(19)대한민국특허청(KR)
(12) 등록특허공보(B1)
(51) 。Int. Cl.7
H02J 3/01
(45) 공고일자
(11) 등록번호
(24) 등록일자
2005년06월08일
10-0493987
2005년05월30일
(21) 출원번호 10-2004-0075346 (65) 공개번호
(22) 출원일자 2004년09월21일 (43) 공개일자
(73) 특허권자 전력품질기술주식회사
경기도 수원시 팔달구 인계동 1017번지 경기벤처빌딩 수원센터 1007호
(72) 발명자 박병주
경기도 수원시 장안구 조원동 한일타운 132동 101호
윤동철
경기도 용인시 풍덕천2동 공무원아파트 706동 1003호
심사관 : 서진원
(54) 개선된 영상분 고조파 필터
요약
본 발명은 영상분 고조파 전류를 저감시키는 영상분 고조파 필터에 대한 것으로서, 특히 3상 4선식 전력변환 시스템에서
발생되는 계통의 영상분 고조파 전류를 효율적으로 감쇄시킴은 물론 중성선에 흐르는 상 불평형에 의한 기본파 전류도 저
감할 수 있는 영상분 차단 리액터를 이용한 필터에 대한 것으로서, 3상 4선식 전력 시스템에서 단상 비선형 부하의 구동시
발생하는 영상분 고조파 전류를 저감하기 위한 영상분 고조파 필터에 있어서, 3상 4선식 교류전원과 영상분 고조파 전류
를 발생시키는 단상부하 사이에 직렬로 연결되는, 3상 교류 전원의 정상분과 역상분 에 대한 임피던스는 작고, 영상분에
대한 임피던스가 크도록 세개의 레그를 가진 철심 중에 가운데 레그에 3상의 코일을 동일한 권선수로 감은 영상분 차단 리
액터와 상기 영상분 차단 리액터와 부하 사이에 병렬로 연결되는 제 3차 고조파 LC 동조필터 또는 지그-재그 변압기등의
영상분 고조파 필터를 구비한 것을 특징으로 한다.
대표도
도 2
색인어
영상분전류, 차단리액터, 중성선, 필터, 고조파전류
명세서
도면의 간단한 설명
도 1은 기존의 영상분 고조파 저감장치를 나타낸 도이다.
도 2는 본 발명에 의한 영상분 차단 리액터를 나타낸 도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 영상분 차단 리액터와, LC필터를 결합한 영상분 고조파 필터의 결선 예시도
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 영상분 차단 리액터와, 지그-재그 변압기를 결합한 영상분 고조파 필터의 결선 예시도
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 영상분 차단 리액터와, 커패시터와 지그-재그 변압기와의 공진을 이용하여 임피던스를
더욱 낮춘 영상분 고조파 필터의 결선 예시도
등록특허 10-0493987
- 1 -
도 6은 영상분 고조파 필터를 사용하지 않았을 때 단상 비선형 부하에 의하여 중성선에 흐르는 영상분 고조파 전류 파형
이다.
도 7은 라인 리액터와 LC필터를 이용한 영상분 고조파 필터를 사용하였을 때의 중성선에 흐르는 영상분 고조파 전류 파
형이다.
도 8은 영상분 차단 리액터와 LC필터를 이용한 영상분 고조파 필터를 사용하였을 때의 중성선에 흐르는 영상분 고조파
전류 파형이다.
도 9는 라인 리액터와 지그-재그 변압기를 이용한 영상분 고조파 필터를 사용하였을 때의 중성선에 흐르는 영상분 고조
파 전류 파형이다.
도 10은 영상분 차단 리액터와 지그-재그 변압기를 이용한 영상분 고조파 필터를 사용하였을 때의 중성선에 흐르는 영상
분 고조파 전류 파형이다.
발명의 상세한 설명
발명의 목적
발명이 속하는 기술 및 그 분야의 종래기술
본 발명은 3상 4선식 전원 계통에서 단상 비선형 부하를 사용할 때 발생하는 영상분 고조파 전류를 효과적으로 차단할 수
있는 영상분 차단 리액터를 이용한 개선된 영상분 고조파 필터에 관한 것으로써, 특히, 본 발명의 영상분 차단 리액터를 이
용하면, 기존의 영상분 고조파 필터의 영상분 고조파 전류 저감율보다 최고 160%의 개선효과가 있다.
