전기동력자동차의 차세대 탑재형 충전기를 위한 고전력밀도 변압기 설계 연구

박준성(Junsung Park),조수연(Suyeon Cho),전유종(Yujong Jeon),조재익(Jaeick Cho),신외경(Waegyeong Shin) 대한기계학회 2021 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2021 No.4

변압기는 전기적인 에너지를 자기적인 에너지를 이용해서 다른 형태의 전기적인 에너지로 변환하는 정지형 기기로, 일반적으로 전압과 전류의 크기를 가변 하는 목적으로 사용된다. 구조는 높은 투자율을 가진 자성체 코어와 도전율이 낮은 도체 권선으로 이루어져 있으며, 부가적인 기구부로 권선 보빈, 절연지, 브라켓, 프레임, 몰딩재 등이 같이 조립된다. 50~60Hz 주파수를 이용하는 계통전원용 변압기와 수십k~수백kHz의 고주파수 Switch mode 전력변환 과정을 이용하는 전력변환회로용 변압기로 크게 구분할 수 있는데, 본 개발 기술인 OBC 용 전력변환 변압기는 높은 주파수로 스위칭 하고 있는 DC-DC 절연형 컨버터에 적용되는 변압기이다. HEV(Hybrid Electric Vehicle)와 달리 PHEV(Plug-in Hybrid Electric Vehicle)과 BEV(Battery Electric Vehicle)은 차량 구동을 위해 외부 전원으로부터 전기에너지를 충전하는데 배터리 충전을 위한 충전기는 외장 충전기(Off-Board Charger)와 탑재형 충전기(On-Board Charger, OBC)로 나눠진다. OBC는 외부 AC 전원을 배터리 충전을 위한 DC 전원으로 변환해야 되므로 AC-DC 정류회로(정류기)와 DC-DC 변환회로(컨버터)의 2-Stage 구조로 이루어져 있다. OBC는 차량 전장부품이므로 전기적인 절연이 요구되며, 동시에 넓은 전압범위를 가변해야 되기 때문에 DC-DC 변환회로(컨버터)에 자성소자인 전력변환 변압기를 적용하며 고주파 스위칭을 통한 전력변환을 수행한다. OBC 부품의 소형화를 위해서는 구성하고 있는 요소 부품들의 최적화 및 사이즈 저감이 필요하며, OBC에서 부피 비중이 높은 부품은 커패시터, 인덕터, 변압기로 이 중에서 OBC 사이즈 저감에 가장 영향을 많이 미치는 부품은 변압기이다. 변압기의 소형화 설계 시 자성체 코어 자속밀도와 권선 전류밀도는 재료 특성에 의해 정해지며, 권선의 전류 역시 부하전류의 크기에 종속되므로 설계변경이 어렵다. 따라서 변압기의 소형화는 자성체 코어 감소 측면으로 접근되며, 자속량 감소를 위해 스위칭 주파수를 높이는 방향으로 개발해 주파수를 높일수록 주파수에 반비례에서 자속량이 감소되기 때문에 변압기 자성체 코어의 부피를 줄일 수 있다. 본 논문에서는 고주파수 스위칭 대응자성재료 선정 및 회로 데이터를 반영한 변압기 최적설계 기술을 연구하였다. This paper proposes a transformer design of on-board charger for electric powered vehicles using high switching frequency. Prototype OBC used 500 kHz switching frequency using an LLC converter based on gallium nitride devices. A transformer design procedure is proposed to magnetizing inductance, leakage inductance, and reduce wire heat generation by fringing effects. Experimental results from a 7.2 kW prototype are provided to validate the proposed concept.

