KR101555962B1

KR101555962B1 - 변압기

Info

Publication number: KR101555962B1
Application number: KR1020117008296A
Authority: KR
Inventors: 칼-하인즈 질만; 볼프강 뫼니그; 벤자민 베버
Original assignee: 에이비비 테크놀로지 아게
Priority date: 2008-10-28
Filing date: 2009-09-19
Publication date: 2015-09-30
Also published as: ATE537541T1; BRPI0919623B1; EP2182533A1; JP2012507161A; CN102197447B; US8344840B2; CA2740908A1; BRPI0919623A2; KR20110081192A; US20110221556A1; CA2740908C; RU2509387C2; BRPI0919623A8; PL2182533T3; UA100778C2; WO2010049041A1; RU2011121676A; ES2378712T3; EP2182533B1; CN102197447A

Abstract

본 발명은, 적어도 하나의 코어 림(22)을 구비하고 이 코어 림(22) 상에는 3개의 권선(32)들이 서로의 옆에 배열되어 있고 이 권선(32)들의 아웃고잉 라인(28, 30)들은 각각 서로 절연되게 인출되는 변압기(11)에 있어서, 각 권선(32)은 코어에 가까이 있는 저전압 권선(34)에 의해 형성되고 이 저전압 권선(34) 둘레에 감겨있는 연관된 고전압 권선(36)을 각각 구비하며, 저전압 권선(34)의 아웃고잉 라인(30)은 축방향으로 인출되어 권선(32)들 사이의 측방향 거리가 최소화되는 변압기에 관한 것이다.

Description

변압기{TRANSFORMER}

본 발명은 적어도 하나의 코어 림을 구비하고 이 코어 림에는 3개의 권선이 서로의 옆에 배열되고 이 권선의 아웃고잉 라인들은 각각 서로 절연되게 인출되는 변압기에 관한 것이다.

전력 변환기, 즉 정류기 또는 인버터에 필요한 변압기는 각각 저전압 권선과 고전압 권선으로 구성되고 각 2상 또는 3상 AC 전압을 원하는 전압 레벨로 변환하는데 사용되는 복수의 권선을 구비한다.

이런 방식으로 정류된 전류는 정기적으로 잔류 리플(residual ripple)을 가지는데, 즉 정류기에 의해 AC 전류가 정류되고 커패시터에 의해 평활화된 후에 및/또는 전압 조절기에 의해 더 낮은 레벨로 감소된 후에 평활화되거나 조절된 공급 전압에도 여전히 AC 전압 성분이 남아 있다.

이러한 잔류 리플을 더 감소시키기 위하여, 12상, 18상 및 24상의 정류기 회로가 종종 사용된다. 그 결과, 종종 완전히 평활화 커패시터 없이 정류하는 것이 가능하다. 다른 큰 잇점은 사실상 사인파 입력 전류와 왜곡된 응답 전력을 가진 최종 낮은 메인/변압기 부하이다. 감는 것이 더 복잡하고 부차적으로 동일한 극성 전압을 각각 가진 델타형(delta) 권선 및 성형(star) 권선을 가지는 변압기는 불리하다. 이 배열은 12상을 가지고 있어 30°의 위상 이동을 초래한다. 18개의 상으로 20°의 위상 이동 또는 24개의 상으로 15°의 위상 이동을 하기 위해, 2개의 인접한 상들이 대응하여 추가되어야 하며, 그 결과, 필요한 변압기는 훨씬 더 복잡하게 되는데, 그 이유는 하나의 완전한 권선, 즉 저전압 권선과 고전압 권선이 별도의 아웃고잉 라인과 함께 각 상에 대해 각각 필요하기 때문이다.

그러한 권선이 하나의 공통 림에 서로의 옆에 배열된다면, 권선 전도체의 요구되는 절연된 인출에 필요한 공간인 충분히 큰 중간 공간이 서로의 옆에 배열되는 권선들 사이에 제공될 필요가 있다. 이것은 대응하는 공간 요구조건과 함께 이들 변압기의 대응하는 공간 크기를 초래한다.

