KR101551629B1 - 고효율 펄스 변압기 제작 방법 및 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고효율 펄스 변압기의 제작 방법 및 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 소정의 변압기 코어에 일련의 권선 조건을 적용하여 펄스 변압기의 효율을 측정하고 실험적으로 최적의 권선 조건을 산출함으로써 고효율 펄스 변압기를 제작하는 방법 및 시스템에 관한 것이다.
본 발명은 5us 이하의 제1 펄스폭, 제1 전압의 펄스가 스 변압기 제작 방법에 있어서, 상기 펄스 변압기에 적용될 변압기 코어를 선정하는 단계; 선정된 상기 변압기 코어에 제1 권선 및 제2 권선을 와인딩하여 중간 펄스 변압기를 구성하는 단계; 상기 중간 펄스 변압기의 2차측 양단에 제1 저항값을 가지는 부하를 연결하는 단계; 상기 중간 펄스 변압기의 1차측에 제1 펄스폭, 제1 반복률, 제2 전압을 가지는 펄스를 인가하면서, 상기 중간 펄스 변압기의 1차측 입력 전력 및 2차측 출력 전력을 측정하는 단계 - 여기서 상기 제2 전압은 상기 제1 전압보다 낮음; 상기 제1 권선의 권선수를 변경하면서 상기 중간 펄스 변압기의 1차측 입력 전력 및 2차측 출력 전력의 비율이 소정의 기준을 만족하는 제1 권선의 임시 권선수를 선정하는 단계; 및 상기 제1 전압과 상기 제2 전압의 비율과 상기 제1 권선의 임시 권선수를 고려하여 상기 펄스 변압기의 제1 권선의 최종 권선수를 산정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스 변압기 제작 방법을 개시한다.

Description

고효율 펄스 변압기 제작 방법 및 시스템 {Method and system for preparing efficient pulse transformer}
본 발명은 고효율 펄스 변압기의 제작 방법 및 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 소정의 변압기 코어에 일련의 권선 조건을 적용하여 펄스 변압기의 효율을 측정하고 실험적으로 최적의 권선 조건을 산출함으로써 고효율 펄스 변압기를 제작하는 방법 및 시스템에 관한 것이다.
펄스 전원 공급 장치는 종래부터 다양한 어플리케이션에 적용되어 오고 있다. 예를 들어, 도1의 (A)에서 볼 수 있는 바와 같이 마그네트론 구동전원장치로 사용되거나, 입자 가속기, 방사광 가속기, 의료용 가속기 등 가속기의 전원 공급 장치로 사용되거나, 군사용 레이더 시스템에 적용되기도 하고, 근래에는 저온 플라즈마 등을 이용하는 가스 청정 장치, 반도체 공정용 펄스 플라즈마 전원장치로 이용되기도 한다.
상기 펄스 전원 공급 장치는 도 2에서 볼 수 있는 바와 같은 펄스 변압기(pulse transformer)를 포함하여 구성될 수 있는데, 예를 들어, 펄스폭 0.5 ~ 5 μs, 전압 10 ~ 100 kV, 반복률 10 ~ 300 Hz의 펄스(도 3)를 사용하는 펄스 변압기 등 다양한 규격의 펄스 전원 공급 장치가 사용되고 있다.
통상적으로 펄스 변압기를 설계, 제작함에 있어서는 변압기 코어의 재질 및 단면적, 형태 등 적용할 변압기 코어를 결정하고, 1차 권선에 대한 권선수와 권선의 직경, 2차 권선에 대한 권선수와 권선의 직경 등을 결정하게 된다.
이때, 변압기 코어를 선택함에 있어서는 사용자고자 하는 주파수와 전력 등을 고려하여 그 재질 및 단면적 등을 결정하게 되는데, 예를 들어 낮은 주파수의 변압기 코어에서는 규소 강판을 복수개 적층하여 사용하기도 하며, 높은 주파수인 경우에는 보다 빠른 응답 속도를 가질 수 있는 페라이트 코어를 사용하여 변압기 코어를 구성하기도 한다. 변압기 코어의 재질 및 단면적, 형태 등 적용할 변압기 코어가 결정되면, 이를 바탕으로 권선 설계를 진행하게 된다.
