변압기 기본 사항
변압기는 변화하는 자기장을 통해 전기 에너지를 전달하는 데 사용되는 두 개 이상의 와이어 코일로 구성된 전기 장치입니다.
변압기 기본 사항에 대한 이 튜토리얼에서는 변압기에 내부 이동 부품이 없으며 전자기 유도에 의해 한 회로에서 다른 회로로 에너지를 전달하려면 전압 변화가 필요하기 때문에 일반적으로 사용된다는 점을 확인합니다.
가정과 직장에서 교류 AC 전압과 전류를 사용하는 주된 이유 중 하나는 AC 공급 장치를 편리한 전압으로 쉽게 생성하고 훨씬 더 높은 전압으로 변환(따라서 변압기라고 함)한 다음 다음을 사용하여 전국에 배포할 수 있다는 것입니다. 매우 먼 거리에 걸쳐 있는 철탑과 케이블로 구성된 국가 그리드입니다.
전압을 훨씬 더 높은 수준으로 변환하는 이유는 배전 전압이 높을수록 동일한 전력에 대해 전류가 낮아져 네트워크로 연결된 케이블 그리드를 따라 I 2 *R 손실이 낮아지기 때문입니다. 이렇게 높은 AC 전송 전압과 전류는 가정과 직장에서 전기 장비에 공급하는 데 사용할 수 있는 훨씬 더 낮고 안전하며 사용 가능한 전압 수준으로 줄일 수 있으며 이 모든 것은 전압 변압기의 변압기 기본 덕분에 가능합니다 . .
일반적인 전압 변압기
전압 변압기는 전자 부품이 아닌 전기 부품으로 생각할 수 있습니다. 변압기는 기본적으로 전기 에너지를 한 값에서 다른 값으로 변환하여 패러데이의 유도 법칙 원리에 따라 작동하는 매우 간단한 정적(또는 고정) 전자기 수동 전기 장치입니다.
변압기는 변압기 자체에서 생성되는 공통 진동 자기 회로를 사용하여 두 개 이상의 전기 회로를 함께 연결함으로써 이를 수행합니다. 변압기 기본은 상호 유도 형태의 "전자기 유도" 원리에 따라 작동합니다.
상호 유도는 와이어 코일이 자기적으로 근접한 다른 코일에 전압을 유도하는 과정입니다. 그런 다음 변압기는 "자기 영역"에서 작동한다고 말할 수 있으며 변압기는 하나의 전압 또는 전류 레벨을 다른 전압 또는 전류 레벨로 "변환"한다는 사실에서 이름을 얻습니다.
변압기는 주파수를 변경하지 않고 공급 장치의 전압 및 전류 레벨을 높이거나 낮출 수 있거나 자기 회로를 통해 한 권선에서 다른 권선으로 전송되는 전력량을 줄일 수 있습니다.
단상 변압기는 기본적으로 두 개의 전기 코일로 구성됩니다. 하나는 "1차 권선"이고 다른 하나는 "2차 권선"입니다. 이 튜토리얼에서는 변압기의 "1차" 측을 일반적으로 전력을 공급하는 측으로 정의하고 "2차" 측을 일반적으로 전력을 공급하는 측으로 정의합니다. 단상 변압기에서 1차측은 일반적으로 전압이 더 높은 쪽입니다.
이 두 코일은 서로 전기적으로 접촉하지 않고 대신 "코어"라고 불리는 공통의 폐쇄형 자기 철 회로 주위에 함께 감겨 있습니다. 이 연철 코어는 단단하지 않지만 코어의 자기 손실을 줄이기 위해 함께 연결된 개별 적층으로 구성됩니다.
1차 권선과 2차 권선은 서로 전기적으로 절연되어 있지만 공통 코어를 통해 자기적으로 연결되어 전력이 한 코일에서 다른 코일로 전달될 수 있습니다. 전류가 1차 권선을 통과하면 2차 권선에 전압을 유도하는 자기장이 발생하며 이 변압기의 기본 작동 원리는 아래와 같습니다.
