KR100867647B1 - 공진회로를 이용한 전력을 부하에 전달하는 회로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전력을 부하에 공급하는 회로에 관한 것으로, 특히 기존의 상용전기를 송/배전하는 전력공급 장치에 직렬공진 또는 병렬공진을 이용하여 변압기 직결 사용시보다(비공진시 보다) 높은 효율로 전력을 부하에 전달하는 회로에 관한 것이다.

본 발명의 공진회로를 이용한 전력을 부하에 전달하는 회로를 이루는 구성수단은, 전압 또는 전류를 발생하여 공급하는 전원부와, 상기 전원부로부터 공급되는 전압 또는 전류를 이용하여 변압기 직결 사용시보다 높은 효율로 전력을 공급하는 공진부와, 상기 공진부로부터 공급된 전력을 변압기를 이용하여 부하에 전달하는 전력전달부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

전력, 부하, 공진

Description

공진회로를 이용한 전력을 부하에 전달하는 회로{transmitting circuit to load by using resonant circuit}

본 발명은 공진회로를 이용한 전력을 부하에 전달하는 회로에 관한 것으로, 특히 기존의 상용 전력공급 장치에 직렬공진 또는 병렬공진을 이용하여 변압기 직결 사용시보다 높은 효율로 전력을 부하에 전달하는 회로에 관한 것이다.

생산된 전력을 부하에 직접 연결하여 공급하는 전력공급원 장치로서, 발전기를 예로 들 수 있다. 이 경우는 발전된 전력을 단순히 변압기를 통하여 부하에 알맞은 전압 또는 전류로 변환하여 발전 전력을 공급하는 기능을 가지고 있다.

즉, 지금까지는 독립전원의 전력이 부하에 직접 전력을 공급하는 주공급원으로 간주되어, 부하에서 요구되는 소비전력은 독립전원에 의하여 직접 공급되는 방식이다.

그러나 독립전원이 직접적으로 부하에 필요로 하는 전력을 공급하는 경우, 즉 변압기 직결 사용시 각종 손실에 의해 부하에 공급되는 전력이 감소하여 전력의 효율이 매우 떨어지는 문제가 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 기존의 전력공급 장치에 직렬공진 또는 병렬공진을 이용하여, 공진 시 인덕터에 직결 사용시보다 높은 효율로 전력을 기존의 변압기를 통하여 고정부하에 공급할 수 있도록 하여 현재 사용되는 전력공급 장치의 효율을 높일 수 있는 공진회로를 이용한 전력을 부하에 전달하는 회로를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여 제안된 본 발명인 공진회로를 이용한 전력을 부하에 전달하는 회로를 이루는 구성수단은, 전압 또는 전류를 발생하여 공급하는 전원부와, 상기 전원부로부터 공급되는 전압 또는 전류를 이용하여 직결 사용시보다 높은 효율로 전력을 공급하는 공진부와, 상기 공진부로부터 공급된 전력을 변압기를 이용하여 부하에 전달하는 전력전달부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 전원부는 교류전압전원, 교류전류전원, 직류전압전원 및 직류전류전원 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다. 여기서, 상기 직류전압전원 또는 직류전류전원일 경우에는 이를 인버터를 통하여 교류로 변환 시킬 수 있다.

또한, 상기 공진부는 상기 변압기의 1차측 인덕터와, 상기 1차측 인덕터에 병렬 또는 직렬로 연결되는 콘덴서로 구성되되, 상기 전원부에서 공급되는 전력을 직결사용시 보다 높은 효율로 상기 인덕터에 저장하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 변압기의 1차측 반사임피던스는 상기 공진부에서 공진이 유지될 수 있도록 작은 값을 가지는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성 및 작용 그리고 바람직한 실시예를 가지는 본 발명인 공진회로를 이용한 전력을 부하에 전달하는 회로에 의하면, 직결 사용시보다 높은 효율로 전력을 부하에 전달할 수 있도록, 전력공급원 측에 반드시 공진이 유도되도록 하고, 부하에 전력을 전달하기 위해서 사용되는 변압기 회로는 그 반사 임피던스가 공진을 유지할 수 있는 값 이내로 설정함으로써, 직결 사용시보다 높은 효율로 전력을 부하에 전달할 수 있으므로 전력의 효율을 높이는 효과가 있다.

