KR20150045364A - 변압기 - Google Patents

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KR20150045364A
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벤자민 웨버
프랑크 코르넬리우스
지아후아 장
마르틴 카를렌
토르스텐 슈타인메쯔
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에이비비 테크놀로지 아게
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Abstract

본 발명은 서로에 대해 병렬로 배치되고 다각형에 의해 걸친 기본 영역의 코너 지점에 수직으로 배치된 적어도 3개의 코어 림(core limb)(62)을 갖는 변압기 코어(50)로서, 이들의 각 2개의 축방향 단부 영역에서, 코어 림은 양쪽 측부 상에서 이에 대해 횡방향으로 배치된 각 요크 세그먼트(12, 14, 16, 64)로 전이하는, 변압기 코어(50)와, 각 경우에, 중공-원통형 권선(winding) 영역에서 각 코어 림(62) 주위에 배치된 메인 권선(22, 32, 34, 38, 40, 44, 46, 66, 68, 62)을 포함하고, 각 코어 림(62)의 자기 단면은 각 요크 세그먼트(12, 14, 16, 64)의 자기 단면(100)보다 더 크다. 각 경우에, 각 메인 권선(22, 32, 34, 38, 40, 44, 46, 66, 68, 62)에 전기적으로 연결되는 추가 권선(24, 36, 42, 48, 70, 84)이 제공되고, 이것은 각 할당된 요크 세그먼트(12, 14, 16, 64) 주위에 배치된다.

Description

변압기{TRANSFORMER}
본 발명은 변압기에 관한 것으로, 서로에 대해 병렬로 배치되고 다각형에 의해 걸친(spanned) 기본 영역의 코너 지점에 수직으로 배치된 적어도 3개의 코어 림(core limb)을 갖는 변압기 코어로서, 이들의 각 2개의 축방향 단부 영역에서, 코어 림은 양쪽 측부 상에서 이에 대해 횡방향으로 배치된 각 요크 세그먼트로 전이하는, 변압기 코어와, 각 경우에, 중공-원통형 권선(winding) 영역에서 각 코어 림 주위에 배치된 메인 권선을 포함하고, 각 코어 림의 자기 단면은 각 요크 세그먼트의 자기 단면보다 더 크다.
변압기가 상이한 전압 레벨을 갖는 전원 유닛들을 서로 결합하기 위해 전기 에너지 분배 시스템에 사용되는 것이 일반적으로 알려져 있다. 이와 같은 변압기는 종종 소비자 또는 발전기에 가까운 전압 레벨에서 건식-유형(dry-type)의 변압기로서 설계되고, 예를 들어 저전압 측에서 1 kV 내지 6 kV의 범위에서의 공칭 전압, 및 고전압 측에서 10 kV 내지 30 kV의 범위에서의 공칭 전압을 갖고, 대응하는 공칭 전력은 예를 들어 0.5 MVA 내지 10 MVA의 범위에 있다. 하지만, 이와 같은 변압기는 또한 풍력 설비 분야에서 사용되고, 변압기의 공칭 전력은 이 경우에 연관된 풍력 설비의 전력에 관련된다.
예를 들어 일부 100 A일 수 있는 저전압 범위에서의 높은 공칭 전류로 인해, 저전압 권선은 리본 컨덕터로부터 감겨지는 방식으로 종종 설계되고, 리본 컨덕터의 폭은 각 변압기 권선의 적어도 완전한 축방향 길이에 대응한다. 변압기에 대한 실시예 및 요건에 따라, 저전압 측의 권수는 예를 들어 특히, 풍력 설비을 위한 응용에서, 10회 권수의 영역에 있고, 여기서 발전기 측 상에서 생성된 전압은 이에 대응하여 낮고, 변압기에 의해 더 높은 동작 레벨로 설정될 것이다.
