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Chap 4. Transformer
4.1 변압기 구조
• µV ~ 765 kV, 수 kVA ~ 수백 MVA, DC ~ MHz, Sinusoidal ~ Pulse
• 오디오 변압기, 초고주파 변압기, 주파수 변압기, 펄스 변압기
• 철심변압기, 공심변압기
• 전력 변압기 : 67kV이상, 500kVA이상
• 단권변압기, 다상 변압기
• 승압 변압기, 강압 변압기, HV/LV, 1차측/2차측
• 전력 변압기 : 규소강판 (0.35mm, 수백 Hz 이하, 1~1.4 T), 아몰퍼스(저 철손) • 고주파 변압기 : Soft Ferrite , 통신용 변압기 : Permally
• 내철형 / 외철형
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• 철각(limbs)을 구성하는 철심, 계철(yoke), 결속 장치
• 1차권선, 2차권선, 가끔 사용되는 제 3의 권선, 권선틀, 스페이서 그리고 도체 절연물
• 내부권선, 권선/접지 절연과 브레이싱(bracing)
• 탱크, 냉각기, 건조기, 컨서베이터, 다른 보조 기구물
• 전극 단자, 부싱, 접속재, 탭 스위치 등
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• 정격전압, 정격전류, 운전주파수
• 최소의 구리사용과 최대 단면적 구조
• 냉각 : 기냉, 건식변압기, 절연유, 강제송풍+강제오일순환장치, SF6절연+강제액체순환냉각
• 권선 : 미국전선규격 (AWG) , 절연등급 A,B,C,F,H(허용온도 105°~180°)
a. 스위칭 서지(surge)와 낙뢰 서지를 견딜 수 있는 절연강도
b. 효율을 높이기 위하여 손실을 제한하는 설계
c. 권선의 온도상승 한도를 만족시키기 위한 냉각 수단
d. 적절한 누설 리액턴스
e. 단락에서 발생하는 힘을 견딜 수 있는 적절한 기계적 강도
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4.2 변압기 이론
• Ideal Transformer : (a) 자화전류 무시. : 철심 투자율 무한대. (b) 철손 무시. (c) 권선 저항 무시. (d) 누설자속 무시.
(1) 무부하 운전 이상 변압기 :
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• 교류운전 :
? 역기전력 ? 변압기 철심 자속 :
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(2) 부하 운전 이상 변압기 :
* 2차측 환산 :
= 𝒂𝟐𝒁𝑳
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<Ex 4.2.1> N1=200, N2=800, V1=200V, 50Hz, ZL : I=?, PL=?, Φmax=? <Ex 4.2.2> 5kVA, 4.4kV/440V, 50Hz, Bmax=1.2T, E1=10V : N1,N2=?, I1,I2=?, Ac=? <Ex 4.2.3> N1=225, N2=75, R1=0.216Ω, R2=0.026Ω : R1’, R2’=?, R1+R2’=? <Ex 4.2.4> 60Hz, 100kVA, 2400/240V : N1,N2=?, I1=?, ZL=?, ZL’=?
(3) 무부하 운전 실제 변압기 : 철손, 철손전류, 여자전류
<Ex 4.2.1> N1=200, V1=200V, 60Hz :
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(4) 부하 운전 실제 변압기 : 권선저항, 누설자속 • 변압기의 등가회로 :
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<Ex 4.2.6> 단상, 50kVA, 2400/240V, 60Hz :
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<Ex 4.2.7> 단상, a=5:1, 1차측 환산값 : 1차측 전류, 역률, 2차측 단자전압
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• 단위값 (Per Unit System): 기준량(VA, V), 환산량
• 다중기기 :
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<Ex 4.2.8> (Ex 4.2.6) 단상, 50kVA, 2400/240V, 60Hz :
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<Ex 4.2.9>
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• 3상에서의 단위값 : 기준량(3상 피상전력, 선간전압) , 환산량
• 단상으로 해석할 수 있는 상 당 임피던스 :
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4.3 변압기 시험
• 변압기의 극성
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• 변압기 등가회로의 파라미터 측정 :
(1) 개방회로시험 : 𝒈𝒄, 𝒃𝒎
2nd Open
V 인가시 𝑰𝟎 , 𝑷𝒐𝒄 측정
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(2) 단락회로시험 : 𝑹𝒆𝒒, 𝑿𝒆𝒒
2nd Short
𝑽𝒔𝒄 인가시 𝑰𝒔𝒄 , 𝑷𝒔𝒄 측정
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• 변압기의 등가회로 :
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<Ex 4.3.1> <Ex 4.3.2>
<Ex 4.3.3>
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• Sumpner 시험 : 온도상승 특성시험
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4.4 변압기 성능
• 손실 : 철손, 동손, 표류부하손 • 변압기의 효율 :
• 최대효율조건 :
• 전일효율 :
<Ex 4.4.1> <Ex 4.4.2> <Ex 4.4.3>
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• 변압기의 전압 변동률 :
전압변동율은 지상역률경우 :
진상역률경우 :
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<Ex 4.4.4>
<Ex 4.4.5>
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4.5 3상 변압기
• 세 상의 합은 Zero • 두 상의 합이 다른 한 상의 크기와 같음 : 같은 철심굵기 !
