전자 탭 절환기(ELECTRONIC TAP CHANGER)

(19) 대한민국특허청(KR)
(12) 공개특허공보(A)
(11) 공개번호 10-2014-0004178
(43) 공개일자 2014년01월10일
(51) 국제특허분류(Int. Cl.)
H01F 29/02 (2006.01) H02P 13/06 (2006.01)
(21) 출원번호 10-2013-7021622
(22) 출원일자(국제) 2012년02월06일
심사청구일자 없음
(85) 번역문제출일자 2013년08월16일
(86) 국제출원번호 PCT/EP2012/051962
(87) 국제공개번호 WO 2012/113641
국제공개일자 2012년08월30일
(30) 우선권주장
10 2011 012 080.7 2011년02월23일 독일(DE)
(71) 출원인
마쉬넨파브릭 레인하우센 게엠베하
독일연방공화국 D-93059 레겐스브르그, 팔켄슈타
인 스트라세 8
(72) 발명자
엔겔 스테판
독일 52066 아헨 게르라흐슈트라세 11
본 블로흐 요헨
독일 52072 아헨 브레멘베르그 40
(뒷면에 계속)
(74) 대리인
유미특허법인
전체 청구항 수 : 총 5 항
(54) 발명의 명칭 전자 탭 절환기
(57) 요 약
본 발명은 전압 조정을 위한 탭 절환기에 관한 것이며, 조정 권선을 갖는 가변 변압기 상에 반도체 스위칭 유닛
(S1.1∼S1.6; S2.1∼S2.6)을 포함하며, 2개의 병렬 부하 브랜치(1, 2)가 제공되며, 각각의 브랜치에는 여러 개의
직렬 접속된 반도체 스위칭 유닛이 배치된다. 조정 권선의 일부분(W1, W2, W3)과 브리지(B1, B2)가 교번적으로
제공되고, 2개의 부하 브랜치 사이에 병렬로 연장되어, 두 개 모두의 부하 브랜치에서의 반도체 스위칭 유닛의
대응하는 접속에 의해, 조정 권선의 일부분이 감소 방식 및/또는 추가 방식으로 임의적으로 작동될 수 있다.
대 표 도
공개특허 10-2014-0004178
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(72) 발명자
도흐날 디이터
독일 93138 라페르스도르프 슈테판-즈바이크-슈트
라세 1
비에렉 카르스텐
독일 93059 레겐스부르크 홀바흐슈트라세 2에이
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특허청구의 범위
청구항 1
조정 권선을 갖는 조정 변압기에서 반도체 스위칭 유닛을 갖는 전압 조정용 탭 절환기로서,
상기 탭 절환기는 상기 조정 권선의 고정된 조정되지 않는 부분과 부하 다이버터(load diverter, LA) 사이에 배
치되며,
상기 탭 절환기는 2개의 병렬 부하 브랜치(1, 2)를 가지며,
제1 부하 브랜치(1)에는 반도체 스위칭 유닛(S1.1∼S1.6)이 직렬 접속으로 제공되며,
제2 부하 브랜치(2)에는, 상기 제1 부하 브랜치(1)의 각각의 반도체 스위칭 유닛과 상기 제2 부하 브랜치(2)의
각각의 반도체 스위칭 유닛이 쌍으로 서로 반대로 되는 방식으로, 유사하게 반도체 스위칭 유닛(S2.1∼S2.6)이
직렬 접속으로 제공되며,
상기 조정 권선의 각각의 하위 권선(W1, W2, W3)과 전기 브리지(B1, B2, B3)가, 쌍으로 서로 반대로 되는 반도
체 스위칭 유닛(S1.1과 S2.1, S1.2와 S2.2,…, S1.6과 S2.6) 사이에서 교번적으로 각각 2개의 상기 부하 브랜치
(1, 2) 사이에 병렬로 접속되는,
탭 절환기.
청구항 2
제1항에 있어서,
상기 하위 권선(W1, W2, W3)은 상이한 권선수를 갖는, 탭 절환기.
청구항 3
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 개별 반도체 스위칭 유닛(S1.1∼S2.6)은 반대 방향의 병렬 접속의 사이리스터쌍을 포함하는, 탭 절환기.
