이전에 변압기의 이론적 기초를 검토했으므로, 이번 회에서는 실제적인 수준에서의 설계와 관련된 주제를 심도 있게 살펴볼 것입니다. 이는 물리적, 전기적, 자기적 수준에서 많은 방정식을 전제로 하며, 전력 손실이 적은 효율적인 변압기를 만드는 것은 진정한 예술 형태입니다.
소개
이전 문서에서 변압기는 에나멜 구리선의 권선으로 구성되고 교류 전압(1차)으로 구동되는 정적 전기 기계, 에나멜 구리선의 권선에 전압이 걸리는(2차) 기계, 그리고 겹쳐진 적층판과 양호한 자속 도체로 구성된 강자성 재료의 코어(코어)로 구성되며, 그림 1에서 볼 수 있듯이 움직이는 요소가 없는 기계로 정의되었습니다. 변압기의 작동 원리는 두 개 이상의 상호 결합된 회로 간의 전자기 유도에 기초합니다.
주요 기능은 출력 전압과 전류 값을 수정하여 전기 전력을 교류 전류로 변환하는 것입니다. 작동은 가역적이므로 1차와 2차가 반전되어 작동 방식이 반전될 때도 마찬가지로 잘 작동합니다. 1차에 사인파 교류 전압이 가해지면 자기 유도에 의해 코어에 사인파 자속이 생성됩니다. 변압기는 직류 전원으로는 작동할 수 없고 교류로만 작동할 수 있습니다. 본질적으로 이 기계는 전기 에너지를 자기 에너지로 변환한 다음 다시 전기 에너지로 변환합니다. 따라서 에너지 손실이 적습니다.
출력 전압은 1차 권선과 2차 권선의 권수 사이의 비율에 비례하며, 이는 고려해야 할 가장 중요한 장치 규칙 중 하나입니다. 확실히 이러한 변환 중에 소량의 전력 손실이 발생할 수 있습니다. 이상 변압기에서 1차 및 2차 권선의 저항은 0이고 자속은 분산 없이 두 권선에 완전히 연결됩니다. 또한 자기 히스테리시스로 인한 손실이 없으며 철과 기생 커패시턴스의 손실도 0입니다.
변압기의 설계
정전 기계인 변압기는 1차와 2차 사이의 전압과 전류 비율을 변환하여 전력을 그대로 유지하려고 합니다. 그러나 실제로 전력은 변압기 자체에서 코어와 권선 모두에서 손실로 부분적으로 소모됩니다. 1차와 2차 모두에서 권선 수가 같으면 1차와 2차를 전기적으로 분리하고 전압과 전류를 그대로 유지하는 절연 변압기가 있습니다. 1차와 2차 사이에는 직접적인 전기적 연결이 없습니다.
변압기가 교류 에너지, 즉 사인파로 구동되는 경우 코어에서 자속이 생성되어 권선에 전압이 형성됩니다. 2차측이 개방된 경우 끝에서 전압을 읽을 수 있지만 전류가 순환하지 않고 변압기는 "부하 없이" 작동합니다. 그러나 저항기와 같은 부하가 2차측에 연결된 경우 전류가 2차측에서 순환하여 1차측에서 추가 전력이 필요합니다. 변압기가 최대 부하에서 작동하는 경우 설계된 전력을 최대한 활용합니다.
매우 유용한 매개변수는 전압 강하율로, 부하가 없는 상태에서 2차 작동 전압 차이를 부하가 있는 상태에서 작동할 때와 비교한 것입니다. 다음과 같이 계산됩니다.
변압기에서 두 가지 기본적인 부분을 알아볼 수 있는데, 즉 철, 페라이트 또는 다른 재료로 만들 수 있는 자기 코어와 일반적으로 에나멜 구리, 알루미늄 또는 은으로 만든 권선입니다. 변압기 설계에는 여러 방법론이 있으며, 그 중 일부는 다른 방법론보다 더 복잡하고, 또한 많은 수학 방정식을 사용해야 합니다. 그러나 설계자가 변압기를 만드는 데 도움이 되는 많은 애플리케이션과 소프트웨어도 있습니다.
변압기의 설계 및 크기 조정에는 관련된 전기적 및 물리적 복잡성에 대한 심층적인 지식이 필요하지만, 이 문제에 대한 풍부한 경험도 필요합니다. 변압기를 만들려면 몇 가지 중요한 데이터를 계산하는 것으로 시작하는 것이 필수적입니다. 위에서 언급했듯이, 장치에 가장 적합한 구성 매개변수를 결정하는 데는 여러 가지 공식과 방법이 있습니다. 그러나 공식이 더 많고 복잡할수록 최종 결과는 더 정확하고 신뢰할 수 있습니다. 예를 들어, 그림 2에 표시된 다이어그램에 따라 다음 명판 데이터로 변압기를 설계합니다.
