트랜스포머

변압기는 전기 에너지를 한 전기 회로에서 다른 회로 또는 여러 회로로 전달하는 수동 부품입니다.변압기 코일의 전류가 달라지면 변압기 코어에 다양한 자속이 발생하여 동일한 코어에 감긴 다른 코일에 다양한 기전력(EMF)이 발생합니다.전기 에너지는 두 회로 사이의 금속(전도성) 연결 없이 별도의 코일 사이에서 전달될 수 있습니다.1831년에 발견된 패러데이의 유도 법칙은 코일에 둘러싸인 변화하는 자속으로 인해 어떤 코일에서도 유도된 전압 효과를 설명합니다.

변압기는 AC 전압 레벨을 변경하는 데 사용되며, 이러한 변압기를 각각 전압 레벨을 높이거나 낮추기 위해 스텝 업 또는 스텝 다운 타입이라고 합니다.또한 변압기는 신호 처리 회로의 몇 단계뿐만 아니라 회로 사이에 갈바닉 절연을 제공하는 데 사용될 수 있습니다.1885년 최초의 정전위 변압기가 발명된 이래, 변압기는 교류 ^[1]전력의 전송, 분배 및 활용에 필수적인 것이 되었습니다.다양한 변압기 디자인은 전자 및 전력 용도에 적용됩니다.변압기의 크기는 부피가 1입방 센티미터 미만인 RF 변압기부터 전력망을 연결하는 데 사용되는 수백 톤의 단위까지 다양합니다.

원칙

이상적 변압기

이상적인 변압기는 선형이며 무손실이며 완벽하게 결합되어 있습니다.완벽한 커플링은 무한히 높은 코어 자기 투과성과 권선 인덕턴스 및 제로 순 자기 운동력(즉, in = 0)을 의미합니다.

변압기 1차 권선의 전류 변화에 따라 변압기 코어에 다양한 자속이 형성되고, 2차 권선에 의해 둘러싸이기도 합니다.2차 권선에서의 이와 같은 변화하는 플럭스는 2차 권선에서 변화하는 기전력 또는 전압을 유도합니다.이 전자기 유도 현상은 변압기 작용의 기본이며 렌츠의 법칙에 따라 생성된 2차 전류는 1차 권선에서 생성된 플럭스와 동일하고 반대의 플럭스를 생성합니다.

권선은 모든 자속이 1차 권선과 2차 권선을 모두 통과할 수 있도록 자기 투과성이 무한히 높은 코어에 감겨 있습니다.전압원이 1차 권선에 연결되고 부하가 2차 권선에 연결되면 변압기 전류가 지시된 방향으로 흐르며 코어 자기력은 0으로 상쇄됩니다.

패러데이의 법칙에 따르면, 이상적인 변압기에서 동일한 자속이 1차 권선과 2차 권선을 모두 통과하기 때문에, 각각의 권선에는 권선의 수에 비례하는 전압이 유도됩니다.변압기 권선 전압비는 권선 권선 ^[6]권선비와 같습니다.

이상적인 변압기는 일반적인 상용 변압기에 합리적인 근사치이며, 전압비와 권선 권선 권선비는 모두 해당 전류비에 반비례합니다.

1차 회로에서 언급되는 부하 임피던스는 회전수 비율 제곱과 2차 회로 ^[7]부하 임피던스의 곱과 같습니다.

실변압기

이상적인 변압기로부터의 편차

이상적인 변압기 모델은 피할 수 없는 손실과 ^[8]비효율을 포함한 실제 변압기의 많은 기본 선형적 측면을 무시합니다.

(a) 총칭 자화 전류 손실이라고 불리는 코어 손실은 다음으로 구성됩니다^[9].

• 트랜스포머 코어의 비선형 자기효과로 인한 히스테리시스 손실 및
• 변압기의 인가 전압 제곱에 비례하는 코어의 줄 가열로 인한 와전류 손실

(b) 이상적인 모델과 달리 실제 변압기의 권선은 0이 아닌 저항과 다음과 관련된 인덕턴스를 갖습니다.

• 1차 권선과 2차^[9] 권선의 저항으로 인한 줄 손실
• 노심에서 빠져나와 하나의 권선을 통과하는 누설 플럭스는 1차 및 2차 반응 임피던스만 발생합니다.

(c) 인덕터와 유사하게 전기장 분포로 인한 기생 커패시턴스와 자기 진동 현상이 발생합니다.일반적으로 세 가지 종류의 기생 커패시턴스가 고려되며 폐루프 방정식이 제공됩니다^[10].

• 한 층에 인접한 회전 사이의 정전용량;
• 인접한 층 사이의 정전용량;
• 코어와 코어에 인접한 층 사이의 정전용량;

변압기 모델에 정전용량을 포함시키는 것은 복잡하고 거의 시도되지 않습니다. 아래에 표시된 '실제' 변압기 모델의 등가 회로에는 기생 정전용량이 포함되어 있지 않습니다.그러나 2차 회로가 개방되었을 때의 1차 권선의 인덕턴스와 2차 권선이 단락되었을 때의 단락 인덕턴스를 비교함으로써 정전용량 효과를 측정할 수 있습니다.

누설유속

이상적인 변압기 모델은 1차 권선에 의해 생성된 모든 플럭스가 자신을 포함한 모든 권선의 모든 권선을 연결한다고 가정합니다.실제로,^[11] 어떤 플럭스는 권선 밖으로 가는 길을 가로지릅니다.이러한 플럭스를 누설 플럭스라고 하며, 상호 결합된 변압기 권선과 직렬로 누설 인덕턴스를 ^[12]발생시킵니다.누설 플럭스는 전력 공급의 매 주기마다 자기장 안에 에너지를 번갈아 저장하고 배출하는 결과를 초래합니다.이는 직접적인 전력 손실이 아니라 전압 조절이 저하되어 2차 전압이 1차 전압에 직접적으로 비례하지 않게 되며, 특히 부하가 ^[11]심할 경우에는 2차 전압이 1차 전압에 직접적으로 비례하지 않게 됩니다.따라서 일반적으로 변압기는 누설 인덕턴스가 매우 낮도록 설계됩니다.

