KR102222128B1 - 와전류손실이 저감된 변압기 및 변압기 와전류손실 계산 방법 - Google Patents

와전류손실이 저감된 변압기 및 변압기 와전류손실 계산 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 와전류손실이 저감된 변압기는 코어;와, 상기 코어에 감기는 저압포일권선부재; 및 상기 코어에 감기는 고압포일권선부재;를 포함하고, 상기 저압포일권선부재 및 상기 고압포일권선부재 중 적어도 하나는 그 높이 방향으로 비연속되게 구비될 수 있다.

Description

와전류손실이 저감된 변압기 및 변압기 와전류손실 계산 방법{Transformer with reduced eddy current and Calculation method of eddy current}
본 발명은 와전류손실이 저감된 변압기 및 변압기 와전류손실 계산 방법에 관한 것이다.
도 1에서 보이듯, 통상의 변압기는 코어(10)에 복수의 권선(20)이 감기는 구조를 가지며, 한 쪽의 권선으로 전력이 입력된 후, 다른 쪽의 권선으로 전력이 출력되는 방식을 취한다.
전력용 변압기는 와이어, 포일(foil), 시트(sheet) 형태의 권선을 사용하며, 상기 권선(20)은 도전체로서 저압권선(21) 및 고압권선(22)을 포함할 수 있다.
이러한 권선에는 와전류손실이 발생할 수 있는데, 권선의 와전류손실은 저압권선(21) 및 고압권선(22)에 의해 발생하는 자속의 영향으로 권선의 저항손실과는 달리 유도현상에 의해 발생하는 손실이다.
한편, 도 2에는 권선 특히, 저압권선(21)의 와전류손실에 영향을 미치는 자속흐름이 도시되어 있다.
이를 참조하면, 저압권선(21)의 중앙부(21b)에는 수직 방향의 자속이 높게 발생하며, 상부(21a) 및 하부(21c)에는 수평 방향의 자속이 높게 발생하는 것을 알 수 있다.
이처럼 권선에는 서로 다른 방향의 자속이 발생하므로 변압기의 와전류손실을 절감하기 위해서는 권선의 자속분포를 고려해야 한다.
KR 10-2019-0064787 A (2019.06.11)
본 발명은 변압기 와전류손실 계산의 정확도를 높이고, 변압기 와전류손실을 저감하는 것을 일 목적으로 한다.
본 발명에 따른 와전류손실이 저감된 변압기는 코어; 상기 코어에 감기는 저압포일권선부재; 및 상기 코어에 감기는 고압포일권선부재를 포함하고, 상기 저압포일권선부재 및 상기 고압포일권선부재 중 적어도 하나는 적어도 하나의 노치를 포함하며, 상기 노치는, 상기 저압포일권선부재 및 상기 고압포일권선부재의 최저점으로부터 일정거리 이격된 지점인 제1 집중영역, 및 상기 저압포일권선부재 및 상기 고압포일권선부재의 최고점으로부터 일정거리 이격된 지점인 제2 집중영역에 존재하게 구비되고, 상기 일정거리는 상기 저압포일권선부재 및 상기 고압포일권선부재의 높이의 5% 이내이며, 상기 노치는 상부 노치 및 하부 노치를 포함하고, 상기 상부 노치는 높이방향으로 상호 이격된 제1 상부 노치 및 제2 상부 노치를 포함할 수 있다.
삭제
삭제
한편 다른 측면으로서의 본 발명은 변압기 와전류손실 계산 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 변압기 와전류손실 계산 방법은 Peddy =
Figure 112019077699440-pat00001
[W/m3] 에 의해 손실밀도를 계산하되, Peddy=손실밀도, f=주파수[Hz], Br=수평방향 자속[T], h=포일 권선의 높이[m], Bz=수직방향 자속[T], b=포일 권선의 폭[m], ρ=저항율[
Figure 112019077699440-pat00002
]일 수 있다.
또한, 변압기의 상기 손실밀도로 변압기 포일 권선의 특정 영역의 와전류손실(A)을B × C에 의해 계산하되, B=상기 손실밀도(Peddy), C=특정 영역의 체적일 수 있다.
본 발명에 따르면 변압기 와전류손실 계산의 정확도를 높이고, 변압기 와전류손실을 저감할 수 있다.
