KR100981194B1 - 제어가능한 변압기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자기 물질의 몸체부, 제 1 축을 중심으로 몸체부에 감긴 1차 권선, 제 1 축과 수직인 제 2 축을 중심으로 몸체부에 감긴 제2 권선, 및 제 1 축과 일치하는 제3 축을 중심으로 몸체부에 감긴 제어 권선을 포함하는, 제어 가능한 변압기 장치에 관한 것이다.

Description

제어가능한 변압기{CONTROLLABLE TRANSFORMER}

본 발명은 자기 물질로 이루어진 몸체, 제 1 축을 중심으로 상기 몸체 둘레에 감긴 1차 권선(primary winding)(또는 제 1 메인 권선(main winding)), 제 1 축과 수직인 각에 있는 제 2 축을 중심으로 상기 몸체 둘레에 감긴 2차 권선(또는 제 3 메인 권선), 및 상기 제 1 축과 일치하는 제 3 축을 중심으로 상기 몸체 둘레에 감긴 제어 권선(또는 제 2 메인 권선)을 포함하는 가변 변압기/주파수 변환기 장치에 관한 것이다.

본 발명은 또한 자기 물질로 이루어진 몸체, 제 1 축을 중심으로 상기 몸체 둘레에 감긴 1차 권선(또는 제 1 메인 권선), 제 1 축과 수직인 각에 있는 제 2 축을 중심으로 상기 몸체 둘레에 감긴 2차 권선(또는 제 3 메인 권선), 및 상기 제 1 축과 일치하는 제 3 축을 중심으로 상기 몸체 둘레에 감긴 제어 권선(또는 제 2 메인 권선)을 포함하는 장치를 사용하여 1차 교류 전류/전압을 2차 교류 전류/전압으로 제어가능하게 변환하는 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 방법은

- 1차 권선에 1차 교류 전류/전압을 공급하는 단계,

- 제어 권선에, 1차 전류/전압에 대하여 동일한 위상 또는 180°편이된 위상을 갖는 교류 전류/전압을 공급하는 단계,

- 제어 권선에 가변 전류를 공급하여, 가변 제어 전류로 변압기의 변환 비율을 제어하는 단계를 포함하는 것에 특징이 있다.

삭제

바람직하게 변압기 장치는 내부 권선들을 위한 내부 권선 구획(compartment) 및 외부 권선들을 위한 외부 권선 구획을 구비한 공동의(hollow) 자화가능 코어로서 설계된다. 바람직한 실시예에서, 변압기 장치는 3개의 권선, 즉 외부 권선 구획 내 1차 권선, 이와 관련되는 내부 권선 구획 내 제어 권선, 및 내부 권선 구획 내 2차 권선을 포함한다. 외부 권선 구획 내 권선들 및 내부 권선 구획 내 권선들은 상기 구획 내에서 서로에 대해 수직인 각도로(수직하여) 정렬되고, 그에 의하여 직교하는 자기장을 형성한다. 물론, 내부 권선 구획은 1차 권선을 수용하고, 외부 권선 구획은 2차 권선 및 제어 권선을 수용할 수도 있다. 주파수 변환기는 특히 MVA 범위 내의 사용을 위해 의도된 것이나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본 발명은 PCT/NO01/00217에서 기재된 장치를 더 개량한 것이므로, 상기 장치는 전체가 본 발명에 포함된다.

본 명세서에서, "1차 권선" 및 "2차 권선"이라는 표현은 변압기에서 일반적으로 사용되는 것과 같이 에너지가 입력되는 권선(1차) 및 부하에 연결하기 위한 권선(2차)을 의도하도록 사용된다. 본 발명에 따른 장치에서, 1차 권선 및 2차 권선은 직교하는 축들의 둘레에 감긴다. "제어 권선"이라는 표현은 변압기의 변환 비율을 제어하는 권선을 나타낸다.

직교하는 권선들을 포함하는 변압기는 이전에 Meretsky 등에 의한 1978년 4월 18일자 미국 특허 제 4,210,859호에서 공지되었다. 그러나, 공지된 해결책은 몇 가지 단점들을 나타낸다. 본 발명의 주요한 특징들은 상기 공보에 기재된 종래 기술에 기초하여 이하에서 설명될 것이다.

미국 특허 제 4,210,859호에서, 장치가 18 ×11 mm 치수를 갖고 mA 범위의 전류 레벨을 가진 페라이트 포트 코어(ferrite pot core)에서 수행된 테스트를 기초하여 개발되었음이 기재되었다. 그러나, 페라이트는 다른 것들 가운데 수반되는 비용이 상당히 크기 때문에 고 전력 레벨에서 사용하기에 적당하지 않다. 이것은 페라이트 코어의 크기가 순전히 생산 공학적 관점으로 인해 제한되고, 또한 변환된 전압의 주파수를 증가시킴으로써 더 높은 전력 레벨들이 전달될 수 있기 때문이라는 사실 때문이며, 따라서 이는 복잡하고 값비싼 전력 장치를 유도한다. 반면 본 발명은 투자율(permeability)에 관한 특별한 특성을 갖는 코어 플레이트(core plate)를 사용할 것을 목적으로 하고, 이러한 특성들은 본 발명에서 채택된다. 도 6h는 표준 상업용 코어 플레이트에 대한 자화 곡선 중 선형 부분을 예시한다. 본 발명의 일 실시예에서, 층상(laminar) 물질은 자화 곡선이 플레이트의 모든 방향들에 대해 동일한 경우에 사용된다. 이것은 응용예에 대한 제한으로 고려됨 없이 무방향성 플레이트의 사용을 의미하는데, 이는 소정의 응용예들에 대해서 방향 지향성 플레이트(directionally oriented plate)를 갖는 것이 유리할 수 있기 때문이다.

미국 특허 제 4,210,859호는 4개의 권선, 즉 1차 메인 권선, 1차 권선에 수직인 각도로 배열된 2차 메인 권선, 각각의 메인 권선에 대한 2개의 제어 권선을 구비한 가변 변압기 해결책에 관한 연결도를 도시한다. 동작 모드는 양 제어 권선의 가변 DC 전류가 1차 권선으로부터 2차 권선으로 AC 전압의 전달을 야기하도록 할 것이다. 특히 응용예의 범위가 mA 범위의 바깥에 있다면, 이러한 종류의 변압기는 현실적인 선택사항으로 고려될 수 없는데, 이는 제어 권선의 DC 전류가 1차 전압의 반 사이클 내의 연결에 대해 자기 물질의 자구(domain)들을 반대(unfavourable) 방향으로 회전시켜 2차 전압에 고조파를 야기하기 때문이다. 본 발명자에 의해 열심히 연구된 이러한 현상은 미국 특허 제 4,210,859호에서 고려되지 않았다.

본 출원에서, 도 6c 내지 6d는 자구들의 상기 회전을 예시한다. 이들 도면에서, Vp는 1차 권선 상의 전압을 나타내고, Vs는 2차 권선 상의 전압을 나타낸다. 동시에, Vp는 1차 권선의 권선 축을 나타내고, Vs는 2차 권선의 권선 축을 나타낸다. 그 다음 1차 권선에 의해 생성된 또는 링크된 자속(flux)은 Vp의 방향을 가질 것이고, 2차 권선에 의해 생성된 또는 링크된 자속은 Vs의 방향을 가질 것이다. 도 6c에서, 자구들은 1차 전압 Vp에 따라 정렬되고, 자구들의 자화 B는 대략 도면에 도시된 것처럼 변화할 것이다. 이러한 1차 권선에 의해 생성된 자기장 H는 양에서 0으로, 그리고 0에서 음의 값으로 변화할 것이다.

1차 전압과 관련하여 자화의 위상 편이는 예시를 단순화하기 위하여 여기에 포함되지 않는다(자화 전류는 전압보다 90도 지연됨). 1차 권선으로부터의 자화는 상기 구획 내의 1차 권선의 방향에 의해 주어진 물질의 고정된 방향으로의 정현파 자구 변화를 야기한다.