조절의 목적으로, 알려진 절차는 바람직하게 복수의 탭을 갖는 변압기의 고전압 측 권선(들)을 제공하는 것이고, 이것은 예를 들어 각 온-로드(on-load) 탭 절환기(changer)에 의해 선택될 수 있고, 그 결과 이에 따라 변압기의 변압비는 조절 범위 내에서 변경될 수 있다. 증가된 조절 능력(regulability)은, 변압기가 상이한 바람 상태로부터 초래된 경계 상태에 적응되는 것을 보장하기 위해 풍력 설비를 위한 응용에 필요하다.
변압기의 활성 부분은 차단된 철 회로(iron circuit)와, 각 코어 림 주위의 차단된 권수의 정수를 갖는 적어도 하나의 고전압 및 저전압 권선을 갖는다. 차단된 컨덕터 루프당 유도된 전압은 메인 주파수, 플럭스 밀도 및 코어 단면에 따라 좌우된다.
한 편으로, 고전압 측 상에 배치된 온-로드 탭 절환기는 고전압 요구로 인해 제작하기에 매우 복잡하고, 전압의 조절이 완전한 권수의 유도된 전압에 대응하는 전압 등급(graduation)에서 최소로 발생한다는 단점이 있다. 그러므로, 전압 조절의 경우에, 최소 조절 스테이지는 2개의 권수 사이의 전압차에 한정된다. 이것은, 특히 전술한 저전압 측 리본 권선의 경우에 불리한데, 그 이유는 비교적 낮은 총 권수로 인해, 예를 들어 10의 영역에서, 공칭 변압 주위의 미세 조절이 가능하지 않기 때문이다.
이러한 종래 기술로부터 진행하여, 본 발명에 의해 다루어진 문제는, 저전압 측 상의 전압이 더 작은 전압 스텝에서 조절되도록 하는 변압기를 제공하는 것으로, 대응하는 온-로드 탭 절환기는 저전압 요구로 인해 더 간략하게 될 것이다.
이 문제는 도입부에 언급된 유형의 변압기에 의해 해결된다. 상기 변압기는 각 경우에 각 메인 권선에 전기적으로 연결되고 각 할당된 요크 세그먼트 주위에 배치된 추가 권선에 의해 특징지어 진다.
본 발명의 기본 개념은 하나 이상의 완전한 권수의 유도된 전압을 감소시키는 것에 있고, 이것은 상기 권수가 완전한 코어 림의 자기 단면을 둘러싸는 것이 아니라, 각 요크의 단면을 둘러싼다는 점에서 조절을 위해 제공된다. 다각형 레이아웃을 갖는 변압기의 경우에, 요크의 단면은 일반적으로 특히 완전한 코어 림의 단면보다 더 작다. 따라서, 권수에 의해 수용되어 각 유도된 전압에 의해 수용된 자기 플럭스는 또한 코어 림 상의 배치의 경우에서보다 요크 상의 배치의 경우에 더 낮다.
메인 권선의 대응하는 직렬의 연결 및 변압기 코어의 각 요크 주위에 배치된 추가 권선의 바람직하게 선택가능한 수로 인해, 변압기의 조절 영역의 더 미세한 등급을 달성하는 것이 유리하게 가능하다.
본 발명에 따른 변압기의 특히 바람직한 구성에 따라, 변압기 코어는 등변 삼각형의 기본 영역을 갖는다. 그러한 형태는 예를 들어, "헥사포머(hexaformer)" 또는 "델타 코어"라는 명칭으로 알려져 있다. 델타 코어는 예를 들어, 고리형 방식으로 감겨지고, 삼각형 레이아웃에 따라 서로 결합될 때, 삼각형 변압기 코어를 초래하는 3개 프레임-형 세그먼트를 갖는다. 3-상 변압기를 위한 그러한 변압기 코어의 대칭 형태는 유리하게 예를 들어 대칭 동작 작용을 선호한다.
