KR20160047429A

KR20160047429A - 변압 장치

Info

Publication number: KR20160047429A
Application number: KR1020157031244A
Authority: KR
Inventors: 히데아키 나카하타; 노부오 시가; 겐이치 히로츠; 다카시 오히라; 교헤이 야마다
Original assignee: 스미토모덴키고교가부시키가이샤; 고꾸리쯔 다이가꾸 호우징 도요하시 기쥬쯔 가가꾸 다이가꾸
Priority date: 2013-08-29
Filing date: 2014-08-05
Publication date: 2016-05-02
Also published as: WO2015029720A1; US20160204708A1; JP5727561B2; JP2015050777A; US9712069B2; EP3041124A4; EP3041124A1; TWI625034B; CN104426382B; CN204119041U; CN104426382A; TW201526509A

Abstract

주파수(f)의 교류 전원과, 저항치(R)의 부하 사이에 설치되는 분포 정수형의 변압 장치로서, 주파수(f)에 있어서의 파장을 λ로 하여, 교류 전원에 접속되는 길이 λ/4의 제1 변환기와, 제1 변환기의 종단과 부하 사이에 설치되는 길이 λ/4의 제2 변환기를 구비하고 있는 변압 장치이다. 이러한 변압 장치는, 소형 경량이며, 종래의 트랜스와 같은 코일이나 철심 등을 필요로 하지 않는다.

Description

변압 장치{TRANSFORMER}

본 발명은, 변압 장치에 관한 것이다.

상용 교류의 송배전 계통에는, 변압기가 이용된다. 수요자의 직근에서는, 예컨대 6600 V(50 Hz 또는 60 Hz)를 200 V로 변압하는 주상(主上) 트랜스가 이용된다(비특허문헌 1 참조). 이러한 주상 트랜스는, 도선이 되는 굵은 코일이 철심에 권취되어 있어, 상응하는 중량이 있다. 또한, 절연유나 케이스를 더 포함시키면, 예컨대 직경 40 ㎝, 높이 80 ㎝ 타입에서는 200 ㎏ 정도의 중량이 있다.

한편, 차세대의 전력 시스템인 스마트 그리드의 실현을 위해, SST(Solid-State Transformer)의 연구가 행해지고 있다. SST에는, 고주파 트랜스가 이용된다(예컨대, 비특허문헌 2 참조).

비특허문헌 1 : 츄부덴료쿠 홈페이지, 「주상 변압기」, [online], [평성 25년 7월 19일 검색], 인터넷<URL:http://www.chuden.co.jp/e-museum/guide/3floor/exhibit_c23.html> 비특허문헌 2 : Falcones, S.: et al., Power and Energy Society General Meeting, 2010 IEEE, pp. 1-8, Minneapolis, July 2010

종래의 주상 트랜스는 무겁고, 따라서, 취급이 용이하지 않다. 또한, 그 외형 치수를 수용할 만한 큰 장치 스페이스가 주상에 필요하다.

한편, 고주파 트랜스는, 기생 용량의 영향을 회피할 수 없어, 설계상의 곤란성이 있다.

이러한 종래의 문제점을 감안하여, 본 발명은, 소형 경량이며, 종래의 트랜스와 같은 자기 결합이나 전자 유도, 상호 인덕턴스용 코일이나 철심 등을 필요로 하지 않는 획기적인 차세대 변압 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은, 주파수(f)의 교류 전원과, 저항치(R)의 부하 사이에 설치되는 분포 정수형의 변압 장치로서, 주파수(f)에 있어서의 파장을 λ로 하여, 상기 교류 전원에 접속되는 길이 λ/4의 제1 변환기와, 상기 제1 변환기의 종단과 상기 부하 사이에 설치되는 길이 λ/4의 제2 변환기를 구비하고 있다.

본 발명의 변압 장치를 전력용 변압기로서 이용함으로써, 코일이나 철심 등을 포함하는 종래의 트랜스는 필요 없게 된다. 따라서, 변압기의 비약적인 소형 경량화 및 그것에 따른 저비용화를 실현할 수 있다.

