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Chapter 2. 변압기의 원리2.1 개요

동작원리 :

-. 마이클 페러데이의 전자기유도법칙

-. 자기적으로 결합된 두코일이 있을 때 어느 한코일에 전류가 변화하면

다른 코일에 기전력이 유도되는 현상

용도 :

-. 송전계통에서 승압/강압

-. 교류전동기의 저전압기동

-. 전기회로의 절연(isolation)

-. DC회로에 교류성분의 중첩

-. 낮은 전압을 얻기위해(조작전원, 전자기기의 전원)

변압기 전압(transformer voltage) :

-. 전자기적으로 유기된 기전력

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2.2 전력 및 배전 변압기의 구조

구조 :

-. 저압측에 비해 고압측 코일은 도체의 단면적이 적고, 더 많은 권수를

갖는다.

내철형(Core type) :

-. 1차와 2차 코일이 서로 다른 위치에 감겨 있다.

-. 1차와 2차측 권선이 멀리 떨어져 있으므로 고압용에 적합

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외철형(Shell type) :

-. 1차와 2차 코일이 함께 감겨 있다.

-. 외철형은 누설자속이 적다.

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변압기 :

-. Core는 냉연된 고투자율의 규소강판(Ph:히스테리시스손)을 성층(Pe:와전류손)

-. 강판의 각층(lamination)은 와전류를 줄이기 위해 바니쉬 혹은

산화물 코팅으로 절연한다.

-. 도체는 절연된 알루미늄 또는 구리 도체를 사용된다.

-. 냉각은 공기의 대류, 송풍, 절연유, 또는 가스를 통해 이루어진다.

변압기의 냉각형태 :

-. 통풍형 건식변압기(Ventilated dry-type transformer)

-. 가스봉입형 건식변압기(Gas filled dry-type transformer)

-. 액체함침형 변압기(Liquid-immersed transformer) : 유입형

통풍형 건식변압기(Ventilated dry-type transformer) : 몰드변압기

-. 자연대류에 의한 냉각

-. 기름의 연소나 유독성 가스로 인한 재해방지(많은 사람들이 있는 곳)

-. 주기적인 먼지제거 및 점검 필요

가스봉입형 건식변압기(Gas filled dry-type transformer)

-. 질소, 불화탄소, 불화에탄(C2F6), 황화불소, 육불화황(SF6) 등의 가스 냉각

-. 가스봉입형변압기는 옥내, 지하 설치 가능

-. 주기적인 가스압력과 온도 점검이 필요 함

액체함침형 변압기(liquid Immersed transformer)

-. 절연과 냉각을 위해 절연성액체로 채워진 탱크에 내장

-. 탱크의 방열은 절연액의 대류로 냉각

-. 대형의 경우 냉각을 위한 팬과 펌프가 있다.

-. 절연액으로는 광물성 혹은 실리콘 오일

-. PCB6(폴리염화 바이페닐, Polychlorinated biphenyl)는 환경물질로

지금은 사용되지 않는다.

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2.3 변압기 동작의 원리(전원에 직류 공급)

1. 스위치를 닫으면 철심에 시계방향으로 자속 생성2. 각 코일에는 코일의 권수와 코일내 자속의 변화율에 비례하는 전압발생3. 자속누설이 없으면 양코일에는 같은양의 자속[상호자속(mutual flux)]이 존재4. 유기기전력과 2차측전류는 과도상태에서만 존재(자속의 변화율이 없다.)5. Φmutual (상호자속)이 정상상태에 도달하여 dφ/dt=0 이 되면 유기기전력과

2차측전류는 0이 된다.

역기전력 발생1차 건전지 발생자속을방해하는 방향

상호자속

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렌쯔의 법칙에 의해-. 각 코일에 발생되는 전압은 그 발생원인을 방해하는 방향으로 유기된다.-. 역기전력

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전제조건(이상적인 상황)

-. 철심의 투자율은 일정하고 따라서, 철심의 자기저항도 일정하다.

-. 누설자속이 없어서 1차측과 2차측 권선에 같은 양의 자속이 쇄교한다.

1차전류=무부하전류

1차 기자력`

상호자속

1차 역기전력

2차 역기전력

1차 코일 권수 2차 코일 권수

2.4 변압기 동작의 원리(전원에 교류 공급)

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1. 각 코일창 안에서의 정현적인 자속변화에 의해2. 1차측과 2차측 권선에 유기되는 전압의 실효치는

1차측에 유기되는 전압(실효치)=4.44*1차측의 권수*주파수*자속의 최대치2차측에 유기되는 전압(실효치)=4.44*2차측의 권수*주파수*자속의 최대치

1차측에 유기되는 전압(실효치)[V]/2차측에 유기되는 전압(실효치)[V]= 1차측의 권수/2차측의 권수

-. 누설자속이 없다면 유기전압의 비율은 권수의 비율(권수비)과 같다.

식(2-1)을 (2-2)로 나누면

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EP : 240V NP : 200[회] F; 60[Hz]4.44=2π/sqrt(2)

1차측에 유기되는 전압(실효치)=4.44*1차측의 권수*주파수*자속의 최대치

자속의 최대치 = 1차측에 유기되는 전압(실효치)/(4.44*1차측의 권수*주파수*)

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1차전압 VP = 2400[V], 2차전압 VS = 240[V], 단면적 A=0.005[㎡]평균길이 L=0.667[m], 최대자속밀도 Bmax = 1.5[T], 자장의 세기 H = 450[A-t/m]

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2차측에 부하가 접속되어 있지 않으면

1. 1차측에는 변압기로서의 동작에 필요한 자속을 만들어내면서

2. 철심내부의 히스테리시스 및 와전류손실을 공급하기 위한 전류만 흐른다.

3. 무부하상태에서 변압기는 임피던스를 갖는 코일이다.

여자전류(Exciting current)

1. 변압기의 무부하전류이다.

2. 대형변압기는 정격전류의 1~2%, 아주 작은 배전용변압기는 6%정도까지

3. 철심의 히스테리시스와 와전류손실을 공급하는 철손성분과

1, 2차 권선을 쇄교하는 상호자속(φm)을 만들어내는 자화성분으로 구성

4. 여자전류가 인가전압에 대해 큰 각도로 뒤진다(임피던스를 갖는 코일).

고효율변압기에서는 85˚에 이를 수도 있다.

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Fp : 0.210, Pcore : 138[W], Vp = 2400[V], Vs = 240[V]

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여자전류

철손성분

철손성분

자화성분

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자화성분 전류

자화 가상 리액턴스

철손 성분 전류

철손 가상 저항

인가 전압

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유효철손전력인가전압*철손전류

여자전류

철손전류

철손전류

자화성분전류

자화성분전류인가전압

자화 가상 리액턴스

철손 가상 저항

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Np : 1차측 권수식(2-4)에 Np(1차측 권수)를 곱하면 A-t을 그 직교성분의 합으로 나타낼 수 있다.

1. 철손전류 성분은 상호자속을 만들어 내는 것이 아니라, 2. 철심안에서 자기구역을 진동시키고 와전류손실을 발생하는데에 소모된다.3. 만일 철심에서의 손실이 없다면 이 성분은 존재하지 않을 것이며, 4. 여자전류의 A-t은 상호자속을 만들어내는 데에 필요한 성분만으로 국한될 것이다.

1. 자화전류성분은 자화 암페어-턴이라 불리우며, 상호자속을 만들어내고변압기동작이 일어나게 한다.