하지만, 요크의 단면이 코어 림의 단면보다 왜 더 작은지에 대해 델타 코어 상에서 알 수 있다. 프레임-형 권선 코어 세그먼트의 주변의 단면은 그 원주를 따라 동일하다. 코어 림의 단면은 인접한 코어 세그먼트의 서로 접하는 2개의 측부들의 단면의 합으로 형성되는 한편, 요크는 단일 프레임 세그먼트의 주변 단면을 갖고, 3개의 코어 림과, 각 경우에 자기 단면 영역의 절반인 6개의 요크 전체가 형성된다.
그러므로, 본 발명에 따른 변압기의 바람직한 구성에 따라, 각 요크 세그먼트의 자기 단면 영역은 각 코어 림의 자기 단면 영역의 절반이다.
본 발명에 따른 변압기의 바람직한 변경에 따라, 메인 및/또는 추가 권선은 각 평평한 리본 컨덕터에 의해 형성된다. 평평한 리본 컨덕터는 높은 전류를 수용하는데 특히 적합하고, 이것은 각 저전압 측 권선의 경우에 특히 유리하다. 더욱이, 평평한 리본 컨덕터는 이에 따라 높은 충진(fill) 요인을 갖는다.
본 발명에 따른 변압기의 추가 변경 구성에 따라, 각 추가 권선의 적어도 하나의 권선은 요크 세그먼트에서의 갭을 통해 안내된다. 그 결과, 추가 권선의 대응하는 권수에서의 유도된 전압은 추가로 감소될 수 있는데, 그 이유는 요크의 자기 단면 영역의 일부분만이 권수에 의해 둘러싸이고, 그러므로 유도된 전압이 대응하여 낮은 것으로 나타나기 때문이다. 따라서, 공칭 변압에 관한 등급 섹션의 추가 개정은 예를 들어, 각 경우에 1.5%의 스텝에서 +/- 15%의 조절 영역에서 간단한 방식으로 가능하게 된다.
요크는 적어도 상기 요크의 축 방향 정도의 섹션을 따라 갭에 의해 2개의 단면 영역으로 분리되는 것에 특히 적합한데, 그 이유는 기하학적(geometric) 단면(동일하게 남아있는 자기 단면의 경우에)에서 이를 통해 야기된 증가가 변압기의 설치 크기에서의 증가를 초래하지 않기 때문이다. 갭이 변압기의 림 영역에 배치되면, 자기 단면에서의 유효 감소는 동일하게 남아있는 기하학적 단면의 경우에 각 림을 둘러싸는 코일 내에서의 한정된 공간 공급으로 인해 적어도 갭 영역에서 초래된다.
이에 대응하여 높은 수의 갭들, 이에 따라 또한 단면 영역을 제공하는 것이 또한 가능하다는 것은 말할 필요도 없다. 사실상, 임의의 세분화는 조절 능력에 대한 요건, 예를 들어, 1/3 또는 1/4를 만족시키기 위해 발생할 수 있다. 하지만, 특정 전압 스테이지가 또한 요크의 부분 주위에 놓이는 복수의 권수, 예를 들어 요크 단면의 1/4 주위의 3 권수, 또는 요크 단면의 1/5 주위의 4 권수에 의해 실현될 수 있다. 권선이 요크 단면의 부분 주위에 개별적으로 놓이면, 배선(wiring)은 추가적인 또는 감산적인 방식으로 상기 권수가 작용하도록 하기 위해 권선 방향 또는 (추가) 권선의 극성의 선택에 의해 사용될 수 있다. 따라서, 전압 조절 능력을 위한 필요한 수의 (추가) 권수를 감소시키는 것이 가능하다.
