이 장의 앞 부분에서 몇 가지 SPICE 분석 에서 보았듯이 , 변압기의 출력 전압은 일정한 전압 입력에서도 부하 저항에 따라 다소 달라집니다.
분산의 정도는 1차 및 2차 권선 인덕턴스를 비롯한 여러 요인에 의해 영향을 받는데, 그 중 가장 중요한 요인은 권선 저항과 1차 및 2차 권선 사이의 상호 인덕턴스(자기 결합)의 정도입니다.
전력 변압기 애플리케이션의 경우, 변압기는 부하에 의해 (이상적으로) 일정한 전압원으로 간주되므로 부하 전류의 폭넓은 변화에 대해 2차 전압이 가능한 한 적게 변화하는 것이 좋습니다.
전압 조절 공식
전력 변압기가 부하 전류 범위에 걸쳐 일정한 2차 전압을 얼마나 잘 유지하는지 측정하는 것을 변압기 전압 조절 이라고 합니다 . 다음 공식에서 계산할 수 있습니다.
"Full Load"란 무엇입니까?
"전부하"는 변압기가 최대 허용 2차 전류로 작동하는 지점을 의미합니다. 이 작동 지점은 주로 권선 크기(전류 용량)와 변압기 냉각 방법에 따라 결정됩니다.
첫 번째 SPICE 변압기 시뮬레이션을 예로 들어, 1kΩ 부하와 200Ω 부하의 출력 전압을 비교해 보겠습니다(200Ω 부하가 "전부하" 조건이 될 것이라고 가정). 일정한 1차 전압이 10.00V AC였다는 것을 기억하세요.
주파수 v(3,5) i(vi1)
6.000E+01 9.962E+00 9.962E-03 1k 옴 부하 시 출력
주파수 v(3,5) i(vi1)
6.000E+01 9.348E+00 4.674E-02 200옴 부하 시 출력
부하가 더 무거워질수록(더 많은 전류) 출력 전압이 어떻게 감소하는지 주목하세요. 이제 같은 변압기 회로를 가져와 2차 권선에 매우 큰 크기의 부하 저항을 배치하여 "무부하" 조건을 시뮬레이션해 보겠습니다. ("변압기" 스파이스 목록 참조)
변신 로봇
v1 1 0 ac 10 sin
rbogus1 1 2 1e-12
rbogus2 5 0 9e12
엘1 2 0 100
l2 3 5 100
케이 l1 l2 0.999
vi1 3 4 ac 0
rload 4 5 9e12
.ac 라인 1 60 60
.print ac v(2,0) i(v1)
.print ac v(3,5) i(vi1)
.끝
주파수 v(2) i(v1)
6.000E+01 1.000E+01 2.653E-04
주파수 v(3,5) i(vi1)
6.000E+01 9.990E+00 1.110E-12 (거의) 부하가 없는 출력
따라서 출력(2차) 전압이 (거의) 무부하에서 9.990볼트 범위에 걸쳐 있고 "완전 부하"라고 부르기로 한 지점에서 9.348볼트 범위에 걸쳐 있음을 알 수 있습니다. 이러한 수치로 전압 조절을 계산하면 다음과 같습니다.
우연히, 이것은 전력 변압기에 대한 다소 형편없는(또는 "느슨한") 조절로 간주될 것입니다. 이와 같은 간단한 저항성 부하에 전력을 공급하는 경우, 좋은 전력 변압기는 3% 미만의 조절 비율을 보여야 합니다.
유도성 부하는 전압 조절을 더 나쁘게 만드는 경향이 있으므로 순수 저항성 부하를 사용한 이 분석은 "최상의" 조건이었습니다.
"불량한" 규제를 요구하는 애플리케이션
그러나 실제로는 조절이 제대로 되지 않는 애플리케이션도 있습니다. 그러한 사례 중 하나는 방전 조명으로, 처음에 고전압 (램프를 "점화"하는 데 필요) 을 생성하기 위해 승압 변압기가 필요하고 , 램프가 전류를 끌어오기 시작하면 전압이 떨어질 것으로 예상됩니다.
이는 방전 램프의 전압 요구 사항이 아크 경로를 통해 전류가 확립된 후 훨씬 낮아지는 경향이 있기 때문입니다. 이 경우 전압 조절이 좋지 않은 승압 변압기가 램프에 전원을 공급하는 작업에 충분합니다.
또 다른 응용 분야는 교류 아크 용접기의 전류 제어입니다. 교류 아크 용접기는 용접 공정에 저전압, 고전류 전력을 공급하는 강압 변압기에 불과합니다.
아크를 "점화"(시작)하는 데 도움이 되는 고전압이 필요하지만 방전 램프와 마찬가지로 아크는 공기가 이온화 지점까지 가열되면 자체를 유지하는 데 많은 전압이 필요하지 않습니다. 따라서 높은 부하 전류에서 2차 전압을 감소시키는 것이 좋습니다.
