KR20140001893A - 탭 절환기 - Google Patents

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KR20140001893A
KR20140001893A KR1020137012164A KR20137012164A KR20140001893A KR 20140001893 A KR20140001893 A KR 20140001893A KR 1020137012164 A KR1020137012164 A KR 1020137012164A KR 20137012164 A KR20137012164 A KR 20137012164A KR 20140001893 A KR20140001893 A KR 20140001893A
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디에터 도날
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마쉬넨파브릭 레인하우센 게엠베하
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    • H02P13/00—Arrangements for controlling transformers, reactors or choke coils, for the purpose of obtaining a desired output
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    • H—ELECTRICITY
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Abstract

본 발명은 전압을 조정하기 위한 탭 절환기에 관한 것으로서, 탭 절환기는 조정 권선을 갖는 조정 변압기에 반도체 스위칭 소자를 포함한다. 탭 절환기는 모듈 방식으로 구성되며, 각각의 모듈은 반도체 스위칭 소자를 온 또는 오프로 스위칭할 수 있도록 된 조정 권선의 서브 권선을 포함한다.

Description

탭 절환기{TAP CHANGER}
본 발명은 반도체 스위칭 소자를 구비하는 전압 조정을 위한 탭 절환기에 관한 것이다.
DE 22 48 166 A에는 반도체 스위칭 소자를 구비하는 조정가능한 변압기에 대해 개시하고 있다. 개시된 내용에 의하면, 2차 권선은 특정 개수의 조정 권선으로 이루어져 있는데, 권선은 직렬로 접속된 소정 개수의 권선 그룹으로 조합되고, 각각의 권선 그룹은 병렬로 접속된 2개 또는 3개의 조정 권선을 포함한다. 이와 관련해서, 각각의 조정 권선에는 비접촉 스위칭 소자가 설치된다. 상기 명세서에 개시된 다른 변형예에 의하면, 변압기의 2차 권선이 직렬로 접속된 조정 권선의 그룹으로 이루어져 있으며, 각각의 조정 권선은 4개의 비접촉 스위칭 소자를 포함한다. 조정 권선의 단자에서의 전압의 방향은 가역적이며 또한 조정 권선 전체는 선택적으로 가교될 수 있는 구성이다.
변압기의 2차 전압의 스텝형 스위칭을 위한 추가의 장치가 DE 25 08 013 A에 개시되어 있다. 상기 문헌에 의하면, 2차 권선은 부분 권선으로 그룹화되고, 마찬가지로 전환을 위한 반도체 스위칭 소자가 제공될 수 있다.
DE 197 47 712 C2에 의하면, 단권 변압기로서 구성된 탭형 변압기에서 유사한 종류의 탭 절환기의 구성을 개시하고 있다. 상기 문헌에 의하면, 마찬가지로, 개별적으로 접속될 수 있으며 서로 독립적으로 접속될 수 있는 개별의 권선이 제공된다. 조정 권선의 고정된 탭을 제외하고는, 상기 구성에서, 별개의 권선이 추가적으로 스위칭되거나 온으로 스위칭될 수 있다.
중단없는 부하 절환을 위한 추가의 탭 절환기의 다양한 형태의 실시예가 WO 95/28931에 개시되어 있는데, 여기서는, 사이리스터가 스위칭 소자로서 기능한다. 이 경우, 각각의 탭형 변압기의 2차 권선의 일부분으로서의 탭 군선의 여러 권선이 역병렬로 접속된 사이리스트 쌍에 의해 온으로 또는 오프로 스위칭될 수 있다. 또한, 제한된 개수의 권선 탭으로 가능한 정밀하게 스텝형으로 전압을 조정하기 위한 방법이 상기 문헌에 개시되어 있다. 상기 방법은 "개별 순환 변조"(discrete circle modulation)라고 부르며, 사이리스터가 2차 전압 결과의 중간값이 되도록 하는 방식으로 작동된다.
종래의 해결방안에서는, 통상적인 기계적 탭 절환기 내의 기계적 선택기 아암의 기능을 반도체 스위칭 소자가 수행한다. 조정 권선 자체의 개별의 권선 탭은 반도체 스위칭 소자에 의해 온으로 또는 오프로 스위칭될 수 있다. 또한, 조정 권선을 개별적으로 온으로 스위칭될 수 있는 부분 권선으로 분할하는 것이 가능하다.
