본 논문에서는 고조파 저감을 위해 사용하는 수동필터를 부하의 운전조건에 따라 자동으로 개$.$폐할 수 있는 DSP 기반의 제어시스템을 개발하였다. 수동필터 제어시스템은 부하에서 발생하는 전압, 전류, 고조파, 무효전력, 역률 등을 측정 및 감시하여 수동필터 개ㆍ폐 장치에 신호를 보내어 부하의 운전조건에 따라 필터의 각 분로를 자동으로 개$.$폐하게 된다. 이러한 제어시스템을 100마력 직류전동기구동장치를 사용하는 계통에 수동필터와 함께 설치하고 전동기 운전조건에 따라 수동필터를 개$.$폐시키며 고조파 및 무효전력 등을 측정함으로써 성능을 입증하였다.
본 논문에서는 고조파 저감을 위해 사용하는 수동필터를 부하의 운전조건에 따라 자동으로 개$.$폐할 수 있는 DSP 기반의 제어시스템을 개발하였다. 수동필터 제어시스템은 부하에서 발생하는 전압, 전류, 고조파, 무효전력, 역률 등을 측정 및 감시하여 수동필터 개ㆍ폐 장치에 신호를 보내어 부하의 운전조건에 따라 필터의 각 분로를 자동으로 개$.$폐하게 된다. 이러한 제어시스템을 100마력 직류전동기 구동장치를 사용하는 계통에 수동필터와 함께 설치하고 전동기 운전조건에 따라 수동필터를 개$.$폐시키며 고조파 및 무효전력 등을 측정함으로써 성능을 입증하였다.
In this paper, we developed DSP(Digital Signal Processor)-based control system to automatically open and close passive filter, which is used to reduce harmonics, according to operating condition of loads. Passive filter control system automatically open and close each branch of filter according to w...
In this paper, we developed DSP(Digital Signal Processor)-based control system to automatically open and close passive filter, which is used to reduce harmonics, according to operating condition of loads. Passive filter control system automatically open and close each branch of filter according to working conditions of loads by sending signals to open and close installation of passive filter after measuring and monitoring voltage, current, harmonics, reactive power, power factor and so on. We verified it's performance by connecting control system with passive filter in the power line using the 100HP D.C motor drive, opening and closing passive filter according to operation condition of motor, and measuring harmonics and reactive power, etc.
In this paper, we developed DSP(Digital Signal Processor)-based control system to automatically open and close passive filter, which is used to reduce harmonics, according to operating condition of loads. Passive filter control system automatically open and close each branch of filter according to working conditions of loads by sending signals to open and close installation of passive filter after measuring and monitoring voltage, current, harmonics, reactive power, power factor and so on. We verified it's performance by connecting control system with passive filter in the power line using the 100HP D.C motor drive, opening and closing passive filter according to operation condition of motor, and measuring harmonics and reactive power, etc.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 부하의 운전조건에 따라 전원 측과 부하측의 전압, 전류, 무효전력, 역률, 고조파둥올 감시하여 부하의 운전조건에 따라 수동필터를 개폐할 수 있는 제어시스템을 제안하였다.
본 논문에서는 수동필터의 문제점을 해결할 수 있도록 부하의 운전조건에 따라 수동필터의 각 분로를자동으로 개 . 폐할 수 있는 제어시스템을 제안 및 개발하였고 이를 자동차 방음재 생산을 위해 100마력 직류전동기를 사용하는 계통에 설치하여 시험을 수행하였다.
본 연구에서는 부하 변동시 수동필터 성능 저하등의 문제점을 해결할 수 있는 수동필터 제어시스템올 개발하였다. 또한 필터의 동착상태 및 성능, 제어시스템의 동작상황 등을 사용자가 확인할 수 있도록 전용의 프로그램을 개발하였다.
가설 설정
그림 4와 같이 복수의 고조파 발생부하가 있을 경우 수동필터는 전체 고조파 발생부하를 고려하여 설계 및 제작하였다고 가정하자. 일부 고조파 발생 부하의 정지시 수동필터에 의해 무효전력이 보상되어 계통에 진상역률이 발생하여 선로 전력손실 및 변압기 전력손실이 증대되고 계통전압이 상승할 우려가 있다.
제안 방법
량 계산 등을 하게 된다. 그리고 DSP와 외부 디지털 소자들 사이의 인터페이스를 EPLD(Erasable/ Programmable Logic Device)로 간단하게 처리하였다.
그림 3과 같이 직류전동기 가변속 구동장치를 부하로 사용하고 다수의 일반부하를 사용하는 계통 또는 그림 4와 같이 고조파 발생부하가 복수이고 일반부하를 사용하는 경우를 고려해보자.