그러나, 이에 의해 요구되는 공간은 종종 이용가능하지 않은데 이는 상당한 공간 문제를 초래하거나 또는 원치않는 잔류 리플, 즉 AC 전압이 잔류하는 단점과 연관 있는 단지 간단한 회로 변형만을 허용한다.

전술된 종래 기술에 기초하여, 본 발명의 목적은 개시 부분에 언급된 유형의 변압기로서 기술적 조치에 의하여 공간 사용이 더 우수하여 가능한 가장 많은 수의 권선이 가능한 가장 적은 물리적 부피를 가지고 배열될 수 있게 하는 변압기를 제공하는 것이다.

본 목적은 특허청구범위의 제1항의 특징부에 의해 본 발명에 따라 달성된다.

따라서, 코어에 가까이 저전압 권선이 형성하고 각 저전압 권선 둘레에는 연관된 고전압 권선이 감겨져 있어, 권선들 사이에 축방향 거리가 최소화되고, 저전압 권선의 아웃고잉 라인이 축방향으로 인출되게 각 권선이 제공된다. 이 경우에, 고전압 권선들의 아웃고잉 라인들은 항상 방사방향으로 외부로 인출될 수 있다.

본 발명에 따라 제공되는 공간 문제에 대한 해법은 이에 따라 코어 림에서 서로의 옆에 각각 배열된 3개의 권선들 사이의 축방향 거리를, 권선들 사이의 필요한 절연 거리와 전기 작용의 결과 최종 상호 영향에 의해 결정된 최소 거리로 감소시키는 것에 의해 달성된다.

이것은 저전압 권선의 아웃고잉 라인이 권선들 사이에 축방향 거리를 상당히 증가시키는 종래와 같이 방사방향으로 인출되지 않고, 본 발명에 따라 축방향, 즉 저전압 권선과 고전압 권선 사이의 영역에서 권선 축에 평행하게 인출되는 것에 의해 가능하다.

이 경우에 코어 림에 또는 권선 축에 평행하게 축방향으로 인출되는 아웃고잉 라인들은 각각 절연물로 그리고 보호물로 수축 튜브(shrink tube)를 구비하는 것이 특히 유리한 것으로 유리하게 입증된다. 이 절연물은 예를 들어 약 5MVA의 총 전력에 대해 2kV의 정격 전압, 20kV의 테스트 전압 및 60kV의 임펄스 전압을 갖는 전기 부하에 대응하는 방식으로 디자인되며, 바람직하게는 적어도 5mm, 바람직하게는 6mm, 다시 말해 전도체 두께를 추가하여 총 12mm의 절연 두께(= 벽 두께)를 가지고 있다.

설치하기 좋은 디자인을 달성하기 위해, 본 발명의 하나의 바람직한 실시예는 저전압 권선들의 아웃고잉 라인이 일측에서 코어 림에 평행하게 인출되도록 하는데, 다시 말해 저전압 권선의 모든 전기적 연결이 이런 방식으로 디자인된 변압기의 일측에서 배열되도록 제공한다.

대안적으로, 본 발명의 다른 실시예는 또한 하나의 저전압 권선의 아웃고잉 라인이 일측에서 인출되도록 외부에 배열되도록 하며 또 2개의 다른 저전압 권선의 아웃고잉 라인이 코어 림에 대해 축방향으로 평행하게 반대쪽에서 인출되도록 하는 것을 제공할 수 있다. 이러한 개선예는 특히 충분한 공간이 이용가능할 때 고려된다.

전기적 특성과 기계적 특성이 대칭되게 하기 위하여 원형의 권선 형상이 바람직하다. 내부 저전압 권선의 아웃고잉 라인이 이제 축방향으로 외부로 인출된다면, 다시 말해 외주면을 따라 권선 축에 평행하게 인출된다면, 외주면 상에는 불완전성이 불가피하게 나타나고, 그 위에 고전압 권선이 외측에 감겨있는 경우에는 원형 형상으로부터 예를 들어 달걀(egg) 형상의 권선 단면으로의 국부적인 편차를 불가피하게 초래한다.

