KR102345696B1

KR102345696B1 - 리액터 일체형 변압기

Info

Publication number: KR102345696B1
Application number: KR1020170172143A
Authority: KR
Inventors: 김수용; 신덕식; 조주희; 이상택
Original assignee: 한국전자기술연구원
Priority date: 2017-12-14
Filing date: 2017-12-14
Publication date: 2021-12-31
Also published as: KR20190071258A

Abstract

본 발명에 따른 리액터 일체형 변압기는 변압기 코어와 리액터 코어를 함께 감싸는 1차측 권선을 포함하여 이루어지며, 1차측 권선의 일부는 변압기 코어만을 감싸도록 구성된다. 이를 위하여, 리액터 코어의 높이를 변압기 코어보다 짧게 구성하고, 1차측 권선의 일부는 리액터 코어의 상단과 변압기 코어의 상단 사이에서 변압기 코어에만 감기도록 구성된다. 리액터 권선과 변압기의 1차측 권선을 공용으로 사용하도록 하여 리액터와 변압기를 일체화하면서도, 리액터 코어에 감기는 턴 수를 조절하여 리액터의 인덕턴스 값을 만들 수 있다. 이에 따라, 동손 및 권선 전압 강하를 줄일 수 있으며, 자로의 길이를 줄여 더욱 작은 크기의 리액터를 구현할 수 있다. 또한, 재료비를 절감하고, 소형화 및 경량화를 달성하여 점점 더 컴팩트화 되어가는 인버터 시장의 요구에 부응할 수 있게 된다.

Description

리액터 일체형 변압기{ Reactor Integrated Transformer }

본 발명은 리액터 일체형 변압기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 리액터와 변압기를 일체형으로 구성하여 출력밀도를 높이고, 공극의 크기를 늘리지 않고도 턴 수를 조절하여 리액터의 인덕턴스 값을 조절할 수 있도록 한 리액터 일체형 변압기에 관한 것이다.

통상적으로 계통 연계형 인버터는 대표적인 대체 에너지원인 태양광을 이용 하는 태양전지 또는 연료전지로부터 출력되는 직류 전원을 인버터 스위치와 변압기를 이용하여 교류 전원으로 변환한 후, 소정의 전력계통으로 교류 변환된 전력을 공급하는 전력변환 장치를 지칭한다.

이러한 계통 연계형 인버터는 일반적으로 장치의 소형 경량화 및 전력 변환의 고효율화가 요구되고, 장치의 성능면에서는 교류 변환된 전류 파형의 왜율 최소화가 요구된다.

그런데, 종래 계통 연계형 인버터는 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 인버터 스위치의 스위칭 속도를 증가시키고, 별도의 직렬 리액터(Reactor)를 추가하거나 변압기에 갭(Gap)을 추가하여 기생(Leakage) 리액턴스의 값을 증가시키는 형태로 개발되고 있다.

도 1은 종래의 계통 연계형 인버터를 보인 것으로서, 태양전지 또는 연료전지와 같이 직류전압을 발전하여 출력하는 직류전압원(Vdc), 직류전압원(Vdc)을 입력으로 하여 순시 전류를 공급하고 직류단의 서지와 리플을 감소시키는 직류전압 링크용 커패시터(Cd), 직류전압 링크용 커패시터(Cd)에서 출력되는 직류전압을 교류의 구형파 전압으로 변환하는 반도체 소자, 예컨대 IGBT로 이루어진 S1 내지 S4로 구성된 스위칭부(11), 스위칭부(11)로부터 출력된 구형파 전압을 정현파로 필터링하고, 정현파로 필터링된 전원전압을 다시 미리 설정된 적정 비율의 권선수에 따라 승압 또는 감압하여 계통 전원과 연계되도록 하는 리액터(Lp)와 변압기(TR), 변압기(TR)로부터 출력된 전류의 리플을 저감시키는 저역 통과 필터용 교류 커패시터(Cp), 및 계통 연계 리액터(Lo) 등으로 이루어진다.

이와 같이 종래의 계통 연계형 인버터는 인버터 스위칭 주파수를 제거하기 위하여 리액터(Lp)와 절연변압기(TR)를 사용하는 것이 필수적인데, 리액터(Lp)와 변압기(TR)를 각각 개별적으로 구현하여 사용하게 되면, 전체 인버터 시스템을 소형화 및 경량화하는데 어려움이 있다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 리액터와 변압기를 일체형으로 구성하여 인버터 시스템을 소형화 및 경량화할 수 있도록 하면서도, 턴 수를 조절하여 리액터의 인덕턴스 값을 조절할 수 있는 리액터 일체형 변압기를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 리액터 일체형 변압기는, 변압기 코어; 상기 변압기 코어와 이격 배치되는 리액터 코어; 상기 변압기 코어와 리액터 코어를 함께 감싸는 1차측 권선; 및 상기 변압기 코어만을 감싸는 2차측 권선을 포함하여 이루어지며, 상기 1차측 권선의 일부는 상기 변압기 코어만을 감싸도록 구성된다.

