임피던스 매칭
변압기는 전압과 전류를 다른 레벨로 조절할 수 있고 , 전력이 1차 권선과 2차 권선 사이에서 동등하게 전달되기 때문에 부하의 임피던스를 다른 레벨로 "변환"하는 데 사용할 수 있습니다 . 마지막 문구는 설명이 필요하므로 무슨 뜻인지 살펴보겠습니다.
부하의 목적은 (보통) 소모하는 전력으로 생산적인 일을 하는 것입니다. 저항 가열 소자의 경우 소모되는 전력의 실제 목적은 무언가를 가열하는 것입니다.
부하는 특정 최대 전력량을 안전하게 소산하도록 설계되었지만, 동일한 전력 정격의 두 부하가 반드시 동일하지는 않습니다. 이 두 개의 1000와트 저항 가열 요소를 고려해 보세요.
발열체는 다양한 전압 및 전류 정격에서 1000와트를 소모합니다.
두 히터 모두 정확히 1000와트의 전력을 소모하지만, 서로 다른 전압과 전류 레벨(250볼트와 4암페어 또는 125볼트와 8암페어)에서 소모합니다. 옴의 법칙을 사용하여 이러한 가열 요소의 필요한 저항(R=E/I)을 결정하면 각각 62.5Ω와 15.625Ω라는 수치가 나옵니다.
이것이 AC 부하라면, 우리는 전류에 대한 저항을 단순한 저항이 아닌 임피던스 측면에서 언급할 수 있지만, 이 경우, 그것이 전부입니다(리액턴스 없음). 250볼트 히터는 125볼트 히터보다 더 높은 임피던스 부하라고 할 수 있습니다.
250볼트 히터 소자를 125볼트 전력 시스템에서 직접 작동시키고자 한다면 실망하게 될 것입니다. 임피던스(저항)가 62.5Ω이면 전류는 2암페어(I=E/R; 125/62.5)에 불과하고 전력 소모는 250와트(P=IE; 125 x 2)에 불과하거나 정격 전력의 1/4에 불과합니다.
히터의 임피던스와 전원의 전압이 일치하지 않아 히터에서 정격 전력 소모를 모두 얻을 수 없습니다.
하지만 모든 희망이 사라진 것은 아닙니다. 승압 변압기를 사용하면 아래 그림과 같이 125볼트 전원 시스템에서 250볼트 히터 요소를 작동할 수 있습니다.
승압 변압기는 125V 전원에서 1000와트 250V 히터를 작동시킵니다.
임피던스, 전류 및 전압 변환 비율
변압기 권선의 비율은 이 시스템에서 제대로 작동하는 데 필요한 전압 승압 과 전류 강압을 제공합니다. 1차 회로 수치를 자세히 살펴보세요. 125볼트, 8암페어. 전원 공급 장치가 "알고 있는" 한, 125볼트에서 15.625Ω(R=E/I) 부하에 전원을 공급하는 것이지 62.5Ω 부하에 전원을 공급하는 것이 아닙니다!
1차 권선의 전압 및 전류 수치는 부하 자체의 실제 62.5Ω가 아니라 15.625Ω 부하 임피던스를 나타냅니다. 다시 말해, 승압 변압기는 전압과 전류를 변환했을 뿐만 아니라 임피던스 도 변환했습니다.
임피던스의 변환비는 전압/전류 변환비의 제곱이며 권선 인덕턴스 비율과 같습니다.
이는 2:1 승압 변압기와 62.5Ω 대 15.625Ω(4:1 비율, 2:1 제곱)의 임피던스 비율에 대한 우리의 예와 일치합니다. 임피던스 변환은 변압기의 매우 유용한 기능으로, 전력 시스템이 직접 그렇게 할 적절한 전압이 아니더라도 부하가 정격 전력을 모두 소모할 수 있게 해줍니다.
변압기에 대한 최대 전력 전달 정리의 적용
네트워크 분석에 대한 연구에서 최대 전력 전달 정리를 떠올려 보세요 . 이 정리는 부하 저항이 전력을 공급하는 네트워크의 테브난/노튼 저항과 같을 때 부하 저항에 의해 최대 전력량이 소산된다고 말합니다. 이 정의에서 "저항"이라는 단어를 "임피던스"로 바꾸면 이 정리의 AC 버전이 됩니다.
