KR20010044273A

KR20010044273A - 전력 절감용 트랜스포머

Info

Publication number: KR20010044273A
Application number: KR1020010004538A
Authority: KR
Inventors: 김옥평
Original assignee: 김옥평
Priority date: 2001-01-31
Filing date: 2001-01-31
Publication date: 2001-06-05
Also published as: KR100391396B1

Abstract

본 발명은 전력 절감용 트랜스포머에 관한 것으로, 복수의 탭이 구성되고, 1차측으로 인가된 무효전력의 전압 및 전류를 소정 크기의 유효전력으로 변환 및 감소시켜 2차측에 연결된 부하에 필요한 크기의 전력을 안정적으로 공급하는 전력 절감용 트랜스포머로, 분전반으로부터 인가된 무효전력을 부하인 각종의 전기·전자기기의 정상적인 가동범위 내에서 유효전력화시켜 전압을 효과적으로 제어함과 동시에 역률을 개선하여 전력절감 및 전력 사용량을 최소화시킨 것이다.

Description

전력 절감용 트랜스포머{Transformer for Power Saving}

본 발명은 전력 절감용 트랜스포머에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 분전반으로부터 인가된 무효전력을 부하인 각종의 전기·전자기기의 정상적인 가동범위 내에서 유효전력화시켜 전압을 효과적으로 제어함과 동시에 역률을 개선하기 위한 전력 절감용 트랜스포머에 관한 것이다.

트랜스포머(Transformer, 변압기)는 두 개 또는 그 이상의 권선에 의해 또는 탭을 가진 단일 권선에 의해 두 전기회로를 유도 결합하는 것으로, 권선은 철심이 있는 경우와 없는 경우가 있다.

일반적으로 무효전력(無效電力; Reactive Power)은 인덕턴스와 정전용량에 교류전류가 흐를 때처럼 전원으로부터의 에너지를 주고받는 것은 반주기마다 반복되어 실제로는 아무 일도 하지 않고 열소비도 없는 전력을 말하는 것으로, 피상전력 중에서 실제로 일을 하지 않는 전력을 가리킨다. 교류전압, 전류의 실효값을 각각 V, I라 하고, 위상각을 φ라 하면 피상전력은 VI가 되고, 유효전력 및 무효전력은 각각 VIcosφ 및 VIsinφ로 표시된다.

또한, 유효전력(有效電力; Effective Power)은 전압의 실효값을 V, 전류의 실효값을 I라 하고 양자간의 위상차를 θ라 할때에 VIcosθ로 주어지는 양이다. 이것은 부하에서 실제 유효한 일로 변화하는 전력이며, 무효전력이나 피상전력 등과 대비되는 것이다.

역률(力率; Power Factor)은 유효전력을 외관상의 전력으로 나눈 값을 말하는데, 회로저항을 동작주파수에서의 회로 임피던스로 나눈 값을 의미한다. 회로전압, 회로전류가 모두 사인파라면 역률은 전압, 전류의 위상차각의 코사인이 된다.

이러한 역률에 따른 전기요금은 무효전력이 적을 때에 역률효과가 상승함에 따라 전기요금에 가산되거나 할인되는 것이다.

현재 국내의 전력회사에서 성수기를 대비한 전력 예비율은 약 6%이고, 이는 정부의 정책에 따라 향후 전기 공급의 부족을 예상하여 전력요금을 단계적으로 인상하겠다고 하고 있다. 또한, 정부는 전력요금의 인상뿐만 아니라 각 기업체나 국민들을 대상으로 절전을 장려하고 있는 실정이다.

종래의 트랜스포머는 도 1에서, 분전반(1)으로부터 상용전원인 220V-30A, 즉 무효전력 6,600W(전압×전류)의 전력이 부하(2) 측에 그대로 전달된다. 따라서, 전력의 사용량은 6,600W가 되고, 이는 실제 전력사용량으로 계산되어 전기요금으로 환산된다. 전기요금은 기본요금에 전력사용량요금 및 역률요금이 가산되는 것이다.