그런데, 종래 통상적으로 사용되어온 권선 설계 방법들은 고효율 펄스 변압기를 구성하는데 있어 한계를 가지고 있었다. 예를 들어, "진행파관 고전압전원공급기의 고주파수, 고밀도, 고전압 펄스변압기의 설계 및 해석" (2002년도 대한전기학회 하계학술대회 논문집 2002. 7. 10-12., 1043~1045쪽)에서 볼 수 있는 바와 같이 하기의 수학식 1 등 같은 수식을 사용하여 1차 권선수를 설계하는 방법이 많이 이용되어 오고 있으나, 이러한 경우 누설 인덕턴스 등의 손실 성분 등에 의한 오차가 나타날 수 있고, 특히 펄스폭이 0.5 ~ 5 μs 정도까지 짧아지는 경우에는 그 오차가 급격하게 커질 수 있어, 펄스 변압기의 효율이 크게 떨어지는 등의 문제점이 나타날 수 있다.
Figure 112014091427417-pat00001
(여기서, Np 는 1차 권선수, Vin 은 1차 권선 입력 전압 [V], ton은 펄스폭(펄스 지속 시간) [s], S는 변압기 코어 단면적 [cm2], dB 는 자화곡선의 자속 변화량을 의미한다.)
즉, 상기 수학식 1등 통상적으로 변압기 설계에 사용되는 수식들은 매우 단순화된 모델을 수식화한 것에 불과하여, 누설 인덕턴스, 자화곡선의 자속 변화량의 비선형성 등에 의하여 상당한 오차를 가질 수 있고, 특히 0.5 ~ 5 μs 수준의 좁은 펄스폭을 가지는 펄스 변압기의 경우에는 상기 오차가 더욱 커질 수 있으며, 이에 따라 90% ~ 95%의 높은 효율을 가지는 펄스 변압기를 구현하기 어려워지는 문제가 나타나게 된다.
이에 따라, 좁은 펄스폭을 가지는 펄스 변압기라 하더라도, 높은 효율을 가지는 펄스 변압기를 효과적으로 설계하고 제작할 수 있는 방법 및 시스템이 요구되고 있으나, 이에 대한 적절한 해법이 아직 제시되지 못하고 있다.
본 발명의 일 실시예는 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 펄스 변압기에 인가되는 펄스폭이 좁아지는 경우에도 고효율을 구현할 수 있는 펄스 변압기를 효과적으로 제작할 수 있는 방법 및 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 한 측면에 따른 펄스 변압기 제작 방법은 5 μs 이하의 제1 펄스폭을 가지고, 1차측 입력 전압이 제1 전압인 펄스가 인가되는 펄스 변압기를 제작하는 방법에 있어서, 상기 펄스 변압기에 적용될 변압기 코어를 선정하는 단계; 선정된 상기 변압기 코어에 제1 권선 및 제2 권선을 와인딩하여 중간 펄스 변압기를 구성하는 단계; 상기 중간 펄스 변압기의 2차측 양단에 제1 저항값을 가지는 부하를 연결하는 단계; 상기 중간 펄스 변압기의 1차측에 제1 펄스폭, 제1 반복률, 제2 전압을 가지는 펄스를 인가하면서, 상기 중간 펄스 변압기의 1차측 입력 전력 및 2차측 출력 전력을 측정하는 단계 - 여기서 상기 제2 전압은 상기 제1 전압보다 낮은 것을 특징으로 함; 상기 제1 권선의 권선수를 변경하면서 상기 중간 펄스 변압기의 1차측 입력 전력 및 2차측 출력 전력의 비율이 소정의 기준을 만족하는 제1 권선의 임시 권선수를 선정하는 단계; 및 상기 제1 전압과 상기 제2 전압의 비율과 상기 제1 권선의 임시 권선수를 고려하여 상기 펄스 변압기의 제1 권선의 최종 권선수를 산정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 중간 펄스 변압기의 제1 권선의 임시 권선수를 선정함에 있어, 상기 중간 펄스 변압기에 인가되는 제2 전압을 100 ~ 700V의 범위에서 가변하면서 상기 중간 펄스 변압기의 1차측 입력 전력 및 2차측 출력 전력의 비율로부터 제1 권선의 임시 권선수를 선정할 수 있다.
또한, 상기 펄스 변압기의 제1 권선의 최종 권선수를 산정함에 있어, 상기 제1 권선의 최종 권선수는 상기 제1 전압과 상기 제2 전압의 비율에 상기 제1 권선의 임시 권선수를 곱한 후, 그 결과치에 가장 가까운 정수값일 수 있다.
