변압기 건설
간단한 2권선 변압기 구조는 필요한 자기 회로를 제공하는 별도의 연철 림 또는 코어에 각 권선이 감겨 있는 구성입니다.
변압기 구조는 자기장이 흐르는 경로를 제공하도록 설계된 "변압기 코어"로 더 일반적으로 알려진 자기 회로를 제공합니다. 이 자기 경로는 두 개의 입력 권선과 출력 권선 사이에 전압을 유도하는 데 필요합니다.
그러나 두 개의 권선이 별도의 가지에 감겨 있는 이러한 유형의 변압기 구성은 1차 권선과 2차 권선이 서로 잘 분리되어 있기 때문에 그다지 효율적이지 않습니다. 이로 인해 두 권선 사이의 자기 결합이 낮아지고 변압기 자체에서 많은 양의 자속 누출이 발생합니다. 그러나 이 "O" 모양 구조 외에도 더 작고 컴팩트한 변압기를 생산하는 이러한 비효율성을 극복하는 데 사용되는 다양한 유형의 "변압기 구조"와 설계가 있습니다.
두 개의 권선을 서로 밀접하게 접촉시켜 자기 결합을 개선함으로써 간단한 변압기 구성의 효율성을 향상시킬 수 있습니다. 코일 주변의 자기 회로를 늘리고 집중시키면 두 권선 사이의 자기 결합이 향상될 수 있지만 변압기 코어의 자기 손실도 증가하는 효과가 있습니다.
코어는 자기장에 대한 낮은 자기저항 경로를 제공할 뿐만 아니라 철심 자체 내에서 전류 순환을 방지하도록 설계되었습니다. "와전류"라고 불리는 순환 전류는 코어 내에서 가열 및 에너지 손실을 유발하여 변압기의 효율을 감소시킵니다.
이러한 손실은 주로 외부 정현파 공급 전압에 의해 설정된 교류 자기장에 지속적으로 노출되는 철 회로에 유도된 전압으로 인해 발생합니다. 이러한 원치 않는 전력 손실을 줄이는 한 가지 방법은 얇은 강철 적층으로 변압기 코어를 구성하는 것입니다.
대부분의 변압기 구성 유형에서 중앙 철심은 일반적으로 얇은 실리콘 강철 적층으로 만들어진 고투과성 재료로 구성됩니다. 이러한 얇은 라미네이션은 최소의 자기 손실로 필요한 자기 경로를 제공하기 위해 함께 조립됩니다. 강판 자체의 저항률이 높기 때문에 적층판을 매우 얇게 만들어 와전류 손실을 줄입니다.
이러한 강철 변압기 적층판은 두께가 0.25mm에서 0.5mm 사이로 다양하며 강철은 도체이므로 적층판과 고정 스터드, 리벳 또는 볼트는 매우 얇은 절연 바니시 코팅이나 다음을 사용하여 서로 전기적으로 절연됩니다. 표면에 산화물 층이 있습니다.
코어의 변압기 구성
일반적으로 변압기 구성과 관련된 이름은 중앙 적층 강철 코어 주위에 1차 권선과 2차 권선이 감겨 있는 방식에 따라 달라집니다. 변압기 구성의 가장 일반적이고 기본적인 두 가지 설계는 폐쇄 코어 변압기 와 쉘 코어 변압기 입니다 .
"폐쇄 코어" 유형(코어 형태) 변압기에서는 1차 권선과 2차 권선이 외부에 감겨져 코어 링을 둘러쌉니다. "쉘형"(쉘 형태) 변압기에서 1차 권선과 2차 권선은 아래 그림과 같이 권선 주위에 쉘을 형성하는 강철 자기 회로(코어) 내부를 통과합니다.
변압기 코어 건설
두 가지 유형의 변압기 코어 설계에서 1차 권선과 2차 권선을 연결하는 자속은 공기를 통한 자속 손실 없이 코어 내에서 완전히 이동합니다. 코어형 변압기 구조에서는 권선의 절반이 위에 표시된 대로 변압기 자기 회로의 각 다리(또는 가지)를 감싸고 있습니다.