종래의 스위칭 소자의 높은 회로 비용과 필요한 특별한 적용이 단점이 된다. 종래기술의 다른 단점으로는, 개별의 반도체 스위칭 소자가 고장난 경우, 조정 또는 적어도 만족스러운 조정을 더 이상 할 수 없다는 것이다.
본 발명의 목적은 단순한 구성의 반도체 스위칭 소자를 구비하는 탭 절환기를 제공하는 것이다. 또한, 확장가능한 모듈 구성을 가질 것이다. 마지막으로, 본 발명의 탭 절환기는 비상 조작의 경우와 같이 개별의 스위칭 소자가 고장난 경우에도 높은 수준의 조정 신뢰성 및 정확성이 가능하다.
본 발명의 목적은 독립 청구항의 특징을 갖는 탭 절환기에 의해 달성된다. 종속 청구항은 본 발명의 특히 바람직한 개선과 관련된다.
일반적인 발명적 사상은 탭 절환기를 모듈 방식으로 구성하는 것이다. 본 발명에 따른 탭 절환기의 개별 모듈은 조정 권선의 전기적 부분 권선을 각각 포함하는데, 조정 권선과 자기적으로 결합된다. 즉, 각각의 변압기 아암 상에 장착된다. 이들은 양쪽에 병렬로 되어 있으며, 반도체 스위칭 소자의 직렬 접속으로 이루어진 각각의 가교 경로(bridging-over path)를 포함한다. 중앙 탭은 각각의 가교 경로의 각각 직렬로 접속된 반도체 스위칭 소자들 사이에 위치한다. 본 발명에 따른 탭 절환기의 제1 모듈의 중앙 탭은 중립 점(star point) 또는 부하 디버터(load diverter)와 접속된다. 본 발명에 따른 탭 절환기의 최종 모듈의 중앙 탭은 조정이 이루어지는 변압기의 권선의 끝과 접속된다. 제1 모듈의 다른 중앙 탭은 제2 모듈의 중앙 탭과 접속되고, 다른 중앙 탭은 제3 모듈의 중앙 탭과 접속되며, 그 다른 중앙 탭은 제4 모듈의 중앙 탭과 접속되는데, 마지막 모듈까지 이렇게 된다.
본 발명에 의하면, 개별 모듈에서의 전기적 권선이 상이한 치수를 갖는다.
제1 모듈에서, 권선이 특정 개수의 권선을 갖는다면, 제2 모듈에서의 전기적 권선은 다수의 권선을 갖는다. 이것은 다른 모듈의 권선에도 동일하게 적용된다.
3개의 모듈이 존재하는 경우, 모듈의 개별의 권선은 1:3:6 또는 1:3:9의 비율로 형성되는 것이 특히 바람직하다.
4개의 모듈이 제공되는 경우, 권선을 1:3:6:10의 비율로 치수화하는 것이 특히 바람직하다.
본 발명에 따른 탭 절환기를 전체적으로 형성하는 개별 모듈의 수를 변경하는 것도 본 발명의 범위 내에 속한다.
본 발명에 따른 탭 절환기는 다수의 장점을 갖는다. 먼저, 조정 변압기의 조정 권선, 일반적으로는 1차 전압 권선의 특별한 구성이 필요하지 않다. 탭 절환기 자체는 단순한 모듈식 구성이며, 상이한 전압 스텝에 용이하게 적용가능하다. 기존의 조정 변압기를 변경된 조정 작업 및 조정 범위에 적용하는 것도 향후에는 가능하다. 또한, 본 발명에 따른 탭 절환기의 접속을 위해, 변압기 권선에 적은 개수의 라인만을 필요로 하며, 탭 절환기 또는 스위칭 수단에 대한 조정 권선의 각각의 탭의 이전의 도체 구조가 제거된다. 마지막으로, 본 발명에 따른 탭 절환기에서, 개별 서브 전압의 중복되는 생성이 생길 수 있어서, 고장나는 경우, 즉 개별 스위칭 소자의 실제의 동작에서 배제될 수 없는 고장의 경우, 조정이 실질적으로 계속될 수 있다.
도 1은 부분 모듈을 포함하는, 본 발명에 따른 탭 절환기의 제1 실시예를 나타낸다.
도 2는 탭 절환기의 접속 표를 나타낸다.
도 3은 변형된 탭 절환기의 다른 접속 표를 나타낸다.
