KR20190125118A - 향상된 고조파 감쇠 및 대전류 결상복구 기능을 갖는 스마트 하이브리드 변압기 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일실시예에 따른 스마트 하이브리드 변압기는, 제1 지그재그권선부; 및 상기 제1 지그재그권선부에 대칭되는 권선으로 이루어지는 제2 지그재그권선부을 포함하는 복수의　지그재그　결선부를 가지며, 결상복구 기능을 구현하면서도 전력품질을 더욱 개선시킬 수 있다는 유용한 효과를 제공한다.

Description

향상된 고조파 감쇠 및 대전류 결상복구 기능을 갖는 스마트 하이브리드 변압기{SMART HYBRID TRANSFORMER WITH ENHANCED HARMONIC ATTENUATION AND LARGE CURRENT PHASE RECOVERY}

본 발명은 3상 전기 변압기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 고조파를 감쇠시켜 전력품질을 개선하며 및/또는 결상 복구 기능이 뛰어나면서도 대전류에서도 크기를 최소화할 수 있는 전력용 변압기에 관한 것이다.

즉, 본 발명은 전원단의 한상 결상으로 일어나는 정전사고를 막는 결상복구기이며. 부하 측에서 3상 380V 및 3상 220V 가 출력되는 단권변압기로 사용되고, 비상시에는 한상 결상 사고를 막는 결상 복구기로 사용가능하므로, 평상시나 비상시나 아주 유용한 것이다.

배전계통에서는 고압으로 송전함으로써 효율성을 확보하되, 수용가에 가까울수록 상대적으로 안정한 저압으로의 변압이 필요하므로, 변압기는 송전을 비롯한 전기활용에서 필수적인 요소라 할 수 있다.

더욱이, 초고압의 송전 시 평형의 문제를 비롯하여 여러 가지 이유로 3상 전원을 사용한 역사 이래로, 한상 결상사고는 꾸준히 계속되고 있다. 이와 같은 결상사고는, 퓨즈의 단선/ 선의 단선/ 변압기의 단선/ 차단기의 단선 등의 이유로, 망에서 한상의 회로가 단선되어 3상 중 어느 한상의 전압이 나오지 않는 상태이며, 현장에서 흔히 발생하는 사고인 바, 결상이 발생하면, 부하의 입장에서는 한 상에 전원이 공급되지 못하는 상태가 되므로 3상을 사용하는 시스템에서는 치명적인 문제점을 발생하게 된다.

따라서 결상 즉시, 이를 복구할 수 있도록 하고, 빠른 시간 내에 이를 감지하여 차단할 필요가 있다.

그런데, 배전계통의 결상을 대비하여, 결상 복구기, UPS(무정전 전원장치) 및 비상 발전기가 보급되고 있으나, 한편으로는, 이들은 정전이나 결상이 일어나지 않는 한 무용지물이다. 따라서, 이들 결상 대비 장치 들은 비상시에 대해서만 작동하고 평상시에는 별다른 기능을 수행하지 않는데도 불구하고, 대부분 큰 공간을 차지하고 있다.

한편, 이러한 종래의 결상복구기로서, 특허문헌1[대한민국 특허 제1441791호(명칭: 배전계통의 결상 시 결상복구기 및 그 복구 방법]과 같은 것이 개시되어 있으며, 그 개략적인 내용을 이하에서 설명한다.

전력 공급장치는 전력공급자가 공급해주는 전력을 3상 4선식(R, S, T, N) 또는 3상 3선식(R, S, T)으로 공급해 주는 일반적인 전력 공급장치를 의미할 수 있다.

상기 결상 복구기는, 3상 4선식(R, S, T, N) 또는 3상 3선식(R, S, T)의 상기 전력 공급 장치에 구비된 전력선(R, S, T)과 접속 연결되어 상기 전력선이 결상 시 결상된 위상을 복구하고 영상고조파를 감소시켜(각각의 위상을 달리한 델타 결선에서 고조파를 순환시킨다) 정상전력을 유지시켜주는 기능을 수행한다.

이러한 결상복구기는, 상기 전력선(R, S, T)결상 시 결상된 위상과 상이한 위상들을 이용하여 결상된 위상을 복구하는 인덕턴스를 구비하고, 상시에는 영상고조파와 불평형 전류를 감소시키면서 대기하고, 전력선의 결상 시 정상적인 두 개의 위상의 반대의 위상을 이용하여 결상된 위상을 복구한다.

즉, 결상복구기가 상시 전력선과 접속 연결되어, 전력선의 결상 시 전력선의 결상복구를 수행함과 동시에 전력 불 평형을 감소시키고, 중성 선에 발생한 고조파를 델타로 연결코일에 순환시켜 제거한다.