청구항 4
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 반도체 스위칭 유닛(S1.1∼S2.6)의 적어도 하나는, 직렬 접속의 2개 이상의 개별 반도체 스위치를 포함하
는, 탭 절환기.
청구항 5
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 반도체 스위칭 유닛(S1.7, S1.8, S2.7, S2.8)의 적어도 하나는, 펄스폭 변조에 의해 제어될 수 있는, 탭
절환기.
명 세 서
기 술 분 야
본 발명은 반도체 스위칭 요소를 갖는 전압 조정(voltage regulation)용 탭 절환기에 관한 것이다.[0001]
배 경 기 술
DE 22 48 166 A에는 반도체 스위칭 요소를 갖는 조정 가능한 변압기가 개시되어 있다. 이 경우에는, 2차 권선[0002]
이 특정한 개수의 조정 권선부를 포함하고, 이 권선부가 직렬로 연결된 정해진 개수의 권선 그룹으로 결합되며,
각각의 권선 그룹이 병렬로 연결된 2개 또는 3개의 조정 권선부를 포함한다. 그 경우, 각각의 조정 권선부에는
비접촉식 스위칭 요소(contactless switching element)가 제공된다. 또한 상기한 특허 문헌에서는, 변압기의 2
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차 권선이 직렬로 연결된 조정 권선부의 그룹을 포함하고, 각각의 조정 권선부가 4개의 비접촉식 스위칭 요소를
포함하는 또 다른 변형예가 개시되어 있다. 이러한 구성은 조정 권선부의 단자에서의 전압의 방향을 반대로 할
수 있으며, 또한 전체 조정 권선부가 브리지될 수 있도록 선택 가능하게 되는 방식으로 설계된다.
변압기의 2차 전압의 단계적 스위칭을 위한 추가의 장치가 DE 25 08 013 A에 개시되어 있다. 이러한 점에서,[0003]
마찬가지로, 2차 권선이 하위 권선(sub-winding)으로 그룹화되며, 스위칭 오버를 위한 반도체 스위칭 요소가 유
사하게 제공될 수 있다.
DE 197 47 712 C2는 단권 변압기(autotransformer)로서 구축된 탭 변압기(tapped transformer)와 유사한 종류[0004]
의 탭 절환기의 구성을 개시하고 있다. 이러한 점에서, 서로 개별적으로 및 독립적으로 연결할 수 있는 개별
권선부가 유사하게 제공된다. 조정 권선의 고정된 탭과는 별개로, 이 구성에서는, 별도의 권선부가 추가로 온
으로 스위칭되거나 접속될 수 있다.
중단되지 않는 부하 전환(uninterrupted load changeover)을 위한 추가의 탭 절환기의 상이한 형태의 실시예가[0005]
WO 95/27931에 공지되어 있으며, 여기에서는 마찬가지로 사이리스터(thyristor)가 스위칭 요소로서 작용한다.
그 경우, 각각의 탭 변압기의 2차 권선의 일부분으로서의 탭 권선의 상이한 권선부가 반대 방향의 병렬 접속
(antiparallel connection)을 이루고 있는 사이리스터쌍을 통해 접속되거나 단절될 수 있다. 또한, 제한된 개
수의 권선 탭을 이용하여 가능한 한 미세한 단계로 이루어지는 전압 조정의 실현을 위해, 상기 특허 문헌에는,
"디스크리트 써클 모듈레이션(discrete circle modulation)"으로 지칭되고, 2차 전압의 중간값이 발생하는 방식
으로 사이리스터가 제어되는 방법이 제안되어 있다.
종래 기술의 해법에서는, 반도체 스위칭 요소가 사실상 전형적인 기계식 탭 절환기에서의 기계식 셀렉터 암[0006]
(mechanical selector arm)의 기능을 담당한다. 조정 권선의 개별 권선 탭은 그 자체가 반도체 스위칭 요소를
통해 접속되거나 단절될 수 있다. 조정 권선을 별도로 접속될 수 있는 하위 권선으로 세부 분할하는 것도 가능
하다.
반도체 스위칭 요소의 하이 레벨의 회로 복잡도 및 필수적인 특수한 적합화가 이러한 종래 기술에서의 문제점이[0007]
된다.