이는 도 2의 전력 변환도를 참조하면, 1차측의 역률은 진상 콘덴서(4)가 취하게 되면 계약 역률은 통상적으로 100%로 개선된다. 그러나, 트랜스포머(3)의 역률은 부하에 의하여 역률은 60%가 된다. 야간과 같이 적은 부하를 사용할 때에는 진상 역률이 된다. 벡터의 합에서 유효전력 100은 무효전력 75에 실제전력은 125가 되어 2차측의 역률은 약 60∼80%가 개선된다.

이와 같이 종래에는 전력의 공급은 전기·전자기기의 효율저하를 감안하여 여유전력을 공급함으로써 실제의 사용량보다 많은 전기를 소비하는 문제가 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해소하기 위하여, 각종의 전기·전자기기의 정상적인 가동범위 내에서 무효전력을 유효전력화 시키고, 전압을 효과적으로 제어하며, 역률을 개선함으로써 전력의 사용을 절감하기 위한 것이 목적이다.

또한, 본 발명은 일정한 전압을 부하로 공급시켜 전기·전자기기나 설비의 수명을 연장하기 위한 것이 다른 목적이다.

도 1은 종래에 분전반으로부터 각종의 부하로 전력이 직접 공급되는 상태를 나타낸 블록도,

도 2는 종래의 트랜스포머의 전력 변환도,

도 3은 본 발명에 따른 전력 절감용 트랜스포머를 분전반과 부하 사이에 연결한 상태를 나타낸 블록도,

도 4는 본 발명의 전력 절감용 트랜스포머의 입출력도,

도 5는 본 발명의 전력 절감용 단상의 트랜스포머를 나타낸 블록도,

도 6은 본 발명의 단상 트랜스포머의 회로도,

도 7은 본 발명의 단상 트랜스포머의 등가회로도,

도 8은 본 발명의 트랜스포머의 전력 변환도.

♣ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ♣

10: 분전반 20: 부하

30: 트랜스포머 32: 변환스위치

상기의 목적을 위한 본 발명은, 복수의 탭이 구성되고, 1차측으로 인가된 무효전력의 전압 및 전류를 소정 크기의 유효전력으로 변환 및 감소시켜 2차측에 연결된 부하에 필요한 크기의 전력을 안정적으로 공급하기 위한 전력 절감용 트랜스포머를 제공함으로서 달성할 수 있다.

이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 관하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명에 따른 전력 절감용 트랜스포머를 분전반과 부하 사이에 연결한 상태를 나타낸 블록도이다.

분전반(10)은 주상변압기로부터 분기된 전선이 연결되어 옥내에 전원을 공급하기 위한 것으로, 통상적으로 전력량계 등이 설치되어 있다. 분전반(10)에서 공급되는 전원은 교류전압 220V이고, 교류전류는 30A이다.

트랜스포머(30)는 입력되는 소정의 교류전압, 즉 200V로 전압강하시켜 출력하고, 또, 소정의 교류전류, 즉 27A로 강하시켜 출력한다. 또한, 220V/24.5A를 재순환시킨다. 따라서, 트랜스포머(30)는 1차측으로 인가되는 220V/30A의 전력 6,600W의 전력을 2차측에서 200V/27A의 전력 5,400W를 출력하므로, 실제 부하(20)에 사용되는 전력이 5,400W가 되므로, 전력요금도 5,400W가 된다. 또한, 2차측에서 220V/24.5A의 재순환 전력도 5,400W로 실제 사용량도 5,400W가 된다.

따라서, 사용전압의 감소에 역기전력의 차단과 전력의 재순환에 의하여 약 15∼30%의 전력요금을 절감할 수 있는 것이다. 이는 부하(20)에서 사용되지 않는 무효전력이 열 또는 전원으로 되돌아가는 것을 방지할 수가 있는 것이다.

도 4는 트랜스포머(30)의 입출력에 관한 것으로, 트랜스포머(30)의 입력단에는 R, S, T의 3상이 인가되고, 입력되는 전류는 최대 300A 이상이다. 출력단에는 R, S, T의 3상이 출력되고, 출력되는 전류는 최대 300A까지 이다.

또한, 트랜스포머(30)의 바이패스단과 복수의 탭(TAP1) 및 탭(TAP2)이 구성되어 있고, 바이패스단과 복수의 탭(TAP1) 및 (TAP2)은 변환스위치(32)와 연결된다. 변환스위치(32)에는 컴(Cum) 스위치 또는 마그네트(Magnet) 스위치이다. 상기 제 1탭(TAP1)은 7.5%의 역률 개선효과를 갖고, 제 2탭(TAP2)은 10%의 역률 개선효과를 갖는다. 또한, 도면에는 도시되지 않았지만, 12.5%의 역률 개선효과를 갖는 제 3탭(TAP3)도 연결된다.