단상 전압 변압기
즉, 변압기의 경우 두 개의 코일 권선 사이에 직접적인 전기 연결이 없으므로 절연 변압기 라는 이름도 부여됩니다 . 일반적으로 변압기의 1차 권선은 입력 전압 공급 장치에 연결되어 전력을 자기장으로 변환하거나 변환합니다. 2차 권선의 역할은 이 교류 자기장을 그림과 같이 필요한 출력 전압을 생성하는 전력으로 변환하는 것입니다.
변압기 구성(단상)
- 어디:
- V P – 1차 전압입니다.
- VS – 2차 전압입니다 .
- N P – 1차 권선 수
- N S – 2차 권선 수
- Φ (phi) – 플럭스 링키지
두 개의 코일 권선은 전기적으로 연결되지 않고 자기적으로만 연결됩니다. 단상 변압기는 1차 권선에 적용되는 전압을 높이거나 낮추도록 작동할 수 있습니다. 변압기가 1차 권선에 비해 2차 권선의 전압을 "증가"시키는 데 사용되는 경우 이를 승압 변압기 라고 합니다 . 1차 권선에 대한 2차 권선의 전압을 "감소"시키는 데 사용되는 경우 이를 강압 변압기 라고 합니다 .
그러나 변압기가 1차 권선에 적용되는 것과 동일한 전압을 2차 권선에 생성하는 세 번째 조건이 존재합니다. 즉, 전송되는 전압, 전류 및 전력과 관련하여 출력이 동일합니다. 이러한 유형의 변압기를 "임피던스 변압기"라고 하며 주로 임피던스 정합이나 인접한 전기 회로의 절연에 사용됩니다.
1차 권선과 2차 권선 사이의 전압 차이는 2차 권선의 코일 권선 수( N S )와 비교하여 1차 권선의 코일 권선 수(NP ) 를 변경함으로써 달성됩니다 .
변압기는 기본적으로 선형 장치이므로 이제 1차 코일의 감은 수를 2차 코일의 감은 수로 나눈 비율이 존재합니다. 변환 비율이라고 하는 이 비율은 일반적으로 변압기 "권선비"( TR )로 알려져 있습니다. 이 권선비 값은 변압기의 작동과 2차 권선에서 사용할 수 있는 해당 전압을 나타냅니다.
2차 권선에 비해 1차 권선의 와이어 권선 수 비율을 알아야 합니다. 단위가 없는 권선비는 두 개의 권선을 순서대로 비교하여 3:1 (3:1)과 같이 콜론으로 표기합니다.
이는 이 예에서 1차 권선에 3V가 있으면 2차 권선에 1V, 즉 3V 대 1V가 된다는 것을 의미합니다. 그러면 권선 수 사이의 비율이 변경되면 결과 전압도 동일한 비율로 변경되어야 한다는 것을 알 수 있으며 이는 사실입니다.
트랜스포머는 "비율"에 관한 것입니다. 1차와 2차의 비율, 입력과 출력의 비율, 주어진 변압기의 권선비는 전압비와 동일합니다. 즉, 변압기의 경우 "권선비 = 전압비"입니다. 권선의 실제 와이어 감은 수는 일반적으로 중요하지 않으며 단지 권선비만 중요하며 이 관계는 다음과 같습니다.
변압기 회전율
이상적인 변압기와 위상각을 가정하면: Φ P ל Φ S
변압기 권선비 값을 표현할 때 숫자의 순서는 매우 중요합니다. 권선비 3:1은 권선비가 1:3 으로 제공되는 것과 매우 다른 변압기 관계 및 출력 전압을 나타내기 때문 입니다.
변압기 기본 예 No1
전압 변압기에는 1차 코일에 1500회 감은 전선이 있고 2차 코일에 500회 감은 전선이 있습니다. 변압기의 권선비(TR)는 얼마입니까?
