KR102195785B1 - 전원 회로, 스콧 결선 변압기용 철심, 스콧 결선 변압기 및 과열 수증기 생성 장치 - Google Patents

전원 회로, 스콧 결선 변압기용 철심, 스콧 결선 변압기 및 과열 수증기 생성 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 스콧 결선 변압기의 입력측에 제어 기기를 마련한 경우의 각 변압기의 출력 특성을 살리면서, 주좌 변압기의 출력 전압과 T좌 변압기의 출력 전압을 개별로 제어하는 것으로, 주좌 변압기(2M)의 입력측의 2상 중 한쪽에 마련되어, 전압 또는 전류를 제어하는 제1 제어 기기(5)와, T좌 변압기(2T)의 입력측인 1차 코일(2c)의 일단측에 마련되어, 전압 또는 전류를 제어하는 제2 제어 기기(6)를 구비하고, 각 제어 기기(5, 6)가 주좌 변압기(2M)의 출력 전압과 T좌 변압기(2T)의 출력 전압을 개별로 제어한다.

Description

전원 회로, 스콧 결선 변압기용 철심, 스콧 결선 변압기 및 과열 수증기 생성 장치{POWER CIRCUIT, IRON CORE FOR SCOTT CONNECTED TRANSFORMER, SCOTT CONNECTED TRANSFORMER AND SUPERHEATED STEAM GENERATOR}
본 발명은 스콧 결선(Scott connection) 변압기를 이용한 전원 회로, 주좌(主座) 변압기 및 T좌 변압기로 이루어진 스콧 결선 변압기 및 당해 스콧 결선 변압기에 이용되는 철심, 스콧 결선 변압기를 이용한 과열 수증기 생성 장치에 관한 것이다.
주좌 변압기 및 T좌 변압기로 이루어진 스콧 결선 변압기를 이용한 전원 장치에 있어서, 주좌 변압기의 출력 전압 및 T좌 변압기의 출력 전압을 제어하는 경우에는, 스콧 결선 변압기의 1차측의 3상(三相) 각각에, 전압 또는 전류를 제어하는 제어 소자를 마련하는 것을 생각할 수 있다.
그런데, T좌 변압기의 1차 코일을 흐르는 전류를 주좌 변압기의 1차 코일에 유입시키기 위해, 스콧 결선 변압기의 1차측의 3상 각각에 제어 소자를 마련해도, 2개의 단상(單相) 회로의 출력 전압을 개별 제어하는 것은 할 수 없다.
이상으로부터, 2개의 단상 회로 각각에, 전압 또는 전류를 제어하는 제어 소자를 마련하여, 2개의 단상 회로의 출력 전압을 개별 제어하는 것이 일반적이다.
그런데, 단상 회로에 접속되는 부하가 저저항인 경우에는, 단상 회로는 대전류 회로가 되어, 당해 대전류 회로에 제어 소자를 마련하는 것은 사실상 곤란하다. 따라서 도 13에 도시된 바와 같이, 스콧 결선 변압기에 의한 2개의 단상 회로에 제어 소자를 마련함과 아울러, 추가로 2개의 단상 회로의 출력을 저압 대전류로 변환하는 2세트(式)의 단상 변압기를 마련하는 구성으로 하는 것이 행해지고 있다. 즉, 이 방법에서는, 스콧 결선 변압기 1세트와, 단상 변압기 2세트의 총 3세트의 변압기가 필요해진다.
특허 문헌 1: 일본국 특개소 61－248508호 공보
여기서 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해서 이루어진 것으로, 스콧 결선 변압기를 이용한 전원 장치에 있어서, 장치 구성을 간략화할 수 있음과 아울러, 스콧 결선 변압기의 회로 특성을 살리면서, 주좌 변압기의 출력 전압과 T좌 변압기의 출력 전압을 개별로 제어하는 것을 그 주된 과제로 하는 것이다.
즉 본 발명에 따른 전원 장치는, 주좌 변압기 및 T좌 변압기로 이루어진 스콧 결선 변압기를 가지는 전원 회로로서, 상기 주좌 변압기의 입력측의 2상 중 한쪽에 마련되어, 전압 또는 전류를 제어하는 제1 제어 기기와, 상기 T좌 변압기의 입력측인 1차 코일의 일단측에 마련되어, 전압 또는 전류를 제어하는 제2 제어 기기를 구비하고, 상기 주좌 변압기의 2차 코일의 권수를 n1, 상기 T좌 변압기의 2차 코일의 권수를 n2, 상기 주좌 변압기의 여자 임피던스와 상기 T좌 변압기의 여자 임피던스로부터 구해지는 계수를 k라고 했을 때에, 상기 주좌 변압기의 출력 전압이 상기 T좌 변압기의 출력 전압에 대해서 k×n1/n2 이상의 전압을 필요로 하는 부하에 접속된 상태에서, 상기 제1 제어 기기 및 상기 제2 제어 기기가, 상기 주좌 변압기의 출력 전압과 상기 T좌 변압기의 출력 전압을 개별로 제어하는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명에 따른 전원 장치의 사용 방법은, 주좌 변압기 및 T좌 변압기로 이루어진 스콧 결선 변압기를 가지고, 상기 주좌 변압기의 입력측의 2상 중 한쪽에 전압 또는 전류를 제어하는 제1 제어 기기가 마련되고, 상기 T좌 변압기의 입력측인 1차 코일의 일단측에 전압 또는 전류를 제어하는 제2 제어 기기가 마련된 전원 장치의 사용 방법으로서, 상기 주좌 변압기의 2차 코일의 권수를 n1, 상기 T좌 변압기의 2차 코일의 권수를 n2, 상기 주좌 변압기의 여자 임피던스와 상기 T좌 변압기의 여자 임피던스로부터 구해지는 계수를 k라고 했을 때에, 상기 주좌 변압기의 출력 전압이 상기 T좌 변압기의 출력 전압에 대해서 k×n1/n2 이상의 전압을 필요로 하는 부하에 접속된 상태에서, 상기 제1 제어 기기 및 상기 제2 제어 기기에 의해, 상기 주좌 변압기의 출력 전압과 상기 T좌 변압기의 출력 전압을 개별로 제어하는 것을 특징으로 한다.
여기서, T좌 변압기의 1차 코일이 주좌 변압기의 1차 코일의 중심점에 접속되어, T좌 변압기의 1차 코일로부터 주좌 변압기의 1차 코일로 전류가 유입되므로, 주좌 변압기의 제1 제어 기기를 최소까지 줄여도, 주좌 변압기의 출력 전압은, T좌 변압기의 출력 전압에 대해서, 소정의 비율로 잔류한다. 여기서, 주좌 변압기의 2차 코일의 권수를 n1, T좌 변압기의 2차 코일의 권수를 n2, 주좌 변압기의 여자 임피던스와 T좌 변압기의 여자 임피던스로부터 구해지는 계수를 k라고 했을 경우에, 주좌 변압기 출력 전압은, T좌 변압기 출력 전압의 (k×n1/n2) 배이다. 또, 여자 임피던스는, 자로의 길이, 자속 밀도, 갭 길이, 권수 등에 의해서 정해지는 것이다. 구체적으로 계수 k는, 제1 제어 기기를 차단했을 때의 T좌 변압기의 여자 임피던스와, 주좌 변압기의 1차 코일의 권수를 절반으로 했을 경우의 여자 임피던스의 비(比)에 의해 구해진다.
따라서 상기 주좌 변압기의 출력 전압이 상기 T좌 변압기의 출력 전압에 대해서 k×n1/n2 이상의 전압을 필요로 하는 부하를 접속한 상태이면, 주좌 변압기의 입력측의 2상 중 한쪽에 마련한 제1 제어 기기, 및 T좌 변압기의 입력측에 마련한 제2 제어 기기에 의해, 주좌 변압기의 출력 전압과 T좌 변압기의 출력 전압을 개별로 제어할 수 있다. 또, 종래와 같이 주좌 변압기 및 T좌 변압기의 출력측에 2대의 단상 변압기를 마련할 필요도 없기 때문에, 장치 구성을 간략화할 수 있다.
상기 주좌 변압기의 2차 코일의 권수와 상기 T좌 변압기의 2차 코일의 권수가 같은 것이 바람직하다.
이때, 실시예로서 k=0.66이면, 주좌 변압기의 출력 전압이, T좌 변압기의 출력 전압에 대해서 0.66 이상의 전압을 필요로 하는 부하에 접속하게 된다. 그리고 주좌 변압기의 단상 출력 회로(2차 코일)에 접속되는 부하 임피던스와, T좌 변압기의 단상 출력 회로(2차 코일)에 접속되는 부하 임피던스가 같으면, 주좌 변압기의 단상 출력 회로의 부하 용량은 T좌 변압기의 단상 출력 회로의 부하 용량에 대해서 0.44(≒0.662) 이상인 것이 조건이 된다.
상기 주좌 변압기 또는 상기 T좌 변압기 중 적어도 한쪽이, 단권(單卷) 변압기인 것이 바람직하다.
이와 같이 1차 코일 및 2 코일을 단권 결선함으로써, 1차 코일과 2차 코일 사이의 절연을 간소하게 할 수 있어, 제작하기 쉬워짐과 아울러, 사고 발생의 리스크를 저감시킬 수 있다.