부하에서 이론적 최대 전력 소모를 얻으려면 부하 임피던스와 소스(테브난/노튼) 임피던스를 적절히 일치시켜야 합니다. 이는 일반적으로 라디오 송신기/안테나 및 오디오 증폭기/스피커 시스템과 같은 특수 전기 회로에서 더 큰 관심사입니다.
오디오 증폭기 시스템을 살펴보고 그 작동 방식을 살펴보겠습니다. (아래 그림)
임피던스가 500Ω인 증폭기는 최대 전력보다 훨씬 낮은 전력에서 8Ω를 구동합니다.
내부 임피던스가 500Ω인 경우 앰프는 임피던스가 500Ω인 부하(스피커)에만 최대 전력을 공급할 수 있습니다. 이러한 부하는 동일한 양의 전력을 소모하는 8Ω 스피커보다 더 높은 전압을 떨어뜨리고 더 적은 전류를 소모합니다.
8Ω 스피커를 그림과 같이 500Ω 앰프에 직접 연결하면 임피던스 불일치 로 인해 매우 낮은(피크 전력이 낮음) 성능이 발생합니다. 또한 앰프는 저임피던스 스피커를 구동하려고 하면서 열의 형태로 공정한 몫 이상의 전력을 소모하는 경향이 있습니다.
이 시스템을 더 잘 작동시키기 위해 변압기를 사용하여 이러한 불일치 임피던스를 일치시킬 수 있습니다. 고임피던스(고전압, 저전류) 공급에서 저임피던스(저전압, 고전류) 부하로 전환하기 때문에 스텝다운 변압기를 사용해야 합니다.
임피던스 매칭 변압기는 최대 효율을 위해 500Ω 앰프와 8Ω 스피커를 매칭시킵니다.
임피던스 매칭에 대한 설명
500:8의 임피던스 변환 비율을 얻으려면 500:8의 제곱근(62.5:1의 제곱근 또는 7.906:1)과 동일한 권선 비율이 필요합니다.
이러한 변압기가 있으면 스피커는 앰프에 적절한 부하를 가하여 최대 전력 전달 정리를 충족하고 부하에 가장 효율적인 전력을 공급하기 위해 올바른 전압 및 전류 수준에서 전력을 끌어옵니다. 이러한 용량에서 변압기를 사용하는 것을 임피던스 매칭 이라고 합니다 .
다단 변속 자전거를 타 본 사람이라면 누구나 임피던스 매칭의 원리를 직관적으로 이해할 수 있을 것입니다. 사람의 다리는 자전거 크랭크를 특정 속도(분당 약 60~90회전)로 돌릴 때 최대 전력을 생산합니다.
그 회전 속도보다 높거나 낮으면 인간의 다리 근육은 전력을 생성하는 데 덜 효율적입니다. 자전거의 "기어"의 목적은 라이더의 다리를 라이딩 조건에 맞게 임피던스 매칭하여 항상 최적의 속도로 크랭크를 돌리는 것입니다.
라이더가 자전거가 "최고" 기어로 변속된 상태에서 움직이려고 하면 움직이기가 매우 어려울 것입니다. 라이더가 약하기 때문일까요?
아니요. 그 최고 기어에서 자전거 체인과 스프라켓의 높은 스텝업 비율이 조건(극복해야 할 관성이 많음)과 다리(최대 출력을 위해 60~90RPM으로 회전해야 함) 사이에 불일치를 나타내기 때문입니다.
반면에 너무 낮은 기어를 선택하면 라이더가 즉시 움직일 수 있지만 도달할 수 있는 최고 속도가 제한됩니다. 다시 말하지만, 속도 부족은 자전거 타는 사람의 다리가 약하다는 표시일까요?
아니요, 선택한 기어의 낮은 속도 비율이 조건(낮은 부하)과 라이더의 다리(90RPM보다 빠르게 회전하면 전력 손실) 사이에 또 다른 유형의 불일치를 만들기 때문입니다. 전기 전원 및 부하도 거의 동일합니다. 최대 시스템 효율을 위해서는 임피던스가 일치해야 합니다.
교류 회로에서 변압기는 자전거의 스프라켓과 체인('기어')과 동일한 매칭 기능을 수행하여 서로 맞지 않는 전원과 부하를 매칭합니다.
임피던스 매칭 변압기
임피던스 매칭 변압기는 구조나 외관 면에서 다른 유형의 변압기와 근본적으로 다르지 않습니다. 오디오 주파수 애플리케이션을 위한 작은 임피던스 매칭 변압기(너비 약 2cm)가 다음 사진에 나와 있습니다.
