KR102075417B1 - 전기 견인 열차용 주변압기 - Google Patents

Abstract

각 권선 간의 간섭을 최소화 하고 다수의 전압을 공급할 수 있도록 하나의 철심코어에 다양한 권수의 권선을 적층하고, 상호간 간섭과 간섭을 최소화 하기 위한 자계간섭 저감용 철심을 구비하고, 아울러 자계 간섭 저감용 철심에서의 발열을 원활하게 냉각시킬 수 있는 구조를 구비하는, 전기 견인 열차용 주변압기에 관한 것으로서, 철심이 관통되도록 결합되는 자계간섭 저감용 철심에서 하부레그 방향으로 2차권선1, 1차권선1, 2차권선3, 제어용보조권선1이 순차적으로 적층권선 되고, 상부레그 방향으로 2차권선2, 1차권선2, 2차권선4, 제어용보조권선2가 순차적으로 적층권선되는 구성을 마련한다.
상기와 같은 전기 견인 열차용 주변압기에 의하여, 다수의 2차 권선, 및 보조전원 권선 등 3가지 권선을 하나의 변압기 철심에 구비함으로써 설치 구조를 단순화 할 수 있고 설치 공간의 활용성을 증대시킬 수 있고, 권선들을 자계간섭 저감용 철심을 중심으로 상하 대칭 분리함으로써 적층 배치에 의한 권선 간의 자계간섭으로 발생되는 제어용 보조전원의 파형 왜곡을 최소화 할 수 있다.

Description

전기 견인 열차용 주변압기 { A main transformer for electric traction vehicle }

본 발명은 전기 추진 열차에 탑재되고, 특히, 동력차에 추진 시스템에 설치되어, 견인 전동기 및 각종 보조기기에 전원을 공급하는 주변압기로서, 권선의 적층 구조 등 권선의 배치 구조와 결선에 특징을 가지는, 전기 견인 열차용 주변압기에 관한 것이다.

특히, 본 발명은 각 권선 간의 간섭을 최소화 하고 다수의 전압을 공급할 수 있도록 하나의 철심코어에 다양한 권수의 권선을 적층하고, 상호간 간섭과 간섭을 최소화 하기 위한 자계간섭 저감용 철심을 구비하고, 아울러 자계 간섭 저감용 철심에서의 발열을 원활하게 냉각시킬 수 있는 구조를 구비하는, 전기 견인 열차용 주변압기에 관한 것이다.

즉, 본 발명은 1차 권선, 다수의 2차 권선, 및 열차의 제어에 필요한 전원을 공급하는 제어용 보조전원 권선을 하나의 철심에 적층 배치하되, 권선 간의 자계 간섭을 경감시키는 자계간섭 저감용 철심을 중심으로 상하 대칭 분리시키는, 전기 견인 열차용 주변압기에 관한 것이다.

일반적으로, 전기 견인 열차의 주 변압기는 추진 시스템의 핵심 장치로서 판토그라프를 통하여 고압 권선에 외부 전원을 공급받아서 견인 전동기 및 히터, 에어컨, 전등 부하의 보조전원에 전력을 공급하는 장치이다.

변압기의 부하 측은 다수의 전력 변환 장치의 병렬 운전을 통해 견인 전동기의 속도를 제어하는 방식으로 전원이 공급되어야 하므로 다수의 권선으로 구성된다. 그런데, 전력 변환 장치의 병렬 운전시 권선 간의 전기적인 간섭을 최소화하기 위해 권선 간의 임피던스가 크고 일정해야 하며, 자기결합이 최소화 되도록 제작되어야 한다.