코일은 한쪽 레그에 1차 권선이 있고 다른 레그에 2차 권선이 배열되어 있지 않지만 대신에 1차 권선의 절반과 2차 권선의 절반이 각 레그에 동심원으로 서로 겹쳐 배치되어 실질적으로 모든 것을 허용하는 자기 결합을 증가시킵니다. 자력선은 1차 권선과 2차 권선을 동시에 통과합니다. 그러나 이러한 유형의 변압기 구성에서는 작은 비율의 자력선이 코어 외부로 흐르며 이를 "누설 자속"이라고 합니다.
쉘형 변압기 코어는 1차 권선과 2차 권선이 두 바깥쪽 가지의 단면적의 두 배인 동일한 중앙 다리 또는 가지에 감겨 있기 때문에 이러한 누설 자속을 극복합니다. 여기서의 장점은 자속이 중앙 코일로 다시 돌아오기 전에 왼쪽과 오른쪽 양쪽에 있는 코일 외부 주위로 흐르는 두 개의 폐쇄 자기 경로를 가지고 있다는 것입니다.
이는 이러한 유형의 변압기 구조의 바깥쪽 가장자리 주위를 순환하는 자속이 Φ/2 와 동일하다는 것을 의미합니다 . 자속은 코일 주위에 폐쇄 경로를 가지므로 코어 손실을 줄이고 전체 효율을 높이는 이점이 있습니다.
변압기 적층
그러나 이러한 유형의 변압기 구조에서 적층 철 또는 강철 코어 주위에 1차 권선과 2차 권선이 어떻게 감겨져 있는지 궁금할 것입니다. 코일은 먼저 적층형 코어의 구성에 맞게 원통형, 직사각형 또는 타원형 단면을 갖는 포머에 감겨 있습니다. 쉘형 및 코어형 변압기 구성 모두에서 코일 권선을 장착하기 위해 개별 라미네이션을 더 큰 강판에서 스탬핑하거나 펀칭하여 "E" , "L", "L" 문자와 유사한 얇은 강철 스트립으로 형성합니다 . "U" 와 "I"는 아래와 같습니다.
변압기 코어 유형
이러한 적층 스탬핑은 서로 연결될 때 필요한 코어 모양을 형성합니다. 예를 들어, 두 개의 "E" 스탬핑과 두 개의 엔드 클로징 "I" 스탬핑을 사용하여 표준 쉘형 변압기 코어의 한 요소를 구성하는 EI 코어를 제공합니다 . 이러한 개별 라미네이션은 높은 포화 자속 밀도를 생성하는 접합부에서 에어 갭의 저항을 줄이기 위해 제작 중에 함께 단단히 맞물려 있습니다.
변압기 코어 적층은 일반적으로 올바른 코어 두께를 구성하기 위해 더 많은 적층 쌍이 추가되는 중첩 조인트를 생성하기 위해 서로 번갈아 쌓입니다. 이러한 라미네이션의 교대 적층은 또한 변압기에 자속 누출 및 철 손실 감소의 이점을 제공합니다. EI 코어 적층 변압기 구조는 자동 변압기뿐만 아니라 절연 변압기, 승압 및 강압 변압기에 주로 사용됩니다.
변압기 권선 배열
변압기 권선은 코어의 적층 부분 주위에 감겨 있는 주요 전류 운반 도체이기 때문에 변압기 구조의 또 다른 중요한 부분을 형성합니다. 단상 2권선 변압기에는 그림과 같이 2개의 권선이 존재합니다. 전압원에 연결되어 자속을 생성하는 권선을 1차 권선이라고 하고, 두 번째 권선을 2차 권선이라고 하며 상호 유도에 의해 전압이 유도됩니다.
2차 출력 전압이 1차 입력 전압보다 낮은 경우 변압기를 "강압 변압기"라고 합니다. 2차 출력 전압이 1차 입력 전압보다 큰 경우 이를 "승압 변압기"라고 합니다.
코어형 구조
변압기 권선에서 전류를 전달하는 주 도체로 사용되는 와이어 유형은 구리 또는 알루미늄입니다. 알루미늄 와이어는 더 가볍고 일반적으로 구리 와이어보다 저렴하지만, 구리와 동일한 양의 전류를 전달하려면 더 큰 도체 단면적을 사용해야 하므로 주로 더 큰 전력 변압기 응용 분야에 사용됩니다.