오디오 주파수 임피던스 매칭 변압기.
또 다른 임피던스 매칭 변압기는 이 인쇄 회로 기판에서 오른쪽 위 모서리, 저항기 R 2 및 R 1 바로 왼쪽에서 볼 수 있습니다 . "T1"이라는 레이블이 붙어 있습니다.
인쇄 회로 기판에 장착된 오디오 임피던스 매칭 변압기, 오른쪽 위.
잠재적인 변압기
변압기는 전기 계측 시스템에서도 사용할 수 있습니다. 변압기는 전압과 전류를 승압 또는 강압할 수 있는 능력과 전기적 절연을 제공하기 때문에 전기 계측기를 고전압, 고전류 전력 시스템에 연결하는 방법으로 사용할 수 있습니다.
13.8kV 전력 시스템(미국 산업에서 매우 일반적인 전력 분배 전압)의 전압을 정확하게 측정하고 싶다고 가정해 보겠습니다.
전압계를 사용하여 고전압을 직접 측정하는 것은 잠재적인 안전 위험입니다.
13,800V AC를 직접 측정할 수 있는 전압계를 설계, 설치 및 유지 관리하는 것은 쉬운 일이 아닐 것입니다. 13.8kV 도체를 계기판에 넣는 것만으로도 안전 위험이 심각할 것이고, 전압계 자체의 설계는 말할 것도 없습니다.
그러나 정밀 스텝다운 변압기를 사용하면 13.8kV를 일정한 비율로 안전한 전압 수준으로 낮추고 계측기 연결부에서 분리하여 계량 시스템의 안전성을 한 단계 더 높일 수 있습니다.
계측 응용 프로그램: "전위 변압기"는 위험한 고전압을 기존 전압계에 적용할 수 있는 안전한 값으로 정밀하게 조정합니다.
이제 전압계는 실제 시스템 전압의 정확한 분수 또는 비율을 읽으며, 마치 전압을 직접 측정하는 것처럼 읽도록 눈금이 설정되어 있습니다.
변압기는 계기 전압을 안전한 수준으로 유지하고 전기적으로 전력 시스템에서 분리하므로 전력선과 계기 또는 계기 배선 사이에 직접적인 연결이 없습니다. 이러한 용도로 사용될 때 변압기는 전위 변압기 또는 간단히 PT 라고 합니다 .
전위 변압기는 가능한 한 정확한 전압 강하 비율을 제공하도록 설계되었습니다. 정밀한 전압 조절을 돕기 위해 로딩은 최소한으로 유지됩니다. 전압계는 PT에서 가능한 한 적은 전류를 끌어오도록 높은 입력 임피던스를 갖도록 만들어졌습니다.
보시다시피, PT의 1차 권선에 직렬로 퓨즈가 연결되어 있어 PT를 회로에서 분리하는 것이 안전하고 쉽습니다.
PT의 표준 2차 전압은 정격 전력선 전압인 120볼트 AC입니다. PT에 수반되는 표준 전압계 범위는 풀 스케일인 150볼트입니다.
사용자 정의 권선 비율을 가진 PT는 모든 응용 분야에 맞게 제조될 수 있습니다. 이는 PT가 시스템 전압을 이 표준 계측기 수준으로 낮추도록 크기가 조정되므로 실제 전압계 계측기 자체의 산업 표준화에 적합합니다.
전류 변압기
같은 사고방식을 따르면 변압기를 사용하여 전력선을 통해 전류를 낮추어 저렴한 전류계로 높은 시스템 전류를 안전하고 쉽게 측정할 수 있습니다. 물론 이러한 변압기는 전력선과 직렬로 연결됩니다.
계측 응용 프로그램: "전류 변압기"는 높은 전류를 기존 전류계에 적용할 수 있는 값으로 낮춥니다.
PT가 강압 장치인 반면, 전류 변압기 (또는 CT )는 승압 장치(전압에 대해)이며, 이는 전력선 전류를 강압하는 데 필요한 것입니다 . CT는 종종 전력선 도체가 통과하는 도넛 모양의 장치로 제작되며, 전력선 자체는 단일 턴 1차 권선 역할을 합니다.
측정할 전류 도체는 개구부에 나사로 고정됩니다. 축소된 전류는 와이어 리드에서 사용 가능합니다.