종래 기술의 또 다른 문제점은, 개별 반도체 스위칭 요소의 장애의 발생 시에, 조정이 더 이상 가능하지[0008]
않거나, 또는 적어도 적합한 조정이 더 이상 가능하지 않다는 점이다.
발명의 내용
해결하려는 과제
본 발명의 목적은 단순한 구성으로 이루어지는 반도체 스위칭 요소를 갖는 탭 절환기를 제공하는 것이다.[0009]
또한, 이 탭 절환기는 모듈형의 확장 가능한 구성을 가질 것이다. 최종적으로, 본 발명에 따른 탭 절환기는 개
별 스위칭 요소의 장애가 발생한 경우에도, 즉 긴급상황 작동 시에도, 하이 레벨의 조정 신뢰도 및 정확도를 가
질 것이다.
과제의 해결 수단
이러한 목적은 청구항 1의 특징부를 갖는 탭 절환기에 의해 달성된다. 종속 청구항은 본 발명의 특별하게 이로[0010]
운 구성에 관련된다.
본 발명의 전반적인 개념은 조정 권선의 상이한 하위 권선을 모듈 방식으로 선택적으로 접속하고 반대로 접속하[0011]
는 탭 절환기를 구성하는 것을 포함한다.
본 발명에 따른 탭 절환기는 2개의 병렬 스위칭 브랜치를 포함하고, 각각의 브랜치가 직렬 접속된 반도체 스위[0012]
칭 유닛을 포함한다. 제1 부하 브랜치의 개별 반도체 스위칭 유닛과 제2 부하 브랜치의 개별 반도체 스위칭 유
닛은 각각 쌍으로 서로 반대로 된다. 조정 권선의 전기적 하위 권선은 2개의 부하 브랜치 사이에, 예컨대 각각
의 부하 브랜치의 2개의 반도체 스위칭 유닛 사이에, 병렬로 제공된다. 전기적 하위 권선은 조정 권선과 각각
자기 방식으로(magnetically) 커플링되어, 즉 각각의 변압기 암 상에 장착된다.
전기적 하위 권선은 2개의 부하 브랜치의 반도체 스위칭 유닛의 각각의 스위칭 상태에 의해 요구된 바대로 접속[0013]
되거나 반대로 접속될 수 있다.
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특별한 장점으로, 전기적 하위 권선은 치수가 상이하게 정해진다. 제1 하위 권선이 특정한 권선수를 갖는다면,[0014]
다른 전기적 하위 권선은 배수의 권선수를 갖는다.
본 발명의 범위 내에서, 그 전체가 본 발명에 따른 탭 절환기를 형성하는 개별 반도체 스위칭 유닛 및 전기적[0015]
하위 권선의 개수를 변화시키는 것이 가능하다.
발명의 효과
본 발명에 따른 탭 절환기의 경우에는, 개별 하위 권선의 선택적 접속 및 반대 방향의 접속을 위해 몇몇의 부품[0016]
만으로 다수의 전압 단계가 달성될 수 있다. 더욱이, 본 발명에 따른 탭 절환기에서는 개별 부전압(sub-
voltage)의 중복 생성(redundant generation)이 가능하며, 실제로 결코 배제될 수 없는 개별 스위칭 요소의 장
애의 경우에도 불구하고 조정이 실질적으로 지속될 수 있다.
도면의 간단한 설명
본 발명은 이하의 첨부 도면에 기초하여 예로서 더욱 상세하게 설명될 것이다.[0017]
도 1은 본 발명에 따른 탭 절환기의 제1 실시 형태를 도시하는 도면이다.
도 2는 제1 반도체 스위칭 유닛을 도시하는 도면이다.
도 3은 제2 반도체 스위칭 유닛을 도시하는 도면이다.
도 4는 제3 반도체 스위칭 유닛을 도시하는 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 탭 절환기의 제2 실시 형태를 도시하는 도면이다.
도 6은 도 1에 도시된 탭 절환기의 특수한 치수관계를 보여주는 도면이다.
도 7은 도 5에 도시된 탭 절환기의 특수한 치수관계를 보여주는 도면이다.
