KR101525216B1 - 하이브리드 리액터 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 하이브리드 리액터는 자성을 갖는 복수의 코아모듈들을 갖는 코아부; 및 상기 코아부를 에워싸는 권선부를 구비하고, 상기 코아모듈들은 상호간에 서로 상이한 자성재질을 갖는 것을 특징으로 한다.

Description

하이브리드 리액터{A hybrid reactor}

본 발명은 리액터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 재질이 상이한 블록 형태의 코아 2종류 이상을 혼합 조립하여 구성된 하이브리드 리액터에 관한 것이다.

일반적으로, 리액터는 태양광 인버터, 에어컨용 인버터 뿐만 아니라 산업 전반에 필요한 전력변환기 등에서 사용된다. 리액터는 전기에너지를 자기 에너지로 변환하여 저장하는 부품으로, 리액터에 흐르는 전류가 급변하지 못하는 성질을 이용하여 변동전류를 평활시키는 역할을 한다.

그런데, 종래의 리액터는 한가지 종류의 재질로 구성된 코아를 사용하므로, 재질의 L-I특성(인덕턴스와 전류 상관특성) 및 주파수 손실 특성에 맞게 제한된 범위 내에서 사용할 수밖에 없었다. 최근에는 신 재생에너지 분야에서 취급 전력이 증가함과 동시에 크기도 작아져야 하는 과제를 해결하기 위해 동작 주파수가 50 내지 100[kHz] 이상으로 높아지는 것이 추세이다. 따라서, 동작 주파수가 높은 전력변환 제품에 대응하기 위해서는 고주파에서 코아 손실이 적은 고가의 코아 재료를 사용해야만 하는 부담이 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 전력제품의 대용량화 및 다양한 기능요구에 부응함과 동시에 크기 및 가격 경쟁력을 갖추며, 이와 더불어 부하 용량에 따라 인덕턴스가 가변하도록 하는 하이브리드 리액터에 관한 것이다.

상기의 과제를 해결하기 위한 하이브리드 리액터는 자성을 갖는 복수의 코아모듈들을 갖는 코아부; 및 상기 코아부를 에워싸는 권선부를 구비하고, 상기 코아모듈들은 적어도 두 종류 이상의 상이한 자성재질을 갖는 것을 특징으로 한다.

상기 권선부에서 자속이 생성되는, 즉 권선이 감긴 부분에 위치하는 코아모듈은 고주파 손실 특성이 비교적 양호한 일정 기준 이상의 것을 사용하고, 상기 권선이 감긴 부분 코아에서 발생한 자속이 지나가는 경로에 위치하는 코아모듈, 즉 권선이 감기지 않은 부분은 고주파 손실 특성이 좋지는 않지만 비교적 저렴한 상기 일정 기준 이하의 코아를 사용하여 가격경쟁력을 갖춤과 동시에 코아 손실로 인해 발생하는 열을 분산시키는 것을 특징으로 한다.

상기 자성 재질이 다른 코아모듈들을 적절히 조합하고, 각 코아의 단면적을 조절하여 용량에 따라 가변하는 인덕턴스를 갖게 하고, 그 기울기를 조절하여 전력변환기의 효율 및 제어 특성을 개선하는 것을 특징으로 한다.

상기 일정 기준 이상의 권선이 감긴 부분의 코아모듈은 퍼멀로이(Permalloy), 센더스트(Sendust), 아모퍼스(Amorphous), 철, 실리콘 및 철 합금 중 적어도 어느 하나 이상을 사용하는 것을 특징으로 한다.

상기 일정 기준 이하의 권선이 감기지 않은 부분의 코아모듈로서 페라이트(Ferrite), 철, 실리콘 및 철 합금 중 적어도 어느 하나 이상을 사용하는 것을 특징으로 한다.

상기 코아모듈들은 입력 전류의 크기에 따라 인덕턴스 포화 기울기를 조정하기 위해 적절히 조합하여 사용하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 다양한 자성재료를 조합한 코아를 사용하여 최적의 가격대 성능비를 갖는 리액터를 구현할 수 있다.