일부 CT는 힌지가 열리도록 제작되어 도체를 전혀 방해하지 않고 전원 도체 주위에 삽입할 수 있습니다. CT의 산업 표준 2차 전류는 0~5 암페어 AC 범위입니다. PT와 마찬가지로 CT는 거의 모든 응용 분야에 맞게 사용자 정의 권선 비율로 제작할 수 있습니다.
"전부하" 2차 전류가 5암페어이기 때문에 CT 비율은 일반적으로 다음과 같이 전부하 1차 암페어 대 5암페어로 표시됩니다.
사진에 나와 있는 "도넛" CT는 비율이 50:5입니다. 즉, 토러스 중심을 통과하는 도체가 50 암페어의 전류(AC)를 운반할 때 CT 권선에 5 암페어의 전류가 유도됩니다.
CT는 저임피던스 부하인 전류계에 전원을 공급하도록 설계되었으며, 전압 승압 변압기로 감겨 있으므로 절대로 개방 회로 2차 권선으로 작동해서는 안 됩니다.
이 경고를 무시하면 CT가 매우 높은 2차 전압을 생성하여 장비와 인력 모두에게 위험합니다. 전류계 계측기의 유지 관리를 용이하게 하기 위해 단락 회로 스위치가 종종 CT의 2차 권선과 병렬로 설치되어 전류계를 서비스할 때마다 닫힙니다.
단락 스위치를 사용하면 전류계를 활성 전류 변압기 회로에서 제거할 수 있습니다.
전력 시스템 구성 요소를 의도적으로 단락시키는 것이 이상하게 보일 수 있지만 , 변류기를 사용할 때는 매우 적절하고 필요한 일입니다.
공심 변압기
무선 주파수 회로 에서 자주 볼 수 있는 또 다른 종류의 특수 변압기는 공심 변압기 입니다 . 공심 변압기는 그 이름에 걸맞게 권선이 비자성 형태, 보통 어떤 재료로 된 속이 빈 튜브 주위에 감겨 있습니다.
이러한 변압기의 권선 간 결합 정도(상호 인덕턴스)는 동등한 철심 변압기보다 몇 배나 낮지만 강자성 코어의 바람직하지 않은 특성(와전류 손실, 히스테리시스, 포화 등)은 완전히 제거되었습니다.
철심의 이러한 효과가 가장 문제가 되는 것은 고주파 응용 분야에서입니다.
공기 코어 변압기는 원통형(a) 또는 토로이드형(b) 형태로 감길 수 있습니다. 2차가 있는 중앙 탭 1차(a). 토로이드형(b)에 바이필라 권선.
오버 와인딩이 없는 내부 탭 솔레노이드 와인딩은 DC 절연이 필요하지 않을 때 불평등한 임피던스를 맞출 수 있습니다. 절연이 필요한 경우 오버 와인딩이 주 와인딩의 한쪽 끝에 추가됩니다. 철심 손실이 너무 높을 때 무선 주파수에서 공심 변압기가 사용됩니다.
공심 변압기는 공진에 맞춰 조정하기 위해 커패시터와 병렬로 연결되는 경우가 많습니다. 오버 와인딩은 이러한 응용 프로그램 중 하나를 위해 라디오 안테나와 접지 사이에 연결됩니다. 2차는 가변 커패시터와 공진에 맞춰 조정됩니다.
출력은 증폭 또는 감지를 위해 탭 포인트에서 가져올 수 있습니다. 작은 밀리미터 크기의 공심 변압기는 무선 수신기에 사용됩니다. 가장 큰 무선 송신기는 미터 크기의 코일을 사용할 수 있습니다. 차폐되지 않은 공심 솔레노이드 변압기는 서로 직각으로 장착되어 스트레이 커플링을 방지합니다.
변압기가 토로이드 형태로 감겨 있을 때 스트레이 커플링은 최소화됩니다. 토로이드 공심 변압기는 특히 바이필라 권선 의 경우 더 높은 커플링을 보입니다 . 바이필라 권선은 약간 꼬인 한 쌍의 와이어에서 감깁니다.
이는 1:1 권선 비율을 의미합니다. 3개 또는 4개의 와이어를 1:2 및 기타 적분 비율로 그룹화할 수 있습니다. 권선은 바이필라일 필요가 없습니다. 이를 통해 임의의 권선 비율을 허용합니다. 그러나 결합 정도가 떨어집니다. 토로이드 공심 변압기는 VHF(초고주파) 작업을 제외하고는 드뭅니다.
