콘센트 접속형 전원라인 노이즈 저감장치{noise reduction device for power line insert outlet}

본 발명은 전원라인 노이즈 저감장치에 관한 것으로, 특히 가정이나 사무실에서 흔히 사용하는 상용전원 라인의 노이즈를 저감하여 전력요금을 줄일 수 있는 콘센트 접속형 노이즈 저감장치에 관한 것이다.

일반적으로 각종 전자, 전기 제품의 내부에는 교류전원을 입력받아 동작되며, 이때 교류전원의 불안정이나 회로적인 불안정 등의 각종 원인으로 인한 노이즈(전자파포함) 영향에 의해 불필한 전력소모가 발생되고, 전자, 전기제품의 수명을 단축시킨다. 이러한 노이즈의 원인이 되는 것은 크게 세가지로 분류된다. 첫째 본원노이즈(intrinsic noise source)로서 물리적인 시스템 자체의 속성때문에 발생하는 열 잡은(thermal noise) 또는 샷노이즈(shot noise) 등이 있다. 둘째 인공노이즈(man-made noise)가 있는데, 모터, 스위치, 디지털 기기, 안테나 등 인간이 만든 장치로부터 발생되는 노이즈를 일컫는다. 세번째 자연적인 노이즈로 예를 들어 낙뢰, 태양흑점에 의한 노이즈 등이 여기에 속한다. 발생원인이 무엇이든 노이즈는 전기 및 전자기기에 바람직하지 않은 영향을 끼치는데 현실적으로 이를 완전하게 제거시키는 것은 불가능하다. 다만 전자기기의 본래의 기능에 지장이 없는 정도까지 감소시키는 것이 최선의 방법으로 알려져 있다.

한편 전기 및 전자기기에서 발생하는 전자파 노이즈를 그 형태별로 분류한다면, 전원선을 통해서 외부로 나가는 전도노이즈(Conducted noise)와 전자파의 형태로 공중으로 방사되는 방사노이즈(Radiated noise)가 있다. 노이즈가 있는 환경을 통과하는 도전체는 스스로가 노이즈의 영향을 받게 되는 한편 다른 부분으로 노이즈를 전달한다. 또한 전하가 움직이는 곳에서는 언제나 전자파(Electromagnetic wave)가 발생 되는데, 이 전자파가 다른 회로에 영향을 미치는 주요한 노이즈의 원인이 된다. 발생된 노이즈가 어떤 형태로 전기 및 전자기기에 악영향을 끼치는 것을 전자파 장해라고 하며, 각 나라마다 나름대로 기준을 설정하여 전자파 장해와 관련한 규제를 하고 있고 국제적으로 일정한 기준이 마련되어 있어 이 규제치를 만족하지 못하면 제품을 만들어 판매하기 어렵다. 일반적으로 방사노이즈는 적절한 접지와 차폐기술을 적용하면 어느정도 용이하게 저감시키는 것이 가능하나, 전도노이즈는 제거하기가 어려울 뿐만 아니라 뚜렷한 대책을 세우기도 용이하지 않아서 제품 개발에 있어서 가장 많은 시간과 노력을 소비하고 있다.

이러한 전도 노이즈는 불필요한 전력소모의 원인이 되어 동력용 모터 및 드리이브시스템과 고조파 발생원인이 되고 있는 비선형 부하의 전력소모를 줄여 전력요금을 줄이기 위한 기술이 요구되고 있다.

