KR20070015839A - 삼상 3레그 전력 절전 및 고조파 감쇄 변압기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 삼상 4선식 선로에 직렬로 접속되어 부하선로에 병렬 연결되는 하부 2권선의 지그 재그 결선에 의해 중성선에 흐르는 3의 배수 고조파인 영상분 고조파를 감쇄하고, 뉴트럴을 이용한 단상 전원 사용에 따른 선로 전압 및 전류의 불균형을 개선하며, 라인 리액터 및 3% 탭 다운 기능을 갖는 입력 코일인 상부 권선에 의하여 역상분 고조파를 감쇄하고, 최초 전원 투입 및 정복전시 돌입전류를 제한하고 한전 입력전압의 3%에 해당하는 잉여 전력을 차단하여 전력 절전 및 고조파 감쇄와 전력 품질의 향상을 유도할 수 있는 삼상 3레그 변압기에 관한 것으로, 입력 라인과 출력 라인에 직렬 연결되는 다수개의 상부 권선; 상기 출력 라인에 병렬 연결되는 다수개의 하부 권선을 포함하되, 상기 다수개의 하부 권선들 중 일부는 상기 상부 권선과 직렬 연결되고, 상기 다수개의 하부 권선들 중 나머지는 상기 하부 권선들 중 일부와 지그 재그로 연결되어 각 상의 권선이 다른 상의 권선과 코어를 공유하도록 한 것을 특징으로 한다.

3상, 절전, 고조파, 감쇄, 변압기, 권선, 지그, 재그

Description

삼상 3레그 전력 절전 및 고조파 감쇄 변압기{3 PHASE POWER SAVING AND HARMONY FILTER TRANSFORMER}

도 1은 종래의 지그-재그 변압기의 연결 구조를 나타낸 구성도,

도 2는 종래의 지그-재그 변압기의 삼상 4선식 선로에의 설치 회로도,

도 3은 종래의 삼상 단권형 변압기의 연결 구조를 나타낸 구성도,

도 4는 종래의 삼상 단권형 변압기의 삼상 4선식 선로에의 설치 회로도,

도 5는 종래의 6권선 지그-재그 전력 저감형 변압기의 연결 구조를 나타낸 구성도,

도 6은 본 발명에 따른 3상 3레그 전력 절전 및 고조파 감쇄 변압기의 연결 구조를 나타낸 구성도,

도7은 본 발명에 따른 3상 3레그 변압기의 삼상 4선식 선로에의 설치 회로도.

본 발명은 삼상 단권형 3 레그 전력 절전 및 고조파 감쇄 변압기에 관한 것이다. 더욱 자세하게는 본 발명은 삼상 4선식 선로에 직렬로 접속되어 부하선로에 병렬 연결되는 하부 2권선의 지그 재그 결선에 의해 비선형 부하(예를 들어, TV, 오디오, 컴퓨터, UPS, 정류기 등)에 의해 한전 전원 측으로 역류되는 역류 고조파, 즉 중성선에 흐르는 3의 배수 고조파인 영상분 고조파를 감쇄하고, 뉴트럴을 이용한 단상 전원 사용에 따른 선로 전압 및 전류의 불균형을 개선하며, 라인 리액터 및 3% 탭 다운 기능을 갖는 제1 권선 입력 코일에 의하여 5,7,11의 역상분 고조파를 감쇄하고, 최초 전원 투입 및 정복전시 돌입전류를 제한하고 한전 입력전압의 3%에 해당하는 잉여 전력을 차단하여 전력 절전 및 고조파 감쇄와 전력 품질의 향상을 유도할 수 있는 삼상 3레그 변압기에 관한 것이다.

도 1은 영상분 고조파를 감쇄하기 위한 종래의 ZSF(Zero Sequence Filter) 변압기의 결선 구조를 나타낸 구성도이고, 도 2는 종래 ZSF 변압기의 설치 회로도이다.

도 1에 도시된 바와 같이 종래의 ZSF 변압기는 상부 권선과 하부 권선이 서로 지그-재그로 결선된다. 상부 권선은 R, T, S로 표현되는 입력 라인과 연결되고, 하부 권선은 상부 권선과 지그-재그 형태로 연결된다. 도 2에 도시된 바와 같이 종래의 지그-재그 변압기는 삼상 4선식 선로에 병렬로 접속된다. 이에 따라 종래의 지그-재그 변압기는 중성선에 흐르는 3의 배수 고조파인 영상분 고조파를 감쇄하고, 뉴트럴(N)를 이용한 단상 전원 사용에 따른 선로 전압 및 전류의 불균형을 개선할 수 있다. 하지만, 종래의 지그-재그 변압기는 전력 저감에 따른 절전율이 크게 떨어지는 단점이 있다.

