KR100425815B1

KR100425815B1 - 절전기능을 갖는 3상 변압기

Info

Publication number: KR100425815B1
Application number: KR1020030079785A
Authority: KR
Inventors: 박양근
Original assignee: 박양근
Priority date: 2003-11-12
Filing date: 2003-11-12
Publication date: 2004-04-06

Abstract

본 발명은 고압에 사용되는 송신측의 변압기에 관한 것으로서 3상 전압들과 전류들 사이의 불균형을 제거함으로써, 변압기에 연결된 전기 장치들의 불평형을 없애고 몰드형 또는 기름을 채워넣어 구성한 3상 변압기에 관한 것으로서, 제1 레그(3a), 제2 레그(3b) 및 제3 레그(3c)를 포함하는 쉘 형태의 아이언하트 코어(Ironheart Core)와, 상기 아이언하트 코어(3)의 제1 레그(3a) 상에 L(양의 정수)회 권선된 U상의 코일(10)과, 상기 코일(10)과 직렬로 연결되고 제3 레그(3c) 상에 L회 권선된 U 상의 코일(11)과, 상기 아이언하트 코어(3)의 제2 레그(3b)상에 L회 권선된 V상의 코일(12)과, 상기 코일(12)과 직렬로 연결되고 제1 레그(3a) 상에 L회 권선된 V 상의 코일(13)과, 상기 아이언하트 코어(3)의 제3 레그(3c)상에 L회 권선된 W상의 코일(14)과, 상기 코일(14)과 직렬로 연결되고 제2 레그(3b) 상에 L회 권선된 W 상의 코일(15)과, 상기 코일(11, 13, 15)의 단부를 공통으로 연결한 제로 포인트(N)와, 상기 각각의 코일(10, 11)의 중간, 코일(12, 13)의 중간 및 코일(14, 15)의 중간지점에서 연결하여 연장한 출력(u, v, w)과, 상기 제로포인트(N)의 반대편 단부에서 연장시킨 입력(U, V, W)으로 구성되며, 고압에 사용되는 송신측의 변압기에 3상 전압들과 전류들 사이의 불균형을 제거하여 송신측, 즉 출력단에 걸리는 변압기에 연결된 전기 장치들의 전압 및 전류의 불균형을 없애고 몰드형 또는 기름을 채워 구성한 절전기능을 갖는 효과가 있으며, 또한, 절전기능을 3상의 Δ-Y형 변압기 제조시에 변압기의 출력측, 즉 Y측의 권선을 각 축에 교차결선함으로써, 출력측에 발생하는 역률의 차이를 상쇄시킴으로써 송신측, 즉 출력단(2차측)의 불균형을 없애며, 불균형의 거의 없애고, 고조파를 상쇄시키는 회로를 몰드형 또는 기름을 채워넣어 구성하여 3차 이상의 고조파에 의한 변압기를 거친 내부 장치의 손상을 방지한 효과가 있다.

Description

절전기능을 갖는 3상 변압기{MOLD TYPE THREE PHASE TRANSFORMER HAVING POWER SAVING ABILITY}

본 발명은 3상 변압기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고압에 사용되는 송신측의 변압기에 관한 것으로서 3상 전압들과 전류들 사이의 불균형을 제거함으로써, 변압기에 연결된 전기 장치들의 불평형을 없애고 몰드형 또는 기름을 채워넣어 구성한 3상 변압기에 관한 것이다.

종래의 3상 자동변압기가 고압을 받아 수신단, 즉 1차측으로부터 송신단, 즉 2차측으로 변압하여 다양한 전기 장치들에 전원을 공급하기 위해 사용되면, 송신단의 3상 사이에 불균형이 발생할 수 있다.

도 1은 종래의 기술에 따른 3상 변압기의 전압 및 전류의 불균형을 발생시키는 장치를 설명하기 위한 회로연결도이다. 도 1을 참조하여 보면, 전력계통에서는 3상 평형부하 분담이 바람직하겠으나, 설비 운용상 불평형 부하의 분담은 불가피하다. 예를들어 3상 평형부하 150KW에 단상부하 80KW가 운용되는 경우 합성용랑으로는 230KW가 변압기 정격용량 이내이나, 단상부하가 걸리는 상의 변압기는 과부하로 되고 과부하는 변압기의 온도를 상승시켜 허용온도 이상으로 올라가면 수명은 급격하게 감소하며 소손하게 된다.