일부 응용 분야에서는 누설이 증가되어야 하며,^[12] 공급할 단락 전류를 제한하기 위해 긴 자기 경로, 공극 또는 자기 바이패스 션트가 변압기 설계에 의도적으로 도입될 수 있습니다.누출 변압기는 전기 아크, 수은 및 나트륨 증기 램프 및 네온 사인과 같이 내음성을 나타내는 부하를 공급하거나 전기 아크 ^{[9]: 485} 용접기와 같이 주기적으로 단락되는 부하를 안전하게 처리하는 데 사용될 수 있습니다.

에어 갭은 또한 변압기, 특히 ^[13]권선에 흐르는 DC 구성 요소가 있는 회로의 오디오 주파수 변압기의 포화를 방지하는 데 사용됩니다.포화 가능한 원자로는 노심의 포화상태를 이용하여 교류를 제어합니다.

누설 인덕턴스에 대한 지식은 변압기가 병렬로 동작할 때에도 유용합니다.두 변압기의 임피던스 백분율 및 관련 권선 누설 저항 대 저항(X/R) 비율이 동일한 경우, 변압기는 각각의 정격에 비례하여 부하 전력을 공유함을 알 수 있습니다.그러나 상용 변압기의 임피던스 공차는 상당합니다.또한, 상이한 용량 변압기의 임피던스 및 X/R 비율은 상이한 ^[15]경향이 있습니다.

등가 회로

도면을 참조하면, 실제 변압기의 물리적 거동은 이상적인 ^[16]변압기를 포함할 수 있는 등가 회로 모델로 표현될 수 있습니다.

권선 줄 손실 및 누설 리액턴스는 다음과 같은 모델의 직렬 루프 임피던스로 표시됩니다.

• 1차_P 권선 : R, X_P
• 2차 권선: R_S, X_S.

정상적인 회로 등가 변환 과정에서 R과 X는 일반적으로 회전 비율 제곱, (N/N) = a에 이러한 임피던스를 곱하여 1차측을 가리킵니다.

코어 손실 및 리액턴스는 모델의 다음과 같은 션트 레그 임피던스로 나타납니다.

• 노심_C 또는 철손: R
• 자화 리액턴스: X_M.

R과_CM X를 모델의 자화 분기라고 통칭합니다.

코어 손실은 대부분 코어의 히스테리시스 및 와전류 효과에 의해 발생하며 주어진 ^[9]주파수에서 작동하기 위한 코어 플럭스의 제곱에 비례합니다.^{: 142–143} 유한한 투과성 코어는 코어의 상호 플럭스를 유지하기 위해 자화_M 전류 I를 필요로 합니다.자화 전류는 플럭스와 같은 위상을 가지며 둘 사이의 관계는 포화 효과로 인해 비선형입니다.그러나 표시된 등가 회로의 모든 임피던스는 정의상 선형이며 그러한 비선형성 효과는 일반적으로 변압기 등가 ^{[9]: 142} 회로에 반영되지 않습니다.정현파 공급 장치에서는 코어 플럭스가 유도 기전력을 90° 지연시킵니다.개방 회로 2차 권선에서 자화 분기 전류₀ I은 변압기 무부하 ^[16]전류와 같습니다.

결과 모델은 선형성 가정에 따라 '정확한' 등가 회로라고 불리기도 하지만,^[16] 많은 근사치를 유지합니다.자화 분기 임피던스가 상대적으로 높다고 가정하고 분기를 1차 임피던스의 왼쪽으로 재배치하여 분석을 단순화할 수 있습니다.이는 오류를 발생시키지만 단순 합산에 의해 1차 저항과 참조된 2차 저항과 반응을 두 개의 직렬 임피던스로 조합할 수 있습니다.

변압기 등가 회로 임피던스 및 변압기 비 파라미터는 개방 회로 테스트, 단락 테스트, 권선 저항 테스트 및 변압기 비 테스트의 테스트에서 도출할 수 있습니다.

변압기 기전력 방정식

코어의 플럭스가 순수하게 정현파인 경우, 권선의 rms 전압_rms E와 공급 주파수 f, 턴 수 N, m의² 코어 단면적 A와 Wb/m² 또는 T(테슬라)의 피크 자속 밀도_peak B 사이의 관계는 범용 기전력 ^[9]방정식에 의해 제공됩니다.

${\displaystyle E_{\text{rms}}={\frac {2\pifNAB_{\text{peak}}{\sqrt {2}}\text{peak}}\text 4.44fNAB_{\text{peak}}$

극성

도트 규칙은 변압기 회로 다이어그램, 명판 또는 단자 표시에서 변압기 권선의 상대적 극성을 정의하는 데 자주 사용됩니다.순간 전류가 1차 권선의 '도트' 단부로 들어오는 양으로 증가하면 양극 전압이 2차 권선의 '도트' 단부로 빠져나갑니다.전력 시스템에 사용되는 3상 변압기에는 단자 사이의 위상 관계를 나타내는 명판이 부착됩니다.이것은 위상 다이어그램의 형태일 수도 있고, 알파 숫자 코드를 사용하여 각 권선에 대한 내부 연결 유형(와이 또는 델타)을 표시할 수도 있습니다.

빈도의 영향

주어진 플럭스에서 변압기의 기전력은 ^[9]주파수에 따라 증가합니다.더 높은 주파수에서 작동함으로써, 주어진 코어가 포화 상태에 도달하지 않고 더 많은 전력을 전달할 수 있고 동일한 임피던스를 얻기 위해 더 적은 회전이 필요하기 때문에, 변압기는 물리적으로 더 소형화될 수 있습니다.그러나 코어 손실과 도체 피부 효과와 같은 특성 또한 주파수에 따라 증가합니다.항공기와 군사 장비는 코어와 권선 ^[17]무게를 줄이는 400Hz 전력 공급 장치를 사용합니다.반대로, 일부 철도 전철화 시스템에 사용되는 주파수는 주로 초기 전기 트랙션 모터의 한계와 관련된 역사적인 이유로 인해 일반 유틸리티 주파수(50–60Hz)보다 훨씬 낮았습니다.결과적으로, 높은 오버헤드 라인 전압을 감압하기 위해 사용된 변압기는 높은 주파수에서 요구되는 것보다 동일한 전력 등급에서 훨씬 크고 더 무거웠습니다.

