KR100377609B1 - 전력조절 절전기 - Google Patents

Abstract

감극성 2권선형 변압기의 2차측에 인출된 탭을 이용한 전압조정방식으로 부하전압을 선택조절할 수 있게 하는 전력조절 절전기로서, 그 1차코일(L₁)이 전원측에 부하와 직렬로 접속되고, 2차코일(L₂)이 부하와 병렬형태로 접속되는 한편, 그 2차코일이 가지는 유도리액턴스와 공진하는 콘덕턴스를 갖는 콘덴서(C)가 병렬접속된 공진회로를 구비하여 된다. 그리고 그 콘덴서의 공진회로와 2차코일의 탭중 하나를 선택하여 회로를 개폐하는 스위칭수단으로서, 복수의 고체릴레이(SSR₀,SSR₁∼SSR₄)와, 그 복수의 고체릴레이의 트리거 단자와 별도의 구동전압이 인가되는 전원단자 사이에 병렬로 접속되는 복수의 접점을 가지며 그중 선택된 접점 하나가 닫히면 나머지 접점이 개방되도록 연동되는 연동스위치를 사용한 트리거스위치(SW₂)를 구비한다. 상기한 공진회로는 전원전압이 부하에 인가되는 파워모드에서의 전압강하를 최소화하여 전력효율을 높인다. 또한 절전모드에서는 탭 전환을 무접점 방식으로 소전류용 스위치를 사용할 수 있어 조작의 편리와 안정성을 높여준다.

Description

전력조절 절전기{Power regulating saver}

본 발명은 변압기의 탭을 이용한 전압조정방식으로 부하전압을 선택조절할 수 있게 하는 전력조절 절전기에 관한 것으로, 특히 초기 기동시의 변압기 코일이 가지는 유도리액턴스에 의한 전압강하가 최소화되고 무접점 스위칭으로 안정성이 높아지도록 개선된 것이다.

발전소에서 생산되는 전기는 그 송배전계통의 선로정수에 의한 전압강하를 고려하여 통상 규정된 전압보다는 높게 승압된 상태로 전송되고 있다. 이에 따라 대부분의 수용가측 부하에 인가되는 전압은 정격전압보다 대체로 높은게 현실이다.이같이 부하에 인가되는 전압이 정격전압보다 높으면, 기기의 수명단축이 초래될 뿐만 아니라 소비전력도 전압에 비례하여 증가하므로 그만큼 전기에너지의 낭비도 커진다. 따라서 바람직하게는 각 수용가측에서 부하에 인가되는 전압을 정격전압으로 조정해줄 필요가 있으며, 더 바람직하게는 가능하다면 그 정격전압 이하로도 조정할 수 있게 하여 에너지 절약을 꾀할 필요가 있는 것이다.

일반적으로 절전을 위한 전압조절에는 변압기의 일종인 단권변압기(單捲變壓器)를 이용한 전압조정장치가 널리 알려져 있다. 단권변압기는 권선을 따라 전압 간격을 두고 인출된 여러개의 탭을 가지는데, 권선 양단에는 상용교류 전원(AC110/220V)을 인가하고 부하는 스위치를 통해 여러개의 탭중 하나와 도통되어 그 권선 일부와 병렬로 접속된다. 즉, 스위치로 선택된 탭 이후의 권선부분을 분로권으로 하여 유도되는 전압이 부하에 인가되도록 하는 것이다.

이러한 절전장치는 구조가 지극히 간단하고 그 자체로서 절전을 위한 전압조정(강압)하는 기능은 충분하지만, 탭 절환시 부하전압이 차단되므로 형광등이나 가로등과 같은 방전등에는 그 초기방전이 원활하지 못하여 사용할 수 없게 된다. 뿐만 아니라 탭을 선택하기 위한 스위치들은 부하 용량에 상응하는 큰 전류를 도통시켜야 하는 대전류용이므로, 그 접점이 개폐되는 순간에 발생되는 스파크와 서지전압이 발생하여 부하에 영향을 미칠 수 있으며, 특히 인화성 물질을 취급하는 곳에서는 그 스파크로 인한 화재의 위험성도 배제할 수 없는 것이다.