삭제

따라서, 본 발명은 송,배전 시스템의 상용 전력 응용분야에 유용하게 활용될 수 있는 효과가 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 상기와 같은 구성수단으로 이루어져 있는 본 발명인 공진회로를 이용한 전력을 부하에 전달하는 회로에 관한 작용 및 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

이하, 설명의 편의를 위해 본 발명의 특징과 같은 공진회로를 이용하지 않고, 종래와 같이 입력전력을 변압기에 직접 연결하는 방식을 "직결 사용시"라고 정의하기로 한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명은 전원전력을 발생하여 공급하는 전원부(10)와, 상기 전원부(10)로부터 공급되는 전력을 공진시켜 직결 사용시보다 높은 효율로 전력을 공급하는 공진부(20)와, 상기 공진부(20)로부터 공급된 전력을 부하(40)에 전달하는 전력전달부(30)를 포함하여 이루어진다.

상기 전원부(10)는 일반적인 독립 전원을 의미하고, 이와 같은 일반적인 의미에서의 독립 전원은 변압기 등을 이용하여 부하측에서 필요로 하는 전압으로 승압 또는 강압되어 부하에 전달된다.

상기 전원부(10)로서의 독립전원은 교류전원 및 직류전원이 모두 해당할 수 있다. 상기 교류전원은 교류전압전원 및 교류전류전원을 모두 포함하고, 상기 직류전원은 직류전압전원 및 직류전류전원을 모두 포함한다. 상기 독립전원이 직류전원일 경우에는 이를 인버터를 통하여 교류로 변환 시킬 수 있다.

상기 전원부(10)에 연결되는 공진부(20)는 상기 전원부(10)로부터 공급되는 전압 또는 전류를 이용하여 직결 사용시보다 높은 효율로 전력을 공급한다. 본 발명에서는 상기 높은 효율로 전력이 변압기를 통하여 부하에 전달하게 되고, 상기 공진부(20)는 상기 변압기의 1차측 인덕터를 이용하여 직결 사용시보다 높은 효율로 전력을 공급하고, 상기 전력을 상기 1차측 인덕터에 저장시킨다.

즉, 상기 공진부(20)는 상기 변압기의 1차측 인덕터와, 상기 1차측 인덕터에 병렬 또는 직렬로 연결되는 커패시터로 구성되되, 상기 전원부(10)에서 공급되는 전력을 공진을 이용하여 직결 사용시보다 높은 효율로 상기 인덕터에 저장하게 된다.

상기 공진부(20)는 상기 전원부(10)에 에너지 축적 소자인 L(인덕터)과 C(콘덴서)를 부가하고 이를 전원 주파수에 동기하여 직렬공진, 또는 병렬공진을 발생시켜 L 및 C 에 Q배의 전력을 증가시켜 축적시킨다. 전원전압이 Vg 인 직렬공진 시는 인덕터에 직결 사용시보다 Q배의 전압, 즉 Q * Vg [V]가 인가되고, 인덕터를 흐르는 공진전류 I₀에 의해 직렬 공진전력 Ps는, Ps= Q Vg * I₀[W]가 발생된다.

병렬공진 시는 직결 사용시의 입력 전류원 Ig 의 Q배의 전류, 즉 Q * Ig [A]가 인덕터에 인가되고, 인덕터 양단의 전압 Vp에 의해 병렬 공진전력 Pp는, Pp= Q Ig * Vp[W]가 발생된다. 이와 같이 직렬공진 또는 병렬공진을 이용하면 공진용 인덕터에는 직결 사용시보다 Q배 높은 효율로 전력이 축적된다. 설계의 목적에 따라 공진방식을 선택할 수 있다. 이때 인덕터에서 발생되는 전력은 무효전력이나, 편의상 전력 Ps 또는 Pp로 표시한다.

상기 공진부(20)에 의하여 공급된 전력은 보통의 변압기로 구성되는 전력전달부(30)에 의하여 부하(40)에 전달된다.

상기 전력전달부(30)는 변압기 원리를 이용하여 상기 공진부(20)에서 직결 사용시보다 높은 효율로 전력을 부하에 전달한다. 최대한 전력 효율을 높이기 위해서 결합계수 k는 1에 가깝도록 설계하는 것이 바람직하다.

직렬공진 시 변압기의 2차 측 전압 V₂는 2차 측 전류 I₂가 I₂=0 일 때 변압기 원리에 의해 아래와 같은 수식이 성립된다.

V₂ = k * V₁/n = k * Q * Vg/n = (Q/n) * k * Vg

(Q ; 회로의 퀄리티 팩터, n ; 변압기 권선비, k ; 결합계수, Vg ; 전원 전압, V₁ ; 직렬공진 시 인덕터 양단의 전압)

그런데, 변압기가 동작 시는 변압기의 2차 측에 2차 전류 I₂가 흐르고 이로 인해 변압기의 2차 측에서 1차 측으로 반사 임피던스 Z₂₁이 반사되어 1차 측의 공진 발생을 억제시킨다.

