변압기는 상호 유도 작용을 이용하여 전압을 높이거나 낮추는 장치이다. 1차 코일에 교류 전류가 흐르면 변동하는 자기장이 발생하고, 이 자기장이 2차 코일에 유도 기전력을 발생시키는 원리를 이용한다. 변압비, 권수비, 변류비의 관계를 통해 전압, 전류를 조절하며, 에너지 보존 법칙에 따라 1차측과 2차측의 에너지는 같다. 변압기는 철심과 권선으로 구성되며, 철심은 자속을 유도하고 자기 저항을 줄이는 역할을 한다. 변압기 종류는 결선 방식, 용도, 구조, 냉각 방식 등에 따라 다양하며, 정격 용량, 주파수 범위, 전압 등급 등 다양한 방법으로 분류된다. 전력 송전, 전자 장치, 신호 및 오디오 등 다양한 분야에서 사용되며, 안전한 운전을 위해 부흐홀츠 계전기, 비율차동계전기 등 다양한 보조 장치가 사용된다.
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변압기는 상호 유도 작용을 하는 여러 개의 코일로 구성된다. 코일 내외부에 자기 회로를 갖춘 것도 있다. 코일에 사용하는 도선을 권선이라고 한다. 특히 두 개의 코일로 구성된 것에서, 입력측의 코일을 1차 코일, 출력측의 코일을 2차 코일이라고 한다. 1차 코일에 교류 전류를 흘려 변동하는 자기장을 발생시키고, 그것을 상호 인덕턴스로 결합된 2차 코일에 전달하여 다시 전류로 변환하여 출력한다.
변압기로 전압을 변경하는 것을 변압이라고 하며, 전압을 상승시키는 것을 승압, 반대로 하강시키는 것을 강압이라고 한다. 1차측에 입력되는 에너지와 2차측에서 출력되는 에너지는 같으므로, 승압시키면 전류는 감소한다. 변압기는 에너지 보존 법칙의 영향을 받으므로, 1차측에 입력한 에너지는 2차측에서 출력되는 에너지와 열, 소리, 누설된 자속과 같아진다. 따라서 실제로는 변환 시 손실이 있기 때문에 2차측에서 에너지가 감소한다.[2]
2. 1. 기본 원리
변압기는 1차 코일에 교류 전류가 흐를 때 발생하는 변동하는 자기장이 2차 코일에 유도 기전력을 발생시키는 원리를 이용한다. 1차 코일과 2차 코일의 권수비를 조절하여 전압을 높이거나 낮출 수 있다. (승압 및 강압) 에너지 보존 법칙에 따라, 1차측에 입력되는 에너지와 2차측에서 출력되는 에너지는 같다. (손실은 별도 고려)
변압기는 자기적으로 결합된(상호유도) 여러 개의 코일로 구성된다. 코일 내외에 자기회로를 갖춘 것도 있다. 코일에 사용하는 도선을 권선이라고 한다. 특히 두 개의 코일로 구성된 것에서, 입력측의 코일을 일차 코일, 출력측의 코일을 이차 코일이라고 한다. 일차 코일에 교류 전류를 흘려 변동 자기장을 발생시키고, 그것을 상호 인덕턴스로 결합된 이차 코일에 전달하여 다시 전류로 변환하여 출력한다.
변압기로 전압을 변경하는 것을 변압이라고 하며, 전압을 상승시키는 것을 승압, 반대로 하강시키는 것을 강압이라고 한다. 일차측에 입력되는 에너지와 이차측에서 출력되는 에너지는 같다. 따라서 승압시키면 전류는 감소한다. 변압기의 고유한 현상은 아니지만, 에너지 보존 법칙의 영향을 받으므로, 일차측에 입력한 에너지는 이차측에서 출력되는 에너지와 열, 소리, 누설된 자속과 같아진다. 따라서 실제로는 변환 시 손실이 있기 때문에 이차측에서 에너지가 감소한다.
1차 코일에 교류 전류를 흘리면, 전압 의 변화에 따라 1차 코일 내의 전기장 이 변화한다. 전자기 유도 법칙에 의해 의 변화는 자속 을 발생시키고, 자속 은 변압기의 코어를 통과하여 2차 코일로 도달하며, 일부 자속은 누설 경로를 통해 2차 코일로 도달하지 않고 1차 코일로 돌아온다. 1차 코일에서 발생하는 총 자속 중 유효 자속 가 2차 코일에 도달한다. 유효 자속의 비율은 누설 계수 로 표현된다. 즉,
:
로 하여,
: ...(1)
이 성립한다. 자속 는 1차 코일의 경우와 반대 과정을 거쳐 2차 코일 내의 전기장 와 전압 를 변화시킨다.
1차 코일, 2차 코일의 단면을 각각 , 로 하고, 또 1차 코일, 2차 코일 내의 자속 밀도를 각각 , 로 하면, i=1,2에 대해,
: ... (6)
여기서 (2), (3), (4)는 각각 자속의 정의 , 패러데이-맥스웰 방정식 , 스토크스 정리에서 따른다. 또 (5)는 다음 이유로 성립한다. 전압의 정의에 의해, (5)의 좌변은 코일 한 바퀴의 적분으로부터 얻어지는 전압이다. 그에 대해 코일 전체에 발생하는 전압 는 코일의 주위를 권수 만큼 적분하여 얻어지므로, 가 된다.
구해야 할 식은 (1)과 (6)에서 유도된다.