최근의 전자 제품의 급속한 사용증가는 전력라인에서 영상분 고조파 전류의 발생을 증가시키고 있고, 이러한 영상분 고
조파 전류는 상전류보다 큰 전류로서 중성선을 통해 흐르면 케이블은 정격 이상의 전류가 흐르게 되므로 과열되어 화재발
생의 원인을 제공하기도 하고, 변압기 과열소손, 발전기 출력저하, 역률저하, 전력손실 증가, 유도장해, 중성선 대지전위
상승 등 심각한 장해를 일으키고 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 기존에는 제 3차 고조파 LC 동조필터를 사용하거나, 영상분 고조파 저감용 지그-재그
변압기등을 사용하여 영상분 고조파 전류를 저감하였다.
그러나 제 3차 고조파 LC 동조필터는 계통과의 공진현상 문제가 있으며, 지그-재그 변압기는 계통의 임피던스가 지그-
재그 변압기의 임피던스보다 작으면, 영상분 고조파 전류의 저감 효과가 떨어진다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 영상분 임피던스가 낮은 지그-재그 변압기를 부하와 전원 계통의 중성선 사이에 연결하
여 영상분 고조파를 저감시키는 기술 (미국 특허등록번호(USP) 5576942)이 공개되어있고, 도1에 도시한 바와 같이 전력
라인에서의 고조파 필터 (국내 특허등록번호 10-0364513)가 공개되어 있다.
그러나 미국의 선행기술(미국 특허등록번호(USP) 5576942)은 중성선에 단상의 라인 리액터를 직렬로 연결하였기 때문
에 영상분 고조파 성분에 의하여 리액터 소자가 과열되고, 그로인해 중성선이 단선될 위험이 있다.
그리고 국내의 선행기술(국내 특허등록번호 10-0364513)은 전원과 부하사이에 직렬로 라인 리액터를 연결하여 계통의
임피던스를 높여서 지그-재그 변압기로 영상분 고조파 전류의 유입이 원활하게 하였으나, 라인 리액터의 전류용량이 커서
가격이 비싸고, 영상분 고조파 전류의 저감율을 높이기 위해 라인 리액터의 임피던스를 높이면 라인 리액터의 영상분에 대
한 임피던스 뿐만아니라 정상분 및 역상분에 대한 임피던스 또한 상승하여 라인 리액터의 발열이 심하며, 계통에 전압강하
현상이 발생하며, 라인 리액터에 의한 전력손실이 발생한다
발명이 이루고자 하는 기술적 과제
도 2에 도시한 바와 같이 본 발명의 영상분 차단 리액터는 세개의 레그를 가진 철심 중에 가운데 레그에 3상의 코일을 동
일한 권선수로 감은 리액터로써 자체 리액턴스(ZS)와 상호 리액턴스(ZM)에 의하여 영상분 고조파에 대한 임피던스(Z0 )는
증가하고, 정상분(ZP)과 역상분 고조파(ZN)에 대해서는 감소된다.
라인 리액터가 영상분, 정상분 및 역상분에 대한 임피던스가 동일하다면, 영상분 차단 리액터는 영상분 임피던스는 자체
리액턴스에 2배의 순환 리액턴스가 가산되어 증가하고, 정상분 및 역상분 임피던스는 자체 리액턴스에 순환 리액턴스가
감산되어 감소한다.
다음 식 1은 영상분, 정상분 및 역상분에 대한 영상분 차단 리액터의 임피던스 계산식이다.
Z0 = ZS 2ZM
ZP = ZS - ZM (식 1)
등록특허 10-0493987
- 2 -
ZN = ZS - ZM
본 발명은 계통의 영상분 고조파에 대한 임피던스는 높고, 정상분과 역상분에 대한 임피던스는 작은 영상분 차단 리액터
를 계통과 부하사이에 직렬로 연결하고, 상기 영상분 차단 리액터와 부하사이에 제 3차 고조파 LC 동조필터를 병렬로 연
결하여 제 3차 고조파 전류를 저감할 때는 상기 영상분 차단 리액터에 의하여 계통과의 공진현상을 예방하고 제 3차 고조
파 전류의 필터 유입을 원활하게 하며,
또는, 영상분 차단 리액터를 3상 4선식 전원 계통과 부하사이에 직렬로 연결하고, 상기 영상분 차단 리액터와 부하사이에
지그-재그 변압기를 병렬로 연결하여 영상분 전류를 저감할 때는 상기 영상분 차단 리액터에 의하여 제 3차 고조파 전류
의 필터 유입이 원활하게 되며, 정상 및 역상 임피던스가 최소화 되므로 3상 4선식 전원계통과 부하사이에 직렬로 라인 리
액터를 설치할 경우 발생할수 있는 전압강하 현상을 최소화 하면서, 아울러 발열량과 자체 손실 또한 적게 된다.
