KR100488838B1 - 영상전류의 자동 저감기능을 갖는 3상 변압기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 3상 4선식 전원구성의 단권형 3상(R, S, T) 변압기의 결선 구조에 있어서: 각 상의 입력단(R, S, T) 측에 설치되는 직렬권선(11R, 11S, 11T); 상기 직렬권선과 3상이 공통적으로 접속되는 중성단자(N) 사이에 연결되는 병렬권선(13R, 13S, 13T); 상기 직렬권선과 병렬권선의 접속점으로부터 부하로 전원을 공급하는 출력단자(r, s, t); 및 상기 중성단자(N)와 영상전류단(n) 사이에 직렬 연결되되 각 상의 직렬권선 또는 병렬권선에 인접 설치되어 각 직렬권선 및 병렬권선에 흐르는 전류를 안정화시키는 안정화권선(15R, 15S, 15T);을 구비함으로써, 간단한 결선방식으로 상들 사이의 전압 및 전류의 불균형을 감소시켜 영상전류를 자동적으로 저감시킴으로서 3상 전압의 균형을 취하고 부하의 안정적인 동작을 확보하며, 불필요한 전력소모를 줄일 수 있는 영상전류의 자동 저감기능을 갖는 3상 변압기를 제공한다.

Description

영상전류의 자동 저감기능을 갖는 3상 변압기 {THREE-PHASE TRANSFORMER FOR DECREASING A ZERO-PHASE CURRENT}

본 발명은 3상 변압기에 관한 것으로, 특히 3상 전압들과 전류들 사이에 발생하는 불균형을 해소하여 부하의 안정적인 동작을 확보할 수 있는 영상전류의 자동 저감기능을 갖는 3상 변압기에 관한 것이다.

통상, 3상 교류전압을 발생하는 Y결선(Star Connection)에서, 3상 전원은 선단자(Line Terminal)라 불리는 R단자, S단자, T단자라는 세 개의 입력단을 갖고 있으며, 상기 세 개의 선단자가 공통으로 연결되는 중성단자(Neutral Terminal)라 불리는 N단자가 있다.

먼저, 선단자와 중성단자 사이에 걸리는 전압을 상전압(Phase voltage)이라 부르고, 상기 각 선단자 사이에 걸리는 전압을 선간전압이라 부르며, 상기 선간전압은 상전압의 크기에 대략 1.73(√3)배 정도가 된다.

예컨대, 상기 상전압이 AC 220V일 경우 선간전압은 대략 AC 380V가 되는 것이다.

이와 같은 종래의 3상 변압기는 출력단에 연결된 다양한 부하들에게 필요한 전원을 효율적(전선 절약 등)으로 공급하기 위해 사용되지만, 상기 3상의 상전압과 선간전압 등에 불균형을 야기하여 부하에 이상을 주는 경우가 발생하였다.

도 1은 종래의 3상 변압기를 도시한 것으로, 불균형을 일으키는 장치이다.

분배 변압기(1)의 3상 출력단들은 분배라인들(2R, 2S, 2T)을 통해 Y결선으로 연결되어 있는 3상 권선들(3R, 3S, 3T)을 포함하는 3상 변압기(3)의 입력단들(R, S, T)이 연결되어 있고, 각 권선의 일단은 중성단자(N)에 연결되고, 이는 분배라인(2N)을 통해 분배 변압기(1)의 중성단자(N)에 연결되어 있다.

상기 3상 출력단들(r, s, t)은 상기 권선들을 끌어내고, 부하인 모터(M)는 상기 출력단들(r, t, s)에 연결된다. 또한 부하인 전기히터(H)는 상기 중성단자(N)와 상기 S상 출력단(s) 사이에 연결된다. R상 권선(3R)은 중성단자(N)로부터 출력단(r) 사이의 공통권선(common winding), 및 상기 출력단(r)으로부터 입력단(R) 사이의 직렬권선을 포함한다.