또한, 각 자성재료의 전류 포화 특성이 상이한 점을 이용하여 인덕턴스를 부하의 경중에 따라 가변시키는 것이 가능하여 가격 및 크기의 경쟁력을 갖는 리액터를 구현할 수 있다.

또한, 이러한 하이브리드 리액터를 인버터에 사용할 경우에 효율을 증대시키기 위한 최적화된 인버터 설계가 가능하다.

도 1은 본 발명에 따른 하이브리드 리액터를 설명하기 위한 일 실시예의 참조도이다.
도 2는 코아모듈의 종류에 따른 L-I특성을 비교하기 위한 일 예의 그래프이다.
도 3은 하이브리드 리액터를 사용하는 인버터에서의 부하(출력전류의 크기) 변동에 따라 리액터에 흐르는 전류의 변화를 예시한 참조 그래프이다.
도 4는 단일 코아모듈을 사용한 리액터와 하이브리드 리액터를 사용한 인버터의 출력 특성을 비교하기 위한 그래프이다.

이하, 본 발명에 따른 하이브리드 리액터를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 하이브리드 리액터를 설명하기 위한 일 실시예의 참조도로서, 코아부(100, 200) 및 권선부(300)를 포함한다.

코아부는 자성을 갖는 복수의 코아모듈들(100, 200)을 갖는다. 이러한 코아모듈들(100, 200)은 상호간에 서로 상이한 자성재질을 갖는다.

코아모듈들(100, 200)의 각각을 이루는 자성재질은 권선, 주파수, 온도 조건에 최적화된 배합비를 조정해서 구현한다. 본 발명에서는 코아모듈들(100, 200)의 자성재질을 두 종류 이상 조합해 리액터를 구성함으로써 하이브리드 리액터를 구현한다.

권선부(300)는 코아부(100, 200)의 일부분을 에워싸고 있는 권선을 포함하고 있다.

본 발명에서는 권선부(300)에서 자속이 생성되는 부분에 위치하는 코아모듈은 주파수 특성이 일정 기준 이상의 것을 사용하고, 상기 권선부의 자속이 지나가는 경로에 위치하는 코아모듈은 상기 일정 기준 이하의 것을 사용한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 권선부(300)에서 자속이 생성되는 부분에 위치하는 코아모듈로서 식별기호 100에 해당하는 코아모듈이고, 자속이 지나가는 경로에 위치하는 코아모듈은 식별기호 200에 해당하는 코아모듈이다.

여기서, 주파수 특성이 일정 기준 이상이라는 것은 주파수 손실 특성이 좋은 고가의 자성재료를 의미하는 것이고, 주파수 특성이 일정 기준 이하라는 것은 주파수 손실 특성이 상대적으로 낮은 자성재료를 의미한다.

일 예로, 주파수 특성이 일정 기준 이상의 코아모듈로서 퍼멀로이(Permalloy), 센더스트(Sendust), 아모퍼스(Amorphous), 철, 실리콘 및 철 합금 중 적어도 하나 이상을 사용한다. 다음의 표 1은 주파수 특성이 일정 기준 이상에 해당하는 코아모듈을 구성하는 자성재료의 종류와 이러한 코아모듈이 사용되는 전력기기를 예시한 테이블이다.

리액터 종류	리액터 자성재질	사용되는 전력 기기
a	퍼멀로이(Permalloy): Fe-Ni	Power Supply Unit (Small Size Coil)
b	센더스트(Sendust): Fe-Si-Al	Power Supply Unit (Small Size Coil)
c	아모퍼스(Amorphous): Fe-Si-B	Power Supply Unit (Small Size Coil)
d	실리콘 및 철 합금(Silicon Iron): Fe 3.5[%]-Si	Aircon/Power Inv. UPS/Automotive
e	철(Pure Iron): Fe	Aircon/Power Inv. UPS/Automotive
f	실리콘 및 철 합금(Silicon Iron): Fe 6.5[%]-Si	Power Inverter

또한, 주파수 특성이 일정 기준 이하의 코아모듈로서 페라이트(Ferrite), 철, 실리콘 및 철 합금 중 적어도 어느 하나 이상을 사용한다.