예를 들어 전력 공급 장치의 전력선의 R상이 결상이 되었다고 가정하고 설명하면, 전력선의 결상과 동시에 전력선에 접속 연결되어 있는 결상복구기의 의 R, S, T, 레그의 인덕턴스를 구비한 코일은 결상된 R상의 전력은 없이 S상과 T상의 두 전력이 결상복구기에 공급되어 전력 공급 장치의 전력선과 연결된 Y 결선된 결상복구기의 S상과 T상에 권취된 코일에 의해서 S와 T의 레그(철심)에는 자속이 형성되고, S상과 T상의 레그에 권취된 코일의 상기 코일의 반대로 권취된 코일들 중에서 전력선 R과 연결된 V결선된 코일이 전자기 유도되어 S상과 T 상의 반대의 위상(벡터)을 코일이 권취된 순서대로 R상과 같은 위상을 만들어 전력을 공급하게 되면 R상에 Y결선된 코일에 의해 R상의 레그에도 자속이 형성되어 정상적으로 전력을 공급하게 되는 것이다. 더 상세하게 설명하면, 상기 전력 공급 장치의 전력선(R, S, T)인 전력선 R상을 기준으로 위상(벡터)으로 하였을 때, R상을 기준으로 왼쪽으로 120도 틀어진 T위상(벡터)과, 오른쪽으로 120도 틀어진 S위상(벡터), 상기 S, T위상(벡터)이 각각 반대의 위상(벡터)인 180도 회전하면, R위상(벡터)을 기준으로 S위상(벡터)은 왼쪽으로 60도가 틀어지고, T위상(벡터)은 오른쪽으로 60도가 틀어진 상태가 되며, S와 T위상(벡터)은 R위상(벡터)을 중심으로 하여서 각각 60도, 즉, S위상(벡터)과 T위상(벡터)은 120도를 유지하는 위상(벡터)이 된다. 이런 상태를 유지하는 S, T위상(벡터)을 각각 1:1로 더하면 R상의 위상이 생성되어 나타난다. 그러므로 결상된 상기 전력선의 위상이 복구되어 정상전력을 유지하게 되는 것이다.

또한, 본 발명의 발명자에 의하여 창안된 특허문헌2[대한민국특허공개 제2017-0001177호 (명칭: 향상된 절연성을 갖는 변압기)]에는, 변압기 권선의 권취 방식을 개선하여 권선의 길이를 감소시키고 누설전압과 누설전류에 의한 손실도 줄이며 제조가 용이한 초고압 변압기가 소개되어 있으며, 그 개략적인 내용을 이하에서 설명한다.

특허문헌2에 개시된 변압기는 3상 1차 코일을 내측에 3상 2차 코일을 외측에 권회한 '△' 결선 형태이고, 순환 전류가 제로 이며, 각 코일의 중간 단 전압이 제로임을 알 수 있다.

또한, 3상 전원장치의 변압기이되 3상 2차 코일을 내측에, 3상 1차 코일을 외측에 권회한 'Y' 결선 형태이다. 역시, 각 코일의 중간 단의 전압이 제로임을 알 수 있다.

각 상의 코일 권회 방식은 동일한 바, 상기 전기 변압기 권선부 내에서 1차 권선과 2차 권선이 있는 데 1차 권선을 각 층으로 구분하여, 1-1권선, 1-2권선, 1-3권선의 3층의 권선으로 나누어 권선한다.

1-1권선은 안쪽의 철심에서 절연을 하여 단자에서 시작으로 하여 권선하고 끝을 단자로 뽑고, 1-2권선은 1-1의 끝을 단자로 하여 단자에서 끝으로 하여 권선하고 시작을 단자로 뽑고, 1-3권선은 1-2의 시작을 단자로 하여 단자에서 시작으로 하여 권선하고 끝을 단자로 뽑고, 1-1권선의 안쪽의 철심에서 절연을 하여 단자에서 끝으로 한 단자와 1-3권선은 1-2의 시작을 단자로 하여 단자에서 시작으로 한 단자를 출력으로 하도록 이루어진다.

아울러, 상기 전기 변압기 권선부 내에서 2차 권선을 2-1권선, 2-2권선, 2-3권선의 3층의 권선으로 나누어 권선하는 바, 2-1권선은 안쪽의 철심에서 절연을 하여 단자에서 시작으로 하여 권선하고 끝을 단자로 뽑고, 2-2권선은 2-1의 끝을 단자로 하여 단자에서 끝으로 하여 권선하고 시작을 단자로 뽑고, 2-3권선은 2-2의 시작을 단자로 하여 단자에서 시작으로 하여 권선하고 끝을 단자로 뽑고, 2-1권선의 안쪽의 철심에서 절연을 하여 단자에서 시작과 2-3권선의 끝과 연결한다.

2-2권선은 2-1의 끝을 단자로 하여 단자에서 끝으로 한 단자와 2-3권선은 2-2의 시작을 단자로 하여 단자에서 시작으로 한 단자를 출력으로 하는 초고압에서도 절연이 잘되는 변압기를 제공한다.