패러데이의 법칙에 따르면, 이상적인 변압기에서는 동일한 자속이 1차 및 2차 권선을 모두 통과하므로, 각 권선에는 권선의 회수에 비례하는 전압이 유도된다.[6] 이상적인 변압기는 일반적인 상용 변압기에 대한 합리적인 근사치이며, 전압비와 권선 회수비는 모두 해당 전류비에 반비례한다. 1차 회로로 ''참조된'' 부하 임피던스는 회수비의 제곱 곱하기 2차 회로 부하 임피던스와 같다.[7]
2. 2. 변압, 권수, 변류의 관계
이상적인 변압기에서 1차 코일의 전압 ''V1'', 권수 ''N1'', 전류 ''I1''은 각각 1차 전압, 1차 권수, 1차 전류라고 한다. 마찬가지로 2차 코일의 전압 ''V2'', 권수 ''N2'', 전류 ''I2''는 각각 2차 전압, 2차 권수, 2차 전류라고 한다.
또한 그 비 ''V1/V2'', ''N1/N2'', ''I1/I2''를 각각 '''변압비''', '''권수비''', '''변류비'''라고 한다. 권수비는 '''변성비'''라고도 불린다.
이상적인 변압기에서는 권수비와 변압비가 같고, 변압비는 변류비의 역수와 같다. 즉, 다음이 성립한다.[2]
:
1차 코일과 자속을 공유하는 자속 중 2차 코일과 자속을 공유하는 비율을 ''k'' ('''결합 계수''')라고 하면, 다음과 같은 관계가 성립한다.
:
결합 계수가 1이면 위의 첫 번째 등식이 성립한다.
한편, 변압기에서 전기적 에너지가 보존되면 이므로, 위의 두 번째 등식이 성립한다. 실제 변압기에서는 저항에 의한 열 손실로 인해 전기적 에너지가 보존되지 않으므로 두 번째 등식이 정확하게 성립하지는 않지만, 열 손실이 충분히 작다면 근사적으로 성립한다.[8]
2. 3. 여자 전류 (Exciting current)
철심에 주자속을 형성하는 전류는 '''여자 전류'''(勵磁電流)이다. 이상적인 변압기에서 여자 전류의 위상은 1차 전압보다 90° 뒤진다. 실제로는 철심의 자기 포화 및 히스테리시스 때문에 여자 전류 파형에 주로 기수차 고조파 왜곡이 포함된다.[87]
전원 주파수가 높아지면 여자 전류는 감소한다.[87]
2. 4. 손실 (Losses)
변압기의 손실은 크게 무부하손(철손)과 부하손(동손)으로 나뉜다.
'''무부하손(철손)'''
변압기가 통전(여자)되고 있을 때, 부하의 크기에 관계없이 발생하는 손실이다.
주로 철심의 히스테리시스와 와전류 효과에 의해 발생하며, 주어진 주파수에서 동작할 때 철심 자속의 제곱에 비례한다.[16]
히스테리시스 손실: 자기장이 역전될 때마다, 강철 내부의 히스테리시스로 인해 자구의 운동으로 인해 소량의 에너지가 손실된다.
와전류 손실: 변하는 자기장에 의해 도전성 금속 변압기 철심에 와전류가 유도되고, 이 전류가 철의 저항을 통해 흐르면서 철심에서 열로 에너지를 소산시킨다. 와전류 손실은 철심을 얇은 판으로 만들어 서로 전기적으로 절연시켜 줄일 수 있다.
자기변형 관련 변압기 험: 철심과 같은 강자성체의 자속은 자기장의 각 주기마다 약간 물리적으로 팽창 및 수축하게 되는데, 이를 자기변형이라 한다. 그 마찰 에너지는 전원 험 또는 "변압기 험"으로 알려진 가청 소음을 발생시킨다.[21]
누설 손실: 누설 인덕턴스 자체는 대부분 무손실이지만, 변압기 지지 구조와 같은 근처의 도전성 재료를 가로채는 누설 자속은 와전류를 발생시키고 열로 변환된다.[22]
'''부하손(동손)'''
부하 전류의 제곱에 거의 비례하는 손실이다.
권선 저항 손실: 권선 도체를 통과하는 전류는 와이어의 저항으로 인해 줄 열을 발생시킨다. 주파수가 증가함에 따라 표피 효과와 근접 효과로 인해 권선의 저항과 손실이 증가한다.
표유부하손: 누설자속에 의한 변압기 각 부에 발생하는 와전류손.
이 외에도, 진동하는 자기장으로 인한 복사 손실이 있지만 일반적으로 작다. 또한, 자기변형 외에도 교류 자기장은 1차 및 2차 권선 사이에 변동하는 힘을 발생시켜 가청 변압기 험을 증폭시킬 수 있다.[23]
3. 설계
변압기는 정격, 철심 및 권선, 절연, 냉각 방식 등에 따라 다양하게 설계된다.
철심은 자속을 유도하고 자기 저항을 줄이는 역할을 한다. 주로 규소강판이 사용되며, 방향성 강판이나 아몰퍼스자성재료도 사용된다.[33] 와전류 손실을 줄이기 위해 얇은 강판을 쌓거나 권철심을 사용한다.[61][29] 권선에는 절연 피복을 가진 연동선이 사용되며, 소형에는 에나멜선이, 대형에는 각형 도체가 사용되기도 한다.[38][37]
변압기의 절연은 권선 간, 권선과 철심 간, 권선과 단자 간에 제공되어야 한다.[49] 소형 변압기는 절연 바니시 층, 종이나 폴리머 필름 층을 사용한다. 대형 오일 충전식 변압기는 절연지로 권선을 감싸고, 정제된 광유를 사용하여 절연 및 냉각한다. 대형 변압기에는 고전압 절연 부싱이 사용된다.[50] 절연 재료에 따라 오일 변압기, 몰드 변압기, H종 건식 변압기, 가스 변압기 등으로 구분된다.