마찬가지로, 상기 나머지 권선들(3S, 3T)도 중성단자(N)로부터 그에 해당하는 출력단 사이의 공통권선 및 상기 출력단으로부터 입력단 사이의 직렬권선을 각각 포함한다.

이러한 연결에서, 비록 상기 모터(M)가 3상의 균형을 유지할지라도 상기 전기 히터(H)는 균형을 깨뜨리므로, 상기 상들 사이의 전압들과 전류들에는 차이가 발생한다.

예를 들어, 도 1의 경우에, S상의 전류는 다른 상들의 전류들 보다 더 크고, 이는 상기 S상의 분배라인(2S)이 저항으로 인한 전압 강하의 원인이 될 것이다. 따라서, 전압들 사이의 불균형은 전류들 사이의 불균형만큼 잘 발생한다. 상기 불균형은 상기 변압기에 연결된 전기 장치들에 대해 악효과를 가지는 데, 예를 들어 상기 모터(M)의 토크는 감소되고, 효율은 미끄러짐의 증가로 인해 감소되며, 그에 따라 모터의 권선들이 과열되어 모터의 수명을 단축시키는 문제를 발생하게 된다.

이와 같이 상 사이의 불균형을 해소하기 위하여 국내특허공개 제1995-13002호와 같이 자신의 상의 레그상에 권선된 코일뿐만 아니라 다른 상과 연관된 레그 상에 권선된 코일을 포함하여 결선하지만, 그 결선방식이 매우 복잡하여 생산성과 생산비용 측면에서 상당히 비효율적인 문제점이 발생하게 되었다.

따라서, 본 발명은 일반적으로 단상 전열 또는 전등부하와 3상 전동력 부하를 공통으로 사용하기 위한 전원 공급방식인 3상 4선식 배선 방식에서는 각 상의 부하배분 또는 부하의 불균형으로 인한 중성단자에서 영상전류가 불가피하게 발생하게 되며, 이러한 경우의 상간 불균형을 개선하고 중선단자를 통해 흐르는 영상전류를 자동으로 저감시키는 권선 방법 및 이를 이용한 3상 변압기를 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은, 간단한 결선방식으로 상들 사이의 전압 및 전류의 불균형을 감소시켜 영상전류를 자동적으로 저감시킴으로서 3상 전압의 균형을 취하고 부하의 안정적인 동작을 확보하며, 불필요한 전력소모를 줄일 수 있는 영상전류의 자동 저감기능을 갖는 3상 변압기를 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 기술적 수단은, 3상 4선식 전원구성의 단권형 3상(R, S, T) 변압기의 결선 구조에 있어서: 각 상의 입력단(R, S, T) 측에 설치되는 직렬권선(11R, 11S, 11T); 상기 직렬권선과 3상이 공통적으로 접속되는 중성단자(N) 사이에 연결되는 병렬권선(13R, 13S, 13T); 상기 직렬권선과 병렬권선의 접속점으로부터 부하로 전원을 공급하는 출력단자(r, s, t); 및 상기 중성단자(N)와 영상전류단(n) 사이에 직렬 연결되되 각 상의 직렬권선 또는 병렬권선에 인접 설치되어 각 직렬권선 및 병렬권선에 흐르는 전류를 안정화시키는 안정화권선(15R, 15S, 15T);을 구비한 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 살펴보고자 한다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 3상 변압기의 결선도를 나타낸 것으로, 각 상의 입력단(R, S, T)과 출력단(r, s, t) 사이에 권선되는 직렬권선(11R, 11S, 11T)과, 상기 출력단(r, s, t)과 중성단자(N) 사이에 권선되는 병렬권선(13R, 13S, 13T)이 있다.

상기 각 상(R, S, T)의 해당 직렬권선(11R, 11S, 11T)과 병렬권선(13R, 13S, 13T)은 직렬로 연결되어 있으며, 병렬권선(13R, 13S, 13T)의 코일 턴수는 직렬권선(11R, 11S, 11T)의 대략 2배 정도가 된다.