상기 주좌 변압기의 철심 및 상기 T좌 변압기의 철심이 일체로 형성된 것인 것이 바람직하다.
이것이라면, 스콧 결선 변압기를 구성하는 변압기를 2세트에서 1세트로 할 수 있어, 장치를 컴팩트하게 할 수 있다.
상기 주좌 변압기 또는 상기 T좌 변압기 중 적어도 한쪽이, 단면 대략 원형 모양의 각(脚)철심과, 당해 각철심의 상하에 접속되는 변형 권(卷)철심으로 이루어진 이음(繼) 철심을 가지는 것이 바람직하다. 여기서, 단면 대략 원형 모양의 각철심으로서는, 인벌류트(involute) 형상으로 만곡된 만곡부를 가지는 다수의 자성 강판을 방사(放射) 모양으로 적층하여 원통 모양으로 형성한 원통 모양의 인벌류트 철심을 생각할 수 있다.
이것이라면, 각철심이 단면 대략 원형 모양이므로, 방형 철심에 비해, 같은 단면적이라면 외주(外周) 길이가 최단이 되어, 코일의 사용량을 저감시킬 수 있다. 또, 이음 철심이 변형 권철심이므로, 단면 대략 원형 모양의 각철심과의 충합부(衝合部)를 같은 원형으로 하는 것이 간단하다.
상기 스콧 결선 변압기가, 스콧 결선된 유도 코일이 감긴 2개의 주각(主脚) 철심과, 상기 2개의 주 각철심에 생기는 자속의 공통 통로가 되는 공통각(共通脚) 철심과, 상기 2개의 주 각철심 및 상기 공통 각철심의 상하 각각을 연결하는 이음 철심을 구비하고, 상기 2개의 주 각철심 및 상기 공통 각철심이 평면시(平面視)에 있어서 각각이 삼각형의 꼭지점에 위치하도록 배치되고, 상기 이음 철심이, 평면시에 있어서 상기 공통 각철심을 굴절점(屈折点)으로 하여 꺾여 구부러져 있는 것이 바람직하다.
이것이라면, 상기 2개의 주 각철심 및 상기 공통 각철심이, 평면시에 있어서 각각이 삼각형의 꼭지점에 위치하도록 배치됨과 아울러, 상기 이음 철심이, 평면시에 있어서 상기 공통 각철심을 굴곡점으로 하여 꺾여 구부러져 있으므로, 상기 2개의 주 각철심 사이의 거리를 작게 해, 철심 전체의 폭 방향의 치수를 작게 하여, 공간 절약화를 도모할 수 있다.
상기 2개의 주 각철심 중 한쪽 및 상기 공통 각철심 사이의 거리와, 상기 2개의 주 각철심 중 다른 쪽 및 상기 공통 각철심 사이의 거리가, 서로 같은 것이 바람직하다.
이것이라면, 한쪽의 상기 주 각철심 및 상기 공통 각철심 사이의 자로(磁路) 길이와, 다른 쪽의 상기 주 각철심 및 상기 공통 각철심 사이의 자로 길이가 같아지므로, 상기 2개의 주 각철심의 자기 특성이 서로 동등해져, 효율 좋게 3상 전원으로부터 2개의 단상 회로로 변환할 수 있다.
또, 본 발명에 따른 과열 수증기 생성 장치는, 주좌 변압기 및 T좌 변압기로 이루어진 스콧 결선 변압기와, 상기 주좌 변압기의 출력에 의해 통전 가열되어서, 물로부터 포화 수증기를 발생시키는 제1 가열 도체관과, 상기 T좌 변압기의 출력에 의해 통전 가열되어서, 상기 제1 가열 도체관에 의해 발생한 포화 수증기로부터 과열 수증기를 발생시키는 제2 가열 도체관을 구비하고, 상기 주좌 변압기의 입력측의 2상 중 한쪽에 전압 또는 전류를 제어하는 제1 제어 기기가 마련되어 있고, 상기 T좌 변압기의 입력측인 1차 코일의 일단측에 전압 또는 전류를 제어하는 제2 제어 기기가 마련되어 있으며, 상기 제1 제어 기기 및 상기 제2 제어 기기에 의해, 상기 주좌 변압기의 출력 전압과 상기 T좌 변압기의 출력 전압을 개별로 제어하는 것을 특징으로 한다.
이러한 것이면, 주좌 변압기의 입력측의 2상 중 한쪽에 제1 제어 기기를 마련하고, T좌 변압기의 입력측인 1차 코일의 일단측에 제2 제어 기기를 마련하고 있으므로, 주좌 변압기의 출력 전압과 T좌 변압기의 출력 전압을 개별로 제어할 수 있다. 이것에 의해, 스콧 결선 변압기의 특징을 살리면서, 과열 수증기 온도의 제어를 용이하게 행할 수 있다. 또, 종래와 같이 주좌 변압기 및 T좌 변압기의 출력측에 2대의 단상 변압기를 마련할 필요도 없으므로, 장치 구성을 간략화할 수 있다.
본 발명에서는, 주좌 변압기의 입력측의 2상 중 한쪽에 제1 제어 기기를 마련하고, 제1 가열 도체관에 인가되는 주좌 변압기의 출력 전압을 제어하여 포화 수증기를 발생시킨다. 주좌 변압기의 1차 코일의 양단은 전원에 접속되어 있으므로, 주좌 변압기의 출력 전압은, 권수비(卷數比)에 따른 값이 된다.
그런데, T좌 변압기의 1차 코일이 주좌 변압기의 1차 코일에 중심점에 접속되어, T좌 변압기의 1차 코일로부터 주좌 변압기의 1차 코일로 전류가 유입되므로, 주좌 변압기의 제1 제어 기기를 최소까지 줄여도, 주좌 변압기의 출력 전압은 T좌 변압기의 출력 전압에 대해서, 최대 약 66%가 잔류한다. 여기서, 과열 수증기 온도를 2000℃로 설정했을 때의 포화 수증기 발생 열량과 과열 수증기 발생 열량의 비는, 1.0：1.79이기 때문에, 제1 가열 도체관이 마련되는 단상 회로(포화 수증기 발생측 단상 회로)와 제2 가열 도체관이 마련되는 단상 회로(과열 수증기 발생측 단상 회로)의 전류비는, 0.75：1.0이 되어, 그 잔류량은 문제가 되지 않는다. 물론 과열 수증기 온도가 2000℃ 미만인 경우는, 포화 수증기 생성에 필요한 전류의 비가 커지므로, 잔류분은 문제가 되지 않는다. 또, 과열 수증기는 2000℃ 보다도 큰 온도에서는, 수소와 산소로 분리되어 과열 수증기로서 존재할 수 없기 때문에, 잔류 전류값이 문제가 되는 영역은 없다.
T좌 변압기의 제2 제어 기기에 의해서 T좌 변압기의 출력 전압은 제어되지만, 주좌 변압기에 유입되는 전류는 제1 제어 기기를 차단해도, 제1 제어 기기를 마련하지 않은 다른 쪽의 상(相)에 전류가 흐르므로, 전류가 제어되는 일은 없다. 또, 주좌 변압기의 제1 제어 기기에 의해서, T좌 변압기의 출력 전압이 변동하지만, 제2 가열 도체관(과열 수증기 생성용 가열관)의 온도에 기초한 전류 제어를 행하고 있으므로, 문제가 되는 일은 없다.
추가로 사용 방법으로서는, 우선 과열 수증기의 발생량의 설정을 행하여, 과열 수증기의 발생량이 정해지면, 예를 들면 온도 130℃로 설정한 포화 수증기에 필요한 열량은 항상 일정하므로, T좌 변압기의 출력 전압에 영향을 주는 주좌 변압기의 출력 전압의 변동은 생기지 않는다.
또한, 주좌 변압기의 출력 전압을 크게 변동시키지 않는 값으로 대략적으로 제어하여, 포화 수증기 온도가 130℃ 전후에서 다소 변동하더라도, 과열 수증기 온도는 제2 가열 도체관(과열 수증기 생성용 가열관)의 온도에 기초하여, T좌 변압기의 제2 제어 기기에 의해 상세하게 제어하는 구조이기 때문에, 과열 수증기 온도의 제어에 지장이 발생하는 일은 없다.
상기 주좌 변압기 또는 상기 T좌 변압기 중 적어도 한쪽이, 각철심의 둘레에 감긴 1차 코일과, 상기 각철심의 둘레에 상기 1차 코일에 겹쳐서 감긴 2차 코일을 가지고 있는 것이 바람직하다.
그리고 상기 2차 코일이 중공(中空) 도체관으로 이루어지고, 상기 제1 가열 도체관 및/또는 제2 가열 도체관이 상기 2차 코일에 의해 구성되어 있는 것이 바람직하다.
이것이라면, 변압기의 2차 코일과 가열 도체관의 전기 접속이 없어져, 효율이 좋은 과열 수증기 생성 장치를 구성할 수 있다.
상기 1차 코일이, 상기 각철심 둘레에 있어서 상기 2차 코일의 내측 및 외측에 각각 겹쳐서 감겨 있는 것이 바람직하다.
이것이라면, 1차 코일의 사이에 2차 코일이 끼워지는 구성이 되어, 누설 자속을 저감시킬 수 있어, 설비 효율을 올릴 수 있다.