이 3:1 (3:1) 비율은 단순히 2차 권선 하나당 1차 권선이 3개 있다는 의미입니다. 비율이 왼쪽의 큰 숫자에서 오른쪽의 작은 숫자로 이동함에 따라 1차 전압의 값은 그림과 같이 낮아집니다.
변압기 기본 예 No2
위의 동일한 변압기의 1차 권선에 240V rms를 적용하면 결과적으로 2차 무부하 전압은 어떻게 될까요?
1차 전압이 240V이고 해당 2차 전압이 80V로 더 낮기 때문에 변압기가 "강압" 변압기임을 다시 확인합니다.
그런 다음 변압기의 주요 목적은 사전 설정된 비율로 전압을 변환하는 것이며 1차 권선에는 입력 전압에 맞게 설정된 양 또는 권선(와이어 코일) 수가 있음을 알 수 있습니다.
2차 출력 전압이 1차 권선의 입력 전압과 동일한 값이 되려면 1차 코어에 있는 것과 동일한 수의 코일 권선이 2차 코어에 권선되어 1:1 의 균일한 권선 비율을 제공해야 합니다. (1 대 1). 즉, 하나의 코일은 2차 코일을 켜고 하나의 코일은 1차 코일을 켭니다.
출력 2차 전압이 입력 전압보다 크거나 높아야 하는 경우(승압 변압기) 1:N (1:N)의 권선비를 제공하는 2차 권선에 더 많은 권선이 있어야 합니다. 여기서 N 은 회전비 번호. 마찬가지로, 2차 전압이 1차 전압보다 낮거나 작아야 하는 경우(강압 변압기) 2차 권선 수는 N:1 (N:1) 의 권선비를 제공하여 더 작아야 합니다. .
트랜스포머 액션
우리는 1차 권선과 비교하여 2차 권선의 코일 권선 수, 즉 권선비가 2차 코일에서 사용 가능한 전압의 양에 영향을 미친다는 것을 확인했습니다. 그러나 두 권선이 서로 전기적으로 절연되어 있으면 이 2차 전압은 어떻게 생성됩니까?
우리는 이전에 변압기가 기본적으로 공통 연철 코어에 감겨진 두 개의 코일로 구성되어 있다고 말했습니다. 1차 코일에 교류 전압( V P )이 가해지면 전류가 코일을 통해 흐르고 코일 주위에 자기장이 형성됩니다. 이 효과를 패러데이의 전자기 유도 법칙 에 따라 상호 인덕턴스 라고 합니다 .
전류 흐름이 0에서 dΦ/dt 로 제공되는 최대값까지 증가함에 따라 자기장의 강도가 높아집니다 .
이 전자석에 의해 설정된 자력선이 코일에서 바깥쪽으로 확장됨에 따라 연철 코어는 자속의 경로를 형성하고 집중합니다. 이 자속은 AC 전원의 영향으로 반대 방향으로 증가 및 감소함에 따라 두 권선의 회전을 연결합니다.
그러나 연철 코어에 유도되는 자기장의 강도는 전류량과 권선의 감은 수에 따라 달라집니다. 전류가 감소하면 자기장의 세기도 감소합니다.
자속선이 코어 주위로 흐르면 2차 권선의 회전을 통과하여 2차 코일에 전압이 유도됩니다. 유도된 전압의 양은 N*dΦ/dt (패러데이의 법칙) 에 의해 결정됩니다 . 여기서 N 은 코일 회전 수입니다. 또한 이 유도 전압은 1차 권선 전압과 동일한 주파수를 갖습니다.
그러면 동일한 자속이 두 권선의 권선을 함께 연결하기 때문에 두 권선의 각 코일 권선에 동일한 전압이 유도되는 것을 볼 수 있습니다. 결과적으로, 각 권선의 총 유도 전압은 해당 권선의 감은 수에 정비례합니다. 그러나 코어의 자기 손실이 높으면 2차 권선에서 사용할 수 있는 출력 전압의 피크 진폭이 감소합니다.
