전력 용량
이미 관찰했듯이, 변압기는 허용 가능한 전력 결합, 엄격한 전압 조절 및 낮은 여기 전류 왜곡을 달성하기 위해 잘 설계되어야 합니다. 또한 변압기는 문제 없이 1차 및 2차 권선 전류의 예상 값을 전달하도록 설계되어야 합니다.
즉, 가열 문제를 피하기 위해 권선 도체는 적절한 규격의 전선으로 만들어야 한다는 의미입니다.
이상적인 변압기
이상적인 변압기는 완벽한 결합(누설 인덕턴스 없음), 완벽한 전압 조절 , 완벽한 사인파 여기 전류, 히스테리시스 또는 와전류 손실 없음, 그리고 모든 양의 전류를 처리할 수 있을 만큼 와이어가 두꺼워야 합니다. 불행히도, 이상적인 변압기는 이러한 설계 목표를 충족시키기 위해 무한히 크고 무거워야 합니다.
그러므로 실용적인 변압기 설계 에서는 타협이 필요합니다.
또한, 고전압이 발생하는 곳에서는 권선 도체 절연이 문제가 될 수 있는데, 이는 승압 및 강압 전력 분배 변압기에 자주 사용되기 때문입니다.
권선이 철심으로부터 잘 절연되어야 할 뿐만 아니라, 각 권선은 권선 사이의 전기적 절연을 유지하기 위해 다른 권선과 충분히 절연되어야 합니다.
변압기 정격
이러한 제한 사항을 고려하여 변압기는 특정 수준의 1차 및 2차 권선 전압과 전류에 따라 정격이 정해지지만, 전류 정격은 일반적으로 변압기에 지정된 볼트-암페어(VA) 정격에서 파생됩니다.
예를 들어, 1차 전압 정격이 120볼트, 2차 전압 정격이 48볼트, VA 정격이 1kVA(1000VA)인 스텝다운 변압기를 생각해 보세요. 최대 권선 전류는 다음과 같이 결정할 수 있습니다. kVA(1000VA). 최대 권선 전류는 다음과 같이 결정할 수 있습니다.
때때로 권선은 암페어로 전류 정격을 지니지만, 이는 일반적으로 소형 변압기에서 볼 수 있습니다. 대형 변압기는 거의 항상 권선 전압과 VA 또는 kVA로 정격이 매겨집니다.
에너지 손실
변압기가 전력을 전송할 때 손실은 최소화합니다. 앞서 언급했듯이 현대의 전력 변압기 설계는 일반적으로 95%의 효율을 초과합니다. 그러나 손실된 전력의 일부가 어디로 가는지, 그리고 무엇 때문에 손실되는지 아는 것이 좋습니다.
물론 와이어 권선의 저항 으로 인한 전력 손실이 있습니다 . 초전도 와이어를 사용하지 않는 한, 전류를 전달하는 도체의 저항을 통해 열의 형태로 전력이 항상 소산됩니다. 변압기에는 매우 긴 길이의 와이어가 필요하기 때문에 이 손실은 상당한 요인이 될 수 있습니다.
권선 와이어의 굵기를 늘리는 것은 이러한 손실을 최소화하는 한 가지 방법이지만, 비용, 크기, 무게가 상당히 증가하게 됩니다.
와전류 손실
저항 손실을 제외하고, 변압기 전력 손실의 대부분은 코어의 자기 효과 때문입니다. 아마도 이러한 "코어 손실" 중 가장 중요한 것은 와전류 손실일 것입니다 . 이는 코어의 철을 통한 유도 전류의 통과로 인한 저항성 전력 소산입니다.
철은 전기 도체일 뿐만 아니라 자속의 우수한 "도체"이기 때문에 교류 자기장에서 2차 권선에 전류가 유도되는 것처럼 철에도 전류가 유도됩니다.
이러한 유도 전류는 패러데이 법칙 의 수직성 조항에 따라 설명되는 대로 1차 권선의 회전에 수직으로 코어의 단면을 통해 순환하는 경향이 있습니다.
이러한 원 운동 때문에 특이한 이름이 붙었습니다. 물의 흐름 속에서 직선으로 움직이지 않고 순환하는 소용돌이와 같습니다.
철은 전기를 잘 전달하지만, 와이어 와인딩이 일반적으로 만들어지는 구리나 알루미늄만큼 좋지는 않습니다. 결과적으로, 이러한 "와류"는 코어를 순환하면서 상당한 전기 저항을 극복해야 합니다.