이를 위하여 전기 견인 열차용 주 변압기 권선 배열에 관한 기술이 제시되고 있다[특허문헌 1]. 상기 선행기술은 전기 추진 열차에 탑재되어 견인 전동기 및 각종 보조 기기에 전원을 공급하는 주변압기에 관한 것으로서, 저압 권선의 높이를 줄이고 내부 누설 임피던스를 최대로 이용하기 위하여, 권선을 2층(Double Tier)으로 구성하며, 병렬 연결되는 복수의 고압 권선과, 고압 권선에 각각 배열되는 저압권선을 하나의 쌍으로 배열한다.

도 1에서 나타낸 바와 같이, 상기 선행기술의 전기견인 열차용 주 변압기의 권선배열은 적어도 하나 이상의 복수로 병렬 연결되는 고압권선(10)과, 상기 고압권선(10)에 각각 배열되는 저압권선(20)으로 구성된다.

이때 고압권선(10)은 저압권선(20)과 쌍을 이룰 수 있도록 분리하며 병렬연결 되며, 각각의 고압권선(10)은 병렬 연결하되 도시한 바와 같이 각각의 고압권선에 각각의 저압권선(20)이 설치된다.

즉, 제1고압권선(11)에는 제1저압권선(21)이 배열되고, 제2고압권선(12)에는 제2저압권선(22)이 배열된다. 제3고압권선(13)에는 제3저압권선(23)이 배열되며, 제4고압권선(14)에는 제4저압권선(24)이 배열된다. 그리고 저압권선(20)을 2층(Double Tier)으로 구성하여 권선의 높이를 줄이는 방식으로 고압권선(10)과 임피던스를 증가시킨다. 따라서 제한된 공간 내에서 높은 임피던스를 얻을 수 있고, 자기결합을 최소화 시킬 수있다.

이때 고압권선(10)은 저압권선(20)과 쌍을 이룰 수 있도록 분리하며 병렬연결 되어야한다. 이렇게 고압권선(10)은 저압권선(20)과 각각 쌍으로 분리하여 병렬연결 구성하므로 저압권선(20)과 고압권선간(10)의 물리적인 거리가 일정하므로 임피던스도 일정하다.

또한, 상기와 같이 구성할 경우 저압권선(20)간의 임피던스는 고압권선(10) 및 저압권선(20) 임피던스의 1.5 배정도로 증가하므로 권선간의 간섭도 줄일 수 있다.

종래 기술에 나타난 바와 같은 전기견인 열차용 주 변압기 권선배열로 인하여 권선간의 간섭을 최소화 하여 별도의 리액터를 사용하지 않고도 임피던스를 증가시킬 수 있는 효과가 있다.

그러나 종래 기술에 따른 전기견인 열차용 주 변압기 권선배열로 된 전기견인 열차용 주변압기는 열차를 견인하는 구동용 전동기에 전력을 원활히 공급하는 것에는 문제가 없으나, 구동용 전동기을 전력용 반도체 회로를 이용하여 스위칭 제어에 의하여 구동용 전동기의 속도를 제어하는 경우에는 반도제 전력소자에 의한 대전력 전동기 제어의 특성상 전력계통의 고조파 함유율을 높이게 되어 전원에 전압 및 주변 전력 공급 장치 및 수요 장치에 악영향을 주는 전력품질을 저하시키는 불요불급한 전력 왜곡을 야기시킨다. 뿐만 아니라, 스위칭 제어를 위한 제어뿐만 아니라, 전동 열차의 공조라든지 통신 등 다양한 제어에 필요한 별도의 보조전원이 필요하고 이 별도의 보조 전원은 가능한한 정현파에 가까운 전력이 공급된 것이 바름직함으로 별도의 변압기를 통한 제어 전원을 분리 공급하여야 하는 단점을 여전히 내포하고 있다. 또한 전기견인 열차용의 특성상 길이보다는 높이의 제약이 큰 구조적 특징이 있음으로, 가능한 한 전기견인 열차용 변압기는 높이를 낮추되 길이의 제약을 적게 받는 구조적 특징이 전기견인 열차용 변압기에 적용되어지고, 가능 한한 하나의 변압기 내에 견인 전동기 공급 전원 뿐만 제어용 보조전원도 포함되는 변압기가 요구되고 있다.

