[용어] 변압기, transformer (autotransformer)

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*2010.10.20 Autotransformer 의미를 찾다가..

*2010.10.20 변압기 관련 스크랩 (네이버 블로그)

P3.4.5 변압기 전압,전류 실험  Electricity / Leybold 

2010/06/28 18:22

http://leybold1850.blog.me/70088821683

첨부파일 (6)

P 3.4.5.1 변압기의 전압, 전류 변환 실험

Transformer experiment

1. 실험 목표

n  1,2차 코일 사이의 다양한 권선비(코일을 감은 비율)에 대하여 1차 전압에 따른 무부하   

   변압기의 2차 전압의 변화를 측정한다.

n  1,2차코일 사이의 다양한 권선비에 대하여 1차 전류에 따른 단락회로에서 변압기의 2차

   전류의 변화를 측정한다.

n  절연 변압기(isolating transformer)와 단권변압기(autotransformer)를 테스트한다.  

2. 원리

 변압기는 일반적으로 두 개의 코일로 구성되며, 코일은 철심에 유도적으로 결합된다. 변압기는 교류전압의 크기를 변환하며, 변환에 따라, 전압 주파수가 바뀌진 않는다. 입력라인은 1차 코일에 연결하며, 출력라인은 2차 코일에 연결한다. 1차 코일의 교류전류는 강자성체의 코어 주위를 흐르는 교류자속(alternating magnetic flux)을 유도한다. 코어(철심)를 감싸는  교류자속은 2차 코일에 교류전류를 유도한다. 변압기의 구조에 관계없이, 이상적인 무부하 변압기의 전압 변환은 각각의 권선수의 비율에 따라 결정된다. (비례)

             (I₂ = 0 일 때)                            (I)

             U₁ : 1차 코일의 전압

             U₂ : 2차 코일의 전압

             N₁ : 1차 코일의 감은 횟수(권선수)

             N₂ : 2차 코일의 감은 횟수(권선수)

 단락회로에서 이상적인 변압기의 전류 변환은 권선비에 반비례한다.

               (U₂ = 0 일 때)                            (II)

             I₁ : 1차 코일의 전류

             I₂ : 2차 코일의 전류

 이와 반대로, 부하가 있는 변압기의 속성은 변압기 구조에 따라 달라진다. 실험 p3.4.5.2에서 다양한 변압기의 구조에 따른 2차 전압의 변화를 알아본다.

---------중략---------

7. 결과 및 분석

a) 전압 변환 (secondary-side without load)

- 표 1과 그림 5로부터, 입력전압은 출력전압이 비례하는 것을 알 수 있다. (U₁ ~ U₂)

- 무부하 변압기의 1차 전압과 2차 전압 사이의 비는 1차 코일과 2차 코일 사이의

권선수의 비와 같다. ( )

N₁ = N₂ 이면, 1차 전압과 2차 전압이 동일하다.

문의: 한맥전자(주)02-467-7447, 첨부된 변압기 실험 메뉴얼 참조하세요

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*2010.10.20  변압기 개요  ( 출처 다음카페: 중앙소방안전학원 )

1. 변압기[變壓器, transformer] 개요

1.1 변압기란?
변압기는 전자유도작용에 의하여 한편의 권선에 공급한 교류 전기를 다른 편의 권선에 동일 주파수의 교류 전기의 전압으로 변환시켜 주는 역할을 한다.

1.2 변압기의 원리

변압기는 1차측에서 유입한 교류전력을 받아 전자유도작용에 의해서 전압 및 전류를 변성하여 2차측에 공급하는 기기로 그 원리는 다음과 같다. 1차권선에 주파수f의 전압 V1 을 인가하면 1차권선에 여자전류 I0가 흘러 철심중에 교번자속 Φ= V1 /4.44 fn1 이 생긴다. 이 교번자속에 의해서 2차권선에 유기전압 V2=4.44 fn2 Φ를 발생시킨다. V1 / V2= n1 / n2 로 되어, 1차 및 2차전압의 비는 권선의 비와 같게 된다. 이와 같이1차 및2차 권선비를 적당하게 선정함으로써 1차전압 V1 을 임의의 2차전압 V2 로 변경시킬 수가 있다. 다음으로 2차측에 부하를 연결하였을 때에 흐르는 전류를 I2 라고 하면 n2I2 라고 하는 기자력을 발생시킨다. 이 기자력을 상쇄해서 지우기 위하여는 1차측에 n1I1 = n2I2를 만족시키게 되는 전류 I1이 흐르게 된다. I1 / I2 = n2 / n1의 관계에서 1차 및 2차의 전류는 그의 권수에 반비례 한다. 이상과 같이 여자전류나 1차 및 2차 권선의 임피던스는 작은 것으로서 무시하면 V1 I1=V2I2 로 되어, 변압기는1차 측에서 유입한 전력을 변성해서 2차 측에 공급하는 역할을 한다.