여기서, Bkvp는 방향 Vp으로의 자화이며, k는 1차 전압 Vp에 비례하는 상수이고, t는 시간이다. 이제, 제어 전류를 외부로부터 제어 권선 또는 2차 권선 안으로 인가하지 않고 2차 권선을 동작시키는 것은 가능하지 않고, 제어 전류는 자기장도 2차 권선을 통과하도록 1차 권선으로부터의 자화를 회전시킨다. 자기장 B가 2차 권선에 수직인 방향을 갖는 한, 어떠한 자속도 2차 권선에 의해 링크되지 않을 것이다. 화살표의 길이는 자화 레벨 B 또는 자기장 세기를 도시하고, 화살표의 방향은 자구들의 정렬 방향을 도시한다.

도 6d에서, 제어 권선을 동작시켜 DC로 여자시킴으로써 제어 자기장 Bkdc가 유도된다. 제어 자기장은 1차 자기장 Bkvp와 더해지고 도시된 것처럼 자화 Bkr을 형성한다. 일정한 자기장이 정현파 자기장와 더해지기 때문에, 합은 방향과 자기장 세기 면에서 정현파로 변화할 것이다. 단순화된 다이어그램 6d는 2개의 사인 함수의 곱이 되는 자구 정렬 방향 내의 변화를 달성함을 도시한다. 생성된 자기장에 대한 방향 및 자기장 세기 모두 정현파로 변화한다.

2차 권선에 유도된 전압 Vs는 2가지 효과에 의해 제공될 것이다. 자구가 방향을 변화시킨다는 사실은 유도(induction)를 제공할 것이고, 자구의 크기가 변한다는 사실은 추가 유도를 제공할 것이다.

방향 종속성은 이하의 식에 의해 주어진다.

여기서, Bkr은 1차 측으로부터의 자화 Bkvp와 제어 전류로부터의 자화 Bkdc의 합이다.

자구 크기가 변화한다는 사실은 추가 유도를 제공할 것이다. 자기장 세기는 1)에 의해 주어지고, 회전은 2)에 의해 주어지며, 따라서 더해진 효과는 상기 2가지 자구 변화들의 곱일 것이다.

단순화시키면,

상수 항을 무시하면,

이것은 2차 전압의 주파수가 두 배가 됨을 나타낸다.

DC 제어 전류에 의해 야기된 1차 전류로부터의 선형 자구 변화들에 가해진 자구 회전의 이러한 효과는, 전류 크기와 그에 따라 유도된 전압 크기에 의해 변화할 것이다.

가변 전력용 변압기(variable power transformer)에 대한 현실적인 해결책을 구현할 수 있도록, 1차측 상의 제어 권선이 1차 권선에 변환가능하게 연결되고 1차측으로부터의 전압 하에 있을 것이며, 그에 따라 부가적인 필터링 없이 조정(regulate)하는 것이 매우 어려워진다는 점에서 문제점들이 발생한다.

또한 미국 특허 제 4,210,859호는 직각으로 된 축들과 함께 권선들이 2개씩 직렬로 상호연결된 변압기 연결을 개시한다(도 18). 상기 공보는 코어의 사용 효율(utilization)이 상기 연결을 사용하여 증가될 수 있음을 언급한다. 그러나, 이것은 권선들에 대한 자기장들이 벡터적으로 합산되어 기재된 효과가 달성되지 않기 때문에 정확하지 않다.

또한 미국 특허 제 4,210,859호는 두 제어 권선들이 전류를 운반하고 직렬로 상호연결된 경우 입력 전압과 출력 전압 사이의 가변적 지연(variable delay)을 개시한다(도 20). 여기서 위상 왜곡이 수반되는데, 이는 1차 권선 및 2차 권선을 통과하는 자기장들이 자구 방향들에 의해서 편이되기 때문이다. 제어 권선들이 이러한 방식으로 연결되는 경우, 상기 장치는 위상 인버터로서 사용되는 전력용 변압기를 위해 작동하지 않을 것인데, 그 이유는 1차 권선으로부터의 연결이 원칙적으로 앞서 언급된 것과 동일한 연결(도 18)이 얻게 될 정도로 제어 전류에 영향을 미칠 것이기 때문이다.

일반적으로, 미국 특허 제 4,210,859호에 의해 예시된 것과 같은 종래 기술이 가진 문제점은 그것이 DC 제어 전류를 사용한 자구들의 조작이 2개의 직교한 권선들 사이의 연결과 관련하여 자화에 어떻게 영향을 주는지에 대한 완벽한 그림을 제공하지 않는다는 것이다. 본 발명자는 이 분야에서 완벽한 연구를 수행하였고 자화가능 물질이 2개의 직교하는 자기장들에 의해 여자될 때 자화가능 물질에서 발생하는 현상을 매핑하도록 처리하였다. 부가하여, 본 연구의 결과는 만족스럽게 작동하는 장치를 제공하기 위하여 사용된다.

전술한 종래 기술의 단점을 극복하기 위하여, 본 발명은 이하의 특징들을 갖는다.

본 발명에 따르면, 자화는 1차 제어 권선에 직교하는 2차 제어 권선의 펄스형 DC 또는 펄스형 AC 제어 전류에 의해 제어된다. 도 6e에 도시된 제어 권선의 AC 제어 전류를 갖는 1차 권선으로부터의 증가된 전압으로 자화를 단계적으로 제어함으로써, 자구들의 방향은 예를 들어, 30도로 일정하게 유지될 것이고, 오직 자화의 자기장 세기만이 변화되어, 세기 및 방향 모두가 동시에 변화하는 것을 피하게 된다.

본 발명에 따르면, 상기 내용은 자기 회로에 대하여 1차 권선의 자화 전류에 대한 제어 전류와 2차 권선에 대한 암페어-턴(ampere-turn) 균형을 정확히 제공(dosing)하는 수단에 의해 달성될 것이다. 도 6g에 도시된 바와 같은 통상의 변압기에서, 1차 권선에 의해 형성된 자화 전류는 패러데이 법칙(Faraday's law)에 따라서 역유도 전압 Ep를 생성하는데 필요한 자속에 의해 주어질 것이다.

Ep: 1차 권선에서 유도된 전압

Vp: 인가된 전압(forced voltage)

Rp: 1차 권선의 저항

Ip: 1차 전류

누설 자기장을 무시하면, 1차 권선 및 2차 권선에 대한 공통 자속은 이하와 같이 주어진다.

Np: 1차 권선의 턴 수

Im: 자화 전류

Rcore: 코어의 자기저항(reluctance)

개방된 2차 회로의 경우, 1차 권선에는 단지 자화 전류만이 존재한다. 렌쯔 법칙(Lenz's law)에 따르면, emf = 2차 권선에서 유도된 기전력 전압은 유도 기전력을 형성하였던 자속 변화를 방해하는 방향으로 나타날 것이다. 2차 권선(winding)이 부하(load)에 연결되면(도 6에서 스위치는 닫힘), 2차 권선 자체 기자력(magnetomotive force)(Fs = mmf 또는 플럭스

s)는 즉시 (과도 시퀀스로) 생성되고, 이는 1차 권선(Fp)으로부터의 mmf와 반대 방향이다. 이는 도 6g에 도시된다. 그 순간에 코어의 자속은

(8)

으로 감소되며, 여기서 is는 2차 전류이고 Ns는 2차 권선의 턴 수이다. 자속 감소는 1차 권선의 유도 전압에서의 감소를 야기시켜 식 (6)에 따라 1차 전류가 증가한다. 이렇게 증가된 1차 전류는 1차 전류에서 부하 전류 성분이며, 이의 mmf를 자화 성분(Np*im)과 벡터적으로 더하여, 1차 자속의 증가를 야기시킨다.

(9)

1차 전류는 Np·Ip,load = Ns·Is일 때까지 증가하며, 그 후

m 및 Ep는 스위치가 닫히기 전과 동일한 레벨로 있게 된다. 정상 동작에서 1차 권선 전류가 얻어진다.