도 1은 분포 정수 회로에 의한 변압 장치를 도시한 접속도이다.
도 2는 다른 구성에 의한 변압 장치를 도시한 회로도이다.
도 3의 (a)는, 도 2에 있어서의 4개의 스위치 중, 상측에 있는 2개의 스위치가 온이고, 하측에 있는 2개의 스위치가 오프일 때의, 실체 접속의 상태를 나타낸 회로도이다. (b)는, (a)와 동일한 회로도를, 계단 형상으로 재기록한 회로도이다.
도 4의 (a)는, 도 2에 있어서의 4개의 스위치 중, 하측에 있는 2개의 스위치가 온이고, 상측에 있는 2개의 스위치가 오프일 때의, 실체 접속의 상태를 나타낸 회로도이다. 또한, (b)는, (a)와 동일한 회로도를, 계단 형상으로 재기록한 회로도이다.
도 5는 도 2의 변압 장치에 대한 입력 전압 및 입력 전류를 각각 나타낸 파형도이다.
도 6은 도 2의 변압 장치에 있어서의, 변압의 중간 단계에서의 전압 및 전류를 각각 나타낸 파형도이다.
도 7은 도 2의 변압 장치로부터의 출력 전압 및 출력 전류를 각각 나타낸 파형도이다.
도 8은 도 1에 도시된 변압 장치와, 도 2의 변압 장치를 조합한 회로도이다.

[실시형태의 요지]

본 발명의 실시형태의 요지로는, 적어도 이하의 것이 포함된다.

(1) 이것은, 주파수(f)의 교류 전원과, 저항치(R)의 부하 사이에 설치되는 분포 정수형의 변압 장치로서, 주파수(f)에 있어서의 파장을 λ로 하여, 상기 교류 전원에 접속되는 길이 λ/4의 제1 변환기와, 상기 제1 변환기의 종단과 상기 부하 사이에 설치되는 길이 λ/4의 제2 변환기를 구비하고 있는 것이다.

상기와 같은 변압 장치에서는, 제1 변환기의 임피던스를 Z_c1, 제2 변환기의 임피던스를 Z_c2라고 하면, 입력 임피던스 Z_in은,

Z_in=(Z_c1 ²/Z_c2 ²)·R=k·R이 된다. 여기서, k는 정수가 된다. 입력 임피던스 Z_in은, 부하의 저항치(R)에 비례하며, 이에 따라, 부하의 저항치에 상관없이 입력 전압에 비례한 출력 전압을 얻을 수 있다. 즉, 일정한 변압비(1/k)¹ ^/2로 입력 전압을 출력 전압으로 변환하는 변압 장치를 얻을 수 있다. 이 변압 장치는, 분포 정수 회로를 2단계로 접속한 것이다. 따라서, 종래의 변압기와 같은 권선이나 철심 등을 필요로 하지 않는 획기적인 형태가 되어, 변압기의 경량화 및 그것에 따른 저비용화를 실현할 수 있다. 또한, 고주파 트랜스에서 과제가 되는 기생 용량, 누설 자계 발생의 문제도 해소되어, 저손실의 변압기를 실현할 수 있다.

(2) 또한, 변압 장치는, 스위칭을 행하는 회로와, 상기 회로 내에 개삽된 (1)의 변압 장치를 포함하는 것이어도 좋다.

이 경우, 고주파로 스위칭을 행하고 있는 환경을 이용하여 분포 정수형의 변압 장치를 활용할 수 있다.

(3) 또한, (1)의 변압 장치에 있어서, 상기 제1 변환기 및 상기 제2 변환기는, 케이블에 의해 구성하는 것이 가능하다.

이 경우, 케이블의 특성 임피던스를, 제1 변환기 및 제2 변환기의 각각의 임피던스로 할 수 있다.

(4) 또한, (3)의 변압 장치에 있어서, 상기 케이블은, 배전선의 전력 케이블과 일체화하도록 하여도 좋다.

이 경우, 전력 케이블을 변압 장치로서 이용할 수 있다.

(5) 또한, (3) 또는 (4)의 변압 장치에 있어서, 상기 교류 전원의 주파수는, 적어도 1 MHz인 것이 바람직하다.

