KR101389457B1 - 역률 및 고조파가 개선된 다중권선 변압기를 이용한 중첩식 전원 공급 장치 - Google Patents

역률 및 고조파가 개선된 다중권선 변압기를 이용한 중첩식 전원 공급 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 역률 및 고조파가 개선된 폴리실리콘 제조 장치용 다중권선 중첩식 변압기를 이용한 전원공급 장치에 관한 것으로서, 입력변압기는 변압기 2차에서 사이리스터 오버랩(Thyrister Overlap)제어 할 수 있도록 다권선, 다권선 다중 탭을 인출하여 2차 제어방식으로 구성하고, 변압기의 2차권선은 다단으로 사이리스터 정류기를 이용하여 2단, 3단 오버랩(Thyrister Overlap)제어를 하여 사이리스터 도통 각에 따른 역률저하를 최소화하고, 역류고조파를 억제 할 수 있도록 다중권선이 직렬 및 병렬로 연결하되, 다중화된 권선을 상하 반전하여 결선함으로써 소형화, 경량화 할 수 있음은 물론 효율을 높이고 역률 및 고조파가 개선된 폴리실리콘 제조 장치용 다중권선 중첩식 변압기를 이용한 전원 공급 장치를 개시하고 있다.

Description

역률 및 고조파가 개선된 다중권선 변압기를 이용한 중첩식 전원 공급 장치{Overlap Control Power supply}
본 발명은 전원 공급 장치에 관한 것으로써, 상세하게는 역률 및 고조파가 개선된 폴리실리콘 제조 장치용 다중권선 중첩식 변압기를 이용한 전원 공급 장치에 관한 것이다.
보다 상세하게 본 발명은 변압기의 2차권선은 다단으로 사이리스터 오버랩(Thyrister Overlap)제어 할 수 있도록 다 권선, 다중 탭을 인출하여 2차 제어할 수 있도록 구성된 역률 및 고조파가 개선된 폴리실리콘 제조 장치용 다중권선 중첩식 변압기를 이용한 전원 공급 장치에 관한 것이다.
더욱이, 본 발명은 다중화 된 권선중 적어도 하나 이상을 상하 반전하여 결선함으로써 소형화, 경량화 할 수 있음은 물론 효율을 높인 역률 및 고조파가 개선된 폴리실리콘 제조 장치용 다중권선 중첩식 변압기를 이용한 전원 공급 장치에 관한 것이다.
또한, 제어방식은 변압기 2차에 설치된 여러 조의 사이리스터 정류기를 이용하여 2단, 3단 오버랩제어를 하여 사이리스터제어 도통 각에 따른 역률저하를 최소화 하고, 역류고조파를 억제 할 수 있게 한 다중권선 중첩식 변압기를 이용한 전원 공급 장치에 관한 것이다.
또한 본 발명은 제어회로로 디지털(Digital) 연산방식으로 입력시킨 운전 패턴(Pattern)에 따라 부하전압 및 전류를 속응성(速應性) 있게 제어할 수 있게 한 다중권선 중첩식 변압기를 이용한 전원 공급 장치에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 냉각방식으로 대전류가 흐르는 부분은 히트파이프 냉각방식으로 하고 타 부분은 자연 공냉식으로 설계하여 구조를 단순화한 다중권선 중첩식 변압기를 이용한 전원 공급 장치에 관한 것이다.
전력공급수단으로 변압기가 있고 이러한 변압기들은 통상적으로 입력 전원과 연결된 1차권선과 변압 전원이 출력되는 2차권선을 포함하고 있다.
이러한 변압기는 사용 목적에 따라 다양한 것이 있고, 이들 중 폴리실리콘 제조를 위한 장치에 사용되는 변압기의 경우, 그 출력이 구간별 회로 임피던스와 변압비가 같아야 부하특성에 맞추어 제어할 수 있으며, 고 품질의 폴리실리콘을 제조할 수 있다.