이를 위하여, 상기 리액터 코어의 높이는 상기 변압기 코어보다 짧게 구성하고, 상기 1차측 권선의 일부는 상기 리액터 코어의 상단과 상기 변압기 코어의 상단 사이에서 상기 변압기 코어에만 감기도록 구성된다.

상기 1차측 권선 중 상기 변압기 코어와 리액터 코어를 모두 감싸는 부분의 턴 수는 리액터의 인덕턴스 값에 따라 결정될 수 있다.

본 발명에 따르면, 리액터 권선과 변압기의 1차측 권선을 공용으로 사용하도록 하여 리액터와 변압기를 일체화할 수 있다.

특히, 리액터 코어의 크기를 변압기 코어보다 작게 구성하여 1차측 권선을 구분하여 감을 수 있는 공간을 확보함으로써, 리액터 코어에 감기는 턴 수를 조절하여 원하는 인덕턴스 값을 만들 수 있다.

이에 따라, 동손 및 권선 전압 강하를 줄일 수 있으며, 자로의 길이를 줄여 더욱 작은 크기의 리액터를 구현할 수 있고, 누설 인덕턴스를 감소시켜 손실을 줄일 수 있다. 또한, 재료비를 절감할 수 있으며, 소형화 및 경량화에 유리하여 점점 더 컴팩트화 되어가는 인버터 시장의 요구에 부응할 수 있게 된다.

도 1은 종래 계통 연계형 인버터의 예,
도 2는 리액터 일체형 변압기의 예,
도 3은 도 2에 도시된 리액터 일체형 변압기에서 1차측 권선과 2차측 권선을 감는 방법을 설명하는 예,
도 4는 도 2에 도시된 리액터 일체형 변압기의 코어를 설명하는 예,
도 5는 본 발명에서 1차측 권선의 일부가 변압기 코어만을 감싸도록 구성되는 것을 설명하는 예,
도 6은 본 발명에 따른 리액터 일체형 변압기의 코어를 설명하는 예,
도 7은 본 발명에 따른 리액터 일체형 변압기에서 1차측 권선과 2차측 권선을 감는 방법을 설명하는 예이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다.

그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도면들에 있어서, 본 발명의 실시 예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니며 명확성을 기하기 위하여 과장된 것이다. 본 명세서에서 특정한 용어들이 사용되었으나. 이는 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이며, 의미 한정이나 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 권리 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다.

본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

도 2는 리액터 일체형 변압기(100)의 일 예를 보인 것이고, 도 3은 도 2에 도시된 예에서 1차측 권선(130)과 2차측 권선(140)을 감는 방법을 단면도의 형식으로 보인 것이다.

리액터 일체형 변압기(100)는 변압기 코어(110), 리액터 코어(120), 1차측 권선(130), 및 2차측 권선(140)을 포함하여 구성될 수 있다.

변압기 코어(110)는 E자 형상으로 구성될 수 있으며, 브릿지의 둘레를 따라 변압기의 2차측 권선(140)이 형성된다.

리액터 코어(120) 역시 변압기 코어(110)와 동일한 형상의 E자 형상으로 구성될 수 있으며, 변압기 코어(110)와 소정 간격으로 이격되어 변압기 코어(110)와 평행하게 배치된다.

1차측 권선(130)은 변압기 코어(110)와 리액터 코어(120)를 함께 감싸도록 구성된다. 이와 같은 구조에 의해 1차측 권선(130)은 리액터 권선으로서의 역할도 수행하게 된다. 특히, 1차측 권선(130) 전체가 모두 변압기 코어(110)와 리액터 코어(120)를 함께 감싸고 있다.

리액터 코어(120)는 직렬 리액터의 열할을 수행하기 위한 것이고, 1차측 권선(130)에서 발생되는 자속 중에서 리액터 코어(120)의 단면적을 쇄교하는 자속은 변압기의 1차측 직렬 리액턴스를 증가시킨다.

즉, 리액터와 변압기를 각각 개별적으로 구성하는 경우에는 (리액터 코어) + (리액터 권선) + (변압기 코어) + (변압기 1차측 권선) + (변압기 2차측 권선)과 같은 구성물이 필요하다.

그러나, 도 2에 도시된 예와 같이 리액터 일체형 변압기(100)를 구성하면, 리액터 권선과 변압기 1차측 권선은 공용으로 사용하게 되므로, (리액터 코어) + (변압기 코어) + (변압기 1차측 권선) + (변압기 2차측 권선)의 구성물만으로 같은 성능을 발휘할 수 있다.

한편, 도 2의 변압기 코어(110)와 리액터 코어(120)는 도 4에 도시된 바와 같이 구성될 수 있으며, 리액터 코어(120)에는 공극(127)이 형성되어 있다.

도 2와 도 3에 도시된 예와 같은 형태로 권선을 감게 되면, 1차측 권선(130)의 턴 수가 리액터의 인덕턴스 값에 그대로 영향을 미치는데, 리액터의 인덕턴스 값은 아래의 수학식 1과 같이 구해질 수 있다.

여기서 N은 1차측 권선의 턴(Turn) 수, R은 리액터의 자기 저항, μ는 투자율, A는 리액터의 단면적, l은 리액터 자로의 길이를 나타낸다.