이에 대하여 공개특허공보 공개번호 특1999-0084164은 2권선형 감극성 변압기를 사용한 절전장치를 보여준다. 감극성 변압기의 1차측 고압권선은 전원측에 부하와 직렬접속되고, 2차측 저압권권은 부하측에 병렬접속된다. 그리고 2차측은 여러개의 탭이 인출되어 있는데, 각 탭을 선택절환하는 스위치 접점을 통해 선택된 탭으로 구분되는 권선 일부만이 부하와 병렬로 접속되어진다. 변압기의 1차측과 2차측은 부하단이 동위상으로 접속되고 권선방향은 반대인 감극성이다. 그러므로 1차측의 출력전압, 즉 부하에 인가되는 전압은 스위치 조작으로 선택된 탭으로 구분되는 2차측 권선수에 상응하여 유도된 전압만큼 감극된 전압으로 조정되는 것이다. 이러한 절전장치에 의하면, 탭 전환시 일시적으로 2차측이 개방되어도 1차측 출력전압이 그대로 부하에 인가되므로 부하전압이 차단되는 일은 없다.

한편, 공개특허공보 공개번호 특1998-048784나 등록특허공보 등록번호 10-0198831 등에는 전원측에 단권변압기를 접속하고 그 출력측에는 감극성 2권선형 변압기를 통해 부하를 접속하여 낮은 탭 전류를 스위칭할 수 있게 하는 기술이 개시되어 있다.

상기에 언급된 종래기술에서는 감극성 2권선형 변압기의 권선중 하나가 전원측에 부하와 직렬로 접속되고 나머지 하나가 부하와 병렬로 접속되도록 스위칭된다. 이러한 감극성 변압기를 사용한 경우에 탭 절환시 부하전압이 일시적으로 차단되는 현상은 막을 수 있으나, 탭이 인출된 권선이 개방된 상태, 즉 전원전압이 그대로 부하에 인가되도록 하는 소위 파워모드로 선택되면 그 개방된 순간에 과도한 역기전력이 유기되어 부하전압을 크게 변동시킴은 물론, 포화특성으로 전원측 권선의 자기리액턴스를 증가시키는 부하로 작용하기 때문에 그 전원측 권선의 출력단에일정수준 이상의 전압강하가 생기는 등 전력손실이 큰 문제점이 있다.

한편, 부하측 권선에 인출된 탭을 통해 흐르는 전류가 비교적 높으므로 대전류용 스위치가 필요하게 되며, 그 스위치 조작시 스파크가 발생되는 문제가 여전히 있다. 이러한 문제에 대해 상기한 바와 같이 단권변압기를 병용할 수 있으나, 이 경우에는 변압기 추가로 인한 원가상승은 물론, 전체적으로 코일량이 늘어나 전력효율이 낮아지므로 바람직하지가 않다.

따라서 본 발명의 주된 목적은 감극성 2권선형 변압기를 사용하는 회로에서 파워모드로 선택된 경우에 전압강하를 최소화하여 효율을 높인 전력조절 절전기를 제공하는 것이다.

또한 본 발명의 다른 목적은 감극성 2권선형 변압기를 사용하는 회로에서 파워모드로 선택된 경우에 전압강하를 최소화하면서, 무접점 스위칭 소자인 고체릴레이를 이용, 그 고체릴레이를 트리거하는 소용량의 스위치기구를 사용토록 한 안정성 높은 전력조절 절전기를 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 전력조절 절전기의 회로도.

도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 전력조절 절전기의 회로도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

SW₁∼SW₃: 스위치 L₁∼L₂: 코일

C : 콘덴서 SSR₀,SSR₁∼SSR₄: 고체릴레이

상기한 목적들을 달성하는 본 발명에 따른 전력조절 절전기는, 전원측에 부하와 직렬로 접속되어 여자되는 1차코일과 이 1차 코일에 감극성으로 감기고 상기 부하와는 병렬로 접속되어 있는 2차코일로 이루어지고 그 2차코일에서 간격을 두고 인출된 하나 또는 그 이상의 탭을 가지고 있으며 그 1차코일의 출력을 선택된 상기 탭으로 구분되는 2차코일의 권선 일부에서 유기되는 전압만큼 감압하여 부하에 인가하는 감극성 2권선형 변압기와, 상기 감극성 2권선형 변압기의 2차코일 양단에 병렬접속되어 그 2차코일의 유도리액턴스와 공진하는 용량리액턴스를 가지는 콘덴서와, 상기 콘덴서의 공진회로와 상기 하나 또는 그 이상의 탭중 하나를 선택하여 회로를 개폐하는 스위칭수단을 구비한다.