이 경우, 예컨대 주파수가 10 MHz라면 λ/4가 수 m가 되고, 케이블에 의한 실현이 현실적으로 용이해진다. 또한, 1 MHz라면 λ/4가 수십 m가 되지만, 배전선의 전력 케이블과 일체화하면 실현이 가능하다.

[실시형태의 상세]

<분포 정수 회로에 의한 변압 장치>

다음에, 본 발명의 일 실시형태에 따른 분포 정수 회로에 의한 변압 장치에 대해서 설명한다.

《기본 구성》

도 1은, 분포 정수 회로에 의한 변압 장치(100)를 도시한 접속도이다. 도면에 있어서, 변압 장치(100)를 구성하는 것은, 제1 변환기(101)와, 그 종단에 접속된 제2 변환기(102)이다. 제1 변환기(101) 및 제2 변환기(102)로는, 예컨대 시스가 부착된 단심 케이블(CV)을 이용할 수 있다. 전단의 제1 변환기(101)는, 입력되는 전원의 주파수(f)에 대하여 λ/4의 길이를 갖는다(λ는 파장). 또한, 제1 변환기(101)의 종단에 접속되는 후단의 제2 변환기(102)도, 입력되는 전원의 주파수(f)에 대하여 λ/4의 길이를 갖는다.

여기서, 제1 변환기(101) 및 제2 변환기(102)의 각각의 특성 임피던스를 Z_c1 및 Z_c2, 제1 변환기(101)의 입력단에서 본 입력 임피던스를 Z_in, 제2 변환기(102)의 입력단에서 본 입력 임피던스를 Z_in'라고 하면,

Z_in=Z_c1 ²/Z_in', Z_in'=Z_c2 ²/R이기 때문에,

Z_in=Z_c1 ²/(Z_c2 ²/R)

=(Z_c1 ²/Z_c2 ²)R

이 된다. (Z_c1 ²/Z_c2 ²)는 정수이기 때문에, 이것을 정수 k라고 해두면,

Z_in=k·R

이 된다.

또한, 변압 장치(100) 전체로서의, 입력 전압을 V_in, 입력 전력을 P_in, 출력 전력을 P_out, 출력 전압을 V_out라고 하면, P_in=V_in ²/Z_in, P_out=V_out ²/R이다. 여기서, P_in=P_out이기 때문에, 이하의 관계를 얻을 수 있다.

V_in ²/Z_in=V_out ²/R

이 된다. 이것을 변형하면,

(V_out ²/V_in ²)=R/Z_in=k

가 된다. 따라서,

(V_out/V_in)=k^1/2

이 되고, 일정한 변압비 k^1/ ²을 얻을 수 있다.

이와 같이, 입력 임피던스 Z_in은 부하의 저항치(R)에 비례하며, 부하 변동에 대하여 변압비가 일정해진다. 바꿔 말하면, 부하의 저항치에 상관없이 입력 전압에 비례한 출력 전압을 얻을 수 있다. 즉, 일정한 변압비 (1/k)^1/2=Z_c2/Z_c1에 의해, 입력 전압을 출력 전압으로 변환하는 변압 장치(100)를 얻을 수 있다. 또한, 변압비는, Z_c2/Z_c1의 값의 선택에 의해 자유롭게 설계 가능하다.

이 변압 장치는, 분포 정수 회로를 2단계로 접속한 것이다. 따라서, 종래의 변압기와 같은 권선이나 철심 등을 필요로 하지 않는 획기적인 형태가 되어, 변압기의 경량화 및 그것에 따른 저비용화를 실현할 수 있다. 또한, 고주파 트랜스에서 과제가 되는 기생 용량, 누설 자계 발생의 문제도 해소되어, 저손실의 변압기를 실현할 수 있다.

상기한 변압 장치(100)는, 상용 주파 레벨의 저주파라도 이론적으로는 가능하지만, 현실적으로는, λ/4가 매우 길어지기 때문에, 부적합하다. 그러나, 1 MHz에서는 λ/4가 수십 m가 되고, 배전선의 전력 케이블과 일체화하면 실현이 가능하다. 또한 10 MHz에서는, λ/4가 수 m가 되기 때문에, 케이블에 의한 실현이 현실적으로 용이해진다.

