단권변압기

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1. 개요
2. 작동 원리
3. 응용 분야
4. 가변 자동 변압기
- 4.1. 수동 가변 자동 변압기 (Variac)
- 4.2. 자동 전압 조정 기능
5. 역사
참조

1. 개요

단권변압기는 1차 코일과 2차 코일이 권선의 일부를 공유하는 변압기이다. 작동 원리는 1차 및 2차 권선에 걸리는 전압이 턴 수에 비례하며, 입력 전압과 출력 전압의 비율은 권선 턴 수의 비율과 같다. 단권변압기는 전력 송배전, 오디오 시스템, 철도, 유도 전동기 기동 등 다양한 분야에 사용된다. 또한 가변 자동 변압기 형태로 제작되어 출력 전압을 부드럽게 제어할 수 있으며, 수동 또는 자동으로 전압을 조정할 수 있다. 1908년 막스 콘도퍼에 의해 발명되었으며, 유도 전동기 시동 시 시동 전류를 줄이는 데 사용되기도 한다.

2. 작동 원리

단권변압기는 하나의 권선만을 사용하여 전압을 바꾸는 변압기의 한 종류이다. 일반적인 변압기가 1차 권선과 2차 권선을 분리하여 사용하는 것과 달리, 단권변압기는 1차 회로와 2차 회로가 권선의 일부를 공유하는 구조를 가진다.^[3] 이 공유된 부분을 통해 전류의 일부는 직접 전달되고, 나머지 일부는 일반 변압기처럼 전자기 유도를 통해 전달된다.^[4]

이러한 구조 덕분에 특정 조건(일반적으로 전압비가 약 3:1 이하)에서는 2권선 변압기보다 크기가 작고 가벼우며 비용도 저렴하다는 장점이 있다.^[5] 하지만 1차 권선과 2차 권선이 전기적으로 분리되지 않아 전기 절연 기능을 제공하지 못하며, 특정 고장 상황에서 안전 문제가 발생할 수 있다는 단점도 고려해야 한다.^[5]

단권변압기는 시간적으로 변하는 자기장을 이용하므로 교류(AC) 전원에서만 작동하며 직류(DC)에서는 사용할 수 없다. 전압 및 전류의 변환 비율은 권선의 감은 수(턴 수) 비율에 따라 결정되며, 이는 2권선 변압기의 원리와 동일하다.^[2]

2. 1. 권선 구조 및 전압 관계

단권변압기는 두 개의 단자와 하나 이상의 중간 탭 지점을 가진 단일 권선으로 구성된다. 이는 1차 코일과 2차 코일이 권선의 일부를 공유하는 형태의 변압기이다. 1차와 2차 모두에서 공유되는 권선 부분은 공통 부분이라고 하며, 공유되지 않는 부분은 직렬 부분이라고 한다. 일반적으로 1차 전압은 권선의 양 끝 단자에 걸리고, 2차 전압은 두 개의 단자에서 얻는데, 이 중 하나의 단자는 1차 전압 단자와 공통으로 사용된다.^[3]

단권변압기에서는 권선 내 턴당 전압이 동일하므로, 각 권선 부분은 감긴 횟수(턴 수)에 비례하는 전압을 발생시킨다. 출력 전류의 일부는 입력에서 출력으로 직접 흐르고(직렬 부분을 통해), 나머지 일부만 유도 작용을 통해 전달되므로(공통 부분을 통해), 일반적인 2권선 변압기보다 더 작고 가벼우며 저렴한 코어를 사용할 수 있고, 권선도 하나만 필요하다.^[4] 하지만 단권변압기의 전압 및 전류 비율은 2권선 변압기와 동일한 방식으로 계산할 수 있다.^[2]

:

\frac{V_1}{V_2} = \frac{N_1}{N_2} = a

(0 < V_2 < V_1)

여기서

V_1

과

V_2

는 각각 1차 및 2차 전압,

N_1

과

N_2

는 각각 1차 및 2차 권선 턴 수,

a

는 변압비이다.