코어 자기 손실을 극복하기 위해 1차 코일이 더 강한 자기장을 생성하도록 하려면 코일을 통해 더 큰 전류를 보내거나 동일한 전류 흐름을 유지하고 대신 코일 회전 수( NP ) 를 늘릴 수 있습니다. 권선. 암페어에 회전수를 곱한 값을 "암페어 회전수"라고 하며, 이는 코일의 자화력을 결정합니다.
따라서 1차측에 1회전, 2차측에 1회전만 있는 변압기가 있다고 가정합니다. 손실이 없다고 가정할 때 1차 코일 1회전에 1V를 인가하면 충분한 전류가 흐르고 2차 코일 1회전에 1V를 유도할 만큼 충분한 자속이 생성되어야 합니다. 즉, 각 권선은 회전당 동일한 수의 볼트를 지원합니다.
자속이 정현파로 변하기 때문에( Φ = Φ max sinΩt ) , N 턴 의 코일 권선에서 유도된 EMF( E ) 사이의 기본 관계는 다음 과 같이 제공됩니다.
emf = 회전 x 변화율
- 어디:
- θ – 헤르츠 단위의 자속 주파수, = Ω/2π
- Ν - 코일 권선 수입니다.
- Φ – 웨버의 플럭스 양입니다.
이는 변압기 EMF 방정식 으로 알려져 있습니다 . 1차 권선 기전력의 경우 N 은 1차 권선 수( N P )이고 2차 권선 기전력의 경우 N 은 2차 권선 수( N S )입니다.
또한 변압기가 올바르게 작동하려면 교류 자속이 필요하므로 변압기를 사용하여 DC 전압이나 전류를 변환하거나 공급할 수 없습니다. 2차 권선에 전압을 유도하려면 자기장이 변경되어야 하기 때문입니다. 즉, 변압기는 정상 상태 DC 전압에서 작동하지 않고 교류 또는 맥동 전압에서만 작동합니다.
변압기의 1차 권선이 DC 공급 장치에 연결된 경우 DC에는 주파수가 없으므로 권선의 유도 리액턴스는 0이 됩니다. 따라서 권선의 유효 임피던스는 매우 낮고 사용된 구리의 저항과 동일합니다. 따라서 권선은 DC 전원에서 매우 높은 전류를 끌어와 과열을 일으키고 결국에는 I = V/R 이기 때문에 소손됩니다 .
변압기 기본 예 No3
단상 변압기는 1차 권선에 480개의 권선이 있고 2차 권선에 90개의 권선이 있습니다. 변압기 1차 권선에 2200V, 50Hz를 가했을 때 자속밀도의 최대값은 1.1T이다. 계산하다:
ㅏ). 코어의 최대 플럭스.
비). 코어의 단면적.
씨). 2차 유도 EMF.
2차 전압 정격은 2차 유도 EMF와 동일하므로 권선비에서 2차 전압을 계산하는 또 다른 더 쉬운 방법은 다음과 같습니다.
변압기의 전력
변압기 기본 매개변수 중 또 다른 하나는 전력 등급입니다. 변압기의 정격 전력은 전류에 전압을 곱하여 볼트 암페어 ( VA ) 단위의 정격을 얻음으로써 얻을 수 있습니다. 소형 단상 변압기는 볼트 암페어로만 등급이 지정될 수 있지만 훨씬 더 큰 전력 변압기는 킬로 볼트 암페어 ( kVA ) 단위로 등급이 지정됩니다. 여기서 1킬로 볼트 암페어는 1,000볼트 암페어와 같고 메가 볼트 단위는 -amperes , ( MVA ) 여기서 1메가볼트암페어는 100만볼트암페어와 같습니다.