본 발명에 따른 변압기의 바람직한 구성에 따라, 각 추가 권선의 상이한 권수에 액세스하는 복수의 탭을 갖는 각 추가 권선이 제공된다. 탭의 적절한 선택에 의해, 원하는 조절 영역을 실현하는 것이 유리하게 가능하다. 추가 권선은 선택적으로 미세 등급 영역을 갖고, 이러한 미세 등급 영역은 탭에 의해 추가 권선의 권수와 구별되고, 이것은 요크에서 각 갭을 통해 안내된다. 상기 권수는 각 경우에 각 요크를 완전히 둘러싸는 권수의 유도된 전압보다 낮은 유도된 전압을 갖는다. 더욱이, 거친(coarse) 등급 영역이 제공되고, 각 경우에 탭에 의해 요크를 완전히 둘러싸는 권수와 구별된다. 거친 및 미세 등급 영역의 적절한 직렬 연결에 의해, 넓은 범위에 걸쳐 미세 등급을 달성하는 것이 가능하다.
본 발명에 따른 변압기의 다른 변경에 따라, 추가 권선의 탭들 중 하나에 메인 권선을 선택적으로 연결하기 위해 스위칭 수단이 제공되고, 그 결과 전기적으로 연결된 메인 및 추가 권선의 활성 권수가 이에 따라 매칭될 수 있다. 적절한 경우, 개별적인 스위칭 수단은 추가 권선의 거친 및 미세 등급 영역을 위해 제공된다.
변압기의 다른 구성에 따라, 스위칭 수단은 온-로드 탭 절환기 및/또는 전력 전자 구성요소를 포함한다. 온-로드 탭 절환기는 변압기 권선의 탭의 임의의 선택 및 배선을 위한 표준 구성요소로서 성공적인 것으로 나타났다. 그 요건에 따라, 사이리스터 또는 IGBT와 같은 전력 전자 구성요소가 또한 제공된다.
추가로 유리한 구성의 가능성은 추가의 종속항으로부터 얻어질 수 있다.
본 발명, 추가 실시예 및 추가 장점은 도면에 도시된 예시적인 실시예에 기초하여 더 구체적으로 설명된다.
본 발명은 저전압 측 상의 전압이 더 작은 전압 스텝에서 조절되도록 하는 변압기를 제공하는 것으로, 대응하는 온-로드 탭 절환기는 저전압 요구로 인해 더 간략하게 되는 효과를 갖는다.
도 1은 예시적인 제 1 변압기를 도시한 도면.
도 2는 예시적인 제 2 변압기를 도시한 도면.
도 3은 예시적인 제 3 변압기를 도시한 도면.
도 4는 메인 및 추가 권선의 예시적인 배선을 도시한 도면.
도 5는 예시적인 요크 세그먼트의 단면도.
도 1은 단면도(10)로 예시적인 제 1 변압기를 도시한다. 삼각형 변압기 코어(델타 코어)는, 각 경우에 낮은 요크 세그먼트가 도면 부호(12, 14, 16)를 갖는 3개의 프레임-형 감겨진 코어 세그먼트로부터 형성된다. 각 코어 림(18, 20)은 인접하게 배치된 코어 세그먼트의 접촉 표면 상에 형성되고, 코어 림은 각 요크(12, 14, 16)의 단면의 2배를 갖는다. 각 메인 권선(22)은 코어 림(18, 20) 주위에 배치되고, 메인 권선은 각 경우에 요크 세그먼트(12, 14, 16) 주위에 배치되는 추가 권선(24)에 전기적으로 연결된다. 각 메인 권선(22)의 전압 조절은 유리하게 추가 권선(24)에서 덜 등급화된 전압 유도에 의해 개정될 수 있다.
도 2는 예시적인 제 2 변압기를 평면도(30)로 도시한다. 삼각형 변압기 코어(50)의 3개의 림은 내부 상에 방사상으로 배치되는 상호 인터레이싱된(interlaced) 제 1의 저전압 측의 1차 메인 권선(32, 38, 44)에 의해, 그리고 외부 상에 방사상으로 배치되는 고전압 측의 2차 메인 권선(34, 40, 46)에 의해 중공-원통형 방식으로 둘러싸인다. 저전압 측 상에 배치된 1차 메인 권선은 각 경우에 각 상부 요크 주위에 배치된 추가 권선(36, 42, 48)과 전기적으로 상호 연결되고, 추가 권선 각각은 변압비에 적응하기 위해 각 온-로드 탭 절환기에 연결되는 탭을 갖는 복수의 권수를 갖지만, 이것은 도면에 도시되지 않는다.