권선의 암페어-턴(

NI

) 균형을 통해 전류 관계를 유도할 수 있다.

직렬 부분의 암페어-턴: $F_S = (N_1 - N_2)I_1 = \left(1-\frac{1}{a}\right)N_1I_1$
공통 부분의 암페어-턴: $F_C = N_2(I_2 - I_1) = \frac{N_1}{a}(I_2-I_1)$

암페어-턴 균형(

F_S = F_C

)을 위해 다음 관계가 성립한다.

:

\left(1-\frac{1}{a}\right)N_1 I_1 = \frac{N_1}{a}(I_2-I_1)

이를 정리하면 전류 비율은 다음과 같다.

:

\frac{I_1}{I_2} = \frac{1}{a} = \frac{N_2}{N_1}

권선의 한쪽 끝은 일반적으로 전압원과 전기 부하 모두에 공통으로 연결된다. 전원과 부하의 다른 쪽 끝은 권선을 따라 있는 탭에 연결된다. 탭의 위치에 따라 공통 끝에서 측정되는 전압이 달라진다. 강압 변압기에서는 전원이 전체 권선에 연결되고 부하는 권선의 일부 탭에 연결되는 반면, 승압 변압기에서는 부하가 전체 권선에 연결되고 전원은 권선의 일부 탭에 연결된다. 승압 변압기의 경우, 위의 방정식에서 첨자 1과 2의 의미가 반대가 되며(

N_2 > N_1

,

V_2 > V_1

), 변압비

a

는 1보다 작아진다.

2권선 변압기와 마찬가지로, 2차 전압 대 1차 전압의 비율은 연결된 권선 턴 수의 비율과 같다. 예를 들어, 권선의 중간 지점과 공통 단자 사이에 부하를 연결하면 출력 전압은 1차 전압의 50%가 된다. 용도에 따라, 더 높은 전압(더 낮은 전류)이 걸리는 권선 부분은 더 작은 굵기의 전선으로 감을 수 있다.

중간 탭 중 하나가 접지에 사용되는 경우, 단권변압기는 평형 회선(두 끝 탭에 연결됨)을 불평형 회선(접지 측)으로 변환하는 밸런으로 사용할 수 있다.

단권변압기는 일반 변압기와 달리 권선 간의 전기 절연을 제공하지 않는다. 입력 측 중성선이 접지 전위가 아니라면 출력 측 중성선도 마찬가지이다. 권선의 절연이 불량하면 출력 측에 전체 입력 전압이 걸릴 위험이 있다. 또한, 1차와 2차 권선으로 모두 사용되는 공통 부분이 끊어지면, 변압기는 부하와 직렬로 연결된 인덕터처럼 작동하게 되어, 부하가 가벼울 경우 출력 측에 거의 전체 입력 전압이 걸릴 수 있다. 이는 특정 용도에서 단권변압기 사용을 결정할 때 중요한 안전 고려 사항이다.^[5]

전력 응용 분야에서 단권변압기는 전압비가 약 3:1 이하일 경우, 권선 수와 코어가 적기 때문에 2권선 변압기보다 가볍고 비용이 저렴하다. 그 범위를 넘어서면 일반적으로 2권선 변압기가 더 경제적이다.^[5]

단권변압기는 교류(AC)에서만 작동하며, 시간 변화 자기장을 이용하여 전력을 전달한다. 직류(DC)에서는 작동하지 않는다. 1차 권선과 2차 권선이 전기적으로 연결되어 있으므로, 권선 간에 전류가 흐를 수 있어 AC 또는 DC 절연을 제공하지 않는다.

2. 2. 전류 관계 및 암페어-턴 균형

단권변압기에서 출력 전류의 일부는 입력에서 출력으로 직접 흐르고(직렬 부분을 통해), 나머지는 유도 작용을 통해 전달된다(공통 부분을 통해).^[4] 이는 권선 수와 코어 크기를 줄여 변압기를 더 작고 가볍게 만들 수 있게 한다. 그러나 전압 및 전류 비율은 일반적인 2권선 변압기와 동일한 원리로 계산된다.^[2]

권선의 각 부분에서 발생하는 암페어-턴(기자력)은 서로 균형을 이룬다.