여기서 전압 8채널과 전류 10채널의 아날로그 신호를 동시에 A/D 변환하기 위해 conversion start 신호 입력기능이 있는 AC레벨의 아날로그 입력 4채널, Kbit] AZD 컨버터인 Analog Devices 사의 AD7865를 5개 사용하여 A/D 변환부를 설계하였다. 또한 A/D 변환부의 어드레스 및 데이터 버스는 소자의 고장이 발생할 경우 소자 독립고장으로 국한시키기 위해 8[bit] 양방향 버퍼(Buffer) 74F245를 사용하여 DSP와 祯 변환기 사이의 고장발생에 의한 안정성을 확보하였다.
구성하였다. 또한 수용가의 부하 운전상태에 따라 제어기에서 수동필터를 투입하였을 경우 그림 6의 메뉴 아래에 있는 그래프 모양의 버튼을 클릭하면 화면에서 투입되어 있는 필터의 상태와 전압, 전류, 전압 왜형률, 전류 왜형률, 전력(유효, 무효 피상전력) 및 역률 등의 분석된 그래프와 데이터를 확인할 수 있도록 구성하였다.
개발하였다. 또한 필터의 동착상태 및 성능, 제어시스템의 동작상황 등을 사용자가 확인할 수 있도록 전용의 프로그램을 개발하였다. 수동필터 제어시스템은 고조파, 무효전력, 역률 변화 둥에 따라 필터의 각 분로를 자동으로 개 .
본 연구에서 개발한 수동필터 제어시스템을 100 마력 직류전동기 부하에서 필터와 적용하여 시험을 하였다. 시험결과 직류전동기 운전조건이 변하고 무효전력 및 고조파 변화에 따라 필터의 분로를 개 .
본 연구에서 제안한 수동필터 제어시스템은 전압 . 전류를 측정하는 센서와 필터로 구성되는 신호 입력부, 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 AAD 변환부, 연산기능과 주변장치를 제어하는 디지털 신호처리부, 시스템 인터페이스 처리를 수행흐}는 PLD(Programmable Logic Device 序, SRAM (Static RAM) 및 FROM(Hash ROM) 으로 구성되는 메모리부, 시스템의 동작전원을 공급하는 동작 전원부, 수동필터 개 .
본 연구에서 제안한 제어시스템의 현장실험을 위해 수동필터와 같이 100마력 직류전동기 부하와 압출기, ■송풍기 둥의 기타 부하를 사용하는 그림 7과 같이 설치하여 직류전동기 운전조건의 변화에 따라 수동필터의 각 분로를 개 . 폐하도록 구성하였다.
전류 등의 신호를 입력한 후 변환기를 통해 A/D 변환기 입력에 적합한 신호로 변환하고 A/D 변환기에 의해 디지털 신호로 변환된다. 여기서 전압 8채널과 전류 10채널의 아날로그 신호를 동시에 A/D 변환하기 위해 conversion start 신호 입력기능이 있는 AC레벨의 아날로그 입력 4채널, Kbit] AZD 컨버터인 Analog Devices 사의 AD7865를 5개 사용하여 A/D 변환부를 설계하였다. 또한 A/D 변환부의 어드레스 및 데이터 버스는 소자의 고장이 발생할 경우 소자 독립고장으로 국한시키기 위해 8[bit] 양방향 버퍼(Buffer) 74F245를 사용하여 DSP와 祯 변환기 사이의 고장발생에 의한 안정성을 확보하였다.
병렬로 접속하여 메모리 블럭을 구성하였다. 이러한 메모리는 한 개의 소켓에 8 개의 메모리가 들어갈 수 있도록 7개의 72핀 SIMM 소켓을 이용하여 보드에 장착할 수 있도록 설계하였으며, DSP의 프로그램 메모리로 사용하기 위해 AMD사의 FROM 29FO4O을 사용하여 512[kB] 의 메모리를 구성하였다. FROM은 DSP 프로그램을 내장하는 부분으로 DSP 프로그램을 FROM에 넣으면, Ket 신호를 입력한 DSP는 FROM으로부터 프로그램을 입력받아, SRAM에 복사한 후, 프로그램을 실행하여 정상동작 mode로 동작된다.
이렇게 수동필터 제어시스템에 의해 측정되고 분석된 데이터를 하드웨어로부터 전송받아 사용자가 확 .인할 수 있도록 하기 위하여 윈도우 환경에서 동작하는 컴퓨터 프로그램을 볼랜드사의 C++ Builder를 이용하여 개발하였다.