2. 변압기의 분류 

2.1 변압기의 종류

변압기변압기의 종류에는 냉각 방식, 내부 구조, 상(phase) 수, 권선의 수, 절연, 용도에 따라 여러 가지가 있다.

2.1 상수에 의한 분류
- 단상
- 삼상 

2.2 권선 수에 의한 분류 
- 단권
- 2권선
- 다권선

2.3 탭 전환방식에 의한 분류
① 무 전압 탭 전환방식
변압기를 여자하지 않은 상태에서 탭을 변환하는 장치로서 정전 후 작업하여야 하므로 중요부하에는 적용이 곤란하다.
② 부하시 탭 전환방식
1)탭 변환기의 조건
탭 변환시 순간이라도 회로가 끊어지지 않아야 한다. 
탭 변환시 2개의 탭 사이가 단락되어서는 안된다.
(리액터 또는 저항기 등을 삽입하여 순환전류 억제) 
2)직접식
구조가 간단하고 다른 방식에 비해 손실이 적다. 
선로의 절연계급, 탭 전압, 전류에 대응한 변환기 필요. 
3)독립회로식
선로의 절연계급 전류에 관계없이 탭 변화기 사용. 
구조가 복잡하고 대형화된다. 
4)탭 권선 공용식
선로의 전류보다 저감된 전류의 탭 변환기 사용이 가능하다. 
선로의 절연계급에 대응한 변환기 필요하고 구조가 대형화된다.

2.4 절연방식에 의한 분류
① 유입 변압기
유입 변압기는  철심에 감은 코일을 절연류로 절연한 것으로, A종 절연(허용 최고온도 105 ℃) 변압기이다. 이 변압기는 가장 많이 사용되는 변압기로 값이 가장 싸다.
② 건식변압기
유입식 변압기와 달리 공기에 의해 냉각하는 공랭식이다. 유입식 변압기보다 안전성이 좋아 병원, 호텔, 극장, 학교 등의 실내에 설치한다.
③ 가스절연
④ 몰드 변압기
코일 주위에 전기적 특성이 큰 에폭시 수지를 고진공으로 침투시키고, 다시 그 주위를 기계적 강도가 큰 에폭시 수지로 몰딩한 변압기이다. 몰드 변압기는 건식 변압기에 비하여 소음이 적고, 유입 변압기에 비해서도 적고 가벼우므로 최근 많이 보급되고 있다. 그러나 유입 변압기에 비하여 값이 비싸다.

2.5 특수 변압기
특정한 목적에 사용하기 위하여 설계된 변압기.
① 단권 변압기
일반 변압기와는 달리 철심에 1차, 2차 권선을 직렬로 감아 공통 권선을 가지도록 설계된 변압기를 단권 변압기(autotransformer)라고 한다.     (a) 구조                      (b) 결선도

가) 원리
단권 변압기의 원리는 앞에서 배운 전력용 변압기와 비슷하고, 변압비도 같다. 즉, 와 같이 나타낼 때, a < 1 이면 승압(step up) 변압기로 사용된다. 그리고 a > 1 이면 강압(step down) 변압기로 사용된다. 
나) 용도
단권 변압기는 변압비의 크기가 적을수록 효율이 좋기 때문에 선로 전압을 10[%] 정도 올리는 승압기로 사용된다. 그리고 전동기를 기동할 때 공급 전압을 낮추어 기동 전류를 제한하는 기동 보상기로 사용된다. 또한 전압을 연속적으로 변화시키는 소용량의 슬라이닥스(slidacs)로 가장 많이 사용된다. 그림 4.30은 슬라이닥스의 외형이다.

② 누설 변압기
변압기 자기 회로의 일부에 공극(air gap)을 두어 자속을 누설시켜 부하가 변해도 일정한 전류를 유지시키는 변압기를 누설 변압기(High-impedance transformer)라 한다.
누설 변압기는 부하 전류가 증가하면 누설 자속이 증가하여 2차측 유도 기전력이 감소한다. 따라서 2차 전압이 급격히 감소하여 부하 전류를 일정하게 유지시키는 수하 특성을 가진다.
누설 변압기는 네온용 변압기, 방전용 변압기, 아크 용접기 등에 사용한다. 그림 
4.31은 누설 변압기가 들어 있는 아크 용접기의 외형을 나타낸다.