외부 코로나 노이즈를 제거한 내부 부분방전 측정기법

권동진,진상범,곽희로 한국조명전기설비학회 2001 조명·전기설비학회논문지 Vol.15 No.1

현재까지 운전중인 변압기에 전기적인 부분방전 측정기법을 적용하기 위한 가장 큰 문제점은 외부 코로나 노이즈를 제거하는 것이다. 본 논문에서는 외부 코로나 노이즈를 제거하고 변압기 내부의 결함에 의한 부분방전 신호만을 측정하는 기법에 대하여 연구하였다. 현장에서 운전중인 변압기에서의 부분방전과 코로나 노이즈의 발생 형태를 모의하기 위하여 모의 변압기 내에 침-평판 전극을 이용하여 변압기 내부 부분방전을 발생시켰으며, 동시에 변압기 외부의 공기 중에 봉-구 전극을 이용하여 외부 코로나 노이즈를 발생시켰다. 변압기 접지선에 설치한 로고우스키 코일에는 변압기의 내부 결함에 의해 발생되는 부분방전 신호와 외부 코로나 노이즈가 동시에 측정되었다. 변압기 외부에 안테나 센서를 이용하여 외부 코로나 노이즈를 별도로 측정하여, 코로우스키 코일에서 측정된 신호에서 코로나 노이즈를 제거한 결과, 변압기 내부의 부분방전에 의한 신호만을 효과적으로 검출할 수 있었다. The largest problem in applying the elecbical partial discharge measurement method the transformer that has been operated until now is the removal of external corona noise In this thesis, a methcd was studied. to rneasme only fue partial discharge sIgnal due to the defoct in transfonrer except the external corona noise. To find out the types of partial discharge and corona noise within a transfomr, a partial discharge was made in use of a needle-plane electrodes within a model transfonner and, at the same time, an external corona noise was generated in use of a rod-sphere electrcdes in the air around the transformer. Both of a partial clischarge signal caused from an intemat defect within a transformer and an external noise were found at the rogowski coil which was located at transformer earth wire. When the external corona noise, which was separately measured in use of an antenna sensor out of transfonner, was removed from the signal measured on rogowski coil, the signal caused by partial discharge within a transformer would effectively be acquired.quired.

변압기의 내진성능 향상을 위한 마찰진자 면진장치의 시험 연구

장정범,김정기,황경민,함경원,박진완 이찬욱 한국지진공학회 2008 한국지진공학회논문집 Vol.12 No.2

본 연구에서는 전력설비 중 그 중요도가 가장 큰 변압기를 대상으로, 지진 발생 시 변압기의 파손을 방지하기 위하여 마찰진자 면진장치를 개발하고, 진동대시험을 통하여 그에 대한 내진성능을 입증하였다. 본 연구에서 개발한 마찰진자 면진장치에 대해 압축재하시험 및 마찰시험을 수행한 결과, 변압기의 면진장치로서 적용 가능한 것으로 나타났으며, 특히 변압기 축소모형을 대상으로 진동시험대에 의한 내진성능시험을 수행한 결과, 기존의 일반 고정기초형식보다 변압기 기초부의 최대 응답가속도는 약30%, 부싱 상단의 최대 응답가속도는 약 59% 감소하였다. 또한, 마찰진자 면진장치 설치 후, 변압기의 고유진동수가 약 82% 감소하며 장주기로 이동함을 확인할 수 있었다. 이와 같이 변압기에 마찰진자 면진장치를 적용하는 경우, 지진으로 인한 변압기의 파손을 효과적으로 방지할 수 있을 것으로 판단된다. Friction pendulum system is developed to prevent the damage of transformer, which is the most important among the electric power facilities, due to the earthquake and its seismic capacity is verified through the shaking table test. The applicability of friction pendulum system is confirmed as test results of compressive capacity test and friction test. Especially, as a result of shaking table test with a large scale transformer model, friction pendulum system gives to the reduction of maximum response acceleration by 30% at anchorage of transformer and 59% at the top of porcelain bushing comparing with the existing anchorage type. In addition to the reduction of maximum response acceleration, natural frequency of transformer is shifted to long period due to the friction pendulum system. In case that friction pendulum system is applied to the transformer, the damage of transformer can be prevented effectively under the earthquake.