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• 내철형, 외철형 :
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• 변압기의 결선 :
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<Ex 4.5.1> 3상 송전 시스템
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<Ex 4.5.2> 3상 배전 시스템
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• 단위법 시스템과 위상변동 :
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1단계: 정상순 전압을 Y권선에 인가한다고 가정한다.
정상순 페이저도를 이 전압에 대하여 그린다.
2단계: 그림 4.5.8(a)와 같이 페이저 A-N을 단자 A-N
옆으로 이동한다. 페이저도와 같은 방식으로 이 선의
양끝을 결정한다. 마찬가지로 페이저 B-N과 C-N을
단자 B-N과 C-N의 옆으로 이동한다.
3단계: 각 상에 대해 저압측 권선의 전압은 고압측 권선의
전압과 동상이어야 한다. 따라서 고압측 권선의
옆으로 이미 그려진 선과 평행으로 저압측 권선
옆에 선을 그린다.
4단계: 3단계에서 그려진 선의 끝점의 극성을 표시한다.
예를 들면 상 A는 흑점을 찍은 단자 H1에 연결되고
A는 선 A-N의 오른쪽 편에 위치한다. 따라서 상 a는
흑점을 찍은 단자 X1에 연결되고 선 a-b의 오른쪽
편에 위치하며 b는 왼쪽 편에 위치한다. 마찬가지로
상 B는 흑점을 찍은 터미널 H2, 그리고 B는 선 B-N
의 아래쪽에 위치한다. 따라서 상 b는 흑점을 찍은
단자 X2에 연결되고 선 b-c 아래쪽에 위치하여야
한다. 마찬가지로 상 c는 선 c-a 위쪽에 위치한다.
5단계: 4단계에서 표시된 세 개의 선은 저압측 권선의
페이저도를 완성하는데 사용된다.
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<Ex 4.5.3> 3상 변압기의 리액턴스 <Ex 4.5.4> 3상 변압기의 결선과 전압
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4.6 단권 변압기
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<Ex 4.6.1> 단권변압기
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4.7 다권선 변압기
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• 3 권선 변압기 • 2400/(120+240)V • 배전용 제 3 권선(tertiary winding), 불평등 부하, 누설임피던스, • 여자전류 고조파 통로, Υ-Δ-Y
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Z12 : 회로3 개방, 회로2 단락, 회로1 전압인가시 회로 1과 회로 2의 단락 임피던스
• 단락 임피던스 :
• 누설 임피던스 :
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<Ex 4.7.1> Y-Y-Δ결선된 3개의 단상 3 권선 변압기에서 변압기시험파라미터 구하기
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4.8 기타 변압기
• 계기용 변성기 : CT, PT
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• 가변 주파수 변압기 :
중간주파수 영역 – XL 무시, Im 무시 저 주파수 영역 – XL 무시, Im 고려 고 주파수 영역 – 변압기 누설 XL 중요모델 고 주파수 영역 – 코일 Xc 중요모델
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• 펄스 변압기 :
- 레이더, TV, PC, 선형가속기, TR gate
- 펄스 입력에 대한 과도응답특성
- XL 최소(작은크기, 적은 턴수), 철심(고투자율 퍼말로이)
- 가변주파수 등가회로 (d) : C, RLC, Oscillation
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• 포화 리액터 :
- 리액터의 포화특성
- 제어전류 Idc 조절 RL공급 전력제어
- 정현전압 구형파 전압
: 철심 1의 포화조절
: 철심 2의 포화조절
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• 여자전류:
- 포화특성, 히스테리시스 특성
- 여자전류는 정격전류의 약 2~5%, 고조파는 여자전류의 약 40%
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• 돌입전류:
SW ON at V=Vm : Φm
SW ON at V=0 : 2Φm
SW ON at V=0 : 2Φm+ Φr, remnant flux
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• 변압기 병렬운전: -병렬운전 조건-
1. 1차측과 2차측 전압 정격이 동일.
2. 전압비가 동일. (무부하 순환전류, 과부하)
3. 정격전류나 정격용량에 반비례하는 등가 임피던스. (부하 불균일)
4. 등가저항 대 등가 리액턴스의 비율이 동일. (비 동상, 동손증가)
- 3상의 경우 상 순서 동일, 위상동일(Y-Δ 주의)
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• 부하분담 :
순환전류 :
순환전류 없을 경우(동일 권선비) :
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분담되는 전력비 :
분담되는 전류비 :
임피던스 단위값이 같으면 부하는 정격비에 비례하여 분담한다.
<Ex 4.8.1> 부하분담
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• 3상에서 2상으로 : Scott 결선, 90° 위상차
<Ex 4.8.2> 부하분담
• 초전도 변압기 권선 : 높은 전류밀도, 무 동손
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• Problems
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