컴퓨터 프로그램의 구성은 그림 6과 같으며 각 차수별 수동필터의 투입상태를 확인할 수 있도록 하였으며, 수용가의 부하측과 전원측 2개소의 측정 포인트로 분류하여 각각의 포인트별 전압, 전류, 전력 등의 파형과 데이터를 확인할 수 있도록 구성하였다. 또한 수용가의 부하 운전상태에 따라 제어기에서 수동필터를 투입하였을 경우 그림 6의 메뉴 아래에 있는 그래프 모양의 버튼을 클릭하면 화면에서 투입되어 있는 필터의 상태와 전압, 전류, 전압 왜형률, 전류 왜형률, 전력(유효, 무효 피상전력) 및 역률 등의 분석된 그래프와 데이터를 확인할 수 있도록 구성하였다.
폐 스위칭올 위해 무접점 릴레이(Solid State Relay : SSR)를 사용하여 수동필터 제어시스템에서 출력된 신호에 의해 수동필터 각 분로의 개 . 폐 동작을 수행하도록 하였다. 이러한 수동필터설계 및 제작사양올 표 1에 나타내었다.
수동필터는 3차, 5차, 7차의 동조 필터와 하이패스 필터(11차 이상)으로 구성되며 각 차수별 개 . 폐 스위칭올 위해 무접점 릴레이(Solid State Relay : SSR)를 사용하여 수동필터 제어시스템에서 출력된 신호에 의해 수동필터 각 분로의 개 . 폐 동작을 수행하도록 하였다.
개 . 폐할 수 있는 제어시스템을 제안 및 개발하였고 이를 자동차 방음재 생산을 위해 100마력 직류전동기를 사용하는 계통에 설치하여 시험을 수행하였다.
대상 데이터
본 연구에서 제안한 수동필터 제어시스템의 시험을 위해 필요한 수동필터(용량 : 약 27[kVAR])를 설계 및 제작하였다. 수동필터는 3차, 5차, 7차의 동조 필터와 하이패스 필터(11차 이상)으로 구성되며 각 차수별 개 .
성능/효과
그림 9는 전원측 전류크기변화를 나타낸 것으로 그림 9(a)에서 필터를 설치하지 않았을 경우 전동기가 운전하지 않올 때는 전류가 흐르지 않다가 전동기가 운전시 대략 4어A]정도가- 됨을 알 수 있다. 그림 9(b)와 같이 부하의 운전조건과 상관없이 계속적으로 필터가 투입되어 있올 경우에는 전동기 운전시 필터에 의한 고조파 저감으로 인해 실효치 전류가 전원측에 KXA] 수준으로 감소하였으나 전동기 정지시에는 필터가 계속 투입되어 있어 필터 임피던스로 인해 무효전류가 40CA]정도 발생하는 것을 알 수 있다. 그림 9(c)는 직류전동기가 운전시에 수동필터를 투입하고 직류전동기가 정지모드로 일정한 시간(본연구에서는 업체의 운전패턴에 따라 5분정도)이 유지되면 그에 따라 수동필터 제어시스템에 의해 자동으로 수동필터를 개방시킨다.
그림 10(c)는 제어시스템을 설치하여 전동기 운전조건에 따라 필터를 개 . 폐시켰올 때의 결과로써 전동기운 전시에는 필터를 투입시켜 무효전력올 보상해 주어 전체적으로 역률을 개선시키고 전동기 정지시 필터를 개방시켜 무효전력의 공급을 억제시켜 무효전력의 과보상을 막아주고 있음을 알 수 있다.
후속연구
따라서 능동필터에 비해 가격이 저렴하고 구조가 단순한 수동필터의 문제점을 해결하여 고조파 억제대책으로 수동필터를 사용할 수 있도록 한다면 고조파에 의한 피해를 줄일 수 있을 것이다
폐함으로써 전동기 정지시 수동필터를 개방시켜 무효전류 발생올 억제시키고 이에 따른 무효전력 과보상 문제도 해결할 수 있었다. 또한 실제 실험계통에서 발생하지 않았지만 계통과의 공진 발생시나 필터고장시 자동으로 필터를 개방시킬 수 있고 본 연구에서 실제 시험하지 않았지만 다수의 고조파 발생 부하가 사용되고 있거나 다수의 필터가 설치되어 있는 경우에도 적용이 가능하리라 예상된다.
참고문헌 (7)
J. Arrillaga., D. A. Bradley., “Power System Harmonics”
E. J. Borrebach, “The Effect of Arc Furnace Loads on
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