상기 트랜스포머(30) 및 변환스위치(32) 사이의 출력 또는 입력라인은 최대 10% 크기의 라인을 필요로 하고, 변환스위치(32)는 가능한 작은 용량이면 좋다.

도 5는 전력 절감용 단상의 트랜스포머를 나타낸 블록도로, 분로부(分路部)인 전류코일(A) 및 (B)에 R 및 T상의 주전류가 흐르고, 전류코일(A) 및 (B)의 임피던스에 의해서 소정 크기의 전압강하가 있어 V-V에 주전류가 흐른다. 또한, 전류코일(A) 및 (B)에 의해 대응하는 보조코일(C) 및 (D) 측에 자속이 발생한다.

전류코일(A) 및 (B)와 직렬로 접속된 보조코일(C) 및 (D)로부터 C1 및 C2점에 대응하는 전류코일(A) 및 (B)로부터의 자속에 의하여 유도된 에너지가 전압으로 나타난다. C1 및 C2점은 접속되어 있어 서로 대응하는 측에서의 에너지를 입·출력한다. 이때는 에너지에 포함된 노이즈의 제거 및 소정크기의 전압강하가 발생한다.

따라서, 본 발명의 전력 절감용 트랜스포머는 각종 부하(전기·전자기기)에 대한 허용범위 내에서 소정 크기의 전압을 강하시켜 공급하게 되고, 부하에 정류된 전류를 공급한다. 또한, 3상 회로에서는 R, S, T상이 완전하게 안정된 전류 및 전압으로 공급한다. 단상 회로에서는 R, T상 사이의 안정성을 유지한다.

2차측의 역률개선을 이루는 것으로, 전력 절감용 트랜스포머(單相)에서 손실된 전력을 보충함과 동시에 상호 대응하는 코일 측에서의 불필요한 전류를 다소 가지지만 회수(回收)는 하지 않는다.

도 6의 단상 트랜스포머의 회로도에는 3상 트랜스포머의 전력교환은 1:1로 동일하고, 이 원리를 이용한 전력 절감형 트랜스포머는 전류코일(i) 측에 무효전력 10%를 절감하고, 10%분을 전압코일(v)에 흘리는 것이다. 따라서, 10%+10%=20%의 절감이 가능하다. 소비되는 전력량의 소멸과 트랜스포머의 용량의 소멸이 가능하다.

도 7의단상 트랜스포머의 등가회로도는 1차 기전력 E1(V)과 2차 기전력 E2(V) 사이에는 E1〉E2 경우에 E1/E2=W1/(W1+W2)=a이고, 여자전류를 무시하고 1차 전류(I1)와 2차 전류(I2) 사이에는 I1/I2=(W1+W2)/W1=1/a이며, 분로권선에 흐르는 전류(I)는 I=I1-I2=(1-a)I1이다.

단상 트랜스포머는 개성적인 용도로 고압승압기 유도전동기 등의 시동의 경우에 돌입전류를 제한하고, 시동보장기 등에 사용된다.

또한, 단상 트랜스포머는 I와 I1 및 I2의 차이가 있기 때문에 분로권선의 도체는 가는 것이 좋다. 권선비 a가 I에 근사이고, I는 작아 손실은 적지 않으며, 동손(銅損)도 적지 않다. 분로권선은 공히 누설자속이 없어 전압변동률이 좋다.