공기 이외의 분말 철이나 페라이트와 같은 코어 재료가 낮은 무선 주파수에 더 적합합니다.
테슬라 코일
공심 변압기의 대표적인 예로는 테슬라 코일 이 있는데 , 이는 세르비아의 전기 천재 니콜라 테슬라의 이름을 따서 명명되었습니다. 그는 회전 자기장 교류 모터, 다상 교류 전력 시스템, 그리고 많은 무선 기술 요소를 발명한 사람이기도 합니다.
테슬라 코일은 매우 높은 전압을 생성하는 데 사용되는 공진형 고주파 승압 변압기입니다.
테슬라의 꿈 중 하나는 전선 없이도 코일 기술을 사용하여 전력을 분배하고, 단순히 라디오파 형태로 방송하여 안테나를 통해 수신되고 부하로 전달되는 것이었습니다.
테슬라 코일의 기본 회로도는 아래 그림과 같습니다.
테슬라 코일: 몇 개의 강력한 1차 권선과 많은 2차 권선.
커패시터는 변압기의 1차 권선과 함께 탱크 회로를 형성합니다. 2차 권선은 1차 권선과 매우 가까이에 감겨 있으며, 일반적으로 동일한 비자성 형태를 따릅니다. 1차 회로를 "여기"하는 데에는 여러 가지 옵션이 있는데, 가장 간단한 것은 고전압, 저주파 AC 소스와 스파크 갭입니다.
스파크 갭 구동이 가능한 테슬라 코일의 시스템 레벨 다이어그램.
고전압, 저주파 AC 전원의 목적은 1차 탱크 회로를 "충전"하는 것입니다. 스파크 갭이 점화되면 낮은 임피던스가 커패시터/1차 코일 탱크 회로를 완성하여 공진 주파수에서 진동할 수 있도록 합니다.
"RFC" 인덕터는 "무선 주파수 초크"로, AC 소스가 발진 탱크 회로를 방해하지 못하도록 높은 임피던스 역할을 합니다.
테슬라 코일 변압기의 2차측도 탱크 회로이며, 방전 단자와 접지 사이에 존재하는 기생(유기) 커패시턴스를 이용하여 2차 권선의 인덕턴스를 보완합니다.
최적의 작동을 위해 이 2차 탱크 회로는 1차 회로와 동일한 공진 주파수로 조정되며, 공진 진동 중 커패시터와 인덕터 사이에서만 에너지가 교환되는 것이 아니라 1차 권선과 2차 권선 사이에서도 에너지가 교환됩니다. 시각적 결과는 매우 훌륭합니다.
테슬라 코일에서 고전압, 고주파 방전이 발생합니다.
테슬라 코일은 주로 고등학교 과학 박람회, 지하 작업장, 가끔씩 저예산 공상과학 영화에 등장하는 참신한 장치로 사용됩니다.
테슬라 코일은 매우 위험한 장치일 수 있다는 점에 유의해야 합니다. 모든 전기 화상과 마찬가지로 무선 주파수("RF") 전류로 인한 화상은 뜨거운 물체나 화염에 접촉하여 발생하는 피부 화상과 달리 매우 깊을 수 있습니다.
테슬라 코일의 고주파 방전은 인간 신경계의 "충격 지각" 주파수를 넘어선다는 이상한 특성이 있지만, 그렇다고 해서 테슬라 코일이 당신을 다치게 하거나 죽일 수 없다는 것은 아닙니다! 직접 만들기로 결심했다면 경험이 풍부한 테슬라 코일 실험자의 도움을 받는 것이 좋습니다.
포화형 반응기
지금까지 우리는 변압기를 한 회로에서 다른 회로로 다양한 전압, 전류, 심지어 임피던스를 변환하는 장치로 살펴보았습니다. 이제 완전히 다른 종류의 장치로 살펴보겠습니다. 작은 전기 신호로 훨씬 더 많은 양의 전기 전력을 제어 할 수 있는 장치입니다 . 이 모드에서 변압기는 증폭기 역할을 합니다 .
제가 언급하는 장치는 포화 코어 리액터 또는 간단히 포화 리액터 라고 합니다 . 사실, 그것은 전혀 변압기가 아니라, 같은 철심 주위에 감긴 두 번째 권선을 통해 DC 전류를 인가하여 인덕턴스를 변경할 수 있는 특수한 종류의 인덕터입니다.