또한, 상기 중간 펄스 변압기의 2차측 양단에 연결되는 부하는 상기 펄스 변압기가 전력을 공급할 장치의 부하를 고려하여 1 ~ 3 옴의 범위 내에서 선택될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 펄스 변압기 제작 시스템은 5 μs 이하의 제1 펄스폭을 가지고, 1차측 입력 전압이 제1 전압인 펄스가 인가되는 펄스 변압기를 제작하는 시스템에 있어서, 소정의 변압기 코어에 제1 권선 및 제2 권선이 와인딩되어 구성된 중간 펄스 변압기의 1차측에 제1 펄스폭, 제1 반복률, 제2 전압을 가지는 펄스를 인가하면서, 상기 중간 펄스 변압기의 1차측 입력 전력을 측정하는 펄스 발생 및 입력 전력 측정부; 상기 중간 펄스 변압기의 2차측 양단에 제1 저항값을 가지는 부하를 제공하고, 상기 중간 펄스 변압기의 2차측 출력 전력을 측정하는 부하 및 출력 전력 측정부; 및 상기 펄스 발생 및 입력 전력 측정부 및 부하 및 출력 전력 측정부를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 제어부는 상기 제1 권선의 권선수가 변경되는데 따라 측정되는 상기 중간 펄스 변압기의 1차측 입력 전력 및 2차측 출력 전력의 비율로부터 제1 권선의 임시 권선수를 선정하고, 상기 제1 전압과 상기 제2 전압의 비율과 상기 제1 권선의 임시 권선수를 고려하여 상기 펄스 변압기의 제1 권선의 최종 권선수를 산정할 수 있다.
또한, 상기 중간 펄스 변압기의 제1 권선의 임시 권선수를 선정함에 있어, 상기 중간 펄스 변압기에 인가되는 제2 전압을 100 ~ 700V의 범위에서 가변하면서 상기 중간 펄스 변압기의 1차측 입력 전력 및 2차측 출력 전력의 비율로부터 제1 권선의 임시 권선수를 선정할 수 있다.
또한, 상기 펄스 변압기의 제1 권선의 최종 권선수를 산정함에 있어, 상기 제1 권선의 최종 권선수는 상기 제1 전압과 상기 제2 전압의 비율에 상기 제1 권선의 임시 권선수를 곱한 후, 그 결과치에 가장 가까운 정수값일 수 있다.
또한, 상기 중간 펄스 변압기의 2차측 양단에 연결되는 부하는 상기 펄스 변압기가 전력을 공급할 장치의 부하를 고려하여 1 ~ 3 옴의 범위 내에서 선택될 수 있다.
본 발명에 따르면, 소정의 변압기 코어에 일련의 권선 조건을 적용하여 펄스 변압기의 효율을 측정하고 실험적으로 최적의 권선 조건을 산출함으로써 고효율 펄스 변압기를 제작하는 방법 및 시스템을 제공하는 효과를 갖는다.
본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되는, 첨부도면은 본 발명에 대한 실시예를 제공하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 설명한다.
도 1은 종래 기술에 따른 마그네트론 전원 공급 장치의 구성도이다.
도 2는 종래 기술에 따른 펄스 변압기의 예시도이다.
도 3은 종래 기술에 따른 펄스 변압기의 펄스 파형의 예시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 고효율 펄스 변압기 제작 방법의 순서도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 고효율 펄스 변압기 제작 시스템의 구성도이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 이하에서는 특정 실시예들을 첨부된 도면을 기초로 상세히 설명하고자 한다.
본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되는 것은 아니며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 발명은, 종래 기술에 따라 단순화된 모델에 따른 설계 수식을 사용하여 1차 권선수를 설계하는 경우 누설 인덕턴스 등의 손실 성분 등에 의한 오차가 나타날 수 있고, 특히 펄스폭이 0.5 ~ 5 μs 정도까지 짧아지는 경우에는 그 오차가 급격하게 커질 수 있어, 펄스 변압기의 효율이 크게 떨어지는 등의 문제점에 착안하여, 소정의 변압기 코어에 일련의 권선 조건을 적용하여 펄스 변압기의 효율을 측정하고 실험적으로 최적의 권선 조건을 산출함으로써 고효율 펄스 변압기를 제작하는 방법 및 시스템을 개시하는 것을 특징으로 한다.