손실을 무시한 이상적인 변압기에서 2차 권선에서 사용 가능한 전력은 1차 권선의 전력과 동일하며 일정한 와트수 장치이며 전압 대 전류 비율에 대해서만 전력을 변경하지 않습니다. 따라서 이상적인 변압기에서 전력 비율은 전압, V 에 전류를 곱한 값인 1(1)과 동일하며 I는 일정하게 유지됩니다.
즉, 1차측의 한 전압/전류 레벨의 전력이 2차측의 동일한 주파수, 동일한 전압/전류 레벨의 전력으로 "변환"됩니다. 변압기는 전압을 승압(또는 강압)할 수 있지만 전력을 승압할 수는 없습니다. 따라서 변압기가 전압을 높이면 전류가 낮아지고 그 반대도 마찬가지이므로 출력 전력은 항상 입력 전력과 동일한 값을 유지합니다. 그러면 1차 전력은 2차 전력과 같다고 말할 수 있습니다( P P = P S ).
변압기의 전원
여기서: Φ P 는 1차 위상각이고 Φ S 는 2차 위상각입니다.
전력 손실은 전송되는 전류의 제곱, 즉 I 2 R 에 비례 하므로 전압이 증가하므로 전압을 두 배로 늘리면( ×2 ) 동일한 양( ¼2 )만큼 전류가 감소합니다. 동일한 양의 전력을 부하에 전달하여 손실을 4배로 줄입니다. 전압이 10배 증가하면 전류는 동일한 비율로 감소하여 전체 손실을 100배로 줄입니다.
변압기 기본 – 효율성
변압기는 에너지를 전달하기 위해 움직이는 부품이 필요하지 않습니다. 이는 다른 전기 기계와 관련된 마찰이나 바람 손실이 없음을 의미합니다. 그러나 변압기에는 "구리 손실" 및 "철 손실"이라고 하는 다른 유형의 손실이 있지만 일반적으로 이러한 손실은 매우 작습니다.
I 2 R 손실 로도 알려진 구리 손실은 변압기 구리 권선 주변의 전류 순환으로 인해 열로 손실되는 전력이므로 이름이 붙여졌습니다. 구리 손실은 변압기 작동 시 가장 큰 손실을 나타냅니다. 손실된 전력의 실제 와트(W)는 각 권선에서 암페어를 제곱하고 권선의 저항(옴)( I 2 R )을 곱하여 결정할 수 있습니다.
히스테리시스라고도 알려진 철 손실은 교번 자속에 반응하여 코어 내 자성 분자가 지연되는 현상입니다. 이러한 지연(또는 위상차) 상태는 자성 분자를 반전시키는 데 전력이 필요하기 때문입니다. 플럭스가 역전시킬 만큼 충분한 힘을 얻을 때까지 역전되지 않습니다.
반전으로 인해 마찰이 발생하고 마찰은 전력 손실의 한 형태인 코어에 열을 생성합니다. 특수강 합금으로 코어를 제작하면 변압기 내부의 히스테리시스를 줄일 수 있습니다.
변압기의 전력 손실 강도에 따라 효율이 결정됩니다. 변압기의 효율은 1차(입력) 권선과 2차(출력) 권선 사이의 전력(와트) 손실에 반영됩니다. 그러면 변압기의 최종 효율은 1차 권선의 전력 입력 P P 에 대한 2차 권선 의 전력 출력 P S 의 비율과 같으 므로 높습니다.
이상적인 변압기는 100% 효율을 가지며 1차 측에서 받는 모든 전기 에너지를 2차 측으로 전달합니다. 그러나 실제 변압기는 100% 효율적이지 않습니다. 최대 부하 용량에서 작동할 때 최대 효율은 94%~96%에 가까우며, 이는 여전히 전기 장치에 상당히 좋습니다. 일정한 AC 전압과 주파수에서 작동하는 변압기의 경우 효율은 98%까지 높을 수 있습니다. 변압기의 효율 θ는 다음과 같이 주어진다.
변압기 효율
여기서: 입력, 출력 및 손실은 모두 전력 단위로 표시됩니다.