(10)

스위치가 개방되는 경우, 동일한 시퀀스(sequence)가 반대 방향으로 반복될 것이다. 주목할 것은 스위치가 닫히는 순간에, 실제로 2차 mmf가 존재하고 이는 1차 권선으로부터의 초기 자화에 직교하는 자화를 생성하는데, 이는 2차 권선이 1차 권선에 직교하기 때문이라는 것이다. 1차 권선은 2차 권선의 mmf와 반대로 향하고 초기 자화에 직교하는 대응 자화 mmf로 응답한다. 따라서 로렌츠 법칙이 자속 균형을 유지하는데, 2차 측의 모든 부하 변동이 1차 측의 대응 변화에 의해 만족되며, 그에 따라서 정상 상태에서 변압 효과(transformer effect)의 원인인 코어 내에서 흐르는 자화 자속만을 가질 것이라는 결과에 의해 균형을 달성한다는 것을 알 수 있다. 이러한 설명은 동일한 권선 구획(compartment)에서 1차 권선과 2차 권선을 갖는 초기 변압기에 적용된다.

본 발명에 따라서, 자화 전류가 진폭에 있어서 1차 권선으로부터의 자화 전류에 따르는 제어 권선에 생성되어, 2차 전압에 바람직하지 못한 주파수를 생성하지 않는, 1차 권선과 2차 권선 사이에 변환적 결합이 생성되도록 할 수 있다. 이러한 자화 없이, 2차 권선과의 변환적 결합을 활성화시키는 것은 불가능하다. 구획에서 권선의 확대로 인한 소정의 결합이 있으며, 이는 물질 내의 비선형성으로 인해 유도 성분 및 제 2 유도 성분을 제공하지만, 이러한 결합은 원하는 변환 효과를 제공할 수 없을 것이다.

코어 내에 자화가 생성되었으며, 이는 제어 권선 내의 전류에 의해 2차측에 결합을 제공한다. 따라서, 2개의 자화 전류를 가질 것이며, 이들은 직교하고 자구 방향이 2차 권선에 대해 비스듬한 방향으로 선형적으로 변하는 방식으로 합산되며, 여기서 2차 권선에서의 유도 전압은 상기 각도 크기에 따를 것이다.

자화 전류의 합이 변압 효과의 원인이기 때문에, 2차 회로에서의 부하 변동에 영향을 받지 않는 2차 회로에서의 자화 전류의 제어 부분이 유지되길 희망하며, 즉 즉, 제어 권선의 전류는 부하 변동 동안에도 일정하게 유지된다. 예를 들어 PCT/NO01/00217에서의 종래 기술을 이용하여 제어 권선에 적절한 인덕턴스를 도입함으로써, 제어 권선에서의 전류는 2차 회로에서의 부하 변동에 의해 야기된 자구 변화 동안 일정하게 유지되며, 이는 인덕턴스가 전류에서의 변화를 "평활화(smooth)"시키기 때문이다. 본 발명자는 변압 효과가 존재하며, 제어 권선은 1차 전압(Vp)으로부터의 유도 하에 있을 것이라는 것을 인식했다. 또한 제어 권선은 2차 권선에 직접 변환적으로 결합되며, 제어 권선에서의 제어 전압은 2차 권선으로 변환될 것이다. 동시에 2차 권선에서의 전류는 이제 자구 왜곡(distortion) 및 1차 권선과 2차 권선 사이의 위상비에 영향을 미칠 것이다. 이러한 상황을 교정하기 위해, 2차 권선에 의해 생성된 자구 변화를 보상하기 위해서 시스템 내의 모든 전류는 모니터 되어야 하고, 제어 권선은 여자되어야 한다. 제어 회로로부터 제 2 회로로 전력이 통과하여 서로 영향을 미치는 것을 방지하기 위해, 앞서 언급된 것처럼 인덕턴스가 제어 회로에 도입되어 제어 권선 내의 거의 일정한 전류를 야기시키고, 제어 권선과 2차 권선 사이에 충분한 전압 강하를 부여한다. 2차측에 의한 2차 권선에서의 변환된 전압과 제어 권선에 의한 2차 권선에서의 변환된 전압은 동위상 또는 역위상에 있게 되며, 이는 방향적으로 일정한 자구 변화를 얻기 위해 1차 전압과 동위상이어야만 하는 제어 전압을 기본적으로 사용했었기 때문이다. 또한 중요한 것은 전압이 제로를 통과할 때마다 코어가 리셋된다는 것이다. 제어 전류를 제거함으로써 권선 사이의 자화각은 감소되며, 이는 2차 전류가 감소하고 몇 주기 후 다시 최소 결합이 된다는 사실로 인한 것이다.

본 발명자는 다음과 같은 결론을 얻었다 :

1)본 발명에 따른 방법에서 제어 전압은 1차 전압과 동위상 또는 역위상일 때 왜곡이 없는 변환적 결합을 달성할 수 있다.

2) 제어 전압 진폭에 있어서 느린 변화을 통해, 1차 권선과 2차 권선 사이의 자화 각도 또는 자구 변화의 방향은 변경될 수 있고, 그에 따라 전압 변환이 제어될 수 있다.

3) 제어 회로에서 인덕턴스를 도입함으로써, 2차 권선과 제어 권선 사이의 직접적인 변환 결합(transformative connection) 효과가 억제될 수 있을 것이다.

4) 2차 권선으로부터의 기전력(mmf)은 제어 권선으로부터의 기전력(mmf)에 더해지고 1차 권선과 2차 권선 사이의 자화각에 영향을 미침으로써, 2차 권선은 제어 권선으로써 기능할 것이다.

5) 기본적으로, 2차 권선으로부터 상기 효과를 격리시키는 것을 불가능하며 부하 상태에 따라서 1차와 2차 사이의 가변 위상 회전각을 얻을 수 있을 것이다. 그러나, 위상 각 회전을 보상하기 위해 PCT/NO01/00217에 개시된 것처럼 위상 보상 장치를 사용함으로써 이를 보상할 수 있다.

6) 1차 권선은 2차측으로부터의 임의의 부하 변동에 즉각적으로 반응하기 때문에, 로렌츠 법칙에 따라서 목적하는 조절 변압기 효과를 달성할 것이다.

바람직한 실시예에서, 본 발명에 따른 변압기는 2차 권선과 함께 권선 구획에 위치된 단지 하나의 제어 권선을 포함한다. 원칙적으로, 1차 권선 구획에서 제어 권선이 필수적인 것은 아니며, 이는 1차 권선이 그의 방향에서 자구를 회전시킬 것이고, 또한 2차 권선의 전류로부터 생성된 임의의 자구를 동일한 방향으로 회전시킬 것이기 때문이다. 직교하는 권선들 사이에 변환 결합을 얻기 위해, 자구는 1차 권선과 2차 권선 사이의 변환적 결합을 위한 순(favourable) 방향으로 자화를 효율적으로 형성하도록 상기 언급된 것처럼 회전해야 한다. 달성될 수 있는 가장 바람직한 것은 자구들에 대해 45도의 회전이다(다른 관점에서, 1차 권선으로부터의 자기장 일부가 2차 권선을 통과하도록 하는 방식으로 1차 권선에 대해 2차 권선을 "트위스트"한다).

1차 전압의 왜곡 없는 변압 효과를 달성하기 위해, 본 발명에 따라 (AC) 교류 전압이 제어 권선에 사용되며, 상기 제어권선은 앞서 설명된 것처럼 2차 권선과 동일한 권선 구획에 위치된다. 전류가 제어 권선에 흐르기 시작하면, 자구들이 이 전류는 2차 전류로부터의 자기장과 제어 전류로부터의 자기장에 의해 올바른 방향(right direction)에서 보조받음으로써 1차측과의 결합을 강화시킬 것이다.