도 1은 통상의 변압기의 코어 및 권선을 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 통상의 변압기 권선의 자속분포를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 변압기의 코어 및 권선을 개략적으로 도시한 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 저압포일권선부재를 개략적으로 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 일 실시 예에 따른 저압포일권선부재를 개략적으로 도시한 것이다.
도 6 및 도 7은 와전류손실 발생 결과를 도시한 것이다.
도 8은 본 발명에 따른 변압기 와전류손실 계산 방법을 개략적으로 도시한 것이다.
본 발명의 실시 예에 관한 설명의 이해를 돕기 위하여 첨부된 도면에 동일한 부호로 기재된 요소는 동일한 요소이고, 각 실시예에서 동일한 작용을 하게 되는 구성요소 중 관련된 구성요소는 동일 또는 연장 선상의 숫자로 표기하였다.
또한, 본 발명의 요지를 명확히 하기 위하여 종래의 기술에 의해 익히 알려진 요소와 기술에 대한 설명은 생략하며, 이하에서는, 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명에 관하여 상세히 설명하도록 한다.
다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하고, 당업자에 의해 특정 구성요소가 추가, 변경, 삭제된 다른 형태로도 제안될 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명과 동일한 사상의 범위 내에 포함됨을 밝혀 둔다.
이하, 첨부된 도면에서의 X축은 변압기 길이 방향이고, Y축은 변압기 폭 방향이며, Z축은 변압기 높이 방향이다.
도 3에서 보이듯, 본 발명의 일 실시 예에 따른 변압기는 코어(110), 상기 코어에 감기는 저압포일권선부재(120) 및 상기 코어에 감기는 고압포일권선부재(130)를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 저압포일권선부재(120) 및 상기 고압포일권선부재(130) 중 적어도 하나는 그 높이 방향 즉, Z축 방향으로 비연속되게 구비될 수 있다.
또한, 상기 저압포일권선부재(120) 및 상기 고압포일권선부재(130) 중 적어도 하나는, 적어도 하나의 노치(140)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서는 상기 저압포일권선부재(120)에 그 둘레방향으로 연속되는 노치(140)가 마련될 수 있고, 상기 노치(140)에 의해 저압포일권선부재(120)는 Z축 방향으로 비연속된다.
따라서, 상기 저압포일권선부재(120) 의 체적은 Z축 방향으로 비연속된다.
도 4에는 본 발명의 일 실시 예에 따른 저압포일권선부재(120)의 일부 영역이 도시되어 있다.
상기 노치(140)는 상기 저압포일권선부재(120)의 상부 영역 및 하부 영역에 마련될 수 있다.
이에 따르면, 저압포일권선부재(120)의 상부 영역 및 하부 영역에서 자속집중으로 인해 발생할 수 와전류손실을 저감할 수 있다.
또한, 저압포일권선부재(120)는 상부 영역 및 하부 영역에서 수평자속이 상대적으로 높기 때문에 이 영역에 노치(140)를 마련하게 되면 저압포일권선부재(120)의 체적이 비연속되게 할 수 있고, 상기 상부 영역 및 하부 영역을 분할함으로써 저압포일권선부재(120)의 와전류손실을 저감할 수 있는 효과가 있다.
특히, 저압포일권선부재(120)로 박판(foil) 형태의 알루미늄을 사용하면서, 상기 저압포일권선부재(120)의 높이가 높아질수록 상기 노치(140)에 의한 와전류손실의 저감효과는 더욱 극대화되게 된다.
본 발명의 일 실시 예에서 상기 노치(140)는 상기 저압포일권선부재(120)의 Z축 방향의 최저점에서부터 상기 Z축이 증가하는 방향으로 일정거리 이격된 지점인 제1 집중영역 및 상기 저압포일권선부재(120)의 Z축 방향의 최고점에서부터 Z축이 감소하는 방향으로 일정거리 이격된 지점인 제2 집중영역에 존재하게 구비될 수 있다.
이 영역은 통상 수평방향의 자속이 집중되는 영역이다.
