KR101134998B1

KR101134998B1 - 전압 조정 장치

Info

Publication number: KR101134998B1
Application number: KR1020077001996A
Authority: KR
Inventors: 디이터 도흐날
Original assignee: 마쉬넨파브릭 레인하우센 게엠베하
Priority date: 2004-09-28
Filing date: 2005-07-22
Publication date: 2012-04-09
Also published as: JP4756046B2; EP1794661B1; ES2334689T3; CN100498633C; HK1103252A1; CA2581875C; CA2581875A1; DE502005008291D1; ATE445179T1; WO2006034744A1; JP2008515362A; KR20070057775A; RU2361263C2; BRPI0513137A; RU2007116122A; CN1965276A; US20090140705A1; US7656138B2; DE102004046926B3; EP1794661A1

Abstract

본 발명은 조정 변압기(regulating transformer)를 포함하는, 전력 공급선(power mains)의 전압을 조정하는 장치에 관한 것이다. 선택적으로 3개의 권선 탭(winding tap)과 하나의 개별 리액터(separate reactor)만을 총 4개의 스위칭 소자와 상호연결하여, 5개의 상이한 전압을 설정할 수 있다.

전압, 조정, 장치, 전력 공급선, 변압기, 권선 탭, 리액터

Description

전압 조정 장치 {DEVICE FOR REGULATING ELECTRICAL VOLTAGE}

본 발명은 전력 공급선(supply mains)에서의 전압을 조정하는 장치에 관한 것이다.

오늘날 널리 보급된 중앙식(central) 에너지 공급 시스템의 경우, 전압 조정은 대개 고 전압선(high-voltage mains) 또는 중 전압선(medium-voltage mains) 각각에 대한 중앙 선로 배선부(central mains junctions) 내의 조정 변압기에 의해 수행된다. 이를 위해, 각각의 조정 변압기(regulating transformer)의 조정 권선(regulating winding)은 권선 탭(winding tap)을 가지고; 부하 하에서 인접한 권선 탭들 사이의 연속된 전환은 탭 전환기(tap changer)에 의해 수행될 수 있다.

그러한 목적에 적당한 탭 전환기는 기본적으로 두 종류로 나뉠 수 있다: 일시적으로만 부가 가능한 옴 전환 저항(ohmic swich over resistance)이 전환중에 흐르는 전류를 제한하기 위해 제공되는 신속하게 동작하는 저항식 스위치(quick-action resistance swiche) 타입의 탭 전환기와, 유도식 전환 임피던스가 제공되는 리액터 스위치 타입의 탭 전환기가 있으며, 이에 의해 느리고 연속적인 전환이 또한 가능하다.

하지만, 고 전압선 또는 중 전압선의 분야에서 전술한 전압 조정의 경우에, 분산식(decentral) 에너지 공급 시스템으로 분배 변압기(distrubution transformer)에서의 조정을 수행하는 것은 쉽사리 가능하지 않다.

소비자 가까이에서 분산식 에너지 공급선에서의 저 전압에 대한 이 조정에 대해, 특히 미국에서는 '전압 조정기(voltage requlator)'라는 용어를 사용하고 있다. 현재 통상의 '전압 조정기'의 대부분은 단상(single phase)으로, 리액터 또는 리액터 권선이라고도 하는 유도성 전환 임피던스를 가지고, 각각 5/8%씩 32 단계로, 즉 +/- 10%의 범위 내에서 전압을 조정할 수 있다.

이들 '전압 조정기'의 다른 형태는 'Auto-Booster'(등록상표임)이다. 이 장치는 실질적으로 더 단순한 구성을 가지고, 각각 2½% 또는 1½%씩 4단계로, 즉 총 +10% 또는 +6% 상향 조정이 가능하다.