도 3은 도 2와 유사한 변압기를 측면도(60)로 도시한다. 각 코어 림은 도면 부호(62)를 갖는 점선의 직사각형에 의해 구별되고, 각 요크 세그먼트는 도면 부호(64)를 갖는 점선의 직사각형에 의해 구별되고, 양쪽 모두는 2의 인자만큼 자기 단면에서 서로 차이가 있다. 각 제 1의(66) 및 제 2의(68) 메인 권선은 코어 림(62) 주위에 배치되고, 메인 권선은 각 요크 세그먼트(64) 주위에 배치되는 추가 권선(70)에 전기적으로 연결된다.
추가 권선(70)의 특별한 특징은, 요크에서의 갭을 통해 안내되기보다 오히려 각 요크의 총 단면을 수용하지 않고, 그 결과 전체 요크 단면이 둘러싸이는 경우보다 저전압이 권수당 유도된다는 점에 있다. 그 결과, 더 미세한 전압 조절이 가능하다. 각 경우에 모아지고(bunched) 감겨진 방식으로 배치되는 적층된 코어로부터 만들어진, 본 명세서에 도시된 소위 헥사포머 코어는 특히 이 목적에 적합한데, 그 이유는 갭이 요크 영역에서의 인접한 적층된 코어들 사이에 특히 간단한 방식으로 제공될 수 있기 때문이다.
도 4는 메인 권선(82) 및 추가 권선(84)의 예시적인 배선(80)을 도시한다. 이들은 각각 직렬로 전기적으로 연결되고, 추가 권선(84)은 스위칭 수단(88), 온-로드 탭 절환기에 의해 선택적으로 태핑(tapped)될 수 있는 복수의 탭(86)을 갖는다. 전기 연결부(90 및 92)는 각각 직렬 회로의 시작 및 마지막에 제공된다.
도 5는 예시적인 요크 세그먼트(100)의 단면을 도시하고, 이러한 요크 세그먼트(100)의 자기 총 단면은 제 1 단면 영역(102) 및 제 2 단면 영역(104)에 의해 형성되고, 갭(106)은 그 사이에 제공되고, 이 갭을 통해 추가 권선의 2개의 권수(108, 110)가 안내된다. 추가 권선은 탭(112, 114)을 통해 연결가능하다.
10 예시적인 제 1 변압기
12 제 1 변압기의 제 1 요크 세그먼트
14 제 1 변압기의 제 2 요크 세그먼트
16 제 1 변압기의 제 3 요크 세그먼트
18 제 1 변압기의 제 1 코어 림의 단면
20 제 1 변압기의 제 2 코어 림의 단면
22 제 1 변압기의 제 1 메인 권선
24 제 1 변압기의 제 1 추가 권선
30 예시적인 제 2 변압기
32 제 2 변압기의 제 1의 1차 메인 권선
34 제 2 변압기의 제 1의 2차 메인 권선
36 제 2 변압기의 제 1 추가 권선
38 제 2 변압기의 제 2의 1차 메인 권선
40 제 2 변압기의 제 2의 2차 메인 권선
42 제 2 변압기의 제 2 추가 권선
44 제 2 변압기의 제 3의 1차 메인 권선
46 제 2 변압기의 제 3의 2차 메인 권선
48 제 2 변압기의 제 3 추가 권선
50 변압기 코어
60 예시적인 제 3 변압기
62 제 3 변압기의 제 1 코어 림
64 제 3 변압기의 제 1 요크 세그먼트
66 제 3 변압기의 제 1의 1차 메인 권선
68 제 3 변압기의 제 1의 2차 메인 권선
70 제 3 변압기의 제 1 추가 권선
80 메인 및 추가 권선의 예시적인 배선
82 예시적인 메인 권선
84 예시적인 추가 권선
86 탭
88 스위칭 수단
90 제 1 연결부
92 제 2 연결부
100 예시적인 요크 세그먼트의 단면
102 제 1 단면 영역
104 제 2 단면 영역
106 갭
108 추가 권선의 제 1 권수
110 추가 권선의 제 2 권수
112 제 1 탭
114 제 2 탭

Claims (9)

  1. 변압기(10, 30, 60)로서,