변압기(101)의 3상 출력단들은 분배 라인들(102U, 102V, 102W)을 통해 성형(star)으로 연결되어 있는 3상 권선들(103U, 103V, 103W)을 포함하는 3상 자동 변압기(103)의 입력단들(U, V, W)에 연결되어 있다. 각 권선의 일단은 제로점(Neutral Point ; N)에 연결되고, 이는 분배라인(102N)을 통해 제로포인트(N)에 연결된다. 3상 출력단들(u, v, w)은 상기 권선들을 끌어내고, 인덕션 모터(M)는 상기 출력단들에 연결된다. 또한, 전기히터(H)는 상기 제로포인트(N)와 출력단(v) 사이에 연결된다. U상의 권선(103U)은 제로포인트(N)로부터 상기 출력단(u)으로의 공통권선(common winding) 및 상기 출력단(u)으로부터 상기 입력단(U)으로의 직렬권선을 포함한다. 마찬가지로, 상기 권선들 각각은 제로 포인트(N)로부터 출력단(u)으로의 공통권선 및 상기 출력단으로부터 상기 입력단으로의 직렬권선을 포함한다.

이러한 연결에서 V상에 1Φ의 부하가 걸리면, U와 W상은 V상에 비해 임피던스가 2배가 되므로, 전류는 V상에 비해 1/2의 전류가 각각 흐르게 되며, 따라서 단상부하전류의 2/3은 V상에 흐르게되고, 나머지 1/3의 전류는 U와 V상을 직렬로 하여 흐르게 된다.

이와 같은 불균형은 변압기 자체에는 물론이고 변압기에 연결된 전기장치들에 다양한 악영향을 미칠것이다. 예를들어, 상기 인덕션 모터(M)의 토크를 감소되고, 효율은 미끄러짐(slip)의 증가로 인해 감소될 것이다. 또한, 상기 인덕션 모터(M)의 권선들이 과열되어 모터의 수명을 단축시키는 등의 문제점이 발생할 것이다.

이와 같이 Δ-Y형의 3상 변압기에 있어서 각상의 부하가 불평형이 발생할 경우 변압기 및 선로 등의 이용률이 저하됨은 물론이고 전압이 불평등하게 되어 역상전류가 흐르게 되므로 각상의 부하는 평형되게 운전하는 것이 필요하다

본 발명은 전술한 필요에 의해, 그리고 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 고압에 사용되는 송신측의 변압기에 3상 전압들과 전류들 사이의 불균형을 제거하여 송신측, 즉 출력단에 걸리는 변압기에 연결된 전기 장치들의 전압 및 전류의 불균형을 없애고 몰드형 또는 기름을 채워 구성한 절전기능을 갖는 3상 변압기를 제공하는 데에 그 목적이 있다.

본 발명은 절전기능을 갖는 3상 변압기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 3상의 Δ-Y형 변압기 제조시에 변압기의 출력측, 즉 Y측의 권선을 각 축에 교차결선함으로써, 출력측에 발생하는 역률의 차이를 상쇄시킴으로써 송신측, 즉 출력단(2차측)의 불균형을 없애고, 고조파를 상쇄시키는 회로를 구성한 이후에 3상 변압기의 1차측 및 2차측을 몰드형으로 또는 기름을 채워넣어 구성하고, 3차 이상의 고조파에 의한 변압기를 거친 내부 장치의 손상을 방지한 절전형 변압기를 제공하는 데에 그 목적이 있다.

도 1은 종래의 기술에 따른 3상 변압기의 전압 및 전류의 불균형을 발생시키는 장치를 설명하기 위한 회로연결도.

도 2는 본 발명에 따른 절전기능을 갖는 3상 변압기의 일실시예를 나타낸 연결도.