이를 각 상(R, S, T)별로 상세하게 살펴보면 다음과 같다.

상기 3상 변압기의 R상 결선 구조를 보면, R상의 입력단(R) 측에 설치되는 R상 직렬권선(11R)이 설치되며, 상기 R상 직렬권선(11R)과 3상이 접속되는 중성단자(N) 사이에 R상 병렬권선(13R)이 직렬 연결되며, 상기 R상 직렬권선(11R)과 R상 병렬권선(13R)의 공통접점으로부터 부하로 전원을 공급하는 R상 출력단자(r), 및 상기 중성단자(N)에 직렬 연결되되 R상 직렬권선(11R)에 인접 설치되어 R상 직렬권선(11R)으로 흐르는 전류를 안정화시키는 R상 안정화권선(15R)을 포함하여 구성되어 있다.

상기 3상 변압기의 S상 결선 구조를 보면, S상의 입력단(S) 측에 설치되는 S상 직렬권선(11S)이 설치되며, 상기 S상 직렬권선(11S)과 3상이 접속되는 중성단자(N) 사이에 S상 병렬권선(13S)이 직렬 연결되며, 상기 S상 직렬권선(11S)과 S상 병렬권선(13S)의 공통접점으로부터 부하로 전원을 공급하는 S상 출력단자(s), 및 상기 R상 안정화권선(15R)에 직렬 연결되되 S상 직렬권선(11S)에 인접 설치되어 S상 직렬권선(11S)으로 흐르는 전류를 안정화시키는 S상 안정화권선(15S)을 포함하여 구성되어 있다.

마지막으로, 상기 3상 변압기의 T상 결선 구조를 보면, T상의 입력단(T) 측에 설치되는 T상 직렬권선(11T)이 설치되며, 상기 T상 직렬권선(11T)과 3상이 접속되는 중성단자(N) 사이에 T상 병렬권선(13T)이 직렬 연결되며, 상기 T상 직렬권선(11T)과 T상 병렬권선(13T)의 공통접점으로부터 부하로 전원을 공급하는 T상 출력단자(t), 및 상기 S상 안정화권선(15S)과 영상전류단(n) 사이에 직렬 연결되되 T상 직렬권선(11T)에 인접 설치되어 T상 직렬권선(11T)으로 흐르는 전류를 안정화시키는 T상 안정화권선(15T)을 포함하여 구성되어 있다.

실시예에서는 상기 안정화권선(15R, 15S, 15T)은 직렬권선(11R, 11S, 11T)에 인접하여 배설하였지만, 병렬권선(13R, 13S, 13T)에 인접하여 설치할 수도 있으며, 각 직렬권선(11R, 11S, 11T)에 인접하여 설치된 안정화권선(15R, 15S, 15T)은 영상전류단(n)과 중성단자(N) 사이에 상호 직렬 배설한 것이다.

그리고, 상기 안정화권선(15R, 15S, 15T)은 해당 직렬권선(11R, 11S, 11T)과 동일 내지 유사한 코일 턴수를 가지며, 상기 병렬권선(13R, 13S, 13T)은 해당 직렬권선(11R, 11S, 11T)의 대략 2배의 코일 턴수를 가지는데, 안정화권선(15R, 15S, 15T)은 직렬권선(11R, 11S, 11T)과 영상전류(In)의 크기에 비례하는 코일 턴수를 가지도록 설계하는 것이 바람직하다.

상기에서 입력단(R, S, T)으로 소정의 전원이 인가되면, 직렬권선(11R, 11S, 11T)을 통한 각 출력단(r, s, t)에서는 직렬권선(11R, 11S, 11T)에 의해 전압 강하가 발생되어 출력단(r, s, t)으로는 강압된 전압이 얻어진다.

