KR100624496B1 - 변압기의 초기 전원 인가 및 탭 전환시 발생되는여자돌입전류와 여자 과전류 방지 장치 및 그 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전압 센서(저전압계전기)의 감지에 따라 여자 권선을 다양하게 결선하여 전압 자동조절을 원활히 하기 위한 무정전 전압자동조절 및 잉여전력차단 절전기에 있어서,

자계 공진과 자기 포화를 위한 위상제어방식을 이용하여 변압기의 초기 전원 투입 시 발생하는 여자돌입전류(Inrush current)와 출력전압의 승압 및 강압을 위한 탭 전환 시 발생되는 유기전압에 의한 여자 과전류를 차단 및 방지하는 기능을 가지는 위상제어권선을 구성하여 마이크로 프로세스에 의해 제어함으로서 전원인가 및 사용 도중 탭 전환시 발생되는 여자 과전류를 방지함으로써 전기 기기에 미치는 악영향을 없애므로 양질의 전력을 공급할 수 있는 여자 권선을 다양하게 결선하여 전압 자동조절을 원활히 하기 위한 변압기의 초기 전원 인가 및 탭 전환시 발생되는 여자돌입전류와 여자 과전류 방지 장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.

변압기, 여자돌입전류, 여자 과전류

Description

변압기의 초기 전원 인가 및 탭 전환시 발생되는 여자돌입전류와 여자 과전류 방지 장치 및 그 제어방법{electric current prevention system and the control method of transformer}

도 1은 본 발명의 기술이 적용되는 대표 회로도

도 2는 본 발명의 기술이 적용된 단권변압기에 이용되는 회로도

도 3은 본 발명의 기술이 적용된 복권변압기에 이용되는 회로도

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기 위한 참고도

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기 위한 참고도

도 6은 인가전압과 여자전류와의 위상을 보여주는 참고도

도 7은 인가전압과 여자전류와의 위상을 보여주는 참고도

■도면의 주요 부분에 사용된 부호의 설명■

1:전압·위상검출부 3:초기전압인가조작부

5:위상제어조작부 7:탭전환조작부

3:마이크로프로세스 31:제어부

100:위상제어권선

본 발명은 변압기를 초기 무부하 및 부하시에 전압을 인가하게되면 순간적으로 흐르는 큰 충격전류인 여자 돌입전류(Inrush current)와, 전기를 사용 도중 출력전압의 승압 및 강압을 위한 탭 변경 시 유기전압에 의해 순간적으로 흐르는 여자 과전류를 제한하는 장치 및 그 제어방법에 관한 것으로서,

기존에 변압기의 구성 및 그 제어방법에 있어서 전원의 초기투입과, 출력전압조절을 위한 여자권선의 탭전환시 발생하는 여자돌입전류 및 노이즈등으로 인하여 전자기기에 안정된 전류의 공급이 이루어지지 않아 오동작이 발생하거나, 변압기의 수명 또한 짧아지는 원인이 되었다.

이에 변압기의 전원 초기투입 또는 출력전압의 조절을 위한 여자권선 탭 전환 시 발생하는 여자 돌입전류(Inrush current)와 여자과전류을 방지하여 변압기 및 전기제품을 보호하며, 스위칭 서어지로부터 안전한 전압자동조절 절전장치 및 그 제어방법이 절실히 요구되는 실정이다.

본 발명품은 상기와 같은 제반 문제점을 해결하기 위해 변압기의 초기 전원인가부에 전압·위상검출부(1), 위상제어권선(100)을 추가하고, 위상제어권선(100) 을 통해 자계공진 방식과 자기포화 원리를 이용하여 인가전압의 제로점(ZERO POINT)에서 위상을 판별, 유기전압과 전류의 위상을 검출하고, 그 결과를 마이크로 프로세서로 제어되는 조작부를 통해 무접점 반도체 소자를 이용하여 TURN-ON, TURN-OFF 하므로 변압기의 초기 전압 인가시 발생되는 여자돌입전류를 줄이고, 전기 사용 도중 안정된 전력을 공급하기 위한 탭 변경 시 발생할 수 있는 여자 과전류를 줄여 변압기와 전기제품의 안전성과 양질의 전력을 공급함에 기술적 과제를 두고 창안하였다.

도 1은 본 발명의 기술이 적용되는 대표 회로도이고, 도 2는 본 발명의 기술이 적용된 단권변압기에 이용되는 회로도이며, 도 3은 본 발명의 기술이 적용된 복권변압기에 이용되는 회로도이며, 도 4는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기 위한 참고도이며, 도 5는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기 위한 참고도이며, 도 6은 인가전압과 여자전류와의 위상을 보여주는 참고도이며, 도 7은 인가전압과 여자전류와의 위상을 보여주는 참고도로서 본 발명 변압기의 초기 전원 인가 및 탭 전환시 발생되는 여자돌입전류와 여자 과전류 방지 장치 및 그 제어방법의 구성 및 작용을 상세히 설명하면,

앞서 종래의 기술에서 언급한 바와 같이 전압 인가시 돌입전류(Inrush current)에 의한 충격 때문에 부하의 전기기기에 서어지가 전달되어 제품 수명에 영향을 주며, 변압기에도 서어지 때문에 절연 내력 약화 및 수명에 치명적인 영향을 줌으로 변압기의 안정적 사용에 어려움이 있었다. 이러한 원인의 돌입전류가 흐르는 주요인은,

① 인가전압을 위상이 0 에서 투입한 경우.