라인 리액터를 설치할 경우 발생되는 전압강하율은 5~6%이며, 영상분 차단 리액터를 설치할 경우 전압강하율은 0~1%
정도이다.
발명의 구성 및 작용
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른 개선된 영상분 고조파 필터는,
3상 4선식의 변압기(12)를 통해서 인가되는 전원으로 각각의 A, B, C상과 N상(42)을 연결하여 단상 비선형 부하(13)를
구동하는 시스템에서 발생되는 영상분 고조파 전류를 저감시키는 장치에 있어서,
도 3에 도시한 바와 같이, 세개의 레그를 가진 철심 중에 가운데 레그에 3상의 코일을 동일한 권선수로 감은 영상분 차단
리액터(22)를, 3상 4선식의 변압기(12)를 이용하는 전원계통과 상기의 변압기에서 전원을 공급받아 구동되는 단상 비선형
부하(13) 사이에 직렬로 연결하고, 상기의 직렬로 연결한 영상분 차단 리액터(22)와 단상 비선형 부하(13) 사이에 병렬로
제 3차 고조파 전류 LC동조필터(32)를 연결하고, 제 3차 고조파 전류 LC동조필터에서 Y결선되어 있는 단상 콘덴서의 중
성점(43)과 3상 4선식 전원계통의 중성선(42)을 병렬로 연결하여 계통으로 유입되는 영상분 고조파 전류를 저감시키는 방
법과,
도 4에 도시한 바와 같이, 세개의 레그를 가진 철심 중에 가운데 레그에 3상의 코일을 동일한 권선수로 감은 영상분 차단
리액터(22)를, 3상 4선식의 변압기(12)를 이용하는 전원계통과 상기의 변압기에서 전원을 공급받아 구동되는 단상 비선형
부하(13) 사이에 직렬로 연결하고, 상기의 직렬로 연결된 영상분 차단변압기(22)와 단상 비선형 부하(13) 사이에 병렬로
연결된 3상의 지그-재그 변압기(31)와 상기 지그-재그 변압기(31)의 중성선(43)과, 계통의 중성선(42)을 병렬로 연결하
여 계통으로 유입되는 영상분 고조파 전류를 저감시키는 방법과,
도 5에 도시한 바와 같이, 세개의 레그를 가진 철심 중에 가운데 레그에 3상의 코일을 동일한 권선수로 감은 영상분 차단
리액터(22)를, 3상 4선식의 변압기(12)를 이용하는 전원계통과 상기의 변압기에서 전원을 공급받아 구동되는 단상 비선형
부하(13) 사이에 직렬로 연결하고, 상기의 직렬로 연결된 영상분 차단변압기(22)와 단상 비선형 부하(13) 사이에 병렬로
각상에 연결된 단상의 콘덴서(33)와, 상기의 단상 콘덴서(33)와 직렬로 연결된 3상의 지그-재그 변압기(31)와, 상기 지그
-재그 변압기의 중성선(43)과 계통의 중성선(42)과는 병렬로 연결되어 계통으로 유입되는 영상분 고조파 전류를 저감시
키는 방법이 있다.
발명의 효과
상술한 바와 같이 본 발명은 영상분 고조파 전류의 저감 효율을 증진시키기 위해서 계통에 설치해 오던 리액터 소자를 정
상분과 역상분의 임피던스는 낮고 영상분 임피던스만 높이는 영상분 차단 리액터를 사용함으로써 영상분 고조파 전류의
저감율을 증진시킴은 물론 상 불평형에 의해 중성선에 흐르는 상 불평형 전류의 저감율도 기존의 라인 리액터보다 뛰어나
중성선에 흐르는 전류를 저감시키는데 효과가 있다.