바람직한 실시예에서, 본 발명에 따른 변압기에서의 제어 전압은 왜곡이 없는 변환을 얻기 위해서 1차측 전압에 대해 동위상이거나, 또는 180도 위상 편이가 이루어진다. 제어 권선의 전류는 1차 및 2차 전류/전압뿐만 아니라 제어 전류를 모니터하는 시스템에 의해 조절될 수 있으며, 따라서 권선들 사이의 전기 각(electrical angle) 및 결합이 자구의 정렬에 의해 제어될 수 있다. 상기에 설명된 것과 같이, 1차, 2차 및 제어 권선에서의 전류 및 전압값은 자구 상태(회전 및 자화)를 명확히 표시해 줄 것이며, 이에 따라 기준 값들과 함께 상기 파라미터들은 변압기의 동작을 제어하고 상이한 동작 조건으로 이들을 적응시키는데 사용될 수 있다.

또한 본 발명에 따른 변압기는 제어된 정류기 또는 주파수 변환기로서 사용될 수도 있어 유용하다. 이러한 변압기로부터 제어된 정류 효과를 달성하기 위해, 2가지 방법이 사용된다. 이들은 도면을 참조로 보다 상세히 설명된다.

제 1 방법은,

- 제 1 변압기의 1차 권선을 전력 공급원에 연결하는 단계,

- 상기 제 1 변압기의 2차 권선의 중심점(central point)을 부하에 연결하는 단계,

- 상기 제 1 변압기의 2차 권선의 양 단부를 제 1 다이오드 정류기 토폴로지(topology)에 연결하는 단계,

- 제 1 변압기의 제 1 제어 권선에 AC 전압을 공급하는 단계,

- 제 2 변압기의 1차 권선을 전력 공급원에 연결하는 단계,

- 제 1 변압기의 중심점과 병렬로 상기 제 2 변압기의 2차 권선의 중심점를 상기 부하에 연결하는 단계,

- 상기 제 2 변압기의 2차 권선의 양 단부를 제 2 다이오드 정류기 토폴로지에 연결하는 단계,

- 제 2 변압기의 제 2 제어 권선에 AC 전압을 공급하는 단계,

- 따라서 모터 제어를 위한 주파수 변환기를 제공하는 단계를 포함한다. 정류는 이하의 단계를 포함하는 방법에 따라서 제공된다:

1) 제 1 변압기의 제 1 제어 권선은 활성화되고, 활성화되는 동안 제 1 변압기의 1차 권선과 2차 권선 사이에서 변압 효과가 발생하며,

제 1 변압기의 2차 권선으로부터의 전압은 다이오드 (D1, D2)에 의해 정류되며, 생성된 전압은 부하 양단에 인가되며,

부하와 병렬인 제 2 변압기의 2차 권선에 높은 임피던스를 제공하여, 제 2 변압기의 제어 권선이 활성화되지 않음에 따라 제 2 변압기의 1차 권선은 오프 상태이고,

제 1 제어 권선이 활성화되는 주기 동안, 제 1 변압기의 1차 전압은 정류되어 부하에 양의(+) 전압으로 나타난다.

2) 제 1 변압기의 제어 권선은 불활성화되고, 불활성화되는 동안 제 1 변압기의 2차 권선은 높은 임피던스 상태에 있게 되며,

제 2 변압기의 제어 권선은 활성화되고, 활성화되는 동안 상기 변압기의 1차 권선과 2차 권선 사이에 변압 효과가 발생하며,

- 제 2 변압기의 2차 권선으로부터의 전압은 제 2 다이오드 구성에 의해 정류되고, 생성된 전압(Vdc)이 부하(U1) 양단에 인가되며,

- 제 2 변압기의 제어 권선이 활성화되는 주기 동안, 상기 변압기의 1차 권선 전압은 정류되어 부하에 음의(-) 전압으로 나타난다.

3) 음(-) 및 양(+) 정류 주기 길이를 제어하기 위해 제어 권선의 활성화를 제어함으로써, 0 내지 50Hz의 가변 주파수 제어가 달성된다.

자구 크기 및 방향이 변경되는 경우, 몸체의 자화는 상응하게 변경될 것이며, 그에 따라 권선들 - 자구가 상기 권선들에 직교하지 않는 각도 하에 있음 - 에 전압들이 유도된다.

1차측과 2차측 사이의 변환적 결합은, 자화 곡선의 선형 영역에서 변환이 발생하는 한, 그리고 플레이트의 투자율(permeability)의 방향 의존성이 거의 대칭적이고, 제어 전류가 1차 전압과 동위상이며, 그 세기가 1차 전압 시퀀스 동안에 자구 방향을 바꾸지 않는 세기로 있는 한, 통상의 변압기와 동일하다.

본원에 그 전체 내용이 참조로써 통합되는 PCT/NO01/00217의 종래 기술과 관련하여, 본 발명은 1차 권선과 2차 권선은 평행하지 않고 서로 직각인 권선 축들을 구비하며, 자구 상태의 제어가 포함되어 있기 때문에 새로운 장치에 관한 것이다.

본 발명은 이하 도면을 참조로 보다 상세히 설명한다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 기본 원리 및 제 1 실시예를 나타낸다.

도 3은 본 발명에 따른 장치에 수반되는 상이한 자기 자속들의 영역을 나타낸다.

도 4는 본 발명에 따른 장치에 대한 제 1 등가 회로를 나타낸다.

도 5와 도 6은 본 발명에 따른 장치의 자기 물질에 대한 자화 곡선과 자구를 도시한다.

도 7은 메인 권선과 제어 권선에 대한 자속 밀도를 도시한다.

도 8은 본 발명의 제 2 실시예를 도시한다.

도 9는 본 발명의 동일한 제 2 실시예를 도시한다.

도 10과 도 11은 제 2 실시예의 단면을 도시한다.

도 12 내지 15는 본 발명의 제 2 실시예에서 자기장 커넥터(connector)의 다양한 실시예들을 도시한다.

도 16 내지 29는 본 발명의 제 2 실시예에서 튜브형 몸체(tubular body)의 다양한 실시예들을 도시한다.

도 30 내지 35는 본 발명의 제 2 실시예에서 사용되는 자기장 커넥터의 다른 태양들을 도시한다.

도 36은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 조립된(assembled) 장치를 도시한다.

도 37과 도 38은 본 발명의 제 3 실시예를 도시한다.

도 39 내지 41은 본 발명의 제 3 실시예에서 사용하기 위한 자기장 커넥터의 특정 실시예들을 도시한다.

도 42는 변압기로서 사용되기에 적합한 본 발명의 제 3 실시예를 도시한다.

도 43 및 도 44는 분말-기질의 자기 물질에 적합화 되는, 따라서 자기장 커넥터를 갖지 않는 본 발명의 제 4 실시예를 도시한다.

도 44 및 도 45는 도 42의 Ⅵ-Ⅵ 라인과 Ⅴ-Ⅴ 라인을 따라 절취한 단면을 도시한다.

도 46 및 도 47은 분말-기질의 자기 물질에 적합화 되는, 따라서 자기장 커넥터를 갖지 않는 코어를 도시한다.

도 48은 제어되는 정류를 위한 회로를 도시한다.

도 49 및 도 50은 제어되는 정류를 위한 교류 회로를 도시한다.

이제 도 1a와 도 1b과 관련하여 본 발명의 원리를 설명할 것이다.

전체 설명에서 자기장과 자속에 관한 화살표들은 실질적으로 자기 물질의 자기장과 자속 방향을 나타낼 것이다. 화살표들은 분명하게 하기 위해 외부에 표시하였다.