이러한 코아부(100, 200)는 입력 전류의 크기에 따라 인덕턴스 포화 기울기를 조정하기 위한 코아모듈들을 사용한다.

도 2는 코아모듈의 종류에 따른 L-I 특성을 비교하기 위한 일 예의 그래프로서, 도 2의 (a)는 한 종류의 코아모듈로 구성된 리액터의 L-I 특성을 나타내고, 도 2의 (b)는 2종류 이상의 코아모듈들로 구성된 리액터의 L-I 특성을 나타낸다.

리액터는 급변하는 전류를 억제하여 원하는 전류파형을 얻게 해주는 필터로서 기능한다. 따라서, 인덕턴스가 클수록 억제능력이 커지므로 리액터에 흐르는 전류의 변동(리플)이 작아진다. 일반적으로 리액터에 흐르는 전류가 증가하면 코아모듈 고유의 투자율에 따라 어느 정도 인덕턴스를 유지하다가 전류가 더 증가하면 이를 유지하지 못하고 급격히 떨어지는 것이 보통이고 이를 포화라 한다. 무부하에서는 동일한 인덕턴스를 유지하고 있다고 해도 전류증가에 따라 포화되는 지점은 리액터용량에 비례하여 증가하게 되므로, 대전류를 감당하기 위해서는 대용량의 리액터가 필요하다.

도 2의 (a)에 도시된 바와 같이, 한 종류의 코아모듈을 사용한 리액터인 경우에는 점점 증가하는 전류에 대해 인덕턴스가 일정 전류(예를 들어, 6[A])까지는 유지되다가, 전류가 그 이상 증가하면 인덕턴스가 급격하게 떨어지는 것이 일반적이며 이를 조절하기 위해서 코아모듈 사이에 갭(Gap)을 만드는 방법으로 그 기울기를 조절해 왔다. 그러나 갭이 커지면 와전류손실 등 여러 가지 손실이 발생하게 되고 갭만으로 원하는 인덕턴스 기울기를 만드는 것은 어려운 일이다.

도 2의 (b)는 투자율이 다른 2종류 이상의 코아모듈들로 구성된 리액터의 경우에는 인덕턴스가 완만한 기울기가 되도록 만들기가 수월하며, 특히 전류가 일정 전류(예를 들어, 6[A]) 이상 증가하더라도 인덕턴스가 급격하게 떨어지지 않고 완만하게 감소하는 특성을 갖는다. 따라서, 코아모듈들을 적절히 조합함으로써, 인덕턴스 포화 기울기를 조정할 수 있다.

종래는 리액터에 흐르는 전류가 증가해도 그 인덕턴스 값을 일정하게 유지하는 것이 바람직한 것으로 여겨져 왔다. 그러나 리액터를 사용하는 전력변환기 특성상 출력 전류에 따라 동일한 인덕턴스가 필요한 것은 아니다. 특히 전력변환기 중에서 인버터의 경우는 더욱 그러하다. 전력변환기의 리플전류는 정격출력을 기준으로 10%~20% 내외로 설계되는 것이 일반적이고, 리액터의 인덕턴스는 일정하게 유지되므로 경부하에서도 정격출력과 거의 동일한 크기의 리플전류가 발생하고 이는 경부하 출력전류의 크기에 비해 상대적으로 큰 리플전류가 흐름을 의미하므로, 경부하시 안정된 출력을 유지하기 위한 제어에 큰 부담으로 작용한다. 게다가 일정한 인덕턴스를 유지하기 위해서는 코아의 단면적이나 권선수를 일정수준으로 유지할 수 밖에 없으므로 이는 곧 원자재 가격 부담을 의미한다.