따라서, 상기 변압기의 1차측 반사임피던스는 상기 공진부(20)에서 공진이 유지될 수 있도록 작은 값을 가질 수 있도록 설계된다. 본 발명에서는 위의 공진에 의한 2차 측 전압 전달식과 반사임피던스 Z₂₁을 조절할 수 있는 식을 유도하여 설계에 사용함으로서 직결 연결시보다 높은 효율로 전력을 일반적인 변압기 원리에 의해 그대로 부하에 전달 가능하도록 한다.

상기 공진회로를 이용한 전력을 변압기 원리에 의해 공급받는 부하(40)는 변압기 1차 측 인덕터에서 직결 사용시보다 높은 효율로 전력을 공급받는 회로이며, 이때 2차 전류 I₂ 가 0 이 아닐 경우는 변압기 반사 임피던스에 의해서 변압기 1차 측의 공진이 흐트러진다. 이를 방지하기 위해서 반사 임피던스 Z₂₁의 조절은 필수적이며 또한 1차 측의 공진을 유지시킬 수 있도록 부하 저항값 R₀를 최적으로 선정하여야 한다.

상기와 같은 구성으로 이루어진 본 발명인 직결 사용시보다 높은 효율로 전력을 부하에 전달하는 회로의 일예가 도 2에 도시되어 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 일 실시 회로로서 직결 사용시보다 높은 효율로 전력을 부하에 전달하는 회로는 교류전압전원 Vg와 내부 저항 Rg로 이루어진 전원부(10)와, 변압기의 1차측 인덕터 L₁과, 이에 직렬로 연결되는 콘덴서 C₁으로 이루어진 공진부(20)와, 변압기로 이루어진 전력전달부(30)와, 상기 전력전달부(30)에 의하여 전력을 제공받는 부하 R₀를 포함하여 이루어질 수 있다.

도 3은 3상 동기 발전기의 등가 회로이다. 여기서 jxs는 발전기의 리액턴스이며 R₁은 인덕터의 저항이다. 본 발명은 단상 발전 등가 회로를 적용하여 회로에 콘덴서를 첨가하고 공진을 이용하여 직결 사용시보다 높은 효율로 전력을 공급하고 , 상기 전력을 변압기 원리를 이용하여 직접 부하에 공급하는 방안으로 부하를 전원에 직접 연결하는 종래의 방법(변압기 직결 방법)보다는 전력의 효율을 높일 수 있는 방법이다.

도 4는 발전기의 단상 등가회로에 직렬공진 또는 병렬공진을 적용하여 전력을 직결 사용시보다 높은 효율로 전송하는 회로도로서, 본 발명의 전원부(10)와 공진부(20)가 결합된 회로도이다.

도 4의 (a)에 도시된 바와 같이, 직렬공진을 적용한 회로에서, 퀄리티 팩터 Qs는 코일의 저항 R₁을 무시하면, Qs = WL₁/ Rg(Rg 는 전원의 내부저항, R₁ 은 코일의 손실 저항)로 표현된다. 이때 회로의 Qs는 통상적으로 10 이상이다. 또한 직렬공진 시 인덕터 L₁ 양단의 전압 V1은 V₁ = Qs * Vg를 만족하고, 이때 , 인덕터 L₁에 축적되는 전력 P₁은 아래의 식과 같다.

P₁ = V₁ * I₀ = Qs * Vg * I₀ = Qs * Vg² /Rg

단, 여기서 I₀ = Vg / Rg (I₀ 는 공진전류)

또한 직렬공진 시 전원전력 Pg는 Pg = Vg * I₀ = Vg² / Rg를 만족한다. 따라서 P₁ = Qs * Pg 이다. 위 식은 직렬공진 시 인덕터 L₁ 양단에 입력전압의 Qs배 전압이 인가되고 또한 공진 전류 I₀가 작용하기 때문에 직결 사용시보다 Qs 배의 높은 효율로 전력이 인가됨을 보여주고 있다. 도 4의 (b)는 병렬 공진을 적용한 회로인데, 병렬공진 시도 직렬공진 시와 같이 인덕터 양단에 직결 사용시보다 높은 효율로 전력이 공급되며, 이의 설명은 상기 직렬공진을 적용한 회로에서 증명된 일반 사항이므로 생략한다.

도 5는 본 발명의 전력전달부(30)에서 사용하는 변압기의 등가회로이다.

전력전달부(30)로서 변압기는 이상적일 경우 입력전력 P₁이 2차 측으로 손실 없이 전달되기 때문에 2차 측 전력 P₂는 P₁과 같다. 그러나 결합계수 k 와 권선비 n을 적용하면 다음과 같이 표시될 수 있다. 단, 코일의 저항이 무시된 경우이다.