철이 제공하는 저항을 극복하면서, 그들은 열의 형태로 전력을 소모합니다. 따라서 우리는 변압기에서 제거하기 어려운 비효율성의 원천을 가지게 됩니다.
유도가열
이 현상은 너무 두드러져서 종종 철(철 함유) 재료를 가열하는 수단으로 활용됩니다. 아래 사진은 큰 파이프 섹션의 온도를 높이는 "유도 가열" 장치를 보여줍니다.
고온 절연으로 덮인 와이어 루프는 파이프의 둘레를 감싸고 전자기 유도를 통해 파이프 벽 내에 와전류를 유도합니다. 와전류 효과를 극대화하기 위해 전력선 주파수(60Hz) 대신 고주파 교류 전류를 사용합니다.
그림 오른쪽의 상자형 장치는 고주파 AC를 생성하고 전선의 전류량을 제어하여 파이프 온도를 미리 결정된 "설정점"에서 안정화합니다.
유도 가열: 1차 절연 권선이 손실이 많은 철관(2차)으로 전류를 유도합니다.
와류 완화
변압기 코어에서 이러한 낭비적인 와전류를 완화하는 주요 전략은 철심을 시트 형태로 형성하고, 각 시트를 절연 바니시로 덮어 코어가 얇은 조각으로 나뉘도록 하는 것입니다. 그 결과 와전류가 순환할 코어의 폭이 매우 좁아집니다.
철심을 얇은 절연층으로 나누면 와전류 손실이 최소화됩니다.
여기에 표시된 것과 같은 적층 코어는 거의 모든 저주파 변압기에서 표준입니다. 변압기를 반으로 자른 사진에서 철심이 단단한 조각 하나가 아닌 여러 개의 얇은 시트로 구성되었다는 것을 기억하세요.
와전류 손실은 주파수에 따라 증가하므로, 많은 군사 및 항공기 분야에서 사용되는 400Hz와 같은 고주파 전력에서 작동하도록 설계된 변압기는 손실을 적정 수준으로 낮추기 위해 더 얇은 적층을 사용해야 합니다.
이는 변압기의 제조 비용을 증가시키는 바람직하지 않은 영향을 미칩니다.
고주파 응용분야에 더 적합한 와전류 손실을 최소화하는 또 다른 유사한 기술은 얇은 철판 대신 철가루로 코어를 만드는 것입니다.
적층 시트와 마찬가지로, 이러한 철 과립은 전기 절연 재료로 개별적으로 코팅되어 있어 각 과립의 너비를 제외하고는 코어가 비전도성이 됩니다. 분말 철 코어는 종종 무선 주파수 전류를 처리하는 변압기에서 발견됩니다.
자기 히스테리시스
또 다른 "코어 손실"은 자기 히스테리시스 입니다 . 모든 강자성 물질은 외부 자기장에 노출된 후에도 어느 정도의 자화를 유지하는 경향이 있습니다.
자화 상태를 유지하려는 이러한 경향을 "히스테리시스"라고 하며, 1차 권선에서 생성된 자기장이 극성을 바꿀 때마다(AC 사이클당 2회) 이러한 변화 반대를 극복하려면 일정한 에너지 투자가 필요합니다.
이러한 유형의 손실은 우수한 코어 재료 선택(얇은 B/H 히스테리시스 곡선으로 입증되는 낮은 히스테리시스를 갖는 코어 합금 선택) 및 최소 플럭스 밀도(큰 단면적)를 위한 코어 설계를 통해 완화할 수 있습니다.
고주파에서의 피부 효과
변압기 에너지 손실은 주파수가 증가함에 따라 악화되는 경향이 있습니다. 권선 도체 내의 스킨 효과는 전기 전하 흐름에 사용 가능한 단면적을 줄여 주파수가 높아질수록 유효 저항이 증가하고 저항성 소산을 통해 더 많은 전력 손실이 발생합니다.
자기 코어 손실은 또한 주파수가 높아지고, 와전류 및 히스테리시스 효과가 더 심해짐에 따라 과장됩니다. 이러한 이유로 상당한 크기의 변압기는 제한된 주파수 범위에서 효율적으로 작동하도록 설계됩니다.