본 발명의 일 실시 예에서 상기 제1 집중영역 및 상기 제2 집중영역은 저압포일권선부재(120)의 최저점 및 최고점에서부터 상기 저압포일권선부재(120)의 높이의 5% 이내에 해당하는 거리만큼 각각 이격된 위치에 존재할 수 있다.
따라서 제1 집중영역에는 상부 노치(141)가 마련될 수 있고, 제2 집중영역에는 하부 노치(142)가 구비될 수 있다.
이때, 상기 상부 노치(141) 및 상기 하부 노치(142)의 적어도 일부가 상기 제1 집중영역 및 상기 제2 집중영역에 존재하도록 상기 노치(140)가 마련될 수 있다.
바람직하게 상기 상부 노치(141) 및 상기 하부 노치(142)의 Z축 방향으로의 수치는 적어도 5mm일 수 있다. 이에 따르면 몰드 변압기의 캐스팅 시에 상기 상부 노치(141) 및 하부 노치(142)에 레진(일예로 에폭시)이 잘 충진될 수 있게 하는 효과가 있다.
또한, 상기 상부 노치(141)는 Z축 방향으로 동일한 높이 상에서 복수개가 상호 이격되어 마련될 수 있고, 이는 하부 노치(142)에도 동일하게 적용할 수 있다.
더하여, 상기 상부 노치(141) 및 하부 노치(142)의 X축 방향으로의 길이가 저압포일권선부재(120)의 X축 방향으로의 전체 길이의 적어도 40%일 수 있다. 이에 따르면 변압기 권선의 강성이 저하되는 것과 변압기 권선의 처짐이 발생하는 것을 억제할 수 있다.
일예로, 상기 상부 노치(141) 및 상기 하부 노치(142)의 X축 방향으로의 길이가 저압포일권선부재(120)의 X축 방향으로의 전체 길이의 40%를 초과하는 경우에는 별도의 스페이서(미도시)를 추가하여 권선의 강성 저하 및 처짐을 방지할 수 있다.
이때, 상기 상부 노치(141) 및 상기 하부 노치(142)의 X축 방향으로의 길이의 최대치는 저압포일권선부재(120)의 X축 방향으로의 전체 길이의 90%로 하는 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 일 실시 예에서 상기 저압포일권선부재(120)는 도 5에서 보이듯, Z축 방향으로 나란히 배치되는 복수의 상부 노치(141) 및 하부 노치(142)를 포함할 수 있다.
상기 상부 노치(141)는 Z축 방향으로 상호 일정 거리 이격된 제1 상부 노치(143) 및 제2 상부 노치(144)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 하부 노치(142)도 Z축 방향으로 상호 일정 거리 이격된 제1 하부 노치(145) 및 제2 하부 노치(146)를 포함할 수 있다.
이에 따르면 변압기 구축 작업의 편의성 및 효율성이 향상될 수 있고, 저압포일권선부재(120)의 양측 끝단에서부터 상기 상부 노치(141) 및 상기 하부 노치(142)까지의 거리가 멀어질수록 와전류손실 절감효과가 줄어드는 현상을 방지할 수 있다.
일 실시 예에서 상기 제1 상부 노치(143) 및 상기 제2 상부 노치(144) 간의 Z축 방향으로의 이격거리는 저압포일권선부재(120)의 Z축 방향 전체 높이의 적어도 2%에 해당하는 거리일 수 있다. 이에 따르면 변압기 와전류손실 저감 효과를 최대화할 수 있다.
도 6 및 도 7에는 본 발명의 노치가 없는 권선을 포함하는 변압기의 와전류손실(Original), 저압포일권선부재의 상부 및 하부 끝단에서부터 일정 거리 상에 노치를 설치한 변압기의 와전류손실(single cut), 저압포일권선부재의 상부 및 하부 끝단에서부터 일정 상에 복수개가 설치되되, 상호 이격된 복수의 노치를 설치한 변압기의 와전류손실(double cut)이 도시되어 있다.
이를 참조하면, 저압포일권선부재의 높이가 1200mm인 경우, 전체적으로 복수의 노치를 설치한 변압기의 와전류손실(double cut)이 가장 적은 것을 알 수 있고, 저압포일권선부재의 높이가 990mm인 경우에도 전체적으로 복수의 노치를 설치한 변압기의 와전류손실(double cut)이 가장 적은 것을 알 수 있다.