V₂ = k * V₁ / n

I₂ = k * n * I₁

P₂ = V₂ * I₂ = k² * P₁

그러나 전원의 내부저항 Rg가 있고 2차 측에 부하저항 R₀가 연결되어 2차 측의 전류 I₂가 0이 아니면 반사 임피던스 Z₂₁이 1차 측에 결합 되며 반사 임피던스 Z₂₁은 Z₂₁ = -(SM)² / Z₂₂ = R₂₁ +jX₂₁ [Ω] 로 표현될 수 있다.

도 6은 도 4에 도시된 직렬공진에 의해 도 5에 도시된 변압기 원리로 변압기의 2차 측에 직결 사용시보다 높은 효율로 전력을 전달하는 경우, 변압기의 1차측과 2차측의 등가 회로이다.

도 6의 (b)에 도시된 변압기 2차 측 등가회로에서 I₁은 1차 측 전류, 그리고 Z₁₂는 상호 인덕턴스이다. 도 6 (a)에 도시된 바와 같이, 1차 측 전원회로를 직렬공진 회로로 구성하고, 2차 측 회로에 부하를 연결하면, 반사 임피던스 Z₂₁이 1차 측 공진회로에 나타난다. 여기서 상기 반사 임피던스 Z₂₁이 1차 측 공진회로에 거의 영향을 주지 않도록 설계하면 1차 측 공진회로는 지속적으로 공진을 유지하게 된다. 그러므로 공진에 의해 직결 사용시보다 높은 효율로 전력이 변압기 원리에 의해 2차 측 회로에 전달되고 부하에 직결 사용시보다 높은 효율로 전력을 공급할 수 있으므로 전력 사용의 효율을 높일수 있다.

이하에서는 상기에서 설명한 본 발명을 증명하기 위한 실험예를 상세하게 설명한다.

도 7은 실제 실험에 사용된 변압기의 실물이다. 페라이트 코아에 권선을 감아 348mH를 1차 측 및 2차 측에 사용하므로 권선비 n을 1로 유지하도록 설계하고 직렬 공진을 이용하였다. 이 때 코일의 DC 저항은 2.8Ω이고 결합계수 k = 0.742 이다.

그리고 도 7의 실험용 변압기에 내부 임피던스가 50Ω인 Tektronix CFG 280 신호발생기를 교류전원으로 사용하였으며, 직렬공진주파수는 304KHz 하였다. 전압측정기는 Tektronix TDS 220 오실로스코프를 사용하였다.

도 8은 본 발명에 적용되는 전력 및 전달 실험 회로의 등가회로이고, 도 9는 상기 도 8의 실험에 사용된 등가회로를 1차 측 등가회로와 2차 측 등가회로로 구분하여 도시된 것이다.

도 9의 (a)의 1차 측 등가 회로에서 등가저항 R_T는 Rg+R₁+R₂₁ 로 표현될 수 있다. 이 때 부하 R₀가 연결될 때 회로의 퀄리티 팩터 Qs는 Qs = XL₁ / R_T로 표현할 수 있으므로 반사 임피던스 R₂₁이 작을수록 전력 효율에 유리하다.

그러므로 회로 설계 시 1차 측 회로에 반사 임피던스 Z₂₁을 최소화하여 공진을 유지하면 직결 연결시보다 높은 효율의 전력은 2차 측의 전압 및 전류로 변압기 원리에 의해 2차 측에 그대로 전달된다. 따라서 직렬공진에 따른 1차 측의 증가된 전압은 Qs * Vg 이고, 2차 측 전압 V₂ 는 V₂ = (Qs/n) * k * Vg로 표현된다. 그리고 결합계수 k가 1이고, 권선비 n이 1이라면, 2차 측 전압 V₂ 는 직결 사용시보다 Qs 배로 증가되어 2차 측에 인가된다.

따라서, 회로의 2차 측에 전달되는 전압 V₂는 k =1 이고, 부하저항(R₀)이 충분히 크다면 공진 시 직결 사용시보다 효율이 Qs배에 해당되는 전력이 2차 측에 전달됨을 의미한다.

도 9에 도시된 바와 같이 구성된 실험 회로에서 부하저항를 R₀를 170K[Ω]로 가정하면 반사 임피던스 Z₂₁은 아래 식과 같다.

Z₂₁ = -(SM)² / Z₂₂ = 1.43 - j 5.6 * (10)^-3 [Ω] = R₂₁ +j X₂₁ [Ω]

여기서, Rg = 50 [Ω], R₀ = 170 [KΩ], XL₁= 665 [Ω], XL₂ = 665 [Ω], k =0.742, n = 1로 가정하고, XL₁은 변압기 1차측 리액턴스, XL₂는 변압기 2차측 리 액턴스이다.