라인 주파수가 매우 안정적인 대부분의 전력 분배 시스템에서는 과도한 주파수가 결코 문제가 되지 않을 것이라고 생각할 것입니다. 불행히도 비선형 부하에 의해 생성된 고조파의 형태로 문제가 됩니다.
이전 장에서 살펴본 것처럼 비정현파는 서로 다른 진폭과 주파수에서 여러 정현파 파형의 가산 시리즈와 동일합니다. 전력 시스템에서 이러한 다른 주파수는 기본(라인) 주파수의 정수 배수이므로 변압기의 설계 주파수보다 항상 높을 뿐 낮지 않습니다.
상당한 정도로, 이는 심각한 변압기 과열을 일으킬 수 있습니다. 전력 변압기는 특정 수준의 전력 시스템 고조파를 처리하도록 설계될 수 있으며, 이 기능은 때때로 "K 인자" 등급으로 표시됩니다.
부유 용량 및 인덕턴스
전력 정격과 전력 손실 외에도 변압기는 회로 설계자가 알아야 할 다른 바람직하지 않은 제한을 종종 품습니다. 더 간단한 대응물인 인덕터와 마찬가지로 변압기는 도체 사이의 절연 유전체로 인해 커패시턴스를 나타냅니다. 즉, 권선에서 권선으로, 권선에서 권선으로(단일 권선에서), 권선에서 코어로 커패시턴스를 나타냅니다.
변압기 공진 주파수
일반적으로 이러한 정전용량은 전력 애플리케이션에서는 문제가 되지 않지만, 소신호 애플리케이션(특히 고주파 애플리케이션)에서는 이러한 특성이 잘 적용되지 않을 수 있습니다.
또한 권선의 설계 인덕턴스와 함께 커패시턴스를 갖는 효과로 인해 변압기는 특정 주파수에서 공진할 수 있는 능력을 가지는데, 이는 적용되는 주파수가 이 지점에 도달할 수 있는 신호 애플리케이션에서 분명히 설계상의 문제가 됩니다(일반적으로 전력 변압기의 공진 주파수는 설계된 작동 AC 전원의 주파수를 훌쩍 넘습니다).
플럭스 봉쇄
플럭스 격리(변압기의 자속이 다른 장치를 방해할 정도로 빠져나가지 않도록 하고, 다른 장치의 자속이 변압기 코어로부터 차폐되도록 하는 것)는 인덕터와 변압기가 공유하는 또 다른 문제입니다.
누설 인덕턴스
플럭스 억제 문제와 밀접한 관련이 있는 것은 누설 인덕턴스입니다. 이 장의 초반에 SPICE 시뮬레이션을 통해 누설 인덕턴스가 전압 조절에 미치는 부정적인 영향을 이미 살펴보았습니다. 누설 인덕턴스는 변압기 권선과 직렬로 연결된 인덕턴스와 동일하기 때문에 부하와 직렬 임피던스로 나타납니다.
따라서 부하가 더 많은 전류를 끌어낼수록 2차 권선 단자에서 사용 가능한 전압이 줄어듭니다. 일반적으로 변압기 설계에서는 양호한 전압 조절이 필요하지만 예외적인 응용 분야도 있습니다.
앞서 언급했듯이 방전 조명 회로는 램프를 통한 아크가 형성된 후 감소된 전압을 보장하기 위해 "느슨한"(불량한) 전압 조절을 갖춘 승압 변압기가 필요합니다. 이 설계 기준을 충족하는 한 가지 방법은 자속이 2차 권선을 우회할 수 있도록 자속 누설 경로로 변압기를 설계하는 것입니다.
그로 인해 발생하는 누설 플럭스는 누설 인덕턴스를 생성하고, 이로 인해 방전 조명에 필요한 조절이 제대로 이루어지지 않게 됩니다.
코어 포화도
변압기는 또한 코어의 자속 제한에 의해 성능이 제한됩니다. 강자성 코어 변압기의 경우 코어의 포화 한계를 염두에 두어야 합니다.
강자성 재료는 무한한 자속 밀도를 지탱할 수 없다는 점을 기억하세요. 강자성 재료는 특정 수준(재료 및 코어 치수에 의해 결정됨)에서 "포화"되는 경향이 있습니다. 즉, 자기장 힘(mmf)이 더 증가하더라도 자기장 플럭스(Φ)가 비례적으로 증가하지 않습니다.