도 1a는 폐쇄된 자기 회로를 형성하는 자화 가능한 물질의 몸체(1)를 포함하는 장치를 도시한다. 이러한 자화 가능한 몸체 또는 코어(1)는 환형이거나 또는 적절한 다른 적절한 모양을 가질 수 있다. 제 1 메인 권선(2)이 몸체(1) 둘레에 감겨져 있고, 여기서 메인 권선(2)이 여자될 때 발생하게 될 자기장(H1)의 방향은 (자속 밀도의 방향(B1)과 일치함) 자기 회로에 따를 것이다. 메인 권선(2)은 일반적인 변압기의 권선과 유사하다. 일 실시예에서, 장치는 제 2 메인 권선(3)을 포함하며, 제 2 메인 권선(3)은 메인 권선(2)과 동일한 방식으로 자화 가능한 몸체(1) 둘레에 감겨져 있고, 실질적으로 몸체(1)를 따라 연장하는 자기장을 제공한다(즉, H1, B1에 평행함). 마지막으로, 장치는 제 3 메인 권선(4)을 포함하며, 본 발명의 바람직한 실시예에서 제 3 메인 권선(4)은 자기 몸체(1)를 따라 내부로 연장한다. 제 3 메인 권선(4)이 여자될 때 발생하는 자기장(H2)(과 이에 따른 자속 밀도(B2))는 제 1 및 제 2 메인 권선의 자기장 방향(H1, B1의 방향)과 직각을 이루는 방향을 갖는다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따라서 제 3 메인 권선(4)은 1차 권선을 구성하고, 제 1 메인 권선(2)은 2차 권선을 구성하며, 제 2 메인 권선(3)은 제어 권선을 구성한다. 그러나, 본 명세서에서 바람직하다고 여겨지는 토폴로지에서, 메인 권선의 턴(turns)은 제어 자기장에 의한 자기장 방향에 따르고, 제어 권선의 턴은 작용(working) 자기장의 자기장 방향에 따른다. 도 1b-1g는 축의 정의, 다양한 권선들의 방향 및 자기 몸체를 도시한다. 권선과 관련하여, 각각의 턴에 의해 정의된 표면의 수직 방향을 축이라고 부른다. 2차 권선(2)은 축(A2)을 가지며, 제어 권선(3)은 축(A3)을 가지며, 1차 권선(4)은 축(A4)를 갖는다.
자화 가능한 몸체(1)와 관련하여, 종방향(A1)은 모양에 따라 바뀔 것이다. 만약 몸체가 길다면, 종방향(A1)은 몸체의 길이 축과 일치할 것이다. 만약 자기 몸체가 도 1a에 도시된 것처럼 사각형이라면, 사각형의 각각의 변(leg)에 대하여 종방향(A1)을 정의하는 것도 가능할 것이다. 몸체가 관형(tubular)인 경우, 종방향(A1)은 튜브의 축이 될 것이며, 환형(annular) 몸체인 경우에는 종방향(A1)은 링의 원주를 따를 것이다.

본 발명은 제 1 자기장(H2)에 직각인 제 2 자기장(H1)을 변경함으로써 자화 가능한 몸체(1)의 코어 내 자구들을 제 1 자기장(H2)에 관련하여 정렬시키는 원리에 기초한다. 따라서 예컨대 자기장(H2)은 작용 자기장으로서 정의될 수 있고, 자기장(H1)(이하 제어 자기장(H1)으로 칭함)을 이용하여 몸체(1)의 자구 방향(과 이에 따른 작용 자기장(H2)의 작용)을 제어할 수 있다. 이에 대하여 이하에서 상세히 설명할 것이다. 코어 내 자화는 물질 내 자구에 영향을 주는 자기장 소스에 의해 방향적으로 결정된다. 일반적으로, 권선 구획, 즉 권선을 포함하는 코어의 일부는 1차 권선과 2차 권선을 공유하며, 그 결과 자구 방향과 자화가 공유된다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 권선 구획은 직교하고 그 결과 두 개의 권선에서 발생하는 자기장들이 직교하며, 따라서 전류가 제어 권선과 2차 권선에 흐르지 않는한 권선들 사이의 자기 결합이 발생하지 않는다.

이미 언급한 바와 같이, 도 1a와 2a에서 권선(4)은 1차 권선이고 권선(2)은 2차 권선이며, 권선(3)은 제어 권선이다. 도 4는 2차 권선(2)과 제어 권선(3)에 대한 자속 영역으로서 A1을 도시하며 이러한 영역은 내부 권선 구획(iws)에 대한 영역으로 불리고, A2는 1차 권선(4)에 대한 자속 영역 또는 외부 권선 구획(ews)의 영역으로 불린다. 요구되는 변환 및 결합의 종류에 따라, 영역들이 동일한 크기를 갖거나 동일하지 않은 크기를 갖게 할 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 변압기를 도시하며, 권선들은 평행(parallel)하고 직각 축으로 위치하고 자화 방향도 표시된다.

두 개의 직교하는 권선들 사이에 변환 결합을 이루기 위해서, 자구와 이에 따른 자화는 영향을 받아야 하는 자구들과 권선들 사이의 각도가 90도의 차이를 갖는 방식으로 정렬되어야 한다. 두 직교하는 권선들 사이의 결합으로 이뤄질 수 있는 최선은 제어 권선에 의한 몸체(1)의 자화를 45도로 정렬하는 것이다. 이것은 1차 권선과 2차 권선의 턴 수가 동일하고 동일한 자속 영역을 갖는 경우 사인 45도 값이 0.707이기 때문에 전압의 약 70%의 최대값이 변환될 수 있고, 자속 영역의 일부는 소스 권선에 대해 45도에서 회전된 권선이 커버하게 될 것이라는 것을 의미한다.

발생하고 있는 것의 본질이 도 5와 도 6에 도시되어 있다.

도 5는 자화 가능한 몸체(1)의 전체 물질에 대한 자화 곡선과 2차 권선(2)으로부터의 H1 자기장의 영향을 받는 자구 변화를 도시한다.

도 6은 자화 가능한 몸체(1)의 전체 물질에 대한 자화 곡선과 권선(4)의 방향에 있어서 H2 자기장의 영향을 받는 자구 변화를 도시한다.

도 7a와 도 7b는 자속 밀도(B1) (자기장(H1)은 2차 권선에 의해 생성됨)와 (1차 전류에 대응하는) 자속 밀도(B2)를 도시한다. 타원은 B 자기장에 대한 포화 한계(limit), 즉 B 자기장이 한계에 도달할 때 자화 가능한 몸체(1)의 물질이 포화에 도달하게 할 것이라는 것을 도시한다. 타원 축의 설계(design)는 자화 가능한 몸체(1)의 코어 물질에서 두 개의 자기장(B1(H1)과 B2(H2))의 자기장 길이와 투자율에 의해 주어질 것이다.

도 7에서 축들이 MMK 분포 또는 H-자기장 분포를 나타내도록 함으로써, 두 개의 전류(I1과 I2)로부터의 기자력을 나타낼 수 있다. 변압기의 동작 범위는 포화 한계 내에 있을 것이며, 두 개의 직교하는 권선들 사이의 결합하는 자화 자기장들에 대해 변압기를 설계할 때 동작 범위를 고려하는 것은 매우 중요하다.

도 8은 본 발명의 제 2 실시예를 개략적으로 도시한다.

도 9는 본 발명에 따른 변압기의 바람직한 실시예에 제공되는 자기적으로 영향을 받은 커넥터(magnetically influenced connector)의 동일한 실시예를 도시하며, 도 9a는 조립된 커넥터를 도시하고 도 9b는 커넥터의 단부를 도시한다.

도 10은 도 9b에서 Ⅱ선을 따라 절취한 단면을 도시한다.