저 전압 분야에서, 소비자 가까이에서 수행되는 전압 조정에 대한 다른 접근법은 국제출원의 공개공보 WO 01/33308 및 WO 03/044611에 개시되어 있다. 이 두 출원은 극히 소수의 탭만을 가지는 조정 변압기의 개념에 기초한 것이다. 개별 요소 권선(individual part winding)은 그 후 전환 스위치에 의해 선택적으로 폐 회로를 이루고, 조정 변압기는 부하 하에서 전환이 순간적으로 발생하는, 요소 권선의 인접한 탭의 단락 회로가 대략 명목상의 전류(nominal current)의 크기로 제한될 수 있는 경우에, 회로 전류의 크기(height) 정도의 누설 임피던스를 가질 수 있다. 따라서 표준적인 탭 전환기의 대표적인 전환 저항(switch-over resistance)을 제거할 수 있다. 이 장치에서, 단권 변압기(autotransformer)로서 조정 변압기를 구성하는 것뿐만 아니라 개별 권선 변압기로서로 적합할 수 있는, 수많은 상이한 실시예의 전환 스위치가 가능하다. 따라서, 전환 스위치로서 탭 전환기의, 저항성 접촉이 없고 오직 주 접점(main contacts)만을 가지는 부하 전환 스위치를 사용하는 것이 제안된다. 다른 제안에 따르면, 전환 스위치는 또한 일련의 릴레이 또는 접촉기(contactor)로 선택적으로 형성되거나, 또는 일련의 전자 스위치, 특히 사이리스터 스위치로만 이루어지는 다단 캠 스위치(multi-stage cam)로서 구성될 것이다. 전환 스위치를 이루는 필요한 스위칭 소자의 개수는 가능한 설정의 개수에 대응한다.

이 공지된 기술은 적어도 개별 권선 변압기의 경우에, 개별 주 권선과 조정 권선이 있어야 한다는 단점이 있다. 각 단의 누설 인덕턴스를 그 단의 단락 회로의 전류가 겨우 명목상의 전류의 크기에 도달하는 정도의 크기로 구동하기 위해, 단락 누설 채널이 필요하다. 그 때문에, 개별, 단락 조정 권선이 변압기의 폭과 깊이를 증대시키는 결과를 초래한다. 변압기 원가에 대한 이 추가적인 경비는, 많은 경우 전환 저항을 생략하는 것에 기인한 이점보다 크다. 또, 조정 방법이 어려워지고; 공지의 장치는 병렬 회로의 경우에 특히 불안정하다.

본 발명의 목적은 가능한 한 적은 수의 스위칭 소자를 가지는 분배기 변압기(distributor transformer) 및 전압 조정기의 전압을 조정하는 간단하고 경제적인 장치를 제안하는 것이다.

이 목적은 청구의 범위 제1항의 특징을 갖는 장치에 의해 실현된다. 종속항들은 본 발명의 특히 유리한 사실들에 관한 것이다.

본 발명에 따른 장치는, 예를 들면 단계마다 2.5%씩, 예를 들어 총 5단계로 +/- 5%의 작은 조정 범위를 갖는 분배기 변압기의 조정을 위해 바람직하게 제공된다. 본 발명에 따른 장치는 유압식 변압기(oil transformer)뿐만 아니라 건식 변압기(dry transformer)에도 적합하다. 본 발명의 장치 특유의 이점은 각각의 분배기 변압기의 크기의 최소 증대만을 요구하고, 높은 수준의 내구성(serviceability) 및 동작 신뢰성을 제공하는 점에 있다. 이것은 본 발명에 따른 장치가 부하시 탭 전환기(on-load tap changer)의 기계적으로 이동되는 선택기(selector) 또는 부하 선택기를 없애는 스위칭 장치라고 생각된다는 사실에 기인한다. 또, 본 발명에 따른 장치는 특히 극소수의 부품 및 스위칭 소자만을 가져 복잡도가 낮다. 예를 들면, 이하에 더욱 자세하게 설명하는 바와 같이 5단계로 전압을 선택할 수 있는 본 발명에서는 겨우 4개의 스위칭 소자를 필요로 한다. 이들 스위칭 소자는 역병렬 사이리스터(antiparallel thyristor) 쌍 또는 진공 스위칭 셀로서 각각 구성될 수 있고, 특유의 이점을 갖는다.

도 1은 본 발명에 따른 제1 장치의 회로 배치를 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 2는 개별 스위칭 소자의 설정에 따라 장치가 달성 가능한 전압 단계를 나타낸 표이다.

도 3은 이들 전압 단계로 개별 스위칭 소자를 각각 설정한 것을 나타낸 도면이다.

도 4는 전압 조정기의 부하 측의 전압을 조정하기 위한 본 발명에 따른 다른 장치를 나타낸 도면이다.