이와 같이 출력 안정성을 고려하여 만들어진 변압기와 관련된 기술로 특허문헌 1 및 2가 있다. 이들은 폴리실리콘을 제조하기 위한 리액터 내의 실리콘 로드용 파워 서플라이 장치로서, 리액터 내의 석영동심 링(Quartz bell jar) 내에 배치된 실리콘 브리지에 전력을 공급하는데 적합한 방식의 파워 서플라이 장치를 제공하는 것을 목적으로 하는 것으로 특히, 메인 파워 서플라이에 접속하기 위한 입력부들, 출력부들에 접속될 수 있는 부하, 특히 실리콘 로드에 전력을 공급하기 위한 3개의 출력부 그룹들로 그룹화된 출력부들, 출력부들에 인가되는 전압을 조절하기 위한 3개의 조절 수단 그룹들, 출력부 그룹들 중 하나의 그룹의 출력부들의 병렬접속과 직렬접속 사이의 전환을 위한 3개의 전환 수단 그룹들을 포함하여 구성된 것이다.
이러한 종래의 기술이 안정적인 출력을 제공할 수 있으나, 구조가 복잡하고 대형이어서 설치 공간에 제약이 따를 뿐만 아니라, 배선의 길이가 길어짐에 따라 전압이 강하 되는 등의 문제가 있다.
또한 폴리실리콘용 전력 공급 방식에 따라 역류고조파, 역률, 효율의 차이가 있으며, 폴리실리콘 생산을 위한 부하의 전압이 광범위하게 변화되어야 하나 종래의 기술을 다양한 전압 변위에서 전압이 광범위하게 변화시킬 수 없는 문제가 있다. 즉, 일반적인 전력방식으로는 전압이 광범위하게 변화시키는 것이 사실상 불가능하며 전력을 분산 중첩(DC Overlap)시키는 방법으로 대응하지 않을 수 없다.
1. 대한민국 특허공개 제2011-0083550호, 2. 대한민국 특허공개 제2011-0097652호.
본 발명은 상기의 문제점들을 해결하기 위하여 개발된 것으로서, 입력되는 교류와 직렬로 연결된 1차권선과, 부하에 공급되는 전원을 출력하는 2차권선으로 이루어지되, 2차권선은 다단으로 사이리스터 오버랩(Thyrister Overlap) 제어 할 수 있도록 다중권선을 직렬 및 병렬로 연결된 역률 및 고조파가 개선된 다중권선 중첩식 변압기를 이용한 전원 공급 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 다중화 된 권선중 적어도 하나 이상을 상하 반전하여 결선함으로써 권선사이의 거리가 짧아져 배선이 길어짐에 따른 전압강하 및 전력손실을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 소형화, 경량화 할 수 있음은 물론 변압기 2차에 설치된 여러 조의 사이리스터 정류기를 이용하여 2단, 3단 중첩제어를 하여 사이리스터 제어 도통 각에 따른 역률저하를 최소화 하고, 역류 전류 고조파를 억제 할 수 있도록 개선된 다중권선 중첩식 변압기를 이용한 전원 공급 장치의 제공을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 입력에서 수전된 교류전원을 다 권선 구조로 구성된 입력 변압기에서 부하특성에 적합한 직류를 만들어 폴리실리콘제조 장치에 전원을 공급하는 전원 공급 장치에 관한 것으로서, 상기 2차권선은 적어도 2개 이상의 다중권선을 직렬 또는 병렬로 연결하여 이루어지고, 각 2차권선에는 사이리스터(Thyrister)로 이루어진 정류부를 설치하여 다단으로 중첩(Overlap) 제어할 수 있게 한 것을 특징으로 한다.
상기 사이리스터(Thyrister)로 구성된 정류부는 변압기의 2차권선(2)에서 공급되는 교류전력을 직류전력으로 변환하여 제어회로의 지령에 따라 위상제어와 온/오프(ON/OFF) 되어 연산 장치에 기록된 형태의 전압으로 가변동작을 하게 된다.
또한, 본 발명은 상기 2차권선을 이웃 권선과 반전 연결하여 구조를 단순화시켰으며, 상기 2차권선의 외부에는 냉각수단으로 히트파이프를 설치하여 냉각효율을 높였다.
또한, 절연재로 절연성 및 내수성이 우수한 에폭시 수지를 사용하여 절연 성능을 향상시켰다.