변압기의 1차 권선이 과도한 인가 전압으로 인해 과부하되면 코어 플럭스가 AC 사인파 사이클의 피크 순간 동안 포화 수준에 도달할 수 있습니다. 이런 경우 2차 권선에 유도된 전압은 더 이상 1차 코일에 전력을 공급하는 전압의 파형과 일치하지 않습니다.
다시 말해, 과부하된 변압기는 1차 권선에서 2차 권선으로 파형을 왜곡하여 2차 권선 출력에 고조파를 생성합니다. 앞서 논의했듯이 AC 전원 시스템 의 고조파 함량은 일반적으로 문제를 일으킵니다.
피킹 트랜스포머
피킹 변압기 라고 알려진 특수 변압기는 이 원리를 이용하여 소스 전압 파형의 피크 근처에서 짧은 전압 펄스를 생성합니다. 코어는 피크보다 훨씬 낮은 전압 레벨에서 빠르고 급격하게 포화되도록 설계되었습니다.
이로 인해 사인파 플럭스 파형이 심하게 잘리고 플럭스가 변경될 때(포화 수준 아래)에만 2차 전압 펄스가 발생합니다.
피킹 변압기의 전압 및 플럭스 파형.
정상보다 낮은 주파수에서의 작동
비정상적인 변압기 코어 포화의 또 다른 원인은 정상보다 낮은 주파수에서 작동하는 것입니다. 예를 들어, 60Hz에서 작동하도록 설계된 전력 변압기가 대신 50Hz에서 작동하도록 강제되는 경우, 플럭스는 소스 전압과 균형을 맞추는 데 필요한 동일한 반대 전압을 생성하기 위해 이전보다 더 큰 피크 수준에 도달해야 합니다.
소스 전압이 이전과 동일한 경우에도 마찬가지입니다.
동일한 전압일 경우 60Hz로 구동되는 변압기 코어보다 50Hz로 구동되는 변압기 코어에서 자속이 더 높습니다.
변압기 에서 순간 권선 전압은 순간 자속의 변화율 에 비례하므로 , 동일한 피크 값에 도달하지만 각 반주기를 완료하는 데 더 오랜 시간이 걸리는 전압 파형은 자속이 이전과 동일한 변화율을 유지해야 하지만 더 긴 시간 동안 유지되어야 합니다.
따라서 플럭스가 이전과 같은 속도로 더 오랜 시간 동안 상승해야 하는 경우 더 큰 피크 값으로 상승하게 됩니다.
수학적으로, 이것은 미적분이 실제로 작용하는 또 다른 예입니다. 전압은 플럭스의 변화율에 비례하기 때문에, 우리는 전압 파형이 플럭스 파형의 미분 이라고 말합니다 . "미분"은 한 수학적 함수(파형)를 다른 함수의 변화율에 따라 정의하는 미적분 연산입니다.
그러나 반대 관점을 취하고 원래 파형을 미분과 연관시키면 원래 파형을 미분 파형의 적분이라고 부를 수 있습니다 . 이 경우 전압 파형은 플럭스 파형의 미분이고 플럭스 파형은 전압 파형의 적분입니다.
모든 수학적 함수의 적분은 해당 함수의 곡선 아래에 누적된 면적에 비례합니다. 50Hz 파형의 각 반주기는 60Hz 파형보다 그래프의 0선과 그 사이에 더 많은 면적을 누적하기 때문에(그리고 자속은 전압의 적분임을 알고 있습니다) 자속은 아래 그림에서 더 높은 값을 얻습니다.
동일한 비율로 변화하는 플럭스는 60Hz보다 50Hz에서 더 높은 수준으로 상승합니다.
변압기 포화의 또 다른 원인은 1차 권선에 DC 전류가 존재하는 것입니다. 변압기의 1차 권선에 DC 전압이 떨어지면 코어에 추가 자속이 발생합니다. 이 추가 자속 "바이어스" 또는 "오프셋"은 교류 자속 파형을 한 반주기에서 다른 반주기보다 포화에 더 가깝게 밀어냅니다.
1차측의 DC는 파형 피크를 상부 포화 한계 방향으로 이동시킵니다.
대부분의 변압기에서 코어 포화는 매우 바람직하지 않은 효과이지만, 좋은 설계를 통해 이를 방지할 수 있습니다. 즉, 권선과 코어를 설계하여 자속 밀도가 포화 수준보다 훨씬 낮게 유지되도록 하는 것입니다.