이 경우에, 저전압 권선의 아웃고잉 라인은 외주면에서 서로 120°만큼 오프셋되어 코어 림에 평행하게 인출되는 것이 유리한 것으로 이미 입증되었다. 이것은 적어도 대략 권선 외주면을 균질화한다. 이와 동시에, 가능한 상호 전기적 영향의 위험이 외주면에서 서로 다른 저전압 권선들의 아웃고잉 라인들의 공간 분포에 의해 결정적으로 감소될 수 있다.

원형 형상 대신에, 직사각형 형상이나 타원(oval) 형상이 또한 본 발명에 따른 코일 단면의 디자인에 사용될 수도 있다는 것은 두말할 필요도 없다. 그러나, 가능한 한 균일한 권선 형상이 이 경우에 항상 유리한 것으로 추구된다.

모든 완전한 권선, 즉 저전압 권선과 고전압 권선으로 구성된 권선의 가장 균일한 형상을 가능한 얻기 위하여, 본 발명에 따른 개선의 하나의 유리한 개선예는 부분 권선들 사이의 영역에서 즉 저전압 권선과 고전압 권선 사이의 영역에서 외주면 위에 균일하게 분포되게 배열되게 절연 물질로 만들어진 쉘(shell) 형상의 스페이서(spacer)를 제공한다.

이들 스페이서는 권선 아웃고잉 라인에 의해 점유되지 않은 스페이스를 채워서 추구되는 균일한 형상에서 벗어난 권선의 임의의 편차를 보상하여 처음부터 원치않는 편차가 생성되는 것을 피하게 하는데 사용된다. 이들 절연 쉘의 두께는 따라서 아웃고잉 라인의 두께에 대략 대응하게 구성된다.

권선들 사이에 배열된 쉘 형상의 스페이서 각각은 바람직하게는 외주면을 따라 인접한 이격 쉘들 사이에 일정 갭이 각각 유지되어 이 갭 안에 관련 아웃고잉 라인이 삽입될 수 있도록 외주 방향으로 일정 폭을 가진다. 이 경우에, 이격 쉘은 예를 들어 3개의 이격 쉘이 있는 경우에는 최대 3개의 아웃고잉 라인의 폭에 대응하는 폭을 가지는 커버되지 않은 나머지 영역이 생성되도록 외주면에 걸쳐 연장한다.

적절하다면, 이들 절연 쉘은 모듈식으로 또는 빌딩 블록을 사용하여 디자인될 수 있으며, 그 결과 관련 아웃고잉 라인의 각 위치는 이미 권선을 생성할 때 미리 한정된다. 예를 들어, 일측에서 각 아웃고잉 라인을 인출하기 위하여, 권선 외주면에는 자기 자신의 아웃고잉 라인을 제외하면 연결 측에서 가장 먼 제 1 권선에 대해서는 중간 공간이 제공되지 않고, 그 다음 권선과 중앙 권선에 제공될 제 1 아웃고잉 라인과 중앙 아웃고잉 라인에 대해서는 각각 하나의 중간 공간이 제공되고, 연결 측에 가장 가까운 제 3 권선에 대해서는 중간 공간이 제공되어, 총 3개의 중간 공간이 제공된다. 이 경우에, 각 제공되는 중간 공간은 인접한 권선들 사이에 연관된 중간 공간과 정렬된다.

본 발명의 다른 유리한 개선에 따라, 냉각 채널을 위한 갭이 또한 저전압 권선의 각 아웃고잉 라인을 위한 중간 공간에 평행하게 쉘 형상의 스페이서에 제공될 수 있으며, 이 냉각 채널을 통해 가스, 예를 들어, 공기 또는 다른 유체가 냉각제로 흐르거나 순환한다.

다른 유리한 변형 실시예에 따르면, 이것은 전체 권선을 매립하는 것이 편리한 것으로 입증되었으며 다시 말해 저전압 권선과 고전압 권선으로 형성된 권선을 아웃고잉 라인의 절연물과 함께 합성 수지로 매립하는 것이 편리하며, 그 결과 전체 권선이 완성된 후에 개별 권선의 임의의 손상이나 피해를 처리할 필요가 없다.