본 발명에 의하면, 입력되는 교류와 직렬로 연결된 1차권선과, 부하에 공급되는 전원을 출력하는 2차권선으로 이루어지되, 2차권선은 다단으로 사이리스터 오버랩(Thyrister Overlap) 제어할 수 있도록 다중권선을 직렬 및 병렬로 연결하여, 역률 및 고조파가 개선된 다중권선 중첩식 변압기를 이용한 전원 공급 장치를 제공하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 다중화 된 권선중 적어도 하나 이상을 상하 반전하여 결선함으로써 권선사이의 거리가 짧아져 배선이 길어짐에 따른 전압강하 및 전력손실을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 소형화, 경량화를 달성하는 효과를 제공함은 물론 변압기 2차에 설치된 여러 조의 사이리스터 정류기를 이용하여 2단, 3단 중첩제어를 하여 사이리스터 제어 도통 각에 따른 역률저하를 최소화하여, 역류 전류 고조파를 억제 할 수 있도록 개선된 다중권선 중첩식 변압기를 이용한 전원 공급 장치를 제공하는 효과를 부여한다.
도 1은 본 발명에 다중권선 중첩식 변압기의 회로도이고,
도 2는 본 발명에 다중권선 중첩식 변압기의 권선 배선도이고,
도 3은 직류전원 공급용 전원장치의 개념도이고,
도 4는 프로세스전원용 정류기 전압의 구간별 출력파형이고,
도 5는 중첩식 전원제어회로를 도시한 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 다중권선 중첩식 변압기의 회로도를, 도 2는 본 발명에 다중권선 중첩식 변압기의 권선 배선도를, 그리고 도3은 직류전원 공급용 전원장치의 개념도를 각각 나타낸 것이다.
도면 표시와 같이, 본 발명은 소형화, 경량화할 수 있음은 물론 효율을 높인 역률 및 고조파가 개선된 폴리실리콘 제조 장치용 다중권선 중첩식 변압기를 이용한 전원 공급 장치에 관한 것으로, 특히 도 1 및 도 3에 도시한 바와 같이, 변압기의 2차권선(2)은 적어도 2개 이상의 다중권선을 직렬 또는 병렬로 연결하여 구성되어 있다. 즉, 본 발명에 따른 전원 공급 장치는 기동전원 변압기와 프로세스 전원 변압기의 2대를 2차권선(2)측에서 병렬로 연결하여 구성되어 있다. 이렇게 구성된 전원 공급 장치를 구성하는 변압기는 1차권선(1)과 2차권선(2)으로 이루어지고, 2차권선(2)은 전술한 바와 같이, 적어도 2개 이상의 다중권선을 직렬 또는 병렬로 연결하여 이루어진다. 또한, 상기 각각의 2차권선(2)에는 사이리스터(Thyrister)(Thy)를 설치하여 제어장치에서 다단으로 중첩(Overlap) 제어할 수 있게 하였다. 즉, 각 사이리스터(Thy)들 중 어느 것이 도통 접속되는지에 따라, 출력되는 전압을 조절할 수 있는 것이다.
즉, 도 4는 프로세스전원용 정류기 전압의 구간별 출력파형을 나타낸 것인데, 도 4에 도시한 바와 같이, 사이리스터(Thy)의 점화 각 또는 동작각의 조절에 의해, 2차권선(2)을 구성하는 각각의 권선에 걸리는 최대 전압과 최소 전압 사이의 전압이 무단으로 조절되어 전압변화가 부드럽게 이어질 수 있는 것이다. 다시말하면, 상기 제어장치에서의 변압기를 제어하는 방식은 변압기 2차권선(2)에 설치된 여러 조의 사이리스터(Thy)를 이용하여 2단 또는 3단으로 오버랩제어를 하여 사이리스터 제어 도통 각에 따른 역률저하를 최소화 하고, 역류고조파를 억제 할 수 있게 한다.
상기 제어장치는 디지털(Digital) 연산방식으로 입력시킨 운전 패턴(Pattern)에 따라 부하전압 및 전류를 속응성(速應性) 있게 제어한다. 즉, 2차권선(2) 중 어느 하나에 문제가 발생하여 사용할 수 없을 때에도, 사이리스터(Thy)를 조절함에 의해 보다 안정적으로 출력 전압을 조절하여 부하에 제공할 수 있는 것이다. 또한, 본 발명에 따른 전원 공급 장치를 구성하는 변압기는 2차권선(2)을 이웃 권선과 반전 연결하여 구성하였다. 즉, 도 2의 ①, ④의 권선과 같이 두 개의 권선의 상하를 반전하여 결선되어 있다. 이렇게 권선을 상하로 반전하여 연결함으로써 다중권선화가 용이하고 같은 용적에 많은 권선을 배열할 수 있어 변압기의 소형화가 가능한 것이다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 변압기는 각 권선에서 발생하는 열을 냉각시키기 위한 냉각수단을 구비하고 있다.