권선의 직렬 부분(입력측에만 연결된 부분)에서 제공되는 암페어-턴은 다음과 같다.

:

F_S = (N_1 - N_2)I_1 = \left(1-\frac{1}{a}\right)N_1I_1

여기서

N_1

은 1차 권선수,

N_2

는 2차 권선수,

I_1

은 1차 전류,

a

는 변압비(

N_1/N_2

)이다.

권선의 공통 부분(입력과 출력 모두에 연결된 부분)에서 제공되는 암페어-턴은 다음과 같다.

:

F_C = N_2(I_2 - I_1) = \frac{N_1}{a}(I_2-I_1)

여기서

I_2

는 2차 전류이다.

이상적인 변압기에서 기자력 평형을 위해

F_S = F_C

조건이 성립해야 하므로, 다음 식이 유도된다.

:

\left(1-\frac{1}{a}\right)N_1 I_1 = \frac{N_1}{a}(I_2-I_1)

이 식을 정리하면 1차 전류와 2차 전류의 관계를 얻을 수 있다.

:

\frac{I_1}{I_2} = \frac{1}{a} = \frac{N_2}{N_1}

이는 2권선 변압기와 마찬가지로, 단권변압기에서도 입력 전류와 출력 전류의 비율이 권선수의 비율(

N_2/N_1

)과 같고, 전압 비율(

V_1/V_2 = N_1/N_2 = a

)과는 반비례 관계에 있음을 보여준다.

2. 3. 전기적 절연 부재 및 안전 고려 사항

단권변압기는 일반적인 변압기와 달리 1차 권선과 2차 권선이 분리되어 있지 않고 서로 전기적으로 연결되어 있어, 권선 간의 절연 기능을 제공하지 않는다. 이는 중요한 안전상의 특징으로, 입력 측 중성선이 접지되어 있지 않다면 출력 측 중성선 역시 접지되지 않은 상태가 된다.

만약 단권변압기 권선의 절연 상태가 나빠지거나 파손될 경우, 출력 측에 예상치 못한 높은 전압, 심지어 입력 전압 전체가 그대로 전달될 위험이 있다. 또한, 1차측과 2차측이 공유하는 권선 부분이 끊어지는 경우, 변압기는 부하와 직렬로 연결된 인덕터처럼 작동하게 된다. 특히 부하가 매우 작거나 없는 상태(가벼운 부하 조건)에서는 출력 측에 거의 전체 입력 전압이 걸릴 수 있어 매우 위험하다. 따라서 단권변압기를 특정 용도에 사용하기로 결정할 때는 이러한 안전 문제들을 반드시 고려해야 한다.^[5]

3. 응용 분야

단권변압기는 전압을 변환하는 기본적인 기능 외에도 다양한 분야에서 응용된다. 주요 활용 분야는 다음과 같다.

'''전력 송배전''': 서로 다른 전압을 사용하는 전력 계통을 연결하거나, 장거리 송전 시 전압 강하를 보상하는 전압 조정기로 사용된다. 특수한 형태로 접지 시스템을 제공하는 데 쓰이기도 한다.
'''오디오 시스템''': 스피커와 앰프 간의 임피던스 정합 등 오디오 기기 간의 연결에 활용된다.
'''철도''': 교류 전철 시스템에서 효율적인 전력 공급을 위해 사용된다.
'''유도 전동기 기동''': 유도 전동기를 부드럽게 기동시키는 데 사용된다.