예컨대, 도 10에서 예시된 것처럼, 특히 자화 가능한 몸체(1)는 자화 가능한 물질로 이루어진 두 개의 튜브(6, 7)를 포함한다. 절연된 도전체(8)(도 9a, 도 10)는 제 1 튜브(6)와 제 2 튜브(7)을 관통하는 경로를 연속적으로 N 회 통과하며, 여기서 N=1,...r이고, 1차 메인 권선(2)을 형성하며, 도 10에서는 간단히 나타내기 위해 도전체(8)가 두 개의 튜브(6, 7)를 통과하여 대향하는 방향으로 연장하는 것으로 도시되었다. 도전체(8)가 제 1 튜브(6)와 제 2 튜브(7)를 두 번 통과하여 연장하는 것으로 도시되었지만, 도전체(8)가 각각의 튜브를 한 번만 또는 (턴 수(N)가 0에서 r까지 될 수 있다는 사실에 의해 나타나는 것처럼) 여러 번 통과하여 연장할 수 있으며, 이로써 이 도전체가 여자될 때 평행한 튜브(6, 7)에 자기장(H1)을 생성한다는 것은 자명하다. 도전체(9)로 이루어진 조합된 제어 권선(4) 및 2차 권선(4')은, 권선(4)이 여자될 때, 상기 튜브(6, 7) 상에서 형성되는 자기장(B2(H2))의 방향이 도 8에서 자기장(B2(H2))에 대한 화살표로 표시된 것처럼 마주하는 방향을 갖는 방식으로, 제 1 튜브(6)와 제 2 튜브(7) 둘레에 각각 감긴다. 자기장 커넥터(10, 11)는 자기장이 루프가 되도록 튜브들을 상호접속시키기 위해 각각의 튜브(6, 7)의 단부에 장착된다. 도전체(8)는 부하 전류(I1)(도 9a)를 전달 시킬 수 있다. 튜브(6, 7)의 길이와 직경은 결합되어야 할 전력과 전압에 기초하여 결정된다. 메인 권선(2)의 턴 수(N1)는 전압에 대한 역차단력(reverse blocking ability), 및 작용 자속(φ2)의 크기에 대한 단면적에 의해 결정될 것이다. 제어 권선(4)의 턴(N2)은 특정 변압기에 요구되는 변환 비율에 의해 결정된다.

1차 권선으로 권선(4)을 배치시키고, 제어 및 2 차 권선으로서 권선(2)를 배치시키는 것도 가능하다.

도 11은 1차 및 2차 메인 권선들이 상호교환된 실시예를 도시한다. 실제로, 도 11의 해결책은, 튜브(6, 7)를 통과하는 하나의 절연 도전체(8) 대신에, 소위 2차 도전체(8)와 제어 도전체(8')인 두 개의 마주하는 방향의 분리된 도전체들이 사용된다는 사실에 의해서만 도 9a와 도 10에 도시된 것과 차이를 가지며, 그에 따라서 본 발명에 따라 자기적으로 영향을 주는 장치의 전압 컨버터 기능이 달성된다. 구조는 도 8, 9 및 10에 예시된 것과 기본적으로 유사하다. 자화 가능한 몸체(1)는 두 개의 평행한 튜브(6, 7)를 포함한다. 절연된 2차 도전체(8)는 제 1 튜브(6)와 제 2 튜브(7)를 통과하는 경로를 연속적으로 N1 횟수 통과하고, 여기서 N1=1,...r이고, 도전체(8)는 두 개의 튜브(6, 7)를 통과하여 대향하는 방향으로 연장한다. 절연 제어 도전체(8')는 제 1 튜브(6)와 제 2 튜브(7)를 통과하는 경로를 연속적으로 N1' 횟수 통과하고, 여기서 N1'=1,...r이고, 도전체(8)는 두 개의 튜브(6, 7)를 통과하여 도전체(8)에 대해 반대 방향으로 연장한다. 적어도 하나의 1차 권선(4, 4')은 튜브들에 형성된 자기장 방향은 대향하는 방향을 갖도록 제 1 튜브(6)와 제 2 튜브(7) 둘레에 각각 감긴다. 도 8, 9 및 10에 따른 실시예에서와 동일한 방식으로, 자기장 커넥터(10, 11)는 자기장이 루프 되도록 튜브(6, 7)를 상호접속시키기 위해 각각의 튜브(6, 7)의 단부에 장착되며, 이로써 자화 가능한 몸체(1)가 형성되도록 한다. 도면을 간단히 하기 위해 도전체(8)와 도전체(8')는 튜브(6, 7)를 한 번만 통과하는 것으로 도시되었지만, 도전체(8)와 도전체(8') 모두가 튜브(6, 7)를 각각 N1, N1' 횟수 통과하는 것도 가능하다. 튜브(6, 7)의 길이와 직경은 변환되어야하는 전력과 전압에 기초하여 결정된다. 변환 비율(N1:N1')이 10:1인 변압기에 있어서, 실제로 10개의 도전체가 도전체(8)로서 사용되고 하나의 도전체만이 도전체(4)로서 사용된다.

자기장 커넥터(10 및/또는 11)의 실시예가 도 12에 도시되었다. 자기 도체 물질로 이루어진 자기장 커넥터(10, 11)가 도시되며, 여기서 권선(2)의 도전체(8)를 위한 두 개의 바람직한 환형인 개구(12)(도 10 참조)가 커넥터(10, 11)의 자기 물질으로부터 기계가공된다. 더욱이, 도전체(8)의 자기장 경로를 방해하는 갭(13)이 제공된다. 단부 표면(14)은 도전체(9, 9')(도 10)로 구성된 권선(4)에 의한 자기장(H2)을 위한 결합 표면이다.

도 13은 본 발명의 바람직한 실시예에서 튜브(6, 7)의 단부 표면과 자기장 커넥터(10, 11) 사이에 위치될 절연막(15)을 도시한다.

도 14와 도 15는 자기장 커넥터(10, 11)의 다른 선택적인 실시예를 도시한다.

도 16 내지 29는 도 9,10 및 11에서 도시된 실시예에서 튜브(6, 7)의 주요부를 형성하는 코어(16)의 다양한 실시예를 도시하며, 이는 자기장 커넥터(10, 11)와 함께 자화 가능한 몸체(1)를 형성한다.

도 16은 실린더형 코어부(16)를 도시하는데, 이는 도시된 바와 같이, 길이 방향으로 분할되며, 하나 이상의 절연층(17)이 두 개의 코어 절반부(16', 16")들 사이에 배치된다.

도 17은 직사각형 코어부(16)를 도시하고, 도 18은 측면 표면에 부분 단편을 갖는 두 부분으로 분할된 코어부(16)의 실시예를 도시한다. 도 18에 도시된 실시예에서, 하나 이상의 절연 물질층(17)은 코어 절반부(16, 16') 사이에 배치된다. 추가의 변형예가 도22에 도시되는데 부분 단편이 각각의 모서리에 배치된다.

도 20, 21 및 22는 직사각형 모양을 도시한다. 도23, 24 및 25는 삼각형 모양을 도시한다. 도 26 및 27은 타원형을 도시하며, 도 28 및 29는 6각형의 모양을 도시한다. 도 28에서 6각형 모양은 6개의 동일한 면(18)으로 구성되며, 도 27에서 6각형은 두 개의 부분(16', 16")으로 구성된다. 참조 번호(17)는 얇은 절연막을 나타낸다.

도 30 및 31은 직사각형과 정사각형의 메인 코어(16) 사이에서 제어 자기장 커넥터로서 사용될 수 있는 자기장 커넥터(10, 11)를 도시한다(도 10, 11 및 20 내지 22에 각각 도시됨). 이러한 자기장 커넥터는 세 부분(10', 10" 및 19)으로 구성된다.

도 31은 코어부 또는 메인 코어의 실시예를 도시하며, 단부 표면(14) 또는 제어 자속을 위한 결합 표면은 코어부(16)의 축에 대해 직각이다.

도 32는 코어부(16)의 제 2 실시예를 나타내며, 제어 자속을 위한 결합 표면(14)은 코어부(16)의 축에 대해 각도(α)를 갖는다.

도 33 내지 39는 자기장 커넥터(10)의 다양한 설계를 나타내는데, 이는 자기장 커넥터(10, 11)의 결합 표면(14')이 코어부(16)에 대한 단부 표면(14)의 각과 동일한 각을 갖는 사실에 기초한다.

도 33은 자기장 커넥터(10)를 도시하는데, 여기서 이의 상이한 홀 모양(12)은 코어부(16)의 형태(원형, 삼각형 등)에 기초한 메인 권선(12)을 위해 표시된다.

도 34에서, 자기장 커넥터(10, 11)는 편평하다. 이는 수직의 단부 표면(14)를 갖는 코어부(16)에 적용된다.

도 35에서, 자기장 커넥터(10, 11)에 대해 각도(α')가 표시되며, 이는 단부 표면(14)과 결합 표면(14')이 일치하도록 코어부(16)에 대해 각도(α)로 적응된다.

도 36a에서, 본 발명의 실시예는 자기장 커넥터(10, 11) 및 코어부(16)의 어셀블리를 도시한다. 도 36b는 측면에서 관측한 동일한 실시예를 도시한다.