예를들어, 각 상의 입력단(R, S, T)으로 AC 380V의 전원이 인가되면, 직렬권선(11R, 11S, 11T)을 통한 각 출력단(r, s, t)에서는 직렬권선(11R, 11S, 11T)에 의해 전압 강하가 발생되어 출력단(r, s, t)으로는 입력전압에 대해 직렬권선(11R, 11S, 11T)과 병렬권선(13R, 13S, 13T)을 포함한 중성단자(N)까지의 권수(Tn1)에 대한 병렬권선(13R, 13S, 13T)의 권수(Tn2)의 비에 해당되는 출력전압이 얻어진다.

물론, 출력단(r, s, t)을 직렬권선(11R, 11S, 11T)의 탭 단자에 설치하면 출력전압을 조정할 수가 있다.

상기에서 상기 R상, S상 및 T상 안정화권선(15R, 15S, 15T)은 영상전류단(n)과 중성단자(N) 사이에 직렬로 각각 접속되며, 상기 각 안정화권선(15R, 15S, 15T)의 전류흐름방향은 해당 직렬권선(11R, 11S, 11T)과 반대로 선택 설치되게 되는데, 도 2에서는 상기 R상 안정화권선(15R, 15S, 15T)은 R상 직렬권선(11R)과 반대 방향의 자속을 발생하도록 권선되며, S상 안정화권선(15S)도 S상 직렬권선(11S)과 반대 방향의 자속을 발생하도록 권선되며, T상 안정화권선(15T)도 T상 직렬권선(11T)과 반대 방향의 자속을 발생하도록 권선된다. 따라서, 각 안정화권선(15R, 15S, 15T)의 위상은 영상으로 모두 동일한 위상을 가지므로, 동일한 시점에서 해당 직렬권선(11R, 11S, 11T)의 자속을 감소 또는 증가시켜 직렬권선(11R, 11S, 11T)의 유도 리액턴스를 영상전류(In)의 위상에 따라 조정되도록 구성되어 있다.

물론, 필요에 따라 안정화권선(15R, 15S, 15T)을 직렬권선(11R, 11S, 11T)의 자속을 증가시키거나 자속의 증감비를 혼합하는 방향으로 설치할 수 있음은 당연하다.

따라서, 실시예에서는 안정화권선(15R, 15S, 15T)이 각 상의 직렬권선(11R, 11S, 11T)에 인접하여 평행하게 설치되어 있으므로, 직렬권선(11R, 11S, 11T)에 형성되는 자계와 안정화권선(15R, 15S, 15T)에서 발생되는 자계가 상호 작용되어 상쇄되게 되며, 이로인해 직렬권선(11R, 11S, 11T)의 유도 리액턴스가 중성단자(N)의 전류(In) 위상에 따라 증감함과 아울러 직렬권선(11R, 11S, 11T)에 해당되는 전압 변화가 발생하며 결과적으로 3상 전원의 전압이 균형을 취하도록 하는 것이다.

통상적으로 각 상별 전류는 상전압과 부하의 크기 및 역률에 의해 중성단자(N)를 통해 영상전류단(n)으로 흐르는 전류(In)의 크기와 위상이 결정되며, 이때 중성단자(N)를 통해 흐르는 전류(In)를 3상 대칭좌표법에 의하여 영상전류(Zero Phase Current)라 칭하며, 이 영상전류(In)의 크기는 각 상별 부하의 불평형이 커질수록 커지며, 3상 전류의 벡터합에 따라 위상이 결정된다. 따라서, 중성단자(N)를 통해 흐르는 영상전류(In)는 작으면 작을수록 더 바람직한 것이다.

상기 영상전류(In)는 3상에 대해 동일한 위상을 갖게 되며, 결과적으로 3상이 공통적으로 동일한 크기의 값을 갖게 된다. 이러한 전류는 결과적으로 변압기 내부와 전선로의 임피던스에 의한 전압강하를 가져오게 되고, 따라서 3상 전원의 불평형에 의한 부하의 효율적 사용을 저해하는 것 외에도 3상 전동기의 역상 토오크를 발생시켜 전동기의 운전효율을 저하시킨다.