상기 1차 코일이 중공 도체관으로 이루어져서, 상기 제1 가열 도체관에 유입되는 물을 예열하는 것인 것이 바람직하다.
이것이라면, 1차 코일을 구성하는 중공 도체관에서 발생하는 저항열 및 철심의 열을 물에 줄 수 있어, 설비 효율을 향상시킬 수 있다.
상기 주좌 변압기 또는 상기 T좌 변압기 중 적어도 한쪽의 각철심이, 인벌류트 형상으로 만곡된 만곡부를 가지는 다수의 자성 강판을 방사 모양으로 적층하여 원통 모양으로 형성한 원통 모양의 인벌류트 철심인 것이 바람직하다.
이것이라면, 1차 코일(중공 도체관)을 각철심에 밀착하여 감을 수 있어, 철심에서 발생하는 열을 효율 좋게 물의 예열에 이용할 수 있다. 또, 원형 철심은 방형(方形) 철심에 비해, 같은 단면적이라면 외주 길이가 최단이 되므로, 1차 코일(중공 도체관)의 사용량을 저감시킬 수 있다.
추가로, 본 발명에 따른 스콧 변압기용 철심은, 스콧 결선 변압기에 이용되는 철심으로서, 스콧 결선된 코일이 감기는 2개의 주 각철심과, 상기 2개의 주 각철심에 생기는 자속의 공통 통로가 되는 공통 각철심과, 상기 2개의 주 각철심 및 상기 공통 각철심의 상하 각각을 연결하는 이음 철심을 구비하고, 상기 2개의 주 각철심 및 상기 공통 각철심이, 평면시에 있어서 삼각형의 꼭지점에 위치하도록 배치되고, 상기 이음 철심이, 평면시에 있어서 상기 공통 각철심을 굴절점으로 하여 꺾여 구부러져 있는 것을 특징으로 한다.
이러한 것이면, 2개의 주 각철심 및 공통 각철심이, 평면시에 있어서 삼각형의 꼭지점에 위치하도록 배치됨과 아울러, 이음 철심이 평면시에 있어서 공통 각철심을 굴곡점으로 하여 꺾여 구부러져 있으므로, 각 각철심 자체의 치수를 작게 하는 일 없이, 2개의 주 각철심 사이의 거리를 작게 할 수 있어, 철심 전체의 폭 치수를 작게 해, 공간 절약화를 도모할 수 있다. 또, 코일의 권회(卷回) 지름을 작게 하는 일 없이, 스콧 결선 변압기의 폭 치수를 작게 할 수 있어, 공간 절약화를 도모할 수 있다.
상기 2개의 주 각철심 중 한쪽 및 상기 공통 각철심의 거리와, 상기 2개의 주 각철심 중 다른 쪽 및 상기 공통 각철심의 거리가, 서로 같은 것이 바람직하다.
이것이라면, 2개의 주 각철심 중 한쪽 및 공통 각철심 사이의 자로 길이와, 2개의 주 각철심 중 다른 쪽 및 공통 각철심 사이의 자로 길이가 같아지므로, 2개의 주 각철심의 자기 특성이 서로 동등해져, 효율 좋게 3상 교류 전원으로부터 2개의 단상 회로로 변환할 수 있다.
상기 2개의 주 각철심 및 상기 공통 각철심이, 평면시에 있어서 직각 삼각형의 꼭지점에 위치하도록 배치되고, 상기 공통 각철심이, 상기 직각 삼각형의 꼭지점 중 직각인 꼭지점에 위치하도록 배치되는 것이 바람직하다.
이것이라면, 2개의 주 각철심 사이의 거리를 작게 해, 철심 전체의 폭 방향의 치수를 작게 하여, 공간 절약화를 도모할 수 있다.
상기 2개의 주 각철심 중 적어도 한쪽이, 인벌류트 형상으로 만곡된 만곡부를 가지는 다수의 자성 강판을 방사 모양으로 적층하여 원통 모양으로 형성한 원통 모양의 인벌류트 철심인 것이 바람직하다.
이것이라면, 단면 대략 원형의 인벌류트 철심은 와전류(渦電流) 손해가 작으므로, 상기 주 각철심 자체의 발열을 저감시킬 수 있다.
상기 이음 철심이 변형 권철심에 의해 구성되어 있는 것이 바람직하다.
이것이라면, 단면 대략 원형의 각철심과의 충합부를 같은 원형으로 하는 것이 간단하다.
또 본 발명에 따른 스콧 결선 변압기용 철심을 이용한 스콧 결선 변압기가, 상기 2개의 주 각철심 중 적어도 한쪽에 감긴 1차 코일 및 2차 코일이 단일의 코일로 구성된 단권 변압기인 것이 바람직하다.
이와 같이 1차 코일 및 2차 코일을 단권 결선함으로써, 1차 코일과 2차 코일 사이의 절연을 간소하게 할 수 있어, 제작하기 쉬워짐과 아울러, 사고 발생의 리스크를 저감시킬 수 있다.
이와 같이 구성한 본 발명에 의하면, 스콧 결선 변압기를 이용한 전원 장치에 있어서, 장치 구성을 간략화할 수 있음과 아울러, 스콧 결선 변압기의 입력측에 제어 기기를 마련한 경우의 각 변압기의 출력 특성을 살리면서, 주좌 변압기의 출력 전압과 T좌 변압기의 출력 전압을 개별로 제어할 수 있다.
도 1은 본 실시 형태에 따른 과열 수증기 생성 장치의 구성을 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 동 실시 형태의 스콧 결선 변압기의 구성을 모식적으로 나타내는 평면도 및 정면도이다.
도 3은 동 실시 형태의 가열 도체관의 구성을 나타내는 사시도이다.
도 4는 과열 수증기 생성 장치와 동등 회로의 시험 장치를 나타내는 도면이다.
도 5는 과열 수증기를 발생시키는 열량과 과열 수증기 온도의 관계를 나타내는 특성 그래프이다.
도 6은 본 실시 형태에 따른 스콧 결선 변압기의 구성을 모식적으로 나타내는 평면도이다.
도 7은 변형 실시 형태에 따른 스콧 결선 변압기의 구성을 모식적으로 나타내는 회로도이다.
도 8은 동 실시 형태의 스콧 결선 변압기의 구성을 모식적으로 나타내는 정면도이다.
도 9는 변형 실시 형태에 따른 이음 철심의 성형 과정을 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 10은 변형 실시 형태에 따른 스콧 결선 변압기의 구성을 모식적으로 나타내는 평면도이다.
도 11은 변형 실시 형태에 따른 스콧 결선 변압기의 구성을 모식적으로 나타내는 평면도이다.
도 12는 종래의 스콧 결선 변압기의 구성을 모식적으로 나타내는 평면도이다.
도 13은 종래의 과열 증기 생성 장치의 구성을 나타낸 모식도이다.
이하에 본 발명에 따른 전원 장치를 이용한 과열 증기 생성 장치의 일 실시 형태에 대해 도면을 참조하여 설명한다.
본 실시 형태에 따른 과열 수증기 생성 장치(100)는 유체가 유통(流通)하는 가열 도체관을 통전(通電) 가열함으로써 가열 수증기를 발생시키는 것이며, 도 1에 도시된 바와 같이, 3상 교류 전원(8)으로부터의 3상 교류를 2개의 단상 교류로 변환하는 스콧 결선 변압기(2)를 가지는 전원 장치(200)와 스콧 결선 변압기(2)의 2상 교류에 의해 통전 가열되는 제1 가열 도체관(3) 및 제2 가열 도체관(4)을 구비하고 있다.
스콧 결선 변압기(2)는 주좌 변압기(2M)와 T좌 변압기(2T)로 이루어진다. 또, 본 실시 형태의 주좌 변압기(2M)의 철심 및 T좌 변압기(2T)의 철심은, 일체로 형성된 것이다.
제1 가열 도체관(3)은 스콧 결선 변압기(2)의 주좌 변압기(2M)의 출력측에 접속되어, 주좌 변압기(2M)의 출력 전압이 인가되어 통전 가열되는 것으로, 유체 도입 포트(3p1) 및 유체 도출 포트(3p2)를 가지고 있다. 그리고 유체 도입 포트(3p1)로부터 물이 도입되고, 유체 도출 포트(3p2)로부터 포화 수증기가 도출되는 것이다. 본 실시 형태의 제1 가열 도체관(3)은, 도 3에 도시된 중공 도체관으로 이루어진 주좌 변압기(2M)의 2차 코일(2b)에 의해 구성되어 있다. 이것에 의해, 주좌 변압기(2M)의 2차 코일(2b)과 제1 가열 도체관(3)의 전기 접속이 없어져, 효율이 좋은 과열 수증기 생성 장치(100)를 구성할 수 있다.