변압기를 설계된 전압에서 작동하지만 의도된 것보다 높은 주파수에서 작동하면 자화 전류가 감소합니다.낮은 주파수에서는 자화 전류가 증가합니다.대형 변압기를 설계 주파수가 아닌 곳에서 운전할 경우 안전 운전이 가능한지 확인하기 위해 전압, 손실 및 냉각을 평가해야 할 수 있습니다.변압기는 정격 주파수 이상의 과전압으로부터 변압기를 보호하기 위한 보호 릴레이가 필요할 수 있습니다.

하나의 예는 전기 표준이 다른 지역에 걸쳐 작동하는 전기 다중 유닛 및 고속 열차 서비스에 사용되는 인트랙션 변압기입니다.컨버터 장비와 트랙션 변압기는 다양한 입력 주파수와 전압을 수용해야 합니다(최대 50Hz에서 최대 16.7Hz, 최대 25kV 정격).

훨씬 높은 주파수에서 요구되는 변압기 코어 크기는 급격하게 감소합니다. 물리적으로 작은 변압기는 주 주파수에서 거대한 철심이 필요한 전력 수준을 처리할 수 있습니다.스위칭 전력 반도체 장치의 발달로 스위치 모드 전원 공급이 가능하게 되었고, 고주파를 발생시킨 후 작은 변압기로 전압 레벨을 변경할 수 있게 되었습니다.

SMPS와 같은 고주파 애플리케이션용 변압기는 일반적으로 50/60Hz용 변압기보다 히스테리시스 및 와전류 손실이 훨씬 낮은 핵심 소재를 사용합니다.주요 예로는 철 분말 및 페라이트 코어가 있습니다.이러한 코어의 주파수 의존적 손실은 종종 포화 시 플럭스 밀도를 희생시킵니다.예를 들어, 페라이트 포화는 적층 철에 비해 상당히 낮은 플럭스 밀도에서 발생합니다.

대형 전력 변환기는 스위칭이나 낙뢰와 같은 고주파 성분의 과도 전압으로 인해 절연 고장에 취약합니다.

에너지 손실

변압기 에너지 손실은 권선 및 코어 손실이 지배적입니다.변압기의 효율성은 변압기 ^[18]용량이 증가함에 따라 향상되는 경향이 있습니다.일반적인 배전용 변압기의 효율성은 약 98%에서 99%^[18][19] 사이입니다.

변압기 손실은 부하에 따라 다르기 때문에 무부하 손실, 전체 부하 손실, 반부하 손실 등을 집계하는 데 유용한 경우가 많습니다.히스테리시스 및 와전류 손실은 모든 부하 레벨에서 일정하고 무부하에서 우세한 반면, 권선 손실은 부하가 증가함에 따라 증가합니다.무부하 손실이 상당할 수 있으므로 유휴 변압기도 전력 공급에 대한 드레인을 구성합니다.손실이 적은 에너지 효율적인 변압기를 설계하려면 더 큰 코어, 좋은 품질의 실리콘 강 또는 코어와 더 두꺼운 와이어를 위한 비정질 강이 필요하므로 초기 비용이 증가합니다.시공 선택은 초기 비용과 운영 비용 ^[20]사이의 균형을 나타냅니다.

변압기 손실은 다음과 같이 발생합니다.

권선 줄 손실

권선의 도체를 흐르는 전류는 와이어의 저항으로 인해 줄 가열을 야기합니다.빈도가 증가함에 따라, 피부 효과와 근접 효과는 권선의 저항을 야기하고, 따라서 손실이 증가합니다.

핵심손실

이력손실

자기장이 역전될 때마다 강철 내 자성 영역의 운동으로 인해 코어 내 히스테리시스로 인해 소량의 에너지가 손실됩니다.슈타인메츠의 공식에 따르면 히스테리시스에 의한 열에너지는 다음과 같습니다.

${\displaystyle W_{\text{h}}\approx \eta \beta$6$}}개$,

따라서 히스테리시스 손실은 다음과 같이 주어집니다.

${\displaystyle P_{\text{h}}\prox {W}_{\text{h}}f\prox \eta {f}\beta _{\text{max}^{1.6}}$

여기서 f는 빈도, ρ는 히스테리시스 계수, β는 최대 플럭스 밀도이며, 경험_max 지수는 약 1.4에서 1.8까지 다양하지만 ^[20]철의 경우 1.6으로 제공되는 경우가 많습니다.보다 자세한 분석은 마그네틱 코어와 슈타인메츠의 방정식을 참조하십시오.

와전류손실

변화하는 자기장에 의해 전도성 금속 변압기 코어에 와전류가 유도되고, 철의 저항을 통해 흐르는 이 전류가 코어의 열로 에너지를 방출합니다.와전류 손실은 공급 빈도의 제곱과 ^[20]재료 두께의 역제곱의 복소 함수입니다.적층(박판) 적층물의 코어를 솔리드 블록이 아닌 전기적으로 서로 절연시킴으로써 와전류 손실을 줄일 수 있습니다. 저주파에서 작동하는 모든 변압기는 적층 또는 유사한 코어를 사용합니다.

자기 변형 관련 변압기 험

코어와 같은 강자성 물질의 자기 플럭스는 자기장의 각 주기에 따라 물리적으로 팽창하고 약간 수축하게 하며, 이는 자기 변형으로 알려져 있으며, 마찰 에너지는 주 소음 또는 "트랜스포머 ^[21]험"으로 알려진 가청 소음을 생성합니다.이러한 트랜스포머 험은 특히 전력 주파수에서 공급되는 트랜스포머와 텔레비전 CRT와 관련된 고주파 플라이백 트랜스포머에서 불쾌합니다.

방황손실

누설 인덕턴스는 자기장에 공급된 에너지가 다음 반주기와 함께 공급으로 되돌아가기 때문에 그 자체로 손실이 거의 없습니다.그러나 변압기의 지지 구조와 같은 주변 전도성 물질을 차단하는 누출 플럭스는 와전류를 발생시켜 ^[22]열로 변환됩니다.

방사체

또한 진동 자기장으로 인한 복사 손실도 있지만 일반적으로 이 손실은 작습니다.

기계적 진동 및 가청 소음 전달

자기 변형 외에도, 교번 자기장은 1차 권선과 2차 권선 사이에서 요동하는 힘을 유발합니다.이 에너지는 상호 연결된 금속 구조물에서 진동 전달을 유도하여 가청 변압기의 ^[23]윙윙거리는 소리를 증폭시킵니다.