저전압 전기 및 전자 회로에 사용되는 소형 kVA 전력 및 전압 변압기는 동등한 알루미늄 유형보다 기계적 강도가 더 높고 도체 크기가 작기 때문에 구리 도체를 사용하는 경향이 있습니다. 단점은 코어가 완성되면 이러한 변압기가 훨씬 무거워질 수 있다는 것입니다.
변압기 권선 및 코일은 크게 동심 코일과 샌드위치 코일로 분류할 수 있습니다. 코어형 변압기 구성에서 권선은 일반적으로 위에 표시된 것처럼 코어 림 주위에 동심원으로 배열되며 더 높은 전압의 1차 권선이 더 낮은 전압의 2차 권선 위에 감겨 있습니다.
샌드위치 코일 또는 "팬케이크" 코일은 나선형으로 감긴 평면 도체로 구성되며 디스크에 도체가 배열되어 있기 때문에 붙여진 이름입니다. 대체 디스크는 개별 코일이 함께 쌓이고 플라스틱 시트와 같은 종이와 같은 절연 재료로 분리되어 인터리브 배열로 외부에서 중앙을 향해 나선형으로 만들어집니다. 샌드위치 코일 및 권선은 쉘 유형 코어 구성에서 더 일반적입니다.
스크류 권선으로도 알려진 나선형 권선은 저전압 고전류 변압기 응용 분야에 사용되는 또 다른 매우 일반적인 원통형 코일 배열입니다. 권선은 실린더의 길이를 따라 연속적으로 평행하게 감겨진 절연 연선과 함께 측면에 감긴 큰 단면의 직사각형 도체로 구성되며, 평행 연선 사이의 순환 전류를 최소화하기 위해 인접한 회전 또는 디스크 사이에 적절한 스페이서가 삽입됩니다. 코일은 코르크 따개와 유사한 나선 형태로 바깥쪽으로 진행됩니다.
변압기 코어
변압기에서 도체가 서로 단락되는 것을 방지하기 위해 사용되는 절연체는 일반적으로 공냉식 변압기의 얇은 바니시 또는 에나멜 층입니다. 이 얇은 바니시 또는 에나멜 페인트는 와이어가 코어 주위에 감겨지기 전에 와이어 위에 칠해집니다.
대형 전력 및 배전형 변압기의 경우 도체는 기름이 함침된 종이나 천을 사용하여 서로 절연됩니다. 전체 코어와 권선은 변압기 오일이 들어 있는 보호 탱크에 담겨 밀봉됩니다. 변압기 오일은 절연체 역할과 냉각수 역할을 합니다.
변압기 도트 방향
단순히 적층된 코어를 가져와 그 주위에 코일 구성 중 하나를 감쌀 수는 없습니다. 그럴 수도 있지만 2차 전압과 전류가 1차 전압과 전류의 위상과 위상이 다를 수 있다는 것을 알 수 있습니다. 두 개의 코일 권선은 다른 하나에 대해 서로 다른 방향을 가지고 있습니다. 코일은 시계 방향이나 시계 반대 방향으로 코어 주위에 감길 수 있으므로 상대 방향을 추적하기 위해 "점"을 사용하여 각 권선의 특정 끝을 식별합니다.
변압기의 방향이나 권선 방향을 식별하는 이 방법을 "도트 규칙"이라고 합니다. 그런 다음 변압기의 권선을 권선하여 권선 전압 사이에 올바른 위상 관계가 존재하도록 권선합니다. 변압기의 극성은 아래와 같이 1차 전압에 대한 2차 전압의 상대 극성으로 정의됩니다.
도트 방향을 사용한 변압기 구성
첫 번째 변압기는 두 개의 권선에 나란히 두 개의 "점"을 표시합니다. 2차 도트에서 나가는 전류는 1차 측면 도트로 들어가는 전류와 "동위상"입니다. 따라서 점선 끝의 전압 극성도 동상이므로 1차 코일의 점선 끝에서 전압이 양수일 때 2차 코일 양단의 전압도 점선 끝에서 양수입니다.