전술한, 분포 정수 회로에 의한 변압 장치(100)는, 다른 구성에 의한 변압 장치와 조합하여 사용하는 것도 가능하다. 예컨대, 다른 구성에 의한 변압 장치로는, 이하의 것이 있다.

<리엑턴스 소자를 이용한 스위칭에 의한 변압 장치>

도 2는, 이러한 변압 장치(1)의 일례를 도시한 회로도이다. 도면에 있어서, 변압 장치(1)는, 교류 전원(2)과, 부하(R) 사이에 설치되어 있다. 변압 장치(1)는, 한 쌍의 커패시터(C1, C2)와, 한 쌍의 인덕터(L1, L2)와, 4개의 스위치(S_r1, S_r2, S_b1, S_b2)와, 이들 스위치(S_r1, S_r2, S_b1, S_b2)의 온/오프를 제어하는 스위칭 제어부(3)를 구비하고 있다. 스위칭 제어부(3)의 스위칭 주파수는, 예컨대 1 MHz 정도이다. 또한, 스위칭 주파수는 1 MHz 이상이 바람직하지만, 1 MHz 미만이라도 가능하다.

스위치(S_r1, S_r2, S_b1, S_b2) 및 스위칭 제어부(3)에 의해, 변압 장치(1)의 회로 접속의 상태를 전환하는 스위치 장치(4)가 구성되어 있다. 스위치(S_r1, S_r2)는 서로 동기하여 동작하고, 또한, 스위치(S_b1, S_b2)는 서로 동기하여 동작한다. 그리고, 스위치(S_r1, S_r2)의 쌍과, 스위치(S_b1, S_b2)의 쌍은, 배타적으로 교대로 온이 되도록 동작한다. 스위치(S_r1, S_r2, S_b1, S_b2)는, 예컨대, SiC 소자 또는 GaN 소자로 이루어진 반도체 스위칭 소자이다. SiC 소자 또는 GaN 소자는, 예컨대 Si 소자에 비해, 보다 고속의 스위칭이 가능하다. 또한, 소자를 다단으로 접속하지 않더라도, 충분한 내압(예컨대 6 kV/1개도 가능)을 얻을 수 있다.

도 2에 있어서, 한 쌍의 커패시터(C1, C2)는, 접속점(P1)에 있어서 서로 직렬로 접속되어 있다. 그리고, 그 직렬체의 양단에, 교류 전원(2)이 접속되어 있다. 한 쌍의 커패시터(C1, C2)의 직렬체에는 입력 전압(V_in)이 인가되고, 입력 전류(I_in)가 흐른다.

또한, 한 쌍의 인덕터(L1, L2)는, 접속점(P2)에 있어서 서로 직렬로 접속되어 있다. 그리고, 그 직렬체의 양단에, 커패시터(C1, C2)를 통한 입력 전압(V_m)이 인가되고, 입력 전류(I_m)가 흐른다. 부하(R)에는, 스위치(S_r2, S_b2) 중 어느 하나가 온일 때 전류가 흐른다. 여기서, 부하(R)에 인가되는 전압을 V_out, 변압 장치(1)로부터 부하(R)에 흐르는 출력 전류를 I_out라고 한다.

도 3의 (a)는, 도 2에 있어서의 4개의 스위치(S_r1, S_r2, S_b1, S_b2) 중, 상측에 있는 2개의 스위치(S_r1, S_r2)가 온이고, 하측에 있는 2개의 스위치(S_b1, S_b2)가 오프일 때의, 실체 접속의 상태를 나타낸 회로도이다. 또한, 도 2에 있어서의 스위치 장치(4)의 도시는 생략하고 있다. 또한, 도 3의 (b)는, (a)와 동일한 회로도를 계단 형상으로 재기록한 회로도이다.

한편, 도 4의 (a)는, 도 2에 있어서의 4개의 스위치(S_r1, S_r2, S_b1, S_b2) 중, 하측에 있는 2개의 스위치(S_b1, S_b2)가 온이고, 상측에 있는 2개의 스위치(S_r1, S_r2)가 오프일 때의, 실체 접속의 상태를 나타낸 회로도이다. 또한, 도 4의 (b)는, (a)와 동일한 회로도를 계단 형상으로 재기록한 회로도이다.