시공

코어스

폐쇄형 코어 트랜스포머는 '코어 형태' 또는 '쉘 형태'로 구성됩니다.권선이 코어를 둘러싸면 변압기가 코어 형태이고, 권선이 코어로 둘러싸이면 변압기가 ^[24]쉘 형태입니다.권선 ^[24]코일을 중심으로 코어를 적층하는 것이 상대적으로 용이하기 때문에 분배 변압기 용도의 코어 폼 설계보다 쉘 폼 설계가 더 널리 사용될 수 있습니다.코어 폼 설계는 일반적으로 전압 및 전력 정격 범위(명칭 230kV 또는 75MVA 이하)의 하단에서 고전압 전력 변환기 애플리케이션을 위한 쉘 폼 설계보다 더 경제적인 경향이 있습니다.더 높은 전압 및 전력 정격에서 쉘 형태 변압기는 ^[24][25][26]더 널리 사용되는 경향이 있습니다.쉘 형태 설계는 초고전압 및 더 높은 MVA 애플리케이션에 선호되는 경향이 있습니다. 쉘 형태 변압기는 제조에 노동집약적이지만 중량 대비 kVA 비율이 본질적으로 더 우수하고 단락 강도 특성이 더 우수하며 운송 ^[26]손상에 대한 내성이 더 높기 때문입니다.

강심합재

전력 또는 오디오 주파수에서 사용하기 위한 변압기는 일반적으로 고투자율 실리콘 ^[27]강으로 제조된 코어를 포함합니다.강철은 자유 공간의 몇 배에 달하는 투과성을 가지고 있으며 코어는 자화 전류를 크게 감소시키고 플럭스를 권선을 ^[28]밀접하게 결합하는 경로에 국한시키는 역할을 합니다.초기의 변압기 개발자들은 곧 고체 철로 구성된 코어가 엄청난 와전류 손실을 초래한다는 것을 깨달았고, 그들의 설계는 절연 ^[29]철선 다발로 구성된 코어로 이러한 영향을 완화시켰습니다.이후의 설계는 얇은 강철 적층을 층층이 쌓아 심재를 만들었으며, 이 원리는 현재까지 사용되고 있습니다.각 라미네이션은 얇은 비전도성 ^[30]단열층에 의해 이웃과 절연됩니다.변압기 범용 EMF 방정식을 사용하여 바람직한 수준의 ^[9]자속에 대한 코어 단면적을 계산할 수 있습니다.

적층의 효과는 와류를 작은 플럭스를 둘러싸는 고도의 타원 경로로 한정하여 크기를 감소시키는 것입니다.얇은 라미네이션은 ^[27]손실을 줄여주지만 시공 ^[31]비용이 많이 듭니다.얇은 적층은 일반적으로 고주파 변압기에 사용되며, 매우 얇은 강철 적층 중 일부는 최대 10kHz까지 작동할 수 있습니다.

적층 코어의 일반적인 디자인 중 하나는 I형 조각으로 캡을 씌운 E형 강판의 인터리브 스택으로 만들어져 E-I ^[31]변압기라는 이름으로 이어집니다.이러한 설계는 손실이 더 많이 발생하는 경향이 있지만 제조하기에는 매우 경제적입니다.컷-코어 또는 C-코어 타입은 직사각형 형태에 강철 스트립을 감은 후 층들을 서로 접합하여 만들어집니다.두 개의 C자 모양을 만들고, 두 개의 C자 모양을 만들고,^[31] 강철 스트랩으로 두 개의 C자 반을 묶어서 코어를 조립합니다.플럭스는 항상 금속 알갱이와 평행하게 배향되어 거부감을 줄인다는 장점이 있습니다.

강철 코어의 잔류는 전력이 제거되었을 때 고정된 자기장을 유지한다는 것을 의미합니다.그런 다음 전원이 다시 인가되면 잔류 필드는 잔류 자성의 영향이 감소할 때까지 높은 돌입 전류를 발생시킵니다. 대개 인가된 AC ^[32]파형을 몇 번 사이클한 후에 발생합니다.퓨즈와 같은 과전류 보호 장치를 선택하여 무해한 유입이 통과되도록 해야 합니다.

긴 오버헤드 송전선로에 연결된 변압기에서는 태양폭풍 시 지자기 교란에 의한 유도전류로 인해 노심 포화 및 변압기 보호장치의 ^[33]작동이 야기될 수 있습니다.

배전용 변압기는 저손실 고투과성 실리콘 강이나 비정질(비결정질) 금속 합금으로 만든 코어를 사용함으로써 낮은 무부하 손실을 달성할 수 있습니다.코어 재료의 초기 비용이 높을수록 가벼운 ^[34]부하에서 손실이 적음으로써 변압기의 수명에 걸쳐 상쇄됩니다.

솔리드 코어

분말 철심은 주 주파수 이상에서 최대 수십 킬로헤르츠까지 작동하는 스위치 모드 전원 공급 장치와 같은 회로에 사용됩니다.이 물질들은 높은 자기 투과성과 높은 벌크 전기 저항률을 결합합니다.VHF 대역을 넘어 확장되는 주파수의 경우 페라이트라고 불리는 비전도성 자성 세라믹 재료로 만들어진 코어가 ^[31]일반적입니다.일부 무선 주파수 변환기에는 또한 조정된 무선 주파수 회로의 결합 계수(및 대역폭)를 조정할 수 있는 이동 코어(때로는 '슬러그'라고도 함)가 있습니다.

토로이달 코어

토로이달 변압기는 작동 주파수에 따라 코일, 분철 또는 ^[35]페라이트에 감긴 실리콘 스틸 또는 퍼말로이의 긴 띠로 만들어진 고리 모양의 코어를 중심으로 제작됩니다.스트립 구조는 결정립 경계가 최적으로 정렬되도록 보장하며, 코어의 저항을 감소시켜 변압기의 효율을 향상시킵니다.폐쇄된 링 형상은 E-I ^[9]코어 구성에 내재된 공극을 제거합니다.^{: 485} 링의 단면은 보통 사각형 또는 직사각형이지만, 단면이 원형인 더 비싼 코어도 이용할 수 있습니다.1차 및 2차 코일은 종종 코어의 전체 표면을 덮도록 동심으로 감겨집니다.이를 통해 필요한 와이어 길이를 최소화하고 코어의 자기장이 전자기 간섭을 발생시키는 것을 최소화할 수 있는 스크리닝 기능을 제공합니다.