- 1차 권선 공급 전압: 230V(V1)
- 2차 권선에서 전부하 시 읽어야 할 전압: 48V(V2)
- 2차 전원 켜기: 600 VA 볼트 암페어(P2)
- 변압기 동작 주파수 : 50Hz(f)
- 변압기의 원하는 자기 유도 : 1 Wb/m 2 (B)
자기 유도에 대한 특정 표가 있지만 가장 일반적인 값은 아래와 같습니다.
- 표준 Si강: 1.10 Wb/m 2
- 중간 품질 Si강: 1.15 Wb/m 2
- 고품질 Si강: 1.20 Wb/m 2
- 배향된 과립: 1.25 Wb/m 2
사용 가능한 여러 공식 중 하나를 사용하면 사용할 판금의 총 표면적을 대략적으로 계산할 수 있습니다.
시트 메탈의 면적 측정이 완료되면 그림 3에 표시된 표에서 수행된 계산에 가장 가까운 행을 찾아볼 수 있습니다. 발견된 데이터와 관련하여 적층과 관련된 다른 모든 치수를 읽을 수 있습니다.
단상 사용을 위한 EI 표준형 적층판의 모든 치수는 다음의 기본 공식에 따라 다른 모든 치수를 기준으로 계산됩니다.
위의 공식과 표에서 찾은 데이터를 바탕으로 편의상 아래에 보고된 다른 모든 차원을 계산할 수 있게 되었습니다.
- 면적(cm2 ) : 270
- 두께(mm): 150
- 비(mm) : 180
- C(mm) : 60
- 깊이(mm): 30
- E(mm) : 90
- F(mm) : 30
- 두께(mm): 30
- 유형: EI180
이 시점에서 다음 공식에 따라 크기 계수 Kd와 2차 전력을 사용하여 강자성 코어의 단면을 쉽게 계산할 수 있습니다.
쉘 시트를 사용하는 경우 사이징 계수 Kd는 1~1.6 사이에서 선택할 수 있고, 2열 시트를 사용하는 경우 0.7~1.2 사이에서 선택할 수 있습니다. 이 매개변수를 사용하면 더 많은 구리(낮은 Kd 값) 또는 더 많은 철(높은 Kd 값)을 사용할 수 있습니다. 낮은 Kd 계수를 사용하면 작은 치수와 많은 권선 수의 변압기를 얻을 수 있고, 높은 Kd 계수를 사용하면 큰 치수와 적은 권선 수의 변압기를 얻을 수 있습니다. 이제 강자성 코어의 단면과 시트 금속의 "C" 치수에서 다음 공식에 따라 패킹 계수 Ks를 고려하여 시트 팩의 두께를 계산할 수 있습니다.
패킹 계수 Ks는 시트 메탈의 단열 유형, 두께 및 스풀에서 상대 조립을 수행하는 데 얼마나 주의하는지에 따라 1.05와 1.15 사이의 값을 가질 수 있으며, 후자는 다양한 요소의 계산된 치수에 따라 선택됩니다. 좋은 값은 Ks=1.11입니다. 단일 적층 sl=0.5mm의 두께와 라멜라 팩 Sp의 두께를 알고 있으면 다음 공식을 사용하여 적층 수를 쉽게 계산할 수 있습니다.
1차 및 2차 턴 수는 "턴당 볼트" 매개변수를 고려하여 계산됩니다. 다음 공식으로 계산됩니다.
1차 권선의 권선 수는 다음 공식을 사용하여 쉽게 계산할 수도 있습니다.
2차측에서는 변압기의 전력에 따라 항상 전압 강하(백분율)가 발생합니다.
2차측의 무부하 전압, 즉 부하가 연결되지 않은 전압은 다음 공식에 따라 계산됩니다.
이제 다음 공식을 사용하여 방금 계산된 무부하 2차 전압을 고려하여 2차 권선의 권선 수를 계산하는 것은 매우 간단합니다.
마지막으로, 비교적 간단한 방법으로 전류의 매개변수를 계산함으로써 사용할 전선의 직경을 결정하는 것이 가능합니다.
결론
가장 좋은 변압기조차도 바로 근처에 있는 장비를 방해할 수 있는데, 항상 장치에서 나오는 유도 에너지의 작은 비율이 있기 때문입니다. 따라서 가변 자기장이 원치 않는 노이즈를 발생시켜 근처 회로를 방해할 수 있으므로 전자 장치 내부에 변압기를 설치할 때는 항상 최대한 주의해야 합니다. 변압기는 가장 높은 효율을 가진 전기 기계 중 하나입니다. 움직이는 부분이 없기 때문에 손실은 구리와 철에만 있습니다.
전력 변압기의 경우 다른 매개변수도 고려하는 보다 정확한 공식을 사용해야 합니다. 변압기의 설계 및 구성은 진정한 예술이지만 많은 계산과 수학 공식이 수반되어야 합니다. 그러나 온라인에서 찾을 수 있는 수많은 도구와 소프트웨어를 사용하면 자기 장치를 만드는 것이 엄청나게 쉬워져 오류를 최소화하고 계산의 정확성을 극대화할 수 있습니다.