도 3, 도 4의 상태를 교대로 반복함으로써, 커패시터(C1, C2)의 직렬체의 접속점(P1)을 통해 취출되는 전압은, 또한, 인덕터(L1, L2)의 직렬체의 접속점(P2)을 통해 취출되는 전압이 된다. 즉, 커패시터측을 전단으로 하고, 인덕터측을 후단으로 하는 변압이 행해진다. 여기서, 입력 전압은 1/4이 되어 출력되는 것은 아닌가라고 추정된다. 그리고, 이것은, 발명자들의 실험에 의해 확인되고 있다.

도 5는, 위가 변압 장치(1)에 대한 입력 전압, 아래가 입력 전류를 각각 나타낸 파형도이다.

도 6은, 변압의 중간 단계에서의 전압(V_m), 전류(I_m)를 각각 나타낸 파형도이다. 이것은 실제로는, 스위칭에 따른 펄스열에 의해 구성되고, 전체적으로 도시와 같은 파형이 된다.

또한, 도 7은, 위가 변압 장치(1)로부터의 출력 전압, 아래가 출력 전류를 각각 나타낸 파형도이다. 도 5, 도 7의 대비에 의해 밝혀진 바와 같이, 전압은 1/4로 변압되고, 그것에 따라, 전류는 4배가 된다.

<조합의 예시>

도 8은, 분포 정수 회로에 의한 변압 장치(100)와, 도 2에 도시된 변압 장치(1)를 조합한 회로도이다. 도면에 있어서, 도 2에 도시된 변압 장치(1)에 있어서의 커패시터단과, 인덕터단 사이에 변압 장치(100)가 개삽되어 있다. 이와 같이 하여, 2종류의 변압 장치(1, 100)의 변압 기능을 조합함으로써, 변압비의 광범위한 설계가 가능해진다.

이 경우, 변압 장치(1)는, 전술한 바와 같이 예컨대 1 MH로 스위칭을 행하는 회로이다. 이러한 회로 내에 변압 장치(100)를 개삽함으로써, 예컨대 1 MHz의 고주파로 스위칭을 행하고 있는 환경을 이용하여 분포 정수형의 변압 장치(100)를 활용할 수 있다.

또한, 교류 전원(2)이 임시로 직류 전원으로 교체되었다고 해도, 변압 장치(100)에는, 변압 장치(1)의 전단의 스위칭에 의한 스위칭 파형이 입력되기 때문에, 사용 가능하다.

또한, 이번에 개시된 실시형태는 모든 점에서 예시로서 제한적인 것은 아니라고 생각되어야 한다. 본 발명의 범위는 특허청구범위에 의해 나타내어지고, 특허청구범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.

1 : 변압 장치
2 : 교류 전원
3 : 스위칭 제어부
4 : 스위치 장치
100 : 변압 장치
101 : 제1 변환기
102 : 제2 변환기
C1, C2 : 커패시터
L1, L2 : 인덕터
S_b1, S_b2 : 스위치
S_r1, S_r2 : 스위치
P1, P2 : 접속점
R : 부하

Claims

주파수(f)의 교류 전원과, 저항치(R)의 부하 사이에 설치되는 분포 정수형의 변압 장치로서, 주파수(f)에 있어서의 파장을 λ로 하여,
상기 교류 전원에 접속되는, 길이 λ/4의 제1 변환기와,
상기 제1 변환기의 종단과 상기 부하 사이에 설치되는, 길이 λ/4의 제2 변환기
를 구비하는 변압 장치.
스위칭을 행하는 회로와, 상기 회로 내에 개삽(介揷)된 제1항에 기재된 변압 장치를 포함하는 변압 장치.
제1항에 있어서, 상기 제1 변환기 및 상기 제2 변환기는, 케이블에 의해 구성되는 것인 변압 장치.
제3항에 있어서, 상기 케이블은, 배전선의 전력 케이블과 일체화하는 것인 변압 장치.
제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 교류 전원의 주파수는, 적어도 1 MHz인 것인 변압 장치.