철공진 변압기와 마찬가지로 포화형 리액터는 자기 포화의 원리에 의존합니다. 철과 같은 재료가 완전히 포화되면(즉, 모든 자기 도메인이 적용된 자화력과 일렬로 정렬됨) 자화 권선을 통한 전류의 추가 증가는 자속의 추가 증가로 이어지지 않습니다.
인덕턴스에 대한 리뷰
이제 인덕턴스는 인덕터가 반대 방향으로 전압을 발생시켜 전류의 변화에 얼마나 잘 저항하는지를 측정하는 것입니다. 인덕터가 이 반대 전압을 생성하는 능력은 전류의 변화로 인해 인덕터 내부의 자속이 변하는 것과 인덕터의 권선 횟수와 직접 관련이 있습니다.
인덕터에 포화된 코어가 있는 경우 전류가 더 증가해도 더 이상의 자속이 발생하지 않으므로 전류 변화에 반대되는 전압이 유도되지 않습니다. 즉, 코어가 자기적으로 포화되면 인덕터는 인덕턴스(전류 변화에 반대하는 능력)를 잃습니다.
인덕터의 인덕턴스가 변하면 AC 전류에 대한 리액턴스(및 임피던스)도 변합니다. 일정한 전압 소스가 있는 회로에서는 전류가 변합니다.
인덕턴스 L이 변하면 Z L 도 그에 따라 변하여 회로 전류가 변합니다.
포화형 원자로 운전
포화형 리액터는 다른 권선을 통한 전류에 의해 생성된 강한 자기장으로 코어를 포화 상태로 강제로 강제함으로써 이 효과를 활용합니다. 리액터의 "전력" 권선은 AC 부하 전류를 전달하는 권선이고, "제어" 권선은 코어를 포화 상태로 구동할 만큼 강한 DC 전류를 전달하는 권선입니다.
DC는 제어 권선을 통해 코어를 포화시킵니다. 따라서 전력 권선 인덕턴스, 임피던스 및 전류를 변조합니다.
위 회로도에 표시된 이상하게 생긴 변압기 기호는 포화 코어 리액터를 나타내며, 위쪽 권선은 DC 제어 권선이고 아래쪽 권선은 제어된 AC 전류가 흐르는 "전력" 권선입니다.
증가된 DC 제어 전류는 반응기 코어에서 더 많은 자속을 생성하여 포화 상태에 더 가깝게 만들어 전력 권선의 인덕턴스를 감소시키고 임피던스를 감소시키며 부하로의 전류를 증가시킵니다. 따라서 DC 제어 전류는 부하 로 전달되는 AC 전류를 제어 할 수 있습니다.
표시된 회로는 작동하지만 잘 작동하지는 않습니다. 첫 번째 문제는 포화 리액터의 자연스러운 변압기 동작입니다. 전력 권선을 통과하는 AC 전류는 제어 권선에 전압을 유도하여 DC 전원에 문제를 일으킬 수 있습니다.
또한, 포화형 리액터는 AC 전력을 한 방향으로만 조절하는 경향이 있습니다. AC 사이클의 절반에서 두 권선의 mmf가 더해지고, 다른 절반에서는 빼집니다. 따라서 코어는 AC 사이클의 절반 동안 다른 절반보다 더 많은 플럭스를 가지게 되고, 그 사이클 절반에서 먼저 포화되어 부하 전류를 한 방향으로 다른 방향보다 더 쉽게 통과시킵니다.
다행히도 두 가지 문제 모두 약간의 독창성으로 극복할 수 있습니다.
위상이 다른 DC 제어 권선을 사용하면 AC의 대칭적 제어가 가능합니다.
두 개의 리액터에서 위상 도트의 배치를 주목하세요. 전력 권선은 "동위상"이고 제어 권선은 "비동위상"입니다. 두 리액터가 동일하다면 전력 권선을 통한 부하 전류에 의해 제어 권선에 유도된 모든 전압은 배터리 단자에서 0으로 상쇄되어 언급된 첫 번째 문제가 제거됩니다.
또한 두 리액터를 통과하는 DC 제어 전류는 리액터 코어를 통해 다른 방향으로 자속을 생성하기 때문에 한 리액터는 AC 전력의 한 사이클에서 더 많이 포화되고 다른 리액터는 다른 사이클에서 더 많이 포화되어 각 반주기 동안 제어 동작이 균등화되어 AC 전력이 대칭적으로 "조절"됩니다.