토로이달 변압기는 비슷한 전력 수준에서 보다 저렴한 적층형 E-I 타입보다 효율적입니다.E-I 타입에 비해 다른 장점으로는 작은 크기(약 절반), 낮은 무게(약 절반), 적은 기계적 험(오디오 앰프에서 우수함), 낮은 외부 자기장(약 10분의 1), 낮은 오프로드 손실(대기 회로에서 더 효율적임), 단일 볼트 장착 및 형상 선택의 폭이 있습니다.주된 단점은 높은 비용과 제한된 전력 용량입니다(아래 분류 파라미터 참조).자기 경로에 잔류 갭이 없기 때문에 토로이드 변압기는 적층형 E-I형에 비해 더 높은 돌입 전류를 나타내는 경향이 있습니다.

페라이트 토로이달 코어는 유도성 부품의 손실, 물리적 크기 및 무게를 줄이기 위해 일반적으로 수십 킬로헤르츠에서 수백 메가헤르츠 사이의 더 높은 주파수에서 사용됩니다.토로이달 변압기 구조의 단점은 권선의 인건비가 높다는 것입니다.코일에 한 번의 턴이 추가될 때마다 코일 권선의 전체 길이를 코어 애퍼처에 통과시켜야 하기 때문입니다.따라서 몇 kVA 이상의 정격을 가진 토로이드 변압기는 흔하지 않습니다.전력 정격이 10kVA 이상인 토로이드는 상대적으로 적으며, 25kVA 이상은 거의 없습니다.소형 분배 변압기는 토로이드 코어를 분할하여 강제로 연 다음 1차 및 2차 ^[36]권선이 포함된 보빈을 삽입함으로써 토로이드 코어의 이점을 일부 얻을 수 있습니다.

에어코어

변압기는 권선들을 서로 가까이 배치함으로써 생산될 수 있는데, 이를 "에어코어" 변압기라고 하는 배열입니다.공심 변압기는 코어 ^[12]물질의 히스테리시스로 인한 손실을 제거합니다.자기 코어가 없어 자화 인덕턴스가 크게 감소하여 낮은 주파수에서 사용할 경우 큰 자화 전류와 손실이 발생합니다.공기-코어 변압기는 전력 ^[12]분배에 사용하기에는 부적합하지만 무선 주파수 응용 ^[37]분야에서는 자주 사용됩니다.공기 코어는 낮은 자화 인덕턴스에도 불구하고 비교적 낮은 손실을 얻을 수 있는 테슬라 코일과 같은 공진형 변압기에도 사용됩니다.

감김

권선에 사용되는 전기 도체는 용도에 따라 다르지만, 모든 경우 개별 권선이 서로 전기적으로 절연되어 매 턴마다 전류가 이동하도록 보장해야 합니다.전류가 낮고 인접한 턴 간의 전위차가 작은 소형 변압기의 경우, 코일은 종종 에나멜 처리된 자석 와이어로 감겨집니다.더 큰 전력 변압기는 기름이 스며든 종이와 프레스 ^[38]보드 블록에 의해 절연된 구리 직사각형 스트립 도체로 감겨질 수 있습니다.

수십에서 수백 킬로헤르츠에서 작동하는 고주파 변압기에는 피부 효과 및 근접 효과 ^[39]손실을 최소화하기 위해 Litz 와이어를 짜서 만든 권선이 있는 경우가 많습니다.대규모 전력 변환기는 또한 다가닥 도체를 사용하는데, 이는 낮은 전력 주파수에서도 전류의 불균일한 분포가 고전류 ^[38]권선에 존재할 수 있기 때문입니다.각각의 스트랜드는 개별적으로 절연되며, 스트랜드는 권선의 특정 지점에서 또는 전체 권선 전체에 걸쳐 각각의 부분이 완전한 도체에서 서로 다른 상대적 위치를 차지하도록 배열됩니다.전치는 도체의 각 가닥에 흐르는 전류를 균등하게 하고 권선 자체에서 와전류 손실을 줄입니다.또한 좌초된 도체는 비슷한 크기의 고체 도체보다 유연하여 제조에 ^[38]도움이 됩니다.

신호 변환기의 권선은 누설 인덕턴스와 스트레이 커패시턴스를 최소화하여 고주파 응답을 개선합니다.코일들은 섹션들로 분할되고, 그 섹션들은 다른 권선들의 섹션들 사이에 인터리빙됩니다.

전력-주파수 변환기는 전압 조정을 위해 권선의 중간 지점(일반적으로 높은 전압 권선 측)에 탭이 있을 수 있습니다.탭을 수동으로 다시 연결하거나 탭 변경을 위해 수동 또는 자동 스위치를 제공할 수 있습니다.자동 온로드 탭 체인저는 전력 전송 또는 배전, 아크로 변압기와 같은 장비 또는 민감한 부하를 위한 자동 전압 조정기에 사용됩니다.공용 주소 라우드스피커로 오디오를 분배하는 데 사용되는 오디오 주파수 변환기에는 각 스피커에 대한 임피던스 조정을 가능하게 하는 탭이 있습니다.푸시-풀 회로에서 오디오 전력 증폭기의 출력단에는 센터-탭 변압기가 종종 사용됩니다.AM 송신기의 변조 변압기는 매우 유사합니다.

쿨링

작동 온도가 약 7~10°C 증가할 때마다 전기 절연 수명이 절반으로 줄어드는 것이 경험칙입니다(아레니우스 방정식 ^[40]적용 사례).