이를 좀더 상술하면, 내측 변압기 철심이 들어갈 위치에 있는 보빈의 가장 안쪽에서부터 1차 코일의 1층을 시계방향으로 감기 시작하여, 일례로 98회 권회하고, 같은 방향으로 98회전을 하여 2층을 권회한 다음 1-1차 코일의 종으로 한다.

각 층의 사이에는 절연지를 사용하여 절연하는 바, 이하 동일하다.

다음, 1-1차 코일의 종에서 1-2차 코일의 종으로 연결하여 반시계 방향으로 98회전을 권회하여 3층으로 하고, 다시 같은 반시계방향으로 98회전을 권회하여 4층 내지 6층을 감아 1-2차 코일의 시작으로 정한다.

다음, 다시 1-2차 코일의 시작을 1-3차 코일의 시작으로, 시계 방향으로 98회를 권회하여 7층을 형성하고, 계속해서 시계방향으로 8층을 형성한 다음 2-3차 코일의 종으로 한다. 그리고 2-3차 코일의 종을 1-1차 코일의 시작과 연결한다.

한편, 2차 코일은 1차 코일과 감는 횟수나 권선의 굵기 또는 층의 회수만 상이할 뿐, 2차 코일의 처음 1/4인 2-1차 코일을 시계방향(혹은 반시계방향)으로, 다시 2차 코일의 마지막 1/4인 2-3차 코일을 시계방향(혹은 반시계방향)으로 감고, 2-1차 코일의 종을 2-2차 코일의 종과, 2-2차 코일의 시작을 2-3차 코일의 시작을 각각 연결하여, 2차 코일의 각 전기적 단자로 심고, 2-3차 코일의 종과 2-1차 코일의 시작을 연결하는 점은 1차 코일의 경우와 동일하다.

이들의 순서 역시, 1차 코일의 경우와 동일하다.

이들의 순서 역시, 1차 코일을 내부 철심 쪽에 2차 코일을 외부쪽에 권회해도 되고, 반대로 2차 코일을 내부 철심 쪽에 1차 코일을 외부 쪽에 권회해도 상관없다.

결국, 이렇게 권회된 코일을 내부변압기 철심에 삽입하여, 변압기를 완성한다. 실제 완성된 변압기에서, 내부 철심에 코일이 권회된 보빈이 삽입되어 있음을 알 수 있으며, 단자 ①은 2-1차 코일의 시작점, 단자 ②는 2-1차 코일의 종료 점, 단자 ③은 2-2차 코일의 종료점, 단자 ⑤는 2-2차 코일의 시작점, 단자 ⑥은 2-3차 코일의 시작점, 단자 ⑦은 2-3차 코일의 종료점에 해당한다.

상기 단자 ②와 단자 ③의 접속 단이 'U' 단자이며, 상기 단자 ⑤와 단자 ⑥의 접속 단이 'W' 단자이다. 이들 간에는 22.9kV의 출력전압이 걸리지만, 1차 권선과 마주하는 단자 ① 및 최외측 (변압기 완성 외측 변압기 철심 쪽) 단자에는 0V의 전압이 걸리게 된다. 물론, 단자 ④ 및 ④'에도 0V의 전압이 걸린다.

입력전압을 23V로 하고 권선비를 7배로 하여 권회시, 2차측 입력출단(u 및 w 상)에는 158V가 관측되며, 그럼에도 불구하고 도 9c 및 도 9d에서 보는 바와 같이, ④번과 ⑧번 단자 및 철심과 ⑧번 단자 간에는 거의 0V임을 확인할 수 있다.

그리고, 1차 권선과 2차 권선의 절연지 사이의 전압도 거의 0 볼트를 만들 수 있으므로 절연의 파괴로부터 안전하다. 절연으로 소모 전력량이 거의 없다는 것이며, 절연변압기로 구성하는 경우에는 본 발명에서와 같이 1-1권선 및 1-3권선의 저항 및 턴수가 결국, 1-2 권선 및 저항, 턴수와 같기 때문 순환전류가 흐르지 않는다. 아울러, 노출되는 권선의 절연지가 거의 0전압을 가르치므로 안전성을 강화할 수 있다는 점이며, 자기장이 외부로 나가지 않게 철심의 폐 루프의 길이도 줄일 수 있다는 점, 대류현상으로 대류를 빠르게 순환시킬 수 있다는 점, 및 두 종류의 전기변압기의 두 가지 장점을 동시에 이용할 수 있다는 점과 같이, 상기 제2 종래기술은 종래의 변압기보다 현저한 작용효과를 갖는다.

따라서, 종래방식의 변압기에서는 3kW 용에 비해 765kV용 초고압변압기를 제작하려면 거의 100배 정도로 커져야 한다, 본 발명의 방식에 의하면 내부 철심과 코일 간, 외부 철심과 코일 간, 1차 코일과 2차 코일 간에 거의 전압이 제로이므로, 1.5배 정도의 크기만으로도 충분하다.