철도차량용 주변압기 돌입 여자전류 특성 분석

조현우,한정수,박영호,최열준 한국철도학회 2017 한국철도학회 학술발표대회논문집 Vol.2017 No.05

철도차량용 주변압기는 일반부하용 변압기와 다르게 잦은 MCB(Main Circuit Breaker) 투입이 실시 된다. (일반부하용 변압기의 경우 주기적인 유지보수 시에만 MCB on/off 가 대략 2~3년에 한번 실시되나, 철도차량용 주변압기의 경우 매일 실시) 또한 가선 전압의 변동이 일반변압기보다 크며, 투입전압의 위상이 고압 투입 시점에 따라 변하게 된다. 본 논문에서는 철도차량용 주변압기에 투입되는 전압의 크기와 위상에 따른 돌입여자 전류의 값의 측정을 통해 철도차량용 주변압기 돌입 여자전류의 특성을 파악하여 향후 철도차량용 주변압기 손상 및 전력계통에 악영향을 미치는 것을 보호하고자 한다.

지상변압기 중성선 접지 탈락에 의한 화재위험성 고찰

유재익,정재희 한국방재학회 2014 한국방재학회논문집 Vol.14 No.5

Some of the PAD-mounted transformers managed by KEPCO share the common neutral ground for both low and high voltages. When the common neutral ground of PAD-mounted transformer is disconnected, high voltage current is supplied to the low voltagecircuits due to the current imbalance in the transformers, exposing the residential areas to unexpected high voltage currents supply. Asa result, there is increased risk of fire due to damages in low voltage distribution boards and electrical equipments. This work presentsrecommendations in the design and the maintenance of the PAD-mounted transformers and additional safety measures for low voltageparts to mitigate the risks of fire. 한국전력공사 지상변압기 중 일부 제조사의 변압기는 고압측 중성점 접지와 저압측 중성점 접지가 공통으로 구성되어 있다. 이러한 변압기로부터 저압수전을 받고 있는 밀집된 주택 및 소형상가는 지상변압기의 중성점 접지가 탈락 시 변압기의 전류불평형률에 따라 저압측에 수천V까지 유입될 수 있다. 따라서 저압수용가의 분전반 및 전기사용 설비 등이 절연파괴로 소손되면서 화재로 이어질 수 있어화재예방을 위한 지상변압기의 설계 및 관리적 대책과 저압측 수용가의 안전대책을 제시하였다.

An Analysis of the Impact of Failure Modes for Components of Oil Immersed Transformer

Sang Chul Kim 위기관리 이론과 실천 2018 Crisisonomy Vol.14 No.5

본 연구에서는 유입변압기에 대하여 통계자료, 사용연한 등의 분석을 통하여 그 위험성을 확인하였 다(Kim, 2017). FMEA 기법 적용이 가능한 신뢰성평가 소프트웨어를 이용하여(Kim, 2017) 유입변압 기의 구성부품을 분류하였으며 이를 기반으로 고장모드 및 고장모드 퍼센트 등을 결정하고 위험우 선순위지수와 중요도를 도출하였다. 유입변압기의 구성부품별 중요도는 “H 등급”에 대하여 절연체 (1 모드), 절연유(1 모드), 탱크(1 모드), 부싱(1 모드)에서 나타났으며, 변압기에서 사용된 절연체는 열이나 기계적인 응력에 의해 열분해(탄성저하)되어 파손되며 과열, 화재를 야기할 수 있다. 또한 절연유는 코일에서 이상 동작 시 온도상승과 이상음이 발생하게 되고 과열되면 폭발 또는 정전 등을 일으킬 수 있다. 중요도 분석과 다르게 위험우선순위에서 절연유의 순위가 낮은 이유는 이상음 발생 및 높은 온도 등의 확인이 용이하다는 점에서 검출도 값이 낮게 나타났기 때문이다. 또한 중요도 분석에서는 순위가 낮게 나타났고 위험 우선순위에서 높게 나타난 코일의 단락 부분은 일상관리에 서 검출이 용이하지 않아 검출도 값이 높아 위험우선순위가 높게 나타났다. This paper confirmed the risk of oil immersed transformer through analyzing statistical data and other information. It classified the components by using the reliability evaluation software where FMEA (Failure Modes and Effects Analysis) technique can be applied, and used these to determine the failure mode and its percentages and derive the RPN (risk priority number) and criticality. The criticality of the components was found in insulation, insulating oil, tank and bushing for “H grade.” Insulation may be thermally decomposed and damaged due to mechanical stress, causing overheating or fire. In addition, when the abnormal operation of the coil occurs, the temperature of insulating oil rises and an abnormal sound is generated, which may cause an explosion or a power failure if overheated. Unlike the criticality analysis, the RPN of insulating oil is low due to the easy detection of abnormal sound and high temperature.