제2 가열 도체관(4)은 스콧 결선 변압기(2)의 T좌 변압기(2T)의 출력측에 접속되어, T좌 변압기(2T)의 출력 전압이 인가되어 통전 가열되는 것으로, 유체 도입 포트(4p1) 및 유체 도출 포트(4p2)를 가지고 있다. 그리고 유체 도입 포트(4p1)로부터 상기 제1 가열 도체관(3)에 의해 발생한 포화 수증기가 도입되고, 유체 도출 포트(4p2)로부터 소정 온도로 가열된 과열 수증기가 도출되는 것이다. 본 실시 형태의 제2 가열 도체관(4)은, 도 3에 도시된 중공 도체관으로 이루어진 T좌 변압기(2T)의 2차 코일(2d)에 의해 구성되어 있다. 이것에 의해, T좌 변압기(2T)의 2차 코일(2d)과 제2 가열 도체관(4)의 전기 접속이 없어져, 효율이 좋은 과열 수증기 생성 장치(100)를 구성할 수 있다. 또한, 도 1에서는, 제2 가열관(4)의 유체 도입 포트(4p1)는, 절연 재료로 이루어진 중간 접속관(7)을 통해서, 제1 가열 도체관(3)의 유체 도출 포트에 접속되어 있다.
그리고 본 실시 형태의 스콧 결선 변압기(2)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 주좌 변압기(2M)의 1차 권선(이하, 주좌 1차 코일(2a)) 및 2차 권선(이하, 주좌 2차 코일(2b))이 감긴 제1 주 각철심(주좌 각철심(21))과, T좌 변압기(2T)의 1차 권선(이하, T좌 1차 코일(2c)) 및 2차 권선(이하, T좌 2차 코일(2d))이 감긴 제2 주 각철심(T좌 각철심(22))과, 상기 2개의 주 각철심(21, 22)에 생기는 자속의 공통 통로가 되는 공통 각철심(23)과, 상기 2개의 주 각철심(21, 22) 및 공통 각철심(23)의 상하 각각을 연결하는 이음 철심(24)을 구비하고 있다.
주좌 1차 코일(2a)의 양단에는, 3상(U상, V상, W상) 중 2상(예를 들면 V상, W상)이 접속된다. 또, T좌 1차 코일(2c)의 한쪽 단은, 주좌 1차 코일(2a)의 중점에 접속되고, T좌 1차 코일(2c)의 다른 쪽 단은, 3상 중 주좌 1차 코일(2a)에 접속되지 않는 나머지 1상(예를 들면 U상)이 접속된다. 구체적으로는, 주좌 1차 코일(2a)의 짝수 권수(卷數) N에 대해, T좌 1차 코일(2c)의 권수를 (√3/2)N로 하고, T좌 1차 코일(2c)의 한쪽 단을 주좌 1차 코일(2a)의 N/2의 위치에 접속하도록 구성되어 있다.
또, 주좌 각철심(21), T좌 각철심(22) 및 공통 각철심(23)은, 인벌류트 형상으로 만곡된 만곡부를 가지는 다수의 자성 강판을 방사 모양으로 적층하여 원통 모양으로 형성한 단면 대략 원형의 인벌류트 철심에 의해 구성되어 있다. 그리고 주좌 각철심(21) 및 T좌 각철심(22)은 동치수의 것이며, 주좌 각철심(21)의 횡단면적 S1과, T좌 각철심(22)의 횡단면적 S2는 서로 동일하다. 또, 공통 각철심(23)의 횡단면적은, 주좌 각철심(21) 및 T좌 각철심(22)의 횡단면적 S1, S2의 √2배이다. 구체적으로는, 도 2에 도시된 바와 같이, 공통 각철심(23)의 직경이, 주좌 각철심 및 T좌 각철심의 직경을 d라고 했을 경우에, (√2)0.5d이다.
또한, 주좌 각철심(21), T좌 각철심(22) 및 공통 각철심(23)은, 스콧 결선 변압기(2)를 상면(上面)에서 본 평면시(平面視)에 있어서, 각각이 삼각형의 꼭지점의 위치가 되도록 배치되어 있다. 본 실시 형태에서는, 평면시에 있어서, 주좌 각철심(21)의 중심과 공통 각철심(23)의 중심을 잇는 선과, T좌 각철심(22)의 중심과 공통 각철심(23)의 중심을 잇는 선이 이루는 각도가, 약 120도가 되도록 구성되어 있다. 또, 본 실시 형태에서는, 2차 코일(2b, 2d)이 중공 도체관으로 이루어져 있고, 주좌 각철심(21) 및 공통 각철심(23)의 중심간(中心間) 거리와, T좌 각철심(22) 및 공통 각철심(23)의 중심간 거리가 서로 다르다. 구체적으로는, T좌 각철심(22) 및 공통 각철심(23)의 중심간 거리가 크다. 이것은, T좌 변압기(2T)의 2차 코일용 중공 도체관은, 과열 증기를 생성하므로 고온이 되기 때문에, 당해 중공 도체관을 둘러싸기 위한 단열재에 의해, T좌 변압기(2T)의 권회 지름이 커지기 때문에 있다.
이음 철심(24)은 변형 권철심에 의해 구성되어 있고, 주좌 각철심(21), T좌 각철심(22) 및 공통 각철심(23)의 상면을 서로 연결하는 상(上)이음 철심(24a)과, 주좌 각철심(21), T좌 각철심(22) 및 공통 각철심(23)의 하면(下面)을 서로 연결하는 하(下)이음 철심(24b)으로 이루어진다. 이 상이음 철심(24a) 및 하이음 철심(24b)은, 각각 평면시에 있어서 공통 각철심(23)을 굴절점으로 하여 꺾여 구부러져 있다. 본 실시 형태의 각 이음 철심(24a, 24b)은 공통 각철심(23)의 중심을 굴곡점으로 하여, く자 모양으로 꺾여 구부러져 있다. 구체적으로는, 상이음 철심(24a) 및 하이음 철심(24b)이 꺾여 구부러진 각도가 120도가 되도록 구성되어 있다.
이와 같이 구성한 스콧 변압기용 철심에 의하면, 주 각철심(21, 22)과 공통 각철심(23)이 평면시에 있어서 각각이 삼각형의 꼭지점에 위치하도록 배치됨과 아울러, 이음 철심(24)이, 평면시에 있어서 공통 각철심(23)을 중심으로 く자로 꺾여 구부러져 있으므로, 주 각철심(21, 22)의 거리를 작게 해, 철심 전체의 폭 방향의 치수를 작게 하여, 공간 절약화를 도모할 수 있다.
그러나 본 실시 형태의 전원 장치(200)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 주좌 변압기(2M)의 입력측의 2상 중 한쪽에, 전압 또는 전류를 제어하는 제1 제어 기기(5)가 마련되어 있다. 또한, 도 1에서는, 주좌 변압기(2M)의 입력측의 V상에 제1 제어 기기(5)인 사이리스터(thyristor) 등의 반도체 제어 소자를 마련하고 있다. 또, T좌 변압기(2T)의 입력측인 1차 코일(2c)의 일단측(T좌 1차 코일(2c)의 U상측 또는 중점 O측)에, 전압 또는 전류를 제어하는 제2 제어 기기(6)가 마련되어 있다. 이 제2 제어 기기(6)도, 상기 제1 제어 기기(5)와 마찬가지로, 사이리스터 등의 반도체 제어 소자를 이용한 것이다. 그리고 도시하지 않는 제어 장치가, 제1 가열 도체관(3)의 온도 및 제2 가열 도체관(4)의 온도를 이용하여 상기 제1 제어 기기(5) 및 상기 제2 제어 기기(6)를 제어함으로써, 주좌 변압기(2M)가 제1 가열 도체관(3)에 인가하는 출력 전압과, T좌 변압기(2T)가 제2 가열 도체관(4)에 인가하는 출력 전압을 개별로 제어하도록 구성되어 있다. 또한, 제어 장치는 제1 가열 도체관(3)의 온도를, 제1 가열 도체관(3)에 마련한 온도 센서로부터 취득하고, 제2 가열 도체관(4)의 온도를, 제2 가열 도체관(4)에 마련한 온도 센서로부터 취득한다.
이와 같이 구성한 전원 장치(200)는, 주좌 2차 코일(2b)의 권수 n1, T좌 2차 코일(2d)의 권수 n2, 및 주좌 변압기(2M)의 여자 임피던스와 T좌 변압기(2T)의 여자 임피던스로부터 구해지는 계수를 k라고 했을 때에, 주좌 변압기(2M)의 출력 전압이 T좌 변압기(2T)의 출력 전압에 대해서 상시 k×n1/n2 이상의 전압을 필요로 하는 부하에 접속된 상태에서, 제1 제어 기기(5) 및 제2 제어 기기(6)가, 주좌 변압기(2M)의 출력 전압과 T좌 변압기(2T)의 출력 전압을 개별로 제어하도록 구성되어 있다.
본 실시 형태에서는, 주좌 변압기(2M)의 입력측의 2상 중 한쪽에 제1 제어 기기(5)를 마련하여, 제1 가열 도체관(3)에 인가되는 주좌 변압기(2M)의 출력 전압을 제어하여 포화 수증기를 발생시킨다. 주좌 변압기(2M)의 1차 코일(2a)의 양단은 전원(8)에 접속되어 있으므로, 주좌 변압기(2M)의 출력 전압은 권수비에 따른 값이 된다.
