터를 각각 저주파 및 고주파 PWM 제어 액티브 필터용 변압기를 거쳐서 직렬로 접속한 것을 교류 전원에 병렬 접속한 것이다.
본 발명에 있어서 액티브 필터 장치는 저주파 PWM 제어되는 저차의 고조파 및 기본파 용량 제어용 제1의 액티브 필터와 고주파 PWM 제어되는 고차의 고조파 용량 제어용 제2의 액티브 필터를 각각 저주파 및 고주파 PWM 제어 액티브 필터용 변압기를 거쳐서 직렬로 접속하여 고주파 PWM 제어되는 제2의 액티브 필터의 용량을 저감한다.
[실시예]
다음에 본 발명의 1실시예를 도면에 따라 설명한다. 도면중, 제5도와 동일한 부분은 동일부호를 붙여서 도시한 제1도에 있어서, (9)는 저주파 PWM 제어 액티브 필터용 변압기, (10a)∼(10d)는 저주파 PWM 제어용 트랜지스터 스위치, (11)은 콘덴서, (12)는 상기 저주파 PWM 제어 액티브 필터용 변압기(9), 저주파 PWM 제어용 트랜지스터 스위치(10a)∼(10d) 및 콘덴서(11)로 구성한 저주파 PWM 제어 액티브 필터(제1의 액티브 필터), 또 (13)은 고주파 PWM 제어 액티브 필터용 변압기, (14a)∼(14d)는 고주파 PWM 제어용 트랜지스터 스위치, (15)는 콘덴서, (16)은 상기 고주파 PWM 제어 액티브 필터용 변압기(13), 고주파 PWM 제어용 트랜지스터 스위치(14a)∼(14d) 및 콘덴서(15)로 구성한 고주파 PWM 제어 액티브 필터(제2의 액티브 필터)이다.
다음에 동작에 대하여 설명한다. 먼저 제1도에 있어서 2개조의 콘덴서(11),(15)에 충전된 직류 전압 Ed1과 Ed2는 저주파 및 고주파 PWM 제어용 트랜지스터 스위치(10a)∼(10d) 및 (14a)∼(14d)에 의해 PWM 제어되어, 액티브 필터의 출력 전압으로써 EI1과 EI2로 파형 정형된 후 2개조의 변압기(9) 및 (13)에 각각 인가된다.
이 경우의 등가회로는 제2도와 같이 도시된다. 제2도에 있어서, (17)은 저주파 PWM 제어 액티브 필터(12)에 의한 저주파 액티브 필터 가상 전압원, (18)은 저주파 PWM 제어 액티브 필터용 변압기(9)의 임피던스, (19)는 고주파 PWM 제어 액티브 필터(16)에 의한 고주파 액티브 필터 가상 전압원, (20)은 고주파 PWM 제어 액티브 필터용 변압기(13)의 임피던스를 표시한다.
동일 도면에 있어서, 각각의 전압 EI1, EI2, EAC와 액티브 필터의 출력 전류 IAF사이에는 다음식이 성립된다.
Figure kpo00006
단 L1과 L2는 임피던스(18)과 (20)의 인덕턴스값이다.
여기에서, 액티브 필터에서 발생하는 출력 전류 IAF(고조파 전류)를
Figure kpo00007
로 한다. 단 IN1은 저차 고조파 성분을, 또 IN2는 고차 고조파 성분을 표시한다.
(6),(7)식에서,
Figure kpo00008
로 된다. 여기에서 저주파 및 고주파 액티브 필터 가상 전원 EI1및 EI2를,
Figure kpo00009
Figure kpo00010
로 두는 것에 의해 (8)식을 만족시킬 수 있다.
EI1은 기본파 전압 EAC및 저차 고조파 전압 N1ω(L1+L2)IN1cos(N1ωt)을, 또 EI2는 고차 고조파 전압 N2ωL·IN2·cos(N2ωt)를 출력하면 좋은 것으로 된다.
따라서 저주파 PWM 제어 액티브 필터(12)와 고주파 PWM 제어 액티브 필터(16)의 용량을 각각 VA1, VA2로 하면,
Figure kpo00011
Figure kpo00012
즉 저주파 PWM 제어 액티브 필터(12)는 기본파 용량 및 저차 고조파 용량을 분담하고, 고주파 PWM 제어 액티브 필터(16)은 고차 고조파 용량을 분담하게 된다. 기본파 용량 및 저차 고조파 용량을 분담하는 저주파 PWM 제어 액티브 필터(12)는 고주파수의 제어를 할 필요가 없기 때문에 저주파의 PWM 제어를 충분하고, 스위칭 소자로써 GTO 사이리스터와 같은 중속도 스위칭 소자로 구성하는 것도 가능하다.
또 고차 고조파 용량을 분담하는 고주파 PWM 제어 액티브 필터(16)은 고주파의 PWM 제어를 행할 필요가 있지만, 고차 고조파 용량만을 제어하면 매우 작은 용량의 것으로 끝나고 따라서 스위칭 손실도 작게 할 수 있다.