상기 수학식 1을 살펴보면 인던턴스 측면에서 자속이 흐르는 자로의 길이는 짧을수록, 자속이 흐르는 단면의 넓이는 넓을수록 유리하다. 그러나, 도 2에서와 같이 구성하면, 단면적은 좁고, 자로의 길이는 길게 된다. 이와 같은 경우 긴 자로에서 누설이 발생할 수 있고, 좁은 단면적에 의해 코어의 국부적 포화가 발생하여 손실이 발생할 수 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명에 따른 리액터 일체형 변압기는 기본적으로 1차측 권선(130)이 변압기 코어(110)와 리액터 코어(120)를 함께 감싸도록 구성되지만, 1차측 권선(130)의 적어도 일부는 변압기 코어(110)만을 감싸도록 구성된다.

도 5를 참조하자면, 본 발명에 따른 리액터 일체형 변압기는 1차측 권선(130) 중 일부분(130-2)은 변압기 코어(110)와 리액터 코어(120)를 함께 감싸도록 구성되고, 1차측 권선(130)의 나머지 부분(130-1)은 변압기 코어(110)만 감싸도록 구성된다.

이와 같이, 1차측 권선(130)의 일부가 변압기 코어(110)와 리액터 코어(120)를 함께 감싸고, 1차측 권선(130)의 나머지 일부는 변압기 코어(110)만을 감싸도록 구성하는 방법은 다양하게 구성될 수 있다.

도 6은 본 발명에 따른 리액터 일체형 변압기(200)의 코어 구조를 보인 예이고, 도 7은 1차측 권선(130)과 2차측 권선(140)을 감는 방법의 예를 단면도의 형식으로 보인 것이다.

본 발명에 따른 리액터 일체형 변압기(200)는 변압기 코어(110), 변압기 코어(110)와 이격 배치되는 리액터 코어(120), 변압기 코어(110)와 리액터 코어(120)를 함께 감싸는 1차측 권선(130), 및 변압기 코어(110)만을 감싸는 2차측 권선(140)을 포함하여 이루어진다.

이때, 리액터 코어(120)의 높이는 변압기 코어(110)보다 작도록 구성된다.

1차측 권선(130)의 일부(130-1)는 리액터 코어(120)의 상단과 변압기 코어(110)의 상단 사이(d1)에서 변압기 코어(110)에만 감기도록 구성되고, 1차측 권선(130)의 나머지 부분(130-2)은 'd2'로 표시된 곳에서 리액터 코어(120)와 변압기 코어(110)에 함께 감기도록 구성된다.

도 7a는 도 6의 'd2'로 표시된 부분 중 한 지점에서의 횡측 단면을 위쪽에서 본 예를 보인 것이고, 도 7b는 도 6의 'd1'로 표시된 부분 중 한 지점에서의 횡측 단면을 위쪽에서 본 예를 보인 것이다.

본 발명에 따르면, 변압기 코어(110)와 리액터 코어(120)의 형상을 동일하게 하지 않고, 리액터 코어(120)의 높이를 변압기 코어(110)에 비해 짧게 함으로써, 자로의 길이를 줄여 누설을 줄일 수 있다.

즉, 리액터 코어(120)의 높이가 짧아져서 남는 공간에는 변압기의 1차측 권선(130-1)을 감는다. 이 부분의 1차측 권선(130-1)은 리액터 코어(120)와 변압기 코어(110)를 모두 통과하지 않기 때문에 1턴의 길이가 줄어들며, 이는 1차측 권선 저항의 감소로 이어지고, 권선 전압 강하와 권선 저항에 의한 동손을 줄일 수 있게 해준다.

1차측 권선(130) 중 일부만 리액터 코어(120)에 감기 때문에, 공극에 의해서가 아니라 리액터 코어(120)에 감는 턴 수를 조절하여 원하는 인덕턴스 값을 만들 수 있다. 즉, 1차측 권선(130) 중 변압기 코어(110)와 리액터 코어(120)를 모두 감싸는 부분(130-2)의 턴 수는 리액터의 인덕턴스 값에 따라 결정될 수 있다.

이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.

100, 200: 리액터 일체형 변압기
110: 변압기 코어
120: 리액터 코어
127: 공극
130, 130-1, 130-2: 1차측 권선
140: 2차측 권선

Claims

변압기 코어;
상기 변압기 코어와 이격 배치되는 리액터 코어;
상기 변압기 코어와 리액터 코어를 함께 감싸는 1차측 권선; 및
상기 변압기 코어만을 감싸는 2차측 권선을 포함하며,
상기 리액터 코어는 하나 이상의 공극을 포함하고,
상기 리액터 코어의 높이는 상기 변압기 코어의 높이보다 짧고,
상기 1차측 권선은 상기 리액터 코어와 상기 변압기 코어에 함께 권취되는 제1권선부와 상기 리액터 코어의 상단과 상기 변압기 코어의 상단 사이의 상기 변압기 코어에만 권취되는 제2권선부와 포함하고,
상기 제1권선부의 턴수는 리액터의 인덕턴스 값에 따라 결정되는 리액터 일체형 변압기.
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