소형 드라이 타입 및 액체가 스며있는 변압기는 자연 대류 및 복사 열 방출에 의해 자체 냉각되는 경우가 많습니다.전력 정격이 증가함에 따라 변압기는 강제 공기 냉각, 강제 오일 냉각, 수냉 또는 ^[41]이들의 조합으로 냉각되는 경우가 많습니다.대형 변압기에는 ^[42]권선을 냉각하고 절연시키는 변압기 오일이 들어 있습니다.트랜스포머 오일은 종종 매우 정제된 미네랄 오일로서 트랜스포머 탱크 내를 순환시켜 권선과 단열재를 냉각시킵니다.광유와 종이 단열 시스템은 100년 이상 광범위하게 연구되고 사용되어 왔습니다.전력변압기의 50%는 사용기간 50년을 생존할 것으로 추정되며, 전력변압기의 평균 고장연령은 약 10~15년이며, 전력변압기 고장의 약 30%는 절연 및 과부하 ^[43][44]고장으로 인한 것으로 추정됩니다.높은 온도에서 장시간 운전할 경우 권선 절연과 유전체 냉각수의 절연 특성이 저하되어 변압기 수명이 단축될 뿐만 아니라 궁극적으로 심각한 변압기 ^[40]고장으로 이어질 수 있습니다.용존 가스 분석을 포함한 변압기 오일 테스트는 많은 경험적 연구를 통해 귀중한 유지보수 정보를 제공합니다.

많은 지역의 건축 법규에 따라 실내 액체가 채워진 변압기는 기름보다 인화성이 낮은 유전체 유체를 사용하거나 화재에 ^[18]강한 방에 설치해야 합니다.공기 냉각식 건식 변압기는 내화 변압기실의 비용을 줄일 수 있어 더욱 경제적일 수 있습니다.

액체로 채워진 변압기의 탱크에는 액체 냉각제가 자연 대류 또는 핀을 통해 순환하는 라디에이터가 있는 경우가 많습니다.일부 대형 변압기는 강제 공기 냉각을 위한 전기 팬, 강제 액체 냉각을 위한 펌프 또는 ^[42]수냉을 위한 열교환기를 사용합니다.오일이 주입된 변압기에는 내부 아크로 인한 가스 축적 정도에 따라 ^[32]변압기에 경보를 울리거나 전원을 차단하는 부흐홀츠 릴레이가 장착될 수 있습니다.오일 주입식 변압기 설치에는 보통 벽, 오일 격납 및 화재 억제 스프링클러 시스템과 같은 화재 보호 조치가 포함됩니다.

폴리염화 바이페닐(PCB)은 한때 유전체 냉각제로 사용하기를 선호하는 특성을 가지고 있지만, 환경적 지속성에 대한 우려로 인해 ^[45]사용이 광범위하게 금지되었습니다.오늘날, 무독성의 안정적인 실리콘 기반 오일 또는 불소화 탄화수소는 내화성 액체의 비용이 변압기 ^[18][46]금고의 추가 건축 비용을 상쇄하는 경우에 사용될 수 있습니다.그러나 변압기의 수명이 길다는 것은 금지된 ^[47]지 오래되면 노출 가능성이 높다는 것을 의미할 수 있습니다.

일부 변압기는 가스 절연이 되어 있습니다.이들의 권선은 밀봉된 가압 탱크에 둘러싸여 있으며 종종 질소 또는 육불화황 ^[46]가스에 의해 냉각됩니다.

500kVA ~ 1,000kVA 범위의 실험용 전력 변압기는 액체 질소 또는 헬륨 냉각 초전도 권선으로 제작되었으며,^[48][49] 이는 코어 손실에 영향을 주지 않고 권선 손실을 제거합니다.

단열재

개별 권선 사이, 권선 사이, 권선과 코어 사이 및 권선 단자에 절연물을 제공해야 합니다.

소형 변압기의 인터턴 절연은 전선에 절연 니스 층일 수 있습니다.종이 또는 고분자 필름 층이 권선 층 사이 및 1차 권선과 2차 권선 사이에 삽입될 수 있습니다.변압기는 감김의 강도를 향상시키고 습기나 부식으로부터 보호하기 위해 고분자 수지에 코팅 또는 담글 수 있습니다.코팅 과정에서 진공과 압력을 조합하여 수지를 권선 절연체에 함침시켜 권선의 공극을 모두 제거할 수 있습니다.한도 내에서, 코일 전체를 금형에 넣고, 그 주위에 수지를 고체 블록으로 주조하여 ^[50]권선을 캡슐화할 수 있습니다.

대형 오일이 채워진 동력 변압기는 절연지로 감긴 권선을 사용하는데, 이 권선은 변압기 조립 시 오일이 함침되어 있습니다.오일이 채워진 변압기는 매우 정제된 미네랄 오일을 사용하여 권선과 코어를 절연하고 냉각합니다.오일이 주입된 변압기를 시공하려면 오일을 주입하기 전에 권선을 덮고 있는 단열재를 잔여 수분으로 철저히 건조해야 합니다.건조는 코어 주위의 뜨거운 공기를 순환시키는 방법, 외부에서 가열된 변압기 오일을 순환시키는 방법, 또는 증발된 용매가 코일과 코어에 응축에 의해 열을 전달하는 VPD(vapor-phase drying)에 의해 이루어질 수 있습니다.소형 변압기의 경우 권선에 전류를 주입하여 저항 가열을 수행합니다.

부싱스

대형 변압기에는 폴리머나 자기로 만든 고압 절연 부싱이 제공됩니다.대형 부싱은 변압기에 오일이 ^[51]새지 않고 전기장 구배를 세심하게 제어해야 하기 때문에 복잡한 구조일 수 있습니다.

분류 파라미터

트랜스포머는 다음과 같은 여러 가지 방법으로 분류할 수 있습니다.

• 전력 등급:전압 암페어(VA)의 일부에서 1,000 MVA 이상까지.
• 변압기의 임무:연속적, 단시간적, 간헐적, 주기적, 다양함.
• 주파수 범위:전원-주파수, 오디오-주파수 또는 무선-주파수.
• 전압 클래스:수 볼트에서 수 백 킬로 볼트까지.
• 냉각 유형:건조 또는 액침식, 자체 냉각, 강제 공냉식, 강제 오일 냉각, 수냉식.
• 용도: 전원 공급, 임피던스 매칭, 출력 전압 및 전류 안정기, 펄스, 회로 절연, 전력 분배, 정류기, 아크로, 증폭기 출력 등.
• 기본 자성체 형태 : 코어 형태, 쉘 형태, 동심원, 샌드위치
• 상수-전위 변환기 설명자:스텝업, 스텝다운, 격리.
• 일반 권선 구성:IEC 벡터 그룹에 따라 위상 명칭 델타, 와이 또는 별, 지그재그의 2-권선 조합; 자동 변환기, Scott-T
• 정류기 위상 편이 권선 구성: 2-권선, 6-펄스; 3-권선, 12-펄스; ..., n-권선, [n - 1]·6-펄스; 다각형 등.