    - 서로에 대해 병렬로 배치되고 다각형에 의해 걸친(spanned) 기본 영역의 코너 지점에 수직으로 배치된 적어도 3개의 코어 림(core limb)(62)을 갖는 변압기 코어(50)로서, 이들의 각 2개의 축방향 단부 영역에서, 코어 림은 양쪽 측부 상에서 이에 대해 횡방향으로 배치된 각 요크 세그먼트(12, 14, 16, 64)로 전이하는, 변압기 코어와,
    - 각 경우에, 중공-원통형 권선(winding) 영역에서 각 코어 림(62) 주위에 배치된 메인 권선(22, 32, 34, 38, 40, 44, 46, 66, 68, 62)을 포함하고,
    - 각 코어 림(62)의 자기 단면은 각 요크 세그먼트(12, 14, 16, 64)의 자기 단면(100)보다 더 큰, 변압기(10, 30, 60)에 있어서,
    - 각 경우에, 각 메인 권선(22, 32, 34, 38, 40, 44, 46, 66, 68, 62)에 전기적으로 연결되고 각 할당된 요크 세그먼트(12, 14, 16, 64) 주위에 배치되는 추가 권선(24, 36, 42, 48, 70, 84)을 특징으로 하는, 변압기.
  2. 제 1항에 있어서, 변압기 코어(50)는 등변 삼각형의 기본 영역을 갖는 것을 특징으로 하는, 변압기.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 메인 권선(22, 32, 34, 38, 40, 44, 46, 66, 68, 62) 및/또는 추가 권선(24, 36, 42, 48, 70, 84)은 각 평평한 리본 컨덕터에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는, 변압기.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 변압기 코어(50)는 헥사포머(hexaformer) 코어 또는 델타(delta) 코어인 것을 특징으로 하는, 변압기.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 각 요크 세그먼트(12, 14, 16, 64)의 자기 단면 영역(100)은 각 코어 림(62)의 자기 단면 영역의 절반인 것을 특징으로 하는, 변압기.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서, 각 추가 권선(24, 36, 42, 48, 70, 84)의 적어도 하나의 권선은 요크 세그먼트(12, 14, 16, 64)에서의 갭(106)을 통해 안내되는 것을 특징으로 하는, 변압기.
  7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서, 각 추가 권선(24, 36, 42, 48, 70, 84)은 각 추가 권선의 상이한 권수에 액세스하는 복수의 탭(86, 112, 114)을 갖는 것을 특징으로 하는, 변압기.
  8. 제 7항에 있어서, 스위칭 수단(88)은 각 메인 권선(22, 32, 34, 38, 40, 44, 46, 66, 68, 62)을 각 추가 권선(24, 36, 42, 48, 70, 84)의 탭 중 하나(88)에 선택적으로 연결하기 위해 제공되고, 그 결과 각 전기적으로 연결된 메인 권선(22, 32, 34, 38, 40, 44, 46, 66, 68, 62) 및 추가 권선(24, 36, 42, 48, 70, 84)의 활성 권수가 이에 따라 매칭될 수 있는 것을 특징으로 하는, 변압기.
  9. 제 8항에 있어서, 스위칭 수단(88)은 온-로드(on-load) 탭 절환기 및/또는 전력 전자 구성요소를 포함하는 것을 특징으로 하는, 변압기.
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