바람직하게는, 상기한 스위칭수단으로서, 상기 콘덴서의 공진회로와 상기 하나 또는 그 이상의 탭에 각각 삽입되어 트리거 신호가 입력되는 트리거 단자와 그 트리거 신호로 도통되는 무접점 스위칭소자를 갖는 복수의 고체릴레이와, 그 복수의 고체릴레이의 각 트리거 단자와 별도의 구동전압이 인가되는 전원단자 사이에 병렬로 접속되는 복수의 접점을 가지며 그중 선택된 접점 하나가 닫히면 나머지 접점이 개방되도록 연동되는 연동스위치를 구비하는 것이다.

또한 바람직하게는, 상기한 스위칭수단으로서, 상기 콘덴서의 공진회로와 상기 하나 또는 그 이상의 탭에 각각 삽입되어 트리거 신호가 입력되는 트리거 단자와 그 트리거 신호로 도통되는 무접점 스위칭소자를 갖는 복수의 고체릴레이와, 이 복수의 고체릴레이중 상기 하나 또는 그 이상의 탭측에 삽입되어 있는 고체릴레이들의 각 트리거 단자와 별도의 구동전압이 인가되는 전원단자 사이에 병렬로 접속되는 복수의 접점을 가지며 그중 선택된 접점 하나가 닫히면 나머지 접점이 개방되도록 연동되는 연동스위치와, 상기한 부하와 병렬로 접속되며 상기 공진회로측에 삽입되어 있는 고체릴레이의 트리거 단자와 상기 전원단자 사이에 삽입된 상시폐쇄형 b접점과 상기 연동스위치의 전원단자를 개폐하기 위한 상시개방형 a접점을 가지며 전류가 인가되면 일정시간 뒤에 그 접점들을 전환시키는 타이머스위치, 그리고 그 타이머스위치에 도통되는 전류를 개폐하는 모드선택스위치를 구비하는 것이다.

이와같은 본 발명에 따른 전력조절 절전기의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

첫 번째 실시예를 보인 도 1에서 감극성 2권선형 변압기는 1차코일(L₁)과 2차코일(L₂)은 하나의 철심에 상호 권선방향이 반대로 감긴 것이며, 그 일측이 동위상으로 접속되고, 그 2차코일(L₂)에 간격을 두고 인출된 4개의 탭(T₁∼T₄)을 가지고 있다. 물론 이 탭은 적어도 하나이거나 더 많이 인출될 수 있으며, 그 간격도 일정한 것만은 아니다.

변압기의 1차코일(L₁) 시작단은 전원(AC110/220V) 일측에 전원스위치(SW₁)를 통해 접속하고, 그 출력단과 전원의 타측 사이에는 부하를 직렬로 접속하였다.

변압기의 2차코일(L₂) 양단에는 그 2차코일(L₂)이 가지는 유도리액턴스와 공진할 수 있는 용량리액턴스를 가지고 병렬공진회로를 구성하도록 콘덴서(C)를 그 병렬공진회로를 개폐하기 위한 무접점 스위칭소자의 하나인 고체릴레이(SSR₀)와 함께 접속하였다. 그리고 그 2차코일(L₂)에서 인출된 4개의 탭(T₁∼T₄)은 또다른 고체릴레이(SSR₁∼SSR₄) 각각을 통해 전원측에 공통접속하였다.

한편, 전술한 공진회로 개폐용 고체릴레이(SSR₀)와 탭 선택절환용 고체릴레이(SSR₁∼SSR₄)의 트리거회로로서, 각각에 대응한 복수의 접점(부호 생략)을 갖는 트리거스위치(SW₂)를 사용하여, 각 접점의 일측은 트리거 신호용 전압을 인가하는 구동단자(Vcc)에 공통접속하고 각 접점의 타측은 고체릴레이의 트리거단자들에 각각 접속한 것이다.

여기서 트리거스위치(SW₂)로서는 각 접점을 개폐조작할 수 있는 복수의 푸쉬버튼형으로서, 조작의 편리를 위하여 복수의 푸쉬버튼중 선택된 버튼에 해당되는 접점 하나만 ON 상태로 되고 나머지 접점들은 OFF 상태로 복귀되는 연동스위치가 사용되었다. 이러한 연동스위치는 통상적인 것이므로 그 상세한 구조 및 동작원리는 편의상 생략하였다. 그리고 트리거 신호용 전압은 별도의 배터리 사용도 가능하나, 전원측에 별도의 강압용 변압기를 연결하여 그 변압기의 출력을 이용할 수 있을 것이다.

도면중 설명되지 않은 부호 V는 부하에 병렬로 접속되어 그 부하에 인가되는 전압을 외부에 볼 수 있게 표시하는 전압계이다.

이하, 상기와 같이 구성된 전력조절 절전기의 동작을 설명한다.

