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문제 정의
- 본 논문을 통하여 하이브리드 Zig-Zag 권선을 이용한 불평형 및 고조파 감쇄 기능을 갖는 변압기의 고조파 감쇄 성능을 확인할 수 있었다. 하이브리드변압기의 고조파 저감 성능을 측정하기 위하여 정류기 부하를 이용한 고조파 발생 장치의 고조파를 측정하고 하이브리드변압기 삽입 후 고조파를 측정하여 비교분석하였다.
제안 방법
- 30kVA 하이브리드변압기의 고조파 저감 특성을 측정하기 위하여 부하 9kW, 15kW, 19kW일 때 고조파 발생장치에서의 고조파 측정 결과와 변압기 삽입시의 고조파 측정결과를 비교분석하였다. 시험에 사용된 변압기의 제원은 3상 3선식의 정격전압 380V/380V (변압비 1:1), 정격전류 45.
- 고조파 발생에 대하여 하이브리드 Zig-Zag 권선 변압기(이하 하이브리드변압기)의 고조파 저감 성능을 측정하기 위하여 고조파 발생장치의 고조파를 측정하고 하이브리드 변압기 삽입 후 고조파를 측정하여 비교 분석하였다. 그림 4와 같이 고조파 성능 측정시험에 대한 시험회로도를 바탕으로 그림 5와 같은 고조파 측정시험장치를 구성하였다.
- 그림 4와 같이 고조파 성능 측정시험에 대한 시험회로도를 바탕으로 그림 5와 같은 고조파 측정시험장치를 구성하였다. 고조파 측정을 위해 THD(Total Harmonic Distribution) 측정 및 차수별 고조파 크기와 위상각을 측정할 수 있는 장비는 그림 6과 같이 일본 HIOKI 사의 Power Quality Analyzer PW 3198을 이용하여 각 요소를 측정하고 HIOKIPQA-HIVIEW Pro 9624-50을 이용하여 분석하였다. 전원품질 분석 장비의 측정 제원 및 성능은 아래의 표 1과 같다.
- 변압기의 성능시험을 위해 일반 변압기와 zigzag 변압기를 제작하였다. 두 변압기의 특성 및 효율은 동일한 조건으로 하였으며, 고조파 개선을 목적으로 저항 부하와 정류기 부하로 제품의 자체 성능시험을 실시하였다.
- 이에 본 연구는 이중 Zig-Zag 권선을 이용한 불평형 및 고조파 감쇄 기능을 갖는 하이브리드 변압기 개발을 통하여기존 변압기 방식에서 문제가 되고 있는 고조파로 인한 신규 설비 투자비 증가와 설치 공간 확보에 따른 부담을 크게 완화시켰고, 무엇보다 변압기능과 고조파 감쇄기능을 갖는 고효율의 고조파 저감형 변압기 개발을 통하여 고조파로 인한 피해를 예방함은 물론 전력품질을 개선함으로써 불필요한 전력손실을 억제하여 에너지 절약에도 기여할 수 있다. 변압기의 성능시험을 위해 일반 변압기와 zigzag 변압기를 제작하였다. 두 변압기의 특성 및 효율은 동일한 조건으로 하였으며, 고조파 개선을 목적으로 저항 부하와 정류기 부하로 제품의 자체 성능시험을 실시하였다.
- 본 논문을 통하여 하이브리드 Zig-Zag 권선을 이용한 불평형 및 고조파 감쇄 기능을 갖는 변압기의 고조파 감쇄 성능을 확인할 수 있었다. 하이브리드변압기의 고조파 저감 성능을 측정하기 위하여 정류기 부하를 이용한 고조파 발생 장치의 고조파를 측정하고 하이브리드변압기 삽입 후 고조파를 측정하여 비교분석하였다. 부하별 감소율을 측정하기 위하여 9kW, 15kW, 18kW의 부하를 선정하고, 각각의 결과를 비교하였을 때 전체적으로 고조파 왜형률은 약 50%의 감소를 보였으며, 고조파 전류는 27%의 감소를 보였다.
대상 데이터
- 30kVA 하이브리드변압기의 고조파 저감 특성을 측정하기 위하여 부하 9kW, 15kW, 19kW일 때 고조파 발생장치에서의 고조파 측정 결과와 변압기 삽입시의 고조파 측정결과를 비교분석하였다. 시험에 사용된 변압기의 제원은 3상 3선식의 정격전압 380V/380V (변압비 1:1), 정격전류 45.6A의 변압기이며, 측정된 결과는 변압기 1차측의 고조파 왜형률 및 전류를 측정하였다. 측정된 결과는 그림 7과 같이 각부하에서의 고조파를 측정한 결과이다.
성능/효과
- 9kW부하에서 고조파 왜형률은 전체적으로 약 45% 감소하였고, 고조파 전류는 약 25% 감소하였다. 15kW 부하에서는 고조파 왜형률은 전체적으로 약 52% 감소하였으며, 고조파 전류는 약 27% 감소하였다. 18kW 부하에서는 고조파 왜형률은 전체적으로 약 56% 감소하였으며, 고조파 전류는 약 29% 감소하였다.