본 발명의 목적은 가정이나 사무실 등에서 전원라인에 포함된 노이즈를 저감하여 전력요금을 절감할 수 있는 콘센트 접속형 전원라인 노이즈 저감장치를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 비선형 전력시스템에 연결된 유도성 부하의 리액티브 전류를 보정하고, 역률개선을 통해 고조파 공진선로전압의 불균형 및 텔타결선 솔실을 줄여 전력에너지 비용을 절감할 수 있는 콘센트 접속형 전원라인 노이즈 저감장치를 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전원라인 노이즈 저감장치는, 상용교류전원을 공급하기 위해 벽에 설치되는 콘센트에 접속되어 상용교류전원(AC)을 전원단자(P1, P2)로 각각 입력하는 전원입력부와, 상기 전원입력부의 전원단자(P1, P2)에 각각 연결되어 전원공급 통로를 갖는 전원라인(L1, L2)와, 상기 전원라인(L1)에 연결되어 상용교류전원을 온오프하여 리셋시키는 리셋스위치와, 상기 리셋스위치가 온될 시 외부에서 서지 노이즈 등으로 인한 정격전압 이상의 과도한 전압이 회로에 들어가지 못하도록 하는 차단하는 바리스터와, 상기 전원라인(L1, L2)의 양단에 저항 및 캐패시터가 각각 병렬 접속되어 상용교류전원의 고조파 발생을 억제하기 위해 필터링하는 고조파 필터부와, 상기 고조파 필터부에 의해 고조파가 필터링된 전원을 외부의 전자기기 로 공급하기 위해 전자기기의 플러그가 접속되는 전자기기 전원연결부와, 상기 전원라인(L1, L2)의 양단에 설치되어 상용교류전원의 고조파 필터링상태를 표시하는 발광램프를 포함함을 특징으로 한다.

본 발명은, 가정이나 사무실에서 흔히 사용하는 상용전원의 콘센트에 설치하여 전원라인의 노이즈를 저감하여 역률개선 및 고조파를 함유하는 비선형부하의 리액티브전류를 보정하여 전력요금을 절감할 수 있는 이점이 있다.

본 발명은 역률개선을 통한 전류치, KVA, KVAR 감소와 고조파공진, 선로전압의 불균형 및 델타결선 손실을 줄일 수 있는 이점이 있다.

본 발명은 설비의 역률을 개선하여 선전류를 감소시켜 과열 선로 및 패널의 냉각효과를 제공하고 모터 및 유도성 기기의 수명을 연장하여 배전손실을 감소시켜 전력시스템의 용량을 증진시킬 수 있는 효과가 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명에 따른 전원라인의 노이즈 저감장치를 나타낸 블록도로서,

상용교류전원을 공급하기 위해 벽에 설치되는 콘센트에 접속되어 상용교류전원(AC)을 전원단자(P1, P2)로 각각 입력하는 전원입력부(10)와, 상기 전원입력부(10)의 전원단자(P1, P2)에 각각 연결되어 전원공급 통로를 갖는 전원라인(L1, L2)와, 상기 전원라인(L1)에 연결되어 상용교류전원을 온오프하여 리셋시키는 리셋스위치(12)와, 상기 리셋스위치(12)가 온될 시 외부에서 서지 노이즈 등으로 인한 정격전압 이상의 과도한 전압이 회로에 들어가지 못하도록 하는 차단하는 바리스터(14)와, 상기 전원라인(L1, L2)의 양단에 저항(16) 및 캐패시터(18)가 각각 병렬 접속되어 상용교류전원의 고조파 발생을 억제하기 위해 필터링하는 고조파 필터 부(20)와, 상기 전원라인(L1, L2)의 양단에 설치되어 상용교류전원의 고조파 필터링상태를 표시하는 발광램프(22)와, 상기 고조� �� 필터부(20)에 의해 고조파가 필터링된 전원을 외부의 전자기기로 공급하기 위해 전자기기의 플러그가 접속되는 전자기기 전원연결부(24)로 구성되어 있다.

도 2a는 도 1의 전원라인의 노이즈 저감장치를 모터에 적용하였을 경우 리셋스위치(12)를 오프시켜 고조파가 발생된 상태를 오실로스코프로 테스트한 상용교류전원의 파형도이고,

도 2b는 도 1의 전원라인의 노이즈 저감장치를 모터에 적용하였을 경우 리셋스위치(12)를 온시켜 고조파가 저감된 상태를 오실로스코프로 테스트한 상용교류전원의 파형도이며,

도 3a는 도 1의 전원라인의 노이즈 저감장치를 선풍기에 적용하였을 경우 리셋스위치(12)를 오프시켜 고조파가 발생된 상태의 오실로스코프로 테스트한 상용교류전원의 파형도이고,

도 3b는 도 1의 전원라인의 노이즈 저감장치를 선풍기에 적용하였을 경우 리셋스위치(12)를 온시켜 고조파가 발생된 상태의 오실로스코프로 테스트한 상용교류전원의 파형도이다.