3. 1. 전력 송배전

단권변압기는 서로 다른 전압 계통을 상호 연결하는 전력 송전 분야에서 자주 사용된다. 예를 들어, 132kV에서 66kV로의 송전이 있다. 산업 분야에서는 예를 들어 480V 전원 공급 장치용으로 제작된 기기를 600V 전원 공급 장치에서 작동하도록 조정하는 데에도 응용된다. 또한 전 세계에서 흔히 사용되는 두 가지 가정용 주 전압대(100V–130V 및 200V–250V) 간의 변환을 제공하는 데에도 자주 사용된다. 영국의 400kV 및 275kV "슈퍼 그리드" 네트워크 간의 연결은 일반적으로 공통 중성점 단자에 탭이 있는 3상 단권변압기이다.

장거리 농촌 전력 배전선에서는 자동 탭 전환 장비를 갖춘 특수 단권변압기가 전압 조정기로 삽입되어 선로 끝에 있는 고객이 전원 공급 지점에 더 가까운 고객과 동일한 평균 전압을 받도록 한다. 단권변압기의 가변 비율은 선로를 따라 발생하는 전압 강하를 보상한다.

'''지그재그 변압기'''라고 하는 특수한 형태의 단권변압기는 접지가 없는 3상 시스템에서 접지 시스템을 제공하는 데 사용된다. 지그재그 변압기는 세 개의 모든 상에 공통적인 전류(소위 영상 시퀀스 전류)의 경로를 제공한다.

3. 2. 오디오 시스템

오디오 응용 분야에서, 탭 단권변압기(오토트랜스포머)는 스피커를 정전압 오디오 분배 시스템에 맞추거나, 낮은 임피던스의 마이크와 높은 임피던스의 앰프 입력 간 임피던스 정합에 사용된다.

3. 3. 철도

철도 분야에서는 25 kV 교류로 열차에 전력을 공급하는 것이 일반적이다. 전력망 급전 지점 간의 거리를 늘리기 위해, 열차의 가선 집전 장치인 팬터그래프에 닿지 않는 세 번째 전선(반대 위상)을 사용하여 분상 25-0-25 kV 공급을 구성할 수 있다. 공급 전압의 0 V 지점은 레일에 연결되고, 하나의 25 kV 지점은 가선에 연결된다. 약 10km 간격으로, 단권변압기는 가선과 레일을 두 번째 (반대 위상) 공급 도체에 연결한다. 이 시스템은 사용 가능한 전송 거리를 늘리고, 외부 장비에 유도되는 간섭을 줄이며, 비용을 절감하는 효과가 있다. 가끔 공급 도체의 전압이 가선과 다른 변형 방식도 사용되는데, 이때는 단권변압기 비율을 이에 맞게 수정하여 사용한다.^[6]

3. 4. 유도 전동기 기동

단권 변압기는 유도 전동기의 소프트 스타트 방법으로 사용될 수 있다. 이러한 기동 장치의 잘 알려진 설계 중 하나는 콘도르퍼 기동기이다.

4. 가변 자동 변압기

가변 자동 변압기는 코일의 일부를 노출시키고 슬라이딩 브러시를 이용해 2차 연결을 하는 방식으로, 출력 전압을 연속적으로 매우 부드럽게 조절할 수 있는 단권변압기의 한 종류이다.^[7] 이 방식 덕분에 출력 전압은 코일 권선 수에 따른 단계적인 값으로 제한되지 않고, 브러시의 위치에 따라 미세하게 조절될 수 있다. 브러시는 비교적 높은 저항을 가지고 있어 전압 변화를 부드럽게 만들 뿐만 아니라, 인접한 권선 간의 단락을 방지하는 역할도 한다.

일반적으로 1차 연결은 권선의 특정 부분에만 연결되어, 출력 전압을 0볼트부터 시작하여 입력 전압보다 높은 수준까지 부드럽게 변화시킬 수 있다. 이러한 특징 때문에 지정된 전압 범위의 한계점에서 전기 장비를 테스트하는 데 유용하게 사용된다.

가변 자동 변압기는 출력 전압 조정 방식에 따라 수동 또는 자동으로 작동하는 유형으로 나뉜다. 수동 유형은 흔히 '바리악'(Variac)이라는 상표명으로 알려져 있으며, 자동 전압 조정 기능이 있는 유형은 자동 전압 조정기나 EMI 발생이 적은 조명 조광기 등으로 응용된다.

