KR20140137359A - 탭 절환기 - Google Patents

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보케르 카레르
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마쉬넨파브릭 레인하우센 게엠베하
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Abstract

본 발명은 조정 권선을 갖는 조정 변압기 상의 반도체 스위칭 부품으로 전압을 조정하기 위한 탭 절환기에 관한 것이다. 탭 절환기는 모듈식으로 설계되며, 각각의 모듈은 반도체 스위칭 부품을 통해 접속 가능하거나 분리 가능한 조정 권선의 하나의 부분 권선을 각각 포함한다. 반도체 스위칭 부품을 고전압에 대해 보호하기 위해 바리스터 및 커패시터가 추가로 통합된다.

Description

탭 절환기{TAP SWITCH}
본 발명은 반도체 스위칭 부품을 이용한 전압 조정을 위한 탭 절환기에 관한 것이다.
반도체 스위칭 부품을 갖는 조정 가능한 변압기(regulatable transformer)는 이미 독일 특허 DE 22 48 166A에 개시되어 있다. 이 변압기에서의 2차 권선은 특정한 개수의 조정 권선부를 포함하며, 그 권선부의 임의의 개수의 권선부가 권선의 직렬 접속 그룹으로 어셈블되고, 각각의 권선 그룹이 병렬로 연결되는 2개 또는 3개의 조정 권선부를 갖는다. 그 경우, 각각의 권선부는 비접촉식 스위칭 부품이 제공된다. 또한, 이 특허 명세서는, 변압기의 2차 권선이 직렬 접속 조정 권선부의 그룹을 포함하고, 각각의 권선부가 4개의 비접촉식 스위칭 부품을 포함하는, 또 다른 변형예를 개시하고 있다. 이러한 구성은, 조정 권선부의 단자 전압 극성이 반대로 될 수 있고, 전체 조정 권선부가 필요한 경우 마찬가지로 바이패스 가능하게 되도록 장착된다.
변압기의 2차 전압의 단계적 스위칭을 위한 추가의 디바이스가 독일 특허 DE 25 08 013A에 개시되어 있다. 이 특허에서는 2차 권선이 그 경우에도 부분 권선으로 그룹화되고, 반도체 스위칭 부품 또한 제공될 수 있다.
DE 197 47 712 C2는 단권 변압기(autotransformer)로서 구성되는 탭형 변압기(tapped transformer) 상에 배치된 유사한 타입의 탭 절환기를 개시하고 있다. 서로 개별적으로 및 독립적으로 연결 가능한 개별 권선부가 이 경우에도 제공된다. 조정 권선의 고정된 탭 외에, 이 구성은 별도의 스위칭 가능하거나 연결 가능한 권선부를 추가로 포함한다.
WO 95/27931로부터 인터럽트되지 않은 부하 전달(uninterrupted load transfer)을 위한 또 다른 탭 절환기의 여러 실시예가 알려져 있으며, 이들 실시예에서는 사이리스터 또한 스위치 부품으로서 작용한다. 그리고나서, 탭 권선의 상이한 권선부가 역병렬 접속 사이리스터 쌍(anti-parallel connected thyristor pair)을 통해 각각의 탭형 변압기의 2차 권선의 일부로서 접속되거나 분리될 수 있다. 이 국제 출원의 명세서는 또한 제한된 개수의 권선 탭이 제공되는 경우 전압 조정을 가능한 한 미세-단계로 실현하기 위한 "불연속적 원형 변조(discrete circle modulation)"로 지칭되는 방법을 추가로 제안하며, 이 방법에서는 2차 전압의 중간값이 발생하는 방식으로 사이리스터가 작동된다.
모듈식으로 구성된 반도체 탭 절환기 시스템이 "A new approach to solid-state on load tap changing transformers"라는 명칭의 공개 문헌(Osman, Demirci; David, A., Torrey; Rober, C., Degeneff; IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 13, Issue: 3, July 1998)으로부터 알려져 있다. 이 문헌에서는 조정 권선이 복수의 모듈과 직렬로 접속되어 있다. 각각의 모듈은 반도체 스위칭 부품 및 상이한 권회수의 부분 권선을 포함한다. 반도체 스위칭 부품의 목표 작동(tageted actuation)은 부분 권선이 조정 권선과 연결되거나 또는 분리되도록 한다. 상이한 권회수에 의해, 심지어는 부분 권선을 서로에 대해 그리고 메인 권선에 대해 스위칭하는 것이 가능하다. 이 공개 문헌은 청구항 1의 전제부를 구성한다.