원칙적으로, 본 발명에 따른 변압기는 서로 나란히 배열된 3개 이상, 예를 들어 4개의 저전압 권선과 이 저전압 권선 위에 감기는 고전압 권선을 각각 구비하는 3개 이상의 코어 림을 구비할 수 있으며 이 코어 림의 단부들은 요크에 의해 각각 연결될 수 있다. 이 경우에 공통면에 서로 나란히 개별 코어 림을 배열하는 것이 유리한 것으로 입증되었다.

각 코어 림에 대해 4개 이상의 권선이 있는 경우, 아웃고잉 라인은 이미 전술된 바와 같이 각 저전압 권선의 외주면의 일측에서 또한 인출되는데, 정확히 말하면 예를 들어 일측에서만 인출되거나 양측에서 대칭적으로 인출되는 것이다.

특허청구범위의 종속 청구항은 본 발명의 이들 및 다른 유리한 개선예와 변형예에 관한 것이다.

본 발명은 공간 사용이 더 우수하여 가능한 가장 많은 수의 권선이 가능한 가장 적은 물리적 부피를 가지고 배열될 수 있게 하는 변압기를 제공하는 등의 효과가 있다.

본 발명, 본 발명의 유리한 개선예와 변형예 및 본 발명의 특정 잇점은 첨부 도면에 도시된 본 발명의 예시적인 실시예를 사용하여 보다 상세히 설명되고 기술될 것이다.

도 1은 종래 기술에 따른 종래 권선 배열을 가지는 변압기의 측면도.
도 2는 코어 림에 서로 나란히 배열되어 있는 3개의 권선을 가진 본 발명에 따른 변압기를 도시하는 도면.
도 3은 저전압 권선의 아웃고잉 라인이 인출되는 도 2의 절단 라인 A-A를 따라 권선을 절단한 절단도.

도 1은 3개의 권선(winding)(12)이 공통 코어 림(core limb)(22)에 서로의 옆에서 각각 배열되어 있고 종래 기술에 따른 권선(1 내지 9)의 종래 배열을 가지게 형성된 예를 들어 정류기 또는 인버터에 사용하는 변압기(10)를 측면에서 본 개략도를 도시한다. 총 3개의 코어 림(22)이 제공되고 각 코어 림은 이 코어 림 주위에 감겨있는 권선(12)을 가지고 있고 이들 권선(12)은 참조 번호 1 내지 9로 지시되어 있다. 이들 권선(12) 각각은 저전압 권선(14)과 이와 방사방향으로 인접한 고전압 권선(16)으로 구성된다.

도 1에 도시된 종래 기술에 있는 예에서, 변압기의 코어 구조는 서로 평행하게 배열된 3개의 코어 림(22)으로 구성되고 코어 림(22)의 단부에서 연속적인 요크(yoke)(24)가 각 자기 회로(magnetic circuit)를 폐쇄(closes)시킨다.

이 경우에, 하나의 코어 림(22)에 각각 배열된 권선(12)들은 저전압 권선(14)들의 아웃고잉 라인(20)이 이들 권선(12)들 사이에서 방사방향으로 인출되고 저전압 권선(14)들의 아웃고잉 라인(20)이 충분히 절연되도록 서로 충분히 이격된 거리에 있다. 고전압 권선(16)의 아웃고잉 라인(18)도 마찬가지로 각 권선(12)의 외부 외주면에서 방사방향으로 인출된다.

그러나, 이러한 디자인은 공간을 매우 절감하는 방식이 아니며 상당한 양의 공간이 이러한 변압기에 필요하다. 일반적으로 공간은 부족하고 종종 잘 사용되어야 하므로, 이러한 변압기를 더 작은 크기로 하는 것이 절실히 요구된다.

이것이 도 2에서 또한 측면도로 도시된 변압기(11)에 대한 본 발명의 시작점이다.