도 4는 본 발명에 따른 탭 절환기의 제2 실시예를 나타낸다.
도 5는 도 4에 따른 탭 절환기의 전환 표를 나타낸다.
도 6은 본 발명에 따른 제1 탭 절환기의 모듈을 나타낸다.
도 7은 본 발명에 따른 제2 탭 절환기의 모듈을 나타낸다.
도 8은 탭형 변압기의 조정 권선에서, 도 1에 나타낸 탭 절환기의 변형된 배치구성을 나타낸다.
본 발명에 대하여 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 조정될 변압기(transformer)를 나타낸다. 이 변압기는 2차 전압 권선(1)과 1차 전압 권선(2)으로 이루어지며, 3개의 개별 부분 권선(B1, B2, B3)에 본 발명에 따른 탭 절환기(3)가 접속된다. 도면에서, 점선은 탭 절환기(3)의 범위를 나타내며, 여기서는 3개의 개별 모듈(M1, M2, M3)로 구성되어 있다. 제1 모듈(M1)은 제1 부분 권선(W1)과 2개의 가교 경로(bridging-over path)를 포함하며, 가교 경로는 제1 부분 권선의 양쪽에 위치하며 2개의 반도체 스위칭 소자(S1.1 및 S1.2 또는 S1.3 및 S1.4)의 직렬 접속을 각각 포함한다. 중앙의 탭(M1.1, M1.2)은 각각 직렬로 접속된 2개의 스위칭 소자 사이에 설치된다. 개별의 반도체 스위칭 소자가 예시되어 있는데, 다른 도면에서도 마찬가지로, 단순한 스위치로서 개략적으로만 도시되어 있다. 실제로, 반도체 스위칭 소자는 병렬로 접속된, 사이리스터 쌍, IGBT 또는 다른 반도체 스위칭 소자가 될 수 있다. 반도체 스위칭 소자는 이러한 개별의 반도체 스위칭 소자를 몇 개가 직렬 또는 병렬로 접속된 것이 될 수 있다. 중앙 탭(M1.2)은 중립 점(4)과 전기적으로 접속되어 있다. 다른 중앙 탭(M1.1)은 제2 모듈(M2)의 중앙 탭(M2.1)과 접속된다. 제2 모듈(M2)는 동일한 구성을 가지며, 2개의 반도체 스위칭 소자(S2.1 및 S2.2 또는 S2.3 및 S2.4)의 각각의 2개의 직렬 접속과 부분 권선(W2)을 포함한다. 마찬가지로, 이들 각각의 직렬 접속 사이에 다른 중앙 탭(M2.1, M2.2)이 제공된다. 하나의 권선 탭(M2.1)과 제1 모듈(M1)의 접속에 대해서는 이미 설명했으며, 제2 중앙 탭(M2.2)은 제3 모듈(M3)의 중앙 탭(M3.2)과 접속된다.
제3 모듈(M3)도 결과적으로 동일한 구성을 가지며, 제3 모듈은 부분 권선(W3), 반도체 스위칭 소자(S3.1 및 S3.2 또는 S3.3 및 S3.4)의 2개의 직렬 접속, 및 이들 사이에 배치된 중앙 탭(M3.1, M3.2)을 포함한다. 앞서 설명하지는 않았지만, 제3 모듈(M3), 즉 마지막 모듈(M3)의 중앙 탭(M3.1)은 1차 전압 권선(2)의 단부와 전기적으로 접속된다. 상기 설명한 3개의 모듈(M1, M2, M3)은 각각의 부분 권선(W1, W2, W3)의 치수만이 상이할 뿐이다. 제2 모듈(M2)의 부분 권선(W2)은 제1 모듈(M1)의 부분 권선(W1)의 권선 수의 3배이다. 제3 모듈(M3)의 부분 권선(W3)은 제1 모듈(M1)의 부분 권선(W1)의 권선 수의 6배이다.