도 8는 트랜스포머의 전력 변환도로, 트랜스포머(30)의 1차측으로 인가되는 전력(예로, 6,600W)은 변환 및 정류되어 2차측에 5,400W의 전력이 발생하고, 이중에서 유효전력과 무효전력이 발생하며, 무효전력 중에서 피상전력이 부하로 공급된다. 이는 전력 절감용 트랜스포머(30)에 의하여 이루어지고, 더욱이 트랜스포머 2차측의 역률이 약 90∼95%까지 개선되며, 과전류에 의해 트랜스포머의 철손 및 동손이 저감되고, 트랜스포머에 여유가 생겨 절감분(10∼20%)의 부하 증설이 가능하다. 또한, 계약 전력의 증가 개정도 제어할 수 있다. 적은 부하시의 역률을 대폭 개선할 수 있다. 1차측의 역률이 개선되어 기본요금 및 전력사용 요금을 절약할 수 있다. 또한, 벡터의 합에서 유효전력은 보다 작은 무효전력에 실제전력이 나타난다. 유효전력은 적은 무효전력에 실제전력은 작아져 복수의 부하를 동시에 사용할 수 있다.

본 발명의 전력 절감용 트랜스포머는 소정의 설비 또는 장치로 결합되고, 출력되는 전압은 설비 또는 장치에 구성된 선택스위치를 자동단에 위치시켰을 때에 바이패스단에서는 입력되는 전압이 224V이하일 경우에 2차측에서는 바이패스되고, 1차측의 224∼230V는 제 1탭에서 208∼213V로 출력되며, 1차측의 231∼240V는 제 2탭에서 208∼215V로 출력되고, 1차측의 241V이상의 경우에는 제 3탭에서 210V이상으로 출력된다. 따라서, 개선되는 역률은 제 1탭에서 7.5%이고, 제 2탭에서 10%이며, 제 3탭에서는 12.5%가 되는 것이다.

이와 같이 본 발명의 전력 절감용 트랜스포머는 1차측으로 입력되는 전압중에서 필요이상의 전압을 감소시켜 출력전압을 안정적으로 공급하기 위한 것으로, 상술한 것에만 한정되지 않고 변경 및 변환이 가능하다.

이상에서 설명한 본 발명의 전력 절감용 트랜스포머는 분전반과 부하의 사이에 무효전력을 유효전력화시켜 필요한 전력만이 출력되도록 하는 것인바, 필요한 용량만큼의 전력을 공급하므로 소정의 절전효과를 거둘수 있고, 균일한 유효전력의 공급에 의한 전자·전기기기의 수명을 연장시키며, 입력전압 중에서 필요이상의 전압을 감소시켜 출력전압을 안정화시키므로 역률을 개선한 효과가 있고, 입력전원의 노이즈를 감소시키는 평활기능이 부가되어 있으며, 복수의 탭의 구성으로 공급전압과 부하의 상황에 적용할 수 있고, 부하에 필요한 양만큼의 전력 공급으로 소음 감소기능의 향상을 증진시킨 것으로, 실제 전기 사용량에 대한 전기요금의 환산으로 경제성을 극대화시킨 효과가 있다.

Claims

복수의 탭이 구성되고, 1차측으로 인가된 무효전력의 전압 및 전류를 소정 크기의 유효전력으로 변환 및 감소시켜 2차측에 연결된 부하에 필요한 크기의 전력을 안정적으로 공급하는 것을 특징으로 하는 전력 절감용 트랜스포머.
제 1항에 있어서, 상기 전압은 1차측의 220V를 2차측으로 200V로 강하시키고, 전류는 1차측의 30A에서 2차측의 27A로 강하시키며, 1차측으로 24.5A의 전류를 재순환시키는 것을 특징으로 하는 전력 절감용 트랜스포머.
제 1항에 있어서, 상기 탭은

7.5%의 역률 개선효과를 갖는 제 1탭과,

10%의 역률 개선효과를 갖는 제 2탭과,

12.5%의 역률 개선효과를 갖는 제 3탭으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전력 절감용 트랜스포머.
제 1항에 있어서, 상기 트랜스포머의 2차측에는 1차측으로부터 인가된 무효전력을 그대로 통과시키는 바이패스단과, 자동으로 전력을 변환시키는 자동단이 포함된 것을 특징으로 하는 전력 절감용 트랜스포머.
제 4항에 있어서, 상기 바이패스단에서는 입력되는 전압이 224V이하일 경우에 2차측에서는 바이패스되고, 1차측의 224∼230V는 제 1탭에서 208∼213V로 출력되며, 1차측의 231∼240V는 제 2탭에서 208∼215V로 출력되고, 1차측의 241V이상의 경우에는 제 3탭에서 210V이상으로 출력되는 것을 특징으로 하는 전력 절감용 트랜스포머.