도 3은 본 발명의 도 1에 따른 3상 변압기의 연결관계를 구조적으로 나타낸 연결구조도.

도 4는 본 발명의 도 1에 따른 3상 변압기의 동작원리를 설명하기 위한 벡터도.

도 5는 본 발명에 따른 Δ-Y형 3상 변압기에 있어서 결선상태의 일실시예를 나타낸 결선도.

도 6은 본 발명에 따른 절전형 변압기의 Δ-Y 삼상결선의 출력측에서의 전류의 위상을 종래의 출력전류의 위상과 비교하여 나타낸 그래프.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 간단한 설명>

1 : 3상 변압기 3a, 3b, 3c : 레그

3 : 아이언하트 코어 10 내지 15 : 코일

110 : 고압측 120 : 저압측

130 : 혼촉방지판

절전기능을 갖는 3상 변압기에 있어서, 제1 레그(3a), 제2 레그(3b) 및 제3레그(3c)를 포함하는 쉘 형태의 아이언하트 코어(Ironheart Core)와, 상기 아이언하트 코어(3)의 제1 레그(3a) 상에 L(양의 정수)회 권선된 U상의 코일(10)과, 상기 코일(10)과 직렬로 연결되고 제3 레그(3c) 상에 L회 권선된 U 상의 코일(11)과, 상기 아이언하트 코어(3)의 제2 레그(3b)상에 L회 권선된 V상의 코일(12)과, 상기 코일(12)과 직렬로 연결되고 제1 레그(3a) 상에 L회 권선된 V 상의 코일(13)과, 상기 아이언하트 코어(3)의 제3 레그(3c)상에 L회 권선된 W상의 코일(14)과, 상기 코일(14)과 직렬로 연결되고 제2 레그(3b) 상에 L회 권선된 W 상의 코일(15)과, 상기 코일(11, 13, 15)의 단부를 공통으로 연결한 제로 포인트(N)와, 상기 각각의 코일(10, 11)의 중간, 코일(12, 13)의 중간 및 코일(14, 15)의 중간지점에서 연결하여 연장한 출력(u, v, w)과, 상기 제로포인트(N)의 반대편 단부에서 연장시킨 입력(U, V, W)으로 구성된다.

이하 본 발명의 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 도 2는 본 발명에 따른 절전기능을 갖는 3상 변압기의 일실시예를 나타낸 연결도이며, 도 3은 본 발명의 도 1에 따른 3상 변압기의 연결관계를 구조적으로 나타낸 연결구조도이다.

3상 변압기(1)는 고압측(110)과 저압측(120)으로 구성된다. 그리고 고압측(110)과 저압측(120)을 하나의 몰드로 구성한다. 그리고 고압측(110)과 저압측(120)의 사이에는 혼촉방지판(130)을 구성하여 고압측(110)과 저압측(120)이 접촉하여 혼선되는 것을 방지한다.

이와 같은 고압측(110)과 저압측(120)은 하나의 하이언하트 코어(Ironheart Core)에 구성된다. 그리고 아이언하트 코어(3)는 제1 레그(3a), 제2 레그(3b) 및제3 레그(3c)를 포함하는 쉘 형태로 구성된다. 또한, 3상 변압기(1)의 저압측(120)은 상기 3상들과 연관된 입력단들(U, V, W)및 출력단들(u, v, w)을 갖는다. 그리고 3상 변압기(1)의 고압측(110)도 입력단(U', V', W')을 갖는다.

고압측(110)의 결선은 기본적인 결선 방법을 사용하여 결선하며, 저압측(12)은 다음과 같은 방법으로 결선한다. 이하 저압측의 결선 방법 및 그 구성에 대하여 개시한다.

상기 U상의 직렬권선은 아이언하트 코어(3)의 제1 레그(3a) 상에 권선된 코일(10), 제3 레그(3c) 상에 권선된 코일(11)을 포함하며, 상기 코일들(10, 11)은 직렬로 연결된다. 코일들(10, 11)에서의 턴수는 L(양의 정수)이고, 또한, 코일(10)과 코일(11)은 서로 반되되는 자속을 야기한다.