도 1에는 트리거스위치(SW1)에 의해 제1번 고체릴레이(SSR₁)가 도통상태로 설정되어 있고 나머지 고체릴레이(SSR₀,SSR₂∼SSR₄)는 모두 비도통상태이다. 따라서 변압기 2차코일(L₂)의 제1번 탭(T₁)은 전원측에 연결되고 나머지 탭(T₂∼T₄)은 전원이 차단되어 있다.

이와같은 상태에서 주전원스위치(SW₁)를 투입(ON)하면 변압기의 1차측코일(L₁)의 출력단에 나타나는 전위차에 해당하는 전압이 부하에 인가된다. 이때 2차코일(L₂)은 그 일단이 1차코일(L₁)의 출력단에 접속되고 그 타단에 있는 제1번 탭(T1)에 접속되어 있는 고체릴레이(SSR₁)를 통해 전원에 연결된 폐회로 상태로서 여자되므로 1차코일(L₁)과의 상호유도작용으로 2차전압을 유기한다. 유기된 2차코일(L₂)에서 유기된 2차전압은 1차코일(L₁)의 출력전압과 동위상이면서 감극성이므로 서로 상쇄된다. 따라서 전원전압은 1차코일(L₁)의 출력단에서 2차코일(L₂)에 유기된 2차전압만큼 감압된 전압으로 부하에 인가된다.

여기서 트리거스위치(SW₂)를 조작하여 제1번 탭(T1)에 연결된 제1번 고체릴레이(SSR₁)에서 제2번 탭(T2)에 연결된 제1번 고체릴레이(SSR2)로 트리거하면 2차코일(L₂)에는 제2번 탭(T₂)까지 감긴 권수에 비례하는 2차전압을 유기하게 되고, 따라서 부하에 인가되는 전압이 바뀌게 된다.

한편, 트리거스위치(SW₂)의 선택 조작에 의해 공진회로에 삽입된 고체릴레이(SSR₀)가 트리거되면, 2차코일(L₂)의 탭(T₁∼T₄)이 모두 전원으로부터 개방되어 전원전압은 1차코일(L₁)을 통해 직접 부하에 인가된다. 이때 전원으로부터 개방된 2차코일(L₂)은 고체릴레이(SSR₀)에 의해 콘덴서(C)와 병렬공진회로를 구성하므로, 그 임피던스가 극히 낮아지게 되고, 따라서 전압강하를 거의 일으키지 않게 된다.

다음, 전술한 실시예에 있어서, 주전원스위치(SW₁)의 투입 초기에 절전모드로 선택된 경우에 그 초기에 인가되는 전압이 낮음으로써 부하의 초기운전, 예를 들면 방전등의 경우 초기방전이 원활하지 않게 되는 문제가 있는데, 도 2에는 이러한 문제를 해결할 수 있는 수단으로서 전원투입 초기에는 항상 전원전압이 그대로부하에 인가될 수 있도록 하는 타이머스위치(T)를 부가하고, 트리거스위치(SW₂')는 탭 전환용으로만 사용토록 한 것이다.

타이머스위치(T)는 도통시 일정시간 뒤에 절환되는 상시개방형 a접점(STa₁,STa₂)과 상시폐쇄형 b접점(STb₁,STb₂)을 가지고 있고, 전류가 흐를 때부터 일정시간 후에 그 접점들의 상태를 전환하도록 작동되는 것으로, 별도의 모드선택스위치(SW₃)를 통해 부하와 병렬로 접속하고, 그 일측 a접점(STa₁)을 통해 트리거스위치(SW₂')의 전원단자(Vcc)를 개폐하도록 하는 한편, 일측 b접점(STb₁)을 통해 공진회로용 고체릴레이(SSR₀)의 트리거신호를 개폐하도록 하였다. 그리고 나머지 a접점(STa₂) 및 b접점(STb₂)를 통해 파워모드와 절전모드를 표시하기 위한 표시용 램프(P1,P2)를 부하측에 각각 병렬로 접속하였다.

이 실시예에 의하면, 도 2에 표시되어 있는 바와 같이, 2차코일(L₂)의 탭중 하나가 전원측에 연결된 상태에서 주전원스위치(SW₁)를 투입되고, 타이머스위치(T)와 직렬로 접속된 선택스위치(SW₃)가 OFF 상태로 되어 있으면, 2차코일(L₂)의 탭이 모두 개방되고 공진회로가 폐회로로 되는 상태에서 전원전압이 1차코일(L₁)을 통해 그대로 부하에 인가된다.