두 번째 변압기는 권선의 반대쪽 끝에 두 개의 점을 표시합니다. 이는 변압기의 1차 코일 권선과 2차 코일 권선이 반대 방향으로 감겨 있음을 의미합니다. 그 결과 2차 도트에서 나가는 전류는 1차 도트에 들어가는 전류와 180 도 "역위상"이 됩니다. 따라서 점선 끝의 전압 극성도 위상이 다르므로 1차 코일의 점선 끝에서 전압이 양수일 때 해당 2차 코일 양단의 전압은 음수가 됩니다.
그런 다음 변압기의 구성은 2차 전압이 1차 전압에 대해 "동위상" 또는 "역위상"이 될 수 있도록 구성될 수 있습니다. 서로 전기적으로 절연된 다양한 2차 권선이 있는 변압기에서는 직렬 보조(2차 전압 합산) 또는 직렬 반대 방식으로 서로 연결될 수 있도록 각 2차 권선의 도트 극성을 아는 것이 중요합니다. (2차 전압은 차이임) 구성.
변압기의 권선비를 조정하는 기능은 1차 공급 전압의 변화, 변압기의 조정 또는 다양한 부하 조건의 영향을 보상하기 위해 종종 바람직합니다. 변압기의 전압 제어는 일반적으로 권선비를 변경하여 수행되므로 전압비에 따라 고전압 측의 1차 권선 일부가 탭 아웃되어 쉽게 조정할 수 있습니다. 턴당 볼트가 저전압 2차 측보다 낮기 때문에 태핑은 고전압 측에서 선호됩니다.
변압기 기본 탭 변경
이 간단한 예에서는 ±5%의 공급 전압 변화에 대해 1차 탭 변화가 계산되지만 임의의 값을 선택할 수 있습니다. 일부 변압기에는 단일 코어에서 서로 다른 전압을 제공하는 다양한 응용 분야에 사용하기 위한 두 개 이상의 1차 권선 또는 두 개 이상의 2차 권선이 있을 수 있습니다.
변압기 구성 – 코어 손실
철이나 강철이 자속을 운반하는 능력은 공기 중에서보다 훨씬 크며, 자속을 흐르게 하는 이러한 능력을 투자율 이라고 합니다 . 대부분의 변압기 코어는 공기의 투자율이 1.0인 데 비해 1500 정도의 투자율을 가질 수 있는 저탄소강으로 구성됩니다.
이는 강철 적층 코어가 공기보다 1500배 더 나은 자속을 전달할 수 있음을 의미합니다. 그러나 변압기의 철심에 자속이 흐르면 철 내부에는 두 가지 유형의 손실이 발생합니다. 하나는 "와류 손실"이라 하고 다른 하나는 "히스테리시스 손실"이라고 합니다.
히스테리시스 손실
변압기 히스테리시스 손실은 코어를 자화하는 데 필요한 자력선의 흐름에 대한 분자의 마찰로 인해 발생합니다. 이 자력선은 정현파의 영향으로 처음에는 한 방향으로, 그 다음에는 다른 방향으로 값과 방향이 지속적으로 변합니다. 전원 전압.
이러한 분자 마찰로 인해 열이 발생하게 되며 이는 변압기에 대한 에너지 손실을 나타냅니다. 과도한 열 손실은 권선 및 구조물 제조에 사용되는 절연 재료의 수명을 초과 근무로 단축시킬 수 있습니다. 그러므로 변압기의 냉각이 중요하다.
또한 변압기는 특정 공급 주파수에서 작동하도록 설계되었습니다. 공급 주파수를 낮추면 히스테리시스가 증가하고 철심 온도가 높아집니다. 따라서 공급 주파수를 60Hz에서 50Hz로 줄이면 존재하는 히스테리시스의 양이 증가하고 변압기의 VA 용량이 감소합니다.
와전류 손실
반면에 변압기 와전류 손실은 코어 주위의 자속 흐름으로 인해 강철로 유도되는 순환 전류의 흐름으로 인해 발생합니다. 이러한 순환 전류는 자속으로 인해 코어가 단일 와이어 루프처럼 작동하기 때문에 생성됩니다. 철심은 좋은 도체이기 때문에 단단한 철심에 의해 유도되는 와전류는 클 것입니다.