더욱이, 각 코일에서 각 층의 전선의 길이는 달라질 수밖에 없으나 그럼에도, “1층과 2층 및 7층과 8층”의 시계방향으로 권회한 총 전선의 길이와, “3층과 4층 및 5층과 6층”의 반시계방향으로 권회한 총 전선의 길이가 동일하므로, 전체 저항 값 역시 동일하게 되어, 순환전류가 흐르지 않게 된다.

따라서, 상기 제2 종래기술에 의하면, 철심과 변압기 권선, 1차권선과 2차권선 사이의 절연지의 전압이 거의 0V의 전압을 가져서 안전하고, 변압기 외형도 전압이 0V 전압을 가져서 외부에도 안전하여, 변압기를 작게 제조가 가능하여 무효 철심 전력과 정격 동손을 모두 줄일 수 있어, 안전과 절약을 모두 실현이 가능하다. 절연성이 향상된 변압기를 사용하므로 감전 위험도 없으며, 누설전압, 전류가 최소화될 수 있다는 추가적인 장점이 있다.

따라서, 본 발명에 따른 변압기를 초고압 변압기에 적용하면, 초고압에서도 절연이 잘되는 변압기의 제공이 가능하여, 무게와, 크기 및 부피를, 저압 용량의 변압기와 비슷하게 구현 가능하여, 사용하는데 저렴하게 제작되며 안전한 초고압 변압기의 제공이 가능하게 된다.

그러나, 특허문헌1에 소개된 종래기술의 경우, 결상복구를 위한 회로가 정상적인 변압기 회로의 2배에 달하여, 결과적으로 원래의 변압기의 3배 크기로 되므로, 변압기의 크기가 너무 커져 버리며, 이는 대전력용 변압기의 경우에는 특히 문제가 된다.

더욱이, 상기 결상복구를 위한 회로는 평상시에는 거의 활용도가 없는 바, 결상과 같은 만약의 경우를 대비하는 투자 치고는 너무 큰 대가를 치르고 있는 격이어서 사실상 거의 사용되고 있지 못하다.

추가적으로, 결상복구 시에는 'V' 결선이 되므로 중성점(N)을 잡아준다는 장점은 있지만, 중성점에서 멀어지는 끝단에서는 전압차가 발생할 수 있어, 제3 고조파도 50% 정도 밖에 잡지 못하며, 특히 제5, 제7 고조파의 제거는 거의 불가능하다.

한편, 특허문헌2에 소개된 종래기술의 경우, 제3 고조파의 경우에는 거의 99% 정도 제거할 수 있으나, 역시 제5, 제7 고조파의 제거는 거의 불가능하다.

더욱이, 각 상의 경계에서의 전압차가 커서, 특히 대전력 변압기로 사용할 시에는, 각 상의 폐루프에서 대 전력의 순환전류가 발생하여, 변압기의 파괴까지도 가능하게 되는바, 이런 점에서 여전히 문제점이 존재한다.

대한민국 특허등록 제1441791호 (명칭: 배전계통의 결상 시 결상복구기 및 그 복구방법) 대한민국 특허공개 제2017-0001177호 (명칭: 향상된 절연성을 갖는 변압기)

본 발명은, 상술한 종래기술의 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 제1 목적은, 비상시에는 한상 결상되는 사고를 막는 결상복구기로 사용가능하며 동시에 3상 380V 및 3상 220V가 출력되는 단권변압기로 사용 가능하므로, 비상시에도 평상시에도 유용한 3상 전력용 스마트 하이브리드 변압기를 제공함에 있다.

본 발명의 제2 목적은, 상전류가 분산되어 대전류에서도 크기를 최소화 할 수 있으며, 더욱이 최소한의 추가 권선으로서 결상복구 기능을 발휘하므로, 크기가 최소화되는 3상 전력용 스마트 하이브리드 변압기를 제공함에 있다.

본 발명의 제3 목적은, 영상 고조파는 물론, 5, 7 고조파도 감쇠시켜 전력품질을 더욱 개선하는 3상 전력용 스마트 하이브리드 변압기를 제공함에 있다.

본 발명의 제4 목적은, 결상복구 기능이 뛰어나면서 역률 보상 장치로서도 활용가능한 3상 전력용 스마트 하이브리드 변압기를 제공함에 있다.

이러한 목적을 달성하기 위해 안출된 본 발명의 일 측면에 따른 스마트 하이브리드 변압기는, 부하(110)에 교류 전원을 공급하기 위한 ３상 ４선식 결선을 가지는 전원계통(100)에 연결된 복수 지그재그 결선부(130)를 포함하는 스마트 하이브리드 변압기로서, 상기 복수의　지그재그　결선부(130)는，３개의　레그(131, 132, 133)를　갖는　코어; 상기 레그에　대해　３상　변압기의　지그재그권선(R1,Rn; S1,Sn; T1,Tn)으로 이루어지는 제1 지그재그권선부; 및 상기 제1 지그재그권선부에 대칭되는 권선(R2,Rn*; S2,Sn*; T2,Tn*)으로 이루어지는 제2 지그재그권선부를 포함할 수 있다.