발명의 효과에 대하여 자세히 알아보기 위하여 실시한 시뮬레이션 결과를 표 1에 나타내었다.
표 1.
도 6 도 7 도 8 도 9 도 10
설치예
필터
없을때
라인 L
LC Filter
영상분
차단 L
LC Filter
라인 L
Z-Z Tr
영상분
차단 L
Z-Z Tr
N상
전류[A]
158.46 49.47 18.38 26.37 13.48
도 6은 고조파 필터를 설치하지 않은 3상 4선식 계통의 중성선에 흐르는 전류파형이다.
등록특허 10-0493987
- 3 -
도 7는 3상 4선식 계통에 직렬로 라인 리액터를 연결하고, 라인 리액터와 단상 비선형 부하 사이에 병렬로 제 3차 고조파
전류 LC동조필터를 설치하였을 때의 3상 4선식 계통의 중성선에 흐르는 전류파형이다.
도 8은 3상 4선식 계통에 직렬로 영상분 차단 리액터를 연결하고 상기 영상분 차단 리액터와 단상 비선형 부하 사이에 병
렬로 제 3차 고조파 전류 LC동조필터를 설치하였을 때의 3상 4선식 계통의 중성선에 흐르는 전류파형이다.
도 9은 3상 4선식 계통에 직렬로 라인 리액터를 연결하고, 라인 리액터와 단산 비선형 부하 사이에 병렬로 지그-재그 변
압기를 설치하였을 때의 3상 4선식 계통의 중성선에 흐르는 전류파형이다.
도 10는 3상 4선식 계통에 직렬로 영상분 차단 리액터를 연결하고, 병렬로 지그-재그 변압기를 설치하였을 때의 3상 4선
식 계통의 중성선에 흐르는 전류파형이다.
(57) 청구의 범위
청구항 1.
개선된 영상분 고조파 필터에 있어서,
부하에 전원을 공급하기 위한 3상 4선식 결선을 가지는 전원 계통과,
상기 전원의 3상의 각 상선들 각각과 부하 3상의 각 상선들 각각의 사이에 직렬로 연결되는 세개의 레그를 가진 철심 중
에 가운데 레그에 3상의 코일을 동일한 권선수로 감아 자체 리액턴스와 순환 리액턴스에 의하여 3, 6, 9와 같은 (3n, n=0,
1, 2, ...)의 배수인 영상분에 대한 임피던스를 높여 계통으로의 영상분 고조파 전류의 유입을 막고, 1, 4, 7과 같은 (3n 1)
의 배수인 정상분 전류 및 2, 5, 8과 같은 (3n 2)의 배수인 역상분 전류에 대한 임피던스를 낮게 하여 계통으로 흐르는 것
을 원활히하는 영상분 차단 리액터를 사용하는 것을 특징으로 하는 개선된 영상분 고조파 필터.
청구항 2.
삭제
청구항 3.
개선된 영상분 고조파 필터에 있어서,
부하에 전원을 공급하기 위한 3상 4선식 결선을 가지는 전원 계통과,
상기 전원의 3상의 각 상선들 각각과 부하 3상의 각 상선들 각각의 사이에 직렬로 연결되는 세개의 레그를 가진 철심 중
에 가운데 레그에 3상의 코일을 동일한 권선수로 감아 자체 리액턴스와 순환 리액턴스에 의하여 3, 6, 9와 같은 (3n, n=0,
1, 2, ...)의 배수인 영상분에 대한 임피던스를 높여 계통으로의 영상분 고조파 전류의 유입을 막고, 1, 4, 7과 같은 (3n 1)
의 배수인 정상분 전류 및 2, 5, 8과 같은 (3n 2)의 배수인 역상분 전류에 대한 임피던스를 낮게 하여 계통으로 흐르는 것
을 원활히하는 영상분 차단 리액터와,
상기 영상분 차단 리액터와 부하 사이의 각 상선과 중성선에 병렬로 연결되는 지그-재그 변압기를 포함한 개선된 영상분
고조파 필터.
도면
등록특허 10-0493987
- 4 -
도면1
도면2
도면3
등록특허 10-0493987
- 5 -
도면4
도면5
등록특허 10-0493987
- 6 -
도면6
도면7
등록특허 10-0493987
- 7 -
도면8
도면9
등록특허 10-0493987
- 8 -
도면10
등록특허 10-0493987
- 9 -
카테고리 없음