이하에서는, 본 발명에 따른 고효율 펄스 변압기 제작 방법 및 시스템의 예시적인 실시 형태들을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
먼저 도 4에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 고효율 펄스 변압기 제작 방법의 순서도를 도시하고 있다. 도 4에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 고효율 펄스 변압기 제작 방법은 펄스 변압기에 적용될 변압기 코어를 선정하는 단계(S410), 선정된 상기 변압기 코어에 제1 권선 및 제2 권선을 와인딩하여 중간 펄스 변압기를 구성하는 단계(S420), 상기 중간 펄스 변압기의 2차측 양단에 제1 저항값을 가지는 부하를 연결하는 단계(S430), 상기 중간 펄스 변압기의 1차측에 제1 펄스폭, 제1 반복률, 제2 전압을 가지는 펄스를 인가하면서, 상기 중간 펄스 변압기의 1차측 입력 전력 및 2차측 출력 전력을 측정하는 단계(S440), 상기 제1 권선의 권선수를 변경하면서 상기 중간 펄스 변압기의 1차측 입력 전력 및 2차측 출력 전력의 비율이 소정의 기준을 만족하는 제1 권선의 임시 권선수를 선정하는 단계(S450) 및 상기 제1 전압과 상기 제2 전압의 비율과 상기 제1 권선의 임시 권선수를 고려하여 상기 펄스 변압기의 제1 권선의 최종 권선수를 산정하는 단계(S460)를 포함하여 구성될 수 있다. 이때, 상기 본 발명의 일 실시예에 따른 고효율 펄스 변압기 제작 방법은 5 μs 이하의 제1 펄스폭을 가지고, 1차측 입력 전압이 제1 전압인 펄스가 인가되는 경우에 관한 것이다.
아래에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 고효율 펄스 변압기 제작 방법을 각 단계별로 나누어 자세하게 검토한다.
먼저, 펄스 변압기에 적용될 변압기 코어를 선정하는 단계(S410)에 대하여 살핀다. 본 발명은 소정의 방법으로 정하여진 변압기 코어를 사용하는 경우의 최적 권선 조건을 찾아 고효율 펄스 변압기를 제작하는 방법에 관한 것이므로, 펄스 변압기에 적용될 변압기 코어를 선정하는 단계에서는 적절한 변압기 코어를 선정할 수 있는 방법이라면 특별한 제한없이 사용될 수 있다.
통상적으로 펄스 변압기용 코어는 동작 주파수를 충분히 수용할 수 있으면서도 변압기 제작 시의 부피, 전력 및 코어 손실 등을 고려하여 그 재질을 선정하게 된다. 종래 일반적인 산업 용도의 변압기인 경우에는 규소 강판을 복수개 포개어 사용하는 경우가 많았으나, 본 발명의 경우와 같이 동작 주파수 및 펄스 폭이 좁아지는 경우 등에는 응답 속도가 빠른 페라이트 코어 등을 사용하는 것을 고려해볼 수 있다. 나아가, 변압기 코어의 형태 및 단면적 등도 변압기의 특성에 상당한 영향을 미칠 수 있는 바, 이에 대해서도 함께 고려하는 것이 바람직하다.
본 단계는 종래 기술에 따라 특별한 어려움 없이 실시될 수 있으므로, 여기서는 보다 자세하게 살피지 아니한다.
다음으로, 선정된 상기 변압기 코어에 제1 권선 및 제2 권선을 와인딩하여 중간 펄스 변압기를 구성하는 단계(S420)에 대하여 살핀다. 본 단계에서는 앞서 S410 단계에서 선정한 변압기 코어에 제1 권선 및 제2 권선을 와인딩(winding)하게 된다. 이때, 제1 권선의 와인딩 수는 앞서 설명한 수학식 1 등을 사용하여 설계되는 제1 권선의 와인딩 수 보다 적은 범위에서 고려될 수 있다. 예를 들어, 최종적으로 펄스 변압기에 인가될 1차측 입력 전압이 5kV인 반면, 본 발명에 따라 중간 펄스 변압기에 100 ~ 700V 정도의 1차측 입력 전압을 인가하면서 최적 권선 조건을 찾는 경우, 입력 전압 레벨의 차이를 고려할 때, 상기 수학식 1 등을 사용하여 설계된 제1 권선의 와인딩 수보다 적은 범위에서 일련의 테스트를 진행하는 것이 일응 타당하다. 그러나, 누설 인덕턴스 및 자화곡선의 자속 변화량의 비선형성 등에 의하여 상기 수학식 1 등의 오차가 매우 커질 수 있다는 점을 고려하면, 테스트를 진행하는 범위를 다소 넓게 설정하는 것이 바람직하다.