② 전원(계통)임피던스가 적은 경우.

③ 철심에 잔류자속이 있을 경우.

④ 냉간압연 철심 또는 저압측에서 여자하는 경우이다.

상기 여자돌입전류가 발생하지 않게 하기 위해서는 도 6에 도시된 바와 같이 무부하 상태에서 인가전압의 위상이 파고치에서 투입될 경우 여자전류는 누설 리액턴스의 영향으로 전압의 위상보다 늦은 0 에서 시작하여 전압파형과 같은 정현파로 변화하며 안정된 상태를 유지한다. 더욱 자세히 설명하면, 철심은 잔류자속이 없는 무부하 상태이므로 여자전류가 매우 적어 포화되지 않으므로 유기전압 및 여자전류의 파형이 정현파가 되어 큰 돌입전류는 흐르지 않게 되는 것이다.

그러나, 실제 사용상에서는 대부분 부하상태에서 전압을 인가하며, 부하 상태일 경우에도 위상이 제각기여서 위상이 최대 일 때 투입한다는 것은 불가능하여 전압 인가시 발생하는 돌입전류(Inrush current)에 의한 충격 때문에 부하의 전기기기에 서어지가 전달되어 제품 수명에 영향을 주며, 변압기에도 서어지 때문에 절연 내력 약화 및 수명에 치명적인 영향을 주고 있다. 도7을 참고로 설명하면, 인가 전압의 위상이 0에서 투입될 경우 여자전류는 전압의 위상보다 늦으므로, 철심의 자속은 0 (잔류자속이 0 이므로) 상태에서 순간적으로 파고치(ψm)까지 도달 하며, 또한 전압이 Vo→ Vm→ Vo로 변화하는 반주기동안 자속은 ψo→ ψm→ ψo→ -ψm 및 직류성분의 합성치 (돌입전류의 파형도 동일하게 변화)로 변화하여 변화폭은 2ψm으로 이 과정에서 철심이 포화하고, 이 자속을 만들이 위하여 여자전류가 급증하여 큰 여자 돌입전류(Inrush current)가 발생하게 되는 것이다.

이에 본 발명의 구성을 설명하면,

입력측의 전압과 위상을 검출하는 전압·위상 검출부와 이를 비교 및 분석하는 마이크로 프로세스, 제어부를 통해 조작되는 초기전압 인가 조작부와 제3차 권선 조작부 및 탭 전환 조작부로 되며, 이들의 동작에 의해 초기 전원 인가시 여자돌입전류(Inrush current)를 방지하고, 전기를 사용하는 도중 출력전압을 승압 및 강압 하기 위한 탭 전환시 유기전압에 의한 여자 과전류를 방지하는 장치로 구성되어, 전원 인가시 발생되는 돌입전류 및 노이즈를 제거함으로써 전기기기에 발생 할 수 있는 오동작 및 변압기의 절연 내력을 최대화할 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면에 따라서 상세히 설명한다.

도1에 도시된 바와 같이 입력측의 전원을 받아 전압과 위상을 검출하는 전압·위상 검출부(1)와 이를 비교, 분석하는 마이크로 프로세스부(30), 마이크로 프로세스부에 의해 명령되는 기능을 수행하는 제어부(31), 제어부(31)에 의해 초기전원 인가시 작동되는 초기전압인가조작부(3)와 전기 사용 도중 탭 전환시에 조작되는 탭전환조작부(7)에 있어서,

도4를 참고로 하여 전원의 초기 인가 시 과정을 설명하면, 전압·위상 검출부(1)에서 전압과 위상을 검출, 이를 비교, 분석하는 마이크로 프로세스부(30)가 제어부(31)로 명령을 전달하고 위상제어조작부(5)에서는 위상제어권선(100)에 유기되는 전압의 위상을 판별하게 되어, 이를 TURN-ON 시켜 변압기를 자계 포화와 자기 공진을 시켜서 초기 여자 돌입전류을 방지함과 동시에 초기전압인가조작부(3)에 의해 스위치를 ON 시킨 후에 마이크로 프로세스(30)가 제어부(31)에 명령을 전달하여 위상제어조작부(5)에서 위상제어권선(100)을 TURN-OFF 하여 안전하게 전원을 공급한다.