상기 식에서 표현된 바와 같이, 반사저항 R₂₁=1.43[Ω]으로 내부저항 Rg=50[Ω] 에 비해 매우 작기 때문에 회로의 Qs에 주는 영향이 적고 반사되는 용량성 리액턴스 X₂₁도 5.6 * (10)^-3[Ω] 으로 1차 측 회로의 유도성 리액턴스 665[Ω]보다 매우 작기 때문에 공진을 일정하게 유지할 수 있다.

아래 <표 1>은 내부저항 Rg = 50[Ω]과 1V의 크기를 갖는 전원 전압의 공진회로를 이용하여 부하 R₀ 에 공급되는 가용전력을 실측한 표이다. 이 때 결합계수는 k=0.742를 적용한 실측치이다. 그러나 결합계수 k가 1인 경우에는 V₂ = V₁ 이 되며, 부하의 공급전력은 아래 <표 2>에 제시된 바와 같다. 단, 부하의 공급전력 산출 시 R₀>> XL₂이므로 XL₂는 무시하였다.

<표 1> 도 8에 도시된 등가회로의 부하 변화에 따른 실측치

부하 R0 [Ω]	퀄리티 팩타 QS	1차측전압 V1 [V]	2차측전압 V2= 0.742V1 [V]	부하가용전력 P0= V2 2 /R0 [uW]	반사저항 R21 [Ω]
1M 170K 10K 1.2K 870	8.97 8.80 6.56 2.40 1.93	8.97 8.80 6.56 2.40 1.93	6.65 6.55 4.92 1.72 1.34	42.9 252.3 2420.6 2465.3 2063.9	0.24 1.43 24.34 202.89 279.85

(여기서, Vg = 1V , k=0.742 , n=1)

상기 <표 1>에서 전원전압 Vg가 1V 이므로 회로의 Qs 값과 1차 측 인덕터 L₁ 에 인가되는 전압 V₁과의 크기는 같다. 따라서 2차 측에 전달되는 전압 V₂는 V₂=k * V₁ 이다.

그리고 I₂=0 일 때, 1차 회로의 퀄리티 팩터 Qs는, Qs = XL₁ / ( Rg + R₁ ) = 665[Ω] / 52.8[Ω] = 12.59로 계산된다. 단, Rg는 전원의 내부저항 50[Ω]이고, R₁은 1차 코일의 직류저항 2.8[Ω]이다.

이 때 부하저항 R₀가 1M[Ω] 일 때는 I₂=0 인 경우와 비슷하므로 Qs가 이론치와 같이 12.59이어야 하나 실측치는 <표 1>에서 나타낸 바와 같이, 8.97로 나타난다. 이는 코일의 직류저항 값 이외에도 코일의 고주파에 의한 저항값이 인가되어 Qs 값을 감소시킨 것으로 판단된다.

따라서 이를 1차 회로의 유효저항, Reff로 취급하고 그 값을 계산하면, Reff = XL₁ / Qs = 665[Ω] / 8.97 = 74.1[Ω]이다. 그러므로 실험 회로는 전원의 내부저항 Rg = 50[Ω]에서 Reff = 74.1[Ω]으로 작동하고 있는 것으로 판단되었다. <표 1>에서 부하저항 R₀의 변화에 따른 Qs는 Qs = XL₁ / (Reff +R₂₁)와 일치함을 보여주고 있다.

상기 <표 1>에서와 같이 부하저항 R₀가 1.2K[Ω]일 때 반사저항 R₂₁은 202.89[Ω]이고 전압 증가도는 약 2.4배를 나타내고 있다. 따라서 이와 같이 설계된 회로에서 부하저항 R₀를 크게 하면 반사 임피던스 Z₂₁은, 반사저항 R₂₁이 적어지기 때문에 줄어들고, 퀄리티 팩터 Qs는 증가하게 됨을 <표 1>의 실측치로부터 알 수 있다.

아래 <표 2>는 도 8의 공진형 등가회로에서 결합계수 k를, k=1로 했을 경우의 값을 계산식으로 산정하여 표시하였다.