예를 들어, 최종적으로 펄스 변압기에 인가될 1차측 입력 전압이 5kV이고, 본 발명에 따라 중간 펄스 변압기에 500V 내외의 1차측 입력 전압을 인가하면서 최적 권선 조건을 찾는 경우, 수학식 1 등에 의하여 설계된 1차 권선수가 200회라고 하더라도, 5kV/500 = 10을 고려하여 200/10 = 20회의 1차 권선수 주변에 반드시 임시 권선수가 존재하리라고 단정하기는 어렵고, 보다 넓은 범위를 설정하여 임시 권선수를 찾기 위한 테스트를 진행하는 것이 바람직하다.
다음으로, 상기 중간 펄스 변압기의 2차측 양단에 제1 저항값을 가지는 부하를 연결하는 단계(S430)에 대하여 살핀다. 본 단계에서는 중간 펄스 변압기의 2차측 양단에 소정의 부하를 연결하게 된다. 이때, 상기 부하는 상기 펄스 변압기가 전력을 공급할 장치, 예를 들어 마그네트론이나 선형 가속기 등의 부하를 고려하여 1 ~ 3 옴의 범위 내에서 선택하는 것이 바람직하다.
이어서, 상기 제1 권선의 권선수를 변경하면서 상기 중간 펄스 변압기의 1차측 입력 전력 및 2차측 출력 전력의 비율이 소정의 기준을 만족하는 제1 권선의 임시 권선수를 선정하는 단계(S440) 및 상기 제1 권선의 권선수를 변경하면서 상기 중간 펄스 변압기의 1차측 입력 전력 및 2차측 출력 전력의 비율이 소정의 기준을 만족하는 제1 권선의 임시 권선수를 선정하는 단계(S450)에 대하여 살핀다. 본 단계에서는 상기 제1 권선의 권선수를 변경하면서 상기 S430단계에서와 같이 중간 펄스 변압기의 1차측 입력 전력 및 2차측 출력 전력을 측정하고, 그 비율(즉, 입력 전력과 출력 전력의 비율이므로 펄스 변압기의 효율)을 산정한 후, 상기 비율이 소정의 기준을 만족하는 경우 제1 권선의 임시 권선수로 선정하게 된다.
예를 들어, 제1 권선의 권선수를 소정의 범위 내에서 변경하면서 중간 펄스 변압기의 1차측 입력 전력 및 2차측 출력 전력을 측정하고, 그 비율을 산정한 후, 상기 소정의 범위 전체에서 가장 높은 효율을 가지는 경우를 제1 권선의 임시 권선수를 선정할 수도 있고, 또는 미리 설정한 기준치(예를 들어 95% 이상)의 기준을 넘어서는 효율이 산정된 경우 그때의 제1 권선의 권선수를 임시 권선수로 선정할 수도 있다.
나아가, 상기 중간 펄스 변압기의 제1 권선의 임시 권선수를 선정함에 있어, 상기 중간 펄스 변압기의 1차측에 인가되는 전압을 100 ~ 700V의 범위에서 가변하면서 상기 중간 펄스 변압기의 1차측 입력 전력 및 2차측 출력 전력의 비율로부터 제1 권선의 임시 권선수를 선정하는 것도 가능하다. 본 단계(S450)에서 제1 권선의 임시 권선수를 선정함에 있어, 제1 권선의 권선수 만을 변경시키면서 제1 권선의 임시 권선수를 선정하는 경우, 각 권선수 사이에 최적치가 존재하는 경우 정확한 최적치 값을 측정하기 어려워 질 수 있고, 또한 입력 전압이 고정되는 경우 최적치 값이 상기 고정된 입력 전압의 조건에서는 측정이 어려울 수도 있으므로, 따라서, 제1 권선의 권선수 뿐만 아니라 중간 펄스 변압기의 1차측에 인가되는 전압도 변경시키면서 제1 권선의 임시 권선수를 선정하도록 함으로써, 보다 정확한 임시 권선수 최적치 및 그에 대한 1차측 입력 전압을 산정할 수 있게 된다.
마지막으로, 상기 제1 전압과 상기 제2 전압의 비율과 상기 제1 권선의 임시 권선수를 고려하여 상기 펄스 변압기의 제1 권선의 최종 권선수를 산정하는 단계(S460)에 대하여 살핀다. 본 단계에서는 앞서 살핀 일련의 단계를 거쳐 산정된 제1 권선의 임시 권선수 및 그에 대한 1차측 입력 전압으로부터 제1 권선의 최종 권선수를 산정하게 된다.