③ 계기용 변성기
교류 회로의 측정 계기나 계전기(relay)에 고전압이나 대전류를 직접 연결하는 것은 사용자의 안전 및 측정 계기에 좋지 않은 영향을 미칠 수 있다. 그러므로 고전압이나 대전류로부터 계기를 격리시킬 필요가 있는데 이 때 사용하는 것이 계기용 변성기(instrument transformer)이다. 계기용 변성기에는 계기용 변압기, 변류기, 계기용 변압 변류기가 있다.

3. 변압기 결선방식

변압기의 결선방식은 한전으로부터의 수전방식, 병렬운전방식, 접지방식 등과 부하의 종류에 따른 요구전압과  방식에 따라 결정된다. 수용가 입장에서 보면 변압기의 1차측 결선을 △로 하거나 Y로 하거나 간에 운용면에서 문제가 없지만, 한전의 입장에서는 수용가의 자체사고에 대한 부담능력이나 보호능력, 한전 개폐장치와의 보호협조, 수용가의 사고로 인한 한전 배전계통에 주는 영향, 타 수용가에 주는 피해정도가 문제되고, 변압기 제작사의 입장에서는 제작능력과 보증문제 및 한전의 요구사항 또는 법적 문제가 있다. 현재의 세계적인 추세는 전압이 100KV이상 또는 100KV미만이라도 용량이 적고 전류가 적은 권선의 경우에는 Y결선을 채용하는 것이 일반적이다. 또한, OLTC가 설치된 변압기의 경우 중성점측에 TAP 변환기를 배치하는 것이 유리하기 때문에 Y결선을 많이 채용한다. 변압기의 1,2차를 전부 Y결선 하여야 할 경우에는 고조파 문제, 유도문제 등이 발생하므로 변압기의 철심구조나 계통의 접지방식에 따라 3차권선을 △로 결선하여야 할 필요가 있다.

3.1 단상 변압기

3.2 삼상 변압기
삼상결선의 방식은 일반적으로는 성형(星形)이냐 삼각형이냐로 변압기의 고압측과 저압측의 조합은 4종류가 있으며 용량이나 용도에 따라 사용이 구분된다.

(1)Y결선, △결선

Y결선 : 변압기가 3대일 때 3상 전원을 도출하고자 할 때 쓴 결선 방법이며, 이때3상이 나오며 중성선에서는 N상이라 하여 한선이 도출되어 모두 3상 4선이 된다. 전압은 380V 또는 220V가 사용가능(우리나라기준)하고 변압기중 1대가 고장나면 V형 결선(일명 V결선)으로 교체사용 가능하나 효율이 80%로 떨어진다.
 
  ㉠ 장점
   ① 중성점을 접지할 수 있으므로 단절연 방식을 채택 할 수 있다.
   ② 고전압 결선에 적합하다
   ③ 순환전류가 흐르지 않는다.
   ④ 중성점 접지를 하여 이상전압을 저감 시킬 수 있다.

△결선 : 변압기가 3대가 있을 때 3상 전원을 얻기 위해 결선하는 방법이고 고전류(Y결선의 3배)의 전류가 필요한 모터등에 필요한 전력을 공급하는데 주목적이며 전원은 380V(우리나라기준) 3상만 출력되고 중성선인 N상이 없다.

(2) Y-Y 결선 : 변압기의 권선전압은 1차, 2차 모두 선간전압의 1/ 3이다. 이 결선은 제3고조파의 여자전류가 흐르지 않기 때문에 유도기전력에 제3고조파가 나타나 중성점 전위가 이동하여 상 전압의 파형이 흐트러지는 결점이 있다.
   ㉠ 장점
    ① 중성점을 접지할 수 있으므로 단일 절연 방식을 채택할 수 있다.
    ② 상전압이 선간 전압의 1/1.732 이  되어 절연이 용이하고 고전압의 결선에 적합하다.
   ㉡ 단점 
    ① 제 3고조파 여자 전류의 통로가 없으므로 유도기전력이 제3고조파를 함유하여 중성점을 접지하         면 통신에 유도 장해를 준다.
    ② 기전력 파형은 제3고조파를 포함한 왜형파가 된다.
    ③ 부하의 불평형에 의해 중성점 전위가 변동하여 3상 전압의 불평형을 일으키므로 이 결선은 사용         하지 않는다.

(3) Y-△ 결선 : 1차측의 중성점은 접지의 이점이 있다. 1차권선의 전압은 선간전압의 1/ 3이다.