<표 2> 도 9에 도시된 등가회로의 k=1때 이론치

부하 R0 [Ω]	퀄리티 팩타 QS	1차측전압 V1 [V]	2차측전압 V2 [V]	부하가용전력 P0= V2 2 /R0 [uW]	반사저항 R21 [Ω]
1M 170K 10K 1.2K 870	8.93 8.67 5.62 1.50 1.14	8.93 8.67 5.62 0.83 0.75	8.93 8.80 5.62 0.83 0.75	79.7 442 3158 577 651	0.44 2.6 44.21 368.51 508.30

(여기서, Vg = 1V , k=1, n=1)

상기 <표2>에서 결합계수 k=1일 때 부하저항 R₀의 변화에 따라 반사저항 R₂₁이 변하기 때문에, <표 1>과 <표 2>에서 R₀가 각 각 1.2[KΩ], 또 870[Ω]의 경우에는 k=0.742인 경우보다 부하 R₀에 공급되는 가용전력이 감소됨을 보이고 있다. 이는 공진전력을 전달하는 회로의 설계기법에 있어, 반사 임피던스 Z₂₁에 사용되는 파라미터인, 결합계수 k, 부하저항 R₀, 권선비 n, 그리고 회로의 리액턴스 XL₁이 관여하는데 그 원인이 있다.

아래 <표 3>은 전원전압에 R₀를 직접 연결하였을 경우(직결 연결시)와, 동일 한 1V 전원전압에 도 8에 도시된 실험회로와 부하를 연결하였을 경우 부하 R₀에 공급되는 가용전력의 크기를 비교한 것이다. 도 10은 전원전압에 부하를 직접 연결하여 전력을 공급하는 방식이다. 이 때 R₀>>Rg 이므로 전원의 내부저항 Rg는 무시하였다.

<표 3> 직결 연결시와 본 발명에 따른 연결시의 부하가용전력 비교표

부하 R0 [Ω]	①직결방식 P0=Vg2/R0[uW]	공진전력연결방식		부하가용 전력비율 ②/①	부하가용 전력비율 ③/①
		P0=V2 2/R0[uW]
		②k=0.742	③k=1
1M 170K 10K 1.2K 870	1.0 5.9 100.0 833.3 1149.4	42.9 252.3 2420.6 2465.3 2063.9	79.7 442 3158 577 651	42.9 42.76 24.20 2.95 1.79	79.7 74.91 31.58 0.69 0.56

<표 1>에서 직렬공진 시 Q_S가 6.56으로 유지되는 회로는 부하저항 R₀가 10K[Ω]인 경우 부하에 공급되는 가용전력은 전원에 직접 연결한 경우(직결 연결시)보다 <표 3>에서와 같이 k=0.742 일 경우는 24.2배이고, k = 1일 경우에는 직결 사용시보다 31.58배로 전력 공급이 가능한 것으로 판단된다. 이는 부하에 공급된 전력이 직결 사용시보다 증가된 것으로 기존의 전력 공급 방식에 비해 공급전력의 효율이 증가된 것이다.

다음은, 병렬공진을 활용한 회로에 대한 실험 결과를 가지고 상세하게 설명한다.

가정에 공급되는 전력은 가장 가까운 변압기의 의해서 6.6[KV]가 인가되고, 이 전압이 다시 가정용 단상 220[V]로 강압되어 가정용 부하에 전력이 공급된다.

도 11은 이에 대한 등가회로를 표현한 것이다. 부하저항 R₀는 1[Ω]옴으로 목표하고 회로의 Qp는 8.58로 선정하여 설계하였다. 그리고 전원 저항은 무시하였다.

여기서 변압기의 1차 측 전압은 6.6[KV]이고 2차 측 전압은 220[V]이다. 그리고, 이 때 변압기의 결합계수 k를 1로 가정하면 권선비 n 은, n = V1 / V2 = 6.6[KV] / 220[V] = 30이다. 그리고 댁내에서 사용하는 부하 저항을 1[Ω]으로 취급하였다.

이때 부하에 220[V]를 인가하기 위해서 도 11의 2차 측 리액턴스의 크기를 부하저항 값의 1%, 즉 0.0105[Ω]으로 채택하여야 부하저항에 220[V]가 인가된다. 그리고 1차 측 리액턴스 XL₁ 과 2차 측 리액턴스 XL₂는 권선비 제곱에 비례하므로 XL₁ = n² XL₂ = 30² (0.0105) = 9.44[Ω]이다. 이때 반사 임피던스 Z₂₁은, Z₂₁ = -(SM)² / Z₂₂ = 0.1 - j 0.01[Ω] 으로 1차 측 회로에 주는 영향은 거의 없다.

따라서 1차 측에 병렬공진 회로를 도 12와 같이 병렬공진을 이용한 공진회로에 적용하여 직결 사용시보다 높을 효율로 전력을 2차 측에 전달할 수 있다.

이때 1차 측 코일의 저항 RL₁을 1[Ω]으로 가정하면 회로의 Qp 는, Qp = XL₁ / Reff = 9.44[Ω] / 1.1[Ω] = 8.58이다. 단, Reff = RL₁ +R₂₁이다. 그리고 병렬공진에 의해 표현되는 저항 R₁은, R₁ = Reff Q² = 1.1[Ω] * (8.58)² = 81[Ω]이다. 이때 전원의 내부 저항은 무시하였다.