한국등록실용신안 제20-0453828호(2011.05.27.공고)

본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 주 변압기 권선 배열에 대하여, 1차 권선, 다수의 2차 권선, 및 열차의 제어에 필요한 전원을 공급하는 제어용 보조전원 권선을 하나의 철심에 적층 배치하되, 권선 간의 자계 간섭을 경감시키는 자계간섭 저감용 철심을 중심으로 상하 대칭 분리시키는, 전기 견인 열차용 주변압기를 제공하는 것이다.

즉, 본 발명의 목적은 각 권선간의 간섭을 최소화 하여 별도의 리액터를 사용하지 않고도 전기견인 전동차가 요구하는 임피던스값을 충족기키면서 하나의 철심에 1차권선, 다수의 2차권선 및 열차의 제어에 필요한 전원을 공급하는 제어용 보조전원 권선을 하나의 철심에 적층 배치하고, 하나의 철심에 1차권선, 다수의 2차권선 및 제어용 보조전원권선을 적층 배치시 야기될 수 있는 권선간 자계 상호 간섭을 최대한 억제하는 발열을 최소화 시킨 자계간섭 저감용 철심을 구비하고, 제어용 보조전원이 가능한 한 정형파에 가까운 전압파형이 되도록 제어용 보조전원 권선을 직렬로 결선되는, 전기 견인 열차용 주변압기를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 목적은 자계간섭 저감용 철심에 냉각을 위한 별도의 유로를 형성하는, 전기 견인 열차용 주변압기를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 전기추진 열차에 탑재되어 견인전동기 및 각종 보조기기에 전원을 공급하는 주변압기에 관한 것으로서, 철심이 관통되도록 결합되는 자계간섭 저감용 철심에서 하부레그 방향으로 2차권선1, 1차권선1, 2차권선3, 제어용보조권선1이 순차적으로 적층권선 되고, 상부레그 방향으로 2차권선2, 1차권선2, 2차권선4, 제어용보조권선2가 순차적으로 적층권선되는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명은 전기 견인 열차용 주변압기에 있어서, 상기 제어용보조권선1과 상기 제어용보조권선2는 직렬 결선되어 제어부에 전력을 공급하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명은 전기 견인 열차용 주변압기에 있어서, 상기 자계간섭 저감용 철심은 냉각용 절연유가 유통될 수 있는 냉각용 절연유의 유로가 형성된 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명은 전기 견인 열차용 주변압기에 있어서, 2차권선1, 1차권선1, 2차권선3, 제어용보조권선1, 2차권선2, 1차권선2, 2차권선4 및 제어용보조권선2은 절연된 도체를 권선한 판상형 권선이고, 판상형 권선에서 하부레그에서 상부레그 방향인 판형상 권취 권선의 높이(H) 보다 좌레그에서 우레그 방향인 판형상 권취 권선의 폭(W)이 1배 이상이고, 판형상 권취 권선의 폭(W)은 중앙레그와 죄우레그 사이의 공간폭 보다는 작은 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명은 전기 견인 열차용 주변압기에 있어서, 상기 자계간섭 저감용 철심은 상부 절연판과 하부 절연판 사이에 규소강판과 유로가 형성된 절연판이 결합된 규소 강판 결합층인 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 전기 견인 열차용 주변압기에 의하면, 1차 권선, 다수의 2차 권선, 및 보조전원 권선 등 3가지 권선을 하나의 변압기 철심에 구비함으로써, 설치 구조를 단순화 할 수 있고 설치 공간의 활용성을 증대시킬 수 있는 효과가 얻어진다.