도 3은 일반적인 삼상 단권형 변압기의 결선 구조를 나타낸 구성도이고, 도 4는 삼상 단권형 변압기의 설치 회로도이다.

도 3에 도시된 바와 같이 종래의 삼상 단권형 변압기는 R, S, T로 표현되는 입력 라인이 각각 입력측 권선에 연결되고, 상기 입력측 권선에는 다수개의 권선들이 연결된다. 삼상 단권형 변압기는 도 4에 도시된 바와 같이 삼상 4선식 선로에 병렬 또는 직렬로 접속되어, 수전전압의 이상 전압에 따른 적정 필요 전압에 대한 임의의 승압 또는 강압 전압을 부하단에 공급한다. 그런데, 종래의 삼상 단권형 변압기는 고조파 저감 및 전력 저감 효과는 미진하고 다른 용도로 사용된다.

도 5는 종래의 6권선 지그-재그 전력 저감형 변압기의 연결 구조를 나타낸 구성도이다.

종래의 6권선 지그-재그 변압기에서 저 전류가 흐르는 하부 3권선은 결선 및 제조에 문제가 없으나, 부하 전류 100%가 흐르는 상부 3권선은 중ㆍ대용량 제작시 지그-재그 결선으로 인한 비효율적 작업공수 증가로 낯은 생산성 및 원가 상승을 유발하며, 아울러 인건비 상승 또한 동반하여 중ㆍ대용량 변압기의 대량 생산 및 판매에 많은 어려움이 있었다. 또한 종래의 6권선 지그-재그 변압기는 상부 3권선 또한 지그-재그 결선으로 구성되기 때문에 상부 3권선이 라인 리액터의 역할을 할지 못해, 5 고조파 등의 역상분 고조파 감쇄 기능이 크게 떨어지거나 수행하지 못하는 문제점이 있었다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명은 영상분 고조파를 감쇄하고, 뉴트럴을 이용한 단상 전원 사용에 따른 선로 전압 및 전류의 불균형을 개선하며, 라인 리액터 및 3% 탭 다운 기능을 갖는 제1권선 입력 코일에 의하여 5,7,11의 역상분 고조파를 감쇄하고, 최초 전원 투입 및 정복전시 돌입전류를 제한하고 한전 입력전압의 3%에 해당하는 잉여 전력을 차단하여 전력 절전 및 고조파 감쇄와 전력 품질의 향상을 유도할 수 있는 삼상 변압기를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 입력 라인과 출력 라인에 직렬 연결되는 다수개의 상부 권선; 상기 출력 라인에 병렬 연결되는 다수개의 하부 권선을 포함하되, 상기 다수개의 하부 권선들 중 일부는 상기 상부 권선과 직렬 연결되고, 상기 다수개의 하부 권선들 중 나머지는 상기 하부 권선들 중 일부와 지그 재그로 연결되어 각 상의 권선이 다른 상의 권선과 코어를 공유하도록 한 것을 특징으로 한다.

또한 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 입력단과 출력단에 각각 직렬 연결되는 제1, 제2 및 제3 권선; 상기 제1 권선과 출력단 사이에 병렬 연결되는 제4 권선; 상기 제2 권선과 출력단 사이에 병렬 연결되는 제5 권선; 상기 제3 권선과 출력단 사이에 병렬 연결되는 제6 권선; 상기 제4 권선과 연결되는 제7 권선; 상기 제5 권선과 연결되는 제8 권선; 및 상기 제6 권선과 연결되는 제9 권선을 포함하되, 상기 제7 권선과 상기 제8 권선 및 상기 제9 권선은 뉴트럴 라인에 연결되는 것을 특징으로 한다.

상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 6은 본 발명에 따른 3상 3레그 전력 절전 및 고조파 감쇄 변압기의 연결 구조를 나타낸 도면이고, 도 7은 본 발명에 따른 3상 3레그 변압기의 설치 상태를 나타낸 회로도이다.

도 6에 도시된 바와 같이, R, S, T로 표현되는 입력 라인들은 상부 권선들(101, 102, 103) 각각에 연결된다. 그리고 U, V, W로 표현되는 출력 라인들은 상기 상부 권선(101 내지 103)과 하부 권선의 연결 지점(node1)에 연결된다. 그러므 로, 입력 전압은 상기 상부 권선의 권수비만큼 항상 출력 전압보다 높은 값을 가지게 된다.