일부 아크 용접기 설계에서는 작업자가 변압기 내의 가동 철심을 권선 어셈블리에 크랭크하여 넣어서 아크 전류를 조절합니다.
철 슬러그를 권선에서 멀리 옮기면 권선 사이의 자기 결합 강도가 약해져 무부하 2차 전압이 감소 하고 전압 조절이 더 나빠집니다.
페로공진 변압기
변압기 조절에 대한 설명은 페로레조넌트 변압기 라는 특이한 장치를 언급하지 않고는 완전하다고 할 수 없습니다 .
"철공진"은 자기포화점(철심이 너무 강하게 자화되어 권선 전류를 더 증가시켜도 자속이 거의 증가하지 않거나 전혀 증가하지 않는 지점) 근처에서 작동하는 철심의 동작과 관련된 현상입니다.
전자기 이론을 깊이 다루지 않고는 설명하기 다소 어렵지만, 페로레조넌트 변압기는 지속적인 코어 포화 상태에서 작동하도록 설계된 전력 변압기입니다.
즉, 철심은 AC 사이클의 대부분 동안 자속의 자속선으로 "채워져" 공급 전압(1차 권선 전류)의 변화가 철심의 자속 밀도에 거의 영향을 미치지 않습니다. 즉, 2차 권선은 공급(1차 권선) 전압의 상당한 변화에도 불구하고 거의 일정한 전압을 출력합니다.
페로공진 변압기의 공진 회로
일반적으로 변압기의 코어 포화는 사인파 모양의 왜곡을 초래하고, 페로레조넌트 변압기도 예외가 아닙니다. 이러한 부작용을 해결하기 위해 페로레조넌트 변압기는 하나 이상의 커패시터 와 병렬로 연결된 보조 2차 권선을 갖고 있어 전원 공급 주파수에 맞춰진 공진 회로를 형성합니다.
이 "탱크 회로"는 코어 포화로 인해 생성된 고조파를 제거하는 필터 역할을 하며, 짧은 입력 전압 손실(밀리초 단위의 시간이지만 아무것도 없는 것보다는 훨씬 낫습니다) 동안 출력 권선 전압을 유지하는 데 사용할 수 있는 AC 진동의 형태로 에너지를 저장하는 추가적인 이점을 제공합니다.
페로공진 변압기는 출력의 전압을 조절합니다.
포화된 코어에 의해 생성된 고조파를 차단하는 것 외에도 이 공진 회로는 2차 권선 회로의 비선형(스위칭) 부하에 의해 생성된 고조파 주파수와 소스 전압에 존재하는 모든 고조파를 "필터링"하여 부하에 "깨끗한" 전력을 공급합니다.
페로공진 변압기는 AC 전원 조절 에 유용한 여러 가지 기능을 제공합니다 . 입력 전압의 상당한 변화에도 일정한 출력 전압을 제공하고, 전원과 부하 간의 고조파 필터링을 수행하며, 공진 탱크 회로에 에너지를 비축하여 전력의 짧은 손실을 '견뎌낼' 수 있는 기능이 있습니다.
이러한 변압기는 과도한 부하 및 과도(순간) 전압 서지에 대한 내성이 매우 뛰어납니다. 실제로 일부는 비동기화된 AC 전원과 잠시 병렬로 연결되어 부하가 2차 측에서 전원이 중단되지 않고 "make-before-break" 방식으로 한 전원에서 다른 전원으로 전환될 수 있습니다!
페로공진 변압기의 알려진 단점
불행히도, 이러한 장치는 똑같이 주목할 만한 단점을 가지고 있습니다. 즉, 포화된 코어의 히스테리시스 손실로 인해 많은 에너지를 낭비하고, 그 과정에서 상당한 열을 발생시키며, 주파수 변화를 잘 견디지 못하기 때문에 속도 조절이 좋지 않은 소형 엔진 구동 발전기로 구동하면 제대로 작동하지 않습니다.
공진 권선/커패시터 회로에서 생성되는 전압은 매우 높은 경향이 있어 값비싼 커패시터가 필요하고 서비스 기술자에게 매우 위험한 작동 전압을 제공합니다. 그러나 일부 응용 프로그램은 페로레조넌트 변압기의 장점을 단점보다 우선시할 수 있습니다.
반도체 회로는 페로레조넌트 소자에 대한 대안으로 AC 전원을 "조절"하기 위해 존재하지만, 단순성 면에서 이 변압기와 경쟁할 수 있는 것은 없습니다.
검토:
- 전압 조절 은 전력 변압기가 일정한 1차 전압과 부하 전류의 광범위한 변동을 감안할 때 일정한 2차 전압을 얼마나 잘 유지할 수 있는지를 측정하는 것입니다. 백분율이 낮을수록(0에 가까울수록) 2차 전압이 더 안정적이고 더 나은 조절을 제공합니다.
- 페로 레조넌트 변압기는 입력 전압의 폭넓은 변화에도 불구하고 전압을 안정적인 수준으로 조절하도록 설계된 특수 변압기입니다.