전기 사용 도중에 출력전압의 승압 및 강압을 위해 탭을 전환할 때에는 전압·위상검출부(1)에서 전압과 위상을 검출하며, 이를 마이크로 프로세스부(30)가 비교, 분석하여 그 결과를 제어부(31)를 통해 위상제어조작부(5)로 전달하면 상기 조작부(5)는 위상제어권선(100)에 유기되는 전압의 위상을 판별하여 위상제어권선(100)을 TURN-ON 하여, 변압기를 자계 포화와 자기 공진을 시켜서 탭 전환시 여자 과전류의 생성을 방지하고, 마이크로 프로세스(30)가 제어부(31)에 명령을 전달하여 탭전환조작부(7)에서 탭 변경 후에 위상제어권선을 TURN-OFF 하여 안전하게 전원을 공급한다. 즉, 도 2, 3과 5를 참고로 하여 출력전압의 승압 및 강압을 위한 탭 전환 시의 작동을 더욱 상세히 설명하면 지속적으로 전압·위상검출 부(1)에서 검출하여 탭 변경 시점의 1초전에 마이크로프로세스부(30)에서 제어부(31)로 신호를 전달하여 위상제어조작부(5)가 위상제어권선(100)을 TURN-ON 하게 되고 이때, 입력과 위상제어권선의 위상이 동기가 되게 하고 3초간 작동한다. 위상제어권권선(100)을 3초간 TURN-ON 하였을 때 탭 변환시점에서 도2에 도시된 바와 같이 무접점 반도체 소자는 1탭(1차 여자권선)에서 2탭(2차 여자권선)으로 1초간 위상제어권선(100)이 ON 된 후, 1탭의 전자식 릴레이가 OFF 되고 15msec 후에 1탭의 무접점반도체 소자가 OFF 되며, 15msec 후에 무접점반도체 소자가 ON 된 후에 15msec 후에 전자식 릴레이가 ON 된다. 위상제어권선(100)에서 작동될 때, 입력 전원과 전환 탭의 위상은 동일해야 하고, 탭 변환시 전류는 동위상 일때 유도 공진 전류가 흐르고, 여기서 공진시 구형파의 공진 전류가 발생하여 자계를 포화시키게 되는 것이다. 상기의 전자식 릴레이는 순간 펄스나 과전류를 방지하기 위하여 전압의 변성을 소프트하게 하기 위함이다.

상기와 같은 구성으로 이루어진 단권 및 복권 변압기를 전압 변성이 적은 전기 절전기에 적용하면 입력전압이 변동해도 여자 돌입전류 및 여자 과전류의 발생없이 출력전압을 무정전으로 자동조절하여 일정범위의 전압을 계속 공급하므로 잉여전력을 차단하여 전기에너지를 절약하며, 변압기 및 전기제품의 절연내력에 영향을 끼치지 않는 양질의 전력을 공급할 수 있다.

따라서, 본 발명품을 잉여전력 차단 절전기에 적용시 전력회사의 입력전압이 변동하여도 출력전압이 안정되므로 전기제품에 손상이 없으며, 날로 고조되고 있는 석유위기 등 에너지 위기에 전기 에너지를 절약하므로 기업의 경쟁력 강화에도 크게 기여할 수 있는 그 효과가 다대한 발명인 것이다.

Claims (4)

1. 여자 권선을 다양하게 결선하여 전압 자동조절을 원활히 하기 위한 무정전 전압자동조절 및 잉여전력차단 절전기에 있어서,

   변압기 초기 전압인가 시 이를 감지하는 전압·위상검출부(1)와 위상제어권선(100)을 구성하고, 이를 통제하는 제어부(31)와 마이크로프로세스부(30)를 구성하여, 자계포화 방식과 자기공진 방식을 응용한 위상제어방법에 의해 여자 돌입전류(Inrush current)와 여자과전류를 제거하는 것을 포함하는 변압기의 초기 전원 인가 및 탭 전환시 발생되는 여자돌입전류와 여자 과전류 방지 장치
2. 제 1항에 있어서,

   변압기는 단권 또는 복권변압기 중 어느 하나인 것을 포함하는 초기 전원 인가 및 탭 전환시 발생되는 여자돌입전류와 여자 과전류 방지 장치
3. 여자 권선을 다양하게 결선하여 전압 자동조절을 원활히 하기 위한 무정전 전압자동조절 및 잉여전력차단 절전기 제어방법에 있어서,

   변압기 초기 전압인가 시 이를 감지하는 전압·위상검출부(1)와 위상제어권선(100)을 구성하고, 이를 통제하는 제어부(31)와 마이크로프로세스부(30)를 구성하여, 자계포화 방식과 자기공진 방식을 응용한 위상제어방법에 의해 여자 돌입전류(Inrush current)와 여자과전류를 제거하는 것을 포함하는 변압기의 초기 전원 인가 및 탭 전환시 발생되는 여자돌입전류와 여자 과전류 방지 제어방법
4. 제 3항에 있어서,

   위상제어방법은 자계공진 방식과 자기포화 원리를 이용하여 인가전압의 제로점(ZERO POINT)에서 위상을 판별, 유기전압과 전류의 위상을 검출하고, 그 결과를 마이크로프로세서(30)로 제어되는 조작부(31)를 통해 무접점반도체소자를 이용하여 TURN-ON, TURN-OFF 하여 변압기의 초기 전압 인가시 발생되는 여자돌입전류와 탭 변경 시 발생할 수 있는 여자 과전류를 제거하는 것을 포함하는 초기 전원 인가 및 탭 전환시 발생되는 여자돌입전류와 여자 과전류 방지 제어방법

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