변압기 중성점 접지리액터 과열원인분석 및 해소방안에 관한 연구

박길수,박수홍,Park, Gil-Soo,Park, Soo-Hong 한국전자통신학회 2011 한국전자통신학회 논문지 Vol.6 No.2

본 연구에서 동부산S/S #3M.Tr 및 부민S/S #1,2M.Tr의 중성선에 설치 사용 중인 NGR 과열원인을 분석하고 해소방안을 제시하여 안정적 전력공급에 이바지하고자한다. 전력계통에 사용 중인 변압기 중성점 접지리액터는 1선지락 고장시 변압기에 유입되는 지락고장전류의 크기를 제한하여 변압기 고장을 감소시키는 역할을 하며 가공절연전선의 용융단선고장방지 일단접지변압기 폭발가능성방지 차단기 차단용량감소 등에 기여하는 설비로 고장발생시 전력계통운용에 막대한 지장을 초래할 수 있다. 따라서 전력계통에 설치 운전 중인 동부산S/S #3M.Tr 중성점 접지리액터 TOP&BOTTOM BRACE부의 온도 상승원인분석과 부민S/S 중성점 접지리액터에 흐르는 과전류로 인한 과열원인 분석을 하였다. In the power system, the transformer's neutral earth reactor line 1 grounding failure may occur. By limiting the magnitude of the failure grounding current flow, it will aid to reduce the failure of the transformer. Consequently, this also may avoid the failure of the disconnection of the industrial insulator line that cause by melting. Besides, utilizing the decreasing circuit breaker or others related equipment can use to avoid the possibility of explosion of the transformer. If the failure happen during the operation of the power system, a huge interference will definitely may occur. Therefore, by installing the DONGBUSAN S/S #3M.Tr neutral earth reactor among TOP and BOTTOM BRACE part in the power system, the causes of the rising temperature and reason of the over-current flow that cause by over-current can be analyze.

정전압 출력 특성을 갖는 다기능 3상 전자식 강압형 변압기

최남섭 한국정보통신학회 2001 한국정보통신학회논문지 Vol.5 No.2

본 논문에서는 Custom Power 응용을 위한 전압 안정화 특성을 갖는 다기능 3상 전자식 강압형 변압기가 제안된다. 제안된 전자식 변압기는 다음과 같은 특징을 갖는다. 1) 무게가 1㎾ 기준 일반 변압기의 40% 수준이다. 2) PWM 제어에 의하여 입력전압의 변동에 무관한 출력전압을 유지하는 전압 안정화 기능을 갖는다 3) 전원 또는 부하단의 Emergency에 대하여 회로 차단기의 기능도 갖는다. 4) 부하에 최초 전원 공급시, 낮은 전압으로부터 점진적으로 증가시켜가면서 전원을 인가하여, 전원 투입시 발생할 수 있는 돌입전류나 과도 충격을 제거할 수 있다. 그 밖에 무부하시 전원차단 기능과, 왜곡된 입력전압에 대한 보상기능을 추가 할 수 있다. 본 논문에서는 제안된 강압형 전자식 변압기의 회로 구성과 특징을 설명하고, 이를 PSPICE 시뮬레이션을 통하여 동작특성을 보인다. In this paper, a multifunctional three-phase electronic step-down transformer with output voltage stabilization characteristics is presented for custom power applications. The proposed electronic transformer has some advantages and features as follows: 1) It has 40 % weights lighter than that of commercial magnetic transformer, 2) It has output voltage stabilization characteristic with regulated output voltage over input variations, 3) It cab be operated as circuit breaker in the case of emergency, 4) It can be operated with so called soft starting function. Moreover, the electronic transformer may have stand-by power cutoff function and act as distortion compensator. This paper show the circuit diagram and present its features through various PSPICE simulations.