도 6에 도시된 바와 같이 하부 권선은 6개의 권선들(104 내지 109)로 구성된다. 하부 권선들 중 3개의 권선들(104 내지 106)은 상부 권선들(101 내지 103)과 각각 연결되고, 하부 권선들 중 나머지 권선들(107 내지 109)은 하부 권선들 104, 105, 106과 지그-재그로 연결된다. 즉, 본 발명에 따른 3상 3레그 변압기는 2개 이상의 상에 대한 권선들이 하나의 코어를 공유하는 지그 재그 결선을 사용하여 구현된다. 이와 같이 지그재그 결선으로 구현하는 경우, 3상 전력 불균형 해소 효과가 증대될 수 있다.

도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 삼상 3 레그 변압기에서 상부 권선들(101, 102, 103)은 입력측인 R, S, T 라인과 출력측인 U, V, W 라인과 직렬 연결된다. 그리고, ZSF(Zero Sequence Filter) 변압기의 기능을 하는 하부 권선들(104 내지 109)은 출력 라인과 병렬 연결된다. 도 7에서도 알 수 있는 바와 같이 하부 권선들(104 내지 107)은 2개 이상의 상에 대한 권선들이 하나의 코어를 공유하도록 지그 재그 형태로 연결되어 있다.

본 발명에 따른 변압기에서 상부 권선의 코일(101 내지 103) 및/또는 하부 권선의 코일(104 내지 109)은 동각 권선 대신 알루미늄 각선 및 판을 사용하여 제조된다. 본 발명에 따른 변압기는 종래 변압기에 비해 비활성화 되는 코일 부분이 많기 때문에 전체적으로 보다 많은 코일 권수가 요구된다. 이에 따라 알루미늄 각선 및 판을 사용하면, 변압기의 제작 원가 및 중량을 저감할 수 있고, 고투자율의 방향성 규소 강판을 사용하여 알루미늄 각선 및 판으로 인해 낮아진 변압기의 효율을 높일 수 있다. 종래 동각 권선 대신 알루미늄 각선 및 판을 사용하는 경우 제작원가 및 중량에서 약 15 ~ 20%의 개선 효과가 있다.

본 발명에 따른 변압기는, 도 6에 도시된 바와 같이, 각 상당 독립된 3개의 상부 권선(101, 102, 103)과 3개의 하부 권선(104, 105, 106)이 직렬 권선을 이루며, 하부 권선들 중 나머지 3개의 권선들(107, 108, 109)은 타상에 연결된 분로 권선의 형태를 띠는 3상 지그재그 결선을 취하고 있다. 이에 따라 3상 코어의 자속의 크기가 균일화 되어, 삼상 4선식 선로에서 단상 부하 사용에 따른 각상의 전압 및 전류의 불평형을 개선할 수 있고, 3배수 고조파에 대한 저차고조파와 변압기의 중성점에 흐르는 영상분 고조파를 저감할 수 있다.

또한 하부 2권선의 지그-재그 결선을 접지 변압(GROUNDING TRANSFORMER) 기능을 일부 실행할 수 있도록 설계하면, 접지 전류는 각상에 균등하게 분배되며, 각 레그에 감겨진 두 코일간의 임피던스와 부하단의 시스템과 고장점간의 정상, 역상 임피던스의 합에 의하여 제한되므로, 시스템(부하 전원)의 선간 전압을 E라 하면 접지(중성점)간의 전압은 E/3^0.5이며, 지그-재그 권선의 권선비는 "E/2×3^0.5×COS30=E/3"과 같이 결정된다.

하부 2권선 지그-재그 권선의 권선비는 전류 용량과는 다르므로 하부 2권선의 전류 용량에 따른 코일의 선정은 단권 변압기의 전류 차감 원리를 이용하면 다음의 예시된 것에 의하여 결정되며, 소용량의 부하선로를 모델로 예시한다. 예를 들어, 부하용량이 10KVA이고, 정격 입력전압이 380VAC 이며, 부하 전압 입력의 5% 탭을 적용하면, 입력 전류 P = VI이고, I = P/V에서 10000 = 380 × I이고, I=10000/380=26.3A이다. 탭 5% 적용 부하 전류 I=10000/361=27.7A이다. 따라서 하부 2권선에 흐르는 전류는 부하 전류와 입력 전류의 편차 1.4A만이 흐른다. 이와 같은 원리로 하부 2권선 지그-재그 권선은 가는 코일로 제작이 가능하지만, 고장 전류의 전류 제한에 따른 전류 분배를 감안하여 K 변수를 설계에 반영하여 신중히 설계하여야 한다.