또한, 본 발명에 따른 전기 견인 열차용 주변압기에 의하면, 1차 권선, 다수의 2차 권선, 및 보조전원 권선을 자계간섭 저감용 철심을 중심으로 상하 대칭 분리함으로써, 적층 배치에 의한 권선 간의 자계간섭으로 발생되는 제어용 보조전원의 파형 왜곡을 최소화 할 수 있고, 이로 인해, 제어 계통 교란의 가능성을 감소시키는 효과가 얻어진다.

또한, 본 발명에 따른 전기 견인 열차용 주변압기에 의하면, 자계간섭 저감용 철심에 유로를 형성함으로써, 발열에 의한 변압기 소손, 및, 고장을 최소화 할 수 있는 효과가 얻어진다.

즉, 본 발명은 권선 간의 자계간섭으로 발생되는 제어용 보조전원의 왜곡을 최소화하기 위하여 1차권선, 다수의 2차권선, 제어용 보조전원 권선을 권선 간의 자계간섭을 경감시키는 자계간섭 저감용 철심을 중심으로 상하 대칭 분리시키고 자계간섭 저감용 철심에 냉각을 위한 별도의 유로를 형성한 구조적 특징과 상하 대칭 배치된 제어용 보조전원 권선을 직렬 권선하는 권선 결선전적 특징에 의하여, 발열에 의한 변압기 소손, 고장의 최소화와 제어용 보조전원의 파형 왜곡에 의한 제어계통 교란의 가능성을 감소시키고, 하나의 변압기 철심에 3가지 권선을 구비시킴으로서 설치구조의 단순화 및 설치 공간 활용성 증대시킬 수 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 전기견인 열차용 주 변압기 권선배열을 보인 구성도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 철심에 적층되는 권선 적층 구조도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 자계 간섭 저감용 철심의 구조도.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 판 형상 권취 권선들의 높이 및 폭 표시 도면.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 전기견인 열차용 주 변압기와 이에 연결되는 부하들과의 연결 예시도.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 견인 전동기 작동시 오실로스코프 상의 전압 파형 비교를 나타낸 그래프로써, (a) 자계간섭 저감용 철심이 있으면서 제어용 보조권선이 병렬인 경우, 및, (b) 자계간섭 저감용 철심이 있으면서 제어용 보조권선이 직렬인 경우의 그래프.

이하, 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 도면에 따라서 설명한다.

또한, 본 발명을 설명하는데 있어서 동일 부분은 동일 부호를 붙이고, 그 반복 설명은 생략한다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 전기견인 열차용 주 변압기의 철심에 적층되는 권선 적층 구조도이다.

도 2에서 보는 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 전기견인 열차용 주 변압기는 고압선로에 전기적으로 연결되는 1차권선1(210)과 1차권선2(220), 1차권선들과 자기 결합하여 부하에 전기적으로 연결되는 2차권선1,(310), 2차권선2(320), 2차권선3(330) 및 2차권선4(340), 1차권선들과 자기 결합하여 제어부에 전력을 공급하는 제어용 보조권선1(510) 및 제어용 보조권선2(520), 상기한 권선들 간의 자계간섭을 경감시키는 자계간섭 저감용 철심(600), 상기한 각 권선들 간의 자기결합시 자계회로를 구성하는 철심(100)과 변압기에서에 필연적으로 구비되어야 하는 공지된 구성인 절연유, 부싱 단자 및 외함등 (도시하지 아니함)등으로 구성된다.

이하에서 1차권선1(210), 1차권선2(220), 2차권선1(310), 2차권선2(320), 2차권선3(330), 2차권선4(340), 제어용보조권선1(510), 제어용보조권선2(520) 등을 통칭하여 "권선들"이라 부르기로 한다.

상기 권선들은 절연된 동 또는 알루미늄 등과 같은 절연된 도체를 절연체로 이루어진 중공 보빈 등에 권취하여 형성된다. 특히, 그 형상은 도 4에 나타난 바와 같이 판형형 권선으로써, 철심(100)의 중앙 레그(150)에 삽입 적층될 수 있도록, 중공부가 형성된 판상형의 권선들이다.