도 13은 도 12의 전압원 등가회로를 전류원 등가회로로 변경한 회로도이다.

도 13에 도시된 등가회로에서 공진 시 회로의 공진전류 I₀는, I₀ = V₁ / R₁ = 6.6[KV] / 81[Ω] = 0.0815[KA]이고, 1차 리액턴스 XL₁에 흐르는 전류는 전류원 I₀, 0.0815[KA]의 Q_P배에 해당되는 0.699[KA]의 순환 전류가 흐르며, 1차 리액턴스 양단에는 6.6[KV] 인가된다. 따라서 이때의 병렬공진 전력 P_1R은, P_1R = V₁ * Q_P * I₀ = 6.6[KV] * 0.699[KA] = 4,613.4[KW]이다.

그러나 도 11의 등가회로에서 변압기 1차 측 리액턴스 XL₁에 인가되는 전류는 코일의 저항, RL₁을 무시하면 I₁ = V₁ / XL₁ = 6.6[KV] / 9.44[Ω] = 0.699[KA]이다. 따라서 1차 측 리액턴스 XL₁에 인가되는 전력 P₁은, P₁ = V₁ * I₁ = 6.6[KV] * 0.699[KA] = 4,613.4[KW]이다.

따라서 병렬공진 시 공진전력 P_1R, 4,613.4[KW]와 비 공진 시 전력 P₁, 4,613.4[KW]는 크기가 동일하고 변압기에 의해 부하 쪽으로 전달된다. 그러나 전원 측에서 살펴보면 비공진시(직결 사용시) 전력은 P₁ = 4.613.4[KW]의 전력을 발생시 켜야 하지만, 도 13의 등가회로에서 병렬 공진 시 전력 Pg는, Pg = V₁ * I₀ = 6.6[KV] * 0.0815[A] = 0.54[KW]로, 비공진시(직결 사용시) 전력의 1/Qs을 발생시켜도 되기 때문에 발전기의 용량을 감안하면 그만큼 전력 효율이 증가된 것이다. 이 경우 직렬공진을 사용하여도 동일한 효과를 발생시킨다.

본 발명이 적용되면, 부하의 소비 전력을 기존 방식보다 절감할 수 있다. 이하에서는 댁내에서 사용되는 전기기기의 소비 전력을 줄일 수 있는 분야에 본 발명이 적용될 수 있는 예를 이론적으로 제시하여 실험 결과를 토대로 설명한다.

일반적인 전기기구는 댁내의 220[V]에 변압기를 이용하여 1차 측의 220[V]를 원하는 전압으로 강압시킨 후 이를 AC 또는 DC로 전환하여 부하에 공급한다. 예로서 정격출력이 6[V]에 0.3[A]의 출력을 갖는 기기를 선정하였다.

이 때 부하의 등가저항 R₀는 R₀ = V₂ / I₂ = 6[V] / 0.3[A] = 20[Ω]이다. 부하 R₀에 99%의 전압을 인가하기 위해서 XL₂는 0.2[Ω]으로 선정되었다. 이 때 권선비 n은, n = V₁ / V₂ = 220[V] / 6[V] = 36.7이고, 1차 측 리액턴스 XL₁ 은 XL₁ = n² * XL₂ = 36.7² * 0.2[Ω] = 269[Ω]이다.

또 반사 임피던스 Z₂₁은 Z₂₁ = -(SM)² / Z₂₂ = 2.7 - j0.027 [Ω]이고, 1차 측 코일, L₁의 저항 RL₁을 40[Ω]으로 채택하면 반사 임피던스, Z₂₁이 1차 회로에 주는 영향은 미미하다. 이와 같은 변압기의 등가회로를 도 14에 도시하였으며, 전원의 내부저항은 무시하였다.

도 14에서 부하저항 R₀, 20[Ω]에 6[V] 전압을 공급하기 위해 소요되는 1차 측 전류 I₁은 1차 코일의 저항, RL₁을 무시하면, I₁ = V₁ / XL₁ = 220[V] / 269[Ω] ≒ 818 [mA]이다.

따라서 부하저항 R₀를 동작시키기 위한 실제적인 소비 전력은 도 14에 도시된 변압기 1차 측의 전압 220[V]와 전류 818[mA]로 결정된다. 도 14에 도시된 등가회로를 전류원 등가회로로 변경하고 병렬공진 형태로 구성한 것을 도 15에서 보여주고 있다.

도 15에서 전원의 내부 저항은 무시하였다. 병렬공진을 이용하여 제시한 위의 등가회로에서 Qp는 Qp = XL₁ / (RL₁+R₂₁) = 269[Ω] / (40 + 2.7)[Ω] ≒ 6.3이다. 또한 1차 측 회로저항 R₁은, R₁ = (RL₁ + R₂₁) * Qp² = 42.7 * 6.3² ≒ 1694.7[Ω]이다.