도 3은 하이브리드 리액터를 사용하는 인버터에서의 부하(출력전류의 크기)에 따른 전류 변동을 예시한 참조 그래프이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 경부하시에는 높은 인덕턴스로 인해 리플전류가 상대적으로 작음을 알 수 있고, 정격 부하시(정격의 출력전류)에는 정격 인덕턴스로 인해 낮은 출력전류에 비해 상대적으로 전류 변동이 크다는 것을 확인할 수 있다. 정격 출력 시 리플전류가 다소 커지더라도 정격전류와의 비율로 볼 때는 여전히 작은 값이므로 제어하기에 큰 무리가 따르지는 않는다. 따라서, 본 발명에 따른 하이브리드 리액터는 이러한 인덕턴스 특성을 반영하여 크기, 효율 및 가격 측면에서 최적의 설계가 가능해 진다.

도 4는 단일 코아모듈을 사용한 리액터와 하이브리드 리액터를 사용한 인버터의 출력 특성을 비교하기 위한 그래프이다. 도 4 (a)는 페라이트 코아모듈만으로 설계된 리액터를 사용했을 때의 인버터의 출력 전압/전류 파형이고, 도 4 (b)는 페라이트 및 센더스트 코아모듈들을 조합한 하이브리드 리액터를 사용했을 때의 인버터의 전압/전류 파형이다.

도 4 (a)의 노란색 파형 및 도 4 (b)의 노란색 파형은 인버터에서 출력되는 출력 전압 파형을 의미한다. 또한, 도 4 (a)의 청색 파형 및 도 4 (b)의 녹색 파형은 각 인버터에서 출력되는 출력 전류 파형을 의미한다. 또한, 도 4 (a)의 녹색 파형 및 도 4 (b)의 청색 파형은 리액터에 흐르는 리플 전류 파형이다.

도 4 (a)의 출력 전류 파형을 살펴보면, 전류 크기에 상관없이 리플 전류가 거의 일정함을 확인할 수 있다. 이것은 도 2의 (a)에 도시된 바와 같이, L-I특성곡선에서 전류I에 따라 L값이 일정하기 때문이다. 한편, 도 4 (b)의 출력 전류 파형을 살펴보면, 전류 크기가 작을 때에는 리플 전류가 상대적으로 작고, 전류 크기가 커질 때 리플 전류가 커짐을 확인할 수 있다. 이것은, 도 2의 (b)에 도시된 바와 같이, L-I특성곡선에서 전류가 커지면 L값이 낮아지기 때문이다.

이러한 본원 발명인 하이브리드 리액터는 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.

100, 200: 코아모듈들
300: 권선부

Claims (5)

1. 자성을 갖는 복수의 코아모듈들을 갖는 코아부; 및
   상기 코아부의 일부분을 에워싸는 권선부를 구비하고,
   상기 코아부는 상기 권선부에서 자속이 생성되는 부분에 위치하는 코아모듈과 상기 자속이 지나가는 경로에 위치하는 코아모듈을 포함하며,
   상기 코아모듈들은 적어도 두 종류 이상의 상이한 자성재질을 가지되,
   상기 권선부에서 자속이 생성되는 부분에 위치하는 코아모듈은 주파수 특성이 일정 기준 이상의 것을 사용하고, 상기 자속이 지나가는 경로에 위치하는 코아모듈은 상기 일정 기준 이하의 것을 사용하며,
   전류가 일정 전류 이상 증가하더라도 인덕턴스가 급격하게 떨어지지 않고 완만하게 감소하는 특성을 갖도록 코아모듈이 조합된 것을 특징으로 하는 하이브리드 리액터.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 일정 기준 이상의 코아모듈로서 퍼멀로이(Permalloy), 센더스트(Sendust), 아모퍼스(Amorphous), 철, 실리콘 및 철 합금 중 적어도 어느 하나 이상을 사용하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 리액터.
4. 제1항에 있어서,
   상기 일정 기준 이하의 코아모듈로서 페라이트(Ferrite), 철, 실리콘 및 철 합금 중 적어도 어느 하나 이상을 사용하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 리액터.
5. 삭제

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