다음에 제1에 도시한 본 발명의 액티브 필터에 있어서의 제어회로 동작도를 제3도에 도시한다.
제3도에 있어서, (21)은 전원전압을 검출하기 위한 전압 변성기, (22)는 부하전류 IL을 검출하기 위한 전류 변성기(고조파 전류 검출수단), (23)은 검출한 부하 전류 IL의 기본파 성분을 제거하기 위한 기본파 제거필터, (24)는 고차 고조파 성분을 커트하기 위한 저역통과필터(상기 기본파 제거 필터(23) 및 저역통과필터(24)를 저차 고조파 추출수단이라 한다), (25)는 미분회로, (26)은 미분회로(25)의 출력과 전압 변성기(21)의 2차 전압을 가산하기 위한 가산기, (27)은 감산회로, (28)은 저주파 PWM 제어 액티브 필터(12)용 저주파 PWM 회로, (29)는 증폭회로, (30)은 고주파 PWM 제어 액티브 필터(16)용 고주파 PWM회로이다(여기에서 미분회로(25), 가산회로(26), 저주파 PWM회로(28)을 제1의 제어회로라 하고, 감산회로(27), 증폭회로(29), 고주파 PWM회로(30)을 제2의 제어회로라 한다).
다음에 제3도의 제어회로의 동작을 설명한다. 먼저 부하전류 IL을 검출하기 위한 전류 변성기(22)에 의해 검출된 부하전류 신호 ILS를 기본파 제거 필터(23)으로 입력하여 고조파 전류 성분 IH를 추출한다. 기본파 제거 필터(23)은 예를 들면 고역통과필터로 구성되어 있고, 부하전류 IL에 포함되는 고조파 전류성분(기준) IH만을 추출하여 고조파 전류 기준 신호로 한다. 고조파 전류 성분 IH는 저역통과필터(24)로 입력되며, 고조파 전류 기준 신호 IH1중 고차 성분을 커트하여 저차의 고조파 전류 기준 신호 IH1을 출력한다.
다음에 저차의 고조파 전류 기준 신호 IH1은 미분회로(25)로 입력되어 미분 연산한 후 출력
Figure kpo00013
을 출력한다.
또 가산기(26)에 있어서 전압 변성기(21)의 2차측의 전압 신호 E2를 가산하여 제어 신호 M1을 작성하고 있다.
여기에서 A=L1+L2로 선정하면,
Figure kpo00014
이 성립하여 (9)식에 해당하는 제어 신호로 된다.
제어 신호 M1은 피드 포워드 신호로써 작용하여 다음단의 저주파 PWM회로(28)로 입력되고, 제어 신호 M1에 해당하는 PWM신호를 저주파 PWM 제어용 트랜지스터 스위치(10)에 부여하고, 그 결과 저주파 PWM 제어 액티브 필터(12)는
Figure kpo00015
를 출력한다.
한편, 고조파 전류 성분(기준) IH는 감산회로(27)로 입력되어 전류 변성기(31)을 거쳐서 검출한 액티브 필터의 출력 전류 IAF를 귀환 신호로써 전류 편차 ΔI를 구하고 있다.
Figure kpo00016
전류 편차 ΔI는 증폭회로(29)에 있어서, 이득 K배된 후, K·ΔI가 고주파 PWM 제어회로(30)으로 입력되어 K·ΔI에 해당하는 PWM 신호를 고주파 PWM 제어용 트랜지스터 스위치(14)에 부여하고, 그 결과 고주파 PWM 제어 액티브 필터(16)은 K·ΔI에 해당하는 전압 E12를 출력한다.
여기에서 K＞＞1에 설정되는 것에 의해 ΔI=0으로 되어 IH=IAF로 할 수 있고, 그 결과 고주파 PWM 제어 액티브 필터(16)은 (10)식에 해당하는 고주파 액티브 필터 가상 전원 E12
Figure kpo00017
를 출력하게 된다.
제4도는 본 발명의 액티브 필터에 있어서 제어회로의 다른 실시예를 도시하는 회로도이다. 이 경우에는 전압 변성기(21)의 2차측 전압 E2만이 피드 포워드 신호로써 저주파 PWM 제어 액티브 필터(12)로 입력되어 있다.
따라서 이 저주파 PWM 제어 액티브 필터(12)는 EI1=EAC를 출력하여 기본파 용량만을 분담하고 있다.
한편, 고주파 PWM 제어 액티브 필터(16)은 고조파 용량을 분담하고 있고,
Figure kpo00018
을 출력하게 된다.
또 상기 실시예에서는 액티브 필터를 구성하는 PWM 인버터로써 트랜지스터 스위치를 사용한 경우에 대하여 설명했지만, GTO 사이리스터나 다른 반도체 스위치라도 좋고, 또 고주파 PWM 제어 액티브 필터(16)에서는 고주파 스위칭이 가능한 트랜지스터 스위치를, 또 저주파 PWM 제어 액티브 필터(12)에서는 고주파 스위칭은 곤란하지만 대용량화가 가능한 GTO 사이리스터를 저주파 스위칭 영역에서 사용하는 것도 가능하며 상기 실시예와 마찬가지의 효과를 나타낸다.