또한, 도 3a에서 보는 바와 같이, 자계간섭 저감용 철심(600)은 상부 절연판(660), 규소강판 결합층(670), 및, 하부 절연판(660)이 적층되는 구조로 구성된다.

상부 절연판(650)은 철심(100)의 중앙 레그(150)가 관통할 수 있는 중앙 관통공(610)이 구비된 절연재질로 구성된다. 또한, 하부 절연판(660)도 중앙 관통공(610)이 구비된 절연재질로 구성된다.

또한, 도 3b에서 보는 바와 같이, 규소강판 결합층(670)은 철심(100)의 중앙 레그(150)가 관통할 수 있는 중앙 관통공(610)의 측변에 배치되어 구비된 규소강판(680)을 지지하고, 절연유가 유통되는 유로(620)가 형성되며, 절연재질로 이루어진다.

유로(620)는 적층된 규소 강판(680) 내부를 관통하는 유로이다. 유로(620)에는 냉각용 절연유가 유통될 수 있는 유통로이다.

자계간섭 저감용 철심(600)에 유로(620)을 형성함으로써, 권선간 간섭을 억제할 뿐만아니라 자계에 의하여 발생하는 발열을 효과적으로 방열하게 된다.

또한, 도 2 및 도 4에서 보는 바와 같이, 이들 권선들과 철심(100) 및 자계간섭 저감용 철심(600) 등이 결합되는 구조는 다음과 같다.

즉, 철심(100)의 중앙 레그(150)가 관통되도록 결합되는 자계간섭 저감용 철심(600)에서 하부 레그(120) 방향으로 2차권선1(310), 1차권선1(210), 2차권선3(330), 제어용보조권선1(510)이 순차적으로 적층 권선된다.

또한, 철심(100)의 중앙 레그(150)가 관통되도록 결합되는 자계간섭 저감용 철심(600)에서 상부 레그(110) 방향으로 2차권선2(320), 1차권선2(220), 2차권선4(340), 제어용보조권선2(520)가 순차적으로 적층 권선된다.

또한, 2차권선1(310), 1차권선1(210), 2차권선3(330), 제어용보조권선1(510), 2차권선2(320), 1차권선2(220), 2차권선4(340) 및 제어용보조권선2(520)은 절연된 도체를 권선한 판상형 권선이다. 또한, 판상형 권선에서 하부레그(120)에서 상부레그(110) 방향인 판상형 권취 권선의 높이(H) 보다 좌레그(130)에서 우레그(140) 방향인 판상형 권취 권선의 폭(W)이 1배 이상이고, 판상형 권취 권선의 폭(W)은 중앙레그(150)와 죄우레그(130,140) 사이의 공간폭 보다는 작도록 구성된다.

또한, 상기한 철심들의 전기적 연결이 도 5에 도시되고 있다. 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 전기견인 열차용 주 변압기와 이에 연결되는 부하들과의 연결 예시도이다.

도 5와 같이, 1차권선1(210), 1차권선2(220)은 통상적으로 판토그라프를 통하여 고압선로에 전기적으로 연결되고, 1차권선1(210), 1차권선2(220)이 병렬로 고압선로에 연결된다.

1차권선1(210), 1차권선2(220)과 각각 자계적으로 결합하는 2차권선 1,(310), 2차권선2(320), 2차권선3(330), 2차권선4(340) 각각은, 반도체 소자로 이루어진 스위칭 회로로 구성되는 주 변환장치를 통하여 견인 전동기에 전력을 공급하게 된다.

또한, 1차권선1(210), 1차권선2(220)과 각각 자계적으로 결합하는 제어용보조권선1(510)과 제어용보조권선2(520)를 직렬로 연결하여 스위칭제어를 위한 제어 뿐만 아니라, 전동 열차의 공조, 통신 등 다양한 제어에 필요한 전력을 공급한다.