제어 권선의 이러한 위상 조정은 표시된 대로 두 개의 별도 리액터를 사용하거나, 권선과 코어를 지능적으로 배치한 단일 리액터 설계로 달성할 수 있습니다.
포화형 리액터 기술은 일반적으로 자기 증폭기 라고 알려진 소형 패키지의 회로 기판 수준으로 소형화되었습니다 .
저는 개인적으로 이것이 흥미롭다고 생각합니다. 증폭 효과(한 전기 신호가 다른 전기 신호를 제어)는 일반적으로 물리적으로 취약한 진공관이나 전기적으로 "취약한" 반도체 소자를 사용해야 하지만, 물리적으로나 전기적으로 견고한 소자에서 실현될 수 있습니다.
자기 증폭기는 크기, 무게, 비선형성, 대역폭(주파수 응답) 등 상대적으로 취약한 증폭기에 비해 단점이 있지만, 실용적인 응용 분야는 아니더라도 극히 단순하다는 점에서 여전히 어느 정도 높이 평가받고 있습니다.
포화성 코어 리액터는 "포화성 코어 인덕터" 또는 트랜스덕터 로 덜 일반적으로 알려져 있습니다 .
Scott-T 변압기
니콜라 테슬라의 원래 다상 전력 시스템은 구축하기 쉬운 2상 구성 요소를 기반으로 했습니다. 그러나 전송 거리가 증가함에 따라 전송선 효율성이 더 높은 3상 시스템이 더욱 두드러졌습니다. 2-φ 및 3-φ 구성 요소는 수년 동안 공존했습니다.
Scott-T 변압기 연결은 모터 및 발전기와 같은 2-φ 및 3-φ 구성 요소를 상호 연결할 수 있게 했습니다. 야마모토와 야마구치:
1896년, 제너럴 일렉트릭은 나이아가라 폭포 프로젝트에서 버팔로, 뉴욕까지 전력을 전송하기 위해 11kV로 작동하는 35.5km(22마일)의 3상 송전선을 건설했습니다. 2상 발전 전력은 Scott-T 변환을 사용하여 3상으로 변경되었습니다.
Scott-T 변압기는 2-φ를 3-φ로, 또는 그 반대로 변환합니다.
Scott-T 변압기 세트(위 그림)는 회로의 3-φ 측에 있는 중앙 탭 변압기 T1과 86.6% 탭 변압기 T2로 구성됩니다. 두 변압기의 1차선은 2-φ 전압에 연결됩니다.
T2 86.6% 2차 권선의 한쪽 끝은 3-φ 출력이고, 다른 쪽 끝은 T1 2차 센터 탭에 연결됩니다. T1 2차의 양쪽 끝은 다른 두 개의 3-φ 연결입니다.
2-φ 나이아가라 발전기 전력을 적용하면 더 효율적인 3-φ 전송 라인에 3-φ 출력이 생성됩니다. 요즘에는 오래된 2-φ 모터를 구동하기 위해 2-φ 출력을 생성하기 위해 3-φ 전력을 적용하는 것이 더 일반적입니다.
아래 그림에서 우리는 극좌표와 복소수 표기법의 벡터를 사용하여 Scott-T가 2-φ 전압 쌍을 3-φ로 변환한다는 것을 증명합니다. 첫째, 3-φ 전압 중 하나는 1:1 변압기 T1 비율, V P12 = V 2P1 로 인해 2-φ 전압과 동일합니다 .
T1 중앙 탭 2차는 2차측 끝에서 0.5V 2P1 의 반대 극성을 생성합니다.
이 ∠0°는 KVL 방정식 V 31 , V 23 으로 인해 T2 2차 전압에서 벡터적으로 빼집니다 .
T2 2차 전압은 86.6% 탭으로 인해 0.866V 2P2 입니다 . 2-φ의 이 2차 위상이 ∠90°임을 명심하세요. 이 0.866V 2P2는 KVL 방정식에서 V 31 에서 추가되고 V 23 에서 빼집니다 .
Scott-T 변압기 2-φ에서 3-φ로 변환 방정식.
이 AC 전용 회로 전체에 "DC" 극성을 표시하여 Kirchhoff 전압 루프 극성을 추적합니다. ∠0°를 빼는 것은 ∠180°를 더하는 것과 같습니다. 결론은 ∠90°의 86.6%를 ∠180°의 50%에 더하면 ∠120°가 됩니다. ∠90°의 86.6%를 ∠180°의 50%에서 빼면 ∠-120° 또는 ∠240°가 됩니다.