유입식 변압기의 열화진단과 효율적인 관리방법에 관한 연구

이오걸,박차수,손태훈,최태원 동의공업대학 1998 論文集 Vol.24 No.1

In the transmission of electrical power from one place to another, economy of operation is the most essential, It is possible to use a transformer to increase a.c. to high voltage and a low current. Recently, according to the use of electrical energy increases, the loss ignited by electrical also causes increases too. Deterioration diagnosis and the efficient running(or control management) of the oil-filled pole transformer. Electric energy consumption increases by 15∼20% every year. So lots of pole transformers should be installed for electric power demand. The life time of the pole transformer is effected by the oil temperature, In this paper, self temperature test method is designed and presented for more effective management of the pole transformer in on urban area.

진동시험에 의한 154kV 변압기 부싱의 동특성 분석 및 내진성능 평가

조양희,조성국 한국지진공학회 2006 한국지진공학회논문집 Vol.10 No.5

지진과 같은 재난이 발생하였을 때에도 전력설비는 그 본래의 기능을 상실하지 않고 구조적인 안정성을 유지해야 하는 핵심 산업시설물이다. 이 연구는 가장 대표적인 전력설비인 154kV 변압기에 부착된 애자형 부싱의 진동특성과 내진성능을 분석하였다. 연구의 목적에 따라 국내에서 운용하던 실제 154kV 변압기 부싱을 대상으로 30tonf 용량의 진동대를 이용하여 진동시험이 실시되었다. 진동시험은 동특성분석시험과 내진성능시험 그리고 파괴한도시험으로 구분하고, 각각의 시험에는 정현소인파, 인공지진파 그리고 연속공진정현파를 진동대운동으로 입력하였다. 이 논문에는 시험에 사용된 시편과 진동설비의 특성 그리고, 시험 방법 및 종류를 설명하고, 시험 결과 얻어진 계측자료의 특성에 대하여 논의한다. 이 연구를 통하여 국내에서 운용중인 154kV 변압기 부싱은 그 고유진동수가 20Hz 이상인 고진동수 설비이며, 감쇠비는 4%미만인 것으로 분석되었다. 또한, 특별한 경우를 제외하고, 변압기 부싱은 국내의 설계기준지진에 대하여 충분한 내진안전성을 보유하고 있으며, 강한 공진운동에 의해 예상되는 부싱의 최초 파괴모드는 하단 개스킷의 파손인 것으로 밝혀졌다. The power supply system is one of the most important infrafacilities which should maintain their inherent function during and after earthquakes. This study was performed to analyze dynamic characteristics and seismic performance of Korean typical 154kV transformer porcelain bushing. For the purpose of this study, actual 154kV porcelain bushings were selected and tested on the shaking table. The vibration tests consist of modal identification tests, seismic performance tests, and fragility tests. The sine sweep waves, artificial earthquake waves, and continuous resonant sine waves were used as shaking table motions. This paper describes the test specimens, shaking facilities, and test methods. Natural frequencies and damping ratios of the bushing have been evaluated from the experimental data. The failure mode and the performance level of the Korean transformer bushing have been first identified in this study.