소형 변압기는 자연 대류와 복사로 냉각되지만, 정격 출력이 커지면 강제 공랭, 강제 유냉, 수냉 등이 사용된다.[40] 대형 변압기는 변압기 오일로 채워져 있으며, 오일은 권선과 절연체를 냉각한다.[41] 건축 규정에 따라 실내 액체 충전식 변압기는 가연성이 낮은 유체를 사용하거나 내화성 방에 설치해야 한다.[18]
폴리염화비페닐(PCB)은 과거 냉각제로 사용되었으나 환경 문제로 금지되었다.[44] 현재는 무독성 실리콘 기반 오일이나 불소화 탄화수소가 사용된다.[18][45] 일부 변압기는 질소나 육불화황 가스로 냉각되는 가스 절연 방식을 사용한다.[45]
변압기의 안전 운전을 위해 부흐홀츠 계전기, 충격 유압 계전기, 온도 계전기, 비율차동계전기, 지락계전기, 과전류계전기 등 다양한 보조 장치가 사용된다.
3. 1. 정격 (Ratings)
제조업체가 보증하는 기기의 사용 한계 및 그때의 지정 조건[88]은 다음과 같다.
항목
설명
정격 주파수
해당 주파수에서 사용되도록 변압기가 설계된 주파수[89]
정격 용량
정격 2차 전압, 정격 주파수 및 정격 역률에서 정해진 온도 상승 한계를 넘지 않고 2차 단자 사이에서 얻을 수 있는 피상 전력. VA 또는 kVA로 표시하며, 명판에 기재됨[90]
정격 전압
1차 권선 또는 2차 권선의 단자 사이에 인가하기 위해 지정된 전압 또는 무부하 시 발생하는 전압. 실효값으로 표시함. 정격 전압을 어떤 권선에 인가했을 때, 무부하 시에는 모든 권선에 정격 전압이 발생함
탭 전압
임의의 탭에 대해 권선의 선로 단자 사이에 무부하 시 발생하거나 인가되는 지정 전압
정격 전류
정격 용량을 정격 전압과 상수로 결정되는 계수(단상에서는 1, 3상에서는 sqrt|√3영어)로 나눈 선로 전류 실효값
위상 변위
중성점과 두 권선의 대응하는 단자 간의 위상 전압 벡터의 각도 차이
단락 임피던스
한쪽 권선을 단락시키고, 정격 주파수에서 다른 쪽 권선 단자 사이에서 측정된 임피던스. 다상인 경우에는 등가적인 별형 결선으로 바꾼 1상분의 값으로 함. 일반적으로 기준 임피던스에 대한 백분율(%)로 표시함. :: 기준 임피던스 = (정격 전압)2 ÷ 정격 용량 다른 쪽 권선을 단락시키고, 정격 전류를 흘리기 위해 인가하는 전압을 임피던스 전압이라고 함. 백분율로 표시한 단락 임피던스는 임피던스 전압의 정격 전압에 대한 비율의 백분율과 같음
전압 변동률
한쪽 권선에 정격 전압을 인가했을 때, 지정된 부하 및 역률에서 다른 쪽 권선 단자에 발생하는 전압과 무부하 전압의 산술 차를 정격 전압으로 나눈 비율을 백분율(%)로 표시함
내열 등급
변압기를 구성하는 절연 재료의 내열 특성에 따른 분류. 105 (A) ・120 (E) ・130 (B) ・155 (F) ・180 (H) ・200・220・250의 종류가 있음. 각각 105~250℃가 허용 최고 온도임. 절연 재료는 허용 최고 온도를 장시간 연속 유지해서는 안 됨
3. 2. 철심 및 권선 (Core and Windings)
철심은 변압기에서 자속을 유도하고 자기 저항을 줄이는 중요한 역할을 한다. 주로 규소강판이 사용되며, 특정 방향으로 자화하기 쉬운 방향성 강판이나 손실 저감을 위한 아몰퍼스자성재료도 사용된다.[33] 와전류 손실을 줄이기 위해 표면을 절연 처리한 얇은 강판을 쌓거나, 압연한 강판을 감은 권철심을 사용한다.[61][29]
권선에는 절연 피복을 가진 연동선이 사용된다. 소형 변압기에는 주로 원형 단면의 에나멜 마그넷 와이어가 사용되지만,[38] 대형 변압기에는 도체 단면적을 크게 할 수 있는 각형 도체가 사용되기도 한다.[37] 일반적으로 1차 권선 위에 2차 권선을 겹쳐 감는 적층 권선 방식이 사용되지만, 1차와 2차 권선을 번갈아 배치하는 바이파일라 권선 등도 사용된다.
철심과 권선의 배치에 따라 내철형과 외철형으로 구분된다.
내철형: 철심 주위에 저압 권선, 그 주위에 고압 권선을 배치하는 동심원 배치가 많다. 철심보다 권선이 많아 구리 기계가 되며, 절연을 위해 고전압에 사용된다.
외철형: 권선 주위에 철심을 배치한 것이다. 철심 주위에 저압 권선과 고압 권선을 번갈아 배치하는 교차 배치가 많다. 권선보다 철심이 많아 철 기계가 된다.