이를 통해 mmf와 Φ 사이의 관계가 플럭스 사이클 전체에 걸쳐 보다 선형적이 되며, 자화 전류 파형의 왜곡이 줄어들기 때문에 좋습니다.
또한, 낮은 플럭스 밀도에 맞춰 코어를 설계하면 정상 플럭스 피크와 코어 포화 한계 사이에 안전한 여유가 생겨 주파수 변화나 DC 오프셋과 같은 가끔씩 발생하는 비정상적 조건을 수용할 수 있습니다.
유입 전류
변압기가 처음에 AC 전압원에 연결되면 돌입 전류 라고 하는 1차 권선을 통한 상당한 전류 서지가 발생할 수 있습니다 . 이는 전원에 갑자기 연결되어 시동되는 전기 모터에서 나타나는 돌입 전류와 유사하지만 변압기 돌입은 다른 현상으로 인해 발생합니다.
우리는 변압기 코어의 순간 플럭스 변화율이 1차 권선의 순간 전압 강하에 비례한다는 것을 알고 있습니다. 또는 앞서 언급했듯이 전압 파형은 플럭스 파형의 미분이며, 플럭스 파형은 전압 파형의 적분입니다.
연속적으로 작동하는 변압기에서 이 두 파형은 90° 위상이 변합니다. 플럭스(Φ)는 코어의 자기기동력(mmf)에 비례하고 mmf는 권선 전류에 비례하므로 전류 파형은 플럭스 파형과 동상이 되고 둘 다 전압 파형보다 90° 뒤떨어집니다.
연속 정상상태 작동: 자속은 전류와 마찬가지로 인가 전압보다 90° 지연됩니다.
변압기의 1차 권선이 순간 전압이 양의 피크 값에 도달하는 정확한 순간에 갑자기 교류 전압원에 연결되었다고 가정해 보겠습니다.
변압기가 이 적용된 소스 전압과 균형을 이루기 위해 반대 전압 강하를 생성하려면 빠르게 증가하는 값의 자속을 생성해야 합니다. 그 결과 권선 전류가 빠르게 증가하지만 실제로는 정상 조건보다 더 빠르지 않습니다.
변압기를 AC 전압 피크에서 회선에 연결합니다. 플럭스는 정상 상태 작동과 마찬가지로 0에서 빠르게 증가합니다.
코어 플럭스와 코일 전류는 모두 0에서 시작하여 연속 작동 중에 경험하는 동일한 피크 값까지 올라갑니다. 따라서 이 시나리오에서는 "서지"나 "인러시" 또는 전류가 없습니다.
또는 변압기가 교류 전압원에 연결되는 순간 순간 전압이 0이 되는 순간이 언제인지 생각해 보겠습니다.
연속 작동(변압기에 오랜 시간 전원이 공급된 경우) 중 이는 플럭스와 권선 전류가 모두 음의 피크에 도달하여 변화율이 0이 되는 시점(dΦ/dt = 0 및 di/dt = 0)입니다.
전압이 양의 피크로 증가함에 따라 플럭스와 전류 파형은 최대 양의 변화율로 증가하며 전압이 0으로 감소함에 따라 양의 피크로 증가합니다.
e=0V에서 시작하는 것은 위의 그림에서 연속적으로 실행하는 것과 다릅니다. 이러한 예상 파형은 잘못되었습니다. Φ와 I는 0에서 시작해야 합니다.
그러나 연속 모드 동작과 이 시나리오에서 가정하는 갑작스러운 시작 조건 사이에는 상당한 차이가 있습니다. 연속 동작 중 전압이 0점일 때 자속과 전류 레벨은 음의 피크에 있었습니다. 그러나 유휴 상태였던 변압기에서는 자속과 권선 전류가 모두 0 에서 시작해야 합니다 .
자속이 전압 상승에 따라 증가하면 자속은 0에서 위쪽으로 증가하는데, 잠시 동안 전원이 공급된 변압기에서 일반적으로 나타나는 음의(자화된) 상태에서 증가하는 것이 아닙니다.
따라서 방금 "시작"한 변압기에서 플럭스는 전압 파형의 첫 번째 반주기 아래의 영역을 "통합"함에 따라 정상 피크 크기의 약 2배에 도달합니다.
e=0V에서 시작하는 Φ는 초기 조건 Φ=0에서 시작하여 정상 값의 두 배까지 증가합니다. 이때 핵심을 포화시키지 않는다고 가정합니다.