그런데, T좌 변압기(2T)의 1차 코일(2c)이 주좌 변압기(2M)의 1차 코일(2a)에 중심점에 접속되어, T좌 변압기(2T)의 1차 코일(2c)로부터 주좌 변압기(2M)의 1차 코일(2a)에 전류가 유입되므로, 주좌 변압기(2M)의 제1 제어 기기(5)를 최소까지 줄여도(V상을 차단해도), 주좌 변압기(2M)의 출력 전압은, T좌 변압기(2T)의 출력 전압에 대해서, k×n1/n2(최대 약 66%)가 잔류한다. 여기서, 과열 수증기 온도를 2000℃로 설정했을 때의 포화 수증기 발생 열량과 과열 수증기 발생 열량의 비는, 1.0：1.79 이기 때문에, 제1 가열 도체관(3)이 마련되는 단상 회로(포화 수증기 발생측 단상 회로)와 제2 가열 도체관(4)이 마련되는 단상 회로(과열 수증기 발생측 단상 회로)의 전류비는, 0.75：1.0이 되어, 그 잔류량은 문제가 되지 않는다. 물론 과열 수증기 온도가 2000℃ 미만인 경우는, 포화 수증기 생성에 필요한 전류의 비가 커지므로, 잔류분은 문제가 되지 않는다. 또, 과열 수증기는 2000℃ 보다도 큰 온도에서는, 수소와 산소로 분리되어 과열 수증기로서 존재할 수 없기 때문에, 잔류 전류값이 문제가 되는 영역은 없다.
T좌 변압기(2T)의 제2 제어 기기(6)에 의해서 T좌 변압기(2T)의 출력 전압은 제어되지만, 주좌 변압기(2M)에 유입되는 전류는 제1 제어 기기(5)를 차단해도, 제1 제어 기기(5)를 마련하지 않은 다른 쪽의 상에 전류가 흐르므로, 전류가 제어되는 일은 없다. 또, 주좌 변압기(2M)의 제1 제어 기기(5)에 의해서, T좌 변압기(2T)의 출력 전압이 변동하지만, 제2 가열 도체관(4)(과열 수증기 생성용 가열관)의 온도에 기초한 전류 제어를 행하고 있으므로, 문제가 되는 일은 없다.
추가로 과열 증기 생성 장치(100)의 사용 방법으로서는, 우선 과열 수증기의 발생량의 설정을 행하여, 과열 수증기의 발생량이 정해지면, 예를 들면 온도 130℃로 설정한 포화 수증기에 필요한 열량은 항상 일정하므로, T좌 변압기(2T)의 출력 전압에 영향을 주는 주좌 변압기(2M)의 출력 전압의 변동은 생기지 않는다.
이에 더하여, 주좌 변압기(2M)의 출력 전압을 크게 변동시키지 않는 값으로 대략적으로 제어하여, 포화 수증기 온도가 130℃ 전후에서 다소 변동하더라도, 과열 수증기 온도는, 제2 가열 도체관(4)(과열 수증기 생성용 가열관)의 온도에 기초하여, T좌 변압기(2T)의 제2 제어 기기(6)에 의해 상세하게 제어하는 구조이기 때문에, 과열 수증기 온도의 제어에 지장이 발생하는 일은 없다.
다음으로, 도 4에 도시된 과열 수증기 생성 장치(100)와 동등 회로의 시험 장치를 이용한 시험 결과를 설명한다. 또한, 주좌 1차 코일(2a)의 권수는 44이고, T좌 1차 코일(2c)의 권수는 38이며, 각 변압기(2M, 2T)의 2차 코일(2b, 2d)의 권수 n1, n2는 22로 했다.
이하의 표 1은, 제1 제어 기기(5)에 의해 V상을 차단하고, 제2 제어 기기(6)에 의해 입력 전압(Eu－w(V))을 변화시켰을 경우의, 각 부의 전압 및 전류를 나타낸다.
[표 1]
Figure 112014069802161-pat00001
여기서, 본 시험에서는, 변압기의 2차 코일 저항이, a－Oa회로 및 b－Ob회로모두, 0.16Ω과 같이 높기 때문에, 출력 전압이 저하하여 권수비에 따른 출력 전압이 나오고 있지 않다. 2차 코일 저항에 의한 전압 저하분을 수정하면, Eu－o(V), Eo－w(V), T좌 변압기의 출력 전압(Ea－oa(V)) 및 주좌 변압기의 출력 전압(Eb－ob(V))은, 이하의 표 2와 같이 된다.
[표 2]
Figure 112014069802161-pat00002
표 2에 제시된 것처럼, 제1 제어 기기(5)에 의해 V상을 차단하고, 제2 제어 기기(6)에 의해 Eu－w(V)를 변화시켰을 경우에는, T좌 변압기(2T)의 출력 전압에 대해서, 주좌 변압기(2M)의 출력 전압이, 약 66% 잔류하고 있는 것을 알 수 있다.
여기서, 표 1에 있어서의 Eu－w=158(V)인 항을 보면, 1차 코일에 있어서의 u－o간과 o－w간의 분담 전압은, 각각 114.4(V)와 43.1(V)가 되어 있고, 권수비인 38T와 22T의 비(比)의 분담으로 되어 있지 않다. 이것은, 주좌 변압기(2M)의 철심 및 T좌 변압기(2T)의 철심이 일체로 형성되어 공통 각철심이 있다고는 해도, 자기(磁氣) 회로는 별개로 구성되어 있으므로, 1T당 분담 전압이 같게 되지 않기 때문이다. Eu－w(V)는, 각각의 여자 임피던스의 비에 의해 분담되어 있고, 여자 임피던스는 자로의 길이, 자속 밀도, 갭 길이, 권수 등에 의해서 정해지는 것이다. 즉, T좌 변압기(2T)의 출력 전압에 대한 주좌 변압기(2M)의 출력 전압의 잔류 전압의 비는, T좌 변압기(2T)의 여자 임피던스에 대한 주좌 변압기(2M)의 주좌 1차 코일(2a)의 권수를 절반으로 했을 경우의 여자 임피던스의 비가 된다.
다음으로, 이하의 표 3에, 제2 제어 기기(6)에 의해 제어 전류를 일정하게 유지하고(EU －W(V)≒158(V)), 제1 제어 기기(5)에 의해 주좌 변압기(2M)의 입력 전압(EV－W(V))을 변화시켰을 경우의, 각 부의 전압 및 전류를 나타낸다.
[표 3]
Figure 112014069802161-pat00003
표 3에 제시된 것처럼, 제1 제어 기기(5)에 의해 주좌 변압기(2M)의 입력 전압(EV－W(V))을 약 1.8배로 변화시킴으로써, T좌 변압기(2T)의 출력 전압(Ea－oa(V))이 약 18% 변동하는 결과로 되어 있다.
다음으로, 이하의 표 4에, 제1 제어 기기(5)에 의해 제어 전류를 일정하게 유지하고(EV －W(V)≒158(V)), 제2 제어 기기(6)에 의해 입력 전압(EU －W(V))을 변화시켰을 경우의, 각 부의 전압 및 전류를 나타낸다.
[표 4]
Figure 112014069802161-pat00004
표 4에 제시된 것처럼, 주좌 변압기(2M)의 출력 전압(Eb－ob(V))은, T좌 변압기(2T)의 출력 전압(Ea－oa(V))의 변화에 영향을 받지 않는 결과로 되어 있다.
다음으로, 이하의 표 5에, 제2 제어 기기(6)에 의해 U－O간 전압을 일정(≒101(V))하게 유지한 상태에서, 제1 제어 기기(5)에 의해 주좌 변압기(2M)의 입력 전압(EV －W(V))을 변화시켰을 경우의, 각 부의 전압 및 전류를 나타낸다.
[표 5]
Figure 112014069802161-pat00005
표 5에 제시된 것처럼, T좌 변압기(2T)의 출력 전압(Ea－oa(V))은 일정하게 유지되어 있고, 주좌 변압기(2M)의 출력 전압(Eb－ob(V))이 제어되어 있는 결과로 되어 있다.
여기서, 포화 수증기를 발생시키는 열량을 1이라고 했을 때의, 과열 수증기를 발생시키는 열량과 과열 수증기 온도의 관계를 나타내는 특성 그래프를 도 5에 나타낸다.
과열 수증기 온도가 200℃일 때는 0.059, 과열 수증기 온도가 748℃일 때는 0.5, 과열 수증기 온도가 1279℃일 때는 1.0, 과열 수증기 온도가 1752℃일 때는 1.5, 과열 수증기 온도가 2000℃일 때는 1.79로 되어 있다.
또, 과열 수증기 온도와 3상 교류 전원의 각 상의 전류값의 관계를, 이하의 표 6에 나타낸다.
[표 6]
Figure 112014069802161-pat00006
표 6으로부터 알 수 있듯이, 과열 수증기 온도 1279℃에서는, 각 상의 전류비가 1：1：1로 밸런스가 맞아 있고, 2000도에서는 각 상의 전류비가 1.223：1：1로 되고, 748℃에서는 각 상의 전류비가 0.756：1：1이 되며, 200℃에서는 각 상의 전류비가 0.278：1：1이 된다. 따라서 과열 수증기라고 불리는 최저 온도인 200℃에서부터 극한(極恨) 온도인 2000℃의 범위에 있어서, 1상의 전류값이 제로가 되는 것 같은 극단적인 전류의 언밸런스는 발생하지 않는다.