적용들

다양한 특정 전기 응용 설계에는 다양한 변압기 유형이 필요합니다.이들은 모두 기본적인 특성 변압기 원리를 공유하지만, 특정한 설치 요건이나 회로 조건에 따라 구조나 전기적 특성에 따라 맞춤형으로 제공됩니다.

전력전송에서 변압기는 고압으로 전력을 전송할 수 있도록 해 전선의 발열로 인한 손실을 줄여줍니다.이를 통해 발전소를 전기 ^[52]소비자와 거리를 두고 경제적으로 배치할 수 있습니다.전 ^[22]세계 전력의 극히 일부를 제외한 모든 전력이 소비자에게 도달할 때까지 일련의 변압기를 통과했습니다.

많은 전자 장치에서 변압기를 사용하여 배전 배선의 전압을 직접 전력선 주파수로 변환하거나 스위치 모드 전원 공급 장치를 통해 회로 요구 사항에 맞는 편리한 값으로 변환합니다.

신호 및 오디오 변압기는 증폭기의 단계들을 커플링하고 증폭기의 입력에 마이크로폰 및 녹음 플레이어와 같은 장치를 매칭하는 데 사용됩니다.오디오 변압기는 전화 회로가 한 쌍의 전선을 통해 양방향 대화를 진행할 수 있도록 했습니다.발룬 변압기는 접지에 참조되는 신호를 외부 케이블과 내부 회로 사이와 같이 접지에 대한 전압이 균형 잡힌 신호로 변환합니다.절연 변압기는 2차 회로로 전류가 새는 것을 방지하며 의료 장비 및 건설 현장에서 사용됩니다.공진형 변압기는 무선 수신기의 단간 결합이나 고압 테슬라 코일에 사용됩니다.

역사

유도의 발견

변압기 작동 원리인 전자기 유도는 1831년 마이클 패러데이와 ^{[54][55][56][57]}1832년 조셉 헨리에 의해 독립적으로 발견되었습니다.오직 패러데이만이 그의 실험을 더 진행시켜 현재 패러데이의 유도 법칙으로 알려진 기전력과 자속 사이의 관계를 설명하는 방정식을 계산했습니다.

${\displaystyle {\mathcal {E}} =\left {{\mathrm {d} \Phi _{\text{B}}} \over \mathrm {d} t}\right,}$

${\displaystyle 여기}$서 E $displaystyle${\$mathcal {E}}$는 전압 단위의 기전력 크기이고 Δ는_B ^[58]웨버 단위의 회로를 통과하는 자속입니다.

패러데이는 철 고리에 한 쌍의 코일을 감는 것을 포함한 와이어 코일 사이의 유도에 대한 초기 실험을 수행하여 최초의 토로이달 폐코어 ^[57][59]변압기를 만들었습니다.그러나 그는 변압기에 개별적인 전류 펄스를 인가했을 뿐, 권선의 회전비와 기전력 사이의 관계를 발견하지 못했습니다.

인덕션 코일

최초로 널리 사용되는 변압기는 Rev에 의해 발명된 인덕션 코일이었습니다.1836년 ^[57]아일랜드 메이노트 대학의 니콜라스 캘런.그는 1차 권선과 관련하여 2차 권선이 더 많은 회전을 가질수록 유도된 2차 EMF가 더 커질 것이라는 것을 깨달은 최초의 연구자 중 한 명이었습니다.유도 코일은 배터리로부터 더 높은 전압을 얻으려는 과학자들과 발명가들의 노력으로부터 진화했습니다.배터리는 교류(AC)가 아닌 직류(DC)를 생성하기 때문에 유도 코일은 1차에서 전류를 규칙적으로 차단하는 진동 전기 접점에 의존하여 유도에 필요한 플럭스 변화를 생성했습니다.1830년대와 1870년대 사이에, 대개 시행착오를 통해 더 나은 유도 코일을 만들기 위한 노력은 천천히 변압기의 기본 원리를 밝혀냈습니다.

첫 번째 교류 변압기

1870년대에는 교류(AC)를 생산하는 효율적인 발전기를 사용할 수 있게 되었고 교류(AC)는 인터럽터 없이 유도 코일에 직접 전력을 공급할 수 있게 되었습니다.

1876년, 러시아의 공학자 파벨 야블로코프는 AC 소스에 1차 권선이 연결된 유도 코일 세트를 기반으로 한 조명 시스템을 발명했습니다.2차 권선은 그가 직접 디자인한 여러 개의 '전동 초'(호등)에 연결될 수 있습니다.Yablochkov가 사용한 코일은 본질적으로 ^[60]변압기로서 기능했습니다.

1878년 헝가리 부다페스트의 Ganz 공장은 전기 조명을 위한 장비를 생산하기 시작했고, 1883년까지 오스트리아-헝가리에 50개 이상의 시스템을 설치했습니다.그들의 AC 시스템은 호와 백열등, 발전기, 그리고 다른 ^[57][61]장비들을 사용했습니다.

루시엔 골라드와 존 딕슨 깁스는 1882년 런던에서 '2차 발전기'라고 불리는 개방된 철심을 가진 장치를 처음 전시했고,^[29] 그 후 미국의 웨스팅하우스 회사에 그 아이디어를 팔았습니다.그들은 또한 1884년 이탈리아 토리노에서 그 발명품을 전시했고, 그곳에서 그것은 전기 조명 ^[62]시스템에 채택되었습니다.

초기 직렬 회로 변압기 분포

개방형 자기 회로가 있는 유도 코일은 부하에 전력을 전달하는 데 비효율적입니다.약 1880년까지 AC 전력 전송은 고전압 공급에서 저전압 부하로의 패러다임이 직렬 회로였습니다.1:1에 가까운 비율로 개방형 코어 트랜스포머를 1차측과 직렬로 연결하여 램프에 낮은 전압을 제공하면서도 높은 전압을 전달할 수 있도록 했습니다.이 방법의 본질적인 결함은 단일 램프(또는 다른 전기 장치)를 끄면 동일한 회로의 다른 모든 전원에 공급되는 전압에 영향을 미친다는 것입니다.코어를 조정하거나 코일의 일부 주변에서 자속을 우회하는 방법을 사용하는 등 직렬 회로의 이러한 문제적 특성을 보완하기 ^[62]위해 많은 조정 가능한 변압기 설계가 도입되었습니다.효율적이고 실용적인 변압기 설계는 1880년대까지 등장하지 않았지만, 10년 이내에 변압기는 전류의 전쟁에서 중요한 역할을 할 것이며, AC 배전 시스템이 DC의 상대를 이기는 것을 볼 때 그 이후로 ^[63]줄곧 우세한 위치를 유지해 왔습니다.