또한, 저압포일권선부재의 높이가 1200mm인 경우에는 저압포일권선부재의 각 단부로부터 24mm 상에 노치를 설치했을 때이면서 double cut 일때 와전류손실 저감 효과가 가장 크고, 저압포일권선부재의 높이가 990mm인 경우에는 저압포일권선부재의 각 단부로부터 20mm 상에 노치를 설치했을 때이면서 double cut 일때 와전류손실 저감 효과가 가장 큰 것을 알 수 있다.
한편 다른 측면으로서의 본 발명은 도 8에서 보이듯, 손실밀도를 계산하는 단계(S110), 특정 영역의 와전류손실을 계산하는 단계(S120)를 포함하는 변압기 와전류손실 계산 방법을 제공한다.
이때, 상기 손실밀도를 계산하는 단계는 변압기 포일 권선의 수평방향 자속을 반영하는 단계(S111)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서는 아래 [계산식 1]에 의해 손실밀도를 계산하고, 아래 [계산식 2]에 의해 와전류손실을 계산할 수 있다.
[계산식 1]
Peddy =
Figure 112019077699440-pat00003
[W/m3]
이때,Peddy=손실밀도, f=주파수[Hz], Br=수평방향 자속[T], h=포일 권선의 높이[m], Bz=수직방향 자속[T], b=포일 권선의 폭[m], ρ=저항율[
Figure 112019077699440-pat00004
]이다.
위와 같이 계산된 변압기의 상기 손실밀도(Peddy)로 변압기 포일 권선의 특정 영역의 와전류손실(A)을 아래 [계산식 2]에 의해 계산할 수 있다.
[계산식 2]
해당 영역 와전류손실(A)=손실밀도(B)×해당 영역의 체적(C)
이때, B=상기 손실밀도(Peddy)이고, C=특정 영역의 체적이다.
위와 같이 본 발명의 [계산식 1] 및 [계산식 2]에서는 수평방향 자속을 반영하므로 자속 방향을 고려한 와전류손실을 계산할 수 있고, 와전류손실 계산값의 정확도를 높일 수 있다.
이상에서 설명한 사항은 본 발명의 일 실시예에 관하여 설명한 것이며, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것이 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당해 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.
110 : 코어 120 : 저압포일권선부재
130 : 고압포일권선부재 140 : 노치

Claims (5)

  1. 코어;
    상기 코어에 감기는 저압포일권선부재; 및
    상기 코어에 감기는 고압포일권선부재
    를 포함하고,
    상기 저압포일권선부재 및 상기 고압포일권선부재 중 적어도 하나는 적어도 하나의 노치를 포함하며,
    상기 노치는, 상기 저압포일권선부재 및 상기 고압포일권선부재의 최저점으로부터 일정거리 이격된 지점인 제1 집중영역, 및 상기 저압포일권선부재 및 상기 고압포일권선부재의 최고점으로부터 일정거리 이격된 지점인 제2 집중영역에 존재하게 구비되고,
    상기 일정거리는 상기 저압포일권선부재 및 상기 고압포일권선부재의 높이의 5% 이내이며,
    상기 노치는 상부 노치 및 하부 노치를 포함하고,
    상기 상부 노치는 높이방향으로 상호 이격된 제1 상부 노치 및 제2 상부 노치를 포함하고,
    상기 하부 노치는 높이방향으로 상호 이격된 제1 하부 노치 및 제2 하부 노치를 포함하는, 와전류손실이 저감된 변압기.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. Peddy =
    Figure 112019077699440-pat00005
    [W/m3] 에 의해 손실밀도를 계산하되,
    Peddy=손실밀도, f=주파수[Hz], Br=수평방향 자속[T], h=포일 권선의 높이[m], Bz=수직방향 자속[T], b=포일 권선의 폭[m], ρ=저항율[
    Figure 112019077699440-pat00006
    ]인 변압기 와전류손실 계산 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    변압기의 상기 손실밀도로 변압기 포일 권선의 특정 영역의 와전류손실(A)을B × C에 의해 계산하되, B=상기 손실밀도(Peddy), C=특정 영역의 체적인 것을 특징으로 하는 변압기 와전류손실 계산 방법.

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