도 2에 도시된 변압기(11)도 또한 정류기 및/또는 인버터에 사용되기 위한 것이고 따라서 또한 총 9개의 권선(32)을 가지는데, 이들 9개의 권선(32)은 또한 도 1에서 참조 번호 1 내지 9로 도시된 변압기(10)와 동일한 방식으로 배열되어 있다.

서로의 옆에서 각각 배열된 3개의 권선(32) 각각은 저전압 권선(34)과 고전압 권선(36)으로 구성되며, 고전압 권선(36)은 저전압 권선(34)의 외측에 방사방향으로 감겨있고 그 그 중심에는 코어 림(22)이 지나가며, 이 코어 림은 2개의 단부들 각각에서 요크(24)에 기계적으로 연결되어 자기 회로를 폐쇄시킨다.

이 경우에도 또한, 고전압 권선(36)의 아웃고잉 라인(28)들은 각각 방사방향 외측으로 인출되며, 저전압 권선(34)의 아웃고잉 라인(30)들은 각각 그 외주면의 일측에서 축방향으로 인출되는데, 다시 말해, 저전압 권선(34)과 고전압 권선(36) 사이의 영역에서, 변압기(11)의 코어 림(22)의 길이 방향에 평행하게 또는 권선 축에 평행하게 인출된다.

도 3은 도 2에 있는 절단 라인 A-A를 따른 권선(32)의 단면도를 도시하며, 여기서 저전압 권선(34)과 고전압 권선(36) 사이의 전술된 영역을 환형 갭(35) 형태로 볼 수 있다.

아웃고잉 라인(30)이 인출되는 환형 갭(35)이라고 언급하는 이 영역은 서로 다른 전압 레벨에 있는 2개의 부분 권선, 즉 저전압 권선(34)과 고전압 권선(36) 사이를 전기적으로 절연하기 위하여 필요한 것이다. 나아가, 아웃고잉 라인(30)은 또한 다른 권선(32)들과도 절연되어야 한다. 이것은 적어도 20mm의 환형 갭(35)의 높이를 초래하며, 이 갭 내에서 아웃고잉 라인(30)이 이어지며 나머지 공간에는 스페이서(38)의 형태인 절연 물질이 채워진다.

본 발명에 따르면, 공통 코어 림(22)에 서로의 옆에서 배열된 권선(32)들 중 저전압 권선(34)의 각 아웃고잉 라인(30)은 도 3에 보다 상세히 도시된 이 환형 갭(35) 내에서 축방향으로 인출된다.

도 2에서 명확히 볼 수 있는 바와 같이, 코어 림(22)의 길이방향 축에 또는 권선 축에 대해 축방향으로 평행하게 아웃고잉 라인(30)을 본 발명에 따라 배열한 것으로 인해 권선(32)들 사이에 측방향 거리를 상당히 감소시키는 것이 가능하며, 이로 동일한 성능 데이터에 있어 종래 기술에 따른 종래 변압기(10)에 비해 본 발명에 따른 변압기(11)의 폭을 상당히 더 작게 할 수 있다.

이미 언급한 바와 같이, 도 3은 도 2에 도시된 절단 라인 A-A을 따라 권선(32)을 절단한 단면을 도시한다. 이것은 먼저 중앙 코어(22) 주위에 저전압 권선(34)을 도시한다. 이어서 또한 이미 언급한 환형 갭(35)이라고 하는 영역이 상기 권선에 인접하고, 저전압 권선(34)의 축방향으로 이어지는 아웃고잉 라인(30)은 이 디자인에서 외주면을 따라 약 120°의 각도 오프셋을 가지게 배열된다.

나아가, 저전압 권선(34)과 고전압 권선(35)을 서로 전기적으로 분리시키고 권선(32)을 원형 형상으로 얻기 위해 사용되는 스페이서(38)가 환형 갭(35)에 제공된다. 이와 동시에, 냉각 유체를 위해 축방향으로 이어지는 채널(40)이 또한 환형 갭(35) 내에 배열되며, 이 냉각 유체는 흐르면서 동작 동안 권선(32)에 흐르는 전류 부하로부터 발생하는 열을 흡수한다.