따라서 이 때 1차 측 전류 I₁은 공진전류 I₀와 동일하며 I₀ = V₁ / R₁ = 220[V] / 1694.7[Ω] ≒ 129.8[mA]이다. 따라서 공진시 1차 측 리액턴스, XL₁에 흐르는 전류 I_Q는, I_Q = Qp * I₀ = 6.3 * 129.8[mA] ≒ 818 [mA]이다.

그러므로 변압기 2차 측에 전달되는 전압 V₂와 전류 I₂는 변압기의 결합계수 k =1 이고 권선비 n=36.7 이므로, V₂ = V₁ / n = 220[V] / 36.7 ≒ 6[V]이고, I₂ = n * I_Q = 36.7 * 818[mA] ≒ 30 [A]로 부하에 전달되기 때문에 부하가 요구하는 정격전압과 전류로 동작이 가능하다.

그러나 부하가 사용하는 소비 전력은 변압기 1차 측에 유도되는 전력에 기인 한 것이기 때문에 실제적인 소모 전력은 변압기 1차 측에서 사용되는 전압과 전류에 기인한다. 따라서 도 14의 등가회로와 같이 공진을 이용하지 않을 경우에는 변압기 1차 측에 흐르는 전류, I₁은 약 818[mA]이고 도 15의 병렬공진 시 1차 측에 흐르는 전류, I₀는 약 129.8[mA]로, 이때에 회로에는 220[V]의 동일한 전압이 인가되고 있기 때문에 병렬공진을 사용하여 전력을 부하에 공급할 경우에는 공진을 이용하지 않고 전달한 경우(직결 사용시) 보다 높은 효율로 전력을 부하에 공급할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 회로 블록도이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 직렬공진을 이용한 전력을 부하에 전달하는 일 회로도이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 3상 동기 발전기의 등가 회로도이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 직렬공진과 병렬공진의 등가 회로도이다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 변압기의 등가 회로도이다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 직렬공진 시 반사임피던스(결합임피던스)가 표시된 변압기의 등가 회로도이다.

도 7은 본 발명의 실시예에 사용된 변압기의 예시도이다.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 공진전력 및 전달 실험 회로의 등가 회로도이다.

도 9는 본 발명의 실험에 사용된 회로의 등가 회로도이다.

도 10은 본 발명의 실험에 따른 전원전압과 부하가 직결된 회로도이다.

도 11은 본 발명의 실험에 따른 가정용 전력 전달용 최종 변압기의 등가 회로도이다.

도 12는 본 발명의 실험에 따른 전력 전달 병렬 공진형 전압원 등가 회로도이다.

도 13은 본 발명의 실험에 따른 전력 전달 병렬 공진형 전류원 등가 회로도이다.

도 14는 본 발명의 실험에 따른 가정용 전기 기구 전력전달 변압기의 등가 회로도이다.

도 15는 본 발명의 실험에 따른 부하 소비전력 감소를 위한 가정용 전력전달 공진형 전류원 등가 회로도이다.

Claims (5)

1. 전력을 부하에 전달하는 회로에 있어서,

   교류전압전원, 교류전류전원, 직류전압전원 및 직류전류전원 중 어느 하나의 전압 또는 전류를 발생하여 공급하되, 상기 직류전압전원 또는 직류전류전원인 경우에는 인버터에 의해 교류로 변환하여 공급하는 전원부와;

   변압기의 1차측 인덕터와, 상기 1차측 인덕터에 병렬 또는 직렬로 연결된 콘덴서를 포함하여 구성하되, 상기 전원부에서 공급된 전압 또는 전류를 이용하여 직결 사용시 보다 높은 효율로 전력을 공급하는 공진부와;

   상기 공진부로부터 공급된 전력을 변압기를 이용하여 부하에 전달하는 전력전달부를 포함하되,

   상기 변압기의 1차측 반사임피던스는 상기 공진부에서 공진을 유지할 수 있도록, 반사 임피던스 Z₂₁의 구성 내용인 반사저항성분 R₂₁의 크기가 공진전력 전달 변압기 1차측의 등가 유도성 리액턴스 XL₁의 값 이하이고, 동시에 반사 임피던스 Z₂₁의 구성 내용인 반사 리액턴스 성분 X₂₁의 크기는 공진전력 전달 변압기 1차측의 유도성 리액턴스 XL₁ 값의 0.5 배 이하인 것을 특징으로 하는 공진회로를 이용하여 전력을 부하에 전달하는 회로.
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