도 2는 도 1에 나타낸 본 발명에 따른 탭 절환기의 접속 표를 나타낸다. "0" 기호는 대응하는 부분 권선이 스위칭되지 않은 것, 즉 가교되어 있는 것을 의미한다. "+" 기호는 동일하게, 대응하는 부분 권선이 1차 전압 권선(2)과 접속되어 있는 것을 나타낸다. 마지막으로, "-" 기호는 대응하는 부분 권선이 1차 전압 권선(2)과 반대로 접속되어 있는 것을 나타낸다. 접속 표에는 추가의 서브 전압이 1차 전압 권선(2)의 탭 전압(tap voltage)에 추가될 때의 결과인 10개의 전압 단계를 나타낸다. 이들 서브 전압은 개별의 권선 부분(W1, W2, W3)의 상이한 접속, 반대로의 접속 또는 가교를 통해 생긴다. 특정의 전압 단계는 불필요한데, 다른 접속 상태를 통해 만들어질 수 있다는 것을 알 수 있다. 마찬가지로, 표에는 나타내지 않았지만, 1차 전압 권선(2)의 전압으로부터 스텝형의 서브 전압을 대해서 유도하는 것이 가능하다. 전체적으로, 이러한 실시예에서는, 21개의 가능한 전압 단계가 생긴다. 탭 절환기는 N으로 표시된 중앙 설정에서는 기능하지 않는다. 1차 전압 권선(2)의 끝은 중립 점(4)과 직접 전기적으로 접속된다. 각각의 권선 부분(W1, W2, W3)의 설명한 접속, 반대로의 접속 또는 가교는 반도체 스위칭 소자(S1.1,...S3.4)의 대응하는 접속에 의해 본 발명에 따라 수행된다.
도 3은 다른 접속 표를 나타낸다. 이 경우, 바로 앞에 설명한 실시예와 비교하면, 부분 권선(W3)의 치수만이 변경되어 있는데, 제1 부분 권선(W1)의 9배이다. 이러한 설정에서, 총 27개의 전압 스텝이 생긴다.
도 4는 본 발명에 따른 탭 절환기의 다른 실시예로서, 추가의 모듈(M4)이 있다. 각각의 모듈(M1,...M4) 간의 캐스케이드 접속은 그대로 이다. 추가된 모듈(M4)은 중간의 중앙 탭(M4.1 및 M4.2)과 마찬가지로 병렬의 반도체 스위칭 소자(S4.1 및 S4.2) 및 반도체 스위칭 소자(S4.3 및 S4.4)를 갖는다. 중앙 탭(M4.1)은 1차 전압 권선(2)과 접속하고, 중앙 탭(M4.2)은 모듈(M3)의 중앙 탭(M3.2)과 접속된다.
도 5는 도 4에 나타낸 확대된 탭 절환기의 접속 표를 상세하게 나타낸다. 개별의 반도체 스위치의 대응하는 접속을 통해 생긴 모든 전압 스텝이 도시된 것은 아니다. 대신에, 여기서는 예를 들어 전압 스텝 4, 6 및 10에 기초하여, 이들이 개별의 부분 권선(W1,...W4)의 상이한 스위칭 온 또는 스위칭 오프에 의해, 중복되는 방식으로 생성 가능하다는 점을 나타내고 있다. 이 경우, 모듈(M4)의 새로운 부분 권선(W4)은 제1 모듈(M1)의 제1 부분 권선(W1)의 권선 수의 10배가 되도록 치수가 설정된다.
도 6은 본 발명에 따른 탭 절환기의 단일 모듈을 나타낸다. 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 탭 절환기를 형성하기 위해 n개의 모듈이 조합될 수 있다. 각각의 모듈은 부분 권선(Wn)과 2개의 병렬 바이패스 경로를 포함하며, 2개의 병렬 바이패스 경로는 2개의 반도체 스위칭 소자(Sn.1 및 Sn.2 또는 Sn.3 및 Sn.4)의 직렬 접속을 각각 포함한다. 각각의 직렬 접속 사이에는, 설명한 바와 같이, 중앙 탭(Mn.1, Mn.2)이 배치된다. 반도체 스위칭 소자(Sn.1,...Sn.4)는 역병렬로 접속된 사이리스터로서 예시되어 있다. 다른 주지의 반도체 스위칭 소자도 본 발명의 범위 내에 포함될 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 다른 탭 절환기의 단일 모듈을 나타낸다. 이 경우, 해당 부분에 대한 각각의 반도체 스위칭 소자(Sn.1,...Sn.4)는 각각 2개의 반도체 스위칭 소자(Sn.1a, Sn.1b; Sn.2a, Sn.2b; Sn.3a, Sn.3b; Sn.4a, Sn.4b)의 직렬 접속으로 이루어진다. 또한, 2개 이상의 개별 반도체 스위칭 소자를 직렬로 또는 병렬로 제공하는 것도 본 발명의 범위 내에 속한다.