10 : 변압기
11 : 변압기
12 : 권선
14 : 저전압 권선
16 : 고전압 권선
18 : 고전압 아웃고잉 라인
20 : 저전압 아웃고잉 라인
22 : 코어 림
24 : 요크
28 : 고전압 아웃고잉 라인
30 : 저전압 아웃고잉 라인
32 : 권선
34 : 저전압 권선
35 : 환형 갭
36 : 고전압 권선
38 : 스페이서
40 : 냉각 채널

Claims

적어도 하나의 코어 림(22)을 구비하고 이 코어 림(22) 상에는 3개의 권선(32)들이 서로의 옆에 배열되어 있고 이 권선(32)들의 아웃고잉 라인(28, 30)들은 각각 서로 절연되게 인출되는 변압기(11)에 있어서,
각 권선(32)은 코어에 가까이 있는 저전압 권선(34)에 의해 형성되고 이 저전압 권선(34) 둘레에 감겨있는 연관된 고전압 권선(36)을 각각 구비하며, 저전압 권선(34)의 아웃고잉 라인(30)은 축방향으로 인출되어 권선(32)들 사이의 측방향 거리가 최소화되는 것을 특징으로 하는 변압기.
제 1 항에 있어서, 저전압 권선(34)의 아웃고잉 라인(30)들은 각각 저전압 권선(34)과 고전압 권선(36) 사이의 영역(35)에서 코어 림(22)에 평행하게 인출되는 것을 특징으로 하는 변압기.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 저전압 권선(34)의 아웃고잉 라인(30)들은 외주면을 따라 서로 120°만큼 이격되게 코어 림(22)에 평행하게 인출되는 것을 특징으로 하는 변압기.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 저전압 권선(34)의 아웃고잉 라인(30)들은 일측에서 코어 림(22)에 평행하게 인출되는 것을 특징으로 하는 변압기.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 요크에 가까이 배열된 하나의 저전압 권선(34)의 아웃고잉 라인(30)은 일측에서 인출되고, 2개의 다른 저전압 권선(34)의 아웃고잉 라인(30)들은 코어 림(22)에 대해 축방향으로 평행하게 반대측에서 인출되는 것을 특징으로 하는 변압기.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 코어 림(22)에 대해 축방향으로 평행하게 인출되는 아웃고잉 라인(30)들은 각각 수축 튜브를 구비하는 것을 특징으로 하는 변압기.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 저전압 권선(34)과 이 저전압 권선(34)을 둘러싸는 고전압 권선(36) 사이에는 쉘 형상의 스페이서(38)들이 배치되고, 상기 스페이서의 방사방향 크기는 아웃고잉 라인(30)의 두께에 대응하며, 이에 따라 상기 스페이서는 저전압 권선(34)과 고전압 권선(36) 사이의 환형 갭(35)을 생성하는 것을 특징으로 하는 변압기.
제 7 항에 있어서, 저전압 권선과 고전압 권선(34, 36) 사이에 배치된 쉘 형상의 스페이서(38)들 각각 사이에는 아웃고잉 라인(30)을 위해 축방향으로 평행한 자유 갭이 유지되는 것을 특징으로 하는 변압기.
제 7 항에 있어서, 저전압 권선과 고전압 권선(34, 36) 사이에 배치된 쉘 형상의 스페이서(38)들 각각은 120°미만의 각도 범위에 걸쳐 연장하는 폭을 구비하는 것을 특징으로 하는 변압기.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 냉각 유체가 흐르는 적어도 하나의 채널(40)이 환형 갭(35)에 제공되는 것을 특징으로 하는 변압기.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 서로의 옆에 배열되고 저전압 권선(34)과 고전압 권선(36)으로 형성된 3개의 권선(32)을 각각 구비하는 3개의 코어 림(22)이 제공되며, 상기 코어 림의 단부들 각각은 요크(24)에 의하여 양 측면에서 연결되는 것을 특징으로 하는 변압기.