또한, 본 발명에 따른 변압기는 입력 코일이 이론상 E-I 방향성 코아의 성층에 있어서 리액턴스 성분을 갖게 하는 리액터처럼 갭(GAP)을 갖고 있지 않아 AC 리액터의 역할을 수행할 수 없으나, 실제 성형 작업에서는 코아간의 작은 간극에 의해서 임의의 갭을 갖는 것처럼 되어, 입력 권선인 상부 권선들이 부하와 직렬 연결되는 리액터의 기능을 수행하게 된다. 이에 따라 본 발명에 따른 변압기는 최초 전원 투입 및 정복전시 돌입전류를 제한하고 5, 7, 11의 역상분고조파를 감쇄할 수 있다. 이를 통해 본 발명은 과도한 정류부하 등의 비선형 부하에 의해 역류되는 고조파를 보다 효율적으로 제거하여 입력 역률 및 효율을 추가 상승시킬 수 있다.

또한 본 발명은 고정 저감 탭 기능으로 잉여 전력을 차단하여 6%의 전력 저감 효과를 제공한다. 여기서, 고정 저감 탭의 %는 리액터의 기능에 의한 드롭 전압 폭과 한전 전압의 하강 폭을 감안하여 신중히 설계하지 않으면, 고정 저감 탭에 의한 잉여 전력 차단의 전력절전 효과를 제대로 적용할 수 없다.

따라서 본 발명에 따른 변압기는 최소한의 권선(3권선)으로 최대의 전력 절전 효과를 제공하며, 고품질의 전력을 유지시켜 중ㆍ대용량 생산에 유리하여 중ㆍ 대형 복합 부하에 적극 적용이 가능하다.

이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 변압기는 비선형 부하에 의해 한전 전원 측으로 역류되는 3의 배수 고조파인 영상분 고조파를 감쇄하고, 뉴트럴을 이용한 단상전원 사용에 따른 선로 전압 및 전류의 불균형을 개선할 수 있으며, 라인 리액터 기능을 제공하여 역상분(5, 7, 11) 고조파를 감쇄할 수 있다. 또한 본 발명은 고정 저감 탭 기능으로 잉여 전력을 차단하여 6%의 전력 저감 효과를 제공할 수 있고, 선로의 고장점에 흐르는 고장 전류를 제한할 수 있으며, 변압기 제조시 작업 공정을 절감하여 생산 능력을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (5)

1. 입력 라인과 출력 라인에 직렬 연결되는 다수개의 상부 권선;

   상기 출력 라인에 병렬 연결되는 다수개의 하부 권선을 포함하되,

   상기 다수개의 하부 권선들 중 일부는 상기 상부 권선과 직렬 연결되고,

   상기 다수개의 하부 권선들 중 나머지는 상기 하부 권선들 중 일부와 지그 재그로 연결되어 각 상의 권선이 다른 상의 권선과 코어를 공유하도록 한 것을 특징으로 하는 삼상 3레그 변압기.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 다수개의 상부 권선은 3개의 권선으로 구성되고, 상기 다수개의 하부 권선은 6개의 권선으로 구성되며, 상기 하부 권선들은 지그 재그 형태로 연결되며, 상기 상부 권선과 연결되지 않은 상기 하부 권선들은 뉴트럴 라인에 연결되는 것을 특징으로 하는 삼상 3레그 변압기.
3. 입력단과 출력단에 각각 직렬 연결되는 제1, 제2 및 제3 권선;

   상기 제1 권선과 출력단 사이에 병렬 연결되는 제4 권선;

   상기 제2 권선과 출력단 사이에 병렬 연결되는 제5 권선;

   상기 제3 권선과 출력단 사이에 병렬 연결되는 제6 권선;

   상기 제4 권선과 연결되는 제7 권선;

   상기 제5 권선과 연결되는 제8 권선; 및

   상기 제6 권선과 연결되는 제9 권선을 포함하되,

   상기 제7 권선과 상기 제8 권선 및 상기 제9 권선은 뉴트럴 라인에 연결되는 것을 특징으로 하는 삼상 3레그 변압기.
4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,

   상기 권선들은 알루미늄 각선 및 판을 사용하여 제조된 것을 특징으로 하는 삼상 3레그 변압기.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 상부 권선은 성형 작업에서 생성된 코아간의 작은 간극에 의해 전류 제한 리액터의 기능을 수행하는 것을 특징으로 하는 삼상 3레그 변압기.

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