보다 구체적으로, 상기 펄스 변압기의 제1 권선의 최종 권선수를 산정함에 있어, 상기 제1 전압과 상기 제2 전압의 비율에 상기 제1 권선의 임시 권선수를 곱한 후, 그 결과치에 가장 가까운 정수값을 취할 수 있다. 예를 들어, 펄스 변압기에 최종적으로 인가될 1차측 입력 전압이 10kV인 경우, 상기한 일련의 단계를 거쳐 산정된 제1 권선의 임시 권선수가 5번이었고, 그에 대한 1차측 입력 전압이 300V이었던 경우, 제1 권선의 최종 권선수는 10000/300*5 = 166.667 에 가장 가까군 정수인 167번으로 결정될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 고효율 펄스 변압기 제작 시스템(500)의 구성도를 도시하고 있다. 도 5에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 고효율 펄스 변압기 제작 시스템(500)은 소정의 변압기 코어에 제1 권선 및 제2 권선이 와인딩되어 구성된 중간 펄스 변압기의 1차측에 제1 펄스폭, 제1 반복률, 제2 전압을 가지는 펄스를 인가하면서, 상기 중간 펄스 변압기의 1차측 입력 전력을 측정하는 펄스 발생 및 입력 전력 측정부(510), 상기 중간 펄스 변압기의 2차측 양단에 제1 저항값을 가지는 부하를 제공하고, 상기 중간 펄스 변압기의 2차측 출력 전력을 측정하는 부하 및 출력 전력 측정부(530) 및 상기 펄스 발생 및 입력 전력 측정부 및 부하 및 출력 전력 측정부를 제어하는 제어부(540)를 포함하여 구성될 수 있다. 이때, 상기 본 발명의 일 실시예에 따른 고효율 펄스 변압기 제작 시스템(500)은 5 μs 이하의 제1 펄스폭을 가지고, 1차측 입력 전압이 제1 전압인 펄스가 인가되는 펄스 전압기의 제작에 관한 것이다.
아래에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 고효율 펄스 변압기 제작 시스템(500)을 각 구성 부문별로 나누어 검토한다.
먼저, 소정의 변압기 코어에 제1 권선 및 제2 권선이 와인딩되어 구성된 중간 펄스 변압기(520)의 1차측에 제1 펄스폭, 제1 반복률, 제2 전압을 가지는 펄스를 인가하면서, 상기 중간 펄스 변압기(520)의 1차측 입력 전력을 측정하는 펄스 발생 및 입력 전력 측정부(510)에 대하여 살핀다.
펄스 발생 및 입력 전력 측정부(510)에서는 소정의 방법으로 선정된 변압기 코어(재질, 형상, 단면적 등)에 제1 권선 및 제2 권선을 와인딩하여 구성된 중간 펄스 변압기(520)의 1차측에 제1 펄스폭, 제1 반복률, 제2 전압을 가지는 펄스를 인가하게 된다.
이때, 변압기 코어의 재질, 형상, 단면적 등을 선택하는 방법으로서는, 적절한 변압기 코어를 선정할 수 있는 방법이라면 특별한 제한없이 사용할 수 있다. 통상적으로 펄스 변압기용 코어는 동작 주파수를 충분히 수용할 수 있으면서도 변압기 제작 시의 부피, 전력 및 코어 손실 등을 고려하여 그 재질을 선정하게 된다. 나아가, 변압기 코어의 형태 및 단면적 등도 변압기의 특성에 상당한 영향을 미칠 수 있는 바, 이에 대해서도 함께 고려하는 것이 바람직하다.
상기와 같이 선정된 변압기 코어에 대하여, 앞서 S420 단계에서 살핀 바와 같이 소정의 방법으로 산출된 제1 권선의 와이딩 수 및 제2 권선의 와인딩 수에 따라 제1 권선 및 제2 권선을 와인딩(winding)하여 중간 펄스 변압기(520)를 구성하게 된다.
이에 대하여, 펄스 발생 및 입력 전력 측정부(510)는 상기 중간 펄스 변압기(520)의 1차측에 제1 펄스폭, 제1 반복률, 제2 전압을 가지는 펄스를 인가하면서, 상기 중간 펄스 변압기(520)의 1차측 입력 전력을 측정하게 된다.
또한, 부하 및 출력 전력 측정부(530)에서는 상기 중간 펄스 변압기(520)의 2차측 양단에 제1 저항값을 가지는 부하를 제공하고, 상기 중간 펄스 변압기(520)의 2차측 출력 전력을 측정하게 된다. 상기 펄스 발생 및 입력 전력 측정부(510)에서 인가한 소정의 펄스로부터 유도되어 중간 펄스 변압기(520)의 2차측으로 출력되는 펄스 신호의 전력을 측정함으로써 중간 펄스 변압기(520)의 출력 전력을 산출하게 된다.