종래 기술로 알려진 해법에서, 반도체 스위칭 부품은 사실상 고전적인 기계식 탭 절환기에서의 기계식 셀렉터 암(mechanical selector arm)의 기능을 담당한다. 조정 권선의 개별 권선 탭은 특히 반도체 스위칭 부품을 통해 연결되거나 분리될 수 있다. 조정 권선을 별도로 연결할 수 있는 부분 권선으로 세부적으로 분할하는 것도 가능하다.
이들 탭 절환기는 IEC 60060과 함께 상이한 IEC 표준 60214-1의 요건을 따라야 한다. 다른 것들 중에서, 별도 소스 AC 내전압 시험(separate source AC withstand voltage test) 및 충격파 내전압 시험(lightning impulse voltage test)이 수행되어야 한다. 별도 소스 AC 내전압 시험에서, 50 또는 60 ㎐ 주파수의 단상 교류 전압이 60초 동안 인가된다. 승인된 중간 작동 전압에 따라, 이들 값은 20 kV 내지 325 kV 범위로 될 수 있다. 충격파 내전압 시험은 표준 1.2/50 ㎲에서 수행되어야 한다. 교류 전압은 이 프로세스에서는 1.8 V의 레벨까지 상승할 수 있다. 이들 교류 전압이 탭 절환기에, 구체적으로는 반도체 스위칭 부품에, 즉각적으로 인가되므로, 그리고 이러한 높은 교류 전압에 대하여 반도체 스위칭 부품을 설계하는 것이 가능하지 않거나 커다란 노력으로만 가능하므로, 반도체 스위칭 부품에 대한 손상이 발생하기 쉽다.
따라서, 본 발명의 목적은 반도체 부품이 표준을 준수하여 수행되는 시험에서 비롯되는 높은 교류 전압으로부터 보호되는 반도체 스위칭 부품을 갖는 탭 절환기를 제공하는 것이다.
상기한 목적은 청구항 1의 특징부를 갖는 탭 절환기에 의해 달성된다. 하위 청구항들은 본 발명의 특히 이로운 구성에 관련된다.
전반적인 진보적 개념은 커패시터와 직렬 접속되는 전압 의존성 저항기(voltage-dependent resistor)를 각각의 반도체 스위칭 부품과 병렬로 접속하는 것으로 이루어진다.
도 1은 저전압 권선, 고전압 권선 및 탭 절환기를 포함하는 변압기를 도시하는 도면이다.
본 발명은 도면을 통해 아래에 더욱 상세하게 예시로서 설명될 것이다.
도 1은 저전압 권선(1) 및 고전압 권선 조정 권선(고전압 권선)(2)과, 본 발명에 따른 탭 절환기(3)가 스위칭되는 3개의 분리된 부분 권선(W1, W2, W3)을 포함하는 조정 대상이 되는 변압기를 도시하는 도면이다. 이 도면에서, 점선은 3개의 개별 모듈(M1, M2, M3)을 포함하는 탭 절환기(3)의 범위를 표시한다. 그러나, 모듈의 개수는 필요에 따라 선택 가능하다. 제1 모듈(M1)은 제1 부분 권선(W1) 및 그 양측의 2개의 바이패스 경로를 포함하며, 이 바이패스 경로는 예컨대 S1.1과 S1.2 또는 S1.3과 S1.4와 같은 2개의 반도체 스위칭 부품의 각자의 직렬 접속을 포함한다. 각자의 2개의 직렬 접속 스위칭 부품들 사이에는 중앙 탭(M1.1, M1.2)이 제공된다. 커패시터(C1.1∼C1.4) 및 직렬 접속된 전압 의존성 저항기(R1.1∼R1.4)가 각각의 반도체 스위칭 부품(S1.1∼S1.4)과 병렬로 배치된다.