4. 1. 수동 가변 자동 변압기 (Variac)

코일의 일부를 노출시키고 슬라이딩 브러시를 통해 2차 연결을 함으로써, 출력 전압을 매우 부드럽게 제어할 수 있는 연속적으로 가변적인 권선비가 얻어진다. 출력 전압은 실제 코일 권선 수에 따른 개별적인 전압 값으로 제한되지 않는다. 브러시는 비교적 높은 저항(금속 접촉에 비해)을 가지며, 실제 출력 전압은 인접한 권선과 접촉하는 브러시의 상대적인 면적에 따라 달라지므로, 전압은 권선 사이에서 부드럽게 변화할 수 있다.^[7] 브러시의 비교적 높은 저항은 또한 인접한 두 권선에 동시에 접촉할 때 해당 부분이 단락된 권선처럼 작동하는 것을 방지하는 역할도 한다. 일반적으로 1차 연결은 권선의 일부에만 연결되도록 설계되어, 출력 전압을 0에서 입력 전압 이상까지 부드럽게 변화시킬 수 있다. 이를 통해 지정된 전압 범위의 한계점에서 전기 장비를 테스트하는 데 유용하게 사용될 수 있다.

출력 전압 조정은 수동 또는 자동으로 이루어질 수 있다. 수동 방식은 비교적 낮은 전압에 적용되며, 흔히 '바리악'(Variac)이라는 상표명으로 알려진 가변 AC 변압기가 여기에 해당한다. 이러한 수동 가변 변압기는 다양한 전압 조건에서 장치를 테스트하거나 비정상적인 선로 전압 상황을 시뮬레이션하기 위해 수리점에서 자주 사용된다.

자동 전압 조정 기능이 있는 유형은 자동 전압 조정기로 활용되어, 광범위한 선로 및 부하 조건에서도 사용자에게 공급되는 서비스 전압을 일정하게 유지하는 데 사용될 수 있다. 또 다른 응용 분야로는 조명 조광기가 있는데, 이는 대부분의 사이리스터 기반 조광기에서 발생하는 일반적인 EMI를 생성하지 않는 장점이 있다.

4. 2. 자동 전압 조정 기능

자동 전압 조정 기능이 있는 단권변압기는 자동 전압 조정기로 사용될 수 있다. 이를 통해 광범위한 선로 및 부하 조건에서도 고객에게 공급되는 서비스 전압을 일정하게 유지하는 데 도움을 준다. 또한, 이러한 변압기는 조명 조광기로도 활용될 수 있다. 이 경우, 일반적인 사이리스터 방식의 조광기에서 흔히 발생하는 EMI를 일으키지 않는다는 장점이 있다.

5. 역사

단권변압기 시동기는 1908년 베를린의 막스 콘도퍼(Max Condorfer)에 의해 발명되었다. 그는 1908년 5월 미국 특허청에 특허를 출원하였고, 1914년 5월 미국 특허 US 1,096,922를 취득하였다. 막스 콘도퍼는 이 특허를 제너럴 일렉트릭 General Electric Company^eng에 양도하였다.

참조

_[1] 서적 Transformer and Inductor Design Handbook Marcel Dekker
_[2] 서적 Principles of electric machines and power electronics John Wiley & Sons
_[3] 서적 Electrical Transformers and Power Equipment Fairmont Press 1999
_[4] 웹사이트 Commercial site explaining why autotransformers are smaller http://victoruae.com[...] 2013-09-19
_[5] 서적 Standard Handbook for Electrical Engineers McGraw-Hill 1978
_[6] 서적 Fahrleitungen elektrischer Bahnen BG Teubner-Verlag 1997
_[7] 서적 Electrical Machines - I Technical Publications
_[8] 웹사이트 Trademark Status & Document Retrieval http://tsdr.uspto.go[...]
_[9] 서적 Principles of electric machines and power electronics https://archive.org/[...] John Wiley & Sons

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