본 발명을 설명하기 위해 자기장 커넥터 및 코어부의 일부 조합이 도시되었을지라도, 본원 발명의 사상 내에서 다른 조합이 가능하다는 것이 당업자에게는 자명하다.

1차 권선, 2차 권선 및 제어 권선의 위치를 변화시키는 것이 가능할 것이다. 그러나, 제어 권선은 바람직하게 2차 권선과 동일한 권선 구획을 따를 것이다.

도 37 및 38은 단면도이며, 자기적으로 영향을 받는 전압 커넥터 장치의 제3 실시예를 도시한다. 상기 장치는, 외부 튜브(20)의 내벽과 외부 튜브(21)의 외벽 사이에 갭을 갖는 자화 가능한 물질로 구성되고 서로 동심(concentric)인, 외부 튜브(20)와 내부 튜브(21)(또는 코어부(16, 16'))를 포함하는 자화 가능한 몸체부(1)를 포함한다(도37b 참조). 튜브(20)와 튜브(21) 간의 자기장 커넥터(10, 11)는 각각의 단부에 장착(도37a)된다. 구획(compartment; 23)(도37a)이 갭(22)에 배치되어 튜브(20, 21)를 동심으로 유지한다. 도전체(9)로 구성된 1차 권선(4)은 내부 튜브 주위에 감겨지며 상기 갭에 배치된다. 따라서 1차 권선(4)에 대한 권선 축(A2)은 튜브(20 및 21)의 축(A1)과 일치한다. 전류 도전체(8)로 구성된 전류 운반 또는 2차 권선(2)은 외부 튜브(20)를 따라 내부 튜브(21)를 관통해 N1(N1=1,...,r) 번 통과한다. 2차 권선(2) 또는 전류 운반 도전체(8)와 함께 1차 권선으로 인해, 용이하게 구성됨에도 효율적인 자기적으로 영향을 받는 변압기 또는 스위치가 얻어진다. 전류 도전체(8')로 구성된 전류 운반 또는 제어 권선(3)은 외부 튜브(20)의 외부를 따라 내부 튜브(21) 관통해 N1(N1=1, ...,r) 번 통과한다. 이러한 장치의 실시예는 튜브(20, 21)가 원형의 단면이 아니라, 정사각형, 직사각형, 삼각형 등의 단면을 갖도록 변경될 수 있다. <<권선 구획(winding compartment)>>을 더욱 우수하게 정의할 수 있다. 권선들이 코어의 벽에 감겨지기 때문에, 권선 구획은 엄밀히 코어의 공동(cavity)은 아니다.

1차 메인 권선을 내부 튜브(21) 주위에 감는 것도 가능하며, 이 경우 메인 권선에 대한 축은 튜브의 축(A1)과 일치하는 반면, 제어 권선 및 2차 권선은 튜브 주위에, 내부 튜브(21)의 내부 및 외부 튜브(20)의 외부에 감겨진다.

도 39 내지 41은 자기장 커넥터(10, 11)의 다양한 실시예를 도시하며, 이는 특히 본원 발명의 마지막 실시예, 즉 도 37 및 38에 설명된 실시예에 적용된다.

도 39a는 단면도이며, 도 39b는 튜브(20, 21)(코어부(16))의 축에 대해 각도를 갖는 결합 표면(14')을 구비한 자기장 커넥터(10, 11)의 상부에서 본 도면이며, 실질적으로 내부(21) 및 외부(20) 튜브도 결합 표면(14)에 대해 동일한 각도이다.

도40 및 41은 자기장 커넥터(10, 11)의 다른 변형예인데, 제어 자기장(H2)(B2)의 결합 표면(14')은 코어부(16)(튜브(20, 21))의 메인 축에 대해 수직이다.

도 40은 공동(hollow)의 반원형 단면을 갖는 공동의 반-도넛형 자기장 커넥터(10, 11)를 도시하며, 도39는 직사각형 단면을 갖는 도넛형 자기장 커넥터를 도시한다.

도 42는 변압기로서 사용하기 위해 적용된 본원 발명의 제3 실시예를 도시한다.

도 43 및 44는 분말-기질의 자기 물질에 적용되어 자기장 커넥터가 없는 본원 발명의 실시예를 도시한다.

도 44 및 45는 도 42의 라인(VI-VI) 및 라인(V-V)을 따르는 단면을 도시한다.
도 46 및 47은 분말-기질의 자기 물질에 적용되어 자기장 커넥터가 없는 코어를 도시한다.

도 48은 본 발명에 따른 방법의 실시예를 도시한다.

이 방법은;

- 제 1 변압기의 1차 권선(T3)을 전력 공급원에 연결하는 단계;

- 상기 제 1 변압기의 2차 권선(T2)의 중심점(c4)을 부하(모터, R1, L1)에 연결하는 단계;

- 상기 제 1 변압기의 2차 권선의 단부(c5, c3)를 제 1 다이오드 토폴로지(D1, D2)에 각각 연결하는 단계;

- 제 1 변압기의 제 1 제어 권선(T1)에 AC 전압을 제공하는 단계;

- 제 2 변압기의 1차 권선(T4)을 전력 공급원에 연결하는 단계;

- 제 1 변압기의 중심점(c4)과 병렬로 제 2 변압기의 2차 권선(T6)의 중심점(c4')을 부하(모터)에 연결하는 단계;

- 제 2 변압기의 2차 권선(T6)의 단부(c5', c3')를 제 2 다이오드 정류기 토폴로지(D3, D4)에 각각 연결하는 단계;

- 제 2 변압기의 제 2 제어 권선(T5)에 AC 전압을 제공하는 단계;

- 이어 모터 제어를 위한 주파수 변환기를 제공하는 단계를 포함한다. 정류는 이하의 단계를 포함하는 본 발명에 따라 제공된다.

1) 제 1 변압기의 제 1 제어 권선(T1)이 활성화되며, 활성화되는 동안 변압 효과가 제 1 변압기의 1차 권선(T3)과 2차 권선(T2) 사이에서 발생하며,

제 1 변압기의 2차 권선(T2)으로부터의 전압은 다이오드(D1 및 D2)에 의해 정류되고 생성된 전압(Vdc)은 부하(U1)에 제공되며,

부하(U1)와 병렬인 제 2 변압기의 2차 권선(T6)에 높은 임피던스를 제공하여, 제 2 변압기의 제어 권선(T5)이 활성화되지 않음에 따라 제 2 변압기의 1차 권선(T4)은 오프 상태가 되고,

제 1 제어 권선(T1)이 활성화되는 주기 동안, 제 1 변압기의 1차 권선(T3) 전압은 정류되어 부하(U1)에 양(+)의 전압으로 나타난다.

2) 제 1 변압기의 제어 권선(T1)은 불활성화되고, 불활성화되는 동안 제 1 변압기의 2차 권선은 높은 임피던스 상태에 있게 되며,

제 2 변압기의 제어 권선(T5)은 활성화되고, 활성화되는 동안 변압기의 1차 권선과 2차 권선(각각 T4 및 T6) 사이에 변압 효과가 발생하며,

- 제 2 변압기의 2차 권선(T6)으로부터의 전압은 제 2 다이오드 구성(D3, D4)에 의해 정류되고, 생성된 전압(Vdc)이 부하(U1) 양단에 인가되고,

- 제 2 변압기의 제어 권선(T5)이 활성화되는 주기 동안, 변압기의 1차 권선(T4)의 전압은 정류되어 부하(U1)에 음(-)의 전압으로써 나타나며,

3) 음(-) 및 양(+) 정류 주기 길이를 제어하기 위해 제어 권선(T1 및 T5)의 활성화를 제어함으로써, 0 내지 50Hz의 가변 주파수 제어가 달성된다.

T1 및 T5는 DC 신호에 의해 여자된다.