개별 반도체 스위칭 부품은 간략한 스위치로서 단지 개략적으로 예시되어 있다. 실제로, 이들 반도체 스위칭 부품은 병렬 접속된 사이리스터들, IGBT들 또는 기타 반도체 스위칭 부품을 포함한다. 이들은 또한 각각 복수의 이러한 개별 반도체 스위칭 부품의 직렬 접속 또는 병렬 접속을 포함할 수 있다. 전압 의존성 저항기는 소위 바리스터(varistor) 또는 과도 전압 억제 다이오드(transient-voltage-suppression diode)이다.
제1 모듈(M1)의 중앙 탭(M1.1)은 고전압 권선(2)의 일단에 전기 접속된다. 모듈 M1과 M2는 중앙 탭 M1.2와 M2.2를 통해 전기 접속된다. 이 제2 모듈(M2)은 동일하게 구성되며, 부분 권선(W2)과, 각각 2개의 반도체 스위칭 부품(S2.1과 S2.2 또는 S2.3과 S2.4)으로 이루어지는 2개의 직렬 접속과, 이와 병렬을 이루는 직렬로 접속된 커패시터(C2.1∼C2.4) 및 저항기(R2.1∼R2.4)를 포함한다. 역시, 각자의 직렬 접속 사이에는 중압 탭(M2.1, M2.2)이 제공된다. 제1 모듈(M1)과 하나의 중앙 탭(M2.2)의 접속은 이미 위에서 설명하였으며, 제2 중앙 탭(M2.1)은 그 자체가 동일한 타입의 제3 모듈(M3)의 중앙 탭(M3.1)과 접속된다. 이 제3 모듈은 또한 중앙 탭(M3.1, M3.2)이 사이에 배치되는 반도체 스위칭 부품(S3.1∼S3.4)과, 커패시터(C3.1∼C3.4)와, 저항기(R3.1∼R3.4)와, 부분 권선(W3)을 포함한다. 제3 모듈은 중앙 탭 M3.2를 통해 전력 소산부(load dissipation)(스타 포인트)(4)와 접속된다.
전술한 3개의 모듈(M1, M2, M3)은 각자의 부분 권선(W1, W2, W3)의 규모가 상이할 수 있다.
개별 모듈(M1∼M3)의 반도체 스위칭 부품(Sn.1∼Sn.4)의 목표 작동은 동일한 방향으로 또는 반대 방향으로의 개별 부분 권선(W1∼W3)을 접속하는 것을 허용한다. 부분 권선이 상이한 규모를 가지면, 부분 권선을 서로에 대해 스위치하는 것도 가능하다.
IEC 표준에 따른 시험을 수행하는 것은, 반도체 스위칭 부품(Sn.n)에 매우 높은 전압을 인가하는 것을 수반한다. 충격파 내전압 시험 동안 및 별도 소스 AC 내전압 시험 동안 반도체 스위칭 부품(Sn.n)을 보호하기 위해, 전압 의존성 저항기(Rn.n)(예컨대, 바리스터 또는 가스 충전된 서지 프로텍터 등)가 추가로 병렬로 접속된다.
전압 의존성 저항기(Rn.n)는 별도 소스 AC 내전압 시험의 경우에는 전도하지 않거나 또는 추가의 실시예에서는 전술한 시간 기간 동안의 그 결과의 전력 소비(power dissipation)가 부품을 파괴하는 것을 초래하지 않을 이러한 낮은 전류를 전도하도록 정밀하게 설계된다. 충격파 내전압 시험의 상태 하에서는, 전압 의존성 저항기(Rn.n)가 도전하게 되고, 반도체 스위칭 부품(Sn.n) 양단에서의 전압 상승을 제한한다. 따라서, 반도체 스위칭 부품(Sn.n)을 파괴되지 않고 인가 전압을 견뎌내도록 설계하는 것이 필요하다.