이와 같이 구성한 본 실시 형태의 과열 수증기 생성 장치(100)에 의하면, 주좌 변압기(2M)의 출력에 제1 가열 도체관(3)(포화 수증기 생성용 가열관)을 접속하고, T좌 변압기(2T)의 출력에 제2 가열 도체관(4)(과열 수증기 생성용 가열관)을 접속함으로써, 주좌 변압기의 출력 전압이 상기 T좌 변압기의 출력 전압에 대해서 k×n1/n2 이상의 전압을 필요로 하는 부하를 접속한 상태가 되고, 이 상태에서, 주좌 변압기(2M)의 입력측의 2상 중 한쪽에 마련한 제1 제어 기기(5), 및 T좌 변압기(2T)의 입력측에 마련한 제2 제어 기기(6)에 의해, 주좌 변압기(2M)의 출력 전압과 T좌 변압기(2T)의 출력 전압을 개별로 제어할 수 있다. 이것에 의해, 스콧 결선 변압기(2)를 가지는 전원 회로(200)의 특징을 살리면서, 과열 수증기 온도의 제어를 용이하게 행할 수 있다. 또, 종래와 같이 주좌 변압기(2M) 및 T좌 변압기(2T)의 출력측에 2대의 단상 변압기를 마련할 필요도 없으므로, 장치 구성을 간략화할 수 있다.
또, 주좌 변압기(2M)의 철심 및 T좌 변압기(2T)의 철심이 일체로 형성된 것으로, 주좌 각철심(21), T좌 각철심(22) 및 공통 각철심(23)이, 평면시에 있어서 각각이 삼각형의 꼭지점에 위치하도록 배치되고, 이음 철심(24)이, 평면시에 있어서 공통 각철심(23)을 굴절점으로 하여 꺾여 구부러져 있으므로, 2개의 주 각철심(21, 22) 사이의 거리를 작게 해, 스콧 결선 변압기(2) 전체의 폭 방향의 치수를 작게 하여, 공간 절약화를 도모할 수 있다. 또, 스콧 결선 변압기(2)를 구성하는 변압기를 2세트에서 1세트로 할 수 있어, 장치를 컴팩트하게 할 수 있다.
다음으로, 본 실시 형태의 스콧 결선 변압기(2)에 대해 상술한다.
스콧 결선 변압기(2)는 3상 교류 전원으로부터의 3상 교류를 2개의 단상 교류로 변환하는 변압기이며, 주좌 변압기(2M)와 T좌 변압기(2T)로 이루어진다. 또, 주좌 변압기(2M) 및 T좌 변압기(2T)는, 1차 코일 및 2차 코일이 단일 코일로 구성된 단권 변압기이며, 주좌 변압기(2M)의 철심 및 T좌 변압기(2T)의 철심은 일체로 형성된 것이다.
구체적으로 스콧 결선 변압기(2)의 철심은, 도 6에 도시된 바와 같이, 스콧 결선된 유도 코일(11, 12)이 감긴 주 각철심(21, 22)과, 이 주 각철심(21, 22)에 생기는 자속의 공통 통로가 됨과 아울러, 서로의 자속을 직접 통하지 않게 하기 위한 공통 각철심(23)과, 주 각철심(21, 22) 및 공통 각철심(23)의 상하 각각을 연결하는 이음 철심(24)을 가지는 것이다.
한쪽의 주 각철심(21)은, 주좌 변압기(2M)의 1차 코일(주좌 1차 코일(2a)) 및 2차 코일(주좌 2차 코일(2b))로 이루어진 유도 코일(11)이 감긴 각철심이다. 또한, 이하에 있어서, 한쪽의 주 각철심(21)을 주좌 각철심(21)이라고 한다. 또, 다른 쪽의 주 각철심(22)은, T좌 변압기(2T)의 1차 권선(T좌 1차 코일(2c)) 및 2차 권선(T좌 2차 코일(2d))으로 이루어진 유도 코일(12)이 감긴 각철심이다. 또한, 이하에 있어서, 다른 쪽의 주 각철심(22)을 T좌 각철심(22)이라고 한다.
유도 코일(11)의 양단에는, 3상(U상, V상, W상) 중 2상(예를 들면 V상, W상)이 접속된다. 또, 유도 코일(12)의 한쪽 단은 유도 코일(11)의 중점에 접속되고, 유도 코일(12)의 다른 쪽 단은 3상 중 유도 코일(11)에 접속되지 않는 나머지 1상(예를 들면 U상)이 접속된다. 구체적으로는, 유도 코일(11)의 짝수 권수 N에 대해, 유도 코일(12)의 권수를 (√3/2)N이라고 하고, 유도 코일(12)의 한쪽 단을 유도 코일(11)의 N/2의 위치에 접속하도록 구성되어 있다.
본 실시 형태의 스콧 결선 변압기(2)의 스콧 결선예로서는, 유도 코일(11) 및 유도 코일(12)은 모두 권수 N의 것을 이용하는 것을 생각할 수 있다. 구체적으로는, 도 7에 도시된 바와 같이, 유도 코일(11)의 양단을 3상 교류 전원의 V상 및 W상에 접속하고, 유도 코일(12)의 일단을 유도 코일(11)의 N/2의 위치에 접속한다. 그리고 유도 코일(12)의 (√3/2) N의 위치에 3상 교류 전원의 U상을 접속한다. 이와 같이, 3상 입력 전압과 2 회로의 단상 출력 전압이 같아지도록 구성되어 있다. 추가로, 유도 코일(11)의 양단에는, 부하 Z1이 접속되어 있고, 유도 코일(12)의 양단에는 부하 Z1과 동용량의 부하 Z2가 접속되어 있다.
또, 본 실시 형태에서는, 주좌 각철심(21), T좌 각철심(22) 및 공통 각철심(23)이 평면시에 있어서 각각이 삼각형의 꼭지점에 위치하도록 배치되어 있다.
본 실시 형태의 주좌 각철심(21) 및 T좌 각철심(22)은, 도 6 및 도 8에 도시된 바와 같이, 각각 서로 이간(離間)되어 마련된 상하 방향으로 연장된 단면 대략 원형의 각철심이다. 구체적으로 주좌 각철심(21) 및 T좌 각철심(22)은, 인벌류트 형상으로 만곡된 만곡부를 가지는 다수의 자성 강판을 방사 모양으로 적층하여 원통 모양으로 형성한 단면 대략 원형의 인벌류트 철심에 의해 구성되어 있다. 또, 이 주좌 각철심(21) 및 T좌 각철심(22)은 서로 동치수의 것이며, 주좌 각철심(21)의 횡단면적 S1과 T좌 각철심(22)의 횡단면적 S2는 서로 같다.
공통 각철심(23)은, 상하 방향으로 연장된 단면 대략 원형의 각철심이다. 구체적으로 공통 각철심(23)은, 상기 각철심(21, 22)와 마찬가지로, 인벌류트 형상으로 만곡된 만곡부를 가지는 다수의 자성 강판을 방사 모양으로 적층하여 원통 모양으로 형성한 단면 대략 원형의 인벌류트 철심에 의해 구성되어 있다. 또, 이 공통 각철심(23)의 횡단면적 S3은, 주좌 각철심(21), T좌 각철심(22)의 횡단면적 S1, S2의 √2배이다. 구체적으로는, 도 6에 도시된 바와 같이, 공통 각철심(23)의 직경은 주좌 각철심(21), T좌 각철심(22)의 직경을 d라고 하면,√20.5d이다.
이음 철심(24)은, 변형 권철심에 의해 구성되어 있고, 도 6 및 도 8에 도시된 바와 같이, 주좌 각철심(21), T좌 각철심(22) 및 공통 각철심(23)의 상면을 서로 연결하는 상이음 철심(24a)과, 주좌 각철심(21), T좌 각철심(22) 및 공통 각철심(23)의 하면을 서로 연결하는 하이음 철심(24b)에 의해 구성되어 있다. 이 상이음 철심(24a) 및 하이음 철심(24b)은, 평면시에 있어서 공통 각철심(23)을 굴절점으로 하여 꺾여 구부러져 있다. 보다 상세하게는, 상이음 철심(24a) 및 하이음 철심(24b)은, 공통 각철심(23)을 중심으로 く자로 꺾여 구부러져 있다. 즉, 상이음 철심(24a) 및 하이음 철심(24b)은, 공통 각철심(23)을 중심으로 좌우 대칭 형상으로 되어 있다.
본 실시 형태에서는, 주좌 각철심(21) 및 공통 각철심(23)의 중심간 거리 L1과, T좌 각철심(22) 및 공통 각철심(23)의 중심간 거리 L2가 서로 같다. 즉, 주좌 각철심(21), T좌 각철심(22)과, 공통 각철심(23)이 평면시에 있어서 각각이 이등변 삼각형의 꼭지점에 위치하도록 배치되어 있다.
또, 본 실시 형태에서는, 상이음 철심(24a) 및 하이음 철심(24b)의 꺾여 구부러진 각도가 120도가 되도록 구성되어 있다. 구체적으로는, 평면시에 있어서, 주좌 각철심(21)의 중심과 공통 각철심(23)의 중심을 잇는 선과, T좌 각철심(22)의 중심과 공통 각철심(23)의 중심을 잇는 선이 이루는 각도가, 약 120도가 되도록 구성되어 있다. 따라서 중심간 거리 L1 및 중심간 거리 L2를 각각 D/2라고 하면, 주좌 각철심(21) 및 T좌 각철심(22)의 중심간 거리는, Dcos30°가 된다. 여기서, 이음 철심(24)을 꺾어 구부리기 전과 꺾어 구부린 후의 거리의 차는, 꺾어 구부리기 전의 주좌 각철심(21) 및 T좌 각철심(22)의 중심간 거리를 D라고 하면, 근사치이지만, D－Dcosθ=D(1－cos30°)가 된다. 그렇다면, 도 12에 도시된 종래의 방형 철심에 비해 짧아지는 거리는, 근사치로서, D(1－cos30°)－d｛(√2)0.5－(π√2)/4｝가 된다.