도 5는 전압 조정기의 일차 측(primary side)의 전압을 조정하기 위한 본 발명에 따른 다른 장치를 나타낸 도면이다.

도 6은 다른 구성의 스위칭 소자를 갖는 본 발명에 따른 다른 장치를 나타낸 도면이다.

도 7은 확장된 스위칭 장치를 갖는 본 발명에 따른 다른 장치를 나타낸 도면이다.

본 발명에 따른 전압 조정 장치는 조정 변압기를 가지고 전력 공급선(supply mains)에서의 전압을 조정하는 장치로서, 각 위상에서의 상기 조정 변압기는 주 권선 및 탭들이 설치된 개별의 조정 권선을 가지고, 각각의 상기 탭은 스위칭 소자에 의해 전기적으로 결합되고 분로(shunt)와 접속 가능하며, 상기 조정 권선(3)은 상기 탭들(A1...A3)을 3개 가지되, 제1 탭(A1) 및 제3 탭(A3)은 상기 조정 권선(3)의 각 권선 단부에 배치되어 있고, 제2 탭(A2)은 상기 조정 권선(3)의 권선 정중앙에 배치되어 있으며, 상기 주 권선(1)의 단부는 상기 제2 탭(A2)과 연결되어 있고, 상기 조정 권선(3)은 상기 제1 탭(A1)과 상기 제2 탭(A2) 사이의 권선 길이, 및 상기 제2 탭(A2)과 상기 제3 탭(A3) 사이의 권선 길이가 각각 상기 주 권선(1)의 권선 길이의 X%가 되는 치수로 만들어지며, 상기 X는 자연수이고, 상기 제1 탭(A1)은 제1 스위칭 소자(V1, Th1)의 입력과, 상기 제2 탭(A1)은 제2 스위칭 소자(V2, Th2)의 입력과, 상기 제3 탭(A1)은 제3 스위칭 소자(V3, Th3)의 입력과, 각각 전기적으로 연결되어 있고, 상기 제1 스위칭 소자(V1, Th1)의 출력 및 상기 제2 스위칭 소자(V2, Th2)의 출력은 각각 리액터 권선(4)의 양단부 중 하나와 연결되어 있으며, 상기 제3 스위칭 소자(V3, Th3)의 출력은 상기 제1 스위칭 소자(V1, Th1)의 출력과 전기적으로 연결되어 있고, 추가의 스위치 소자(V4, Th4)가 상기 리액터 권선(4)에 병렬로 배치되어 있고, 상기 리액터 권선(4)의 정중앙은 상기 분로로 통하는, 전압 조정 장치이다. 상기 X는 값이 5일 수 있고, 상기 스위칭 소자(V1 ... V4)는 진공 스위치일 수 있으며, 상기 스위칭 소자(Th1 ... Th4)는 반도체 스위치, 특히 사이리스터 스위치일 수 있고, 상기 조정 권선(3)은, 각각이 추가의 스위칭 소자(V5, TH5)를 가지고, 직렬로 각각 연결되어 있는 가능한 전압 단계의 수를 늘이기 위한 하나 이상의 추가의 탭(A4)을 가질 수 있다.
본 발명에 따른 제1 장치는 도 1에 개략적으로 예시되어 있다. 권선 단부(winding end)(2)가 조정 변압기의 개별 조정 권선(3)의 중심에 이르는 조정 변압기의 주 권선(main winding)(1)이 도시되어 있다. 조정 권선(3)은 여기서 3개의 탭 A1...A3을 가지고 있다. 탭 A1 및 A3은 각각 조정 권선(3)의 양단부에 배치되어 있고, 탭 A2는 주 권선(1)의 권선 단부(2)와 연결되는 곳에서, 정중앙에 있다. 조정 권선(3)은 탭 A1과 탭 A2 사이, 그리고 탭 A2와 탭 A3 사이의 유효 권선 길이가 여기서는 각각의 경우에 주 권선(1)의 권선 길이의 5%와 일치하는, 치수로 만들어진다. 다른 권선 길이도 물론 가능하다.