구체적인 냉각 방식은 아래와 같다. 상기 2차권선(2)의 외부에는 냉각수단으로 히트파이프를 사용할 수 있다. 또한, 상기 2차권선(2) 중 상대적으로 대전류가 흐르는 부분은 냉각수단으로 히트파이프를 구비하고, 다른 부분은 자연 공랭식으로 구성할 수 있다. 즉, 대전류가 흐르는 부분은 전류의 양만큼 발열량도 높으므로 냉각효율이 높은 것이 바람직하다. 이에 따라 대전류가 흐르는 부분 즉, 도 5는 중첩식 전원제어회로를 도시한 것인데, 도 5의 적색 표시 부분과 같은 부분은 냉각효율이 우수한 히트파이프를 사용하고 상대적으로 발열량이 적은 전류가 흐르는 부분은 외부의 공기에 의해 자연 냉각되게 한 것이다.
물론 적은 전류가 흐르는 부분도 냉각효율을 높이기 위해 히트파이프를 설치할 수 있으나, 적은 전류가 흐르는 부분은 자연 냉각만으로도 충분히 장치의 관리가 가능하고, 히트파이프를 설치함에 따라 장치의 규모가 커질 뿐만 아니라 자재비는 물론 운용비가 많이 소요될 수 있으므로 굳이 히트파이프를 설치할 필요가 없는 것이다.
이러한 본 발명의 변압기에 설치되는 냉각수단인 히트파이프는 열전도를 위한 수단으로 많이 사용되는 것을 권선의 외형과 맞게 변형시킨 것으로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명은 다중 권선으로 이루어지고 소형화를 위해 권선과 권선 사이가 좁게 구성되어 있어 권선들이 서로 접촉될 수 있어 권선의 접속에 의한 합선이 발생할 수 있다. 이에 따라 권선들 사이를 절연하기 위한 절연 수단이 필요하며, 절연수단으로는 절연재가 사용될 수 있다.
상기 절연재로는 절연성 및 내구성이 우수한 에폭시 수지를 사용할 수 있다. 또한, 열연재로 에폭시 수지를 이용하는 이유는 열에 강할 뿐만 아니라 외형이 불규칙한 권선들 사이에 채운 후 경화시킴으로써 권선들이 움직이지 않게 고정하는 역할도 할 수 있기 때문이다.
1: 1차권선
2: 2차권선
Thy : 사이리스터

Claims (7)

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  6. 기동전원 변압기와 프로세스 전원 변압기의 2대를 2차측에서 병렬로 연결하고, 1차권선과 2차권선을 포함하여 구성된 폴리실리콘제조 장치에 전원을 공급하는 전원 공급 장치에 있어서,
    상기 변압기의 2차권선은 적어도 2개 이상의 다중권선을 직렬 또는 병렬로 연결하여 이루어지고, 각 2차권선에는 사이리스터(Thyrister)를 설치하여 다단으로 중첩(Overlap) 제어도록 제어장치를 구비하고,
    이 제어장치에서의 변압기 제어방식은 변압기 2차에 설치된 여러 조의 사이리스터 정류기를 이용하여 2단 또는 3단으로 오버랩제어를 하여 사이리스터제어 도통 각에 따른 역률저하를 최소화하고, 역류고조파를 억제할 수 있게 하며,
    또한 상기 2차권선은 이웃 권선과 반전 연결되며, 상기 2차권선의 외부에는 냉각수단으로 히트파이프를 설치하되, 상기 2차권선 중 상대적으로 대전류가 흐르는 부분은 냉각수단으로 히트파이프를 구비하고, 다른 부분은 자연 공냉식으로 냉각되게 한 것을 특징으로 하는 역률 및 고조파가 개선된 다중권선 변압기를 이용한 중첩식 전원 공급 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제어장치는 디지털(Digital) 연산방식으로 입력시킨 운전 패턴(Pattern)에 따라 부하전압 및 전류를 속응성(速應性) 있게 제어하는 것을 특징으로 하는 역률 및 고조파가 개선된 다중권선 변압기를 이용한 중첩식 전원 공급 장치.
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