이와 같이 구성한 스콧 결선 변압기(2)에 의하면, 주좌 각철심(21), T좌 각철심(22)과, 공통 각철심(23)이 평면시에 있어서 각각이 삼각형의 꼭지점에 위치하도록 배치됨과 아울러, 이음 철심(24)이, 평면시에 있어서 공통 각철심(23)을 중심으로 く자로 꺾여 구부러져 있으므로, 주좌 각철심(21) 및 T좌 각철심(22)의 사이의 거리를 작게 해, 철심 전체의 폭 방향의 치수를 작게 하여, 공간 절약화를 도모할 수 있다.
또, 본 실시 형태의 스콧 결선 변압기(2)는 주좌 각철심(21) 및 공통 각철심(23)의 중심간 거리 L1과, T좌 각철심(22) 및 공통 각철심(23)의 중심간 거리 L2가 서로 같음과 아울러, 상이음 철심(24a) 및 하이음 철심(24b)이, 공통 각철심(23)을 중심으로 좌우 대칭 형상으로 되어 있으므로, 주좌 각철심(21) 및 공통 각철심(23) 사이의 자로 길이와, T좌 각철심(22) 및 공통 각철심(23) 사이의 자로 길이가 같아지므로, 주좌 각철심(21), T좌 각철심(22)의 자기 특성이 서로 동등해져, 효율 좋게 3상 교류 전원으로부터 2개의 단상 회로로 변환할 수 있다.
추가로, 본 실시 형태의 스콧 결선 변압기(2)는, 상이음 철심(24a) 및 하이음 철심(24b)이, 공통 각철심(23)을 중심으로 꺾여 구부러져 있으므로, 도 9에 도시된 바와 같이, 상이음 철심(24a) 및 하이음 철심(24b)의 가공 공정을 간략화할 수 있다. 구체적으로는, V자 모양의 홈이 형성된 성형 금형과, 선단(先端)에 V형의 돌기를 가지는 성형 금형을 이용함으로써, 권철심을 편평(扁平) 모양으로 눌러 찌그러트림과 아울러 공통 각철심(23)의 횡단면적에 맞춰서 소정의 크기로 부풀리는 공정과, 그 편평 모양으로 눌러 찌그러진 권철심을 꺾어 구부리는 공정을 1개의 공정으로 할 수 있다. 이것에 의해, 이음 철심(24)의 가공 구성을 큰 폭으로 간략화할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 실시 형태로 한정되는 것은 아니다.
예를 들면, 상기 실시 형태에서는, 각 변압기(2M, 2T)의 2차 코일(2b, 2d)이 중공 도체관으로 형성되어 있고, 상기 각 가열 도체관(3, 4)이 상기 2차 코일(2b, 2d)에 의해 구성된 것이었지만, 제1 가열 도체관(3) 및 제2 가열 도체관(4)이, 각 변압기(2M, 2T)의 2차 코일(2b, 2d)에 접속되어 통전 가열되는 것이어도 좋다. 또, 주좌 변압기(2M) 또는 T좌 변압기(2T) 중 어느 한쪽의 2차 코일이 중공 도체관으로 이루어지고, 제1 가열 도체관(3) 또는 제2 가열 도체관(4) 중 어느 한쪽이, 2차 코일에 의해 구성되는 것이어도 좋다.
또, 주좌 변압기(2M) 또는 T좌 변압기(2T) 중 적어도 한쪽에 있어서, 1차 코일이, 각철심 둘레에 있어서 2차 코일의 내측 및 외측에 각각 겹쳐서 감겨 있는 것이어도 좋다. 이것에 의해, 1차 코일의 사이에 2차 코일이 끼워지는 구성이 되어, 누설 자속을 저감시킬 수 있어, 설비 효율을 올릴 수 있다.
추가로, 1차 코일을 중공 도체관으로 구성하여, 제1 가열 도체관(3)에 유입되는 물을 예열하는 구성으로 해도 좋다. 이것에 의해, 1차 코일을 구성하는 중공 도체관에서 발생하는 저항열 및 철심의 열을 물에 줄 수 있어, 설비 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 실시 형태에서는, 주좌 변압기(2M)의 철심 및 T좌 변압기(2T)의 철심을 일체로 형성하고 있지만, 주좌 변압기(2M)의 철심 및 T좌 변압기(2T)의 철심을 별개의 철심으로 해도 좋다.
이에 더하여, 상기 실시 형태의 주좌 변압기(2M) 및 T좌 변압기(2T)를 단권 변압기로 해도 좋다. 이것이라면, 1차 코일과 2차 코일 사이의 절연을 간소하게 할 수 있어, 제작하기 쉬워짐과 아울러, 사고 발생의 리스크를 저감시킬 수 있다.
추가로 더하여, 상기 실시 형태에서는, 주좌 각철심(21) 및 공통 각철심(23)의 중심간 거리와, T좌 각철심(22) 및 공통 각철심(23)의 중심간 거리가 서로 다른 것이었지만, 주좌 각철심(21) 및 공통 각철심(23)의 중심간 거리와, T좌 각철심(22) 및 공통 각철심(23)의 중심간 거리가 서로 같은 것이어도 좋다. 즉, 주좌 각철심(21), T좌 각철심(22) 및 공통 각철심(23)이, 평면시에 있어서, 각각이 이등변 삼각형의 꼭지점에 위치하도록 배치되어 있고, 각 이음 철심(24a, 24b)은 공통 각철심(23)의 중심에 대해 좌우 대칭 형상으로 되어 있다. 이것이라면, 2개의 주 각철심(21, 22)의 자기 특성이 서로 동등해져, 효율 좋게 3상 교류 전원으로부터 2개의 단상 회로로 변환할 수 있다.
추가로 더하여, 주좌 각철심(21)의 중심과 공통 각철심(23)의 중심을 잇는 선과, T좌 각철심(22)의 중심과 공통 각철심(23)의 중심을 잇는 선이 이루는 각도는, 120도로 한정되지 않고, 예를 들면 도 10에 도시된 바와 같이, 주좌 각철심(21), T좌 각철심(22)과, 공통 각철심(23)이 평면시에 있어서 각각이 직각 삼각형의 꼭지점에 위치하도록 배치되어 있고, 공통 각철심(23)이 직각 삼각형의 꼭지점 중 직각인 꼭지점에 배치되는 것이어도 좋다. 구체적으로는, 상이음 철심(24a) 및 하이음 철심(24b)의 꺾여 구부러진 각도가 90도이며, 주좌 각철심(21)의 중심과 공통 각철심(23)의 중심을 잇는 선과, T좌 각철심(22)의 중심과 공통 각철심(23)의 중심을 잇는 선이 이루는 각도가 대략 직각이 되도록 구성되어 있다. 따라서 중심간 거리 L1 및 중심간 거리 L2를 각각 D/2라고 하면, 주좌 각철심(21) 및 T좌 각철심(22)의 중심간 거리는 D/√2가 된다. 이것이라면, 주좌 각철심(21), T좌 각철심(22)의 거리를 보다 작게 할 수 있어, 철심 전체의 폭 방향의 치수를 작게 할 수 있다. 여기서, 이음 철심(24)을 꺾어 구부리기 전과 꺾어 구부린 후의 거리의 차는, 꺾어 구부리기 전의 주좌 각철심(21) 및 T좌 각철심(22)의 중심간 거리를 D라고 하면, 근사치이지만, D－D/√2=D(1－1/√2)가 된다. 그렇다면, 도 12에 도시된 종래의 방형 철심에 비해 짧아지는 거리는, 근사치로서, D(1－1/√2)－d｛(√2)0.5－(π√2)/4｝가 된다.
또, 도 11에 도시된 바와 같이, 상이음 철심(24a) 및 하이음 철심(24b)이, 공통 각철심(23)을 굴곡점으로 하여 꺾여 구부러지지 않은 것으로 하는 것도 생각할 수 있다. 이 경우, 권철심을 편평 모양으로 눌러 찌그러트림과 아울러 공통 각철심(23)의 횡단면적에 맞춰서 소정의 크기로 부풀리는 공정과, 그 편평 모양으로 눌러 찌그러진 권철심을 꺾어 구부리는 공정의 2 공정으로 나누어 행할 필요가 있다. 이와 같이 부풀리는 공정과 꺾어 구부리는 공정을 나누어 행하면, 각 부에 주름이 들어가 버리는 등의 문제가 생겨 버리기 때문에, 여러 공정을 걸쳐서 고안된 공정이 필요해져 버린다. 따라서 상이음 철심(24a) 및 하이음 철심(24b)은, 공통 각철심(23)을 굴곡점으로 하여 꺾어 구부리는 구성의 쪽이 바람직하다.
추가로, 주좌 각철심(21), T좌 각철심(22) 및 공통 각철심(23)은, 단면 대략 원형의 것으로 한정되지 않고, 타원형이나, 다각형 등이어도 좋다.