상술한 도 1 내지 도 3b를 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시 예의 동작을 상세히 설명한다.

콘센트는 가정이나 사무실의 벽면에 설치되어 있으며, 본 발명이 적용되는 전원입력부(10)의 전원단자(P1, P2)를 콘센트에 꼽게 된다. 리셋스위치(12)는 상 기 전원라인(L1)에 연결되어 사용자의 수동조작에 따라 상용교류전원을 온 또는 오프한다. 그리고 바리스터(14)는 상기 리셋스위치(12)가 온될 시 외부에서 서지 노이즈 등으로 인한 정격전압 이상의 과도한 전압이 회로에 들어가지 못하도록 하는 차단한다. 전자기기 전원연결부(24)는 전자기기의 플러그가 접속되며, 전자기기가 저항성 부하의 경우에는 상용교류전원에 연결하여도 전압, 전류 위상차가 없지만 전자기기가 유도성인 용량성부하의 경우에는 전압과 전류의 위상이 서로 어긋나는데, 이 위상이 어긋나는 정도를 역률이라한다. 유도성 부하인 경우 전압의 위상보다 전류의 위상보다 앞서게 되고, 용량성 부하인 경우 전류의 위상보다 전압의 위상이 앞서게 된다.

일반적으로 역률이 나빠지는 경우는 모터를 사용할 때가 대부분이며, 모터는 코일이 감겨져 있는 유도성 부하인데, 이 경우 전류가 앞서기 때문에 이와 반대 특성을 가진 용량성부하(캐패시터)를 붙여줌으로써 전압, 전류위상을 맞추어 역률을 개선하게 된다. 따라서 저항(16) 및 캐패시터(18)로 이루어진 필터부(20)에서는 전자기기가 모터일 경우 발생되는 고조파 성분을 필터링하여 무효전류(Reactive Current) 및 일그러진 전류(Distorition Current)를 보정한다. 모터 등 유도성 부하의 자화전류에 해당하는 무효전력(Reactive Power)이 저항(16) 및 캐패시터(18)에 의해 선전류(Line Current)가 대폭적으로 감소하게 된다. 상기 캐패시터(18)은 비활성 기체로 충전되어 있는 MKP타입 건식금속박막의 폴리프로필렌 기술을 이용하여 저 손실 유전체로서 전압파괴 시 자체 복구형(Self-healing)의 특수구조로 형성되어 있다. 또한 상기 패캐시터(18)는 고유한 방전기술을 채택하여 전압 차단 시 규정된 시간 이내에 제로 전압까지 완전히 방전되며, 이런 고속방전은 단순한 역률보정 캐시시터에 의해서 발생되는 전형적인 순시 과전압이 발생되지 않도록 하여 부하의 싸이클링(Cycling)이 가능하게 된다. 필터부(20)에 의한 리액티브 전류는 계통상의 전체적인 선전류를 줄이고 근접효과, 표피효과 등의 요인으로 인한 손실을 줄여 전체 유효전력이 감소되도록 한다. 상기 필터부(20)는 RFI와 EMI 방사율 등 관련된 모든 국제기준을 완벽히 따르며 UL과 CSA기준을 갖춘 소자를 사용하였다.

저항(16) 및 캐패시터(18)로 이루어진 필터부(20)는 전자기기 전원연결부(24)에 유도전동기가 연결되는 경우 전압, 전류의 위상각을 일치시켜 역률(Power Factor)을 개선하고 유도전동기에 필요한 자화전류를 공급하여 선 전류소모를 감소시켜 전압강하도 감소시키게 되므로 전력소모를 줄여 전기료를 절감할 수 있다. 이때 전압이 다소 상승되고 다시 전류치가 더 낮아지는 사이클 반전효과로 전원라인(L1, L2)의 선로손실이 감소되고 모터코일의 열손실 감소로 모터의 수명이 연장되고 전력시스템 용량증진으로 실질적인 에너지 비용절감 효과를 제공한다.