탭 A1...A3 각각은 스위칭 소자, 여기서는 진공 스위치 V1...V3의 입력과 연결되어 있다. 조정 권선(3)의 제1 권선 단부에서 탭 A1과 연결되어 있는 제1 진공 스위치 V1의 출력, 그리고 조정 권선(3)의 중앙에서 탭 A2와 연결되어 있는 제2 진 공 스위치 V2의 출력은 리액터 권선(4)의 양단부로 통하고; 그것과 병렬로 추가 스위칭 소자, 여기서는 추가 진공 스위치 V4가 두 출력 사이에 배치되어 있다. 조정 권선(3)의 다른 단부에서 탭 A3과 연결되어 있는 제3 진공 스위치 V3의 출력은, 제1 진공 스위치 V1의 출력과 전기적으로 연결되어 있다. 리액터 권선(4)의 중앙은 분로(shunt)로 통한다. 이를 위해 탭(5)이 리액터 권선(4)에 설치되어 있다.

진공 스위치 V1...V4의 작용에 의해, 이 예에서 전압은 단계마다 2.5%씩 +/-5%의 범위로 조정될 수 있다.

도 2는 도 1에 도시한 예에 대해 각각의 진공 스위치 V1...V4의 설정에 따라 가능한 5개의 상이한 전압 단계의 표를 나타낸 것이다. 이 경우에, c는 닫힌 위치('폐쇄')를 나타내고 o는 각 스위치의 열린 위치를 나타낸다.

이 4개의 진공 스위치를 사용하여 총 5단계의 전압을 설정할 수 있음을 알 수 있다. 이것은, 탭 A1 및 A3에서는 탭 A2에서의 전압에 비례하여 약 +/-5%로의 전압을 매번 탭 오프(tap off)하는 것이 가능하고, 리액터 권선(4)의 적절한 전기 결합(electrical coupling)에 의해 다시 그 절반, 따라서 2.5%를 중첩할 수 있다는 사실에 기인한다.

고 전압(higer voltage)' 또는 '저 전압(lower voltage)'의 스위칭 방향에 따라 달라지는 매우 단순한 동작 시퀀스는, 단순히 스위칭 온 또는 스위칭 오프의 결과이므로, 진공 스위치 V1...V4의 제어는 간단하게, 예를 들면 캠 스위치에 의해 가능하다.

도 3은 도 1에 도시되고, 도 2에 표에 나타낸 것처럼 각각 다른 전압 단계를 가지는, 앞서 설명한 회로의 진공 스위치 V1...V4의 서로 다른 설정을 나타낸 것이다.

도 4는 본 발명에 따른 장치를 부하 측에서의 조정을 위한 전압 조정기의 구성요소로서 나타낸 것이다. 입력 전압 Us가 단부가 탭 A2로 도시된 조정 권선(3)의 중앙 탭으로 통하는 주 권선(1)에 제공된다. 또, 탭 A1 및 A3은 각각 주 권선의 5%인 권선 간격(winding spacing)으로 조정 권선(3)의 양단부에 설치되어 있다. 진공 스위치 V1...V4의 위치 및 기능은, 도시된 리액터 권선(4)과 마찬가지로 이미 설명하였다. 여기에 추가로 도시된 것은 부하 측의 전류 변환기(6) 및 전압 변환기(7)이다. 따라서, 공지의 방법으로, 부하의 전류 및 전압의 실제 값을 확인할 수 있다. 여기에 설명되지 않지만 그 자체로 알려진 조정기의 도움으로, 목표/실제 값 비교가 이루어지고, 결국 "더 높은" 또는 "더 낮은" 방향으로의 필요한 조정에 관한 결정이 이루어진다. 진공 스위치 V1...V4의 스위칭 상태에서의 대응하는 변화가, 그 결과 도 2에 도시된 바와 같이 일어난다. 이들 진공 스위치 V1...V4에 대한 제어가 캠 제어에 의해 수행되면, 72도까지 스위칭 캠의 회전이 방향에 의존하는 동작에 대해 매우 간단하게 수행된다.

도 5는 전압 조정기의 입력(소스) 측을 조정하기 위한 본 발명에 따른 장치를 나타낸 것이다. 기능은 변경되지 않는다.

도 6은 본 발명에 따른 다른 장치를 나타낸 것으로, 여기서는 스위칭 소자로서 복수 쌍의 사이리스터가 역병렬(antiparallel manner)으로 접속되어 있다.