와전류는 변압기의 유용성에 아무런 기여를 하지 않지만 대신 코어 내에서 저항 가열 및 전력 손실을 생성하는 음의 힘처럼 작용하여 유도 전류의 흐름에 반대합니다.
철심 적층
변압기 코어 내의 와전류 손실은 완전히 제거할 수는 없지만 강철 코어의 두께를 줄임으로써 크게 줄이고 제어할 수 있습니다. 변압기나 코일의 자기 코어 재료로 하나의 큰 단단한 철심을 사용하는 대신 자기 경로가 "라미네이션"이라고 불리는 여러 개의 얇고 압축된 강철 모양으로 분할됩니다.
변압기 구성에 사용되는 적층은 위에서 본 것처럼 단단하지만 적층된 코어를 생성하기 위해 서로 결합된 매우 얇은 절연 금속 스트립입니다. 이러한 라미네이션은 바니시 또는 종이 코팅으로 서로 절연되어 코어의 유효 저항을 증가시켜 전체 저항을 증가시켜 와전류의 흐름을 제한합니다.
이러한 모든 절연의 결과로 코어에서 원치 않는 유도 와전류 전력 손실이 크게 감소하며, 이러한 이유로 모든 변압기 및 기타 전자기 기계의 자기 철 회로가 모두 적층됩니다. 변압기 구성에 적층을 사용하면 와전류 손실이 줄어듭니다.
변압기 건설 - 구리 손실
자기 경로의 히스테리시스와 와전류로 인해 열로 나타나는 에너지 손실을 일반적으로 "변압기 코어 손실"이라고 합니다. 이러한 손실은 교류 자기장의 결과로 모든 자성 재료에서 발생하기 때문입니다. 변압기 코어 손실은 2차 권선에 연결된 부하가 없더라도 1차 권선에 전원이 공급될 때마다 변압기에 항상 존재합니다. 또한 히스테리시스와 와전류 손실의 조합을 일반적으로 "변압기 철 손실"이라고 합니다. 이러한 손실을 유발하는 자속은 모든 부하에서 일정하기 때문입니다.
구리 손실
그러나 "구리 손실"이라고 불리는 변압기와 관련된 또 다른 유형의 에너지 손실도 있습니다. 변압기 구리 손실은 주로 1차 권선과 2차 권선의 전기 저항으로 인해 발생합니다. 대부분의 변압기 코일은 옴( Ω ) 단위의 저항 값을 갖는 구리선을 사용하여 감겨 있으며, 옴스 법칙에서 알 수 있듯이 구리선의 저항은 이를 통해 흐르는 자화 전류에 반대됩니다.
변압기의 2차 권선에 전기 부하가 연결되면 1차 권선과 2차 권선 모두에 큰 전류가 흐르기 시작하고, 전기 에너지 및 전력(I 2 R ) 손실이 열로 발생합니다. 일반적으로 구리 손실은 부하 전류에 따라 달라지며 무부하에서는 거의 0이고 전류 흐름이 최대일 때 전체 부하에서는 최대입니다.
이러한 코어 및 구리 손실을 줄이기 위해 더 나은 설계 및 구성을 통해 변압기의 VA(볼트 암페어) 정격을 높일 수 있습니다. 전압 및 전류 정격이 높은 변압기에는 구리 손실을 최소화하는 데 도움이 되는 큰 단면적의 도체가 필요합니다. 강제 공기 또는 오일을 사용하여 열 방출 속도(더 나은 냉각)를 높이거나 더 높은 온도를 견딜 수 있도록 절연을 개선하여 변압기의 VA 등급을 높입니다.
그런 다음 이상적인 변압기를 다음과 같이 정의할 수 있습니다.
- 히스테리시스 루프 또는 히스테리시스 손실 없음 → 0
- 와전류 손실이 0인 코어 소재의 무한 저항 → 0
- 권선 저항이 0이므로 I 2 *R 구리 손실이 0 → 0
변압기에 대한 다음 튜토리얼에서는 전기 부하와 관련하여 2차 권선의 변압기 부하를 살펴보고 "무부하" 및 "ON-부하" 연결된 변압기가 1차 권선 전류에 미치는 영향을 살펴보겠습니다.