다른 상들의 직렬권선들 및 공통권선들은 유사한 방식으로 구성된다. 상기 V상의 직렬권선은 상기 아이언하트 코어(3)의 제2 레그(3b)상에 권선된 코일(12), 제1 레그(3a)상에 권선된 코일(13)을 포함하며, 상기 코일들(12, 13)은 직렬로 연결된다. 상기 코일들(12, 13)에서의 턴수는 L이다. 또한 코일(12)을 통한 전류의 흐름은 코일(13)을 통한 전류의 흐름에 야기되는 자속에 반되되는 자속을 야기한다. 즉 서로 반대되는 자속을 야기시킨다.

상기 W상의 직렬권선은 상기 상기 아이언하트 코어(3)의 제3 레그(3c) 상에 권선된 코일(14), 제2 레그(3b) 상에 권선된 코일(15)을 포함하며, 상기 코일들(14, 15)은 직렬로 연결된다. 코일들(14, 15)에서의 턴수는 L(양의 정수)이다. 또한, 코일(14)을 통한 전류의 흐름은 코일(15)을 통한 전류의 흐름에 야기되는 자속에 반되되는 자속을 야기한다.

각 상의 상기 직렬권선들 및 상기 공통권선들은 직렬연결되고, 상기 출력단들(u, v, w)은 상기 연결점들로부터 끄집어 내어진다. 즉, U상의 출력(u)은 코일(10)과 코일(12)의 연결점으로부터 연장되어 끄집어 내어지고, V상의 출력(v)은 코일(12)과 코일(13)의 연결점으로부터 연장되어 끄집어 내어지며, W상의 출력(w)은 코일(14)과 코일(15)의 연결점으로부터 연장되어 끄집어 내어진다.

또한, 상기 공통권선들의 코일들(11, 13, 15)의 일단들은 공통으로 상기 제로포인트(N)에 연결된다.

도 4는 본 발명의 도 1에 따른 3상 변압기의 동작원리를 설명하기 위한 벡터도이다. 도 4를 참조하여 본 발명의 구성에 대하여 개시한다.

상기 백터도는 도 2 및 도 3에 연관되어 개시된다. 예를 들어 도면번호 10a는 예상되는 동작에서의 코일(10)의 전압벡터를 나타내고, 이에 반하여 도면번호 10b는 불균형 동작에서의 상기 코일(21)의 전압 벡터를 나타낸다.

먼저, 종래의 변압기의 U상의 정격 입력 전압(U_ap) 및 정격 출력 전압(u_ap)은 도 4에 도시된 바와 같이 상기 입력 전압은 30% 강하된다고 가정하자. 상기 출력 전압은 상기 입력전압에 비례하여 강하되고 u_bp의 값을 취한다. U상의 입력 전압에서의 강하는 대전류가 라인(102U)을 통해 흐를때 상기 분배라인(102U)의 저항에 의해 야기된다. 비록 전압 강하가 실제로 5% 이내 일지라도, 상기 벡터도를 더욱 명확하게 하기 위해 30%로 가정한다.

단지 V상의 입력 전압은 정격 전압에서 유지된다고 가정하자. 상기 3상의 입력 전압들이 정격 전압일때, 상기 U상을 위한 U_a및 u_a에 의해 표시된 것처럼 상기 입력 전압들이 정격 전압일때, 상기 U상에 대해 U_a및 u_a로 표시된 것처럼 상기 입력 전압들 및 출력 전압들은 종래의 변압기의 전압들에 유사하게 될 것이다. 더욱이 상기 출력 전압(u_a)은 각각의 공통 권선들(11, 10)로 인한 전압 벡터들(11a, 10a)의 벡터합이다.

한편, U상으로의 입력 전압들이 30% 강하할 때 상기 U상 입력 전압 및 U상 출력 전압은 도 4의 U_b및 u_b로 표시된다. 더우기, 상기 출력 전압(u_b)은 각각의 상기 공통 권선들(11, 10)로 인한 상기 전압 벡터들(11b, 10b)의 벡터합이며, 상기 입력 전압(U_b)도 각각의 상기 직렬 권선들(11, 10)로 인한 상기 출력 전압(u_b)의 합이다. 결과적으로 입력 전압 및 출력 전압에서의 강하는 5%이내이므로 실제 전압들의 불균형은 2.5% 이내로 제한될 것이다.