본 발명의 범위 내에서, 기술한 스위칭 소자는 위에서 추가로 설명한 바와 같이 진공 스위치로 구현할 수 있을 뿐만 아니라, 기계적 스위치나 사이리스터 스위치로도 구현할 수 있다. 사이리스터 스위치를 갖는, 여기에 기술한 실시예는 본 발명에 따른 장치가 어떠한 형태의 기계적으로 이동되는 작동 소자 없이도 전체로서 완전히 정적인 스위치(static switch)를 제공한다는 이점이 있다. 사이리스터 스위치 Th1...Th4의 구동 제어를 위해, 도 2에 도시된 표는 예를 들면 전문가에 의해 전기 구동 제어 논리 방식으로 쉽게 변환될 수 있다.

본 발명의 범위 내에서, 도 1에 도시된 스위칭 장치를, 3개 이상의 탭이 조정 권선(3)에 설치되고, 이 각각의 추가 탭이 독자의(own) 스위칭 소자에 의해 같은 모양으로 전기적으로 결합되는, 직렬(cascade manner)로 확장하는 것도 또한 가능하다. 그 일례로, 여기서는 단 하나의 추가 탭 A4가 도 7에 도시되어 있다. 이러한 형태의 본 발명의 실시예의 경우에, 조정 권선(3)은 모든 탭 A1...A4 사이의 권선 길이가 언제나 같도록, 예를 들면 언제나 주 권선(1)의 권선 길이의 5%에 해당하는 치수로 만들어진다. 따라서 전문가가 본 발명에 따라 구현 가능한 추가적인 전압 단계와 관계가 있는 - 도 2에 도시된 표와 유사하게- 대응하는 상태 테이블을 확장하는 것이 쉽게 가능하다. 이 직렬 원리는 원하는 만큼 확장될 수 있다.

Claims

조정 변압기를 가지고 전력 공급선(supply mains)에서의 전압을 조정하는 장치로서,

각 위상에서의 상기 조정 변압기는 주 권선 및 탭들이 설치된 개별의 조정 권선을 가지고,

각각의 상기 탭은 스위칭 소자에 의해 전기적으로 결합되고 분로(shunt)와 접속 가능하며,

상기 조정 권선(3)은 상기 탭들(A1...A3)을 3개 가지되, 제1 탭(A1) 및 제3 탭(A3)은 상기 조정 권선(3)의 각 권선 단부에 배치되어 있고, 제2 탭(A2)은 상기 조정 권선(3)의 권선 정중앙에 배치되어 있으며,

상기 주 권선(1)의 단부는 상기 제2 탭(A2)과 연결되어 있고,

상기 조정 권선(3)은 상기 제1 탭(A1)과 상기 제2 탭(A2) 사이의 권선 길이, 및 상기 제2 탭(A2)과 상기 제3 탭(A3) 사이의 권선 길이가 각각 상기 주 권선(1)의 권선 길이의 X%가 되는 치수로 만들어지며, 상기 X는 자연수이고,

상기 제1 탭(A1)은 제1 스위칭 소자(V1, Th1)의 입력과, 상기 제2 탭(A1)은 제2 스위칭 소자(V2, Th2)의 입력과, 상기 제3 탭(A1)은 제3 스위칭 소자(V3, Th3)의 입력과, 각각 전기적으로 연결되어 있고,

상기 제1 스위칭 소자(V1, Th1)의 출력 및 상기 제2 스위칭 소자(V2, Th2)의 출력은 각각 리액터 권선(4)의 양단부 중 하나와 연결되어 있으며, 상기 제3 스위 칭 소자(V3, Th3)의 출력은 상기 제1 스위칭 소자(V1, Th1)의 출력과 전기적으로 연결되어 있고,

추가의 스위치 소자(V4, Th4)가 상기 리액터 권선(4)에 병렬로 배치되어 있고,

상기 리액터 권선(4)의 정중앙은 상기 분로로 통하는,

전압 조정 장치.
제1항에 있어서,

상기 X의 값이 5인, 전압 조정 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 스위칭 소자(V1 ... V4)는 진공 스위치인, 전압 조정 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 스위칭 소자(Th1 ... Th4)는 반도체 스위치이고, 사이리스터 스위치인, 전압 조정 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 조정 권선(3)은, 각각이 추가의 스위칭 소자(V5, TH5)를 가지고, 직렬로 각각 연결되어 있는 가능한 전압 단계의 수를 늘이기 위한 하나 이상의 추가의 탭(A4)을 가지는, 전압 조정 장치.