3. 3. 절연 (Insulation)
변압기의 절연은 권선 간, 권선과 철심 간, 권선과 단자 간에 제공되어야 한다.[49]
소형 변압기는 권선에 절연 바니시 층을 입혀 권선 간 절연을 할 수 있다. 1차 권선과 2차 권선 사이, 그리고 권선 층 사이에는 종이나 폴리머 필름 층을 삽입할 수 있다. 변압기를 폴리머 수지로 코팅하거나 담가 권선의 강도를 높이고 습기나 부식으로부터 보호할 수 있다. 수지를 주입할 때 진공과 압력을 함께 사용하여 권선 절연체 내의 모든 공극을 없앨 수 있다. 경우에 따라서는 전체 코일을 몰드에 넣고 수지를 주입하여 권선을 단단한 블록으로 만들 수도 있다.[49]
대형 오일 충전식 전력 변압기는 조립 시 오일이 함침된 절연지로 권선을 감싼다. 오일 충전식 변압기는 고도로 정제된 광유를 사용하여 권선과 철심을 절연하고 냉각한다. 오일 충전식 변압기를 만들 때는 오일을 넣기 전에 권선의 절연체에서 수분을 완전히 제거해야 한다. 건조는 뜨거운 공기를 순환시키거나, 외부에서 가열한 변압기 오일을 순환시키거나, 증발된 용매가 코일과 철심에 응축되어 열을 전달하는 기상 건조(VPD) 방법을 사용할 수 있다. 소형 변압기는 권선에 전류를 흘려 저항 가열을 이용해 건조하기도 한다.[49]
대형 변압기에는 폴리머 또는 자기(瓷器)로 만들어진 고전압 절연 부싱이 사용된다. 대형 부싱은 변압기 오일 누출을 막으면서 전계 기울기를 정밀하게 제어해야 하므로 구조가 복잡할 수 있다.[50]
일반적으로 전기 절연체의 수명은 운전 온도가 7°C~10°C 상승할 때마다 약 절반으로 줄어든다(아레니우스 방정식의 적용 사례).[39]
소형 건식 및 액침형 변압기는 자연 대류와 복사 열 방산을 통해 자체 냉각되는 경우가 많다. 정격 출력이 증가함에 따라 변압기는 강제 공랭, 강제 유냉, 수냉 또는 이들의 조합으로 냉각되는 경우가 많다.[40] 대형 변압기는 권선을 냉각하고 절연하는 변압기 오일로 채워져 있다.[41] 변압기 오일은 종종 고도로 정제된 광유로, 변압기 탱크 내에서 순환하여 권선과 절연체를 냉각한다. 광유와 절연지 절연 시스템은 100년 이상 광범위하게 연구되고 사용되어 왔다. 전력 변압기의 50%가 50년의 사용 수명을 가지며, 전력 변압기의 평균 고장 연령은 약 10~15년이며, 전력 변압기 고장의 약 30%는 절연 및 과부하 고장으로 인한 것으로 추정된다.[42][43] 고온에서 장시간 작동하면 권선 절연 및 유전 냉각제의 절연 특성이 저하되어 변압기 수명이 단축될 뿐만 아니라 궁극적으로 심각한 변압기 고장으로 이어질 수 있다.[39] 풍부한 경험적 연구를 바탕으로 변압기 오일 시험(예: 용존 가스 분석)은 귀중한 유지보수 정보를 제공한다.
많은 관할 구역의 건축 규정에서는 실내 액체 충전식 변압기에 오일보다 가연성이 낮은 유전체 유체를 사용하거나 내화성이 있는 방에 설치해야 한다.[18] 공랭식 건식 변압기는 내화성 변압기실 비용을 절감할 수 있으므로 더 경제적일 수 있다.
액체 충전식 변압기의 탱크에는 자연 대류 또는 핀을 통해 액체 냉각제가 순환하는 방열기가 종종 있다. 일부 대형 변압기는 강제 공랭용 전기 팬, 강제 액체 냉각용 펌프 또는 수냉용 열교환기를 사용한다.[41] 액침형 변압기에는 내부 아크로 인한 가스 축적의 심각도에 따라 경보를 울리거나 변압기를 비활성화하는 데 사용되는 부홀츠 릴레이가 장착될 수 있다.[31] 액침형 변압기 설치에는 일반적으로 벽, 오일 방지 및 화재 진압 스프링클러 시스템과 같은 화재 방지 조치가 포함된다.
폴리염화비페닐(PCB)은 한때 유전 냉각제로 사용되는 것을 선호하는 특성을 가지고 있었지만, 환경적 지속성에 대한 우려로 인해 사용이 광범위하게 금지되었다.[44]
오늘날, 내화성 액체의 비용이 변압기실의 추가 건축 비용을 상쇄하는 경우 무독성이고 안정적인 실리콘 기반 오일 또는 불소화 탄화수소가 사용될 수 있다.[18][45] 그러나 변압기의 긴 수명으로 인해 금지 후에도 오랫동안 노출될 가능성이 높을 수 있다.[46]
일부 변압기는 가스 절연 방식이다. 권선은 밀폐되고 가압된 탱크에 넣어 질소 또는 육불화황 가스로 냉각되는 경우가 많다.[45]
500~1,000kVA 범위의 실험용 전력 변압기는 액체 질소 또는 헬륨으로 냉각되는 초전도 권선으로 제작되었으며, 이는 코어 손실에는 영향을 미치지 않고 권선 손실을 제거한다.[47][48]
3. 5. 보조 장치 (Ancillary equipment)
변압기의 안전한 운전을 위해 다양한 보조 장치가 사용된다.
종류
설명
기계적 보호
전기적 보호
4. 종류
변압기는 결선 방식, 용도, 구조 등에 따라 다양한 종류가 있다.