일반적으로 변압기를 다룰 때 1차 와트를 2차 와트와 구별하기 위해 "볼트암페어"( VA) 라고 합니다. 그러면 위의 효율성 방정식은 다음과 같이 수정될 수 있습니다.
변압기 기본 사항을 배울 때 그림을 사용하여 변압기 입력, 출력 및 효율 간의 관계를 기억하는 것이 더 쉬운 경우가 있습니다. 여기서는 VA , W 및 eta 의 세 가지 양이 삼각형으로 겹쳐져 상단에 전력(와트), 하단에 볼트 암페어 및 효율을 제공합니다. 이 배열은 효율성 공식에서 각 수량의 실제 위치를 나타냅니다.
변압기 효율 삼각형
위의 삼각형 수량을 전치하면 동일한 방정식의 다음 조합이 제공됩니다.
그런 다음 와트 (출력) = VA x eff 를 구합니다 . , 또는 VA (입력) = W/eff 를 구합니다 . , 또는 효율성을 찾으려면 eff. = W/VA 등
변압기 기본 사항 요약
그런 다음 이 변환기 기본 튜토리얼을 요약합니다. 변압기 는 자기장을 사용하여 입력 권선의 전압 레벨(또는 전류 레벨)을 출력 권선의 다른 값으로 변경합니다. 변압기는 전기적으로 절연된 두 개의 코일로 구성되며 패러데이의 "상호 유도" 원리로 작동합니다. 여기서 EMF는 1차 코일 권선에 흐르는 전압과 전류에 의해 생성된 자속에 의해 변압기의 2차 코일에 유도됩니다.
1차 코일 권선과 2차 코일 권선 모두 개별 적층으로 만들어진 공통 연철 코어를 감싸서 와전류와 전력 손실을 줄입니다. 변압기의 1차 권선은 본질적으로 정현파인 AC 전원에 연결되는 반면, 2차 권선은 부하에 전력을 공급합니다. 그렇긴 하지만, 전압 및 전류 정격이 관찰된다면 2차 권선에 공급 장치를 연결하여 변압기를 역방향으로 사용할 수 있습니다.
이 변환기 기본 사항을 다음과 같이 블록 다이어그램 형식으로 표현할 수 있습니다.
변압기의 기본 표현
변압기의 1차 권선과 2차 권선의 비율은 1차 권선 수와 2차 권선 수의 비율을 "권선비"라고 하는 승압 변압기 또는 강압 변압기를 생성합니다. "또는 "변압기 비율".
이 비율이 1보다 작으면( n < 1 ) NS 는 N P 보다 크고 변압기는 승압 변압기로 분류됩니다. 이 비율이 1보다 크면( n > 1) , 즉 N P가 N S 보다 크면 변압기는 강압 변압기로 분류됩니다. 단상 강압 변압기는 연결을 바꾸고 저전압 권선을 1차 권선으로 만들기만 하면 승압 변압기로도 사용할 수 있으며, 변압기가 원래 VA 설계 정격 내에서 작동하는 한 그 반대의 경우도 마찬가지입니다.
권선비가 1과 같으면, 즉 n = 1 이면 1차 권선과 2차 권선 모두 동일한 코일 권선 수를 가지므로 1차 권선과 2차 권선 모두에 대한 전압과 전류가 동일합니다.
이러한 유형의 1:1 변압기는 변압기의 1차 권선과 2차 권선이 모두 회전당 동일한 볼트 수를 갖기 때문에 절연 변압기로 분류됩니다. 변압기의 효율은 변압기가 부하에 전달하는 전력과 공급 장치에서 흡수하는 전력의 비율입니다. 이상적인 변압기에는 손실이 없으므로 전력 손실도 없으므로 P IN = P OUT 입니다.
Transformer Basics 와 관련된 다음 튜토리얼에서는 Transformer의 물리적 구성을 살펴보고 1차 및 2차 권선을 지원하는 데 사용되는 다양한 자기 코어 유형과 적층을 살펴보겠습니다.