이때, 상기 중간 펄스 변압기(520)의 2차측 양단에 연결되는 부하는 상기 중간 펄스 변압기(520)가 전력을 공급할 장치의 부하를 고려하여 1 ~ 3 옴의 범위 내에서 선택될 수 있다.
마지막으로, 상기 제어부(540)에서는 상기 제1 권선의 권선수가 변경되는데 따라 측정되는 상기 중간 펄스 변압기(520)의 1차측 입력 전력 및 2차측 출력 전력의 비율로부터 제1 권선의 임시 권선수를 선정하고, 이어서 상기 제1 전압과 상기 제2 전압의 비율과 상기 제1 권선의 임시 권선수를 고려하여 상기 펄스 변압기의 제1 권선의 최종 권선수를 산정하게 된다.
제1 권선의 임시 권선수를 산정함에 있어서, 상기 제1 권선의 권선수를 변경하면서 중간 펄스 변압기(520)의 1차측 입력 전력 및 2차측 출력 전력을 측정하고, 그 비율(즉, 입력 전력과 출력 전력의 비율이므로 펄스 변압기의 효율)을 산정한 후, 상기 비율이 소정의 기준을 만족하는 경우 제1 권선의 임시 권선수로 선정하게 된다. 예를 들어, 제1 권선의 권선수를 소정의 범위 내에서 변경하면서 중간 펄스 변압기(520)의 1차측 입력 전력 및 2차측 출력 전력을 측정하고, 그 비율을 산정한 후, 상기 소정의 범위 전체에서 가장 높은 효율을 가지는 경우를 제1 권선의 임시 권선수를 선정할 수도 있고, 또는 미리 설정한 기준치(예를 들어 95% 이상)의 기준을 넘어서는 효율이 산정된 경우 그때의 제1 권선의 권선수를 임시 권선수로 선정할 수도 있다.
나아가, 상기 중간 펄스 변압기(520)의 제1 권선의 임시 권선수를 선정함에 있어, 상기 S440 단계에서 살핀 바와 같이, 상기 중간 펄스 변압기(520)에 인가되는 제2 전압을 100 ~ 700V의 범위에서 가변하면서 상기 중간 펄스 변압기(520)의 1차측 입력 전력 및 2차측 출력 전력의 비율로부터 제1 권선의 임시 권선수를 선정할 수 있다.
이어서, 상기 제어부(540)는 상기 제1 전압과 상기 제2 전압의 비율에 상기 제1 권선의 임시 권선수를 곱한 후, 그 결과치에 가장 가까운 정수값을 최종 권선수로 산정하게 된다. 예를 들어, 펄스 변압기에 최종적으로 인가될 1차측 입력 전압이 10kV인 경우, 상기한 일련의 단계를 거쳐 산정된 제1 권선의 임시 권선수가 5번이었고, 그에 대한 1차측 입력 전압이 500V이었던 경우, 제1 권선의 최종 권선수는 10000/500*5 = 100번으로 결정될 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 기재된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의해서 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
500 : 고효율 펄스 변압기 제작 시스템
510 : 펄스 발생 및 입력 전력 측정부
520 : 펄스 변압기
530 : 부하 및 출력 전력 측정부
540 : 제어부

Claims (9)

  1. 5 μs 이하의 제1 펄스폭을 가지고, 1차측 입력 전압이 제1 전압인 펄스가 인가되는 펄스 변압기를 제작하는 방법에 있어서,
    상기 펄스 변압기에 적용될 변압기 코어를 선정하는 단계;
    선정된 상기 변압기 코어에 제1 권선 및 제2 권선을 와인딩하여 중간 펄스 변압기를 구성하는 단계;
    상기 중간 펄스 변압기의 2차측 양단에 제1 저항값을 가지는 부하를 연결하는 단계;
    상기 중간 펄스 변압기의 1차측에 제1 펄스폭, 제1 반복률, 제2 전압을 가지는 펄스를 인가하면서, 상기 중간 펄스 변압기의 1차측 입력 전력 및 2차측 출력 전력을 측정하는 단계 - 여기서 상기 제2 전압은 상기 제1 전압보다 낮은 것을 특징으로 함;
    상기 제1 권선의 권선수를 변경하면서 상기 중간 펄스 변압기의 1차측 입력 전력 및 2차측 출력 전력의 비율이 소정의 기준을 만족하는 제1 권선의 임시 권선수를 선정하는 단계; 및
    상기 제1 전압과 상기 제2 전압의 비율과 상기 제1 권선의 임시 권선수를 고려하여 상기 펄스 변압기의 제1 권선의 최종 권선수를 산정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스 변압기 제작 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 중간 펄스 변압기의 제1 권선의 임시 권선수를 선정함에 있어,