따라서, 본 발명에서는 3상 4선식 전원에 있어서 불평형 부하에 따른 중성단자(N)에서 발생하는 영상전류(In)가 3상에 공통적으로 흐르는 점을 이용하여 각 상의 직렬권선(11R, 11S, 11T) 또는 병렬권선(13R, 13S, 13T)과 인접한 위치에 전류 안정화권선(15R, 15S, 15T)을 설치하고, 이 안정화권선(15R, 15S, 15T)에 중성선(N)의 전류가 흐를시 관련 철심의 자속을 감소 또는 증가시키는 작용을 통하여 자동적으로 각 상의 전압을 자동적으로 조정함과 아울러 불평형 3상 전압을 조정시킴으로서 불평형률을 개선시키고, 영상전류를 저감시킬 수 있는 것이다.

상기에서 본 발명의 특정한 실시예가 설명 및 도시되었지만, 안정화권선을 병렬권선측에 인접 설치하거나 각 상의 코일의 턴수를 변경하거나 하는 등의 당업자에 의해 다양하게 변형되어 실시될 가능성이 있는 것은 자명한 일이다. 이와 같은 변형된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안되며, 본 발명에 첨부된 청구범위 안에 속한다 해야 할 것이다.

따라서, 본 발명에서는 간단한 결선방식으로 각 상들 사이의 불균형을 개선하고 중선단자를 통해 흐르는 영상전류를 자동으로 저감시킴으로써, 3상 전압의 균형을 취하고 부하의 안정적인 동작을 확보하며, 불필요한 전력소모를 줄일 수 있는 이점이 있다.

도 1은 종래의 3상 변압기를 도시한 결선도이고,

도 2는 본 발명에 의한 3상 변압기를 도시한 결선도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

11R: R상 직렬권선 13R: R상 병렬권선

15R: R상 안정화권선 11S: S상 직렬권선

13S: S상 병렬권선 15S: S상 안정화권선

11T: T상 직렬권선 13T: T상 병렬권선

15T: T상 안정화권선 R,S,T: 각 상의 입력단자

N: 중성단자 r,s,t: 각 상의 출력단자

n: 영상전류단(Zero-Phase Current Terminal)

Claims (4)

1. 3상 4선식 전원구성의 단권형 3상(R, S, T) 변압기의 결선 구조에 있어서:

   상기 3상의 각 입력단 (R, S, T) 측에 설치되는 직렬권선(11R, 11S, 11T);

   상기 직렬권선과 3상이 공통적으로 접속되는 중성단자(N) 사이에 연결되는 병렬권선(13R, 13S, 13T);

   상기 직렬권선과 병렬권선의 접속점으로부터 부하로 전원을 공급하는 출력단자(r, s, t); 및

   상기 중성단자(N)와 영상전류단(n) 사이에 직렬 연결되되 상기의 직렬권선 또는 병렬권선에 인접 설치되어 상기의 직렬권선 및 병렬권선에 흐르는 전류를 안정화시키는 안정화권선(15R, 15S, 15T);을 포함하는 것을 특징으로 하는 영상전류의 자동 저감기능을 갖는 3상 변압기.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 안정화권선은, 상기 직렬권선 또는 병렬권선의 자속을 증가 또는 감소시키는 방향으로 권선된 것을 특징으로 하는 영상전류의 자동 저감기능을 갖는 3상 변압기.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 안정화권선은, 상기 영상전류단과 중성단자 사이에 상호 직렬 연결된 것을 특징으로 하는 영상전류의 자동 저감기능을 갖는 3상 변압기.
4. 청구항 1에 있어서,

   상기 안정화권선은, 상기 직렬권선 및 영상전류의 크기에 비례하는 코일 턴수를 갖는 것을 특징으로 하는 영상전류의 자동 저감기능을 갖는 3상 변압기.