폐쇄형 코어 트랜스포머 및 병렬 전력 분배

1884년 가을, 카를리 지페르노우스키, 오타 블래시, 미크사 데리(ZBD)는 Ganz Works에 소속된 헝가리의 세 엔지니어들이 개방형 코어 장치가 안정적으로 ^[61]전압을 조절할 수 없으므로 실행할 수 없다고 판단했습니다.1885년 새로운 변압기(후에 ZBD 변압기라고 불림)에 대한 공동 특허 출원에서, 그들은 구리 권선이 철선 링 코어에 감겨지거나 철선 ^[62]코어로 둘러싸인 폐쇄 자기 회로를 가진 두 개의 디자인을 설명했습니다.이 두 가지 설계는 오늘날 "코어 형태" 또는 "쉘 형태"^[64]라고 불리는 두 가지 기본 변압기 구조를 일반적으로 사용하는 첫 번째 적용 사례였습니다.Ganz 공장은 또한 1884년 가을에 세계 최초의 고효율 교류 변압기 5대를 납품하였는데, 이 중 첫 번째는 ^[65]1884년 9월 16일에 선적되었습니다.이 첫 번째 장치는 1,400 W, 40 Hz, 120:72 V, 11.6:19.4 A, 비율 1.67:1, 단상, 쉘 ^[65]형태로 제조되었습니다.

두 설계 모두에서 1차 권선과 2차 권선을 연결하는 자속은 공기를 통과하는 의도적인 경로가 없이 거의 전적으로 철심의 범위 내에서 이동했습니다(아래 Toroidal 코어 참조).새로운 변압기는 Gaulard와 ^[66]Gibbs의 개방형 코어 바이폴라 장치보다 3.4배 더 효율적이었습니다.ZBD 특허에는 두 가지 주요 상호 관련 혁신이 포함되어 있었습니다. 하나는 직렬 연결 방식이 아닌 병렬 연결 방식의 활용 부하를 사용하는 것에 관한 것이었고, 다른 하나는 공급 네트워크 전압이 훨씬 더 높을 수 있도록 높은 턴 비율 변압기를 가질 수 있는 능력에 관한 것이었습니다(초기에는 1,400 대 2).활용 부하 전압(초기에 선호하는 ^[67][68]100V)보다 000V).폐쇄형 코어 트랜스포머는 병렬 연결 배전 시스템에 사용되어 마침내 가정, 기업 및 공공 공간에서 조명용 전력을 공급하는 것을 기술적 및 경제적으로 가능하게 했습니다.블래시는 닫힌 코어를 사용할 것을 제안했고, 지퍼노스키는 평행 션트 연결부를 사용할 것을 제안했으며, ^[69]데리는 실험을 수행했습니다. 1885년 초, 세 명의 엔지니어는 전자기 ^[70]코어의 적층을 발명함으로써 와전류 손실 문제를 제거했습니다.

오늘날 변압기는 세 명의 엔지니어가 발견한 원리에 따라 설계되었습니다.그들은 또한^{[71] [72][73]}'트랜스포머'라는 용어가 1882년에 이미 사용되었지만 전류의 기전력을 바꾸는 장치를 설명하기 위해 '트랜스포머'라는 단어를 대중화시켰습니다.1886년, ZBD 엔지니어들은 AC 발전기를 사용하여 병렬로 연결된 공통 전기 네트워크인 증기 동력 로마-체르치 ^[74]발전소에 전력을 공급하는 세계 최초의 발전소를 설계했습니다.

웨스팅하우스 개선사항

조지 웨스팅하우스가 1885년에 Gaulard와 Gibbs의 특허를 샀음에도 불구하고, Edison Electric Light Company는 ZBD 변압기에 대한 미국 권리에 대한 옵션을 보유하고 있었고, Westinghouse에게 같은 원칙에 대한 대체 설계를 추구하도록 요구했습니다.그는 윌리엄 스탠리에게 ^[75]미국에서 상업용 기기를 개발하는 일을 맡겼습니다.Stanley의 첫 번째 특허 디자인은 연철의 단일 코어와 조정 가능한 간격을 가진 유도 코일을 위한 것으로 2차 권선에 존재하는 기전력을 조절했습니다(이미지 참조).이 디자인은^[76] 1886년에^[77] 미국에서 처음으로 상업적으로 사용되었지만, Westinghouse는 스탠리 디자인을 (ZBD 타입과는 달리)^[76] 쉽고 저렴하게 생산하기 위해 개선하고자 했습니다.

Westinghouse, Stanley 및 관계자들은 곧 얇은 종이 또는 기타 절연 물질로 단열된 얇은 'E-자형' 철판 더미로 구성된 제조하기 쉬운 코어를 개발했습니다.그런 다음 미리 감긴 구리 코일을 제자리에 밀어 넣고 곧은 철판을 깔아 닫힌 자기 회로를 만들 수 있습니다.웨스팅하우스는 ^[69]1887년에 새로운 저가 디자인에 대한 특허를 얻었습니다.

기타 초기 변압기 설계

1889년,^[78] 러시아 태생의 엔지니어 미하일 돌리보 도브로볼스키는 독일의 알레마인 일렉트리체츠 게셀샤프트("General Electricitäts-Gesellschaft")에서 최초의 3상 변압기를 개발했습니다.

1891년, 니콜라 테슬라(Nikola Tesla)는 높은 ^[79]주파수에서 매우 높은 전압을 생산하기 위한 공기 코어와 이중 튜닝된 공진 변압기인 테슬라 코일(Tesla coil)을 발명했습니다.

오디오 주파수 변환기("반복 코일")는 초기 실험자들이 전화기 ^[80]개발에 사용했습니다.

참고 항목

메모들

참고문헌

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외부 링크

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