도 49 및 50은 본 발명에 따른 제 1 및 제 2 변압기 장치에 의한 다른 정류 방법을 도시하는데;

- 제 1 변압기의 1차 권선(T3)을 전력 공급원에 연결하는 단계;

- 상기 제 1 변압기의 2차 권선(T2)을 부하(모터)에 연결하는 단계;

- 제 1 변압기의 제어 권선(T1)에 AC 전압을 제공하는 단계;

- 제 2 변압기의 1차 권선(T4)을 전력 공급원에 연결하는 단계;

- 상기 제 2 변압기의 2차 권선(T6)을 역-병렬(anti-parallel)로 상기 부하(모터)에 연결하는 단계;

- 제 2 변압기의 2차 제어 권선(T5)에 AC 전압을 제공하는 단계를 포함하며,

- 두 개의 1차 권선(T3, T4)에 공통인 AC 전압인 Vp는, T1 및 T5가 비활성화되어 2차측에 어떠한 변환 결합도 없는 경우, 코어 S1(T3) 및 S2(T4)를 리셋하며,

- Vp가 양의 위상인 제 1 부분 동안, 제 1 변압기의 제어 권선(T1)이 활성화되고, 제 1 변압기의 2차 권선(T2, 전압 Vs1)과 변환 결합이 달성되며,

- 음의 위상의 제로 진행 후에는, 제 2 변압기의 제어 권선(T5)이 활성화되고(전압 Vk2), 전압 Vs2(제 2 변압기의 2차 권선(T6)의 전압)가 회로에 연결되며, 정류는 다음과 같이 달성된다;

- T3에서 단자(c1)는 L1에 연결되고, 단자(c2)는 L2에 연결되며, T4에 대한 1차 연결은 반대가 되도록, 즉 단자(c'1)은 L2에 연결되고, 단자(c'2)는 L1에 연결되도록, 1차 권선의 연결이 행해지며, L1 및 L2는 AC 전력 공급원의 단자들을 나타내고,

- 부하로의 2차 권선(T2 및 T6) 연결은 두 2차측이 부하에 병렬로 연결되도록 행해지며,

- 펄스화된 제어 전압(Vk1)은 T3의 Vp와 동상이면서 반대로 인가되고(도 50에서 t0), Vs1은 이러한 작용에 의해 유도되어 부하 및 T6 모두에 나타나며, T6는 높은 임피던스 모드에 있고, 전류는 부하에 인가되며,

- 1차 전압(Vp)에 있어서 다음 제로 크로싱(t1)에서, Vk1이 제거되고, T2가 높은 임피던스로 복귀하며,

- 다음 제로 크로싱(t2)에서, Vk2가 인가되고, 다시 전압(Vs2)가 부하 및 T2 모두에 나타난다.

도50은 시간 대 전압의 그래프이며, 이는 본 방법이 두 개의 제어 권선의 전압들에 의해서 부하의 전압을 제어함으로써 어떻게 실행되는지를 나타낸다.

Claims (10)

1. 공동 코어의 형상을 가진 자기 물질로 이루어진 몸체(1);

   제 1 축(A4)을 중심으로 상기 몸체(1)를 관통하여 감은 1차 권선(4);

   상기 제 1 축과 직각인 제 2 축(A2)을 중심으로 상기 몸체(1)의 표면 둘레를 감은 2차 권선(2); 및

   상기 제 2 축과 일치하거나 평행한 제 3 축(A3)을 중심으로 상기 몸체(1)의 표면 둘레를 감은 제어 권선(3)

   을 포함하는 제어가능한 변압기 장치를 이용하여 1차 교류 전류/전압을 2차 교류 전류/전압으로 제어가능하게 변환하기 위한 방법으로서,

   a) 상기 1차 권선에 1차 교류 전류/전압을 급전(feeding)하는 단계;

   b) 상기 제어 권선에 상기 1차 전류/전압과 동상이거나 180°위상 쉬프트된 교류 전압을 급전하는 단계

   c) 상기 제어 권선에 가변 전류를 급전함으로써, 가변 제어 전류를 이용하여 상기 변압기의 변환비를 제어하는 단계

   를 포함하는, 변환 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 자기 물질의 자구들(domains)의 방향, 또는 상기 1차 권선 및 상기 2차 권선 사이의 자화 각도를 변화시켜서 전압 전달을 변화시키기 위해, 상기 제어 전압의 진폭에 변화를 가하는 단계;

   상기 2차 권선 및 상기 제어 권선 사이의 직접적인 변환 결합(direct transformative connection) 효과를 억제하기 위해서 제어 회로에 인덕턴스를 도입하는 단계;

   상기 2차 권선으로부터의 전자기력을 상기 제어 권선으로부터의 전자기력과 더함으로써, 상기 1차 권선 및 상기 2차 권선 사이의 상기 자화 각도를 변경하는 단계;

   상기 1차 권선 및 상기 2차 권선 사이에 발생하는 위상 각 회전 - 이는 부하 상태들에 따라 변함 - 을 보상하는 단계; 및

   렌츠의 법칙에 따라 상기 2차 권선의 부하 변동에 대한 1차 권선 응답을 획득함으로써 제어된 변압 효과를 달성하는 단계

   를 더 포함하는, 변환 방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 제어 권선은 펄스화된 AC 전류로 급전되는, 변환 방법.
4. 제 1 항에 따라 각각 동작되는 두 개의 제어가능한 변압기 장치들의 이용을 포함하는 방법으로서,

   a1) 제 1 변압기의 1차 권선(T3)을 전력 공급원에 연결하는 단계,

   a2) 제 2 변압기의 1차 권선(T4)을 전력 공급원에 연결하는 단계,

   b1) 상기 제 2 변압기의 제 2 제어 권선(T5)이 활성화되지 않는 동안 AC 전압을 공급함으로써 상기 제 1 변압기의 제 1 제어 권선(T1)을 활성화시키고, 상기 제 1 변압기의 2차 권선(T2)으로부터의 전압을 정류하고 최종 전압(Vdc)을 부하(U1)에 인가하는 단계,

   b2) AC 전압을 공급함으로써 상기 제 2 변압기의 제 2 제어 권선(T5)을 활성화시키고, 음의 정류기 주기 및 양의 정류기 주기의 길이를 제어하도록 상기 제어 권선들(T1 및 T5)의 활성화를 제어함으로써, 상기 제 1 변압기의 2차 권선(T2)으로부터의 전압을 정류하고 최종 전압(Vdc)을 부하(U1)에 인가하고, 0 내지 50Hz의 가변 주파수 제어를 획득하는 단계,

   를 포함하는 두 개의 제어가능한 변압기 장치들의 이용을 포함하는 방법.
5. 제 1 항에 따라 각각 동작되는 두 개의 제어가능한 변압기 장치들의 이용을 포함하는 방법으로서,

   a1) 제 1 변압기의 1차 권선(T3)을 전력 공급원에 연결하는 단계,

   a2) 제 2 변압기의 1차 권선(T4)을 전력 공급원에 연결하는 단계,

   b1) 상기 제 1 변압기의 제어 권선(T1)에 AC 전압을 공급하는 단계,

   b2) 상기 제 2 변압기의 제어 권선(T5)에 AC 전압을 공급하는 단계 ― 상기 제 1 변압기의 1차 권선(T3)은 상기 제 2 변압기의 1차 권선(T4)과 반대로 공통 전압에 연결되고, 상기 제 1 변압기 및 상기 제 2 변압기의 2차 권선들(T2, T6)은 부하(모터)에 병렬로 연결됨 ―,

   c1) 상기 제 1 변압기의 1차 권선(T3)의 전압과 동상 및 역상의 펄스화된 제어 전압(Vk1)이 인가되는 단계,

   c2) 상기 제 1 변압기의 1차 권선(T3)상의 전압의 다음의 영 교차점(zero crossing)에서, 상기 제 1 변압기의 제어 권선(T1)의 제어 전압(Vk1)이 제거되는 단계, 및

   c3) 다음의 영 교차점에서, 펄스화된 제어 전압(Vk2)이 상기 제 2 변압기의 상기 제어 권선에 인가되는 단계

   를 포함하는 두 개의 제어가능한 변압기 장치들의 이용을 포함하는 방법.
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