별소 소스 AC 내전압 시험에 비하여, 충격파 내전압 시험의 전압 펄스 상승은 몇배 더 빠르며, 그러므로 별도 소스 AC 내전압 시험의 범위(최대 60 ㎐)보다 높은 주파수(60 ㎐보다 큰)를 나타내게 된다. 이러한 이유로, 전압 의존성 저항기(Rn.n)는 용량성으로 링크된다. 이것은 커패시터(Cn.n)와의 직렬 접속에 의해 실현된다. 이러한 링크는 고역 통과(high pass)를 생성한다. 낮은 주파수의 별도 소스 AC 내전압 시험 동안, 전압 의존성 저항기(Rn.n)에 의해 스트레스가 회피된다.
이 구성의 특히 이로운 특징은 커패시터(Cn.n)와의 접속에서의 전압 의존성 저항기(Rn.n)(바리스터)가 단지 충격파 내전압 시험의 조건에 대해 설계되어야 한다는 것이다. 이들 조건은 더 적은 에너지가 포함되기 때문에 별도 소스 AC 내전압 시험의 조건보다 훨씬 낮으며, 이것은 비용 및 요구되는 설치 공간에 반영된다. 반도체 스위칭 부품(Sn.n)이 더 작은 치수로 설계될 수 있다는 추가의 긍정적인 효과가 있다. 이것 또한 비용 이점을 발생한다.

Claims (5)

  1. 조정 권선을 갖는 조정 변압기 상의 반도체 스위칭 부품으로 전압을 조정하기 위한 탭 절환기로서,
    상기 탭 절환기(3)가 하나 이상의 모듈(M1, M2, M3)을 가지며,
    각각의 상기 모듈(M1, M2, M3)이 상기 조정 권선의 각자의 부분 권선(W1, W2, W3) 및 그 양측의 2개의 바이패스 경로를 포함하며,
    각각의 상기 바이패스 경로가 2개의 상기 반도체 스위칭 부품의 하나의 직렬 접속(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)을 포함하며,
    각각의 상기 바이패스 경로의 각각의 2개의 직렬 접속된 상기 반도체 스위칭 부품(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) 사이에 하나의 중앙 탭(M1.1, M1.2; M2.1, M2.2; M3.1, M3.2)이 제공되며,
    각각의 상기 모듈(M1, M2, M3)의 2개의 상기 중앙 탭(M1.2; M2.1, M2.2; M3.1) 중의 하나가 각각 인접한 상기 모듈의 중앙 탭과 접속되며,
    상기 모듈의 제3 모듈(M3)의 나머지 하나의 중앙 탭(M3.2)이 부하 소산부(load dissipation)(4)와 연결 가능하며, 상기 모듈의 제1 모듈(M1)의 나머지 다른 하나의 중앙 탭(M1.1)이 상기 조정 변압기의 상기 조정 권선(2)과 접속 가능한 탭 절환기에 있어서,
    커패시터(C1.1, C1.2; C1.3, C1.4; C2.1, C2.2; C2.3, C2.4; C3.1, C3.2; C3.3, C3.4; C4.1, C4.2; C4.3, C4.4)와 직렬로 접속된 전압 의존성 저항기(voltage-dependent resistor)(R1.1, R1.2; R1.3, R1.4; R2.1, R2.2; R2.3, R2.4; R3.1, R3.2; R3.3, R3.4; R4.1, R4.2; R4.3, R4.4)가 각각의 상기 반도체 스위칭 부품(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)에 대해 각각 병렬로 제공되는 것을 특징으로 하는 탭 절환기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 탭 절환기(3)는 정확하게 3개의 상기 모듈(M1, M2, 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 분할되는, 탭 절환기.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반도체 스위칭 부품(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)은 각각 역병렬 접속 사이리스터 쌍(anti-parallel connected thyristor pair) 또는 역직렬 접속 IGBT 쌍(anti-serially connected IGBT pair)을 포함하는, 탭 절환기.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    하나 이상의 상기 반도체 스위칭 부품(Sn1...Sn4)이 2개 이상의 개별 반도체 스위칭 부품(Sn1...Sn4)의 직렬 접속 또는 병렬 접속을 포함하는, 탭 절환기.
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