또 상기 실시예에서는 전압형 액티브 필터인 경우를 기술했지만 전류형 액티브 필터라도 좋다.
이상과 같이 본 발명에 의하면 기본파 용량 및 저차 고조파 용량을 분담하는 저주파 PWM 제어 액티브 필터와 고차 고조파 용량을 분담하는 고주파 PWM 제어 액티브 필터를 서로 직렬로 접속해서 구성하였으므로, 대용량이 필요한 기본파 및 저차 고조파의 저주파 영역에서는 고주파 스위칭이 곤란하지만 대용량화가 용이한 GTO 사이리스터 등의 대용량 스위칭 소자를 사용하여 저주파 스위칭 PWM을 행하는 것에 의해 스위칭 손실이 적고, 또한 대용량 액티브 필터가 실현될 수 있는 것과 동시에, 고주파 스위칭에 필요한 고차 고조파 영역에서는 비교적 소용량의 고주파 스위칭 소자를 사용한 고주파 PWM 제어 액티브 필터에 의해 대처할 수 있으므로 전체로써 스위칭 손실이 적고, 또한 고주파 영역까지 보상 효과가 있는 대용량 액티브 필터가 얻어지는 효과가 있다.

Claims (7)

  1. 교류 전원(1) 및 고조파 전류 발생부하(2)에 병렬로 접속되어 고조파 전류를 보상하는 액티브 필터 장치에 있어서, 상기 교류 전원(1)에 병렬로 접속되어 기기끼리는 서로 직렬 접속된 저주파 PWM 제어 액티브 필터용 변압기(9) 및 고주파 PWM 제어 액티브 필터용 변압기(13), 상기 저주파 PWM 제어 액티브 필터용 변압기(9)의 2차측에 접속되어 기본파 용량 및 저차의 고조파 용량을 제어하는 제1의 액티브 필터(12) 및 상기 고주파 PWM 제어 액티브 필터용 변압기(13)의 2차측에 접속되어 고차의 고조파 용량을 제어하는 제2의 액티브 필터(16)을 구비한 것을 특징으로 하는 액티브 필터 장치.
  2. 특허청구의 범위 제1항에 있어서, 상기 고조파 전류 발생부하(2)에 흐르는 피보상 고조파 전류를 검출하는 고조파 전류 검출수단(22), 상기 검출한 고조파 전류중 비교적 저차의 고조파를 검출하는 저차 고조파 추출수단(23,24), 상기 저차 고조파 출수단에 의해 추출한 저차 고조파 성분의 미분회로(25)를 거친 미분연산 결과 및 전원전압 신호의 합을 피드 포워드 신호로써 상기 제1의 액티브 필터(12)를 제어하는 제1의 제어회로(25,26,28) 및 상기 고조파 전류 검출수단(22)에 의해 검출한 고조파 전류를 제어 기준 신호로 하여 제2의 액티브 필터(16)을 귀환 제어하는 제2의 제어회로(27,29,30)을 구비한 것을 특징으로 하는 액티브 필터 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1의 제어회로(25,26,28)에 있어서 전원전압만을 피드 포워드 신호로 하도록 제어한 것을 특징으로 하는 액티브 필터 장치.
  4. 제2항에 있어서, 상기 고조파 전류 검출수단을 전류 변성기(22)로 구성한 것을 특징으로 하는 액티브 필터 장치.
  5. 제2항에 있어서, 상기 저차 고조파 추출수단을 부하 전류 신호를 입력하는 기본파 제거 필터(23)과 상기 기본파 제거 필터(23)에서 출력된 고조파 전류 성분을 입력으로 하는 저역통과필터(24)로 구성한 것을 특징으로 하는 액티브 필터 장치.
  6. 제2항에 있어서, 상기 제1의 제어회로를 고조파 전류 기준 신호를 입력으로 하는 미분회로(25), 상기 미분회로(25)의 출력과 전압 변성기(21)에서의 출력 신호를 입력으로 하는 가산회로(26) 및 상기 가산회로(26)에서 출력된 제어 신호를 입력으로 하는 저주파 PWM회로(28)로 구성한 것을 특징으로 하는 액티브 필터 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제2의 제어회로를 고조파 전류 성분에서 액티브 필터의 출력 전류를 검출한 전류 변성기(31)의 출력 신호를 감산하는 감산회로(27), 상기 감산회로(27)의 전류 편차를 입력으로 하는 증폭회로(29) 및 상기 증폭회로(29)의 출력을 받아서 동작하여 고조파 PWM 제어 액티브 필터(16)을 제어하는 고주파 PWM 회로(30)으로 구성한 것을 특징으로 하는 액티브 필터 장치.
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