이때, R2 권선의 끝점(Rz) 및 S1 권선의 시작점(Sa)이　S상에　연결되고; S2 권선의 끝점(Sz) 및　T1 권선의 시작점(Ta)이　T상에　연결되고; T2 권선의 끝점(Tz) 및 R1 권선의 시작점(Ra)이　R상에　연결되고； Rn 권선, Sn 권선 및 Tn 권선 각각의　시작점인 3개의 N과, Rn* 권선, Sn* 권선 및 Tn* 권선 각각의　끝점인 3개의 N을　포함하여 모두 6개의 N이 공통 N상에　연결되고; R1 권선의 끝점(2)이 Tn 권선의 끝점(7)에 연결되고; S1 권선의 끝점(5)이, Rn 권선의 끝점(1)에 연결되고; T1 권선의 끝점(8)이 Sn 권선의 끝점(4)에 연결되고; R2 권선의 시작점(3)이 Sn* 권선의 시작점(4*)에 연결되고; S2 권선의 시작점(6)이, Tn* 권선의 시작점(7*)에 연결되고; T2 권선의 시작점(9)이 Rn* 권선의 시작점(1*)에 연결될 수 있다.

또한, R상 레그(131)에는 제1 내지 제4 R상 권선(Rn*, Rn, R1, R2)이 권회되고,　S상 레그(132)에는 제1 내지 제4 S상 권선(Sn*, Sn, S1, S2 )이 권회되고, T상 레그(133)에는 제1 내지 제4 T상 권선(Tn*, Tn, T1, T2 )이 권회될 수 있다.

또한, 제1 내지 제4 R상 권선, 제1 내지 제4 S상 권선 및 제1 내지 제4 T상 권선들 모두 굵기가 같은 전선으로 이루어져 같은 턴수 만큼 권회될 수 있다.

또한, 상기 R상 레그(131)에, 절연체, 상기 제1 R상 권선(Rn*), 절연체, 상기 제2 R상 권선(Rn), 절연체, 상기 제3 R상 권선(R1), 절연체 및 상기 제4 R상 권선(R2)이 순차적으로 구비될 수 있다.

또한, 상기 R상 레그(131)를 길이방향으로 4분할한 각각의 영역에 상기 제1 내지 제4 R상 권선(Rn*, Rn, R1, R2)이 각각 권회될 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 스마트 하이브리드 변압기는, 부하(110)에 교류 전원을 공급하기 위한 3상 결선을 가지는 전원계통(100)에 연결된 복수의 지그재그 결선 부(130)를 갖는 변압기로서, 상기 복수의 지그재그 결선 부(130)는, ３개의　레그(131, 132, 133)를　갖는　단권　코어를　가지며，　각　레그에　대해　３상　변압기의　지그재그권선(R1,Rn; S1,Sn; T1,Tn) 및　３상　변압기의　지그재그의　대칭인 권선(R2,Rn*; S2,Sn*; T2,Tn*）이　권회　되어　있고　상기　３상　변압기의　권선 R2끝(Rz),　S1시작(Sa)이　S상에　연결되고; S2끝(Sz),　T1시작(Ta)이　T상에　연결되고; T2끝(Tz),　R1시작(Ra)이　R상에　연결되고； Rn, Sn, Tn,의　시작인　３개의 N과 Rn*, Sn*, Tn*의　끝인　３개의　N을　모두 6개 N이　공통 N상에　연결되어 있고; R1끝(2), Tn끝(7)이 연결되고; S1끝(5), Rn끝(1)이 연결되고; T1끝(8), Sn끝(4)이 연결되고; R2시작(3), Sn*시작(4*)이 연결되고; S2시작(6), Tn*시작(7*)이 연결되고; T2시작(9), Rn*시작(1*)이 연결될 수 있다.

바람직하게는, R상 레그(131)에는 제1 및 제2, 제3, 제4 R상 권선(Rn*, Rn, R1, R2)이 권회되어 있고　S상 레그(132)에는 제1 및 제2, 제3, 제4 S상 권선(Sn*, Sn, S1, S2)이 권회되어 있고 T상 레그(133)에는 제1 및 제2, 제3, 제4 T상 권선(Tn*, Tn, T1, T2)이 권회되어 있으며 모두 같은 굵기에 같은 턴수로 권회될 수 있다.

더욱 바람직하게는, 차단기(112)가, 상기 전원계통(100)의 각상의 전선과 상기 복수 지그재그 결선부(130)의 대응되는 변압기용 권선 사이에 삽입될 수 있다.

또한 바람직하게는, 상기 각 변압기용 권선의 탭에서 저전압의 전력이 출력 가능할 수 있다.