(4) △-△ 결선 : 60[kV]이하의 송전선 및 고압 배전선로의 변압기에 사용된다.
  ㉠장점
   ① 제 3고조파 전류가 △결선 내를 순환하고, 외부에는 제 3고조파 전압이 나타나지 
      않는다. 따라서 유도장해 및 통신장해가 없다.
   ② 1상분이 고장나면 나머지 2대로 V 결선할 수 있다.
   ③ 각 변압기의 상전류가 선전류의  1/1.732 이 되어 대전류에 적당하다.
  ㉡단점 
   ① 중성점을 접지할 수 없으므로 지락 사고의 검출이 곤란하다
        (비접지 방식이므로 고장 전류 적음).
   ② 변압기가 다른 것을 결선하면 순환 전류가 흐른다.
   ③ 각 상의 권선 임피던스가 다르면 3상 부하가 평행되었어도 변압기의 부하 전류는 불평형이 된다.
(5) △-Y 결선 : 2차측의 중성점은 접지의 이점이 있다. 중성점 대 2차 단자간의 저전압도 이용할 수 있다. 단상변압기를 사용하여3상 결선하는 경우는3대로 △-△결선 하던지 2대로 V-V결선하면 된다.
  
   ㉠ 장점
    ① Y 결선의 중성점을 접지할 수 있다.
    ② 이 결선은 어느 한쪽이 △ 결선이므로 여자전류의 제 3고조파 통로가 있으므로 제 3 고조파의
       장해가 없다. 기전력의 파형이 왜형이 되지 않는다.
    ③ △-Y 결선은 송전단에, Y-△ 결선은 수전단에 사용하여 높은 전압을 Y 결선으로 함으로써 절연
      이 유리하다, 보통 송전계통에 사용된다.
   ㉡ 단점 
    ① 1차, 2차 선간전압 사이에 30도의 위상 변위가 있다.
    ② 1대에 고장이 생기면 전원 공급이 불가능하다.

(참고) V-V 결선 방식 
   ㉠ 장점 
    ① △ △ 결선에서 1대의 변압기 고장시 2대의 변압기를 3상으로 변성할 수 있다.
   ㉡ 단점 
    ① 이용률이  1.732/2 = 0.866 으로 떨어져서 3상 부하의 배의 변압기 설비용량을 필요로 한다.          또한 출력은 1.732/3 = 0.557 이 된다.
    ② 부하시 두 단자전압이 불평형하게 된다.

3.4 변압기 단자기호
① 2권선 변압기의 경우 1차권선 단자는 1차측에서 보하 본체 탱크케이스의 오른쪽으로부터 H1, H2, H3, H0로, 2차권선 단자는 2차측에서 보아 본체 탱크케이스의 왼쪽으로부터 X1, X2, X3, X0로 표시하여야 한다. 
② 3권선 변압기의 경우 1차권선 단자 및 2차권선의 단자는 a항에 따라서 표시하여야 하고, 3차권선 단자는 3차측에서 보아 본체 탱크케이스의 왼쪽으로부터 Y1, Y2, Y3, Y0으로 표시하여야 한다.

4. 변압기 병렬운전조건

4.1 3상변압기의 병렬운전 조건

① 각 변압기의 권수비가 같고 1,2차 전압이 같을 것. 
② 각 변압기의 임피던스 전압이 같고(임피던스가 낮은쪽의 변압기가 과부하가 된다. 단, 각 변압기간 임피던스 차가 10% 이내인 경우에는 무리가 없다) 저항과 리액턴스 비가 같을 것.
(참고) ▶표준으로 적용하고 있는 X/R 比 ◀
500KVA = 5 ,  1000KVA = 6 , 2000KVA = 7  3000KVA = 8 ,  6000KVA = 12.5 , 8000KVA = 14  10000KVA = 16 ,  15000KVA = 18.7 , 20000KVA = 22  
③ 3상의 경우 각 변위 및 상회전이 같을 것. 
④ 단상의 경우 극성이 같을 것. 
⑤ 각 변압기의 정격용량의 비가 3:1 이하일 것(제조업체 권장사항)

4.2 변압기 병렬운전시 문제점
① 계통에 %Z가 적어져 단락용량이 증대된다. 
② 전 부하 운전시 변압기 허용  과 부하율에 의한 변압기용량 증대로 손실증가. 
③ 차단기의 빈번한 동작에 의한 차단기 수명 단축(대수제어 등)

[출처] P3.4.5 변압기 전압,전류 실험|작성자 leybold1850