상기와 같이 구성되고 결선된 전기견인 열차용 주변압기기는 자계간섭 저감용 철심(600)에 유로(620)을 형성함으로써, 권선간 간섭을 억제할 뿐만아니라 자계에 의하여 발생하는 발열을 효과적의 방열하게 된다.

또한, 도 6은 견인 주변압기의 견인전동기 작동 시 오실로스코프 상의 전압파형 비교를 나타내고 있다. 도 6(a)는, 자계간섭 저감용 철심이 있으면서 제어용보조권선이 병렬인 경우 전기견인차용 변압기를, 도 6(b)는, 자계간섭 저감용 철심이 있으면서 제어용보조권선이 직렬인 경우의 전기견인차용 변압기기를 각각 견인전동기에 전력을 공급하면서 제어용보조권선의 출력단의 전압파형을 실측한 것이다.

그 결과, 도 6(a)에 도시된 바와 같이, 자계간 저감용 철심이 있으면서 제어용보조권선이 병렬인 경우의 전기견인차용 변압기에서 출력되는 제어용보조권선의 출력단 전압파형은 구형파이나, 도 6(b)에 도시된 바와 같이, 자계간 저감용 철심이 있으면서 제어용보조권선이 직렬인 전기견인차용 변압기에서 출력되는 제어용보조권선 출력단의 전압파형은 정형파인 사인파에 근접한 것을 알 수 있다.

이상, 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.

100 : 철심 110 : 상부레그
120 : 하부레그 130 : 좌레그
140 : 우레그 150 : 중앙레그
210 : 1차 권선1 220 : 1차 권선2
310 : 2차 권선1 320 : 2차 권선2
330 : 2차 권선3 340 : 2차 권선4
510 : 제어용 보조 권선1 520 : 제어용 보조 권선2
600 : 자계 간섭 저감용 철심 610 : 중앙 관통공
620 : 유로 630 : 절연판
650 : 상부 절연판 660 : 하부 절연판
670 : 규소강판 결합층 680 : 규소강판

Claims (5)

1. 전기추진 열차에 탑재되어 견인전동기 및 각종 보조기기에 전원을 공급하는 주변압기에 있어서,
   철심이 관통되도록 결합되는 자계간섭 저감용 철심에서 하부레그 방향으로 2차권선1, 1차권선1, 2차권선3, 제어용보조권선1이 순차적으로 적층권선 되고, 상부레그 방향으로 2차권선2, 1차권선2, 2차권선4, 제어용보조권선2가 순차적으로 적층권선되는 것을 특징으로 하는 전기 견인 열차용 주변압기.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 제어용보조권선1과 상기 제어용보조권선2는 직렬 결선되어 제어부에 전력을 공급하는 것을 특징으로 하는 전기 견인 열차용 주변압기.
   
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 자계간섭 저감용 철심은 냉각용 절연유가 유통될 수 있는 냉각용 절연유의 유로가 형성된 것을 특징으로 하는 전기 견인 열차용 주변압기.
   
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   2차권선1, 1차권선1, 2차권선3, 제어용보조권선1, 2차권선2, 1차권선2, 2차권선4 및 제어용보조권선2은 절연된 도체를 권선한 판상형 권선이고, 판상형 권선에서 하부레그에서 상부레그 방향인 판형상 권취 권선의 높이(H) 보다 좌레그에서 우레그 방향인 판형상 권취 권선의 폭(W)이 1배 이상이고, 판형상 권취 권선의 폭(W)은 중앙레그와 죄우레그 사이의 공간폭 보다는 작은 것을 특징으로 하는 전기 견인 열차용 주변압기.
   
5. 제3항에 있어서,
   상기 자계간섭 저감용 철심은 상부 절연판과 하부 절연판 사이에 유로가 형성된 규소강판과 절연판이 결합된 규소 강판 결합층인 것을 특징으로 하는 전기 견인 열차용 주변압기.
   

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