도 5는 본 발명에 따른 Δ-Y형 3상 변압기에 있어서 Y측의 결선 상태의 일실시예를 나타낸 결선도이다.

도 5에 도시된 바와 같이 고압측(110), 측 변압기의 1차측은 3상의 입력을 받는다. 1차측에도 불균형이 발생하며, 이와 같은 불균형에 의해 발생한 차이의 전압은 U'상, V'상 및 W'상을 반복적으로 윤회하기 때문에 그 전압은 반복적으로 영향을 미치기는 하지만, 그 불균형의 차이만큼은 내부에서만 윤회하므로 그리 큰 영향을 미치지는 않는다. 1차 측에도 도시한 바와 같이 U'상의 출력 a'가 존재하며, V'상의 출력 b'가 있고, W'상의 출력 c'가 있다. 이와 같은 전압은 고압이므로, 각 소정의 상과 타상을 연결한 전압은 고압이 인가되는 것이다. 예컨대, 22900V의 전압이 1차측 변압기에 인가된다고 하면, 출력a'와 출력b'에 부하를 연결하면 대략 29000V의 전압이 인가된다.

마찬가지로 출력b'와 출력c'를 연결하면, 전술한 바와 같은 고압이 인가되고, 출력c'와 출력a'를 연결하여도 전술한 바와 같은 고압이 인가된다.

또한, 2차측의 U상에서의 직렬권선은 직렬로 연결시키며, 코일(10)의 턴수는 U상에서 R회이고, 다시 W상으로 이동하여 코일(11)을 R회의 턴 수만큼 감는다. U상에서 W상으로 이동시에 그 중간에서 결선을 빼서 U상의 출력을 뺀다. 코일(11)을 R회 만큼 감은 후에는 코일(11)의 단부로부터 제로포인트(N)를 빼낸다.

마찬가지로, 상기 V상에서의 직렬권선도 직렬로 연결시키며, 코일(12)의 턴수는 V상에서 R회이고, 다시 U상으로 이동하여 코일(13)을 R회의 턴 수만큼 감는다. V상에서 U상으로 이동시에 그 중간에서 결선을 빼서 V상의 출력(v)을 빼낸다. 코일(13)을 R회 만큼 감은 후에는 코일(13)의 단부로부터 제로포인트(N)를 빼낸다.

또한, 상기 W상에서의 직렬권선도 직렬로 연결시키며, 코일(14)의 턴수는 W상에서 R회이고, 다시 V상으로 이동하여 코일(15)을 R회의 턴 수만큼 감는다. W상에서 V상으로 이동시에 그 중간에서 결선을 빼서 W상의 출력(w)을 빼낸다. 코일(15)을 R회 만큼 감은 후에는 코일(15)의 단부로부터 제로포인트(N)를 빼낸다.

전술한 제로포인트(N)는 동일한 위상을 갖는 지점으로서, 접지와 같은 의미로 사용된다.

1차측과 2차측은 당업자가 주지하는 바와 같이 혼촉방지판(130)을 그 사이에 내설하여 구성하며, 1차측과 2차측을 하나의 몰드형으로 구성할 수 있다. 몰드형으로 구성하기 위하여 전술한 바와 같이 복잡하지 않게 구성하였다. 만약 패턴을 갖고 각 상을 다수회 오가면서 코일을 감는다면, 그 횟수가 어느 이상으로 넘어가게 되면, 몰드형으로 구성할 수 없다. 이는 몰딩시에 각 상을 오가는 선을 처리하기 힘들기 때문이며, 이로 인하여 불량이 생길 가능성이 증가한다. 따라서 본 구성에서는 전술한 바와 같이 각 상을 오가된 단순하게 구성함으로써, 몰딩하기에 편리하도록 하였다.