전력 또는 오디오 주파수에 사용되는 변압기는 일반적으로 높은 투자율의 규소강으로 만들어진 코어를 가진다.[27] 강철은 자유 공간보다 훨씬 높은 투자율을 가지므로, 코어는 자화 전류를 크게 줄이고 자속을 권선에 밀접하게 결합하는 경로로 제한하는 역할을 한다.[28] 초기 변압기 개발자들은 고체 철로 구성된 코어가 과도한 와전류 손실을 초래한다는 것을 곧 깨달았고, 절연된 철선 다발로 구성된 코어를 사용하여 이러한 효과를 완화했다.[61] 이후 얇은 강판을 층층이 쌓아 코어를 제작하는 방식이 사용되었는데, 이 원리는 현재까지도 사용되고 있다. 각 적층은 얇은 비전도성 절연층에 의해 이웃 적층과 절연된다.[29] 변압기 보편 기전력 방정식을 사용하여 선호하는 수준의 자속에 대한 코어 단면적을 계산할 수 있다.[16]
적층의 효과는 와전류를 자속을 거의 포함하지 않는 고도로 타원형의 경로로 제한하여 그 크기를 줄이는 것이다. 더 얇은 적층은 손실을 줄이지만,[27] 제작이 더 어렵고 비용이 많이 든다.[30] 얇은 적층은 일반적으로 고주파 변압기에 사용되며, 매우 얇은 강판 중 일부는 최대 10kHz까지 작동할 수 있다.
적층 코어의 일반적인 설계 중 하나는 E자형 강판을 교차된 형태로 쌓고 I자형 조각으로 덮어 만든 것으로, '''E-I 변압기'''라는 이름이 붙었다.[30] 이러한 설계는 손실이 더 클 수 있지만 제조 비용이 매우 경제적이다. 컷 코어 또는 C 코어 유형은 강판을 직사각형 형태로 감은 다음 층을 서로 결합하여 제작된다. 그런 다음 두 개로 절단하여 두 개의 C자 모양을 형성하고, 두 개의 C 절반을 강철 스트랩으로 결합하여 코어를 조립한다.[30] 이러한 유형은 자속이 항상 금속 결정과 평행하게 배향되어 릴럭턴스(저항)를 줄인다는 장점이 있다.
강철 코어의 잔류 자기는 전원이 차단된 후에도 정적 자기장을 유지한다는 것을 의미한다. 전원이 다시 공급되면, 잔류 자장은 남아 있는 자기의 효과가 감소될 때까지, 일반적으로 인가된 AC 파형의 몇 사이클 후까지 높은 쇄도 전류를 발생시킨다.[31] 퓨즈와 같은 과전류 보호 장치는 이러한 무해한 쇄도 전류가 통과할 수 있도록 선택해야 한다.
길고 머리 위에 있는 송전선에 연결된 변압기의 경우, 태양 폭풍 중 지자기 교란으로 인한 유도 전류는 코어의 포화와 변압기 보호 장치의 작동을 유발할 수 있다.[32]
배전 변압기는 저손실 고투자율 규소강 또는 비정질(비결정질) 금속 합금으로 만든 코어를 사용하여 저부하 손실을 달성할 수 있다. 코어 재료의 초기 비용이 더 높지만, 경부하에서의 낮은 손실로 인해 변압기의 수명 동안 상쇄된다.[33]
호주 멜버른(Melbourne)에 있는 변전소의 사진. 220 kV – 66 kV 변압기 5대 중 3대가 보이는데, 각각 150 MVA의 용량을 가짐
''일반 권선 구성'': IEC 벡터군 델타, 와이 또는 스타, 지그재그의 위상 지정을 사용한 2권선 조합; 자동 변압기, 스콧-T
''정류기 위상 이동 권선 구성'': 2권선, 6펄스; 3권선, 12펄스; ... , [''n'' − 1]·6펄스; 다각형 등
캐나다 매니토바주 림스톤 발전소의 변압기
다양한 특정 전기 응용 설계에는 다양한 변압기 종류가 필요하다. 이들은 모두 기본적인 변압기 원리를 공유하지만, 특정 설치 요구 사항 또는 회로 조건에 맞춰 구조 또는 전기적 특성이 맞춤화된다.
전력 송전에서 변압기는 고전압으로 전력을 송전할 수 있게 해주며, 이는 전선 가열로 인한 손실을 줄여준다. 이를 통해 발전소를 전력 소비자로부터 경제적으로 떨어진 곳에 위치시킬 수 있다.[51] 전 세계 전력의 극히 일부를 제외하고는 소비자에게 도달하기 전에 일련의 변압기를 통과한다.[22]
많은 전자 장치에서 변압기는 배전선의 전압을 회로 요구 사항에 맞는 편리한 값으로 변환하는 데 사용된다. 이는 직접적으로 전력선 주파수에서 또는 스위칭 모드 전원 공급 장치를 통해 이루어진다.
신호 및 오디오 변압기는 증폭기의 단계를 결합하고 마이크 및 레코드 플레이어와 같은 장치를 증폭기의 입력에 맞추는 데 사용된다. 오디오 변압기는 전화 회로가 단일 쌍의 전선을 통해 양방향 통화를 할 수 있도록 했다. 밸런스 변압기는 접지에 참조되는 신호를 외부 케이블과 내부 회로 사이와 같이 접지에 대해 밸런스된 전압을 갖는 신호로 변환한다. 절연 변압기는 2차 회로로의 누전을 방지하며 의료 장비 및 건설 현장에서 사용된다. 공진 변압기는 라디오 수신기의 단계 사이 또는 고전압 테슬라 코일에서 결합하는 데 사용된다.