이전 그림의 방정식에 대한 그래픽 설명입니다.
위의 그림에서 우리는 (a)에서 2-φ 벡터를 그래픽으로 보여줍니다. (b)에서 벡터는 변압기 T1과 T2에 의해 각각 0.5와 0.866으로 스케일링됩니다. (c)에서 1∠120° = -0.5∠0° + 0.866∠90°, 1∠240° = -0.5∠0° - 0.866∠90°입니다. 세 개의 출력 위상은 (c)에서 1∠120°와 1∠240°이고, 입력 1∠0°(a)와 함께 있습니다.
선형 가변 차동 변압기
선형 가변 차동 변압기 (LVDT)는 원통형 공기 코어 형태(아래 그림)의 두 2차 권선 사이에 AC 구동 1차 권선이 감겨 있습니다. 가동형 강자성 슬러그는 구동 1차 권선과 2차 권선 사이의 커플링을 변경하여 변위를 가변 전압으로 변환합니다.
LVDT는 변위 또는 거리 측정 변환기입니다. 1밀리미터에서 반미터까지의 거리에서 변위를 측정하는 데 사용할 수 있는 장치가 있습니다. LVDT는 선형 광학 인코더에 비해 견고하고 먼지에 강합니다.
LVDT: 선형 가변 차동 변압기.
여기 전압은 1~200Khz 주파수에서 0.5~10VAC 범위에 있습니다. 페라이트 코어는 이러한 주파수에 적합합니다. 비자성 막대로 본체 외부로 확장됩니다. 코어가 상단 권선으로 이동함에 따라 이 코일의 전압은 결합 증가로 인해 증가하고 하단 코일의 전압은 감소합니다.
코어가 하단 권선 쪽으로 이동하면 이 코일의 전압은 상단 코일의 전압이 감소함에 따라 증가합니다. 이론적으로, 중앙에 있는 슬러그는 두 코일에 동일한 전압을 생성합니다. 실제로 누설 인덕턴스는 널이 0V까지 떨어지는 것을 방지합니다.
중앙에 슬러그가 있는 경우, 직렬 반대 와이어링 2차는 상쇄되어 V 13 = 0이 됩니다. 슬러그를 위로 이동하면 V 13이 증가합니다. V 1 (상부 권선) 과 동상이고 V 3 (하부 권선) 과 180° 위상이 다르다는 점에 유의하십시오 .
슬러그를 중앙 위치에서 아래로 옮기면 V 13이 증가합니다. 그러나 V 1 (상부 권선) 과는 180° 위상이 다르고 V 3 (하부 권선) 과는 동상 입니다 . 슬러그를 위에서 아래로 옮기면 중앙 지점에서 최소값을 보이며 중앙을 지나면서 위상이 180° 반전됩니다.
검토:
- 변압기는 임피던스뿐만 아니라 전압과 전류도 변환하는 데 사용할 수 있습니다. 이것이 부하로의 전력 전달을 개선하기 위해 수행될 때 임피던스 매칭 이라고 합니다 .
- 전위 변압기 (PT)는 고전력 시스템 전압을 측정하는 전압계에 정밀한 전압 강하 비율을 제공하도록 설계된 특수 계기용 변압기입니다.
- 전류 변압기 (CT)는 전류계가 측정할 수 있을 만큼 전력선을 통해 흐르는 전류를 안전한 수준으로 낮추도록 설계된 또 다른 특수 계기용 변압기입니다.
- 공심 변압기 는 강자성 코어가 없는 변압기입니다.
- 테슬라 코일 은 고주파에서 매우 높은 AC 전압을 생성하도록 설계된 공진형 공심 승압 변압기입니다.
- 포화형 리액터 는 특수한 유형의 인덕터로, 인덕턴스는 동일한 코어를 둘러싼 두 번째 권선을 통한 DC 전류로 제어할 수 있습니다. 충분한 DC 전류가 있으면 자기 코어가 포화되어 전력 권선의 인덕턴스를 제어된 방식으로 줄일 수 있습니다.
- Scott -T 변압기는 3φ 전력을 2φ 전력으로 변환하며, 그 반대도 가능합니다.
- 선형 가변 차동 변압기 , LVDT라고도 알려진 이 장치는 거리 측정 장치입니다. 여기에는 여기된 1차와 2차 쌍 사이의 결합을 변화시키는 가동형 강자성 코어가 있습니다.