가정이나 사무실의 벽에 설치된 콘센트에 모터를 연결하여 구동시키고 오실로스코프로 상용교류전원의 파형도를 계측한 결과 도 2a와 같이 나타나며, 입력전압 226V, 입력전류 1.92A, 소비전력 108.5W, 역률 24.9%의 결과가 나타나는 것을 확인하였다.

그러나 본 발명의 전원라인의 노이즈 저감장치를 적용한 경우 전원리셋스위치(12)를 온시킨 상태에서 전자기기 전원연결부(24)에 모터를 연결하고 오실로스코 프로 상용교류전원의 파형도를 계측결과 도 2b와 같이 나타나며, 입력전압 226V, 입력전류 1.11A, 소비전력 108W, 역률 43%의 결과가 나타는 것을 확인하였다.

또한 가정이나 사무실의 벽에 설치된 콘센트에 선풍기를 연결하여 구동시키고 오실로스코프로 상용교류전원의 파형도를 계측한 결과 도 3a와 같이 나타나며, 입력전압 224V, 입력전류 1.45A, 소비전력 295W, 역률 86.7%의 결과가 나타나는 것을 확인하였다.

그러나 본 발명의 전원라인의 노이즈 저감장치를 적용한 경우 전원리셋스위치(12)를 온시킨 상태에서 전자기기 전원연결부(24)에 선풍기를 연결하고 오실로스코프로 상용교류전원의 파형도를 계측결과 도 3b와 같이 나타나며, 입력전압 224V, 입력전류 1.35A, 소비전력 288W, 역률 97.7%의 결과가 나타는 것을 확인하였다.

상술한 바와 같이 바리스터(14)를 사용하여 정격전압 이상의 과전압이 걸리 경우 이를 차단하고 필터부(10)를 통해 역률개선 및 고조파를 억제하여 전력소모 및 전력요금을 절감할 수 있다. 전력소모 절감은 부하의 종류에 따라 하기 표 1과 같이 절감할 수 있다.

[표 1]

한편 리셋스위치(12)를 온시키면 상용교류전원(AC)이 발광램프(22)로 인가되어 발광램프(12)가 점등된다. 발광램프(12)가 점등되면 본 발명의 전원라인 노이즈 저감장치가 동작하고 있는 상태를 식별할 수 있도록 표시한다. 그러나 리셋스위치(12)가 오프되면 상용교류전원(AC)이 차단되어 발광램프(12)가 소등된다. 발광램프(12)가 소등되면 본 발명이 전원라인 노이즈 저감장치가 동작하고 있지 않은 상태를 식별할 수 있도록 표시한다. 상기 발광램프(22)는 예컨대 발광다이오드를 사용할 수 있다.

본 발명은 전자기기의 전원단자(22)에 모터 등과 같은 유도성 부하의 역률을 개선하고 선전류를 감소시키므로 유도성부하의 열손실을 줄여 모터와 같은 유도성 부하의 수명을 증진할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 콘센트 접속형 전원라인 노이즈 저감장치의 회로도

도 2a는 도 1의 전원라인의 노이즈 저감장치를 모터에 적용하였을 경우 리셋스위치(12)를 오프시켜 고조파가 발생된 상태를 오실로스코프로 테스트한 상용교류전원의 파형도

도 2b는 도 1의 전원라인의 노이즈 저감장치를 모터에 적용하였을 경우 리셋스위치(12)를 온시켜 고조파가 저감된 상태를 오실로스코프로 테스트한 상용교류전원의 파형도

도 3a는 도 1의 전원라인의 노이즈 저감장치를 선풍기에 적용하였을 경우 리셋스위치(12)를 오프시켜 고조파가 발생된 상태의 오실로스코프로 테스트한 상용교류전원의 파형도

도 3b는 도 1의 전원라인의 노이즈 저감장치를 선풍기에 적용하였을 경우 리셋스위치(12)를 온시켜 고조파가 발생된 상태의 오실로스코프로 테스트한 상용교류전원의 파형도

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명>

10: 전원입력단자 12: 리셋스위치

14: 바리스터 16: 저항

18: 캐패시터 20: 필터부

22: 발광램프 24: 전자기기 전원연결부