4. 1. 단상 변압기 (Single-phase transformer)
분말철심은 주파수가 전력선 주파수 이상이고 수십 킬로헤르츠까지인 스위칭 전원 공급 장치와 같은 회로에 사용된다. 이러한 재료는 높은 투자율과 높은 벌크 전기 비저항을 결합한다. 초고주파 대역을 넘는 주파수의 경우 페라이트라고 하는 비전도성 자성 세라믹 재료로 만들어진 코어가 일반적이다.[30] 일부 고주파 변압기에는 이동식 코어(때로는 '슬러그'라고 함)가 있어 결합 계수 및 대역폭을 조정할 수 있다.
4. 2. 삼상 변압기 (Three-phase transformer)
3차 권선은 조상이나 계측용으로 사용되기도 한다.
Y - Δ
1차: √3배 2차: 1
1차: 1 2차: √3배
1차만 가능
유
강압에 적합하므로 수전단에 사용된다.
Δ - Y
1차: 1 2차: √3배
1차: √3배 2차: 1
2차만 가능
유
승압에 적합하며, 2차측의 중성점 접지가 가능하므로 송전단에 사용된다.
V - V
1
√3배
불가
무
배전용 주상 변압기 등. 이용률이 작다. Δ - Δ 결선에서 1상이 고장 났을 경우의 응급용으로 사용되기도 한다.
용량이 다른 두 대의 변압기를 V-V 결선하여, 삼상 부하와 단상 부하를 동시에 취출하는 변압기 결선 방식이다. 배전용 주상변압기에서는 단상(전등)과 삼상(동력) 수요가가 혼재하는 지점에서 자주 사용된다. 소용량 측 변압기는 V 결선의 삼상 부하의 한 상에, 대용량 측 변압기는 V 결선의 다른 한 상과 단상 부하를 겸용한다. 전자를 전용 변압기, 후자를 공용상 변압기라고 부른다. 같은 목적으로, 단상 변압기와 삼상 변압기를 1대로 합친 등동공용변압기를 사용하는 경우도 있다.
4. 3. 상 변환 변압기 (Phase-changing transformer)
삼상 교류를 단상 교류로 변환하는 변압기로, 전기 철도에서 교류 전철에 전력을 공급하거나 삼상 교류 전원을 사용하여 단상 전기로나 단상 전동기를 운전하는 경우 등에 사용된다.[11]
4. 4. 단권 변압기 (Autotransformer)
가변 단권 변압기
권선의 일부를 1차측과 2차측에서 공용하는 변압기를 단권 변압기라고 한다. '''오토트랜스''', '''오토트랜스포머'''(en:autotransformer), '''오토포머'''라고도 불린다. 공통 부분을 '''분로권선''', 그렇지 않은 부분을 '''직렬권선'''이라고 한다.
1차·2차 전압 중 높은 것을 VH, 낮은 것을 VL이라고 할 경우, 1차·2차 권선을 갖는 일반적인 변압기에 비해, 단권 변압기는 (VH-VL)/VH배의 용량으로 충분하며, 변압비 (VH/VL)가 1에 가까울수록 이 장점은 더 커진다.
단권 변압기의 특징은 다음과 같다.
분로권선에 흐르는 전류는 1차측과 2차측의 차가 되므로 권선비가 작을수록 가늘게 할 수 있다.
분로권선은 누설 자속이 없고, 누설 리액턴스가 작아 전압 변동률도 작아진다.
입력 전압과 출력 전압의 차이가 적은 용도에 적합하다.
1차측과 2차측을 전기적으로 절연할 수 없다. 회로 구성상 접지극에 주의해야 한다.
이러한 특징 때문에, 단권 변압기는 장거리 배전선의 전압 강하 보상 등에 사용된다. 3상 교류의 경우, Δ-Δ 접속의 단권 변압기는 1차·2차간에 위상차가 발생하므로 주의가 필요하다.
단층 절연 권선의 노출면 일부의 절연막을 벗겨내고, 가동식 슬라이더를 접촉시켜 단권 변압기를 가변 전압 출력 방식으로 만든 제품이 있다. 일본에서는 '''슬라이닥(スライダック)'''이 오래전부터 유명한 상표였기 때문에 그 이름으로 불리는 경우가 많다.[94] 최근에는 무게와 가격 면에서 반도체를 이용한 전압 조정 장치가 사용되는 경우가 많지만, 출력 전압이 파형 왜곡을 거의 포함하지 않는 것은 단권 변압기의 큰 특징이다.[95]
4. 5. 누설 변압기 (Leakage transformer)
누설 변압기
누설 변압기는 1차 및 2차 권선을 별도의 구역에 분리하여 감고, 누설 자속을 위한 자기 회로를 설치한 것이다. 부하 전류가 증가하면 누설 자속이 증가하여 전압이 낮아지므로, 부하 변동에도 전류가 일정하게 유지된다. 정전류 변압기라고도 불린다.[96]누설 인덕턴스 값이 큰 변압기이다. 형광등용 자기 안정기, 네온관용 변압기, 아크 용접용 변압기, 전자레인지 안정용 변압기 등에 사용된다.
4. 6. 공진 변압기 (Resonant transformer)
공진 변압기는 자기 누설 변압기의 일종으로, 2차 권선에 병렬로 공진 콘덴서를 접속하거나 2차 권선의 분포 정전용량에 의해 공진을 일으키는 변압기이다. 자기 누설 변압기의 2차측 단락 인덕턴스와 2차측 공진 용량이 직렬 공진 회로를 형성하고, 2차측의 직렬 공진 주파수(fr)로 1차측에서 구동함으로써, 1차 권선에서 발생하는 자속의 위상과 2차 권선에서 발생하는 자속의 위상이 동기하는 자계 조상 결합이 일어나 승압한다. 2차 권선의 단락 인덕턴스를 Lsc, 2차측의 공진 용량을 Cr이라고 하면, 공진 주파수 ω2는 다음과 같다.