발명을 실시하기 위한 구체적인 내용
도 1은 본 발명에 따른 탭 절환기의 제1 실시 형태를 도시하는 도면이다. 도 1에 도시된 탭 절환기는 단자 R[0018]
위의 조정 권선의 고정된 조정되지 않은 부분과 부하 다이버터(load diverter, LA) 사이에 배치된다. 탭 절환
기는 2개의 병렬 부하 브랜치(1, 2)를 갖는다. 제1 부하 브랜치(1)에는 반도체 스위칭 유닛(S1.1∼S1.6)이 직
렬 접속으로 제공된다. 또한, 제2 부하 브랜치(2)에는 유사하게 반도체 스위칭 유닛(S2.1∼S2.6)이 직렬 접속
으로 제공된다. 그 경우, 제1 부하 브랜치(1)의 각각의 반도체 스위칭 유닛과 제2 부하 브랜치(2)의 각각의 반
도체 스위칭 유닛은 쌍으로, 즉 반도체 스위칭 유닛 S1.1과 S2.1, S1.2와 S2.2,…, S1.6과 S2.6이 서로 반대로
된다. 조정 권선의 각각의 하위 권선(W1, W2, W3)과 전기 브리지(B1, B2, B3)는 쌍으로 서로 반대로 되는 이들
반도체 스위칭 유닛 S1.1과 S2.1, S1.2와 S2.2,…, S1.6과 S2.6 사이에서 교번적으로 각각 2개의 부하 브랜치
(1, 2) 사이에 병렬로 접속되어 있다. 도 1에서, 제1 하위 권선(W1)은 한편으로는 반도체 스위칭 유닛 S1.1과
S2.1의 사이에 접속되고, 다른 한편으로는 반도체 스위칭 유닛 S1.2와 S2.2의 사이에 접속되며, 제1 전기 브리
지(B1)는 한편으로는 반도체 스위칭 유닛 S1.2와 S2.2의 사이에 접속되고, 다른 한편으로는 반도체 스위칭 유닛
S1.3과 S2.3의 사이에 접속되며, 제2 하위 권선(W2)은 한편으로는 반도체 스위칭 유닛 S1.3과 S2.3의 사이에 접
속되고, 다른 한편으로는 반도체 스위칭 유닛 S1.4와 S2.4의 사이에 접속되며, 그 나머지도 동일한 방식으로 접
속되는 것으로 도시되어 있다.
도 2는 반대 방향의 병렬 접속의 사이리스터쌍 S를 반도체 스위치로 하고 있는 반도체 스위칭 유닛을 도시하고[0019]
있다.
도 3은 직렬 접속의 2개의 개별 반도체 스위치(Sa, Sb)를 갖는 다른 반도체 스위칭 유닛을 도시하고 있다.[0020]
도 4는 직렬 접속의 4개의 개별 반도체 스위치(Sa∼Sd)를 갖는 다른 반도체 스위칭 유닛을 도시하고 있다.[0021]
개별 반도체 스위치는 본 명세서에서는 예로서 반대 방향의 병렬 접속의 사이리스터쌍으로 예시되어 있지만, 예[0022]
컨대 IGBT와 같은 다른 공지의 반도체 스위치 또한 본 발명의 범위 내에서 이용될 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 탭 절환기의 제2 실시 형태를 도시하고 있다. 이 경우, 특수한 스위칭 부조립체 FS가[0023]
제공되어 있으며, 이 부조립체는 제1 부하 브랜치(1)의 직렬 접속의 반도체 스위칭 유닛 S1.7 및 S1.8과 제2 부
하 브랜치(2)의 직렬 접속의 반도체 스위칭 유닛 S2.7 및 S2.8의 4개의 특수한 반도체 스위칭 유닛을 포함하며,
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그 사이에는 하나의 하위 권선(W3)이 전술한 바와 같이 병렬로 배치된다. 이들 특수한 반도체 스위칭 유닛
S1.7, S1.8, S2.7 및 S2.8은, 펄스폭 변조(PWM)에 의해 제어될 수 있고, 그러므로 하위 권선 W3의 미세한 단계
의 스위칭-온 및 스위칭-오프를 허용하는 IGBT이다. 본 발명의 이 실시 형태에서, 하위 권선 W1 및 W2는 반도
체 스위칭 유닛 S1.1∼S1.4 및 S2.1∼S2.4의 각각의 스위칭 상태에 따라 요구된 바대로 접속되고 반대로 접속된
다. 하위 권선 W3은 임의의 개수의 권선부에서 적합하게 추가(add)되거나 감소(subtract)되어, 전체적으로는
단계적으로 이루어지지 않는(without stepping) 특히 미세한 조정을 가능하게 한다.