상술한 과제의 해결 수단을 갖는 본 발명에 의하면, 영상 고조파 및 5차 7차의 고조파를 감쇠시켜 전력품질을 더욱 개선할 수 있다. 또한, 결상복구 기능이 뛰어나면서도 3상 고전압 및 3상 저전압, 예컨대 3상 380V 및 3상 220V의 전압이 출력되는 변압기로 사용도 가능하다. 또한, 역율보상장치로서의 활용도 가능하며, 상 불평형율 개선도 가능하다는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 스마트 하이브리드 변압기를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 스마트 하이브리드 변압기의 벡터도이다.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구 범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나, 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 특허출원 시점에 있어서 이들을 대체 할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 그 구성 및 작용을 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 스마트 하이브리드 변압기를 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 스마트 하이브리드 변압기의 벡터도이다.

도면을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 스마트 하이브리드 변압기는 복수의 지그재그 결선부(130)를 포함하며, 더 나아가 3상 4선 배선용 차단기(112)를 더 포함할 수 있다.

한편, 전원계통(100)은 3개의 상(R상, S상, T상)과 중성점(N)의 전압이 0V인 전선의 N상을 갖는바, 일례로 R상은 전압이 220SIN{2π(60t)+0π/3+2π/4}[V]인 전선, S상은 전압이 220SIN{2π(60t)+2π/3+2π/4}[V]인 전선, T상은 전압이 220SIN{2π(60t)+4π/3+2π/4}[V]인 전선으로 정할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 440V, 50Hz, T상이면 440SIN{2π(50t)+4π/3+2π/4}[V]로 바꾸어 표현될 수도 있다. 이하에서는, 설명의 편의상 전술한 예를 가지고 설명한다.(여기서 t는 초(second)를 의미)

먼저, 복수의 지그재그 결선부(130)를 도 1을 참조하여 설명하면, 복수의 지그재그 결선부(130)는 3개의 레그(131,132,133)를 갖는 코어를 가지며, 각 레그에 대해 3상 변압기의 권선이 권회되어 있다.

일실시예에서, 각　레그에　대해　３상　변압기의　지그재그권선(R1,Rn; S1,Sn;T1,Tn) 및　３상　변압기의　지그재그권선에　대칭인 권선(R2,Rn*;S2,Sn*; T2,Tn*)이　권회되어　있다. 여기서,　R2 권선의 끝점(Rz）및 S1 권선의 시작점(Sa)이　S상에　연결되고; S2 권선의 끝점(Sz) 및　T1 권선의 시작점(Ta)이　T상에　연결되고; T2 권선의 끝점(Tz) 및 R1 권선의 시작점(Ra)이　R상에　연결되고； Rn 권선, Sn 권선 및 Tn 권선 각각의　시작점인 3개의 N과 Rn* 권선, Sn* 권선 및 Tn* 권선 각각의　끝점인 3개의 N을　포함하여 모두 6개의 N이　공통 N상에　연결되어 있고; R1 권선의 끝점(2)이 Tn 권선의 끝점(7)에 연결되고; S1 권선의 끝점(5)이 Rn 권선의 끝점(1)에 연결되고; T1 권선의 끝점(8)이 Sn 권선의 끝점(4)에 연결되고; R2 권선의 시작점(3)이 Sn* 권선의 시작점(4*)에 연결되고; S2 권선의 시작점(6)이 Tn* 권선의 시작점(7*)에 연결되고; T2 권선의 시작점(9)이 Rn* 권선의 시작점(1*)에 연결될 수 있다.

바람직하게는, R상 레그(131)에는 제1 내지 제4 R상 권선(Rn*, Rn, R1, R2)이 권회되어 있고,　S상 레그(132)에는 제1 내지 제4 S상 권선(Sn*, Sn, S1, S2 )이 권회되어 있고 T상 레그(133)에는 제1 내지 제4 T상 권선(Tn*, Tn, T1, T2 )이 권회되어 있다. 일실시예에서, 이 권선들은 모두 같은 굵기에 같은 턴 수로 권회될 수 있다.

일실시예에서, 제1 R상 권선(Rn*)은 안쪽의 철심에서 절연되게 단자에서 시작 하여 권회하고, 제2 R상 권선(Rn)은 제1 R상 권선(Rn*)에 절연지를 덮은 뒤 그 절연지 위에 권회하고, 제3 R상 권선(R1)은 제2 R상 권선(Rn)에 절연지를 덮은 뒤 그 절연지 위에 권회하고, 제4 R상 권선(R2)은 제3 R상 권선(Rn)에 절연지를 덮은 뒤 그 절연지 위에 권회할 수 있다. 또한, 비슷한 방식으로 S상 및 T상을 구현할 수 있다.