:
변압비(승압비)는 일정하지 않고, 부하에 따라 변동하며, 부하에 대해 정전류 특성을 가진다. 이러한 성질을 이용하여 전자식 형광등 안정기(형광등 인버터), 전자식 네온관 안정기, 냉음극관용 인버터, 테슬라 코일(방전용) 등에 사용된다. 자계 공진 방식의 무선 전력 전송 원리도 공진 변압기의 결합 계수를 작게 한 모델로 설명할 수 있다.
테슬라 코일의 1차 권선 측에서 관측한 2차 권선 상에 발생하는 공진 현상(여러 공진이 존재함)
5. 운용
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5. 1. 변압기의 병렬 운전 (Parallel operation of transformers)
단일 변압기의 용량으로 부하에 필요한 전력 공급이 부족할 경우, 여러 대의 변압기를 1차측과 2차측을 병렬로 연결하여 운전하는 경우가 있다. 이를 병렬 운전이라고 한다. 병렬 운전을 하려면 전압의 극성을 맞추고, 권선비가 같아야 한다. 또한, 부하가 여러 대의 변압기 용량에 따라 분배되도록 각 변압기의 % 임피던스가 같아야 한다.
6. 역사
변압기 작동 원리의 기본인 전자기 유도는 1831년 마이클 패러데이와 1832년 조지프 헨리에 의해 독립적으로 발견되었다.[53][54][55][56] 패러데이만이 자신의 실험을 더 발전시켜 기전력과 자속 사이의 관계를 설명하는 방정식, 즉 현재 패러데이 유도 법칙으로 알려진 방정식을 만들어냈다.
:
여기서 는 볼트 단위의 기전력 크기이고, ΦB는 회로를 통과하는 베버 단위의 자속이다.[57]
패러데이는 철 고리에 코일 한 쌍을 감아 최초의 토로이드 폐쇄 코어 변압기를 만드는 등 코일 간 유도에 대한 초기 실험을 수행했다.[56][58] 그러나 그는 변압기에 개별 전류 펄스만 적용했고, 권선의 권수비와 기전력 간의 관계는 발견하지 못했다.
널리 사용된 최초의 변압기는 1836년 아일랜드 메이누스 대학의 니콜라스 콜란 신부가 발명한 유도 코일이었다.[56] 그는 2차 권선의 권수가 1차 권선의 권수보다 많을수록 유도된 2차 기전력이 커진다는 것을 깨달은 최초의 연구자 중 한 명이었다. 유도 코일은 과학자들과 발명가들이 배터리에서 더 높은 전압을 얻으려는 노력에서 진화했다. 배터리는 교류(AC)가 아닌 직류(DC)를 생성하기 때문에, 유도 코일은 유도에 필요한 자속 변화를 생성하기 위해 전류를 주기적으로 차단하는 진동하는 전기 접점에 의존했다. 1830년대부터 1870년대까지 대부분 시행착오를 통해 더 나은 유도 코일을 만들려는 노력은 변압기의 기본 원리를 서서히 밝혀냈다.
1876년, 러시아의 엔지니어 파벨 야블로치코프는 1차 권선이 교류 전원에 연결된 여러 개의 유도 코일을 기반으로 하는 조명 시스템을 발명했다. 2차 권선은 그의 디자인을 따른 여러 개의 ‘전기 캔들’(아크 램프)에 연결될 수 있었다. 야블로치코프가 사용한 코일은 본질적으로 변압기 역할을 했다.[59]
1878년, 헝가리 부다페스트의 Ganz 공장은 전기 조명 장비 생산을 시작했고, 1883년까지 오스트리아-헝가리 제국에 50개가 넘는 시스템을 설치했다. 그들의 교류 시스템은 아크 램프와 백열등, 발전기 및 기타 장비를 사용했다.[56][60]
1882년, 뤼시앵 고라르와 존 딕슨 기브스는 런던에서 '2차 발전기'라는 장치를 선보였고, 1886년에는 미국 웨스팅하우스에 이 아이디어를 판매했다.[61] 1884년 이탈리아 토리노에서도 이 발명품을 전시했는데, 전기 조명 시스템에 채택되었다.[62]
스탠리의 1886년 조정 가능한 간격 개방 코어 인덕션 코일 설계
1884년 가을, 헝가리 간츠 공장의 카로이 지퍼노브스키(Károly Zipernowsky), 오토 블라티(Ottó Bláthy), 믹사 데리(Miksa Déri)(ZBD)는 개방형 코어 장치가 전압을 안정적으로 조절할 수 없어 실용적이지 않다고 판단했다.[60] 간츠 공장은 1884년 가을에 세계 최초의 고효율 AC 변압기 5대를 납품했는데, 첫 번째 장치는 1884년 9월 16일에 출하되었다.[65] 이 첫 번째 장치는 1,400 W, 40 Hz, 120:72 V, 11.6:19.4 A, 비율 1.67:1, 단상, 쉘 형식이었다.[65] 1885년 새로운 변압기(ZBD 변압기)에 대한 공동 특허 출원에서 구리 권선이 철선 링 코어에 감겨 있거나 철선 코어로 둘러싸여 있는 두 가지 설계를 설명했다.[62]