또한, 주지하는 바와 같이 당업자라면, 몰딩으로 구성하지 않고 혼촉방지판(130)과 1차 코일과 2차 코일 사이에 기름을 채워넣어 구성할 수도 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

도 6은 본 발명에 따른 절전형 변압기의 Δ-Y 삼상결선의 출력측에서의 전류의 위상을 종래의 출력전류의 위상과 비교하여 나타낸 그래프이다.

도 6에 도시된 바와 같이 2차측에 유기되는 전류는 Δ-Y의 방식으로 결선한 변압기의 경우 90°의 위상이 뒤져서 나타나게 된다. 그러나, 변환된 전류는 도 6의 b와 같은 파형을 지니게 되며 수치적으로 보면, 80°내지 85°의 위상이 뒤져서 나타나게 된다. 이와 같이 나타나게 되면, 실질적으로 전류는 감소되는 효과, 즉 역률이 나빠지게 되며, 도면의 a로 나타난 파형과 같이 위상이 거의 90°인 정격전류에 가까워지게 되면, 역률이 개선된다.

본 발명의 구성은 도시된 바와 2차측에 유도된 전류가 거의 90°의 정격전류에 가까운 위상차를 나타내므로, 각 상간의 위상차도 줄어들게 되어 역률이 개선되었음을 알 수 있다.

본 발명은 고압에 사용되는 송신측의 변압기에 3상 전압들과 전류들 사이의 불균형을 제거하여 송신측, 즉 출력단에 걸리는 변압기에 연결된 전기 장치들의 전압 및 전류의 불균형을 없애고 1차측과 2차측을 하나의 몰드형으로 구성할 수 있도록 하여 효율을 높였으며 설치가 편리하도록 하였다.

또한, 몰드형 대신 기름을 채워넣어 구성할 수도 있으며, 이 때에는 1차측과 2차측의 절연성능이 보다 향상되는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 절전기능을 3상의 Δ-Y형 변압기 제조시에 변압기의 출력측, 즉 Y측의 권선을 각 축에 교차결선함으로써, 출력측에 발생하는 역률의 차이를 상쇄시킴으로써 송신측, 즉 출력단(2차측)의 불균형을 없애며, 고조파를 상쇄시키는 회로를 구성하여 3차 이상의 고조파에 의한 변압기를 거친 내부 장치의 손상을 방지한 효과가 있다.

Claims

절전기능을 갖는 3상 변압기에 있어서,

제1 레그(3a), 제2 레그(3b) 및 제3 레그(3c)를 포함하는 쉘 형태의 아이언하트 코어(Ironheart Core)(3)와;

상기 아이언하트 코어(3)의 제1 레그(3a) 상에 L(양의 정수)회 권선된 U상의 코일(10)과;

상기 코일(10)과 직렬로 연결되고 제3 레그(3c) 상에 L회 권선된 U 상의 코일(11)과;

상기 아이언하트 코어(3)의 제2 레그(3b)상에 L회 권선된 V상의 코일(12)과;

상기 코일(12)과 직렬로 연결되고 제1 레그(3a) 상에 L회 권선된 V 상의 코일(13)과;

상기 아이언하트 코어(3)의 제3 레그(3c)상에 L회 권선된 W상의 코일(14)과;

상기 코일(14)과 직렬로 연결되고 제2 레그(3b) 상에 L회 권선된 W 상의 코일(15)과;

상기 코일(11, 13, 15)을 공통으로 연결한 제로 포인트(N)와;

상기 각각의 코일(11, 14, 15)의 중간지점에서 연결하여 연장한 선인 출력(u, v, w)과,

상기 제로포인트(N)의 반대편 단부에서 연장시킨 선인 입력(U, V, W)을 포함하는 것을 특징으로 하는 절전기능을 갖는 3상 변압기.
제1항에 있어서,

상기 코일(10)과 상기 코일(11)은 상호 반대의 자속을 발생시키고,

상기 코일(12)과 상기 코일(13)은 서로 반대되는 자속을 발생시키며,

상기 코일(14)과 상기 코일(15)도 서로 반대되는 자속을 발생시키는 것을 특징으로 하는 절전기능을 갖는 3상 변압기.