다른 실시예에서, 레그를 길이방향으로 4분할해서 제1 내지 제4 R상 권선(Rn*, Rn, R1, R2)이 분할된 각각의 영역에 권회되도록 할 수도 있으며, 비슷한 방식으로 S상 및 T상을 구현할 수도 있다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 도 2의 벡터도에서 서로 평행한 벡터는 동일한 레그에 권선됨을 의미하며, 도 2에는 각 권선의 시작점 및 끝점, 그리고 중간 탭의 연결 관계가 알기 쉽게 도시되어 있다.

이를 좀 더 구체적으로 설명하면, 복수의 지그재그 결선 부(130)의 제1 코어를 구성하는 R상 레그(131)에는 제1 및 제2, 제3, 제4 R상 권선 순서대로 (Rn*, Rn, R1, R2 )이 각각 1배씩 권회되어 있고, 제2 코어를 구성하는 S상 레그(132)에는 제1 및 제2, 제3, 제4 S상 권선 순서대로(Sn*, Sn, S1, S2 )이 권회되어 있고, 제3 코어를 구성하는 T상 레그(133)에는 제1 및 제2, 제3, 제4 T상 권선 순서대로(Tn*, Tn, T1, T2 )이 권회되어 있으며, 각자가 지그재그결선을 이룰 때, R1의 저항값 및 Tn의 저항값의 합, R2의 저항값 및 Sn*의 저항값의 합, S1의 저항값 및 Rn의 저항값의 합, S2의 저항값 및 Tn*의 저항값의 합, T1의 저항값 및 Sn의 저항값의 합, T2의 저항값 및 Rn*의 저항값의 합은 모두 동일할 수 있다.

또한, R1의 전압값 및 Tn의 전압값의 합, R2의 전압값 및 Sn*의 전압값의 합, S1의 전압값 및 Rn의 전압값의 합, S2의 전압값 및 Tn*의 전압값의 합, T1의 전압값 및 Sn의 전압값의 합, T2의 전압값 및 Rn*의 전압값의 합이 모두 동일해지도록 할 수 있다.

여기서 1배란 권선을 권회한(감은) 턴 수를 뜻하는데, 이론상으로는 선전압 380V의 1/3인 126.7V에 해당되는 감은 수이지만, 일 실험예에서는 170.5턴 수로 하였다. 그리고 0.5mm 두께의 무방향성 철심 132장을 사용하였는 바, 따라서 철심 단면적은 (66.mm(=132장) x 32mm)이다.

예를 들어 부하에서 발생되는 5고조파와 7고조파는 각각, 5HAMONIC SIN{2π(300t)+0π/3+2π/4}[V], 7HAMONIC SIN{2π(420t)+0π/3+2π/4}[V]로 표현될 수 있다.

고조파 전류는 콘덴서나 변압기에 잘 흐른다. 왜냐하면 콘덴서는 용량이 주파수에 비례하고 변압기는 주파수에 비례하여 유도가 잘 이루어지기 때문이다. 본 발명의 일실시예에 따른 스마트 하이브리드 변압기에서는, 한 레그에 제1 내지 제4 권선이 함께 감아져 있으므로 고조파 전류의 유도가 잘 이루어진다. 그리하여 고조파 전류는 불규칙적이지만 정상주파수는 크고 규칙적이기에 불규칙적인 것은 규제를 받으면서 감쇠될 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 스마트 하이브리드 변압기는 N상에 6개의 중성선이 지나간다. 일실시예에서, Rn, Sn 및 Tn 각각의　시작점과 Rn*, Sn* 및 Tn* 각각의　끝점까지 총 6개의 점이 공통 N상에 연결되어 있다. 이에 따라 각상 R, S, T, N 상의 전력이 외부의 전력에 의해 결정되는 수동의 전력이 아닌 각상 R, S, T, N 상 중의 한 상 능동의 전력을 갖는다. 즉, R, S, T, N 상 중 하나의 상이 단선이 되어 외부의 전압과 전류가 주어지지 않아도 변압기의 원리에 의해서 그 단선된 하나의 상의 전압과 전류를 단선되기 전의 상태로 복원시킬 수 있다.

그리고, 본 발명의 일실시예에 따른 스마트 하이브리드 변압기의 복수의 지그재그 결선부(130)는, 전력라인의 각 상의 선들(R, S, T, N) 각각과 연결되고, 이러한 복수의 지그재그 결선부(130)의 권선 예시도가 도 2에 잘 도시되어 있다. 즉, 복수의 지그재그 결선부(130)에는, 도 3에 예시된 바와 같이, 부하(110)에서나 전원(100)에서 발생하는 전압이 아닌 다른 세 가지 상과의 조화에 의해 전압과 전류가 주어진다.

한편, 5HAMONIC SIN{2π(300t)+0π/3+2π/4}[V], 7HAMONIC SIN{2π(420t)+0π/3+2π/4}[V]을 하나의 파장을 원 각도의 벡터도로 표시하면 2π(300t)+0π/3+2π/4. 2π(420t)+0π/3+2π/4에서 t가 0일 때 R상과 N상에 5고조파의 최대의 전압이 걸린다. 이렇게 전압이 걸리면 R1,Tn, T2,Rn* 권선 코일에 전류가 흐르게 된다. 이때의 변압기의 법칙에 의해 전류도 같아지고 서로 상쇄가 된다.