도 8은 도 1에서 설명한 본 발명에 따른 탭 절환기의 특별한 용도를 나타낸다. 도시한 것 외에, 1차 전압 권선(2)은 종래의 방식으로 접속될 수 있는 권선 탭(St1,...St6)을 갖는다. 이것은 개략적으로만 도시된 탭 선택기에 의해서 뿐만이 아니라, 도 8a에 구체적으로 나타낸 바와 같이, 반도체 스위칭 소자, 여기서는 예를 들어, 역병렬 사이리스터 쌍에 의해 이루어질 수 있다. 본 발명에 따른 탭 절환기는, 여기서는 3개의 모듈(M1,...M3)을 포함하는데, 권선 탭과 직접 접속되는 종래의 탭 절환기와 추가로 접속될 수 있다. 이러한 예에서, 본 발명에 따른 탭 절환기에 의한 더 미세한 스텝형의 추가의 전압 조정과, 권선 탭(St1,...St6) 중의 하나의 대응하는 선택 및 접속에 의해, 개략적인 전압 조정이 가능하다.

Claims (7)

  1. 조정 권선(regulating winding)을 가진 조정 변압기(regulating transformer)에서 반도체 스위칭 소자(semiconductor switching element)를 가진 전압 조정용 탭 절환기로서,
    상기 탭 절환기(3)는 2개 이상의 모듈(M1, M2, M3, M4)을 포함하며,
    상기 모듈(M1, M2, M3, M4)의 각각은 상기 조정 권선의 각각의 부분 권선(W1, W2, W3, W4)과, 그 양쪽에 있는 2개의 가교 경로(bridging-over path)를 포함하고,
    각각의 가교 경로는 2개의 반도체 스위칭 소자(S1.1, S1.2; S1.3, S1.4; S2.1, S2.2; S2.3, S2.4; S3.1, S3.2; S3.3, S3.4; S4.1, S4.2; S4.3, S4.4)의 각각의 직렬 접속을 포함하며,
    각각의 가교 경로의 2개의 직렬로 접속된 스위칭 소자(S1.1, S1.2; S1.3, S1.4; S2.1, S2.2; S2.3, S2.4; S3.1, S3.2; S3.3, S3.4; S4.1, S4.2; S4.3, S4.4) 사이에는 각각 중앙 탭(M1.1, M1.2; M2.1, M2.2; M3.1, M3.2; M4.1, M4.2)이 제공되고,
    상기 부분 권선(W1, W2, W3, W4)은 권선 수가 상이하며,
    각각의 모듈(M1, M2, M3, M4)의 2개의 중앙 권선 탭(M1.1; M2.1, M2.2; M3.1, M3.2; M4.2) 중의 하나는 각각 인접한 모듈의 중앙 탭과 접속되고,
    제1 모듈(M1)의 나머지 하나의 중앙 탭(M1.2)은 부하 디버터(load diverter)(4)와 접속가능하며, 최종 모듈(M3; M4)의 나머지 하나의 중앙 탭(M3.1, M4.1)은 상기 조정 변압기의 조정 권선(2)과 접속가능한 것인, 탭 절환기
  2. 제1항에 있어서,
    정확하게 3개의 모듈(M1,...M3)을 포함하는 탭 절환기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 3개의 모듈(M1,...M3)의 부분 권선(W1,...W3)은 1:3:6 또는 1:3:9의 비율로 분할된 것인, 탭 절환기.
  4. 제1항에 있어서,
    정확하게 4개의 모듈(M1,...M4)을 포함하는 탭 절환기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 4개의 모듈(M1,...M4)의 부분 권선(W1,...W4)은 1:3:6:10의 비율로 분할된 것인, 탭 절환기.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반도체 스위칭 소자(S1.1, S1.2; S1.3, S1.4; S2.1, S2.2; S2.3, S2.4; S3.1, S3.2; S3.3, S3.4; S4.1, S4.2; S4.3, S4.4)는 역병렬로(in anti-parallel) 접속된 사이리스터 쌍 또는 IGBT 쌍을 각각 포함하는, 탭 절환기.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 반도체 스위칭 소자(Sn1,...Sn4)는 적어도 2개의 개별 반도체 스위칭 소자(Sn1a, Sn1b; Sn2a, Sn2b; Sn3a, Sn3b; Sn4a, Sn4b)의 직렬 접속으로 이루어진 것인, 탭 절환기.
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