- 15kW 부하에서는 고조파 왜형률은 전체적으로 약 52% 감소하였으며, 고조파 전류는 약 27% 감소하였다. 18kW 부하에서는 고조파 왜형률은 전체적으로 약 56% 감소하였으며, 고조파 전류는 약 29% 감소하였다. 또한 차수별로 많은 감소율을 보인 고조파 차수는 5, 7, 9, 11, 15 차수의 고조파가 많은 감소를 보인 것을 확인할 수 있었다.
- 표 2는 각각의 부하에서 변압기의 유무에 따른 고조파 왜형률 및 고조파 전류를 각각의 상에서 측정한 결과이며, 그림 8은 각각의 부하에서 발생된 고조파를 1차부터 20차수의 고조파 분포를 나타낸 것이다. 9kW부하에서 고조파 왜형률은 전체적으로 약 45% 감소하였고, 고조파 전류는 약 25% 감소하였다. 15kW 부하에서는 고조파 왜형률은 전체적으로 약 52% 감소하였으며, 고조파 전류는 약 27% 감소하였다.
- Zig-Zag 권선에 있어서 가장 염두해 두어야 할 부분이 절연에 관한 부분으로 설계 기술에 따라 변압기의 외형과 안전성에 큰 영향을 미칠 뿐만 아니라 제조 비용에도 직결되는 중요한 사항이다. 따라서 이러한 제조상의 기술적 부분을 해결하고 변압기의 효율성과 경제성을 극대화하기 위해 고압부문인 1차 권선은 △결선, 저압부문인 2차 결선은 Zig-Zag 권선법에 의한 평면 설계 기법을 도입하여 누설자속 감소와 부분방전으로 인한 기술적 과제를 극복할 수 있었다[2].
- 이에 반하여 하이브리드 변압기의 지그재그 권선법은 기존 방식의 기술적인 단점을 보완하여 효율과 성능을 크게 개선시킴으로써 전력용 변압기 제작은 물론 설계용량을 크게 향상시켰다. 또한 수평 권선법에 의한 설계 기법을 통해 지그재그 권선에서 가장 문제가 되었던 누설자속과 절연문제를 해결하였으며, 제품을 소형화 할 수 있게 되었다.
- 18kW 부하에서는 고조파 왜형률은 전체적으로 약 56% 감소하였으며, 고조파 전류는 약 29% 감소하였다. 또한 차수별로 많은 감소율을 보인 고조파 차수는 5, 7, 9, 11, 15 차수의 고조파가 많은 감소를 보인 것을 확인할 수 있었다.
- 하이브리드변압기의 고조파 저감 성능을 측정하기 위하여 정류기 부하를 이용한 고조파 발생 장치의 고조파를 측정하고 하이브리드변압기 삽입 후 고조파를 측정하여 비교분석하였다. 부하별 감소율을 측정하기 위하여 9kW, 15kW, 18kW의 부하를 선정하고, 각각의 결과를 비교하였을 때 전체적으로 고조파 왜형률은 약 50%의 감소를 보였으며, 고조파 전류는 27%의 감소를 보였다. 이러한 결과를 바탕으로 배전계통에서 하이브리드변압기를 사용할 경우 고조파로 인한 전력손실 감소 효과 이외에도 고조파를 줄이기 위해 별도의 고조파 필터를 설치할 필요가 없으므로 설비투자 및 설치 공간 감소에 따라 투자비용 절감도 기대할 수 있다.
후속연구
- 부하별 감소율을 측정하기 위하여 9kW, 15kW, 18kW의 부하를 선정하고, 각각의 결과를 비교하였을 때 전체적으로 고조파 왜형률은 약 50%의 감소를 보였으며, 고조파 전류는 27%의 감소를 보였다. 이러한 결과를 바탕으로 배전계통에서 하이브리드변압기를 사용할 경우 고조파로 인한 전력손실 감소 효과 이외에도 고조파를 줄이기 위해 별도의 고조파 필터를 설치할 필요가 없으므로 설비투자 및 설치 공간 감소에 따라 투자비용 절감도 기대할 수 있다.
- 이에 본 연구는 이중 Zig-Zag 권선을 이용한 불평형 및 고조파 감쇄 기능을 갖는 하이브리드 변압기 개발을 통하여기존 변압기 방식에서 문제가 되고 있는 고조파로 인한 신규 설비 투자비 증가와 설치 공간 확보에 따른 부담을 크게 완화시켰고, 무엇보다 변압기능과 고조파 감쇄기능을 갖는 고효율의 고조파 저감형 변압기 개발을 통하여 고조파로 인한 피해를 예방함은 물론 전력품질을 개선함으로써 불필요한 전력손실을 억제하여 에너지 절약에도 기여할 수 있다. 변압기의 성능시험을 위해 일반 변압기와 zigzag 변압기를 제작하였다.
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