도 6은 특히 이로운 치수관계를 갖는 도 1의 탭 절환기를 도시하고 있다. 개별 부품의 위치는 도 1의 예시와[0024]
대응하며, 이러한 이유로 도시를 명료하게 하기 위해 도면 부호가 생략되어 있다. 여기에서는, 제1 하위 권선
(W1)이 제3 하위 권선(W3)의 9배의 권선수를 갖고, 제2 하위 권선(W2)이 제3 하위 권선(W3)의 3배의 권선수를
갖는 것으로 도시되어 있다. 도시된 예에서는 3개의 하위 권선(W1∼W3)의 선택적 접속 및 분리에 의해 총 27개
의 전압 단계가 발생될 수 있다.
예컨대, 반도체 스위칭 유닛 S1.1∼S1.6이 폐쇄되고, 이에 반해 반도체 스위칭 유닛 S2.1∼S2.6이 개방된다는[0025]
점에서, 본 발명에 따른 탭 절환기로 센터 세팅 "0"이 획득된다. 중복 방식(redundant manner)으로, 반도체 스
위칭 유닛 S1.1∼S1.6이 개방될 수 있고, 반도체 스위칭 유닛 S2.1∼S2.6이 폐쇄된다. 다른 설정에서도 가능하
지만 이 설정은 중복 방식으로 발생될 수 있다는 것을 알 수 있다.
모든 하위 권선(W1∼W3)이 동일한 양상으로 접속되는 세팅 "13"의 경우, 예로서, 반도체 스위칭 유닛의 이하의[0026]
세팅이 발생한다: S1.1이 폐쇄되고, S1.2가 개방되고, S1.3이 폐쇄되고, S1.4가 개방되고, S1.5가 폐쇄되고,
S1.6이 개방되며, S2.1이 개방되고, S2.2가 폐쇄되고, S2.3이 개방되고, S2.4가 폐쇄되고, S2.5가 개방되고,
S2.6이 폐쇄된다. 본 발명에 따른 탭 절환기의 모든 기타 세팅, 즉 전압 단계가 전체적으로 유사한 방식으로
발생될 수 있다.
대응하는 스위칭 출력을 관리하기 위해, 도 3 및 도 4에 예로서 도시된 바와 같이 개별 반도체 스위칭 유닛을[0027]
각각 직렬 접속의 여러 개의 별도의 반도체 스위치로서 제공하는 것이 이로울 수 있다.
도 7은 유사하게 특히 이로운 치수관계를 갖는 도 5의 탭 절환기를 도시하고 있다. 개별 부품의 위치는 도 5에[0028]
서의 예시와 대응하며, 이러한 이유로 도시의 명료화를 위해 도면 부호가 생략되어 있다. 여기에서는, 제1 하
위 권선(W1)이 제3 하위 권선(W3)의 9배의 권선수를 가지며, 제2 하위 권선(W2)이 제3 하위 권선(W3)의 2배의
권선수를 갖는 것으로 도시되어 있다. 시간적인 측면에서 신속하게 이루어지는 하위 권선 W3의 스위칭과 2개의
하위 권선 W1 및 W2의 선택적인 접속 및 반대로의 접속에 의해 미세한 단계의 조정이 가능하다. 대응하는 스위
칭 전압을 관리하기 위해, 도 3 및 도 4에 예로서 도시된 바와 같이 반도체 스위칭 유닛을 각각 직렬 접속의 여
러 개의 별도의 반도체 스위치로서 제공하는 것이 이로울 수 있다.
본 발명의 범위 내에서 하위 권선(W1∼W3)을 다른 치수관계로 하여 반도체 스위칭 유닛(S1.1∼S2.8)을 구성하는[0029]
것도 가능하다.
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도면
도면1
도면2
공개특허 10-2014-0004178
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도면3
도면4
공개특허 10-2014-0004178
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도면5
도면6
공개특허 10-2014-0004178
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도면7
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