이상적인 변압기에서는 자화 전류가 일반적인 피크 값의 약 2배까지 상승하여 일반보다 높은 플럭스를 생성하는 데 필요한 mmf를 생성합니다.
그러나 대부분의 변압기는 정상 플럭스 피크와 포화 한계 사이에 충분한 여유를 두어 설계되지 않아 이와 같은 조건에서 포화되는 것을 피할 수 없으므로 코어는 전압의 첫 번째 반주기 동안 거의 확실히 포화됩니다.
포화 중에 자속을 생성하기 위해 불균형한 양의 mmf가 필요합니다. 즉, 코어에서 자속을 발생시키는 mmf를 생성하는 권선 전류가 정상 피크의 두 배를 쉽게 초과하는 값으로 불균형하게 상승합니다.
e=0V에서 시작하면 전류는 불포화 코어의 경우 정상 값의 두 배로 증가하거나 포화된(설계된) 경우에는 상당히 높아집니다.
이것은 AC 전압 소스에 연결될 때 변압기의 1차 권선에 돌입 전류를 발생시키는 메커니즘입니다. 보시다시피 돌입 전류의 크기는 소스에 전기적으로 연결된 정확한 시간에 크게 좌우됩니다.
변압기가 소스에 연결되는 순간에 코어에 잔류 자기가 있는 경우 돌입이 훨씬 더 심각할 수 있습니다. 이 때문에 변압기 과전류 보호 장치는 일반적으로 "느리게 작동하는" 종류이므로 회로를 열지 않고도 이와 같은 전류 서지를 견딜 수 있습니다.
열과 소음
원치 않는 전기적 효과 외에도 변압기는 바람직하지 않은 물리적 효과를 보일 수 있으며, 가장 주목할 만한 것은 열과 소음의 생성입니다. 소음은 주로 귀찮은 효과이지만, 열은 과열되면 권선 절연이 손상되기 때문에 잠재적으로 심각한 문제입니다.
좋은 설계를 통해 열을 최소화할 수 있으며, 코어가 포화 수준에 접근하지 않고, 와전류가 최소화되며, 권선이 과부하되지 않고 최대 전류용량에 너무 가깝게 작동하지 않도록 합니다.
대형 전력 변압기는 열을 전달하고 소음을 줄이기 위해 코어와 권선을 오일 욕조에 담그고, 권선의 절연성을 손상시킬 수 있는 습기를 대체합니다.
변압기 케이스 외부의 방열 "라디에이터" 튜브는 변압기 코어에서 주변 공기로 열을 전달하는 대류 오일 흐름 경로를 제공합니다.
대형 전력 변압기는 열을 발산하는 절연유에 잠겨 있습니다.
오일리스 또는 "건식" 변압기는 종종 문자 등급 시스템인 A, B, F 또는 H에 따라 최대 작동 온도 "상승"(주변 온도를 초과하는 온도 상승) 측면에서 평가됩니다. 이러한 문자 코드는 가장 낮은 내열성에서 가장 높은 내열성 순으로 정렬됩니다.
- A등급: 주변 기온이 최대 40°C일 때 권선 온도 상승이 55°C 이하입니다.
- B등급: 주변 기온이 최대 40°C일 때 권선 온도 상승이 80°C 이하입니다.
- F 등급: 주변 기온이 최대 40°C일 때 권선 온도 상승이 115°C를 넘지 않아야 합니다.
- H 등급: 주변 기온이 최대 40°C일 때 권선 온도 상승이 150°C를 넘지 않아야 합니다.
가청 소음은 주로 자기변형 현상에서 비롯되는 효과입니다 . 자기변형이란 강자성 물체가 자화될 때 길이가 약간 변하는 현상입니다.
대형 전력 변압기 주변에서 들리는 익숙한 "웅웅거림"은 120Hz(미국에서 시스템 주파수인 60Hz의 두 배)로 철심이 팽창하고 수축하는 소리입니다. 자기 플럭스 파형의 모든 피크에 대해 철심이 수축하고 팽창하는 주기가 한 번 반복됩니다. 여기에 1차 권선과 2차 권선 사이의 기계적 힘에 의해 발생하는 소음이 추가됩니다.