추가로 더하여, 주좌 변압기(2M) 및 T좌 변압기(2T)는, 단권 변압기로 한정되지 않고, 복권(複卷) 변압기여도 좋다.
또, 상기 실시 형태에서는, 스콧 결선 변압기(2)를 가지는 전원 회로(200)를 과열 증기 생성 장치(100)에 적용했을 경우에 대해 설명했지만, 그 외, 주좌 변압기의 출력 전압이 T좌 변압기의 출력 전압에 대해서 상시 k×n1/n2 이상의 전압을 필요로 하는 부하이면, 제1 가열 도체관(3) 및 제2 가열 도체관(4)로 이루어진 부하로 한정되지 않고, 여러 가지의 부하를 접속할 수 있다.
그 외, 본 발명은 상기 실시 형태로 한정되지 않고, 그 취지를 일탈하지 않는 범위에서 여러 가지의 변형이 가능하다는 것은 말할 필요도 없다.
100: 과열 증기 생성 장치
200: 전원 장치
2: 스콧 결선 변압기
21: 주좌 각철심(주 각철심)
22: T좌 각철심(주 각철심)
23: 공통 각철심
24: 이음 철심
2M: 주좌 변압기
2a: 1차 코일
2b: 2차 코일
2T: T좌 변압기
2c: 1차 코일
2d: 2차 코일
3: 제1 가열 도체관
4: 제2 가열 도체관
5: 제1 제어 기기
6: 제2 제어 기기

Claims (16)

  1. 주좌(主座) 변압기 및 T좌 변압기로 이루어진 스콧 결선(Scott connection) 변압기를 가지는 전원 회로로서,
    상기 주좌 변압기의 입력측의 2상 중 한쪽에 마련되어, 전압 또는 전류를 제어하는 제1 제어 기기와,
    상기 T좌 변압기의 입력측인 1차 코일의 일단측에 마련되어, 전압 또는 전류를 제어하는 제2 제어 기기를 구비하고,
    상기 주좌 변압기의 2차 코일의 권수(卷數)를 n1, 상기 T좌 변압기의 2차 코일의 권수를 n2, 상기 주좌 변압기의 여자(勵磁) 임피던스와 상기 T좌 변압기의 여자 임피던스로부터 구해지는 계수를 k라고 했을 때에, 상기 주좌 변압기의 출력 전압이 상기 T좌 변압기의 출력 전압에 대해서 k×n1/n2 이상의 전압을 필요로 하는 부하에 접속된 상태에서, 상기 제1 제어 기기 및 상기 제2 제어 기기가, 상기 주좌 변압기의 출력 전압과 상기 T좌 변압기의 출력 전압을 개별로 제어하는 것을 특징으로 하는 전원 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 주좌 변압기의 2차 코일의 권수와 상기 T좌 변압기의 2차 코일의 권수가 같은 전원 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 주좌 변압기 또는 상기 T좌 변압기 중 적어도 한쪽이, 단권(單卷) 변압기인 전원 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 주좌 변압기의 철심 및 상기 T좌 변압기의 철심이 일체로 형성된 것인 전원 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 주좌 변압기 또는 상기 T좌 변압기 중 적어도 한쪽이, 단면 원형 모양의 각철심(脚鐵心)과, 당해 각철심의 상하에 접속되는 변형 권철심(卷鐵心)으로 이루어진 이음 철심(繼鐵心)을 가지는 전원 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 스콧 결선 변압기가,
    스콧 결선된 코일이 감기는 2개의 주 각철심과,
    상기 2개의 주 각철심에 생기는 자속(磁束)의 공통 통로가 되는 공통 각철심과,
    상기 2개의 주 각철심 및 상기 공통 각철심의 상하 각각을 연결하는 이음 철심을 구비하고,
    상기 2개의 주 각철심 및 상기 공통 각철심이, 평면시에 있어서 각각이 삼각형의 꼭지점(頂点)에 위치하도록 배치되고,
    상기 이음 철심이, 평면시에 있어서 상기 공통 각철심을 굴절점(屈折点)으로 하여 꺾여 구부러져 있는 전원 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 2개의 주 각철심 중 한쪽 및 상기 공통 각철심 사이의 거리와, 상기 2개의 주 각철심 중 다른 쪽 및 상기 공통 각철심 사이의 거리가, 서로 같은 전원 장치.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 2개의 주 각철심 및 상기 공통 각철심이, 평면시에 있어서 각각이 직각 삼각형의 꼭지점에 위치하도록 배치되고,
    상기 공통 각철심이, 상기 직각 삼각형의 꼭지점 중 직각인 꼭지점에 위치하도록 배치되는 전원 장치.
  9. 주좌 변압기 및 T좌 변압기로 이루어진 스콧 결선 변압기를 가지고, 상기 주좌 변압기의 입력측의 2상 중 한쪽에 전압 또는 전류를 제어하는 제1 제어 기기가 마련되고, 상기 T좌 변압기의 입력측인 1차 코일의 일단측에 전압 또는 전류를 제어하는 제2 제어 기기가 마련된 전원 장치의 사용 방법으로서,
    상기 주좌 변압기의 2차 코일의 권수를 n1, 상기 T좌 변압기의 2차 코일의 권수를 n2, 상기 주좌 변압기의 여자 임피던스와 상기 T좌 변압기의 여자 임피던스로부터 구해지는 계수를 k라고 했을 때에, 상기 주좌 변압기의 출력 전압이 상기 T좌 변압기의 출력 전압에 대해서 k×n1/n2 이상의 전압을 필요로 하는 부하에 접속된 상태에서, 상기 제1 제어 기기 및 상기 제2 제어 기기에 의해, 상기 주좌 변압기의 출력 전압과 상기 T좌 변압기의 출력 전압을 개별로 제어하는 것을 특징으로 하는 전원 장치의 사용 방법.
  10. 주좌 변압기 및 T좌 변압기로 이루어진 스콧 결선 변압기와,
    상기 주좌 변압기의 출력에 의해 통전(通電) 가열되어서, 물로부터 포화 수증기를 발생시키는 제1 가열 도체관과,
    상기 T좌 변압기의 출력에 의해 통전 가열되어서, 상기 제1 가열 도체관에 의해 발생한 포화 수증기로부터 과열 수증기를 발생시키는 제2 가열 도체관을 구비하고,
    상기 주좌 변압기의 입력측의 2상 중 한쪽에 전압 또는 전류를 제어하는 제1 단상 제어 기기가 마련되어 있고,
    상기 T좌 변압기의 입력측인 1차 코일의 일단측에 전압 또는 전류를 제어하는 제2 단상 제어 기기가 마련되어 있으며,
    상기 제1 단상 제어 기기 및 상기 제2 단상 제어 기기에 의해, 상기 주좌 변압기의 출력 전압과 상기 T좌 변압기의 출력 전압을 개별로 제어하는 과열 수증기 생성 장치.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 주좌 변압기 또는 상기 T좌 변압기 중 적어도 한쪽이, 각철심의 둘레에 감긴 1차 코일과, 상기 각철심의 둘레에 상기 1차 코일에 겹쳐서 감긴 2차 코일을 가지고 있는 과열 수증기 생성 장치.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 2차 코일이 중공(中空) 도체관으로 이루어져서, 상기 제1 가열 도체관 또는 상기 제2 가열 도체관을 구성하고 있는 과열 수증기 생성 장치.
  13. 청구항 11에 있어서,
    상기 1차 코일이, 상기 각철심 둘레에 있어서 상기 2차 코일의 내측 및 외측에 각각 겹쳐서 감겨 있는 과열 수증기 생성 장치.
  14. 청구항 11에 있어서,
    상기 1차 코일이 중공 도체관으로 이루어져서, 상기 제1 가열 도체관에 유입되는 물을 예열하는 것인 과열 수증기 생성 장치.
  15. 청구항 10에 있어서,
    상기 주좌 변압기 또는 상기 T좌 변압기 중 적어도 한쪽의 각철심이, 인벌류트(involute) 형상으로 만곡된 만곡부를 가지는 다수의 자성(磁性) 강판을 방사(放射) 모양으로 적층하여 원통 모양으로 형성한 원통 모양의 인벌류트 철심인 과열 수증기 생성 장치.
  16. 주좌 변압기 및 T좌 변압기로 이루어진 스콧 결선 변압기에 이용되는 철심으로서,
    스콧 결선된 코일이 감기는 2개의 주 각철심과,
    상기 2개의 주 각철심에 생기는 자속의 공통 통로가 됨과 아울러 코일이 감기지 않은 공통 각철심과,
    상기 2개의 주 각철심 및 상기 공통 각철심의 상하 각각을 연결하는 이음 철심을 구비하고,
    한쪽의 상기 주 각철심에는, 상기 주좌 변압기의 1차 권선 및 2차 권선으로 이루어진 유도 코일이 감기고,
    다른 쪽의 상기 주 각철심에는, 상기 T좌 변압기의 1차 권선 및 2차 권선으로 이루어진 유도 코일이 감기고,
    상기 2개의 주 각철심 및 상기 공통 각철심이, 평면시에 있어서 삼각형의 꼭지점에 위치하도록 배치되며,
    상기 이음 철심이, 평면시에 있어서 상기 공통 각철심을 굴절점으로 하여 꺾여 구부러져 있는 스콧 결선 변압기용 철심.
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