두 설계 모두 1차 권선과 2차 권선을 연결하는 자속은 거의 철심 내부에서만 흘렀으며, 공기를 통과하는 의도적인 경로는 없었다. 새 변압기는 고라르와 기브스의 개방형 코어 양극 장치보다 3.4배 더 효율적이었다.[67] ZBD 특허에는 직렬 연결이 아닌 병렬 연결된 사용 부하의 사용, 공급 네트워크 전압이 사용 부하의 전압보다 훨씬 높을 수 있도록(초기에는 1,400~2,000V) 높은 권선비 변압기를 사용할 수 있다는 것(초기에는 100V가 선호됨)이 포함된다.[68][69] 병렬 연결된 전력 분배 시스템에 사용될 때, 폐쇄형 코어 변압기는 가정, 사업장 및 공공 장소의 조명에 전력을 공급하는 것을 기술적 및 경제적으로 실현 가능하게 만들었다. 블라티는 폐쇄형 코어 사용을 제안했고, 지퍼노브스키는 병렬 션트 연결 사용을 제안했으며, 데리는 실험을 수행했다.[70] 1885년 초, 세 엔지니어는 전자기 코어의 적층 발명으로 와전류 손실 문제를 해결했다.[71]
오늘날 변압기는 세 엔지니어가 발견한 원리를 바탕으로 설계된다. 그들은 전류의 기전력을 변경하는 장치를 설명하기 위해 '변압기'라는 단어를 대중화했지만,[72] 이 용어는 이미 1882년부터 사용되고 있었다.[73][74] 1886년, ZBD 엔지니어들은 세계 최초의 발전소(AC 발전기를 사용하여 병렬 연결된 공통 전기 네트워크에 전력을 공급하는 증기 동력 로마-체르키 발전소)를 위한 전기 장비를 설계하고 간츠 공장에서 공급했다.[75]
웨스팅하우스에서 개발한 E자형 변압기 코어용 철판
유럽에서 교류 기술이 발전함에 따라,[76]조지 웨스팅하우스는 1886년 1월 8일 펜실베이니아주 피츠버그에 웨스팅하우스 일렉트릭을 설립했다.[77]
에디슨 전기 조명 회사(Edison Electric Light Company)는 ZBD 변압기의 미국 권리를 옵션으로 보유하고 있었기 때문에 웨스팅하우스는 동일한 원리에 따라 대안적인 설계를 추구해야 했다. 조지 웨스팅하우스는 1886년 2월에 50000USD에 고라르와 기브스의 특허를 매입했다.[78] 그는 윌리엄 스탠리에게 미국에서 상업적으로 사용하기 위해 고라르와 기브스 변압기를 재설계하는 임무를 맡겼다.[79] 스탠리의 첫 번째 특허 설계는 연철의 단일 코어와 2차 권선에 존재하는 기전력을 조절하기 위한 조정 가능한 간극을 가진 인덕션 코일을 위한 것이었다(그림 참조). 이 설계[80]는 1886년 미국에서 처음으로 상업적으로 사용되었지만[81] 웨스팅하우스는 스탠리 설계를 개선하여 (ZBD 유형과 달리) 생산이 쉽고 저렴하게 만들고자 했다.[80]
웨스팅하우스, 스탠리 및 동료들은 곧 제조가 더 용이한 코어를 개발했는데, 이는 얇은 종이 또는 기타 절연재로 절연된 얇은 'E자형' 철판을 쌓아서 만든 것이었다. 그런 다음 미리 감은 구리 코일을 제자리에 밀어 넣고 곧은 철판을 놓아 폐쇄된 자기 회로를 만들 수 있었다. 웨스팅하우스는 1887년 새로운 저비용 설계에 대한 특허를 받았다.[70]
1889년, 러시아 태생의 엔지니어 미하일 돌리보-도브로볼스키(Mikhail Dolivo-Dobrovolsky)가 독일 알게마이네 일렉트리치텟스-게젤샤프트에서 최초의 삼상 변압기를 개발했다.[82]
1891년, 니콜라 테슬라(Nikola Tesla)는 매우 높은 고전압을 고주파로 생성하는 공심, 이중 동조 공진 변압기인 테슬라 코일을 발명했다.[83]
1950년대에 스위칭 전원이 등장했다.[109]
7. 응용
변압기는 다양한 전기 응용 분야에 사용되며, 기본적인 원리는 같지만 특정 설치 요구나 회로 조건에 맞게 구조나 전기적 특성이 달라진다.
전력 송전에서 변압기는 고전압 송전을 가능하게 하여 전선 가열로 인한 손실을 줄인다. 덕분에 발전소를 전력 소비자로부터 멀리 떨어진 곳에 위치시킬 수 있다.[51] 전 세계 대부분의 전력은 소비자에게 도달하기 전 여러 변압기를 거친다.[22]
많은 전자 장치에서 변압기는 배전선 전압을 회로에 맞는 값으로 변환한다. 이는 전력선 주파수에서 직접, 또는 스위칭 모드 전원 공급 장치를 통해 이루어진다.
신호 및 오디오 변압기는 증폭기 단계를 결합하고 마이크, 레코드 플레이어 등을 증폭기 입력에 맞춘다. 오디오 변압기는 전화 회로에서 단일 전선쌍으로 양방향 통화를 가능하게 했다. 밸런스 변압기는 접지 기준 신호를 접지에 대해 균형잡힌 전압을 갖는 신호로 변환한다. 절연 변압기는 2차 회로 누전을 방지하며 의료 장비, 건설 현장에서 쓰인다. 공진 변압기는 라디오 수신기 단계 사이 또는 고전압 테슬라 코일에서 결합에 사용된다.
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