다시 말해, 코어에서 낮은 자속 레벨을 유지하는 것이 이 효과를 최소화하는 핵심이며, 이는 전류 파형의 대부분에서 포화 상태로 작동해야 하는 철공진 변압기가 뜨겁고 노이즈가 많은 이유를 설명합니다.
권선 자기력에 의한 손실
전력 변압기에서 소음을 발생시키는 또 다른 현상은 과부하 시 1차 권선과 2차 권선 사이에 발생하는 물리적 반응력입니다.
2차 권선이 개방 회로인 경우, 이를 통과하는 전류가 없고, 결과적으로 이를 통해 생성되는 자기기동력(mmf)도 없습니다. 그러나 2차 권선이 "부하" 상태(현재 부하에 공급됨)일 때 권선은 mmf를 생성하고, 이는 1차 권선의 "반사" mmf에 의해 상쇄되어 코어 플럭스 레벨이 변경되는 것을 방지합니다.
2차(부하) 전류로 인해 1차 권선과 2차 권선 사이에 발생하는 이러한 반대되는 mmf는 권선 사이에 반발하는 물리적 힘을 생성하여 권선을 진동시키려는 경향이 있습니다.
변압기 설계자는 권선 코일을 구성할 때 이러한 물리적 힘을 고려하여 응력을 처리할 수 있는 적절한 기계적 지지대가 있는지 확인해야 합니다. 그러나 무거운 부하(고전류) 조건에서는 이러한 응력이 변압기에서 들리는 소음을 발생시킬 만큼 충분히 클 수 있습니다.
검토:
- 전력 변압기는 1차 권선에서 2차 권선으로 전송할 수 있는 전력량이 제한되어 있습니다. 대형 장치는 일반적으로 VA(볼트 암페어) 또는 kVA(킬로 볼트 암페어)로 정격화됩니다.
- 변압기 권선의 저항은 전류가 열을 발산하여 에너지를 낭비하므로 비효율적입니다.
- 변압기의 철심에서의 자기 효과도 비효율성에 기여합니다. 이러한 효과에는 와전류 (철심에서의 순환 유도 전류)와 히스테리시스 (철이 특정 방향으로 자화되는 경향을 극복하여 발생하는 전력 손실)가 있습니다.
- 주파수가 증가하면 전력 변압기 내에서 전력 손실이 증가합니다. 전력 시스템에 고조파가 존재하면 정상보다 상당히 높은 주파수의 원인이 되며, 이는 대형 변압기에서 과열을 일으킬 수 있습니다.
- 변압기와 인덕터는 모두 와이어 절연(유전체)이 권선 턴을 철심과 서로 분리하기 때문에 불가피한 양의 정전용량을 가지고 있습니다. 이 정전용량은 변압기에 자연 공진 주파수를 제공할 만큼 충분히 클 수 있으며 , 이는 신호 애플리케이션에서 문제가 될 수 있습니다.
- 누설 인덕턴스 는 변압기의 권선 사이에 자속이 100% 결합되지 않아서 발생합니다. 한 권선에서 다른 권선으로 에너지를 전달하는 데 관여하지 않는 모든 자속은 에너지를 저장하고 방출하는데, 이것이 (자체) 인덕턴스가 작동하는 방식입니다. 누설 인덕턴스는 변압기의 전압 조절을 악화시키는 경향이 있습니다(2차 전압은 주어진 부하 전류량에 대해 더 많이 "강하"합니다).
- 변압기 코어의 자기 포화는 과도한 1차 전압, 너무 낮은 주파수에서의 작동 및/또는 권선 중 하나에 DC 전류가 존재함으로써 발생할 수 있습니다. 포화는 보수적인 설계를 통해 최소화하거나 피할 수 있으며, 이는 피크 자속 밀도 값과 코어의 포화 한계 사이에 적절한 안전 여유를 제공합니다.
- 변압기는 처음에 AC 전압원에 연결될 때 상당한 돌입 전류를 경험하는 경우가 많습니다 . 돌입 전류는 순간적인 소스 전압이 0인 순간에 AC 소스에 연결될 때 가장 심각합니다.
- 소음은 변압기(특히 전력 변압기)에서 나타나는 일반적인 현상이며, 주로 코어의 자기 변형 으로 인해 발생합니다. 권선 진동을 유발하는 물리적 힘은 무거운(고전류) 2차 권선 부하 조건에서도 소음을 생성할 수 있습니다.