    상기 중간 펄스 변압기에 인가되는 제2 전압을 100 ~ 700V의 범위에서 가변하면서 상기 중간 펄스 변압기의 1차측 입력 전력 및 2차측 출력 전력의 비율로부터 제1 권선의 임시 권선수를 선정하는 것을 특징으로 하는 펄스 변압기 제작 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 펄스 변압기의 제1 권선의 최종 권선수를 산정함에 있어,
    상기 제1 권선의 최종 권선수는 상기 제1 전압과 상기 제2 전압의 비율에 상기 제1 권선의 임시 권선수를 곱한 후, 그 결과치에 가장 가까운 정수값인 것을 특징으로 하는 펄스 변압기 제작 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 중간 펄스 변압기의 2차측 양단에 연결되는 부하는 상기 펄스 변압기가 전력을 공급할 장치의 부하를 고려하여 1 ~ 3 옴의 범위 내에서 선택되는 것을 특징으로 하는 펄스 변압기 제작 방법.
  5. 5 μs 이하의 제1 펄스폭을 가지고, 1차측 입력 전압이 제1 전압인 펄스가 인가되는 펄스 변압기를 제작하는 시스템에 있어서,
    소정의 변압기 코어에 제1 권선 및 제2 권선이 와인딩되어 구성된 중간 펄스 변압기의 1차측에 제1 펄스폭, 제1 반복률, 제2 전압을 가지는 펄스를 인가하면서, 상기 중간 펄스 변압기의 1차측 입력 전력을 측정하는 펄스 발생 및 입력 전력 측정부;
    상기 중간 펄스 변압기의 2차측 양단에 제1 저항값을 가지는 부하를 제공하고, 상기 중간 펄스 변압기의 2차측 출력 전력을 측정하는 부하 및 출력 전력 측정부; 및
    상기 펄스 발생 및 입력 전력 측정부 및 부하 및 출력 전력 측정부를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스 변압기 제작 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 제1 권선의 권선수가 변경되는데 따라 측정되는 상기 중간 펄스 변압기의 1차측 입력 전력 및 2차측 출력 전력의 비율로부터 제1 권선의 임시 권선수를 선정하고,
    상기 제1 전압과 상기 제2 전압의 비율과 상기 제1 권선의 임시 권선수를 고려하여 상기 펄스 변압기의 제1 권선의 최종 권선수를 산정하는 것을 특징으로 하는 펄스 변압기 제작 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 중간 펄스 변압기의 제1 권선의 임시 권선수를 선정함에 있어,
    상기 중간 펄스 변압기에 인가되는 제2 전압을 100 ~ 700V의 범위에서 가변하면서 상기 중간 펄스 변압기의 1차측 입력 전력 및 2차측 출력 전력의 비율로부터 제1 권선의 임시 권선수를 선정하는 것을 특징으로 하는 펄스 변압기 제작 시스템.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 펄스 변압기의 제1 권선의 최종 권선수를 산정함에 있어,
    상기 제1 권선의 최종 권선수는 상기 제1 전압과 상기 제2 전압의 비율에 상기 제1 권선의 임시 권선수를 곱한 후, 그 결과치에 가장 가까운 정수값인 것을 특징으로 하는 펄스 변압기 제작 시스템.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 중간 펄스 변압기의 2차측 양단에 연결되는 부하는 상기 펄스 변압기가 전력을 공급할 장치의 부하를 고려하여 1 ~ 3 옴의 범위 내에서 선택되는 것을 특징으로 하는 펄스 변압기 제작 시스템.
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고출력 펄스 응용을 위한 고전압 펄스 변압기 최적 설계(2008년도 대한전기학회 하계학술대회 논문집, 페이지 1297-1300, 장성덕 외5인, 2008.7.18. 발행)
수백 kv급 공심형 펄스 변압기 개발(2005년도 대한전기학회 하계학술대회 논문집, 페이지 2132-2134, 김성철 외3인, 2005.7.20. 발행)

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