여기서, R1과 동일 레그에 감긴 권선인 R2, Rn, Rn*에 동일 전류가 흐르게 되며, 인가되는 전압도 동일해질 수 있다. 이때 V(R1)= V(R2)=V(Rn)=V(Rn*) 같아야 한다. 만약 전압이 다르다면 변압기에서 이 차이를 감소시키도록 작용하고, 그 결과, R2와 Rn은 S상의 레그에 감긴 권선 (S1, Rn, R2, Sn*)의 5고조파. 7고조파 의 전압 5HAMONIC SIN{2π(300t)+2π/3+2π/4}[V], 7HAMONIC SIN{2π(420t)+2π/3+2π/4}[V]이 영향을 받는다. 즉 능동형 필터가 고조파를 측정해서 역고조파를 만드는 역할을 자동으로 한다는 것이다.

이상, 본 발명을 최적 실시예를 기준으로 설명하였으나, 이외에도 여러 가지 변형이 가능하며, 앞에서 설명된 본 발명의 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하는 것으로 봐야 할 것이다.

100 : 전력라인
110 : 부하
130 : 복수의　지그재그　결선부
112 : 3상　４선　배선용　차단기
화살표: 감극성, 가극성 방향

Claims (6)

1. 부하(110)에 교류 전원을 공급하기 위한 ３상 ４선식 결선을 가지는 전원계통(100)에 연결된 복수 지그재그 결선부(130)를 포함하는 스마트 하이브리드 변압기로서, 상기 복수의　지그재그　결선부(130)는,
   3개의　레그(131, 132, 133)를　갖는　코어;
   상기 레그에　대해　３상　변압기의　지그재그권선(R1,Rn; S1,Sn; T1,Tn)으로 이루어지는 제1 지그재그권선부; 및
   상기 제1 지그재그권선부에 대칭되는 권선(R2,Rn*; S2,Sn*; T2,Tn*)으로 이루어지는 제2 지그재그권선부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 스마트 하이브리드 변압기.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   R2 권선의 끝점(Rz) 및 S1 권선의 시작점(Sa)이　S상에　연결되고; S2 권선의 끝점(Sz) 및　T1 권선의 시작점(Ta)이　T상에　연결되고; T2 권선의 끝점(Tz) 및 R1 권선의 시작점(Ra)이　R상에　연결되고； Rn 권선, Sn 권선 및 Tn 권선 각각의　시작점인 3개의 N과, Rn* 권선, Sn* 권선 및 Tn* 권선 각각의　끝점인 3개의 N을　포함하여 모두 6개의 N이 공통 N상에　연결되고; R1 권선의 끝점(2)이 Tn 권선의 끝점(7)에 연결되고; S1 권선의 끝점(5)이, Rn 권선의 끝점(1)에 연결되고; T1 권선의 끝점(8)이 Sn 권선의 끝점(4)에 연결되고; R2 권선의 시작점(3)이 Sn* 권선의 시작점(4*)에 연결되고; S2 권선의 시작점(6)이, Tn* 권선의 시작점(7*)에 연결되고; T2 권선의 시작점(9)이 Rn* 권선의 시작점(1*)에 연결되는 것을 특징으로 하는 스마트 하이브리드 변압기.
   
3. 청구항 2에 있어서,
   R상 레그(131)에는 제1 내지 제4 R상 권선(Rn*, Rn, R1, R2)이 권회되고,　S상 레그(132)에는 제1 내지 제4 S상 권선(Sn*, Sn, S1, S2 )이 권회되고, T상 레그(133)에는 제1 내지 제4 T상 권선(Tn*, Tn, T1, T2 )이 권회되는 것을 특징으로 하는 스마트 하이브리드 변압기.
   
4. 청구항 3에 있어서,
   제1 내지 제4 R상 권선, 제1 내지 제4 S상 권선 및 제1 내지 제4 T상 권선들 모두 굵기가 같은 전선으로 이루어져 같은 턴수 만큼 권회된 것을 특징으로 하는 스마트 하이브리드 변압기.
   
5. 청구항 3에 있어서,
   상기 R상 레그(131)에,
   절연체, 상기 제1 R상 권선(Rn*), 절연체, 상기 제2 R상 권선(Rn), 절연체, 상기 제3 R상 권선(R1), 절연체 및 상기 제4 R상 권선(R2)이 순차적으로 구비된 것을 특징으로 하는 스마트 하이브리드 변압기.
   
6. 청구항 3에 있어서,
   상기 R상 레그(131)를 길이방향으로 4분할한 각각의 영역에 상기 제1 내지 제4 R상 권선(Rn*, Rn, R1, R2)이 각각 권회된 것을 특징으로 하는 스마트 하이브리드 변압기.

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