다음, 이와같은 상태에서 선택스위치(SW₃)를 투입하여 절전모드가 선택되면, 타이머스위치(T)가 작동하기 시작하고, 그로부터 일정시간 동안은 전술한 전술한파워모드가 유지된다. 타이머스위치(T) 작동후 일정시간이 지나면, a접점(STa₁)이 ON되고 b접점(STb₂)이 OFF되어 2차코일(L2)의 탭 하나가 도통되므로 선택되어 있는 탭에 의한 전압만큼 감압된 전압이 부하로 인가되는 것이다.

이상의 실시예를 통하여 설명된 바와 같이 본 발명에 따른 전력조절 절전기는 감극성 2권선형 변압기로 부하전압을 조절함에 있어서, 공진회로를 사용하므로써 파워모드에서의 전압강하를 최소화할 수 있어서 전력효율을 높일 수 있게 되며, 또한 절전모드에서는 탭 전환을 무접점 방식으로 소전류용 스위치를 사용할 수 있으므로 조작이 간편함은 물론, 스파크에 의한 위험을 방지할 수 있는 등 그 안정성을 높이는 효과가 제공되는 것이다.

Claims (3)

1. 전원측에 부하와 직렬로 접속되어 여자되는 1차코일(L₁)과 이 1차 코일에 감극성으로 감기고 상기 부하와는 병렬로 접속되어 있는 2차코일(L₂)로 이루어지고 그 2차코일에서 간격을 두고 인출된 하나 또는 그 이상의 탭(T₁,T₂,T₃,T₄)을 가지고 있으며 그 1차코일의 출력을 선택된 상기 탭으로 구분되는 2차코일의 권선 일부에서 유기되는 전압만큼 감압하여 부하에 인가하는 감극성 2권선형 변압기와,

   상기 감극성 2권선형 변압기의 2차코일(L₂) 양단에 병렬접속되어 그 2차코일의 유도리액턴스와 공진하는 용량리액턴스를 가지는 콘덴서(C)와,

   상기 콘덴서의 공진회로와 상기 하나 또는 그 이상의 탭중 하나를 선택하여 회로를 개폐하는 스위칭수단이 구비된 전력조절 절전기.
2. 청구항 1에 있어서, 상기한 스위칭수단으로서, 상기 콘덴서의 공진회로와 상기 하나 또는 그 이상의 탭에 각각 삽입되어 트리거 신호가 입력되는 트리거 단자와 그 트리거 신호로 도통되는 무접점 스위칭소자를 갖는 복수의 고체릴레이(SSR₀,SSR₁,SSR₂,SSR₃,SSR₄)와, 그 복수의 고체릴레이의 각 트리거 단자와 별도의 구동전압이 인가되는 전원단자(Vcc) 사이에 병렬로 접속되는 복수의 접점을 가지며 그중 선택된 접점 하나가 닫히면 나머지 접점이 개방되도록 연동되는 연동스위치(SW₂)가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 전력조절 절전기.
3. 청구항 1에 있어서, 상기한 스위칭수단으로서, 상기 콘덴서의 공진회로와 상기 하나 또는 그 이상의 탭에 각각 삽입되어 트리거 신호가 입력되는 트리거 단자와 그 트리거 신호로 도통되는 무접점 스위칭소자를 갖는 복수의 고체릴레이(SSR₀,SSR₁,SSR₂,SSR₃,SSR₄)와, 이 복수의 고체릴레이중 상기 하나 또는 그 이상의 탭측에 삽입되어 있는 고체릴레이들(SSR₁,SSR₂,SSR₃,SSR₄)의 각 트리거 단자와 별도의 구동전압(Vcc)이 인가되는 전원단자 사이에 병렬로 접속되는 복수의 접점을 가지며 그중 선택된 접점 하나가 닫히면 나머지 접점이 개방되도록 연동되는 연동스위치(SW₂)와, 상기한 부하와 병렬로 접속되며 상기 공진회로측에 삽입되어 있는 고체릴레이(SSR₀)의 트리거 단자와 상기 전원단자(Vcc) 사이에 삽입된 상시폐쇄형 b접점(STb₁)과 상기 연동스위치의 전원단자(Vcc)를 개폐하기 위한 상시개방형 a접점(STa₁)을 가지며 전류가 인가되면 일정시간 뒤에 그 접점들을 전환시키는 타이머스위치(T), 그리고 그 타이머스위치에 도통되는 전류를 개폐하는 모드선택스위치(SW₃)가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 전력조절 절전기.