변압기는 전자기 유도에 의해 회로 간에 전기 에너지를 전달하는 데 사용되는 전기 공학에서 중요한 장치입니다. 전력 시스템에서 전압 변환, 임피던스 정합, 절연 및 효율적인 전력 전송을 촉진하는 데 중요한 역할을 합니다. 변압기의 원리와 응용을 이해하는 것은 전력 분야에서 일하는 엔지니어에게 필수적입니다.
변압기 원리:
변압기는 전자기 유도의 원리를 기반으로 합니다. 변압기는 자기적으로 결합된 권선으로 알려진 두 개 이상의 코일로 구성됩니다. 1차 권선은 입력 회로에 연결되고 2차 권선은 출력 회로에 연결됩니다. 교류(AC)가 1차 권선을 통해 흐르면 시변 자기장이 생성되어 2차 권선에 전압이 유도됩니다. 1차 권선과 2차 권선 사이의 전압비는 권선비에 의해 결정됩니다.
변압기의 주요 원칙은 다음과 같습니다.
패러데이의 법칙: 시변 자기장이 도체에 기전력(EMF)을 유도한다고 명시되어 있습니다.
암페어의 법칙: 전류가 흐르는 도체에 의해 생성된 자기장이 도체 주위에 폐루프를 형성한다고 명시되어 있습니다.
Lenz의 법칙: 회로의 유도 전류는 이를 생성하는 자속의 변화에 반대합니다.
변압기 구성:
트랜스포머는 래미네이트 실리콘 스틸과 같은 고 투과성 재료로 만들어진 코어로 구성되어 자속을 위한 낮은 저항 경로를 제공합니다. 권선은 일반적으로 코어 주위에 감긴 절연 구리 또는 알루미늄 도체로 만들어집니다. 코어와 권선은 히스테리시스, 맴돌이 전류 및 저항으로 인한 손실을 최소화하도록 설계되었습니다. 변압기는 전력 등급과 용도에 따라 전력 변압기와 배전 변압기의 두 가지 주요 유형으로 분류할 수 있습니다.
변압기 작동:
변압기 작동에는 다음 단계가 포함됩니다.
AC 전압이 1차 권선에 인가되면 시변 자기장이 생성됩니다.
자기장은 패러데이의 전자기 유도 법칙에 따라 2차 권선에 전압을 유도합니다.
2차 권선에 유도된 전압은 1차 권선과 2차 권선 사이의 권선비에 비례합니다.
변압기는 에너지 보존 원칙에 따라 작동하여 1차 권선의 전력이 2차 권선의 전력과 동일하도록 합니다(손실 무시).
변압기 유형 및 용도:
변압기는 전력 시스템 전반에 걸쳐 다양한 애플리케이션에 활용됩니다.
전력 변압기: 이 변압기는 발전소 및 변전소에서 효율적인 송전 및 배전을 위해 전압을 승압 또는 강압하는 데 사용됩니다. 일반적으로 33kV 이상의 높은 전력 수준과 전압 수준을 처리합니다.
배전 변압기: 배전 변압기는 강압 목적으로 사용되며 상업, 주거 및 산업용 애플리케이션에 필요한 낮은 전압 수준으로 높은 전압 수준을 줄입니다. 그들은 일반적으로 전신주, 건물 및 산업 현장에서 발견됩니다.
계기용 변압기: 이 변압기는 측정 및 보호 목적으로 사용됩니다. 변류기(CT)는 계량 및 계전기를 위해 고전류를 비례하고 관리 가능한 값으로 낮춥니다. 전압 변압기(VT)는 고전압을 안전하고 측정 가능한 수준으로 낮춥니다.
자동 변압기: 자동 변압기에는 1차 및 2차 권선 역할을 하는 단일 권선이 있습니다. 일반적으로 전압 변동이 작거나 특정 전압 레벨을 탭해야 할 때 전압 조정에 사용됩니다.
절연 변압기: 절연 변압기는 입력 회로와 출력 회로 사이에 전기적 절연을 제공합니다. 민감한 장비를 보호하고 안전 절연을 제공하며 접지 루프 문제를 제거하는 데 사용됩니다.
변압기 효율 및 손실:
변압기는 고효율로 설계되어 손실을 최소화하고 전력 전송을 최대화합니다. 그러나 변압기에는 다음과 같은 여러 유형의 손실이 발생합니다.
코어 손실: 코어 손실은 코어 재료의 히스테리시스 및 와전류로 인해 발생합니다. 이러한 손실을 줄이기 위해 라미네이트 코어 및 특수 코어 재료가 사용됩니다.
구리 손실: 구리 손실은 권선의 저항으로 인해 발생합니다. 도체 크기를 늘리고 권선 저항을 줄이면 이러한 손실이 최소화됩니다.
표유 손실: 표유 손실은 권선 및 기타 인근 전도성 구성 요소의 누설 자속 및 맴돌이 전류로 인해 발생합니다. 적절한 설계 및 절연 기술은 표유 손실을 줄이는 데 도움이 됩니다.
변압기 보호 및 모니터링:
변압기는 결함, 과부하 및 비정상적인 작동 조건에 대한 보호가 필요합니다. 일반적인 보호 조치는 다음과 같습니다.
Buchholz 계전기: 내부 오류 및 오일 충전 변압기의 가스 축적을 감지합니다.
Differential Protection: 변압기 권선에 들어오고 나가는 전류를 비교하여 내부 결함을 감지합니다.
과전류 보호: 고장 또는 과부하 시 과도한 전류 흐름을 방지합니다.
온도 모니터링: 변압기에는 권선 및 오일 온도를 모니터링하고 제어하는 온도 센서가 장착되어 있습니다.
변압기 효율 표준:
EER(Energy Efficiency Ratio) 및 MEPS(Minimum Energy Performance Standard)와 같은 효율 표준은 에너지 효율적인 변압기의 사용을 촉진하기 위해 마련되었습니다. 이러한 표준은 변압기의 최소 효율 수준을 설정하여 에너지 절약 설계의 채택을 장려하고 에너지 소비를 줄입니다.
요약하면 변압기는 효율적인 전력 전송, 전압 변환 및 절연을 가능하게 하는 전력 시스템의 중요한 장치입니다. 변압기의 원리, 유형, 구성, 작동, 효율성 및 보호 측면을 이해하는 것은 발전, 송전, 배전 및 다양한 전기 응용 분야와 관련된 엔지니어에게 필수적입니다.